DE112011103070T5

DE112011103070T5 - Erzeugen von Laserimpulsen auf der Grundlage der Chirped Pulsed Amplification

Info

Publication number: DE112011103070T5
Application number: DE112011103070T
Authority: DE
Inventors: Sha Tong; Jerry Prawiharjo; Hong Cong; Daniel Beom Soo Soh; Lawrence West; Anthony Hong Lin
Original assignee: Calmar Optcom Inc
Current assignee: Calmar Optcom Inc
Priority date: 2010-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2013-06-20
Also published as: WO2012037177A3; CN103314486A; WO2012037177A2; WO2012037177A8; US20120062984A1; JP2013541201A; US8730568B2

Abstract

Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung kurzer Laserimpulse auf der Grundlage der Chirped Pulse Amplification

Description

QUERVERWEISE AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende PCT-Patentanmeldung beansprucht die Priorität der am 13. September 2010 eingereichten US Seriennr. 12/881,146. Der gesamte Inhalt der oben erwähnten Patentanmeldung gilt als Bestandteil der vorliegenden Anmeldung.
HINTERGRUND
Die vorliegende Anmeldung betrifft die Erzeugung und Steuerung von Laserimpulsen, insbesondere optische Impulsverstärker und Impulslaser.
Ultrakurz gepulste (USP-)Laser mit einer Impulslänge weniger 1–10 ps sind für ein breites Spektrum an Anwendungsbereichen, z. B. Werkstoffverarbeitung, optische Messtechnik, Präzisionschirurgie, insbesondere Opthalmologie, im biomedizinischen Bereich, sowie im Bereich der nicht linearen Studien und der Spektroskopie attraktiv. In einigen dieser Anwendungsbereichen sowie in anderens Anwendungsbereichen kann es erforderlich sein, dass die Laserimpulse eine hinreichende Impulsenergie aufweisen.
Energiereiche Laserpulse können durch Verstärken durch einen Anregungslaser erzeugter Laserimpulse erzeugt werden. Verschiedene optische Verstärker sind derart konstruiert, dass sie das Licht verstärken, indem sie auf derselben Wellenlänge wie das zu verstärkende Licht eine optische Verstärkung erzeugen, so dass das Licht nach der Übertragung durch ein optisches Verstärkungsmedium in seiner Kraft bzw. Energie verstärkt wird, und das verstärkte Licht dieselbe Wellenlänge aufweist wie das ursprüngliche Licht vor der Verstärkung. Die optische Verstärkung des optischen Verstärkers kann mittels eines Pumplichts, das das optische Verstärkungsmedium, z. B. einen mit Nd oder Yb dotierten Faserverstärker, optisch erregt, oder mittels eines elektrisch erregten Verstärkungsmediums, z. B. eines Halbleiterlaserverstärkers auf Quantentopfbasis sowie anderer Verstärkungsmechanismen erzielt werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Anmeldung beschreibt Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung kurzer Laserimpulse auf der Grundlage der Chirped Pulse Amplification (CPA).
Unter einem Aspekt wird ein Verfahren zur Verstärkung von Laserimpulsen bereitgestellt, das das Bedienen eines optischen Eingangsverstärkers zur Verstärkung eingehender Laserimpulse zur Erzeugung von Laserimpulsen, deren Frequenz ein lineares Chirp aufweist und auf eine Impulsdauer erstreckt werden, die länger ist als eine Impulsdauer jedes eingehenden Laserimpulses; Bedienen eines dem ersten optischen Verstärker nachgeschalteten optischen Impulsverlängerers, um die Laserimpulsedauer noch weiter zu erstrecken, um so verlängerte Laserimpulse zu ergeben, die in jedem Laserimpuls eine reduzierte Spitzenleistung aufweisen; Leiten der verlängerten Laserimpulse in einen optischen Verstärker, um die verlängerten Laserimpulse zu verstärken, um verstärkte verlängerte Laserimpulse zu erzeugen; und Komprimieren einer Pulsdauer jedes der verstärkten verlängerten Laserimpulse, um verstärkte, komprimierte Laserimpulsausgaben mit hoher Spitzenleistung zu ergeben.
Unter einem weiteren Aspekt wird eine gepulste Laservorrichtung bereitgestellt, umfassend einen gepulsten Anregungslaser, der eingehende Laserimpulse erzeugt; einen ersten optischen Verstärker, der die eingehenden Laserimpulse empfängt, um die empfangenen eingehenden Laserimpulse zu verstärken, um Laserimpulse zu erzeugen, deren Frequenz ein lineares Chirp aufweist und eine Impulsdauer aufweisen, die länger ist als eine Impulsdauer jedes eingehenden Laserimpulses; einen dem ersten optischen Verstärker nachgeschalteten optischen Impulsverlängerer, um die Laserimpulsdauer noch weiter zu erstrecken, um so verlängerte Laserimpulse zu ergeben, die in jedem Laserimpuls eine reduzierte Spitzenleistung aufweisen; einen optischen Verstärker, um die verlängerten Laserimpulse noch weiter zu verstärken, um verstärkte verlängerte Laserimpulse zu erzeugen; und einen Pulskompressor, der die Pulsdauer jedes der verstärkten verlängerten Laserimpulse komprimiert, um verstärkte, komprimierte Laserimpulsausgaben mit hoher Spitzenleistung zu ergeben.
Unter einem weiteren Aspekt wird eine gepulste Laservorrichtung bereitgestellt, umfassend einen gepulsten Anregungslaser, der eingehende Laserimpulse erzeugt; einen dem Anregungslaser nachgeschalteten optischen Impulsverlängerer, um die Dauer der von den eingehenden Laserimpulsen ausgehenden Laserimpulse zu verlängern, um verlängerte Laserimpulse mit reduzierter Spitzenleistung zu erzeugen; einen dem optischen Impulsverlängerer nachgeschalteten optischen Verstärker, um die verlängerten Laserimpulse zu empfangen und die verlängerten Laserimpulse zu verstärken, um verstärkte verlängerte Laserimpulse zu erzeugen; einen dem optischen Verstärker nachgeschalteten Pulskompressor, der eine Impulsdauer jedes empfangenen Laserimpulses komprimiert, um einen komprimierten Laserimpuls mit hoher Spitzenleistung zu erzeugen; sowie eine zwischen dem optischen Impulsverlängerer und dem Pulskompressor angeordnete Pulsselektionsvorrichtung, um eine Pulswiederholfrequenz der empfangenen Laserimpulse zu reduzieren, welche einen akusto-optischen Modulator umfasst, der eingehendes Licht empfängt, um einen Beugungstrahl in einer anderen Richtung zu erzeugen als die des eingehenden Lichts, sowie ein zum Empfang des ausgehenden Lichts angeordnetes Prisma umfasst, um den Beugungsstrahl zur Erzeugung ausgehenden Lichts zu empfangen.
Unter einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Verstärkung von Laserimpulsen bereitgestellt, umfassend das Bedienen eines parabolischen optischen Verstärkers zur Verstärkung eingehender Laserimpulse bei einer Eingangspuls-Wiederholfrequenz, um parabolische Laserimpulse zu erzeugen, die einen parabolischen Puls und eine parabolische Spektrumsform aufweisen und auf eine längere Impulsdauer als eine Impulsdauer jedes eingehenden Laserimpulses verlängert werden; das Bedienen eines eines dem Anregungslaser nachgeschalteten parabolischen optischen Verstärker, um die Dauer der parabolischen Laserimpulse zu verlängern, um verlängerte parabolische Laserimpulse mit reduzierter Spitzenleistung zu erzeugen; Leiten der verlängerten parabolischen Laserimpulse in einen ersten optischen Verstärker, um die verlängerten parabolischen Laserimpulse zu verstärken, um erste verlängerte verstärkte Laserimpulse zu erzeugen; Leiten der ersten verlängerten parabolischen Laserimpulse in einen zweiten optischen Verstärker, um die verlängerten parabolischen Laserimpulse weiter zu verstärken, um zweite verlängerte verstärkte Laserimpulse zu erzeugen; und das Komprimieren einer Pulsdauer jedes Impulses der zweiten verstärkten verlängerten Laserimpulse, um verstärkte und komprimierte ausgehende Laserimpulse mit hoher Spitzenleistung zu erzeugen.
Unter noch einem weiteren Aspekt wird eine gepulste Laservorrichtung bereitgestellt, umfassend einen gepulsten Anregungslaser, der eingehende Laserimpulse erzeugt; einen parabolischen optischen Verstärker zur Verstärkung eingehender Laserimpulse, um parabolische Laserimpulse zu erzeugen, die einen parabolischen Puls und eine parabolische Spektrumsform aufweisen und auf eine längere Impulsdauer als eine Impulsdauer jedes eingehenden Laserimpulses verlängert werden; einen dem parabolischen optischen Verstärker nachgeschalteten optischen Impulsverlängerer, um die Dauer der parabolischen Laserimpulse weiter zu verlängern, um verlängerte parabolische Laserimpulse mit reduzierter Spitzenleistung zu erzeugen; einen dem optischen Impulsverlängerer nachgeschalteten ersten optischen Verstärker, um die verlängerten parabolischen Laserimpulse zu empfangen und die verlängerten Laserimpulse zu verstärken, um verstärkte verlängerte Laserimpulse zu erzeugen; einen zweiten optischen Verstärker, um die verlängerten parabolischen Laserimpulse weiter zu verstärken, um zweite verlängerte verstärkte Laserimpulse zu erzeugen; und einen Pulskompressor, der eine Pulsdauer jedes Impulses der zweiten verstärkten verlängerten Laserimpulse komprimiert, um verstärkte und komprimierte ausgehende Laserimpulse mit hoher Spitzenleistung zu erzeugen.
Diese und weitere Aspekte, deren Umsetzung, sowie weitere Merkmale werden in den Zeichnungen, der Beschreibung und den Patentansprüchen ausführlich beschrieben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Beispiel eines gepulsten Lasers auf der Grundlage der CPA.
2 zeigt ein Beispiel eines gepulsten Lasers auf der Grundlage der in 1 dargestellten Konstruktion.
3A-1, 3A-2, 3B-1, 3B-2, 4A und 4B zeigen Beispiele für Laserspektralmessungen des Ausgangs eines optischen parabolischen Verstärkers mit verschiedenen Verzerrungen der eingehenden Impulse.
5A zeigt ein Beispiel des Einsatzes eines optischen Bandpassfilters im gepulsten Laser der 2, um die Laserimpulsqualität zu verbessern.
5B und 5C zweigen beispielhafte Messungen, die die Wirkungen des optischen Bandpassfilters veranschaulichen.
6, 7, 8A und 8B zeigen Beispiele optischer Verstärkerkonstruktionen für 2.
9, 10 und 11 zeigen Beispiele einer zum Einsatz im gepulsten Laser der 2 geeigneten Pulsselektionsvorrichtung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Impulsenergie eines Laserimpulses lässt sich aufgrund des Produktes der Länge und Spitzenleistung des Impulses schätzen. Kurze Impulse können bei einer gegebenen Impulsenergie eine hohe Spitzenleistung aufweisen. Beispielsweise hat ein Impuls mit einer Impulsenergie von 10–100 microJ und eine Impulsbreite von 1 ps eine Spitzenleistung von 10–100 MW. Die hohe Spitzenleistung aufgrund der kurzen Impulsdauer kann in verschiedenen Anwendungsbereichen wünschenswert sein. Wird der Impuls mit hoher Spitzenleistung auf einen kleinen Punkt fokussiert, so reicht die elektrische Feldstärke aus, um auf die Elektronen im Material einzuwirken, und dadurch Plasmawirkungen zu verursachen. Diese Plasmawirkung ermöglicht z. B. die Entfernung von Material ohne thermische Wirkungen, ein als ”kalte Ablation” bekanntes Verfahren. Zum Vergleich gibt es auch Laser mit längeren Impulslängen, die das Material mittels einer Hitze entfernen, wodurch erhebliche erwärmte Bereiche mit verzerrtem Material in deren Nähe entstehen.
Das hohe elektrische Feld aufgrund der hohen Spitzenleistung bei USP-Lasern führt zu Schwierigkeiten beim Aufbau eines UPS-Lasers, da die Ablationswirkungen auch den Laser beschädigen oder darin Verzerrungen verursachen, wenn der Laserimpuls mit dem Verstärkungsmaterial und sonstigen Elementen des Lasers in Wechselwirkung tritt. Ein häufig auftretender Faktor bei optischen Versterrungen sind nicht lineare optische Wirkungen. Beispielsweise ist die simulierte Raman-Streuung (SRS) eine nicht lineare optische Wechselwirkung des Lichts mit einem optischen Phonon im Material, wenn die Lichtintensität bei einer optischen Wellenlänge eine SRS-Schwelle überschreitet. Wenn die SRS eintritt, wird ein Raman-Signal in derselben Ausbreitungsrichtung wie das ursprüngliche Licht aus dem nicht linearen SRS-Verfahren im Medium bei einer Raman-Frequenz, die von der optischen Frequenz des ursprünglichen Lichts durch eine Raman-Frequenzverstimmun verschoben wird. Die SRS kann zu unerwünschten Wirkungen bei der optischen Impulsverstärkung in Fasern und sonstigen optischen Medien führen. Beispielsweise wird die optische Kraft der optischen Impulse mit zunehmender Intensität bis zur SRS-Schwelle reduziert; so setzt das SRS-Verfahren der optischen Kraft der optischen Impulse eine Grenze. Ausserdem können sich optische nicht lineare Wirkungen wie die Selbstphasenmodulation (SPM) auf der Grundlage der Kerr-Wirkungen im Zuge der Ausbreitung der Impulse häufen, und die SPM erzeugt üblicherweise neue Spektralkomponenten und nicht lineares Chirp, was die Gewinnung kurzer Impulse, die in verschiedenen Anwendungsbereiche für gepulste Laser, z. B. Laser-Werkstoffverarbeitung und in sonstigen Anwendungsbereichen erwünscht sind, erschwert.
Deshalb nehmen die erfindungsgemäßen optischen Impulsverstärkungsverfahren und -vorrichtungen zunächst eine Verlängerung der optischen Impulse im Zeitbereich vor, um die Spitzenleistung der Impulse zu reduzieren (z. B. unter die SRS-Schwelle) und um Verzerrungen wie die Häufung optischer nicht linearer Wirkungen während des optischen Verstärkungsverfahrens zu mindern. Die Impulse können um einen gewünschten Faktor (z. B. 100 oder mehr) zeitlich verlängert werden, um die Spitzenleistung um denselben Faktor zu reduzieren. Nach der Verstärkung der verlängerten optischen Impulse werden die verstärkten optischen Impulse dann zeitlich komprimiert, um die gewünschten kurzen optischen Impulse zu erzeugen. Dieses Impulsverstärkungsverfahren ist als Chirped Pulse Amplification (CPA) bekannt. Das Verlängern und Komprimieren des Impulses erfolgen auf der Grundlage der Verzögerung verschiedener Wellenlängen im Impuls um verschiedene Zeitfaktoren. Ein ultrakurzer Impuls weist naturgemäß ein breites Spektrum von 1–10 nm oder mehr auf. Im Verlängerer können die Impulse mit kurzer Wellenlänge gegenüber denen mit langer Wellenlänge verzögert werden, oder auch umgekehrt; im Kompressor wird diese Wirkung dann wieder rückgäng gemacht.
Die parabolische Impulsverstärkung verwendet die normale Dispersion in optischen Fasern in Verbindung mit einer positiven Verstärkung im Faserverstärker, um einen linear gechirpten verlängerten optischen Impuls zu erzeugen. In einem idealen parabolischen Verstärker mit einer unbegrenzten Verstärkungsbandbreite und endloser Faserlänge erweitern sich die Breite und das Spektrum des ausgehenden Impulses, und der Impuls weist eine parabolische Form auf, die von der Eingangsenergie und der Form der Eingangsimpulse unabhängig ist. In praktischen parabolischen Verstärkern sind die Verstärkungsbandbreite und die Faserlänge jedoch begrenzt; parabolische Ausgangsimpulse können je nach verschiedenen Bedingungen des Eingangsimpulses erzeugt werden. Zu diesen Bedingungen gehören spektrale Störungen, Eingangsleistung und der Verbreiterungsgrad des Eingangsspektrums gegenüber des Verstärkungsmediums des Verstärkers. Die Form des Ausgangspulses ist in etwa parabolisch. Deshalb kann der parabolische Verstärker im erfindungsgemäßen CPA-Verfahren eingesetzt werden, um verstärkte und verlängerte parabolische Impulse zu erzeugen. Die verlängerten parabolischen Impulse können anschließend komprimiert werden, um kurze Hochleistungsimpulse zu erzeugen.
1 zeigt ein Beispiel eines gepulsten Lasers auf der Grundlage der CPA und der parabolischen Verstärkung. Die gepulste Laservorrichtung 100 umfasst einen gepulsten Anregungslaser 101, der eingehende Laserimpulse erzeugt. Ein optischer parabolischer Verstärker 110 wird dem Anregungslaser 101 nachgeschaltet, um die verlängerten Laserimpulse zu empfangen und die verlängerten Laserimpulse zu verstärken, um parabolische Laserimpulse zu erzeugen. Parabolische Impulse weisen einen parabolischen Puls und eine parabolische Spektrumsform auf. Die Ausgangsimpulse aus dem parabolischen Verstärker 110 sind aufgrund der praktischen Beschränkungen der Vorrichtung womöglich keine idealen parabolischen Impulse, und weisen womöglich eine in etwa parabolische Impulsform auf. Der Verstärker 110 ist ein erster Verstärker, der zur Impulsverbreiterung im Verstärkungsverfahren konstruiert ist, so dass eine Impulsdauer des ausgehenden Laserimpulses länger ist als eine Impulsdauer des eingehenden Laserimpulses, und der ausgehende Laserimpuls ein lineares Chirp in der Frequenz oder Phase aufweist. In den nachfolgenden Beispielen wird der Verstärker 110 zur Vereinfachung ”parabolischer Verstärker” genannt, obwohl es sich je nach der Umsetzung beim eigentlichen Verstärker 110 nicht unbedingt um einen idealen parabolischen Verstärker handelt. Dementsprechend werden die Ausgangsimpulse aus dem ersten Verstärker 110 in den Beispielen ”parabolische Impulse” genannt, obwohl es sich bei diesen Impulsen nicht unbedingt um ideale parabolische Impulse handelt.
In 1 wird dem parabolischen optischen Verstärker 110 ein optische Impulsverlängerer 120 nachgeschaltet, um die Dauer der parabolischen Laserimpulse weiter zu verlängern, um verlängerte parabolische Laserimpulse mit reduzierter Spitzenleistung zu erzeugen. Der Verlängerungsgrad der Impulsdauer kann ein Faktor von 10 oder mehr als die sich aus dem ersten Verstärker 110 ergebende anfängliche verlängerte Impulsdauer sein. In diesem Beispiel wird ein optischer Vorverstärker 130 vorgesehen, um die verlängerten parabolischen Laserimpulse zu empfangen und die verlängerten Laserimpulse zu verstärken, um erste verstärkte verlängerte parabolische Laserimpulse zu erzeugen. Anschließend wird ein zweiter optischer Verstärker 140 als Hauptverstärker vorgesehen, um die ersten verstärkten verlängerten parabolischen Laserimpulse weiter zu verstärken, um zweite verlängerte verstärkte parabolische Laserimpulse zu erzeugen. Je nach Umsetzung kann auf den optischen Vorverstärker 130 verzichtet werden, so dass die verlängerten Laserimpulse dem optischen Verstärker 140 zur Verstärkung direkt zugeführt werden. Eine Pulsselektionsfunktion kann dem Hauptverstärker 140 vorgeschaltet werden, um die ursprüngliche Pulswiederholfrequenz der Anregungslaserimpulse zu reduzieren. Je nach Umsetzung kann eine Pulsselektionsvorrichtung zwischen dem optischen Impulsverlängerer 120 und dem optischen Verstärker 140, z. B. zwischen dem Vorverstärker 130 und dem Hauptverstärker 140, angeordnet werden, um die Anzahl der Pulse oder die Pulswiederholfrequenz zu reduzieren. Diese Pulsselektionsvorrichtung kann in Umsetzungen vorgesehen werden, die auf den optischen Vorverstärker 130 verzichten.
Diese Vorrichtung 100 umfasst auch einen Pulskompressor 150, der eine Pulsdauer jedes Impulses der zweiten verstärkten verlängerten parabolischen Laserimpulse komprimiert, um verstärkte und komprimierte ausgehende Laserimpulse mit hoher Spitzenleistung zu erzeugen. Je nach Umsetzung können die verstärkten und komprimierten ausgehenden Laserimpulse eine größere Pulsenergie als 10 Mikrojoule und/oder eine Pulsdauer von weniger als 10 ps aufweisen. Diese und weitere von der Vorrichtung der 1 erzeugte kurze und Hochleistungsimpulse können in einem breiten Spektrum an Anwendungsbereichen Einsatz finden.
Der Pulskompressor 150 kann in verschiedenen Konfigurationen umgesetzt werden. Ein Beispiel des Pulskompressors 150 ist ein Paar Gitterroste, wobei ein Impuls durch die beiden Gitterroste geleitet wird, um die Pulskompression zu ergeben. Das erste Gitterrost erzeugt eine Winkeldispersion, die vom zweiten Gitterrost wieder rückgängig gemacht wird. Verschiedene spektrale Beugungskomponenten, die vom ersten Gitterrost erzeugt werden, werden in verschiedenen Beugungswinkeln zwischen den beiden Gitterrosten gebeugt, und breiten sich entlant verschiedenen Ausbreitungslängen zwischen den beiden Gitterrosten, um sich einer starken Dispersion zu unterziehen. Zur angemessenen Impulskompression ist es wichtig, nicht nur die Dispersionseigenschaften des Verlängerers und des Kompressors, sondern auch Dispersionsfaktoren höherer Ordnung sowie sonstiger Komponenten im Laser zu berücksichtigen, um Impulsverzerrungen zu minimieren.
Die Wellenlänge des Laserlichts aus dem Anregungslaser 101 kann verschiedene Wellenlängen aufweisen, z. B. im Spektralband von Er-, Er/Yb-Fasern bei etwa 1,55 μm, Yb-Fasern bei etwa 1 μm, Ho-Fasern bei etwa 2 μm oder in anderen Verstärkungsbereichen mit seltenen Erden dotierter Fasern. Die Laserleistung des Lasers 101 kann in verschiedenen Bereichen liegen. Der parabolische Verstärker 110 kann eingesetzt werden, um sowohl hohe Energien als auch linear gechirpte Ausgänge zu erzeugen. Der Ausgang des parabolischen Faserverstärkers 110 kann unempfindlich gegen die Eingangspulsparameter sein, und diese Eigenschaft kann die Stabilität der Vorrichtung 100 verbessern.
2 zeigt ein Umsetzungsbeispiel des Lasers der 1. Der parabolische Verstärker 110 umfasst in diesem Beispiel eine Pumplichtquelle 212 sowie einen Faserkoppler 214, der das Pumplicht aus der Pumplichtquelle 212 mit der Hauptfaserstrecke des Lasers 100 koppelt. Der Faserverstärkungsbereich 210 wird vom Pumplicht optisch gepumpt, um die optische Verstärkung der parabolischen Verstärkung zu erzeugen. In diesem Beispiel wird das Pumplicht in den Faserverstärkungsbereich 210 in derselben Ausbreitungsrichtung wie die Laserimpulse aus dem Anregungslaser 101 eingekoppelt. Ein sich durch den parabolischen Verstärker 110 ausbreitender Laserimpuls wird verlängert und sein Spektrum erweitert. Der Ausgangsimpuls des Verstärkers weist in etwa einen parabolischen Puls und eine parabolische Spektralform auf. Der Ausgang wird dann dem Impulsverlängerer 120 zugeführt.
In diesem Beispiel umfasst der Impulsverlängerer 120 ein Bragg-Gitterrost mit gechirpten Fasern (CFBG), in dem der Gitterrostbereich entlang der Faser räumlich gechirpt wird. Das CFBG verlängert den Impuls noch weiter, um die Spitzenleistung zu reduzieren, und ermöglicht aufgrund der SPM eine weitere verzerrungsfreie Verstärkung unter Beibehaltung der parabolischen Impulsform. Ein optischer Zirkulator 222 wird vorgesehen, um das Eingangslicht aus dem parabolischen Verstärker 110 dem CFBG-Impulsverlängerer 220 zuzuführen und das reflektierte Licht der Hauptfaserlinie des Lasers 100 zuzuführen. Bei dieser Konstruktion werden die Laserimpulse zweimal durch den CFBG-Verlängerer 220 übertragen. Der Ausgang des optischen Zirkulators 222 kann in einen optischen Verstärker (Faservorverstärker) 232 injiziert werden, um die Durchschnittsleistung auf ein zur Injektion in einen Hauptverstärker 140 geeignetes Niveau zu erhöhen. Weitere Verstärker können nach Bedarf eingesetzt werden. Da der Impuls verlängert ist, treten keine erheblichen SPM-Wirkungen in diesen Vorverstärkern auf.
Wahlweise kann in einigen Anwendungen eine Pulsselektionsvorrichtung 234 zwischen dem Vorverstärker 232 und dem Hauptverstärker 140 angeordnet werden. Die Pulsselektionsvorrichtung 234 modifiziert oder reduziert die Pulswiederholfrequenz auf eine niedrigere Frequenz, indem Impulse selektiert werden, um modifizierte Impulse bei einer niedrigeren Pulswiederholfrequenz zu erzeugen. Ein Beispiel einer Pulsselektionsvorrichtung 234 ist ein akusto-optischer (AO) Modulator oder ein elektro-optischer (EO) Modulator. Ein derartiger Modulator wird von einem elektrischen Tastsignal angetrieben, um aus den vom Anregungslaser 101 erzeugten Impulsen Pulse auszuwählen. So reduziert die Pulsselektionsvorrichtung 234 die Anzahl der Impulse zur weiteren Verstärkung. Dadurch wird eine höhere Energie pro Impuls ermöglicht. Die Pulsselektionsvorrichtung 234 wird nicht in Vorrichtung eingesetzt, in denen der Anregungslaser 101 Impulse bei einer gewünschten Pulswiederholfrequenz erzeugt.
Die Pulsselektionsvorrichtung 234 vor dem Hauptverstärker 140 kann zur Einstellung der Pulswiederholfrequenzen der Impulse auf eine beliebige gewünschte Frequenz eingesetzt werden. Diese würde jedoch das durchschnittliche Eingangssignal an den Hauptverstärker 140 verändern, und dadurch erhebliche Veränderungen und mögliche Instabilitäten im Hauptverstärker 140 verursachen. Bei niedrigen Wiederholfrequenzen, die unter einer Schwellenfrequenz, z. B. 10 kHz, liegen, könnte der Verstärkungsfaktor zwischen dem Impulsen eine erhebliche verstärkte Spontanemission (ASE) verursachen, und kann zu einer Selbstbestrahlung des Verstärkers z. B. aufgrund von Restreflektionen führen.
Zur besseren Steuerung der Pulswiederholfrequenz der Impulse des Lasers 100 wird also eine zweite Pulsselektionsvorrichtung 260 dem Hauptverstärker 140 nachgeschaltet. Der Betrieb der zweiten Pulsselektionvorrichtung 260 wird keinerlei Auswirkungen auf den Betrieb des Hauptverstärkers 140 entfalten, und kann deshalb zur Einstellung der Wiederholfrequenz in einem breiten Frequenzbereich eingesetzt werden, um den Erfordernissen der jeweiligen Anwendung gerecht zu werden. Diese zweistufige Pulsselektion kann auch bei der Erzeugung variabler Pulswiederholfrequenzen gewisse Vorteile aufweisen.
Es können Pulsselektionsvorrichtung verschiedenerlei Arten eingesetzt werden. Das Ankoppeln einer Pulsselektionsvorrichtung im Wege der Faserkopplung führt Faserpigtails ein, die bei hohen Spitzenleistungen zu erheblichen Verzerrungen führen können. Ein elektro-optischer (EO) oder akusto-optischer (AO) Modulator kann zur optischen Modulation bei der Pulsselektion im Wege der Reduzierung der Anzahl der Impulse eingesetzt werden. Verschiedene EO-Modulatoren funktioneren bei hohen Spannungen und sind deshalb weniger geeignet. Ein AO-Modulator kann bei niedrigerer Spannung betrieben werden und den Strahl auf der Grundlage eines angewandten RF-Signals auf den AO-Kristall ablenken. Der Strahl nullter Ordnung aus dem AO-Kristall kann zur Modulation des Ausgangs verwendet werden. In verschiedenen AO-Modulatoren kann nur etwa 90% des Lichts im Strahl nullter Ordnung abgelenkt werden; deshalb kann die Verwendung des Strahls nullter Ordnung zu einer Reihe kleinerer Impulse um die ausgewählen Impulse herum aufgrund unzureichender Blockierung der kleineren Pulse führen. Dieses Problem wird durch die Verwendung des Strahls 1. Ordnung umgangen.
In 2 kann der optische Verstärker 140 in verschiedenen Konfigurationen umgesetzt werden. Zu den Beispielen dafür gehören ein Kernpump-Faserverstärker, ein Doppelmantelfaserverstärker, eine Kombination aus einem Kernpump-Faserverstärker und einem Doppelmantelfaserverstärker, sowie sonstige Verstärkerkonstruktionen wie z. B. Festkörperlaserverstärker. Ein Festkörperlaserverstärkungsmedium kann z. B. durch Diodenlaser oder eine Blitzlichtpumpe optisch gepumpt werden. in verschiedenen Verstärkerkonstruktionen können Festkörperlaserverstärker aufgrund ihrer großen Querschnitte eingesetzt werden, um die letzte Verstärkungsstufe einer mehrstufigen Verstärkerkonstruktion bereitzustellen. Zu Beispielen von Werkstoffen, die in Festkörperverstärkern eingesetzt werden, gehören insbesondere Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:Glas u. a.
Die Impulslänge des Anregungslasers 101 mag zwar nicht von kritischer Bedeutung sein, die Impulsform sollte jedoch gut gesteuert werden. Für einen idealen parabolischen Verstärker ist die Impulsform gleichgültig, da theoretisch nachgewiesen worden ist, dass der Ausgang aus dem Verstärker nur von der Impulsenergie abhängt. In praktischen parabolischen Verstärkern sind Faserlänge und Verstärkungsbandbreite begrenzt. In derartigen praktischen Verstärkern können Verzerrungen des Eingangsimpulses zu starken Verzerrungen des Ausgangsimpulses führen.
3A-1 und 3A-2 zeigen Verzerrungen des Ausgangs des parabolischen Verstärkers. Das in 3A-1 gezeigte Eingangsspektrum weist eine Senkung um 10 dB in der Nähe der rechten Seite der Spitze des Eingangsspektrums auf. Eine derartige Senkung kann in Pumpanregungslasern auftreten. Beispielsweise weisen gepulste Laser auf Solitonbasis typischerweise eine Dispersionswelle auf, die in der Nähe des Hauptimpulses einen kleinen Impuls erzeugen können. Befindet sich dieser Impuls in der Nähe des Hauptimpulses, so kann er zu spektralen Störungen der Anregungsquelle führen. Weitere Laserarten sowie dem Laser nachgeschaltete Komponenten können zu Verzerungen anderer Arten führen. Das in 3A-2 gezeigte gemessene Ausgangsspektrum des parabolischen Verstärkers weist eine starke Welligkeit statt eines reinen, glatten Ausgangsspektrums auf. Es wurde festgestellt, dass zur Schaffung eines glatten Ausgangsspektrums und -impulses aus einem praktischen parabolischen Verstärker ein sekundärer Impuls weniger als 10 bis 15 dB Verzerrungen im Spektrum verursacht. Die gemessenen Eingangsspektren aus der Anregungsquellen mit mehr als 10 dB Verzerrung werden in 3B-1 gezeigt. Das in 3B-2 gezeigte gemessene Ausgangsspektrum des parabolischen Verstärkers weist keine starke Welligkeit auf. Ein reines Ausgangsspektrum aus dem parabolischen Verstärker kann auch für spektrale Störungen ausserhalb der Bandbreite des Hauptimpulses erzielt werden.
Praktische parabolische Verstärker sind empfindlich gegenüber der Eingangsimpulsenergie und der Spitzenleistung. 4A und 4B zeigen jeweils gemessene Eingangsimpulsspektren bei 30 W und 4 W für Spitzenleistungsniveaus. Die Ergebnisse zeigen erhebliche Verzerrungen für den Impuls mit 30 W Spitzenleistung, während die Verzerrungen des Impulses mit 4 W Spitzenleistung geringfügig sind. Impulsverzerrungen können durch die hohe Spitzenleistung des Impulses mittels verschiedener Mechanismen verursacht werden. Beispielsweise können geringfügige Restverzerrungen in der Anregungslaserquelle zu weiteren Verzerrungen im parabolischen Verstärker bei hoher Spitzenleistung führen, was erhebliche Nichtlinearitäten erzeugt und Interferenzen zwischen Restverzerrungen und dem Signalimpuls verursacht. Um die Ausgangsverzerrung klein zu halten, sollte die Spektrumverbreiterung unter einem gewünschten Niveau gesteuert werden, z. B. weniger als die Spektraldistanz zwischen dem Signalimpuls und den Restverzerrungen. Bei hohen Spitzenleistungen, die zur raschen Verbreiterung des Impulses auf eine mit der Verstärkungsbandbreite des Verstärkungsmediums vergleichbare Breite führen, gewähren die Wechselwirkungen des Verstärkers keinen Ausgleich mehr zwischen der Verstärkung, der Dispersion und der nicht linearen Wechselwirkung, die ein Similariton unterstützt, und es tritt eine Verzerrung des Impulses ein. Für geringfügige Verzerrungen sollte das Spektrum entlang dem Verstärker weniger als die Bandbreite des Verstärkungsmediums sein. Je nach Umsetzung sollte die Verstärkung in der Faser um weniger als 3 dB über die Bandbreite des Impuls an stellen entlang der Faserlänge variieren. Beispielsweise liegt diese Bandbreite im Fall des Yb bei 1030 nm bei etwa 30 nm. Zur Erzielung eines reinen Ausgangsimpulses aus dem parabolischen Verstärker mit praktischen Eingangsverzerrungen zwischen 1–10 dB sollte die Eingangsleistung hinreichend gering gehalten werden, um sowohl die Spektrumsverbreiterung unter der Spektraldistanz zwischen dem Signal und der Verzerrung (etwa 6 nm in 3B-1), als auch um die Gesamtbandbreite unter der 3 db Verstärkungsbandbreite des Mediums zu halten. Die spezifische Eingangsleistung kann vom Faserdotierstoff, dem Zustand der Pumpe, der Faserkonstruktion (Kerngröße und Faserlänge) sowie der Laserwellenlänge abhängen, und wird durch dieselben Einschränkungen beschränkt wie die Verstärkungsbandbreite und die Spektumsverbreiterung. Verschiedene Dotierstoffe, Pumpzustände und Signalwellenlängen können die Bandbreite des Verstärkers verändern. Verschiedene Kerngrößen und Faserlängen können sich auf den Verbreiterungsgrad bei einer gegebenen Eingangsleistung auswirken. Beispielsweise sollte für eine mit Yb dotierte 6 μm Monomode-Faser, die 10 m lang ist, für eine Laserwellenlänge von 1030 nm die Eingangsleistung bei der Spitzenleistung unter 5 W liegen.
Verschiedene Ausgangswellenlängen können mit dem PACPA erzielt werden, indem mit verschiedenen seltenen Erden, insbesondere Er oder Er:Yb für Wellenlängen um 1,55 μm, Yb oder Nd für Wellenlängen um 1,6 μm und Tm oder Ho für Wellenlängen um 2 μm, dotiert wird. Die aktive Faser im parabolischen Verstärker kann auch durch eine passive Faser mit variabler Dispersion über die Faserlänge ersetzt werden.
Versuche mit dem Laser der 2 deuten an, dass ein optischer Bandpassfilter auf der optischen Strecke der Laserimpulse zwischen dem parabolischen optischen Verstärker 110 und dem optischen Vorverstärker 232 angeordnet werden kann, um ein optisches Spektrum der Laserimpulse zu filtrieren und Spektralkomponenten in der Nähe eines Rands einer parabolischen Spektrumform der Laserimpulse zu entfernen. Diese Filtration kann eine Verzerrung der verstärkten verlängerten parabolischen Laserimpulse durch den optischen Vorverstärker 232 reduzieren.
5A zeigt Beispiele der Positionierung dieses optischen Bandpassfilters für drei verschiedene Stellen 510A, 510B und 510C. Eine bequeme Umsetzungsvariante dieses Filters besteht darin, ihn mit dem CFBG 220 zu integrieren, indem der CFBG 220 derart konstruiert wird, dass er eine Reflektionsbandbreite aufweist, die der erforderlichen Filterbandbreite gleich ist. Der Einsatz eines derartigen Filters kann Verzerrungen im Spektrum beheben, die typischerweise in der Nähe der Rände des Ausgangsspektrums des Signals aus dem parabolischen Verstärker auftreten. Optische Filter sonstiger Arten, z. B. mehrschichtige dielektrische Filter, Filter auf Faserbasis können auch eingesetzt werden und zwischen dem CFBG und dem optischen Zirkulator angeordnet werden.
Die Wirkungen des Einsatzes eines Filters zeigen 5B und 5C. 5B zeigt das Ausgangsspektrum aus dem parabolischen Verstärkung ohne Filter nach dem Verstärker bzw. Verlängerer. 5C zeigt das Ausgangsspektrum mit Filter. Obwohl das Ausgangsspektrum über die Mehrheit der Mitte des Spektrums glatt ist, weist das Spektrum in der Nähe der Rände des Spektrums Spitzen auf. Derartige Amplitudenspitzen stehen mit Phasenverzerrungen in diesem Spektrumsabschnitt grundsätzlich in Verbindung. Infolge dieser Phasenverzerrungen wird die Energie in den verzerrten Ränden des Spektrums nicht ordnungsgemäß komprimiert, was zu Impulsverzerrungen nach der Kompression führt. Indem der Ausgang des parabolischen Verstärkers durch einen optischen Bandfilter geleitet wird, werden die Phasenverzerrungen an den Ränden entfernt.
Neben einem CFBG-Verlängerer können auch Impulsverlängerer sonstiger Arten eingesetzt werden. Beispielsweise wird das Ausgangslicht aus dem parabolischen Verstärker durch eine Dispersionsfaserstrecke als Faserverlängerer geleitet; diesem Schritt geht womöglich ein Dämpfungselement zur Abdämpfung des Lichts vor dem Faserverlängerer voraus. Hierbei kann es sich um eine für hohe Dispersionsgrade speziell konstruierte Faser handeln. In diesem Fall wird kein optischer Zirkulator benötigt, obwohl der Faserverlängerer auch ähnlich wie der CFBG konfiguriert werden könnte, wenn am Ende der Faser ein Reflektor vorgesehen wird. Der Vorteil des CFBG besteht darin, dass er viel kürzer ist und weniger Impulsverzerrungen in einer sehr langen Faser auftreten. Weitere Arten von Verlängerern, z. B. ein Bulkgitterverlängerer, können auch eingesetzt werden.
Wenn mit der Eingangsleistung und der spektralen Reinheit des Anregungseingangssignals an einen praktischen parabolischen Verstärker die erforderliche Sorgfalt ausgeübt wird, kann die Kombination aus Anregungslaser und parabolischem Verstärker verwendet werden, um mehrere Vorteile gegenüber einer Konfiguration ohne parabolischen Verstärker zu erzielen. Beispielsweise verbreitert sich das Spektrum unter Hinzufügung eines linearen Chirps bei einem parabolischen Verstärker. Deshalb wird der Eingangsimpuls erheblich breiter als der komprimierte Ausgangsimpuls. Dies ermöglicht den Einsatz gepulster Anregungslaser mit langen Impulsdauern. Um ein weiteres Beispiel zu nennen, macht es das vom parabolischen Verstärker in den Impulsen verursachte breite Spektrum es leichter, die Impulse zu verlängern, da weniger Dispersion benötigt wird, damit ein Impuls mit breiterer Spektralbreite dieselbe verlängerte Impulsänge erreicht. Diese reduzierte Anforderung an den Verlängerungsbereich der Impulsverlängerung ermöglicht den Einsatz kostengünstigerer und einfacherer CFBG-Verlängerer oder sonstiger Verlängerer. Um noch ein weiteres Beispiel zu nennen, weist die parabolische Impulsform den Vorteil auf, dass SPM-Verzerrungen in nachgeschalteten Verstärkern erzeugt werden, die sich mit herkömmlichen Gitterkompressoren beheben lassen. Um noch ein weiteres Beispiel zu nennen, zeigen 4A und 4B, dass der parabolische Verstärker mäßige Verzerrungen des Anregungslasers beheben kann. Der Ausgang aus einem praktischen parabolischen Verstärker weist ein in etwa parabolisches Impulsprofil, sowie ein verbreitertes Spektrum mit linearem Chirp auf. Der zusätzliche Filter in der erfindungsgemäßen Anlage kann zum Betrieb eines praktischen parabolischen Verstärkers, der eine nicht parabolische Ausgangsform aber lineares Chirp über den Impuls durch Spektrumfiltration des nicht linearen Chirps aus dem Rand des vom parabolischen Verstärker erzeugten Ausgangsimpulses, verwendet werden.
Der Hauptverstärker 140 der 1 und 2 kann in verschiedenen Konfigurationen umgesetzt werden. Unter Voraussetzung einer festen verlängerten Impulslänge werden die Spitzenleistung und Impulsenergie aus dem PACPA letzten Endes eingeschränkt. Die parabolische Eingangsform des Impulses führt zu nicht linearen SPM-Verzerrungen, die mit dem Kompressor ausgeglichen werden können. Der Ausgleich ist jedoch leistungsabhängig; ausserdem ist der Impuls in der Praxis annähernd parabolisch, was zu Phasenverzerrungen führt, die womöglich nicht auszugleichen sind. Deshalb ist es wünschenswert, dass der Hauptverstärker 140 eine minimale Verzerrung durch SPM aufweist.
Je nach Umsetzung können Doppelmantelfasern im letzten Verstärker 140 eingesetzt werden, da sie durch ein breites Spektrum an Multimode-Pumpquellen gepumpt werden kann und der Hauptverstärker deshalb leistungsmäßig leicht skalierbar ist. Nicht-Doppelmantelfasern mit Kernpumpe können aber auch eingesetzt werden. Die Leistung für Nicht-Doppelmantelfasern könnte im Wege des Wellenlängen- oder Polarisierungs-Multiplexings der Pumpstrahlen aus Pumpquellen und des Verpumpens aus beiden Enden der Faser skaliert werden. Durch die Minimierung der wirksamen Interaktionslänge des Impulses in der Faser und die Maximierung des Modusfeldbereichs kann die SPM auf vorteilhafte Weise minimiert werden. Dieser Aspekt würde einen großen Faserkern und eine hohe Dotierdichte in Fasern bevorzugen. Fasern sind aufgrund verschiedener Faktoren in ihrer Kerngröße und Dotierstoffkonzentrationen beschränkt. Eine hohe Kerngröße, z. B. größer 15–30 μm Durchmesser, kann zur Erregung von Modi höherer Ordnung führen und damit zu Strahlenverzerrungen führen, wodurch der Größe des Faserkerns Grenzen gesetzt sind. Die Dotierstoffkonzentration kann durch sinkende Effizienz bei hohen Dotierstoffkonzentrationen aufgrund der Zusammenfassung der seltenen Erdatome oder sonstiger Wirkungen eingeschränkt werden.
6 zeigt ein Beispiel des Hauptverstärkers 140. Diese Konstruktion umfasst einen zur Erzeugung einer optischen Verstärkung für die Laserimpulse unter optischer Erregung optischen Pumplichts bei einer anderen Wellenlänge als die der Laserimpulse dotierten Faserverstärkungsbereich 610, eine Pumplichtquelle 620, die das optische Pumplicht erzeugt, einen dichroitischen Reflektor 630, der das optische Pumplicht von der Pumplichtquelle 620 empfängt und das optische Pumplicht in Richtung des Faserverstärkungsbereichs 610 reflektiert, eine Kollimatorlinse 640, die das reflektierte optische Pumplicht vom dichroitischen Reflektor 630 in den Faserverstärkungsbereich in einer einer Ausbreitungsrichtung der Laserimpulse im Faserverstärkungsbereich 610 entgegengesetzten Richtung einkoppelt, sowie einen an einer gegenüberliegenden Seite am Faserverstärkungsbereich 610 gekoppelten Pump-Dump-Koppler 650, um das Restpumplicht aus dem Faserverstärkungsbereich 610 wieder abzukoppeln. Der Pump-Dump-Koppler 650 kann je nach der Struktur des Faserverstärkungsbereichs 610 des Verstärkers in verschiedenen Konfigurationen umgesetzt werden. Beispielsweise kann für einen Doppelmantel-Faserverstärkungsbereich der Pump-Dump-Koppler 650 dadurch gebildet werden, dass der Aussenmantel durch denselben Stoff wie der Innenmantel ersetzt wird, so dass die beiden Fasermantelschichten im Berich aus demselben Stoff bestehen, um den Enschluss der Welle durch die beiden Fasermantelschichten aus verschiedenen Mantelstoffen aufzuheben. Die vom Faserverstärkungsbereich 610 verstärkten Laserimpulse werden durch den dichroitischen Reflektor 630 in Richtung des Pulskompressors 150 übertragen.
7 zeigt ein weiteres Beispiel des Hauptverstärkers 140, in dem zwei Pumplichtquellen 710, 720 eingesetzt werden, die jeweils erste und zweite optische Pumpstrahlen erzeugen. Ein Faserbündelkoppler 730 wird vorgesehen, um den ersten und zweiten optischen Pumpstrahl miteinander zu verkoppeln und zu kombinieren, und in den Faserverstärkungsbereich 610 in einer einer Ausbreitungsrichtung der Laserimpulse im Faserverstärkungsbereich 610 entgegengesetzten Richtung zu leiten.
Ein Pump-Dump-Koppler 650 wird an den Faserverstärkungsbereich 610 auf einer gegenüberliegenden Seite des Kopplers 730 gekoppelt, um Restpumplicht aus dem Faserverstärkungsbereich 610 abzukoppeln. Eine Kollimatorlinse 640 koppelt das Licht der Laserimpulse aus dem Faserverstärkungsbereich 610 heraus und kollimiert das Licht durch einen optischen Isolator 202 in Richtung des Pulskompressors 150.
Aufgrund der verschiedenen Beschränkungen, denen die Fasern unterliegen, können optimale Pump-, Signal- und Faserlängenbedingungen die zur Verfügung stehende Impulsenergie des Faserverstärkers im Wege der Senkung der wirksamen Interaktionslänge in der Faser erheblich erhöhen. Endpumpen des Verstärkers neigt dazu, eine hohe Pumpleistung nahe dem Ende der Faser zu erzeugen, wo das Signal am größen ist, und minimiert die Wirkungen der Verstärkungssättigung, optimiert die optische Verstärkung und minimiert die wirksame Interaktionslänge. Ein Nachteil des Endpumpens besteht darin, dass beim Pumpen mit einem Schmelzpumpkoppler eine zusätzliche Faserstrecke erforderlich ist, um das Pumplicht in die Faser im Wege der Faser-Faser-Kopplung einzukoppeln (7). Diese zusätzliche Faserstrecke, typischerweise mindestens 20–30 cm, kann zu erheblicher SPM führen, da der Ausgangsimpuls mit hoher Energie aus dem Verstärker dieses Faserpigtail durchläuft. Alternativ können die Pumpen mit Massefaseroptik wie einem dichroitischen Reflektor in einer umgekehrten Pumpkopplungskonfiguration gekoppelt werden, wie in 6 gezeigt. Das Rückwärtspumpen kann zu hoher Pumpleistung nahe dem Eingangsende des Faserverstärkers führen. Diese Pumpleistung kann mit einem Pump-Dump um die Doppelmantelfaser nahe dem Eongangsende der Faser herum (wie in 6 und 7 gezeigt) aufgehoben werden.
In 8A wird der optische Hauptverstärker derart umgesetzt, dass er zwei Pumplichte 710, 720, einen Koppler auf Faserbasis 730, der den ersten und zweiten optischen Pumpstrahl kombiniert und in den Faserverstärkungsbereich 610 in einer Ausbreitungsrichtung der Laserimpulse des Faserverstärkungsbereichs 610 einkoppelt, und eine Kollimatorlinse 640, die Licht aus dem Faserverstärkungsbereich wieder herauskoppelt, umfasst. Ein dichroitischer Reflektor 630 wird eingesetzt, um das Pumplicht und das Licht der Laserimpulse voneinander zu trennen und – im abgebildeten Beispiel – das Laserlicht unter Reflektion des Pumplichts zu übertragen. Beim Vorwärtspumpen treten nicht dieselben Probleme auf wie bei rückwärts laufendem Pumplicht; es muss jedoch dafür gesorgt werden, dass eine hinreichende Pumpleistung nahe dem Ausgangsende der Faser vorliegt. Somit sollte die Faserlänge derart eingestellt werden, dass eine erhebliche Fraktion des Pumplichts (> 10%) aus dem Faserende ausläuft. Das aus dem Faserausgang ausgestrahlte Pumplicht kann den Isolator oder sonstige Komponenten nahc dem Ausgang des Verstärkers beschädigen. Diese Pumpausgangsleistung lässt sich im Vergleich zum Rückwärtspumpen relativ leicht wieder entfernen. Ausserdem können die optischen Komponenten am Ausgangsende des Verstärkers derart konstruiert werden, dass sie im Vergleich zu den Komponenten nahe dem Eingangsende des Verstärkers höhere Leistungspegel verkraften können. Ein einfacher räumlicher Filter vor der Kollimationslinse ist auch zum Blockieren des Pumplichts eingesetzt worden, da das Pump-NA typischerweise viel höher ist als das Laser-NA.
8B zeigt ein weiteres Beispiel einer Vorwärtspumpkonstruktion, bei der der Hauptverstärker der 8A dadurch modifiziert werden kann, dass der dichroitische Reflektor 630 entfernt und ein Pumplichtkoppler 650 am Ausgangsende des Faserverstärkungsbereichs 610 nahe der Linse 640 hinzugefügt wird. Dieser Pumplichtkoppler 650 bzw. ein Pump-Dump wird zur Herauskopplung des Pumplichts aus der Faser eingesetzt, damit das durch die Linse 640 aus dem Faserverstärkungsbereich 610 herausgekoppelte Licht das der verstärkten Laserimpulse ist. In dieser Konfiguration wird der Laser mit einem robusten Schmelzpumpkoppler 730 vorwärts gepumpt, und das Ausgangspumplicht wird mit dem Pump-Dump 650 nahe dem Faserende entfernt. Die Signalleistung kann eingestellt werden, um eine Verstärkung um 35 dB oder mehr innerhalb einer festgelegten maximalen verfügbaren Pumpleistung zu erzielen. Die hohe Verstärkung kann die Interaktionslänge reduzieren. Ferner wird der Verstärker derart eingestellt, dass die Mindestlänge die Verstärkung unterstützt. Mit einem längeren Verstärker wird auch die wirksame Faserlänge erhöht. Wird die Faser verkürzt, kann eine Verstärkung um > 35 dB nicht mehr erzielt werden, da die Verstärkung pro Längeneinheit durch die Faser und die Pumpe begrenzt wird. Beispielsweise kann eine Yb-Doppelmantelfaser mit 25 μm Kerndurchmesser und 10 dB/m Pumpabsorption, die bei 1030 nm betrieben wird, eine Faserlänge von etwa 1 m aufweisen.
Der Betrieb der Faser über eine Verstärkung von 35 dB hinaus führt in solchen Verstärkern, anders als eine typische geringere Verstärkung (z. B. 20 dB Verstärkung) kann mit dem Einsatz mehrerer Verstärkermerkmale ermöglicht werden. Bei hoher Verstärkung kann die ASE erheblich sein und in Rückwärtsrichtung ihre Spitze erreichen, wo eine Schädigung des Isolators auftreten könnte, oder sie kann hinreichende Leistung aufweisen, um die ASE in die Vorverstärker zu injizieren, was zu Instabilitäten in diesem Verstärker führen würde. Eingangs- und Ausgangsisolatoren sollten eine hochgradige, z. B. mehr als 30 dB, Isolation aufweisen. Die hohe Verstärkung kann auch zur Selbstbestrahlung führen, und die Summe aller Reflektionen aus beiden Enden der Höhle sollte unter der Verstärkung liegen. Zu den Reflektionen können auch Reflektionen des Eingangsisolators, der Faserstirnflächen und der Ausgangsoptik gehören. Zur Minimierung der ASE kann der Laser bei einer Wellenlänge nahe der Spitzenverstärkung betrieben werden. Beispielsweise liegt die Spitzenverstärkung in kurzen, hochgradig gepumpten und mit Yb dotierten Verstärkern bei etwa 1030 nm. Indem der Verstärker bei dieser Wellenlänge betrieben wird, wird gewährleistet, dass die ASE keine höhere Verstärkung erfährt als das Signal. Neben diesen Vorsichtsmassnahmen bei der optischen Konstruktion können Eingangs- und ASE-Leistung überwacht und zur Steuerung des Lasers bei optischen Instabilitäten eingesetzt werden.
Die Pulsselektionsvorrichtung, z. B. die Vorrichtung 234 oder 260 der 2, kann in verschiedenen Konfigurationen umgesetzt werden. 9, 10 und 11 zeigen drei Beispiele einer Pulsselektionsvorrichtung 260.
In 9 umfasst die zweite Pulsselektionsvorrichtung 260 einen ersten akusto-optischen Modulator 910, der Eingangslicht empfängt, um einen Beugungsstrahl entlang einer anderen Richtung als eine Richtung des Eingangslichts zu erzeugen, sowie einen zweiten akusto-optischen Modulator 920, der den Beugungsstrahl vom ersten akusto-optischen Modulator empfängt, um einen Ausgangs-Beugungsstrahl entlang einer anderen Richtung als die des Beugungsstrahls zwischen dem ersten und zweiten akusto-optischen Modulator 910, 920 erzeugt. Der Ausgangs-Beugungsstrahl wird in den Pulskompressor 150 geleitet, um die verstärkten und komprimierten asugehenden Laserimpulse zu erzeugen.
In 10 umfasst die zweite Pulsselektionsvorrichtung 260 einen Polarisationsstrahlteiler 1040, der Eingangslicht vom optischen Hauptverstärker 140 empfängt, einen akusto-optischen Modulator 1010, der das Eingangslicht vom Polarisationsstrahlteiler 1040 empfängt, um einen Beugungsstrahl entlang einer anderen Richtung als eine Richtung des Eingangslichts, sowie einen zur Reflektion des Beugungsstrahls durch den akusto-optischen Modulator 1010 angeordneten Reflektor 1020, sowie eine zwischen dem Polarisationsstrahlteiler 1040 und dem akusto-optischen Modulator 1010 angeordnete Viertelwellenplatte 1030. Der reflektierte Beugungsstrahl wird vom Polarisationsstrahlteiler 1040 in den Pulskompressor 150 reflektiert, nachdem er den akusto-optischen Modulator 1010 und die Viertelwellenplatte 1030 durchlaufen hat.
11 zeigt eine weitere Konstruktion, in der ein akusto-optischer Modulator 1010 Eingangslicht empfängt, um einen Beugungsstrahl entlang einer anderen Richtung als eine Richtung des Eingangslichts zu erzeugen, und ein Prisma 1110 zum Empfang des Beugungsstrahls angeordnet ist, um Ausgangslicht zu erzeugen. Aufgrund des Betriebs des AOM 1010 weisen die Pulswiederholfrequenz der verstärkten verlängerten parabolischen Laserimpulse des Ausgangslichts eine gewünschte Ausgangs-Pulswiederholfrequenz auf, die weniger ist als eine Pulswiederholfrequenz des vom AO-Modulator 1010 empfangenen Lichts. Der Ausgang des AOM 1010 durchläuft das Prisma 1110, um die Winkelverdrehung ohne weitere erhebliche Verluste auszugleichen. Zur Minimierung der Strahlverzerrungen aufgrund von Beam-Walk-Off zwischen verschiedenen Wellenlängen sollte der Abstand zwischen dem AOM 1010 und dem Prisma 1110 möglichst gering sein. Zur Minimierung der Strahlverzerrungen im Prisma 1110 sollte der Scheitelwinkel des Prismas 1110 sorgfältig eingestellt werden, und das Prisma 1110 sollte derart orientiert werden, dass die Beugungswinkel des Lichts gegenüber dem Prisma 1110 an beiden Enden des Prismas 1110 in etwa gleich sind.
Anders als die Konstruktion der Pulsselektionsvorrichtung in 9 wird in der Pulsselektionsvorrichtung in 11 ein einziger optischer Modulator 1010 eingesetzt, um die verstärkten und verlängerten Impulse durch den optischem Modulator 1010 einmal zu leiten, um die gewünschte Pulsselektion in Verbindung mit dem Prisma 1110 vorzunehmen. Die Konstruktion mit einem einzigen Modulator der 11 ist kostengünstiger als die Konstruktion der 9, und bietet einen reduzierten optischen Verlust gegenüber den optischen Verlusten der beiden AO-Modulatoren der 9. Die physikalische Größe der Konstruktion der 11 kann aufgrund der einfachen Konstruktion weitaus kleiner sein als die der 9. In der Konstruktion der 10 wird der Reflektor 1020 eingesetzt, um das Licht zum zweiten Mal zurück an den AO-Modulator 1010 zu reflektieren und somit den optischen Verlust der Konstruktion der 11 zu verdoppeln. Die Kombination des einzigen optischen Modulators 1010 mit dem Prisma 1110 in der Konstruktion der Pulsselektionsvorrichtung der 11 bietet eine strukturell einfache, kleine Pulsselektionsvorrichtung, um den optischen Verlust wertvoller optischer Energie in den verstärkten und verlängerten Laserimpulsen nach mehreren Verarbeitungsstufen zu minimieren.
Obwohl in der vorliegenden Anmeldungen zahlreiche Einzelheiten enthalten sind, sind diese nicht als Einschränkungen des Umfangs des beanspruchten bzw. einer beanspruchbaren Erfindung, sondern lediglich als Beschreibungen von Merkmalen einzelner Ausführungsformen auszulegen. Einige in der vorliegenden Anmeldung im Zusammenhang mit gesonderten Ausführungsformen beschriebenen Merkmale können auch in Kombination in einer einzigen Ausführungsform umgesetzt werden. Umgekehrt können verschiedene im Zusammenhang mit einer einzigen Ausführungsform beschriebene Merkmale auch separat oder in einer beliebigen geeigneten Unterkombination umgesetzt werden. Obwohl aus der vorstehenden Merkmalbeschreibung mitunter hervorgeht, dass diese in bestimmten Kombinationen funktionieren, und diese sogar anfangs in dieser Form beansprucht werden, können ein oder mehrere Merkmale aus einer beanspruchten Kombination in einigen Fällen ausgelassen werden,, damit sich die beanspruchte Kombination auf eine Unterkombination oder eine Variante einer Unterkombination beziehen.
Nur wenige Beispiele und Umsetzungen werden vorliegend beschrieben. Weitere Umsetzungen, Änderungen und Ergänzungen der beschriebenen Beispiele und Umsetzungen sind auch möglich.

Claims

Verfahren zur Verstärkung von Laserimpulsen, umfassend: Bedienen eines optischen Eingangsverstärkers zur Verstärkung eingehender Laserimpulse, um Laserimpulse zu erzeugen, die in der Frequenz ein lineares Chirp aufweisen und auf eine längere Impulsdauer als eine Impulsdauer jedes eingehenden Laserimpulses verlängert werden; Bedienen eines dem ersten optischen Verstärker nachgeschalteten optischen Impulsverlängerers, um die Dauer der parabolischen Laserimpulse weiter zu verlängern, um verlängerte parabolische Laserimpulse mit reduzierter Spitzenleistung pro Laserimpuls zu erzeugen; Leiten der verlängerten Laserimpulse in einen optischen Verstärker, um die verlängerten Laserimpulse zu verstärken, um verlängerte verstärkte Laserimpulse zu erzeugen; und Komprimieren einer Pulsdauer jedes der verstärkten verlängerten Laserimpulse, um verstärkte und komprimierte ausgehende Laserimpulse mit hoher Spitzenleistung zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: Bedienen eines zwischen dem optischen Impulsverlängerer und dem optischen Verstärker angeordneten optischen Vorverstärkers, um jeden verlängerten Laserimpuls aus dem optischen Impulsverlängerer vor der Verstärkung durch den optischen Verstärker zu verstärken.
Verfahren nach Anspruch 2, umfassend: Reduzieren einer Pulswiederholfrequenz der Laserimpulse vor dem Leiten der Laserimpulse aus dem optischen Vorverstärker in den optischen Verstärker.
Verfahren nach Anspruch 3, umfassend: Halten der reduzierten Pulswiederholfrequenz über einem Schwellenwert, um eine Instabilität oder verstärkte Spontanemissionen (ASE) im optischen Verstärker zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 2, umfassend: weiteres Reduzieren der reduzierten Pulswiderholfrequenz der verstärkten verlängerten Laserimpulse auf eine gewünschte Ausgangs-Pulsiwederholfrequenz vor dem Komprimieren der Laserimpulse; und anschließendes Komprimieren der Dauer jedes Impulses, um die verstärkten, komprimierten ausgehenden Laserimpulse bei der gewünschten Ausgangs-Pulswiederholfrequenz zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 2, umfassend: Filtrieren eines optischen Spektrums der Laserimpulse an einer der dem optischen Impulsverlängerer nach- und dem optischen Verlängerer vorgeschalteten Stelle, um eine Verzerrung der Laserimpulse zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: Reduzieren einer Pulswiederholfrequenz der Laserimpulse vor dem Leiten der Laserimpulse in den optischen Verstärker.
Verfahren nach Anspruch 7, umfassend: Halten der reduzierten Pulswiederholfrequenz über einem Schwellenwert, um eine Instabilität oder verstärkte Spontanemissionen (ASE) im optischen Verstärker zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: weiteres Reduzieren der reduzierten Pulswiderholfrequenz der verstärkten verlängerten Laserimpulse auf eine gewünschte Ausgangs-Pulsiwederholfrequenz vor dem Komprimieren der Laserimpulse; und anschließendes Komprimieren der Dauer jedes Impulses, um die verstärkten, komprimierten ausgehenden Laserimpulse bei der gewünschten Ausgangs-Pulswiederholfrequenz zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: Filtrieren eines optischen Spektrums der Laserimpulse an einer der dem optischen Impulsverlängerer nach- und dem optischen Verlängerer vorgeschalteten Stelle, um eine Verzerrung der Laserimpulse zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: Einstellen der eingehenden Laserimpulse an einer dem ersten optischen Verstärker vorgeschalteten Stelle auf eine spektrale Störung unter 10 dB.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: Bedienen des optischen Impulsverlängerers zur Verlängerung einer Dauer jedes Impulses um einen Faktor von 10 oder mehr, um die verlängerten Laserimpulse zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: die verstärkten und komprimierten ausgehenden Laserimpulse eine Impulsenergie aufweisen, die größer 10 μJ ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: die verstärkten und komprimierten ausgehenden Laserimpulse eine Impulsdauer unter 10 ps aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: Halten einer hinreichend kurzen Faserlänge eines Faserverstärkers des optischen Verstärkers, um nicht lineare Verzerrungen im optischen Verstärker zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der optische Verstärker derart konfiguriert wird, dass er eine optische Verstärkung größer 35 dB aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der erste optische Verstärker ein parabolischer optischer Verstärker ist, und die von dem ersten optischen Verstärker ausgehenden Laserimpulse in der Zeit eine parabolische Impulsform aufweisen.
Gepulste Laservorrichtung, umfassend: einen gepulsten Anregungslaser, der eingehende Laserimpulse erzeugt; einen ersten optischen Verstärker, der die eingehenden Laserimpulse empfängt, um die empfangenen eingehenden Laserimpulse zu verstärken, um Laserimpulse zu erzeugen, die in der Frequenz ein lineares Chirp und eine Impulsdauer aufweisen, die länger ist als eine Impulsdauer jedes eingehenden Laserimpulses; einen dem optischen Verstärker nachgeschalteten optischen Impulsverlängerer, um die Dauer der Laserimpulse weiter zu verlängern, um verlängerte Laserimpulse mit reduzierter Spitzenleistung zu erzeugen; einen optischen Verstärker, um die verlängerten Laserimpulse weiter zu verstärken, um verstärkte verlängerte Laserimpulse zu erzeugen; und einen Pulskompressor, der eine Pulsdauer jedes Impulses der verstärkten verlängerten Laserimpulse komprimiert, um verstärkte und komprimierte ausgehende Laserimpulse mit hoher Spitzenleistung zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei: der Impulsverlängerer ein CFBG umfasst, das die Laserimpulse verlängert.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei: das CFBG derart strukturiert ist, dass es neben der Verlängerung der Laserimpulse ein optisches Spektrum der Laserimpulse optisch filtriert, um eine Verzerrung der verlängerten Laserimpulse zu reduzieren.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei: das CFBG derart strukturiert ist, dass es Spektralkomponenten nahe einem Rand einer Spektrumsform der Laserimpulse entfernt.
Vorrichtung nach Anspruch 18, umfassend: einen auf einer optischen Strecke der Laserimpulse zwischen dem ersten optischen Verstärker und dem optischen Verstärker angeordneten optischen Bandpassfilter, um ein optisches Spektrum der Laserimpulses zur Reduzierung einer Verzerrung in den Laserimpulsen vor dem Eintritt in den optischen Verstärker zu filtrieren.
Vorrichtung nach Anspruch 18, umfassend: eine dem optischen Verstärker vorgeschaltete Pulsselektionsvorrichtung, um eine Pulswiederholfrequenz der verlängerten optischen Impulse zu reduzieren.
Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei: die von der Pulsselektionsvorrichtung erzeugte reduzierte Pulswiederholfrequenz der verlängerten optischen Impulse größer ist als ein Schwellenwert, über dem eine Instabilität oder eine ASE im optischen Verstärker reduziert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 23, umfassend: eine zwischen dem optischen Verstärker und dem Pulskompressor angeordnete zweite Pulsselektionsvorrichtung, um die Pulswiederholfrequenz der verstärkten verlängerten Laserimpulse auf eine gewünschte Ausgangs-Pulswiederholfrequenz weiter zu reduzieren.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei: die zweite Pulsselektionvorrichtung einen akusto-optischen Modulator, der Eingangslicht empfängt, um einen Beugungsstrahl entlang einer anderen Richtung als eine Richtung des Eingangslichts zu erzeugen, und ein Prisma zum Empfang des Beugungsstrahls angeordnet ist, um Ausgangslicht zu erzeugen, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei: der optische Verstärker einen zur Erzeugung einer optischen Verstärkung für die Laserimpulse unter optischer Erregung optischen Pumplichts bei einer anderen Wellenlänge als die der Laserimpulse dotierten Faserverstärkungsbereich, einen Koppler, der Pumplicht in den Faserverstärkungsbereich in eine Ausbreitungsrichtung der Laserpulse im Faserverstärkungsbereiche einkoppelt, eine Kollimatorlinse, die Licht aus dem Faserverstärkungsbereich herauskoppelt, sowie ein an einer Seite des Faserverstärkungsbereichs gekoppeltes Pump-Dump, das nahe der Kollimatorlinse angeordnet ist, um das Pumplicht vom Licht der Laserimpulse zu trennen, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei: der optische Verstärker einen zur Erzeugung einer optischen Verstärkung für die Laserimpulse unter optischer Erregung optischen Pumplichts bei einer anderen Wellenlänge als die der Laserimpulse dotierten Faserverstärkungsbereich, einen Koppler, der Pumplicht in den Faserverstärkungsbereich in eine Ausbreitungsrichtung der Laserpulse im Faserverstärkungsbereiche einkoppelt, eine Kollimatorlinse, die Licht aus dem Faserverstärkungsbereich herauskoppelt, sowie einen dichroitischen Reflektor, der das Pumplicht vom Licht der Laserimpulse trennt, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei: der optische Verstärker einen zur Erzeugung einer optischen Verstärkung für die Laserimpulse unter optischer Erregung optischen Pumplichts bei einer anderen Wellenlänge als die der Laserimpulse dotierten Faserverstärkungsbereich, einen Koppler, der Pumplicht in den Faserverstärkungsbereich in einer einer Ausbreitungsrichtung der Laserpulse im Faserverstärkungsbereich entgegengesetzten Richtung einkoppelt, einen an den Faserverstärkungsbereich auf einer gegenüberliegenden Seite des Kopplers gekoppelten Pump-Dump-Koppler, um Restpumplicht aus dem Faserverstärkungsbereich abzukoppeln, eine Kollimatorlinse, die das Licht der Laserimpulse aus dem Faserverstärkungsbereich herauskoppelt und das Licht in Richtung des Pulskompressors kollimiert.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei: der optische Verstärker einen zur Erzeugung einer optischen Verstärkung für die Laserimpulse unter optischer Erregung optischen Pumplichts bei einer anderen Wellenlänge als die der Laserimpulse dotierten Faserverstärkungsbereich, eine Pumplichtquelle, die das optische Pumplicht erzeugt, einen dichroitischen Reflektor, der das optische Pumplicht von der Pumplichtquelle empfängt und das optische Pumplicht in Richtung des Faserverstärkungsbereichs reflektiert, eine Kollimatorlinse, die das reflektierte optische Pumplicht vom dichroitischen Reflektor in den Faserverstärkungsbereich in einer einer Ausbreitungsrichtung der Laserimpulse im Faserverstärkungsbereich entgegengesetzten Richtung einkoppelt, einen an den Faserverstärkungsbereich auf einer gegenüberliegenden Seite der Kollimatorlinse gekoppelten Pump-Dump-Koppler, um Restpumplicht aus dem Faserverstärkungsbereich abzukoppeln, wobei die vom Faserverstärkungsbereich verstärkten Laserimpulse durch den dichroitischen Reflektor in Richtung des Pulskompressors übertragen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 18, umfassend: Einen zwischen dem optischen Impulsverlängerer und dem optischen Verstärker angeordneten optischen Vorverstärker.
Gepulste Laservorrichtung, umfassend: einen gepulsten Anregungslaser, der eingehende Laserimpulse erzeugt; einen dem Anregungslaser nachgeschalteten optischen Impulsverlängerer, um die Dauer der von den eingehenden Laserimpulsen ausgehenden Laserimpulse zu verlängern, um verlängerte Laserimpulse mit reduzierter Spitzenleistung zu erzeugen; einen dem optischen Impulsverlängerer nachgeschalteten optischen Verstärker, um die verlängerten Laserimpulse zu empfangen und die verlängerten Laserimpulse zu verstärken, um verstärkte verlängerte Laserimpulse zu erzeugen; einen dem optischen Verstärker nachgeschalteten Pulskompressor, der eine Impulsdauer jedes empfangenen Laserimpulses komprimiert, um einen komprimierten Laserimpuls mit hoher Spitzenleistung zu erzeugen; sowie eine zwischen dem optischen Impulsverlängerer und dem Pulskompressor angeordnete Pulsselektionsvorrichtung, um eine Pulswiederholfrequenz der empfangenen Laserimpulse zu reduzieren, welche einen akusto-optischen Modulator umfasst, der eingehendes Licht empfängt, um einen Beugungstrahl in einer anderen Richtung zu erzeugen als die des eingehenden Lichts, sowie ein zum Empfang des ausgehenden Lichts angeordnetes Prisma umfasst, um den Beugungsstrahl zur Erzeugung ausgehenden Lichts zu empfangen.
Vorrichtung nach Anspruch 32, wobei: die Pulsselektionsvorrichtung zwischen dem optischen Verstärker und dem Pulskompressor angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 32, wobei: die Pulsselektionsvorrichtung zwischen dem optischen Impulsverlängerer und dem optischen Verstärker angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 32, umfassend: einen zwischen dem optischen Verstärker und dem Pulskompressor angeordneten zweiten optischen Verstärker, um jeden Laserimpuls weiter zu verstärken.
Vorrichtung nach Anspruch 35, wobei: die Pulsselektionsvorrichtung zwischen dem optischen Verstärker und dem zweiten optischen Verstärker angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 32, umfassend: einen zwischen dem Anregungslaser und dem optischen Impulsverlängerer angeordneten parabolischen optischen Verstärker zur Verstärkung eingehender Laserimpulse, um parabolische Laserimpulse zu erzeugen, die einen parabolischen Puls und eine parabolische Spektrumsform aufweisen und auf eine längere Impulsdauer als eine Impulsdauer jedes eingehenden Laserimpulses verlängert werden; und einen auf einer optischen Strecke der Laserimpulse zwischen dem parabolischen optischen Verstärker und dem optischen Verstärker angeordneten optischen Bandpassfilter, um ein optisches Spektrum der Laserimpulse zur Reduzierung einer Verzerrung in den Laserimpulsen vor dem Eintritt in den optischen Verstärker zu filtrieren.