使用雷射二極體光學泵浦模塊的飛秒雷射器設備的製作方法

2023-07-20 23:49:01

專利名稱：使用雷射二極體光學泵浦模塊的飛秒雷射器設備的製作方法
技術領域：
本公開涉及一種二極體泵浦的雷射器設備。更具體地說，本公開涉及一種使用雷射二極體光學泵浦模塊的飛秒雷射器設備，其可以提供穩定的鎖模，並可以改進超快雷射器(ultrafast laser)中的功率穩定性和光束穩定性。
背景技術：
一般來說，超快雷射脈衝具有諸如高峰值功率、大譜寬度等優良的性質，以及短的脈衝時間寬度。超快雷射器系統由於其這樣的性質而已經被用於各種材料的超精度微加工、非線性光學、生物、化學、物理和醫學應用等。·
例如，由於使處理區域中的熱擴散最小並對周圍不產生殘餘的破壞，飛秒區域的超快雷射脈衝可以處理太硬而不能被機械處理的材料。此外，由於作為基於高峰值功率的多光子吸收的非線性光學效應，超快雷射脈衝甚至可以處理諸如玻璃、聚合物等透明材料的各種納米尺度的結構。雷射穩定性指示各要素是否隨著時間保持恆定不變，其中，所述要素包括施加於要施加雷射的對象的功率、施加於對象的光束的位置、光束的空間傳播、光束的分布圖樣
坐寸o當雷射必須從遠處被精確地施加於目標時，例如，如雷射處理中一樣，雷射穩定性是非常重要的。特別地，對於諸如飛秒雷射器的超快雷射器，雷射穩定性甚至在具有納米級精度的超精度雷射處理中更加重要。光束穩定性指示光束是否在預定位置處穩定地傳播以及在空間方面的角度是否與諸如雷射處理的應用密切相關。光束穩定性的特性可以用光束位置穩定性和光束角度穩定性來描述，光束位置穩定性與光束在對象上的形狀的位置變化相關聯，光束角度穩定性指示當光束聚焦在對象上時的角度變化。光束穩定性通常被稱為「光束指向穩定性」。影響雷射穩定性的因素可以包括內在因素和外在因素，例如，物理振動、機械形變、熱分布的變化、共振器的不穩定、氣流等。超快雷射器對這些內在因素和外在因素尤其敏感，從而，為了改進雷射器的穩定性，已經作出了各種努力。在以飛秒雷射器為代表的超快雷射器中，鎖模是從飛秒振蕩器獲得超短脈衝的方法。因為鎖模對光路的微小變化非常敏感，所以振蕩器也對由於環境溫度的變化所引起的光學支架(optical mount)的機械形變非常敏感,從而,振蕩器的輸出特性相應地會敏感地改變。由於這個原因，用於穩定操作的大部分飛秒雷射器被安置和操作於具有用於將環境溫度穩定地保持在±0.5°內的恆溫設施的無塵室中。但是，在應用高功率泵浦光源的諸如光學泵浦相關支架、雷射介質支架等的光學支架周圍，或者，在由於其冷卻盤(cooling pan)而放出大量熱到外部的雷射功率裝置、冷卻裝置等的周圍，不可避免地發生局部溫度變化。也就是說，飛秒雷射器在其輸出特性方面深受包含於其中的光學部件周圍的局部溫度變化以及安置該雷射器的空間周圍的環境溫度的變化的影響。因此，將飛秒雷射器系統機械地構造為對溫度儘可能地不敏感是非常重要的。傳統的代表性的飛秒雷射器是使用Ti藍寶石作為介質的雷射器。Ti藍寶石由於具有100納米的大的發射譜帶而可以產生直達幾飛秒的非常短的脈衝。為了從外部泵浦能量，來自由高功率雷射二極體泵浦的Nd:YV0雷射器的綠色光源以幾十至幾百微米的大小被強烈地聚焦到Ti藍寶石雷射晶體。泵浦光源與Ti藍寶石在結構上相隔幾米，從而，為了穩定地操作Ti藍寶石雷射器，泵浦光源的輸出特性的穩定性是非常重要的。例如，在泵浦光源的差的指向穩定性的情況下，以幾十至幾百微米的大小被強烈地聚焦在Ti藍寶石雷射晶體中的泵浦光源的斑點位置不恆定地改變，使得泵浦光源和雷射束之間的模耦合連續地改變，從而降低雷射功率穩定性。例如，如果諸如輸出功率、輸出光束方向等的特性劣化，那麼使用該特性的雷射處理產品的質量也會劣化。為了克服上述問題，將反射鏡安置在這樣的光學支架上，該光學支架安裝有能夠細調光束方向的控制裝置。因此，通過反射鏡可以控制泵浦光源的光束方向，從而控制功率穩定性。但是，當同時控制光學部件以優化穩定性時，系統的尺寸變大，系統的結構變複雜，並且，系統的價格也增加。因此，在一般的情況中，控制裝置僅被安裝一個或兩個光學部件。另一方面，如果可以通過將從半導體雷射二極體輸出的高功率光束直接施加於雷射晶體來獲得超快脈衝，那麼可以克服傳統的Ti藍寶石雷射器需要昂貴的泵浦雷射的問題。於是，可以更容易地解決作為Ti藍寶石雷射器的缺點的價格、尺寸和穩定性的這樣的問題。在這種情況下，如果可以將作為泵浦光源的高功率雷射二極體靠近雷射晶體放置在離雷射晶體的幾十釐米或幾釐米內，那麼可以進一步改進超快雷射器的穩定性。如果可以通過使用高功率雷射二極體以連續波的模式而不是脈衝的模式來泵浦用於改進超快雷射器的輸出功率的放大器部件，那麼可以進一步穩定地操作該雷射器。當首先以鎖定在飛秒振蕩器中的模式產生飛秒脈衝時，脈衝的能量非常低，約毫微焦耳(nj)，從而該脈衝不適合於諸如雷射處理等的應用。為了提高飛秒脈衝的能量，使用啁啾脈衝放大(CPA)的技術。從飛秒振蕩器輸出的脈衝在時間上被拉伸並然後被施加於放大器，從而被用作種子脈衝(seeding pulse)。在飛秒放大器的雷射晶體中，種子脈衝和放大器/共振器模式之間的穩定耦合對於飛秒放大器的穩定性非常重要。因此，在飛秒雷射器中具有放大器的系統中，振蕩器的穩定性變得更加重要。提高飛秒雷射器的穩定性的另一種方法是通過挖空單個鋁塊的內部來製造雷射器殼體，在該殼體中，除了上蓋以外的部分被一體地製造為單件，以使由於溫度變化而導致的殼體的機械形變最少。此外，為了努力減少溫度變化，用具有優良的導熱性的銅製造安裝有高功率二極體的模塊或者安裝有雷射晶體的模塊，並且，讓恆溫的冷卻水流動。為了進一步改進穩定性，冷卻水線以及上述模塊可以被設置在雷射器殼體中，以讓冷卻水流動,從而使溫度變化最少。但是，例如，通常可知，如果雷射器被操作和使用，並然後在斷電之後在第二天將 雷射器再次通電以便操作，那麼雷射器的特性被劣化。這是因為在斷電期間發生的機械形變甚至在通電之後也沒有通過冷卻裝置被完全恢復的緣故。為了克服該問題，在某種常見的飛秒雷射器系統中，推薦24小時內操作諸如泵浦光源、包含冷卻水的冷卻裝置等的雷射器系統，以便保持穩定狀態。但是，不容易把雷射共振器的光學支架保持在恆溫。為了減少飛秒雷射器的功率隨著時間的變化、包含指向穩定性的光束的空間變化等，應該穩定地保持用於把從外部施加的泵浦光源與共振器內部的雷射晶體中的光束在空間上匹配的模耦合。如果從外部施加的泵浦光源遠離雷射晶體，那麼由於泵浦光源的光束穩定性而不容易穩定地保持模耦合。因此，為了製造高穩定性的飛秒雷射器，希望將雷射二極體作為泵浦光源直接施加於近範圍內的雷射晶體。由於高功率泵浦光源從外部被施加，並且，在雷射共振器的內部產生高功率雷射束，所以高功率以熱的形式被傳送到光學支架，還被傳送到雷射平臺和雷射器，諸如雷射晶體、光學鏡等的光學部件與光學支架接合。傳送的熱導致光學支架等的機械形變，並且，該機械形變輕微地改變光學部件的方向，使得雷射共振器的布置被擾亂，從而降低了雷射器的輸出特性。特別地，在諸如飛秒雷射器的超快雷射器中，使用鎖模現象來產生飛秒脈衝，並且，由於鎖模對於共振器的形變非常敏感，所以飛秒脈衝的穩定性被降低，最後，不再保持鎖模，從而甚至可能會不再產生飛秒脈衝。例如，作為測試實現的飛秒雷射器的形式在圖I的光學概念圖中被示出。在圖I中，LC指示雷射晶體，Ml至M6指示反射鏡，SAM指示可飽和吸收鏡，DM指示二向色鏡，OC指示輸出耦合器，LD指示雷射二極體，WP指示半波片，CL指示準直透鏡，FL指示聚焦透鏡。在圖I中，虛線框指示雷射二極體的光學泵浦單元。傳統上，為了以這樣的形式實現光學概念圖，諸如各個反射鏡的光學部件被獨立地安裝在光學支架上並被固定在雷射平臺上。更具體地，圖2示出實現圖I的虛線框的裝置，其中，通過使用高功率雷射二極體，以光學的方式將能量從雷射共振器的外部提供給共振器內部的雷射晶體。這裡，附圖標記100指示光纖，附圖標記IlOa至IlOf指示用於在其上安裝光纖、半波片、準直透鏡、聚焦透鏡和二向色鏡的各個支架，附圖標記120a至120g指示安置在雷射平臺130上以支撐各個支架的支架塊。當高功率二極體輸出光束通過各種光學部件時，其一部分被反射併入射在各種機械部件或雷射器殼體上。於是，當高功率泵浦光束在一些光學支架中被吸收時，雷射器中的熱分布變得不均勻，導致局部加熱，從而各個支架獨立地變形，這樣，雷射器的共振器的布置變差。照此，如果發生大量的形變，用於在飛秒雷射器中產生飛秒雷射脈衝的鎖模不再被保持，從而，不再產生飛秒脈衝，並且，產生非常低峰值功率的連續波。在這種情況下，必須操作鎖模啟動器(mode-locking starter)以再次產生鎖模，·從而產生鎖模並再次產生飛秒雷射脈衝。如果雷射器儘管已經被鎖定，但是仍然保持長時間斷電，那麼雷射器被熱冷卻下來並返回到熱平衡狀態。但是，如果雷射器被再次通電，那麼再次發生熱不平衡，導致機械形變。然而，由於雷射器沒有完全返回到以前的狀態，所以鎖模通常被解除。圖3示出當飛秒雷射器開始在光學泵浦單元的光學支架被獨立地安裝的狀態中操作時功率隨著時間的變化。圖3示出當以前被操作以穩定地產生飛秒雷射脈衝的雷射器被斷電以完全冷卻之後對雷射器再次通電時的情況。由此可知，儘管飛秒雷射器的鎖模是穩定的，但是，如果對雷射器再次通電，那麼鎖模通常被解除，由此產生連續波(CW)。結果，為了對雷射器進行鎖模，必須操作鎖模啟動器。
背景技術：
部分中公開的上述信息僅僅用於增強對本發明的背景技術的理解，因此，上述信息可以包含沒有形成本領域的普通技術人員已知的現有技術的信息。

發明內容
因此，為了努力解決與現有技術相關的上述問題，已經作出了本發明，本發明提供一種設備，其中，為了在超快雷射器中提供穩定的鎖模並改進功率穩定性和光束穩定性，安裝有二極體泵浦單元的光學部件的光學支架使用低熱膨脹係數的杆來被機械地接合併形成泵浦模塊，並且，泵浦模塊與雷射平臺或殼體最大地分離開。為了實現前述目的，在本發明中提供的使用雷射二極體光學泵浦模塊的飛秒雷射器設備具有如下特性。使用雷射二極體泵浦模塊的飛秒雷射器設備通過使用低熱膨脹係數的杆來與安裝有二極體泵浦單元的光學部件的光學支架機械地接合，由此形成泵浦模塊，並且將形成的泵浦模塊與雷射平臺或殼體最大地分離開，從而在超快雷射器中提供穩定的鎖模並改進功率穩定性和光束穩定性。更具體地，由於飛秒雷射器中的高亮度泵浦光源引起的局部加熱而導致機械形變的光學支架被機械地接合，從而以集成的方式被模塊化。
為了模塊化，使用對於溫度變化的機械熱膨脹係數幾乎為零的因瓦合金(invar)。另外，為了使模塊和雷射平臺或殼體之間的接觸最少，使傳送到該模塊的外部熱形變最少。而且，聚焦在雷射晶體中的泵浦光源和雷射共振器模式之間的模耦合通過對於溫度變化機械地穩定光學泵浦模塊來被穩定地保持，從而改進雷射器的功率穩定性和光束穩定性。因瓦合金在美國通常被稱為FeNi36和64FeNi，其是鎳、鐵等的合金，並且，由於其低熱膨脹係數而出名。名稱「invar」(因瓦合金)還源自於「invariant」，「invariant」是指它相對於溫度變化不會特別地膨脹或收縮。
因瓦合金在室溫下具有約I. 2x10_6/K的熱膨脹係數。這樣的係數意味著機械值相對於1°C的溫度變化僅僅改變約1/1000000。由於上述的熱特性，當如精密工具、時鐘等中一樣需要高尺度穩定性時，使用因瓦
入全I=I -Wl o雖然在市場上可以得到諸如因瓦合金、超因瓦合金、科瓦鐵鎳鈷合金等的各種因瓦合金材料，但是隨著化學成分，在熱膨脹係數方面仍有一些差異。下面討論本發明的其它方面和優選實施例。下面討論本發明的上述和其它特徵。


現在參考在附圖中示出的本發明的某一示例性實施例詳細地描述本發明的上述和其它特徵，這些附圖僅僅以圖示的方式在下文中給出，從而並不限制本發明，在附圖中圖I是飛秒雷射器的光學概念的示意圖；圖2示出獨立地安裝傳統的光學支架的光學泵浦單元的前視圖和平面圖；圖3是示出在開始飛秒雷射器的操作時功率隨著時間的變化的曲線圖，該飛秒雷射器應用了獨立地安裝有傳統的光學支架的光學泵浦單元；圖4示出根據本發明的光學支架被模塊化為單件的光學泵浦單元的前視圖和平面圖；圖5是示出根據本發明的光學支架被模塊化為單件的光學泵浦單元中的各種模塊耦合器的透視圖；圖6是示出根據本發明的光學支架被模塊化為單件的光學泵浦單元中的接合型光學支架的透視圖；圖7是示出根據本發明的光學支架被模塊化為單件的光學泵浦單元中的反射光束阻擋器的透視圖；圖8是示出根據本發明的飛秒脈衝的特徵(脈衝寬度)的曲線圖；圖9是示出根據本發明的飛秒脈衝的特徵(光譜)的曲線圖；圖10是示出根據本發明的在開始飛秒雷射器的操作時輸出功率隨著時間的變化的曲線圖，該飛秒雷射器應用了具有被模塊化為單件的光學支架的光學泵浦單元；圖11是示出根據本發明的光束位置隨著時間的相對變化的曲線圖；以及
圖12是示出根據本發明的光束指向變化的曲線圖。應該理解，附圖並不一定是按比例的，呈示了說明本發明的基本原理的各種優選特徵的稍微簡化的表示。包括例如特定尺寸、取向、位置和形狀的本文中公開的本發明的特定設計特徵將部分地由具體的期望應用和使用環境來確定。在附圖的若干圖中附圖標記始終是指本發明的相同或等同的部件。
具體實施例方式現在將在下文中對本發明的實施例進行詳細的參考，本發明的例子在附圖中示出並在下面被描述。雖然將結合示例性實施例描述本發明，但是將會這樣理解，本描述不應當將本發明限制於示例性實施例。相反，本發明應當不僅覆蓋示例性實施例，還覆蓋可以包含在由所附權利要求限定的本發明的精神和範圍內的各種替換、修改、等同物和其它實施例。在下文中將參照附圖詳細地描述本發明。圖4示出根據本發明的光學支架被模塊化為單件的光學泵浦單元的前視圖和平面圖。如圖4所示，根據本發明的飛秒雷射器設備可以包括光學泵浦模塊，在該光學泵浦模塊中，形成二極體泵浦單元的光學部件和用於安裝這些光學部件的支架通過使用低熱膨脹係數的杆即多個模塊耦合杆18和最小量的模塊耦合器19被模塊化為單件，使得光學泵浦模塊被安置成與雷射平臺16相隔開，例如，被安置在與雷射平臺16相隔預定距離(高度)的位置中。為此，提供作為泵浦光源的雷射二極體10、用於調整泵浦光源的偏振方向的半波片11、用於有效地施加雷射二極體10的輸出光束到雷射晶體12並改進模耦合的準直透鏡13和聚焦透鏡14、用於聚焦泵浦光源的雷射晶體12、以及用於反射雷射束並使泵浦光源從其通過的二向色鏡15a和15b，並且，這些光學部件按照半波片11、準直透鏡13、聚焦透鏡14和然後雷射晶體12的順序依次地布置在一條線中，二向色鏡15a和15b設置在雷射晶體12的前面和後面。特別地，各個光學部件，例如，半波片11、準直透鏡13、聚焦透鏡14以及二向色鏡15a和15b，被安裝在相應的支架17a至17e上並由它們支撐，並且，各個支架17a至17e通過多個模塊耦合杆18 (優選地，兩個至四個模塊耦合杆18)被耦合成單件。也就是說，模塊耦合杆18通過同時水平地穿透相應的支架17a至17e來被接合，使得安裝有光學部件的支架17a至17e全部耦合成單件。模塊耦合杆18可以是具有低熱膨脹係數的因瓦合金、超因瓦合金或科瓦鐵鎳鈷
麼麼I=I -Wl o包括光學部件和各個支架17a至17e的模塊耦合杆18全部被接合併被支撐在至少一個模塊耦合器19上，所述至少一個模塊耦合器19被安置在雷射平臺16上。這裡，如圖6所示，支架17a至17e中的每一個可以為環形塊的形式，該環形塊具有用於接納光學部件的光學部件安置部分(seating portion)29和用於精確地微調在光學部件安置部分29中接納的光學部件的位置的位置調整螺絲23。支架17a至17e中的每一個被設置有用於使模塊耦合杆18從其中通過的兩個至四個孔。模塊耦合器19還可以具有各種形式，例如，如圖5所示，它們可以具有帶有敞口或封閉型的支架安置部分28和用於使模塊耦合杆18從其中通過的兩個至四個通孔26的各種形式。這裡，未描述的附圖標記27指示用於將模塊耦合器19安置在雷射平臺16上的螺絲孔。通常看來，光學泵浦模塊可以具有非對稱的形狀，因為光學部件被集中地放置在前端側，並且，為了解決該問題，即，為了全局地穩定光學泵浦模塊，提供輔助適配器20，該輔助適配器20通過螺絲接合結構等在與半波片11相對的一端被耦合在模塊耦合杆18上。置於二向色鏡15a和15b之間的雷射晶體12通過雷射晶體支架21被直接安置在雷射平臺16上。也就是說，雷射晶體12的雷射晶體支架21被直接安置在雷射平臺16上，而不是被耦合在模塊耦合杆18上。·
反射光束阻擋器22被放置在半波片11的後端側中，該反射光束阻擋器22防止安裝有半波片11的支架17a被由二向色鏡15a和15b反射的高亮度光束加熱。反射光束阻擋器22被安置在雷射平臺16上。特別地，提供光纖25，該光纖25從雷射二極體10延伸並向著半波片11連接，並且，其端部以被光纖支架24支撐的方式連接和安置，該光纖支架24被耦合在模塊耦合杆18上。〈實施本發明的方式〉作為實施本發明的測試實現的飛秒雷射器的形式在圖I的光學概念圖中示出。在該測試中使用的雷射晶體LC使用具有5%摻雜的鐿離子、Yb3+離子和3x3x3mm3的尺寸的Yb:KYW。作為各向異性雷射晶體的Yb:KYW根據泵浦光束的傳播方向和偏振方向具有不同的吸收率。為了使泵浦光源的吸收率最大，對雷射晶體進行切割，使得泵浦光源的偏振方向平行於雷射晶體的a軸，並且，泵浦光源在雷射晶體的b軸的方向上傳播，雷射晶體的兩個表面被塗敷有抗反射塗層，以使對於泵浦光源波長和雷射波長的反射最少。具有IOOmm的曲率半徑的凹形二向色鏡DM被設置為反射雷射束並使泵浦光源從其中通過。為了使飛秒雷射共振器產生短於I皮秒的脈衝，必須校正在雷射共振器中包含的光學部件中發生的色散。一般來說,使用稜鏡延遲線(prism delay line)或啁啾鏡來補償色散。與將兩個稜鏡一起用作一對的稜鏡延遲線中不一樣，在啁啾鏡的情況中，色散補償由啁啾鏡自身的色散值而不是離光學部件的距離確定，使得飛秒雷射器可以被緊湊地構造。在這種情況下，在共振器中使用兩個啁啾反射鏡，並且，單次通過中的總群速色散是 GVD=-1350fs2。為了將由連續波CW振蕩的飛秒雷射器轉換為產生鎖模的飛秒脈衝的雷射器，在雷射共振器的端部設置半導體可飽和吸收鏡SAM。為了獲得超過吸收器的可飽和強度的強度，使用具有300mm的曲率半徑的凹形反射鏡，並且，將光束聚焦在半導體可飽和吸收鏡SAM的表面上。
使用的半導體可飽和吸收鏡SAM的吸收率為3%。作為泵浦光源，使用具有8W的最大功率的雷射二極體LD。雷射二極體被安置在銅塊上，該銅塊安置有Peltier熱電裝置，並且，對銅塊進行控制，使得其溫度被冷卻器保持恆定，預定溫度的冷卻水在冷卻器中循環。照此，對雷射二極體的溫度進行控制，使得波長允許雷射晶體中的泵浦光源的最大吸收。為了提高泵浦效率，與雷射二極體接合的光纖的長度是約80至120mm —樣短，優選地為約100_，從而獲得具有約7%的去偏振率的線性偏振光束。為了有效地施加高功率雷射二極體的輸出光束，應用了具有100至IlOiim (優選地，105 u m)的芯直徑和0. 11的數值孔徑的光纖。此外，為了改進模耦合，使用分別具有60mm的焦距的準直透鏡CL和聚焦透鏡FL，以便優化。在雷射晶體中聚焦的泵浦光源的橫向光束具有約IOOiim的直徑，從而與在雷射晶體中產生的共振器模式的尺寸非常匹配。由於當前雷射晶體中的泵浦光源的吸收率隨著泵浦光源的偏振方向而改變，所以安裝在旋轉支架上的半波片WP被預先設置在光纖的末端後面，以微調泵浦光源的偏振方向，從而使光學泵浦效率最大化。在根據本發明的當前的測試中，光學泵浦單元包括雷射二極體端、半波片WP、準直透鏡CL、聚焦透鏡FL、二向色鏡DM和反射鏡M3。雖然在圖2中，安裝有光學泵浦單元的光學部件的光學支架被獨立地固定在雷射平臺上，但是在圖4中，安裝有光學泵浦單元的光學部件的光學支架由模塊耦合杆機械地接合。當如圖4中一樣通過機械接合來構造支架模塊時，為了使支架模塊與外側或雷射平臺的機械形變無關，製造模塊耦合器並將模塊耦合杆與其接合，並且，將用於接合模塊耦合杆的如圖5所示的形式的接合型支架被安置在雷射平臺上。模塊耦合器是用於連接一體型光學泵浦模塊和雷射平臺的工具，並且，在考慮光學泵浦模塊的穩定性的情況下，模塊耦合器的數量優選地為最小值。在當前例子中，如圖4所示，已經使用了兩個模塊耦合器。在當前例子中，安裝光學泵浦單元的雷射二極體端部、半波片、準直透鏡、聚焦透鏡、二向色鏡和反射鏡的接合型支架。為了相對於雷射共振器進一步全局地穩定一體型光學泵浦模塊的非對稱設置，另外將輔助適配器設置在相對端。這裡，二極體泵浦光束的大部分在雷射晶體中被吸收，並且，其餘的部分以熱的形式被傳送到雷射晶體支架，使得雷射晶體支架與光學泵浦模塊分離並被直接安置在雷射平臺上。由於很多熱被傳送，所以通過使冷卻到預定溫度的冷卻水流經與雷射器連接的冷卻器來冷卻雷射晶體支架。當高亮度光束從雷射器的共振器的二向色鏡反射時，它到達半波片的接合型支架，從而發生局部加熱，在熱形變方面導致差的機械穩定性。為了防止這樣的現象，如圖7所示的反射光束阻擋器被分開製造，並且，被直接安置在雷射平臺上，而不是在光學泵浦模塊上。總而言之，在本發明中，為了在超快雷射器中提供穩定的鎖模並改進功率穩定性和光束穩定性，安裝有二極體泵浦單元的光學部件的支架通過使用低熱膨脹係數的杆來被機械地接合，從而形成光學泵浦模塊，並且，光學泵浦模塊與雷射平臺或殼體最大地分離。更具體地，為了一體型模塊化，由於飛秒雷射器中的高強度泵浦光源局部加熱而發生機械形變的支架被機械地接合，並且，為了模塊化，使用其機械熱膨脹係數相對於溫度變化幾乎為零的因瓦合金。另外，通過使模塊和雷射平臺或殼體之間的接觸最少，使傳送到該模塊的外部熱形變也最少。
而且，聚焦在雷射晶體中的泵浦光源和雷射共振器模式之間的模耦合通過對於溫度變化機械地穩定光學泵浦模塊來被穩定地保持，從而改進雷射器的功率穩定性和光束穩定性。從光學泵浦模塊可以獲得如下效果。為了振蕩飛秒雷射器，首先，設置全反射鏡代替半導體可飽和吸收器，以作為連續波振蕩雷射器，並且，使光學布置優化，其後，為了振蕩飛秒脈衝，用半導體可飽和吸收器替代全反射鏡，從而產生鎖模。飛秒脈衝以87. SMHz的重複率操作，每個脈衝的能量為10毫微焦耳或更大，並且，平均功率為約1W。圖8至12示出當在飛秒雷射器中通過光學泵浦單元的一體型模塊化來使熱形變最少時飛秒脈衝的輸出特性的測量結果。圖8示出飛秒雷射脈衝的時間寬度的測量結果，其中，半峰全寬(FWHM)為91. 4飛秒，並且，光譜具有14. 5納米的FWHM，其中，中心波長為1043納米，如圖9所示。指示飛秒脈衝的特性的脈衝寬-帶寬乘積被測量為A V A T=O. 372。如果飛秒脈衝為sech2形式的雙曲線函數的形狀，那麼該乘積為0. 315。圖10示出當在飛秒雷射器中開始雷射器操作時輸出功率隨著時間的變化，該飛秒雷射器應用了光學泵浦模塊，其中，通過使用模塊耦合杆以集成的方式對光學泵浦單元的支架進行模塊化。如圖3—樣，圖10示出當以前被操作以穩定地產生飛秒雷射脈衝的雷射器被斷電以完全冷卻之後對雷射器再次通電時的情況。由此可知，與獨立地安裝支架的圖3不一樣，使用一體型模塊化的光學泵浦單元的圖10的結果非常穩定地操作。在圖3中，鎖模被解除，使得必須操作鎖模啟動器，然而，在圖10中，即使對雷射器再次通電，雷射器也在若干分鐘內被穩定，從而保持鎖模。另外，輸出功率隨著時間的變化在圖10中比在圖3中穩定。在當前測試中實現的一體型光學泵浦模塊通過使用單個雷射二極體實現了對於雷射晶體的縱向方向的光學泵浦。由該特徵擴展，通過使用兩個雷射二極體，可以針對雷射晶體在不同方向上對稱地施加更高的功率。在這種情況下，一個光學泵浦單元可以形成光學泵浦模塊，使得兩個光學泵浦模塊可以被設置在雷射晶體的兩側，或者，模塊耦合杆可以被延伸，以用兩個光學泵浦單元形成一個光學泵浦模塊。為了雷射平臺的機械穩定性，可以另外設置模塊耦合器。當使用兩個或更多個雷射晶體形成雷射器時，可以使用更多的光學泵浦模塊，或者，可以擴展一體型光學泵浦模塊。在根據本發明的當前測試中，可以更具體地測量飛秒雷射束的穩定性。光束穩定性可以用光束位置穩定性和光束指向穩定性來表$。光束位置穩定性指示當雷射束被傳送到目標時在放置目標的表面上雷射束的位置改變多少。光束位置穩定性是指示當目標被放置在離雷射器的遠處時雷射束多麼精確地入·射在目標上的指標，從而是非常重要的。光束指向穩定性指示當通過使用具有短焦距的透鏡將雷射束聚焦在小尺寸中時聚焦方向改變多少。光束指向穩定性是重要的，因為它是影響當如雷射處理中一樣將高強度光束聚焦在處理產品(例如，金屬材料、非金屬材料等)上時雷射處理結果的精度的指標。雷射束的中心被定義為功率密度分布或主空間矩的中心(centroid)。光束的傳播方向，z軸，是連接在均質介質的兩個平面中同時測量的兩個中心的直線。光束穩定性可以用具有光束位置穩定性和光束角度穩定性的特徵來描述，光束位置穩定性指示X軸和y軸相對於光束傳播方向即z軸的橫向位移，光束角度穩定性指示角度變化。嵌入有CO)的光束分析儀(beam profiler)被設置在離雷射器的1000mm處,並且，測量光束中心的變化，使得相對光束位置穩定性A rel被表示為A Ml=2 2/D，其中，D為光束直徑，I為位置標準差。具有12mm的焦距的透鏡被設置在離雷射器的750mm的位置中，並且，嵌入有CXD的光束分析儀被設置在聚焦表面上，並且，測量光束中心的變化，使得相對光束指向穩定性Sral被表示為S ral=2 O/d,其中，d為光束直徑，O為位置標準差。圖11示出實驗上測量相對光束位置隨著時間的變化(S卩，光束位置穩定性)的結果，由此可知，光束位置穩定性小於0. 1%。也就是說，在遠離雷射器的位置中，相對於光束尺寸，光束位置變化為0. 1%或更小。圖12示出實驗上測量相對指向隨著時間的變化(即，光束指向穩定性)的結果，由此可知，光束指向穩定性非常低，在X軸方向上為約0. rad,在y軸方向為約0. 7 ii rad。考慮到具有優良的光束指向穩定性的常見雷射器具有2至rad的光束指向穩定性，用本發明的實施例實現的測試結果是非常出色。根據本發明的使用雷射二極體光學泵浦模塊的飛秒雷射器設備具有如下優點。用於安裝光學部件的光學支架以集成的方式被模塊化，並且，同時，模塊化的光學泵浦模塊與雷射平臺或殼體分離，以使該模塊與雷射平臺或殼體的接觸最少，從而使傳送到光學泵浦模塊的外部熱形變最少，由此穩定光學泵浦模塊，從而改進雷射功率的穩定性和光束的穩定性。
而且，通過在光學泵浦模塊的集成中使用低熱膨脹係數的杆的機械接合，可以使由於溫度變化的影響所導致的機械形變最少。參考本發明的優選實施例已經詳細地描述了本發明。但是，本領域的技術人員將會認識到，在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以 在實施例中進行改變，本發明的範圍由所附權利要求或其等同物限定。
權利要求
1.一種飛秒雷射器設備，使用雷射二極體光學泵浦模塊，該飛秒雷射器設備包括 雷射二極體，用於對光源進行泵浦； 半波片，用於調整順序地布置的泵浦光源的偏振方向； 準直透鏡和聚焦透鏡，用於有效地施加雷射二極體的輸出光束到雷射晶體並改進模耦合； 雷射晶體，用於聚焦泵浦光源；以及 設置在雷射晶體的前面和後面的二向色鏡，用於反射雷射束並使泵浦光源從其透過， 其中，半波片、準直透鏡、聚焦透鏡和二向色鏡通過機械接合以光學泵浦模塊的形式被集成為單件，使得光學泵浦模塊以與雷射平臺分離的方式被安置。
2.根據權利要求I所述的飛秒雷射器設備，其中，光學泵浦模塊包括 用於分別在其上安裝半波片、準直透鏡、聚焦透鏡和二向色鏡的支架； 多個模塊耦合杆，用於通過水平地穿透所述支架以集成的方式耦合這些支架；以及 至少一個模塊耦合器，被安置在雷射平臺上並與模塊耦合杆接合，以支撐模塊耦合杆。
3.根據權利要求I所述的飛秒雷射器設備，還包括輔助適配器，該輔助適配器在與半波片相對的末端處被稱合到模塊稱合杆，以與光學泵浦模塊的非對稱布置相關聯地、全局地穩定該光學泵浦模塊。
4.根據權利要求I所述的飛秒雷射器設備，其中，雷射晶體通過雷射晶體支架被直接安置在雷射平臺上。
5.根據權利要求I所述的飛秒雷射器設備，還包括反射光束阻擋器，該反射光束阻擋器被放置在半波片的後端側的後面並被安置在雷射平臺上，以防止安裝有半波片的支架被由二向色鏡反射的高亮度光束加熱。
6.根據權利要求I至5中的任一項所述的飛秒雷射器設備，其中，所述多個模塊耦合杆中的每一個由具有低熱膨脹係數的因瓦合金、超因瓦合金和科瓦鐵鎳鈷合金中的一種形成。
7.根據權利要求I所述的飛秒雷射器設備，還包括光纖，該光纖被連接在雷射二極體和半波片之間，並且，該光纖的端部由耦合在模塊耦合杆上的光纖支架支撐，並且，光纖由具有80至120mm的長度、100至100 μ m的芯直徑和O. 11的數值孔徑的光纖形成。
8.根據權利要求I所述的飛秒雷射器設備，其中，如果使用兩個雷射二極體，那麼一個光學泵浦單元形成光學泵浦模塊，並且，以這樣的方式形成的兩個光學模塊被設置在雷射晶體的兩側以供使用。
全文摘要
本發明提供使用雷射二極體光學泵浦的飛秒雷射器設備。為了在諸如飛秒雷射器的超快雷射器中提供穩定的鎖模和改進功率穩定性和光束穩定性，安裝有二極體泵浦單元的光學部件的光學支架使用低熱膨脹係數的杆被機械地接合併形成泵浦模塊，並且，泵浦模塊與雷射平臺或殼體最大地分離。
文檔編號H01S3/02GK102957082SQ201210269309
公開日2013年3月6日 申請日期2012年7月31日 優先權日2011年8月22日
發明者金光勳, 姜旭, 梁主喜, E·薩爾, S·奇若夫, A·庫裡克 申請人:韓國電氣研究院