[发明专利]利用强度脉冲形状校正的超快脉冲激光器系统

说明书

超快脉冲光纤激光器系统被配置有可缩放的输出功率，并可操作用于减小对脉冲完整性的劣化。所公开的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来改善脉冲形状，来抑制脉冲失真。提供所述改善的结构包括光电二极管和模拟电子器件，光电二极管可操作用于测量啁啾光脉冲并将其转换成电信号，模拟电子器件将所述电信号快速转换成抑制侧脉冲的所需信号。

技术领域

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1A-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1A-图1C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3A-图3B所示。如图4A-图4C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。