CN102273027A - 在光纤脉冲放大系统中使用的巨型线性调频振荡器 - Google Patents

Abstract

正常色散光纤激光器采用其中存在耗散孤子的参数来运行，具有引人注目的大的脉冲宽度和线性调频，以及大的脉冲能量。生成具有大的线性线性调频的脉冲的低重复率振荡器因此可以替代在线性调频脉冲光纤放大器中的标准振荡器、展宽器、脉冲选择器和预放大器。

Description

在光纤脉冲放大系统中使用的巨型线性调频振荡器

【政府资助陈述】

本发明的工作是由国家科学基金以资助号为No.ECS-0701680项目和国家健康协会以资助号为No.EB002019项目来支持的。政府对于本发明具有一定的权利。

【发明背景】

1.技术领域

本发明主要涉及短脉冲放大技术，该技术采用一种产生具有比已知光纤振荡器大得多的线性调频脉冲的激光振荡器，以降低整个系统设计的复杂性。

2.背景技术

从实际应用的光纤源产生能量在1μJ以上的飞秒(10^-15秒)脉冲需要一个或多个放大级。为了避免放大器中过度的非线性相位累积，采用大模场光纤(large-mode-areafiber)以及线性调频脉冲放大(chirped-pulse amplification，CPA)。典型的光纤CPA系统包含振荡器、展宽器(stretcher)、一个或多个预放大器、大模放大器(large-mode amplifier)和脉冲选择器(pulse-picker)，用来优化对可用功率的利用以及使重复率降低到适合于特定应用的程度。在光纤CPA系统方面已有很大进展，尽管它们有很大的潜在优点，但至今为止它们仍然几乎没有开始在应用中取代固态仪器。存在明确的动机来简化系统，以便更好地利用光纤的优点，特别是更大的集成度和更低的花费。

更具体地，已知的短脉冲光纤放大器采用低能量、短脉冲和高重复率的振荡器，在脉冲能够被放大到有用能级之前，振荡器的输出必须进行实质上的修整。首先，展宽器被用来将来自振荡器的输出脉冲展宽到大于100皮秒的脉宽。这种展宽对于避免在以后的放大级中出现有害的非线性相位累积是必需的，脉冲能量保持低水平，以避免在展宽器中出现非线性相移。然后，使用脉冲选择器来降低重复率，以便针对由可用泵浦功率所限制的、给定平均放大器功率得到更大的每一脉冲能量。修整过的脉冲然后被放大，并最后被压缩回到接近于变换限制(transform-limited)的脉宽(例如，在几百飞秒的数量级)。通常需要几个预放大级来达到想要的总增益，该总增益可以高达10⁷。与另外想要的基于CPA的系统相比较，低功率振荡器、脉冲展宽器、有损耗且花费大的脉冲选择器和几个放大级的使用，呈现出花费大且低效的缺点。显然需要更经济的CPA系统设计。

【发明内容】

本发明通过提供只需要振荡器、一个或多个放大器和压缩器的基于CPA的脉冲放大系统来满足上述需求。这通过使用以大脉冲能量、大脉冲宽度和巨型的线性调频脉冲为特征的光纤振荡器的新运行模式来完成。由于有巨型的线性调频，不需要在振荡器外部设置展宽器，因为非线性相位累积的影响将是小的。结果，振荡器的能量可以是高的，并可以代替预放大级。最后，振荡器可被设计成具有非常低的重复率(例如，小于10MHz)，由此消除对于有损耗且花费大的脉冲选择器的需求。

振荡器设计的关键是选择振荡器部件的特性，包括单模光纤(SMF)的长度和振荡器腔体中的频谱滤波器的带宽，以使得振荡器具有固有的更低重复率，并使大于10皮秒²的群速色散(group-velocity dispersion)作用于所产生的脉冲。这导致脉冲的线性调频，该线性调频在比通常在从前的光纤振荡器中作用于脉冲的线性调频大1个或2个等级的数量级。因此，词组“巨型线性调频”在这里被用来描述最终得到的振荡器输出脉冲的这种关键特性。典型地，高能量、巨型线性调频输出脉冲将具有100皮秒或更长的脉宽，这消除了对于外部脉冲展宽器的需求，并因此允许在振荡器中使用提高的能级。巨型线性调频脉冲可以容易地通过任何合适的压缩器解线性调频(dechirp)而降回到几百飞秒(例如，在1皮秒或更小的数量级)。结果，不使用外部脉冲展宽器和选择器，且更少地需要多个放大级就得到具有高能量的短脉冲。

【附图简要说明】

通过结合以下被简要描述的附图所作的、对本发明优选实施例的详细说明，本发明的特征和优点将变得显而易见。

图1是结合按照本发明的优选实施例构建的巨型线性调频振荡器(GCO)的线性调频脉冲放大器系统的示意图。

图2是显示作为归一化分散函数的许多精确解归一化脉冲参数的变化的曲线图。

图3a和3b是显示采用实际参数的GCO仿真的曲线图，图3a显示振荡器频谱，图3b显示解线性调频脉冲(线性调频脉冲被显示在小图上)。

图4a-4d是显示在按照优选实施例构建并且在长线性调频脉冲模式下运行的GCO上进行实验而得到的结果的曲线图。图4a显示振荡器频谱；图4b显示由具有50皮秒分辨率的检测器测量的振荡器脉冲(脉冲右面的附加信号是由于来自电缆的容性振铃(capacitive ringing))；图4c，实线显示被放大的频谱，虚线显示被放大的自发辐射谱；以及图4d显示被放大且解线性调频的脉冲的自相关。显示了假设去卷积因子为1.5的脉冲宽度。轨迹是非对称的，因为脉冲宽度接近于自相关器中的延时极限。

图5a-5d是显示窄带宽模式的曲线图。图5a显示振荡器频谱；图5b显示振荡器脉冲；图5c显示被放大的频谱；以及图5d显示被放大且解线性调频的脉冲的强度自相关，该脉冲对于干涉测量而言太长。

【具体实施方式】

正如之前指出的，光纤放大器系统的主要的新部件是振荡器。下面将首先讨论第一优选实施例的细节，随后是对可能变化例的讨论。图1中显示了按照本发明的第一优选实施例构建的光纤振荡器10的示意图。振荡器10包括Yb掺杂的增益光纤12，它以1030nm的波长发射。应当指出，许多不同的掺杂浓度都适用于该装置。振荡器设计在概念上类似于以前例如在2008年9月4日公布的、题目为“All-Normal-Dispersion Femtosecond Fiber Laser(全正常色散飞秒光纤激光器)”的国际专利申请公布文本WO 2008/105833中描述的完全正常色散激光器。然而，本发明中的光纤分段倾向于比在‘833申请和其它现有产品中的光纤分段长得多，以便得到想要的低重复率和引入优化脉冲成形所需的正常群速色散(GVD)。更具体地，在单向环形腔体18中，单模光纤(SMF)14的长的(例如，大于10米)分段在增益光纤12的前面，并且SMF 16的短的分段接在增益光纤12的后面。激光振荡器10的所有部件都具有正常的GVD。

在环形腔体18中还布置有第一和第二四分之一波片(QWP)20；半波片(HWP)22；偏振分束器(PBS)24；和波分复用器(WDM)25。QWP 20和HWP 22是被用来控制偏振状态的标准光学元件，偏振状态又反过来控制非线性偏振演化(NPE)，该非线性偏振演化启动从噪声求解并且在脉冲形成时起主要作用。更具体地，波片20和22以及偏振分束器24用作控制NPE的快速可饱和吸收器。这些NPE控制部件可以用几种其它类型的可饱和吸收器来代替，诸如SESAM(半导体可饱和吸收镜)或CNT(碳纳米管吸收器)。PBS 24也是标准的光学部件，它用作于三个用途。第一，对于使用于NPE的偏振器起作用是至关重要的，第二，PBS 24也用作产生输出26的输出耦合器，因为波束在该点分离。泵浦激光器(pump laser)27是980单模泵浦二极管，它通过980/1030WDM 25被耦合到增益光纤。

PBS 24还用作该运行模式的关键部件的一部分，此关键部件是频谱滤波器28。频谱滤波器28由双折射片29、隔离器30和PBS 24的组合形成，后二者起到偏振器的作用。双折射片29优选是标准的双折射石英片。它必须被放置在两个偏振器--在此情形下为隔离器30和PBS 24--之间，以便用作为正弦频谱滤波器。滤波器的带宽与双折射片29的厚度成正比。双折射片29被转动一个角度(通常是Brewster角)，以使得传输损耗最小化。除了用作偏振器以外，光学隔离器30保证光线只能沿一个方向传播。不用隔离器30，启动激光器可能是非常困难的。

第一和第二1030准直器32和34分别被附着到SMF光纤14和16的两端，这些准直器输出直径为1mm的光束。这个参数可以变化。关于SMF光纤14和16的长度，SMF16到增益光纤12的右面应当是短的(0-1m)，以使得非线性最小化。增益光纤12应当长到仅够吸收所有的泵浦功率的程度(典型地50cm-1m)。SMF光纤14到增益光纤12的左面应当是长的，以便GCO适当的运行(＞10m)。该长光纤对于GCO而言是主要的差异化成分(differentiating ingredient)，关键的差异在于它在腔体中提供大量正常GVD，允许具有大的二次谱相位(例如，大于10皮秒²)的脉冲解。

GCO 10形成CPA系统35的一部分。来自振荡器10的巨型线性调频输出脉冲被馈送经过放大器36，然后再经过压缩器38，压缩器38把放大的脉冲压缩回脉宽约1皮秒或更小。被压缩的脉冲然后被CPA系统35经过输出端40发射。应当指出，放大器36实际上可以由多个预放大器和/或放大器形成。

进行了分析、现实的数字模拟和实际的实验，以便确定以新的方式运行的这些光纤激光器的行为和性能，其特征为产生具有比现有的锁模激光器所能实现的线性调频大1到2个数量级的线性调频的脉冲。作为耗散孤子的脉冲可以被解线性调频到接近变换极限。具有大的能量的稳定线性调频脉冲可以以低的重复率产生。所以，GCO可以从传统的光纤CPA系统中除去展宽器、脉冲选择器和一个或多个预放大级。以3MHz重复率运行的系统已进行实验演示，得到达到微焦耳的脉冲能量和亚皮秒脉冲宽度的初始结果。

图1的光纤激光器产生脉冲，这些脉冲是控制腔体中的脉冲传播的、三次-五次方Ginzburg-Landau方程(CQGLE)的耗散孤波。这个解析形式可以扩展到GCO锁模方式。无量纲化的CQGLE，

$U_z=\mathrm{gU}+(1-i\frac{\mathrm{D\Ω}}{2})U_{\mathrm{tt}}+(\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\γ}}+i){\left|U\right|}^{2}U+\frac{\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\γ}}^2}{\left|U\right|}^{4}U,---\left(1\right)$

其中D是GVD，g是纯增益与损耗，Ω是滤波器带宽平方，α是三次可饱和吸收器项，δ是五次可饱和吸收器项，γ指介质的三次折射非线性，U是电场包络与

的乘积，z是传播坐标，以及t是当地时间与

的乘积，得出以下的精确解：

$U=\sqrt{\frac{A}{\cosh (t/\mathrm{\τ})+B}}{e}^{-i(\mathrm{\β}/2)\ln (\cosh (t/\mathrm{\τ})+B)+\mathrm{i\θz}}.---\left(2\right)$

公式2随GVD的变化(见图2的曲线图)显示在此最重要的特征。对于精确解，

和g受到约束，以便满足公式1。随着腔体耗散增加，脉冲宽度和线性调频(正的)随着脉冲能量一起增加。带宽(解线性调频的脉冲宽度)缓慢减小(增加)，以及解线性调频的脉冲宽度开始偏离变换限制值。这些趋势表明，GCO运行是已知光纤振荡器中的脉冲演进的自然扩展。作为由CQGLE规定的、在系统中非线性和线性过程的复杂的平衡的结果，GCO产生具有与以前的振荡器有很大差别的脉冲，对该平衡的直观解释将是今后研究的课题。耗散孤子的一个有趣特征在于，线性调频(再次参阅图2)可以大于腔体的GVD，意味着频谱相位部分地由系统的非线性产生。

为了验证和完善分析结果，还进行了振荡器的数字模拟。模拟包括具有饱和增益的CQGLE的近似项，g＝g_o/(1+E_pulse/E_sat)，其中g_o对应于30dB的小信号增益，

其中A是电场包络，T_R是腔体环回时间，并且E_sat＝10nJ。SMF的62m分段在40cm的Yb掺杂的增益光纤的前面，后面跟随有50cm分段，其中β₂＝230fs²/cm且γ＝0.0047(Wm)^-1。光纤后面跟随着由T＝1-l_o/[1+P(τ)/P_sat]规定的单调可饱和吸收器，其中l_o＝0.7是非饱和损耗，P(τ)是瞬时脉冲功率，以及P_sat＝0.5kW是饱和功率。假设增益具有60nm带宽的高斯频谱分布，输出耦合是88％，以及在可饱和吸收器后面放置带宽为10nm的高斯滤波器。30nJ输出脉冲长70皮秒(图3)，它可以用异常的GVD的10皮秒²解线性调频到800飞秒。数字结果证实了一个对于应用来说重要的特征：通过增大线性调频，被解线性调频的脉冲宽度偏离变换限制值。对于与微焦耳能量CPA有关的线性调频值，偏离是2-3倍。残留的四次频谱相位引起偏离。

激光器用全正常色散元件构建，但具有长得多的SMF分段，正如在图3的模拟中那样，以便得到1.4皮秒²的净GVD。带宽为10nm的双折射滤波器被选择用于这里呈现的实验。用被设计来产生亚皮秒脉冲的孤子激光器很难达到3.2MHz的重复率，这是由于谐振不稳定性，该不稳定性限制了腔体长度仅孤子周期几倍的长。通过对波片和泵浦功率的调节，对应于对公式1中γ，α和g的调节，达到不同的激光器运行状态。这里我们将注意力集中在两种特定的模式，这两种模式突显激光器的能力和灵活性，即使该激光器具有固定的光纤和滤波器参数。第一模式显示可能的典型参数，而另一个模式表明在较窄带宽的脉冲上更大的有效线性调频。

为了评估激光器对于种子放大器的效用，采用具有由单模二极管在纤芯泵浦的SMF前置放大器、以高达25瓦泵浦的大模场(≈1000μm2)光子晶体光纤(PCF)主放大器和光栅压缩器的装置。在CPA中，通常希望将脉冲展宽到可被重压缩的最长的脉宽，并且光纤线版(fiber versions)通常将种子脉冲展宽到几百皮秒。由这个GCO产生的最长脉冲在图4中显示。边沿陡峭的频谱(图4a)是正常色散脉冲解的特征。频谱表明约500飞秒的变换限制的脉冲宽度，所以140皮秒脉宽(图4b)是变换极限的约300倍。变换限制的脉冲需要约500m的光纤的色散(≈10皮秒²)，以便达到测量的脉宽。对于15nJ的脉冲能量，振荡器仅被用190mW泵浦，并且输出功率是50mW。对于给定的放大器光纤，脉冲长到足以避免对于高达约10μJ的脉冲能量的非线性失真。脉冲在预放大器中被放大到67nJ，并在放大器(4.3W平均功率，受可供泵浦功率限制)中被放大到1.3μJ。除了某些非对称性，频谱没有被放大所改变(图4c)，这些非对称性很可能是由在低于增益峰值的那些波长上为放大器产生种子(seed theamplifier)所导致的。被放大的脉冲可以由供应11皮秒²的异常GVD的光栅解线性调频到880飞秒的脉宽(图4d)。被放大的脉冲宽度因此在变换极限的2倍之内。用这个装置还观察到短到670飞秒的解线性调频的脉冲宽度。

随着脉冲宽度增加，CPA变得越来越难实施，这是由于展宽窄带宽脉冲所需要的色散增加。图5所示的脉冲频谱具有0.6皮秒的变换限制的脉宽。来自GCO的115皮秒脉冲(图5a和5b)对应于使19皮秒²的GVD加到变换限制的脉冲上。这个数值对应于1km的光纤的GVD，这已经是对于用具有合理间隔的光栅对进行补偿的挑战。来自GCO的2nJ脉冲(90mW泵浦)被放大到1.2μJ，并且被解线性调频到1.7皮秒的脉宽(图5c和5d)。这些例子表明良好的初始性能，并且清楚地表明GCO的实际益处。达到这些性能水平的系统以前需要展宽器、脉冲选择器和额外的预放大器。应当强调，这里所呈现的实验不打算呈现该方法的性能极限。这些实验用现成的标准光纤和在发明人的实验室可获得的部件来进行。根据图2的趋势，将有可能在几个方向上扩展GCO方式。例如，在更低的重复率下，脉冲宽度和线性调频可以大得多，这对于最高能量的光纤CPA系统是有价值的。更长的线性调频脉冲是以最小程度地牺牲最终脉冲宽度和与变换极限的偏差为代价而得到的。利用设计成具有例如可在1.5μm运行的不同光纤参数的GCO，或利用常规光纤，更宽范围的脉冲参数将是可得到的。

本发明的许多替换的版本是可能的。本发明可以通过适当的滤波器带宽而应用于任何的重复率。在任何波长下，腔体具有大的净正常色散(例如，利用额外的正常色散光纤产生的1550nm的净正常色散)。任何可饱和吸收器可以替代三波片/偏振器组合。例如，可以采用可饱和吸收镜(SESAM)或碳纳米管吸收器(CNT)。在这些情形下，更优选使用偏振保持光纤，因为这样可以避免解漂移。任何滤波器实施方案都是可能的，诸如，例如干涉滤波器。甚至有可能不使用滤波器，但性能将有损失。腔体可以是环形、直线或∑形配置。任何泵浦配置也都是可能的，包括单包层、双包层等等。

在设计GCO时的有用的准则包括以下几点。首先，来自GCO 10的巨型线性调频的输出脉冲需要大于10皮秒²的异常GVD，以便在压缩器中解线性调频。至于可饱和吸收器，包括NPE、SESAM或CNT在内的任何适当的类型应当都是可行的。不管选择哪种类型的部件，GCO设计过程都是相同的。首先，选择想要的重复率。重复率确定所需要的光纤长度，而光纤长度确定净GVD。给定该GVD后，确定适当的滤波器以得到所需要的线性调频。如果线性调频太高，则减小滤波器带宽。如果线性调频太低，则增加滤波器带宽。对于相同的线性调频，较小的GVD需要较大的滤波器。例如，3MHz的重复率需要约60m的光纤，该光纤提供1.4皮秒²的总GVD。使用10nm滤波器导致11皮秒²的频谱相位，如前面讨论的那样。

总的来说，目标发明规定了耗散孤子激光器的新运行方式，其特征为长的、高度线性调频化的脉冲。除了它们作为锁模激光器的解决方案的科学重要性以外，这些脉冲对于飞秒和皮秒光纤放大器也是有吸引力的。长的脉冲宽度、低重复率和相对较高的脉冲能量的组合是独特的，并且允许从以前的CPA设计中除去展宽器、脉冲选择器和一个或多个预放大器。预计这些激光器将使实际的光纤放大器能够具有远超过在初始实验中得到的微焦耳级别的性能。

虽然从优选实施例及其变化例的方面公开了本发明，但应当理解，可以做出许多其它的修改方案和变化例而不背离如下权利要求中所限定的本发明的范围。

Claims (11)

1.一种用于产生巨型线性调频脉冲的激光振荡器，包括：

激光器腔体；

在所述腔体中的增益光纤，用于增加在所述腔体中的脉冲的能量；

正常群速色散线性调频元件，用于扩展在所述腔体中的脉冲的脉宽并由此形成线性调频脉冲；

在所述激光器腔体中的频谱滤波器，用于对所述线性调频脉冲进行滤波，以及

输出端，用于从所述腔体发射所述线性调频脉冲；

其中所述线性调频元件和所述频谱滤波器具有被选择来施加一定量的线性调频以致需要用大于10皮秒2的异常色散来去线性调频所述线性调频脉冲的特征。

2.如权利要求1所述的激光振荡器，其中所述正常群速色散线性调频元件包括一段长度的单模光纤，并且所述线性调频元件和所述频谱滤波器的被选择来施加一定量的线性调频以致需要用大于10皮秒2的异常色散来解线性调频所述线性调频脉冲的特征包括所述单模光纤的长度和所述频谱滤波器的带宽。

3.如权利要求2所述的激光振荡器，其中所述单模光纤的长度是至少10米。

4.如权利要求1所述的激光振荡器，其中由所述振荡器产生的线性调频脉冲具有小于10MHz的重复率。

5.一种采用权利要求1所述的激光振荡器的线性调频脉冲放大器系统，进一步包括至少一个放大器和脉冲压缩元件，所述至少一个放大器用于放大来自所述振荡器的所述线性调频输出脉冲，所述脉冲压缩元件用于解线性调频所述被放大的脉冲。

6.如权利要求5所述的线性调频脉冲放大器系统，其中所述脉冲压缩元件使所述脉冲的脉宽减小至少一个数量级。

7.一种用于在激光振荡器的腔体中产生巨型线性调频脉冲的方法，包括以下步骤：

在所述腔体中提供多个脉冲成形元件，所述元件至少包括用于增加脉冲的能量的增益光纤，和用于扩展脉冲的脉宽的正常群速色散线性调频元件；其中所述脉冲成形元件具有被选择来施加一定量的线性调频以致需要用大于10皮秒2的异常色散来解线性调频所述脉冲的特征；

使脉冲经过所述脉冲成形元件，由此形成巨型线性调频脉冲；以及

使所述巨型线性调频脉冲经过所述激光振荡器的输出端发射。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述线性调频元件是一段长度的单模光纤，所述脉冲成形元件进一步包括用于对脉冲进行滤波的频谱滤波器，所述单模光纤和所述频谱滤波器的被选择来施加一定量的线性调频以致需要用大于10皮秒2的异常色散来解线性调频所述线性调频脉冲的特征包括所述单模光纤长的度和所述频谱滤波器的带宽。

9.如权利要求7所述的方法，进一步包括用至少一个放大器放大来自所述激光振荡器的所述线性调频输出脉冲，以及解线性调频所述脉冲。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述解线性调频的步骤使所述脉冲的脉宽减小至少一个数量级。

11.如权利要求7所述的方法，其中由所述振荡器产生的线性调频脉冲具有小于10MHz的重复率。

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