CN101611522B - 完全正常色散的飞秒光纤激光器 - Google Patents

完全正常色散的飞秒光纤激光器 Download PDF

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Abstract

基于激光器谐振腔中的高度尖锐化脉冲的光谱过滤设计了一种锁模光纤激光器，具有较强的脉冲成型。该激光器的谐振腔内无需色散延迟线或反常色散即可产生飞秒脉冲。

Description

完全正常色散的飞秒光纤激光器
本申请根据35U.S.C.119(e)请求了2006年9月18日提交的美国临时申请号60/845,252的全部益处，该申请在此全文引入作为参考。 
本发明的工作受到国家科学基金会批准号为ECS-0500956以及国家健康机构批准号为EB002019的支持。政府具有本发明的部分权利。 
技术领域
本发明涉及一种利用单一脉冲成型(unique pulse shaping)技术、仅使用了正常色散元件的飞秒(femtosecond)光纤激光器。该技术中还使用了滤光器及其它非反常色散元件。 
背景技术
在飞秒脉冲的产生和传播过程中普遍存在补偿群速色散(GVD)的需要。棱镜、衍射光栅及尖锐化平面镜(chirped mirrors)均用来补偿或控制GVD。可靠的飞秒激光器仍然期待着引入可控GVD的低成本方法的进展。非线性和色散之间的相互作用支配了现代飞秒激光器中的脉冲形成。在所有实践中，用反常的GVD来平衡正向(自聚焦)的非线性。在存在反常GVD的飞秒激光器中需要补偿激光器的正常GVD，以及平衡非线性的孤波状的脉冲成型。 
大多数飞秒激光器具有常态的和反常的GVD部分，因此谐振腔由色散图构成，网状或路径平均的谐振腔色散可以是标准的或反常的。在较反常的GVD中，孤波(soliton)样脉冲成型将产生几乎不具有尖锐化信号(chirp)的短脉冲。需要对一些振幅进行调整以相对于激光器共振器的周期震动来稳定脉冲。当谐振腔GVD接近零时，脉冲的形成以及脉冲的演化将愈加复杂化，随后变为常态。基于当脉冲横过谐振腔元件时将出现小变化的假设，固态激光器的主 方程显示，网状常态GVD将可形成稳定脉冲。非线性的相位累积与常态GVD一起将使脉冲变得尖锐。通过变大系数变窄来平衡最后的光谱增宽。通过除去光谱的两翼，获得的色散具有尖锐化脉冲的时间性概况的形状。Procetor等人指出正如解析理论(B.Proctor，E.Westwig，and F.Wise，″Operation of a Kerr-lens mode-locked Ti：sapphire laser with positive group-velocity dispersion，″Opt.Lett.18，1654-1656(1993))示出的，最后获得的的脉冲将是长形的以及非常尖锐的。即使不具有色散补偿仍可形成稳定的脉冲串，但输出脉冲的持续时间将是皮秒级的，且基本背离傅里叶变换限制的持续时间，即使并没有使谐振腔外部的反常GVD形成尖锐的脉冲。 
光纤激光器可由具有反常GVD的光纤整体构成，产生持续时间短至～200fs的孤波。然而，脉冲能受到孤波面积定理的限制，光谱边带是～0.1nJ。当激光器具有常态及反常GVD片段时能获得更高的能量。通常，当其横穿谐振腔时将出现脉冲(即脉冲持续时间发生周期性变化)。当网状GVD从小的和反常的变为小的和常态时可观察到可控色散的孤波，随着较大常态GVD的出现可观察到自相似的和波形自由破碎的脉冲。当其横穿激光器时脉冲发生较大变化将排除精密分析处理的操作，因此可用数字模拟来研究这些模型。在光纤激光器中，Buckley等人已报道基于Yb的激光器已获得了最高的飞秒脉冲能量，目前是高达15-20nJ(J.R.Buckley，F.W.Wise，F.O.Ilday，and T.Sosnowski，″Femtosecond光纤激光器s with pulse energies above 10nJ，″Opt.Lett.30，1888-1890(2005))。用衍射光栅来补偿波长1μm左右的单模光纤(SMF)的常态GVD，降低波导介质的效果。 
出于构建集成光纤激光器的目的，已经用微结构光纤和光纤布拉格光栅来补充1μm的色散。然而，与使用衍射光栅的激光器相比，这种行为显然是以 牺牲成本为代价的。虽然从实用性观点出发，非常需要设计出一种无需在谐振腔中提供反常GVD的元件的飞秒脉冲光纤激光器，直至目前，仍然没有已知的光纤激光器在无需使用反常GVD元件的情况下产生～100fs的脉冲。 
发明内容
通常认为短脉冲激光器中需要反常GVD的理由是如下中的一种：1)补偿具有常态GVD的部件，或2)根据平衡反常GVD的非线性孤波机制形成脉冲。本发明人发现上述反常色散元件事实上能从可产生飞秒脉冲宽度(具有数百飞秒或更少的持续时间的脉冲)的光纤激光器中剔除出去，借此形成由谐振腔形成的飞秒光纤激光器，该谐振腔的色散元件仅有具有常态GVD的元件组成。本发明的依据是新的脉冲形成方法：通过增大由在谐振腔中循环流通的脉冲积累的非线性相位位移以及用滤光器来通过光谱的较窄部分，经滤谱来增强自振幅调整。这种自振幅调整主导了其它脉冲形成方法，结果是获得在激光器谐振腔中循环流通的高度尖锐的脉冲。 
在本发明的一个优选实施例中，激光器谐振腔包括两个主要的脉冲成型元件。脉冲尖锐化(pulse chirping)元件随着时间的过去将分别增宽多频脉冲以及扩展其频率分量。随后用滤光器来通过经尖锐化的脉冲的较窄部分，该脉冲仅包含位于选定中心频率周围的频率分量。优选地，谐振腔还包括其它进行额外的脉冲自振幅调整的常规元件，主要用来保障激光器的启动和稳定操作。在优选实施例中，它们包括非线性偏振演化(nonlinear polarization evolution)(NPE)感应元件，诸如偏振光分束器、波片等。作为一种光纤激光器，激光源还包括由掺杂的Yb或类似的材料制成的光纤增益元件。 
在对依据优选实施例构建的激光器进行的实验中，在离开谐振腔前的得到的脉冲仍然是尖锐的，但是稳定的，且是皮秒(picosecond)量级的。随后该 脉冲从谐振腔输出，优选通过最终去尖锐元件，诸如色散延迟线，以形成飞秒脉冲。在试验中，谐振腔中的皮秒脉冲经去尖锐化至170fs后到达激光器谐振腔外部。这些结果是值得引起注意的，谐振腔由相对于去尖锐化的脉冲来说的～10个特征色散长度光纤组成，但仍未能提供色散的控制。该脉冲能是1-3nJ，激光器是稳定的且可自启动。因而，该激光器可使用新的方法进行锁模，通过免除反常色散相较于之前的光纤激光器可获得较为显著的使用优势。 
附图说明
通过下述的对其优选实施例的详细描述以及以下简述的附图，本发明的特征和优势将变得更显然，附图是： 
图1是依据本发明的操作原理的激光器谐振腔的示意图，示出了用来模拟使用了仅有常态色散的色散元件的光纤激光器的元件； 
图2是依据本发明一个优选实施例构建的以及实际上构建来验证本发明的可操作性的完全常态色散的光纤激光器的示意图。 
具体实施方式
现在将详细介绍依据本发明操作原理的无需控制谐振腔内色散的飞秒光纤激光器的设计。主方程的分析并不定量光纤激光器，而是通过它的预测从质量上和直观上对其进行指示。图1示出了用于本发明的理论的模拟实验中的光纤激光器谐振腔10的元件。这些元件包括第一相当长的单模光纤(SMF)部分12、较短的掺杂增益光纤部分14、位于增益光纤12之后的第二SMF部分16、饱和滤光器(SA)18以及滤光器(SF)20。假设是环形谐振腔(虽然本发明并不限于使用环形的谐振腔)，因此脉冲进入位于SF 20之后的第一SMF部分12。如图1的图表所示，通过谐振腔10的脉冲在SMF部分12和16中被增宽，随后在SA 18以及特别是SF 20中被相应地变窄。 
大量模拟实验显示为了获得合理的参数范围，此类激光器中必须存在稳定的溶液。获得的带宽对脉冲演化(pulse evolution)的影响很大。随着获得更大的带宽(＞～30nm)，自相似激光器中逐渐出现接近抛物线的脉冲。当带宽减小至～10nm时，将在其光谱边缘处出现尖峰，对于更窄的带宽来说溶液将不集中。模拟实验显示强烈的相位调整脉冲的光谱过滤在实际环境中将产生基础振幅调整。随着NPE进行额外的振幅调整，将出现稳定的溶液。谐振腔内的脉冲非常之尖锐，但相位在其脉冲峰附近是接近抛物线的，因此该脉冲可在激光器外部被去尖锐化。 
参照图2，示出了实际构建的光纤激光器30的一个优选实施例，来验证本发明的操作理论。词语“光纤激光器”指的是至少将光纤用作纤维的的增益介质且实际上还可作为许多激光器的其它部件。激光器30包括闭环谐振腔32，包括仅具有常态GVD的色散元件。更具体地，具有光纤部分23，优选由～3mSMF36和20cm高度掺杂Yb增益光纤38，以及随后的另一个～1m SMF40组成。然而，可以理解，如果需要的话诸如多模光纤的其它类光纤也可代替SMF使用。另外，如果需要的话，SMF36和40的两个部分可由单个的部分取代。此外，还有多种可用来制作增益光纤38的其它活性材料。增益光纤38的纤心直径选定为4μm纤心直径(小于SMF部分36和40选定的6μm纤心直径)，以增大增益光纤38中的自相位调整(SPM)。980nm激光器二极管42经环形光纤激光器中常规存在的波长分割多路调制器(WDM)44传递～350mW进入增益光纤38的核心中。 
光纤部分34的两端第一和第二准直器46和48分别面对不同的非光纤元件。起到图1的饱和滤光器18相同作用的NPE与四分之一波片(QWP)50 和52、半波片(HWP)54以及偏振分束器(PBS)56一起使用。PBS 56的NPE喷射端直接输出至激光器谐振腔32的输出58。 
对于滤光器来说，将干涉滤光器62设置为处于1030nm中心，且宽带10nm。谐振腔32中还具有单向器64以确保激光器脉冲常规的一个方向的流动。 
起初滤光器62的最佳位置并不清楚。将其置于增益光纤38或第二SMF部分40之后将最大化光谱过滤的振幅调整。然而，还需要输出最宽的光谱和最大的脉冲能，以实现最短的和最多的强脉冲。考虑这些因素，滤光器62优选置于分束器56之后。此位置还允许尽可能多地叠加激光器。这种结构的总色散是～0.1ps2。然而，可以理解激光器30可以采用大量各种结构的排列与谐振腔32中元件一起操作。 
在图2的激光器30的实验中，锁模的极限泵功率是～300mW。通过调整波片可实现锁模操作的自启动。激光器30产生45MHz重复频率的稳定脉冲串。虽然连续波输出功率可以高达～200mW，但在锁模操作中功率限制为与～3nJ的脉冲能相对应的120mW。用短至500ps的快速检测器并通过监控干涉计的自校正输出延迟～100ps来检验稳定的单个脉冲。同时，通过与谐振腔中多个脉冲相一致的任意调整来仔细监控光谱。引人注目地，任意可选的泵功率均无出现多脉冲的证据。然而，具有单个泵二极管的泵功率仅仅超过锁模阈值～20％。 
激光器30输出的一般结果显示激光器的光谱与谐振腔内有效SPM相一致。激光器在谐振腔的输出58处产生～1.4ps尖锐的脉冲，但这些脉冲被设置在激光器谐振腔32外部的可选的一对衍射光栅、色散延迟线或其它适当的去尖锐化元件66去尖锐化。去尖锐元件66的脉冲输出68变窄至170fs。去尖锐的脉冲的持续时间在傅里叶变换限制的～16％之内。干涉计自校正示出在光谱的陡峭侧和结构上将出现显著的副瓣。然而，这些的量仅仅是脉冲能的～10％。 输出脉冲能是～2.7nJ，经损耗光栅54去尖锐化后，脉冲能为～1nJ。高效光栅或光子-带隙光纤去尖锐化可获得2nJ的脉冲能。实验显示该激光器时稳定的并可自启动的。除了尽可能仔细地确认激光器不是多脉冲的，脉冲峰功率还可与实验室可获得的完全特征化的飞秒激光器相比较。考虑到实验的不确定性，用由完全正常色散的激光器诱导的两个光子光电流准确地测量额定的峰功率，为5kW。 
激光器中的脉冲形成和演化的更详细的理解需要进一步的实验工作和理论分析。因为模拟的激光器与实验模型并不完全一致，因此将具体的计算值和测量值进行比较是不恰当的。然而，定性的甚至半定性的观察获得的激光器特性与通过光谱过滤获得的语气脉冲形状相一致。激光器30的性能决定性地取决于滤光器62，没有它的话将不会产生稳定的脉冲串。通过旋转滤光器62以改变中心波长，可消除尖锐的光谱特征，轻微地提高脉冲质量。当光谱改变时，输出脉冲上的尖锐化信号的大小将发生实质改变：脉冲持续时间改变接近1-2ps。 
由于具有标准的飞秒Yb掺杂的光纤激光器，光纤的机械干涉将几乎不影响锁模。在本发明的激光器中，还可能在不锁模的情况下接触和移动光纤，显示NPE在脉冲形成过程中的意义逐渐降低。模拟实验示出NPE相对于具有色散图的激光器来说重要性下降，但其对稳定脉冲的产生仍然是至关重要的。 
虽然已经参照优选实施例及其变型描述了本发明，但可以理解的是在不脱离权利要求确定的本发明的范围的情况下能对其作出大量其它变型和修饰。 

Claims (15)

1.一种产生飞秒脉冲宽度的光纤激光器，特征在于包括增益光纤以提高激光器谐振腔中的脉冲能，所述激光器谐振腔内无反常色散，且所述激光器谐振腔内的色散元件仅由具有正常群速色散的元件组成，所述谐振腔包括一个或多个色散元件，它们中的任一个均仅提供正常群速色散，所述激光器谐振腔至少包括：尖锐化元件，随着时间推移增宽所述谐振腔中的多频分量脉冲并扩展所述脉冲中的频率分量；以及带通滤光器，以通过仅包括选定中心频率周围的较窄范围内的频率分量的尖锐化脉冲的一部分，因而获得所述脉冲的自振幅调整，其中所述激光器还包括一脉冲去尖锐化元件，其连接在谐振腔外，接收由所述谐振腔输出的所述脉冲以把所述脉冲缩窄为飞秒的持续时间。
2.根据权利要求1的产生飞秒脉冲宽度的光纤激光器，其特征在于：所述谐振腔还包括一个或多个产生额外的所述脉冲的自振幅调整的元件，以稳定激光器和在启动期间协助激光器。
3.根据权利要求2的产生飞秒脉冲宽度的光纤激光器，其特征在于：所述的产生所述脉冲的额外的自振幅调整的一个或多个元件包括一个或多个选自非线性偏振演化(NPE)元件和饱和滤光器的元件。
4.根据权利要求1的产生飞秒脉冲宽度的光纤激光器，其特征在于：所述带通滤光器选自与一波片组合的干涉滤波器和双折射滤波器。
5.根据权利要求1的产生飞秒脉冲宽度的光纤激光器，其特征在于：所述去尖锐化元件选自一对衍射光栅和色散延迟线。
6.根据权利要求1的产生飞秒脉冲宽度的光纤激光器，其特征在于：所述尖锐化元件包括光波导。
7.根据权利要求6的产生飞秒脉冲宽度的光纤激光器，其特征在于：所述光波导是单模光纤(SMF)。
8.一种利用增益光纤在光纤激光器的激光器谐振腔中形成脉冲的方法，增益光纤能提高所述激光器谐振腔中的脉冲能，以及经由在所述谐振腔内仅有具有正常群速色散的色散元件，在所述谐振腔内无反常色散，有助于所述激光器产生飞秒脉冲宽度，所述谐振腔还包括一个或多个色散元件，它们中的任一个均仅提供正常群速色散，特征在于该方法包括以下步骤：使用谐振腔内的一尖锐化元件，通过随着时间推移增宽所述脉冲和扩展所述脉冲中的频率分量以使所述谐振腔中的多频分量脉冲尖锐化；以及用带通滤光器过滤所述尖锐的脉冲，该滤光器在激光器谐振腔内，并且与尖锐化元件分开，其仅通过一部分就仅具有选定中心频率周围的较窄范围内的频率分量的所述尖锐的脉冲；由此获得所述脉冲的自振幅调整。
9.根据权利要求8所述的形成脉冲的方法，其特征在于：所述使脉冲尖锐化的步骤包括使脉冲通过光波导。
10.根据权利要求9所述的形成脉冲的方法，其特征在于所述脉冲尖锐化步骤包括使脉冲通过单模光纤(SMF)部分。
11.根据权利要求8所述的形成脉冲的方法，其特征在于：过滤所述尖锐化脉冲的步骤包括使所述尖锐化脉冲通过选自与波片组合的干涉滤波器和双折射滤波器的组合的带通滤光器。
12.根据权利要求8所述的形成脉冲的方法，其特征在于：所述形成脉冲的方法还包括所述脉冲进行额外的自振幅调整的步骤。
13.根据权利要求12所述的形成脉冲的方法，其特征在于：所述脉冲进行额外的自调整的步骤包括使所述脉冲通过选自非线性偏振演化(NPE)元件和饱和滤光器的一个或多个元件。
14.根据权利要求8所述的形成脉冲的方法，其特征在于：在所述谐振腔中形成所述脉冲后，成型的脉冲从所述谐振腔输出并通过去尖锐化元件，缩窄该脉冲的持续时间。
15.根据权利要求14所述的形成脉冲的方法，其特征在于所述去尖锐化元件选自一对衍射光栅和一色散延迟线。
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