CN115152102A - 用于生成光的光学脉冲的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

用于生成光的超短光学脉冲的激光器系统，包括发射低功率和具有光谱带宽W1的负啁啾光学脉冲的振荡器、用于维持振荡器的脉冲的啁啾的符号的色散连接区段、用于放大光学脉冲的光学放大器，以及用于补偿整个传播过程的相位贡献的负群速度色散区段。在从振荡器的输出端到光学放大器的末端的传播期间，光学脉冲的啁啾将从负啁啾到正啁啾改变一次。在最后的压缩阶段之后，能够生成超短光学脉冲。

Description

用于生成光的光学脉冲的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年1月30日提交的卢森堡专利申请No.LU101629的权益和优先权。卢森堡专利申请No.LU101629的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及用于生成光的光学脉冲的方法和系统，该光学脉冲的光谱带宽远大于典型稀土掺杂激光介质或激光活性晶体的正常增益带宽。通过压缩这些生成的超宽带光学脉冲，可以生成比常规激光系统更短的光学脉冲。
背景技术
今天，脉冲持续时间小于一皮秒的激光的超短光学脉冲被广泛用于许多应用。示例包括在微材料和纳米材料的加工、医学应用(如眼科或纳米外科)以及科学应用或生物医学应用(如多光子显微镜)中的应用。使用这些光学脉冲的众所周知的限制之一是所谓的热影响区(HAZ)。热影响区是由于样本周围的环境的热加热或生物医学应用中活细胞的加热。这会导致样本或活细胞的热损伤。
一般可以通过减少光学脉冲对样本的照明时间来减少热影响区或热损伤。如果光学脉冲的持续时间(即，照明时间)短于热量对周围环境的弛豫时间，那么可以获得更精确的结果。例如，这可以显著提高材料加工的准确性或个体细胞的激发。
因此，显然需要更短的光学脉冲。已知由于时间和带宽的乘积，超短光学脉冲包括非常宽的光谱。这意味着超短光学脉冲由通过锁模机构耦合的多个光学频率(波长)构成。一般而言，超短光学脉冲的生成是基于光学脉冲与材料中的线性效应(仅影响脉冲的时间包络)和非线性效应(仅影响脉冲的光谱包络)的相互作用。线性效应是由于材料色散效应。例如，群速度色散(GVD；(β2，以ps2/(nm*m)为单位)影响穿过材料的光学脉冲的光学频率，从而影响光学脉冲的时间包络。GVD在数学上是群速度倒数相对于角频率的微分。材料中的正常色散或正群速度色散(β2>0)导致光学脉冲在时间上发散。在这种情况下，光学脉冲的红色光谱分量移动比光学脉冲的蓝色光谱分量快，并导致时间拉伸的光学脉冲。如果存在反常或负群速度色散(β2<0)，那么红色光谱分量比蓝色光谱分量移动慢，也会导致时间拉伸的光学脉冲。
在时间轴上，术语“啁啾”描述哪些光谱分量在光学脉冲的前端传播。在这种情况下，正啁啾意味着红色光谱分量在蓝色光谱分量的前面(更快)传播。类似地，负啁啾描述蓝色光谱分量在红色光谱分量的前面传播。如果啁啾为零，那么所有光谱分量同时到达。如果光学脉冲的所有光谱分量以相同的速度传播，那么存在最短的可能持续时间。这个可能的最短脉冲持续时间表示光学脉冲的所谓“傅立叶极限”。
正啁啾导致正常(正)色散增加并导致更长拉伸的光学脉冲(时域)。另一方面，由于反常(负)色散将导致正啁啾减少，这会导致缩短的光学脉冲。
这种效应意味着光学脉冲的负啁啾的量将在正常色散区段中减少，并且这种减少导致时间缩短的脉冲。另一方面，当光学脉冲通过负色散区段时，负啁啾的量将增加。只有当光学脉冲在色散区段内达到傅立叶极限并继续通过色散区段进一步传播时，啁啾的符号才能改变。
光学脉冲的光谱带宽越大，必须考虑越多的高阶材料色散的影响。这些高阶效应在数学上是GVD的导数。例如，三阶色散(TOD)将导致光学脉冲的时间形状不对称。
另一方面，非线性效应以及因此强度依赖效应仅影响光学脉冲的光谱域。例如，自相位调制(SPM)是由于光学克尔(Kerr)效应导致材料中的折射率变化而产生的效应。如果光学脉冲是正啁啾，并且存在正群速度色散，那么SPM导致生成新的光谱分量。相反，如果光学脉冲是负啁啾并且存在正群速度色散，那么SPM会破坏光谱分量。
取决于光学脉冲的峰值功率，更高阶非线性效应也会出现在材料中。
生成强超短光学脉冲的最常见方法是基于“啁啾脉冲放大(CPA)”方法(由D.Strickland、G.Mourou在“Compression of amplified chirped optical pulses”Opt.Commun.56，219，1985中描述)。论文中描述的基本思想是通过正色散区段将从振荡器生成的光学脉冲在时间上拉伸，然后在光学放大器中放大光学脉冲。典型的拉伸系数>>100。最后，放大的光学脉冲将在负群速度色散区段中在时间上重新压缩。这是所谓的线性放大，因为光学脉冲在时间上被拉伸，避免了传播期间的非线性效应。这也意味着SPM不能生成新的光谱分量。因此，光学脉冲的光学带宽在放大之后最好保持不变。通常，由于放大期间的增益变窄效应，光学脉冲的光谱带宽减小。因此，不可能生成比振荡器本身更短的脉冲持续时间。
为了生成新的光谱分量，像前面提到的自相位调制的非线性过程是必要的。因此，与现有技术的CPA方法相比，必须选择新的方法。
有不同的方法来生成在几飞秒到几十飞秒范围内的非常短的脉冲持续时间。例如，在光学放大之后，可以使用非线性效应来传播通过具有正群速度色散的区段。例如，这在Optics Lett.，43，第5877-5880页(2018)中描述为多通概念，或者是气体填充中空芯纤(例如，Opt.Lett.40，1238-1241(2015))。但是，为此目的，非常高的脉冲峰值功率必须是已经可用的，以便生成显著的光谱展宽。此外，展宽的光学脉冲的附加相位必须在具有负群速度色散的另一个区段中再次压缩。
另一种方法例如在美国专利号9,362,702B2(Delague等人，受让给AmplitudeSystèmes)中描述。在放大光学脉冲之前在振荡器之后使用具有负群速度色散的区段。通常，具有负群速度色散的光栅压缩器、棱镜压缩器或其它区段适用于这种压缩。在这个’702专利中，来自振荡器的光学脉冲的正啁啾将在负群速度色散区段内减小。此外，US’702中阐述的这种方法可以实现负啁啾。这导致在负群速度色散区段内传播期间啁啾的符号改变。通过放大并且由于正群速度色散放大器内的非线性效应，来自负群速度色散区段的负啁啾光学脉冲将啁啾符号再次变为正值。啁啾符号的这种两次改变使得有必要在用进一步的负群速度色散区段放大之后对放大的光学脉冲进行时间压缩。
在另一个美国专利No.5,513,194A(Tamura等人，受让给MIT)中，公开了来自所谓的拉伸脉冲振荡器的负啁啾光学脉冲。由于“拉伸脉冲激光器”内光学脉冲的演变，啁啾在一次往返中改变了两次符号。
Wang Sija等人：“Intensity noise reduction of a high-power nonlinearfemtosecond fiber amplifier based on spectral-breathing self-similarparabolic pulse evolution”，Proceedings of SPIE，第9893卷，2016年4月17日，第98930J-98930J页，DOI：10.1117/12.2227743公开了一种激光器系统，其包括产生多个具有第一光谱宽度的正啁啾光学脉冲的掺镱光纤振荡器。大模式面积(LMA)光子晶体光纤(PCF)放大器接收多个光学脉冲并放大光的光学脉冲以产生具有第二光谱宽度的光学脉冲，其中第二光谱宽度大于第一光谱宽度。包括衍射光栅对预啁啾器的连接区段直接连接在振荡器和放大器之间。为了生成宽带光学脉冲，啁啾的符号必须在传播过程中改变两次。
Song Huanyu等人“Femtosecond Laser Pulse Generation from PicosecondLaser Source with Self-Similar Amplification”，2018 Conference on Lasers andElectro-Optics(CLEO)，OSA，2018年5月13日，第1-2页，还公开了一种具有振荡器的激光器系统，其产生多个正啁啾光学脉冲。放大器接收多个光学脉冲并放大光学脉冲以产生具有第二光谱宽度的光学脉冲，第二光谱宽度大于第一光谱宽度。预啁啾器直接连接在振荡器和放大器之间，其中预啁啾器具有负群速度色散以减少振荡器的正啁啾。
Song Huanyu的出版物教导了与光纤Bragg光栅(FBG)一起使用的皮秒光纤激光器。FBG是正色散激光器中的窄带滤光器(对于波长低于1.3μm的光纤，β2为正)。所教导的激光器系统中不包括负色散区段，因此由光纤振荡器产生的光学脉冲是正啁啾。在主放大器前面用作预啁啾器的光栅压缩器具有负色散，以减少振荡器的正啁啾。
最后，Wang Sija等人“On the efficiency of self-similar pulse evolutionin fiber amplifiers with gain shaping”，2015年第11届Conference on Lasers andElectro-Optics Pacific Rim，(CLEO-PR)，IEEE，第4卷，2015年8月24日，第1-2页，XP032841059，DOI；10.1109/CLEOPR.2015.7376296。这篇Wang Sija等人的出版物解释了激光放大过程背后的物理机制，以及这种机制如何依赖于初始系统参数。在这种情况下，还使用了振荡器的正啁啾光学脉冲，并且在放大器前面的负色散预啁啾器区段中进行预啁啾，从而导致整个设置中啁啾的符号改变两次。
发明内容
本文档公开了一种激光器系统，其中产生负啁啾脉冲的拉伸脉冲振荡器可以经由具有正群速度色散的光纤直接连接到放大器，从而导致无对准设置。本文档的激光器系统消除了在振荡器之后和放大之前对具有负群速度色散的区段的需要。通常使用负色散元件(β2<0)，因为光学脉冲通常在从振荡器出来时具有正啁啾，并且光学脉冲需要在压缩器中压缩以实现所谓的自相似放大。这些压缩器通常是自由空间和/或笨重的光栅、棱镜或GRISM压缩器。
本文档教导了一种系统，该系统导致性价比高、稳健且非常简单的设置。在这种情况下，与光学脉冲的啁啾改变两次的现有技术系统相比，在放大器中达到傅立叶极限之后，振荡器的啁啾符号将在正常色散区段中减小并改变一次。
本文档描述了一种激光器系统，包括产生具有第一光谱宽度W1的负啁啾光学脉冲的振荡器、用于接收光学脉冲并放大光的光学脉冲以产生具有第二光谱宽度W2的光学脉冲的放大器，第二光谱宽度大于第一光谱宽度，以及直接连接在振荡器和放大器之间的连接区段，其中连接区段具有正色散并维持振荡器的啁啾的符号。
在一个方面，激光器系统还包括在光学放大器之后的具有正群速度色散的第二区段。
在另一方面，激光器系统还包括负群速度色散区段，该负群速度色散区段连接到放大器的输出端并且适于补偿光学脉冲的相位。
激光器系统可以被实现为固态系统(即，集成在芯片上)或实现为基于光纤的系统。在后一种情况下，放大器是光纤放大器。也可以使用固态系统和基于光纤的系统的组合。
在一方面，光学脉冲的光谱宽度从放大器内的连接区段的输入端减小到放大器中的最小值，然后在放大器的输出端处增加到较大的量，这意味着啁啾已改变。激光器系统中的连接区段可以是波导并且这可以在固态系统中的芯片上实现，作为基于光纤的系统中的一段光纤实现或作为正群速度色散材料实现。
激光器系统还可以包括至少一个光学隔离器或抑制光学信号朝着振荡器传播的组件，可以是自由空间或光纤耦合中的一种。这一个光学隔离器或组件可以位于激光器系统中振荡器之后或连接区段内。至少一个前置放大器或衰减器也可以结合在连接区段内。
激光器系统通过脉冲的啁啾、放大器内发生的色散效应和非线性效应的交互实际上创建了虚拟非线性光学带通滤波器。
激光器系统可选地包括至少一个光学脉冲挑选器，以降低光学脉冲的重复率或向激光器系统添加按需脉冲功能。
在另一方面，振荡器的负啁啾可以通过在连接区段内使用附加的负色散元件来增加。附加的负色散元件只会改变啁啾的量，而不会改变连接区段内啁啾的符号。附加的负色散元件将仅移动放大器内傅立叶受限脉冲的位置。
通过将负色散元件添加到连接区段，如果正常色散的量保持恒定，那么无啁啾点的位置将移动到放大器的末端。在放大过程期间，SPM将在存在负啁啾的情况下降低光谱带宽，从而导致窄光学带宽W3。
如果如基于光纤的脉冲挑选器之类的可选元件将增加连接区段的整体正色散，那么可以使用附加的负色散元件来固定放大器中无啁啾点的位置。
一般而言，啁啾的量将在考虑系统的整体色散的情况下限定放大器的光谱带宽。
在另一方面，由于线性和非线性效应(SPM)的交互，光学脉冲的光谱宽度从放大器内的连接区段的输入端减小到放大器之后的最小值，该最小值取决于功率电平。
振荡器包括负群速度色散区段和正群速度色散区段，其布置方式使得腔体的总净色散小于0.1ps2(β2<0.1ps2)。
振荡器和放大器包括激光活性介质。激光活性介质选自例如但不限于包括镱、钕、铥或铒的稀土掺杂剂的组。应当注意的是，振荡器和放大器的材料不必完全相同。
在激光器系统的一个方面，振荡器包括在一端具有吸收体并且在另一端具有光栅压缩器的线性腔体。
放大器可以由至少单模二极管激光器或多模二极管激光器进行泵浦。
振荡器和放大器的光纤部分包括但不限于单包层光纤、双包层光纤或光子晶体光纤，也包括棒型光纤。
附图说明
图1示出了本发明的第一方面的示意性总体图。
图2示出了本发明的另一方面的示意图，其包括在放大器之后具有正群速度色散的第二区段。
图3示出了本发明的第三方面，其包含至少光学隔离器。
图4示出了本发明的第四方面，其包括至少光学隔离器和衰减器。
图5示出了本发明的第五方面，其包括至少光学隔离器、衰减器或光学前置放大器。
图6示出了本发明的第六方面，其包括至少光学隔离器、衰减器或光学前置放大器和脉冲挑选器。
图7示出了激光器的另一方面的示意图，其中在连接区段内具有附加的负色散区段。
图8示出了拉伸脉冲激光器系统内的脉冲演变的示意图。
图9示出了配置在线性腔体中的拉伸脉冲振荡器的示意性实施例。
图10示出了配置在环形腔体中的拉伸脉冲振荡器的示意性实施例。
图11示出了配置在sigma臂腔体中的拉伸脉冲振荡器的示意性实施例。
图12示出了配置在线性腔体中的拉伸脉冲振荡器的示意性实施例，通过使用啁啾光纤布拉格(Bragg)光栅进行色散补偿。
图13示出了配置在线性腔体中的拉伸脉冲振荡器的示意性实施例，通过使用光子晶体光纤或中空芯纤进行基于光纤的色散补偿。
图14示出了在系统的压缩器之后具有低于50fs的脉冲持续时间的时间压缩光学脉冲。
图15示出了在具有光谱带宽W2的激光器系统的输出端处的光学脉冲的对应光谱。
图16示出了在具有光谱带宽W1的振荡器的输出端处的光学脉冲的典型光谱。
图17示出了在具有光谱带宽W3的激光器系统的输出端处的光学脉冲的对应光谱。
具体实施方式
现在将基于附图描述本发明。将理解的是，本文描述的本发明的实施例和方面仅仅是示例，并且不以任何方式限制权利要求的保护范围。本发明由权利要求及其等同物限定。将理解的是，本发明的一个方面或实施例的特征可以与本发明的一个或多个不同方面和/或实施例的特征组合。
图1示出了用于生成光的超宽带光学脉冲的激光器系统10的一个方面，其基于发射多个负啁啾光学脉冲30的拉伸脉冲振荡器20。正群速度色散连接区段40的输入端41连接到拉伸脉冲振荡器20的输出端22。具有正群速度色散的光学放大器50连接到连接区段40的输出端42并放大光学脉冲30I，然后是负群速度色散区段60(也称为压缩器)。负群速度色散区段60被用于补偿在通过连接区段40和光学放大器50传播期间已经发生的线性和非线性效应的相位贡献，包括振荡器20的输出脉冲30的相位。振荡器20和光学放大器50的输出之间的啁啾的符号通过光路仅改变一次。在本发明的一些方面，激光器系统10不包括负色散区段60。在另一方面，负群速度色散区段60可以由滤光器代替或补充，以减小输出光谱的宽度，因此通过移除光谱边缘的光来减少输出光谱中的幅度噪声的量。
在本发明的第一方面，拉伸脉冲振荡器20发射负啁啾光学脉冲作为多个光学脉冲30。在这个第一方面，与现有技术中已知的连接区段40不同，连接区段40不改变振荡器20的啁啾的符号。连接区段40的输入端41通过光纤的接头或自由空间耦合连接到拉伸脉冲振荡器20的输出端22。连接区段42的输出端连接到放大器50。
在连接区段40的输入端41处，与在连接区段40的输出端42处的光学脉冲30I相比，光学脉冲30具有更大的负啁啾。换句话说，光学脉冲30I的负啁啾以及因此在输出端42处光学脉冲30I的脉冲持续时间在在形成连接区段40的正群速度色散光纤中传播期间减小。取决于光学脉冲30的光学功率，在连接区段40中会出现非线性效应，这导致连接区段40的输出端42处光学脉冲30I的光谱带宽减小。
将认识到的是，可能有必要在放大器50之后实现具有正群速度色散的短连接区段40'，如图2中所示。例如，需要从放大器50移除泵浦光(来自光学泵浦)并且这是通过使用包层光剥离器移除来自放大器50的残余泵浦光来完成的。在这种情况下，光学脉冲30II的正啁啾在短连接区段40'的输出端处略微增加。
至少一个光学隔离器43或43'可以在拉伸脉冲振荡器20之后的(一个或多个)连接区段40或40'中实现，并且在图3中示意性地示出。光学隔离器43或43'的位置可以在连接区段40(40')的输入端41或41'处、在连接区段40(40')内，或在连接区段40(40')的输出端42(42')出。在这种情况下，由于光路中存在光学隔离器43I，因此光学脉冲30III将具有略微改变的啁啾。
在(第一)连接区段40之后，负啁啾光学脉冲30I传播到用于增加光学脉冲30I的功率电平的光学放大器50中。由于光学放大器50内的上面提到的SPM的非线性效应，光学脉冲30I的啁啾在光学放大器50内的“无啁啾”点52处基本上减小到零，如图1-6中所示，因为光学放大器50具有正群速度色散。在光学放大器50的输出端54处，光学脉冲30II被正啁啾并且啁啾可以通过连接到光学放大器50的输出端54的负群速度色散区段60补偿为接近傅立叶限制的脉冲持续时间30IV。在图14中，显示了测得的压缩光学脉冲的FROG轨迹的示例。对应的光谱在图15中示出。负群速度色散区段60可以是但不限于光栅压缩器、棱镜压缩器、GRISM压缩器、啁啾镜或中空芯纤区段。对于理想的压缩，也可以集成脉冲整形器。
负群速度色散区段60的色散估计小于连接区段40和放大器50的群速度色散之和的三倍，即，(3*(|b40+b50|)>|b60|)，其中b40表示连接区段的群速度色散，b50表示光学放大器50的群速度色散，并且b60表示负群速度色散区段60的群速度色散。但是，色散的值并不是对本发明的限制。
在激光学脉冲系统10的另一方面，连接区段40或40'内的功率电平可以通过至少衰减器44(或44')(在图4-6中示出)或前置放大器45(如图5和6中所示)或两者的组合(如图5和6中所示)来调整，以用于控制连接区段40和放大器50中的非线性效应。衰减器44或44'或前置放大器45的位置可以在连接区段40和40'的输入端41/41'处，在连接区段40和40'内，或者在连接区段40或40'的输出端42或42'处。通过增加光纤中模场的直径可以实现更高的功率输出。
前置放大器可以是基于光纤的前置放大器、(光纤耦合的)半导体光学放大器或固态放大器之一.
可以在前置放大器45之后使用光学隔离器43(如图5和6中所示)。
通过组合光学脉冲30的负啁啾和连接区段40中的正群速度色散，输出端42处的光学脉冲30I的光谱带宽将减小，从而在光学放大器50内的“无啁啾点”52处产生“非线性带通滤波器”，如图1-6中所示。将有可能通过减小放大器50的长度将光学脉冲30耦合到这个点附近以提供具有非常窄光谱W3的光学脉冲30。
激光器系统10的第六方面在图6中示出，并且使得能够集成光学脉冲选择器46以降低拉伸脉冲振荡器20的重复率，以增加光学放大器50之后的脉冲能量。第二脉冲挑选器46'可以添加在连接区段40'内的压缩器60的前面，以产生按需脉冲功能。
图7中示出了激光器系统10的第七方面。负色散40a的附加部分被添加到连接区段40的正色散40b中，同时仅改变啁啾的量而不改变符号。这允许调整放大器50内的无啁啾点52的位置。与来自振荡器20并到达连接区段的输入端41的光学脉冲30相比，连接区段40的输出端42处的光学脉冲30V将具有更大的负啁啾。无啁啾点52的位置将移向放大器50的末端。这种机制可以被用于调整无啁啾点52。光学脉冲30VI的啁啾在放大器50之后将为正且通过传播通过可选部分43'、44'和46'并且它们的色散导致光学脉冲30VII略微增加。
如果无啁啾点52移至放大器50的末端，那么可以生成具有窄光谱W3的光学脉冲30VIII。
拉伸脉冲振荡器20、连接区段40和光学放大器50与光纤接头连接。不过，拉伸脉冲振荡器20、(一个或多个)连接区段40和40'以及光学放大器50中的任何一个之间的过渡也可以通过自由空间耦合来实现。因此，也可以使用自由空间的隔离器43和43'、脉冲挑选器46和46'、衰减器44和44'或前置放大器45。
光学脉冲的超宽带生成基于放大器内的线性效应和非线性效应的相互作用，因此可以通过在传播期间选择不同的模场直径来控制最大能量或光谱带宽。
在非限制示例中，光学放大器50可以由掺杂镱的光纤放大器制成。认为光学放大器50可以适用于所有的激光材料，例如但不限于钕(Nd)、铥(Tm)、铒(Er)、铒-镱(Er-Yb)。
该原理不限于光纤激光器技术，并且在不同方面，该原理还可以适用于固态放大器，包括例如薄盘放大器、平板放大器、基于晶体的放大器、棒状放大器或其它类型。对于更一般的方法，来自拉伸脉冲振荡器20或孤子振荡器的负啁啾光学脉冲30必须通过正群速度色散区段的介质传播，该介质不限于光纤，但也可以是波导(包括实现为晶片上的微光学器件的那些)或具有正群速度色散的材料。
对连接区段40使用正群速度色散要求在拉伸脉冲振荡器20中产生负啁啾光学脉冲30。这在图8中图示并且可以通过在振荡器腔体内部使用两个不同的色散区段来实现。振荡器腔体包括正群速度色散区段21和负群速度色散区段23。总净群速度色散(GVD)必须小于0.1ps2(β2net<0.1ps2)。在这种情况下，光学脉冲30在两个色散区段(即，负色散区段21和正色散区段23)内经历啁啾符号的改变。图7示出了在传播(x轴，以米为单位)期间拉伸脉冲腔体内的光学脉冲啁啾的演变(以任意单位(arb.unit)的归一化的y轴)。此外，显示对应的群速度色散区段(以任意单位(arb.unit)的归一化的y轴)。如图7中所看到的，在传播期间，每次往返脉冲必须两次没有啁啾。根据图7，无啁啾点位于线性腔体的末端。根据整体净色散，可以改变无啁啾脉冲的位置。
从正群速度色散区段21内的无啁啾点31开始，正啁啾通过传播通过形成拉伸脉冲振荡器20的一部分的正色散区段21而生成。这个正啁啾将在形成振荡器腔体20的第二部分的负群速度色散区段23内减小，从而在区段23内位置31'处导致无啁啾光学脉冲，并随后改变啁啾的符号。该负啁啾增加直到负群速度色散区段23的末端。最后，通过进入正群速度色散区段21，负啁啾将减小，并且在一次往返之后将再次到达无啁啾起点31。对于本文档的装置，振荡器30的光学输出脉冲必须在振荡器20的输出耦合器27处具有负啁啾。
拉伸脉冲振荡器20的一个示例在图9中示出。拉伸脉冲振荡器20包括用于为激光有源光纤区段20'生成泵浦光的光学泵浦28。光学泵浦28通过使用泵浦耦合器29耦合到腔体。负色散区段23由线性腔体一端处的光栅压缩器实现。
光纤部分形成正色散区段21。拉伸脉冲振荡器20通过在线性光学腔体的另一端使用可饱和吸收体镜24来锁模。输出耦合器27放置在负色散区段23后面(在传播方向上)。
拉伸脉冲振荡器20的激光光学腔体的其它不同方面在图10和11中示出。当使用光学隔离器25和可饱和吸收体24'时，光学腔体也可以实现为环形腔体，或者当使用环行器26在光学腔体中实现可饱和吸收体镜24时，实现为sigma腔体。
为了进一步减少线性腔体振荡器内部的自由空间部分，可以使用啁啾光纤Bragg光栅23'来实现负色散区段23(图12)，或者代替光栅压缩器，可以使用与基于光纤的反射镜(23”)组合的负色散光子晶体光纤(图13)。
在一个方面，所有使用的光纤都是保偏光纤，以实现环境稳定的系统。但是，一般而言，本公开的激光脉冲系统不限于保偏光纤。也可以使用非保偏光纤。此外，激光脉冲系统10不限于单包层光纤。此外，可以使用其它类型的光纤作为双包层光纤。取决于光纤的类型，单模或多模激光二极管可以用于泵浦。锁模也可以通过使用任何种类的可饱和吸收体(24')或虚拟可饱和吸收体来实现，例如作为非线性脉冲演化。
如上面已经描述的，本文档的激光脉冲系统10可以在块状固体中实现，只要提供对光学脉冲的色散的管理即可。这将要求至少一个正色散元件和一个负色散区段。
附图标记
10 激光器系统
20 拉伸脉冲振荡器
20' 激光活性光纤区段
21 正色散区段
22 输出端
23 负色散区段
24 吸收镜
25 光学隔离器
26 环行器
27 输出耦合器
28 光学泵浦
29 泵浦耦合器
30 光学脉冲
31 无啁啾点
40 连接区段
40a 连接区段内的负色散(β2<0)区段
40b 连接区段内的正色散(β2>0)区段
41 输入端
42 输出端
43 隔离器
44 衰减器
45 前置放大器
46 光学脉冲选择器
50 光学放大器
52 无啁啾点
54 输出端
60 负色散区段

Claims (20)

1.一种激光器系统(10)，包括：
-振荡器(20)，产生具有第一光谱宽度W1的多个负啁啾光学脉冲(30)；
-放大器(50)，用于接收所述多个光学脉冲(30)并放大所述多个光学脉冲以在放大器(50)的输出端处产生具有第二光谱宽度W2的光学脉冲；以及
-连接区段(40)，直接连接在振荡器(20)和放大器(50)的输入端之间，其中连接区段(40)适于维持所述多个光学脉冲(30)的啁啾的符号；以及
其中啁啾的符号在振荡器(20)和放大器(50)的输出端之间改变。
2.如权利要求1所述的激光器系统(10)，其中放大器的输出端处的第二光谱宽度W2大于振荡器的第一光谱宽度W1。
3.如权利要求1或2所述的激光器系统(10)，其中连接区段(40)具有正群速度色散(β2＞0)而不改变啁啾的符号。
4.如权利要求1所述的激光器系统(10)，其中连接区段(40)适于改变啁啾的量。
5.如以上权利要求中的任一项所述的激光器系统(10)，还包括连接到放大器(50)的输出端的正群速度色散区段(β2)的第二区段(40')。
6.如以上权利要求中的任一项所述的激光器系统(10)，还包括连接到放大器(50)的输出端并且适于补偿光学脉冲(30)的相位的负群速度色散区段(β2)(60)。
7.如以上权利要求中的任一项所述的激光器系统(10)，其中放大器(50)是光纤放大器、棒型放大器、平板放大器、薄盘放大器或固态放大器中的一种。
8.如以上权利要求中的任一项所述的激光器系统(10)，其中光学脉冲(30)的光谱宽度从连接区段(40)的输入端(42)通过放大器(50)减小到放大器(50)中的最小值，然后在放大器(50)的输出端(54)处增大到较大的量。
9.如权利要求1或2所述的激光器系统(10)，其中连接区段(40)是正群速度色散区段(β2)和负群速度色散区段(β2)的组合，而不改变啁啾的符号。
10.如以上权利要求中的任一项所述的激光器系统(10)，其中光学脉冲(30)的光谱宽度从连接区段(40)的输入端(42)通过放大器(50)减小到放大器(50)中的最小值，从而在放大器(50)的输出端(54)处导致较小的量W3。
11.如以上权利要求中的任一项所述的激光器系统(10)，还包括位于振荡器(20)之后的至少一个光学隔离器。
12.如权利要求11所述的激光器系统(10)，其中光学隔离器是自由空间或光纤耦合之一。
13.如以上权利要求中的任一项所述的激光器系统(10)，还包括在连接区段内的前置放大器或衰减器中的至少一个。
14.如权利要求13所述的激光器系统(10)，其中前置放大器是基于光纤的放大器、半导体光学放大器或固态放大器之一。
15.如以上权利要求中的任一项所述的激光器系统(10)，还包括至少一个光学脉冲挑选器，以调整光学脉冲之间的时间分离。
16.如以上权利要求中的任一项所述的激光器系统(10)，其中振荡器(20)包括至少正群速度色散(β2)的区段(23)和负群速度色散(β2)的区段(21)。
17.如以上权利要求中的任一项所述的激光器系统(10)，其中振荡器(20)或放大器(50)中的至少一个的激光活性介质选自包括镱、钕、铥或铒的掺杂剂的组。
18.如以上权利要求中的任一项所述的激光器系统(10)，其中振荡器(20)包括在一端具有可饱和吸收体并且在另一端具有光栅压缩器的线性腔体。
19.如以上权利要求中的任一项所述的激光器系统(10)，其中放大器(50)由单模二极管激光器或多模激光器中的至少一个泵浦。
20.如以上权利要求中的任一项所述的激光器系统(10)，其中振荡器(20)和放大器(50)是单包层光纤或双包层光纤之一或单包层光纤和双包层光纤的组合。
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