[发明专利]用于中和远红外的紧凑的相干和高亮度光源

说明书

技术领域

本发明涉及用于中和远红外光谱区的紧凑的高亮度光源，包括基于光纤激光器的系统及其示例性应用。

背景技术

高亮度中红外光源在医学、光谱学、测距、感测和计量学中有许多应用。所述源需要非常强劲、具有长期稳定性、并且还包括具有高度光学集成的最少部件数用于大量市场应用。基于半导体激光器的中红外光源是非常普遍的。更具体地说，已可获得量子级联激光器，其允许高度集成。不过，低温冷却的要求一般是障碍，并且对于许多应用是不允许的。

高度光谱相干性在频梳的构造中也是尤其重要的。鉴于工作在近红外和中红外光谱区域的激光源是易于购得的，对所述工作在中红外波长区域的频梳源做的工作很少。

实际上，迄今为止还没有生产出具有高光谱密度和通过高度光谱相干性工作的大量可生产的基于相干光纤的中红外源或中红外梳源。

发明内容

本发明披露了基于被动锁模Tm光纤梳激光器的紧凑的相干中红外和远红外频梳系统。如本文所用，中红外和远红外光谱区域包括在从约1.7μm到约几十微米范围内的波长。举例来说，基于光纤的激光系统的输出可能在从约1.8μm到约20μm的波长范围内，这是分子光谱学应用很感兴趣的范围。

为了增大梳源的相干性，放大的单频激光器被用于泵浦Tm光纤梳激光器。通过利用同步的二阶和三阶色散补偿(利用用于色散补偿的适当的啁啾光纤布拉格光栅或具有适当选定值的二阶和三阶色散的光纤)进一步增大由被动锁模Tm光纤梳激光器产生的光学带宽。具有三阶色散的大反常值的光纤特别有用，并且可由高度掺锗（Germania）的光纤或具有大数值孔径的光纤（例如，在光纤包层形成有空气孔的光纤）制成。

Tm光纤梳激光器的光学带宽还通过利用光学环形腔或法布里-珀罗（Fabry Perot）腔结合正色散光纤以及用于色散补偿的光纤布拉格光栅来进一步增大。

可利用直接调制Tm光纤梳激光器泵浦的振幅来控制Tm光纤梳激光器的载波包络偏移频率。可替换地，电子寻址光学部件可被设置在用于载波相位调制的腔内。所述电子寻址光学部件的一个示例是声光调制器，所述声光调制器可通过腔损耗调制来调制载波包络偏移频率。作为另一个可替换例，外部振幅调制器可被插在Tm光纤梳激光器和泵浦之间。

Tm光纤梳激光器的输出可在Tm光纤放大器被进一步放大，其中利用Tm光纤放大器中的啁啾脉冲放大可大大增加可获得的脉冲能量。通过实施二阶和三阶色散的补偿来降低放大脉冲的脉冲宽度。非线性脉冲压缩可直接在Tm放大器或Tm放大器的未掺杂光纤下游实施。例如，可实施非线性脉冲压缩技术，例如较高阶孤子压缩或拉曼(Raman)孤子产生。当直接在Tm放大器中采用脉冲压缩，核心泵浦的Tm放大器允许产生特别高的脉冲能量。结合Tm放大器，可产生短于50fs或更短的脉冲宽度。非线性脉冲压缩技术对于非常短的脉冲的产生特别有用。因为石英光纤在2000nm的较高自聚焦阈值，非线性压缩技术可直接在石英光纤中产生峰值功率>10MW的短脉冲。

通过将高度非线性光纤直接拼接至Tm光纤放大器的输出或脉冲压缩光纤可生成跨倍频程超连续光谱。利用非线性晶体或波导中光谱频移可进一步向上或向下频移Tm光纤激光器的输出。可替换的，通过利用光学参数振荡器、光学参数发生器或放大器可获得向下频移的光谱。

高能量短脉冲Tm光纤放大器还可用于微加工应用并尤其是半导体例如硅中的亚表面加工。对于所述微加工应用，可利用啁啾脉冲放大产生高能量脉冲。

附图说明

图1示意性地示出了优化用于生成宽相干脉冲光谱的被动锁模Tm光纤激光器。

图2示意性地示出了具有正二阶色散和负三阶色散的Tm掺杂光子晶体光纤的截面。

图3示意性地示出了锁模Tm光纤激光器与核心泵浦的Tm放大器结合。

图4示意性地示出了优化用于生成宽相干脉冲光谱的被动锁模Tm光纤激光器的可替换实施例。

图5示意性地示出了被动锁模Tm光纤振荡器和Tm光纤放大器。

图6示意性地示出了基于TmFCPA系统的示例性材料加工装置。

图7示意性地示出了Tm光纤激光系统泵浦光学参量振荡器。

图8是由低噪声Tm光纤梳激光器利用f-2f干涉仪获得的RF光谱的图表。

具体实施方式