CN106716749B - 无源锁模光纤环形发生器 - Google Patents

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Abstract

一种脉冲光纤发生器配置有被配置为发射脉冲列的单向环形波导。所述环形波导包括多个光纤放大器、耦合到第一和第二光纤放大器的相应输出的啁啾光纤组件以及耦合到啁啾组件的相应输出的多个光谱滤波器。所述滤波器具有以不同中心波长为中心的相应光谱带通，以便响应于在环形腔中感应到的非线性过程而沿着环形腔提供光泄漏。该脉冲发生器在初始阶段和稳定阶段下操作，在初始阶段期间，其被配置为将间距发展为信号，并且在稳定阶段期间，其被配置为按信号的每单次往返通过输出耦合器输出脉冲序列至多一次。

Description

无源锁模光纤环形发生器
技术领域
本发明涉及短脉冲光纤环形激光系统。具体地，本发明涉及无源锁模光纤环形腔，配置为产生亚纳秒巨大啁啾脉冲。
背景技术
术语表
材料的反常色散是指其中折射率随着逐渐增加的波长而增大的材料。
带宽是用于表示通过入射能量的光谱的特定部分的波长范围。
阻挡范围是用于表示由滤波器衰减的能量的光谱区域的波长间隔。
中心波长(CWL)是在长波长和短波长斜率处的最大振幅的一半之间的中点。
啁啾脉冲是指其中瞬时中心波长(频率)在时域中随脉冲变化的脉冲。
期望的脉冲是在环形腔中产生的具有期望的光谱宽度和持续时间的脉冲。
色散是指材料中光传播速度(或折射率)对波长的依赖性。
隔离器是指允许仅在一个方向上传输光的设备。
在常规意义上，线性度是指可以被图形化地表示为直线的数学关系，如在彼此直接成比例的两个量中。
线性频率啁啾是指其中频率在时域中随脉冲线性变化的脉冲。
非线性是光与物质在状态中的相互作用，其中材料对所施加的电磁场的响应在该场的振幅上是非线性的。
非线性相位获取是指相位相对于电场振幅的非线性增益；非线性相位获取的表现之一是由于自相位调制非线性现象而引起的光脉冲的光谱分量的拓宽。
材料的正常(正)色散是指其中折射率随着逐渐增加的波长而减小的材料。
光学滤波器被配置为选择性地透射特定波长范围内的光，同时阻挡其余部分。它们通常可以通过仅长波长(长通)滤波器、仅短波长(短通)滤波器。
光路是几何路径和折射率的乘积。
振荡器的周期性(边界)条件是每个单次通过环形腔之后脉冲参数的重复性。
相位是相对于原点已经消逝的波周期的一部分。
相移是指不对齐的两个多波。相移可以由各个相同波的光路差引起。
间距(Pitch)是指从一次往返到另一次往返在环形腔的任何给定点处在初步具有不同特性的情况下沿着环形腔被引导的光的发展脉冲。
脉冲持续时间τp是其中功率是峰值功率(FWHM)的至少一半的时间间隔的宽度。超短脉冲是皮秒-飞秒脉冲持续时间范围内的脉冲。
脉冲能量是峰值功率和脉冲宽度的乘积(然而，其是正方形脉冲近似，因为我们在下面讨论具有较高瞬时强度的脉冲部分以解释NALM的性能，我们应该将其改写为“时间脉冲强度曲线下的面积”)，基本上是脉冲内的面积。
Q因子通常是所存储的能量与每次往返耗散的能量的比。
光谱域是即使在瞬时频率恒定的脉冲(即，没有啁啾的脉冲)中也描述有限光谱宽度(带宽)的光脉冲的特性。
自相位调制(SPM)是由介质的折射率对光脉冲的强度的依赖性所引起的现象，并且通过包括光脉冲的拓宽在内的光谱和时间调制来表现。
自相似脉冲(“相似性”)是指能够将在非线性过程中获取的相位转换为线性频率啁啾的抛物线脉冲。
信号是指从间距发展的光脉冲，其特征在于在单次往返期间连续改变参数，但在连续往返期间在环形腔的任何给定点处具有相同的特性。
短脉冲是指具有亚纳秒范围内的持续时间的脉冲。
孤子是指啁啾脉冲，其在传播通过环形腔时保持其时间和光谱形状。
时域是与光功率P相关的光脉冲的特性，即，每单位时间的能量仅在短时间间隔内是可感知的，而在所有其他时间接近于零。
瞬态脉冲是绕环形腔引导的发展脉冲，并且具有与期望脉冲的光谱宽度和持续时间不同的光谱宽度和持续时间(特别是在时间上可以更小或更大)。
技术概览
短脉冲光纤激光系统提供创新的架构和更高的脉冲峰值强度以及高脉冲频率重复率，有助于以前所未有的质量、精度和速度制造组件。由于脉冲的持续时间短，激光能量可以在与能够沉积的热相比更短的时间内输入到材料，因此防止对部件的热损伤。毫不奇怪，工业亚纳秒激光系统发现了从医疗器械市场到许多其他主要行业的广泛应用。
脉冲激光系统必要地配置有具有激光腔的脉冲发生器或振荡器。在腔中循环并且与损耗相比具有更多增益的频率被称为纵向模式，并且可以被认为是独立振荡器的组件。当在腔中循环时，对于这里特别感兴趣的配置有环形腔的光纤激光器，纵向模式被分开ΔF＝v/L，其中，L是腔长度，v是光速。当这些模式彼此独立地振荡时，激光器连续发射。然而，当在各模式之间存在固定的相移时，腔发射脉冲串并且变成锁模的。
用于产生超短脉冲的若干种方法是公知的。这些方法之一(无源锁模)是所公开主题的一部分。无源锁模的关键是在环形腔中存在对增加的峰值强度具有非线性响应的至少一个分量。已知若干架构用于执行无源锁模方法。
这些架构之一是非线性偏振旋转(NLPR)，其可以使用图1所示的环形腔来更好地理解。放置在两个偏振控制器之间的偏振隔离器用作锁模元件。它起到隔离器和偏振器的双重作用，使得离开隔离器的光线性地偏振。放置在隔离器后面的偏振控制器将偏振状态改变为椭圆形。由于施加在正交偏振分量上的由自相位和交叉相位引起的相移，偏振状态在脉冲的传播期间非线性地演变。由于非线性相移的强度依赖性，偏振的状态在脉冲上是不均匀的。调节第二偏振控制器(在隔离器之前的一个)，使得它迫使偏振在脉冲的中心部分是线性的。偏振隔离器使脉冲的中心强部分通过，但阻挡(吸收)低强度脉冲翼。最终结果是，在环形腔内一次往返之后脉冲被缩短。因此，与双折射光纤一起工作的偏振相关隔离器可以产生强度相关损耗。
通过使用包括孤子、通常腔色散纯粹正常的增益导向孤子及类似物在内的NLPR架构，可以成功地产生各种超高能量脉冲。然而，偏振控制器需要具有精细控制系统的复杂反馈。NLPR工艺对环境变化和封装条件敏感。结果，难以满足周期性条件，即，在激光腔的每次往返之后在一致位置处脉冲特性的再现性。
干涉光纤架构具有两种一般类型：图2A中所示的非线性光环路镜(NOLM)和图2B所示的非线性放大环路镜(NALM)。这两个器件根据Sagnac干涉仪操作进行操作。后者由熔接光纤耦合器构成，该熔接光纤耦合器的输出端口被接合在一起以形成环路，并且通过不等于50％的耦合器分光(NOLM)，或者通过包括更接近耦合器端口之一的内置光纤放大器(NALM)，使反向传播强度Ic(顺时针)和Icc(逆时针)不相等。
由于非线性折射率，具有不等强度的光学副本获得微分相移。例如，在2A中，耦合器在承载于具有强度Icc的逆时针传播副本中的(50-n)％(Icc)与顺时针副本中的(50+n)％(Ic)之间，分离信号的光强度。因此，如果顺时针副本的Ic足够强以触发光纤的非线性响应，即引起SPM，并且另一副本的Icc低，则显著的微分相移在反向传播副本的具有不同瞬时强度的部分之间累积。通过熔接耦合器传播，副本相互干扰。仅获得与高强度脉冲尖端相对应的非匹配相位的副本的部分在它们在环路上传播期间由于SPM过程而相长干涉，从而形成已知的NALM。
根据干涉锁模架构配置的激光器表示相对新的、很少使用的结构，其使得关于该特定方法的实际优点或缺点的讨论相当困难。然而，如NLPR的NOLM/NALM架构可能不具有期望的稳定性，即，输出脉冲可能不是均匀的。脉冲不均匀性导致不良激光器性能。此外，如NLPR的NOLM/NALM架构既不简单也不是特别有成本效益的。
因此需要一种全新的架构，其可操作以在环形腔脉冲发生器中执行无源锁模，该环形腔脉冲发生器具有能够输出均匀和高能的亚纳秒光脉冲的简单、坚固的结构。
发明内容
与被设计为产生啁啾脉冲的所有已知架构相反，所公开的环形腔没有具有非线性响应的单个单独元件。换句话说，当脉冲通过每个单独的元件传播时，光谱分量的强度仅线性地变化。
本发明结构中的非线性效应是在环形腔内的脉冲演进期间产生新光谱分量的结果。正是这些新光谱分量使得脉冲通过以不同中心波长为中心的两个光谱滤波器，使其峰值强度非线性地变化。由于与其他类型的发生器(如CW和Q开关)相比，锁模具有低损耗，新光谱分量使得模式同步的过程具有高度竞争性。
本发明的结构可以产生包括孤子、类似物等在内的各种类型的脉冲，并且特别有利于产生具有巨大啁啾的超短脉冲。关于巨大啁啾脉冲生成，两个步骤对于建立短脉冲发生器的无源锁模状态是重要的：(a)从较宽的脉冲中滤除光谱窄脉冲，以及(b)由于影响长光纤中的光的非线性效应，在频域和时域二者中拓宽所形成的窄脉冲。这两个步骤的结果是图3的线性正啁啾脉冲，即与初始脉冲相比在频域和时域二者中被拓宽的脉冲，并且具有在脉冲上线性变化的载波频率。载波频率的线性对于进一步压缩这样扩展的脉冲是重要的。
输出啁啾脉冲的原因是激光技术领域的普通技术人员所熟知的-有必要在一定程度上降低激光器(和放大器)可用的脉冲峰值强度，因为否则有害的非线性效应和光学损伤将破坏脉冲发生器(和放大器)的操作。通过扩展脉冲持续时间或啁啾，将峰值功率保持在安全级别，然后在随后的一个或多个放大级之后将输出脉冲压缩至原始持续时间，来找到该问题的解决方案。
本发明的巨大啁啾脉冲发生器配置有在一个方向上引导光的环形光纤波导或腔。光纤波导包括提供环形光纤波导内光传播的期望方向性的光纤隔离器。全部构成环形光纤波导的多个光纤组件被组织在多个光纤链中，每个光纤链必需包括一个放大器、一个光纤线圈和一个光谱滤波器。在本发明的脉冲发生器的启动阶段期间，响应于从外部种子源发出的标准具脉冲或通过泵人为引起的噪声，在由连续波(CW)分量和间距分量表征的期望光谱范围内的第一光纤放大器中放大自发射(ASE)。通过第一光纤线圈传播，间距在光谱上和时间上有所拓宽，并且在第一滤波器中进一步在光谱上被滤波。例如，间距的长波长子区域从沿期望方向的进一步传播中被滤除。
经滤波的脉冲分量在第二放大器中被进一步放大到峰值强度，该峰值强度足以在通过第二光纤线圈传播时引起自相位调制(SPM)非线性效应。SPM通过脉冲分量的光谱和时间拓宽来表现，该脉冲分量通过围绕中心分量产生新的频率分量或模式来表现。一些新产生的频率分量与第二滤波器的频率带通部分地重叠，与第一滤波器相比，第二滤波器截止了间距的短波长子区域。新的光谱分量的产生仅在足以引起自相位调制现象的间距(即，具有同步模式的间距)的特定峰值强度处变得可能。
间距的循环可以继续通过第一组的第一放大器、光纤线圈和滤波器组合，该组合再次被配置为分别放大、在光谱和时间上拓宽并且最后滤除发展脉冲分量。这样，发展间距最终在第二放大器中被放大到期望的峰值强度，该峰值强度在间距的这种拓宽中是有用的，其完全覆盖第二滤波器的带通。在这点上，间距在第二滤波器中具有有所降低的峰值强度损失，但在随后的第一放大器中被完全补偿，从而在光谱上发展为期望的信号。第一光纤线圈中的后续的光谱和时间扩展信号的预定百分比作为具有期望光谱宽度、强度和能量的脉冲被引导到环形波导外部，以在被光谱压缩之前在至少一个放大级中进一步放大。
所公开的脉冲发生器的启动需要外部源以产生噪声，其中当被放大时，与连续波产生的光谱相比，噪声产生演变脉冲的光谱拓宽。在本发明的结构中，与脉冲状态的稳态光谱相比，由于具有窄线带通但具有不同中心频率的多个空间滤波器的操作，低频噪声或CW生成不能被充分放大。本发明的脉冲发生器中的启动方案的配置取决于外部噪声生成源的类型。特别地，多个滤波器之间的光谱关系是外部源配置的直接结果。
在一个启动方案中，外部源(例如二极管激光器)作为泵进行操作以输出波长不同于所公开的脉冲发生器的工作波长的光。在该实施例中，本发明的脉冲发生器配置有具有重叠带通的光谱滤波器。滤波器的这种配置提供了对可以由量子或其他类型的噪声自发地形成的CW窄线生成和/或具有禁止高能量的Q开关脉冲的辨别。
然而，CW分量在激光器锁模的瞬态阶段期间在所公开的脉冲发生器的适当功能中起重要作用。每个放大器的特征在于能量的显著累积。通过这些放大器的间距可能在放大器的输出处具有禁止的高峰值强度，这可能导致不仅对脉冲发生器而且对后续放大级的完全损坏。为了在一定程度上减小这种累积能量，期望减少增益介质中的粒子数反转。这通过CW分量来实现，其可以被提供有不显著的增益以减少放大器中的总体累积能量。减少的累积能量有助于减小间距的能量和脉冲峰值强度。在各个滤波器的重叠带通之间形成未过滤的光谱区域允许CW分量沿着环形波导被引导通过该区域，并且实现累积能量的减少。
以CW泵为特征的实施例的另一方面涉及期望光谱区域中的自发射的放大，该期望光谱区域允许间距通过两个滤波器的预定(和均匀)光谱宽度。期望光谱区域中的这种放大由特定形式的泵浦光确保。最初，泵输出被控制为发射高功率短持续时间的数十微秒至毫秒的泵浦预脉冲，以在所需光谱区域内引发噪声。因此需要预脉冲来填充频域和时域中的噪声分布的相位空间。随后，在泵的输入处的电流信号被中断，并且在预脉冲中提供的能量足以放大与两个滤波器的带宽相对应的期望光谱区域内的一个或多个小强度峰值。此后，泵输出幅度低于初始泵浦信号的幅度的CW辐射，其允许间距发展成期望的信号并建立锁模状态。
在另一实施例中，启动方案设置有在脉冲发生器的工作波长处发射一个或多个标准具脉冲的种子。这些脉冲沿着环形波导以一定的重复率被引导，该重复率可以与响应于来自在种子之后的某个时间被开启的泵的泵浦光而在环形波导中产生的间距相同或不同。在种子被关闭之后，这些标准具脉冲消失，但是在放大器中存储的过量能量减少到适当的安全级别之前不会消失，以防止产生Q开关脉冲。在该实施例中，滤波器可以或可以不具有各自的带通重叠。
在产生耗散孤子或类似物的稳定自起动状态中，所公开的脉冲发生器类似于其他环形架构操作，例如NOLM/NALM和NLPR，其中它们均具有单独的非线性元件。这是因为在稳定状态中，这样的元件基本上不影响脉冲的演进，而是仅对于从噪声形成脉冲是必要的。但是在稳定状态中，本发明的脉冲发生器可操作为每次往返最多输出期望的啁啾脉冲，这与信号光重复地通过腔体的线性腔相反。这种输出的实现包括直接位于光纤线圈之一下游的一个输出耦合器或紧接在各个光纤线圈下游的两个输出耦合器。在两个输出耦合器的情况下，啁啾脉冲每半个往返从环形波导耦合输出。
附图说明
根据伴随附图的以下具体描述，所公开的脉冲发生器的上述和其他特征将变得更加清楚，附图中：
图1是基于NLPR架构的脉冲发生器的已知配置；
图2A和图2B是相应的NOLM和NALM架构的已知配置；
图3是已知的线性啁啾脉冲；
图4是本发明的脉冲发生器的光学示意图；
图5A至图5C示出了脉冲发生器在启动状态和稳定脉冲发生状态中的操作的原理；
图6A至图6D示出了通过图4和图5C的脉冲发生器的滤波器时的信号光谱；
图7A和图7B示出了在本发明的脉冲发生器的不同启动方案中外部源的操作的原理；
图8示出了在所公开的图4的脉冲发生器中包括的增益模块的示意图；
图9示出了图4的激光器中改变的增益模块的示意图。
具体实施方式
通过介绍的方式，所公开的无源锁模脉冲发生器配置有包括多个特定滤波器的新颖架构，这些特定滤波器彼此组合地产生能够实现稳定锁模操作的非线性响应。
图4示出了本发明的配置有环形波导或环形腔10的脉冲发生器，其中多个光纤放大器12和20之一的输出对另一光纤放大器进行播种。在第一和第二放大器12和20之间，两个或更多个相同的光纤元件组或链耦合在一起以限定环形腔10。除了光纤放大器之外，每个链包括提供信号的相应周期性光谱和时间拓宽的光纤线圈16、22以及用于对拓宽的信号进行光谱滤波的窄线滤波器18、24。滤波器的配置对于普通技术人员是公知的，并且通常包括具有多个介电层的相对厚的反射镜，所述介电层仅能够通过期望的光谱范围，并且根据需要，引入正常或反常的色散，如下面所讨论的。滤波器可以具有基本上相同的带宽。备选地，滤波器中的一个可以被配置有比其他滤波器的带通宽至多五(5)倍的带通。此外，每个滤波器的带通应该比输出脉冲55的带通窄2至10倍。然而，在一些情况下，期望的脉冲宽度可能比滤波器的带通窄。光谱拓宽和滤波的序列对于产生具有所需光谱宽度、脉冲持续时间和能量的巨大啁啾的脉冲是必要的，这是本发明的目的之一。环形波导10还包括：一个或多个隔离器28，其提供绕波导的光的单向引导；以及一个或多个输出耦合器30，其位于紧邻相应光纤线圈16、22的下游。输出耦合器各自引导环形波导10外部的啁啾脉冲55。解耦脉冲55可以在一个或多个放大级中进一步被放大。为了在放大器的增益介质中产生期望的粒子数反转，即，为了开始本发明的脉冲发生器的操作，一个或两个CW泵26光学地耦合到相应的放大器。所有上述公开的组件通过单横模(SM)光纤相互连接。所公开的脉冲发生器的操作将在下文中讨论，并且包括非饱和启动和饱和稳态脉冲产生(锁模)阶段。
除了图4外，还参考图5A和图5B，启动阶段包括种子注入(图5A)和过渡阶段(图5B)。启动阶段提供在期望的光谱范围内的间距的光谱拓宽，使得其光谱宽度变得比CW生成的光谱宽度宽。本发明公开了启动架构的两种不同配置。
启动配置之一包括两个CW泵浦源26(图4)，例如CW二极管激光器或CW光纤激光器。泵26均输出耦合到放大器12、20的增益介质中的泵浦光，其波长λp短于在脉冲发生器的稳态阶段期间通过输出耦合器30输出的期望啁啾脉冲的工作波长λo。在图5A至图5B所示的启动阶段期间的间距演进的图形表示不是精确的，而是旨在示出帮助理解环形波导内的过程的一般趋势。
具体参考图5A，当一个或两个放大器的增益介质接收到泵浦光时，脉冲发生器以连续的方式开始操作，但在CW辐射的期望光谱区域中具有激光噪声的显著波动。后者的光谱特征具有一个或多个低强度间距38(仅示出一个)，每个间距在时域34中被拉伸并具有窄的光谱线宽36，如步骤1-2所示。当期望光谱区域内的噪声通过输入耦合器32(步骤2)时，间距38仅经历轻微的光谱拓宽。注意，由于多个泵26，导致几乎同时地或在非常短的时间延迟内在环形波导中发生两个信号发展过程，即间距到信号，但是为了清楚起见，在这里仅仅进一步详细地公开了一个过程。
在种子注入阶段的步骤3中，第一放大器12操作为增加间距38的峰值强度。通过第一线圈16进一步传播，由于由增加的峰值强度引起的相对弱的自相位调制非线性效应(SPM)，间距38在时域中扩展并在频域中在光谱上拓宽，如步骤4所示。然而，后者对于实质的光谱拓宽还不够。如此放大和拓宽的间距38(在其点处，输出耦合器30处的功率损耗不重要，如步骤5所示)进一步耦合到第一滤波器18中。后者被配置为例如区分期望频率范围的长波长，即，其通过短波长的子区域，同时阻挡较长波长，如步骤6所示。当然，滤波器18可以被配置为在通过长波长的子区域的同时阻挡短波长。
在第一滤波器18的输出端处的瞬态脉冲被进一步播种在第二放大器20中，这显著增大了间距的峰值强度，如步骤7所示。后者继而在第二光纤线圈22中引起比在第一光纤线圈16中的相位调制更强的相位调制，如步骤8所示。实际上，沿着间距38的前(长波长)沿的新产生的频率分量进入第二滤波器24的带通，该第二滤波器24被配置为在该示例性方案中区分短波长，如步骤9所示。在输出第二滤波器24处，间距的模式具有固定的相位关系，即模式是同步的。然而，间距38的峰值强度和光谱宽度都没有达到期望的阈值。
现在转到图5B，过渡阶段开始于先前的非饱和种子注入阶段结束的地方。来自滤波器24的间距耦合到第一放大器12中，其中其峰值强度再次升高到足以引起SPM效应的水平，导致在第一光纤线圈16中产生新的频率。比较图5A和图5B的相同步骤4，清楚地看出，当与种子注入阶段相比时，在过渡阶段期间，间距在光谱域中基本上被拓宽并且在时域中被拉伸。然而，间距38的光谱宽度仍然可能不足以完全覆盖第一滤波器18的带通，因此再次切断通过的瞬态脉冲的长波长。第二放大器22最终将峰值强度增大到期望的水平，该水平足以在其传播通过第二光纤线圈22时将间距的光谱宽度和持续时间拓宽到相应的期望光谱宽度和持续时间。在达到期望光谱宽度之后，间距在完全覆盖滤波器24的带通的第二线圈之后完全发展为具有该光谱宽度的信号50。如上所述，启动步骤被公开为在间距38完全发展为期望信号之前具有间距38的一个或多个往返行程。原则上，在某些条件下，半个往返可能足以形成期望信号50，在这种情况下，期望信号50将在种子注入阶段完全形成。
虽然以上描述突出了脉冲发展，但是CW组件在上述启动架构中起着至关重要的作用。环形腔10配置有高品质因数Q，这意味着高能量在光纤放大器中的累积。如果该能量没有减小，则本发明的环形波导将产生具有高能量级别的Q开关脉冲，这样的高能量级别使得脉冲发生器可能容易地损坏。通过图4的两个滤波器18和24的特定配置来实现能量减小。选择各个滤波器的中心波长λc1、λc2，使得一个滤波器的带通与另一个滤波器的带通重叠，如图4所示。两个滤波器之间的重叠光谱区域40允许消耗在两个放大器中累积的过量能量的CW分量的传播。然而，CW分量的量应当被放大，使得其不与主锁模过程竞争。如果滤波器具有彼此不同的各个透射率幅度，则重叠区域通过的透射率不大于具有最高透射率的滤波器的最大滤波器透射率的10％，但优选地不小于具有最低透射率的滤波器的0.1％。然而，滤波器可以配置有相同的透射率幅度。总而言之，具有彼此重叠的相应带通的两个滤波器18和24串联地用于1.抑制CW辐射，以及2.在稳定的锁模状态下将间距发展为期望的信号。
结合图4讨论的图7A示出了以上公开的启动架构的另一特征，并且涉及间距在期望频率区域中的放大。实际上，没有人知道需要多少时间来开始对在最终终止于滤波器的期望波长范围内的宽带低频噪声内的弱间距进行放大。为了确保发展间距在期望的波长范围内，泵26均具有电流调制输入。最初，几分之一毫秒到几毫秒的泵浦光42(图7A)的高振幅和短持续时间发射预脉冲被耦合到环形波导10(图4)中，然后泵26的输入被中断约达初始泵浦光的持续时间。这种接通/关断操作允许瞬时累积的能量分布在宽范围的宽带低频噪声上，必然放大期望频率范围内的一个或多个瞬态脉冲。此后，泵26再次接通并且在输出幅度比脉冲发生器工作期间的预脉冲的幅度低的CW泵浦光44的CW状态中无中断地操作。CW泵幅度可以变化以调整输出信号的参数。
参考图4和图7B，除了泵26之外，启动阶段的替代配置包括一个或多个种子46(图4)，其在泵26开始操作之前接通，从而输出泵浦光48(图7A)的一个或多个均匀标准具脉冲。在泵开始发射CW泵浦光之后不久，种子被去激励之后，标准具脉冲逐渐衰减。这种配置与前一种配置一样，有助于降低光纤激光器12和20中累积的能量，以防止产生Q开关脉冲。标准具脉冲以接通和关断种子的重复率传播通过环形波导10，该种子不同于在期望的脉冲处从环形腔解耦的种子。种子46的使用还可以在一定程度上改变环形波导10的配置。波导10的改变的结构可以具有配置有彼此不重叠的相应带通的滤波器18和24。然而，这种修改不是必须的，并且参考图7A所公开的环形波导10的未改变的结构也适合于执行该第二实施例。
参考图5C和图6A至图6D，如这里所示，所公开的脉冲发生器的稳定阶段在过渡阶段结束时形成具有期望光谱宽度的信号50时立即开始。在各个滤波器的重叠带通的情况下，信号50的期望光谱宽度使得所发展的信号的一部分传播通过重叠区域。在带通不重叠的情况下，信号的期望光谱宽度使得其与连续滤波器的带通重叠。
特别地，当信号50通过滤波器18(图6A)时，滤波器18滤除所有长波长模式，留下以中心波长λ1为中心的信号50，如图6B所示。在进一步放大和光谱拓宽时，信号50获取足以与滤波器24的整个带通重叠的新频率，与滤波器18相反，滤波器24阻挡所有短波长的进一步传播(图6C)。结果，信号50现在以第二中心波长λ2为中心。进一步放大和光谱拓宽的过程在环形腔中按信号的每半个往返重复自身。
一旦发展了信号50，它在输出耦合器30(图4)将脉冲55引导到腔外之前绕环形腔10进行不超过一次的往返。优选地，后者可以具有直接连接到第二光纤线圈22的输出的附加输出耦合器30，如图4中的虚线所示。这种配置允许每半个往返对脉冲55进行解耦。
上述公开的脉冲发生器可以根据在放大器12和20的增益介质中使用的稀土材料的离子，在任何期望的工作波长下操作。仅作为示例，这些稀土材料可以包括镱、铒和铥。然而，被称为光发射体的所有其他稀土材料可以成功地用作以上所列材料。在结构上，除了两个光纤链之外，使用附加的光纤链可以有益于确保解耦信号光脉冲的均匀峰值功率。
环形波导10的光纤组件可以被配置为具有正净色散。后者在1微米波长范围内是特别有利的，其中所有组件具有正常色散。然而，参考图4，可以在一微米波长范围内使用所公开的具有所示元件之一的脉冲发生器，其中所示元件具有负色散，所述负色散不影响整体正净色散。例如，可以通过将环形波导10的每个组件配置为具有正(正常)色散来获得正净色散。备选地，一个或多个组件可以具有反常(负)色散，但后者不改变环形腔的整体正净色散。例如，滤波器18和24中的每一个或两者可以被配置为具有反常色散并且仍然被成功地用于一微米波长范围。在所有或大多数波导组件被配置为具有反常色散的情况下，波导10的净色散可能是反常的。最终，环形腔10的净色散可以为零。
优选地，波导10的所有光纤组件被配置为偏振保持(PM)格式。然而，这些组件中的一些或所有组件可以不是PM组件。
参考图8和图9，放大器12和20各自包括稀土离子掺杂光纤128的组合，稀土离子掺杂光纤128的相对端被接合到相应的输入和输出无源光纤130。光纤128具有能够仅支持单横模或多横模(MM)的纤芯132。然而，在期望工作波长(例如，1.06微米)下，MM光纤128的纤芯132被配置为通过选择正确的掺杂剂分布而仅支持一个基模。换句话说，当SM光耦合到有源光纤128的MM纤芯132中时，其仅激发基横模，如本领域技术人员所知，基横模具有接近于与SM光纤相似的高斯形状强度分布的高斯形状强度分布。如此产生的脉冲55(图4)以单横模的方式从脉冲发生器发射。备选地，光纤128可以在侧泵浦方案中具有SM纤芯。
MM光纤向放大器提供了使用侧泵浦方案的机会，侧泵浦方案具有优于必然与SM有源光纤结合的端泵浦方案的某些优点。首先，侧泵浦方案不需要使用仅能够容忍有限功率的波分复用器(WDM)。因此，侧泵浦方案的另一个优点是产生功率高于SM有源光纤的功率的脉冲的可能性，其当然可以是MM有源光纤的替代。然而，本领域普通技术人员能够容易地实现公知的端泵浦技术。
图9示出了具有双瓶颈形状横截面的MM有源光纤128。该变型提供了直径比纤芯端部134的直径大的中心扩大纤芯部132。该扩大纤芯部132提供更大的泵浦功率和减小的光纤长度，这使得基阶模和高阶模之间耦合的概率最小化。纤芯端部134被构造为类似于图7的端部，并且均具有与SM无源光纤的MFD匹配的MFD。
构成环形波导10的元件可以具有正色散、负色散和零色散以及它们的组合。例如，如从共同待决的美国申请中已知的，配置具有总正色散的环形腔，以便在1微米波长范围内使用它。环形腔包括具有不同类型的色散的多个光纤组件，所述多个光纤组件总体上为环形腔提供正色散。
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Claims (30)

1.一种光纤脉冲发生器，用于发射脉冲列，每个脉冲具有期望光谱宽度、持续时间和能量，所述光纤脉冲发生器包括彼此连接以限定环形腔的多个光纤链，所述环形腔沿其单向引导信号，每个光纤链配置有：
光纤放大器，操作为将所述信号的强度增加到期望强度；
光纤，接收具有期望强度的信号，其中所述期望强度足以在所述光纤的输出处将所述信号的光谱宽度拓宽到期望光谱宽度；以及
光谱滤波器，耦合到所述光纤的输出并具有带通，其中所述光纤链的各个光谱滤波器的带通以在光谱上彼此间隔开的相应频率分量为中心，从而允许所述信号顺序地与各个滤波器的带通重叠，
所述光纤链中的至少一个包括输出耦合器，所述输出耦合器直接耦合到所述光纤的输出，并且被配置为将具有所述期望光谱宽度、持续时间和能量的脉冲引导到所述环形腔外部。
2.根据权利要求1所述的光纤脉冲发生器，还包括：
多个泵，每个泵发射耦合到所述光纤放大器中且波长与所述脉冲的波长不同的CW辐射；以及
多个种子源，每个种子源输出相应的标准具脉冲以在接通所述泵之前启动所述信号，所述种子源在所述泵接通之后被去激励，所述标准具脉冲以与信号脉冲的重复率不同的重复率绕所述环形腔传播，并且当耦合到所述光纤放大器中时，将其中累积的能量降低到不足以在所述环形腔中发展Q开关脉冲的能量级别。
3.根据权利要求2所述的光纤脉冲发生器，其中，各个光谱滤波器的中心频率在光谱上彼此不重叠并且阻止CW辐射传播通过所述环形腔，或者重叠但通过小于0.1％的CW辐射。
4.根据权利要求1所述的光纤脉冲发生器，还包括：多个泵，每个泵被配置为：
最初输出足以在所需光谱区域内发起噪声的预脉冲，所述光谱区域包括通过相应两个光纤链的光纤放大器、光纤和滤波器传播的至少一个间距，以帮助将所述间距发展为具有所述期望光谱宽度和强度的信号；以及
之后输出CW辐射；
各个光谱滤波器的中心频率在光谱上间隔开，使得各个光谱滤波器的带通彼此重叠，重叠的带通之间的光谱区域被配置为沿着所述环形腔提供CW辐射的未滤波部分的循环，该循环足以将在所述光纤放大器中累积的能量降低到不足以发展Q开关脉冲的级别，其中所述滤波器配置有彼此相等或彼此不同的相应透射率幅度。
5.根据权利要求4所述的光纤脉冲发生器，其中，各个光谱滤波器的中心频率间隔开，使得各个滤波器的带通彼此重叠，以在其间限定光谱区域，所述光谱区域被配置为通过具有最高透射率的滤波器之一的最大透射率的不足10％。
6.根据权利要求5所述的光纤脉冲发生器，其中，所述重叠的区域被配置为通过具有最低透射率的另一滤波器的最大透射率的至多0.1％。
7.根据权利要求4所述的光纤脉冲发生器，其中，所述预脉冲具有能够从几分之一毫秒到几毫秒变化的脉冲持续时间和比CW泵浦信号的功率高的功率。
8.根据权利要求1所述的光纤脉冲发生器，其中，所述光纤链各自被配置为具有正常净色散或反常净色散，光谱拓宽信号脉冲在传播通过所述光纤链时在时间上被拉伸。
9.根据权利要求1所述的光纤脉冲发生器，其中，限定所述环形腔的光纤链各自被配置为具有零净色散。
10.根据权利要求1所述的光纤脉冲发生器，其中，光谱拓宽信号脉冲是线性啁啾脉冲。
11.根据权利要求1所述的光纤脉冲发生器，还包括：耦合到另一光纤的输出的附加输出耦合器，其中具有所述期望光谱宽度、强度和能量的脉冲每半个往返从所述环形腔输出。
12.根据权利要求1所述的光纤脉冲发生器，其中，各个光谱滤波器的带通分别具有相同的带宽或相同的幅度透射率或相同的带宽和透射率幅度。
13.根据权利要求1所述的光纤脉冲发生器，其中，各个光谱滤波器的带通具有不同的带宽，其中一个带宽最多是另一个的五倍。
14.根据权利要求1所述的光纤脉冲发生器，其中，所述光纤链各自被配置为PM格式或非PM格式。
15.根据权利要求7所述的光纤脉冲发生器，其中，顺序发射的标准具脉冲具有各自逐渐减小的幅度或均匀幅度，以将在所述光纤放大器中累积的能量降低到不足以在所述环形腔中发展Q开关脉冲的级别。
16.根据权利要求1所述的光纤脉冲发生器，其中，所述光纤放大器各自被配置为具有多模纤芯，所述多模纤芯设置有相对小均匀直径的相对端部区域和直径大于所述端部区域的直径的中心均匀配置区域，所述多模纤芯被配置为在信号脉冲的工作波长下仅支持基模。
17.根据权利要求1所述的光纤脉冲发生器，其中，所述光纤放大器各自配置有单横模有源光纤。
18.根据权利要求16或17所述的光纤脉冲发生器，还包括：耦合到每个放大器的相应相对端部的单横模无源光纤。
19.根据权利要求1所述的光纤脉冲发生器，还包括：耦合在两个光纤链之间的至少一个隔离器。
20.根据权利要求5或7所述的光纤脉冲发生器，还包括：将所述泵和种子源的输出引导到所述环形腔中的输入耦合器。
21.根据权利要求5或7所述的光纤脉冲发生器，其中，所述泵被配置为对相应的放大器进行侧泵浦或端泵浦。
22.根据权利要求1所述的光纤脉冲发生器，其中，各个滤波器的带通都比所述脉冲的期望光谱宽度窄或宽。
23.一种用于产生和输出超快脉冲的环形腔光纤激光器，包括：
多个光纤链，彼此耦合以限定环形腔，每个光纤链包括光纤放大器、脉冲啁啾组件和耦合到所述脉冲啁啾组件的输出并具有带通的光谱滤波器；以及
输出耦合器，其直接耦合到所述啁啾组件的输出，以将所述脉冲引导到所述环形腔外部，其中所述光纤链的各个光谱滤波器的带通以在光谱上彼此间隔开的相应频率分量为中心。
24.根据权利要求23所述的环形腔光纤激光器，其中，所述脉冲啁啾组件是一定长度的光纤。
25.一种在光纤环形腔激光器中产生超短脉冲列的方法，包括：
顺序地使信号通过短通光谱滤波器和长通光谱滤波器，所述短通光谱滤波器和长通光谱滤波器以间隔开的相应中心波长为中心，从而顺序地通过所述信号的光谱区域的相应短波长子区域和长波长子区域；以及
在所述信号的每次往返将超短脉冲从环形腔解耦至少一次。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括：
在每次滤波之前将所述信号放大到期望峰值强度；以及
在滤波之前在光纤啁啾组件中在光谱上拓宽所放大的信号。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，短波长滤波器和长波长滤波器具有间隔开的相应中心波长，使得各个滤波器的带通彼此不重叠。
28.根据权利要求26所述的方法，其中，短波长滤波器和长波长滤波器具有间隔开的相应中心波长，使得各个滤波器的带通彼此重叠。
29.根据权利要求27所述的方法，还包括：
在第一时间段内将一个或多个标准具脉冲注入环形腔中；以及
在所述第一时间段期间在环形腔内发起包括CW和间距分量的CW辐射；
将所述间距分量发展为所述信号；以及
在发展所述间距分量时停止所述标准具脉冲的注入。
30.根据权利要求28所述的方法，还包括：
在一时间段内将泵的预脉冲注入环形腔中；以及
之后将CW辐射耦合到环形腔中。
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