CN111712761A - 具有可快速调节的中心波长的超短脉冲激光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用参数化过程产生波长可调的激光输出脉冲的系统和方法，通过同时以及调节泵浦脉冲波长和重复率的失谐来确保在参数放大介质中泵浦脉冲和种子脉冲在时间上的重叠。基于该参数耦合可以获得具有较宽的可调波长范围的激光器，其可以完全基于光纤实现并且由于非常快的响应特性可以适用于现代非线性显微镜或荧光显微镜。

Description

具有可快速调节的中心波长的超短脉冲激光系统
技术领域
本发明涉及一种采用参量过程产生波长可调的激光输出脉冲的系统和方法，其中，通过使泵浦脉冲波长和重复率同时且协调地失谐来确保参数放大器介质中泵浦脉冲和种子脉冲之间的时间重叠。基于该参数耦合可以获得具有广泛可调的波长范围的激光器，这些激光器可以完全基于光纤实现，并且由于其非常快的响应特性也适用于现代的非线性显微镜或基于荧光的显微镜。
背景技术
近几十年来，改进的分析方法使得越来越多地表征所有类型的样品成为可能，并促进了对例如生物系统的结构和反应机理的深度理解。最常用的分析方法尤其是包括光谱方法(分光镜方法)，该方法至少原则上能够以亚微米范围的空间分辨率实时解析样品中本身较大的结构和反应过程。在此，作为子类，特别是激光辅助方法，例如多光子显微镜(MPM)，以及尤其是还有非线性相干拉曼光谱法(CRS)是非常适宜的，因为在最佳情况下这些方法可以使分子特性在其“天然”化学环境中得到反映而无需额外的染色。在此，这些现代方法的基础形成激光技术的进一步发展，这些进展恰好在近年来使得在激光的基本优点之外现在还能够利用单独的激光装置例如在不同的波长下灵活地进行实验。但由于市售设备的复杂性以及相关的采购和维护成本，目前这些应用的很大一部分仍仅限于专业实验室。为了使这些技术能够成为普遍适用的，并使可实施的实验更加灵活，有必要将其转换为简单、少维护且坚固的结构，如基于光纤的结构。
已知有激光系统，其中通过改变重复率来达到输出波长的失谐(例如参见Shenping L.等人在“Electrical wavelength-tunable actively mode-locked fiberring laser with a linearly chirped fiber Bragg grating”(具有线性啁啾光纤布拉格光栅的电波长可调的主动锁模光纤环形激光器)，IEEE Photonics Technology Letters10,799-801(1998))。但在该结构中重复率仅被作为用于泵浦激光器波长失谐的参数。重复率的确切值不再受到关注，并且只能获得很小的泵浦激光器的波长的改变，这种改变受限于现有激光材料的放大范围。对于结合参数放大器系统的应用没有公开。
例如在Brinkmann,M.等人的“用于非线性显微镜的电和快速可调的光纤可积分参数振荡器”(Brinkmann,M.et al.“Electronically and rapidly tunable fiber-integrable optical parametric oscillator for nonlinear microscopy”OpticsLetters,41,2193,(2016))中描述了一种快速改变光纤集成的参数振荡器(FOPO)的波长的可能性。改变波长通过在FOPO中采用色散滤波器以及调整泵浦激光器的重复率来实现。但该技术的缺点在于，参数放大光谱必须在一个固定的泵浦波长下同时提供所有要产生的波长。这意味着，泵浦发生在参数放大器的零色散波长附近。最大可达的可调谐性受到相应的限制(对于闲散脉冲为1100nm至1300nm)。采用该方法的另一缺点在于，需要较高的泵浦脉冲峰值功率(约5kW)来实现宽的增益范围。实际中，由于脉冲变化的非线性效应，具有这样高的峰值功率的泵浦脉冲会使泵浦脉冲的输入直至参数放大介质的光纤集成难度大增。
通过附加地使泵浦脉冲的波长稍微失谐可以扩展FOPO的调谐范围。在这种情况下，通过参数放大介质的陡峭的相位调整曲线将泵浦脉冲波长的小的变化转换成FOPO输出脉冲的大的波长变化。该原理例如应用在T.Gottschall等人的“用于现实世界中的生物医学应用的相干拉曼显微镜的基于四波混合的光源”(T.Gottschall et al.“Four-wavemixing based light sources for real-world biomedical applications of coherentRaman microscopy”(Proc.of SPIE,Vol.9712,p.971202,2016))中。该技术的缺点在于，为使FOPO波长失谐，须使泵浦脉冲的波长和泵浦脉冲的重复率均失谐，以保证泵浦脉冲和种子脉冲之间在放大介质中的时间重叠。出于这个原因，在已知的系统中始终需要对于两个参数(泵浦脉冲的重复率和中心波长)的独立控制，这使得材料和控制技术的成本增加。由于这些所需的控制回路通常是基于机械延迟路段或温度变化，因此已知系统只能在相对较慢的时间范围内(超过100ms)失谐。此外已知系统的缺点还在于，典型的实施不允许完全集成到坚固的玻璃纤维技术中，这使得在专业的激光实验室之外进行有效的、成本合算且少维护的应用更加困难甚至不可能。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于，提出一种灵活且原则上没有机械延迟路段或温度调节的激光系统，其中对于输出波长可以非常快地且在宽范围内进行调节。本发明的目的还在于提出一种快速调节激光输出波的方法。
根据本发明的用于产生可变波长的激光脉冲的系统，至少包括
-泵浦脉冲发生器，用于产生泵浦脉冲，以及
-通过该泵浦脉冲发生器泵浦的光学参数放大介质，其将通过其他种子脉冲激发的、入射的泵浦脉冲转换为波长漂移的信号脉冲和闲散脉冲，其中，泵浦脉冲的波长既可以如此设置，但是也可以通过泵浦脉冲发生器的重复率来设置，以及在重复率或波长变化时，相应的另一参数也同时改变，使得泵浦脉冲和种子脉冲在光学参数放大介质中在时间上重叠。出人意料的是，已经表明，根据本发明构造的激光系统产生的激光可以在较大波长范围内进行调谐，尤其是在很短的时间段内在不同的波长之间变换时。例如，可以使用可以轻松地构件为光纤集成结构并且可以快速(如<100ms)电子失谐的参量激光系统。系统的可调性为例如2000cm-1或70THz，并且可以实现具有低泵浦脉冲峰值功率(如小于5kW或甚至小于1kW)的高效系统。在此这种灵活性尤其是可以通过根据本发明的包括泵浦脉冲发生器和附加的参数放大介质的结构实现，尤其是泵浦波长的可变性显著提高了输出波长的效率和扩展性。此外，该结构非常灵活，在泵浦脉冲发生器和参数放大介质之间可以设置其他用于调节泵浦脉冲的功率、持续时间、频谱范围和形状的光学组件或系统。为此，可以借助参数放大系统(分为光学参数放大器和光学参数振荡器)来产生具有在传统激光材料的放大范围之外的中心波长的激光脉冲。参数放大系统将之前经另一种子脉冲激发的、泵浦激光器产生的泵浦脉冲转换为波长漂移的信号脉冲和闲散脉冲。重要的前提是，种子脉冲与泵浦脉冲在参数放大介质中在时间上的重叠。
相反，在现有技术中的系统中，其中仅允许很小的波长变化，或者在不同波长之间变化的时间尺度(>100ms至几秒)较大，而这对于现代高性能光谱学来说，例如现代非线性或基于荧光的显微镜，是不合适的。此外已知系统中始终需要对两个参数(重复率和中心波长)独立进行控制，这在材料和控制技术方面的成本很高。已知系统的缺点还有，典型的设计不允许完全集成到坚固的玻璃纤维技术中，这使得在专业实验室之外的有效的、成本合算的以及少维护的应用很难甚至不可能。
本发明的系统产生波长可变的激光脉冲。这意味着，该系统不仅可以提供固定的激光脉冲，或在输出波长的范围内仅提供单个中心波长，还可以提供不同波长或中心波长的激光脉冲。下文中在所涉及的激光系统给出波长范围时，波长和中心波长为同义语。特别是，通过根据本发明的包括泵浦脉冲发生器和光学参数放大介质的可调谐的系统可以提供例如不同的输出激光脉冲，其波长可在至几百纳米的范围内。
泵浦脉冲发生器产生泵浦脉冲，其被导向光学参数放大介质中。泵浦脉冲发生器可以提供具有不同波长和不同重复率的激光脉冲，并对重复率或波长进行控制。泵浦脉冲发生器可以具有或包括一个或多个放大器链和一个或多个光谱滤波器。在根据本发明采用的泵浦脉冲发生器中，其例如可以是无源锁模泵浦脉冲发生器，如锁模光纤激光器。此外还可以从泵浦脉冲发生器耦合出部分功率，用于产生种子脉冲。
光学参数放大介质既可以用于光学参数振荡器(OPO)，也可以用于光学参数放大器(OPA)中。特别优选该系统是基于光纤的(FOPO,FOPA)。光学参数放大介质的特征在于，将通过另一种子脉冲激发的入射的泵浦脉冲转换为信号脉冲和闲散脉冲。输出波的波长以及由此的在光学参数放大介质中的转换可以根据非线性光学器件的已知关系(能量守恒和相位调整)进行。
离开泵浦脉冲发生器的泵浦脉冲的波长既可以如此设置也可以通过泵浦脉冲发生器的重复率设置。因此，本发明使用的泵浦脉冲发生器能够提供具有在一定范围内的波长的泵浦脉冲，其中，耦合输出的激光脉冲的波长的设置或者独立地通过泵浦脉冲的重复率(如通过在期望的重复率下的电光调制)实现，或者独立地通过这样的波长，例如通过电可调的波长滤波器实现。
如果泵浦脉冲的波长改变受控地通过重复率或者直接实现，则根据本发明相应的另一参数也同时改变。因此，调整一个参数会立即或同时改变另一参数。由此实现了，在波长改变之后，系统能够非常快速地与新的波长匹配并提供完全的脉冲功率。这与现有技术中的已知系统完全不同，在已知系统中，不能同步/同时调整，而是连续地例如通过设置滤波器然后改变谐振器的长度来实现。
通过同时改变波长和重复率可以实现，使泵浦脉冲和种子脉冲在光学参数放大介质中时间重叠。两个脉冲的重叠使得在光学参数放大介质中实现最佳放大，并且在波长改变后的极短时间内即可再次提供高的输出功率。这样，当在同一时间间隔内泵浦脉冲和种子脉冲对激光系统的输出脉冲的功率做出共同的贡献时，泵浦脉冲和种子脉冲发生时间重叠。
在该系统的一优选的实施方式中，可以通过附加的光学色散元件在改变波长的同时改变重复率，或者在改变重复率的同时改变波长。通过附加的光学色散元件可使系统实施为同步或同时调整重复率和波长。在此，光学色散元件指原则上能够根据其波长赋予光波不同的传播速度(相速度)的元件。此外有利的是，可以随后微调色散量，以实现对于要放大的所有波长在参数放大介质中对泵浦脉冲和种子脉冲的到达时间的特别好的调节。
色散元件的色散量可以由不同波长的脉冲的不同群速度给出。色散的结果是，在调节时，即在泵浦波长以及相关的种子波长改变时，通常不会保持对于一对泵浦波长和种子波长的一次性设置的重叠：
在泵浦脉冲发生器中循环时间t(w)或重复率R＝1/τ，通过群速度vg(ω)或单位长度β1(ω)＝l/vg以及对于每个频率所采用的的组件的长度L，计算如下：
Figure BDA0002630212240000061
由此例如对于在基于镱光纤激光器的典型的泵浦脉冲发生器中波长1020nm至1050nm的变化，重复率为约10MHz，循环时间缩短了约3ps，这对应于3kHz的重复率变化。如果例如在同样基于玻璃纤维的(参数放大介质，如NKT光子LMA-PM-5)典型的光学参数振荡器(OPO)中产生和放大种子脉冲，则在属于相应的泵浦脉冲的种子脉冲之间的循环时间缩短了749nm和930nm，由于较大的波长改变而明显较多，如约为400ps。因此对于t《400ps的持续时间，对于泵浦脉冲来说，如果在调整波长时不改变泵浦脉冲发生器或OPO(例如通过改变长度L)中的循环时间，则无法保持存在的相关的泵浦脉冲和种子脉冲的时间重叠。在上述例子中，泵浦脉冲发生器的长度需例如通过机械导轨缩短约12cm。
通常可以定义相关的种子脉冲和泵浦脉冲之间的时间间隔的频率相关的失配(Fehlanpassung)Δτ：
Δτ(ωp)＝τSeed(ωs(ωp))-τpunipe(ωp).
根据本发明，这种失配通过适当选择色散的附加元件来补偿，优选在泵浦脉冲发生器中。对于所需的附加色散的量的数学计算可以通过泵浦波长ω0附近的失配Δτ的泰勒展开式给出：
Figure BDA0002630212240000071
在该估算之后，可以适当选择长度L的附加色散元件的色散，其中β2*L＝τ1，β3*L＝τ2，...，依此类推。通常，失配Δτ的展开(Entwicklung)可以达到二阶，而基于此的对色散的控制可以达到三阶β3，以提供足够的补偿。但是更高阶的补偿也是有利的。由此激光系统可以在非常宽的范围上实现快速失谐(Verstimmung)。
在系统的一优选实施方式中，附加的光学色散元件从由啁啾布拉格结构、光栅、棱镜或它们的组合构成的组中选出。特别是，该组光学色散元件被证明是非常有效的，以在重复率和波长之间进行同时调节。该元件可以容易地集成在光纤光学系统中，并且所需的维护最少。由此也可以为“工业”环境中的应用提供价格合算且牢固的系统。
在系统的另一优选实施方式中，附加的光学色散元件可以是啁啾布拉格光栅(英语：chirped fiber bragg gratings，C-FBG)。采用啁啾布拉格光栅作为附加的光学色散元件特别是还可以获得尽可能大的可调谐波长范围。此外，这种结构可以微调，从而可以获得泵浦脉冲和种子脉冲的最大可能的重叠。另一优点在于，例如所采用的啁啾光纤布拉格光栅还可以同时用作要使用的来自谐振器的辐射的去耦元件。但是根据本发明的泵浦脉冲发生器还可以具有其他去耦元件。一个可能的实施方式是，当需要特别高度的控制时，采用商购的可热微调的C-FBG。但是也可以将更复杂的温度特性应用于C-FBG。
在该系统的另一方面，泵浦脉冲发生器波长的改变可以通过可调的光谱滤波器实现。除了可以简单而直接地选择波长外，另一优点在于，在此滤波器带宽可以决定泵浦脉冲发生器的脉冲特性(光谱宽度和持续时间以及时间啁啾)，由此获得对所产生的泵浦脉冲的更好的控制。通过泵浦脉冲的光谱宽度和持续时间可以获得对在参数放大介质中产生的脉冲的光谱宽度和持续时间的更好的控制。
在具有光谱滤波器的泵浦脉冲发生器的一种实施方式中，可将“可饱和吸收镜(SAM)”例如用于线性谐振器几何中作为无源锁模元件，以及将快速可调(<100ms)的光学滤波器用于设置波长以及与此相关的重复率。在此，例如可以考虑通过压电效应可调的法布里佩罗滤波器(Fabry-Perot-Filter)(例如光纤耦合的)、声光滤波器，也可以考虑光栅(例如反射式利特罗装置(Littrow-Anordnung))与快速光束偏转器(Strahlablenker)的结合。
在另一实施方式中，可以采用有源锁模。为了控制重复率以及与之相关的发射波长，优选采用电光调制器，如基于铌酸锂的电光调制器。还可以采用其他调制方法，如声光调制。
在系统的一优选实施方式中，附加的光学色散元件的至少一部分可以位于泵浦脉冲发生器以外。这种构造使得结构特别灵活并且可以使用标准的波长可调的泵浦脉冲发生器。在这种情况下，根据本发明的重复率和波长之间的耦合可以完全在光学参数放大介质中实现。由此可以降低激光系统的造价并简化维护操作。
在系统的一优选实施方式中，泵浦脉冲的重复率是种子脉冲的重复率的整数倍。在此这样选择附加的光学色散元件：使重复率和波长之间的匹配在泵浦脉冲发生器和种子脉冲的不同重复率上实现。该实施方式的特点在于，泵浦脉冲辐射的功率分量的重复率仅在在发生器中产生之后才降低到种子脉冲的重复率，例如利用作为所谓的“脉冲拾取器”的电光调制器。其优点在于，根据本发明，泵浦脉冲的剩余部分在高的重复率下可用继续使用，这使得这样产生的光直接用于锁定检测方法(Lock-In Detektionsverfahren)，例如用于检测相干拉曼散射。
此外优选在系统中在光学参数振荡器(OPO)中进行参数放大以及产生种子脉冲。在采用OPO产生波长漂移的信号辐射和闲散辐射时，通过泵浦脉冲在参数放大介质中在自发过程中产生种子辐射，并通过反馈与下一个泵浦脉冲相重叠。其优点在于，成本合算的实现，因为不需要在外部产生种子脉冲。通过附加地提高种子脉冲能量，可使该系统尤其高效。
在另一实施方式中，种子脉冲可由泵浦脉冲的一部分产生，该种子脉冲在与泵浦脉冲重叠之前在时间上被延迟泵浦脉冲重复率的倒数，并因此与泵浦脉冲序列中的下一个泵浦脉冲相重叠。这使得可在参数放大介质中进行放大之前单独产生种子脉冲。该OPA的应用，即单程放大，降低了整个系统的复杂性。优点还在于，采用在非线性光子学的其他领域中已知的特别有效的种子脉冲产生机制的可能性，如通过自相位调制的光谱扩展，超连续谱产生或通过受激拉曼散射的孤子自频移。
在系统的另一特征中，泵浦脉冲发生器的重复率大于或等于5MHz并且小于或等于80MHz,附加的光学色散元件的群速度色散小于或等于15ps2并且大于或等于0.5ps2。在这些参数范围内，通过非常稳定的市售的C-FBG可以实现重复率和波长之间特别有效的耦合。由此可以获得可以特别广泛地调谐的激光器。其可以非常快地在波长改变之后回复到原始状态。这使得尤其可以在现代光谱方法中使用，尤其是用于生物学系统的研究。重复率在5-80MHz之间的激光系统是尤其具有优点的，因为其在搞信号输出率和低损伤生物细胞之间提供了有效的折中。较大的色散或群速度色散可能是不利的，因为所需的色散元件复杂制造成本高。此外这些元件通常对温度敏感。较小的色散或群速度色散的不利之处在于在制造色散较小的啁啾布拉格结构时相对误差会增加。这会使提供耦合波长和重复率实现的时间重叠越来越小，并使期望的可调波长的产生效率更低或甚至不可能。
另一方面，在泵浦脉冲发生器和参数放大介质之间可以使用基于光纤的光学放大器。其可以由若干级组成并例如设计为具有较大光纤芯的单模前置放大器和主放大器，即所谓的“大模面积(Large-Mode Area)”光纤，其中放大器光纤例如可以是镱掺杂的偏振保持的玻璃纤维。
在另一实施方式中，可以有针对性地设置泵浦脉冲的“啁啾”，以获得以最大增益为中心的更宽或相对更窄的瞬时放大带宽。在使用频谱宽度并由此带宽受限的很短的泵浦脉冲(如<10ps)的情况下，有利的是在将其送至参数放大介质(如放大器)之前对其进行拉伸(“啁啾的”)，以例如减少破坏性的非线性效应，如自相位调制。
在一实施例中光纤激光器可以完全用玻璃纤维技术，特别是偏振保持的玻璃纤维来实现。
本发明还涉及一种用于采用光学参数放大介质改变激光脉冲波长的方法，至少包含以下步骤：
a)产生具有特定波长和特别重复率的泵浦脉冲；
b)产生种子脉冲；
c)在光学参数放大介质中实施种子脉冲和泵浦脉冲的重叠，其中，在泵浦脉冲的波长变化时或在重复率变化时，相应的另一参数也同时改变，从而保证泵浦脉冲和种子脉冲在光学参数放大介质中在时间上重叠。借助本发明的方法，可以快速改变光学参数放大介质的输出波长，特别是在波长改变后快速再次达到名称的最大输出强度。该方法适用于光谱应用，这些应用依赖于对波长具有尽可能恒定的输出功率的灵活研究。而迄今的提供不同波长的激光工艺以较长的切换时间为代价来实现恒定的输出功率。这是由于必须独立且连续地更改参数，和/或使用响应时间明显更长的机械元件。在此使用的组件无需机械地实施且在最佳情况下允许的切换时间为组件电气切换时间的数量级。
在步骤a)中，参数具有特定波长和特定重复率的泵浦脉冲。即泵浦脉冲由一对特定的值定义(即波长和重复率)，这不意味着这两个参数在波长和重复率不可更改的情况下是固定的。定义的泵浦脉冲借助上述泵浦脉冲发生器产生。
在步骤b)，产生种子脉冲。该步骤例如可以通过单独的种子脉冲发生器实现，或者通过泵浦脉冲的一部分的耦合输出或可能的扩展产生。
在步骤c),种子脉冲和泵浦脉冲在光学放大介质重叠。这例如可以通过向光学放大介质馈入两个脉冲来实现。这样，根据本发明，当在同一时间间隔内泵浦脉冲和种子脉冲对输出脉冲的功率做出共同的贡献时，就实现了重叠。
该方法中，当泵浦脉冲的波长或重复率改变时，另一参数同时改变。因此两个参数波长和重复率不被看作是在很大程度上是彼此独立的，而是有针对性地设计为，在一个参数改变时另一个参数随之改变。相反，现有技术中的方法放弃了有针对性的使两个参数相耦合。
在一优选的实施方式中，通过色散元件同时改变泵浦脉冲的波长和重复率。该色散元件快速而有效地确保泵浦脉冲的重复率和波长间的耦合。由此可以实现广泛可调且快速切换的方法。
另一方面，激光脉冲波长的改变可以在小于或等于100ms内通过同时改变泵浦脉冲波长和泵浦脉冲重复率来实现。该方法使得能够在弃用机械元件的情况下，通过重复率和波长间的同时耦合，在波长改变后快速达到所需的输出功率。在此实现的切换时间是已知的方法所不可能实现的。
在本文中所述的根据本发明所采用的部件在尺寸、形状、设计、材料选择以及技术概念方面不受特殊限制，可以不受限制地应用在应用领域中已知的选择标准。
附图说明
本发明的其他细节、特征和优点在本发明的描述和附图中给出。附图中距离示出多个本发明的优选实施方式。
下面根据实施例详细阐述本发明，其中示出：
图1示出根据本发明一优选实施方式的基于参数放大的用于产生具有可调波长的输出激光脉冲的系统，其形式为泵浦脉冲发生器(9)、放大器(10)以及基于光纤的OPO；
图2示出另一根据本发明的优选实施方式的基于参数放大的、用于产生具有可调波长的输出激光脉冲的系统，其形式为泵浦脉冲发生器、放大器以及基于光纤的OPA；
图3示出根据本发明的优选实施方式的具有合适的重复率与波长的耦合的泵浦脉冲发生器；
图4示出另一根据本发明的优选实施方式的具有合适的重复率与波长的耦合的泵浦脉冲发生器；
图5示出再另一个根据本发明的优选实施方式的具有合适的重复率与波长的耦合的泵浦脉冲发生器；
图6举例示出镱主振荡器的重复率(Yb-MO，虚线)随波长的变化与基于商用光子晶体光纤的FOPO所需的重复率的变化(点线)的比较；同样还示出了在利用啁啾光纤布拉格光栅进行Yb-MO的色散调整时重复率的变化C-FBG(实线)；
图7示出重复率与波长的适当耦合的实验实现，所示出的是图6中(Yb-Mo-CFBG实线，Yb-Mo虚线)的理论曲线以及谐振器中带有C-FBG的Yb-Mo的实验测量值(十字)；
图8举例示出利用商用光子晶体光纤(NKT光子LMA5)实现的FOPO的调谐曲线(根据中心泵浦波长的信号波长和闲散波长)；实线表示理论曲线，十字表示实验达到的值；调谐完全通过泵浦脉冲发生器中滤波器的电失谐来实现；在常规的FOPO中，谐振器长度须通过延迟导轨机械地改变10.8cm；
图9示出当种子脉冲由之前的泵浦脉冲产生并与之延迟固定的时间τ时，在FOPA中泵浦脉冲和“啁啾的”种子脉冲的时间重叠与a)中的重复率fr1和b)中的重复率fr2的相关性。
具体实施方式
图1示出激光系统的优选实施方式。在其输出光束耦合到FOPO中之前，通过光学放大链(10)使泵浦脉冲发生器(9)达到所需的峰值功率(如1kW)。泵浦脉冲通过参数放大器光纤(12)中的WDM耦合器(11)与种子脉冲重叠。经放大的脉冲(信号，闲散波，或者以优选的方式甚至是两者，以及可能残留的泵浦脉冲)通过基于光纤的耦合器(13)耦合输出(例如80％)，其余的通过反馈光纤(14)反馈。
图2示出激光系统的另一基于OPA的优选实施方式。在泵浦脉冲发生器(9)中经色散调节产生的脉冲通过耦合器(15)被分为至泵浦脉冲放大(具有光纤放大器链(10))的一支和至种子脉冲产生的一支。种子脉冲以优选的方式通过超连续谱产生器(16)产生，可能的话采用光学放大器产生。产生种子脉冲的其他方法，如受激拉曼散射法也同样是可能的。种子脉冲通过延迟光纤(17)和WDM耦合器(11)与泵浦脉冲序列中的下一个泵浦脉冲重叠，然后在参数放大器光纤(12)中放大。在附加地考虑作用在放大器支(10)中的泵浦脉冲上的色散的情况下，选择泵浦脉冲重复率与泵浦脉冲补充的耦合以匹配种子支中的色散(见图8)。比较图1中的FOPO，在泵浦脉冲分离后整个种子产生支起到FOPO谐振器的作用，而整个泵浦脉冲放大支的色散则必须计算到泵浦脉冲发生器内的色散中。
图3示意性示出用在根据本发明的系统中的作为泵浦脉冲发生器的无源锁模光纤激光器(passiv modengekoppelter Faserlaser)。该光纤激光器可以完全以玻璃纤维技术实现，特别是以偏振保持的玻璃纤维来构造，并由光纤耦合的泵浦二极管(1)来泵浦，该泵浦二极管(1)在粗线所示的有源掺杂的放大器光纤(2)中提供放大作用。放大器光纤例如可以实施为镱(Ytterbium)掺杂的偏振保持的玻璃纤维。在谐振器内可以使用电子可调的带通滤波器(3)，用于控制发射波长。所采用的可饱和吸收镜(4)优选直接设置在玻璃纤维上。线性谐振器中的第二端镜通过“啁啾的”光纤布拉格光栅(5)构成，其同时也用作去耦元件。色散元件(5)将谐振器中总色散的大部分施加到循环的激光上，并由此提供与波长密切相关的循环时间。通过这种方式可以控制重复率与给定波长的耦合。
图4示出另一种形式的根据本发明的激光系统，其采用有源模式耦合。环形谐振器可以由偏振保持的玻璃纤维构成。模式耦合的开始以及对重复率的控制可以通过电光调制器(6)实现。光纤谐振器的色散可以通过C-FBG(5)设置，C-FBG(5)也可以用作耦合输出镜。替代地还可以在谐振器中内置一个附加的耦合器。为了在环形谐振器中使用反射的C-FBG采用循环器(7)。
图5示出可能的泵浦脉冲发生器的另一实施方式，其采用人工无源锁模以缩短发射脉冲的持续时间(如在重复率为例如50Mhzhuo 10MHz时小于50ps或小于10ps)。为此采用的“非线性放大环形镜(NALM)”由由无源偏振保持的玻璃纤维制成的、通过泵浦二极管(1)泵浦的放大器光纤(2)构成。其通过基于光纤的耦合器(8)与实际的谐振器环连接。该耦合器优选可以提供非对称的分光比(如45/55％)。对波长的控制可以通过电子可调谐的带通滤波器实现。在此所用的循环器(7)还确保左光纤环中的顺时针循环方向，并阻止NALM反射的光分量。激光谐振器的色散再次通过C-FBG(5)设置。有利的是，在谐振器的主环里也使用具有自身泵浦二极管的放大器光纤，以例如独立于NALM中的增益来调整谐振器中的功率。
图6举例示出根据本发明的有源锁模泵浦脉冲发生器(Yb-MO)的谐振器色散匹配的理论计算，以确保在由50cm长的参数放大器玻璃纤维(LMA-PM-5)和反馈玻璃纤维(PM-980)构成的LOPO谐振器中的同时放大和时间重叠。在X轴上表示相对于重复率的泵浦波长。重复率约为10MHz的典型的有源锁模镱光纤激光器由于常用玻璃纤维的色散，在泵浦脉冲波长从1020nm改变到1050nm时，其重复率仅改变<5kHz。但在基于参数放大器光纤(FMA-PM-5)和反馈光纤(PM-980)的FOPO中，在最大参数增益(约为750nm至950nm范围内)下相应于泵浦脉冲波长的信号波长具有约40kHz的不同的重复率(具有FOPO标记的曲线)。在泵浦脉冲发生器中采用具有β2＝+6.91ps2和β3＝-0.018ps3的C-FBG形式的附加色散元件会使泵浦脉冲发生器中的重复率得到调整，如实线所示，从而确保了在泵浦波长改变时在参数放大器光纤中种子脉冲和泵浦脉冲的时间重叠。
图7示出图6中情形的实验实现。X轴为相对于理论计算的Yb-MO重复率和借助β2＝+6.91ps2和β3＝-0.018ps3的C-FBG调整的Yb-MO的泵浦波长。十字示出这样调整的泵浦脉冲发生器的实施方式的根据波长的电失谐的测量的重复率。
图8举例示出基于商用光子晶体光纤(FMA-PM-5)的FOPO和根据本发明的经调整的泵浦脉冲发生器的调谐曲线(图7中示出了调整结果)。为了调谐仅电子地对泵浦脉冲的波长进行失谐。没有机械的(后续)调整或捕获调整。X轴为电子设置的泵浦脉冲发生器的波长，Y轴为信号辐射和闲散辐射的波长。实线表示理论预期变化，十字表示实验达到的结果。在所采用的的泵浦激光器的重复率下，在常规的FO-PO系统中，在调谐过程中，须将FOPO的长度或泵浦激光谐振器的长度改变约10.8cm，即例如通过延迟导轨的机械方法移动5.4cm。
图9举例示意性地示出在“延迟的FOPA”中泵浦脉冲(20)和种子脉冲(21)的时间重叠与重复率的相关性。在此，宽带的和强烈啁啾的种子脉冲(21)通过前一个泵浦脉冲(20)产生，并经历附加的、但重复率独立的延迟τ(如通过图2的种子产生支)。通过色散扩展的种子脉冲(21)现在与随后的泵浦脉冲(20)重叠。如果泵浦脉冲(20)的重复率从fr1改变到fr2，则随后的脉冲到达放大介质的时间点(相对于之前的泵浦脉冲(20))将改变，但种子脉冲(21)到达的时间点不变。因此重复率确定了啁啾的种子脉冲(21)和泵浦脉冲(20)之间的时间上的重叠。
附图标记列表
1 泵浦二极管
2 放大器光纤
3 电可调节光谱滤波器
4 饱和吸收镜
5 啁啾布拉格光栅
6 调制器
7 循环器(环形器)
8 耦合器
9 泵浦脉冲发生器(已针对分散(色散)进行匹配)
10 光纤放大器
11 WDM耦合器
12 参数放大器光纤
13 解耦器
14 反馈光纤
15 耦合器
16 种子脉冲发生器
17 延迟光纤
20 泵浦脉冲
21 种子脉冲。

Claims (13)

1.一种用于产生可变波长的激光脉冲的系统，至少包括
-泵浦脉冲发生器，用于产生泵浦脉冲，以及
-通过该泵浦脉冲发生器泵浦的光学参数放大介质，其将通过其他种子脉冲激发的、入射的泵浦脉冲转换为波长漂移的信号脉冲和闲散脉冲，
其特征在于，
泵浦脉冲的波长能够如此设置，但也能够通过泵浦脉冲发生器的重复率来设置，以及在重复率或波长变化时，相应的另一参数也同时改变，使得泵浦脉冲和种子脉冲在所述光学参数放大介质中在时间上重叠。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，通过附加的光学色散元件实现在波长变化时重复率同时改变，或者在泵浦脉冲发生器的重复率改变时，波长同时改变。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述附加的光学色散元件从由啁啾布拉格结构、光栅、棱镜或它们的组合构成的组中选出。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述附加的光学色散元件是啁啾布拉格光栅。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述泵浦脉冲发生器的波长的改变通过可调光谱滤光器实现。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的系统，其中，所述附加的光学色散元件的至少一部分位于所述泵浦脉冲发生器以外。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述泵浦脉冲发生器的重复率是所述种子脉冲的重复率的整数倍。
8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，参数放大和产生种子脉冲均通过光学参数振荡器(OPO)来实现。
9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，参数放大在光学参数放大器(OPA)中实施，种子脉冲由泵浦脉冲的一部分产生，该种子脉冲在与泵浦脉冲重叠之前在时间上被延迟泵浦脉冲重复率的倒数，并因此与泵浦脉冲序列中的下一个泵浦脉冲相重叠。
10.根据权利要求2至8中任一项所述的系统，其中，所述泵浦脉冲发生器的重复率大于或等于5MHz并且小于或等于80MHz,以及所述附加的光学色散元件的群速度色散小于或等于15ps2并且大于或等于0.5ps2。
11.一种用于采用光学参数放大介质改变激光脉冲波长的方法，至少包含以下步骤：
a)产生具有特定波长和特别重复率的泵浦脉冲；
b)产生种子脉冲；
c)在所述光学参数放大介质中将实施种子脉冲和所述泵浦脉冲相重叠，
其特征在于，
在泵浦脉冲的波长变化时或在重复率变化时，相应的另一参数也同时改变，从而保证泵浦脉冲和种子脉冲在所述光学参数放大介质中在时间上重叠。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，借助色散元件同时改变泵浦脉冲的波长和重复率。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，在小于或等于100ms内通过同时改变泵浦脉冲波长和泵浦脉冲重复率来改变激光脉冲的波长。
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