产生千兆赫脉冲突发的方法及其激光装置与流程

1.本发明主要涉及脉冲激光器。特别地，本发明涉及一种用于提供高重复率短和超短光脉冲的突发的方法和激光装置。


背景技术：

2.脉冲激光束是用于材料加工、医疗或科学应用的便捷工具。在材料的切割、钻孔或表面结构化或其他工业操作中，加工质量取决于激光脉冲的参数。短和超短激光脉冲在高精度微加工中是优选的，因为它结合了高加工质量和高速度。短脉冲和超短脉冲的标准激光源提供重复频率在几十到几百兆赫兹范围内的脉冲。然而，通常期望更高的重复率，因为提高了制造过程的产量，还提供了更好的质量，因为确保了新的加工方案。ghz烧蚀是一种非常有前景的半导体器件结构化工具。在不锈钢、硅和钨的烧蚀中将重复频率从mhz提高到ghz水平，降低了周围照射区域的温度，因为更少的激光能量因热扩散而损失。脉冲间隔在《1ns范围内的脉冲序列激活了石英玻璃和蓝宝石的飞秒改性的附加机制。许多应用需要对每个站点或在定义的时间段内的多个后续脉冲进行主动控制。因此，需要一种用于产生脉冲重复频率高于100mhz，优选高于1ghz的短或超短激光脉冲的方法和激光装置。
3.通常，在锁模激光器中产生周期性的超短激光脉冲序列。亚皮秒脉冲的锁模光纤激光器需要具有大增益带宽的增益介质。基于稀土掺杂有源光纤的锁模光纤激光器允许产生飞秒脉冲。高输出功率通常不是直接从光纤激光振荡器获得，而是通过使用采用光纤或固态放大器的主振荡器功率放大器(mopa)方案来实现。
4.有几种方法可以产生脉冲重复率在ghz范围内的激光脉冲突发。产生ghz脉冲重复率的激光脉冲突发的一种可能性是在振荡器处产生ghz激光脉冲，然后形成期望的脉冲序列，消除不必要的脉冲。在这种情况下，脉冲重复率不能高于振荡器的重复率。典型的锁模光纤激光振荡器的脉冲重复率为几十mhz。光纤激光谐振器通常太长，无法通过基模锁定实现ghz重复率。而是使用谐波锁模(多个脉冲在腔内循环)，但通常不允许激光器可靠运行。
5.文献(nakazawa等人，ieee j.quant.electron.25,pp.2045
–
2052(1989)和aslam等人，aip advances 2,022168(2012))提出了非线性和色散效应之间的相互作用在非线性系统可能会导致调制不稳定。即使在激光腔中没有任何锁模元件，也会导致连续波自发分裂成一系列脉冲。当前解决方案的作者演示了具有数十ghz重复率的脉冲系列。然而，从所述脉冲系列获得的脉冲突发非常不稳定，因此不适合工业应用。
6.文献(tang等人，opt.fiber tech.,20,pp.610
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614(2014))提出了一种通过所谓的腔诱导调制不稳定性在光纤谐振器中生成ghz飞秒脉冲系列的方法，该方法不同于传统的调制不稳定性。获得了高达几十ghz脉冲重复率的高度稳定的脉冲系列。然而，在光纤激光器中获得所述操作状态的关键条件是功率和腔相位失谐相关，脉冲被啁啾，并且存在激光辐射的弱连续背景。在更高的功率水平下，传统的调制不稳定性效应会开启，它更加不稳定并且具有另一脉冲重复率。该解决方案在工业应用中的主要缺点是脉冲重复率取决于腔参数，并且不能独立于其他输出脉冲特性进行控制。
7.文献us6901174b2(2005-05-31公开)描述了一种设备，该设备包括由光纤组成的锁模光纤环形激光器、光放大器、用于光调制的调制器。环形激光器还包括法布里-珀罗滤波器和复合腔结构，复合腔结构由两个长度略有不同的光纤臂组成(由一对50/50的光耦合器连接)。激光脉冲重复率倍增的方法是基于腔内光学滤波和经由复合腔结构定制的激光腔长度。当向调制器施加高频电信号时，作为主动锁模基础的调制器提供重复频率为fm的光脉冲系列。滤波器可以通过所施加的调制频率fm的整数倍频率，以及由多根不同长度的光纤组成的复合腔。经由对主纵模的适当选择，结合对非期望的随机振荡中间模以及由滤波器实现的腔谐振模的选择性滤波，提高了所述光纤环形激光器中的脉冲重复频率。当前解决方案的作者证明了脉冲重复率的九倍倍增。因此，该设备以高达10ghz的重复频率产生激光脉冲。该解决方案与其他基于谐振器若干臂的匹配长度的类似解决方案一样，对温度变化非常敏感，需要有源稳定系统。反馈控制在振荡器中更难组织。如果产生丢失，很难确定应该在光学谐振腔内改变什么。另一难点是复合腔体结构的臂长差异很小(与腔总长度的6m相比大约为2cm)，并且长度的微小偏差导致复合腔的最小公倍频的变化很大。
8.有几种方法可以产生比振荡器产生的更高的脉冲重复率。文献(okhrimchuk et al.,sci.rep.7,16563(2017))展示了一种通过亚纳秒突发的飞秒脉冲在每个突发中衰减幅度来高效微加工二氧化硅和蓝宝石的方法。观察到在几十皮秒尺度上的突发内脉冲分离的修正增强。它对应于10-100ghz的脉冲重复率。空法布里-珀罗腔位于种子源中产生的初级脉冲系列的路径上。为了产生具有各种不同脉冲间间隔的脉冲突发，作者使用了两种不同类型的法布里-珀罗腔：1)自由空间腔——使用两个平面半透明介电镜制成；2)单片法布里-珀罗腔——由具有部分反射涂层的单个平面平行熔融石英板组成。调整自由空间腔的长度以产生脉冲间间隔在70ps-8ns范围内的突发。根据板的厚度，单片腔产生的脉冲间间隔在10-70ps范围内。来自主脉冲系列的每个脉冲都带有衰减的脉冲突发。为了避免脉冲失真，使用了无啁啾的介电涂层。突发内的脉冲分离和空间对准的精度取决于法布里-珀罗腔的设置精度。该解决方案的主要缺点是突发内的脉冲幅度呈指数衰减。突发的长度(具有显著能量的脉冲数)取决于涂层的反射系数；然而，该解决方案仅适用于特定应用。该解决方案在mopa系统中几乎没有用处，因为放大器可以更好地放大第一个脉冲。
9.所述空法布里-珀罗腔是一种延迟线，其中，脉冲的反射部分与非延迟脉冲结合，形成脉冲序列。在光纤激光器中，延迟线是光纤。
10.文献us9209592b2(2015-12-08公布)提供了一种用于提高激光重复率的光纤布置。输入光束在50/50光纤耦合器的两个臂之间均匀功率分配(光纤耦合器，有时称为光纤分束器，是光纤系统中使用的组件，旨在分离和组合耦合到其输入端口的辐射)。在耦合器的一个臂中插入额外长度的传输光纤。两个臂之间的光路径长度差被设计成引入初始脉冲分离的半个周期的延迟。两个臂的输出与第二50/50光纤耦合器相结合，以产生重复率是初始脉冲系列两倍的脉冲流。这种重复率倍增布置例如可以插入在激光系统的振荡器之后、放大器之后或拉曼位移器之后。文献(kerse et al.,opt.commun.,366,pp.404
–
409(2016))描述了类似的解决方案。光纤激光放大器系统能够产生高达3.5ghz的激光脉冲，具有多个级联排列，带有不同长度的50/50光纤耦合器。在每个50/50光纤耦合器之后，部分脉冲通过光纤臂，光纤臂的光路径长度差相应于该光纤耦合器输入处脉冲分离周期的一半。然后，部分脉冲由下一光纤耦合器重新组合，并产生具有双倍脉冲重复率的脉冲系列。来自
108mhz光纤振荡器的信号通过光纤倍增器转换为3.5ghz脉冲系列，光纤倍增器由六个级联的50/50光纤耦合器布置组成。这种方案的缺点是重复率乘法器复杂且不灵活。每个光纤耦合器布置将脉冲重复率提高两倍。千兆赫脉冲重复率需要许多相同的光纤布置。最终脉冲重复率的精度高度依赖于光纤臂的光路径长度差的精度。此外，该解决方案不适用于超短激光脉冲，因为光纤布置的色散不受控制。
11.文献de102016124087b3(2017-09-28公布)提出了在至少两个不同长度的光纤臂中以突发操作产生激光脉冲。对于200ps的延迟(相应于5ghz脉冲重复率)，需要两个光纤臂的长度差近似为4cm(假设石英玻璃作为光纤材料)。该文献建议可以通过选择具有不同色散参数的光纤来完成色散管理。它导致突发的激光脉冲的脉冲持续时间相等。然而，长脉冲突发需要许多具有精确选择的光纤臂长度和色散参数的布置。
12.文献fr3063395a1(2018-08-31公布)描述了一种在自由空间或光纤延迟线中形成双峰或四个脉冲序列的方法。光纤解决方案类似于us9209592b2，但具有用于光谱或时间整形和/或脉冲之间时间延迟调整的附加元件。光谱整形系统可以由光谱滤波器(电介质带通滤波器或具有固定间距的布拉格光栅)组成，而时间整形可以例如使用具有可变间距的布拉格光栅展宽器来执行。然而，脉冲重复率只能加倍。如果需要四个激光脉冲，则必须构建两条延迟线。使用这种方法只能在突发内生成有限(预先确定)数量的脉冲。根据该解决方案的激光源非常适合libs测量(时间整形适用于在持续时间和功率方面产生不对称的二次激光脉冲)，但不适用于其他工业应用。
13.还有其他增加脉冲重复率和/或产生脉冲突发的方法，其中延迟线具有环路形状。在分束器或几个分束器的帮助下，延迟环路被合并到光路径中(通常位于激光脉冲生成系统的下游，即种子源)。这样使得一部分激光脉冲直接进入输出端，而另一部分激光脉冲进入延迟环路，然后到达延迟环路的开头(分束器)。脉冲的延迟部分又被分成两部分，其中一部分进入输出，另一部分再次进入环路，以此类推。
14.最近的现有技术是具有光纤环路的方法。在光纤激光系统中，期望用于形成激光脉冲突发的设备是光纤的。通过这种方式，它可以拼接到主光纤系统，避免空间对齐问题。
15.文献wo2009042024a2(2009-04-02公布)描述了包括脉冲光纤mopa的激光装置：它包括锁模主振荡器、前置放大器、光纤脉冲重复率(prr)倍增设备以及光纤功率放大器。将来自光纤前置放大器的脉冲系列注入所述光纤脉冲重复率倍增设备；来自prr倍增器的脉冲系列被注入功率放大器。
16.所述光纤prr倍增设备将每个输入脉冲分成两个脉冲并相对于另一个脉冲延迟一个脉冲。一个脉冲的一部分和另一个脉冲的一部分由光纤脉冲重复率倍增设备作为输出脉冲系列传送，其prr等于输入脉冲系列的双倍prr。prr倍增设备内的所述延迟时间等于振荡器的脉冲间周期的一半。该文献中提出了prr倍增设备的几种光纤实现方案。其中之一包括由无源光纤制成的环路和半导体光放大器。环路是使用具有两个输入和两个输出端口的光纤耦合器制成的，并且第一输出端口连接到第一输入端口。输入脉冲系列通过第二输入端口注入，而输出脉冲序列通过第二输出端口喷射。所述光纤耦合器的分光比优选为50/50。选择所述光纤环路的长度以提供其中的往返时间，往返时间是输入脉冲系列的脉冲周期的二分之一。通过光纤环路的脉冲部分被半导体光放大器放大或阻挡，由驱动信号控制其具有激活和非激活状态。当半导体光放大器处于激活状态时，它放大通过光纤环路传播的脉
冲部分，使其输出系列中的脉冲部分具有相等的幅度。当半导体光放大器不工作时，它会阻止脉冲部分并防止离开环路并干扰后续输入脉冲的脉冲部分。然而，该方法也有一些缺点。用于每秒脉冲的幅度控制的半导体光放大器也会干扰其光谱和相位(由于时间相关的载波分布、双折射和色散)。因此，每一秒脉冲可能具有不同的脉冲持续时间和可压缩性。半导体光放大器表现出很强的超发光和多光子吸收；因此，只能用于不超过1w的峰值功率。所提出的设备适用于短脉冲，但不适用于超短脉冲。与主振荡器的prr相比，脉冲mopa形成具有双倍脉冲重复率的无尽脉冲系列。所述mopa产生的最高脉冲重复率只能达到200mhz；并且没有讨论形成脉冲突发的选项。
17.wei et al.,laser phys.,26,025104(2016)中描述了最近的现有技术。脉冲光纤亚纳秒mopa包含两个光纤环路的级联，形成脉冲突发。光纤环路由不同长度的无源光纤组成，分别经由分光比为30/70和40/60的光纤耦合器与光纤锁模种子激光器、前置放大器和功率放大器的光链相连。来自种子激光器(光纤主振荡器)的脉冲系列被注入到第一光纤耦合器的第二输入端口。脉冲系列中的每个脉冲被分成两个不相等的部分：30％的部分作为输出脉冲通过第一个光纤耦合器的第二输出端口传送；70％的部分通过第一输出端口进入无源光纤(环路)，第一输出端口与耦合器的第一输入端口连接。所述70％部分又分为30％和70％两个部分，分别以一定的时间延迟传送到输出和环路中。一组延迟脉冲从主脉冲系列中的每个脉冲形成延迟的脉冲突发。类似地，来自延迟脉冲突发的每个脉冲被注入第二光纤耦合器的第二输入端口并被分成两个不相等的部分。40％的部分作为输出脉冲通过第二光纤耦合器的第二输出端口；60％的部分通过第一输出端口进入无源光纤，第一输出端口与耦合器的第一输入端口连接。所述60％部分又分为40％和60％两个部分，以此类推。脉冲之间的时间延迟与光纤环路的长度有关。第一光纤环路比光纤振荡器的长度短三倍以上。第二光纤环路比第一个光纤环路短正好两倍。在一次往返之后被第一环路延迟的脉冲部分与在两次往返之后被第二环路延迟的脉冲部分在时间上完全重合。因此，所述两个光纤环路的级联形成六个不同幅度的脉冲的突发；第三脉冲具有最高幅度。由于脉冲突发的幅度衰减很快，因此很难观察到进一步的脉冲。最终脉冲重复率比主脉冲系列高六倍以上。第二光纤环路长度为12.3m的解决方案提供了16mhz的脉冲重复率(相邻子脉冲之间的时间间隔为60ns)。具有两个无源光纤环路且没有附加元件的方法有几个缺点。脉冲突发限于几个脉冲。突发内的脉冲幅度仅通过选择光纤耦合器的分光比来调整。没有提供对幅度的进一步控制。应仔细选择(精确切割)光纤环路的长度，以形成等距的脉冲突发。通过作为色散介质的光纤传播的宽带脉冲会经历脉冲展宽。相邻子脉冲之间的最短时间间隔是较短光纤环路的光学长度的倒数。由于光纤环路的两个接头至少需要10cm(光纤拼接过程所需的最小光纤引线长度为5cm)，因此可能实现的最高脉冲重复频率约为2ghz。
18.因此，需要一种用于产生短激光脉冲突发的方法和激光装置，其：
[0019]-可以产生几百mhz至thz范围内的脉冲重复率，优选地在ghz范围内；
[0020]-可以产生比种子源更高的脉冲重复率；
[0021]-可以产生任何不是种子源prr倍数的突发内prr；
[0022]-可以在突发内产生任何数量的脉冲；
[0023]-可以产生具有相同幅度或幅度被以期望方式控制的脉冲；
[0024]-可以产生相同持续时间和/或可压缩性的脉冲突发；
[0025]-可以产生脉冲之间具有相同时间间隔的脉冲突发；
[0026]-适合宽带辐射，相应于1ps以下的超短变换限制脉冲持续时间；
[0027]-将是稳定的且成本有效的。
[0028]
我们的发明描述了一种用于产生满足上述要求的短、优选地是超短激光脉冲的ghz范围突发的新方法。


技术实现要素：

[0029]
根据所提出的发明，用于产生激光脉冲的突发的方法包括关于输入脉冲的另一部分延迟输入脉冲的一部分，其中许多输入脉冲的未延迟和延迟部分的集合形成输出脉冲的突发。其特征在于：1)延迟部分关于输入脉冲的未延迟部分的时间延迟t2大于所述输入脉冲与下一个输入脉冲之间的时间间隔t1。2)所述输出脉冲的突发具有递增的脉冲数量；3)形成的突发内部的突发内脉冲间隔等于t3＝t2
–
t1并且相应于高于100mhz的超高脉冲重复率。
[0030]
根据所提出的发明，用于产生激光脉冲突发的方法的另一实施例的特征在于：1)任何输入脉冲的延迟部分关于该输入脉冲的未延迟部分的时间延迟t2长于m*t1，其中，t1是相邻输入脉冲之间的时间段，m＝2、3等；2)突发的输出系列由脉冲突发组成，其中，m个相邻的突发具有相同数量的脉冲；3)形成的突发的脉冲内脉冲间隔t3等于t3＝t2
–
m*t1并且相应于高于100mhz的超高脉冲重复率。
[0031]
根据所提出的发明，方法的特定实施例包括延迟线，延迟线被结合到具有包括两个输入和两个输出端口的元件的光链中。第一输出端口经由所述延迟线与第一输入端口连接。第二输入端口接收主脉冲系列的输入脉冲，而第二输出端口提供突发的输出系列。在输入端口接收到的输入脉冲及其延迟部分在第一和第二输出端口之间以一定的分光比分开。部分脉冲在所述延迟线中的传播期间被放大并且在驱动信号d2的控制下被阻断。
[0032]
提供了该方法的其他特定实施例。主脉冲系列包括窄带辐射，输入脉冲是变换受限脉冲，持续时间在10ps与10ns之间。可替选地，主脉冲系列包括带宽相应于低于10ps范围内的变换受限脉冲持续时间的宽带辐射，并且色散管理在延迟线中的脉冲传播期间完成。突发输出系列的脉冲具有相同的持续时间。
[0033]
根据所述方法的突发合成器的实施例由有源光纤环路和具有两个输入和两个输出端口的光纤耦合器组成。具有光长度l
opt
的有源光纤环路将光纤耦合器的第一输出端口与其第一输入端口连接并引入所述时间延迟t2。有源光纤环路包含一段未掺杂光纤、隔离器、波分复用器、激光二极管、一段掺杂光、由驱动信号d2控制的光开关。掺杂光纤段用于脉冲放大。由驱动信号d2控制的光开关用于阻止或衰减在有源光纤环路中传播的部分脉冲。在突发合成器的又另一部分实施例中，有源光纤环路还包含环行器和侧臂，侧臂包括色散补偿元件，色散补偿元件被设计成在完整往返行程结束时完全补偿有源光纤环路的色散。
[0034]
在突发合成器的其他特定实施例中，有源光纤环路包含至少一个光路由器和至少一个附加的未掺杂光路段。有源光纤环路的总光学长度l
opt
和时间延迟t2取决于脉冲在有源光纤环路内传播的路径。有源光纤环路，其光学长度取决于脉冲在内部传播的路径，包括至少一个色散补偿元件，色散补偿元件被设计用于在完整往返行程结束时补偿有源光纤环路的色散。
[0035]
根据所提出的发明，激光装置包括种子源、本发明的突发合成器和功率放大器。激光装置的优选实施例包括种子源、由驱动信号d1控制的光开关、由驱动信号d2控制的突发合成器、由驱动信号d3控制的光开关以及功率放大器。在激光装置的又另一实施例中，由驱动信号d1控制的光开关衰减和/或阻断主脉冲系列的选定脉冲。在激光装置的又另一实施例中，由驱动信号d3控制的光开关阻断突发的输出系列的选定突发。
附图说明
[0036]
图1a-图1b：本发明的光纤主振荡器功率放大器(mopa)(100)的结构示意图及操作原理，包括以下部分：
[0037]-种子激光器(1)；
[0038]-突发合成器(2)；
[0039]-放大器(3)。
[0040]
图1c：本发明的mopa(101)的实际实现的结构示意图和操作原理，包括以下部分：
[0041]-种子激光器(1)；
[0042]-突发合成器(2)；
[0043]-放大器(3)；
[0044]-光开关(7、8)。
[0045]
图2a-图2b：本发明的突发合成器(2)由通过光纤耦合器(70)连接的有源光纤环路(2a)组成。有源光纤环路(2a)包括以下部分：
[0046]-隔离器(75)；
[0047]-波分复用器(76)；
[0048]-激光二极管(80)；
[0049]-掺杂光纤(77)；
[0050]-光开关(78)；
[0051]-未掺杂的光纤(79)。
[0052]
图3-示出本发明的脉冲合成器的操作的时间帧。
[0053]
图4a-图4b：本发明的用于超短脉冲的突发合成器(2)，包含用于色散补偿的元件。零件列表如下：
[0054]-光纤耦合器(70)；
[0055]-循环器(83)；
[0056]-一段未掺杂的光纤(87)；
[0057]-色散补偿元件(81)；
[0058]-视需要的波分复用器(76)；
[0059]-激光二极管(80)；
[0060]-掺杂光纤(77)；
[0061]-光开关(78)；
[0062]-一段未掺杂的光纤(79)。
[0063]
图5a-图5c：具有可选择的突发内脉冲间隔的突发合成器的实施例。改进的有源光纤环路(2b)包括有源光纤环路(2a)的元件和附加元件：
[0064]-多个色散补偿元件(81a、81b、81c)；
[0065]-多段不同长度的未掺杂光纤(88a、88b、88c、89a、89b、89c)；
[0066]-具有多个输出端口的光路由器(90)或具有两个输出端口的若干光路由器(90a、90b)。
[0067]
图6：本发明的突发合成器(2’)，由通过光纤耦合器(70)连接的长有源光纤环路(2c)组成。有源光纤环路(2c)包括有源光纤环路(2a)或改进的有源光纤环路(2c)的元件，但引入了更大的延迟。
具体实施方式
[0068]
本发明的目标是产生具有选定脉冲重复率的短激光脉冲突发，脉冲重复率高于种子源的脉冲重复率，特别是在从100mhz到1thz的范围内。本发明的另一目标是产生超短激光脉冲突发，尤其是在几皮秒或数百飞秒的范围内。本发明的特殊目标是获得具有可控数量的脉冲、相同的脉冲持续时间和间隔以及期望的脉冲突发幅度包络形状的脉冲突发。
[0069]
我们提出了一种在有源光纤环路的帮助下合成脉冲突发的方法，有源光纤环路包括用于脉冲延迟、放大和色散控制的光纤组件。突发终止元件也被包含在所述有源光纤环路内。方法的优选实施例用于脉冲主振荡器功率放大器激光装置中。产生具有期望长度和幅度包络的ghz范围脉冲重复率突发是可能的。
[0070]
图1a-图1b示出了本发明的非常简化的方框图。目标是有一种方法用于从主脉冲系列形成突发(或一系列突发)。结合在种子激光器1和放大器3之间的脉冲合成器2构成了产生短或超短激光脉冲突发的ghz范围mopa源100的基础。种子激光器1可以是单个单元(光纤或固态脉冲振荡器，或激光二极管)，或者可以由多个单元(振荡器后接前置放大器或振荡器后接前置放大器和附加组件，诸如脉冲展宽器等)组成。下文中的术语“短”是指低于10ns的脉冲持续时间。下文中的术语“超短”是指低于10ps的脉冲持续时间。术语“脉冲”应被理解为当光不存在或可忽略时，由脉冲间周期隔开的电磁辐射的离散开始。种子激光器1的输出在本文中应被理解为“种子脉冲”或“种子脉冲系列”(图1b中的初级脉冲系列4)。脉冲“系列”是指周期性出现的脉冲；与脉冲的时间尺度相比，相邻脉冲之间的间隔可能是较长的时间段。“脉冲突发”是指一系列任意数量的连续脉冲，与脉冲的时间尺度相比具有间隔，而“脉冲系列”是指周期性或非周期性的突发系列。
[0071]
锁模光纤振荡器是在几十至几百mhz范围内的高重复率(脉冲间隔t1)下获得超短光脉冲的主系列4的选择之一。本发明的突发合成器2形成脉冲系列5，其中，突发内脉冲间隔t3不一定是t1的除数并且可以非常小(超高脉冲重复率)。突发合成器2将每个输入脉冲分成两部分，并对其中一部分执行延迟。而且，执行幅度和色散的附加控制。由突发合成器2引入的延迟t2比主脉冲系列4内的脉冲间隔t1长。因此，第一输入脉冲41的延迟部分41.2比第二输入脉冲42的非延迟部分42.1更迟地输出耦合。第一“突发”51由单个脉冲(输入脉冲41的非延迟部分41.1)组成；第二突发52是42.1和41.2部分脉冲的双峰。以相同的方式形成具有递增数量的脉冲的后续突发53、54、55。下面将给出突发形成的详细描述。可能在突发内和整个脉冲突发系列51-55内提供恒定幅度的脉冲。在最简单的实施例中，突发51-55的幅度等于主系列4脉冲41-45的幅度的一半。功率放大器3提供放大的脉冲系列6。突发内脉冲间隔t3是恒定的，等于t3＝t2-t1。它在所有突发中都是相同的，而每个突发中的第一脉
冲具有恒定的时间周期t1。突发的放大系列6中的脉冲幅度取决于放大条件。
[0072]
图1c示出了本发明的更复杂的mopa 101的方框图及其时序图。例如，当所有突发中需要恒定数量的脉冲时，这种配置更实用。因此，应该从输出系列中消除包含较少数量的脉冲或较多数量的脉冲的其他突发。mopa激光装置补充有插入在种子源1和脉冲合成器2之间的光开关7。而且，另一光开关8插入在脉冲合成器2和放大器3之间。光开关7、8可以作为可变光衰减器和/或作为脉冲选择器操作。
[0073]
例如，只需要那些包含四个脉冲的突发。在给定图示中，光开关7对脉冲重复率没有任何作用，因此，系列9与种子源的系列4相同。驱动信号d1、d3将光开关7、8变为“on”(最高传输)、“off”(零传输)或中间(视需要，为了衰减而部分传输)状态。突发合成器2内部有它自己的光开关，由驱动信号d2控制。驱动信号d2管理“突发演进”的开始和终止：当信号d2处于“on”状态时，每个后续突发的脉冲数增加一；当状态为“off”时，突发的演进停止；当d2再次为“on”时，下一突发再次有一个脉冲。具有四个脉冲的下一突发在四个周期后形成(时间间隔t4＝b*t1，b——突发内的脉冲数)。突发合成器2的输出端的系列10现在具有多个子集(子系列)10.1、10.2等，脉冲数量增加；每个子集一直持续到获得突发内期望的脉冲数为止。如果只需要包含四个脉冲的那些突发，则驱动信号d3仅在形成所需的突发21-24时才将光开关8变为“on”状态。然后将突发21-24的系列11发送到放大器3，在放大器中对其进行放大；并且形成了放大的突发系列12。
[0074]
本发明的突发合成器2具有形成突发幅度包络的期望形状的特性。脉冲幅度由放大条件控制，在某种程度上由光开关控制。为了在整个系统的输出形成具有恒定幅度a
out
的突发31-34，脉冲幅度增大的突发21-24应进入功率放大器3。突发21的第一脉冲21.1在功率放大器3的输入具有最低幅度a1；突发21的最后一个脉冲21.4具有最高幅度a4。第一脉冲21.1以未耗尽的增益介质进入放大器，并且比后续脉冲21.2-21.4放大得更好。由于增益饱和(增益介质的耗尽)，最后一个脉冲21.4的放大最弱。
[0075]
上述突发幅度整形是通过调整放大条件来实现的。第一脉冲21.1的幅度a1等于种子脉冲41的幅度a
seed
的一半，而突发21的其他脉冲21.2-21.4具有更高的幅度，因为它们在突发合成器2的延迟线中传播期间被放大。脉冲在图1a至图1c中被描述为无限短的电磁辐射起始点。当然，它们有一定的持续时间，很短或超短。而脉冲间间隔t3相应于超高、优选千兆赫的脉冲重复率。
[0076]
初始时刻t＝0被选定为第一脉冲41的第一部分41.1穿过参考平面的时刻。突发合成器2的光开关可以在时刻t1和t2之间的任何时间打开(驱动信号d2)，但必须在第一脉冲41的第二部分41.2到达所述光开关之前。突发合成器2的光开关可以在时刻t3和t4之间的任何时间关闭，但必须在突发合成器2内部循环的四个延迟脉冲到达开关之前关闭。
[0077]
可以以相同的方式合成突发内不同数量的脉冲。此外，突发选定——光开关8位于突发合成器2的下游——可以根据定制应用的需要执行。相同脉冲的最大重复率取决于期望的脉冲内脉冲数和初始脉冲重复率。另一方面与突发的持续时间有关。为了避免生成的突发与下一突发重叠，突发持续时间必须短于进入突发合成器2的输入系列的脉冲间间隔。在需要更长突发的情况下，必须通过位于突发合成器2的上游的光开关7降低重复率。将形成修改的脉冲重复率的脉冲系列9。
[0078]
图1c中给出的方法允许对单个脉冲进行幅度控制。由信号d2驱动的突发合成器的
内部光开关，以及由信号d1驱动的光开关7可以具有部分传输，因此可以用于幅度控制。使用位于突发合成器2上游的光开关7更容易衰减单个脉冲的幅度，因为每个新的输入脉冲都具有mhz范围的脉冲重复率，这是改变标准光开关传输值的相对较低的速率。
[0079]
根据本发明的突发合成器2包括(图2a)：2x2光纤耦合器70和“有源光纤环路”2a。光纤耦合器70具有两个输入端口71、72和两个输出端口73、74。通过将第一输出端口73与第一输入端口71连接而形成环路。主脉冲系列4被注入到光纤耦合器70的第二输入端口72中，而输出辐射5通过第二输出端口74被输出耦合。
[0080]
图2b展示了突发合成器2的详细方案，描绘了有源光纤环路的所有元件并解释了基本操作原理。每个输入脉冲41-43被分成两部分：一部分通过第二输出端口74输出耦合，而另一部分被传送到耦合器的第一输出端口73并因此传送到有源光纤环路2a。因此，在下一个周期，进入输入端口71和72的所有辐射在输出端口73和74之间分开。突发51-53的输出系列5由耦合到第二输出端口74的脉冲部分形成。有源光纤环路的其他组件包括：隔离器75、波分复用器(wdm)76、一段掺杂光纤77、光开关78以及一段未掺杂光纤79。隔离器75防止反向散射光传播回光纤耦合器70。wdm 76用于将来自激光二极管80的泵浦光耦合到掺杂光纤77中。可以使用芯泵浦或覆层泵浦。从输入77.1向输出77.2传播的辐射在掺杂光纤中被放大。放大对于获得具有相等或可控幅度的脉冲突发是必要的。
[0081]
有源光纤环路2a内的延迟t2由主脉冲系列4的脉冲周期t1和突发的输出系列5的期望突发内脉冲间隔t3确定如下：t2＝t1 t3。有源光纤环路2a的所需的总光路径长度l
opt
由t2计算，或通过测量时间延迟实验确定。为了获得ghz突发，对于50mhz的主振荡器重复率，环路的物理长度l约为4m。为了实现所需的总长度l，未掺杂光纤79的段被拼接成环。元件75和76可以是单独的光纤组件，或者是特殊的混合波分复用器-隔离器(widm)组件。光开关78是光纤耦合的声光调制器或电光调制器，是允许改变脉冲的幅度和持续时间的电子可控设备。光纤环路2a的光路径长度的调节可以通过加热或冷却未掺杂光纤79或其一部分来执行。这允许在使用带有外部谐振器的ghz突发的情况下微调延迟t2，例如，用于sopo泵浦。可替选地，未掺杂光纤79的机械拉伸可以用于调节光纤环路2a的光路径长度，因此，调节延迟t2。如果所有组件都是保偏的，则输出激光辐射是线性偏振的。
[0082]
在本发明的第一实施例中，光纤耦合器70的分光比为50/50。这意味着进入耦合器70输入端口71和72的脉冲被分成相等的部分并传送到输出端口73和74。传送到端口73的部分脉冲通过光纤环路传播并再次进入端口71。它们被划分并再次传送到端口73和74。
[0083]
整个操作在图3中借助以下时间帧进行了解释：t＝0，t＝t1，t＝2*t1。分析最简单的情况：合成等幅脉冲的突发51-53；光纤耦合器70的分光比为50/50。在位于输入端口71、72和输出端口73、74上的参考平面a、b、c、d附近观察到脉冲，参考平面与光纤耦合器70等距(参见图2b)。在参考平面a中，观察到光纤环路末端的辐射。在参考平面b中，观察到输入辐射(种子脉冲41、42、43的脉冲系列4)。在参考平面c中，观察到通过第一输出端口73输出耦合的一部分辐射。在参考平面d中，观察到通过第二输出端口74输出耦合的一部分辐射。现在所有参考平面都被叠加(好像光纤耦合器70没有尺寸并且不引入任何延迟)。
[0084]
第一时间帧(t＝0)说明第一输入脉冲41(参考平面b)被分成两个相等的部分。一部分41.2被输送到有源光纤环路(参考平面c)中。另一部分41.1被传送到输出(参考平面d)；它是输出辐射5的第一脉冲。此时光纤环路末端(参考平面a)没有辐射。
[0085]
第二时间帧(t＝t1)示出了第二输入脉冲42到达参考平面b的时刻。在光纤环路内部传播的脉冲98还没有到达参考平面a。脉冲98通过放大脉冲部分41.2获得(其幅度由掺杂光纤77和光开关78控制；参见图2b)。辐射的其他特征也可能受到光纤环路的光纤组件的影响，然而，期望它们的净作用相互补偿并且只有幅度加倍。再次传送到环路(参考平面c)的辐射由脉冲42的一部分42.2和脉冲98的一部分98.2组成。传送到输出(参考平面d)的辐射由脉冲42的一部分42.1和脉冲98的一部分98.1组成。脉冲部分98.2和98.1关于脉冲部分42.2和42.1延迟。脉冲42.1和98.1形成输出辐射5的脉冲突发52。42.1和98.1的幅度相等。
[0086]
第三时间帧(t＝2*t1)说明当第三输入脉冲43到达参考平面b时，在光纤内部传播的辐射脉冲99尚未到达参考平面a。有源光纤环路末端的辐射99由脉冲42.2、98.2通过将它们的幅度加倍而形成。再次传送到环路(参考平面c)的辐射由脉冲42的一部分43.2和辐射99的一部分99.2组成。传送到输出(参考平面d)的辐射由脉冲43的一部分43.1和辐射99的一部分99.1组成；它是输出辐射5的突发53。以相同的方式形成输出辐射5的其它突发。
[0087]
图2b中描绘的突发合成器2的实施例没有色散补偿元件。因此，它适合相应于变换限制脉冲宽度大于或等于10ps的窄带辐射。如果需要短突发，则图2b的脉冲合成器可以用于中等带宽的辐射。补偿色散的必要性还取决于突发的长度。
[0088]
例如，为了形成11个脉冲的突发，第一输入脉冲41的部分41.2在有源光纤环路内循环10次往返；第二输入脉冲42的部分42.2循环9次往返；等等。
[0089]
在4m光纤环路内部10次往返后，变换受限的5ps(带宽≈0.31nm)类高斯脉冲可展宽至5.02ps，在30次往返后——高达5.17ps，在50次往返后——高达5.47ps。在某些应用中，脉冲宽度在50个脉冲突发内的变化仍然是允许的。
[0090]
在4m光纤环路内往返10次后，变换受限的1ps(带宽≈1.55nm)脉冲可展宽至2.40ps，但在往返30次后可展宽至6.68ps。在没有色散管理组件的情况下，使用图2b的突发合成器可能只能完成1ps脉冲的短突发。
[0091]
图4a示出了本发明的脉冲合成器2的另一实施例。优选宽带辐射，因为包含色散补偿元件81。色散控制对于宽带辐射(超短变换限制脉冲或短啁啾脉冲)是必要的。与未延迟的脉冲相比，延迟的脉冲在色散介质中的传播路径更长。由于色散，各种光谱分量会经历不同的相位偏移。结果，延迟脉冲的持续时间可能会改变，并且脉冲形状可能会失真。任何突发的每个后续脉冲都会传播更长的路径。累积光谱相位差。这意味着突发的第二脉冲将不同于第一脉冲，第三脉冲将不同于第二和第一脉冲，等等。为了补偿光谱相位的差异并获得具有相同持续时间的脉冲突发，需要具有与有源光纤环路(元件71-79)内的光纤的色散相反的色散的元件81。如果种子源是掺杂镱的激光器并辐射约1μm波长，则大多数光纤在该光谱范围内具有正(正常)色散。元件81的色散必须是负的(异常的)。对于产生约2μm的tm或ho掺杂的激光源，突发合成器2必须包含具有正(正常)色散的色散补偿元件81。光纤系统中色散补偿元件最可能的选择是啁啾光纤布拉格光栅(cfbg)，然而，也可以使用其他类型的色散补偿元件(例如，啁啾体布拉格光栅(cvbg)或光子晶体光纤)。由于有源光纤环路内部的辐射功率相对较低且非线性效应可忽略不计，因此主要观察到二阶色散(群速度色散gvd)。具有用于补偿二阶色散的任何选定啁啾参数的cfbg可在市场上买到。因此，在有源光纤环路内传播期间经历的相移得到完全补偿。还可以使用具有更高阶色散补偿的cfbg。如果光纤环路内的非线性过程(主要是掺杂光纤77或后续元件)不能被忽略，则应使用它们。唯一
不需要补偿的情况是零色散点附近。
[0092]
图4a的有源光纤环路内部的路径如下：来自路径82的辐射被元件83转向进入路径84，在色散补偿元件81内部传播，被转向到光路径85和路径86。如果色散补偿元件81是啁啾光纤布拉格光栅，它具有单个光纤连接器并用作镜子，即将光反射回同一光纤(反射光已经被色散管理)。因此，路径84和85在同一光纤87中，并且元件83是光纤环行器。它还将光从路径85转向路径86。环行器83同时用作隔离器，防止光沿反向传播。图4a中的有源光纤环路2a的侧臂(元件83、87、81)正好位于光纤耦合器70之后。因此，在脉冲在色散环路中传播之前进行色散控制；即，色散管理是提前完成的(称为预补偿)。脉冲的持续时间在环路内变化。在理想的补偿情况下，环路末端的脉冲持续时间与通过74输出耦合而不通过光纤环路传播的脉冲部分的持续时间相同。也可能将侧臂(元件83、87、81)插入有源光纤环路2a的其他位置，但不推荐在wdm 76与掺杂光纤77之间。啁啾光纤布拉格光栅81的色散可以是通过将其放入被加热的安装部中进行控制。它允许对色散进行微调，因此对脉冲持续时间进行微调。
[0093]
为负责分散控制的侧臂选择合适的位置时，有几个方面。让我们分析图4a的情况——侧臂位于放大系统(元件76、77、80)之前。如果初始脉冲(系列4的脉冲)及其耦合到有源光纤环路中的部分没有啁啾，则环路的侧臂会啁啾它们。这意味着掺杂光纤77中的放大是针对展宽脉冲完成的，并且非线性效应是不易观察到的。如果初始脉冲被啁啾，那么侧臂可以减少它们的啁啾并减少它们的持续时间。由于增加的峰值功率，非线性效应可能更可能发生。如果将侧臂放置在其他位置，则需要隔离器，或者使用widm代替wdm。
[0094]
图4b示出了具有色散补偿的突发合成器2的又另一实施例。这里，掺杂的光纤段77插入有源光纤环路的侧臂中。因此，辐射穿过放大介质传播两次，并且更高效地使用了反转。来自激光二极管80的泵浦辐射通过色散补偿元件81耦合，因而不需要wdm。图4a至图4b的脉冲串合成器适合《1ps的脉冲。突发合成器2的有源光纤环路2a的其他可替选配置对于本领域技术人员来说可能是显而易见的。
[0095]
图5a至图5c示出了具有可选择的突发内脉冲间隔的突发合成器2的实施例。突发合成器的有源光纤环路2b具有可选择的长度。有几种方法来实现可选长度。环路可以具有带有光长度控制的附加侧臂，或者现有的侧臂可以补充有光路由器(选择性地将光信号从一个信道引导到另一信道的光开关类型)。
[0096]
图5b描绘了具有可选择长度的有源光纤环路2b的一部分。整个改进的有源光纤环路2b包括有源光纤环路2a的元件和几个附加元件。在循环器83的帮助下连接到主环路的环路侧臂87以未掺杂光纤段88a、88b或88c结束。具有多个输出端口的光路由器90将辐射引导到可替选段88a-88c之一。通过选择多段光纤的长度来实现各种长度的有源光纤环路2b。当辐射通过段87和88a传播时环路2b的总长度等于l1。当辐射通过段87和88b传播时环路2b的总长度等于l2。当辐射通过段87和88c传播时环路2b的总长度为l3。有源光纤环路2b的不同长度确保了选择可替选的突发内脉冲重复率之一的可能性。通过用驱动信号d4控制路由器90来进行选择。对于超短脉冲，重要的是补偿在光纤中传播期间获得的色散。因此，不同长度的有源光纤环路2b需要不同的色散补偿元件81a、81b、81c。对于短脉冲，色散管理不是那么重要(特别是如果l1、l2和l3没有显著差异)；可以使用相同的色散补偿元件81a、81b、81c或单个元件。具有多个输出端口的各种类型的光路由器都是合适的。
[0097]
图5c描绘了具有可选择长度的有源光纤环路2b的更实际的实现。使用了几个1x2
光路由器(90a、90b)。通过选择多段光纤的长度来实现有源光纤环路2b的可替选长度：l1——当辐射通过段87和88a传播时；l2——当辐射通过段87、89a和89b传播时；l2——当辐射通过段87、89a和89c传播时。以同样的方式，可以实现具有许多可选择的突发内脉冲重复率的突发合成器。
[0098]
图6描述了形成脉冲突发的可替选方法。具有长的有源光纤环路2c以便确保脉冲延迟多于两个周期t1的突发合成器2’可以形成一系列突发，其中，多个后续突发包含相同数量的脉冲。如果有源光纤环路2c的长度满足规则：t2＝2*t1 t3，则两个后续突发具有相同数量的脉冲(参见图6)。第一系列e突发的突发91、92包含一个脉冲；第二系列f的脉冲串93、94包含两个脉冲等。两个相同的突发出现，间隔t1等于主系列的脉冲间间隔。在需要以小时间间隔重复的相同突发的一些应用中，这可能是优势。然而，形成许多脉冲的多个突发的时间增加了。然而，如果某个应用需要若干突发并且能够承受下一系列若干相同突发之间的较长时间间隔，则突发合成器2’非常适合。等待获得包含两个脉冲的第一突发93所需的时间段t5为：t5＝2*t1。获得包含三个脉冲的第一突发的时间周期等于3*t1。合成在周期t1重复的m个后续突发的规则是产生长有源光纤环路2c，它满足以下规则：t2＝m*t1 t3。获得包含n个脉冲的第一突发所需的时间周期等于n*t1。
[0099]
本发明的脉冲合成器和mopa的显著特征和优点是可以使用相对较慢的幅度调制器。可能使用光开关7以非常高的精度控制ghz突发中单个脉冲的幅度，因为它必须比光纤环路的完整往返时间更快。例如，对于50mhz重复频率的种子源，光开关的开启和关闭时间必须小于20ns。这是对光纤调制器的中等要求。用内部光开关78可以成功地实现突发的缓慢变化幅度包络。本发明的又另一优点在于突发内的脉冲数量可以通过仅驱动所述光开关来选择和改变。脉冲重复率没有限制。有源光纤环路的长度在几米范围内，而突发内脉冲间隔在千兆赫兹甚至太赫兹的范围内。有源光纤环路包含用于脉冲幅度控制和色散补偿的所有必要组件。可以以相同的脉冲持续时间和重复率生成短于1ps的脉冲突发。本发明方法的变体(下文给出)允许合成对某些应用特别有吸引力的长突发。突发长度的唯一限制是色散补偿的精度。
[0100]
根据本发明的优选实施例，每个突发的脉冲不重叠。这意味着最小突发内脉冲间隔t3等于脉冲持续时间。例如，10ps持续时间的脉冲可以在不与100ghz重复率重叠的情况下打包；1ps脉冲允许1thz。如果使用持续时间为150ps的啁啾脉冲，可能产生6ghz突发。
[0101]
如今，以突发模式操作的脉冲激光器的应用不仅涉及各种微加工和材料加工操作。在与生物物体的辐射相互作用中获得了类似的优点：在不超过生物物体的损伤阈值的情况下，可以增加单位时间内收集的信息量。短脉冲的突发被用于通过照射电子加速器的光阴极来产生光电子包。对于这样的应用，光脉冲之间的精确距离很重要，使用本发明的方法相对容易实现。高重复频率为气体、液体和晶体中的非线性频率转换开辟了新的可能性。同步泵浦opo或相干脉冲堆叠系统的设计和复杂性高度依赖于泵浦辐射的重复率精度。
[0102]
其他实施例
[0103]
长于t1的长突发可以如下形成：1)突发的第一部分以与上述相同的方式形成；2)当在环路内循环的一组脉冲充满环路的整个长度时，光开关(图1c中的7)阻断下一输入脉冲。在环路内循环的脉冲在下一循环期间输出，并在前一循环结合输出的，因而形成连续的脉冲突发。通过保持输入脉冲被阻断，可以形成长突发。由于放大是在有源光纤环路中完成
的，因此脉冲幅度不会降低。由于色散管理是在有源光纤环路中完成的，因此可以保留脉冲持续时间。
[0104]
例如，如果突发脉冲间隔为0.5ns(2ghz)，则41个脉冲填充4m长度的光纤环路。80脉冲长度的突发可以在39*t1时间段内形成：39个周期递增地生长40长度的突发，然后在下一个周期中没有输入到有源光纤环路，但在环路内部循环的40个脉冲结合之前输出的。如果在下一t1周期之后，又一个输入脉冲被光开关7阻断，则突发被来自环路的另外40个脉冲拉长。
[0105]
长突发形成所需的时间间隔等于用脉冲填充整个环路长度所需的时间。唯一的限制是有源光纤环路的光开关78的关闭时间。开关78用于终止突发。由于环路内部的脉冲在时间上紧密打包(ghz脉冲重复率)，所以开关78的闭合时间将形成突发的尾部。例如，如果我们生成120脉冲突发，突发内持续时间为1ns，并使用关闭时间为6ns的声光调制器，我们将获得114个相同幅度的脉冲和6个幅度衰减的脉冲。
[0106]
另一种形成长突发的方法是：1)在光开关7的帮助下形成具有大脉冲间隔的系列9——大于期望长突发的持续时间；2)使用长的有源光纤环路，它引入了比所述大脉冲分离稍长的时间延迟。该想法是按照图1a至图3中描述的方式形成整个长突发：突发的第一脉冲是输入脉冲的一部分，突发的其他脉冲来自环路；它们是先前循环的输入脉冲的一部分。这种合成长突发的方法的优点是控制每个脉冲的幅度，并获得矩形的突发包络。
[0107]
本发明的方法和激光装置还可以用于从几个10ps-10ns的变换限制脉冲合成长矩形脉冲。如果有源光纤环路的长度使得输入脉冲41的延迟部分41.2(例如，参见图1b至图1c)与下一个输入脉冲42的未延迟部分42.1重叠，则结果是延长的脉冲。如果t3小于脉冲持续时间，则可以获得m形脉冲或矩形脉冲。
[0108]
本发明的方法在宽带激光源中的应用还有附加方面。种子源的宽带辐射可以作为变换限制脉冲系列或作为啁啾脉冲系列传送到本发明的突发合成器。本发明的mopa的变体包括脉冲展宽器和压缩器。插入在种子源1和突发合成器2之间(在图1b的mopa 100中)或在种子源1和光开关7之间(在图1c的mopa 101中)的脉冲展宽器啁啾，因此，及时展宽脉冲。如果时间段t3小于啁啾脉冲的持续时间，则脉冲在突发合成器2的光纤耦合器中重叠。由于输入脉冲的延迟部分和下一个输入脉冲的干扰，辐射光谱被改变。许多输入脉冲的干扰使得在本发明的突发合成器2的输出处对辐射进行一些频谱调制。在功率放大器3之后添加到mopa的脉冲压缩器压缩辐射并产生超短脉冲。输出脉冲包络也被调制。
[0109]
突发合成器2的有源光纤环路2a、2b或2c还有许多其他可替选配置，这些配置未在给定的附图中示出，这不脱离本发明的主要思想。原则上，相同的思想可以在环路的自由空间等效物中实现，但需要控制衍射以便避免在环路内部循环多次往返时光束扩散。此外，mopa的许多可替选配置没有在给定的图中示出，它们不脱离本发明的主要思想。本发明的整个范围由所附权利要求保护。