DE112014005158T5 - Kompakte faserbasierte Kurzpuls-Laserquellen - Google Patents

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Abstract

Beispiele von robusten selbststartenden passiv modengekoppelten Faseroszillatoren werden beschrieben. In bestimmten Implementierungen sind die Oszillatoren als Fabry-Perot-Resonatoren konfiguriert, welche einen optischen Schleifenspiegel an dem einen Resonatorende und einen voluminösen Spiegel oder einen sättigbaren Absorber am anderen Ende umfassen. Der Schleifenspiegel kann weiterhin mit einer anpassbaren Phasenverzögerungsstrecke konfiguriert werden, um Modenkoppeln zu optimieren. Sämtliche im Resonator befindlichen Faser(n) können polarisationserhaltend sein. Dispersionskompensierende Komponenten wie z. B. dispersionskompensierende Fasern, voluminöse Beugungsgitter oder Faser-Bragg-Gitter können eingeschlossen sein. Die Oszillatoren können einen Bandpass-Filter umfassen, um hohe Pulsenergien zu erhalten, wenn sie im Similariton-Regime arbeiten. Der Oszillator-Output kann verstärkt werden und verwendet werden, wann immer kurze Pulse mit hoher Leistung benötigt werden. Zum Beispiel können die Oszillatoren als Frequenzkamm-Quellen oder Superkontinuum-Quellen konfiguriert werden. In Verbindung mit einer Modulation der Wiederholrate umfassen die Anwendungen duale Abtast-Verzögerungsstrecken und Spurengas-Detektion.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung nimmt die Priorität der US-Patentanmeldung Nr. 61/903,088 in Anspruch, welche am 12. November 2013 mit dem Titel „COMPACT FIBER SHORT PULSE LASER SOURCES” eingereicht wurde, auf die hiermit in ihrer Gänze Bezug genommen wird.
  • HINTERGRUND
  • Gebiet:
  • Die Offenbarung bezieht sich auf kompakte modengekoppelte Faserlaser mit hoher Brillanz, die auf Kurzpuls-Lichtquellen basieren und Anwendungsbeispiele derselben.
  • Beschreibung der relevanten Technik
  • Pulsquellen, die auf modengekoppelten Faserlasern basieren, finden viele Anwendungen in der Industrie und der Medizin wie auch in der Präzisionsspektroskopie. Die Universalität dieser Technologie wird beispielhaft illustriert durch die vielen verschiedenen Anwendungen, die entwickelt worden sind, welche Hochleistungsverspannung, Präzisions-Augenchirurgie, medizinische Bildgebung wie auch Präzisionsmessungen umfassen. Ältere passiv modengekoppelte Faserlaser basierten auf nichtlinearen verstärkenden Faserschleifenspiegeln (nonlinear amplifying loop mirrors, NALMs), wie sie z. B. in dem Artikel „Additive-pulse-compression mode locking of a neodymium fiber laser” von Fermann et al., Opt. Lett., Band 16, Ausgabe 4, S. 244–246 (1991) beschrieben werden. Eine andere Anordnung umfasste einen Laser in der Form einer 8 (Figure 8-Laser, F8L), um Modenkoppeln zu starten und um kurze optische Pulse bei hohen Wiederholraten zu erzeugen, wie es im US-Patent 5,365,531 mit dem Titel „Apparatus and method for initializing an optical-fiber laser for mode-locking” beschrieben wird. Für kommerzielle Anwendungen ist die Zuverlässigkeit und Robustheit eines modengekoppelten Lasers von entscheidender Bedeutung.
  • Früher wurden robuste modengekoppelte Faserlaser-Lichtquellen konstruiert unter Verwendung von polarisationserhaltenen Komponenten wie auch sättigbaren Absorbern, wie es z. B. im US-Patent 7,088,756 mit dem Titel „Polarization maintaining dispersion controlled fiber laser source of ultrashort pulses” offenbart ist. Um die Ausgangsleistung aus modengekoppelten Faserlasern zu maximieren, wurde früher ein modengekoppelter Betrieb im Similariton-Regime implementiert, wie es im US-Patent 7,782,910 mit dem Titel „Single-polarization high power fiber lasers and amplifiers” von Fermann et al. und in der US-Patentanmeldung Nr. 2012/0205352 mit dem Titel „Compact, coherent, high brightness light sources for the mid and far IR” offenbart ist.
  • Um den Modenkopplungsprozess zu starten, wurde die Verwendung von Ringlaser-Resonatoren vorgeschlagen, wie es in K. Tamura et al. „Unidirectional ring resonators for self-starting passively mode locked lasers”, Opt. Lett., Band 18, S. 220–222 (1993) beschrieben wird. Ringlaserresonatoren sind weniger empfindlich gegenüber störenden (spurious) Reflexionen innerhalb des Resonators, von denen im Allgemeinen angenommen wird, dass sie einen selbststartenden Betrieb verhindern. Gemäß neueren Theorien involviert das selbststartende Modenkoppeln ein durch Rauschen aktiviertes Überschreiben einer entropischen Barriere, wie es in A. Gordon et al. „Self-starting of passive modelocking”, Opt. Express, Band 14, S. 11142–11154 (2006) beschrieben wird. Um die Barriere zum Modenkoppeln zu überschreiten, wurden Laserresonatoren verwendet, die einen Güteschalten-(q-switching)-Betrieb erlauben, bevor sie zu einem cw-modengekoppelten Betrieb übergehen, wie es im US-Patent 6,956,887 ('887) und im US-Patent 7,453,913 ('913) mit dem Titel „Resonant Fabry-Perot semiconductor saturable absorbers and two photon absportion power limiters” diskutiert wird. Um die Evolution vom Güteschalten zum Modenkoppeln zu erleichtern und um Schäden an optischen Komponenten innerhalb des Lasers zu verhindern, wurden Zwei-Photon-Höchstleistungsbegrenzer implementiert, wie es ebenfalls in der '887 und der '913 diskutiert wird. Die Vorteile des gütegeschalteten Betriebs (welcher manchmal auch als Relaxationsoszillationen bezeichnet wird) im Übergang zum Modenkoppeln sind kürzlich weiter bestätigt worden durch H. Li et al., „Starting dynamics of dissipative-soliton fiber laser”, Opt. Lett., Band 15, S. 2403–2405 (2010), aber nur für Ring-Resonatoren.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Beispiele eines Designs für einen modengekoppelten Faserlaser ohne sättigbaren Absorber werden offenbart, welche sogar für die anspruchsvollsten Anwendungen von Faserlasern anwendbar sein können. In einigen Ausführungsformen wird der Betrieb im Similariton-Regime implementiert, um die Ausgangsleistungen der Faserlaser zu erhöhen oder zu maximieren, wobei die Empfindlichkeit gegenüber Umweltstörungen und thermischen Fluktuationen reduziert wird durch Verwendung einer polarisationserhaltenden Konstruktion. Ein nichtlinearer verstärkender Faserschleifenspiegel (NALM) kann verwendet werden, um Güteschalten zu initiieren und erleichtert einen Übergang zu einem modengekoppelten Betrieb, wodurch ein zuverlässiges Selbststarten des Modekoppelns gewährleistet wird. Nicht wechselseitige Phasenverschieber (non-reciprocal phase shifters) wie auch eine aktive Phasenkontrolle können implementiert werden, um die Modenkopplungsleistung weiter zu verbessern und zu stabilisieren. Vollständig faseroptische Systeme können ebenso konstruiert werden.
  • Um die benötigte Leistung für den Übergang vom Güteschalten zum modengekoppeltem Laserbetrieb zu reduzieren, kann ein Betrieb mit einer teilweisen Dispersionskompensation im Soliton-Regime implementiert werden. Ebenso kann das Integrieren von hochgradig nichtlinearen Fasern in den Resonator und der Betrieb bei nahezu verschwindender Dispersion vorteilhaft sein. Similariton-Faserlaser mit hoher Leistung können auch konstruiert werden durch das Integrieren von geeigneten Bandpass-Filtern oder durch das Verwenden des Gain-Mediums selbst als ein Bandpass-Filter.
  • Frequenzkämme mit einem stabilen Frequenzkammspektrum können konstruiert werden mit Hilfe der Steuerung von Wiederholrate und Trägerwelle-Einhüllenden-Frequenzoffset (Carrier envelope offset frequency) fceo. Der Trägerwellen-Einhüllenden-Frequenzoffset fceo kann gesteuert werden durch Modulation der Pumpleistung oder durch Modulation des Verlustes innerhalb des Resonators. Ein auf Graphen basierender Modulator kann in einigen Systemen verwendet werden für eine Verlustmodulation mit hoher Bandbreite.
  • Modengekoppelte Faserlaser, die auf irgendeiner Dotierung mit Seltenen Erden basieren, können z. B. mit Nd, Yb, Er, Tm, Ho, Dy oder eine Kombination derselben konstruiert werden.
  • Die Wiederholrate dieser Quellen kann kontrolliert werden durch Phasenkoppeln mit einer Radiowellen-(radio frequency, RF)-Referenz. Die Wiederholrate dieser Quellen kann auch moduliert werden, um die Konstruktion von abtastenden Verzögerungsstrecken (scanning delay lines) zu ermöglichen. Ebenso kann die Modulation der Wiederholrate verwendet werden in Detektionssystemen für Spurengase in Verbindung mit Überhöhungsresonatoren (enhancement cavities).
  • In Verbindung mit zusätzlichen Verstärkern und hochgradig nichtlinearen Fasern kann eine breitbandige Superkontinuum-Erzeugung erhalten werden.
  • In einem ersten Aspekt umfasst ein Beispiel eines passiv modengekoppelten Faseroszillators, welcher sich aus einem Güteschalten entwickelt, einen Fabry-Perot-Resonator, welcher umfasst: einen nichtlinearen verstärkenden Faserschleifenspiegel (NALM) am ersten Ende des Resonators, wobei der nichtlineare Faserschleifenspiegel konfiguriert ist, um das Einfügen einer linearen Phasenverzögerung entlang zweier Ausbreitungsrichtungen des nichtlinearen Faserschleifenspiegels zu erlauben, wobei der passiv modengekoppelte Faseroszillator eine polarisationserhaltende (PM) Faser umfasst.
  • In einem zweiten Aspekt wird der passiv modengekoppelte Faserszillator gemäß Aspekt 1 so angeordnet, dass Modenkoppeln des Oszillators sich durch Unterdrückung von Güteschalten entwickelt.
  • In einem dritten Aspekt umfasst der Faserschleifenspiegel des passiv modengekoppelten Oszillators gemäß einem der Aspekte 1–2 einen orthogonalen Spleiß (orthogonal splice), der konfiguriert ist, um die Phasenverzögerung zu induzieren, und ein Gerät zur Kontrolle der Temperatur, das konfiguriert ist, um die Temperatur eines Abschnitts einer innerhalb der Schleife gelegenen Faser zu steuern (section of intra-loop fiber).
  • In einem vierten Aspekt umfasst der passiv modengekoppelte Oszillator gemäß Aspekt 3 weiterhin einen Spiegel oder einen sättigbaren Absorber oder einen Spiegel mit einem sättigbaren Absorber an einem zweiten Ende des Resonators; und einen Faraday-Rotator, welcher in der Nähe des zweiten Endes des Resonators eingefügt ist, um die Rotation der Polarisation, welche durch den orthogonalen Spleiß induziert wird, zu kompensieren.
  • In einem fünften Aspekt ist die lineare Phasenverzögerung bei einem passiv modengekoppelten Faseroszillator gemäß irgendeinem der Aspekte 1–4 stabilisiert durch Verwendung von Feedback aus der Ausgangsleistung des Oszillators.
  • In einem sechsten Aspekt wird die lineare Phasenverzögerung bei einem passiv modengekoppelten Faseroszillator gemäß irgendeinem der Aspekte 1–5 verwendet, um einen Trägerwellen-Einhüllenden-Frequenzoffset (carrier envelope offset frequency) des Oszillators zu kontrollieren.
  • In einem siebten Aspekt wird die lineare Phasenverzögerung bei dem passiv modengekoppelten Faserlaser gemäß irgendeinem der Aspekte 1–6 induziert durch Verwendung eines nicht wechselseitigen Phasenverschiebers.
  • In einem achten Aspekt umfasst der passiv modengekoppelte Faseroszillator gemäß irgendeinem der Aspekte 1–7 weiterhin ein voluminöses Beugungsgitter (bulk diffraction grating), das in dem Resonator zur Dispersionsteuerung des passiv modengekoppelten Faseroszillators angeordnet ist.
  • In einem neunten Aspekt umfasst der passiv modengekoppelte Faseroszillator gemäß irgendeinem der Aspekte 1–8 weiterhin eine undotierte Faser mit positiver Dispersion, die im Resonator zur Dispersionsteuerung des polarisationserhaltenden passiv modengekoppelten Oszillators angeordnet ist.
  • In einem zehnten Aspekt umfasst der passiv modengekoppelte Faseroszillator gemäß irgendeinem der Aspekte 1–9 weiterhin eine Photonische-Kristall-Faser mit negativer Dispersion, die in dem Resonator zur Dispersionsteuerung des passiv modengekoppelten Faserozillators angeordnet ist.
  • In einem elften Aspekt umfasst der passiv modengekoppelte Faseroszillator gemäß irgendeinem der Aspekte 1–10 weiterhin ein schmalbandiges optisches Filter, wobei der Oszillator eine Puls-Bandbreite erzeugt, die größer als die Bandbreite des optischen Filters ist.
  • In einem zwölften Aspekt umfasst der passiv modengekoppelte Faseroszillator gemäß irgendeinem der Aspekte 1–11 weiterhin einen Spiegel am zweiten Resonatorende, wobei der Spiegel konfiguriert ist, um eine Modulation oder ein Durchstimmen der Wiederholrate des Oszillators in Antwort auf ein Kontrollsignal zu erlauben, wobei der modengekoppelte Faseroszillator in einem kohärenten dualen Abtastlaser (coherent dual scanning laser, CDSL) oder einem kohärenten Abtastlaser(coherent scanning laser, CSL)-Konfiguration konfiguriert ist.
  • In einem dreizehnten Aspekt umfasst der passiv modengekoppelte Faseroszillator gemäß irgendeinem der Aspekte 1–12 weiterhin einen Spiegel am zweiten Resonatorende, wobei der Spiegel konfiguriert ist, um die Modulation oder das Durchstimmen der Wiederholrate des Oszillators in Antwort auf ein Kontrollsignal zu erlauben, wobei der modengekoppelte Faseroszillator in einem Detektionssystem für ein Spurengas konfiguriert ist, welches einen Überhöhungsresonator (enhancement cavity) umfasst.
  • In einem vierzehnten Aspekt ist der passiv modengekoppelte Faseroszillator gemäß irgendeinem der Aspekte 1–13 in einer vollständig polarisationserhaltenden Konfiguration angeordnet.
  • In einem fünfzehnten Aspekt umfasst der Fabry-Perot-Resonator des passiv modengekoppelten Faseroszillators gemäß irgendeinem der Aspekte 1–14 eine reflektierende Optik an einem zweiten Resonatorende.
  • In einem sechszehnten Aspekt umfasst die reflektierende Optik des passiv modengekoppelten Faseroszillators gemäß Aspekt 15 einen Spiegel, einen sättigbaren Absorber oder eine Kombination eines Spiegels mit einem sättigbaren Absorber.
  • In einem siebzehnten Aspekt umfasst der Resonator des passiv modengekoppelten Faseroszillators gemäß irgendeinem der Aspekte 1–16 weiterhin einen elektrooptischen Modulator.
  • In einem achtzehnten Aspekt umfasst der Resonator des passiv modengekoppelten Faseroszillators gemäß irgendeinem der Aspekte 1–17 weiterhin einen Verlustmodulator.
  • In einem neunzehnten Aspekt umfasst der Verlustmodulator des passiv modengekoppelten Faseroszillators gemäß Aspekt 18 einen Graphen-Modulator.
  • In einem zwanzigsten Aspekt ist der NALM des passiv modengekoppelte Faseroszillators gemäß irgendeinem der Aspekte 1–19 als ein optisches begrenzendes Element (optical limiting element) konfiguriert.
  • In einem einundzwanzigsten Aspekt ist das auf dem NALM basierende optisch begrenzende Element des passiv modengekoppelten Faserlasers gemäß Aspekt 20 weiterhin konfiguriert, um einen Output des Faseroszillators zu erzeugen mit einem quadratischen Mittelwertrauschen (root mean square intensity noise, RIN) von weniger als –140 dBc/Hz bei zumindest einer Frequenz in einem Bereich von 100 kHz bis 1 MHz.
  • In einem zweiundzwanzigsten Aspekt ist der passiv modengekoppelte Faseroszillator gemäß irgendeinem der Aspekte 1–21 als ein Frequenzkamm konfiguriert.
  • In einem dreiundzwanzigsten Aspekt umfasst ein passiv modengekoppelter Faseroszillator, welcher sich aus Güteschalten entwickelt, einen Laserresonator, umfassend: einen nichtlinearen verstärkenden Faserschleifenspiegel (nonlinear fiber amplifying loop mirror), wobei der nichtlineare Schleifenspiegel konfiguriert ist, das Einfügen einer linearen Phasenverzögerung entlang zweier Ausbreitungsrichtungen des nichtlinearen Schleifenspiegels zu erlauben, wobei der Resonator ohne einen sättigbaren Absorber konfiguriert ist und mit polarisationserhaltenden (PM) Komponenten in einer vollständig polarisationserhaltenden oder nahezu vollständig polarisationserhaltenden Konfiguration konfiguriert ist.
  • In einem vierundzwanzigsten Aspekt umfasst der Schleifenspiegel des passiv modengekoppelten Faseroszillators gemäß Aspekt 23 einen orthogonalen Spleiß, welcher konfiguriert ist, eine lineare Phasenverzögerung zu induzieren; und ein Gerät zur Steuerung der Temperatur, welches konfiguriert ist, die Temperatur eines Abschnitts einer in der Schleife befindlichen Faser zu steuern.
  • In einem fünfundzwanzigsten Aspekt wird die lineare Phasenverzögerung bei einem passiv modengekoppelten Faseroszillator gemäß irgendeinem der Aspekte 23–24 unter Verwendung eines nicht wechselseitigen Phasenverschiebers induziert.
  • In einem sechsundzwanzigsten Aspekt umfasst der Resonator des passiv modengekoppelten Faseroszillators gemäß irgendeinem der Aspekte 23–25 weiterhin einen elektrooptischen Modulator.
  • In einem siebenundzwanzigsten Aspekt ist der elektrooptische Modulator des passiv modengekoppelten Faseroszillators gemäß Aspekt 26 konfiguriert, um Modenkopplung des modengekoppelten Faseroszillators zu starten.
  • In einem achtundzwanzigsten Aspekt umfasst der Resonator des passiv modengekoppelten Faserlasers gemäß irgendeinem der Aspekte 23–27 weiterhin einen Verlustmodulator.
  • In einem neunundzwanzigsten Aspekt umfasst der Verlustmodulator des passiv modengekoppelten Faseroszillators gemäß Aspekt 28 einen Graphen-Modulator.
  • Ein passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß irgendeinem der vorangehenden Aspekte kann weiterhin einen Sättigbaren-Absorber-Spiegel an einem zweiten Resonatorende umfassen, wobei der Sättigbare-Absorber-Spiegel konfiguriert ist, um den Übergang vom Güteschalten zum Modenkoppeln zu erleichtern. Der passiv modengekoppelte Faseroszillator gemäß irgendeinem der vorangegangenen Aspekte umfasst weiterhin einen elektrooptischen Modulator, wobei der elektrooptische Modulator konfiguriert ist, um den Übergang vom Güteschalten zum Modenkoppeln zu erleichtern. Der nichtlineare verstärkende Faserschleifenspiegel eines passiv modengekoppelten Faseroszillators gemäß irgendeinem der vorangegangenen Aspekte wird als ein optischer Begrenzer (optical limiter) konfiguriert, wodurch die mittlere quadratische Intensität bzw. das RIN des Oszillators reduziert wird. Der passiv modengekoppelte Oszillator gemäß irgendeinem der hier beschriebenen Aspekte oder Ausführungsformen kann als ein Frequenzkamm konfiguriert werden.
  • Die vorangegangenen und anderen Aspekte, Ausführungsformen und Beispiele werden in Bezug auf die Figuren und die folgende detaillierte Beschreibung erläutert werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt schematisch ein Beispiel eines passiv modengekoppelten polarisationserhaltenden Tm-Faserlasers mit voluminöser (bulk) Dispersionskontrolle.
  • 2A zeigt schematisch ein Beispiel eines passiv modengekoppelten polarisationserhaltenden Ho-Faserlasers mit einer vollständig faseroptischen Dispersionskontrolle.
  • 2B zeigt schematisch ein Beispiel eines vollständig faserbasierten modengekoppelten polarisationserhaltenden Ho-Faserlasers, welcher ein Fasergitter zur Dispersionskontrolle umfasst.
  • 2C zeigt schematisch ein Beispiel eines Hochleistungs-Yb-Similariton-Faserlasers, welcher einen Bandpassfilter zur Stabilitätskontrolle umfasst.
  • 3 zeigt schematisch ein Beispiel eines passiv modengekoppelten polarisationserhaltenden faserbasierten Tm-Kammlasers mit langfristiger und kurzfristiger Steuerung der Trägerwellenphase.
  • 4 zeigt schematisch ein Beispiel eines passiv modengekoppelten Tm-Faseroszillators in Verbindung mit abtastbaren Wiederholraten.
  • Die Figuren zeigen verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung zum Zwecke der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend beabsichtigt. Alternative Ausführungsformen der hier gezeigten Systeme und Verfahren können verwendet werden, ohne von den hier beschriebenen Prinzipien abzuweichen. Zusätzliche Figuren, welche zusätzliche Ausführungsformen der Offenbarung veranschaulichen, sind in den verschiedenen Patenten, Patentveröffentlichungen und Patentanmeldungen, die hier durch Bezugnahme eingeschlossen sind, enthalten. Es wird nun detailliert Bezug genommen auf mehrere Ausführungsformen, von denen Beispiele in den begleitenden Figuren veranschaulicht sind. Es wird angemerkt, dass in den Figuren – wenn immer möglich – ähnliche oder verwandte Bezugszeichen verwendet werden können und dass diese eine ähnliche oder verwandte Funktionalität anzeigen können.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die folgenden US-Patente und -Anmeldungen, die dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehören, beziehen sich auf auf einem modengekoppelten Laser basierende Systeme und/oder auf verschiedene Anwendungen derselben, z. B. Frequenzkammerzeugung: US-Patent 5,450,427 , „Technique for the generation of optical pulses in modelocked lasers by dispersive control of the oscillation pulse width”; US-Patent 6,885,683 , „Modular, high energy, widely-tunable ultrafast fiber source”; US-Patent 7,649,915 , „Pulsed laser sources”; US-Patent 7,782,910 , „Single-polarization high power fiber lasers and amplifiers”; US-Patent 8,120,778 , „Optical scanning and imaging systems based on dual pulsed laser systems” ('778), US-Patentanmeldung Nr. 2011/0080580, „Optical signal processing with modelocked lasers” ('580); US-Patentanmeldung Nr. 2012/0205352, „Compact, coherent, high brightness light sources for the mid and far IR”; US-Patentanmeldung Nr. 2012/0133931, „Frequency comb source with large comb spacing”; US-Patentanmeldung 2012/0327959, ”Compact optical frequency comb systems”; US-Patentanmeldung Nr. 61/793,913, „Trace gas Detection System”; eingereicht am 15. März 2013 (die '3913 vorläufige Anmeldung). Jede der obigen Patente, Patentveröffentlichungen und Patentanmeldungen wird hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gänze eingeschlossen, um einen Teil dieser Beschreibung zu bilden.
  • 1 zeigt ein Beispiel eines selbststartenden polarisationserhaltenden (PM) Faserlasers, welcher einen nichtlinearen verstärkenden Schleifenspiegel (nonlinear amplifying loop mirror, NALM) 1005 mit Dispersionssteuerung umfasst. Der NALM 1005 kann in einigen Ausführungsformen in einer Konfiguration mit der Form einer 8 angeordnet sein. Der Fabry-Perot-Resonator umfasst am linken Resonatorende einen Resonator-Endspiegel 140, eine Linse L und ein einzelnes voluminöses Gitter G, um eine positive Dispersion zu implementieren, so dass die negative Dispersion der innerhalb des Resonators befindlichen Fasern, z. B. der innerhalb des Resonators befindlichen Gain-Faser 110 oder irgendeiner anderen aktiven oder passiven Faser, kompensiert wird. Solche dispersionskompensierenden Komponenten wurden z. B. in der US-Patentanmeldung Nr. 2012/0133931 „Frequency comb source with large comb spacing” von Fermann et al. beschrieben, welche hiermit in der Gesamtheit ihrer Offenbarung durch Bezugnahme eingeschlossen wird, und werden hier nicht weiter diskutiert. Der Resonator umfasst auch ein λ/2-Plättchen, um die Polarisation der innerhalb des Resonators liegenden Faser mit der Achse des minimalen Verlusts des Gitters G in Übereinstimmung zu bringen. Alternativ könnte ebenfalls ein Gitter- oder Prismen-Paar zur Dispersionskompensation verwendet werden. Ein Faserkoppler 130 mit einem wählbaren Teilungsverhältnis x/(1 – x) wird verwendet. Die rechte Seite des Fabry-Perot-Resonators umfasst am Resonatorende den NALM 1005, der einen asymmetrisch angeordneten Faserverstärker 110 umfasst, welcher eine Tm-dotierte Faser (oder einen anderen Typ einer mit Seltenen Erden dotierten Faser) aufweisen kann. Ein nicht wechselseitiger Phasenverschieber 120 stellt eine angemessene Phasen-„Vorspannung” (phase bias) für den NALM bereit. Solche nicht wechselseitigen Phasenverschieber wurden z. B. im US-Patent 5,450,427 mit dem Titel „Technique for the generation of optical pulses in modelocked lasers by dispersive control of the oscillation pulse width” von Fermann et al. beschrieben, das hiermit in der Gesamtheit seiner Offenbarung durch Bezugnahme eingeschlossen wird. Solche nicht wechselseitigen Phasenverschieber können zwei Faraday-Rotatoren mit einem dazwischenliegenden Phasenplättchen umfassen.
  • Um die Schwelle für Modenkoppeln zu verringern, kann auch ein Abschnitt einer hochgradig nichtlinearen Faser (nicht gezeigt) entweder innerhalb des NALMs 1005 oder in die Faserzuleitung gespleißt werden, die das innerhalb des Resonators gelegene Ende der Faser 160 des NALMs umfasst. Ein Output aus dem System kann von dem außerhalb des Resonators gelegenen NALM-Output (150–a) oder durch den Wellenlängen-Multiplex-(WDM)-Kollimator 160, um 150–b auszugeben, entnommen werden. Alternativ kann der Output nullter Ordnung des Gitters G ebenfalls verwendet werden. Das Pumplicht wird durch den WDM-Kollimator 160 bereitgestellt, der eine integrierte kommerziell erhältliche Einheit sein kann. Ein externer WDM-Koppler trennt – wie gezeigt – das Pumplicht von dem Output-Licht. Andere Anordnungen und andere Pumpkonfiguration können auch verwendet werden; z. B. können konventionelle WDM-Koppler integriert werden, um das Pumplicht bereitzustellen. Solche WDM-Koppler können in die NALM-Schleife gespleißt werden. Der NALM-Koppler kann ein Kopplungsverhältnis von 50/50 aufweisen, obwohl andere Kopplungsverhältnisse im Bereich von 1/99 bis zu 50/50 ebenfalls verwendet werden können; z. B. kann x im Bereich von 0,01–0,5 liegen. In mindestens einer bevorzugten Ausführungsform sind alle Faserkomponenten polarisationserhaltend (PM) und zusammengespleißt mit minimaler Polarisations-Überkopplung (cross coupling), um einen polarisationserhaltenden Betrieb zu ermöglichen.
  • Der Spiegel 140 kann auch durch einen Sättigbaren-Absorber-Spiegel ersetzt werden, um den Übergang vom Güteschalten zu einem modengekoppelten Betrieb zu vereinfachen. Jedoch hat die vorliegende Anordnung den Vorteil, dass kein sättigbarer Absorber benötigt wird und eine vollständig polarisationserhaltende Resonator-Konstruktion oder eine nahezu vollständig auf polarisationserhaltenden Fasern basierende Konstruktion mit wenigen voluminösen optischen Komponenten zum Erhalten oder Steuern der Polarisation möglich wird. Wie hier verwendet bezieht sich vorherrschend polarisationserhaltend auf eine Konfiguration, in der ein großer Teil der Komponenten polarisationserhaltend ist und soll so verstanden werden, dass eine „vollständig polarisationserhaltende” Konfiguration und eine „nahezu vollständig polarisationserhaltende” Konfiguration umfasst sind. Wie hier verwendet, bezieht sich „nahezu vollständig polarisationserhaltend” auf eine Anordnung, in der eine große Mehrheit der Komponenten zum Erhalten oder Kontrollieren der Polarisation polarisationserhaltende Komponenten umfasst. Zum Beispiel können in verschiedenen Ausführungsformen nahezu vollständig polarisationserhaltende Anordnungen zu mehr als 70%, zu mehr als 80% oder zu mehr als 90% polarisationserhaltende Komponenten umfassen. In verschiedenen Ausführungsformen können nahezu vollständig polarisationserhaltende Anordnungen weniger als 2, 3, 5 oder 10 nicht polarisationserhaltende Komponenten umfassen. Deswegen kann in Systemen, welche keinen sättigbaren Absorber umfassen, während des Güteschaltens kein Schaden am sättigbaren Absorber auftreten, und das Lasersystem kann sehr robust und langfristig zuverlässig sein.
  • Ein NALM ist besonders nützlich im Ermöglichen eines Übergangs vom Güteschalten zum modengekoppelten Betrieb, da das Reflexionsvermögen eines NALMs bei einer bestimmten Spitzenleistung sättigt und sich sogar verringern kann, wenn die Pulsleistung weiter erhöht wird. Dieser nichtlineare Begrenzungsmechanismus wurde schon im Artikel von Fermann et al. „Nonlinear amplifying loop mirror”, Optics Letters, Band 15, Ausgabe 13, S. 752–754 (1990) erkannt. Demnach kann ein NALM – ähnlich wie die in der '887 und der '913 diskutierten Leistungsbegrenzer – als ein Leistungsbegrenzer wirken, welcher die Unterdrückung von Güteschalten bei bestimmten Leistungsniveaus ermöglicht und den Übergang zum modengekoppelten Betrieb erzwingt. Die Verwendung eines NALMs als Leistungsbegrenzer erlaubt weiterhin die Verringerung von quadratischem Mittelwertrauschen (root mean square intensity noise, RIN) des modengekoppelten Lasers. Der Betrieb des modengekoppelten Lasers mit niedrigem RIN kann bei vielen Anwendungen wichtig sein wie z. B. der Spektroskopie oder der Erzeugung von Radiowellen mit niedrigem Phasenrauschen. Durch Anpassen der Phasenverzögerung innerhalb eines NALMs kann ein Betriebszustand mit niedrigem RIN ausgewählt werden. Zum Beispiel kann ein RIN von weniger als ungefähr –140 dBc/Hz bei einer Frequenz von 1 MHz erhalten werden. In einigen Implementierungen kann ein RIN von ungefähr –140 dBc/Hz bei einer Frequenz zwischen ungefähr 100 kHz und ungefähr 1 MHz erhalten werden. Ein noch niedrigeres RIN kann erhalten werden durch die Verwendung von Dioden-Pumplasern, welche selbst ein RIN von weniger als ungefähr –140 dBc/Hz bei irgendeiner dieser Frequenzen aufweisen.
  • Optische Filter können in den Resonator integriert werden zur Wellenlängen-Abstimmung oder zum Betrieb bei hohen Pulsenergien im Similariton-Regime. Ebenfalls kann die Verstärkerfaser außerhalb der Faserschleife angeordnet werden, wobei ein effizientes Modenkoppeln, das durch unterschiedliche nichtlineare Phasenverzögerungen entlang der beiden Ausbreitungsrichtungen der Faserschleife induziert wird, erhalten werden kann durch Verwenden eines Wertes von x < 0,50.
  • Die oszillierende Pulsbandbreite wird maximiert, wenn die Resonator-Dispersion nahezu auf Null kompensiert wird. Es kann vorteilhaft sein, auch die Dispersion dritter Ordnung zu kompensieren, wie es in der US-Patentanmeldung Nr. 2012/0205352 mit dem Titel „Compact, coherent, high brightness light sources for the mid and far IR” von Fermann et al. diskutiert wird.
  • Die Wiederholrate des Lasers kann moduliert werden durch Bewegen oder durch Durchfahren der Position des Spiegels 140. Wenn ein Tm-Faserlaser implementiert wird, kann der Tm-Faserlaser kerngepumpt werden im Bereich um 1560 nm oder Mantelpumpen-Schemata können ebenfalls verwendet werden. Andere Seltene-Erden-Dotiermittel können auch verwendet werden z. B. Ho, Yb, Er, Dy oder Nd-Faserlaser.
  • Der Resonator kann auch mit einer nicht polarisationserhaltenden Faser konstruiert werden; in diesem Fall kann der nicht wechselseitige Phasenverschieber 120 weggelassen werden, und ein faseroptisches Polarisationskontrollelement kann integriert werden. In dieser Implementierung kann es auch nützlich sein, einen Faraday-Rotator zwischen dem WDM-Kollimator und dem Gitter einzuschließen, um die Polarisationsdrehung in dem NALM zu kompensieren.
  • 2A zeigt ein Beispiel einer anderen Anordnung, welche eine vollständig faseroptische Dispersionskompensation umfasst. Wie dargestellt können mehrere Komponenten der 1 in der Anordnung enthalten sein. In 2A weist der NALM 1005 eine mit Seltenen Erden dotierte Faser 210–a auf, welche in diesem Beispiel Ho-dotiert ist. Die Dispersion des Resonators kann durch eine dispersionskompensierende Faser 215 wie z. B. mit einer hochgradig mit Germanium dotierten Faser oder einer geeigneten Photonischen-Kristall-Faser, welche undotiert sein kann, kompensiert werden. Ähnlich kann eine Gain-Faser mit positiver Dispersion verwendet werden, um die Dispersion einer undotierten Faser mit negativer Dispersion auszugleichen, oder die Vorzeichen der Dispersion von Gain-Faser und undotierten Fasern können bei der Bereitstellung von Kompensation umgekehrt sein. Zum Beispiel kann bei der Konstruktion eines Nd-Faserlasers die Dispersion mit einer Länge einer Photonischen-Kristall-Faser kompensiert werden. Die Photonische-Kristall-Faser kann mit positiver Dispersion oder negativer Dispersion konfiguriert werden. Die Abwesenheit eines voluminösen Gitterkompressors in dieser Anordnung vereinfacht das Resonator-Design und erlaubt eine verbessere Robustheit des Lasers. Optische Filter können ebenfalls in den Resonator eingeführt werden. In verschiedenen Implementierungen kann Dispersionskompensation auch weggelassen werden, und ein Betrieb mit großen Werten an positiver Dispersion erhalten werden wie es z. B. in der US 6,885,683 mit dem Titel „Modular, high energy, widely-tunable ultrafast fiber source” von Fermann et al. beschrieben wird. Statt des Spiegels 140 können ebenfalls Sättigbare-Absorber-Spiegel verwendet werden, um den Übergang vom Güteschalten zum Modenkoppeln zu erleichtern. Ähnlich zu 1 kann eine fokussierende Linse L auch eingeschlossen werden, um die Lichtintensität auf dem Sättigbaren-Absorber-Spiegel zu erhöhen. Solch eine Fokussierlinse wird in 2A nicht separat gezeigt.
  • 2B zeigt eine Implementierung, welche ein Faser-Bragg-Gitter zur Dispersionskompensation integriert. In diesem Beispiel wird der Polarisationszustand mit einem faserbasierten Polarisator, welcher in den Resonator gespleißt wird, ausgewählt. Das Faser-Bragg-Gitter wird zur Dispersionskompensation verwendet und außerdem zum Koppeln von Pumpleistung wie auch von Signal-Output. Eine hochgradig nichtlineare Faser kann ebenfalls in den Resonator gespleißt werden, um die Modenkopplungs-Schwelle zu verringern. Wenn erwünscht kann der innerhalb des Resonators befindliche Faserverstärker 210–b außerhalb der Faserschleife liegen, z. B. zwischen dem Fasergitter und dem Koppler 130, und Teilungsverhältnisse des Kopplers von x = 0,01–0,50 können implementiert werden.
  • 2C zeigt noch eine andere Anordnung, welche einen Yb-Similariton-Faserlaser mit hoher Leistung umfasst, welcher zum Betrieb bei niedrigen Wiederholraten eingerichtet ist, wie z. B. Wiederholraten < 20 MHz. In diesem Beispiel wird das Gitter G als ein schmalbandiger Bandpassfilter verwendet, welcher eine Bandbreite von beispielsweise ca. 10 nm bereitstellt. Wie im US-Patent 7,782,910 mit dem Titel „Single-polarization high power fiber lasers and amplifiers” von Fermann et al. erklärt wird, können optische Filter verwendet werden, um beim Vorliegen eines hohen Niveaus an resonatorinterner Selbstphasenmodulation die Bildung von modengekoppelten Pulsen zu stabilisieren. Als Ergebnis der Selbstphasenmodulation können die erzeugten Pulse eine Bandbreite aufweisen, die größer als die Bandbreite des Filters ist, der in einigen Systemen ein schmalbandiger optischer Bandpassfilter mit einer Bandbreite im Bereich von ungefähr 2 nm bis ungefähr 30 nm sein kann. Wie in den vorangegangenen Beispielen hat die vorliegende Anordnung den Vorteil, dass kein sättigbarer Absorber benötigt wird und eine vollständig polarisationserhaltende Resonator-Konstruktion möglich wird. Ebenso ist keine Dispersionskompensation nötig. Wie oben ist ein Yb-Faserverstärker 210–c nur ein Beispiel; andere mit Seltenen Erden dotierten Gainmedien können ebenfalls verwendet werden. Ein sättigbarer Absorber könnte statt des Spiegels 140 verwendet werden, um Modenkoppeln zu erleichtern. Obwohl dieser Resonator in einem weiten Bereich von Wiederholraten arbeiten kann, ist der Betrieb bei kleinen Wiederholraten im Bereich von 1 bis 20 MHz für viele Anwendungen am nützlichsten.
  • Eine der wichtigsten Anwendungen für modengekoppelte Faserlaser ist die faserbasierte Frequenzkamm-Erzeugung. NALMs erlauben auch die Konstruktion von langfristig stabilen faseroptischen Frequenzkämmen, wie es mit Bezug auf 3 gezeigt wird. Irgendeine oder sämtliche der Implementierungen der 1–2C können in einem System zur Frequenzkamm-Erzeugung verwendet werden. Die Schleife kann auch eine dispersionskompensierende Faser 315 umfassen. Der NALM kann weiterhin verwendet werden, um die Konstruktion eines langfristig stabilen Betriebs von faserbasierten Frequenzkämmen mit niedrigem RIN zu ermöglichen, wobei z. B. ein RIN < –140 dBc/Hz bei Frequenzen irgendwo im Bereich von 100 kHz bis 1 MHz erreicht werden kann, wobei sogar niedrigere Werte an RIN erreicht werden können mit der Verwendung von Pumpquellen, welche selbst ein RIN < –140 dBc/Hz bei mindestens einer Frequenz im Bereich zwischen 100 kHz bis 1 MHz aufweisen. Solche Frequenzkämme können auch Sättigbare-Absorber-Spiegel umfassen, um den Übergang vom Güteschalten zum Modenkoppeln zu erleichtern, wie es schon mit Bezug auf die 1–2C diskutiert wurde.
  • Im Beispiel der 3 ist der nichtlineare Schleifenspiegel konfiguriert, um das Einfügen einer linearen Phasenverzögerung entlang seiner zwei Ausbreitungsrichtungen (im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn) zu erlauben. Der NALM 1005 in 3 umfasst einen orthogonalen Spleiß (orthogonal splice) 320, welcher die langsame Faserachse mit der schnellen Faserachse der mit Seltenen Erden dotierten Faser 310 zusammenspleißt. Der orthogonale Spleiß hat die Funktion des nicht wechselseitigen Phasenverschiebers der vorangegangenen Beispiele und stellt eine lineare Phasenverzögerung entlang der beiden Ausbreitungsrichtungen des NALMs bereit. Der orthogonale Splice kann sich irgendwo innerhalb der NALM-Schleife befinden und kann auch zwei zueinander orthogonale Polarisationsachsen von zwei innerhalb der Schleife gelegenen Fasern verbinden wie z. B. von der mit Seltenen Erden dotierten Faser 310 und der dispersionskompensierenden Faser 315. Dies erlaubt eine Anpassung des NALM-Reflexionsvermögens mittels der Steuerung der unterschiedlichen Weglängen entlang der beiden Ausbreitungsrichtungen des NALMs. Diese Weglängen können z. B. gesteuert werden durch Steuerung der Temperatur eines kurzen Abschnitts der Faserlängen innerhalb des NALMs mit Hilfe eines geeigneten Temperatursteuergeräts wie z. B. eines thermoelektrischen Kühlapparats und einer zugehörigen Steuereinheit (nicht gezeigt). Zum Beispiel kann die lineare Phasenverzögerung stabilisiert werden durch Verwendung einer Temperatursteuerung für einen Abschnitt einer innerhalb der Schleife gelegenen Faser, welche einen Teil einer aktiven Faser(n), einer passiven Faser(n) oder beides umfassen kann. Alternativ kann auch ein externer Druck auf einen kurzen Abschnitt einer Faser ausgeübt werden. Um die Polarisationsdrehung des orthogonalen Spleißes zu kompensieren, wird in diesem Beispiel auch ein Faraday-Rotator (FR) eingeschlossen. Alternativ kann auch ein λ/4-Plättchen, welches an der Position des Faraday-Rotators (nicht gezeigt) eingefügt wird, verwendet werden, obwohl dies zu einem höheren resonatorinternen Verlust führen wird. Ein Polarisator in Verbindung mit dem λ/2-Plättchen wählt einen bevorzugten Polarisationszustand aus.
  • Das faserbasierte System der 3, welches für eine Frequenzkamm-Erzeugung geeignet ist, umfasst ebenso einen Verlust-Modulator 370. Solch ein Verlust-Modulator kann einen Graphen-Modulator aufweisen, wie er in der US 2012/0327959 mit dem Titel „Compact optical frequency comb systems” von Fermann et al. beschrieben wird. In Beispiel der 3 ist der Verlust-Modulator 370 konfiguriert zum Betrieb in Reflexion, obwohl in bestimmten Anwendungen transmissionsbasierte Modulationsanordnungen ebenfalls verwendet werden können. Der Verlust-Modulator ermöglicht eine schnelle Steuerung des Trägerwellen-Einhüllenden-Frequenzoffsets fceo, wohingegen die Temperatursteuerung der NALM-Fasern eine langsame Steuerung der fceo ermöglicht. Das kann so verstanden werden, dass irgendwelche Temperaturänderungen der NALM-Fasern das Reflexionsvermögen des NALMs verändern und somit den resonatorinternen Verlust wie auch die Trägerwellenphase der oszillierenden Pulse. Tatsächlich muss, um Modenkoppeln zu induzieren, die differenzielle Wegverzögerung bzw. die lineare Phasenverzögerung entlang der beiden Ausbreitungsrichtungen des NALM in einem bestimmten Bereich (oder „Vorspannungs”-Grad) eingestellt werden, um in einigen Systemen das Modenkoppeln zu starten. Sobald der „Vorspannungs”-Grad (bias point) eingestellt ist, kann eine Rückkopplungssteuerung verwendet werden, um die lineare Phasenverzögerung bei diesem „Vorspannungs”-Grad zu stabilisieren. Diese Rückkopplung kann über das Messen der Output-Leistung des Faserlasers oder alternativ durch direktes Überwachen der fceo des Lasers mit einem externen f–2f-Interferometer (nicht gezeigt), wie es im Stand der Technik gut bekannt ist, implementiert werden. Gleichzeitig kann die Steuerung der linearen Phasenverzögerung zum Steuern der fceo des Kammsystems verwendet werden. Die fceo des Kammsystems kann auch über das Steuern oder Modulieren der Pumpleistung gesteuert werden.
  • Die Wiederholrate des Frequenzkammlasers kann durch Aufwickeln von mindestens einem Teil der Faser(n) im Laser auf einer piezoelektrischen Faserspule und durch Modulieren des Durchmessers der Faserspule moduliert werden, indem der Resonator-Endspiegel 140 auf einer Stufe montiert wird oder indem der Resonator-Endspiegel 140 auf einem kleinen piezoelektrischen Wandler (PZT) montiert wird. Sowohl eine langsame als auch eine schnelle Steuerung der Wiederholrate kann so implementiert werden. Verschiedene Verfahren zur Steuerung von fceo und der Wiederholrate werden im US-Patent 7,649,915 mit dem Titel „Pulsed laser sources” von Fermann et al. beschrieben.
  • Andere Resonator-Konfigurationen, wie sie mit Bezug auf die 1 und die 2A–2C beschrieben werden, können ebenfalls implementiert werden. Der orthogonale Spleiß mit Rückkopplungssteuerung kann auch in Verbindung mit einer polarisationserhaltenden Faser verwendet werden, wie es mit Bezug auf 1 und 2A–2C gezeigt wird, wobei ein zusätzlicher Faraday-Rotator eingeschlossen sein kann, um die Polarisationsdrehung des orthogonalen Spleißes zu kompensieren.
  • Da modengekoppelte Faserlaser, die NALMs implementieren, ein freies Resonatorende aufweisen, sind sie besonders nützlich zur Konstruktion von Faserlasern mit abtastenden Wiederholraten (scanning repetition rates), die für duale abtastende Verzögerungsleitungen verwendet werden können, wie es z. B. in der US-Patentanmeldung Nr. 2011/0080580 ('580) mit dem Titel „Optical signal processing with modelocked lasers” von Fermann et al. beschrieben wird, welche hiermit in ihrer Gesamtheit an Offenbarung durch Bezugnahme eingeschlossen wird. Ein Beispiel für solch einen abtastenden Faseroszillator wird in 4 gezeigt. In diesem Beispiel ist die Oszillator-Konstruktion ähnlich zu dem mit Bezug auf die 1–2A beschriebenen Design. In 4 wird die Wiederholrate des Oszillators abgetastet bzw. moduliert durch Modulieren der Position des Spiegels in Antwort auf das Modulationssignal, welches an einen Betätiger (actuator) in der Baugruppe 470 geliefert wird. Es versteht sich, dass die Positionsmodulator-Baugruppe 470, eine elektromechanische Anordnung zur Steuerung der Resonatorlänge, alleine oder in Kombination mit einem Modulator 370 des resonatorinternen Verlusts (vgl. z. B. 3), welcher ein elektrooptischer Modulator (EOM) sein kann, verwendet werden kann. Die Wiederholrate des Oszillators kann z. B. abgetastet werden durch Montieren des Spiegels auf einer Verschiebungsstufe oder durch Befestigung desselben an einem piezoelektrischen Wandler (PZT). Diese Art von Design kann auch in Verbindung mit allen anderen hier diskutierten Oszillator-Designs verwendet werden. In einigen Implementierungen kann der elektrooptische Modulator 370 verwendet werden, um Modenkoppeln zu initiieren, und in verschiedenen Beispielen kann sowohl ein Modulator für den elektrooptischen Verlust als auch ein Phasenmodulator integriert werden. Ein voluminöser EOM 370 kann auch in Transmission statt in Reflexion verwendet werden. Solch eine Implementierung wird nicht separat gezeigt. Ein EOM kann in Verbindung mit allen anderen hier diskutierten Oszillator-Designs verwendet werden. In einigen Implementierungen kann der EOM auch innerhalb des NALMs verwendet werden, um Modenkoppeln zu initiieren. Ebenfalls können Sättigbare-Absorber-Spiegel eingeschlossen werden, um den Übergang vom Güteschalten zum Modenkoppeln zu erleichtern, wie es oben mit Bezug auf die 1–3 diskutiert wurde. Wieder kann – wie bei den Implementierungen der 1–3 – irgendein Seltene-Erden-Dotiermittel (oder eine Kombination von Seltene-Erden-Dottermitteln) implementiert werden.
  • Die Konstruktion von Abtast-Verzögerungsstrecken und ihre Anwendungen, welche mit Lasern mit abtastenden Wiederholraten konstruiert werden, wurden in der '580 beschrieben. Wie in der '580, welche hier durch Bezugnahme eingeschlossen wird, können solche Abtastsysteme zwei modengekoppelte Laser (kohärente duale Abtastlaser, coherent dual scanning laser, CDSL) oder einen einzigen Laser, welcher mit einer Verzögerungsleitung konfiguriert ist (kohärenter Abtastlaser, coherent scanning laser, CSL), umfassen. Zum Beispiel wird eine Konfiguration mit einem einzigen Laser (CSL) in der '580 beschrieben, zumindest in den 16-16A und den Absätzen 0111–0122. Verschiedene CDSLs, die z. B. zwei modengekoppelte Laser umfassen, werden in der '580 und im US-Patent 8,120,778 ('778), welches hiermit durch Bezugnahme in seiner gesamten Offenbarung eingeschlossen wird, beschrieben. Zumindest die 1–5 und Spalte 6, Zeile 4 bis Spalte 11, Zeile 36 der '778 zeigen Beispiele von CDSL-Konfigurationen. Ein Beispiel einer CSL-Konfiguration umfasst einen Wiederholratenmodulator, welcher konfiguriert ist, um die Wiederholrate bei einer Modulationsrate zu modulieren. Eine Verzögerungsstrecke kann angeordnet werden, um optische Pulse, welche bei der Wiederholrate moduliert werden, zu empfangen und Puls-Paare zu erzeugen. Die Puls-Paare umfassen einen optischen Puls und eine zeitverzögerte Replik des optischen Pulses, wobei eine Zeitverzögerung zwischen den Pulsen des Puls-Paares von der Modulationsrate abhängt. Ausführungsformen von hier beschriebenen Lichtquellen (z. B. mit Bezug auf die oben beschriebenen 1–4) können in irgendeinem der Beispiele für CDSLs und CSLs, die in der '580 und der '778 beschrieben werden, verwendet werden.
  • Eine andere Anwendung von passiv modengekoppelten Faserlasern mit modulierten Wiederholraten ist die Cavity-Enhanced-Spektroskopie, wie es in der US-Patentanmeldung Nr. 61/793,913 mit dem Titel „Trace gas detection system” von Fermann et al., welche am 15. März 2013 eingereicht wurde, diskutiert wird ('3913 vorläufige Anmeldung). Die Konstruktion des vorliegenden Systems mit einem kleinen Spiegel und einem geeigneten PZT erlaubt eine Modulation der Wiederholrate bei relativ hohen Modulationsraten (z. B. > 1 kHz) mit niedrigem Rauschen, wie es für eine präzise Spurengasanalyse erforderlich ist. Solch ein System ist geeignet zur Verwendung mit einer modengekoppelten Faserlaser-Anordnung, die konfiguriert ist, Teil eines Spurengassystems zu sein, welches eine „enhancement cavity” aufweist. Dies kann dann auf ein Verwackeln der Resonatorlänge (cavity dithering) angewendet werden, wie es in der vorläufigen Anmeldung '3913 erläutert wird. Zum Beispiel zeigt zumindest die 4 der vorläufigen Anmeldung '3913 ein Beispiel eines Spurengas-Detektionssystems, bei welchem der Output einer Frequenzkamm-Quelle oder eines Frequenzlineals in Kombination mit einer „enhancement cavity” und einem Fouriertransform-Spektrometer (FTS) für die Cavity-Enhanced-Spectroscopy verwendet wird. Die Frequenzkamm-Quelle oder das Frequenzlineal kann Ausführungsformen der hier (z. B. mit Bezug auf die oben beschriebenen 1–4) beschriebenen Lichtquellen umfassen. Die Anordnung verwendet verschiedene Steuermechanismen zum Überwachen und Stabilisieren von Kamm und Resonator einschließlich eines Frequenz-Verwacklungsmechanismus (frequency dither mechanism), um die Lineal- oder Kammfrequenzen mit der „enhancement cavity” einzurasten.
  • Demnach wurde die Erfindung in mehreren Ausführungsformen beschrieben. Es sollte sich verstehen, dass sich die Ausführungsformen nicht gegenseitig ausschließen und dass Elemente, welche in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben werden, mit anderen Ausführungsformen in geeigneter Weise kombiniert werden können bzw. weggelassen werden können, um gewünschte Designziele zu erreichen.
  • Zum Zwecke der Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung werden verschiedene Aspekte, Vorteile und neue Merkmale der vorliegenden Erfindung hier beschrieben. Es sollte sich jedoch verstehen, dass gemäß einer bestimmten Ausführungsform nicht notwendig alle Vorteile erreicht werden können. Demnach kann die vorliegende Erfindung in einer Weise verwirklicht oder ausgeführt werden, die ein oder mehrere Vorteile verwirklicht, ohne notwendigerweise die anderen hier gelehrten oder vorgeschlagenen Vorteile zu erreichen. Kein Merkmal oder Gruppe von Merkmalen ist notwendig oder unerlässlich für jede Ausführungsform.
  • Der Begriff „oder” wird in dieser Anmeldung in seinem einschließenden Sinn (und nicht in seinem ausschließenden Sinn) verwendet, es sei denn es wird anderweitig spezifiziert. Demnach bedeutet die Verwendung von „oder” in einer Liste, dass einer, einige oder alle Elemente der Liste eingeschlossen sind. Außerdem soll der Artikel „ein”, wie er in dieser Anmeldung und den angehängten Ansprüchen verwendet wird, so verstanden werden, dass er „ein oder mehr” oder „mindestens ein” bedeutet, es sei denn es wird anders spezifiziert. Wie hier verwendet soll sich ein Ausdruck wie „nahezu alle” bezüglich einer Eigenschaft oder Charakteristik auf eine Anordnung von Komponenten beziehen, bei der eine große Mehrheit von Komponenten diese Eigenschaft oder Charakteristik aufweist. Zum Beispiel können in verschiedenen Ausführungsformen „nahezu alle” Anordnungen mehr als 70%, mehr als 80% oder mehr als 90% an Komponenten einschließen, welche diese Eigenschaft oder Charakteristik haben. In verschiedenen Ausführungsformen können „nahezu alle” Anordnungen weniger als 2, 3, 5 oder 10 Komponenten umfassen, welche die Eigenschaft oder Charakteristik nicht haben.
  • Eine hier verwendete konditionale Sprache wie unter anderem z. B. „können”, „könnten”, „z. B.” und ähnliches ist im allgemeinen beabsichtigt auszudrücken, dass bestimmte Ausführungsformen bestimmte Merkmale, Elemente und/oder Schritte aufweisen, während andere Ausführungsformen sie nicht aufweisen, wenn es nicht anders spezifiziert wird oder aus dem verwendeten Kontext hervorgeht. Somit ist die verwendete konditionale Sprache im allgemeinen nicht beabsichtigt zu implizieren, dass Merkmale, Elemente und/oder Schritte in irgendeiner Weise für eine oder mehrere Ausführungsformen benötigt werden oder dass eine oder mehrere Ausführungsformen notwendigerweise eine Logik einschließen, um zu entscheiden – mit oder ohne eine Eingabe vom Autor – oder zu veranlassen, ob diese Merkmale, Elemente und/oder Schritte in irgendeiner besonderen Ausführungsform eingeschlossen werden sollen bzw. durchgeführt werden sollen. Die Begriffe „umfassen”, „einschließen”, „haben” und ähnliches sind synonym zueinander und werden in einer offenen Art und Weise einschließend verwendet und schließen zusätzliche Elemente, Merkmale, Operationen und ähnliches nicht aus. Ebenso wird der Begriff „oder” in seinem einschließenden Sinn (und nicht in seinem ausschließenden Sinn) verwendet, so dass, wenn er z. B. verwendet wird, um eine Liste von Elementen zu verbinden, der Begriff „oder” ein, einige oder alle Elemente in der Liste bedeutet. Wie hier verwendet bezieht sich der Ausdruck „mindestens eines von” einer Liste von Elementen auf irgendeine Kombination aus diesen Elementen einschließlich einzelnen Elementen. Zum Beispiel soll „mindestens eins von: A, B oder C” umfassen: A, B, C, A und B, A und C, B und C und A, B und C. Somit soll eine solche konjunktionale Sprache im Allgemeinen nicht beabsichtigt sein zu implizieren, dass in bestimmten Ausführungsformen mindestens ein X, mindestens ein Y und mindestens ein Z jeweils anwesend sein müssen.
  • Somit wird klar, dass, während nur bestimmte Ausführungsformen hier spezifisch beschrieben worden sind, zahlreiche Modifikationen hieran gemacht werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Weiterhin werden Abkürzungen nur benutzt, um die Lesbarkeit der Beschreibung und Ansprüche zu verbessern. Es sollte bemerkt werden, dass diese Abkürzungen nicht beabsichtigt sind, die Allgemeinheit der verwendeten Begriffe zu verringern, und sie sollten nicht so verstanden werden, dass sie den Umfang der Patentansprüche auf die hier beschriebenen Ausführungsformen einschränken.

Claims (29)

  1. Ein passiv modengekoppelter Faseroszillator, welcher sich aus einem Güteschalten entwickelt, umfassend: einen Fabry-Perot-Resonator, umfassend: einen nichtlinearen faserbasierten verstärkenden Faserschleifenspiegel (NALM) am ersten Ende des Resonators, wobei der nichtlineare Faserschleifenspiegel konfiguriert ist, um das Einfügen einer linearen Phasenverzögerung entlang zweier Ausbreitungsrichtungen des nichtlinearen Faserschleifenspiegels zu erlauben, wobei der passiv modengekoppelte Faseroszillator eine polarisationserhaltende (PM) Faser umfasst.
  2. Passiv modengekoppelter Oszillator gemäß Anspruch 1, wobei sich das Modenkoppeln des Oszillators durch Unterdrücken von Güteschalten entwickelt.
  3. Passiv modengekoppelter Oszillators gemäß Anspruch 1, wobei der Faserschleifenspiegel umfasst: einen orthogonalen Spleiß, der konfiguriert ist, um die Phasenverzögerung zu induzieren; und ein Gerät zur Steuerung der Temperatur, um die Temperatur eines Abschnitts einer innerhalb der Schleife gelegenen Faser zu steuern.
  4. Passiv modengekoppelte Oszillator gemäß Anspruch 3, weiterhin umfassend: einen Spiegel, einen sättigbaren Absorber oder eine Kombination eines Spiegels mit einem sättigbaren Absorber an einem zweiten Ende des Resonators; und einen Faraday-Rotator, welcher in der Nähe des zweiten Endes des Resonators eingefügt ist, um die Drehung der Polarisation, welche durch den orthogonalen Spleiß induziert wird, zu kompensieren.
  5. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 1, wobei die lineare Phasenverzögerung stabilisiert wird durch Verwendung von Feedback aus der Ausgangsleistung des Oszillators.
  6. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 1, wobei die lineare Phasenverzögerung verwendet wird, um einen Trägerwellen-Einhüllenden-Frequenzoffset des Oszillators zu steuern.
  7. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 1, wobei die lineare Phasenverzögerung durch Verwendung eines nicht wechselseitigen Phasenverschiebers induziert wird.
  8. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 1, wobei der Faseroszillator weiterhin umfasst: ein voluminöses Beugungsgitter, das in dem Resonator zur Dispersionsteuerung des passiv modengekoppelten Faseroszillators angeordnet ist.
  9. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 1, wobei der Faseroszillator weiterhin umfasst: eine undotierte Faser mit positiver Dispersion, die im Resonator zur Dispersionsteuerung des polarisationserhaltenden passiv modengekoppelten Faseroszillators angeordnet ist.
  10. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 1, wobei der Faseroszillator weiterhin umfasst: eine undotierte Photonische-Kristall-Faser mit negativer Dispersion, die in dem Resonator zur Dispersionsteuerung des passiv modengekoppelten Faserozillators angeordnet ist.
  11. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend: ein schmalbandiges optisches Filter, wobei der Oszillator eine Puls-Bandbreite erzeugt, die größer als die Bandbreite des optischen Filters ist.
  12. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend: einen Spiegel am zweiten Resonatorende, wobei der Spiegel konfiguriert ist, um eine Modulation oder ein Abtasten der Wiederholrate des Oszillators in Antwort auf ein Steuersignal zu erlauben, wobei der modengekoppelte Faseroszillator in einer kohärenten dualen Abtastlaser-(CDSL)-Konfiguration oder einer kohärenten Abtastlaser(CSL)-Konfiguration konfiguriert ist.
  13. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend: einen Spiegel am zweiten Resonatorende, wobei der Spiegel konfiguriert ist, um die Modulation oder das Abtasteb der Wiederholrate des Oszillators in Antwort auf ein Steuersignal zu erlauben, wobei der modengekoppelte Faseroszillator in einem Detektionssystem für ein Spurengas konfiguriert ist, welches einen Überhöhungsresonator umfasst.
  14. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 1, wobei der passiv modengekoppelte Faseroszillator in einer vollständig polarisationserhaltenden Konfiguration angeordnet ist.
  15. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 1, wobei der Fabry-Perot-Resonator an einem zweiten Resonatorende eine reflektierende Optik aufweist.
  16. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 15, wobei die reflektierende Optik einen Spiegel, einen sättigbaren Absorber oder eine Kombination eines Spiegels mit einem sättigbaren Absorber umfasst.
  17. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 1, wobei der Resonator weiterhin einen elektrooptischen Modulator umfasst.
  18. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 1, wobei der Resonator weiterhin einen Verlustmodulator umfasst.
  19. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 18, wobei der Verlustmodulator einen Graphen-Modulator umfasst.
  20. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 1, wobei der NALM des passiv modengekoppelten Faseroszillators als ein optisch begrenzendes Element konfiguriert ist.
  21. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 20, wobei das auf dem NALM basierende optisch begrenzende Element weiterhin konfiguriert ist, um einen Output des Faseroszillators zu erzeugen mit einem quadratischen Mittelwertrauschen (RIN) von weniger als –140 dBc/Hz bei zumindest einer Frequenz in einem Bereich von 100 kHz bis 1 MHz.
  22. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 1, welcher als ein Frequenzkamm konfiguriert ist.
  23. Ein passiv modengekoppelter Faseroszillator, welcher aus Güteschalten hervorgeht, umfassend: einen Laserresonator, umfassend: einen nichtlinearen verstärkenden Faserschleifenspiegel, wobei der nichtlineare Schleifenspiegel konfiguriert ist, das Einfügen einer linearen Phasenverzögerung entlang zweier Ausbreitungsrichtungen des nichtlinearen Schleifenspiegels zu erlauben, wobei der Resonator ohne einen sättigbaren Absorber konfiguriert ist und mit polarisationserhaltenden (PM) Komponenten in einer vollständig polarisationserhaltenden oder nahezu vollständig polarisationserhaltenden Konfiguration konfiguriert ist.
  24. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 23, wobei der Schleifenspiegel umfasst: einen orthogonalen Spleiß, welcher konfiguriert ist, eine lineare Phasenverzögerung so induzieren; und ein Gerät zur Steuerung der Temperatur, welches konfiguriert ist, die Temperatur eines Abschnitts einer in der Schleife befindlichen Faser zu steuern.
  25. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 23, wobei die lineare Phasenverzögerung unter Verwendung eines nicht wechselseitigen Phasenverschiebers induziert wird.
  26. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 23, wobei der Resonator weiterhin einen elektrooptischen Modulator umfasst.
  27. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 26, wobei der elektrooptische Modulator konfiguriert ist, um Modenkopplung des modengekoppelten Faseroszillators zu starten.
  28. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 23, wobei der Resonator weiterhin einen Verlustmodulator umfasst.
  29. Passiv modengekoppelter Faseroszillator gemäß Anspruch 28, wobei der Verlustmodulator einen Graphen-Modulator umfasst.
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