CN112673533A - 脉冲可配置光纤激光器单元 - Google Patents

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德米特里·派斯托夫
瓦迪姆·洛佐沃
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安东·里亚布采夫
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Abstract

脉冲可配置激光器单元是一种环境稳定、机械坚固且免维护的超快激光光源，用于低能耗工业、医疗和分析应用。激光器单元的关键特征是可靠的、自启动的光纤振荡器和集成的可编程脉冲整形器。这些组件的组合允许充分利用激光器的宽带宽超短脉冲持续时间以及通过光谱相位操纵来生成任意波形的优势。该源可以例行地提供具有兆瓦级峰值功率的近TL、低于60fs的脉冲。可以对输出脉冲色散进行调谐以预补偿线路下游的相位失真以及针对特定应用优化脉冲分布。

Description

脉冲可配置光纤激光器单元
技术领域
本发明涉及一种商业的超短脉冲光纤激光器单元，该超短脉冲光纤激光器单元基于具有与可编程脉冲整形器集成在一起的交叉滤波器锁模(CFML)机构的自启动的镱(Yb)光纤振荡器。具体地，本发明涉及一种紧凑型激光器单元，该紧凑型激光器单元具有集成在一起的超短脉冲光纤激光源和利用相位调制器进行有源相位控制的紧凑型光谱相位整形器，使得能够实现高精细的脉冲压缩和对脉冲波形的任意操纵。
背景技术
超短脉冲激光器的应用空间已变得极为广泛，包括但不限于材料的加工和处理、高场激光与物质的相互作用、超快时间分辨光谱学、非线性显微镜检查等。所列出的应用中的每一种都受益于坚固、紧凑且鲁棒的脉冲源，这样的脉冲源能够在飞秒(fs)-皮秒(ps)的时间范围内输出可再现的单模(SM)脉冲。
发射持续时间为数十飞秒(1fs＝10-15s)的脉冲的激光器主要用于对环境稳定性要求不严格的研究和开发。这样的激光器的输出脉冲能量可以在非常宽的范围(从几纳焦耳甚至更高)内变化。它们的重复率同样大范围地(从1kHz到100MHz)变化。考虑到如此短的脉冲持续时间，许多工业应用不要求高脉冲能量，但是需要可靠的激光器、操作简单以允许不熟悉激光技术的用户(比如，生物学家、化学家或内科医生)进行操作，并需要激光器对于工业环境具有耐受性。光学透明固体材料(比如，玻璃或蓝宝石)的激光辅助处理(包括对3D结构进行批量修改、表面蚀刻和直接键合的激光辅助处理)可能会需要低至200-300纳焦(nJ)的脉冲能量结合几百飞秒或不足一百飞秒的脉冲持续时间。分析应用要求更低的脉冲能量结合更短的脉冲持续时间，以确保非破坏性的相互作用。这些应用包括多光子显微镜检查和光谱学，它们不仅受益于短脉冲持续时间和高光束质量，而且还受益于在研究不同发色团的集合时选择性发色团激发的可控制的光谱相位和时间脉冲分布。激光辅助结晶或成核已在制药工业中得到应用。在脉冲持续时间小于100fs的情况下，用于光刻和3D打印或微结构的双光子聚合使用从单个nJ到数十nJ的脉冲能量。类似的脉冲参数也用于光致穿孔和转染，其中光致穿孔和转染已成为在当今对活细胞执行的基因操作程序中广泛使用的工艺。可以成功使用低能量飞秒脉冲的应用的数量正在迅速增长。
所有上述应用的共同特征是需要一种“冷”工艺，在该工艺中，散热受到抑制或被大大缓解，并且可以在时间和体积两者上得到有效控制。这是通过使用小于100fs且优选地小于50fs的较短脉冲来实现的，这确保了在感兴趣的区域上由辐射引起的热效达到最小或没有热效应。“冷”相互作用机制的实现允许仅使非线性处理最大化，而没有与较长脉冲所固有的能量过量累积相关联的破坏。
fs脉冲激光器的发展不能与掺杂钛的蓝宝石(Ti：蓝宝石)激光增益材料的发展分开。超快激光脉冲要求较宽的光谱带宽。在该方面，Ti：蓝宝石的增益带宽跨越了从大于700nm到小于1000nm的近红外波段(近IR波段)。
然而，近年来，其他技术取得了进展。例如，如其他基于镱(Yb)晶体的激光器那样，在本申请中公开的光纤激光器现在正在生成持续时间小于100fs的脉冲。使用光纤激光器代替Ti：蓝宝石增益介质存在几个原因。原因之一包括低成本、紧凑性、结构简单且具有可调协性和激光脉冲、以及可靠性。
另一原因是Ti：蓝宝石的宽带宽要求泵浦光与激光之间的波长间隔较大，即，较大的量子缺陷。这也意味着大量的散热。在掺杂Yb的激光器(包括Yb光纤)中，量子缺陷要小几倍，这是因为增益带宽要窄得多。
然而，Yb光纤增益介质的窄增益频谱也可能存在较大问题。具有宽增益光谱的Ti：蓝宝石增益介质能够维持fs脉冲的演化，而无需在这些脉冲在与该振荡器具有相同的宽增益频谱的Ti：蓝宝石放大器中进行放大之前，将这些脉冲频谱展宽到超过Ti：蓝宝石振荡器。
相反，Yb光纤振荡器和放大器的增益光谱要窄得多。Yb振荡器可以配置为输出相干宽带脉冲。但是进一步的脉冲放大是不可能的，这是因为如其性质指示的那样，掺杂Yb的光纤仅可以放大很小的光谱区域。宽谱线的其余部分保持不受影响。但是，大多数超快激光应用都要求经放大的宽带fs脉冲。
在光纤增益介质中生成超快脉冲的若干方法是众所周知的。例如被动锁模的这些方法之一是所公开主题的一部分。被动锁模的关键在于在环形腔中存在至少一个对增加的峰值强度具有非线性响应的组件。
与其他激光系统不同，锁模fs光纤激光器对在传播通过任何介质时的群速度色散(GVD)敏感。GVD是色散介质的特性，用于确定该介质将如何影响通过其行进的光学脉冲的持续时间。更具体地，GVD是透明介质中的光的群速度的频率依赖性。在超短脉冲的背景下，由于非线性的效应，例如，自相位调制，GVD被表现为大啁啾。
如本文所用，术语“大啁啾”是指所得振荡器输出脉冲的关键特性。通常，大能量的大啁啾输出脉冲的持续时间将至少为几十皮秒甚至更长，这消除了对外部脉冲延展器的需求，从而允许在锁模振荡器中使用增加的功率等级。为了提取更高的脉冲能量，可以通过压缩器将大啁啾脉冲压缩到飞秒，但是这样的压缩并不简单，正如下面将要说明的那样。
假设Yb光纤激光器生成的脉冲各自获取了全宽度(FW)为90nm的大啁啾。使用一对光栅，可以将每个脉冲压缩为例如τFWHM85fs的脉冲。但是，85fs的持续时间是给定频段的最小极限吗？不是。从理论上讲，当然不是，对于该脉冲的给定时间带宽积，任何完全相干的脉冲都可以被压缩到最小可能持续时间，这被称为变换极限(TL)或傅立叶变换(FT)脉冲。例如，相同的90nm啁啾脉冲具有约50fs的变换极限τFWHM。问题是那些寄生的35fs是在哪里获得的。
超短激光脉冲的持续时间受限于其带宽、光谱形状以及所有其频率同相的程度。变换极限脉冲的生成取决于如何可以准确地对激光器内部和外部的相位失真进行测量和校正。产生TL脉冲的任务非常简单：补偿大啁啾。
传播通过光纤和光纤组件的啁啾获取GVD的线性分量和非线性分量，其中，非线性分量对应于GVD的频率相关性导致的三阶或更高阶色散(TOD)。通过静态压缩器(诸如，体布拉格光栅和光纤布拉格光栅(分别为VBG、FBG)或表面光栅来对啁啾的线性色散分量补偿是众所周知的。然而，静态压缩器不仅在处理非线性分量时可能无效，而且还可能引入附加的有影响的TOD。对非线性分量进行校正的机构被称为脉冲整形器。
实现压缩的技术对于脉冲激光领域的普通技术人员也是众所周知的，并且除此以外，包括在与以下情形相似的情形下使用的技术。
存在一些已知的设置有算法(诸如，多光子脉冲内干涉相位扫描(MIIPS))的可编程脉冲整形器，这些算法用于以以下方式帮助补偿非线性分量(并且有时是线性分量)。可编程脉冲整形器包含液晶空间光调制器(SLM)，该液晶空间光调制器能够在整个激光光谱内引入经过良好校准的相位函数。参考相位函数是引起对光谱相位的二阶导数(以fs2或ps2为单位测量的群色散(GD))和更高阶导数进行局部校正的函数。当它扫描整个激光器的光谱时，二次谐波信号中的最大强度也会扫描，使得由调制器引入的相移具有与二次谐波的原始脉冲最大值相同的值，但符号相反。在没有相位失真的情况下，两者之间存在线性关系；相位失真改变了这种关系。通过跟踪相位偏差获得的结果形成了校正函数。在对校正函数进行双重积分时，该偏差产生了相位失真。一旦测量到相位失真，脉冲整形器便会对脉冲形状进行校正。
操作经MIIPS控制的脉冲整形器的难度对超短脉冲激光器领域的普通技术人员是众所周知的。通常，脉冲整形器的调谐和操作要求拥有博士学位的物理学家的团队。脉冲发生器的不同操作机制(即，不同脉冲持续时间、输出脉冲能量以及时域和频域二者中的脉冲形状)要求不同的相位掩模或相位与幅度掩模。而且，针对一组相同配置的脉冲激光发生器之一的工作良好的单个相位掩模不太可能结合同一组的另一脉冲发生器来正常地进行操作。所有这些都会导致不可接受的成本和人工效率低下。
已知的可编程脉冲整形器之一是声光调制器(AOM)，其中，射频电信号驱动压电换能器发出行进的声波。调制器的作用基于由行进的声波引起的折射率变化而导致的光束衍射。衍射光束的频率偏移量等于电驱动频率，理想情况下，其幅度和相位直接反映RF驱动的幅度和相位。也可以利用液晶相位调制器(LCoS)。备选地，可以使用声光可编程色散滤波器(AOPDF)。在AIPDF中，声波与光场共同传播以旋转场偏振，从而改变光学延迟。通过使用电子任意波形发生器来驱动AOM，可以控制声学分布，并且实现可编程脉冲整形。然而，AOM和AIPDF都要求与激光源同步，并且通常可能无法以期望的高脉冲重复率(PRR)来运行，这在一定程度上限制了它们的应用。
不管配置如何，可编程脉冲整形器都是在实验室中使用的复杂工具。通常，光纤激光器超短脉冲系统是由不同组件原位组装的：输出短脉冲的锁模振荡器、延展器、和促进脉冲压缩的可编程脉冲整形器。所组装的系统体积庞大，并且要求复杂的调谐，这通常是由受过良好教育的人员的团队完成的。
需要一种fs光纤激光器系统，该fs光纤激光器系统适于满足“冷启动”和其他应用的要求，并且通过对光谱相位进行编程并由此对时间脉冲形状进行编程的能力而得到了增强。
因此，还存在对能够维持经放大的宽带脉冲的演化的可靠fs光纤激光器系统的需要。
还需要一种将锁模fs光纤激光器、可编程脉冲整形器和计算机集成到单个单元中的工业超短激光器单元，其中该计算机可被操作以控制和协调光纤激光器和脉冲整形器的操作。
发明内容
所公开的工业超短脉冲光纤激光器系统提供了一种可靠的飞秒激光器，该飞秒激光器适于满足这些需求，并且通过对光谱相位和/或幅度进行编程并由此对时间脉冲形状进行编程的能力而得以增强。
该激光器是自启动的，对振动和冲击具有弹性，并且优选地操作为大功率飞秒和皮秒激光系统的种子。有利地，激光系统包括能够增加脉冲能量的附加功率放大模块。激光输出是完全相干的，并且脉冲可压缩到变换极限(TL)。激光系统配置有激光头，该激光头容纳静态光栅压缩器和紧凑型光谱相位整形器。脉冲整形器利用液晶空间光调制器(SLM)或声光调制器(AOM)来进行有源相位控制，这样能够实现高精细脉冲压缩以及对脉冲波形的任意操控。
根据本公开的一个方面，脉冲可配置相干光纤激光器单元包括Yb光纤环形谐振器，该Yb光纤环谐振器具有交叉滤波器锁模(CFML)，从而输出强啁啾fs脉冲-ps脉冲。所公开的单元还配置有：压缩器，可被操作以将啁啾脉冲压缩到TL；以及中央处理单元(CPU)。CPU执行MIIPS软件以操作压缩器，使得其针对CFML的任一给定机制输出TL脉冲。CPU还执行MIIPS软件，用于检索应用整个TL脉冲的期望掩模，以获得期望脉冲形状。存在许多特征，这些特征表征了该方面的光纤激光器单元的配置和功能；可以一起使用这些特征，也可以单独使用，也可以彼此合理组合使用，而不违背该单元的操作的原理。
根据上面所公开的方面而配置的激光器单元的许多显著特征之一是由附加放大器来提供的，该附加放大器包括Yb光纤放大器或增强器，该Yb光纤放大器或增强器的所有结构元件与光纤环形谐振器的相应元件相同，但是被布置为呈线性几何形状。然而，增强器的有源和无源光纤的纤芯直径大于环形谐振器的纤芯直径。增强器和环形谐振器的结构相似性允许放大可以达到100nm谱线的宽光谱。
优选地，所公开的激光器单元在环形谐振器与增强器之间具有中间或初步的Yb放大级。在功能上，具有50nm或更小的典型Yb增益光谱的初级Yb放大器削减了谐振器生成的脉冲的光谱宽度。这是非常有利的，这是因为直接耦接到增强器的谐振器生成的宽带脉冲可以获得如此高的能量，以至于光纤可能会被破坏。然而，即使在前置放大器的输出处具有相对较短的放大频谱，该脉冲获取足以引起自相位调制非线性效应的能量，以导致脉冲的频谱(和时间)展宽。
上面所公开的方面的激光器单元的另一显着特征涉及可编程压缩器，该可编程压缩器结合CPU一起将啁啾脉冲压缩到TL。压缩器配置有包括静态压缩器和可编程脉冲整形器的两级，其中，静态压缩器包括可被操作以补偿大部分线性啁啾分量，可编程脉冲整形器用于对残余的线性啁啾和非线性色散(还被称为啁啾脉冲的非线性分量)进行校正。因此，本发明单元的校准包括计算非线性啁啾分量并控制脉冲整形器施加具有相反符号的非线性啁啾(即，相位和/或幅度掩模)。然而，非线性啁啾取决于脉冲发生器52的操作机制，该操作机制包括其输出处的脉冲重复率(PRR)。后者是泵浦光强度的函数，泵浦光强度激发谐振器的增益介质，并且可由来自CPU的信号控制，该CPU响应于通过用户界面输入到CPU的外部请求而生成该信号。收集与不同操作机制相对应的数据有助于建立掩模库，掩模库的掩模对将啁啾脉冲压缩到相应TL是必不可少的，且掩模库存储在CPU的存储器中。
根据在上面所公开的方面中公开的本发明的激光器的又一个特征，脉冲整形器不仅可以被控制以助于将啁啾脉冲压缩到相应TL，而且可以将期望形状应用于TL脉冲。换言之，一旦考虑了脉冲色散并对其进行补偿(如有必要)，就可以直接使用整形器来改变频谱相位和/或幅度，从而生成其他光学波形。同样，这些掩模可以存储在CPU的存储器中，也可以由受训人员原位生成并被再次存储。
上面所公开的方面的激光器单元的又一特征涉及利用脉冲拾取器来修改PRR或/和任何给定应用所需的脉冲的数量。脉冲拾取器可以位于前置放大级与增强器级之间，或者位于增强器级的下游。
本公开的另一个方面包括一种操作本发明的脉冲可配置相干光纤激光器单元的方法。如同单元本身，该方法通过可以一起使用或以任何可能的组合方式使用的各种特征来表征。
附图说明
结合以下附图来进一步详细讨论所公开的激光器单元的上述和其他特征，以使其变得更加清楚明白：
图1是所公开的光纤激光器单元的基本配置的框图；
图2是图1的基本配置的一个变形例的框图；
图3是图1的基本配置的另一变形例的框图；
图4是所公开的激光器单元的脉冲发生器的示例性示意图；
图5是图1至图3的脉冲发生器的光学示意图；
图6是包括静态压缩器和折叠的4f脉冲整形器的脉冲调制器的光学示意图；
图7是通过操作所公开的激光器单元的方法而获得的平顶脉冲形状；
图8、图9和图10示出了操作所公开的激光器单元从而产生变换极限脉冲的方法；
图11A示出了添加到图4或图5的脉冲发生器的输出脉冲的抛物线相位分布掩模；
图11B示出了图11A的优化脉冲的时域强度分布；
图11C示出了针对图11B的100fs、200fs和400fs半峰全宽(FWHM)脉冲持续时间的测量到的实验自相关函数(AFC)分布；
图12A、图12B和图12C是与相应的图11A、图11B和图11C相对应的图示，除了向脉冲输出应用的是正弦相位分布掩模之外；以及
图13A示出了应用于图4和图5的脉冲发生器的输出脉冲的立方相位分布掩模；
图13B是图13A的所得脉冲的计算出的强度分布；以及
图13C示出了在整个图13B的脉冲扫描的立方掩模的实验二次谐波生成。
图14是表示对图1至图3的光纤激光器单元进行调谐和操作的本发明方法的一般流程图。
具体实施方式
图1示出了商用相干激光器单元50的基本配置。后者包括激光源或光纤脉冲发生器52，该激光源或光纤脉冲发生器配置有被动锁模主光纤振荡器10和可选的功率光纤放大器62。振荡器10和放大器62因此具有MOPFA架构，其中，振荡器10是种子。激光器单元50输出单模(SM)宽带相干脉冲的序列。例如，每个脉冲可以具有高达100nm的FWHM、10-15ps的脉冲持续时间τ、从100到150mW的平均功率Pav、以及至少1MW的脉冲能量Ep。输出ps脉冲均是生成有大啁啾，该啁啾只有当ps脉冲与光纤介质相互作用时才会增大。啁啾发展涉及线性分量和非线性分量的逐渐形成。对引起将啁啾脉冲压缩至相应TL脉冲的两个啁啾分量的补偿可以由静态压缩器56和可编程脉冲整形器54的组合来执行(或者有时仅由脉冲整形器54来执行)，其中该静态压缩器56可被操作以补偿线性啁啾的主要部分，和可编程脉冲整形器54，且脉冲整形器54处理线性啁啾的其余部分和高阶色散。脉冲发生器52和脉冲整形器54均可由公共的独立计算机60或相应的独立计算机控制。静态压缩器56和脉冲整形器54优选地安装在激光头55中，该激光头可以通过柔性线缆而耦接到脉冲发生器模块52。备选地，所有三个主要组件可以被封装在同一壳体中。
转到图2，静态压缩器56位于整形器54的下游。重要的是要记住，虽然静态压缩器补偿线性啁啾分量，但是它也引入了必须考虑的附加非线性。图3示出了激光器单元50的另一种配置，其中，压缩器56位于脉冲发生器52与整形器54之间。与图2相似，图3的整形器54补偿非线性啁啾和线性啁啾的其余部分。
对图1至图3中所示的单元50的以上配置中的任一个的选择取决于由脉冲发生器52输出的脉冲的参数和脉冲整形器54的调制深度。预期单元50在约50fs至约50ps之间变化的脉冲持续时间的范围内进行操作是完全合理的。图1至图3中的任一个的激光器单元50可被操作以将来自脉冲发生器52的宽带相干ps脉冲压缩为相应近TL脉冲。例如，如果发生器52输出以1030nm波长为中心的、高斯的、FWHM90nm且宽带1.5ps的脉冲，则它可以在单元50的输出处被高效地压缩为约51-52fs。出于所有实际目的，后者可以被称为TL脉冲，这是由于在理论上90nm脉冲的最短脉冲持续时间为50fs甚至更小。
图4示出了被配置为自启动的被动锁模激光器的脉冲发生器52的示意图，在美国临时专利申请No.62091817中更详细地公开了该脉冲发生器，其公开内容通过引用整体并入本文中。脉冲发生器52基于主振荡器10(还被称为环形谐振器10)，在该环形谐振器中，相应光纤放大器12和20的输出彼此相互种子注入。在第一放大器12与第二放大器20之间，两个或更多个相同的光纤元件组或链被耦接在一起，以限定环形腔10。除了光纤放大器以外，每个链还包括光纤线圈16、22和窄线滤波器18、24，该光纤线圈提供信号的相应周期性频谱展宽和时间展宽，且窄线滤波器可被操作以对展宽后的信号进行频谱滤波。滤波器可以具有基本相同的带宽，但是被配置为使得相应光谱彼此重叠。备选地，滤波器中的一个可以配置有宽度是另一滤波器的通带的至多五(5)倍的通带，且它们的光谱重叠，以确保激光器的自启动。提供顺序频率展宽和滤波的自启动脉冲发生器52的所示配置导致生成具有基本均匀的持续时间、频谱和幅度的大啁啾脉冲。
环形谐振器10还包括一个或多个隔离器28，用于在波导周围提供光的单向引导；以及位于紧接相应光纤线圈16、22下游的一个或多个输出耦接器30。输出耦接器均将啁啾脉冲引导到环形谐振器10外部。为了在放大器的增益介质中增强期望的粒子数反转，即，为了开始本发明的脉冲发生器的操作，将一个或两个CW泵26耦接到相应放大器。上面所公开的组件中的全部均由单横模(SM)无源光纤互连。放大器12和20均可以基于掺杂有适当稀土离子(诸如，(Yb))的SM或MM光纤。所有光纤都具有相应的基本均匀尺寸的纤芯，其中，模场直径(MFD)彼此基本匹配。在使用中，所示方案通过不饱和启动及饱和稳态脉冲生成(锁模)相位来表征。
图5示出了脉冲发生器52的光学示意图，该脉冲发生器配置有期望提供更高脉冲能量的附加光纤元件。如上所述，环形谐振器10的所有光纤都具有通常不超过12μm的均匀的较小纤芯直径。虽然可以增加相应光纤的纤芯以支持具有更大MFD的SM光的传播，但由于在开始时通过图4的示意图引导的脉冲过长，因此作为MFD的函数的脉冲能量可能在发生器52的开始处会变得过高。较长的脉冲提供了较高的能量，可能会危害腔组件的完整性。
为了避免过高的脉冲能量并在环形谐振器10的输出处获得最大的可能脉冲能量，所公开的脉冲发生器52还包括附加的放大级联62，该放大级联是图4的环形腔10的线性模拟。放大级联62可以作为单独的模块提供，也可以与环形谐振器安装在一起，并且包括与脉冲发生器52相同的组件。因此，类似于环形谐振器10，附加的放大级联62配置有具有重叠频谱的滤波器18、24、将组件互连的SM无源光纤、隔离器30、以及放大器12和20。放大级联62的有源光纤的相对端耦接到相应输入和输出SM光纤22，其中，所有三个光纤具有纤芯直径匹配的相应纤芯。后者大于位于放大级联62的上游的所有其他光纤的直径。放大器62的掺杂的纤芯光纤通常在其下游端为锥形(非必须)，以提供针对非线性效应的较高阈值。
无论脉冲发生器52的配置如何，所公开的单元50可以配置有脉冲拾取器76，该脉冲拾取器可被操作以控制期望数量的脉冲，并且可选地控制单元50输出超快脉冲的序列的频率。脉冲选择器76位于附加的放大级联62的上游或其下游。
图6示出了啁啾补偿机构的光学示意图，该啁啾补偿机构包括两级-图1至图3的静态脉冲压缩器56和脉冲整形器54。在所示示意图中，静态脉冲压缩器56从脉冲发生器52接收宽带相干啁啾脉冲，该宽带相干啁啾脉冲首先传播通过引导镜M2和M1，然后被静态压缩器压缩，该静态压缩器包括两个透射光栅G1和G2以及顶面镜RM。提供静态压缩器的操作，以便校正宽带相干啁啾脉冲中的线性啁啾分量。静态压缩器的机构对于激光领域的普通技术人员来说是众所周知的，并且操作以至少最小化在此被称为啁啾脉冲的线性啁啾分量的二阶色散(SOD)。部分压缩的脉冲进一步在与自镜M2到镜M1的初始脉冲相反的方向上传播。然而，静态压缩器没有解决啁啾脉冲的非线性分量。此外，它增加了约0.73x106fs3的三阶色散(TOD)。
压缩自适应级-折叠的4f脉冲整形器54-通常用于fs脉冲整形，并且使得能够通过在整个线性相位调制器上使激光光谱色散来进一步细化激光脉冲分布，以便直接操纵光谱相位，而不管激光重复率如何。换言之，脉冲整形器54可被操作以处理非线性啁啾。
脉冲整形器54配置有色散透射光栅G3、准直透镜或双透镜L，以形成包括若干彼此平行传播的彩色小波束的入射光束。所示的红色、蓝色和绿色的平行小波束入射在像素化的线性1D或2D SLM上。最后，散射光束平行于入射光束反射回去，但是反射光束与入射小波束竖直间隔开，同时被引导通过光栅G3、反射镜M3和M4并引导朝向压缩器机构的输出，从而得到近TL脉冲或具有调制的相移。由于所有光束整形光学组件都位于垂直平面上，因此压缩器机构的总占用面积很小。如图所示，压缩器机构的尺寸约为300x100mm，这是非常紧凑的。脉冲整形器54由计算机60控制并由计算机60执行，该计算机执行基于MIIPS算法的软件，该软件测量残留频谱相位并校正TOD和高阶色散。
在使用二维LCOS SLM时，可以利用“衍射整形”模式对频谱相位和幅度二者进行整形。在该实现中，宽带光在光谱上发生色散并沿LCOS SLM的一个轴(例如，水平)聚焦，但没有沿另一轴(正交轴(竖直))聚焦。沿SLM像素的每一列对与平面规则表面光栅上的分布相似的周期性锯齿相位图案进行编码。激光被该编码图案衍射。对于每个SLM像素列，可以独立地通过沿垂直轴使周期性图案移位，来将添加到衍射光的光谱相位在整个0-2π范围内更改。任何给定的SLM像素列的周期性相位调制的深度决定了对应的光谱分量的光衍射效率，从而决定了整形器输出处的激光光谱。
取决于SLM的像素数，可能不需要使用静态压缩器，这是因为具有大量的像素(例如，400-500)的SLM可被操作以处理线性和非线性啁啾分量二者。代替所示基于LCOS SLM的折叠的4f脉冲整形器，脉冲整形器可以基于AOM或AOPDF。所公开的示意图的操作与当在压缩器56处理线性啁啾分量之前通过脉冲整形器54补偿非线性啁啾分量时的操作相同。
参考图7，脉冲整形器54还提供了通过修改应用于SLM的相位掩模或分布来重新整形TL脉冲的能力，如在下面即将公开的。因此，脉冲整形器54可以在需要具有与TL脉冲的近高斯形状不同的任意形状的脉冲的许多工业应用中操作。例如，如在图7中可以看到的，调制了相位掩模以形成平顶脉冲。实际上，可以利用脉冲整形器54及其软件可读介质来形成任何脉冲形状。
脉冲整形机构可以通过两种不同的架构来实现：开环控制和自适应控制。在开环配置中，由终端用户通过用户界面引入在单元的输出处的期望脉冲形状。考虑到输入脉冲具有已知特性，期望传递函数是已知的。如果精确地校准了脉冲整形器，即，确定每个像素的波长/像素和电压/相位关系并将其存储在计算机60的存储器中，则对于普通技术人员而言，使用计算机60(图1)对SLM进行编程以提供期望传递函数将不再困难。通过该方法，除了TL脉冲之外，还可以形成其他不同的脉冲形状，包括三角形、矩形、抛物线或任何其他的脉冲形状，然后将其存储在计算机60的库中。
图8至图10示出了对所公开的激光器单元进行调谐，从而使其可以满足客户对经压缩的超短脉冲的持续时间、形状和/或幅度的要求的示例性方法。具体地，该方法的最终目标是通过可控制地操纵所公开的脉冲可配置激光器单元中的相位和/或幅度，为客户提供获得具有期望持续时间、形状和/或幅度的超短脉冲的自由。例如，在TL脉冲中，所有频率都被锁定，并且具有净零阻抗。在这种情况下，图8的光谱相位72实际上是水平或平坦的。通常，脉冲整形器可以由存储在计算机60的存储器中的许多参数来定义，诸如输入带宽、频率分辨率、最大延迟等。另外，波长与像素以及电压与相位的对应关系也存储在图1至图3的计算机60的存储器中。
所公开的激光器单元的调谐基于这样的事实，即，如图8中所示，具有近高斯形状的脉冲由环形谐振器10输出，并且被进一步引导通过图1至图3的示意图，在该示意图中具有期望长度的色散介质。后者包括脉冲发生器52的所有组件以及将宽带相干啁啾脉冲引导到两级压缩器的传输光纤。如果使用图5的示意图，则色散介质还包括线性配置的放大级联62的所有光纤和组件。全部光纤-无源光纤和有源光源-都是由所公开单元的制造商使用的标准光纤。
确定在给定机制下操作的脉冲发生器52的啁啾，即，泵浦功率和滤波器之间的重叠，是对要运送的激光器单元进行调谐的初始步骤。一旦针对每个像素确定了相位，将具有相反符号的值(其使所确定的啁啾无效)存储在计算机60的存储器中。
MIIPS技术使用脉冲整形器54将一系列参考相位图案72放置在啁啾激光脉冲上，然后监视来自这些参考相位图案(啁啾)的二次谐波生成(SHG)响应的频谱。这样做是为了计算作为波长的函数的脉冲的相位形状，并应用必要的相位图案以消除输入光束的啁啾，从而输出变换极限脉冲。
因此可以形成存储在计算机60的存储器中并包括多个不同相位(并且如果有必要，还包括幅度掩模72)的库，其与某些脉冲参数相对应并因此被配置为补偿脉冲的色散。如果使用接口的用户需要以新的泵浦功率和滤波器重叠来表征的新的脉冲发生器机制，则计算机60生成控制信号，以提供激光参数的期望变化。计算机60的存储器还具有软件，该软件可被操作以检索与新的操作机制相对应的期望掩模并将其应用于脉冲发生器的输出处的脉冲，以便接收TL脉冲。
虽然上面讨论的示例涉及TL脉冲，但是脉冲整形器54可以提供其他脉冲形状，包括规则和不规则形状。规则脉冲形状例如可以是平顶脉冲、椭圆形、具有预定占空比的脉冲的序列等。不规则脉冲形状例如可以包括具有不同幅度的峰值的两个峰值脉冲。在脉冲发生器的输出处的受控脉冲参数与对应的掩模之间的这种自动对应关系极大地有利于操作并消除了对高度专业化操作员的需求，其中脉冲发生器的输出处的受控脉冲参数存储在计算机的存储器中，且对应的掩模也存储在计算机的存储器中。在所公开的脉冲整形器的输出处的更复杂的脉冲形状可能需要将相位掩模和幅度掩模两者应用于脉冲发生器的输出处的脉冲。例如，如果在本发明单元的输出处需要期望的持续时间的简单平顶脉冲来代替TL脉冲，则可以通过应用不同的相位掩模以仅增加线性啁啾来获得。然而，如果要求平顶脉冲的前沿和后沿之一或两者具有一定的角度和曲率，则可能将需要同时使用相位掩模和幅度掩模。
计算机60还可以具有软件，该软件可被操作以帮助仅知道期望脉冲的形状但对将在频域中提供具有期望形状的脉冲的具体掩模一无所知的用户。使用迭代方法，可以确定期望掩模并将其存储在计算机60的库中。
返回图8至图10，最初的目标是将相应的图4和图5的脉冲发生器52的输出处的宽带脉冲70压缩到其近TL形状。通过经由接口简单地应用不同的啁啾72，操作员可以确定哪个啁啾向整形器54的输入处的脉冲70提供期望的平坦谱线和最小调制，如相应的图9C和图10C中所示。一旦确定了掩模，就可以将脉冲70压缩为近TL脉冲。在示例中，在图8中以红色示出的正常啁啾对于获得近变换极限的脉冲是最佳的。图9A至图9B以及图10A至图10B中所示的测量是在图1至图3的压缩器的输入的上游的不同位置处进行的。
虽然图4的脉冲发生器52的期望特性有利但非必要地保持恒定，以提供可靠的自启动，但是显然可以容易地使图5的配置变化，以便具有与不同的泵浦功率和滤波器的相互位置相对应的不同的操作机制。这些机制中的每一个和对应的相位掩模也可以存储在库中，其中机制和相应相位掩模提供相应近TL脉冲。当近TL脉冲(在理论TL脉冲的7％内)具有寄生的低强度峰值时，这并不罕见，其中可以通过将幅度掩模应用于所形成的近TL脉冲来最小化或完全消除寄生的低强度峰值。这些掩模可以存储在库中。
通常，包括图1至图3的可编程脉冲整形器54的激光系统配置有两个处理器或计算机，该两个处理器或计算机控制相应的脉冲发生器和可编程整形器。增加可以同时控制脉冲发生器52和两级脉冲压缩器54、56的全尺寸计算机(诸如，图1中的计算机60)使所公开的单元更加灵活且激光系统更加高效。
通常，如果不是将包括期望相位的预设应用于上述示例中的外围部分，则为了实现期望的结果，除了该单元的应用的领域的专家之外，还需要包括具有物理和计算机科学的博士学位的人的专家团队。因此，具有与不同的相位掩模和幅度掩模相对应的存储啁啾的数据库的所公开的单元为客户提供了独特的机会以高效地执行各种各样的任务。此外，相位掩模是特定于设备的，这需要在制造工厂对每个新单元进行调谐，这无疑为客户节省了很多钱。然而，如果客户需要的脉冲形状不是所存储的信息的一部分，则始终可以操控相位和/或幅度调制，从而调节脉冲形状，如下所述。
通过本发明的系统，直接使用所公开的整形器使光谱相位改变为所接收的啁啾脉冲，从而生成期望光学波形或脉冲形状。如图11A中所示，最简单的示例是添加线性啁啾(应用抛物线光谱相位掩模)，以便调整脉冲持续时间或甚至频谱的红色和蓝色部分的到达时间。图11C示出了若干所应用的啁啾值的测量到的自相关函数(ACF)分布，如果使用sech2fit来根据ACF宽度进行估计，以100fs、200fs和400fs的FWHM脉冲持续时间为目标。用于生成整形器的相位掩模的对应的SOD值在1025nm处分别为1900fs2、3700fs2和7000fs2。对于后者，图11A示出了添加到色散补偿掩模的对应抛物线相位分布。在图11B中提供了脉冲的预期时域强度分布。请注意，可以应用正或负的啁啾，并且SOD幅度可以高达15000fs2。
另一示例是使用正弦相位调制将TL脉冲重新整形成子脉冲的突发。子脉冲的数量及其相对幅度在很大程度上取决于相位调制幅度。它们的时间周期(间隔)等于可以连续调谐的光谱相位调制“频率”(以ps为单位进行测量)。对于图12A中的脉冲突发，调制幅度被设置为0.45π，这导致了具有三个相似幅度的主子脉冲的脉冲序列。对于脉冲之间的间隔为0.2ps，给出了图12A中的计算出的相位掩模和图12B中的预期时域强度分布。通过简单地对正弦相位掩模的调制频率进行调谐，可以以高精度连续地调整后者。图12C示出了脉冲之间的间隔0.2ps、0.4ps和0.8ps的实验ACF轨迹。它们针对对应的参数(未显示)匹配模拟的ACF配置文件。
换言之，图12A至12C示出了通过应用图12A的正弦相位掩模将图12A的TL脉冲分解成图12C的子脉冲的突发的示例性方法。改变正弦相位掩模的参数，可以可控制地改变子脉冲的数量(子脉冲中的每一个都接近TL脉冲)以及相邻子脉冲之间的时间延迟。
相位整形是将选择性引入非线性光学处理的一种有吸引力的无损方法。可以对如图13A至图13C中所示的二次谐波生成(SHG)过程进行说明。在将超短激光脉冲压缩到TL脉冲并聚焦在薄的非线性晶体上时，钟形SHG频谱的主要贡献来自整个激光光谱带宽的和频生成(SFG)。将频率为ω+Δ和ω-Δ的激光光子(其中，Δ是任意失谐)加起来以在2ω处产生SHG光子，并且因为它们的非线性相位
Figure BDA0002963746270000171
独立于失谐Δ而与其他贡献相长地干涉；在此，
Figure BDA0002963746270000172
是激光脉冲的光谱相位。然后，如果应用了具有适当对称性的相位掩模(例如，
Figure BDA0002963746270000173
∝(ω-ω0)3)，则仅针对ω0保留相长干涉，这对应于SHG频谱中的频率2ω0。
通过考虑三阶色散(TOD)对应于抛物线群延迟(在频域中)，可以理解后者。相对于ω0频率对称(即，ω0+Δ和ω0-A)的频带被相同地延迟，因此通过SFG过程而继续对2ω0频率处的信号做出贡献。对于其他SHG频率，成对频带之间的定时漂移，从而抑制它们对非线性信号的贡献。
在实验上，在应用立方相位时，会观察到变窄的SHG尖峰。如果没有其他相位失真，则SHG尖峰将紧密跟踪立方相位的对称点。也就是说，如果相位掩模以1025nm为中心，如图13A中所示，则SHG峰值预计在512.5nm处。通过改变立方相位掩模的中心频率/波长，可以有效地对双光子激发带进行调谐。请注意，在应用TOD时的双光子峰的强度与使用压缩脉冲而得到的强度相似；即，经整形的脉冲的整个光谱带宽有助于2ω0处的双光子跃迁。
因此，图13A至图13C示出了通过应用具有相对平坦的中心区域和两个弯曲的端部区域的非线性相位掩模来重新整形TL脉冲的另一示例。如图13B中所示，所得脉冲在时间上延伸，此外，如图13B中所示，该脉冲被调制为具有一系列峰值，其中，前导峰值具有最高强度。
当通过标记物或发光体对物质、分子等进行着色时，这样的重新整形可以有利地在化学、生物学和医学中的多种应用中使用。可以响应于相应的不同波长来激发不同标记。例如，在寻找病理结构时，已知一种颜色的标记物附着在健康组织上，而不同颜色的标记物与病理组织接触。
所公开的单元可被操作以生成低能量fs脉冲，以避免损坏任何组织。fs脉冲通过具有fs脉冲的宽光谱宽度来表征，fs脉冲各自具有约200nm的宽度。如本领域的普通技术人员所知，整个可见域小于300nm，而清晰可见的光谱区域不超过200nm。因此，单独的fs脉冲可以激发与相应的不同组织相对应的不同颜色的标记，这当然使鉴别处理复杂化并影响诊断。
然而，所公开的激光器单元通过应用能够选择性地激发非常窄的光谱区域的掩模解决了该问题。如果应用于图13A中的脉冲的相位掩模是平坦的，则SHG将具有500nm至约530nm之间的单个连续的光谱范围，如通过虚线在图13C中所示。但是，由于所公开的单元可以将相位掩模从例如平坦的相位掩模可控制地改变为如图13A所示的相位掩模，因此相同的频谱将具有单独的窄SHG光谱区域，由图13C中的不同颜色的相应峰值所示。因此，尽管在光谱上接近的标记物很多，但是有可能在选择性地或连续地逐个激发标记物的同时分析单独的响应信号强度，直到识别出与要搜索的组织相对应的标记物为止。
图14示出了上面所公开的调谐和操作图1至图3所述的本发明单元50的方法。激光源52取决于耦接到增益介质中的泵浦光的强度而以不同的操作机制进行操作。相应操作机制的参数被存储在计算机60的分区存储存储器中。
所生成的脉冲均在传播通过色散介质(即，构成激光源52的所有光纤和光纤元件)时获取很大的群延迟色散或大啁啾。大啁啾是特定于机制的。大啁啾包括与SOD相对应的线性分量和与TOD或更高阶色散相对应的非线性分量。两个啁啾分量都应进行校正以便形成TL脉冲。有源相位控制实现了组件的校正。
实现相位控制的两级脉冲压缩器包括静态压缩器56和可编程脉冲整形器54，该静态压缩器和可编程脉冲整形器可以被操作以校正相应的线性和非线性啁啾分量。所得脉冲几乎是TL。然而，它的波形并不是理想的，其展现出寄生强度峰值，可以通过对近TL脉冲应用幅度掩模来抑制该寄生强度峰值，这样足以获得期望的TL脉冲。与激光源的相应操作机制相对应的相位掩模和幅度掩模形成了存储在计算机的分区存储器中的库。
在获得用于相应机制的期望TL脉冲之后，可以改变它们的形状以生成与相应操作机制相对应的其他光学波形。这是通过将相位掩模或相位/幅度掩模应用于TL脉冲来实现的。一旦形成了期望的波形，将对应的掩模存储在计算机的存储器中。
尽管示出并公开了被认为是最实用和优选的实施例，但是显而易见的是，将建议本领域技术人员脱离所公开的配置和方法，并且可以在不脱离所附权利要求中所限定的本发明的精神和范围的情况下使用它们。

Claims (15)

1.一种输出均匀的超短脉冲的脉冲可配置激光器单元PCLU，包括：
光纤脉冲发生器，在多个操作机制下进行操作，以沿光路输出相干的均匀放大的大啁啾宽带脉冲的序列；
两级压缩器，包括静态压缩器和脉冲整形器，所述静态压缩器被配置为补偿每个大啁啾宽带脉冲的线性啁啾分量，所述脉冲整形器设置有可编程空间光调制器SLM以对大啁啾宽带脉冲的非线性啁啾分量进行校正，其中，所述两级压缩器在所述光纤脉冲激光发生器的每个工作机制中输出变换极限TL超短相干脉冲的序列；以及
至少一个或多个计算机，执行软件以用于从存储在CPU的存储器中的相位掩模的库中选择性地检索与指定操作机制相对应的相位掩模，并且操作所述脉冲整形器以将检索到的掩模应用于所述脉冲整形器的整个可编程空间光调制器SLM，以便补偿经压缩的TL超短相干脉冲的啁啾脉冲的非线性啁啾分量。
2.根据权利要求1所述的PCLU，其中，所述计算机执行软件以用于从存储在CPU的存储器中的幅度掩模的库中检索幅度掩模，并将检索到的幅度掩模应用于所述脉冲整形器的整个可编程空间光调制器SLM上，以抑制在所述TL脉冲的频谱中存在的寄生强度峰值。
3.根据权利要求1所述的PCLU，其中，所述计算机执行软件以用于从相位掩模的库中检索相位掩模并将检索到的相位掩模应用于所述脉冲整形器的整个SLM上，以针对所述脉冲发生器的所述指定工作机制，将所述TL脉冲重新整形为与所述TL脉冲不同但具有期望形状的脉冲。
4.根据权利要求3所述的PCLU，其中，所述计算机执行软件以用于从幅度掩模相位掩模的库中检索幅度掩模并将检索到的幅度掩模应用于整个所述脉冲整形器，以改进与所述TL脉冲不同的所述脉冲的所述期望形状。
5.根据权利要求1所述的PCLU，其中，所述脉冲整形器配置有空间光调制器SLM，所述空间光调制器SLM包括液晶空间光调制器LC SLM、液晶相位LCOS、声光调制器AOM或声光可编程色散滤波器AOPDF。
6.根据权利要求1所述的PCLU，其中，由所述计算机执行的软件根据多光子脉冲内干扰相位扫描MIIPS算法来测量和校正频谱脉冲分量的相位。
7.根据权利要求1所述的PCLU，其中，所述脉冲发生器配置有自启动的被动锁模光纤种子，所述自启动的被动锁模光纤种子具有限定环形谐振器的两组相同的光学元件。
8.根据权利要求7所述的PCLU，其中，每一组的光学元件包括掺杂Yb的有源光纤、光纤线圈和窄线空间滤波器，相应组的空间滤波器被配置为具有彼此重叠的相应光谱，所述光学元件通过多条无源光纤彼此光学耦接。
9.根据权利要求8所述的PCLU，其中，所述脉冲发生器还包括光纤增强器，所述光纤增强器配置有限定所述环形谐振器但彼此耦接使得所述增强器具有线性几何形状的元件，所述增强器的有源光纤和无源光纤的相应的基本均匀尺寸的纤芯大于所述环形谐振器的相应元件的基本均匀尺寸的纤芯。
10.根据权利要求1所述的PCLU，其中，所述脉冲整形器是一维或二维的。
11.根据权利要求4所述的PCLU，其中，应用于所述TL脉冲的相位掩模和幅度掩模用于提供在时域和频域中具有期望形状的脉冲，所述期望形状包括规则形状和不规则形状。
12.根据权利要求7所述的PCLU，其中，所述自启动的被动锁模光纤种子以高达20MHz的脉冲重复率输出相干宽带啁啾线性相干脉冲的序列，每个脉冲具有高达50nJ的能量和高达100nm的全光谱带宽。
13.根据权利要求9所述的PCLU，其中，具有光纤增强器的所述脉冲发生器以高达20MHz的脉冲重复率产生相干宽带啁啾相干脉冲的序列，每个脉冲具有高达100nm的全光谱带宽和高达500nJ的脉冲能量。
14.一种由根据权利要求1至13所述的PCLU来生成超快脉冲的方法，包括：
(a)以多种操作机制操作激光源，从而生成脉冲的序列，其中，每个脉冲在所述激光源中通过脉冲的非线性演化而获得大啁啾；
(b)在(a)的同时，在计算机存储器的库中存储与相应操作机制相对应的源参数；
(c)通过如下操作，在每个操作机制下，将啁啾脉冲压缩为相应TL脉冲：
对所述大啁啾的线性分量进行校正，以及
在从所述库中检索到要应用的光谱相位掩模后，通过对所述啁啾脉冲应用所述光谱相位掩模来对所述大啁啾的非线性分量进行校正，其中，生成多个相位掩模以与相应的操作机制相对应；
(d)通过应用从所述库中检索到的光谱相位掩模或光谱相位掩模和幅度掩模来对与相应的操作机制相对应的所述TL脉冲进行整形，从而生成与所述TL脉冲不同的期望脉冲形状。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述步骤(c)还包括：应用存储在所述库中且与相应的操作机制相对应的幅度掩模，从而抑制在每个TL脉冲的强度分布图中的寄生低强度脉冲。
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