CN103314486A - 基于啁啾脉冲放大生成激光脉冲 - Google Patents

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Abstract

基于啁啾脉冲放大的用于产生短激光脉冲的技术和装置。

Description

基于啁啾脉冲放大生成激光脉冲
相关申请的交叉引用
此PCT专利申请要求于2010年9月13日提交的美国专利申请No.12/881,146的优先权。前面提到的专利申请的全部内容通过引用作为此申请公开的一部分被并入。
技术领域
此文件涉及激光脉冲的生成和控制，包括光学脉冲放大器和脉冲激光器。
背景技术
脉冲长度小于1-10皮秒的超短脉冲（USP）激光器对于宽范围的应用（诸如材料处理、光学感测、光学消融、包括眼科学的精准外科手术、生物医学、非线性研究和分光镜）有吸引力。在这些应用及其它应用的一些应用中，可能要求激光脉冲具有充足的脉冲能量。
高能量激光脉冲可以通过放大由种子激光器生成的激光脉冲来生成。各种光学放大器被设计成通过以与待被放大的光的相同波长提供光学增益来放大光，使得光在通过光学放大器的光学增益介质传送之后，其功率或能量被放大，并且放大的光与放大之前的原始光的波长相同。光学放大器的光学增益可以基于量子井和其它增益机制通过从光学上激励光学增益介质（诸如掺杂钕（Nd）或镱（Yb）的光纤放大器）的泵浦光获得，或者通过电激发的增益介质（诸如半导体光学放大器）获得。
发明内容
此文件描述了基于啁啾脉冲放大产生短激光脉冲的技术和装置。
在一方面，提供了一种用于放大激光脉冲的方法，该方法包括：操作输入光学放大器，以便放大输入激光脉冲，从而产生频率上具有线性啁啾并且被展宽为具有比每个输入激光脉冲的脉冲持续时间长的脉冲持续时间的激光脉冲；操作初级光学放大器下游的光学脉冲展宽器，以进一步展宽激光脉冲的持续时间，从而产生每个激光脉冲中都具有降低的峰值功率的展宽激光脉冲；将展宽的激光脉冲引导到光学放大器中，以放大展宽的激光脉冲，从而产生放大的展宽激光脉冲；和压缩每一个放大的展宽激光脉冲的脉冲持续时间，以产生具有高峰值功率的放大和压缩的输出激光脉冲。
在另一方面，提供了一种脉冲激光装置，该脉冲激光装置包括：脉冲种子激光器，其产生输入激光脉冲；初级光学放大器，其接收输入激光脉冲，以放大接收的输入激光脉冲，从而产生频率上具有线性啁啾并且具有比每个输入激光脉冲的脉冲持续时间长的脉冲持续时间的激光脉冲；光学脉冲展宽器，其被定位在所述初级光学放大器的下游，以进一步展宽激光脉冲的持续时间，从而产生具有降低的峰值功率的展宽激光脉冲；光学放大器，其进一步放大展宽的激光脉冲，从而产生放大的展宽激光脉冲；和脉冲压缩器，其压缩所述放大的展宽激光脉冲中的每个脉冲的脉冲持续时间，以产生具有高峰值功率的放大和压缩的输出激光脉冲。
在另一方面，提供了一种脉冲激光装置，该脉冲激光装置包括：脉冲种子激光器，其产生输入激光脉冲；光学脉冲展宽器，其被定位在所述种子激光器的下游，以展宽源于所述输入激光脉冲的激光脉冲的持续时间，从而产生具有降低的峰值功率的展宽激光脉冲；光学放大器，其被定位在所述光学脉冲展宽器的下游，以接收展宽的激光脉冲并放大展宽的激光脉冲，从而产生放大的展宽激光脉冲；脉冲压缩器，其被定位在所述光学放大器的下游，并压缩每个接收的激光脉冲的脉冲持续时间，从而产生具有高峰值功率的压缩激光脉冲；和脉冲拾取装置，其被定位在所述光学脉冲展宽器和所述脉冲压缩器之间，并降低接收的激光脉冲的脉冲重复率，所述脉冲拾取装置包括：声-光调制器和棱镜，所述声-光调制器接收输入光，以产生沿与所述输入光的方向不同的方向的衍射光束，所述棱镜被定位成接收所述衍射光束，以产生输出光。
在另一方面，提供了一种用于放大激光脉冲的方法，该方法包括：操作抛物线光学放大器，以便放大输入脉冲重复率的输入激光脉冲，从而产生具有抛物线脉冲和光谱形状并且被展宽为具有比每个输入激光脉冲的脉冲持续时间长的脉冲持续时间的抛物线激光脉冲；操作抛物线光学放大器下游的光学脉冲展宽器，以进一步展宽抛物线激光脉冲的持续时间，从而产生具有降低的峰值功率的展宽的抛物线激光脉冲；将展宽的抛物线激光脉冲引导到第一光学放大器中，以放大展宽的抛物线激光脉冲，从而产生第一放大的展宽激光脉冲；将所述第一放大的展宽激光脉冲引导到第二光学放大器中，以便进一步放大第一放大的展宽激光脉冲，从而产生第二放大的展宽激光脉冲；以及压缩第二放大的展宽激光脉冲中的每一个脉冲的脉冲持续时间，以产生具有高峰值功率的放大和压缩的输出激光脉冲。
在又一方面，提供了一种脉冲激光装置，该脉冲激光装置包括：脉冲种子激光器，其产生输入激光脉冲；光学抛物线放大器，其接收输入激光脉冲以放大接收的输入激光脉冲，从而产生具有抛物线脉冲和光谱形状并被展宽为具有比每个输入激光脉冲的脉冲持续时间长的脉冲持续时间的抛物线激光脉冲；光学脉冲展宽器，其被定位在所述抛物线光学放大器的下游，以进一步展宽所述抛物线激光脉冲的持续时间，从而产生具有降低的峰值功率的展宽抛物线激光脉冲；第一光学放大器，其被定位在所述光学脉冲展宽器的下游，以接收展宽的抛物线激光脉冲并放大展宽的抛物线激光脉冲，从而产生第一放大的展宽激光脉冲；第二光学放大器，其进一步放大第一放大的展宽激光脉冲，以产生第二放大的展宽激光脉冲；和脉冲压缩器，其压缩第二放大的展宽激光脉冲中的每个脉冲的脉冲持续时间，从而产生具有高峰值功率的放大和压缩的输出激光脉冲。
在附图、说明书和权利要求书中详细描述这些和其它方面、它们的实现方式和其它特征。
附图说明
图1示出了基于啁啾脉冲放大的脉冲激光器的一个例子。
图2示出了基于图1中的设计的脉冲激光器的例子。
图3A-1、3A-2、3B-1、3B-2、4A和4B示出了光学抛物线放大器的输出的激光光谱测量的例子，其中输入脉冲中有各种畸变。
图5A示出了在图2的脉冲激光器中使用光学带通滤波器以提高激光脉冲质量的例子。
图5B和5C示出了图解光学带通滤波器的效果的示例性测量结果。
图6、图7、图8A和图8B示出了用于图2的光学放大器设计的例子。
图9、图10和图11示出了适合用在图2的脉冲激光器中的脉冲拾取装置的例子。
具体实施方式
激光脉冲的脉冲能量可以通过脉冲长度和脉冲峰值功率的积来估计。在给定的脉冲能量下，短脉冲可以具有高峰值功率。例如，脉冲能量为10-100微焦且脉冲宽度为1皮秒的脉冲具有10-100兆瓦的峰值功率。在各种应用中可能需要由短脉冲持续时间带来的高峰值功率。当具有高峰值功率的脉冲被聚集到小点上时，电场强度足以影响材料中的电子，从而产生等离子体效应。例如，此等离子体效应允许去除材料，而不产生热效应—被称作冷消融（cold ablation）的过程。通过比较，具有较长脉冲长度的一些激光相比之下通过热去除材料，在区域周围由畸变材料产生实质性热影响区。
在USP激光器中由于高峰值功率带来的高电场使得构造UPS激光器变得困难，这是由于消融效应还会损坏激光器，或者在激光脉冲与激光器的增益材料和激光器的其它光学元件相互作用时在激光器中产生畸变。引起光学畸变的常见因素之一是非线性光学效应。例如，受激拉曼散射（SRS）是当一光波长的光强超过SRS阈值时，光和材料中的光学声子的非线性光学相互作用。当SRS发生时，在介质中通过非线性SRS过程以与原始光相同的传播方向产生拉曼频率的拉曼信号，由于拉曼频率失谐（Raman frequency detuning）而导致该拉曼频率从原始光的光学频率偏移。SRS可以导致光纤和其它光学介质中光脉冲放大的不期望效应。例如，当光脉冲的强度增大到达到SRS阈值水平时，光脉冲的光学功率被耗尽，因此SRS过程使上限置于光脉冲的光学功率。此外，光学非线性效应（诸如基于克尔（Kerr）效应的自相位调制SPM）可随着脉冲传播而积累，SPM通常产生新的光谱分量和非线性啁啾，使得难以获得在各种脉冲激光器应用（诸如激光材料处理和其它应用）中希望的短脉冲。
因此，在此文件中描述的光脉冲放大技术和装置首先在时域中展宽光脉冲，以降低脉冲峰值功率（例如，低于SRS阈值），并缓解畸变，诸如在光学放大过程期间光学非线性效应的积累。可以在时间上将脉冲展宽期望倍数（例如，100倍或更多），以将峰值功率降低相同倍数。在展宽的光脉冲放大之后，放大的光脉冲然后在时间上被压缩，以产生期望的短的光脉冲。此脉冲放大过程已知为啁啾脉冲放大（CPA）。脉冲的展宽和压缩是基于将脉冲中的不同波长延迟不同的时间量。超短脉冲本质上具有1-10nm或更大的宽光谱。在展宽器中，短波长脉冲可在压缩器中关于长波长脉冲延迟，或者反之亦然，此效应又是未完成的。
抛物线脉冲放大将光纤中的正常色散与光纤放大器中的正增益结合使用，以产生线性啁啾展宽光脉冲。在具有无限增益带宽和无限光纤长度的理想抛物线放大器中，输出脉冲宽度和光谱变宽，脉冲具有与输入能量和输入脉冲的形状无关的抛物线形状。但是，在实际的抛物线放大器中，增益带宽和有限光纤长度是有限的且被限制的，抛物线输出脉冲可根据多个输入脉冲的状态来获得，其包括光谱畸变、输入功率和输入光谱相对于放大器的增益介质的带宽的变宽量。输出脉冲形状近似是抛物线的。因此，抛物线放大器可用在本啁啾脉冲放大中，以获得放大和展宽的抛物线脉冲。展宽的抛物线脉冲可以随后被压缩，以产生短的高功率脉冲。
图1示出了基于CPA和抛物线放大的脉冲激光器的例子。脉冲激光器装置100包括脉冲种子激光器101，其产生输入激光脉冲。光学抛物线放大器110被设置于种子激光器101的下游，以接收输入激光脉冲，从而放大接收的输入激光脉冲，以产生抛物线激光脉冲。抛物线脉冲具有抛物线的脉冲和光谱形状。来自抛物线放大器110的输出脉冲由于实际的装置限制而可能不是理想的抛物线脉冲，并且可能具有近似抛物线的脉冲形状。放大器110是初级放大器(initial amplifier)，其被设计成通过放大过程引起脉冲变宽，以致输出激光脉冲的脉冲持续时间比输入激光脉冲的脉冲持续时间长，并且输出激光脉冲在频率上或相位上具有线性啁啾。放大器110在下文的例子中为方便起见被称作“抛物线放大器”，不过在实现方式中的实际的放大器110可以不是理想的抛物线放大器。相应地，来自初级放大器110的输出脉冲在这些例子中被称作“抛物线脉冲”，不过这类脉冲可以不是理想的抛物线脉冲。
在图1中，光学脉冲展宽器120被定位在抛物线光学放大器110的下游，以进一步展宽抛物线激光脉冲的持续时间，从而产生展宽的具有降低的峰值功率的抛物线激光脉冲。通过初级放大器110，脉冲持续时间的展宽量可以是初始展宽的脉冲持续时间的10倍或更大。在此例子中，前置光学放大器130被设置为接收展宽的抛物线激光脉冲并放大展宽的抛物线激光脉冲，从而产生第一放大的展宽抛物线激光脉冲。接着，第二光学放大器140被设置为充当主放大器，从而进一步放大第一放大的展宽抛物线激光脉冲，以产生第二放大的展宽抛物线激光脉冲。在一些实现方式中，前置光学放大器130可被消除，使得展宽的激光脉冲被直接馈送到光学放大器140中以供放大。脉冲拾取功能可以被包括在主放大器140之前，以降低种子激光脉冲中的原始脉冲重复率。在一些实现方式中，脉冲拾取器装置可被插入到光学脉冲展宽器120和光学放大器140之间（例如在前置放大器130和主放大器140之间），以降低脉冲的数目或者脉冲重复率。此脉冲拾取器装置可在前置光学放大器130被消除的实现方式中提供。
此装置100还包括脉冲压缩器150，其压缩第二放大的展宽抛物线激光脉冲中的每个脉冲的脉冲持续时间，以产生具有高峰值功率的放大和压缩的输出激光脉冲。在一些实现方式中，放大和压缩的输出激光脉冲可具有大于10微焦的脉冲能量和/或小于10皮秒的脉冲持续时间。由图1中装置产生的这些和其它短的高功率脉冲可以用在宽范围的应用中。
脉冲压缩器150可以在各种配置中实现。脉冲压缩器150的一个例子是一对光栅，在此脉冲被引导通过两个光栅，以实现脉冲压缩。第一光栅产生角色散，第二光栅不进行角色散。由第一光栅产生的不同的衍射光谱分量在两个光栅之间以不同的衍射角衍射，并沿两个光栅之间的不同传播长度传播，以经历强的色散。对于适合的脉冲压缩，重要的是不仅要考虑展宽器和压缩器的色散性质，还要考虑更高阶的色散项以及激光器中的其它组件，以最小化脉冲畸变。
来自种子激光器101的激光的波长可以是各种波长，例如在Er的光谱带，大约1.55μm的Er/Yb光纤，大约1μm的Yb光纤，大约2μm的Ho光纤，或掺杂其它稀土元素的光纤增益带内。激光器101的激光功率可以在各个范围内。抛物线放大器110可以用来达到高能量和线性啁啾输出。抛物线光纤放大器110的输出可以对输入脉冲的参数不敏感，此性质可以提高装置100的稳定性。
图2示出了图1中激光器的一个示例性实现方式。在此例子中，抛物线放大器110包括泵浦光源212和光纤耦合器214，光纤耦合器214将来自泵浦光源212的泵浦光耦合到激光器100的主光纤路径中。光纤增益部分210由泵浦光进行光学泵浦，从而产生用于抛物线放大的光学增益。在此例子中，泵浦光在与来自种子激光器101的激光脉冲相同的传播方向上被耦合到光纤增益部分210。通过抛物线放大器110传播的激光脉冲被展宽，其光谱变宽。来自放大器的输出脉冲具有近似抛物线的脉冲和光谱形状。此输出然后被馈送到脉冲展宽器120。
在此例子中，脉冲展宽器120包括啁啾光纤布拉格光栅（CFBG），其中，沿光纤的光栅周期在空间上啁啾。CFBG进一步展宽脉冲，以降低峰值功率水平，并允许在没有SPM造成的畸变的情况下进一步放大，同时保持抛物线脉冲形状。光学环行器222被设置为将来自抛物线放大器110的输入光引导到CFBG脉冲展宽器220中，并将反射的光引导到激光器100的主光纤线。在此设计中，激光脉冲通过CFBG展宽器220传输两次。来自光学环行器222的输出可以被注入到光学放大器（光纤前置放大器）232中，以将平均功率增加到适当水平，从而注入到主功率放大器140中。根据需要可以使用另外的放大器。由于脉冲被展宽，在这些前置放大器中不会出现实质性的SPM效应。
在一些应用中，作为一种选择，脉冲拾取器234可被放置在前置放大器232和主放大器140之间。脉冲拾取器234通过拾取脉冲修改脉冲重复率或将脉冲重复率降低到更低比率，以产生更低脉冲重复率的修改脉冲。脉冲拾取器234的一个例子是声光（AO）调制器或电光（EO）调制器。这种调制器被电光栅信号驱动，以从由种子激光器101生成的脉冲中拾取脉冲。这样，脉冲拾取器234降低了脉冲数目，以供进一步放大。这允许每个脉冲获得更高的能量。脉冲拾取器234不用在种子激光器101产生期望的脉冲重复率的脉冲的装置中。
在主功率放大器140之前的脉冲拾取器234可以用来以任何期望比率调节脉冲的脉冲重复率。然而，这会改变到达主功率放大器140的平均输入信号，因此可能引起大的变化和功率放大器140中的可能的不稳定性。在小于阈值比率的低重复率（例如10kHz）下，脉冲之间的放大器增益可产生显著的放大自发发射（ASE），并且由于例如残余反射可引起放大器自身产生激光。
因此，为了提供对激光器100的脉冲的脉冲重复率的更好控制，第二脉冲拾取器260被放置在功率放大器140之后。第二脉冲拾取器260的操作不会影响主放大器140的操作，因此可以用来以宽范围的比率设置重复率，从而满足各种应用的需求。这两个阶段的脉冲拾取可在提供可变脉冲重复率方面具有特定的优势。
可以使用不同类型的脉冲拾取器。通过光纤耦合来耦合脉冲拾取器引入了光纤尾纤，这在高峰值功率时可能产生大的畸变。电光（EO）调制器或声光（AO）调制器可用来通过降低脉冲数目来提供光学调制以进行脉冲拾取。各个EO调制器在高电压下工作，因此不太适合。AO调制器可在低电压下操作，并基于向AO晶体所施加的RF信号使光束偏转。出自AO晶体的零阶光束可以用来调制输出。在各种AO调制器中，只有大约90%的光可在零阶光束中被偏转，因此，由于对那些较小脉冲的不充分阻挡，使用零阶光束可导致在所选脉冲附近的一连串较小脉冲。使用一阶光束绕过了这个问题。
在图2中，可以以各种配置实现光学功率放大器140。一些例子有核心泵光纤放大器、双包层光纤放大器、核心泵光纤放大器和双包层光纤放大器的组合以及诸如固态激光放大器的其它放大器设计。固态激光增益介质可通过例如二极管激光器或闪光灯泵来进行光学泵浦。在各种放大器设计中，固态激光放大器由于其大的横截面可以用来提供多级放大器设计中的最后一级放大。用于固态放大器的示例性材料包括Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:玻璃等。
尽管种子激光器101的脉冲长度可能不是重要的，但脉冲形状应当被很好地控制。对于理想的抛物线放大器，脉冲形状并不重要，原因是理论上已经表明来自放大器的输出只取决于脉冲能量。在实际的抛物线放大器中，光纤长度和增益带宽被限制。在这种实际的放大器中，输入脉冲中的畸变可在输出脉冲中产生强的畸变。
图3A-1和图3A-2图解了抛物线放大器的输出中的畸变。图3A-1中所示的输入光谱在靠近输入光谱峰值的右边具有10dB的下降。这种下降可以出现在泵浦种子激光器中。例如，基于孤子的脉冲激光器典型地具有色散波，这可能在靠近主脉冲附近产生小的脉冲。此脉冲，在非常接近主脉冲时，可在种子源中产生光谱畸变。激光器之后的其它类型的激光器或组件可产生其它类型的畸变。在图3A-2中所示的测量的来自抛物线放大器的输出光谱显示了强的纹波，而非干净的平滑输出光谱。为了从实际的抛物线放大器产生平滑的输出光谱和脉冲，确定了二次脉冲产生光谱中小于10到15dB的畸变。从种子源测量的具有超过10dB畸变的输入光谱示于图3B-1中。图3B-2中所示的测量的抛物线放大器的输出光谱并没有出现强的纹波。对于主脉冲的带宽之外的光谱畸变，还可从抛物线放大器获得干净的输出光谱。
实际的抛物线放大器对输入脉冲能量和峰值功率敏感。图4A和图4B分别示出了峰值功率水平为30瓦特和4瓦特时测量的输入脉冲光谱。该结果表明对于30瓦特峰值功率脉冲的畸变大，而对于4瓦特峰值功率脉冲的畸变小。脉冲畸变可能由于各种机制由高脉冲峰值功率引起。例如，种子激光源中的小的残余畸变在高输入功率时可引起抛物线放大器中的进一步的畸变，这产生明显的非线性，并引起残余畸变和信号脉冲之间的干扰。为了保持输出畸变小，光谱变宽应当被控制为小于期望水平，例如小于信号脉冲和残余畸变之间的光谱距离。在引起脉冲快速地使其光谱变宽到与增益介质的增益带宽相当宽度的高峰值功率水平，放大器相互作用不再提供增益、色散和非线性相互作用之间支持相似性的平衡，脉冲开始畸变。对于小的畸变，沿放大器的光谱应当小于增益介质的带宽。在一些实现方式中，光纤中的增益应当在沿光纤长度的位置处在脉冲的带宽上的变化小于3dB。例如，在Yb，此带宽在1030nm时大约为30nm。为了从实际输入畸变在1-10dB之间的抛物线放大器获得干净的输出脉冲，输入功率应当保持足够小以保持光谱变宽小于信号和畸变（在图3B-1中大约6nm）之间的光谱距离，并保持整个带宽小于介质的3dB增益带宽。具体的输入功率水平可以取决于光纤掺杂剂、泵状态、光纤设计（芯大小和光纤长度）和激光波长，并受增益带宽和光谱变宽的相同局限性的限制。不同的掺杂剂、泵状态和信号波长可改变放大器的带宽。对于给定的输入功率，不同的芯大小和光纤长度可能影响变宽的量。例如，对于激光波长为1030nm，长度为10米的单模6微米掺杂Yb的光纤，输入功率应当小于峰值功率下的5瓦特。
通过利用不同的稀土掺杂剂，可以从PA CPA获得不同的输出波长，稀土掺杂剂包括波长为大约1.55微米的Er或Er:Yb，波长为大约1.6微米的Yb或Nd，以及波长为大约2微米的Tm或Ho。抛物线放大器中的有源光纤还可以被沿光纤长度具有变化的色散的无源光纤取代。
对图2中的激光器的测试表明光学带通滤波器可被定位在抛物线光学放大器110和前置光学放大器232之间的激光脉冲的光路中，以对激光脉冲的光谱进行滤波，并去除激光脉冲的抛物线光谱形状的边缘附近的光谱分量。这种滤波可以降低由前置光学放大器232输出的放大的展宽抛物线激光脉冲中的畸变。
图5A示出了用于放置这种光学带通滤波器的三种不同位置510A、510B和510C的例子。实施此滤波器的一种方便方式是通过设计CFBG220将其与CFBG220集成，以具有等于所需滤波器带宽的反射带宽。这种滤波器的使用可以消除典型地出现在来自抛物线放大器的信号的输出光谱的边缘附近的光谱中的畸变。其它类型的光学滤波器（诸如多层介质滤波器、基于光纤的滤波器）同样可以使用，并且可以被放置在CFBG和光学环行器之间。
使用滤波器的效果在图5B和图5C中进行图解。图5B示出了在放大器或展宽器之后没有滤波器的来自抛物线放大器的输出光谱。图5C示出了有滤波器的输出光谱。尽管输出光谱在光谱中心的大部分上是平滑的，但光谱在光谱边缘附近出现峰值。这种振幅峰值还基本上与光谱的这部分中的相位畸变有关。这些相位畸变的结果是光谱的畸变边缘中的能量不会适当压缩，导致在压缩之后的脉冲畸变。使来自抛物线放大器的输出通过光学带通滤波器去除了边缘处的相位畸变。
除了CFBG展宽器之外，同样可以使用其它类型的脉冲展宽器。例如，来自抛物线放大器的输出光通过作为光纤展宽器的色散光纤的长度，光纤展宽器可能在衰减器之后，在光纤展宽器之前衰减光。这可以是专门为高色散设计的光纤。在此情况下，不需要光学环行器，不过如果反射器被设置于光纤的末端，光纤展宽器还可以类似于CFBG配置。CFBG的优点是它要短得多，具有比在非常长的光纤中的脉冲可能出现的脉冲畸变更少的问题。同样可以使用其它类型的展宽器（诸如体光栅展宽器）。
如果适当注意到实际的抛物线放大器的种子输入信号的输入功率和光谱纯度，使用种子激光器和抛物线放大器的组合与没有抛物线放大器的配置相比可以实现几个益处。例如，在抛物线放大器中，光谱变宽，同时增加线性啁啾。结果，输入脉冲变得比压缩的输出脉冲更宽。这允许使用具有长脉冲持续时间的脉冲种子激光器。举另一个例子，由抛物线放大器引起的脉冲中的宽光谱使得它更易于展宽脉冲，原因是更宽的光谱宽度脉冲要达到相同的展宽脉冲长度需要较少的色散。对脉冲展宽的展宽范围的此降低的需求允许使用花费较少的更简单的CFBG展宽器或其它展宽器。举另一例子，抛物线脉冲形状具有在后面的放大器中产生SPM畸变的益处，后面的放大器可以由标准光栅压缩器校正。再举另一个例子，如图4A和图4B所图示的，抛物线放大器可清洁种子激光器的适度畸变。来自实际的抛物线放大器的输出具有近似抛物线轮廓的脉冲轮廓，并具有带线性啁啾的变宽的光谱。在本系统中增加的滤波器可以用来实现实际的抛物线放大器的操作，抛物线放大器具有非抛物线输出形状，但通过从由抛物线放大器产生的输出脉冲的边缘对非线性啁啾进行光谱滤波而在脉冲上具有线性啁啾。
在图1和图2中的主功率放大器140可以以各种配置来实现。给定一个固定的展宽脉冲长度，功率放大器中的非线性畸变最终限制来自PACPA的峰值功率和脉冲能量。脉冲的抛物线输入形状导致非线性SPM畸变，此非线性SPM畸变可由压缩器补偿。然而，此补偿是与功率相关的，此外，实际上，脉冲是近似抛物线的，导致可能不被补偿的相位畸变。因此，需要主功率放大器140通过SPM表现出最小的畸变。
在实现方式中，双包层光纤可以用在最后的功率放大器140中，因为它们可由大阵列的多模泵浦源泵浦，因此功率放大器容易缩放功率。然而，同样可以使用具有核心泵浦的非双包层光纤。对于非双包层光纤，来自泵浦源的泵浦光束的波长复用或偏振复用以及来自光纤两端的泵浦可缩放功率。最小化光纤中脉冲的有效相互作用长度和最大化模场区域可有利地最小化SPM。这方面会有利于大的光纤芯和光纤中的高掺杂密度。由于各种因素，光纤在其芯大小和掺杂剂浓度上受限。大的芯大小，例如直径大于15-30微米，可导致较高阶模的激励，因此引起光束畸变，此效应对光纤芯的大小形成限制。由于稀土原子的聚集或其它效应，掺杂剂浓度可能受到在高掺杂剂浓度时效应降低的限制。
图6示出了主放大器140的一个例子。此设计包括：光纤增益部分610，其被掺杂为在与激光脉冲的激光波长不同的泵浦波长的光学泵浦光的光学激励下产生激光脉冲的光学增益；泵浦光源620，其产生光学泵浦光；分色反射器630，其接收来自泵浦光源620的光学泵浦光，并朝向光纤增益部分610反射光学泵浦光；准直透镜640，其将从分色反射器630反射的光学泵浦光在与激光脉冲在光纤增益部分610中的传播方向相反的方向上耦合到光纤增益部分；和泵浦倾卸（pump dump）耦合器650，其在准直透镜640的相对侧被耦合到光纤增益部分610，以将残余的泵浦光自光纤增益部分610耦合出。取决于放大器的光纤增益部分610的结构，泵浦倾卸耦合器650可在各种配置中实现。例如，对于双包层光纤增益部分，泵浦倾卸耦合器650可通过用与内部包层相同的材料取代外包层来形成，使得在该部分中的两个光纤包层由相同材料形成，从而通过由不同的包层材料制成的两个光纤包层去除波限制。由光纤增益部分610放大的激光脉冲通过分色反射器630朝向脉冲压缩器150发射。
图7示出了主放大器140的另一个例子，其使用分别产生第一光学泵浦光束和第二光学泵浦光束的两个泵浦光源710和720。熔融光纤耦合器730被设置为耦合第一和第二光学泵浦光束并将第一和第二光学泵浦光束在与激光脉冲在光纤增益部分610中的传播方向相反的方向上合并到光纤增益部分610中。泵浦倾卸耦合器650在耦合器730的相对侧被耦合到光纤增益部分610，以将残余泵浦光自光纤增益部分610耦合出。准直透镜640将激光脉冲的光自光纤增益部分610耦合出，并使通过光学隔离器202朝向脉冲压缩器150的光准直。
考虑到各种光纤的局限性，最优的泵、信号和光纤长度状态可通过降低光纤中的有效相互作用长度来大幅地增加光纤放大器的可用脉冲能量。放大器的末端泵浦会在信号是最大的并最小化增益饱和效应的光纤端部附近处产生高泵浦功率，优化光学增益，并最小化有效的相互作用长度。端部泵浦的一个缺点是当以熔融泵浦组合器泵浦时，需要光纤有额外长度来将泵浦光经由光纤-光纤耦合耦合到光纤中（图7）。典型地为20-30cm或更大的此额外的光纤长度可产生明显的SPM，原因是来自放大器的具有大能量的输出脉冲行进通过此光纤尾纤。可替代地，泵可使用体光学器件耦合，诸如在图6中所示的后向泵耦合配置中的分色反射器。后向泵浦可引起在光纤放大器的输入端附近的强的泵浦功率。此泵浦功率可用光纤的输入端附近的双包层光纤周围的泵浦倾卸器来去除（如图6和图7中所示的）。
在图8A中，主光学放大器被实现为包括两个泵浦光710和720，基于光纤的耦合器730和准直透镜640，基于光纤的耦合器730耦合第一和第二光学泵浦光束并将第一和第二光学泵浦光束在光纤增益部分610中的激光脉冲的传播方向上组合到光纤增益部分610中，准直透镜640将光自光纤增益部分耦合出。分色反射器630被用来分离泵浦光和激光脉冲的光，在所示的例子中，发射激光，同时反射泵浦光。前向泵浦没有后向行进的泵浦光的问题，但应当小心在光纤的输出端附近具有足够的泵浦功率。因此，光纤长度应当被调整，使得泵浦光的很大一部分（>10%）从光纤的端部泄露。从光纤的输出发射的泵浦光可能损坏隔离器或在放大器输出后面的其它组件。与后向泵浦相比，此泵浦输出功率可相对容易地去除。此外，与放大器的输入端附近的组件相比，在放大器的输出端的光学组件可被设计成处理更高的功率水平。在准直透镜之前的简单的空间滤波器还可用于阻挡泵浦光，原因是与激光NA相比，泵浦NA典型地要高得多。
图8B示出了前向泵浦设计的另一个例子，这里，通过去除分色反射器630，并通过在透镜640附近的光纤增益部分610的输出端增加泵浦光耦合器650，可改造图8A中的主功率放大器。此泵浦光耦合器650或者泵浦倾卸器被用来将泵浦光自光纤耦合出，使得由透镜640自光纤增益部分610耦合出的光是放大的激光脉冲的光。在此配置中，激光是用健壮的熔融泵浦耦合器730前向泵浦的，输出泵浦光是用光纤的端部附近的泵浦倾卸器650去除的。信号功率可被调节，以获得35dB增益或者超过固定的最大可用泵浦功率的增益。高增益可降低相互作用长度。而且，对于最小长度，放大器被调整以支持该增益。具有更长的放大器会增加有效的光纤长度。使光纤更短不再允许有>35dB的增益，原因是每单位长度的增益受光纤和泵的限制。例如，芯直径为25微米的Yb双包层光纤和在1030nm下工作的10dB/m泵吸收可具有近似1米的光纤长度。
与在这种放大器中的典型较低增益（例如，20dB增益）不同，超过35dB增益操作光纤可通过使用几个放大器特征来实现。在高增益，放大的自发发射（ASE）可能是明显的，并且在后向方向上可达到其峰值，此时它会损坏隔离器，或者具有足够的功率以将ASE注入到前置放大器中，这会在此放大器中产生不稳定性。输入和输出隔离器应当具有高隔离，例如大于30dB的隔离。高增益还可引起自身产生激光，来自腔两端的所有反射的总和应当小于该增益。反射可包括来自输入隔离器、光纤端面和输出光学器件的反射。为了最小化ASE，激光器可以接近增益峰值的波长操作。例如，在掺杂Yb的放大器中，在短的高泵浦放大器中的增益峰值接近1030nm。在此波长下操作确保了ASE不遇到比信号更高的增益。除了光学设计中的这些防范措施之外，输入功率和ASE功率可被监控，并在光学不稳定情况下用来控制激光器。
可在各种配置中实现脉冲拾取装置（例如图2中的装置234或260）。图9、图10和图11示出了脉冲拾取装置260的三个例子。
在图9中，第二脉冲拾取装置260包括：第一声光调制器910，其接收输入光以沿与输入光的方向不同的方向产生衍射光束；第二声光调制器920，其接收来自第一声光调制器的衍射光束，以沿与第一声光调制器910和第二声光调制器920之间的衍射光束的方向不同的方向产生输出衍射光束。输出衍射光束被引导到脉冲压缩器150中，以产生放大和压缩的输出激光脉冲。
在图10中，第二脉冲拾取装置260包括：偏振分束器1040，其接收来自主光学放大器140的输入光；声光调制器1010，其接收来自偏振分束器1040的输入光，以沿与输入光的方向不同的方向产生衍射光束；反射器1020，其被定位成反射衍射光束，以再次通过声光调制器1010；和四分之一波片1030，其被定位在偏振光束分束器1040和声光调制器1010之间。反射的衍射光束在通过声光调制器1010和四分之一波片1030之后，由偏振分束器1040反射到脉冲压缩器150中。
图11示出了另一种设计，其中，声光调制器1010接收输入光以沿与输入光的方向不同的方向产生衍射光束，棱镜1110被定位成接收衍射光束，以产生输出光。因为AOM1010的操作，在输出光中放大的展宽抛物线激光脉冲的脉冲重复率具有小于由声光调制器1010接收的输入光的脉冲重复率的期望的输出脉冲重复率。来自AOM1010的输出通过棱镜1110，以在无任何附加明显损失情况下校正角畸变。为了最小化由于光束在不同的波长之间偏离造成的光束畸变，AOM1010和棱镜1110之间的距离应当尽可能小。为了最小化棱镜1110中的光束畸变，棱镜1110的顶角应当小心，棱镜1110应当被定向成使得相对于棱镜1110的光的衍射角在棱镜1110的两端上近似相同。
与图9中的脉冲拾取器设计不同，图11中的脉冲拾取器使用单个光学调制器1010来将放大的展宽脉冲引导通过光学调制器1010一次，以与棱镜1110结合实现期望的脉冲拾取操作。图11中的单个光学调制器设计比图9中的设计花费少，与图9中的两个AO调制器的光学损失相比，降低了光学损失。由于构造简单，图11中设计的物理大小可以比图9中的设计小得多。图10中的设计使用反射器1020来将光第二次反射回AO调制器1010，因此，图11中的设计的光学损失加倍。在图11的脉冲拾取器设计中，单个光学调制器1010和棱镜1110的组合提供了结构简单且紧凑的脉冲拾取器装置，以最小化在多级处理之后放大和展宽的激光脉冲中的有价值的光学能量的光学损失。
尽管此文件包含许多细节，但这些细节不应当被认为是对本发明所要求保护或可能要求保护的范围的限制，而应认为是针对具体实施例的特征描述。在单独的实施例的背景下，在此文件中描述的特定特征还可以结合单个实施例进行实施。相反地，在单个实施例的背景下描述的各个特征还可以单独地在多个实施例中实现或以任何适当的子组合方式实现。而且，尽管在上文可能将特征描述为在特定的实施例中起作用，甚至一开始这样要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从组合中去除，所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变形。
只描述了一些例子和实现方式。还可以对所描述的例子和实现方式做出其它实现方式、变形、修改和改进。

Claims (37)

1.一种用于放大激光脉冲的方法，包括：
操作输入光学放大器，以便放大输入激光脉冲，从而产生具有频率上线性啁啾并且被展宽为具有比每个输入激光脉冲的脉冲持续时间长的脉冲持续时间的激光脉冲；
操作初级光学放大器下游的光学脉冲展宽器，以进一步展宽激光脉冲的持续时间，从而产生每个激光脉冲中都具有降低的峰值功率的展宽的激光脉冲；
将展宽的激光脉冲引导到光学放大器中，以放大展宽的激光脉冲，从而产生放大的展宽激光脉冲；和
压缩每一个放大的展宽激光脉冲的脉冲持续时间，以产生具有高峰值功率的放大和压缩的输出激光脉冲。
2.根据权利要求1所述的方法，包括：
操作被定位在所述光学脉冲展宽器和所述光学放大器之间的光学前置放大器，以在由所述光学放大器进行放大之前，放大由所述光学脉冲展宽器输出的每个展宽的激光脉冲。
3.根据权利要求2所述的方法，包括：
在将所述前置光学放大器输出的激光脉冲引导到所述光学放大器之前，降低激光脉冲的脉冲重复率。
4.根据权利要求3所述的方法，包括：
保持降低的脉冲重复率比阈值脉冲重复率高，以降低所述光学放大器中的不稳定性，或者降低所述光学放大器中的放大的自发发射。
5.根据权利要求2所述的方法，包括：
在压缩激光脉冲之前，进一步将放大的展宽激光脉冲的降低的脉冲重复率降低到期望的输出脉冲重复率；和
接着，对每个脉冲的持续时间执行压缩，从而以期望的输出脉冲重复率产生放大和压缩的输出激光脉冲。
6.根据权利要求2所述的方法，包括：
在所述光学脉冲展宽器的下游且所述光学放大器的上游的位置处对激光脉冲的光谱进行滤波，以降低激光脉冲的畸变。
7.根据权利要求1所述的方法，包括：
在将激光脉冲引导到所述光学放大器之前，降低激光脉冲的脉冲重复率。
8.根据权利要求7所述的方法，包括：
保持降低的脉冲重复率比阈值脉冲重复率高，以降低所述光学放大器中的不稳定性，或者降低所述光学放大器中的放大的自发发射。
9.根据权利要求1所述的方法，包括：
在压缩激光脉冲之前，进一步将放大的展宽激光脉冲的降低的脉冲重复率降低到期望的输出脉冲重复率；和
接着，对每个脉冲的持续时间执行压缩，从而以期望的输出脉冲重复率产生放大和压缩的输出激光脉冲。
10.根据权利要求1所述的方法，包括：
在所述光学脉冲展宽器的下游且所述光学放大器的上游的位置处对激光脉冲的光谱进行滤波，以降低激光脉冲的畸变。
11.根据权利要求1所述的方法，包括：
在所述初级光学放大器之前的位置处控制输入激光脉冲，以具有比10dB小的光谱畸变。
12.根据权利要求1所述的方法，包括：
操作所述光学脉冲展宽器，以将每个脉冲的持续时间展宽到10倍或更多，从而产生展宽的激光脉冲。
13.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述放大和压缩的输出激光脉冲具有比10微焦大的脉冲能量。
14.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述放大和压缩的输出激光脉冲具有比10皮秒小的脉冲持续时间。
15.根据权利要求1所述的方法，包括：
保持作为所述光学放大器的光纤放大器的光纤长度充分地短，以降低所述光学放大器中的非线性畸变。
16.根据权利要求1所述的方法，其中：
将所述光学放大器配置成具有比35dB大的光学增益。
17.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述初级光学放大器是抛物线光学放大器，并且由所述初级光学放大器输出的激光脉冲在时间上具有抛物线脉冲形状。
18.一种脉冲激光装置，包括：
脉冲种子激光器，其产生输入激光脉冲；
初级光学放大器，其接收输入激光脉冲，以放大接收的输入激光脉冲，从而产生频率上具有线性啁啾并且脉冲持续时间比每个输入激光脉冲的脉冲持续时间长的激光脉冲；
光学脉冲展宽器，其被定位在所述初级光学放大器的下游，以进一步展宽激光脉冲的持续时间，从而产生具有降低的峰值功率的展宽的激光脉冲；
光学放大器，其进一步放大展宽的激光脉冲，从而产生放大的展宽激光脉冲；和
脉冲压缩器，其压缩所述放大的展宽激光脉冲中的每个脉冲的脉冲持续时间，以产生具有高峰值功率的放大和压缩的输出激光脉冲。
19.根据权利要求18所述的装置，其中：
所述脉冲展宽器包括展宽激光脉冲的啁啾光纤布拉格光栅。
20.根据权利要求19所述的装置，其中：
所述啁啾光纤布拉格光栅被构造成除了展宽激光脉冲之外还对激光脉冲的光谱执行光学滤波，以降低展宽的激光脉冲中的畸变。
21.根据权利要求20所述的装置，其中：
所述啁啾光纤布拉格光栅被构造成去除激光脉冲的光谱形状边缘附近的光谱分量。
22.根据权利要求18所述的装置，包括：
光学带通滤波器，其被定位在所述初级光学放大器和所述光学放大器之间的激光脉冲的光路上，以对激光脉冲的光谱进行滤波，从而在进入所述光学放大器之前降低激光脉冲中的畸变。
23.根据权利要求18所述的装置，包括：
脉冲拾取装置，其被定位在所述光学放大器的上游，以降低展宽的光脉冲的脉冲重复率。
24.根据权利要求23所述的装置，其中：
由所述脉冲拾取装置产生的展宽光脉冲的降低的脉冲重复率比阈值脉冲重复率大，超过所述阈值脉冲重复率，所述光学放大器中的不稳定性或放大的自发发射被降低。
25.根据权利要求23所述的装置，包括：
第二脉冲拾取装置，其被定位在所述光学放大器和所述脉冲压缩器之间，以进一步将放大的展宽激光脉冲的脉冲重复率降低到期望的输出脉冲重复率。
26.根据权利要求25所述的装置，其中：
所述第二脉冲拾取装置包括声-光调制器和棱镜，所述声-光调制器接收输入光，以产生沿与输入光的方向不同的方向的衍射光束，所述棱镜被定位成接收所述衍射光束以产生输出光。
27.根据权利要求18所述的装置，其中：
所述光学放大器包括：光纤增益部分，其被掺杂为在以与激光脉冲的激光波长不同的泵浦波长的光学泵浦光的光学激励下对激光脉冲产生光学增益；耦合器，其将泵浦光在所述激光脉冲在所述光纤增益部分中的传播方向上耦合到所述光纤增益部分中；准直透镜，其将光自所述光纤增益部分耦合出；以及泵浦倾卸器，其耦合到所述光纤增益部分的靠近所述准直透镜的一侧，以将泵浦光与所述激光脉冲的光分离。
28.根据权利要求18所述的装置，其中：
所述光学放大器包括：光纤增益部分，其被掺杂为在以与激光脉冲的激光波长不同的泵浦波长的光学泵浦光的光学激励下对激光脉冲产生光学增益；耦合器，其将泵浦光在所述激光脉冲在所述光纤增益部分中的传播方向上耦合到所述光纤增益部分中；准直透镜，其将光自所述光纤增益部分耦合出；以及分色反射器，其分离泵浦光和激光脉冲的光。
29.根据权利要求18所述的装置，其中：
所述光学放大器包括：光纤增益部分，其被掺杂为在以与激光脉冲的激光波长不同的泵浦波长的光学泵浦光的光学激励下对激光脉冲产生光学增益；耦合器，其将泵浦光在与所述激光脉冲在所述光纤增益部分中的传播方向相反的方向上耦合到所述光纤增益部分中；泵浦倾卸耦合器，其在所述耦合器的相对侧耦合到所述光纤增益部分，以将残余泵浦光自所述光纤增益部分耦合出；以及准直透镜，其将激光脉冲的光自所述光纤增益部分耦合出，并使朝向所述脉冲压缩器的光准直。
30.根据权利要求18所述的装置，其中：
所述光学放大器包括：光纤增益部分，其被掺杂为在以与激光脉冲的激光波长不同的泵浦波长的光学泵浦光的光学激励下对激光脉冲产生光学增益；泵浦光源，其产生光学泵浦光；分色反射镜，其接收来自所述泵浦光源的光学泵浦光，并将所述光学泵浦光朝向所述光纤增益部分反射；准直透镜，其将来自所述分色反射器的反射光学泵浦光在与所述激光脉冲在所述光纤增益部分中的传播方向相反的方向上耦合到所述光纤增益部分中；以及泵浦倾卸耦合器，其在所述准直透镜的相对侧耦合到所述光纤增益部分，以将残余泵浦光自所述光纤增益部分耦合出；其中，由所述光纤增益部分放大的激光脉冲通过所述分色反射器朝向所述脉冲压缩器发射。
31.根据权利要求18所述的装置，包括：
前置光学放大器，其被定位在所述光学脉冲展宽器和所述光学放大器之间。
32.一种脉冲激光装置，包括：
脉冲种子激光器，其产生输入激光脉冲；
光学脉冲展宽器，其被定位在种子激光器的下游，以展宽源于所述输入激光脉冲的激光脉冲的持续时间，从而产生具有降低的峰值功率的展宽的激光脉冲；
光学放大器，其被定位在所述光学脉冲展宽器的下游，以接收展宽的激光脉冲并放大展宽的激光脉冲，从而产生放大的展宽激光脉冲；
脉冲压缩器，其被定位在所述光学放大器的下游，并压缩每个接收的激光脉冲的脉冲持续时间，从而产生具有高峰值功率的压缩的激光脉冲；和
脉冲拾取装置，其被定位在所述光学脉冲展宽器和所述脉冲压缩器之间，并降低接收的激光脉冲的脉冲重复率，所述脉冲拾取装置包括：声-光调制器和棱镜，所述声-光调制器接收输入光，以产生沿与所述输入光的方向不同的方向的衍射光束，所述棱镜被定位成接收所述衍射光束，以产生输出光。
33.根据权利要求32所述的装置，其中：
所述脉冲拾取装置被定位在所述光学放大器和所述脉冲压缩器之间。
34.根据权利要求32所述的装置，其中：
所述脉冲拾取装置被定位在所述光学脉冲展宽器和所述光学放大器之间。
35.根据权利要求32所述的装置，包括：
第二光学放大器，其被定位在所述光学放大器和所述脉冲压缩器之间，以提供对每个激光脉冲的额外放大。
36.根据权利要求35所述的装置，其中：
所述脉冲拾取装置被定位在所述光学放大器和所述第二光学放大器之间。
37.根据权利要求32所述的装置，包括：
光学抛物线放大器，其在所述种子激光器和所述光学脉冲展宽器之间，所述光学抛物线放大器放大输入激光脉冲，以产生具有抛物线脉冲和光谱形状并被展宽为具有比每个输入激光脉冲的脉冲持续时间长的脉冲持续时间的抛物线激光脉冲；和
光学带通滤波器，其被定位在抛物线光学放大器和所述光学放大器之间的激光脉冲的光路上，以对激光脉冲的光谱进行滤波，并去除激光脉冲的抛物线光谱形状边缘附近的光谱分量，从而降低由所述光学放大器输出的每个放大的展宽激光脉冲中的畸变。
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