飛秒紫外雷射器的製作方法

2023-05-29 07:03:36

背景技術：

本披露涉及雷射束的產生，並且更具體地涉及一種飛秒紫外雷射器。

相關技術說明

近年來，已開發出飛秒雷射器用於眼外科手術中的各種應用、以及其他用途。因為飛秒範圍內的脈衝持續時間非常短，所以飛秒雷射器能夠在靶材(如眼組織)處形成高能量強度，這樣產生了造成組織分裂的非線性光致破裂過程並避免了有害熱效應。

市售的飛秒雷射器的典型波長在光譜的近紅外範圍內、具有為約1000-1100納米(nm)的波長。

技術實現要素：

一方面，所披露的一種用於產生飛秒紫外雷射的方法可以包括將具有的基波長在電磁譜的近紅外部分中的第一雷射脈衝引導到非線性光學晶體處，所述第一雷射脈衝具有小於1000飛秒的脈衝持續時間。所述方法可以包括：在所述非線性光學晶體的第一部分處將來自所述第一雷射脈衝的至少一些光子轉換成所述基波長的二次諧波波長，以在所述非線性光學晶體內產生第二雷射脈衝。所述方法還可以包括：在所述非線性光學晶體的第二部分處，將來自所述第一雷射脈衝和所述第二雷射脈衝的至少一些光子轉換成所述基波長的三次諧波波長，以在所述非線性光學晶體內產生第三雷射脈衝。所述方法可以進一步包括：從所述非線性光學晶體輸出所述第三雷射脈衝，使得所述第三雷射脈衝具有所述脈衝持續時間。

在所披露實施例中的任何實施例中，所述方法可以包括從所述非線性光學晶體輸出所述第一雷射脈衝和所述第二雷射脈衝。在所述方法的所披露實施例中的任何實施例中，所述非線性光學晶體可以包括周期性極化準相位匹配晶體。在所述方法的所披露實施例中的任何實施例中，所述非線性光學晶體的所述第一部分和所述非線性光學晶體的所述第二部分可以形成為單一整體材料。在所述方法的所披露實施例中的任何實施例中，所述非線性光學晶體的所述第一部分可以包括周期性極化摻雜氧化鎂的化學計量鉭酸鋰晶體。在所述方法的所披露實施例中的任何實施例中，所述非線性光學晶體的所述第二部分可以包括周期性極化鑭鋇鍺氧化物晶體。

在所述方法的所披露實施例中的任何實施例中，引導所述第一雷射脈衝的方法操作可以進一步包括將所述第一雷射脈衝在所述非線性光學晶體處聚焦。在所披露實施例中的任何實施例中，所述方法可以包括：在所述非線性光學晶體的輸出處從所述第一雷射脈衝和所述第二雷射脈衝中光譜過濾出所述第三雷射脈衝。在所述方法的所披露實施例中的任何實施例中，所述非線性光學晶體可以包括根據所述基波長被調諧的周期性極化層。在所述方法的所披露實施例中的任何實施例中，所述第一雷射脈衝的第一橫截面強度圖案可以與所述第三雷射脈衝的第二橫截面強度圖案匹配。

另一方面，所披露的飛秒紫外雷射源可以包括：包括飛秒近紅外脈衝雷射器的雷射源，所述雷射源具有小於1000飛秒的脈衝持續時間並具有基波長。所述飛秒紫外雷射源可以包括非線性光學晶體，所述非線性光學晶體具有關於從所述雷射源入射的光子的取向而依次定向的第一部分和第二部分。在所述飛秒紫外雷射源中，所述非線性光學晶體的所述第一部分可以從所述雷射源接收所述第一光子並且可以將所述第一光子中的至少一些光子轉換成具有所述基波長的二次諧波波長的第二光子以產生第二雷射脈衝。在所述飛秒紫外雷射源中，所述非線性光學晶體的所述第二部分可以接收所述第一光子和所述第二光子中的至少一些光子並且可以將所述第一光子和所述第二光子中的至少一些光子轉換成具有所述基波長的三次諧波波長的第三光子，以產生具有所述脈衝持續時間的第三雷射脈衝。

在所述飛秒紫外雷射源的所披露實施例中的任何實施例中，所述第二部分可以從所述非線性光學晶體輸出所述第一雷射脈衝、所述第二雷射脈衝和所述第三雷射脈衝。在所述飛秒紫外雷射源中，所述非線性光學晶體可以包括周期性極化準相位匹配晶體。在所述飛秒紫外雷射源中，所述非線性光學晶體的所述第一部分和所述非線性光學晶體的所述第二部分可以形成為單一整體材料。在所述飛秒紫外雷射源中，所述非線性光學晶體的所述第一部分可以包括周期性極化摻雜氧化鎂的化學計量鉭酸鋰晶體。在所述飛秒紫外雷射源中，所述非線性光學晶體的所述第二部分可以包括周期性極化鑭鋇鍺氧化物晶體。

在所披露實施例中的任何實施例中，所述飛秒紫外雷射源可以包括聚焦元件，所述聚焦元件用於將所述第一雷射脈衝在所述非線性光學晶體處聚焦。在所披露實施例中的任何實施例中，所述飛秒紫外雷射源可以包括濾光器，所述濾光器用於在所述非線性光學晶體的輸出處使所述第三雷射脈衝與所述第一雷射脈衝和所述第二雷射脈衝進行光譜分離。在所述飛秒紫外雷射源的所披露實施例中的任何實施例中，所述非線性光學晶體可以包括根據所述基波長被調諧的周期性極化層。在所述飛秒紫外雷射源的所披露實施例中的任何實施例中，所述第一雷射脈衝的第一橫截面強度圖案可以與所述第三雷射脈衝的第二橫截面強度圖案匹配。

附圖說明

為了更加完整地理解本發明及其特徵和優點，現在參考結合附圖進行的以下說明，在附圖中：

圖1是飛秒紫外雷射器的實施例的選定元件的框圖；並且

圖2是用於產生飛秒紫外雷射脈衝的方法的選定要素的流程圖。

具體實施方式

在以下說明中，通過舉例的方式對細節進行闡述以便於討論所披露主題。然而，本領域普通技術人員應當清楚的是，所披露的實施例是示例性的並且不是所有可能的實施例的窮舉。

如在此所使用的，連字符形式的參考數字是指元件的具體實例，而無連字符形式的參考數字是指統稱元件。因此，例如，裝置『12-1』是指裝置類別的實例，所述裝置類別可以統稱為裝置『12』，並且所述裝置類別中的任一者可以概括地稱為裝置『12』。

如上注意到的，飛秒近紅外雷射器已經被商業開發用於各種應用，如眼外科手術。然而，在不同的應用中，具有較高頻率(或較短波長)的飛秒雷射源可能是令人期望的。例如，在眼科中可能期望飛秒紫外雷射器精確地切割組織、減小脈衝能量、減小雷射切口的破壞量、並且避免不期望的輻射穿入更深的組織中。另外，飛秒紫外線雷射器可以在期望精確地或選擇性地去除塑料、陶瓷和金屬材料的材料加工應用中提供獨特的益處。

如將進一步詳細描述的，披露了使用具有不同數量的周期性或「極化」晶體層的周期性極化準相位匹配晶體(ppqpmc)來穩定、穩健且光學上高效地產生三次諧波飛秒雷射脈衝，所述晶體層能夠實現較長的轉換長度而不需要反向轉換、並且不需要可能難以實現和維持的ppqpmc特殊相位匹配取向。

與在此披露的ppqmc相反，通常使用2步驟光學方法來執行紫外雷射脈衝的產生，其中近紅外(nir)輸入雷射器在1000nm波長下或附近操作，在這裡稱為基頻ω1。在被稱為二次諧波產生(shg)的第一步驟中，使用根據shg的第一相位匹配角進行切割和定向的第一晶體可以完成nir源雷射的倍頻，以產生ω2，其中ω2＝2ω1。在被稱為三次諧波產生(thg)的第二步驟中，使用nir源雷射的其餘部分和所產生的shg，可以獲得nir和shg的頻率總和以產生ω3，其中ω3＝3ω1＝ω1+ω2。因此，所述第二步驟還可以被稱為和頻產生(sfg)。所述第二步驟可以包括使用根據thg的與所述第一相位匹配角不同的第二相位匹配角切割和定向的第二晶體。通常使用單獨的非線性光學塊狀材料(如硼酸鋇(bbo)和三硼酸鋰(lbo))來進行用於shg和thg的雷射頻率的產生或轉換，所述材料以塊狀晶體形式使用。自然束離散以及ω1與ω2之間的脈衝延遲可能在使用單獨雙晶體方法產生ω3時對達到較高的轉換效率造成巨大的困難。thg的許多典型儀器經常採用複雜度高的光學配置，如再準直、再聚焦和延遲線。

由於所述2步驟過程，所以shg和thg通常使用2個不同的塊狀晶體，這樣可能為成功實現而投入一定成本和精力。例如，高效thg可以包括將入射的雷射束定向成晶體的結晶軸的特定取向，其被稱為相位匹配方向。只有在相位匹配方向上，產生頻率(ω1、ω2)的群速度才與引起期望的脈衝和能量守恆的thg頻率(ω3)相同。因為2個晶體將彼此獨立地切割和定向，所以它們在相位匹配方向上的對準的調整靈敏度可能相當高，這樣可能引起相對高的對準精力和短的操作穩定性周期。這種對準靈敏度轉移到對基本頻率源指向的高靈敏度。當2步驟過程與脈衝雷射束一起使用時，至少部分由於雷射脈衝的較大帶寬以及傳播透過晶體的極短脈衝在時間上和空間上的重疊，在脈衝持續時間縮短到飛秒範圍時，可能施加附加約束。在許多光學安排中，用於thg的晶體不具有足夠的轉換帶寬，並且在不同頻率的脈衝的光路之間使用附加光路延遲線，從而引起甚至更大的調整精力並且穩定性降低，這是由於飛秒脈衝所涉及到的光路的準確度和精確度非常高。在使用典型的塊狀2晶體系統中的短雷射脈衝更進一步增加thg的成本和精力情況下，用於thg的塊狀晶體應儘可能薄，以使由於群速延遲(gvd)引起的脈衝展寬最小化，這樣可能引起使用啁啾補償鏡來避免頻率相關的相移。並且，沿著光軸使用非常薄的晶體可能降低晶體的轉換效率，從而使得甚至更難以實現高脈衝能量。

現在參考附圖，圖1是示出了飛秒紫外雷射器100的實施例的選定元件的框圖。飛秒紫外雷射器100不是按比例繪製的，而是示意性表示。在各個實施例中，可以使用比圖1的示例性實施例中所展示的更少或更多部件來實現飛秒紫外雷射器100，所述示例性實施例是為了描述性目的而示出的。應注意，儘管在此關於電磁譜中的某些波長描述了飛秒紫外雷射器100，但是在不同的實施例中，飛秒紫外雷射器100可以是可調諧的而以不同的波長進行操作。儘管為了描述清楚而在圖1中以相鄰方式示出了nir束130、可見光束132和uv束134，但是應理解，所有三種束被疊加並共焦地行進。

如所示，飛秒紫外雷射器100包括nir飛秒雷射源102，所述雷射源可以是在如1053nm、1064nm等波長下操作的各種nir飛秒雷射源中的任何雷射源。另外，例如，nir飛秒雷射源102可以根據特定應用(例如像在眼科中)所期望的不同功率強度、脈衝持續時間、重複率等來調整。nir飛秒雷射源102輸出與如前所述的頻率ω1相對應的基波長下的nir束130。因為nir束130通常是脈衝束，所以nir束130、或至少一些包括nir束130的光子可以被稱為第一雷射脈衝。在飛秒紫外雷射器100中，nir束130被引導到非線性光學晶體104。如所示，在撞擊非線性光學晶體104之前，使用聚焦元件106來聚焦nir束130，這樣可以用於改善在非線性晶體104的第二部分104-2產生uv束134。在某些實施例中，可以根據飛秒紫外雷射器100的具體應用所期望的來省略或替換或複製聚焦元件106。應注意，聚焦元件106可以表示飛秒紫外雷射器100的機械可調部件，從而使得飛秒紫外雷射器100的其餘部分可以被實現為沒有移動零件的固態裝置。

在圖1中，非線性光學晶體104包括相對於來自nir飛秒雷射源102的nir束130依次安排的第一部分104-1和第二部分104-2。在非線性光學晶體104的第一部分104-1，至少一些來自nir束130的光子通過產生可見光束132的非線性二次諧波產生(shg)過程而轉換成與如前所述的頻率ω2相對應的二次諧波波長。因為第一部分104-1由於周期性極化層而可以具有實質上較長的相互作用長度，所以可見光束132可以從第一部分104-1內的某個位置開始並且由第一部分104-1以及nir束130中的未轉換的其餘光子發出。因為nir束130通常是脈衝光束，所以可見光束132或至少一些包括可見光束132的光子可以被稱為第二雷射脈衝。

在飛秒紫外雷射器100中，非線性光學晶體104可以包括周期性極化準相位匹配晶體(ppqpmc)，為了描述性目的，圖1中示意性地展示了所述晶體的周期性極化層，並且未按比例繪製。周期性極化可以形成為具有的指定周期與具體波長調諧相對應的材料層。所述材料層可以根據指定的周期性通過結晶c平面的光刻圖案化而形成。所述周期性可以在約1微米至10微米的範圍內，其中第一部分104-1或第二部分104-1的總厚度的範圍為約100微米至1000微米。非線性光學晶體104的整個橫截面可以形成為面積約為1平方毫米至100平方毫米。在一些實施例中，第一部分104-1和第二部分104-1形成為包括非線性光學晶體104的單一整體材料。在給定的實施例中，第一部分104-1由周期性極化摻雜氧化鎂的化學計量鉭酸鋰(mgslt)晶體組成，而第二部分104-2由周期性極化鑭鋇鍺氧化物(lbgo)晶體組成。

由於非線性光學晶體104的光學特性，第一雷射脈衝的第一橫截面強度圖案可以匹配第二雷射脈衝的第二橫截面強度圖案。換言之，當通過shg產生可見光束132時，第一部分104-1可以至少在形狀上(如果不是在整體大小上)維持nir束130的橫截面強度圖案。而且，第一雷射脈衝的第一時間相干性可以基本上匹配第二雷射脈衝的第二時間相干性。換言之，nir光束130和可見光束132可以展現出差不多相同的脈衝持續時間，從而使得當nir束130作為飛秒脈衝存在時，可見光束132作為飛秒脈衝而存在。另外，由於非線性光學晶體104對nir束130的shg的精確入射角相對不敏感，所以shg的轉換效率可能基本上不受到nir束130的入射角的小變化的影響，並且相應地，不受到來源於nir飛秒雷射源102的入射束中的光子的入射方向的影響。因此，飛秒紫外雷射器100可以例如針對溫度或振動是相對穩健和穩定的，並且可以使用標準光學方法進行製造，使得初始出廠調整適合於飛秒紫外雷射器100的期望操作使用壽命。由於用於非線性光學晶體104的ppqpmc由於所使用的長度相對短而不會產生空間離散並展現出相對較小的時間離散100，所以可能產生飛秒紫外雷射器100的另一個重要優點。

在非線性光學晶體104的第二部分104-2，shg之後來自剩餘nir光束130的至少一些光子以及來自可見光束132的至少一些光子通過產生uv束134的非線性三次諧波產生(thg)過程而被轉換成與如前所述的頻率ω3相對應的三次諧波波長。uv束134可以在第二部分104-2內的某個位置處開始並且由第二部分104-2以及nir束130和可見光束132中的沒有分別由shg或thg轉換的其餘光子發出。因為nir束130通常是脈衝光束，所以uv束134或包括uv束134的光子可以被稱為第三雷射脈衝。

由於非線性光學晶體104的光學特性，所述第二雷射脈衝的第二橫截面強度圖案可以匹配第三雷射脈衝的第三橫截面強度圖案。換言之，當通過thg產生uv束134時，第二部分104-2可以至少在形狀上(如果不是整體大小上)維持nir束130的橫截面強度圖案。並且，第二雷射脈衝(shg)的第二時間相干性可以基本上匹配第三雷射脈衝(thg)的第三時間相干性。在各實施例中，第一雷射脈衝(nir)的第一時間相干性可以基本上匹配第二雷射脈衝(shg)的第二時間相干性。換言之，nir束130和uv束134可以展現出相同的脈衝持續時間，從而使得當nir束130作為飛秒脈衝存在時，uv束134作為飛秒脈衝而存在。因為第一部分104-1和第二部分104-1大體上很靠近地固定在一起，所以第二部分104-2通常在與第一部分104-1相同的入射角下接收nir束130和可見光束132。

並且，示出了飛秒紫外雷射器100具有光束分束器108，所述分束器將uv束134與nir束130和可見光束132分離。當nir束130和可見光束132用於期望的目的(如功率監測)時，光束分束器108可以是諧波分離器(如二向色鏡)。在其他實施例中，光束分束器108可以是被調諧為有差別地通過uv束134的帶通濾波器。

因此，以相當大的時間和空間相干性從第二部分104-2發出第一雷射脈衝、第二雷射脈衝和第三雷射脈衝。由於如上所述非線性光學晶體104內的shg和thg過程，從非線性光學晶體104發出的束具有不同的功率強度。具體地，與第一部分104-2處的nir束130的入射強度相比，從第二部分104-2出射的nir束130具有較低的功率強度。通常，從第二部分104-2出射的uv束134具有比可見光束132更低的功率強度。然而，由於非線性光學晶體104在較高的功率強度下可能具有較高的轉換效率，所以可以由飛秒紫外雷射器100在相對較高的絕對功率強度水平下產生uv束134，也是由於非線性光學晶體104適合於接收nir束130的非常高的功率強度。例如，在某些實施例中，uv束134的功率強度可以是使用飛秒紫外雷射器100的nir束130的功率強度的約10％至30％(thg轉換率)。在具體實施例中，飛秒紫外雷射器100可以適合於每平方釐米1瓦特的功率強度或更高，並且可以以穩定的方式操作至少100小時以產生uv束134。因此，飛秒紫外雷射器100可以克服先前已知的飛秒uv雷射產生方法的各種局限性和約束。

應注意，在飛秒紫外雷射器100的各實施例或安排中，可以使用束的不同實現方式、布局和轉向。例如，飛秒紫外雷射器100中使用的光路的某些部分可以包括光纖。在一些實施例中，飛秒紫外雷射器100中使用的光路的某些部分可以包括光波導。飛秒紫外雷射器100中使用的光路的某些部分可以表示介質(如真空、自由空間、氣體環境或大氣)內的光路。在給定的實施例中，偏振元件可以與nir束130、可見光束132和uv束134中的至少一者一起使用。在另一種安排中，可以省略或替換聚焦元件106。在具體實施例中，飛秒紫外雷射器100所包括的光學部件的至少一部分可以被小型化並組合成具有相對小的質量和外部尺寸的緊湊單元。

在圖1中，飛秒紫外雷射器100不是按比例繪製的，而是示意性表示。可以對飛秒紫外雷射器100進行修改、添加或省略，並不脫離本披露的範圍。如在此描述的飛秒紫外雷射器100的部件和元件可以根據具體應用而集成或分離。在一些實施例中，可以使用更多、更少或不同的部件來實現飛秒紫外雷射器100。

現在參考圖2，如在此描述的，以流程圖形式描繪了用於產生飛秒uv雷射源的方法200的實施例的選定元件的框圖。方法200可以由飛秒紫外雷射器100(參見圖1)來實現。應注意，方法200中描述的某些操作可以是可選的，或者可以在不同的實施例中重新安排。

方法200在步驟202以將飛秒nir雷射脈衝引導到非線性光學晶體處而開始。步驟202可以包括使飛秒nir雷射脈衝聚焦。可以根據需要調諧或選擇飛秒nir雷射脈衝的nir光子的波長(或頻率)。在步驟204，至少一些nir光子通過shg在所述非線性光學晶體的第一部分處被轉換成可見光子。如上所指定的，步驟204中的可見光子可以具有頻率ω2，而nir光子具有頻率ω1。在步驟206，至少一些nir光子和可見光子可以通過thg在所述非線性光學晶體的第二部分處被轉換成uv光子。如上所指定的，步驟206中的uv光子可以具有頻率ω3。在步驟208，uv光子可以與所述非線性光學晶體的輸出脈衝進行光譜分離，所述輸出脈衝包括至少一些nir光子、至少一些可見光子、以及uv光子。在步驟210，可以輸出飛秒uv雷射脈衝。uv光子可以在與飛秒nir雷射脈衝在時間上和空間上相干的飛秒uv雷射脈衝中輸出。

如在此所披露的，用於產生飛秒(fs)紫外(uv)雷射脈衝的方法和系統通過使用具有不同數量的周期性極化晶體層的周期性極化準相位匹配晶體(ppqpmc)能夠實現穩定、穩健且光學高效地產生三次諧波飛秒雷射脈衝，所述晶體層能夠實現較長的轉換長度而不需要反向轉換且不需要特殊的相位匹配方向。所述飛秒uv雷射器可以具有高轉換效率，並且可以適用於高功率操作。

以上披露的主題應認為是說明性性而非限制性的，並且所附權利要求書旨在覆蓋所有這種修改、增強、以及落入本披露的真實精神和範圍內的其他實施例。因此，為了被法律最大程度地允許，本披露的範圍將由以下權利要求書及其等效物的最廣泛允許的解讀來確定並且不應受限於或局限於上述詳細說明。