本發(fā)明涉及短脈沖光纖環(huán)形激光系統(tǒng)。具體地，本發(fā)明涉及無(wú)源鎖模光纖環(huán)形腔，配置為產(chǎn)生亞納秒巨大啁啾脈沖。

背景技術(shù)：

術(shù)語(yǔ)表

材料的反常色散是指其中折射率隨著逐漸增加的波長(zhǎng)而增大的材料。

帶寬是用于表示通過(guò)入射能量的光譜的特定部分的波長(zhǎng)范圍。

阻擋范圍是用于表示由濾波器衰減的能量的光譜區(qū)域的波長(zhǎng)間隔。

中心波長(zhǎng)(CWL)是在長(zhǎng)波長(zhǎng)和短波長(zhǎng)斜率處的最大振幅的一半之間的中點(diǎn)。

啁啾脈沖是指其中瞬時(shí)中心波長(zhǎng)(頻率)在時(shí)域中隨脈沖變化的脈沖。

期望的脈沖是在環(huán)形腔中產(chǎn)生的具有期望的光譜寬度和持續(xù)時(shí)間的脈沖。

色散是指材料中光傳播速度(或折射率)對(duì)波長(zhǎng)的依賴性。

隔離器是指允許僅在一個(gè)方向上傳輸光的設(shè)備。

在常規(guī)意義上，線性度是指可以被圖形化地表示為直線的數(shù)學(xué)關(guān)系，如在彼此直接成比例的兩個(gè)量中。

線性頻率啁啾是指其中頻率在時(shí)域中隨脈沖線性變化的脈沖。

非線性是光與物質(zhì)在狀態(tài)中的相互作用，其中材料對(duì)所施加的電磁場(chǎng)的響應(yīng)在該場(chǎng)的振幅上是非線性的。

非線性相位獲取是指相位相對(duì)于電場(chǎng)振幅的非線性增益；非線性相位獲取的表現(xiàn)之一是由于自相位調(diào)制非線性現(xiàn)象而引起的光脈沖的光譜分量的拓寬。

材料的正常(正)色散是指其中折射率隨著逐漸增加的波長(zhǎng)而減小的材料。

光學(xué)濾波器被配置為選擇性地透射特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光，同時(shí)阻擋其余部分。它們通?？梢酝ㄟ^(guò)僅長(zhǎng)波長(zhǎng)(長(zhǎng)通)濾波器、僅短波長(zhǎng)(短通)濾波器。

光路是幾何路徑和折射率的乘積。

振蕩器的周期性(邊界)條件是每個(gè)單次通過(guò)環(huán)形腔之后脈沖參數(shù)的重復(fù)性。

相位是相對(duì)于原點(diǎn)已經(jīng)消逝的波周期的一部分。

相移是指不對(duì)齊的兩個(gè)多波。相移可以由各個(gè)相同波的光路差引起。

間距(Pitch)是指從一次往返到另一次往返在環(huán)形腔的任何給定點(diǎn)處在初步具有不同特性的情況下沿著環(huán)形腔被引導(dǎo)的光的發(fā)展脈沖。

脈沖持續(xù)時(shí)間τp是其中功率是峰值功率(FWHM)的至少一半的時(shí)間間隔的寬度。超短脈沖是皮秒-飛秒脈沖持續(xù)時(shí)間范圍內(nèi)的脈沖。

脈沖能量是峰值功率和脈沖寬度的乘積(然而，其是正方形脈沖近似，因?yàn)槲覀冊(cè)谙旅嬗懻摼哂休^高瞬時(shí)強(qiáng)度的脈沖部分以解釋NALM的性能，我們應(yīng)該將其改寫(xiě)為“時(shí)間脈沖強(qiáng)度曲線下的面積”)，基本上是脈沖內(nèi)的面積。

Q因子通常是所存儲(chǔ)的能量與每次往返耗散的能量的比。

光譜域是即使在瞬時(shí)頻率恒定的脈沖(即，沒(méi)有啁啾的脈沖)中也描述有限光譜寬度(帶寬)的光脈沖的特性。

自相位調(diào)制(SPM)是由介質(zhì)的折射率對(duì)光脈沖的強(qiáng)度的依賴性所引起的現(xiàn)象，并且通過(guò)包括光脈沖的拓寬在內(nèi)的光譜和時(shí)間調(diào)制來(lái)表現(xiàn)。

自相似脈沖(“相似性”)是指能夠?qū)⒃诜蔷€性過(guò)程中獲取的相位轉(zhuǎn)換為線性頻率啁啾的拋物線脈沖。

信號(hào)是指從間距發(fā)展的光脈沖，其特征在于在單次往返期間連續(xù)改變參數(shù)，但在連續(xù)往返期間在環(huán)形腔的任何給定點(diǎn)處具有相同的特性。

短脈沖是指具有亞納秒范圍內(nèi)的持續(xù)時(shí)間的脈沖。

孤子是指啁啾脈沖，其在傳播通過(guò)環(huán)形腔時(shí)保持其時(shí)間和光譜形狀。

時(shí)域是與光功率P相關(guān)的光脈沖的特性，即，每單位時(shí)間的能量?jī)H在短時(shí)間間隔內(nèi)是可感知的，而在所有其他時(shí)間接近于零。

瞬態(tài)脈沖是繞環(huán)形腔引導(dǎo)的發(fā)展脈沖，并且具有與期望脈沖的光譜寬度和持續(xù)時(shí)間不同的光譜寬度和持續(xù)時(shí)間(特別是在時(shí)間上可以更小或更大)。

技術(shù)概覽

短脈沖光纖激光系統(tǒng)提供創(chuàng)新的架構(gòu)和更高的脈沖峰值強(qiáng)度以及高脈沖頻率重復(fù)率，有助于以前所未有的質(zhì)量、精度和速度制造組件。由于脈沖的持續(xù)時(shí)間短，激光能量可以在與能夠沉積的熱相比更短的時(shí)間內(nèi)輸入到材料，因此防止對(duì)部件的熱損傷。毫不奇怪，工業(yè)亞納秒激光系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了從醫(yī)療器械市場(chǎng)到許多其他主要行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

脈沖激光系統(tǒng)必要地配置有具有激光腔的脈沖發(fā)生器或振蕩器。在腔中循環(huán)并且與損耗相比具有更多增益的頻率被稱為縱向模式，并且可以被認(rèn)為是獨(dú)立振蕩器的組件。當(dāng)在腔中循環(huán)時(shí)，對(duì)于這里特別感興趣的配置有環(huán)形腔的光纖激光器，縱向模式被分開(kāi)ΔF＝v/L，其中，L是腔長(zhǎng)度，v是光速。當(dāng)這些模式彼此獨(dú)立地振蕩時(shí)，激光器連續(xù)發(fā)射。然而，當(dāng)在各模式之間存在固定的相移時(shí)，腔發(fā)射脈沖串并且變成鎖模的。

用于產(chǎn)生超短脈沖的若干種方法是公知的。這些方法之一(無(wú)源鎖模)是所公開(kāi)主題的一部分。無(wú)源鎖模的關(guān)鍵是在環(huán)形腔中存在對(duì)增加的峰值強(qiáng)度具有非線性響應(yīng)的至少一個(gè)分量。已知若干架構(gòu)用于執(zhí)行無(wú)源鎖模方法。

這些架構(gòu)之一是非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NLPR)，其可以使用圖1所示的環(huán)形腔來(lái)更好地理解。放置在兩個(gè)偏振控制器之間的偏振隔離器用作鎖模元件。它起到隔離器和偏振器的雙重作用，使得離開(kāi)隔離器的光線性地偏振。放置在隔離器后面的偏振控制器將偏振狀態(tài)改變?yōu)闄E圓形。由于施加在正交偏振分量上的由自相位和交叉相位引起的相移，偏振狀態(tài)在脈沖的傳播期間非線性地演變。由于非線性相移的強(qiáng)度依賴性，偏振的狀態(tài)在脈沖上是不均勻的。調(diào)節(jié)第二偏振控制器(在隔離器之前的一個(gè))，使得它迫使偏振在脈沖的中心部分是線性的。偏振隔離器使脈沖的中心強(qiáng)部分通過(guò)，但阻擋(吸收)低強(qiáng)度脈沖翼。最終結(jié)果是，在環(huán)形腔內(nèi)一次往返之后脈沖被縮短。因此，與雙折射光纖一起工作的偏振相關(guān)隔離器可以產(chǎn)生強(qiáng)度相關(guān)損耗。

通過(guò)使用包括孤子、通常腔色散純粹正常的增益導(dǎo)向孤子及類似物在內(nèi)的NLPR架構(gòu)，可以成功地產(chǎn)生各種超高能量脈沖。然而，偏振控制器需要具有精細(xì)控制系統(tǒng)的復(fù)雜反饋。NLPR工藝對(duì)環(huán)境變化和封裝條件敏感。結(jié)果，難以滿足周期性條件，即，在激光腔的每次往返之后在一致位置處脈沖特性的再現(xiàn)性。

干涉光纖架構(gòu)具有兩種一般類型：圖2A中所示的非線性光環(huán)路鏡(NOLM)和圖2B所示的非線性放大環(huán)路鏡(NALM)。這兩個(gè)器件根據(jù)Sagnac干涉儀操作進(jìn)行操作。后者由熔接光纖耦合器構(gòu)成，該熔接光纖耦合器的輸出端口被接合在一起以形成環(huán)路，并且通過(guò)不等于50％的耦合器分光(NOLM)，或者通過(guò)包括更接近耦合器端口之一的內(nèi)置光纖放大器(NALM)，使反向傳播強(qiáng)度Ic(順時(shí)針)和Icc(逆時(shí)針)不相等。

由于非線性折射率，具有不等強(qiáng)度的光學(xué)副本獲得微分相移。例如，在2A中，耦合器在承載于具有強(qiáng)度Icc的逆時(shí)針傳播副本中的(50-n)％(Icc)與順時(shí)針副本中的(50+n)％(Ic)之間，分離信號(hào)的光強(qiáng)度。因此，如果順時(shí)針副本的Ic足夠強(qiáng)以觸發(fā)光纖的非線性響應(yīng)，即引起SPM，并且另一副本的Icc低，則顯著的微分相移在反向傳播副本的具有不同瞬時(shí)強(qiáng)度的部分之間累積。通過(guò)熔接耦合器傳播，副本相互干擾。僅獲得與高強(qiáng)度脈沖尖端相對(duì)應(yīng)的非匹配相位的副本的部分在它們?cè)诃h(huán)路上傳播期間由于SPM過(guò)程而相長(zhǎng)干涉，從而形成已知的NALM。

根據(jù)干涉鎖模架構(gòu)配置的激光器表示相對(duì)新的、很少使用的結(jié)構(gòu)，其使得關(guān)于該特定方法的實(shí)際優(yōu)點(diǎn)或缺點(diǎn)的討論相當(dāng)困難。然而，如NLPR的NOLM/NALM架構(gòu)可能不具有期望的穩(wěn)定性，即，輸出脈沖可能不是均勻的。脈沖不均勻性導(dǎo)致不良激光器性能。此外，如NLPR的NOLM/NALM架構(gòu)既不簡(jiǎn)單也不是特別有成本效益的。

因此需要一種全新的架構(gòu)，其可操作以在環(huán)形腔脈沖發(fā)生器中執(zhí)行無(wú)源鎖模，該環(huán)形腔脈沖發(fā)生器具有能夠輸出均勻和高能的亞納秒光脈沖的簡(jiǎn)單、堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

與被設(shè)計(jì)為產(chǎn)生啁啾脈沖的所有已知架構(gòu)相反，所公開(kāi)的環(huán)形腔沒(méi)有具有非線性響應(yīng)的單個(gè)單獨(dú)元件。換句話說(shuō)，當(dāng)脈沖通過(guò)每個(gè)單獨(dú)的元件傳播時(shí)，光譜分量的強(qiáng)度僅線性地變化。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)中的非線性效應(yīng)是在環(huán)形腔內(nèi)的脈沖演進(jìn)期間產(chǎn)生新光譜分量的結(jié)果。正是這些新光譜分量使得脈沖通過(guò)以不同中心波長(zhǎng)為中心的兩個(gè)光譜濾波器，使其峰值強(qiáng)度非線性地變化。由于與其他類型的發(fā)生器(如CW和Q開(kāi)關(guān))相比，鎖模具有低損耗，新光譜分量使得模式同步的過(guò)程具有高度競(jìng)爭(zhēng)性。

本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生包括孤子、類似物等在內(nèi)的各種類型的脈沖，并且特別有利于產(chǎn)生具有巨大啁啾的超短脈沖。關(guān)于巨大啁啾脈沖生成，兩個(gè)步驟對(duì)于建立短脈沖發(fā)生器的無(wú)源鎖模狀態(tài)是重要的：(a)從較寬的脈沖中濾除光譜窄脈沖，以及(b)由于影響長(zhǎng)光纖中的光的非線性效應(yīng)，在頻域和時(shí)域二者中拓寬所形成的窄脈沖。這兩個(gè)步驟的結(jié)果是圖3的線性正啁啾脈沖，即與初始脈沖相比在頻域和時(shí)域二者中被拓寬的脈沖，并且具有在脈沖上線性變化的載波頻率。載波頻率的線性對(duì)于進(jìn)一步壓縮這樣擴(kuò)展的脈沖是重要的。

輸出啁啾脈沖的原因是激光技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所熟知的-有必要在一定程度上降低激光器(和放大器)可用的脈沖峰值強(qiáng)度，因?yàn)榉駝t有害的非線性效應(yīng)和光學(xué)損傷將破壞脈沖發(fā)生器(和放大器)的操作。通過(guò)擴(kuò)展脈沖持續(xù)時(shí)間或啁啾，將峰值功率保持在安全級(jí)別，然后在隨后的一個(gè)或多個(gè)放大級(jí)之后將輸出脈沖壓縮至原始持續(xù)時(shí)間，來(lái)找到該問(wèn)題的解決方案。

本發(fā)明的巨大啁啾脈沖發(fā)生器配置有在一個(gè)方向上引導(dǎo)光的環(huán)形光纖波導(dǎo)或腔。光纖波導(dǎo)包括提供環(huán)形光纖波導(dǎo)內(nèi)光傳播的期望方向性的光纖隔離器。全部構(gòu)成環(huán)形光纖波導(dǎo)的多個(gè)光纖組件被組織在多個(gè)光纖鏈中，每個(gè)光纖鏈必需包括一個(gè)放大器、一個(gè)光纖線圈和一個(gè)光譜濾波器。在本發(fā)明的脈沖發(fā)生器的啟動(dòng)階段期間，響應(yīng)于從外部種子源發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)具脈沖或通過(guò)泵人為引起的噪聲，在由連續(xù)波(CW)分量和間距分量表征的期望光譜范圍內(nèi)的第一光纖放大器中放大自發(fā)射(ASE)。通過(guò)第一光纖線圈傳播，間距在光譜上和時(shí)間上有所拓寬，并且在第一濾波器中進(jìn)一步在光譜上被濾波。例如，間距的長(zhǎng)波長(zhǎng)子區(qū)域從沿期望方向的進(jìn)一步傳播中被濾除。

經(jīng)濾波的脈沖分量在第二放大器中被進(jìn)一步放大到峰值強(qiáng)度，該峰值強(qiáng)度足以在通過(guò)第二光纖線圈傳播時(shí)引起自相位調(diào)制(SPM)非線性效應(yīng)。SPM通過(guò)脈沖分量的光譜和時(shí)間拓寬來(lái)表現(xiàn)，該脈沖分量通過(guò)圍繞中心分量產(chǎn)生新的頻率分量或模式來(lái)表現(xiàn)。一些新產(chǎn)生的頻率分量與第二濾波器的頻率帶通部分地重疊，與第一濾波器相比，第二濾波器截止了間距的短波長(zhǎng)子區(qū)域。新的光譜分量的產(chǎn)生僅在足以引起自相位調(diào)制現(xiàn)象的間距(即，具有同步模式的間距)的特定峰值強(qiáng)度處變得可能。

間距的循環(huán)可以繼續(xù)通過(guò)第一組的第一放大器、光纖線圈和濾波器組合，該組合再次被配置為分別放大、在光譜和時(shí)間上拓寬并且最后濾除發(fā)展脈沖分量。這樣，發(fā)展間距最終在第二放大器中被放大到期望的峰值強(qiáng)度，該峰值強(qiáng)度在間距的這種拓寬中是有用的，其完全覆蓋第二濾波器的帶通。在這點(diǎn)上，間距在第二濾波器中具有有所降低的峰值強(qiáng)度損失，但在隨后的第一放大器中被完全補(bǔ)償，從而在光譜上發(fā)展為期望的信號(hào)。第一光纖線圈中的后續(xù)的光譜和時(shí)間擴(kuò)展信號(hào)的預(yù)定百分比作為具有期望光譜寬度、強(qiáng)度和能量的脈沖被引導(dǎo)到環(huán)形波導(dǎo)外部，以在被光譜壓縮之前在至少一個(gè)放大級(jí)中進(jìn)一步放大。

所公開(kāi)的脈沖發(fā)生器的啟動(dòng)需要外部源以產(chǎn)生噪聲，其中當(dāng)被放大時(shí)，與連續(xù)波產(chǎn)生的光譜相比，噪聲產(chǎn)生演變脈沖的光譜拓寬。在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，與脈沖狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)光譜相比，由于具有窄線帶通但具有不同中心頻率的多個(gè)空間濾波器的操作，低頻噪聲或CW生成不能被充分放大。本發(fā)明的脈沖發(fā)生器中的啟動(dòng)方案的配置取決于外部噪聲生成源的類型。特別地，多個(gè)濾波器之間的光譜關(guān)系是外部源配置的直接結(jié)果。

在一個(gè)啟動(dòng)方案中，外部源(例如二極管激光器)作為泵進(jìn)行操作以輸出波長(zhǎng)不同于所公開(kāi)的脈沖發(fā)生器的工作波長(zhǎng)的光。在該實(shí)施例中，本發(fā)明的脈沖發(fā)生器配置有具有重疊帶通的光譜濾波器。濾波器的這種配置提供了對(duì)可以由量子或其他類型的噪聲自發(fā)地形成的CW窄線生成和/或具有禁止高能量的Q開(kāi)關(guān)脈沖的辨別。

然而，CW分量在激光器鎖模的瞬態(tài)階段期間在所公開(kāi)的脈沖發(fā)生器的適當(dāng)功能中起重要作用。每個(gè)放大器的特征在于能量的顯著累積。通過(guò)這些放大器的間距可能在放大器的輸出處具有禁止的高峰值強(qiáng)度，這可能導(dǎo)致不僅對(duì)脈沖發(fā)生器而且對(duì)后續(xù)放大級(jí)的完全損壞。為了在一定程度上減小這種累積能量，期望減少增益介質(zhì)中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這通過(guò)CW分量來(lái)實(shí)現(xiàn)，其可以被提供有不顯著的增益以減少放大器中的總體累積能量。減少的累積能量有助于減小間距的能量和脈沖峰值強(qiáng)度。在各個(gè)濾波器的重疊帶通之間形成未過(guò)濾的光譜區(qū)域允許CW分量沿著環(huán)形波導(dǎo)被引導(dǎo)通過(guò)該區(qū)域，并且實(shí)現(xiàn)累積能量的減少。

以CW泵為特征的實(shí)施例的另一方面涉及期望光譜區(qū)域中的自發(fā)射的放大，該期望光譜區(qū)域允許間距通過(guò)兩個(gè)濾波器的預(yù)定(和均勻)光譜寬度。期望光譜區(qū)域中的這種放大由特定形式的泵浦光確保。最初，泵輸出被控制為發(fā)射高功率短持續(xù)時(shí)間的數(shù)十微秒至毫秒的泵浦預(yù)脈沖，以在所需光譜區(qū)域內(nèi)引發(fā)噪聲。因此需要預(yù)脈沖來(lái)填充頻域和時(shí)域中的噪聲分布的相位空間。隨后，在泵的輸入處的電流信號(hào)被中斷，并且在預(yù)脈沖中提供的能量足以放大與兩個(gè)濾波器的帶寬相對(duì)應(yīng)的期望光譜區(qū)域內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)小強(qiáng)度峰值。此后，泵輸出幅度低于初始泵浦信號(hào)的幅度的CW輻射，其允許間距發(fā)展成期望的信號(hào)并建立鎖模狀態(tài)。

在另一實(shí)施例中，啟動(dòng)方案設(shè)置有在脈沖發(fā)生器的工作波長(zhǎng)處發(fā)射一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具脈沖的種子。這些脈沖沿著環(huán)形波導(dǎo)以一定的重復(fù)率被引導(dǎo)，該重復(fù)率可以與響應(yīng)于來(lái)自在種子之后的某個(gè)時(shí)間被開(kāi)啟的泵的泵浦光而在環(huán)形波導(dǎo)中產(chǎn)生的間距相同或不同。在種子被關(guān)閉之后，這些標(biāo)準(zhǔn)具脈沖消失，但是在放大器中存儲(chǔ)的過(guò)量能量減少到適當(dāng)?shù)陌踩?jí)別之前不會(huì)消失，以防止產(chǎn)生Q開(kāi)關(guān)脈沖。在該實(shí)施例中，濾波器可以或可以不具有各自的帶通重疊。

在產(chǎn)生耗散孤子或類似物的穩(wěn)定自起動(dòng)狀態(tài)中，所公開(kāi)的脈沖發(fā)生器類似于其他環(huán)形架構(gòu)操作，例如NOLM/NALM和NLPR，其中它們均具有單獨(dú)的非線性元件。這是因?yàn)樵诜€(wěn)定狀態(tài)中，這樣的元件基本上不影響脈沖的演進(jìn)，而是僅對(duì)于從噪聲形成脈沖是必要的。但是在穩(wěn)定狀態(tài)中，本發(fā)明的脈沖發(fā)生器可操作為每次往返最多輸出期望的啁啾脈沖，這與信號(hào)光重復(fù)地通過(guò)腔體的線性腔相反。這種輸出的實(shí)現(xiàn)包括直接位于光纖線圈之一下游的一個(gè)輸出耦合器或緊接在各個(gè)光纖線圈下游的兩個(gè)輸出耦合器。在兩個(gè)輸出耦合器的情況下，啁啾脈沖每半個(gè)往返從環(huán)形波導(dǎo)耦合輸出。

附圖說(shuō)明

根據(jù)伴隨附圖的以下具體描述，所公開(kāi)的脈沖發(fā)生器的上述和其他特征將變得更加清楚，附圖中：

圖1是基于NLPR架構(gòu)的脈沖發(fā)生器的已知配置；

圖2A和圖2B是相應(yīng)的NOLM和NALM架構(gòu)的已知配置；

圖3是已知的線性啁啾脈沖；

圖4是本發(fā)明的脈沖發(fā)生器的光學(xué)示意圖；

圖5A至圖5C示出了脈沖發(fā)生器在啟動(dòng)狀態(tài)和穩(wěn)定脈沖發(fā)生狀態(tài)中的操作的原理；

圖6A至圖6D示出了通過(guò)圖4和圖5C的脈沖發(fā)生器的濾波器時(shí)的信號(hào)光譜；

圖7A和圖7B示出了在本發(fā)明的脈沖發(fā)生器的不同啟動(dòng)方案中外部源的操作的原理；

圖8示出了在所公開(kāi)的圖4的脈沖發(fā)生器中包括的增益模塊的示意圖；

圖9示出了圖4的激光器中改變的增益模塊的示意圖。

具體實(shí)施方式

通過(guò)介紹的方式，所公開(kāi)的無(wú)源鎖模脈沖發(fā)生器配置有包括多個(gè)特定濾波器的新穎架構(gòu)，這些特定濾波器彼此組合地產(chǎn)生能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定鎖模操作的非線性響應(yīng)。

圖4示出了本發(fā)明的配置有環(huán)形波導(dǎo)或環(huán)形腔10的脈沖發(fā)生器，其中多個(gè)光纖放大器12和20之一的輸出對(duì)另一光纖放大器進(jìn)行播種。在第一和第二放大器12和20之間，兩個(gè)或更多個(gè)相同的光纖元件組或鏈耦合在一起以限定環(huán)形腔10。除了光纖放大器之外，每個(gè)鏈包括提供信號(hào)的相應(yīng)周期性光譜和時(shí)間拓寬的光纖線圈16、22以及用于對(duì)拓寬的信號(hào)進(jìn)行光譜濾波的窄線濾波器18、24。濾波器的配置對(duì)于普通技術(shù)人員是公知的，并且通常包括具有多個(gè)介電層的相對(duì)厚的反射鏡，所述介電層僅能夠通過(guò)期望的光譜范圍，并且根據(jù)需要，引入正?；蚍闯５纳ⅲ缦旅嫠懻摰?。濾波器可以具有基本上相同的帶寬。備選地，濾波器中的一個(gè)可以被配置有比其他濾波器的帶通寬至多五(5)倍的帶通。此外，每個(gè)濾波器的帶通應(yīng)該比輸出脈沖55的帶通窄2至10倍。然而，在一些情況下，期望的脈沖寬度可能比濾波器的帶通窄。光譜拓寬和濾波的序列對(duì)于產(chǎn)生具有所需光譜寬度、脈沖持續(xù)時(shí)間和能量的巨大啁啾的脈沖是必要的，這是本發(fā)明的目的之一。環(huán)形波導(dǎo)10還包括：一個(gè)或多個(gè)隔離器28，其提供繞波導(dǎo)的光的單向引導(dǎo)；以及一個(gè)或多個(gè)輸出耦合器30，其位于緊鄰相應(yīng)光纖線圈16、22的下游。輸出耦合器各自引導(dǎo)環(huán)形波導(dǎo)10外部的啁啾脈沖55。解耦脈沖55可以在一個(gè)或多個(gè)放大級(jí)中進(jìn)一步被放大。為了在放大器的增益介質(zhì)中產(chǎn)生期望的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即，為了開(kāi)始本發(fā)明的脈沖發(fā)生器的操作，一個(gè)或兩個(gè)CW泵26光學(xué)地耦合到相應(yīng)的放大器。所有上述公開(kāi)的組件通過(guò)單橫模(SM)光纖相互連接。所公開(kāi)的脈沖發(fā)生器的操作將在下文中討論，并且包括非飽和啟動(dòng)和飽和穩(wěn)態(tài)脈沖產(chǎn)生(鎖模)階段。

除了圖4外，還參考圖5A和圖5B，啟動(dòng)階段包括種子注入(圖5A)和過(guò)渡階段(圖5B)。啟動(dòng)階段提供在期望的光譜范圍內(nèi)的間距的光譜拓寬，使得其光譜寬度變得比CW生成的光譜寬度寬。本發(fā)明公開(kāi)了啟動(dòng)架構(gòu)的兩種不同配置。

啟動(dòng)配置之一包括兩個(gè)CW泵浦源26(圖4)，例如CW二極管激光器或CW光纖激光器。泵26均輸出耦合到放大器12、20的增益介質(zhì)中的泵浦光，其波長(zhǎng)λp短于在脈沖發(fā)生器的穩(wěn)態(tài)階段期間通過(guò)輸出耦合器30輸出的期望啁啾脈沖的工作波長(zhǎng)λo。在圖5A至圖5B所示的啟動(dòng)階段期間的間距演進(jìn)的圖形表示不是精確的，而是旨在示出幫助理解環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)的過(guò)程的一般趨勢(shì)。

具體參考圖5A，當(dāng)一個(gè)或兩個(gè)放大器的增益介質(zhì)接收到泵浦光時(shí)，脈沖發(fā)生器以連續(xù)的方式開(kāi)始操作，但在CW輻射的期望光譜區(qū)域中具有激光噪聲的顯著波動(dòng)。后者的光譜特征具有一個(gè)或多個(gè)低強(qiáng)度間距38(僅示出一個(gè))，每個(gè)間距在時(shí)域34中被拉伸并具有窄的光譜線寬36，如步驟1-2所示。當(dāng)期望光譜區(qū)域內(nèi)的噪聲通過(guò)輸入耦合器32(步驟2)時(shí)，間距38僅經(jīng)歷輕微的光譜拓寬。注意，由于多個(gè)泵26，導(dǎo)致幾乎同時(shí)地或在非常短的時(shí)間延遲內(nèi)在環(huán)形波導(dǎo)中發(fā)生兩個(gè)信號(hào)發(fā)展過(guò)程，即間距到信號(hào)，但是為了清楚起見(jiàn)，在這里僅僅進(jìn)一步詳細(xì)地公開(kāi)了一個(gè)過(guò)程。

在種子注入階段的步驟3中，第一放大器12操作為增加間距38的峰值強(qiáng)度。通過(guò)第一線圈16進(jìn)一步傳播，由于由增加的峰值強(qiáng)度引起的相對(duì)弱的自相位調(diào)制非線性效應(yīng)(SPM)，間距38在時(shí)域中擴(kuò)展并在頻域中在光譜上拓寬，如步驟4所示。然而，后者對(duì)于實(shí)質(zhì)的光譜拓寬還不夠。如此放大和拓寬的間距38(在其點(diǎn)處，輸出耦合器30處的功率損耗不重要，如步驟5所示)進(jìn)一步耦合到第一濾波器18中。后者被配置為例如區(qū)分期望頻率范圍的長(zhǎng)波長(zhǎng)，即，其通過(guò)短波長(zhǎng)的子區(qū)域，同時(shí)阻擋較長(zhǎng)波長(zhǎng)，如步驟6所示。當(dāng)然，濾波器18可以被配置為在通過(guò)長(zhǎng)波長(zhǎng)的子區(qū)域的同時(shí)阻擋短波長(zhǎng)。

在第一濾波器18的輸出端處的瞬態(tài)脈沖被進(jìn)一步播種在第二放大器20中，這顯著增大了間距的峰值強(qiáng)度，如步驟7所示。后者繼而在第二光纖線圈22中引起比在第一光纖線圈16中的相位調(diào)制更強(qiáng)的相位調(diào)制，如步驟8所示。實(shí)際上，沿著間距38的前(長(zhǎng)波長(zhǎng))沿的新產(chǎn)生的頻率分量進(jìn)入第二濾波器24的帶通，該第二濾波器24被配置為在該示例性方案中區(qū)分短波長(zhǎng)，如步驟9所示。在輸出第二濾波器24處，間距的模式具有固定的相位關(guān)系，即模式是同步的。然而，間距38的峰值強(qiáng)度和光譜寬度都沒(méi)有達(dá)到期望的閾值。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖5B，過(guò)渡階段開(kāi)始于先前的非飽和種子注入階段結(jié)束的地方。來(lái)自濾波器24的間距耦合到第一放大器12中，其中其峰值強(qiáng)度再次升高到足以引起SPM效應(yīng)的水平，導(dǎo)致在第一光纖線圈16中產(chǎn)生新的頻率。比較圖5A和圖5B的相同步驟4，清楚地看出，當(dāng)與種子注入階段相比時(shí)，在過(guò)渡階段期間，間距在光譜域中基本上被拓寬并且在時(shí)域中被拉伸。然而，間距38的光譜寬度仍然可能不足以完全覆蓋第一濾波器18的帶通，因此再次切斷通過(guò)的瞬態(tài)脈沖的長(zhǎng)波長(zhǎng)。第二放大器22最終將峰值強(qiáng)度增大到期望的水平，該水平足以在其傳播通過(guò)第二光纖線圈22時(shí)將間距的光譜寬度和持續(xù)時(shí)間拓寬到相應(yīng)的期望光譜寬度和持續(xù)時(shí)間。在達(dá)到期望光譜寬度之后，間距在完全覆蓋濾波器24的帶通的第二線圈之后完全發(fā)展為具有該光譜寬度的信號(hào)50。如上所述，啟動(dòng)步驟被公開(kāi)為在間距38完全發(fā)展為期望信號(hào)之前具有間距38的一個(gè)或多個(gè)往返行程。原則上，在某些條件下，半個(gè)往返可能足以形成期望信號(hào)50，在這種情況下，期望信號(hào)50將在種子注入階段完全形成。

雖然以上描述突出了脈沖發(fā)展，但是CW組件在上述啟動(dòng)架構(gòu)中起著至關(guān)重要的作用。環(huán)形腔10配置有高品質(zhì)因數(shù)Q，這意味著高能量在光纖放大器中的累積。如果該能量沒(méi)有減小，則本發(fā)明的環(huán)形波導(dǎo)將產(chǎn)生具有高能量級(jí)別的Q開(kāi)關(guān)脈沖，這樣的高能量級(jí)別使得脈沖發(fā)生器可能容易地?fù)p壞。通過(guò)圖4的兩個(gè)濾波器18和24的特定配置來(lái)實(shí)現(xiàn)能量減小。選擇各個(gè)濾波器的中心波長(zhǎng)λc1、λc2，使得一個(gè)濾波器的帶通與另一個(gè)濾波器的帶通重疊，如圖4所示。兩個(gè)濾波器之間的重疊光譜區(qū)域40允許消耗在兩個(gè)放大器中累積的過(guò)量能量的CW分量的傳播。然而，CW分量的量應(yīng)當(dāng)被放大，使得其不與主鎖模過(guò)程競(jìng)爭(zhēng)。如果濾波器具有彼此不同的各個(gè)透射率幅度，則重疊區(qū)域通過(guò)的透射率不大于具有最高透射率的濾波器的最大濾波器透射率的10％，但優(yōu)選地不小于具有最低透射率的濾波器的0.1％。然而，濾波器可以配置有相同的透射率幅度?？偠灾?，具有彼此重疊的相應(yīng)帶通的兩個(gè)濾波器18和24串聯(lián)地用于1.抑制CW輻射，以及2.在穩(wěn)定的鎖模狀態(tài)下將間距發(fā)展為期望的信號(hào)。

結(jié)合圖4討論的圖7A示出了以上公開(kāi)的啟動(dòng)架構(gòu)的另一特征，并且涉及間距在期望頻率區(qū)域中的放大。實(shí)際上，沒(méi)有人知道需要多少時(shí)間來(lái)開(kāi)始對(duì)在最終終止于濾波器的期望波長(zhǎng)范圍內(nèi)的寬帶低頻噪聲內(nèi)的弱間距進(jìn)行放大。為了確保發(fā)展間距在期望的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，泵26均具有電流調(diào)制輸入。最初，幾分之一毫秒到幾毫秒的泵浦光42(圖7A)的高振幅和短持續(xù)時(shí)間發(fā)射預(yù)脈沖被耦合到環(huán)形波導(dǎo)10(圖4)中，然后泵26的輸入被中斷約達(dá)初始泵浦光的持續(xù)時(shí)間。這種接通/關(guān)斷操作允許瞬時(shí)累積的能量分布在寬范圍的寬帶低頻噪聲上，必然放大期望頻率范圍內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)瞬態(tài)脈沖。此后，泵26再次接通并且在輸出幅度比脈沖發(fā)生器工作期間的預(yù)脈沖的幅度低的CW泵浦光44的CW狀態(tài)中無(wú)中斷地操作。CW泵幅度可以變化以調(diào)整輸出信號(hào)的參數(shù)。

參考圖4和圖7B，除了泵26之外，啟動(dòng)階段的替代配置包括一個(gè)或多個(gè)種子46(圖4)，其在泵26開(kāi)始操作之前接通，從而輸出泵浦光48(圖7A)的一個(gè)或多個(gè)均勻標(biāo)準(zhǔn)具脈沖。在泵開(kāi)始發(fā)射CW泵浦光之后不久，種子被去激勵(lì)之后，標(biāo)準(zhǔn)具脈沖逐漸衰減。這種配置與前一種配置一樣，有助于降低光纖激光器12和20中累積的能量，以防止產(chǎn)生Q開(kāi)關(guān)脈沖。標(biāo)準(zhǔn)具脈沖以接通和關(guān)斷種子的重復(fù)率傳播通過(guò)環(huán)形波導(dǎo)10，該種子不同于在期望的脈沖處從環(huán)形腔解耦的種子。種子46的使用還可以在一定程度上改變環(huán)形波導(dǎo)10的配置。波導(dǎo)10的改變的結(jié)構(gòu)可以具有配置有彼此不重疊的相應(yīng)帶通的濾波器18和24。然而，這種修改不是必須的，并且參考圖7A所公開(kāi)的環(huán)形波導(dǎo)10的未改變的結(jié)構(gòu)也適合于執(zhí)行該第二實(shí)施例。

參考圖5C和圖6A至圖6D，如這里所示，所公開(kāi)的脈沖發(fā)生器的穩(wěn)定階段在過(guò)渡階段結(jié)束時(shí)形成具有期望光譜寬度的信號(hào)50時(shí)立即開(kāi)始。在各個(gè)濾波器的重疊帶通的情況下，信號(hào)50的期望光譜寬度使得所發(fā)展的信號(hào)的一部分傳播通過(guò)重疊區(qū)域。在帶通不重疊的情況下，信號(hào)的期望光譜寬度使得其與連續(xù)濾波器的帶通重疊。

特別地，當(dāng)信號(hào)50通過(guò)濾波器18(圖6A)時(shí)，濾波器18濾除所有長(zhǎng)波長(zhǎng)模式，留下以中心波長(zhǎng)λ1為中心的信號(hào)50，如圖6B所示。在進(jìn)一步放大和光譜拓寬時(shí)，信號(hào)50獲取足以與濾波器24的整個(gè)帶通重疊的新頻率，與濾波器18相反，濾波器24阻擋所有短波長(zhǎng)的進(jìn)一步傳播(圖6C)。結(jié)果，信號(hào)50現(xiàn)在以第二中心波長(zhǎng)λ2為中心。進(jìn)一步放大和光譜拓寬的過(guò)程在環(huán)形腔中按信號(hào)的每半個(gè)往返重復(fù)自身。

一旦發(fā)展了信號(hào)50，它在輸出耦合器30(圖4)將脈沖55引導(dǎo)到腔外之前繞環(huán)形腔10進(jìn)行不超過(guò)一次的往返。優(yōu)選地，后者可以具有直接連接到第二光纖線圈22的輸出的附加輸出耦合器30，如圖4中的虛線所示。這種配置允許每半個(gè)往返對(duì)脈沖55進(jìn)行解耦。

上述公開(kāi)的脈沖發(fā)生器可以根據(jù)在放大器12和20的增益介質(zhì)中使用的稀土材料的離子，在任何期望的工作波長(zhǎng)下操作。僅作為示例，這些稀土材料可以包括鐿、鉺和銩。然而，被稱為光發(fā)射體的所有其他稀土材料可以成功地用作以上所列材料。在結(jié)構(gòu)上，除了兩個(gè)光纖鏈之外，使用附加的光纖鏈可以有益于確保解耦信號(hào)光脈沖的均勻峰值功率。

環(huán)形波導(dǎo)10的光纖組件可以被配置為具有正凈色散。后者在1微米波長(zhǎng)范圍內(nèi)是特別有利的，其中所有組件具有正常色散。然而，參考圖4，可以在一微米波長(zhǎng)范圍內(nèi)使用所公開(kāi)的具有所示元件之一的脈沖發(fā)生器，其中所示元件具有負(fù)色散，所述負(fù)色散不影響整體正凈色散。例如，可以通過(guò)將環(huán)形波導(dǎo)10的每個(gè)組件配置為具有正(正常)色散來(lái)獲得正凈色散。備選地，一個(gè)或多個(gè)組件可以具有反常(負(fù))色散，但后者不改變環(huán)形腔的整體正凈色散。例如，濾波器18和24中的每一個(gè)或兩者可以被配置為具有反常色散并且仍然被成功地用于一微米波長(zhǎng)范圍。在所有或大多數(shù)波導(dǎo)組件被配置為具有反常色散的情況下，波導(dǎo)10的凈色散可能是反常的。最終，環(huán)形腔10的凈色散可以為零。

優(yōu)選地，波導(dǎo)10的所有光纖組件被配置為偏振保持(PM)格式。然而，這些組件中的一些或所有組件可以不是PM組件。

參考圖8和圖9，放大器12和20各自包括稀土離子摻雜光纖128的組合，稀土離子摻雜光纖128的相對(duì)端被接合到相應(yīng)的輸入和輸出無(wú)源光纖130。光纖128具有能夠僅支持單橫?；蚨鄼M模(MM)的纖芯132。然而，在期望工作波長(zhǎng)(例如，1.06微米)下，MM光纖128的纖芯132被配置為通過(guò)選擇正確的摻雜劑分布而僅支持一個(gè)基模。換句話說(shuō)，當(dāng)SM光耦合到有源光纖128的MM纖芯132中時(shí)，其僅激發(fā)基橫模，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，基橫模具有接近于與SM光纖相似的高斯形狀強(qiáng)度分布的高斯形狀強(qiáng)度分布。如此產(chǎn)生的脈沖55(圖4)以單橫模的方式從脈沖發(fā)生器發(fā)射。備選地，光纖128可以在側(cè)泵浦方案中具有SM纖芯。

MM光纖向放大器提供了使用側(cè)泵浦方案的機(jī)會(huì)，側(cè)泵浦方案具有優(yōu)于必然與SM有源光纖結(jié)合的端泵浦方案的某些優(yōu)點(diǎn)。首先，側(cè)泵浦方案不需要使用僅能夠容忍有限功率的波分復(fù)用器(WDM)。因此，側(cè)泵浦方案的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生功率高于SM有源光纖的功率的脈沖的可能性，其當(dāng)然可以是MM有源光纖的替代。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠容易地實(shí)現(xiàn)公知的端泵浦技術(shù)。

圖9示出了具有雙瓶頸形狀橫截面的MM有源光纖128。該變型提供了直徑比纖芯端部134的直徑大的中心擴(kuò)大纖芯部132。該擴(kuò)大纖芯部132提供更大的泵浦功率和減小的光纖長(zhǎng)度，這使得基階模和高階模之間耦合的概率最小化。纖芯端部134被構(gòu)造為類似于圖7的端部，并且均具有與SM無(wú)源光纖的MFD匹配的MFD。

構(gòu)成環(huán)形波導(dǎo)10的元件可以具有正色散、負(fù)色散和零色散以及它們的組合。例如，如從共同待決的美國(guó)申請(qǐng)中已知的，配置具有總正色散的環(huán)形腔，以便在1微米波長(zhǎng)范圍內(nèi)使用它。環(huán)形腔包括具有不同類型的色散的多個(gè)光纖組件，所述多個(gè)光纖組件總體上為環(huán)形腔提供正色散。

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