飞秒激光具有窄脉宽、宽光谱、高峰值功率等特点，是科学研究和工业加工的理想工具。光纤飞秒激光系统凭借着输出功率高、光束质量好、结构简单等优势迅速发展，然而受到光纤纤芯面积小和增益带宽有限的固有限制，很难直接输出高质量、窄脉宽的高能量脉冲。

利用啁啾脉冲放大技术虽然可以获得较高的单脉冲能量，但是由于其放大过程中不存在光谱展宽的过程，同时强烈的增益窄化作用还会导致输出脉冲宽度变宽，其输出的脉冲宽度往往在百飞秒量级。自相似放大技术通过控制放大过程中的非线性效应使其积累线性啁啾，能够在脉冲功率放大的同时实现脉冲光谱的展宽，支持高脉冲能量，且输出结果与入射脉冲的形状无关。另外，在脉冲放大过程中产生的线性啁啾能够通过光栅对进行压缩，为获得高功率、高能量的飞秒脉冲激光输出提供了条件。

与啁啾脉冲放大技术努力降低光纤中的非线性效应以保证脉冲的形状和光谱形状不被自相位调制影响而发生畸变不同，自相似放大技术就是要利用自相位调制的特性来展宽光谱。通过时间带宽积理论可知，光谱越宽对应的极限脉冲就越窄。但是，如果任意一个脉冲放任自相位调制展宽光谱，最终的结果一定是出现脉冲畸变、产生裙底、信噪比降低等问题。

对自相似脉冲放大理论研究表明，在不考虑光纤吸收损耗和高阶色散的情况下，脉冲在没有长度限制的正色散增益光纤中传输及放大时，非线性薛定愕方程就能够求出带有线性啁啾的自相似渐近解，其包络形状最终会演化成抛物线型。由于自相位调制积累的非线性相位是与脉冲相同形状的函数，因此对于抛物线型脉冲，不论自相位调制如何积累，其对应的啁啾都是常数，这就将非线性啁啾变成了线性啁啾，那么这样积累出来的非线性相位就也能像线性啁啾那样利用具有线性啁啾的脉冲压缩器对其进行压缩。

这无疑为光纤放大系统的压缩过程提供了新的方式，为得到高功率、无啁啾的超短脉冲激光提供了新的可能。和啁啾脉冲放大不同，在自相似脉冲放大系统中，光谱在自相位调制的作用下跟时域脉冲一起被展宽，根据时间带宽积，就容易实现脉冲压缩后的脉宽比种子脉宽更窄。在放大器的参数固定不变时，自相似放大只与入射脉冲的初始能量有关，不受入射脉冲形状、宽度等参数的影响。

图1 (a)脉冲在时域传输时的波形

(b)脉冲在频域传输时的波形

随着奥创光子不断攻坚克难，已成功掌握了1030 nm波段自相似放大技术。使用奥创光子自制的SESAM锁模光纤激光振荡器作为种子源，通过增益控制和色散管理的结合，实现了全光纤结构的自相似放大器。色散补偿后的脉冲自相关曲线如图2所示，此时的脉冲宽度接近变换极限。较窄的脉冲宽度有利于在增益过程中获得较高的峰值功率，并由此更好地利用自相位调制效应实现光谱展宽。色散补偿后的脉冲进入自相似放大阶段，放大后脉冲光谱的包络呈显著的抛物线型，光谱中心波长位于1030 nm附近，没有发生明显的偏移，光谱带宽大于20 nm，且自主可控（如图3）。对应的自相关曲线表明，时域脉冲已经同样演化为抛物线型（如图4）。此时，脉冲能够被轻易压缩至小于100 fs。

图2 色散补偿后的自相关图像

图3 自相似放大后光谱形状

图4 自相似放大后自相关图像

奥创光子掌握的自相似放大技术具有诸多应用优势。首先，为下一级功率放大和能量放大提供稳定、高线性啁啾度、高功率的种子源。目前，奥创光子通过将自相似放大技术与啁啾脉冲放大技术结合，实现了单脉冲能量大于100 uJ、脉冲宽度小于170 fs的高能飞秒脉冲激光器（如图5）。其次，为非线性脉冲压缩技术提供高能量的抛物线形脉冲，提高展宽光谱的线性啁啾度，为输出高质量的单周期飞秒激光脉冲带来了新机遇。最后，自相似放大输出的线性啁啾抛物线脉冲还在高相干度超连续谱产生、任意脉冲时域形状合成和光学信息处理等领域具有重要的应用价值。

图5 单脉冲能量大于100 uJ时对应的自相关图像

奥创光子自2018年创立以来，公司已申请140余项专利，已掌握了高能高功率飞秒脉冲放大技术、啁啾体布拉格光栅色散补偿技术、波长转换等关键核心技术，结合自主设计制造的超快种子源、温度调谐式啁啾光 纤光栅等核心器件已成功推出系列化飞秒激光器产品，并在国内率先实现工业领域批量出货，打破了该领域被国外产品长期垄断的局面。目前奥创光子不断迎合当前市场对于航天航空，新能源锂电，电子消费等高端精密行业的发展节奏壮大自身，不断为先进制造产业转型升级夯实基础，促进发展。

来源：奥创光子