脉冲可配置光纤激光器单元制造技术

脉冲可配置激光器单元是一种环境稳定、机械坚固且免维护的超快激光光源，用于低能耗工业、医疗和分析应用。激光器单元的关键特征是可靠的、自启动的光纤振荡器和集成的可编程脉冲整形器。这些组件的组合允许充分利用激光器的宽带宽超短脉冲持续时间以及通过光谱相位操纵来生成任意波形的优势。该源可以例行地提供具有兆瓦级峰值功率的近TL、低于60fs的脉冲。可以对输出脉冲色散进行调谐以预补偿线路下游的相位失真以及针对特定应用优化脉冲分布。布。布。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】脉冲可配置光纤激光器单元


[0001]本专利技术涉及一种商业的超短脉冲光纤激光器单元，该超短脉冲光纤激光器单元基于具有与可编程脉冲整形器集成在一起的交叉滤波器锁模(CFML)机构的自启动的镱(Yb)光纤振荡器。具体地，本专利技术涉及一种紧凑型激光器单元，该紧凑型激光器单元具有集成在一起的超短脉冲光纤激光源和利用相位调制器进行有源相位控制的紧凑型光谱相位整形器，使得能够实现高精细的脉冲压缩和对脉冲波形的任意操纵。

技术介绍

[0002]超短脉冲激光器的应用空间已变得极为广泛，包括但不限于材料的加工和处理、高场激光与物质的相互作用、超快时间分辨光谱学、非线性显微镜检查等。所列出的应用中的每一种都受益于坚固、紧凑且鲁棒的脉冲源，这样的脉冲源能够在飞秒(fs)
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皮秒(ps)的时间范围内输出可再现的单模(SM)脉冲。
[0003]发射持续时间为数十飞秒(1fs＝10
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s)的脉冲的激光器主要用于对环境稳定性要求不严格的研究和开发。这样的激光器的输出脉冲能量可以在非常宽的范围(从几纳焦耳甚至更高)内变化。它们的重复率同样大范围地(从1kHz到100MHz)变化。考虑到如此短的脉冲持续时间，许多工业应用不要求高脉冲能量，但是需要可靠的激光器、操作简单以允许不熟悉激光技术的用户(比如，生物学家、化学家或内科医生)进行操作，并需要激光器对于工业环境具有耐受性。光学透明固体材料(比如，玻璃或蓝宝石)的激光辅助处理(包括对3D结构进行批量修改、表面蚀刻和直接键合的激光辅助处理)可能会需要低至200
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300纳焦(nJ)的脉冲能量结合几百飞秒或不足一百飞秒的脉冲持续时间。分析应用要求更低的脉冲能量结合更短的脉冲持续时间，以确保非破坏性的相互作用。这些应用包括多光子显微镜检查和光谱学，它们不仅受益于短脉冲持续时间和高光束质量，而且还受益于在研究不同发色团的集合时选择性发色团激发的可控制的光谱相位和时间脉冲分布。激光辅助结晶或成核已在制药工业中得到应用。在脉冲持续时间小于100fs的情况下，用于光刻和3D打印或微结构的双光子聚合使用从单个nJ到数十nJ的脉冲能量。类似的脉冲参数也用于光致穿孔和转染，其中光致穿孔和转染已成为在当今对活细胞执行的基因操作程序中广泛使用的工艺。可以成功使用低能量飞秒脉冲的应用的数量正在迅速增长。
[0004]所有上述应用的共同特征是需要一种“冷”工艺，在该工艺中，散热受到抑制或被大大缓解，并且可以在时间和体积两者上得到有效控制。这是通过使用小于100fs且优选地小于50fs的较短脉冲来实现的，这确保了在感兴趣的区域上由辐射引起的热效达到最小或没有热效应。“冷”相互作用机制的实现允许仅使非线性处理最大化，而没有与较长脉冲所固有的能量过量累积相关联的破坏。
[0005]fs脉冲激光器的发展不能与掺杂钛的蓝宝石(Ti：蓝宝石)激光增益材料的发展分开。超快激光脉冲要求较宽的光谱带宽。在该方面，Ti：蓝宝石的增益带宽跨越了从大于700nm到小于1000nm的近红外波段(近IR波段)。
[0006]然而，近年来，其他技术取得了进展。例如，如其他基于镱(Yb)晶体的激光器那样，
在本申请中公开的光纤激光器现在正在生成持续时间小于100fs的脉冲。使用光纤激光器代替Ti：蓝宝石增益介质存在几个原因。原因之一包括低成本、紧凑性、结构简单且具有可调协性和激光脉冲、以及可靠性。
[0007]另一原因是Ti：蓝宝石的宽带宽要求泵浦光与激光之间的波长间隔较大，即，较大的量子缺陷。这也意味着大量的散热。在掺杂Yb的激光器(包括Yb光纤)中，量子缺陷要小几倍，这是因为增益带宽要窄得多。
[0008]然而，Yb光纤增益介质的窄增益频谱也可能存在较大问题。具有宽增益光谱的Ti：蓝宝石增益介质能够维持fs脉冲的演化，而无需在这些脉冲在与该振荡器具有相同的宽增益频谱的Ti：蓝宝石放大器中进行放大之前，将这些脉冲频谱展宽到超过Ti：蓝宝石振荡器。
[0009]相反，Yb光纤振荡器和放大器的增益光谱要窄得多。Yb振荡器可以配置为输出相干宽带脉冲。但是进一步的脉冲放大是不可能的，这是因为如其性质指示的那样，掺杂Yb的光纤仅可以放大很小的光谱区域。宽谱线的其余部分保持不受影响。但是，大多数超快激光应用都要求经放大的宽带fs脉冲。
[0010]在光纤增益介质中生成超快脉冲的若干方法是众所周知的。例如被动锁模的这些方法之一是所公开主题的一部分。被动锁模的关键在于在环形腔中存在至少一个对增加的峰值强度具有非线性响应的组件。
[0011]与其他激光系统不同，锁模fs光纤激光器对在传播通过任何介质时的群速度色散(GVD)敏感。GVD是色散介质的特性，用于确定该介质将如何影响通过其行进的光学脉冲的持续时间。更具体地，GVD是透明介质中的光的群速度的频率依赖性。在超短脉冲的背景下，由于非线性的效应，例如，自相位调制，GVD被表现为大啁啾。
[0012]如本文所用，术语“大啁啾”是指所得振荡器输出脉冲的关键特性。通常，大能量的大啁啾输出脉冲的持续时间将至少为几十皮秒甚至更长，这消除了对外部脉冲延展器的需求，从而允许在锁模振荡器中使用增加的功率等级。为了提取更高的脉冲能量，可以通过压缩器将大啁啾脉冲压缩到飞秒，但是这样的压缩并不简单，正如下面将要说明的那样。
[0013]假设Yb光纤激光器生成的脉冲各自获取了全宽度(FW)为90nm的大啁啾。使用一对光栅，可以将每个脉冲压缩为例如τ
FWHM
85fs的脉冲。但是，85fs的持续时间是给定频段的最小极限吗？不是。从理论上讲，当然不是，对于该脉冲的给定时间带宽积，任何完全相干的脉冲都可以被压缩到最小可能持续时间，这被称为变换极限(TL)或傅立叶变换(FT)脉冲。例如，相同的90nm啁啾脉冲具有约50fs的变换极限τ
FWHM
。问题是那些寄生的35fs是在哪里获得的。
[0014]超短激光脉冲的持续时间受限于其带宽、光谱形状以及所有其频率同相的程度。变换极限脉冲的生成取决于如何可以准确地对激光器内部和外部的相位失真进行测量和校正。产生TL脉冲的任务非常简单：补偿大啁啾。
[0015]传播通过光纤和光纤组件的啁啾获取GVD的线性分量和非线性分量，其中，非线性分量对应于GVD的频率相关性导致的三阶或更高阶色散(TOD)。通过静态压缩器(诸如，体布拉格光栅和光纤布拉格光栅(分别为VBG、FBG)或表面光栅来对啁啾的线性色散分量补偿是众所周知的。然而，静态压缩器不仅在处理非线性分量时可能无效，而且还可能引入附加的有影响的TOD。对非线性分量进行校正的机构被称为脉冲整形器。
[0016]实现压缩的技术对于脉冲激光领域的普通技术人员也是众所周知的，并且除此以外，包括在与以下情形相似的情形下使用的技术。
[0017]存在一些已知的设置有算法(诸如，多光子脉冲内干涉相位扫描(MIIPS))的可编程脉冲整形器，这些算法用于以以下方式帮助补偿非线性分量(并且有时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种输出均匀的超短脉冲的脉冲可配置激光器单元PCLU，包括：光纤脉冲发生器，在多个操作机制下进行操作，以沿光路输出相干的均匀放大的大啁啾宽带脉冲的序列；两级压缩器，包括静态压缩器和脉冲整形器，所述静态压缩器被配置为补偿每个大啁啾宽带脉冲的线性啁啾分量，所述脉冲整形器设置有可编程空间光调制器SLM以对大啁啾宽带脉冲的非线性啁啾分量进行校正，其中，所述两级压缩器在所述光纤脉冲激光发生器的每个工作机制中输出变换极限TL超短相干脉冲的序列；以及至少一个或多个计算机，执行软件以用于从存储在CPU的存储器中的相位掩模的库中选择性地检索与指定操作机制相对应的相位掩模，并且操作所述脉冲整形器以将检索到的掩模应用于所述脉冲整形器的整个可编程空间光调制器SLM，以便补偿经压缩的TL超短相干脉冲的啁啾脉冲的非线性啁啾分量。2.根据权利要求1所述的PCLU，其中，所述计算机执行软件以用于从存储在CPU的存储器中的幅度掩模的库中检索幅度掩模，并将检索到的幅度掩模应用于所述脉冲整形器的整个可编程空间光调制器SLM上，以抑制在所述TL脉冲的频谱中存在的寄生强度峰值。3.根据权利要求1所述的PCLU，其中，所述计算机执行软件以用于从相位掩模的库中检索相位掩模并将检索到的相位掩模应用于所述脉冲整形器的整个SLM上，以针对所述脉冲发生器的所述指定工作机制，将所述TL脉冲重新整形为与所述TL脉冲不同但具有期望形状的脉冲。4.根据权利要求3所述的PCLU，其中，所述计算机执行软件以用于从幅度掩模相位掩模的库中检索幅度掩模并将检索到的幅度掩模应用于整个所述脉冲整形器，以改进与所述TL脉冲不同的所述脉冲的所述期望形状。5.根据权利要求1所述的PCLU，其中，所述脉冲整形器配置有空间光调制器SLM，所述空间光调制器SLM包括液晶空间光调制器LC SLM、液晶相位LCOS、声光调制器AOM或声光可编程色散滤波器AOPDF。6.根据权利要求1所述的PCLU，其中，由所述计算机执行的软件根据多光子脉冲内干扰相位扫描MIIPS算法来测量和校正频谱脉冲分量的相位。7.根据权利要求1所述的PCLU，其中，所述脉冲发生器配置有自启动的被动锁模光纤种子，所述自启动的被动锁模光纤种子具有限定环形谐振器的两组相同的光学元件。8.根据权利要求7所述的PCLU，其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德雷，
申请(专利权)人：IPG光子公司，
类型：发明
国别省市：