重复率根据扫描速度可调的高功率飞秒激光器的制造方法
【专利说明】
[0001] 本申请是国际申请日为2011年2月24日、国家申请号为201180010855. 7的国际 申请进入国家阶段的发明申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本专利文献涉及飞秒激光器，包括可调节重复率高功率飞秒激光器。
【背景技术】
[0003] 在许多当今不断更具挑战性的激光应用中，持续存在对更短脉冲且每个脉冲具有 高能的需要。这些特征允许激光应用的更好控制以及更大的工作速度。该领域发展中的重 要阶段是输出飞秒激光脉冲的激光系统的出现和成熟。这些飞秒激光器能被用于各种各样 的应用，包括许多不同类型的眼科手术，其中这些超短脉冲可以提供具有良好控制的组织 修饰。
【发明内容】
[0004] 在本文中提供了构造和操作飞秒脉冲激光器的设计和技术，包括具有啁啾脉冲放 大的激光系统的例子和实现，其中一些具有少量的光学元件，一些具有低故障频率，其他一 些具有适当小的物理延伸区（extent)，另一些则能够允许重复率的改变但无需系统进行大 的重新调节，而一些对于热透镜效应具有降低的敏感度。
[0005] 例如，激光引擎的一些例子包括生成和输出飞秒种子脉冲束的振荡器，展宽种子 脉冲持续时间的展宽器-压缩器，以及从展宽器-压缩器接收展宽的种子脉冲、放大所选的 展宽的种子脉冲的幅度以创建放大的展宽脉冲并且输出放大的展宽脉冲的激光束的放大 器，其中展宽器-压缩器接收放大的展宽脉冲的激光束，压缩放大的展宽脉冲的持续时间， 并且输出脉冲持续时间小于1000飞秒的飞秒脉冲激光束，并且放大器包括降低放大的展 宽脉冲的色散的色散补偿器。
[0006] 在一些例子中，振荡器是二极管泵浦光纤振荡器，并且输出变换限制 (transform-limited)的种子脉冲。
[0007] 在一些例子中，振荡器生成种子脉冲持续时间小于1000飞秒的光束。
[0008] 在一些实现中，振荡器输出种子脉冲重复率在10-lOOMHz或20-50MHZ范围内的光 束。
[0009] 在一些实现中，展宽器-压缩器包括啁啾体布拉格光栅。
[0010] 在一些实现中，展宽器-压缩器包括光热折射玻璃。
[0011] 在一些实现中，展宽器-压缩器展宽飞秒种子脉冲的持续时间达10倍以上。
[0012] 在一些实现中，展宽器-压缩器将飞秒种子脉冲的持续时间展宽至1000-200000 飞秒的展宽持续时间。
[0013] 在一些实现中，激光引擎不包含可调整的展宽器-压缩器。
[0014] 在一些实现中，激光引擎包括位于振荡器和展宽器-压缩器之间的偏振器和入/4 片，其使展宽的种子脉冲束重定向为朝向放大器。
[0015] 在一些实现中，激光引擎包括法拉第隔离器，其接收来自展宽器-压缩器的展宽 种子脉冲束，朝向放大器输出该展宽种子脉冲束，接收来自放大器的放大的展宽脉冲激光 束，朝向展宽器-压缩器的压缩器端口输出放大的展宽脉冲激光束，并将振荡器与放大的 展宽脉冲激光束相隔离。
[0016] 在一些实现中，放大器包括光学元件，而色散补偿器引入与放大器的光学元件引 入的色散的符号相反的色散。
[0017] 在一些实现中，由色散补偿器引入的色散与由放大器中除色散补偿器以外的光学 元件在一次往返内引入的色散基本上幅度相等且符号相反。
[0018] 在一些实现中，色散补偿器包括啁啾反射镜、啁啾光纤、啁啾光栅、棱镜、或者啁啾 透射光学元件中的至少一种。
[0019] 在一些实现中，放大器包括放大所选的展宽种子脉冲的幅度的增益材料，定义谐 振腔的两个端镜，以及使谐振光路在放大器内折叠的两个折叠反射镜，其中两个端镜和两 个折叠反射镜中的至少一个是啁啾反射镜。
[0020] 在一些实现中，啁啾反射镜将负色散引入到放大的展宽脉冲中。
[0021] 在一些实现中，激光引擎被配置为输出具有第一重复率的激光束，并随后利用激 光引擎的所有光学元件的基本上相同的设置输出具有不同的第二重复率的激光束。
[0022] 在一些实现中，第一重复率和第二重复率落入10kHz-2MHz、50kHz-lMHz或 100kHz-500kHz 的范围内。
[0023] 在一些实现中，当未经修改的激光引擎对于第一和第二重复率采用不同的光学元 件设置时，激光引擎能够被修改以利用与第一重复率的情况基本上相同的所有光学元件的 设置，来输出具有第二重复率的激光束。
[0024] 在一些实现中，放大器被配置为在重复率改变时改变放大器中放大的展宽脉冲的 往返次数，同时保持放大器的光学设置不变。
[0025] 在一些实现中，放大器具有小于一米的端镜至端镜折叠光路。
[0026] 在一些实现中，放大器是腔倒空再生放大器、啁啾脉冲放大器或Q开关放大器。
[0027] 在一些实现中，放大器在端镜之间的光路中具有可切换的偏振器，其能够通过在 偏振调节状态和偏振非调节状态之间切换而选择展宽的脉冲，其中在偏振调节状态中，可 切换偏振器调节放大的展宽脉冲的偏振，而在偏振非调节状态中，可切换偏振器基本上不 调节放大的展宽脉冲的偏振。
[0028] 在一些实现中，激光引擎可以包括高压功率开关，其控制可切换偏振器以从偏振 非调节状态切换至偏振调节状态，其上升时间小于5纳秒、4纳秒或3纳秒。
[0029] 在一些实现中，激光引擎在1-120秒、10-60秒或20-50秒内将飞秒脉冲激光束的 第一重复率改变为第二重复率。
[0030] 在一些实现中，激光引擎在1 y s - Is范围的改变时间内将飞秒脉冲激光束的第 一重复率改变至第二重复率。
[0031] 在一些实现中，放大器包括至少一个聚焦反射镜和紧靠聚焦反射镜的焦点设置的 激光晶体。
[0032] 在一些实现中，激光引擎被配置为使得当激光引擎的重复率从第一值改变至第二 值且两值均位于10kHz-2MHz的范围中时，输出的激光束直径改变小于10%或20%，或者输 出的激光束中心移动小于光束直径的20 %或40%。
[0033] 在一些实现中，激光束的飞秒脉冲具有在1-100 yj/脉冲、10-50 yj/脉冲、或 20-30 y J/脉冲范围内的能量。
[0034] 在一些实现中，激光引擎输出功率大于0. 1W、1W或10W的激光束。
[0035] 在一些实现中，激光引擎是眼科手术系统的一部分。
[0036] 在一些实现中，一种使用激光引擎生成激光束的方法包括如下步骤：使用振荡器 生成持续时间小于1000飞秒的种子脉冲的光束；使用脉冲展宽器展宽种子脉冲的持续时 间；使用放大器放大所选的展宽的种子脉冲的幅度以生成放大的展宽脉冲；使用脉冲压缩 器将放大的展宽脉冲的持续时间压缩至小于1000飞秒；输出第一重复率处于10kHz-2MHz 范围内且脉冲持续时间小于1000飞秒的飞秒脉冲激光束；将重复率从第一重复率改变至 处于10kHz-2MHz范围内的第二重复率，而基本上不改变激光引擎的光学设置；以及输出具 有第二重复率以及小于1000飞秒的脉冲持续时间的飞秒脉冲激光束。
[0037] 在一些实现中，放大步骤包括利用放大器中的色散补偿器来降低由放大器的光学 部件引起的放大的展宽脉冲的色散。
[0038] 在一些实现中，降低色散的步骤包括由放大器中的至少一个啁啾反射镜引入补偿 色散，其中，对于每次往返，补偿色散与放大器中除色散补偿器之外的所有光学元件所引起 的色散基本上幅度相等且符号相反。
[0039] 在一些实现中，改变重复率的步骤包括改变在放大器中的往返次数，同时保持放 大器的光学设置基本上不变。
[0040] 在一些实现中，展宽步骤和压缩步骤由同一展宽器-压缩器执行。
[0041] 在一些实现中，在已经完成输出具有第一重复率的激光束之后，在1-120秒、 10-60秒或20-50秒内输出具有第二重复率的激光束。
[0042] 在一些实现中，在1 ys - Is范围内的改变时间内将重复率从第一重复率改变至 第二重复率。
[0043] 在一些实现中，一种激光引擎包括：生成脉冲持续时间小于1000飞秒的脉冲光束 的振荡器；展宽光束脉冲的持续时间的展宽器-压缩器；以及放大经展宽的光脉冲的幅度 以生成放大的展宽脉冲的放大器，其中展宽器-压缩器压缩放大的展宽脉冲的持续时间， 并输出激光脉冲束；并且激光引擎可操作以输出第一重复率在10kHz-2MHz范围内的激光 脉冲束，并且随后利用激光引擎的所有光学部件的基本上相同的设置输出第二重复率在 10kHz-2MHz范围内的激光脉冲束，其中对于第一和第二重复率，激光脉冲的持续时间小于 1000飞秒。
[0044] 在一些实施例中，放大器包括色散补偿器，其至少部分地补偿由放大器的光学元 件引入的色散。
[0045] 在一些实现中，放大器包括在放大器的端镜之间的可切换偏振器，其在可切换偏 振器调节放大的展宽脉冲的偏振的状态和可切换偏振器不调节放大的展宽脉冲的偏振的 状态之间切换，其上升时间小于5纳秒、4纳秒或3纳秒。
[0046] 在一些实现中，放大器包括至少一个聚焦反射镜以及位于聚焦反射镜的焦点附近 的增益晶体。
[0047] 在一些实现中，激光引擎在小于60秒、1秒或10 y s的时间内在第一重复率和第二 重复率之间进行切换。
[0048] 在一些实现中，激光引擎包括：输出飞秒种子脉冲的振荡器；展宽种子脉冲持续 时间的展宽器；将展宽的种子脉冲放大成放大的展宽脉冲的放大器，放大器包括色散补偿 器以补偿由放大器的光学元件引起的放大的展宽脉冲的色散；以及压缩器，该压缩器接收 放大的展宽脉冲，压缩放大的展宽脉冲的持续时间，并输出飞秒脉冲激光束。
[0049] 在一些实现中，可变重复率激光引擎包括Q开关腔倒空再生放大器；该放大器包 括两个端镜，其中激光引擎输出飞秒激光脉冲；而端镜之间的光路长度小于2米。
[0050] 在一些实现中，端镜之间的光路的长度小于1米。
[0051] 在一些实现中，激光引擎包括生成种子脉冲以传送至放大器的振荡器，其中从振 荡器中生成种子脉冲光子之处到激光引擎输出激光脉冲之处的总自由空间光路长度小于 500米、300米或150米。
[0052] 在一些实现中，放大器的腔的所有边缘尺寸小于1米或0. 5米，其中放大器的腔容 纳放大器的所有光学元件。
[0053] 在一些实现中，放大器的占地面积小于lm2或0. 5m2。
[0054] 在一些实现中，激光引擎包括展宽器-压缩器，该展宽器-压缩器包括啁啾体布拉 格光栅。
[0055] 在一些实施例中，放大器包括色散补偿器，其补偿由放大器的光学元件引入的色 散。
[0056] 在一些实现中，放大器包括：放大激光脉冲的幅度的激光晶体；以及在放大器内 折叠谐振光路的两个折叠反射镜，其中两个端镜和两个折叠反射镜中的至少一个是啁啾反 射镜。
[0057] 在一些实现中，激光引擎被配置为以激光引擎的所有光学元件的基本上相同的设 置输出具有处于重复率范围内的第一重复率的激光束，并在随后输出具有处于该重复率范 围内的第二重复率的激光束。
[0058] 在一些实现中，第一重复率和第二重复率在10kHz-2MHz、50kHz-lMHz或 100kHz-500kHz 的范围中。
[0059] 在一些实现中，激光引擎被配置为使得可在小于60秒、1秒或10 y s的时间内将第 一重复率改变至第二重复率。
[0060] 在一些实现中，放大器包括位于端镜之间的可切换偏振器，其在小于5ns、4ns或 3ns的时间内在可切换偏振器调节放大脉冲的偏振的状态与可切换偏振器基本上不调节放 大脉冲的偏振的状态之间进行切换。
[0061] 在一些实现中，放大器包括至少一个聚焦端镜和紧靠聚焦端镜的焦点设置的激光 晶体。
[0062] 在一些实现中，激光引擎包括：生成并输出飞秒种子脉冲光束的振荡器；展宽种 子脉冲的持续时间的展宽器-压缩器；以及从展宽器_压缩器接收展宽的种子脉冲、放大所 选的展宽种子脉冲的幅度以创建放大的展宽脉冲并且输出放大的展宽脉冲的激光束的放 大器；其中展宽器-压缩器接收放大的展宽脉冲的激光束，压缩放大的展宽脉冲的持续时 间，并且输出脉冲持续时间小于1000飞秒的飞秒脉冲激光束；其中从振荡器中生成种子脉 冲光子之处到激光引擎输出激光脉冲之处的光路长度小于500米。
[0063] 在一些实现中，光路长度小于300米。
[0064] 在一些实现中，可变重复率激光引擎包括：生成和输出飞秒种子脉冲光束的振荡 器；展宽种子脉冲持续时间的展宽器-压缩器；以及放大所选的展宽的种子脉冲的幅度以 创建放大的展宽脉冲的啁啾脉冲放大器；其中该放大器包括切换时间小于5ns的可切换偏 振器；展宽器-压缩器压缩放大的展宽脉冲的持续时间至飞秒值；并且激光引擎占据小于 lm 2的面积。
[0065] 在一些实现中，激光引擎是手术激光系统的一部分，手术激光系统具有激光引擎 以及位于手术激光系统的顶板上的成像系统。
[0066] 在一些实现中，可变重复率激光引擎包括：生成和输出飞秒种子脉冲光束的振荡 器，展宽种子脉冲的持续时间的集成的展宽器-压缩器，以及放大所选的展宽的种子脉冲 的幅度以创建放大的展宽脉冲的Q开关腔倒空再生放大器；其中展宽器-压缩器压缩放大 的展宽脉冲的持续时间，以输出飞秒激光脉冲，并且激光引擎的光学元件数量小于75。
[0067] 在一些实现中，激光引擎的光学元件数量小于50。
[0068] 在一些实现中，激光引擎除振荡器之外的部分中的光学元件数量小于50。
[0069] 在一些实现中，激光引擎除振荡器之外的部分中的光学元件数量小于35。
[0070] 在一些实现中，光学元件是下列之一：反射镜、透镜、平行板、偏振器、隔离器、任何 可切换光学元件、折射元件、透射元件、或反射元件。
[0071] 在一些实现中，光学元件使光从空气中进入并且出射至空气中。
[0072] 在一些实现中，集成的展宽器-压缩器包括啁啾体布拉格光栅。
[0073] 在一些实施例中，放大器包括色散补偿器，其补偿由放大器的光学元件引入的色 散。
[0074] 在一些实现中，放大器包括限定谐振腔的两个端镜，以及在放大器中折叠谐振光 路的两个折叠反射镜，其中两个端镜和两个折叠反射镜中的至少一个是啁啾反射镜。
[0075] 在一些实现中，激光引擎被配置为以激光引擎的所有光学元件的基本上相同的设 置输出第一重复率在重复率范围内的激光束且随后输出第二重复率在该重复率范围内的 激光束，其中第一和第二重复率在10kHZ-2MHz、50kHz-lMHz或100kHz-500kHz的范围内。
[0076] 在一些实现中，激光引擎被配置为使得第一重复率可在小于1秒的时间内改变至 第二重复率。
[0077] 在一些实现中，放大器包括位于端镜之间的可切换偏振器，其可在小于5ns、4ns 或3ns的时间内在可切换偏振器调节放大的展宽脉冲的偏振的状态与可切换偏振器基本 上不调节放大的展宽脉冲的偏振的状态之间进行切换。
[0078] 在一些实现中，放大器包括至少一个聚焦反射镜和紧靠聚焦反射镜的焦点设置的 激光晶体。
[0079] 在一些实现中，激光引擎包括：生成和输出飞秒种子脉冲光束的振荡器；展宽种 子脉冲的持续时间的展宽器-压缩器；以及从展宽器_压缩器接收展宽的种子脉冲、放大所 选的展宽的种子脉冲的幅度以创建放大的展宽脉冲并且输出放大的展宽脉冲的放大器；其 中展宽器-压缩器接收放大的展宽脉冲，压缩放大的展宽脉冲的持续时间，并且输出脉冲 持续时间小于1000飞秒的飞秒脉冲激光束，其中激光引擎中除振荡器之外的部分中的光 学元件的数量小于50。
[0080] 在一些实现中，激光引擎的光学元件数量小于75。
[0081] 在一些实现中，一种使用激光系统进行扫描的方法包括如下步骤：使用激光引擎 生成具有可变重复率的激光脉冲；使用扫描激光传递系统将激光脉冲聚焦至靶区域中的焦 斑；使用扫描激光传递系统在靶区域