CN110521073B - 基于克尔透镜锁模建立激光脉冲的脉冲激光设备和方法 - Google Patents

基于克尔透镜锁模建立激光脉冲的脉冲激光设备和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110521073B
CN110521073B CN201780089856.2A CN201780089856A CN110521073B CN 110521073 B CN110521073 B CN 110521073B CN 201780089856 A CN201780089856 A CN 201780089856A CN 110521073 B CN110521073 B CN 110521073B
Authority
CN
China
Prior art keywords
mode
kerr
condition
cavity
pulsed laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201780089856.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110521073A (zh
Inventor
O·普罗宁
F·克劳斯
J·布龙斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Ludwig Maximilians Universitaet Muenchen LMU
Original Assignee
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Ludwig Maximilians Universitaet Muenchen LMU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV, Ludwig Maximilians Universitaet Muenchen LMU filed Critical Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Publication of CN110521073A publication Critical patent/CN110521073A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110521073B publication Critical patent/CN110521073B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1106—Mode locking
    • H01S3/1112—Passive mode locking
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/0602—Crystal lasers or glass lasers
    • H01S3/0604—Crystal lasers or glass lasers in the form of a plate or disc
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08018—Mode suppression
    • H01S3/0804—Transverse or lateral modes
    • H01S3/0805—Transverse or lateral modes by apertures, e.g. pin-holes or knife-edges
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/0813—Configuration of resonator
    • H01S3/0816—Configuration of resonator having 4 reflectors, e.g. Z-shaped resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/0941—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode
    • H01S3/09415—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode the pumping beam being parallel to the lasing mode of the pumped medium, e.g. end-pumping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10053—Phase control
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/107—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using electro-optic devices, e.g. exhibiting Pockels or Kerr effect
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/108—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using non-linear optical devices, e.g. exhibiting Brillouin or Raman scattering
    • H01S3/109—Frequency multiplication, e.g. harmonic generation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1106—Mode locking
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/131—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation
    • H01S3/1312—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation by controlling the optical pumping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/131—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation
    • H01S3/1317—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation by controlling the temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/08—Generation of pulses with special temporal shape or frequency spectrum
    • H01S2301/085—Generation of pulses with special temporal shape or frequency spectrum solitons
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08059—Constructional details of the reflector, e.g. shape
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/0811—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors incorporating a dispersive element, e.g. a prism for wavelength selection
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094049—Guiding of the pump light
    • H01S3/094053—Fibre coupled pump, e.g. delivering pump light using a fibre or a fibre bundle
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16—Solid materials
    • H01S3/1601—Solid materials characterised by an active (lasing) ion
    • H01S3/1603—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
    • H01S3/1611—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth neodymium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16—Solid materials
    • H01S3/1601—Solid materials characterised by an active (lasing) ion
    • H01S3/1603—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
    • H01S3/1618—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth ytterbium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16—Solid materials
    • H01S3/163—Solid materials characterised by a crystal matrix
    • H01S3/164—Solid materials characterised by a crystal matrix garnet
    • H01S3/1643—YAG

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

一种脉冲激光设备(100)，其用于基于振荡器腔(10)中的循环光场的克尔透镜锁模来建立激光脉冲(1)、尤其孤子激光脉冲(1)，该脉冲激光设备包括：至少两个谐振器镜(11，12，......)，其跨越振荡器腔(10)的谐振器光路(2)；至少一个克尔介质(21，22，23)，其用于将自相位调制和自聚焦引入振荡器腔(10)中的循环光场；至少一个增益介质(31)，其用于增强振荡器腔(10)中的循环光场；和调谐装置(40)，其用于设置振荡器腔(10)的第一锁模状况和第二锁模状况，使得与第二锁模状况相比，在第一锁模状况下用于锁模的腔内阈值功率更低，其中，第一锁模状况适于启动或关停克尔透镜锁模，第二锁模状况适于持续的克尔透镜锁模，且循环光场的谐振器内部峰值功率在第二锁模状况下比在第一锁模状况下更高。此外，描述了一种操作该脉冲激光设备的方法。

Description

基于克尔透镜锁模建立激光脉冲的脉冲激光设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于基于振荡器腔中的循环光场的克尔透镜锁模来建立激光脉冲、尤其孤子激光脉冲的脉冲激光设备。此外，本发明涉及一种基于克尔透镜锁模建立激光脉冲、尤其孤子激光脉冲的方法。本发明的应用可用于例如激光物理、基于激光脉冲的测量技术和光谱学领域。
背景技术
在本说明书中，参考说明本发明技术背景的以下现有技术：
[1]V.L.Kalashnikov等，"Solid State Laser"，A.Al-Khursan，ed.(InTech，2012)，pp.146I84；
[2]F.Krausz等，"J.Quantum Electron."28，2097-2122(1992)；
[3]O.Pronin等，"Opt.Lett."36，4746-4748(2011)；
[4]J.Brons等，"Opt.Lett."41，3567(2016)；
[5]J.Brons等，"Opt.Lett."39，6442-6445(2014)；
[6]S.B.Mirov等，"IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron."21，292-310(2015)；
[7]M.Lettenberger等，"Opt.Co mmun."131，295-300(1996)；
[8]V.Magni等，"J.Opt.Soc.Am."B 12，476-485(1995)；
[9]A.Penzkofer等，"Opt.Quantum Electron."28，423-442(1996)；
[10]X.Han等，"Opt.Express"16，3686(2008)；
[11]R.DeSalvo等，"Opt.Lett."17，28-30(1992).
尤其利用孤子克尔透镜锁模(KLM)振荡器可建立激光脉冲的周期性序列。孤子KLM振荡器的工作原理总结可例如参见文献[1]。高功率的克尔透镜锁模(KLM)振荡器、尤其薄片KLM振荡器的启动过程通常需要外部扰动持续波(CW)稳态，以引发波动，由此可生成锁模脉冲。如果不采取谨慎措施来进行控制，则该过程很容易导致腔内光学元件损坏。损坏机制需要研究，然而，使用快速示波器和光电二极管进行分析会发现在从CW振荡到锁模操作转换时以及从锁模操作切换到CW振荡时出现强的高能量脉冲。
图7中示出了传统KLM振荡器的这种特性的说明性示例，其示出了在启动锁模操作时带有高功率/能量/强度噪声尖峰的剧烈脉冲增强。这些强大的脉冲是造成光学损伤的最可能原因。
众所周知，当锁模装置(通常是真实(例如SESAM)或虚拟(例如KLM)可饱和吸收器)容易饱和时，可抑制被动锁模振荡器中的q开关或尖峰不稳定性(文献[2])。然而，这意味着在波动或脉冲的相对较低的瞬时功率下已经达到最大功率相关的反射率或传输变化。因此，如果该概念将用于抑制上述尖峰不稳定性，则仅可随输出功率相对较低的KLM振荡器使用。
避免这种强脉冲的另一种解决方案是使用附加的锁模装置，该锁模装置主要通过脉冲通量而不是强度饱和，例如文献[3]中所报道的半导体可饱和吸收镜(SESAM)。原则上，任何具有低饱和度通量或饱和强度的被动锁模装置都是有帮助的。然而，锁模装置的饱和功率的降低再次限制了来自振荡器的最大可实现峰值功率，且通常与高功率锁模振荡器的设计目标相冲突。
对于传统的KLM振荡器，关停程序(停止锁模操作)可能会受同样混乱危险的尖峰不稳定性影响，如图8所示，其中，示出了具有振荡器输出的光电二极管信号的测量的示波器踪迹。可清楚地观察到减少增益时的尖峰特性。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的脉冲激光设备和一种改进的方法，用于基于克尔透镜锁模建立激光脉冲、尤其孤子激光脉冲，从而能够避免传统技术的限制。特别地，该脉冲激光设备和该方法应能够优化输出参数，例如KLM振荡器的功率、带宽和脉冲持续时间，同时避免在脉冲建立或关停期间损坏光学元件。
这些目的分别通过一种产生激光脉冲的脉冲激光设备和/或一种方法解决。
根据本发明的第一总体方面，上述目的通过一种脉冲激光设备解决，该脉冲激光设备用于基于振荡器腔中的循环光场的克尔透镜锁模来产生激光脉冲、尤其孤子激光脉冲。该脉冲激光设备(或：KLM振荡器)包括两个或优选地多于两个的谐振器镜，所述谐振器镜跨越振荡器腔的谐振器光路。优选地，谐振器镜中的至少一个是用于将循环光场的一部分耦合出振荡器腔的外耦合镜。
至少一个克尔介质布置在振荡器腔的光路中。通常，所述至少一个克尔介质适于将自相位调制和自聚焦引入振荡器腔中的循环光场，从而导致谐振器模式和循环光场的脉冲形状的模式耦合。耦合出循环光场的一部分导致激光脉冲的脉冲序列。此外，至少一个增益介质布置在振荡器腔的光路中。增益介质适于增强振荡器腔中的循环光场。优选地，所述至少一个增益介质适于在振荡器腔中提供软孔径(形成KLM孔径的增益区)。替代地或附加地，振荡器腔可包括用于KLM滤波的硬孔径。
根据本发明，脉冲激光设备还包括调谐装置，该调谐装置配置成用于设置振荡器腔的第一锁模状况和第二锁模状况。第一锁模状况适于提供用于锁模的腔内阈值功率，该腔内阈值功率低于在第二锁模状况下的情况。第一锁模状况适于启动或关停克尔透镜锁模，第二锁模状况适于持续的克尔透镜锁模，其中，循环光场的谐振器内部峰值功率在第二锁模状况下比在第一锁模状况下更高。
阈值功率是振荡器腔中的最低持续波(CW)功率，在该功率处发生向锁模操作的转变。第一锁模状况(或：启动或关停状态)是克尔透镜锁模启动或关停的锁模状况。第二锁模状况(或：运行状态)是克尔透镜锁模持续进行的锁模状况，且具有与第一操作布置中相比更高的腔内峰值功率，与第一操作布置中相比更短的脉冲持续时间，和/或具有与第一操作布置中产生的多脉冲相比不同的单脉冲特性。将振荡器腔设置到第一锁模状况有利地允许启动或结束锁模操作，同时避免混乱的高功率尖峰和损坏。第二锁模状况被提供用于以增加的输出功率操作脉冲激光设备。第一和第二锁模状况是振荡器腔的固定操作状态，所述固定操作状态特别地由振荡器腔的规格、例如腔内焦距和克尔和/或增益介质材料来确定。第一和第二锁模状况可基于振荡器行为的数值模拟，通过实际测试或使用下面提到的控制回路实现。
根据本发明的第二总体方面，上述目的通过一种通过操作脉冲激光设备产生激光脉冲的方法来解决，该脉冲激光设备具有：振荡器腔，其具有至少两个谐振器镜，所述谐振器镜跨越振荡器腔的谐振器光路；至少一个克尔介质，其配置成用于将自相位调制和自聚焦引入振荡器腔中的循环光场；和至少一个增益介质，其配置成用于增强振荡器腔中的循环光场。优选地，本发明方法通过根据本发明第一总体方面的脉冲激光设备来进行。
本发明的方法包括基于振荡器腔中的循环光场的克尔透镜锁模来产生激光脉冲、尤其孤子激光脉冲，以及使振荡器腔的锁模状况在第一锁模状况和第二锁模状况之间改变。根据本发明，用于锁模的腔内阈值功率在第一锁模状况下比在第二锁模状况下更低，且克尔透镜锁模的启动或关停在第一锁模状况下提供，在增加的输出功率下持续的克尔透镜锁模在第二锁模状况下提供。
有利地，提供适于将振荡器腔设置到锁模状况之一的调谐装置使得能够抑制在脉冲建立和随后以增加的输出功率建立激光脉冲期间光场上的恶化的混沌振荡。从文献[6]和[10]可知，克尔介质沿着焦点的平移可导致多脉冲操作，谐波锁模，输出光谱和脉冲持续时间的改变。然而，与包括平移的克尔介质的传统KLM振荡器相比，与第一操作布置中相比，在第二操作布置中平均功率水平和峰值功率水平增加，使得在启动和/或关停阶段避免了损坏振荡器腔或脉冲激光设备的其他部件。
根据本发明的一个优选实施例，第一锁模状况被选择成使得用于锁模的腔内阈值功率最小化。阈值功率是可转换到锁模操作的最小腔内平均功率。最小化阈值功率表示第一锁模状况，在该第一锁模状况下，对混沌振荡和尖峰的抑制被最大化。优选地，第一锁模状况适于克尔透镜锁模的无尖峰式启动或关停过程。
根据本发明的另一优选实施例，第二锁模状况被选择成使得循环光场的谐振器内部峰值功率最大化。有利地，这允许脉冲激光设备以最大输出功率操作。根据振荡器腔中的分散条件，在具有负的群延迟分散的异常分散区中，腔内振荡器功率可达到至少50MW，尤其至少500MW，或者在产生耗散的啁啾孤子的具有正的群延迟分散的正常分散区可达到至少5MW。脉冲激光设备的输出峰值功率相应地对于异常分散区可达到例如至少5MW，或对于异常分散区至少0.5MW(未压缩的)。这些输出峰值功率仅代表示例。根据应用情况(例如，如果进行腔内实验的话)，可提供较低的输出峰值功率。
根据本发明的另一优选实施例，第二锁模状况被选择成使得循环光场的谐振器内部峰值功率在第二锁模状况下比在第一锁模状况下高至少20％。有利地，这允许脉冲激光设备的新的高功率应用，而没有影响光学部件的风险。
优选地，振荡器腔包括单个增益介质，其特别优选地包括薄片增益介质，该薄片增益介质与至少一个克尔介质分开提供且定位成与谐振器镜中的一个接触(例如参见文献[4])。将薄片增益介质和克尔介质分开(这例如与文献[6]不同)有利于优化所述至少一个克尔介质的第一操作布置和第二操作布置。
根据本发明的另一优选实施例，所述至少一个克尔介质具有至少一个抗反射覆层。有利地，这支持在第二锁模状况下建立循环光场的增加的谐振器内部峰值功率。
根据本发明的另一优点，可获得多种类型的用于设置第一和第二锁模状况的调谐装置，所述调谐装置可用于作用于振荡器腔的单个操作参数或多个操作参数。
根据第一优选实施方式，调谐装置包括平移装置，该平移装置包括至少一个平移台，该平移台布置在振荡器腔的光路中(本发明的第一实施例)。所述至少一个克尔介质与平移装置耦合。如果提供多个克尔介质，则其中的至少一个用于启动克尔透镜锁模，且该克尔介质与平移装置的一个平移台耦合，或多个克尔介质与相应的多个平移台耦合。平移装置适于改变所述至少一个克尔介质在振荡器腔中的操作布置。所述至少一个克尔介质可在第一操作布置和第二操作布置之间平移。第一锁模状况随所述至少一个克尔介质的第一操作布置提供，第二锁模状况随所述至少一个克尔介质的第二操作布置提供。通过改变操作布置，所述至少一个克尔介质沿振荡器腔的光路的几何位置、尤其离谐振器镜的距离，和/或被引入到振荡器腔的光路中的所述至少一个克尔介质的厚度可改变。在第一和第二操作布置中，所述至少一个克尔介质对振荡器腔的锁模过程具有不同的影响。
根据本发明的第一实施例，平移装置适于提供第一和第二操作布置，使得用于锁模的腔内阈值功率在第一操作布置下比在第二操作布置下更低。以第一操作布置定位所述至少一个克尔介质适于开始或结束锁模操作，同时避免混乱的高功率尖峰和损坏。第二操作布置提供用于以增加的输出功率操作脉冲激光设备。第一和第二操作布置是由振荡器腔的规格确定的固定位置。
有利地，可单独使用或组合使用的多种变型可用于设置第一和第二操作布置。根据第一优选变型，第一和第二操作布置包括所述至少一个克尔介质沿着谐振器光路的第一和第二位置。改变操作布置包括将所述至少一个克尔介质移入和移出腔内焦点。优选地，第一操作布置使克尔介质处在腔内焦点处，尤其在腔内焦点周围在谐振器镜的焦距的约+/-2％的范围内。焦距由提供腔内焦点的曲面镜的焦距限定(例如参见图1的镜12和13)。在具有不同焦距的聚焦镜(例如12和13)的不对称聚焦布置的情况下，相关的焦距是两个镜的较短焦距。将所述至少一个克尔介质平移到第二操作布置，使得腔内峰值功率增加。平移距离选自焦距长度的约3％至10％的范围内，例如，如果焦距为1米，则距离在3厘米到10厘米的范围内。在第一操作布置的情况下，将所述至少一个克尔介质朝向相邻的谐振器镜中的一个从焦点移出该距离。该实施例具有优点，因为它可随任何类型和形状的克尔介质使用，且不会改变光束轴。
根据第二优选变型，所述至少一个克尔介质包括一对克尔介质楔，所述克尔介质楔被布置用于平移，该平移具有垂直于谐振器光路的方向分量，使得该对克尔介质楔被循环光场经过的总有效厚度可通过将楔移入或移出光路来调节。在这种情况下，第一和第二操作布置包括克尔介质楔沿着相对于谐振器光路的径向方向的第一和第二位置。该实施例可具有紧凑的谐振器设计的优点。
优选地，克尔介质楔中的至少一个具有抗反射覆层，从而减少由反射引起的腔内损失。特别优选地，克尔介质楔的楔角被选择成，使得当相对于光路接近布儒斯特角放置在光路中时，反射损失最小化。
根据本发明的另一特别优选的实施例，操作布置通过所述至少一个克尔介质的无振动运动来改变。运动是无振动的，从而没有振动或只有微不足道的振动，从而不会破坏锁模。为此，平移装置优选地包括线性平移台，例如带伺服电机驱动的平移台。有利地，利用该实施例可避免振荡器的扰动和锁模状况的无意改变。
根据第二优选实施方式，调谐配置成用于使所述至少一个克尔介质和/或附加的相位失配I型二次谐波发生(SHG)晶体的相位失配状况在第一相位失配状况和第二相位失配状况之间改变，所述至少一个克尔介质和/或附加的相位失配I型二次谐波发生(SHG)晶体布置在振荡器腔的谐振器光路中以用于在振荡器腔中增加二阶非线性，所述第二相位失配状况与第一相位失配状况相比具有所述至少一个克尔介质和/或SHG晶体的更大的相位失配(本发明的第二实施例)。相位失配在第一和第二失配状况之间改变，使得与第一相位失配状况相比，在第二相位失配状况下总腔内非线性较低，且峰值功率和/或光谱带宽和/或脉冲稳定性增加。作为一个示例，相位失配在第一相位失配状况下可以是零或可忽略的(即接近零)，且在第二相位失配状况下增加。第一锁模状况具有第一相位失配状况，第二锁模状况具有第二相位失配状况。第一和第二相位失配状况是振荡器腔的固定操作状态，其尤其由振荡器腔的规格、例如腔内焦距和克尔和/或增益介质材料来确定。可使用振荡器行为的数值模拟、实际测试或控制回路来设置第一和第二相位失配状况。
优选地，调谐装置配置成用于相对于振荡器腔的谐振器光路调谐所述至少一个克尔介质和/或SHG晶体的温度和入射角中的至少一个。在第一种情况下，调谐装置包括晶体调温装置，例如所述至少一个克尔介质和/或SHG晶体的温控支撑台，如晶体调温炉。在第二种情况下，调谐装置包括晶体旋转装置，例如所述至少一个克尔介质和/或SHG晶体的可枢转支撑台，从而允许以垂直于谐振器光路的轴转动所述至少一个克尔介质和/或SHG晶体。
有利地，对于第二实施例，所述至少一个克尔介质和/或附加的SHG晶体在谐振器光路中引入二阶非线性(或：级联二次非线性相互作用)。在这种情况下，可例如如参考文献[11]中那样定义非线性，从而由于透射元件引起的非线性相移源于总非线性折射率，该总非线性折射率由立方(Kerr)非线性折射率和二次(级联)有效非线性折射率之和构成。因此，增加的非线性意味着：由于来自振荡器腔内所有元件的有效非线性折射率的总和，通过振荡器腔每次往返的总非线性相移的增加。由于相位失配，二次谐波辐射的产生可以是低的，使得循环锁模光场的来自二次谐波发生的光谱损失可忽略。有利地，振荡器腔中的自幅度调制的饱和以及锁模启动条件可受到二阶非线性的影响。
根据本发明第二实施例的另一变型，SHG晶体可实现将非线性引入振荡器腔和克尔透镜锁模方面的双重功能。因此，克尔介质可由具有上述SHG晶体特征的相位失配I型二次谐波发生(SHG)晶体提供，且本发明第二实施例的调谐装置可设置克尔介质的锁模状况。
可组合本发明的第一和第二实施例，即，启动或关停状态和运行状态可通过平移装置、晶体调温装置晶体和/或旋转装置的任何组合来设置。例如，第一相位失配状况可在所述至少一个克尔介质具有第一操作布置时提供，且第二相位失配状况可在所述至少一个克尔介质具有第二操作布置时提供。
如果例如通过操作调节装置控制所述至少一个增益介质的泵激功率和增益中的至少一个，则可获得操作稳定性的进一步优点，从而使得振荡器腔保持锁模，同时使操作布置在第一和第二操作布置之间改变。
有利地，可提供检测器装置，用于检测克尔透镜锁模状况，尤其循环光场的谐振器内部峰值功率、脉冲持续时间和/或循环光场的单脉冲或多脉冲特性。检测器装置允许监视振荡器腔操作，同时使操作布置在第一和第二操作布置之间改变。
根据本发明的另一优选实施例，提供控制回路，控制回路优选地包括检测器装置和操作调节装置。有利地，控制回路允许根据检测器装置输出来控制平移装置，且在改变操作布置的同时保持振荡器锁模。
附图说明
下面参考附图描述本发明的进一步细节和优点，附图示出了：
图1是根据本发明优选实施例的脉冲激光设备的示意图；
图2是提供克尔介质楔的图示；
图3是脉冲激光设备的稳定范围的图形表示；
图4-6是本发明的激光脉冲建立的说明特征的进一步的图形表示；
图7和图8是传统KLM振荡器的启动或关停过程的尖峰不稳定性的产生的图示。
具体实施方式
下面示例性地参考包括一个克尔介质和一个单独的增益介质的线性谐振器来描述本发明的特征。本发明不限于该实施例，而是可通过多个克尔介质和/或多个增益介质或单个公共克尔和增益介质来实现。没有描述操作KLM振荡器的细节，因为这些细节从现有技术中已知。特别地，脉冲激光设备可参照文献[3]中公开的孤子锁模振荡器的工作原理进行操作。
图1示出了根据本发明用于产生激光脉冲1的脉冲激光设备100的示意图，脉冲激光设备100包括具有四个谐振器镜11，12，13和14的振荡器腔10，以及泵激源60，例如cw二极管激光器(例如940nm光纤耦合的cw二极管激光器，具有超过100W的泵激功率)。谐振器镜11，12，13和14跨越光路2，光路2包括克尔介质21，增益介质31，可选的SHG晶体71(用虚线示出)和硬孔径15。谐振器镜中的一个、例如谐振器镜11，是外耦合镜，且如果使用如图1所示的体增益介质，则谐振器镜中的另一个、例如谐振器镜14，布置成用于内耦合来自泵激源60的泵激光。谐振器镜中的一个的反射区域可用作孔径(硬孔径15)。附加地，振荡器腔10包括至少一个引入分散(尤其群延迟分散)的装置，该装置未示出，但是可通过谐振镜中的一个(作为分散镜)来实现。
克尔介质21包括例如蓝宝石板，蓝宝石板厚度为1mm至5mm，且相对于光路2以布儒斯特角布置。克尔介质21由提供调谐装置40的平移装置支撑，平移装置包括单个平移台，例如电动支撑台或手动可调节台。平移装置40适于例如对于平移几厘米大约5秒到10秒的平移速度。根据应用条件，尤其根据由平移装置40引入的噪声，可提供更快或更慢的平移。利用平移装置40，克尔介质21可沿着光路2移动，以设置第一和第二操作布置中的一个，用于启动锁模以及稳定地运行脉冲激光源100，如下所述。为此，平移装置40与操作调节装置50耦合，操作调节装置50包括基于计算机的控制电路，以设置克尔介质21的操作布置。增益介质31可布置为如图所示的体增益材料，或优选地布置为薄片增益介质，例如Yb：YAG，以与谐振器镜中的一个、例如谐振器镜12直接接触，或与附加的折叠镜接触。
注意，图1仅是脉冲激光设备100的示意图。例如，实际上可提供多于四个的谐振器镜。此外，如果使用薄片增益介质，则泵激光从单独的泵腔引导到薄片介质上，因此泵激光与激光模式不一致，且不提供内耦合镜。根据本发明的一个优选实施例，脉冲激光设备100可具有文献[4]中公开的克尔透镜锁模薄片振荡器的谐振器设置。关于谐振器设置，尤其谐振器镜、增益介质和克尔介质的布置，将文献[4]通过引用并入本说明书。对于该实施例，脉冲激光设备100具有线性振荡器腔，其具有由分散镜覆层引入的相对较高的-12.000fs2的腔内GDD。增益由Yb：YAG薄片提供，且每次往返耦合出15％的循环功率，脉冲重复率约为16MHz。由两个曲率半径为2000mm的凹面镜组成的聚焦布置结构提供一焦点，在此，5mm厚的蓝宝石板作为主要的克尔介质。振荡器在减压的空气气氛中工作。通过镜对的轻微移动，在第一操作布置中在0mm处启动锁模。避免了损坏。然后克尔介质位置移动到距离启动位置约60mm的第二操作布置，在此它停留直到振荡器再次关停。
根据另一替代方案，脉冲激光设备100可具有文献[5]中公开的克尔透镜锁模薄片振荡器的谐振器设置(在正常气氛中操作)。此时，腔内GDD值在-48.000fs2与-18.000fs2之间变化，且引入曲率半径为900mm的聚焦区段，包括1mm厚的蓝宝石克尔介质。输出耦合器传输21％的循环脉冲，腔内峰值功率约为180MW。
自幅度调制的饱和度可受二阶非线性、也称为级联二次非线性相互作用的影响，尤其受相位失配的二次谐波发生的影响(见文献[11])。通过将相位失配I型二次谐波发生晶体71(例如β-硼酸钡(BBO)晶体或三硼酸锂(LBO)晶体)放置在振荡器光路内(本发明的第二实施例)，例如放置在镜11和12之间或振荡器腔的另一个折叠分支中，且从相位匹配解谐，可控制由腔内脉冲累积的非线性相移的量以及自聚焦的量。I型相位失配可通过调谐装置40(用虚线示出)通过使用晶体旋转装置进行角度调谐(例如BBO)和/或通过使用SHG晶体71的晶体调温装置进行温度调谐(例如LBO)来控制。非线性相移可选择为正或负，使得自聚焦或自散焦是可能的。如果提供二次谐波发生晶体71，则可省去根据本发明第一实施例的克尔介质平移。
优选地，提供SHG晶体71的调温。晶体调温装置例如包括炉，其设置250℃的晶体温度作为第一锁模状况，以及升高或降低温度以调谐到第二锁模状况，其中，与第一锁模状况相比，相位失配增加。如果在没有第一实施例的平移装置的情况下实现本发明的第二实施例，则可避免调谐装置的任何移动组件。
根据本发明的又一实施例，例如图1的克尔介质21可替换为如图2所示的楔形克尔介质22，23。克尔介质22，23包括两个例如蓝宝石的楔形件，楔形件可沿着具有垂直于振荡器腔的光路2的分量的方向(传输的激光场传播)平移。克尔介质22，23通过两个平移台(图2中未示出)被平移。可平移的楔形克尔介质也可与可沿光路平移的普通克尔介质组合。
附加地，脉冲激光设备100包括检测器装置51，例如光电二极管，检测器装置51监测振荡器腔10中的循环光场的一部分。优选地，检测器装置51的输出信号被提供给操作调节装置50，操作调节装置50被耦合以用于提供具有平移装置40、泵激源装置60和增益介质31中的至少一个的控制回路52。利用控制回路52，根据输出信号控制这些部件中的至少一个，以保持脉冲激光设备100的锁模操作。如果可基于腔行为的预定数值模拟或基于实验测试来调整克尔介质21的第一操作布置和第二操作布置，则不需要提供控制回路52。
例如根据谐振器镜12和克尔介质21之间的距离b1，可识别出存在高斯TEM00模式的两个稳定区。这些可用例如光线传输矩阵方法计算。对于环形腔，仅存在一个稳定区。图3示出了在示例性KLM振荡器(例如，如图1所示)的稳定区上的矢状和切向面中的模式半径Wa,s(曲线A)和Wa,t(曲线B)。当振荡器腔在稳定边缘附近(例如图3，阴影区域)操作时，提供克尔透镜锁模，其中，振荡器模式非常容易受到任何腔内透镜焦距的变化的影响。通常，净往返增益对瞬时脉冲功率的高灵敏度(初始斜率)被认为对脉冲建立过程有益，且特别有助于自启动锁模激光器[1]。当振荡器自启动或需要外部扰动以启动锁模时，本发明可以以两种方式工作。
脉冲激光设备100(例如根据图1)的振荡器腔10通过调节b1和b2而被调节至稳定边缘中的一个，以便于克尔透镜锁模。b1和b2的和保持不变，且克尔介质21的位置例如以距离b2表征。在克尔介质21中引起的克尔透镜的作用是在腔内孔径处调制腔模的功率传输。这已经被数值地计算并被绘制在图4中，图4尤其示出了依赖于克尔介质21位置b2(参见图1)通过腔内硬孔径15的功率相关传输。还给出了初始斜率及其值。
图4示出了饱和功率的差(纵截距)在所示示例中几乎是因子2。饱和功率在此被限定为传输差(或更一般地，往返增益)达到其最大值的一半时的功率，也称为调制深度ΔR。在实际中，传输或增益曲线的确切形状还取决于腔内孔径的总量和性质以及增益饱和度(参见文献[1]中的图4)。然而，一般来说，图4示出了饱和功率和增益/传输曲线的初始斜率以及总调制深度ΔR(孔径几乎总是多于一个)可受克尔介质21位置的强烈影响。
根据本发明，采用这种特性行为，以使得克尔介质位置(第二操作布置)被优化以用于稳定操作，且激光脉冲的峰值功率和/或光谱带宽显著高于被优化用于可靠启动和脉冲建立的位置(第一操作布置)的情况，和/或被优化的克尔介质位置(第二操作布置)在腔往返时间期间仅允许单个脉冲，而在启动位置(第一操作布置)可形成多个脉冲。利用第二操作布置中的克尔介质，其中，循环脉冲的峰值功率和/或带宽被优化，即使没有发生损坏，振荡器也可能拒绝锁模。这可能是瞬时功率损耗/增益调制的初始斜率较弱的原因。利用第一操作布置的创造性设置，消除了这种困难。
基于以下考虑来设置克尔介质21的第一和第二操作布置。用于启动的所述至少一个克尔介质初始定位在第一操作布置(“启动位置”)，其中，饱和功率相对于第二操作布置(“运行位置”)减小。克尔介质21的第一操作布置优选地处于使启动锁模所需的腔内持续波(CW)平均功率最小的克尔介质位置处。在第一操作布置中启动克尔透镜锁模，从而避免对腔内元件的光学损坏。一旦振荡器被锁模，则所述至少一个克尔介质被平移到第二操作布置，其中，饱和功率增加，且饱和功率和可能的调制深度ΔR被优化，以用于更高的峰值功率和/或带宽和/或脉冲稳定性。
对于一个实际示例，距离b1＝120cm时获得第一操作布置，距离b1＝126cm时获得第二操作布置。在平移过程期间，可能必须利用操作调节装置50调节泵功率或增益，以保持振荡器锁模。增益保持在一值，从而避免在孤子振荡器中转换到也可能导致混沌功率尖峰的多脉冲态。可使用下文提到的方法来调节增益。利用平移装置40，克尔介质平移是无振动的，比如不中断锁模脉冲且和自身引起尖峰。
如果在振荡器腔10中存在多于一个克尔介质，则可能必须平移其中的一些或全部以实现期望效果。每个克尔介质均可具有其自己的第一操作布置，且克尔介质可一次全部地或相继顺序地平移，以到达具有最佳输出功率的第二操作布置。提供多个克尔介质在用于调节振荡器的最佳操作条件的更大自由度方面具有优势。
为了安全地启动脉冲建立，可在第一操作布置中使用表现出可调节级联二次非线性的这种晶体，使得相对于第二操作布置增加自幅度调制的腔内非线性和饱和度。在该第二操作布置中，改变相位失配，使得总的腔内非线性较低，且峰值功率和/或光谱带宽和/或稳定性增加。具有级联二次非线性的第一和第二操作布置的实现可与先前提到的两个楔的平移和/或一个或多个克尔介质沿着光路的平移相结合。使用级联二次非线性相互作用的一个优点是，可提供每次通过的非线性相移的非常强的变化和振荡器的可靠启动而在温度调谐的特定情况下没有任何移动部件。
锁模的启动可通过任何主动或被动手段来实现。主动手段包括例如机械扰动器，比如手动推动器或压电致动器，以移动一个或多个腔镜或振动器或有源光学调制器，比如声光或电光调制器(普克尔斯盒(Pockels cell))或注入光学种子脉冲。启动也可通过以下方式来实现：比如在同步泵激中调制增益，或通过用另一激光器通过受激发射周期性地耗尽增益，或通过腔内光束衰减器或光束阻挡器或光圈突然增加增益。被动手段可通过辅助耦合腔或通过非线性极化旋转或利用可饱和吸收器、比如SESAM或石墨烯或非线性多层干涉滤波器(MAM)来实现。所有这些都可、但不必引起自启动配置。
启动锁模操作的一个特定实施方式还可包括移动充当克尔介质的两个楔形件22，23(如图2所示)。通过将楔形件22，23移动靠近或远离(方向由水平黑色箭头指示)，可调整由脉冲经过的克尔介质的总有效厚度。这将导致幅度调制的可调谐饱和，类似于将克尔介质移入和移出腔内焦点。楔形件22，23可附加地沿着光束传播轴移动，以便实现用于启动锁模的更大的饱和效应。楔形件22，23可具有抗反射覆层或无覆层，且具有非常小的楔角，使得当接近布儒斯特角放置在光路内时，反射损失较小。
发明人已经发现，实验指示，在一些配置中，应用反向过程来安全地关停锁模并恢复到CW振荡或完全关停激光器也可能是有益的。如果一些腔内元件非常容易受到热冲击且泵激/增益必须缓慢地上升/下降，则这可能是特别必要的。本发明的尖峰抑制可如下地应用于关停过程。
所述至少一个克尔介质21初始定位于第二操作布置中，其中，饱和功率相对于第一操作布置增加，且振荡器处于具有优化的输出参数的锁模状况。为了安全地断开锁模并避免q开关/尖峰或q开关锁模和对振荡器部件的光学损坏，所述至少一个克尔介质21被平移到相应的第一操作布置(“关停位置”)，其中，饱和功率被优化以实现锁模的无损关停。在到达所述至少一个克尔介质21的第一操作布置时，锁模被中断，使得振荡器切换到CW振荡或完全关停。
锁模的中断或关停可通过利用声光或电光调制器机械地扰动腔体，通过调制或减小增益，通过打开腔内孔径或光束阻挡，或通过增加通过腔内光束衰减器的传输率来实现。关停位置可能与启动位置重合，且如果振荡器中存在多个克尔介质，则每个克尔介质都可能有其自己的关停位置，该关停位置可能需要一次全部地或顺序地到达。
在平移过程中，可能必须调整泵激功率或增益，以保持振荡器锁模并避免转换到多脉冲态，在多脉冲态中，也可能发生光学元件的损坏。同样，克尔介质平移足够平滑，比如不会提前地中断锁模脉冲和/或引起q开关/尖峰或q开关锁模。
图5示出了具有文献[4]的谐振器设置的脉冲激光设备100中的峰值功率变化，其中，克尔介质位置从0mm处的第一操作布置移位到接近60mm的第二操作布置。超出最佳位置会破坏锁模。腔内峰值功率从200MW变为450MW。
图6示出了当克尔介质从第一操作布置移位到第二操作布置时，输出脉冲的光谱带宽的变化。脉冲始终保持傅立叶极限。可通过检测器装置51(参见图1)监测光谱带宽的改变，以优化第二操作布置。
在以上描述、附图和权利要求中公开的本发明的特征对于在不同实施例中实现本发明而言可单独地、组合地或子组合地具有意义。

Claims (44)

1.一种脉冲激光设备（100），其配置成用于基于振荡器腔（10）中的循环光场的克尔透镜锁模来建立激光脉冲（1），所述脉冲激光设备（100）包括：-至少两个谐振器镜，其跨越振荡器腔（10）的谐振器光路（2），-至少一个克尔介质（21，22，23），其配置成用于将自相位调制和自聚焦引入振荡器腔（10）中的循环光场，和-至少一个增益介质（31），其配置成用于增强振荡器腔（10）中的循环光场，其中，所述振荡器腔（10）中的至少两个谐振器镜之间的距离保持不变，其特征在于，-调谐装置（40），其配置成用于设置该振荡器腔（10）的第一锁模状况和第二锁模状况，使得与第二锁模状况相比，在第一锁模状况下用于锁模的腔内阈值功率更低，且-第一锁模状况适于启动或关停克尔透镜锁模，第二锁模状况适于持续的克尔透镜锁模，其中，循环光场的谐振器内部峰值功率在第二锁模状况下比在第一锁模状况下更高。
2.根据权利要求1所述的脉冲激光设备，其中，-第一锁模状况选择成使得用于锁模的腔内阈值功率最小化。
3.根据权利要求1所述的脉冲激光设备，其中，-第二锁模状况选择成使得循环光场的谐振器内部峰值功率最大化。
4.根据权利要求2所述的脉冲激光设备，其中，-第二锁模状况选择成使得循环光场的谐振器内部峰值功率最大化。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的脉冲激光设备，其中，-第二锁模状况选择成使得在第二锁模状况下循环光场的谐振器内部峰值功率比在第一锁模状况下高至少20％。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的脉冲激光设备，其中，-所述至少一个增益介质（31）包括与所述至少一个克尔介质（21，22，23）分开提供的薄片增益介质。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的脉冲激光设备，其中，-所述至少一个克尔介质具有至少一个抗反射覆层。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的脉冲激光设备，其中，-调谐装置（40）包括平移装置，该平移装置配置成用于使所述至少一个克尔介质（21，22，23）在振荡器腔（10）内的操作布置在第一操作布置和第二操作布置之间改变，且-第一锁模状况随所述至少一个克尔介质（21，22，23）的第一操作布置提供，第二锁模状况随所述至少一个克尔介质（21，22，23）的第二操作布置提供。
9.根据权利要求8所述的脉冲激光设备，其中，-第一操作布置和第二操作布置包括所述至少一个克尔介质（21，22，23）沿着谐振器光路（2）的第一位置和第二位置。
10.根据权利要求8所述的脉冲激光设备，其中，-所述至少一个克尔介质包括一对克尔介质楔，所述克尔介质楔被布置用于平移，所述平移具有垂直于谐振器光路（2）的分量，使得所述一对克尔介质楔被循环光场经过的总有效厚度能够被调节，且-第一操作布置和第二操作布置包括克尔介质楔沿着相对于谐振器光路（2）的径向方向的第一位置和第二位置。
11.根据权利要求10所述的脉冲激光设备，其中，-所述克尔介质楔中的至少一个具有至少一个抗反射覆层。
12.根据权利要求10或11所述的脉冲激光设备，其中，-所述克尔介质楔具有楔角，所述楔角选择成使得当在谐振器光路中接近布儒斯特角放置时，反射损失被最小化。
13.根据权利要求8所述的脉冲激光设备，其中，-平移装置配置成用于通过所述至少一个克尔介质（21，22，23）的无振动运动来改变操作布置。
14.根据权利要求8所述的脉冲激光设备，其中，所述脉冲激光设备包括至少两个克尔介质，其中，-平移装置配置成用于改变克尔介质中的至少一个的操作布置。
15.根据权利要求1至4中任一项所述的脉冲激光设备，其中，-调谐装置（40）配置成用于使所述至少一个克尔介质（21）和/或相位失配I型二次谐波发生SHG晶体（71）的相位失配状况在第一相位失配状况和第二相位失配状况之间改变，所述至少一个克尔介质（21）和/或相位失配I型二次谐波发生SHG晶体（71）布置在振荡器腔（10）的谐振器光路（2）中且配置成用于在振荡器腔（10）中添加二阶非线性，第二相位失配状况与第一相位失配状况相比具有所述至少一个克尔介质（21）和/或SHG晶体（71）的更大相位失配，相位失配在第一失配状况和第二失配状况之间改变，使得与第一相位失配状况相比，在第二相位失配状况中，总腔内非线性更低，且峰值功率和/或光谱带宽和/或脉冲稳定性增加，且-第一锁模状况随第一相位失配状况提供，第二锁模状况随第二相位失配状况提供。
16.根据权利要求15所述的脉冲激光设备，其中，-调谐装置配置成：用于相对于振荡器腔（10）的谐振器光路（2）调谐所述至少一个克尔介质（21）和/或SHG晶体（71）的温度和入射角中的至少一个。
17.根据权利要求1至4中任一项所述的脉冲激光设备，其中，所述脉冲激光设备还包括：-操作调节装置（50），其配置成用于调节所述至少一个增益介质的泵激功率和增益中的至少一个，以在改变锁模状况时保持振荡器腔（10）锁模。
18.根据权利要求1至4中任一项所述的脉冲激光设备，其中，所述脉冲激光设备还包括-检测器装置（51），其布置成用于检测振荡器腔（10）的克尔透镜锁模状态。
19.根据权利要求18所述的脉冲激光设备，其中，所述脉冲激光设备还包括：-控制回路（52），其布置成用于根据检测器装置输出来控制调谐装置（40）。
20.根据权利要求1至4中任一项所述的脉冲激光设备，其中，-振荡器腔（10）适于在具有负群延迟分散的异常分散区中以至少50 MW的腔内振荡器功率操作，或在产生耗散孤子的具有正群延迟分散的正常分散区中以至少5 MW的腔内振荡器功率操作。
21.根据权利要求1至4中任一项所述的脉冲激光设备，其中，-所述至少一个增益介质（31）适于在振荡器腔（10）中提供软孔径，和/或-振荡器腔（10）包括硬孔径（15）。
22.根据权利要求1所述的脉冲激光设备，其中，所述激光脉冲（1）是孤子激光脉冲。
23.根据权利要求18所述的脉冲激光设备，其中，所述检测器装置（51）布置成用于检测循环光场的谐振器内部峰值功率。
24.根据权利要求20所述的脉冲激光设备，其中，振荡器腔（10）适于在具有负群延迟分散的异常分散区中以至少500 MW的腔内振荡器功率操作。
25.一种操作具有振荡器腔（10）的脉冲激光设备的方法，所述脉冲激光设备具有：至少两个谐振器镜，其跨越振荡器腔（10）的谐振器光路（2）；至少一个克尔介质（21，22，23），其配置成用于将自相位调制和自聚焦引入振荡器腔（10）中的循环光场；和至少一个增益介质（31），其配置成用于增强振荡器腔（10）中的循环光场，所述方法包括：-基于振荡器腔（10）中的循环光场的克尔透镜锁模，建立激光脉冲（1），其中，所述振荡器腔（10）中的至少两个谐振器镜之间的距离保持不变，其特征在于，所述方法包括以下步骤：-利用调谐装置（40）设置该振荡器腔（10）的第一锁模状况和第二锁模状况，使得与第二锁模状况相比，在第一锁模状况下用于锁模的腔内阈值功率更低，其中，-克尔透镜锁模在第一锁模状况下启动或关停，且在第二锁模状况下提供持续的克尔透镜锁模，其中，循环光场的谐振器内部峰值功率在第二锁模状况下比在第一锁模状况下更高。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，-用于锁模的腔内阈值功率在第一锁模状况下被最小化。
27.根据权利要求25所述的方法，其中，-循环光场的谐振器内部峰值功率在第二锁模状况下被最大化。
28.根据权利要求26所述的方法，其中，-循环光场的谐振器内部峰值功率在第二锁模状况下被最大化。
29.根据权利要求25-28中任一项所述的方法，其中，-在第二锁模状况下循环光场的谐振器内部峰值功率比在第一锁模状况下高至少20％。
30.根据权利要求25-28中任一项所述的方法，其中，-设置第一锁模状况和第二锁模状况的步骤包括：使所述至少一个克尔介质（21，22，23）在振荡器腔（10）内的操作布置在第一操作布置和第二操作布置之间改变。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，-使所述至少一个克尔介质（21，22，23）的操作布置在第一操作布置和第二操作布置之间改变的步骤包括：使所述至少一个克尔介质（21，22，23）沿着谐振器光路（2）平移。
32.根据权利要求30所述的方法，其中，-所述至少一个克尔介质（21，22，23）包括一对克尔介质楔，且-使所述至少一个克尔介质（21，22，23）的操作布置在第一操作布置和第二操作布置之间改变的步骤包括：使克尔介质楔以垂直于谐振器光路（2）的分量平移，和调节所述一对克尔介质楔被循环光场经过的总有效厚度，其中，-第一操作布置和第二操作布置包括克尔介质楔沿着相对于谐振器光路（2）的径向方向的第一位置和第二位置。
33.根据权利要求30所述的方法，其中，-使所述至少一个克尔介质（21，22，23）的操作布置改变的步骤包括所述至少一个克尔介质（21，22，23）的无振动运动。
34.根据权利要求30所述的方法，其中，-至少两个克尔介质被提供用于振荡器腔（10）中的循环光场的克尔透镜锁模，且-使操作布置改变的步骤包括移动克尔介质中的至少一个。
35.根据权利要求25-28中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：-在振荡器腔（10）中添加二阶非线性，其中，所述至少一个克尔介质（21）和/或相位失配I型二次谐波发生SHG晶体布置在振荡器腔（10）的谐振器光路（2）中，其中，-设置第一锁模状况和第二锁模状况的步骤包括：使所述至少一个克尔介质（21）和/或SHG晶体（71）的相位失配状况在第一相位失配状况和第二相位失配状况之间改变，其中，与第一相位失配状况相比，第二相位失配状况具有所述至少一个克尔介质（21）和/或SHG晶体（71）的更大的相位失配，且-使相位失配在第一失配状况和第二失配状况之间改变，以使得与第一相位失配状况相比，在第二相位失配状况中，总腔内非线性更低，且峰值功率和/或光谱带宽和/或脉冲稳定性增加。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，-当所述至少一个克尔介质（21，22，23）具有第一操作布置时提供第一相位失配状况，当所述至少一个克尔介质（21，22，23）具有第二操作布置时提供第二相位失配状况。
37.根据权利要求35所述的方法，其中，-改变相位失配状况包括相对于振荡器腔（10）的谐振器光路（2）调谐所述至少一个克尔介质（21）和/或SHG晶体（71）的温度和入射角中的至少一个。
38.根据权利要求30所述的方法，其中，所述方法还包括步骤-调节所述至少一个增益介质的泵激功率和增益中的至少一个，以在改变操作布置时保持振荡器腔（10）锁模。
39.根据权利要求30所述的方法，其中，所述方法还包括步骤-检测克尔透镜锁模状态。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，-使所述至少一个克尔介质（21，22，23）的操作布置在第一锁模状况和第二锁模状况之间改变的步骤包括根据检测器装置输出来控制调谐装置（40）。
41.根据权利要求25-28中任一项所述的方法，其中，-振荡器腔（10）在具有负群延迟分散的异常分散区中以至少50 MW的腔内振荡器功率操作，或在产生耗散孤子的具有正群延迟分散的正常分散区中以至少5 MW的腔内振荡器功率操作。
42.根据权利要求25所述的方法，其中，所述激光脉冲（1）是孤子激光脉冲。
43.根据权利要求39所述的方法，其中，检测克尔透镜锁模状态的步骤包括检测循环光场的谐振器内部峰值功率。
44.根据权利要求41所述的方法，其中，振荡器腔（10）在具有负群延迟分散的异常分散区中以至少500 MW的腔内振荡器功率操作。
CN201780089856.2A 2017-02-23 2017-02-23 基于克尔透镜锁模建立激光脉冲的脉冲激光设备和方法 Active CN110521073B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2017/054200 WO2018153462A1 (en) 2017-02-23 2017-02-23 Pulse laser apparatus and method for kerr lens mode locking based creation of laser pulses

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110521073A CN110521073A (zh) 2019-11-29
CN110521073B true CN110521073B (zh) 2022-06-14

Family

ID=58231588

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780089856.2A Active CN110521073B (zh) 2017-02-23 2017-02-23 基于克尔透镜锁模建立激光脉冲的脉冲激光设备和方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10855049B2 (zh)
EP (1) EP3586411A1 (zh)
CN (1) CN110521073B (zh)
WO (1) WO2018153462A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3518354A1 (en) * 2018-01-25 2019-07-31 Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Device and method for generating laser pulses by kerr lens based mode locking with a loss-modulation device as a kerr medium
CN112186482B (zh) * 2020-09-04 2021-08-03 华中科技大学 一种激光输出状态可调的固体激光器

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0798825A2 (en) * 1996-03-25 1997-10-01 Hamamatsu Photonics K.K. Ultrashort optical pulse laser apparatus

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5799025A (en) * 1995-05-12 1998-08-25 Novatic Laser Systems, Inc. Self starting, self mode-locked lasers
AT412829B (de) * 2003-11-13 2005-07-25 Femtolasers Produktions Gmbh Kurzpuls-laservorrichtung
EP2374034A1 (en) * 2008-12-04 2011-10-12 Imra America, Inc. Highly rare-earth-doped optical fibers for fiber lasers and amplifiers
EP3053227A4 (en) * 2013-09-30 2017-05-24 IPG Photonics Corporation Ultra-short pulse mid-ir mode-locked laser
EP3091620B1 (en) * 2015-05-05 2021-04-21 Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Method and laser pulse source apparatus for generating fs laser pulses

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0798825A2 (en) * 1996-03-25 1997-10-01 Hamamatsu Photonics K.K. Ultrashort optical pulse laser apparatus

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
High-power Kerr-lens mode-locked thin-disk oscillator in the anomalous and normal dispersion regimes;OLEG，Pronin等;《Proceedings of SPIE》;20130306;第8599卷;第85991N-2至85991N-4页，2. KLM Oscillator in the anomalous dispersion regime, 第85991N-4至85991N-5页3.Kerr-lens mode-locking of Yb:YAG oscillator,第85991N-11页第1段,第85991N-11页5.1Oscillator start-up、图1-4,10 *

Also Published As

Publication number Publication date
EP3586411A1 (en) 2020-01-01
CN110521073A (zh) 2019-11-29
US20200091672A1 (en) 2020-03-19
US10855049B2 (en) 2020-12-01
WO2018153462A1 (en) 2018-08-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6580732B1 (en) Multiple mode laser
AU3070500A (en) High-repetition rate passively mode-locked solid-state laser
EP1236249B1 (en) Mode-locked thin-disk laser
Clarkson et al. Acousto-optically induced unidirectional single mode operation of a Q-switched miniature Nd: YAG ring laser
Südmeyer et al. Novel ultrafast parametric systems: high repetition rate single-pass OPG and fibre-feedback OPO
Jin et al. Single longitudinal mode Q-switched operation of Pr: YLF laser with pre-lase and Fabry–Perot etalon technology
Zavelani-Rossi et al. Mode locking by cascading of second-order nonlinearities
CN110521073B (zh) 基于克尔透镜锁模建立激光脉冲的脉冲激光设备和方法
US7907644B2 (en) High-repetition laser system for generating ultra-short pulses according to the principle of cavity dumping
Mellish et al. All-solid-state diode-pumped Cr: LiSAF femtosecond oscillator and regenerative amplifier.
Malcolm et al. Mode-locking of diode laser-pumped solid-state lasers
Jin et al. An innovative electro-optic Q-Switch technology in 1064 nm and 1319 nm dual-wavelength operation of a Nd: YAG laser
JP4509397B2 (ja) レーザをモード同期するための装置及び方法
Keller Ultrashort pulse generation
Zou et al. An in-band diode-end-pumped high-power and high-efficiency ultrashort pulse Nd: YVO4 bulk laser mode-locked by a frequency doubling LBO crystal
Chang et al. Self-starting passively mode-locked tunable Cr 4+: yttrium–aluminum–garnet laser with a single prism for dispersion compensation
Avazpour et al. Generation of soliton pulse with Non-linear Polarization Rotation (NPR) Passive Mode Locked fiber Laser
CN110970793B (zh) 重频2倍于电光调q频率的单纵模激光器及激光输出方法
Widarsson et al. Mode-Locking through Doubly Resonant Intra-Cavity Sum Frequency Generation
Navitskaya et al. Cavity dumping by the second harmonic generation in the Q-switched Nd: YAG laser
Wang et al. High-power, narrow-band PPLN non-resonant optical parametric oscillator
Leonov et al. Tunable Bound Solitons Generation in a SESAM Mode-Locked Cr: ZnSe Laser
Mayer et al. 10-GHz straight-cavity SESAM-modelocked Yb: CALGO laser operating in the normal dispersion regime
Navitskaya et al. Сavity dumping by the second harmonic generation in the q-switched Тd: YAG-laser
Saltarelli et al. Self-Phase Modulation Cancellation in 210-W SESAM-Modelocked Thin-Disk Oscillator Operated in Air

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant