脉冲光纤激光器的制作方法

专利名称：脉冲光纤激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及超连续信号源，脉冲光纤激光器，产生超连续信号的方法和用于产生脉冲激光信号的方法。
背景技术：
当光纤激光器处于不稳定模式，例如CW模式中激光器运行在略高于阈值处，或是在刚开启激光器或泵浦脉冲刚进入光纤激光器之后，光纤激光器中会发生弛豫振荡。由于光纤激光器中活性稀土元素的激发态寿命比较长，则从开启脉冲激光器或泵浦脉冲进入光纤激光器直到发射激光，典型地存在延时。在该延时中，光纤中的反转能级增至比激光器阈值时的反转能级高很多。通过高的反转、存储在激光器中的能量的大部分典型地在弛豫振荡的第一脉冲(称为尖峰，主脉冲或主边缘)中释放。为隔离这种弛豫振荡的主脉冲，对泵浦脉冲的门控制称为增益转换(gain switching)。在US2010/0172381中描述了一种方法，其中向增益介质施加触发脉冲以控制第一尖峰发生的时间。这种脉冲系统是复杂的，鉴于至少两个理由1)在泵浦脉冲和触发脉冲之间的计时非常关键，因而需要对泵浦和触发模块的时序行为进行精确的电子控制，和2)需要同样用于泵浦和触发的光学通路，也就是说需要光学耦合器(例如WDM或具有信号馈通的熔融泵浦混合器)。

发明内容
本发明涉及一种用于增益转换包层泵浦光纤激光器的系统，以产生具有激光信号波长和激光信号重复率的脉冲激光信号。进一步地，本发明涉及这种增益转换型包层泵浦光纤激光器和用于产生超连续光的非线性光纤的组合。本发明的一个目的是提供一种激光器系统，用于产生具有激光信号波长和激光信号重复率的脉冲激光信号，其包括光纤激光器单元，该单元包含包层泵浦光纤激光器，包层泵浦光纤激光器包含由泵浦包层环绕的光纤激光器导光区域。光纤激光器导光区域包括至少一个活性元素。进一步地，激光器系统包括至少一个用于将泵浦信号发射到所述包层泵浦光纤激光器中的泵浦激光器单元，所述泵浦激光器单元包含至少一个以泵浦信号波长发射泵浦信号的泵浦二极管。此外，激光器系统包括用于将所述泵浦信号调制成多个泵浦脉冲的调制模块。该调制模块被设置为调制所述泵浦激光器单元和/或所述泵浦信号，从而将所述脉冲激光信号中单个激光脉冲的能量基本上限制为响应每个泵浦脉冲产生的所述包层泵浦光纤激光器弛豫振荡的主脉冲。如果泵浦激光器突然开启并施加到光纤激光器上，那么发射激光将在一定时间延迟后发生。这个延时依赖于几个因素。一个因素是上面提到的自发发射寿命。另外的因素是在光纤激光器空腔中的光学往返时间、和光子寿命，这两者皆与空腔的Q-因数有关。泵浦激光的能量同样也是一个因素，由于其决定空腔中的增益级别高能的泵浦激光越多，第一尖峰之前的延迟时间就越短。在该延迟时间期间，泵浦激光引起激发的稀土离子的生成(build-up),并因而引起反转生成。当反转和增益出现时，荧光光线开始通过放大(ASE，放大自发辐射)生成，直到最终产生第一尖峰。第一尖峰基本上耗尽反转，因此，如果在尖峰时关闭泵浦，那么每个泵浦脉冲仅发射一个脉冲。用这种方法，由于系统是自触发的，因而可得到简单且经济的解决方案如果在第一尖峰发生之前关闭泵浦脉冲，则生成时间后光纤激光器空腔中的ASE将触发脉冲发射，并因此消除了对外部触发单元的需要。
对于这种操作，存在一定量的时间抖动第一尖峰的开始基于自发发射，这是随机效果。然而，考虑到第一尖峰耗尽了增益，尖峰中能量的量由泵浦决定，因而在每个脉冲中都是可再现的。本发明的目的之一是提供一种超连续光源，其包括非线性光纤和包括根据本发明的激光器系统的泵浦脉冲源，其中所述激光器系统被设置成将所述泵浦脉冲发射到所述非线性光纤中，使得在非线性光纤中产生超连续信号。用这种方法，可以获得经济且机械简单的超连续光源，其中所有的光学元件都可以光纤耦合，从而消除对例如自由空间光系统的需要。这提高了光源关于机械扰动的稳定性。本发明的目的之一是提供一种方法，用于产生具有激光信号波长和激光信号重复率的脉冲激光信号。该方法包括提供具有包层泵浦光纤激光器的激光器系统，包层泵浦光纤激光器包括由泵浦包层环绕的光纤激光器导光区域。光纤激光器导光区域包括至少一个活性元素。激光器系统进一步地包括至少一个用于向所述包层泵浦光纤激光器中发射泵浦信号的泵浦激光器单元。泵浦信号单元包括至少一个以泵浦信号波长发射信号的泵浦二极管。该方法进一步地包括调制所述泵浦信号单元和/或所述泵浦信号，从而将所述脉冲激光信号中单个激光脉冲的能量基本上限制为响应每个泵浦脉冲产生的所述包层泵浦光纤激光器弛豫振荡的主脉冲。本发明的目的之一是提供一种用于产生超连续信号的方法，包括提供非线性光纤，提供具有根据本发明的激光器系统的泵浦脉冲源，将所述泵浦脉冲发射到所述非线性光纤中，使得在非线性光纤中产生超连续信号。在本发明的一个实施例中，通过调制泵浦信号单元和/或泵浦信号将脉冲激光信号中单个激光脉冲的能量基本上限制为响应每个泵浦脉冲产生的包层泵浦光纤激光器弛豫振荡的主脉冲，该调制使得泵浦脉冲短于弛豫振荡中的两个峰值之间周期的约I. 5倍，例如短于约I个弛豫振荡周期，例如短于约0. 8个弛豫振荡周期，例如短于约0. 5个弛豫振荡周期，。可将单个激光脉冲的能量限制为大于在所述主脉冲中产生的所述能量的约50%，例如大于在所述主脉冲中产生的所述能量的约60%，例如大于在所述主脉冲中产生的所述能量的约70%，例如大于在所述主脉冲中产生的所述能量的约80%，例如大于在所述主脉冲中产生的所述能量的约90%，例如大于在所述主脉冲中产生的所述能量的约95%。用这种方法，由于存储在包层泵浦光纤激光器中的大部分泵浦产生的能量被主脉冲耗尽，可提高每个脉冲中的可再现性。因此，从激光器系统中输出的脉冲列中的每个脉冲的能量由泵浦脉冲能量决定。
在一个短于最大时间周期的时间周期内，可将每个泵浦脉冲的能量基本上耦合到包层泵浦激光器中，所述最大时间周期比所述活性元素的激发态寿命小一个数量级，例如比所述活性元素的激发态寿命小两个数量级，例如比所述活性元素的激发态寿命小三个数量级，例如比所述活性元素的激发态寿命小四个数量级。用这种方法，可以保证泵浦能量基本上耦合入主脉冲中，并且泵浦能量向后续脉冲的I禹合可以被抑制。在短于大约IOOii S，例如短于大约50 ii S，例如短于大约IOii S，例如短于大约Iu S，例如短于大约100ns，例如短于大约IOns的时间范围上，可将每个泵浦脉冲的能量基本上耦合到包层泵浦激光器中。用这种方法，可以保证泵浦能量基本上耦合入主脉冲中，并且泵浦能量向后续脉冲的I禹合可以被抑制。在激光器系统的一个实施例中，光纤激光器单兀包括主振荡器单兀，该主振荡器单元包括至少第一主振荡器反射元件和第二主振荡器反射元件，其中所述第一主振荡器反射元件被设置成比所述第二主振荡器反射元件更靠近所述泵浦信号单元，其中第一和第二主振荡器反射元件之间的距离确定主振荡器腔的长度L 。用这种方法，可通过修改主振荡器腔的长度来调节空腔中的光子寿命。第一主振荡器反射元件可具有在所述激光信号波长上的反射系数Rm ^，该系数在约80%到100%的范围内，例如在90% -100%的范围内，例如在95% -99%的范围内，并且，所述第二主振荡器反射元件具有在所述激光信号波长上的反射系数RMaKE,2，该系数低于约50%，例如低于约40%，例如低于约30%，低于约20%，例如低于约10%，例如低于约8%，例如低于约5%，例如低于约1%。用这种方法，可通过修改第一主振荡器反射元件和/或第二主振荡器反射元件的反射系数来调节空腔中的光子寿命。第一主振荡器空腔长度可以小于约IOm,例如小于5m,例如小于2m,例如小于Im,例如小于0. 5m,例如小于0. lm。第一主振荡器腔的长度可使得光子寿命低于约I U S，例如低于约500ns，例如低于约250ns，例如低于约100ns，例如低于约50ns，例如低于约10ns，例如低于约5ns，例如低于约Ins。所述第一主振荡器反射元件的反射光谱的半谱宽，和/或第二主振荡器反射元件的反射光谱的半谱宽和/或它们组合的反射光谱的半谱宽可以在约0. Inm到约IOOnm的范围内，例如在约0. 2nm到约50nm的范围内，例如在约0. 4nm到约IOnm的范围内，例如在约
0.6nm到约5nm的范围内，例如在约0. 8nm到约I. 5nm的范围内。在一个实施例中，激光器系统包括调节单元，该调节单元被设置成积极地控制所述第一和第二主振荡器反射元件中至少一个的反射的频谱位置，例如对主振荡器反射元件进行热控制或纵向拉伸。在一个实施例中，激光器系统包括至少一个光耦合器，其被设置成将所述泵浦激发信号耦合到所述包层泵浦光纤激光器中，例如I X 2光耦合器，I X 4光耦合器，I X 7光耦合器，6+1 X I光耦合器，7+1 X I光耦合器，I X 19光耦合器，I X 37光耦合器，1X61光耦合器。
在一个实施例中，调制模块能够调制提供到至少一个泵浦激光器单元的电源电流。用这种方法，调制模块可被实现，例如作为驱动电路，从而获得特别简单的光学系统。活性元素可包括秘(Bi)或从镱(Yb)，铒(Er)，镨(Pr)，钕(Nd)，钦(Ho)，钱(Tm)，镝(Dy)或上述元素的组中选出的稀土元素。在一个实施例中，光纤激光器进一步的包括功率放大单元，其被设置为放大在所述主振荡器中产生的脉冲激光信号。通过与脉冲能量不相关的空腔设计，主振荡器-功率放大器(MOPA)的配置允许定制脉冲属性，例如脉冲宽度。在主振荡器中未被吸收的泵浦能量将在功率放大器中被吸收。在一个实施例中，包层泵浦光纤激光器包括具有重叠于在光纤激光器中弓I导的激光信号和活性元素之间的减弱模态的光纤，例如低于25%，例如低于20%，例如低于15%，例如低于10%，例如低于5%，例如低于1%。激光信号重复率可在大约0. IHz到大约500kHz的范围内。可选择地，激光信号重复率可在大约IkHz到大约IMHz的范围内，例如从大约50kHz到大约500kHz，例如从大约80kHz到大约150kHz。根据本发明的一方面，可选地根据上述任一实施例，光纤激光器适于以第一拉曼波长X u发射激光，该波长是从所述激光信号波长Stoke频移来的。激光器系统可包括至少一个具有两个第一拉曼空腔反射元件的第一拉曼空腔，其中所述第一拉曼空腔被设置成在所述第一拉曼波长上提供拉曼激光作用/放大。激光器系统可包括具有两个第二拉曼空腔反射元件的第二拉曼空腔，其中第二拉曼空腔被设置成将能量从所述第一拉曼波长转换成第二拉曼波长XK,2，这里Xk,2>入吣。在级联的拉曼激光器设置中，激光器系统可进一步包括其它拉曼空腔，其被设置成将能量转换成其它拉曼波长上的信号，例如第三拉曼波长和第四拉曼波长。在这种包括多个拉曼空腔的设置中，从一个波长到另外一个波长的信号的Stoke频移可以是部分的或基本上全部的，从而激光信号可或多或少均匀地分布在几个拉曼波长上，或激光信号基本上处于一个拉曼波长上。另外，激光信号的剩余部分可保留在激光信号波长上，从而产生在激光信号波长和一个或多个拉曼波长上的光线。在本申请的内容中，术语基本上处于一个拉曼波长上指的是超过约50%的激光信号能量处于这一拉曼波长上的情形，例如60 %，例如70 %，例如80 %，例如90 %，例如95 %，例如98 %。用这种方法，可得到能够同时发射多个波长上的激光的光纤激光器系统。至少一个所述拉曼空腔反射元件可被布置在所述第一和第二主振荡器反射元件之间。在一个实施例中，光纤激光器光导包括具有高拉曼增益的材料，例如在所述激光信号波长上具有10_13m/W到10_1(lm/W范围内拉曼增益的材料。具有高拉曼增益的材料可包括摩尔浓度(计算氧)在大约0. 1%到大约5%范围内的锗，例如在大约0. 5%到大约3%范围内，例如大约0. 7%到大约2%范围内，例如在大约0. 8%到大约I. 5%范围内。在一个实施例中，光纤激光器导光区域包括光敏区域。用这种方法，反射元件，例如第一和第二主振荡器反射元件，可在包层泵浦激光光纤中方便地直接形成，例如通过已知的紫外写入工艺形成的光栅。因此，在单光纤中可得到包括反射元件的主振荡器，这可减少振荡器的损耗，提高振荡器针对振动的稳定性等。主控振荡器和功率放大器可被一体集成在一个光纤中。例如当光纤激光器导光区域包括光敏区域时。在一个实施例中，通过熔接将来自激光器系统的脉冲激光信号耦合到所述非线性光纤中，以提供一体的、全光纤的，超连续信号源。通过这种方法，可获得特别方便和经济的超连续信号源。进一步地，光源的一体的、全光纤的实施例可具有针对振动的改进的稳定性等。非线性光纤可从微结构光纤、传统光纤、渐变型光纤、多模光纤、或单模光纤的组中选出。
在所述超连续信号源的一个实施例中，所述非线性光纤的至少一部分逐渐锥变(tapering)至外直径，该外直径比锥变之前的非线性光纤的外直径更小或更大。在一个实施例中，该方法包括积极地控制所述第一或第二主控振荡器反射元件中至少一个的反射的光谱位置，例如通过对所述主控振荡器反射元件进行加热，冷却或纵向拉伸。在根据本发明的该方法的一个实施例中，该方法的激光器系统包括如权利要求和/或在前文中描述的激光器系统。可通过熔接将来自激光器系统的脉冲激光信号耦合到所述非线性光纤中，从而提供一体的，全光纤的，超连续信号源。主控振荡器可被设计成提供尽可能短的脉冲(短长度和低Q-因数)。借由对调制单元的控制电子设备的合理设计，通过采用单一调制高功率泵浦二级管进行泵浦，可以获得频谱密度方面的相似性能，例如采用Oclaro BMU25装置。这种改进依赖于泵浦脉冲的优化(增加转换速率)，空腔的优化(更低的Q)，优化空腔长度，优化的NL光纤(长度，锥形)。在实施例I描述的实验中，从泵浦到发射激光，所观察到的延时为5-10 ii s的量级。因此，泵浦脉冲的持续时间应优选为短于此。在S的时间窗中转储(dumping)尽可能多的功率应当作为改进的目标。研究的另外的对象应当是空腔设计的优化。增加脉冲能量的一个方法是降低空腔的Q-因数。用这种方法，阈值增大，且在脉冲发生之前在空腔中将存储更多的能量。同样，弛豫振荡的脉冲宽度应当最小化以增加尖峰的能量。这与最小化空腔的光子寿命有关，也与空腔的长度和Q-因数有关。最后，非线性光纤的优化能够帮助提高产生超连续信号的过程。一个已经提出的建议是，使用锥形非线性光纤，其零色散点逐渐向可视区蓝移。在一个实施例中，所述非线性光纤的至少一部分逐渐锥变至外直径，该外直径比锥变之前的非线性光纤的外直径更小或更大。这种逐渐锥变允许了改变NL光纤的色散特性和将零色散波长朝着例如更短波长频移。以下关于激光腔中光子寿命的描述是对“Principles of lasers”，第3版258-263页，Svelto和Hanna, Plenum,提供的理论部分的概述。考虑包层泵浦光纤激光器，其具有空腔长度L、100%的高反射器反射率，以及反射率为R的输出耦合器。在本发明的上下文中，术语“输出耦合器”和“第二主振荡器反射元件”可互换使用。在本发明的上下文中，术语“高反射器耦合器”和“第一主振荡器反射元件”可互换使用。假设仅通过光栅给定空腔中的往返损耗，通过下式给出空腔的光子寿命T c = -2[L*n]/[c Iln (R)]其中，n是材料的折射率，c是光在真空中的速度。考虑一个系统，在这个系统中短泵浦脉冲已将多个活性离子激发进入激发态但还没有发射激光。在这个状态中，当空腔中光子浓度仍然很低时，粒子数反转可远高于在CW激光的阈值。采用这种初始条件，可导出关联弛豫振荡主脉冲的脉冲宽度△ %和光子寿命I。及反转初始级别的下述关系式Axp= tc. nE * G(NiZNp)其中，Ni和Np是激发态初始粒子数浓度和尖峰强度时激发态浓度(往返增益=0，也就是等于临界反转)。nE是第一脉冲从系统提取能量的功率提取率，由下式给出n E = (Ni-Nf) /Np其中,Nf是在脉冲消失后激发态的最终粒子数,即nE接近于I (close to unity)。G (Nj/Np)由下式给出G(NiZNp) = NiZNp [NiZNp-In (NiZNp)-I]^1从上述方程可以得出，脉冲宽度与光子寿命成比例，其比例常数由发射激光建立之前存储在系统中的能量的量给出。为了得到窄的脉冲宽度，因此，设计空腔以最小化光子寿命是必要的。这样的优化直接与限定空腔的长度和降低输出耦合器的反射率相关。本申请的发明者已经认识到光子晶体光纤(PCFs)通常很好地适于这种优化。由于大芯尺寸和高NA的包层泵浦吸收率可以非常高，这就意味着可以减少装置的长度。在接下来的描述和实施例中，使用高光纤激光器，称作“Aerolase 350激光器”。Aerolase 350激光器是一种全光纤激光器，当运行在CW操作时具有高达350W的输出功率。如果需要，Aerolase 350激光器可被增益转换，以获得脉冲光。


下文中结合优选实施例和参考附图，将更充分地解释本发明，附图有附图I示出了激光器系统的实验装置，附图2a示出了超连续信号源的功率与运行在CW模式下18个泵浦二极管的驱动电流的对比，如图2b示出了运行在CW模式下、处于低、中和高泵浦功率(6A，8A和IOA的泵浦驱动电流)的超连续信号源的部分输出光谱，附图3示出了通过积分球测量的光谱，如图4示出了处于为激光阈值(左)的3A泵浦电流、和6A泵浦电流(右)的非线性(NL)光纤的输出的时间动态图(temporal dynamics),附图5示出了在42W的超连续输出功率、持续2小时的CW模式运行中，每20分钟记录的光谱， 附图6示出了在附图5中示出的所有平面图的标准偏差，附图7示出了当在重复率为IOOHz的脉冲模式下运行泵浦激光器，且从0到6A调制泵浦时产生的连续信号的时间动态图，
附图8示出了增益转换型超连续信号源的略图。使用来自Aerolase 350激光器的弛豫振荡用以泵浦非线性光纤，
附图9示出了 16个BMUlO (Oclaro) 二极管输出的平均泵浦功率与控制电压的关系图。附图10示出了在CW模式(红色和蓝色)下运行、和在脉冲模式下运行的Aerolase350激光器产生的超连续信号的比较。附图11示出了 Aerolase 350激光器(左)和SuperK Extreme设备产生的光谱的可见部分的比较，以及附图12示出了优化的激光器系统的实验装置。附图是概要的并且为清楚起见进行了简化。从始至终，相同的附图标记表示相同或相应的部分。
具体实施例方式下文中给出的详细描述使本发明的进一步的适用范围更加清晰。然而，应当理解，在表明本发明优选实施例时，仅以例证的方式给出详细描述和具体示例，这是因为通过这种详细描述，在本发明精神和范围内的各种变化和修改对于本领域技术人员而言是非常清楚的。通过独立权利要求的特征限定本发明。优选的实施例限定在从属权利要求中。权利要求中的任何附图标记并不意于限定权利要求的范围。在上文中已经示出了一些优选实施例，但应当强调的是本发明不限于此，而是可以采用由权利要求限定的技术方案内其它的方式来实施。实施例I基于采用“Aerolase 350”，产自NKT Photonics的高功率光纤激光器，对非线性光纤进行泵浦所产生的超连续信号，呈现结果。呈现纯粹CW模式下的结果，以及通过增益转换增强激光器峰值功率的结果。测试装置由16到18个二极管(Oclaro，BMU10)，光纤激光器(Aerolase 350)和一段产生超连续信号的光纤(非线性光纤)组成。所有的元件熔接在一起。在CW模式中，通过一体的全光纤装置输出的高达42W的平均输出功率获得光谱。该装置将能量分布在1064nm到1500ns的范围，平均光谱密度估算约为80_90mW/nm。另外，还产生在800nm-1060nm的NIR区域中的可见光，光谱密度估算为几个mW/nm。在2小时的测试中，观察到装置具有良好的光谱稳定性。在从1050nm到1500nm的波长范围中，观察到的功率波动小于0. 2dB。这可以在附图6中看到。附图I示出所使用的装置的略图。采用61 I的混合器，使用Aerolase 350CW激光器101对非线性光纤进行泵浦。使用18个BMU10 二极管对Aerolase 350 CW激光器101进行泵浦。通过内芯为15 ii n^ANufern FUD3539光纤，和内芯在TEC之前为3. 4 y m的Nufern UHNAl热扩展芯(TEC)光纤，将Aerolase 350CW激光器101与非线性光纤熔接。非线性光纤具有d/八=0. 5和假定处于1060nm的零色散点。当在800_1600nm范围内的后台损耗低于5dB/km时，测量的在约1400nm处的OH损耗大约为25dB/km。估算的光纤的模场直径约为4 ii m。
从Aerolase 350 Cff激光器101到非线性光纤的熔接损耗总共估算为I. 2dB。在附图2b中，可以看到用于低、中和高泵浦功率的光谱。需要注意的是，光谱非常宽，并且在光谱的NIR部分(从1040nm到1500nm)的功率明显多于朝着可见光的区域(低于 IOOOnm)。在附图3中示出了用于42W超连续信号输出(55W泵浦)的光谱。如从光谱中看到的，泵浦的能量几乎完全分布在从1060nm到1500nm的区域。在这个窗口中的平均光谱密度估算约为42w/440nm,也就是 90nW/nm。同样也产生800nm到IOOOnm范围内的光。相对于在1060-1500nm的窗口中的平均级别，级别看起来降低了大约15dB。因此，在这个窗口中的平均功率密度约为几个mW/nm。在42W的输出功率时，在NL光纤的输出中可观察到可见红光。相反的，减小光纤激光器的工作功率至接近阈值，在NL光纤的输出中可观察到明亮的橙色光。橙色光与这种状态下自发脉冲的不稳定所导致的光纤弛豫振荡相关联。如图4所示，在更高的功率(功率远高于发射激光的阈值)，观察到Aerolase激光器是稳定的，并不随时间变化。图4的左图中示出弛豫振荡，本发明的一个目的就是将泵浦功率投入主脉冲。在阈值附近的弛豫振荡与来自NL光纤的橙色光相关联。在高的泵浦电流下，弛豫振荡被大量抑制。第一个尝试是表征光源的光谱稳定性。图6示出了运行两小时、且每20分钟记录一次光谱数据的测试结果。运行激光器以向非线性光纤射入55W的输出功率。观察到42W的超连续信号的输出。使用积分球取得超连续信号的一部分，以将光线耦合到多模光纤中。在上述超连续信号源上运行试验所使用的电子驱动器仅能提供重复率为IOOHz、占空比为50%的调制。在图7中示出了当从0-6A调制泵浦激光器时，超连续信号源的时间动态图。如果光纤激光器运行在CW模式，则不会有可见光从光纤中射出。然而，如果调制光纤激光器单元，假设激光器输出明亮的脉冲橙色光，则其与图7示出的瞬态相关联。可观察到Aerolase350激光器的初始弛豫振荡。为了使用这种效果以建立经济的高功率连续源，激光器可运行在具有50Khz范围内的重复率、例如为50%的占空比(也就是IOii s脉冲)的调制泵浦功率下。如图8的略图示出的激光器系统是可以想象到的。这种激光器系统是耐用的、可制造的，且该激光器系统和其大部分元件可作为全光纤系统来设计。实施例2在该实施例中，进一步地使用了优化的电子设备。通过调节泵浦脉冲使其与弛豫振荡的主脉冲隔离，来实现增益转换型Aerolase 350 CW激光器。使用16个从0-5A调制的BMUlO 二极管泵浦模块。激光器输出的光的总平均功率为7. 3W。从这可以估算出峰值功率大约为500W，脉冲能量大约为160 ii j。图8示出了设备的略图。实现上述脉冲列所使用的泵浦二极管随后熔接到Aerolase 350 Cff 101的61 I混合器的16个端口。这样，如图I所示的设备可使用已连接好的18个二极管运行在CW模式，或通过来自模块的16个二极管进行增益转换。将脉冲列射入非线性光纤中，该光纤产生具有550nm到超过1700nm的范围(0SA的极限)、5W的平均总功率的宽带超连续信号。光谱宽度方面与用于特定光纤的NKT Photonics SuperK泵浦源得到的相似。图10中比较了分别对于使用18个二极管运行在CW模式、或使用16个调制二极管进行增益转换的激光器时，设备的光谱输出。从图中可以看出在增益转换模式下的光谱比在CW模式下的光谱要宽得多。需要注意的是，泵浦非线性光纤的Aerolase 350激光器输出的1064nm光在40WCW模式中完全耗尽，但在增益转换模式中仍存在大量可用的光纤激光器泵浦光。即使后一模式中的峰值强度比前一个模式的峰值强度大很多也是如此。该结果可以表明不仅峰值功率，而且平均功率也在连续光产生的效率优化中起到作用。
在图11中，比较了该光谱的可见光部分和采用SuperK Extreme泵浦源泵浦NL光纤得到的光谱的可见光部分。后者是NKT Photonics A/S研发的商业可用的超连续信号源。在采用脉冲对Aerolase 350激光器进行泵浦的情况下，非线性光纤装置射出非常清晰的橙色光。从图中可以看到，采用增益转换型激光器产生的连续信号包括波长一直延伸到与采用SuperK Extreme光源获得的相同波长的光。需要注意的是观察到的光功率显著地不同。总之，增益转换型Aerolase 350激光器的可行性得到了证明。通过调节泵浦脉冲使其与弛豫振荡的主脉冲隔离，以产生具有重复率为45Khz并且平均功率为5W的低抖动脉冲列。采用这种脉冲来泵浦非线性光纤证明了产生跨越使用Aerolase 350激光器的光纤所支持的全部光谱范围的超连续信号是可行的。该实施例示出，基于Aerolase 350激光器的NL光纤的结合，一种一体的超连续信号源是可行的。在CW模式中，可获得大功率IR光谱，而可见光的产生则依赖于通过增益转换型Aerolase 350激光器的峰值功率增强。从应用的观点来看，增益转换的解决方案是令人关注的。这种解决方案能够跨越了所有可见光的和近IR光谱，并且限制了在系统中需要处理的过剩光的量。该实施例中描述的系统的一个局限是驱动泵浦二极管的电流的转换速率有限。开启泵浦直至Aerolase 350激光器中建立激光发射之间存在延时。在Ytterbium激光器中，通常的情形是是上激光能级的寿命比空腔中光子的寿命( Ims)长很多。在这种情况下，能够在发射激光之前，在远超阈值水平时建立反转。使用这种方法，能量存储在系统中。优化存储的能量的量应当是进一步改进的目标。在被熔接到aerolase 350光纤激光器之前，16个二极管被特征化。在图9中示出了平均泵浦功率与控制电压的关系图。5V以上( 5A峰值电流)能够看到所谓的功率翻转(power roll-over)。这种翻转是泵浦驱动电路的时间限制所导致的,这种时间限制可以看作是驱动电流的有限的转换速率。实施例3在图12中示出了包层泵浦光纤激光器装置的一个实施例。有源光纤具有光敏内芯，该内芯允许UV写入的布拉格光栅可被印制在该内芯中。以这种方式，MOPA中光纤激光器的配置可在单片光纤中实现。光纤的外径是125 ii m,内包层直径是105 ii m。内芯的直径是10 ym，并且由与实施例I中使用的光纤相同的材料组成。这种光纤估计具有比实施例I中使用的光纤高5倍的泵浦吸收率。由于这个原因，主振荡器的长度因此也减小了。在实施例I中，输出耦合器的反射率是20%。在该实施例中减少至10%。根据前述用于光子寿命的方程式，长度和反射率的减小共同降低了光子寿命T。，从实施例I中的约40ns降低至该实施例中的约6ns。
根据用于脉冲宽度△ Tp的方程式，如果在激光建立之前在光纤中存储相同量的能量，则该实施例将得到窄了 1/7倍的(约40ns)脉冲，因此这种脉冲具有高出7倍的峰值功率(大约2-3kW)。激光器系统的一个实施例可基于有源光敏内芯，该有源光敏内芯具有125iim的外直径，105 u m的内包层直径和8-10 y m的 内芯直径。这种装置可直接熔接至例如来自Oclaro的BMU25，消除了对泵浦混合器的需要。
权利要求
1.一种超连续光源，包括非线性光纤和泵浦脉冲源，所述泵浦脉冲包括根据权利要求5至30中任一项的激光器系统，其中所述激光器系统设置成将所述泵浦脉冲射入所述非线性光纤中，使得在非线性光纤中产生超连续光。
2.根据权利要求I的超连续光源，其中，通过熔接将来自该激光器系统的脉冲激光信号与所述非线性光纤耦合，从而提供一体的、全光纤、超连续光源。
3.根据权利要求I或2的超连续光源，其中，所述非线性光纤是从微结构光纤、传统光纤、渐变型光纤、多模光纤或单模光纤的组中选出的。
4.根据权利要求I至3中任一项的超连续光源，其中，所述非线性光纤的至少一部分逐渐锥变至外直径，该外直径比非线性光纤锥变之前的外直径更小或更大。
5.一种用于产生脉冲激光信号的激光器系统，该脉冲激光信号具有激光信号波长和激光信号重复率，所述激光器系统包括 光纤激光器单元，包括包层泵浦光纤激光器，该包层泵浦光纤激光器包括由泵浦包层环绕的光纤激光器导光区域，该导光区域包括至少一个活性元素； 至少一个泵浦激光器单元，用于将泵浦信号射入所述包层泵浦光纤激光器中，所述泵浦激光器单元包括至少一个以泵浦信号波长发射泵浦信号的泵浦二极管；以及 调制模块，用于将所述泵浦信号调制成多个泵浦脉冲， 其中，所述调制模块被设置成调制所述泵浦激光器单元和/或所述泵浦信号，从而将所述脉冲激光信号的单个激光脉冲的能量基本上限制为响应每个泵浦脉冲产生的所述包层泵浦光纤激光器弛豫振荡的主脉冲。
6.根据权利要求5的激光器系统，其中，单个激光脉冲的能量限制为大于大约在所述主脉冲中产生的所述能量的50%，例如大于大约在所述主脉冲中产生的所述能量的60%，例如大于大约在所述主脉冲中产生的所述能量的70%，例如大于大约在所述主脉冲中产生的所述能量的80%，例如大于大约在所述主脉冲中产生的所述能量的90%，例如大于大约在所述主脉冲中产生的所述能量的95%。
7.根据权利要求5或6的激光器系统,其中，基本上在短于最大时间周期的一个时间周期内，将每个泵浦脉冲的能量耦合入包层泵浦激光器，所述最大时间周期比所述活性元素的激发态寿命小一个数量级，例如比所述活性元素的激发态寿命小两个数量级，例如比所述活性元素的激发态寿命小三个数量级，例如比所述活性元素的激发态寿命小四个数量级。
8.根据权利要求5或6的激光器系统，其中，基本上在短于最大时间周期的一个时间周期内，将每个泵浦脉冲的能量耦合入包层泵浦激光器，所述最大时间周期短于光纤激光器弛豫振荡中的两个峰值之间周期的大约I. 5倍，例如短于光纤激光器弛豫振荡周期的大约I倍，例如短于光纤激光器弛豫振荡周期的大约O. 8倍，例如短于光纤激光器弛豫振荡周期的大约O. 5倍。
9.根据权利要求5或6的激光器系统,其中,基本上在短于大约100μ s,例如短于大约50 μ S,例如短于大约10 μ S,例如短于大约I μ s,例如短于大约100ns,例如短于大约IOns的时间范围上，将每个泵浦脉冲的能量耦合入包层泵浦光纤激光器。
10.根据权利要求5至9中任一项的激光器系统，其中，所述光纤激光器单元包括主振荡器单元，该主振荡器单元包括至少第一主振荡器反射元件和第二主振荡器反射元件，其中所述第一主振荡器反射元件被设置成比所述第二主振荡器反射元件更靠近所述泵浦信号单元，且第一和第二主振荡器反射元件之间的距离确定主振荡器空腔的长度I*。
11.根据权利要求10的激光器系统，其中，所述第一主振荡器反射元件具有在所述激光信号波长上的反射系数Rmq, ^，该系数在约80%到100%的范围内，例如在90% -100%的范围内，例如在95% -99%的范围内，并且，所述第二主振荡器反射元件具有在所述激光信号波长上的反射系数RMaKE,2，该系数低于约50%，例如低于约40%，例如低于约30%，低于约20%，例如低于约10%，例如低于约8%，例如低于约5%，例如低于约1%。
12.根据权利要求10或11的激光器系统，其中，所述第一主振荡器空腔长度小于约IOm,例如小于5m,例如小于2m,例如小于Im,例如小于O. 5m,例如小于O. lm。
13.根据权利要求10至12中任一项的激光器系统，其中，所述第一主振荡器空腔的长度使得光子寿命低于约I μ s，例如低于约500ns，例如低于约500ns，例如低于约250ns，例如低于约100ns，例如低于约50ns，例如低于约10ns，例如低于约5ns，例如低于约Ins。
14.根据权利要求10至13中任一项的激光器系统，其中，所述第一主振荡器反射元件的反射光谱的半谱宽，和/或第二主振荡器反射元件的反射光谱的半谱宽和/或它们的组合反射光谱的半谱宽在约O. Inm到约IOOnm的范围内，例如在约O. 2nm到约50nm的范围内，例如在约O. 4nm到约IOnm的范围内，例如在约O. 6nm到约5nm的范围内，例如在约O. 8nm到约I. 5nm的范围内。
15.根据权利要求10至14中任一项的激光器系统，进一步地包括调节单元，该调节单元被设置成积极地控制所述第一和第二主振荡器反射元件中的至少一个的反射的光谱位置，例如对主振荡器反射元件进行热控制或纵向拉伸。
16.根据权利要求5至15中任一项的激光器系统，进一步地包括至少一个光学耦合器，其被设置成将所述泵浦信号耦合到所述包层泵浦光纤激光器中，例如1X2光学耦合器，1X4光学稱合器，1X7光学稱合器,6+1 X I光学稱合器,7+1 X I光学稱合器，I X 19光学率禹合器，1X37光学稱合器，1X61光学稱合器。
17.根据权利要求5至16中任一项的激光器系统，其中，该调节单元能够调节提供至至少一个泵浦激光器单元的电源电流。
18.根据权利要求5至17中任一项的激光器系统，其中，所述活性元素包括铋(Bi)或从镱(Yb)，铒(Er)，镨(Pr)，钕(Nd)，钦(Ho)，铥(Tm)，镝(Dy)或上述元素的组中选出的稀土元素。
19.根据权利要求10到18中任一项的激光器系统，其中，所述光纤激光器进一步地包括功率放大单元，其被设置为放大在所述主振荡器中产生的脉冲激光信号。
20.根据权利要求19的激光器系统，其中，该主控振荡器和该功率放大器单元一体地集成在一个光纤中。
21.根据权利要求5到20中任一项的激光器系统，其中，所述包层泵浦光纤激光器包括具有重叠于在光纤激光器中引导的激光信号和活性元素之间的减弱模态的光纤，例如低于25%，例如低于20%，例如低于15%，例如低于10%，例如低于5%，例如低于1%。
22.根据权利要求5至21中任一项的激光器系统，其中，所述激光信号重复率在大约IkHz到大约IMHz的范围内，例如从大约50kHz到大约500kHz，例如从大约80kHz到大约150kHz ο
23.根据权利要求5至22中任一项的激光器系统，其中，所述光纤激光器导光区域包括光敏区域。
24.一种激光器系统，包括能够以激光信号波长发射光线的光纤激光器，所述光纤激光器可选地根据权利要求5至23中任一项，其中，所述光纤激光器适于以第一拉曼波长发射激光，该波长是从所述激光信号波长Stoke频移来的。
25.根据权利要求24的激光器系统，进一步地包括至少一个具有两个第一拉曼空腔反射元件的第一拉曼空腔，其中，所述第一拉曼空腔被设置成在所述第一拉曼波长上提供拉曼激光作用/放大。
26.根据权利要求25的激光器系统，进一步地包括具有两个第二拉曼空腔反射元件的第二拉曼空腔，其中，所述第二拉曼空腔被设置成将能量从所述第一拉曼波长转换成第二拉曼波长λκ,2，这里λκ,2> λ w。
27.根据权利要求26的激光器系统，在级联的拉曼激光器设置中，进一步地包括其它拉曼空腔，其被设置成将能量转换成其它拉曼波长上的信号。
28.根据权利要求24至27中任一项的激光器系统，其中，至少一个所述拉曼空腔反射元件被布置在所述第一和第二主振荡器反射元件之间。
29.根据权利要求24至28中任一项的激光器系统，其中，所述的光纤激光器光导包括具有高拉曼增益的材料，例如在所述激光信号波长上具有10_13m/W到10_1(lm/W范围内拉曼增益的材料。
30.根据权利要求29的激光器系统，其中，所述具有高拉曼增益的材料包括摩尔浓度在大约O. 1%到大约5%范围内的锗，例如在大约O. 5%到大约3%范围内，例如大约O. 7%到大约2 %范围内，例如在大约O. 8 %到大约1. 5 %范围内。
31.一种用于产生超连续信号的方法，包括 a.提供非线性光纤， b.提供包括根据权利要求5至30中任一项的激光器系统的泵浦脉冲源， c.将所述泵浦脉冲射入所述非线性光纤中，使得在非线性光纤中产生超连续信号。
32.根据权利要求31的方法，其中，通过熔接将来自该激光器系统的脉冲激光信号与所述非线性光纤耦合，从而提供一体的、全光纤、超连续光源。
33.根据权利要求31或32的方法，其中，所述非线性光纤是从微结构光纤、传统光纤、渐变型光纤、多模光纤或单模光纤的组中选出的。
34.根据权利要求31至33中任一项的方法，其中，所述非线性光纤的至少一部分逐渐锥变至外直径，该外直径比非线性光纤锥变之前的外直径更小或更大。
35.一种用于产生脉冲激光信号的方法，该脉冲激光信号具有激光信号波长和激光信号重复率，所述方法包括 提供激光器系统，其包括 光纤激光器单元，包括包层泵浦光纤激光器，该包层泵浦光纤激光 器包括由泵浦包层环绕的光纤激光器导光区域，所述光纤激光器导 光区域包括至少一个活性元素；以及 至少一个泵浦激光器单元，用于将泵浦信号发射到所述包层泵浦光 纤激光器中，所述泵浦信号单元包括至少一个以泵浦信号波长发射信号的泵浦二极管； 调制所述泵浦信号单元和/或所述泵浦信号，从而将所述脉冲激光信号的单个激光脉冲的能量基本上限制为响应每个泵浦脉冲产生的所述包层泵浦光纤激光器弛豫振荡的主脉冲。
36.根据权利要求35的激光器系统，其中，单个激光脉冲的能量限制为大于大约在所述主脉冲中产生的所述能量的50%，例如大于大约在所述主脉冲中产生的所述能量的60 %，例如大于大约在所述主脉冲中产生的所述能量的70 %，例如大于大约在所述主脉冲中产生的所述能量的80%，例如大于大约在所述主脉冲中产生的所述能量的90%，例如大于大约在所述主脉冲中产生的所述能量的95%。
37.根据权利要求35或36的激光器系统,其中,基本上在短于最大时间周期的一个时间周期内，将每个泵浦脉冲的能量耦合入包层泵浦激光器，所述最大时间周期比所述活性元素的激发态寿命小一个数量级，例如比所述活性元素的激发态寿命小两个数量级，例如比所述活性元素的激发态寿命小三个数量级，例如比所述活性元素的激发态寿命小四个数量级。
38.根据权利要求35或36的激光器系统,其中,基本上在短于最大时间周期的一个时间周期内，将每个泵浦脉冲的能量耦合入包层泵浦激光器，所述最大时间周期短于光纤激光器弛豫振荡中的两个峰值之间周期的大约I. 5倍，例如短于光纤激光器弛豫振荡周期的大约I倍，例如短于光纤激光器弛豫振荡周期的大约O. 8倍，例如短于光纤激光器弛豫振荡周期的大约O. 5倍。
39.根据权利要求35或36的激光器系统,其中，基本上在短于大约100μ s,例如短于大约50 μ S，例如短于大约10 μ S，例如短于大约I μ S，例如短于大约100ns，例如短于大约IOns的时间范围上，将每个泵浦脉冲的能量耦合入包层泵浦光纤激光器。
40.根据权利要求35至39中任一项的方法，其中，所述光纤激光器单元包括具有第一和第二主控振荡器反射元件的主控振荡器，且所述方法包括积极地控制所述第一和第二主振荡器反射元件中至少一个的反射的频谱位置，例如通过对所述主控振荡器反射元件进行加热、冷却或纵向拉伸。
41.根据权利要求35至40中任一项的方法，其中，所述激光信号重复率在大约IkHz到大约IMHz的范围内，例如从大约50kHz到大约500kHz，例如从大约80kHz到大约150kHz。
42.根据权利要求35到41中任一项的方法，其中，该光纤激光器适于以第一拉曼波长发射激光，该波长是从所述激光信号波长Stoke频移来的。
43.根据权利要求35到42中任一项的方法，其中，所述激光器系统包括根据权利要求5至30中任一项的激光器系统。
全文摘要
本发明涉及一种用于产生具有激光信号波长和激光信号重复率的脉冲激光信号的方法和激光器系统，所述激光器系统包括具有包层泵浦光纤激光器的光纤激光器单元，该包层泵浦光纤激光器包括由泵浦包层环绕的光纤激光器导光区域，所述光纤激光器导光区域包括至少一个活性元素；至少一个用于将泵浦信号发射到所述包层泵浦光纤激光器中的泵浦激光器单元，所述泵浦激光器单元包括至少一个以泵浦信号波长发射泵浦信号的泵浦二极管；以及用于将所述泵浦信号调制成多个泵浦脉冲的调制模块，其中，所述调制模块被设置成调制所述泵浦激光器单元和/或所述泵浦信号，从而将所述脉冲激光信号的单个激光脉冲的能量基本上限制为响应每个泵浦脉冲产生的所述包层泵浦光纤激光器弛豫振荡的主脉冲。
文档编号G02F1/35GK102625923SQ201080038020
公开日2012年8月1日 申请日期2010年8月30日 优先权日2009年8月28日
发明者P·M·W·斯科夫高德, T·尼可拉森 申请人:Nkt光子学有限公司