基于两级脉冲处理生成超短激光脉冲的制作方法

基于两级脉冲处理生成超短激光脉冲的制作方法
【专利摘要】用于产生短激光脉冲的技术和设备，其中包括生成超短激光脉冲，生成超短激光脉冲通过将激光脉冲在非线性光学介质中经由非线性自相位调制(SPM)进行的非线性处理与激光脉冲的后续线性处理分开来实现超短激光脉冲。
【专利说明】基于两级脉冲处理生成超短激光脉冲
[0001] 优先权要求及相关专利申请
[0002] 本专利文件要求于2012年1月6日提交的、发明人为Rui Zhang、Hong Cong、Sha Tong、Jerry Prawiharjo、En_Kuang Tien 和 Anthony Hong Lin、题为"紧凑高峰值功率飞 秒光纤激光器"的第61/631. 588号美国临时申请的优先权。上述申请的全部公开通过参考 并入本文作为本文的一部分。

【背景技术】
[0003] 本专利文件涉及激光脉冲的生成及控制，其中包括光学脉冲放大器及脉冲激光 器。
[0004] 具有小于10ps的脉冲长度以及超过10nJ每脉冲的相对高能量水平的超短脉冲 (USP)激光对于大量应用（如材料处理、光学检测、光学烧蚀、包括眼科学的精确手术、生物 医学、非线性研究和光谱学）都是有用的。通过放大由种子激光器生成的激光脉冲可生成 高能量激光脉冲。各种光学放大器设计成以如下方式来对光进行放大：在待放大的光的相 同波长处提供光学增益，使得光在传输通过光学放大器的光学增益介质之后其功率或能量 被放大，并且放大的光与放大之前的初始光具有相同波长。光学放大器的光学增益可通过 光学地激发光学增益介质（如掺饵光纤放大器）的泵浦光或通过电激励的增益介质（如基 于量子井的半导体光学放大器及其他增益机构）来获得。


【发明内容】

[0005] 本文描述了用于基于_啾脉冲放大产生短激光脉冲的技术和设备。
[0006] 在一方面中，提供了用于生成超短激光脉冲的方法，该方法通过将激光脉冲在非 线性光学介质中经由非线性自相位调制（SPM)的非线性处理与激光脉冲的后续线性处理 分开来实现超短激光脉冲。该方法包括：将输入激光脉冲引导至非线性光学处理模块中以 使光强度达到或超过用于非线性光学处理模块中的SPM的强度阈值，从而由于非线性SPM 导致每个激光脉冲的谱展宽及频率啁啾量；将从非线性光学处理模块输出的谱展宽激光脉 冲的强度控制为低于用于具有异常色散的线性光学处理模块中的非线性SPM的非线性强 度阈值水平，其中该线性光学处理模块光耦合成接收从非线性光学处理模块输出的谱展宽 激光脉冲而不导致光学非线性或非线性SPM ;以及将线性光学处理模块的光学传播长度配 置为导致谱展宽激光脉冲的异常光色散量，该谱展宽激光脉冲的异常光色散量补偿由非线 性光学处理模块产生的频率啁啾，并且导致脉冲宽度在时间上被压缩，从而产生输出激光 脉冲，该输出激光脉冲相对于输入激光脉冲的谱宽度及脉冲持续时间被谱展宽且在时间上 在脉冲持续时间方面被压缩。
[0007] 在另一方面中，提供了用于生成超短激光脉冲的设备，其包括：初始脉冲生成器、 非线性光学处理模块以及线性光学处理模块，其中初始脉冲生成器产生具有期望总光能每 脉冲以及初始脉冲持续时间的初始输入激光脉冲；非线性光学处理模块耦合成接收初始激 光脉冲以导致对每个激光脉冲进行的非线性自相位调制（SPM)，从而由于非线性SPM产生 每个激光脉冲的谱展宽以及频率啁啾量；线性光学处理模块具有异常色散并光耦合成接收 来自非线性光学处理模块的、光强度低于用于线性光学处理模块中的非线性SPM的非线性 强度阈值水平的谱展宽激光脉冲。线性光学处理模块的光学传播长度设定导致谱展宽激光 脉冲的异常光色散量的值，谱展宽激光脉冲的异常光色散量补偿由非线性光学处理模块产 生的频率啁啾，以产生输出激光脉冲，其中输出激光脉冲被谱展宽并且在时间上在脉冲持 续时间方面被压缩。
[0008] 在另一方面中，提供用于生成超短激光脉冲的设备，其包括：激光头壳体、脉冲压 缩器、非线性光学处理模块以及线性光学处理模块，其中激光头壳体包括构造为连接至光 纤线缆的终端端口以接收初始激光脉冲的输入光纤连接器端口以及用于输出激光脉冲的 输出端口；脉冲压缩器耦合成从输入光纤连接器端口接收初始激光脉冲并配置为压缩每个 激光脉冲的脉冲持续时间；非线性光学处理模块位于激光头壳体中并耦合成接收来自脉冲 压缩器的初始激光脉冲以导致对每个激光脉冲进行的非线性自相位调制（SPM)，从而由于 非线性SPM产生每个激光脉冲的谱展宽及频率啁啾量；以及线性光学处理模块位于激光头 壳体内部并具有异常色散的，并且光耦合成接收来自非线性光学处理模块的、光强度低于 用于线性光学处理模块中的非线性SPM的非线性强度阈值水平的谱展宽激光脉冲。线性光 学处理模块的光学传播长度设定为导致谱展宽激光脉冲的异常光色散量的值，其中谱展宽 激光脉冲的异常光色散量补偿由非线性光学处理模块产生的频率啁啾，以产生输出激光脉 冲，其中输出激光脉冲被谱展宽并且在时间上在脉冲持续时间方面被压缩。
[0009] 在又一方面中，提供了用于生成超短激光脉冲的方法，该方法通过将激光脉冲在 非线性光学材料中经由非线性自相位调制（SPM)进行的非线性处理与激光脉冲的后续线 性处理分开来实现超短激光脉冲。该方法包括：将输入激光脉冲引导至呈现正常色散的非 线性光学材料中，以使光强度达到或超过用于非线性光学材料中的SPM的强度阈值，从而 由于非线性SPM导致每个激光脉冲的谱展宽及频率啁啾量；将从非线性光学材料输出的 谱展宽激光脉冲的强度控制为低于用于具有异常色散的线性光学材料中的非线性SPM的 非线性强度阈值水平，该线性光学材料光耦合成接收从非线性光学处理材料输出的谱展宽 激光脉冲而不导致光学非线性或非线性SPM ;以及将线性光学处理模块的光学传播长度配 置成导致谱展宽激光脉冲的异常光色散量来在时间上压缩脉冲宽度，从而产生输出激光脉 冲。
[0010] 在附图、说明书和权利要求书中详细描述了这些及其他方面、其实施和其他特征。

【专利附图】

【附图说明】
[0011] 图1A和图1B示出了用于基于两级脉冲处理方法生成超短激光脉冲的系统的示 例，其中该方法将激光脉冲的非线性处理与激光脉冲的后续线性处理分开，在非线性光学 介质中经由非线性自相位调制（SPM)进行激光脉冲的非线性处理以实现足够谱展宽，以及 经由在SPM中导致的啁啾的色散补偿进行激光脉冲的后续线性处理以压缩谱展宽脉冲；
[0012] 图1C示出了经由高阶孤子压缩生成的脉冲的示例，其中脉冲能量为10nJ且初始 持续时间为400fs的脉冲注入非线性光纤段中，以通过孤子压缩生成持续时间为14fs的压 缩脉冲；
[0013] 图1D示出了作为基于图1C的高阶孤子压缩的压缩脉冲的对比的、通过该两级处 理方法获得的压缩脉冲的脉冲质量的示例；
[0014] 图2示出了在实施图1A的系统100中使用CPA系统作为初始脉冲生成器110的 示例性系统200 ;
[0015] 图3A示出了用于实施图1A的设计的另一示例性系统300 ;
[0016] 图3B、图3C、图3D、图3E、图3F以及图3G示出了基于图3A的设计的脉冲生成的 初步测试结果的示例；
[0017] 图4示出了 CFBG中的契伦科夫辐射型相位匹配。基模与在包层中传播的辐射模 相位匹配；
[0018] 图5示出了用于在两级处理中通过线性光学处理模块进行色散补偿的可调模块 设计的示例，其中成紧凑尺寸的矩形玻璃材料用于通过折叠光路径产生长光传播路径；
[0019] 图6A、图6B、图7以及图8示出了两级处理的示例性实施；
[0020] 图9A、图9B、图10A以及图10B示出了通过重复两级处理进一步缩窄脉冲持续时 间，使得总压缩过程分成两个或更多的两级处理步骤的示例；
[0021] 图11A、图11B、图11C、图11D以及图11E示出了高功率数皮秒脉冲激光的示例及 测试结果；
[0022] 图12A、图12B、图12C、图12D、图12E以及图12F示出了用于使用紧凑激光头来包 括2级处理的部件的紧凑设计的示例及性能；
[0023] 图13示出了用于由两级处理中基于两个棱镜的线性光学处理模块进行色散补偿 的可调模块设计的另一示例；
[0024] 图14A和图14B示出了基于图6A的系统的修改来应用两级脉冲压缩以生成具有 高脉冲能量（例如，在一些实施中高达〇. 5mJ每脉冲）的超短脉冲的示例性系统的结构和 丰吴拟结果；
[0025] 图15A和图15B示出了使用基于具有正常色散的初始级的不同的两级处理的示例 性短脉冲生成系统的结构及模拟结果；以及
[0026] 图16示出了其中CPA系统中的预压缩设备过补偿输入脉冲的色散以获得负啁啾 脉冲的短脉冲生成系统的又一示例。

【具体实施方式】
[0027] 激光脉冲的脉冲能量可通过脉冲长度与脉冲峰值功率的乘积来估计。给定脉冲能 量的短脉冲可具有高峰值功率。例如，脉冲能量为1微焦耳且脉冲宽度为1皮秒的脉冲具有 1MW的峰值功率。由于短脉冲持续时间而导致的高峰值功率在各种应用都是期望的。当具有 高峰值功率的脉冲聚焦于小点时，电场强度足以影响材料中的电子，从而产生等离子效应。 该等离子效应允许移除空间约束区域处的材料而不产生影响周围区域的热效应-称为冷 烧蚀的过程。通过对比，一些具有较长脉冲长度的激光相反会通过热来移除材料，其中热会 产生实质热影响区域，使区域周围的材料变形。在各种烧蚀应用（如激光手术）中，非常期 望在给定位置处空间约束地、精确瞄准地移除组织或材料，这能够通过使用冷烧蚀来实现， 其中冷烧蚀利用具有小于1皮秒的短脉冲持续时间和例如大于10nJ的高脉冲能量的激光 脉冲。
[0028] 然而，在生成具有短脉冲持续时间为1皮秒的几分之一（例如，100fs左右或者小 于lOOfs)及高脉冲能量例如大于lOnJ的激光脉冲方面，存在各种技术挑战。例如，因为激 光脉冲会与USP激光器的增益材料或者其他光学元件相互作用，所以USP激光器中由于高 峰值功率导致的高电场可破坏激光或在激光中产生畸变。光学畸变的常见导致原因之一是 非线性光学效应。例如，受激拉曼散射（SRS)是当具有光学波长的光的强度超过SRS阈值 时光与材料中的光学声子的非线性光学相互作用。当SRS发生时，通过在介质中以拉曼频 率（Raman frequency)进行的非线性SRS过程，在与初始光相同的传播方向上生成拉曼信 号，其中拉曼频率通过拉曼频率去谐（Raman frequency detuning)而从初始光的光学频率 偏移。SRS可在光纤及其他光学介质的光学脉冲放大中导致不期望的效应。例如，随着光 学脉冲的强度增加到达到SRS阈值水平，光学脉冲的光功率减小，因而SRS过程对光学脉冲 的光功率产生了上限。另外，随着脉冲传播，光学非线性效应（如基于克尔效应的自相位调 制（SPM))会积聚，并且SPM通常生成新谱分量及非线性频率啁啾，这使得难以获得各种脉 冲激光应用（如激光材料处理及其他应用）中期望的短脉冲。
[0029] 用于消除与高功率短激光脉冲关联的上述不期望的效应的一个公知技术是啁啾 脉冲放大（CPA)，其中首先将短激光脉冲列延长至大持续时间（例如，约数百皮秒），然后用 一个或多个光纤放大器放大以增加脉冲能量，并且由于延长的长脉冲持续时间而维持低于 期望容差水平的脉冲畸变和不期望的非线性光学效应。在放大之后，延长且放大的激光脉 冲最终被压缩至期望的短脉冲持续时间（例如，lps)以实现高峰值功率及短激光脉冲。由 于CPA设备中的各种技术限制，公知的是，在C波段波长下CPA设备中难以实现小于250fs 的短激光脉冲。例如，CPA设备中一个或多个放大器的增益带宽是有限的，该有限的增益带 宽不足以支持具有250fs以下的短脉冲持续时间的激光脉冲。许多商用C波段掺铒放大器 具有约1530nm至1565nm的谱范围，这种掺铒光纤放大器的增益带宽不够宽，从而不足以支 持利用CPA技术生成持续时间小于200fs的脉冲。
[0030] 还尝试将光纤段中的异常色散及自相位调制（SPM)这两种效应结合来通过高阶 孤子压缩对激光脉冲的脉冲持续时间进行压缩。高阶孤子由其孤子数N限定，孤子数量N 是输入脉冲能量与基态孤子的对应脉冲能量之比的平方根。这种高阶解决方案压缩要求光 纤段的精巧控制和操作，从而提供适当水平的自相位调制及异常色散以支持在光纤出口经 受显著压缩的适当高阶孤子脉冲。例如，充有气体的空芯光子晶体光纤可针对该高阶解决 方案压缩进行专门设计。但是，基于充有气体的空芯光子晶体光纤或者其他设计的特殊光 纤不容易使用，难以制造，制造成本高，并且通常是不稳定的。因此，这种特殊光纤通常不适 合用在商用产品中。在使用单模熔融石英光纤来实现高阶孤子压缩中，一个技术问题是压 缩激光脉冲的差脉冲品质因数。脉冲品质因数Qc是由于将输入脉冲在时间上分裂为主尖 脉冲主体以及位于主尖脉冲主体之前或之后的旁瓣或基座（pedestal)而出现在主脉冲主 体中的输入脉冲能量的部分。单模熔融石英光纤中的非线性可随激光脉冲中的光强度三次 方地变化，而对于不同强度水平的光，光纤的色散保持相同。该条件产生了大孤子数N以及 低脉冲品质因数。例如，孤子数N为30且初始脉冲宽度300fs的超短脉冲可产生压缩的脉 冲宽度，其中脉冲宽度短到25fs。但是，脉冲品质因数Qc随着孤子数的增加而显著减小。 在该示例中，脉冲品质因数Qc估计为约0.2,表明20%能量构成脉冲的主要部分，而剩余能 量作为位于脉冲的压缩的主要部分周围的宽基座而浪费。在时间上位于主尖脉冲主体之前 /之后的旁瓣或基座的存在很大程度上是由于光纤段中通过非线性自相位调制所生成的啁 啾不能由同一光纤段中异常色散所生成的啁啾完全补偿。因此，压缩脉冲的峰值功率显著 降低。
[0031] 由于上述及其他技术难题或者问题，难以商业化具有小于250fs的短脉冲持续时 间的高功率光纤激光（例如，10nJ以上）。
[0032] 可实施本文中描述的技术、设备和系统，以通过使用两级脉冲处理方法来生成超 短激光脉冲，在该方法中，将激光脉冲在非线性光学介质中经由非线性自相位调制（SPM) 以实现足够谱展宽的非线性处理与激光脉冲经由在SPM中导致的啁啾的色散补偿以压缩 谱展宽脉冲的后续线性处理分开，因而实现具有高脉冲品质因数的超短激光脉冲。在非线 性光学处理模块中，激光脉冲的光强度设定成处于或者超过用于非线性光学处理模块中的 SPM的强度阈值，以由于非线性SPM导致每个激光脉冲的谱展宽以及频率啁啾量。SPM在初 始激光脉冲的谱带的上侧和下侧生成新频率分量，因而展宽了激光脉冲的谱带。鉴于脉冲 持续时间和激光脉冲的谱宽度之间的相反关系，作为用于产生具有短脉冲持续时间的超短 脉冲的必要条件，该谱展宽应该是充分宽的。但是，由SPM生成的新频率分量具有正的非 线性频率啁啾，该频率啁啾会在时域中的主脉冲轮廓外部生成旁瓣或基座。由SPM导致的 这种频率啁啾是不期望的，因为其会恶化脉冲品质因数并且降低主脉冲主体中的总光学能 量。后续的线性光学处理模块配置为呈现异常色散，并且从非线性光学处理模块输出的谱 展宽激光脉冲的光强度被控制成低于用于非线性SPM的非线性强度阈值水平，以出现在线 性光学处理模块中。线性光学处理模块中的光学传播长度设定为通过异常色散提供足够色 散补偿，以补偿在非线性光学处理模块中导致的激光脉冲的啁啾，而不在线性光学处理模 块中导致显著的光学非线性或非线性SPM。非线性光学处理模块中的该色散补偿导致脉冲 持续时间缩窄。
[0033] 图1A示出了用于基于上述两级脉冲处理方法生成超短激光脉冲的系统100的示 例。系统100包括初始脉冲生成器110,初始脉冲生成器110产生初始输入激光脉冲112， 该初始输入激光脉冲112具有期望总光学能量每脉冲以及初始脉冲持续时间。系统100设 计成将初始脉冲持续时间压缩至更短脉冲持续时间，以实现期望的高峰值功率并且实现良 好的脉冲品质因数。非线性光学处理模块120设置成导致每个输入激光脉冲的非线性自相 位调制（SPM)，从而产生由于非线性SPM而导致的每个激光脉冲的谱展宽以及频率啁啾量。 输入至非线性光学处理级120的每个输入激光脉冲的光强度被控制为处于或超过用于非 线性光学处理级120中的SPM的强度阈值。因此，非线性光学处理级120产生谱展宽激光 脉冲122。非线性光学处理级120的下游是线性光学处理模块130,线性光学处理模块130 具有异常色散并光耦合成接收谱展宽激光脉冲122。从非线性光学处理模块120输出的谱 展宽激光脉冲122的光强度被控制成低于用于线性光学处理模块130中的非线性SPM的 非线性强度阈值水平。因此，异常色散被引入谱展宽激光脉冲122,而不会导致光学非线性 或非线性SPM。线性光学处理模块130的光学传播长度被控制成导致谱展宽激光脉冲中的 适量异常光色散，其中上述适量异常光色散补偿由非线性光学处理模块120产生的频率啁 啾。该色散补偿导致在时间上压缩脉冲宽度以产生输出激光脉冲140,其中相对于输入激光 脉冲112的谱宽度及脉冲持续时间，输出激光脉冲140被谱展宽并且在时间上在脉冲持续 时间方面被压缩。在实施中，用于处理模块120和130二者的光学材料可呈现异常色散并 且在不同的光学操作条件下进行操作：模块120在非线性光学规则下操作以在每个激光脉 冲中产生SPM，模块130在线性光学规则下操作以产生频率啁啾，其中频率啁啾与每个激光 脉冲中的频率啁啾诱导的SPM相反。例如，这两个模块都可使用具有异常色散材料属性的 熔融石英光纤材料。
[0034] 图1B示出了图1A的系统100的模块120和130中的两级处理的操作。在步骤 151，将输入激光脉冲输入至非线性光学处理模块120中，以使光强度达到或超过用于非线 性光学处理模块中的SPM的强度阈值120,从而导致由于非线性SPM的每个激光脉冲的谱展 宽及频率啁啾量。在步骤152,将从非线性光学处理模块120输出的谱展宽激光脉冲的强度 控制为低于用于线性光学处理模块130中的非线性SPM的非线性强度阈值水平，而不会导 致光学非线性或非线性SPM，其中该线性光学处理模块130具有异常色散并且光耦合成接 收从非线性光学处理模块120输出的谱展宽激光脉冲。参考图1A，光束控制设备124可设 置在模块120和130之间以控制进入模块130的激光脉冲122的光强度。光束扩展器例如 可包括在设备124中，以扩展光束横截面从而降低光强度并且不会损失每个激光脉冲的光 学能量。在步骤153,控制线性光学处理模块的光学传播长度，以导致谱展宽激光脉冲的异 常光学色散量，该异常光学色散量补偿由非线性光学处理模块120产生的频率啁啾并导致 在时间上压缩脉冲宽度，从而产生输出激光脉冲，其中相对于输入激光脉冲的谱宽度及脉 冲持续时间，输出激光脉冲被谱展宽并且在时间上在脉冲持续时间方面被压缩。
[0035] 在该两级处理过程的情况下，非线性光学处理模块120中每个激光脉冲的谱展宽 以及后续线性光学处理模块130中的脉冲持续时间缩窄集体产生了具有良好脉冲品质因 数的超短激光脉冲140。在实施中，在初始脉冲生成器110中的激光脉冲光学放大到每脉冲 有足够量总脉冲能量之后，执行系统100中的上述两级处理。在一些实施中，初始脉冲生成 器110可包括种子脉冲（seed pulse)激光器及一个或多个光学放大器，其中上述光学放大 器用于放大种子激光脉冲。因此，可使用在初始脉冲生成器110中的各光学放大器（如掺饵 及掺饵-镱的石英光纤及其他光纤放大器）的光学增益的受限谱范围不会限制激光脉冲的 脉冲持续时间的下限，该激光脉冲由位于光学放大级110下游的非线性光学处理模块120 及线性光学处理模块130的组合来处理。非线性光学处理模块120中每个脉冲的谱展宽消 除了级110中各光学放大器的光学增益的受限谱范围的不期望的效应，这是通过以下实现 的：提供与将由模块120和130的两级处理产生的期望短脉冲持续时间相配的每个脉冲的 足够谱加宽。因此，可使用各种脉冲生成以及放大技术、设备和系统作为级110的一部分， 以生成具有足够每脉冲能量的初始激光脉冲112,从而由本文中描述的两级处理来处理，其 中包括各种光学放大器设计如芯泵浦（core pump)光纤放大器、双包层光纤放大器（DCA)， 芯泵浦光纤放大器与双包层光纤放大器的组合及其他放大器设计如固态激光放大器。固态 激光增益介质可由例如二极管激光器或者闪光灯泵浦（flash light pump)进行光学泵浦。 在各种放大器设计中，固态激光放大器可用于提供多级放大器设计中的最后一级放大，这 是由于其横截面大。用于固态放大器的示例性材料包括饵：玻璃及其他。此外，成各种配置 的CPA系统可用于向本文中描述的两级处理生成输入激光脉冲。
[0036] 显然，非线性光学处理模块120中的谱展宽与线性光学处理模块130中的后续脉 冲持续时间缩窄之间的上述两级处理方法的分开提供了灵活性以及独立进行如下动作的 能力：操作或优化非线性光学处理模块120的参数以进行期望的谱展宽，以及操作或优化 后续线性光学处理模块130的参数以进行期望的脉冲持续时间缩窄。在两级处理的一个实 施中，通过独立地利用在第一级经由自相位调制进行谱展宽以及利用基于作为第一级之后 的第二级的线性光学模块中的色散效应进行的脉冲持续时间缩窄或者压缩，单模光纤可用 于生成高峰值功率飞秒激光。在第一级120中，光纤中的非线性主导并用来展宽谱，而在第 二级130中，色散材料的色散主导并用来基于第一级中每个脉冲的展宽谱宽度压缩脉冲并 获得变换限制（transform-limited)飞秒脉冲。例如通过有效降低峰值功率的光束扩展， 避免或使第二级130的光学非线性最小化。
[0037] 可实施该两级处理方法以克服其他短脉冲生成技术的约束或者技术难题。例如， 在高阶孤子压缩中，必须同时管理相同非线性光学介质的光学非线性及光学色散以产生用 于支持光的高阶孤子传播及用于实现期望的脉冲压缩的期望条件。高阶孤子压缩的该方 面对高阶孤子压缩技术商业化中寻找实际的、合适的非线性光学材料提出了巨大的实际挑 战。另外，在高阶孤子压缩中要求同时管理相同非线性光学介质的光学非线性及光学色散 会有损于所得到的光学脉冲的脉冲品质因数。
[0038] 图1C示出了经由高阶孤子压缩生成的脉冲的示例，其中脉冲能量为10nJ且初始 持续时间为400fs的脉冲注入非线性光纤段，以通过孤子压缩生成持续时间为14fs的压缩 脉冲。最终的压缩脉冲虽然具有仅14fs的相当短的脉冲持续时间，但是具有大的基座，从 而在主脉冲中仅留有33%的能量。该差脉冲品质因数显著有损于最终的压缩脉冲中的可用 能量。高阶孤子压缩的该不期望的方面是其设计中所固有的。在高阶孤子压缩中通过非线 性光纤段中的SPM生成的啁啾与脉冲形状成正比。当脉冲在非线性光纤段中传播时非线性 在脉冲中积聚，由于SPM与色散之间的相互作用，脉冲形状经历复杂估计并且会显著偏离 其初始形状。因此，脉冲中发展的啁啾可以是高度非线性的，尤其是在脉冲的尾部。但是， 在色散侧，通过色散生成的啁啾趋向于是线性的。在高阶孤子压缩中SPM诱导的啁啾与色 散诱导的啁啾之间的这种不匹配会导致最终的压缩脉冲的差脉冲品质因数。
[0039] 图1A的系统100中示出的两级处理方法通过允许独立地进行以下操作可消除上 述问题：经由非线性光学处理模块120中的SPM操作谱展宽，经由线性光学处理模块130中 的异常色散操作脉冲缩窄，从而使得SPM导致的色散能够通过异常色散补偿或完全抵消。 非线性与色散的这种独立允许适当限制非线性光学处理模块120中谱展宽的总体非线性， 以基本维持初始高斯状脉冲形状并且引入线性或准线性频率啁啾。来自非线性光学处理模 块120的该啁啾可由在线性光学处理模块130中的脉冲缩窄步骤中生成的色散啁啾所补 偿，从而产生不具有显著脉冲畸变的压缩脉冲。因此，相比于高阶孤子压缩的各实施及其他 脉冲生成方法，该两级方法可用于实现更好的脉冲品质因数。如以下一些实施示例描述的， 可重复该两级方法以进一步缩窄脉冲持续时间，其中总体压缩过程分成多个压缩步骤。在 每个步骤中，认真操作两级以避免或使不期望的脉冲畸变最小化。多步骤处理使得能够通 过使由SPM生成的啁啾与由色散生成的啁啾相配来实现最终脉冲质量。
[0040] 图1D示出了作为基于图1C的高阶孤子压缩获得的压缩脉冲的对比的通过该两级 处理方法获得的压缩脉冲的脉冲质量的示例。虽然图1C和图1D的压缩脉冲具有的用于 FWHM的脉冲持续时间都为14fs，但通过该两级处理方法获得的压缩脉冲具有超过80%的 能量约束在主脉冲中，而通过高阶孤子压缩，仅有33 %的能量处于主脉冲中。这表示该两级 处理方法和高阶孤子压缩之间脉冲峰值功率的差超过3倍。
[0041] 作为另一示例，图1A的系统100中示出的两级处理方法可有利地用于在选择压缩 脉冲宽度方面提供灵活性。压缩因数可由非线性光学处理模块120中的谱展宽量来控制。 可通过控制非线性光学处理模块120的物理属性或控制每个脉冲经历的谱展宽-色散压缩 循环的次数来控制每个脉冲经历的该谱展宽量。用其他短脉冲生成技术难以实现脉冲宽度 的这种灵活性。例如，在高阶孤子压缩中，压缩因数由孤子阶N确定。
[0042] 因此，可实施图1A所示的两级处理方法以在生成具有超短脉冲持续时间、高峰值 功率水平及良好的脉冲质量的激光脉冲方面提供显著优势。该两级处理方法还提供了显著 操作灵活性，节约了成本节约以及允许用于各种应用的紧凑系统设计。显然地，用于生成飞 秒激光脉冲的高峰值功率光纤激光可用于工业和科学领域中的各种应用，诸如手术、高精 度材料处理、频率转换等。由于光学光纤的波导效应，光纤激光器比块状固态激光器（bulk solid-state laser)在稳定性、紧凑性、易于操作、更好的光束质量及其他方面具有很多优 势。该两级处理方法可实施在这样的设计中：使用光纤段或者部件来提供用于手术及其他 激光系统的紧凑包装。
[0043] 以下提供如图1A所示的该两级处理方法和其他两级处理方法的实施的具体示 例。
[0044] 图2示出了示例性系统200,其使用CPA系统作为图1A的系统100中的初始脉冲 生成器110。图2的CPA系统110包括：种子脉冲激光器211、脉冲增宽器212、一个或多个 光学放大器213以及脉冲压缩设备214,其中种子脉冲激光器211产生种子激光脉冲；脉冲 增宽器212处理种子激光脉冲以增宽脉冲持续时间；一个或多个光学放大器213放大增宽 的激光脉冲；以及脉冲压缩设备214压缩由该一个或多个光学放大器213输出的激光脉冲 的脉冲持续时间。每个光学放大器可以是掺离子光纤放大器，如在一些实施方式中的掺铒 光纤放大器。脉冲压缩设备214可以各种配置实施（例如，具有两个格栅的格栅对），并且 可以是预压缩设备，因为模块120和130中的后续两级处理提供了系统输出需要的期望脉 冲压缩。这种CPA系统难以支持脉冲持续时间小于250fs或200fs的输出。CPA系统110 的输出脉冲是用于后续两级处理的初始激光脉冲，并且传播通过模块120中的高度非线性 材料以进行谱展宽及随后在模块130中进行脉冲压缩或缩窄。
[0045] 基于该两级处理产生的压缩激光脉冲可进一步处理以实现用于具体应用的激光 脉冲的期望属性。例如，基于该两级处理产生的压缩激光脉冲的高峰值功率允许这种脉冲 具有适于后续非线性光学处理的高光强度。后续非线性光学模块可设计成接收用于频率谐 波生成（诸如第二或第三谐波生成、四波混合（FWM)、参量振荡等）的压缩激光脉冲的高峰 值功率。具体地，周期性极化银酸锂（Periodically Poled Lithium Niobate) (PPLN)可包 括在后续非线性光学模块中作为频率加倍材料，以获得第二谐波生成（SHG)，例如持续时间 小于lOOfs及脉冲能量大于10nJ的SHG脉冲。作为另一示例，基于该两级处理产生的压缩 激光脉冲的高峰值功率可引入后续光学滤波器以修改由每个激光脉冲构成的谱。
[0046] 图3A不出了用于基于初始脉冲生成器310、反射卩周啾光纤布拉格光栅340、作为非 线性光学处理模块120的非线性偏振维持光纤段、以及作为线性光学处理模块130的玻璃 色散材料实施图1A的设计的另一示例性系统300。初始脉冲生成器310包括种子脉冲激光 器211、脉冲增宽器212、预放大器312和作为主放大器314的双包层放大器（DCA)。例如， 种子激光脉冲可具有1550nm的中央波长、lps的脉冲持续时间，约10nm的谱带宽，并且被脉 冲增宽器212增宽成持续时间约100皮秒的长脉冲。增宽的脉冲然后发送至预放大器312 和主放大器DCA314,以获得约30nJ的高脉冲功率（脉冲持续时间约为例如lOOps)。这种 初始激光脉冲然后引导至激光头350中的两级处理以用于处理。激光头350可配置为紧凑 模块，并且经由光纤线缆光学联系至模块310。
[0047] 在该示例中，激光头350包括起偏振光束分裂器/合并器（PBS) 330以将初始激 光脉冲从模块310引导入非线性偏振维持（PM)光纤段120和_啾反射光纤布拉格光栅 (CFBG) 340。来自PBS330的脉冲首先通过PM光纤段120,由啁啾CFBG340反射再次回到PM 光纤段120,通过PBS330进入作为线性光学处理模块130的玻璃色散材料。该示例中及其 他示例中的PBS330可由具有3个端口的光学环形器替代，其中该光学环形器接收来自模块 110的光，将接收的光引导至CFBG340,并且将来自CFBG340的反射光引导至后续的级。例 如，偏振维持光纤光学环形器可用来替代PBS330,该光学环形器具有第一光学端口、第二光 学端口和第三光学端口，以将在第一光学端口处接收的光引导至第二光学端口，以及将在 第二光学端口处接收的光引导至第三光学端口。
[0048] 啁啾光纤布拉格光栅（CFBG) 340作为预压缩设备进行操作，以将激光脉冲压缩成 具有初始持续时间（例如，300fs至340fs)的变换限制脉冲。用于谱展宽的自相位调制 (SPM)在偏振维持光纤（PM15) 120中实现并且对脉冲谱宽度进行展宽。谱展宽的脉冲在光 束扩展之后由位于PBS330和模块130之间的光束控制设备360耦合至自由空间以降低光 强度，使得可将模块130中的非线性光学效应最小化。模块130中的异常色散补偿由PM光 纤段120中的SMF引入的频率啁啾，并且将脉冲压缩为具有期望短持续时间（例如，llOfs) 的变换极限（transform limit)脉冲。
[0049] 在该不例中，用于处理模块120 (PM光纤）和模块130 (玻璃材料）的光学材料可 以使用呈现异常色散材料属性的熔融石英光纤材料。用于模块120的PM光纤段在非线性 光学规则下操作以产生每个激光脉冲中的SPM以及在PM光纤段120之后在输出脉冲中产 生由SPM导致的每个新生成频率分量中的正频率啁啾。在这种背景中，用于模块120的PM 光纤段可呈现为具有正常色散材料属性。模块130在线性光学规则下操作以基于其异常色 散产生频率啁啾，从而补偿每个激光脉冲中SPM诱导的频率啁啾，因而将由模块130输出的 脉冲最终压缩成具有短脉冲持续时间（例如，llOfs)的变换限制脉冲。
[0050] 图3B至图3G示出了图3A中的设计的初步测试结果的示例。图12D、12E和12F 示出了与图12A、12B和12C中的设计相关的设备和系统实施的改善的测试结果。
[0051] 图3B和3C示出了在图3A的CFBG340之后的脉冲谱及脉冲自相关的示例，其中生 成了持续时间为340fs且带宽为10nm的变换限制脉冲。图3D和3E示出了通过光纤段120 进行SPM以及通过模块130中的玻璃材料进行色散补偿之后的脉冲谱及脉冲自相关的示 例。生成了持续时间为llOfs的超短脉冲。脉冲功率测出为30nJ，并且峰值功率为250kW。
[0052] 来自图3A的示例性系统的输出脉冲可进一步集中至非线性晶体，以生成不同波 长的超短脉冲。图3F和3G示出了通过使用PPLN进行第二谐波生成的示例。获得了持续 时间为120fs且带宽为6. 9nm的780nm超短脉冲。脉冲功率测出为12nJ，并且峰值功率为 100kW。
[0053] 在CFBG设备用来预压缩激光脉冲以进行后续两级处理的图3A及其他设计 中，各CFBG设备趋于为温度敏感部件。CFBG中的激光脉冲的高峰值功率由于契伦科夫 (Cerenkov)辐射型相位匹配可导致三阶谐波生成（THG)，使得绿THG光在CFBG的光纤中生 成。图4图示了 CFBG中的契伦科夫辐射型相位匹配。基模与包层中传播的辐射模相位匹 配。在一些商用CFBG设备中，相位匹配角度α可约为10°。
[0054] 绿THG光可由CFBG的高折射率涂层吸收。该吸收可沿CFBG诱导不一致的热梯度， 该不一致的热梯度会不期望地改变CFBG的色散。CFGB中的该热问题会限制系统的脉冲功 率及稳定性。因为相位匹配角度是连续的，所以难以消除该类型相位匹配。降低THG影响 的一些实际方式示例包括：在CFBG外侧使用对绿光透明的特定涂层，或者在CFBG外侧使用 低折射率涂层，第三谐波生成约束在包层中并且不会由涂层吸收。
[0055] 参考图1A，在两级处理中通过线性光学处理模块130进行的色散补偿应设计成产 生适量异常色散，该适量异常色散与在上游非线性光学处理模块120中由频率SPM引入的 频率啁啾相匹配。实现该匹配的一个方式是将模块130设计为其光学传播长度可调，以允 许调节模块130中的异常色散量，使得模块130中的色散材料可通过变换极限将脉冲压缩 至脉冲持续时间。
[0056] 图5示出了这种可调模块130的示例，其中紧凑尺寸的矩形玻璃材料用于通过折 叠光路产生长光传播路径。熔融石英玻璃由于其色散属性、鲁棒性及热稳定性是该应用的 良好候选材料。用于两级处理的熔融石英玻璃的期望长度可以是数十厘米。该长度对于紧 凑系统来说不期望的。图5的设计提供了具有小尺寸和色散可调属性的熔融石英设备。
[0057] 在图5中，矩形熔融石英玻璃500具有长侧510及短侧520,并且两个相对侧中的 每个拐角侧以45度进行切割。图5的尺寸仅是示例，并且可进行调节以满足具体应用的要 求。在该图示中，输入光束垂直于输入切割表面531进入设备500。利用全反射，光束通过 侧表面处的反射约束在该设备中，直到其到达输出切割表面532。该多次内部反射在熔融石 英玻璃材料中实现了长光学传播长度，以得到期望的异常色散量。通过调整光束在输入切 割表面531处的入射位置，可改变该矩形材料内部的总反射次数，该改变会改变材料内部 的总传播路径长度从而改变色散。作为示例，如图5所示，可使用27_ X 21_玻璃以生成 与长度为300mm的相同材料的玻璃对应的色散量。
[0058] 如图5所示，可设置光束转向设备540,以控制或调整光束在输入切割表面531处 的入射位置，从而调节图5的设备的色散量。
[0059] 图6A示出了基于两级处理的另一示例性系统600。初始脉冲生成器110示出为包 括DCA放大器以产生具有某一初始脉冲持续时间（例如，300ps)的初始激光脉冲。PBS330 用于将初始激光脉冲引导至反射CFBG340,以将初始激光脉冲的脉冲持续时间预压缩为更 短脉冲持续时间（例如，20ps)。当激光脉冲的光功率高时，各CFBG设备呈现光学非线性。例 如，CFBG中的三阶谐波生成与波峰强度的三次方成比例。对于高峰值功率脉冲，由CFGB中 的THG导致的泵浦消耗及热不稳定性是不可忽略的且不期望的。因此，如果使用单个CFBG 执行初始激光脉冲至其变换限制脉冲持续时间的整个期望的预压缩，那么具有足够光能每 脉冲的压缩激光脉冲可导致上述不期望的光学非线性，其中该不期望的光学非线性导致泵 浦消耗及热不稳定性。
[0060] 图3A的系统使用单个CFBG340执行初始激光脉冲的整个期望预压缩，因而当初 始激光脉冲足够强时会遇到上述不期望的问题。另外，非线性光纤段120放置在图3A的 PBS330及CFBG340之间，这样，在脉冲完全压缩至其变换极限形状之前，自相位调制已经起 效。该配置可不利地影响所生成的脉冲的质量。
[0061] 图6A的设计采用不同的预压缩设计，即在两级处理之前，将初始激光脉冲至其 变换限制脉冲持续时间的预压缩分成两个或更多预压缩级（示出作为示例的两个预压缩 级）。这允许图6A的系统获得更高脉冲功率（例如，脉冲能量大于100nJ)，同时避免CFBG 中出现不期望的非线性。在两个步骤中压缩脉冲以避免不期望的非线性。在第一步骤中，通 过使用作为第一预压缩设备的CFBG340将脉冲从初始脉冲持续时间（例如，数百皮秒）压 缩到中间短脉冲持续时间（例如，数十皮秒），其中该中间短脉冲持续时间长于变换限制脉 冲持续时间。由于长脉冲宽度，在第一预压缩设备CFBG340中没有产生显著的非线性。通 过第二预压缩设备610进一步压缩脉冲，作为示例，第二预压缩设备610是图6A中的两个 光栅或者其他色散材料。通过该第二预压缩设备610的另外压缩将脉冲持续时间缩短到其 变换限制脉冲持续时间。在第二预压缩设备610之后，通过两级处理来处理脉冲，在图6A 中该两级处理包括具有高光学非线性的非线性材料模块620及线性玻璃色散材料630。两 个透镜621和631分别放置在非线性材料模块620和线性玻璃色散材料630前面，以分别 控制非线性材料模块620和线性玻璃色散材料630中的光学强度，使得经由SFM的谱展宽 发生在非线性材料模块620中，并且经由色散补偿的后续脉冲缩窄发生在线性玻璃色散材 料630中而不具有显著非线性。这产生了压缩的、变换限制超短脉冲。
[0062] 图6B示出了使用光纤台（fiber desk)用于传播脉冲持续时间为280fs的脉冲的 模拟结果的示例，其中上述脉冲首先集中至高度非线性玻璃SF11 (非线性比熔融石英大12 倍）然后由玻璃压缩。玻璃的非线性足够强以在瑞利长度内展宽谱，并且超短脉冲是可实 现的。模拟中使用的脉冲功率为70nJ。图6A的基于预压缩设备的两个或更多级的预压缩 设计具有的独特优势，即功率越高，越容易获得超短脉冲。
[0063] 图6A所示的多级预压缩设计的可替代性预压缩设计为使用啁啾体布拉格光栅 (CVBG)中可忽略的非线性来提供预压缩操作。CVBG可以是替换CFBG的良好候选，以预压 缩高功率脉冲。
[0064] 图7示出了这种系统的示例。在通过CVBG710预压缩之后，激光脉冲耦合至非线 性光纤段或其他非线性光学材料620,以展宽谱并使用色散材料630将脉冲进一步压缩至 其变换极限形状。在一些实施中，CVBG710不能将脉冲压缩至其变换极限，这会生成具有某 一啁啾的脉冲。非线性光纤或者图7的非线性材料620的非线性可用于展宽稍微啁啾的脉 冲的谱。该设计的缺点来自啁啾脉冲会对生成的输出带来基座。在该情况下，色散材料可 应用在PBS与光纤之间，以补偿由CVBG710导致的啁啾。
[0065] 在本文中描述的各设计中，单模输送光纤可替换为大模面积（large-mode-area) (LMA)光纤或者空芯光子晶体光纤（HCPCF)，以减小高能量脉冲所生成的高非线性。公知的 是，高水平的非线性将诱导不可校正的脉冲畸变并且会使最终脉冲质量恶化。使用具有大 模面积的输送光纤可有效降低非线性并且维持脉冲质量。例如，传统SM光纤具有的模场面 积小于l〇〇um 2,而现有的空芯光子晶体光纤具有的模场面积大于lOOOum2,这样非线性降低 了 10 倍。
[0066] 图8示出了用于通过CFBG340的预压缩来生成780nm及其他波长的高功率超短 脉冲而在两级处理之前不会达到变换限制脉冲持续时间及非线性压缩的另一示例性系统 800。CFBG340配置成将每个脉冲预压缩至长于变换限制脉冲持续时间的中间脉冲持续时 间，以避免CFBG340中的不期望的非线性。啁啾PPLN810可用于生成780nm的变换极限脉 冲，这是利用了基态光束与SHG光束之间不同的群速度。生成的脉冲集中至高度非线性玻 璃或者耦合至短光纤620,以展宽谱并且通过线性色散材料630(例如，一对棱镜）进一步压 缩以获得超短脉冲。
[0067] 返回图1A，在一些应用中两级处理方法可能不足以实现期望短脉冲持续时间，其 中两级处理方法是基于经由非线性光学处理模块120中的SPM进行的谱展宽，以及经由线 性光学处理模块130中的异常色散进行的脉冲缩窄。进一步缩窄脉冲持续时间的一个方法 是重复两级处理，使得总体压缩处理分成两个或更多的两级处理步骤。在每个步骤中，仔细 地操作两级以避免或者使不期望的脉冲畸变最小化。图9A和9B示出了两个示例。
[0068] 图9A示出了示例性系统，其使用3个级联的两级处理模块910、920和930,以基 于来自模块110的初始激光脉冲产生超短激光脉冲。每个两级处理模块910、920或930包 括非线性光学处理模块120和后续线性光学处理模块130。由模块110中的DCA输出的初 始激光脉冲具有初始脉冲持续时间（例如，l〇〇ps)，并且被压缩以产生具有更短脉冲持续 时间（例如，300fs)的压缩激光脉冲。在由第一模块910进行2级处理之后，激光脉冲压 缩成具有第一短脉冲持续时间（例如，120fs)。第二模块910将脉冲持续时间压缩为第二 短脉冲持续时间（例如，44fs)，第三模块930进一步压缩脉冲持续时间以产生最终短脉冲 (例如，11. 6fs)。在每个2级模块910、920或930中，脉冲在偏振维持光纤120中经历SPM 以将谱展宽到某一程度，并且耦合至线性玻璃色散设备130以将脉冲压缩成其变换限制形 状。模块910、920和930在不同条件下操作，模块910、920和930集体产生具有高脉冲质 量及期望的高脉冲峰值功率的期望的最终激光脉冲。在实施方式中，下游的2级模块（例 如，模块930)可具有非线性材料模块，该非线性材料模块比上游2级模块（例如，模块920) 具有更高光学非线性。这种级联的系统在一些系统中可用于产生持续时间为亚20fs且能 量多于50nJ的脉冲。
[0069] 图9Β示出了用于两个或更多级联的两级处理模块941和942以基于来自模块110 的初始激光脉冲产生超短激光脉冲的更一般的系统设计的另一示例，其示出为作为示例的 CPA系统。
[0070] 图9C示出了基于图9Α和图9Β的级联系统的模拟结果。该模拟示出了可获得 11. 6fs的超短脉冲。品质因数估计为70%。
[0071] 图10示出了这样的系统，其中光腔用于围绕非线性光学处理模块120和线性光 学处理模块120,以允许光在光腔中来回反弹而多次通过非线性光学处理模块120和线性 光学处理模块130,从而进一步压缩脉冲持续时间。光腔由两个反射器1010和1020形成。 在该不例中，光腔中包括声光调制器（Α0Μ) 1030,其通过控制将光引导出光腔作为离开光束 1040的定时来控制激光脉冲在光腔中传播的次数。
[0072] 图11A示出了高功率数皮秒脉冲激光的示例。宽带宽（例如，大于10nm)需要用于 CPA以放大脉冲功率。通过在放大之后切割谱可获得皮秒脉冲激光，但这会显著降低脉冲功 率。图11A的系统可用于生成具有1?功率的紧皮秒脉冲激光。在该不例中，反射CFBG1110 配置成过补偿输入脉冲的色散（例如，BW?10nm)，以获得负啁啾脉冲作为非线性光纤段 120 (例如，PM15)的输入。非线性光纤段120中的SPM可将负啁啾脉冲的谱缩窄到亚纳米带 宽而不降低脉冲功率。在光束通过谱滤波器1120之后可获得变换限制皮秒脉冲。图11B、 图11C、图11D及图11E示出了图11A的系统的模拟，其中使用的脉冲功率为30nJ，生成了 数皮秒（例如4ps)的傅里叶变换极限脉冲。在图11A的设计中，非线性材料120中的SPM 将谱缩窄，但不降低脉冲功率。生成的谱为高斯状谱并且对应于平滑的脉冲形状而没有侧 脉冲。
[0073] 通过使用光纤部件，本文中描述的示例性系统可配置成紧凑包装。紧凑设计对于 一些应用（如扫描两个光子成像设备，其中使用小尺寸且可移动的激光头）是部分地重要 的。图12A和图12B示出了紧凑激光头设计的示例，上述示例包括激光头350内的两级处 理，其中激光头350在图3A、图6A、图7、图8,图9A、图10以及图11A的示例中示出。返回 图1A，基于该两级脉冲处理的整个短脉冲生成系统需要3个主要处理级：初始脉冲生成器 110,以及用于两级脉冲处理的两个模块120和130。用于3个主要处理级的各部件可策略 性地设计及包装以提供用于激光头350的紧凑配置。初始脉冲生成器110通常包括一个或 多个泵浦激光器、一个或多个光学放大器（例如，DCA)、电子器件及其他关联部件，因而趋 向于变为大体积。这样，图12A和图12B的包装设计将大体积的初始脉冲生成器110与用 于两级脉冲处理的两个模块120和130分开。两个模块120和130及尺寸相对小的一些可 能的其他部件（例如，用于脉冲预压缩的部件）可包装在激光头350中作为具有紧凑尺寸 的轻质模块，以及光学线缆1201用于将大体积的初始脉冲生成器110连接至激光头350， 以将初始激光脉冲输送至激光头350用于两级脉冲处理。例如，激光头350可具有其自己 的壳体，以围绕各光学部件，其中上述光学部件具有用于接纳线缆1201的输出终端端口的 输入光学端口以及用于输出最终激光脉冲的输出光学端口。激光头的壳体包括输入光纤连 接器端口及光学输出端口，其中输入光纤连接器端口构造为与光纤线缆的终端端口以接收 初始激光脉冲；以及光学输出端口用于在两级处理之后输出激光脉冲。这种总体设计可有 利地用于以允许激光头350耦合至各种脉冲激光源，包括多种商用脉冲激光器及光学放大 器，如来自于Calmar Laser公司（位于加利福尼亚州森尼韦尔市的公司）以及其他公司 的光纤激光器及光纤放大器。紧凑尺寸的轻质激光头350可接合至激光扫描设备中，以在 激光手术系统、材料处理系统及其他系统中容易地控制由激光头350产生的脉冲激光的扫 描。因此，用于激光头350的紧凑设计可用于提供该两级脉冲处理的有益的、多用途应用。
[0074] 用于联系初始激光脉冲生成器110与激光头350的光纤输送线缆1201可以诸如 铠装线缆的各种配置实施，其中该铠装线缆包括位于外管内的一个或多个光纤。初始激光 脉冲生成器110可由各激光器单元实施，其中上述激光器单元包括CPA系统、双包层光纤放 大器、大模面积（LMA)光纤放大器及其他放大器，以提供用于在激光头350中通过两级脉冲 处理进行进一步脉冲处理的足够脉冲能量每脉冲。初始脉冲生成器110和紧凑激光头350 中脉冲放大的分开允许方便地按比例增大光能每脉冲，例如使用掺ErYb双包层光纤来按 比例增大平均功率（例如，1550nm的输出中数瓦特），以及通过使用LMA ErYb光纤放大器进 一步增加脉冲功率。激光头350可包括两级处理模块120和130及另外的部件，如用于变 换由两级处理产生的短脉冲的光学波长的非线性频率变换单元、滤波器或其他设备。例如， 脉冲压缩及非线性频率变换可完全包装在小箱式激光头350中，例如其具有的大致尺寸是 15*9*3cm。
[0075] 以下说明提供了基于两级处理以产生具有大于700mW的输出功率以及大于15nJ 的脉冲能量的、780nm的亚lOOfs超短激光脉冲的这种系统的示例。该系统呈现了期望性 能，包括小尺寸、高功率、超短持续时间的高斯状脉冲、高质量光束轮廓、低噪声水平以及长 耐久性。
[0076]

【权利要求】
1. 一种用于生成超短激光脉冲的方法，所述方法通过将激光脉冲在非线性光学介质中 经由非线性自相位调制（SPM)进行的非线性处理与所述激光脉冲的后续线性处理分开来 实现超短激光脉冲，并包括： 将输入激光脉冲引导至非线性光学处理模块中，以使光强度达到或超过用于所述非线 性光学处理模块中的SPM的强度阈值，从而由于非线性的SPM导致每个所述输入激光脉冲 的谱展宽及频率啁啾； 将从所述非线性光学处理模块输出的谱展宽激光脉冲的强度控制为低于用于具有异 常色散的线性光学处理模块中的非线性SPM的非线性强度阈值水平，所述线性光学处理模 块光耦合成接收从所述非线性光学处理模块输出的所述谱展宽激光脉冲而不导致光学非 线性或非线性SPM ;以及 将所述线性光学处理模块的光学传播长度配置为，使得所述谱展宽激光脉冲的异常光 色散的量补偿由所述非线性光学处理模块产生的频率啁啾，并使得所述异常光色散的量导 致脉冲宽度在时间上进行压缩，从而产生输出激光脉冲，所述输出激光脉冲相对于所述输 入激光脉冲的谱宽度和脉冲持续时间被谱展宽且在时间上在脉冲持续时间方面被压缩。
2. 根据权利要求1所述的方法，还包括： 控制所述非线性光学处理模块和所述线性光学处理模块的属性，以使相对于所述输入 激光脉冲的谱宽度和脉冲持续时间被谱展宽且在时间上在脉冲持续时间方面被压缩的所 述输出激光脉冲成为变换限制激光脉冲，所述变换限制激光脉冲的脉冲持续时间短至能够 由谱展宽的所述输出激光脉冲的带宽所允许。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中： 所述输入激光脉冲具有大于250fs的脉冲持续时间，以及所述输出激光脉冲具有小于 200fs的脉冲持续时间。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中： 所述输出激光脉冲具有小于120fs的脉冲持续时间。
5. 根据权利要求1所述的方法，还包括： 控制所述非线性光学处理模块和所述线性光学处理模块的属性，以使相对于所述输入 激光脉冲的谱宽度和脉冲持续时间被谱展宽且在时间上在脉冲持续时间方面被压缩的所 述输出激光脉冲具有大于70%的脉冲品质因数。
6. 根据权利要求1所述的方法，还包括： 独立地控制所述非线性光学处理模块和所述线性光学处理模块的属性，以优化所述输 出激光脉冲的脉冲质量及压缩的脉冲持续时间。
7. 根据权利要求1所述的方法，还包括： 操作种子激光器，以生成种子激光脉冲； 增宽所述种子激光脉冲的脉冲持续时间，以产生增宽种子激光脉冲； 放大所述增宽种子激光脉冲的光功率；以及 压缩经过放大的所述增宽种子激光脉冲的脉冲持续时间，以产生所述输入激光脉冲， 其中所述输入激光脉冲由所述非线性光学处理模块和所述线性光学处理模块进一步处理， 以产生所述输出激光脉冲。
8. 根据权利要求7所述的方法，包括： 在生成输入激光脉冲时，使用反射啁啾光纤布拉格光栅接收和反射经过放大的所述增 宽种子激光脉冲，以压缩脉冲持续时间。
9. 根据权利要求8所述的方法，包括： 使用起偏振光束分裂器将处于一种光偏振的、经过放大的所述增宽种子激光脉冲引导 至所述反射啁啾光纤布拉格光栅中；以及 使用偏振维持光纤段作为所述非线性光学处理模块的位于所述反射啁啾光纤布拉格 光栅与所述起偏振光束分裂器之间的一部分，以经由所述偏振维持光纤段中的SPM导致所 述谱展宽。
10. 根据权利要求9所述的方法，包括： 使用呈现异常色散的玻璃材料作为所述线性光学处理模块的一部分，以经由所述起偏 振光束分裂器接收由所述偏振维持光纤段输出的所述谱展宽激光脉冲，从而产生相对于所 述输入激光脉冲的谱宽度和脉冲持续时间被谱展宽且脉冲持续时间在时间上被压缩的所 述输出激光脉冲。
11. 根据权利要求8所述的方法，包括： 抑制所述反射啁啾光纤布拉格光栅中由三阶谐波生成所生成的热。
12. 根据权利要求11所述的方法，包括： 在所述反射啁啾光纤布拉格光栅外侧使用对所述三阶谐波生成的光透明的透明涂层， 以将所述三阶谐波生成的光引导通过所述透明涂层，从而离开所述反射啁啾光纤布拉格光 栅，而不在所述反射啁啾光纤布拉格光栅中导致加热。
13. 根据权利要求11所述的方法，包括： 在所述反射啁啾光纤布拉格光栅外侧使用低折射率涂层，以将所述三阶谐波生成的光 约束在所述低折射率涂层中，从而避免将所述三阶谐波生成的光限制在所述反射啁啾光纤 布拉格光栅内。
14. 根据权利要求1所述的方法，包括： 使用矩形熔融石英作为所述线性光学处理模块的一部分，以接收并通过在所述矩形熔 融石英内进行的多次反射来引导从所述非线性光学处理模块输出的所述谱展宽激光脉冲， 从而在输出端口处输出反射光的作为所述输出激光脉冲，其中所述矩形熔融石英呈现异常 色散并且具有两个以45度角进行切割的相对拐角，以分别形成输入端口以及所述输出端 □。
15. 根据权利要求1所述的方法，还包括： 操作种子激光器，以生成种子激光脉冲； 增宽所述种子激光脉冲的脉冲持续时间，以产生增宽种子激光脉冲； 放大所述增宽种子激光脉冲的光功率； 经由具有_啾光纤布拉格光栅的第一压缩级以减少所述_啾光纤布拉格光栅中的三 阶谐波生成的方式压缩经过放大的所述增宽种子激光脉冲的脉冲持续时间，以及经由具有 两个格栅或棱镜的、后续的第二压缩级来进一步压缩经过放大的所述增宽种子激光脉冲的 脉冲持续时间，从而产生所述输入激光脉冲，其中所述输入激光脉冲由所述非线性光学处 理模块和所述线性光学处理模块进一步处理，以产生所述输出激光脉冲。
16. 根据权利要求1所述的方法，还包括： 操作种子激光器，以生成种子激光脉冲； 增宽所述种子激光脉冲的脉冲持续时间，以产生增宽种子激光脉冲； 放大所述增宽种子激光脉冲的光功率； 经由啁啾体布拉格光栅压缩经过放大的所述增宽种子激光脉冲的脉冲持续时间，以产 生所述输入激光脉冲，其中所述输入激光脉冲由所述非线性光学处理模块和所述线性光学 处理模块进一步处理，以产生所述输出激光脉冲。
17. 根据权利要求1所述的方法，还包括： 操作种子激光器，以生成种子激光脉冲； 增宽所述种子激光脉冲的脉冲持续时间，以产生增宽种子激光脉冲； 放大所述增宽种子激光脉冲的光功率； 经由啁啾周期性极化铌酸锂（PPLN)压缩经过放大的所述增宽种子激光脉冲的脉冲持 续时间，以产生所述输入激光脉冲，其中所述输入激光脉冲由所述非线性光学处理模块和 所述线性光学处理模块进一步处理，以产生所述输出激光脉冲。
18. 根据权利要求1所述的方法，还包括： 使用光束扩展来将从所述非线性光学处理模块输出的所述谱展宽激光脉冲的强度控 制为低于用于所述线性光学处理模块中的所述非线性SPM的所述非线性强度阈值水平。
19. 根据权利要求18所述的方法，包括： 使用一个或多个透镜来控制所述光束扩展或从所述非线性光学处理模块输出的所述 谱展宽激光脉冲的强度。
20. 根据权利要求1所述的方法，还包括： 使用第二非线性光学处理模块和第二线性光学处理模块进一步处理来自所述线性光 学处理模块的所述输出激光脉冲，从而进一步压缩经处理的所述输出激光脉冲的脉冲持续 时间。
21. 根据权利要求20所述的方法，包括： 将来自所述线性光学处理模块的所述输出激光脉冲的强度控制为处于或超过用于所 述第二非线性光学处理模块中的非线性SPM的非线性强度阈值水平，从而由于所述非线性 SPM导致每个所述输出激光脉冲的谱展宽及频率啁啾； 将从所述第二非线性光学处理模块输出的谱展宽输出激光脉冲的强度控制为低于用 于具有异常色散的第二线性光学处理模块中的非线性SPM的非线性强度阈值水平，所述第 二线性光学处理模块光耦合成接收来自所述第二非线性光学处理模块的所述谱展宽输出 激光脉冲而不导致光学非线性或非线性SPM ; 将所述第二线性光学处理模块的光学传播长度配置成，使得所述谱展宽输出激光脉冲 的异常光色散的量补偿由所述第二非线性光学处理模块产生的频率啁啾，并使得所述异常 光色散的量导致脉冲宽度在时间上进行压缩，从而产生进一步压缩的输出激光脉冲，所述 进一步压缩的输出激光脉冲相对于来自所述非线性光学处理模块的输出激光脉冲的谱宽 度和脉冲持续时间被谱展宽且在时间上在脉冲持续时间方面被压缩。
22. 根据权利要求20所述的方法，还包括： 使用第三非线性光学处理模块和第三线性光学处理模块进一步处理来自所述第二线 性光学处理模块的激光脉冲，以进一步压缩脉冲持续时间。
23. 根据权利要求1所述的方法，还包括： 使用光腔围绕所述非线性光学处理模块和所述线性光学处理模块，以允许光在所述光 腔中来回反弹而多次通过所述非线性光学处理模块和所述线性光学处理模块，从而进一步 压缩脉冲持续时间。
24. 根据权利要求23所述的方法，还包括： 在所述光腔中使用声光调制器，以控制激光脉冲在所述光腔中传播的次数。
25. 根据权利要求1所述的方法，还包括： 使用谱滤波器来对来自所述线性光学处理模块的所述输出激光脉冲进行光学滤波。
26. -种用于生成超短激光脉冲的设备，包括： 初始脉冲生成器，产生初始输入激光脉冲，所述初始输入激光脉冲具有期望的总光能 每脉冲及初始脉冲持续时间； 非线性光学处理模块，耦合成接收所述初始输入激光脉冲，以导致对每个所述初始输 入激光脉冲进行的非线性自相位调制（SPM)，从而由于所述非线性SPM产生每个所述初始 输入激光脉冲的谱展宽及频率啁啾； 线性光学处理模块，具有异常色散并且光耦合成接收来自所述非线性光学处理模块 的、光强度低于用于所述线性光学处理模块中的非线性SPM的非线性强度阈值水平的谱展 宽激光脉冲，其中所述线性光学处理模块的光学传播长度的值被设定为使得所述谱展宽激 光脉冲的异常光色散的量补偿由所述非线性光学处理模块产生的频率啁啾，以产生输出激 光脉冲，所述输出激光脉冲被谱展宽并且在时间上在脉冲持续时间方面被压缩。
27. 根据权利要求26所述的设备，其中： 所述线性光学处理模块包括矩形光学材料，所述矩形光学材料具有输入光学切面和 输出光学切面，所述输入光学切面形成在第一拐角处以接收输入光，所述输入光将由所述 矩形光学材料的侧面多次反射，所述输出光学切面形成在与所述第一拐角相对的第二拐角 处，以在所接收的所述输入光由所述矩形光学材料的侧面多次反射之后输出所接收的所述 输入光；以及 控制所述输入光进入所述输入光学切面的方向以控制所述输入光在所述矩形光学材 料内部行进的距离的机构。
28. 根据权利要求26所述的设备，其中： 所述线性光学处理模块包括第一光学棱镜和第二光学棱镜，以引导将由所述第一光学 棱镜和所述第二光学棱镜的侧面多次反射的输入光，所述第一光学棱镜和所述第二光学棱 镜相对彼此定位并且相对彼此可移动；以及 控制所述第一光学棱镜与所述第二光学棱镜的相对位置以控制所述输入光在所述第 一光学棱镜与所述第二光学棱镜之间行进的距离的机构。
29. 根据权利要求26所述的设备，其中： 所述线性光学处理模块包括具有异常色散的光学材料，以光学地改变光来补偿由所述 非线性光学处理模块产生的频率啁啾，以及所述线性光学处理模块包括控制机构，所述控 制机构将进入所述光学材料的光的光强度控制为低于用于所述光学材料中的非线性SPM 的非线性强度阈值水平。
30. 根据权利要求29所述的设备，其中： 所述控制机构扩展来自所述非线性光学处理模块的所述谱展宽激光脉冲的光束，以减 小所述光学材料中的光强度。
31. 根据权利要求26所述的设备，还包括： 第二非线性光学处理模块，耦合成接收来自所述线性光学处理模块的输出光，并配置 成基于SPM在每个激光脉冲中导致谱展宽；以及 第二线性光学处理模块，耦合成接收来自所述第二非线性光学处理模块的输出光，以 补偿由所述第二非线性光学处理模块产生的频率啁啾，从而进一步压缩每个激光脉冲的脉 冲持续时间。
32. 根据权利要求26所述的设备，还包括： 光腔，所述光腔围绕所述非线性光学处理模块和所述线性光学处理模块，以允许光在 所述光腔中来回反弹而多次通过所述非线性光学处理模块和所述线性光学处理模块，从而 进一步压缩脉冲持续时间。
33. 根据权利要求32所述的设备，还包括位于所述光腔内部的光束控制模块，以控制 所述光在作为所述光腔的输出被引导出所述光腔之前在所述光腔内部反弹的次数。
34. 根据权利要求33所述的设备，其中： 所述光束控制模块包括声光调制器。
35. 根据权利要求26所述的设备，还包括： 附加脉冲处理模块，所述附加脉冲处理模块改变所述输出激光脉冲，并且配置成对所 述输出激光脉冲执行非线性光学处理或光学滤波操作。
36. 根据权利要求26所述的设备，包括： 脉冲压缩器，位于所述非线性光学处理模块之前以在每个激光脉冲进入所述非线性光 学处理模块之前压缩所述每个激光脉冲的脉冲持续时间。
37. 根据权利要求26所述的设备，包括： 第一脉冲压缩器，位于所述非线性光学处理模块之前，以在每个激光脉冲进入所述非 线性光学处理模块之前将所述每个激光脉冲的脉冲持续时间压缩为第一短脉冲持续时间， 其中所述第一短脉冲持续时间大于变换限制脉冲持续时间；以及 第二脉冲压缩器，位于所述第一脉冲压缩器与所述非线性光学处理模块之间，以在由 所述第一脉冲压缩器输出的每个激光脉冲进入所述非线性光学处理模块之前将由所述第 一脉冲压缩器输出的每个激光脉冲的脉冲持续时间压缩为第二短脉冲持续时间，其中所述 第二短脉冲持续时间小于所述第一短脉冲持续时间。
38. 根据权利要求37所述的设备，其中： 所述第二脉冲压缩器配置成将由所述第一脉冲压缩器输出的所述每个激光脉冲的脉 冲持续时间压缩至所述变换限制脉冲持续时间。
39. 根据权利要求26所述的设备，其中： 所述初始脉冲生成器包括双包层光纤放大器； 所述非线性光学处理级包括偏振维持光纤段，所述偏振维持光纤段作为用于产生SPM 的非线性光学材料；以及 所述线性光学处理级包括玻璃材料，所述玻璃材料对在所述SPM中产生的频率啁啾产 生补偿。
40. 根据权利要求39所述的设备，包括紧凑激光头，所述紧凑激光头包括： 激光头壳体，所述非线性光学处理模块和所述线性光学处理模块围绕在所述激光头壳 体中；以及 输入光纤连接器端口，位于所述激光头壳体上，并用于经由光纤线缆从所述初始脉冲 生成器接收激光脉冲，其中所述光纤线缆与所述输入光纤连接器端口相连接。
41. 根据权利要求40所述的设备，其中： 所述紧凑激光头包括： 光学环形器，具有第一光学端口、第二光学端口以及第三光学端口，以将在所述第一光 学端口处接收的光引导至所述第二光学端口，以及将在所述第二光学端口处接收的光引导 至所述第三光学端口；以及 反射P周啾光纤布拉格光栅，稱合成接收来自所述光学环形器的所述第二光学端口的光 并且将所述光反射回所述第二光学端口，所述反射啁啾光纤布拉格光栅配置成压缩从所述 第二光学端口接收的每个激光脉冲的脉冲持续时间，以及 所述非线性光学处理模块包括位于所述反射啁啾光纤布拉格光栅与所述光学环形器 的所述第二光学端口之间的偏振维持光纤段，以导致每个激光脉冲中的SPM，并且所述线性 光学处理模块与所述光学环形器的所述第三光学端口耦合，以接收由所述偏振维持光纤段 输出的光。
42. 根据权利要求41所述的设备，其中： 所述光学环形器包括光偏振维持光纤环形器。
43. 根据权利要求41所述的设备，其中： 所述光学环形器包括偏振光束分裂器。
44. 一种用于生成超短激光脉冲的设备，包括： 激光头壳体，包括输入光纤连接器端口以及输出端口，其中所述输入光纤连接器端口 构造成与光纤线缆的终端端口相连接，以接收初始激光脉冲，以及所述输出端口用于输出 激光脉冲； 脉冲压缩器，耦合成接收来自所述输入光纤连接器端口的所述初始激光脉冲且配置成 压缩每个激光脉冲的脉冲持续时间； 非线性光学处理模块，位于所述激光头壳体中，并耦合成接收来自所述脉冲压缩器的 所述初始激光脉冲，以导致对每个激光脉冲进行的非线性自相位调制（SPM)，从而由于所述 非线性SPM产生每个所述激光脉冲的谱展宽及频率啁啾；以及 线性光学处理模块，位于所述激光头壳体内部并具有异常色散，并且光耦合成接收来 自所述非线性光学处理模块的、光强度低于用于所述线性光学处理模块中的非线性SPM的 非线性强度阈值水平的谱展宽激光脉冲，其中所述线性光学处理模块的光学传播长度的值 被设定为使得所述谱展宽激光脉冲的异常光色散的量补偿由所述非线性光学处理模块产 生的频率啁啾，以产生输出激光脉冲，所述输出激光脉冲被谱展宽并且在时间上在脉冲持 续时间方面被压缩。
45. 根据权利要求44所述的设备，包括： 第二脉冲压缩器，所述第二脉冲压缩器位于所述激光头壳体内部且位于第一脉冲压缩 器与所述非线性光学处理模块之间，以在由所述第一脉冲压缩器输出的每个激光脉冲进入 所述非线性光学处理模块之前将由所述第一脉冲压缩器输出的所述每个激光脉冲的脉冲 持续时间压缩至更短的脉冲持续时间。
46. 根据权利要求44所述的设备，包括： 光学环形器，具有第一光学端口、第二光学端口以及第三光学端口，以将在所述第一光 学端口处接收的光引导至所述第二光学端口，以及将在所述第二光学端口处接收的光引导 至所述第三光学端口，其中所述第一光学端口耦合成接收来自所述输入光纤连接器端口的 光； 反射P周啾光纤布拉格光栅，作为所述脉冲压缩器的一部分并且稱合成接收来自所述光 学环形器的所述第二光学端口的光并将所述光反射回所述第二光学端口，所述反射啁啾光 纤布拉格光栅配置成压缩从所述第二光学端口接收的每个激光脉冲的脉冲持续时间， 其中，所述非线性光学处理模块包括位于所述反射啁啾光纤布拉格光栅与所述光学环 形器的所述第二光学端口之间的偏振维持光纤段以导致每个激光脉冲中的SPM，并且所述 线性光学处理模块与所述光学环形器的所述第三光学端口耦合，以接收由所述偏振维持光 纤段输出的光。
47. 根据权利要求44所述的设备，其中： 所述线性光学处理模块包括第一光学棱镜和第二光学棱镜，以引导输入光，其中所述 输入光将由所述第一光学棱镜和所述第二光学棱镜的侧面多次反射，所述第一光学棱镜和 所述第二光学棱镜相对彼此定位并且相对彼此可移动；以及 控制所述第一光学棱镜与所述第二光学棱镜的相对位置以控制光在所述第一光学棱 镜与第二光学棱镜之间行进的距离的机构。
48. 根据权利要求44所述的设备，其中： 所述线性光学处理模块包括具有异常色散的光学材料，以光学地改变光来补偿由所述 非线性光学处理模块产生的频率啁啾，以及所述线性光学处理模块包括控制机构，所述控 制机构将进入所述光学材料的光的光强度控制为低于用于所述光学材料中的非线性SPM 的非线性强度阈值水平。
49. 根据权利要求48所述的设备，其中： 所述控制机构扩展来自所述非线性光学处理模块的所述谱展宽激光脉冲的光束，以减 小所述光学材料中的光强度。
50. 根据权利要求44所述的设备，其中： 所述线性光学处理模块包括矩形光学材料，所述矩形光学材料具有输入光学切面和 输出光学切面，所述输入光学切面形成在第一拐角处以接收输入光，所述输入光将由所述 矩形光学材料的侧面多次反射，所述输出光学切面形成在与所述第一拐角相对的第二拐角 处，以在所接收的所述输入光由所述矩形光学材料的侧面多次反射之后输出所接收的所述 输入光；以及 控制所述输入光进入所述输入光学切面的方向以控制所述输入光光在所述矩形光学 材料内部行进的距离的机构。
51. -种用于生成超短激光脉冲的方法，所述方法通过将激光脉冲在非线性光学材料 中经由非线性自相位调制（SPM)进行的非线性处理与所述激光脉冲的后续线性处理分开 来实现超短激光脉冲，并包括： 将输入激光脉冲引导至呈现正常色散的非线性光学材料中，以使光强度达到或超过用 于所述非线性光学材料中的SPM的强度阈值，从而由于非线性的SPM导致每个所述输入激 光脉冲的谱展宽及频率啁啾； 将从所述非线性光学材料输出的谱展宽激光脉冲的强度控制为低于用于具有异常色 散的线性光学材料中的非线性SPM的非线性强度阈值水平，所述线性光学材料光耦合成接 收从非线性光学处理材料输出的所述谱展宽激光脉冲而不导致光学非线性或非线性SPM ; 以及 将所述线性光学处理模块的光学传播长度配置成导致所述谱展宽激光脉冲的异常光 色散，从而在时间上压缩脉冲宽度，以产生输出激光脉冲。
52.根据权利要求51所述的方法，包括： 使用具有正常色散的色散补偿光纤作为所述非线性光学材料。
【文档编号】H01S3/10GK104254952SQ201380012600
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年1月7日 优先权日:2012年1月6日
【发明者】张锐, 丛虹, 童沙, 杰里·普拉威哈尔乔, 田恩光, 安东尼·宏·林 申请人:以卡尔马激光名义经营的卡尔马光通信公司