本申請(qǐng)是于2015年1月26日提交的具有序列號(hào)No.14/605,740的美國(guó)非臨時(shí)申請(qǐng)的部分繼續(xù)申請(qǐng).

技術(shù)領(lǐng)域

本公開(kāi)涉及脈沖寬度從200ps到200fs并包含摻稀土增益光纖的超短脈沖光纖放大器.

背景技術(shù)：

在比如激光微機(jī)械加工、材料處理、非線性光學(xué)器件和激光感測(cè)的應(yīng)用中，對(duì)高功率的脈沖光纖激光器具有極大的興趣。現(xiàn)有技術(shù)中，通常通過(guò)制成基于光纖的主振蕩器功率放大器(MOPA)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)高功率光纖激光器.

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

公開(kāi)了一種脈沖寬度為從200ps到200fs的1.01到1.12微米波長(zhǎng)的超短脈沖光纖放大器，該超短脈沖光纖放大器包括用于從大約1.01到大約1.12微米波長(zhǎng)的激光放大的摻鐿多組分玻璃光纖.申請(qǐng)人的摻鐿多組分玻璃光纖包括纖芯和包層.光纖放大器不包括脈沖展寬或脈沖壓縮裝置.

申請(qǐng)人的摻鐿多組分玻璃光纖的纖芯玻璃包括從BaO、CaO、MgO、ZnO、PbO、K₂O、Na₂O、Li₂O、Y₂O₃或其組合中選擇的至少2重量百分比的玻璃網(wǎng)絡(luò)改性劑和從大約3到大約50重量百分比的鐿氧化物.纖芯的模式由纖芯和包層之間的階躍折射率差引導(dǎo)，并且光纖的數(shù)值孔徑在大約0.01與大約0.04之間.纖芯直徑為從大約25到大約60微米.增益光纖的長(zhǎng)度短于60cm.

公開(kāi)了一種脈沖寬度為從200ps到200fs的1.51到1.65微米波長(zhǎng)的超短脈沖光纖放大器，該超短脈沖光纖放大器包括用于從1.51到1.65微米波長(zhǎng)的激光放大的摻鉺多組分玻璃光纖.申請(qǐng)人的摻鉺多組分玻璃光纖包括纖芯、包層.光纖放大器不包括脈沖展寬或脈沖壓縮裝置.

光纖的纖芯玻璃包括從BaO、CaO、MgO、ZnO、PbO、K₂O、Na₂O、Li₂O、Y₂O₃或者其組合中選擇的至少2重量百分比的玻璃網(wǎng)絡(luò)改性劑和從大約0.5到大約20重量百分比的鐿氧化物.纖芯的模式由纖芯和包層之間的階躍折射率差引導(dǎo)，并且光纖的數(shù)值孔徑在大約0.01與大約0.04之間.纖芯直徑為從大約30到大約90微米.增益光纖的長(zhǎng)度短于60cm.

公開(kāi)了一種脈沖寬度為200ps到200fs的1.75到2.05微米波長(zhǎng)的超短脈沖光纖放大器，該超短脈沖光纖放大器包括用于從1.75到2.05微米波長(zhǎng)的激光放大的摻銩多組分玻璃光纖.申請(qǐng)人的摻銩多組分玻璃光纖包括纖芯和包層.光纖放大器不包括脈沖展寬或脈沖壓縮裝置。

光纖的纖芯玻璃包括從BaO、CaO、MgO、ZnO、PbO、K₂O、Na₂O、Li₂O、Y₂O₃或者其組合中選擇的至少2重量百分比的玻璃網(wǎng)絡(luò)改性劑和從大約2到大約30重量百分比的鐿氧化物.纖芯的模式由纖芯和包層之間的階躍折射率差引導(dǎo)，并且光纖的數(shù)值孔徑在大約0.01與大約0.04之間.纖芯直徑為從大約35到大約120微米。增益光纖的長(zhǎng)度短于60cm。

公開(kāi)了一種脈沖寬度為從200ps到200fs的1.98到2.2微米波長(zhǎng)的超短脈沖光纖放大器，該超短脈沖光纖放大器包括用于從1.98到2.2微米波長(zhǎng)的激光放大的摻鈥多組分玻璃光纖.申請(qǐng)人的摻鈥多組分玻璃光纖包括纖芯和包層.光纖放大器不包括脈沖展寬或脈沖壓縮裝置.

光纖的纖芯玻璃包括從BaO、CaO、MgO、ZnO、PbO、K₂O、Na₂O、Li₂O、Y₂O₃或者其組合中選擇的至少2重量百分比的玻璃網(wǎng)絡(luò)改性劑和從大約0.5到大約20重量百分比的鐿氧化物。纖芯的模式由纖芯和包層之間的階躍折射率差引導(dǎo)，并且光纖的數(shù)值孔徑在大約0.01與大約0.04之間.纖芯直徑從大約35到大約120微米.增益光纖的長(zhǎng)度短于60cm.

附圖說(shuō)明

結(jié)合附圖閱讀以下具體實(shí)施方式將更好地理解本發(fā)明，在附圖中，相同的附圖標(biāo)記用于表示相同的元件，并且，其中：

圖1圖示了現(xiàn)有技術(shù)中基于光纖的主振蕩器功率放大器(MOPA)的示意圖；

圖2圖示了申請(qǐng)人的摻稀土光纖的截面圖；

圖3圖示了申請(qǐng)人的雙包層摻稀土光纖的截面圖；以及

圖4圖示了申請(qǐng)人的保偏雙包層摻稀土光纖的截面圖.

具體實(shí)施方式

本發(fā)明在下面的描述中參考附圖描述優(yōu)選實(shí)施例，附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或者相似的元件.整個(gè)說(shuō)明書(shū)提及的“一個(gè)實(shí)施例”、“實(shí)施例”或類(lèi)似的語(yǔ)言意為結(jié)合實(shí)施例描述的特定的特征、結(jié)構(gòu)或者特性包含在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中.因此，在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中，短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”、“在實(shí)施例中”和類(lèi)似語(yǔ)言的出現(xiàn)可以是但不必須是全部涉及相同的實(shí)施例.

本發(fā)明所描述的特征、結(jié)構(gòu)或者特性可以在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中以任意適合的方式結(jié)合.在下面的描述中，所敘述的多個(gè)具體細(xì)節(jié)用來(lái)提供本發(fā)明實(shí)施例的整體理解.然而，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在沒(méi)有具體細(xì)節(jié)中的一個(gè)或者多個(gè)或者利用其它方法、部件、材料等等的情況下，也可以實(shí)踐本發(fā)明.換句話說(shuō)，公知的結(jié)構(gòu)、材料或者操作未被示出或者未詳細(xì)描述以避免模糊了本發(fā)明的各方面。

在比如激光微機(jī)械加工、材料處理、非線性光學(xué)器件以及激光感測(cè)的應(yīng)用中，對(duì)高功率的脈沖光纖激光器具有極大的興趣.通常通過(guò)制成基于光纖的主振蕩器功率放大器(MOPA)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)高功率光纖激光器.因此，光纖放大器對(duì)于激光器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是關(guān)鍵的.

圖1圖示了MOPA配置的示意圖.通過(guò)光纖放大器來(lái)放大種子激光.通常地，通過(guò)由泵浦激光器激勵(lì)的摻稀土增益光纖來(lái)放大種子激光.

圖2示出了摻稀土光纖的截面圖。通過(guò)所謂的信號(hào)和泵浦組合器將泵浦激光與種子激光組合在一起.經(jīng)放大的種子激光能夠被再次放大以便于實(shí)現(xiàn)更高的脈沖能量和更高的峰值功率.當(dāng)使用多于一個(gè)放大器時(shí)，光纖放大器被叫做多級(jí)放大器.為了實(shí)現(xiàn)高功率，通常使用雙包層摻稀土增益光纖.

圖3圖示了雙包層增益光纖的典型截面圖.纖芯用于引導(dǎo)信號(hào).這里該信號(hào)被叫做種子激光.內(nèi)包層用于約束泵浦激光.纖芯通常是摻稀土玻璃.稀土離子產(chǎn)生增益.例如，鐿離子(Yb³⁺)和釹(Nd³⁺)提供接近1微米波長(zhǎng)的增益，鉺離子(Er³⁺)產(chǎn)生接近1.55微米的增益，銩離子(Tm³⁺)和鈥離子(Ho³⁺)可以產(chǎn)生接近2微米波長(zhǎng)的增益.

通常地，內(nèi)包層是具有較低折射率的不摻雜的玻璃材料，以便在纖芯中形成波導(dǎo)。外部包層可以是玻璃材料或者聚合物材料，其具有較低折射率以約束內(nèi)包層中的泵浦激光.為了生成保偏(PM)輸出，需要PM增益光纖.

圖4圖示了典型的PM光纖的截面圖.

對(duì)于很多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，需要高脈沖能量和高峰值功率。歸因于強(qiáng)橫向約束和長(zhǎng)相互作用長(zhǎng)度，由非線性影響的開(kāi)始而限制光纖放大器的功率縮放.

對(duì)于單頻率/窄帶放大器，受激布里淵散射(SBS)具有最低的閾值并且可能引起許多信號(hào)光被反射回來(lái).對(duì)于較寬的信號(hào)帶寬，受激拉曼散射(SRS)能夠在較高的功率水平發(fā)生并且將大量信號(hào)功率轉(zhuǎn)移到不需要的新波長(zhǎng)分量.

窄帶信號(hào)的SBS閾值功率由下面的等式1所確定：

$P_{B0}=\frac{21{\mathrm{bA}}_e}{g_B{L}_e}---\left(1\right)$

其中b是取決于偏振態(tài)的介于1和2之間的數(shù).A_e是有效面積.g_B是SBS增益系數(shù)。L_e是光纖的有效傳輸長(zhǎng)度。

SRS的閾值功率可以由以下等式(2)來(lái)描述：

$P_{R0}=\frac{16A_e}{g_R{L}_e}---\left(2\right)$

其中g(shù)_R是SRS增益系數(shù).

因此，光纖中的光學(xué)非線性度的閾值隨著有效面積增大，而隨著光纖的有效傳輸長(zhǎng)度減小.有效面積隨著光纖的纖芯直徑和光纖的模場(chǎng)直徑而增大.對(duì)于單模纖芯，模場(chǎng)直徑通常與光纖的物理纖芯直徑成比例.為了增大光纖激光器的脈沖能量和峰值功率，人們需要增大增益光纖的光學(xué)非線性度的閾值.為了增大增益光纖的光學(xué)非線性度的閾值，增益光纖的長(zhǎng)度應(yīng)該縮短，并且增益光纖的纖芯直徑應(yīng)該大.

增益光纖的長(zhǎng)度由泵浦吸收所限制.包層泵浦光纖放大器通常具有數(shù)米的長(zhǎng)度以用于泵浦光的有效吸收。高摻雜濃度能夠提高吸收，并且然后縮短增益光纖的長(zhǎng)度。然而，典型的石英光纖的摻雜濃度受限制.因此通常使用幾米長(zhǎng)的增益光纖。

纖芯直徑被限制以便于確保光纖是單模光纖.當(dāng)光纖的數(shù)V大于2.405時(shí)，光束質(zhì)量將降低并且不再是單模，

$V=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}aNA---\left(3\right)$

其中λ是真空波長(zhǎng)，a是光纖纖芯的半徑，以及NA是數(shù)值孔徑.如可以在等式(3)中看到的，較低的NA值能夠補(bǔ)償增大的纖芯尺寸并且保持?jǐn)?shù)V盡可能低.

然而，對(duì)于傳統(tǒng)階躍折射率光纖，還存在時(shí)減少NA的限制.美國(guó)專(zhuān)利8,774,590公開(kāi)了石英光纖在纖芯和包層之間具有0.05到0.30％的折射率差.該專(zhuān)利教導(dǎo)：在纖芯和包層之間的相對(duì)折射率差低于0.05％時(shí)，不能充分地獲得光纖的光存儲(chǔ)效應(yīng)。石英玻璃的折射率約是1.45.纖芯玻璃的折射率是1.4507.因此，通過(guò)使用以下等式4，光纖的NA應(yīng)該接近0.04：

$NA=\sqrt{n_{core}^2-n_{clad}^2},---\left(4\right)$

N_clad＝1.45

N_core＝1.45×(1+0.0005)＝1.4507

因此NA＝0.046

當(dāng)NA是0.046時(shí)，根據(jù)等式(3)，單模纖芯直徑對(duì)于1微米波長(zhǎng)激光器為16.65微米，對(duì)于1.55微米波長(zhǎng)激光器為25.8微米，以及對(duì)于2微米波長(zhǎng)激光器為33.3微米.盡管美國(guó)專(zhuān)利8,774,590請(qǐng)求保護(hù)用于摻鐿光纖激光器(摻鐿光纖激光器波長(zhǎng)為1微米)的20到30微米的纖芯直徑，數(shù)V已經(jīng)大于2.405，這意味著它不再屬于真正的單模光纖.為了濾除較高次模，需要光纖彎曲.因此，接近1微米的真正的單模纖芯直徑為約16.65微米.

進(jìn)而，美國(guó)專(zhuān)利8,774,590的石英玻璃是使用MCVD(改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積)或者VAD(氣相軸向沉積)方法沉積纖芯材料而形成.然而，這些傳統(tǒng)的光纖引起的一個(gè)問(wèn)題是：目前光纖制造方法受制于其精確地控制纖芯材料的折射率(n_core)和包層材料的折射率(n_clad)的能力.由于能力受限，在商業(yè)上實(shí)際用的光纖中，n_core和n_clad之間的差通常通過(guò)設(shè)計(jì)而被限制到不少于0.1％.這接著限制了用于給定波長(zhǎng)的纖芯直徑的設(shè)計(jì)尺寸，和/或限制了對(duì)于給定纖芯直徑的光纖單模操作的波長(zhǎng).

例如，被稱(chēng)為火焰水解的一種常見(jiàn)的光纖制造方法使用燃燒器點(diǎn)燃旋轉(zhuǎn)的石墨或者陶瓷心軸上的金屬鹵化物粒子和SiO₂的組合(稱(chēng)為“煙灰”)以便制成光纖預(yù)制件.參見(jiàn)Keiser，Optical Fiber Communications，2nd ed.，McGraw-Hill(1991)63-68頁(yè)，其通過(guò)引用合并于此.

通過(guò)控制沉積過(guò)程期間金屬鹵化物蒸汽的組成來(lái)控制折射率.該過(guò)程是“開(kāi)環(huán)”，沒(méi)有反饋機(jī)制來(lái)精確控制光學(xué)材料的最終折射率.而且，金屬鹵化物蒸汽受限于其可控制性及其控制光學(xué)材料的最終折射率的能力.

因此，在材料的大部分將要被汽化的過(guò)程期間，將折射率差的差異控制為接近0.05％(等于0.046的NA)是極其困難的。因此大部分增益光纖具有0.08或者更大的NA.

另一種方式是使用所謂的光子晶體光纖(PCF)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)大纖芯直徑.光子晶體光纖(也叫做有孔光纖、孔助光纖、微結(jié)構(gòu)光纖或者微結(jié)構(gòu)的光纖)是一種光纖，該光子晶體光纖不是從空間變化的玻璃成分而是從非常微小并緊密間隔的氣孔的配置來(lái)獲得其波導(dǎo)特性，該氣孔貫穿光纖的整個(gè)長(zhǎng)度.可以通過(guò)使用具有孔的預(yù)制件來(lái)獲得這樣的氣孔，例如通過(guò)堆疊毛細(xì)管和/或?qū)嵭墓懿⑺鼈儾迦氲礁蟮墓茏又衼?lái)制成.這些光纖不是階躍折射率光纖并且它們的引導(dǎo)機(jī)制與階躍折射率光纖的引導(dǎo)機(jī)制不同.

例如，通過(guò)使用摻稀土棒作為預(yù)制件組件的中心元件，能夠制備用于光纖激光器和放大器的激光主動(dòng)(laser-active)PCF.稀土摻雜物(例如，鐿或者鉺)趨向于增大折射率，引導(dǎo)特性?xún)H由光子微結(jié)構(gòu)所確定而并不是由傳統(tǒng)類(lèi)型的折射率差所確定。對(duì)于高功率光纖激光器和放大器，可以使用雙包層PCF，其中泵浦包層由空氣包層區(qū)域(空氣包層光纖)包圍.由于折射率的非常大對(duì)比，泵浦包層能夠具有非常高的數(shù)值孔徑(NA)，這顯著地降低了相對(duì)于光束質(zhì)量和亮度對(duì)泵浦源的要求.

這種PCF設(shè)計(jì)在僅引導(dǎo)單模用于衍射受限的輸出的同時(shí)也能具有光纖纖芯的非常大的模式面積，并且因此適合于具有良好的光束質(zhì)量的非常高的輸出功率.

但是PCF(微結(jié)構(gòu)的光纖)具有很多缺陷，包括制備困難、熔接困難、空氣間隙的差的熱導(dǎo)性以及光纖纖芯中的相對(duì)低的摻雜.因此，非常需要為真正的單模光纖的具有大纖芯直徑的階躍折射率光纖.

我們公開(kāi)了一種類(lèi)型的增益光纖，其具有在0.01與0.04之間的數(shù)值孔徑，從而產(chǎn)生極其大的單模纖芯直徑.這里稀土離子、即增益元件的受體是多組分玻璃，多組分玻璃不同于最常使用的石英玻璃.

眾所周知，石英光纖由氣相沉積方法制成，其幾乎不包括堿金屬離子也不包括堿土金屬離子，因?yàn)檫@些離子與氣相沉積過(guò)程不兼容.總含量應(yīng)該小于0.1重量百分比。多組分玻璃常常包含至少多于1重量百分比的堿金屬離子或者堿土金屬離子。

堿金屬包括鋰(Li)、鈉(Na)，鉀(K)，并且堿土金屬是鈹(Be)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)和鋇(Ba).這些堿金屬離子或者堿土金屬離子稱(chēng)為多組分玻璃中的玻璃網(wǎng)絡(luò)改性劑.其它金屬離子(比如Zn和Pb)能夠充當(dāng)玻璃網(wǎng)絡(luò)改性劑，其再次與氣相沉積過(guò)程不兼容.

多組分玻璃包括磷酸鹽玻璃、硅酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃、鍺酸鹽玻璃等.以Jiang的名義的美國(guó)專(zhuān)利6,816,514公開(kāi)了用于光纖激光器應(yīng)用的摻稀土磷酸鹽玻璃光纖.以Jiang的名義的美國(guó)專(zhuān)利6,859,606公開(kāi)了用于1.5微米光纖放大的摻鉺碲硼酸鹽玻璃.以Jiang名義的美國(guó)專(zhuān)利7,298,768公開(kāi)了用于光纖激光器的鍺酸鹽玻璃.Jiang的US 8,121,154公開(kāi)了用于光纖激光器應(yīng)用的硅酸鹽玻璃。由于多組分玻璃光纖能夠具有高摻雜濃度，它們被用于光纖激光器應(yīng)用.這些專(zhuān)利限制它們使用與石英玻璃光纖相比相對(duì)較短的增益光纖件的優(yōu)勢(shì).

但是對(duì)于高脈沖能量光纖激光器，大纖芯直徑是關(guān)鍵.申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以從多組分玻璃增益光纖獲得大纖芯直徑.數(shù)值孔徑能夠從0.01到0.04.因此，纖芯直徑對(duì)于1微米波長(zhǎng)可以從25微米到60微米，對(duì)于1.55微米波長(zhǎng)可以從35微米到90微米，以及對(duì)于2微米波長(zhǎng)可以從45微米到120微米.

申請(qǐng)人將高稀土離子摻雜到光纖中，因此增益光纖的總長(zhǎng)度不長(zhǎng)于60cm.因此可以將增益光纖包裝成直的.無(wú)需彎曲。

由于非常大的纖芯直徑以及相對(duì)短的增益光纖長(zhǎng)度，在沒(méi)有光學(xué)非線性度的情況下，可以實(shí)現(xiàn)大于50kW的峰值功率.

申請(qǐng)人已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新的基于硅酸鹽材料的包層泵浦的保偏摻Y(jié)b光纖.由于具有大模式尺寸、高Yb摻雜水平以及低NA，光纖放大器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄的針對(duì)非線性影響的高閾值，同時(shí)保持良好的衍射受限的光束質(zhì)量.表1比較了申請(qǐng)人的摻Y(jié)b光纖與商業(yè)中最流行的包層泵浦的Yb光纖的參數(shù)。

表1

如表1所示，申請(qǐng)人的光纖Yb#35具有為商用光纖的估計(jì)的非線性閾值功率約640倍的估計(jì)的非線性閾值.

表2對(duì)本申請(qǐng)人的光纖與商用光纖之間不同輸入信號(hào)的SBS/SRS閾值進(jìn)行了比較.申請(qǐng)人光纖的非線性閾值高于商用光纖很多倍.申請(qǐng)人光纖的閾值一直高于典型的商用光纖很多倍，這意味著能夠?qū)崿F(xiàn)高脈沖能量.

表2

皮秒和飛秒激光器被稱(chēng)為超短脈沖激光器。在用于超短光學(xué)脈沖的放大器中，光學(xué)峰值強(qiáng)度可能非常高，以致于可能發(fā)生有害的非線性脈沖失真或者甚至發(fā)生增益煤介或者一些其它光學(xué)元件的毀壞.這能夠通過(guò)使用啁啾脈沖放大(CPA)的方法來(lái)有效阻止.在通過(guò)放大器煤介之前，脈沖是啁啾的并且通過(guò)強(qiáng)色散元件(展寬器，例如光柵對(duì)或者長(zhǎng)光纖)的方式時(shí)間上展寬到長(zhǎng)得多的持續(xù)時(shí)間.這被稱(chēng)為脈沖展寬器.由于脈沖寬度長(zhǎng)，脈沖展寬器有效地將峰值功率減小到較低水平，因此可以避免放大器中上述有害的非線性影響.由于光纖激光器和光纖放大器中長(zhǎng)光纖的固有的高非線性度，CPA通常應(yīng)用于相對(duì)低脈沖能量的光纖放大器.

在放大器之后，使用色散壓縮器(即具有相反的色散的元件(通常為光柵對(duì)))，該色散壓縮器移除了啁啾并且將脈沖在時(shí)間上壓縮到與輸入脈沖持續(xù)時(shí)間相似的持續(xù)時(shí)間.這被稱(chēng)為脈沖壓縮器.在脈沖壓縮之后，經(jīng)放大的脈沖的峰值功率變得非常高.

美國(guó)專(zhuān)利No.5,499,134中公開(kāi)的光纖激光器系統(tǒng)依賴(lài)于用于脈沖展寬的啁啾光纖布拉格光柵.Martin E.Fermann等人的美國(guó)專(zhuān)利8,503,069B2公開(kāi)了基于線性或者非線性啁啾光纖光柵脈沖展寬器和光子晶體光纖脈沖壓縮器的超緊湊高能量啁啾脈沖放大系統(tǒng)的設(shè)計(jì).能夠?qū)崿F(xiàn)光子晶體光纖脈沖展寬器和光子晶體光纖壓縮器.Schimpf等人的US 8,659,821B2公開(kāi)了一種用于放大展寬的脈沖并對(duì)光纖激光器系統(tǒng)進(jìn)行脈沖壓縮的特定設(shè)計(jì).

盡管那些展寬和壓縮技術(shù)和裝置能夠產(chǎn)生高脈沖能量和高峰值功率，但是該光纖激光器系統(tǒng)是復(fù)雜的.這是超短光纖激光器系統(tǒng)昂貴的主要原因之一.

為了避免脈沖展寬，線性啁啾拋物線形的脈沖被開(kāi)發(fā)來(lái)用于脈沖放大.一般來(lái)說(shuō)，在光纖中，存在兩種可用的拋物線脈沖生成的方法.

第一種方法包括在光纖放大器中生成拋物線脈沖.該方法使用放大媒介，放大媒介具有足夠?qū)挼脑鲆鎺拋?lái)支持漸近自相似脈沖傳播.第二種方法是基于被動(dòng)光纖.對(duì)于兩種情況，在存在正常色散的情況下，當(dāng)帶寬足夠小于增益帶寬的種子脈沖在具有可忽略的增益飽和的放大器中傳播時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)漸近自相似脈沖傳播.在這種系統(tǒng)中，在放大而不遭受譜和時(shí)間強(qiáng)度分布的失真期間，能夠保持自相位調(diào)制(SPM)引起的線性啁啾.否則，必須通過(guò)活動(dòng)的譜相位控制以補(bǔ)償不期望的較高階相位失真，來(lái)克服帶寬限制.

可以通過(guò)修改的非線性薛定諤等式有效地描述高度非線性光纖放大器中的拋物線脈沖形成：

$\frac{\∂A}{\∂z}=-\frac{i}{2}({\mathrm{\β}}_2+i\frac{g}{{\mathrm{\Ω}}_g^2})\frac{{\∂}^{2}A}{\∂t^2}+i\mathrm{\γ}\left|A^2\right|A+\frac{1}{2}(g-\mathrm{\α})A---\left(1\right)$

其中g(shù)和a是強(qiáng)度增益和每單位長(zhǎng)度的損失，Ω_g是增益帶寬，以及β₂是群速度色散(GVD).自相位調(diào)制(SPM)受制于非線性度參數(shù)γ＝2πn₂/λF，其中n₂是非線性折射率以及λ是中心波長(zhǎng)以及F是光纖放大器中的有效纖芯面積.

僅當(dāng)輸入脈沖具有足夠大的能量來(lái)產(chǎn)生SPM從而通過(guò)正常色散媒介積累二次相位時(shí)，才可能進(jìn)行拋物線脈沖生成和傳播.換句話說(shuō)，非常清楚，在正常色散和非線性度之間的相互平衡將支持通過(guò)光纖中的脈沖傳播的拋物線時(shí)間分布.最終，該拋物線放大強(qiáng)烈取決于光纖工程.因此該過(guò)程實(shí)現(xiàn)起來(lái)是復(fù)雜的.

申請(qǐng)人公開(kāi)了超短脈沖放大，該超短脈沖放大通過(guò)使用非常大的纖芯直徑和長(zhǎng)度非常短的摻稀土增益光纖而不需要脈沖展寬以及壓縮裝置.非常大的纖芯直徑和長(zhǎng)度非常短的增益光纖的組合可以有效的抑制光學(xué)非線性度.具有從200ps到200fs脈沖的超短脈沖種子激光能被放大到超過(guò)1μJ脈沖能量以及超過(guò)200kW.

雖然已經(jīng)詳細(xì)說(shuō)明了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但應(yīng)該顯然的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下對(duì)那些實(shí)施例作出修改和改進(jìn)。