CN100499298C - 高重频模式耦合超短脉冲激光系统及其在材料处理中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于根据脉冲解耦原理生成超短脉冲尤其是生成飞秒或皮秒脉冲的高重频激光系统。所述系统包括至少一个放大激光介质(11)、激光谐振腔以及用于对激光介质(11)进行泵浦的泵浦源。所述系统利用电光调制器作为脉冲解耦元件(1)来工作，以获得具有短脉冲持续时间的高脉冲能量。

Description

高重频模式耦合超短脉冲激光系统及其在材料处理中的应用

技术领域

本发明涉及一种根据脉冲解耦原理生成超短脉冲的高重频激光系统及对该激光系统的使用。

背景技术

已知的超短脉冲激光系统被用于很多应用，举例来说，如材料处理、显微术、生物医学或光子元件的生产。然而，在实验室之外的使用经常出现问题，这是因为这些激光系统必需相当高的复杂度和大的加工努力。除了飞秒脉冲的高能量，特别是激光系统的紧凑性对于工业应用也起到重要的作用。

根据脉冲解耦或腔倒空器(cavity dumper)的原理的激光器结构允许生成具有用于微结构化领域所需的能量和峰值脉冲功率的脉冲。由此可以无需使用复杂的放大器结构，这导致了紧凑的设计。

例如根据M.Ramaswamy，M.Ulman，J.Paye，J.G.Fujimoto的“Cavity-dumped femtosecond Kerr-lens mode-locked Ti:Al₂O₃ laser”(OpticsLetters，第18卷，第21期，1993年11月1日，第1822-1824页)，已知一种脉冲能量高达100nJ的根据脉冲解耦或腔倒空器的原理的激光系统。在此通过引用将该文献并入本申请中。模式耦合Ti:Al₂O₃激光器利用声光开关作为腔倒空器，进行操作以生成50飞秒的脉冲，其能量为100nJ或其峰值脉冲功率为0.1MW，并且可调重复频率高达950kHz。所述开关本身由石英元件构成，激光束通过利用反射镜以布儒斯特角聚焦到该石英元件上。氩激光用于泵浦，具有4个棱镜的下游区用于色散补偿。

A.

，Z.Wie，M.S.Pshenichniko，D.A.Wiersma，Robert 

的“All-solid-state cavity-dumped sub-5-fs laser”(Appl.Phys.B 65，1997，第175到188页)，描述了一种固态激光系统，利用该激光系统根据腔倒空器的原理生成了持续时间短于5飞秒的激光脉冲。在此通过引用将该文献并入本申请中。利用又被二极管泵浦并以Nd:YVO₄作为激光介质的倍频固态激光器来对所用的Ti-蓝宝石激光介质进行泵浦。利用布拉格元件作为声光开关来形成腔倒空器。该结构需要仔细设计腔，以使得克尔透镜效应导致的模式耦合不会受到声光调制器色散的干扰。提到了可以使用电光调制器，但是强调了它们限于大约10kHz的可获重复频率。利用所描述的激光系统，旨在实现峰值脉冲功率为2兆瓦且重复频率为1MHz的亚5飞秒脉冲。

D.Krüger在“High-repetition-rate electro-optic cavity dumping”(Rev.Sci.Instrum.66(2)，1995年2月，第961到967页)中，描述了具有腔倒空和电光开关的高重频激光器。在此通过引用将该文献并入本申请中。以氩激光器同步泵浦的模式耦合染色激光器用作该结构的基础，其中包括两个含重氢的KD*P晶体和一薄膜偏光器的LM 20普克尔(Pockel)元件用作开关。激光介质由若丹明(Rhodamine)6G的乙二醇溶液组成。生成的脉冲在平均解耦功率为75mW时持续时间为15纳秒，并且重复频率为10MHz。

V.Kubecek，J.Biegert，J.-C.Diels，M.R.Kokta的“Practical source of50ps pulses using a flashlamp pumped Nd:YAG laser and passiveall-solid-state pulse control”(Optics Communications 177(2000)，第317到321页)，描述了一种根据腔倒空器原理的具有电光开关的激光器。在此通过引用将该文献并入本申请中。利用闪光灯来泵浦Nd:YAG激光介质。所采用的电光开关为具有介电偏光器的普克尔元件。50皮秒脉冲的可获能量在5Hz重复频率下为300μJ，实现了对腔内单个脉冲的压缩。

因此Ti:Al₂O₃激光器在可获峰值脉冲功率方面优于染色激光器。然而，可获脉冲能量受到使用声光调制器的限制，这是因为由于所需的小焦点导致这些声光调制器的自相位调制效应太高，这会造成脉冲不稳定或者造成对调制器材料的破坏。此外，对于染色激光器的情况，激光介质和闪光灯的泵浦都随时间出现劣化；或者固态激光器会导致复杂系统。

因此，现有技术的普通激光系统由于其设计和所用的元件而过于复杂，并且/或者在可获脉冲能量方面受到限制，或者不能获得飞秒范围内的脉冲持续时间。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种紧凑型激光系统，特别地为一种根据脉冲解耦原理的二极管泵浦激光系统，其生成重复频率大于10kHz且脉冲能量高于100nJ的超短脉冲。

另一个目的是提供一种紧凑型激光系统，其特别是在腔外无进行脉冲放大的元件，在大于10kHz的重复频率下峰值脉冲功率大于100kW。

通过在下面描述的根据脉冲解耦原理的高重频激光系统来实现这些目的或进一步发展方案。

本发明涉及一种根据脉冲解耦原理的高重频激光系统，其中二极管泵浦的皮秒或飞秒振荡器以电光调制器作为开关来进行工作。

EOM较之AOM的优势在于，EOM可工作在非常大的激光束横截面(例如，d＝700μm)下，从而可以获得更高的能量。避免在开关中生成所述脉冲功率或脉冲能量下的过度的自相位调制(SPM)或甚至是破坏。另一方面，SiO₂-AOM在调制器长度为3mm时通常要求d<50μm，以获得同样短的开关脉冲波前。实际上可以获得更长的调制器元件，其中可将聚焦(focussing)保持得更大。然而，由于交互作用长度的增加，累积的非线性相位没有明显减小。另外，为了实现与EOM方法相当的开关效率，AOM必须工作在迈克尔逊结构下，这意味着谐振腔设计相对较复杂。

如果例如希望在脉冲解耦器出口处生成能量为1μJ且脉宽为200fs的飞秒脉冲，则通常在腔内必须存在2μJ的脉冲能量。这一要求是腔倒空激光器以准稳态工作所必需的，这在高重复频率以及大于50％的解耦度下难以实现。在AOM下对于所述横截面和功率，由于孤子条件

$\left|{\mathrm{\&beta;}}_2\right|=\frac{{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{FWHM}}\&CenterDot;E\&CenterDot;\mathrm{\&kappa;}}{3.526}---\left(1\right)$

其中

$\mathrm{\&kappa;}=\frac{4\&CenterDot;l_{\mathrm{AOM}}\&CenterDot;n_2}{{\mathrm{\&lambda;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_0^2}---\left(2\right)$

所以只有将约-40000fs²的高负净色散引入谐振腔中，200fs的孤子才可稳定在1μm波长下。这里：

β₂表示谐振腔内的负净色散，

τ_FWHM表示sech²孤子的半最大值处的全宽度，

E表示脉冲能量，

κ表示自相位调制参数，

l_AOM表示声光调制器的单程长度(single length)，

n₂表示源自克尔效应的非线性折射率，

λ₀表示真空中的波长，而

ω₀表示AOM下的光束半径。

另外，当存在这种色散时仍然出现问题，因为在单次渡越中，形成了过高的啁啾(chirp)，并且脉冲参数在谐振腔往返(cycle)期间变化太大。其后果是不可能实现稳态孤子操作，并且通常在谐振腔中形成了色散辐射，从而导致多个脉冲或动态非稳定性。例如，在这一方面，谐振腔周期与孤子周期之比r可被定义为对激光器倾斜的测度。

$r=\frac{E\&CenterDot;\mathrm{\&kappa;}\&CenterDot;1.763}{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{FWHM}}\&CenterDot;1.134}---\left(3\right)$

对于稳定操作，该比值应当远小于1。在上述情况下，该值将约为3，明显太高了。在生成飞秒脉冲时，因此有利的是选择参数r小于1，特别地小于0.25或者甚至小于0.1。F.Krausz，M.E.Fermann，T.Brabec，P.F.Curly，M.Hofer，M.H.Ober，C.Spielman，E.Wintner和A.J.Schmidt在“Femtosecond Solid-State Lasers”(IEEE Journal of Quantum Electronics，第28卷，第10期，第2097到2120页，1992年10月)中，描述了这一计算的基础。在此通过引用将该文献并入本申请中。

因此，对于根据脉冲解耦原理的飞秒激光系统，利用EOM要比利用AOM更容易扩展脉冲能量。

对于典型的调制器材料(例如，BBO)和调制器长度，利用腔内的一系列色散元件(例如，反射镜)可相对容易地补偿由EOM产生的色散。由腔内要补偿的正色散和孤子条件来确定色散反射镜的数量，所有反射镜、激光介质、薄膜偏光器以及BBO EOM都对正色散做出了主要贡献。后者(由孤子条件来确定色散反射镜的数量)表明，对于一定的往返脉冲能量、自相位调制参数和要获得的脉宽，在腔内必须是一定的负净色散占主导。由于在EOM开关的情况下可以实现大的光束横截面，所以自相位调制的参数κ仅由激光介质中的光束横截面及其非线性折射率n₂来确定。

对于色散补偿，可以使用色散反射镜，例如Gires-Tournois干涉仪，其由此用来补偿腔内的正色散并用来满足孤子条件。

利用根据脉冲解耦原理的激光系统的这种设计，生成了重复频率高达1MHz且脉冲能量为500nJ因此功率超过1MW的飞秒脉冲。该激光系统利用色散反射镜和可饱和吸收体反射镜按模式耦合方式进行工作。

由于可实现的辐射特性，根据本发明的激光系统还允许直接使用，即无放大器材料处理。这里，由与材料直接接触的辐射场生成处理所用的等离子体。

附图说明

下面示例性地示出并仅通过举例更详细地描述了根据本发明的激光系统的工作示例。具体地，

图1示出了飞秒范围内的根据本发明的激光系统的第一工作示例的图；

图2示出了皮秒范围内的根据本发明的激光系统的第二工作示例的图；

图3示出了在飞秒结构下对于15kHz的重复频率腔内的脉冲能量随时间变化的曲线图；

图4示出了在飞秒结构下对于173kHz的重复频率腔内的脉冲能量随时间变化的曲线图；

图5示出了在皮秒结构下对于1MHz的重复频率腔内的脉冲演化的图；

图6示出了在皮秒结构下对于1MHz的重复频率在腔外解耦后的脉冲演化的图；

图7示出了在皮秒结构下对于100kHz的重复频率腔内的脉冲演化的图；以及

图8示出了对于飞秒和皮秒结构解耦能量随解耦频率变化的曲线图。

具体实施方式

图1示出了针对飞秒范围的根据脉冲解耦原理的根据本发明的激光系统的第一工作示例。在本身已知的实施例中激光系统基于折叠腔。所用的激光介质11为掺镱的LG760玻璃，在976nm下发光的泵浦二极管9通过两个消色差透镜10的组合来对激光介质11进行泵浦。其他适用于激光介质11的材料例如为掺镱钨酸盐类，举例来说，如Yb:KGW或Yb:KYW。透镜10的焦距分别为30mm和75mm。由可饱和吸收的反射镜14和用于产生必要负色散的色散反射镜6a-d、7a-g、8a-i带来孤子模式耦合。为了避免声光调制器的过度自相位调制，采用偏硼酸钡(BBO)普克尔元件作为电光元件1，电光元件1与薄膜偏光器4一起用于脉冲解耦，电光元件1通过高压电源2与作为开关信号发生器3的计算机相连。根据施加给电光元件1的电压，激光束的偏光面发生旋转，使得通过薄膜偏光器4可实现解耦。

在腔中，脉冲根据噪声或根据从先前脉冲剩余的辐射场建立起来，并在每次渡越激光介质11时得到放大，在色散反射镜6c-d、7a-g、8a-i处发生多次反射。在一定次数的通过放大激光介质11的谐振腔往返和渡越之后，利用电光元件1经由薄膜偏光器4的开关，通过偏光旋转将脉冲解耦为激光脉冲。该结构仅表示根据脉冲解耦原理的激光器结构的一个工作示例。

图1的激光器结构中的单个组件标示如下：

1 电光元件

2 高压电源

3 开关信号发生器

4 薄膜偏光器

5 高反射体

6a-d 色散平面镜

7a-g 色散平面镜

8a-i 色散曲面镜

9 泵浦二极管

10 消色差透镜

11 激光介质

12 光电二极管

13 双折射滤波器

14 可饱和吸收的反射镜

另一适用于电光调制器的元件例如为包含RTiOPO₄或磷酸钛氧铷(RTP)的元件。由于发生了热漂移效应，所以在这一方面进行重调或校准是有利的。

图2示出了根据利用EOM进行脉冲解耦的原理的二极管泵浦、SESAM模式耦合的Nd:YVO₄皮秒激光器，作为根据本发明的激光系统的第二工作示例。该激光系统类似于图1中示出的结构，并且在本身已知的实施例中同样基于折叠腔，然而在图2中出于清晰的考虑并未明确地将其示出。将设有部分透明的反射镜层15且由泵浦二极管9’经由两个消色差透镜10’的组合泵浦的Nd：YVO₄用作激光介质11’。通过电光元件1’和薄膜偏光器4’来实现脉冲解耦。通过可饱和吸收的反射镜14’来实现模式耦合。利用曲面镜16来使腔折叠。

与图1中的飞秒激光系统相比，可省去色散管理，使得无需一系列色散反射镜元件。

在生成皮秒脉冲时，出于稳定的原因，有利的是选择非线性相位小于100mrad，尤其小于10mrad，按谐振腔往返和可饱和吸收体反射镜的1％调制深度来计算非线性相位。例如R.Paschotta，U.Keller在“Passivemode locking with slow saturable absorbers”(Appl.Phys.B73，第653到662页，2001)中，描述了自相位调制对皮秒激光器稳定性的影响。通过在电光调制器和激光介质中选择相应较大的模直径，可以将非线性相位保持得足够小。

作为图1和图2的结构的另选，还可采用按所谓的薄盘结构的盘状激光介质，除了圆形泵浦光斑，还可以利用非对称泵浦光斑来对该激光介质进行泵浦。为了避免激光活性材料的过高热负载，将大体拉长的泵浦光斑入射到置于热汇(temperature sink)上的激光介质上，从而形成了二维热流。于是，改善了冷却，并降低了最高温度。例如在PCT/EP2004/005813中描述了这种结构。多次反射效应还可以用来生成拉长的泵浦光斑。这里，利用相对于另一表面倾斜的反射镜表面，可以实现反射点距离可变的多次反射，这导致在一定次数的反射之后出现方向反转。在该示例中，在反射镜表面与激光介质内或其上的反射层之间实现反射，该反射层可用在激光介质与热汇之间。例如来自单个激光器二极管或多个激光器二极管的泵浦光束从该装置的一侧进入并再次被解耦，使得可以实现有利设计的结构。然而另选地，反射镜表面还可被设置为面平行于反射层，使得可以按照本身已知的方式由另一反射镜实现对部分光束的方向的反转。按照类似的方式，要放大的激光模式以及辐射场也可多次通过激光介质，因此可以经历多次放大。特别地对于最小化自相位调制，盘结构具有如下优势，即光学激光介质的光学长度可保持得非常小(通常远小于1mm)。

图3和图4示出了腔内的脉冲能量随时间变化的曲线。利用根据本发明的激光系统，可实现最高超过1MHz的解耦重复频率，解耦脉冲与弱背景脉冲之间的对比优于1：1000。获得的脉冲能量超过400nJ，这对应于超过1MW的峰值脉冲功率。输出的谱宽为4nm，解耦脉冲的持续时间约为300fs(这由自相关来确定)。因此，得到为0.33的时间带宽积，这接近于傅立叶极限。

图3和图4示出了脉冲解耦之间的弛豫的典型曲线。图3示出了重复频率为15kHz下的曲线，而图4示出了重复频率为173kHz下的曲线。在图4中，在每次解耦之后再次达到稳态，大大抑制了弛豫振荡，这可通过孤子脉冲动力学来进行解释。在图4中，在辐射场建立期间并因此在达到稳态之前发生解耦。

图5示出了在包括利用EOM的Nd：钒酸盐激光器的皮秒结构中对于1MHz的重复频率，腔内的脉冲演化的图。按照归一化形式并相对于基准值将脉冲演化标绘为时间的函数。再次示出了单个解耦过程和对脉冲的后续建立。解耦度约为40％，并且腔外测得的脉冲能量约为1.7μJ。

图6中针对该示例示出了解耦后腔外的脉冲演化。

图7示出了在皮秒结构中针对100kHz的重复频率腔内的脉冲演化的图。单个解耦过程之间的激光弛豫振荡非常明显。

图8示出了对于皮秒情况解耦能量作为解耦频率的函数的曲线。在大约400kHz处观察到的过度上升对应于在该解耦频率处出现的弛豫振荡的第一极大值。

当然，示出的激光系统或激光器结构仅表示根据本发明可以实现的多个实施例的工作示例，本领域技术人员可以例如利用其他谐振腔结构、谐振腔元件或泵浦方法(例如，薄盘激光器)得到实现该激光器设计的另选形式。特别地，例如通过利用使得可以实现更高重复频率的另选色散元件、激光介质或其他电光元件，可以设计不同于所述示例的开关和/或控制元件。

Claims (18)

1、高重频模式耦合超短脉冲激光系统，用于根据脉冲解耦原理生成重复频率大于10kHz的飞秒或皮秒脉冲，该高重频模式耦合超短脉冲激光系统至少包括：

放大激光介质(11，11’)；

激光谐振腔，具有至少一个谐振腔反射镜(6a-d、7a-g、8a-i、16)和至少一个脉冲解耦元件(1，1’)；

可饱和吸收体反射镜(14，14’)；以及

泵浦源(9，9’)，用于对该放大激光介质(11，11’)进行泵浦，

其中，该脉冲解耦元件(1，1’)为电光调制器。

2、根据权利要求1所述的高重频模式耦合超短脉冲激光系统，其特征在于，该电光调制器为BBO元件。

3、根据权利要求1所述的高重频模式耦合超短脉冲激光系统，其特征在于，该电光调制器为RTP元件。

4、根据权利要求1所述的高重频模式耦合超短脉冲激光系统，其特征在于，该高重频模式耦合超短脉冲激光系统包括至少一个用于色散补偿的色散反射镜(6a-d、7a-g、8a-i)。

5、根据权利要求4所述的高重频模式耦合超短脉冲激光系统，其特征在于，该高重频模式耦合超短脉冲激光系统被形成为，在生成皮秒脉冲时，非线性相位小于100mrad，该非线性相位是按谐振腔往返并按该可饱和吸收体反射镜的1％调制深度来计算的。

6、根据权利要求1所述的高重频模式耦合超短脉冲激光系统，其特征在于，该高重频模式耦合超短脉冲激光系统被形成为，在生成飞秒脉冲时，r参数小于1，

其中，r参数为由下式表示的谐振腔周期与孤子周期之比，

$r=\frac{E\&CenterDot;\mathrm{\&kappa;}\&CenterDot;1.763}{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{FWHM}}\&CenterDot;1.134},$

其中，E表示脉冲能量，

κ表示自相位调制参数，

τ_FWHM表示sech²孤子的半最大值处的全宽度。

7、根据权利要求1所述的高重频模式耦合超短脉冲激光系统，其特征在于，该放大激光介质(11，11’)为掺镱玻璃或Nd:YVO₄。

8、根据权利要求1所述的高重频模式耦合超短脉冲激光系统，其特征在于，该放大激光介质(11，11’)包括掺镱钨酸盐。

9、根据权利要求1所述的高重频模式耦合超短脉冲激光系统，其特征在于，该放大激光介质具有盘状几何结构。

10、根据权利要求1所述的高重频模式耦合超短脉冲激光系统，其特征在于，该泵浦源是按照如下方式来形成并设置的，即，使得形成长宽比至少为2：1的泵浦光斑，该泵浦光斑由单个光线或多个光线的组合构成。

11、根据权利要求1所述的高重频模式耦合超短脉冲激光系统，其特征在于，该泵浦源是激光器二极管源。

12、根据权利要求3所述的高重频模式耦合超短脉冲激光系统，其特征在于，该RTP元件具有用于补偿热漂移的元件。

13、根据权利要求4所述的高重频模式耦合超短脉冲激光系统，其特征在于，该色散反射镜为Gires-Tournois干涉仪。

14、根据权利要求5所述的高重频模式耦合超短脉冲激光系统，其特征在于，该非线性相位小于10mrad。

15、根据权利要求6所述的高重频模式耦合超短脉冲激光系统，其特征在于，该r参数小于0.25。

16、根据权利要求8所述的高重频模式耦合超短脉冲激光系统，其特征在于，该掺镱钨酸盐为Yb:KGW或Yb:KYW。

17、根据权利要求10所述的高重频模式耦合超短脉冲激光系统，其特征在于，所述光线由激光器二极管生成。

18、将根据任一前述权利要求所述的高重频模式耦合超短脉冲激光系统用于通过等离子生成进行的直接材料处理。

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