[发明专利]一种用于激光器自锁模的装置及方法

说明书

发明主题

本发明涉及一种用于激光器自锁模的装置及方法，尤其适用于脉冲型的激光器。

现有技术状况

激光器共振腔包括一种光学增益介质，该增益介质位于自准直排列的，即面对面排列的、两面镜子所限定的谐振腔里。当激活增益介质时，在共振腔里就保持一种光学振荡，从而该装置能发射出一条以占有空间和光谱亮度都很高为特征的光束。

激光器共振腔的自锁模特征在于能迫使短波长的光脉冲在所述谐振腔中循环，以产生高峰强度的脉冲，而且该脉冲的脉冲长度通常小于100可秒(10^-12)，根据所使用的增益介质还可达几飞秒(10^-15)。

激光器的类型包括连续型的激光器，其中增益介质是一直被激活的，也就是说以几秒到几个小时超时的规模被激活。因此，在谐振腔中相对脉冲的(往复)循环时间来讲，连续自锁模激光器能够产生循环率在几十到几百兆赫数量级的短波长的脉冲。

高的循环率表明这种型式的激光器会发出低能量的光脉冲。尽管如此，这种型式的激光器还是可以适用在需要高的平均光学能量和低的脉冲能量的许多应用上，例如LIDAR技术，或者“线性”吸收分光器，光电离分光器以及荧光分光器等。

另外，脉冲型式的激光器，其特征在于增益介质的工作循环非常低(小于1/50)。该增益介质只在很短的时间内被激活，通常以几十赫兹低的循环率持续不到一毫秒。在脉冲模式中，相对增益介质中大量储存的光学能量来讲，增益介质可以被暂时的、非常高能地激活，结果，自锁模脉冲激光器将会比连续型自锁模激光器产生更大能量的脉冲。然而，事实上，首先，在短暂激活过程中，增益介质的放大系数不是常数；其次，在激光器共振腔中光学振荡的稳定是一种需要一定时间的动态过程，而且在增益介质的激活时间内可能是不完全的，这就会限制自锁模的功效、必然的短暂以及产生的光学脉冲的能量稳定性。

脉冲激光器可应用在需要高能量的光学脉冲的生产加工中，例如材料的烧蚀，激光切割和表面处理，也可用于如多分子谐振电离或频率振荡分光器的“非线性”光学分光器中，而且还可以应用在需要激光的低循环率(时间分解测定)的任何技术中。

脉冲型自锁模激光器的一种方式是将含有染料(液体溶剂)、可能还结合有强度限制器的一个管子插入到激光器共振腔中。该装置有几个缺点，尤其是：

--在管子中循环的溶剂的流动性和非同质性是造成射出的脉冲的能量不稳定的主要因素；

--由于染料的化学或光化学的分解，因此为了获得最佳自锁模工艺就需要技术人员的不断介入。

美国专利US-A-4914658公开了一种固体状态的激光器，如：Nd：Y、Al、G(Nd：YAG)与一种非线性晶体和分光镜组合以制造一种用于自锁模激光器的非线性的光学装置。在本装置的最简化的实施例中，非线性晶体能使基本光束经增益介质放大后产生一束二次谐波。没有被非线性晶体转换的那部分基本光束在谐振腔中的振荡，利用分光镜的反向区分，该分光镜在二次谐波频率上的反射系数大于其在固有频率上的反射系数。

调节非线性晶体和分光镜之间的光学距离能够在基本光束和二次谐波的光束之间获得一适当的相位移，从而在非线性晶体中能有效地将二次谐波上的光束再转变回一基本光束。在非线性晶体和分光镜之间插入一个透光片也能获得这种相位移。

该非线性光学装置能够起到增加激光器共振腔的品质因数的作用，也就是说通过分光镜的再次反射降低了激光光束的能量损失，同时由增益介质产生的在固有频率状态下的光束的瞬时能量也增加了。换言之，该非线性光学装置在激光器共振腔的品质因数上引起一正反馈，作为在固有频率状态下的光束的瞬时能量的函数。

非线性光学自锁模装置的特征还在于：在二次谐波时光束能量与在固有频率下光束能量的比值随着固有频率下光束能量的增加而增加。

在EP-A-0951111中公开了基于US-A-4914658所描述的原理的、一种用于自锁模激光器的装置及方法，尤其适用于连续型的激光器。在这篇文献中公开了利用一种非线性晶体，将部分固有频率下的激光光束转变为二次谐波下的光束。没有被非线性晶体转换的那部分基本光束在谐振腔中振荡，借助于一个迟滞片和一个偏振器的组合被反向地区分开。在该文献中，增益介质是Nd：钒酸盐，非线性晶体是三硼酸锂，迟滞片具有λ/4＝1064nm和λ/2＝532nm的迟滞。将迟滞片放置在非线性晶体和分光镜之间，而偏振器放置在增益介质和非线性晶体之间。

在该文献中指出放置在非线性晶体后面的分光镜具有的反射系数，在二次谐波频率时不大于固有频率下的反射系数。