CN1722548A - 脉冲激光装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种产生光脉冲的激光装置，所述激光装置有一个反射增益元件，所述反射增益元件优选包括光纤增益介质。所述反射增益元件耦合到可控反射/发射模块，所述反射/发射模块具有反射状态和发射状态，所述可控反射/发射装置可以操作以在所述发射状态与所述反射状态之间进行转换，以引起光脉冲的形成，并转换回到所述发射状态，以在所述光脉冲在进行了腔往复之后并在到达所述反射/发射装置之前输出所述光脉冲。在一个优选实施例中，所述可控反射/发射模块在激光器的输出端包括声光转换开关并可操作以输出零衍射阶的光脉冲。

Description

脉冲激光装置和方法
发明领域
[01]本发明涉及脉冲激光辐射源。本发明特别适用于采用腔内调制器的Q开关光纤激光器。
发明背景
[02]与常规的其它二极管泵浦固体(DPSS)激光器相比，连续波(CW)光纤激光器有许多优点。这样的光纤激光器的脉冲运行具有许多用途，但也提出一些新的挑战。
[03]一般来讲，激光器的脉冲运行可通过主动的或被动的Q开关调制或主动的或被动的锁模来实现。在激光器的Q开关中，所述激光腔的细度参数通过插入另外的腔内损耗来降低，这样就能够使所述激光器的激活介质中的粒子数反转增加，而无需启动激光发射。当所述损耗元件，通常是声光调制器(AOM)被关闭时，光脉冲就在所述腔的几个往复中迅速形成，且会产生巨光脉冲。
[04]在常规的Q开关式的激光器中，由AOM提供5-10dB的往复腔内损耗，所述AOM被定位以将所述激光模偏转成第一衍射阶并离开所述腔镜，而由零衍射阶提供光输出。由于这种损耗一般大于所述腔的往复光增益，所以所述AOM阻止激光的发射直到它被关闭，在这个关闭点，在所述腔中产生巨光脉冲。
[05]发明人为Amano的美国专利5,193,096公开了一种声光Q开关的固体激光器，所述激光器具有Q开关的声光元件，所述声光元件位于一对激光器谐振镜之间，并通过突然改变所穿过的谐振激光的损耗来控制Q开关的振荡。
[06]类似的Q开关调制方法也曾用在几个现有技术中光纤激光器的Q开关中。发明人为Mears等人的美国专利4,955,025公开了一种二极管泵浦光纤激光器，这种二极管泵浦光纤激光器可用传输模式的腔内声光偏转器或机械斩波器进行Q开关调制，且具有输出镜，该输出镜可部分地以所述激光发射波长透射。发明人为Fermann等人的美国专利5,818,630公开了一种多模光纤激光器，在所述多模光纤激光器中采用光学转换开关，所述光学转换开关用于输出耦合，并用来调制由两个端镜所限定的腔的损耗(Q)。作为选择，该激光器的脉冲输出可通过使用部分地透射的镜来获取。
[07]不过，在光纤激光器特别是双包层光纤激光器中，激活介质的长度一般远远长于DPSS激光器或其它类型的激光器的激活介质，这样就会导致在典型的泵浦条件下的cw光纤激光器的往复光学增益大于10dB，并可能导致Q开关调制的激光器的往复小信号增益非常高，可达50dB和更高。在这种情况下，来自作为前述零阶Q开关的AOM运行的最大可达损耗可能不足以阻挡激光发射的开始，因此这种方法并不总是能够使用。
[08]相反，如果将AOM用作Q开关，所述激光器必须在第一阶运行中用Q开关进行调制，在所述第一阶运行中，激光腔在所述AOM打开时形成，且所述激光模以第一或更高衍射阶被偏转以朝向输出腔镜。所述第一阶运行的主要优点在于，与一般可在所述零阶运行中实现的小于10dB相比，在所述第一阶运行情况下的“打开”和“关闭”状态中的腔内损耗的对比率可高于50dB。
[09]发明人为Scott的美国专利RE29,421公开了在激光系统中具有可进行电子选择的增益的第一阶Q开关，所述激光系统包括声光偏转器。激光腔包括位于第一和第二反射装置之间的激光材料棒，所述第二反射装置排列成一条直线，所述直线与所述激光棒的纵轴形成一个预先选定的角；所述激光腔还包括声光射束反射器，该声光射束反射器将激光发射反射到所述第二反射装置。
[10]在没有AOM的光纤激光器中产生光脉冲的其他现有技术的方法也已有描述。发明人为Jain等人的美国专利6,510,167公开了一种锁模光纤激光器，该锁模光纤激光器在激活光纤段的一端采用固定的或可调谐的FBG，且在另一端采用电光可调谐的FBG，其中对所述电光可调谐的FBG进行调制，以实现激活锁模。不过，在美国专利6,510,167中所描述的FBG的电光调谐的相对较小的调制深度阻止了有效的Q开关调制。发明人为Chandonnet等人的美国专利5,444,723公开了一种在Q开关调制的光纤激光器中的光学转换开关，所述Q开关调制的光纤激光器具有一段外露光纤，所述光纤的安装大体上平行于活动指数覆盖扰动垫，所述活动指数覆盖扰动垫的折射率大于光纤芯，以控制从所述光纤芯逃逸的光量。不过，外露光纤芯对其长期的可靠性可能会具有负面效应，所以一般来讲应该避免。
[11]虽然符合它们各自的目的，但前述现有技术中的用Q开关进行调制的解决方法再加上前面所提到的局限性具有一个共同的特征，即对其输出效率具有负面影响：当各自的Q开关打开时输出激光脉冲，且所述激光器处于腔的低损耗、高Q状态。因此，所述脉冲要么通过部分地透射的镜输出，要么通过分光镜输出，这样就降低它们的输出光功率。所以有一种具有部分反射的输出耦合器的用于Q开关调制的激光装置就会很有好处，这种部分反射的输出耦合器提供高的对比率并降低其向输出激光脉冲的反射率。
[12]本发明的一个目的在于提供一种用于有效地产生高功率光学脉冲的脉冲光纤激光器，所述脉冲光纤激光器包括可控反射/透射输出耦合器，所述可控反射/透射输出耦合器具有高的对比率和小于在所述激光腔中的脉冲往复的转换时间，且被转换到透射状态以输出光学脉冲。
[13]本发明的另一个目的在于提供一种光纤激光器的Q开关调制方法，这种方法能够有效地产生和控制高功率光学脉冲。
发明概述
[14]根据本发明的第一个方面，提供一种产生光学脉冲的激光装置，包括反射增益元件，所述反射增益元件包括第一反射装置、输入/输出端口和位于所述第一反射装置与所述输入/输出端口之间的增益介质，以及提供泵浦辐射到所述增益介质以产生光学增益的光学泵浦装置，所述反射增益元件用于沿着第一光径从所述输入/输出端口发射光辐射；所述激光装置还包括可控反射/透射装置，所述可控反射/透射装置放置在所述第一光径中，并具有用于将所述光辐射的可控部分反射回所述增益介质的反射状态，和用于沿着所述第一光径透射所述光辐射以形成输出光辐射的透射状态；其中所述可控反射/透射装置可以操作以从所述透射状态转换到所述反射状态，从而通过所述增益介质形成时间光腔，所述时间光腔位于所述第一反射装置与所述可控反射/透射装置之间，以使得持续时间小于所述时间光腔中的光辐射的可控部分的往复时间。
[15]根据本发明的另一个方面，提供一种通过Q开关调制产生光脉冲的方法，包括以下步骤：a)提供反射增益元件，所述反射增益元件包括第一反射装置、输入/输出端口和位于所述第一反射装置和所述输入/输出端口之间的增益介质，以及提供泵浦辐射到所述增益介质以产生光学增益的光学泵浦装置，所述反射增益元件用于沿着第一光径从所述输入/输出端口发射光辐射，b)提供可控反射/透射装置，所述可控反射/透射装置放置在所述第一光径上，并具有用于将所述光辐射的可控部分反射回所述增益介质的反射状态，和用于沿着所述第一光径穿过所述反射/透射装置透射所述光辐射以形成输出光辐射的透射状态，所述可控反射/透射装置还可以操作以在所述反射状态与所述透射状态之间进行转换，c)将所述可控反射/透射装置从所述透射状态转换到所述反射状态，从而通过所述增益介质形成时间光腔，所述时间光腔位于所述第一反射装置与所述可控反射/透射装置之间，以使得持续时间小于所述时间光腔中的光辐射的可控部分的往复时间，以启动光学脉冲，d)将所述可控反射/透射装置从所述反射状态转换到所述透射状态，以沿着所述第一光径发射来自于所述增益元件且穿过所述可控反射/透射装置的光学脉冲。
[16]在本发明的一个优选实施例中，所述增益介质是一段掺杂双包层光纤，所述掺杂双包层光纤具有单模芯，且所述可控反射/透射装置包括路径转换装置，以沿着第二光径转换所述光辐射的可控部分，所述可控反射/透射装置还具有放置在所述第二光径中的第二反射装置，以通过所述路径转换装置向所述反射增益元件提供时间光反馈。
[17]在一个实施例中，所述路径转换装置包括感生时间衍射光栅的介质，所述时间衍射光栅用于通过衍射方式来沿着所述第二光径转换所述光辐射的可控部分，所述第二光径由所述时间衍射光栅上的光辐射的第一或更高阶衍射所限定。所述路径转换介质可以，例如，是一个声光转换开关。
[18]在本发明的第二个方面的一个实施例中，将所述可控反射/透射装置从所述透射状态转换到所述反射状态的步骤还包括，改变被沿着所述第二光径转换而朝向所述第二光学装置的光辐射部分，以形成所述光学脉冲的步骤。
附图简述
[19]本发明的示范性实施例就会通过结合附图进行描述，在这些附图中：
[20]图1是本发明的优选实施例的示图。
[21]图2A是进入所述AO转换开关的输出脉冲的时间矢量图
[22]图2B是应用到所述AO转换开关的RF脉冲的时间矢量图。
[23]图3A是根据本发明的光纤装置的示图，所述光纤装置用于产生光学脉冲并包括可调光纤布拉格光栅。
[24]图3B是示出根据本发明的光纤装置的运行的示图，所述光纤装置用于产生光学脉冲并包括可调光纤布拉格光栅。
[25]图4是光纤装置的示图，所述光纤装置用于产生光学脉冲并包括电光转换开关。
优选实施例详细描述
定义
[26]在开始对优选实施例进行实质性描述之前，对几个术语进行定义是必要的。
[27]术语“频率”和术语“波长”在本申请中的使用是可以互换的。虽然频率等于速度除以波长，但在光纤用途中，光在光纤中的速度是恒定的。因此，对所有的目的而言，波长和频率是可互换使用。
[28]术语“掺杂剂”用在本发明中意指任何额外元素或其组合，这种额外元素加在材料中以增强或抑制该材料的某种性能。掺杂剂的例子包括但并不仅限于：锗(Ge)、氢(H)、钕(Nd)、镱(Yb)、锆(Zr)、锌(Zn)、铒(Er)、镨(Pr)、铥(Tm)和其它的原子或离子种类。本发明中有关的特别性能是能够作为活性材料或光增强材料。
[29]术语“布拉格光栅”用在本申请中意指包含交替周期分段的结构，所述交替周期分段是变化的具有周期性的高的和低的折射率材料分段和/或在所述结构的良好限定的位置上的适当嵌入的相位偏移分段。一个周期限定为一套相邻的高的和低的折射材料分段。通过此限定就会理解高的和低的折射材料的顺序是无关紧要的，只要求在相邻的分段之间的折射率有变化。虽然仅示出了均质光栅，但非均质光栅的设想也在本发明的范围之内。
[30]术语“光纤”或“光纤段”或“纤维光学波导管”用在本申请中意指用来从一个点向另一个点引导光波的任何波导管。除非另有说明，此定义明确包括单模和多模光纤以及具有任何截面形状或任何单独或多个包层的几何形状的任何波导管。此外，除非另有说明，此术语还包括掺杂或未掺杂的任何波导管。
[31]出于本发明的目的的术语“增益介质”意指向光学信号提供增益的介质。这样的介质的例子包括但并不仅限于掺杂光纤光学波导管或半导体光学放大器。有多种能够用于在光纤分段中产生增益介质的掺杂剂(见上述术语掺杂剂的定义)。
[32]术语“声光调制器”(AOM)和“声光转换开关”或“AO转换开关”在本申请中均指包括一种介质并在本申请中互换使用，在这种介质中，衍射光栅可通过声光效应而可控制地感生，以响应所施加的RF信号。
[33]产生光学脉冲的激光装置的优选实施例在图1中示出并在下面进行描述。
[34]反射增益元件10包括一段双包层光纤8，所述一段双包层光纤8由一种或几种稀土元素掺杂，如Yb或Er，以产生光学增益，反射增益元件10还包括多模泵浦合成仪4以及第一反射装置6，所述多模泵浦合成仪4附在并光学耦合到所述双包层光纤段8的近端。所述多模泵浦合成仪4将来自多个泵浦源2的泵浦辐射合并，形成合并的泵浦辐射并将所述合并的泵浦辐射通过所述双包层光纤段8的近端注入所述双包层光纤段8，所述泵浦源2的例子如可在商业上获取的980nm二极管激光器，所述980nm二极管激光器具有耦合到所述泵浦合成仪4的一个输入端的尾纤3。所述第一反射装置6是一种高反射率的选频反射器，该选频反射器合并在所述双包层光纤段8之间并位于所述双包层光纤段8的近端附近，一般距所述泵浦合成仪在0.1-3m内。作为选择，所述第一反射装置6可合并在所述泵浦合成仪4内，或者附在所述泵浦合成仪4上并光学上连接所述泵浦合成仪4和所述掺杂双包层光纤段8。在一个优选实施例中，所述高反射率的选频反射器6是一种窄带光纤布拉格光栅，所述窄带光纤布拉格光栅在激光频率flas时具有超过90％的最大反射率，所述激光频率flas处于光学泵浦光纤段8的正光学增益的Δfg的光谱范围内，且所述高反射率的选频反射器6能够在所述泵浦辐射的波长范围内透射。对于掺杂镱的光纤来说，此频率范围一般相当于约1060nm到1150nm之间的波长范围，该波长范围依赖于泵浦条件、光纤段的长度和其它掺杂种类的存在等。所述掺杂光纤段8的第二端11作为所述反射增益元件10的输入/输出端口，且优选以一个角度抛光以避免背反射进入引导光纤模。例如，所述光纤段可通过商业上可获得的APC型光学连接器在所述第二端终止。所述掺杂光纤段8的总长度一般从几米到100米或更长。在被所述光纤的掺杂区域中产生粒子数反转的足够的泵浦辐射泵浦时，所述掺杂光纤段8能够通过放大的自发发射(ASE)从其第二端发射光辐射。
[35]所述反射增益元件10的输入/输出端口11通过耦合透镜12在光学上耦合到可控反射/透射装置50的输入端口，以从所述光纤段8接收光辐射，下面将所述光辐射简称为输入辐射。所述耦合透镜12可以是适于所述光纤段8和所述可控反射/透射装置50的有效光学耦合的一套耦合透镜或耦合与准直透镜。所述可控反射/透射装置50，在下面也简称为转换模块，具有反射状态和透射状态，所述反射状态用于将一部分所述输入辐射反射回去，所述输入辐射具有大体上相当于flas的光学频率，所述透射状态用于将所述输入辐射通过所述转换模块的输出光学端口发射，以形成输出辐射20，且所述转换模块的输出光学端口具有实质上的零反射。所述转换模块50可在特征打开时间τON内从所述透射状态转换到所述反射状态，以响应控制信号，并可在特征关闭时间τOFF内从所述反射状态转换到所述透射状态。所述打开和关闭时间确定所述转换模块50的特征转换时间τ，例如，所述特征转换时间可定义为所述打开和关闭时间之和。
[36]在一些实施例中，由处于反射状态中的所述转换模块所反射回的输入辐射的一部分可通过改变控制信号进行变化。
[37]当所述转换模块50打开时，即处于所述反射状态时，所述第一反射光栅6和所述转换模块50形成时间光腔，所述增益介质8被限制在所述时间光腔中。所述光腔有一个光程L，所述光程L主要由在所述第一反射装置6和所述光纤输入/输出耦合器11之间的所述光纤段8的光程限定。其它有助于所述光腔的光程的因素是所述输入/输出光纤耦合器11与所述转换模块的输入端口之间的光径以及所述转换模块50内的内光径。所述光腔的光程将光子在腔内的往复时间限定为τcav＝2L/c中，其中c是光速。
[38]在所述优选实施例中，所述可控反射/透射装置50包括声光(AO)转换开关15、AO控制器30和第二反射装置16，所述声光转换开关15在下面也称为声光调制器(AOM)。所述AO转换开关15电气连接到所述AO控制器30，所述AO控制器30能够向所述AO转换开关提供RF信号，以在所述AO介质中感生时间衍射光栅。所述时间衍射光栅能够以朝着所述第二反射装置16的衍射方向18偏转具有光学频率flas的输入光辐射的一部分。所述第二反射装置16，例如，可以是介质镜或以所述光学频率flas反射的其它任何反射器，且将在下面简称为第二反射器16。所述衍射方向18可以是具有频率flas的输入光辐射的第一阶或更高阶衍射方向。当将所述RF信号加到所述AO转换开关时，在所述打开时间τON内形成包括所述光纤段8的时间光腔，所述时间光腔位于所述第一反射器6与所述第二反射器16之间。当所述RF信号被关闭时，在时间延迟τOFF之后，所述时间衍射光栅就会结束存在，且所述输入辐射就被朝着所述AO转换开关的输出端口传递而并不被偏转，以形成以零阶衍射阶方向20传播的输出辐射Pout。
[39]通过对根据本发明的优选实施例的产生光脉冲的激光装置的运行进行考虑，就能够使本发明的其它重要的特征变得清晰起来。现通过参考图2A和2B对这种运行进行描述。
[40]为了清楚起见，我们假定在所述激光器的运行开始时所述AO转换开关15是关闭的，且所述反射/透射装置50处于所述透射状态。在这种状态中，所述AO控制器没有向所述AO转换开关提供RF信号，因此也就没有感生时间衍射光栅，这样就使所述光辐射穿过所述AO转换开关到达所述反射/透射装置50的输出端口而并不衍射，所述光辐射来自于所述掺杂光纤段8且被耦合到所述AO转换开关的输入端口中。虽然所述输入辐射中的一部分可能会由于在所述AO转换开关中的衰减而损耗，但在这种状态之中的任何背反射可忽略不计，这种忽略可通过本领域中的技术人员所熟知的AO转换开关的适当设计来确保。在这种状态中，由掺杂稀土的光纤段8所吸收的泵浦辐射通过增加的粒子数反转方式导致在所述光纤中的能量聚集，所述能量聚集仅由来自所述光纤中掺杂区域的光辐射的自发发射进行平衡。限定在所述光纤芯的引导模内的所述自发发射的部分沿着所述光纤放大传播。因此，在这种状态中，由所述转换模块50接收且来自从所述光纤段8的所述输入光辐射是放大的自发辐射PASE，这种放大的自发辐射PASE在图2A中用线200示出。在这种状态中的大多数泵浦功率由所述掺杂光纤段以粒子数反转的形式聚集。
[41]参看图2B，所述AO控制器在时间瞬间t0首先将所述AO转换开关打开，然后在时间间隔τ之后将其关闭，因此就形成预定振幅和频率的RF脉冲210。将所述RF脉冲施加到所述AO介质，这样就会在所述AO介质中感生时间衍射光栅，所述时间衍射光栅具有根据所施加的RF信号进行变化的瞬时衍射效率。所述输入辐射的大部分由所述时间衍射光栅以所述衍射方向18偏转，因此就形成种子光脉冲。所述种子光脉冲由所述反射器16向所述AO转换开关反射，然后由时间衍射光栅耦合回到所述掺杂光纤段8中，所述时间衍射光栅由所述RF脉冲210在所述AO转换开关中所感生。在所述光纤段8中，从所述输入/输出耦合器11到所述高反射率反射器6以及从所述高反射率反射器6到所述输入/输出耦合器11的一次往复之后，所述种子光脉冲就会通过吸收所聚集的泵浦能量由所述增益介质大大地放大并成形。这样所形成的放大光脉冲230被耦合到所述AO转换开关15的输入端口。
[42]在现有技术中典型的Q开关调制的激光器排列中，光脉冲输出而激光腔仍在高Q状态，不管是通过输出镜还是通过腔内射束分裂器。这种标准的排列对短的腔可能是有好处的，这些短的腔具有相对较低的往复光学增益，这种往复光学增益定义为激光脉冲在所述激光腔中的往复之后所经历的光学增益，因为之后会需要多个脉冲往复以获取足够的脉冲放大。不过，现有技术中的这种排列会降低所述激光器的输出效率，因为脉冲能量的一部分要么损耗掉，要么被返回到所述激光腔之中。
[43]不过，在本发明中，在所述放大的光脉冲到达所述反射/透射装置50之前，就将所述反射/透射装置50转换到所述透射状态，如图2A和2B所示，这样就会使得所述脉冲穿过所述反射/透射装置50传播而到达所述输出端口。为了引起所述转换，所述反射/透射装置50具有特征转换时间τswitch，所述特征转换时间τswitch小于所述腔往复时间τcav：
τswitch＜τcav           (1)
[44]在图1所示的优选实施例中，所述AO转换开关在所述放大的脉冲到达所述AO转换开关之前关闭，这样就使所述脉冲230穿过所述转换开关传播而并不被偏转。本发明的这种Q开关调制的新颖的方法提高了所述Q开关调制的光纤激光器的输出效率，而且还有其它的优点。
[45]对于光纤激光器来说，这种方法由常规的固体激光器和光纤激光器之间的关键差别所支持，即它们的腔长大约有两个数量级的差别。对于30m的典型的光纤激光器来说，所述光学往复时间是300nsec。此往复时间与AOM的转换时间τ属于相同的数量级，对于典型的直径为80μm的射束来说，所述转换时间τ是～100nsec。由于条件(1)适用于这种情况，所以打开所述AOM以启动光脉冲的形成，且在所述脉冲穿过所述腔并返回到所述AOM之前关闭所述AOM是可能的。在这种情况下，所述输出脉冲被透射并穿过所述AOM且并不受到所述AOM衍射效率或穿过输出镜的传输损耗的影响。由于在长的掺杂光纤段中的非常大的往复增益，且由于所述脉冲功率的饱和，所述光纤腔中的脉冲的多个往复并非必要甚至是并不想要的，所述脉冲功率的饱和可能在所述光纤腔中的脉冲的第一个往复期间就已出现。
[46]不过，在一些实施例中，所述光脉冲230在穿过所述增益介质的单个往复之后可能并没获得足够的能量以达到增益饱和。在这些实施例中，所述转换模块50可在一个持续时间内保持在所述反射状态，以使所述脉冲在所述腔中进行预定数量N次的往复，然后在所述脉冲到达所述转换模块的输入端口之前，将所述转换模块转换到所述透射状态。所述脉冲持续时间小于所述腔往复时间和所述转换时间，因此可从所述腔中获取所述脉冲而没有实质上的损失。
[47]本发明的前述Q开关调制的方法的优点在于：
[48]1)由于所述输出脉冲在所述输出端并不经历传输损失，所以所述激光器的效率是大于常规结构的～20％。
[49]2)所述输出激光器的效率独立于所述AOM衍射效率，因此可以使用耐用而廉价的材料，如熔融石英，而不是更奇异的高AO系数材料，如TeO2，这些更奇异的高AO系数材料用于高效AOM之中。这就极大地降低了所述AOM中由高功率光脉冲所导致的光学损坏的可能性。
[50]3)所述脉冲沿着所述光轴的中心离开所述AOM，这样就极大地简化了所述激光器之后的光学透镜的设计。
[51]在另一个实施例中，可在所述光脉冲的输出期间保持所述AOM，这样就会将所述脉冲的大部分偏转到所述第一阶方向18而离开所述激光器的输出端口。这种方法可用于将“脉冲拾取”能力结合到所述激光器中，在这种激光器中，单独的脉冲可从所述激光器输出中被选出。
[52]在再一个实施例中，可对所述第二反射器16在大范围内进行调节，以优化所述脉冲形状和持续时间。作为选择，可通过变化所述RF信号的振幅来有效地调节所述AOM衍射效率，以控制所述脉冲形成时间并得到脉冲形状。这一点对于制定所述脉冲形状以将所述光纤中的光学非线性降到最小来说可能会特别重要。
[53]与现有技术中传统的结构相比，前述的Q开关调制结构也有优点，在传统的结构中，诸如AOM的Q开关放置在位于高反射率反射器与增益介质之间的腔的高反射率(HR)端，而不是放置在位于所述增益介质与一个输出耦合器之间的输出端。这些优点包括：
[54]1)省去了泵浦/信号复用器，因此就能够产生简单的末端泵浦激光器结构。
[55]2)减少了必须得自由空间地耦合在单模光纤中的功率的数量。如果所述AOM位于所述腔的HR端，所有的光功率在从所述HR反射器反射之后必须重新耦合在所述单模光纤中。在本发明的输出AOM结构中，仅有4％或更少的输出功率被耦合回所述单模光纤之中。这对于以高的平均功率运行时降低光学损伤而言特别重要。
[56]3)降低的光纤耦合损失和AOM损失，因为所述输出脉冲仅穿过所述AOM一次；注意由于前述的在所述泵浦光纤段中的脉冲功率的饱和，所述种子脉冲的初始功率以及因此而导致的所述种子脉冲的AOM光纤耦合损失就不太重要了。
[57]本发明的第一方面是提供一种产生光脉冲的激光装置，前述的本发明的第一方面的优选实施例包括掺杂光纤作为增益介质以及用于Q开关调制的基于AOM的反射/透射装置。不过，包括其它类型的反射增益元件和/或其它类型的反射/透射装置的本发明的其它实施例也是可行的，在这些实施例中，所述反射/透射装置具有反射状态和透射状态，并可操作以从所述透射状态转换到所述反射状态以在一个持续时间形成时间光腔，所述持续时间小于所述时间光腔中光辐射的可控部分的往复时间。
[58]在一个可供选择的实施例中，快速机械转换开关，如基于MEMS的转换开关，可用来替代所述优选实施例中的AO转换开关，而无需对图1中所示的激光器结构或前述的其运行方法进行改变，这种运行方法是本发明中的重要部分。
[59]参看图3A，在另一个实施例中，窄带可调光纤布拉格光栅(FBG)模块300用作所述反射/透射元件，FBG控制器310电气连接到所述FB6模块300以调整所述DFB反射的波长，且输出耦合器315放置在所述可调FBG模块300的输出端。与图1中所示的优选实施例类似，所述反射增益元件包括掺杂光纤的的光学泵浦段和所述第一高反射率反射器6，例如，耦合到所述光纤段8并接近于所述光纤段的近端的第一FB6。
[60]现通过参考图3B对根据本发明的产生光脉冲的激光装置的实施例的运行进行简单描述。所述可调FBG模块的反射带330既可以在频区域中与中心在光频率flas的所述第一高反射率FBG的反射带320准直，也可以被偏移而离开所述第一FBG的反射带以将它们的重叠降低到可忽略的水平，优选至少10dB。所述可调FBG的反射带被偏移而离开所述第一FBG的反射带320的状态对应于所述激光器的“关闭”状态，在这种“关闭”状态中，所述泵浦能量由所述增益介质所聚集。具有光频率flas的光脉冲的形成通过将所述反射带分别在所述激光频率flas处进行准直开始，该准直相当于在所述第一FBG 6和所述可调FBG 300之间打开时间光腔。在所述反射带的准直之后，在小于腔往复时间τcav的时间间隔中，所述反射带330被调谐而离开所述第一FBG的反射带320，如用快速压电效应伸长所述FBG的方法来调谐，且将所述光脉冲透射并穿过所述可调FBG而到达所述输出耦合器315并形成输出激光脉冲。虽然本发明的所有前述实施例包括一段掺杂光纤作为增益元件，但本领域中熟练的技术人员会理解本发明并不仅限于光纤激光器，而可以使用其它类型的增益元件，只要作为组成成分的透射/耦合装置的激光腔往复时间和特征转换时间符合等式(1)。
[61]参看图4，现对另一个可供选择的实施例进行描述，在此实施例中，所述反射/透射元件以电光(EO)转换开关420为基础，并可操作以在两个正交偏振状态之间转换所穿过其间的光辐射的偏振。能够完成此功能的EO转换开关可在商业上获取并一般用电光材料制成，所述电光材料具有电气上可控的双折射，如LiNbO3。
[62]双包层偏振保持光纤的掺杂段410的一端具有泵浦合成仪4和高反射率反射器6，并通过其另一端光学耦合到所述EO转换开关420的输入光学端口。所述EO转换开关的输出光学端口耦合到偏振分束器440的输入端口。所述双包层偏振保持光纤的掺杂段410支持在实质上单独的偏振状态下的光的优先传播，并对于在正交偏振状态下的光具有高的光损失。在穿过所述泵浦合成仪4被光学泵浦时，所述光纤段410提供光学增益并发出至少是部分地偏振的ASE辐射，所述ASE辐射被耦合到所述EO转换开关420中。所述EO转换开关420具有输入辐射的优选偏振状态且将其方向相对确定为朝向所述光纤段410的输出端，以将其优选偏振状态与所述至少是部分地偏振的ASE辐射的主要偏振状态准直。
[63]所述EO转换开关可进行操作以在两个正交输出偏振状态之间转换所穿过其间的光辐射的偏振，所述两个正交输出偏振状态在下面简称为偏振状态A和偏振状态B。EO转换开关的输出端口405光学耦合到偏振分束器440。确定所述偏振分束器440的方向以传递具有所述EO转换开关的输出偏振状态中的一个偏振状态的辐射，如穿过所述偏振分束器440的偏振状态A，并将具有所述偏振状态B的正交偏振辐射偏转而朝向高反射率镜16。提供EO控制器430，所述EO控制器430具有电气连接到所述EO转换开关420的输入电气端口的输出电气端口，以对所述EO转换开关的输出偏振在所述状态A和状态B之间进行控制转换。
[64]因此，所述EO转换开关420、所述偏振分束器440和所述高反射率镜16形成可控反射/透射装置50，这种可控反射/透射装置50可进行操作以在透射状态和反射状态之间进行转换，在所述透射状态下，耦合到所述EO转换开关的输入光学端口的光辐射穿过所述EO转换开关的输入光学端口透射以形成输出激光辐射400，在所述反射状态下，在所述反射器6与所述镜16之间形成时间光腔，且开始光脉冲的形成，如图2所描述的那样。与前述的本发明中采用AO转换开关的第一实施例相比，本实施例采用EO转换开关，所述EO转换开关的转换大大快于AO转换开关，并因此而可在所述掺杂光纤段相对较短时使用，如1米或更短。图中示出了几厘米长的双包层光纤激光器。
[65]当然，也可设想其它的实施例，而并不背离本发明的精神和范围。

Claims (24)

1.一种产生光学脉冲的激光装置，包括：
反射增益元件，所述反射增益元件包括第一反射装置、输入/输出端口和位于所述第一反射装置与所述输入/输出端口之间的增益介质，以及提供泵浦辐射到所述增益介质以产生光学增益的光学泵浦装置，所述反射增益元件用于沿着第一光径从所述输入/输出端口发射光辐射；
可控反射/透射装置，所述可控反射/透射装置放置在所述第一光径上，并具有用于将所述光辐射的可控部分反射回所述增益介质的反射状态，和用于沿着所述第一光径透射所述光辐射以形成输出光辐射的透射状态；
其中所述可控反射/透射装置可以操作以从所述发射状态转换到所述透射状态，从而通过所述增益介质形成时间光腔，所述时间光腔位于所述第一反射装置与所述可控反射/透射装置之间，以使得持续时间小于所述时间光腔中的光辐射的可控部分的往复时间。
2.如权利要求1所述的激光装置，其特征在于，所述增益介质是固体增益介质。
3.如权利要求2所述的激光装置，其特征在于，所述固体增益介质具有波导性能。
4.如权利要求3所述的激光装置，其特征在于，所述固体增益介质是具有第一端和第二端的一段光纤，其中所述第二端是所述增益元件的输入/输出端口。
5.如权利要求4所述的激光装置，其特征在于，所述光纤是双包层光纤。
6.如权利要求4所述的激光装置，其特征在于，所述光纤的至少一部分用稀土元素掺杂。
7.如权利要求4所述的激光装置，其特征在于，所述光纤的至少一部分用以下元素中的至少一种掺杂：Nd、Yb、Er、Er：Yb、Tm。
8.如权利要求1所述的激光装置，其特征在于，所述输出光辐射包括单空间模。
9.如权利要求3所述的激光装置，其特征在于，所述固态增益介质具有支持所述光辐射的单空间模的单模芯。
10.如权利要求5所述的激光装置，其特征在于，所述光学泵浦装置包括一个或多个产生泵浦辐射的泵浦源和一个泵浦合成仪，所述泵浦合成仪耦合到所述光纤，以将来自所述一个或多个泵浦源的光泵浦辐射合并成合成的泵浦辐射，并将所述合成的泵浦辐射耦合到所述光纤中。
11.如权利要求5所述的激光装置，其特征在于，所述第一反射装置是合并到所述光纤中的光纤布拉格光栅。
12.如权利要求10所述的激光装置，其特征在于，所述泵浦合成仪通过所述第一光纤端耦合到所述光纤。
13.如权利要求1所述的激光装置，其特征在于，所述可控反射/透射装置包括机械转换开关。
14.如权利要求1所述的激光装置，其特征在于，所述可控反射/透射装置包括电光转换开关。
15.如权利要求1所述的激光装置，其特征在于，所述可控反射/透射装置包括声光转换开关。
16.如权利要求1所述的激光装置，其特征在于，所述可控反射/透射装置包括：
路径转换装置，以沿着第二光径转换所述光辐射的可控部分，和
放置在所述第二光径中的第二反射装置，所述第二反射装置用于通过所述路径转换装置向所述反射增益元件提供时间光反馈。
17.如权利要求16所述的激光装置，其特征在于，所述路径转换装置包括感生时间衍射光栅的介质，所述时间衍射光栅用于通过衍射方式来沿着所述第二光径转换所述光辐射的可控部分，其中所述第二光径由所述时间衍射光栅上的光辐射的第一或更高阶衍射所限定。
18.如权利要求11所述的激光装置，其特征在于，所述可控反射/透射装置包括可调布拉格光栅。
19.如权利要求16所述的激光装置，其特征在于，所述转换装置是可控的，以改变被沿着所述第二光径转换而朝向所述第二反射装置的光辐射的一部分。
20.如权利要求16所述的激光装置，其特征在于，所述转换装置有一个特征转换时间，且所述特征转换时间小于所述第二反射装置与所述第一反射装置之间的部分光辐射的往复时间。
21.通过Q开关调制产生光脉冲的方法，包括以下步骤：
提供反射增益元件，所述反射增益元件包括第一反射装置、输入/输出端口和位于所述第一反射装置和所述输入/输出端口之间的增益介质，以及提供泵浦辐射到所述增益介质以产生光学增益的光学泵浦装置，所述反射增益元件用于沿着第一光径从所述输入/输出端口发射光辐射；
提供可控反射/透射装置，所述可控反射/透射装置放置在所述第一光径中，并具有用于将所述光辐射的可控部分反射回所述增益介质的反射状态，和用于沿着所述第一光径穿过所述反射/发射装置透射所述光辐射以形成输出光辐射的透射状态，所述可控反射/透射装置还可以操作以在所述反射状态与所述透射状态之间进行转换；
将所述可控反射/透射装置从所述透射状态转换到所述反射状态，从而通过所述增益介质形成时间光腔，所述时间光腔位于所述第一反射装置与所述可控反射/透射装置之间，以使得持续时间小于所述时间光腔中的光辐射的可控部分的往复时间，以启动光学脉冲；
将所述可控反射/透射装置从所述反射状态转换到所述透射状态，以沿着所述第一光径发射来自于所述增益元件且穿过所述可控反射/透射装置的光学脉冲。
22.如权利要求21所述的产生光脉冲的方法，其特征在于，将所述可控反射/透射装置包括：
路径转换装置，以沿着第二光径转换所述光辐射的可控部分；和
放置在所述第二光径中的第二反射装置，所述第二反射装置用于通过所述路径转换装置向所述反射增益元件提供时间光反馈；
并且，将所述可控反射/透射装置从所述透射状态转换到所述反射状态的步骤还包括，改变沿着所述第二光径转换而朝向所述第二反射装置的光辐射部分，以形成所述光学脉冲的步骤。
23.如权利要求22所述的产生光脉冲的方法，其特征在于，所述反射增益元件包括一段双包层掺杂光纤作为所述增益介质，所述一段双包层掺杂光纤具有用于光泵浦的第一端和作为输入/输出端口的第二端，以及包括用于通过所述第一端泵浦所述一段双包层掺杂光纤的光学泵浦装置，所述光学泵浦装置包括多个泵浦源，所述多个泵浦源光学耦合到泵浦合成仪，所述泵浦合成仪耦合到所述第一端，其中所述可控反射/透射装置可包括以下装置中的一种：机械转换开关、电光转换开关、声光转换开关、可调布拉格光栅。
24.通过Q开关调制产生光脉冲的方法，包括以下步骤：
提供反射增益元件，所述反射增益元件包括第一反射装置、输入/输出端口和位于所述第一反射装置和所述输入/输出端口之间的增益介质，所述增益介质用于沿着第一光径从所述输入/输出端口发射光辐射；
提供光学泵浦装置，所述光学泵浦装置用于提供进入所述增益介质的泵浦辐射以产生光学增益；
提供可控反射/透射装置，所述可控反射/透射装置放置在所述第一光径中，并具有用于将所述光辐射的可控部分反射回所述增益介质的反射状态，和用于沿着所述第一光径穿过所述反射/透射装置透射所述光辐射以形成输出光辐射的透射状态，所述可控反射/透射装置还可以操作以在所述反射状态与所述透射状态之间进行转换；
将所述可控反射/透射装置从所述透射状态转换到所述反射状态，从而通过所述增益介质形成时间光腔，所述时间光腔位于所述第一反射装置与所述可控反射/透射装置之间；和
将所述可控反射/透射装置从所述反射状态转换到所述透射状态，以在所述光脉冲在所述时间光腔中进行了预定数量的往复之后，沿着所述第一光径透射来自于所述增益元件且穿过所述可控反射/透射装置的光学脉冲。
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