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技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明目的在于超小型高能光纖脈沖源的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在過(guò)去的幾年中，由于其獨(dú)特的簡(jiǎn)單構(gòu)造，光纖激光器和放大器被看作是用于先進(jìn)工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合的超快脈沖源的最有前途的選擇?？偟膩?lái)說(shuō)，超快光脈沖的脈沖寬度小于50皮秒。啁啾脈沖放大可以實(shí)現(xiàn)為，使這種脈沖的放大能夠達(dá)到從微焦耳到毫焦耳的能量范圍。一般而言，啁啾脈沖放大系統(tǒng)使用接近帶寬限制的種脈沖源，其在功率放大器中放大之前先在脈沖展寬器中被暫時(shí)展寬(即被線性調(diào)頻)。在放大之后，脈沖利用脈沖壓縮器被再壓縮到接近帶寬限制。
商用的光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)在頒發(fā)給A.Galvanauskas等人的美國(guó)專利No.5,499,134中被提出。該美國(guó)專利No.5,499,134中所公開(kāi)的系統(tǒng)依賴用于脈沖展寬的啁啾光纖布喇格光柵。實(shí)際上，啁啾光纖布喇格光柵已經(jīng)被開(kāi)發(fā)成廣泛應(yīng)用的設(shè)備，并且布喇格光柵內(nèi)的啁啾可以設(shè)計(jì)成線性的或者甚至是非線性的，以補(bǔ)償啁啾脈沖放大系統(tǒng)(參見(jiàn)A.Galvanauskas等人的美國(guó)專利No.5,847,863)中的任何階色散，而這對(duì)于在脈沖再壓縮之后產(chǎn)生接近帶寬限制的脈沖是十分重要的。
一般而言，在作為系統(tǒng)小型性和高能性能之間折中的這種系統(tǒng)中，啁啾光纖布喇格光柵脈沖展寬器與大容量光柵脈沖壓縮器的配合使用具有一定優(yōu)勢(shì)，其至少提供用于高能光纖放大器系統(tǒng)的部分集成。采用大容量展寬器和壓縮器(如本領(lǐng)域狀況下通常所使用)的可替換結(jié)構(gòu)通常更加難以調(diào)準(zhǔn)，而且操作需要更大的空間，并且在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中僅具有有限的實(shí)用性。
近年來(lái)，M.Fermann等人在美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/608,233中提出，使用變跡式非線性啁啾光纖光柵來(lái)最小化光纖光柵脈沖展寬器與大容量光柵脈沖壓縮器之間色散分布中的不匹配，從而大大改進(jìn)啁啾光纖光柵脈沖展寬器的實(shí)用性。
作為進(jìn)一步的簡(jiǎn)化，M.Fermann等人在美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/608,233中提出，使用色散光子晶體光纖作為大容量光柵脈沖壓縮器的替代物。色散光子晶體光纖脈沖壓縮器的使用進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了小型的光纖束傳送，即將在具有延伸長(zhǎng)度的光纖傳送部分中傳播的最優(yōu)短脈沖傳送到位于所述光纖傳送部分下游的特定目標(biāo)物質(zhì)上的傳送。
作為參考，我們將光子晶體光纖稱為具有中心孔并充滿空氣(或其它任何氣體)的光纖，其中波導(dǎo)能夠通過(guò)光纖包層中的光子帶隙而實(shí)現(xiàn)。相反，有孔光纖使用所述包層中由充滿空氣(或其它任何氣體)的孔所包圍的中心玻璃核中的波導(dǎo)。常規(guī)光纖允許位于折射率高于周圍包層的核中的波導(dǎo)，并且不使用光纖橫截面中任何地方的任何空氣孔。
J.Kafka等人的美國(guó)專利No.6,236,779和No.6,389,198提出使用低色散的有孔光纖以用于光束傳送。不過(guò)，與有孔光纖不同的是，光子晶體光纖能夠呈現(xiàn)大致線性和較高階的色散。因此，通過(guò)用光子晶體光纖簡(jiǎn)單地替代有孔光纖而將最優(yōu)選短光學(xué)脈沖傳送到目標(biāo)物質(zhì)上通常是不可能的。
此外，Kafka等人的工作假定使用大致偏振保持有孔光纖以用于光束傳送。沒(méi)有提供對(duì)用于光束傳送的非偏振保持光纖的調(diào)節(jié)，也沒(méi)有提供對(duì)有孔光纖作為啁啾脈沖放大系統(tǒng)中色散補(bǔ)償元件的實(shí)現(xiàn)。
頒發(fā)給LN.Duling等人的美國(guó)專利No.5,303,314提出使用法拉第旋轉(zhuǎn)器鏡來(lái)提供來(lái)自非偏振保持光纖放大器的單偏振輸出。不過(guò)，美國(guó)專利No.5,303,314未提出法拉第旋轉(zhuǎn)器鏡與光子晶體光纖的配合使用。而且，由于典型的非偏振保持光纖放大器中一階和二階偏振模式色散值可以忽略，美國(guó)專利No.5,303,314并未考慮使用法拉第旋轉(zhuǎn)器來(lái)補(bǔ)償二階偏振模式色散。
通過(guò)利用大型核光纖放大器，尤其是如頒發(fā)給M.E.Fermann等人的美國(guó)專利No.5,818,630中所描述的大型核衍射限制多模放大器，通常更容易在基于光纖的啁啾脈沖放大系統(tǒng)中生成高能量脈沖。近年來(lái)，M.E.Fermann等人在美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/576,722中公開(kāi)了模塊化、普遍可調(diào)諧的光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)，其進(jìn)一步提高了這種光纖激光源在工業(yè)應(yīng)用中的實(shí)用性。這種模塊化系統(tǒng)提出振幅濾波器與非線性功率放大器配合使用，以補(bǔ)償啁啾脈沖放大系統(tǒng)中的更高階色散。不過(guò)，M.E.Fermann等人并未提出對(duì)于這種振幅濾波器的二階和三階色散的任何獨(dú)立控制。此外，M.E.Fermann等人并未提出在光纖放大器中存在增益收縮(gain-narrowing)和增益牽拉(gain-pulling)的情況下使用非線性放大器來(lái)補(bǔ)償更高階的色散。
David J.Richardson等人在美國(guó)專利公開(kāi)No.2003/0156605中描述了旨在通過(guò)光纖放大器放大飛秒-皮秒脈沖的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。正如美國(guó)專利公開(kāi)No.09/576,722中那樣，Richardson等人描述用于生成最高峰值功率脈沖的啁啾脈沖放大系統(tǒng)。此外，正如美國(guó)專利公開(kāi)No.09/576,722中那樣，Richardson等人描述了利用光纖放大器中形成拋物線脈沖來(lái)生成能量范圍達(dá)到1-10微焦耳的飛秒脈沖。不過(guò)，Richardson等人并未提出對(duì)這種光纖放大器中三階色散的控制。
在美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/576,722中公開(kāi)的所述模塊化系統(tǒng)也提出反斯托克斯頻移光纖與鉺(Er)光纖激光器的配合使用，以注入Yb放大器鏈的種。在所有可能的用于超快Yb光纖放大器種的方法中，超快Er光纖激光器從1.55微米波長(zhǎng)區(qū)域到1.05微米波長(zhǎng)區(qū)域的反斯托克斯頻移被認(rèn)為是最具有吸引力的。其原因在于，超快Er光纖激光器能夠用標(biāo)準(zhǔn)的電信組件來(lái)組裝，從而大大降低了這種系統(tǒng)的成本。理想情況下，這種種源也可以被調(diào)諧，從而允許脈沖注入到Y(jié)b光纖的整個(gè)光譜增益帶中，該帶橫跨980-1150納米(nm)的波長(zhǎng)范圍。
近年來(lái)，T.Goto等人的美國(guó)專利No.6,618,531基于與短脈沖激光源的頻移相關(guān)的強(qiáng)度提出另一可調(diào)諧短脈沖源。該美國(guó)專利No.6,618,531中的可調(diào)諧源依賴輸出脈沖頻率對(duì)于輸入強(qiáng)度的線性變化。沒(méi)有提出不依賴與光纖中頻移相關(guān)的線性強(qiáng)度的可調(diào)諧短脈沖激光源。此外，該No.6,618,531美國(guó)專利并未提出針對(duì)反斯托克斯頻移光纖激光器的穩(wěn)定性問(wèn)題。雖然反斯托克斯頻移可以產(chǎn)生一定的期望輸出波長(zhǎng)，不過(guò)一般而言，這種源可能不符合商用激光源的穩(wěn)定性要求。其中的一個(gè)原因在于，反斯托克斯頻移是一種高度非線性的過(guò)程，因此微小的種源變化可以產(chǎn)生較大的振幅波動(dòng)。具體地說(shuō)，伴隨根據(jù)美國(guó)專利No.6,618,531實(shí)現(xiàn)的反斯托克斯頻移會(huì)出現(xiàn)激發(fā)的拉曼散射過(guò)程，其可以產(chǎn)生非常大的振幅波動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明已經(jīng)考慮到以上情況，且本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述問(wèn)題和局限性，并且描述針對(duì)從飛秒到皮秒脈沖寬度范圍中脈沖的超小型超高功率光纖放大器系統(tǒng)。
本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分地提出，并且從下面的描述中部分地變得明顯，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中獲得。本發(fā)明的各方面和優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)在所附權(quán)利要求書中具體指出的手段和組合來(lái)實(shí)現(xiàn)和達(dá)到。
本發(fā)明涉及基于線性或非線性啁啾光纖光柵脈沖展寬器和光子晶體光纖脈沖壓縮器，設(shè)計(jì)超小型高能啁啾脈沖放大系統(tǒng)?？商鎿Q地，光子晶體光纖脈沖展寬器和光子晶體光纖壓縮器也可以被實(shí)現(xiàn)。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，優(yōu)選使用全光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)，其依賴基于光纖的脈沖壓縮器和展寬器以及基于光纖的放大器。
具有高實(shí)用性的基于光纖的高能啁啾脈沖放大系統(tǒng)也能夠由常規(guī)的光學(xué)組件構(gòu)成，例如由基于較長(zhǎng)長(zhǎng)度常規(guī)光纖的脈沖展寬器以及大容量光柵壓縮器構(gòu)成。這種“常規(guī)”啁啾脈沖放大系統(tǒng)的性能，能夠通過(guò)采用非線性三次脈沖形成，即通過(guò)經(jīng)由所述放大器內(nèi)部自相位調(diào)制的控制使較高階色散最小化，而得到極大提高。
最后，具體的用在基于Yb光纖的啁啾脈沖放大系統(tǒng)的小型種源能夠由反斯托克斯頻移鎖模式Er光纖激光放大器系統(tǒng)構(gòu)成，其中波長(zhǎng)可調(diào)諧輸出通過(guò)所述反斯托克斯頻移輸出的濾波而獲得。這種反斯托克斯頻移源的噪聲通過(guò)負(fù)色散光纖放大器中正啁啾脈沖的放大而最小化。
本發(fā)明的以上和其它方面和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)下文的詳細(xì)描述和參考附圖而變得顯而易見(jiàn)。


附圖被并入且構(gòu)成本發(fā)明具體示例性實(shí)施例的一部分，而且與說(shuō)明書一起用于對(duì)發(fā)明的各方面、優(yōu)點(diǎn)和原理進(jìn)行說(shuō)明。在附圖中圖1是基于光纖光柵脈沖展寬器和非偏振保持光子晶體脈沖壓縮器的啁啾脈沖放大系統(tǒng)用的總方案的示意圖。
圖2A是基于光子晶體脈沖展寬器和非偏振保持光子晶體脈沖壓縮器的啁啾脈沖放大系統(tǒng)用的總方案的示意圖。
圖2B是當(dāng)用于脈沖展寬和再壓縮時(shí)光子晶體光纖的光子帶隙近似最優(yōu)位置的示意圖。
圖3是基于光纖光柵脈沖展寬器和非偏振保持光子晶體脈沖壓縮器的基于光纖的啁啾脈沖放大系統(tǒng)用的總方案的示意圖。
圖4是利用基于光子晶體光纖壓縮器的具體基于Er光纖的啁啾脈沖放大系統(tǒng)而獲得的再壓縮脈沖的自相關(guān)性。
圖5A是具體基于Yb光纖的啁啾脈沖放大系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)基于光纖脈沖展寬器和常規(guī)大容量光柵脈沖壓縮器與光學(xué)帶通濾波器配合，能夠通過(guò)非線性功率放大器中的自相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)三階色散的控制。
圖5B為該較高階色散補(bǔ)償器的另一實(shí)施例。
圖6A示出注入作為基于光纖的啁啾脈沖放大系統(tǒng)一部分的特定Yb功率放大器中的典型最優(yōu)脈沖光譜。
圖6B示出在作為基于光纖的啁啾脈沖放大系統(tǒng)一部分的特定Yb功率放大器的輸出端獲得的典型脈沖光譜。
圖6C示出通過(guò)作為基于光纖的啁啾脈沖放大系統(tǒng)一部分的特定Yb功率放大器的壓縮輸出而獲得的典型自相關(guān)軌跡。
圖7A示出在10微焦耳和2微焦耳脈沖能量下通過(guò)作為基于光纖的啁啾脈沖放大系統(tǒng)一部分的特定Yb功率放大器的壓縮輸出而獲得的典型自相關(guān)軌跡。
圖7B示出在10微焦耳和2微焦耳脈沖能量下通過(guò)作為基于光纖的啁啾脈沖放大系統(tǒng)一部分的特定Yb功率放大器的壓縮輸出獲得的典型脈沖光譜。
圖7C示出在10微焦耳和2微焦耳脈沖能量下用在如圖7A和7B所示基于光纖的啁啾脈沖放大系統(tǒng)中的Yb功率放大器輸出端獲得的理論計(jì)算脈沖光譜。
圖8示出在用于非線性高功率Yb放大器中三階色散的控制時(shí)，相對(duì)于典型Yb放大器增益光譜的最優(yōu)脈沖光譜。
圖9A是和用于短脈沖Yb光纖放大器種的反斯托克斯頻移光纖配合使用的最優(yōu)鎖模Er振蕩器放大器系統(tǒng)的示意圖。
圖9B是示出用于穩(wěn)定反斯托克斯頻移的最優(yōu)狀況的示意圖。
圖10是通過(guò)反斯托克斯頻移Er光纖激光器獲得的最優(yōu)光譜的示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照附圖給出本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述。
圖1表示根據(jù)本發(fā)明的啁啾脈沖放大系統(tǒng)100的示例性實(shí)施例。該系統(tǒng)包括短脈沖種源101。種源101通常提供寬度小于50皮秒的脈沖。來(lái)自種源101的脈沖被注入光學(xué)循環(huán)器102，并且光纖布喇格光柵展寬器103通過(guò)至少為10的系數(shù)將脈沖暫時(shí)地展寬。全光纖循環(huán)器或者光學(xué)循環(huán)器的大容量光學(xué)等價(jià)物可以被實(shí)施。美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/608,233論述了這種循環(huán)器，其所有公開(kāi)內(nèi)容被合并作為參考，因此將不再對(duì)該循環(huán)器進(jìn)行詳述。被展寬的脈沖然后通過(guò)循環(huán)器輸出端被送往光學(xué)放大器系統(tǒng)104。光學(xué)放大器系統(tǒng)104可以包括大容量光學(xué)多通路放大器、正反饋放大器、參量放大器以及基于光纖的放大器系統(tǒng)。通常，光學(xué)放大器系統(tǒng)涉及復(fù)雜的光學(xué)配置以及分離泵源的使用。但是，這類放大器在本領(lǐng)域是公知的，因此在此不單獨(dú)討論。
來(lái)自放大器104的輸出隨后通過(guò)隔離器105、偏振分束器106和透鏡107而被送入光子晶體光纖壓縮器108。光子晶體光纖被普遍設(shè)計(jì)成帶有中心導(dǎo)向氣孔，以使這種光纖的功率處理能力最大化。對(duì)于最優(yōu)啁啾脈沖放大系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，優(yōu)選使用高色散光子晶體光纖(其特征是提供較大的多色色散值)。一般來(lái)說(shuō)，這類高色散光子晶體光纖中偏振狀態(tài)的控制是非常困難的，并且這類光纖內(nèi)帶隙結(jié)構(gòu)中很小的微擾能夠?qū)е孪喈?dāng)大的一階和二階偏振模式色散。這類光纖中隨機(jī)分布的雙折射表征一階偏振模式色散。這類光纖中隨機(jī)分布的依賴于波長(zhǎng)的雙折射表征二階偏振模式色散。
但是，法拉第鏡可以補(bǔ)償光纖壓縮器108中任何一階和二階偏振模式色散。法拉第鏡包括準(zhǔn)直透鏡109、法拉第旋轉(zhuǎn)器110和反射鏡111。當(dāng)將法拉第旋轉(zhuǎn)器110進(jìn)行45°旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)光纖壓縮器108的雙通路確保通過(guò)光纖壓縮器108傳播的向后反射的光與向前傳播的光相比確實(shí)處于相反的偏振狀態(tài)。對(duì)于基本上不依賴于波長(zhǎng)的法拉第旋轉(zhuǎn)器來(lái)說(shuō)，相反的偏振狀態(tài)是在與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的向后傳播方向上得到的。
由于在通過(guò)光纖壓縮器108向前通路之后該脈沖沒(méi)有被壓縮，故在峰值功率低于階躍折射率光纖的損壞閾值的系統(tǒng)中，具有從常規(guī)階躍折射率光纖得到的短尾(a short pigtail)的尾光纖(a fiber pitailed)法拉第旋轉(zhuǎn)器鏡(FRM)可以被實(shí)現(xiàn)，以代替準(zhǔn)直透鏡109、法拉第旋轉(zhuǎn)器110和反射鏡111。
因此，在通過(guò)光纖壓縮器108的雙通路之后，暫時(shí)被壓縮的輸出脈沖可以在與注入到光纖壓縮器108的脈沖的偏振狀態(tài)正交的偏振狀態(tài)被提取。偏振分束器106提取這些正交的偏振脈沖，而且在此這些脈沖用箭頭112表示。
盡管光纖布喇格光柵脈沖展寬器與光子晶體光纖脈沖壓縮器的配合使用提供了非常緊湊的系統(tǒng)設(shè)置，不過(guò)光纖布喇格光柵脈沖展寬器中的群時(shí)延波動(dòng)卻難以控制，并且可能在被壓縮的輸出脈沖中產(chǎn)生不希望有的本底。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)使用同時(shí)針對(duì)脈沖展寬和脈沖再壓縮的光子晶體光纖來(lái)避免。這種系統(tǒng)113的示范性實(shí)施如圖2A所示。圖2A中所示的系統(tǒng)與圖1中所示的系統(tǒng)幾乎相同，并且對(duì)共同的元件使用相同的附圖標(biāo)記。但是，光纖布喇格光柵展寬器103被光子晶體光纖脈沖展寬器114和法拉第旋轉(zhuǎn)器鏡115一起代替。與圖1中所描述的實(shí)例相似，法拉第旋轉(zhuǎn)器鏡(FRM)115被用于補(bǔ)償光子晶體光纖脈沖展寬器114中的偏振模式色散。尾光纖FRM115可被實(shí)現(xiàn)，其中尾光纖FRM115可被直接接到光子晶體光纖脈沖展寬器114，從而確保非常緊湊的設(shè)置。尾光纖FRM115可以由常規(guī)的階躍折射率光纖制成。
為了使用光子晶體光纖同時(shí)進(jìn)行脈沖展寬和脈沖壓縮，需要使用兩種不同設(shè)計(jì)的光子帶隙光纖，也就是說(shuō)，這兩種光纖中的光子帶隙位置必須不同，以便這兩種光子帶隙光纖的色散近似相反。參見(jiàn)圖2B，脈沖展寬器的帶隙中心與上述壓縮器帶隙中心相比具有藍(lán)移。在這里，展寬器-壓縮器的指定是任意的，相反的配置也是可以的。
特別緊湊的高能脈沖放大系統(tǒng)可以通過(guò)不僅在脈沖展寬和壓縮級(jí)以及在放大級(jí)并入光纖而實(shí)現(xiàn)。參見(jiàn)圖3，其示出系統(tǒng)116，該系統(tǒng)116與系統(tǒng)100非常相似，并且共同的元件使用相同的附圖標(biāo)記。放大器系統(tǒng)104被光纖放大器117代替。盡管圖3僅示出一個(gè)光纖放大器，不過(guò)帶有附加脈沖采集或脈沖分頻(down-counting)光學(xué)調(diào)制器或隔離器的光纖放大器鏈可以用于生成高能脈沖。美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/608,233公開(kāi)了這種光纖放大器鏈。優(yōu)選地，處理最大光強(qiáng)度的光纖放大器是由大模式偏振保持光纖構(gòu)成的。
圖3所示系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)實(shí)施使用基于鎖模Er光纖激光器的種源101，該激光器提供接近帶寬限制的400飛秒脈沖，其在重復(fù)頻率為50兆赫、波長(zhǎng)1558納米時(shí)具有5毫瓦的平均功率。該種源的光譜寬度為7.6納米。來(lái)自Er激光器的脈沖通過(guò)光纖光柵脈沖展寬器103被展寬到100皮秒的寬度。所述光纖光柵脈沖展寬器被設(shè)計(jì)為具有26.8ps2的二階(多色)色散值以及1.02ps3的三階(多色)色散值，從而與光子晶體光纖壓縮器108的多色色散(chromatic dispersion)近似匹配。
簡(jiǎn)單起見(jiàn)，該特定設(shè)計(jì)實(shí)例中只使用單個(gè)Er光纖放大器117。該Er光纖放大器在波長(zhǎng)為1558納米時(shí)產(chǎn)生70毫瓦的輸出功率。所述Er光纖放大器進(jìn)一步在每端與其它光學(xué)元件隔離。在光纖放大器117輸入端的隔離器沒(méi)有示出；在光纖放大器117輸出端的隔離器是隔離器105。為了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的多色色散進(jìn)行精確控制，在光纖展寬器103與光纖循環(huán)器102之間插入附加長(zhǎng)度的常規(guī)階躍折射率單模光纖。
應(yīng)該指出，在該光纖放大器117中產(chǎn)生的脈沖能量只有1.4納焦耳。為了提高脈沖能量，需要加入諸如美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/608,233中所論述的附加的光纖放大器級(jí)和脈沖采集器。
光子晶體光纖壓縮器108的長(zhǎng)度為9.56米。中心氣孔的直徑為6微米。光子帶隙以1515納米為中心，并且其光譜寬度接近200納米。在1560納米時(shí)，光子晶體光纖的損耗小于0.2dB/m，也就是說(shuō)，與典型大容量光柵壓縮器的傳輸損耗相比，在通過(guò)光子晶體光纖的雙通道中可以實(shí)現(xiàn)約30％的傳輸。光子晶體光纖的色散使用在本領(lǐng)域?yàn)楣臉?biāo)準(zhǔn)技術(shù)分別測(cè)量。光子晶體光纖的色散被用作輸入?yún)?shù)，以用于前述光纖布喇格光柵脈沖展寬器的設(shè)計(jì)。
不使用法拉第旋轉(zhuǎn)器鏡(元件109-111)，系統(tǒng)輸出端112處的脈沖是未壓縮的，并顯示出較大的消隱脈沖電平(pedestal)。當(dāng)在壓縮器的輸入端使用具有四分之一或半波片的寬帶偏振控制時(shí)，這些消隱脈沖電平可能不會(huì)被消除。通過(guò)光子帶隙光纖傳輸?shù)拿}沖的光譜在通過(guò)偏光器觀測(cè)時(shí)，其顯示出接近100％的調(diào)制，并且其形狀依賴于輸入的偏振狀態(tài)。這清楚地顯示了光子晶體光纖壓縮器中的一階和二階偏振模式色散。
與此相反，當(dāng)插入法拉第旋轉(zhuǎn)器鏡時(shí)，在輸出端112可以得到高質(zhì)量的壓縮脈沖。圖4所示為壓縮脈沖的自相關(guān)性。該脈沖具有約800飛秒的時(shí)間半寬度，而且在兩種帶寬限制的系數(shù)之內(nèi)。與帶寬限制的偏差被歸因于光纖布喇格光柵展寬器103與光子晶體壓縮器108之間一些殘余的未被補(bǔ)償?shù)娜A色散，其可以通過(guò)改進(jìn)所述光纖布喇格光柵展寬器的設(shè)計(jì)參數(shù)而被消除。
盡管以上所描述的內(nèi)容涉及高集成和超緊湊的啁啾脈沖放大系統(tǒng)，不過(guò)一些應(yīng)用場(chǎng)合可以容許更多的常規(guī)系統(tǒng)概念，其依賴于常規(guī)光纖展寬器、光纖放大器和大容量光柵壓縮器的使用。為了從這些系統(tǒng)中獲取高質(zhì)量脈沖，較高階色散和自相位調(diào)制的控制是非?？量痰摹D5示出一種允許獨(dú)立的二階和三階色散控制的啁啾脈沖放大系統(tǒng)。在示范性實(shí)施例中，使用了基于被動(dòng)鎖模Yb光纖激光器的種源101。這種被動(dòng)鎖模Yb光纖激光器在No.10/627069申請(qǐng)中有所描述，因此此處不再進(jìn)一步描述。種源101產(chǎn)生正啁啾光脈沖，該脈沖在平均功率為16毫瓦及重復(fù)頻率為43兆赫時(shí)，具有16納米的帶寬。振蕩器的峰值發(fā)射波長(zhǎng)為1053納米。來(lái)自所述種源的脈沖脈寬可壓縮為寬度小于150飛秒的脈沖，其表明來(lái)自所述種源的啁啾是近似線性的。來(lái)自所述種源激光器的輸出通過(guò)隔離器(未示出)和具有15納米帶寬的可調(diào)諧帶通濾波器119。
在帶通濾波器119之后，可以得到5毫瓦的輸出功率，而且光纖展寬器120被用于將脈沖展寬到近似100皮秒的寬度。用來(lái)生成被展寬脈沖的所述光纖展寬器具有約為200米的長(zhǎng)度，并且基于常規(guī)的偏振保持單模階躍折射率光纖。在圖5中，可調(diào)諧帶通濾波器119被示為插入到光纖展寬器120之前；可替換地，可調(diào)諧帶通濾波器119也可以插入到光纖展寬器120之后(未分別示出系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案)。
隨后的基于Yb的偏振保持預(yù)放大器121將被展寬的脈沖放大到500毫瓦的平均功率。根據(jù)聲光調(diào)制器和具有偏振保持光纖的尾光纖的脈沖采集器122，將脈沖的重復(fù)頻率減少到200千赫，導(dǎo)致1毫瓦的平均功率。來(lái)自脈沖采集器122的脈沖隨后被注入大模式偏振保持Yb光纖功率放大器123，并被放大到950毫瓦的平均功率。該Yb功率放大器的長(zhǎng)度為3米，而該Yb功率放大器中基模光斑的大小約為2.5微米。所有光纖或者通過(guò)其對(duì)準(zhǔn)的偏振軸接在一起，或者通過(guò)適當(dāng)?shù)哪Ｊ狡ヅ涔鈱W(xué)裝置(未示出)而彼此(與其對(duì)準(zhǔn)的偏振軸)連接。功率放大器123經(jīng)透鏡124且由泵源125被包層泵浦，其在波長(zhǎng)為980納米時(shí)傳送約10瓦特的泵浦功率。分束鏡126被實(shí)施，以便從放大的信號(hào)光中分離出泵浦光。來(lái)自功率放大器123的放大和被展寬的脈沖，根據(jù)具有1200線/毫米凹槽密度并運(yùn)行工作在利特羅(Littrow)角附近的單一衍射光柵，而在常規(guī)大容量光學(xué)壓縮器127中被壓縮。這樣的大容量光學(xué)壓縮器在本領(lǐng)域中是公知的，因此此處不再進(jìn)一步解釋。在通過(guò)大容量光學(xué)壓縮器127之后，輸出128包含的脈沖具有約330飛秒的半高寬(FWHM)寬度及440毫瓦的平均能量功率，這對(duì)應(yīng)于2.2微焦耳的脈沖能量。
圖6A所示為注入所述功率放大器的脈沖光譜，圖6B所示為經(jīng)過(guò)功率放大器之后獲得的脈沖光譜，而圖6C所示為被壓縮輸出脈沖的相應(yīng)自相關(guān)曲線。從自相關(guān)軌跡中可以明顯看出，本系統(tǒng)可以得到非常好的脈沖質(zhì)量。此外，對(duì)比圖6A和圖6B可以看出，在功率放大器中存在有相當(dāng)大的增益收縮。而且，由于增益牽拉，光譜峰值在輸入和輸出光譜之間有約5納米的藍(lán)移。增益牽拉的起因在于，Yb放大器的峰值增益在1030-1040納米附近，而注入脈沖光譜以約1048納米為中心。放大過(guò)程中的平均光學(xué)頻率偏移可以進(jìn)一步表征增益牽拉。
增益牽拉優(yōu)先放大注入脈沖光譜中的藍(lán)色光譜成分，而在存在自相位調(diào)制的情況下，該藍(lán)色光譜成分生成較之紅色光譜成分更大的相位延遲。這種光譜的附屬非線性相位延遲，等效于被展寬輸出脈沖中附加的負(fù)三階色散。對(duì)于特定的輸出功率和特定的輸入脈沖光譜，來(lái)自光纖展寬器和大容量光柵壓縮器的正三階色散從而可被全部補(bǔ)償。
除了增益收縮和增益牽拉之外，通過(guò)諧振色散以及諧振自相位調(diào)制器，增益損耗(gain depletion)可以進(jìn)一步對(duì)二階和三階色散引起非線性成分作用。諧振色散是由與放大器中高增益水平與低增益水平之間的群體差有關(guān)的光學(xué)相位調(diào)制引起的，并且本領(lǐng)域中是公知的。諧振自相位調(diào)制是在由放大過(guò)程中由單一脈沖產(chǎn)生的增益損耗的實(shí)際水平期間，由放大器中高增益水平與低增益水平之間的群體差中與的時(shí)間相關(guān)的變化引起的。諧振自相位調(diào)制主要從半導(dǎo)體物理中獲知，但是也發(fā)生在光纖增益介質(zhì)中。盡管在本實(shí)例中這些諧振放大器的效果對(duì)于非線性色散值只有較小的影響，不過(guò)諧振效果可以用于修改并優(yōu)化在放大過(guò)程中產(chǎn)生的非線性色散量。
由于在存在自相位調(diào)制、增益收縮、增益牽拉和增益損耗的情況下，被展寬脈沖可以積聚相當(dāng)大水平的三階色散，因此我們建議將這類脈沖稱為三次脈沖(cubicon)。更一般地說(shuō)，我們可以將三次脈沖定義為這樣的脈沖，即在存在自相位調(diào)制的至少實(shí)際水平(對(duì)應(yīng)于非線性相位延遲大于1)的情況下，它產(chǎn)生至少為線性和二次脈沖啁啾的可控水平，其能夠通過(guò)色散延遲線而至少部分地被補(bǔ)償，而且產(chǎn)生相當(dāng)大水平的二階和三階色散以及更高階的色散。(應(yīng)該注意，為了補(bǔ)償線性脈沖啁啾，需要具有二階色散的色散延遲線，而為了補(bǔ)償二次脈沖啁啾，需要具有三階色散的色散延遲線，對(duì)于更高階脈沖啁啾依次類推。)對(duì)于產(chǎn)生相當(dāng)大水平的二階和三次以及可能的更高階色散的色散延遲線來(lái)說(shuō)，被展寬脈沖典型地以超過(guò)30的系數(shù)來(lái)壓縮。另外，三次脈沖也可以在存在諧振放大器色散、增益收縮、增益牽拉以及增益損耗的情況下形成，其中我們將增益損耗稱為由單一脈沖引起的增益的顯著減小。
在該具體實(shí)例中，被展寬脈沖以約300的系數(shù)進(jìn)行壓縮。在這里，為2的壓縮系數(shù)可以歸因于功率放大器中的增益收縮；無(wú)三次脈沖形成的情況下，最小壓縮脈沖寬度會(huì)被限定在約600-800飛秒，這對(duì)應(yīng)于僅為70的壓縮系數(shù)。功率放大器中的三次脈沖形成允許脈沖壓縮低至330飛秒。
應(yīng)該指出，與三次脈沖的高不對(duì)稱性-近似三角形-的光譜形狀相比，如在美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/576,722中討論的拋物線脈沖(有時(shí)也被本領(lǐng)域狀態(tài)中的技術(shù)人員稱為相似脈沖(similariton))優(yōu)選地具有高對(duì)稱性-近似拋物線-脈沖光譜。
返回圖5和圖6，基于應(yīng)用非線性薛定諤方程的仿真顯示出，對(duì)于具有約100皮秒寬度的被展寬脈沖，該系統(tǒng)中三階色散的最優(yōu)補(bǔ)償可以在約π-2π的非線性相位延遲處獲得。最優(yōu)注入光譜的光譜寬度為約8-14納米，并且注入脈沖光譜的峰值位置理論上從Yb功率放大器增益曲線的峰值紅移約4-20納米。如前面所提到的，這種Yb放大器具有約1030-1040納米的峰值光譜增益。因此，理想的注入脈沖光譜的中心在1035-1060納米之間，并且優(yōu)選地在1044-1054納米之間。
光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)中的三階色散的非線性補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)標(biāo)志是，在最后末級(jí)放大器中存在自相位調(diào)制的情況下，通過(guò)隨著脈沖能量或泵浦能量的增加而觀測(cè)到的脈沖質(zhì)量的改進(jìn)。應(yīng)該注意到的是指出，脈沖質(zhì)量必須與脈沖寬度區(qū)別開(kāi)來(lái)。例如，如No.09/576,722美國(guó)專利申請(qǐng)中所討論的那樣，在相似脈沖放大器中，被壓縮脈沖寬度通常隨著脈沖能量水平的增加而減小。但是，脈沖質(zhì)量的相應(yīng)改進(jìn)非常小。應(yīng)該注意到指出，脈沖質(zhì)量可以被定義為例如比率(半高寬脈沖寬度)/(方均跟根脈沖寬度)；這兩種定義在本領(lǐng)域是公知的。與三次脈沖放大器相反的是，被壓縮脈沖寬度也隨著脈沖能量水平的增加而減小，不過(guò)脈沖質(zhì)量的改進(jìn)通常更大些，而且，由于脈沖展寬器與脈沖壓縮器之間不匹配的三階色散所導(dǎo)致的實(shí)際脈沖尾部?jī)梢?wings)可以得到較大地抑制。相反地，相似脈沖放大器不能補(bǔ)償脈沖展寬器與脈沖壓縮器之間不匹配的三階色散。對(duì)于包括本發(fā)明的系統(tǒng)的標(biāo)記是，觀測(cè)暫時(shí)脈沖質(zhì)量并且測(cè)量更高階的色散項(xiàng)。應(yīng)該注意到，更高階的色散隨著脈沖能量的增加而降低。另外一個(gè)驚奇的發(fā)現(xiàn)是，由于自相位調(diào)制導(dǎo)致光譜可以具有另外的波動(dòng)，而脈沖質(zhì)量可以有所改進(jìn)。脈沖質(zhì)量改進(jìn)意味著在兩翼具有較少能量的更短或者相同的脈沖寬度。在常規(guī)的光纖光學(xué)系統(tǒng)中，附加的自相位調(diào)制波動(dòng)會(huì)降低脈沖質(zhì)量。
另外，在常規(guī)的啁啾脈沖放大系統(tǒng)中，脈沖質(zhì)量隨著能量水平的增加而趨于惡化，特別在末級(jí)放大器中存在自相位調(diào)制的情況下。脈沖質(zhì)量隨著脈沖能量的改進(jìn)被進(jìn)一步顯示在圖7A和圖7B中，從圖中可以看出被壓縮脈沖在脈沖能量為10微焦耳以及2微焦耳的自相關(guān)軌跡(圖7A)以及使用通過(guò)下文所述對(duì)圖5中所示系統(tǒng)配置進(jìn)行一些較小修改而得到的相應(yīng)脈沖光譜(圖7B)。
為了將可得到的脈沖能量增加到10微焦耳，光纖展寬器120被增加到500米的長(zhǎng)度，而且壓縮器127被改為包含具有1500線/mm光柵周期的大容量壓縮器光柵。另外，第二預(yù)放大器和第二脈沖采集器被插入到功率放大器123之前，但在這里沒(méi)有分別示出。為了在平均輸出能量為約1瓦(對(duì)應(yīng)于脈沖被壓縮500毫瓦的輸出功率)時(shí)能夠產(chǎn)生能量達(dá)到10微焦耳的脈沖，脈沖重復(fù)頻率通過(guò)第二脈沖采集器而被降低到50千赫，而在脈沖重復(fù)頻率為200千赫時(shí)可獲得到2微焦耳的結(jié)果。
采用具有500米光纖展寬器長(zhǎng)度的系統(tǒng)配置，如圖7A所示，由于三階色散，具有2微焦耳能量的脈沖顯示出一些清晰的延伸尾部，然而圖7B中所示的脈沖光譜是高質(zhì)量的并且僅有微小的調(diào)制。脈沖寬度約為730飛秒。如圖7A所示，當(dāng)將脈沖能量增加到10微焦時(shí)，延伸的脈沖尾部被大大地抑制，并且可以獲得約400飛秒的脈沖寬度。相反，光譜質(zhì)量惡化10微焦，這可以從圖7B所示脈沖光譜的調(diào)制增加中明顯看出。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真可以顯示出，用于脈沖能量為10微焦的功率放大器123中自相位調(diào)制水平約為2-4π。功率放大器中被展寬脈沖的峰值功率可以被計(jì)算在100-200千瓦之間。表明在10和2微焦脈沖能量處脈沖光譜的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果，被進(jìn)一步顯示在圖7C中。很明顯，在圖7B所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖7C所示的理論仿真之間具有很好對(duì)應(yīng)性。如圖7B和圖7C所示，一種在具有大水平自相位調(diào)制的啁啾脈沖放大系統(tǒng)中運(yùn)行光纖功率放大器的清楚標(biāo)記是，通過(guò)增加脈沖能量來(lái)增加光譜振幅波動(dòng)。
通過(guò)這些計(jì)算，可以進(jìn)一步看出，在作為啁啾脈沖放大系統(tǒng)一部分的光纖功率放大器中容許自相位調(diào)制的量隨著脈沖展寬而增加，而且至少最大可實(shí)現(xiàn)脈沖能量被期望隨著光纖展寬器長(zhǎng)度而線性增加。當(dāng)使用2000米長(zhǎng)度的光纖展寬器時(shí)，可以容許在3-10π之間的非線性相位延遲，即使在如本實(shí)驗(yàn)配置的光纖功率放大器中有不完全種脈沖的情況下。
受激喇曼散射典型地發(fā)生在自相位調(diào)制水平在10-20π之間的情況下。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)配置，在光纖展寬器的長(zhǎng)度為2000米以及在功率放大器中的非線性相位延遲約為3-10π的情況下，脈沖能量達(dá)到100微焦是可能的。為了確保這種高水平自相位調(diào)制是容許的，注入到功率放大器的脈沖光譜的光譜振幅波動(dòng)的水平需要進(jìn)一步最小化。用于最小化光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)中光譜波動(dòng)的技術(shù)，已經(jīng)在美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/608,233中有所描述，因此在此不做進(jìn)一步論述。
一般來(lái)說(shuō)，最優(yōu)光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)可通過(guò)如下手段表征使用針對(duì)脈沖展寬用的簡(jiǎn)單光纖展寬器，并且顯示出隨著在明顯的三階色散和自相位調(diào)制發(fā)生處的脈沖能量水平下隨著的脈沖能量的增加而顯示觀測(cè)到的脈沖質(zhì)量的改進(jìn)。這種三階色散是主要是由常規(guī)大容量光柵壓縮器來(lái)提供，其產(chǎn)生的三階色散水平比工作在1050納米波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的三階色散水平大2-10倍。自相位調(diào)制通過(guò)放大具有足夠脈沖能量的脈沖而提供。其最優(yōu)值是在0.3-10π之間的自相位調(diào)制水平。在功率放大器中顯著的自相位調(diào)制的明顯標(biāo)記是，隨著脈沖能量增加而增加的光譜調(diào)制。
脈沖質(zhì)量通過(guò)在增益收縮和增益牽拉至更短波長(zhǎng)的情況下被進(jìn)一步改進(jìn)。在波長(zhǎng)范圍為從1030-1060納米范圍內(nèi)，被放大光譜寬度應(yīng)該小于10納米，而增益牽拉將在注入的和放大的脈沖光譜之間產(chǎn)生約1-10納米的光譜峰值偏移。此外，在存在自相位調(diào)制的情況中下能使實(shí)現(xiàn)脈沖清潔凈化的最優(yōu)注入光譜，其波長(zhǎng)范圍應(yīng)該以1035-1065納米的波長(zhǎng)范圍為中心。
本Yb功率放大器中的增益牽拉效果進(jìn)一步顯示在圖8中。功率放大器中Yb增益分布由線129表示。進(jìn)入功率放大器的最優(yōu)輸入光譜由線130表示。典型的增益收縮輸出光譜由線131表示。拋物線光譜輸入僅作為例子而示出；總體而言，任何光譜輸入形狀都可以被使用，而且增益牽拉的效果仍可以被觀測(cè)到。
圖5所示的系統(tǒng)是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)(美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/576,722)的較大簡(jiǎn)化，其中任意的(并且非常昂貴的)振幅濾波器被公開(kāi)，以通過(guò)自相位調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)較高階色散控制。該系統(tǒng)的關(guān)鍵簡(jiǎn)化在于，無(wú)需復(fù)雜的振幅濾波器，而是通過(guò)增益收縮和增益牽拉的影響，光纖增益介質(zhì)本身充當(dāng)自優(yōu)化振幅濾波器，其已經(jīng)被優(yōu)化以產(chǎn)生近乎最優(yōu)的壓縮脈沖質(zhì)量。圖5所示系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵簡(jiǎn)化在于，可調(diào)諧帶通濾波器119的實(shí)現(xiàn)主要允許三階和二階色散的獨(dú)立控制，也就是說(shuō)，系統(tǒng)的三階色散可以通過(guò)可調(diào)諧帶通濾波器119調(diào)整輸入光譜的中心波長(zhǎng)而被單獨(dú)控制。盡管可調(diào)諧帶通濾波器119的調(diào)整也影響系統(tǒng)的二階色散，但二階色散可以通過(guò)簡(jiǎn)單地調(diào)整大容量光柵壓縮器127中的色散光學(xué)路徑而接著被最小化。
用于可調(diào)諧帶通濾波器119的具體確定性對(duì)準(zhǔn)方法，可以例如通過(guò)頻率選擇光閘(FROG)儀器(或者其它任何脈沖相位檢索技術(shù))來(lái)測(cè)量被壓縮脈沖相位。在這里，F(xiàn)ROG軌跡首先通過(guò)可調(diào)諧帶通濾波器119的調(diào)整而被線性化，其將系統(tǒng)中的三階色散最小化。從FROG軌跡提取的自相關(guān)寬度隨后通過(guò)壓縮器中色散光學(xué)路徑的調(diào)整而被最小化，以產(chǎn)生可能的最短輸出脈沖。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)濾波器的更高階色散控制，種源的光譜帶寬應(yīng)該大于光學(xué)濾波器的光譜帶寬。另外，平滑高斯形、拋物線或者矩形輸入脈沖光譜被期望輸入放大器，以最小化任何由自相位調(diào)制引起的不需要的脈沖失真。即使在沒(méi)有平滑高斯形、拋物線或者矩形輸入脈沖的情況下，在功率放大器123中強(qiáng)光譜整形仍然可產(chǎn)生對(duì)伴有自相位調(diào)制的三階色散補(bǔ)償?shù)钠谕绊憽?br> 作為在圖5所示啁啾脈沖放大系統(tǒng)中使用光學(xué)濾波器以進(jìn)行三階色散控制的替換，也可以使用具有特定光譜輸出的種源101。然而。由于三階色散的控制嚴(yán)格依賴于輸入脈沖光譜，因此更容易實(shí)現(xiàn)具有光學(xué)濾波器和超出濾波器帶寬的種源帶寬的實(shí)施方案。
通過(guò)具有自相位調(diào)制的三階色散控制或者普通的三階色散控制，通過(guò)并入具有三階色散值的展寬器光纖120而更便于實(shí)現(xiàn)，可其平衡或降低展寬壓縮器127的三階色散的絕對(duì)幅度的展寬器光纖120，更便于實(shí)現(xiàn)。如同美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/576,722美國(guó)專利申請(qǐng)中所公開(kāi)的那樣，這類具有可修改的三階色散值的光纖可包含常規(guī)階躍折射率光纖和有孔光纖，以及光子晶體光纖，如美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/608,233美國(guó)專利申請(qǐng)中所述，其全部公開(kāi)內(nèi)容被合并于此作為參考。頒發(fā)給DiGiovanni等人的美國(guó)專利No.5,802,236、頒發(fā)給Fajardo等人的美國(guó)專利No.6,445,862、頒發(fā)給Libori等人的美國(guó)專利6,792,188和Libori等人的WO02/12931，公開(kāi)了具有三階色散修改值的有孔光纖的具體設(shè)計(jì)實(shí)例。
圖5B是這種較高階色散補(bǔ)償器的另一個(gè)實(shí)例。它由輸入脈沖展寬器和振幅濾波器組成。這些可以是相同的元件，例如光纖光柵，或者是分離的，例如具有色散的長(zhǎng)光纖和濾波器。這樣產(chǎn)生展寬的非對(duì)稱形脈沖，其被輸入引起自相位調(diào)制的光纖。因此，相移的量是由振幅確定的。這允許更高階色散的校正。對(duì)這種光纖感興趣的系統(tǒng)也可以提供增益，或者增益可以由分離的光纖來(lái)提供。
同樣地，此處描述的三次脈沖也可以用于獲得高峰值功率擴(kuò)展脈沖，其可以隨后在參照?qǐng)D1-4所述的光子晶體光纖中被壓縮。由于光子晶體光纖壓縮器產(chǎn)生負(fù)的三階色散值，優(yōu)選地，產(chǎn)生正非線性三階色散值的三次脈沖可實(shí)現(xiàn)足夠的脈沖壓縮。這些三次脈沖例如可以由在光譜增益幅值藍(lán)側(cè)的脈沖注入生成。使用三次脈沖與光子光纖壓縮器相結(jié)合的實(shí)施方式與圖1所示的實(shí)施方式相似，其中光纖光柵展寬器103被一段光纖展寬器代替。這樣的實(shí)施方式?jīng)]有被分別表示。
參考參見(jiàn)圖9A，其示出商用的反斯托克斯頻移Er光纖激光系統(tǒng)129。超快Er(或Er/Yb)光纖激光器130用作系統(tǒng)的前端。這樣的Er光纖激光器例如在美國(guó)申請(qǐng)No.10/627069中被所述的示例描述，此處不再進(jìn)行進(jìn)一步討論。超快Er光纖激光器的輸出通過(guò)隔離器131傳輸，并且一段正色散光纖132暫時(shí)展寬此脈沖。負(fù)色散Er放大器133放大暫時(shí)擴(kuò)展的脈沖。在這里，正色散光纖被稱為非孤波支撐光纖，而負(fù)色散光纖被稱為孤波支撐光纖。Er光纖放大器133通過(guò)帶有單一頻率泵激光器135的波分復(fù)用(WDM)耦合器134被泵浦。理想情況下，所有傳輸來(lái)自Er光纖激光器的脈沖的光纖是偏振保持光纖并且以偏振保持方式連接，以保證系統(tǒng)的最優(yōu)穩(wěn)定性。來(lái)自負(fù)色散Er光纖放大器133的輸出被注入到高非線性光纖135，其通過(guò)接頭136和137連接到系統(tǒng)其它部分。高非線性光纖的輸出然后接到可調(diào)諧光學(xué)濾波器138的偏振保持尾光纖。系統(tǒng)的輸出用箭頭139示出。
優(yōu)選高非線性光纖135為色散展平的光纖，并且在1560納米波長(zhǎng)下具有-1與-10ps2/km之間的色散值，也就說(shuō)，高非線性光纖優(yōu)選為孤波支持的并且與電信中使用的標(biāo)準(zhǔn)傳輸光纖相比有較小的負(fù)色散值。因此，高非線性光纖中的四波混合可以同時(shí)產(chǎn)生接近1050納米和接近3000納米的光譜輸出，其中由于光纖吸收而導(dǎo)致長(zhǎng)波長(zhǎng)輸出劇烈衰減。在1微米波長(zhǎng)區(qū)域中的藍(lán)移輸出在此處被稱為反斯托克斯輸出。
正色散光纖132產(chǎn)生正啁啾脈沖，負(fù)色散光纖133隨后將其放大并進(jìn)行同步壓縮。通過(guò)放大負(fù)啁啾光纖中的正啁啾脈沖，負(fù)色散光纖中的脈沖分解(break up)閾值可以被最小化，并且可以生成具有最大脈沖能量的被壓縮脈沖。
這些在圖9B中被進(jìn)一步地圖示說(shuō)明。線140表示正啁啾脈沖的時(shí)間特性，其在負(fù)色散光纖141中被放大。在負(fù)色散光纖141的輸出端，生成了具有由線142表示的時(shí)間特性曲線的壓縮和被放大脈沖。優(yōu)選地，在光纖141輸入端的脈沖啁啾和光纖141的長(zhǎng)度被選擇，以便在線性被放大可以在光纖141輸出端獲得最優(yōu)被壓縮脈沖。
在圖9A所示的實(shí)際系統(tǒng)中，Er激光器產(chǎn)生了在重復(fù)頻率為70兆赫和平均能量功率5毫瓦時(shí)具有12納米光譜帶寬的1.5皮秒正啁啾脈沖。因此，光纖132被去除。該脈沖在具有9毫米核芯徑的1.5米長(zhǎng)負(fù)色散光纖133中被放大到100毫瓦的功率水平。12厘米長(zhǎng)的高非線性光纖135足夠用以在1050納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜產(chǎn)生。無(wú)需濾波器138測(cè)量的反斯托克斯頻移光譜顯示在圖10中?？梢垣@得具有30納米光譜帶寬且中心位于1048納米處的反斯托克斯脈沖光譜。1000-1100納米之間綜合的平均能量功率約為3毫瓦。即使光譜濾波器138具有10納米帶寬，也可以在1040-1060納米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得大于900毫瓦的平均輸出功率。該輸出功率對(duì)于典型的瓦級(jí)Yb光纖放大器的種是很理想的，其中僅需要100-300毫瓦的平均種能量功率。應(yīng)該注意到指出，來(lái)自泵激光器135的泵浦能量功率中的變化確實(shí)產(chǎn)生了反斯托克斯頻移光譜的變化；然而，這些變化是相當(dāng)復(fù)雜的并且是非線性地依賴于泵浦功率。對(duì)于可調(diào)諧激光器，其由此更適于將來(lái)自泵浦激光器135的泵浦功率固定以及調(diào)諧帶通濾波器138。
應(yīng)該注意到的是指出，基于在1.5米長(zhǎng)負(fù)色散Er放大器133的輸入端使用接近帶寬限制的600飛秒脈沖，可替換的系統(tǒng)概念也產(chǎn)生接近1050納米的反斯托克斯頻移脈沖光譜。然而，當(dāng)在負(fù)色散Er放大器133的輸入端使用接近帶寬限制的脈沖時(shí)，不能防止放大器133中的孤波自頻移；其結(jié)果是，放大器133中被放大的脈沖光譜分解成喇曼偏移和無(wú)偏移光譜成分。來(lái)自喇曼位移偏移以及來(lái)自放大器133中脈沖截止分解的增加噪聲，在反斯托克斯頻移輸出端生成附加噪聲，從而使接近1050納米的輸出根本基本上不能使用。
本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的上述描述是出于示例和說(shuō)明的目的而提出的。其并非意于詳盡地描述或?qū)⒈景l(fā)明限制在所公開(kāi)的精確形式，針對(duì)以上教導(dǎo)的修改和變化是可能的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中獲得。這些實(shí)施例被選擇和描述，以用于說(shuō)明本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，從而使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在各種實(shí)施例中以及在適于特定預(yù)期使用的各種修改中利用本發(fā)明。此處所提到的所有美國(guó)專利、公開(kāi)和申請(qǐng)被合并于此作為參考，如同全部包含于此。
因此，雖然此處僅對(duì)本發(fā)明的特定實(shí)施例進(jìn)行了具體描述，不過(guò)可以明白，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行多種修改。此外，所有縮寫僅用于提高說(shuō)明書和權(quán)利要求書的可讀性。應(yīng)該注意的是，這些縮寫并不意于降低所用術(shù)語(yǔ)的普遍性，而且也不應(yīng)該被解釋成用于將權(quán)利要求書的范圍限制在此處所描述的實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)，包括種源；脈沖展寬器，用于暫時(shí)展寬來(lái)自所述種源的脈沖；非線性放大器，被配置為三次脈沖放大器；和脈沖壓縮器，其中在所述放大器中被放大的所述被展寬脈沖服從自相位調(diào)制的實(shí)際水平，以及所述自相位調(diào)制的實(shí)際水平提供三階色散的水平，其至少部分地被來(lái)自所述脈沖展寬器和所述脈沖壓縮器的三階色散的水平來(lái)補(bǔ)償。
2.一種用于低于50皮秒脈沖的光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)，包括短脈沖種源，其提供低于10皮秒的脈沖；脈沖展寬器，被配置為將來(lái)自所述種源的脈沖暫時(shí)展寬到至少10倍的寬度；至少一個(gè)非線性光纖放大器，被配置為接收具有輸入脈沖光譜的脈沖，并發(fā)出具有一定輸出脈沖光譜的放大脈沖，所述輸入脈沖光譜來(lái)源于所述種脈沖源，但不需要與所述種脈沖源相同；脈沖壓縮器，其具有二階、三階以及更高階多色色散的水平，其中所述光纖放大器被配置為使所述輸出脈沖光譜相對(duì)于所述輸入脈沖光譜存在波長(zhǎng)移動(dòng)，以及所述光纖放大器至少部分地通過(guò)自相位調(diào)制補(bǔ)償所述脈沖展寬器和壓縮器的三階色散。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于光脈沖的放大系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)放大器被配置為三次脈沖放大器。
4.一種用于低于50皮秒脈沖的光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)，包括短脈沖種源，其提供低于10皮秒的脈沖；脈沖展寬器，被配置為以10或更大的因子暫時(shí)展寬來(lái)自所述種源的脈沖；至少一個(gè)非線性光纖放大器，被配置為使輸出脈沖光譜相對(duì)于其輸入脈沖光譜存在波長(zhǎng)移動(dòng)；和脈沖壓縮器；其中所述光纖放大器進(jìn)一步被配置為至少部分地通過(guò)自相位調(diào)制補(bǔ)償所述脈沖展寬器和壓縮器的三階色散。
5.一種用于低于50皮秒脈沖的光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)，包括短脈沖種源，其提供低于10皮秒的脈沖；脈沖展寬器，被配置為以至少為10的因子暫時(shí)展寬來(lái)自所述種源的脈沖；至少一個(gè)光纖放大器，被配置為接收所述被展寬的脈沖，并輸出被放大的三次脈沖；脈沖壓縮器，其具有二階、三階以及更高階多色色散的水平；其中所述光纖放大器被配置為，使所述三次脈沖產(chǎn)生非線性脈沖啁啾，其至少部分地被來(lái)自所述脈沖展寬器和所述脈沖壓縮器的三階色散的水平來(lái)補(bǔ)償。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)，其中所述自相位調(diào)制水平在0.3-10π的范圍內(nèi)。
7.一種光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)，包括種源；脈沖展寬器，用于暫時(shí)展寬來(lái)自所述種源的脈沖；非線性放大器，被配置為三次脈沖放大器；和脈沖壓縮器；其中在所述放大器中被放大的脈沖服從自相位調(diào)制的實(shí)際水平，并且與其輸入光譜相比，所述脈沖的輸出光譜的振幅調(diào)制存在顯著的增加。
8.一種用于低于50皮秒脈沖的光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)，包括短脈沖種源，其提供低于10皮秒的脈沖；脈沖展寬器，被配置為將來(lái)自所述種源的脈沖暫時(shí)展寬到大于10皮秒的寬度；至少一個(gè)光纖放大器，被配置為接收具有脈沖光譜的脈沖，并發(fā)出具有一定輸出脈沖光譜的被放大脈沖，所述輸入脈沖光譜來(lái)源于所述種脈沖源，但不需要與所述種脈沖源相同，脈沖壓縮器，其具有二價(jià)、三階以及更高階多色色散的水平，其中所述光纖放大器被配置為，使所述輸出脈沖光譜相對(duì)于所述輸入脈沖光譜大致增益收縮，以及所述光纖放大器進(jìn)一步被配置為至少部分地補(bǔ)償所述脈沖展寬器和壓縮器的三階色散。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)，其中在所述放大器中被放大的所述被展寬脈沖服從自相位調(diào)制的實(shí)際水平，以及所述自相位調(diào)制的實(shí)際水平提供三階色散的水平，其至少部分地補(bǔ)償來(lái)自所述脈沖展寬器和壓縮器的三階色散的水平。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)，其中所述自相位調(diào)制的水平在0.3-10π的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)，其中所述自相位調(diào)制的水平表現(xiàn)在輸出脈沖光譜與輸入脈沖光譜相比的振幅調(diào)制增加。
12.一種用于在光纖放大器中存在自相位調(diào)制情況下從光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)產(chǎn)生高質(zhì)量脈沖的方法，包括選擇具有輸入至光纖放大器的輸入脈沖光譜的被展寬脈沖，以使在所述放大器中發(fā)生實(shí)際增益牽拉，所述增益牽拉表現(xiàn)在該脈沖光譜的平均光頻率的實(shí)際光譜移動(dòng)，其中在存在自相位調(diào)制的情況下所述被壓縮脈沖的質(zhì)量有所改進(jìn)。
13.一種用于在光纖放大器中存在自相位調(diào)制的情況下從光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)產(chǎn)生高質(zhì)量脈沖的方法，包括選擇具有輸入至光纖放大器的輸入脈沖光譜的被展寬脈沖，以使在所述放大器中發(fā)生實(shí)際增益收縮，所述增益收縮表現(xiàn)在光譜寬度不大于輸入脈沖光譜的被放大脈沖光譜的產(chǎn)生，其中在存在自相位調(diào)制的情況下所述被壓縮脈沖的質(zhì)量有所改進(jìn)。
14.一種用于在光纖放大器中存在自相位調(diào)制的情況下從光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)產(chǎn)生高質(zhì)量脈沖的方法，包括選擇具有輸入至光纖放大器的輸入脈沖光譜的被展寬脈沖，以使在所述放大器中產(chǎn)生實(shí)際增益牽拉和增益收縮，所述增益牽拉表現(xiàn)在該脈沖光譜的平均光頻率的實(shí)際光譜移動(dòng)，所述增益收縮表現(xiàn)在光譜寬度不大于輸入脈沖光譜的被放大脈沖光譜的產(chǎn)生，其中在存在自相位調(diào)制的情況下所述被壓縮脈沖的質(zhì)量有所改進(jìn)。
15.一種用于改進(jìn)大功率波導(dǎo)啁啾脈沖放大系統(tǒng)中輸出脈沖質(zhì)量的方法，其中所述輸出脈沖質(zhì)量隨著脈沖能量的增加而得到改進(jìn)，而且所述脈沖能量的增加進(jìn)一步導(dǎo)致所述波導(dǎo)啁啾脈沖放大系統(tǒng)中自相位調(diào)制的0.3-10π的水平。
16.一種用于在光纖放大器中存在自相位調(diào)制的情況下改進(jìn)大功率波導(dǎo)啁啾脈沖放大系統(tǒng)中輸出脈沖質(zhì)量的方法，包括選擇具有輸入至所述光纖放大器的輸入脈沖光譜的被展寬脈沖，所述輸入脈沖光譜由種源以及介于所述種源與所述光纖放大器之間的光學(xué)濾波器決定，進(jìn)一步選擇所述種源的光學(xué)帶寬和中心波長(zhǎng)以及所述濾波器的傳輸帶寬和中心波長(zhǎng)，以使在存在自相位調(diào)制的情況下被壓縮脈沖的質(zhì)量有所改進(jìn)。
17.一種光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)，包括短脈沖種源；脈沖展寬器，被配置為暫時(shí)展寬來(lái)自所述種源的脈沖；至少一個(gè)光纖放大器，被配置為三次脈沖放大器，和脈沖壓縮器，其具有部分地被所述光纖放大器內(nèi)的自相位調(diào)制校正的三階色散的水平。
18.一種光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)，包括短脈沖光源；脈沖展寬器，被配置為暫時(shí)展寬來(lái)自所述光源的脈沖；至少一個(gè)非線性光纖放大器，被配置為接收具有輸入脈沖光譜的脈沖，并發(fā)出具有偏移輸出脈沖光譜的被放大脈沖；脈沖壓縮器，具有三階多色色散的水平，所述非線性光纖放大器為至少部分地補(bǔ)償至少所述壓縮器的三階色散的類型，并且可運(yùn)行在0.3-10π的較大自相位調(diào)制范圍。
19.如權(quán)利要求18所述的光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)，其中所述非線性放大器為非線性無(wú)摻雜光纖和線性放大器。
20.一種光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)，包括短脈沖光源系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生展寬的光脈沖；功率放大器，用于在其輸入端接收所述被展寬的脈沖；并可運(yùn)行在較大的自相位調(diào)制范圍，而且通過(guò)其輸出光譜中增加的振幅波動(dòng)而產(chǎn)生在脈沖質(zhì)量上有所改進(jìn)的脈沖輸出。
21.一種光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)，包括短脈沖光源系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生展寬的光脈沖；功率放大器，用于在其輸入端接收所述被展寬的脈沖；并可運(yùn)行在較大的自相位調(diào)制范圍，而且通過(guò)該系統(tǒng)中的脈沖能量來(lái)產(chǎn)生在脈沖質(zhì)量上有所改進(jìn)且其較高階色散有所改變的脈沖輸出。
22.一種基于光纖的較高階色散控制系統(tǒng)，包括光脈沖源模塊，用于產(chǎn)生具有給定的較高階色散量的展寬的脈沖；非線性三次脈沖放大器，其使所述脈沖在放大期間服從自相位調(diào)制，所述自相位調(diào)制提供三階色散的水平；和脈沖壓縮器，其具有給定的較高階色散量；其中通過(guò)跟隨有所述放大器中所述自相位調(diào)制的非對(duì)稱脈沖振幅成形，輸出端的色散可以被控制。
23.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述種源為大容量固態(tài)鎖模激光器。
24.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述種源為光纖鎖模激光器。
全文摘要
通過(guò)補(bǔ)償光子晶體光纖脈沖壓縮器中的偏振模式色散以及多色色散，可以從全光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)中獲得高脈沖能量。通過(guò)借助于自相位調(diào)制來(lái)引起光纖放大器中的三階色散，可以補(bǔ)償來(lái)自大容量光柵脈沖壓縮器的三階多色色散，并且可以改進(jìn)混合光纖/大容量啁啾脈沖放大系統(tǒng)的脈沖質(zhì)量。最后，通過(guò)放大負(fù)色散光纖放大器中的正啁啾脈沖，可以借助于反斯托克斯頻移獲得低噪聲波長(zhǎng)可調(diào)諧種源。
文檔編號(hào)H01S3/00GK101076748SQ200580031070
公開(kāi)日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2005年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月22日
發(fā)明者馬丁·E·弗里曼, 根納吉·伊梅舍夫, 曹圭千, 劉振林, 唐納德·J·哈特爾 申請(qǐng)人:Imra美國(guó)公司