CN107078452A - 具有超短高功率和/或高能量脉冲的uv可见激光器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及有具有超短高功率和/或高能量脉冲的UV可见激光器系统。根据本发明，激光器系统包括至少一个非线性光学晶体(1)，其适合于接收分别由两个分离的激光脉冲源(11，12)发射的在可见域或红外域中的两个分离的超短激光脉冲(31，32)；以及时间同步装置(41，42)，其被调适以使得所述两个超短激光脉冲(31，32)以给定相移在所述非线性光学晶体(1)中在时间和空间上重叠，并且通过和频产生超短激光脉冲(131)，该超短激光脉冲的光频等于两个分离的激光脉冲(31，32)的相应光频的和。

Description

具有超短高功率和/或高能量脉冲的UV可见激光器系统
技术领域
本发明涉及具有在紫外可见(UV可见)光谱域中的超短高功率和/或高能量脉冲的激光器系统。
更准确地，本发明涉及用于使用非线性光学器件产生超短UV可见激光脉冲的激光器系统，该非线性光学器件用于转换光频以便控制输出激光脉冲的光频。在本文件中，术语光学频率转换覆盖用于产生和频并产生多重谐波的非线性光学技术。
在本文件中，超短脉冲意指具有皮秒、亚皮秒或飞秒持续时间的脉冲。更准确地，皮秒脉冲意指具有1ps和20ps之间的持续时间的光脉冲并且飞秒脉冲意指具有1fs和1ps之间的持续时间的光脉冲。具有超短脉冲的激光器系统通常以高重复率发射，通常在50kHz和10MHz之间。因此，有具有1MHz速率的超短脉冲的激光器系统发射一连串的超短脉冲，每个脉冲具有ps或fs持续时间，其中连续脉冲之间的时间间隔约一微秒。高功率脉冲意指具有10W和1MW之间并且优选地大于或等于10W的平均功率的光脉冲，并且高能量脉冲意指具有100μJ和1kJ之间并且优选地大于或等于1mJ的能量的光脉冲。在此认为紫外(UV)光谱域从200nm延伸到450nm，可见域从450nm到750nm并且红外域从750nm到1600nm。
光频ν意指与光辐射的波长λ成反比的变量，由方程：ν＝c/λ定义，其中c表示光在真空中的速度。
背景技术
超短脉冲激光找到许多应用，包括激光微加工、激光标记、分析化学、纳米手术以及眼科手术。
希望开发在UV可见域中的以在UV范围内越来越低的波长、以越来越高的脉冲能量和/或具有越来越高的脉冲功率的超短脉冲的激光。
通常，UV可见激光脉冲系统是基于红外激光源和用于例如通过和频来转换光频(也称为谐波的产生)的非线性光学器件。这是因为由于试验和测试的工业技术的存在，在红外域中的高性能晶体或光纤源和放大器是可获得的。这种超短脉冲红外激光源使得可以在红外域中产生并放大高功率和/或高能量激光脉冲。用于通过和频转换光频的非线性光学器件使得可以将红外激光脉冲转换成其光频等于红外脉冲的光频的两倍、三倍或四倍谐波的激光脉冲。以这种方式，获得了超短UV可见激光脉冲源。
和频事实上包括由分别具有光频ν1和ν2的两个辐射以光频ν3产生光辐射，通过以下光频之间的方程联系：
ν3＝ν1+ν2
然后，这一方程等效于以下相应波长之间的方程：
1/λ3＝1/λ1+1/λ2
通过说明性实例，图1示出用于频率转换的常规UV可见超短脉冲激光配置。该UV可见脉冲激光器包括近红外脉冲源11和在此基于使用串联设置的两个非线性光学晶体1、2的频率转换非线性光学器件。例如，源11为掺镱光纤激光源。红外激光脉冲源11发射在红外中的波长为λ1的超短光脉冲110。第一非线性光学晶体1接收红外光脉冲110。在具体情况下，特别是光脉冲110的强度和相位匹配的情况下，第一非线性光学晶体1产生不同于波长λ1的波长为λ2的光脉冲111。具体地，当非线性光学晶体以倍频操作时，波长λ2等于波长λ1的一半。例如，如果波长λ1等于1030nm，那么波长λ2等于515nm。在非线性光学晶体中从波长λ1到波长λ2的能量转移是局部的，使得在第一非线性光学晶体1的输出处，存在波长为λ2的脉冲111和波长为λ1的脉冲110。
在图1的实例中，另一个非线性光学晶体2设置在第一非线性光学晶体1的输出处的光路上。另一个非线性光学晶体2接收波长为λ1的光脉冲110和波长为λ2的光脉冲111，光脉冲110和光脉冲111来自相同的源11。在具体的相位匹配情况下，另一个非线性光学晶体2通过和频产生不同于波长λ2和波长λ1的波长为λ3的另一个光脉冲112。因此，另一个光脉冲112具有等于两个入射光脉冲110、111的光频之和的光频。这种器件使得可以获得这样的频率谐波：其为源脉冲频率的三倍或四倍，光脉冲112的波长λ3分别等于由红外脉冲源11发射的光脉冲110的波长λ1的三分之一或四分之一。因此，例如对于1030nm的波长λ1而言，可以获得在三倍情况下等于343.3nm或在四倍情况下等于257.5nm的波长λ3的脉冲。
当激光源11产生在近红外中的光脉冲110时，通过倍频的单个转换无法获得在紫外中的波长。通常，产生三倍或四倍谐波对于获得在红外中的脉冲是必需的。
然而，在非线性光学晶体中的谐波产生的频率转换的效率随着谐波倍增因子增加而降低。因此，对于倍频，频率转换的效率可达到50％至70％，但是对于三倍频率仅达到20％至30％并且对于四倍频率仅达到10％至25％。
在具有较大长度的传统光纤的红外脉冲源(例如掺铒或共掺铒镱的光纤)的情况下，光纤在能量方面受到限制。当高能量超短脉冲在啁啾脉冲放大(CPA)类型的系统中放大时，这些预延展的脉冲经历在放大光纤的放大期间彼此相加的非线性失真。在这种情况下，在频率转换器的输出处的UV可见脉冲的能量受到光纤红外脉冲源的最大能量的限制。
在晶体固体激光器源(例如Yb:YAG激光器)的情况下，晶体激光器的功率由于晶体的热效应而受到限制。在这种情况下，在频率转换器的输出处的UV可见脉冲的功率受到晶体固体激光器源的最大功率限制。
在具有大芯部直径和短长度(50cm到几米)的大模面积(LMA)光纤类型的放大介质情况下，这是常规光纤激光器和固体激光器之间的中间情况，其中来自频率转换器的UV可见脉冲输出的功率和/或能量受到大模面积光纤激光器源的最大功率和/或最大能量的限制。
发明内容
通常来说，通过频率转换获得的具有皮秒或飞秒持续时间的激光脉冲111或112的功率和/或能量因此受到所用的激光源11的功率和/或能量的限制，并且受到在所用的非线性光学晶体或晶体中的转换效率的限制。
本发明的一个目的是增加在UV可见域中，特别是当源是基于光纤技术时的超短脉冲源的能量和/或功率。本发明的另一个目的是减小在高能量和/或高功率超短脉冲源中朝向紫外线的波长。本发明的又一目的是改善高能量和/或高功率UV可见超短脉冲激光随时间的稳定性。
此外，存在对于在使用非线性光学器件用于频率转换的高能量和/或高功率超短脉冲UV可见激光器的输出处增加激光脉冲的功率和/或能量的系统和方法的需要。
此外，存在对于具有紫外线中的较短波长的高能量和/或高功率超短脉冲激光的需要，并且优选地存在对于基于光纤激光技术的高能量和/或高功率超短脉冲激光的需要。
本发明的目的是弥补现有技术的缺陷，并且更具体地涉及高功率和/或高能量超短脉冲UV可见激光器系统。
根据本发明，激光器系统包括：多个激光脉冲源，其中多个源包括在两个和五个之间的不同源，每个激光脉冲源适于发射在可见域或红外域中的至少一个超短激光脉冲；至少一个非线性光学晶体，适于接收两个超短激光脉冲，所述两个超短激光脉冲分别由两个不同的激光脉冲源发射；以及同步装置，适于使入射在所述非线性光学晶体上的所述两个超短激光脉冲时间同步，使得所述两个超短激光脉冲以任何相移在所述非线性光学晶体中在时间和空间上重叠，所述至少一个非线性光学晶体适于通过和频产生频率转换的超短激光脉冲，该频率转换的超短激光脉冲的光频等于在所述非线性光学晶体中在时间和空间上重叠的两个超短激光脉冲的相应光频的和。
任何相移在本文中意指，在由两个不同源发布的并且在非线性光学晶体中重叠的两个超短脉冲之间的相移可采取任何值。此外，该任何相移可随时间从一对超短脉冲变化到待在相同非线性光学晶体中重叠的另一对超短脉冲。
UV可见激光器使得可以增加频率转换的超短脉冲的功率和/或能量，而不会增加频率转换损失。超短UV可见脉冲的能量和/或功率根据所用的源的数量而增加。
本发明的系统使得可以产生具有预定转换效率的脉冲。当激光器系统产生具有一定重复率的超短脉冲串时，本发明的系统使得可以确保从一个脉冲到下一个脉冲的频率转换效率的稳定性，并且从而确保UV可见超短脉冲的功率和/或能量的稳定性。
本发明的系统不需要干涉测量系统用以测量并控制在频率转换非线性光学晶体中重叠的每对超短脉冲之间的光学相移。简单的时间同步系统替换在纳秒区内操作的激光器中通常使用的干涉测量系统，以实现在具有通过和频的频率转换的非线性光学晶体中重叠的束流之间的相匹配条件。相移可从一个超短脉冲波动到下一个超短脉冲。反之，在纳秒区内，对于在希望在非线性光学晶体中转换频率的脉冲串中的每对脉冲而言，必须控制相位匹配。这是因为，在注入的纳秒区内，激光器通常发射多个纵向模式，其从一个ns脉冲到下一个ns脉冲产生不稳定性。以具体有利的方式，在ps或fs区内，超短脉冲串在范围可达到几分钟的时段内具有极好的稳定性。
根据具体且有利的实施方式，激光器系统包括N个非线性光学晶体，其中N为大于或等于二的整数，每个非线性光学晶体适于接收分别由两个不同的激光脉冲源发射的或由来自两个超短激光脉冲源的和频转换产生的两个不同的激光脉冲，入射在非线性光学晶体上的所述两个激光脉冲时间同步，并且所述N个非线性光学晶体被设置为以便通过在所述N个非线性光学晶体中的连续和频产生频率转换的激光脉冲。
根据实施方式，脉冲激光器系统包括两个不同的激光脉冲源，每个激光脉冲源适于发射在可见域或红外域中的超短激光脉冲；以及非线性光学晶体，适于同时接收来自两个不同的激光脉冲源中的每个激光脉冲源的超短激光脉冲，非线性光学晶体适于通过和频产生超短激光脉冲，该超短激光脉冲的光频等于两个源的光频的和。
根据另一个实施方式，数量N等于三，脉冲激光器系统包括三个不同的激光脉冲源，每个激光脉冲源适于发射在可见域或红外域中的超短激光脉冲；以及第一非线性光学晶体，适于同时接收分别由三个不同的激光脉冲源中的两个发射的两个超短激光脉冲，同步装置适于使入射在第一非线性光学晶体上的所述两个激光脉冲时间同步，使得所述两个入射激光脉冲以任何相移在第一非线性光学晶体中在时间和空间上重叠，第一非线性光学晶体适于通过和频产生频率转换的超短激光脉冲，频率转换的超短激光脉冲的光频等于所述两个源的光频的和；第二非线性光学晶体，适于同时接收所述频率转换的超短激光脉冲和分别由三个激光脉冲源中的其他激光脉冲源发射的另一个超短激光脉冲，同步装置适于使所述频率转换的超短激光脉冲和入射在第二非线性光学晶体上的所述另一个超短激光脉冲时间同步，使得所述超短激光脉冲以任何相移在第二非线性光学晶体中在时间和空间上重叠，第二非线性光学晶体适于通过和频产生超短激光脉冲，超短激光脉冲的光频等于所述三个源的光频的和。
根据本发明的具体且有利的方面，每个激光脉冲源适于发射超短脉冲，并且同步装置适于使入射在非线性光学晶体上的两个不同的激光脉冲时间同步，使得所述两个不同的激光脉冲在所述非线性光学晶体中在时间上重叠，其中时间精度小于或等于所述超短脉冲持续时间的10％rms，并且优选地小于或等于所述超短脉冲持续时间的5％rms。
根据本发明的具体且有利的方面，同步装置包括设置在(在一方面)所述光脉冲源中的一个光脉冲源和(在另一方面)所述非线性光学晶体之间的至少一个光延迟线，光延迟线适于减少入射在所述非线性光学晶体上的两个光脉冲之间的时间延迟。
根据本发明的具体且有利的方面，同步装置包括电子同步装置，电子同步装置适于使在非线性光学晶体中的两个超短激光脉冲时间同步。
在一个实施方式中，多个光脉冲源包括多个激光源，每个激光脉冲源适于发射至少一个激光脉冲。
在另一个实施方式中，多个光脉冲源包括共用光学振荡器，共用光学振荡器适于产生波长为λ1的超短母体光脉冲；以及多个光学放大系统，每个光学放大系统适于接收波长为λ1的超短母体光脉冲并且用于产生波长为λ1的放大的超短光脉冲。
根据本发明的具体且有利的方面，激光器系统进一步包括时间反馈器件，时间反馈器件包括适于测量入射在非线性光学晶体上的两个不同的激光脉冲之间的时间延迟的差分互相关器。
有利地，非线性光学晶体为具有通过偏振的多路复用或具有角度多路复用的非线性光学晶体，非线性光学晶体选自β硼酸钡晶体(β-BaB2O4)或三硼酸锂晶体(LiB3O5)或准相位匹配的铌酸锂晶体(LiNbO3)或PPLN类型。
在一个实施方式中，多个不同的激光脉冲源包括具有高能量光纤的多个激光源。
在另一个实施方式中，多个不同的激光脉冲源包括具有高功率晶体的多个固体激光源。
根据本发明的第二实施方式的具体且有利方面，同步装置包括电子同步装置，其适于使分别由所述多个激光源发射的多个激光脉冲时间同步。
根据本发明的另一个具体且有利方面，用于频率转换的非线性光学系统进一步包括：
—另一个光脉冲源，适于发射以一定波长的至少一个其它光脉冲；
—同步装置，适于使(在一方面)在非线性光学晶体的输出处由频率转换产生的波长为λ2的光脉冲和(在另一个方面)由其它光脉冲源发射的波长为λ1的所述其它光脉冲时间同步，以及
—另一个非线性光学晶体，适于接收波长为λ2的所述光脉冲和波长为λ1的其它光脉冲，相应的波长为λ2和λ1的所述光脉冲时间同步，并且其它非线性光学晶体适于通过频率转换产生波长为λ3的至少一个其它光脉冲，波长λ3不同于所述同步的光脉冲的波长λ2和λ1。
在具体实施方式中，多个不同的激光光源包括具有光纤的多个高能量激光源。
在具体实施方式中，多个不同的激光脉冲源包括具有高功率晶体的多个固体激光源。
本发明还涉及非线性光频转换方法，该方法包括：
a)分别由多个光脉冲源发射多个光脉冲；
b)使所述多个光脉冲时间同步以便产生多个同步的光脉冲，
c)在非线性光学晶体上接收多个同步的光脉冲，非线性光学晶体适于通过频率转换产生至少一个输出光脉冲，所述输出光脉冲的波长不同于来自光脉冲源的所述光脉冲的波长。
优选地，时间同步的步骤b)包括调节设置在光脉冲源和非线性光学晶体之间的至少一个光延迟线上的光学延迟的步骤。
根据第一实施方式，发射步骤a)包括通过振荡器发射多个光脉冲以及通过分离的光学放大器放大所述源脉冲中的每一个。
根据第二实施方式，发射步骤a)包括通过多个激光源发射多个激光脉冲，每个激光源适于发射至少一个激光脉冲。
有利地，在第二实施方式中，时间同步步骤b)包括电子同步步骤，其适于使分别由所述多个激光源发射的多个激光脉冲时间同步。
本发明将在超短激光脉冲系统中找到具体有利的应用。
本发明有利地使得可以组合多个光源以转换它们的光频并且将光学功率增加在一起。
附图说明
本发明也涉及这样的特征：其将在以下描述中出现并且必须孤立或根据其任何技术上可能的组合来考虑。
该描述通过非限制性实例而给出，参考附图将更好地理解如何实施本发明，其中：
—图1示意性地绘示根据现有技术的频率转换非线性光学系统；
—图2示意性地示出根据本发明的频率转换非线性光学系统的原理；
—图3示意性地示出本发明的第一实施方式；
—图4示意性地示出本发明的第二实施方式；
—图5示意性地示出本发明的第三实施方式；
—图6示意性地示出用于测量两个激光脉冲之间的光学延迟的差分互相关器器件。
具体实施方式
图2示出具有和频的转换的用于高功率和/或高能量超短脉冲的UV可见激光器系统。所提出的UV可见激光器系统的配置是基于使用不同的激光源而非如图1中示出的现有系统中的单个源。
通过说明性实例，图2中的系统包括三个不同的激光源：激光源11、激光源12和激光源13。有利地，激光源11、12、13为锁模类型的超短脉冲激光源。
总体来说，本发明的系统包括至少两个不同的激光源并且最多五个不同的超短脉冲激光源。
在图2的系统中，首先考虑第一源11和第二源12，第一源11和第二源12为空间上分离的激光源。第一源11发射波长为λ1的超短脉冲31并且第二源12发射波长为λ2的超短脉冲32。第一源11和第二源12彼此不相干。第一源11和第二源12被布置为以便在第一频率转换非线性晶体1中使来自第一源11的超短脉冲31和来自第二源12的另一个超短脉冲120耦合。为了这个目的，光学系统可设置在源11、12和非线性光学晶体1之间，以便在第一频率转换非线性晶体1中在空间和时间上重叠超短脉冲31和超短脉冲32。
在纳秒区内，为了在非线性光学晶体中通过和频产生脉冲，有必要控制在连续入射脉冲之间的光学相位，以便确保在频率转换的脉冲的作为时间的函数的功率和/或能量方面的稳定性。控制光学相位通常需要使用用于测量在纳秒持续时间的连续脉冲之间的光学相移的精确干涉测量系统。
反之，根据本发明，除了在非线性晶体中实现相位匹配条件之外，用于在非线性晶体1中通过和频产生超短脉冲(在皮秒区内，最多20ps，或者在飞秒区内)的必要且充分的条件是，在以这两个脉冲31和32之间的任何时间相位关系，超短脉冲31和另一个超短脉冲32在非线性晶体1中在时间上重叠。优选地，两个源11、12以相同重复率发射具有相同脉冲持续时间的超短脉冲31和超短脉冲32，该超短脉冲31和超短脉冲32具有相同电平的能量并且其在非线性光学晶体1中在空间上重叠。时间控制足以确保位于从一微秒到几分钟范围内的时间间隔中的一系列超短脉冲的频率转换效率的稳定性。在未控制光学相位的情况下进行控制时间同步，在相同脉冲串中，从一个超短频率转换的脉冲到下一个超短脉冲未观察到不稳定性以及频率转换。
因此，这是确保在第一频率转换非线性光学晶体1中两个源11和12的超短脉冲31和超短脉冲32之间的时间同步的情况，比超短脉冲的持续时间具有更好的时间精度。如关于图3至图5所详述，这种时间同步可以以电子或光学的方式提供。
第一源11和第二源12以及第一非线性频率转换晶体1使得可以经受超短脉冲31和超短脉冲32的同步以产生超短脉冲131，该超短脉冲131的光频等于分别由源11和源12产生的超短源脉冲31和脉冲32的相应光频的和。
图2中的系统还包括第三源13和第二频率转换非线性晶体2。第三源13在空间上分别与第一源11和第二源12分离。第一源11、第二源12以及第三源13彼此不相干。第三源13发射波长为λ3的超短脉冲33。第二频率转换非线性光学晶体2设置在第一非线性光学晶体1的光路下游上，以便接收来自第三源13的超短脉冲33和通过第一非线性光学晶体1中的和频产生的超短脉冲131。为了这个目的，光学系统(未示出)设置在第三源13和第一非线性光学晶体1及第二非线性光学晶体2之间。
在由第三源13产生的超短脉冲33和通过第一非线性光学晶体1中的和频产生的超短脉冲131在第二非线性光学晶体2中在空间和时间上重叠的条件下，观察到产生新的超短脉冲132，该新的超短脉冲132的光频等于三个源11、12和13的光频的和。
在此假设不论在皮秒区还是在飞秒区内，两个超短脉冲31、32的持续时间和在非线性光学晶体1和相应的非线性光学晶体2中以待组合的相应超短脉冲131、33的持续时间相等。
必须确保在第二频率转换非线性光学晶体2中超短脉冲33和超短脉冲131之间的同步，该同步具有比这些脉冲的持续时间更好的时间精度。如关于图3至图5所详述，该同步可以电子或光学有源方式实现。
如此配置具有超短脉冲的UV可见激光器系统使得可以组合来自多个红外激光源11、12、13的相对于彼此时间同步的超短激光脉冲，以便通过在连续设置的非线性晶体中将连续频率相加来成对地转换来自各个源的超短脉冲，从而产生在紫外光范围内的具有每脉冲强平均功率和/或强能量的超短脉冲。
例如，如果三个源11、12、13发射具有相同波长的超短脉冲31、32、33，那么激光器系统使得可以产生具有三倍光频的超短脉冲，或者换句话说，产生其波长等于源11、12、13的波长的三分之一的超短脉冲。
在给定技术的限制情况下，初始红外功率在多个源11、12、13或多个放大通道中的分布使得可以推动在紫外域中可达到的功率和/或能量的性能。通过频率转换获得的超短脉冲132具有根据源脉冲31、32、33的能量或相应功率的和而增加的能量和相应功率。超短脉冲132的能量和相应功率不受源脉冲31、32、33中一者的能量和相应功率的限制，但是受到各个源11、12、13的能量和相应功率限的和的限制。
关于图2所公开的该原理可延伸到来自基本辐射的任何谐波度，延伸到对应于其可组合的最大激光源数量的谐波度。因此，对于倍频，两个不同的激光源将是可用的，对于三倍频率，三个激光源将是可用的，对于四倍频率，两个至四个激光源将是可用的。
可通过添加独立的源模块和同步，而不需要添加非线性光学晶体，来实现辅助源的组合。组合多个源的激光器系统使得可以确保由系统传递的频率转换的超短脉冲的能量和/或功率稳定性。
图2中示出的配置被具体调适用于超短脉冲源11、12、13，特别是当超短脉冲源由锁模激光源注入时。
为了获得从一个脉冲到下一个脉冲的最佳转换效率和/或最佳功率稳定性，在频率转换非线性光学晶体中脉冲的时间同步相对于根据关于图3至图6所详述的各种有源同步策略所讨论的脉冲持续时间而控制并优化。
图3示意性地绘示具有有源光学同步的根据第一实施方式的多光束频率转换激光器系统。
第一实施方式是基于使用共用的注入式激光源，被称为振荡器10。振荡器10发射超短母体脉冲20。超短母体脉冲20在空间上分布在多个放大模块之间，多个放大模块也被称为光学放大器21、22、23。振荡器10和放大器21形成超短脉冲31的第一源211。振荡器10和放大器22形成超短脉冲32的第二源212。因此，超短脉冲的三个源211、212、213在空间上分离。振荡器10和放大器23形成超短脉冲33的第三源213。图3中的系统包括第一转换非线性光学晶体1和第二转换非线性光学晶体2。
首先考虑所有两个光学放大器21、22和第一转换非线性光学晶体1。光学放大器21接收超短脉冲20并产生超短放大的脉冲31。以类似方式，光学放大器22接收超短脉冲20并且产生放大的超短脉冲32。放大的超短脉冲31、32具有相同的光频或相同的波长λ1，并且通常与振荡器10的母体脉冲20具有相同的持续时间。图2中未示出的例如具有镜子的光学系统将放大的超短脉冲31、32引导至第一转换非线性光学晶体1。然而，在每个放大器21和相应放大器22中放大的超短脉冲31和相应的放大超短脉冲32确实经历从一个光学放大器21到另一个光学放大器22而可以不同的时间延迟。此时间延迟通常为几皮秒。该时间延迟从一个脉冲到下一个脉冲是恒定的，但是在几分钟的时段内缓慢变化。此时间延迟具体是由分别与光学放大器21和光学放大器22相关联的光学通道之间的光路的长度差而导致的。此时间延迟取决于放大技术，特别是取决于放大时间和通过的材料，以及取决于在此放大期间对脉冲的传播距离有影响的温度变化。
图3中的多光束频率转换激光器系统为在至少一个通道上(例如在光学放大器21的输出处和/或相应地在光学放大器22的输出处)设置至少一个光延迟线41、相应的光延迟线42做准备。希望最小化检测到的误差信号以便例如通过互相关器最小化时间延迟。一条光延迟线或光延迟线41、42使得可以补偿由光学放大器21发布的放大的超短脉冲31和由光学放大器22发布的放大的超短脉冲32之间的时间延迟。因此，通过使用由互相关器产生的信号，在转换非线性光学晶体1中放大的超短脉冲31、32时间同步。在转换非线性光学晶体1的输出处，获得了倍频的超短脉冲131。
现在考虑另一个光学放大器23和另一个转换非线性光学晶体2。有利地，另一个光学放大器23也接收来自振荡器10的超短母体脉冲20。光学放大器23放大超短母体脉冲20并产生具有与放大的超短脉冲31和32相同的波长λ1的放大超短脉冲33。
图3中未示出的光学系统将放大的超短脉冲33和频率转换的超短脉冲131引导至另一个转换非线性光学晶体2。
然而，放大的超短脉冲33通常相对于来自第一非线性光学晶体1的频率转换的超短脉冲131具有时间延迟。此时间延迟一般为几皮秒，但是从一个脉冲到下一个脉冲其是恒定的，并且在几分钟的时段内缓慢变化。多光束转换器件为在光学放大器23的通道上(例如在此光学放大器23的输出处)设置另一个光延迟线43做准备。光延迟线43使得可以补偿由光学放大器23发布的放大的超短脉冲33和由第一非线性光学晶体1发布的频率转换的超短脉冲131之间的时间延迟。因此，在转换非线性光学晶体2中放大的超短脉冲33和频率转换的超短脉冲131时间同步。在转换非线性光学晶体2的输出处，获得了具有相对于振荡器10的频率的三倍频率的超短脉冲132。
可采用几种方法以组合在转换非线性光学晶体1、2中的脉冲。具体地，在这里考虑通过偏振的多路复用和角度多路复用。通过偏振的多路复用包括设置两个脉冲，使得在晶体中的每个入射脉冲具有正交于另一个脉冲的偏振，那么相互作用的类型为转换晶体中的类型II。角度多路复用包括设置两个入射脉冲，如果两个脉冲在这一相同的转换晶体中在空间上重叠，使得它们在晶体中形成不同的入射角。在角度多路复用的情况下，那么两个脉冲可具有相同的偏振(类型I相互作用)或正交偏振(类型II相互作用)。
例如，第一转换非线性光学晶体1为类型IIβ硼酸钡(或BBO)晶体，并且例如，第二转换非线性光学晶体2也为类型II BBO晶体。有利地，非线性光学晶体以垂直入射取向并且晶体的切削角使得可以实现在晶体中传播的三个波之间的相位匹配。根据脉冲的能级，在共线配置中对于低能量(nJ)，准相位匹配晶体(诸如周期性极化的铌酸锂，或PPLN)可为优选的，而在共线类型II或非共线类型I中在高能量(mJ)下三硼酸锂(或LBO)可为优选的。
举例来说，考虑了现有技术的掺镱光纤的具有飞秒的激光源11。这种源11通常发射每脉冲20μJ能量的脉冲31，其中脉冲持续时间为400fs，中心波长λ1为1030nm以及速率为1MHz。这种源11的能量受到在有源光纤中在放大先前预延展的脉冲期间累加的光学非线性的限制。为了在紫外光中在343nm的波长下以及在1MHz下具有18μJ能量的脉冲，常规方法将包括开发在1MHz下发射至少60μJ的源，需要延展脉冲使其比放大之前大三倍或需要具有大三倍的有效面积的光纤设计。在这两种情况下，还需要在这一相同的有源光纤中管理大三倍的热沉积。
反之，根据图3中示出的实施方式，例如三个放大器21、22、23用于发射脉冲，每个脉冲具有20μJ的能量，脉冲由相同的飞秒振荡器10注入。例如，放大的脉冲31、32、33的同步通过差分光学互相关器件控制，该器件使得可以有效地调节三个脉冲之间的时间延迟，其中三个脉冲在非线性晶体1、2中通过和频连续地组合。
此第一实施方式使得可以获得在紫外光中的高能量脉冲而不会超过在光纤放大器21、22、23中的每一个内的热沉积限制。
第二实施方式使用多个不同的激光源，多个不同的激光源以电子方式彼此同步，具有小于脉冲持续时间的时间精度。
图4示意性地绘示具有电子同步的根据第二实施方式的多光束频率转换光学系统。
首先考虑所有两个激光源11、12和转换非线性光学晶体1。激光源11发射超短激光脉冲31。激光源12发射超短激光脉冲32。激光源11和激光源12在空间上分离。在这种情况下，激光源11和激光源12彼此不相干。常规的电子同步系统50在一方面通过电子连接51连接到激光源11并且在另一方面通过电子连接52连接到激光源12。激光源11的发射和激光源12的发射之间的电子延迟通过相位检测器以常规的RF技术关于电子信号测量。因此，电子同步系统50使得可以使超短激光脉冲31和超短激光脉冲32时间同步。
光学系统(未示出)将超短激光脉冲31和超短激光脉冲32引导至常规的非线性光学晶体1。
以互补方式，如图4所示，多光束转换系统还包括在至少一个通道上(例如在激光源11的输出处和/或相应地在激光源12的输出处)的至少一个光延迟线41和/或相应的光延迟线42。例如，超短激光脉冲31和超短激光脉冲32之间的相对时间延迟通过互相关测量。单条延迟线或延迟线41、42使得可以补偿由激光源11发布的超短激光脉冲31和由激光源12发布的超短激光脉冲32之间的相对时间延迟。在此假设不同的源11、12产生具有相同持续时间且相同重复率的超短脉冲。如上所述，在超短脉冲区内，来自两个源的超短脉冲31、32之间的时间延迟通常为约1ps，但是这种延迟从一个脉冲到下一个脉冲是恒定的，并且在几分钟的时段内通过超短脉冲的持续时间而缓慢变化。
借助于电子时间同步系统和可选地借助于延迟线41、42，在转换非线性光学晶体1中超短激光脉冲31、32时间同步。在非线性光学晶体1的输出处，获得了倍频的超短脉冲131。下一个脉冲31、32也被同步。
现在考虑另一个激光源13和另一个转换非线性光学晶体2。
另一个激光源13发射另一个超短激光脉冲33。
光学系统(图4中未示出)将超短激光脉冲33和频率转换的超短脉冲31引导至另一个非线性光学晶体2。
然而，超短激光脉冲33通常相对于来自转换非线性光学晶体1的频率转换的超短脉冲131具有时间延迟。
有利地，电子同步系统50通过电子连接53连接到激光源131，使得可以使超短激光脉冲33与频率转换的超短脉冲131在转换非线性光学晶体2中同步。
以互补方式，光延迟线43设置在激光源13和转换非线性光学晶体2之间，以便在转换非线性晶体2中细化超短激光脉冲33的同步和频率转换的超短脉冲131的同步。
转换非线性晶体2通过频率转换从超短激光脉冲33和频率转换的超短脉冲131产生超短脉冲132。超短脉冲132的光频等于激光脉冲33和转换脉冲131的光频的和。超短脉冲132与超短激光脉冲31、32或33具有相同的持续时间和相同的空间分布，其中能量取决于非线性晶体1和/或2的正常转换效率：对于二次谐波产生(SHG)为15％至70％的转换效率，对于三次谐波产生(THG)为20％至30％的转换效率，对于四次谐波产生(FHG)为15％至25％的转换效率。
图5示意性地示出本发明的第三实施方式。
相同的参考标记指示图4中相同的元件。
激光器系统包括器件80，器件80包括飞秒振荡器，其后是用于在时间上延展由振荡器传递的脉冲的延展器。第一放大系统81包括第一光学放大器，其后是用于重新压缩放大的脉冲的第一压缩机。同样地，第二放大系统82包括第二光学放大器，其后是用于重新压缩放大的脉冲的第二压缩机，并且第三放大系统83包括第三光学放大器，其后是用于重新压缩放大的脉冲的第三压缩机。有利地，每个压缩机包括使得可以修改脉冲传播时间的平移板。因此，放大系统81、82、83中的每个放大系统的每个压缩机包括重新压缩延展脉冲的功能以及光延迟线功能。因此，这些压缩机使得可以调节各个放大的脉冲31、32、33之间的同步。
放大系统81与器件80一起形成超短脉冲31的第一源311。以类似方式，放大系统82与器件80一起形成超短脉冲32的第二源312。最后，放大系统83与器件80一起形成超短脉冲33的第三源313。
在该第三实施方式的变型中，光学同步装置和电子同步装置组合在相同的激光器系统中。该组合使得可以从特别针对于每种技术的同步动力学中受益，并因此使反馈环路去相关。
图5中的激光器系统还包括设置在第一放大系统81的输出和第二放大系统82的输出之间的差分互相关器61，以便测量超短脉冲31和超短脉冲32之间的时间延迟。图5中的激光器系统还包括设置在第一转换非线性光学晶体1的输出和第三放大系统83的输出之间的另一个差分互相关器62，以便测量在频率转换的超短脉冲131和由第三放大系统83发布的超短脉冲33之间的时间延迟。
图6示意性地示出用于测量两个超短激光脉冲之间的光学延迟的差分互相关器器件。
差分互相关器基于具有串联的两个非线性晶体的器件，或基于包括在两个脉冲通过其的双通中使用的非线性光学晶体的器件，试图提供两个脉冲的时间同步。
在图6示出的实例中，待同步的两个超短脉冲31、32具有穿过第一分色镜71的交叉偏振。在时间上彼此重叠的每个超短脉冲31、32的部分在和频非线性光学晶体72中通过和频转换，在检测器75上测量通过第二分色镜74的此频率转换的脉冲的总能量。通过基波在第二分色镜74上的反射，由于通过双折射板73的双通道，每个脉冲经历共两次不同的延迟。两个脉冲的重叠区域不再相同，并且然后通过在第一分色镜71上的反射在第二检测器76上测量所转换的能量。由检测器75和检测器76测量的两个信号之间的差值77提供两个脉冲31和32之间延迟的指示符和延迟方向的指示符。因此，例如，此误差信号77可在反馈环路中直接发送到放大系统81、82的两个压缩机中的一个压缩机的光延迟线上。
以可替代和/或互补方式，本发明的系统包括无源同步装置，该无源同步装置适于在频率转换器非线性光学晶体中稳定在由各个源发布的超短脉冲之间的时间同步。例如，这些无源同步装置包括用于针对振动的机械稳定的器件以便减小入射在相同非线性光学晶体上的超短脉冲之间的光学延迟波动。无源同步装置也可包括热稳定装置，以便减小超短脉冲之间的热引发的光学延迟波动：例如，在超短脉冲的光路上的镜子的支撑件优选地由因瓦合金(Invar)制成以便限制热漂移。
本发明绝不限于本文所述的实施方式。
本发明具体应用于具有相同光频的四个超短脉冲源和三个非线性光学晶体的实施方式，以便形成其光频等于四个源的光频的四次谐波的超短脉冲。
该实施方式使得可以由在红外光中发射的源产生在高功率和/或高能量的UV范围内的超短脉冲，并且具有从一个脉冲到另一个脉冲的稳定的转换效率。
同样地，本发明应用于具有相同光频的五个超短脉冲源和四个非线性光学晶体的实施方式，以便形成其光频等于五个源的光频的五次谐波的超短脉冲。
本发明的第一工业应用涉及使用光纤激光器实施在UV范围内具有高能量的超短脉冲的激光源，每个光纤的能量受到限制。这种系统提供传递在UV范围内的高能量超短脉冲的优点，在脉冲串中从一个脉冲到下一个脉冲具有极好的能量稳定性。
本发明的另一个工业应用涉及使用晶体固体激光器实施在UV范围内高功率的超短脉冲的激光源，每个晶体激光器的功率受到限制。这种系统提供传递在UV范围内的高功率超短脉冲的优点，在脉冲串中从一个脉冲到下一个脉冲具有极好的功率稳定性。
调节时间同步比调节干涉测量系统容易且稳健。
本发明的系统具有模块化和相对廉价的优点。易于添加一个源模块或用另一个源模块来替换一个源模块，以便调适超短脉冲输出的功率或能量。该系统还通过替换独立于系统其余部分的模块来提供便于维护的优点。

Claims (13)

1.一种具有超短高功率和/或高能量脉冲的UV能见激光器系统，其特征在于，包括：
—多个激光脉冲源(11，12，13，211，212，213，311，312，313)，其中，多个源包括在两个和五个之间的不同的源，每个源(11，12，13，211，212，213，311，312，313)适于发射在能见域或红外域中的至少一个超短激光脉冲(31，32)；以及
—至少一个非线性光学晶体(1)，适于接收两个超短激光脉冲(31，32)，所述两个超短激光脉冲(31，32)分别由两个不同的激光脉冲源(11，12，211，212，311，312)发射
—同步装置(41，42，50，51，52)，适于使入射在所述非线性光学晶体(1)上的所述两个超短激光脉冲(31，32)时间同步，使得所述两个超短激光脉冲(31，32)以任何相移在所述非线性光学晶体(1)中在时间和空间上重叠；
—所述至少一个非线性光学晶体(1)适于通过和频产生频率转换的超短激光脉冲(131)，所述超短激光脉冲(131)的光频等于在所述非线性光学晶体(1)中在时间和空间上重叠的所述两个超短激光脉冲(31，32)的相应光频的和。
2.根据权利要求1所述的具有超短高功率和/或高能量脉冲的UV能见激光器系统，包括N个非线性光学晶体(1，2)，其中，N为大于或等于二的整数，每个非线性光学晶体(1，2)适于接收分别由两个不同的激光脉冲源发射的或由两个超短激光脉冲源通过和频转换产生的两个不同的激光脉冲，入射在非线性光学晶体上的所述两个激光脉冲时间同步，并且所述N个非线性光学晶体(1，2)被设置为以便通过在所述N个非线性光学晶体(1，2)中的连续和频产生频率转换的激光脉冲(132)。
3.根据权利要求2所述的具有超短高功率和/或高能量脉冲的UV能见激光器系统，包括：
—两个不同的激光脉冲源(11，12，211，212，311，312)，每个激光脉冲源(11，12，211，212，311，312)适于发射在所述能见域或红外域中的超短激光脉冲(31，32)；以及
—非线性光学晶体(1)，适于同时接收来自所述两个不同的激光脉冲源(11，12，211，212，311，312)中的每个激光脉冲源的超短激光脉冲(31，32)，
—所述非线性光学晶体(1)适于通过和频产生超短激光脉冲(131)，所述超短激光脉冲(131)的光频等于两个源(11，211，12，212，311，312)的光频的和。
4.根据权利要求2所述的具有超短高功率和/或高能量脉冲的UV能见激光器系统，包括：
—三个不同的激光脉冲源(11，12，13，211，212，213，311，312，313)，每个激光脉冲源(11，12，13，211，212，213，311，312，313)适于发射在所述能见域或红外域中的超短激光脉冲(31，32，33)；以及
—第一非线性光学晶体(1)，适于同时接收分别由三个不同的激光脉冲源(11，12，211，212，311，312)中的两个发射的两个超短激光脉冲(31，32)，
—时间同步装置(41，42，50，51，52)，适于使入射在所述第一非线性光学晶体(1)上的所述两个激光脉冲(31，32)时间同步，使得所述两个不同的激光脉冲(31，32)以任何相移在所述第一非线性光学晶体(1)中在时间和空间上重叠，所述第一非线性光学晶体(1)适于通过和频产生频率转换的超短激光脉冲(131)，所述频率转换的超短激光脉冲(131)的光频等于所述两个源(11，12，211，212，311，312)的光频的和，
—第二非线性光学晶体(2)，适于同时接收所述频率转换的超短激光脉冲(131)和分别由三个激光脉冲源中的其他激光脉冲源(13，213，313)发射的另一个超短激光脉冲(33)，
—同步装置(43，50，53)，适于使入射在所述第二非线性光学晶体(2)上的所述频率转换的激光脉冲(131)和所述另一个激光脉冲(33)时间同步，使得所述超短激光脉冲(131，33)以任何相移在所述第二非线性光学晶体(2)中在时间和空间上重叠，所述第二非线性光学晶体(2)适于通过和频产生超短激光脉冲(132)，所述超短激光脉冲(132)的光频等于所述三个源(11，12，13，211，212，213，311，312，313)的光频的和。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的具有超短高功率和/或高能量脉冲的UV能见激光器系统，其中，每个激光脉冲源(11，12，13，211，212，213，311，312，313)适于发射超短脉冲(31，32，33)，并且其中，所述同步装置(41，42，43，51，52，53)适于使入射在非线性光学晶体(1，2)上的两个不同的激光脉冲(31，32，33)时间同步，使得所述两个不同的激光脉冲(31，32，33)在所述非线性光学晶体(1，2)中在时间上重叠，其中时间精度小于或等于所述超短脉冲的持续时间的10％rms，并且优选地小于或等于所述超短脉冲的持续时间的5％rms。
6.根据权利要求1至5中的一项所述的具有超短高功率和/或高能量脉冲的UV能见激光器系统，其中，在一方面，所述同步装置包括设置在所述光脉冲源(11，12，211，212)中的一个光脉冲源和所述非线性光学晶体(1)之间的至少一个光延迟线(41，42)，所述光延迟线(41，42)适于减小入射在所述非线性光学晶体(1)上的两个光脉冲(31)之间的时间延迟。
7.根据权利要求1至6中的一项所述的具有超短高功率和/或高能量脉冲的UV能见激光器系统，其中，所述同步装置包括电子同步装置(50，51，52，53)，所述电子同步装置(50，51，52，53)适于使在非线性光学晶体(1，2)中的两个超短激光脉冲(31，32)时间同步。
8.根据权利要求1至7中的一项所述的具有超短高功率和/或高能量脉冲的UV能见激光器系统，其中，所述多个光脉冲源包括多个激光源(11，12，13)，每个激光脉冲源(11，12，13)适于发射至少一个超短激光脉冲(31，32，33)。
9.根据权利要求1至7中的一项所述的具有超短高功率和/或高能量脉冲的UV能见激光器系统，其中，所述多个光脉冲源包括：
—共用光学振荡器(10，80)，适于产生波长为λ1的超短母体光脉冲；以及
—多个光学放大系统(21，22，23，81，82，83)，每个光学放大系统(21，22，23，81，82，83)适于接收波长为λ1的超短母体脉冲(20)并且用于产生波长为λ1的放大的超短光脉冲(31，32，33)。
10.根据权利要求1至9中的一项所述的具有超短高功率和/或高能量脉冲的UV能见激光器系统，进一步包括时间反馈器件，所述时间反馈器件包括用于测量入射在非线性光学晶体(1，2)上的两个不同的激光脉冲(31，32，33)之间的时间延迟的差分互相关器。
11.根据权利要求1至10中的一项所述的具有超短高功率和/或高能量脉冲的UV能见激光器系统，其中，所述非线性光学晶体(1，2)为具有通过偏振的多路复用或具有角度多路复用的非线性光学晶体，所述非线性光学晶体(1，2)选自β硼酸钡晶体(β-BaB2O4)或三硼酸锂晶体(LiB3O5)或准相位匹配的铌酸锂晶体(LiNbO3)或PPLN类型。
12.根据权利要求1至11中的一项所述的具有超短高功率和/或高能量脉冲的UV能见激光器系统，其中，多个不同的激光脉冲源(11，12，13，211，212，213，311，312，313)包括多个高能量光纤激光源。
13.根据权利要求1至12中的一项所述的具有超短高功率和/或高能量脉冲的UV能见激光器系统，其中，多个不同的激光脉冲源(11，12，13，211，212，213，311，312，313)包括多个高功率晶体激光源。
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