自启动锁模激光振荡器的制造方法
【专利说明】自启动锁t吴激光振汤窃
[0001] 相关申请的交叉参考
[0002] 本申请是2012年1月4日提交的美国专利申请序列号第13/733, 966号的延续， 其全文内容是以引用的方式并入本文。
技术领域
[0003] 本专利文件关于激光振荡器，更具体来说关于具有自启动能力的锁模激光振荡 器。
【背景技术】
[0004] 在锁模激光振荡器中，在光脉冲在振荡器中往返期间填充腔模。这些振荡器包括 锁模组件，其同步不同腔模的相位，从而将它们组织成一系列超短激光脉冲。
[0005] 几种机制可导致锁模，包括放大增益的时间或光谱调制、腔损耗或激光腔的模结 构。可将这些机制的广义类别表征为非线性光学行为或响应。在主动锁模激光器中，锁模 过程通过外部主动干预加以控制。在被动锁模激光器中，激光器的动力学自行调制腔的参 数。两类激光器可展示丰富动力学行为，所述行为最终确定所产生脉冲的操作参数和输出 特性，包括脉冲持续时间、平均功率、峰值功率、模质量、动力学稳定性和自启动能力。
[0006] 锁模激光振荡器的输出特性一般反映了矛盾要求之间的设计妥协，因为锁模非线 性行为控制激光振荡器的多于一个输出特性。这些矛盾要求的实例是需要非线性光学行为 活动足够久以自启动激光振荡器，与此竞争的是需要非线性光学行为仅短时间活动以建立 超短激光脉冲。
[0007] -些激光器设计通过包括具有不同非线性机制以同步相位的两个锁模组件解决 这些矛盾或竞争要求。例如，振荡器的端镜或增益材料之一可展现影响腔模的相位的非线 性机制，且另一吸收元件可通过调制其振幅锁模腔模。以上竞争设计要求可通过执行具有 不同特征时间尺度的非线性元件解决。
[0008] 另一对相矛盾的设计要求涉及触发非线性光学行为的射束强度。自启动功能优选 低触发射束强度，而将脉冲成形为超短脉冲的高效方式涉及高触发射束强度。而且，一些激 光器包括依赖于不同非线性机制的不同组件以同时满足这些设计要求。
[0009] 然而，使用两个非线性元件解决这些激光器中的设计矛盾还会引入问题。每个非 线性元件可为复杂且昂贵的。此外，益处通常伴随更多成本。例如，一些设计所依赖的相 位调制克尔效应造成时间与空间效应之间的非预期且非所需复杂耦合，导致脉冲在传播穿 过克尔盒型非线性元件时被调制。当设计腔时需对这种调制加以考虑，造成设计复杂性不 方便地增大。此外，腔需要在克尔效应不影响自启动，并利用克尔效应产生短锁模脉冲下稳 定。并非总能满足这些要求。鉴于腔参数的容差，这些设计的操作范围极窄。且，所获得的 激光器在环境扰动下可能不稳定。其它非线性元件还伴随同等挑战。
【发明内容】
[0010] 本专利文件提出产生脉冲光束的激光振荡器的实施方案，其中所述激光振荡器包 括：输出耦合镜，其被构造以将脉冲光束的反射部分反射回至激光振荡器中，并耦合离开激 光振荡器的脉冲光束的输出部分；端镜，其被构造以使脉冲光束返回激光振荡器；增益材 料，其沿光程被放置在输出耦合镜与端镜之间，被构造以放大脉冲光束；自启动可饱和吸收 器，其被构造以自启动激光振荡器的脉冲锁模操作；和脉冲成形可饱和吸收器，其被构造以 将脉冲光束的脉冲成形为具有小于1，〇〇〇飞秒（fs)的脉冲长度的激光脉冲。
[0011] 激光振荡器的一些实施方案包括：输出親合镜，其被构造以将脉冲光束的一部分 反射回至激光振荡器中，并耦合离开激光振荡器的脉冲光束的一部分；半导体可饱和吸收 镜结构，其包括：端镜层，所述端镜层被构造以使脉冲光束返回至激光振荡器中；自启动可 饱和吸收层，其被构造以自启动激光振荡器的脉冲锁模操作；和脉冲成形可饱和吸收层，其 被构造以将脉冲光束的脉冲成形为具有小于1，〇〇〇飞秒的脉冲长度的激光脉冲；和增益材 料，其沿光程被放置在输出耦合镜与半导体可饱和吸收镜之间，其被构造以放大脉冲光束。
【附图说明】
[0012] 图1图示具有可饱和吸收器110的激光振荡器100。
[0013] 图2图示各种激光振荡器的吸收能力的时间依赖性。
[0014] 图3A图示具有可饱和吸收器112和克尔盒114的激光振荡器100。
[0015]图3B图示图3A的激光振荡器的吸收能力的时间依赖性。
[0016] 图4A至图4B图示具有两个可饱和吸收器212和214的激光振荡器200的实例。
[0017] 图5A至图?图示双吸收器式激光振荡器200的执行方案。
【具体实施方式】
[0018] 图1 一定程度详细地图示了常见被动锁模激光振荡器100。振荡器100可包括 非线性元件110,如可饱和吸收器110,其用作振荡器100的激光腔的端镜或反射器。振荡 器100还可包括输出耦合镜120、激光增益材料130,和为求紧凑设计，一个或多个折叠镜 140-1U40-2等。激光增益材料130可由各种系统泵送，如由一个或多个泵浦二极管泵送。 泵送将增益材料130中的电子激发至较高能级，随后被诱发跃迀返回至其低能态而发射光 子，从而填充振荡器100的腔模。术语学上通常称为端镜110和输出耦合镜120界定激光 腔。
[0019] 最先进的可饱和吸收器110是以量子阱结构作为吸收器的半导体可饱和吸收镜 或SESAMS。虽然本文描述了作为可饱和吸收器的非线性元件110的操作原理，但其它实施 方案可使用其它非线性元件，如可饱和增益元件。在这些非线性元件中，传播穿过放大或吸 收材料的光改变原子水平、分子水平或半导体带结构的粒子数密度，并因此改变材料的增 益、吸收或反射特性。
[0020] 非线性可饱和吸收元件110,如SESAM110可吸收一部分低强度入射光但当光强 度达到称为饱和通量Fsat, 3的临界水平时变为饱和，丧失其吸收强度超过阈值的光的能力。 有时这种饱和还称为可饱和吸收器110的激活。饱和通量取决于吸收材料的原子、分子和 光谱性质并由方程式Fsat,a=hv/〇a给出，其中hv是光子能且〇 3是材料吸收中心的吸收 横截面。Fsat,a的常见值为10yJ/cm2至500yJ/cm2。吸收器的饱和能Esat,a是饱和通量Fsat, a与吸收器所在位置的有效模面积Arff, a的乘积：Esat,a=Arff,a?Fsat,a。类似关系描述了可 饱和增益材料，从而将增益材料的饱和通量Fsat,8与饱和能Esat,g联系在一起：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横截面且Aeff,g是增益材料所在位 置的有效模面积。在一些情况中，当光强度低于饱和阈值时，未饱和吸收器110可按一定吸 收比例吸收，如1 %至10%入射光。另一方面，一旦射束强度超过饱和阈值，吸收器110变 饱和且其吸收能力可急剧下降至低于1%。
[0021] -旦振荡器100和其泵浦二极管通电，腔模被填充且光开始在可饱和吸收端镜 110与输出耦合镜120之间往返。在每次往返期间，增益材料130按一定放大比例放大光。 在低泵送功率和相应的低射束通量下，增益材料130的放大或增益比例低于可饱和吸收器 110的吸收比例，从而防止振荡器100启动激光作用。随着泵送和因此增益增大，放大比例 可超过吸收比例且振荡器100的激光作用可开启。只要射束通量保持远低于Fsat，吸收器就 不具有动力学或非线性作用且激光将以连续波模发生。
[0022] 随着泵送和因此增益进一步增大，射束通量可升高至Fsat,a。在这些通量下，可饱和 吸收器110的非线性被激活并诱发动力学作用：当振荡器100的腔模的相位通过随机波动 发生积极同步，且因此产生具有增强振幅的相同步脉冲（其通量升高至高于饱和通量阈值 Fsat,a)时，可饱和吸收器的吸收比例减小，且因此随着逐次往返这个相同步脉冲相位比 于其余射束被增益材料130更强地放大。相同步脉冲的这种选择性放大（通常称为锁模） 启动激光振荡器100的脉冲操作，取代连续波模。
[0023] 输出耦合镜120可被设计成在反射期间发射几个百分比的入射激光脉冲，从而从 振荡器100释放激光脉冲。激光脉冲的反射部分经历其下一次往返并返回至输出耦合镜 120供再放大，输出耦合镜120在此处再次发射一定比例激光脉冲。随着这个过程在每次往 返期间重复，振荡器100输出激光脉冲串。这个过程通常称为激光振荡器100的锁模操作 自启动。
[0024] 腔内的材料，如增益材料的玻璃或晶体具有色散，导致脉冲的不同光谱分量在材 料内以不同速度传播。这种色散使脉冲按非所需方式扩大或散开并增大锁模阈值。因此常 常通过在腔中包括补偿元件，如分散性棱镜对或啁啾镜控制激光腔中的光色散。注意甚至 可通过这种补偿元件辅助自启动机制。
[0025] 量化色散的可用手段是"群延迟色散"或⑶D，通常定义为：
[0026] GDD=入 3/c2*d2n(入）/d入 2*L，
[0027] 其中A是光的波长，c是光速，n(A)是依波长折射率且L是腔中的光程长度。光 学元件110至140和可存在于振荡器100中的任何其它光学元件的⑶D可例如从设计测定 或推测确定。了解⑶D后，可在腔中执行色散控制器，使其⑶D具有与振荡器100的光学元 件的既定⑶D大致相等且相反的值。如此设计的腔在脉冲往返期间产生极小或无色散，从 而消除所描述的问题并增强激光振荡器的实用性。