TWI591921B - 自我啓動之鎖模雷射振盪器 - Google Patents

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Description

自我啟動之鎖模雷射振盪器
本發明係有關於雷射振盪器，更詳細地說係有關於具有自我啟動性能的鎖模雷射振盪器。
在鎖模雷射振盪器中，腔模當光脈衝在振盪器中往返(roundtrip)時佈滿。這些振盪器包括使不同腔模之相位同步而將它們組織成一序列超短雷射脈衝的鎖模組件。
有數種機構可導致鎖模，包括雷射腔之放大增益、腔損或模結構的時序或光譜調變。這些機構的大類可以非線性光學行為或反應為特徵。在主動鎖模雷射中，鎖模過程用外部主動干預來控制。在被動鎖模雷射中，雷射本身的動力學調變空腔的參數。這兩類雷射可呈現豐富的動態行為而最終決定生成脈衝的工作參數及輸出特性，包括脈衝持續時間、平均功率、尖峰功率、模品質(mode-quality)、動態穩定性及自我啟動性能。
在鎖模非線性行為控制雷射振盪器的一個以上輸出特性時，鎖模雷射振盪器的輸出特性經常反映矛盾要求之間的設計折衷。此類矛盾要求的一例是需要非線性光學行為起作用長到足以使雷射振盪器自我啟動，這與非線 性光學行為只需要短時間起作用以產生超短雷射脈衝對抗。
有些雷射設計解決這些矛盾或競爭要求係藉由包括有不同非線性機構的兩個鎖模組件以使相位同步。例如，端面鏡(end mirror)中之一個或振盪器的增益材料可呈現影響腔模之相位的非線性機構，以及附加吸收體元件(absorber element)藉由調變振幅可鎖模該等腔模。解決上述競爭設計要求可藉由實作有不同特性時間尺度的非線性元件。
另一對矛盾設計要求涉及用於肇始非線性光學行為的光束強度。自我啟動機能偏好低肇始光束強度，然而把脈衝整形成超短脈衝的有效方法涉及高肇始光束強度。再者，有些雷射包括依賴不同非線性機構的不同組件以同時滿足這些設計要求。
不過，這些雷射使用兩個非線性元件以解決設計衝突也引進數個問題。每個非線性元件可能複雜昂貴。此外，效益常要付出代價。例如，有些設計所依賴的相位調變克爾效應(Kerr-effect)會引進時間、空間效應的非故意及不合意複雜耦合，而調變傳播通過基於克爾盒(Kerr cell)之非線性元件的脈衝。此調變在設計空腔時需要納入考慮，這會不便地增加設計的複雜度。此外，該空腔在不考慮克爾效應下對於自我啟動要有穩定性，以及用克爾效應產生短鎖模脈衝。滿足這些要求不是總能做到。以空腔參數的容差而言，此類設計的工作範圍可能很窄。所得雷射遭遇 環境干擾也可能不穩定。其他非線性元件也伴隨類似的挑戰。
本發明概述雷射振盪器的具體實施例以產生脈衝光束，其中該雷射振盪器包括一輸出耦合鏡(output coupler mirror)，其係經組配成可將該脈衝光束之反射部份反射回到該雷射振盪器，以及可耦合該脈衝光束從該雷射振盪器出來的輸出部份；一端面鏡，其係經組配成可使該脈衝光束回到該雷射振盪器；位於在該輸出耦合鏡與該端面鏡間之一光路中的一增益材料，其係經組配成可放大該脈衝光束；一自我啟動可飽和吸收體，其係經組配成可使該雷射振盪器的一脈衝鎖模操作自我啟動；以及一脈衝整形可飽和吸收體，其係經組配成可將該脈衝光束的脈衝整形成脈衝長度小於1,000飛秒(fs)的雷射脈衝。
該雷射振盪器的一些具體實施例包括一輸出耦合鏡，其係經組配成可反射該脈衝光束之一部份回到該雷射振盪器，以及可耦合該脈衝光束從該雷射振盪器出來的一部份；一半導體可飽和吸收鏡結構，其係包含經組配成可使該脈衝光束回到該雷射振盪器的一端面鏡層，經組配成可使該雷射振盪器之一脈衝鎖模操作自我啟動的一自我啟動可飽和吸收層，以及經組配成可將該脈衝光束之脈衝整形成脈衝長度小於1,000飛秒之雷射脈衝的一脈衝整形可飽和吸收層；以及位於在該輸出耦合鏡與該半導體可飽和吸收鏡間之一光路中的一增益材料，其係經組配成可放 大該脈衝光束。
100‧‧‧雷射振盪器
110‧‧‧非線性元件/可飽和吸收體/端面鏡
112‧‧‧可飽和吸收體/緩慢非線性元件
114‧‧‧克爾盒/快速非線性元件
120‧‧‧輸出耦合鏡
130‧‧‧雷射增益材料
140-1、140-2‧‧‧折疊鏡
200‧‧‧雷射振盪器
210‧‧‧端面鏡
212‧‧‧自我啟動可飽和吸收體/非線性元件
214‧‧‧脈衝整形可飽和吸收體/非線性元件
216‧‧‧基板
218‧‧‧鏡面層
220‧‧‧輸出耦合鏡
230‧‧‧雷射增益材料
240‧‧‧聚焦折疊鏡
240-1至4‧‧‧折疊鏡
TPS‧‧‧脈衝整形時間
TSS‧‧‧自我啟動時間
圖1圖示具有可飽和吸收體110的雷射振盪器100。
圖2圖示各種雷射振盪器的吸收率依時性。
圖3A圖示具有可飽和吸收體112及克爾盒114的雷射振盪器100。
圖3B圖示圖3A之雷射振盪器的吸收率依時性。
圖4A至圖4B圖示有兩個可飽和吸收體212及214的雷射振盪器200實施例。
圖5A至圖5D圖示雙吸收體雷射振盪器200的實作。
圖1略為詳細地圖示典型的被動鎖模雷射振盪器100。振盪器100可包括非線性元件110，例如用作振盪器100之雷射腔之端面鏡或反射鏡的可飽和吸收體110。振盪器100也可包括輸出耦合鏡120、雷射增益材料130，以及利於緊湊設計的一或更多折疊鏡(folding mirror)140-1、140-2等等。雷射增益材料130可用各種系統泵取，例如一或更多泵取二極體。泵取係激發增益材料130中的電子至較高的能階，電子隨後會被誘發躍遷回到低能態而放出佈滿振盪器100之腔模的中子。常用的術語是端面鏡110及輸出耦合鏡120定義雷射腔。
最先進的可飽和吸收體110為半導體可飽和吸收 鏡，或SESAMS，其係具有作為吸收體的量子阱結構。儘管在此以非線性元件110為可飽和吸收體來描述工作原理，然而其他具體實施例可使用其他的非線性元件，例如可飽和增益元件。在這些非線性元件中，傳播通過放大或吸收材料的光線會改變原子層級、分子層級或半導體能帶結構的居量密度(population density)從而改變該材料的增益、吸收或反射特性。
非線性可飽和吸收體元件110，例如SESAM 110，可吸收部份低強度入射光但是在光強度到達稱作飽和通量(飽和fluence)Fsat,a的閥值位準時變成飽和，這會損失吸收強度超過該閥值之光線的能力。有時這種飽和也被稱作可飽和吸收體110的激活。飽和通量取決於吸收體材料的原子、分子及光譜性質(spectroscopic property)以及用公式Fsat,a=hν/σa導出，在此hν為中子能量，以及σa為材料之吸收中心的吸收截面。Fsat,a的典型數值是在10μJ/cm2至500μJ/cm2之間。吸收體的飽和能量Esat,a為在吸收體位置處飽和通量Fsat,a與有效模場面積(effective mode area)Aeff,a的乘積：Esat,a=Aeff,a *Fsat,a。類似的關係式描述可飽和增益材料，其係連接增益材料的飽和通量Fsat,g與飽和能量Esat,g：Esat,g=Aeff,g*Fsat,g，在此Fsat,g=hν/σg，以及σg為材料之增益中心的增益截面以及Aeff,g為在增益材料位置處之有效模場面積。在有些情形下，未飽和吸收體110在光強度低於飽和閥值時可吸收吸收分數(absorption fraction)，例如1至10%的入射光。另一方面，一旦光束強度超過飽和閥值，吸收體110變 飽和以及它的吸收率可遠遠低於1%。
一旦振盪器100及其泵取二極體通電，該等腔模會佈滿以及光線開始在可飽和吸收體端面鏡110與輸出耦合鏡120往返。每一個往返，增益材料130使光線放大一放大分數(amplification fraction)。在低泵取功率從而低光束通量下，增益材料130的放大或增益分數低於可飽和吸收體110的吸收分數，從而阻止振盪器100的雷射作用開始。隨著泵取從而增益增加，放大分數可超過吸收分數以及可開啟振盪器100的雷射作用。只要光束通量仍然遠低於Fsat，吸收體不會有動態或非線性作用以及會以連續波模式發生雷射作用。
隨著泵取從而增益進一步增加，光束通量可向Fsat,a上升。可飽和吸收體110的非線性可在這些通量被激活以及導致動態作用：當振盪器100之腔模的相位碰巧經由隨機波動被積極地同步化，從而導致振幅增強的相位同步脈衝，其通量上升到飽和通量閥值Fsat,a以上，可飽和吸收體110的吸收分數遞減從而此相位同步脈衝逐一往返地被增益材料130放大而比光束的其餘部份強。相位同步脈衝的此一選擇性放大(常被稱作鎖模)發動雷射振盪器100的脈衝操作而不是連續波模式。
可將輸出耦合鏡120設計成在反射期間可傳輸百分之幾的入射雷射脈衝(其係由振盪器100釋出的雷射脈衝)。雷射脈衝的反射分數經歷下一個往返以及回到輸出耦合鏡120而被再放大，在此輸出耦合鏡120再度傳輸一部份 雷射脈衝。由於每個往返會重覆此過程，雷射振盪器100輸出一列雷射脈衝。此過程常被稱作雷射振盪器100之鎖模操作的自我啟動。
空腔內的材料，例如增益材料的玻璃或晶體，擁有色散(chromatic dispersion)導致脈衝的不同光譜分量在材料內以不同的速度傳播。此色散使脈衝不合意地加寬或展開以及增加鎖模閥值。因此，常見藉由在空腔中加入補償元件來控制光線在雷射腔中的色散，例如色散稜鏡對子或啁啾鏡(chirped mirror)。應注意，甚至可用此類補償元件補助自我啟動機構。
量化色散的有用措施是“群延遲色散”或GDD，它常被定義為：GDD=λ3/c2 * d2n(λ)dλ2 * L，在此λ為光線波長，c為光線速度，n(λ)為波長相依折射率，以及L為光路在空腔中的長度。光學元件的GDD等於110至140，以及例如藉由測量來確定或從設計推測出可存在於振盪器100中之任何其他光學元件的GDD。擁有GDD的知識，在空腔中可實作GDD大約與振盪器100之光學元件之測定GDD為相等相反值的色散控制器。以此方式設計成的空腔在脈衝的往返期間產生很少或沒有色散，這可排除上述問題以及增強雷射振盪器的效用。
色散補償也可抵消由光線之時變相位變化(這是由非線性效應造成)發動的額外脈衝展寬。當空腔被有效地補償而最小化由色散及非線性效應引起的時序脈衝展寬 時，空腔內的雷射脈衝被稱作孤立子(soliton)以及稱該雷射以孤立子鎖模方案操作。
圖2圖示可飽和吸收體110的短暫激活狀態：一旦激活或打開時，可飽和吸收體110的吸收率下降到近乎透明值只持續一段短時間，接著經過可飽和吸收體恢復時間才恢復吸收光線的能力。
被動鎖模雷射振盪器100的設計面對兩個設計要求：振盪器100預期能夠使鎖模操作自我啟動以及可將輸出脈衝整形成超短的高強度雷射脈衝。這些要求是矛盾及競爭的。一方面，該振盪器將能夠自我啟動，如果可飽和吸收體110保持打開一段夠長的自我啟動時間TSS以放大成為強脈衝的話，另一方面，用有不同周期之數個不同步腔模的意外對齊來產生小波動。自我啟動所需要的可飽和吸收體恢復時間TSS取決於數種材料特性而且變化範圍可很寬。曲線(a)顯示TSS的典型數值可包括數十飛秒(fs)至數十或數百奈秒，例如在10fs至100ns之間，在一些其他情形下，在100fs至10ns之間，又在其他情形下，在500fs至10ns之間。
另一方面，可飽和吸收體110的可飽和吸收體恢復時間愈長，放大的脈衝愈長。因此，第二設計要求，需要把脈衝整形成超短脈衝，例如整形成在數十飛秒範圍內的脈衝，係要求上述可飽和吸收體恢復時間為充分短的脈衝整形時間TPS以將脈衝整形成為超短脈衝。曲線(b)顯示脈衝整形時間TPS的典型數值可落在1fs至1ns之間，在一些其他情形下，在10fs至1ns之間，又在其他情形下，在50fs至 500fs之間。
此外，該雷射腔也需要以較長的脈衝累積時間尺度在許多往返期間在空腔中實現所欲動態行為。當雷射在此時間尺度穩定時，雷射以所謂的cw鎖模方案發射一列“連續波”鎖模脈衝。如果動力學在此累積尺度不穩定，結果是由在q切換強度包絡下有短鎖模脈衝的巨大q切換脈衝或在更隨機包絡下之脈衝組成的周期序列。雷射以此q切換鎖模(QML)方案操作可能損壞雷射的光學組件。因此，以cw鎖模方案操作常常是合乎需要的，例如在雷射脈衝注入後續的放大器時。
可飽和吸收體的設計也有矛盾的要求：這回是非線性被激活而啟用吸收體的閥值振幅。為了產生鎖模的超短脈衝，可飽和吸收體110應以較高的強度開啟。此類設計選擇只進一步放大意外形成脈衝的尖峰鄰域使脈衝變超短。為了更加完整，經常與吸收一起微調增益飽和及克爾透鏡化(Kerr lensing)以實現超短的較高強度脈衝。
可惜，一樣高的閥值振幅更有可能導致不合意的q切換。不過，這些競爭要求仍留下在沒有q切換下可實現cw鎖模的有限參數範圍。在不調整克爾透鏡化下，藉由微調吸收及增益飽和以滿足下列不等式，可實現抗QML穩定性：
在此qP(Ep)為對於在空腔中有腔內脈衝能量Ep的 給定鎖模脈衝，由可飽和吸收體引進之脈衝能量的往返損失；Est為脈衝能量的穩態值；TR為空腔的往返時間；以及τL為增益媒體之上態(upper state)的壽命。此方程式顯示對於小腔內功率，由飽和引起的損失減量應大於增益的減量，以便打開鎖模以及讓脈衝能量指數成長。不過，損失減量應限制在如由以上方程式中之損失導數限幅規定的某一腔內能量以上。從這點，增益會遞減快於損失遞減以及雷射脈衝停止進一步成長，而避免振盪及q切換。在方程式中，qP(Ep)為所有可飽和損失。例如在空腔中有兩個吸收體的矯形下，qP(Ep)為來自個別吸收體之貢獻的總合：qp=qp1+qp2。
總之，脈衝整形和自我啟動帶來恢復時間與脈衝整形的矛盾要求，以及QML穩定性帶來飽和通量的矛盾要求。滿足這些矛盾要求的需要對於使用單一非線性元件(例如，可飽和吸收體110)之被動鎖模雷射振盪器的設計產生實質的挑戰。
圖3A圖示一些雷射振盪器100可利用兩個非線性元件(即，緩慢非線性元件112與快速非線性元件114)以滿足這些衝突設計要求，如前述。例如，該緩慢非線性元件可為可飽和吸收體112而快速非線性元件可為克爾盒114。該克爾盒在空腔中可獨立的元件或增益材料130可提供折射率的非線性變化。振盪器100的其餘元件可與前述輸出耦合鏡120、增益材料130及折疊鏡140-1/140-2類似。
圖3B圖示吸收率之依時性(time dependence)可 能很複雜的設計。在光強度由於波動而超過閥值時，緩慢非線性元件112藉由它的吸收凹陷(absorption dipping)能夠自我啟動振盪器100，只要它的恢復時間TSS夠緩慢。快速非線性元件114可疊上這個緩慢恢復曲線使得較快的恢復過程有較快的恢復時間TPS以將脈衝整形成為超短脈衝。
不過，此類設計可能至少有下列缺點。(a)使用兩個非線性元件成本昂貴。(b)實作兩個元件佔用在窄小振盪器空腔中很珍貴的額外空間。(c)有兩個獨立元件使製程複雜化。(d)這兩個元件需要個別微調及校準。最後，(e)它們引進兩倍之多的非故意結果而需要進一步補償。問題(e)的出現主要是因為緩慢非線性元件112與快速非線性元件114通常使用不同的操作模式，例如調變相位的克爾效應以及調變振幅的SESAM。不同的操作模式可產生不同類型的非故意結果。例如，如上述，克爾效應引進時間、空間效應的不合意複雜耦合，在脈衝傳播通過非線性元件時調變它。此調變需要補償，例如，藉由插置附加動態透鏡於空腔中，而進一步增加設計的複雜度。
圖4A圖解說明提供上述矛盾設計挑戰之簡單解決方案的具體實施例。具體實施例之一是放大脈衝光束的雷射振盪器200，它可包括先前已介紹之元件的類似物：可使脈衝光束回到雷射振盪器200的端面鏡210，可將脈衝光束之反射部份反射回到雷射振盪器的輸出耦合鏡220，以及可耦合該脈衝光束從該雷射振盪器出來的輸出部份200，以及沿著光路位於端面鏡210與輸出耦合鏡220之間以放大光 束的雷射增益材料230。旨在狹小空間環境中操作的振盪器200也可包括一個或數個折疊鏡，例如240-1及240-2。
此外，振盪器200可再次包括兩個非線性元件212及214，一個是針對鎖模自我啟動要求，另一個是針對超短脈衝整形要求予以優化。不過，與振盪器100對比，在振盪器200的具體實施例中，非線性元件212及214可具有相同的工作原理，例如兩者可為可飽和吸收體。
在一些振盪器200中，自我啟動可飽和吸收體212與脈衝整形可飽和吸收體214可為獨立的光學元件。在一些振盪器200中，自我啟動可飽和吸收體212與脈衝整形可飽和吸收體214可為整合於單一端面鏡210內的不同層。在這兩個情形下，可選擇吸收體212及214的材料參數及位置以優化它們的機能。
優化可能涉及適當地選擇自我啟動可飽和吸收體212與脈衝整形可飽和吸收體214的恢復時間及閥值通量。自我啟動可飽和吸收體212可具有在10fs至100ns、100fs至10ns或500fs至10ns之範圍內的自我啟動恢復時間TSS。脈衝整形可飽和吸收體214可具有在1fs至1ps、10fs至1ps或50fs至500fs之範圍內的脈衝整形恢復時間TPS。因此，在有些情形下，脈衝整形恢復時間TPS可以比自我啟動恢復時間TSS短1至1,000倍。在其他具體實施例中，TPS可以比自我啟動恢復時間TSS短10至100倍。隨後描述閥值通量的適當範圍。
自我啟動可飽和吸收體212與脈衝整形可飽和吸 收體214各自可以透射或反射模式操作。
有工作原理相同之一對非線性元件212及214的振盪器200可用以下方式滿足先前列出的設計挑戰。(a)使用一對原理相同的非線性元件比較便宜，因為它們在同一的半導體晶體中可以整合方式形成為不同的層。(b)類似地，兩個原理相同的非線性元件可佔用較少空間，特別是在整合具體實施例中。(c)基於相同的工作原理，非線性元件212及214的連結製造也較簡單。(d)兩個原理相同的非線性元件212及214的校準也較簡單。以及，最後(e)由於兩個原理相同的非線性元件212及214基於相同的原理來操作，因此不需要兩個獨立補充機構用於非故意結果及效果。
為了強調最後一點(e)，在非線性元件110或至少一非線性元件112/114之操作基於克爾效應的雷射振盪器100中，係根據光強度經由時間、空間效應的複雜耦合來調變材料的折射率。在脈衝傳播通過非線性材料時，及時調變折射率。此調變的結果之一是與傳播方向垂直的脈衝空間分布在空間上會被扭曲，因為脈衝的最高強度中心部份比“它的兩翼”蒙受較高的相位調變，從而扭曲光束。此效應有時被稱作自聚焦(self-focusing)。此類雷射腔需要極小心地設計以及精確地實作。它們常常有腔內空間濾波器，例如光圈，使得整體空腔偏好所欲短脈衝模式以及抑制非鎖模或長脈衝模式。如前述，需要這種補償元件會增加設計的複雜度，需要微調雷射腔，以及實現雷射光束的穩定性及良好空間模式分布更具挑戰性。再者，克爾盒通 常有高很多的閥值通量以及難以用相對長的皮秒脈衝來操作它們。
振盪器200的一些具體實施例被併發作用激活係利用可飽和吸收作為非線性元件212及214的共享工作原理。振盪器200可運用可飽和吸收體212及214而不是克爾盒，因為可飽和吸收體不大幅度地調變光線的相位；它們主要作用於光振幅。用可飽和吸收作為共享原理不需要實現橫向模式(transversal mode)的控制機構於振盪器200中。
實現相同工作原理的有效方法之一是由相同的材料形成可飽和吸收體212及214，例如相同的半導體。
該振盪器的一些具體實施例可用可飽和增益而不是可飽和吸收作為共享工作原理，以及可使用兩個增益元件。
即使在原理相同的具體實施例中，仍需要處理上述設計挑戰。如果可飽和吸收體212及214形成於同一個半導體中，自我啟動可飽和吸收體212需要半導體的閥值通量低到它可藉由放大光束的小隨機波動來啟動振盪器200，而脈衝整形可飽和吸收體214需要閥值通量高到它可選擇以及只放大脈衝的尖峰，從而使它們儘可能最短。
圖4A圖解說明自我啟動可飽和吸收體212及脈衝整形可飽和吸收體214的透射具體實施例。圖4B圖解說明自我啟動可飽和吸收體212及脈衝整形可飽和吸收體214的反射具體實施例。該等振盪器200中有些可使用附加折疊鏡240-3及240-4。
圖5A至圖5C圖解說明振盪器200的一些具體實施例處理這些矛盾設計要求係藉由使兩個可飽和吸收體暴露於不同的光束強度，同時圖5D圖解說明其他具體實施例修改兩個可飽和吸收體的閥值通量，如下述。
圖5A的振盪器200可使雷射光束聚焦至焦點FS，例如利用可能結合光束擴展器(beam expander)的聚焦折疊鏡240。為了清楚起見，只明白圖示振盪器200的相關部份。使可飽和吸收體212及214對於焦點FS位於不同位置為控制個別吸收體所經驗之光束強度的有效方法，因為聚焦會壓縮焦點FS附近的光束半徑從而增加此處的光束強度(單位面積的光束能量)。藉由納入各種替代折射或反射元件，也可實現此一光束擴展及重新聚焦。
在振盪器200的這些具體實施例中，可安置靠近焦點FS的自我啟動可飽和吸收體212，在此光束被壓縮到最小半徑。因此，當在振盪器200通電後光線開始波動時，波動光束的強度或通量首先在靠近自我啟動可飽和吸收體212的焦點FS超過閥值。作為反應，自我啟動可飽和吸收體212被激活以及波動在往返期間被放大。由於自我啟動可飽和吸收體212有充分緩慢的恢復時間TSS，放大的波動可自我啟動振盪器200。
同時，由於脈衝整形可飽和吸收體214經定位成它離焦點FS比自我啟動可飽和吸收體212遠，在其位置處，同一光束以較大的光束半徑分布從而脈衝整形可飽和吸收體214所經驗的光束強度低於自我啟動可飽和吸收體212所 經驗的強度。因此之故，如果它們由相同的半導體形成因而有相同的閥值通量或強度，激活自我啟動可飽和吸收體212的相同波動不會激活脈衝整形可飽和吸收體214。一旦自我啟動可飽和吸收體212啟動振盪器200以及鎖模脈衝開始在若干往返後變得愈來愈放大，最終脈衝強度也在脈衝整形可飽和吸收體214的位置超過通量閥值，而使它激活或打開。一旦脈衝整形可飽和吸收體214也被激活，它開始使脈衝變窄而將它整形成為超短脈衝。
用另一種方式表達圖5A的設計，振盪器200在空間上可改變振盪器內光路中之脈衝光束的光束半徑R。自我啟動可飽和吸收體212可配置於振盪器200中光束半徑等於R1的第一位置，以及脈衝整形可飽和吸收體214可配置於振盪器200中光束半徑等於R2的第二位置，其中R1小於R2。
圖5B圖示振盪器200的另一整合具體實施例，在此自我啟動可飽和吸收體212及脈衝整形可飽和吸收體214不僅是由同一種的半導體形成，事實上也在相同的半導體晶體內：在端面鏡210的基板216上。在圖示的反射可飽和吸收體設計中，端面鏡210的鏡面層(mirror layer)218可從入射光束及反射光束形成駐波。類似圖5A之具體實施例的設計原理，自我啟動可飽和吸收體212可在光束強度高的地方形成，例如遠離駐波的節點處，而脈衝整形可飽和吸收體214可在光束強度較低的地方形成，例如比較靠近駐波的節點處。如上述，在此設計為意外波動形式時，光強度首先在自我啟動可飽和吸收體212中成長到通量閥值以上，而激 活它到自我啟動振盪器200。當脈衝在往返期間被放大時，光束強度到達閥值，即使在駐波的節點區(脈衝整形可飽和吸收體214位於此處)附近，從而激活脈衝整形可飽和吸收體214。一旦被激活，脈衝整形可飽和吸收體214則可將脈衝整形成為超短脈衝。
在這些架構中，用量子阱設計可有效地形成及安置該等可飽和吸收體層，因為可用遠小於光線波長的精度控制量子阱的厚度以及也可極為良好地控制該等層的成長條件。
在兩個可飽和吸收體層形成於同一半導體中的整合具體實施例中，由於該等層係相繼地成長，可應用不同的成長條件於自我啟動及脈衝整形可飽和吸收體層。對於可飽和吸收體層212及214，這些設計可實現不同的飽和通量及恢復時間。
圖5C圖示有圖5B之整合端面鏡210的振盪器200，其中自我啟動可飽和吸收體層212經定位成其係遠離光駐波的節點因而接近光駐波的極大值，而脈衝整形可飽和吸收體層214經定位成其係靠近光駐波的節點。
接下來，描述自由空間雷射振盪器200的各種具體實施例。雷射振盪器200可用作啁啾脈衝放大(CPA)雷射的種子雷射，在此放大脈衝係用於眼科手術。眼科手術雷射的波長在近紅外線有利，在此摻釹(Nd)或鐿(Yb)晶體或玻璃運行良好。雷射波長可在1030奈米至1070奈米之間。當振盪器脈衝在放大器中相繼放大時，振盪器的電力比較 不重要。因此，相對低10至250mW的平均功率可能足夠，以及脈衝持續時間在1fs至1,000fs之間，或150fs至500fs之間，以及重覆率在1MHz至1,000MHz之間，或40至150MHz之間。這些功率位準，脈衝持續時間及重覆率可用釹及鐿增益材料以緊湊的光學設置實現。例如，在平均功率100mW、脈衝持續時間300fs，重覆率100MHz，輸出耦合器5%及不可飽和損失(non-saturable loss)的雷射中，腔內平均功率可為2W，或尖峰功率約為6kW的20nJ能量/脈衝。
在空腔長度1.5米下，在晶體四周的平坦輸出耦合器及聚焦鏡以及有0.1米曲率半徑的SESAM，晶體內及在SESAM的模場面積可約為800平方毫米，這產生約2,400μJ/cm2的光學通量。為了防止Q切換，脈衝整形可飽和吸收體214可以3至10倍、2至30倍或1至100倍於脈衝整形可飽和吸收體214之飽和通量的光學或工作通量操作。對於脈衝整形可飽和吸收體214的飽和通量，此概念可設定在20至2,000μJ/cm2，80至1,200μJ/cm2，或200至800μJ/cm2之間的設計值。
由於振盪器200能夠產生比吸收體之恢復時間短達10倍的脈衝，特別是在孤立子鎖模方案下，脈衝整形可飽和吸收體的恢復時間可約為1至10皮秒，在有些情形下，約為3ps。
為了可靠地開始鎖模操作，自我啟動可飽和吸收體212能夠“預組織”雷射的模式以產生準隨機脈衝尖波，這可激活脈衝整形吸收體214。如果脈衝尖波在脈衝整形吸收 體214恢復時間之時間窗口內的能量含量為脈衝整形吸收體214飽和能量中的顯著部份，這會發生。為了以自我啟動吸收體212之飽和能量的5倍達成脈衝整形吸收體214之飽和能量的例如1/10，自我啟動吸收體212的飽和通量可比脈衝整形吸收體214的小5*10=50倍。在脈衝整形吸收體214有上述數值範圍下，約50比率的此一因子對於自我啟動吸收體212可轉換成約有0.5至40μJ/cm2，2至25μJ/cm2，或4至15μJ/cm2的飽和通量範圍。在各種具體實施例中，脈衝整形可飽和吸收體214之飽和通量與自我啟動可飽和吸收體212之飽和通量的比率可在1至100，2至30，以及3至10的範圍內，定義自我啟動可飽和吸收體212的其他飽和通量範圍。
自我啟動吸收體212的恢復時間也可長些，例如比所欲起始脈衝尖波長一個數量級，或脈衝整形吸收體214的恢復時間在10至100ps之間，例如30ps。
應注意，較長的恢復時間可減少吸收體的飽和通量，吸收體內的激發則可留在上能階愈久，可儲存更多處於上態的能量，以及鬆弛的激發不需要再上泵到上能階(upper level)。這對低飽和通量、長恢復時間自我啟動吸收體212的設計有利。也應注意，在開啟瞬態後，自我啟動吸收體212可以通量10至100倍於飽和(例如，約50倍於飽和)的全開狀態操作。此一深飽和也有助於防止Q切換不穩定性。
這兩個吸收體的飽和通量之間有10至100倍的差 額可分成兩個部份。以等於50的比率為例，10倍可來自自我啟動吸收體212與脈衝整形吸收體214的材料及光譜性質的差異。其餘的5倍可來自吸收體212、214相對於駐波模式在整合式分層型SESAM端面鏡210中之節點的不同位置。
圖5D圖示振盪器200的其他具體實施例是用不同的通量閥值或飽和閥值來形成可飽和吸收體212及214，而不是使可飽和吸收體212及214位於有不同光束強度的位置。在這種具體實施例中，即使吸收體經驗到類似甚至相同的光束強度，也可因閥值不同而以不同光束強度或通量變激活。類似於該等其他具體實施例，在有些振盪器200中，可形成飽和閥值低於脈衝整形可飽和吸收體214之飽和閥值的自我啟動可飽和吸收體212。在此一振盪器200中，波動首先以鬆弛時間TSS開始放大脈衝來激活自我啟動可飽和吸收體212。當脈衝振幅在多次往返期間放大而到達脈衝整形可飽和吸收體214的飽和閥值時而使其激活。然後，激活脈衝整形可飽和吸收體214將脈衝整形成為超短脈衝。在圖5D的具體實施例中，該脈衝整形可飽和吸收體也可當作端面鏡210。
在振盪器200的一具體實施例中，藉由由不同材料形成可飽和吸收體212及214，可實現閥值或飽和通量的差異。該等材料可選自SESAM材料，塊狀半導體吸收體，玻璃或晶體的原子吸收體，半導體量子阱，量子點，摻雜層結構(doping layer structure)，由有機染料、有機半導體或奈米碳管層組成的薄膜，等等。
在另一具體實施例中，可飽和吸收體層212及214可由類似材料形成但是它們的光譜性質被改變及修改。例如，可修改底下半導體晶體的吸收光譜以便藉由修改吸收體之量子阱中的層厚來改變吸收峰值。
在此回想量子阱為幾何範圍可與主體物質之量子激發波長相比的二維奈米結構：其電子、電洞、激子(exciton)及極子(polaron)等等。改變量子阱的光譜可藉由修改其結構、材料成分、缺陷或摻質濃度、離子植入及層中用不同成長條件所誘發的應力。利用不同的成長幾何，應用不同成長條件，缺陷位準，摻雜程度，及離子植入條件以實現所欲飽和通量及吸收恢復或鬆弛時間，也可微調及修改量子阱結構的光譜性質。
使用染料或有機半導體的可飽和吸收體具體實施例藉由輕微改變化學成分可客製化調整光譜性質。又在其他的吸收體具體實施例中，主體材料(例如，玻璃或晶體)可修改嵌入原子的光譜。藉由操縱染料及有機半導體的分子間相互作用，也可客製修改恢復時間TSS及TPS以及飽和或閥值通量。
儘管在此以自由空間的實作展現工作原理，然而在光纖振盪器中也可實現相同的原理。例如，雷射振盪器200可為二極體泵取式光纖振盪器200。振盪器可包括單一泵取二極體式許多各種其他二極體及二極體結構，例如由二極體組成的庫或叢集。光纖振盪器可遠小於自由空間振盪器以及可能需要較少的微調及校準。在手術室擁擠度為 壓迫限制的外科應用中，減少雷射振盪器200的空間範圍為如獲至寶的設計特徵。
在一些實施例中，振盪器200可包括其他結構以改善動態行為及脈衝品質，包括色散控制件，例如光纖布拉格光柵，以及含有穩頻桿的穩頻泵浦二極體，例如二極體內之容積布拉格光柵。此類雷射可提供有低雜訊及高脈衝至脈衝穩定性的脈衝。光纖可由摻雜釹(Nd)或鐿(Yb)的玻璃。
整體上，雷射振盪器200可輸出實質轉換有限的種子脈衝，例如有高斯形狀者。在一些實施例中，也可產生平頂脈衝。脈衝持續時間可小於1,000fs。在一些實作中，脈衝持續時間可在10至1,000fs的範圍內，在一些其他具體實施例中，在100至500fs的範圍內。脈衝頻率或重覆率可在1至1,000MHz的範圍內，在其他具體實施例中，在10至100MHz的範圍內。脈衝束的功率可在10至1,000mW的範圍內，在其他具體實施例中，在100至200mW的範圍內。
最後提到的是，描述於此之雷射振盪器200的廣泛應用之一是用作Q切換啁啾脈衝放大(CPA)雷射的種子脈衝來源。
儘管本文包含許多細節，然而它們不應被視作本發明範疇或可主張內容的限制反而是本發明特定具體實施例之專屬特徵的描述。本文在獨立具體實施例背景下提及的某些特徵也可以組合成單一具體實施例的方式實現。反 之，本文在單一具體實施例背景下提及的各種特徵也可以把多個具體實施例分成個體或任何適當次組合的方式實現。此外，儘管以上把特徵描述成是以某些組合的方式甚至如起初所主張的起作用，然而源於所主張之組合的一或更多特徵在某些情形下可從該組合刪除，以及所主張之組合可針對次組合或次組合的變體。
100‧‧‧雷射振盪器
110‧‧‧非線性元件/可飽和吸收體/端面鏡
120‧‧‧輸出耦合鏡
130‧‧‧雷射增益材料
140-1、140-2‧‧‧折疊鏡

Claims (14)

  1. 一種產生脈衝光束的雷射振盪器，其係包含：一輸出耦合鏡，其係經組配成可將該脈衝光束之反射部份反射回到該雷射振盪器，以及可耦合該脈衝光束從該雷射振盪器出來的輸出部份；一端面鏡，其係經組配成可使該脈衝光束回到該雷射振盪器；一增益材料，其係沿一光路、位於該輸出耦合鏡與該端面鏡之間，且係經組配成可放大該脈衝光束；一自我啟動可飽和吸收體，其係經組配成可自我啟動該雷射振盪器的一脈衝鎖模操作；以及一脈衝整形可飽和吸收體，其係經組配成可將該脈衝光束之脈衝整形成脈衝長度小於1,000飛秒的雷射脈衝；其中該雷射振盪器係經組配成可在空間上改變雷射功率密度；以及該自我啟動可飽和吸收體係被配設在一第一位置，該第一位置處的功率密度高於配設該脈衝整形可飽和吸收體之一第二位置處的功率密度。
  2. 如請求項1所述之雷射振盪器，其中：該自我啟動可飽和吸收體與該脈衝整形可飽和吸 收體為獨立的光學元件。
  3. 如請求項1所述之雷射振盪器，其中：該自我啟動可飽和吸收體與該脈衝整形可飽和吸收體為整合於同一基板上的獨立層。
  4. 如請求項1所述之雷射振盪器，其中：該自我啟動可飽和吸收體與該脈衝整形可飽和吸收體為與該端面鏡整合的獨立層。
  5. 如請求項1所述之雷射振盪器，其中：該自我啟動可飽和吸收體的自我啟動恢復時間TSS在以下範圍中之一者內：10fs至100ns，100fs至10ns，以及500fs至10ns。
  6. 如請求項1所述之雷射振盪器，其中：該脈衝整形可飽和吸收體的脈衝整形恢復時間TPS在以下範圍中之一者內：1fs至1ps，10fs至1ps，以及50fs至500fs。
  7. 如請求項1所述之雷射振盪器，其中：該自我啟動可飽和吸收體之自我啟動恢復時間TSS與該脈衝整形可飽和吸收體之脈衝整形恢復時間TPS的比率在以下範圍中之一者內：1至1,000，以及10至100。
  8. 如請求項1所述之雷射振盪器，其中：該自我啟動可飽和吸收體與該脈衝整形可飽和吸收體中之至少一者包含以下各物中之至少一者：一半導體可飽和吸收鏡(SESAM)，一摻雜層集合，一半導體量子阱結構，玻璃中之一原子吸收體，一量子 點，一薄膜或一有機染料，一有機半導體，以及一奈米碳管層。
  9. 如請求項1所述之雷射振盪器，其中：該自我啟動可飽和吸收體係經組配成可用透射模式與反射模式中之一者操作；以及該脈衝整形可飽和吸收體係經組配成可用透射模式與反射模式中之一者操作。
  10. 如請求項1所述之雷射振盪器，其中：該雷射振盪器係經組配成可在空間上改變該脈衝光束在該雷射振盪器內的光束半徑R；該自我啟動可飽和吸收體在該雷射振盪器中配置於光束半徑R=R1的第一位置；以及該脈衝整形可飽和吸收體在雷射振盪器中配置於光束半徑R=R2的第二位置；其中R1小於R2。
  11. 如請求項1所述之雷射振盪器，其中：該自我啟動可飽和吸收體與該脈衝整形可飽和吸收體均形成於該端面鏡內；該端面鏡係經組配成可由一入射光及一反射光形成一駐波，該駐波有至少一節點；以及該脈衝整形可飽和吸收體經形成其係比該自我啟動可飽和吸收體更靠近該節點。
  12. 如請求項1所述之雷射振盪器，其中：該脈衝整形可飽和吸收體之飽和通量與該自我啟 動可飽和吸收體之飽和通量的比率在以下範圍中之一者內：1至100，2至30，以及3至10。
  13. 如請求項1所述之雷射振盪器，其中：該脈衝整形可飽和吸收體之光學通量與該脈衝整形可飽和吸收體之飽和通量的比率在以下範圍中之一者內：1至100，2至30，以及3至10。
  14. 一種產生脈衝光束的雷射振盪器，其係包含：一輸出耦合鏡，其係經組配成可反射該脈衝光束之一部份回到該雷射振盪器，以及可耦合該脈衝光束從該雷射振盪器出來的一部份；一半導體可飽和吸收鏡結構，其係包含一端面鏡層，其係經組配成可使該脈衝光束回到該雷射振盪器，一自我啟動可飽和吸收層，其係經組配成可自我啟動該雷射振盪器之一脈衝鎖模操作，以及一脈衝整形可飽和吸收層，其係經組配成可將該脈衝光束之脈衝整形成脈衝長度小於1,000飛秒的雷射脈衝；以及一增益材料，其係沿一光路、位於該輸出耦合鏡與該半導體可飽和吸收鏡之間，且係經組配成可放大該脈衝光束；其中該自我啟動可飽和吸收層係配設在位在一第 一位置的該半導體可飽和吸收鏡結構內，在該第一位置處的脈衝光束之強度係大於該脈衝整形可飽和吸收層所配設之一第二位置處的脈衝光束之強度。
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