CN111869020A - 使用损耗调制装置作为克尔介质通过基于克尔透镜的锁模来产生激光脉冲的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
激光装置(100)，通过基于克尔透镜的锁模产生激光脉冲，包括：激光谐振器(10)，具有跨设在谐振器光束路径(12)上的多个谐振器镜(11.1、11.2、11.3)；固态增益介质(20)，布置在激光谐振器(10)中；克尔介质装置(30)，布置为距激光谐振器(10)中的增益介质(20)一定距离，其中克尔介质装置(30)包括至少一种克尔介质，其布置在谐振器光束路径的焦距范围内并通过非线性克尔效应形成激光脉冲；损耗调制装置(31，32)，具有调制器介质，其能够调制在激光谐振器(10)中产生的激光脉冲的功率损耗，其中，克尔介质装置(30)包括损耗调制装置(31，32)的调制器介质作为至少一种克尔介质，其光学非线性适用于在激光谐振器中产生基于克尔透镜的锁模和在激光谐振器中调制功率损耗。此外，说明了通过基于克尔透镜的锁模产生激光脉冲的方法，其中损耗调制装置(31，32)用于在激光谐振器(10)中引入克尔效应和调制功率损耗。
Description
技术领域
本发明涉及通过基于克尔透镜的锁模来产生激光脉冲的激光装置和方法。本发明的应用尤其是在使用激光脉冲的所有领域，特别是以测量、样品激发、数据传输和材料处理为目的的领域。
背景技术
在本说明书中，参考以下引用的出版物以说明现有技术，特别是关于激光振荡器中的损耗调制和通过克尔透镜锁模产生fs激光脉冲：
[1]US 2016/0329677 A1；
[2]M.Seidel et al.in“Opt.Lett.”41，1853-1856(2016)；
[3]O.Pronin et al.in“Nature Communications”6，ncomms7988(2015)；
[4]R.Boyd et al.in“Optical Engineering”16(5)，165452(1977)；
[5]J.Zhang et al.in“2015 European Conference on Lasers and Electro-Optics-European Quantum Electronics Conference”，(Optical Society of America，2015)，PD_A_1；
[6]US 9 318 867 B2；
[7]J.Brons et al.in“Opt.Lett.”41，3567-3570(2016)；
[8]T.Fuji et al.in“Opt.Lett.”30，332-334(2005)；
[9]US 7 474 457 B2；
[10]T.Tomie in“Japanese Journal of Applied Physics”24，1008–1017(1985)；
[11]M.Ramaswamy et al.in“Optics Letters”18，1822–1824(1993)；和
[12]O.Pronin et al.in“Visual communications and image processing”9135，91351H-91351H(2014)。
通过克尔透镜锁模产生fs激光脉冲是众所周知的(例如参见[1]和其中引用的参考文献)。锁模激光振荡器的载波包络偏移(CEO)频率对振荡器参数的变化敏感。因此，可以通过操纵这些参数中的任意参数来实现CEO的稳定。在锁模固态振荡器中，这通常通过使用声光调制器(AOM)调制泵浦腔功率或腔内功率来实现，而在光纤振荡器中，使用电光调制器(EOM)来实现。由于锁模光纤和固态振荡器中的强幅相耦合，幅度控制对于CEO和/或强度稳定非常有效。
通常，用于控制和/或稳定CEO频率和/或脉冲强度的方法应该满足下述两个标准：
a)大的调制带宽，期望为几百kHz，并且至少为30kHz：带宽通常界定在一个频率范围内，在该频率范围内累积相对于AOM或EOM驱动信号的90°相移的调制量。同样应该有一个至少0.05％的大幅幅度调制，优选地示出达到该频率的平坦响应。
b)合理的功率可伸缩性：控制机制应该不依赖于腔内峰值功率水平和平均功率水平而在没有重大修改的情况下保持可应用。
为了调制泵浦功率，稳定方案的可使用的调制带宽通常受增益和由增益介质的上能级寿命确定的脉冲能量之间耦合的限制。对于大多数稀土掺杂的固态激光器来说，尽管可以通过在锁相环(PLL)中使用相位超前滤波器将调制带宽移至更高的频率，但是调制带宽只有几十千赫的数量级[2]。在[3]中，已成功地证明了该限制可以通过使用腔内损耗调制代替泵浦功率调制来克服。然而，将AOM布置在腔体内可能会导致AOM内出现额外的自聚焦(克尔透镜)，这可能抵消主要的KLM机制并降低锁模性能。这一点尤其在当该概念应用于大功率激光器时变得很重要，这是因为在这样的情况下腔内峰值功率极大升高，并且即使对于大光束直径来说非线性折射率的贡献也很重要。例如，可以通过增加AOM内的光斑尺寸来减轻这些非线性效应，然而，这是以增加与光束半径成线性比例的传输时间为代价。传输时间τ＝2w/V是重要的参数，这是因为它可以用于特征化AOM的调制带宽，其中，w是光束半径的1/e2，并且V是调制器材料的声速，AMO的调制带宽被定义为
δ是约为1.357的常数，并且β是以分贝表示的带宽下降[4]。因此，在大功率的情况下，在AOM内保持低非线性相移所需的大光束直径会同时引起更长的传输时间，从而阻碍了大调制带宽的实现。因此，上述方法不能同时满足上述标准a)和b)。
具有与激光器的增益介质部解耦的克尔介质的锁模振荡器是已知的[6]。因此，克尔介质可以被选为任意非线性介质。因为光束通常聚焦到克尔介质中，所以与振荡器内的准直光束部相比光斑尺寸小。因此，由于非线性克尔效应，克尔介质引入了强大的自相位和自幅度调制。该非线性效应是腔内孤子的形成和稳定的原因，并使锁模操作可行。
具有基于薄盘形状的增益介质的激光谐振器(TD激光器)是对基于具有块状的增益介质的最常用的激光器(Ti:Sa激光器是最突出的示例)非常有吸引力的替代方案。尽管Ti:Sa激光器能够直接从激光振荡器产生少周期机制脉冲，但是它们通常需要对脉冲强度进行额外的腔外放大，以用于需要频率转换的后续应用。TD激光器能够直接从振荡器产生特别高的峰值功率和平均功率，因此可以避免对腔外脉冲放大的需要。已经证明了稳定克尔透镜锁模TD振荡器的CEO频率的可行性，然而与可用的激光器相比，腔内峰值功率只是中等的[3，7]。
出版物[10]公开了通过主动锁模产生激光脉冲的早期技术。根据[10]，脉冲形成机制依赖于以50MHz运行并与第二AOM相结合的第一AOM的操作。第二AOM用作Q开关以调制脉冲列的包络。稳定的锁模仅通过Q开关与第一AOM一起获得，而不是通过克尔效应获得，克尔效应在[10]中仅用于通过自相位调制结合标准具的识别将脉冲持续时间从最初的40ps降低到大约4ps。因此，不能认为[10]中公开的激光装置通过基于克尔透镜的锁模来产生脉冲。在[11]中，公开了同样包括AOM的激光装置。在这样的情况下，由于与激光增益材料相比，AOM材料中累积的非线性相移显然更小，增益介质和AOM构造为可以在AOM中实现无显著的克尔透镜效应。这同样适用于[12]，其中AOM布置在谐振器的准直臂中，其中由AOM提供不显著的克尔效应。
发明内容
本发明的目的是提供通过基于克尔透镜的锁模来产生激光脉冲并能够避免现有技术缺点的改进的激光装置和方法。特别地，本发明的目的是提供使用基于克尔透镜的锁模的激光装置和方法，其中，通过腔内损耗调制来促进控制和/或稳定激光振荡器中的脉冲，并且尤其是既获得腔内损耗调制的增加的调制带宽又获得控制步骤的功率可伸缩性。
上述目的通过具有独立权利要求中的一者的特征的基于克尔透镜的锁模来产生激光脉冲的激光装置和方法实现。在从属权利要求中限定本发明的优选实施例和应用。
根据本发明的第一总体方面，上述目的由被构造为通过基于克尔透镜的锁模来产生激光脉冲的激光装置实现。激光装置包括具有跨过谐振器光束路径的多个谐振器镜的激光谐振器(激光振荡器)。谐振器镜包括布置为提供具有线性、折叠或圆形谐振器光束路径的谐振器设计的平面和/或曲面电介质镜。激光谐振器包括固态增益介质。增益介质被构造为用于产生响应泵浦(激发)机制的循环激光光场，泵浦机制例如包括使用单独的泵浦激光器泵浦。此外，激光谐振器包括具有至少一种克尔介质的克尔介质装置，所述克尔介质装置被构造为用于通过非线性克尔效应根据激光场产生激光脉冲，尤其是被构造为通过结合由非线性克尔效应与激光谐振器内部的软边光阑或硬边光阑一起导致的自聚焦来形成激光脉冲。所述至少一种克尔介质布置在激光谐振器内的谐振器光束路径的焦距范围内。此外，所述至少一种克尔介质布置为距增益介质一定距离，即，所述至少一种克尔介质和增益介质彼此分离。激光谐振器还包括具有调制器介质(调制材料、调制组件)的损耗调制装置(光学调制器装置)，所述调制器介质能够调制在激光谐振器中产生的激光脉冲的功率损耗。调制器介质是透明的，例如是沿着谐振器光束路径具有可控传输性的片状组件。特别地，损耗调制装置能够控制激光谐振器中产生的激光脉冲的CEO和强度中的至少一者。
根据本发明，克尔介质装置包括损耗调制装置的调制器介质作为至少一种克尔介质。损耗调制装置的调制器介质布置在谐振器光束路径的焦距范围内，以便用于在激光谐振器中引入克尔效应，特别是用于在激光谐振器中形成克尔透镜并提供循环激光场的锁模操作状态。因此，调制器介质的材料具有选定的光学非线性，所述光学非线性适用于在激光谐振器中引入克尔效应和调制功率损耗。优选地，激光谐振器被构造为使得循环激光场的在损耗调制装置的调制器介质中的光束直径小于在增益介质中的光束直径，以便通过损耗调制装置的调制器介质控制谐振器内的非线性，这是克尔效应与激光谐振器的增益介质有效解耦的原因。
根据本发明的第二总体方面，上述目的通过产生激光脉冲的方法实现，其中，使用这样的激光装置，其包括具有多个谐振器镜的激光谐振器、固态增益介质、具有至少一种克尔介质的克尔介质装置和具有调制器介质的损耗调制装置。优选地，该方法使用根据本发明的激光装置来执行。通过泵浦增益介质在激光谐振器中产生循环激光场。通过锁模循环激光场产生激光脉冲，其中，通过在与增益介质相分离的至少一种克尔介质中产生的非线性克尔效应来形成激光脉冲。使用损耗调制装置调制激光谐振器中激光脉冲的功率损耗。根据本发明，损耗调制装置的调制器介质设置为克尔介质装置的至少一种克尔介质，并且损耗调制装置的调制器介质用于在激光谐振器中引入克尔效应并调制功率损耗。
根据本发明，损耗调制(例如，通过在电光调制器(与偏振选择装置结合)中的声光衍射或偏振旋转获得)和克尔效应被结合在激光谐振器内部的一个单个元件(单一、通用的材料)中。发明人已经发现，例如，通过设置厚度和/或材料性质(例如折射率)使可用的光学调制器的调制介质具有可选择的光学非线性，使得可以形成克尔效应并获得稳定的脉冲锁模。有利地，这在支持损耗调制装置的大调制带宽的同时允许克尔透镜锁模。与[3]中所述的方法相比，以针对性的方式选择损耗调制装置的调制介质内部的非线性，以在谐振器中提供KLM机制，使得锁模状态在激光装置运行期间稳定地保持。优选地，通过从0Hz到10MHz的范围内的调制频率来调制(驱动)损耗调制装置。优选地，损耗调制装置不用于启动被动模式耦合，反而用于通过克尔效应来锁模。被动模式耦合的启动可根据谐振器干扰(例如机械干扰和/或背景噪声)获得。
根据本发明，调制器介质适用于对激光脉冲进行非线性相移，其中，在每次经过激光谐振器时，尤其是经过损耗调制装置的调制器介质时，所述非线性相移在100mrad和10rad之间的范围内。根据操作参数和可能的额外克尔介质的数量和位置选择相移。在该相移范围内，获得了使用调制器介质进行腔内损耗调制并同时引入克尔效应以促进激光器的克尔透镜锁模的优点。
根据本发明的有利的、选择性的实施例，激光谐振器，特别是其克尔介质装置，只包括由损耗调制装置的调制器介质提供的单一的克尔介质。在这种情况下，施加到激光脉冲的总非线性相移ΔΦtotal由调制器介质专门引入。有利地，该实施例允许提供具有较少数量光学组件的光学装置。优选地，损耗调制装置的调制器介质布置在谐振器光束路径的焦距范围内。
根据本发明的替代的、选择性的实施例，至少两种克尔介质，即至少两种单独传输的组件在激光谐振器中引入克尔效应。至少两种克尔介质中的第一种是上述的损耗调制装置。至少两种克尔介质中的第二种或任意其它种类包括被动克尔介质，类似常规的克尔介质，例如透明板，和/或损耗调制装置的另一调制介质。在第一种情况下，被动克尔介质例如包括熔融石英、晶体石英、YAG或具有克尔非线性的类似材料。特别是在这种情况下，通过损耗调制装置的调制介质获得的克尔效应优选地使得5*ΔΦmm>ΔΦtotal，特别地3*ΔΦmm>ΔΦtotal，其中ΔΦmm是每次通过调制介质的非线性相移，ΔΦtotal是每次在激光谐振器内的总非线性相移(明显的克尔效应)。在第二种情况下，激光谐振器包括例如分别由两个损耗调制装置的两种调制器介质提供的两种克尔介质，使得施加到激光脉冲的总非线性相移ΔΦtotal由损耗调制装置的调制器介质专门引入。有利地，通过提供至少两种克尔介质，可以提供由分布式克尔效应产生的脉冲(参见[1])。特别地，第一种克尔介质和至少另一种克尔介质均提供对循环光场的自幅度调制有贡献的不同的非线性克尔透镜。
优选地，损耗调制装置的调制介质和至少另一种克尔介质可以在谐振器光束路径的焦距范围内彼此相邻地布置，这有利于紧凑的谐振器设计。替代地，损耗调制装置的调制介质和至少另一种克尔介质可以布置在激光谐振器的不同的谐振器光束路径部分中，即，布置在不同对的谐振器镜之间。这允许以有利的方式在激光谐振器的不同焦点位置中定位克尔介质。
根据本发明的优选实施例，损耗调制装置的调制介质布置在谐振器光束路径的焦距范围内的焦点位置。有利地，这提供了锁模处理的最大效率。特别地，与[3]中所述的方法相比，损耗调制装置的调制介质内的最小化光束半径同时提供了大大增加的可实现调制带宽。通过将损耗调制装置的调制介质布置在焦点处，无需对振荡器构造进行任何其他更改就可以将调制带宽提高一个数量级(参见上述标准a))。为了设置包括与增益介质分离的损耗调制装置的谐振器光束路径的焦距范围，激光谐振器可以包括两个聚焦部，每个聚焦部均具有一对曲面谐振器镜(例如具有望远镜构造)。替代地，当使用薄盘增益材料(其中光束在增益材料中几乎准直)时(参见下文)，在激光谐振器中只有一个聚焦部(聚焦望远镜)就足够了。
作为本发明的另一优点，可以使用不同种类的损耗调制装置作为克尔介质。根据第一变形例，损耗调制介质是声光调制器(AOM)装置，并且调制器介质是AOM材料。AOM装置包括布置在谐振器光束路径中的AOM材料和与AOM材料耦合的声换能器。例如压电换能器等的声换能器在AOM材料中形成声波。根据声波，透过AOM材料的激光场衍射成几个数量级，导致谐振器内的损耗调制。
可以通过改变诸如使用的AOM材料和/或厚度等不同的AOM参数进一步调整腔内非线性。这样，AOM装置优选地具有下述特征中的至少一者，所述特征可以单独提供或以任意组合提供。
AOM材料优选是晶体石英、熔融石英、二氧化锗或二氧化碲、蓝宝石或具有AOM功能的类似材料。此外，AOM材料优选地具有0.5mm至10mm范围内的厚度。由于制造限制而很难获得较薄的AOM，并且通常可以通过选择具有足够高的非线性折射率的AOM材料来避免较厚的AOM。优化这些参数(选择性地与任意其他克尔介质的总量、厚度和/或位置一起进行优化)有助于引入适量的腔内非线性，同时AOM可以提供足够高的衍射损耗。因为用于调制腔内功率所需的衍射损耗通常由于克尔介质内部的强幅度相位耦合而非常低[3]，所以当与其他被动克尔介质结合使用时使用非常薄的AOM也是可行的。
根据另一优选的变形例，AOM装置布置为用于沿着谐振器光束路径传输第零级衍射光束。因此，本发明优选地不使用AOM装置的衍射光束部分(单个或多个衍射级)，而只使用第零级衍射。有利地，这减轻了光束指向波动和空间啁啾的任何潜在敏感性。
如前所述，光束(激光谐振器内部的激光场)优选地聚焦到AOM材料中，以实现显著的克尔效应来促进稳定的克尔透镜锁模操作。可以使用在克尔介质内部累积的非线性相移ΔΦ作为克尔效应强度的优异值。为了使经过光学材料传播期间光束半径的变化可以忽略不计，非线性相移B可以定义为B＝(2π·n2·I·l)/λ，其中，n2是非线性折射率，I是峰值强度，l是光学材料的厚度，并且λ是中心波长。为了使光束半径的变化不可被忽略，应该使用例如可以在[6]中找到的计算B积分的更通用的积分方程。对于[3]中所述的振荡器来说，由AOM引入的非线性相移由于AOM内部的大光束半径而只有大约10mrad，而由布置在聚焦光束中作为克尔介质的1mm厚的熔融石英板引入的非线性相移大约为1.06rad。因此，在这种情况下，由AOM引入的非线性相移显著小于由克尔介质引入的非线性相移，并且由此可以忽略AOM材料对克尔透镜的贡献。
根据另一变形例，损耗调制装置是光电调制器(EOM)装置，并且调制器介质是EOM材料。EOM装置包括表现出光电效应并布置在谐振器光束路径中的EOM材料以及与EOM材料耦合的诸如成对的电容器板等场源装置。此外，EOM装置优选地设置有用于选择循环光场的优选偏振状态的至少一个偏振选择装置。偏振选择装置例如是布氏板(Brewster-plate)(布置具有相对于谐振器光束路径的平板表面的布儒斯特角)和/或薄膜偏振器和/或具有类似的偏振选择机构的组件。然而，如果EOM材料自身布置具有相对于谐振器光束路径的EOM材料表面的布儒斯特角，那么设置至少一个偏振选择装置不是必要的。在这种情况下，EOM材料具有偏振相关传输性，使得可以省略额外的偏振选择装置。
根据由场源装置形成的电场的参数，例如其幅度、频率和/或相位，经过EOM材料的激光光场改变其偏振状态。可以与偏振选择装置一起或通过EOM材料在布儒斯特角处的效应来控制激光腔室的损耗。
也可以通过改变诸如使用的EOM材料和/或厚度等EOM参数来调整腔内非线性。这样，根据本发明的其他优选特征，EOM装置具有下述特征中的至少一者，所述特征可以单独提供或以任意组合方式提供。优化这些特征的优点与参考上述AOM装置的优点相对应。
EOM材料优选是BBO、DKDP、LiNbO3或具有EOM功能的类似材料。此外，EOM材料优选地具有0.5mm至20mm范围内的厚度。通常，EOM装置控制激光脉冲的偏振状态。替代地，它可以用于直接改变激光脉冲的相位。
在激光谐振器的不同的谐振器光束路径部分中克尔介质与增益介质解耦带来了本发明的另一优点。可以自由选择增益介质的形状，例如块状、板状、盘形或薄盘形。根据本发明的特别优选的实施例，增益介质包括薄盘增益材料，优选地薄盘增益材料与谐振器镜中的一者耦合。
使用薄盘增益材料有利于本发明的高功率应用。可以通过考虑薄盘振荡器的功率定标规则来评估本发明技术所改进的功率可伸缩性[7]。在这些谐振器中，腔内峰值功率通常与聚焦光束的光束半径成线性比例，所述聚焦光束的光束半径取决于望远镜镜片的曲率半径(ROC)。通过克尔介质内约300μm的光束半径已实现大约410MW的腔内峰值功率[7]。相比之下，准直臂中的光束半径通常为1mm的数量级。因此，当使用损耗调制装置作为克尔介质时，1mm的聚焦光束半径已经促进约1.5GW的腔内峰值功率，同时保持与通过布置在谐振器内部的准直光束中的损耗调制装置相同或甚至更高的调制带宽。通过减小光学调制器材料的厚度以及可能实施其他克尔介质，这样高的腔内峰值功率可能会在损耗调制装置内部的较小光束半径处获得，甚至允许更宽的调制带宽。
此外，本发明不限于高功率振荡器。在低腔内峰值功率处，光束可以紧密地聚焦到损耗调制装置中，或者实施其他克尔介质或使用具有增大的光调制器材料厚度的损耗调制装置可以补偿腔内非线性的降低。由此，低功率限制主要由锁模阈值或激光阈值给定，以先到者为准。这使得能够在大范围的腔内功率中使用提出的概念(参见上述标准b))。
根据本发明的特别优选的实施例，激光装置包括稳定装置，所述稳定装置被构造为用于控制和/或稳定激光谐振器的激光脉冲输出的载波包络相位(CEP)和/或强度。稳定装置包括诸如CEP传感器或强度传感器等激光脉冲传感器，所述激光脉冲传感器与可控制的调制驱动器耦合，尤其是与AOM或EOM驱动器耦合。稳定装置包括控制单元，所述控制单元用于通过根据激光脉冲的检测参数控制损耗调制装置来稳定激光脉冲的CEP和/或强度。相应地，就方法特征而言，损耗调制装置用于控制并稳定激光脉冲的载波包络偏移频率和/或强度。有利地，损耗调制装置(特别是AOM或EOM装置)在本发明的激光装置中实现双重功能。首先，它用于锁模循环激光场，由此产生激光脉冲。其次，它允许控制(优选地回路控制)诸如CEO和/或强度等脉冲参数。
下面参照附图说明本发明的优选实施例的其他优点和细节。
附图说明
图1至图4是示出根据本发明的优选实施例的激光装置的激光谐振器的示意图。
图5是示出包括稳定CEO频率的激光装置的示意图。
图6和图7是示出本发明的CEO稳定的有利特征的实验结果。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例的描述涉及设置作为克尔介质的损耗调制装置来实现发明构思。没有说明激光谐振器及其组件的设计细节，特别是没有说明泵浦机构、来自激光谐振器的激光脉冲的色散补偿和输出耦合，因为它们本身是具有固态增益介质的脉冲激光器的现有技术中已知的。特别地，可以通过额外折叠光束路径和/或通过使用布置在光束路径中的高度色散镜或玻璃楔的色散补偿来修改所示的实施例。
图1示出激光装置100的第一实施例，其中，只设置单一的克尔介质。激光装置100包括具有增益介质20和克尔介质装置30的激光谐振器10。诸如泵浦激光器40、控制装置50和传感器装置60等其他示意性示出的组件(图2至图4中未示出)可以与如常规激光器本身已知的用于泵浦、控制和监控目的的激光谐振器10耦合。如下面参照图5以示例性的方式所述，控制装置50和传感器装置60可以结合为载波包络相位(CEP)和/或强度稳定装置70。激光谐振器10包括多个电介质谐振器镜(例如11.1)和与末端镜中的一者紧邻的硬边光阑13。谐振器镜包括凹面镜R1、R2、R3和R4、其他平面镜以及平面输出耦合镜OC。谐振器镜11.1跨过具有x形折叠腔(x-fold cavity)设计的谐振器光束路径12，该x形折叠腔设计对于克尔透镜锁模激光器来说是优选的。硬边光阑13适用于增强克尔透镜的效果。增益介质20例如可以是块状，例如由Yb：YAG制成的(如图1所示)、板状或圆盘(参见图2至4)的几何形状。
克尔介质装置30由损耗调制装置提供，特别是由具有AOM材料31A作为调制器介质的AOM装置31提供。AOM材料31A与AOM驱动器(未示出)耦合，并且由控制装置50控制。例如，AOM材料31A包括具有3mm厚度的石英晶片。因为沿着谐振器光束路径12的光束通常由凹面镜R1和R2聚焦到增益介质20并准直到别处，所以由R3和R4组成的第二望远镜用于将光束聚焦到AOM材料31A中。凹面镜R1、R2、R3和R4设计为使得光束半径满足wAOM<wGain，例如wAOM＝30μm并且wGain＝90μm。
通过在激光谐振器10中形成循环激光场来操作激光装置100，其中，使用泵浦激光器40泵浦增益介质20。通过在AOM材料31A中产生的非线性克尔效应来实现锁模循环激光场，同时用于调制在激光谐振器10中产生的激光脉冲的功率损耗。
根据本发明，损耗调制装置的调制器介质在激光谐振器中引入与任意被动克尔介质一样的效果。因此，本发明可以在各种谐振器构造中实施。由此，图2示出使用基于薄盘的激光谐振器10的激光装置100的第二实施例，该实施例适用于高功率应用。增益介质20包括薄盘增益介质，例如由Yb：YAG制成并与激光谐振器10的平面镜11.2耦合的增益介质。克尔介质装置30由另一损耗调制装置提供，特别是由具有EOM材料32A作为调制器介质的EOM装置32提供(未示出EOM驱动器)。EOM材料32A例如包括具有5mm厚度的DKDP，并且布置在激光谐振器的曲面谐振器镜R1、R2之间的部分中，将激光场聚焦到EOM装置32中。损耗调制装置还包括偏振选择装置32B，例如布置在激光谐振器10的某处(例如镜片R2和输出耦合镜OC之间)的具有相对于谐振器光束路径的布儒斯特角的布氏板(Brewster plate)。在这种类型的激光谐振器10中，增益介质20固有地与谐振器的克尔介质装置30(EOM材料32A)解耦。同样，硬边光阑13增强了克尔透镜的效果。
如图3所示，本发明也适用于具有这样的激光谐振器10的激光装置100，其中，非线性克尔效应分布在几种克尔介质(分布的克尔透镜锁模(DKLM)，参见[5])上。与图2中一样，第三实施例的增益介质20包括薄盘增益介质。克尔介质装置30由AOM装置31(与图2一样)的AOM材料31A和两种克尔介质33、34提供。这样可以精确调整整个腔内的非线性，并确保在各种振荡器配置中的适用性。额外的两种克尔介质33、34用于增强自相位和自幅度调制的效果。AOM材料31A、克尔介质33和克尔介质34内部的光束半径是wAOM<w2<w1，例如分别是20μm、110μm和120μm。可以如在[1]中所描述的那样实现图3的实施例的细节，通过参考将[1]引入本说明书，特别是将关于具有分布式克尔透镜锁模的激光谐振器的配置引入本说明书。
例如，可以通过使用诸如块状或板状等不同增益介质形状或通过提供多个AOM和/或EOM装置作为额外的克尔介质来修改图3的实施例。激光谐振器10内的多个光学调制器在同时允许多个锁相环来控制激光装置100方面具有优势(参见图5)。
图4示出本发明的激光装置100的第四实施例，所述第四实施例采用了紧邻AOM装置31的AOM材料31A的第二克尔介质33。激光谐振器10被构造为使光束路径12两次通过薄盘增益介质20。两个具有-3000fs2 GDD的高色散镜11.3用于色散补偿。镜片R1和R2是具有2000mm曲率半径的凹面聚焦镜。使用15％透射率的输出耦合镜11.2。剩下的镜片是高反射镜。
图4的激光装置100是[7]中所述的克尔透镜锁模Yb:YAG振荡器的改进版。对于本发明的装置来说，常规使用的克尔介质(5mm的蓝宝石片)被由石英制成的3mm厚的AOM材料31A代替。额外的3mm石英片作为第二克尔介质33紧邻AOM材料31A布置，以增强自相位和自幅度调制的效果。AOM材料31A和第二克尔介质33都布置在激光谐振器10的焦距范围内。由于半径约为300μm的聚焦光束的瑞利长度较长，因此AOM材料31A与克尔介质33之间的精确间隔距离并不重要。
激光谐振器10的操作结果为发射105W的平均输出功率，以15.6MHz的重复速率和1030nm的中心波长发送具有6.7μJ脉冲能的190fs脉冲。与[7]相比，输出功率的降低通过改变克尔介质位置实现，并且是为了优化振荡器的输出脉冲稳定性。此外，可以通过所述的AOM克尔介质组合达到几乎相同的峰值功率水平和平均功率水平(60MW，150W)。
图5示出包括例如根据图4的激光谐振器10和载波包络相位(CEP)稳定装置70的完整激光装置100。例如InGaAs(铟镓砷)激光二极管的泵浦激光器40与激光谐振器10耦合以泵浦其增益介质。CEP稳定装置70包括脉冲压缩装置71、超连续谱生成装置72和AOM驱动器73以及传感器装置60和控制装置50。脉冲压缩装置71包括由赫里奥特型(Herriot-type)多程吸收池(multi-pass cell，MPC)和啁啾镜压缩器(chirped mirror compressor)组成的预增大阶段。在实际实施中，大约80W的激光谐振器输出发送到脉冲压缩装置71，将脉冲持续时间有效地减小到40fs并将峰值功率提高到102MW。这具有在随后的超连续谱生成过程中避免退相干效应(de-coherence effect)的优点。随后，大约130mW的已压缩预增大阶段输出用于在超连续谱生成装置72中产生超连续谱，所述超连续谱包括4.5cm长片段的高度非线性光子晶体光纤(PCF，NKT Photonics SC-3.7-975)。为了检测CEO频率，传感器装置60包括f-2f干涉仪。CEO频率的检测不限于使用f-2f干涉仪，也可以使用2f至3f或更高的多重干涉仪，或者单片DFG设置[8，9]。控制装置50包括与RF参考光源52耦合的锁相电子装置51(例如，数字相位检波器Menlo DXD100、比例-积分-微分(PID)控制器Vescent PhotonicsD2-125)。锁相电子装置51的输出用于通过AOM驱动器73来控制激光谐振器10的AOM装置。
额外地或替代地，可以由强度稳定装置(未示出)以相应的方式提供强度的稳定，所述强度稳定装置包括输出强度传感器和控制装置。此外，如果激光谐振器10包括多个光学调制器(AOM和/或EOM装置)，则提供多个稳定通道。
图6示出激光谐振器10(例如参见图4)内的AOM装置31的相位传递函数(实线)和自由运行激光的相位噪声(虚线)。点状虚线分别表示达到90°相位滞后处的频率和累积100mrad的相位噪声处的频率。该传递函数可以通过利用连接到放大器(ZurichInstruments UHF)的锁定装置的光电二极管测量激光装置(100)的输出来获得，以表征当作为克尔介质放置在激光谐振器10内部时AOM材料31A的性能(例如，参见图4)。在大约230kHz处达到90°的相位滞后，这表明频率操作在宽频带内是可行的。在对准传感器装置60的f-2f干涉仪之后，可以获得具有35-40dB的信噪比(在10kHz分辨率带宽内测量)的差拍信号(beat-note)。为了评估可用的调制带宽对于CEO频率的稳定来说是否足够，对自由运行的差拍信号的噪声特性进行了更仔细的分析。为此，差拍信号由高速示波器以25MHz的采样率采样，这可以解析高达12.5MHz的频率分量。使用[2]所述的数值方法评估记录的轨迹。对自由运行的CEO频率的积分相位噪声(IPN)的评估表明，需要20kHz以上的调制带宽以获得低于100mrad的残留相位噪声水平(图6)。这可以通过使用超出所需带宽多倍的带宽的AOM装置便利地实现。
为了锁定CEO，监视所检测的CEO频率和RF参考频率的差拍信号。通过轻微调整泵浦激光器40的泵浦功率使自由运行的差拍信号偏移到10.7MHz。在与来自RF参考光源52(例如，±16π数字相位检波器中的Marconi 2022D信号发生器)的外部施加的RF频率(例如10.7MHz)进行比较之前，CEO频率带通并被放大(例如+60dB)。产生的误差信号被分配，一半的功率发送到比例-积分-微分(PID)控制器(Vescent Photonics D2-125)，另一半用于监视锁定性能。在PID控制器中产生的伺服信号随后施加到AOM驱动器73的调制输入端。
通过本发明的设置，可以实现牢固地锁定CEO频率。锁定的CEO频率的功率谱密度和积分相位噪声如图7所示。可以在带宽(1-5·105)Hz中获得88mrad的残留相位噪声水平。
在上述说明书、附图和权利要求中公开的本发明的特征对于在其不同实施例中单独地、组合地或以子组合的方式实现本发明而言是同等重要的。
Claims (26)
1.一种激光装置(100)，其被构造为通过基于克尔透镜的锁模来产生激光脉冲，所述激光装置(100)包括：
激光谐振器(10)，其具有跨设在谐振器光束路径(12)上的多个谐振器镜(11.1，11.2，11.3)；
固态增益介质(20)，其布置在所述激光谐振器(10)中；
克尔介质装置(30)，其布置为距所述激光谐振器(10)中的所述增益介质(20)一定距离，其中，所述克尔介质装置(30)包括至少一种克尔介质，所述克尔介质布置在所述谐振器光束路径的焦距范围内，并且被构造为通过非线性克尔效应来形成所述激光脉冲；和
损耗调制装置(31，32)，其具有调制器介质(31A，32A)，所述调制器介质(31A，32A)能够调制在所述激光谐振器(10)中产生的所述激光脉冲的功率损耗，
其特征在于，
所述克尔介质装置(30)包括所述损耗调制装置(31，32)的所述调制器介质(31A，32A)作为所述至少一种克尔介质，并且
所述损耗调制装置(31)的所述调制器介质(31A，32A)适用于每次经过所述损耗调制装置(31，32)的所述损耗调制器介质(31A，32A)时在100mrad和10rad之间的范围内的非线性相移。
2.根据权利要求1所述的激光装置，其中，
所述激光谐振器(10)仅包括由所述损耗调制装置(31，32)的所述调制器介质(31A，32A)提供的单一的克尔介质。
3.根据权利要求1所述的激光装置，其中，
所述克尔介质装置(30)包括至少两种克尔介质：所述损耗调制装置(31，32)的所述调制器介质(31A，32A)和至少另一种克尔介质，所述另一种克尔介质包括具有克尔非线性的透明板(33)和/或另一损耗调制装置。
4.根据权利要求3所述的激光装置，其中，
所述损耗调制装置(31，32)的所述调制器介质(31A，32A)和所述至少另一种克尔介质在所述谐振器光束路径的所述焦距范围内彼此相邻地布置。
5.根据权利要求3所述的激光装置，其中，
所述损耗调制装置(31，32)的所述调制器介质(31A，32A)和所述至少另一种克尔介质布置在不同对的谐振器镜(11.1，11.2，11.3)之间不同的谐振器光束路径部分中。
6.根据前述任一项权利要求所述的激光装置，其中，
所述损耗调制装置(31，32)的所述调制器介质(31A，32A)布置在所述谐振器光束路径的所述焦距范围内的焦点位置处。
7.根据前述任一项权利要求所述的激光装置，其中，
所述调制器介质(31A，32A)内部的所述非线性相移ΔΦ至少为ΔΦtotal/5，尤其至少为ΔΦtotal/3，其中，ΔΦtotal是所述激光谐振器内的总非线性相移。
8.根据前述任一项权利要求所述的激光装置，其中，
所述损耗调制装置是声光调制器(AOM)装置(31)，并且所述调制器介质(31A)是AOM材料。
9.根据权利要求8所述的激光装置，其中，所述AOM装置(31)具有下述特征中的至少一者：
所述AOM材料是晶体石英、熔融石英、二氧化锗、二氧化碲、蓝宝石或具有AOM功能的类似材料，
所述AOM材料具有0.5mm至10mm范围内的厚度，和
所述AOM材料布置用于沿着所述谐振器光束路径(12)传输第零级衍射光束。
10.根据前述任一项权利要求所述的激光装置，其中，
所述损耗调制装置是电光调制器(EOM)装置(32)，并且所述调制器介质(32A)是EOM材料。
11.根据权利要求10所述的激光装置，其中，所述EOM装置(32)具有下述特征中的至少一者：
所述EOM材料是BBO、KDP、LiNbO3或具有EOM功能的类似材料，
所述EOM材料具有0.5mm至20mm范围内的厚度，
所述EOM装置(32)能够控制所述激光脉冲的偏振状态，并且所述EOM材料布置为具有相对于所述谐振器光束路径(12)的布儒斯特角，和
所述EOM装置(32)能够控制所述激光脉冲的偏振状态，并且所述EOM装置(32)还包括至少一个偏振选择装置(32B)。
12.根据前述任一项权利要求所述的激光装置，其中，
所述增益介质(20)包括薄盘增益材料。
13.根据前述任一项权利要求所述的激光装置，还包括：
载波包络相位(CEP)和/或强度稳定装置(70)，其具有激光脉冲检测器(60)以及AOM驱动器或EOM驱动器(73)，其中，所述稳定装置(70)布置为通过根据所述激光脉冲的所检测参数控制所述损耗调制装置(31，32)来稳定所述激光脉冲的所述CEP和/或所述强度。
14.一种使用激光装置(100)通过基于克尔透镜的锁模来产生激光脉冲的方法，所述激光装置(100)包括：激光谐振器(10)，其具有跨设在谐振器光束路径(12)上的多个谐振器镜(11.1，11.2，11.3)；固态增益介质(20)；克尔介质装置(30)，其具有至少一种克尔介质，所述至少一种克尔介质布置为在所述谐振器光束路径的焦距范围内距所述增益介质(20)一定距离；和损耗调制装置(31，32)，其具有调制器介质(31A，32A)，所述方法包括下述步骤：
通过泵浦所述增益介质(20)在所述激光谐振器(10)中形成循环激光场，
通过锁模所述循环激光场产生所述激光脉冲，其中，通过在所述至少一种克尔介质中产生的非线性克尔效应形成所述激光脉冲，和
使用所述损耗调制装置(31，32)调制在所述激光谐振器(10)中产生的所述激光脉冲的功率损耗，
其特征在于，
所述克尔介质装置(30)包括所述损耗调制装置(31，32)的所述调制器介质(31A，32A)作为所述至少一种克尔介质，并且
所述损耗调制装置(31)的所述调制器介质(31A，32A)适用于每次经过所述损耗调制装置(31，32)的所述损耗调制器介质(31A，32A)时在100mrad和10rad之间的范围内的非线性相移。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，
所述损耗调制装置(31，32)用于控制和稳定所述激光脉冲的载波包络偏移频率和/或强度。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，
所述损耗调制装置(31，32)包括声光调制器(AOM)装置(31)和/或电光调制器(EOM)装置(32)。
17.根据权利要求15至16中任一项所述的方法，其中，
每次经过所述损耗调制装置(31，32)的所述损耗调制器介质(31A，32A)时，所述损耗调制装置(31)的所述调制器介质(31A，32A)产生在100mrad和10rad之间的范围内的非线性相移。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其中，
所述激光谐振器(10)仅包括由所述损耗调制装置(31，32)的所述调制器介质(31A，32A)提供的单一的克尔介质。
19.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其中，
所述克尔介质装置(30)包括至少两种克尔介质：所述损耗调制装置(31，32)的所述调制器介质(31A，32A)和至少另一种克尔介质，所述另一种克尔介质包括具有克尔非线性的透明板(33)和/或另一损耗调制装置。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，
所述损耗调制装置(31，32)的所述调制器介质(31A，32A)和所述至少另一种克尔介质在所述谐振器光束路径的所述焦距范围内彼此相邻地布置。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，
所述损耗调制装置(31，32)的所述调制器介质(31A，32A)和所述至少另一种克尔介质布置在不同对的谐振器镜(11.1，11.2，11.3)之间不同的谐振器光束路径部分中。
22.根据权利要求14至21中任一项所述的方法，其中，
所述损耗调制装置(31，32)的所述调制器介质(31A，32A)布置在所述谐振器光束路径的所述焦距范围内的焦点位置处。
23.根据权利要求14至22中任一项所述的方法，其中，
所述损耗调制装置是声光调制器(AOM)装置(31)，并且所述调制器介质(31A)是AOM材料，并且
所述AOM材料沿着所述谐振器光束路径(12)传输第零级衍射光束。
24.根据权利要求14至23中任一项所述的方法，其中，
所述损耗调制装置是电光调制器(EOM)装置(32)，并且所述调制器介质(32A)是EOM材料，
所述EOM装置(32)控制所述激光脉冲的偏振状态，并且
所述EOM材料布置为具有相对于所述谐振器光束路径(12)的布儒斯特角，并且/或者所述EOM装置(32)还包括至少一个偏振选择装置(32B)。
25.根据权利要求14至24中任一项所述的方法，其中，
所述增益介质(20)包括薄盘增益材料。
26.根据权利要求14至25中任一项所述的激光装置，其中，
所述调制器介质(31A，32A)内部的所述非线性相移ΔΦ至少为ΔΦtotal/5，尤其至少为ΔΦtotal/3，其中，ΔΦtotal是所述激光谐振器内的总非线性相移。
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