自啟動鎖模激光振蕩器的制造方法
【專利說明】自啟動鎖t吳激光振湯竊
[0001] 相關(guān)申請的交叉參考
[0002] 本申請是2012年1月4日提交的美國專利申請序列號第13/733, 966號的延續(xù)， 其全文內(nèi)容是以引用的方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本專利文件關(guān)于激光振蕩器，更具體來說關(guān)于具有自啟動能力的鎖模激光振蕩 器。
【背景技術(shù)】
[0004] 在鎖模激光振蕩器中，在光脈沖在振蕩器中往返期間填充腔模。這些振蕩器包括 鎖模組件，其同步不同腔模的相位，從而將它們組織成一系列超短激光脈沖。
[0005] 幾種機制可導(dǎo)致鎖模，包括放大增益的時間或光譜調(diào)制、腔損耗或激光腔的模結(jié) 構(gòu)?？蓪⑦@些機制的廣義類別表征為非線性光學(xué)行為或響應(yīng)。在主動鎖模激光器中，鎖模 過程通過外部主動干預(yù)加以控制。在被動鎖模激光器中，激光器的動力學(xué)自行調(diào)制腔的參 數(shù)。兩類激光器可展示豐富動力學(xué)行為，所述行為最終確定所產(chǎn)生脈沖的操作參數(shù)和輸出 特性，包括脈沖持續(xù)時間、平均功率、峰值功率、模質(zhì)量、動力學(xué)穩(wěn)定性和自啟動能力。
[0006] 鎖模激光振蕩器的輸出特性一般反映了矛盾要求之間的設(shè)計妥協(xié)，因為鎖模非線 性行為控制激光振蕩器的多于一個輸出特性。這些矛盾要求的實例是需要非線性光學(xué)行為 活動足夠久以自啟動激光振蕩器，與此競爭的是需要非線性光學(xué)行為僅短時間活動以建立 超短激光脈沖。
[0007] -些激光器設(shè)計通過包括具有不同非線性機制以同步相位的兩個鎖模組件解決 這些矛盾或競爭要求。例如，振蕩器的端鏡或增益材料之一可展現(xiàn)影響腔模的相位的非線 性機制，且另一吸收元件可通過調(diào)制其振幅鎖模腔模。以上競爭設(shè)計要求可通過執(zhí)行具有 不同特征時間尺度的非線性元件解決。
[0008] 另一對相矛盾的設(shè)計要求涉及觸發(fā)非線性光學(xué)行為的射束強度。自啟動功能優(yōu)選 低觸發(fā)射束強度，而將脈沖成形為超短脈沖的高效方式涉及高觸發(fā)射束強度。而且，一些激 光器包括依賴于不同非線性機制的不同組件以同時滿足這些設(shè)計要求。
[0009] 然而，使用兩個非線性元件解決這些激光器中的設(shè)計矛盾還會引入問題。每個非 線性元件可為復(fù)雜且昂貴的。此外，益處通常伴隨更多成本。例如，一些設(shè)計所依賴的相 位調(diào)制克爾效應(yīng)造成時間與空間效應(yīng)之間的非預(yù)期且非所需復(fù)雜耦合，導(dǎo)致脈沖在傳播穿 過克爾盒型非線性元件時被調(diào)制。當(dāng)設(shè)計腔時需對這種調(diào)制加以考慮，造成設(shè)計復(fù)雜性不 方便地增大。此外，腔需要在克爾效應(yīng)不影響自啟動，并利用克爾效應(yīng)產(chǎn)生短鎖模脈沖下穩(wěn) 定。并非總能滿足這些要求。鑒于腔參數(shù)的容差，這些設(shè)計的操作范圍極窄。且，所獲得的 激光器在環(huán)境擾動下可能不穩(wěn)定。其它非線性元件還伴隨同等挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本專利文件提出產(chǎn)生脈沖光束的激光振蕩器的實施方案，其中所述激光振蕩器包 括：輸出耦合鏡，其被構(gòu)造以將脈沖光束的反射部分反射回至激光振蕩器中，并耦合離開激 光振蕩器的脈沖光束的輸出部分；端鏡，其被構(gòu)造以使脈沖光束返回激光振蕩器；增益材 料，其沿光程被放置在輸出耦合鏡與端鏡之間，被構(gòu)造以放大脈沖光束；自啟動可飽和吸收 器，其被構(gòu)造以自啟動激光振蕩器的脈沖鎖模操作；和脈沖成形可飽和吸收器，其被構(gòu)造以 將脈沖光束的脈沖成形為具有小于1，〇〇〇飛秒（fs)的脈沖長度的激光脈沖。
[0011] 激光振蕩器的一些實施方案包括：輸出親合鏡，其被構(gòu)造以將脈沖光束的一部分 反射回至激光振蕩器中，并耦合離開激光振蕩器的脈沖光束的一部分；半導(dǎo)體可飽和吸收 鏡結(jié)構(gòu)，其包括：端鏡層，所述端鏡層被構(gòu)造以使脈沖光束返回至激光振蕩器中；自啟動可 飽和吸收層，其被構(gòu)造以自啟動激光振蕩器的脈沖鎖模操作；和脈沖成形可飽和吸收層，其 被構(gòu)造以將脈沖光束的脈沖成形為具有小于1，〇〇〇飛秒的脈沖長度的激光脈沖；和增益材 料，其沿光程被放置在輸出耦合鏡與半導(dǎo)體可飽和吸收鏡之間，其被構(gòu)造以放大脈沖光束。
【附圖說明】
[0012] 圖1圖示具有可飽和吸收器110的激光振蕩器100。
[0013] 圖2圖示各種激光振蕩器的吸收能力的時間依賴性。
[0014] 圖3A圖示具有可飽和吸收器112和克爾盒114的激光振蕩器100。
[0015]圖3B圖示圖3A的激光振蕩器的吸收能力的時間依賴性。
[0016] 圖4A至圖4B圖示具有兩個可飽和吸收器212和214的激光振蕩器200的實例。
[0017] 圖5A至圖?圖示雙吸收器式激光振蕩器200的執(zhí)行方案。
【具體實施方式】
[0018] 圖1 一定程度詳細地圖示了常見被動鎖模激光振蕩器100。振蕩器100可包括 非線性元件110,如可飽和吸收器110,其用作振蕩器100的激光腔的端鏡或反射器。振蕩 器100還可包括輸出耦合鏡120、激光增益材料130,和為求緊湊設(shè)計，一個或多個折疊鏡 140-1U40-2等。激光增益材料130可由各種系統(tǒng)泵送，如由一個或多個泵浦二極管泵送。 泵送將增益材料130中的電子激發(fā)至較高能級，隨后被誘發(fā)躍迀返回至其低能態(tài)而發(fā)射光 子，從而填充振蕩器100的腔模。術(shù)語學(xué)上通常稱為端鏡110和輸出耦合鏡120界定激光 腔。
[0019] 最先進的可飽和吸收器110是以量子阱結(jié)構(gòu)作為吸收器的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡 或SESAMS。雖然本文描述了作為可飽和吸收器的非線性元件110的操作原理，但其它實施 方案可使用其它非線性元件，如可飽和增益元件。在這些非線性元件中，傳播穿過放大或吸 收材料的光改變原子水平、分子水平或半導(dǎo)體帶結(jié)構(gòu)的粒子數(shù)密度，并因此改變材料的增 益、吸收或反射特性。
[0020] 非線性可飽和吸收元件110,如SESAM110可吸收一部分低強度入射光但當(dāng)光強 度達到稱為飽和通量Fsat, 3的臨界水平時變?yōu)轱柡?，喪失其吸收強度超過閾值的光的能力。 有時這種飽和還稱為可飽和吸收器110的激活。飽和通量取決于吸收材料的原子、分子和 光譜性質(zhì)并由方程式Fsat,a=hv/〇a給出，其中hv是光子能且〇 3是材料吸收中心的吸收 橫截面。Fsat,a的常見值為10yJ/cm2至500yJ/cm2。吸收器的飽和能Esat,a是飽和通量Fsat, a與吸收器所在位置的有效模面積Arff, a的乘積：Esat,a=Arff,a?Fsat,a。類似關(guān)系描述了可 飽和增益材料，從而將增益材料的飽和通量Fsat,8與飽和能Esat,g聯(lián)系在一起：Esat,g=Arff, g ?Fsat,g，其中Fsat,g=hv/ 〇 g，〇g是材料增益中心的增益橫截面且Aeff,g是增益材料所在位 置的有效模面積。在一些情況中，當(dāng)光強度低于飽和閾值時，未飽和吸收器110可按一定吸 收比例吸收，如1 %至10%入射光。另一方面，一旦射束強度超過飽和閾值，吸收器110變 飽和且其吸收能力可急劇下降至低于1%。
[0021] -旦振蕩器100和其泵浦二極管通電，腔模被填充且光開始在可飽和吸收端鏡 110與輸出耦合鏡120之間往返。在每次往返期間，增益材料130按一定放大比例放大光。 在低泵送功率和相應(yīng)的低射束通量下，增益材料130的放大或增益比例低于可飽和吸收器 110的吸收比例，從而防止振蕩器100啟動激光作用。隨著泵送和因此增益增大，放大比例 可超過吸收比例且振蕩器100的激光作用可開啟。只要射束通量保持遠低于Fsat，吸收器就 不具有動力學(xué)或非線性作用且激光將以連續(xù)波模發(fā)生。
[0022] 隨著泵送和因此增益進一步增大，射束通量可升高至Fsat,a。在這些通量下，可飽和 吸收器110的非線性被激活并誘發(fā)動力學(xué)作用：當(dāng)振蕩器100的腔模的相位通過隨機波動 發(fā)生積極同步，且因此產(chǎn)生具有增強振幅的相同步脈沖（其通量升高至高于飽和通量閾值 Fsat,a)時，可飽和吸收器的吸收比例減小，且因此隨著逐次往返這個相同步脈沖相位比 于其余射束被增益材料130更強地放大。相同步脈沖的這種選擇性放大（通常稱為鎖模） 啟動激光振蕩器100的脈沖操作，取代連續(xù)波模。
[0023] 輸出耦合鏡120可被設(shè)計成在反射期間發(fā)射幾個百分比的入射激光脈沖，從而從 振蕩器100釋放激光脈沖。激光脈沖的反射部分經(jīng)歷其下一次往返并返回至輸出耦合鏡 120供再放大，輸出耦合鏡120在此處再次發(fā)射一定比例激光脈沖。隨著這個過程在每次往 返期間重復(fù)，振蕩器100輸出激光脈沖串。這個過程通常稱為激光振蕩器100的鎖模操作 自啟動。
[0024] 腔內(nèi)的材料，如增益材料的玻璃或晶體具有色散，導(dǎo)致脈沖的不同光譜分量在材 料內(nèi)以不同速度傳播。這種色散使脈沖按非所需方式擴大或散開并增大鎖模閾值。因此常 常通過在腔中包括補償元件，如分散性棱鏡對或啁啾鏡控制激光腔中的光色散。注意甚至 可通過這種補償元件輔助自啟動機制。
[0025] 量化色散的可用手段是"群延遲色散"或⑶D，通常定義為：
[0026] GDD=入 3/c2*d2n(入）/d入 2*L，
[0027] 其中A是光的波長，c是光速，n(A)是依波長折射率且L是腔中的光程長度。光 學(xué)元件110至140和可存在于振蕩器100中的任何其它光學(xué)元件的⑶D可例如從設(shè)計測定 或推測確定。了解⑶D后，可在腔中執(zhí)行色散控制器，使其⑶D具有與振蕩器100的光學(xué)元 件的既定⑶D大致相等且相反的值。如此設(shè)計的腔在脈沖往返期間產(chǎn)生極小或無色散，從 而消除所描述的問題并增強激光振蕩器的實用性。