利用强度脉冲形状校正的超快脉冲激光器系统的制作方法

本发明涉及一种在减小对脉冲完整性的劣化的情况下具有可缩放输出功率的超快脉冲光纤激光器系统。具体地，本发明的光纤激光器系统被配置为通过改善主脉冲和侧脉冲之间的初始脉冲对比度并通过使用啁啾脉冲放大和由根据初始光信号产生的经校正电信号驱动的快速强度调制器改善脉冲形状，来抑制脉冲失真。

背景技术：

超快脉冲激光器产生短于20皮秒并且短至5飞秒的脉冲。这些激光器在医学和工业中得到了应用。使用超短脉冲的激光加工基于通过多光子吸收的冷烧蚀原理工作。这些类型的脉冲产生非常小的热影响区域并且几乎没有截口。这允许它们用于加工非常容易受到热的影响的精细零件或加工材料。几乎所有材料都可以用这种脉冲加工，这是因为多光子吸收过程不需要激光器的波长与材料的吸收带重叠。

微机械加工应用需要高达100uj的脉冲能量，眼科应用需要高达20uj的脉冲能量。其他科学应用需要更高的脉冲能量。由于当高峰值功率脉冲传播通过材料时，自相位调制(spm)的非线性光学效应，提取足够的能量同时保持脉冲免于失真是一个问题。这种材料通常是提供增益以放大脉冲的材料，因此很难避免这种效应。一种提取更多脉冲能量的流行方法被称为啁啾脉冲放大(cpa)。在该方法中，通过调整谱包络内的每个纵模的相位来从时间上拉伸脉冲。体光栅、棱镜、光纤、啁啾光纤布拉格光栅或啁啾体布拉格光栅可以用于通过引入此色散来拉伸脉冲。然后可以通过增益材料来放大脉冲，从而在达到可能诱发spm的峰值功率之前获得较高的脉冲能量。最后，利用匹配色散元件来压缩脉冲，以将脉冲重新压缩回皮秒或飞秒脉冲持续时间，从而实现所需的脉冲能量和超短脉冲。

尽管cpa方法可用于提取显著的脉冲能量，但该方法仍然受限。由于诸如spm之类的光学非线性，超快脉冲表现出增加的脉冲持续时间和增加的峰值输出功率。当超短光学脉冲传播通过具有非零的非线性折射率的任何材料时，在spm过程中存在非线性相移的累积。脉冲开始劣化，形成前脉冲或后脉冲(见图1-图5)，使得增加时间包络的总持续时间。这会在峰值功率增加时发生，如图2所示，或者在脉冲在材料中传播足够的距离时发生。

图1的在时域中侧脉冲的产生对应于谱域中强度波纹的存在，如图3所示。如图4所示，波纹的强度随着峰值功率的增加而增加。因此，侧脉冲/强度波纹的存在降低了峰值功率和脉冲能量，这是令人苦恼的，因为许多应用需要具有高峰值功率和高脉冲能量的超短脉冲。

可以通过几种方法来实现光纤激光器系统中的非线性的降低和性能提高。例如，通过使用具有较低非线性折射率的材料、增加光束尺寸/模面积或减小非线性交互长度，可以在一定程度上抑制非线性。最初执行这种优化以改善输出脉冲性能。遗憾的是，高阶模式的激励限制了光纤中可达到的最大模式面积，并且由于有源光纤的泵浦吸收使得长度受到限制。

在一种方法中，努力产生具有抛物线谱形状的超快脉冲。参照图5，与其他脉冲形状相比，抛物线脉冲的峰值功率不受光纤激光器系统中增加的非线性的影响，附图中由b-积分表示非线性。在图6所示的另一种方法中，如果在放大之前主脉冲和侧脉冲之间的初始脉冲对比度高，即侧脉冲最初几乎不包含显著的能量，则啁啾脉冲基本上受非线性影响较小。

实现良好的脉冲对比度和抛物线谱形状难以直接从种子激光器产生。对强度和相位的后脉冲成形可以实现期望的效果。已经提出了许多技术，包括时域和空间域的那些技术。空间域技术包括使用空间光调制器并将输出谱映射到空间域。诸如液晶相位调制器、mem或声光调制器之类的元件控制空间光束分布的强度和/或相位。这种技术相当庞大且不是整体式的。

由于高速电子器件的限制，通常不使用时域技术。直接合成脉冲形状的电子器件昂贵且庞大。已经提出使用由测量的光电二极管信号驱动的相位调制器来校正经拉伸光脉冲的spm。该方法明显不那么复杂、更加紧凑且更便宜。然而，该技术不直接校正谱强度分布以实现平滑的抛物线谱形状。

本发明通过使用快速强度调制器和经由快速光电探测器测量的光学信号在时域上校正谱强度分布来解决超快激光器系统的脉冲失真问题。

技术实现要素：

所公开的超快主振荡器功率光纤放大器cpa激光器系统满足了这种需求，该系统利用强度调制器在时域中校正经过脉冲展宽器之后的光信号的线性啁啾脉冲的谱分布。通过使用线性啁啾脉冲展宽器在时域中映射脉冲的谱分布。诸如mach-zander铌酸锂调制器、mach-zander磷化铟半导体调制器或高速半导体光学放大器之类的快速强度调制器可以与高速电子器件结合使用，以在时域中校正脉冲的谱形状。强度调制器具有根据光信号本身产生的特定或任意波形，以校正谱波纹。

根据本公开的一个方面，所公开的用于输出近变换极限脉冲的cpa激光器系统被配置有分束器，其接收在ps-ns脉冲持续时间范围内的光信号的啁啾脉冲串，并操作用于将每个光信号分成第一部分和第二部分。第二部分的光信号耦合到光电转换器中，该光电转换器将接收到的第二部分的光信号转换成射频(rf)信号。第一部分的光信号被引导并耦合到强度调制器。根据在光电转换器中被转换的第二部分的光信号产生电信号。电信号耦合到至少一个射频(rf)发生器方案中，该方案处理被施加到强度调制器的电信号，以便校正强度调制器的输出处的啁啾脉冲的谱强度分布。

根据结合前面和任何后续方面考虑的本公开的第二方面，cpa激光器系统包括单横模(sm)种子激光器，其被配置为输出亚ns脉冲串的光信号的增益切换或锁模激光器。sm种子激光器可以被配置为增益切换或锁模激光器。在种子之后可能获得或可能未获得啁啾的亚ns脉冲被进一步耦合到位于sm种子激光器和分束器之间的脉冲展宽器中。该展宽器被配置为将亚ns脉冲啁啾至ps-ns脉冲持续时间范围，这允许降低光信号的功率密度。展宽器的配置可以包括成对的衍射光栅，或光纤布拉格光栅或体布拉格光栅或棱镜或任何其他合适的配置及其组合。此外，所公开的此方面的系统的结构还包括单个或多个放大级，每个放大级设置有光纤放大器，该光纤放大器接收并放大第一部分的光信号。最后，所公开的第二方面的结构还配置有一个或多个脉冲压缩器，其接收每个脉冲中具有经校正谱分布的经放大的第一部分的光信号，并且可操作用于输出亚ns脉冲串。脉冲压缩器具有包括tracey光栅压缩器、棱镜压缩器或啁啾体布拉格光栅压缩器或其组合的配置。诸如脉冲拾取器之类的其他组件可用于降低脉冲重复率以实现较高的脉冲能量提取。

上述和以下方面之一的cpa激光器系统的第三方面涉及分束器和光电转换器的细节。分束器优选地包括光纤耦合器，该光纤耦合器被配置为划分每个光信号，使得耦合到强度调制器的第一部分的光信号大于或小于或等于第二部分的光信号。处理第二部分的光信号的光电转换器包括在高达几百千兆赫(ghz)的带宽内工作的快速光电探测器。光电探测器将接收到的每个啁啾脉冲的第二部分的光信号转换成rf信号。rf信号的电强度对应于每个啁啾脉冲中的光的光强度。

在另一方面，任何上述公开方面以及以下公开的任何方面的rf发生器方案被配置有在0.5和500ghz之间的高频下工作的一系列连接的模拟组件。来自光电转换器的rf信号耦合到rf滤波器。rf滤波器操作用于使每个rf信号的预定谱区域通过。经滤波的rf信号进一步耦合到rf反相器中，该rf反相器翻转每个rf信号的经滤波区域。最后，rf放大器耦合到反相器的输出端，并且可操作用于放大每个rf信号的翻转后的经滤波区域，然后将其施加到强度调制器以校正第一部分的光信号的谱强度分布。

在以上和以下讨论的任何方面中公开的cpa激光器系统的组件应该是快速的。对于至少100ps的啁啾脉冲，强度调制器必须足够快以校正强度谱分布。对于这样的脉冲，需要至少20ghz强度调制器和20ghz快速rf电子器件。随着啁啾脉冲持续时间的增加，谱分辨率也会增加，并且可以实现更精细的脉冲成形。此外，随着随附电子器件的强度调制器技术提高到例如500ghz，可以在谱脉冲成形的分辨率方面实现进一步的改进。例如，如果使用目前容易获得的100ghz强度调制器和1.5ns的啁啾脉冲持续时间，则可以具有小于1％的带宽分辨率。即使对于40ghz和0.5ns啁啾脉冲持续时间，分辨率也将是带宽的5％，并且足以校正光谱。作为另一示例，如果产生1.5ns啁啾脉冲，则可以使用10ghz强度调制器来实现小于带宽的7％的分辨率。

根据另一方面，任何上述和下面讨论的方面的亚nscpa激光器系统包括具有mach-zehnder干涉仪结构的强度调制器。后者配置有第一臂和第二臂，该第一臂和第二臂引导相应的复制信号，其中当在干涉仪的输入端处分离第一部分的光信号时形成该复制信号。一个臂包括相位调制器，该相位调制器接收经放大rf信号，该相位调制器对在第一臂中引导的第一部分的光信号的复制信号引起相移。两个复制信号在mach-zehnder干涉仪的输出端处干涉，以便将第一复制信号和第二复制信号之间的相位差转换成每个啁啾脉冲中第一部分的光信号的正确强度分布。

本公开的另一方面涉及前面五个方面和以下公开的方面中的任何方面的亚nscpa激光器系统，包括第二rf发生器方案，其与一个rf发生器方案相同地配置并且从光电转换器接收rf信号。强度调制器是mach-zehnder干涉仪，其设置有第一波导臂和第二波导臂，该第一波导臂和第二波导臂引导第一部分的光信号的相应复制信号。这些臂包括相应的一个相位调制器和第二相位调制器，它们从相应的一个rf发生器方案和第二rf发生器方案接收具有不同幅度的经放大rf信号。两个rf信号对在第一部分的光信号的复制信号引起相应的相移，该复制信号在mach-zehnder干涉仪的输出端处干涉，以便将第一复制信号和第二复制信号之间的相位差转换成第一部分的光信号的正确强度分布。

根据本公开的第七方面，上述任何方面和以下任何方面的所公开的cpa激光器系统包括产生第二rf信号的第二rf信号发生器，该第二rf信号在第二rf发生器中被放大。由相应rf信号发生器方案产生的rf信号具有不同的幅度。此后，将这两个经放大电信号施加到强度调制器，该强度调制器被配置为具有第一波导臂和第二波导臂的mach-zehnder干涉仪，该第一波导臂和第二波导臂引导第一部分的光信号的相应复制信号。第一臂和第二臂被配置有相应的相位调制器，所述相位调制器对第一复制信号和第二复制信号施加相应且不同的相移。然后复制信号在mach-zehnder干涉仪的输出端处相交，以便对第一复制信号和第二复制信号之间的相位差进行转换，从而校正每个啁啾脉冲中第一部分的光信号的强度分布。

本公开的下一方面涉及1至4个方面中任何方面的cpa激光器系统，其具有被配置为半导体光学放大器的强度调制器。半导体放大器以增益增加原理工作，在该放大器输出端处得到第一部分的光信号的强度分布的平滑包络。

根据另一方面，任何上述方面的亚nscpa激光器系统包括光纤延迟线，其被配置为使经放大rf信号与光信号在强度调制器中的第一部分同步。光纤延迟线可以包括光纤环和/或使用多部件线轴，多部件线轴具有围绕线轴的多个部件缠绕的光纤。这些部件可相对于彼此可控制地移位，以便调节缠绕的光纤上的张力，这有利于同步过程。

根据另一方面，上述任一方面的超短脉冲激光器系统使用强度调制器，该强度调制器具有从光信号本身产生的特定波形，以在全部或一些放大器级之前在强度调制器之后自校正谱波纹。使用高速模拟电子器件执行自校正，所述高速模拟电子器件接收对应于分接入射光学信号的电信号并对其进行操纵以产生互补波形以补偿谱波纹。被操纵电信号的幅度的可调谐性允许微调以帮助抑制任何残余谱波纹。这种配置的好处是强度调制器之后的输出随着种子激光器或其他组件的谱形状的任何变化而被自动校正。

另一方面涉及前述和后续方面中任一方面的所公开的cpa激光器系统的强度调制器。具体地，强度调制器具有选择的任意波形，使得第一部分的光信号的谱波纹被校正和/或产生抛物线谱形状。随附电子器件能够产生高速波形，以使用现场可编程门阵列(fpga)或类似的数字方法(例如，asic(专用集成电路)或其他等效ic)来合成分接光信号的电信号。

附图说明

结合以下附图详细说明本公开的上述和其他方面，在附图中：

图1a-图1c示出了根据不同平均脉冲功率产生的随附有侧脉冲的线性啁啾脉冲的时域强度分布；

图2示出了在不同的系统非线性程度下线性啁啾脉冲的时域峰值功率曲线分布；

图3a-图3b示出了线性啁啾脉冲在放大之前和之后的频域强度分布；

图4a-图4c示出了在不同平均脉冲功率下线性啁啾脉冲的频域强度分布；

图5示出了脉冲峰值功率对经拉伸脉冲的不同谱形状的依赖关系；

图6示出了侧脉冲中包含的能量对系统非线性程度的依赖关系；

图7示出了本发明的亚ns脉冲激光器系统的一个方面；

图8示出了图7的所公开的脉冲激光器系统的细节；

图9示出了所公开的亚ns激光器系统的另一方面；

图10示出了所公开的亚ns脉冲激光器系统的又一方面；

图11示出了所公开的亚ns脉冲激光器系统的另一方面。

具体实施方式

现在详细参考本发明的实施例。在有可能的情况下，附图和说明书中使用相同或相似的附图标记来表示相同或相似的部件或步骤。附图为简化形式，且不是按精确比例绘制的。术语“耦合”和类似术语不一定表示直接和立即连接，而是还包括通过中间元件或设备的连接。

图7-图11中所示的本发明的超快脉冲光纤激光器系统10被配置有脉冲源12，例如锁模或增益开关激光器，其产生信号光的超短亚ns脉冲串的信号光14。在脉冲源12之后可能或可能不获得一些啁啾的脉冲14在脉冲展宽器16中经受线性啁啾，以输出具有谱形状18的啁啾脉冲。仅作为示例给出，脉冲持续时间可以从1ps脉冲14增加到纳秒范围内的脉冲18。脉冲展宽器16可以具有各种配置，其中包括体光栅、棱镜、光纤、啁啾光纤布拉格光栅或啁啾体布拉格光栅可以用于通过引入此色散来展宽脉冲。优选地，展宽器16安装至尾纤环行器。

传播通过分束器或抽头耦合器20的光信号的经展宽脉冲18被分成两个部分，这两个部分可以相等或不相等，其中一个部分小于或大于另一部分。其中一个部分直接耦合到强度调制器22中。另一部分被分接以由光电转换器接收，该光电转换器具有光电二极管24的配置，该光电二极管24根据接收到的分接部分的光信号产生电rf信号。电信号模拟啁啾光信号18的时间形状，其在可调谐rf发生器方案25中被进一步合成。

针对至少100ps的啁啾脉冲，强度调制器22必须足够快以校正经扩展脉冲18的强度谱分布。针对这样的脉冲，至少10千兆赫(ghz)强度调制器、rf发生器方案25应该在低ghz范围内快速。随着啁啾脉冲持续时间的增加，谱分辨率也会增加，并且可以实现更精细的脉冲成形。此外，随着随附电子器件的强度调制器技术提高到100ghz和200ghz，可以在谱脉冲成形的分辨率方面实现进一步的改进。例如，如果使用目前容易获得的100ghz强度调制器22和1.5ns的啁啾脉冲持续时间，则可以具有小于1％的带宽分辨率。即使对于40ghz和0.5ns啁啾脉冲持续时间，分辨率也将是带宽的5％，并且足以校正光谱。作为另一示例，如果产生1.5ns啁啾脉冲，则可以使用10ghz强度调制器来实现小于带宽的7％的分辨率。

合成的rf信号耦合到强度调制器22中以平滑掉强度波纹26和/或在调制器的输出处提供最大可能的抛物线形状。如图所示，调制器22的输出处的经校正光信号具有没有强度波纹的时域强度分布28。由于亚ns脉冲14经历线性啁啾，因此在强度调制器22的输出处的经调制光信号的频域强度分布与时域中的分布28匹配。激光器领域的普通技术人员容易认识到，如果在强度调制器22的输出处仅需要抛物线脉冲形状，则电子器件25可以在个位数ghz范围内操作，该范围基本上低于补偿强度波纹所需的范围。在调制器的输出处没有强度波纹是侧脉冲抑制的直接指示。

经调制的第一部分光信号被进一步放大。可以在单个放大级或多个放大级32、34中完成放大。无论放大级的数量如何，包括种子激光器12和一个或多个放大级的光源都具有主振荡器功率光纤放大器(mopfa)配置。

通常，应调整脉冲能量。通常，希望增加脉冲能量，这可以通过降低脉冲重复率来完成。这可以通过将脉冲拾取器36放置在种子激光器和放大器之间的任何位置来实现。然后放大器仅对所需脉冲作用。

与任何cpa系统一样，本发明的系统10包括操作用于压缩啁啾放大脉冲的脉冲压缩器38。通过treacy光栅压缩器、棱镜压缩器或啁啾体布拉格光栅或上述任意组合来实现去啁啾(dechirp)。

综上所述，本发明的超快脉冲系统能够通过使用由根据初始的光信号(第二部分)产生的经校正电信号驱动的快速强度调制器增加初始脉冲对比度来抑制脉冲失真。

具体参考图7，强度调制器22具有用于控制光波幅度的mach-zehnder(mz)干涉仪。第一部分的信号光的被分成沿着相应的波导臂40和42引导的两个复制信号。其中一个臂，例如臂42，设有相位调制器44。如果在相位调制器44两端施加电压，则对于通过臂42的复制信号引起相移。当复制信号在mz干涉仪的输出处被重新组合时，由于两个复制信号之间的干涉，它们之间的相位差被转换为幅度调制，如下所述。

rf发生器方案25处理从光电二极管24接收的rf信号，并产生被施加在相位调制器44两端的互补信号，使得mz干涉仪22的输出处的光信号的时间形状没有强度波纹。为了使光信号中的强度波纹变平，臂40和42中的强度波纹26相互补偿并优选地相互抵消。

这通过rf发生器方案25实现，该rf发生器方案25包括rf滤波器46，其可操作用于隔离电信号的期望部分，即具有高频强度波纹26的顶部或中心部分48。这是通过滤除电信号的低频侧部分并将高频顶部48传递到rf反相器50来完成的。后者使接收到的顶部反相，使得当光信号的复制信号在mz干涉仪22的输出处干涉时，相应的波纹26相互补偿并且优选地彼此抵消。电信号的经反相中心部分被施加到可调节的rf放大器52，使得经调制复制信号的波纹26的幅度与沿调制器22的臂40引导的复制信号的波纹的幅度匹配。

参考图8，技术人员知道相位调制器44上施加的互补信号由dc和rf分量组成。通常，图7的rf放大器52具有可操作用于满足该要求的配置。然而，如果rf放大器52不具有提供dc分量的能力，则rf发生器25附加地具有dc源56和可操作用于组合rf和dc分量的偏置器54。图8的示意图的其余部分与图7的示意图相同。

参照图9，除了图7和图8的相位调制器44之外，在mz干涉仪22的臂40中提供附加的相位调制器58。基于相同的强度调制原理，具有不同幅度的两个电信号被施加到相应的相位调制器40和58。被施加到相位调制器58的第二互补信号可以由包括单独的rf发生器方案55的外部电子器件产生。后者可以具有带有任意波形的信号发生器60以及以本领域普通技术人员公知的方式操作的可调谐rf放大器62。

图10代替图9的具有任意波形的外部电子器件，附加相位调制器58接收由其自身光信号产生的驱动电压信号。具体地，系统25具有附加耦合器64，其将光信号的分接部分分成两个子部分，其中一个子部分被施加到光电二极管24，而另一子部分被引导到附加光电二极管66。后者产生电信号，该电信号被施加到第二rf发生器，其放大接收到的电信号，该电信号被进一步施加在相位调制器58上。被施加到相应的相位调制器44和58的驱动电压彼此不同，这允许第一部分的经调制复制信号在mz干涉仪22的输出处干涉。作为干涉的结果，近变换极限脉冲分别在时域和谱域28、30中获得期望的形状。注意，该图中所示的示意图可以控制光信号的第一复制信号的相位调制，而不是其强度。这可以通过故意调谐rf放大器使得被施加到相应相位调制器44和58的两个电压相等来实现。

参考图11，用半导体光学放大器68代替mz干涉仪，该半导体光学放大器68提供对第一部分的光信号的强度调制。如普通技术人员所知，这种类型的放大器基于增益原理工作。换句话说，相邻波纹26之间的谷被放大，以提供无波纹的近变换极限脉冲28和30的平滑抛物线形状，类似于先前公开的示意图。

参考图7-图11的系统25，当被施加到相位调制器时，光信号和电信号的第一部分的复制信号应该同步。这是通过提供光纤环70来完成的，该光纤环70在其到达图7-图9和图11中的光电二极管24之前处理第二部分的光信号。在图10的实施例中，其中强度调制器22具有两个相位调制器44和58，在耦合器64和光电二极管66之间形成附加的时间延迟环72。该特征的实现可以包括特别选择的额外长度的光纤。另外，可以实现线轴以用于精细调谐，其中所述线轴具有围绕两个单独的线轴部件缠绕的光纤，所述线轴部件可相对于彼此可控制地移位。简单的螺旋件可足以使操作者移动两个线轴部件，从而为光纤提供所需的张力，这允许电信号和光信号同步地施加到图10的单个相位调制器44或调制器44和58两者。

因此，超短脉冲激光器系统25可以使用具有任意波形的强度调制器22、68，使得在全部或一些放大器级之前在强度调制器之后校正谱波纹和/或产生抛物线谱形状。附随的电子器件能够使用现场可编程门阵列(fpga)或类似的数字方法(例如，asic(专用集成电路)或其他等效ic)生成高速波形。

强度调制器22、68具有从光信号本身产生的特定波形，以在全部或一些放大器级之前在强度调制器之后自校正谱波纹。使用高速模拟电子器件执行自校正。快速光电二极管24、66在一些或所有放大器级之前在脉冲展宽器16之后由分接入射光信号产生电子信号。使用光纤70、72在光电二极管之前的长度使电信号在时间上延迟，使得所施加的rf信号与传播通过强度调制器的光脉冲匹配。必须操纵rf信号以产生互补波形以补偿谱波纹。信号幅度的可调性允许微调以帮助抑制任何残余谱波纹。这种配置的好处是强度调制器之后的输出随着种子激光器或其他组件的谱形状的任何变化而被自动校正。

已经参考附图描述了本发明的实施例，将理解的是，本发明不限于那些具体实施例，并且本领域技术人员可以在本文中执行各种改变、修改和适应，而不偏离所附权利要求中定义的本发明的范围或精神。