光纤激光系统

1.本改进总体上涉及光纤激光系统领域，更具体地涉及光脉冲的产生。

背景技术：

2.光纤激光系统通常具有激光有源光纤、用以泵浦激光有源光纤的泵浦激光器以及当激光有源光纤被泵浦激光器泵浦时支持激光模式的激光腔。当激光模式彼此锁定时，激光模式被迫以周期性的方式彼此相长干涉，从而每次产生一个光脉冲。虽然产生光脉冲的现有光纤激光系统在一定程度上符合要求，但是仍然一直存在改进的空间，特别是在限制自由空间光学部件的数量、提高每个光脉冲的能量和/或产生更短的光脉冲方面。

技术实现要素：

3.在一个方面，描述了一种光纤激光系统，该光纤激光系统总体上具有产生泵浦激光束的泵浦激光器。该光纤激光系统具有光纤段，该光纤段光学耦合到泵浦激光器。光纤段具有激光腔，该激光腔带有光学增益区和将光学增益区夹在中间的两个光纤布拉格光栅。这两个光纤布拉格光栅具有彼此失谐的反射率剖面。因此，在用泵浦激光束对光学增益区进行泵浦时以及在锁模激光腔时，只有在传播通过光学增益区时被放大到足以发生光谱展宽的光脉冲在两个光纤布拉格光栅之间在激光腔内来回反射。例如，会被第一光纤布拉格光栅的反射率剖面反射但不会被放大到足以呈现光谱展宽的噪声将不会被第二光纤布拉格光栅的反射率剖面反射，反之亦然。该光纤激光系统具有光学耦合到激光腔的输出端，用于输出在激光腔内反射的光脉冲的至少一部分。
4.已发现，由于传统的均匀光纤布拉格光栅具有相对较窄的反射率剖面带宽和相对适中的反射率，因此每个光脉冲只有一部分可以在激光腔内被有效地反射。因此，已发现，通过提供具有带有至少0.2nm的半高全宽带宽和类高斯变迹的第一折射率剖面的第一光纤布拉格光栅，可以获得更大的脉冲能量和/或更大的可压缩性的光脉冲。例如，因为类高斯变迹可以限制在所得的反射率剖面中任何旁瓣的存在，因此这种变迹可以有利于在更大脉冲能量下的稳定性，从而提高所得的光脉冲的合意性。在第一折射率剖面具有变化光栅周期(即，啁啾)的实施例中，第一反射率剖面除了可以经历其带宽的拓宽之外，还可以经历其最大反射率值的增加，这可以反射激光腔内存在的光脉冲的更多部分。
5.根据本公开的第一方面，提供了一种光纤激光系统，包括：泵浦激光器，其产生泵浦激光束；光纤段，其光学耦合到泵浦激光器，该光纤段具有：具有腔路径的激光腔、具有第一反射率剖面的第一光纤布拉格光栅、具有第二滤光器剖面的第二滤光器以及沿着腔路径位于第一光纤布拉格光栅和第二滤光器之间的光学增益区，第一反射率剖面与第二滤光器剖面光谱失谐，第一光纤布拉格光栅具有包括至少0.2nm的半高全宽带宽和类高斯变迹的第一折射率剖面，其中，在用泵浦激光束泵浦光学增益区并对激光腔进行锁模时，光脉冲沿着腔路径循环；以及输出端，其光学耦合到激光腔并输出光脉冲的至少一部分。
6.此外，根据本公开的第一方面，第一光纤布拉格光栅的第一反射率剖面可以例如
具有至少40％的最大反射率值，并且半高全宽带宽为至少0.5nm。
7.更进一步地根据本公开的第一方面，第一反射率剖面的最大反射率值可以例如为至少50％。
8.更进一步地根据本公开的第一方面，第一反射率剖面的半高全宽带宽可以例如在大约4nm和大约5nm之间。
9.更进一步地根据本公开的第一方面，第一折射率剖面可以例如具有变化光栅周期，即啁啾。
10.更进一步地根据本公开的第一方面，第一折射率剖面和第二折射率剖面中相应的一个折射率剖面的变化光栅周期可以例如以线性方式变化，从而在第一反射率剖面和第二滤光器剖面中相应的一个剖面上提供线性延迟散。
11.又进一步地根据本公开的第一方面，线性延迟散可以例如比
±
0.5ps2更陡。
12.又进一步地根据本公开的第一方面，变化光栅周期的线性延迟散可以例如是由光学增益区提供的线性延迟散的至少两倍陡。
13.又进一步地根据本公开的第一方面，第二滤光器剖面可以例如具有小于第一反射率剖面的最大反射率值的最大反射率或透射率值，输出端光学耦合到第二滤光器。
14.又进一步地根据本公开的第一方面，第二滤光器例如可以是第二光纤布拉格光栅，第二滤光器剖面是与第一反射率剖面光谱失谐的第二反射率剖面。
15.又进一步地根据本公开的第一方面，第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅可以例如沿着腔路径将光学增益区的至少一部分夹在中间，从而腔路径是线性路径，光脉冲沿着该线性路径在第一光纤布拉格光栅与第二光纤布拉格光栅之间来回反射。
16.又进一步地根据本公开的第一方面，第二光纤布拉格光栅可以例如具有第二折射率剖面，该第二折射率剖面具有至少0.2nm的半高全宽带宽和类高斯变迹。
17.又进一步地根据本公开的第一方面，第二光纤布拉格光栅的第二反射率剖面可以例如具有至少40％的最大反射率值，并且半高全宽带宽为至少0.5nm。
18.又进一步地根据本公开的第一方面，第二反射率剖面的最大反射率值可以例如为至少50％。
19.又进一步地根据本公开的第一方面，第二反射率剖面的半高全宽带宽可以例如在大约4nm和大约5nm之间。
20.又进一步地根据本公开的第一方面，第二折射率剖面可以例如具有变化光栅周期。
21.又进一步地根据本公开的第一方面，该光纤激光系统可以例如还包括锁模器件，该锁模器件耦合到光纤段并有助于所述激光腔的所述锁模。
22.又进一步地根据本公开的第一方面，锁模器件可以例如具有纵向展宽第一光纤布拉格光栅和第二滤光器中的至少一者的展宽元件，从而修改第一反射率剖面与第二滤光器剖面之间的光谱失谐。
23.又进一步地根据本公开的第一方面，锁模器件可以例如具有光耦合器，该光耦合器光学耦合到光纤段并通向锁模臂。
24.又进一步地根据本公开的第一方面，光学增益区例如可以是激光有源铒掺杂区，泵浦激光束具有大约980nm的波长，第一反射率剖面具有大约1550nm的中心波长，并且第二
滤光器剖面具有大约1565nm的中心波长。
25.又进一步地根据本公开的第一方面，泵浦激光器可以例如是第一泵浦激光器，该光纤激光系统还包括第二泵浦激光器，该第二泵浦激光器光学耦合到光纤段，并且在所述泵浦期间沿着所述光学增益区传播第二泵浦激光束。
26.又进一步地根据本公开的第一方面，输出端可以例如是光学耦合到第二滤光器的主输出端，该光纤激光系统包括辅助输出端，该辅助输出端光学耦合到第一光纤布拉格光栅。
27.又进一步地根据本公开的第一方面，输出的光脉冲可以例如具有类相似子剖面，该类相似子剖面在压缩后具有线性变化的瞬时频率和低于100fs的脉冲持续时间。
28.又进一步地根据本公开的第一方面，光脉冲可以例如具有至少10nj的脉冲能量。
29.根据本公开的第二方面，提供了一种激光系统，包括：泵浦激光器，其产生泵浦激光束；激光腔，其光学耦合到泵浦激光器，该激光腔具有腔路径、具有类高斯形状的第一滤光器剖面的第一滤光器、具有第二滤光器剖面的第二滤光器以及沿着腔路径位于第一滤光器与第二滤光器之间的光学增益区，第一滤光器剖面与第二滤光器剖面彼此光谱失谐，第一滤光器是散的，从而在第一滤光器剖面的至少一部分上赋予散剖面，其中，在用泵浦激光束泵浦光学增益区并对激光腔进行锁模时，光脉冲沿着腔路径循环；以及输出端，该输出端光学耦合到激光腔并输出光脉冲的至少一部分。
30.进一步地根据本公开的第二方面，第一滤光器可以例如是光纤布拉格光栅，该光纤布拉格光栅具有包括至少0.2nm的半高全宽带宽和类高斯变迹的折射率剖面。
31.又进一步地根据本公开的第二方面，该折射率剖面可以例如具有变化光栅周期。
32.又进一步地根据本公开的第二方面，激光腔的至少一部分可以例如是光纤的。
33.在阅读了本公开之后，对于本领域的技术人员来说，关于本改进的许多进一步特征及其组合将会变得显而易见。
附图说明
34.在附图中，
35.图1是根据一个或多个实施例的光纤激光系统的一个示例的示意图，该光纤激光系统具有泵浦激光器、光学增益区以及将光学增益区夹在中间的第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅；
36.图1a是根据一个或多个实施例的示出了图1的第一光纤布拉格光栅的第一反射率剖面的一个示例的曲线图，还示出了在第一反射率剖面的至少一部分上变化的延迟；
37.图1b是根据一个或多个实施例的示出了图1的第二光纤布拉格光栅的第二反射率剖面的一个示例的曲线图，还示出了恒定延迟；
38.图1c是根据一个或多个实施例的示出了图1的第二光纤布拉格光栅的第二反射率剖面的另一个示例的曲线图，还示出了在第二反射率剖面的至少一部分上变化的延迟；
39.图2是根据一个或多个实施例的示出了图1的第一光纤布拉格光栅的示例性折射率剖面的曲线图，示出了啁啾和类高斯变迹；
40.图3是根据一个或多个实施例的图1的光纤激光系统的示意图，示出了包括展宽第二光纤布拉格光栅的展宽元件的锁模器件；
41.图3a是根据一个或多个实施例的示出了图1的光纤激光系统的第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅的反射率剖面的曲线图；
42.图4是根据一个或多个实施例的光纤激光系统的另一个示例的示意图，该光纤激光系统具有泵浦激光器、光学增益区、将光学增益区夹在中间的第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅、锁模臂以及泵浦反射器；
43.图4a是根据一个或多个实施例的图4的锁模臂的第一示例的示意图；
44.图4b是根据一个或多个实施例的图4的锁模臂的第二示例的示意图；
45.图5是根据一个或多个实施例的光纤激光系统的另一个示例的示意图，该光纤激光系统具有两个泵浦激光器、光学增益区、将光学增益区夹在中间的第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅以及锁模臂；
46.图6是根据一个或多个实施例的光纤激光系统的一个示例的示意图，该光纤激光系统具有结合了第一二光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅的环形激光腔；
47.图7是根据一个或多个实施例的光纤激光系统的另一个示例的示意图，该光纤激光系统具有结合了第一光纤布拉格光栅和第二电介质透射滤光器的环形激光腔；
48.图8是根据一个实施例的光纤激光系统的另一个示例的示意图，该光纤激光系统带有具有夹在第一啁啾光纤布拉格光栅与第二啁啾光纤布拉格光栅之间的光纤有源激光区的激光腔，并带有第一锁模器件和第二锁模器件；
49.图8a是示出了图8的第一啁啾光纤布拉格光栅的第一反射率剖面(具有4.7nm的半高全宽和65％的最大反射率值)并且示出了-0.87ps2的延迟散的曲线图；
50.图8b是示出了图8的第二啁啾光纤布拉格光栅的第二反射率剖面(具有4.5nm的半高全宽和41％的最大反射率值)并且示出了-0.82ps2的延迟散的曲线图；
51.图9a是示出了由图8的光纤激光系统产生的光脉冲的模拟光谱和实验光谱的曲线图；
52.图9b是示出了由图8的光纤激光系统产生的光脉冲的模拟自相关迹和实验自相关迹的曲线图；
53.图9c是示出了由图8的光纤激光系统产生的光脉冲压缩后的模拟脉冲包络和测定脉冲包络的曲线图；
54.图9d是示出了由图8的光纤激光系统产生的光脉冲的射频谱与噪声比较的曲线图；
55.图10a是示出了针对具有41％的最大反射率值的第二啁啾光纤布拉格光栅根据第一啁啾光纤布拉格光栅进行二阶散补偿之后光脉冲的峰值功率和脉冲能量模拟的曲线图；
56.图10b是示出了针对具有15％的最大反射率值的第二啁啾光纤布拉格光栅根据第一啁啾光纤布拉格光栅进行二阶散补偿之后光脉冲的峰值功率和脉冲能量模拟的曲线图；
57.图11a是示出了根据图8的光纤激光系统的光纤有源掺杂区的长度的脉冲抛物线错配参数m2＝∫(i-i
fit
)2dt/∫i2dt的示例性演化的曲线图；
58.图11b是示出了在沿着图8的光纤激光系统的光纤有源掺杂区的长度的第一纵向位置处的光脉冲的脉冲和增益谱的曲线图；
59.图11c是示出了在与所述第一纵向位置间隔开的第二纵向位置处的光脉冲的脉冲和增益谱的曲线图；
60.图12a是根据一个或多个实施例的示出了在铒基激光腔中工作在1552nm的光纤布拉格光栅的折射率剖面的另一个示例的曲线图；
61.图12b是根据一个或多个实施例的示出了图12a的光纤布拉格光栅的一个示例性反射率剖面的曲线图；
62.图13a是根据一个或多个实施例的示出了在镱基激光腔中工作在1050nm的光纤布拉格光栅的折射率剖面的另一个示例的曲线图；以及
63.图13b是根据一个或多个实施例的示出了图13a的光纤布拉格光栅的一个示例性反射率剖面的曲线图。
具体实施方式
64.图1示出了光纤激光系统100的一个示例。如图所绘，光纤激光系统100具有产生泵浦激光束104的泵浦激光器102以及光学耦合到泵浦激光器102的光纤段106。
65.光纤段106具有激光腔108，该激光腔108具有腔路径109、光学增益区110、沿着腔路径109的第一光纤布拉格光栅112以及沿着腔路径109与第一光纤布拉格光栅112间隔开的第二滤光器111，其中光学增益区110位于第一光纤布拉格光栅112与第二滤光器111之间。光纤段106还具有输出端116，该输出端116光学耦合到激光腔108，用于输出激光腔108内产生的光脉冲118。
66.在该具体实施例中，第二滤光器111设置为第二光纤布拉格光栅114的形式。如图所示，第一光纤布拉格光栅112和第二光纤布拉格光栅114将光学增益介质110夹在中间，在这种情况下，腔路径109是线性路径，光脉冲118沿着该线性路径在第一光纤布拉格光栅112与第二光纤布拉格光栅114之间来回反射。
67.第一光纤布拉格光栅112和第二光纤布拉格光栅114中的每一个光纤布拉格光栅都具有沿着光纤段106的相应部分112a、114a刻写的相应折射率剖面，从而将相应的反射率剖面赋予第一光纤布拉格光栅112和第二光纤布拉格光栅114。
68.在该具体示例中，第一光纤布拉格光栅112具有第一反射率剖面，该第一反射率剖面与第二光纤布拉格光栅的第二反射率剖面失谐。图1a示出了第一光纤布拉格光栅112的第一反射率剖面122的一个示例，在这种情况下，其以第一布拉格波长λ1为中心。图1b和图1c示出了第二光纤布拉格光栅的第二反射率剖面124的示例，在这种情况下，其以第二布拉格波长λ2为中心，该第二布拉格波长λ2与第一反射率剖面122的第一布拉格波长λ1在光谱上间隔开。
69.可以理解的是，由第一光纤布拉格光栅112的第一反射率剖面122反射的光脉冲的光谱内容在其在激光腔108内传播期间趋向于被光谱展宽(见箭头a)，以包含第二光纤布拉格光栅114的第二反射率剖面124的第二布拉格波长λ2，反之亦然，从而当用泵浦激光束104泵浦光学增益区110时以及当激光腔108被锁模时允许光脉冲在第一光纤布拉格光栅112与第二光纤布拉格光栅114之间来回反射。这样，只有传播通过光学增益区110时被放大到足以发生光谱展宽的光脉冲才能在激光腔108内振荡。这种基于非线性激光腔中存在两个偏置滤光器的结构可以被称为mamyshev振荡器。
70.在该示例中，第一光纤布拉格光栅112具有包括变化光栅周期128(即，啁啾)和类高斯变迹130的第一折射率剖面126，在图2中示出了该第一折射率剖面126的一个示例。可以理解的是，第一折射率剖面的光栅周期128沿着光纤段刻写有该第一折射率剖面的部分变化。变化光栅周期产生啁啾，从而增强了第一反射率剖面的最大反射率值并拓宽了其带宽。因此，在该实施例中，第一光纤布拉格光栅是啁啾光纤布拉格光栅(chirped fiber bragg grating)或“cfbg”。类高斯变迹130示出了折射率n根据类高斯剖面而变化。类高斯剖面有利于更大脉冲能量下的稳定光脉冲。术语“变迹”指的是折射率n的渐变，该折射率n在第一折射率剖面126的两端130a、130b接近零。经变迹的光纤布拉格光栅可以在旁瓣抑制方面带来便利，同时保持了符合要求的反射率。类高斯变迹130可以被描述为包含可以在主瓣内实现平滑的反射率剖面以使绝对变化率低于约1000％/nm和/或旁瓣反射率低于约-10db的任何变迹。在一些实施例中，例如，类高斯变迹130可以具有稍微不对称的形状，这可以产生对称的高斯反射率剖面。应当注意的是，图2中所示的第一折射率剖面126仅是示例性的，因为所示的变化光栅周期不是真实值，也不是成比例的。变化光栅周期128(相当于啁啾)在第一折射率剖面126中仅是可选的。因此，在其他一些实施例中，第一折射率剖面126可以具有不变的或均匀的光栅周期。
71.第一光纤布拉格光栅构造为使得第一折射率剖面126具有至少0.2nm的半高全宽带宽，这可以提供更大的脉冲能量和/或更大的可压缩性。在一些实施例中，第一折射率剖面126的半高全宽带宽可以有利地高于0.2nm。再次参见图1a，归功于第一折射率剖面的第一变化光栅周期和类高斯变迹，第一光纤布拉格光栅112的第一反射率剖面122可以具有至少40％的最大反射率值r1和至少0.5nm的半高全宽带宽δλ1。在一些实施例中，第一反射率剖面122的最大反射率值r1为至少50％，优选地至少55％，最优选地至少60％。在一些实施例中，第一反射率剖面122的半高全宽带宽δλ1为至少大约0.2nm，优选地至少大约2nm或3nm，最优选地在约4nm和约5nm之间。
72.归功于第一光纤布拉格光栅122的第一反射率剖面122的最大反射率值r1和半高全宽带宽δλ1，在输出端116输出的光脉冲118可以具有至少10nj(优选地至少15nj，最优选地至少20nj)的脉冲能量。
73.在一些实施例中，如在法布里-珀罗(fabry-perot)激光腔中，第一光纤布拉格光栅112的变化光栅周期可以在第一反射率剖面122的至少一部分上以线性方式变化。在这些实施例中，第一光纤布拉格光栅112可以在第一反射率剖面122的至少一部分上提供线性延迟散，如图1a的虚线所示。设想线性延迟散可以比
±
0.5ps2更陡，其示例将在下面描述。在一些实施例中，第一光纤布拉格光栅112的变化光栅周期的线性延迟散是由光学增益区110提供的线性延迟散的至少两倍陡。在其他一些实施例中，第一光纤布拉格光栅112的变化光栅周期也可以以非线性方式变化。不管第一光纤布拉格光栅112的光栅周期如何变化，第一光纤布拉格光栅112都可以用于补偿激光腔108内其他地方出现的散。例如，光学增益区110可以具有正常散，即光学速度随着波长而增加，这会导致穿过其传播的光脉冲经历其较长波长比其较短波长传播得更快的情况。反常散正好相反，这意味着被引导的光模的速度随着波长的逐渐增加而降低。不需要严格补偿每次往返时的腔散。然而，第一光纤布拉格光栅112的速度散可以用于补偿光纤散以及操纵滤光后的脉冲相位、强度和光谱剖面。因此，可以优化以下非线性放大，这可以例如改善输出脉冲
的可压缩性。第一光纤布拉格光栅112可以用于将这种异号散赋予光脉冲。这样，在一些实施例中，线性延迟散可以是反常的，而在其他一些实施例中，线性延迟散可以是正常的。当选择了异号时，延迟散的较高绝对值可以用于第一光纤布拉格光栅112，这意味着第一光纤布拉格光栅112的折射率剖面的较低啁啾，从而进一步提高了第一反射率剖面的最大反射率值r1。
74.在一些实施例中，第二光纤布拉格光栅114具有包括恒定光栅周期(即，无啁啾)的第二折射率剖面，从而赋予了如图1b中124处所示的反射率剖面。在这种实施例中，第二光纤布拉格光栅114的第二反射率剖面124可以具有较小的反射率值r2和较小的半高全宽带宽δλ2。在一些实施例中，第二反射率剖面124的最大反射率值r2为至少10％，优选地至少20％，最优选地至少30％。在一些实施例中，第二反射率剖面124的半高全宽带宽δλ2为至少大约2nm，优选地至少大约3nm，最优选地在大约4nm和大约5nm之间。在第二光纤布拉格光栅114没有啁啾的实施例中，第二光纤布拉格光栅114可以在第二反射率剖面124的至少一部分上提供零延迟散，如图1b的虚线所示。在任何情况下，在一些实施例中，第一反射率剖面和第二反射率剖面的半高全宽带宽彼此相似。
75.虽然不是强制性的，但是第二光纤布拉格光栅114可以以类似于第一光纤布拉格光栅112的方式啁啾。例如，第二折射率剖面的光栅周期还可以沿着光纤段的刻写有该第二折射率剖面的部分而变化。变化光栅周期产生啁啾，从而增强了第二反射率剖面124的最大反射率值r2且拓宽了其带宽δλ2，如图1c中124处所示的第二反射率剖面中所示。第二折射率剖面的类高斯变迹有利于稳定的光脉冲或更大的脉冲能量。在这些实施例中，第二折射率剖面可以与第一折射率剖面具有相似性。在一些实施例中，第二反射率剖面124也可以具有至少0.2nm的半高全宽带宽。
76.仍然参见图1c，由于第二光纤折射率的变化光栅周期和类高斯变迹，第二光纤布拉格光栅114的第二反射率剖面124可以具有至少40％的最大反射率值r2和至少0.5nm的半高全宽带宽δλ2。在一些实施例中，第二反射率剖面124的最大反射率值r2为至少50％，优选地至少55％，最优选地至少60％。在一些实施例中，第二反射率剖面124的半高全宽带宽δλ2为至少大约0.2nm，优选地至少大约2nm或3nm，最优选地在大约4nm和大约5nm之间。
77.在一些实施例中，第二光纤布拉格光栅114的变化光栅周期可以在第二反射率剖面124的至少一部分上以线性方式变化。在这些实施例中，第二光纤布拉格光栅114可以在第二反射率剖面114的至少一部分上提供线性延迟散，如图1c的虚线所示。设想线性延迟散可以比
±
0.5ps2更陡。在一些实施例中，第二光纤布拉格光栅114的变化光栅周期的线性延迟散是由光学增益区110提供的线性延迟散的至少两倍陡。在其他一些实施例中，第二光纤布拉格光栅114的变化光栅周期可以以非线性方式变化。在一些实施例中，线性延迟散可以是负的，而在其他一些实施例中，线性延迟散可以是正的。
78.在一些实施例中，第二滤光器111可以不是光纤布拉格光栅。无论如何，第二滤光器111赋予了与第一光纤布拉格光栅112的第一反射率剖面122光谱失谐的滤光器剖面，从而形成了mamyshev型振荡器。因此，第二滤光器111可以是反射的或透射的，在这种情况下，相应的第二滤光器剖面可以分别是反射率剖面或透射率剖面。实际上，在这些实施例中，第二滤光器111可以是电介质滤光器、可调谐滤光器、结合了一个或多个滤光器单元和一个或多个光学循环器的环路或者它们的任意组合。然而，在一些实施例中，出于相应激光腔的复
杂性的原因，可以方便地将第二滤光器111设置为光纤布拉格光栅的形式。
79.如图1中所示的示例，光纤段106包括具有第一光纤布拉格光栅112的光纤第一分段106a、具有光学增益区110的第二分段106b、具有第二光纤布拉格光栅114的第三分段106c以及具有输出端116的第四分段106d。在该具体示例中，第一分段、第二分段、第三分段和第四分段彼此熔接或以其他方式彼此光学连接。例如，可以采用光学连接器来将这些分段彼此光学连接。根据该实施例，光纤段106可以具有少于四个或多于四个的分段。例如，在一些实施例中，可以直接在光学增益区110内刻写第一光纤布拉格光栅112和第二光纤布拉格光栅114。应当注意的是，光纤段106可以具有与第一光纤布拉格光栅112和第二光纤布拉格光栅114以及光学增益区110的光纤分段不同的光纤分段。实际上，设想光纤段106可以包括任何合适数量的光纤分段，包括无源或有源光纤。在一些实施例中，在激光腔108内采用额外的无源光纤分段来控制参数，比如所得光纤激光系统的散、非线性和重复率。
80.在该实施例中还示出了，将泵浦激光器102设置为光纤激光二极管132的形式，其光纤输出端134光学连接到光纤段106的第一分段106a。更具体地，在该具体实施例中，光纤激光二极管132的光纤输出端134熔接或以其他方式光学连接到光纤段106的第一端106a。在一些其他实施例中，可以将泵浦激光器102设置成任何合适的激光器类型(包括但不限于发射泵浦激光束的光纤激光器等)。
81.可以理解的是，在该示例中，第二反射率剖面114的最大反射率值r2小于第一反射率剖面112的最大反射率值r1，在这种情况下，输出端116光学耦合到第二光纤布拉格光栅114，该第二光纤布拉格光栅与第一光纤布拉格光栅112相比传输激光腔108内振荡的光脉冲118的更多部分。在一些实施例中，输出的光脉冲118具有类相似子剖面136，该类相似子剖面具有线性变化的瞬时频率，从而允许压缩后脉冲持续时间低于100fs或更低。
82.光学增益区110可以是通过掺杂一种或多种稀土离子(比如铒离子(er
3+
)、镱离子(yb
3+
)、铥离子(tm
3+
)、钬离子(ho
3+
)、镝离子(dy
3+
)、镨离子(dy
3+
)、钕离子(nd
3+
)或其任意组合)而是激光有源的任何类型的光纤。稀土离子的浓度可以根据不同的激光有源掺杂区而不同。激光有源掺杂区可以具有嵌入稀土离子的常规二氧化硅基基质。在其他情况下，光纤的基质可以是低声子能量玻璃，比如基于氟化物、硫族化物、硫系卤化物或碲化物的玻璃。例如，在一些实施例中，低声子能量玻璃是氟化锆玻璃，其组成包括zrf4，比如zblan(zrf4/hff4、baf2、laf3、naf和alf3)。在一些其他实施例中，低声子能量玻璃是氟化铟玻璃，其组成包括inf3。在替代实施例中，低声子能量玻璃是氟化铝玻璃，其组成包括alf3。在进一步的实施例中，低声子能量玻璃是硫族化物玻璃，其组成包括as2s3、as2se3、aste、assse、asste、galas、geass或geass等。光子晶体光纤、大模场面积(large mode area，lma)光纤和其他类型的专用光纤可以用在该光纤激光系统中。此外，需要注意的是，光学增益区110可以通过非线性效应(比如受激拉曼散射或任何其他合适的非线性效应或其组合)来实现光学增益。例如，在光学增益区110依赖于这些非线性效应的实施例中，光学增益区110不需要掺杂稀土离子。
83.例如，在利用二氧化硅基基质向光学增益区110掺杂铒的实施例中，泵浦激光束104可以具有大约980nm的波长。光学增益区110的长度可以为至少5m，优选地至少8m，最优选地至少10m。例如，在该具体实施例中，光学增益区110为10.8m长。在这些实施例中，第一反射率剖面122可以具有大约1550nm的第一布拉格波长λ1，而第二反射率剖面124可以具有
大约1565nm的布拉格波长λ2，从而留下大约15nm的光谱失谐。在一些实施例中，光谱失谐可以小于大约15nm，而在一些其他实施例中，光谱失谐可以大于大约15nm。
84.在该具体实施例中，第一光纤布拉格光栅112是啁啾的，第一反射率剖面具有大约65％的最大反射率r1和大约4.7nm的半高全宽δλ1。第二光纤布拉格光栅114也是啁啾的，第二反射率剖面具有大约41％的最大反射率r2和大约4.5nm的半高全宽δλ2。在该实施例中，光纤段106完全由保偏(polarization-maintaining，pm)光纤制成，这有助于光脉冲产生的稳定性。然而，在一些其他实施例中，光纤段106可以只有一部分是pm的。
85.从以下示例中可以理解的是，本文所述的光纤激光系统可以具有一个或多个锁模器件、一个或多个泵浦激光器、一个或多个输出端、一个或多个光耦合器、一个或多个偏振隔离器、泵浦反射器等。
86.例如，图3示出了具有示例性锁模器件140的光纤激光系统100，该锁模器件耦合到光纤段106，并且有助于激光腔108的锁模。如该示例中所示，锁模器件140具有纵向展宽第一光纤布拉格光栅112的两个间隔开的展宽元件142，从而修改第一反射率剖面122与第二反射率剖面124之间的光谱失谐，这可以有助于锁模。图3a示出了如何利用展宽元件142将第一反射率剖面122和第二反射率剖面124合在一起或者从彼此推开。在一些情况下，为了锁模激光腔108，对展宽元件142进行操作，以使第一反射率剖面122和第二反射率剖面124的相邻尾部146彼此重叠给定的量。替代地或附加地，可以利用类似的锁模器件来展宽第二光纤布拉格光栅114。在任何情况下，对光纤布拉格光栅的展宽都有使相应的反射率剖面的布拉格波长发生红移的趋势。因此，如果要使第一反射率剖面与第二反射率剖面彼此接近，应该优选地将展宽元件安装在具有较低布拉格波长的光纤布拉格光栅上。在这种情况下，第一光纤布拉格光栅112具有小于第二光纤布拉格光栅114的第二波长λ2的第一布拉格波长λ1，因此展宽元件142展宽第一光纤布拉格光栅112。在一些其他实施例中，第二光纤布拉格光栅114的第二波长λ2低于第一光纤布拉格光栅112的第一布拉格波长λ1，因此将展宽元件142安装在第二光纤布拉格光栅114上，而不是第一光纤布拉格光栅112上。在一些实施例中，光纤激光系统100在激光腔108内的腔路径中具有倾斜光纤布拉格光栅143。如果有必要的话，倾斜光纤布拉格光栅143可以在激光腔108内提供偏振效应和/或额外的滤光。
87.图4示出了光纤激光系统200的另一个示例。如图所示，光纤激光系统200具有泵浦202和光学耦合到泵浦202的光纤段206。光纤段206具有激光腔208，该激光腔具有如上所述的光学增益区210以及第一布拉格光栅212和第二布拉格光栅214，以及光学耦合到光纤段206的输出端216。如该具体示例中所示，光纤激光系统200具有锁模器件240，该锁模器件240具有在光纤段206上分接的光耦合器246，位于激光腔208的上游并通向锁模臂。图4a和图4b示出了这种锁模器件240的两个不同示例。可以理解的是，图4a和4b的锁模器件240有助于锁模激光腔208。在这些实施例中，光纤激光系统200可以在锁模器件内具有辅助输出端248。
88.图4a的锁模臂240’具有第一半波片270、第一偏振分束器272、第二半波片274、第二偏振分束器276、可在路径内位置和路径外位置之间移动的回转镜278、以及静态镜280。这些部件彼此串联排列。当回转镜278移动到路径内位置时，从辅助输出端248输出的光信号将会传播穿过第一半波片270、第一偏振分束器272、第二半波片274和第二偏振分束器276，然后经由辅助输出端248返回到激光腔中，从而向激光腔提供锁模反馈。一旦使回转镜
278移动回到路径外位置，激光腔就可以转变向稳定的单脉冲锁模形态。
89.图4b示出了锁模臂240”的另一个示例。如图所绘，锁模臂240”具有回转镜278、透镜282以及可饱和吸收镜284。当使回转镜278移动到路径内位置时，从辅助输出端248输出的光信号将会穿过透镜282向可饱和吸收镜284传播，然后经由辅助输出端248返回到激光腔中，从而向激光腔提供锁模反馈。以类似的方式，一旦使回转镜278移动回到路径外位置，激光腔就可以转变向稳定的单脉冲锁模形态。
90.以上参照图3和图4所述的锁模器件140、240仅仅是示例性的。例如，可以采用其他锁模器件。在一些实施例中，锁模器件是泵浦激光器调制器件，其根据预定的调制参数调制泵浦激光器102，从而一旦达到稳态，就向激光腔108提供锁模反馈。可以采用有技术的读者认为合适的任何其他被动或主动锁模器件。也可以省略以上参照图3和图4所述的锁模器件140、240，因为光纤激光腔可以根据情况自行锁模。
91.再次参见图4，第一光纤布拉格光栅212和第二光纤布拉格光栅214仅将光学增益区210的一部分夹在中间。例如，第二光纤布拉格光栅214刻写在光纤段206的光学增益区210的一部分上。因此，在该具体实施例中，光学增益区210朝向输出端216延伸超过第二光纤布拉格光栅214。这样，光纤段206可以没有通常与激光腔208和输出端216之间的光学连接相关的光损耗。此外，由于该结构，光脉冲218的部分放大甚至可以发生在激光腔208的外部。
92.在该实施例中还示出了泵浦激光束204穿过光学增益区210并朝着输出端216传播，然后利用第二光纤布拉格光栅214下游的泵浦反射器250朝着光学增益区210反射回来。这样，泵浦反射器可以将泵浦激光束204的任何剩余部分反射回光学增益区210，用于进一步泵浦。例如，泵浦反射器250可以是光纤布拉格光栅。泵浦反射器250仅是可选的，因为在一些实施例中可以将其省略。
93.在上述实施例中，光纤激光系统200由单包层光纤制成，该单包层光纤具有被至少一个包层包围的纤芯，在这种情况下，第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅被刻写在单包层光纤的纤芯内。然而，在一些其他实施例中，另一示例性光纤激光系统可以由多包层光纤制成，该多包层光纤具有被内包层包围的纤芯，该内包层又被至少一个外包层包围。在后面的这些实施例中，由于第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅可以刻写在多包层光纤的纤芯中，所以任何泵浦反射器(例如，泵浦反射器250)可以是替代地刻写在多包层光纤的内包层中的光纤布拉格光栅。
94.在一些实施例中，可以设想为激光腔208设置在第一光纤布拉格光栅212与第二光纤布拉格光栅214之间的光纤偏振器260，以根据需要固定光脉冲218的偏振状态。在这些实施例中，也可以优选地将光纤偏振器260直接定位在第二光纤布拉格光栅214的下游。
95.图5示出了光纤激光系统300的另一个示例。如图所示，光纤激光系统300具有泵浦302和光学耦合到泵浦302的光纤段306。光纤段306具有激光腔308，该激光腔308具有如上所述的光学增益区310以及第一布拉格光栅312和第二布拉格光栅314，以及光学耦合到光纤段306的输出端316。与图4的光纤激光系统300相反，在该示例中，泵浦激光器302在激光腔308的下游，并且泵浦激光束304远离输出端316且朝向激光腔308传播。在一些实施例中，光纤激光系统300可以具有位于激光腔308上游的第二泵浦激光器302’，该第二泵浦激光器302’通过光耦合器光学耦合到光纤段306。在该实施例中，第二泵浦激光器302’沿着光学增
益区310传播第二泵浦激光束304’，用于提高泵浦结果。在这些实施例中，光纤激光系统300可以设置有在激光腔308内部或外部的一个或多个光学隔离器，以保护泵浦激光器302、302’。当泵浦激光束304、304’具有不同波长时，这尤其方便。
96.虽然上述光纤激光系统100、200和300都具有光脉冲沿着其在第一光纤布拉格光栅与第二光纤布拉格光栅之间来回反射的线性腔路径，但是本文所述的光纤激光系统的其他实施例可以具有光脉冲围绕其循环的环形腔，结合图6和图7描述了其示例。
97.图6示出了根据环形mamyshev振荡器结构的光纤激光系统400的一个示例。如图所绘，光纤激光系统400具有第一泵浦激光器402a和光纤段406，该光纤段406经由第一波分复用(wavelength division multiplexing，wdm)耦合器446a光学耦合到第一泵浦激光器402a。光纤段406具有激光腔408，该激光腔408带有至少一个环形腔路径409、沿着环形腔路径409的第一光纤布拉格光栅412、沿着环形腔路径409的与第一光纤布拉格光栅412间隔开的第二光纤布拉格光栅414以及位于第一光纤布拉格光栅412与第二光纤布拉格光栅414之间的第一光学增益区410a。输出端416光学耦合到环形激光腔408，用于输出光脉冲418。
98.如图所示，光学循环器486a、486b用于使由相应的第一光纤布拉格光栅412和第二光纤布拉格光栅414反射的光脉冲418循环回到不同的光纤分段，从而允许光脉冲418以逆时针方式围绕环形腔路径409传播。可以设置光学隔离器488来阻挡在相反方向上传播的光脉冲。在该具体实施例中，在第一光纤布拉格光栅412与第二光纤布拉格光栅414之间沿着光纤段406设置有第二光学增益区410b。为了泵浦第一光学增益区410a和第二光学增益区410b，利用相应的wdm耦合器446b、446c将两个附加的泵浦激光器402b、402c光学耦合到激光腔408。如图所示，第一光学增益区410a由两条相反方向传播的泵浦激光束404泵浦。
99.根据mamyshev结构，第一光纤布拉格光栅412和第二光纤布拉格光栅414具有彼此光谱失谐的反射率剖面。在该具体实施例中，第一光纤布拉格光栅412和第二光纤布拉格光栅414具有折射率剖面，每个折射率剖面具有变化光栅周期和类高斯变迹，从而在最大反射率值和半高全宽带宽方面为反射率剖面赋予了令人满意的反射率。然而，如上所述，第二光纤布拉格光栅414仅是可选的，因为可以采用具有令人满意的滤光器剖面的任何其他滤光器。
100.图7示出了根据环形mamyshev振荡器结构的光纤激光系统500的另一个示例。如图所绘，光纤激光系统500具有第一泵浦激光器502a和光纤段506，该光纤段经由第一wdm耦合器546a光学耦合到第一泵浦激光器502a。光纤段506具有激光腔508，该激光腔508带有至少一个环形腔路径509、沿着环形腔路径509的第一光纤布拉格光栅512、沿着环形腔路径509的与第一光纤布拉格光栅512间隔开的第二滤光器511以及位于第一光纤布拉格光栅512与第二滤光器511之间的第一光学增益区510a。输出端516经由90/10光耦合器546’光学耦合到环形激光腔508，在此处输出光脉冲518。在该实施例中，第一光纤布拉格光栅512设有具有变化光栅周期和类高斯变迹的折射率剖面，从而赋予了本文所述的所寻求的反射率剖面。
101.如图所示，光学循环器586用于使由相应的第一光纤布拉格光栅512反射的光脉冲518循环回到不同的光纤分段，从而允许光脉冲518以逆时针方式围绕环形腔路径509传播。相反，由于第二滤光器511是透射的，所以不需要光学循环器来维持光脉冲518沿着环形腔路径509的循环。
102.在该示例中还示出了光纤激光系统500具有第二泵浦激光器502b，该第二泵浦激光器502b经由第二wdm耦合器546b光学耦合到激光腔508。该示例中所示的激光腔508还具有第二光学增益区510b，该第二光学增益区510b可至少由第三泵浦激光器502c泵浦，该第三泵浦激光器502c经由第三wdm耦合器546c光学耦合到该第二光学增益区510b。可以设置光学隔离器588来阻挡在相反方向上传播的光脉冲。
103.应当注意的是，光纤激光系统500与图6的光纤激光系统400的不同之处在于，第二滤光器511不是提供反射率剖面的光纤布拉格光栅，而是提供透射率剖面的电介质滤光器。如从mamyshev结构中可以预期的，第一光纤布拉格光栅512的第一反射率剖面与第二滤光器511的滤光器剖面光谱失谐，从而使得只有经历光谱展宽的光脉冲能够存在于激光腔508中，如在任何mamyshev振荡器中一样。在一些其他实施例中，可以采用第二滤光器的其他示例。
104.示例1——通过啁啾光纤布拉格光栅实现的全光纤mamyshev振荡器
105.超快光纤激光器蓬勃发展，有望提供比成熟的大型固态锁模激光器更高的效率、紧凑性、鲁棒性和简单性。在过去，对于高峰值功率应用，光纤激光振荡器可以竭力控制其紧密封闭的波导介质中的非线性，并且可能更具竞争力。近来发现，基于一种新型非线性可饱和吸收体(saturable absorber，sa)的光纤激光系统(称为mamyshev振荡器(mamyshev oscillator，mo))相比各种波长区域内的现有激光器而言是令人关注的。这种光纤激光系统现在可以提供兆瓦级峰值功率，同时还受益于pm光纤的鲁棒性。光纤激光系统可以依靠自相位调制和两个失谐光谱滤光器来支持锁模。迄今为止，高能光纤激光系统采用成对的准直器和衍射光栅来实现高斯滤光。然而，将这些有前景的性能实施成具有可靠自启动过程的经济型全光纤形式以开始在专业实验室之外对它们进行广泛运用，对这些有前景的性能来说是有益的。难点在于获得高功率下可靠的全光纤形式的高效且优选地可调谐的滤光器。
106.在该示例中，提出了一种基于作为光谱滤光器的两个具有高斯变迹的啁啾光纤布拉格光栅(chirped fiber bragg grating，cfbg)的线性腔mo。啁啾在两个fbg中是优选的，以实现针对所需带宽的高反射率。此外，它允许我们通过利用高散滤光器来控制mamyshev振荡器中的非线性。在这里，提出了一种实验性的基于mo的光纤激光系统，该基于mo的光纤激光系统在压缩后产生能量为21.3nj且持续时间为108fs的脉冲。结果与数值模拟相一致，这允许我们为基于cfbg的设计提出指导方针，并研究滤光器散对非线性脉冲演化的影响。
107.初看起来，图8中所示的光纤激光系统600可能很像标准的连续波(continuous wave，cw)光纤激光器。它完全由pm光纤制成。10.8米长的小芯铒掺杂光纤610(来自ofs的edf07-pm sr)在1550nm提供了增益和正常散。在激光腔608的每一端处，第一cfbg 612和第二cfbg 614各自充当～5nm带宽的反射滤光器。cfbg 612和cfbg 614被写入具有高光敏性水平的标准无源光纤(来自fujikura的sm15)中。两个无源分段具有～0.60m的腔内总长度。激光腔608中单程的延迟散(group delay dispersion，gdd)估计为0.38ps2。
108.图8a和图8b中示出了第一反射率剖面622和第二反射率剖面624的测量结果以及cfbg 612和cfbg 614的相应延迟散。通过建模优化了它们的线性啁啾和变迹，以实现具有最小旁瓣的平滑高斯反射剖面，即，使输出脉冲能量和锁模稳定性最大化的相关因素。
相对于它们各自的最大反射率值r1、r2，cfbg 612和cfbg 614在-30db(lr-cfbg)和-28db(hr-cfbg)具有旁瓣。利用100nm/cm的啁啾相位掩模对它们进行紫外写入。在该示例中，利用具有啁啾高斯变迹()和高折射率调制(～3
×
10-3
)的极短刻写长度来实现具有较大带宽的高反射率。然而，在一些其他实施例中，可以采用其他的刻写方法。如上所述，对于给定的带宽和最大折射率调制，啁啾fbg与均匀fbg相比产生了更高的反射率。变迹剖面中的缺陷可能会引起与完美高斯剖面的偏差和反射率剖面622、624的不对称。这些小偏差也影响了在其他情况下在整个带宽δλ内是完全线性的延迟曲线623、625。这些伪像很难避免，因为对于具有高折射率对比度的亚毫米cfbg来说，精确刻写是一个相当大的挑战。
109.cfbg 612和cfbg 614的第一反射率剖面622和第二反射率剖面624之间15nm的光谱失谐允许具有高峰值功率的光谱展宽脉冲在激光腔中存在，同时抑制了任何cw振荡。该光纤激光系统表现得像一个有利于高能量脉冲的具有较大调制深度的理想非线性sa。然而，在一些实施例中，它也防止了来自噪声的自启动。为了解决这个问题，增加了两个间隔12.5cm设置的展宽元件640a，以保持和展宽1550nm的hr-cfbg 622，这使得相应光栅的反射率曲线发生红移。一旦滤光器彼此靠近，就会减小sa的调制深度，并且具有低峰值功率的小噪声波动可以通过两个滤光器来传输，最终导致高能脉冲的形成。
110.在该示例中未观察到这种行为。相反，在该具体实施例中，当光谱滤光器翼部重叠时，激光腔倾向于发射cw。因此，增加了外部启动臂640b，以实现针对该实验的可靠自启动。通过可饱和吸收镜(来自batop gmbh的sam-1550-50-10ps)，外部启动臂640b利用来自辅助输出端648的反馈来在1565nm处引起噪声q开关。一旦放下回转镜670，激光腔608就会立即转变向稳定的单脉冲锁模形态。在这个阶段，展宽元件640a可以用于在1550nm至1560nm之间来回调谐hr-cfbg 612，而不会失去锁模。即使这对于本文所述的光纤激光系统600来说不是必需的，但是它增加了令人关注的自由度。图9a至图9d示出了主输出脉冲618的完整特征描述以及与模拟结果的比较。通过标量广义非线性薛定谔方程，模拟考虑了自相位调制(self-phase modulation，spm)、二阶散(second-order dispersion，gvd)、三阶散(third-order dispersion，tod)以及光谱增益。测得的反射率和散分布直接用于表示cfbg 612和cfbg 614。根据铒截面来计算增益，并在稳态下求解速率方程。在线性配置中，光脉冲618在每次往返时两次穿过光学增益区610的每个部分。因此，沿着光纤的每个位置处的跃迁速率的计算考虑了正朝向hr-cfbg 612前进的光脉冲的脉冲能量以及其对应的正朝向lr-cfbg 614前进的反射光脉冲的脉冲能量。
111.在具有190mw的平均功率的射频谱上观察到了在8.935mhz处的稳定的21.3nj脉冲序列。注入的泵浦功率为850mw，以实现优秀的22.3％的功率转换效率。脉冲能量受到注入的泵浦功率的限制。在次输出端648上，观察到11.7nj的脉冲。通过设计，由与泵浦激光束604共同传播的脉冲提取大部分能量。主输出端的宽光谱可以支持74fs的变换极限脉冲。激光腔608的主输出端618处15cm的反常gvd无源光纤分段部分地负责图9a中所示的光谱调制，并有助于补充lr-cfbg 614留下的光谱孔。有趣的是，注意到在激光腔608中不需要偏振器。光纤激光系统600自然地在pm光纤的两个正交模式中选择一个线性偏振态，这可以通过分析主输出端618看出。利用偏振器，测量得到-20db的消光比。相比交叉相位调制(cross phase modulation，xpm)而言，spm对光谱展宽的作用更大，从而引起了这种自偏振效应。即
使不考虑光纤的快轴和慢轴之间的延迟差，数值模型的矢量版本也显示了这种动态。在实验设置中，双折射光纤对于防止任何对偏振态的破坏来说是必不可少的。它还有助于极大提高对环境扰动的鲁棒性：触碰或弯曲光纤对锁模状态或输出脉冲特性没有影响。利用光栅对压缩器(600条线/mm)来对脉冲进行去啁啾(或压缩)，并且图9b中示出了自相关迹。采用picasso算法来实现脉冲包络的精确重建。压缩脉冲峰值功率估计为95kw，fwhm持续时间为108fs。如果将压缩机中的50％损失考虑在内，实际实验峰值功率为47.5kw。除此之外，脉冲能量的很大一部分损失在分布于3ps的旁瓣中。这是由输出脉冲瞬时频率非线性而又平滑的变化引起的。来自cfbg的潜在相位噪声在这里并不重要，因为在完全非线性展宽之后，4.7nm的带宽不会强烈影响115nm的跨越光谱。与数值结果的良好一致性验证了测量结果和数值模型。这给了我们进一步探索激光腔608内部的脉冲动力学以及cfbg 612和cfbg 614的gdd的影响的机会。
112.通过模拟，在较大的gdd范围内且针对lr-cfbg 614的两个反射率值，研究了hr-cfbg 612的散对激光腔608的影响。对于该分析，两个滤光器的反射率参数都被认为是完美高斯的，具有4.5nm的带宽。未考虑在主输出端618处的lr-cfbg 614之后的无源光纤。所有结果都是在激光腔608达到稳态时获得的。图10a至图10b示出了通过根据hr-cfbg的gdd进行二阶散补偿来进行最佳压缩之后的脉冲能量及其峰值功率。图10a基本上与该实验设置相同，而图10b示出了没有散的较低lr-cfbg反射率的影响。可以理解的是，只要gdd增加，在正常散形态或反常散区域内，脉冲能量也增加。
113.在稳态下，主脉冲及其对应的反射脉冲沿光纤共享相同的局部增益。因此，它们的非线性演化和放大过程都通过纵向增益分布来相互耦合。为了演示这种效果，图10a示出了没有散的较低lr-cfbg反射率可以通过减少其在能量提取上的竞争以及通过截去光谱的较小部分来显著改善主脉冲能量。然而，滤光器散不会导致腔内能量损失，只会轻微地影响脉冲能量。这种微小的扰动是由影响了沿着光纤的波长相关增益的修正非线性光谱展宽引起的。
114.激光腔可以在负gdd区中支持更高的散。对于41％ lr-cfbg，差值为0.5ps2，这与单程gdd相似。当cfbg散为负时，cfbg散必须补偿沿着光纤累积的正啁啾。这意味着对于较高的反常散，对初始峰值功率和脉冲的非线性展宽的抑制较弱。出于同样的原因，具有较低lr-cfbg反射率的激光腔所容许的最大滤光器散会较小。
115.压缩后更高的峰值功率表明了更加线性的初始啁啾和更加平滑的光谱，使得压缩脉冲的旁瓣中损失的能量更低。在该示例中，该模拟显示，+0.55ps2的正gdd值对于输出脉冲可压缩性来说是最佳的。实际上，在这样的低gdd下，无法实现具有良好性能的cfbg，因为在最大折射率调制方面存在局限性。更多的散意味着，对于同样的最大折射率调制和带宽，可以通过刻写具有更小啁啾的更长cfbg来实现更高的峰值反射率。因此，为了获得必要的带宽和反射率以保持高脉冲能量，使它工作在更高的最佳反常gdd中。以更高的负gdd来使cfbg工作还有其他积极的副作用。首先，脉冲避免了可能是由于在正gdd下工作而导致的因与光纤包层模耦合而造成的损耗。其次，该模拟表明，更高的散可以减轻由于刻写缺陷而必然引起的滤光器形状不对称的影响。总的来说，图10a和图10b的结果表明，在不对输出脉冲能量产生重大影响的情况下可以定制非线性脉冲演化。需要记住的一般趋势是，适量的滤光器散(正散或负散)是有益的。为了进一步理解这背后的潜在动力学，图11a至
图11c中的模拟结果比较了增益光纤内最差hr-cfbggdd值与最佳hr-cfbggdd值之间的脉冲演化。实线示出了当采用啁啾光纤布拉格光栅时脉冲抛物线错配参数、脉冲能量和脉冲带宽的演化。作为比较，虚线示出了当光纤布拉格光栅没有啁啾时这些参数的演化。
116.有趣的是，注意到脉冲能量在两种情况下都以相似的方式增长。即使对非线性动力学进行了显著的控制，滤光器散也不会强烈地影响脉冲能量，因为对于固定的泵浦功率和cfbg的反射率来说稳态下的饱和增益分布将大致保持不变。错配参数m的演化显示了两个不同的非线性形态。首先，脉冲参数遵循指数增长(能量、rms带宽等)直到达到最小m值。这对于将任何输入脉冲吸引到抛物线形状的自相似(self-similar，ss)形态来说是典型的。其次，光谱变宽并最终达到阻止非线性吸引子的增益带宽极限。脉冲位移到简单的spm和增益形态，其中线性啁啾开始弯曲，因为脉冲因增益带宽效应而慢慢失去其抛物线形状。该状态具有与自相似形态和增益控制非线性(gain-managednonlinearity，gmn)形态之间的过渡状态相似的行为，因为展宽光谱的蓝部分经历了一些吸收。这表现为朝向光纤端的脉冲光谱rms带宽饱和。在放大之前展宽脉冲降低了初始峰值功率并减缓了光谱展宽。结果，两种形态之间的拐点沿着光纤被推得更远。通过减少spm放大形态作用长度，输出脉冲啁啾更加线性。另一方面，对于具有较高啁啾和持续时间的初始脉冲，预期会观察到较慢的向抛物线形状收敛的速率。这也导致了光谱不如在放大器长度的大部分内那样平滑。如果这种效应变得太强，那么自相似形态带来的平滑非线性演化就不可能发生。由于不能实现抛物线形状，脉冲被光波分裂破坏，并且激光腔变得不稳定。这解释了在图10a和图10b中观察到的散上限。最佳gdd值给出了带宽效应和较弱自相似形态之间的最佳平衡。
117.作为该示例的总结，提出了一种全光纤mamyshev振荡器，其发射可压缩至108fs的21.3nj脉冲，相对于发射的泵浦功率具有22.3％的效率。这一成就是通过在线性腔的末端使用亚毫米高斯形状啁啾光纤布拉格光栅作为光谱滤光器而实现的。对于能够制造出具有mo中所需带宽的高反射率高斯滤光器而言，光栅的啁啾是必不可少的。啁啾还提供了控制滤光器散的机会，这对mo中脉冲的非线性演化有重要的影响。该示例表明，与光纤gdd相当的滤光器gdd量有利于获得更大的脉冲峰值功率，而不会影响脉冲能量。这可能是mamyshev振荡器迈向更复杂的脉冲整形方案的第一步。可以说，这是迄今为止最简单的超快光纤激光器结构，同时它仍然在脉冲能量、持续时间和峰值功率方面产生了有竞争力的结果。这为可用性和成本效益铺平了道路，这将实现许多需要高能脉冲的应用。由于与高功率要求兼容，这种方法还展现出将镱基光纤mo的mw功率水平引入全光纤形式的潜力。
118.在以下示例中，光栅刻写过程中采用的折射率调制由下面的等式给出：
119.n(z)＝no+max(a)+a(z)cos(z/λ(z))，(1)
120.其中，z代表沿着光纤的纵向位置，a是变迹剖面，no是光纤的初始折射率，λ是光栅周期。
121.示例2——在铒基激光腔中工作在1552nm的光纤布拉格光栅
122.图12a示出了光纤布拉格光栅的一个示例，该光纤布拉格光栅被设计成为对于铒基激光腔在大约1552nm附近获得类高斯反射率剖面。在该具体示例中，光栅刻写有特定的变迹和65nm/cm的线性啁啾相位掩模周期。被测量的光栅刻写在来自nufern的光纤pm980-xp中。图12b示出了该光纤布拉格光栅的测定反射率剖面。在该具体示例中，光纤布拉格光栅沿z轴的长度约为2000μm，变迹剖面a为如图12a所示的类高斯型，初始折射率no为
1.44897，光栅周期由λ(z)＝0.362um+z*(32.5nm/cm)给出，其中z表示变迹剖面的中心。这些具体值仅作为示例给出且是非限制性的，因为它们可以因实施例而异。
123.示例3——在镱基激光腔中工作在1050nm的光纤布拉格光栅
124.图13a示出了光纤布拉格光栅的另一个示例。在该具体示例中，光纤布拉格光栅被设计成为针对镱基激光腔在大约1050nm附近呈现类高斯反射率剖面。光栅刻写有特定的变迹和均匀的光栅周期，并且刻写在来自nlight的光纤liekki passive-10/125dc-pm中。图13b示出了该光纤布拉格光栅的测定反射率剖面。在该具体示例中，光纤布拉格光栅沿z轴的长度为大约700μm，变迹剖面a为如图13a所示的类高斯型，初始折射率no为1.45201，光栅周期λ为0.535μm。这些具体值仅作为示例给出且是非限制性的，因为它们可以因实施例而异。
125.可以理解的是，以上所述和示出的示例仅是示例性的。例如，在一些实施例中，第一光纤布拉格光栅可以不是光纤布拉格光栅。在这些实施例中，该激光系统可以具有泵浦激光器和光学耦合到泵浦激光器的激光腔。在一些实施例中，第一光纤布拉格光栅可以具有均匀的光栅周期。在一些实施例中，激光腔可以是光纤的。激光腔具有腔路径、具有类高斯形状的第一滤光器剖面的第一滤光器、具有第二滤光器剖面的第二滤光器以及沿着腔路径位于第一滤光器与第二滤光器之间的光学增益区。如同在任何mamyshev振荡器中一样，第一滤光器剖面和第二滤光器剖面彼此光谱失谐。然而，在该实施例中，第一滤光器是散滤光器，从而在第一滤光器剖面的至少一部分上赋予了散剖面。这样，当利用泵浦激光器泵浦光学增益区时以及当锁模激光腔时，具有符合要求的脉冲能量和可压缩性的光脉冲可以在激光腔内循环，然后经由输出端流出腔外。在这些实施例中，第一滤光器可以是任何合适类型的散滤光器，包括但不限于布拉格滤光器、体布拉格滤光器、光纤布拉格光栅、三维布拉格滤光器等。该范围由所附权利要求书指示。

技术特征：

1.一种光纤激光系统，包括：泵浦激光器，其产生泵浦激光束；光纤段，其光学耦合到所述泵浦激光器，所述光纤段具有：激光腔，其具有腔路径、具有第一反射率剖面的第一光纤布拉格光栅、具有第二滤光器剖面的第二滤光器以及沿着所述腔路径位于所述第一光纤布拉格光栅和所述第二滤光器之间的光学增益区，所述第一反射率剖面与所述第二滤光器剖面光谱失谐，所述第一光纤布拉格光栅具有包括至少0.2nm的半高全宽带宽和类高斯变迹的第一折射率剖面，其中，在用所述泵浦激光束泵浦所述光学增益区并对所述激光腔进行锁模时，光脉冲沿着所述腔路径循环；以及输出端，其光学耦合到所述激光腔并输出所述光脉冲的至少一部分。2.根据权利要求1所述的光纤激光系统，其中所述第一光纤布拉格光栅的所述第一反射率剖面具有至少40％的最大反射率值，并且所述半高全宽带宽为至少0.5nm。3.根据权利要求2所述的光纤激光系统，其中所述第一反射率剖面的所述最大反射率值为至少50％。4.根据权利要求2所述的光纤激光系统，其中所述第一反射率剖面的所述半高全宽带宽在大约4nm和大约5nm之间。5.根据权利要求1所述的光纤激光系统，其中所述第一折射率剖面具有变化光栅周期。6.根据权利要求5所述的光纤激光系统，其中所述第一折射率剖面和所述第二折射率剖面中相应的一个折射率剖面的变化光栅周期以线性方式变化，从而在所述第一反射率剖面和所述第二滤光器剖面中相应的一个剖面上提供线性延迟散。7.根据权利要求6所述的光纤激光系统，其中所述线性延迟散比
±
0.5ps2更陡。8.根据权利要求6所述的光纤激光系统，其中所述变化光栅周期的所述线性延迟散是由所述光学增益区提供的线性延迟散的至少两倍陡。9.根据权利要求1所述的光纤激光系统，其中所述第二滤光器剖面具有小于所述第一反射率剖面的最大反射率值的最大反射率或透射率值，所述输出端光学耦合到所述第二滤光器。10.根据权利要求1所述的光纤激光系统，其中所述第二滤光器是第二光纤布拉格光栅，所述第二滤光器剖面是与所述第一反射率剖面光谱失谐的第二反射率剖面。11.根据权利要求10所述的光纤激光系统，其中所述第一光纤布拉格光栅和所述第二光纤布拉格光栅沿着所述腔路径将所述光学增益区的至少一部分夹在中间，从而所述腔路径是线性路径，所述光脉冲沿着所述线性路径在所述第一光纤布拉格光栅与所述第二光纤布拉格光栅之间来回反射。12.根据权利要求10所述的光纤激光系统，其中所述第二光纤布拉格光栅具有第二折射率剖面，所述第二折射率剖面具有至少0.2nm的半高全宽带宽和类高斯变迹。13.根据权利要求11所述的光纤激光系统，其中所述第二光纤布拉格光栅的所述第二反射率剖面具有至少40％的最大反射率值，并且所述半高全宽带宽为至少0.5nm。14.根据权利要求12所述的光纤激光系统，其中所述第二反射率剖面的最大反射率值为至少50％。15.根据权利要求12所述的光纤激光系统，其中所述第二反射率剖面的半高全宽带宽
在大约4nm和大约5nm之间。16.根据权利要求12所述的光纤激光系统，其中所述第二折射率剖面具有变化光栅周期。17.根据权利要求1所述的光纤激光系统，还包括锁模器件，所述锁模器件耦合到所述光纤段并有助于所述激光腔的所述锁模。18.根据权利要求17所述的光纤激光系统，其中所述锁模器件具有纵向展宽所述第一光纤布拉格光栅和所述第二滤光器中的至少一者的展宽元件，从而修改所述第一反射率剖面与所述第二滤光器剖面之间的光谱失谐。19.根据权利要求18所述的光纤激光系统，其中所述锁模器件具有光耦合器，所述光耦合器光学耦合到所述光纤段并通向锁模臂。20.根据权利要求1所述的光纤激光系统，其中所述光学增益区是激光有源铒掺杂区，所述泵浦激光束具有大约980nm的波长，所述第一反射率剖面具有大约1550nm的中心波长，并且所述第二滤光器剖面具有大约1565nm的中心波长。21.根据权利要求1所述的光纤激光系统，其中所述泵浦激光器是第一泵浦激光器，所述光纤激光系统包括第二泵浦激光器，所述第二泵浦激光器光学耦合到所述光纤段，并且在所述泵浦期间沿着所述光学增益区传播第二泵浦激光束。22.根据权利要求1所述的光纤激光系统，其中所述输出端是光学耦合到所述第二滤光器的主输出端，所述光纤激光系统包括辅助输出端，所述辅助输出端光学耦合到所述第一光纤布拉格光栅。23.根据权利要求1至22中任一项所述的光纤激光系统，其中输出的所述光脉冲具有类相似子剖面，所述类相似子剖面在压缩后具有线性变化的瞬时频率和低于100fs的脉冲持续时间。24.根据权利要求1至23中任一项所述的光纤激光系统，其中所述光脉具有至少10nj的脉冲能量。25.根据权利要求1至24中任一项所述的光纤激光系统，还包括在所述激光腔内的所述腔路径中的倾斜光纤布拉格光栅。26.一种激光系统，包括：泵浦激光器，其产生泵浦激光束；激光腔，其光学耦合到所述泵浦激光器，所述激光腔具有腔路径、具有类高斯形状的第一滤光器剖面的第一滤光器、具有第二滤光器剖面的第二滤光器以及沿着所述腔路径位于所述第一滤光器与所述第二滤光器之间的光学增益区，所述第一滤光器剖面与所述第二滤光器剖面彼此光谱失谐，所述第一滤光器是散的，从而在所述第一滤光器剖面的至少一部分上赋予散剖面，其中，在用所述泵浦激光束泵浦所述光学增益区并对所述激光腔进行锁模时，光脉冲沿着所述腔路径循环；以及输出端，其光学耦合到所述激光腔并输出所述光脉冲的至少一部分。27.根据权利要求26所述的激光系统，其中所述第一滤光器是光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅具有包括至少0.2nm的半高全宽带宽和类高斯变迹的折射率剖面。28.根据权利要求27所述的激光系统，其中所述折射率剖面具有变化光栅周期。29.根据权利要求26所述的激光系统，其中所述激光腔的至少一部分是光纤的。

技术总结

描述了一种光纤激光系统，总体上具有：泵浦激光器，其产生泵浦激光束；以及光纤段，其光学耦合到泵浦激光器，该光纤段具有：激光腔，该激光腔具有腔路径、具有第一反射率剖面的第一光纤布拉格光栅、具有第二滤光器剖面的第二滤光器以及沿着腔路径位于第一光纤布拉格光栅与第二滤光器之间的光学增益区，第一反射率剖面与第二滤光器剖面光谱失谐，第一光纤布拉格光栅具有包括至少0.2nm的半高全宽带宽和类高斯变迹的第一折射率剖面，其中，在用泵浦激光束泵浦光学增益区并对激光腔进行锁模时，光脉冲沿着腔路径循环；以及输出端。以及输出端。以及输出端。