CN113366713A - 具有啁啾脉冲放大和修整脉冲序列的超短脉冲激光源 - Google Patents

Abstract

一种激光器系统及方法。在一个示例中，所述激光器系统包括：光脉冲展宽器，配置为展宽输入脉冲的输入序列的脉冲持续时间以产生经展宽的激光脉冲的序列；脉冲复制器模块，配置为提高所述经展宽的激光脉冲的序列的脉冲重复率以产生经修改的激光的脉冲序列；光纤功率放大器，配置为放大经修改的脉冲序列以产生经放大的激光脉冲；以及脉冲压缩器，所述脉冲压缩器在时间上压缩所述经放大的激光脉冲以产生经放大和压缩的激光脉冲。所述系统还可以包括：非线性频率转换级，包括至少一个非线性晶体。

Description

具有啁啾脉冲放大和修整脉冲序列的超短脉冲激光源

相关申请的交叉引用

本申请涉及2019年1月31日提交的题目为“ULTRASHORT PULSE LASER SOURCEWITH CHIRPED PULSE AMPLIFICATION AND TAILORED PULSE TRAIN”的美国临时专利申请序列n_o.62/799492、以及2019年6月21日提交的题目为“ULTRASHORT PULSE LASER SOURCEWITH CHIRPED PULSE AMPLIFICATION AND TAILORED PULSE TRAIN”的美国专利申请序列no.62/864834。

技术领域

技术领域总体涉及激光器系统，更具体地涉及能够利用高重复率的超短脉冲生成具有高平均功率的激光的激光器系统。

背景技术

激光器被用在很多不同的工业应用中，一些激光器系统能够在一个装置中执行多个材料加工任务，例如，切割、钻孔、测量和/或焊接。具有较短波长、较短脉冲持续时间和高光束质量的激光器系统在微机械加工应用中变得越来越重要，在所述微机械加工应用中，逐渐变得更小且更复杂的几何结构需要更复杂的制造工艺。由紫外线(UV)激光器系统提供的较短的波长和较小的光斑尺寸允许较高的空间分辨率以及加工透明材料和反光材料的能力。在UV波长下可获得的较高的能量吸收连同较短的脉冲宽度也使热影响区(HAZ)和其他热效应(例如，炭化)最小化。用于生成UV激光的传统方法包括使用昂贵且承受较高维护成本的准分子激光器。

发明内容

根据一个或多个实施例，提供了一种激光器系统。所述激光器系统包括：光脉冲展宽器，配置为展宽输入脉冲的输入序列的脉冲持续时间以产生展宽的激光脉冲的序列；脉冲复制器模块，光耦合到所述光脉冲展宽器并且配置为提高经展宽的激光脉冲的序列的脉冲重复率以产生激光的经修改的脉冲序列；光纤功率放大器，光耦合到所述脉冲复制器模块并且配置为放大经修改的脉冲序列以产生经放大的激光脉冲；以及脉冲压缩器，光耦合到所述光纤功率放大器并且配置为在时间上压缩所述经放大的激光脉冲以产生经放大和压缩的激光脉冲。

根据一个示例，所述脉冲复制器模块包括：至少两个熔融光纤光耦合器，所述至少两个熔融光纤光耦合器包括输入熔融光纤光耦合器；输出熔融光纤光耦合器；以及至少一个光纤延迟线，设置在所述输入熔融光纤光耦合器与所述输出熔融光纤光耦合器之间。根据另一示例，所述脉冲复制器模块包括：多个级，每一级均包括光纤延迟线使得每个后续级将时间延迟引入所述经修改的脉冲序列，并且，在所述输出熔融光纤光耦合器的输出端提供经时间延迟的复制脉冲的序列作为所述经修改的脉冲序列。在一个示例中，在每个后续级处，时间延迟以预定量增加或减少。在另一示例中，用于所述多个级中的至少一级的预定量的时间延迟与用于其他级的预定量的时间延迟不同。

根据一个示例，所述输入脉冲的输入序列具有小于1纳秒的初始脉冲持续时间和至少1兆赫(MHz)的初始脉冲重复率。在另一示例中，所述光脉冲展宽器被配置为将所述初始脉冲持续时间展宽到几纳秒量级上的脉冲持续时间，并且所述经放大和压缩的激光脉冲具有短于所述初始脉冲持续时间的脉冲持续时间。根据另一示例，所述脉冲复制器模块被配置为：将所述经展宽的激光脉冲的序列的脉冲重复率提高到几十MHz级别和几GHz级别。

在一个示例中，所述激光器系统还包括：被动锁模激光源，配置为生成所述输入脉冲的输入序列。

根据另一实施例，提供了一种基于光纤的激光器系统。所述基于光纤的激光器系统包括：锁模激光源，配置为提供具有小于1纳秒的初始脉冲持续时间和至少1MHz的脉冲重复率的输入脉冲的输入序列；光脉冲展宽器，光耦合到所述锁模激光源并配置为展宽所述输入脉冲的输入序列的脉冲持续时间以产生展宽的激光脉冲的序列；脉冲复制器模块，光耦合到所述光脉冲展宽器并配置为提高经展宽的激光脉冲的序列的脉冲重复率以产生激光的经修改的脉冲序列；光纤功率放大器，光耦合到所述脉冲复制器模块并配置为放大经修改的脉冲序列以产生经放大的激光脉冲，所述经放大的激光脉冲具有小于30的峰均功率比；以及脉冲压缩器，光耦合到所述光纤功率放大器并且配置为在时间上压缩所述经放大的激光脉冲以产生经放大和压缩的激光脉冲。

根据一个示例，所述系统还包括：至少一个非线性频率转换级，光耦合到所述脉冲压缩器并且被配置为接收所述经放大和压缩的激光脉冲，用于频率转换。

在一个示例中，所述非线性频率转换级被配置为具有至少15％的转换效率。

根据一个示例，所述至少一个非线性频率转换级输出具有至少200瓦的平均功率的紫外线(UV)激光。

根据至少一个示例，脉冲的输入序列具有在10fs至100ps的范围内的初始脉冲持续时间并且经放大和压缩的激光脉冲具有短于所述初始脉冲持续时间的脉冲持续时间。

根据另一示例，所述脉冲复制器模块包括：至少两个熔融光纤光耦合器，所述至少两个熔融光纤光耦合器包括输入熔融光纤光耦合器和输出熔融光纤光耦合器、以及设置在所述输入熔融光纤光耦合器和所述输出熔融光纤光耦合器之间的至少一个光纤延迟线。根据另一示例，所述脉冲复制器模块包括：多个级，每个级均包括光纤延迟线使得每个后续级将时间延迟引入所述经修改的脉冲序列，并且，在所述输出熔融光纤光耦合器的输出端提供经时间延迟的复制脉冲的序列作为所述经修改的脉冲序列。在一个示例中，在每个后续级处，时间延迟以预定量增加或减少。在另一示例中，用于所述多个级中的至少一级的预定量的时间延迟与用于其他级的预定量的时间延迟不同。

根据至少一个示例，所述光脉冲展宽器被配置为啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)，并且所述脉冲压缩器被配置为啁啾体布拉格光栅(CVBG)、Treacy配置光栅压缩器或Martinez配置中的一种。

根据一个示例，所述脉冲压缩器包括至少一个分束器和至少两个体布拉格光栅。

在一个示例中，所述锁模激光源配置有被动锁模光纤环形腔。在另一示例中，所述被动锁模光纤环形腔被配置为生成巨啁啾脉冲作为输入脉冲。

根据一个方面，提供了一种方法。所述方法包括：生成具有小于1纳秒的初始脉冲持续时间和至少1MHz的脉冲重复率的输入脉冲的输入序列；展宽所述输入脉冲的脉冲持续时间以产生经展宽的激光脉冲的序列；复制所述经展宽的激光脉冲以生成经修改的脉冲序列，经修改的脉冲序列的脉冲重复率比所述经展宽的激光脉冲的序列的脉冲重复率更高；放大所述经修改的脉冲序列以产生经放大的激光脉冲；以及压缩所述经放大的激光脉冲以产生经放大和压缩的激光脉冲。

在一个示例中，所述方法还包括：将所述经放大和压缩的激光脉冲频率转换成紫外光。根据一个示例，所述方法还包括：利用紫外光将非晶基底材料退火成多晶形式。

根据另一示例，所述方法还包括：提供具有被动锁模光纤环形腔的锁模激光源，其中该被动锁模光纤环形腔配置为生成所述输入脉冲的输入序列。

在一个示例中，复制经展宽的激光脉冲包括：使经展宽的激光脉冲经过至少一个脉冲复制器模块，所述脉冲复制器模块包括输入熔融光纤光耦合器、输出熔融光纤光耦合器、以及设置在所述输入熔融光纤光耦合器与所述输出熔融光纤光耦合器之间的至少一个光纤延迟线。

下面详细讨论这些示例方面和实施例的其他方面、实施例和优点。此外，应当理解，上述信息和以下详细描述都仅是各个方面和实施例的说明性示例，并且旨在为理解所要求保护的方面和实施例的性质和特征提供概述或框架。本文公开的实施例可以与其他实施例组合，并且对“一个实施例”、“一个示例”、“一些实施例”、“一些示例”、“一个备选实施例”、“各个实施例”、“一个实施例”、“至少一个实施例”、“这个和其他实施例”、“特定实施例”等的引用不一定是相互排斥的，并且旨在表示所描述的特定特征、结构或特性可以包括在至少一个实施例中。本文中的这些术语的出现不一定都指相同的实施例。

附图说明

至少一个实施例的各个方面在下面参考附图进行讨论，这些附图旨在按比例绘制。包括这些图是为了提供对各个方面和实施例的说明和进一步理解，并且被并入本说明书且构成本说明书的一部分，但是不旨在作为对任何特定实施例的限制的定义。附图与说明书的其余部分一起用于解释所描述和要求保护的方面和实施例的原理和操作。在附图中，各个图中所示的每个相同或几乎相同的组件由相似的附图标记表示。为清楚的目的，可能未在每个附图中标记每个组件。在附图中：

图1是根据本发明的方面的激光器系统的示意图；

图2是根据本发明的另一方面的基于光纤的激光器系统的示意图；

图3是根据本发明的方面的基于光纤的激光器系统的另一示意图；

图4是根据本发明的方面的脉冲复制器模块的一个示例的示意图；

图5是根据本发明的方面的脉冲复制器模块的另一示例的示意图；

图6是根据本发明的方面的放大器中使用的有源光纤的示意图；

图7是根据本发明的方面的脉冲压缩器的一个示例的示意图；

图8是根据本发明的方面的脉冲压缩器配置的另一示例的示意图；

图9是根据本发明的方面的脉冲压缩器配置的又一示例的示意图；

图10示出了频率转换之前进行放大和压缩的经修改的脉冲的时间曲线图；

图11A至图11C示出了根据本发明的方面的CFBG脉冲展宽器的一个示例；

图12A至图12F示出了通过使用根据本发明的方面的基于光纤的激光器系统的脉冲展宽器组件而被调谐为具有在1ps至25ps的范围中的持续时间的压缩脉冲的示例；

图13是根据本发明的方面的被动锁模光纤激光器的一个示例的示意图；

图14A是根据本发明的方面的使用体布拉格光栅(VBG)的脉冲压缩器的一个示例的示意图；以及

图14B是根据本发明的方面的另一示例脉冲压缩器的示意图。

具体实施方式

许多材料加工应用可以受益于具有高重复率和高平均功率的超短脉冲激光。例如，减少脉冲持续时间通常减小烧蚀阈值，其意味着所需要的脉冲能量随着脉冲持续时间减少而减小。较低的脉冲能量导致较少的不希望的加热，其在加工热敏材料(例如，有机聚合物)时可能是重要的。超短激光脉冲还触发了光烧蚀机制，而不是将材料加热到直到其蒸发为止的光热作用。光烧蚀涉及通过直接破坏分子键来去除材料，因此不会引起热效应。包括基于非线性吸收的玻璃材料激光焊接在内的许多焊接应用也可以受益于超短脉冲激光能量，超短脉冲激光能量的特征在于每个脉冲能量较低。高重复率不仅增大了超短脉冲激光的序列的平均功率输出，而且也允许更快的加工速度。

本公开的各个方面针对将啁啾脉冲放大(CPA)与脉冲重复组合在一起的激光器系统。这样的系统对于产生具有高脉冲重复率和超高脉冲重复率的且具有在不引起损坏的峰值功率的同时仍然具有较高平均功率的激光是有用的。图1中示出了这样的系统的示例并且总体以100来表示。系统100包括脉冲展宽器130、脉冲复制器模块140、光纤功率放大器150和脉冲压缩器170。输入激光脉冲112通过使用脉冲展宽器130而在时间上被展宽，在包括光纤功率放大器150和可选的预放大器154的放大级中被放大，且通过使用脉冲压缩器170而被压缩。在放大之前，使用脉冲复制器模块140复制经展宽的脉冲132。

输入脉冲112的输入序列可以来自包括调制CW激光器和种子脉冲源在内的多个不同激光源中的任一个。在一些实例中，输入脉冲112由包括被动锁模激光源的锁模激光源提供。被动锁模光纤激光源的示例在下面描述。其他类型的激光器(例如，固态激光器或半导体激光器)也可以使用。除了锁模激光器以外的其他类型的脉冲激光源(包括Q开关激光器和增益开关激光器)也是合适的。根据一些实施例，输入脉冲112具有小于1纳秒的脉冲持续时间，并且可以在皮秒(ps)或飞秒(fs)的量级上。输入脉冲112还具有至少1MHz的初始脉冲重复率。

脉冲展宽器130、光纤功率放大器150和脉冲压缩器170包括CPA系统的组件。脉冲的时间展宽和压缩基于将脉冲中的不同波长延迟不同的时间量。在展宽器130中，短波长脉冲可以相对于长波长脉冲被延迟，或反之亦然，并且在压缩器170中，这种影响又被消除。体光栅、棱镜、光纤、啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)或啁啾体布拉格光栅(CVBG)是用于展宽脉冲的强色散元件的示例。

脉冲展宽器130被配置为展宽脉冲的输入序列112的脉冲持续时间，以产生具有更小峰值功率的经展宽的脉冲的序列132。根据一些实施例，脉冲展宽器130将初始脉冲序列112的脉冲展宽到几纳秒量级的脉冲持续时间，并且在一些实例中可以是10ns。在其他实施例中，初始脉冲序列112的脉冲被展宽到约100ps至1ns的范围中的脉冲持续时间。

经展宽的激光脉冲132的重复率可以由脉冲复制器模块140提高，脉冲复制器模块140在时间上复制经展宽的激光脉冲132的光波形以生成经修改的脉冲序列148。由脉冲展宽器130输出的经展宽的激光脉冲的序列132的时间曲线图具有t的脉冲周期和1/t的脉冲重复率。根据一些实施例，脉冲复制器140可以用于复制经展宽的激光脉冲，以使t下降到使经修改的脉冲序列148的激光能量似乎连续的程度。经修改的脉冲序列148的近似连续波的特征是由脉冲展宽器130执行展宽和由脉冲重复模块140执行重复两者的作用。使用这样的激光器的系统的示例在下面更详细地进行讨论。脉冲复制器140可以被配置为将经展宽的激光脉冲132的重复率提高到几十MHz级别和几GHz级别。脉冲展宽器130和/或脉冲复制器模块140可以被配置为生成具有期望峰均功率比的经修改的脉冲148。示例在下面进行讨论。提高重复率对退火应用具有有益的方面。一方面，单脉冲能量减小，其减小了损坏未加工材料的可能性。然而，非线性频率转换的效率正比于峰值功率，即，较高的峰值功率导致较高的转换效率。其次，因为重复率提高，所以激光脉冲之间的时间变得比针对已吸收的激光辐射从处理位置扩散到外部的时间更短，这样使热量累积，即，在较高重复率下，样本在脉冲之间没有时间冷却。因此希望使激光照射的表面的冷却时间比相继的脉冲之间的时间更长。脉冲复制器模块可以进行修整，如在下面更详细地解释的，以结合有效的重复率输出实现无损坏但高转换效率峰值功率之间的平衡的激光脉冲。

脉冲复制器模块140是包括以下项的全光纤器件：至少两个光纤光耦合器，其包括：输入熔融光纤光耦合器；输出光纤光耦合器；以及设置在所述输入熔融光纤光耦合器和所述输出熔融光纤光耦合器之间的至少一个光纤延迟线。全光纤光耦合器是保偏的。光纤光耦合器还可以被配置为单模(SM)非保偏熔融光纤光耦合器。脉冲展宽器130和脉冲复制器模块140的组件可以被配置为以经修整(高)重复率输出脉冲。脉冲复制器的非限制性示例参考图4和图5在下面进行描述。

图1中的系统100的光纤功率放大器150用于放大来自脉冲调制器140的经修改的脉冲序列148的激光脉冲。在这个示例中，预放大器154设置为接收和放大经修改的激光脉冲148以产生经预放大的激光脉冲155。光纤功率放大器150设置为进一步放大经修改的激光脉冲以产生经放大的激光脉冲153。在一些实施方式中，可以去除预放大器154，以使经修改的脉冲148直接馈入光纤功率放大器150进行放大。预放大器154和放大器150利用掺杂光纤实现，其使系统紧凑、强健并且成本低。还在脉冲复制器模块140与光纤功率放大器150之间设置光隔离器160。

脉冲压缩器170压缩啁啾放大脉冲153的脉冲宽度。脉冲压缩器的非限制性示例包括光栅压缩器，例如，CVBG压缩器和Treacy压缩器、以及Martinez压缩器和棱镜压缩器。

从脉冲压缩器170输出的经放大和压缩的激光脉冲174可以被表征为具有高重复率和高平均功率的超短脉冲激光。这个输出的特定应用包括生成高平均功率UV激光辐射，将在下面进行讨论。

高平均功率(即，瓦特量级)UV激光辐射可以用于涉及表面改性、材料加工、以及检查的各种工业应用，包括激光直接成像(LDI)、太阳能电池制造、晶片划线和图案化、退火工艺(例如，低温多晶(LTPS)显示退火)、激光去除(LLO)、以及半导体晶片和掩模检查。如本文所使用的，UV是指利用335nm至370nm的范围中的波长的辐射。如上所述，用于生成UV激光的传统方法包括使用准分子激光器，其具有多个缺点。根据至少一个实施例，本文描述的方法和系统可以用于利用紫外光将非晶基底材料退火成多晶形式。

传统连续波(CW)光纤激光器能够提供具有单模(SM)光束质量的、非常高的平均功率的近红外光，该近红外光可以使用非线性光学晶体转换成UV光。如本文所使用的，术语“单模”和“多模”(MM)是指横模。高效的频率转换需要使用具有窄带宽和/或高峰值功率的激光源。具有窄带宽的传统CW光纤激光器由于例如受激布里渊散射(SBS)和模态不稳定性(MI)的非线性作用而在功率和可靠性上受限。

配置有窄线宽种子激光源的脉冲光纤激光器系统也受上述相同的非线性作用的限制。此外，对于特定应用，窄线宽增加了空间噪声和干扰影响。使用较宽线宽种子激光源(例如，锁模光纤激光器)减少了空间噪声和光束干扰影响，但是引入了其他问题。例如，当这些较宽线宽激光源被直接放大时引入了诸如自相位调制(SPM)、受激拉曼散射(SRS)和四波混合(FWM)之类的其他非线性作用，其又限制了峰值功率。为了获得良好的频率转换，激光光束紧紧地集中在非线性晶体中，并且所产生的高光强减少了晶体寿命。诸如通过啁啾脉冲放大(CPA)的方法对较宽线宽激光源的间接放大导致较高的峰值功率值，但是由于经由直接放大经历的上述非线性作用(即，SPM、SRS和FWM)，这些较高的峰值功率被限于光纤放大器中。此外，出于避免损坏未处理的材料的目的，特定应用需要UV波长范围中的低峰值功率。

本公开的方面旨在解决和克服上面提出的关于生成高平均功率UV激光的能力的许多问题。所公开的系统及方法的方面使用具有结合CPA和脉冲复制器模块操作的锁模激光源的基于光纤的激光器系统。锁模激光源以高脉冲重复率(即，至少1MHz)提供在亚纳秒制式下的超短脉冲。亚纳秒脉冲可以通过使用脉冲展宽器经由在预定中心波长附近的光啁啾而在时间上被展宽并且通过使用所述脉冲复制器模块而被复制成模拟近似CW配置的脉冲持续时间和重复率。这减小了峰值功率并且减轻了与光的非线性(例如，SPM、SRS和FWM)相关联的问题。这些经修改的激光脉冲在放大器中进行放大，并且在放大以后，脉冲被向下压缩回亚纳秒制式内的脉冲持续时间，由此增大针对增强频率转换效率的峰值功率。展宽和经展宽的脉冲的重复率可以修整，以使峰值功率低到足以避免损坏非线性材料和/或未加工材料但是仍然高到足以保证高效的频率转换。同时，重复率足够高，以使样本在脉冲之间没有时间冷却，其在退火应用中是重要的。

在图2所示的示意图中总体以200示出了根据本发明的方面的基于光纤的激光器系统的一个示例。如本文使用的术语“基于光纤的”激光器或“光纤”激光器是指具有用于传输光能的大量光纤元件的激光器，所述光学元件包括在各个组件或激光组件的至少一个输入端或输出端中。系统200包括与图1的系统100中包括的CPA和脉冲重复组件类似的CPA和脉冲重复组件，并且还包括激光源和频率转换级。根据这个示例，系统200包括锁模激光源110、脉冲展宽器130、脉冲复制器模块140、光纤功率放大器150、脉冲压缩器170和至少一个非线性频率转换级180。

锁模激光源110(其在本文中也可以被称为脉冲生成器)被配置为提供具有小于1纳秒的(如在半峰全宽处测量的)初始脉冲持续时间和至少1MHz的脉冲重复率的输入脉冲112的输入序列。术语“锁模”一般是指激光源的激光腔的谐振纵模在相位上同步(即，一同锁相)，以产生光脉冲的序列。因为锁模，导致激射(纵)模式干扰、并且导致激光器以非常短的持续时间(例如，亚纳秒制式，在一些实例中，可以在皮秒或飞秒的量级上)的激光脉冲的形式产生光输出。

锁模方法可以划分成两类：主动和被动，并且本文所讨论的实施例属于被动类型的锁模光纤激光器。携带输出被动锁模的最常用的结构包括可饱和吸收体、非线性偏振旋转(NPR)和干涉结构，它们全部都基于非线性光学并且根据各个非线性作用来解释。特定的被动结构使用半导体可饱和吸收体或半导体可饱和吸收镜(SESAM)的形式的真实吸收体。SESAM的至少一个限制在于其损伤阈值，特别是在1μm波长范围中。SESAM也可能由于较差的啁啾之间再现性而不可靠，并且经常只有在将其放置在谐振腔之中以后才可以识别出制造缺陷。

NPR结构和干涉被动锁模结构两者与设置有环形谐振器的光纤激光器相关联。具体地，由于自相位调制(SPM)非线性作用，这些结构被操作用于创建对获取窄脉冲宽度有利的条件。尽管NPR系统能够生成超高能量脉冲，但是偏振控制器需要利用精准控制系统的复杂反馈，且NPR处理对环境改变和封装情况较为敏感。因此，难以满足周期性条件，即，脉冲特性在激光在谐振腔中的每次往返之后在固定位置处的再现性。

根据各个实施例，锁模激光源110被配置为包括被动锁模光纤激光源的锁模光纤激光源。在一个实施例中，锁模激光源110被配置为被动锁模光纤环形腔。这样的被动锁模配置依赖于环形腔中存在具有对增大峰值强度的非线性响应的至少一个组件。这样的配置的特定示例在下面进一步进行讨论。除了光纤激光器以外的其他类型的激光器也在本公开的范围之中，包括固态和半导体激光器。锁模激光源110发射1μm波长范围中的SM输入脉冲112。

根据备选实施例，谐波锁模激光源可以用作激光源110。这样的装置能够利用千兆赫兹和几千兆赫兹制式中的高脉冲重复率产生脉冲序列，因此脉冲复制器模块140可以被去除。然而，这些激光源依赖于在激光腔中一次具有多个脉冲，这样导致脉冲之间的抖动和超模，因此需要模抑制和抖动控制，模抑制和抖动控制增加了系统的复杂度和成本。

锁模激光器的脉冲重复率与其谐振器长度成反比，因此更长的谐振腔产生更低的脉冲重复率，因此在相同的平均输出功率下产生更高的脉冲能量。锁模激光源110具有较长的谐振腔长度以产生低重复率。根据各个实施例，锁模激光源110提供具有至少1MHz的初始脉冲重复率的输入脉冲的输入序列112。根据一些实施例，输入序列112具有5MHz至约15MHz的范围中的脉冲重复率。输入序列112的输入脉冲具有小于1纳秒的初始脉冲持续时间。根据一些实施例，输入脉冲112具有飞秒(fs)至皮秒(ps)范围中的初始脉冲持续时间。例如，在一些应用中，输入脉冲112具有在10fs至100ps的范围中的初始脉冲持续时间，并且在一些实例中，初始脉冲持续时间是若干ps。根据另一方面，输入序列112中的脉冲之间的时间间隔具有50ns的最小值，并且在特定实例中具有10ns的最小值。

脉冲展宽器130对光脉冲施加单向线性啁啾并且其长度乘以大于10的系数。根据至少一个实施例，脉冲展宽器130将初始脉冲序列112的脉冲展宽到50ps至5ns的范围中的脉冲持续时间。在另一实施例中，初始脉冲序列112的脉冲被展宽到约100ps至1ns的范围中的脉冲持续时间。在一些实施例中，脉冲展宽器130生成具有几百ps量级的持续时间的经展宽的脉冲。

在一个实施例中，脉冲展宽器130被配置为安装到尾纤环行器120a的线性CFBG，如图3所示，其具有尺寸紧凑和对齐不敏感的优点。初始脉冲序列112经由光环行器120a从输入端口122路由到与环行器端口124相连的CFBG展宽器130。光环行器120a使反射光返回，其中，其在端口126处离开环行器，作为经展宽的激光脉冲的序列132。根据备选实施例，光纤光耦合器可以与CFBG结合使用。

在备选实施方式中，图3的光环行器120a可以被简单的偏振分束器和四分之一波片替换，以经由端口124将光束从端口122传输到端口126。这样的实施方式在现有技术中是周知的并且在此处未示出。作为又一备选，可以包括实芯、有孔或气孔光纤作为脉冲展宽器。

虽然在图1至图3中未明确示出，但是输入脉冲112可以经过光谱滤波器以减小光带宽。例如，在图2的系统200和图3的系统300中，光谱滤波器可以设置在锁模激光源110的下游。在一些实施方式中，输入脉冲可以具有1-50nm的宽度，并且根据至少一个实施例，输入脉冲112的线宽可以由光谱滤波器减小到小于5nm，并且在一些实例中可以是约1nm。根据一个实施例，CFBG展宽器130自身可以被配置为减小输入脉冲112的光带宽。

经展宽的激光脉冲的重复率可以由脉冲复制器模块140提高到几十MHz级别和几GHz级别。在特定实施例中，脉冲重复率可以在100MHz和50GHz之间。根据各个方面，经修改的脉冲序列148的激光能量似乎连续。通过在时间间隔中进行填充来创建近似连续的波形，并且峰均功率比减小，这样也减小了SRS影响和SPM影响。在一个实施例中，经修改的脉冲序列148中的脉冲之间的时间间隔具有10ns的最大值，并且在一些实例中是1ns或小于1ns。根据至少一个实施例，经修改的脉冲序列148的峰均功率比(PAPR)具有小于预定阈值或最大值的值。根据一个实施例，这个阈值可以小于30，并且在一些实施例中可以小于25并且在其他实例中可以小于20。PAPR是脉冲宽度和重复率的函数，因此上限指示针对这些参数的合适值，其也反映低于对光纤的损伤阈值的峰值功率。合适的参数值的示例在下面进行描述。

图4是脉冲复制器模块440的第一示例的示意图。根据这个配置，输入熔融光纤光耦合器442被配置为光纤分束器。两个光纤中的离开输出光纤光耦合器443的耦合区域的一个光纤形成输出436，输出436包含经修改的脉冲序列148。光分束器442具有输入端434，并且在这个示例中，输入端434连接到或以其他方式耦合到光脉冲展宽器130，并且输出耦合器443的输出端436连接到或以其他方式耦合到光纤功率放大器150(参见图1、图2和图3)。脉冲复制器模块440还包括：至少一个光纤光耦合器444，设置在输入耦合器442和输出耦合器443之间，其中图4所示的示例包括三个这样的耦合器。

使用适当长度的单模光纤(即，光纤延迟线445)向输入分束器442的输出中的一个输出增加延迟τ，以使该对中的一个支路或输出片段(445)具有不同于(长于)另一支路446的光学路径长度。这样在分束器442的输出光纤445₁和输出光纤446₁两者处产生了以τ间隔开的两个脉冲。当这两个输出在耦合器444中组合时，然后在这些路径中的一个中增加2τ的延迟，以产生两组的四个脉冲。这个过程可以通过使两个路径之间的差分延迟翻倍而重复，直到获得期望数量的副本为止。然后使用合束器443组合两个路径。延迟τ的长度可以选择为略微长于激光脉冲的长度以避免脉冲重叠和干扰。

脉冲复制器440包括：多个级449，每一级均包括光纤延迟线445，以使每个后续级将时间延迟引入经展宽的激光脉冲132。对于图4所示的示例，脉冲复制器440包括：四个级449₁、449₂、449₃和449₄，其中，在每一级，信号功率被分开并且利用固定的时间延迟重新组合。由于副本的数量在每一级449(即，50∶50耦合器)翻倍，所以传播到合束器443的两个输出445₄和446₄均包含2^x个副本，其中，x是所使用的级数(在这个示例中，x＝4)。脉冲复制器440因此被配置为多级无源脉冲复制器，其中，每个后续级将固定时间延迟引入经展宽的激光脉冲132。可以在每个后续级处以预定的量增大或减小时间延迟。

复制器440的最后一级445₄和446₄的输出在合束器443中组合，以生成经时间延迟的复制脉冲的序列作为在输出端436处的经修改的脉冲序列148。如可以从图4看到的，光纤支路445₄和光纤支路446₄的各自的8个复制脉冲在合束器443中组合，以生成16个脉冲。这16个脉冲被配置为脉冲突发，并且经修改的脉冲序列148因此将包括一系列脉冲突发，每个脉冲突发包括16个脉冲。延迟线445₁至445₄的长度指定突发重复率(即，突发之间的时间间隔)。

将理解的是，脉冲展宽器130和脉冲复制器模块140的组件可以被配置为以经修整的重复率输出脉冲。可以选择重复率，以使峰值功率低到足以避免不希望的损坏并且仍然高到足以用于高效的频率转换，并且高到足以提供例如退火应用中的高效的加工结果。脉冲复制器模块的光纤光耦合器和光纤延迟线可以用于创建各种脉冲格式，并且图5是脉冲复制器模块540的另一示例的示意图。根据一些实施例，脉冲复制器模块可以包括一系列子模块，每个子模块均可以单独配置。例如，图5所示的脉冲复制器模块540将来自图4的脉冲复制器模块440的输出用作输入，但是要认识到，复制器模块540也可以单独或与具有其他配置的子模块组合使用。

以与图4的复制器模块440类似的方式，脉冲复制器模块540也包括输入熔融光纤光耦合器542和输出光纤光耦合器543。在输入耦合器542和输出耦合器543之间是中间光纤耦合器(544)、(547a)和(547b)。不是使延迟线从每一级549直接导向相邻(下游)级，而是使至少一个延迟线绕过一个或多个下游级，如图5的配置所示。根据这个示例，延迟线545₄从在第一级549₁的输出端处的中间耦合器544导向输出合束器543，并且由此绕过第二级549₂和第三级549₃而形成第四级549₄的延迟线。因此，在每个后续级处引入的时间延迟增加不是全都彼此相等。如图5所示，这个配置允许具有9ns的总持续时间(包络)的初始16脉冲的突发要经由四级549₁-549₄转换为具有90ns的包络的160脉冲的突发，其中，每个脉冲持续时间是0.45ns并且脉冲以0.56ns间隔开。下面的表1概括了每一级。

表1-图5的脉冲复制器模块540的级

要认识到，图4和图5所示的脉冲复制器的示例不意在进行限制并且其他配置也在本公开的范围之中。

根据至少一个实施例，系统200的一个或多个组件可以被配置为生成脉冲突发。例如，脉冲生成器110、脉冲展宽器130或脉冲复制器140可以被配置为生成脉冲突发。

现在回到图1至图3，预放大器154和放大器150在1-2μm范围中操作并且由可以由控制器195中的一个或多个泵浦驱动器驱动的泵浦器156和泵浦器152分别泵浦。控制器195包括硬件(例如，通用计算机)和软件，它们可以用于控制包括泵浦器156和泵浦器152在内的系统组件。泵浦器156和泵浦器154可以由SM或MM激光二极管或光纤激光泵浦器实现，它们以CW模式操作并且可以以侧泵浦或端泵浦配置布置。根据一些实施例，经修改的激光脉冲148是SM光，该SM光经由SM无源光纤传输到放大器150的有源光纤，该有源光纤具有掺杂有一种或多种稀土离子(例如，镱、铒和/或铥)的并且由至少一个包层包围的MM纤芯。参考图6，光纤功率放大器150可以配置有在放大器的两端之间延伸的单片(一体式)MM纤芯1，该MM纤芯1支持多种横模并且由至少一个包层3包围。纤芯1被配置为支持在期望基波波长下的唯一一个基模。这通过将MM纤芯1的模场直径(MFD)与SM无源光纤2和输出无源SM光纤9二者的模场直径相匹配来实现，SM无源光纤2沿着其纤芯4引导经修改的激光148。当进行侧泵浦时，来自泵浦源156的泵浦光耦合到中心纤芯区域5。

出于进一步提高针对光学非线性作用的阈值的目的，纤芯1具有双瓶颈形状的截面，如图6所示。尺寸一致的输入纤芯端部6可以具有等于无源光纤2的SM纤芯4的几何直径的几何直径。当基波波长下的SM光耦合到纤芯的输入端6时，仅激发基模，该基模的强度分布基本上与纯SM的高斯强度分布相匹配。纤芯1还包括：大直径的尺寸一致的模变换纤芯部5，其通过进行绝热膨胀的模变换纤芯区7A接收所引导的基模。大直径的中心纤芯区域5允许接收更大的放大器泵浦功率，而无需增大这个部分中的功率密度，这样提高了针对光学非线性作用(例如，SPM、SRS和FWM)的阈值。输出模变换纤芯区7B可以与纤芯区7A一样地配置，以绝热地减小在基频下的经放大的泵浦光的模场直径。经放大的SM光然后耦合到输出SM无源光纤9。

返回参考图2，根据各个实施例，经放大的激光脉冲153的峰均功率比(PAPR)具有小于预定阈值的值。类似于经修改的脉冲序列148的峰均功率比，用于经放大的激光脉冲153的峰均功率比的阈值可以小于30。根据其他实施例，阈值可以小于25，并且在一些实例中可以小于20。以30的阈值PAPR值和100MHz的重复率为例，经展宽的脉冲持续时间可以在从333ps到10ns的范围中。利用1GHz的重复率，经展宽的脉冲持续时间可以在从33ps到1ns的范围中。这些值也使峰值功率保持在低于500kW的值，其是针对特定应用的光纤的损伤阈值。一些应用可能需要甚至更低的峰值功率值。

根据另一方面，系统100和系统200(以及系统300)的一个或多个光纤被设置为较大有效模场面积(LMA)光纤。例如，功率光纤放大器150和/或预放大器154可以被配置为LMA光纤，其由激光二极管或光纤激光器侧面泵浦或端面泵浦。

回到图2，啁啾放大脉冲153由脉冲压缩器170压缩。由于存在脉冲复制器，压缩器170实际上将激光脉冲压缩到比(展宽之前的)初始脉冲持续时间更短的持续时间。在至少一个实施例中，脉冲压缩器170将脉冲压缩到约1ps的持续时间。根据一些实施例，脉冲压缩器170将脉冲压缩到约1ps至约25ps的范围中的持续时间。经压缩的激光脉冲可以具有类似于放大脉冲153的脉冲重复率的脉冲重复率。

根据一些实施例，如图3所示，脉冲压缩器170被配置为CVBG，并且可以在一个或多个维度上缩放以提供更大的光束尺寸。在一些实施例中，压缩器170配置有能够处理高平均功率的传输光栅。例如，可以通过使用被修整用于使缺陷和瑕疵最小化的全息步骤和蚀刻工艺来由硅形成传输光栅。

图7示出了将CVBG压缩器770用于压缩经放大的脉冲153的一个示例。CVBG压缩器770和非线性频率转换级180之间的传输路径可以包括所描绘的反射镜172a和反射镜172b，或者可以涉及其他变型，例如，光纤光学器件、更多或更少的反射镜、棱镜、透镜或其他合适的光学元件。例如，图8示出了使用CVBG压缩器870的另一示例，CVBG压缩器870可以用于压缩经放大的脉冲153并包括用于聚焦的透镜176a和透镜176b。图9示出了用于脉冲压缩器的Martinez配置，其总体以970表示并且包括偏振器177、四分之一波片171、第一光栅178a、第一透镜179a、第二透镜179b、第二光栅178b和反射镜175。

在一些实施例中，脉冲压缩器170被配置为限制在较高平均功率下的热透镜问题或以其他方式使其最小化。例如，压缩器可以是由光热折射玻璃(PTG)构造的VBG，其配置有横向方向上的2D或3D吸收分布。激光光束输出中具有最大强度的部分(例如，峰值区)可以传播通过光栅中的具有最少吸收的区域，并且激光束的较低强度的部分(例如，肩部)可以传播通过具有较高吸收的光栅区域。

根据本发明的另一方面，脉冲压缩器170自身，特别是当配置为VBG时，可以在高平均功率下经历热透镜问题。为了避免这个问题，来自放大器150的包含经放大的脉冲的输出光束153可以被分成多个较低功率的光束，通过使用多个VBG而被压缩，然后重新组合。在一些实施例中，脉冲压缩器170包括至少一个分束器和至少两个体布拉格光栅。

图14A和图14B示出了这个方法的两个非限制性的不同实施方式，且总体被示出为图14A中的脉冲压缩器1470a和图14B的脉冲压缩器1470b。在图14A中，经放大的脉冲光束153经过偏振分束器(PBS)1467b，其将光束153分成两个分量，即，具有相等能量的光束路径A和光束路径B。所述光束路径A和光束路径B中的每一个被导入相应的VBG 1465a和VBG1465b，在其中对光束路径中的光进行压缩，并且从每个路径反射的激光能量随后由PBS1467a重新组合并向外传导到非线性转换级180。使用1kW输入激光能量作为示例，光束路径A和光束路径B各自传输500W的激光能量，在这个示例中，其低于用于相应的VBG的热透镜阈值。图14B是与图14A类似的配置，但是在这个实例中，使用偏振分束器1467a、1467b和1467c将最初的输入激光能量分成四个光束路径A、B、C和D，并且每个光束路径支持250W的激光能量，然后将其发送到四个相应的VBG 1465a、1465b、1465c和1465d。图14A和图14B所示的技术还需要光束路径长度彼此匹配，即，在图14A中，A的路径长度和B的路径长度彼此匹配，并且在图14B中，光束路径A、B、C和D彼此匹配。图14A和图14B所示的方法的备选方法在于通过使用波分复用(WDM)技术来基于波长分离光束。这个方法的一个优点是光束路径长度不需要彼此匹配。

图10示出了之后在放大级中被放大然后被压缩的经修改的脉冲148的一个示例的时间曲线图。根据这个示例，具有16脉冲的突发、9ns包络、1mW的平均功率、11MHz的脉冲重复率和450ps的脉冲持续时间的经修改的脉冲148被放大和压缩为具有37W的平均功率(具有相同的9ns包络)、37微焦的脉冲能量、1MHz的重复率和小于1.5ps的脉冲持续时间。

经放大和压缩的激光脉冲174可以应用于非线性频率转换级180，以生成UV光输出。非线性转换级180包括至少一个非线性晶体(例如，182、184)，用于将输入辐射174转换为较高谐波频率。非线性材料的非限制性示例包括铌酸锂LiNbO₃、三硼酸锂(LBO)、β-硼酸钡(BBO)、硼酸铯锂(CLBO)、磷酸二氢钾(KDP)及其同晶型体和碘酸锂(LiIO₃)的晶体。非线性晶体182可以是配置用于二次谐波生成(SHG)转换的LBO晶体，其后可以跟随由LBO制成并且配置用于三次谐波生成(THG)的非线性晶体184。

非线性转换级180可以用于生成绿色光或UV光。SHG晶体182将在基波长10xx nm(例如，1030nm)下的经放大和压缩的IR光174转换为在5xx nm波长(例如，532nm)下的绿色光。THG晶体184将绿色光转换成在3xx nm波长(例如，343nm)下的UV光，UV光由图2中的输出UV辐射190表示。根据各个方面，非线性晶体182和非线性晶体184被配置为生成至少15％的转换效率，并且在一些实例中转换效率是至少20％。在一些配置中，转换效率是至少25％。根据一些实施例，UV辐射190具有至少200W的平均功率，并且可以在50W至5kW的范围中。在一个实施例中，UV辐射190具有200瓦的平均功率。虽然此处讨论了作为特定示例的UV光输出，但是要认识到系统可以不包括THG晶体184并且可以输出绿色光。

下文提供用于本文描述的激光生成器的系统参数的若干个非限制性示例。

根据一个示例，输入辐射112在脉冲展宽器130中展宽为1ns的脉冲持续时间，并且由脉冲复制器复制为1GHz重复率，并且所产生的经修改的脉冲辐射148可以被表征为近似连续的。这个辐射可以在放大器150中被放大至1kW和更高，并且由脉冲压缩器170压缩至具有1ps的持续时间的脉冲。这导致了在压缩器的输出端处的约1MW的峰值功率，其足以用于由非线性频率级180以大于25％转换效率转换为具有至少200W的平均功率的UV光。

根据第二示例，输入辐射112可以被展宽为100ps的脉冲持续时间，并且被复制为10GHz重复率。一旦放大至至少1kW并且被重新压缩至1ps脉冲持续时间，脉冲峰值功率就在约100kW的量级上，并且，在至少25％的转换效率下，UV光的平均功率是约250W。

根据第三示例，输入辐射112可以被展宽为2ns的脉冲持续时间，被复制为50MHz重复率，并且被放大为至少1kW，并且光纤功率放大器150中的峰值功率在10kW的量级上。当压缩至1ps时，对于每个脉冲20微焦的能量，峰值功率进一步增大到20MW。在频率转换为UV(具有25％转换效率)以后，平均功率在250W的量级，并且对于每个脉冲5微焦的能量，峰值功率可以是5MW。

根据本发明的至少一个方面，脉冲展宽器130是可调谐的CFBG，配置为展宽输入脉冲112，以使经压缩(以及经放大)的激光脉冲174的脉冲持续时间可以调整为在1ps至25ps的范围中。可调谐的CFBG通过经由热力装置、机械装置、电学装置或磁力装置、和/或本领域已知的其他方法来改变其长度而引起期望的脉冲持续时间。例如，对CFBG的改变可以通过展宽光纤，由此改变折射率调制的周期。对CFBG进行加热通过折射率分布上的改变而实现相同效果。利用热感应技术或应力(即，机械牵引)感应技术的CFBG的非限制性示例在PCT申请No.PCT/US2015/014248(下文中的’248申请)和PCT申请No.PCT/US2018/025152(下文中的’152申请)中公开，所述申请中的每一个都由本申请人所有并且通过引用整体并入本文。

根据一个实施例，线性啁啾FBG使用热力装置和机械装置两者以引起光纤的长度的改变。例如，“粗”脉冲持续时间调谐可以通过对CFBG的选定部分进行加热而实现，并且“精”脉冲持续时间调谐可以使用压电元件来实现。这样的组合允许比仅配置有一种展宽机制的传统CFBG具有更强健的调谐能力。例如，粗调谐机制可以首先执行，之后是精调谐。

在图11A至图11C中示出了具有用于改变光纤的长度的热力机制和机械机制两者的16通道CFBG展宽器的一个示例。图11A和图11B示出了具有与’152申请中所讨论的至少一个示例相同的一些功能的16通道扰动梳。图11C示出了已组装的CFBG装置。扰动梳配置有与各个频率相对应的多个(16)间隔片段。梳可以由单个导热材料(例如，不锈钢)构造，并且包括支撑间隔片段的底座。FBG光纤被设置在形成于片段的各上部中的经对准的凹陷中。粗调谐控制经由耦接到梳的相应的片段的电阻加热器和温度传感器(附图中未示出)而实现，以独立地控制每个片段的温度。各个电阻器由控制器(在附图中未明确示出)选择性地致动，其随后对相应的片段施加热量，由此引起对FBG光纤的折射率的改变。两个热敏电阻提供附加的温度测量和控制。还包括至少一个热电冷却器并且将其热耦合至片段的至少一部分，以提供片段的热稳定并加速冷却该片段。

一对压电换能器引起FBG的光纤的机械应变，并且出于实现对片段的精调谐能力的目的也被包括在该结构中。压电致动器也由控制器控制并且具有与’248申请中描述的功能类似的功能。脉冲持续时间的调整利用固定FBG光纤的机械挠曲安装件来实现。压电部件设置在用于使FBG围绕挠曲点或旋转点的展宽最大化的位置中。通过围绕安装件中的旋转点旋转，压电位移在光纤处倍增。在图11A至图11C所示的示例中，旋转点靠近安装件的底部处的半圆形切口设置。这与更直接地耦合到光纤的传统的基于压电的结构形成对比，传统的结构具有有限的位移并且因此需要使用非线性啁啾FBG。相对于更传统的设计，使用所公开的结构更适宜于FBG的长度上的更大的改变。根据实现了具有6nm带宽的线性啁啾FBG的使用的一个示例，通过所公开的结构，脉冲持续时间可以从400fs调谐到1.5ps，其中开关时间小于100微秒。这种能力在存在较窄的加工窗口的特定应用(例如，包括OLED退火的退火)中是有用的，并且利用精细的分辨率调整脉冲持续时间的能力提供了多个加工优点。

要认识到，虽然图11A至图11C所示的示例配置有16通道，但是本公开也包括其他配置，例如，32通道(或更多通道或更少通道)配置。CFBG装置能够针对特定应用进行缩放。

图12A至图12F示出了使用类似于图11A至图11C所示但是配置为32通道(100mmFBG)并且具有6nm带宽的CFBG展宽器130获得的六个单独的实验结果的时间分布图。CFBG展宽器130被配置为展宽输入脉冲112，以使离开脉冲压缩器170的压缩脉冲174具有1.5ps(图12A)、5.8ps(图12B)、10.3ps(图12C)、15.1ps(图12D)、19ps(图12E)和24ps(图12F)的脉冲持续时间。每个时间分布图表示原始测量数据和相关联的拟合曲线两者。在退火应用中，这样的可调谐能力在控制脉冲峰值功率方面是重要的，其中频率转换用于实现绿光能量或UV光能量。增加激光脉冲的长度提供了减小脉冲峰值功率而没有脉冲的平均功率上的实质损失的能力。精调谐能力，特别是与正确的反馈控制组合的(如本文所述的)快速的精调谐能力允许优化的材料改性加工。因此，可以将精确数量的能量传递给材料，以创建均匀的改性材料。可以经由包括温度、波长和/或色散(例如，二阶色散)测量结果的各个参数提供反馈。

根据一些实施例，UV(或绿色)光辐射190可以经过用于进一步提高重复率的至少一个附加脉冲复制器模块和/或用于附加放大的附加放大级。在备选实施例中，输出UV光的峰值功率可以通过执行被设置在频率转换级180的下游的第二脉冲展宽器的用途而减小。根据一些实施例，脉冲复制器模块也可以在(频率转换之前的)放大级之间使用。

如上所述，锁模激光源110可以被配置为被动锁模光纤环形腔。这个配置包括：环形腔中的至少一个组件，其对不断增大的峰值强度具有非线性响应。根据至少一个实施例，锁模激光源110被配置为：配置为生成亚纳秒巨啁啾脉冲的被动锁模光纤环形腔。环形光纤波导或谐振腔包括：多个光纤放大器；啁啾光纤组件；以及配置有光谱通带的光谱滤波器，所述光谱通带以不同的中心波长为中心，以响应于在环形腔中引起的非线性过程而沿环形腔提供光的泄露。滤波器彼此组合地工作，以产生非线性响应，其实现了稳定锁模模式的操作。这样的配置的一个示例在同样的申请人所有的同时审查的题目为“PASSIVELY MODE-LOCKED FIBER RING GENERATOR”的美国申请No.15/536,170(当前专利No.10/193,296)中进行了描述，所述申请通过引用并入本文并且在本文中被称为‘170申请。

图13是‘170申请中描述的脉冲生成器的示意图，并且是适于本发明的实施例的锁模激光源110的示例。全光纤结构为激光源110提供了环境稳定性并且被配置为沿一个方向引导光的环形光纤波导或谐振腔。光纤隔离器28提供在环形光纤波导中的光传播的期望的方向性。对环形腔进行配置，以使第一光纤放大器12和第二光纤放大器20中的一个的输出作为其他光纤放大器的种子。在第一放大器12和第二放大器20之间，两个或更多个相同的光纤元件的组或光纤元件的链耦合在一起以限定环形腔。除了光纤放大器以外，每个链包括：光纤线圈16、光纤线圈22，其对信号提供相应的周期光谱和时间上的增宽；以及窄线滤波器18、窄线滤波器24，其可操作地对增宽的信号进行光谱滤波。整个环形激光腔因此包括：两个谐振腔/线性子谐振腔，从而从一个向另一个提供非常弱的种子。因为两个滤波器的透射范围之中的信号的强衰减，整个环形激光腔没有纵模，这种强衰减是与自发CW激光作用相区分(discrimination)所需要的。

此处以更一般的术语描述了总体结构，在下文包括了更多描述。光纤放大器12、光纤放大器20中的一个被配置为提供比其他放大器高得多的增益。更强泵浦的放大器由于SPM而为更强的脉冲增宽创建了条件，使脉冲实现正啁啾并具有宽且平滑的光谱。这个光谱完全落入位于其下游的滤波器的通带中，从而随后在谐振腔中产生其副本。另一方面，较弱泵浦的放大器保证了稳定的性能，即，当与这个状态的小的偏移创建使其返回目标状态的动作时，使激光锁定在稳定的平衡态中。到达位于较弱泵浦的放大器的下游的滤波器的光谱不完全落入这个滤波器的通带中，当偏移出现时其创建了使激光返回目标状态的力。为了使激光脉冲循环并且在环形腔之中产生，其强度必须足以用于脉冲经历非线性光谱增宽并且在每次经过谐振腔以后恢复强度。具有弱光谱重叠的两个滤波器18、24的组合作为有效的可饱和吸收体工作。弱光谱重叠允许区分CW，以有利于具有足够强度的脉冲进行光谱增宽。当峰值强度达到足以在光谱上使脉冲增宽的水平时，因为这些分量朝着滤波器通带的中心扩展，所以新获得的光谱分量的损失下降。要认识到，沿着谐振腔的稳定和可复制的脉冲的循环可以在滤波器18、24没有任何光谱重叠的情况下出现，但是重叠可以使激光脉冲启动容易。

滤波器18和滤波器24均被配置为仅使希望的光谱范围通过，并且在需要时引入正常或反常色散。所述滤波器中的一个可以配置有比其他滤波器的通带宽至多五(5)倍的通带。此外，所述滤波器中的每一个的通带可以比输出脉冲55的通带窄2倍至10倍。然而，在一些情况下，希望的脉冲宽度可以比滤波器的通带更窄。进行光谱增宽和滤波的序列生成了包括具有希望的光谱宽度、脉冲持续时间和能量的巨啁啾的脉冲。

环形波导还包括：输出耦合器30，紧邻光纤线圈16的下游设置，其将啁啾脉冲55引导至环形波导外部。为了在放大器的增益介质中创建希望的粒子数反转，即，为了启动脉冲生成器的操作，将一个或两个CW泵浦器26光耦合到相应的放大器。上面讨论的全部组件通过单横模(SM)光纤互连。

在启动期间，响应于通过泵浦器由人工引起的噪声(或可选地由外部种子源46且经由输入耦合器32)发起的标准具脉冲(etalon pulse)而生成的自发发射在第一光纤放大器12中放大。这个自发发射在由CW分量(CW component)和间距分量(pitch component)表征的期望光谱范围之中。通过第一光纤线圈16进行传播，间距在光谱上和时间上有些增宽，并且还在第一滤波器18中进行光谱滤波。例如，间距的长波长子区域被滤除，而不在期望方向上进一步传播。经滤波的脉冲分量还在第二放大器20中被放大到足以在传播经过第二光纤线圈22时引起自相位调制(SPM)非线性作用的峰值强度。SPM通过由生成新的频率分量或围绕中心分量的模表示的脉冲成分的光谱增宽和时间增宽来表示。新生成的频率分量中的一些与第二滤波器24的频率通带部分重叠，与第一滤波器18相比，第二滤波器24的频率通带使间距的短波长子区域截止。仅在间距(即，具有经同步的模的间距)的特定峰值强度处生成足以引起自相位调制现象的新的光谱分量成为可能。间距的循环可以经过再次配置为对应地放大、光谱上和时间上增宽并且最终滤除所形成的脉冲成分的第一组的第一放大器12、光纤线圈16和滤波器18组合继续。如此形成的间距最终在第二放大器20中放大至希望的峰值强度，这有助于间距的增宽，从而完全覆盖第二滤波器24的通带。此时，在第二滤波器24中，光谱上的间距形成了具有有些减小的峰值强度损失的期望信号，但是该有些减小的峰值强度损失在后面的第一放大器12中被完全补偿。预定百分比的后续的第一光纤线圈16中的光谱上和时间上扩展的信号被引导至环形波导外部，作为具有期望光谱宽度、强度和能量的脉冲。

在生成耗散孤立子或类似物的稳定自启动机制中，图13所示的脉冲生成器以与均具有单非线性元件的其他环形结构(例如，NOLM/NALM和NPR)类似的方式操作。这是因为在该稳定制式中，这样的非线性元件基本上不影响脉冲的演变，而是仅需要来自噪声的脉冲形成。然而，在稳定制式中，脉冲生成器可操作地每个来回至多输出期望啁啾脉冲一次，其与信号光反复经过谐振腔的线性谐振腔形成对比。这样的输出的实现包括以下中的任一种：紧邻光纤线圈16和光纤线圈22中的一个的下游设置的一个输出耦合器30、或紧邻相应的光纤线圈16和光纤线圈22的下游设置的两个输出耦合器。在两个输出耦合器的情况下，在每半个往返，啁啾脉冲耦合到环形波导外部。

本文所公开的根据本发明的方面，不将其申请限制在下面的描述或附图中所示出的组件的构造和布置的细节。这些方面能够假设其他实施例并且能够以各种方式实践或实施。本文提供了特定实施方式的示例，仅用于说明目的，并不旨在进行限制。具体地，结合任意一个或多个实施例所讨论的动作、组件、元件和特征不旨在排除任何其他实施例中的类似作用。

此外，本文使用的短语和术语用于描述目的而不应被视为限制。在本文中以单数对所述系统和方法的示例、实施例、组件、元件或动作的任何引用还可以包括包含复数的实施例，并且本文中对任何实施例、组件、元件或动作的任何复数引用还可以包括仅包括单数的实施例。单数或复数形式的引用不旨在限制当前公开的系统或方法、其组件、动作或元件。本文使用的“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变化是指包括其后列出的项及其等同项以及附加项。对“或”的引用可以被解释为包含性的，因此使用“或”描述的任何项可以表示一个、多于一个和所有所描述的项中的任意一种。此外，在本文件与通过引用并入本文的文件之间的术语的使用不一致的情况下，并入的引用文献中的术语使用是对本文件的术语使用的补充；对于不可调和的不一致，以本文件中的术语使用为准。

已经如此描述了至少一个示例的若干个方面，要认识到本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。例如，本文公开的示例也可以在其他上下文中使用。这样的改变、修改和改进旨在是本公开的部分，并且旨在位于本文所讨论的示例的范围内。因此，上述描述和附图仅是示例。

Claims (20)

1.一种激光器系统，包括：

光脉冲展宽器，被配置为展宽输入脉冲的输入序列的脉冲持续时间以产生经展宽的激光脉冲的序列；

脉冲复制器模块，光耦合到所述光脉冲展宽器并被配置为提高所述经展宽的激光脉冲的序列的脉冲重复率以产生经修改的激光的脉冲序列；

光纤功率放大器，光耦合到所述脉冲复制器模块并被配置为放大经修改的脉冲序列以产生经放大的激光脉冲；以及

脉冲压缩器，光耦合到所述光纤功率放大器并被配置为在时间上压缩经放大的激光脉冲以产生经放大和压缩的激光脉冲。

2.根据权利要求1的系统，其中所述脉冲复制器模块包括：至少两个熔融光纤光耦合器，所述至少两个熔融光纤光耦合器包括：输入熔融光纤光耦合器、输出熔融光纤光耦合器以及设置在所述输入熔融光纤光耦合器与所述输出熔融光纤光耦合器之间的至少一个光纤延迟线。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述脉冲复制器模块包括：多个级，每一级均包括光纤延迟线使得每个后续级将时间延迟引入所述经修改的脉冲序列，并且，在所述输出熔融光纤光耦合器的输出端提供经时间延迟的复制脉冲的序列作为所述经修改的脉冲序列。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述输入脉冲的输入序列具有小于1纳秒的初始脉冲持续时间和至少1MHz的初始脉冲重复率。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述光脉冲展宽器被配置为将所述初始脉冲持续时间展宽到在几纳秒量级上的脉冲持续时间，并且所述经放大和压缩的激光脉冲具有短于所述初始脉冲持续时间的脉冲持续时间。

6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述光脉冲展宽器被配置为：展宽所述初始脉冲持续时间，以使所述经放大和压缩的激光脉冲具有在1ps至25ps的范围中的持续时间。

7.根据权利要求4所述的系统，其中，所述脉冲复制器模块被配置为：将所述经展宽的激光脉冲的序列的脉冲重复率提高到几十MHz级别和几GHz级别。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述脉冲压缩器包括至少一个分束器和至少两个体布拉格光栅VBG。

9.一种基于光纤的激光器系统，包括：

锁模激光源，被配置为提供具有小于1纳秒的初始脉冲持续时间和至少1MHz的脉冲重复率的输入脉冲的输入序列；

光脉冲展宽器，光耦合到所述锁模激光源并被配置为展宽所述输入脉冲的输入序列的脉冲持续时间以产生经展宽的激光脉冲的序列；

脉冲复制器模块，光耦合到所述光脉冲展宽器并被配置为提高所述经展宽的激光脉冲的序列的脉冲重复率以产生经修改的激光的脉冲序列；

光纤功率放大器，光耦合到所述脉冲复制器模块并被配置为放大经修改的脉冲序列以产生经放大的激光脉冲，所述经放大的激光脉冲具有小于30的峰均功率比；以及

脉冲压缩器，光耦合到所述光纤功率放大器并被配置为在时间上压缩经放大的激光脉冲以产生经放大和压缩的激光脉冲。

10.根据权利要求9所述的系统，还包括：至少一个非线性频率转换级，光耦合到所述脉冲压缩器并被配置为接收所述经放大和压缩的激光脉冲用于频率转换，其中，所述非线性频率转换级被配置为具有至少15％的转换效率。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述至少一个非线性频率转换级输出具有至少200瓦的平均功率的紫外线UV激光。

12.根据权利要求9所述的系统，其中，脉冲的输入序列具有在10fs至100ps的范围中的初始脉冲持续时间，并且所述经放大和压缩的激光脉冲具有短于所述初始脉冲持续时间的脉冲持续时间。

13.根据权利要求9所述的系统，其中，所述光脉冲展宽器被配置为：展宽所述初始脉冲持续时间，以使所述经放大和压缩的激光脉冲具有在1ps至25ps的范围中的持续时间。

14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述锁模激光源被配置为被动锁模光纤环形腔。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述被动锁模光纤环形腔被配置为生成巨啁啾脉冲作为所述输入脉冲。

16.一种方法，包括：

生成具有小于1纳秒的初始脉冲持续时间和至少1MHz的脉冲重复率的输入脉冲的输入序列；

展宽所述输入脉冲的脉冲持续时间以产生经展宽的激光脉冲的序列；

复制所述经展宽的激光脉冲以生成经修改的脉冲序列，所述经修改的脉冲序列具有比所述经展宽的激光脉冲的序列的脉冲重复率更高的脉冲重复率；

放大所述经修改的脉冲序列以产生经放大的激光脉冲；以及

压缩所述经放大的激光脉冲以产生经放大和压缩的激光脉冲。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：将所述经放大和压缩的激光脉冲频率转换成紫外光。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：利用所述紫外光将非晶基底材料退火成多晶形式。

19.根据权利要求16所述的方法，还包括：提供具有被动锁模光纤环形腔的锁模激光源，所述被动锁模光纤环形腔被配置为生成所述输入脉冲的输入序列。

20.根据权利要求16所述的方法，其中，复制所述经展宽的激光脉冲包括：使所述经展宽的激光脉冲经过至少一个脉冲复制器模块，所述脉冲复制器模块包括输入熔融光纤光耦合器、输出熔融光纤光耦合器、以及设置在所述输入熔融光纤光耦合器与所述输出熔融光纤光耦合器之间的至少一个光纤延迟线。

Images