CN101946376A - 激光晶体装置 - Google Patents

Abstract

一种用于短脉冲激光器的激光晶体装置(1)，包括容器(4)和支架(5)，所述容器(4)的内部相对于环境被密封并且包括连接到侧壁(12′，13′)的窗口(12，13)，用于通过激光辐射(16)，所述激光辐射(16)在操作时通过激光晶体(6)，所述窗口(12，13)相对于所述激光辐射(16)的光径倾斜Brewster角度，并且，对于激光束属性而言，所述窗口(12，13)与所述激光晶体(6)的位置相距足够大的距离，在所述激光晶体(6)的位置上，窗口(12，13)的光束横截面足够大以便保证所述窗口(12，13)上的峰值强度与所述激光晶体(6)上所述激光辐射(16)的峰值强度相比较更低，从而防止在所述窗口(12，13)上发生老化过程，所述支架(0用于所述激光晶体(6)连接到所述容器(4)的内部，其特征在于，所述窗口(12，13)在两上侧壁(12′，13′)相互倾斜两倍的Brewster角度，所述两个侧壁(12′，13′)相互呈一个角度放置，所述容器(4)包含技术上纯净的空气。

Description

激光晶体装置

技术领域

本发明涉及用于短脉冲激光器的激光晶体装置，包括容器和支架，所述容器的内部相对于环境密封并且包含技术上纯净的空气，所述窗口包括窗口并且连接到侧壁以用于通过激光辐射，所述激光辐射在工作时通过激光晶体，所述窗口的位置与激光辐射的光束路径倾斜Brewster的角度，所述支架用于激光晶体连接在容器的内部。这种激光晶体装置在US 6002 697 A中已知。

另外，本发明还涉及包括这种激光晶体装置的激光振荡器。

背景技术

现在用于产生短激光脉冲的激光振荡器由于短的脉冲持续时间所以具有高峰值功率，尽管其具有低的平均功率。因此，在模耦合的飞秒激光振荡器的情况下，例如，具有小于100fs的脉冲持续时间的情况下，，由于高强度的激光辐射，即由于高峰值功率，所以可能会造成晶体表面的老化，即使晶体表面的影响一般地远低于晶体的毁坏阈值。这种晶体表面的毁坏导致激光器工作中的干扰以及对于晶体的更高的吸收，因此会导致激光体晶体的毁坏。

晶体表面的损坏是晶体周围的空气以及激光辐射的强度所形成的。在纯净的大气和/或低的激光强度的情况下，不会存在激光晶体的老化。另一方面，已经看出，即使在清洁的室内，例如，如果电子设备在激光器装置附近排气，老化过程也可能会出现。

具有频率放大器的二极管抽运激光器在前面提及的US6002697A中是已知的，非线性激光晶体提供在频率放大器中，该频率放大器位于密封的容器中以便防止湿气或污染物从外部渗透。特别地，这里存在一个担忧，即通过在冷却和加热时吸收和释放湿气来防止激光晶体的损坏，另外，为此目的，在壳体或容器的内部提供惰性气体或干燥的空气，或者排空容器的内部。位于与激光辐射呈Brewster角度的位置的用于激光辐射的进出的窗口在容器的直接相对侧上相互倾斜地放置，所述容器一般为立方体。因此，这个激光晶体装置的设计相比而言是复杂的并且体积较大。尽管在相关的激光装置的工作期间存在与其连接的花费，在之后将要描述的容器内部中的惰性气体的连续监测和涌入已经被证明对于激光器操作是不利的。

用于激光器放大器的激光晶体在EP 1034 584 B中进行了描述，其中，激光晶体容纳在紧密密封的容器中，该容器包括单独的导管插口上的激光束耦合窗口。容器的内部在这里被排空并且/或者使用干燥剂保持干燥。这些措施的背景是，激光晶体将会在Peltier元件的帮助下进行强烈的冷却，从而获得分配给激光晶体的高效率的激光放大器，晶体表面上的冷凝水或冰烘焙通过容器内部的排空或干燥来防止。

但是，在没有激光振荡器中这种强烈冷却的情况下，如果激光晶体没有提供为“纯净”的环境，则晶体表面的老化仍然会出现。

另外，已经显示出，激光到达晶体所通过并进行耦合的提供在容器上的窗口也可能会发生老化，从而激光晶体所属的激光装置的操作也可能受到破坏。特别是在激光放大器的情况下这非常重要，正如EP1034584中所担心的，并且其中特别地，与短脉冲激光装置相比较高峰值功率会出现；因此，位于Brewster角度处的激光束窗口在这个用于激光放大器的已知的激光晶体装置中外部连接在单独的导管插口上，从而获得相距激光晶体的最大可能的距离，数量级是8至10cm。因此在Brewster窗口的区域中获得相对大的光束的截面，从而在这个位置上获得一个相对低的峰值强度。窗口上的反射遭受到窗口在Brewster角度(其已知是一个辐射的波长或频率的函数)上的设置的反作用。

现在本发明的一个目的是设计一种本说明书开始所描写类型的激光晶体装置，使得一种简单、紧凑的结构成为可能，并且由容器窗口上的老化效应可能造成的损坏也能够被避免或最小化。

根据前文提到的发明类型，此激光晶体装置的特点是：窗口彼此倾斜两倍的Brewster角度，并且装置与激光晶体的距离足够大，从而光束在窗口上的截面积足够大以便保证窗口上的峰值强度比激光晶体上的峰值强度低，从而预防窗口的老化过程。

在当前的激光晶体装置中，一个非常简单、紧凑又节省空间的结构从前文描述过的窗口之间的相对设置形成，优选地，形成在以某个角度相互邻接的侧壁中，这些侧壁彼此相对呈两倍Brewster角度设置。如果在一个侧壁到另一个侧壁的转换处提供扁平或圆形的区域，则这还能起到节省空间的效果。

此外，为激光辐射提供的窗口(由例如石英玻璃构成)相对于激光晶体放置，使得激光辐射在窗口上的峰值强度显著小于在晶体表面的峰值强度，从而避免窗口的老化过程。这种窗口上激光辐射的强度的减少或最小化通过调节窗口与激光晶体之间的距离来完成，使用一些条件使激光束在激光晶体上聚焦，即，其具有汇聚的形状，因此在距离激光晶体一定的距离上具有比直接在晶体表面上的光束截面更大的光束截面。作为这个激光束几何形状的结果，适应于激光束的总能量或强度，激光束从而与激光晶体的位置上的辐射强度相比在窗口的位置上具有低得多的强度，从而避免对石英玻璃的表面的损伤。窗口与激光晶体的距离主要取决于激光辐射的聚焦程度，即，聚焦角度越大，则距离可能越小，反之，如果激光束的汇焦越弱，则窗口将距离激光晶体相对越远。当然，激光辐射的基本能量，更准确地说相对于短脉冲持续时间的具体的峰值功率，也必须在距离的选择中得以考虑。作为例子，这里可以指定，在具有800mm波长和20fs脉冲持续时间的激光辐射的情况下，其具有1.5MW的峰值功率，在激光晶体及其容器的区域中激光束的聚焦角度(半个孔径角度)约为2.3°的情况下，激光晶体和窗口之间相距大约为3mm或8mm的距离是足够的。

当激光辐射在激光晶体上聚焦时，窗口位置上的光束直径通过对窗口距离激光晶体的距离的特定选择得以放大。如果窗口位于倾斜于光轴Brewster角度，则这种放大会更强。很明显地，激光束通过窗口所依据的区域的放大由这个倾斜的位置额外得以实现，从而窗口上激光辐射的峰值强度也得以降低。

如前所述，我们已经知道把激光晶体所处的容器内部抽真空并充满惰性气体，借助于干燥剂保持干燥。这些措施用于使得容器内部的湿度最小化。然而，如前所述，如果激光晶体开始在环境中雾化，则晶体表面可以很普遍地被各种材料、气体、或是环境中的颗粒损坏。在本激光晶体装置中，容器内部因此包含一种技术上纯净的环境，即使当激光强度较大的情况下，激光晶体的老化也不会发生。技术上纯净的环境可以理解为没有自然来源或技术生成的悬浮微粒。这里最好使用惰性气体或纯净空气，或是具有高电离电位的气体，例如惰性气体。就这种具有高电离电位的气体的情况下，激光光束的强度不足以电离分子。

前面提到，由于激光晶体附近的激光的高强度，晶体表面发生老化，从而输出能量会降低，不稳定性会发生；即使事先已经非常小心地密封容器，非常仔细地选取材料，长时间地处理热处理特定的材料，这种老化也会发生，因为缓慢的残余化学物质气体泄露不可避免。这些材料在晶体附近的高强电场作用下会出现裂痕，颗粒在晶体表面沉积。为了避免这种效应，本发明还提出减少晶体附近的电场强度，根据本发明这可以通过选取比通常厚度更厚的晶体来实现。这种具有更大厚度的激光晶体可以放大晶体表面的光束直径，并且拉伸脉冲。这样晶体附近的电场强度就被显著减小，对应于直径乘以脉冲持续时间的乘积的倒数。晶体厚度的增加对于50fs的脉冲被证明是有利的。具体而言，实验显示至少3mm的晶体厚度，特别是4到7mm，最好4-6mm的厚度，更具体是5-6mm厚度，明显减少了晶体表面的强度，在寿命和稳定性上有卓越效果。

本激光晶体装置可以被广泛地用于各种激光装置，尤其是模耦合振荡器，优选地作为短脉冲激光振荡器，最优选地飞秒激光振荡器。

本激光装置和/或振荡器或放大器可以用色散镜体以通常方式来构造，但可能有例如棱镜来做色散控制。

本发明基于优选的实施例参照附图以示例方式而非限制性的方式进行更加详细的解释。

附图说明

图1-4显示根据本发明的激光晶体装置的正视图(图1)、俯视图(图2)、从右面观看的侧视图(图3)以及从左面观看的侧视图(图4)。

图5显示通过根据图1到4的激光晶体装置的一个部分，对应于表1中的线V-V；

图6以主要部件的示意性剖视图的方式示出了根据图1到5的激光晶体装置；

图7显示激光束(以mm为单位)和谐振器位置的图表，具体而言，在激光晶体装置的壳体中以mm为单位测量的位置或距离；

图8显示针对各种晶体厚度的与激光束强度成比例的多数值曲线(任意单位)与脉冲持续时间的图表；

图9A及9B显示可以或正在使用根据本发明的激光晶体装置的各种配置的短脉冲激光谐振器。

具体实施方式

激光晶体装置1显示在图1至6中，其包括壳体2和盖体3，所述壳体2和盖体3共同限定容器4和连接至容器4的内部的支架5，用于作为基本部件的激光晶体6。这个激光晶体6例如是钛的蓝宝石晶体，这本身是已知的。壳体2和盖体3包括例如铝镁合金。可抽为真空的O形环8的周边密封槽7(图5)被提供在壳体2的上侧，O形环8在盖体3借助于五缸头螺钉9适当地紧拧在壳体2上时密封容器4的内部，例如，五缸头螺钉9被分别拧入盖体3和壳体2的孔10和11中。

容器4，更确切地说是其壳体2，进一步提供有两个Brewster窗口12和13，它们位于壳体2的法兰样紧固凸起14的下方，这样盖体3陷在壳体2的深处的两个侧壁12′和13′中，他们彼此间有一个角度。在图中所示的实施例中，侧壁12’和13′通过扁平或圆形的区域X相互邻接，具体可以参见图6。从图9A及9B中可以明显看出，被反射的激光束可以被引导至恰好通过激光晶体装置1的壳体。

Brester窗口12和13在可抽为真空的粘合剂的帮助下被粘附到为此目的提供的侧壁12′和13′的凹陷处，Brewster的窗口12和13的角度适用于尽可能小的损失，如图9A及9B所示，其中激光晶体6和激发光(pump beam)15和/或在激光谐振器中被多次反射的激光束16在图中显示为在激光晶体6的相应角度上。

激光晶体装置1的内在组件，即支架5，实现为有角度的、有底部17和从此向上突出的柱状体18；后者在它的前面是圆形的——对应于容器4的内侧，在二个侧面壁12′和13′之间的过渡区域上——它具有由导线腐蚀形成的保险装置19和20，例如，比如说低一点的保险装置19用于接受激光晶体6，而在它之上位于上部的较高的保险装置20用于接触压力曝光。位于保险装置20和19之间的部件21被用来夹紧激光晶体6，其稍微向下偏转，并且在夹紧螺钉22的帮助下夹紧在激光晶体6上，所述夹紧螺钉22从上侧拧入到柱体部件18中。

底部部件17具有两个垂直的埋头孔的钻孔23，从而能够借助于具有中心的埋头孔螺钉(图中未示出)在壳体2的底部24上朝着支架5向下的方向被拧入到容器4的内部中(见图5)

此外，壳体2具有两个平行侧紧固的法兰25和26，以便为激光晶体6形成密封晶体设置的激光晶体装置1可以安装在特别的激光装置中，其位置使得激光束可以穿过一个窗口12进入另一个窗口13并且可以通过另一个窗口13出来，例如在图9A中所示。壳体2可以通过例如铣削制成；支架5中的垂直孔23允许在将支架5安装到壳体2的内部时进行中心孔加工。壳体的总体截面形状是五边形，正如从附图中可以看到的，在壳体2的侧壁12’和13’的区域中，激光晶体6停止移动，所述侧壁12’和13’以钝角相互邻接，其还包括窗口12和13。但是，没有提供对称配置，而是提供比激光晶体的另一个进入或流出表面更靠近邻近的窗口的进入或流出表面。在图9A和9B之外，在图7中也可以看出，其中，例如，其中绘出了激光束的半径R(以mm为单位)的曲线与激光振荡器的纵向位置P(以mm为单位)之间的关系，特别是在激光晶体装置1或容器4的内部。壳体2上窗口12和13的位置表示为30和31；半径在晶体表面上激光晶体6的区域32中最小，为0.02mm。从X轴上可以看出，一个窗口位置30距离激光晶体6的邻近前侧大约为3mm，而与此相对，另一个窗口31距离面对它的激光晶体的前侧大约为8mm。

在装配密封激光晶体装置1的过程中，窗口12和13粘合到壳体2的壁部凹陷处，支架5被拧入到壳体2中；然后O形环8被放置于壳体2的上侧的凹槽7中，并且盖体3被置于壳体2上并且借助于气缸头螺钉9得以固定。

然后，可排空壳体2，然后使用具有高电离电位的气体进行充气，具体地为惰性气体。但是，图中已经示出，如果如图所示激光晶体6距离窗口12和13足够远从而保证窗口12和13上的相应大的光束直径，如图7所示，从而由于在窗口12和13的区域中提供了相对低的强度所以窗口12和13上的颗料或类似物体的沉积不会导致窗口12和13的老化，则容器4的纯空气填充完全足够。

对于激光晶体6，基于脉冲持续时间T，激光晶体6可以具有相对大的厚度，优选地大于3mm，特别优选地大于4mm，如图8所示。5条曲线33到37(对应于五个不同的晶体厚度)在这个图8中进行了表示，其中描绘了任意单位(a.u.)表示的强度值和脉冲持续时间T(以飞秒为单位)，强度值I与激光晶体6上激光束的强度成比例。很明显地，在激光器厚度为3mm、约为20fs非常短的脉冲持续时间T的情况下(曲线33)，强度相对而言仍然大，但是随着脉冲持续时间T的增加而变小。相对而言，在较大的晶体厚度的情况下，例如3mm(曲线34)或5mm(曲线35)，特别是6mm(曲线36)或7mm(曲线37)，强度减小的幅度变小，特别地，也是在20fs的脉冲持续时间处，其数值的幅度仅有3mm晶体厚度(曲线33)的强度的一半。通过晶体表面上激光束强度的减小，可能防止已经沉积在晶体表面上的颗料或类似物质的有害的效应。

最后，图9A和9B中示意性地示出了各种激光振荡器的配置，其提供来实现模耦合短脉冲激光器40和41。在每种情况下，在振荡器中产生脉冲激光束，所述振荡器使用镜体M1、M2、M3、M4和可选择的M5和M6并且借助于激发光束15以已知的方式形成，所述激发光束15从典型的泵激光器(图中未示出)产生；镜体M1对于激发光束15是透明的，但是对于激光束16不是透明的，激光束16在其例如是凹入的镜体表面上被反射。镜体M4实现为例如部分反光的镜体，从而形成耦出镜体，在该耦出镜体上，激光束组件42被耦出。这个可选择地同样适用于镜体M6，在该镜体M6上，如果需要这种双侧去耦合，则激光束组件44可以被耦出，参见图9B。由于这种类型的短脉冲激光装置本身是已知的，所以这里省去了对其的详细描述。另外，从图9A和9B中可以看出，窗口12和13或侧壁12’和13’的配置相对于特别激光束方向呈Brewster角度a(其是激光辐射的波长的函数)，还可以看出，两个侧壁12’和13’必须相互呈两倍的Brewster角度2a延伸。(当通过当前的激光晶体装置1时，激光辐射不改变波长也不改变极性。)

Claims (10)

1.一种用于短脉冲激光器的激光晶体装置(1)，包括容器(4)和支架(5)，所述容器(4)的内部相对于空气被密封，所述容器(4)包括技术上纯净的空气，所述容器(4)还包括连接到侧壁(12，13)的窗口(12，13)，用于通过激光辐射(16)，所述激光辐射(16)在操作时通过激光晶体(6)，所述窗口(12，13)相对于所述激光辐射(16)的光径倾斜Brewster角度，所述支架(5)用于激光晶体(6)连接到所述容器(4)的内部，其特征在于，所述窗口(12，13)相互倾斜两倍的Brewster角度并且与所述激光晶体(6)相对于激光束的属性放置足够大的距离，窗口(12，13)的光束横截面足够大以便保证所述窗口(12，13)上的峰值强度与所述激光晶体(6)上所述激光辐射(16)的峰值强度相比较更低，从而防止在所述窗口(12，13)上发生老化过程。

2.根据权利要求1所述的激光晶体装置，其特征在于，所述窗口(12，13)所在的所述侧壁(12’，13’)相互邻近。

3.根据权利要求2所述的激光晶体装置，其特征在于，在一个侧壁到另一个侧壁的过渡区域上提供扁平或圆形的区域。

4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的激光晶体装置，其特征在于，所述容器(4)包含具有高电离电位的气体。

5.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的激光晶体装置，其特征在于，所述容器(4)中包含惰性气体。

6.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的激光晶体装置，其特征在于，所述容器(4)中包含纯净空气。

7.根据权利要求1到6中任一权利要求所述的激光晶体装置，其特征在于，在距离所述激光晶体(6)所在的位置几毫米，例如至少3mm，的位置上提供所述窗口(12，13)。

8.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的激光晶体装置，其特征在于，在所述支架(5)中连接有具有至少大约3mm的厚度的激光晶体(6)，优选地，所述厚度介于4mm到7mm之间。

9.一种包括激光晶体装置(1)的模耦合短脉冲激光振荡器(40，41)，其特征在于，所述激光晶体装置(1)根据权利要求1到8中任一权利要求进行设计。

10.根据权利要求9所述的短脉冲激光振荡器，其特征在于，配置为飞秒激光振荡器。

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