[发明专利]基于两级脉冲处理生成超短激光脉冲

说明书

优先权要求及相关专利申请

本专利文件要求于2012年1月6日提交的、发明人为Rui Zhang、Hong Cong、Sha Tong、Jerry Prawiharjo、En-Kuang Tien和Anthony Hong Lin、题为“紧凑高峰值功率飞秒光纤激光器”的第61/631.588号美国临时申请的优先权。上述申请的全部公开通过参考并入本文作为本文的一部分。

背景技术

本专利文件涉及激光脉冲的生成及控制，其中包括光学脉冲放大器及脉冲激光器。

具有小于10ps的脉冲长度以及超过10nJ每脉冲的相对高能量水平的超短脉冲(USP)激光对于大量应用(如材料处理、光学检测、光学烧蚀、包括眼科学的精确手术、生物医学、非线性研究和光谱学)都是有用的。通过放大由种子激光器生成的激光脉冲可生成高能量激光脉冲。各种光学放大器设计成以如下方式来对光进行放大：在待放大的光的相同波长处提供光学增益，使得光在传输通过光学放大器的光学增益介质之后其功率或能量被放大，并且放大的光与放大之前的初始光具有相同波长。光学放大器的光学增益可通过光学地激发光学增益介质(如掺饵光纤放大器)的泵浦光或通过电激励的增益介质(如基于量子井的半导体光学放大器及其他增益机构)来获得。

发明内容

本文描述了用于基于啁啾脉冲放大产生短激光脉冲的技术和设备。

在一方面中，提供了用于生成超短激光脉冲的方法，该方法通过将激光脉冲在非线性光学介质中经由非线性自相位调制(SPM)的非线性处理与激光脉冲的后续线性处理分开来实现超短激光脉冲。该方法包括：将输入激光脉冲引导至非线性光学处理模块中以使光强度达到或超过用于非线性光学处理模块中的SPM的强度阈值，从而由于非线性SPM导致每个激光脉冲的谱展宽及频率啁啾量；将从非线性光学处理模块输出的谱展宽激光脉冲的强度控制为低于用于具有异常色散的线性光学处理模块中的非线性SPM的非线性强度阈值水平，其中该线性光学处理模块光耦合成接收从非线性光学处理模块输出的谱展宽激光脉冲而不导致光学非线性或非线性SPM；以及将线性光学处理模块的光学传播长度配置为导致谱展宽激光脉冲的异常光色散量，该谱展宽激光脉冲的异常光色散量补偿由非线性光学处理模块产生的频率啁啾，并且导致脉冲宽度在时间上被压缩，从而产生输出激光脉冲，该输出激光脉冲相对于输入激光脉冲的谱宽度及脉冲持续时间被谱展宽且在时间上在脉冲持续时间方面被压缩。

在另一方面中，提供了用于生成超短激光脉冲的设备，其包括：初始脉冲生成器、非线性光学处理模块以及线性光学处理模块，其中初始脉冲生成器产生具有期望总光能每脉冲以及初始脉冲持续时间的初始输入激光脉冲；非线性光学处理模块耦合成接收初始激光脉冲以导致对每个激光脉冲进行的非线性自相位调制(SPM)，从而由于非线性SPM产生每个激光脉冲的谱展宽以及频率啁啾量；线性光学处理模块具有异常色散并光耦合成接收来自非线性光学处理模块的、光强度低于用于线性光学处理模块中的非线性SPM的非线性强度阈值水平的谱展宽激光脉冲。线性光学处理模块的光学传播长度设定导致谱展宽激光脉冲的异常光色散量的值，谱展宽激光脉冲的异常光色散量补偿由非线性光学处理模块产生的频率啁啾，以产生输出激光脉冲，其中输出激光脉冲被谱展宽并且在时间上在脉冲持续时间方面被压缩。

在另一方面中，提供用于生成超短激光脉冲的设备，其包括：激光头壳体、脉冲压缩器、非线性光学处理模块以及线性光学处理模块，其中激光头壳体包括构造为连接至光纤线缆的终端端口以接收初始激光脉冲的输入光纤连接器端口以及用于输出激光脉冲的输出端口；脉冲压缩器耦合成从输入光纤连接器端口接收初始激光脉冲并配置为压缩每个激光脉冲的脉冲持续时间；非线性光学处理模块位于激光头壳体中并耦合成接收来自脉冲压缩器的初始激光脉冲以导致对每个激光脉冲进行的非线性自相位调制(SPM)，从而由于非线性SPM产生每个激光脉冲的谱展宽及频率啁啾量；以及线性光学处理模块位于激光头壳体内部并具有异常色散的，并且光耦合成接收来自非线性光学处理模块的、光强度低于用于线性光学处理模块中的非线性SPM的非线性强度阈值水平的谱展宽激光脉冲。线性光学处理模块的光学传播长度设定为导致谱展宽激光脉冲的异常光色散量的值，其中谱展宽激光脉冲的异常光色散量补偿由非线性光学处理模块产生的频率啁啾，以产生输出激光脉冲，其中输出激光脉冲被谱展宽并且在时间上在脉冲持续时间方面被压缩。