2024年11月6日，北京大学电子学院张志刚教授与合作者在光学顶级期刊Optica 2024年11月号上发表了题为“Near-complete extraction of maximum stored energy from large-core fibers using coherent pulse stacking amplification of femtosecond pulses”（用飞秒脉冲相干堆积放大接近完全提取大芯径光纤中最大储存能量）的文章，论文署名单位为密西根大学、劳伦斯伯克利国家实验室、北京大学和德国电子同步辐射研究所（DESY）。

图1. 论文截图

论文提出一种新的飞秒脉冲放大技术：CPSA—coherent pulse stacking amplification（相干脉冲堆积放大）。具体地说，是先将81个脉冲作为一个脉冲簇放大，最大限度地提取光纤放大器中储存的能量，再用一种级联“GTI”（Gire-Tounois干涉腔，一种反射式干涉仪），将放大的81个脉冲在时域上合成为一个脉冲。需要克服的技术难点是控制每个脉冲的位相和振幅，使其能相干合成。其中核心光源是1 GHz重复频率飞秒光纤激光器，由北京大学电子学院张志刚教授课题组研制。密西根大学Galvanasukas教授称该激光器“was very critical for this work”（对这个工作起决定性作用）。

图2. 非线性效应受限下的与芯径无关的光纤放大器中脉冲能量提取效率图。

横坐标是展宽的脉冲宽度，纵坐标是脉冲提取效率。当脉冲展宽到100ns时，脉冲提取效率才能接近放大器储存能量的100%

论文作者使用上述技术，在100W连续泵浦和2kHz重复频率下，成功提取出近10 mJ的放大脉冲能量，远超常规大模场面积光纤放大器所能输出的不到1mJ的能量，提取效率接近90%。

图3. 复合GTI腔示意图

（入射的81个激光脉冲先在四个大环路腔中相干叠加，成为9个脉冲；然后再在四个小腔中相干叠加为一个脉冲）

图4. 复合GTI腔实验装置照片

这种高效时域脉冲合成技术可大大提高脉冲合成的效率，减少空间合成用的放大器数量。

虽然目前该实验得出的重复频率和脉冲能量还不高，但该技术展示了产生焦耳量级脉冲能量、10kHz以上重复频率的飞秒强激光脉冲的潜力，有可能为研究极端条件下的强场物理及粒子加速器和产生次级辐射提供光源。

图5. 论文部分作者（从左至右）：密西根大学Galvanauskas教授、德国DESY常国庆研究员、北京大学张志刚教授

论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.533803