CN100566052C - 激光束的多次反射延迟线元件以及包括该延迟线元件的谐振器和短脉冲激光器装置 - Google Patents
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Abstract
激光束(15)的多次反射延迟线元件(18)，包括多次反射激光束以减小在预定光程下的激光谐振器(12)的尺寸的反射镜元件，其中该反射镜元件包括玻璃元件21的两个对置的、沿纵向延伸的抛光表面(S2、S3)，该玻璃元件(21)在一个方向上延伸，并且进一步包括抛光的激光束入射表面(S1)以及抛光的激光束出射表面(S4)，其中该玻璃元件(21)的反射镜元件的表面(S2、S3)位于入射表面(S1)和出射表面(S4)之间，并且与激光束(15)形成角度(θ1)，该角度(θ1)至少等于全反射的临界角(θc)，而该入射表面(S1)和出射表面(S4)与该玻璃元件的激光束(15)形成角度(θ2)，该角度(θ2)小于全反射的临界角(θc)。
Description
技术领域
本发明涉及激光束的多次反射延迟线元件，该延迟线元件包括用于激光束的多次反射以便减小既定光程下激光谐振器的尺寸的反射镜元件。
此外，本发明涉及包括该延迟线元件的谐振器和短脉冲激光器装置。
背景技术
近年来，短脉冲激光器装置引起了越来越多的兴趣，因为它们在＞1MW的脉冲峰值功率下具有在毫微微秒(fs)范围内的极短脉冲持续时间，所以它们能够用于研究和工业中的许多应用。具有在毫微微秒范围内的脉冲持续时间的这类短脉冲激光器装置因此能够用于在电磁辐射和物质之间的相互作用的时间分辨的研究。另一方面，材料加工中的不断微型化允许精确而高速地制造超精细结构。具有高输出脉冲能量和高重复频率的毫微微秒激光装置可理想地用于该目的。在这方面，希望拥有一种产生具有大约10毫微微秒的脉冲持续时间以及例如25至30nJ的能量的激光脉冲的激光装置。常常，普通的钛蓝宝石毫微微秒激光器也寻求相对缓慢的脉冲重复频率(大约10MHz而非例如80MHz)，因为它们能够获得更高的峰值脉冲功率或更高的脉冲能量，这对于材料加工来说是非常重要的。然而，这种较低的重复率进而包括相对长的激光谐振器中的脉冲循环时间，从而导致谐振器长度相应增加，这仅凭计算就可得出。
基本上认为，激光谐振器必须具有既定光程Lr＝c0/2fr，其中c0＝激光速度，以便获得既定重复频率fr。毫微微秒振荡器中的这种光程Lr一般说来由空气构成的传播路径来决定。为了减少谐振器的尺寸，早已有人建议在所谓的多次反射望远镜中通过在对置的反射镜上的重复反射来增加激光束的脉冲循环时间，例如，参见WO 2003/0983134 A2。
对于激光装置，尤其是短脉冲激光器装置的构造而言，获得紧凑的小尺寸仍然是一个关注的问题，即使没有任何特殊的、缩短的脉冲重复率；其中，在这种情况下，当然也可以实施在反射镜元件上的多次反射原理。
发明内容
本发明的目的是提供以上定义的那类多次反射延迟线元件，以及包括该延迟线元件的激光谐振器和短脉冲激光器装置，能够实现特别小的紧凑型设计。本发明基于以下发现：如果不使用如传统短脉冲激光器装置所常用的空气传播路径，那么就可以减小谐振器的实际长度，在传统短脉冲激光器装置中，其光程和实际长度基本上相同，而如果使用在折射指数高于空气的介质中传播，在该情况下，其实际长度与该折射指数成反比是可行的，即减小了该实际长度。本发明进一步基于以下原理：如果该激光束以相应的倾斜角度撞击具有不同折射指数的所述介质与环境(空气)之间的界面，这种介质的使用和因此在具有不同折射指数的所述介质与环境(空气)之间的界面的存在使得激光束全部反射。众所周知的，在界面上的该全反射临界角取决于该两种折射指数的商。
相应地，以上定义的那类根据本发明的多次反射延迟线元件的特征在于，所述的反射镜元件由玻璃元件的两个对置排列且沿纵向延伸的抛光表面构成，该玻璃元件优选为玻璃棒，该玻璃元件在一个方向上延伸，并且进一步包括抛光的激光束入射表面以及抛光的激光束出射表面，其中该玻璃元件的反射镜元件的表面位于该入射表面和出射表面之间，并且与该激光束形成了一角度，该角度至少等于全反射临界角，而该入射表面和该出射表面与该激光束形成小于该全反射临界角的角度。
这种结构可以有利地实现上述目的，同时，与空气传播路径相比，获得了实际长度的减小，该减小对应于商1/n，这由玻璃折射指数n给出，此外还对应于系数1/sinθ1，其中，角度θ1是每个激光束撞击玻璃元件/环境界面的角度，即，玻璃元件的平面抛光面上撞击的角度；因此，根据该激光束的多次反射和根据该玻璃元件的玻璃材料的折射指数，该激光束因此在玻璃元件中被“延迟”，其中，例如，在具有既定长度和厚度以及既定折射指数的玻璃棒的情况下，作为该入射角θ1的函数，将获得几乎2倍的光程长度，对应于的激光束穿过延迟线元件时的相应时间延迟，例如，对于具有大约70mm长度的玻璃棒来说，大约延迟40ns。换句话说，为了达到相同的延迟或相同的光程长度，空气中的直线传播路径几乎是目前的延迟线元件的长度的2倍。如果不是只提供一个延迟线元件，而是在一个激光谐振器或激光装置中安装几个延迟线元件，那么可以显著减小该谐振器长度或该激光装置的尺寸。
由于生产的原因，也为了确保在全反射期间的一致条件，优选地，该玻璃元件的抛光反射镜元件表面彼此平行。该玻璃元件的抛光反射镜元件表面之间的相对距离优选为该玻璃元件中的激光束的平均波长的至少30倍。这可以优化玻璃元件中的全反射数。
出于对称性的考虑，此外，如果该玻璃元件的激光束入射表面和激光束出射表面相互平行，那么这将是有利的。由该玻璃元件形成的延迟线元件或组件从而可以同样地从任何一侧进行操作。
脉冲持续时间在微微秒和毫微微秒范围内的超短激光脉冲具有在该频率范围内的宽谱。已经证实了具有跨越全部光学倍频程的光谱(例如在500-1000nm之间)的脉冲，而且输送具有约200nm的谱宽(以800nm的平均波长为中心)的脉冲的短脉冲激光器装置早已在市场上可买到。为了形成在该时间范围内的短脉冲，宽带信号的频率成分必须要一致。由于折射指数的波长依赖性(也称为色散)，在穿过致密的光学介质时，不同的光谱成分被不同地延迟。为了定量地描述这一效果，引入了群延迟色散(GDD)，在下文中简称为GDD，作为在圆周频率之后的光谱相位的二阶导数。如果光学系统的GDD等于0，激光脉冲在穿过该系统时的持续时间保持不变。然而，如果该光学系统的总GDD≠0，那么在该系统的出口的脉冲持续时间的值不同于在其进口时的值。为了抵消这一脉冲变化，必须补偿该光学系统中的GDD，即，必须引入相同值然而符号相反的GDD。为了实现这种色散补偿，开发了各种光学组件：棱镜对，栅板对和色散反射镜(例如，参见US 5,734,503A)。由于色散多层反射镜(通常称为啁啾反射镜-CMs)有较大的带宽、用户友善性和紧凑性，它们已经越来越多地用于科研和工业应用。
本发明光学延迟元件现在不仅能够卓有成效地延迟激光脉冲，而且，作为本发明的进一步深入，还可以对GDD进行精确和简单的控制，其中，尤其可以有利地全部或部分补偿、或者甚至过度补偿通过玻璃传播路径所引入的群延迟色散。
已经发现，多层干涉滤光片可用于控制GDD(参见Gires F，Tournois P(1964)：Interférometre utilisable pour la compensationd′impulsions lumineuses modulées en fréquence.C.R.Hebd.Acad.Sci.258：6112-6115)。在CM反射镜上的反射期间，激光束的不同波长成分在被反射之前以不同深度穿透所述CM反射镜的各层。因此，作为各自的穿透深度的函数，不同的频率成分延迟不同长度的时间。因为许多光学成分具有正GDDs，所以GDD补偿在大多数情况下需要负GDD。为了获得负数GDD，该短波波包在CM反射镜的上层反射，而长波部分在被反射之前更深地穿透CM反射镜。如此，该长波频率成分相对于短波成分在时间上延迟，这将导致所需的负数GDD。然而，GDD的控制不仅在借助啁啾反射镜(也就是CM反射镜)的情况下可行，而且借助谐振器状的多层滤光片(共振色散反射镜)也是可行的，参见前述Gires F，Tournois P的文章或文献US 6,222,673 B1，US 6,154,318 A和WO01/05000 A1。在这些技术中与滤光片相互作用的光束的群延迟的频率相依性通过该多层结构中的各种波包的存储时间而控制。
已经有人提出了色散多层反射镜的不同设计方法和实施方案。用于计算色散多层的层厚度的准分析方法(例如，参见Matuschek N，
FX，Keller U(1999)：具有按用户规格订制的色散特性的双啁啾反射镜的分析设计。IEEE J.Quantum Electron.35：129-137；R，
A(1997)：啁啾介质激光反射镜的理论和设计。Appl.Phys.B65：115-135；Tempea G，Krausz F，Spielmann Ch，Ferencz K(1998)：用啁啾介质反射镜的对150 THz的色散控制。IEEE JSTQE 4：193-196；US 6 462 878 B1)现在已经允许设计具有高达400nm的带宽的CM反射镜(在780或800nm的平均波长下)。一对反射镜(Laude V.和Tournois P.(1999)：用于超宽带色散控制的啁啾反射镜对，Conference on Lasers andElectro-optics(CLEO/US)，OSA Technical Digest Series，OpticalSociety of America，Washington，D.C.，paper CtuR4以及US 6 590925 B1)和具有楔形正面的CM反射镜(Matuschek N，Gallmann L，Sutter DH，Steinmeyer G，Keller U(2000)：具有超光滑宽带色散特性的背面涂布的啁啾反射镜.；Appl.Phys.B 71：509-522；Tempea G，Yakovlev V，Bakovic B，Krausz F，Ferencz K(2001)：倾斜的前界面啁啾反射镜；JOSA B 18：1747-1750；以及WO 02/06899 A2)已经使得在全光学倍频程范围内，例如在500nm和1000nm之间的GDD控制变得可行。顺便提一下，所有那些进展目的在于扩大色散反射镜的带宽，而没有改进用CM反射镜或延迟线元件形成的谐振器的紧凑性。越来越多的工业和医学应用然而要求开发极度紧凑和稳定的毫微微秒源。
本发明延迟线元件，也称为集成色散延迟线(IDDLs)，与紧凑度明显超过使用用于GDD控制的CM反射镜或棱镜对的振荡器的激光源组件结合，现在能够精确控制GDD。
因此，根据本发明的延迟线元件的一个特别有利的进一步的实施方式的特征在于，玻璃元件在抛光反射镜元件表面的外侧具有引起反射激光束的既定群延迟色散(GDD)的多层涂层。根据本发明的光延迟线元件或组件因此在玻璃元件的反射表面(界面)上设有多层干涉滤光片，它以本身常规的方式根据相应的愿望引入了群延迟色散。一般说来，包括常规组件例如激光晶体、半透明镜等的激光系统具有正GDD，为了能够在此类情况下进行补偿，本发明延迟线元件的玻璃元件的抛光表面的涂层应该通过以不同长度的时间储存不同波长的激光辐射而产生负值GDD。这样做时，玻璃元件的反射抛光面的反射率则不会改变，与色散反射镜或谐振色散反射镜相反(WO 01/05000 A1)。这些表面的高反射率由所提到的全反射提供，由所述涂层提供的多层干涉滤光片仅仅用于形成既定的GDD。这也与例如在US 6,256,434 B1中提出的技术相冲突，根据该文献，激光晶体在两面设有多层涂层，以便在该晶体上提供多层反射镜，使得该激光束被“禁锢”在该晶体中，此外，产生了负值GDD。然而，用本发明延迟线元件，该涂层仅用于诱发既定GDD，而借助全反射获得了高反射率，随后可以用该多层涂层引入特别高的GDD值，以便能够获得用于光学长延迟线的紧凑结构。这将在以下具体的示例实施方案中得到更加清楚地证明。
所述涂层的使用能够将恒定或频率依赖的GDD引入到本发明的延迟线元件中。尤其，所引入的GDD可以是负值，其中，在同是为了补偿该系统的其它部分的正GDD的过度补偿的意义上，它的绝对值还大于没有涂层的玻璃元件中的激光束的整个路径长度的正GDD。然而，当然还可以确定负GDD值，使得它的绝对值基本上等于玻璃元件中的路径长度的正GDD值，以便精确补偿本发明延迟线组件的GDD，因此，根据群延迟色散获得外部中性延迟线组件。顺便说一下，当然还可以想到，如果被认为对于特定应用有用的话，由该涂层引入的负GDD的绝对值小于总玻璃路径的正GDD，。
如果要满足高质量要求，该玻璃元件可以有利地由石英玻璃(热解法硅石)制备，然而它还可以由BK7玻璃(以该名称为大家所知道的硼冕玻璃)或CaF2玻璃(氟化钙玻璃)制成，如果激光装置的应用与紧凑性和坚固性相关，则采用BK7玻璃较好，CaF2玻璃的特点在于其低折射指数和采用既定色散涂层使其具有比较高的总延迟线净色散。
该玻璃元件的激光束入射表面和出射表面与该激光束一起优选形成了本身已知的布儒斯特角。然而，该入射表面和出射表面还可以设有任何其它已知的抗反射涂层。从而可以防止在这些表面上的不希望有的降低效率的反射。
在该玻璃元件的反射抛光表面上设有的多层涂层例如可以用SiO2和TiO2层形成，或用SiO2和Ta2O5层形成，就其稳定的激光束产生来说，尤其在多光子显微镜检查、太拉赫产生、光谱学以及材料加工的应用中，所述材料已经证明是较好的。然而，就涂布工艺的便利来说，SiO2和Nb2O5层已经证明是较好的。
本发明延迟线元件可以有利地在用于产生短脉冲激光的激光谐振器和短脉冲激光装置中使用，如果使用几个这种延迟线元件或延迟组件，那么是特别有利的，因为它们能够获得具有极小尺寸的谐振器和激光装置的特别紧凑的结构。
附图说明
在下文中，参考附图用优选的示例性实施方案来详细说明本发明，然而，本发明不限于这些实施方案。其中：
图1是包括图示延迟线元件的短脉冲激光器装置的结构示意图；
图2是根据本发明的延迟线元件的纵向示意图；
图3描述了沿图2的线III-III剖取的、通过这类玻璃元件延迟线元件的示意性剖视图；
图3A是类似于图3的、通过改变的玻璃元件延迟线元件的示意性剖视图；
图4是说明了在使用具有目的用于GDD补偿的多层涂层的这种延迟线元件时获得的负GDD(fs2)随波长(nm)变化的函数关系图；和
图5和6示意性描述了延迟线元件在激光谐振器或短脉冲激光器装置中的两种可能的排列。
具体实施方式
图1示意性地显示了传统的短脉冲激光器装置11，该装置本身是已知的，例如采用已知用于产生短脉冲的克尔透镜模式锁定原理。
根据图1的激光装置11包括谐振器12，向该谐振器12供给泵浦光束13，例如氩气激光束。该泵浦激光器本身，例如氩激光器，为了简化起见而在图1中被省略，该激光器属于现有技术。
在通过透镜L1和分色镜M1之后，激发光束13激发激光晶体14，在本实施例中该激光晶体14为钛：蓝宝石(Ti:S)固体激光器晶体。该分色镜M1可透过该激发光束13，然而高度反射该Ti:S激光束15。该激光束15，即谐振器光束，随后碰撞激光反射镜M2和被激光反射镜M2反射到激光反射镜M3。激光反射镜M3进而将该激光束反射到激光反射镜M4，由激光反射镜M4将该激光束15反射回到激光反射镜M3，M2和M1，再次通过该激光晶体14。包括反射镜M2，M3和M4的该谐振器部件形成了第一谐振器臂16，它在所示出的实施例中为Z形。
激光束15然后从反射镜M1反射到激光反射镜M5，从那里反射到激光反射镜M6，进一步反射到激光反射镜M7，这些形成了同样以Z形方式折叠的第二谐振器臂17。该激光束15从激光反射镜M7到达延迟线元件18，该元件在图1中仅仅示意性插入，从该元件再到达用作输出耦合器的端镜OC。经由该输出耦合端镜OC，激光束15的一部分耦合输出，同时提供补偿选择，其中提供补偿小片CP以及采用薄层技术制成的镜片(未示出)用于色散补偿，并且务必使得在激光谐振器12的方向上不出现不希望有的反射。
激光晶体14是平面平行体，它是光学非线性的并形成了克尔元件，激光束15的电场强度越高，该激光晶体具有越高的有效光学厚度，但如果减小该激光束的电场强度，则具有较小的有效光学厚度。本身已知的这一克尔效应用于激光束15的自聚焦，即，该激光晶体14形成了该激光束15的调焦透镜。此外，能够以本身已知的方式实现模式锁定，例如借助光圈(例如参见AT405992 B)；此外，还可以设想将端镜之一，例如M4设计为可饱和的布拉格反射器而因此使用它来实现模式锁定。
反射镜M1，M2...M7可以用薄膜技术实现，即，它们各自由多层构成，该多层在具有大的光谱带宽的超短激光脉冲的反射期间实现它们的功能。该激光束15的各种波长成分在被反射之前以不同深度穿透到各个反射镜的各层中。这引起了各种波长成分在各个反射镜上的不同长度的延迟；短波成分在更外面被反射(即，接近表面)，而长波成分在反射镜中的更深处被反射。这导致长波成分相对于短波成分在时间上被延迟。这样，以已知的方式提供了色散补偿，因为时域特别短的脉冲(优选在等于或小于10毫微微秒的范围内)具有宽的频谱。这归因于以下事实：激光束15的不同频率成分“了解”激光晶体14中的不同折射指数，即该激光晶体14的光学厚度对于不同频率成分来说是不同的，因此，在穿过该激光晶体14的时候，不同频率成分被不同地延迟。这一效果能够通过在薄层激光反射镜M1，M2...M7上的所谓色散补偿来克服。
迄今已经描述了具有模式锁定的短脉冲激光器的结构，它本身是常用的(例如，参见WO 03/098314 A2)，因此，在这里不需要详细说明。
如以上所指出的，在操作过程中，在激光束15的每一循环时借助输出耦合器，即端镜OC将该激光脉冲的一部分耦合输出。为了即使在所形成的谐振器具有较小尺寸的情况下也获得所需循环时间，从而获得所需的重复率，通过安装延迟线元件18来增加激光谐振器12的长度(即光程)。
这样做时，提供了多次反射，然而以不同于短脉冲激光器装置的方式，该短脉冲激光器装置以已知的方式装有用于延迟元件的望远镜(WO 03/098314 A2)。本发明利用全反射的效应，这将在下文通过图2和3来说明，图2和3举例说明了延迟线元件18的一个至少目前特别优选的实施方案。
当光束(激光束)从光密介质进入光疏介质时，在相应的该光束的倾斜入射时将发生全反射。全反射已用于激光装置，以便增加该激光束和该激光晶体之间的相互作用的长度并且获得提高的光束品质(参见US 6,658,036 B1和US 2004/0062284 A1)。
在分别具有折射指数ni和nt的两种介质之间的界面上发生全反射的最小角被称为临界角θc，用下式来表示：
θc＝arcsin(nt/ni)。
激光束15经由倾斜的入射表面S1(参见图2)，以与玻璃元件21(例如玻璃棒或玻璃小片)的优选平行的表面S2、S3形成角度θ1＞θc的方式耦合进入玻璃元件21中；由于全反射，激光束15在玻璃元件21中传播，直到以θ2＜θcrit的角度撞击在相应的倾斜的出射表面S4上为止，以便在没有任何进一步的全反射的情况下出射。因此，激光束15传播经过的光程L＝a/sin(θ1)，该光程L比玻璃元件21的实际长度大1/sin(θ1)倍。
代替如图3所示的玻璃棒，如上文所指出的和在图3A的剖面图中所示出的，当然可以使用具有稍微不同形状例如小片形状的玻璃元件作为所述玻璃元件21。在这种情况下，玻璃元件21的侧面(在窄边上)还可以按弓形而非直线或矩形方式形成，另一方面，在图3的剖面图中所示的玻璃棒玻璃元件21也可以具有相应的向外弯曲的侧面。
如上文所指出的，激光谐振器必须具有既定光程Lr＝c0/(2fr)，以便达到既定重复频率fr。如果延迟线元件18不是由空气路径构成，而是由玻璃元件21形成，那么，相对于具有空气传播路径的谐振器，该谐振器的实际长度现在可以减小大约1.45倍(这对应于目前的玻璃的折射指数)，在具有空气传播路径的谐振器中，光程和实际长度实际上是相同的。该实际长度根据另一系数1/sinθ1减小，因为如图2所示，光束15不是沿着玻璃棒21直线传播，而是由于全反射而在它的表面S2、S3之间来回反射。
为了能够使这种延迟线元件18特别有利地应用于紧凑型短脉冲激光振荡器的构造(尤其是毫微微秒激光振荡器)，它应该包括负值群延迟色散(GDD)，以便补偿其余激光器组件(激光晶体14，半透明反射镜M1，OC等)的正GDD。然而，光学玻璃将以大多数短脉冲激光器的波长引入正GDD；例如，大多数目前的光学玻璃在800nm(Ti：蓝宝石激光器的平均波长)下将引入从30fs2/mm到50fs2/mm的GDD。根据图2和3的光学延迟线元件18，即玻璃元件21，现在在其对置的反射表面S2、S3上具有多重干涉滤光片，即，多层涂层B、B’；这些多层涂层B、B’通过以不同长的时间段“储存”不同波长的辐射而产生负值GDD。不像谐振色散反射镜(例如，参见WO 01/05000 A1)，所述多层干涉滤光片却不会改变表面S2、S3的反射率(即，反射能力)。因为表面S2、S3的高反射率通过所述全反射提供，所以该多层干涉滤光片B，B′仅用于诱发既定GDD。如果该多层涂层B、B’仅用于诱发既定GDD(并且高反射率通过全反射获得)，那么如在以下实施例中所表明的，涂层B、B’能够引入更高的GDD值，因此，除了补偿激光谐振器的其它组件的GDD以外，还允许制造没有任何缺点的玻璃的光学长延迟线元件。如由所进行的计算表明的，涂层B、B’的GDD因此能够部分或全部补偿，或甚至过度补偿玻璃传播路径的正GDD，而没有任何问题。
以下实施例阐明了这种涂层结构，从基材，例如玻璃棒21开始的连续涂层用它们的化学式和层厚度(nm)来表示：
Nb2O5 195.52
SiO2 197.82
Nb2O5 96.65
SiO2 386.25
Nb2O5 112.17
SiO2 154.91
Nb2O5 71.20
SiO2 211.83
Nb2O5 180.59
SiO2 282.06
Nb2O5 91.45
SiO2 194.93
Nb2O5 76.48
SiO2 208.76
Nb2O5 74.75
SiO2 96.33
Nb2O5 64.15
SiO2 185.78
Nb2O5 128.90
SiO2 494.08
Nb2O5 123.41
SiO2 172.20
Nb2O5 79.23
SiO2 156.87
Nb2O5 56.39
SiO2 149.73
Nb2O5 89.63
SiO2 212.65
Nb2O5 193.54
SiO2 374.60
Nb2O5 109.11
SiO2 182.27
Nb2O5 95.36
SiO2 173.74
Nb2O5 90.61
SiO2 155.99
Nb2O5 65.80
SiO2 138.98
Nb2O5 95.78
SiO2 263.92
Nb2O5 63.85
SiO2 154.01
Nb2O5 115.68
SiO2 203.93
Nb2O5 95.38
SiO2 185.78
Nb2O5 92.00
SiO2 183.01
Nb2O5 88.57
SiO2 176.82
Nb2O5 83.01
SiO2 169.79
Nb2O5 81.95
SiO2 174.18
Nb2O5 91.47
SiO2 196.06
Nb2O5 82.37
SiO2 214.89
Nb2O5 117.70
SiO2 251.14
Nb2O5 189.66
以上所示的层顺序产生了每次反射-275fs2的GDD，并且在100nm的带宽范围内(每次反射)补偿7.7mm石英玻璃的传播路径的GDD和TOD(在角频率后的光谱相位的三级色散-三阶导数)。根据图4的相关GDD是在假定石英玻璃/空气界面上的入射角为45°(＞θ1)的情况下计算的。
如果图2中所示的延迟线元件18具有厚度d＝5mm和长度a＝70mm，并且如果激光束入射角θ1＝45°，玻璃板21中的总实际路径长度是大约92mm，该路径长度对应于大约133mm的光程长度和44.4ns的延迟。为了引入相同的延迟，与集成延迟线元件18的长度a相比，空气中的直线传播路径必须长1.9倍。如果激光脉冲(尤其毫微微秒激光脉冲)在该延迟线元件18中传播，那么在延迟线元件18的出口(出射表面S4)的脉冲持续时间会等于入口脉冲持续时间，只要该延迟线元件18的GDD在该脉冲的整个谱宽内等于0。为此，反射面S2、S3设有所述多层干涉滤光片涂层B、B′，这些涂层补偿玻璃元件21的玻璃材料的正GDD。对于图2中的延迟线元件，92mm长玻璃路径的总色散是3309fs2(假设玻璃棒21由石英玻璃制成)。在表面S2、S3上提供的涂层B、B’因此会产生每次反射大约-275fs2的GDD。包括以上举例的层的涂层和层厚能够获得所述GDD(如图4中所示的)和另外还补偿100nm的三阶色散。
具有本发明延迟组件18的多层涂层B、B′不改变表面S2、S3的反射率(由于全反射，该反射率为100％)，而仅仅引起反射光脉冲的群延迟的频率相依性。这将得到实现，因为不同的频率成分在该多层涂层B、B′中具有不同的存储时间。然而，应该再次强调的是，与本身已知的色散涂层相反，所提供的色散涂层不会影响它们所涂覆的表面S2、S3的反射率(这些反射率已经由全反射给出)，而仅仅改变反射脉冲的光谱相位。
图5和6举例说明了本发明集成色散光延迟线元件在激光振荡器中的应用，然而，本发明当然不限于这些结构。
图5显示了一种激光振荡器，即谐振器12，它包括激光晶体14，两个集成色散延迟线元件18和四个反射镜M1，M2，M3，M8。由泵浦光束13产生的激光束15在该两个延迟线元件18的表面(图2、3中的S2、S3)之间传播，并且通过两个曲面反射镜M1和M2在激光晶体14中聚焦或重新聚焦。该反射镜M1在泵浦激光器(光束13)的波长下具有高透射率，因此，能够将泵浦光束13耦合进入激光晶体14中。激光晶体14仅仅在图5中示意性说明；激光晶体14还可以使用具有特殊几何形状的晶体，所述的特殊几何形状允许在激光束15和晶体表面之间形成布儒斯特角。谐振器的长度和相应的激光器重复频率以及谐振器12的稳定性条件决定了该两个延迟线元件18的长度。两个端镜之一M3或M8在激光束15的光谱范围内具有低透射率(通常在1％和30％之间)，因此可以耦合从谐振器12出来的激光束15的适当能量部分。
图6中表示的激光谐振器12不同于图5中举例说明的激光器，其不同之处在于图6所示中的每一个谐振器臂由几个集成延迟线元件18组成。该反射镜M10至M18实现了将各个延迟线元件与其相继的延迟线元件的耦合。激光束15各自在多次全反射下再次在延迟线元件18的表面之间传播，并且通过两个曲面反射镜M1和M2聚焦或再聚焦到激光晶体14中。该反射镜M1在泵浦激光的波长下具有高透射率，因此，能够将激发光束13耦合进入激光晶体14中。激光晶体14再次仅示意地举例说明，可以由具有特殊几何形状的晶体构成，所述的特殊几何形状允许在激光束15和晶体表面之间形成布儒斯特角。两个端镜之一M3或M8在激光束15的光谱范围内也具有低透射率(通常在1％和30％之间)，使得可以耦合从谐振器12出来的激光束15的适当能量部分。
Claims (19)
1.激光束(15)的多次反射延迟线元件(18)，包括沿纵向延伸的玻璃元件(21)，所述玻璃元件(21)包括两个对置的、沿纵向延伸的反射镜元件表面(S2、S3)，所述反射镜元件表面(S2、S3)限定反射镜元件以减小在预定光程下的激光谐振器(12)的尺寸，并且进一步包括激光束入射表面(S1)以及激光束出射表面(S4)，其中该玻璃元件(21)的反射镜元件表面(S2、S3)位于该入射表面(S1)和出射表面(S4)之间，并且与所述激光束(15)形成的角度(θ1)至少等于全反射的临界角(θc)，而该入射表面(S1)和出射表面(S4)与所述激光束(15)形成的角度(θ2)小于全反射的临界角(θc)，其中，反射镜元件表面(S2、S3)以及入射表面(S1)和出射表面(S4)都是抛光表面，并且其中在抛光的反射镜元件表面的外侧，玻璃元件(21)具有多层涂层(B，B’)，该多层涂层(B，B’)引起反射激光束的既定群延迟色散(GDD)。
2.根据权利要求1所述的延迟线元件，其特征在于，玻璃元件(21)的抛光的反射镜元件表面(S2、S3)相互平行。
3.根据权利要求2所述的延迟线元件，其特征在于，玻璃元件(21)的抛光的反射镜元件表面(S2、S3)的相对距离至少为玻璃元件(21)中的激光束的平均波长的30倍。
4.根据权利要求1所述的延迟线元件，其特征在于，玻璃元件(21)的激光束入射表面(S1)和激光束出射表面(S4)相互平行。
5.根据权利要求1所述的延迟线元件，其特征在于，由该玻璃元件(21)的多层涂层(B、B’)引起的群延迟色散是恒定的。
6.根据权利要求1所述的延迟线元件，其特征在于，由该玻璃元件(21)的多层涂层(B、B’)引起的群延迟色散是依赖于频率的。
7.根据权利要求1所述的延迟线元件，其特征在于，由该玻璃元件(21)的多层涂层(B、B’)引起的群延迟色散是负值，按绝对值计，等于或大于没有多层涂层的玻璃元件(21)中的激光束(15)的整个路径的群延迟色散正值。
8.根据权利要求1所述的延迟线元件，其特征在于，玻璃元件(21)的多层涂层(B、B’)用SiO2和TiO2层形成。
9.根据权利要求1所述的延迟线元件，其特征在于，玻璃元件(21)的多层涂层(B、B’)用SiO2和Nb2O5层形成。
10.根据权利要求1所述的延迟线元件，其特征在于，玻璃元件(21)的多层涂层(B、B’)用SiO2和Ta2O5层形成。
11.根据权利要求1所述的延迟线元件，其特征在于，玻璃元件(21)由石英玻璃制成。
12.根据权利要求1所述的延迟线元件，其特征在于，玻璃元件(21)由BK7玻璃制成。
13.根据权利要求1所述的延迟线元件，其特征在于，玻璃元件(21)由CaF2玻璃制成。
14.根据权利要求1所述的延迟线元件，其特征在于，玻璃元件(21)的入射表面(S1)和出射表面(S4)与激光束(15)形成了布儒斯特角。
15.根据权利要求1所述的延迟线元件，其特征在于，玻璃元件(21)的入射表面(S1)和出射表面(S4)具有防反射涂层。
16.根据权利要求1所述的延迟线元件，其特征在于，玻璃元件(21)为玻璃棒。
17.用于产生短脉冲激光的激光谐振器(12)，包括激光晶体(14)和激光反射镜(Mi)以及至少一个根据权利要求1至16中的任意一项所述的延迟线元件(18)。
18.短脉冲激光器装置，该装置包括谐振器(12)，该谐振器(12)包括激光晶体(14)和多个激光反射镜(Mi)，其特征在于，在谐振器(12)中设有至少一个根据权利要求1至16的任意一项所述的延迟线元件(18)。
19.根据权利要求18所述的短脉冲激光器装置，其进一步包括被动锁模装置。
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