專利名稱：激光光源和用于操作激光光源的方法
激光光源和用于操作激光光源的方法本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及激光光源，更具體地涉及包括半導體激光器和/或光纖放大器的 激光光源，以及涉及可用在激光加工過程例如激光焊接、激光燒蝕、激光退火、激光燒結(jié)、激 光打印、激光劃片、激光打標、激光鉆孔和/或激光摹制中，以及在醫(yī)學應(yīng)用中例如在外科 手術(shù)和診斷成像中的激光光源。相關(guān)技術(shù)的描述在現(xiàn)代制造技術(shù)中，激光加工過程例如激光打標、激光焊接和激光切割起重要的 作用。在這些應(yīng)用中，使由激光光源產(chǎn)生的激光輻射與至少一個工件相互作用以加工所述 至少一個工件。在激光打標中，激光束可被定向到包括金屬、塑料或另一種材料的工件，以 在工件上應(yīng)用文本、標志和圖案。在激光打標應(yīng)用中，脈沖激光源可被使用。在激光焊接中， 激光輻射可被用于加熱兩個或多個工件以用于引起工件的接合。在激光切割中，激光束可 集中在工件上以熔化、燃燒和/或蒸發(fā)工件的暴露于激光輻射的部分。因此，工件的部分可 被移除，和/或可在工件上形成切口。除了激光打標以外，激光焊接和激光切割、激光輻射 可被用于激光熔覆(cladding)和微加工應(yīng)用，且用在諸如光學相干層析成像、顯微外科以 及皮膚表面修整的醫(yī)學應(yīng)用中。在現(xiàn)有技術(shù)中，已提出使用包括光纖放大器的激光輻射源用于激光加工應(yīng)用。根 據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的光纖放大器包括含有摻雜物例如鉺或鐿的光纖。來自泵浦光源(種子光源) 的光可被提供到摻雜的光纖。泵浦光源的波長可適合于吸收光纖中的摻雜物的波長，使得 摻雜物吸收來自泵浦光源的光。光的吸收將摻雜物帶入亞穩(wěn)激發(fā)態(tài)。如果來自種子光源、 具有與激發(fā)態(tài)和摻雜態(tài)之間的能量差相對應(yīng)的光子能量的光被提供到光纖，所述摻雜態(tài)具 有比激發(fā)態(tài)低的能量，則來自種子光源的光可被受激發(fā)射放大。種子光源可在脈沖模中操 作。在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的方法的種子光源包括半導體激光器的例子中，，這可通過將脈沖電流 應(yīng)用到半導體激光器來完成。然后來自種子光源的光脈沖在光纖放大器中被放大。因此， 可獲得光纖放大器的幾瓦到幾十瓦的平均輸出功率，以及幾百瓦到幾千瓦的峰值功率。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的種子光纖放大器的問題是，由于高光譜功率密度，不期望有的非 線性光學效應(yīng)，例如受激布里淵散射可在光纖放大器中和/或在激光輻射源中設(shè)置的或與 激光輻射源連接的其它光纖中產(chǎn)生。在光纖放大器和/或激光輻射源中設(shè)置的或與激光輻射源連接的光纖中的受激 布里淵散射可導致在相反方向上，即，在朝著半導體激光器的方向上的光的產(chǎn)生。這可使光 纖放大器的功率輸出減少高達90%和/或可導致對放大器部件包括半導體種子和泵浦激 光器的嚴重破壞。本發(fā)明的一個目的是提供激光光源和實質(zhì)上可避免或至少減少以上所述問題的方法。
發(fā)明概要根據(jù)說明性的例子，激光光源包括適合于脈沖操作的半導體激光器和部分傳輸波長選擇光反射器。半導體激光器包括前反射元件和后反射元件。前反射元件和后反射元件 限定了內(nèi)部激光腔。內(nèi)部激光腔包括激光激活介質(zhì)。部分傳輸波長選擇光反射器具有在所 述激光激活介質(zhì)的增益帶寬范圍內(nèi)的峰值反射率。波長選擇光反射器和后反射元件限定了 外部激光腔。在外部激光腔中的光的往返時間為大約20納秒或更小。波長選擇光反射器 的半高全寬帶寬適合于容納內(nèi)部激光腔的至少5個縱模和外部激光腔的至少20個縱模。根據(jù)另一個說明性的例子，激光光源包括適合于脈沖操作的半導體激光器、部分 傳輸波長選擇光反射器和光纖放大器。半導體激光器包括前反射元件和后反射元件。前反 射元件和后反射元件限定了內(nèi)部激光腔。內(nèi)部激光腔包括激光激活介質(zhì)。波長選擇光反射 器具有在激光機活介質(zhì)的增益帶寬范圍內(nèi)的峰值反射率。波長選擇光反射器和后反射元件 限定了外部激光腔。光纖放大器被布置成接收由波長選擇光反射器傳輸?shù)墓?。光纖放大器 具有用于非線性光學效應(yīng)的建立時間。外部激光腔被配置為提供在外部激光腔中的光的往 返時間，該來回時間短于非線性光學效應(yīng)的建立時間。波長選擇光反射器的半高全寬帶寬 適合于容納內(nèi)部激光腔的至少5個縱模和外部激光腔的至少20個縱模。根據(jù)又一個說明性的例子，方法包括確定第一光纖中的非線性光學效應(yīng)的建立時 間。提供了包括前反射元件和后反射元件的半導體激光器。前反射元件和后反射元件限定 了內(nèi)部激光腔。內(nèi)部激光腔包括激光激活介質(zhì)。提供了具有在激光激活介質(zhì)的增益帶寬范 圍內(nèi)的峰值反射率的部分傳輸波長選擇光反射器。波長選擇光反射器被布置為形成由波長 選擇光反射器和半導體激光器的后反射元件限定的外部激光腔。當電流被提供到半導體激 光器時由半導體激光器發(fā)射的光的光譜對波長選擇光反射器的帶寬的鎖定的時間[HI]被 確定。外部激光諧振腔中的光的光路的長度被設(shè)定以調(diào)節(jié)鎖定到小于非線性光學效應(yīng)的建 立時間的值的時間。由波長選擇光反射器傳輸?shù)墓獗惶峁┑降谝还饫w。根據(jù)又一個說明性的例子，方法包括提供包括前反射元件和后反射元件的半導體 激光器。前反射元件和后反射元件限定了內(nèi)部激光腔。內(nèi)部激光腔包括激光激活介質(zhì)。提 供了具有在激光激活介質(zhì)的增益帶寬范圍內(nèi)的峰值反射率的部分傳輸波長選擇光反射器。 波長選擇光反射器和后反射元件限定外部激光腔。當電流被提供到半導體激光器時由波長 選擇光反射器傳輸?shù)墓獾牟ㄩL啁啾的持續(xù)時間被確定。脈沖電流被提供到半導體激光器。 基于接收由波長選擇光反射器傳輸?shù)墓獾墓饫w中的波長啁啾的持續(xù)時間和非線性光學效 應(yīng)的建立時間中的至少一個來選擇脈沖電流的脈沖時間。在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的激光輻射源的種子光源包括半導體激光器的例子中，半導體激 光器可發(fā)射具有與半導體激光器的縱模相對應(yīng)的波長的一個或多個窄帶中的相對高強度 的激光輻射。因此，在受激布里淵散射增益帶寬內(nèi)可獲得相對高的光譜密度，這可增加達到 發(fā)起受激布里淵散射的臨界值的可能性。與之相反，根據(jù)本主題的激光光源和方法允許減少在受激布里淵散射增益帶寬中 的光譜密度和/或可將相對高的光譜濃度出現(xiàn)的時間段的持續(xù)時間限制到小于受激布里 淵散射的建立時間。因此，可減小受激布里淵散射和/或其他非線性效應(yīng)出現(xiàn)的可能性。附圖的簡要說明本主題[H2]的另外的優(yōu)點、目的和實施方式被限定在所附的權(quán)利要求中，且當參 考附圖理解時通過以下的詳細描述將變得更加明顯，其中
圖1示出了依照實施方式的激光光源的示意圖2示出了在實施方式中的激光激活介質(zhì)的增益和波長選擇光反射器的反射率 的示意圖；圖3示出了在實施方式中的提供到半導體激光器的電流的安培數(shù)的示意圖；圖4示出了由半導體激光器發(fā)射的光的光譜的中心波長的示意圖，所述中心波長 作為當將電流提供到半導體激光器時的時間的函數(shù)；圖5示出了由半導體激光器發(fā)射的光的光譜的示意圖；圖6示出了在實施方式中通過部分傳輸波長選擇反射器傳輸?shù)墓獾墓庾V的中心 波長的示意圖；圖7a和7b示出了依照實施方式的通過激光光源中的部分傳輸波長選擇光反射器 來傳輸?shù)墓獾墓庾V的示意圖；以及圖8示出了依照本發(fā)明的另一個實施方式的激光光源的示意圖。本發(fā)明的詳細實施方式雖然本主題參考在以下的詳細描述以及附圖中所示出的實施方式被描述，應(yīng)理 解，以下的詳細描述以及附圖不是用來將本發(fā)明限制到所公開的特定實施方式，而更確切 地，所描述的實施方式僅舉例說明了本主題的不同方面，其范圍由所附的權(quán)利要求限定。依照一個實施方式，激光光源包括適合于脈沖操作的半導體激光器。對于半導體 激光器的脈沖操作，脈沖電流可被應(yīng)用到半導體激光器。脈沖期間的半導體激光器的輸出 功率在一些實施方式中可相對較高。因此，光纖放大器可在沒有前置放大級的情況下被驅(qū) 動或所使用的前置放大級的數(shù)量可減少。在一些實施方式中，半導體激光器可包括限定內(nèi)部激光腔的前腔面和后腔面。但 是本主題不限于內(nèi)部激光腔由半導體激光器的腔面來限定的實施方式。在其他實施方式 中，內(nèi)部激光腔可由前反射元件而不是前腔面以及后反射元件而不是后腔面來限定。例如， 前反射元件和后反射元件可包括在連接到半導體激光器的光纖中形成的光纖布拉格光柵。 在這樣的實施方式中，前腔面和后腔面可包括減反射涂層，使得光在前腔面和后腔面上的 反射可實質(zhì)上被避免。在又一實施方式中，內(nèi)部激光腔可由半導體激光器的前腔面和后腔 面中的一個以及一個反射元件而不是半導體激光器的腔面來限定。在內(nèi)部激光腔中，激光 激活介質(zhì)可以P_n躍遷的形式提供，其中如果電流被提供到半導體激光器則電子空穴對產(chǎn) 生。前反射元件和后反射元件的反射率可被適應(yīng)，使得內(nèi)部激光腔形成向激光激活介質(zhì)提 供足夠的光學反饋的光學諧振器，用于引起半導體激光器的激光操作。因此，半導體激光器 可能能夠在沒有另外的光學部件的情況下進行獨立操作。激光光源還可包括具有在激光激活介質(zhì)的增益帶寬中的峰值反射率的部分傳輸 波長選擇光反射器。在一些實施方式中，波長選擇光反射器的峰值反射率可以在激光激活 介質(zhì)的增益帶寬內(nèi)。部分傳輸波長選擇光反射器被布置成使得半導體激光器的后反射元件 和波長選擇光反射器限定外部激光腔。波長選擇光反射器的半高全寬帶寬可適合于容納內(nèi) 部激光腔的至少12個縱模和外部激光腔的至少250個縱模。由半導體激光器發(fā)射的光可由波長選擇光反射器反射到半導體激光器，且可進入 激光激活介質(zhì)。反射光可與激光激活介質(zhì)相互作用，使得反射光通過半導體激光器影響光 的產(chǎn)生。反射光通過半導體激光器對光的產(chǎn)生的影響可是雙倍的。首先，因為波長選擇光反射器的峰值反射率在激光激活介質(zhì)的增益帶寬內(nèi)，反射光可被激光激活介質(zhì)中光的受激 發(fā)射增強。對于由波長選擇光反射器反射的那些波長，這可導致激光光源的凈增益的增加。 因此，由激光光源發(fā)射的光譜可衰減到包括由波長選擇光反射器反射的波長的光譜。在下 文中這個效應(yīng)將被表示為“鎖定”。其次，在內(nèi)部激光腔中，反射光可充當噪聲源，其可減少半導體激光器以單模方式 操作的可能性，使得半導體激光器以多模方式操作。因此，包括由內(nèi)部激光腔和外部激光腔 形成的復(fù)合腔的激光光源所發(fā)射的光的光譜可包括多個波長，其被在波長選擇光反射器的 帶寬中的內(nèi)部激光腔的模和外部激光腔的模影響。因此，在一個或一對峰值波長處的高光 譜密度的出現(xiàn)可被減少或?qū)嵸|(zhì)上被避免。非線性光學效應(yīng)可出現(xiàn)在接收被表示為非線性光學效應(yīng)的“增益帶寬”的波長的 相對窄范圍內(nèi)的高密度光的光學元件中。因此，如果受激布里淵散射增益帶寬中的光的密 度超過臨界值，在光學元件中可出現(xiàn)受激布里淵散射。發(fā)起非線性光學效應(yīng)例如受激布里淵散射的臨界值可依賴于光的光譜密度、入射 光被允許與光學元件相互作用的時間，以及依賴于光學元件的各種性能。在包括光纖的光 學元件中，發(fā)起受激布里淵散射的臨界值可依賴于例如光纖的材料和光纖的厚度。在一些實施方式中，由波長選擇光反射器傳輸?shù)墓饪杀惶峁┑焦饫w，例如用于活 化設(shè)置在光纖中的光纖放大器。在光纖中，受激布里淵散射可出現(xiàn)。具體地，在光纖放大器 中，由于光纖放大器中的光的放大，可出現(xiàn)受激布里淵散射的光密度的臨界值可相對容易 地達到。因此，即使在光纖放大器的相對短長度處，也可能出現(xiàn)受激布里淵散射，在一些實 施方式中，該長度可為大約一米。受激布里淵散射可導致在相反方向上，即，在朝著半導體 激光器的方向上光的產(chǎn)生，這可使光纖放大器的輸出功率的減少高達90%，且可導致激光 光源的毀壞。非線性光效應(yīng)例如受激布里淵散射可具有特征建立時間。如果非線性光學效應(yīng)的 增益帶寬中的光的光譜密度在比所述建立時間長的時間段內(nèi)超過臨界值，則可出現(xiàn)非線性 光學效應(yīng)。在受激布里淵散射的情況下，所述建立時間可被光子的壽命影響。在光學元件 包括摻鐿光纖放大器并且半導體激光器配置為在脈沖期間發(fā)射大約1瓦的峰值功率的一 些實施方式中，受激布里淵散射的建立時間可以是大約10納秒或更長。外部激光腔可被配置成使得到半導體激光器發(fā)射的光的光譜被鎖定到波長選擇 光反射器的帶寬為止所需的時間比非線性光學效應(yīng)的建立時間短。這可允許減少非線性光 學效應(yīng)出現(xiàn)的可能性。用于鎖定的時間依賴于在外部激光腔中的光的往返時間。由半導體激光器發(fā)射 的光和由波長選擇光反射器反射回半導體激光器的光可到達激光激活介質(zhì)，且在自從脈沖 開始起通過外部激光腔的一次往返時間之后與激光激活介質(zhì)相互作用。因此，半導體激光 器的鎖定和多模操作可出現(xiàn)在脈沖開始后的特征時間段，其中可通過改變外部激光腔的往 返時間，例如通過改變半導體激光器和波長選擇光反射器之間的距離來控制所述特征時間 段。在一些實施方式中，往返時間可具有大約20納秒或更小、大約10納秒或更小、大 約5納秒或更小或者大約1納秒或更小的值。半導體激光器和波長選擇光反射器之間的距 離可以是大約2米或更小、大約1米或更小，大約50厘米或更小或者大約10厘米或更小。
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如果電流脈沖被提供到半導體激光器，波長啁啾可能出現(xiàn)。在啁啾期間，由激光光 源發(fā)射的光的光譜的中心波長可增加。在由激光光源發(fā)射的光的光譜的中心波長以相對快 的速度在受激布里淵散射的增益帶寬內(nèi)偏移使得接收由激光光源發(fā)射的輻射的光學元件 在短于受激布里淵散射的建立時間的時間段內(nèi)暴露于大于受激布里淵散射的臨界值的光 密度的情況下，受激布里淵散射的出現(xiàn)可實質(zhì)上被避免。在一個實施方式中，受激布里淵散射的增益帶寬可以是大約100兆赫且受激布里 淵散射的建立時間可以是大約10納秒。在這樣的實施方式中，如果光的光譜的中心頻率以 每10納秒100兆赫或更大的速度變化，受激布里淵散射出現(xiàn)的可能性被減小，所述速度對 應(yīng)于如果所述中心波長為大約1060納米則中心波長以大約每10納秒0. 4微微米變化的速度。在從激光光源接收輻射的光學元件中，脈沖時間可基于波長啁啾的持續(xù)時間和非 線性效應(yīng)例如受激布里淵散射的建立時間來確定。在一些實施方式中，脈沖時間可大約等 于或小于啁啾的有效持續(xù)時間和非線性光學效應(yīng)的建立時間的和。因為非線性光學效應(yīng)的 出現(xiàn)可能需要光學元件在長于建立時間的時間段內(nèi)暴露于在窄波長范圍內(nèi)的輻射，用這種 方式確定脈沖時間可幫助避免或減少非線性光學效應(yīng)。另外的實施方式將參考圖1-7被描述。圖1示出了依照本發(fā)明的激光光源100的示意圖。激光光源100包括半導體激光 器101。半導體激光器101可包括適合于脈沖操作的半導體激光二極管。半導體激光器101包括激光激活介質(zhì)104、第一電極105和第二電極106。通過應(yīng) 用第一電極105和第二電極106之間的電流，在激光激活介質(zhì)中可產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使得光 可被激光激活介質(zhì)104中的光的受激發(fā)射增強。在一些實施方式中，激光激活介質(zhì)104可 包括基于激光二極管領(lǐng)域中的技術(shù)人員所公知的InGaAIAs/GaAs材料系統(tǒng)的量子阱結(jié)構(gòu)。 在一些實施方式中，激光激活介質(zhì)104可適合于使得在中心在大約1060納米的波長的波長 范圍內(nèi)的光被增強。在其他實施方式中，激光激活介質(zhì)104可適合于使得在中心在大約974 納米的波長的波長范圍內(nèi)的光被增強。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的，在激光激活介質(zhì)104 中放大的波長的范圍可通過控制量子阱的銦含量來控制。但是，本主題不限于InGaAIAs/ GaAs材料系統(tǒng)或中心分別在974納米或1060納米的波長范圍。在其他的實施方式中，其他 的材料系統(tǒng)和其他的波長范圍可被使用。半導體激光器101可包括限定了前反射元件的前腔面102和限定了后反射元件的 后腔面103。前腔面102可適合于傳輸在激光激活介質(zhì)104中所產(chǎn)生的光的一部分并將光 的另一部分反射回激光激活介質(zhì)104中。前腔面102可配置為將從激光激活介質(zhì)104中到 達的光的相對小的部分反射回激光激活介質(zhì)104，并且傳輸光的相對大的部分。在一些實施 方式中，前腔面可具有大約0. 01%或更大的反射率和/或大約0. 或更大的反射率和/ 或大約0.5%或更大的反射率。在另外的實施方式中。前腔面可具有相對小的反射率。具 體地，前腔面可具有大約0. 01%或更小的反射率和/或大約0. 或更小的反射率和/或 大約或更小的反射率。類似于前腔面102，后腔面103可配置為將從激活介質(zhì)104到達的反射光返回到激 活介質(zhì)104，其中后腔面103可配置為反射光的相對大的部分。在一些實施方式中，后腔面 103可具有大約90%或更大的反射率。
半導體激光器101的前腔面102和后腔面103的反射率可通過用材料涂覆前腔 面102和/或后腔面103來分別控制，所述材料具有與激光激活介質(zhì)104的折射率不同的 折射率。所獲得的反射率可依賴于涂層的厚度。如果涂層的厚度適合于使得從激光激活介 質(zhì)104轉(zhuǎn)移的反射在涂層的側(cè)面上的光建設(shè)性地干擾反射在與激光激活介質(zhì)104相鄰的涂 層的側(cè)面上的光，則可獲得相對高的反射率。如果涂層的厚度適合于使得從激光激活介質(zhì) 104轉(zhuǎn)移的反射在涂層的側(cè)面上的光破壞性地干擾反射在與激光激活介質(zhì)104相鄰的涂層 的側(cè)面上的光，則可獲得相對低的反射率。半導體激光器101的前腔面102和后腔面103可限定內(nèi)部激光腔121。前腔面102 和后腔面103的反射率可適合于使得在半導體激光器101的操作的典型條件下，激光激活 介質(zhì)中的光由于通過前腔面102和后腔面103傳輸而導致的強度的損失以及由其他源導致 的損失被激光激活介質(zhì)104中的放大補償。因此，半導體激光器101可在沒有與其連接的 其他光學部件情況下操作。在一些實施方式中，內(nèi)部激光腔121可由前反射元件而不是前腔面102和后反射 元件而不是后腔面103來限定。例如，前反射元件和/或后反射元件可以設(shè)置成以在連接 到激活介質(zhì)104的光纖中設(shè)置的光纖布拉格光柵的形式，或者激光激活介質(zhì)可被設(shè)置在分 別限定前反射元件和后反射元件的前反射鏡和后反射鏡之間，其中至少前反射鏡可以是部 分地光傳輸?shù)摹Ｔ谄渌麑嵤┓绞街?，前反射元件和后反射元件中的一個可分別由前腔面或 者后腔面限定，且所述前反射元件和所述后反射元件中的另一個可由反射鏡或光纖布拉格 光柵限定。本主題不限于半導體激光器101包括邊射型半導體激光器的實施方式，其中電極 105,106實質(zhì)上與圖1中所示的前腔面102和后腔面103垂直。在其他實施方式中，半導體 激光器101可包括垂直腔表面發(fā)射激光二極管。激光光源100還可包括電源107。電源107可配置為向半導體激光器107提供脈 沖電流。電源107可連接到控制單元108。控制單元108可適合于控制脈沖電流的參數(shù)，例 如在脈沖期間以及脈沖的持續(xù)時間期間提供的電壓和安培數(shù)。另外，電源可配置為控制脈 沖的形狀。例如，電源可適合于提供矩形脈沖、梯形脈沖和/或鋸齒形脈沖。在半導體激光器101的后腔面103附近，可提供適合于測量由半導體激光器101 的后腔面103傳輸?shù)墓獾膹姸鹊墓鈾z測器109。在一些實施方式中，光檢測器109可包括光 電二極管。光檢測器109可連接到控制單元108。控制單元可適合于控制提供到半導體激 光器101的電流，以便獲得期望的光強度。激光光源100還可包括適合于接收由半導體激光器101發(fā)射的光的至少一個光纖 110。所述至少一個光纖110可包括具有與半導體激光器101相鄰而放置的透鏡表面111。 透鏡表面可被設(shè)置在至少一個光纖110的加厚端，或可以設(shè)置成以至少一個光纖110的頂 端的形式。這可允許由半導體激光器101輸出的光高效地耦合到至少一個光纖110中。在 一些實施方式中，由半導體激光器101輸出的光到光纖中的耦合效率可大約為50%或更 大。在另外的實施方式中，耦合效率可具有從大約60%到大約80%的范圍內(nèi)的值和/或大 約65%或更大的耦合效率。本發(fā)明不限于至少一個光纖110包括被設(shè)置在至少一個光纖110的末端上的透鏡 表面111的實施方式。在其他的實施方式中，可使用用于將由半導體激光器101發(fā)射的光耦合到光纖110中的不同裝置，例如，一個或多個位于半導體激光器101和至少一個光纖110 之間的透鏡。所述至少一個光纖110可包括第一光纖113和第二光纖112。在一些實施方式中，第一光纖113可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的類型的光纖放大 器115，例如摻鐿光纖放大器115。光纖放大器115可借助于來自泵浦光源116的光被泵浦， 在一些實施方式中，泵浦光源116可包括一個或多個半導體激光器。來自泵浦光源116的 光可借助于本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的類型的第三光纖117和耦合元件118被提供到光纖放大 器 116。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的，當包括摻鐿光纖放大器時光纖放大器115可在大約 920納米和大約980納米的兩個高效吸收波長區(qū)域處被泵浦。放大可發(fā)生在從大約970納 米到大約1200納米的波長范圍。具體地，當包括摻鐿光纖放大器時光纖放大器115中的增 益可被優(yōu)化以放大具有大約1060納米的波長的光。本發(fā)明不限于光纖放大器115包括摻鐿光纖的實施方式。在其他實施方式中，光 纖放大器115可包括摻雜其他元素例如鉺、銩、釹或其組合的光纖。在又一些另外的實施方 式中，第一光纖113不包括光纖放大器。而是，第一光纖113可配置為用于將由激光光源 100產(chǎn)生的光引導到遠程位置的光導體。在一些實施方式中，第一光纖113和第二光纖112 可包括單個光纖的部分。第二光纖112可包括帶有強加的布拉格光柵114的光纖。光纖布拉格光柵114包 括在第二光纖112中形成的交變折射率的周期模式。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的，交變折 射指數(shù)的周期模式可通過用紫外輻射照射第二光纖112來形成。用紫外線輻射照射導致了 第二光纖112的材料的折射率的改變，其中折射率在第二光纖112的接收高劑量的紫外輻 射的那些部分中有更大的程度上的變化。在一些實施方式中，第二光纖112可摻雜有例如 鍺，以為紫外輻射提供或增加第二光纖112的靈敏度。光沿著第二光纖112傳播的部分可在交變折射率的位置反射。由于交變折射率的 模式的周期性，光的適度大的部分可被反射，如果光的波長使得在交變折射率的鄰近位置 處反射的光建設(shè)性地干擾。相反地，如果光的波長不與光纖布拉格光柵114的周期性相匹 配，在交變折射率的不同位置處反射的光之間可出現(xiàn)破壞性的干擾，以便獲得相對低的反 射率。光纖布拉格光柵114的峰值反射率的波長和光纖布拉格光柵114的帶寬可通過改變 交變折射率的模式來控制。設(shè)計具有在期望中心波長和期望帶寬處的期望峰值反射率的光 纖布拉格光柵的方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。因此，光纖布拉格光柵114可提供波長選擇光反射器，其適合于反射在預(yù)先確定 的波長范圍內(nèi)的光的期望部分且實質(zhì)上完全地傳輸具有在預(yù)先確定的波長范圍之外的波 長的光。在一個實施方式中，光纖布拉格光柵可具有在從大約到大約15%的范圍內(nèi)的 峰值反射率，例如大約2. 5%的峰值反射率。光纖布拉格光柵可具有在從大約0. 2納米到大 約5納米的范圍內(nèi)的半高全寬和/或在從大約0. 5納米到大約5納米的范圍內(nèi)的半高全寬 帶寬，例如，大約2納米的半高全寬帶寬以及大約1060納米的中心波長和/或大約974納 米的中心波長。由半導體激光器101發(fā)射的光可由光纖布拉格光柵114反射。反射光可沿著第二 光纖112傳播，且可耦合到半導體激光器104中，在半導體激光器104中光可與激光激活介質(zhì)104相互作用。具體地，反射光可通過激光激活介質(zhì)104中的光的受激發(fā)射來放大。在 與激光激活介質(zhì)104相互作用之后，光可在半導體激光器101的后腔面103上被反射。反 射光可與激光激活介質(zhì)104再次相互作用。隨后，它可通過前腔面102離開內(nèi)部激光腔121 進入第二光纖112，在第二光纖112中光可在光線布拉格光柵114上被反射。因此，光纖布 拉格光柵114和半導體激光器101的后腔面103限定了外部激光腔122。圖2示出了說明激光激活介質(zhì)104的增益和光纖布拉格光柵114的反射率之間的 關(guān)系的示意圖。坐標系200包括表示光的波長的水平坐標軸。第一垂直坐標軸202表示激 光激活介質(zhì)104的增益，且第二垂直坐標軸207表示光纖布拉格光柵114的反射率。第一曲線203示意性示出了激光激活介質(zhì)104的增益對光的波長的依賴性。激活 介質(zhì)的增益包括半高全寬206和增益帶寬212。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的，術(shù)語“半高全 寬”表示激活介質(zhì)的增益大于最大增益208的50%的波長范圍。最大增益208可被獲得， 作為與曲線203的最大值相對應(yīng)的最大增益波長210。在圖2中，第二曲線204示意性示出了光纖布拉格光柵114的反射率對光的波長 的依賴性。反射率可包括半高全寬帶寬205，該半高全寬帶寬205包括反射率大于最大反射 率209的50%的波長范圍。最大反射率209可在與曲線204的最大值相對應(yīng)的最大反射率 波長211處獲得。光纖布拉格光柵214的最大反射率波長211可在激光激活介質(zhì)104的增益帶寬 212內(nèi)。因此，由光纖布拉格光柵114反射的光的相對大的放大可在激光激活介質(zhì)104中獲 得。這可導致由激光光源100發(fā)射的光譜被特別高效地鎖定到光纖布拉格光柵的半高全寬 帶寬205。在一些實施方式中，峰值反射率波長211可相對地接近于峰值增益波長210。在一 個實施方式中，峰值反射率波長211和峰值增益波長之間的差的絕對值可大約為10納米或 更小。在另外的實施方式中，峰值增益波長210和峰值反射率波長211可近似相等。光纖布拉格光柵114的半高全寬帶寬205可小于增益帶寬212和/或激光激活介 質(zhì)104的增益的半高全寬帶寬206。這可有助于通過光纖布拉格光柵114獲得更高效的模 選擇。光纖布拉格光柵114的半高全寬帶寬205可容納外部激光腔122的多個模和內(nèi)部 激光腔121的多個模。如本領(lǐng)域中技術(shù)人員所知道的，具有長度L的光路的激光諧振腔可 具有處于以下波長的模A n = L/ (2n)(1)其中n為大于零的整數(shù)。因此，激光模之間的間距為A n+1- A n = A A =入 n/(n+l)(2)因此，A 入 / 入 n (2 入 n) /L(3)由后腔面103和前腔面102形成的內(nèi)部激光腔121中的光路的長度與內(nèi)部激光腔 121的長度119相關(guān)，長度119對應(yīng)于半導體激光器101的后腔面103和前腔面102之間的 距離。在一些實施方式中，內(nèi)部激光腔119的長度119可大約為3. 6毫米。外部激光腔122 中的光的光路的長度與外部激光腔122的長度120相關(guān)，長度120對應(yīng)于后腔面103和光 纖布拉格光柵114之間的距離。因此，光路的長度以及因此內(nèi)部激光器121和外部激光腔
12122之間的模間距可進一步受到激光激活介質(zhì)104和第二光纖112的折射率的影響。計算 內(nèi)部激光腔121和外部激光腔122中的模間距的方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員知道的。在一些實 施方式中，激光激活介質(zhì)104可具有大約3. 74的折射率，且第二光纖112可具有大約1. 41 的折射率。因為外部激光腔122中的光的光路的長度120大于內(nèi)部激光腔121中的光的光路 的長度119，在外部激光腔122中的相鄰激光模之間的間距可小于內(nèi)部激光腔121中的相 鄰激光模之間的間距。因此，光纖布拉格光柵114的半高全寬帶寬205可容納外部激光腔 122的多個模，其多于光纖布拉格光柵114的半高全寬帶寬中的內(nèi)部激光腔121的模的數(shù) 量。在一些實施方式中，光纖布拉格光柵114可適合于容納內(nèi)部激光腔121的至少5個縱 模和外部激光腔122的至少20個縱模和/或內(nèi)部激光腔121的至少12個縱模以及外部激 光腔122的至少250個縱模。在另外的實施方式中，光纖布拉格光柵114的半高全寬帶寬 可包括內(nèi)部激光腔121的至少100個縱模和外部激光腔122的至少2500個縱模和/或內(nèi) 部激光腔121的至少50個縱模以及外部激光腔122的至少1000個縱模。如以上已經(jīng)提到的，電源107可適合于將電流提供到半導體激光器101。圖3示出 了由電源107提供到半導體激光器101的電流的安培數(shù)的示意圖。坐標系300包括表示時 間的水平坐標軸301和表示安培數(shù)的垂直坐標軸302。曲線303示出了提供到半導體激光 器101的電流的時間相關(guān)性。電流可包括多個脈沖304、305。脈沖304、305中的每個可具 有脈沖時間306，且在隨后的脈沖之間可有停止時間307。在脈沖304、305期間，電流可具 有大于半導體激光器101的激光臨界值的安培數(shù)308。在脈沖304、305之間，安培數(shù)可近似 為零。在其他的實施方式中，具有小于半導體激光器101的激光臨界值的安培數(shù)的電流可 被提供到脈沖304、305之間。脈沖時間306可具有在從大約3納秒到大約1微秒的范圍內(nèi)和/或在從大約10 納秒到大約1微秒的范圍內(nèi)的值。在另外的實施方式中，脈沖時間306可具有在從大約10 納秒到大約250納秒的范圍內(nèi)和/或在從大約10納秒到大約500納秒的范圍內(nèi)和/或在 從大約3納秒到大約1微秒的范圍內(nèi)的值。在另外的實施方式中，脈沖時間206可具有大 約100納秒的值。提供到半導體激光器101的脈沖電流的占空比可被計算為脈沖時間306和脈沖電 流的周期時間之間的比，其中周期時間由脈沖時間306和停止時間307的和給出。在一些 實施方式中，占空比可具有大約10 %或更小的值，例如大約2 %的值。脈沖304、305的安培數(shù)308可具有在從大約0. 7安培到大約2安培的范圍內(nèi)的值。 根據(jù)半導體激光器101的轉(zhuǎn)換效率，這可導致在脈沖304期間大約1瓦或更大的峰值功率 被提供到第二光纖112。因此，在脈沖304、305期間，半導體激光器101可輸出具有相對高 強度的光。在脈沖304、305之間的間隔內(nèi)，半導體激光器101可發(fā)射相對低的光強度，或可 實質(zhì)上根本不發(fā)射光。在脈沖模操作期間由半導體激光器101輸出的光的另外的特性將參考圖4和圖5 被討論。圖4示出了說明在電流脈沖304、305期間由半導體激光器101發(fā)射的光的光譜的 中心波長的時間相關(guān)性的示意圖，所述電流脈沖304、305在沒有第二光纖112和/或光纖 布拉格光柵114的情況下被提供到半導體激光器101。坐標系400包括表示時間的水平坐標軸401和表示由半導體激光器101發(fā)射的光的光譜的中心波長的垂直坐標軸402。光的光譜的中心波長可通過將所發(fā)射的光提供到本領(lǐng)域技術(shù)人員已知類型的光 譜儀來確定，例如棱鏡光譜儀或包括衍射光柵的光譜儀。傳感器例如電荷耦合設(shè)備可被用 于以時間分辨方式測量作為波長的函數(shù)的發(fā)射光的強度。中心波長可基于被測量的光譜通 過計算平均波長和/或最大強度的波長來確定。在圖4中，曲線403示出了中心波長的時間相關(guān)性。在脈沖304、305開始時，可獲 得中心波長的相對快的增長，如圖4中的參考標號405所指示的。隨后，中心波長可保持實 質(zhì)上恒定，如圖4中參考標號406所指示的，指示在內(nèi)部激光腔121的僅僅一個模或一對模 處的激光操作。在較長的脈沖持續(xù)時間期間，激光中心波長可跳躍到另一個模，如圖4中的 參考標號407所指示的。中心波長405的相對快的增長405可具有大約5納秒或更小的持 續(xù)時間。在一些實施方式中，相對快的增長405的持續(xù)時間可對應(yīng)于電源107的上升時間。圖5示意性示出了當半導體激光器101在沒有第二光纖112和/或光纖布拉格光 柵114的情況下操作時在脈沖304、305期間在時間點404(圖4)獲得的光譜。坐標系500 包括水平坐標軸501和垂直坐標軸502。水平坐標軸501表示波長，而垂直坐標軸502表示 在相應(yīng)波長處所獲得的光的強度。曲線503示意性示出了由半導體激光器101所發(fā)射的光 的光譜。光譜503可具有大約6納米或更大的相對大的帶寬504，且可包括一個或多個峰值 506、507。峰值506、507可具有分別由參考標號505、508表示的相對大的峰值強度，且可具 有分別由參考標號509、510表示的相對小的帶寬。峰值506、507的波長可對應(yīng)于半導體激 光器101的內(nèi)部激光腔121的縱模的波長。如果在沒有第二光纖112和光纖布拉格光柵114的情況下由半導體激光器101輸 出的光耦合到光纖放大器115中，則在峰值506、507的波長處獲得的相對高的強度可導致 在光纖放大器115中和/或在光線放大器115的放大之后非線性光學效應(yīng)例如受激布里淵 散射的出現(xiàn)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的，在受激布里淵散射中，由光學介質(zhì)中的光束產(chǎn)生的 電場的變化可通過電致伸縮產(chǎn)生光學介質(zhì)中的聲振動。聲振動的光子可與光束的光子相互 作用，導致光的散射。如果光學介質(zhì)在長于受激布里淵散射的建立時間的時間段內(nèi)暴露于 受激布里淵散射增益帶寬中的相對高強度的光，則受激布里淵散射可出現(xiàn)。因此，在初始增 長405之后峰值506、507的出現(xiàn)和中心波長403的相對慢的變化可增加在光纖放大器115 中和/或在光纖放大器115的放大之后出現(xiàn)受激布里淵散射的可能性。受激布里淵散射的建立時間可依賴于光學介質(zhì)的材料特性、光譜以及照射光學介 質(zhì)所使用的光的強度。在如以上所述的耦合到半導體激光器101的摻鐿光纖輸出中，受激 布里淵散射的建立時間可具有在從大約10納秒到大約50納秒的范圍內(nèi)的值。受激布里淵 散射的建立時間可通過本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的方法來確定，例如通過測量作為時間的函 數(shù)的在第一光纖113中反射的光的密度和/或由第一光纖113發(fā)射的光的密度。可選地， 受激布里淵散射的建立時間可基于第一光纖113的材料特性在理論上被計算。外部激光腔122的存在可減少受激布里淵散射出現(xiàn)的可能性，如將在以下解釋 的。如以上已經(jīng)提到的，由光纖布拉格光柵114反射的光可與激光激活介質(zhì)104相互
14作用。因此，可獲得由半導體激光器101發(fā)射的光的光譜到光纖布拉格光柵114的帶寬的 鎖定以及在光纖布拉格光柵114的帶寬內(nèi)的強度的相對均勻的分布。當由半導體激光器101發(fā)射的光通過光纖布拉格光柵114反射回激光激活介質(zhì) 104時，反射光可在一段時間后到達激光激活介質(zhì)104，該段時間對應(yīng)于由半導體激光器 101的后側(cè)腔面103和光纖布拉格光柵114形成的外部激光腔122的往返時間。因此，如果 脈沖電流應(yīng)用到半導體激光器101，激光激活介質(zhì)104可在脈沖開始后在比光移動到光纖 布拉格光柵114并返回半導體激光器101所需的時間更晚的時間點接收反射光。因此，激 光激活介質(zhì)104可在脈沖開始后接收比外部激光腔122的一個往返時間更晚的反射光。因 此，可在比外部激光腔122的一個往返時間晚的時間點獲得鎖定。在激光光源100中通過光纖布拉格光柵114發(fā)射的光的特征將參考圖6/7a和7b 來討論。圖6示出了說明在電流脈沖304、305被應(yīng)用到半導體激光器101的情況下通過光 纖布拉格光柵114發(fā)射的光的光譜的中心波長的時間相關(guān)性的圖。坐標系600包括表示 時間的水平坐標軸601以及表示在時間的相應(yīng)點所獲得的光譜的中心波長的垂直坐標軸 602。曲線603示意性示出了作為時間的函數(shù)的光譜的中心波長。在脈沖304、305開始時，光譜的中心波長603可展示初始增長605，如圖6中的參 考標號605所示出。此后，中心波長可增長較慢，如參考標號606所指示的。初始增長605 的持續(xù)時間可長于在沒有光纖布拉格光柵114的情況下所獲得的初始增長405。在一些實 施方式中，初始增長605可具有與用于鎖定的時間相對應(yīng)的大約20納秒的持續(xù)時間。另 外，中心波長603在初始增長606之后的增長的速率可大于中心波長在由圖4中的參考標 號406所指示的時間段期間的增長的速率。因此，在應(yīng)用到半導體激光器101的電流脈沖 304、305期間，可在由光纖布拉格光柵114發(fā)射的光的光譜的中心波長隨著時間增加的位 置得到波長啁啾。如果電流在相對長的時間內(nèi)被應(yīng)用到半導體激光器101，由光纖布拉格光 柵114發(fā)射的光譜的中心波長可在實質(zhì)上恒定的值處飽和。這種狀態(tài)在圖6中未示出。啁 啾的出現(xiàn)是由半導體激光器101中的熱波長偏移引起的，且在長脈沖時間的波長的飽和是 由熱沉降引起的?！嵤┓绞娇砂ù_定波長啁啾的持續(xù)時間。為了這個目的，電流可應(yīng)用到半 導體激光器101，且由光纖布拉格光柵114發(fā)射的光的光譜的中心波長可用時間分辨的方 式測量。此后，中心波長改變的速率可與臨界值比較，中心波長的改變可包括中心波長關(guān)于 時間的導數(shù)。啁啾的持續(xù)時間可被確定為電流被接通的時間點和中心波長改變的速率超過 第一時間的臨界值時的時間點之間的時間段。在一些實施方式中，臨界值可基于受激布里淵散射的增益帶寬和受激布里淵散射 的建立時間來確定。在一個實施方式中，臨界值可與受激布里淵散射的增益帶寬與受激布 里淵散射的建立時間之間的比值相對應(yīng)。因此，在受激布里淵散射增益帶寬在波長1060納 米處為大約100兆赫且受激布里淵散射的建立時間為大約10納秒的情況下，臨界值可具有 在從大約每10納秒4微微米到大約每10納秒40微微米的范圍內(nèi)的值。在激光光源100的操作中，脈沖電流可被提供到半導體激光器101，其中脈沖電流 的脈沖時間306基于波長啁啾的持續(xù)時間和第一光纖113中的非線性光學效應(yīng)例如受激布 里淵散射的建立時間中至少一個來選擇。在一個實施方式中，脈沖時間306可等于或小于波長啁啾的持續(xù)時間和非線性光學效應(yīng)的建立時間的和。在另一個實施方式中，脈沖時間 可等于或小于啁啾的持續(xù)時間。如以上所詳細描述的，非線性光學效應(yīng)例如受激布里淵散射的出現(xiàn)可通過在一段 時間內(nèi)在相對窄波長范圍內(nèi)的相對高的光密度的出現(xiàn)而增強。在波長啁啾期間，通過光纖 布拉格光柵被傳輸?shù)墓獾墓庾V的中心波長可作為時間的函數(shù)變化，使得在第一光纖113暴 露于特定波長的高密度的光期間的時間段可相對較短。因此，波長啁啾的存在可減少受激 布里淵散射或其他不希望有的非線性光學效應(yīng)的可能性。因此，不希望有的非線性效應(yīng)的 可能性可通過選擇等于或小于波長啁啾的持續(xù)時間的脈沖時間來減小。選擇短于波長啁啾 的持續(xù)時間和非線性光學效應(yīng)的建立時間之和的脈沖時間還可允許非線性光學效應(yīng)出現(xiàn) 的可能性的減少，因為第一光纖113暴露于具有實質(zhì)上恒定的中心波長的光譜的光期間的 時間短于非線性光學效應(yīng)的建立所需的時間。在一些實施方式中，啁啾的持續(xù)時間可被指定類型的脈沖形狀積極地影響。作為 例子，具有上升的振幅的脈沖上的斜率可增加中心波長偏移的速率。圖7a示出了說明在光譜鎖定到光纖布拉格光柵114的帶寬之前在脈沖305、305 開始時的時間點607 (圖6)通過光纖布拉格光柵114傳輸?shù)墓獾墓庾V的示意圖。坐標系700 包括表示光的波長的水平坐標軸701和表示在相應(yīng)波長處的光的強度的垂直坐標軸702。 曲線703示意性示出了光的被測量的光譜。光譜703可具有大約6納米或更大的相對大的 帶寬704，且可包括多個峰值705-710，其波長與內(nèi)部激光腔121的模相對應(yīng)。圖7b示出了說明在晚于時間點607的時間點604通過光纖布拉格光柵114傳輸?shù)?光的光譜711的示意圖，其中光譜711被鎖定到光纖布拉格光柵114的帶寬。光譜711可 具有小于在時間點607獲得的光譜703的帶寬704的帶寬712，但可包括由內(nèi)部激光腔119 的模和外部激光腔120的模組成的相對寬的復(fù)合模。另外，光的強度可在光纖布拉格光柵 114的帶寬內(nèi)相對均勻地分布。外部激光腔122可適合于使得外部激光腔122中的光的往返時間小于在第一光纖 113中的受激布拉格散射或者在其他實施方式中另一個非線性光學效應(yīng)的建立時間。因此，在光纖布拉格光柵114反射的光之間的相互作用可在非線性光學效應(yīng)出現(xiàn) 在第一光纖113中之前得到，所述相互作用可導致由激光光源100發(fā)射的光譜到光纖布拉 格光柵114的帶寬的鎖定以及在光纖布拉格光柵的帶寬內(nèi)強度的相對均勻的分布。一旦獲 得光譜的鎖定和光密度的相對均勻的分布，與激光光源相比受激布里淵散射的可能性就可 降低，其中半導體激光器101的輸出直接耦合到第一光纖113中。因為光譜的鎖定可在受 激布里淵散射的建立時間之前獲得，受激布里淵散射的出現(xiàn)的可能性可被減小。外部激光腔122中的光的往返時間可大于半導體激光器101的相干時間。因此，由 光纖布拉格光柵114反射到半導體激光器101中的光可作為對在半導體激光器101中振蕩 的內(nèi)部激光腔的模的噪聲的源，且一般地，來自外部腔的?？捎兄诠庾V展寬。這可導致通 過光纖布拉格光柵114傳輸?shù)墓獾墓庾V在光纖布拉格光柵114的帶寬內(nèi)的更高效的分布。外部激光腔122中的光的往返時間且因此還有有助于光譜展寬的外部激光腔120 的模的數(shù)量可通過改變外部激光腔122中的光的光路的長度來控制，所述改變可通過改變 外部激光腔122的長度，例如通過改變半導體激光器101和光纖布拉格光柵114之間的第 二光纖112的部分的長度來完成。外部激光腔122中的光的往返時間可通過例如兩次用第
16二光纖112的在半導體激光器101和光纖布拉格光柵114之間的部分的長度除以第二光纖 112中的光的速度來確定。在一些實施方式中，用于將由光纖布拉格光柵114傳輸?shù)墓獾墓庾V鎖定到光纖布 拉格光柵114的帶寬的時間可被確定，且外部激光諧振腔中的光的光路的長度可被建立， 以將用于鎖定的時間調(diào)整到小于受激布里淵散射的建立時間的值。在這些實施方式中的一些中，用于將光譜鎖定到光纖布拉格光柵114的帶寬的時 間可通過執(zhí)行通過光纖布拉格光柵傳輸?shù)墓獾墓庾V的時間分辨測量來確定。將光譜鎖定到 光纖布拉格光柵114的帶寬可通過比較光譜的帶寬與光纖布拉格光柵114的帶寬來識別。 光譜的帶寬可通過確定波長范圍來獲得，其中大于預(yù)先確定的臨界值的強度被測量。在一 個實施方式中，如果光譜的帶寬等于或小于光纖布拉格光柵114的帶寬，則光譜可被評定 為被穩(wěn)定地鎖定。在一些實施方式中，對于在半導體激光器101和光纖布拉格光柵114之 間的多個距離，可測量用于鎖定的時間。此后，提供短于受激布里淵散射的建立時間的鎖定 時間的在半導體激光器101和光纖布拉格光柵114之間的距離可被選擇。在其他的實施方式中，用于將光譜鎖定到光纖布拉格光柵114的帶寬的時間可通 過理論計算來確定。光和激活激光介質(zhì)104之間的相互作用的模型以及內(nèi)部激光腔121和 外部激光腔122中的光的傳播的模型是本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的。如以上詳細描述的，光纖布拉格光柵114的半高全寬帶寬可適合于容納外部激光 腔122的至少250個縱模。根據(jù)方程(3)，外部激光腔122的模之間的間距可依賴于外部激 光腔122中的光的光路的長度。因此，如果外部激光腔122中的光路的長度例如通過減小第 二光纖112的在半導體激光器101和光纖布拉格光柵114之間的部分的長度而被減小，且 光纖布拉格光柵114的半高全寬帶寬被保持，則由光纖布拉格光柵的半高全寬帶寬容納的 外部激光腔122的縱模的數(shù)量可減少。因此，在提供了外部激光腔122中的相對短的光路 的實施方式中，光纖布拉格光柵114可具有相對大的半高全寬帶寬以容納外部激光腔122 的期望數(shù)量的縱模。相反地，在提供了外部激光器122中的相對長的光路的實施方式中，光 纖布拉格光柵可具有相對窄的半高全寬帶寬。在一些實施方式中，光纖布拉格光柵114可具有大約0. 5納米或更大的半高全寬 帶寬、在從大約0. 5納米到大約5納米的范圍內(nèi)的半高全寬帶寬和/或大約2納米的半高 全寬帶寬。外部激光腔122可適合于使得外部激光腔122中的光的往返時間具有大約20 納秒或更小的值、大約10納秒或更小的值、大約5納秒或更小的值和/或大約1納秒或更 小的值。第二光纖的在半導體激光器101和光纖布拉格光柵之間的部分的長度可具有在從 大約10厘米到大約2米的范圍內(nèi)的值、在從大約10厘米到大約1米的范圍內(nèi)的值、在從大 約10厘米到大約50厘米的范圍內(nèi)的值、在從大約20厘米到大約50厘米的范圍內(nèi)的值、大 約25厘米的值和/或大約75厘米的值。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式的激光光源800的示意圖。為了方便， 在圖1和圖8中，相似的參考標號用于表示相似的部件。在下文中除非另外說明，激光光源 800的特征可與以上參考圖1所描述的激光光源100的特征相對應(yīng)，且形成和操作激光光源 800的方法可與形成和操作激光光源100的方法相對應(yīng)。激光光源800包括限定具有長度119的內(nèi)部激光腔121的具有前腔面102和后腔 面103的半導體激光器101、激光激活介質(zhì)104和連接到電源107的電極105、106，其操作可由控制單元108控制。光傳感器109可設(shè)置成與半導體激光器101的后腔面103相鄰， 用于測量通過后腔面103傳輸?shù)墓獾膹姸?。光傳感?09可連接到控制單元108，且光傳感 器109的輸出可被控制單元108使用以控制被提供到半導體激光器101的電壓和電流的安 培數(shù)中的一個。激光光源800還可包括部分傳輸波長選擇光反射器813，其被布置成使得半導體 激光器101的后腔面103和波長選擇光反射器形成外部激光腔822。波長選擇光反射器813 可被設(shè)置在從半導體激光器101的后腔面開始的距離120處。因此，外部激光諧振腔中的 光的光路的長度可近似等于距離120。透鏡812可被設(shè)置在半導體激光器101和波長選擇光反射器813之間以準直由半 導體激光器101發(fā)射的光，并將波長選擇光反射器813反射的光聚焦到半導體激光器101 中。激光光源800還可包括被布置成接收由波長選擇光反射器813發(fā)射的光的光纖 810。透鏡814可被設(shè)置在波長選擇光反射器813和光纖810之間，以將由波長選擇光反射 器813發(fā)射的光聚焦到光纖810中。另外，或可選地，光纖810可包括具有透鏡形表面811 的末端。透鏡814和/或透鏡形表面812可有助于提高由波長選擇光反射器813發(fā)射到光 纖810中的光的耦合的效率。光纖810的特征可能與圖1中所示的激光光源100中的第一光纖115的特征類似。 在一些實施方式中，光纖810可包括類似于光纖放大器115的光纖放大器。在這樣的實施 方式中，激光光源800還可包括類似于泵浦光源116的泵浦光源，用于將泵浦光源發(fā)射的光 耦合到光纖810中的耦合元件118以及與連接泵浦光源和耦合元件的光纖117相類似的光纖。在一些實施方式中，波長選擇光反射器813可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的類型的 二色鏡。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的，二色鏡使用干涉原理操作。光學涂層的交替層在玻 璃基片選擇性地加強光的某些波長而干擾其他波長時逐步形成。可使用在真空中實現(xiàn)的 沉積過程來沉積這些層。通過控制層的厚度和數(shù)量，二色鏡可適合于反射在波長范圍內(nèi)的 光，并實質(zhì)上完全傳輸具有在波長范圍之外的波長的光。但是，本發(fā)明不限于波長選擇光反 射器813包括二色鏡的實施方式。在其他的實施方式中，波長選擇光反射器831可包括以 Littrow配置布置的部分傳輸衍射光柵，使得在期望波長范圍內(nèi)的光部分地向半導體激光 器反射。部分傳輸波長選擇光反射器813的反射性和半高全寬帶寬可與以上所描述的光 纖布拉格光柵114(圖1)的反射率和帶寬相對應(yīng)。因此，在激光光源800中，由波長選擇反 射器813傳輸?shù)墓獾墓庾V到波長選擇光反射器813的帶寬的鎖定、在波長選擇光反射器813 的帶寬內(nèi)的光強度的相對均勻的分布和波長啁啾可被獲得，類似于激光光源100。有利地， 在激光光源800中，在外部激光腔822中的光的往返時間可在激光光源800的操作期間以 方便的方式通過改變波長選擇光反射器813和半導體激光器101之間的距離來改變。因此， 激光光源800可按靈活的方式適合于特定應(yīng)用的需要。在一個實施方式中，激光光源100(圖1)和/或激光光源800 (圖8)可被用在激 光加工應(yīng)用中，其中由激光光源100、800產(chǎn)生的光可被定向到工件，可選地在光纖放大器 例如以上參考圖1描述的光纖放大器115的放大之后，以執(zhí)行工件的激光焊接、工件的激光定標以及工件的激光切割中的至少一項。 鑒于這個描述，本發(fā)明的另外的修改和改變對本領(lǐng)域技術(shù)人員將是明顯的。因此， 該描述應(yīng)被解釋為僅是說明性的且用于教導本領(lǐng)域技術(shù)人員實現(xiàn)本發(fā)明的一般方式的目 的。應(yīng)理解，此處所示出和描述的發(fā)明的形式應(yīng)被理解為當前的優(yōu)選的實施方式。
權(quán)利要求
一種激光光源，包括半導體激光器，其適合于脈沖操作并包括前反射元件和后反射元件，所述前反射元件和所述后反射元件限定內(nèi)部激光腔，所述內(nèi)部激光腔包括激光激活介質(zhì)；部分傳輸波長選擇光反射器，其具有在所述激光激活介質(zhì)的增益帶寬內(nèi)的峰值反射率，所述波長選擇光反射器和所述后反射元件限定外部激光腔，其中所述外部激光腔內(nèi)的光的往返時間大約為20納秒或更少；以及其中所述波長選擇光反射器的半高全寬帶寬適合于容納內(nèi)部激光腔的至少5個縱模和外部激光腔的至少20個縱模。
2.如權(quán)利要求1所述的激光光源，還包括配置為向所述半導體激光器提供脈沖電流的 電源。
3.如權(quán)利要求1或2所述的激光光源，還包括被布置為接收由所述半導體激光器發(fā)射 的光的光纖，其中所述波長選擇光反射器包括在所述光纖中形成的光纖布拉格光柵。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的激光光源，其中所述外部激光腔中的光的所述往返 時間小于大約10納秒、大約5納秒和大約1納秒中的至少一個。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的激光光源，其中所述波長選擇光反射器的所述半高 全寬帶寬適合于容納所述內(nèi)部激光腔的至少25個縱模和所述外部激光腔的至少250個縱 模。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項所述的激光光源，其中所述前反射元件的反射率等于或大 于大約0.01%和大約0. 中的至少一個。
7.如權(quán)利要求1-5中任一項所述的激光光源，其中所述前反射元件的反射率等于或小 于大約0.01%和大約0. 中的至少一個。
8.如權(quán)利要求1-7中任一項所述的激光光源，其中所述半導體激光器適合于發(fā)射具有 小于所述外部激光腔中的光的所述往返時間的相干時間的光。
9.如權(quán)利要求2所述的激光光源，其中所述電源適合于提供具有在從大約3納秒到大 約1納秒的范圍內(nèi)的脈沖持續(xù)時間的所述脈沖電流。
10.如權(quán)利要求9所述的激光光源，其中所述脈沖持續(xù)時間在從大約5納秒到大約500 納秒的范圍內(nèi)。
11.一種激光光源，包括半導體激光器，其適合于脈沖操作并包括前反射元件和后反射元件，所述前反射元件 和所述后反射元件限定內(nèi)部激光腔，所述內(nèi)部激光腔包括激光激活介質(zhì)；部分傳輸波長選擇光反射器，其具有在所述激光激活介質(zhì)的增益帶寬內(nèi)的峰值反射 率，所述波長選擇光反射器和所述后反射元件限定外部激光腔；光纖放大器，其布置為接收由所述波長選擇光反射器傳輸?shù)墓猓龉饫w放大器具有 非線性光學效應(yīng)的建立時間；其中所述外部激光腔配置為提供所述外部激光腔內(nèi)的光的往返時間，所述往返時間短 于所述非線性光學效應(yīng)的所述建立時間；以及其中所述波長選擇光反射器的半高全寬帶寬適合于容納內(nèi)部激光腔的至少5個縱模 和外部激光腔的至少20個縱模。
12.如權(quán)利要求11所述的激光光源，還包括配置為向所述半導體激光器提供脈沖電流的電源。
13.如權(quán)利要求11或12所述的激光光源，其中所述非線性光學效應(yīng)包括受激布里淵散射。
14.如權(quán)利要求11-13中任一項所述的激光光源，還包括連接所述半導體激光器和所 述光纖放大器的光纖，其中所述波長選擇光反射器包括在所述光纖中形成的光纖布拉格光 柵。
15.一種方法，包括確定在第一光纖中的非線性光學效應(yīng)的建立時間；提供包括前反射元件和后反射元件的半導體激光器，所述前反射元件和所述后反射元 件限定內(nèi)部激光腔，所述內(nèi)部激光腔包括激光激活介質(zhì)；提供具有在所述激光激活介質(zhì)的增益帶寬內(nèi)的峰值反射率的部分傳輸波長選擇光反 射器，所述波長選擇光反射器被布置成形成由所述波長選擇光反射器和所述半導體激光器 的所述后反射元件限定的外部激光腔；當將電流提供到所述半導體激光器時確定用于將由所述半導體激光器發(fā)射的光的光 譜鎖定到所述波長選擇光反射器的帶寬的時間；設(shè)定所述外部激光諧振腔中的光的光路的長度，以將用于鎖定的所述時間調(diào)整到小于 所述非線性光學效應(yīng)的所述建立時間的值；以及將由所述波長選擇光反射器傳輸?shù)墓馓峁┑剿龅谝还饫w。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中提供所述波長選擇光反射器的步驟包括將由所述 半導體激光器發(fā)射的光耦合到包括光纖布拉格光柵的第二光纖中，所述第二光纖被設(shè)置在 所述半導體激光器和所述第一光纖之間。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中設(shè)定所述外部激光腔中的光的所述光路的所述長 度的步驟包括選擇所述第二光纖的在所述半導體激光器和所述光纖布拉格光柵之間的部 分的長度。
18.如權(quán)利要求15-17中任一項所述的方法，還包括向所述半導體激光器提供脈沖電流。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述脈沖電流包括在從大約3納秒到大約1納秒 的范圍內(nèi)的脈沖長度。
20.如權(quán)利要求15-19中任一項所述的方法，其中所述第一光纖包括光纖放大器。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，還包括響應(yīng)于由所述波長選擇光反射器傳輸?shù)焦ぜ?所述光而定向由所述光纖放大器發(fā)射的光，以執(zhí)行所述工件的激光焊接、所述工件的激光 定標和所述工件的激光切割中的至少一項。
22.—種方法，包括提供包括前反射元件和后反射元件的半導體激光器，所述前反射元件和所述后反射元 件限定內(nèi)部激光腔，所述內(nèi)部激光腔包括激光激活介質(zhì)；提供具有在所述激光激活介質(zhì)的增益帶寬內(nèi)的峰值反射率的部分傳輸波長選擇光反 射器，所述波長選擇光反射器和所述后反射元件限定外部激光腔；當向所述半導體激光器提供電流時確定由所述波長選擇光反射器傳輸?shù)墓獾牟ㄩL啁 啾的持續(xù)時間；以及向所述半導體激光器提供脈沖電流，其中所述脈沖電流的脈沖時間基于所述波長啁啾 的持續(xù)時間和光纖中的非線性光學效應(yīng)的建立時間中的至少一項來選擇，所述光纖接收由 所述波長選擇光反射器傳輸?shù)乃龉狻?br>
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中提供所述部分傳輸波長選擇反射器的步驟包括將 由所述半導體激光器發(fā)射的光耦合到包括光纖布拉格光柵的光纖中。
24.如權(quán)利要求22或23所述的方法，還包括將由所述波長選擇反射器傳輸?shù)墓馓峁┑?光纖放大器。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，還包括響應(yīng)于由所述波長選擇光反射器傳輸?shù)焦ぜ?所述光而定向由所述光纖放大器發(fā)射的光，以執(zhí)行所述工件的激光焊接、所述工件的激光 定標和所述工件的激光切割中的至少一項。
全文摘要
一種激光光源包括適合于脈沖操作的半導體激光器，部分傳輸波長選擇光反射器。半導體激光器包括前腔面和后腔面。前腔面和后腔面限定內(nèi)部激光腔。內(nèi)部激光腔包括激光激活介質(zhì)。部分傳輸波長選擇光反射器具有在所述激光激活介質(zhì)的增益帶寬內(nèi)的峰值反射率。波長選擇光反射器和后腔面限定外部激光腔。外部激光器中的光的往返時間為大約20納秒或更少。波長選擇光反射器的半高全寬帶寬適合于容納內(nèi)部激光腔的至少12個縱模和外部激光腔的至少250個縱模。
文檔編號H01S3/0941GK101861684SQ200880116303
公開日2010年10月13日 申請日期2008年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月15日
發(fā)明者尼古萊·馬圖舍克, 斯蒂芬·莫爾迪克, 約格·特羅格 申請人:奧蘭若技術(shù)公共有限公司