采用大模面积光纤和高阶模的短脉冲激光器

摘要

本发明描述了一种以最小的非线性失真传输和再压缩高能量、超短脉冲的光纤设备。具体来说，涉及一种采用大模面积光纤和高阶模的短脉冲激光器。该设备基于在很少数模的光纤在高阶模(HOM，higher order mode)下的传输。耦合进HOM中可以采用长周期光栅来实现。HOM光纤模对高质量脉冲压缩有用的特性包括大有效面积、高色散和低色散斜率。在优选的情况下，长周期光栅以工作波长通过转向点(TAP，turn－around point)。

说明书

技术领域

本发明涉及诸如激光器和放大器的光纤设备，它通过使用大模有效面积产生高功率水平。特别涉及当光纤设备特意在高阶模下运行时能得到更佳性能的设备。

背景技术

(以下内容中有些不一定是现有技术)

具有高脉冲能量、高光束质量和优异光学特性的光纤激光器在很多领域和行业都有应用，如分析光谱学(荧光性、吸收性)，照明，遥感和环境光谱学(风速、生物危害、生态系统制图等)，测距和寻的(防止空中相撞，军事应用等)，以及科学仪器。具有极短脉冲宽度的光纤激光器，如飞秒光纤激光器，在上述及其它领域有着特殊的应用。

短脉冲光纤激光器的开发已经取得了很大进展。然而将飞秒脉冲应用到光纤中的一个困难是如何将脉冲放大至高功率水平。光纤的非线性使光谱发生了扭曲，并影响了高能脉冲的压缩和传输。

针对该问题已提出了多种方法。一种成功的技术是在多模光纤中放大超短脉冲。可以采用大模有效面积使得只有光纤的基本模被激励，从而减少非线性特性的影响。

另一种可能的方法是采用延展脉冲放大，其中超短脉冲首先被多阶振幅延展、时间展宽脉冲并降低峰值功率，从而消除或减少非线性作用。然而，放大后脉冲最终还需要再压缩，并且，要得到高脉冲能，再压缩级通常需采用大型光学器件。

由于以下两个原因需要开发出能够传播和压缩高能飞秒脉冲的光纤。第一，如果光纤可以设计为具有合适的色散特性，它可用作延展、放大后的脉冲的后压缩级。第二，如果压缩功能可以在光纤中实现，它也可以用作诸如内诊镜等应用中的超短脉冲的传输光纤。

发明内容

本发明总的来说是一种以减少的非线性失真传输和再压缩高能量、超短脉冲的光纤设备。该设备基于在很少数模的光纤在高阶模(HOM，higher order mode)下的传输。可以采用长周期光栅实现耦入到HOM中。HOM光纤模对高质量脉冲压缩有用的特性包括大有效面积、高色散和低色散斜率。在一种优选的情况下，长周期光栅以工作波长通过转向点(TAP，turn-around point)。在其它优选的实施例中，大到足够维持接近线性的脉冲压缩的大有效面积用双包层结构实现。在这种结构中，HOM在内包层区域传输。最好该设备的HOM部件提供的光谱相位-Φ(ω₀)近似相等并与HOM部件输入端的光脉冲的光谱相位相反。

附图说明

图1是基于铒光纤放大器的飞秒光纤激光器的示意图；

图2是解释在以下描述中用到的曲线图；

图3是图1中结合了脉冲压缩级的飞秒光纤激光器的示意图；

图4是用于实现本发明的模转换单元的示意图；

图5是折射系数概况以及对HOM脉冲压缩光纤中的LP08模计算得到的模分布曲线图；

图6是显示图5中表示的LP08模的色散和光栅周期的曲线图；

图7是显示来自图1所示激光器的输出的模拟时间强度和相位的曲线图；

图8是比较图3的激光器的输出光谱(即脉冲压缩器级的输入光谱)和脉冲压缩器的输出光谱的曲线图；

图9显示了作为脉冲压缩器中传输距离的函数的峰值功率，对等于10000μm²的有效面积A，给出不同色散值的峰值功率；

图10是显示HOM脉冲压缩器在单模光纤情况下以及对有效面积A等于10000μm²和1000μm²时的光纤的输出脉冲强度的曲线图；

图11显示了图10中给出的示例的输出光谱；

图12是在最优压缩点下峰值功率和脉冲质量相对于A的曲线图；

图13是在最优压缩点下脉冲全带宽半极大值相对于A的曲线图；以及

图14是作为色散斜率函数的峰值功率和脉冲质量的曲线图。

具体实施方式

我们最近提出了一种铒放大器用来放大来自1580nm飞秒光纤激光器的飞秒脉冲。这被描述在美国专利申请No.11/105850中，于2005年4月4日提出，在这里并入作为参考。放大器工作在自相似传输原则下，并且放大器的输出为被高度延展的脉冲，并具有接近线性的调频脉冲。该放大器的示意图见图1，其中激光器11的输出通过光纤放大器12被引导。为实现该工作目的，脉冲质量Q被定义为中心(最强的)脉冲能量与整个脉冲所包含能量之比，包括任何基准脉冲或辅助脉冲。这些定义的图示见图2。主要的脉冲体显示于21，基准脉冲为23。全脉宽半极大值点显示于22。理想脉冲的Q为1。较高的Q值对许多飞秒脉冲的应用来说都是重要的要求。在一个例子中，在压缩级使用单模光纤(SMF，single mode fiber)，测得Q的最大值为0.55，表示脉冲能量的45％实际上损耗在飞秒基准脉冲中并对脉冲峰值功率没有贡献。

光纤激光器和压缩器级的示意图见图3。飞秒激光器显示于31，放大器级见32，压缩器级见33。

图4显示了脉冲压缩器级根据本发明一个实施例的示意图。脉冲压缩器级工作在HOM下。脉冲在45以光纤41的基本模进入设备。宽带长周期光栅(LPG，long-period grating)42将脉冲转换为大有效面积高阶模(LP02，LP03，...，LP09，LP0，10等)。HOM最好是LP04或更高。HOM部分46的长度被确定为使得HOM色散将脉冲再压缩至更短的宽度。第二个LPG 43将HOM重新转换为基本模并且光在47处立即从光纤中射出。这种设计允许高功率、被再压缩的脉冲用光纤传输，同时保持很好的光束质量。

在另一个实施例中，被压缩的脉冲在HOM下从该设备射出。该设备只包括第一个向上转换的模转换器(图4中设备示意图左手侧的LPG)和HOM光纤(即没有输出模转换器/LPG)。射出该设备的光是一个单纯的空间模，因此可以在诸如全息胶片或非球面透镜的外部自由空间模转换器的帮助下被空间转换为任何希望的横向形状。

在本发明的一个优选的实施例中，用于HOM压缩器级的光纤是基于双包层设计的。图5给出了一个例子，其中，使用的HOM是LP08。系数概况以图右侧的刻度画出。计算出的LP08模的模场幅度也采用左侧的刻度画出。模功率以r＝70微米衰减，因而到其它模的损失和散射可望最小。在该光纤设计中，光脉冲能量的大部分包含在内包层区域中。典型地，在采用该特征的短脉冲源设备中，内包层区域中的HOM能量会大于纤芯中的。这是一个突出的方面，因为，在常规光纤中，光能量的大部分由纤芯传导。纤芯和包层结合后的尺寸较大，例如大于r＝20微米，并且内芯的半径典型地大于两倍纤芯半径，最好大于三倍纤芯半径。在图5的图示中，内包层和纤芯形成的模场直径大于80微米。该优选形式的短脉冲设备的普遍特征是它们具有至少40微米的模场直径，并最好大于80微米。

本实施例中光纤设计的一个特征是光栅周期在工作波长处通过转向点(TAP)。TAP被定义为波长区域，其相位匹配曲线(PMC，phase matching curve)梯度为0。TAP实现了宽的带宽，这有助于支持超短脉冲较宽的光谱。图6给出了本光纤设计的相位匹配曲线(PMC)图，用于耦合基本模到所期望的HOM。该图是光栅周期对波长的图，显示了对近似188微米(刻度见右侧)的光栅周期的接近1500nm的TAP。这保证了宽的带宽以耦合模之间的光，如Ramachandran等人在Optics Letters，27卷，698页，2002年中所述。关于长周期光栅中的TAP的其它讨论见美国专利第6,768,835号，2004年7月27日发布，在这里并入作为参考。

图6还画出了该光纤的色散情况。单位为ps/nm-km的色散值用上升曲线和图左侧的刻度表示。该模的色散是1550nm的SMF色散的两倍多。相对较高的色散对获取高质量脉冲压缩很有用。

在本发明优选的实施例中，TAP光栅用来将(在宽的带宽上的)输入能量转换为具有期望色散、色散斜率和有效面积的HOM。图5所示的光纤设计同时满足这些条件。

为达到HOM脉冲压缩器的性能并理解设计空间，进行了HOM光纤中的脉冲传输模拟。该模拟基于非线性Schrodinger方程，用于对非线性介质中的脉冲传输建模。这些模拟对色散效应、自相位调制、四波混和、自陡峭和时延Raman散射建模。对于光纤特性，这些模拟使用了从图5中系数概况得到的有效面积和色散特性。

首先，图1所示的放大器的输出脉冲被模拟。该放大器包括大约2米的负色散、高度掺铒光纤。输出功率为500mW并且重复率为46MHz，脉冲能量大约为11nJ。由于光纤具有负色散，放大器工作在抛物线脉冲模式下，并且放大器的时间输出是一个抛物线形状和二次相位的高度线性调频脉冲(线性调频信号)。同样地，这些脉冲理想地通过具有零色散斜率的线性材料被压缩。时间强度和相位以及放大器输出脉冲的光谱见图7和图8。图7画出了时间刻度下的相对强度(实曲线)和相位(虚曲线)。图8画出了波长对放大器输出的强度(实曲线)和HOM压缩器级输出(虚曲线)的光谱。HOM压缩器级光纤的有效面积A_eff是10000μm²。光纤长度是2米。注意到以下详细介绍的模拟是针对光纤放大器的输出脉冲，HOM脉冲压缩设备可以设计用于很宽的脉冲源范围。

从图8的数据可以得出，放大器光谱输出和通过HOM光纤传输后的光谱之间具有最小的失真。这保证了对于这种大有效面积，该光纤即使对高峰值功率脉冲也能以线性形式工作。

图9显示了峰值功率随脉冲通过压缩器光纤传输的变化情况，其有效面积为10000μm²，并且对于不同的色散值(D)和色散斜率(D’)。对压缩器光纤输出的最短的可能的脉冲，其长度可以被调整到最大峰值功率点。

在最大峰值功率点，脉冲的Q值被计算并且也被显示在图9中。可以看到更高的色散值给出更高的Q值。另外，色散斜率强烈地影响从压缩器光纤可获得的Q值。

图10显示了对不同的有效面积光纤下最大压缩点的时间输出脉冲。其HOM光纤的色散和色散斜率分别为40ps/(nm-km)和0.013ps/(nm²-km)。对于1000μm²(实曲线)和10000μm²(虚曲线)的光纤，压缩的脉冲包括一个具有很小背景的单峰。对应的输出光谱显示于图11。可见两个光纤的光谱只有细微的变化。相反，SMF(A_eff＝80μm²，D＝17ps/(nm-km)，以及D’＝0.056ps/(nm²-km))显示了大量的时间结构(图10)，以及光谱中大的变化(图11)。

为了进一步量化这些效应，脉冲峰值功率、质量和FWHM作为A_eff的函数被绘出。对峰值功率(kW)和相位质量Q的结果在图12中给出。对FWHM的结果在图13中显示。为了比较，每种情况下的SMF的结果也被画出。对很大的有效面积，脉冲质量变化不是很大，但是随着有效面积的减小，峰值功率增加并且脉冲变短。这导致了由一定量的非线性所带来的优点，因为SPM稍微展宽了光谱。这种展宽可以在图11中看到，其中1000μm²面积光纤的光谱比10000μm²光纤的光谱稍宽。然而，低于1000μm²时，由于有害的非线性效应开始起作用，脉冲质量开始迅速下降。作为比较，SMF在峰值功率和脉冲质量两方面都表现得很差。虽然其它因素可能在不同的设计中影响该行为，有效面积A_eff一般应大于350μm²，最好大于1000μm²，并且为得到更好的结果应大于4000μm²。

考察了色散斜率的影响。如上面提到的，放大器在抛物线脉冲模式下工作，并且输出脉冲带有线性调频信号。因此希望具有低色散斜率的压缩器光纤能产生最好的性能。图14画出了作为HOM光纤色散斜率变化的函数的脉冲质量(底部带圆点的曲线)和峰值功率(上部带方点的曲线)，其A_eff＝2000μm²并且色散＝40ps/(nm-km)。如所期望的，色散斜率接近为0的光纤提供了最佳的峰值功率和脉冲质量。然而，即使对大色散斜率0.04ps/(nm²-km)，脉冲质量仍接近90％，这比SMF达到的性能(见图12和13)要好很多。该结果是得到了同时具有大有效面积和高色散值的优势。图14所示的脉冲质量随色散斜率相对较小的变化显示出高质量脉冲可以通过实际的光纤设计得到，如图5所示。

光纤中的色散有助于对一个光信号去除(或增加)良好限定的光谱相位。在光谱域，光信号的复电场定义为：

其中S(ω)是复电场，A(ω)是光谱场幅度，_(ω)是光谱相位，ω是角频率。相位_(ω)可以关于频率ω展开为Taylor级数：

                _(ω₀)＝_₀+_₁(ω-ω₀)+_₂(ω-ω₀)²+…       (2)

其中参数__i由下式给出：

对于脉冲的情况，_₀和_₁通常不是很重要，因为一个线性光谱相位仅对应一个时延。然而，高阶光谱相位很重要，因为它们改变了脉冲的时间形状。在脉冲压缩中，带宽有限的脉冲通常是所期望的，它对应于获取0高阶相位并且只剩下至多一个沿光谱的线性相位变化。

假设暂时光纤中为线性传播并且忽略光纤损耗，光纤中的传输对光谱的影响是通过光纤传输常数β(ω)来改变光谱相位：

其中z是沿光纤长度传输的距离。传输常数β(ω)也可以类似公式(2)被展开为Taylor级数。这样可以看到，给定一个输入电场，为了从光纤得到一个有限带宽输出，β_i*z各项必须幅度相等并且与相应的输入相位项__i符号相反：

               β_i*z＝-__i，i≥2                    (5)

光纤传输常数β和光纤色散D的关系由下式给出：

$$ >>D>=>>>d>>\beta >1>>>d\lambda >>=>->>>2>\pi c>>>\lambda >2>>>>\beta >2>>->->->>(>6>)>>>$$

其中c是真空中的光速，λ是光的波长。对于宽带脉冲，D的波长变化通常变得很重要，因此也定义色散斜率为：

$$ >>>D>\prime >>=>>dD>d\lambda >>=>>>4>>\pi >2>>>c>2>>>>\lambda >4>>>>\beta >3>>+>>>4>\pi c>>>\lambda >3>>>>\beta >2>>.>->->->>(>7>)>>>$$

如果此时限制为线性调频脉冲信号的情形，则只有_₂具有有限的值，并且__i＝0，i＞2。为补偿该线性调频信号，并产生光纤的带宽限制脉冲，要求光纤β₂*z＝_₂并且β_j＝0，j＞2。有趣的是，公式(6)和(7)显示，设计用来补偿只具有线性调频信号的脉冲的光纤应具有有限的色散和色散斜率。这种情况看起来有一点不一致，因为β和_的定义是关于频率的Taylor展开，但是色散定义为关于波长的导数。

在这种补偿带有线性调频信号的脉冲的情况下，并要求β₃＝0的光纤，使用公式(6)和(7)，色散斜率与色散的比值可以简单地写为：

$$ >>>>D>\prime >>D>>=>->>2>\lambda >>->->->>(>8>)>>>$$

对电信波长这显示出设计用来补偿线性调频脉冲的光纤具有有限但很小的斜率。

在使用抛物线放大器生成脉冲的特定情况下，来自工作在自相似模式下的理想抛物线放大器的脉冲为线性调频的。这种模式下的线性调频信号值只与放大器每单位长度增益g相关，并且放大器传输常数β₂^amp为：

               _₂＝3β₂^amp/g                     (9)

对抛物线放大器输出的线性调频脉冲应用这个简单的表达式，可以采用公式(5)、(6)和(8)设计光纤色散和色散斜率。在对于放大器中的色散斜率的情况下，以及当脉冲未达到渐进自相似模式以及光纤压缩器中存在非线性时，这些等式显然必须被修改。

值得强调的是图5所示的光纤设计的有效面积为2000μm²。根据图12和13，从非线性的观点来看，已经在实验室中证实，500mW脉冲可以容易地被1000μm²的设计支持。然而，通过扩展光纤设计能力，以设计10000μm²的光纤，该技术可以潜在地支持十倍的平均功率，例如，在50MHz的重复率下平均功率达到5W。

得益于以上对不同的各设计参数的分析，可以得出一些对于本发明的设备的条件定量设计规则。从这些规则可以推导出定量的范围，了解到与这里所分析的根本上不同的光纤设计可能需要调整量化建议。量化建议是：大有效面积，相对高的色散，低色散斜率。如所提到的，A_eff的优选值为：大于400μm²，最好大于1000μm²，为得到更好的结果应大于4000μm²。色散最好大于10ps/(nm-km)。色散斜率最好小于0.05ps/(nm²-km)。色散和色散斜率是相关的，因为如果色散相对较高则相对更高的色散斜率值可以产生良好的结果。相反，相对低的色散值在低色散斜率值下产生较好的结果。相应地，这些参数可以根据一个推荐的比值被表示出来，例如，色散斜率与色散的比值小于0.001。

图4中显示的模转换器用于转换输入，并可选地转换输出，模间的信号为长周期光栅，模转换器可以是任何合适的设计。优选的选择是光纤内的光栅模转换器。作为替代，也可以采用全息自由空间模转换器或逐渐变细的中空光纤。更具体地，为获得模转换设备的功能性，优选的选择是宽带长周期光纤光栅(LPG，long period fiber grating)。LPG本身可以引入HOM光纤中，以实现低成本和低损耗的模转换设备。已知宽带模转换器覆盖的波长范围高至500nm。更详细的叙述见S.Ramachandran，M.Yan，E.Monberg，F.Dimarcello，P.Wisk和S.Ghalmi的文章“Record bandwidth microbend gratings for speciallyflat variable optical attenuators”，IEEE Photon.Tech.Lett.，15卷，1561-1563页，2003年；以及S.Ramachandran的美国专利第6,768,835号，都在这里并入作为参考。

在图4的实施例中，输入信号被转换为HOM(这里采用LPG)并且压缩器级的输出被转换回为低阶模(LOM，lower order mode)或基本模(LP01)。因此，射出该设备的光为LOM。对某些应用，脉冲压缩器级的输出可以保留为HOM。例如，输出可以保留在HOM下并用来作为诸如放大器的两级设备的第二级的输入。

虽然可以看出或推断出本发明的短脉冲设备的输出是与光纤耦合的，它也可以与任何合适的介质耦合，例如，光学集成电路(OIC，optical integrated circuit)。其输出也可以在自由空间中传输，采用标准的准直透镜，或使用自由空间光束转换器被转换为任何期望的光束形状。HOM的自由空间校准和传输的前景尤其对高功率通信应用有吸引力，其低发散角度可以产生有效的准直性。光纤中的HOM模比基本模发散性更小，因此适合这种应用。

制造具有图5中所示特性的光纤的方法是已知的，并得到了充分的发展。其纤芯区通常包括在最大系数位置浓度低于10wt％的掺锗硅石，并按半径划分等级以提供期望的形状。中心纤芯的典型半径小于20微米。内包层区域可以不掺杂或少量地掺杂。

在以上描述的设备中，设备的输入可以是LP01或是被转换为更高阶HOM的HOM。例如，输入可以是LP02，以及例如转换到LP08的模。输出可以用于HOM，而不是转换回LP01。

以上提到的作为优选的模的HOM为LPy，其中y为04或更高，或04-10。同样适合本发明的是LP1y模，其中y为4或更高，或4-10。因此优选的模为LPx，y，其中x为0或1，并且y为04或更高，或04-10。

同样，在以上描述的设备中，在短脉冲发生器后面的是压缩级。压缩级也可以用在光纤系统的其它位置。例如，经过较长距离传输的光脉冲可能因为光纤的传输特性而发散。脉冲压缩级可能会用于与转发器级放大器相连，或位于系统的远端。

虽然原则上这里所描述的设备可以在较宽波段的脉冲频率和脉冲长度上工作，本发明最好用于脉冲为飞秒脉冲的设备(即小于1皮秒)。在优选的实施例中，其脉冲小于200飞秒。

作为替代，本发明用于在脉冲长度无限的应用中，即用于CW模中。

除了提供有效的脉冲序列，本发明的方法和设备也可以提供增益。这在2005年4月4日提出的美国专利申请No.11/105850中有描述，在前文中有参考。该设备的任何光纤部件都可以掺杂以提供增益，例如掺杂铒。

本领域技术人员可以对本发明做其它不同的改动。基本依赖于提出本发明所根据的原理及其等价原理的与本说明书中所指导的特定内容的背离都可以在本发明所描述和要求保护的范围内适当考虑。