包括兩個具有不同光譜透射率的輸出耦合器的相位穩定的鎖模雷射器的製作方法

2023-06-10 15:35:56

專利名稱：包括兩個具有不同光譜透射率的輸出耦合器的相位穩定的鎖模雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種鎖模短脈衝雷射諧振器，包括泵浦雷射束輸入、雷射晶體以及鏡體，例如，在線性諧振器的情況下為至少第一端面鏡和第二端面鏡，在環型諧振器的情況下 為多個腔鏡(cavity mirror)。優選地，所述雷射晶體為非線性雷射增益介質。另外，本發明涉及一種短脈衝雷射結構，包括上述鎖模短脈衝雷射諧振器和耦合 到短脈衝雷射諧振器的CEP(CEP-Carrier Envelope Phase，載波包絡相位)穩定裝置，用於 對雷射輻射進行鎖相。
背景技術：
現有技術已經知道有鎖模短脈衝雷射諧振器(振蕩器)，特別地是飛秒雷射諧 振，例如，美國專利US 5，079，772 A中所描述的。這種雷射諧振器產生的雷射輻射是 寬帶輻射，例如，其帶寬範圍約為650nm到1050nm。還已經知道使用雷射放大器與這種 雷射諧振器的組合，這種雷射放大器例如在1985年10月15日出版的期刊《光學通信》 (OpticsCommuni cat ions, 55 (6))中 D. Strickland 禾口 G. Mourou 所著的文章「Compression of amplified chirped optical pulses」(放大後的啁啾光學脈衝的壓縮)，該文章引入本 說明書作為參考。這種鎖模短脈衝雷射諧振器所存在的一個問題是相位和頻率的穩定，並 且這種穩定的概念在美國專利US 6，785，303 Bl和US 6，724，788 Bl中進行了描述。特別 地，對於相位匹配，建議使用單獨的、相對複雜的幹涉儀類型的單元。另一方面，US 3，772，609 A提出了一種具有雙輸出系統的雷射腔體結構。更具體 地，其中公開了一種具有兩個輸出耦合鏡體以及雷射腔體結構的雷射器，所述雷射腔體結 構包含活動雷射介質並且產生兩個不同的雷射頻率(波長)。一個端面鏡在這兩個波長中 的第一波長上具有高反射率，並且在第二波長上可以進行部分傳送；另一個端面鏡在第二 波長上具有高反射率，而在兩個波長的第一波長上可以進行部分傳送。因此，第一鏡體設置 為耦合出具有第二波長的雷射束，並且對第一波長進行反射，第二鏡體則設置為耦合出第 一波長而反射第二波長。產生這兩個雷射波長的基礎是，雷射腔體，例如作為端面鏡的具有 Brewster窗口的等離子管，產生兩個離散的雷射波長。不同的雷射波長可用於不同的目的， 而不用將雷射諧振器從一個工作模式切換為另一個工作模式。與這種又頻率雷射系統不同，常見的鎖模短脈衝雷射諧振器產生寬帶雷射輻射， 如前所述。但是，可以想像得出在一些應用中，具有不同屬性的雷射輻射將是有用的，並且 希望不是必須從一個工作模式切換到另一個工作模式，例如US 7，172，588 B2中所公開的 雷射器結構，並且可以使用短脈衝的工作模式，其中產生與另一個短脈衝工作模式相比具 有較低能量的雷射輻射。具體地，希望在具有相位穩定裝置的雷射器結構中使用具有不同 屬性的雷射輻射，具體地在具有耦合到諧振器的雷射放大器的雷射器結構中使用具有不同 屬性的雷射輻射。

發明內容
因此，本發明的目的是提供一種鎖模短脈衝雷射諧振器以及可以立即獲取易於制 造的、具有不同屬性的雷射輻射、包括該鎖模短脈衝雷射諧振器的短脈衝雷射器結構，而不 用將雷射諧振器從一個工作模式切換至另一個工作模式。根據本發明的另一個目的，旨在提供一種雷射器裝置，其能夠同時輸出具有不同光譜屬性的雷射輻射，以便將這種雷射輻射一方面饋入雷射器的相位穩定裝置，而另一方 面饋入短脈衝雷射放大器。為了解決上述問題，本發明提供一種鎖模短脈衝雷射諧振器和一種短脈衝雷射器 結構，如獨立權利要求中所限定的。本發明的優選實施例在從屬權利要求中限定。根據本發明，提供一種鎖模短脈衝雷射諧振器，包括泵浦雷射束輸入端、雷射介 質，優選地為非線性雷射介質，例如Ti = Sapphire (Ti =Al2O3)晶體，以及諧振器鏡體；具體 地，振蕩器包括兩個用於耦出雷射輻射的耦出鏡體，這些耦出鏡體中的第一耦出鏡體設置 為耦出具有第一光譜屬性的雷射輻射，而第二耦出鏡體設置為耦出具有與所述第一光譜屬 性不同的第二光譜屬性的雷射輻射。例如，諧振器雷射輻射的不同光譜部分可能經過兩個 耦出鏡體被耦出；另外，可以耦出不同帶寬的輻射，但是具有相同的中心波長，具有不同和 /或相同的能量；或者耦出具有不同中心波長的輻射部分，其具有不同或相同帶寬的光譜， 並且具有不同或相同的能量。這可以通過選擇合適的具有特定傳輸和光譜密度屬性的耦出 鏡體的已知技術得以實現，所述屬性依賴於這種鏡體的層結構，具體地，第一耦出鏡體上耦出的雷射輻射可以被提供到CEP穩定裝置，這種裝置 的主要部分是已知的，從而為鎖模短脈衝雷射諧振器提供相位穩定。具體地，這個CEP穩定 裝置包括差頻生成(Dre)裝置或f:2f幹涉儀裝置以用作輸入級，第一端鏡體將具有第一光 譜屬性的雷射輻射提供給CEP穩定裝置的這些Dre(或幹涉儀)裝置。這裡，將相對寬帶寬 的雷射輻射以及相對低能量的雷射輻射提供給CEP穩定裝置是有用的；與此相對的是，第 二端面鏡上耦出的雷射輻射應當是具有相對窄帶寬但是相對高能量的輻射，並且這種雷射 輻射可以被提供給雷射放大器作為饋入雷射輻射，這是已知的技術。因此，本發明還提供一種短脈衝雷射器結構，包括前面所述的鎖模短脈衝雷射諧 振器、耦合到用於接收具有第一光譜屬性的雷射輻射的第一耦出鏡體的CEP穩定裝置、從 第二耦出鏡體接收具有第二光譜屬性的雷射輻射的雷射放大器。例如經過第一端面鏡耦出的相對低能量的第一雷射輻射的光譜密度小於lmW/nm。 與此相對，經過第二端面鏡耦出的與第一雷射輻射相比具有相對高能量的雷射輻射具有大 於lmW/nm的光譜密度。本發明的另一個應用範圍來自於輸出脈衝的完好同步。由於兩個輸出脈衝產生 於相同的雷射諧振器中，所以雖然它們具有不同的帶寬、中心波長和/或脈衝寬度，但是它 們仍然可以實現完好的同步。兩個相互同步的獨立諧振器將可以互相代替。雖然可以使 用不同的穩定系統，但是同步需要兩個雷射諧振器而不是一個雷射諧振器和一個附加的鎖 定電子裝置。兩個經過同步的諧振器之間產生的抖動將永遠不等於零。相反，可以從這裡 描述的諧振器中假設與兩個不同諧振器中產生的脈衝相比其脈衝將沒有或僅有極小的定 時抖動。這種同步脈衝應用的一個例子是，傅立葉變換相干反斯託克斯拉曼散射(CARS， coherent anti-StokesRaman scattering)，參考期幹丨J Optics Express (光學快訊)，2006年 9 月 4 日第 14 卷第 18 冊中 Meng Cui 等人所著的「Interferometric Fouriertransform coherent anti-Stokes Raman scattering」 (幹涉儀傅立葉變換相干反斯託克斯拉曼散 射)，第 8448-8458 頁。


下面將結合附圖對本發明的進一步的細節和優點進行清楚地描述，其中圖1和圖2表示根據本發明的短脈衝雷射器結構的兩個實施例的類似示 意圖，包 括鎖模雷射諧振器、雷射放大器和分別具有Dre輸入級(圖1)和幹涉儀輸入級(圖2)的 CEP穩定裝置；圖3和圖4示意性地表示提供泵浦雷射輻射的短脈衝雷射諧振器的結構的優選實 施例，圖3中示出了摺疊結構，圖4示出了環型結構；圖5示出了圖3(或圖4)的短脈衝雷射諧振器的第一輸出的透射率和光譜密度；圖6示出了在圖3 (或圖4)的雷射諧振器的第二輸出的透射率和光譜密度的另一 個示意圖；以及圖7示出了用於雷射諧振器的典型雷射晶體的放大特性，例如Ti S apphire晶體， 也就是強度(任意單位)與波長(以μ m為單位)之比。
具體實施例方式在圖1和圖2中，示出了短脈衝雷射器結構1，其包括雙輸出飛秒振蕩器2，它是具 有載波包絡相位(CEP)穩定的鎖模短脈衝雷射諧振器，具體地，如圖3或圖4中所示的雷射 諧振器。這裡的雷射諧振器或振蕩器還可以簡稱為諧振器2，其具有用於具有相對窄帶寬的 雷射輻射的第一輸出端3和用於當與第一輸出端3相比具有相對窄帶寬的雷射輻射的第二 輸出端4。例如，第一輸出端3處的雷射輻射具有80MHz的脈衝頻率和1. 4nJ的脈衝能量， 並且在諧振器2中振蕩的大約5%的雷射輻射被耦合出來。在第二輸出端4處，雷射輻射可 以具有80MHz的脈衝頻率，但是其具有大約6nJ的脈衝能量，並且這個雷射脈衝被用於饋入 本身為已知結構的雷射放大器5，具體地為飛秒雷射放大器。在這個雷射放大器5的輸出6 處，獲取具有I-IOKHz脈衝頻率以及mj數量級的脈衝能量的雷射輻射，例如l_5mj的脈衝 能量。因此，這個雷射放大器5具有放大所提供的雷射脈衝以便獲取更高脈衝能量的功能。雷射諧振器2的第一輸出端3耦合到載波包絡相位穩定裝置7，下面簡稱為CEP 穩定裝置或更簡短地稱為CEP裝置7。這個CEP裝置7包括輸入級，即不同頻率產生(簡 稱為DR；)裝置8(圖1)，或者f:2f幹涉儀裝置8』(圖2)；這個輸入級8或8』分別具有耦 合到諧振器2的第一輸出端3的輸入端，並且將例如不同頻率的輸出提供到鎖相電子裝置 9。鎖相電子裝置9用於產生控制信號，其本身是已知的，即該控制信號被提供到聲光調製 器(AOM) 10中，聲光調製器10用於對腔內脈衝能量進行調製，因此，該控制信號通過刻爾效 應被提供到光諧振器2的非線性增益介質中的光學路徑中，所述光學路徑將在下面進行描 述。更具體地，泵浦雷射器11 (連續波(cw)雷射器)，例如，倍頻的單頻率NchYVO4激 光器(例如「Coherent Verdi」雷射器)用於將單個頻率上的泵浦雷射輻射通過AOM單元 10提供到飛秒諧振器2。
根據圖3和圖4，諧振器2在12處接收泵浦雷射束，該泵浦雷射束被提供到活動雷射介質(稱為增益介質)，例如其形式是非線性Ti =Al2O3晶體(Ti Sapphire晶體)13，即通 過透鏡Ll和凹透分色鏡Ml，Ml適用於發送雷射器的泵浦並且反射諧振器2中內嵌的雷射 脈衝(根據已知的刻爾透鏡鎖模效應)。另外，根據圖3，鏡體M2、M3和M4用於建造雷射諧 振器2，並且這些鏡體M可以稱為啁啾鏡體。兩個分離的端面鏡OCl和0C2被提供以用於諧 振器，並且在這些端面鏡OCl和0C2上，雷射輻射的各個部分被耦合出，例如，在端面鏡OCl 上為5%，在端面鏡0C2上為29%。因此，端面鏡OC 1形成第一輸出端3，而端面鏡0C2形 成第二輸出端4。術語「0C」通常用於指代這種耦出(outcoupler)鏡體。在圖4的實施例 中，環型振蕩器顯示為諧振器2，鏡體M3和M4是耦出鏡體OCl和0C2。另外，圖4中與圖3 中具有相同標號的元件是對應的元件。耦出鏡體OCl和0C2可以是簡單的Bragg多層鏡體，其結構是基底+ (HL)n，其中， H是指具有高反射率的層，L是指具有低反射率的層。例如，H層包括在SOOnm的波長上具 有λ/4光厚度TiO2，而L層包括是在SOOnm處具有相同的λ/4光厚度SiO2層。這裡，η是 層的數量，因此其也是依賴於傳送屬性的周期數。例如，對於傳輸T = 5%, η = 5，這意味 著端鏡(第一耦出鏡體0C1)具有結構基底+ (HLHLHLHLHL)，而對於傳輸T = 29%,η = 3, 這意味著端鏡(第二耦出鏡體0C2)具有結構基底+(HLHLHL)。應當清楚，以上所述的波長和層數量的傳輸比例值僅是示例，其它的數值對於其 它實施例也可能是合適的，在圖5中，示出了任意單位的光譜密度(=平均的鎖模功率/帶寬(FWHM))(實 線)以及相對於圖3和圖4中的第一耦出鏡體OCl的以％為單位的透射率(虛線)，也就是 在輸出端3處。正如已經提及的，5%雷射輻射的一部分被耦出，並且特別選擇出來的耦出 鏡體OCl具有透射率特性，其中，光譜帶寬的翼側處的波長被加強，這意味著具有更高的透 射率，例如在波長為600nm和700nm之間的波長上以及900nm到IOOOnm之間的波長上，如 700-900nm的範圍中(光譜的中央)。因此，當與圖6中表示第二耦合鏡體0C2的示意圖相 比較時，在這個第一耦出鏡體OCl處獲得耦出的相對寬帶的雷射輻射，例如，在0. 5光譜密 度處具有670-900nm的帶寬，如圖5中所示，即，在對應於全部寬度的一半最大值(FWHM)的 強度處一半最大值(FWHM)處的全部寬度是用於描述一個曲線或函數上的「隆起處」的寬 度的參數。它由函數達到其最大值的一半數值的曲線上的點之間的距離給出。與此相對，根據圖6，第二耦出鏡體0C2的透射率沒有以第一端面鏡OCl (圖5)的 方式增強光譜帶寬的翼側，雖然第二耦出鏡體0C2在從例如700-900nm的感興趣的波長帶 寬中具有更高的整體透射率。因此，在具有0.5FWHM光譜密度的線上，當與圖5中鏡體OCl 的帶寬相比較時，通過第二耦出鏡體0C2傳輸的輻射具有大約725-880nm的更窄的帶寬。正 如前面已經提及的，這個第二耦出鏡體0C2提供29%的耦出因子。為了進一步表示利用例如根據圖3的飛秒諧振2獲取的雷射輻射的主光譜，圖 7示出了雷射輻射的(任意單位的)強度與波長(以ym為單位)之比，中心波長約為 0. 8ym(800nm)，各個斜面的範圍在600-750nm(上升斜面)和780_1000nm(下降斜面)。當 將這個強度特性與圖5或圖6的透射率特性相組合時，在光譜的翼側具有或多或少的波長 加強，圖5和圖6中所示的獲得的光譜將更加清楚。應當提及的是，CEP裝置7還可以如WO 2006/008135 A2中所公開的方式進行設置，即光學Dre裝置8包括例如非線性光學介質，例如周期性接入的摻有氧化美的鈮酸鋰； 鎖相裝置9可以包括例如光電二極體的光敏裝置，正如WO 2006/008135 A2中所公開的， 該專利文獻的的內容引入本說明書作為參考。另一方面，圖3的幹涉儀裝置8』可以設置 為主要由US 6，724，788 Bl中所示，該專利文獻的內容也引入本文作為參考，也可參考WO 2006/008135 A2 的介紹部分以及 Optische Messtechnik,Photonik 3/2006，第 60-63 頁中 Rudiger Paschotta 所著的"FrequenzkSmme und optische Frequenzmetrologie，，(頻 率梳和光學頻率度量)。為了不同頻率的產生，具有寬的帶寬的雷射輻射是有利的，而較低能量的輻射便 已足夠；另一方面，在第二端面鏡0C2處耦出的用於饋送至飛秒雷射放大器5的輻射比例更 加大(例如29%)，並且在這裡，更窄的帶寬被更好地匹配至這种放大器的有限帶寬。另一 方面，更多的光譜密度(有限帶寬處的更高能量)改善了這种放大器的脈衝和背景之間的 對比。在前面的描述中已經參照具體的、優選的實施例對本發明進行了描述；但是，應當理解，本領域的普通技術人員能夠提供各種變化和修改，而這並不脫離具體地由所附權利 要求書限定的本發明的精神和範圍。因此，例如OC鏡體處傳輸百分比的其它數值，以及光 譜密度等均可以進行根據當前主題內容的各種應用來進行選擇。另外，可以想到在合適或 必要的情況下可以提供至少一個附加的鏡體作為耦出鏡體，具體地出於輸出脈衝的完美同 步的考慮。所以，例如分別對於圖3和圖4，鏡體M2也可以用作附加的耦出鏡體。
權利要求
一種鎖模短脈衝雷射諧振器(2)，包括泵浦雷射束輸入端(12)、雷射介質(13)以及雷射束耦出裝置(OC1，OC2)，其特徵在於，所述耦出裝置包括至少第一耦出鏡體(OC1)和第二耦出鏡體(OC2)，其中，所述第一耦出鏡體(OC1)用於耦出具有第一光譜屬性的雷射輻射，所述第二耦出鏡體(OC2)用於耦出具有與所述第一光譜屬性不同的第二光譜屬性的雷射輻射。
2.根據權利要求1所述的鎖模短脈衝雷射諧振器，其特徵在於，所述第一耦出鏡體 (OCl)限定輸出端(3)，所述輸出端(3)設置為耦合到所述鎖模短脈衝雷射諧振器的CEP穩 定裝置(7)。
3.根據權利要求2所述的鎖模短脈衝雷射諧振器，其特徵在於，所述第一耦出鏡體 (OCl)限定輸出端(3)，所述輸出端(3)設置為耦合到所述CEP穩定裝置(7)的差頻生成裝置⑶。
4.根據權利要求2所述的鎖模短脈衝雷射諧振器，其特徵在於，所述第一耦出鏡體 (OCl)限定輸出端(3)，所述輸出端(3)設置為耦合到所述CEP穩定裝置(7)的f:2f幹涉 儀裝置(8，)。
5.根據權利要求1-4中任一權利要求所述的鎖模短脈衝雷射諧振器，其特徵在於，所 述第一耦出鏡體(OCl)設置為耦出相對寬帶寬的雷射輻射。
6.根據權利要求1-4中任一權利要求所述的鎖模短脈衝雷射諧振器，其特徵在於，所 述第一耦出鏡體(OCl)設置為耦出相對低光譜密度的雷射輻射。
7.根據權利要求6所述的鎖模短脈衝雷射諧振器，其特徵在於，經過所述第一耦出鏡 體(OCl)耦出的雷射輻射具有小於lmW/nm的光譜密度。
8.根據權利要求5所述的鎖模短脈衝雷射諧振器，其特徵在於，所述第一耦出鏡體 (OCl)設置為耦出相對低光譜密度的雷射輻射。
9.根據權利要求8所述的鎖模短脈衝雷射諧振器，其特徵在於，經過所述第一耦出鏡 體(OCl)耦出的雷射輻射具有小於lmW/nm的光譜密度。
10.根據權利要求1所述的鎖模短脈衝雷射諧振器，其特徵在於，所述第二耦出鏡體 (0C2)限定輸出端，所述輸出端耦合至雷射放大器。
11.根據權利要求1或9所述的鎖模短脈衝雷射諧振器，其特徵在於，所述第二耦合鏡 體(0C2)設置為耦出相對窄帶寬的雷射輻射。
12.根據權利要求1或10所述的鎖模短脈衝雷射諧振器，其特徵在於，所述第二耦出鏡 體(0C2)設置為耦出相對高光譜密度的雷射輻射。
13.根據權利要求12所述的鎖模短脈衝雷射諧振器，其特徵在於，通過所述第二耦出 鏡體(0C2)耦出的雷射幅射具有大於lmW/nm的光譜密度。
14.根據權利要求11所述的鎖模短脈衝雷射諧振器，其特徵在於，所述第二耦出鏡體 (0C2)設置為耦出相對高光譜密度的雷射輻射。
15.根據權利要求14所述的鎖模短脈衝雷射諧振器，其特徵在於，通過所述第二耦出 鏡體(0C2)耦出的雷射輻射具有大於lmW/nm的光譜密度。
16.一種短脈衝雷射器結構(1)，包括鎖模短脈衝雷射諧振器(2)、用於將泵浦雷射 輻射提供給所述短脈衝雷射諧振器的泵浦雷射器(11)、耦合到所述短脈衝雷射諧振器用 於對所述雷射輻射進行鎖相的CEP穩定裝置(7)以及用於輸出有用雷射輻射的諧振器輸出，其特徵在於，所述短脈衝雷射諧振器(2)具有至少第一耦出鏡體(OCl)和第二耦出鏡 體(0C2)，其中，所述第一耦出鏡體(OCl)設置為耦出具有第一光譜屬性的雷射輻射，第二 耦出鏡體(0C2)設置為耦出具有第二光譜屬性的雷射輻射，並且其中，所述第一耦出鏡體 (OCl)限定輸出端(3)，所述輸出端(3)設置為耦合到所述鎖模短脈衝雷射諧振器的CEP穩 定裝置(7)。
17.根據權利要求16所述的短脈衝雷射器結構，其特徵在於，所述CEP穩定裝置(7)包 括耦合到所述第一耦出鏡體的差頻生成裝置(8)。
18.根據權利要求17所述的短脈衝雷射器結構，其特徵在於，所述第一耦出鏡體(OCl) 設置為將相對寬帶寬的雷射輻射提供到所述差頻生成裝置(8)。
19.根據權利要求16或17所述的短脈衝雷射器結構，其特徵在於，所述第一耦出鏡體 (OCl)設置為將相對低光譜密度的雷射輻射提供給所述差頻生成裝置(8)。
20.根據權利要求16所述的短脈衝雷射器結構，其特徵在於，所述第二耦出鏡體(0C2) 的輸出端(4)耦合到雷射放大器(5)。
21.根據權利要求16或20所述的短脈衝雷射器結構，其特徵在於，所述第二耦出鏡體 (0C2)設置為耦出相對窄帶寬的雷射輻射。
22.根據權利要求15或19所述的短脈衝雷射器結構，其特徵在於，所述第二耦出鏡體 (0C2)設置為耦出相對高光譜密度的雷射輻射。
23.根據權利要求20所述的短脈衝雷射器結構，其特徵在於，所述第二耦出鏡體(0C2) 設置為耦出相對高光譜密度的雷射輻射。
全文摘要
一種鎖模短脈衝雷射諧振器(2)，包括泵浦雷射束輸入端(12)、非線性雷射介質(13)、多個諧振器鏡體(M)以及第一耦出鏡體(OC1)和第二耦出鏡體(OC2)，其中，第一耦出鏡體(OC1)用於耦出具有第一光譜屬性的雷射輻射，第二耦出鏡體(OC2)用於耦出具有與第一光譜屬性不同的第二光譜屬性的雷射輻射。
文檔編號H01S3/131GK101821913SQ200880110439
公開日2010年9月1日 申請日期2008年9月17日 優先權日2007年10月4日
發明者克裡斯蒂安·瓦爾穆特, 哈拉爾德·弗賴, 安德烈亞斯·施廷格爾 申請人:費姆託雷射產品股份有限公司