CN110247290B - 经由光谱细分从单个激光器腔的双梳生成 - Google Patents

经由光谱细分从单个激光器腔的双梳生成 Download PDF

Info

Publication number
CN110247290B
CN110247290B CN201910176475.9A CN201910176475A CN110247290B CN 110247290 B CN110247290 B CN 110247290B CN 201910176475 A CN201910176475 A CN 201910176475A CN 110247290 B CN110247290 B CN 110247290B
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
light
resonator
spectral
comb
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910176475.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110247290A (zh
Inventor
O·H·赫克尔
G·温克勒
J·菲林格尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thorlabs Inc
Original Assignee
Tonglei Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tonglei Co ltd filed Critical Tonglei Co ltd
Publication of CN110247290A publication Critical patent/CN110247290A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110247290B publication Critical patent/CN110247290B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0218—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using optical fibers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G01J3/427—Dual wavelengths spectrometry
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0078—Frequency filtering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06708—Constructional details of the fibre, e.g. compositions, cross-section, shape or tapering
    • H01S3/06712—Polarising fibre; Polariser
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06708—Constructional details of the fibre, e.g. compositions, cross-section, shape or tapering
    • H01S3/06725—Fibre characterized by a specific dispersion, e.g. for pulse shaping in soliton lasers or for dispersion compensating [DCF]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06791—Fibre ring lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08018—Mode suppression
    • H01S3/0804—Transverse or lateral modes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10007—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10007—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers
    • H01S3/10023—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers by functional association of additional optical elements, e.g. filters, gratings, reflectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10061—Polarization control
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1106—Mode locking
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1106—Mode locking
    • H01S3/1112—Passive mode locking
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1106—Mode locking
    • H01S3/1112—Passive mode locking
    • H01S3/1115—Passive mode locking using intracavity saturable absorbers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1106—Mode locking
    • H01S3/1112—Passive mode locking
    • H01S3/1115—Passive mode locking using intracavity saturable absorbers
    • H01S3/1118—Semiconductor saturable absorbers, e.g. semiconductor saturable absorber mirrors [SESAMs]; Solid-state saturable absorbers, e.g. carbon nanotube [CNT] based
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/08—Generation of pulses with special temporal shape or frequency spectrum
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06708—Constructional details of the fibre, e.g. compositions, cross-section, shape or tapering
    • H01S3/06716—Fibre compositions or doping with active elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08018—Mode suppression
    • H01S3/0804—Transverse or lateral modes
    • H01S3/0805—Transverse or lateral modes by apertures, e.g. pin-holes or knife-edges
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16—Solid materials
    • H01S3/1601—Solid materials characterised by an active (lasing) ion
    • H01S3/1603—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
    • H01S3/1618—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth ytterbium

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

本发明涉及经由光谱细分从单个激光器腔的双梳生成。一种用于生成用于激光光谱学的单腔双梳或多梳的方法，所述方法包括以下步骤：提供激光器系统，所述激光器系统包括泵浦源、增益介质和具有光谱过滤器的谐振器；利用所述光谱过滤器对所述谐振器内的光进行光谱过滤，并且利用所述光谱过滤器衰减、特别是阻挡一个或多个波长带，所述一个或多个波长带至少之一完全位于所述激光器系统的增益带宽内，使得提供两个或更多个至少部分分离的光谱区域；以及对所述两个或更多个至少部分分离的光谱区域进行锁模。

Description

经由光谱细分从单个激光器腔的双梳生成
技术领域
本发明涉及激光光谱学领域以及相应的激光器系统。
背景技术
最近，双梳(DC)光谱学已成为将传统宽带光谱学的优点和可调谐激光光谱学的优点组合的通用技术，请参见：SCHILLER,Optics Letters,Vol.27,No.9,2002年5月1日；IDEGUCHI,T.,Optics and Photonics News；Vol.28；Issue 1；pp.32-39；2017年1月1日。通过使用双梳，不需要如虚拟成像相位阵列或傅里叶变换光谱仪那样的复杂且昂贵的检测器组件。然而，这种系统传统上包括彼此主动稳定的两个相同的锁模激光器，这经常得到昂贵且复杂的系统，请参见：CODDINGTON,I等人,Phys.Rev.Lett.100,013902,2008年1月；还参见CODDINGTON,I等人,Optica Vol.3,No.4,414,2016年4月。各种方法已被证明使用单个激光器腔来生成两个脉冲串，其目的是由于下转换后的射频梳中的共模噪声消除而引起的被动互相干性，请参见：LINK,S.M.等人,Opt.Express 23,5521-5531,2015年3月9日。然而，这种单腔双梳源通常是为特定类型的振荡器而设计的，并且难以在其它类型的激光器中实现。总之，双梳源的明显缺点是振荡器设计经常复杂且昂贵、或者需要两个相互相干的光学频率梳。
发明内容
有鉴于上述，本发明提供对上述限制的替代解决方案。
本发明公开了用于从单个源生成双梳或多梳的强大且易于实现的方法。应当理解，通常激光器包括泵浦源、增益介质和谐振器。有时，术语振荡器或腔也用于指代谐振器和增益介质但不包括泵浦源。通过针对增益光谱的不同光谱部操纵腔损耗，本发明公开了提供源自同一激光器的至少两个频率梳。在下文，术语光谱部分和光谱部用作同义。
根据本发明，提供：
一种用于生成用于激光光谱学的单腔双梳或多梳的方法，所述方法包括以下步骤：提供激光器系统，所述激光器系统包括泵浦源、增益介质和具有光谱过滤器的谐振器；利用所述光谱过滤器对所述谐振器内的光进行光谱过滤，并且利用所述光谱过滤器衰减、特别是阻挡一个或多个波长带，所述一个或多个波长带至少之一完全位于所述激光器系统的增益带宽内，使得提供两个或更多个至少部分分离的光谱区域；以及对所述两个或更多个至少部分分离的光谱区域进行锁模。
激光束是通常可用的相干光源。对于激光束，通常，无需对激光束进行脉冲调制，并且无需使用光学谐振器。然而，为了创建频率梳的实用目的，将必须对激光束进行脉冲调制。可以使用诸如光纤等的耦合设备。这种设备很好理解。例如，单模光纤可用于耦合激光器系统的元件。在激光器系统中，众所周知，需要：使来自泵浦源的泵浦光耦合进入到增益介质中；使来自增益介质的光耦合输出到光谱过滤器，并且使由光谱过滤器操纵后的光耦合进入到增益介质。还应当理解，光(特别是放大后的光)通常是从谐振器耦合输出的。
激光器系统的增益带宽代表激光器系统的波长的整个可能光谱带宽。通过引入光谱过滤器，可以衰减或甚至阻挡光谱的一部分或若干部分的增益，使得通过引入光谱过滤器来生成至少两个至少部分分离的增益区域(即光谱区域)。为了本发明的目的，光谱的这些衰减和/或阻挡部分至少之一应当完全位于激光器系统的增益带宽内。如此，使衰减或阻挡部分完全位于激光器系统的增益带宽内应当提供至少两个至少部分分离的光谱区域。这些光谱区域可以对应于相应数量的增益极大值。换句话说，不应衰减或阻挡光谱的边缘。因而，通过衰减或甚至阻挡光谱的一部分或若干部分，可以有意地操纵激光光谱。虽然通常衰减或阻挡将包括增益带宽的中央部分(即增益带宽的中间)，但是非中央部分也可以被衰减或阻挡。
然后，随后的锁模步骤允许以略微不同的重复率分别创建至少两个(或与光谱区域的数量相对应的数量个)锁模激光。正或负的腔色散将使得有可能获得不同的重复率。换句话说，可以将激光独立地锁模在这些分离的光谱区域内。
该方法还可以包括以下步骤：使所生成的双梳或多梳分别相对于该双梳或多梳的重复率和偏移频率稳定。
应当理解，可以使两个或更多个锁模激光(这里还称为双梳、多梳和频率梳等)相对于它们各自的重复率和偏移频率稳定，由此创建相位稳定且稳定化的频率梳。
该方法还可以包括以下步骤：利用非线性介质使激光光谱的至少两个至少部分分离的光谱区域光谱重叠，由此分别获得光谱重叠的双梳或多梳，所述非线性介质例如是晶体、光纤、玻璃和气态介质至少之一。
从技术上，经常使用非线性光纤。用于使激光光谱的至少两个部分分离的光谱区域光谱重叠的非线性光纤(特别是高度非线性光纤)可以基于光子晶体光纤并且可以在其色散行为方面优化。非线性介质可以包括非线性晶体。这种晶体的示例是(周期性极化)磷酸钛氧钾即(pp)KTP、(周期性极化)铌酸锂即(pp)LN、(周期性极化)化学计量比钽酸锂即(pp)SLT、硼酸钡即BBO、三硼酸锂即LBO、硼酸铋即BiBO和磷酸二氢钾即KDP。应当理解，该列表并非穷尽性的。可以对非线性晶体进行周期性极化以提高效率。然而，对晶体进行周期性极化不是先决条件。特别地，可以使用块状晶体。应当理解，可以使用包括高阶非线性介质的其它非线性介质。
在该方法中，对所述两个或更多个至少部分分离的光谱区域进行锁模的步骤还可以包括操纵光的依赖于该光的峰值强度的谐振器损失，特别地，其中，操纵谐振器损失可以包括：在从所述增益介质耦合输出的光进入所述光谱过滤器之前，操纵该光的偏振；以及在由所述光谱过滤器操纵后的光再次进入所述增益介质之前，操纵该光的偏振。
通过操纵、特别是减少谐振器损失，改善了激光的模式的相位相干性。这可以特别包括在从增益介质耦合输出的光进入光谱过滤器之前操纵该光、以及在由光谱过滤器操纵后的光再次进入增益介质之前操纵该光。应当理解，可以通过使用诸如四分之一波片和/或半波片等的众所周知的偏振器中的一个或多个来实现偏振的操纵。也可以使用偏振分束器和偏振器。
在该方法中，所述光谱过滤器可以包括光栅压缩器、介质镜、光纤布拉格光栅、棱镜压缩器和吸收过滤器中的一个或多个。
在该方法中，在光谱过滤器包括光栅压缩器和吸收过滤器中的一个或多个的情况下，光谱过滤的步骤可以包括利用所述光谱过滤器使所述谐振器内的光发生空间色散。
光谱过滤器的光谱过滤可以以各种方式实现。如果使用介质镜，则光谱过滤器可能不会表现出大量色散。应当理解，由于Kramer-Kronig(克莱默-克朗尼格)关系，将始终存在一些(通常可忽略)量的色散。然而，如果使用光栅压缩器或棱镜压缩器，则光谱过滤器还可使得能够实现光谱过滤器中的光的空间色散。然后，可以将腔的整体色散选择成略偏负或略偏正但不等于零。由此，有效地，可以实现针对不同波长的不同谐振器长度。这可能导致不同的重复率。应当理解，仅在光谱过滤器内的色散由于可用于补偿腔色散，因此可以显著偏离零。然而，光谱过滤器可用于控制整个腔的色散。因而，可以将如此得到的整个腔的色散控制为略微偏离零。
光谱过滤器可以包括至少一个衰减器，其中该至少一个衰减器用于衰减(特别是阻挡)完全位于激光器系统的增益带宽内的波长带，由此分别提供激光光谱的至少两个至少部分分离的光谱区域。衰减器可以包括可被平移以衰减或阻挡增益带宽的若干部分的一个或多个几何物体(诸如块体或圆柱体等)。通过平移衰减器或阻挡元件，可以使衰减器或阻挡元件相对于光束定位。平移可以手动实现或者使用众所周知的平移台实现。如此，衰减器或阻挡元件可以在光谱过滤器内对光束设置障碍。
该方法还可以包括以下步骤：通过将光单向反馈到所述增益介质中来调制所述激光光谱的载波包络；放大从所述谐振器耦合输出的光，并且利用另一光栅压缩器在时域上对放大后的光进行压缩。
载波包络的调制或者调制(即，控制)载波包络偏移(即，包络相对于载波的偏移)可能有益于梳的稳定。完美频率梳的频域表示是一系列delta函数，其可以通过fn＝f0+n·fr来描述，其中：n是整数；fr是梳齿间距，其对应于锁模激光的重复率或(可选地)调制频率；并且f0是载波偏移频率，其介于0和fr之间。双梳或多梳将具有相应的自由度。可以使梳的或相应地针对各梳的两个自由度fr和f0稳定，以有益于生成用于精确测量的梳。载波包络的调制可能需要使用诸如电光调制器(EOM)等的相应调制器。
通过放大从谐振器耦合输出的光，光的平均功率和脉冲能量将适应预期应用的需要。此外，通过在时域中对放大后的光进行压缩，可以调谐光的每脉冲功率、特别是脉冲峰值功率。
在该方法中，所述增益介质是掺杂光纤、掺杂晶体或掺杂玻璃，特别是由Yb、Er、Ti、Ho、Nd、Pr、Tm其中之一掺杂，以及所述激光器系统包括非线性偏振演化激光器即NPE激光器和非线性放大环形镜激光器即NALM激光器。
根据本发明，还提供：一种激光器系统，用于生成用于激光光谱学的单腔双梳或多梳，所述激光器系统包括：泵浦源、增益介质和谐振器，所述谐振器包括光谱过滤器，所述光谱过滤器用于对所述谐振器内的光进行光谱过滤，并且衰减一个或多个波长带，所述一个或多个波长带至少之一完全位于所述激光器系统的增益带宽内，使得提供两个或更多个至少部分分离的光谱区域；以及用于对所述两个或更多个至少部分分离的光谱区域进行锁模的部件。
激光器系统的优点已经针对相应方法进行了论述。如所提到的，诸如光纤等的典型的耦合组件可用于耦合激光器系统的元件。例如，单模光纤可用于耦合激光器系统的各种分立元件。在激光器系统中，很好理解用于使泵浦光耦合进入、使来自增益介质的光耦合输出到光谱过滤器、并且使由光谱过滤器操纵后的光耦合进入到增益介质的各种部件。还应当理解，光(特别是放大后的光)通常是从谐振器耦合输出的。例如，波分复用器(WDM)可用于使来自泵浦源的泵浦光耦合进入到增益介质中。此外，诸如第一准直器等的第一耦合元件可用于将来自增益介质的光耦合输出到光谱过滤器。此外，诸如第二准直器等的第二耦合元件可用于使由光谱过滤器操纵后的光耦合进入到增益介质。
该激光器系统还可以包括：用于使所生成的双梳或多梳分别相对于该双梳或多梳的重复率和偏移频率稳定的部件。
该激光器系统还可以包括：非线性光纤，所述非线性光纤使激光光谱的至少两个至少部分分离的光谱区域光谱重叠，由此分别获得光谱重叠的双梳或多梳。
可以使从激光器系统耦合输出的形成双梳或多梳的梳重叠，以形成要用于预期应用的结果重叠梳。这可以使得最终形成下转换后的射频(RF)梳。
在该激光器系统中，所述增益介质可以是掺杂光纤、掺杂晶体或掺杂玻璃，特别是由Yb、Er、Ti、Ho、Nd、Pr、Tm其中之一掺杂，以及所述激光器系统可以包括基于克尔效应的超短脉冲光纤激光器和可饱和吸收体激光器其中之一，特别是非线性偏振演化激光器即NPE激光器、非线性放大环形镜激光器即NALM激光器和克尔透镜锁模激光器即KLM激光器其中之一，所述可饱和吸收体激光器例如是SESAM或石墨烯锁模激光器。
该激光器系统还可以包括：操纵器，用于操纵光的依赖于该光的峰值功率/峰值强度的强度损失，特别地，所述操纵器可以包括：第一偏振操纵器，用于在从所述增益介质耦合输出的光进入所述光谱过滤器之前操纵该光的偏振；以及第二偏振操纵器，用于在由所述光谱过滤器操纵后的光再次进入所述增益介质之前，操纵该光的偏振；或者可饱和吸收体，用以建立锁模；或者孔径和克尔透镜，用以建立克尔透镜锁模。
在该激光器系统中，所述光谱过滤器可以包括至少一个衰减器，所述至少一个衰减器用于衰减、特别是阻挡完全位于所述激光器系统的增益带宽内的波长带，由此分别提供所述激光光谱的至少两个至少部分分离的光谱区域。
衰减器可以包括诸如块体或圆柱体等的一个或多个几何物体、楔形物体、或者甚至薄的剃刀刀片状物体。这些物体可被平移以衰减或阻挡增益光谱的若干部分。这些一个或多个物体可以在光谱过滤器内对光束设置障碍。
在该激光器系统中，所述光谱过滤器可以包括光栅压缩器、介质镜和吸收过滤器中的一个或多个，可选地，所述光栅压缩器可以包括：一对光栅，用于使所述谐振器内的光发生光谱色散；以及反射器，用于将发生色散的光反射回到所述一对光栅上。
该激光器系统还可以包括：电光调制器即EOM，用于调制所述激光光谱的载波包络；至少一个法拉第隔离器，用于将光单向反馈回到所述增益介质中。激光器系统还可以包括放大器，用于放大从所述谐振器耦合输出的光；以及另一光栅压缩器，用于在时域上对放大后的光进行压缩。
通过以下结合附图所进行的详细说明，本发明的上述和其它方面、特征和优点将变得更加明显。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例的系统。
图2是根据本发明的第一实施例的系统的放大部分。
图3是与本发明的第一实施例相对应的、用于生成激光光谱学系统的单腔双梳或多梳的方法。
图4是根据本发明的另一实施例的系统。
图5是单梳或双梳操作中的NPE激光器的光谱。
具体实施方式
图1公开了根据本发明的激光器系统200。图1的激光器系统200包括谐振器100、泵浦源11和增益介质17。如图1所示，谐振器100包括光谱过滤器41。仅出于解释的目的，可以示出谐振器100包括自由空间部分100.S和光纤部分100.F。因而，在光纤部分100.F中，用光纤引导光。在自由空间部分100.S中，光不是由光纤引导，而是穿过谐振器100的自由空间部分100.S内所包括的元件之间的空间行进。在图1中，自由空间部分100.S和光纤部分100.F被示出为由虚线L分开。然而，应当理解，虚线L仅仅是出于说明和解释的目的而绘制的。
在图1中，泵浦源11可以是为预期应用选择的泵浦源。例如，泵浦源11可以包括泵浦激光器，诸如976nm的泵浦激光器等。可以使用与激活介质的各个泵浦波长相对应的其它泵浦激光器。来自泵浦源11的能量可被称为泵浦能量或泵浦光。这种泵浦光通常经由诸如图1所示的光纤F1等的光纤耦合到谐振器100中。光纤F1通常可以是单模光纤，以获得更好的带宽。这应对应于增益介质的类型、即增益光纤。因而，如果光纤F1是单模光纤，则增益介质也应是单模增益光纤。另外，可以在泵浦源11和谐振器之间使用诸如法拉第隔离器等的隔离器13，以确保泵浦光的单向操作和传输。这可以有益于隔离和保护泵浦源免受来自激光器的不需要反馈。因而，这有益于使来自泵浦激光器的光和来自谐振器的光分离。谐振器100在其光纤部分100.F中可以包括波分复用器(WDM)15，其中该WDM 15用于改善光纤F1所接收到的来自泵浦源11的泵浦光向谐振器中的耦合进入。
在图1中，激光器系统200可以包括基于克尔效应的超短脉冲光纤激光器或用于锁模的可饱和吸收体，特别是非线性偏振演化(NPE)激光器、非线性放大环形镜(NALM)激光器和克尔透镜锁模(KLM)激光器其中之一。可以进一步修改这些类型的激光器。特别地，图1公开了修改后的NPE激光器。可饱和吸收体可以包括SESAM或石墨烯锁模激光器。
在图1中，谐振器100还包括增益介质17。增益介质可以是掺杂光纤、掺杂晶体或掺杂玻璃。特别地，掺杂剂可以是Yb、Er、Ti、Ho、Nd、Pr和Tm中的一个或多个。对于图1的实施例，增益介质17包括掺镱增益光纤。增益介质(这里为掺Yb增益光纤)也可被称为激光介质或产生激光的介质，是激光器内的光增益的源。众所周知，增益是在从先前被外部泵浦源所提供的泵浦能量填充的较高能量状态转变为较低能量状态时从辐射的受激发射产生的。增益介质17如此用作针对进入增益介质17的光的光放大器。在图1中，在光由增益介质17射出之后，光可以进入另一单模光纤F3。单模光纤F3是在NPE激光器的背景下提供非线性偏振演化的非偏振保持单模光纤。此外，如图1所示，在通过仍位于光纤部分100.F中的光纤F3之后，光使用至少一个准直器21.1耦合到自由空间部分100.S中。在进入谐振器100的自由空间部分100.S之后，可以通过使用刚好在第一准直器21.1之后的至少一对四分之一波片25.1和半波片25.2来实现光的偏振操纵、即光的调谐。也可以附加地或替代地使用偏振分束器。利用B1来指代元件25.1和25.2之间的在自由空间中也可被称为光束的光。利用B2和B3来分别表示通过了四分之一波片25.1和半波片25.2这两者的光。然后，这种光被光谱过滤器41接收到，请参见下文。以对称的方式，在对进入光谱过滤器41的光B3进行了修改(例如，光谱过滤)之后，从光谱过滤器41射出的修改光B8和B9穿过诸如四分之一波片27.1和半波片27.2等的至少另一对偏振操纵器，以在再次进入谐振器100的光纤部分100.F之前进行进一步调谐。应当理解，波片27.1和27.2或者27.2和27.1的顺序无关紧要。应当理解，原则上仅四分之一波片的最小组可能就足够了。这里，四分之一波片27.1和半波片27.2可以分别与四分之一波片25.1和半波片25.2基本相似。这里，利用B11来表示四分之一波片27.1和半波片27.2之间的光。与第一准直器21.1相似，第二准直器21.2用于使光B11耦合进入光纤部分100.F中并且向着重新进入增益介质17。另一单模光纤F2可用作第二准直器21.2和增益介质17之间的光导。第一准直器和第二准直器可以是相似的。
换句话说，在谐振器100的自由空间部分100.S中，操纵光的取决于其峰值强度的强度损失。因而，在光纤部分100.F中发生强度依赖变化。特别地，操纵强度损失包括：在从增益介质17耦合输出的光B2、B3进入光谱过滤器41之前，利用准直器21.1对所述光B2、B3的偏振进行操纵；以及在由光谱过滤器41操纵后的光B8、B9、B10再次进入增益介质17之前，对所述光B8、B9、B10的偏振进行操纵。如图1所示，另一法拉第隔离器23可用于确保谐振器100中的光(特别是B8、B9)在射到四分之一波片27.1和半波片27.2之前的单向操作。如上所述，27.1和27.2的顺序可以颠倒。如图1所示，可以将电光调制器(EOM)45插入到如由光谱过滤器修改后并从光谱过滤器射出的光束的路径中。所述EOM 45可用于调制光的载波包络偏移，并且还可用于提供频率梳的进一步稳定。利用B10来表示进一步稳定的光束。
代替四分之一波片25.1和半波片25.2以及四分之一波片27.1和半波片27.2的顺序，可以使用用于建立锁模的不同部件。特别地，可以使用其它人工可饱和吸收体，如孔径和用作用以建立克尔透镜锁模的克尔透镜的克尔介质、或者NALM那样。另一可能性可以是在锁模激光器中使用如SESAM或基于石墨烯的吸收体那样的可饱和吸收体。
如在图1中进一步公开的，光通过耦合输出元件从腔耦合输出。特别地，通过插入偏振分束器33，使光束B2的一部分从谐振器/腔100耦合输出。应当理解，也可以使用其它类型的分束器。此外，原则上，可以将光从腔内的任何位置耦合输出。利用B21表示从谐振器100耦合输出的光，利用B3表示穿过偏振分束器33但未被偏转的光。然后，这种光B3进入光谱过滤器41。由光谱过滤器100修改后的光B9和/或由可选的EOM 45修改后的光B10可以射到在镜29上以偏转预定角度(诸如45度等)。这里，相对于入射光束的角度测量到45°的角度。这种镜29可用于使谐振器100内的设置更紧凑。对于离开光谱过滤器41的光束B8，可以使用利用31表示的另一镜。
在下文，应进一步论述如图1所示的光谱过滤器41。在图2中还以放大方式示出所述光谱过滤器41，其中使用与图1中相同的附图标记。光谱过滤器41包括至少一个衰减器，其中该至少一个衰减器用于衰减分别完全位于激光器系统的增益带宽内的至少一个波长带，由此分别提供激光光谱的至少两个至少部分分离的光谱区域。衰减可以延伸到实际阻挡相应波长带的程度。换句话说，应当理解衰减器和要衰减的波长带之间的对应关系。这可能延伸到与阻挡波长带相对应的阻挡元件的程度。因而，对于一个衰减器或阻挡元件，各自的波长带完全位于激光器系统的增益带宽内。如果例如通过使用多于一个的衰减器或阻挡元件来衰减或阻挡多于一个的波长带，则所述阻挡波长带至少之一完全位于激光器系统的增益带宽内。应当注意，所有阻挡波长带都可以完全位于激光器系统的增益带宽内。因而，衰减和/或阻挡激光光谱的若干部分、但使衰减或阻挡部分至少之一完全位于激光器系统的增益带宽内，这由此提供了至少两个至少部分分离的光谱区域。这些光谱区域可以对应于相应数量的极大值。换句话说，不应衰减或阻挡光谱的边缘以减少光谱带宽。因而，通过衰减或甚至阻挡光谱的一部分或若干部分，可以有意地操纵激光光谱。衰减或阻挡可以涉及增益带宽的中央部分(即，增益带宽的中间)，然而，也可以衰减或阻挡非中央部分。
图1和图2的光谱过滤器41可以包括光栅压缩器、介质镜和吸收过滤器(均未示出)中的一个或多个。在图1和图2中，光谱过滤器41包括光栅压缩器，其中该光栅压缩器包括：一对光栅37.1和37.2，用于使谐振器100中的光发生光谱色散；以及反射器元件39，用于将发生色散后的光反射回到光栅37.1和37.2上。应当理解，在光谱过滤器中将可以使用多于仅一对的光栅。此外，通常可以通过光栅的生产过程给出光栅的厚度。根据光栅的类型，光栅的厚度可以为1mm、或甚至更薄、或高达数mm。此外，存在反射光栅，这些反射光栅通常设置在厚度接近10mm的相对较厚的基板上。此外，原则上，可以使用棱镜压缩器。如图1和图2所示，腔内光的光谱分量在光栅压缩器中在空间上发生色散。通常，这可用于迫使激光器系统以特定中心波长操作。本发明人发现了可以生成激光光谱的多个宽带但光谱分离的光谱区域。可以将激光独立地锁模在这些光谱区域内，由此以略微不同的重复率创建例如两个锁模激光。更详细地，图1和图2公开了光束B3进入光谱过滤器41并由此进入一对光栅37.1和37.2。然后，所述光束在第一光栅37.1之后在空间上发生色散(参见光束B4)，并且在第二光栅37.2之后在空间上发生色散(参见光束B5)。
在图1中，箭头A1表示光谱过滤器41内的光的方向。在图2中，箭头Ain和Aout分别表示光束进出光谱过滤器41的路径。在图1中的光谱过滤器的设置中，光正在逆时针地行进。光束B5可被反射器元件39反射而变成光束B6。反射器元件39可以是后向反射棱镜。反射器元件39可以用作用于操纵光束的光束高度的部件，并且可以直接包括衰减器。如图1和图2所示，从反射器39射出的光束B6射在衰减器或阻挡元件35上。如图1和图2所示，衰减器或阻挡元件35可以是圆柱形状，或者可以具有楔形形状或甚至薄的剃刀刀片的形状。所述元件35甚至可以仅是引入准直光束B6中的诸如圆柱状梁块等的小的针状元件。应当理解，出于说明和解释的目的，在图1和图2中仅描绘了一个元件35；然而，引入光束B6中的衰减或阻挡元件可以多于一个。此外，这些一个或多个阻挡元件可以具有相同或不同的形状和厚度。此外，可以使用例如椭圆形形状或三角形形状等的不同的几何形状。代替几何物体，甚至在光谱过滤器41内的光学元件上涂画、刻划或以其它方式铭刻的线或图案也可用于阻挡或衰减特定频带的相同目的。
如图1和图2所示，可以通过使用平移元件43来平移衰减或阻挡元件35。该平移元件43可以帮助微调元件35相对于光束的位置。如图2所示，可以在与光束B6的光束轴基本垂直的方向上进行元件35的平移。该方向在图2中利用y表示。但如图2的x所示，也可以在与光束的光束轴基本平行的方向上附加地平移元件35。由于光谱的空间分布，可以通过平移元件35(例如，针状梁块)来操纵光谱。因而，在光束B6射到元件35之后，光束B6被操纵成变为两个光束B6.1和B6.2。然后，所述光束B6.1和B6.2现在以相反顺序再次射到一对光栅37.2和37.1上。然后将光栅37.2和37.1之间的光表示为B7.1和B7.2。然后，这可用于在离开光栅压缩器并由此离开光谱过滤器41之后再次获得压缩光束B8，然后该压缩光束B8被进一步引导向着再次进入增益介质17、即再次进入谐振器100的光纤部件100.F。如图2所示，可以调整光栅37.1和37.2之间的距离d。还可以调整衰减或阻挡元件35的厚度。这两个调整都用于改善激光器的操作。在操纵了光束B6以成为光束B6.1和B6.2之后，振荡器最终将按两个不同的中心波长(即，各自具有自己的中心波长)以连续波同时运行。通过操纵强度损失(例如，通过如上所述的偏振操纵)并且通过(例如通过使用平移元件43)微调梁块位置，来对这两个激光进行锁模。这意味着这两个激光被逐一地锁模，但随后将并行(即，同时)前进。
两个激光具有不同的重复率；例如，如在图1中以某种图形方式所示，frep1和frep2，其中利用附图标记47.1和47.2来分别表示这两个激光。在需要的情况下，可以使用镜47。不同的重复率将取决于腔的色散。然后，这两个激光呈现两个分离的梳或分离的双梳。应当再次重复，如以上所论述的，可能已创建了与光谱过滤器中的多于两个的障碍物(这里为多于两个的元件35)相对应的多于两个的梳。换句话说，作为引入了多于一个的障碍物的结果，可能已创建了多于两个的梳。然而，关于激光光谱学，这两个或更多个梳可被进一步操纵，并且特别是应当光谱重叠，以分别提供光谱重叠的双梳或多梳，从而用于光谱应用。通过使用诸如非线性光纤45等的非线性介质来实现两个梳47.1和47.2的光谱重叠。代替非线性光纤，非线性介质也可以包括晶体、光纤、玻璃和气态介质至少之一。如图1所示，进入非线性光纤45的光束B24将成为修改光束B25，从而表示具有再次以图形方式描绘的重叠双梳光谱束57的重叠双梳激光。在需要的情况下，可以使用镜42。
此外，在进入非线性介质45之前，可以通过使用另一展宽器/压缩器元件55来根据需要进一步展宽或压缩从腔射出的光B21，例如用于激光束B21的时间压缩。然后，这将产生光束B24，其中通过元件55也可以使光束B24稳定。元件55包括另一光栅压缩器，其中该另一光栅压缩器包括一对光栅55.1和55.2以及反射器53。B22分别表示光栅55.1和55.2之间的光束。B23表示光栅压缩器和反射器之间的光束。与具有元件37.1和37.2的光栅压缩器相似(参见以上说明)，这些元件然后可再次用于展宽和压缩光束。
图3示出用于生成用于激光光谱学的单腔双梳或多梳的相应方法的基本步骤。在步骤S201中，提供激光器系统，其中该激光器系统包括泵浦源、增益介质和具有光谱过滤器的谐振器。在步骤S203中，泵浦源、增益介质、谐振器和光谱过滤器可以是如上所述的种类。步骤S203还表示：对谐振器(诸如谐振器100等)中的光进行光谱过滤，并且衰减或阻挡一个或多个波长带，其中该一个或多个波长带中的至少一个波长带完全位于激光器系统的增益带宽内。因此，提供了两个或更多个至少部分分离的光谱区域。因而，分别获得了光谱重叠的双梳或多梳。步骤S205进一步表示对两个或更多个至少部分分离的光谱区域进行锁模的步骤。如图3所示的方法然后可以进一步包括在步骤S205之后的后续步骤S206，其中步骤S206包括使所生成的双梳或多梳相对于它们的重复率或偏移频率分别稳定。此外，如图3所示的方法然后可以进一步包括在步骤S206之后的后续步骤S207。步骤S207表示使激光光谱的至少两个至少部分分离的光谱区域光谱重叠。因而，如关于图1所论述的，所述光谱重叠通过针对激光光谱的至少两个至少部分分离的光谱区域使用非线性介质(例如，晶体、过滤器、玻璃和气态介质至少之一)来实现。因而，分别获得了光谱重叠的双梳或多梳。
图4示出根据本发明的另一实施例。图4公开了简单完整的系统的概要，其中该系统包括与图1和图2的激光器系统200相似的所述双梳激光器系统的简化版本、前置放大器110、压缩器、非线性介质45和随后的主放大器级。更详细地，图4公开了与图1的谐振器100相对应的谐振器100。与图1相似，还示出了两个分离的梳47.1和47.2。然后，光束B21可以由光学前置放大器110基于与增益介质相同或不同的活性材料进一步放大，由此分别生成预放大后的梳147.1和147.2作为光束B31。然后，所述预放大后的激光梳147.1和147.2射到另一展宽器/压缩器元件155，其中该另一展宽器/压缩器元件155在这里起分别针对各个梳147.1和147.2的脉冲压缩的作用。展宽器/压缩器元件155可以是与图1的光栅压缩器55相似的另一光栅压缩器。展宽器/压缩器元件155可以产生包括分别源自梳147.1和147.2的两个修改预放大梳的修改光束B33。然后，在这些准备步骤之后，光束B33进入非线性介质45。所述非线性介质45可以与图1的非线性介质45相同。通过根据需要将镜61、63和65用于系统的紧凑设置，通过在非线性介质45中使两个梳光谱重叠来生成重叠双梳157。这里，紧凑设置应被理解为实现系统的紧凑实现的设置。然后可以通过使用光学放大器120来进一步放大通过光束B35表示的所述重叠双梳157，最终实现通过光束B37表示的放大重叠双梳159，以用于诸如中IR或XUV双频梳生成等的进一步光谱应用。
作为示例，为了论证以上论述的方法和针对以上的图所论述的主要设置，构建了重复率约为80MHz的NPE激光器。在图5中可以看见利用虚线表示的该激光器的光谱。这里，光谱宽度对应于表现出有限的脉冲持续时间(即，最小脉冲持续时间小于100fs(例如，约40fs))的带宽。由于泵浦功率的限制，激光器的重复率降低到约20MHz。这种降低使得系统能够针对两个不同脉冲串的同时锁模维持足够的峰值功率。然而，应当理解，事实上这些是唯一的限制。即，重复率的唯一限制是由可用的泵浦功率和取决于增益光纤的长度的相应掺杂浓度给出的。在该示例中，将与图1的单模光纤F2和F3相似的单模光纤插入准直器21.2和WDM 15之间，只要需要使该单模光纤平滑地拼接到WDM 15即可。否则，分别参见图1和图4，不添加所述光纤的额外长度以减少或避免由于自相位调制引起的光谱加宽，并由此减少或避免两个不同光谱区域之间的光谱耦合。分别参见图1和图4，通过对NPE激光器进行锁模并同时调整阻挡元件35，同时对两个光谱范围进行独立锁模。各个脉冲串的带宽受限脉冲持续时间约为200fs。在图5中可以看到用实线表示的相应光谱。换句话说，图5示出单梳和双梳操作中的NPE激光器系统的光谱。然而，对于稳定操作和最佳噪声特性，NPE激光器经常在零色散附近操作，在这种情况下，略偏正或略偏负的色散允许稳定且可靠的自启动脉冲形成。因而，实际上，零色散附近的小色散范围允许在不会使噪声电平显著下降的情况下针对不同的中心波长实现不同的腔长度。这种小的色散范围适用于整个腔的净色散。该小色散范围的宽度可以为±2000fs2。由于两个梳源自相同的腔，因此这两个梳共享相同的共模噪声性质。这可能有助于在使两个梳中的仅一个梳稳定的同时实现这两个梳的稳定。为了最终产生可用于双梳光谱学的光谱，需要提供光谱重叠。这是通过经由高度非线性光纤45发送光来实现。由于两个梳的光拍频，可以测量载波包络偏移频率，即通过测量ΔfCEO、随后在无需使用诸如f～2f干涉仪等的其它设备的情况下稳定。
双梳是光谱学的强大工具。通过使用双梳，不需要如虚拟成像相位阵列或傅立叶变换光谱仪那样的任何复杂且昂贵的检测器组装。简单的光电二极管就足够了。然而，明显的缺点是振荡器设计复杂且昂贵、或者需要两个相互相干的光学频率梳OFC。这里阐述了替代方法。在功能强大且易于实现的方法中，从单个谐振器生成双梳或多梳。通过操纵增益带宽的不同光谱部分的腔损耗，论证了源自同一NPE激光器的两个频率梳。如此产生的脉冲串支持约200fs的脉冲持续时间。通过在整个腔的非零色散区域中工作，实现了约10kHz～1kHz的重复率的差异。在高度非线性光纤中进行光谱加宽之后，可以观察到光拍频和向下混合的RF梳的随后生成。在该阶段之后，建立两个光学频率梳的光谱重叠，从而针对双梳光谱学系统生成理想的双梳种子激光。这种双梳种子激光可被放大，并被用于向中红外(MIR)、近红外(NIRvana)或者紫外和远紫外体系(UV和XUV)的非线性频率转换。特别是在这些具有挑战性的光谱区域中，充分利用这种方法得到赏识。在中IR光谱区域，通常将借助光参量振荡器或差频生成系统来生成宽光谱。这里，通过随后的波长转换方案来直接补偿降低光谱的缺点，并且能够容易获得的梳状模式分辨双梳光谱的优点仍然是明显的优点。在XUV光谱区域中，由于缺乏高反射光学和透明材料，因此宽带吸收光谱的测量本质上是困难的。这使得实现如FTS那样的既定技术具有挑战性。可能的解决方案可以是将双梳技术扩展到XUV体系。在XUV光谱区域中，光通常由体腔增强的非线性高次谐波生成来产生。这可以基于双梳种子激光和光纤放大器方案来进行。一个可能的方案是保持重复率的差异足够小，使得两个梳可以耦合到将以减少的技巧设计的增强体腔中。
尽管上述示例论证了用于NPE激光器的方法，但基础方法可以扩展到任何种类的被动锁模激光器。对于具有优良稳定性和几乎独立于环境的噪声性能的光纤激光器设置，也特别值得关注。因而，本发明可以提供在实验室环境外能够使用的新一代双频率梳。这种系统将是用于放大器设置的优良种子激光以获得高平均功率双梳。
总之，本发明公开了一种用于生成用于激光光谱学的单腔双梳或多梳的激光器系统和相应方法，其中通过在谐振器内有意地创建损耗或衰减来实现激光光谱的操纵。所述损耗或衰减通常应用于谐振器内的小波长带、即激光器增益带宽。所抑制或衰减的波长带完全在激光增益带宽内。通常，将抑制或阻挡与增益介质的放大范围的中间相对应的中央部分。在引入这些损耗或选择性衰减之后，激光器原则上准备开始在两个不同的波长带(各自具有自身不同的(即，独特的)中心波长)中发射激光。因此，生成以两个不同波长的激光。
对这两个激光进行锁模。这意味着，从第一激光和第二激光分别同时生成带宽限制脉冲持续时间小于1ps的非常短的脉冲。由此，可以生成频率梳。
通常，使激光(即，腔)的色散保持于略偏正或略偏负的值。这具有与针对不同的波长提供不同的谐振器长度几乎相同的效果。因而，尽管两个激光的光穿过相同的光学元件，谐振器内的光路长度针对这两个激光各自也有所不同。
可以通过考虑光路长度来确定激光器的重复率。因而，从具有不同光谱和不同重复率的相同谐振器获得两个单独的激光器(例如，激光器1和激光器2)。特别地，生成各自的单梳模式的间隔不同的两个频率梳。
从激光器1和2产生的激光脉冲可被进一步放大并且可以在时域中被进一步压缩。这可以用于进一步提高如此得到的激光的峰值功率。
从激光器1和2分别产生的频率梳耦合到诸如非线性光纤等的非线性介质中。该光纤用于加宽并最终重叠各个梳，即激光器1和2的光谱。进一步稳定化和微调重复率可以进一步改善如此得到的重叠双梳的性质。
如此得到的双梳可被进一步放大或转置到不同的波长范围。
上述方法的效果是显著降低了设置的复杂度且实现了更好的稳定性。由于两个激光都穿过相同的元件、从而累积相同的噪声并由此受益于共模抑制，因此噪声行为也可以改善。然后可以从如此得到的激光中减去该累积噪声，从而实现噪声的大幅减少。

Claims (16)

1.一种用于生成用于激光光谱学的单腔双梳或多梳的激光光谱的方法，所述方法包括以下步骤：
提供激光器系统，所述激光器系统包括泵浦源、增益介质和具有光谱过滤器的谐振器；
利用所述光谱过滤器对所述谐振器内的光进行光谱过滤，并且利用所述光谱过滤器衰减、或者阻挡一个或多个波长带，所述一个或多个波长带至少之一完全位于所述激光器系统的增益带宽内，使得提供两个或更多个至少部分分离的光谱区域；以及
对所述两个或更多个至少部分分离的光谱区域进行锁模。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：使所生成的双梳或多梳的激光光谱分别相对于该双梳或多梳的重复率和偏移频率稳定。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：利用非线性介质使激光光谱的两个或多个至少部分分离的光谱区域光谱重叠，由此分别获得光谱重叠的双梳或多梳的激光光谱，所述非线性介质包括从晶体、光纤、玻璃和气态介质的群组中选择的至少之一。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，对所述两个或更多个至少部分分离的光谱区域进行锁模的步骤还包括操纵光的依赖于该光的峰值强度的强度损失，
其中，操纵强度损失包括：在从所述增益介质耦合输出的光进入所述光谱过滤器之前，操纵该光的偏振；以及在由所述光谱过滤器操纵后的光再次进入所述增益介质之前，操纵该光的偏振。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述光谱过滤器包括光栅压缩器、介质镜、光纤布拉格光栅、棱镜压缩器和吸收过滤器中的一个或多个。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，在光谱过滤器包括光栅压缩器和吸收过滤器中的一个或多个的情况下，光谱过滤的步骤包括利用所述光谱过滤器使所述谐振器内的光发生空间色散。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括以下步骤：
调制所述激光光谱的载波包络偏移频率；
将光单向反馈到所述增益介质中；以及
放大从所述谐振器耦合输出的光，并且利用另一光栅压缩器在时域上对放大后的光进行压缩。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述增益介质是掺杂光纤、掺杂晶体或掺杂玻璃，由Yb、Er、Ti、Ho、Nd、Pr、Tm其中之一掺杂，以及所述激光器系统包括非线性偏振演化激光器即NPE激光器和非线性放大环形镜激光器即NALM激光器。
9.一种激光器系统，用于生成用于激光光谱学的单腔双梳或多梳的激光光谱，所述激光器系统包括：
泵浦源、增益介质和谐振器，
所述谐振器包括光谱过滤器，所述光谱过滤器用于对所述谐振器内的光进行光谱过滤，并且衰减一个或多个波长带，所述一个或多个波长带至少之一完全位于所述激光器系统的增益带宽内，使得提供两个或更多个至少部分分离的光谱区域；以及
用于对所述两个或更多个至少部分分离的光谱区域进行锁模的部件。
10.根据权利要求9所述的激光器系统，还包括用于使所生成的双梳或多梳的激光光谱分别相对于该双梳或多梳的重复率和偏移频率稳定的部件。
11.根据权利要求9或10所述的激光器系统，还包括非线性光纤，所述非线性光纤使激光光谱的两个或更多个至少部分分离的光谱区域光谱重叠，由此分别获得光谱重叠的双梳或多梳的激光光谱。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的激光器系统，其中，
所述增益介质是掺杂光纤、掺杂晶体或掺杂玻璃，由Yb、Er、Ti、Ho、Nd、Pr、Tm其中之一掺杂，以及
所述激光器系统包括：
(a)基于克尔效应的超短脉冲光纤激光器，所述超短脉冲光纤激光器包括非线性偏振演化激光器即NPE激光器、非线性放大环形镜激光器即NALM激光器和克尔透镜锁模激光器即KLM激光器其中之一，
或者，(b)基于可饱和吸收体激光器，该可饱和吸收体激光器包括SESAM或石墨烯锁模激光器。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的激光器系统，其中，用于对所述两个或更多个至少部分分离的光谱区域进行锁模的部件包括：
操纵器，用于操纵光的依赖于该光的峰值强度的强度损失，其中，所述操纵器包括：
第一偏振操纵器，用于在从所述增益介质耦合输出的光进入所述光谱过滤器之前操纵该光的偏振；以及第二偏振操纵器，用于在由所述光谱过滤器操纵后的光再次进入所述增益介质之前，操纵该光的偏振；或者
可饱和吸收体，用以建立锁模；或者
孔径和克尔透镜，用以建立克尔透镜锁模。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的激光器系统，其中，所述光谱过滤器包括至少一个衰减器，所述至少一个衰减器用于衰减、或者阻挡完全位于所述激光器系统的增益带宽内的波长带，由此分别提供所述激光光谱的两个或更多个至少部分分离的光谱区域。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的激光器系统，其中，所述光谱过滤器包括光栅压缩器、介质镜和吸收过滤器中的一个或多个，
其中，所述光栅压缩器包括：一对光栅，用于使所述谐振器内的光发生光谱色散；以及反射器，用于将发生色散的光反射回到所述一对光栅上。
16.根据权利要求9至15中任一项所述的激光器系统，还包括：
电光调制器即EOM，用于调制所述激光光谱的载波包络偏移频率和/或重复率；至少一个法拉第隔离器，用于将光单向反馈回到所述增益介质中；放大器，用于放大从所述谐振器耦合输出的光；以及
另一光栅压缩器，用于在时域上对放大后的光进行压缩。
CN201910176475.9A 2018-03-09 2019-03-08 经由光谱细分从单个激光器腔的双梳生成 Active CN110247290B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP18160878.7 2018-03-09
EP18160878.7A EP3537121A1 (en) 2018-03-09 2018-03-09 Dual-comb generation from a single laser cavity via spectral subdivision

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110247290A CN110247290A (zh) 2019-09-17
CN110247290B true CN110247290B (zh) 2021-05-18

Family

ID=61616901

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910176475.9A Active CN110247290B (zh) 2018-03-09 2019-03-08 经由光谱细分从单个激光器腔的双梳生成

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10965088B2 (zh)
EP (1) EP3537121A1 (zh)
JP (1) JP2019179918A (zh)
CN (1) CN110247290B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018213286A1 (en) * 2017-05-15 2018-11-22 The Trustees Of Princeton University Fast computational phase and timing correction for multiheterodyne spectroscopy
US11417999B2 (en) * 2019-06-27 2022-08-16 Lumentum Operations Llc Femtosecond fiber oscillator
JPWO2021246531A1 (zh) * 2020-06-05 2021-12-09
WO2022194386A1 (en) 2021-03-19 2022-09-22 Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V. Method and spectroscopic measuring apparatus for measuring a spectral response of a sample
CN113659418B (zh) * 2021-08-17 2022-07-26 哈尔滨工业大学 一种基于双环形集成谐振腔的四光梳同步生成方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4009391A (en) * 1974-06-25 1977-02-22 Jersey Nuclear-Avco Isotopes, Inc. Suppression of unwanted lasing in laser isotope separation
JPH05224158A (ja) 1992-02-14 1993-09-03 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光フィルター及びその光フィルターを用いた光増幅装置
WO2003043178A2 (en) * 2001-11-15 2003-05-22 Hrl Laboratories, Llc Frequency agile spread waveform generator and method and pre-processor apparatus and method
US6940879B2 (en) 2002-12-06 2005-09-06 New Focus, Inc. External cavity laser with dispersion compensation for mode-hop-free tuning
EP1721195B1 (en) 2004-02-20 2013-04-10 California Institute of Technology Method and apparatus for a bragg grating tunable filter
US7508853B2 (en) * 2004-12-07 2009-03-24 Imra, America, Inc. Yb: and Nd: mode-locked oscillators and fiber systems incorporated in solid-state short pulse laser systems
US8571075B2 (en) 2010-11-29 2013-10-29 Imra America, Inc. Frequency comb source with large comb spacing
JP5257924B2 (ja) 2008-04-22 2013-08-07 独立行政法人理化学研究所 パルスレーザー発生装置およびパルスレーザー発生方法
CN101504474B (zh) 2009-03-10 2010-09-01 福州高意通讯有限公司 一种梳形带状滤波器
US8787411B2 (en) * 2011-06-21 2014-07-22 Cornell University Mode-locked fiber laser based on narrowband optical spectral filtering and amplifier similaritons
US9391713B2 (en) 2013-10-14 2016-07-12 Trumpf Laser Gmbh High brightness dense wavelength multiplexing laser
WO2015056050A1 (en) 2013-10-15 2015-04-23 Integrated Optics, Uab Homogenization of spectra of short laser pulses by passive non-linear attenuation
US20180205197A1 (en) 2014-10-23 2018-07-19 TRUMPF Laser GmbH (TLS) Open-loop wavelength selective external resonator and beam combining system
US20170365974A1 (en) 2016-06-15 2017-12-21 Luminit Llc Spectrally pure short pulse laser
CN107104353B (zh) * 2017-05-09 2023-08-15 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种基于微环谐振腔的自锁定双光频梳产生系统及方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019179918A (ja) 2019-10-17
EP3537121A1 (en) 2019-09-11
CN110247290A (zh) 2019-09-17
US20190280450A1 (en) 2019-09-12
US10965088B2 (en) 2021-03-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110247290B (zh) 经由光谱细分从单个激光器腔的双梳生成
US7630418B2 (en) Laser system for generation of high-power sub-nanosecond pulses with controllable wavelength in 2-15 μm region
JP6050684B2 (ja) 広範に同調可能な光パラメトリック発振器
US20170187161A1 (en) Low carrier phase noise fiber oscillators
US9787051B2 (en) Compact optical frequency comb systems
DE112004002187B4 (de) Gepulste Laserquellen
US7764719B2 (en) Pulsed fiber laser
US20160099537A1 (en) Compact, coherent, high brightness light sources for the mid and far ir
US9219344B2 (en) Generating ultrashort laser pulses based on two-stage pulse processing
US9684223B2 (en) High efficiency fiber optical parametric oscillator
JP6580554B2 (ja) 赤外領域及び可視領域における少なくとも３つのコヒーレントなレーザビームのための発生器
EP4002610A1 (en) Laser device and method for generating laser light
Hu et al. Lumped dissipation induced quasi-phase matching for broad and flat optical parametric processes
EP3743967A1 (en) Device and method for generating laser pulses by kerr lens based mode locking with a loss-modulation device as a kerr medium
US20240036435A1 (en) Optical Parametric Oscillator System
EP4102656A1 (en) Laser system and method for generating laser pulses
CN117277028A (zh) 基于时间-光谱编码的全光纤型和频波长可调飞秒光源
WO2022147006A1 (en) Deep ultraviolet laser source
Honig et al. Diode-pumped 22-W average-power uv laser with user-selectable pulse width and> 50% conversion efficiency
CN116417877A (zh) 压缩纳秒级的激光脉冲并生成100飞秒级的超短脉冲的设备
Nithya et al. Analysis of fiber optical Parametric Oscillator
Danielli et al. Frequency stabilization of a frequency-doubled 1556 nm source to the two-photon transitions of rubidium
Sharping et al. A microstructure-fiber based optical parametric oscillator

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20200120

Address after: new jersey

Applicant after: Thorlabs Inc

Address before: Austria Vienna

Applicant before: Crystal mirror Solutions Ltd

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant