CN1881717A - 一微米下基于全光纤的短脉冲放大 - Google Patents

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Abstract

一种光纤激光腔，其包括激光增益介质，用于接收来自激光泵的光输入投射。该光纤激光腔进一步包括正色散光纤段和用于生成净负色散的负色散光纤段，用于对自相位调制(SPM)和由色散引起的光纤激光腔中的脉冲展宽/压缩进行平衡，以便生成具有变形受到限制的脉冲形状的输出激光，其中所述激光增益介质进一步包括双覆层镱掺杂光子晶体光纤(DC YDPCF)，用于对激光脉冲进行放大和压缩。光纤激光腔进一步包括偏振敏感隔离器和偏振控制器，用于进一步成形输出激光。

Description

一微米下基于全光纤的短脉冲放大
技术领域
本发明总体上涉及用于提供短脉冲锁模光纤激光的装置和方法。更具体地，本发明涉及用于提供具有经改进的可更好控制的脉冲形状的非线性偏振脉冲成形锁模光纤激光的新结构和方法。
背景技术
生成短脉冲锁模光纤激光的传统技术在将短脉冲(例如1ps到100fs脉冲)放大到高能级(例如达到mJ能级)方面仍然面临技术困难和局限性。此外，不能容易地实现超短脉冲高功率激光的实际应用。具体地，超短脉冲高功率激光的实用性通常受到脉冲形状失真的妨碍。此外，这种激光***通常体积大，很难维持光学准直，而且也缺乏足够的健壮性。所有这些困难妨碍了超短高功率激光的实际应用。
历史上，由于饱和吸收器(saturation absorber)资源有限和光纤的反常色散，产生具有低至飞秒(femtosecond)级的脉冲宽度的锁模激光是一项困难的任务。传统上，在13μm以下波长操作的短脉冲锁模光纤激光面临的特殊挑战在于：没有在此波长条件下针对色散补偿的基于全光纤的简单解决方案(对于高于1.3μm的波长，存在呈现正常色散或者反常色散的几种光纤，所以通过将不同长度的光纤熔接在一起，能够获得具有可调色散的腔)。因此，先前的研究人员使用诸如光栅对和棱镜的块设备(bulk device)来提供腔的色散的可调量。遗憾的是，这些设备需要将光纤耦合到块设备中，这导致激光对准直高度敏感并且由此对环境也高度敏感。
几种传统技术公开了几种不同的用于构造超短高功率激光***的半导体饱和吸收器。然而，由于自由空间光学部件的使用，这些构造通常被开发为体积大且缺乏健壮性的***。这些***已经由如下文献公开：
S.N.Bagayev，S.V.Chepurov，V.M.Klementyev，S.A.Kuznetsov，V.S.Pivtsov，V.V.Pokasov，V.F.Zakharyash的“A femtosecondself-mode-locked Ti：sapphire laser with high stability ofpulserepetition frequency and its applications (Appl.Phys.B，70，375-378(2000).)”，和Jones D.J.，Diddams S.A.，RankaJ.K.，Stentz A.，Windeler R.S.，Hall J.L.，CundiS.T.的“Carrierenvelope phase control of femtosecond mode-locked laserand direct optical frequency synthesis.(Science，vol.288，pp.635-639，2000.).70，375-378(2000).)”。
随后，公开了扩展锁模光纤激光器以便进一步改善短脉冲高功率激光的生成。然而，即使在扩展锁模光纤激光器中，也要使用用于校准和耦合的诸如四分之一波延迟器和分束器(splitter)的自由空间光学部件。如下文献描述了这种***的示例：John L.Hall，Jun Ye，Scott A.Diddams，Long-Sheng Ma，Steven T.Cundi，以及David J.Jones的“Ultrasensitive spectroscopy，the Ultrastable Lasers，theUltrafast Lasers，and the Seriously Nonlinear Fiber：A New Alliancefor Physics and Metrology”(IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONIC，VOL.37，NO.12，DECEMBER 2001)，以及L.Hollberg，C.W.Oates，E.A.Curtis，E.N.Ivanov，S.A.Diddams，Th.Udem，H.G.Robinson，J.C.Bergquist，R.J.Rafac，W.M.Itano，R.E.Drullinger，和D.J.Wineland的“Optical frequency standards and measurements”IEEE J.Quant.Electon，37，1502(2001)。
由于脉冲宽度伴随高功率光纤放大的需要而进一步减少时的脉冲形状失真，因此这种激光***的实际应用的局限性变得更加显著。当脉冲宽度缩小到飞秒级并且峰值功率增加到超过10kW时，诸如自相位调制(SPM)和XPM的强非线性效应将导致更严重的光谱展宽和时间展宽(temporal broaden)。这种非线性效应以及光谱展宽和时间展宽进一步导致了激光脉冲的更大程度的失真。即使能够使用大模场(LMA)光纤来减少SBS和SRS而增加饱和功率，这种技术困难也不能容易地得以解决。毕竟，大模场光纤在实施时会进而导致对峰值功率的抑制，从而导致由于效率减少而引起的不期望结果。
随着短脉冲锁模对超快现象的测量、微细加工以及生物医学应用的有效性的被证明，及其日渐广泛的应用，存在解决这些技术困难的迫切需求。公开了试图解决这种困难的不同技术。这些技术包括如上所述的非线性偏振旋转(NLPR)应用或者扩展锁模光纤激光器。当NLPR处理时域强度依赖型偏振旋转时，由于时域和谱域两者中的偏振演变(polarization evolution)，使得不能防止脉冲形状失真。由于这些原因，传统技术不能提供有效的***构造和方法，来提供用于生成具有可接受脉冲形状的高功率激光脉冲的有效超短脉冲高功率激光***。
除了上述困难以外，这些激光***需要激光腔中的用于色散控制的光栅对。维持这种***中的准直是非常耗时的任务，因此妨碍了配置有自由空间光学部件和光栅对的***的实际应用。另外，光栅对进一步增加了激光设备的尺寸和重量，并且阻碍了使配置有这种激光源的设备小型化的努力。
因此，在光纤激光器设计和制造领域内仍然存在一种需求来提供一种新的改进结构和方法，用于提供具有可更好控制的脉冲形状的超短高功率锁模光纤激光，从而使得能够解决上面讨论的困难。此外，存在将短激光脉冲放大到更高能级以便扩大这种激光***的实用性的需求。
发明内容
因此本发明的一个方面是提供一种光纤激光放大器，其适用于将超短飞秒激光脉冲放大到高达毫焦(mJ)能量输出的更高能级。
本发明的另一个方面是提供一种方法，其使用非线性偏振演变(NPE)和色散受到管理的光纤腔，来对腔中的脉冲传播进行操纵并且对自相位调制(SPM)和由色散引起的脉冲展宽/压缩进行平衡。该偏振脉冲成形的方法通过光纤长度、非线性效应和色散的组合效应，产生变形受到限制的脉冲形状，使得能够解决现有技术中遇到的上述困难。
简要地，在优选实施例中，本发明公开了一种光纤激光腔，其包括具有用于接收来自激光泵的光输入投射的激光增益介质的光纤激光腔。该光纤激光腔进一步包括正色散光纤段和用于生成净负色散(netnegative dispersion)的负色散光纤段，以便在光纤激光腔内对自相位调制(SPM)和由色散引起的脉冲展宽—压缩进行平衡，从而生成具有变形受到限制的脉冲形状的输出激光，其中所述激光增益介质进一步包括用于对激光脉冲进行放大和压缩的双覆层Yb-掺杂光子晶体光纤(DCYDPCF)。在优选实施例中，光纤激光腔进一步包括分束器，所述分束器起到偏振敏感隔离器的功能，用于将激光脉冲的一部分发送到用于以反常色散传输光投射的一对光栅，以便进一步成形该输出激光。在另一优选实施例中，光纤激光腔进一步包括用于对来自光栅对的激光偏振进行反转的法拉第旋转镜。在另一优选实施例中光纤激光腔进一步包括偏振敏感隔离器和偏振控制器，用于进一步成形该输出激光。在另一优选实施例中，增益介质进一步包括具有正色散的DC YDPCF光纤。在另一优选实施例中，激光腔是环形激光腔。在另一优选实施例中，增益介质包括组成具有大约-55ps/nm/km的色散的正色散光纤段的DC YDPCF光纤。在另一优选实施例中，光纤激光腔进一步包括输出耦合器，用于发送激光的一部分，作为来自光纤激光腔的输出激光。在另一优选实施例中，光纤激光腔进一步包括组成连接到增益介质的负色散光纤段的单模光纤。在另一优选实施例中，输出激光包括具有实质上等于或者小于一飞秒的脉冲宽度的激光。在另一优选实施例中，输出激光包括具有实质上等于或者小于一飞秒的脉冲宽度并且具有高斯脉冲形状的激光。在另一优选实施例中，输出激光包括具有实质上等于或者小于一飞秒的脉冲宽度并且具有孤子脉冲(soliton pulse)形状的脉冲。在另一优选实施例中，输出激光包括具有实质上等于或者小于一飞秒并且具有双曲线脉冲形状的激光。在另一优选实施例中，增益介质包括进一步具有范围从15微米到80微米的大模场(LMA)的DC YDPCF光纤。在另一优选实施例中，增益介质包括具有范围在10,000ppm到2000,000ppm之间的Yb掺杂浓度的高浓度DC YDPCF光纤。
在优选实施例中，本发明进一步公开了一种方法，用于从包括激光增益介质的激光腔中生成脉冲形状变形受到限制的输出激光。该方法包括通过采用正色散光纤段和用于生成净负色散的负色散光纤段来形成激光腔的步骤。并且，该方法进一步包括将来自激光泵的输入激光投射到光纤激光腔内以便在增益介质中对激光脉冲进行放大和压缩的步骤，以在激光腔内对色散导致的非线性和自相位调制(SPM)进行平衡，从而生成具有变形受到限制的脉冲形状的输出激光。在优选实施例中，该方法进一步包括采用分束器作为偏振敏感隔离器，用于将激光脉冲的一部分传输到用于以反常色散传输光投射的光栅对，从而进一步成形输出激光的步骤。在优选实施例中，该方法进一步包括采用法拉第旋转镜用于反转来自光栅对的激光的偏振的步骤。在优选实施例中，该方法进一步包括采用镱掺杂光纤作为用于对激光脉冲进行放大和压缩的增益介质的步骤。
本领域的技术人员在阅读各附图中例示出的优选实施例的下列详细描述之后，无疑将对明了本发明的这些和其它目的以及优点。
附图说明
图1是本发明的短脉冲锁模光纤激光器的功能框图。
图2是本发明的全光纤短脉冲锁模光纤激光器的功能图。
图3是示出了提供飞秒激光脉冲的高功率放大器的功能图。
图3A是图3中采用的双覆层大模场Yb掺杂光子晶体光纤的截面图。
图3B是空心光子带隙光纤的截面图。
图3C是示出了用于增加端面处的输出光束的模场的无芯光纤的端盖或者附接于光子带隙(PBG)光纤的玻璃的图。
图4A和4B是示出了激光脉冲传播过激光腔时的偏振变化的波形。
图5是示出了作为光功率函数的相位变化分析结果的图。
图6示出没有显著失真的高功率超短脉冲放大的波形。
图7示出本发明的光栅结构，并且图7A示出成对光栅。
具体实施方式
参照图1，图1是本发明的非线性偏振脉冲成形锁模光纤激光器100的示意图。该光纤激光器是环形结构的激光器，其包括增益介质镱(Yb)掺杂光纤(YDF)105、第一准直仪(collimator)135-1和第二准直仪135-2、第一偏振控制器140-1和第二偏振控制器140-2、980/1550WDM耦合器110、以及输出分束器130。输出分束器130耦合到与法拉第旋转镜150相耦合的光栅对145-1和145-2。半米的YDF 105用在光纤激光器中作为增益介质，并且用于对脉冲宽度进行放大和压缩。该光纤具有高掺杂浓度，例如976nm时为600dB/m，并且具有-55ps/nm/km的色散。通过波分复用器110耦合的980nm高功率泵激光器二极管101用于泵激YDF105来对腔内传播的脉冲进行放大。腔的其它部分包括：单模(SM)光纤，例如具有大约三米的长度的-20ps/nm/km光纤115；以及具有大约0.5米的长度、由Corning提供到市场上的作为标准光纤的在1060nm具有-20ps/nm/km的色散的HI 1060光纤120。偏振分束器130提供隔离器的功能，用于以给定的偏振状态将部分光耦合到腔外。增益介质YDF 105具有正常色散光纤(β”＞0)，并且光纤的其余部分是负色散光纤(β”＜0)，整个腔的平均色散被设计为在反常色散(β”＜0)下运转。本发明使用光栅对或者PBG光纤来获得用于稳定的变形受到限制的脉冲的反常色散。整个腔的平均色散被设计成在反常色散(β”＜0)下运转。
在一微米区域实现短脉冲锁模光纤激光方面，本发明的光纤激光器100与如下列文献公开的传统激光器不同：Bagayev S.N.，Chebotaiev V.P.的“Frequency Stability and Reproducibility of the 3.391m He-NeLaser Stabilized on the Methane Line(Appl.Phys.，1975，v.7，p.71)”和Evenson K.M.，Jennings D.A.，Peterson F.R.等的“LaserFrequency Measurements：A Review，Limitations，Extension to197Thz(Springer Ser.Opt.Sci.，1977，v.7，p.56)”。具体地，图1公开了西格马结构的专用激光腔。这种西格马结构提供了对腔中的脉冲传播进行管理并同时平衡自相位调制(SPM)和色散以减少放大区域中的饱和效应的优点。另一方面，由SPM的非线性相位变化所引起的NPE将使单脉冲中的偏振强度依赖。当脉冲通过偏振敏感分束器时，仅有与分束器对准(通过调节偏振控制器)的最高强度能够通过，而脉冲的较低强度部分将被滤掉，由此对脉冲成形。这起到饱和吸收器(SA)的作用，并且减少了脉冲宽度。由于在一微米区域，光纤仅具有正色散，所以使用光栅对145-1和145-2来实现负色散，并且可通过改变两个光栅的间隔距离来调节该值。法拉第旋转镜150可用于反转偏振状态，以使反射的脉冲具有垂直的偏振状态，使得该脉冲传播到其它方向中。
利用如图1所示构造的激光***，利用耦合到光栅对145-1和145-2的偏振敏感分束器130，可生成经偏振的输出激光束。可针对该锁模光纤激光器，在大约10+/-5％之间对耦合比进行调节。此外，通过利用色散匹配和非线性偏振演变，所示的激光***是自启动的，由此可显著简化操作处理。
本发明中公开的偏振成形锁模技术与上述讨论的诸如非线性偏振旋转(NLPR)或者John L.Hall等、L.Hollberg等以及S.A.Didamms等公开的扩展模式方法的传统方法有所不同。至少存在三个主要的差别：
1)传统的NLPR技术仅考虑时域强度依赖偏振旋转。本发明考虑时域(强度依赖)和谱域(波长依赖)两者中的变化，实施光传输的偏振演变。这是通过选择偏振器和四分之一波片和半波片(QWR/HWR)来实现的。延迟器的带宽基本上与双折射材料的系数差Δn成正比，相位＝NΔn/λ，λ是波长，N是延迟器或者诸如光纤的双折射材料的阶(order)。在对该等式进行微分时，将发现带宽Δλ与积NΔn成反比。这表示本发明的激光***能够通过使用低阶延迟器(例如N＝1)和低双折射材料来实现更大的带宽运算。因此，可将延迟器调节成让更大带宽通过偏振器或者偏振敏感隔离器。
2)传统技术仅考虑色散匹配，然而本发明的脉冲成形功能不仅考虑色散匹配，而且考虑色散斜率(dispersion slope)匹配，以确保在更大的光谱带宽之上管理色散匹配。这能够通过使用具有不同色散和斜率的两个或者更多个光纤的组合来进行，例如光纤1具有不同的色散和色散斜率，通过将它们以适当长度比组合在一起，在大范围的所关注的波长域中总色散将能够达到零(如图1A所示)。因此，本发明提供了一种激光***，其能够最大地利用增益带宽，并且由于带宽与脉冲宽度成反比，因此使得脉冲宽度最小化。
3)传统激光***在其激光***中配置有大的自由空间光学元件，用于色散补偿或者偏振控制。如图1所示并且将进一步描述如下，本发明由基于全光纤的部件实现并且去除了所有自由空间部件。因此本发明中公开的***提供了变得紧凑的根本方法和用于毫微处理***(nano-processing system)应用的超短脉冲激光器模块。
图2是本发明的超紧凑和低成本的基于全光纤的高功率飞秒光纤激光***的示意图。这是利用基于全光纤的部件形成的激光***。光纤激光器具有通过980或者1550nm WDM 110接收激光输入的环形结构。基于全光纤的激光器100′构成为与图1所示的相似，具有Yb掺杂光纤105作为用于放大和压缩脉冲宽度的增益介质。电信级980nm泵激光器用于泵激Yb离子用于腔内脉冲的放大。为了补偿光纤激光腔中的色散和色散斜率，采用另一种光子晶体光纤125替代使用光栅对或者棱镜。因为PC光纤125能够利用其独特的结构特性提供1060nm范围的正常色散和反常色散，并且也能够操纵其色散斜率，因而光纤激光腔可设计成色散和色散斜率同时都被匹配，使得能够将脉冲最大地缩小。与现有技术相对照，图2所示的***在实现小于50fs的超短脉冲方面，考虑了时域(强度依赖)和谱域(波长依赖)两者中的偏振演变。通过管理色散和色散斜率两者，并且进一步通过使用基于光纤的内嵌的(in-line)偏振隔离器和偏振控制器来实现偏振过滤。基于全光纤的激光器100′在利用单模(SM)光纤引线(pigtail)实现的内嵌的偏振敏感隔离器135′的前后采用内嵌的偏振控制器140-1′和140-2′。内嵌的偏振敏感控制器可以是GeneralPhotonics提供的商业产品，例如PolaRite系列产品之一。偏振隔离器135′具有高消光比(extinction ratio)并且在宽频谱上仅允许一个线性偏振通过。由于SPM的非线性效应，折射系数将依赖于功率强度，从而在各个独立脉冲中，高强度峰值将经历的双折射引起的强度与低强度侧翼将经历的不同。当峰值偏振与偏振隔离器对准时，仅能够传输脉冲的峰值部分并且将阻塞侧翼部分。因此，通过组合偏振成形和色散管理，可将脉冲锁模到飞秒级。
与图1所示的激光器类似，通过使用如图3所示的、具有大模场(LMA)的短的高浓度双覆层光纤(DCYDF)105来实现放大。在短长度的帮助下，DCYDF的LMA对诸如SPM和XPM的非线性效应和色散进行平衡，使得脉冲宽度不会在放大之后展宽。这种DCYDF在平衡色散和SPM中也可以是PC光纤。如图2和3所示的激光***具有被对准和不需维护的优点。与常规锁模固体激光器和/或光纤激光器相比，对基于全光纤的光纤激光器和放大器进行操作要容易得多。不存在与对准和重新对准相关的问题。在将光纤与部件接合在一起并封装之后，不需要经特殊训练的技术员来操作和维护，这显著减少了现场应用中的成本和风险。此外，由于光纤的柔性，易于与诸如望远镜/聚焦***之类的其它模块相集成，而无需额外的光学校准工作。该激光***进一步利用YDF的增益的全光谱，并且提供适于对毫微材料进行处理的高质量激光器。该激光***由用于腔内的增益介质和传输光纤两者的全光子晶体(PC)光纤组成，以对色散和色散斜率两者进行补偿。光子晶体(PC)光纤在操作其诸如空晶格形状(hollow lattice shape)的结构和填充因子(filling factor)以获得在1300nm范围下的正常色散和反常色散方面表现出新颖的特性。PC光纤用于对腔内的色散和色散斜率两者进行补偿，并且通过选择不同的PC光纤来制造短脉冲光纤激光器。此外，由于其有效面积比规则单模光纤更小这一独特特征，能够在光纤中引起更强的非线性效应，并且通过选择适当PC光纤，可利用该效应对SPM的影响来实现更短的腔。另一方面，通过使用空心PC光纤，能够提取更大的脉冲能量。
如图3所示，高功率放大器YDF 105用于利用飞秒超短脉冲放大将通过泵耦合光学部件110′将从高功率泵101输入的种子脉冲升到高达10W的平均功率。激光器泵101(可以是915nm或者980nm泵激光器)用于泵激Yb离子，以用于对通过耦合光学部件110′或者光纤泵组合器(OFS，Somerset，NJ)的超短脉冲(ps或者fs)进行放大。这与CW(连续波)和纳秒(NS)脉冲不同。必须特别考虑SPM、XPM以及FWM效应。必须谨慎选择色散，以使得全部效应匹配和平衡，从而避免非线性短脉冲光纤传输模式中的任何脉冲展宽和失真。
脉冲的放大可通过使用如图3A所示的具有大模场(LMA)的短的高浓度双覆层Yd掺杂光子晶体光纤(DC YDPCF)105来实现。光子晶体光纤(PCF)被设计成具有双覆层特征以便将附加泵功率耦合到光纤中，由此生产具有更高平均功率的光纤激光器。已经证明，通过利用网状二氧化硅桥围绕内覆层可创建空气覆层区域，所述网状二氧化硅桥的波长比引导的射线的波长窄得多。图3A示出双覆层PCF的典型设计。利用这种设计，与传统DC LMA光纤相比，可达到如0.8高的显著增加的数值孔径(NA)。内覆层的收缩是指活性核(active core)与内部覆层的交叠比增加。这允许使用长度更短的光纤来实现高功率放大。
在短长度帮助下，DCYDPCF的大模场(LMA)对诸如SPM和XPM的非线性效应和色散进行平衡，使得脉冲宽度在放大之后不会展宽。这种DCYDPCF在平衡色散和SPM中也可以是规则DC光纤。脉冲的额外啁啾(chirp)可通过如图3B所示的空心光子带隙(PBG)光纤进行去啁啾(dechirp)，其能够提供大的反常色散(120ps/nm/km，例如来自丹麦的Crystal Fiber公司的Part#HC-1060-02)。PBG光纤具有与1μm下的规则光纤相反的反常色散。其能够用于对脉冲进行补偿(去啁啾)。通过操纵空气孔的数量和结构，能够实现各种色散。为了进一步改善表面缺陷，无芯光纤或者玻璃的端盖可附接到PBG光纤，以便增加在端面处的输出光束的模场。这样能够将ps到100fs脉冲放大到mJ级，如图3C所示。
如V.Reichel等在“Applications of pump multiplexed Yb-dopedfiber lasers”，SPIE 4974，148(2003)中所公开的，为了进一步改善色散控制的性能，通过操纵空气孔的填充系数来实现特定光纤。通过将二氧化硅毛细管堆叠到六边形密封结构中，并且通过在堆叠中心利用固态二氧化硅棒替代毛细管来形成固态光纤核来制造该结构。以相似方式形成空心，由此形成通常称为光子带隙PBG光纤的光纤。图6A和6B示出了PCF的SEM图和色散及斜率随孔尺寸的变化。清晰地示出了对光子晶体光纤(PCF)结构进行了最优化；色散在200nm上的光谱范围上可以是平坦的。传统光纤不可能实现这种性能。
利用如图2所示的激光***，可实现超过十瓦特的高输出功率。此外，泵功率转换效率与通过使用市场上可得到的DCYDPCF的最小非线性效应的85％一样高。光纤激光器的光束输出具有优良的输出光束质量，所述优良输出光束质量具有M2＝1的单模衍射限制质量的属性。增益光纤可以卷成小尺寸并且与其它部件封装成紧凑的大小。如根据图2的配置的15W光纤激光器的标准产品，可将全部部件封装到具有近似130mm×70mm×35mm的尺寸的容纳壳中。由此提供便于定制的紧凑大小的激光***。
光纤展示出依赖于两个正交偏振场分量的局部强度的非线性双折射。因此，椭圆偏振脉冲将具有两个正交分量，即x和y分量。这两个分量经历不同的相位移动，由此旋转偏振椭圆。由于相位移动是依赖于强度的处理，其依赖于脉冲局部强度以不同量来旋转脉冲的偏振。图4A和4B示出偏振对脉冲的物理效应。如果忽略非线性效应，并且让图4A表示将均匀偏振脉冲发射到各向同性光导光纤中，可获得如图4B所描绘的均匀偏振输出脉冲。因此，通过将相同脉冲发射到实施为由自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM)效应实现的相同光纤中，可产生与图4B类似的输出。查看图4B，注意低强度侧翼未随着脉冲强度的增加而受到影响，可观察到偏振椭圆的旋转。因此，由于当前偏振是脉冲强度依赖的，由自相位调制(SPM)的非线性相位变化导致的非线性相位演变(NPE)引起偏振旋转。由此，通过NPE导致的SPM产生锁模机制。当脉冲通过受偏振控制器控制和调节的偏振敏感隔离器时，仅与隔离器校直的最高强度的脉冲能够通过。脉冲的较低强度部分被滤掉。因此，脉冲被很好地成形并且由此用作饱和吸收器(SA)来减少脉冲宽度。偏振控制器140可以是基于光纤的，或者是大的光学四分之一/二分之一波延迟器，或者可以是两者的组合。“偏振敏感隔离器和偏振控制器”工作以选择在时域中具有不同偏振状态的脉冲的偏振。
当脉冲在光纤激光腔中传播时，激光脉冲经历由于高峰值功率和短脉冲宽度(＜ps)而在负反常单模光纤和正正常色散光纤区域两者中导致的脉冲展宽效应所引起的自相位调制(SPM)。此外，在YDF 105中的正色散(即β”＞0)区域中，因为峰值功率非常高(对于200fs脉冲，＞200W)，所以在YDF 105段中非线性长度和色散长度差不多，即～1m。可通过使用自相位调制(SPM)和色散两者的效应来压缩该脉冲。执行分析以便对具有10微米的模场直径的光纤的(SPM)相位变化的非线性效应进行量化。图5示出了分析结果。根据图5，光的相位(对应于偏振状态)极大地依赖于光强和波长。在给定波长处，3dB功率变化能够产生50％的相位变化。在给定功率级处，10％波长变化能够产生相同量的相位变化。
由于Yb掺杂光纤的增益能够覆盖从1000nm到1100nm的100nm，因而该增益介质能够产生小于50fs的非常短的脉冲。然而，因为偏振状态是谱域中的波长的函数(与Δλ/λ成正比，在Yb光纤激光器中将为10％)，因而不同的波长将经历不同的偏振状态。这进而将影响脉冲宽度和质量。此外，即使可以在特定带宽中进行色散管理，也不能通过使用传统光纤覆盖增益介质的整个100nm带宽。为了产生超短激光器脉冲，不得不考虑色散斜率补偿。总之，为了利用YDF的最大增益光谱，无疑也需要将谱域中的偏振补偿与色散斜率补偿相结合。对具有10微米的模场直径的光纤进行模拟分析，以便对(SPM)相位变化的非线性效应进行量化。图5示出了模拟结果，对应于偏振状态的光的相位具有强函数关系，并且明显依赖于光强度和波长。在给定波长处，3dB功率变化可产生50％的相位变化。在给定功率水平处，波长中的10％的变化可产生相同量的相位变化。
通过使用具有适当色散的高浓度掺杂光纤，图1和2所示的***能够将1mW的100fs脉冲放大到在具有较少脉冲展宽效应的100mW的脉冲。图6示出了自相关器获得的放大之前和之后的脉冲轨迹。其表明只存在非常少的失真或者展宽效应。为了进一步将功率放大到1W，可将双覆层高浓度掺杂光纤实施为具有适当选择的色散，这是由于光纤允许发送到该光纤更高的泵功率。
图7示出本发明的另一优选实施例。替代使用如图7A所示的光栅对，使用屋脊镜(roof mirror)145-1′来替代传统激光***中设置的光栅对结构。该屋脊镜用于转移并将光反射回光栅上，以便利用一个光栅实现脉冲展宽和压缩。
虽然已经根据目前优选的实施例描述了本发明，但应该理解这种公开不能解释成一种限制。无疑各种另选例和变型例对于阅读过上述公开的本领域的技术人员是显而易见的。因此，旨在将所附权利要求解释为覆盖了落入本发明的真实精神和范围内的全部另选例和变型例。
本正式申请要求享有本申请的相同申请人提交的美国临时专利申请60/669,187号的优先权日2005年4月6日。此外，本正式申请是本申请的相同申请人于2005年5月23日提交的另一美国申请11/136,040的部分延伸(CIP)。在此通过引用将60/669，187和11/136,040中的公开内容合并到本专利申请中。

Claims (35)

1、一种包括激光增益介质的光纤激光腔，用于接收来自激光泵的光输入投射，其中，所述光纤激光腔还包括：
正色散光纤段和用于产生净负色散的负色散光纤段，以便在所述光纤激光腔中对自相位调制(SPM)和色散所引起的脉冲展宽/压缩进行平衡，从而生成具有变形受到限制的脉冲形状的输出激光，其中所述激光增益介质进一步包括用于对激光脉冲进行放大和压缩的双覆层镱掺杂光子晶体光纤(DC YDPCF)。
2、根据权利要求1所述的光纤激光腔，进一步包括：
分束器，起到偏振敏感隔离器的功能，用于将激光脉冲的一部分传输到以反常色散传输光投射的光栅对，以便进一步成形所述输出激光。
3、根据权利要求2所述的光纤激光腔，进一步包括：
法拉第旋转镜，用于反转来自所述光栅对的激光的偏振。
4、根据权利要求1所述的光纤激光腔，进一步包括：
偏振敏感隔离器和偏振控制器，用于进一步成形所述输出激光。
5、根据权利要求1所述的光纤激光器，其中：
所述增益介质还包括具有正色散的所述DC YDPCF光纤。
6、根据权利要求1所述的光纤激光腔，其中：
所述激光腔是环形激光腔。
7、根据权利要求1所述的光纤激光腔，其中：
所述增益介质包括组成具有大约-55ps/nm/km的色散的正色散光纤段的所述DC YDPCF光纤。
8、根据权利要求1所述的光纤激光腔，进一步包括：
输出耦合器，用于传送激光的一部分，作为所述光纤激光腔的所述输出激光。
9、根据权利要求1所述的光纤激光腔，进一步包括：
组成连接到所述增益介质的负色散光纤段的单模光纤。
10、根据权利要求1所述的光纤激光腔，其中：
所述输出激光包括具有实质上等于或者小于一飞秒的脉冲宽度的激光。
11、根据权利要求1所述的光纤激光腔，其中：
所述输出激光包括具有实质上等于或者小于一飞秒的脉冲宽度并且具有高斯脉冲形状的激光。
12、根据权利要求1所述的光纤激光腔，其中：
所述输出激光包括具有实质上等于或者小于一飞秒的脉冲宽度并且具有孤子脉冲形状的激光。
13、根据权利要求1所述的光纤激光腔，其中：
所述输出激光包括具有实质上等于或者小于一飞秒的脉冲宽度并且具有双曲线脉冲形状的激光。
14、根据权利要求1所述的光纤激光腔，其中：
所述增益介质包括进一步具有范围从15微米到80微米的大模场(LMA)的所述DC YDPCF光纤。
15、根据权利要求1所述的光纤激光腔，其中：
所述增益介质包括具有范围为从10,000ppm到2000,000ppm的Yb掺杂浓度的高浓度DC YDPCF光纤。
16、根据权利要求1所述的光纤激光腔，其中：
所述DC YDPCF光纤具有由一系列空气隙围绕的单模大模场(LMA)结构。
17、根据权利要求1所述的光纤激光腔，其中：
所述增益介质进一步包括空心DC YDPCF带隙光纤。
18、根据权利要求1所述的光纤激光腔，进一步包括：
分束器，起到偏振敏感隔离器的功能，用于将激光脉冲的一部分传输到屋脊镜和具有用于以反常色散传输光投射的反射光栅的反射镜，从而进一步成形所述输出激光。
19、一种用于从包括激光增益介质的激光腔生成经脉冲成形的变形受到限制的输出激光的方法，所述方法包括：
通过采用正色散光纤段和用于生成净负色散的负色散光纤段来形成所述激光腔；并且
将来自激光泵的输入激光投射到所述光纤激光腔中，所述光纤激光腔应用双覆层镱掺杂光子晶体光纤(DC YDPCF)作为所述增益介质，来对所述增益介质中的激光脉冲进行放大和压缩，从而对所述光纤激光腔中色散引起的非线性和自相位调制(SPM)进行平衡，以便生成具有变形受到限制的脉冲形状的输出激光。
20、根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
采用分束器作为偏振敏感隔离器，用于将激光脉冲的一部分传输到用于以反常色散传输光投射的光栅对，以便进一步成形所述输出激光。
21、根据权利要求20所述的方法，进一步包括：
采用法拉第旋转镜，来反转来自所述光栅对的激光的偏振。
22、根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
采用具有范围从15微米到80微米的大模场(LMA)的所述DC YDPCF光纤来对激光脉冲进行放大和压缩。
23、根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
采用偏振敏感隔离器和偏振控制器来进一步成形所述输出激光。
24、根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
采用具有正色散的DC YDPCF光纤作为所述增益介质，来对激光脉冲进行放大和压缩。
25、根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
采用具有大约为-55ps/nm/km的色散的正色散的所述DC YDPCF光纤作为所述增益介质，来对激光脉冲进行放大和压缩。
26、根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
采用输出耦合器来输出激光的一部分作为来自所述光纤激光腔的所述输出激光。
27、根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
将组成负色散光纤段的单模光纤连接到所述增益介质。
28、根据权利要求19所述的方法，其中：
所述输出激光包括具有实质上等于或者小于一飞秒的脉冲宽度的激光。
29、根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
生成具有实质上等于或者小于一飞秒的脉冲宽度并且具有高斯脉冲形状的所述输出激光。
30、根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
生成具有实质上等于或者小于一飞秒的脉冲宽度并且具有孤波脉冲形状的所述输出激光。
31、根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
生成具有实质上等于或者小于一飞秒的脉冲宽度并且具有双曲线脉冲形状的所述输出激光。
32、根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
采用具有范围从10,000ppm到2000,000ppm的Yb掺杂浓度的高浓度DC YDPCF光纤。
33、根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
采用具有由一系列空气隙围绕的单模大模场(LMA)结构的所述DCYDPCF。
34、根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
采用进一步包括空心DC YDPCF带隙光纤的所述增益介质。
35、根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
采用分束器作为偏振敏感隔离器，来将激光脉冲的一部分传输到屋脊镜和具有用于以反常色散传输光投射的反射光栅的反射镜，从而进一步成形所述输出激光。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication