CN101821913B - 包括两个具有不同光谱透射率的输出耦合器的相位稳定的锁模激光器 - Google Patents

包括两个具有不同光谱透射率的输出耦合器的相位稳定的锁模激光器 Download PDF

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Abstract

一种锁模短脉冲激光谐振器(2)，包括泵浦激光束输入端(12)、非线性激光介质(13)、多个谐振器镜体(M)以及第一耦出镜体(OC1)和第二耦出镜体(OC2)，其中，第一耦出镜体(OC1)用于耦出具有第一光谱属性的激光辐射，第二耦出镜体(OC2)用于耦出具有与第一光谱属性不同的第二光谱属性的激光辐射。

Description

包括两个具有不同光谱透射率的输出耦合器的相位稳定的锁模激光器
技术领域
本发明涉及一种锁模短脉冲激光谐振器，包括泵浦激光束输入、激光晶体以及镜体，例如，在线性谐振器的情况下为至少第一端面镜和第二端面镜，在环型谐振器的情况下为多个腔镜(cavity mirror)。优选地，所述激光晶体为非线性激光增益介质。
另外，本发明涉及一种短脉冲激光结构，包括上述锁模短脉冲激光谐振器和耦合到短脉冲激光谐振器的CEP(CEP-Carrier Envelope Phase，载波包络相位)稳定装置，用于对激光辐射进行锁相。
背景技术
现有技术已经知道有锁模短脉冲激光谐振器(振荡器)，特别地是飞秒激光谐振，例如，美国专利US 5,079,772 A中所描述的。这种激光谐振器产生的激光辐射是宽带辐射，例如，其带宽范围约为650nm到1050nm。还已经知道使用激光放大器与这种激光谐振器的组合，这种激光放大器例如在1985年10月15日出版的期刊《光学通信》(OpticsCommunications，55(6))中D.Strickland和G.Mourou所著的文章“Compression of amplified chirped optical pulses”(放大后的啁啾光学脉冲的压缩)，该文章引入本说明书作为参考。这种锁模短脉冲激光谐振器所存在的一个问题是相位和频率的稳定，并且这种稳定的概念在美国专利US 6,785,303 B1和US 6,724,788 B1中进行了描述。特别地，对于相位匹配，建议使用单独的、相对复杂的干涉仪类型的单元。
另一方面，US 3,772,609 A提出了一种具有双输出系统的激光腔体结构。更具体地，其中公开了一种具有两个输出耦合镜体以及激光腔体结构的激光器，所述激光腔体结构包含活动激光介质并且产生两个不同的激光频率(波长)。一个端面镜在这两个波长中的第一波长上具有高反射率，并且在第二波长上可以进行部分传送；另一个端面镜在第二波长上具有高反射率，而在两个波长的第一波长上可以进行部分传送。因此，第一镜体设置为耦合出具有第二波长的激光束，并且对第一波长进行反射，第二镜体则设置为耦合出第一波长而反射第二波长。产生这两个激光波长的基础是，激光腔体，例如作为端面镜的具有Brewster窗口的等离子管，产生两个离散的激光波长。不同的激光波长可用于不同的目的，而不用将激光谐振器从一个工作模式切换为另一个工作模式。
与这种又频率激光系统不同，常见的锁模短脉冲激光谐振器产生宽带激光辐射，如前所述。但是，可以想象得出在一些应用中，具有不同属性的激光辐射将是有用的，并且希望不是必须从一个工作模式切换到另一个工作模式，例如US 7,172,588 B2中所公开的激光器结构，并且可以使用短脉冲的工作模式，其中产生与另一个短脉冲工作模式相比具有较低能量的激光辐射。具体地，希望在具有相位稳定装置的激光器结构中使用具有不同属性的激光辐射，具体地在具有耦合到谐振器的激光放大器的激光器结构中使用具有不同属性的激光辐射。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种锁模短脉冲激光谐振器以及可以立即获取易于制造的、具有不同属性的激光辐射、包括该锁模短脉冲激光谐振器的短脉冲激光器结构，而不用将激光谐振器从一个工作模式切换至另一个工作模式。
根据本发明的另一个目的，旨在提供一种激光器装置，其能够同时输出具有不同光谱属性的激光辐射，以便将这种激光辐射一方面馈入激光器的相位稳定装置，而另一方面馈入短脉冲激光放大器。
为了解决上述问题，本发明提供一种锁模短脉冲激光谐振器和一种短脉冲激光器结构，如独立权利要求中所限定的。本发明的优选实施例在从属权利要求中限定。
根据本发明，提供一种锁模短脉冲激光谐振器，包括泵浦激光束输入端、激光介质，优选地为非线性激光介质，例如Ti:Sapphire(Ti:Al2O3)晶体，以及谐振器镜体；具体地，振荡器包括两个用于耦出激光辐射的耦出镜体，这些耦出镜体中的第一耦出镜体设置为耦出具有第一光谱属性的激光辐射，而第二耦出镜体设置为耦出具有与所述第一光谱属性不同的第二光谱属性的激光辐射。例如，谐振器激光辐射的不同光谱部分可能经过两个耦出镜体被耦出；另外，可以耦出不同带宽的辐射，但是具有相同的中心波长，具有不同和/或相同的能量；或者耦出具有不同中心波长的辐射部分，其具有不同或相同带宽的光谱，并且具有不同或相同的能量。这可以通过选择合适的具有特定传输和光谱密度属性的耦出镜体的已知技术得以实现，所述属性依赖于这种镜体的层结构，
具体地，第一耦出镜体上耦出的激光辐射可以被提供到CEP稳定装置，这种装置的主要部分是已知的，从而为锁模短脉冲激光谐振器提供相位稳定。具体地，这个CEP稳定装置包括差频生成(DFG)装置或f:2f干涉仪装置以用作输入级，第一端镜体将具有第一光谱属性的激光辐射提供给CEP稳定装置的这些DFG(或干涉仪)装置。这里，将相对宽带宽的激光辐射以及相对低能量的激光辐射提供给CEP稳定装置是有用的；与此相对的是，第二端面镜上耦出的激光辐射应当是具有相对窄带宽但是相对高能量的辐射，并且这种激光辐射可以被提供给激光放大器作为馈入激光辐射，这是已知的技术。
因此，本发明还提供一种短脉冲激光器结构，包括前面所述的锁模短脉冲激光谐振器、耦合到用于接收具有第一光谱属性的激光辐射的第一耦出镜体的CEP稳定装置、从第二耦出镜体接收具有第二光谱属性的激光辐射的激光放大器。
例如经过第一端面镜耦出的相对低能量的第一激光辐射的光谱密度小于1mW/nm。与此相对，经过第二端面镜耦出的与第一激光辐射相比具有相对高能量的激光辐射具有大于1mW/nm的光谱密度。
本发明的另一个应用范围来自于输出脉冲的完好同步。由于两个输出脉冲产生于相同的激光谐振器中，所以虽然它们具有不同的带宽、中心波长和/或脉冲宽度，但是它们仍然可以实现完好的同步。两个相互同步的独立谐振器将可以互相代替。虽然可以使用不同的稳定系统，但是同步需要两个激光谐振器而不是一个激光谐振器和一个附加的锁定电子装置。两个经过同步的谐振器之间产生的抖动将永远不等于零。相反，可以从这里描述的谐振器中假设与两个不同谐振器中产生的脉冲相比其脉冲将没有或仅有极小的定时抖动。这种同步脉冲应用的一个例子是，傅立叶变换相干反斯托克斯拉曼散射(CARS，coherent anti-StokesRaman scattering)，参考期刊Optics Express(光学快讯)，2006年9月4日第14卷第18册中Meng Cui等人所著的“Interferometric Fouriertransform coherent anti-Stokes Raman scattering”(干涉仪傅立叶变换相干反斯托克斯拉曼散射)，第8448-8458页。
附图说明
下面将结合附图对本发明的进一步的细节和优点进行清楚地描述，其中：
图1和图2表示根据本发明的短脉冲激光器结构的两个实施例的类似示意图，包括锁模激光谐振器、激光放大器和分别具有DFG输入级(图1)和干涉仪输入级(图2)的CEP稳定装置；
图3和图4示意性地表示提供泵浦激光辐射的短脉冲激光谐振器的结构的优选实施例，图3中示出了折叠结构，图4示出了环型结构；
图5示出了图3(或图4)的短脉冲激光谐振器的第一输出的透射率和光谱密度；
图6示出了在图3(或图4)的激光谐振器的第二输出的透射率和光谱密度的另一个示意图；以及
图7示出了用于激光谐振器的典型激光晶体的放大特性，例如Ti:Sapphire晶体，也就是强度(任意单位)与波长(以μm为单位)之比。
具体实施方式
在图1和图2中，示出了短脉冲激光器结构1，其包括双输出飞秒振荡器2，它是具有载波包络相位(CEP)稳定的锁模短脉冲激光谐振器，具体地，如图3或图4中所示的激光谐振器。这里的激光谐振器或振荡器还可以简称为谐振器2，其具有用于具有相对窄带宽的激光辐射的第一输出端3和用于当与第一输出端3相比具有相对窄带宽的激光辐射的第二输出端4。例如，第一输出端3处的激光辐射具有80MHz的脉冲频率和1.4nJ的脉冲能量，并且在谐振器2中振荡的大约5％的激光辐射被耦合出来。在第二输出端4处，激光辐射可以具有80MHz的脉冲频率，但是其具有大约6nJ的脉冲能量，并且这个激光脉冲被用于馈入本身为已知结构的激光放大器5，具体地为飞秒激光放大器。在这个激光放大器5的输出6处，获取具有1-10KHz脉冲频率以及mJ数量级的脉冲能量的激光辐射，例如1-5mJ的脉冲能量。因此，这个激光放大器5具有放大所提供的激光脉冲以便获取更高脉冲能量的功能。
激光谐振器2的第一输出端3耦合到载波包络相位稳定装置7，下面简称为CEP稳定装置或更简短地称为CEP装置7。这个CEP装置7包括输入级，即不同频率产生(简称为DFG)装置8(图1)，或者f:2f干涉仪装置8’(图2)；这个输入级8或8’分别具有耦合到谐振器2的第一输出端3的输入端，并且将例如不同频率的输出提供到锁相电子装置9。锁相电子装置9用于产生控制信号，其本身是已知的，即该控制信号被提供到声光调制器(AOM)10中，声光调制器10用于对腔内脉冲能量进行调制，因此，该控制信号通过刻尔效应被提供到光谐振器2的非线性增益介质中的光学路径中，所述光学路径将在下面进行描述。
更具体地，泵浦激光器11(连续波(cw)激光器)，例如，倍频的单频率Nd:YVO4激光器(例如“Coherent Verdi”激光器)用于将单个频率上的泵浦激光辐射通过AOM单元10提供到飞秒谐振器2。
根据图3和图4，谐振器2在12处接收泵浦激光束，该泵浦激光束被提供到活动激光介质(称为增益介质)，例如其形式是非线性Ti:Al2O3晶体(Ti:Sapphire晶体)13，即通过透镜L1和凹透分色镜M1，M1适用于发送激光器的泵浦并且反射谐振器2中内嵌的激光脉冲(根据已知的刻尔透镜锁模效应)。另外，根据图3，镜体M2、M3和M4用于建造激光谐振器2，并且这些镜体M可以称为啁啾镜体。两个分离的端面镜OC1和OC2被提供以用于谐振器，并且在这些端面镜OC1和OC2上，激光辐射的各个部分被耦合出，例如，在端面镜OC1上为5％，在端面镜OC2上为29％。因此，端面镜OC 1形成第一输出端3，而端面镜OC2形成第二输出端4。术语“OC”通常用于指代这种耦出(outcoupler)镜体。在图4的实施例中，环型振荡器显示为谐振器2，镜体M3和M4是耦出镜体OC1和OC2。另外，图4中与图3中具有相同标号的元件是对应的元件。
耦出镜体OC1和OC2可以是简单的Bragg多层镜体，其结构是：基底+(HL)n，其中，H是指具有高反射率的层，L是指具有低反射率的层。例如，H层包括在800nm的波长上具有λ/4光厚度TiO2，而L层包括是在800nm处具有相同的λ/4光厚度SiO2层。这里，n是层的数量，因此其也是依赖于传送属性的周期数。例如，对于传输T＝5％，n＝5，这意味着端镜(第一耦出镜体OC1)具有结构：基底+(HLHLHLHLHL)，而对于传输T＝29％，n＝3，这意味着端镜(第二耦出镜体OC2)具有结构：基底+(HLHLHL)。
应当清楚，以上所述的波长和层数量的传输比例值仅是示例，其它的数值对于其它实施例也可能是合适的，
在图5中，示出了任意单位的光谱密度(＝平均的锁模功率/带宽(FWHM))(实线)以及相对于图3和图4中的第一耦出镜体OC1的以％为单位的透射率(虚线)，也就是在输出端3处。正如已经提及的，5％激光辐射的一部分被耦出，并且特别选择出来的耦出镜体OC1具有透射率特性，其中，光谱带宽的翼侧处的波长被加强，这意味着具有更高的透射率，例如在波长为600nm和700nm之间的波长上以及900nm到1000nm之间的波长上，如700-900nm的范围中(光谱的中央)。因此，当与图6中表示第二耦合镜体OC2的示意图相比较时，在这个第一耦出镜体OC1处获得耦出的相对宽带的激光辐射，例如，在0.5光谱密度处具有670-900nm的带宽，如图5中所示，即，在对应于全部宽度的一半最大值(FWHM)的强度处：一半最大值(FWHM)处的全部宽度是用于描述一个曲线或函数上的“隆起处”的宽度的参数。它由函数达到其最大值的一半数值的曲线上的点之间的距离给出。
与此相对，根据图6，第二耦出镜体OC2的透射率没有以第一端面镜OC1(图5)的方式增强光谱带宽的翼侧，虽然第二耦出镜体OC2在从例如700-900nm的感兴趣的波长带宽中具有更高的整体透射率。因此，在具有0.5FWHM光谱密度的线上，当与图5中镜体OC1的带宽相比较时，通过第二耦出镜体OC2传输的辐射具有大约725-880nm的更窄的带宽。正如前面已经提及的，这个第二耦出镜体OC2提供29％的耦出因子。
为了进一步表示利用例如根据图3的飞秒谐振2获取的激光辐射的主光谱，图7示出了激光辐射的(任意单位的)强度与波长(以μm为单位)之比，中心波长约为0.8μm(800nm)，各个斜面的范围在600-750nm(上升斜面)和780-1000nm(下降斜面)。当将这个强度特性与图5或图6的透射率特性相组合时，在光谱的翼侧具有或多或少的波长加强，图5和图6中所示的获得的光谱将更加清楚。
应当提及的是，CEP装置7还可以如WO 2006/008135 A2中所公开的方式进行设置，即光学DFG装置8包括例如非线性光学介质，例如周期性接入的掺有氧化美的铌酸锂；锁相装置9可以包括例如光电二极管的光敏装置，正如WO 2006/008135 A2中所公开的，该专利文献的的内容引入本说明书作为参考。另一方面，图3的干涉仪装置8’可以设置为主要由US 6,724,788 B1中所示，该专利文献的内容也引入本文作为参考，也可参考WO 2006/008135 A2的介绍部分以及Optische Messtechnik，Photonik 3/2006，第60-63页中Rüdiger Paschotta所著的“
Figure GPA00001084414700071
und optische Frequenzmetrologie”(频率梳和光学频率度量)。
为了不同频率的产生，具有宽的带宽的激光辐射是有利的，而较低能量的辐射便已足够；另一方面，在第二端面镜OC2处耦出的用于馈送至飞秒激光放大器5的辐射比例更加大(例如29％)，并且在这里，更窄的带宽被更好地匹配至这种放大器的有限带宽。另一方面，更多的光谱密度(有限带宽处的更高能量)改善了这种放大器的脉冲和背景之间的对比。
在前面的描述中已经参照具体的、优选的实施例对本发明进行了描述；但是，应当理解，本领域的普通技术人员能够提供各种变化和修改，而这并不脱离具体地由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。因此，例如OC镜体处传输百分比的其它数值，以及光谱密度等均可以进行根据当前主题内容的各种应用来进行选择。另外，可以想到在合适或必要的情况下可以提供至少一个附加的镜体作为耦出镜体，具体地出于输出脉冲的完美同步的考虑。所以，例如分别对于图3和图4，镜体M2也可以用作附加的耦出镜体。

Claims (23)

1.一种锁模短脉冲激光谐振器（2），包括泵浦激光束输入端（12）、激光介质（13）以及激光束耦出装置（OC1，OC2），其中，所述耦出装置包括至少第一耦出镜体（OC1）和第二耦出镜体（OC2），其中，所述第一耦出镜体具有第一多层结构，所述第二耦出镜体具有第二多层结构，其中所述第一耦出镜体的第一多层结构被布置成用于耦出入射在所述第一耦出镜体上的激光辐射的第一部分，所述激光辐射的第一部分具有第一光谱带宽，并且所述第一耦出镜体的第一多层结构被布置成用于反射入射在所述第一耦出镜体上的激光辐射的第二部分，其中所述第二耦出镜体的第二多层结构被布置成用于耦出入射在所述第二耦出镜体上的激光辐射的第三部分，所述激光辐射的第三部分具有第二光谱带宽，并且所述第二耦出镜体的第二多层结构被布置成用于反射入射在所述第二耦出镜体上的激光辐射的第四部分，其中所述第一耦出镜体和所述第二耦出镜体是谐振器镜体，由所述第一耦出镜体耦出的激光辐射的第一部分是所述激光谐振器的第一输出，并且由所述第二耦出镜体耦出的激光辐射的第三部分是所述激光谐振器的第二输出，其中从所述第一耦出镜体反射的激光辐射的第二部分被反射回所述激光谐振器，并且从所述第二耦出镜体反射的激光辐射的第四部分被反射回所述激光谐振器，其中所述第一光谱带宽比所述第二光谱带宽宽。
2.根据权利要求1所述的锁模短脉冲激光谐振器，其特征在于，所述第一耦出镜体（OC1）限定输出端（3），所述输出端（3）设置为耦合到所述锁模短脉冲激光谐振器的CEP稳定装置（7）。
3.根据权利要求2所述的锁模短脉冲激光谐振器，其特征在于，所述输出端（3）设置为耦合到所述CEP稳定装置（7）的差频生成装置（8）。
4.根据权利要求2所述的锁模短脉冲激光谐振器，其特征在于，所述输出端（3）设置为耦合到所述CEP稳定装置（7）的f:2f干涉仪装置（8’）。
5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的锁模短脉冲激光谐振器，其特征在于，所述第一耦出镜体（OC1）设置为耦出相对宽带宽的激光辐射。
6.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的锁模短脉冲激光谐振器，其特征在于，所述第一耦出镜体（OC1）设置为耦出相对低光谱密度的激光辐射。
7.根据权利要求6所述的锁模短脉冲激光谐振器，其特征在于，经过所述第一耦出镜体（OC1）耦出的激光辐射具有小于1mW/nm的光谱密度。
8.根据权利要求5所述的锁模短脉冲激光谐振器，其特征在于，所述第一耦出镜体（OC1）设置为耦出相对低光谱密度的激光辐射。
9.根据权利要求8所述的锁模短脉冲激光谐振器，其特征在于，经过所述第一耦出镜体（OC1）耦出的激光辐射具有小于1mW/nm的光谱密度。
10.根据权利要求1所述的锁模短脉冲激光谐振器，其特征在于，所述第二耦出镜体（OC2）限定输出端，所述输出端耦合至激光放大器。
11.根据权利要求1或9所述的锁模短脉冲激光谐振器，其特征在于，所述第二耦出镜体（OC2）设置为耦出相对窄带宽的激光辐射。
12.根据权利要求1或10所述的锁模短脉冲激光谐振器，其特征在于，所述第二耦出镜体（OC2）设置为耦出相对高光谱密度的激光辐射。
13.根据权利要求12所述的锁模短脉冲激光谐振器，其特征在于，通过所述第二耦出镜体（OC2）耦出的激光幅射具有大于1mW/nm的光谱密度。
14.根据权利要求11所述的锁模短脉冲激光谐振器，其特征在于，所述第二耦出镜体（OC2）设置为耦出相对高光谱密度的激光辐射。
15.根据权利要求14所述的锁模短脉冲激光谐振器，其特征在于，通过所述第二耦出镜体（OC2）耦出的激光辐射具有大于1mW/nm的光谱密度。
16.一种短脉冲激光器结构（1），包括锁模短脉冲激光谐振器（2）、用于将泵浦激光辐射提供给所述短脉冲激光谐振器的泵浦激光器（11）、耦合到所述短脉冲激光谐振器用于对所述激光辐射进行锁相的CEP稳定装置（7）以及用于输出有用激光辐射的谐振器输出，所述短脉冲激光谐振器（2）具有至少第一耦出镜体（OC1）和第二耦出镜体（OC2），其中，所述第一耦出镜体具有第一多层结构，所述第二耦出镜体具有第二多层结构，其中所述第一耦出镜体的第一多层结构被布置成用于耦出入射在所述第一耦出镜体上的激光辐射的第一部分，所述激光辐射的第一部分具有第一光谱带宽，并且所述第一耦出镜体的第一多层结构被布置成用于反射入射在所述第一耦出镜体上的激光辐射的第二部分，其中所述第二耦出镜体的第二多层结构被布置成用于耦出入射在所述第二耦出镜体上的激光辐射的第三部分，所述激光辐射的第三部分具有第二光谱带宽，并且所述第二耦出镜体的第二多层结构被布置成用于反射入射在所述第二耦出镜体上的激光辐射的第四部分，其中所述第一耦出镜体和所述第二耦出镜体是谐振器镜体，由所述第一耦出镜体耦出的激光辐射的第一部分是所述激光谐振器的第一输出，并且由所述第二耦出镜体耦出的激光辐射的第三部分是所述激光谐振器的第二输出，其中从所述第一耦出镜体反射的激光辐射的第二部分被反射回所述激光谐振器，并且从所述第二耦出镜体反射的激光辐射的第四部分被反射回所述激光谐振器，其中所述第一光谱带宽比所述第二光谱带宽宽，并且其中，所述第一耦出镜体（OC1）限定输出端（3），所述输出端（3）设置为耦合到所述锁模短脉冲激光谐振器的CEP稳定装置（7）。
17.根据权利要求16所述的短脉冲激光器结构，其特征在于，所述CEP稳定装置（7）包括耦合到所述第一耦出镜体的差频生成装置（8）。
18.根据权利要求17所述的短脉冲激光器结构，其特征在于，所述第一耦出镜体（OC1）设置为将相对宽带宽的激光辐射提供到所述差频生成装置（8）。
19.根据权利要求17所述的短脉冲激光器结构，其特征在于，所述第一耦出镜体（OC1）设置为将相对低光谱密度的激光辐射提供给所述差频生成装置（8）。
20.根据权利要求16所述的短脉冲激光器结构，其特征在于，所述第二耦出镜体（OC2）的输出端（4）耦合到激光放大器（5）。
21.根据权利要求16或20所述的短脉冲激光器结构，其特征在于，所述第二耦出镜体（OC2）设置为耦出相对窄带宽的激光辐射。
22.根据权利要求16或19所述的短脉冲激光器结构，其特征在于，所述第二耦出镜体（OC2）设置为耦出相对高光谱密度的激光辐射。
23.根据权利要求20所述的短脉冲激光器结构，其特征在于，所述第二耦出镜体（OC2）设置为耦出相对高光谱密度的激光辐射。
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