DE112013000496T5 - Erzeugung von ultrakurzen Laserpulsen basierend auf Zwei-Stufen-Pulsverarbeitung - Google Patents

Erzeugung von ultrakurzen Laserpulsen basierend auf Zwei-Stufen-Pulsverarbeitung Download PDF

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Rui Zhang
Sha Tong
Jerry Prawiharjo
En-Kuang Tien
Anthony Hong Lin
Hong Cong
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    • H01S3/2316—Cascaded amplifiers

Abstract

Techniken und Vorrichtungen zum Erzeugen kurzer Laserpulse, umfassend das Erzeugen von ultrakurzen Laserpulsen durch Trennen einer nichtlinearen Verarbeitung von Laserpulsen durch nichtlineare Selbstphasenmodulation (SPM) in einem nichtlinearen optischen Medium von einer nachfolgenden linearen Verarbeitung der Laserpulse, um ultrakurze Laserpulse zu erzielen.

Description

  • PRIORITÄTSANSPRUCH UND VERWANDTE PATENTANMELDUNG
  • Diese Patentschrift beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/631,588 mit dem Titel „Compact high-peak power femtosecond fiber laser”, eingereicht am 06. Januar 2012 durch die Erfinder Rui Zhang, Hong Cong, Sha Tong, Jerry Prawiharjo, En-Kuang Tien und Anthony Hong Lin. Die gesamte Offenbarung der obigen Anmeldung wird durch Bezugnahme in diese Schrift aufgenommen.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Diese Patentschrift betrifft die Erzeugung und Steuerung von Laserpulsen, umfassend optische Pulsverstärker und Pulslaser.
  • Ultrakurzpuls(Ultra Short Pulsed – USP)-Laser mit einer Pulsdauer von weniger als 10 Pikosekunden und einem relativ hohen Energieniveau von über 10 nJ pro Puls können für eine große Bandbreite von Anwendungen, beispielsweise Materialverarbeitung, optische Messungen, optische Ablation, Präzisionschirurgie, umfassend Augenheilkunde, biomedizinische, nichtlineare Studien und Spektroskopie, nützlich sein. Hochenergetische Laserpulse können durch Verstärken von durch Seed-Laser erzeugten Laserpulsen erzeugt werden. Verschiedene optische Verstärker sind ausgestaltet, Licht zu verstärken, indem sie eine optische Verstärkung mit der gleichen Wellenlänge wie das zu verstärkende Licht bereitstellen, sodass das Licht nach der Übertragung durch ein optisches Verstärkungsmedium des optischen Verstärkers in seiner Leistung oder Energie verstärkt ist und das verstärkte Licht die gleiche Wellenlänge wie das ursprüngliche Licht vor der Verstärkung aufweist. Die optische Verstärkung des optischen Verstärkers kann durch Pumplicht, das das optische Verstärkermedium optisch erregt, beispielsweise einen Er-dotierten Faserverstärker, oder durch ein elektrisch erregtes Verstärkermedium wie einen Halbleiterlaserverstärker auf Quantentopfbasis oder anderen Verstärkermechanismen erhalten werden.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Die vorliegende Patentschrift beschreibt Techniken und Vorrichtungen zum Erzeugen kurzer Laserpulse basierend auf gechirpter Pulsverstärkung (Chirped Pulse Amplification).
  • Gemäß einem Gesichtspunkt wird ein Verfahren zum Erzeugen von ultrakurzen Laserpulsen durch Trennen einer nichtlinearen Verarbeitung von Laserpulsen durch nichtlineare Selbstphasenmodulation (SPM) in einem nichtlinearen optischen Medium von einer nachfolgenden linearen Verarbeitung der Laserpulse, um ultrakurze Laserpulse zu erzielen, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Leiten von Eingangslaserpulsen in ein nichtlineares optisches Verarbeitungsmodul, um eine optische Intensität zu erhalten, die eine Intensitätsschwelle für SPM in dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul erreicht oder darüber liegt, um eine spektrale Verbreiterung und einen Frequenz-Chirp-Betrag bei jedem der Laserpulse aufgrund der nichtlinearen SPM zu verursachen; das Steuern einer Intensität von spektral verbreiterten Laserpulsen, die aus dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul ausgegeben werden, so dass sie in einem linearen optischen Verarbeitungsmodul mit anomaler Dispersion, das optisch gekoppelt ist, um die spektral verbreiterten Laserpulse, die von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul ausgegeben werden, zu empfangen, unter einem nichtlinearen Intensitätsschwellenwert für nichtlineare SPM liegen, ohne eine optische Nichtlinearität oder die nichtlineare SPM zu erzeugen; und das Konfigurieren einer Länge optischer Propagation des linearen optischen Verarbeitungsmoduls, um einen Betrag einer anomalen optischen Dispersion in den spektral verbreiterten Laserpulsen zu erzeugen, der den Frequenz-Chirp kompensiert, der von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul erzeugt wird, und eine zeitliche Kompression einer Pulsbreite verursacht, um Ausgangslaserpulse zu erzeugen, die spektral verbreitert sind und in der Pulsdauer in Bezug auf eine spektrale Breite und eine Pulsdauer der Eingangslaserpulse zeitlich komprimiert sind.
  • Gemäß einem anderen Gesichtspunkt wird eine Vorrichtung zum Erzeugen ultrakurzer Laserpulse bereitgestellt, einen ersten Pulsgenerator zu umfassen, der erste Eingangslaserpulse mit einer gewünschten optischen Gesamtenergie pro Puls und einer ersten Pulsdauer erzeugt; ein nichtlineares optisches Verarbeitungsmodul, das gekoppelt ist, erste Laserpulse zu empfangen, um nichtlineare Selbstphasenmodulation (SPM) bei jedem Laserpuls zu verursachen, um eine spektrale Verbreiterung von, und einen Frequenz-Chirp-Betrag bei jedem der Laserpulse aufgrund der nichtlinearen SPM zu erzeugen; ein lineares optisches Verarbeitungsmodul mit anomaler Dispersion, das optisch gekoppelt ist, um die spektral verbreiterten Laserpulse von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul bei einer optischen Intensität unterhalb eines nichtlinearen Intensitätsschwellenwerts für nichtlineare SMS in dem linearen optischen Verarbeitungsmodul zu empfangen. Die Länge der optischen Propagation des linearen optischen Verarbeitungsmoduls ist auf einen Wert festgelegt, der einen Betrag anomaler optischer Dispersion in den spektral verbreiterten Laserpulsen verursacht, der den Frequenz-Chirp kompensiert, der von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul erzeugt wird, um Ausgangslaserpulse zu erzeugen, die spektral verbreitert sind und zeitlich in der Pulsdauer komprimiert sind.
  • Gemäß einem anderen Gesichtspunkt wird eine Vorrichtung zum Erzeugen ultrakurzer Laserpulse bereitgestellt, ein Laserkopfgehäuse zu umfassen, das einen Eingangsfaseranschluss-Port, der strukturiert ist, einen Endanschluss eines Faserkabels zum Empfangen erster Laserpulse anzuschließen, und einen Ausgangs-Port zum Ausleiten von Laserpulsen umfasst; einen Pulskompressor, der gekoppelt ist, die ersten Laserpulse von dem Eingangsfaseranschluss-Port zu empfangen, und ausgestaltet ist, eine Pulsdauer jedes Laserpulses zu komprimieren; ein nichtlineares optisches Verarbeitungsmodul im Laserkopfgehäuse, das gekoppelt ist, um die ersten Laserpulse von dem Pulskompressor zu empfangen, um nichtlineare Selbstphasenmodulation (SPM) bei jedem Laserpuls zu verursachen, um eine spektrale Verbreiterung und einen Frequenz-Chirp-Betrag bei jedem der Laserpulse aufgrund der nichtlinearen SPM zu verursachen; und ein lineares optisches Verarbeitungsmodul mit anomaler Dispersion in dem Laserkopfgehäuse, das optisch gekoppelt ist, um die spektral verbreiterten Laserpulse von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul bei einer optischen Intensität in dem linearen optischen Verarbeitungsmodul unterhalb eines nichtlinearen ersten Schwellenwerts für nichtlineare SPM zu empfangen. Die Länge der optischen Propagation des linearen optischen Verarbeitungsmoduls ist auf einen Wert festgelegt, der einen Betrag anomaler optischer Dispersion in den spektral verbreiterten Laserpulsen verursacht, der den Frequenz-Chirp kompensiert, der von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul verursacht wird, um Ausgangslaserpulse zu erzeugen, die spektral verbreitert sind und in der Pulsdauer zeitlich komprimiert sind.
  • Gemäß noch einem weiteren Gesichtspunkt wird ein Verfahren zum Erzeugen ultrakurzer Laserpulse durch Trennen einer nichtlinearen Verarbeitung von Laserpulsen durch nichtlineare Selbstphasenmodulation (SPM) in einem nichtlinearen optischen Werkstoff von einer nachfolgenden linearen Verarbeitung der Laserpulse bereitgestellt, um ultrakurze Laserpulse zu erzielen. Das Verfahren umfasst das Leiten von Eingangslaserpulsen in einen nichtlinearen optischen Werkstoff, der eine normale Dispersion aufweist, um eine optische Intensität zu erhalten, die eine Intensitätsschwelle für SPM in dem nichtlinearen optischen Werkstoff erreicht oder darüber liegt, um eine spektrale Verbreiterung und einen Frequenz-Chirp-Betrag bei jedem der Laserpulse aufgrund der nichtlinearen SPM zu verursachen; das Steuern einer Intensität von spektral verbreiterten Laserpulsen, die von dem nichtlinearen optischen Werkstoff ausgegeben werden, so dass sie in einem linearen optischen Werkstoff mit anomaler Dispersion, der optisch gekoppelt ist, um die spektral verbreiterten Laserpulse, die von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungswerkstoff ausgegeben werden, zu empfangen, unter einem nichtlinearen Intensitätsschwellenwert für nichtlineare SPM liegen, ohne optische Nichtlinearität oder die nichtlineare SPM zu erzeugen; und das Konfigurieren einer Länge optischer Propagation des linearen optischen Verarbeitungsmoduls, um einen Betrag einer anomalen optischen Dispersion in den spektral verbreiterten Laserpulsen zu erzeugen, um eine Pulsbreite zeitlich zu komprimieren, um Ausgangslaserpulse zu erzeugen.
  • Diese und andere Gesichtspunkte, ihre Implementierungen und andere Merkmale werden ausführlich in den Zeichnungen, der Beschreibung und den Ansprüchen beschrieben.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1A und 1B zeigen ein Beispiel für ein System zum Erzeugen ultrakurzer Laserpulse auf Basis eines Zwei-Stufen-Pulsverarbeitungsansatzes, der eine nichtlineare Verarbeitung von Laserpulsen durch nichtlineare Selbstphasenmodulation (SPM) in einem nichtlinearen optischen Medium zum Erzielen ausreichender spektraler Verbreiterung von einer nachfolgenden linearen Verarbeitung der Laserpulse über eine Dispersionskompensation des bei der SPM verursachten Chirps trennt, um die spektral verbreiterten Pulse zu komprimieren
  • 1C zeigt ein Beispiel eines über Soliton-Kompression höherer Ordnung erzeugten Pulses, bei der ein Puls mit einer Pulsenergie von 10 nJ und einer ersten Dauer von 400 fs in ein nichtlineares Fasersegment eingebracht wird, um einen komprimierten Puls mit einer Dauer von 14 fs durch Soliton-Kompression zu erzeugen.
  • 1D zeigt ein Beispiel der Pulsqualität eines komprimierten Pulses, der durch den vorliegenden Zwei-Stufen-Verarbeitungsansatz erhalten wurde, als Vergleich zu dem komprimierten Puls, der auf der Soliton-Kompression höherer Ordnung von 1C basiert.
  • 2 zeigt ein Systembeispiel 200, das ein CPA-System als ersten Pulsgenerator 110 beim Implementieren des Systems 100 von 1A verwendet.
  • 3A zeigt ein anderes Systembeispiel 300 zum Implementieren der Ausgestaltung von 1A.
  • 3B, 3C, 3D, 3E, 3F und 3G zeigen Beispiele für Ergebnisse von Vorversuchen zur Pulserzeugung basierend auf der Ausgestaltung von 3A.
  • 4 illustriert die Phasenanpassung im gechirpten Faser-Bragg-Gitter (Chirped Fiber Bragg Grating – CFBG) der Tscherenkow-Strahlung. Die Grundmode wird mit der in der Hülle propagierenden Strahlungsmode phasenangepasst.
  • 5 zeigt ein Beispiel einer abstimmbaren Modulausgestaltung zur Dispersionskompensation durch das lineare optische Verarbeitungsmodul in der Zwei-Stufen-Verarbeitung, bei der ein rechtwinkliger Glaswerkstoff mit einer kompakten Größe verwendet wird, um einen langen Propagations-Strahlengang durch gefaltete Strahlengänge herzustellen.
  • 6A, 6B, 7 und 8 zeigen Ausführungsbeispiele der Zwei-Stufen-Verarbeitung.
  • 9A, 9B, 10A und 10B zeigen Beispiele für die weitere Verkürzung der Pulsdauer durch Wiederholen der Zwei-Stufen-Verarbeitung, sodass der Gesamtkompressionsvorgang in zwei oder mehr Zwei-Stufen-Verarbeitungsschritte unterteilt ist.
  • 11A, 11B, 11C, 11D und 11E zeigen ein Beispiel für einen Hochleistungs-Pikosekunden-Pulslaser und Testergebnisse.
  • 12A, 12B, 12C, 12D, 12E und 12F zeigen Beispiele und die Leistung kompakter Ausgestaltungen zum Verwenden eines Kompaktlaserkopfs, der Bauteile der Zwei-Stufen-Verarbeitung umfasst.
  • 13 zeigt ein weiteres Beispiel einer abstimmbaren Modulausgestaltung zur Dispersions-Kompensation durch das lineare optische Verarbeitungsmodul in der Zwei-Stufen-Verarbeitung auf Basis von zwei Prismen.
  • 14A und 14B zeigen eine Struktur und das Simulationsergebnis eines beispielhaften Systems basieren auf einer Abwandlung des Systems von 6A zum Anwenden einer Zwei-Stufen-Pulskompression zum Erzeugen von Ultrakurzpulsen mit hoher Pulsenergie (z. B. bis zu 0,5 mJ pro Puls in einigen Ausführungen).
  • 15A und 15B zeigen die Struktur und die Simulationsergebnisse eines beispielhaften Systems für die Kurzpulserzeugung, das eine andere Zwei-Stufen-Verarbeitung basierend auf einer ersten Stufe mit normaler Dispersion verwendet.
  • 16 zeigt noch ein anderes Beispiel eines Systems zur Kurzpulserzeugung, bei dem eine Vorkompressions-Vorrichtung im CPA-System die Dispersion von Eingangspulsen überkompensiert, um einen negativ gechirpten Puls zu erhalten.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die Pulsenergie eines Laserpulses kann durch das Produkt aus Pulsdauer und Pulsspitzenleistung geschätzt werden. Kurze Pulse mit einer gegebenen Pulsenergie können hohe Spitzenleistungen aufweisen. Beispielsweise weist ein Puls mit einer Pulsenergie von 1 microJ und einer Pulsbreite von 1 ps eine Spitzenleistung von 1 MW auf. Die hohe Spitzenleistung aufgrund einer kurzen Pulsdauer kann für verschiedene Anwendungen wünschenswert sein. Wenn der Puls mit hoher Spitzenleistung auf einen kleinen Punkt fokussiert wird, ist die elektrische Feldstärke ausreichend, die Elektronen in dem Werkstoff zu beeinflussen und dadurch Plasmaeffekte zu erzeugen. Der Plasmaeffekt ermöglicht das Entfernen von Werkstoff in einem räumlich begrenzten Bereich ohne thermische Auswirkungen auf die Umgebung – ein Verfahren, das als „kalte Ablation” bezeichnet wird. Als Vergleich entfernen einige Laser mit längeren Pulsdauern im Gegensatz hierzu durch Hitze und erzeugen hitzebeeinträchtigte Zonen mit verformtem Material um den Bereich herum. In verschiedenen Ablationsanwendungen, beispielsweise in der Laserchirurgie, ist eine räumlich begrenzte, präzise gezielte Entfernung eines Gewebes oder Materials an einer gegebenen Stelle äußerst wünschenswert und kann durch Verwenden von kalter Ablation mit Laserpulsen mit kurzen Pulsdauern von weniger als 1 ps und einer hohen Pulsenergie von beispielsweise mehr als 10 nJ erreicht werden.
  • Jedoch gibt es verschiedene technische Herausforderungen beim Erzeugen von Laserpulsen mit kurzen Pulsdauern von einem Bruchteil von 1 ps (z. B. um die, oder weniger als 100 fs) und einer hohen Pulsenergie von beispielsweise mehr als 10 nJ. Beispielsweise kann das starke elektrische Feld aufgrund der hohen Spitzenleistung in einem USP-Laser auch den Laser beschädigen oder Verzerrungen in dem Laser erzeugen, wenn der Laserpuls mit dem Verstärkungsmaterial oder anderen optischen Elementen des USP-Lasers interagiert. Nichtlineare optische Effekte tragen häufig zu optischen Verzerrungen bei. Beispielsweise ist die stimulierte Raman-Streuung (SRS) eine nichtlineare optische Wechselwirkung von Licht und optischen Phononen im Material, wenn die Intensität von Licht bei einer optischen Wellenlänge eine SRS-Schwelle übersteigt. Wenn SRS auftritt, wird ein Raman-Signal in der Propagationsrichtung des ursprünglichen Lichts durch das nichtlineare SRS-Verfahren in dem Medium bei einer Raman-Frequenz erzeugt, die von der optischen Frequenz des ursprünglichen Lichts um eine Raman-Frequenzverschiebung verschoben ist. Die SRS kann zu unerwünschten Effekten bei der optischen Pulsverstärkung in Glasfasern und anderen optischen Medien führen. Beispielsweise wird, während die Intensität der optischen Pulse steigt, um den SRS-Schwellenwert zu erreichen, die optische Leistung in den optischen Pulsen verbraucht, und dadurch gibt das SRS-Verfahren der optischen Leistung der optischen Pulse eine Obergrenze. Außerdem können optische nichtlineare Effekte wie die auf dem Kerr-Effekt basierende Selbstphasenmodulation (SPM) sich während der Propagation der Pulse akkumulieren, und die SPM erzeugt für gewöhnlich neue spektrale Komponenten und nichtlineare Frequenz-Chirps, wodurch es schwierig wird, kurze Pulse zu erhalten, die in verschiedenen Pulslaseranwendungen, beispielsweise einer Laser-Materialverarbeitung oder anderen Anwendungen, wünschenswert sind.
  • Eine bekannte Technik zum Abschwächen der zuvor genannten unerwünschten Effekte, die mit Hochleistungs-Kurzlaserpulsen zusammenhängen, ist die Verstärkung gechirpter Pulse (Chirped Pulse Amplification – CPA), bei der eine Folge kurzer Laserpulse zuerst auf eine lange Dauer (z. B. etwa einige Hundert Pikosekunden) gestreckt und dann durch einen oder mehrere Faserverstärker verstärkt werden, um die Pulsenergie zu erhöhen und gleichzeitig die unerwünschten nichtlinearen optischen Effekte und Pulsverzerrungen unterhalb eines gewünschten Toleranzniveaus aufgrund der gestreckten langen Pulsdauer zu halten. Nach der Verstärkung werden die gestreckten und verstärkten Laserpulse schließlich auf eine gewünschte kurze Pulsdauer komprimiert (z. B. 1 ps), um hohe Spitzenleistung und kurze Laserpulse zu erreichen. Aufgrund verschiedener technischer Begrenzungen bei CPA-Vorrichtungen ist bekannt, dass es schwierig ist, kurze Laserpulse von weniger als 250 fs in CPA-Vorrichtungen mit Wellenlängen im C-Band-Bereich zu erreichen. Beispielsweise ist die Verstärkungsbandbreite des einen oder der mehreren Verstärker in der CPA-Vorrichtung begrenzt, und diese begrenzte Verstärkungsbandbreite ist unzureichend, um Laserpulse mit einer kurzen Pulsdauer von unter 250 fs zu unterstützen. Viele im Handel erhältliche C-Band-Erbium-dotierte Verstärker weisen einen Spektralbereich von etwa 1530 nm bis 1565 nm auf, die Verstärkungsbandbreite eines solchen Erbium-dotierten Faserverstärkers ist nicht ausreichend breit, um mit CPA-Technik erzeugte Pulse mit einer Dauer von weniger als 200 fs zu unterstützen.
  • Es wurden auch Versuche unternommen, die Effekte der Selbstphasenmodulation (SPM) und der anomalen Dispersion in einem Fasersegment zu kombinieren, um eine Pulsdauer von Laserpulsen durch Soliton-Kompression hoher Ordnung zu komprimieren. Solitonen hoher Ordnung werden durch ihre Soliton-Zahl N definiert, wobei eine Soliton-Zahl N die Quadratwurzel des Verhältnisses der Eingangspulsenergie zur entsprechenden Pulsenergie des Grund-Solitons ist. Eine solche Soliton- bzw. Lösungs-Kompression hoher Ordnung erfordert eine genaue Steuerung und Ausgestaltung des Fasersegments, das die adäquaten Niveaus der Selbstphasenmodulation und der anomalen Dispersion bereitstellt, um die richtigen Solitonpulse hoher Ordnung zu unterstützen, die eine beträchtliche Kompression am Faserausgang erfahren. Beispielsweise können mit Gas gefüllte photonische Hohlkern-Kristallfasern speziell für diese Lösungs-Kompression hoher Ordnung ausgelegt sein. Exotische Fasern basierend auf mit Gas gefüllten photonischen Hohlkern-Kristallfasern oder andere Ausgestaltungen sind jedoch nicht einfach zu verwenden, schwierig und kostspielig in der Herstellung und für gewöhnlich instabil. Daher sind solche exotischen Fasern im Allgemeinen ungeeignet für die Verwendung im Handel erhältlicher Produkte. Bei der Verwendung einer Single-Mode-Quarzglasfaser zum Erzielen einer Soliton-Kompression hoher Ordnung ist ein technisches Problem der schlechte Pulsqualitätsfaktor der komprimierten Laserpulse. Der Pulsqualitätsfaktor Qc ist ein Bruchteil der Eingangspulsenergie und tritt in dem Hauptpulskörper aufgrund der zeitlichen Aufteilung des Eingangspulses in den zeitlich scharfen Hauptpulskörper und in Nebenzipfel oder Nebenkeulen vor/nach dem zeitlich scharfen Hauptpuls auf. Die Nichtlinearität in einer Single-Mode-Quarzglasfaser kann kubisch mit der Intensität des Lichts in einem Laserpuls abgestuft sein, wobei die chromatische Dispersion der Faser für Licht bei unterschiedlichen Intensitäten gleich bleibt. Dieser Zustand erzeugt eine große Soliton-Zahl N und erzeugt einen niedrigen Pulsqualitätsfaktor. Beispielsweise können ultrakurze Pulse mit einer Soliton-Zahl N von 30 und einer anfänglichen Pulsbreite von 300 fs eine komprimierte Pulsbreite von nur 25 Fs= erzielen. Der Pulsqualitätsfaktor Qc nimmt jedoch mit zunehmender Soliton-Zahl deutlich ab. In diesem Beispiel wird der Pulsqualitätsfaktor Qc auf ungefähr 0,2 geschätzt, was angibt, dass nur 20% der Energie den Hauptteil des Pulses bilden, während der Rest als breite Nebenkeule um den komprimierten Hauptteil des Pulses verschwendet wird. Das Vorhandensein der Nebenzipfel oder Nebenkeulen vor/nach dem zeitlich scharfen Hauptpulskörper beruht größtenteils auf der Tatsache, dass der Chirp, der durch die nichtlineare Selbstphasenmodulation in dem Fasersegment erzeugt wird, nicht vollständig von dem Chirp, der von der anomalen Dispersion in dem gleichen Fasersegment erzeugt wird, kompensiert werden kann. Folglich wird die Spitzenleistung des komprimierten Pulses bedeutend reduziert.
  • Aufgrund der zuvor genannten und anderer technischer Schwierigkeiten oder Probleme ist es bisher schwierig gewesen, Hochleistungs-Faserlaser (z. B. über 10 nJ) mit einer kurzen Pulsdauer von weniger als 250 fs zu vermarkten.
  • Die in diesem Dokument beschriebenen Techniken, Vorrichtungen und Systeme können implementiert werden, um ultrakurze Laserpulse unter Verwendung eines Zwei-Stufen-Pulsverarbeitungsansatzes zu erzeugen, der eine nichtlineare Verarbeitung von Laserpulsen durch nichtlineare Selbstphasenmodulation (SPM) in einem nichtlinearen optischen Medium trennt, um eine ausreichende spektrale Verbreiterung von einer nachfolgenden linearen Verarbeitung der Laserpulse durch eine Dispersionskompensation des bei der SPM verursachten Chirps zu erzielen, um die spektral verbreiterten Pulse zu komprimieren und dadurch ultrakurze Laserpulse mit einem hohen Pulsqualitätsfaktor zu erzielen. In dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul ist die optische Intensität der Laserpulse in dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul auf eine Intensitätsschwelle oder darüber für SPM festgelegt, um eine spektrale Verbreiterung und einen Frequenz-Chirp-Betrag bei jedem der Laserpulse aufgrund der nichtlinearen SPM zu verursachen. Die SPM erzeugt neue Frequenzkomponenten an den oberen und unteren Seiten des Spektralbandes des ursprünglichen Laserpulses und verbreitert somit das spektrale Band des Laserpulses. Aufgrund der umgekehrt proportionalen Beziehung zwischen der Pulsdauer und der spektralen Breite eines Laserpulses, sollte die spektrale Verbreiterung zum Erzeugen von ultrakurzen Pulsen mit kurzer Pulsdauer notwendigerweise ausreichend breit sein. Die neuen von der SPM erzeugten Frequenzkomponenten weisen jedoch positive und nichtlineare Frequenz-Chirps auf, die Nebenzipfel oder Nebenkeulen außerhalb des Hauptpulsprofils in der Zeitdomäne erzeugen. Solche durch SPM verursachten Frequenz-Chirps sind unerwünscht, weil sie den Pulsqualitätsfaktor herabsetzen und die optische Gesamtenergie in dem Hauptpulskörper reduzieren. Das nachfolgende linearere Verarbeitungsmodul ist ausgestaltet, anomale Dispersion aufzuweisen, wobei die optische Intensität spektral verbreiterter Laserpulse, die von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul ausgegeben werden, so gesteuert ist, dass sie in dem linearen optischen Verarbeitungsmodul unter einem nichtlinearen Intensitätsschwellenwert für nichtlineare SPM liegt. Die optische Propagationslänge in dem linearen optischen Verarbeitungsmodul ist so festgelegt, dass eine ausreichende Dispersionskompensation durch die anomale Dispersion bereitgestellt wird, um den Chirp in den Laserpulsen zu kompensieren, der in dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul verursacht wird, ohne eine zu bemerkende optische Nichtlinearität oder die nichtlineare SPM in dem linearen optischen Verarbeitungsmodul zu verursachen. Diese Dispersionskompensation in dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul verursacht eine Pulsdauerverkürzung.
  • 1A zeigt ein Beispiel eines Systems 100 zum Erzeugen ultrakurzer Laserpulse basierend auf dem zuvor genannten Zwei-Stufen-Pulsverarbeitungsansatz. Das System 100 umfasst einen ersten Pulsgenerator 110, der erste Eingangslaserpulse 112 mit einer gewünschten optischen Gesamtenergie pro Puls und einer ersten Pulsdauer erzeugt. Das System 100 ist ausgestaltet, die erste Pulsdauer in eine kürzere Pulsdauer zu komprimieren, um eine gewünschte hohe Spitzenleistung bei gleichzeitig gutem Pulsqualitätsfaktor zu erzielen. Ein nichtlineares optisches Verarbeitungsmodul 120 ist bereitgestellt, um nichtlineare Selbstphasenmodulation (SPM) bei jedem Eingangslaserpuls zu verursachen, um eine spektrale Verbreiterung und einen Frequenz-Chirp-Betrag bei jedem Lasereingangspuls aufgrund der nichtlinearen SPM zu erzeugen. Die optische Intensität jedes Eingangslaserpulses zur nichtlinearen optischen Verarbeitungsstufe 120 ist so gesteuert, dass sie in der nichtlinearen optischen Verarbeitungsstufe 120 bei einer Intensitätsschwelle für SPM oder darüber liegt. Folglich erzeugt die nichtlineare optische Verarbeitungsstufe 120 spektral verbreiterte Laserpulse 122. Der nichtlinearen optischen Verarbeitungsstufe 120 nachgeschaltet ist ein lineares optisches Verarbeitungsmodul 130 mit anomaler Dispersion, das optisch gekoppelt ist, um die spektral verbreiterten Laserpulse 122 zu empfangen. Die optische Intensität spektral verbreiterter Laserpulse 122, die von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul 120 ausgegeben werden, ist so gesteuert, dass sie in dem linearen optischen Verarbeitungsmodul 130 unter einem nichtlinearen Intensitätsschwellenwert für nichtlineare SPM liegt. Daher unterliegen die spektral verbreiterten Laserpulse 122 der anomalen Dispersion, ohne dass optische Nichtlinearität oder die nichtlineare SPM erzeugt werden. Die Länge der optischen Propagation des linearen optischen Verarbeitungsmoduls 130 ist so gesteuert, dass eine passende Menge anomaler optischer Dispersion in den spektral verbreiterten Laserpulsen verursacht wird, die den Frequenz-Chirp kompensiert, der von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul 120 erzeugt wird. Diese Dispersionskompensation verursacht wiederum zeitliche Kompression der Pulsbreite, um Ausgangslaserpulse 140 zu erzeugen, die spektral verbreitert sind und in der Pulsdauer in Bezug auf die spektrale Breite und Pulsdauer der Eingangslaserpulse 112 zeitlich komprimiert sind. In Ausführungen können die optischen Werkstoffe für beide Verarbeitungsmodule 120 und 130 anomale Dispersion aufweisen und unter unterschiedlichen optischen Betriebsbedingungen betrieben werden: Das Modul 120 wird im nichtlinearen optischen Modus betrieben, um SPM in jedem Laserpuls zu erzeugen, und das Modul 130 wird im linearen optischen Modus betrieben, um einen Frequenz-Chirp zu erzeugen, der dem SPM-induzierten Frequenz-Chirp in jedem Laserpuls entgegenwirkt. Beispielsweise können beide Module Quarzglas-Faserwerkstoffe mit anomaler Dispersion als Werkstoffeigenschaft verwenden.
  • 1B zeigt den Betrieb der Zwei-Stufen-Verarbeitung in den Modulen 120 und 130 in dem System 100 von 1A. Bei Schritt 151 befinden sich Eingangslaserpulse in dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul 120 und weisen eine optische Intensität auf, die in dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul 120 eine Intensitätsschwelle für SPM erreicht oder darüber liegt, so dass eine spektrale Verbreiterung und ein Frequenz-Chirp-Betrag bei jedem der Laserpulse aufgrund der nichtlinearen SPM verursacht werden. Bei Schritt 152 ist die Intensität spektral verbreiterter Laserpulse, die von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul 120 ausgegeben werden, so gesteuert, dass sie in dem linearen optischen Verarbeitungsmodul 130 mit anomaler Dispersion, das optisch gekoppelt ist, um die spektral verbreiterten Laserpulse zu empfangen, die von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul 120 ausgegeben werden, unter einem nichtlinearen Intensitätsschwellenwert für nichtlineare SPM liegt, ohne optische Nichtlinearität oder die nichtlineare SPM zu erzeugen. Mit Bezug auf 1A kann eine Strahlsteuervorrichtung 124 zwischen den Modulen 120 und 130 bereitgestellt sein, um die optische Intensität der Laserpulse 122 zu steuern, die in das Modul 130 eintreten. Ein Strahlaufweiter kann beispielsweise von der Vorrichtung 124 umfasst sein, um den Strahlquerschnitt aufzuweiten, um die optische Intensität zu reduzieren, ohne optische Energie in jedem Laserpuls zu verlieren. Bei Schritt 153 ist die Länge optischer Propagation des linearen optischen Verarbeitungsmoduls so gesteuert, dass eine Menge anomaler optischer Dispersion in den spektral verbreiterten Laserpulsen verursacht wird, die den Frequenz-Chirp kompensiert, der durch das nichtlineare optische Verarbeitungsmodul 120 erzeugt wurde, und die zeitliche Kompression einer Pulsbreite verursacht, um Ausgangslaserpulse zu erzeugen, die spektral verbreitert sind und in der Pulsdauer in Bezug auf die spektrale Breite und Pulsdauer der Eingangslaserpulse zeitlich komprimiert sind.
  • Bei dieser Zwei-Stufen-Verarbeitung erzeugen die spektrale Verbreiterung jedes Laserpulses in dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul 120 und die Pulsdauerverkürzung in dem nachfolgenden linearen optischen Verarbeitungsmodul 130 zusammen ultrakurze Laserpulse 140 mit einem guten Pulsqualitätsfaktor. In Ausführungen wird die zuvor genannte Zwei-Stufen-Verarbeitung in dem System 100 nach der optischen Verstärkung der Laserpulse in dem ersten Pulsgenerator 110 auf einen ausreichenden Betrag der gesamten Pulsenergie pro Puls ausgeführt. Der erste Pulsgenerator 110 kann in einigen Ausführungen einen Seed-Pulslaser und einen oder mehrere optische Verstärker umfassen, die die Seed-Laserpulse verstärken. Daher stellt der begrenzte Spektralbereich in den optischen Verstärkungen verschiedener optischer Verstärker, die in dem ersten Pulsgenerator 110 verwendet werden können, wie Er-dotierte und Er-Yb-dotierte Quarzfasern und andere Faserverstärker, keine Begrenzung für die untere Grenze der Pulsdauer in Laserpulsen dar, die von der Kombination aus dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul 120 und dem linearen optischen Verarbeitungsmodul 130 verarbeitet werden, die der optischen Verstärkerstufe 110 nachgeschaltet sind. Die spektrale Verbreiterung jedes Pulses in dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul 120 schwächt den unerwünschten Effekt des begrenzten Spektralbereichs bei den optischen Verstärkungen verschiedener optischer Verstärker in der Stufe 110 ab, indem eine ausreichende spektrale Breite jedes Pulses bereitgestellt wird, die zu der gewünschten kurzen Pulsdauer passt, die von der Zwei-Stufen-Verarbeitung durch die Module 120 und 130 erzeugt werden soll. Folglich können verschiedene Pulserzeugungs- und Verstärkungstechniken, Vorrichtungen und Systeme als Teil der Stufe 110 verwendet werden, um die ersten Laserpulse 112 mit ausreichender Pro-Puls-Energie zur Verarbeitung durch die Zwei-Stufen-Verarbeitung, die in diesem Dokument beschrieben ist, zu erzeugen, umfassend verschiedene optische Verstärkerausführungen wie einen Kernpump-Faserverstärker, einen Double-Clad-Faserverstärker (DCA), eine Kombination aus einem Kernpump-Faserverstärker und einem Double-Clad-Faserverstärker und andere Verstärkerausführungen wie Festkörperlaserverstärker. Ein Festkörperlaser-Verstärkungsmedium kann optisch beispielsweise durch Diodenlaser oder Blitzlampenpumpen gepumpt werden. In verschiedenen Verstärkerausgestaltungen können Festkörperlaserverstärker verwendet werden, um aufgrund ihres großen Querschnitts die letzte Verstärkerstufe in einer mehrstufigen Verstärkerausgestaltung bereitzustellen. Beispielhafte Werkstoffe, die für Festkörperverstärker verwendet werden, umfassen Er:Glas und andere. Außerdem können auch CPA-Systeme in verschiedenen Ausgestaltungen verwendet werden, um die Eingangslaserpulse für die in diesem Dokument beschriebene Zwei-Stufen-Verarbeitung zu erzeugen.
  • Es ist zu beachten, dass die im zuvor genannten Zwei-Stufen-Verarbeitungsansatz genannte Trennung einer spektralen Verbreiterung im nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul 120 und der nachfolgenden Pulsdauerverkürzung in dem linearen optischen Verarbeitungsmodul 130 Flexibilität und die Fähigkeit bereitstellt, die Parameter des nichtlinearen optischen Verarbeitungsmoduls 120 für die gewünschte spektrale Verbreiterung separat technisch anzupassen oder zu optimieren, von der technischen Anpassung und Optimierung der Parameter des nachfolgenden linearen optischen Verarbeitungsmoduls 130 für die gewünschte Pulsdauerverkürzung. In einer Ausführungsform der vorliegenden Zwei-Stufen-Verarbeitung kann eine Single-Mode-Faser verwendet werden, um durch separate Nutzung der spektralen Verbreiterung durch Selbstphasenmodulation in der ersten Stufe und Pulsdauerverkürzung oder Kompression basierend auf chromatischen Dispersionseffekten in einem linearen optischen Modul als zweite Stufe nach der ersten Stufe Femtosekundenlaser mit hoher Spitzenleistung zu erzeugen. In der ersten Stufe 120 dominiert Nichtlinearität in der Faser und wird verwendet, um das Spektrum aufzuweiten, während in der zweiten Stufe 130 die Dispersion eines dispersiven Werkstoffs dominiert und verwendet wird, um den Puls zu komprimieren und transformlimitierte Femtonsekunden-Pulse basierend auf der verbreiterten spektrale Breite jedes Pulses in der ersten Stufe zu erhalten. Die optische Nichtlinearität in der zweiten Stufe 130 wird vermieden oder minimiert, z. B. durch Strahlaufweitung, was die Spitzenleistung effektiv reduziert.
  • Dieser Zwei-Stufen-Verarbeitungsansatz kann ausgeführt werden, um Beschränkungen und oder technische Schwierigkeiten bei anderen Kurzpulserzeugungstechniken zu überwinden. Beispielsweise müssen bei der Soliton-Kompression hoher Ordnung die optische Nichtlinearität und optische Dispersion des gleichen nichtlinearen optischen Mediums gleichzeitig abgewickelt werden, um den gewünschten Zustand zum Unterstützen der Soliton-Propagation hoher Ordnung von Licht zu erzeugen und um die gewünschte Pulskompression zu erzielen. Dieser Gesichtspunkt der Soliton-Kompression hoher Ordnung stellt erhebliche praktische Herausforderungen bei der Suche nach praktischen und geeigneten nichtlinearen optischen Werkstoffen hinsichtlich der Vermarktung der Soliton-Kompressionstechnologie hoher Ordnung dar. Außerdem verschlechtert die Notwendigkeit, die optische Nichtlinearität und optische Dispersion des gleichen nichtlinearen optischen Mediums bei der Soliton-Kompression hoher Ordnung gleichzeitig abzuwickeln, den Pulsqualitätsfaktor in den resultierenden optischen Pulsen.
  • 1C zeigt ein Beispiel eines Pulses, der durch Soliton-Kompression hoher Ordnung erzeugt wurde, wobei ein Puls mit einer Pulsenergie von 10 nJ und einer ersten Dauer von 400 fs in ein nichtlineares Fasersegment injiziert wird, um einen komprimierten Puls mit einer Dauer von 14 fs durch die Soliton-Kompression zu erzeugen. Der endgültige komprimierte Puls weist, obgleich er eine eher kurze Pulsdauer von nur 14 fs hat, eine große Nebenkeule auf, so dass nur 33% der Energie in dem Hauptpuls verbleiben. Dieser schlechte Pulsqualitätsfaktor verschlechtert die nutzbare Energie in dem endgültigen komprimierten Puls erheblich. Dieser unerwünschte Gesichtspunkt der Soliton-Kompression hoher Ordnung ist konstruktiv bedingt. Der durch SPM in dem nichtlinearen Fasersegment in der Soliton-Kompression hoher Ordnung erzeugte Chirp ist direkt proportional zur Pulsform. Da sich die Nichtlinearität in dem Puls akkumuliert, wenn er in dem nichtlinearen Fasersegment propagiert, durchläuft die Pulsform eine komplizierte Auswertung aufgrund des Zusammenspiels von SPM und Dispersion und kann erheblich von ihrer Originalform abweichen. Folglich kann der in dem Puls entwickelte Chirp hoch nichtlinear sein, insbesondere am Flügelteil des Pulses. An der Dispersionsseite neigt jedoch der durch Dispersion erzeugte Chirp dazu, linear zu sein. Diese Nichtübereinstimmung von SPM-induziertem Chirp und Dispersions-induziertem Chirp in der Soliton-Kompression hoher Ordnung führt zu dem schlechten Pulsqualitätsfaktor in dem endgültigen komprimierten Puls.
  • Der in dem System 100 in 1A gezeigte Zwei-Stufen-Verarbeitungsansatz kann dies abschwächen, indem die separate technische Entwicklung der spektralen Verbreiterung durch SPM in dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul 120 und die technische Entwicklung der Pulsverkürzung durch die anomale Dispersion in dem linearen optischen Verarbeitungsmodul 130 erlaubt werden, um zu ermöglichen, dass die SPM-induzierte Dispersion von der anomalen Dispersion kompensiert oder vollständig beseitigt wird. Die Trennung der Nichtlinearität von der Dispersion erlaubt die ordnungsgemäße Begrenzung der gesamten Nichtlinearität bei der spektralen Verbreiterung in dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul 120, damit die ursprüngliche Gauß'sche Pulsform im Wesentlichen beibehalten wird, während ein linearer oder quasi-linearer Frequenz-Chirp eingeführt wird. Dieser Chirp von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul 120 kann durch den Dispersions-Chirp kompensiert werden, der in dem Pulsverkürzungsschritt in dem linearen optischen Verarbeitungsmodul 130 erzeugt wird, um den komprimierten Puls ohne wesentliche Pulsverzerrung zu erzeugen. Entsprechend kann der vorliegende Zwei-Stufen-Ansatz verwendet werden, um einen besseren Pulsqualitätsfaktor zu erzielen als es bei verschiedenen Ausführungen der Soliton-Kompression hoher Ordnung und anderen Pulserzeugungsverfahren der Fall ist.
  • Wie in einigen Ausführungsbeispielen nachfolgend beschrieben, kann der Zwei-Stufen-Ansatz wiederholt werden, um die Pulsdauer weiter zu verkürzen, wobei der gesamte Kompressionsprozess in mehrere Kompressionsschritte geteilt wird. In jedem Schritt sind die beiden Stufen sorgfältig technisch entwickelt, um die unerwünschte Pulsverzerrung zu vermeiden oder zu minimieren. Die Mehrschrittverarbeitung ermöglicht es, die endgültige Pulsqualität durch Anpassen des durch SPM erzeugten Chirps und des durch die Dispersion erzeugten Chirps zu erzielen.
  • 1D zeigt ein Beispiel der Pulsqualität eines komprimierten Pulses, der durch den vorliegenden Zwei-Stufen-Verarbeitungsansatz erhalten wurde, als Vergleich zu dem komprimierten Puls basierend auf der Soliton-Kompression hoher Ordnung von 1C. Obgleich beide komprimierten Pulse von 1C und 1D eine Pulsdauer für FWHM von 14 fs aufweisen, sind bei dem komprimierten Puls durch den vorliegenden Zwei-Stufen-Verarbeitungsansatz mehr als 80% der Energie im Hauptpuls eingeschlossen, während sich nur 33% der Energie in dem Hauptpuls durch Soliton-Kompression hoher Ordnung befinden. Dies stellt eine Differenz in der Pulsspitzenleistung über einen Faktor 3 zwischen dem vorliegenden Zwei-Stufen-Verarbeitungsansatz und der Soliton-Kompression hoher Ordnung dar.
  • Als weiteres Beispiel kann der Zwei-Stufen-Verarbeitungsansatz, der in dem System 100 in 1A gezeigt ist, vorteilhaft verwendet werden, um Flexibilität bei der Auswahl der komprimierten Pulsbreite bereitzustellen. Der Kompressionsfaktor kann durch den Betrag der spektralen Verbreiterung in dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul 120 gesteuert werden. Dieser Betrag spektraler Verbreiterung, den jeder Puls erfährt, kann entweder durch Steuern der physikalischen Eigenschaften des nichtlinearen optischen Verarbeitungsmoduls 120 oder durch Steuern der Anzahl der spektralen Verbreiterung-Dispersion-Kompressionszyklen gesteuert werden, die jeder Puls durchläuft. Es ist schwierig, eine solche Flexibilität in der Pulsbreite mit anderen Kurzpuls-Erzeugungstechniken zu erzielen. Beispielsweise wird bei der Soliton-Kompression hoher Ordnung der Kompressionsfaktor durch die Soliton-Ordnungszahl N bestimmt.
  • Daher kann der vorliegende Zwei-Stufen-Verarbeitungsansatz von 1A ausgeführt werden, um bedeutende Vorteile bei der Erzeugung von Laserpulsen mit ultrakurzen Pulsdauern, hohen Spitzenleistungen und guter Pulsqualität bereitzustellen. Der vorliegende Zwei-Stufen-Verarbeitungsansatz stellt auch bedeutende Flexibilität in der technischen Entwicklung bereit, führt zu Kosteneinsparungen und ermöglicht kompakte Systemkonstruktionen für verschiedene Anwendungen. Es ist zu beachten, dass Faserlaser mit hoher Spitzenleistung zum Erzeugen von Laserpulsen im Femtosekunden-Bereich in verschiedenen Anwendungen in industriellen und wissenschaftlichen Gebieten wie der Chirurgie, der Hochpräzisions-Werkstoffverarbeitung, der Frequenzkonversion etc. verwendet werden können.
  • Aufgrund des Wellenleitereffekts der optischen Faser besitzen Faserlaser hinsichtlich der Stabilität, Kompaktheit, dem einfachen Betrieb, der besseren Strahlqualität und anderen Gesichtspunkten viele Vorteile gegenüber sperrigen Festkörperlasern. Der vorliegende Zwei-Stufen-Verarbeitungsansatz kann in Ausgestaltungen ausgeführt werden, die Fasersegmente oder Bauteilen verwenden, um kompakte Gehäuse für die Chirurgie und andere Lasersysteme bereitzustellen.
  • Spezifische Beispiele von Ausführungen des vorliegenden Zwei-Stufen-Verarbeitungsansatzes wie in 1A gezeigt, und andere Zwei-Stufen-Verarbeitungsansätze werden nachfolgend bereitgestellt.
  • 2 zeigt ein beispielhaftes System 200, das ein CPA-System als ersten Pulsgenerator 110 bei der Ausführung des Systems 100 von 1A verwendet. Das CPA-System 110 von 2 umfasst einen Seed-Pulslaser 211 zum Erzeugen von Seed-Laserpulsen, einen Pulsstrecker 212, der die Seed-Laserpulse verarbeitet, um die Pulsdauer zu strecken, einen oder mehrere optische Verstärker 213, der/die die gestreckten Laserpulse verstärkt/verstärken, und eine Pulskompressionsvorrichtung 214, die die Pulsdauer der Laserpulse komprimiert, die von dem einen oder mehreren optischen Verstärker/n 213 ausgegeben werden. Jeder optische Verstärker kann ein Ionen-dotierter Faserverstärker wie in einigen Ausführungen ein Erbium-dotierter Faserverstärker sein. Die Pulskompressionsvorrichtung 214 kann in verschiedenen Ausgestaltungen ausgeführt sein (zum Beispiel in einem Gitterpaar mit zwei Gittern) und kann eine Vorkompressionsvorrichtung sein, da die nachfolgende Zwei-Stufen-Verarbeitung in den Modulen 120 und 130 die gewünschte Pulskompression bereitstellt, die für die Systemausgabe benötigt wird. Es ist schwierig, dass ein solches CPA-System eine Ausgabe mit einer Pulsdauer von weniger als 250 oder 200 fs unterstützt. Die Ausgangspulse des CPA-Systems 110 sind erste Laserpulse für die nachfolgende Zwei-Stufen-Verarbeitung und propagieren in dem Modul 120 durch hoch nichtlinearen Werkstoff, um eine spektrale Verbreiterung zu erfahren und nachfolgend in dem Modul 130 eine Pulskompression oder -verkürzung zu erfahren.
  • Die basierend auf der vorliegenden Zwei-Stufen-Verarbeitung erzeugten komprimierten Laserpulse können weiterverarbeitet werden, um gewünschte Eigenschaften von Laserpulsen für bestimmte Anwendungen zu erzielen. Beispielsweise ermöglicht die hohe Spitzenleistung der komprimierten Laserpulse, die basierend auf der vorliegenden Zwei-Stufen-Verarbeitung erzeugt wurden, dass diese Pulse eine hohe optische Intensität aufweisen, die für eine nachfolgende nichtlineare optische Verarbeitung geeignet ist. Ein nachfolgendes nichtlineares optisches Modul kann so ausgestaltet sein, dass es die hohe Spitzenleistung von den komprimierten Laserpulsen für die Erzeugung harmonischer Frequenzen wie für die Erzeugung zweiter oder dritter Harmonischer, Vier-Wellen-Mischung (Four-Wave-Mixing – FWM), parametrische Oszillationen und andere empfängt. Insbesondere kann ein periodisch gepoltes Lithiumniobat (PPLN) von dem nachfolgenden nichtlinearen optischen Modul als Frequenzverdopplungsmaterial umfasst sein, um die Erzeugung einer zweiten Harmonischen (Second Harmonic Generation – SHG) zu erhalten, zum Beispiel eines SHG-Pulses mit einer Dauer von weniger als 100 fs und einer Pulsenergie von mehr als 10 nJ. Für ein anderes Beispiel kann die hohe Spitzenleistung der komprimierten Laserpulse, die basierend auf der Zwei-Stufen-Verarbeitung erzeugt wurden, in ein nachfolgendes optisches Filter geleitet werden, um die spektrale Zusammensetzung jedes Laserpulses zu modifizieren.
  • 3A zeigt ein weiteres beispielhaftes System 300 zur Ausführung der Ausgestaltung von 1A basierend auf einem ersten Pulsgenerator 310, einem reflektiven gechirpten Faser-Bragg-Gitter 340, einem nichtlinearen polarisationserhaltenden Fasersegment als das nichtlineare optische Verarbeitungsmodul 120 und einem dispersiven Glaswerkstoff als das lineare optische Verarbeitungsmodul 130. Der erste Pulsgenerator 310 umfasst einen Seed-Pulslaser 211, einen Pulsstrecker 212, einen Vorverstärker 312 und einen Double-Clad-Verstärker (DCA) als Hauptverstärker 314. Beispielsweise können die Seed-Laserpulse eine mittlere Wellenlänge von 1550 nm, eine Pulsdauer von 1 ps und eine spektrale Bandbreite von ungefähr 10 nm aufweisen und sind von dem Pulsstrecker 212 auf eine lange Pulsbreite mit einer Dauer von ungefähr 100 Pikosekunden gestreckt. Die gestreckten Pulse werden dann an den Vorverstärker 312 und den Hauptverstärker DCA 314 gesendet, um eine hohe Pulsleistung von ungefähr 30 nJ (mit einer Pulsdauer von ungefähr zum Beispiel 100 ps) zu erhalten. Solche ersten Laserpulse werden dann in die Zwei-Stufen-Verarbeitung in dem Laserkopf 350 zur Verarbeitung geleitet. Der Laserkopf 350 kann als Kompaktmodul ausgestaltet sein und ist optisch über ein Faserkabel mit dem Modul 310 verbunden.
  • In diesem Beispiel umfasst der Laserkopf 350 einen polarisierenden Strahlenteiler/Kombinierer (Polarizing Beam Splitter – PBS) 330, um die ersten Laserpulse von dem Modul 310 in das nichtlineare polarisationserhaltende (PM) Fasersegment 120 und das reflektive gechirpte Faser-Bragg-Gitter (CFBG) 340 zu leiten. Die Pulse von dem PBS 330 passieren zuerst das PM-Fasersegment 120 und werden von dem gechirpten CFBG 340 zurück zu dem PM-Fasersegment 120 reflektiert, um erneut den PBS 330 zu passieren, um in den dispersiven Glaswerkstoff als lineares optisches Verarbeitungsmodul 130 einzutreten. Der PBS 330 in diesem und anderen Beispiel/en kann durch einen optischen Zirkulator mit drei Ports ersetzt werden, der das Licht von dem Modul 110 empfängt, das empfangene Licht an das CFBG 340 leitet und das reflektierte Licht von dem CFBG 340 zu der nachfolgenden Stufe leitet. Beispielsweise kann ein polarisationserhaltender faseroptischer Zirkulator verwendet werden, um den PBS 330 zu ersetzen, wobei der optische Zirkulator einen ersten optischen Port, einen zweiten optischen Port und einen dritten optischen Port aufweist, um Licht, das an dem ersten optischen Port empfangen wird, an den zweiten optischen Port zu leiten, und Licht, das an dem zweiten optischen Port empfangen wird, an den dritten optischen Port zu leiten.
  • Das gechirpte Faser-Bragg-Gitter (CFBG) 340 arbeitet als Vorkompressionsvorrichtung, um die Laserpulse so zu komprimieren, dass sie transformlimitiert mit einer ersten Dauer (zum Beispiel 300 fs bis 340 fs) sind. Die Selbstphasenmodulation (SPM) für die spektrale Verbreiterung wird in der polarisationserhaltenden Faser (PM 15) 120 erzielt und verbreitert die spektrale Breite des Pulses. Die spektral verbreiterten Pulse werden nach der Strahlaufweitung an freien Raum gekoppelt, um die optische Intensität durch eine Strahlsteuervorrichtung 360 zu reduzieren, die sich zwischen dem PBS 330 und dem Modul 130 befindet, so dass die nichtlinearen optischen Effekte in dem Modul 130 minimiert werden können. Die anomale Dispersion in den Modul 130 kompensiert den Frequenz-Chirp, der durch SMF in das PM-Fasersegment 120 eingeführt wird, und komprimiert den Puls auf einen transformlimitierten Puls mit einer gewünschten kurzen Dauer (zum Beispiel 110 fs).
  • In diesem Beispiel können die optischen Werkstoffe sowohl für das Verarbeitungsmodul 120 (die PM-Faser) als auch das Modul 130 (ein Glaswerkstoff) Quarzglas-Faserwerkstoffe sein, die anomale Dispersions-Werkstoffeigenschaften aufweisen. Das PM-Fasersegment für das Modul 120 wird im nichtlinearen optischen Modus betrieben, um SPM in jedem Laserpuls und einen positiven Frequenz-Chirp in jeder neu erzeugten Frequenzkomponente durch die SPM in dem Ausgangspuls nach dem PM-Fasersegment 120 zu erzeugen. In diesem Zusammenhang kann das PM-Fasersegment für das Modul 120 eine normale Dispersions-Werkstoffeigenschaft aufweisen. Das Modul 130 wird im linearen optischen Modus betrieben, um einen Frequenz-Chirp basierend auf seiner anomalen Dispersion zu erzeugen, um den SPM-induzierten Frequenz-Chirp in jedem Laserpuls zu kompensieren, wodurch schließlich die Pulsausgabe von dem Modul 130 auf einen transformlimitierten Puls mit einer kurzen Pulsdauer (zum Beispiel 110 fs) komprimiert wird.
  • 3B bis 3G zeigen Beispiele von vorläufigen Testergebnissen der Ausgestaltung von 3A. Verbesserte Testergebnisse von Vorrichtungs- und Systemausführungen sind in 12D, 12E und 12F in Zusammenhang mit den Ausgestaltungen von 12A, 12B und 12C gezeigt.
  • 3B und 3C zeigen Beispiele des Pulsspektrums und der Puls-Autokorrelation nach dem CFBG 340 von 3A, wobei ein transformlimitierter Puls mit einer Dauer von 340 fs und einer Bandbreite von 10 nm erzeugt wird. 3D und 3E zeigen Beispiele von Puls-Spektrum und Puls-Autokorrelation nach der SPM durch das Fasersegment 120 und Dispersionskompensation durch den Glaswerkstoff in dem Modul 130. Ein ultrakurzer Puls mit einer Dauer von 110 fs wird erzeugt. Die Pulsleistung beträgt laut Messung 30 nJ mit einer Spitzenleistung von 250 kW.
  • Die Ausgangspulse von dem beispielhaften System von 3A können weiter auf einen nichtlinearen Kristall fokussiert werden, um ultrakurze Pulse bei einer unterschiedlichen Wellenlänge zu erzeugen. 3F und 3G zeigen ein Beispiel der Erzeugung einer zweiten Harmonischen unter Verwendung eines PPLN. Ein ultrakurzer Puls bei 780 nm mit einer Dauer von 120 fs und einer Bandbreite von 6,9 nm wird erhalten. Die Pulsleistung beträgt laut Messung 12 nJ mit einer Spitzenleistung von 100 kW.
  • In 3A und anderen Ausgestaltungen, in denen eine CFBG-Vorrichtung verwendet wird, um eine Vorkompression von Laserpulsen für die nachfolgende Zwei-Stufen-Verarbeitung vorzunehmen, neigen verschiedene CFBG-Vorrichtungen dazu, temperaturempfindliche Komponenten zu sein. Die hohe Spitzenleistung der Laserpulse in einem CFBG kann die Erzeugung von Harmonischen dritter Ordnung (Third-order Harmonic Generation – THG) aufgrund der Phasenanpassung der Tscherenkow-Strahlung verursachen, so dass grünes THG-Licht in der Faser des CFBG erzeugt wird. 4 veranschaulicht die Phasenanpassung der Tscherenkow-Strahlung im CFBG. Es erfolgt eine Phasenanpassung der Grundmode, wobei die Strahlungsmode in der Hülle propagiert. Der Phasenanpassungswinkel α kann in einigen im Handel erhältlichen CFBG-Vorrichtungen ungefähr 10° betragen.
  • Das grüne THG-Licht kann von der Beschichtung des CFBG mit hohem Brechungsindex absorbiert werden. Die Absorption kann einen ungleichmäßigen Wärmegradienten entlang des CFBG hervorrufen, der unerwünscht die Dispersion des CFBG verändert. Dieses Wärmeproblem im CFGB kann die Pulsleistung und Stabilität in dem System begrenzen. Es ist schwierig, diese Art der Phasenanpassung zu eliminieren, da der Phasenanpassungswinkel gleichbleibend ist. Einige Beispiele praktischer Arten, den Einfluss von THG zu verringern, umfassen eine spezifische Beschichtung außerhalb des CFBG, die durchlässig für das grüne Licht ist, oder das Verwenden einer Beschichtung außerhalb des CFBG mit niedrigem Brechungsindex, wobei die Erzeugung der dritten Harmonischen auf die Hülle beschränkt ist und nicht von der Beschichtung absorbiert wird.
  • Mit Bezug auf 1A sollte die Dispersionskompensation durch das lineare optische Verarbeitungsmodul 130 in der Zwei-Stufen-Verarbeitung ausgestaltet sein, um die passende Menge anomaler Dispersion zu erzeugen, die den Frequenz-Chirp anpasst, der durch die SPM in das vorgeschaltete nichtlineare optische Verarbeitungsmodul 120 eingeführt wird. Eine Art, diese Anpassung zu erzielen, ist es, die Ausgestaltung des Moduls 130 in seiner optischen Propagationslänge abstimmbar zu wählen, um eine Anpassung der Menge anomaler Dispersion in dem Modul 130 zu erlauben, so dass der dispersive Werkstoff in dem Modul 130 den Puls durch das Transformlimit auf eine Pulsdauer komprimieren kann.
  • 5 zeigt ein Beispiel eines solchen abstimmbaren Moduls 130, wobei ein rechtwinkliger Glaswerkstoff mit einer kompakten Größe verwendet wird, um einen langen optischen Propagationsweg durch gefaltete optische Wege zu erzeugen. Das Quarzglas ist aufgrund seiner Dispersionseigenschaften, Widerstandsfähigkeit und Wärmestabilität ein guter Kandidat für diese Anwendung. Die gewünschten Längen des Quarzglases für die Zwei-Stufen-Verarbeitung können mehrere zehn Zentimeter lang sein. Diese Länge ist für ein kompaktes System nicht wünschenswert. Die Ausgestaltung von 5 stellt eine Quarzglasvorrichtung mit einer kleinen Größe und abstimmbaren Dispersionseigenschaften bereit.
  • In 5 weist ein rechtwinkliges Quarzglas 500 lange Seiten 510 und kurze Seiten 520 auf und ist mit 45 Grad zu jeder Eckenseite von zwei gegenüberliegenden Seiten angeschnitten. Die Abmessungen in 5 sind nur Beispiele und können angepasst werden, um die Anforderungen von spezifischen Anwendungen zu erfüllen. Der Eingangsstrahl wird senkrecht zu der Eingangsschnittoberfläche 531 in dieser Darstellung in die Vorrichtung 500 geschickt. Den Vorteil der vollständigen inneren Reflexion nutzend wird der Strahl durch Reflexionen an Seitenoberflächen in der Vorrichtung gehalten, bis er auf die Ausgangsschnittoberfläche 532 trifft. Diese mehreren inneren Reflexionen erzeugen eine lange optische Propagationslänge in dem Quarzglaswerkstoff, so dass die gewünschte Menge anomaler Dispersion gewonnen wird. Durch Abstimmen der Einfallsposition des Strahls an der Eingangsschnittoberfläche 531 kann die Anzahl Male der vollständigen Reflexion in dem rechtwinkligen Werkstoff geändert werden, und diese Änderung verändert die Gesamtlänge des Propagationsweges in dem Werkstoff, sodass die Dispersion geändert wird. Beispielsweise kann ein 27 mm × 21 mm-Glas verwendet werden wie in 5 dargestellt, um eine Menge an Dispersion zu erzeugen, die einem Glas aus dem gleichen Werkstoff mit einer Länge von 300 mm entspricht.
  • Wie in 5 gezeigt kann eine Strahlsteuervorrichtung 540 bereitgestellt werden, um die Einfallposition des Strahls an der Eingangsschnittoberfläche 531 zu steuern oder abzustimmen, um die Menge an Dispersion in der Vorrichtung von 5 anzupassen.
  • 6A zeigt ein weiteres beispielhaftes System 600 basierend auf der Zwei-Stufen-Verarbeitung. Der erste Pulsgenerator 110 umfasst einen DCA-Verstärker, um erste Laserpulse mit einer bestimmten ersten Pulsdauer (z. B. 300 ps) zu erzeugen. Ein PBS 330 wird verwendet, um die ersten Laserpulse zu einem reflektiven CFBG 340 zu leiten, um die Pulsdauer der ersten Laserpulse auf eine kürzere Pulsdauer (z. B. 20 ps) vorzukomprimieren. Verschiedene CFBG-Vorrichtungen weisen optische Nichtlinearitäten auf, wenn die optische Leistung von Laserpulsen hoch ist. Beispielsweise ist die Erzeugung einer Harmonischen dritter Ordnung in einem CFBG proportional zur dritten Potenz der Spitzenintensität. Bei Pulsen mit hoher Spitzenleistung sind die Abnahme der Pumpleistung und Wärmeinstabilität, die durch THG in dem CFBG verursacht werden, nicht vernachlässigbar und unerwünscht. Daher können die komprimierten Laserpulse mit ausreichender optischer Energie pro Puls die vorstehenden unerwünschten optischen Nichtlinearitäten verursachen, die die Abnahme der Pumpleistung und Wärmeinstabilität verursachen, wenn ein einzelnes CFBG verwendet wird, um die gesamte gewünschte Vorkompression der ersten Laserpulse auf ihre transformlimitierte Pulsdauer durchzuführen.
  • Das System von 3A verwendet ein einzelnes CFBG 340, um die gesamte gewünschte Vorkompression der ersten Laserpulse durchzuführen, und kann daher den vorstehenden unerwünschten Problemen ausgesetzt sein, wenn die ersten Laserpulse ausreichend leistungsstark sind. Außerdem ist das nichtlineare Fasersegment 120 in 3A zwischen dem PBS 330 und dem CFBG 340 platziert, und als solche beginnt die Selbstphasenmodulation bereits, bevor der Puls vollständig auf seine transformlimitierte Form komprimiert ist. Diese Ausgestaltung kann die Qualität der erzeugten Pulse negativ beeinflussen.
  • Die Ausgestaltung von 6A nimmt eine andere Vorkompressions-Ausgestaltung an und teilt die Vorkompression der ersten Laserpulse vor der Zwei-Stufen-Verarbeitung in zwei oder mehr Vorkompressionsstufen (zwei Vorkompressionsstufen sind als Beispiel dargestellt) in ihre transformlimitierte Pulsdauer. Dies erlaubt dem System von 6A, höhere Pulsleistung zu erhalten (z. B. Pulsenergie von mehr als 100 nJ), und verhindert gleichzeitig das Auftreten unerwünschter Nichtlinearitäten im CFBG. Der Puls wird in zwei Stufen komprimiert, um unerwünschte Nichtlinearität zu verhindern. Im ersten Schritt wird der Puls durch Verwenden des CFBG 340 als erste Vorkompressionsvorrichtung von der ersten Pulsdauer (z. B. einige Hundert Pikosekunden) auf eine kurze Übergangs-Pulsdauer (z. B. einige zehn Pikosekunden) komprimiert, die länger ist als die transformlimitierte Pulsdauer. Aufgrund der langen Pulsbreite tritt in der ersten Vorkompressionsvorrichtung CFBG 340 keine signifikante Nichtlinearität auf. Der Puls wird durch eine zweite Vorkompressionsvorrichtung 610 weiter komprimiert, die in 6A beispielsweise ein Paar Gitter oder anderer dispersiver Werkstoff ist. Die zusätzliche Kompression durch diese zweite Vorkompressionsvorrichtung 610 verkürzt die Pulsdauer auf ihre transformlimitierte Pulsdauer. Nach der zweiten Vorkompressionsvorrichtung 610 werden die Pulse von der Zwei-Stufen-Verarbeitung verarbeitet, die in 6A ein nichtlineares Werkstoffmodul 620 mit hoher optischer Nichtlinearität und einen linearen dispersiven Glaswerkstoff 630 umfasst. Zwei Linsen 621 und 631 sind jeweils vor dem nichtlinearen Werkstoffmodul 620 und dem linearen dispersiven Glaswerkstoff 630 platziert, um die jeweiligen optischen Intensitäten in dem nichtlinearen Werkstoffmodul 620 und dem linearen dispersiven Glaswerkstoff 630 zu steuern, so dass die spektrale Verbreiterung durch SFM in dem nichtlinearen Werkstoffmodul 620 auftritt, und nachfolgende Pulsverkürzung durch die Dispersionskompensation auftritt, ohne dass signifikante Nichtlinearität in dem linearen dispersiven Glaswerkstoff 630 auftritt. Dies erzeugt die komprimierten transformlimitierten Ultrakurzpulse.
  • 6B zeigt Beispiele für Simulationsergebnisse unter Verwendung von Fiberdesk für die Propagation von Pulsen mit einer Pulsdauer von 280 fs, die zuerst auf ein hoch nichtlineares Glas SF11 (Nichtlinearität ist 12-mal größer als bei Quarzglas) fokussiert und dann durch Gläser komprimiert sind. Die Nichtlinearität in dem Glas ist stark genug, das Spektrum innerhalb des Rayleigh-Bereichs zu verbreitern, und Ultrakurzpulse sind erzielbar. Die in der Simulation verwendete Pulsleistung ist 70 nJ. Die Vorkompressions-Ausgestaltung von 6A, die auf zwei oder mehr Stufen von Vorkompressionsvorrichtungen basiert, weist den einzigartigen Vorteil auf, dass je höher die Leistung ist, desto leichter die Ultrakurzpulse erhalten werden können.
  • Eine alternative Vorkompressions-Ausgestaltung zu der mehrstufigen Vorkompressions-Ausgestaltung, die in 6A dargestellt ist, ist es, die zu vernachlässigende Nichtlinearität in einem gechirpten Volumen-Bragg-Gitter (CVBG) zu verwenden, um die Vorkompressionsfunktion bereitzustellen. Ein CVBG kann eine gute Wahl sein, um das CFBG zum Vorkomprimieren von Hochleistungspulsen zu ersetzen.
  • 7 zeigt ein Beispiel für ein solches System. Nach der Vorkompression durch das CVBG 710 werden die Laserpulse an ein nichtlineares Fasersegment oder einen anderen nichtlinearen optischen Werkstoff 620 gekoppelt, um das Spektrum zu verbreitern und einen dispersiven Werkstoff 630 zu verwenden, um den Puls weiter auf seine transformlimitierte Form zu komprimieren. In einigen Ausführungen kann das CVBG 710 den Puls möglicherweise nicht auf sein Transformlimit komprimieren, was einen Puls mit einem gewissen Chirp erzeugen kann. Die Nichtlinearität der nichtlinearen Faser oder des nichtlinearen Werkstoffs 620 von 7 kann verwendet werden, um das Spektrum eines leicht gechirpten Pulses zu verbreitern. Der Nachteil der Ausgestaltung ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass der gechirpte Puls eine Nebenkeule zu der erzeugten Ausgabe verursachen kann. In diesem Fall kann ein dispersiver Werkstoff zwischen PBS und Faser eingesetzt werden, um den von dem CVBG 710 erzeugten Chirp zu kompensieren.
  • In verschiedenen Ausgestaltungen, die in dieser Patentschrift beschrieben sind, kann eine Single-Mode-Zuführungsfaser durch eine Faser mit großer Modenfläche (Large Mode Area – LMA) oder eine photonische Hohlkern-Kristallfaser (Hollow-Core Photonic Crystal Fiber – HCPCF) ersetzt werden, um die durch den hochenergetischen Puls erzeugte hohe Nichtlinearität zu reduzieren. Es ist bekannt, dass hohe Nichtlinearitäts-Werte nicht korrigierbare Pulsverzerrungen induzieren und die endgültige Pulsqualität verringern. Das Verwenden der Zuführungsfaser mit großer Modenfläche kann effektiv die Nichtlinearität reduzieren und die Pulsqualität beibehalten. Beispielsweise weist eine herkömmliche SM-Faser eine Modenfeldfläche von weniger als 100 um2 auf, wohingegen photonische Hohlkern-Kristallfasern des Stands der Technik eine Modenfeldfläche von über 1000 um2 aufweisen, wodurch eine Verringerung der Nichtlinearität um den Faktor 10 bereitgestellt wird.
  • 8 zeigt ein weiteres beispielhaftes System 800 zum Erzeugen von Hochleistungs-Ultrakurzpulsen bei 780 nm und anderen Wellenlängen unter Verwendung einer Vorkompression durch das CFBG 340, ohne die transformlimitierte Pulsdauer und eine nichtlineare Kompression vor der Zwei-Stufen-Verarbeitung zu erreichen. Das CFBG 340 ist ausgestaltet, jeden Puls auf eine Übergangs-Pulsdauer vorzukomprimieren, die länger ist als die transformlimitierte Pulsdauer, um unerwünschte Nichtlinearitäten in dem CFBG 340 zu verhindern. Ein gechirptes PPLN 810 kann verwendet werden, um einen transformlimitierten Puls bei 780 nm zu erzeugen, wobei der Vorteil unterschiedlicher Gruppengeschwindigkeiten zwischen Grundstrahlen und SHG-Strahlen ausgenutzt wird. Der erzeugte Puls wird auf ein hoch nichtlineares Glas fokussiert oder an eine kurze Faser 620 gekoppelt, um das Spektrum zu verbreitern und wird durch einen linearen dispersiven Werkstoff 630 (z. B. ein Paar Prismen) weiter komprimiert, um Ultrakurzpulse zu erhalten.
  • Mit erneutem Bezug auf 1A kann der Zwei-Stufen-Verarbeitungsansatz, der auf spektraler Verbreiterung durch SPM in dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul 120 und Pulsverkürzung durch die anomale Dispersion in dem linearen optischen Verarbeitungsmodul 130 basiert, in einigen Anwendungen unzureichend sein, um eine gewünschte kurze Pulsdauer zu erzielen. Eine Art, die Pulsdauer weiter zu verkürzen, ist, die Zwei-Stufen-Verarbeitung zu wiederholen, so dass der gesamte Kompressionsvorgang in zwei oder mehr Zwei-Stufen-Verarbeitungsschritte geteilt wird. Bei jedem Schritt sind die zwei Stufen sorgfältig technisch entwickelt, um die unerwünschte Pulsverzerrung zu verhindern oder zu minimieren. 9A und 9B zeigen zwei Beispiele.
  • 9A zeigt ein beispielhaftes System, das drei in Reihe geschaltete Zwei-Stufen-Verarbeitungsmodule 910, 920 und 930 verwendet, um ultrakurze Laserpulse zu erzeugen, die auf ersten Laserpulsen von dem Modul 110 basieren. Jedes Zwei-Stufen-Verarbeitungsmodul 910, 920 oder 930 umfasst ein nichtlineares optisches Verarbeitungsmodul 120 und ein nachfolgendes lineares optisches Verarbeitungsmodul 130. Die ersten Laserpulse, die von dem DCA in dem Modul 110 ausgegeben werden, weisen eine erste Pulsdauer (z. B. 100 ps) auf und werden komprimiert, um komprimierte Laserpulse mit einer kürzeren Pulsdauer (z. B. 300 fs) zu erzeugen. Nach der Zwei-Stufen-Verarbeitung durch das erste Modul 910 werden die Laserpulse komprimiert, um eine erste kurze Pulsdauer (z. B. 120 fs) aufzuweisen. Das zweite Modul 910 komprimiert die Pulsdauer auf eine zweite kurze Pulsdauer (z. B. 44 fs), und das dritte Modul 930 komprimiert die Pulsdauer weiter, um die endgültigen Kurzpulse (z. B 11,6 fs) zu erzeugen. In jedem Zwei-Stufen-Modul 910, 920 oder 930 erfährt ein Puls in einem Stück einer polarisationserhaltenden Faser 120 SPM, um das Spektrum auf ein gewisses Maß zu verbreitern, und ist an eine lineare dispersive Glasvorrichtung 130 gekoppelt, um den Puls auf seine transformlimitierte Form zu komprimieren. Die Module 910, 920 und 930 werden unter unterschiedlichen Bedingungen betrieben, und die Module 910, 920 und 930 erzeugen gemeinsam erwünschte endgültige Laserpulse mit hoher Pulsqualität und gewünschter hoher Pulsspitzenleistung. In Ausführungen kann ein nachgeschaltetes Zwei-Stufen-Modul (z. B. das Modul 930) ein nichtlineares Werkstoffmodul mit höherer optischer Nichtlinearität als ein vorgeschaltetes Zwei-Stufen-Modul (z. B. das Modul 920) aufweisen. Ein solches in Reihe geschaltetes System kann in einigen Systemen verwendet werden, um einen Puls mit einer Dauer von unter 20 fs und einer Energie von mehr als 50 nJ zu erzeugen.
  • 9B zeigt ein weiteres Beispiel für eine allgemeinere Ausgestaltung eines Systems für zwei oder mehr hintereinander geschaltete Zwei-Stufen-Verarbeitungsmodule 941 und 942, um ultrakurze Laserpulse zu erzeugen, die auf ersten Laserpulsen von dem Modul 110 basieren, das als Beispiel als ein CPA-System dargestellt ist.
  • 9C zeigt Simulationsergebnisse eines hintereinander geschalteten Systems basierend auf 9A und 9B. Die Simulation zeigt, dass ein Ultrakurzpuls von 11,6 fs erhalten werden kann. Der Qualitätsfaktor wird auf 70% geschätzt.
  • 10 zeigt ein System, bei dem ein optischer Hohlraum verwendet wird, um das nichtlineare optische Verarbeitungsmodul 120 und das lineare optische Verarbeitungsmodul 120 einzuschließen, um zu ermöglichen, dass Licht in dem optischen Hohlraum vor- und zurückprallt, um mehrere Male das nichtlineare optische Verarbeitungsmodul 120 und das lineare optische Verarbeitungsmodul 130 zu passieren, um die Pulsdauer weiter zu komprimieren. Der optische Hohlraum ist von zwei Spiegeln 1010 und 1020 gebildet. In diesem Beispiel ist ein akusto-optischer Modulator (AOM) 1030 von dem optischen Hohlraum umfasst, um die Male zu steuern, die die Laserpulse in dem optischen Hohlraum propagieren, indem der Zeitpunkt für das Leiten des Lichts aus dem optischen Hohlraum als Ausgangsstrahl 1040 gesteuert wird.
  • 11A zeigt ein Beispiel für einen Hochleistungs-Pikosekunden-Pulslaser. Eine breite Bandbreite (z. B. mehr als 10 nm) wird oft für CPA benötigt, um die Pulsleistung zu verstärken. Pikosekunden-Pulslaser können durch Zerteilen des Spektrums nach der Verstärkung erhalten werden, aber dies kann die Pulsleistung signifikant verringern. Das System von 11A kann verwendet werden, um einen kompakten Pikosekunden-Pulslaser mit hoher Leistung zu erzeugen. In diesem Beispiel ist das reflektive CFBG 1110 ausgestaltet, die Dispersion der Eingangspulse (z. B. Bandbreite ~10 nm) überzukompensieren, um einen negativ gechirpten Puls als Eingabe für das nichtlineare Fasersegment 120 (z. B. PM 15) zu erhalten. Die SPM in dem nichtlinearen Fasersegment 120 kann das Spektrum des negativ gechirpten Pulses auf eine Bandbreite im Sub-Nanometerbereich verschmälern, ohne die Pulsleistung zu verringern. Ein transformlimitierter Pikosekundenpuls kann erhalten werden, nachdem der Strahl ein Spektralfilter 1120 passiert hat. 11B, 11C, 11D und 11E zeigen eine Simulation des Systems von 11A, bei dem die in der Simulation verwendete Pulsleistung 30 nJ ist und Fourier-transformlimitierte Pulse von mehreren Pikosekunden (z. B. 4 ps) erzeugt werden. In der Ausgestaltung von 11A, verschmälert die SPM in dem nichtlinearen Werkstoff 120 das Spektrum, ohne die Pulsleistung zu verringern. Das erzeugte Spektrum ist ein Gaußverteilungs-gleiches Spektrum und entspricht einer glatten Pulsform ohne Seitenpulse.
  • Die in dieser Patentschrift beschriebenen beispielhaften Systeme können durch Verwenden von Faserbauteilen in kompakten Gehäusen ausgestaltet sein. Kompakte Ausgestaltungen sind teilweise wichtig für einige Anwendungen, beispielsweise das Scannen mit Zwei-Photon-Bildgebungsvorrichtungen, bei denen kleine und bewegliche Laserköpfe verwendet werden. 12A und 12B illustrieren Beispiele für Ausgestaltungen von Kompaktlaserköpfen, die die Zwei-Stufen-Verarbeitung in dem Laserkopf 350, der auch in den Beispielen von 3A, 6A, 7, 8, 9A, 10 und 11A illustriert ist, umfassen. Mit Rückbezug auf 1A erfordert das gesamt System zum Erzeugen von Kurzpulsen, das auf der vorliegenden Zwei-Stufen-Pulsverarbeitung basiert, drei Hauptverarbeitungsstufen: den ersten Pulsgenerator 110 und die zwei Module 120 und 130 für die Zwei-Stufen-Pulsverarbeitung. Die verschiedenen Bauteile für die drei Hauptverarbeitungsstufen können strategisch ausgestaltet und verpackt sein, um eine kompakte Ausgestaltung für den Laserkopf 350 bereitzustellen. Der erste Pulsgenerator 110 umfasst gewöhnlich einen oder mehrere Pumplaser, einen oder mehrere optische Verstärker (z. B. DCA), Elektronik und andere zugehörige Bauteile und neigt daher dazu, sperrig zu sein. Somit trennen die Gehäuseausgestaltungen von 12A und 12B den ersten sperrigen Pulsgenerator 110 von den zwei Modulen 120 und 130 für die Zwei-Stufen-Pulsverarbeitung. Die zwei Module 120 und 130 und möglicherweise einige andere Bauteile (z. B. Bauteile für die Pulsvorkompression), die relativ klein sind, können in den Laserkopf 350 als leichtes Modul mit einer kompakten Größe eingehaust werden, und ein optisches Kabel 1201 wird verwendet, um den sperrigen ersten Pulsgenerator 110 an den Laserkopf 350 anzuschließen, um dem Laserkopf 350 die ersten Laserpulse für die Zwei-Stufen-Pulsverarbeitung zuzuführen. Beispielsweise kann der Laserkopf 350 sein eigenes Gehäuse aufweisen, um verschiedene optische Bauteile mit einem optischen Eingangs-Port zum Empfangen des optischen Ausgangs-Anschlussports des Kabels 1201 und einen optischen Endanschluss zum Ausgeben der endgültigen Laserpulse einzuschließen. Das Laserkopfgehäuse umfasst einen Eingangsfaseranschluss-Port, der strukturiert ist, an einen Ausgangs-Port eines Faserkabels anzuschließen, um erste Laserpulse zu empfangen, und einen optischen Ausgabe-Port zum Ausleiten von Laserpulsen nach der Zwei-Stufen-Verarbeitung. Diese übergeordnete Ausgestaltung kann vorteilhaft verwendet werden, um zu ermöglichen, den Laserkopf 350 an eine große Bandbreite von Pulslaserquellen anzuschließen, umfassend viele im Handel erhältliche Pulslaser und optische Verstärker, beispielsweise Faserlaser und Faserverstärker von Calmar Laser, einem Unternehmen mit Sitz in Sunnyvale, Kalifornien, und anderen Unternehmen. Der kompakte und leichte Laserkopf 350 kann an einer Laser-Scanvorrichtung zur einfachen Kontrolle des Scanvorgangs der Pulslaser eingesetzt werden, die von dem Laserkopf 350 in chirurgischen Lasersystemen, Materialverarbeitungssystemen und anderen Systemen erzeugt werden. Daher können die kompakten Ausgestaltungen des Laserkopfs 350 verwendet werden, um vielseitige und nützliche Anwendungen der vorliegenden Zwei-Stufen-Verarbeitung bereitzustellen.
  • Das Zuführungsfaserkabel 1201 zum Verbinden des ersten Pulsgenerators 110 mit dem Laserkopf 350 kann in verschiedenen Ausgestaltungen implementiert werden, beispielsweise als bewehrtes Kabel, das eine oder mehrere Fasern in einem äußeren Rohr umfasst. Der erste Laserpulsgenerator 110 kann durch verschiedene Lasereinheiten, umfassend CPA-Systeme, Double-Clad-Faserverstärker, Faserverstärker mit großer Modenfläche (Large Mode Area – LMA) und andere Verstärker ausgeführt sein, um ausreichend Pulsenergie pro Puls für weitere Pulsverarbeitung durch die Zwei-Stufen-Pulsverarbeitung in dem Laserkopf 350 bereitzustellen. Die Trennung der Leistungsverstärkung in dem ersten Pulsgenerator 110 und dem Kompaktlaserkopf 350 erlaubt eine gefällige Vergrößerung der optischen Energie pro Puls, beispielsweise durch Verwenden von ErYb-dotierten Double-Clad-Fasern, um die durchschnittliche Leistung (z. B. einige Watt bei der Ausgabe bei 1550 nm) zu vergrößern und die Pulsleistung weiter durch Verwenden von LMA-Er-Yb-Faserverstärkern zu erhöhen. Der Laserkopf 350 kann die Zwei-Stufen-Verarbeitungsmodule 120 und 130 und zusätzliche Bauteile, beispielsweise eine nichtlineare Frequenzkonversionseinheit, die die optische Wellenlänge der Kurzpulse, die von der Zwei-Stufen-Verarbeitung erzeugt werden, ein Filter oder andere Vorrichtungen umfassen. Beispielsweise können die Pulskompression und nichtlineare Frequenzkonversion vollständig in einen Laserkopf 350 mit kleinem Gehäuse, das beispielsweise ungefähre Abmessungen von 15 × 9 × 3 cm aufweist, eingehaust sein.
  • Die untenstehende Spezifikation stellt ein Beispiel eines solchen Systems basierend auf der Zwei-Stufen-Verarbeitung bereit, um ultrakurze Laserpulse von unter 100 fs bei 780 nm mit einer Ausgabeleistung von größer als 700 mW und einer Pulsenergie von mehr als 15 nJ zu erzeugen. Das System weist ein wünschenswertes Betriebsverhalten auf, umfassend eine kleine Größe, hohe Leistung, Gauß'sche Pulsverteilung mit ultrakurzer Dauer, qualitativ hochwertige Strahlenprofile, niedrige Geräuschpegel und lange Haltbarkeit.
    Spec Carmel Laser
    Pulsdauer Typisch 80 fs
    Puls-Nebenkeule vernachlässigbar
    Mittlere Wellenlänge 780 nm
    Leistungspegel > 700 mW
    Energiefluktuation Spitze-Tal (über 300 Dauerstrichbetrieb) 2%
    Leistungsschwankung (RMS) 0,6%
    Abmessungen 3,0 × 9,0 × 13 cm
    M2 < 1,1
    Betriebstemperatur 17–32°C
  • 12C zeigt ein Beispiel für ein System basierend auf der Laserkopf-Ausgestaltung von 12A mit mehr Einzelheiten. Das Modul 110 umfasst einen gepulsten Seed-Laser 1210, einen Pulsstrecker 1212, ein mehrstufiges Verstärkermodul 1214 mit optischen Verstärkern und ihren jeweiligen Pumplasern 1216, einen DCA 1219 und DCA-Pumplaser 1218. In diesem Beispiel umfasst das Modul 110 zwei Hauptverstärker – den ersten Verstärker 1214 mit Pumplasern 1216 und den DCA-Verstärker 1219, der von einem oder mehreren DCA-Pumplasern 1218 gepumpt wird. Die Double-Clad-Faser für den DCA 1219 kann vollständig in dem Modul 110 eingeschlossen sein. In einigen Ausführungen kann die Double-Clad-Faser des DCA 1219 als Teil des bewehrten Kabels 1201 zum Laserkopf 350 erweitert sein, so dass der DCA 1219 einen ersten Teil der Double-Clad-Faser in dem Modul 110 und einen zweiten Teil der Double-Clad-Faser in dem bewehrten Kabel 1201 umfasst. Die optische Verstärkung beider Teile der Double-Clad-Faser kann die erwünschte optische Verstärkung zur Erzeugung der ersten Laserpulse, die durch den Laserkopf 350 verarbeitet werden, bereitstellen.
  • 12D, 12E und 12F zeigen ein Beispiel eines Testberichts, umfassend Puls-Autokorrelation, Spektrum und Strahlenprofil. Ein ultrakurzer Puls bei 780 nm mit einer Dauer von 70 fs wird erhalten. Der Puls weist laut Messung eine durchschnittliche Leistung von 780 mW, eine Pulsenergie von 15 nJ und eine Spitzenleistung von 200 kW auf. In verschiedenen Ausführungen können die ersten Laserpulse von dem Modul 110 größer als 250 fs, beispielsweise 300 fs, sein, und die abschließenden Ausgabepulse, die von dem Laserkopf 350 erzeugt werden, können kurze Pulsdauern von weniger als 120 fs, beispielsweise 100 fs aufweisen.
  • 13 zeigt ein weiteres Beispiel für ein abstimmbares Modul 130 zum Erzeugen einer einstellbaren Dispersion für die in dieser Patentschrift beschriebene Zwei-Stufen-Verarbeitung. Die Ausgestaltung erzeugt einen langen optischen Propagationsweg durch gefaltete optische Wege zwischen zwei Prismen 1310 und 1320 aufgrund der Reflexionen an den Prismenoberflächen. Eine Positionssteuerung 1330 greift in mindestens eines der zwei Prismen 1310 und 1320 ein, um eine relative Position der zwei Prismen 1310 und 1320 zu verschieben, um die Gesamtweglänge der gefalteten optischen Wege in den zwei Prismen 1310 und 1320 zu variieren oder zu steuern. Als Beispiel können zwei Prismen mit Schenkeln von 20 mm verwendet werden, um eine Dispersion eines 300 mm langen Weges in dem Glaswerkstoff zu erzeugen.
  • 14A zeigt ein System basierend auf einer Modifikation an dem System von 6A zum Anwenden einer Zwei-Stufen-Pulskompression, um einen Ultrakurzpuls mit hoher Pulsenergie (z. B. bis zu 0,5 mJ pro Puls in einigen Ausführungen) zu erzeugen. Um Pulse höherer Spitzenleistung (beispielsweise Pulsenergie von mehr als 100 nJ bei 1550 nm) zu erhalten, beginnen unerwünschte Nichtlinearitäten im DCA und CFBG-Kompressor aufzutreten. Bei Pulsen mit hoher Spitzenleistung ist die durch THG verursachte Abnahme der Pumpleistung und Wärmeinstabilität nicht vernachlässigbar. Außerdem beginnt die Phasenselbstmodulation bereits bevor der Puls vollständig auf seine transformlimitierte Form komprimiert ist, was die Qualität der erzeugten Pulse beeinflusst. Um die hohe Nichtlinearität im DCA in dem Modul 110 zu verringern, passieren viel stärker gestreckte Pulse die Verstärker, und daher wird ein CFBG-Kompressor 1410 mit höherer Dispersion verwendet, um den Chirp des einfallenden Pulses zu kompensieren. Um die frühe SPM zu verringern, benötigt der CFBG-Kompressor 1410 eine kürzere Gitterlänge. Um die THG zu verringern, wird die spektrale Bandbreite des einfallenden Pulses auf wenige Nanometer begrenzt. Die Bedingungen stehen im Konflikt miteinander, wenn nur ein CFBG 1410 verwendet wird, um den Puls zu komprimieren. 14A verwendet zwei CFBG 1410 und 1420, um die Laserpulse zu komprimieren. Das CFBG 1410 weist eine längere Gitterlänge und einen höheren Dispersionswert auf, um den Großteil der erwünschten Pulskompression für den Chirp bereitzustellen. Das CFBG 1420 weist eine kürzere Gitterlänge und eine niedrige Dispersion auf und wird verwendet, um den Puls abschließend zu komprimieren und das Spektrum zu verbreitern. Ein nachfolgendes lineares optisches Verarbeitungsmodul 130 ist gekoppelt, um die Ausgangspulse von den zwei CFBG-Vorrichtungen 1410 und 1420 zu empfangen und weiter zu komprimieren. Durch Verwenden dieses Verfahrens können Pulse mit bis zu 0,5 mJ und 100 fs erzielt werden. 14B zeigt die Simulation, die die meisten schädlichen Nichtlinearitäten lm DCA, CFBG usw. zeigt.
  • 15A zeigt ein System zu Erzeugung von Kurzpulsen, das eine andere Zwei-Stufen-Verarbeitung verwendet, als die Zwei-Stufen-Verarbeitung, die in den vorstehenden Beispielen beschrieben wird. Wie gezeigt, werden die ersten Laserpulse durch den PBS 1510 in ein reflektives CFGB 1520 geleitet, das die Pulse vorkomprimiert. Der PBS 1510 leitet die vorkomprimierten Pulse von dem reflektiven CFBG 1520 in ein erstes Fasersegment 1530 mit normaler Dispersion und dann zu einer linearen optischen Verarbeitungseinheit 130 mit anomaler Dispersion. Beispielsweise kann eine Dispersionskompensationsfaser (Dispersion Compensation Fiber – DCF) mit normaler Dispersion als erstes Fasersegment 1530 verwendet werden. Diese Ausgestaltung nutzt den Vorteil der parabolischen spektralen Verbreiterung von Pulsen in Fasern mit normaler Dispersion. Große Nebenkeulen oder sogar Soliton-Aufteilung können auftreten, wenn die Pulse SPM und Dispersion zusammen in einer anomalen Dispersionfaser erfahren, was die Pulsdauer durch einen Einzelpass begrenzt. Jedoch erfährt der Puls im normalen Dispersionsbereich SPM mit quasi-parabolischer spektraler Verbreiterung, was ermöglicht, dass der Puls ohne Pulsteilung Ultrakurzpulse erzielt. Mit diesem Verfahren kann ein Puls mit einer Dauer von weniger als 25 fs erhalten werden, und 91% Energie sind in dem Hauptpuls eingeschlossen. Nach der SHG kann ein Laser von unter 20 fs bei 780 nm erzielt werden. 15B zeigt die Simulation der Pulserzeugung von 15A. Ein Ultrakurzpuls mit einer Dauer von weniger als 25 fs kann erzielt werden. Der Qualitätsfaktor ist größer als 90%. Das Verwenden eines Werkstoffs mit normaler Dispersion, der hier offenbart wird, kann unter Verwendung von verschiedenen Ausgestaltungen, die in dieser Patentschrift beschrieben werden, ausgeführt werden, umfassend das Hintereinanderschalten von zwei oder mehr Zwei-Stufen-Verarbeitungen und unter Verwendung eines optischen Hohlraums zum Umfassen einer Zwei-Stufen-Verarbeitungseinheit wie oben beschrieben.
  • 16 zeigt noch ein weiteres Beispiel eines Kurzpuls-Erzeugungssystems, wobei eine Vorkompressionsvorrichtung im CPA-System die Dispersion des Eingangspulses überkompensiert, um einen negativ gechirpten Puls zu erhalten. SPM im nichtlinearen Werkstoff verschmälert das Spektrum des negativ gechirpten Pulses auf eine Bandbreite im Sub-Nanometer-Bereich, ohne die Pulsleistung zu verringern. Ein transformlimitierter Pikosekundenpuls kann erhalten werden, nachdem der Strahl ein Spektralfilter passiert hat.
  • Obwohl diese Patenschrift viele Spezifikationen enthält, sollten diese nicht als Beschränkungen des Gegenstands der Erfindung, die beansprucht wird, oder dessen, was beansprucht werden kann, aufgefasst werden, sondern vielmehr als Beschreibung von Merkmalen, die für besondere Ausführungsformen spezifisch sind. Bestimmte Merkmale, die in dieser Patentschrift im Zusammenhang getrennter Ausführungsformen beschrieben sind, können auch in Kombination in einer einzigen Ausführungsform ausgeführt sein. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die im Zusammenhang mit einer einzigen Ausführungsform beschrieben sind, auch in mehreren Ausführungsformen getrennt oder in jeder geeigneten Unterkombination ausgeführt sein. Außerdem können, obwohl Merkmale vorstehend in bestimmten Kombinationen agierend beschrieben und sogar zunächst als solche beansprucht sein können, eines oder mehrere Merkmale von einer beanspruchten Kombination in einigen Fällen aus der Kombination entfernt werden und die beanspruchte Kombination auf eine Unterkombination oder eine Variante einer Unterkombination gerichtet sein.
  • Nur wenige Beispiele und Implementierungen sind beschrieben. Andere Ausführungen, Varianten, Modifikationen und Erweiterungen zu den beschriebenen Beispielen und Ausführungen können vorgenommen werden.

Claims (52)

  1. Verfahren zum Erzeugen ultrakurzer Laserpulse durch Trennen einer nichtlinearen Verarbeitung von Laserpulsen durch nichtlineare Selbstphasenmodulation (SPM) in einem nichtlinearen optischen Medium von einer nachfolgenden linearen Verarbeitung der Laserpulse zum Erzielen ultrakurzer Laserpulse, umfassend: Richten bzw. Leiten von Eingangslaserpulsen in ein nichtlineares optisches Verarbeitungsmodul, um eine optische Intensität zu erhalten, die eine Intensitätsschwelle für SPM in dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul erreicht oder darüber liegt, um eine spektrale Verbreiterung und einen Frequenz-Chirp-Betrag bei jedem der Laserpulse aufgrund der nichtlinearen SPM zu verursachen; Steuern bzw. Regeln einer Intensität spektral verbreiterter Laserpulse, die von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul ausgegeben werden, so dass sie in einem linearen optischen Verarbeitungsmodul mit anomaler Dispersion, das optisch gekoppelt ist, um die spektral verbreiterten Laserpulse zu empfangen, die von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul ausgegeben werden, unter einem nichtlinearen Intensitätsschwellenwert für nichtlineare SPM liegt, ohne eine optische Nichtlinearität oder die nichtlineare SPM zu erzeugen; und Konfigurieren einer Länge optischer Propagation des linearen optischen Verarbeitungsmoduls, um einen Betrag anomaler optischer Dispersion in den spektral verbreiterten Laserpulsen zu verursachen, der den Frequenz-Chirp kompensiert, der von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul erzeugt wurde, und eine zeitliche Kompression einer Pulsbreite verursacht, um Ausgangslaserpulse zu erzeugen, die spektral verbreitert sind und in der Pulsdauer zeitlich in Bezug auf eine spektrale Breite und eine Pulsdauer der Eingangslaserpulse komprimiert sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, überdies umfassend: Steuern bzw. Regeln von Eigenschaften des nichtlinearen optischen Verarbeitungsmoduls und des linearen optischen Verarbeitungsmoduls, um die Ausgangslaserpulse abzugeben, die spektral verbreitert sind und in der Pulsdauer in Bezug auf die spektrale Breite und die Pulsdauer der Eingangslaserpulse als transformlimitierte Laserpulse zeitlich komprimiert sind, deren Pulsdauer so kurz ist, wie es durch eine Bandbreite der spektral verbreiterten Ausgangslaserpulse zulässig ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei: die Eingangslaserpulse eine Pulsdauer aufweisen, die größer als 250 fs ist, und die Ausgangslaserpulse eine Pulsdauer aufweisen, die geringer als 200 fs ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei: die Ausgangslaserpulse eine Pulsdauer von weniger als 120 fs aufweisen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, überdies umfassend: Steuern bzw. Regeln von Eigenschaften des nichtlinearen optischen Verarbeitungsmoduls und des linearen optischen Verarbeitungsmoduls, um die Ausgangslaserpulse abzugeben, die spektral verbreitert sind und in der Pulsdauer in Bezug auf die spektrale Breite und Pulsdauer der Eingangslaserpulse zeitlich komprimiert sind, um einen Pulsqualitätsfaktor von mehr als 70% zu erhalten.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, überdies umfassend: unabhängiges Steuern bzw. Regeln von Eigenschaften des nichtlinearen optischen Verarbeitungsmoduls und des linearen optischen Verarbeitungsmoduls, um die Pulsqualität und die komprimierte Pulsdauer der Ausgangslaserpulse zu optimieren.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, überdies umfassend: Betreiben eines Seed-Lasers, um Seed-Laserpulse zu erzeugen; Strecken einer Pulsdauer der Seed-Laserpulse, um gestreckte Seed-Laserpulse zu erzeugen; Verstärken der optischen Leistung der gestreckten Seed-Laserpulse; und Komprimieren einer Pulsdauer der verstärkten gestreckten Seed-Laserpulse, um die Eingangslaserpulse zu erzeugen, die von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul und dem linearen optischen Verarbeitungsmodul weiterverarbeitet werden, um die Ausgangslaserpulse zu erzeugen.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, umfassend: Verwenden eines reflektiven gechirpten Faser-Bragg-Gitters zum Empfangen und Reflektieren der verstärkten, gestreckten Seed-Laserpulse, um die Pulsdauer beim Erzeugen der Eingangslaserpulse zu komprimieren.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, umfassend: Verwenden eines polarisierenden Strahlenteilers zum Leiten der verstärkten, gestreckten Seed-Laserpulse in eine optische Polarisation in das reflektive gechirpte Faser-Bragg-Gitter; und Verwenden eines polarisationserhaltenden Fasersegments als Teil des nichtlinearen optischen Verarbeitungsmoduls, das sich zwischen dem reflektiven gechirpten Faser-Bragg-Gitter und dem polarisierenden Strahlenteiler befindet, um die spektrale Verbreiterung durch SPM in dem polarisationserhaltenden Fasersegment zu verursachen.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, umfassend: Verwenden eines Glaswerkstoffs, der die anomale Dispersion als Teil des linearen optischen Verarbeitungsmoduls aufweist, um über den polarisierenden Strahlenteiler die spektral verbreiterten Laserpulse zu empfangen, die von dem polarisationserhaltenden Fasersegment ausgegeben werden, um die Ausgangslaserpulse zu erzeugen, die spektral verbreitert sind und in der Pulsdauer in Bezug auf die spektrale Breite und Pulsdauer der Eingangslaserpulse zeitlich komprimiert sind.
  11. Verfahren nach Anspruch 8, umfassend: Unterdrücken von Wärme, die durch die Erzeugung einer Harmonischen dritter Ordnung in dem reflektiven gechirpten Faser-Bragg-Gitter erzeugt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, umfassend: Verwenden einer transparenten Beschichtung außerhalb des reflektiven gechirpten Faser-Bragg-Gitters, die transparent gegenüber Licht zur Erzeugung der Harmonischen dritter Ordnung ist, um das Licht der Erzeugung der Harmonischen dritter Ordnung durch die transparente Beschichtung zu leiten, um das reflektive gechirpte Faser-Bragg-Gitter zu verlassen, ohne eine Erwärmung in dem reflektiven gechirpten Faser-Bragg-Gitter zu verursachen.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, umfassend: Verwenden einer Beschichtung mit niedrigem Brechungsindex außerhalb des reflektiven gechirpten Faser-Bragg-Gitters, um das Licht der Erzeugung der Harmonischen dritter Ordnung in der Beschichtung mit niedrigem Brechungsindex zu begrenzen, um ein Einfangen des Lichts der Erzeugung der Harmonischen dritter Ordnung im Innern des reflektiven gechirpten Faser-Bragg-Gitter zu verhindern.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: Verwenden eines Rechtecks aus Quarzglas, das anomale Dispersion aufweist und zwei gegenüberliegende Ecken aufweist, die in einem Winkel von 45° geschnitten sind, um einen Eingangskanal bzw. einen Ausgangskanal zu bilden, als Teil des linearen optischen Verarbeitungsmoduls, um die spektral verbreiterten Laserpulse, die von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul ausgegeben werden, durch mehrfache Reflexionen innerhalb des Rechtecks aus Quarzglas zu empfangen, zu leiten, um das reflektierte Licht an dem Ausgangskanal als Ausgangslaserpulse auszugeben.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, überdies umfassend: Betreiben eines Seed-Lasers zum Erzeugen von Seed-Laserpulsen; Strecken einer Pulsdauer der Seed-Laserpulse, um gestreckte Seed-Laserpulse zu erzeugen; Verstärken der optischen Leistung der gestreckten Seed-Laserpulse; Komprimieren einer Pulsdauer der verstärkten gestreckten Seed-Laserpulse durch eine erste Kompressionsstufe mit einem gechirpten Faser-Bragg-Gitter auf eine Weise, die die Erzeugung einer Harmonischen dritter Ordnung in dem gechirpten Faser-Bragg-Gitter reduziert, und eine nachfolgende, zweite Kompressionsstufe mit einem Paar Gitter oder Prismen, die die Pulsdauer weiter komprimieren, um die Eingangslaserpulse zu erzeugen, die weiter von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul und dem linearen optischen Verarbeitungsmodul verarbeitet werden, um die Ausgangslaserpulse zu erzeugen.
  16. Verfahren nach Anspruch 1, überdies umfassend: Betreiben eines Seed-Lasers zum Erzeugen von Seed-Laserpulsen; Strecken einer Pulsdauer der Seed-Laserpulse zum Erzeugen gestreckter Seed-Laserpulse; Verstärken der optischen Leistung der gestreckten Seed-Laserpulse; Komprimieren einer Pulsdauer der verstärkten gestreckten Seed-Laserpulse durch ein gechirptes Volumen-Bragg-Gitter, um die Eingangslaserpulse zu erzeugen, die weiter von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul und dem linearen optischen Verarbeitungsmodul verarbeitet werden, um die Ausgangslaserpulse zu erzeugen.
  17. Verfahren nach Anspruch 1, überdies umfassend: Betreiben eines Seed-Lasers zum Erzeugen von Seed-Laserpulsen; Strecken einer Pulsdauer der Seed-Laserpulse zum Erzeugen gestreckter Seed-Laserpulse; Verstärken der optischen Leistung der gestreckten Seed-Laserpulse; Komprimieren einer Pulsdauer der verstärkten gestreckten Seed-Laserpulse durch gechirptes periodisch gepoltes Lithiumniobat (PPLN), um die Eingangslaserpulse zu erzeugen, die von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul und dem linearen optischen Verarbeitungsmodul weiterverarbeitet werden, um die Ausgangslaserpulse zu erzeugen.
  18. Verfahren nach Anspruch 1, überdies umfassend: Verwenden von Strahlaufweitung bzw. -expansion zum Steuern bzw. Regeln, so dass die Intensität der spektral verbreiterten Laserpulse, die von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul ausgegeben werden, in dem linearen optischen Verarbeitungsmodul unterhalb des nichtlinearen Intensitätsschwellenwerts für nichtlineare SPM liegt.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, umfassend: Verwenden einer oder mehrerer Linsen zum Steuern bzw. Regeln der Strahlaufweitung oder der Intensität der spektral verbreiterten Laserpulse, die von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul ausgegeben werden.
  20. Verfahren nach Anspruch 1, überdies umfassend: Verwenden eines zweiten nichtlinearen optischen Verarbeitungsmoduls und eines zweiten linearen optischen Verarbeitungsmoduls, um die Ausgangslaserpulse von dem linearen optischen Verarbeitungsmodul weiter zu verarbeiten, um eine Pulsdauer der verarbeiteten Laserpulse weiter zu komprimieren.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, umfassend: Steuern bzw. Regeln, so dass die Intensität der Ausgangslaserpulse von dem linearen optischen Verarbeitungsmodul in dem zweiten nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul bei oder über einem nichtlinearen Intensitätsschwellenwert für nichtlineare SPM liegt, um die spektrale Verbreiterung und einen Frequenz-Chirp-Betrag bei jedem der Ausgangslaserpulse aufgrund der nichtlinearen SPM zu verursachen; Steuern bzw. Regeln, so dass eine Intensität der spektral verbreiterten Ausgangslaserpulse, die von dem zweiten nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul ausgegeben werden, in dem zweiten linearen optischen Verarbeitungsmodul mit anomaler Dispersion, das optisch gekoppelt ist, um die spektral verbreiterten Ausgangslaserpulse von dem zweiten nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul zu empfangen unterhalb eines nichtlinearen Intensitätsschwellenwerts für nichtlineare SPM liegt, ohne optische Nichtlinearität oder die nichtlineare SPM zu verursachen; Konfigurieren einer Länge optischer Propagation des zweiten linearen optischen Verarbeitungsmoduls, um einen Betrag anomaler optischer Dispersion in den spektral verbreiterten Ausgangslaserpulsen zu verursachen, der den Frequenz-Chirp kompensiert, der von dem zweiten nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul erzeugt wird, und die zeitliche Kompression einer Pulsbreite verursacht, um weiter komprimierte Ausgangslaserpulse zu erzeugen, die spektral verbreitert sind und in der Pulsdauer in Bezug auf die spektrale Breite und Pulsdauer der Ausgangslaserpulse von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul zeitlich komprimiert sind.
  22. Verfahren nach Anspruch 20, überdies umfassend: Verwenden eines dritten nichtlinearen optischen Verarbeitungsmoduls und eines dritten linearen optischen Verarbeitungsmoduls, um die Laserpulse von dem zweiten linearen optischen Verarbeitungsmodul weiter zu verarbeiten, um eine Pulsdauer weiter zu komprimieren.
  23. Verfahren nach Anspruch 1, überdies umfassend: Verwenden eines optischen Hohlraums, um das nichtlineare optische Verarbeitungsmodul und das lineare optische Verarbeitungsmodul einzuschließen, um zu erlauben, dass Licht in dem optischen Hohlraum vor- und zurückprallt, um mehrere Male das nichtlineare optische Verarbeitungsmodul und das lineare optische Verarbeitungsmodul zu passieren, um die Pulsdauer weiter zu komprimieren.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, überdies umfassend: Verwenden eines akusto-optischen Modulators in dem optischen Hohlraum, um die Male zu steuern bzw. regeln, die die Laserpulse in dem optischen Hohlraum propagieren.
  25. Verfahren nach Anspruch 1, überdies umfassend: Verwenden eines Spektralfilters zum optischen Filtern der Ausgangslaserpulse von dem linearen optischen Verarbeitungsmodul.
  26. Vorrichtung zum Erzeugen von Ultrakurzlaserpulsen, umfassend: einen ersten bzw. initialen Pulsgenerator, der erste bzw. initiale Eingangslaserpulse mit einer gewünschten optischen Gesamtenergie pro Puls und einer ersten bzw. initialen Pulsdauer erzeugt; ein nichtlineares optisches Verarbeitungsmodul, das gekoppelt ist, die ersten Laserpulse zu empfangen, um nichtlineare Selbstphasenmodulation (SPM) an jedem Laserpuls zu verursachen, eine spektrale Verbreiterung und einen Frequenz-Chirp-Betrag bei jedem der Laserpulse aufgrund der nichtlinearen SPM zu erzeugen; ein lineares optisches Verarbeitungsmodul mit anomaler Dispersion, das optisch gekoppelt ist, um die spektral verbreiterten Laserpulse von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul bei einer optischen Intensität unterhalb eines nichtlinearen Intensitätsschwellenwerts für nichtlineare SPM in dem linearen optischen Verarbeitungsmodul zu empfangen, wobei eine Länge optischer Propagation des linearen optischen Verarbeitungsmoduls auf einen Wert festgelegt ist, der einen Betrag anomaler optischer Dispersion in den spektral verbreiterten Laserpulsen verursacht, der den Frequenz-Chirp kompensiert, der von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul erzeugt wird, um Ausgabe- bzw. Ausgangslaserpulse zu erzeugen, die spektral verbreitert sind und in der Pulsdauer zeitlich komprimiert sind.
  27. Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei: das lineare optische Verarbeitungsmodul einen rechteckigen optischen Werkstoff umfasst, der eine optische Eingangsfacette aufweist, die an einer ersten Ecke gebildet ist, um Eingangslicht zu empfangen, das von Seiten des rechteckigen optischen Werkstoffs mehrere Male reflektiert werden soll, und eine optische Ausgangsfacette, die an einer zweiten Ecke gegenüber der ersten Ecke gebildet ist, um das empfangene Licht auszuleiten, nachdem es von Seiten des rechteckigen optischen Werkstoffs mehrere Male reflektiert worden ist; und einen Mechanismus, der eine Richtung des Eingangslichts steuert, das in die optische Eingangsfacette eintritt, um die Entfernung zu steuern bzw. regeln, die das Licht im Innern des rechteckigen optischen Werkstoffs wandert.
  28. Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei: das lineare optische Verarbeitungsmodul ein erstes optisches Prisma und ein zweites optisches Prisma umfasst, die in Bezug zueinander angeordnet sind und in Bezug zueinander beweglich sind, um Eingangslicht zu leiten, das von Seiten des ersten und zweiten optischen Prismas mehrere Male reflektiert werden soll; und einen Mechanismus, der eine relative Position des ersten und zweiten optischen Prismas steuert, um die Entfernung zu steuern bzw. regeln, die das Licht zwischen dem ersten und zweiten optischen Prisma wandert.
  29. Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei: das lineare optische Verarbeitungsmodul einen optischen Werkstoff mit anomaler Dispersion umfasst, um Licht optisch zu modifizieren, um den Frequenz-Chirp zu kompensieren, der von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul erzeugt wird, und einen Steuermechanismus, der die optische Intensität von Licht, das in den optischen Werkstoff eintritt, so steuert, dass sie unterhalb des nichtlinearen Intensitätsschwellenwerts für nichtlineare SPM in dem optischen Werkstoff liegt.
  30. Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei: der Steuermechanismus einen Strahl der spektral verbreiterten Laserpulse von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul aufweitet, um eine optische Intensität in dem optischen Werkstoff herabzusetzen.
  31. Vorrichtung nach Anspruch 26, überdies umfassend: ein zweites nichtlineares optisches Verarbeitungsmodul, das gekoppelt ist, Ausgangslicht von dem linearen optischen Verarbeitungsmodul zu empfangen, und konfiguriert ist, spektrale Verbreiterung bei jedem Laserpuls basierend auf SPM zu verursachen; und ein zweites lineares optisches Verarbeitungsmodul, das gekoppelt ist, Ausgangslicht von dem zweiten nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul zu empfangen, um einen Frequenz-Chirp zu kompensieren, der von dem zweiten nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul erzeugt wird, um eine Pulsdauer jedes Laserpulses weiter zu komprimieren.
  32. Vorrichtung nach Anspruch 26, überdies umfassend: einen optischen Hohlraum bzw. Kavität zum Einschließen des nichtlinearen optischen Verarbeitungsmoduls und des linearen optischen Verarbeitungsmoduls, um zu erlauben, dass Licht in dem optischen Hohlraum vor- und zurückprallt, um mehrere Male das nichtlineare optische Verarbeitungsmodul und das lineare optische Verarbeitungsmodul zu passieren, um die Pulsdauer weiter zu komprimieren.
  33. Vorrichtung nach Anspruch 32, überdies umfassend: ein Strahlsteuermodul bzw. -regelmodul im Innern des optischen Hohlraums zum Steuern bzw. Regeln einer Anzahl Male, die das Licht im Innern des optischen Hohlraums geprallt wird, bevor es aus dem optischen Hohlraum als Ausgabe des optischen Hohlraums geleitet wird.
  34. Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei: das Strahlsteuermodul bzw. -regelmodul einen akusto-optischen Modulator umfasst.
  35. Vorrichtung nach Anspruch 26, überdies umfassend: ein zusätzliches Pulsverarbeitungsmodul, das die Ausgangslaserpulse modifiziert, wobei das zusätzliche Pulsverarbeitungsmodul ausgestaltet ist, nichtlineare optische Verarbeitung an den Ausgangslaserpulsen oder eine optische Filteroperation an den Ausgangslaserpulsen auszuführen.
  36. Vorrichtung nach Anspruch 26, umfassend: einen Pulskompressor, der sich vor dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul befindet, um eine Pulsdauer jedes Laserpulses vor dem Eintritt in das nichtlineare optische Verarbeitungsmodul zu komprimieren.
  37. Vorrichtung nach Anspruch 26, umfassend: einen ersten Pulskompressor, der sich vor dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul befindet, um eine Pulsdauer jedes Laserpulses auf eine erste kurze Pulsdauer zu komprimieren, die größer ist als eine transformlimitierte Pulsdauer vor dem Eintritt in das nichtlineare optische Verarbeitungsmodul; und einen zweiten Pulskompressor, der sich zwischen dem ersten Kompressor und dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul befindet, um eine Pulsdauer jedes Laserpulses, der von dem ersten Pulskompressor ausgegeben wird, auf eine zweite kurze Pulsdauer zu komprimieren, die kleiner ist als die erste kurze Pulsdauer vor dem Eintritt in das nichtlineare optische Verarbeitungsmodul.
  38. Vorrichtung nach Anspruch 37, wobei: der zweite Pulskompressor ausgestaltet ist, eine Pulsdauer jedes Laserpulses, der von dem ersten Pulskompressor ausgegeben wird, auf die transformlimitierte Pulsdauer zu komprimieren.
  39. Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei: der erste Pulsgenerator einen Double-Clad-Faserverstärker umfasst; die nichtlineare optische Verarbeitungsstufe ein polarisationserhaltenes Fasersegment als nichtlinearen optischen Werkstoff zum Erzeugen der SPM umfasst; und die lineare optische Verarbeitungsstufe einen Glaswerkstoff umfasst, der Kompensation für den Frequenz-Chirp erzeugt, der in der SPM erzeugt wird.
  40. Vorrichtung nach Anspruch 39, umfassend: einen Kompaktlaserkopf umfassend ein Laserkopfgehäuse, in dem das nichtlineare optische Verarbeitungsmodul und das lineare optische Verarbeitungsmodul eingeschlossen sind, und einen Eingangsfaseranschluss-Port an dem Laserkopfgehäuse zum Empfangen von Laserpulsen von dem ersten Pulsgenerator über ein Faserkabel, das an den Eingangsfaseranschluss-Port angeschlossen ist.
  41. Vorrichtung nach Anspruch 40, wobei: der Kompaktlaserkopf umfasst: einen optischen Zirkulator, der einen ersten optischen Port, einen zweiten optischen Port und einen dritten optischen Port aufweist, um Licht, das an dem ersten optischen Port empfangen wird, an den zweiten optischen Port zu leiten, und Licht, das an dem zweiten optischen Port empfangen wird, an den dritten optischen Port zu leiten; ein reflektives gechirptes Faser-Bragg-Gitter, das gekoppelt ist, um Licht von dem zweiten optischen Port des optischen Zirkulators zu empfangen und Licht zurück zu dem zweiten optischen Port zu reflektieren, wobei das reflektive gechirpte Faser-Bragg-Gitter ausgestaltet ist, eine Pulsdauer jedes Laserpulses, der von dem zweiten optischen Port empfangen wird, zu komprimieren; und wobei das nichtlineare optische Verarbeitungsmodul ein polarisationserhaltendes Fasersegment umfasst, das sich zwischen dem reflektiven gechirpten Faser-Bragg-Gitter und dem zweiten optischen Port des optischen Zirkulators befindet, um SPM bei jedem Laserpuls zu verursachen, und das lineare optische Verarbeitungsmodul an den dritten optischen Port des optischen Zirkulators gekoppelt ist, um Licht zu empfangen, das von dem polarisationserhaltenden Fasersegment ausgegeben wird.
  42. Vorrichtung nach Anspruch 41, wobei: der optische Zirkulator einen optischen polarisationserhaltenden Faserzirkulator umfasst.
  43. Vorrichtung nach Anspruch 41, wobei: der optische Zirkulator einen Polarisations-Strahlenteiler umfasst.
  44. Vorrichtung zum Erzeugen ultrakurzer Laserpulse, umfassend: ein Laserkopfgehäuse umfassend einen Eingangsfaseranschluss-Port, der strukturiert ist, an einen Ausgangs-Port eines Faserkabels angeschlossen zu werden, um erste Laserpulse zu empfangen, und an einen Ausgangs-Port, um Laserpulse auszuleiten; einen Pulskompressor, der gekoppelt ist, die Eingangslaserpulse von dem Eingangsfaseranschluss-Port zu empfangen und ausgestaltet ist, eine Pulsdauer jedes Laserpulses zu komprimieren; ein nichtlineares optisches Verarbeitungsmodul in dem Laserkopfgehäuse, das gekoppelt ist, die Eingangslaserpulse von dem Pulskompressor zu empfangen, um nichtlineare Selbstphasenmodulation (SPM) an jedem Laserpuls zu verursachen, um eine spektrale Verbreiterung und einen Frequenz-Chirp-Betrag bei jedem der Laserpulse aufgrund der nichtlinearen SPM zu erzeugen; und ein lineares optisches Verarbeitungsmodul mit anomaler Dispersion im Innern des Laserkopfgehäuses, das optisch gekoppelt ist, die spektral verbreiterten Laserpulse von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul bei einer optischen Intensität zu empfangen, die in dem linearen optischen Verarbeitungsmodul unterhalb eines nichtlinearen Intensitätsschwellenwerts für nichtlineare SPM liegt, wobei eine Länge optischer Propagation des linearen optischen Verarbeitungsmoduls auf einen Wert festgelegt ist, der einen Betrag anomaler optischer Dispersion in den spektral verbreiterten Laserpulsen verursacht, der den Frequenz-Chirp kompensiert, der von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul erzeugt wird, um Ausgangslaserpulse zu erzeugen, die spektral verbreitert sind und in der Pulsdauer zeitlich komprimiert sind.
  45. Vorrichtung nach Anspruch 44, umfassend: einen zweiten Pulskompressor, der sich im Innern des Laserkopfgehäuses zwischen dem ersten Pulskompressor und dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul befindet, um eine Pulsdauer jedes Laserpulses, der von dem ersten Pulskompressor ausgegeben wird, vor dem Eintritt in das nichtlineare optische Verarbeitungsmodul auf eine kürzere Pulsdauer zu komprimieren.
  46. Vorrichtung nach Anspruch 44, umfassend: einen optischen Zirkulator, der einen ersten optischen Port, einen zweiten optischen Port und einen dritten optischen Port aufweist, um Licht, das an dem ersten optischen Port empfangen wird, an den zweiten optischen Port zu leiten, und um Licht, das an dem zweiten optischen Port empfangen wird, an den dritten optischen Port zu leiten, wobei der erste optische Port gekoppelt ist, Licht von dem Eingangsfaseranschluss-Port zu empfangen; ein reflektives gechirptes Faser-Bragg-Gitter als Teil des Pulskompressors, das gekoppelt ist, Licht von dem zweiten optischen Port des optischen Zirkulators zu empfangen und Licht zurück zu dem zweiten optischen Port zu reflektieren, wobei das reflektive gechirpte Faser-Bragg-Gitter ausgestaltet ist, eine Pulsdauer jedes Laserpulses, der von dem zweiten optischen Port empfangen wird, zu komprimieren; wobei das nichtlineare optische Verarbeitungsmodul ein polarisationserhaltendes Fasersegment umfasst, das sich zwischen dem reflektiven gechirpten Faser-Bragg-Gitter und dem zweiten optischen Port des optischen Zirkulators befindet, um SPM bei jedem Laserpuls zu verursachen, und das lineare optische Verarbeitungsmodul an den dritten optischen Port des optischen Zirkulators gekoppelt ist, um Licht zu empfangen, das von dem polarisationserhaltenden Fasersegment ausgegeben wird.
  47. Vorrichtung nach Anspruch 44, wobei: das lineare optische Verarbeitungsmodul ein erstes optisches Prisma und ein zweites optisches Prisma umfasst, die in Bezug zueinander angeordnet sind und in Bezug zueinander beweglich sind, um Eingangslicht zu leiten, das von Seiten des ersten und zweiten optischen Prismas mehrere Male reflektiert werden soll; und einen Mechanismus, der eine relative Position des ersten und zweiten optischen Prismas steuert, um die Entfernung zu steuern bzw. regeln, die das Licht zwischen dem ersten und zweiten optischen Prisma wandert.
  48. Vorrichtung nach Anspruch 44, wobei: das lineare optische Verarbeitungsmodul einen optischen Werkstoff mit anomaler Dispersion umfasst, um Licht optisch zu modifizieren, um den Frequenz-Chirp zu kompensieren, der von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul erzeugt wird, und einen Steuermechanismus, der die optische Intensität von Licht, das in den optischen Werkstoff eintritt, so steuert, dass sie in dem optischen Werkstoff unterhalb des nichtlinearen Intensitätsschwellenwerts für nichtlineare SPM liegt.
  49. Vorrichtung nach Anspruch 48, wobei: der Steuermechanismus einen Strahl der spektral verbreiterten Laserpulse von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul aufweitet, um eine optische Intensität in dem optischen Werkstoff herabzusetzen.
  50. Vorrichtung nach Anspruch 44, wobei: das lineare optische Verarbeitungsmodul einen rechteckigen optischen Werkstoff umfasst, der eine optische Eingangsfacette aufweist, die an einer ersten Ecke gebildet ist, um Eingangslicht zu empfangen, das von Seiten des rechteckigen optischen Werkstoffs mehrere Male reflektiert werden soll, und eine optische Ausgangsfacette, die an einer zweiten Ecke gegenüber der ersten Ecke gebildet ist, um das empfangene Licht auszuleiten, nachdem es von Seiten des rechteckigen optischen Werkstoffs mehrere Male reflektiert worden ist; und einen Mechanismus, der eine Richtung des Eingangslichts steuert, das in die optische Eingangsfacette eintritt, um eine Entfernung zu steuern bzw. regeln, die das Licht im Innern des rechteckigen optischen Werkstoffs wandert.
  51. Verfahren zum Erzeugen ultrakurzer Laserpulse durch Trennen einer nichtlinearen Verarbeitung von Laserpulsen durch nichtlineare Selbstphasenmodulation (SPM) in einem nichtlinearen optischen Werkstoff von einer nachfolgenden linearen Verarbeitung der Laserpulse, um ultrakurze Laserpulse zu erzielen, umfassend: Leiten von Eingangslaserpulsen in einen nichtlinearen optischen Werkstoff, der normale Dispersion aufweist, um eine optische Intensität zu erhalten, die eine Intensitätsschwelle für SPM in dem nichtlinearen optischen Werkstoff erreicht oder darüber liegt, um eine spektrale Verbreiterung und einen Frequenz-Chirp-Betrag bei jedem der Laserpulse aufgrund der nichtlinearen SPM zu verursachen; Steuern bzw. Regeln einer Intensität spektral verbreiterter Laserpulse, die von dem nichtlinearen optischen Werkstoff ausgegeben werden, so dass sie in einem linearen optischen Werkstoff mit anomaler Dispersion, der optisch gekoppelt ist, um die spektral verbreiterten Laserpulse zu empfangen, die von dem nichtlinearen optischen Verarbeitungsmodul ausgegeben werden, unter einem nichtlinearen Intensitätsschwellenwert für nichtlineare SPM liegt, ohne optische Nichtlinearität oder die nichtlineare SPM zu verursachen; und Konfigurieren einer Länge optischer Propagation des linearen optischen Verarbeitungsmoduls, um einen Betrag anomaler optischer Dispersion in den spektral verbreiterten Laserpulsen zu verursachen, um eine Pulsbreite zeitlich zu komprimieren, um Ausgangslaserpulse zu erzeugen.
  52. Verfahren nach Anspruch 51, umfassend: Verwenden einer Dispersionskompensationsfaser mit normaler Dispersion als nichtlinearen optischen Werkstoff.
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