CN104956553A - 自启动锁模激光振荡器 - Google Patents

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Abstract

一种产生脉冲光束的激光振荡器包括：输出耦合镜，其被构造以将所述脉冲光束的反射部分反射回至所述激光振荡器中，并耦合离开所述激光振荡器的所述脉冲光束的输出部分；端镜，其被构造以使所述脉冲光束返回至所述激光振荡器中；增益材料，其沿光程被放置在所述输出耦合镜与所述端镜之间，其被构造以放大所述脉冲光束；自启动可饱和吸收器，其被构造以自启动所述激光振荡器的脉冲锁模操作；和脉冲成形可饱和吸收器，其被构造以将所述脉冲光束的脉冲成形为具有小于1,000飞秒的脉冲长度的激光脉冲。

Description

自启动锁模激光振荡器
相关申请的交叉参考
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
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
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。
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。
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。
一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。
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。
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
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1,000飞秒(fs)的脉冲长度的激光脉冲。
激光振荡器的一些实施方案包括：输出耦合镜，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1,000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
图1图示具有可饱和吸收器110的激光振荡器100。
图2图示各种激光振荡器的吸收能力的时间依赖性。
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。
图3B图示图3A的激光振荡器的吸收能力的时间依赖性。
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。
图5A至图5D图示双吸收器式激光振荡器200的执行方案。
具体实施方式
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140-1、140-2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，随后被诱发跃迁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。
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。
非线性可饱和吸收元件110，如SESAM 110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，a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/σa给出，其中hv是光子能且σa是材料吸收中心的吸收横截面。Fsat，a的常见值为10μJ/cm2至500μJ/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Aeff，a的乘积：Esat，a＝Aeff，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，g与饱和能Esat，g联系在一起：Esat，g＝Aeff，g·Fsat，g，其中Fsat，g＝hv/σg，σg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％。
一旦振荡器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。
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110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。
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。
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。
量化色散的可用手段是“群延迟色散”或GDD，通常定义为：
GDD＝λ3/c2*d2n(λ)/dλ2*L，
其中λ是光的波长，c是光速，n(λ)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GDD可例如从设计测定或推测确定。了解GDD后，可在腔中执行色散控制器，使其GDD具有与振荡器100的光学元件的既定GDD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。
色散补偿还可阻碍非线性效应导致光时移相变，进而引发的脉冲进一步色散。当腔被高效补偿，从而将由于色散和非线性效应导致的脉冲随时间色散减至最小时，腔中的激光脉冲被称为孤波且激光器被称为按孤波锁模方式操作。
图2图示可饱和吸收器110的激活状态是瞬时的：一旦激活，或打开，可饱和吸收器110的吸收能力下降到其近透明值并仅维持短时间，接着在可饱和吸收器恢复时间内恢复其吸收光的能力。
这些被动锁模激光振荡器100的设计面临两个设计要求：希望振荡器100能够自启动锁模操作并将输出脉冲成形为超短高强度激光脉冲。这些要求相矛盾并相竞争。一方面，如果可饱和吸收器110保持打开足够长的自启动时间TSS以将具有不同周期的几个不同步腔模偶然对齐所产生的小扰动放大为强脉冲，那么振荡器将能够自启动。自启动所需的可饱和吸收器恢复时间TSS取决于几个材料特性且可大范围变化。曲线(a)示出TSS的常见值可包括几十飞秒(fs)至几十或几百纳秒，如在10fs至100ns，或在其它情况100fs至10ns，在另外其它情况中500fs至10ns的范围内。
另一方面，可饱和吸收器110的可饱和吸收器恢复时间越长，放大的脉冲越长。因此，第二设计要求，即将脉冲成形为超短脉冲，如在几十飞秒范围内的脉冲的需求，要求所述可饱和吸收器恢复时间是充分短的脉冲成形时间TPS以将脉冲成形为超短脉冲。曲线(b)示出脉冲成形时间的常见值TPS可在1fs至1ns，在一些其它情况中10fs至1ns，在另外其它情况中50fs至500fs的范围内。
此外，激光腔还要求在脉冲在腔中多次往返期间的较长累积时间尺度上执行所需动力学行为。当激光器在这个时间尺度上稳定时，激光器按所谓之cw锁模方式发射“连续波”锁模脉冲串。如果动力学在这个累积尺度上不稳定，那么结果是巨大q开关脉冲的周期序列，使得短锁模脉冲在q开关强度包络下，或脉冲在更随机包络下。按这种q开关锁模(QML)方式操作激光器可潜在破坏激光器的光学组件。因此，通常需要按cw锁模方式的操作，例如当将激光脉冲注入后续放大器中时。
可饱和吸收器的设计还存在其它相矛盾要求：这次是在非线性被激活，从而打开吸收器所处的临界振幅。为了产生锁模超短脉冲，可饱和吸收器110应在较高强度下打开。这些设计选择仅在偶然形成脉冲的峰值的紧贴处进行进一步放大，从而使脉冲超短。为求完整，通常与吸收一起调谐增益饱和和克尔透镜效应以执行超短较高强度脉冲。
不幸的是，这样高的临界振幅更可能引起非所需的q开关。然而，这些相竞争要求仍留有在不导致q开关下可执行cw锁模的有限参数范围。在不调节克尔透镜效应下，为执行针对QML的稳定性，可通过调谐吸收和增益饱和以满足：
E P | d q P ( E P ) d E P | E st < T R &tau; L + E P E sat , g ,
其中qP(Ep)表示可饱和吸收器针对腔中具有腔内脉冲能EP的指定锁模脉冲而引入的往返脉冲能损耗；Est是脉冲能的稳态值；TR是腔的往返时间；且τL是增益介质的高能态寿命。这个方程式示出对于小腔内功率来说，由饱和导致的损耗下降应大于增益下降，以开启锁模并维持脉冲能指数增长。然而，损耗下降应限制为高于以上方程式中损耗导数的有限幅度所规定的某个腔内能。从这一点来说，增益减小快于损耗减小且激光脉冲停止进一步增长，从而避免振荡和q开关。在方程式中qp(Ep)表示所有可饱和损耗。例如在腔中具有两个吸收器的情况中，qp(Ep)是来自各个吸收器的贡献总和：qp＝qp1+qp2。
总而言之，脉冲成形和自启动造成关于恢复时间和脉冲成形的矛盾要求且QML稳定性造成关于饱和通量的矛盾要求。对满足这些矛盾要求的需求给使用单个非线性元件(如可饱和吸收器110)的被动锁模激光振荡器的设计提出了重大挑战。
图3A图示，如上所述，一些激光振荡器100可利用两个非线性元件，即慢非线性元件112和快非线性元件114，以满足这些相矛盾的设计要求。例如，慢非线性元件可以是可饱和吸收器112且快非线性元件可以是克尔盒114。克尔盒可以是腔中的分离元件或增益材料130可提供折射率的非线性变化。振荡器100的其余元件可类似于上述输出耦合镜120、增益材料130和折叠镜140-1/140-2。
图3B图示在这些设计中，吸收能力对时间的依赖性是复杂的。当光强度因扰动而超过阈值时，慢非线性元件112能够通过其吸收下降自启动振荡器100，条件是其恢复时间TSS充分慢。快非线性元件114可利用其较快恢复时间TPS在这个慢恢复曲线上叠加较快恢复过程以将脉冲成形为超短脉冲。
然而，这些设计可具有至少以下缺点。(a)使用两个非线性元件成本高。(b)执行两个元件会占据对于狭窄振荡器腔来说极其珍贵的额外空间。(c)两个分离元件使制造过程变得复杂。(d)两个元件要求分别调谐并校准。且最后，(e)它们会引入两倍的非预期影响，从而需要进一步补偿。问题(e)主要是因为慢非线性元件112和快非线性元件114一般使用不同操作模式，如调制相位的克尔效应和调制振幅的SESAM。这些不同的操作模式可导致不同类型的非预期影响。例如，如上所述，克尔效应引入时间与空间效应之间的非所需复杂耦合，导致脉冲在传播穿过非线性元件时对脉冲调制。这种调制需要补偿，例如，通过在腔中插入额外动力学透镜，从而进一步增大设计的复杂性。
图4A图示给以上矛盾设计挑战提供简单解决方案的实施方案。实施方案之一是放大脉冲光束的激光振荡器200，其可包括上文所引入元件的类似物：端镜210，以使脉冲光束返回至激光振荡器200中，输出耦合镜220，以将脉冲光束的反射部分反射回到激光振荡器中，并耦合离开激光振荡器200的脉冲光束的输出部分，和激光增益材料230，其沿光程被放置于端镜210与输出耦合镜220之间以放大光束。预期在紧凑空间环境中操作的振荡器200还可包括一个或几个折叠镜，如240-1和240-2。
此外，振荡器200还可包括两个非线性元件212和214，一个针对锁模自启动要求予以优化，另一个针对超短脉冲成形要求予以优化。然而，与振荡器100不同的是，在振荡器200的实施方案中，非线性元件212和214可具有相同操作原理，如两者均可以是可饱和吸收器。
在一些振荡器200中，自启动可饱和吸收器212和脉冲成形可饱和吸收器214可以是分离的光学元件。在一些振荡器200中，自启动可饱和吸收器212和脉冲成形可饱和吸收器214可以是整合在单个端镜210中的分离层。在这些情况的任一种中，吸收器212和吸收器214的材料参数和位置可经过选择以优化其功能。
优化可涉及适当选择自启动可饱和吸收器212和脉冲成形可饱和吸收器214的恢复时间和临界通量。自启动可饱和吸收器212可具有在10fs至100ns、100fs至10ns或500fs至10ns范围内的自启动恢复时间TSS。脉冲成形可饱和吸收器214可具有在1fs至1ps、10fs至1ps或50fs至500fs范围内的脉冲成形恢复时间TPS。因此，在一些情况中，脉冲成形恢复时间TPS可比自启动恢复时间TSS短1倍至1,000倍。在其它实施方案中，TPS可比自启动恢复时间TSS短倍10至100倍。下文描述临界通量的合适范围。
自启动可饱和吸收器212和脉冲成形可饱和吸收器214各自可按透射或反射模式操作。
具有采用相同操作原理的一对非线性元件212和214的振荡器200可按照以下方式满足上文列出的设计挑战。(a)使用一对原理相同的非线性元件较为廉价，因为它们可按照整合方式作为分离的层在同一个半导体晶体中形成。(b)类似地，两个原理相同的非线性元件可占据较小空间，尤其在整合实施方案中。(c)基于相同操作原理，非线性元件212和214的接口制造也更为简单。(d)两个原理相同的非线性元件212和214的校准也更为容易。且最后(e)因为两个原理相同的非线性元件212和214基于相同原理操作，所以它们的非预期影响和效应不需要两种不同补偿机制。
为了突出最后一点(e)，在其中非线性元件110或非线性元件112/114中的至少一个基于克尔效应操作的激光振荡器100中，材料的折射率是作为光强度的函数，通过时间与空间效应的复杂耦合加以调制。当脉冲传播穿过非线性材料时，按时间调制折射率。这种调制的影响之一是垂直于传播方向的脉冲空间分布在空间上扭曲，因为脉冲的最高强度中心部分经受了比其“翼”要高的相位调制，因此使射束扭曲。这个效应有时称为自对焦。这类激光腔需要极为谨慎设计并精确执行。它们通常具有腔内空间滤波器，如光圈，因此整个腔倾向于所需短脉冲模式并抑制非锁模或长脉冲模式。如上所述，对这些补偿元件的需求增大了设计的复杂性，要求微调激光腔，且使激光束执行稳定且良好空间模式分布变得更具挑战。且，克尔盒一般具有高得多的临界通量且难以用它们操作相对较长的皮秒级脉冲。
根据这些复杂因素，振荡器200的一些实施方案将可饱和吸收用作非线性元件212与214的共用操作原理。这些振荡器200可采用可饱和吸收器212和214代替克尔盒，因为可饱和吸收器不会显著调制光相位；它们主要作用于光振幅。将可饱和吸收用作共用原理可消除将横向模式的控制机制执行到振荡器200中的需要。
执行相同操作原理的一个高效方式是用相同材料，如用相同半导体形成可饱和吸收器212和214。
振荡器的一些实施方案可以使用可饱和增益代替可饱和吸收作为共用操作模式，且可以使用两个增益元件。
即使在相同原理实施方案中，以上设计挑战仍有待解决。如果可饱和吸收器212和214形成在同一个半导体中，那么自启动可饱和吸收器212要求半导体的临界通量为低，以使其可通过放大射束的小随机扰动启动振荡器200，而脉冲成形可饱和吸收器214要求临界通量为高以使其可选择并仅放大脉冲的峰值，从而使它们尽可能短。
图4A图示自启动可饱和吸收器212和脉冲成形可饱和吸收器214的透射实施方案。图4B图示自启动可饱和吸收器212和脉冲成形可饱和吸收器214的反射实施方案。这些振荡器200中的一些可使用更多折叠镜240-3和240-4。
图5A至图5C图示振荡器200的一些实施方案通过将两个可饱和吸收器暴露于不同射束强度解决这些矛盾设计要求，而图5D图示其它实施方案如下文所描述修改两个可饱和吸收器的临界通量。
图5A的振荡器200可将激光束聚焦于焦点FS，例如通过使用聚焦折叠镜240，可能组合射束扩展器。为求简明，仅明确示出振荡器200的相关区段。相对于焦点FS不同地放置可饱和吸收器212和214是个别控制吸收器所经受的射束强度的高效方式，因为聚焦将射束半径压缩在焦点FS周围并因此增大那处的射束强度(每单位面积的射束能)。这种射束扩展和再聚焦可通过包括各种不同的任选折射或反射元件实现。
在振荡器200的这些实施方案中，可将自启动可饱和吸收器212布置成靠近射束被压缩至其最小半径所在的焦点FS。因此，在使振荡器200通电后，光开始扰动，扰动射束的强度或通量在靠近自启动可饱和吸收器212所在位置的焦点FS处首先超过阈值。作为响应，自启动可饱和吸收器212被激活且扰动在其往返期间被放大。因自启动可饱和吸收器212具有充分慢恢复时间TSS，所以放大的扰动可自启动振荡器200。
同时，因脉冲成形可饱和吸收器214被放置得比自启动可饱和吸收器212更为远离焦点FS，所以同一射束在其位置处分布在较大射束半径内且因此脉冲成形可饱和吸收器214所经受的射束强度低于自启动可饱和吸收器212所经受的强度。出于这个原因，如果吸收器从同一半导体形成且因此具有相同临界通量或强度，那么激活自启动可饱和吸收器212的同一扰动不会激活脉冲成形可饱和吸收器214。一旦自启动可饱和吸收器212启动振荡器200且锁模脉冲在几个往返后被放大得越来越大，最终脉冲强度也在脉冲成形可饱和吸收器214的位置超过通量阈值，从而将其激活或打开。一旦脉冲成形可饱和吸收器214也被激活，那么其开始缩窄脉冲，将其成形为超短脉冲。
按另一方式表达图5A的设计，振荡器200可沿振荡器中的光程空间改变脉冲光束的射束半径R。可将自启动可饱和吸收器212布置在振荡器200的第一位置，此处射束半径为R1，且可将脉冲成形可饱和吸收器214布置在振荡器200的第二位置，此处射束半径为R2，其中R1小于R2。
图5B图示振荡器200的另一整合实施方案，其中自启动可饱和吸收器212和脉冲成形可饱和吸收器214不仅由同一类半导体形成，实际上是在同一个半导体晶体中，即端镜210的基板216上形成。在示出的反射型可饱和吸收器设计中，端镜210的镜层218可从入射光束和反射光束形成驻波。类似于图5A实施方案的设计原理，自启动可饱和吸收器212可以层的形式形成在射束强度为高的地方，如远离驻波的节点，而脉冲成形可饱和吸收器214可形成于射束强度较低的地方，如较靠近驻波的节点。如上，利用这个设计，当偶然扰动形成时，光强度首先在自启动可饱和吸收器212增长至高于通量阈值，从而激活其自启动振荡器200。随着脉冲在其往返期间被放大，射束强度甚至在脉冲成形可饱和吸收器214所在的驻波节点区周围到达阈值，从而激活脉冲成形可饱和吸收器214。一旦被激活，脉冲成形可饱和吸收器214便可将脉冲成形为超短脉冲。
在这些架构中，可饱和吸收层可利用量子阱设计高效形成并放置，因为量子阱的厚度可在比光波长小得多的精度下加以控制且层的生长条件可得到极其严格控制。
在这些在同一半导体中形成两个可饱和吸收层的整合实施方案中，因层按顺序形成，所以可将不同生长条件应用于自启动和脉冲成形可饱和吸收层。这些设计可执行可饱和吸收层212和214的不同饱和通量和恢复时间。
图5C图示具有图5B的整合端镜210的振荡器200，其中自启动可饱和吸收层212被放置成远离光驻波的节点且因此靠近光驻波的最大值，而脉冲成形可饱和吸收层214被放置成靠近光驻波的节点。
下文将描述自由空间激光振荡器200的各个实施方案。激光振荡器200可用作啁啾脉冲放大(CPA)激光器的种子激光器，其中放大的脉冲用于眼科手术。对于这些眼科手术激光器，可使用近红外波长，其中Nd或Yb掺杂晶体或玻璃工作良好。激光波长可在1030nm至1070nm的范围内。当振荡器脉冲在放大器中被实质放大时，振荡器的功率变得不太重要。因此，相对低的10至250mW平均功率便充足，波长持续时间介于1fs与1,000fs，或150fs与500fs之间且重复率介于1MHz与1,000MHz，或40与150MHz之间。这些功率水平、脉冲持续时间和重复率可通过将Nd和Yb增益材料用于紧凑光学设备中实现。例如，在具有100mW平均功率、300fs脉冲持续时间、100MHz重复率、5％输出耦合器和不可饱和损耗的激光器中，腔内平均功率可为2W或20nJ/脉冲，具有约6kW的峰值功率。
通过使用1.5m腔长度、将平整输出耦合器和聚焦镜置于晶体周围并使用具有0.1m曲率半径的SESAM，在晶体内和SESAM处的模面积可为约800平方微米，从而获得约2,400μJ/cm2的光通量。为了避免Q开关，操作脉冲成形可饱和吸收器214所处的光或操作通量可以是脉冲成形可饱和吸收器214的饱和通量的3倍至10倍、2倍至30倍或1倍至100倍。这个概念可为脉冲成形可饱和吸收器214的饱和通量设置在20μJ/cm2至2,000μJ/cm2、80μJ/cm2至1,200μJ/cm2或200μJ/cm2至800μJ/cm2范围内的设计值。
因振荡器200能够产生比吸收层的恢复时间短至多10倍(尤其在孤波锁模方式中)的脉冲，所以脉冲成形可饱和吸收器的恢复时间可为约1皮秒至10皮秒，在一些情况中，约3ps。
为了可靠地启动锁模操作，自启动可饱和吸收器212能够“预组织”激光器的模式以产生拟随机脉冲尖峰值，其可激活脉冲成形吸收器214。如果在脉冲成形吸收器214的恢复时间的时间窗内脉冲尖峰值的内能占脉冲成形吸收器214的饱和能的显著比例，那么这种情况将发生。为了在5倍于自启动吸收器212的饱和通量时达到脉冲成形吸收器214的饱和能的1/10，自启动吸收器212的饱和通量可比脉冲成形吸收器214的饱和通量低5*10＝50倍。利用脉冲成形吸收器214的以上多个范围，这个约50倍的因子可转换为自启动吸收器212的约0.5μJ/cm2至40μJ/cm2、2μJ/cm2至25μJ/cm2或4μJ/cm2至15μJ/cm2的饱和通量范围。在各个实施方案中，脉冲成形可饱和吸收器214的饱和通量对自启动可饱和吸收器212的比可在1至100、2至30和3至10的范围内，从而为自启动可饱和吸收器212界定更多饱和通量范围。
自启动吸收器212的恢复时间也可以更长，如比所需启动脉冲尖峰值或脉冲成形吸收器214的恢复时间长一个数量级，在10至100ps范围内，如30ps。
注意较长恢复时间可降低吸收器的饱和通量，吸收器内的激发可在其高能级上保持更久，可将更多能量储存在高能态且松弛激发不必再次泵送至其高能级。这可用于低饱和通量、长恢复时间自启动吸收器212的设计。还注意在开启瞬态后，自启动吸收器212可以全开状态，在比饱和高10倍至100倍，如比饱和高约50倍的通量下操作。这种深饱和还帮助避免Q开关不稳定。
两个吸收器的饱和通量之间的10倍至100倍差异因子可分为两部分。以50的比率为例，10倍因子可来自自启动吸收器212与脉冲成形吸收器214之间的材料和光谱学性质差异。剩余的5倍因子可来自吸收器212和吸收器214相对于整合层状SESAM端镜210中驻波图形的节点的不同位置。
图5D图示在振荡器200的另外其它实施方案中，不将可饱和吸收器212和吸收器214放置在具有相异射束强度的位置，而是形成具有相异通量阈值或饱和阈值的吸收层。在这些实施方案中，即使吸收器经受类似或甚至一致射束强度，它们因具有不同阈值而仍可在不同射束强度或通量下被激活。类似于其它实施方案，在一些振荡器200中，可形成具有比脉冲成形可饱和吸收器214的饱和阈值低的饱和阈值的自启动可饱和吸收器212。在这种振荡器200中，扰动首先激活自启动可饱和吸收器212，其采用松弛时间TSS开始脉冲放大。随着脉冲振幅在其多次往返期间被放大，其到达脉冲成形可饱和吸收器214的饱和阈值，从而将其激活。激活的脉冲成形可饱和吸收器214随后将脉冲成形为超短脉冲。在图5D的实施方案中，脉冲成形可饱和吸收器还可用作端镜210。
在振荡器200的一个实施方案中，临界或饱和通量差异可通过用不同材料形成可饱和吸收器212和可饱和吸收器214实现。材料可尤其选自(尤其)SESAM、整块半导体吸收器、玻璃或晶体中的原子吸收器、半导体量子阱、量子点、掺杂层结构、有机染料薄膜、有机半导体或碳纳米管层。
在另一实施方案中，可饱和吸收层212和可饱和吸收层214可由类似但光谱学性质经过改变或修改的材料形成。例如，底层半导体晶体的吸收谱可经过修改，从而通过修改吸收器的量子阱中的层厚度改变吸收峰值。
此处值得一提的是量子阱是二维纳米结构，其几何程度与基质：尤其是其电子、空穴、激子和极化子的量子激发波长相当。量子阱的光谱可通过修改其结构、材料组成、缺陷或掺杂剂浓度、离子植入和相异生长条件在层中诱发的应力予以更改。量子阱结构的光谱学性质还可通过采用不同生长几何学、应用不同生长条件、缺陷水平、掺杂剂水平和离子植入条件予以调谐并修改以实现所需饱和通量和吸收恢复或松弛时间。
使用染料或有机半导体的可饱和吸收器的实施方案可通过轻微改变其化学组成而自定义调谐光谱学性质。在另外其它吸收器实施方案中，基质材料，如玻璃或晶体可修改内嵌原子的光谱。恢复时间TSS和TPS及饱和或临界通量还可通过操纵染料和有机半导体中的分子间相互作用予以自定义定制。
虽然本文在自由空间执行方案上展示了操作原理，但相同原理还可以在纤维振荡器中执行。例如，激光振荡器200可以是二极管泵浦纤维振荡器200。振荡器可包括单个泵浦二极管或各种不同的其它二极管和二极管结构，如二极管库或簇。纤维振荡器比自由空间振荡器要小得多且需要更少微调和校准。在手术应用中，手术室拥挤是迫切的约束条件，减小激光振荡器的空间程度是非常珍贵的设计特征。
在一些实例中，振荡器200可包括改善动力学行为和脉冲质量的其它结构，包括色散控制元件，如纤维布拉格(Bragg)光栅，和含有频率稳定杆(如在二极管内的体布拉格光栅)的频率稳定泵浦二极管。这种激光器可提供具有低噪声和高脉冲间稳定性的脉冲。纤维可由被Nd或Yb掺杂的玻璃形成。
总而言之，激光振荡器200可输出大体变换受限，例如具有高斯形状的种子脉冲。在一些实例中，还可产生平顶脉冲。脉冲持续时间可小于1,000fs。在一些执行方案中，脉冲持续时间可在10fs至1,000fs范围内，在一些其它实施方案中，在100fs至500fs范围内。脉冲频率或重复率可在1MHz至1,000MHz范围内，在其它实施方案中，在10MHz至100MHz范围内。脉冲射束的功率可在10mW至1,000mW范围内，在其它实施方案中，在100mW至200mW范围内。
最后值得一提的是本文所述激光振荡器200的广泛应用之一是用作Q开关啁啾脉冲放大(CPA)激光器中的种子脉冲源。
虽然本文件含有许多具体内容，但这些内容不应视为对本发明范围或其要求权利的限制，而应视为对本发明特定实施方案的具体特征的描述。本文件在不同实施方案中描述的某些特征还可在单个实施方案中组合执行。相对地，在单个实施方案中描述的各个特征也可在多个实施方案中分开或以任何合适子组合方式执行。此外，虽然上文可将特征描述为按某些组合生效且甚至初始时要求这样，但所要求组合的一个或多个特征在一些情况中可从组合分离，且可将所要求组合引导到子组合或子组合变形。

Claims (16)

1.一种产生脉冲光束的激光振荡器，其包括：
输出耦合镜，其被构造以
将所述脉冲光束的反射部分反射回至所述激光振荡器中，且
将所述脉冲光束的输出部分耦合离开所述激光振荡器；
端镜，其被构造以使所述脉冲光束返回至所述激光振荡器中；
增益材料，其沿光程被放置在所述输出耦合镜与所述端镜之间，其被构造以放大所述脉冲光束；
自启动可饱和吸收器，其被构造以自启动所述激光振荡器的脉冲锁模操作；和
脉冲成形可饱和吸收器，其被构造以将所述脉冲光束的脉冲成形为具有小于1,000飞秒的脉冲长度的激光脉冲。
2.根据权利要求1所述的激光振荡器，其中：
所述自启动可饱和吸收器和所述脉冲成形可饱和吸收器是分离的光学元件。
3.根据权利要求1所述的激光振荡器，其中：
所述自启动可饱和吸收器和所述脉冲成形可饱和吸收器是整合在同一基板上的分离层。
4.根据权利要求1所述的激光振荡器，其中：
所述自启动可饱和吸收器和所述脉冲成形可饱和吸收器是与所述端镜整合的分离层。
5.根据权利要求1所述的激光振荡器，其中：
所述自启动可饱和吸收器具有在10fs至100ns、100fs至10ns和500fs至10ns之一的范围中的自启动恢复时间TSS。
6.根据权利要求1所述的激光振荡器，其中：
所述脉冲成形可饱和吸收器具有在1fs至1ps、10fs至1ps和50fs至500fs之一的范围中的脉冲成形恢复时间TPS。
7.根据权利要求1所述的激光振荡器，其中：
所述自启动可饱和吸收器的自启动恢复时间TSS对所述脉冲成形可饱和吸收器的脉冲成形恢复时间TPS的比在1至1,000和10至100的范围中的一个内。
8.根据权利要求1所述的激光振荡器，其中：
所述自启动可饱和吸收器和所述脉冲成形可饱和吸收器中的至少一个包括以下至少一个
半导体可饱和吸收镜(SESAM)、一组掺杂层、半导体量子阱结构、玻璃中的原子吸收器、量子点、薄膜或有机染料、有机半导体和碳纳米管层。
9.根据权利要求1所述的激光振荡器，其中：
所述自启动可饱和吸收器被构造以按透射模式和反射模式之一操作；且
所述脉冲成形可饱和吸收器被构造以按透射模式和反射模式之一操作。
10.根据权利要求1所述的激光振荡器，其中：
所述激光振荡器被构造以空间地改变激光功率密度；且
布置所述自启动可饱和吸收器的位置处的功率密度高于布置所述脉冲成形可饱和吸收器的位置处的功率密度。
11.根据权利要求1所述的激光振荡器，其中：
所述激光振荡器被构造以空间地改变在所述激光振荡器内所述脉冲光束的射束半径R；
所述自启动可饱和吸收器被布置在所述激光振荡器中的第一位置，所述第一位置处的射束半径为R＝R1；且
所述脉冲成形可饱和吸收器被布置在所述激光振荡器中的第二位置，所述第二位置处的射束半径为R＝R2；其中
R1小于R2。
12.根据权利要求1所述的激光振荡器，其中：
所述自启动可饱和吸收器和所述脉冲成形可饱和吸收器形成于所述端镜内；
所述端镜被构造以由入射光和反射光形成驻波，所述驻波具有至少一个节点；且
所述脉冲成形可饱和吸收器比所述自启动可饱和吸收器更靠近所述节点形成。
13.根据权利要求1所述的激光振荡器，其中：
所述脉冲成形可饱和吸收器的饱和通量对所述自启动可饱和吸收器的饱和通量的比在1至100、2至30和3至10之一的范围中。
14.根据权利要求1所述的激光振荡器，其中：
所述脉冲成形可饱和吸收器的光通量对所述脉冲成形可饱和吸收器的饱和通量的比在1至100、2至30和3至10之一的范围中。
15.一种产生脉冲光束的激光振荡器，其包括：
输出耦合镜，其被构造以
将所述脉冲光束的一部分反射回至所述激光振荡器中，且
将所述脉冲光束的一部分耦合离开所述激光振荡器；
半导体可饱和吸收镜结构，其包括
端镜层，其被构造以使所述脉冲光束返回至所述激光振荡器中，
自启动可饱和吸收层，其被构造以自启动所述激光振荡器的脉冲锁模操作，和
脉冲成形可饱和吸收层，其被构造以将所述脉冲光束的脉冲成形为具有小于1,000飞秒的脉冲长度的激光脉冲；和
增益材料，其沿光程被放置在所述输出耦合镜与所述半导体可饱和吸收镜之间，其被构造以放大所述脉冲光束。
16.根据权利要求15所述的激光振荡器，其中：
所述自启动可饱和吸收层形成于所述半导体可饱和吸收镜结构内的一位置，所述脉冲光束在所述位置处的强度大于在所述脉冲成形可饱和吸收层的位置处的强度。
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