CN101877455B - 激光放大装置和激光放大方法 - Google Patents

Abstract

一种激光放大装置包括用于从待放大的有用信号产生作为输出信号(AS)的经放大激光发射的激光介质(5)以及具有用于将有用信号耦入激光介质(5)中的切换部件(9)的泵浦源(2)。激光介质(5)和切换部件(9)被形成和布置为将输入信号(ES)分割为有用信号和背景信号，该背景信号紧接在该待放大的有用信号的耦入之前和/或之后的时刻穿过该激光介质(5)。

Description

激光放大装置和激光放大方法

技术领域

本发明涉及激光放大装置和激光放大方法。

背景技术

很早以前现有技术的各种实施方式中就已经知道了超短脉冲激光系统，即，能够产生具有飞秒或皮秒范围的特征脉冲持续时间的激光脉冲的激光装置，飞秒和皮秒激光越来越多地被用于各种类型的应用。首先，这些应用总是需要较高的激光功率和激光脉冲能量；其次，这种特殊应用经常要求通过底层网络即通过作为很多独立脉冲的序列的脉冲链而基本随意地开启或关闭的可能性。为此目的使用了一般利用声光或电光切换机制的所谓的脉冲选择器(pulse picker)。然而，在几十瓦的相对高的功率下，这些脉冲选择器的使用不可避免地带来问题，因为在声光调制器的情况下由于需要聚焦而出现了过高的峰功率。取决于可以使用的晶体，电光调制器同样具有剩余吸收，使得它们在几十瓦的平均功率下的使用总是问题不断。另外，必须调节或设置的光学元件的处理是十分复杂的且易于在这种高功率下出错，例如，如果光束的入射点碰巧位于光学元件的边缘区域，则可能导致相应的损害。

克服这些问题的一种可能性是通过激光放大装置来放大较低功率的脉冲，即，功率低于产生问题的阈值的脉冲。几十瓦或甚至几百瓦的功率不再罕见。

因而，在具有例如掺Nd钒酸盐所拥有的高放大因子(即，用于小信号放大的有效截面和寿命的乘积σ·τ作为品质因子(FOM))的受激激光介质的情况下，在100W的泵浦功率下，即使在单程的情况下，仍可以提取50％的良好功率。例如，美国专利2005/0036532 A1中公开了相应的方法。

其他方法使用通过具有较低放大因子的材料的多程。因而，在总共9次通过Yb:YAG(具有比掺Nd钒酸盐明显更小的σ·τ)的情况下，仍可以获得约2W至＞400W的放大，因而在800W的泵浦功率下获得了大于400W的平均飞秒激光功率。

另一方法主要使用光纤激光放大器，在这种情况下，同样可以获得几十瓦或几百瓦范围的功率。然而，该方法需要复杂的啁啾脉冲放大概念以保持峰功率较低，从而避免损害。在这种装置中，激光介质例如由与上述材料相比具有更低放大因子的光纤形式的掺Yb玻璃组成。然而，因为模式并不发散(源于光纤属性)，而是可以在例如具有20至30μm单模芯径的所谓的LMA——大模场光纤中在几十厘米或几米的长度上保持模式恒定，所以获得的放大总数能够总是很高，例如，每一级100的因子。

然而，现有技术已知的方法存在这样的缺点：小信号放大基本高于在恒定操作中占优的饱和放大。其结果是明显更高的放大导致耦入的脉冲链的关闭。这通常首先会导致“剩余”或“寄生”激光发射(lasing)，即，由于低剩余反射或ASE-放大受激发射导致的来自放大器的不希望的一般连续的激光辐射的效果。其次，由于高反转导致的高放大，当开启耦入的脉冲链时，导致对第一脉冲的相对高的放大。最后，不相称的高放大可能导致第一脉冲或脉冲链具有接近或高于光学破环阈值的高(峰)强度。

迄今为止，考虑这些影响的方法都需要复杂的所谓“第一脉冲抑制”措施，其中第一耦入的脉冲极大地受到抑制，以最终获得期望的脉冲能量。

美国专利2008/0112041公开了一种包括两个谐振器的概念，其中通过经过相同激光介质的第二角度复用谐振器来确保当放大级关闭时第二谐振器运行且将激光介质中的反转保持为低。因此，可以避免在对待放大脉冲进行耦入时过高的放大，但是这种装置要求第二激光谐振器的操作。

美国专利6,009,110提出了一种具有复杂控制电子电路的概念，其中，当放大级关闭时，Q切换激光器仍以连续激光模式运行而放大器中的反转由此同样保持很低。当Q切换模式再次开启时，第一脉冲的功率的过冲就会减小。由于使用了下游频率转换，所以连续激光发射并不扮演重要角色，然而，它是其他应用中的缺点。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于产生飞秒或皮秒脉冲的改进激光放大装置或改进激光放大方法。

另一目的是提供这样一种激光放大装置，其具有很小的设计和脉冲放大操作复杂度，减小或抑制了放大介质中的过冲和下冲影响。

另一目的是提供一种用于产生飞秒或皮秒脉冲的激光放大装置或改进激光放大方法，其允许以低脉冲重复速率操作而不会达到光学损坏阈值。

另一目的是提供具有较高紧凑性和鲁棒性的激光放大装置。

另一目的是提供一种具有可选耦出脉冲，且对第一脉冲进行显著抑制的功能的激光放大装置。

这些目的分别通过权利要求1或12或者从属权利要求的主题或进一步发展解决方案获得。

本发明涉及一种尤其用于放大飞秒或皮秒脉冲的激光放大装置和一种激光放大方法，包括用于产生放大激光发射的激光介质，该放大激光发射典型地具有大于10W或甚至100W的平均功率。待放大的有用信号，即通常从脉冲链耦出的单个脉冲或者有限数目的单个脉冲，通过由泵浦源(尤其是激光二极管源)光学泵浦的激光介质。该过程的定时和切换通过用于将有用信号光学耦合到激光介质中的切换部件来实现。

根据本发明的成果基于使用源发射的方法，该源用于产生脉冲，还用于控制反转由此来控制激光介质的放大。由于这一原因，从馈入到放大器装置的输入辐射产生用于对激光介质中的反转进行控制由此对放大功能被关闭时(即，在没有要放大的有用信号的时间内)的放大因子进行控制的背景信号。通过该背景信号，激光介质可以连续保持在限定的饱和状态下，在该状态，有用信号被耦合从而进行放大，使得第一脉冲通常发生的过冲得以避免。输入信号兼作背景辐射和用于提供待放大有用信号的源。通过该方法，可以在任意时间且按需耦出放大的脉冲，而无需复杂的调节或控制。根据本发明的概念可以应用于多种放大器类型，例如，尤其在光纤放大级中应用于通过不同几何形状和介质的单程或多程。

根据本发明，激光介质和切换部件被形成和布置为：激光介质的饱和状态由背景信号产生，有用信号在存在该饱和状态的情况下耦入到激光介质中。输入信号的功率可以完全或以一定比例(例如，分割为输入信号功率的80％和20％)在有用信号和背景信号之间来回切换，在两种情况下，有用信号和背景信号的功率之和是恒定的且对应于输入信号的功率。因而，例如，在关闭状态期间，输入信号的总功率可以作为背景信号经由第一光束路径馈入到激光介质中，导致此处所述的饱和。在激光介质中经放大的背景信号随后进入到光阱中，使得没有激光离开放大系统。

为了放大有用信号，此时将输入信号作为有用信号经由第二不同光束路径传递，该第二光束路径同样通过激光介质，但是随后作为可用发射离开放大器，即，与经放大的背景信号不同，并不进入到光阱中。因为在两种情况使用了相同的输入信号，所以两种情况下辐射的属性基本相同。而且，切换过程可以通过单一部件来实现，从而必然发生同步而无需两个辐射源的复杂且昂贵的实现和控制并且无需谐振器。

除了输入信号的功率在背景信号和有用信号之间的完全切换之外，还可以实现两个信号上的功率分割，使得总是存在每个信号的某一最小功率。通过切换过程或者用于将有用信号耦入到激光介质内的过程，该比例反被转。

合适的切换部件可以是电光和声光调制器形式，基于偏振、光束方向和/或它们离开切换部件的出射角来确保两个信号的可分离性。如果使用了两个信号的不同偏振，则这些信号可以至少部分地经由公共光束路径来传递，结果是激光装置获得了较简单的设计。如果激光介质中两个不同信号的分离或分离性是可能的，则两个光束路径还可以具有部分相同的三维行程。这种分离性例如可以通过不同的三维行程、相对的光束和传播方向、不同的频率和/或不同的偏振方向或基于其他光束参数来实现。

一般而言，在所有实施方式中，输入信号可以是连续激光光束或任意脉冲长度(例如，同样在纳米范围)的脉冲激光光束。具体而言，对于飞秒或皮秒激光器的脉冲链存在适用性，该脉冲链是模式耦合的或通过Q切换模式耦合，其中具有作为时间函数的预定能量特性的各个脉冲或限定脉冲序列然后被用作有用信号。

附图说明

下面将参照附图中示意性示出的可用实例，纯粹通过举例的方式来更加详细地描述或阐述根据本发明的激光放大装置和根据本发明的激光放大方法。

图1示出了根据本发明的激光放大装置的第一可用实例的示意图；

图2A示出了第一可用实例的分割激光介质的第一实例的示意图；

图2B示出了第一可用实例的分割激光介质的第二实例的示意图；

图3示出了根据本发明的激光放大装置的第二可用实例的示意图；

图4示出了根据本发明的激光放大装置的第三可用实例的示意图；

图5示出了根据本发明的激光放大装置的第四可用实例的示意图；

图6示出了根据本发明的激光放大装置的第五可用实例的示意图；

图7示出了根据本发明的激光放大装置的第六可用实例的示意图；

图8示出了根据本发明的激光放大装置的第七可用实例的示意图；

图9示出了根据本发明的激光放大装置的第八可用实例的示意图；

图10示出了根据本发明的激光放大装置的第九可用实例的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的激光放大装置的第一可用实例的示意图，该激光放大装置包括用于根据待放大的有用信号来产生经放大的激光发射AS的激光介质5。该激光介质通过泵浦源2(尤其是激光二极管源)来泵浦。泵浦源2的辐射经由透镜3和二向色性分束器4耦合到背景信号和有用信号的公共光束路径中，使得在本实例中激光介质5通过其端面来泵浦。

电光调制器被用作切换部件，通过旋转输入信号ES的偏振方向将待放大有用信号耦合到激光介质5中。因而，通过改变施加在切换部件1处的电压，可以根据需要来改变耦合到放大装置中的输入信号ES的偏振，例如，从施加零电压时的p偏振变化为适当施加了半波偏压时的s偏振。与下游偏振器一起，便会形成常规的所谓的脉冲选择器装置。这种装置例如使用β硼酸钡(BBO)作为电光调制器或“泡克耳斯盒”以及薄膜偏振器或作为下游偏振元件的偏振分束器管的材料。取决于设计和所需电压，合适的高压电子电路可以获得用于切换到1MHz或更高的脉冲选择速率的高压脉冲。后者基本上取决于晶体高度或长度(根据电压是纵向还是横向施加)，因此也取决于可能的聚焦。此处，很明显，在几十或几百瓦的极高功率下，会更快速地到达脉冲重复速率的限值，因此放大器之前的脉冲选择不仅在较低功率的较简单处理方面有优势，而且在可获得脉冲切换频率方面也有优势。通过在偏振状态之间来回切换，在公共光束路径到达激光介质5或薄膜偏振器6的情况下，输入信号ES首先用作有用信号随后用作背景信号。根据本发明，可选的p或s偏振输入激光辐射因此并不在放大器装置或激光介质5之前被分离，而仅是在其后被分离。此处使用的p(平行)和s(径向)偏振的名称在术语学上还对应于h(水平)和v(垂直)偏振的常规名称。

根据本发明，可以不使用电光调试器而使用零阶和一阶具有不同偏振的声光调试器。

偏振分束器光学系统可用于极高的功率，具有大的孔径，使得其使用即使在几百瓦也没有什么技术问题，还容易实施。

在选择激光放大器时，应当确保在激光介质5中实现两个偏振s和p且确保期望的反转消除。在激光晶体作为激光介质5的情况下，可以首先选择取向，使得两个偏振方向有相同的饱和效果，即，相同的有效截面σ(以及相同的寿命)，或者可以实现为一种折衷：具有不同的有效截面σ，但对于两个偏振方向其中之一，不完全但至少可以获得对第一脉冲问题的最大程度的可能抑制。例如，对于掺Nd钒酸盐就是这样，其中偏振有利地沿着c轴方向，因为其被最大程度地放大。然而，其他偏振方向则不可避免地沿着两个其他a轴之一且具有较小的放大与饱和。然而，另选的是，还可以选择其中两个偏振都沿a轴的晶体取向。背景信号因而引起了激光介质5的饱和状态，通过对偏振进行切换，有用信号被耦合到饱和状态的激光介质5中。因此在两个状态下，激光介质5都以基本相同的饱和状态工作。

因此，取决于切换状态，在切换部件1之后，存在水平或垂直偏振或者p或s偏振。作为这种设计和选择序列的结果，激光介质5和切换部件1被形成且布置为，使得输入信号ES分割成发生不同偏振的有用信号和背景信号，通过适当致动切换部件1，背景信号能够刚好在耦入待放大有用信号之前和/或之后通过激光介质5。与常规脉冲选择器装置相比，根据本发明，在激光介质5之后布置了用于信号分离的薄膜偏振器6。取决于切换部件1的切换状态由此取决于偏振方向，此时用作有用信号的输入信号ES在其放大之后作为输出信号AS耦出该装置，或者以不同的偏振作为背景信号进入光阱7。

图2A和2B示出了分割激光介质的两个实例，该实例可以在根据本发明的激光放大装置中使用。然而，分割激光介质的概念是一种独立于根据本发明的激光放大装置或根据本发明的激光放大方法的解决方案，也可以在其他装置和方法中使用，尤其可以在超短脉冲激光器系统中使用。除了激光介质之外，这种激光装置或激光放大装置典型地还具有用于对激光介质进行光学泵浦的泵浦装置、用于耦入或耦出激光脉冲的切换部件以及-取决于设计-某些环境下的谐振器。在这个意义上，激光介质的这些设计独立于所述的发明。

本特定配置的目的是使得具有各向异性的激光介质对于特性或信号参数关于现有的各向异性不同的两个或更多信号具有调适的功耗。此处。两个部件中的功耗可以相同或可以刻意保持不同。

为此，激光介质具有包含激光放大材料的至少两个部件；在图2A所示的第一变型例中，该至少两个部件取向不同，具体来讲是关于其各向异性方向(即关于这种各向异性存在的方向)彼此旋转。

图2B中示出的另一变型例同样基于激光介质向至少两个部件的分割，但是使用了光学部件来改变(具体来讲是旋转)在关于其各向异性的有效方向上经过第一和第二部件之间的激光介质的两个信号的光束路径。

然而，两种方法，即，使用信号的未改变光束路径的部件的旋转或改变或者使用部件的未改变各向异性方向的光束路径的旋转或变化，也可以通过改变激光介质的部件之间的光束路径和各向异性方向二者而进行组合。因而，例如，同样在三部件激光介质的情况中，通过改变光束路径，信号取向(例如，偏振方向)可以在前两个部件之间旋转，且第二和第三部件的各向异性方向可以在第二分割处在后两个部件之间变化。同样，信号取向以及部件取向也可以同时在一个分割处改变，即，在两个部件的过渡点改变。

另外，可以为激光介质的部件选择不同掺杂或长度或几何形状。通过由此提供的这些自由度，可以经由激光介质或其部件确立期望的功耗或者饱和行为。

下面，纯粹通过示例的方式在图2A和2B中例示了用于不同偏振方向的信号成分的偏振分离光束路径(即，空间公共光束路径)的激光介质的两部分实施方式。

图2A示出了第一可用实例的分割激光介质5’的第一实例的示意图。在该实例中，掺Nd钒酸盐被用作激光介质5’的材料，两个相同部件5a和5b并排布置，但是采用了不同的取向。在这种情况下，第一部件5a取向为平行于p偏振的各项异性方向，而第二部件平行于s偏振。因而，与切换状态(即偏振方向的旋转)无关，得到了这两个偏振方向的恒定的饱和或者对不同饱和行为的减小或防止。

因而，在某一长度之后，即例如在前一半或前三分之一之后，发生了晶体的取向变化。直到此处，晶体被取向为c轴水平而a轴垂直，此后互换。优选地利用部件之间的减反涂层，或者通过连接到单个部分，可以用分离的方式实现两个分离激光晶体部分的这种布置。这种连接(可选地同样具有减反涂层)可以通过现有技术中的键合技术(例如，扩散键合、光学键合等)来实现，结果是晶体仍表现为单个光学元件。

图2B示出了激光介质5”的备选变型例，相对于激光放大器装置的第一可用实例，相同且取向相同的两个部件5a之间的偏振方向发生旋转而成为分割激光介质5”的第二实例。此处，实现偏振方向旋转的元件5c布置在隔开的相同取向的部件5a之间。通过将部件5a连接到晶体部分之间的偏振旋转涂层，该变型例也可以在单片设计中实现。

图3中示出了根据本发明的激光放大装置的第二可用实例。在该实例中，不是使用电光调制器，而是使用声光调制器作为切换部件9，使得有用信号和背景信号可以基于其出射角在调制器之后彼此分离。输入信号ES经由透镜8耦入声光调制器，这通过具有来自切换部件9的不同出射角的两个切换状态限定了用于背景信号和有用信号的两个分离的光束路径SG1和SG2。在第一切换状态下，输入信号ES经由透镜10和二向色性分束器4作为背景信号在第一光束路径SG1中传递，该二向色性分束器4用于将源于泵浦源2的泵浦光耦入实现饱和的激光介质5。离开激光介质5之后，放大的背景信号进入到存在于第一光束路径SG1中的光阱7中。

通过将切换部件9切换到不同的切换状态，输入信号ES此时作为有用信号经由光束路径SG2进入到激光介质5中。该路径同样具有透镜10和二向色性分束器4，但是放大的有用信号在离开激光介质5之后经由准直透镜11传递且作为输出信号AS从装置射出。在该装置中，有利地是，通过激光介质的受激部分来发送角度分离尽可能小的两个激光光束，使得激光介质5内两个光束路径SG1和SG2基本覆盖了相同的区域。

然而，在一个变型例中，根据本发明，该装置还可以被设计为使得输入信号不仅完全传递到两个备选光束路径之一中，而且实现了功率在各个光束路径上的分割，使得其间存在渐变状态，例如，输入信号ES的20％的功率在有用信号中而80％的功率在背景信号中。在进行切换来发射经放大的输入信号时，该比例应反转，即，输入信号ES的80％的功率在有用信号中而20％的功率在背景信号中。

在该实例中，同样，如图1所示，在作为放大元件的激光介质5之前，再次实施脉冲选择。

根据本发明，可以不使用声光调制器，而是使用被施加电压时改变出射光束的出射角的电光偏转器。

图4示出了第三可用实例的示意图，该第三可用实例包括作为切换部件9’和有用信号与背景信号的偏振相关分离的声光调制器。在该实例中，同样，输入信号ES经由透镜8传递到作为切换部件9’的声光调制器，这进而限定了具有不同出射角的两个光束路径。在这两个光束路径之一中，半波片12布置在切换部件9的下游，使得经由该光束路径馈入的信号的偏振通过所述半波片而旋转。在半波片12之后，有用信号和背景信号的两个光束路径经由包含镜和分束器管的元件13而再次组合，从而后面的布置对应于图1的实例，且在激光介质5之后，通过薄膜偏振器6可以基于有用信号和背景信号的不同偏振来实现它们的分离。在该实例中，背景信号经由半波片12馈入且与初始偏振相比偏振方向发生了改变。然而，根据本发明，还可以经由该光束路径传递有用信号，在这种情况下，背景信号无偏振变化地直接传递到激光介质5。

该第三可用实例实现了图1和图3的两个上述可用实例的组合：首先，技术上较为简单的声光调制器被用于脉冲选择；其次，两个信号，即有用信号和背景信号此后通过偏振耦合而叠加。这得到了以下优点，一方面电子装置较简单，另一方面倘若所有上述放大器装置都放大两个偏振方向，就可以灵活地使用上述放大器装置。然后再次通过偏振分束器进行分离，或者在该实例中，在作为放大级的激光介质5之后或者可选地在多个这种放大级的末尾通过薄膜偏振器6来进行分离。

在该装置中，通过本领域技术人员已知的该光学系统的适当实施方式，还可以是这样的：两个光束可以通过偏振耦合而叠加以在两个偏振信号或光束路径之一中建立更大或更小的光束直径，从而针对各自偏振方向来补偿所有较小的有效截面σ，且获得与另一偏振方向相同或基本相同的饱和。

还可以是这样的，通过本领域技术人员已知的光学系统的适当实施方式，在两个偏振信号或光束路径之一中引入衰减，以针对各自偏振方向补偿所有较高有效截面σ的影响，且最终在放大级再次获得基本独立于切换状态的恒定反转。

图5示出了作为激光光纤放大器的第四可用实例的示意图，其中，该激光光纤放大器包括作为激光介质的光纤14，该光纤通过泵浦源2从一端被泵浦，该泵浦源2具有包括两个透镜3和15以及一个二向色性分束器4的光学系统。在该实例中，所谓的PM光纤被用作保偏光纤，其可用于根据图1的第一可用实例的电光调制器或根据图4的第三可用实例的声光调制器，在声光调制器中，在以取决于角度的方式分离的两个光束路径之一中的偏振改变部件要连接到激光介质14的上游。使用的光纤还可以是允许更高的单膜芯径且因此允许更高的(峰)功率的所谓的“棒型”光纤或所谓的光子晶体光纤。

图6示出了根据本发明的激光放大装置的第五可用实例的示意图，其包括作为切换部件9’的具有三个切换状态的声光调制器。在该第五可用实例中，和根据图3的第二可用实例一样，使用了声光调制器，但是该实例还通过具有协调出射角的三个切换状态限定了三个不同的光束路径。两个光束路径以类似于根据图3的装置的方式被用于有用信号和背景信号，而第三光束路径-无需激光介质5-直接被引入到光阱7’中。因而，该光束路径相对于激光介质5被光学中断，且不导致经由该路径传递的信号被放大。输入信号ES因此可以作为有用信号或作为背景信号穿过激光介质5或被直接馈入到光阱7’中。

为了实现这三个切换状态，声光调制器可以被致动为具有两个不同频率f₁和f₂的切换部件9’，其中f₁实现了光束偏转到ON状态或变成有用信号，而f₂实现了光束偏转到光阱7’中。因而，还存在这种可能性：在激光介质5中产生完全或至少基本反转的状态，该状态在现有技术解决方案中出现。因而，通过以T为周期对输入信号进行这种有目的的偏转而进入到光阱7’中，进一步使得激光介质5存储的能量增加了对应于激光介质5中持续时间与泵浦功率的乘积的能量数，这是因为，在该周期T内不需要反转。在任意情况下，对于明显比激光介质的高电平的寿命短的周期，持续时间与泵浦功率的乘积在掺Nd钒酸盐的情况下是100μs范围内的良好近似，在Yb:KYW的情况下该范围为300μs而在Yb:YAG的情况下该范围为1ms。T消逝之后立即被输入到有用信号中的第一脉冲因而遭遇了过冲反转因此还还遭遇了过冲放大，造成该脉冲的能量在有用光束中相应地较高。出于介绍的原因，图6中没有示出透镜8以外的其他透镜元件；然而，取决于所需的光束半径，这种透镜元件可以适当地插入在光束路径中。

因此，这种装置实现了一种可以同时实现两组规格的激光放大器：

(1)一方面，高频脉冲序列(例如kHz～MHz范围)和高频切换(即MHz范围的脉冲轮询)，且具有放大器连续高饱和和恒定的负载，以及

(2)另一方面，低频脉冲序列(例如Hz～kHz的范围)和低频切换(即，kHz范围的脉冲轮询)，且具有相对较高的反转和放大。

图7示出了根据本发明的激光放大装置的第六可用实例的示意图，该激光放大装置具有紧凑设计和对应于第三可用实例的切换原理。使用的切换部件9同样是具有下游半波片12的声光调制器，使得可以基于偏振来分离有用信号和背景信号。然而，有用信号的光束以折叠方式经由一系列镜16、穿过激光介质5的光束路径被引导，并且在薄膜偏振器6’之后与背景信号叠加。

图8中示出了作为根据本发明的激光放大装置的第七可用实例的切换部件17的另一备选方案。使用类似于第六可用实例且具有多个镜16、共线声光可调滤波器(共线各向异性AOTF)的折叠和压缩光束路径，使得有用信号和背景信号具有不同的p和s偏振且相应地可分离。

图9和图10示出了根据本发明的激光放大装置的第八和第九可用实例，其中在每一种情况下，信号的可分离性都通过其光束方向和激光介质5来实现。为此，具有相同偏振但是不同方向的有用信号和背景信号经由具有半波片12的法拉第绝缘体18被传递到激光介质5。取决于切换部件的切换状态并因此取决于偏振方向，此时用作有用信号的输入信号ES在其被放大之后作为输出信号AS耦出该装置，或者在不同偏振的情况中，作为背景信号被传递到光阱7中。此处，第八和第九可用实例在切换处理和切换部件的配置方面有所不同。在两种情况下，具有相同偏振方向的有用信号和背景信号的辐射都通过激光介质5，使得各向异性介质中的不同饱和从一开始就得以避免。

因而，在图9中使用的切换部件9是声光调制器，其零阶作为用于背景辐射的第一切换状态直接经由法拉第绝缘体被传递到激光介质5中且随后进入到光阱7中。在第二切换状态下，有用系统的相关光束路径经由另一法拉第绝缘体18从相对端经由一系列镜16传递到激光介质5中且随后作为激光放大器装置的输出信号As被输出。

另一方面，使用基本与激光介质中有用信号和背景信号相反的光束方向的相同概念，图10中示出的根据本发明的激光放大器装置的第九可用实例使用电光调制器作为切换部件1。这在切换时可以旋转偏振方向，使得可以通过薄膜偏振器6来分离有用信号和背景信号。在经由一系列镜16偏转之后，通过偏振方向的旋转而切换的有用信号必须再次通过半波片12旋转，使得它在偏振方向与背景信号相同的情况下经过激光介质5。

在图9或图10中，仅为简单起见，均没有示出用于激光介质的泵浦装置。然而，所述泵浦装置可以按类似于其他实施方式的方式集成到设备中。

这些实例仅被示意性示出且用于说明根据本发明的激光放大器装置，没有精确再现、按精确比例地绘制部件之间的相对大小、距离或角度。

Claims (47)

1.一种激光放大装置，其特征在于该激光放大装置至少包括：

激光介质（5，5’，5”，14），其用于从待放大的有用信号产生作为输出信号（AS）的经放大激光发射，，

泵浦源（2），其用于对所述激光介质（5，5’，5”，14）进行泵浦，切换部件（1，9，9’，17），其用于将所述有用信号耦入到所述激光介质（5，5’，5”，14）中，

其中，激光介质（5，5’，5”，14）和切换部件（1，9，9’，17）被形成和布置为使得：将输入信号（ES）分割为所述有用信号和背景信号，所述背景信号在紧接所述待放大的有用信号的耦入之前和/或之后的时刻穿过所述激光介质（5，5’，5”，14）。

2.根据权利要求1所述的激光放大装置，其中，所述激光放大装置用于放大皮秒和飞秒脉冲。

3.根据权利要求1所述的激光放大装置，其中，所述输出信号（AS）具有大于10W或100W的平均功率。

4.根据权利要求1所述的激光放大装置，其中，所述泵浦源是激光二极管源。

5.根据权利要求1所述的激光放大装置，其中，所述有用信号功率与背景信号功率之和恒定。

6.根据权利要求1到5中任意一项所述的激光放大装置，其中，激光介质（5，5’，5”，14）和切换部件（1，9，9’，17）被形成和布置为使得：由所述背景信号来产生所述激光介质（5，5’，5”，14）的饱和状态，所述有用信号是在出现所述饱和状态时被耦入所述激光介质（5，5’，5”，14）中的。

7.根据权利要求1到5中任意一项所述的激光放大装置，其中，所述输入信号（ES）的功率可以完全或者以一定比例在有用信号与背景信号之间来回切换。

8.根据权利要求6所述的激光放大装置，其中，所述输入信号（ES） 的功率可以完全或者以一定比例在有用信号与背景信号之间来回切换。

9.根据权利要求1到5中任意一项所述的激光放大装置，其中，有用信号和背景信号可以基于出射角、在所述激光介质（5）中的光束方向或偏振而彼此分离。

10.根据权利要求6所述的激光放大装置，其中，有用信号和背景信号可以基于出射角、在所述激光介质（5）中的光束方向或偏振而彼此分离。

11.根据权利要求7所述的激光放大装置，其中，有用信号和背景信号可以基于出射角、在所述激光介质（5）中的光束方向或偏振而彼此分离。

12.根据权利要求8所述的激光放大装置，其中，有用信号和背景信号可以基于出射角、在所述激光介质（5）中的光束方向或偏振而彼此分离。

13.根据权利要求1到5中任意一项所述的激光放大装置，其中，所述输入信号（ES）的分割是通过所述切换部件（1，9，9’，17）来实现的。

14.根据权利要求6所述的激光放大装置，其中，所述输入信号（ES）的分割是通过所述切换部件（1，9，9’，17）来实现的。

15.根据权利要求7所述的激光放大装置，其中，所述输入信号（ES）的分割是通过所述切换部件（1，9，9’，17）来实现的。

16.根据权利要求8所述的激光放大装置，其中，所述输入信号（ES）的分割是通过所述切换部件（1，9，9’，17）来实现的。

17.根据权利要求9所述的激光放大装置，其中，所述输入信号（ES）的分割是通过所述切换部件（1，9，9’，17）来实现的。

18.根据权利要求10所述的激光放大装置，其中，所述输入信号（ES）的分割是通过所述切换部件（1，9，9’，17）来实现的。

19.根据权利要求11所述的激光放大装置，其中，所述输入信号（ES）的分割是通过所述切换部件（1，9，9’，17）来实现的。

20.根据权利要求12所述的激光放大装置，其中，所述输入信号（ES） 的分割是通过所述切换部件（1，9，9’，17）来实现的。

21.根据权利要求13所述的激光放大装置，其中，所述切换部件（1，17）是：

－电光调制器，

－声光调制器，其中零阶和一阶具有不同的偏振，或者

－声光可调滤波器，，

有用信号和背景信号可基于它们的不同偏振来分离。

22.根据权利要求21所述的激光放大装置，其中所述声光可调滤波器是共线声光可调滤波器。

23.根据权利要求21或22所述的激光放大装置，其中，所述激光介质（14）是保偏光纤。

24.根据权利要求21或22所述的激光放大装置，其中，有用信号和背景信号在所述激光介质（5，5’，5”，14）中的偏振方向被选择为使得两个偏振方向产生相同的饱和效果。

25.根据权利要求23所述的激光放大装置，其中，有用信号和背景信号在所述激光介质（5，5’，5”，14）中的偏振方向被选择为使得两个偏振方向产生相同的饱和效果。

26.根据权利要求21或22所述的激光放大装置，其中所述激光介质（5’，5”）具有偏振相关的各向异性方向且包括至少两个部件，

－所述至少两个部件（5a，5b）相对于彼此旋转地取向，和/或

－有用信号和背景信号的偏振方向的旋转是在所述至少两个部件（5a）之间实现的。

27.根据权利要求23所述的激光放大装置，其中所述激光介质（5’，5”）具有偏振相关的各向异性方向且包括至少两个部件，

－所述至少两个部件（5a，5b）相对于彼此旋转地取向，和/或

-有用信号和背景信号的偏振方向的旋转是在所述至少两个部件（5a）之间实现的。

28.根据权利要求24所述的激光放大装置，其中所述激光介质（5’，5”）具有偏振相关的各向异性方向且包括至少两个部件， 

－所述至少两个部件（5a，5b）相对于彼此旋转地取向，和/或

－有用信号和背景信号的偏振方向的旋转是在所述至少两个部件（5a）之间实现的。

29.根据权利要求25所述的激光放大装置，其中所述激光介质（5’，5”）具有偏振相关的各向异性方向且包括至少两个部件，

－所述至少两个部件（5a，5b）相对于彼此旋转地取向，和/或

－有用信号和背景信号的偏振方向的旋转是在所述至少两个部件（5a）之间实现的。

30.根据权利要求1至5中任一项所述的激光放大装置，其中，所述切换部件（9，9’）是：

－声光调制器，或

－电光偏转器，

其具有出射角不同的至少两个切换状态，这些切换状态在每种情况下与有用信号和背景信号，都是协调的。

31.根据权利要求30所述的激光放大装置，其中所述切换部件具有出射角不同的至少两个切换状态，这些切换状态在每种情况下与下游半波片（12）和有用信号与背景信号的光束路径组合都是协调的。

32.根据权利要求6所述的激光放大装置，其中，所述切换部件（9，9’）是：

－声光调制器，或

－电光偏转器，

其具有出射角不同的至少两个切换状态，这些切换状态在每种情况下与有用信号和背景信号，都是协调的。

33.根据权利要求7所述的激光放大装置，其中，所述切换部件（9，9’）是：

-声光调制器，或

－电光偏转器，

其具有出射角不同的至少两个切换状态，这些切换状态在每种情况下与有用信号和背景信号，都是协调的。 

34.根据权利要求9所述的激光放大装置，其中，所述切换部件（9，9’）是：

－声光调制器，或

－电光偏转器，

其具有出射角不同的至少两个切换状态，这些切换状态在每种情况下与有用信号和背景信号，都是协调的。

35.根据权利要求13所述的激光放大装置，其中，所述切换部件（9，9’）是：

－声光调制器，或

－电光偏转器，

其具有出射角不同的至少两个切换状态，这些切换状态在每种情况下与有用信号和背景信号，都是协调的。

36.根据权利要求30所述的激光放大装置，其中，所述声光调制器（9’）或者所述电光偏转器具有三个切换状态，属于这三个切换状态之一的光束路径相对于所述激光介质（5，5’，5”，14）被光学中断。

37.根据权利要求36所述的激光放大装置，其中所述声光调制器（9’）或者所述电光偏转器具有三个切换状态，属于这三个切换状态之一的光束路径是通过光阱（7、7’）相对于所述激光介质（5，5’，5”，14）被光学中断。

38.一种针对待放大的输入信号（ES）的激光放大方法，用于放大飞秒或皮秒脉冲，该方法包括至少以下步骤：

对激光介质（5，5’，5”，14）进行光学泵浦，

将待放大的有用信号耦入所述激光介质（5，5’，5”，14）中，

通过所述激光介质（5，5’，5”，14）产生作为输出信号（AS）的经放大激光发射，，

其特征在于，将输入信号（ES）分割为所述有用信号和背景信号，所述背景信号在紧接所述待放大的有用信号的耦入之前和/或之后的时刻穿过所述激光介质（5，5’，5”，14）。

39.根据权利要求38所述的激光放大装置，其中所述输出信号（AS） 具有大于10W或大于100W的平均功率。

40.根据权利要求38所述的激光放大装置，其中有用信号功率和背景信号功率之和恒定。

41.根据权利要求38到40中任一项权利要求所述的激光放大方法，其中，由所述背景信号来产生所述激光介质（5，5’，5”，14）的饱和状态，所述有用信号是在出现所述饱和状态时被耦入所述激光介质（5，5’，5”，14）中的。

42.根据权利要求38到40中任一项权利要求所述的激光放大方法，其中，所述输入信号（ES）的功率完全或者以一定比例在有用信号与背景信号之间来回切换。

43.根据权利要求41所述的激光放大方法，其中，所述输入信号（ES）的功率完全或者以一定比例在有用信号与背景信号之间来回切换。

44.根据权利要求38到40中任一项权利要求所述的激光放大方法，其中，基于出射角、在所述激光介质（5）中的光束方向或偏振来彼此分离有用信号和背景信号。

45.根据权利要求41所述的激光放大方法，其中，基于出射角、在所述激光介质（5）中的光束方向或偏振来彼此分离有用信号和背景信号。

46.根据权利要求42所述的激光放大方法，其中，基于出射角、在所述激光介质（5）中的光束方向或偏振来彼此分离有用信号和背景信号。

47.根据权利要求43所述的激光放大方法，其中，基于出射角、在所述激光介质（5）中的光束方向或偏振来彼此分离有用信号和背景信号。 

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