CN112166534A - 表征光学元件 - Google Patents

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J·C·舒尔茨
安德烈·V·奥基舍夫
奎格·万格
布里塔尼·拉斯罗普
费萨尔·R·艾哈曼德
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Quantum Si Inc
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Abstract

一种用于表征光学元件的方法和设备。该光学元件是激光器的一部分且安装于位移平台上以横向于腔内激光束扫描该光学元件。随光学元件的位置的变化记录激光器的性能特性。

Description

表征光学元件
相关申请
本申请根据美国法典第35条第119(e)款规定要求享有2018年5月3日递交的标题为“CHARACTERIZING AN OPTICAL ELEMENT”的美国申请No.62/666,677的优先权。
技术领域
本申请针对用于表征光学元件的装置和方法。
背景技术
光学元件(诸如(但不限于)镜、光学非线性晶体、可饱和吸收器、非线性自聚焦光学元件及光束成形组件)用于各种应用中。存在特定应用(诸如使用光学元件来形成激光)，这种特定应用需要非常特定性质以确保该激光如预期地执行。
作为示例，可饱和吸收镜(SAM)可用作激光器腔的端面镜。该SAM导致激光器被动地锁模，从而产生超短激光脉冲。在涉及时域分析的研发及商业应用的各种领域中，超短光学脉冲(即，小于约100皮秒的光学脉冲)是有用的。例如，超短光学脉冲对于时域光谱学、光学测距、时域成像(TDI)、光学相干断层成像(OCT)、荧光寿命成像(FLI)及用于基因定序的寿命解析荧光检测为有用的。超短脉冲对于包含光学通信系统、医疗应用及光电子器件的测试的商业应用也是有用的。
为了使超短光学脉冲在给定应用中有效，上述应用通常具有特定要求。例如，脉冲持续时间(也被称为时间脉冲宽度，或简称为“脉冲宽度”)应小于针对一些应用的阈值水平且光学功率应大于针对一些应用的阈值水平。激光器的脉冲持续时间及光学功率很大程度上基于SAM的性质。因此，SAM必须能够产生具有足够大光学功率的足够短脉冲以在特定应用中有用。
此外，当制造激光器时，应选择SAM，使得激光器在指定的泵浦功率或低于该指定的泵浦功率时锁模且在不具有不期望的激光行为(诸如Q开关)的情况下锁模。镜和/或SAM也应展现指示寿命及高于激光的操作功率的损坏阈值的性质。
发明内容
本文中所描述的技术涉及用于表征光学元件的设备和方法。
根据本申请的一个方面，提供了一种光学表征设备。该光学表征设备包含被配置为产生激光束的激光器。该激光器包含第一镜及第二镜。该第二镜安装于二维位移平台上，其被配置为使该第二镜沿着第一方向和第二方向移动，其中该第一方向和该第二方向与由该激光束在该第二镜的位置处的传播方向限定的第三方向垂直。该第一镜及该第二镜限定该激光器的激光器腔。
根据本申请的一个方面，提供了一种光学表征设备。该光学表征设备包含激光器，其被配置为产生具有光束轴的腔内激光束。该光学表征设备还包含定位底座，设置为保持光学元件使得该光学元件接收该腔内激光束且可使该光学元件横向于该轴移动。
根据本申请的一个方面，提供了一种用于表征光学元件的方法。该方法包含：横向于具有光束轴的腔内激光束扫描该光学元件；及记录随所扫描的光学元件的位置变化的激光器的性能特性。
根据下文结合附图的描述可以更充分理解本发明示教的前述及其它方面、实施方式、动作、功能性、特征及实施例。
附图说明
本领域的技术人员将理解，本文中所描述的附图仅用于说明的目的。应理解，在一些实例中，一些实施例的各个方面可以夸大或放大地示出以便于对实施例的理解。在附图中，贯穿各个图，相同的附图标记通常指代相同的特征、功能上类似和/或结构上类似的组件。附图不必按比例，而是将重点放在说明示教的原理上。附图并不旨在以任何方式限制本发明示教的范围。
图1是根据一些实施例的光学表征设备的框图。
图2描绘根据一些实施例的系列脉冲。
图3是根据一些实施例的光学检测系统的示意图。
图4是根据一些实施例的脉冲激光器的示意图。
图5示出根据一些实施例的光学表征设备的一部分。
图6示出根据一些实施例的光学表征设备的端面镜底座。
图7示出根据一些实施例的如何修改脉冲激光器以获得光学表征设备。
图8示出根据一些实施例的脉冲半导体激光器。
图9示出根据一些实施例的脉冲光纤激光器。
图10是根据一些实施例的用于表征光学元件的方法的流程图。
图11是根据一些实施例的用于确定锁模泵浦阈值的方法的流程图。
图12是根据一些实施例的计算装置。
图13A是根据一些实施例的示例功率图。
图13B是根据一些实施例的示例脉冲宽度数据。
图13C是根据一些实施例的示例脉冲宽度图。
图14A是根据一些实施例的示例功率。
图14B是根据一些实施例的示例激光发射区(lasing regime)图。
图14C是根据一些实施例的示例脉冲宽度图。
图14D是根据一些实施例的示例功率图。
图14E是根据一些实施例的示例激光发射区图。
图14F是根据一些实施例的示例脉冲宽度图。
图15A是根据一些实施例的示例激光发射区图。
图15B是用于与图15A的激光发射区图比较的光学显微镜图像。
根据以下结合附图阐述地详细说明，本申请的特征及优点将变得更明显。当参考附图描述实施例时，可使用方向参考(“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“水平”、“垂直”等)。这种参考仅旨在帮助读者以正常定向观看附图。这种方向参考并不旨在描述所实施装置的优选或唯一定向。装置可以其它定向实现。
具体实施方式
概述
发明人已认识并了解到，用于表征光学元件的传统技术未充分测量对于构建用于特定应用的激光器系统而言重要的特性。例如，镜及可饱和吸收器(例如，可饱和吸收镜(SAM))通常通过使用显微镜进行视觉观察和/或利用外部激光器系统探测来表征。尽管这种技术能够测量光学元件的特定属性，但用于表征光学元件的传统技术测量与使用该光学元件的激光器的性能间接相关的属性而不直接测量对于构建具有特定属性的激光器系统而言重要的特性。因此，发明人设想了提供关于无法使用传统技术测量的光学元件的信息的光学表征技术。
作为示例且非限制地，SAM可用作产生超短光脉冲的激光器腔的端面镜。传统地，SAM通过在显微镜下视觉观察该SAM和/或使用独立的激光器系统探测该SAM而表征。例如，可使用激光束的反射计来测量处于不饱和状态的SAM的反射率和/或吸收率。此外，传统地，可使用脉冲激光器系统通过泵浦-探测技术测量SAM的弛豫时间(例如，SAM中的光电子从导带弛豫至价带所花费的时间)。发明人认识并了解到，尽管视觉观察、反射率及弛豫时间可为用于量化SAM的有用性质，但确保这些测量满足特定条件和/或标准不足以确定在激光器系统中使用该SAM将满足预期的性能标准。例如，传统技术对SAM的表面质量提供一些指导，但并不提供关于使用该SAM的激光器的功率性能及锁模的直接信息。
发明人认识并了解到，在激光器系统中包含SAM并测量该激光器系统的性质提供关于并入有该特定SAM的激光器的性能的直接信息。具体地，可直接测量该激光器的锁模性能(重复率、泵浦阈值、质量(例如，无Q开关))及光学功率。功率损耗或较差的锁模性能将证明SAM中的任何缺陷，这容许激光器系统的制造商选择高质量且将满足该激光器系统的期望性能标准的SAM。
发明人进一步认识并了解到，在激光器系统中包含光学元件的光学表征技术在表征除SAM之外的光学元件方面是有用的。例如，可使用这种系统表征镜以确保充足的输出激光功率及锁模性能。与通过利用独立且相异激光器系统的输出探测光学元件来测量光学元件的特征的传统方法相反，在激光器腔内包含要表征的光学元件还可以提供使用传统技术不可能的额外灵敏度。此额外灵敏度来自于以下事实：激光器系统的输出激光束特性是该激光器系统的构成组件的质量及特性的函数。增加的灵敏度可部分归因于在激光器腔中产生相干光束时固有的光学反馈。除了表征镜之外，可在激光器腔内表征非线性光学元件，其中使用腔内激光束可提供关于在使用传统技术不可用的非线性光学元件的性能的额外信息以及增加的灵敏度。
此外，发明人已认识并了解到，光学元件(诸如SAM)在其表面上并不一定是一致的。在SAM中存在多个可能的缺陷，这些缺陷可能导致激光功率损耗、较差的锁模性能或灾难性故障。因此，一些实施例将SAM或被表征的其它光学元件安装于二维位移平台上，该位移平台被配置为使SAM在与激光器腔的入射激光束垂直的平面中移动。通过使用二维位移平台，激光束的照射光斑可在SAM的一部分上或整个SAM上光栅化。因此，可产生SAM的二维图以示出SAM的哪些部分具有影响激光器系统的性能的缺陷。在一些示例中，在激光器系统的制造时可丢弃或不包含具有一个或多个大的不可用区域的SAM。若SAM具有小的或定位至SAM的小部分的不可用区域，则只要SAM被定位并放置为使得激光束的照射点入射在SAM的被认为可用的区域上，SAM就可以包含于激光器系统中(例如，在使用SAM的所识别的部分时，该激光器系统展现必要功率及锁模能力)。
发明人也已认识并了解到，在光学元件表征设备中，使光学元件易于移除及用其它光学元件替换可能是有用的，使得可以高效地表征多个光学元件。因此，光学元件位于激光器壳体外部，而非使光学元件位于激光器系统的壳体内。在一些实施例中，光学元件可被定向为垂直于该激光器系统的平面。例如，激光器系统的激光器腔可包含镜，该镜将激光束在垂直于限定激光器腔的光学器件的方向上反射出壳体，使得激光束入射在被表征的光学元件上。将被表征的光学元件定位于激光器壳体外部可具有以下额外优点：二维位移平台不需要装配至壳体中，并且位移平台的运动范围不受壳体限制。通过消除必须将光学元件及位移平台装配至壳体中的约束，能够表征原本将不可能的更大光学元件。例如，可在将任意尺寸的整个SAM晶圆(例如，直径为一英寸、两英寸、三英寸、四英寸或五英寸的晶圆)切割成独立组件之前表征该晶圆。通过在切割之前表征晶圆，可丢弃SAM晶圆的较差质量部分，从而节省制造最终在完成的激光器系统中将不可用的个别组件时通常所花费的时间及精力。
下面描述用于表征光学元件的技术及用于表征光学元件的装置的各种说明性示例。然而，应了解，实施例并不限于根据以下任何示例操作，且其它实施例也是可行的。
图1示出示例光学表征设备100。在一些实施例中，光学表征设备100包含超短脉冲激光器110、光学检测系统140、二维位移平台145及控制器150。超短脉冲激光器110包含增益介质105(其在一些实施例中可为固态材料)、用于激发增益介质的泵浦源(未示出)及限定光学激光器腔的端部的至少两个腔端面镜102、104。在一些实施例中，出于光束成形、波长选择和/或脉冲成形的目的，在激光器腔中可具有一个或多个附加光学元件。在工作时，脉冲激光器110可产生超短光学脉冲120，其在腔的端面镜102、104之间在激光器腔中来回循环且通过增益介质105。腔镜之一104可局部透射该循环脉冲的一部分，使得一系列光学脉冲122从脉冲激光器110射出。在一些实施例中，端面镜102可为允许脉冲激光器110被动地锁模的SAM。所发射的脉冲可形成通过光束腰w表征的光束(通过虚线指示)。
在一些实施例中，脉冲激光器110可包含诸如非线性晶体的非线性光学元件(未示出)，其用于经由倍频将至少一部分脉冲波长转换成较短波长或经由参数放大将至少一部分脉冲波长转换成较长波长。当这种频率转换发生时，脉冲激光器110可包含包括第一波长的光的第一光束及包括第二波长的光的第二光束。例如，增益介质105可以1064纳米发出激光，从而产生1064纳米的脉冲。可使用非线性晶体(诸如磷酸氧钛钾KTP或偏硼酸钡BBO)经由二次谐波产生(SHG)将该1064纳米的脉冲转换成532纳米的脉冲。因此，光束122可包含1064纳米的脉冲及532纳米的脉冲两者。
所发射脉冲122的测量时间强度轮廓可如图2中所示呈现。在一些实施例中，所发射脉冲的峰值强度值可近似相等，且轮廓可具有高斯时间轮廓，但其它轮廓(诸如sech2轮廓)也是可行的。在一些情况下，脉冲可以不具有对称时间轮廓而具有其它时间形状。在一些实施例中，增益和/或损耗动态可产生具有不对称轮廓的脉冲。每个脉冲的持续时间可通过半高全宽(FWHM)值表征，如图2所示。超短光学脉冲可具有小于100皮秒的FWHM值。
自激光器发射的脉冲可通过规律的时间间隔T分隔开。在一些实施例中，T可通过激光器中的主动增益和/或损耗调制速率来确定。对于锁模激光器，T可通过腔端面镜102、104之间的往返行进时间来确定。根据一些实施例，脉冲分隔时间T可介于约1毫微秒(ns)与约100毫微秒之间。在一些情况下，脉冲分隔时间T可介于约0.1毫微秒与约1毫微秒之间。在一些实施方式中，脉冲分隔时间T可介于约100毫微秒与约2微秒(μs)之间。
在一些实施例中，光学检测系统140可从激光器110接收脉冲光束122并检测该激光束的一个或多个属性。来自光学检测系统140的检测结果被提供至控制器150进行分析。光学检测系统140也可包含引导光学器件以将激光束引导至各检测器之一。例如，图3示出示例光学检测系统140，其包含作为引导光学器件的示例的二向色镜341及分束器342。二向色镜341可反射第一波长的光且透射第二波长的光。例如，若激光束122包含1064纳米(纳米)的脉冲及532纳米的脉冲两者，则1064纳米的光可被反射朝向用于测量1064纳米光的功率的第一功率计343。分束器342可透射532纳米的光的一部分使其朝向用于测量532纳米光的功率的第二功率计344。透射穿过分束器342的532纳米的光被引导至脉冲表征检测器345。脉冲表征检测器345被配置为测量激光器系统110所输出的532纳米的脉冲的脉冲宽度。在一些实施例中，脉冲表征检测器345可为自相关器，诸如由APE公司制造的pulseCheck自相关器。自相关器测量激光脉冲的时间脉冲宽度。在其它实施例中，脉冲表征检测器345可包含执行光谱相位干涉直接电场重建(SPIDER)或频率分辨光学开关(FROG)的装置，该装置不仅可提供激光脉冲的时间脉冲宽度，而且可提供激光脉冲的全强度及相位轮廓。来自光学检测系统140的各独立检测器的检测结果被提供至控制器150。
实施例并不限于特定光学检测系统140。例如，图1示出光学检测系统140完全在激光器系统110的外部。然而，在一些实施例中，激光器系统自身内可包含一个或多个检测器。例如，在激光器腔由多个内部镜形成的实施例中，检测器可放置于一个或多个镜后面以检测透射穿过镜的部分激光束。这些检测器可位于激光器系统的壳体内以测量激光的功率。在一些实施例中，光学检测系统140可包含可位于壳体外部或壳体内部的快速光电二极管。
返回参考图1，光学表征设备100可包含二维位移平台145，其被配置为使端面镜102移动，使得可在端面镜102的表面上扫描激光束在端面镜102上的照射点。使端面镜102移动并不改变激光器腔的长度，这是因为位移平台145的运动垂直于激光束的入射光学脉冲122。在所示实施例中，图1的二维位移平台145的示意性图示内的箭头示出位移平台使端面镜102移动的两个方向(在页面平面中上下方向及进出页面方向)。在一些实施例中，二维位移平台145是由控制器150控制的机动化位移平台。在一些实施例中，二维位移平台145可包含第一一维位移平台，该第一一维位移平台安装在第二一维位移平台上，第一一维位移平台和第二一维位移平台的移动方向互相垂直。除了二维位移平台145之外，一些实施例也可包含控制端面镜102的倾斜的双轴倾斜调节底座(未示出)。该倾斜调节底座可使用来自一个或多个功率测量的反馈以确保适当对准端面镜102以优化脉冲激光器110的性能。
如上所述，光学表征设备100包含控制器150，其用于控制位移平台145并从光学检测系统140接收测量数据。如下文更详细描述地，控制器150可包含存储装置及处理器。该存储装置可存储指令以及从光学检测系统140接收的测量数据，这些指令在通过处理器执行时使得处理器分析该测量数据。这些指令还可控制位移平台145的移动。
实施例并不限于光学表征设备100的特定光学布局。在一些实施例中，光学表征设备100具有与最终将包含被表征的光学元件的激光器系统的布局类似的布局。在这种情况下，确保光学表征设备100尽可能多的属性与激光器系统相同可能是有益的。例如，激光器腔的长度在光学表征设备100及光学元件预期应用的激光器系统中可以相同。在一些实施例中，可通过修改现有激光器系统而形成光学表征设备100。
锁模激光器模块
参考图4，示出了可被修改用于形成光学表征设备100的紧凑型锁模激光器模块1-108的示例。根据一些实施例，紧凑型锁模激光器模块1-108可包含：激光器腔(其包含位于可用作该激光器腔的第一端面镜的输出耦合器1-111与可用作该激光器腔的第二端面镜的可饱和吸收镜(SAM)1-119之间的光学元件)；成形的底盘2-105(也被称为壳体)，其上安装有锁模激光器110的部分或所有组件；至少一个腔内光学元件2-128，可使锁模激光器的操作稳定；倍频组件2-170、2-164、2-160，可参与将来自激光器的输出转换成较短波长；以及电气组件2-190、2-154、2-182、2-116，其监测激光器的操作参数(诸如光学功率)并产生与激光器所产生的光学脉冲同步的电子时钟信号。泵浦模块2-140可安装至底盘2-105且用于激发锁模激光器的增益介质1-105。
根据一些实施例，紧凑型锁模激光器模块1-108的底盘2-105可测量为长度L在约20cm与约30cm之间，高度H在约10cm与约20cm之间，且具有约10mm与约30mm之间的厚度。在一些情况下，一个或多个维度可增加至大20％。根据一些实施例，紧凑型锁模激光器模块1-108占用的体积可为约30cm×18cm×3cm或近似1620立方厘米。根据一些实施方式，锁模激光器模块1-108的总体形状或形状因数是长度L比高度H长且厚度远小于长度或高度的板片，其占用体积小于2850立方厘米且称重小于约2千克或具有约2千克的重量。在一些情况下，模块1-108的重量在1千克与2千克之间。
在一些实施例中，底盘2-105可由铝、钛、铝合金或钛合金形成。在其它实施例中可使用其它材料。在一些实施方式中，底盘2-105可包含被加工或以其它方式形成(例如，通过铸造或组装)为底盘的多个腔体2-102。在一些实施例中，直径为12.5毫米(或更小)的光学元件可用于构建锁模激光器110且部分或完全凹入至底盘2-105的腔体2-102中，使得盖(未示出)可放置于腔体2-102上以保护腔体内的组件免受外部环境因素及污染物的影响。在一些实施例中，盖可放置于腔体2-102上以密闭式密封一个或多个腔体。
在腔体2-102之间，可存在形成于底盘2-105中的肋条2-107。在一些肋条中，可存在容许腔内激光束穿过肋条至相邻腔体的孔或开口(不可见)。根据一些实施例，可存在相对于底盘2-105的边以一角度延伸的一个或多个斜肋2-107。例如，斜肋2-107可沿着角对角方向在底盘2-105上延伸。与不具有斜肋相比，斜肋2-107可使底盘2-105的扭转刚度增加三倍。增加的扭转刚度可帮助防止激光器操作的不稳定性及提高模块对作用于底盘2-105上的扰动力的阻力。在一些情况下，至少部分肋条可自腔体的底部延伸至底盘2-105的顶表面，使得激光器模块1-108的一个或多个盖(未示出)可附接至肋条。关于这一点，可使用任何适合的盖，包含(但不限于)刚性金属盖(例如，厚度大于约1毫米的金属)、刚性聚合物盖(例如，厚度大于约2毫米的聚合物)或可密封至底盘2-105或使用支撑件(例如，金属框架)抵靠底盘2-105保持的柔性材料(金属或聚合物)。在一些情况下，覆盖材料包括使用金属框架(约1.5毫米厚)抵靠底盘保持的特卫强
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(约0.25毫米厚)。
在一些实施方式中，一个或多个安装部件2-103可位于一个或多个肋条2-107处。安装部件2-103可用于将紧凑型激光器模块1-108安装至仪器或其它平台。在一些情况下，安装部件提供运动学安装，使得各激光器模块1-108或同一激光器模块可重现地安装于几乎相同的位置并对准(例如，在±100微米内)。运动学安装(kinematic mounting)也可减少由安装过程导致的诱导应力。安装部件2-103可包括螺孔或非螺孔。这种孔可为埋头孔或柱坑孔。对于运动学安装，可存在三个安装部件2-103，其底表面(图4中未示出)包括用于第一安装部件的锥形接触表面或环形接触件、用于第二安装部件的楔形接触表面或两点接触表面及用于第三安装部件的平坦表面或单点接触件。替代性地，安装部件2-103处的两个埋头孔可用于将底盘2-105与接纳支撑结构对准。
激光器模块1-108的锁模激光器110可包括在激光器腔体的输出端处的输出耦合器1-111、增益介质1-105及在激光器腔的相对端处的可饱和吸收镜(SAM)1-119。激光器腔内可存在多个镜2-116、2-117、2-120、2-121、2-122、2-123、2-124、2-125以折叠激光的光轴1-125且延长激光器腔的长度以实现期望的脉冲重复速率或脉冲分隔时间间隔T。激光器腔内还可存在光束成形光学器件(例如，透镜和/或曲面镜)以变更腔内激光束的大小和/或形状。
现在将描述以1064纳米的激射波长工作的锁模激光器的示例光学元件。将了解，本发明的实施例并不仅限于所描述的光学元件。一些实施方式中可使用更少或更多的光学元件(例如，添加或移除镜以改变脉冲重复率)，并且组件上的光学涂层针对以不同波长进行激光发射的激光可以是不同的。
增益介质1-105可包括安装于导热底座中的掺杂钕的材料(例如，铝或铜块或其它导热材料)，该导热底座将热量消散至底盘2-105中。当锁模激光器以高平均功率(例如，高于300mW)工作时，增益介质1-105中的热透镜效应发生。在一些情况下，此热透镜效应可使激光器的操作不稳定。为改进从增益介质至导热底座的热传递，可将增益介质1-105包覆于改进至导热底座的热传递的铟箔或任何其它适合材料中。在一些情况下，银环氧树脂或任何其它适合导热黏合剂可用于将增益晶体固定至热底座。在一些情况下，增益介质1-105及导热底座可安装于可将热量消沉至底盘2-105中的热电冷却器(TEC)上。该TEC或其它主动冷却技术(诸如液体冷却)可提供增益介质1-105的主动温度控制并减少热透镜效应。
消除增益介质1-105的主动冷却可降低激光器的成本和复杂度。甚至在使用高达10瓦特的光学泵浦功率抽吸增益介质时，增益介质的主动温度控制无需用于本实施例的锁模激光器110。出乎意料地，即使相关联的热透镜效应(正透镜效应)在泵浦功率范围内可将增益介质的热诱导焦距从0屈光度改变至约15屈光度，锁模激光器110在该泵浦功率范围内仍保持稳定地锁模。对于超过15屈光度的热透镜效应，激光器腔可变为无法支持锁模操作或连续波操作的不稳定谐振器。在增益介质中的此较大范围的热透镜效应上的锁模稳定性部分归因于锁模激光器110的光学元件的选择及布置。根据一个实施例，锁模操作的稳定性及改进性能很大程度上取决于在增益介质中发生大量热透镜效应。在实施例中，对于在正透镜效应的1至15屈光度之间的热透镜效应量，可获得锁模激光器110的稳定锁模操作。尽管热透镜效应可在此范围内改变，但无需对激光器腔进行机械调节以维持稳定锁模。当增益介质1-105中的热透镜效应的量在正热透镜效应的8屈光度与12屈光度之间时，可获得锁模激光器的改进性能。对于连续波操作，可介于正热透镜效应的0屈光度与至少15屈光度之间。可通过使(例如，来自氦氖激光器或激光二极管的)连续波激光探测光束穿过增益介质1-105(例如，以一角度)并测量在“泵浦光束打开”状态与“泵浦光束关闭”状态之间该探测光束在距增益介质一定距离处的相对位移，来测量热透镜效应的量(大于约4屈光度)。泵浦光束打开状态是在激光二极管泵浦光束打开并激发增益介质1-105以用于激光器110的锁模激光发射时。低于4屈光度的值可能难以准确地测量，这是因为相对位移变小。
在增益介质1-105中吸收光学泵浦光束可在增益介质中产生热透镜效应。在实施例中，可通过改变施加至增益介质1-105的光学泵浦光束中的功率量(例如，改变来自泵浦模块2-140的功率量)来改变增益介质中的热透镜效应的量。此外或替代性地，可通过调谐用于激发增益介质1-105的光学泵浦光束的光学波长来改变增益介质中的热透镜效应的量。调谐光学泵浦光束的波长(例如)可通过调谐泵浦模块2-140中的激光二极管的温度来执行。调谐泵浦光束的波长可改变该光学泵浦光束在增益介质1-105中的吸收量。
在一些实施方式中，增益介质1-105可包括可以1064纳米提供激光发射的钒酸钕(例如，Nd3+:YVO4)。在其它实施例中可使用其它固态晶体，诸如(但不限于)掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)、掺钕氟化锂钇晶体(Nd:YLF)及铬(Cr):镁橄榄石。在一些实施方式中，替代性地或另外地，可使用钒酸钕增益介质1-105以134纳米提供激光发射，假如腔体中的光学元件被设计并涂布用于以波长进行激光发射。在一些情况下，增益介质的长度可在3至11毫米之间。在一些实施例中，增益介质的长度可在5至9毫米之间。在一些情况下，钕掺杂剂水平(原子百分比)可在0.10％与1％之间。在一些实施方式中，掺杂剂水平可在0.10％与0.50％之间。在一些实施方式中，掺杂剂水平可在0.24％与0.30％之间。根据一些实施例，晶体长度可为约7毫米且掺杂剂水平可为约0.27％。对于约7毫米的长度，明显高于0.3％的掺杂剂水平(原子百分比)可使激光器在较高工作功率下的工作不稳定(例如，诱发更高阶空间模式下的激光发射，或使锁模不稳定或终止锁模)，这可能不期望地需要重新调节腔内组件。例如，在1％掺杂的情况下，在高于特定泵浦功率水平时锁模终止，且必须重新调节腔内光学元件以恢复锁模。增益介质1-105的横向尺寸或尺寸可为任何适合值(例如，在1至4毫米之间)。增益介质可呈圆柱形棒、矩形杆或任何其它形状的形式。
根据一些实施例，针对激射波长λl(其针对钒酸钕可为约1064纳米)及针对泵浦波长λp(其针对钒酸钕可为约808纳米)，可对增益介质1-105的端面进行防反射涂布。在一些实施例中，增益介质的一个端面可用输出耦合器涂层涂布，使得该端面作为激光器腔的端面镜且不需要使用独立的输出耦合器1-111。
增益介质1-105可以以如下定向安装于不可调节底座(不提供精细角度或位置调节的底座)中：增益介质的端面具有相对于激光器腔的光轴1-125成约1至3度之间的角度定向的法向向量。例如，用于增益介质的导热底座可包含其中放置增益介质1-105的凹部。该凹部可将增益介质对准至导热底座。然后，导热底座可配准至底盘2-105上的部件(例如，经加工的表面、销、螺孔中任一个或其组合)以使增益介质以一定角度与激光器腔的光轴1-125对准。根据一些实施方式，增益介质1-105可以被切割并定向于其底座中，使其与有利偏振对准以进行激光发射。例如，增益介质1-105可被定向成以平行于图4中的Y轴的线性偏振进行激光发射。
根据一些实施例，紧凑型锁模激光器的输出耦合器1-111可为表面质量为10-5(划痕和麻点(scratch and dig))且波前误差至多为λ/10的高质量激光光学器件。输出耦合器1-111的一个表面可涂覆有多层电介质以针对激射波长λl提供数值在约75％与约95％之间的反射率，并容许用于激发增益介质1-105的泵浦波长λp透射(具有最小反射比)。在一些实施例中，激射波长可为约1064纳米而泵浦波长可为约808纳米，但在其它实施例中可使用其它波长。在一些实施方式中，输出耦合器在激射波长下的反射率在82％与88％之间。此反射率范围内的输出耦合器提供激光器的稳定工作所需量的输出功率，并在激光器的工作范围内在可饱和吸收镜1-119上提供适当量的通量。
输出耦合器1-111的第二表面(朝向激光输出)可涂覆有针对泵浦波长和激射波长两者的防反射涂层，且可相对于输出耦合器的反射表面以一定角度(例如，约1至4度之间的角度)定向。来自输出耦合器1-111的输出(发射)表面的激射波长的少量反射可明显地且不利地加宽来自锁模激光器的脉冲。根据一些实施例，输出耦合器上的涂层是二向色的，以便可忽略反射地透射泵浦波长λp。
根据一些实施例，输出耦合器1-111可安装于双轴可调节底座中，该双轴可调节底座关于两个正交轴(例如，围绕图4中的Y轴及X轴)提供相对于光轴1-125的角度调节。在一些实施例中，输出耦合器1-111可安装于可集成至底盘2-105中的不可调节底座中。不可调节底座降低了紧凑型激光器的成本和复杂度。在另外的其它实施例中，代替包括透明基板及一个或多个光学涂层的独立光学元件，输出耦合器1-111可形成为增益介质1-105的端面上的多层光学涂层。
改变输出耦合器1-111与增益介质1-105之间的距离可改变锁模脉冲时间轮廓的FWHM值(也被称为脉冲持续时间)。通过使输出耦合器1-111与增益介质1-105之间的距离在0毫米与10毫米之间改变，可实现激光器的锁模，并且在此距离范围内，通过选择不同距离以获得不同脉冲持续时间，脉冲持续时间可在约9皮秒与约38皮秒之间改变。根据一些实施例，输出耦合器1-111与增益介质1-105之间的距离设定于4毫米与8毫米之间。
当输出耦合器1-111处的激光的腔内光束腰在100微米与180微米之间(以1/e2水平测量的光束半径)时，实现了平均激光发射功率范围内的稳定和有效操作。由腔内光学器件(诸如曲面镜2-117)通过输出耦合器与曲面镜的距离及通过增益介质1-105中的泵浦光束腰来部分确定输出耦合器1-111处的光束腰的值。根据一些实施例，增益介质中的激射波长的光束腰可显著小于增益介质1-105中的泵浦光束腰。例如，增益介质中的激射波长的光束腰在增益介质中可介于100微米与150微米之间，而泵浦光束的最小腰可在180微米与250微米之间，其中泵浦光束可能关于其光轴不完全对称。输出耦合器1-111处及增益介质1-105中的光束腰的值也可受第二曲面镜2-127的焦距和第二曲面镜2-127与可饱和吸收镜1-119的距离影响。使锁模激光器110的激光发射光束的光束腰小于激光二极管泵浦光束可改进锁模激光器操作的稳定性(例如，使激光器不易受归因于增益介质1-105中的激光束与激光二极管泵浦光束的相对运动而引起的功率及锁模波动的影响)。术语“光束腰”是用于指代激光束强度在光束的相对侧上自峰值下降至1/e2值的空间范围。圆形光束可通过单个光束腰表征。椭圆形光束可通过两个光束腰表征：一个光束腰针对光束的短轴，一个光束腰针对光束的长轴。
在激光器腔的相对端处，可安装可饱和吸收镜(SAM)1-119。SAM可包括呈现非线性光学吸收的多层半导体结构(例如，多量子阱)及形成于基板上的高反射镜(例如，布拉格(Bragg)反射镜)。该非线性光学吸收可诱发激光器中的被动锁模。例如，SAM在低光学强度下可呈现较高吸收及损耗，且在高光学强度下可失去活力或呈现较少吸收及较少损耗。在SAM中，半导体结构可与高反射镜隔开，使得半导体结构位于由入射于高反射镜上并从高反射镜反射的光场产生的光学驻波的近似峰值强度处。SAM的示例是可从德国耶拿的BATOP光电子股份有限公司购得的零件，其编号为SAM-1064-5-10ps-x。由于SAM的非线性光学吸收，激光器优先以脉冲操作模式工作(被动锁模)，这是因为与激光器的低强度、连续波操作相比光学脉冲的高强度在腔中经历较少损耗。
根据一些实施例，SAM可由砷化镓半导体组合物形成。SAM可从较大基板或晶圆切割，且可呈方形，SAM的表面的最大尺寸在1毫米与3毫米之间。SAM的吸收的弛豫时间可在10皮秒与30皮秒之间。SAM的不饱和吸收可在2％与6％之间。SAM的调制深度可在SAM的不饱和吸收的60％与74％之间。在一些实施方式中，弛豫时间近似25皮秒且不饱和吸收近似4％。该SAM 1-119可支持脉冲持续时间在12皮秒与20皮秒之间的锁模激光。在一些实施例中，SAM的饱和通量可为约70微焦耳/平方厘米(μJ/cm2)。
为了砷化镓SAM的长时间操作，SAM上来自腔内激光束的光学通量应保持低于2.5微焦耳/平方厘米(mJ/cm2)。在等于5mJ/cm2或更高值下，SAM可能损坏。在一些实施方式中，SAM上的通量可保持低于SAM的饱和通量的约10倍。可通过控制SAM处的光束腰(例如，利用位于激光器腔中的曲面镜2-127)及通过选择输出耦合器1-111的反射率以控制腔内功率，来控制SAM上的通量。根据一些实施例，当输出耦合器反射率在82％与88％之间时，SAM处的光束腰在80微米与120微米之间。
在输出耦合器1-111与SAM 1-119之间，可存在多次折叠激光器腔的光轴的多个镜。这些镜中的一些镜(例如，镜2-115、2-120、2-121、2-122、2-123、2-124、2-125)可具有平坦表面且安装于不可调节底座中。根据一些实施例，这些镜中的镜2-117、2-127两者可具有曲面且包括聚焦反射镜。在一些情况下，可使用另一类型的聚焦光学器件(例如，透镜或复合透镜)来代替镜2-117、2-127的聚焦反射镜(例如，若腔内光束未在镜2-117或镜2-127的位置处折叠)。对于用于折叠激光器的光轴的平面镜及曲面镜，镜的反射率对于将使用镜的入射角的激射波长可为非常高。例如，这种镜的反射率在一些情况下可大于99％，且在一些情况下还大于99.5％。折叠镜中的一个或多个的表面质量可为至少10-5(划痕和麻点)且波前误差可为至多λ/10。在一些情况下，折叠镜中的一个或多个的表面质量可为至少40-20(划痕和麻点)且波前误差可为至多λ/10。划痕-麻点表面质量的较高值可显著降低折叠镜的成本。
在一些实施方式中，针对自增益介质1-105至SAM 1-119的单次透射，至少一个镜(例如，镜2-124)可多次折叠腔内光束。对于图4所示的示例配置，从增益介质1-105行进至SAM 1-119的光学脉冲1-120的反弹顺序是从镜2-115、2-117、2-120、2-121、2-122、2-123、2-124、2-125、2-124、2-127、2-124，然后至SAM 1-119的反射顺序。在此顺序中，腔内镜之一2-124用于多次反射，且在光束从激光器腔的一端行进至另一端时，针对至少两次反射，入射角在此镜上符号相反。例如，参考图4，在光束从输出耦合器1-111行进至SAM 1-119时，镜2-124上的第一入射角在+Z方向上且第二入射角在–Z方向上。在从SAM 1-119反射之后，然后脉冲将以反向反弹顺序返回至增益介质。通过使紧凑型激光器模块内的光轴多次折叠，可延伸腔体长度以获得低于200MHz且低至50MHz的脉冲重复率。脉冲重复率将取决于激光器腔的长度，激光器腔的长度部分由腔体中的镜之间的反弹次数及镜之间的距离确定。根据一些实施例，可通过在腔体内在第一曲面镜2-117与第二曲面镜2-127之间重新定位镜、添加或移除镜以增加或减小输出耦合器110与可饱和吸收镜1-119之间的光学路径长度，来改变脉冲重复率。因为腔内光束在第一曲面镜2-117与第二曲面镜2-127之间近似准直，所以相比光束在此区域中未准直的情况可更容易地改变脉冲重复率。在一些实施方式中，可以在底盘中形成额外的集成光学底座以用于重新定位镜以获得不同的脉冲重复率。
如上文所提及的，发明人已认识并了解到，对于生物光电芯片上的样本的大规模并行分析，期望低于200MHz且低至50MHz的脉冲重复率。然而，使用多个镜(其中一些镜使用多次)需要镜相对于彼此的极高程度的稳定性以在数小时的时间段内维持稳定的锁模激光发射。将镜抵靠支撑表面整合式安装于包含加固肋条的底盘2-105中可实现镜的必要稳定性及稳定锁模操作。
在一些实施方式中，一个折叠镜2-115可被配置为控制腔体内的辐射偏振及容许监测泵浦光束辐射(指示为图4中的加粗虚线)。例如，折叠镜2-115可以被涂覆成以大于99％或甚至在一些情况下大于99.5％的高反射率反射s偏振(沿着Y方向离开底盘的平面的偏振)，并且针对正交p偏振具有较低反射率，使得能够防止p偏振中的激光发射。在一些情况下，折叠镜2-115可为透射超过20％的p偏振且以高反射率反射s偏振的偏振分束器。折叠镜2-115可另外透射大部分或几乎所有泵浦光束辐射至位于该镜后面的光电检测器2-116。在一些实施例中，折叠镜可包含二向色涂层以容许透射泵浦光束辐射。在其它实施例中，不使用二向色涂层，且用于激射波长的涂层可容许泵浦光束辐射充足透射穿过折叠镜2-115以进行检测。可将来自光电检测器2-116的输出提供至PCB 2-190以进行信号处理和/或传输至外部信号处理器。
在一些实施例中，可在激光器腔内设计及定位两个曲面镜2-117、2-127以获得增益介质1-105及SAM 1-119内的期望的光束腰尺寸。第一曲面镜2-117可位于激光器腔的靠近增益介质1-105的第一部分中。第二曲面镜2-127可位于激光器腔的靠近SAM 1-119的第二部分中。至少在该曲面镜之间，可存在折叠激光器的光轴及并使激光器腔长度在腔体长度延伸区域中延伸的多个折叠镜。在曲面镜2-127与SAM 1-119之间可另外存在多次折叠腔内激光束以在腔体长度延伸区域中延伸腔体的长度的镜2-124。例如，曲面镜2-127和镜2-124可在自此两个反射镜的直接连续反弹时折叠腔内光束三次，如图4所示。
根据一些实施例，第一曲面镜2-117可为球面反射镜且具有介于240毫米与260毫米之间的焦距f1。该反射镜的焦距的公差可为焦距的±1％。发明人已发现，焦距约250毫米的第一曲面镜2-117可放置于距输出耦合器1-111 230毫米与310毫米之间，且可获得具有不同特性的稳定锁模操作。根据一些实施例，第一曲面镜可位于距输出耦合器280毫米与300毫米之间以在紧凑型激光器模块的大工作功率范围内获得稳定锁模操作。在该配置中，增益介质1-105可位于距输出耦合器4毫米与8毫米之间。第一曲面镜2-117的焦距及其相对于增益介质1-105和输出耦合器1-111的位置，以及第二曲面镜2-127的焦距及其相对于SAM1-119的位置可确定增益介质中的腔内光束的光束腰。
在其它实施例中，第一曲面镜2-117的焦距可具有其它值。例如，对于以较低功率工作的更紧凑型锁模激光器，可使用较短焦距f1<230毫米。在实施例中，输出耦合器1-111可放置成与第一曲面镜2-117相距距离d1，d1的取值范围在焦距f1的30％内(例如，0.7f1<d1<1.3f1)。在一些情况下，0.9f1<d1<1.3f1。
在一些实施方式中，第一曲面镜2-117可安装于可调节底座中，该可调节底座仅提供两个自由度以调节镜相对于激光器的光轴的定向角(平面内及平面外角)。可调节底座可容许操作者在激光器进行激光发射时精细地调节光学元件的位置(X、Y、Z中的一个或多个)和/或定向(相对于入射腔内光束的光轴的俯仰和/或偏摆)，使得可针对稳定性、光束质量、输出功率和/或脉冲特性调谐激光器的操作。例如，可通过镜底座上的测微计和/或精细螺纹螺栓调节来实现微调。应注意，可调节并非第一曲面镜2-117的要求。此外，用于形成激光器腔的其它镜也可用于精细地调节腔对准。
仅提供第一曲面镜2-117的两个自由度并仅提供折叠镜(例如，镜2-123)的一个自由度作为用于在激光器进行激光发射时实时对准激光器腔的仅有调节可降低紧凑型锁模激光器模块的成本及复杂性。在其它情况下，例如，第一曲面镜2-117的镜底座可包含用于调节该镜的位置的额外自由度。根据一些实施例，可在调节曲面镜2-117之后对泵浦模块2-140进行调节以对准或重新对准泵浦光束及增加来自锁模激光器的输出功率。
第二曲面镜2-127可为球形反射镜且具有介于240毫米与260毫米之间的焦距f2。该反射镜的焦距的公差可为焦距的±1％。发明人已发现，具有约250毫米焦距的第二曲面镜2-127可放置为与SAM 1-119的距离介于260毫米与290毫米之间且可获得具有不同特性的稳定锁模操作。根据一些实施例，第二曲面镜可定位成与SAM 1-119的距离介于270毫米与285毫米之间以在紧凑型激光器模块的大范围的操作功率内获得稳定锁模操作。第二曲面镜2-127的焦距及其相对于SAM 1-119的位置可确定SAM 1-119处的腔内光束的光束腰且还影响增益晶体处的光束腰。
在其它实施例中，第二曲面镜2-127的焦距可具有其它值。例如，对于以较低功率工作的更紧凑型锁模激光器，可使用较短焦距f2<240毫米。在实施例中，SAM 1-119可放置成与第二曲面镜2-127相距距离d2，距离d2的取值范围在焦距f2的20％内(例如，0.8f2<d2<1.2f2)。在一些情况下，f2<d2<1.2f2。
例如，第二曲面镜2-127可安装于不可调节底座中，以降低激光器模块的成本及复杂性。如上文所述，激光器腔中的所有反射组件(除第一曲面镜2-117及折叠镜2-123之外)可安装于自对准、不可调节底座中。此外，第一曲面镜2-117可仅具有两个自由度用于角度调节，且折叠镜2-113可仅具有一个自由度用于角度调节。发明人已发现，根据一些实施例，可仅使用这三个调节对准锁模激光器腔以用于长时间段的稳定工作。例如，第一曲面镜2-117可用于将来自增益介质1-105的光束转向至安装于固定位置中以接收该光束的SAM 1-119。可通过调节折叠镜2-123上的单自由度的角度调节而适应任何平面外偏差(在图4中的±Y方向上)。若SAM 1-119不是接收法向入射的腔内光束而沿着同一路径反射回光束，则可通过在第二曲面镜2-127上移动腔内光束来调节SAM上的入射角。因为SAM 1-119几乎处于第二曲面镜的焦点处，所以光束在此镜上的移动改变SAM处的入射角。可通过对第一曲面镜2-117进行角度调节而使腔内光束在第二曲面镜的表面上移动。可对第一曲面镜进行调节，直至腔内光束自SAM 1-119反射回第一曲面镜为止。
发明人已发现，与第二曲面镜2-127与SAM 1-119之间的距离变化相比，腔内激光束在SAM上的光斑大小可能对于第一曲面镜2-117与激光的输出耦合器1-111之间的距离变化更敏感。该结果与第一曲面镜2-117与第二曲面镜2-127之间的延长的腔体长度有关。该延长的腔体长度可大于激光器腔的长度的一半，腔内激光束可在其内近似准直。曲面镜2-117与输出耦合器1-111之间的距离变化可影响延长的腔体中的准直，这可放大第二曲面镜2-127处的光束大小的变化。相比第二曲面镜2-127与SAM 1-119之间的距离变化，此放大继而更强烈地影响SAM 1-119中的光斑大小。因此，第一曲面镜2-117的位置可用于调节SAM1-119上的通量。在一些实施例中，可通过增加第二曲面镜2-127的焦距来减小放大效应。
当如上文所述地对准及配置激光器腔而使得增益介质1-105中的光束腰在100微米与150微米之间且SAM 1-119处的光束腰在80微米与120微米之间时，发明人已发现，激光器腔满足光学谐振器的“稳定性标准”(激光技术领域技术人员已知的条件)，该“稳定性标准”跨越增益介质1-105中的热透镜效应的0屈光度至15屈光度的变化及针对两个曲面镜2-117、2-127的±1％的焦距误差。在高光学功率下，增益介质1-105可自泵浦辐射获取可观的热量，并且被加热的增益介质可产生光学透镜(也被称为热透镜效应)，该光学透镜具有取决于该介质的温度的聚焦能力(屈光度)。对于光学泵浦的、高功率激光，归因于该热透镜效应的变化可使激光不稳定，并且针对泵浦功率自初始稳定工作点增加50％停止激光发射。发明人已观察到，紧凑型锁模激光器模块1-108针对泵浦功率从2瓦特至8瓦特的变动(泵浦功率自初始稳定工作点增加300％)维持稳定锁模工作。激光器腔的稳定性范围出乎意料地大，且容许紧凑型锁模激光器在大范围的腔内及输出功率内工作。例如，来自激光器的平均输出功率可在该泵浦功率范围内在350毫瓦特与3.5瓦特之间改变，而FWHM脉冲持续时间保持在12皮秒与18皮秒之间。该输出可以被倍频以产生相同的持续时间的、波长为532纳米的脉冲，例如，其中平均功率水平在100毫瓦特与1.5瓦特之间。
根据一些实施例，可存在安装于激光器腔内的光学元件以有助于稳定锁模激光器的操作和/或改进锁模激光器的光束质量。例如，空间模式滤波器2-118可位于激光器腔中且被配置为防止在更高阶空间模式下的激光发射。模式滤波器2-118可包括任何合适形状(例如，圆形、卵形、月牙形、正方形、矩形、多边形等)的孔径。该孔径可安装于不可调节底座中，或可以被安装为使得其可在横向于腔内光束的光轴的方向上移动。在一些情况下(例如，光圈)，孔径的大小是可调节的。在各个实施例中，孔径将激光发射操作限于激光器腔的最低阶横向空间模式，这可改进锁模的稳定性。
在一些实施例中，为了动态稳定化及对准，激光器模块1-108中可包含光束转向组件。例如，可通过致动器2-162自动地操作可以相对于腔内光束以一定角度旋转的一个或多个防反射涂覆的激光窗口或光学平板2-128，以使腔内光束在SAM 1-119上移动和/或改变腔内光束在SAM 1-119上的入射角。可存在介于致动器与激光窗口之间的机械联接2-164以及激光窗口的俯仰或偏转底座，该俯仰或偏转底座使得能够实现对激光窗口2-128的自动俯仰或偏转调节。致动器2-162可包括步进马达、压电传感器、电容性传感器或任何其它合适致动器。
腔内激光窗口的旋转将使来自激光窗口的射出光束沿着旋转方向横向偏移。可通过对激光窗口的两个界面应用斯涅尔定律来确定横向偏移的量。若激光窗口位于第二曲面镜2-127与SAM 1-119之间，则激光窗口的旋转将主要使腔内光束在SAM上移动。该激光窗口的旋转可用于通过在SAM上移动腔内光束而延长SAM的寿命。扫描运动可减少SAM的疲劳，或若SAM已损坏，则可将光束移离损坏点。若激光窗口2-128如图4所示位于第二曲面镜2-127之前，则激光窗口的旋转将主要改变腔内光束在SAM上的入射角。该激光窗口的旋转可用于动态地对准或重新对准激光器腔以获得和/或维持稳定锁模操作。
指示激光性能且可用于自动调节腔内光束转向组件的信号可包含如下中的任一个或其组合：泵浦功率(用安装于泵浦模块中的光检测器2-116或泵浦光检测器(未示出)检测)、激光功率和/或脉冲特性(用可对激射波长敏感的激光输出光检测器2-154检测)以及二次谐波功率(用双输出光电检测器2-182检测)。该信号或这些信号可被提供至PCB 2-190上的电路进行处理并生成用于操作一个或多个致动器2-162的反馈控制信号。在一些实施例中，激光输出光电检测器2-154及双输出光电检测器2-182之一或两者可安装于PCB 2-190上且通过位于锁模激光器模块1-108的一侧中的孔和/或窗口(未示出)接收辐射。在一些实施方式中，可以使腔内光束转向组件的旋转自动化，以基于一个或多个反馈信号微调腔对准和/或改变腔内光束在SAM 1-119上的位置。
根据一些实施例，通过诱发增益介质1-105中的不对称热梯度可另外或替代性地获得腔对准。不对称热梯度可影响热透镜效应并改变增益介质1-105内的折射率，使得在腔内激光束穿过增益介质1-105时引起腔内激光束中的小角度偏转。在一些实施方式中，一个或多个温度控制器件(例如，电阻性加热元件、TEC冷却器或其组合)可耦合至增益介质的一侧或多侧。根据一些实施例，增益介质1-105可具有两个至四个可独立操作的温度控制器件(图4中未示出)，这些温度控制器件热耦合至增益介质的两个至四个面(四个纵向边)。热耦合可包括位于温度控制器件与增益介质1-105的面之间的热环氧树脂或铟箔。温度控制器件还可包含至该温度控制器件的相对侧上的热沉(诸如激光块)的热耦合。在一些情况下，这些温度控制器件中的一个或多个的操作可提供横向于光轴1-111的光束偏转。通过选择性地改变温度控制器件处的温度，腔内激光束可被转向及重新对准。在一些情况下，可与增益介质中的热光束转向合作地调节一个或多个腔内激光窗口2-128，以(例如)在SAM上重新定位腔内光束和/或维持激光器的稳定锁模操作。
发明人已认识并了解到，锁模激光器的平均功率和/或光谱特性可限定稳定的锁模操作。例如，若激光器的锁模操作期间的平均功率降至低于特定值，则在SAM 1-119中可能不存在足够的非线性光学吸收来支持锁模。于是，激光器可进行Q开关并损坏SAM 1-119。在一些情况下，激光器的平均输出功率的快速波动可指示除了锁模之外，激光器还在进行Q开关，这可能损坏SAM 1-119。在一些实施例中，可包含至少一个传感器2-154(例如，光电二极管)，并且其被配置为感测激光器110所产生的光学功率和/或激光器的输出脉冲或锁模特性。例如，可以光谱分析来自第一传感器2-154的信号以检测靠近锁模频率的边带，边带可指示Q开关的开始和/或激光器110的锁模脉冲系列中的不稳定性。第二传感器(未示出)可检测激光器110所产生的平均光学功率。若所感测的平均激光功率漂移至低于预设水平和/或若第一传感器2-154检测到边带或功率波动，则可执行自动腔对准例程以恢复功率和/或可关闭激光器以进行维修。在一些情况下，指示锁模脉冲系列中的不稳定性的边带归因于更高阶空间腔模式的激光发射。例如，可通过自动地或手动地调节腔内空间模式滤波器2-118来校正该不稳定性。根据一些实施例，对激射波长敏感的一个或多个传感器2-154可安装于PCB 2-190上。
在一些情况下，可处理额外信号以分析激光行为。例如，可结合来自激光器的平均功率水平利用泵浦功率传感器2-116(其可为光电二极管或其它合适光电检测器)来评估泵浦功率。在一些实施例中，可用传感器2-182(其可为光电二极管或其它合适光电检测器)另外地或替代性地监测倍频功率的量。例如，在平均激光功率保持几乎恒定时平均倍频功率的减小可指示锁模脉冲长度的变化，或关于倍频光学元件的问题。
紧凑型锁模激光器模块1-108的组件附接至底盘2-105，使得激光器腔基本上在单一平面中。发明人已认识到，为修改该激光器模块以适于用作光学表征设备，使SAM 2-128在与其余组件不同的平面中将是有用的。具体地，SAM 2-128可安装于在激光器模块1-108的壳体外部的底座中，该底座使SAM 2-128沿着垂直于激光器腔的其它光学元件的方向定向。
图5示出该实施例的一个示例，其中示出了光学表征设备的一部分500。锁模激光器模块1-108包含壳体501。锁模激光器模块1-108的大部分组件在壳体501内的单一平面中。位于壳体501外部的底座502包含其中可放置光学元件(诸如镜或SAM)的容槽。底座502被设置为使得光学元件从上方落入。激光束从上方入射在光学元件上。底座502安装在机动二维位移平台上，该机动二维位移平台包含可控制底座502内的光学元件在水平平面中的位置的两个马达部510、511。
图6示出底座502的特写图，其中该底座内设置有SAM 601。在一些实施例中，底座502可具有用于容纳整个SAM晶圆的较大安装区域。整个SAM晶圆无法配装于壳体501内，但通过将底座502定位于壳体501外部，存在用于待扫描完整晶圆的充足空间。
为修改图4的现有锁模激光器模块1-108，使得端面镜在壳体外部，必须将激光束重新定向至壳体501之外。为实现此，在底盘2-105中由图4中的黑色圆圈2-107指示的位置处形成孔。在该孔上方设置截取镜(pick-off mirror)以向下反射激光束使其穿过该孔而非容许激光束入射在腔内镜2-124及SAM 1-119上。尽管图4的大部分镜被配置为在由底盘2-105所建立的平面内有效地反射s偏振光，但添加至激光器模块1-108的该截取镜被配置为有效地反射p偏振光。图7中示出对现有锁模激光器模块1-108的修改，其中通过截取镜703使激光束反射穿过孔701。图7的虚线表示在不进行修改情况下的激光束路径，其将包含离开SAM 705的反射。在一些实施例中，未修改系统中从截取镜703至SAM 705的位置的距离等于从截取镜703至底座502中的SAM 601的距离。通过保持该距离相同，使用这种设置所测量的激光的特性将与在未被修改位置中包含SAM的未修改锁模激光器模块1-108的行为最为相似。
尽管图4至图7示出可被修改以用作光学表征设备的特定激光器模块，但实施例并不限于此。也可修改其它激光器系统作为光学表征设备。图8示出可在一些实施例中使用的锁模半导体激光器，并且图9示出可在一些实施例中使用的锁模半导体激光器。
参考图8，根据一些实施例，锁模激光二极管4-100可产生将直接用于探测样本或进行测量的期望波长(例如，蓝色、绿色或红色波长)的脉冲。在一些情况下，激光二极管所产生的脉冲可被转换成另一波长(例如，倍频)以用于探测或测量应用。例如，锁模激光二极管可产生红外波长的脉冲，且这些脉冲可以被倍频至光谱的蓝色、绿色或红色区域。
锁模半导体激光器可包括激光二极管4-105和可饱和吸收镜3-120。根据一些实施例，可通过形成于半导体激光二极管4-105的一端上的反射涂层4-112及可饱和吸收镜3-120来限定激光器腔的端部。SAM 3-120可安装于二维位移平台上以容许激光束的照射光斑扫描在SAM 3-120上。激光器腔可包含第一光学系统OS1，OS1重新塑形和/或改变来自激光二极管的光束的发散度。激光器腔还可包含第二光学系统OS2，OS2可重新塑形腔内光束和/或将腔内光束聚焦至可饱和吸收镜上。在一些实施例中，激光器腔可包含光学延迟元件3-110。锁模激光二极管可以波长λ1进行激光发射且产生持续时间短于约100皮秒的一系列超快脉冲。
在一些实施方式中，激光二极管4-105可包含在光学波导结构的任一端上的光学涂层。光学涂层4-110、4-112可通过任何适合的沉积工艺(诸如气相沉积工艺或物理沉积工艺)形成。在一些实施方式中，激光二极管的第一端可包含用作激光器腔的输出耦合器的局部透光涂层4-112。透光涂层4-112可将激光束的一部分透射至腔体外部以提供一系列超快脉冲。根据一些实施例，涂层4-112的透射率可介于约2％与约15％之间，且其反射率可介于约98％与约85％之间。激光二极管4-105的相对端可涂覆有防反射涂层4-110，以便容许来自激光二极管的大部分辐射进入激光器腔中而无显著反射。例如，防反射涂层4-110可反射小于1％的激射波长λ1。
使用锁模激光二极管可能对于不需要大功率量(例如，超过约300mW的功率水平)的一些实施例是有利的。锁模激光二极管的一个优点在于其紧凑的尺寸及激光器中所使用的光学元件的数量的减少。由于激光发射介质可非常小(例如，宽度小于5毫米)，因此在一些实施例中可使用锁模激光二极管阵列。在一些实施方式中，锁模激光二极管阵列可共享共同的光学元件。例如，两个或两个以上的激光二极管可共享一个或多个光学元件(例如，光学延迟元件3-110、光学系统OS1、OS2及可饱和吸收镜3-120中的一个或多个)。
参考图9，也可使用锁模光纤激光器产生超快脉冲。锁模光纤激光器5-200可包含二极管泵浦固态激光器中使用的那些光学元件。然而，在锁模光纤激光器中，增益介质包括一段光纤5-120，光纤5-120还可向激光器腔提供光学延迟元件。根据一些实施例，二极管泵浦源3-105可提供耦合至光纤5-120的一端的泵浦波长λp，如图9所示。
在一些实施方式中，光纤5-120的相对端可制备或绑定有光学耦合组件。例如，第一光学元件5-210可绑定至或形成于光纤的第一端上。该第一光学元件可包括直接附接或利用支撑结构附接至光纤的一端的球透镜或渐变折射率(GRIN)透镜。此外，第一光学元件5-210可包含透射绝大部分(例如，大于约98％)泵浦波长λp并反射绝大部分(在约98％与约85％之间)激射波长λ1的二向色涂层。因此，第一光学元件5-210可包括光纤激光器5-200的输出耦合器。
在一些实施例中，第二光学元件5-220可包括形成于光纤的一端上的二向色涂层，该二向色涂层被设计为透射绝大部分(例如，大于约98％)激射波长λ1并将绝大部分(例如，大于约98％)泵浦波长λp反射回至光纤中。在一些实施例中，第二光学元件5-220可包括直接附接或利用支撑结构耦合至光纤的一端的球透镜或GRIN透镜。例如，GRIN透镜可用光学黏合剂黏合至光纤的一端，且该GRIN透镜的暴露端可涂覆有被设计为透射绝大部分(例如，大于约98％)激射波长λ1并将绝大部分(例如，大于约98％)泵浦波长λp反射回至光纤中的二向色涂层。根据一些实施例，可存在第一光学透镜系统OS1和第二光学透镜系统OS2，其中，OS1用于将来自激光二极管3-105的泵浦辐射耦合至光纤中，OS2用于将来自光纤的辐射聚焦至可安装于二维位移平台上的可饱和吸收镜3-120上。
参考图10，示出用于表征光学元件(诸如SAM)的方法1000。在框1001处，控制器(例如，图1的控制器150)使用二维位移平台(例如，图1的平台145)将该SAM移动至初始位置。在框1003处，控制器(例如，图1的控制器150)使用光学检测系统测量激光束的至少一个属性。在框1005处，控制器确定是否存在待测量的SAM的额外部分。若存在，则方法1000返回至框1001，其中控制器使用位移平台来调节SAM相对于激光束的照射光斑的位置。若不存在待测量的额外位置，则方法1000继续进行至框1007，在框1007处，控制器确定激光束的一个或多个属性。在框1009处，控制器基于激光束的该一个或多个属性创建SAM的二维图。方法1000的实施例不限于图10中所呈现的动作顺序。例如，一些实施例可在测量每个属性时执行框1007(确定激光的一个或多个属性)，即在框1005之前。
在一些实施例中，可在给定扫描中测量一个以上属性。存在用于测量不同属性的不同方法。在一些实施方式中，可在扫描的每个位置处进行多个测量。替代性地，可在针对第二测量的第二扫描之后针对第一测量完成第一扫描。各扫描无需具有相同数量的位置或相同“分辨率”，扫描的分辨率由其上安装有SAM的位移平台的步长确定。
如先前所提及的，光学检测系统可检测脉冲激光的数个属性，包含脉冲宽度、与每个所发射波长相关联的功率和/或快速光电二极管信号。在框1003中测量的这些量可用于确定与SAM的质量有关的、激光的额外属性。但一些属性用于表征SAM而无需额外分析。例如，在发射532纳米的光脉冲和1064纳米的光脉冲两者的激光器系统中，光脉冲的各光束的功率对于该激光器系统的性能而言很重要。例如，使用SAM的激光器系统可预期产生532纳米的光的特定功率。因此，在SAM表面上映射532纳米的光的功率是待执行的重要表征。
类似地，由脉冲表征检测器345测量的激光脉冲的时间脉冲宽度是通过扫描SAM表面而待测量的激光器系统的有用特性。在一些实施例中，自相关器信号被拟合至sech2曲线，其FWHM用作时间脉冲持续时间。
可从所测量的量导出的第一属性是脉冲激光是否为连续波(CW)、被动锁模(ML)或Q开关(QS)。激光器系统的制造商想要确保该激光器是锁模的，而非Q开关。特定SAM倾向于执行Q开关，因此在SAM的表面上映射锁模能力是在确定SAM是否应当用于所制造的激光器系统中时的有用测量。用于确定激光是否为CW、锁模或Q开关的技术基于来自快速光电二极管的信号。当激光是CW时，快速光电二极管信号不含有脉冲。当激光是锁模时，快速光电二极管信号含有近似恒定强度的规律间隔的脉冲。当激光是Q开关时，快速光电二极管信号含有在相对较短时间尺度上强度波动的脉冲。因此，可分析快速光电二极管信号以确定对于给定操作参数集存在这三种操作条件中的哪一个。
可从所测量的量导出的第二属性是损坏阈值。由于测量损坏阈值需要永久地损坏SAM，因此无法形成损坏阈值的图。替代性地，可在SAM周边附近的几个位置处测试损坏阈值。用于测量损坏阈值的技术基于532纳米光脉冲的功率。泵浦电流可以增加，在达到损坏阈值之前这将导致532纳米的光的功率增加。当达到损坏阈值时，将导致532纳米的光学功率的急剧下降。因此，确定损坏阈值可包含分析来自功率计的信号，功率计用于监测532纳米的光功率的功率下降。
可从所测量的量导出的第三属性是SAM的寿命。发明人已认识到，较差质量及较短寿命的SAM可在运行特定时间段之后自发地从锁模改变至Q开关。例如，在约24至72小时的连续工作之后，使用较差质量SAM的激光器可自发地开始Q开关。因此，监测用于Q开关的符号的快速光电二极管信号可用于确定SAM的寿命。替代性地或另外地，所产生的光脉冲的功率可用于确定寿命。发明人已认识到，当激光器工作了约24至72小时的时间段时，532纳米和/或1064纳米的光脉冲的功率可能下降且该功率下降的速率与SAM的寿命有关。因此，若功率以大于特定阈值速率的速率下降，则SAM可被视为较差质量。由于寿命测量是非常慢的(例如，花费24至72小时)，因此可执行SAM的扫描。替代性地，可使用SAM的信号测量来表征整个SAM。
可从所测量的量导出的第四属性是锁模泵浦阈值(也被称为锁模电流阈值)。该属性是激光泵的电流的最小值，在该值时激光器系统将被动地锁模。存在多种可用于确定锁模泵浦阈值的技术。在一些实施例中，为减少进行确定所花费的时间(尤其是最坏情况时间)，使用结合图11所描述的二分检索策略来确定锁模泵浦阈值。实施例并不限于此方法。另一方法是以最小可能泵浦电流开始且使电流以步长递增，直至激光锁模为止。然而，此类型的方法比二分检索方法更耗时。
图11是用于确定具有特定SAM的光学表征设备的锁模泵浦阈值的方法1100的流程图。在框1101处，控制器150初始化用于二分检索的步长及电流范围。该初始电流范围可由预定最小泵浦电流和预定最大泵浦电流限定。例如，初始最大泵浦电流可比泵能够产生的最大电流低一或两个步长。
在框1103处，控制器将泵浦电流设定为在电流范围的中点处且确定激光器是否是锁模的。如上所述，控制器可使用快速光电二极管信号确定激光器是否是锁模的。替代性地，可使用来自脉冲表征检测器的信号来确定激光器是否是锁模的。
在框1105处，若控制器在框1103处确定激光器在中点电流值下未锁模，则方法1100继续进行至框1113。在框1113处，控制器保存当前中点值作为该范围的新的最小泵浦电流。然后，方法1100继续进行至框1115，在框1115处，控制器确定新范围是否小于步长。若是，则控制器150确定无法找到锁模泵浦阈值且方法1100结束。若否，则控制器150返回至框1103。
在框1105处，若控制器在框1105确定激光器在中点电流值下锁模，则方法1100继续进行至框1107。在框1107处，控制器保存当前中点值作为该范围的新的最大泵浦电流。然后，方法1100继续进行至框1109，在框1109处，控制器确定这是否为激光器在框1103被确定为锁模的第三连续时间。若是，则控制器150保存当前中点值作为锁模泵浦阈值且方法1100结束。若否，则控制器150返回至框1103。方法1100进行框1109的确定以避免锁模的虚假检测(此可在低于实际锁模阈值时发生)。
在一些实施例中，在执行光学元件的表征时并不确定所有上述提及的属性。可针对任何给定表征例程确定任何属性子集。
图1的控制器150可使用计算装置实施。图12示出可在实施本文中所描述的技术的系统中使用的形式为计算装置1200的计算装置的示例实施方式，但其它实施方式也可行。例如，计算装置1200可实施为图1中的控制器150。应了解，图12并不旨在描绘作为控制器操作的计算装置或根据本文中所描述的技术操作的系统的任何其它计算装置的必要组件，也不旨在全面描绘。
计算装置1200可包括至少一个处理器1202、至少一个输入/输出接口1204、显示器1206及计算机可读存储介质1210。例如，计算装置1200可为可穿戴器件、桌上型或膝上型个人计算机、个人数字助理(PDA)、智能移动电话、平板计算机、服务器或任何其它适合的计算装置。输入/输出接口1204可为使计算装置1200能够与位移平台和/或光学检测系统的组件有线和/或无线通信的任何适合的硬件和/或软件。输入/输出接口1204可包含与无线接入点、开关、路由器、网关和/或其它网络链接设备以及用于在两个或两个以上计算机之间交换数据的任何适合有线和/或无线通信介质通信的网络接口(包含因特网)。计算机可读介质1210可适于存储要由处理器1202处理的数据和/或要由处理器1202执行的指令。处理器1202使得能够处理数据及执行指令。数据及指令可存储于计算机可读存储介质1210上且(例如)可实现计算装置1200的组件之间的通信。
在一些实施例中，装置1200可包含显示器1206，其用于向装置1200的用户呈现光学元件的表面的二维图。
存储于计算机可读存储介质1210上的数据及指令可包括计算机可执行指令，该指令用于实施根据本文中所描述的原理工作的技术。在图12的示例中，计算机可读存储介质1210存储用于实施控制器设施1216及存储各种信息(诸如来自光学检测系统的测量数据1212及由分析测量数据1212所得到的分析数据1214)的计算机可执行描述指令。介质612可另外存储用于控制器设施1216的指令，该指令可实施上文所描述的用于控制光学表征设备100的任一技术。
尽管图12中未示出，但计算装置1200可另外具有一个或多个组件及外围设备，包含容许用户与控制装置1200交互及提供输入至装置1200的用户接口。这些装置可包含键盘及指示装置(诸如鼠标、触摸板及数字化输入板)。作为另一示例，计算装置可透过语音识别或以其它可听格式接收输入信息。
示例结果
图13A至图13C示出通过使用光学表征设备100针对二乘二(2x 2)毫米的SAM以100微米扫描步长映射532纳米的光脉冲的输出功率及脉冲宽度而获得的示例结果。图13A示出SAM的面上532纳米的输出功率。可以看出，边缘呈现低功率。此外，靠近SAM的中心的位置也呈现低功率(由图13A的虚线圆指示)。这可为SAM中的缺陷的指示。在此情况下，该缺陷看上去足够小，使得SAM可在激光器系统中使用，但SAM应被配置为使得激光束的照射光斑在不同于缺陷的位置处。图13B示出针对SAM上的单个位置的自相关器测量结果。sech2拟合的FWHM用作脉冲宽度。图13C是SAM的面上的所有位置的脉冲宽度的图。在图13A的功率图指示可能缺陷的相同位置处，光学表征设备的激光的脉冲宽度相对于SAM的其它部分显著增加。图13A和图13C这两个图可一起用于确定如何在激光器腔内最佳定位SAM，或若其质量不足则究竟是否要使用SAM。
图14A至图14F示出使用光学表征设备来自不同SAM的示例结果。图14A是步长为100微米时532纳米激光脉冲的功率的图；图14B是步长为100微米时激光发射区(即，CW(关闭)、Q开关(QS)或锁模(ML))的图；图14C是步长为100微米时脉冲宽度的图。再一次，SAM的边缘并未提供充足功率、锁模或脉冲宽度。此外，存在靠近SAM的中心的缺陷(如通过该位置处的激光Q开关所指示的，并且脉冲宽度显著大于SAM的面上的其它位置)。图14D至图14F是使用25微米的较小步长放大该缺陷的图。图14D是在缺陷附近的532纳米激光脉冲宽度的功率的图；图14E是在缺陷附近的激光发射区的图；图14F是在缺陷附近的脉冲宽度的图。
发明人通过使用光学显微镜视觉观察SAM(参见图15B)来研究SAM的、激光发射区指示存在缺陷的位置(参见图15A)。在缺陷位置处，在SAM上看不到缺陷。因此，发明人已认识并了解到，一些实施例的表征技术能够检测使用传统技术(诸如视觉观察)不能检测的光学元件(诸如SAM)中的缺陷。在一些实施例中，光学表征设备能够探测光学元件的非线性特性(光学显微镜无法探测)。此外，光学表征设备可用腔内激光束探测光学元件(诸如光学显微镜的传统检测技术无法探测)。
其它考虑
由此已描述光学表征设备的若干实施例的若干方面，应了解，本领域的技术人员将易于想到各种变更、修改及改进。这些变更、修改及改进旨在为本发明的一部分，且旨在落于本发明的精神及范围内。尽管已结合各项实施例及示例描述本发明示教，但本发明示教并不限于这些实施例或示例。相反地，本领域技术人员将了解，本发明示教涵盖各种替代例、修改及等效物。
例如，可修改实施例以在激光器腔中包含比上文所描述更多或更少的光学元件。此外，激光器腔配置可不同于所示出的在光学路径中具有更多或更少转弯或折叠的那些激光器腔。此外，尽管已描述将端面镜和/或SAM安装于位移平台上的实施例，但也可将不在激光器腔的端部处的其它光学元件安装于位移平台上以进行表征。以此方式，光学元件可被定位成接收腔内激光束以用于表征光学元件的目的。
尽管已描述并说明了各种发明实施例，但本领域的技术人员将易于设想用于执行功能和/或获得结果和/或所描述的一个或多个优点的各种其它构件和/或结构，且这种变动和/或修改被认为落于所描述的发明实施例的范围内。更一般地，本领域的技术人员将易于了解，所描述的所有参数、尺寸、材料及配置为示例且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于本发明示教所应用于的特定应用或若干应用。本领域的技术人员将认识到或能够仅使用常规实验确定对所描述的特定发明实施例的许多等效物。因此，应理解，上述实施例仅以示例方式呈现，且可在所附权利要求书及其等效物范围内依除如特定所描述及主张之外的其它方式实践发明实施例。本公开的发明实施例针对所描述的各个特征、系统、系统升级和/或方法。另外，若两个或两个以上这种特征、系统、系统升级和/或方法不相互不一致，则这种特征、系统、和/或方法的任何组合包含于本公开的发明范围内。
此外，尽管可指示某些实施例的一些优点，但应了解，并非每个实施例将包含每个所描述优点。一些实施例可能不实施被描述为有利的任何特征。因此，前文描述及附图仅是示例。
本申请中所引用的所有文献及类似材料(包含但不限于，专利、专利申请、文章、书籍、论文及网页)，无论这些文献及类似材料的格式如何，全部以引用的方式明确并入。在所并入的文献及类似材料中的一个或多个与本申请不同或矛盾的情况下(包含但不限于所定义术语、术语用法、所描述技术或类似者)，以此申请为准。
所使用的章节标题仅用于组织目的且不应被解释为以任何方式限制所描述的主题。
并且，所描述的技术可体现为方法(已提供该方法的至少一个示例)。可使作为该方法的部分执行的动作按照任何合适方式排序。因此，可建构其中依不同于所示出的顺序的顺序执行动作额实施例，该顺序可包含同时执行一些动作，即使该等动作在阐释性实施例中示出为循序动作。
所定义及所使用的所有定义应被理解为控制字典定义、以引用方式并入的文件中的定义，和/或所定义术语的普通含义。
术语“光”可用于指代紫外、可见、近红外及短波红外光谱带。
词组“特性波长”或“波长”可用于指代有限辐射带宽内的中心或主要波长。在一些情况下，其可指代在辐射带宽内的峰值波长。
词组“特性能量”或“能量”可用于指代与一特性波长相关联的能量。
术语“大约”、“近似”及“基本上”可在指代值时使用，且意欲涵盖所指代值加上及减去合理变动。变动量在一些实施例中可小于5％、在一些实施例中小于10％且在一些实施例中又小于20％。在装置可在大的值范围(例如，包含一个或多个数量级的范围)内适当运作的实施例中，变动量可为两倍。例如，若装置针对在自20至350的范围内的值适当运作，则“近似80”可涵盖40与160之间的值。
术语“相邻”可用于指代两个组件彼此紧邻配置(例如，在小于该两个组件的较大者的横向或垂直尺寸的约五分之一的距离内)。在一些情况下，在相邻组件之间可存在中介结构或层。在一些情况下，相邻组件可彼此直接相邻而无中介结构或组件。
除非明确相反指示，否则说明书及权利要求书中所使用的不定冠词“一”及“一个”应被理解为意谓“至少一个”。
说明书及权利要求书中所使用的词组“和/或”应被理解为意为所结合组件的“任一者或两者”，即，在一些情况下结合地存在且在其它情况中分离地存在的组件。应以相同方式解释使用“和/或”列出的多个组件，即，如此结合组件的“一个或多个”。可视需要存在除由“和/或”子句特定识别的组件之外的其它组件，无论其是否与特定识别的组件相关或无关。因此，举一非限制性示例，“A和/或B”在与开放式用语(诸如“包括”)一起使用时是指：在一项实施例中，仅包含A(视需要包含除B之外的组件)；在另一实施例中，仅包含B(视需要包含除A之外的组件)；在又另一实施例中，包含A及B两者(视需要包含其它组件)等。
说明书及权利要求书中所使用的“或”应被理解为具有与如上文所定义之“和/或”相同的含义。例如，当分离清单中的项时，“或”或“和/或”应被解释为包含性的，即，包含数个组件或组件列表及视需要额外未列举物项的至少一个但也包含一个以上。仅明确相反指示的术语，诸如“只有一个”或“恰好一个”或在权利要求书中使用时“由…组成”，将指包含数个组件或组件列表的恰好一个组件。一般而言，在前面有排他性术语(诸如“任一个”、“之一”、“只有一个”或“恰好一个”)时，所使用的术语“或”应仅被解释为指示排他性替代例(即，“一个或另一个但并非两个”)。当在权利要求书中使用时，“实质上由…组成”应具有如其在专利法领域中所使用的普通含义。
说明书及权利要求书中所使用的涉及一个或多个组件的列表的词组“至少一个”应被理解为意谓选自该组件列表中的组件的任一个或多个的至少一个组件，但未必包含该组件列表内特定列出的每一组件的至少一个且不排除该组件列表中的组件的任何组合。此定义也容许：可视需要存在除词组“至少一个”所涉及的该组件列表内特定识别的组件之外的组件，无论其是否与特定识别的该等组件相关或无关。因此，举一非限制性示例，“A和B中的至少一个”(或等效地，“A或B中的至少一个”，或等效地，“A和/或B中的至少一个”)在一实施例中，可指至少一个A，视需要包含一个以上A，但不存在B(且视需要包含除B之外的组件)；在另一实施例中，可指至少一个B，视需要包含一个以上B，但不存在A(且视需要包含除A之外的组件)；在又另一实施例中，可指至少一个A(视需要包含一个以上A)及至少一个B(视需要包含一个以上B)(且视需要包含其它组件)等。
在权利要求书中以及在上文说明书中，所有过渡性词组(诸如“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保持”、“由……组成”及类似者)应被理解为开放式的，即，意谓包含(但不限于)。仅过渡性词组“由…组成”及“实质上由…组成”应分别为封闭式或半封闭式过渡性词组。
权利要求不应被视为限于所描述的顺序或组件，除非如此陈述。应理解，本领域的技术人员可在不脱离随附权利要求书的精神及范围的情况下做出形式及细节之各种改变。主张落在以下权利要求书及其等效物的精神及范围内的所有实施例。

Claims (43)

1.一种光学表征设备，包括：
激光器，其被配置为产生激光束，所述激光器包括：
第一镜；以及
第二镜，其安装于二维位移平台上，所述二维位移平台被配置为使所述第二镜沿着第一方向和第二方向移动，其中，所述第一方向和所述第二方向基本上与由所述激光束在所述第二镜的位置处的传播方向所限定的第三方向垂直，其中，所述第一镜和所述第二镜限定所述激光器的激光器腔。
2.根据权利要求1所述的光学表征设备，其中，所述第一镜是输出耦合器，所述输出耦合器被配置为发射来自所述激光器腔的所述激光束的至少一部分。
3.根据前述权利要求中的任意一项所述的光学表征设备，其中，所述激光器还包括进一步限定所述激光器腔的多个腔内镜。
4.根据权利要求3所述的光学表征设备，其中，所述多个腔内镜的第一腔内镜被配置为相较于第二偏振类型的光更好地反射第一偏振类型的光，并且所述多个腔内镜的其它腔内镜被配置为相较于所述第一偏振类型的光更好地反射所述第二偏振类型的光。
5.根据权利要求4所述的光学表征设备，其中，
所述激光束在所述第一镜与所述第一腔内镜之间的第一平面中传播；并且
所述激光束沿着不在所述第一平面中的所述第三方向传播。
6.根据前述权利要求中的任意一项所述的光学表征设备，还包括光学检测系统，所述光学检测系统被配置为测量所述激光束的至少一个特性。
7.根据权利要求6所述的光学表征设备，其中，所述光学检测系统包括功率计。
8.根据权利要求6至7中的任意一项所述的光学表征设备，其中，所述光学检测系统包括快速光电二极管。
9.根据权利要求6至8中的任意一项所述的光学表征设备，其中，所述光学检测系统包括脉冲表征检测器。
10.根据权利要求9所述的光学表征设备，其中，所述脉冲表征检测器包括自相关器。
11.根据前述权利要求中的任意一项所述的光学表征设备，还包括控制器，所述控制器被配置为使用所述二维位移平台使所述第二镜移动，使得所述激光束至少入射在所述第二镜的选定部分上。
12.根据权利要求11所述的光学表征设备，其中，所述控制器进一步被配置为接收针对所述第二镜的多个部分中的每一个的来自至少一个检测器的测量结果。
13.根据权利要求12所述的光学表征设备，其中，所述测量结果是快速光电二极管信号、时间脉冲宽度及光学功率测量中的一个或多个。
14.根据权利要求12至13中的任意一项所述的光学表征设备，其中，所述控制器进一步被配置为确定锁模电流阈值。
15.根据权利要求14所述的光学表征设备，其中，所述控制器进一步被配置为基于快速光电二极管信号确定锁模电流阈值。
16.根据权利要求14至15中的任意一项所述的光学表征设备，其中，所述控制器被配置为使用二分检索确定所述锁模电流阈值。
17.根据权利要求12至16中的任意一项所述的光学表征设备，其中，所述控制器被配置为确定所述光学表征设备的损坏阈值。
18.根据权利要求17所述的光学表征设备，其中，所述控制器被配置为基于光学功率测量确定所述损坏阈值。
19.根据权利要求12至18中的任意一项所述的光学表征设备，其中，所述控制器被配置为确定所述光学表征设备的寿命。
20.根据权利要求19所述的光学表征设备，其中，所述控制器被配置为基于光学功率测量确定所述寿命。
21.根据权利要求12至20中的任意一项所述的光学表征设备，其中，所述控制器进一步被配置为创建所述第二镜的一个或多个属性的二维图。
22.根据前述权利要求中的任意一项所述的光学表征设备，还包括：
壳体，其包括底板，其中，
所述第一镜安装于所述壳体内的所述底板上；并且
所述第二镜定位于所述壳体的外部。
23.根据前述权利要求中的任意一项所述的光学表征设备，其中，所述第二镜是可饱和吸收镜SAM。
24.根据前述权利要求中的任意一项所述的光学表征设备，还包括在所述激光束的路径中定位于所述第一镜与所述第二镜之间的增益介质。
25.根据前述权利要求中的任意一项所述的光学表征设备，其中，所述第二镜是所述激光器腔的端面镜。
26.一种光学表征设备，包括：
激光器，其被配置为产生具有光束轴的腔内激光束；
定位底座，其被设置为保持光学元件使得所述光学元件接收所述腔内激光束且能够使所述光学元件基本上横向于所述光束轴移动。
27.根据权利要求26所述的光学表征设备，其中，所述腔内激光束探测所述光学元件的非线性特性。
28.根据权利要求25至27中的任意一项所述的光学表征设备，其中，所述腔内激光束探测所述光学元件的、利用光学显微镜基本上不可见的光学特性。
29.根据权利要求25至28中的任意一项所述的光学表征设备，其中，所述光学元件限定所述激光器的激光器腔。
30.根据权利要求25至29中的任意一项所述的光学表征设备，其中，所述光学元件是所述激光器的端面镜。
31.根据权利要求25至29中的任意一项所述的光学表征设备，其中，所述光学元件是可饱和吸收器。
32.一种用于表征光学元件的方法，所述方法包括：
基本上横向于激光器的腔内光束扫描所述光学元件；以及
记录随所扫描的光学元件的位置变化的所述激光器的性能特性。
33.根据权利要求32所述的方法，还包括提供将所述性能特性的值映射至所述光学元件上的位置的显示信息。
34.根据权利要求32至33中的任意一项所述的方法，其中，所述性能特性与所述光学元件的光学非线性属性相关联。
35.根据权利要求32至34中的任意一项所述的方法，其中，所述性能特性与所述光学元件的、利用光学显微镜基本上不可见的光学属性相关联。
36.根据权利要求32至35中的任意一项所述的方法，其中，所述光学元件限定所述激光器的激光器腔。
37.根据权利要求32至36中的任意一项所述的方法，其中，所述光学元件是所述激光器的端面镜。
38.根据权利要求32至37中的任意一项所述的方法，其中，所述光学元件是可饱和吸收器。
39.根据权利要求32至38中的任意一项所述的方法，其中，所述性能特性包括所述激光器的光学功率。
40.根据权利要求32至39中的任意一项所述的方法，其中，所述性能特性包括所述激光器的时间脉冲宽度。
41.根据权利要求32至40中的任意一项所述的方法，其中，所述性能特性包括锁模泵浦阈值。
42.根据权利要求41所述的方法，还包括使用二分检索确定所述锁模泵浦阈值。
43.根据权利要求42所述的方法，其中，所述使用二分检索确定所述锁模泵浦阈值包括：
定义泵浦电流范围；以及
使用基本上等于所述泵浦电流范围的中点的电流泵浦所述激光器。
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