专利名称：基于激光脉冲的啁啾和展宽以及随后的功率放大生成具有窄光谱线宽的激光脉冲的制作方法
技术领域：
本文献涉及通过使用光脉冲放大器和脉冲激光器生成激光脉冲。
背景技术：
不同技术特性的脉冲激光器具有广泛的应用，一些例子如光通信、光成像、激光材料处理、激光手术和生物医学应用、光谱测量和光传感应用以及激光显示。对于一些应用，具有小于I皮秒的脉冲宽度的超短脉冲(USP)激光，例如，飞秒脉冲激光器，很有吸引力，并且，这种应用的例子包括某些材料处理、光传感、光烧蚀、包括眼科学、生物医学、非线性学习和光谱学的精确手术。与这种超短脉冲(USP)激光器中的超短脉冲宽度相关的是，激光脉冲包括在相对宽的光谱带宽上的光谱分量。在某些应用中，期望使用具有窄光谱带宽的光，因而，USP激光器的短激光脉冲的 相对宽的光谱带宽可能无益。
发明内容
本文献描述了用于基于短种子激光脉冲的啁啾和展宽以及随后的功率放大生成具有相对窄的光谱线宽(例如，小于Inm)的激光脉冲的技术和设备。这种具有相对窄的光谱带宽的激光脉冲，可用在其中窄光谱带宽激光脉冲有利的某些激光应用中。在本文献中所描述的这些例子中，所生成的具有相对窄的光谱带宽的激光脉冲，由于脉冲生成中的展宽操作，可具有相对长的脉冲宽度(例如，大于lps)。在一方面，一种用于生成激光脉冲的方法可被实施为包括生成具有种子脉冲宽度的种子激光脉冲；调整所述种子激光脉冲以产生具有大于所述种子脉冲宽度的脉冲宽度并且在光频率上具有正啁啾的调整的激光脉冲；以及将所述调整的激光脉冲导入由对所述调整的激光脉冲显示正常光色散的光学增益介质形成的光放大器，以便将具有所述正啁啾的所述调整的光脉冲放大至引起自相位调制的功率电平，从而将所述放大的、调整的光脉冲的光谱宽度压缩至小于所述种子激光脉冲的光谱宽度同时其具有大于所述种子脉冲宽度的脉冲宽度。在另一方面，一种用于生成激光脉冲的设备可被实施为包括种子脉冲激光器，其生成具有种子脉冲宽度的种子激光脉冲；光展宽器，其接收所述种子激光脉冲并且构成为调整所述种子激光脉冲以产生具有大于所述种子脉冲宽度的脉冲宽度并且在光频率上具有正啁啾的调整的激光脉冲；以及光放大器，其由对所述调整的激光脉冲显示正常光色散的光学增益介质形成。所述光放大器耦合为从所述光展宽器接收所述调整的激光脉冲，并且构成为将具有所述正啁啾的所述调整的光脉冲放大至引起自相位调制的功率电平，以将所述放大的调整的光脉冲的光谱宽度压缩至小于所述种子激光脉冲的光谱宽度并且其同时具有大于所述种子脉冲宽度的脉冲宽度。在又一方面，一种用于生成激光脉冲的基于光纤的设备可被实施为包括种子脉冲光纤激光器，其生成具有种子脉冲宽度的种子激光脉冲；和光纤展宽器，其耦合至所述种子脉冲光纤激光器以接收所述种子激光脉冲并且构成为包括显示反常光色散的啁啾光纤布拉格光栅。所述光纤展宽器可操作为调整所述种子激光脉冲以产生具有大于所述种子脉冲宽度的脉冲宽度并且在光频率上具有正啁啾的调整的激光脉冲。该设备包括光纤放大器，其对所述调整的激光脉冲显示正常光色散并且耦合为从所述光纤展宽器接收所述调整的激光脉冲。所述光纤放大器构成为将具有所述正啁啾的所述调整的光脉冲放大至引起自相位调制的功率电平，以将所述放大的调整的光脉冲的光谱宽度压缩至小于所述种子激光脉冲的光谱宽度并且其同时具有大于所述种子脉冲宽度的脉冲宽度。这些和其他方面、它们的实施和其他特性在附图、说明书和权利要求中进行详细描述。
图I示出基于功率放大之前的脉冲展宽和脉冲啁啾的脉冲激光设备的一个例子。
图2示出实施图I中设备的一个例子。图2A不出用于实施图2中主功率放大器240的双包层大模场直径(LMA)光纤放大器的一个例子。图3-12示出图I和2中设计的各方面。
具体实施例方式USP激光器中光谱分量在相对宽的光谱带宽上的展宽，在其中窄光谱带宽激光脉冲有利的某些激光应用中可能是不期望的。这些应用的例子是基于其中效率随着激光的光谱带宽的增加而降低的各种非线性光学效应的设备和系统，例如，拉曼光谱学、基于非线性谐波生成的绿和UV光生成。对于非线性谐波的生成，由于与非线性谐波的生成相关的非线性波混合中的光相位匹配条件，窄光谱带宽有助于增加转换效率和提高输出光束质量。用于生成具有相对窄的光谱带宽的激光脉冲的本技术和设备，可用于方便需要窄光谱带宽光的这些和其他应用。在所描述的技术和设备中建立的光放大机构，可在所生成的具有窄光谱带宽的激光脉冲中提供高功率电平。这种高光功率使有效的非线性光学效应成为可能，例如，各种光谱范围中的非线性光波长转换。作为具体的例子，高功率脉冲激光器当前在某些光谱区域可以得到，例如，近红外区域。接近Ium的YAG、Yb或者Nd脉冲激光器和接近0. 7-1. Ium的钛宝石脉冲激光器是这种高功率脉冲激光器的例子。这些激光器可用作经由非线性光波长转换在UV或者深UV光谱区域所生成的激光脉冲的泵浦激光器。具有高光功率的UV或者深UV光谱区域中的短波长脉冲激光器的应用包括，例如，材料处理和手术应用中的各种激光烧蚀处理。所描述的用于生成具有窄光谱带宽的激光脉冲的技术和设备，可用于提供从近红外到UV激光脉冲的有效非线性波长转换。用于生成激光脉冲的激光器和光放大器通常设计为避免或者减少某种非线性光学效应，例如，由光学介质中的非线性克尔效应引起的自相位调制(SPM)。光脉冲中SPM的级别可随着脉冲传播而积累并且导致新光谱分量和非线性啁啾的生成，使得难以获得短脉冲和维持接近变换极限光谱宽度。本文献中用于生成激光脉冲的技术和设备的一方面是，适当地控制频率啁啾并在光放大之前展宽种子激光脉冲的时间宽度，并且，在光放大阶段，有利地利用SPM来减少放大的激光脉冲中不同光谱分量的光谱展宽。特别是，光放大之前种子激光脉冲中的频率啁啾是正的，其中，在每个激光脉冲中光频率随着时间而增加。该正啁啾和脉冲展宽可通过使用具有反常光色散(D>0)的光展宽器来实现。图I示出用于生成窄光谱带宽激光脉冲130的设备100的一个例子。该设备100包括种子脉冲激光器101，其生成具有种子脉冲宽度的种子激光脉冲。种子激光器101的下游是光展宽器110，其接收种子激光脉冲并且构成为调整种子激光脉冲以产生具有大于种子脉冲宽度的脉冲宽度和在光频率上具有正啁啾的调整的激光脉冲。光展宽器110可以以各种构成实施，例如，具有反常光色散的光栅对展宽器，具有反常光色散的、基于色散设置的啁啾镜或棱镜，以及具有反常光色散的体布拉格光栅或者其他色散元件。接着，光放大器120被耦合来接收来自光展宽器110的调整的激光脉冲。光放大器120由对调整的激光脉冲显不正常光色散(D〈0)的光增益介质形成。光放大器120构成为通过正啁啾将调整的光脉冲放大至引起非线性自相位调制(SPM)的功率电平，以将放大的调整的光脉冲的光谱宽度压缩至小于种子激光脉冲的光谱宽度同时具有大于种子脉冲 宽度的脉冲宽度。放大器120的输出脉冲130可被进一步处理，例如，进行另外的功率放大或者光谱压缩。图I中的设备100可以以各种构成实施。图2示出基于用于生成激光脉冲的图I中设计的光纤设备200。这种具有全光纤结构的光纤设备可构成为在某些应用中提供各种优点，例如，轻便的设备重量、良好的操作可靠性和与其他光纤设备的简单结合。在图2中，种子光纤激光器201被实施为生成种子激光脉冲。例如，种子光纤激光器201可以是输出为0. 6mW、25MHz、2. 7nm带宽线性啁啾并且输出脉冲宽度约Ips的飞秒锁模光纤激光器。飞秒锁模激光器可以是基于啁啾脉冲放大(CPA)的光纤激光器，其中，光脉冲首先在具有负频率啁啾的正常光色散的情况下在时域上被展宽以减少脉冲峰值功率，然后，展宽的光脉冲在具有正常光色散的光放大器中被放大以产生稳定的输出，最终，放大的光脉冲在时间上被压缩以产生期望的短光脉冲。在一些实施方式中，光纤激光器201可设计为通过使用其中激光脉冲的输出偏振可稳定在期望的偏振上的保偏(PM)光纤而具有保偏输出。在其他应用中，非PM光纤激光器可被用在光纤激光器201的输出中。具有预啁啾的光展宽器110可通过啁啾光纤布拉格光栅(CFBG) 220实施。CFBG220具有从蓝光被反射的光纤一端(“蓝端”)到红光被反射的光纤另一端(红端)增加的空间啁啾光栅间距。光环形器222被耦合至引导来自激光器201的激光脉冲的输入光纤和连接至下游光放大器120的输出光纤。光环形器222将来自光纤激光器201的输入光纤中的光引导入CFBG 220中并且将从CFBG 220至输出光纤的反射光引导至光放大器120。特别是，CFBG 220被定向为使它的蓝端耦合至光环形器222，以便脉冲光谱宽度内具有短波长的光谱分量首先被反射为具有较短的时间延迟同时脉冲光谱宽度内具有长波长的光谱分量之后被反射为具有较长的时间延迟。这种布置实现由CFBG220产生的反射光中的反常光色散，并且因此在导向环形器222的反射光脉冲的光频率中产生正啁啾。作为具体的例子，CFBG 220可以是在光波长1064nm处具有色散6. 63ps/nm (或者_3760000fs~2)的啁啾光纤布拉格光栅以将脉冲展宽至18ps。环形器222由于它的低插入损耗是有利的。在其他实施方式中，光环形器222可以被光纤稱合器取代。
在操作中，CFBG 220接收来自光纤激光器201的种子激光脉冲，并且通过施加频率啁啾和用于不同光谱分量的不同延迟将该光反射回去。该操作调整种子激光脉冲以产生具有大于种子脉冲宽度的脉冲宽度并且在光频率上具有正啁啾的调整的激光脉冲。在光纤设备200中，光放大器110是对调整的激光脉冲显示正常光色散的基于全光纤的放大器。根据用于该设备200的光放大器的需求,光放大器110可包括一个或者更多光纤放大器。图2示出两个光纤放大器的例子作为预放大器的第一光纤放大器230和作为主功率放大器的第二光纤放大器240。每个光纤放大器包括产生期望的泵浦光的泵浦激光器(231或者241)，将泵浦光耦合进其处掺杂光纤增益介质(233或者243)被耦合以通过接收的泵浦光在光泵浦下提供用于功率放大的光增益的主光纤线的泵浦耦合器(232或者242)。光放大器110构成为将脉冲峰值功率提升至得足够高，以便放大器110中的SPM足够强至引起减少该脉冲的光谱宽度的光谱压缩。放大器中的自相位调制和相关的光谱压缩并不显著影响脉冲宽度，其仍然大于种子脉冲宽度。用于图2的适当的光纤放大器的一个例子是芯泵浦光纤放大器，例如，由400mW、976nm 二极管激光器泵浦的Coractive公司的4米长的掺Yb光纤Yb500。976nm泵浦光和1064nm信号光在PM WDW中被合束。电源的输入和输出端通常配备有一个或者两个隔离器。 用于图2的适当的光纤放大器的另一例子是由976nm或者915nm的多模泵浦激光器泵浦的双包层光纤放大器。图2A示出用于实施图2中的主功率放大器240的双包层大模场直径(LMA)光纤放大器的一个例子。这种大模场直径光纤放大器可产生比某些光纤放大器更高的具有更低非线性效应的输出功率，并且因此对于实际实施图2中的设计是有利的。双包层结构允许将两个较低亮度的泵浦二极管241-A和241-B用于以减少的成本获得期望的光泵浦。在图2A中的例子中,在LMA光纤放大器的输入端提供单模光纤以接收来自预放大器230的激光脉冲。模式转换器-泵浦合束器242-A被提供以将来自两个泵浦二极管241-A和241-B的泵浦光和输入激光脉冲合束进未掺杂有增益离子并且是无源光纤的大模场直径光纤244。大模场直径光纤243A被耦合至无源LMA光纤244并且掺杂有增益离子以在光泵浦下从合束的泵浦光产生用于光放大的期望的光增益。放大的输出激光脉冲作为放大器240的输出被掺杂LMA光纤243A输出。在放大器110的输出端,对于某些应用，可选的光谱压缩设备250可被实施以进一步压缩输出激光脉冲的光谱宽度。可以使用各种光谱压缩技术，包括，例如，裁剪至适当长度以压缩光谱的具有正常光色散(D〈0)和SPM的光谱压缩光纤。光谱压缩光纤可以是保偏光纤(例如，康宁公司的PM980)以便输出偏振是稳定的。图3示出基于图I和2中设备设计的设备，其用于非线性光学材料310中的非线性波长转换，例如，用于从窄光谱带宽激光脉冲生成谐波信号的非线性光学晶体。非线性光学效应要求某种相位匹配条件以实现非线性转换效率。基于本啁啾控制和光谱压缩技术生成的窄光谱带宽激光脉冲可适合于有效的非线性波长转换和波混频。在非线性谐波生成中，由于非线性晶体中的色散，窄带宽将允许使用长非线性晶体来满足相位匹配条件。使用长晶体的这种可能是有利的，因为转换效率随着非线性晶体的长度而增加。在图3中，功率放大器可以是用于实现高输出功率的具有LMA的光纤放大器，或者，基于由二极管激光器或者闪光灯光泵浦的Nd:YAG、YLF、Nd玻璃材料的固态放大器。非线性晶体可以是用于二次谐波生成的LBO、KTP晶体，或者，用于三次谐波生成或者更高阶谐波生成的LBO晶体、BBO晶体。参照回图1，用于该设备的操作且无拉曼效应的非线性薛定谔方程可表示如下
权利要求
1.一种用于生成激光脉冲的方法，包括 生成具有种子脉冲宽度的种子激光脉冲； 调整所述种子激光脉冲以产生具有大于所述种子脉冲宽度的脉冲宽度并且在光频率上具有正啁啾的调整的激光脉冲；以及 将所述调整的激光脉冲导入由对所述调整的激光脉冲显示正常光色散的光学增益介质形成的光放大器，以便将具有所述正啁啾的所述调整的光脉冲放大至引起自相位调制的功率电平，从而将所述放大的调整的光脉冲的光谱宽度压缩至小于所述种子激光脉冲的光谱宽度同时使其具有大于所述种子脉冲宽度的脉冲宽度。
2.如权利要求I所述的方法，包括 将由所述光放大器输出的所述放大的光脉冲导入显不正常光色散的光学介质，以基于所述光学介质中的自相位调制进一步压缩所述放大的光脉冲的光谱宽度。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述光学介质是保偏光纤。
4.如权利要求I所述的方法，包括 在调整所述种子激光脉冲以产生具有大于所述种子脉冲宽度的所述脉冲宽度并且在光频率上具有所述正啁啾的所述调整的激光脉冲时，使用显示反常光色散的光学设备。
5.如权利要求4所述的方法，其中，调整所述种子激光脉冲时显示反常光色散的所述光学设备包括保偏光纤。
6.如权利要求I所述的方法，包括 将由所述光放大器输出的所述放大的光脉冲导入第二光放大器，以进一步放大所述放大的光脉冲的功率。
7.如权利要求6所述的方法，包括 将所述第二光放大器构成为包括双包层大模场直径光纤放大器，以在所述放大的光脉冲中生成高输出功率。
8.如权利要求6所述的方法，其中 所述第二光放大器由对所述放大的激光脉冲显示正常光色散的光学增益介质形成并且显示自相位调制，以进一步压缩所述放大的光脉冲的光谱宽度。
9.如权利要求8所述的方法，包括 将由所述第二光放大器输出的激光脉冲导入非线性光学材料，以基于由所述第二光放大器输出的所述激光脉冲的压缩的光谱宽度和放大的功率来生成有效的非线性光学效应。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述非线性光学效应是光谐波信号的生成。
11.一种用于生成激光脉冲的设备，包括 种子脉冲激光器，其生成具有种子脉冲宽度的种子激光脉冲； 光展宽器，其接收所述种子激光脉冲并且构成为调整所述种子激光脉冲以产生具有大于所述种子脉冲宽度的脉冲宽度并且在光频率上具有正啁啾的调整的激光脉冲；以及 光放大器，其由对所述调整的激光脉冲显示正常光色散的光学增益介质形成，所述光放大器被耦合为从所述光展宽器接收所述调整的激光脉冲，并且被构成为将具有所述正啁啾的所述调整的光脉冲放大至引起自相位调制的功率电平，以将所述放大的调整的光脉冲的光谱宽度压缩至小于所述种子激光脉冲的光谱宽度同时使其具有大于所述种子脉冲宽度的脉冲宽度。
12.如权利要求11所述的设备，其中，所述种子脉冲激光器是锁模光纤激光器。
13.如权利要求11所述的设备，其中，所述种子脉冲激光器是脉冲激光器，并且，所述种子脉冲光谱宽度支持约I皮秒或者小于I皮秒的脉冲宽度，由所述光放大器输出的所述放大的调整的光脉冲具有约3皮秒或者大于3皮秒的脉冲宽度。
14.如权利要求11所述的设备，其中，所述光展宽器包括 输入光纤，其接收由所述光放大器输出的所述放大的调整的光脉冲， 啁啾光纤布拉格光栅，其被稱合为接收来自所述输入光纤的光，以及 输出光纤，其被耦合为接收来自所述啁啾光纤布拉格光栅的反射光并且将所接收的光引导至所述光放大器， 其中，所述啁啾光纤布拉格光栅被定向为使所述输出光纤所接收的所述反射光在频率上正啁啾。
15.如权利要求14所述的设备，其中，所述光展宽器包括光环形器，所述光环形器将光从所述输入光纤耦合至所述啁啾光纤布拉格光栅并且将反射光从所述啁啾光纤布拉格光栅耦合进所述输出光纤。
16.如权利要求14所述的设备，其中，所述光展宽器包括光耦合器，所述光耦合器将光从所述输入光纤耦合至所述啁啾光纤布拉格光栅并且将反射光从所述啁啾光纤布拉格光栅耦合进所述输出光纤。
17.如权利要求14所述的设备，其中，所述光展宽器包括具有两个光栅的光栅对。
18.如权利要求14所述的设备，其中，所述光展宽器是保偏设备。
19.如权利要求14所述的设备，包括 第二光放大器，其被耦合为接收由所述光放大器输出的所述放大的光脉冲并且进一步放大所述放大的光脉冲的功率，其中，所述第二光放大器由对所述放大的激光脉冲显示正常光色散的光学增益介质形成并且显示自相位调制，以进一步压缩所述放大的光脉冲的光谱览度。
20.如权利要求14所述的设备，包括 光学介质，其显示正常光色散并且被耦合为接收由所述光放大器输出的所述放大的光脉冲，以基于所述光学介质中的自相位调制进一步压缩所述放大的光脉冲的光谱宽度。
21.如权利要求14所述的设备，包括 第二光放大器，其被耦合为接收由所述光放大器输出的所述放大的光脉冲并且进一步放大所述放大的光脉冲的功率；以及 非线性光学材料，其被定位为接收来自所述第二光放大器的所述放大的光脉冲，所述非线性光学材料可操作为基于所述接收的激光脉冲的压缩的光谱宽度和放大的功率来生成有效的非线性光学效应。
22.一种用于生成激光脉冲的设备，包括 种子脉冲光纤激光器，其生成具有种子脉冲宽度的种子激光脉冲； 光纤展宽器，其耦合至所述种子脉冲光纤激光器以接收所述种子激光脉冲并且构成为包括显示反常光色散的啁啾光纤布拉格光栅，所述光纤展宽器可操作为调整所述种子激光脉冲以产生具有大于所述种子脉冲宽度的脉冲宽度并且在光频率上具有正啁啾的调整的激光脉冲；以及光纤放大器，其对所述调整的激光脉冲显示正常光色散并且耦合为从所述光纤展宽器接收所述调整的激光脉冲，所述光纤放大器构成为将具有所述正啁啾的所述调整的光脉冲放大至引起自相位调制的功率电平，以将所述放大的调整的光脉冲的光谱宽度压缩至小于所述种子激光脉冲·的光谱宽度同时使其具有大于所述种子脉冲宽度的脉冲宽度。
23.如权利要求22所述的设备,其中，所述光纤放大器包括双包层大模场直径光纤放大器，以在放大所述调整的光脉冲时生成高输出功率。
全文摘要
用于基于短种子激光脉冲的啁啾和展宽以及随后的功率放大产生短激光脉冲的技术和设备。这种具有相对窄的光谱带宽的激光脉冲，可被用在其中窄光谱带宽激光脉冲有利的某些激光应用中。在本文献中描述的例子中，所生成的具有相对窄的光谱带宽的激光脉冲，由于脉冲生成中的展宽操作，可具有相对大的脉冲宽度(例如，大于1ps)。
文档编号H01S3/102GK102801095SQ201210158048
公开日2012年11月28日 申请日期2012年5月21日 优先权日2011年5月20日
发明者安东尼·宏·林 申请人:以卡尔马激光名义经营的卡尔马光通信公司