專利名稱：大功率平行光纖陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超高峰值功率光纖激光系統(tǒng)。光纖放大器中的高效率放大一般需要伸長的放大器光纖長度，這導(dǎo)致在高功率電 平下使光纖大量受到非線性自聚焦。事實上，已經(jīng)證實由于自聚焦，光纖放大器中的可獲得 峰值功率受限于約5MW。為了克服光纖的一般非線性限制，已經(jīng)提出了多芯光纖設(shè)計(D. Scrifres，美國專 利5，566，196，Cheo等人，美國專利7，107，795)。多芯光纖設(shè)計在大纖芯面積上分布信號 強度，并因此減輕任何非線性效應(yīng)。為了獲得近衍射極限的輸出光束，還提出了可以在各纖 芯之間實現(xiàn)被動鎖定(Scrifres ‘196和Cheo美國專利6，031，850以及許多其它的文獻)。 所述被動鎖相方案能夠以多種方式實現(xiàn)，例如通過在限制的光腔內(nèi)設(shè)定多芯光纖激光。衍 射效應(yīng)隨后可用于使鎖相腔超模對其它腔超模的損耗最小化(例如，EWrage等人，Opt. Lett·，26，980 (2001) ；L Michaille 等人，’Phase locking and supermode selection in multicore photonic crystal fiber lasers with a large doped area',Opt. Lett. ,vol 30，pp. 1668(2005))。被動鎖相還被采用光纖陣列進行說明，例如Shakir等人的美國專利 7，130，133和Ionov等人的美國專利6，882，781。這些方法通常是基于一些類型的模式選 擇，所述模式選擇導(dǎo)致與其它所有模式相比某些超模具有優(yōu)選的振蕩。通常，這些被動相干 耦合技術(shù)是基于cw(連續(xù)波)激光信號的。此外，被動鎖相方法難于實施并且具有有限的 可擴展性。在Verdiell等人的US 5，121，400中，還提出基于利用光折變材料的非線性組 束的被動鎖相。不過，光折變材料具有明顯的功率限制并因此不能用于大功率應(yīng)用中。作為對所述被動相耦合技術(shù)的替代，還提出了相位共軛鏡，以便從光纖耦合器和 多模光纖的復(fù)雜結(jié)構(gòu)中獲得近衍射極限的模式(Betin等人的美國專利6，480，327)。不過， 迄今為止尚未設(shè)計出利用相位共軛構(gòu)造出大功率光纖激光器的可靠方法。作為對多芯光纖或光纖陣列的被動鎖相的替代，業(yè)已考慮使用光纖激光器的非相 干和相干疊加，以便克服單芯光纖的非線性限制。非線性疊加通常通過波分復(fù)用方法利用 光纖激光器的線性陣列來實施，其中每個光纖激光器被設(shè)計成在不同的波長工作，以便通 過波長選擇性光學(xué)元件實現(xiàn)波長組合(參見例如，T. Y. Fan，“Laser Beam Combining for High-Power High-Radiance Sources，，，IEEE J. Sel. Top. in Quantum Electronic, vol. 11, PP. 567(2005)。該技術(shù)的一個限制是它通常受限于非常小的信號帶寬并因此優(yōu)選通過單頻 光纖激光器進行實施。在相干疊加中，通常平鋪和連續(xù)孔(徑)方法是突出的，這也披露 于 Fan 的(T. Y. Fan,"Laser Beam Combining for High-Power High-Radiance Sources，，，IEEE J. Sel. Top in Quantum Electronic, vol. 11, pp. 567(2005))中。多個單獨光纖的相干疊加在技術(shù)上有提及并且非常昂貴，對于實際的商業(yè)應(yīng)用潛 力有限。所述光纖陣列(通常被稱為光纖相控陣列(FPA))的相干疊加已由若干組說明 (E. Bott等人的美國專利5，694，408 ；Rice等人的美國專利5，946，130)；Brosnan等人的美國專利6，366，356 Johnson等人的美國專利6，233，085 ； M. Minden的美國專利6，400，871 ；Rice等人的美國專利6，597，836 ；Rice等人的美國專利 6，678，288 ；M. Wickham 等人的美國專利 6，708，003 ；R. Rice 等人的美國專利 6, 813, 069 ； R. Rice等人的美國專利7，065，110 ；T. Shay等人的美國專利7，187，492 ；Rothenberg等人 的美國專禾U 7, 120，175 ；Rice 等人的美國專利 7，221，499 和 S. August, ‘Coherent beam combining and phase noise measurements of ytterbium fiber amplifiers', Opt. Lett. ,vol. 29, pp. 474 (2004)。所有這些系統(tǒng)基于平鋪孔(徑)方法并且大量借鑒了為天文 學(xué)所開發(fā)的相位控制技術(shù)，即J. W. Hardy等人的“Real-time atmospheric compensation”， J. Opt. Soc. Am. ， vol. 67，pp. 360 (1977)禾口 Τ· R. 0’ Meara 的"The multidither principle in adaptive optics”，J. Opt. Soc. Am.，vol. 67，pp. 360 (1977)。在天文學(xué)應(yīng)用中，光學(xué)成 像系統(tǒng)的大氣相(位波)前擾動通過將大波陣面(相前，phase front)分成若干個獨立的 部分并利用自適應(yīng)鏡和外差式相位檢測以穩(wěn)定每個單獨部分中的波陣面來進行補償。通過 商用自適應(yīng)鏡，可以對帶寬達到KHz量級的大氣起伏補償相前擾動。不過，多顫振式相位控 制技術(shù)有助于平鋪孔(徑)相干疊加，迄今為止上述文獻中沒有涉及連續(xù)孔(徑)FPA。連續(xù)孔(徑)結(jié)構(gòu)中的相干疊加已披露于Fan的(T. Y. Fan, "Laser Beam Combining for High-Power High-Radiance Sources，，，IEEE J. Sel. Top. in Quantum Electronics, vol. 11, pp. 567(2005))并隨后也披露于Rice等人的美國專利申請 11/361,352中。不過，’352的系統(tǒng)描述了 cw(連續(xù)波)放大器的相干疊加并依靠具有較大 反饋環(huán)路帶寬的外差式相位檢測技術(shù)。事實上，將天文學(xué)已知的相(位波)前校正技術(shù)用到FPA的相位控制迄今為 止是不可能的，這是因為在通常的光纖放大器中觀察到非常大帶寬的相位起伏，在頻率 高達IO-IOOkHz時可以產(chǎn)生顯而易見的相位起伏(參見例如S.Augst，‘Coherent beam combining and phase noise measurements of ytterbium fiber amplifiers', Opt. Lett.，vol. 29，pp. 474(2004))。因此，F(xiàn)PA中的相位控制一般通過具有MHz級反饋環(huán)路帶 寬的外差式相位檢測技術(shù)的鎖相環(huán)路實現(xiàn)，這導(dǎo)致需要昂貴的聲光調(diào)頻器，所述調(diào)頻器需 要整合入每個獨立的細光束以確保適當(dāng)?shù)南辔豢刂啤４送?，大部分演示的FPA的相干疊加具有用窄帶寬cw(連續(xù)波)激光源注入的 cw(連續(xù)波)光纖放大器并且脈沖源的相干疊加具有許多限制。例如，在Bott等人的美國 專利5，694，408的研究中，Bott只考慮了平鋪孔(徑)系統(tǒng)并且沒有提出在放大fs (飛秒) 脈沖時減小光纖放大器中非線性的建議。在Palese等人的美國專利申請09/808，330的研 究中，具有寬光譜帶寬的脈沖源在光譜上被分成線性陣列的通道，并且每個通道在光纖放 大器陣列的單獨部件中被放大。隨后，被放大的光譜通道在色散光學(xué)元件中進行重新組合。 該方法的一個限制是在光譜分裂和重新組合過程中可能存在的有限的光譜填充率。在另一項研究中，(參見 E.Cheung 等人的’ Phase locking of a pulsed fiber amplifier', Opt. Soc. Conf. on Advanced Solid State Photonics, paper#WA2, (2008)),
7調(diào)幅cw(連續(xù)波)束以相干的方式鎖至非調(diào)制cw(連續(xù)波)束，這限制了該方案的光譜帶 寬和可獲得的脈沖寬度。在另一個例子中，(Mourou等人在國際公開號為WO 2007/034317的，Optical Pulse Amplifier with High Peak and High Average Power，)，提出 了在光纖陣列中相干 疊加脈沖，不過并未提出脈沖光纖放大器的相位控制的可行方案。例如，建議在介入相位控 制的兩個延時啁啾脈沖時使用觀察到的差拍信號。不過，所述差拍信號只在脈沖在時域上 重疊并尤其是對于低重復(fù)率脈沖源時可觀察到，這大大地使相位檢測變得復(fù)雜。沒有光譜帶寬限制的相干疊加已披露于Hartl等人同時待審的美國專利申請序 列號11/546，998的基于各分離的光纖放大器陣列或多芯光纖的相干多路復(fù)用FPA中，該專 利申請受讓于本發(fā)明的受讓人。序列號11/546,998的公開內(nèi)容在此以全文形式被結(jié)合入 本文引用。作為對使用多芯光纖以克服光纖的功率限制的替代，還提出了高度多模光纖。這 些多模光纖具有非常大的模面積并因此與單模光纖相比可以用低得多的光強度傳播大 功率信號。對所述多模光纖使用自適應(yīng)控制的輸入模式，利用例如輸入控制的遺傳算法 激勵單個主模是可行的[H. Itoh 等人的’ Femtosecond pulse delivery through long multi-mode fiber using adaptive pulse synthesis' J. J. Appl.Phys.,45,5761(2006)； X. Shen 等人的'Compensation for multimode fiber dispersion by adaptive optics', Opt. Lett.，30，2985 (2005)]。所述主模在一段更長的時間上即使對于km長度的光纖(在 好幾百個ms的范圍內(nèi))是穩(wěn)定的，因此可以實現(xiàn)基于遺傳算法的較慢的自適應(yīng)控制，以便 找到主模并調(diào)整光纖注入模式以隨時間變化跟蹤給定的主模。雖然這些方案能夠補償多模 光纖中的模態(tài)色散，多模光纖中的主模一般不受衍射極限的限制并且在大功率激光應(yīng)用中 使用有限。另一種擴展光纖技術(shù)的功率極限的方法是外部增強腔的實施，它利用增強腔和 光纖放大器之間的自適應(yīng)相位控制可以增大來自光纖放大器的功率達1000-10，000倍 (I. Hartl等人的美國專利申請序列號11/546，998)。該技術(shù)的缺陷是在不嚴(yán)重影響可能的 腔Q和所述腔的色散特性的前提下一般很難從增強腔中提取光功率。另一種擴展光纖技術(shù)的峰值功率極限的方法是參數(shù)放大方案的實施，如最近披露 于Imeshev等人的美國專利申請序列號11/091,015。在所述方案中，量子放大器被用作 參數(shù)放大器的泵浦。一般，在量子放大器前可以插入脈沖展寬器，以避免量子放大器中的 B-積分問題。在量子放大器中放大的展寬脈沖在被引導(dǎo)用于泵浦參數(shù)放大器之前還可以被 壓縮。為了最大化的在商業(yè)應(yīng)用中使用Imeshev在’015中所討論的系統(tǒng)，量子放大器還可 以是基于光纖系統(tǒng)的。不過，目前為止尚沒有公開將多芯光纖用于泵浦參數(shù)放大器的系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及超緊湊、大功率、高能光脈沖源及其應(yīng)用的設(shè)計。在第一實施例中，利用在相干合成陣列光纖放大器中的啁啾脈沖放大來生成近衍 射極限的高能脈沖。在第二實施例中，各光纖放大器的相干疊加通過以多芯光纖的形式實現(xiàn)放大器陣列而得以簡化。利用多芯光纖各芯中折射率起伏的強熱耦合將光纖內(nèi)任意相位起伏的帶寬 減小至用具有kHz級反饋帶寬的自適應(yīng)光學(xué)儀器可控的水平。光纖模式耦合和各纖芯之間 所產(chǎn)生的功率交換通過利用具有最小空間重疊的完全分離的纖芯減到最小?？梢詫崿F(xiàn)具有幾十個單獨部件的光纖陣列，使得所生成的脈沖具有的峰值功率比 在平均功率高于100W范圍的光纖自聚焦極限高10-100倍。光纖陣列與包層和側(cè)面泵浦方案完全相容，并因此與可獲得輸出功率成比例的功 率只受散熱考慮的限制?？梢詫嵤┗诒Ｆ饫w的光纖陣列，或者可替換地可以實施法拉第旋轉(zhuǎn)器(轉(zhuǎn) 子)雙程(雙通)方案，以使光纖陣列輸出處的偏振起伏減到最小。多芯光纖的使用極大地降低了光纖相位陣列的復(fù)雜性，這對于使它們在經(jīng)濟上適 于一般性使用是需要的。在第三實施例中，通過利用具有模限制的光纖經(jīng)由空氣孔或總體低折射率泄漏通 道可以設(shè)計具有密集纖芯的多芯光纖陣列。可替換的，可以使用多光纖陣列，所述陣列在 泵浦耦合端相互連接時可以在信號耦合端分裂，以便使泵浦耦合方案的光學(xué)復(fù)雜度減到最 小。所述強耦合多光纖陣列還大大降低了對于相干疊加的帶寬要求。在第四實施例中，通過利用相干空間模轉(zhuǎn)換技術(shù)將光信號有效耦合至光纖陣列進 一步實現(xiàn)了復(fù)雜度的降低。在光纖相位陣列的輸出處和對于連續(xù)孔(徑)結(jié)構(gòu)的相干組束 利用相干空間模轉(zhuǎn)換技術(shù)還使相干合成光纖陣列的斯特列爾比(Strehl ratio)最大化。在第五實施例中，描述了根據(jù)上述實施例的光纖相位陣列的相位檢測和控制的方 案?？梢栽诓煌Y(jié)構(gòu)中用外差式相位檢測進行光相位控制。例如，可以用參考臂被設(shè)置成干涉光纖相位陣列的單獨元件來實施外差式相位檢 測。為了實現(xiàn)外差式相位檢測，參考臂通常以一頻率調(diào)相，所述頻率高于相位陣列的各元件 之間的隨機相位起伏的帶寬。光學(xué)干涉圖隨后通過檢測器陣列進行檢測并且相位檢測電子 器件被用于利用適當(dāng)?shù)膫鞲衅鱽砜刂泼總€陣列元件中的光程長度，所述傳感器光學(xué)連接至 相位陣列。用于控制光程長度的適當(dāng)傳感器的不同選擇是可行的，例如以反射工作的鏡陣 列。 另外，對于相位檢測可以實施不同的選擇。例如，為了控制低重復(fù)率脈沖的每個光 纖陣列元件的光學(xué)相位，波長不同于光纖放大器陣列的工作波長的其它連續(xù)波激光可耦合 至每個陣列元件，并且整個相位檢測可以在連續(xù)波激光的波長下進行。同樣地，結(jié)合在脈沖 間的光學(xué)泄漏信號的相位可用于相位檢測。另外，可以實施適當(dāng)傳感器的光學(xué)抖動，以便調(diào)制每個單獨陣列元件的光程長度。 非調(diào)制參照臂和光纖陣列的輸出之間的光學(xué)干涉圖的相敏檢測可隨后被用于控制每個光 纖陣列元件的光程長度。還可以基于自適應(yīng)光學(xué)方案進行光學(xué)相位控制。還可以基于快速遺傳算法實施光學(xué)相位控制，以便利用斯特列爾比(Strehl ratio)的最大化作為優(yōu)化目標(biāo)找到和追蹤基于多芯光纖結(jié)構(gòu)的光纖相位陣列的相位相干 超模。自適應(yīng)光學(xué)方案還可以與數(shù)字全息方案結(jié)合，以便利用空間光調(diào)制器補償光纖之間的相位起伏，所述空間光調(diào)制器產(chǎn)生光纖內(nèi)相位起伏的復(fù)共軛并將其加至信號傳輸路徑。本文所述的實施例可用于大功率加工應(yīng)用，泵浦光學(xué)參數(shù)放大器以及用于等離 子，VUV,EUV和X射線產(chǎn)生，或一般在希望功率上升但又受到非線性效應(yīng)或器件損壞限制的 地方。在第六實施例中，描述了通過脈沖相干合成多芯光纖或一般光纖相位陣列進行泵 浦的參數(shù)放大器。


本發(fā)明的各方面通過結(jié)合附圖進行詳細描述的示例性、非限制性實施例而變得更 為顯而易見。附圖僅是為了說明性目的，并且不按比例進行繪制。附圖中圖1是用于光纖相位陣列中高能脈沖的放大的通用方案的示意圖。圖2是利用多芯光纖通過相干疊加產(chǎn)生近衍射極限的光束的通用方案的示意圖。圖3a是剖視圖，示意性地示出了包括基于階躍折射率光纖的各纖芯的多芯光纖。圖3b是剖視圖，示意性地示出了包括基于泄漏通道光纖的各纖芯的多芯光纖。圖3c是剖視圖，示意性地示出了包括基于保偏泄漏通道光纖的各纖芯的多芯光 纖。圖4是圖表，示出了單模階躍折射率光纖(點線)和通常泄漏通道光纖(虛線和 點畫線)的半徑模態(tài)強度分布圖；虛線對應(yīng)于沿兩個低折射率毛細管的強度分布，而點畫 線對應(yīng)沿兩個間隙的強度分布。圖5是多芯光纖的側(cè)面泵浦方案的圖。圖5a示意性地示出了同軸多芯光纖。圖6a是用于相干疊加來自于以反射工作的多芯光纖放大器的各光纖的輸出的通 用方案的示意圖。圖6b是種子信號注入多芯光纖放大器的示例性示意圖。相同的方案還可以用于 當(dāng)相干疊加連續(xù)孔徑結(jié)構(gòu)中的各纖芯時，從多芯光纖放大器提取信號。圖7是商用的鏡陣列的示意圖。圖8是用于相干疊加來自于以透射(傳輸)工作的多芯光纖放大器的各光纖的輸 出的通用方案的示意圖。圖9是利用在信號發(fā)射端處的錐形注入多芯光纖的通用方案的示意圖。圖IOa是利用連續(xù)波激光進行相位控制的相位控制多芯光纖放大器。圖IOb是通過調(diào)制參考光束利用外差相位檢測的相位控制多芯光纖放大器的示 意圖。圖IOc是通過調(diào)制每個單獨纖芯的光束路徑利用外差相位檢測的相位控制多芯 光纖放大器的示意圖。圖IOd是利用頻率梳的相位控制多芯光纖放大器的示意圖。圖IOe是利用干涉測量互相關(guān)器陣列的相位控制多芯光纖放大器的示意圖。圖11是利用用于脈沖調(diào)制和相位控制的聲光調(diào)制器的相位控制多芯光纖放大器的示意圖。圖12a是多芯光纖陣列的泵浦耦合方案的示意圖。圖12b是幾何捆束光纖陣列的各光纖的示意圖。圖13是根據(jù)另一實施例的參數(shù)放大器的示意圖。
具體實施例方式圖1示出了根據(jù)第一施例的設(shè)計示例。系統(tǒng)100包括用于生成大功率光脈沖的大 功率光纖相位陣列系統(tǒng)。脈沖在種子源101中生成，所述種子源101可包括二極管、光纖或 固態(tài)激光器。脈沖的脈寬可以從fs (飛秒)范圍到約lyS。這些還可以利用色散光學(xué)元件 適時展寬。用于色散脈沖展寬的元件是公知的(來自于啁啾脈沖放大系統(tǒng))，并在此不進 一步進行討論。種子源101的光脈沖通過耦合器102被分成各光束路徑。這里示出了具有 光纖光耦合器102的結(jié)構(gòu)，但是可替換的，也可以使用大量光束分離器或大量衍射元件來 產(chǎn)生光束路徑的陣列。相位控制元件，例如調(diào)制器103-105，隨后被插入光束路徑以實現(xiàn)各 光束路徑的相位控制。在各光束路徑中傳播的脈沖隨后被耦合至光纖放大器106-108的陣 列。為了獲得高輸出功率，光纖放大器通常是雙包層并且任何傳統(tǒng)的泵浦耦合技術(shù)可用于 將泵浦光耦合至這些放大器。光纖放大器的輸出通過元件109光學(xué)結(jié)合，所述元件109可 以包括透鏡陣列以及透鏡陣列和色散光學(xué)元件的組合。在系統(tǒng)的輸出處產(chǎn)生近衍射極限的 光束110，其中經(jīng)由調(diào)制器103-105實現(xiàn)的相位控制被用于優(yōu)化輸出光束110的斯特列爾比 (Strehl ratio)?？梢栽诠馐?10的下游結(jié)合入其它大量光學(xué)元件，用于色散的脈沖壓縮。 所述元件是公知的(來自于啁啾脈沖放大系統(tǒng))，并在此不再進一步進行討論。圖2示出了根據(jù)第二實施例的設(shè)計示例。系統(tǒng)200包括多芯光纖形式的光纖相位陣 列。種子源201通過光學(xué)元件202分成一定數(shù)量的單獨光束。單獨的光束穿過相位控制 元件的陣列，(例如，調(diào)制器203)，所述相位控制元件允許對每個單獨光束進行獨立相位控 制。調(diào)相光束隨后耦合至多芯光纖放大器204，所述放大器包括多個單獨(纖)芯205。在 這里示出了 7個(纖)芯205，但是更多數(shù)量的芯是可能的。多芯放大器204通常是雙包層 的，允許用大功率半導(dǎo)體激光進行泵浦。任何傳統(tǒng)的泵浦耦合技術(shù)可用于將泵浦光耦合至 多芯放大器204。多芯光纖放大器204的輸出穿過光束成形元件206，所述元件206可以包 括透鏡陣列和色散光學(xué)元件。在系統(tǒng)的輸出處產(chǎn)生近衍射極限的光束207，其中經(jīng)由調(diào)制 器203實現(xiàn)的相位控制被用于優(yōu)化輸出光束207的斯特列爾比(Strehl ratio)。可以在種 子源201的上游和光束207的下游結(jié)合入其它大量光纖元件，用于色散的脈沖展寬和壓縮。 所述元件是公知的(來自于啁啾脈沖放大系統(tǒng))，并在此不再進一步進行討論。圖3a示出了根據(jù)第三實施例的多芯光纖的截面的具體設(shè)計示例。它包括包層直 徑為330um的光纖棒和19個單模光纖的等距陣列。在本示例中光纖外徑為400 μ m。每個 單獨纖芯的纖芯直徑為30um并且芯至芯間距為60um?？梢詫崿F(xiàn)不同的纖芯設(shè)計，即，傳統(tǒng) 的階躍折射率光纖設(shè)計，微結(jié)構(gòu)光纖(L. Michaille等人的’Phase locking and supermode selection in multicore photonic crystal fiber lasers with a large doped area', Opt. Lett.，vol.30, pp. 1668(2005))，以及泄漏通道光纖(Dong等人的美國申請序列號 11/134,856)和布拉格(Bragg)光纖。所有這些光纖設(shè)計在本領(lǐng)域中是公知的，并且不在此 進一步進行描述。在所有這些設(shè)計中，摻雜Yb (或另一稀土摻雜劑)可易于在纖芯區(qū)域進行實施，以實現(xiàn)信號放大。還可以實施用于泵浦導(dǎo)向的薄的低折射率包層材料。該光纖的 組合纖芯面積約為13400 μ m2并且比傳統(tǒng)大芯徑光纖的最大可能纖芯面積大大約3倍。包 層/纖芯面積比達到6. 4 ；因此所述結(jié)構(gòu)在低Yb摻雜水平下可以獲得非常高的包層吸收， 這大大簡化了該結(jié)構(gòu)的制造并延長了光纖的使用期限。圖3b示出了基于泄漏通道光纖具有19個單獨單模纖芯的多芯光纖的截面的示 例。在這里，陰影線圈代表纖芯區(qū)域，所述纖芯區(qū)域用Yb摻雜，而小的無陰影線圈代表具有 減小的折射率的空氣孔或玻璃區(qū)域。具有相應(yīng)泄漏通道的每個單獨纖芯的設(shè)計遵循Dong 等人在同時待審的美國申請所披露的設(shè)計依據(jù)，所述美國申請是序列號11/134，856，序 列號60/975，478，序列號61/086，433和PCT國際申請?zhí)朠CT/US/74668，每個的發(fā)明名稱為 "Glass Large-Core Optical Fibers (玻璃大芯徑光纖)”，并轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。序 列號11/134，856,60/975, 478,61/086, 433和PCT/US/74668的公開內(nèi)容在此以全文形式被 結(jié)合入本文引用。選擇氣孔尺寸或具有減小的折射率的區(qū)域尺寸以便提供基模的可接受損耗，同時 提供更高階模的高損耗。在示例性實施例中，折射率密切匹配熔融石英玻璃的折射率的鎰 摻雜棒按六邊形與第二類型棒堆疊，所述第二類型棒可具有相同的直徑，從而每個鎰?chuàng)诫s 棒由6個第二類型棒環(huán)繞。鎰?chuàng)诫s棒可具有被熔融石英玻璃環(huán)繞的鎰?chuàng)诫s中心部分。第二 類型棒具有較低折射率的中心部分，例如，氟摻雜石英，還被熔融石英玻璃環(huán)繞。(鎰元素 棒直徑)/(第二類型棒直徑)的比率通常在0.6和0.9之間。六邊形層疊通常插入石英玻 璃管中，所述石英玻璃管的內(nèi)徑稍大于六邊形層疊的外徑。在一個實施例中，所得到的預(yù)制 件在光纖拉絲塔上被拉制成適當(dāng)?shù)墓饫w直徑，其中外管的內(nèi)部被抽真空。還可以在光纖上 設(shè)置較低折射率的聚合物涂層，以便泵浦光可以在光纖的玻璃區(qū)域?qū)?。在另一個實施例 中，在層疊和石英管之間設(shè)置毛細管層，以便泵浦可以在氣孔層內(nèi)引導(dǎo)。在另一可替換實施 例中，毛細管可用于代替具有氟摻雜中心部分的第二棒類型。在另一實施例中，硼摻雜的石 英棒可用在如圖3c所示的結(jié)構(gòu)中，以便對于保偏應(yīng)用使每個泄漏通道纖芯雙折射。所述保 偏、多芯、泄漏通道結(jié)構(gòu)的示例將在下文進一步說明。與傳統(tǒng)的階躍折射率多芯單模光纖相比，使用多芯泄漏通道光纖允許更密集排列 的纖芯，具有更小的模式耦合，這是由于每個單獨模式的模態(tài)翼的最小化。這在圖4中進一 步示出，其中傳統(tǒng)單模光纖的模態(tài)強度分布與泄漏通道光纖的強度分布進行比較。顯然，泄 漏通道光纖的強度分布的翼比傳統(tǒng)階躍折射率光纖減小到零要快得多。在圖3b和3c所示的示例中，在兩個相鄰的稀土摻雜的纖芯區(qū)域之間設(shè)置有一個 低折射率結(jié)構(gòu)。為了進一步降低模式耦合，可以增大纖芯分隔并且可以在兩個摻雜纖芯區(qū) 域之間設(shè)置多于一個的低折射率結(jié)構(gòu)。通過泄漏通道光纖，可以獲得具有單獨纖芯之間最小耦合的纖芯直徑/纖芯分 隔比 0.5。當(dāng)相干疊加所述基于泄漏通道的多芯光纖的所有發(fā)射圖樣時，在平鋪孔徑 結(jié)構(gòu)可以獲得遠場發(fā)射圖樣的斯特列爾比>0.4，而不需要使用任何相干模式修改元件 (modifying element)如相位板。這里，我們記得斯特列爾比(Strehl ratio)是具有某一 強度的光束的遠場強度與在孔內(nèi)硬邊孔徑光束的遠場強度上的相位分布的比率。利用下文 說明的連續(xù)孔徑結(jié)構(gòu)可以獲得接近一致的斯特列爾比。即使在連續(xù)孔徑結(jié)構(gòu)中，多芯光纖 中密集排列的單獨纖芯是有益的，因為它使得整體光纖直徑最小化并且與具有較大外徑的光纖相比具有改進的散熱。多芯結(jié)構(gòu)中任何密集排列的纖芯導(dǎo)致超模的形成和纖芯之間的模式耦合。通過不 同的物理機制(例如應(yīng)力或內(nèi)置的折射率變化)，可能造成多芯結(jié)構(gòu)內(nèi)的內(nèi)在折射率起伏。 結(jié)果，可大大抑制超模。光纖中的模式可被表示為各纖芯模式的簡單線性組合，而可忽略模 式之間的模式耦合。為了使模式耦合可被忽略，優(yōu)選光纖陣列元件之間的能量耦合小于約1%，并且更 優(yōu)選小于0. 1%，或小于0. 02%。在發(fā)明人的一個實驗中，觀察到約0. 01%的耦合。超模抑制對于大芯徑光纖是最有效的，這里纖芯直徑為> 30 μ m。與各大芯徑光纖 相比(其中折射率起伏限制可獲得的模態(tài)尺寸)，多模光纖中折射率起伏實際上是有益的， 因為它們允許增大的纖芯堆疊密度(stacking density)和與各大芯徑光纖相比更大的有 效模態(tài)區(qū)域。還能夠以全保偏(PM)結(jié)構(gòu)制造多芯光纖激光器。多芯PM光纖的示例性設(shè)計在圖 3c中示出。這里示出了泄漏通道光纖。所述光纖與圖3b所示的結(jié)構(gòu)非常相似，但是另外結(jié) 合入應(yīng)力產(chǎn)生區(qū)域，所述區(qū)域由圖3c中與每個纖芯相對設(shè)置的小的陰影區(qū)域表示。在本示 例中，應(yīng)力產(chǎn)生區(qū)域?qū)?yīng)直接環(huán)繞每個纖芯的六個結(jié)構(gòu)中的兩個。所述區(qū)域在纖芯中產(chǎn)生 應(yīng)力并導(dǎo)致保偏工作。PM單芯PM泄漏通道光纖在下述文獻中有討論=Dong等人的美國申 請序列號11/134，856 ；美國臨時申請60/975，478 ；序列號61/086，433 ；和PCT國際申請?zhí)?PCT/US/74668，每個的發(fā)明名稱為 “Glass Large-Core Optical Fibers”。多芯 PM 泄漏通 道光纖設(shè)計將這些保偏實施例按比例調(diào)至多芯并因此不再這里進一步討論。多芯光纖還可以如圖5所示被進行側(cè)面泵浦，圖5示出了多芯光纖301的側(cè)面泵 浦結(jié)構(gòu)300。多芯光纖陣列301包括較大直徑固態(tài)玻璃棒。V形槽302和可選的303隨后 被切入多芯光纖的側(cè)面。多芯光纖包括各纖芯304-306 ；只示出了三個纖芯但是更大數(shù)量 的纖芯是可能的。V形槽302和303用于引導(dǎo)泵浦光進入多芯光纖結(jié)構(gòu)，其中泵浦光用箭 頭307和308標(biāo)示。該泵浦方案非常類似于下述文獻中對于單芯光纖所述的方案，所述文 獻是名禾爾為,Method for coupling light into cladding-pumped fiber sources using embedded mirror'的美HI專禾Ij 5，854，865，禾口名稱為’ Method and apparatus for side pumping a fiber’的美國專利6，704，479。這些和各種其它泵浦結(jié)構(gòu)對于單芯光纖泵浦是 公知的，并因此在此處不再進一步描述。圖5只作為側(cè)面泵浦方案的一個示例；原則上還可 以使用結(jié)合單芯雙包層光纖所用的任何側(cè)面泵浦方案。對于長度為Im的Yb玻璃多芯光纖，輸出功率為IkW的熱負(fù)荷計算為約50-100W， 其反過來在中央和周邊纖芯區(qū)域之間產(chǎn)生約10°c的溫度差。在滿熱負(fù)荷下中央和周邊纖 芯之間的對應(yīng)光程長度差因此為約Ι ομπι，對應(yīng)0.3ps的時間延遲。對于接近帶寬極限的 ns長度脈沖，該時間延遲不需要補償，只要相干時間遠遠大于約Ips即可。對于fs或強啁 啾ps和ns脈沖，熱引起的光程長度差需要補償。這可以通過在光纖之前或之后引入合適 的相位延遲來實現(xiàn)。所述相位延遲可以，例如通過某一厚度的光學(xué)相位板來實現(xiàn)。對于小 的熱負(fù)荷，自適應(yīng)光學(xué)補償方案可以調(diào)節(jié)光程長度差。另外，纖芯可以位于光纖外周(外緣)處的單個環(huán)上，如圖5a所示示例。在不同 的實施例中，所有纖芯具有大致相同的與光纖中心的徑向間隔距離，并且所有纖芯之間的 熱引起的光程長度差大致相等。在下文中我們將此種結(jié)構(gòu)稱為同軸多芯光纖。另外，將所
13有纖芯設(shè)置在同軸多芯光纖的外緣上使得在超出傳統(tǒng)玻璃棒的應(yīng)力破裂極限的吸收級下 同軸多芯光纖能更有效的冷卻和工作。原因是，與相同熱負(fù)荷/每米的傳統(tǒng)玻璃棒相比，對 于相同的熱負(fù)荷在同軸多芯光纖的中心的溫度升高明顯較低。為了在非常大的熱負(fù)荷級下 工作，因此將泵浦光也限制在光纖外周處的環(huán)上是有益的。這可以例如通過對中心光纖區(qū) 域使用低折射率材料(例如氟化玻璃)來實現(xiàn)。多種變形的同軸多芯光纖是可行的，其中 纖芯繞光纖中心對稱設(shè)置。在一些實施例中，纖芯可以設(shè)置在規(guī)則多邊形的頂點，例如具有 6,8,12或更多邊的多邊形。結(jié)構(gòu)可以繞每個纖芯設(shè)置并可能包括空氣孔或低折射率玻璃。 在某些實施例中可以采用類似于圖3c所示的保偏結(jié)構(gòu)。圖6a示出了用于在所有各纖芯中進行同步相位控制的裝置400中的第四實施例 的多芯光纖放大器的示例性實施例。這里，使用如圖3a和3b所示的多芯光纖。在一個基 本實施例中，來自于種子激光器(laser seeder)401的光學(xué)近衍射極限光束的前端經(jīng)由相 位板402 (或衍射光學(xué)元件)映到多芯光纖放大器403的前端面上。相位掩膜板402用于 將來自于種子激光器的單光束型在多芯光纖403的表面上轉(zhuǎn)換成多光束型并且將前端系 統(tǒng)的光集中至多芯放大器的每個單獨纖芯的位置。在本示例中，種子光的一部分通過光束 分離器(BS)404、406和鏡405被導(dǎo)向用于相位檢測的檢測器陣列407。原則上，還可以實施 具有相應(yīng)多光束型的多于一個的種子激光器。為了使光束從種子經(jīng)由相位板傳送至多芯放 大器能夠穩(wěn)定工作，任何多個種子光束需要相干。通過多個種子光束實現(xiàn)的系統(tǒng)是圖6a的 直接擴展，在此不再進一步討論。為了避免從多芯放大器的反饋，通常在種子(激光)器401后插入隔離器(未示 出)。種子(激光)器光401在多程放大器中的每個單獨纖芯中被放大，其中包括法拉第 (Faraday)旋轉(zhuǎn)鏡的雙程(雙通)結(jié)構(gòu)用于使信號增益最大化和補償組件內(nèi)的任何偏振漂 移。在本示例中示出了端面泵浦結(jié)構(gòu)。泵浦激光器409的泵浦光經(jīng)由插入在信號發(fā)射 端的二向色光束分離器410和偏振光束分離器411提供。這里，假設(shè)泵浦和種子光具有相 反的偏振態(tài)。二向色光束分離器的適當(dāng)光學(xué)(器件)上游還用于使泵浦和信號光束的耦合 效率最大化。泵浦可從光束成形半導(dǎo)體激光器方便地獲得(參見例如Fermarm等人的美國 專利6，778，732及其參考文獻)并耦合至多芯光纖的泵浦包層。另外，可以實施結(jié)合圖5 所述的側(cè)面泵浦方案，它進一步簡化了組件。同樣地，當(dāng)結(jié)合入集成部件來代替本實施例中 的大量光學(xué)部件時，可以進一步簡化組件。在第一次通過多芯光纖之后插入自適應(yīng)鏡或自適應(yīng)鏡陣列412以調(diào)制和控制各 纖芯之間緩慢變化的相位。鏡陣列可以例如由壓電傳感器以及MEMs陣列構(gòu)成。還具有透 鏡對413，414，以便將多芯光纖403的輸出映到鏡陣列412上。多芯光纖棒403的輸出經(jīng) 由偏振光束分離器411被引導(dǎo)至與第一相位板402相似的第二相位板(未示出)上，用于 光束合成并隨后導(dǎo)至應(yīng)用。一小部分的輸出光束經(jīng)由光束分離器406被引導(dǎo)到檢測器陣列 407上。通過一部分種子信號與一部分多芯光纖403的輸出進行干涉，可獲得對應(yīng)于多芯光 纖中每個單獨纖芯的光程的相位信息。種子激光器的信號可能被適時色散拉伸并且可能包括其它大量色散脈沖壓縮元 件以進一步增大脈沖的峰值功率。圖7中示出了商用自適應(yīng)鏡陣列的示例。對于設(shè)計得很好的鏡陣列，每個鏡的位置可以在ΙΟΟ-ΙΟΟΟΗζ的頻率之間進行調(diào)整，這足以補償多芯光纖陣列中的緩慢相位起伏， 一旦光纖在恒定溫度下工作，所述相位起伏在I-IOOHz范圍的帶寬具有最大波幅。在不同的實施例中，具有在空間上分隔的鏡的陣列的商用MEMs器件可用于相位 控制。MEMs陣列的每個元件可以包括可控制沿光軸幾微米長度(行程長度)上的鏡，并能 夠提供傾斜(tip/tilt)控制。舉例來說，可從Iris AO公司獲得的S37系列包括MEMs可 變形鏡，包含具有37個元件的陣列，最大行程為12 μ m，可控制高達約2KHz，具有控制軟件。在不同的實施例中，利用天文學(xué)已知的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)進行所需的自適應(yīng)鏡電子驅(qū)動器 控制，即，對每個鏡施加一小的抖動信號并且利用在抖動頻率下的外差檢測來測量沿該臂 的光學(xué)信號路徑的相位。通過該多芯光纖陣列，可以超過傳統(tǒng)單模光纖的功率極限達10-100的量級，其中 平均功率容量可在kW范圍。包括用于相干疊加的光學(xué)結(jié)構(gòu)500的第四實施例的特定設(shè)計示例進一步在圖6b 進行討論。為了簡化起見，我們假設(shè)多芯光纖501是側(cè)面泵浦的和保偏的。單模光纖的輸出 (未示出)通過合適的望遠鏡(telescope)(也未示出)放大，以便在點PO位置的平面503 上產(chǎn)生光點直徑為100 μ m的輸入光束502。在波長為1 μ m下相應(yīng)的角散度因此為0. 73度 而相應(yīng)的的輸入光束的數(shù)值孔徑為0. 0064。焦距為IOOmrn的第一透鏡Ll 504隨后用于使 來自點PO的光束準(zhǔn)直。相位板505設(shè)置在與透鏡504距離IOOmrn的位置，以便將輸入光束 分成多個衍射光束。相位板上的光點直徑由輸入光束的散度計算為1.3mm。通過選擇在相 位板上的調(diào)制周期為d = 0. 4mm，我們得到的衍射角為Sin(a ) = 1/400 = 0. 0025。通過 將相位板設(shè)置在焦距為40mm的第二透鏡L2 506的焦距上，單個光束轉(zhuǎn)變成光束陣列，其中 光點直徑為40 μ m,光束至光束的間隔為100 μ m。設(shè)計用于接收輸入光束的適宜多芯光纖501可以是纖芯直徑為50 μ m并且芯至芯 間隔為100 μ m的損耗通道光纖(例如泄漏通道光纖或另一不同設(shè)計的多芯光纖)。相同 的結(jié)構(gòu)還可進行反向工作，將多芯光纖的輸出合成為單個光束，其中透鏡L1504可被省略。 同樣，反向工作的圖6b所示光學(xué)結(jié)構(gòu)也可用于利用僅單次通過多芯光纖陣列501的連續(xù)孔 徑結(jié)構(gòu)中的光束合成。用于控制單程(單通)結(jié)構(gòu)中每個單獨纖芯的相位的技術(shù)將在下文 結(jié)合圖8進行討論。通過利用點PO上游的隔離器可以將多芯光纖放大器501與種子光束隔離。另外， 當(dāng)以雙程(雙通)結(jié)構(gòu)工作時，通過將法拉第(Faraday)旋轉(zhuǎn)器和偏振光束分離器設(shè)置在 點PO的上游可以提取輸出。所述光學(xué)元件在本領(lǐng)域中是公知的，在此不再進一步討論。在圖6b所示的結(jié)構(gòu)中，多芯光纖的第二遠端被映到鏡陣列上，例如圖7所示的陣 列。由于鏡陣列的各面通常在直徑為mm的量級，可以實施適當(dāng)?shù)姆糯蠊鈱W(xué)器件，以便在鏡 陣列上增大多芯光纖的各細光束的間隔。用于鏡像放大的光學(xué)器件在本領(lǐng)域中是公知的， 在此不再進一步討論。在第四實施例的變形中，除了雙程(雙通)結(jié)構(gòu)外，還可以實施單程(單通)結(jié) 構(gòu)。不過，單程(單通)結(jié)構(gòu)稍更復(fù)雜并且不能自動對放大器內(nèi)的任何偏振漂移進行補償。 因此，對于單程(單通)結(jié)構(gòu)，使用如圖3c所示的保偏多芯光纖陣列是合宜的。利用保偏 多芯光纖601的示例性單程(單通)結(jié)構(gòu)600在圖8中示出。這里，示出了在尺寸上與最 終功率放大器601匹配的多芯光纖前置放大器602，所述前置放大器用于在空間上預(yù)先準(zhǔn)備信號光束，以便將鏡陣列的輸出最佳耦合至最終功率放大器。同樣，使用側(cè)面泵浦方案進 一步簡化了光學(xué)組件。通過用如圖9所示具有單光束輸入的錐形多芯光纖來代替前置放大 器多芯光纖，可以進一步簡化光學(xué)結(jié)構(gòu)。這里，多芯光纖700在信號輸入端701漸縮成小直 徑。所述多芯光纖等同于星形耦合器，在光纖的擴展區(qū)域中將輸入信號大致相等地分成所 有的各單獨纖芯。錐形光纖區(qū)域上游的另一耦合器還可用于為檢測器陣列提供參考信號。 另外，圖8中的鏡陣列603可以用以透射(傳輸)工作的空間光束調(diào)制器來補充或取代。空 間光束調(diào)制器，例如空間光調(diào)制器(SLM)，可以例如插在前置放大器602和功率放大器601 之間。所述空間光調(diào)制器在本技術(shù)領(lǐng)域是公知的，在此不再進一步討論。所述空間調(diào)制器 的使用大大簡化了圖8所示的組件。相位板(未示出)可以插入在多芯光纖放大器的輸出 處，用于使輸出光束的斯特列爾比(Strehl ratio)最大化。參考信號和多芯光纖601的輸出的干涉還可用于向空間光調(diào)制器提供反饋，以產(chǎn) 生對應(yīng)于所有同相位纖芯的希望干涉圖。所希望的干涉圖可以通過遺傳算法進行確定。為 了獲得向空間光調(diào)制器進行反饋的合適的代價函數(shù)，可以計算希望和實際干涉圖之間的差 值。為了更快的相位控制，可以實施數(shù)字全息技術(shù)。數(shù)字全息的原理披露于Stappaerts等 人的美國專利 5，378，888 和 C. Bellanger 等人的，Coherent fiber combining by digital holography，，Opt. Lett.，vol. 33，no. 24，pp. 2937，Dec. 2008 中。為了實現(xiàn)用于相位控制 的數(shù)字全息，一小測試光束需要反向通過多芯光纖陣列并在另一檢測器陣列(未示出)上 與參考光束干涉。這可以通過適當(dāng)排列光束分離器、鏡、和/或其它光學(xué)元件以便在空間上 分割或引導(dǎo)光束來實現(xiàn)。主光束被設(shè)置成如前一樣通過空間光調(diào)制器。通過將測試和參考 光束之間的干涉圖反饋回到空間光調(diào)制器，所述空間光調(diào)制器隨后可被設(shè)置成在主光束通 過時產(chǎn)生復(fù)共軛的干涉圖。因此，多芯光纖陣列內(nèi)的相位起伏可得到補償。為了使相位補 償技術(shù)工作地最好，測試光束和主光束會具有相似的波長。優(yōu)選的，測試光束具有小的光譜 帶寬并且具有的波長在主光束的光譜帶寬中居中。數(shù)字全息技術(shù)與本文所討論的任何光纖 相位陣列結(jié)構(gòu)相容。數(shù)字全息技術(shù)在本領(lǐng)域是公知的，并因此在此不再進一步討論。由于 在多芯光纖陣列中低頻的相位起伏，數(shù)字全息技術(shù)在所述結(jié)構(gòu)中對相位起伏進行補償是非 常有效的。在第五實施例中，可以實施若干個其它的方案用于相位檢測。圖10示出了一個優(yōu)選實施例。利用相位板作衍射元件801以及中繼透鏡802和 803，脈沖種子“信號”光源800被映到多芯放大器光纖806的纖芯上。在光纖端面，利用中 繼透鏡804和805將纖芯映在分節(jié)鏡陣列上，使得從單芯發(fā)出的光通過單個鏡部分(鏡節(jié)) 反射回相同的纖芯。每個鏡部分(鏡節(jié))可以通過與光傳播方向平行的驅(qū)動器平移。法拉 第(Faraday)旋轉(zhuǎn)器是雙程(雙通)的，以確保抵御放大器光纖纖芯中偏振旋轉(zhuǎn)的環(huán)境穩(wěn) 定性。在第二次反向通過放大器纖芯之后，光被偏振光束分離器809從發(fā)射光中分離。多 芯放大器光纖806通過泵浦源810進行包層泵浦。窄線寬連續(xù)波“穩(wěn)定”激光器811的光通過各摻雜的纖芯被共同傳播并用于相位 檢測。光源的波長被選定為具有通過光纖的高透射(傳輸)性。優(yōu)選的，選擇連續(xù)波光源 的波長不同于種子源800的信號波長并且在放大器纖芯的最大增益帶寬之外。這確保了通 過共同傳播cw(連續(xù)波)光幾乎沒有或沒有獲得增益并且cw(連續(xù)波)光沒有明顯耗盡放 大器增益。優(yōu)選的，選擇的cw(連續(xù)波)光源的波長盡量接近信號波長，以便不受到中繼透鏡803，804和805的色差，并且從而衍射元件801處的衍射角接近信號波長的衍射角。連續(xù)波光的一部分繞過有源光纖并用作參考光束。該部分利用聲光調(diào)制器 (AOM) 812通過本地振蕩器813的頻率被移頻并照射光檢測器陣列的元件。與信號光共同傳 播的cw(連續(xù)波)光在光束分離器814處與信號光結(jié)合。透鏡816連同透鏡803 —起用于 將每個纖芯映在光電二極管陣列817的單個光電二極管上。如果連續(xù)波激光器的波長與種 子激光器不同，光帶通濾光器例如干涉濾光器(IF)815和光束分離器814上的涂層可用于 阻止連續(xù)波激光器波長之外的光充滿檢測器。在檢測器陣列元件，檢測到共同傳播的連續(xù)波光和信號光干涉及外差差拍信號的 參考光。參考光束中可以插入光學(xué)波板、衍射元件和另外的透鏡，以使差拍信號最大化。有 源光纖纖芯的光程長度的任何變化導(dǎo)致共同傳播的連續(xù)波光的多普勒(Doppler)頻移并 因此導(dǎo)致差拍信號的頻移。該差拍信號因此可用于將所有纖芯的光程長度穩(wěn)定在恒定值。 該方法通常用于結(jié)合CW激光器并披露于例如S. J. Augst等人的Opt. Lett. 29,474(2004) 中。在這里所述的實施例中，不過連續(xù)波激光器是用于各單獨纖芯的光程長度穩(wěn)定并且不 同于放大的光。本實施例可用于種子源的所有重復(fù)頻率。對于光程長度穩(wěn)定，外差信號可 選的通過帶通濾光器818進行過濾。相位檢測器(PD) 820用于檢測外差差拍信號和參考振 蕩器之間的相對相位。所述相位檢測器為反饋穩(wěn)定環(huán)路提供誤差信號，所述反饋穩(wěn)定環(huán)路 由控制鏡驅(qū)動器的環(huán)路濾波器821閉合。光學(xué)前置分頻器(pre-SCaler，PS)819，例如16分 頻電路，可用于增大反饋環(huán)路的鎖定范圍。反饋環(huán)路的動態(tài)由環(huán)路濾波器和驅(qū)動器元件的頻率響應(yīng)來確定。環(huán)路濾波器和驅(qū) 動器的最快響應(yīng)時間是在10 μ s時間量程上，這明顯長于種子脈沖長度。因此，連續(xù)波激光 中的快速相位變化，例如由于連續(xù)波激光與放大信號光的交叉相位調(diào)制而發(fā)生，不干涉相 位補償反饋環(huán)路。在相位檢測的第二實施例中，種子光本身可用作參考，如圖IOb所示。因為本地振 蕩器的頻率需要低于脈沖重復(fù)頻率但要高到足以允許高效的外差檢測，本實施例優(yōu)選用于 脈沖重復(fù)頻率高于IMHz的情況。對于低頻，基于RF混頻器的相位檢測器可由模擬至數(shù)字 轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)字信號處理器代替。在這里，反饋環(huán)路的頻率帶寬優(yōu)選地選定為小于脈 沖重復(fù)頻率的十分之一。圖11示出了在低重復(fù)頻率下相位檢測的另一實施例。這里，高重復(fù)頻率(> IOMHz)鎖模振蕩器900被用作種子源。聲光調(diào)制器902用于調(diào)制種子激光器的光脈沖的 強度。這通過對調(diào)制器902施加射頻(RF)激勵頻率并設(shè)置光學(xué)系統(tǒng)傳播所得到的一階衍 射光束來進行。零階非衍射光束(未示出)被阻擋以便阻止能量通過光學(xué)系統(tǒng)傳播。這些 技術(shù)經(jīng)常用于聲光調(diào)制器和偏轉(zhuǎn)器系統(tǒng)的設(shè)計中，在此不再進一步討論。利用RF參考振蕩 器904和具有用于幅度調(diào)制的輸入的RF放大器903生成調(diào)制器的RF(射頻)驅(qū)動場。射 頻放大器現(xiàn)在以下述方式調(diào)制大功率RF脈沖在顯著低于鎖模光學(xué)振蕩器的重復(fù)頻率下 生成但是與每個η階振蕩器脈沖同步并在其它時間明顯較低但不是零。以這種方式，光學(xué) 脈沖串以下述方式進行調(diào)制每個η階脈沖具有高強度并且其它脈沖具有明顯較低但是非 零的強度。這使得對于外差差拍檢測在振蕩器重復(fù)頻率下能夠使用頻移的衍射的脈沖串， 其中振蕩器光的部分由光束分離器901采樣。兩個強度以下述方式進行選擇存儲的放大 器能量主要由高強度種子脈沖耗盡并且在放大器輸出處高和低強度脈沖之間的強度對比是明顯的。為了防止相位檢測電子器件被高強度光脈沖充滿，可以提供限制電路或快速電 子開關(guān)。在這里，反饋環(huán)路的頻率帶寬優(yōu)選地選定為比脈沖重復(fù)頻率高十倍。在圖IOc所示的相位檢測的第三實施例中，源自本地振蕩器的小調(diào)制或抖動信號 被施加至鏡驅(qū)動器陣列的每個元件上。來自檢測器陣列的信號是相敏檢測的。在低通濾波 后，相位誤差與小調(diào)制信號結(jié)合并用作至驅(qū)動器陣列的反饋信號。低通濾波器的截止頻率 低于抖動頻率。在圖IOd所示的相位檢測的第四實施例中，參考光束在波長上沒有偏移并且種子 的脈沖重復(fù)頻率被用作本地振蕩器。該方法利用種子激光器的頻率梳結(jié)構(gòu)并詳細披露于 Yi-Fei Chen 等人的 “Remote distribution of a mode-locked pulse train with sub 40-as jitter”中。不過，Chen等人所述的研究成果只穩(wěn)定沒有增益的單光纖的光程長度。 在圖IOd的實施例中，多個光纖被穩(wěn)定至相等的光程長度并且存在光學(xué)增益。在圖IOe所示的相位檢測的第五實施例中，檢測器陣列被干涉測量的互相關(guān)器的 陣列取代。檢測到干涉測量信號的干涉圖并且實施基于軟件的低帶寬反饋穩(wěn)定。在本實施 例的一個改進中，來自于一個有源纖芯的信號被用作參考光束。上述示例實施例的變形的許多組合是可行的。作為對由干涉測量的互相關(guān)器生成的干涉圖的替換，放大信號脈沖和參考光束之 間的光譜干涉的干涉圖也可用于反饋穩(wěn)定。在某些實施例中，作為對用于相位控制的外差檢測技術(shù)的替代，還可以實施遺傳 自適應(yīng)光學(xué)算法，以便使多芯光纖陣列的波前誤差最小化。因為遺傳算法通常比外差檢測 要慢得多，所述算法可適用于強熱耦合多芯光纖。在某些實施例中，優(yōu)化算法和專用硬件根 據(jù)遺傳算法能夠為系統(tǒng)提供增大的控制帶寬。遺傳算法的使用消除了對相前和參考臂的 干涉測量檢測的需要。因此基于使用用于相位控制的遺傳算法的多芯光纖放大器被構(gòu)造 成非常相似于圖6a所示的設(shè)計，其中去除了參考臂。為了獲得反饋至鏡陣列的合適的代價 函數(shù)，對輸出光束的一部分使用了倍頻級。倍頻的功率隨后可通過單個檢測器進行測量并 通過鏡陣列的適當(dāng)絕熱調(diào)整進行優(yōu)化。另外，可以實施檢測器陣列，在若干個位置采樣倍頻 光束；合適的代價函數(shù)隨后使中心光束部分的功率最大化并使光束的周邊部分的功率最小 化。顯然，基于遺傳算法的具有自適應(yīng)模態(tài)控制的側(cè)向耦合多芯放大器是高度緊湊的并且 不需要很多部件，這對于商用系統(tǒng)是理想的。作為對多芯光纖的替代，更多傳統(tǒng)的光纖相位陣列也可用于相干疊加。所述結(jié) 構(gòu)在本領(lǐng)域中是公知的，并且用于光學(xué)信號的系統(tǒng)實施例披露于美國專利申請序列號 11/546,998中，在此不再進一步討論。傳統(tǒng)的光纖陣列可以對每個陣列元件使用單獨的泵 浦二極管，這增大了相位起伏的噪聲帶寬。因此，對每個陣列元件使用聲光相位調(diào)制器也是 有益的。由于在這里相位噪聲帶寬為IO-IOOkHz,脈沖重復(fù)率必須在IOOkHz-IMHz的范圍 內(nèi)，以便允許相位控制而不需要單獨的連續(xù)波控制激光。對于較低重復(fù)頻率信號，如上文結(jié) 合圖IOb所述的脈沖調(diào)制器之間的泄漏可用于相位調(diào)制。另外，對于脈沖重復(fù)頻率低于IOOkHz的情況，連續(xù)波參考信號可用于顧及對相位 控制的適當(dāng)(足夠)帶寬，如結(jié)合圖IOa所已經(jīng)解釋的。所述連續(xù)波激光選擇在高透射(傳 輸)通過放大器光纖的波長(即，對于Yb放大器為1300nm)下并且可耦合至每個陣列元件 以便使每個陣列臂的相位相等。不過，連續(xù)波激光增大了系統(tǒng)的復(fù)雜性。
由于在不使用泄漏信號的情況下通過增大的帶寬能夠控制相位起伏，脈沖重復(fù)頻 率> IMHz的相干疊加變得逐漸簡單。當(dāng)在相干疊加中利用用于各光束路徑的相位控制的調(diào)制器陣列，通過利用一個泵 浦光束可以實現(xiàn)元件數(shù)量的減少。這種示例性實施例在圖12a和12b中示出。圖12a示出 了當(dāng)使用一個泵浦光束時用于光纖放大器的相干疊加的組件1000。這里，多芯光纖1001由 單獨的光纖1002，1003，1004的陣列組成，在單獨光纖的邊界松散地熔合。所述松散熔合的 光纖陣列的剖視圖在圖12b中示出。由于光纖是松散熔合的，它們可在信號注入端被分成 單獨的光纖，允許各信號光束1005，1006，1007耦合至每個光纖，如圖12a所示。在泵浦耦 合端1008，光纖端可以進一步被熔合，以允許來自泵浦1010的泵浦光束1009經(jīng)由光束分離 器1011和透鏡1012有效耦合至光纖陣列1001。輸出光束的斯特列爾比(Strehl ratio)可同樣通過使用如結(jié)合圖6a和6b所討 論的連續(xù)孔徑結(jié)構(gòu)中的相位板被最大化。上述實施例是基于主要是透射光學(xué)元件(例如透鏡和透射相位板)示出的。本文 所述的不同實施例涉及大功率激光系統(tǒng)的設(shè)計，包括高峰值和平均功率。在高于100W的功 率電平，通過使用反射光學(xué)器件(例如以反射工作的鏡和衍射元件)可以大大有益于熱量 管理。用鏡替代透鏡和用反射性衍射元件替代透射性衍射元件是直截了當(dāng)(易懂)的，在 此不再進一步討論。本文所述的脈沖的、相干結(jié)合的光纖激光源作為用于光學(xué)參數(shù)放大器以及用于大 功率EUV，X-射線和等離子生成的泵浦源是理想的。對于EUV和X-射線生成，通常使用激 光引發(fā)的等離子體，其中等離子體通過將相干組合的脈沖引導(dǎo)到固態(tài)或液態(tài)金屬靶上而產(chǎn) 生。相干組合的脈沖的光纖激光源的增大峰值功率與單芯光纖相比大大改進了 EUV和X-射 線生成的轉(zhuǎn)換效率。在先進的平板印刷術(shù)應(yīng)用和高分辨率成像領(lǐng)域大功率EUV和X-射線 源是非常令人感興趣的，并且大功率EUV和X-射線源通過實施本文所討論的基于緊湊大功 率相干組合光纖的源會受益很大。美國專利申請序列號11，091，015中討論了緊湊大功率參數(shù)放大器，在此不再進 一步討論。用多芯光纖放大器作為參數(shù)泵浦源的實施是非常有吸引力的，因為與用單芯光 纖放大器進行泵浦相比它們增大了可從所述系統(tǒng)獲得的脈沖能量。根據(jù)第六實施例，圖13示出了用相干組合光纖激光泵浦的參數(shù)放大器1100的示 例。在這里為方便起見可以使用單種子振蕩器1101。種子振蕩器是基于Yb的并且注入多 芯光纖放大器1102以產(chǎn)生能量在IO-IOOOmJ范圍內(nèi)的泵浦脈沖。種子振蕩器通過如‘015 中所討論的被動頻率轉(zhuǎn)換元件方便地進行頻移，以便注入?yún)?shù)放大器晶體1103。通過在 時域上重疊參數(shù)種子信號和多芯光纖放大器的輸出，可以獲得參數(shù)放大器晶體中的有效放 大。通過啁啾脈沖放大方案的實施，可以進一步使多芯光纖放大器中的B積分最小化。為 了實施啁啾脈沖放大，在種子振蕩器之后并在信號注入多芯(或多元件)光纖放大器之前 可以提供脈沖展寬級。在多芯(或多元件)光纖放大器的各細光束相干組合后，提供脈沖 壓縮級。所述脈沖壓縮級例如合宜地基于大量衍射光柵。在脈沖壓縮后，泵浦脈沖進一步 被引導(dǎo)向參數(shù)放大器，在這里它們被用于放大種子信號。通過多芯(或多元件)光纖放大 器，可以生成產(chǎn)生的脈沖能量超過IOmJ的高平均功率參數(shù)放大器。因此，發(fā)明人描述了具有至少一個光纖放大器陣列的高峰值功率光纖放大器系統(tǒng)，并且尤其適于激光脈沖的相干組合。所述放大器系統(tǒng)可應(yīng)用于高峰值功率、短脈沖應(yīng) 用。例如，可以產(chǎn)生至少1麗量級的峰值功率。所述系統(tǒng)可用于EUV或χ-射線生成，光學(xué) 制版，激光雷達或類似的應(yīng)用。至少一個實施例包括高峰值功率光纖放大器系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括光纖放大器的陣 列。所述放大器陣列設(shè)置如下放大器的熱起伏充分匹配并限制放大器輸出處相對相位起 伏在低帶寬，例如小于約ΙΟΚΗζ。放大器設(shè)置在足夠的相對距離，使得任何放大器之間的能 量耦合可以忽略。所述系統(tǒng)包括用于注入放大器陣列的裝置，包括激光源。種子脈沖和/ 或放大的脈沖包括飛秒-約1微秒范圍內(nèi)的脈沖寬度。光束分配器設(shè)置在激光源和陣列之 間以分配來自所述源的脈沖，或分配來自用于注入的裝置的脈沖。脈沖被分配成入射到相 應(yīng)的陣列放大器上的多個光束路徑。光束的空間分配基本上類似于脈沖的空間分配。包括 至少一個泵浦源，用于光學(xué)泵浦光纖放大器陣列。按空間關(guān)系排列的多個相位控制元件光 學(xué)連接至陣列的光纖放大器。相位控制元件改變至少一個光纖放大器輸出的光學(xué)相位來響 應(yīng)相位控制信號。所述系統(tǒng)還包括用于產(chǎn)生施加至相位控制元件的多個相位控制信號的裝 置，以便在大多數(shù)光纖放大器的輸出處控制光學(xué)相位。所述控制信號和相位控制元件被設(shè) 置成穩(wěn)定陣列的大多數(shù)的各光纖放大器之間的光學(xué)相位。至少一個實施例包括高峰值功率光纖放大器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括光纖放大器的陣 列。所述陣列被設(shè)置成放大器的纖芯的空間間隔足夠小到提供強熱耦合，將陣列的輸出相 位起伏限制在低帶寬，例如小于約lOKhz。光纖放大器之間的足夠大的空間間隔還限制了陣 列的放大器之間的光能耦合，例如限制到約0. 或更小。多個相位控制元件按空間關(guān)系設(shè) 置并且光學(xué)連接至陣列的光纖放大器。相位控制元件改變至少一個光纖放大器輸出的光學(xué) 相位來響應(yīng)相位控制信號。所述系統(tǒng)還包括產(chǎn)生相位控制信號的相位控制器，并且可操作 以穩(wěn)定陣列的放大器輸出處的光學(xué)相位。至少一個實施例包括用于激光脈沖的相干組合的放大器系統(tǒng)。所述實施例包括光 纖放大器的陣列，例如多個單獨光纖放大器，并且至少一個泵浦源被設(shè)置成光學(xué)泵浦光纖 放大器陣列。脈沖的主振蕩器向光纖放大器陣列注入種子。按空間關(guān)系設(shè)置的多個相位控 制元件被光學(xué)連接至陣列的光纖放大器。相位控制元件改變至少一個光纖放大器輸出的光 學(xué)相位來響應(yīng)相位控制信號。用于產(chǎn)生施加至相位控制元件的多個控制信號的裝置控制大 多數(shù)光纖放大器的輸出處的光學(xué)相位。所述控制信號和相位控制元件穩(wěn)定大多數(shù)的各單獨 光纖放大器之間的光學(xué)相位。至少一個實施例包括用于激光脈沖(例如亞納秒脈沖)的相干組合的放大器系 統(tǒng)。所述實施例包括光纖放大器的陣列，例如多個單獨光纖放大器，并且至少一個泵浦源被 設(shè)置成光學(xué)泵浦光纖放大器陣列。脈沖的主振蕩器向光纖放大器陣列注入種子。主振蕩器 的輸出的一部分被用于參考臂，并被設(shè)置成與光纖陣列的輸出的一部分光學(xué)干涉。光學(xué)干 涉用檢測器陣列進行檢測。參考臂被進一步相位調(diào)制以允許用檢測器陣列進行光纖陣列的 大多數(shù)元件的光學(xué)相位的外差相位檢測。按空間關(guān)系設(shè)置的多個相位控制元件被光學(xué)連接 至陣列的光纖放大器。相位控制元件改變至少一個光纖放大器輸出的光學(xué)相位來響應(yīng)相位 控制信號。外差相位檢測器和相位控制元件穩(wěn)定光纖陣列的大多數(shù)單獨元件之間的光學(xué)輸 出相位。至少一個實施例包括用于激光脈沖(例 亞納秒脈沖)的相干組合的放大器系統(tǒng)。所述實施例包括光纖放大器的陣列，例如多個單獨光纖放大器，和至少一個泵浦源，所 述泵浦源被設(shè)置成光學(xué)泵浦光纖放大器陣列。脈沖的主振蕩器向光纖放大器陣列注入種 子。主振蕩器的一部分輸出可用于參考臂，并被設(shè)置成與光纖陣列的一部分輸出光學(xué)干涉。 用檢測器陣列檢測光學(xué)干涉。光纖放大器陣列的元件的光學(xué)相位在源自本地振蕩器的頻率 下抖動，允許用檢測器陣列進行光纖陣列的大多數(shù)元件的光學(xué)相位的外差相位檢測。外差 相位檢測器被設(shè)置成穩(wěn)定光纖陣列的大多數(shù)單獨元件之間的光學(xué)輸出相位。在不同的實施例中-放大器可被設(shè)置成使得放大器的增益介質(zhì)的折射率的熱起伏充分匹配以便放大 器輸出處的相對相位起伏限制在低帶寬，例如小于約ΙΟΚΗζ。-控制信號和相位調(diào)制器可被設(shè)置成使光纖陣列的輸出的斯特列爾比(Strehl ratio)最大化。-脈沖重復(fù)頻率可大于約IOOKHz。-控制信號的頻率可以在小于約1/10的脈沖重復(fù)頻率。-脈沖重復(fù)頻率可以小于約100kHz?？刂菩盘柨梢杂尚孤┬盘?例如陣列的各光 纖中的脈沖之間)產(chǎn)生。-放大器陣列可包括多芯光纖放大器。_放大器陣列可包括多個多芯光纖放大器。-多芯光纖放大器可包括由階躍折射率光纖，泄漏通道光纖，光子晶體光纖或布拉 格(Bragg)光纖構(gòu)成的各單獨元件。-各單獨的光纖放大器可以是保偏的。-相位板可被插入在主振蕩器和光纖放大器陣列之間，以便使主振蕩器至光纖放 大器陣列的每個放大器的耦合效率最大化。_可以包括插入在放大器陣列輸出下游的相位板，以便使光纖輸出的斯特列爾 (Strehl)比最大化。-系統(tǒng)可以包括用于側(cè)面泵浦放大器陣列的裝置。-放大器可被構(gòu)造成雙程(雙通)結(jié)構(gòu)，并且可包括插入在第一程之后的法拉第 (Faraday)旋轉(zhuǎn)器。-放大器可被構(gòu)造成單程(單通)結(jié)構(gòu)。-相位控制元件可形成為元件的集成陣列，例如MEMs或SLM。-相位控制元件可包括鏡陣列的部分。-相位控制元件可包括MEMs陣列的部分。-相位控制元件可包括液晶空間光束調(diào)制器的部分。-可以包括相位前置放大器陣列，并且與放大器陣列在光學(xué)尺寸上匹配。-前置放大器陣列可在其輸入端成錐形，以便簡化主振蕩器至前置放大器陣列的 華禹合。-光纖放大器陣列可在其輸入處空間分隔成各單獨元件并在其輸出端光學(xué)接觸， 以便簡化主振蕩器耦合至放大器陣列。_可以用單個泵浦源在放大器陣列的光學(xué)接觸端注入來光學(xué)泵浦光纖放大器陣 列。
-系統(tǒng)可包括信號參考臂，并且所述參考臂被設(shè)置成干涉光纖陣列的輸出光束的 一部分，以便于檢測每個單獨光纖放大器輸出的光學(xué)相位。-固定的抖動頻率可用于控制多個相位控制元件，例如相位調(diào)制器。-不同的抖動頻率可用于控制多個相位控制元件。-參考臂的相位可以在固定頻率下進行調(diào)制。-系統(tǒng)可包括一個或多個檢測器，例如檢測器陣列。-系統(tǒng)可包括耦合并透射過陣列的每個單獨光纖放大器的連續(xù)波激光，并被設(shè)置 成用于外差相位檢測和穩(wěn)定陣列的每個光纖放大器的光學(xué)相位。-控制信號可源自遺傳算法，所述遺傳算法被設(shè)計成使光纖陣列的輸出的斯特列 爾(Strehl)比最大化。-光纖放大器陣列可用于EUV或X-射線生成。-光纖放大器陣列可用作光學(xué)制版中的光源。-光纖放大器陣列可用作參數(shù)放大的泵浦源。-激光源可包括鎖模振蕩器。-系統(tǒng)可包括在主振蕩器之后的脈沖展寬級，而脈沖壓縮級插入在光纖放大器陣 列的下游。-外差相位檢測器和多個相位控制元件可被設(shè)置用于使光纖陣列的輸出的斯特列 爾(Strehl)比最大化。-參考臂可源自光纖陣列的單獨元件。-調(diào)制器陣列可被設(shè)置用于在不同頻率下調(diào)制各放大器的光學(xué)相位。_外差相位檢測器可被設(shè)置成使光纖陣列的輸出的斯特列爾比最大化。-一個或多個脈沖的空間分配可以是近衍射極限的。_光纖陣列元件之間的光能耦合可以小于約1%。-陣列元件的相對起伏可以限制在小于約ΙΚΗζ。-用于產(chǎn)生多個控制信號的裝置可包括檢測器陣列和用于處理從檢測器獲得的相 位信息的自適應(yīng)算法。-自適應(yīng)算法可包括遺傳算法。-用于注入(種子)的裝置可包括鎖模光纖振蕩器。-用于注入(種子)的裝置可包括用于增大從鎖模激光器或其它源發(fā)射的脈沖的 脈寬的脈沖展寬器。-激光源可包括半導(dǎo)體激光二極管，并且可產(chǎn)生在皮秒-約1微秒范圍內(nèi)的脈寬。_光纖陣列可包括多芯光纖。-多芯光纖可包括泄漏通道光纖。-泄漏通道光纖可以是保偏的。-控制信號可適用比脈沖重復(fù)頻率高大致十倍的頻率。系統(tǒng)可包括信號參考臂和用于相位補償?shù)难b置，被設(shè)置成干涉反向通過光纖陣列 的光束的一部分，并允許通過用于相位補償?shù)难b置對正向通過所述光纖陣列的光束進行每 個單獨陣列元件的光學(xué)相位的補償。_用于相位補償?shù)难b置包括空間光束調(diào)制器，例如商用的空間光調(diào)制器(SLM)。
_光纖陣列元件之間的能量耦合可以小于約.1%。-相位控制元件可被設(shè)置成調(diào)制所述放大器的相位。-相位控制元件可包括相位調(diào)制器。-放大器系統(tǒng)可包括多芯泄漏通道光纖(LCF)。-放大器的陣列可繞共同的中心設(shè)置并且從所述中心大致是等距的。-相位控制器的控制帶寬可小于約IOKHz。-放大器系統(tǒng)可包括多芯光纖。放大器的陣列可設(shè)置在所述多芯光纖的近周邊的 單個環(huán)上。-相位控制元件可形成集成相位調(diào)制器的一部分。-緊湊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為光纖輸出的低帶寬相位起伏的一個結(jié)果可獲得。例如，相位控 制元件可包括MEMs，SLMs，微鏡陣列，或其它集成器件和/或組件。-脈寬大于約IOfs的近衍射極限的輸出作為相位補償?shù)囊粋€結(jié)果，并作為陣列的 光纖放大器之間有限模耦合的一個結(jié)果可獲得。-輸出脈寬可以在約lOOfs-lns，lOOfs-lOps，lps-lns，或約 100ps_50ns 的范圍內(nèi)。上述優(yōu)選實施例的描述通過示例的方式給出。通過給出的公開內(nèi)容，本領(lǐng)域的技 術(shù)人員不僅能夠理解本發(fā)明及其所伴隨的優(yōu)勢，而且還能夠發(fā)現(xiàn)對所披露結(jié)構(gòu)和方法的明 顯的不同改變和改動。因此，尋求使所有這些改變和改動落入由所附權(quán)利要求書及其等同 所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種高峰值功率光纖放大器系統(tǒng)，包括光纖放大器的陣列，所述放大器被設(shè)置成使得所述放大器的熱起伏充分匹配以便將放大器輸出處的相對相位起伏限制在小于10KHz，所述放大器還被設(shè)置成彼此間隔一距離以便任何放大器之間的光能耦合是可以忽略的；激光源，所述激光源用于向所述放大器的陣列注入種子并產(chǎn)生脈寬在飛秒至約1微秒的范圍內(nèi)的脈沖；光束分配器，所述光束分配器設(shè)置在所述激光源和所述陣列之間，以便將來自所述激光源的脈沖分成入射到相應(yīng)的陣列放大器上的多個光束路徑，所述光束的空間分配基本上類似于所述脈沖源的空間分配；至少一個泵浦源，所述泵浦源被設(shè)置用于光學(xué)泵浦所述光纖放大器陣列；多個相位控制元件，所述多個相位控制元件按空間關(guān)系設(shè)置并且光學(xué)連接至所述陣列的光纖放大器，所述元件改變至少一個光纖放大器輸出的光學(xué)相位來響應(yīng)相位控制信號；和相位控制裝置，所述相位控制裝置用于產(chǎn)生所述控制信號以控制大多數(shù)所述光纖放大器的輸出處的光學(xué)相位，其中所述控制信號和相位控制元件穩(wěn)定大多數(shù)所述各光纖放大器之間的光學(xué)輸出相位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高峰值功率放大器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括插入在所述放大器陣 列的輸出的下游的相位板，以便使所述光纖放大器陣列的輸出的斯特列爾比最大化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高峰值功率放大器系統(tǒng)，其中所述光纖陣列的放大器之間的 能量耦合小于約1%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高峰值功率放大器系統(tǒng)，其中所述相對起伏小于約lKHz。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高峰值功率放大器系統(tǒng)，其中所述相位控制裝置包括檢測器 陣列和用于處理從所述檢測器獲得的相位信息的自適應(yīng)算法。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高峰值功率放大器系統(tǒng)，其中所述自適應(yīng)算法包括遺傳算法。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高峰值功率放大器系統(tǒng)，其中所述激光源包括鎖模激光器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高峰值功率放大器系統(tǒng)，其中所述激光源包括脈沖展寬器， 所述脈沖展寬器用于增大從所述鎖模激光器發(fā)射的脈沖的脈寬。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高峰值功率放大器系統(tǒng)，其中所述激光源包括半導(dǎo)體激光二 極管，并且所述脈寬在約1皮秒至約1微秒的范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高峰值功率放大器系統(tǒng)，其中所述光纖陣列包括多芯光纖。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的高峰值功率放大器系統(tǒng)，其中所述多芯光纖包括泄漏通道 光纖。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的高峰值功率放大器系統(tǒng)，其中所述泄漏通道光纖是保偏光纖。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高峰值功率放大器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括信號參考臂和相位 補償器，所述參考臂被設(shè)置成干涉反向通過所述光纖陣列的光束的一部分，以便通過所述 相位補償器對正向通過所述光纖陣列的光束提供每個單獨光纖放大器的光學(xué)相位的補償。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高峰值功率放大器系統(tǒng)，其中所述相位補償器包括空間光2調(diào)制器。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高峰值功率放大器系統(tǒng)，其中光纖陣列元件之間的能量耦 合小于約0. 1%。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高峰值功率放大器系統(tǒng)，其中所述光纖放大器被設(shè)置在用 于EUV或X-射線生成的系統(tǒng)中。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的高峰值功率放大器系統(tǒng)，其中所述EUV或X-射線系統(tǒng)被用 作光學(xué)制版中的光源。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高峰值功率放大器系統(tǒng)，其中所述光纖放大器陣列被設(shè)置 成用于參數(shù)放大的泵浦源。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高峰值功率放大器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括多芯光纖放大器，所 述多芯光纖放大器包括由階躍折射率光纖，光子晶體光纖或布拉格光纖構(gòu)成的各光纖。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高峰值功率放大器系統(tǒng)，還包括用于放大器陣列的側(cè)面泵 浦元件。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高峰值功率放大器系統(tǒng)，其中所述放大器被構(gòu)造成雙程結(jié)構(gòu)。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高峰值功率放大器系統(tǒng)，其中相位控制元件包括分節(jié)鏡陣 列的一部分。
23.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器結(jié)構(gòu)，其中相位控制元件包括MEMs陣列的一部分。
24.一種高峰值功率光纖放大器系統(tǒng)，包括光纖放大器的陣列，所述放大器的纖芯的空間間隔足夠小到能提供將陣列的輸出相位 起伏限制在小于約lOKhz的強熱耦合，但是足夠大到能將陣列的放大器之間的光學(xué)模式耦 合限制在約0. 或更小；多個相位控制元件，所述多個相位控制元件按空間關(guān)系設(shè)置并且光學(xué)連接至所述陣列 的光纖放大器，所述元件改變至少一個光纖放大器輸出的光學(xué)相位來響應(yīng)相位控制信號； 和相位控制器，所述相位控制器生成所述相位控制信號并可操作地穩(wěn)定陣列的放大器的 輸出處的光學(xué)相位。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光纖放大器系統(tǒng)，其中所述放大器系統(tǒng)包括多芯光纖。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光纖放大器系統(tǒng)，其中所述放大器陣列圍繞共同的中心設(shè) 置并且距離所述中心是大致等距的。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光纖放大器系統(tǒng)，其中所述相位控制器的控制帶寬小于約 lOKHzo
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光纖放大器系統(tǒng)，其中所述放大器系統(tǒng)包括多芯光纖，并 且所述放大器陣列被設(shè)置在單個環(huán)上并且距離共同的中心是大致等距的。
29.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光纖放大器系統(tǒng)，其中所述相位控制元件形成集成相位調(diào) 制器的一部分。
30.一種用于相干組合激光脈沖的放大器結(jié)構(gòu)，包括光纖放大器的陣列，所述光纖放大器的陣列包括多個單獨光纖放大器；至少一個泵浦源，所述至少一個泵浦源被設(shè)置用于光學(xué)泵浦所述光纖放大器陣列； 脈沖的主振蕩器，所述主振蕩器向所述光纖放大器陣列注入種子； 多個相位控制元件，所述多個相位控制元件按空間關(guān)系設(shè)置并光學(xué)連接至所述陣列的 光纖放大器，所述元件改變至少一個光纖放大器輸出的光學(xué)相位來響應(yīng)相位控制信號；信號參考臂和相位補償器，所述參考臂被設(shè)置成干涉反向通過所述光纖陣列的光束的 一部分，以便允許通過所述相位補償器對正向通過所述光纖陣列的光束進行每個單獨光纖 放大器的光學(xué)相位的補償；和相位控制器，所述相位控制器用于產(chǎn)生所述相位控制信號以便控制大多數(shù)所述光纖放 大器的輸出的光學(xué)相位。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的放大器結(jié)構(gòu)，其中所述控制信號被選定在大致小于脈沖重 復(fù)頻率的約十分之一的頻率。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的放大器結(jié)構(gòu)，所述脈沖選定具有某一重復(fù)頻率，所述重復(fù) 頻率小于約100kHz。
33.根據(jù)權(quán)利要求30所述的放大器結(jié)構(gòu)，所述放大器陣列包括多芯光纖放大器。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的放大器結(jié)構(gòu)，其中所述各光纖是保偏振的。
35.根據(jù)權(quán)利要求30所述的放大器結(jié)構(gòu)，還包括插入在所述主振蕩器和光纖放大器陣 列之間的相位板，以便使所述主振蕩器至所述光纖放大器陣列的每個單獨放大器的耦合效 率最大化。
36.根據(jù)權(quán)利要求30所述的放大器結(jié)構(gòu)，包括插入在所述放大器陣列的輸出下游的相 位板，以便使所述光纖放大器陣列的輸出的斯特列爾比最大化。
37.根據(jù)權(quán)利要求30所述的放大器結(jié)構(gòu)，其中相位控制元件包括空間光束調(diào)制器的一 部分。
38.根據(jù)權(quán)利要求30所述的放大器結(jié)構(gòu)，所述振蕩器是鎖模的。
39.根據(jù)權(quán)利要求30所述的放大器結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)還包括在所述振蕩器之后的脈沖展 寬級和插入在所述光纖放大器陣列的下游的脈沖壓縮級。
40.一種用于相干組合亞納秒激光脈沖的放大器結(jié)構(gòu)，包括光纖放大器的陣列，所述光纖放大器的陣列包括多個單獨光纖放大器； 至少一個泵浦源，所述至少一個泵浦源被設(shè)置用于光學(xué)泵浦所述光纖放大器陣列； 脈沖的主振蕩器，所述主振蕩器向所述光纖放大器陣列注入種子； 所述主振蕩器的輸出的一部分被用作參考臂，所述參考臂被設(shè)置成光學(xué)干涉所述光纖 陣列的輸出的一部分；通過檢測器陣列檢測所述光學(xué)干涉；所述參考臂被進一步相位調(diào)制，以便允許通過所述檢測器陣列進行所述光纖陣列的大 多數(shù)元件的光學(xué)相位的外差相位檢測；多個相位控制元件，所述多個相位控制元件按空間關(guān)系設(shè)置并可操作地在所述光纖放 大器陣列的大多數(shù)的各光纖放大器的輸出調(diào)制光學(xué)相位；所述外差相位檢測器和所述多個元件穩(wěn)定所述光纖陣列的大多數(shù)的各元件之間的光 學(xué)輸出相位。
41.一種用于相干組合亞納秒激光脈沖的放大器結(jié)構(gòu)，包括光纖放大器的陣列，所述光纖放大器的陣列包括多個單獨光纖放大器； 至少一個泵浦源，所述至少一個泵浦源被設(shè)置用于光學(xué)泵浦所述光纖放大器陣列； 脈沖的主振蕩器，所述主振蕩器向所述光纖放大器陣列注入種子； 所述主振蕩器的輸出的一部分被用作參考臂，所述參考臂被設(shè)置成光學(xué)干涉所述光纖 陣列的輸出的一部分；通過檢測器陣列檢測所述光學(xué)干涉；所述光纖放大器陣列的各元件的光學(xué)相位還在源自本地振蕩器的一頻率下抖動，以便 允許通過所述檢測器陣列進行所述光纖陣列的大多數(shù)元件的光學(xué)相位的外差相位檢測，和 所述外差相位檢測器還被設(shè)置用于穩(wěn)定所述光纖陣列的大多數(shù)的各元件之間的光學(xué) 輸出相位。
全文摘要
本發(fā)明披露了用于放大高峰值功率脈沖的大功率平行光纖陣列?？梢詫嵤┗诟鲉为毠饫w放大器的光纖陣列以及基于多芯光纖的光纖陣列。利用各種相位檢測和補償技術(shù)來測量和控制光纖陣列的各光纖放大器元件之間的光學(xué)相位。大功率光纖陣列放大器可用于EUV和X-射線生成以及參數(shù)放大器的泵浦。
文檔編號H01S3/063GK101939880SQ200980104656
公開日2011年1月5日 申請日期2009年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月7日
發(fā)明者A·馬辛科維奇歐斯, I·哈特爾, M·E·費爾曼, 董梁 申請人:Imra美國公司