随着科技的进步，飞秒激光在工业加工领域，科学研究，生物医学等领域应用越来越广泛。而与传统的固体激光器相比，光纤作为增益介质，有散热性能好，环境稳定性高，光束质量好，输出灵活等优势。光纤器件的集成化程度高也有利于工业大规模应用，因此光纤飞秒激光器也得到了越来越广泛的关注。

锁模振荡腔通常可以得到pJ-nJ级别能量的飞秒脉冲，如果直接对脉冲进行放大，高峰值功率引入的强烈的非线性效应会导致脉冲畸变，甚至可能对光纤造成损伤。为此为了获得高能量高质量的飞秒脉冲，人们提出了多种光纤飞秒放大技术，诸如啁啾脉冲放大（CPA）技术，非线性放大技术等等。

CPA技术最早由法国物理学家Mourou和加拿大物理学家Strickland共同发明，也让他们荣获了2018年的诺贝尔物理学奖。

它的基本原理是：先在时域上展宽飞秒脉冲通常到皮秒甚至纳秒量级，来降低脉冲的峰值功率；然后再对展宽后的脉冲进行放大，这样在放大到同样峰值功率时，由于脉宽的展宽，能得到的单脉冲能量就更大，最后时域压缩脉冲，就可以获得更高峰值功率的脉冲。

但是脉冲在微米量级的光纤纤芯中传输，不可避免的会受到非线性效应的影响。非线性效应主要包括自相位调制（SPM），自陡峭，受激拉曼散射以及自聚焦等。

光纤的非线性系数可以描述为

ω₀为中心角频率，Aeff为有效模场面积，n2为光纤的非线性折射率系数，c为光速。

在脉冲放大过程SPM最先出现，对于大部分脉冲来说，SPM效应会带来无法补偿的非线性相移，最终导致去啁啾后脉冲出现基底。为了定量的描述整个系统引入的非线性系数，引入了参量B积分，定义为

公式中，L为传输距离，I为光强。

B积分描述了脉冲在整个系统中的SPM效应积累的非线性相移量。当B积分小于π时，一般认为非线性相移可以忽略，大于π时，非线性效应导致的脉冲质量的降低一般不能忽略。

为了减小放大系统里非线性相移，一种途径是把脉冲展的更宽降低峰值功率，一种是增加光纤的模场面积。

B积分描述了脉冲在整个系统中的SPM效应积累的非线性相移量。当B积分小于π时，一般认为非线性相移可以忽略，大于π时，非线性效应导致的脉冲质量的降低一般不能忽略。

为了减小放大系统里非线性相移，一种途径是把脉冲展的更宽降低峰值功率，一种是增加光纤的模场面积。

传统的CPA技术使用光栅对-光栅对，光纤-光栅对，作为展宽器和压缩器。近些年展宽器出现了啁啾光纤光栅，啁啾体布拉格光栅，压缩器出现了啁啾体布拉格光栅和空心光子带隙光纤等。

各类展宽器和压缩器都有自己的优点和缺点。光栅对作为展宽器会引入空间结构，不利于全光纤集成，并且体积大。光纤和光栅对的三阶色散无法匹配。

空芯光子带隙光纤，可以利用其波导色散代替传统的压缩器实现真正的全光纤结构，但是光纤长度很难精确控制，和普通光纤的熔接也是一个问题。目前啁啾体布拉格光栅最多只能展宽/压缩500ps的脉冲宽度。

目前最常用的结构是啁啾光纤光栅作为展宽器，啁啾体布拉格光栅或者光栅对作为压缩器。但是正如上段所述目前啁啾体布拉格光栅最多只能展宽/压缩500ps的脉冲宽度，光栅对的尺寸和整体压缩光路的尺寸会随色散量的增加越来越庞大。这些都限制了脉冲展宽量。

展宽和压缩的色散补偿要精确，飞秒种子脉冲在展宽和放大后如果压缩时色散补偿不好，会导致脉冲变宽。啁啾光纤光栅可以通过温度调谐和应力的方式精细管理色散，多用于飞秒激光器中，如Teraxion已经有成熟的商业产品。

而基于多光子脉冲内干涉相位扫描 (MIIPS)，再通过液晶调制器进行相位调制的技术，以及声光可编程色散滤波器（AOPDF, Acousto-opto Programmable Dispersive Filter，或者更常见的名称Dazzler）等，也可以对脉冲进行精细的色散管理。

SPM引入的TOD近似为：
 

Ф_SPM为SPM的峰值，ω为频率，S(ω)为归一化光谱强度，此时脉冲具有三次方的非线性相位延迟，所以这种脉冲被称为立方子(cubicon)。

图表4 L.Shah等人实验光路图

脉冲在光纤中的演化过程由自相位调制、 色散及增益共同决定。如果在种子光被放大前，预先引入一定量的负啁啾, 那么脉冲在放大过程中， 自相位调制和色散共同作用， 光谱会被更大程度地展宽，这种放大技术称作预啁啾管理。非线性放大技术(PreＧChirp Managed Amplification, PCMA) 。可以通过计算最优的预啁啾量, 获得最佳质量的压缩脉冲。

图表5 预啁啾管理实验光路图

当脉冲经历非线性光谱展宽时，吸收和放大会主动重塑脉冲和增益谱本身。基于此，人们提出了增益管理非线性放大（Gain-Managed Nonlinear Amplifier）技术。

在Gain-Managed Nonlinear Amplifier放大系统中，非线性造成的光谱变宽被强大的、纵向演化的增益整形所平衡。与增益被认为是静态的传统的超快放大器相比，在GMN系统中，增益光谱的演变起着重要的作用。通常情况下，增益管理非线性放大器需要正色散和光谱增益曲线纵向演变的共同作用。在Pavel Sidorenko和Frank Wise 2020年的一篇文章中，他们利用增益管理放大技术获得了1μJ，小于40fs的脉冲。

参考文献
1.Brown, A. J. W., et al. (2006). Ultrafast high energy amplifiers beyond the B-integral limit. Fiber Lasers III: Technology, Systems, and Applications.
2.Fermann, M. E., et al. (2000). "Self-similar propagation and amplification of parabolic pulses in optical fibers." Phys Rev Lett 84(26 Pt 1): 6010-6013.
3.Finot, C., et al. (2007). "Parabolic pulse generation through passive nonlinear pulse reshaping in a normally dispersive two segment fiber device." Opt Express 15(3): 852-864.
4.Zhang, Y., et al. (2021). "Double-pass pre-chirp managed amplification with high gain and high average power." Opt Lett 46(13): 3115-3118.
5.Sidorenko, P. and F. Wise (2020). "Generation of 1J and 40fs pulses from a large mode area gain-managed nonlinear amplifier." Optics Letters 45(14): 4084-4087.