專利名稱：：1微米非線性偏振脈沖整形鎖模光纖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明大體涉及用于提供短脈沖鎖模光纖激光的裝置和方法，更詳細(xì)地說，涉及對非線性偏振脈沖整形鎖模光纖激光器提供改善過的可更良好地控制的脈沖形狀的新結(jié)構(gòu)和方法。
背景技術(shù)：
：生成短脈沖鎖模光纖激光的現(xiàn)有技術(shù)面臨著還無法容易地實現(xiàn)超短脈沖高輸出激光器的實際應(yīng)用的技術(shù)難題和限制。特別是超短高輸出激光器的實際有用性經(jīng)常因脈沖形狀的失真而受阻。而且，這種激光系統(tǒng)形成大型裝置的情況也不少，難以保持對準(zhǔn)，也缺乏穩(wěn)固性。這些困難均防礙了超短高輸出激光器的實際應(yīng)用。回顧歷史，由于飽和吸收體的資源有限以及光纖的異常色散，脈沖寬度達(dá)到飛秒級的鎖模激光的生成仍是一項困難的技術(shù)。一直以來，在短于1.3μm的波長中工作的短脈沖鎖模光纖激光器所具有的特定困難是，在這一波長區(qū)域中不存在用于色散補(bǔ)償?shù)暮唵蔚耐耆诠饫w的解決對策(對于超過1.3μm的波長而言，存在呈現(xiàn)正常或者異常色散中的任意一種的幾種類型的光纖，可以通過集中并接合不同長度的光纖，得到產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的色散的腔)。因此，以往的研究者使用稱作光柵對和棱鏡的體式裝置(bulkdevice)向腔提供色散的可調(diào)量。遺憾的是，這些裝置需要將光纖耦合到體裝置中，從而導(dǎo)致激光器對于對準(zhǔn)即環(huán)境極為敏感的結(jié)果。幾種現(xiàn)有技術(shù)公開了用于構(gòu)成超短高輸出激光系統(tǒng)的各種半導(dǎo)體飽和吸收體。但是，這種結(jié)構(gòu)由于自由空間光學(xué)的具體化而通常開發(fā)成大型且穩(wěn)固性低的系統(tǒng)。參照例如非專利文獻(xiàn)1、2。隨后，公開了進(jìn)一步改善短脈沖高輸出激光的生成的擴(kuò)展鎖模光纖激光器。但是，即使在擴(kuò)展鎖模光纖激光器中，1/4波長延遲器和分離器等用于準(zhǔn)直和耦合的自由空間光學(xué)元件也實現(xiàn)了具體化。參照例如非專利文獻(xiàn)3、4。例如在非專利文獻(xiàn)5、6中公開了現(xiàn)有的激光器。例如在非專利文獻(xiàn)7中公開了色散控制的示例。非專利文獻(xiàn)1Appl.Phys.B，70，375-378(2000年)，S.N.Bagayev、S.V.Chepurov、V.M.Klementyev、S.A.Kuznetsov、V.S.Pivtsov、V.V.Pokasov、及V.F.Zakharyash，“Afemtosecondself-mode-lockedTisapphirelaserwithhighstabilityofpulserepetitionfrequencyanditsapplications”非專利文獻(xiàn)2Science第288卷、pp.635-639(2000年)、70、375-378(2000年)，JonesD.J、DiddamsS.A.、RankaJ.K.、StentzA.、WindelerR.S.、HallJ.L.、Cundi(R)S.T.，“Carrierenvelopephasecontroloffemtosecondmode-lockedlaseranddirectopticalfrequencysynthesis”非專利文獻(xiàn)3IEEEJOURNALOFQUANTUMELECTRONICS第37卷、第12號、2001年12月，JohnL.Hall、JunYe、ScottA.Diddams、LongShengMa、StevenT.Cundi(R)及DavidJ.Jones，“UltrasensitiveSpectroscopy，theUltrastableLasers，theUltrafastLasers，andtheSeriouslyNonlinearFiberANewAllianceforPhysicsandMetrology”非專利文獻(xiàn)4IEEEJ.Quant.Electron.第37卷、1502(2001年)，L.Hollberg、C.W.Oates、E.A.Curtis、E.N.Ivanov、S.A.Diddmas、Th.Udem、H.G.Robinson、J.C.Bergquist、R.J.Rafac、W.M.Itano、R.E.Drullinger及D.J.Wineland，“Opticalfrequencystandardsandmeasurements”非專利文獻(xiàn)5Appl.Phys.1975年、第7卷、p71，BagayevS.N.、チエボタイエフV.P.，“FrequencystabilityandReproducibilityofthe3.39lmHe-NeLaserStabilizedontheMethaneLine”非專利文獻(xiàn)6SpringerSer.Opt.Sci.，1977年、第7卷、p56，エベンソンK.M.、ジエニングスD.A.、ピ一タ一ソンF.R.、“LaserFrequencyMeasurementsAReview，Limitations，Extensionto197Thz”非專利文獻(xiàn)7SPIE4974，148(2003年)、V.ライケル等，“ApplicationsofpumpmultiplexedYb-dopedfiberlasers”與這種激光系統(tǒng)的實際應(yīng)用相關(guān)的限制在進(jìn)一步縮小脈沖寬度時，由于隨著高輸出光纖放大的條件而進(jìn)一步惡化的脈沖形狀失真而更加顯現(xiàn)。當(dāng)脈沖寬度窄到飛秒級時，峰值輸出上升到超過10kW，自相位調(diào)制(SPM)和XPM等較強(qiáng)的非線性效果將導(dǎo)致更嚴(yán)重的光譜上和時間上的增寬。這些非線性效果以及光譜上和時間上的增寬還對激光脈沖造成更大程度的失真。即使能夠使用大模場(LMA)光纖，抑制SBS和SRS，增加飽和輸出，也無法容易地解決這些技術(shù)上的困難。但是，大模場光纖也會在其具體實施時導(dǎo)致峰值輸出的抑制，由于效率低下而導(dǎo)致不期望的結(jié)果。由于對于超高速現(xiàn)象的測量、微機(jī)械加工和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用而言，短脈沖鎖模的更廣泛的應(yīng)用和有用性已經(jīng)得到了證明，所以存在要求解決這些技術(shù)困難的迫切需求。已經(jīng)公開了嘗試解決這種困難的各種技術(shù)。在這種技術(shù)中，包括了非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NLPR)或者上述擴(kuò)展鎖模光纖激光器的應(yīng)用。由于NLPR進(jìn)行時域的基于強(qiáng)度的偏振旋轉(zhuǎn)，所以無法防止時域和譜域兩方面的偏振旋轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的脈沖形狀失真。由于這些原因，現(xiàn)有技術(shù)沒有提供有效的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和方法，以提供用于生成可容許脈沖形狀的高輸出激光脈沖的有效的超短脈沖高輸出激光系統(tǒng)。除上述困難之外，這些激光系統(tǒng)在激光腔中需要光柵對以控制色散。這種系統(tǒng)中的對準(zhǔn)的保持成為耗時的任務(wù)，從而防礙了利用自由空間光學(xué)元件和光柵對來具體實施的系統(tǒng)的實際應(yīng)用。并且，光柵對進(jìn)一步增加了激光裝置的大小和重量，也防礙了為利用這種激光源來具體實施的裝置的小型化所作的努力。因此，在光纖激光器設(shè)計和制造的領(lǐng)域中，還存在提供新的且改善過的結(jié)構(gòu)和方法的要求，所述結(jié)構(gòu)和方法提供能夠解決上述困難、產(chǎn)生能夠更好地控制的脈沖形狀的超短高輸出鎖模光纖激光器。
發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目的在于提供對腔內(nèi)的脈沖傳播進(jìn)行操作并平衡自相位調(diào)制(SPM)和色散所引起的脈沖的增寬/壓縮的非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPE)和色散控制光纖腔、以及使用其的生成變形受限輸出激光的方法。該偏振脈沖整形方法通過光纖長度、非線性效果、以及色散的組合效果生成變形受限脈沖形狀(transform-limitedpulseshape)，其結(jié)果是能夠解決現(xiàn)有技術(shù)遇到的困難。簡單地說，在優(yōu)選實施方式中，本發(fā)明公開了光纖激光腔，該光纖激光腔包括用于從激光泵浦接受光學(xué)輸入投影的激光增益介質(zhì)。該光纖激光腔還包括生成凈負(fù)色散的正色散光纖段(positivedispersionfibersegment)和負(fù)色散光纖段(negativedispersionfibersegment)，其用于在光纖激光腔內(nèi)平衡自相位調(diào)制(SPM)和色散所引起的脈沖的增寬一壓縮，以生成變形受限脈沖形狀的輸出激光，激光增益介質(zhì)進(jìn)一步進(jìn)行激光脈沖的放大和壓縮。在優(yōu)選實施方式中，該光纖激光腔還包括作為隔離器而工作的分束器，所述隔離器具有偏振敏感性、且用于將激光脈沖的一部分傳遞給產(chǎn)生異常色散的光投影傳遞用的光柵對，以進(jìn)一步對輸出激光進(jìn)行整形。在另一種優(yōu)選實施方式中，光纖激光腔包括法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(faradayrotatingmirror)，以反轉(zhuǎn)來自光柵對的激光的偏振。在優(yōu)選實施方式中，增益介質(zhì)還包括摻鐿光纖，以放大和壓縮激光脈沖。在另一種優(yōu)選實施方式中，該光纖激光腔還包括具有偏振敏感性的隔離器和偏振控制器，以進(jìn)一步對輸出激光進(jìn)行整形。在優(yōu)選實施方式中，本發(fā)明還公開了用于從包括激光增益介質(zhì)的激光腔中生成脈沖形的變形受限輸出激光的方法。該方法包括通過采用生成凈負(fù)色散的正色散光纖段和負(fù)色散光纖段，來形成激光腔的步驟。并且，該方法還包括從激光泵浦向光纖激光腔投影輸入激光的步驟，用于在增益介質(zhì)內(nèi)進(jìn)行激光脈沖的放大和壓縮以便在光纖激光腔內(nèi)平衡色散所引起的非線性和自相位調(diào)制(SPM)，以生成變形受限脈沖形狀的輸出激光。在優(yōu)選實施方式中，該方法還包括采用分束器作為隔離器的步驟，所述隔離器具有偏振敏感性、且用于將激光脈沖的一部分傳遞給產(chǎn)生異常色散的光投影傳遞用的光柵對以進(jìn)一步對輸出激光進(jìn)行整形。在優(yōu)選實施方式中，該方法還包括采用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的步驟，以反轉(zhuǎn)來自光柵對的激光的偏振。在優(yōu)選實施方式中，該方法還包括采用摻鐿光纖作為用于激光脈沖的放大和壓縮的增益介質(zhì)的步驟。通過閱讀附圖中所例示的以下的優(yōu)選實施方式的詳細(xì)說明，本領(lǐng)域人員將了解本發(fā)明的這些以及此外的目的和優(yōu)點。圖1是本發(fā)明的短脈沖鎖模光纖激光器的功能方框圖。圖2是本發(fā)明的全光纖短脈沖鎖模光纖激光器的功能方框圖。圖3是用于表示提供飛秒激光脈沖用的高輸出放大器的功能方框圖。圖4(A)、圖4(B)是表示激光脈沖在激光腔中傳播時的偏振變化的波形圖。圖5是用于表示作為光學(xué)輸出的函數(shù)示出的相位變化分析結(jié)果的曲線圖。圖6是沒有產(chǎn)生顯著失真的高輸出超短脈沖放大的波形圖。圖7是表示本發(fā)明的光柵結(jié)構(gòu)的示意圖。圖8是成對結(jié)構(gòu)的光柵的使用例的概略圖。具體實施例方式參照圖1，示出了本發(fā)明的非線性偏振脈沖整形鎖模光纖激光器100的概略圖。光纖激光器是環(huán)形結(jié)構(gòu)激光器，包括作為增益介質(zhì)的摻鐿(Yb)光纖(YDF)105；第1和第2準(zhǔn)直器135-1、135-2；第1和第2偏振控制器140-1、140-2；980/1550WDM(wavelengthdivisionmultiplexer，波分復(fù)用)耦合器110；以及輸出分束器130。輸出分束器130與法拉第旋轉(zhuǎn)鏡150所耦合的成對光柵145-1與145-2耦合。YDF105中的0.5米在光纖激光器內(nèi)作為增益介質(zhì)使用，用于脈沖寬度的放大和壓縮。該光纖具有例如在976nm處為600dB/m的高摻雜濃度，伴有-55ps/nm/km的色散。通過波分復(fù)用器110耦合的980nm的高輸出泵浦激光二極管101用于YDF105的泵浦，以放大在腔內(nèi)循環(huán)的脈沖。該腔的其余部分包括單模(SM)光纖，例如具有約為3米長度的-20ps/nm/km的光纖115；以及由Corning公司作為標(biāo)準(zhǔn)光纖出售的HI1060光纖120，其具有約為0.5米的長度、伴有在1060nm處為-20ps/nm/km的色散。偏振分離器130提供作為隔離器的功能，用于將預(yù)定偏振狀態(tài)的光的一部分耦合到腔外。增益介質(zhì)YDF105具有正常色散光纖(β”＞0)，該光纖的其余部分是負(fù)色散光纖(β”＜0)，將腔整體的平均色散設(shè)計為在異常色散(β”＜0)下工作。本發(fā)明具體實施光柵對或者PGB光柵中的任意一種，實現(xiàn)用于穩(wěn)定的變形受限脈沖的異常色散。腔整體的平均色散設(shè)計為在異常色散(β”＜0)下工作。本發(fā)明的光纖激光器100和非專利文獻(xiàn)5、6中所公開的現(xiàn)有激光器的不同之處是，在1微米區(qū)域中實現(xiàn)短脈沖鎖模光纖激光器。特別是，圖1公開了特殊的∑結(jié)構(gòu)的激光腔。∑結(jié)構(gòu)提供下述優(yōu)點控制腔內(nèi)的脈沖傳播，另一方面，還平衡自相位調(diào)制(SPM)和色散，降低放大區(qū)域中的飽和效果。相對于此，由于SPM的非線性相位變化引起的NPE的強(qiáng)度取決于單脈沖內(nèi)的偏振。脈沖在具有偏振敏感性的分離器內(nèi)通過時，與分離器對準(zhǔn)(通過調(diào)節(jié)偏振控制器)的最高強(qiáng)度通過，該脈沖的較低部分被濾除，其結(jié)果是脈沖被整形。其作為飽和吸收體(SA)工作，縮小脈沖寬度。由于在1微米區(qū)域中，光纖僅工作為產(chǎn)生正色散，所以使用成對光柵145-1和145-2來實現(xiàn)負(fù)色散，可以通過改變兩個光柵的相隔距離而調(diào)節(jié)其值。使用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡150，反轉(zhuǎn)偏振狀態(tài)來作成具有正交狀態(tài)的偏振的反射脈沖，其結(jié)果是向另一個方向傳播。在將如圖1所示那樣構(gòu)成的激光系統(tǒng)與和成對光柵145-1和145-2耦合的具有偏振敏感性的分束器130一同使用時，生成了產(chǎn)生偏振的輸出激光束。對于鎖模光纖激光器，耦合比可在約10+/-5％之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。而且，通過利用色散匹配和非線性偏振旋轉(zhuǎn)，圖示的激光系統(tǒng)成為自啟動型，由此極大地簡化了操作步驟。如本發(fā)明所公開的偏振整形鎖模技術(shù)不同于如上述的由JohnL.Hall等、L.Hollberg等和S.A.Diddmas等公開的非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NLPR)或者擴(kuò)展鎖模法等現(xiàn)有方法。其中，至少存在下述3個主要的差別。(1)現(xiàn)有的NLPR技術(shù)僅僅考慮了時域的基于強(qiáng)度的偏振旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明應(yīng)用光學(xué)傳遞的偏振旋轉(zhuǎn)，考慮時域(基于強(qiáng)度)以及譜域(基于波長)兩方面的變量。這是通過選擇起偏器和1/4波片與半波片(QWR/HWR)來實現(xiàn)的?；旧?，延遲器的帶寬和雙折射材料的指數(shù)差Δn成正比，相位＝NΔn/λ，其中，λ是波長，N是延遲器或者雙折射材料例如光纖的次數(shù)?？芍?，在該式的微分中，帶寬Δλ和NΔn的積成反比。這表明本發(fā)明的激光系統(tǒng)可通過使用低次的延遲器，例如N＝1、以及低雙折射材料，實現(xiàn)更大的帶寬操作。因此，調(diào)節(jié)延遲器，使更大的帶寬通過起偏器或者具有偏振敏感性的隔離器。(2)現(xiàn)有技術(shù)僅僅考慮色散匹配，但本發(fā)明的脈沖整形功能不僅考慮色散匹配，還考慮色散梯度匹配，以確保在更大的光譜帶寬中控制色散匹配。這可以通過使用產(chǎn)生不同色散和梯度的2個或者更多數(shù)量的光纖的組合來實現(xiàn)，例如光纖1具有不同的色散和色散梯度，以適當(dāng)?shù)拈L度比組合這些因素，由此如圖4A所示，可以在所關(guān)注的波長區(qū)域中的大范圍內(nèi)使總色散為零。因此，本發(fā)明提供了能夠最大限度地使用增益帶寬、并且因帶寬與脈沖寬度成反比而相應(yīng)地將脈沖寬度壓縮到最小的激光系統(tǒng)。(3)現(xiàn)有的激光系統(tǒng)在激光系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有體式自由空間光學(xué)系統(tǒng)來具體實施，以進(jìn)行色散補(bǔ)償或者偏振控制中的任意一種。如圖1所示，如下面的更詳細(xì)的說明，本發(fā)明利用完全基于光纖的元件而具體實施，排除了所有的自由空間元件。這樣，如本發(fā)明所公開的系統(tǒng)提供了用于納米加工系統(tǒng)應(yīng)用的小型化的終極方法、以及超短脈沖激光器模塊。圖2是示出了本發(fā)明的超小型且低成本的完全基于光纖的高輸出飛秒光纖激光系統(tǒng)的概略圖。該激光系統(tǒng)利用完全基于光纖的元件構(gòu)成。該光纖激光器具有通過980或者1550nmWDM110接受激光輸入的環(huán)形結(jié)構(gòu)。完全基于光纖的激光器100′為和圖1所示結(jié)構(gòu)相類似的結(jié)構(gòu)，將摻鐿光纖105作為進(jìn)行脈沖寬度的放大和壓縮的增益介質(zhì)使用。為了腔內(nèi)脈沖的放大，利用通信級的980nm泵浦激光來進(jìn)行鐿離子的泵浦。為了光纖激光腔內(nèi)的色散和色散梯度的補(bǔ)償，不使用光柵對或者棱鏡，而采用了另一種光子晶體(PC)光纖125。由于PC光纖125因獨特構(gòu)成的特性而可在1060nm范圍內(nèi)同時提供正常和異常色散、且可控制它們的色散梯度，所以能夠在顧及色散匹配和色散梯度匹配雙方面的條件下設(shè)計光纖激光腔，由此可以最大限度地縮窄脈沖。和現(xiàn)有技術(shù)相比，圖2所示的系統(tǒng)在實現(xiàn)小于50飛秒的超短脈沖時，考慮在時域(基于強(qiáng)度)和譜域(基于波長)二者中的偏振旋轉(zhuǎn)。偏振濾波是通過控制色散和色散梯度二者，再通過使用基于光纖的串列的(in-line)偏振隔離器和偏振控制器來實現(xiàn)的。完全基于光纖的激光器100′在使用單模(SM)尾纖實現(xiàn)的串列的具有偏振敏感性的隔離器135′前后采用串列的偏振控制器140-1和140-2。串列的具有偏振敏感性的控制可以是由GeneralPhotonics公司銷售的產(chǎn)品，例如PolaRite系列中的一種。偏振隔離器135′具有高消光比，并且在寬光譜中僅僅允許一種線偏振通過。由于SPM的非線性效果，折射率取決于輸出強(qiáng)度，其結(jié)果是，在各個脈沖中，高強(qiáng)度峰值經(jīng)歷和低強(qiáng)度的側(cè)邊所經(jīng)歷的情況不同的由強(qiáng)度所引起的折射。在對準(zhǔn)峰值偏振和偏振隔離器時，僅可以傳遞脈沖的峰值部分，側(cè)邊部分被遮擋。因此，通過組合偏振整形和色散控制，可以將脈沖鎖模至飛秒級。和圖1所示的激光器相同，放大是通過使用圖3所示的、具有大模場(LMA)的高濃度雙包層摻鐿光纖(DCYDF)105的小片來實現(xiàn)的。按照較短的長度組合的DCYDF的LMA有助于SPM和XPM等非線性效果和色散的平衡，其結(jié)果是，放大之后，脈沖寬度沒有增寬。也可以將DCYDF作為PC光纖，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)色散和SPM的平衡。圖2所示的激光系統(tǒng)具有不必對準(zhǔn)和保持的優(yōu)點。和現(xiàn)有的鎖模固態(tài)和/或光纖激光器相比，更容易處理完全基于光纖的的光纖激光器和放大器。沒有與此相關(guān)的對準(zhǔn)和再對準(zhǔn)的問題。在同時接合并封裝光纖和元件之后，無需由特別訓(xùn)練過的技術(shù)人員來操作和維護(hù)，從而顯著地減少了現(xiàn)場應(yīng)用時的成本和風(fēng)險。此外，由于光纖的柔軟性，無需作出額外的光學(xué)對準(zhǔn)，也容易將其與望遠(yuǎn)鏡/對焦系統(tǒng)等其它模塊進(jìn)行組合。該激光系統(tǒng)還利用YDF的增益的全譜來提供適合于納米材料處理的高質(zhì)量激光。激光系統(tǒng)采用用于腔中的增益介質(zhì)和傳輸光纖二者的全光子晶體光纖來具體實施，以補(bǔ)償色散和色散梯度二者。在中空柵格形狀等的其結(jié)構(gòu)的操作、以及用于得到小于1300nm的范圍內(nèi)的正常和異常色散的填充率中，圖示的光子晶體(PC)光纖呈現(xiàn)出新特征。通過選擇各種PC光纖，將PC光纖用于腔中的色散和梯度二者的補(bǔ)償，作成短脈沖光纖激光器。而且，由于與通常的單模光纖相比具有較小的有效區(qū)域的一種獨特特性，能夠在光纖中導(dǎo)致較強(qiáng)的非線性效果，利用其對SPM的影響，通過選擇合適的PC光纖，可以實現(xiàn)較短的腔。另一方面，利用空心PC光纖的特性，能夠提取較大的脈沖能量。如圖3所示，雙包層摻鐿光纖(DCYDF)105用于隨著飛秒超短脈沖放大，將通過泵浦耦合光學(xué)系統(tǒng)110′從高輸出泵浦101輸入的種子脈沖放大到10W的平均輸出。這不同于CW(連續(xù)波)和納秒(NS)脈沖。必須特別考慮SPM、XPM和FWM的效果。必須慎重選擇色散，使所有效果匹配且平衡，避免非線性短脈沖光纖傳輸模式中的脈沖的增寬和失真。為了進(jìn)一步提高色散控制的性能，如非專利文獻(xiàn)7中所公開的那樣，通過操縱氣孔的填充率，來具體實施特殊的光纖。其結(jié)構(gòu)通過下述方法而作成將硅毛細(xì)管堆積成六邊形的稠密結(jié)構(gòu)，并且在堆積體的中心將毛細(xì)管置換成實心硅棒，形成實心纖芯。以相似的方式形成空心，從而作為光子帶隙PBG光纖形成一般公知的光纖。圖6A和6B示出了PCF的SEM圖像、色散和梯度的變化對孔尺寸。其清楚地示出在優(yōu)化光子晶體光纖(PCF)結(jié)構(gòu)時，能夠在超過200nm的光譜范圍內(nèi)將色散變平坦。現(xiàn)有的光纖皆無實現(xiàn)這種性能的可能性。在利用如圖2所示的激光系統(tǒng)時，實現(xiàn)了超過10W的高輸出。而且，通過使用市面上銷售的DCYDF而產(chǎn)生最小的非線性效果，由此泵浦輸出轉(zhuǎn)換效率高達(dá)85％。光纖激光器的光束輸出具有產(chǎn)生M2＝1的單模衍射限定質(zhì)量的性質(zhì)的良好的輸出光束質(zhì)量。增益光纖能夠卷繞成小尺寸，并可以和小型尺寸的其它元件一起封裝。如按照圖2構(gòu)成的15W光纖激光器的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品是所有元件均封裝到尺寸約為130mm×70mm×35mm的收容殼內(nèi)。從而提供了能夠方便地定制的小型尺寸的激光系統(tǒng)。光纖呈現(xiàn)出取決于2個正交偏振場分量的局部強(qiáng)度的非線性雙折射。其結(jié)果是，橢圓偏振的脈沖具有2個正交分量，即x分量和y分量。這兩個分量受到不同的相移，其結(jié)果是，偏振橢圓旋轉(zhuǎn)。由于該相移是取決于強(qiáng)度的過程，所以按照與脈沖的局部強(qiáng)度相對應(yīng)的不同量來旋轉(zhuǎn)脈沖的偏振。圖4A和4B示出了偏振對脈沖的物理效果。如果假設(shè)可以忽略非線性效果、且圖4A表示出發(fā)射到各向同性光纖內(nèi)的均勻地偏振的脈沖，則得到如圖4B中示出的均勻地偏振的輸出脈沖。因此，可以通過將相同脈沖發(fā)射到伴隨著自相位調(diào)制(SPM)和交叉相位調(diào)制(XPM)的效果而具體實施的相同光纖中，生成和圖4B類似的輸出。研究圖4B，觀察到低強(qiáng)度的側(cè)邊沒有受影響，隨著脈沖強(qiáng)度增加，偏振橢圓旋轉(zhuǎn)。因此，由于此時的偏振取決于脈沖強(qiáng)度，由自相位調(diào)制(SPM)的非線性相位變化引起的非線性相位旋轉(zhuǎn)(NPE)導(dǎo)致偏振旋轉(zhuǎn)。這樣，通過由SPM引起的NPE產(chǎn)生了鎖模機(jī)制。在該脈沖能在由偏振控制器控制并調(diào)節(jié)的具有偏振敏感性的隔離器內(nèi)通過時，僅有和該隔離器對準(zhǔn)的最高的強(qiáng)度通過。該脈沖的強(qiáng)度較低的部分被濾除。其結(jié)果是脈沖被很好地整形，從而作為縮小脈沖寬度的飽和吸收體(SA)進(jìn)行工作。偏振控制器140可以是基于光纖的，或者是體式光學(xué)1/4波長/半波長延遲器，或者是二者的組合。“具有偏振敏感性的隔離器和偏振控制器”進(jìn)行工作，為在時域中具有不同偏振狀態(tài)的脈沖選擇偏振。當(dāng)脈沖在光纖激光腔內(nèi)循環(huán)時，由于高峰值輸出和短脈沖寬度(＜皮秒)，在負(fù)的異常單模光纖和正的正常色散光纖區(qū)域二者中，激光脈沖經(jīng)歷由自相位調(diào)制(SPM)引起的脈沖增寬效果。而且，在YDF105內(nèi)的正色散區(qū)域，即β”＞0的區(qū)域中，由于峰值輸出非常高(在200飛秒的脈沖中超過200W)，所以在YDF105的部分內(nèi)，非線性長度和色散長度相等，即約為1m。通過利用自相位調(diào)制(SPM)和色散二者的效果，能夠壓縮脈沖。為了量化在產(chǎn)生10微米的模場直徑的光纖上的(SPM)相位變化的非線性效果，進(jìn)行了分析。圖5是其分析的結(jié)果。根據(jù)圖5，光的相位(與偏振狀態(tài)對應(yīng))很大程度上取決于光的強(qiáng)度和波長。在預(yù)定的波長中，3dB的輸出變化可產(chǎn)生50％的相位變化。在預(yù)定的輸出電平中，10％的波長變化可產(chǎn)生等量的相位變化。由于摻鐿光纖的增益能夠覆蓋從1000nm到1100nm的100nm，所以該增益介質(zhì)能夠生成小于50飛秒的非常短的脈沖。但是，由于偏振狀態(tài)是波長的函數(shù)(與Δλ/λ成正比，在Yb光纖激光器中為10％)，所以在譜域中，不同波長將經(jīng)歷不同的偏振狀態(tài)。并且，這將影響脈沖寬度和質(zhì)量。而且，即使能夠在特定帶寬中進(jìn)行色散管理，也無法使用現(xiàn)有光纖來覆蓋其增益介質(zhì)的100nm的整個帶寬。出于生成超短激光脈沖的目的，必須考慮到色散梯度補(bǔ)償。結(jié)論是為了利用YDF的最大增益譜，要進(jìn)行譜域中的偏振補(bǔ)償，并且也確實需要進(jìn)行色散梯度補(bǔ)償。在具有10微米的模場直徑的光纖中執(zhí)行模擬分析，量化對于(SPM)相位變化的非線性效果。圖5是產(chǎn)生與偏振狀態(tài)對應(yīng)的光相位的模擬結(jié)果，其對光的強(qiáng)度和波長具有較強(qiáng)的函數(shù)關(guān)系，并且極大地取決于光的強(qiáng)度和波長。在預(yù)定的波長中，3dB的輸出變化能夠產(chǎn)生50％的相位變化。在預(yù)定的輸出電平中，波長的10％的變化能夠產(chǎn)生等量的相位變化。通過使用產(chǎn)生適當(dāng)色散的高濃度摻鐿光纖，圖1和2所示出的系統(tǒng)能夠?qū)?mW、100飛秒的脈沖在抑制脈沖增寬效果的同時放大到100mW。圖6示出了在放大前后，從自相關(guān)器獲得的脈沖跡線。這里示出了幾乎沒有失真或者增寬效果的情況。在采用適當(dāng)選擇的色散來具體實施高濃度雙包層摻雜光纖時，由于光纖允許較多的泵浦輸出發(fā)射到光纖中，所以能夠?qū)⑤敵鲞M(jìn)一步放大到1W。圖7示出了本發(fā)明的另一種優(yōu)選實施方式。不使用如圖8所示的光柵對，而使用屋脊鏡(roofmirror)145-1′，來置換在現(xiàn)有的激光系統(tǒng)中具體實施的光柵對結(jié)構(gòu)。該屋脊鏡用于置換、以及對光進(jìn)行反射而使其回到光柵上，由此使用一個光柵就能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖的擴(kuò)展和壓縮。以上，說明了現(xiàn)有的優(yōu)選實施方式，但本發(fā)明不限于上面所公開的內(nèi)容。只要是本領(lǐng)域技術(shù)人員就能理解上述內(nèi)容允許各種變更和修改。因此，附加的權(quán)利要求可解釋為涵蓋了包括在本發(fā)明真正的技術(shù)思想范圍中的所有變形和修改。權(quán)利要求1.一種光纖激光腔，具有從激光泵浦接受光學(xué)輸入投影的激光增益介質(zhì)，其中，還具有正色散光纖段和負(fù)色散光纖段，其生成用于在上述光纖激光腔內(nèi)平衡自相位調(diào)制(SPM)和色散所引起的脈沖增寬/壓縮的凈負(fù)色散，以生成變形受限脈沖形狀的輸出激光，上述激光增益介質(zhì)進(jìn)一步進(jìn)行激光脈沖的放大和壓縮。2.如權(quán)利要求1所述的光纖激光腔，其中，還具有作為隔離器而工作的分束器，所述隔離器具有偏振敏感性、且將激光脈沖的一部分傳遞給產(chǎn)生異常色散的光投影傳遞用光柵對，來進(jìn)一步對上述輸出激光進(jìn)行整形。3.如權(quán)利要求2所述的光纖激光腔，其中，還具有將來自上述光柵對的激光的偏振反轉(zhuǎn)的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡。4.如權(quán)利要求1所述的光纖激光腔，其中，上述增益介質(zhì)具有放大和壓縮激光脈沖的摻鐿光纖。5.如權(quán)利要求1所述的光纖激光腔，其中，還具有進(jìn)一步對上述輸出激光進(jìn)行整形、且具有偏振敏感性的隔離器和偏振控制器。6.如權(quán)利要求1所述的光纖激光腔，其中，上述增益介質(zhì)包括具有正色散的摻鐿光纖。7.如權(quán)利要求1所述的光纖激光腔，其中，上述激光腔是環(huán)形激光腔。8.如權(quán)利要求1所述的光纖激光腔，其中，上述增益介質(zhì)具有構(gòu)成產(chǎn)生約-55ps/nm/km的色散的正色散光纖段的摻鐿光纖。9.如權(quán)利要求1所述的光纖激光腔，其中，還具有輸出耦合器，其傳遞激光的一部分作為來自上述光纖激光腔的上述輸出激光。10.如權(quán)利要求1所述的光纖激光腔，其中，還具有與上述增益介質(zhì)連接的構(gòu)成負(fù)色散光纖段的單模光纖。11.如權(quán)利要求1所述的光纖激光腔，其中，上述輸出激光包含實質(zhì)上具有小于等于1飛秒的脈沖寬度的激光。12.如權(quán)利要求1所述的光纖激光腔，其中，上述輸出激光包含實質(zhì)上具有小于等于1飛秒的脈沖寬度和高斯脈沖形狀的激光。13.如權(quán)利要求1所述的光纖激光腔，其中，上述輸出激光包含實質(zhì)上具有小于等于1飛秒的脈沖寬度和孤波脈沖形狀的激光。14.如權(quán)利要求1所述的光纖激光腔，其中，上述輸出激光包含實質(zhì)上具有小于等于1飛秒的脈沖寬度和雙曲線脈沖形狀的激光。15.如權(quán)利要求1所述的光纖激光腔，其中，上述增益介質(zhì)還具有雙包層摻鐿光纖(DCYDF)。16.如權(quán)利要求1所述的光纖激光腔，其中，上述增益介質(zhì)包括具有大模場(LMA)的雙包層摻鐿光纖(DCYDF)。17.如權(quán)利要求1所述的光纖激光腔，其中，上述增益介質(zhì)包括雙包層摻鐿光子晶體光纖。18.如權(quán)利要求1所述的光纖激光腔，其中，還具有作為隔離器而工作的分束器，所述隔離器具有偏振敏感性、且將激光脈沖的一部分傳遞給屋脊鏡和具有產(chǎn)生異常色散的光投影傳遞用反射光柵的反射鏡，來進(jìn)一步對上述輸出激光進(jìn)行整形。19.一種從具有激光增益介質(zhì)的激光腔生成脈沖形狀的變形受限輸出激光的方法，具有利用生成凈負(fù)色散的正色散光纖段和負(fù)色散光纖段，來形成上述激光腔的步驟；以及從激光泵浦向上述光纖激光腔投影輸入激光的步驟，在上述光纖激光腔內(nèi)平衡由色散引起的非線性和自相位調(diào)制(SPM)，以在上述增益介質(zhì)中進(jìn)行激光脈沖的放大和壓縮，從而生成變形受限脈沖形狀的輸出激光。20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，還具有采用分束器作為隔離器的步驟，所述隔離器具有偏振敏感性、且用于將激光脈沖的一部分傳遞給產(chǎn)生異常色散的光投影傳遞用光柵對，以進(jìn)一步對上述輸出激光進(jìn)行整形。21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，還具有采用將來自上述光柵對的激光的偏振反轉(zhuǎn)的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的步驟。22.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，還具有采用摻鐿光纖作為進(jìn)行激光脈沖的放大和壓縮的上述增益介質(zhì)的步驟。23.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，還具有采用具有偏振敏感性的隔離器和偏振控制器以進(jìn)一步對上述輸出激光進(jìn)行整形的步驟。24.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，還具有采用具有正色散的摻鐿光纖作為用于激光脈沖的放大和壓縮的上述增益介質(zhì)的步驟。25.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，還具有采用產(chǎn)生具有約-55ps/nm/km的色散的正色散的摻鐿光纖作為用于激光脈沖的放大和壓縮的上述增益介質(zhì)的步驟。26.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，還具有采用用于傳遞激光的一部分作為來自上述光纖激光腔的上述輸出激光的輸出耦合器的步驟。27.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，還具有將構(gòu)成負(fù)色散光纖段的單模光纖與上述增益介質(zhì)連接的步驟。28.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，上述輸出激光包含實質(zhì)上具有小于等于1飛秒的脈沖寬度的激光。29.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，還具有生成包含實質(zhì)上小于等于1飛秒的脈沖寬度和高斯脈沖形狀的上述輸出激光的步驟。30.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，還具有生成包含實質(zhì)上小于等于1飛秒的脈沖寬度和孤波脈沖形狀的上述輸出激光的步驟。31.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，還具有生成包含實質(zhì)上小于等于1飛秒的脈沖寬度和雙曲線脈沖形狀的上述輸出激光的步驟。32.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，還具有采用雙包層摻鐿光纖(DCYDF)作為上述增益介質(zhì)的步驟。33.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，還具有采用具有大模場(LMA)的雙包層摻鐿光纖(DCYDF)作為上述增益介質(zhì)的步驟。34.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，還具有采用雙包層摻鐿光子晶體光纖作為上述增益介質(zhì)的步驟。35.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，還具有采用作為隔離器而工作的分束器的步驟，所述隔離器具有偏振敏感性、且將激光脈沖的一部分傳遞給屋脊鏡和具有產(chǎn)生異常色散的光投影傳遞用反射光柵的反射鏡，以進(jìn)一步對上述輸出激光進(jìn)行整形。全文摘要1微米非線性偏振脈沖整形鎖模光纖激光器。本發(fā)明的課題是提供操作腔內(nèi)的脈沖傳播、平衡自相位調(diào)制和色散所引起的脈沖的增寬/壓縮的非線性偏振旋轉(zhuǎn)和色散控制光纖腔。作為解決手段，光纖激光腔包括用于從激光泵浦接受光學(xué)輸入投影的激光增益介質(zhì)，包括產(chǎn)生凈負(fù)色散的正色散光纖段和負(fù)色散光纖段，用于在光纖激光腔內(nèi)平衡自相位調(diào)制(SPM)和色散所引起的脈沖的增寬－壓縮，以生成變形受限脈沖形狀的輸出激光，激光增益介質(zhì)進(jìn)一步進(jìn)行激光脈沖的放大和壓縮。增益介質(zhì)包括進(jìn)行激光脈沖的放大和壓縮的摻鐿光纖。光纖激光腔還包括具有偏振敏感性的隔離器和偏振控制器，以進(jìn)一步對輸出激光進(jìn)行整形。文檔編號H01S3/00GK1797874SQ20051012746公開日2006年7月5日申請日期2005年12月6日優(yōu)先權(quán)日2004年12月8日發(fā)明者劉健申請人:保拉奧尼克斯公司