CN114122892A - 飞秒紫外激光器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及飞秒紫外激光器。用于产生飞秒(fs)紫外(UV)激光脉冲的方法和系统通过使用具有不同数量的周期性极化晶体层的周期性极化准相位匹配晶体(PPQPMC)能够实现稳定、稳健且光学上高效地产生三次谐波飞秒激光脉冲，所述晶体层能够实现较长的转换长度而不需要反向转换且不需要特殊的相位匹配方向。所述飞秒UV激光器可以具有高转换效率，并且可以适用于高功率操作。

Description

飞秒紫外激光器
本申请是申请日为2015年2月17日，申请号为201580075929.3，发明名称为“飞秒紫外激光器”的申请的分案申请。
背景技术
技术领域
本披露涉及激光束的产生，并且更具体地涉及一种飞秒紫外激光器。
相关技术说明
近年来，已开发出飞秒激光器用于眼外科手术中的各种应用、以及其他用途。因为飞秒范围内的脉冲持续时间非常短，所以飞秒激光器能够在靶材(如眼组织)处形成高能量强度，这样产生了造成组织分裂的非线性光致破裂过程并避免了有害热效应。
市售的飞秒激光器的典型波长在光谱的近红外范围内、具有为约1000-1100纳米(nm)的波长。
发明内容
一方面，所披露的一种用于产生飞秒紫外激光的方法可以包括将具有的基波长在电磁谱的近红外部分中的第一激光脉冲引导到非线性光学晶体处，所述第一激光脉冲具有小于1000飞秒的脉冲持续时间。所述方法可以包括：在所述非线性光学晶体的第一部分处将来自所述第一激光脉冲的至少一些光子转换成所述基波长的二次谐波波长，以在所述非线性光学晶体内产生第二激光脉冲。所述方法还可以包括：在所述非线性光学晶体的第二部分处，将来自所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲的至少一些光子转换成所述基波长的三次谐波波长，以在所述非线性光学晶体内产生第三激光脉冲。所述方法可以进一步包括：从所述非线性光学晶体输出所述第三激光脉冲，使得所述第三激光脉冲具有所述脉冲持续时间。
在所披露实施例中的任何实施例中，所述方法可以包括从所述非线性光学晶体输出所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲。在所述方法的所披露实施例中的任何实施例中，所述非线性光学晶体可以包括周期性极化准相位匹配晶体。在所述方法的所披露实施例中的任何实施例中，所述非线性光学晶体的所述第一部分和所述非线性光学晶体的所述第二部分可以形成为单一整体材料。在所述方法的所披露实施例中的任何实施例中，所述非线性光学晶体的所述第一部分可以包括周期性极化掺杂氧化镁的化学计量钽酸锂晶体。在所述方法的所披露实施例中的任何实施例中，所述非线性光学晶体的所述第二部分可以包括周期性极化镧钡锗氧化物晶体。
在所述方法的所披露实施例中的任何实施例中，引导所述第一激光脉冲的方法操作可以进一步包括将所述第一激光脉冲在所述非线性光学晶体处聚焦。在所披露实施例中的任何实施例中，所述方法可以包括：在所述非线性光学晶体的输出处从所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲中光谱过滤出所述第三激光脉冲。在所述方法的所披露实施例中的任何实施例中，所述非线性光学晶体可以包括根据所述基波长被调谐的周期性极化层。在所述方法的所披露实施例中的任何实施例中，所述第一激光脉冲的第一横截面强度图案可以与所述第三激光脉冲的第二横截面强度图案匹配。
另一方面，所披露的飞秒紫外激光源可以包括：包括飞秒近红外脉冲激光器的激光源，所述激光源具有小于1000飞秒的脉冲持续时间并具有基波长。所述飞秒紫外激光源可以包括非线性光学晶体，所述非线性光学晶体具有关于从所述激光源入射的光子的取向而依次定向的第一部分和第二部分。在所述飞秒紫外激光源中，所述非线性光学晶体的所述第一部分可以从所述激光源接收所述第一光子并且可以将所述第一光子中的至少一些光子转换成具有所述基波长的二次谐波波长的第二光子以产生第二激光脉冲。在所述飞秒紫外激光源中，所述非线性光学晶体的所述第二部分可以接收所述第一光子和所述第二光子中的至少一些光子并且可以将所述第一光子和所述第二光子中的至少一些光子转换成具有所述基波长的三次谐波波长的第三光子，以产生具有所述脉冲持续时间的第三激光脉冲。
在所述飞秒紫外激光源的所披露实施例中的任何实施例中，所述第二部分可以从所述非线性光学晶体输出所述第一激光脉冲、所述第二激光脉冲和所述第三激光脉冲。在所述飞秒紫外激光源中，所述非线性光学晶体可以包括周期性极化准相位匹配晶体。在所述飞秒紫外激光源中，所述非线性光学晶体的所述第一部分和所述非线性光学晶体的所述第二部分可以形成为单一整体材料。在所述飞秒紫外激光源中，所述非线性光学晶体的所述第一部分可以包括周期性极化掺杂氧化镁的化学计量钽酸锂晶体。在所述飞秒紫外激光源中，所述非线性光学晶体的所述第二部分可以包括周期性极化镧钡锗氧化物晶体。
在所披露实施例中的任何实施例中，所述飞秒紫外激光源可以包括聚焦元件，所述聚焦元件用于将所述第一激光脉冲在所述非线性光学晶体处聚焦。在所披露实施例中的任何实施例中，所述飞秒紫外激光源可以包括滤光器，所述滤光器用于在所述非线性光学晶体的输出处使所述第三激光脉冲与所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲进行光谱分离。在所述飞秒紫外激光源的所披露实施例中的任何实施例中，所述非线性光学晶体可以包括根据所述基波长被调谐的周期性极化层。在所述飞秒紫外激光源的所披露实施例中的任何实施例中，所述第一激光脉冲的第一横截面强度图案可以与所述第三激光脉冲的第二横截面强度图案匹配。
附图说明
为了更加完整地理解本发明及其特征和优点，现在参考结合附图进行的以下说明，在附图中：
图1是飞秒紫外激光器的实施例的选定元件的框图；并且
图2是用于产生飞秒紫外激光脉冲的方法的选定要素的流程图。
具体实施方式
在以下说明中，通过举例的方式对细节进行阐述以便于讨论所披露主题。然而，本领域普通技术人员应当清楚的是，所披露的实施例是示例性的并且不是所有可能的实施例的穷举。
如在此所使用的，连字符形式的参考数字是指元件的具体实例，而无连字符形式的参考数字是指统称元件。因此，例如，装置‘12-1’是指装置类别的实例，所述装置类别可以统称为装置‘12’，并且所述装置类别中的任一者可以概括地称为装置‘12’。
如上注意到的，飞秒近红外激光器已经被商业开发用于各种应用，如眼外科手术。然而，在不同的应用中，具有较高频率(或较短波长)的飞秒激光源可能是令人期望的。例如，在眼科中可能期望飞秒紫外激光器精确地切割组织、减小脉冲能量、减小激光切口的破坏量、并且避免不期望的辐射穿入更深的组织中。另外，飞秒紫外线激光器可以在期望精确地或选择性地去除塑料、陶瓷和金属材料的材料加工应用中提供独特的益处。
如将进一步详细描述的，披露了使用具有不同数量的周期性或“极化”晶体层的周期性极化准相位匹配晶体(PPQPMC)来稳定、稳健且光学上高效地产生三次谐波飞秒激光脉冲，所述晶体层能够实现较长的转换长度而不需要反向转换、并且不需要可能难以实现和维持的PPQPMC特殊相位匹配取向。
与在此披露的PPQMC相反，通常使用2步骤光学方法来执行紫外激光脉冲的产生，其中近红外(NIR)输入激光器在1000nm波长下或附近操作，在这里称为基频ω1。在被称为二次谐波产生(SHG)的第一步骤中，使用根据SHG的第一相位匹配角进行切割和定向的第一晶体可以完成NIR源激光的倍频，以产生ω2，其中ω2＝2ω1。在被称为三次谐波产生(THG)的第二步骤中，使用NIR源激光的其余部分和所产生的SHG，可以获得NIR和SHG的频率总和以产生ω3，其中ω3＝3ω1＝ω1+ω2。因此，所述第二步骤还可以被称为和频产生(SFG)。所述第二步骤可以包括使用根据THG的与所述第一相位匹配角不同的第二相位匹配角切割和定向的第二晶体。通常使用单独的非线性光学块状材料(如硼酸钡(BBO)和三硼酸锂(LBO))来进行用于SHG和THG的激光频率的产生或转换，所述材料以块状晶体形式使用。自然束离散以及ω1与ω2之间的脉冲延迟可能在使用单独双晶体方法产生ω3时对达到较高的转换效率造成巨大的困难。THG的许多典型仪器经常采用复杂度高的光学配置，如再准直、再聚焦和延迟线。
由于所述2步骤过程，所以SHG和THG通常使用2个不同的块状晶体，这样可能为成功实现而投入一定成本和精力。例如，高效THG可以包括将入射的激光束定向成晶体的结晶轴的特定取向，其被称为相位匹配方向。只有在相位匹配方向上，产生频率(ω1、ω2)的群速度才与引起期望的脉冲和能量守恒的THG频率(ω3)相同。因为2个晶体将彼此独立地切割和定向，所以它们在相位匹配方向上的对准的调整灵敏度可能相当高，这样可能引起相对高的对准精力和短的操作稳定性周期。这种对准灵敏度转移到对基本频率源指向的高灵敏度。当2步骤过程与脉冲激光束一起使用时，至少部分由于激光脉冲的较大带宽以及传播透过晶体的极短脉冲在时间上和空间上的重叠，在脉冲持续时间缩短到飞秒范围时，可能施加附加约束。在许多光学安排中，用于THG的晶体不具有足够的转换带宽，并且在不同频率的脉冲的光路之间使用附加光路延迟线，从而引起甚至更大的调整精力并且稳定性降低，这是由于飞秒脉冲所涉及到的光路的准确度和精确度非常高。在使用典型的块状2晶体系统中的短激光脉冲更进一步增加THG的成本和精力情况下，用于THG的块状晶体应尽可能薄，以使由于群速延迟(GVD)引起的脉冲展宽最小化，这样可能引起使用啁啾补偿镜来避免频率相关的相移。并且，沿着光轴使用非常薄的晶体可能降低晶体的转换效率，从而使得甚至更难以实现高脉冲能量。
现在参考附图，图1是示出了飞秒紫外激光器100的实施例的选定元件的框图。飞秒紫外激光器100不是按比例绘制的，而是示意性表示。在各个实施例中，可以使用比图1的示例性实施例中所展示的更少或更多部件来实现飞秒紫外激光器100，所述示例性实施例是为了描述性目的而示出的。应注意，尽管在此关于电磁谱中的某些波长描述了飞秒紫外激光器100，但是在不同的实施例中，飞秒紫外激光器100可以是可调谐的而以不同的波长进行操作。尽管为了描述清楚而在图1中以相邻方式示出了NIR束130、可见光束132和UV束134，但是应理解，所有三种束被叠加并共焦地行进。
如所示，飞秒紫外激光器100包括NIR飞秒激光源102，所述激光源可以是在如1053nm、1064nm等波长下操作的各种NIR飞秒激光源中的任何激光源。另外，例如，NIR飞秒激光源102可以根据特定应用(例如像在眼科中)所期望的不同功率强度、脉冲持续时间、重复率等来调整。NIR飞秒激光源102输出与如前所述的频率ω1相对应的基波长下的NIR束130。因为NIR束130通常是脉冲束，所以NIR束130、或至少一些包括NIR束130的光子可以被称为第一激光脉冲。在飞秒紫外激光器100中，NIR束130被引导到非线性光学晶体104。如所示，在撞击非线性光学晶体104之前，使用聚焦元件106来聚焦NIR束130，这样可以用于改善在非线性晶体104的第二部分104-2产生UV束134。在某些实施例中，可以根据飞秒紫外激光器100的具体应用所期望的来省略或替换或复制聚焦元件106。应注意，聚焦元件106可以表示飞秒紫外激光器100的机械可调部件，从而使得飞秒紫外激光器100的其余部分可以被实现为没有移动零件的固态装置。
在图1中，非线性光学晶体104包括相对于来自NIR飞秒激光源102的NIR束130依次安排的第一部分104-1和第二部分104-2。在非线性光学晶体104的第一部分104-1，至少一些来自NIR束130的光子通过产生可见光束132的非线性二次谐波产生(SHG)过程而转换成与如前所述的频率ω2相对应的二次谐波波长。因为第一部分104-1由于周期性极化层而可以具有实质上较长的相互作用长度，所以可见光束132可以从第一部分104-1内的某个位置开始并且由第一部分104-1以及NIR束130中的未转换的其余光子发出。因为NIR束130通常是脉冲光束，所以可见光束132或至少一些包括可见光束132的光子可以被称为第二激光脉冲。
在飞秒紫外激光器100中，非线性光学晶体104可以包括周期性极化准相位匹配晶体(PPQPMC)，为了描述性目的，图1中示意性地展示了所述晶体的周期性极化层，并且未按比例绘制。周期性极化可以形成为具有的指定周期与具体波长调谐相对应的材料层。所述材料层可以根据指定的周期性通过结晶c平面的光刻图案化而形成。所述周期性可以在约1微米至10微米的范围内，其中第一部分104-1或第二部分104-1的总厚度的范围为约100微米至1000微米。非线性光学晶体104的整个横截面可以形成为面积约为1平方毫米至100平方毫米。在一些实施例中，第一部分104-1和第二部分104-1形成为包括非线性光学晶体104的单一整体材料。在给定的实施例中，第一部分104-1由周期性极化掺杂氧化镁的化学计量钽酸锂(MgSLT)晶体组成，而第二部分104-2由周期性极化镧钡锗氧化物(LBGO)晶体组成。
由于非线性光学晶体104的光学特性，第一激光脉冲的第一横截面强度图案可以匹配第二激光脉冲的第二横截面强度图案。换言之，当通过SHG产生可见光束132时，第一部分104-1可以至少在形状上(如果不是在整体大小上)维持NIR束130的横截面强度图案。而且，第一激光脉冲的第一时间相干性可以基本上匹配第二激光脉冲的第二时间相干性。换言之，NIR光束130和可见光束132可以展现出差不多相同的脉冲持续时间，从而使得当NIR束130作为飞秒脉冲存在时，可见光束132作为飞秒脉冲而存在。另外，由于非线性光学晶体104对NIR束130的SHG的精确入射角相对不敏感，所以SHG的转换效率可能基本上不受到NIR束130的入射角的小变化的影响，并且相应地，不受到来源于NIR飞秒激光源102的入射束中的光子的入射方向的影响。因此，飞秒紫外激光器100可以例如针对温度或振动是相对稳健和稳定的，并且可以使用标准光学方法进行制造，使得初始出厂调整适合于飞秒紫外激光器100的期望操作使用寿命。由于用于非线性光学晶体104的PPQPMC由于所使用的长度相对短而不会产生空间离散并展现出相对较小的时间离散100，所以可能产生飞秒紫外激光器100的另一个重要优点。
在非线性光学晶体104的第二部分104-2，SHG之后来自剩余NIR光束130的至少一些光子以及来自可见光束132的至少一些光子通过产生UV束134的非线性三次谐波产生(THG)过程而被转换成与如前所述的频率ω3相对应的三次谐波波长。UV束134可以在第二部分104-2内的某个位置处开始并且由第二部分104-2以及NIR束130和可见光束132中的没有分别由SHG或THG转换的其余光子发出。因为NIR束130通常是脉冲光束，所以UV束134或包括UV束134的光子可以被称为第三激光脉冲。
由于非线性光学晶体104的光学特性，所述第二激光脉冲的第二横截面强度图案可以匹配第三激光脉冲的第三横截面强度图案。换言之，当通过THG产生UV束134时，第二部分104-2可以至少在形状上(如果不是整体大小上)维持NIR束130的横截面强度图案。并且，第二激光脉冲(SHG)的第二时间相干性可以基本上匹配第三激光脉冲(THG)的第三时间相干性。在各实施例中，第一激光脉冲(NIR)的第一时间相干性可以基本上匹配第二激光脉冲(SHG)的第二时间相干性。换言之，NIR束130和UV束134可以展现出相同的脉冲持续时间，从而使得当NIR束130作为飞秒脉冲存在时，UV束134作为飞秒脉冲而存在。因为第一部分104-1和第二部分104-1大体上很靠近地固定在一起，所以第二部分104-2通常在与第一部分104-1相同的入射角下接收NIR束130和可见光束132。
并且，示出了飞秒紫外激光器100具有光束分束器108，所述分束器将UV束134与NIR束130和可见光束132分离。当NIR束130和可见光束132用于期望的目的(如功率监测)时，光束分束器108可以是谐波分离器(如二向色镜)。在其他实施例中，光束分束器108可以是被调谐为有差别地通过UV束134的带通滤波器。
因此，以相当大的时间和空间相干性从第二部分104-2发出第一激光脉冲、第二激光脉冲和第三激光脉冲。由于如上所述非线性光学晶体104内的SHG和THG过程，从非线性光学晶体104发出的束具有不同的功率强度。具体地，与第一部分104-2处的NIR束130的入射强度相比，从第二部分104-2出射的NIR束130具有较低的功率强度。通常，从第二部分104-2出射的UV束134具有比可见光束132更低的功率强度。然而，由于非线性光学晶体104在较高的功率强度下可能具有较高的转换效率，所以可以由飞秒紫外激光器100在相对较高的绝对功率强度水平下产生UV束134，也是由于非线性光学晶体104适合于接收NIR束130的非常高的功率强度。例如，在某些实施例中，UV束134的功率强度可以是使用飞秒紫外激光器100的NIR束130的功率强度的约10％至30％(THG转换率)。在具体实施例中，飞秒紫外激光器100可以适合于每平方厘米1瓦特的功率强度或更高，并且可以以稳定的方式操作至少100小时以产生UV束134。因此，飞秒紫外激光器100可以克服先前已知的飞秒UV激光产生方法的各种局限性和约束。
应注意，在飞秒紫外激光器100的各实施例或安排中，可以使用束的不同实现方式、布局和转向。例如，飞秒紫外激光器100中使用的光路的某些部分可以包括光纤。在一些实施例中，飞秒紫外激光器100中使用的光路的某些部分可以包括光波导。飞秒紫外激光器100中使用的光路的某些部分可以表示介质(如真空、自由空间、气体环境或大气)内的光路。在给定的实施例中，偏振元件可以与NIR束130、可见光束132和UV束134中的至少一者一起使用。在另一种安排中，可以省略或替换聚焦元件106。在具体实施例中，飞秒紫外激光器100所包括的光学部件的至少一部分可以被小型化并组合成具有相对小的质量和外部尺寸的紧凑单元。
在图1中，飞秒紫外激光器100不是按比例绘制的，而是示意性表示。可以对飞秒紫外激光器100进行修改、添加或省略，并不脱离本披露的范围。如在此描述的飞秒紫外激光器100的部件和元件可以根据具体应用而集成或分离。在一些实施例中，可以使用更多、更少或不同的部件来实现飞秒紫外激光器100。
现在参考图2，如在此描述的，以流程图形式描绘了用于产生飞秒UV激光源的方法200的实施例的选定元件的框图。方法200可以由飞秒紫外激光器100(参见图1)来实现。应注意，方法200中描述的某些操作可以是可选的，或者可以在不同的实施例中重新安排。
方法200在步骤202以将飞秒NIR激光脉冲引导到非线性光学晶体处而开始。步骤202可以包括使飞秒NIR激光脉冲聚焦。可以根据需要调谐或选择飞秒NIR激光脉冲的NIR光子的波长(或频率)。在步骤204，至少一些NIR光子通过SHG在所述非线性光学晶体的第一部分处被转换成可见光子。如上所指定的，步骤204中的可见光子可以具有频率ω2，而NIR光子具有频率ω1。在步骤206，至少一些NIR光子和可见光子可以通过THG在所述非线性光学晶体的第二部分处被转换成UV光子。如上所指定的，步骤206中的UV光子可以具有频率ω3。在步骤208，UV光子可以与所述非线性光学晶体的输出脉冲进行光谱分离，所述输出脉冲包括至少一些NIR光子、至少一些可见光子、以及UV光子。在步骤210，可以输出飞秒UV激光脉冲。UV光子可以在与飞秒NIR激光脉冲在时间上和空间上相干的飞秒UV激光脉冲中输出。
如在此所披露的，用于产生飞秒(fs)紫外(UV)激光脉冲的方法和系统通过使用具有不同数量的周期性极化晶体层的周期性极化准相位匹配晶体(PPQPMC)能够实现稳定、稳健且光学高效地产生三次谐波飞秒激光脉冲，所述晶体层能够实现较长的转换长度而不需要反向转换且不需要特殊的相位匹配方向。所述飞秒UV激光器可以具有高转换效率，并且可以适用于高功率操作。
以上披露的主题应认为是说明性性而非限制性的，并且所附权利要求书旨在覆盖所有这种修改、增强、以及落入本披露的真实精神和范围内的其他实施例。因此，为了被法律最大程度地允许，本披露的范围将由以下权利要求书及其等效物的最广泛允许的解读来确定并且不应受限于或局限于上述详细说明。

Claims (5)

1.一种非线性光学晶体(104)用于产生飞秒紫外激光脉冲的用途，包括：
将来自激光源(102)的第一激光脉冲(130)引导到非线性光学晶体(104)处，所述第一激光脉冲(130)具有在电磁谱的近红外部分中的基波长，以及所述第一激光脉冲具有小于1000飞秒的脉冲持续时间，
其中所述非线性光学晶体(104)包括周期性极化准相位匹配晶体，具有关于第一激光脉冲(130)的入射的第一光子的取向而依次定向的第一部分(104-1)和第二部分(104-2)，
其中周期性极化准相位匹配晶体的第一部分(104-1)包括周期性极化掺杂氧化镁的化学计量钽酸锂晶体，周期性极化准相位匹配晶体的第二部分(104-2)包括周期性极化镧钡锗氧化物晶体，
其中所述非线性光学晶体(104)的第一部分(104-1)从所述第一激光脉冲(130)接收第一光子并将第一光子的至少一些光子转换成具有所述基波长的二次谐波波长的第二光子，以产生第二激光脉冲(132)，
所述非线性光学晶体(104)的第二部分(104-2)接收第一光子和第二光子的至少一些并将第一光子和第二光子的至少一些转换成具有所述基波长的三次谐波波长的第三光子，以产生具有脉冲持续时间的第三紫外飞秒激光脉冲(134)，
其中所述第一激光脉冲(130)的第一横截面强度图案与所述第三激光脉冲(134)的第二横截面强度图案匹配，以及
其中所述第一部分(104-1)或所述第二部分(104-2)的总厚度在100至1000微米的范围内。
2.如权利要求1所述的用途，其中所述第二部分(104-2)从所述非线性光学晶体(104)输出所述第一激光脉冲(130)、所述第二激光脉冲(132)以及所述第三激光脉冲(134)。
3.如权利要求1-2中的任一项所述的用途，其中引导所述第一激光脉冲(130)还包括将所述第一激光脉冲(130)在所述非线性光学晶体(104)处聚焦。
4.如权利要求1-3中的任一项所述的用途，还包括：
使用光学滤波器(108)在所述非线性光学晶体(104)的输出处从所述第一激光脉冲(130)和所述第二激光脉冲(132)分离所述第三激光脉冲(134)。
5.如权利要求1-4中的任一项所述的用途，其中，所述非线性光学晶体(104)包括根据所述基波长被调谐的周期性极化层。
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