DE102012009958A1

DE102012009958A1 - Erzeugen von Laserpulsen mit schmaler Spektrallinienbreite basierend auf Chirpen und Strecken von Laserpulsen und nachfolgender Leistungsverstärkung

Info

Publication number: DE102012009958A1
Application number: DE102012009958A
Authority: DE
Inventors: Anthony Hong Lin
Original assignee: Calmar Optcom Inc
Current assignee: Calmar Optcom Inc
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2012-11-22
Also published as: CN102801095A; US20120294323A1; JP2012256035A; US8537866B2

Abstract

Techniken und Verfahren zum Erzeugen von kurzen Laurzen Seedlaserpulsen und nachfolgender Leistungsverstärkung. Solche Laserpulse mit relativ schmalen spektralen Bandbreiten können bei bestimmten Laseranwendungen verwendet werden, wo Laserpulse mit schmalen spektralen Bandbreiten vorteilhaft sind. Bei den in diesem Dokument beschriebenen Beispielen können die Laserpulse mit schmalen spektralen Bandbreiten auf Grund des Streckvorgangs bei der Pulsgerzeugung relativ lange Pulsdauern aufweisen (z. B. mehr als 1 ps).

Description

HINTERGRUND
Dieses Dokument betrifft das Erzeugen von Laserpulsen unter Verwendung von optischen Pulsverstärkern und Pulslasern.
Gepulste Laser mit unterschiedlichen technischen Eigenschaften weisen einen breiten Verwendungsbereich auf, und einige Beispiele sind optische Kommunikation, optische Bildgebung, spektroskopische Messungen und optische Erfassungsanwendungen sowie Laserdisplays bzw. -anzeigen. Für einige Anwendungen sind ultrakurz gepulste (USP; Engl.: ultra short pulsed) Laser mit einer Pulslänge von weniger als 1 Pikosekunde, wie Femtosekundenlaser attraktiv, und zu Beispielen solcher Anwendungen gehören eine bestimmte Materialverarbeitung, optische Erfassung, optische Ablation, Präzisionschirurgie einschließlich Ophthalmologie, biomedizinische, nicht lineare Studien und Spektroskopie. Mit den ultrakurzen Pulsdauern bei solchen ultrakurz gepulsten (USP) Lasern ist assoziiert, dass ein Laserpuls Spektralkomponenten über eine relativ breite spektrale Bandbreite enthält.
Bei bestimmten Anwendungen ist es wünschenswert, Licht mit schmalen spektralen Bandbreiten zu verwenden, und daher können die relativ breiten spektralen Bandbreiten von kurzen Laserpulsen von USP-Lasern nicht nützlich bzw. vorteilhaft sein.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieses Dokument beschreibt Techniken und Vorrichtungen zum Erzeugen von Laserpulsen mit relativ schmalen spektralen Bandbreiten (z. B. weniger als 1 nm) basierend auf Chirpen und Strecken von kurzen Seedlaserpulsen und nachfolgender Leistungsverstärkung. Solche Laserpulse mit relativ schmalen spektralen Bandbreiten können bei bestimmten Laseranwendungen verwendet werden, wo Laserpulse mit schmaler spektraler Bandbreite vorteilhaft sind. Bei den in diesem Dokument beschriebenen Beispielen können die erzeugten Laserpulse mit relativ schmalen spektralen Bandbreiten auf Grund des Streckvorgangs bei der Pulsgerzeugung relativ lange Pulsdauern (z. B. mehr als 1 ps) aufweisen.
Bei einem Aspekt kann ein Verfahren zum Erzeugen von Laserpulsen so implementiert sein, dass es beinhaltet: Erzeugen von Seedlaserpulsen mit einer Seedpulsdauer; Modifizieren der Seedlaserpulse, um modifizierte Laserpulse zu erzeugen, die eine Pulsdauer größer als die Seedpulsdauer aufweisen und einen positiven Chirp in optischer Frequenz aufweisen; und Richten des modifizierten Laserpulses in einen optischen Verstärker, der aus einem optischen Gain-Medium gebildet ist, das eine normale optische Dispersion zu den modifizierten Laserpulsen aufweist, um die modifizierten optischen Pulse mit dem positiven Chirp auf einen Leistungspegel zu verstärken, der eine Selbstphasenmodulation bewirkt, um eine Spektralbreite der verstärkten modifizierten optischen Pulse dahingehend zu komprimieren, kleiner zu sein als eine Spektralbreite der Seedlaserpulse, während sie eine Pulsdauer länger als die Seedpulsdauer aufweisen.
Bei einem anderen Aspekt kann eine Vorrichtung zum Erzeugen von Laserpulsen so implementiert sein, dass sie enthält: einen gepulsten Seedlaser zum Erzeugen von Seedlaserpulsen mit einer Seedpulsdauer; einen optischen Strecker, der die Seedlaserpulse empfängt und konfiguriert ist, die Seedlaserpulse zu modifzieren, um modifizierte Laserpulse zu erzeugen, die eine Pulsdauer größer als die Seedpulsdauer aufweisen und einen positiven Chirp in optischer Frequenz aufweisen; und einen optischen Verstärker, der aus einem optischen Gain-Medium gebildet ist, das eine normale optische Dispersion zu den modifizierten Laserpulsen aufweist. Der optische Verstärker ist gekoppelt, um die modifizierten Laserpulse von dem optischen Strecker zu empfangen, und konfiguriert, die modifizierten optischen Pulse mit dem positiven Chirp auf einen Leistungspegel zu verstärken, der eine Selbstphasenmodulation bewirkt, um eine Spektralbreite der verstärkten modifizierten optischen Pulse dahingehend zu komprimieren, kleiner zu sein als eine Spektralbreite der Seedlaserpulse, während sie eine Pulsdauer länger als die Seedpulsdauer aufweisen.
Bei noch einem anderen Aspekt kann eine faserbasierte Vorrichtung zum Erzeugen von Laserpulsen so implementiert sein, dass sie enthält: einen gepulsten Faserseedlaser zum Erzeugen von Seedlaserpulsen mit einer Seedpulsdauer und einen optischen Faserstrecker, der mit dem gepulsten Faserseedlaser gekoppelt ist, um die Seedlaserpulse zu empfangen, und konfiguriert ist, ein gechirptes Faser-Bragg-Gitter zu enthalten, das eine anomale optische Dispersion aufweist. Der optische Faserstrecker ist betriebsfähig, die Seedlaserpulse zu modifizieren, um modifizierte Laserpulse zu erzeugen, die eine Pulsdauer größer als die Seedpulsdauer aufweisen und einen positiven Chirp in optischer Frequenz aufweisen. Diese Vorrichtung enthält einen optischen Faserverstärker, der eine normale optische Dispersion zu den modifizierten Laserpulsen aufweist und gekoppelt ist, um die modifizierten Laserpulse von dem optischen Faserstrecker zu empfangen. Der optischer Faserverstärker ist konfiguriert, die modifizierten optischen Pulse mit dem positiven Chirp auf einen Leistungspegel zu verstärken, der eine Selbstphasenmodulation bewirkt, um eine Spektralbreite der verstärkten modifizierten optischen Pulse dahingehend zu komprimieren, kleiner zu sein als eine Spektralbreite der Seedlaserpulse, während sie eine Pulsdauer länger als die Seedpulsdauer aufweisen.
Diese und andere Aspekte, ihre Implementierungen und andere Merkmale werden detailliert in den Zeichnungen, der Beschreibung und den Ansprüchen beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Beispiel einer gepulsten Laservorrichtung basierend auf Pulsstrecken und Pulschirp vor einer Leistungsverstärkung.
2 zeigt eine Beispielimplementierung der Vorrichtung in 1.
2A zeigt ein Beispiel eines Doppel-Clad-Faserverstärkers mit großer Modenfläche (LMA; Engl.: large mode-area) zum Implementieren des Hauptleistungsverstärkers 240 in 2.
3–12 zeigen verschiedene Aspekte der Designs in 1 und 2.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Verteilung von Spektralkomponenten über eine relativ breite spektrale Bandbreite bei USP-Lasern kann bei bestimmten Laderanwendungen unerwünscht sein, wo Laserpulse mit schmaler spektraler Bandbreite vorteilhaft sind. Beispiele für solche Anwendungen sind Vorrichtungen und Systeme basierend auf verschiedenen nicht linearen optischen Effekten, die mit dem Anstieg der spektralen Bandbreite des Laserlichts in ihrer Effizienz abnehmen, z. B. Raman-Spektroskopie, Grün- und UV-Lichterzeugung basierend auf der Nichtlineare-Harmonische-Erzeugung. Zur Erzeugung nicht linearer Harmonischer ist die schmale Spektralbreite hilfreich für das Erhöhen der Umwandlungseffizienz und für das Verbessern der Ausgangsstrahlqualität, und zwar auf Grund dessen, dass die optischen Phasenanpassungsbedingungen in der nicht linearen Wellenmischung mit der Erzeugung nicht linearer Harmonischer assoziiert bzw. verknüpft sind.
Die vorliegenden Techniken und Vorrichtungen zum Erzeugen von Laserpulsen mit relativ schmalen spektralen Bandbreiten können verwendet werden, um diese und andere Anwendungen zu vereinfachen, die Licht mit schmalen spektralen Bandbreiten erfordern. Der bei den beschriebenen Techniken und Vorrichtungen gebaute optische Verstärkungsmechanismus kann hohe Leistungspegel in den erzeugten Laserpulsen mit schmalen spektralen Bandbreiten bereitstellen. Eine solche hohe optische Leistung ermöglicht effiziente nicht lineare optische Effekte, wie nicht lineare optische Wellenlängenumwandlung in verschiedenen Spektralbereichen. Als ein spezifisches Beispiel sind gepulste Hochleistungslaser derzeit in bestimmten Spektralbereichen, wie den Nahinfrarotbereichen erhältlich. Gepulste YAG-, Yb- oder Nd-Laser nahe 1 um und gepulste Ti: Saphir-Laser nahe 0,7–1,1 um sind Beispiel für solch gepulste Hochleistungslaser. Diese Laser können als der Pumplaser zu erzeugten Laserpulsen in den UV- oder Tief-UV-Spektralbereichen über nicht lineare optische Wellenlängenumwandlung verwendet werden. Zu Anwendungen für gepulste Laser kurzer Wellenlänge in den UV- oder Tief-UV-Spektralbereichen mit hoher optischer Leistung gehören beispielsweise verschiedene Laserablationsprozesse bei der Materialverarbeitung und der Chirurgie. Die beschriebenen Techniken und Vorrichtungen zum Erzeugen von Laserpulsen mit schmalen spektralen Bandbreiten können verwendet werden, um eine effiziente nicht lineare Wellenlängenumwandlung von Laserpulsen nahe Infrarot zu UV bereitzustellen.
Laser und optische Verstärker zum Erzeugen von Laserpulsen sind im Allgemeinen so ausgelegt, dass sie bestimmte nicht lineare optische Effekte, wie Selbsphasenmodulation (SPM; Engl.: self-phase modulation), die durch den nicht linearen Kerr-Effekt in optischen Medien verursacht wird, verhindern oder verringern. Der Pegel von SPM in einem optischen Pulse kann in dem Maße akkumulieren bzw. sich akkumulieren, wie sich der Pulse ausbreitet, und zu der Erzeugung von neuen Spektralkomponenten und nicht linearem Chirp führen, was es schwierig macht, kurze Pulse zu erhalten, und die nahe transformationsbegrenzte spektrale Breite beibehält. Ein Aspekt der Techniken und Vorrichtungen zum Erzeugen von Pulsen in diesem Dokument besteht darin, ein Frequenzchirpen ordnungsgemäß zu steuern bzw. regeln und die zeitliche Dauer eines Seedlaserpulses vor der optischen Verstärkung zu strecken und, in dem Stadium der optischen Verstärkung, SPM auf vorteilhafte Weise zu nutzen, um die spektrale Ausbreitung der unterschiedlichen Spektralkomponenten in dem verstärkten Laserpuls zu verringern. Das Frequenzchirpen in Seedlaserpulsen vor der optischen Verstärkung ist besonders positiv, wo die optische Frequenz mit der Zeit in jedem Laserpuls ansteigt. Dieser positive Chirp und die Pulsstreckung können unter Verwendung eines optischen Streckers mit anormaler optischer Dispersion (D > 0) erreicht werden.
1 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung 100 zum Erzeugen von Laserpulsen 130 schmaler spektraler Bandbreite. Diese Vorrichtung 100 enthält einen gepulsten Seedlaser 101, der Seedlaserpulse mit einer Seedpulsdauer erzeugt. Stromabwärts von dem Seedlaser 101 befindet sich ein optischer Strecker 110, der die Seedlaserpulse empfängt und konfiguriert ist, die Seedlaserpulse zu modifzieren, um modifizierte Laserpulse zu erzeugen, die eine Pulsdauer größer als die Seedpulsdauer aufweisen und einen positiven Chirp in optischer Frequenz aufweisen. Der optische Strecker 110 kann in verschiedenen Konfigurationen implementiert sein, beispielsweise als ein Gitterpaarstrecker mit anormaler optischer Dispersion, ein gechirpter Spiegel oder prismabasierter dispersiver Aufbau mit anormaler optischer Dispersion, und ein Volumen-Bragg-Gitter oder anderes Dispersionselement mit anormaler optischer Dispersion.
Als nächstes ist ein optischer Verstärker 120 gekoppelt, um die modifizierten Laserpulse von dem optischen Strecker 110 zu empfangen. Der optische Verstärker 120 ist aus einem Optische-Gain-Medium gebildet, das eine normale optische Dispersion (D < 0) zu den modifizierten Laserpulsen aufweist. Der optische Verstärker 120 ist konfiguriert, die modifizierten optischen Pulse mit dem positiven Chirp auf einen Leistungspegel zu verstärken, der eine nicht lineare Selbstphasenmodulation (SPM; Engl.: self-phase modulation) bewirkt, um eine Spektralbreite der verstärkten modifizierten optischen Pulse dahingehend zu komprimieren, kleiner zu sein als eine Spektralbreite der Seedlaserpulse, während sie eine Pulsdauer länger als die Seedpulsdauer aufweisen. Die Ausgangspulse 130 des Verstärkers 120 können weiterverarbeitet werden, z. B. indem sie einer zusätzlichen Leistungsverstärkung oder spektralen Kompression unterzogen werden.
Die Vorrichtung 100 in 1 kann in verschiedenen Konfigurationen implementiert sein bzw. werden. 2 zeigt eine auf dem Design in 1 basierende Faservorrichtung 200 zum Erzeugen von Laserpulsen. Solche eine Faservorrichtung mit einer Allfaserkonstruktion kann konfiguriert sein, verschiedene Vorteile bei bestimmten Anwendungen zu bieten, beispielsweise ein geringes Vorrichtungsgewicht, gute Betriebszuverlässigkeit und leichte Integration mit anderen Faservorrichtungen.
In 2 ist ein Faserseedlaser 201 so implementiert, dass er Seedlaserpulse erzeugt. Beispielsweise kann der Faserseedlaser 201 ein modengekoppelter Femtosekundenfaserlaser mit einer Ausgabe bzw. einem Ausgang von 0,6 mW, 25 MHz, 2,7 nm Bandbreite, linear gechirpt, und Ausgangspulsdauer von ca. 1 ps sein. Ein modengekoppelter Femtosekundenlaser kann ein Faserlaser basierend auf gechirpter Pulsverstärkung (CPA; Engl.: chirped pulse amplification) sein, wo die optischen Pulse zunächst in der Zeitdomäne unter normaler optischer Dispersion mit einem negativen Frequenzchirp gestreckt werden, um die Pulsspitzenleistung zu verringern, die gestreckten optischen Pulse dann in einem optischen Verstärker mit normaler optischer Dispersion verstärkt werden, um eine stabile Ausgabe bzw. einen stabilen Ausgang zu erzeugen, und schließlich die verstärkten optischen Pulse in Zeit komprimiert werden, um gewünschte kurze optische Pulse zu erzeugen.
Bei einigen Implementierungen kann der Faserlaser 201 so designt sein, dass er eine Polarisationserhaltungsausgabe bzw. -ausgang aufweist, und zwar unter Verwendung von polarisationserhaltender (PM; Engl.: polarization maintaining) Faser, wo die Ausgabe- bzw. Ausgangspolarisation der Laserpulse bei bzw. auf einer gewünschten Polarisation stabilisiert werden kann. Bei anderen Anwendungen können Nicht-PM-Faserlaser in dem Ausgang bzw. Ausgabe des Faserlasers 201 verwendet werden.
Der optische Strecker mit Pre-Chirp 110 kann durch ein gechirptes Faser-Bragg-Gitter (CFBG; Engl.: chirped fiber Bragg grating) 220 implementiert sein. Das CFBG 220 weist eine räumlich gechirpte Gitterteilung bzw. -abstand auf, die bzw. der von einem Ende der Faser („blaues Ende”), wo blaues Licht reflektiert wird, und dem anderen Ende der Faser („rotes Ende”), wo rotes Licht reflektiert wird, zunimmt. Ein optischer Zirkulator 222 ist mit der Eingabe- bzw. Eingangsfaser, welche die Laserpulse von bzw. aus dem Laser 201 führt, und einer Ausgabe- bzw. Ausgangsfaser gekoppelt, die zu dem stromabwärtigen optischen Verstärker 120 verbindet bzw. mit diesem verbunden ist. Der optische Zirkulator 222 richtet Licht in der Eingangsfaser von dem Faserlaser 201 in das CFBG 220 und richtet reflektiertes Licht von dem CFBG 220 zu der Ausgangsfaser zu dem optischen Verstärker 120. Das CFBG 220 ist insbesondere so orientiert bzw. ausgerichtet, dass sein blaues Ende mit dem optischen Zirkulator 22 gekoppelt ist, so dass Spektralkomponenten mit kurzen Wellenlängen innerhalb der Pulsspektralbandbreite zuerst reflektiert werden, um kürzere Zeitverzögerungen aufzuweisen, während bzw. wohingegen Spektralkomponenten mit langen Wellenlängen innerhalb der Pulsspektralbandbreite später reflektiert werden, um längere Zeitverzögerungen aufzuweisen. Diese Anordnung bewirkt eine anormale optische Dispersion in dem reflektierten Licht, das von dem CFBG 220 erzeugt wird, und erzeugt somit einen positiven Chirp in optischer Frequenz der reflektierten optischen Pulse zu dem Zirkulator 222 hin. Als ein spezifisches Beispiel kann das CFBG 220 ein gechirptes Faser-Bragg-Gitter mit Dispersion von 6,63 ps/nm (oder –3760000 fs^2) bei der optische Wellenlänge von 1064 nm sein, um den Pulse auf 18 ps zu verbreitern. Der Zirkulator 222 ist auf Grund seines geringen Einfügungsverlusts vorteilhaft. Bei anderen Implementierungen kann der optische Zirkulator 222 durch einen Faserkoppler ersetzt werden.
In Betrieb empfängt das CFBG 220 die Seedlaserpulse von dem Faserlaser 201 und reflektiert das Licht zurück durch Auferlegen bzw. Durchsetzen eines Frequenzchirps und unterschiedlicher Verzögerungen für unterschiedliche Spektralkomponenten. Dieser Vorgang modifiziert die Seedlaserpulse, um modifizierte Laserpulse herzustellen, die eine Pulsdauer größer als die Seedpulsdauer aufweisen und einen positiven Chirp in optischer Frequenz aufweisen.
Bei der Faservorrichtung 200 ist der optische Verstärker 110 ein allfaserbasierter Verstärker, der eine normale optische Dispersion zu den modifizierten Laserpulsen aufweist. Der optische Verstärker 110 kann einen oder mehrere Faserverstärker abhängig von den Anforderungen der optischen Verstärkung für die Vorrichtung 200 enthalten. 2 zeigt ein Beispiel von zwei Faserverstärkern: einen ersten Faserverstärker 230 als ein Vorverstärker und einen zweiten Faserverstärker 240 als den Hauptleistungsverstärker. Jeder Faserverstärker enthält einen Pumplaser (231 oder 241), der das gewünschte Pumplicht erzeugt, einen Pumpkoppler (232 oder 242), der das Pumplicht in die Hauptfaserleitung bzw. -linie bzw. -straße einkoppelt, wo das dottierte Faser-Gain-Medium (233 oder 243) gekoppelt ist, um den optischen Gain zur Leistungsverstärkung unter optischem Pumpen durch das empfangene Pumplicht bereitzustellen. Der optische Verstärker 110 ist konfiguriert, die Pulsspitzenleistung stark genug zu erhöhen, so dass SPM in dem Verstärker 110 stark genug ist, um eine Spektralkompression zu induzieren, welche die Spektralbreite des Pulses verringert. Die Selbstphasenmodulation und assoziierte bzw. verknüpfte Spektralkompression in dem Verstärker beeinflussen die Pulsdauer nicht erheblich, die länger bleibt als die Seedpulsdauer.
Ein Beispiel eines geeigneten Faserverstärkers für 2 ist ein Kernpumpfaserverstärker, beispielsweise eine 4 Meter lange Yb-dottierte Faser Yb500 von Coractive, gepumpt durch einen 400 mW 976 nm Diodenlaser. Das 976 nm Pumplicht und 1064 nm Signallicht werden in einem PM WDM kombiniert. Der Eingang und Ausgang von Leistung sind üblicherweise mit einem oder zwei Isolatoren ausgestattet. Ein weiteres Beispiel eines geeigneten Faserverstärkers für 2 ist ein Doppel-Clad-Faserverstärker, gepumpt durch einen Multimodenpumplaser mit bzw. bei 976 nm oder 915 nm.
2A zeigt ein Beispiel eines Doppel-Clad-Faserverstärkers mit großer Modenfläche (LMA; Engl.: large mode-area) zum Implementieren des Hauptleistungsverstärkers 240 in 2. Solch ein Faserverstärker mit großer Modenfläche kann eine höhere Ausgangsleistung mit geringeren nicht linearen Effekten als einige Faserverstärker erzeugen und kann somit für die praktische Implementierung des Designs in 2 vorteilhaft sein. Die Doppel-Clad-Konfiguration erlaubt die Verwendung von zwei Pumpdioden 241-A und 241-B geringerer Helligkeit für ein gewünschtes optisches Pumpen zu niedrigeren Kosten. Bei dem Beispiel in 2A ist eine Einmodenfaser an dem Eingang des LMA-Faserverstärkers vorgesehen, um Laserpulse von dem Vorverstärker 230 zu empfangen. Ein Modenwandler-Pumpkombinierer 242-A ist vorgesehen, um das Pumplicht von den beiden Pumpdioden 241-A und 241-B und die Eingangslaserpulse in eine bzw. zu einer Faser 244 mit großer Modenfläche zu kombinieren, die nicht mit Gain-Ionen dottiert ist und eine passive optische Faser ist. Eine Faser 243A mit großer Modenfläche ist mit der passiven LMA-Faser 244 gekoppelt und mit Gain-Ionen dottiert, um den gewünschten optischen Gain zur optischen Verstärkung unter dem optischen Pump von dem kombinierten Pumplicht zu erzeugen. Die verstärkten Ausgangslaserpulse werden durch die dottierte LMA-Faser 243A als der Ausgang bzw. die Ausgabe des Verstärkers 240 exportiert.
An dem Ausgang des Verstärkers 110 kann eine optionale optische Spektralkompressionsvorrichtung 250 implementiert sein, um die Spektralbreite des Ausgangslaserpulses für bestimmte Anwendungen weiter zu komprimieren. Verschiedene Spektralkompressionstechniken können verwendet werden, einschließlich beispielsweise einer Spektralkompressionsfaser mit normaler optischer Dispersion (D < 0) und SPM mit einer geeigneten bzw. angemessenen Länge, die maßgeschneidert ist, um das Spektrum zu komprimieren. Die Spektralkompressionsfaser kann eine Polarisationserhaltungsfaser (z. B. PM980 von Corning) sein, so dass eine Ausgangspolarisation stabil ist.
3 zeigt, dass eine Vorrichtung basierend auf Vorrichtungsdesigns in 1 und 2 zur nicht linearen Wellenlängenumwandlung in einem nicht linearen optischen Material 310, wie einem nicht linearen optischen Kristall, zum Erzeugen von harmonischen Signalen aus den Laserpulsen mit schmaler spektraler Bandbreite. Nicht lineare optische Effekte erfordern bestimmte Phasenanpassungsbedingungen, um eine nicht lineare Umwandlungseffizienz zu erzielen. Die Laserpulse mit schmaler spektraler Bandbreite, die basierend auf den vorliegenden Techniken zur Chirpsteuerung bzw. -regelung und Spektralkompression erzeugt werden, können für eine effiziente nicht lineare Wellenlängenumwandlung und Wellenmischung geeignet sein. Bei der Erzeugung nicht linearer Harmonischer würde auf Grund von Dispersion in nicht linearem Kristall die schmale Bandbreite erlauben, dass lange nicht lineare Kristalle verwendet werden, um die Phasenanpassungsbedingung zu erfüllen. Diese Fähigkeit bzw. Möglichkeit, lange Kristalle zu verwenden, ist vorteilhaft, da die Umwandlungseffizienz mit den Längen bzw. der Länge der nicht linearen Kristalle zunimmt. In 3 kann der Leistungsverstärker ein Faserverstärker mit LMA zum Erzielen von hoher Ausgangsleistung oder ein Festkörperverstärker basierend auf Nd:YAG, YLF, Nd-Glasmaterialien sein, die optisch durch Diodenlaser oder Blitzlampen gepumpt werden. Der nicht lineare Kristall kann LBO, KTP-Kristalle sein, die zur Erzeugung von zweiten Harmonischen bzw. Frequenzverdopplung verwendet werden, oder LBO-Kristalle, BBO-Kristalle zur Erzeugung einer dritten Harmonischen bzw. Frequenzverdreifachung oder Erzeugung einer Harmonischen höherer Ordnung.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 kann eine nicht lineare Schrödinger-Gleichung für den Betrieb der Vorrichtung ohne Raman-Effekte wie folgt ausgedrückt werden:
Um eine Umkehrgleichung zum Erhalten der erforderlichen Eingabe von bzw. aus der gewünschten Ausgabe zu erhalten, kann das z bei der obigen Gleichung durch –z ersetzt werden:
Daraus ergibt sich, dass eine Umkehroperation durch Ändern des Vorzeichens für optische Dispersion, SPM und Gain/Verlust erzielt werden kann. Somit kann der positive Chirp in den Laserpulsen in Kombination mit SPM in der normalen optischen Dispersion verwendet werden, um die Ausbreitung der Spektralbreite umzukehren, die durch optische Dispersion bewirkt wird, und um eine verschmälerte spektrale Bandbreite zu erzielen.
Es wurden verschiedene Simulationen durchgeführt, um diesen Effekt zu veranschaulichen. Die Simulationen wurden unter Verwendung eines kommerziellen Softwaretools von FiberDesk (http://www.fiberdesk.com) durchgeführt, das lineare und nicht lineare Pulsausbreitung basierend auf dem Lösen der erweiterten nicht linearen Schrödinger(NLS)-Gleichung durch das Split-Step-Fourier-Transformation-Verfahren handhaben kann, und enthaltend Effekte von Selbstphasenmodulation, chromatische Dispersionen, Raman-Effekt und optischer Gain mit einheitlichen bzw. gleichförmigen Gain-Koeffizienten.
4A zeigt Zeit- und Spektralprofile eines vorgechirpten Laserpulses vor dem Eintreten in den faseroptischen Verstärker. Der Chirp ist linear und –65000 fs. 4B zeigt die Zeit- und Spektralprofile des Ausgangspulses des faseroptischen Verstärkers mit verringerter spektraler Bandbreite und im Wesentlichen unveränderter Pulsdauer, wo der Modenfelddurchmesser (MFD) 20 um beträgt, der Gain 20 dB beträgt und die Dispersion –41,9 ps/nm/km beträgt.

Im Vergleichen zeigen 5A und 5B die Simulation ohne den positiven Chirp in den Eingangspulsen zu dem Verstärker, wo das Spektrum des Ausgangspulses von bzw. aus dem Faserverstärker mit unerwünschten spektralen Merkmalen verbreitert ist. Tabelle 1

	Fs-Seedlaser	Vorchirp-Strecker (CFBG blaues Ende zuerst)	Leistungsver-stärker (Yb500, MFD = 6 um)	Spektral-kompressionsfaser (Corning PM980)
(A)	2,78nm/ 0,60ps/ 0,5 mW	2,7 nm/19 ps/0,1 mW	4 m 200 mW	+9 m 0,176 nm/ 18,2 ps /200 mW
(B)	2,78 nm /0,60 ps /0,5 mW	2,7 nm/19 ps/0,1 mW	4 m 200 mW	+7 m 0,22 nm/ 18,0 ps /200 mW
(C)	2,78 nm/ 0,60 ps /0,5 mW	2,7 nm/19 ps/0,1 mW	4 m 200 mW	+8 m 0,19 nm/ 18,1 ps /200 mW
(D)	2,57nm/ 0,65ps/ 0,5 mW	2.3 nm/17 ps/0,1 mW	4 m 200 mW	+7 m 0,21 nm/ 16,7 ps /200 mW	+1 m 0,187 nm 16,8ps 200 mW

Tabelle 1 zeigt 4 Konfigurationen (A), (B), (C) und (D) der Vorrichtung in 2 mit der Spektralkompressionsfaser, und 6A, 6B, 6C, 6D, 7A, 7B und 7C zeigen die simulierte Leistung der 4 Konfigurationen der Vorrichtung in 2. Die Pulsbreite wird von Sub-Pikosekunde zu zehntel Pikosekunden (einem 10-fachen Anstieg) umgewandelt, während die Bandbreite von mehreren nm zu ca. 0,2 nm (einer 10-fachen Verringerung) umgewandelt wird. Wie es in 7A, 7B und 7C gezeigt ist, ist dieses Design zusätzlich robust gegenüber kleinen Fehlern beim Eingangspuls. Simulationen in 7A und 7B zeigen, dass kleine spektrale Riffel in den Eingangslaserpulsen keine wesentliche Änderung in dem Ausgang bzw. der Ausgabe verursachen. 7C zeigt, dass eine kleine Seitenspitze des Eingangspulses die Ausgangscharakteristiken nicht wesentlichen verändert.

8A und 8B zeigen zwei Vorrichtungen, wobei 8A auf dem Design in 1 basiert und 8B ein Design ist, das zwei kaskasierte Faserverstärker ohne Einsatz der vorliegenden Technik in 1 verwendet. Tabelle 2 zeigt Simulationsergebnisse der beiden Designs unter Verwendung des gleichen Hochleistungsfaserleistungsverstärkers. 9, 10, 11 und 12 zeigen die Zeit- und Spektralprofile der Simulationen und demonstrieren, dass die Vorrichtung in 8A der Vorrichtung in 8B überlegen ist. Tabelle 2

	Konfiguration	Seedlaser	Vorchirp-Strecker	Faservorverstärker	Leistungsverstärker	Ausgang
(i)	FIG. 8A	Pulsbreite = 0,5 ps Spektralbreite = 3,3 nm Leistung = 1 mW bei 1064 nm	Dispersion = –2 ps^2 Verlust = 6 dB Ausgang = 0,25 mW 11 ps	Ausgang = 50 mW Gain = 23 dB MFD = 6 um Länge = 2 m	Ausgang = 22,5 W Gain = 26,5 dB MFD = 20 um Länge = 4,3 M	Leistung = 22,5W Spektralbreite = 0,307 nm
(ii)	FIG. 8B	Pulsbreite =10 ps Spektralbreite = 0,16 nm Leistung = 1 mW bei 1064 nm	nicht zutreffend	Ausgang = 50 mW Gain = 20 dB Kern = 6 um Länge = 2 m	Ausgang = 22,5 W Gain = 26,5 dB MFD = 20 um Länge = 4,3 M	Leistung = 22,5W Spektralbreite = 2,68 nm	um Bandbreite zu erreichen < 0.32 nm, P < 3.6 W
(iii)	FIG. 8A	Pulsbreite = 0,4 ps Spektralbreite = 4,1 nm Leistung = 1 mW bei 1064 nm	Dispersion = –1,6 ps^2 Verlust = 6 dB Ausgang = 0,25 mW 11 ps	Ausgang = 50 mW Gain = 23 dB MFD = 6 um Länge = 2 m	Ausgang = 26,9 W Gain = 27,3 dB MFD = 20 um Länge = 4,41 M	Leistung = 26,9 W Spektralbreite = 0,324 nm

Während dieses Dokument viele Besonderheiten bzw. Details enthält, sollen diese nicht als Einschränkung für den Schutzbereich einer Erfindung, die beansprucht wird, oder für das, was beansprucht werden kann, verstanden werden, sondern vielmehr als Beschreibungen von Merkmalen die für bestimmte Ausführungsform spezifisch sind. Bestimmte Merkmale, die in diesem Dokument im Zusammenhang mit separaten Ausführungsformen beschrieben werden, können auch in Kombination in einer einzelnen Ausführungsform implementiert werden. Umgekehrt können auch verschiedene Merkmale, die im Zusammenhang mit einer einzelnen Ausführungsform beschrieben werden, in mehreren Ausführungsformen separat oder in einer geeigneten Unterkombination implementiert werden. Obwohl Merkmale vorstehend so beschrieben sein können, dass sie in bestimmten Kombinationen agieren, und anfänglich so beansprucht werden, können ein oder mehrere Merkmale aus einer beanspruchten Kombination in einigen Fällen aus dieser Kombination entfernt werden und die beanspruchte Kombination kann auf eine Unterkombination oder eine Variation einer Unterkombination gerichtet sein.
Es werden nur einige Beispiele und Implementierungen beschrieben. Andere Implementierungen, Variationen, Modifikationen und Verbesserungen der beschriebenen Beispiele und Implementierungen können gemacht werden.

Claims

Verfahren zum Erzeugen von Laserpulsen, umfassend: Erzeugen von Seedlaserpulsen mit einer Seedpulsdauer; Modifizieren der Seedlaserpulse, um modifizierte Laserpulse zu erzeugen, die eine Pulsdauer größer als die Seedpulsdauer aufweisen und einen positiven Chirp in optischer Frequenz aufweisen; und Richten des modifizierten Laserpulses in einen optischen Verstärker, der aus einem optischen Gain-Medium gebildet ist, das eine normale optische Dispersion zu den modifizierten Laserpulsen aufweist, um die modifizierten optischen Pulse mit dem positiven Chirp auf einen Leistungspegel zu verstärken, der eine Selbstphasenmodulation bewirkt, um eine Spektralbreite der verstärkten modifizierten optischen Pulse dahingehend zu komprimieren, kleiner zu sein als eine Spektralbreite der Seedlaserpulse, während sie eine Pulsdauer länger als die Seedpulsdauer aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: Richten der verstärkten optischen Pulse, die von dem optischen Verstärker ausgegeben werden, in ein optisches Medium, das normale optische Dispersion aufweist, um eine Spektralbreite der verstärkten optischen Pulse basierend auf Selbstphasenmodulation in dem optischem Medium weiter zu komprimieren.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das optische Medium eine polarisationserhaltende optische Faser ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend: Verwenden einer optischen Vorrichtung, die anormale optische Dispersion beim Modifizieren der Seedlaserpulse aufweist, um die modifizierten Laserpulse zu erzeugen, welche die Pulsdauer größer als die Seedpulsdauer aufweisen und den positiven Chirp in optischer Frequenz aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die optische Vorrichtung, die anormale optische Dispersion beim Modifizieren der Seedlaserpulse aufweist, eine polarisationserhaltende Faser aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: Richten der verstärkten optischen Pulse, die von dem optischen Verstärker ausgegeben werden, in einen zweiten optischen Verstärker, um die Leistung der verstärkten optischen Pulse weiter zu verstärken.
Verfahren nach Anspruch 6, umfassend: Konfigurieren des zweiten optischen Verstärkers dahingehend, einen Doppel-Clad-Faserverstärker mit großer Modenfläche zu enthalten, um hohe Ausgangsleistung in den verstärkten optischen Pulsen zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei: der zweite optische Verstärker aus einem optischen Gain-Medium gebildet ist, das normale optische Dispersion zu den modifizierten Laserpulsen aufweist und Selbstphasenmodulation aufweist, um eine Spektralbreite der verstärkten modifizierten optischen Pulse weiter zu komprimieren.
Verfahren nach Anspruch 8, umfassend: Richten von Laserpulsen, die von dem zweiten optischen Verstärker ausgegeben werden, in ein nicht lineares optisches Material, um einen effizienten nicht linearen optischen Effekt zu erzeugen, und zwar basierend auf komprimierter Spektralbreite und verstärkter Leistung der Laserpulse, die von dem zweiten optischen Verstärker ausgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der nicht lineare optische Effekt Erzeugung eines optischen harmonischen Signals ist.
Vorrichtung zum Erzeugen von Laserpulsen, umfassend: einen gepulsten Seedlaser zum Erzeugen von Seedlaserpulsen mit einer Seedpulsdauer; einen optischen Strecker, der die Seedlaserpulse empfängt und konfiguriert ist, die Seedlaserpulse zu modifzieren, um modifizierte Laserpulse zu erzeugen, die eine Pulsdauer größer als die Seedpulsdauer aufweisen und einen positiven Chirp in optischer Frequenz aufweisen; und einen optischen Verstärker, der aus einem optischen Gain-Medium gebildet ist, das normale optische Dispersion zu den modifizierten Laserpulsen aufweist, wobei der optische Verstärker gekoppelt ist, um die modifizierten Laserpulse von dem optischen Strecker zu empfangen, und konfiguriert ist, die modifizierten optischen Pulse mit dem positiven Chirp auf einen Leistungspegel zu verstärken, der Selbstphasenmodulation bewirkt, um eine Spektralbreite der verstärkten modifizierten optischen Pulse dahingehend zu komprimieren, kleiner zu sein als eine Spektralbreite. der Seedlaserpulse, während sie eine Pulsdauer länger als die Seedpulsdauer aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der gepulste Seedlaser ein modengekoppelter Faserlaser ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei der gepulste Seedlaser ein gepulster Laser ist und die Seedpulsspektralbreite eine Pulsdauer von ca. oder weniger als 1 Pikosekunde unterstützt, und die verstärkten modifizierten optischen Pulse, die von dem optischen Verstärker ausgegeben werden, eine Pulsdauer von ca. oder mehr als 3 Pikosekunden aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der optische Strecker enthält: eine Eingangsfaser, welche die verstärkten modifizierten optischen Pulse empfängt, die von dem optischen Verstärker ausgegeben werden, ein gechirptes Faser-Bragg-Gitter, das gekoppelt ist, um Licht von der Eingangsfaser zu empfangen, und eine Ausgangsfaser, die gekoppelt ist, um reflektiertes Licht von dem gechirpten Faser-Bragg-Gitter zu empfangen und das empfangene Licht an den optischen Verstärker zu richten, wobei das gechirpte Faser-Bragg-Gitter dahingehend ausgerichtet ist, einen positiven Chirp in Frequenz zu dem reflektierten Licht zu bewirken, das von der Ausgangsfaser empfangen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der optische Strecker einen optischen Zirkulator enthält, der Licht von der Eingangsfaser zu dem gechirpten Faser-Bragg-Gitter koppelt und reflektiertes Licht von dem gechirpten Faser-Bragg-Gitter in die Ausgangsfaser einkoppelt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der optischen Strecker einen optischen Koppler enthält, der Licht von der Eingangsfaser zu dem gechirpten Faser-Bragg-Gitter koppelt und reflektiertes Licht von dem gechirpten Faser-Bragg-Gitter in die Ausgangsfaser einkoppelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei der optische Strecker ein Gitterpaar mit zwei Gittern enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei der optische Strecker eine polarisationserhaltende Vorrichtung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, umfassend: einen zweiten optischen Verstärker, der gekoppelt ist, um die verstärkten optischen Pulse zu empfangen, die von dem optischen Verstärker ausgegeben werden, und um Leistung der verstärkten optischen Pulse weiter zu verstärken, wobei der zweite optische Verstärker aus einem optischen Gain-Medium gebildet ist, das normale optische Dispersion zu den modifizierten Laserpulsen aufweist und Selbstphasenmodulation aufweist, um eine Spektralbreite der verstärkten modifizierten optischen Pulse weiter zu komprimieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, umfassend: ein optisches Medium, das normale optische Dispersion aufweist und gekoppelt ist, um die verstärkten optischen Pulse zu empfangen, die von dem optischen Verstärker ausgegeben werden, um eine Spektralbreite der verstärkten optischen Pulse basierend auf Selbstphasenmodulation in dem optischen Medium weiter zu komprimieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, umfassend: einen zweiten optischen Verstärker, der gekoppelt ist, um die verstärkten optischen Pulse zu empfangen, die von dem optischen Verstärker ausgegeben werden, und um Leistung der verstärkten optischen Pulse weiter zu verstärken; und ein nicht lineares optisches Material, das dahingehend positioniert ist, die verstärkten optischen Pulse von dem zweiten optischen Verstärker zu empfangen, wobei das nicht lineare optische Material betriebsfähig ist, einen effizienten nicht linearen optischen Effekt basierend auf komprimierter Spektralbreite und verstärkter Leistung der empfangenen Laserpulse zu erzeugen.
Vorrichtung zum Erzeugen von Laserpulsen, umfassend: einen gepulsten Faserseedlaser zum Erzeugen von Seedlaserpulsen mit einer Seedpulsdauer; einen optischen Faserstrecker, der mit dem gepulsten Faserseedlaser gekoppelt ist, um die Seedlaserpulse zu empfangen, und konfiguriert ist, ein gechirptes Faser-Bragg-Gitter zu enthalten, das anomale optische Dispersion aufweist, wobei der optische Faserstrecker betriebsfähig ist, die Seedlaserpulse zu modifzieren, um modifizierte Laserpulse zu erzeugen, die eine Pulsdauer größer als die Seedpulsdauer aufweisen und einen positiven Chirp in optischer Frequenz aufweisen; und einen optischen Faserverstärker, der normale optische Dispersion zu den modifizierten Laserpulsen aufweist und gekoppelt ist, um die modifizierten Laserpulse von dem optischen Faserstrecker zu empfangen, wobei der optischer Faserverstärker konfiguriert ist, die modifizierten optischen Pulse mit dem positiven Chirp auf einen Leistungspegel zu verstärken, der Selbstphasenmodulation bewirkt, um eine Spektralbreite der verstärkten modifizierten optischen Pulse dahingehend zu komprimieren, kleiner zu sein als eine Spektralbreite der Seedlaserpulse, während sie eine Pulsdauer länger als die Seedpulsdauer aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei der optische Faserverstärker einen Doppel-Clad-Faserverstärker mit großer Modenfläche enthält, um hohe Ausgangsleistung beim Verstärken der modifizierten optischen Pulse zu erzeugen.