[发明专利]在光纤脉冲放大系统中使用的巨型线性调频振荡器

说明书

【政府资助陈述】

本发明的工作是由国家科学基金以资助号为No.ECS-0701680项目和国家健康协会以资助号为No.EB002019项目来支持的。政府对于本发明具有一定的权利。

【发明背景】

1.技术领域

本发明主要涉及短脉冲放大技术，该技术采用一种产生具有比已知光纤振荡器大得多的线性调频脉冲的激光振荡器，以降低整个系统设计的复杂性。

2.背景技术

从实际应用的光纤源产生能量在1μJ以上的飞秒(10^-15秒)脉冲需要一个或多个放大级。为了避免放大器中过度的非线性相位累积，采用大模场光纤(large-mode-area fiber)以及线性调频脉冲放大(chirped-pulse amplification，CPA)。典型的光纤CPA系统包含振荡器、展宽器(stretcher)、一个或多个预放大器、大模放大器(large-mode amplifier)和脉冲选择器(pulse-picker)，用来优化对可用功率的利用以及使重复率降低到适合于特定应用的程度。在光纤CPA系统方面已有很大进展，尽管它们有很大的潜在优点，但至今为止它们仍然几乎没有开始在应用中取代固态仪器。存在明确的动机来简化系统，以便更好地利用光纤的优点，特别是更大的集成度和更低的花费。

更具体地，已知的短脉冲光纤放大器采用低能量、短脉冲和高重复率的振荡器，在脉冲能够被放大到有用能级之前，振荡器的输出必须进行实质上的修整。首先，展宽器被用来将来自振荡器的输出脉冲展宽到大于100皮秒的脉宽。这种展宽对于避免在以后的放大级中出现有害的非线性相位累积是必需的，脉冲能量保持低水平，以避免在展宽器中出现非线性相移。然后，使用脉冲选择器来降低重复率，以便针对由可用泵浦功率所限制的、给定平均放大器功率得到更大的每一脉冲能量。修整过的脉冲然后被放大，并最后被压缩回到接近于变换限制(transform-limited)的脉宽(例如，在几百飞秒的数量级)。通常需要几个预放大级来达到想要的总增益，该总增益可以高达10⁷。与另外想要的基于CPA的系统相比较，低功率振荡器、脉冲展宽器、有损耗且花费大的脉冲选择器和几个放大级的使用，呈现出花费大且低效的缺点。显然需要更经济的CPA系统设计。

【发明内容】

本发明通过提供只需要振荡器、一个或多个放大器和压缩器的基于CPA的脉冲放大系统来满足上述需求。这通过使用以大脉冲能量、大脉冲宽度和巨型的线性调频脉冲为特征的光纤振荡器的新运行模式来完成。由于有巨型的线性调频，不需要在振荡器外部设置展宽器，因为非线性相位累积的影响将是小的。结果，振荡器的能量可以是高的，并可以代替预放大级。最后，振荡器可被设计成具有非常低的重复率(例如，小于10MHz)，由此消除对于有损耗且花费大的脉冲选择器的需求。

振荡器设计的关键是选择振荡器部件的特性，包括单模光纤(SMF)的长度和振荡器腔体中的频谱滤波器的带宽，以使得振荡器具有固有的更低重复率，并使大于10皮秒²的群速色散(group-velocity dispersion)作用于所产生的脉冲。这导致脉冲的线性调频，该线性调频在比通常在从前的光纤振荡器中作用于脉冲的线性调频大1个或2个等级的数量级。因此，词组“巨型线性调频”在这里被用来描述最终得到的振荡器输出脉冲的这种关键特性。典型地，高能量、巨型线性调频输出脉冲将具有100皮秒或更长的脉宽，这消除了对于外部脉冲展宽器的需求，并因此允许在振荡器中使用提高的能级。巨型线性调频脉冲可以容易地通过任何合适的压缩器解线性调频(dechirp)而降回到几百飞秒(例如，在1皮秒或更小的数量级)。结果，不使用外部脉冲展宽器和选择器，且更少地需要多个放大级就得到具有高能量的短脉冲。

【附图简要说明】

通过结合以下被简要描述的附图所作的、对本发明优选实施例的详细说明，本发明的特征和优点将变得显而易见。

图1是结合按照本发明的优选实施例构建的巨型线性调频振荡器(GCO)的线性调频脉冲放大器系统的示意图。

图2是显示作为归一化分散函数的许多精确解归一化脉冲参数的变化的曲线图。

图3a和3b是显示采用实际参数的GCO仿真的曲线图，图3a显示振荡器频谱，图3b显示解线性调频脉冲(线性调频脉冲被显示在小图上)。