CN116746009A - 无源锁模的光纤振荡器和具有这样的光纤振荡器的激光装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无源锁模的光纤振荡器(1)，该光纤振荡器具有双向环路(3)和单向环路(5)，其中双向环路(3)和单向环路(5)通过3x3耦合器(7)彼此耦合，其中双向环路(3)具有第一增益光纤(9)，并且其中光纤振荡器(1)总体上具有正常色散。

Description

无源锁模的光纤振荡器和具有这样的光纤振荡器的激光装置

技术领域

本发明涉及一种无源锁模的光纤振荡器以及激光装置，该激光装置包括泵浦光源和这样的光纤振荡器。

背景技术

无源锁模的光纤振荡器通常具有可饱和吸收体、尤其是基于半导体的可饱和吸收镜(Semiconductor Saturable Absorber Mirror)，简称为SESAM。然而，这样的SESAM容易退化和失调。正因为如此，已被证明难以在从约900nm至约2100nm的波长范围内可再现地提供这样的锁模光纤振荡器以供在工业环境中长期稳定运行。然而，这些波长范围恰好一方面对于材料处理和电信通讯领域以及另一方面对于医疗技术领域和半导体加工是较为重要的。此外，提供具有明确定义的色散特性的这样的光纤振荡器也是一个挑战。

发明内容

因此，本发明的基本目的在于，提供一种无源锁模的光纤振荡器以及一种具有这样的光纤振荡器的激光装置，其中不存在上述缺点。

该目的通过提供本发明的技术教导、尤其独立权利要求的教导以及在从属权利要求和说明书中公开的实施方式的教导来实现。

该目的尤其通过提供一种无源锁模的光纤振荡器来实现，该光纤振荡器具有双向环路和单向环路。双向环路和单向环路通过3x3耦合器彼此耦合。双向环路具有第一增益光纤，并且光纤振荡器总体上具有正常色散。在此，以有利的方式，双向环路可以承担可饱和吸收体的功能，因此光纤振荡器尤其可以省去SESAM。由此还完全避免了与SESAM有关的退化和失调的问题。尤其，在双向环路方面不会出现退化和/或失调的问题。通过适当地选择第一增益光纤、尤其是掺入第一增益光纤的元素可以为光纤振荡器提供适合的波长，尤其是在约900nm至1100nm(镱、钕)、1500nm(铒)以上至约1900nm至2100nm(铥、钬)的范围内的波长。通过在正常范围内对光纤振荡器的总色散进行特定调谐，有利地提供了明确定义的色散特性。尤其在正常色散范围内不会由于孤子定理而产生对脉冲能量的严格限制，因此脉冲能量比在反常色散范围内有更大的灵活性。此外，在正常色散范围内，不存在能量被耦合输出到凯利边带的问题，并且有利地避免了与其相关联的不期望的光谱分量。

当使用镱或钕作为掺杂元素时，色散有利地就在正常范围内。即使使用了这些掺杂元素，还仍然可以使用色散补偿元件来使色散移位到期望的范围内、尤其用于对色散进行微调。当使用铒、铥或钬作为掺杂元素时，可以有利地使用色散补偿元件来使色散移位到正常色散范围内。

光纤振荡器尤其可以在上述波长范围内在工业环境中实现可再现的长期稳定运行。

光纤振荡器尤其被理解为激光振荡器，该激光振荡器具有尤其用于对光进行引导和/或对光产生影响的至少一个光学部件，该至少一个光学部件具有光纤或由光纤构成。在优选的设计方案中，光纤振荡器的所有光学部件均可以是光纤部件，即，尤其具有光纤或由光纤构成的部件、尤其是基于光纤的部件或光纤耦合部件。

环路被理解为光纤振荡器的如下光学构件，该光学构件具有第一端部和第二端部，其中第一端部和第二端部都与光纤振荡器的同一连接部件耦合、在此尤其与3x3耦合器耦合。这尤其意味着，从连接部件出发穿过环路的光脉冲沿环路又返回到该连接部件。这样的环路总体上可以构造为环形；在这种情况下，环路尤其由环形件构成。然而，这样的环路还可以具有至少一个环形件以及与环形件导光地相连接的至少一个线性分支，尤其是具有正好一个环形件以及正好一个线性分支。

双向环路尤其被理解为这样的环路，在该环路中，光脉冲既可以从第一端部朝向第二端部传播，也可以从第二端部朝向第一端部传播，即可以沿两个方向传播。

单向环路尤其被理解为这样的环路，在该环路中，光脉冲只能以标明的方向沿环路传播，要么从第一端部朝向第二端部、要么从第二端部朝向第一端部。优选地，在单向环路中布置有隔离器装置、尤其是隔离器，其中隔离器装置设置为用于仅允许光脉冲在一个方向上通过，而在另一个方向上对其进行阻断，例如通过利用法拉第效应，或者以其他适合的方式。隔离器装置优选布置在单向环路的环形件中。

双向环路优选是第一光纤环路。

在此，光纤环路被理解为至少局部具有光纤或由光纤构成的环路。在优选的设计方案中，光纤环路总共由一根光纤构成，或者由相互连接的多根光纤组成。

单向环路优选是第二光纤环路。尤其，单向环路优选构造为单向环。

根据本发明的改进方案提出，第一增益光纤掺杂有至少一种元素，该至少一种元素选自由镱、钕、铒、钬、和铥组成的组。在实施方式中，第一增益光纤掺杂有上述元素中的正好一种元素。在另一实施方式中，第一增益光纤掺杂有上述元素中的至少两种元素的组合、尤其是掺杂有上述元素中的正好两种元素的组合。在实施方式中，第一增益光纤掺杂有铒和镱(Er/Yb)。在另一实施方式中，第一增益光纤掺杂有铥和钬(Tm/Ho)。如前所述，正是这些掺杂元素和与之相关的波长以特殊的方式得到了上述优点。

在实施方式中，双向环路具有非对称性。尤其在实施方式中提出，双向环路被构造成对于沿相反方向穿过双向环路的两个光脉冲来说是不对称的。

根据本发明的改进方案提出，双向环路具有：非对称元件、尤其是不对称地布置的增益元件，用于对沿双向环路以相反方向传播的光脉冲进行不对称的增益；和/或不对称地布置的衰减元件，用于进行不对称的衰减。一般情况下，非对称元件设置为用于和/或被布置成用于如下目的，即，在沿双向环路在特定的第一方向上传播的光脉冲与沿双向环路在另外的第二方向上传播的光脉冲之间产生各自的自相位调制的差异。

不对称地布置的增益元件优选在增益方面能够进行可变调节。尤其当第一增益光纤构造为增益元件时，可以通过改变泵浦功率来实现可变增益。

替代性地或附加地，不对称地布置的衰减元件优选在衰减方面能够进行可变调节。

一般性地，通过对非对称元件进行可变调节，可以在双向环路中的这两个反向光脉冲之间实现可变的相位移；尤其，可以通过对非对称元件进行可变操控来调节相位移。

尤其，根据实施方式，第一增益光纤可以不对称地布置在双向环路中。这尤其意味着，相较于第二端部，第一增益光纤被布置得更靠近双向环路的第一端部，或者反之亦然。替代性地，根据另一实施方式可以提出，在双向环路中布置有不对称地布置的衰减元件、尤其不对称地布置的耦合输出元件(例如抽头耦合器)、或滤波器、偏振衰减器等。上述实施方式还可以相互组合。

尤其，双向环路优选构造为非线性放大环镜(Nonlinear Amplifying LoopMirror-NALM)。在这种情况下，双向环路具有非对称性，使得取决于循环方向以不同方向穿过双向环路的不同光脉冲以不同强度水平通过双向环路的较长部分，因为它们或早或晚(这与经过双向环路的行进距离有关)会被增益和/或衰减。由于在双向环路中的自相位调制，这使得在彼此相反地穿过双向环路的两个光脉冲之间产生相位移，其中这种相位移本身又与强度相关。这两个光脉冲之间的相位移进而影响它们在3x3耦合器上的耦合行为。以这种方式，只有高于特定强度阈值的光脉冲才有效地沿适当的传播方向经由3x3耦合器从双向环路被馈送到单向环路中，这使得尤其构造为NALM的双向环路可以实现可饱和吸收体的功能。

由(通过3x3耦合器彼此耦合的)双向环路和单向环路构成的环路组件以及因此还有光纤振荡器整体优选具有所谓的8字形构型(Figure-8-configuration)。

3x3耦合器优选具有多个端口、尤其是六个端口。3x3耦合器优选构造为是对称的，这尤其意味着，光脉冲被等份额地分配至3x3耦合器的各个端口。在此，端口被理解为3x3耦合器的端子，该端子可以充当输入端或输出端并且尤其可以导光地与光纤相连接。

3x3耦合器优选在第一侧具有三个端口，即第一端口、第二端口和第三端口。在第二侧，3x3耦合器具有另外的三个端口，即第四端口、第五端口和第六端口。第一端口直接藉由光纤区段与第四端口导光地相连接。第二端口直接藉由光纤区段与第五端口导光地相连接。第三端口直接藉由光纤区段与第六端口导光地相连接。在彼此直接相连接的两个端口之间传播的光脉冲不会经历相位跳变。然而，3x3耦合器设置为用于使得光脉冲可以在端口的直接连接之间串扰，其中光脉冲经历相位移，无论在哪两个连接之间发生光脉冲串扰，相位移均优选为2π/3。

在光纤振荡器的实施方式中，3x3耦合器在一般情况下设置为用于为在3x3耦合器的端口的各个直接连接之间串扰的光脉冲赋予2π/3的相位移。这尤其可以实现为NALM中的两个反向光脉冲赋予对应的相位移。

在下文中描述3x3耦合器的特定实施方式，其中考虑了3x3耦合器的端口的可能的特定布置和关联。在此，本领域技术人员可以很容易地认识到存在许多其他实施方式，它们与所描述的布置方式等效、几乎等效或者至少在功能上是相同的，但在任何情况下都能实现相同的目的。

尤其，单向环路的第一端部与第三端口导光地相连接。单向环路的第二端部与第一端口导光地相连接。单向环路(尤其通过隔离器装置)设置为用于使得光脉冲沿单向环路仅能从第三端口到达第一端口，而不能以相反的方向进行。

双向环路的第一端部与第五端口导光地相连接。双向环路的第二端部与第六端口导光地相连接。第二端口和第四端口可以优选用于从光纤振荡器耦合输出光脉冲，无论是作为有用光还是用于监测。

从单向环路经由第一端口进入3x3耦合器的光脉冲在该处被分为向第四端口、第五端口和第六端口的具有相同脉冲能量的三个光脉冲。与在第一端口处进入的光脉冲相比，第五端口和第六端口处的光脉冲各自经历了2π/3的相位移。在下文中，第五端口处的光脉冲被称为第一光脉冲，第六端口处的光脉冲被称为第二光脉冲。现在，第一光脉冲从第一端部出发朝向第二端部(即，从第五端口到第六端口)穿过双向环路，其中第二光脉冲以相反的方向(即，从第六端口到第五端口)穿过双向环路。

由于双向环路的不对称的设计方案，现在，第一光脉冲和第二光脉冲在它们沿双向环路传播的过程中会经历不同的相位移或B积分。第一光脉冲与第二光脉冲之间的B积分或相位移的差异尤其取决于光脉冲(穿过双向环路之前)的初始强度并且取决于在第一增益光纤中的增益和/或衰减、即尤其取决于第一增益光纤的泵浦水平。此外，衰减在必要时可以构造为可变的，以便影响相位移。

当到达第五端口时，第二光脉冲现在部分串扰地进入第六端口与第三端口之间的直接光学连接中并且在此再次经历2π/3的相位移。到达第六端口的第一光脉冲被直接转发至第三端口，而在此不经历相位移。因此，由第一光脉冲和第二光脉冲的叠加在第三端口处产生的输出脉冲尤其取决于光脉冲沿双向环路传播时所经历的B积分。

在此，3x3耦合器设置为用于即使在第一光脉冲与第二光脉冲之间的非线性相位移变为零的情况下，也会产生优选约10％的输入脉冲能量的有限透射以及与相位相关的透射曲线的非零斜率，这显著简化了基于噪声来建立激光脉冲。这尤其简化了锁模运行的启动、尤其是自启动。随着相位移的增大，在最大相位移为2π/3的情况下，透射增大至最大优选约45％(不考虑第一增益光纤的增益)。因此，双向环路有利于具有更高峰值功率的光脉冲，因此可以实现可饱和吸收体的功能。

通过改变用于双向环路中的第一增益光纤的泵浦功率，可以可变地调节第一光脉冲与第二光脉冲之间的非线性相位移。

第一增益光纤优选掺杂有至少一种元素，该至少一种元素选自由以下各项组成的组：镱、钕、铒、钬、和铥。在此，掺杂元素或者在必要时掺杂元素的组合尤其确定用于光纤振荡器的光波长：如果第一增益光纤包括镱或钕作为掺杂元素，则波长约为900nm至1100nm；于是，光纤振荡器优选用于处理透明材料或用于电信通讯。如果第一增益光纤包括铒作为掺杂元素，则波长约为1500nm；于是，光纤振荡器尤其优选用于电信通讯应用或医疗领域。如果第一增益光纤包括铥或钬作为掺杂元素，则波长约为1900nm至2100nm；于是，光纤振荡器尤其优选用于半导体技术或医疗技术领域。

光纤振荡器总体上具有正常色散，或者(换言之，但含义相同)光纤振荡器的总色散在正常色散范围内，这尤其意味着，穿过光纤振荡器的光脉冲在穿过光纤振荡器之后(即，通过光纤振荡器的每个部件一次)经历了正常的色散。这又意味着，与光脉冲在穿过光纤振荡器之前的时间形状相比，在光脉冲穿过光纤振荡器之后的时间形状中更高的频率滞后，而更低的频率提前。即，更高的频率比更低的频率更慢地通过光纤振荡器。这并不一定意味着光纤振荡器的每个光学部件均具有正常色散；而是，至少对于这些光学部件的总和得出这种效应。因此，虽然在优选的设计方案中光纤振荡器的所有光学部件均可以具有正常色散，但在另一优选的设计方案中光纤振荡器的至少一个第一光学部件也可以具有反常色散，其中光纤振荡器具有至少一个另外的第二光学部件，其具有正常色散，该正常色散对第一光学部件的反常色散进行过度补偿，从而使光纤振荡器的色散总体上是正常的。如果光纤振荡器具有色散补偿元件，则该色散补偿元件优选布置在单向环路中。

如果(例如在使用镱或钕作为掺杂元素的情况下)光纤振荡器的波长在正常色散范围内，则优选不需要进一步的额外措施，尤其不需要色散补偿元件来将光纤振荡器的总色散保持在正常范围内。然而，根据实施方式，光纤振荡器在这样的情况下也可以具有至少一个色散补偿元件，以便将色散转移到正常色散范围内的期望范围、尤其用于对色散进行微调。尤其可以借助于色散补偿元件来减少总色散量值。根据实施方式，色散补偿元件尤其可以构造为啁啾光栅、尤其构造为啁啾光纤布拉格光栅。

另一方面，如果(例如在使用铒、铥或钬作为掺杂元素的情况下)光纤振荡器的波长在反常色散范围内，则光纤振荡器优选具有至少一个色散补偿元件，以使总色散达到正常范围。该至少一个色散补偿元件优选构造为色散补偿光纤或啁啾光栅、尤其构造为啁啾光纤布拉格光栅。优选地，色散补偿元件布置在单向环路中。色散补偿光纤还被称为色散补偿型光纤或色散匹配光纤。这样的色散补偿光纤例如可以具有光纤芯，该光纤芯包括具有不同折射率的环。

根据本发明的改进方案提出，单向环路不具有增益介质。在这种情况下，有利地，第一增益光纤是光纤振荡器的唯一增益介质、尤其是唯一的增益光纤。因此，光纤振荡器可以具有非常简单且成本有效的结构。

在替代性的优选的设计方案中提出，单向环路具有(附加的)增益介质、尤其是第二增益光纤，其中沿光脉冲的传播方向(优选在单向环路中)在该增益元件与第一增益光纤之间布置有隔离器元件(在优选的设计方案中为单向环路的无论如何都要设置的隔离器装置)。附加地或替代性地，优选沿光脉冲的传播方向在第一增益光纤与增益元件之间布置有隔离器元件。借助于增益元件，尤其可以有利地补偿损耗，其方式为不仅在第一增益光纤中、而且在该附加的增益介质中对光纤振荡器中的光脉冲进行增益。同时可以实现，在选择第一增益光纤的增益方面有更大的自由度并且因此更自由地适配第一光脉冲与第二光脉冲之间的相位移，因为当第一增益光纤中的增益变化时，光纤振荡器的总增益的变化可以对应地借助于该附加的增益介质得到补偿。在优选的设计方案中，隔离器元件可以构造为隔离器或环行器。

第二增益光纤优选掺杂有与第一增益光纤相同的元素。

优选地，双向环路具有耦合输入装置，该耦合输入装置设置为用于将泵浦光耦合输入到第一增益光纤中。同时，布置在双向环路中的耦合输入装置还可以用于将泵浦光耦合输入到该附加的增益介质、尤其是第二增益光纤中。此外，优选不对称地布置的耦合输入装置可以用作非对称元件，尤其用作不对称地布置的衰减元件。

替代性地，优选可以在单向环路中布置有耦合输入装置，该耦合输入装置设置为用于将泵浦光耦合输入到该附加的增益介质、尤其是第二增益光纤中。优选地，耦合输入装置同时还用于将泵浦光耦合输入到第一增益光纤中。

替代性地，双向环路优选还可以具有第一耦合输入装置，用于将泵浦光耦合输入到第一增益光纤中，其中单向环路具有第二耦合输入装置，该第二耦合输入装置设置为用于将泵浦光耦合输入到该附加的增益介质中。

耦合输入装置(无论是第一耦合输入装置还是第二耦合输入装置或唯一的耦合输入装置)优选构造为波分复用耦合器(Wavelength Division Multiplexer-WDM)。

根据本发明的改进方案提出，单向环路具有反射臂，其中在反射臂中布置有反射器元件。根据实施方式，通过反射器元件还可以实现附加的光学功能，尤其是带宽限制元件和/或色散补偿元件的功能。反射臂提供的优点尤其在于反射臂中的附加的增益介质的布置方式以及两侧的隔离。

反射臂优选具有至少一根光纤或优选由至少一根光纤构成。

反射器元件优选布置在反射臂的反射端。反射臂优选构造为单向环路的线性分支，该线性分支与单向环路的环形件导光地相连接。反射臂、尤其线性分支在反射端具有反射器元件并且在与反射端相反的连接端与环形件导光地相连接。穿过单向环路的光脉冲穿过反射臂两次，一次是从连接端到反射端，然后是从反射端返回到连接端。

反射器元件优选构造为部分透明的(或者反过来说，是部分反射的)，从而使得预定份额的光经由反射器元件从光纤振荡器中被耦合输出。

在光纤振荡器的实施方式中提出，反射器元件构造为波长固定元件，即尤其是设置为用于确定光纤振荡器的中心波长的元件。因此，反射器元件有利地可以实现对光纤振荡器运行所藉由的中心波长进行明确确定。这提供了高再现性的巨大优势，同时增加了可变性，以获得特定的期望波长作为中心波长。这在效率与波长相关的后续过程中可能尤其关键，例如材料处理过程、增益链和/或频率转换。

根据本发明的改进方案提出，反射器元件构造为光纤布拉格光栅。优选地，光纤布拉格光栅可以充当色散补偿元件、波长固定元件和/或带宽限制元件。为了能够充当色散补偿元件，光纤布拉格光栅优选构造为啁啾光纤布拉格光栅。当光纤布拉格光栅构造为非啁啾光纤布拉格光栅时，其也可以充当波长固定元件或带宽限制元件。

根据本发明的改进方案提出，光纤振荡器具有色散补偿元件。色散补偿元件优选由反射器元件构成，其方式为反射器元件构造为啁啾光纤布拉格光栅。替代性地或附加地，色散补偿元件是优选布置在单向环路中的色散补偿型光纤。替代性地或附加地，第一增益光纤构造为色散补偿的。

根据本发明的改进方案提出，反射臂经由环行器元件与单向环路的环形件导光地相连接。在此，环行器元件优选同时用作单向环路的隔离器装置。环形件具有第一环形分支，该第一环形分支在第一环形分支端部处与3x3耦合器、尤其是与第三端口导光地相连接并且在第二环形分支端部处与反射臂导光地相连接。环形件还具有第二环形分支，该第二环形分支在第一环形分支端部处与反射臂导光地相连接并且在第二环形分支端部处与3x3耦合器、尤其是与第一端口导光地相连接。经由3x3耦合器的第三端口进入第一环形分支的光脉冲穿过第一环形分支到达环行器元件、被环行器元件耦合输入到反射臂的连接端、穿过反射臂到达布置在反射端处的反射器元件、在该处至少部分地被反射、沿反射臂回到连接端、在该处被环行器元件耦合输入到第二环形分支中、并且穿过第二环形分支到达3x3耦合器的第一端口。因此，第一环形分支和第二环形分支被光脉冲各穿过一次，而反射臂(来回)被穿过两次。

根据本发明的改进方案提出，在单向环路中布置有第二增益光纤、尤其是作为上述已经提到的附加的增益介质。第二增益光纤优选布置在反射臂中。这被证明是特别有利的，因为这样使得第二增益光纤被在单向环路中传播的光脉冲穿过两次，从而使得光脉冲被增益了两次。此外，第二增益光纤有利地通过环行器元件(尤其在两个方向上)与第一增益光纤分离开，这使得这两个增益光纤不会相互产生不利影响。

第二增益光纤优选掺杂有与第一增益光纤相同的元素。

光纤振荡器优选在单向环路外、尤其在环路组件外、在由反射器元件耦合输出的光脉冲的传播方向上在第一反射器元件之后具有耦合装置，该耦合装置用于将泵浦光耦合输入到光纤振荡器、尤其是单向环路中。以这种方式，可以有利地通过反射器元件将泵浦光耦合输入到单向环路中。然而，该耦合装置还可以布置在单向环路内、尤其布置在反射臂中。

根据本发明的改进方案提出，光纤振荡器具有带宽限制元件。优选地，带宽限制元件布置在单向环路中。通过正常色散和自相位调制的相互作用，在光纤振荡器中产生了强啁啾光脉冲，该光脉冲在其传播过程中在光谱和时间上展宽。带宽限制元件有利地截断光谱两侧的部分并且因此由于强啁啾而使光脉冲不仅在光谱上而且在时间上缩短。尤其以这种方式，可以满足在光纤振荡器中循环的光脉冲的周期性的边界条件。

带宽限制元件优选具有从至少1pm至最大20nm、优选从至少10pm至最大15nm的带宽。

根据本发明的改进方案提出，带宽限制元件构造为带通滤波器。这表示带宽限制元件的适合的设计方案。

替代性地或附加地，优选地提出，反射器元件、尤其是光纤布拉格光栅构造为带宽限制元件。这是特别有利的，因为它于是不需要附加的带宽限制部件。在这种情况下，光纤布拉格光栅可以构造为非啁啾光纤布拉格光栅，但还可以构造为啁啾光纤布拉格光栅。

附加地或替代性地，光纤布拉格光栅还可以充当色散补偿元件，尤其当光纤布拉格光栅构造为啁啾光纤布拉格光栅时。

替代性地或附加地，优选在单向环路中布置有色散补偿型光纤来作为色散补偿元件。

根据本发明的改进方案提出，在单向环路中布置有附加的增益光纤，在此为了语言上的区分，该附加的增益光纤被称为第三增益光纤，而不管是否额外地存在第二增益光纤。这一设计方案尤其在以下光纤振荡器的实施例中是优选的：单向环路由环形件构成，其中单向环路尤其不具有线性分支、尤其不具有反射臂。因此，第三增益光纤尤其布置在单向环路的环形件中。利用第三增益光纤，可以有利地补偿光纤振荡器的损耗。

然而，根据另一优选的实施例提出，除了设置在反射臂中的第二增益光纤之外，还设有第三增益光纤，其中在这种情况下，第三增益光纤同样优选布置在单向环路的环形件中。

第三增益光纤优选掺杂有与第一增益光纤(以及优选与第二增益光纤)相同的元素。

优选地，光纤振荡器在单向环路中具有用于对光脉冲进行耦合输出的耦合输出装置。以这种方式，不仅可以通过3x3耦合器的第二端口或第四端口、而且还可以附加地或替代性通过耦合输出装置对光脉冲(其无论是作为有用光还是用于检验光纤振荡器)进行耦合输出。由于沿光纤振荡器的一方面色散与另一方面自相位调制的相互作用，经耦合输出的光脉冲根据其耦合输出的位置而具有不同的时间宽度。即，尤其可以从3x3耦合器的第二端口、3x3耦合器的第四端口并且经由耦合输出装置耦合输出具有不同时间宽度的光脉冲。

耦合输出装置优选构造为抽头耦合器。

带宽限制元件、尤其反射器元件或带通滤波器优选构造为在其带宽方面是可调节的，优选构造为随温度变化的光栅、或者构造为带宽对于拉伸或压缩敏感的光栅。

根据本发明的改进方案提出，光纤振荡器的所有光学部件均构造为是保持偏振的。这被证明是一种对于光纤振荡器特别有利的设计方案。

根据本发明的改进方案提出，光纤振荡器的总的(正常)色散或(正常)总色散被减小，尤其接近于零，以获得尽可能短的脉冲。在此，术语“总色散”和“总的色散”尤其作为同义词使用。在优选的设计方案中，通过对各个光学部件彼此适当地进行调谐、优选通过在光纤振荡器中布置至少一个色散补偿元件来减小光纤振荡器的总色散，尤其是将总色散调节到预先确定的值。

根据本发明的改进方案提出，光纤振荡器的所有光学部件均由光纤形成或由光纤构成，其中这些光学部件尤其是基于光纤的部件或光纤耦合部件。尤其，光纤振荡器优选不具有自由发射部件。在这种情况下不存在与光纤振荡器有关的调整工作。

然而，根据另一优选的设计方案，光纤振荡器还可以具有构造为自由发射部件的至少一个光学部件。

优选地，光纤振荡器所具有的脉冲重复率为1MHz至150MHz。

该目的还通过提供一种激光装置来实现，该激光装置具有泵浦光源以及根据本发明的光纤振荡器或根据上述实施例中的一个或多个实施例的光纤振荡器。泵浦光源和光纤振荡器导光地彼此连接，从而使得可以将泵浦光源的泵浦光耦合输入到光纤振荡器中。在激光装置方面尤其实现了已经就光纤振荡器所阐述的优点。

尤其，泵浦光源与第一增益光纤导光地相连接，使得泵浦光源的泵浦光可以用于泵浦第一增益光纤。

根据本发明的改进方案提出，激光装置具有控制装置。

控制装置优选与双向环路的能够可变地被操控的非对称元件作用连接，以便调节该非对称元件、尤其调节沿相反方向穿过双向环路的光脉冲之间的非线性相位移，尤其使得相位移最大为2π/3、优选为2π/3。

尤其，控制装置优选与能够可变地被操控的增益元件作用连接，以便调节能够可变地被操控的增益元件的增益。

在实施方式中，控制装置与泵浦光源作用连接，并且控制装置设置为用于通过选择泵浦光源的泵浦功率来调节光纤振荡器的脉冲持续时间。控制装置优选设置为用于对泵浦光源的泵浦功率进行选择，使得沿相反方向穿过双向环路的光脉冲之间的非线性相位移最大为2π/3、优选为2π/3。

替代性地或附加地，控制装置优选与能够可变地被操控的衰减元件作用连接，以便调节能够可变地被操控的衰减元件的衰减，尤其使得沿相反方向穿过双向环路的光脉冲之间的非线性相位移最大为2π/3、优选为2π/3。优选地，由此可以比(可能仅)通过选择泵浦功率来覆盖更大的脉冲持续时间范围。

替代性地或附加地提出，控制装置与带宽构造为可调节的带宽限制元件、尤其反射器元件或带通滤波器(在必要时与另外的光学元件、尤其是另外的带宽限制元件相互作用地)作用连接，并且控制装置设置为用于调节带宽限制元件的带宽。以这种方式，光纤振荡器在带宽且尤其脉冲持续时间方面被设计得特别灵活。

优选地，除了可调节的带宽限制元件之外，光纤振荡器还具有另外的滤波元件，其中通过调节可调节的带宽限制元件的带宽而可以调节带宽限制元件与该滤波元件之间的重合范围。以这种方式，可以非常高效地调节带宽限制元件与该滤波元件的组合的有效带宽。

带宽限制元件尤其可以通过热学或力学被调节，例如通过加热或冷却，或通过拉伸或压缩。

可调节的带宽限制还可以用法布里-珀罗滤波器来实现，其中改变负责法布里-珀罗特性的两个表面之间的间距。

控制装置优选设置为用于在启动运行模式下通过对能够可变地被操控的非对称元件进行操控在双向环路中产生较高的第一非对称性，以便促进光纤振荡器中的激光活动的快速启动，其中控制装置设置为用于在连续运行模式下对能够可变地被操控的非对称元件进行操控，以便在双向环路中产生较低的第二非对称性，以确保光纤振荡器的稳定连续运行。尤其，控制装置设置为用于对应地对能够可变地被操控的衰减元件进行操控，以便尤其在启动运行模式下设定较高的第一衰减，并且在连续运行模式下设定较低的第二衰减。

本发明还包括一种方法，该方法用于操作根据本发明的光纤振荡器或根据上述实施方式中的一个或多个实施方式的光纤振荡器，其中(尤其通过对能够可变地被操控的非对称元件进行操控)在启动运行模式下在双向环路中产生较高的第一非对称性，并且其中在连续运行模式下在双向环路中产生较低的第二非对称性。尤其，在该方法的范围内，优选在能够可变地被操控的衰减元件的情况下，在启动运行模式下设定较高的第一衰减，其中在连续运行模式下设定较低的第二衰减。

附图说明

下面借助附图详细阐述本发明。在附图中：

图1示出了无源锁模的光纤振荡器的第一实施例的示意图；

图2示出了无源锁模的光纤振荡器的第二实施例的示意图；

图3示出了无源锁模的光纤振荡器的第三实施例的示意图；

图4示出了光纤振荡器的带宽限制元件的工作原理的图表说明；以及

图5示出了无源锁模的光纤振荡器的第四实施例的示意图。

具体实施方式

图1示出了无源锁模的光纤振荡器1的第一实施例的示意图。光纤振荡器1具有双向环路3和单向环路5，其中双向环路3和单向环路5通过3x3耦合器7彼此耦合、尤其是导光地相连接。在双向环路3中布置有第一增益光纤9。光纤振荡器1总体上具有正常色散。在此，以有利的方式，双向环路3可以承担可饱和吸收体的功能，因此光纤振荡器1尤其可以省去SESAM。由此还完全避免了与SESAM有关的退化和失调的问题。尤其，在双向环路3方面不会出现退化和/或失调的问题。通过适当地选择第一增益光纤9、尤其是掺入第一增益光纤9的元素可以为光纤振荡器1提供适合的波长，尤其是在约900nm至1100nm(镱、钕)、1500nm(铒)以上至约1900nm至2100nm(铥、钬)的范围内的波长。通过在正常范围内对光纤振荡器1的总色散进行特定调谐，有利地提供了明确定义的色散特性。在优选的设计方案中，增益光纤9构造为带宽限制元件59和/或色散补偿元件60。增益光纤9尤其可以凭借其增益带宽而承担带宽限制的功能。

优选地，光纤振荡器1的(正常)总色散被减小，尤其接近于零或等于零。

第一增益光纤9优选掺杂有至少一种元素，该至少一种元素选自由以下各项组成的组：镱、钕、铒、钬、和铥。第一增益光纤9还可以掺杂有上述元素中的至少两种元素的组合、尤其是掺杂有这些元素中的正好两种元素的组合。

优选地，双向环路3对于沿相反方向穿过双向环路3的两个光脉冲具有非对称性，尤其是呈非对称元件4的形式。这种非对称性尤其可以通过双向环路3中的不对称地布置的增益元件6和/或不对称地布置的衰减元件8来实现。在此展示的实施例中，第一增益光纤9作为增益元件6不对称地布置在双向环路3中。尤其，双向环路3构造为非线性放大环镜(NALM)。

优选地，在双向环路3中布置有耦合输入装置11，用于耦合输入泵浦光。耦合输入装置11优选构造为波分复用耦合器(WDM)。耦合输入装置11在此也可以充当衰减元件8。例如，还可以在双向环路3中布置抽头耦合器来作为衰减元件8。

在单向环路5中优选布置有隔离器装置13、尤其隔离器15。

3x3耦合器7优选设置为用于为在3x3耦合器7的多个端口17的各个直接连接之间串扰的光脉冲赋予2π/3的相位移。于是，NALM中的反向光脉冲尤其被赋予了对应的相位移。

下面，借助图1来描述3x3耦合器7的特定实施方式，其中考虑了3x3耦合器7的端口17的可能的特定布置和关联。许多其他实施方式是可能的，它们与所描述的布置方式等效、几乎等效或者至少在功能上是相同的，但在各种情况下都能实现相同的目的。

根据在此展示的实施例，3x3耦合器7尤其具有第一端口17.1、第二端口17.2、第三端口17.3、第四端口17.4、第五端口17.5和第六端口17.6。单向环路5的第一端部19导光地与第三端口17.3相连接。单向环路5的第二端部21导光地与第一端口17.1相连接。由于隔离器装置13的设计和布置，光脉冲沿单向环路5只能从第三端口17.3传播至第一端口17.1。双向环路3的第一端部23导光地与第五端口17.5相连接。双向环路3的第二端部25导光地与第六端口17.6相连接。第二端口17.2和第四端口17.4优选用于从光纤振荡器1耦合输出光脉冲，无论是作为有用光还是用于监测。

从单向环路5经由第一端口17.1进入3x3耦合器7的光脉冲被3x3耦合器7分为向第四端口17.4、第五端口17.5和第六端口17.6的具有相同脉冲能量的三个光脉冲。与在第一端口17.1处进入的光脉冲相比，第五端口17.5和第六端口17.6处的光脉冲各自经历了2π/3的相位移。在下文中，第五端口17.5处的光脉冲被称为第一光脉冲，第六端口17.6处的光脉冲被称为第二光脉冲。现在，第一光脉冲从双向环路3的第一端部23出发朝向其第二端部25穿过双向环路，其中第二光脉冲沿相反的方向穿过双向环路3。

由于在双向环路3中不对称地布置有第一增益光纤9，因此第一光脉冲和第二光脉冲现在在他们沿双向环路3传播的过程中会经历不同的相位移或B积分。第一光脉冲与第二光脉冲之间的B积分或相位移的差异尤其取决于光脉冲(穿过双向环路3之前)的初始强度并且取决于在第一增益光纤9中的增益、即尤其取决于第一增益光纤9的泵浦水平。

当到达第五端口17.5时，第二光脉冲部分串扰地进入第六端口17.6与第三端口17.3之间的直接光学连接中并且在此再次经历2π/3的相位移。到达第六端口17.6的第一光脉冲被直接转发至第三端口17.3，而在此不经历相位移。因此，由第一光脉冲和第二光脉冲的叠加在第三端口17.3处产生的输出脉冲尤其取决于光脉冲沿双向环路3传播时所经历的B积分。

返回到第一端口17.1的光份额被隔离器装置13吸收。只有经由第三端口17.3进入单向环路5的光脉冲才被允许通过。双向环路3充当可饱和吸收体。

在光纤振荡器1的第一实施例中，单向环路5不具有增益介质。尤其，第一增益光纤9在此是唯一的增益介质、尤其是光纤振荡器1的唯一增益光纤。

图1同时示出了激光装置27的实施例，该激光装置具有泵浦光源29和光纤振荡器1，其中泵浦光源29与光纤振荡器1、尤其是与耦合输入装置11导光地相连接，使得泵浦光源29的泵浦光可以被耦合输入到光纤振荡器1中。

图2示出了光纤振荡器1的第二实施例的示意图。

相同和功能相同的元素在所有附图中设有相同的附图标记，因此分别参考前面的描述。

在这个实施例中，单向环路5具有反射臂31，在这里展示的第二实施例中，在该反射臂中布置有构造为光纤布拉格光栅33的反射器元件35。反射臂31藉由环行器元件37导光地与单向环路5的环形件39相连接。环形件39尤其具有第一环形分支41，该第一环形分支以第一环形分支端部43与3x3耦合器7的第三端口17.3相连接，其中第一环形分支以第二环形分支端部45与环行器元件37相连接。环形件39还具有第二环形分支47，该第二环形分支以第一环形分支端部49与环行器元件37相连接并且以第二环形分支端部51与3x3耦合器7的第一端口17.1相连接。环行器元件37在此充当隔离器装置13。从第三端口17.3出发向第一端口17.1穿过单向环路5的光脉冲穿过环形分支41、47各一次、但穿过反射臂31两次，即一次朝向反射器元件35，一次从反射器元件35返回。

在反射臂31中布置有作为增益介质52的第二增益光纤53，该第二增益光纤优选掺杂有同样掺入第一增益光纤9的相同元素。然而，增益介质52、尤其是第二增益光纤53还可以布置在光纤振荡器1中的其他位置。

反射器元件35优选构造为部分透射或部分反射的，其中一方面，预先确定的光份额经由反射器元件35从光纤振荡器1中被耦合输出，其中另一方面，优选用于第二增益光纤53的泵浦光经由反射器元件35被耦合输入到单向环路5中。

环行器元件37尤其充当单向环路5中的隔离器元件57。

反射器元件35优选构造为带宽限制元件59；尤其，(根据一种设计方案是非啁啾的)光纤布拉格光栅33优选构造为带宽限制元件59。在优选的设计方案中，(尤其通过热学或力学)可以将带宽限制元件59的带宽设计成是可调节的。

带宽限制元件59优选具有从至少1pm至最大20nm、优选从至少10pm至最大15nm的带宽。

尤其当光纤布拉格光栅33构造为啁啾光纤布拉格光栅33时，其可以附加地或替代性地充当色散补偿元件60。

图2还示出了激光装置27的第二实施例，该激光装置在优选的设计方案中具有控制装置61，其中控制装置61与泵浦光源29作用连接，并且控制装置设置为用于通过选择泵浦光源29的泵浦功率来调节光纤振荡器1的脉冲持续时间。

替代性地或附加地，控制装置61与优选构造为宽带(尤其通过热学或力学)可调节的带宽限制元件59作用连接，并且控制装置设置为用于调节带宽限制元件59的带宽，尤其以便优选可以比(可能仅)通过选择泵浦功率来覆盖更大的脉冲持续时间范围。

图3示出了光纤振荡器1的第三实施例的示意图。

在这个第三实施例中，单向环路5由环形件39构成，单向环路对应地不具有反射臂31，并且单向环路在环形件39中具有增益介质52(在此为第三增益光纤63)，其中第三增益光纤63优选掺杂有与第一增益光纤9相同的元素。隔离器装置13作为隔离器元件57沿传播方向布置在第三增益光纤63之后。

在此，隔离器装置13同时构造为第二耦合输入装置65(附加于耦合输入装置11，其就此而言是第一耦合输入装置)、尤其构造为波分复用耦合器，用于耦合输入用于第三增益光纤63的泵浦光。

此外，可选地，在单向环路5中，沿传播方向在第三增益光纤63之前布置有(优选可调节的)带通滤波器67作为带宽限制元件59。

此外，可选地，在单向环路5中布置耦合输出装置69，其优选构造为抽头耦合器。通过耦合输出装置69尤其可以选择性地将有用光或用于监测光纤振荡器1的光耦合输出。

图4示出了带宽限制元件59的工作原理的图表说明。在此，a)展示了光脉冲的光谱功率密度与波长的关系图；b)展示了激光脉冲随时间变化的功率密度与时间的关系图。在根据a)和b)的关系图中，第一虚线曲线K1相应地示出了光脉冲在穿过带宽限制元件59之前的光谱或时间形状，而第二实线曲线K2相应地示出了光脉冲在穿过带宽限制元件59之后的对应形状。

通过正常色散和自相位调制的相互作用，在光纤振荡器1中产生了强啁啾光脉冲，强啁啾光脉冲在其传播过程中在光谱和时间上展宽。带宽限制元件59有利地截断光谱两侧的部分并且因此由于强啁啾而使光脉冲不仅在光谱上而且在时间上缩短。尤其以这种方式，可以满足在光纤振荡器1中循环的光脉冲的周期性的边界条件。

根据带宽限制元件59的(优选尤其通过热学或力学可调节的)带宽，尤其获得了在光谱上较宽或较窄的光脉冲。依据于此，可以借助于光纤振荡器1产生在时间上较短或较长的光脉冲。

图5示出了光纤振荡器1的第四实施例的示意图。在第四实施例中，在单向环路5中布置有色散补偿型光纤71作为色散补偿元件60。

尤其，借助于色散补偿元件60，无论其(尤其根据图2或图5的)设计方案如何，均可以调节光纤振荡器1的(正常)总色散，使其减小、尤其接近于零。

在这个实施例中，优选还设有带宽限制元件59。第一增益光纤9尤其可以构造为带宽限制元件59。替代性地或附加地，还可以例如设置带通滤波器来作为带宽限制元件59。

独立于光纤振荡器1的(尤其根据上述实施例中的一个实施例的)具体设计方案，优选将光纤振荡器1的所有光学部件均设计成是保持偏振的。

优选地，光纤振荡器1的所有光学部件均是光纤部件、或基于光纤的部件、或光纤耦合部件。尤其，光纤振荡器1优选不具有自由发射部件。

Claims (15)

1.一种无源锁模的光纤振荡器(1)，该光纤振荡器具有：

-双向环路(3)和单向环路(5)，其中，

-所述双向环路(3)和所述单向环路(5)通过3x3耦合器(7)彼此耦合，其中，

-所述双向环路(3)具有第一增益光纤(9)，并且其中，

-所述光纤振荡器(1)总体上具有正常色散。

2.根据权利要求1所述的光纤振荡器(1)，其中，所述第一增益光纤(9)掺杂有至少一种元素，该至少一种元素选自由镱、钕、铒、钬、和铥组成的组，或者所述第一增益光纤掺杂有这些元素中的至少两种元素的组合、尤其是Er/Yb或Tm/Ho。

3.根据前述权利要求之一所述的光纤振荡器(1)，其中，所述双向环路(3)具有非对称元件(4)、尤其是不对称地布置的、优选能够可变地调节的增益元件(6)和/或不对称地布置的衰减元件(8)。

4.根据前述权利要求之一所述的光纤振荡器(1)，其中，

-所述单向环路(5)不具有增益介质，或者其中，

-所述单向环路(5)具有增益介质(52)，其中，在所述增益介质(52)与所述第一增益光纤(9)之间布置有隔离器元件(57)。

5.根据前述权利要求之一所述的光纤振荡器(1)，其中，所述单向环路(5)具有反射臂(31)，其中，在所述反射臂(31)中布置有反射器元件(35)。

6.根据前述权利要求之一所述的光纤振荡器(1)，其中，所述反射器元件(35)构造为光纤布拉格光栅(33)。

7.根据前述权利要求之一所述的光纤振荡器(1)，其中，所述光纤振荡器(1)具有色散补偿元件(60)，其中优选，

-所述色散补偿元件(60)由所述反射器元件(35)构成，其方式为所述反射器元件(35)构造为啁啾光纤布拉格光栅(3)，和/或

-所述色散补偿元件(60)是色散补偿型光纤(71)，所述色散补偿型光纤优选布置在所述单向环路(5)中。

8.根据前述权利要求之一所述的光纤振荡器(1)，其中，所述反射臂(31)经由环行器元件(37)与所述单向环路(5)的环形件(39)导光地连接。

9.根据前述权利要求之一所述的光纤振荡器(1)，其中，在所述单向环路(5)中、尤其在所述反射臂(31)中布置有第二增益光纤(53)。

10.根据前述权利要求之一所述的光纤振荡器(1)，其中，所述光纤振荡器(1)具有带宽限制元件(59)，所述带宽限制元件具有从至少1pm至最大20nm、优选从至少10pm至最大15nm的带宽。

11.根据前述权利要求之一所述的光纤振荡器(1)，其中，

-所述带宽限制元件(59)构造为带通滤波器(67)，和/或其中，

-所述光纤布拉格光栅(33)构造为带宽限制元件(59)。

12.根据前述权利要求之一所述的光纤振荡器(1)，其中，在所述单向环路(5)中布置有附加的增益光纤(63)，所述增益光纤优选掺杂有与所述第一增益光纤(9)相同的元素。

13.根据前述权利要求之一所述的光纤振荡器(1)，其中，所述光纤振荡器(1)的所有光学部件构造为是保持偏振的。

14.一种激光装置(27)，该激光装置具有泵浦光源(29)和根据权利要求1至13之一所述的光纤振荡器(1)，其中，所述泵浦光源(29)和所述光纤振荡器(1)导光地彼此连接，使得所述泵浦光源(29)的泵浦光能够耦合输入到所述光纤振荡器(1)中。

15.根据权利要求14所述的激光装置(27)，该激光装置具有控制装置(61)，其中，

-所述控制装置(61)与所述泵浦光源(29)作用连接并且所述控制装置设置为用于通过选择所述泵浦光源(29)的泵浦功率来调节所述光纤振荡器(1)的脉冲持续时间，和/或其中，

-所述控制装置(61)与在其带宽方面可调节地构造的带宽限制元件(59)作用连接并且所述控制装置设置为用于，调节所述带宽限制元件(59)的带宽。