780nm超短脉冲光纤激光器制造技术

铒光纤激光器(10)产生具有大于780纳米的中心波长、大于0.5瓦的平均功率和可压缩到小于200飞秒的脉冲持续时间的光谱带宽的超短激光脉冲束。激光器(10)包括光纤前置放大器，该光纤前置放大器由反向传播的泵浦光束激励，在相对长的光学增益光纤中具有相对低的居数反转，并提供用于进一步放大的光谱形状的光束。光学增益光纤内的波长相关增益和吸收增强了光谱成形光束中相对于较短波长的较长波长。频谱整形足以克服随后的高增益光纤放大器中的增益变窄和增益偏移。增益变窄和增益偏移。增益变窄和增益偏移。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】780nm超短脉冲光纤激光器


[0001]本专利技术一般涉及产生超短激光辐射脉冲。本专利技术特别涉及产生脉冲持续时间小于200飞秒、波长约780纳米的激光辐射。

技术介绍

[0002]产生近红外波长超短激光脉冲束的激光器是使用多光子激发的分析技术的赋能技术。值得注意的是，双光子和三光子显微镜用于生物组织的原位成像。将荧光染料添加到组织样品中。从近红外激光光束中同时吸收两个或三个光子，激发染料分子，然后染料分子以更短的波长发出荧光。激光光束被聚焦，焦点在组织样本中被三维扫描。检测并测量荧光以创建样品的三维图像。多光子吸收所需的高强度将激发限制在组织中相对较小的体积，用于高分辨率成像。使用近红外波长的激发提供了弱单光子吸收的优点，用于深度穿透组织样品。
[0003]使用钛掺杂蓝宝石晶体作为增益介质的超短脉冲激光器是多光子成像最常见的激发源。这些激光器的波长通常是可调谐的，并且可以在市场上买到。例如，加利福尼亚州圣克拉拉市科亨股份有限公司提供的锁模变色龙
TM Ultra激光器。超短脉冲光纤激光器，其中增益介质是具有掺杂有稀土离子的玻璃芯的光纤，是用于多光子成像的新兴替代激励源。例如，掺有钕(Nd
3+
)、镱(Yb
3+
)或铒(Er
3+
)离子的玻璃。光纤激光器可以制造得更紧凑，并且可能比钛蓝宝石激光器便宜。
[0004]熔融石英玻璃中的铒离子可以在宽波长范围内提供激光辐射，其增益峰值约为1535纳米(nm)，但从1480纳米以下延伸至1600纳米以上。这种宽增益谱可以支持锁模激光和脉冲持续时间为数百飞秒的超短脉冲。超短脉冲可以在非线性晶体中有效地倍频。例如，在β
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硼酸钡(BaB2O4)或铌酸锂(LiNbO3)晶体中，在1520nm和1570nm之间的最高增益波长下的激光辐射可以倍频到760nm和785nm之间的波长。该波长范围提供了蓝宝石和CFP的通道，这两种荧光蛋白通常用于双光子激发。
[0005]对于需要1毫焦耳(mJ)以上高脉冲能量的分析技术，如时间分辨光谱和多维光谱，钛蓝宝石仍然是唯一实用的增益介质。勒布朗克(Le Blanc)等人在《光学通信》(Optics Communications)1996年第131卷第391
‑
398页的“钛宝石放大器中超短脉冲的增益
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箭头和增益
‑
位移”中描述了缩放钛宝石放大器功率时的一个问题。当宽带激光辐射在多通和再生放大器装置中放大时，会出现增益变窄和增益偏移。由于最接近800nm处增益峰值的波长处的激光辐射被优先放大，因此出现增益变窄。发生增益偏移是因为增益谱关于增益峰值不对称，在较长波长处具有较高的增益横截面。光谱选择性损耗可以被合并到放大器中以重塑有效增益谱，但这种损耗降低了效率并增加了复杂性。
[0006]专利技术概述
[0007]勒布朗克的图2表明，对于50nm的输入带宽(FWHM Sech2)，在800nm和860nm之间的输入中心波长下，钛蓝宝石中的最大增益变窄，而增益偏移随着输入中心波长的增加而减小。对于具有大约780nm的中心波长的输入光束，增益变窄和光谱偏移之间存在折衷。对于
产生飞秒脉冲的高能激光系统中的钛蓝宝石放大器而言，提供具有大约780nm以上和以下相等光谱含量的宽带激光辐射的光纤激光器将是相对简单且成本效益高的种子源。
[0008]在超短脉冲铒光纤激光器中，由于掺铒玻璃中约1535nm处的强增益峰值，增益变窄有利于在1520nm和1570nm之间的增益带内的较短波长处放大。即使如此，倍频后，蓝宝石和CFP蛋白仍可用于双光子激发。另一种常见的荧光蛋白mCerulean在780nm以下具有微弱的双光子吸收截面，但随着780nm以上的波长，截面迅速增加。提供780nm以上显著光谱含量的超短脉冲激发源可以激发所有三种蛋白质，而无需额外的复杂性和波长可调谐性成本。
[0009]需要产生具有至少780nm的中心波长的光谱宽输出激光辐射的超短脉冲光纤激光器。优选地，激光辐射具有至少0.5瓦(W)的平均功率，更优选地大于1W。优选地，该激光辐射具有足够的带宽以支持小于200飞秒(fs)的脉冲持续时间，更优选小于150fs。
[0010]在一个方面，根据本专利技术的光纤激光器包括产生具有中心波长的脉冲基本光束的种子激光器，以及布置成接收基本光束的光学增益光纤。基本光束通过光学增益光纤从其第一端传播到第二端。该光纤增益光纤具有掺杂有铒离子的芯，该铒离子由泵浦光束激励。基本光束和泵浦光束在光学增益光纤内反向传播。泵浦光束的功率被选择为在光学增益光纤的第二端产生30％至60％范围内的居数反转。光学增益光纤的长度被选择为吸收泵浦光束的所有功率。基本光束的中心波长在光学增益光纤的第一端和第二端之间增加。功率放大器被布置成从光学增益光纤接收基本光束并产生放大的基本光束。放大的基本光束具有可压缩到小于或等于240飞秒的脉冲持续时间的光谱带宽。谐波发生器被布置成接收放大的基波光束并产生中心波长大于或等于780纳米的二次谐波光束。
[0011]在另一方面，根据本专利技术的用于产生输出激光光束的方法包括产生具有中心波长的脉冲基波束，并将基波束传送到具有掺杂有铒离子的芯的光学增益光纤。基本光束通过光学增益光纤从其第一端传播到第二端。铒离子通过泵浦光束激发。基本光束和泵浦光束在光学增益光纤内反向传播。泵浦光束的功率被选择为在光学增益光纤的第二端产生30％至60％范围内的居数反转。光学增益光纤的长度被选择为吸收泵浦光束的所有功率。基本光束的中心波长在光学增益光纤的第一端和第二端之间增加。来自光学增益光纤的基本光束被放大以产生放大的基本光束。放大的基本光束具有可压缩到小于或等于240飞秒的脉冲持续时间的光谱带宽。放大的基波光束通过二次谐波产生被转换成输出激光光束。输出激光光束的中心波长大于或等于780纳米。
[0012]附图简述
[0013]包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示意性地示出了本专利技术的优选实施例，并且与上面给出的一般描述和下面给出的优选实施方案的详细描述一起用于解释本专利技术的原理。
[0014]图1是示意性地示出根据本专利技术的用于产生脉冲激光辐射束的铒光纤激光器的一个优选实施例的框图，包括产生基本光束的种子激光器、产生泵浦光束的泵浦激光器、低布居数反转光学增益光纤、产生放大基本光束的高增益功率放大器、脉冲压缩器和产生二次谐波光束的谐波发生器。
[0015]图2是示意性地示出由掺铒玻璃制成的图1的光学增益光纤的芯中的不同居数反转的吸收或增益对波长的曲线图。
[0016]图3A和3B是示意性地示出了沿图1的光学增益光纤的示例的基本光束中的计算功
率、泵浦光束中的计算的功率以及计算的居数反转对位置的曲线图。
[0017]图4是示意性地示出基本光束的计算强度随波长和沿着图3A和3B的光学增益光纤的位置的变化的二维图。
[0018]图5A是示意性地示出由图1中的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光纤激光器，包括：种子激光器，产生具有中心波长的脉冲基本光束；光学增益光纤，被布置成接收所述基本光束，所述基本光束从其第一端传播通过所述光学增益光纤到第二端，所述光学增益光纤具有掺杂有铒离子的芯，该铒离子由泵浦光束激励，所述基本光束和所述泵浦光束在所述光学增益光纤内反向传播，所述泵浦光束的功率被选择为在所述光学增益光纤的第二端处产生在30％和60％之间的居数反转，所述光学增益光纤的长度被选择为吸收所述泵浦光束的所有功率，所述基本光束的中心波长在所述光学增益光纤的所述第一端和所述第二端之间增加；功率放大器，被布置为从所述光学增益光纤接收所述基本光束并生成放大的基本光束，所述放大的基本光束具有可压缩到小于或等于240飞秒的脉冲持续时间的光谱带宽；和谐波发生器，被布置为接收所述放大的基本光束并产生中心波长大于或等于780纳米的二次谐波光束。2.根据权利要求1所述的光纤激光器，其中所述功率放大器是至少一个铒光纤放大器。3.根据权利要求1或2所述的光纤激光器，其中所述光学增益光纤的第二端处的居数反转在40％和60％之间的范围内。4.根据前述权利要求中任一项所述的光纤激光器，其中所述放大的基本光束具有可压缩到小于200飞秒的脉冲持续时间的光谱带宽。5.根据前述权利要求中任一项所述的光纤激光器，还包括用于暂时压缩所述放大的基本光束的脉冲压缩器。6.根据权利要求5所述的光纤激光器，其中所述第二谐波光束具有小于200飞秒的脉冲持续时间。7.根据权利要求6所述的光纤激光器，其中所述二次谐波光束具有小于150飞秒的脉冲持续时间。8.根据前述权利要求中任一项所述的光纤激光器，其中由所述种子激光器产生的所述基本光束具有约1547纳米至约1583纳米的大致均匀强度。9.根据权利要求8所述的光纤激光器，其中所述基本光束的中心波长在其通过所述光学增益光纤传播期间增加到1570纳米至1575纳米之间的波长。10.根据前述权利要求中任一项所述的光纤激光器，其中所述基本光束中大于1570纳米的波长的强度在其通过所述光学增益光纤传播期间相对于小于1562纳米的波长强度被增强。11.根据前述权利要求中任一项所述的光纤激光器，其中所述泵浦光束的功率是可选择的，以在所述光学增益光纤的第二端处实现所述基本光束的期望光谱带宽。12.根据前述权利要求中任一项所述的光纤激光器，其中所述泵浦光束的功率是可选择的，以在所述光学增益光纤的第二端处实现所述基本光束的期望中心波长。13.根据前述权利要求中任一项所述的光纤激光器，其中所...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：相干苏格兰有限公司，
类型：发明
国别省市：