CN103329016A - 用于高峰值功率光脉冲的光纤传输的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了通过光纤传输高峰值功率光脉冲的方法和系统。拉曼孤子产生被用于保持传输光纤中脉冲的特性。装置可包括任何高峰值功率脉冲源和支持拉曼孤子产生的传输光纤。

Description

用于高峰值功率光脉冲的光纤传输的方法和系统
技术领域
本发明涉及通过光纤传输高峰值功率光脉冲的装置和方法。
背景技术
在许多基于激光的应用中希望通过光纤将高峰值功率光脉冲从脉冲激光源传输至终端使用装置。举例来说，美国专利6,249,630、发明名称为“Apparatusand method for delivery of dispersion-compensated ultrashort optical pulses with highpeak power”和美国专利6,320,191、发明名称为“Dispersive precompensator for usein an electromagnetic radiation generation and detection system”分别披露了高功率超短脉冲和THz辐射的基于光纤的传输。
与传输连续波输出或长脉冲不同，光纤中高峰值功率脉冲的非线性相互作用可能导致脉冲质量的下降。如果所述脉冲受到不希望的非线性效应的影响，传输高峰值强度光脉冲可能会特别困难。因此，传统的观念建议要避免光纤中光脉冲的非线性相互作用。
如果平衡了自相位调制和反常色散，则光孤子可在光纤中演变，如L.F.Mollenauer,et al.,Phys.Rev.Lett.45,1095-1098(1980)中所描述的。孤子在光纤中传播，而不破坏时域中的脉冲。孤子形成的一般条件是已知的。光孤子在具有反常色散的光纤中产生，通过自相位调制和相关的非线性平衡。可适用于该孤子形成的脉冲能量满足：
E = 3 . 11 | β 2 | γΔ τ 2
其中，β2是光纤的二阶色散，Δτ是激光脉冲的FWHM，并且
Figure BDA00003544195300012
其中A是模面积。（参见G.P.Agrawal，Nonlinear fiber optics,3rdEd.,Academic Press,p.151）。不过，可以看到，在传统的光纤中孤子脉冲的可用能量受限在不大于几十皮焦（pJ）。
如果激光脉冲包含较高的能量，可通过较高阶孤子压缩脉冲，导致脉冲分裂。反之，如果激光脉冲包含较少的能量或者其在传播期间衰减，孤子会最终消失。在任一情况出现脉冲失真。
因此，存在对短高峰值功率脉冲被输送至终端使用装置而没有不希望的脉冲断开效应的需求，尤其是在激光加工环境中，其中希望分离远程激光头和终端使用装置。
发明内容
至少一个实施例包括设置在脉冲源和终端使用装置之间的传输光纤中的受激拉曼(Raman)孤子（RS）产生。高峰值功率脉冲被传输至终端使用装置，而没有在从脉冲源所接收到的脉冲的形状上有显著失真。另外，传输至终端使用装置的脉冲质量可能优于受色散或其它非线性效应的脉冲的质量。
至少一个实施例提供了将高峰值功率脉冲从远程激光源传输到终端使用装置，而不要求脉冲展宽和压缩以避免非线性效应。在不同的实施例中，利用RS产生来为终端使用装置提供高质量压缩的脉冲。
如果拉曼位移被施加至脉冲，并且满足了拉曼孤子形成的条件，原始的脉冲在传播期间演变成拉曼孤子。在光纤内的进一步传播可能促成波长位移的增大，但是脉冲形状可能在可用的工作范围上大致保持。
如果光纤未掺杂，适用于传输光纤的通常范围内的信号损耗，例如100m或更小，是可忽略的。重要的是，掺杂的增益光纤对于RS光脉冲不是必要的，这对于传输光纤可能是有利的。
在不同的实施例中，脉冲源和传输光纤可被设置成使得在预定长度的传输光纤的输出处接收到高质量压缩的脉冲。所述源可被设置在远离终端使用装置的位置。传输光纤可具有的长度的范围在从约一米(几米)（m）到约100m，20m至100m，或其它类似的范围。在一些实施例中，可选择激光参数和/或光纤长度使得脉冲质量在光纤的输出处显著最大化，其中获得基(态)脉冲大量转换为RS。脉冲质量改进的一个表示是翼（即，基座）中具有可忽略或减小能量的更短或相同的脉冲宽度（例如：半峰全宽，FWHM）。脉冲质量可被定义为，例如比率：（半峰全宽脉冲宽度）/（脉冲宽度的均方根）；这两个定义在本领域均是公知的。也可以利用一个或更多个其它的标准，例如：希望的时间脉冲形状，如sech2或类高斯（Gaussian-like）、脉冲平滑、对称、无分裂等等。
脉冲源可包括具有足够的脉冲能量（或强度）的任何激光或放大系统，输出波长在适于传输光纤中的RS产生的范围内。举例来说，可利用锁模激光振荡器。在一些实施例中，可利用振荡器/放大器组合，并且放大器可具有多级。如果波长导致RS条件，可利用调Q(Q-开关)激光器。Er掺杂的波导或光纤介质可用于增益材料。例如，具有可选的放大器级的Er或Er-Yb掺杂的光纤振荡器可提供反常色散。在一些实施例中，激光发射波长可在通信窗口中，例如约1560nm，而RS光纤可能是标准的玻璃光纤。
如果需要波长短于1300nm，在较长的波长传输的RS可被转换成较短的波长，例如通过双倍频、三倍频或四倍频。在一些实施例中，特种光纤例如多孔光纤或光子晶体光纤（PCF）可能被色散设计成在所述较短的波长产生反常色散。
举例来说，被传输至终端使用装置的飞秒或皮秒脉冲的脉冲能量可能在约1nJ到10nJ的范围内，在一些实施例中可达到约100nJ和/或1μJ或更大。压缩的脉冲宽度可小于1ps，并且在一些实施例中可小于约300ps。脉冲能量也可缩放到较高水平。例如，传输光纤可接收10ps-100ps范围内的输入脉冲，所述脉冲随后通过传输光纤中的RS压缩受压缩，并且在一些实施例中，可产生在皮秒或纳秒范围(级)的脉冲，其中脉冲能量成比例增大。在不同的实施例中，大芯径光纤可与较高的峰值功率脉冲一起使用，并被设置成阶跃折射率光纤或嵌入光子晶体光纤结构。
附图说明
图1示意性地示出了用于将高峰值功率光脉冲从位于远程的激光源传输至终端使用装置的一种系统的一般结构。
图1A示意性地示出了适于与本发明的实施例一起使用的一种示例性光纤激光器-放大器系统。
图1B示意性地示出了连接至远程脉冲激光源的一种示例性终端使用装置。
图2示意性地示出了一种结构，其中掺杂和未掺杂的光纤的部分被用于传输光纤。
图3示意性地示出了一种结构，其中传输光纤的一个部分(单个部分的传输光纤)通过自由空间耦合光学器件被耦合在激光头内。
图4示意性地示出了一种结构，其中用于传输光纤的未掺杂光纤的一个部分(单个部分的未掺杂光纤)通过光纤接头被耦合在激光头内。
图5示意性地示出了一种结构，其中未掺杂光纤的多个部分(多个部分的未掺杂光纤)被用于传输光纤。
图6示意性地示出了一种结构，其中波长转换器被耦合至传输光纤。
图7示意性地示出了一种结构，其中波长转换器被耦合至传输光纤的一端并被设置为终端使用装置的一体部分。
图8示意性地示出了具有光谱滤波器以分离基态和拉曼位移的脉冲部分的一种结构。
图9示意性地示出了传输光纤中脉冲光谱和形状的演变，示出孤子拉曼范围中脉冲传播的一些效应。
图10是示出在具有4m长的放大器光纤的输出处RS脉冲时间形状的图表。
图11是示出在18.6m长掺杂光纤的输出处的RS脉冲时间形状的图表。由于可忽略量的泵浦光，超过5m的部分用作无源光纤。
图12是示出在约1.5um波长的基态脉冲和拉曼孤子的光谱的图表。
具体实施方式
虽然不必要实施所披露的系统和方法的实施例来理解潜在的运行机制，并且在不偏向任何特定理论的情况下，回顾关于拉曼产生并更具体地说是拉曼孤子（RS）的各种原理是有用的。
飞秒脉冲压缩的研究揭示了拉曼散射可以提高孤子效应压缩器中受压缩的脉冲的质量（参见G.P.Agrawal,Applications of non-linear fiber optics,Academic Press,pp.280-287,(2001)）。在一定的光学条件下，光纤中RS(拉曼孤子)的传播特性与非拉曼孤子的传播特性相似。为了进入拉曼孤子范围，基态脉冲最初必须达到由以下公式给出的受激拉曼散射的阈值强度：
g R P th L eff A eff ≈ 16
其中gR是拉曼增益（10-13m/W量级），Pth是阈值，Leff是有效长度，而Aeff是模面积。（参见G.P.Agrawal,Nonlinear fiber optics,3rdEd.,Academic Press,p.302,和G.P.Agrawal,Applications of non-linear fiber optics,Academic Press,pp.280-287,(2001)）。一旦基态脉冲的强度超过拉曼散射阈值的强度，反常色散和由自相位调制提供的正常啁啾之间的平衡也将满足拉曼孤子（RS）传播。作为比较，通过相似的光纤参数和波长范围，RS脉冲能量可比非拉曼孤子的脉冲能量高出多于两个量级。
RS产生在光纤中产生高能量和强度脉冲，例如披露于H.Hofer et al.,Opt.Lett.23,1840(1998)和美国专利5,880,877，发明名称为“Apparatus and method for thegeneration of high-power femtosecond pulses from a fiber amplifier”。美国专利5,880,877的内容在此以其全文形式被结合入本文作为引用。‘877专利披露了在光纤放大器和/或未掺杂光纤中的孤子拉曼压缩。孤子拉曼压缩器被认为是高度非线性系统，并且可采用稍微多模的放大器或未掺杂大纤芯光纤的使用。‘877专利披露了光纤放大器和压缩器可被组合在单个光学部件中。可替换地，可使用非线性放大器和线性或非线性压缩器。光纤压缩器的至少一部分可包括未掺杂的光纤。所包括的应用用于双光子共焦显微镜，其中非线性光纤放大器提供脉冲压缩。
在本发明的一些实施例中，受激拉曼孤子（RS）的形成和传播被用于高峰值功率脉冲的光纤传输。有利地，被传输至终端使用装置的拉曼波长位移脉冲的可获得的脉冲质量可超过受到其它非线性效应(影响)的脉冲的脉冲质量，即使在低于拉曼阈值的峰值功率。被输送至终端使用装置的波长位移脉冲的脉冲质量可能超过具有除RS产生外由非线性效应引起的显著失真的脉冲的脉冲质量。根据不同的实施例，可提供高得多的峰值功率，工作在孤子拉曼范围。
在不同的优选实施例中，光纤激光器/放大器被用作脉冲源，并且在一些实施例中，所述源可被设置成具有“全光纤”结构。下述的美国专利和申请披露了光纤激光器/放大器系统和/或终端使用材料加工系统的各种特征：美国专利申请号10/813,173，发明名称为“Method and apparatus for controlling and protectingpulsed high power fiber amplifier systems”,申请日为2004年3月31日，现为美国专利7,505,196；美国专利申请号10/813,163，发明名称为“Modular,fiber-basedchirped pulse amplification system”,申请日2004年3月31日，现为美国专利7,711,013；美国专利申请号11/727,500，发明名称为“Beam stabilized fiber laser”，申请日为2007年3月27日；以及美国专利申请号12/641,256，发明名称为“Laser-based material processing methods and systems”,申请日为2008年12月17日。每个上述申请/专利的内容在此以其全文形式被结合入本文作为引用。
图1-8示出了本发明的一些实施例的各种部件和结构。应当理解，所述结构不是相互排斥的，并且元件/部件可在不同的实施例间以适当的方式组合，以实现希望的设计目的。
图1示出了对应于本发明的一个实施例的一种结构。激光头100中的脉冲源105提供具有高峰值功率的光脉冲以便用于终端使用装置150。例如，脉冲源可包括锁模激光器，所述锁模激光器产生脉冲宽度小于100ps的超短激光脉冲。可替换地，光脉冲可通过Q开关和/或增益开关或上述的任意适当的组合而产生。脉冲持续时间可在其它的范围，例如在纳秒范围(级)。脉冲源可包括一个或更多个光学放大器以增大脉冲能量和峰值功率。
合适的耦合结构110将高峰值功率脉冲耦合至传输光纤120。在不同的优选实施例中，脉冲源100和传输光纤120被设置成使得在光纤120中发生拉曼产生，优选产生拉曼孤子。一般，由脉冲源提供的峰值功率对于在传输光纤的长度和在工作（基）波长的拉曼产生是足够高的。
图1A示意性地示出了示例性脉冲激光源105-a。在本示例中，所述源包括光纤激光器-放大器系统，所述系统具有振荡器、可选的前置放大器和脉冲展宽器，以及光纤放大器。另外，所述系统包括用于控制和保护光纤放大器以及用于脉冲特性的稳定和控制的特征(结构)。所述系统还可包括脉冲压缩器，例如光栅对，以便产生皮秒（ps）或飞秒（fs）高峰值功率输出脉冲。披露于美国专利7,505,196的所述系统是用于产生高峰值功率脉冲以便传送至终端使用装置的合适的脉冲源的一个示例。
图1B示意性地示出了光连接至设置在激光头100中的脉冲源105的示例性终端使用装置150。远程定位的激光头100与终端使用装置150之间的连接120-a可包括对应于本发明的一个实施例的传输光纤。示例性终端使用装置可包括定位设备、束流扫描仪等等。在一些实施例中，可使用传输光纤120-a，以提供从远程激光源到紧凑的移动多轴终端使用装置的高峰值功率短脉冲。在一些实施例中，终端使用装置根据应用要求可包括其它的光学放大器、光束调节光学器件等等。
回到图1-8，传输光纤120可包括掺杂的和/或未掺杂的光纤部分，后者提供了一些下文所讨论的优点。
在一些实施例中，单模光纤根据所要求的光学参数可在传输光纤120的一部分中实施。
传输光纤120可包括大模面积光纤，优选用于高能量和强度脉冲传输。例如，美国专利5,818,630、发明名称为“Single-mode amplifiers and compressorsbased on multi-mode fibers”披露了如何在不希望的非线性特性和增益饱和开始之前在光纤放大器中增大能量存储势能和产生高于在单模（SM）光纤中可获得的峰值功率和脉冲能量。这些光学放大系统利用多模光纤放大器，还提供基本在基模的放大的输出。美国专利5,818,630的内容在此以其全文形式被结合入本文作为引用。在本发明的不同优选实施例中，大面积纤芯光纤中的RS产生提供了高峰值强度分布，还支持多模光纤中RS的类高斯模式。类高斯模式分布优选用于许多终端使用应用。因此，大面积纤芯光纤（>～40μm）可允许RS传播，用于传输具有近似高斯空间分布的高峰值功率脉冲到终端使用装置。使用所述大模面积光纤的一个优点是RS脉冲能量的可伸缩性，同时避免由于过多的非线性相位变化而导致的脉冲的时间和空间衰变。
特种光纤例如大纤芯多孔光纤可单独使用或与阶跃折射率光纤组合使用。例如，光子带隙光纤（PBG）、光子晶体光纤（PCF）或者具有希望的模大小的类似微结构光纤也可用于RS传输光纤。微结构或光子晶体光纤（PCF）可被设计成为RS尤其对于波长短于1300nm的RS提供反常色散条件。所述较短的波长在标准阶跃折射率光纤的正色散范围。
可以预先选择光纤直径，使得传输光纤对于希望的直径是可弯曲的，而没有显著的损耗或光束衰变。在一些实施例中，传输光纤可以是适于偏振敏感应用的保偏（PM）光纤。另外，可优选非PM光纤。传输光纤可具有的长度在约一米(约几米)到约100m、20m–100m的范围内或其它类似的范围。
终端使用装置150的应用可包括材料加工，例如：激光切割、钻孔、划片、表面造型、刻图和/或标记。终端使用装置150可用于成像、脉冲激光沉积、激光光谱学，或用于太赫兹产生或检测。
图1-8示意性地示出了传输光纤、耦合器、和用于波长选择/控制的部件的一些非限制性结构。
传输光纤120可以是单个部分的光纤，如图1所示。耦合结构110可通过自由空间耦合光学器件或光纤接头位于激光头内。
参见图2，在一些实施例中，掺杂和未掺杂的光纤可被结合用于传输光纤。掺杂和未掺杂的光纤之间的耦合210也可通过自由空间耦合光学器件或光纤接头实施，如图3和图4中分别所示的耦合结构。如图3所示，自由空间耦合光学器件310可包括透镜，将光从一光纤端耦合到另一光纤端。在一些实施例中并如图4所示，光纤接头可通过熔融待被连接在一起的光纤的端部或者定位彼此光学邻近的端面而不需熔化光纤材料而制成。锥形的光纤可用于光纤接头或还有耦合。可替换地，可以实施自由空间部件、接头和/或光纤锥形部的适当的组合。在一些实施例中，脉冲源的掺杂的增益光纤可通过未掺杂的光纤部分扩展，从而减少部件的数量。
作为另一个示例，为了在实践中设置传输光纤的进一步的灵活性，传输光纤可包括多个部分。如图5所示，未掺杂的光纤520-a、520-b的部分可通过光纤接头或具有耦合器510的自由空间光学器件耦合。光纤的部分不限于未掺杂的光纤，但可包括未掺杂光纤的至少一部分。
孤子传播不是在所有波长都易于实现的。在某些实施例中，频率转换器可用于消除这个问题并且将信号波长转换为更希望的波长以用于RS产生和传播。频率（波长）转换器一般包括非线性光学材料，根据非线性光学材料中入射脉冲的光强度的非线性光学相互作用将入射脉冲的波长转换成不同的波长。如果强度足够高，光纤可根据非线性相互作用转换波长。适当的市场有售的转换器包括非线性晶体、拉曼转换器(位移器)、参数放大器和高度非线性光纤。
在一些实施例中，可能希望在传输至终端用户装置之前进行波长转换和/或滤波以改变传输光纤的输出波长，即使工作在RS范围。
例如，图6示出了一种结构，其中从传输光纤120的一部分接收输出，随后输出被波长转换并被传输至终端使用装置。光纤120的一部分可用于传输波长转换的脉冲。
图7示出了可替换的结构，其中波长转换器是终端使用装置的一体部分。
图8示意性地示出了具有光谱滤波器以分离基态和拉曼位移脉冲的结构。
参见图9，图9并没有按比例绘制，脉冲谱和脉冲形状的演变以光纤长度Lmax示出。对于超短脉冲例如飞秒(fs)脉冲，通过自相关函数（ACF）估算时间域中的脉冲形状。RS光谱和时间脉冲形状的演变分别在上部图900-a和900-b中示出。图910-a和910-b示出了光谱滤波如何可以增强时间脉冲形状。下部图920-a和920-b示出了表示由非线性效应降低的高峰值功率非拉曼位移脉冲的性能，尽管比RS脉冲的峰值功率低。
参见图900-a和900-b，通过拉曼位移包括RS，激光脉冲谱被分成两个主要的波长区域：第一基态短波长部分901，具有自相位调制；和第二平滑的拉曼位移部分903。如果工作在RS范围，则出现拉曼孤子脉冲压缩。所得到的压缩脉冲905包括不希望的可见附属（例如：基座）部分907。
不过，弱附属部分907是基态非位移脉冲与拉曼位移脉冲的波混频的结果。附属部分可通过光谱滤波与非位移脉冲部分相关的波长部分去除，以便滤去对应于光谱901的脉冲部分的能量。参见910-a和910-b，例如，所述滤波可通过带通滤波器911或频域中的低通滤波器实现。通过实施这一措施，得到展宽但高质量的脉冲913，几乎无基座。拉曼孤子范围中脉冲传播的极好效应是显而易见的。
在本示例中，最佳光纤长度与产生已滤波的光谱911和脉冲形状903的波长一致。进一步的传播导致额外的拉曼位移以及光谱宽度和脉冲宽度的增大。不过，光纤的最优化的传输长度可根据输入脉冲能量和强度、啁啾、传输光纤模面积和其它的相关参数估算。另外，如果增益光纤的一部分被包括在传输光纤中，光纤中的增益分布要被考虑。在一些实施例中，传输光纤的长度短到大于一米(几米)，并且可在从约一米(几米)（m）到约100m、10m–100m、20m-100m的范围内，或其它类似的范围。
现在参见920-a和920-b，如果激光脉冲能量和/或峰值功率足够强，非拉曼激光光谱由于非线性过程例如自相位调制而被调制。在任意情况，非线性效应和色散使脉冲展宽并产生不希望的强基座，并具有如920-a和920-b所示的进一步的光谱展宽。照此不存在脉冲压缩，并且减少基座是困难的，即使通过光耦合至传输光纤的额外的压缩器装置。如图所示，脉冲保真度随进一步的传播继续降低。因此，RS传播和脉冲压缩的优越性能是明显的。
实验结果
举例来说，进行实验来验证在足够长的传输光纤中的RS传播。目的是产生没有重大损耗和衰退的脉冲形状的输出。
使用由光纤耦合泵二极管泵浦的锁模光纤激光振荡器。振荡器包括Er掺杂的光纤并在大于一皮秒(几皮秒)的脉冲持续时间下产生亚纳焦能量水平的脉冲。
振荡器输出在放大器级被进一步放大。放大器级包括Er-Yb共掺杂的光纤，具有由光纤尾纤的二极管激光器泵浦的大模面积纤芯。用于实验的增益光纤在976nm泵浦波长具有约-6dB/m的泵浦光吸收。本实验中的RS脉冲能量没有直接测量，而是由光谱和其它类似的测量法估算，为约2-3nJ。
RS压缩减小了ps种子脉冲的脉冲宽度。为方便起见，本实验通过扩展放大器级的光纤来进行。在扩展的区域，光纤由于不足的泵浦光没有有效地放大脉冲，从而模仿无源光纤，除了扩展区域中掺杂剂的任意波长敏感吸收特性之外。
如图10所示，在输出(4m长放大器光纤)所测得的通过自相关函数（ACF）表现的脉冲形式在RS波长基本是无基座的。在本示例中，光谱从由脉冲源产生的其基态的1560nm红移到1610nm，总共红移为约50nm。参见图11，随着光纤长度增大到18.6m，图10所示的脉冲形状与4m增益光纤的150fs相比被展宽至350fs。不过，脉冲形状表现出可忽略的基座和调制，并且压缩的输出(完全)在fs范围内。
尤其是，5m增益光纤的泵浦光吸收导致-30dB的残余泵浦光，其在5m点处小于5mW。在10m处，泵浦光仅保持在几微瓦(大于一微瓦)的水平。考虑到输出处的RS功率在大于一百(几百)毫瓦的范围内，超过5m的增益光纤的部分可以是未掺杂光纤，也提供RS产生。不过，未被转换到RS的任何基态波长脉冲能量通过掺杂剂会在增益光纤中进一步衰减，并且没有激励。
在未掺杂的光纤中，在基波长缺少该衰减进一步增大了RS转换效率，导致更为有效的将脉冲光纤传输至终端使用装置。因此，在某一长度的传输光纤上使用未掺杂光纤是有益的，并且建立了使用超过本示例所示的长距离传输光纤的可行性。所述性能对于掺杂光纤如果不是不可能的话也会是极其困难的。
放大器级中的增益光纤长度可根据激光脉冲特性在被耦合至未掺杂的光纤之前被调整。有时，可在传输光纤的端部呈现未转换的残余基态脉冲。基波长和RS波长中的一个或者两者可被使用、光谱分离、和/或过滤。所述决定可根据终端使用应用装置的要求作出。
举例来说，对于拉曼位移谱，图12示出了完全分离的波长范围。在正常的色散波长范围，例如约1μm，RS产生不发生在传统的阶跃折射率光纤中。不过，光谱范围可能受关注用于分光镜(光谱)、成像或任何其它的光谱敏感的应用。提供多光谱信息的结构在波长敏感应用和/或通过波长合成器组合不同激光头的功率可能是有利的。
根据上述结果，确定发生在放大器光纤的RS产生和对于组合的基态和RS波长部分的放大器级的脉冲能量输出可超过5nJ。功率尤其是基态脉冲部分的功率对于短（4m）和较长（18.6m）的光纤是不同的，这是由于如上文所讨论的光的基态部分的吸收。根据泵浦功率，4m光纤的脉冲能量输出通常为5-10nJ，具有组合的基态和RS部分。对于18.6m长度的增益光纤，基频光被吸收并可被忽略。因此，输出功率几乎全在RS部分，导致通过实验装置约为2nJ的脉冲能量。
尽管传输光纤中的RS产生是优选的，但可采用合适的替换例。工作在1μm波长范围在正色散范围的光纤放大器是一个示例。如果一长度的色散位移光纤被用作传输光纤的一部分，RS和没有孤子形成的拉曼位移可被结合用于优化待被传输至终端使用装置的脉冲。微结构光子晶体光纤和/或其它合适的特种光纤可用于不同的实施例。
至少一个实施例包括基于激光的系统。所述系统包括高峰值功率光脉冲源和定位于远离所述源的终端使用装置。所述系统包括所述源和所述终端使用装置之间的光学传输光纤，所述光学传输光纤和所述脉冲源被设置成使得用于传输光纤中拉曼孤子（RS）产生的阈值被超过。波长位移脉冲被传输至所述终端使用装置。
至少一个实施例包括一种激光系统。所述系统包括脉冲源，以产生光脉冲。传输光纤接收光脉冲，其中所述脉冲具有足够的峰值功率使得拉曼孤子产生发生在传输光纤的至少一部分。所述系统包括终端使用装置，其接收从传输光纤发射的光脉冲。
至少一个实施例包括传输光脉冲的方法。所述方法包括产生高峰值功率光脉冲和将所述高峰值功率光脉冲耦合至至少一个传输光纤，所述脉冲具有足够的峰值功率以引起拉曼孤子产生和传输光纤中高峰值功率光脉冲的压缩。所述方法包括传输压缩的脉冲到终端使用装置。
在一个或多个实施例中，传输至终端使用装置的波长位移脉冲的脉冲质量超过由非线性效应而非RS产生引起的显著失真的脉冲的脉冲质量。
在一个或者多个实施例中，传输光纤中的孤子拉曼压缩可在传输光纤的输出处产生压缩的光脉冲。
在一个或者多个实施例中，光谱滤波器将拉曼位移脉冲部分与基态脉冲部分分离，从而减小终端使用装置处接收到的脉冲的基座。
在一个或者多个实施例中，由源产生的光脉冲包括小于约10ps的脉冲宽度，而压缩的光脉冲包括在约100fs-约1ps范围内的脉冲宽度。
在一个或者多个实施例中，传输光纤包括掺杂部分和未掺杂部分，其中孤子拉曼压缩的至少一部分发生在传输光纤的未掺杂部分。
在一个或者多个实施例中，与在所述源处的光脉冲相比，在终端使用装置处接收到的光脉冲在光学传输光纤中或者被不显著展宽或者被压缩。
在一个或者多个实施例中，终端使用装置被设置成用于激光材料加工、光谱学、成像，或者它们的组合。
在一个或者多个实施例中，脉冲源包括纳秒或皮秒激光源，而拉曼产生包括受激拉曼散射。
在一个或者多个实施例中，传输光纤包括一长度的掺杂光纤。
在一个或者多个实施例中，传输光纤包括掺杂光纤部分和未掺杂光纤部分。
在一个或者多个实施例中，系统包括光耦合至终端使用装置的波长转换器，位于传输光纤的多个部分。
在一个或者多个实施例中，耦合至传输光纤的波长转换器包括终端使用装置的一体部分。
在一个或者多个实施例中，激光源包括锁模光纤激光器。
在一个或者多个实施例中，激光源包括锁模激光器、q开关微片激光器、半导体激光器、或它们的组合。
在一个或者多个实施例中，源包括增益光纤，其中增益光纤和传输光纤是同一光纤的部分。
在一个或者多个实施例中，光学传输光纤包括一长度的大模面积光纤。
在一个或者多个实施例中，传输光纤包括一长度的增益光纤和未掺杂光纤，通过光纤接头连接。
在一个或者多个实施例中，激光脉冲通过位于不同长度的光纤之间的自由空间光学耦合器被耦合，第一长度的光纤位于源和耦合器之间，而第二长度的光纤位于终端使用装置和耦合器之间。
在一个或者多个实施例中，光纤包括一长度的保偏光纤。
在一个或者多个实施例中，频率转换器被耦合至光学传输光纤的一端。
在一个或者多个实施例中，脉冲源包括光纤放大器。
在一个或者多个实施例中，光纤放大器是传输光纤。
在一个或者多个实施例中，光纤放大器和传输光纤是同一光纤的部分。
在一个或者多个实施例中，传输光纤的至少一部分包括大模面积光纤。
在一个或者多个实施例中，基于激光的系统包括波长敏感体元件、集成元件、光纤元件、或者它们的组合，以便将拉曼位移光谱和源光谱分成多个波长带。
在一个或者多个实施例中，被传输至终端使用装置的脉冲的至少一部分具有至少约1μJ的脉冲能量和小于约1ps的脉冲宽度。
在一个或者多个实施例中，被传输至终端使用装置的脉冲的至少一部分的脉冲宽度在约100ps-1ns的范围内。
在一个或者多个实施例中，传输光纤的长度在从一米(几米)到约100m的范围内。
在一个或者多个实施例中，传输光纤的长度在从约20m到约100m的范围内。
在一个或者多个实施例中，传输光纤和源被设置成使得高质量压缩的脉冲在光纤的一端被发射并被传输至终端使用装置。
在一个或者多个实施例中，压缩的脉冲包括基本对应于在传输光纤内传播的最小脉冲宽度的脉冲宽度。
因此，尽管本文仅具体描述了某些实施例，但显而易见，在不偏离本发明精神和范围的前提下可对本发明作出许多修改。另外，使用首字母缩略词仅是为了增强说明书和权利要求书的可读性。应当指出，这些首字母缩略词不旨在缩小所用术语的通用性，并且它们不应被解释为将权利要求的范围限制在本文所述的实施例。

Claims (34)

1.一种基于激光的系统，包括：
高峰值功率光脉冲源；
位于远离所述源的终端使用装置；和
位于所述源和所述终端使用装置之间的光学传输光纤，所述光学传输光纤和所述脉冲源被设置成使得用于所述传输光纤中的拉曼孤子（RS）产生的阈值被超过，其中波长位移脉冲被传输至所述终端使用装置。
2.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中所述传输光纤中的孤子拉曼压缩在所述传输光纤的输出处产生压缩的光脉冲。
3.根据权利要求2所述的基于激光的系统，还包括：光谱滤波器，所述光谱滤波器将拉曼位移脉冲部分从基态脉冲部分分离，从而减小在所述终端使用装置处接收到的脉冲的基座。
4.根据权利要求2所述的基于激光的系统，其中由所述源产生的光脉冲包括小于约10ps的脉冲宽度，而所述压缩的光脉冲包括从约100fs到约1ps范围内的脉冲宽度。
5.根据权利要求2所述的基于激光的系统，其中所述传输光纤包括掺杂部分和未掺杂部分，并且其中所述孤子拉曼压缩的一部分发生在所述传输光纤的未掺杂部分。
6.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中与在所述源处的光脉冲相比，在所述终端使用装置处接收到的光脉冲未明显展宽或被压缩。
7.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中所述终端使用装置被设置成用于激光材料加工、光谱学或成像。
8.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中脉冲源包括纳秒或皮秒激光源，而拉曼产生包括受激拉曼散射。
9.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中传输光纤包括一长度的掺杂的光纤。
10.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中所述传输光纤包括掺杂的光纤部分和未掺杂的光纤部分。
11.根据权利要求1所述的基于激光的系统，还包括波长转换器，所述波长转换器光耦合至所述终端使用装置，位于所述传输光纤的多个部分。
12.根据权利要求11所述的基于激光的系统，其中耦合至传输光纤的波长转换器包括所述终端使用装置的一体部分。
13.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中所述激光源包括锁模光纤激光器。
14.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中所述激光源包括锁模激光器、q-开关微片激光器、或半导体激光器。
15.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中所述源包括增益光纤，其中所述增益光纤和所述传输光纤包括相同光纤的部分。
16.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中所述光学传输光纤包括一长度的大模面积光纤。
17.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中所述传输光纤包括一长度的增益光纤和未掺杂光纤，通过光纤接头连接。
18.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中激光脉冲通过位于不同长度的光纤之间的自由空间光学耦合器被耦合，第一长度的光纤位于所述源和所述耦合器之间，而第二长度的光纤位于所述终端使用装置和所述耦合器之间。
19.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中所述传输光纤包括一长度的保偏光纤。
20.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中频率转换器被耦合至所述光学传输光纤的一端。
21.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中传输至所述终端使用装置的波长位移脉冲的脉冲质量超过了具有由非线性效应而非RS产生引起的显著失真的脉冲的脉冲质量。
22.一种基于激光的系统，包括：
脉冲源，所述脉冲源产生光脉冲；
传输光纤，所述传输光纤接收所述光脉冲，其中所述脉冲具有足够的峰值功率，使得拉曼孤子产生发生在所述传输光纤的至少一部分；和
终端使用装置，所述终端使用装置接收从所述传输光纤发射的光脉冲。
23.根据权利要求22所述的基于激光的系统，其中所述脉冲源包括光纤放大器。
24.根据权利要求23所述的基于激光的系统，其中所述光纤放大器是所述传输光纤。
25.根据权利要求23所述的基于激光的系统，其中所述光纤放大器和所述传输光纤是相同光纤的部分。
26.根据权利要求22所述的基于激光的系统，其中所述传输光纤的至少一部分包括大模面积光纤。
27.根据权利要求22所述的基于激光的系统，还包括波长敏感体元件、集成元件、或光纤元件，以将拉曼位移光谱和源光谱分成多个波长带。
28.根据权利要求22所述的基于激光的系统，其中被传输至所述终端使用装置的脉冲的至少一部分具有至少约1μJ的脉冲能量和小于约1ps的脉冲宽度。
29.根据权利要求22所述的基于激光的系统，其中被传输至所述终端使用装置的脉冲的至少一部分的脉冲宽度在从约100ps到1ns的范围内。
30.根据权利要求22所述的基于激光的系统，其中所述传输光纤的长度在从一米到约100m的范围内。
31.根据权利要求22所述的基于激光的系统，其中所述传输光纤的长度在从约20m到约100m的范围内。
32.根据权利要求22所述的基于激光的系统，其中所述传输光纤和所述源被设置成使得传输至所述终端使用装置的波长位移脉冲的脉冲质量超过了具有由非线性效应而非RS产生引起的显著失真的脉冲的脉冲质量。
33.一种传输光脉冲的方法，包括：
产生高峰值功率光脉冲；
将所述高峰值功率光脉冲耦合至至少一个传输光纤，所述脉冲具有足够的峰值功率以引起孤子拉曼产生和传输光纤中所述高峰值功率光脉冲的压缩；和
将所述压缩的脉冲传输至终端使用装置。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述压缩的脉冲具有一脉冲宽度，所述脉冲宽度是在所述传输光纤内传播的最小脉冲宽度。
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