CN1883086A - 脉冲激光装置 - Google Patents

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Abstract

一种优选带有被动锁模的短脉冲激光装置(11)，包括：含有激光晶体(14)以及若干镜片(M1－M7；OC)的谐振器(12)，镜片的其中之一形成泵浦光束耦入镜(M1)且其中之一形成激光束外耦合镜(OC)；以及，将谐振器的长度放大的多重反射望远镜(18)，工作中的谐振器(12)在涉及的波长范围上具有正平均色散。对于该谐振器(12)的正平均色散的调校通过谐振器(12)的各个镜片(M1－M7；OC)进行，该各个镜片中的至少一些设计成色散镜。

Description

脉冲激光装置
技术领域
本发明涉及一种优选带有被动锁模的短脉冲激光装置，其包括含有激光晶体以及若干镜片(mirror)的谐振器，镜片的其中之一形成泵浦光束耦入镜(in-coupling mirror)且其中之一形成激光束外耦合器(out-coupler)以及，将谐振器的长度放大的多重反射望远镜，工作中的谐振器对于涉及的波长范围具有正平均色散(positive averageddispersion)。
背景技术
近来，人们对短脉冲激光装置的兴趣正在增长，考虑到飞秒范围的极短的脉冲持续时间，大于1MW的脉冲峰功率，其在研究和工业领域将有先进的应用。因此，这样的具有处于飞秒范围的脉冲持续时间的短脉冲激光装置可以用于进行电磁辐射与物质之间的相互作用的时间分辨性观察。所需要的是，能够产生具有例如10fs(飞秒)范围的脉冲持续时间的激光脉冲，且例如在脉冲重复率在10MHz量级时其能量为100nJ。该脉冲重复率与更早期的传统钛-蓝宝石飞秒激光器中的处于飞秒范围的激光装置相比相对较低(几MHz的量级而不是，例如，大约100MHz)，这种激光装置是需要的，因为随后可以得到更高的脉冲峰值强度，对于许多应用来说，其处于大于1013W/cm2的范围。纯计算的话，这样的相对较低的重复率反过来又意味着在激光谐振器中相对长的脉冲往返时间，这导致谐振器长度的相应增长，例如，从2米增长到16米，从而增大了激光装置的尺寸。
基于D.Herriott等人的更早先的工作，即“Off-Axis Paths inSpherical Mirror Interferometers”，Applied Optics，April 1964，Vol.3，No.4，pp.523-526，已经提出，通过提供多程(multiple-pass)谐振器部分——也称为“多次反射”望远镜，或简称望远镜，来延长激光装置中的脉冲往返时间，参见例如：AT-A-763/2002或者S.H.Cho等人的“Generation of 90-nJ pulses with a 4-MHz repetition-rate Kerr-lensmode-locked Ti:Al2O3 laser operating with net positive and negativeintracavity dispersion″，Optics Letters，15 April 2001，Vol.26，No.8，pp.560-562；以及A.Poppe等人的″A Sub-10fs，2.5-MW Ti:SapphireOscillator″，Ultrafast Optics 1999，pp.154-157，Ascona，Switzerland(1999)。用这样的望远镜，由于在相对设置的镜片上有多次反射，就可以利用多次通过从而以结构上有利的方式增大脉冲往返时间，从而减小重复率，例如，从大约100MHz减小到几MHz。这样，就可以合适地增大每个往返中外耦合出的脉冲部分的能量比例，即，在不变的平均输出功率下，能够得到显著增大的输出脉冲能量以及峰值功率。
但是，在这方面，非线性光学效应被证明是不利和有限制作用的，该效应由于激光晶体中的高峰值强度而发生，其导致在谐振器中循环的各个高能光脉冲分裂为若干较弱的脉冲。这可以通过(负)谐振器色散的量增大进行抵消，但是，不可避免的，这将导致可获得的带宽减小并从而导致明显更长的脉冲持续时间。另一方面，在上述的S.Cho等人的题为“Generation of 90-nJ pulses with a 4-MHz repetition rateKerr-lens mode-locked Ti:Al2O3 laser operating with net positive andnegative intracavity dispersion”的文章中已经说明，为了按整体上正色散来操作激光装置，其中高度短促(chirped)的脉冲在皮秒范围内形成，即，具有显著减小的峰值功率的脉冲。通过所谓的设在外部(即谐振器外部)的“压缩器”(带有棱镜、带有光栅、带有镜片或带有它们的组合)，脉冲随后可以再次被压缩至几个飞秒的脉冲持续时间，并伴随着峰值功率的增大。根据S.Cho等人所著的所述文件，在这样的工作状态下，得到了19纳米的(相对较小的)光谱带宽以及80飞秒的脉冲持续时间。使用了一对棱镜用于在谐振器内进行色散控制。
但是，研究已经指出，为了获得较大的带宽并因而获得较短的脉冲，在各个所需的光谱范围上谐振器中的净总色散(net total dispersion)就需要尽可能恒定。但是，已经知道，一对棱镜不可避免地将也引入高阶色散(即，2阶色散(GDD)在带宽上是不恒定的)，并且，已知的装置实际上不适合于产生所寻求的更短的脉冲和更大的带宽。
发明内容
现在，本发明的一个目的是为这种情况提供一种解决方案，并提供一种本文开始所述类型的短脉冲激光装置，使用这种激光装置，能够有效地获得所寻求的短激光脉冲和需要的大带宽。
本发明的如本文开始所述类型的短脉冲激光装置的特征在于，通过谐振器的镜片对谐振器的正平均色散进行调校，这些镜片中的至少一些被设计成本身已知的色散镜。
通过将各种介电镜和色散镜进行组合，就可以在该短脉冲激光装置中得到在提供的激光频率上近乎于任意的色散过程(dispersioncourse)，已经知道，设计由多个介电层(其结构和效果将在以下具体说明)构成的镜片，使得——基于材料的选择和层厚的选择——在每种情况下，能够在所讨论的波长范围内得到所需的色散。因此，接下来就可以调校谐振器的总色散，这是所有激光器构件的色散值的总和，即，激光晶体的色散值、谐振器中空气的色散值、镜片以及任何可能的附加构件的色散值，从而在脉冲频谱的频率范围上的总色散产生正值，以获得所需的工作状态，其中，脉冲在谐振器中高度短促，并因而峰值强度被降低。具体来说，还可以在较宽的波长范围上将总色散保持在容差带内的正色散范围中，从而得到相对较大的带宽——并因而得到极微小的傅立叶限制(Fourier-limited)的脉冲持续时间。通过上述的色散镜以极简单的方式达成此目的，其中，单独的镜片每个都具有不同的带有不可避免的波动的色散过程，根据寻求的目标将这些镜片结合在一起，从而得到所需的总色散过程，例如，在大于280纳米的波长范围上。利用在色散表现上具有微小波动的合适地设计的色散镜，甚至能够得到较大的波长范围，同时总色散过程处于选定的或预定的容差限制内。
未来保证尽可能最大的带宽，还已经证明，选择正的总色散范围是有利的，这样使得平均色散仅仅略微为正，处于例如0到100fs2之间，特别是0到50fs2的范围内。
对于大体上的色散控制来说，仅能够采用谐振器的各个镜片；为了优化利用所有可能的调校，谐振器的所有镜片都有利地设计成色散镜，优选的带有负色散。因此，还提供多重反射望远镜的镜片作为色散镜，优选是带有负色散的镜片。
在许多情况下，还可以证实，在谐振器中引入各种(小)量的正色散作为辅助性色散微调是合适的，例如，通过两个邻近设置并反向朝向的本身已知的玻璃楔。
为了调整所需的谐振器的正净色散，原则上还可以对使用的一对棱镜组合提供上述的色散镜，尽管如此，作为一个准则，优选的是仅使用色散镜的色散控制，上述玻璃楔是可选用的。
对于优选的被动锁模(在本发明的范围内，原则上还能够想到主动锁模)，在该短脉冲激光装置中，可以提供本身已知的“科尔(Kerr)透镜锁模”原理，但是，同样已知的，也可以提供饱和滤光器。该饱和滤光器可以设置在谐振器的光路中，但优选的还可以提供谐振器的端镜作为饱和滤光器-反射器。
本发明的短脉冲激光装置可以特别有利地应用于材料加工的领域，其中，在微缩程度逐步增大的过程中，必须精确、高速地制造最精细的结构。该短脉冲激光装置允许高输出脉冲能量和高重复率，可以理想地为此目的而应用，其中，已经证明特别有利的是，用该短脉冲激光装置，可以略微高于破坏阈值(产生材料破坏的阈值能量)进行工作，其中，由于所述的高重复率和送出的多个脉冲，能够获得高烧蚀率(ablation rate)以及精细的处理。
附图说明
以下，将通过图中所示的优选实施例来进一步说明本发明，但本发明并不限于图示的实施例。其中，
图1示意性示出根据本发明的带有望远镜的短脉冲激光装置的结构；
图2示出设置在安装板上的该短脉冲激光装置，其中还示意性画出了在望远镜的范围内激光束的耦入和耦出；
图3以曲线图示出根据现有技术的一对棱镜的色散过程；
图4以两条曲线A、B分别示出了发明的短脉冲激光装置(曲线A)的色散过程和根据现有技术的激光器的色散过程(曲线B)，现有技术的激光器带有所谓的熔融石英棱镜，用于在谐振器内引入负色散；
图5以曲线图示出以任意单位表示的对于时间(也是以任意单位表示)的信号强度的自相关测量结果；以及
图6以曲线图示出属于根据图5测得的自相关值的光谱。
具体实施方式
在图1中，短脉冲激光装置11示意性画出，其中，例如，使用本身已知的科尔透镜锁模原理来产生该短脉冲。
图1的激光装置11包括：谐振器12，泵浦光束13从泵浦激光器射到其上，例如，从一个倍频固体激光器射到其上。为简便起见，该泵浦激光器本身在图1中被省略，且它是现有技术的一部分。
在通过透镜L1和分色镜M1后，泵浦光束13激励激光晶体14，在本例中是钛:蓝宝石(Ti:S)固体激光晶体。分色镜M1对于泵浦光束13是可透过的，但对于Ti:S激光束是高度反射性的。该激光束15，即谐振器光束，随后照射在激光镜片M2上并被后者反射到激光镜片M3。该激光镜片M3再将该激光束反射到激光镜片M4，并且激光束15从该处被反射回激光镜片M3、M2和M1，第二次通过激光晶体14。该谐振器部分带有镜片M2、M3和M4，形成了所谓的短谐振器臂16。
之后，激光束15从镜片M1反射到激光镜片M5，再从该处反射到激光镜片M6，并再反射到激光镜片M7，从而形成第二个长谐振器臂17。激光束15从激光镜片M7进入在图1中仅示意性示出的望远镜18，并从该处进入端镜，端镜作为外耦合镜OC。经由该外耦合镜OC，激光束15的一部分外耦合并有进行补偿的可能，例如如图1所示的补偿小板CP。
激光晶体14是光学非线性的面平行体，并形成科尔元件，其对于激光束15的较高场强具有较大有效光学厚度，但对于激光束的场强或强度较低的情况具有较小的有效厚度。利用该本身是已知的科尔效应来对激光束15自聚焦，即，激光晶体14形成用于激光束15的聚焦透镜。而且，可以以本来已知的传统方式实现锁模，例如，通过在图1和2中没有进一步画出的孔(参见，例如，AT 405 992 B)；但是，应该也能想到，将端镜之一(例如M4)设计成饱和Bragg反射器(saturableBragg reflector)或饱和滤光器(saturable absorber)，并因而采用它来锁模。
镜片M1、M2...M7都以薄膜工艺制成，即，它们每个都由许多层构成，在反射较大光谱带宽超短激光脉冲时起作用，并引入“tailored”色散。这些镜片或者利用谐振工艺(Gires Toumois干涉计，GTI)，或者说，它们就是所谓的线性调频脉冲镜(chirped mirrors)。有了这些装置，激光束15的不同波长成分在反射之前穿透到各个镜片的各层中的不同深度。通过这样，不同的波长成分在各个镜片被延迟不同的长度；短波成分更向外地反射，例如(即，朝向表面)，而长波成分在镜片内的更深处被反射。这样，长波成分在时间上相对于短波成分被延迟。以此方式，在时间范围(优选处于10飞秒或以下的范围)上特别短的脉冲具有较宽的频谱的情况下，得到了色散补偿；这是由于激光晶体14中的激光束15的不同频率成分“看到”了不同的折射率，即，激光晶体14的光学厚度对于不同的频率成分是不一样大的，并且当穿过激光晶体14时不同的频率成分因此被不同程度地延迟。通过上述的在薄膜激光镜片M1、M2...M7上的色散补偿来抵消该效应。
如上所述，在工作过程中，在激光束15在短谐振器臂16以及长谐振器臂17中的每个往返中，激光脉冲的一部分(例如30％)通过外耦合镜OC被外耦合。实际操作中，激光谐振器12的长度在没有望远镜18时可以大约为2米，从而得到例如对应于75到100MHz的频率(例如80MHz)重复率。通过增大往返时间而减小重复率，例如，通过使用激光装置11进行材料加工，从而得到更高的脉冲峰功率，即脉冲能量，可以通过安装望远镜18来增长激光谐振器12的长度。在总谐振器长度增大八倍的情况下，即，例如，谐振器长度大约为15米或16米时，重复率大约为例如10MHz。为得到这些用于激光脉冲的长路径长度，在望远镜18中提供镜片装置从而得到激光束15的多重反射，使望远镜18的结构长度能够相应于该多重反射而缩短。
在图2中，示意性示出设置在矩形安装板19上的根据图1的这样的激光装置11，该板的大小为例如900毫米×450毫米。在该安装板19上，图1中用虚线框出的激光谐振器12的一部分20被固定封装在壳体内，并且，泵浦激光器21设置在安装板19上，泵浦光束13从该处经由两个镜片22、23射到激光谐振器20。如上所述，激光束15从该谐振器部分20出现在激光镜片M6的方向，从该处反射到激光镜片M7。从这里，激光束15进入望远镜18，其中，耦入镜24设置在望远镜18中，例如，设置在壳体内，位于两个相对设置的望远镜片25、26之间的多个光路之一上。该耦入镜24将激光束15反射到一个——在图2的左边——平面望远镜片25，其再将激光束15反射到相对设置的凹面弯曲的望远镜片26。在这两个望远镜片25、26之间，激光束15又被来回反射若干次，例如，八次，其中，在本例中，在围绕凹面镜26中心的假想圆的线上提供在凹面弯曲的望远镜片26上的总共8个反射点，它们对应于八次激光束反射，这在AT-A-763/2002中有进一步的说明。
最终，激光束15通过设置在耦入镜14附近的望远镜外耦合镜27从望远镜18外耦合出去，并且，沿着相同的光路，所述外耦合镜将激光束15反射到另一镜片28，并且激光束15从该处经由镜片29进入外耦合镜OC。为简便起见，这些镜片28、29(以及，类似的，镜片22到27)在图1的示意图中没有进一步画出。
在带有延长的激光脉冲往返时间的短脉冲激光装置的一个重要方面是激光振荡的稳定性，其中，必须形成正当的适配，考虑到各个镜片导致的激光束截面的图像。另一个对于工业应用特别重要的方面是，即，在材料加工的情况下特别重要的是，激光器11的紧凑性；上述尺寸，例如，900毫米×450毫米，对应于传统的工业用激光器，但是，在此处(参见图2)，望远镜部分18——其也可以形成分开的结构单元——额外安装，从而能够获得需要的更长的激光束15的往返时间并因而获得更高的脉冲能量，而无需增大尺寸。所寻求的是，脉冲能量处于几百nJ的量级而不是如从前的情况那样小于10nJ。因此，能够获得大于2MW的峰值脉冲输出。
但是，在实际操作中，已经显示出，由于高峰值强度，在激光晶体中出现了非线性光学效应，这被证明对于需要的以恒定平均输出功率获得增大的输出脉冲能量或称峰值输出的效果是有限制作用的。特别是，所述的非线性光学效应导致在激光装置的谐振器中循环的高能激光脉冲分别分裂为若干低强度脉冲。为了抵消该效果，适合于在净正色散范围内操作激光振荡器或激光谐振器，在该例中，高度短促的脉冲将在皮秒范围内形成，其具有显著降低的峰值功率。在现有技术中(参见S.Cho等人的发明，如在开头指出的)，在文中已经暗示了，在由棱镜、光栅或镜片或其组合构成的“压缩器”中，若干飞秒的脉冲持续时间之后在谐振器以外再次压缩激光脉冲，并相应再次提升峰值功率。根据该现有技术，为了总体调校谐振器中的色散，使用一对棱镜。
但是，已经知道，为了获得更短的脉冲并且同时获得更大的带宽，需要在各个光谱范围内(即各个带宽)，谐振器内的整个色散尽可能保持恒定，其中，如果整个色散仅仅略微为正，即仅仅略大于零，特别是仅为几十fs2，就更为有利。但是，一对棱镜提供的谐振器，如在现有技术中的那样，必然会导致更高阶的色散，从而在所需带宽上的所需的恒定性就不能获得。这在图3的图中很明显，其中示出了由熔融石英的棱镜实现的压缩器的色散过程。可以看到，在从700纳米到900纳米的波长范围内，色散GDD(GDD-群延迟色散)从低于-250fs2到略低于-50fs2，在大约850纳米处达到高于-50fs2的最大值。因此，在所述的光谱范围内，GDD的波动大于200fs2。在这样的色散过程下，不可能产生所寻求的短激光脉冲。
但是，在本发明的短脉冲激光装置11中，色散调校是通过各种介电镜起效果的，例如M1到M7，可供选择的还有望远镜片26、27等等，其中，已知的在层结构和层厚度上具有合适结构的色散镜(dispersion mirror)被与激光装置11的其余元件结合到一起，以调校所需的整个谐振器12的正净色散。这样，如图4中阴影区域所示，色散被保持在0到100fs2带宽的范围内，优选为0到50fs2，其中，曲线A表示本发明的具体实施例的色散过程。为了进行比较，在图4中由曲线B也示出了根据现有技术，在使用一对棱镜进行色散控制(参见S.Cho等人的发明)时得到的色散过程。与激光谐振器12中的其余元件相结合，该对棱镜导致如曲线B所示的净色散过程，其色散过程在图3中示意画出，可以看到，仅仅在大约180纳米的带宽上，色散处于所寻求的范围内，即，处于0到50fs2。另一方面，在整个图示的光谱范围上，从680纳米到960纳米，即在至少280纳米的带宽内，根据曲线A的色散处于所寻求的范围内，即从0到50fs2，这即使在更大的频带内也是一个规律。至于曲线B，必须补充说明，熔融石英的棱镜已经具有比较轻微的高阶色散特性，并因此，在优化时必须提前考虑到，但是，其中，和本发明的通过色散镜(色散镜)进行色散调校的情况相比，其结果仍然在本质上较差。
使用色散镜来进行色散控制导致所需的在谐振器12中的负色散被由其他成分引入的正色散所抵消。因此，例如，激光晶体14引入正色散，恰如谐振器12中包含的空气一样。可供选择的是，如图1举例性所示，两个可变的、即可调校的玻璃楔30可以设置在谐振器12中，例如，设置在望远镜18前面，以提供额外的正色散，其中，这两个玻璃楔30可以由熔融石英制成。
在本发明的短脉冲激光装置11处，为了再次压缩脉冲，达到几个飞秒的脉冲持续时间，在脉冲从谐振器中发出后，提供外部“压缩器”31，如图1和2所示；该压缩器还安装在安装板19上(见图2)，但是，其也可以形成分开的结构单元，类似于望远镜18。在图1和2中示意画出了该“压缩器”31由棱镜32、33构成。如可以具体看到的那样，经由外耦合镜OC外耦合出来的激光束在镜片34到镜片35处被反射，而该两个镜片再将激光束反射到两个上述的棱镜32、33，此处，激光束在其向前行进(在图1、2中朝向左边)的过程中首先被散开(fan)，直到其在端镜36处被反射。在激光束通过棱镜33和32返回行进的过程中，之前由于光谱中的不同波长以及由于相关联的不同的进行时间而变宽的该激光束再次聚拢(bundle)，其中，其路径相对于向前行进的激光束有所偏移，并因而通过镜35外耦合出去，如图1中箭头37所示。
在具体的实施例中，已经得到了如下表中指出的在波长为700纳米、800纳米和900纳米时对于各个元件以及整个谐振器12的色散值。
表
  激光晶体14  空气   望远镜18   玻璃楔30   色散镜   总体
  700nm   +430fs2  +669fs2   -1690fs2   +1078fs2   -447fs2   +40fs2
  800nm   +348fs2  +562fs2   -1460fs2   +865fs2   -297fs2   +18fs2
  900nm   +277fs2  +486fs2   -1510fs2   +682fs2   -74fs2   +9fs2
在此处的例子中，使用了厚度为3毫米的钛:蓝宝石晶体作为激光晶体14，这意味着在两个往返之后，如上所述，必须考虑到6毫米的总厚度。此外，这两个往返从外耦合镜OC开始直到返回外耦合镜OC，对于所有其他的元件也适用。
在具有10MHz重复率的示例的谐振器12中，有每往返路程15米的长度，因而必须考虑到相应的在谐振器12中的空气产生的色散。
在望远镜18中，必须考虑到每通过一次和每次望远镜片25或26的八个反射。
在谐振器12中的玻璃楔30的厚度为12毫米，它还额外引入了正色散，也就是说，必须考虑到对于两次通过来说的总共24毫米。
而且，为了色散调校，特别使用了有着合适的镜片设计的六个色散镜M6、M7、24、27、28、29。
在图5中，在实际样品中测得的信号自相关性的曲线图中，示出了相对于时间(也以任意单位表示)的信号强度(以任意单位表示)，可以从中算得27飞秒的脉冲时间。
在图6中，示出了相关的光谱，其中，信号强度还是以任意单位示出，现在是相对于纳米表示的波长λ示出的。
在本例中，在重复率为11MHz、波长范围Δλ约为40纳米时，得到的脉冲能量高于200nJ。

Claims (11)

1.一种短脉冲激光装置，优选带有被动锁模性质，其包括：包含激光晶体(14)以及若干镜片(M1-M7；22，23，OC)的谐振器(12)，该若干镜片的其中之一形成泵浦光束耦入镜(22)，且该若干镜片的其中之一形成激光束外耦合镜(OC)；以及，将谐振器(12)长度放大的多重反射望远镜(18)，工作中的谐振器(12)在涉及的波长范围上具有正平均色散，其特征在于，对于该谐振器(12)的正平均色散的调校通过谐振器(12)的各个镜片(M1-M7，22，23，OC)进行，该各个镜片中的至少一些设计成色散镜。
2.如权利要求1所述的短脉冲激光装置，其特征在于，在涉及的波长范围上平均得到的谐振器(12)的色散在0到100fs2的范围内调节。
3.如权利要求2所述的短脉冲激光装置，其特征在于，平均色散处于0到50fs2的范围。
4.如权利要求1-3中任一项所述的短脉冲激光装置，其特征在于，谐振器(12)的所有镜片都是色散镜。
5.如权利要求4所述的短脉冲激光装置，其特征在于，谐振器(12)的所有镜片都具有负色散。
6.如权利要求1-5中任一项所述的短脉冲激光装置，其特征在于，多重反射望远镜(18)的镜片(25，26)是色散镜。
7.如权利要求6所述的短脉冲激光装置，其特征在于，望远镜(18)的镜片(25，26)具有负色散。
8.如权利要求1-7中任一项所述的短脉冲激光装置，其特征在于，为了进行额外的色散精细调校，将带有正色散的一对玻璃楔(30)设置在谐振器(12)中。
9.如权利要求1-8中任一项所述的短脉冲激光装置，其特征在于，将科尔透镜锁模原理用于被动锁模。
10.如权利要求1-8中任一项所述的短脉冲激光装置，其特征在于，提供饱和滤光器(M4)用于被动锁模。
11.如权利要求1-10中任一项所述的短脉冲激光装置在材料加工领域的应用。
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