CN1901417A - 用于传输高功率短脉冲的光纤系统 - Google Patents

Abstract

描述一种传输超短脉冲的光纤系统，它具有因非线性产生的最小畸变。该系统是基于传输少模光纤中高阶模(HOM)的光脉冲。该光纤设计成HOM有非常大的色散。这导致传输光纤的色散长度L_D是极其小，最好是小于非线性长度L_NL。在这些条件下，该系统可以设计成这样，光脉冲经受最小的非线性损伤，而在传输光纤的输出端可以再现短脉冲/高峰值功率强度。

Description

用于传输高功率短脉冲的光纤系统

技术领域

本发明涉及产生非常短、高功率光脉冲的光纤系统。

背景技术

(以下的部分描述可能不是现有技术)

光纤激光器可用于产生有高脉冲能量，高光束质量和优良光学特性的光脉冲。这些光脉冲激光器有各种应用，包括：用于知道物质中超快速电子过程的时间分辨近场扫描光学显微术(NSOM)泵激探测实验(见S.Smith，N.C.R.Holme，B.Orr，R.Kopelman and T.B.Norris，“Ultrafast measurement in GaAs thin filmusing，”Ultramicroscopy，vol.71，pp.213-223，1998)；用于二光子染料荧光(见A.Lago，A.T.Obeidat，A.E.Kaplan，J.B.Khurgin，P.L.Shkilnikov and M.D.Stern，“Two-photon-induced fluorescence ofbiological markers based optical fiber，”Optics Letters，vol.20，pp.2054-2056，1995)；用于研究活体组织中的生物过程(见G.Alexandrakis，E.B.Brown，R.T.Tong，T.D.McKee，R.B.Campbell，Y.Boucher and R.K.Jain，“Two-photon fluorescence correlationmicroscopy reveals the two-photon natures of transport intumors，”Nature Medicine，vol.10，pp.203-207，2004)。最后一项应用对非侵入式癌症检测方案前景有潜在的影响，其中传输光纤是内窥镜(见E.B.Brown，Y.Boucher，S.Nasser，R.K.Jain，“Measurementof macromolecular diffusion coefficients in humantumors，”Microvascular Research，vol.67，pp.231-236，2004)。

为了研究活体组织，fs脉冲的作用是泵激激光束，该光束激励二光子过程媒介的荧光。由于多光子过程在本质上是低效的，我们就需要高峰值功率。然而，通过增大光源的平均功率，不能实现这个目的，因为高平均功率可以造成组织损伤。因此，这种应用通常要求大致100fs宽度的脉冲，其脉冲能量高达1nJ，而平均功率大致保持在100mW或更低。通常用于这个方案的激光源是锁模钛/蓝宝石激光器，该激光器能够输出重复速率约为80MHz的非常高的峰值功率。

理想的是，传输光纤传播高功率短脉冲通过1-2米长的光纤(典型的情况)，且产生的输出脉冲特性接近于激光器输出的特性。然而，存在两个影响传输光纤输出的物理约束。由于材料和波导色散的原因，光纤的色散导致脉冲展宽，它可以使光纤输入端的100-fs脉冲转变成光纤输出端的10-20fs脉冲。此外，由于峰值功率是如此之高，由于自相位调制(SPM)产生的非线性相移可以导致脉冲的频谱宽度变窄，从而使脉冲进一步展宽。色散效应是线性效应，因此，它可以通过钛/蓝宝石激光器输出端与光纤输入端之间的体线性调频元件进行补偿。线性调频元件可以是用于展宽或压缩脉冲的体光栅或棱镜对。这种元件能够提供任意大小的正色散或负色散。在这个应用中，可以调节这种元件给出与光纤内窥镜/传输光纤给定长度色散幅度相同但符号相反的色散。

因此，虽然色散问题的解决取得一定的效果，但是非线性SPM效应是不可恢复的。因此，大多数的光纤传输方案是利用特殊的光纤或复杂的脉冲相位工程以抵消SPM效应。

在高性能系统中，传输光纤还应当是低损耗的单模光纤。多模传播可以使尖锐聚焦光纤输出的能力下降。尖锐聚焦的输出能够使高峰值功率脉冲集中到小区域上，因此，它能有效地产生二光子荧光，以及确保显微术应用的高分辨率。由于模式色散，多模传播还可以使脉冲展宽，它降低峰值功率并减小非线性测量技术的效率。

在诸如内窥镜的应用中，即使总长度很短的光纤仍然可能遭遇多次弯曲，低的弯曲损耗是理想的。连接损耗包括在光纤输出端的准直元件串联。这种元件聚焦输出光成尖锐的光斑。合适的准直元件是光纤-GRIN透镜，或薄膜基衍射光学元件，例如，模式变换器，或其他光束整形元件。通常，这种小型光束整形元件可以是环氧树脂粘接到光纤的末端，但是考虑到非常高的峰值功率是从光纤射出，理想的是，应当使用诸如长周期光栅或GRIN透镜的模式变换元件，因为它们是光纤基元件，并能够容易地熔融拼接到光纤的输出端，它具有低损耗和高功率的处理能力。

传输光纤的基准选择是标准光纤(掺杂纤芯或石英包层)，它在理想工作波长下是单模光纤。典型的理想工作波长约为800nm(钛：蓝宝石激光器)，而标准单模光纤(SMF)的有效面积(A_eff)在这个波长下小于25μm²。这种光纤满足所有以上的准则，但是在脉冲能量大于0.1nJ的情况下，SPM使脉冲严重地畸变。脉冲宽度快速地扩展到超过250fs(理想的脉冲宽度小于200fs)。

人们已提出各种解决SPM问题的方案。其中包括使用多模光纤，但迫使信号以基模方式传播，它能使信号传播有较大的A_eff，从而减小SPM。见F.Helmchen，D.W.Tank and W.Denk，“Enhancedtwo-photon excitation through optical fiber by single-modepropagation in a large core，”Applied Optics，vol.41，pp.2930-2934，2002。然而，利用这种方法得到的脉冲宽度仍然非常大，特别是在二光子应用中。

以上的各种解决方案是利用大纤芯、多模微结构光纤。见D.Ouzounov，K.Moll，M.Foster，W.Zipfel，W.W.Webb and A.L.Gaeta，“Delivery of nanojoule femtosecond pulses through large-coremicrostructure fibers，”Optics Letters，vol.27，pp.1513-1515，2002。微结构光纤是由玻璃光纤中运动的空穴光子晶体引导，因此可以减轻模式耦合问题。然而，出现的问题是，有效的耦合仅仅出现在微结构光纤的基模中，而高级模功率有很大的功率损耗。这可以在系统中造成多余的模式噪声。此外，与标准的掺杂光纤比较，微结构光纤有弱的几何控制能力，且潜在的缺点是几何椭圆度，它造成大的偏振模色散(PMD)，这是另一种噪声源。

另一个选择是使用光子带隙光纤，其中信号是在中央空气芯中传播。在这种情况下，大部分信号能量驻留在空气中，因此，它经受可忽略的SPM基脉冲扩展。然而，与掺杂光纤比较，光子带隙光纤是很难制造，因此，它不是一个成本有效的解决方案。几何规则性问题被严重地扩大，导致可能出现高的PMD和相关的问题。这种光纤还不能在光纤输出端拼接模式整形元件，因为拼接可以使光子带隙效应消失，从而产生大的损耗。

另一种建议是利用脉冲整形方案以克服标准光纤中的非线性展宽问题。脉冲是时间非线性调频脉冲，而在射入到传输光纤之前，它的频谱变窄。虽然这种方法产生短的脉冲，但功率水平是低的，它对于二光子应用是不理想的。

可以使非线性SPM有害效应减小的新方法，与此同时保持标准光纤的优点，例如，低的传播和弯曲损耗，低的PMD，拼接到GRIN和其他透镜的能力，以及高的产量和控制能力，这种光纤代表技术上的重大进步。

发明内容

我们开发一种用于传输超短脉冲的光纤系统，它有非线性产生的最小畸变。该系统是基于在少模光纤(few-moded fiber)的高阶模式(HOM)下传输光脉冲。该光纤设计成HOM的色散非常大。这导致传输光纤的色散长度L_D极其小，最好是小于非线性长度L_NL。在这些条件下，光脉冲经受最小的非线性损害，而在传输光纤的输出端再现短脉冲/高峰值功率强度。

附图说明

图1是特殊设计的少模/HOM光纤的折射率曲线图；

图2是在图1所示光纤中LP02模式传播的色散曲线图；

图3是图1所示光纤的有效面积(A_eff)曲线图；

图4是另一种少模/HOM光纤的折射率曲线图；

图5是图4所示光纤的LP02色散曲线图；

图6是图4所示光纤的A_eff曲线图；

图7是适用于本发明的三条不同光纤A，B和C的折射率曲线图；

图8是在图7所示的光纤A，B和C中HOM LP02的色散曲线图；

图9是按照本发明一个实施例的短脉冲传输系统示意图；

图10-13是图9所示系统中有任选准直元件的示意图。

具体实施方式

在用于短脉冲传输的光纤中色散效应与非线性效应的相对幅度可以用两个特征长度简明地描述，即，色散长度L_D和非线性长度L_NL，它们由以下的公式给出：

$L_D=\left(\frac{{\mathrm{\τ}}^2}{D}\right)\·(-\frac{2\mathrm{\πc}}{{\mathrm{\λ}}^2})$

$L_{\mathrm{NL}}=\frac{{\mathrm{cA}}_{\mathrm{eff}}}{n_2\mathrm{\ω}{P}_{\mathrm{peak}}}---\left(1\right)$

其中τ是未畸变的脉冲宽度，β₂是光纤波导的色散，c是光速，ω是脉冲的中心频率，n₂是光纤材料的非线性响应，P_peak是光纤中脉冲的峰值功率，A_eff是有效面积，和λ是脉冲的中心波长。这两个特征长度描述脉冲在被相应损害造成严重畸变之前可以传播的最大距离。由于色散可以容易地被补偿，而SPM不能被补偿，我们需要设计这样的光纤，L_D与L_NL之比率是仅可能地小。在这种情况下，可以发射高度线性调频脉冲进入光纤，因此，当它传播通过光纤时被压缩，并且仅在光纤输出端附近达到它的最短脉冲宽度和最高峰值功率(并因此经受很大的SPM)。换句话说，在满足以下的条件时：

L_D＜＜L_NL                                             (2)

脉冲不可能以高峰值功率传播足够长的距离而经受很大的非线性脉冲畸变，因此，可以进行高能量脉冲传输。

在标准SMF中，对于1nJ能量的800nm，100fs脉冲，这两个特征长度的典型数值是L_D～9cm和L_NL～1.3cm(对应的SMF色散是-100ps/nm-km)。因此，L_D＞＞L_NL和非线性效应占主要地位时，仅在能量低至0.1nJ时产生未畸变的脉冲(即，仅在脉冲能量低至0.1nJ时，比率L_D/L_NL远远小于1)。如上所述，通过增大信号传播的A_eff，克服这个问题的现有光纤设计成集中满足条件(2)。这可以使L_NL远远大于L_D(名义上L_NL保持恒定和类似于SMF)。

此处建议的新颖光纤设计产生一个满足条件(2)的创新手段。不是增大A_eff(和L_NL)，而是使信号在光纤中以高级模(HOM)传播，该光纤专门设计成对于一个特定的HOM产生非常高的负色散。因此，通过保持L_NL基本恒定并类似于SMF的L_NL，但通过增大光纤HOM提供的(负)色散幅度以便使L_D大大缩短，从而满足条件(2)。

专门设计的少模光纤的HOM特别适合于这种应用，因为HOM可以提供非常高的色散值，与此同时，保持大的A_eff和非常低的传播和弯曲损耗。我们已证明，光纤的LP₁₁模在工作波长1550nm下可以有高达-700ps/nm-km的色散。我们还证明，光纤的LP₀₂模在工作波长1550nm下可以有-210ps/nm-km的色散，但仅有0.45dB/km损耗，从而产生非常高的品质因数(FOM＝色散/损耗)466ps/nm-dB。对于通信脉冲，这能够实现超过50％的较长传输距离，因为与利用单模色散补偿光纤的通信系统比较，这种光纤的很大色散和A_eff可以减轻非线性畸变。

适用于本发明的光纤有非常低的L_D/L_NL比率，如以上所描述的，它能够实现用于fs激光脉冲传递系统的高功率脉冲传播。在这个优选实施例中，这个L_D/L_NL比率小于1，最好是该比率小于0.5。此处描述的特定光纤利用脉冲传播光纤的LP₀₂，但是可以实现用于任何HOM的类似设计。虽然这种设计可用于任何的工作波长，以下描述的典型设计在用于优化光纤传输钛：蓝宝石激光脉冲，它通常工作在800nm波长范围。建议本发明装置最好是工作在700-900nm的波长范围。然而，我们发现其他的波长区也是有用的。作为参考，用于本发明的特定光纤设计可以与SMF比较，SMF的L_D/L_NL比率约为6.92，它产生脉冲能量高达0.1nJ的未畸变脉冲(利用光纤可以实现的最大未畸变脉冲能量大致正比于比率L_D/L_NL，其中L_NL的数值取决于脉冲能量和未畸变的宽度，在此处描述的所有情况下，L_NL数值的计算是针对100fs宽度的1nJ脉冲)。在一些优选实施例中，其目标是实现小于1的L_D/L_NL比率。支持这些特定设计HOM的少模光纤可以在两个方面区别于标准多模光纤。第一，少模光纤故意设计成对于一个特定所需的HOM有高色散，与多模光纤对比，其中大多数模经受可忽略的波长色散，而所有模的色散类似于石英玻璃的材料色散。第二，这种光纤设计成这样，传播所需HOM的传播常数足以与其他的模式分开，为的是避免在弯头处的模间耦合。

图1表示实验测量光纤的折射率分布，该光纤制作成产生用于LP₀₂模传播100-fs，1-nJ脉冲的低L_D/L_NL比率。图2表示这种光纤的测量色散值。图3表示LP₀₂模的A_eff。从图2和图3中可以清楚地看出，与SMF比较，这种光纤的LP₀₂模约有8倍的负色散值(对应于色散长度L_D减小成1/8)。与此同时，A_eff在波长840nm下约为25μm²，它接近于SMF的A_eff(SMF的A_eff～20μm²)。保持A_eff类似于SMF与常规大的A_eff设计比较有很大的优点，因为模式耦合和弯曲损耗随A_eff是按二次方增大。在大多数情况下，具有高弯曲损耗或模式耦合的传输光纤是不合适的，例如，在内窥镜应用中，其中预期光纤在手术操作时有很大的弯曲。为了减小传输光纤在约800nm波长工作下的损耗，可以保持A_eff小于50μm²。

假设新颖HOM光纤有图1所示的性质，我们可以估算100-fs，1-nJ脉冲的L_D/L_NL比率约为0.69，与SMF比较，导致可产生的未畸变脉冲能量增大1个数量级。因此，这种光纤可以支持能量高达1nJ的短(100-fs)脉冲传输。

利用理论设计成具有图4所示折射率分布的光纤，可以进一步增大这种设计空间的灵活性。图5和图6分别表示这种光纤在波长800nm下LP₀₂模的色散值和A_eff。我们可以看出，可以容易地实现高达-2300ps/nm-km的色散值，它有类似的A_eff(～21μm²)。这种光纤的最终L_D/L_NL比率是0.29(是SMF的1/24)，产生能量高达2.4nJ的未畸变100-fs脉冲。这个数值远远超过一些应用中所要求的典型脉冲能量，例如，用于活体组织中活体内癌症检查的二光子荧光成像。

除了有大的色散幅度以外，HOM还提供更大的设计自由度以实现所需的色散分布。请注意，图2和图5中的色散值分布有高的色散幅度和高的负色散斜率。所有的光纤有类似的高色散斜率值，其中包括大A_eff的微结构光纤和在这种应用中以前使用的常规SMF。这产生一些问题，因为在光进入光纤之前，最常用的体光学元件基脉冲线性调频元件给脉冲提供可忽略的色散斜率。因此，即使在没有SPM非线性的情况下，与原始激光脉冲比较，在光纤输出端的再压缩脉冲往往被展宽，这是由于来自体光脉冲展宽器与光纤展宽器之间色散斜率失配造成的未补偿色散。利用HOM的色散工程灵活性能够实现任何所需的色散斜率。图7分别表示光纤A，B和C的三个不同折射率分布，每个光纤产生LP₀₂模的高负色散值。图8表示这三个光纤的色散值曲线。在795nm至805nm波长的范围内(阴影区表示工作带宽)，光纤A的折射率分布产生负的色散斜率值，如同标准SMF或大面积微结构光纤一样，但光纤B和C的折射率分布分别产生零和正的色散斜率值。这能够有效地实现与任何类型体光脉冲展宽器设计的色散匹配。

此处描述的本发明光纤设计可用于高功率脉冲传输系统。图9表示典型装置的示意图。光纤装置之前是包括短脉冲激光器和后随体光学脉冲展宽器(所示的脉冲展宽器是一对体光栅，但是，利用一对棱镜或专用色散元件也可以实现相同的功能，例如，光子带隙光纤)的组合。然后，信号通过模式转换器进入HOM光纤，模式转换器把具有大致高斯空间分布的输入光束转变成这样的光束，该光束分布可以与光纤中HOM的模式匹配。体衍射光学元件可用于实现宽带模式转换，其转换效率大于99％。优选的实施方案利用光纤内长周期光栅，该周期光栅工作在所谓的周转点(TAP)，如在U.S.Patent No.6,768,835中所公开的。该专利合并在此供参考，其中更详细地描述光纤中的TAP。它描述的模式转换器可以包含在类似于此处公开的色散HOM光纤的光纤中。可以制作这样的模式转换器，它实现高达99.997％模式转换效率，其损耗小于0.2dB。

在大多数应用中，光纤输出端的高功率脉冲被聚焦成小的光斑尺寸以产生大的二光子荧光。如上所述，HOM光纤不应当与多模光纤混淆。信号以单个确定的模式从光纤中射出。因此，它可以利用透镜进行聚焦以实现任何所需的光斑尺寸，其方式与常规的高斯光束完全相同。图10-13说明这种情况，并展示LP₀₂模在HOM光纤中的模式图像，以及在光纤后的准直装置之后类似但空间收缩的模式图形。图10表示利用标准的体光学透镜，而图11表示利用光纤基GRIN透镜。或者，参照图12，若需要高斯模式输出，则可以利用类似于以上描述的TAP光栅。在图13中，准直元件通用地代表任何一种光束整形元件，它可以把复杂的空间图形转换成高斯图形。

虽然结合图9描述的模式转换器用于转换不同模式之间输入和任选的输出信号，这种模式转换器是长周期光栅，但是模式转换器可以有任何合适的设计方案。利用光纤内光栅模式转换器，可以在传输光纤内实现模式转换功能。或者，可以利用全息自由空间模式转换器或锥形空心光纤。

虽然本发明可以利用不同类型的模式转换器，如上所述，用于实现模式转换装置功能的优选装置是宽带长周期光纤光栅(LPG)。LPG可以包含在HOM光纤本身中，从而能够实现低成本，低损耗的模式转换装置。我们知道，宽带模式转换器覆盖的波长范围可以达到500nm。需要知道更详细的内容可以参照S.Ramachandran，M.Yan，E.Monberg，F.Dimarcello，P.Wisk and S.Ghalmi，“Recordbandwidth microbend gratings for spectrally flat variable opticalattenuators，”IEEE Photon.Tech.Lett.，vol.15，pp.1561-1563，2004；S.Ramachandran，U.S.Patent No.6,768,835，二者合并在此供参考。

虽然我们说明或可以推理，从本发明短脉冲装置中输出的光是在自由空间中传播，但是，利用标准的准直装置，它也可以耦合到其他形式的媒体中。

制作类似于图7所示折射率分布光纤的方法是众所周知的，并已得到很好的发展。纤芯区通常是由掺锗的石英制成，它在最大折射率位置处的浓度小于10％的重量百分比，且随半径呈阶跃式分布以提供所需的形状。中央纤芯的半径通常小于20μm。内包层区可以是非掺杂或轻掺杂的。

专门设计成支持HOM的上述光纤可以解释成在光纤中传播的大部分光能量，通常是绝大部分光能量，是在高于基模LP₀₁的高阶模中。优选的HOM是LP₀₂至LP_0，10；和LP₁₁至LP_1，10。

在上述系统中用于线性调频脉冲的元件称之为脉冲展宽器，它是本领域专业人员熟知的术语。可参阅这些元件的另一种描述：

http://www-phys.llnl.gov/Organization/Vdivision/Research/USP/ USPFacility VirtualTour/cpa.html

把它合并在此供参考。脉冲展宽器的优先选择是在体光学元件上工作的展宽器，即，光脉冲传播通过展宽元件。高质量光栅和棱镜是在这个范围内。

上述装置的工作部分地依靠在HOM光纤中有相对高的色散值。而实际的色散值是各不相同的，典型的色散值小于-150ps/nm-km(比该值更负)。传输光纤的长度部分地是由色散值确定。在定性意义上，该长度是HOM光纤中的色散补偿出现在HOM光纤输出端的脉冲展宽器标称色散，但是它在光脉冲经受严重非线性畸变之前。该长度通常是1-20m。应当明白，这个相对短的长度在通常意义上区别这种光纤与传输光纤。

原则上，虽然此处描述的装置可以在脉冲频率和脉冲宽度的宽带内工作，但是本发明更适用于脉冲是费秒脉冲(即，小于1微微秒)或更短的装置。在优选实施例中，脉冲宽度小于200飞秒。

本领域专业人员可以对本发明作出各种其他改动。基本上基于本发明原理及其相当内容而与这个说明书具体内容的所有各种偏差应当被认为是在本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种方法，包括：

(a)产生脉冲宽度为W的光脉冲，

(b)传播光脉冲通过脉冲展宽器，

(c)转换光脉冲的传输模式成HOM，

(d)沿光纤长度L传播光脉冲到输出端，其中选取L使得在输出端的脉冲宽度W_O近似等于W。

2.按照权利要求1的方法，其中L小于20m。

3.按照权利要求2的方法，其中光脉冲小于200飞秒。

4.一种光学装置，包括：

(a)光脉冲源，

(b)与光脉冲源耦合的脉冲展宽器，

(c)与脉冲展宽器耦合的模式转换器，

(d)与模式转换器耦合的光纤，该光纤支持HOM。

5.按照权利要求4的光学装置，其中光脉冲的波长是在700-900nm的范围内。

6.按照权利要求5的光学装置，其中光纤的色散值小于-150ps/nm-km。

7.按照权利要求4的光学装置，其中光纤的色散长度为L_D和非线性长度为L_NL，其中L_D小于L_NL。

8.按照权利要求4的光学装置，其中光纤的色散长度为L_D和非线性长度为L_NL，其中L_D小于0.5L_NL。

9.按照权利要求5的光学装置，其中光纤的A_eff小于50μm²。

10.按照权利要求4的光学装置，其中光脉冲源是短脉冲激光器。

11.按照权利要求10的光学装置，其中光脉冲小于200飞秒。

12.按照权利要求11的光学装置，其中短脉冲激光器是钛/蓝宝石激光器。

13.按照权利要求4的光学装置，其中模式转换器包括长周期光栅。

14.按照权利要求13的光学装置，其中长周期光栅有TAP。

15.按照权利要求4的光学装置，其中脉冲展宽器包括体光学元件。

16.按照权利要求4的光学装置，其中光纤终止于准直元件。

17.按照权利要求4的光学装置，其中光纤的长度小于20m。

18.一种支持HOM并有色散长度L_D和非线性长度L_NL的光纤，其中L_D小于L_NL。

19.按照权利要求18的光纤，其中L_D小于0.5L_NL。

20.按照权利要求18的光纤，其中光纤支持LP02。

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