[发明专利]超短脉冲激光系统和产生飞秒或皮秒脉冲的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于产生飞秒或皮秒脉冲的超短脉冲激光系统和用于在这样的超短脉冲激光系统中产生飞秒或皮秒脉冲的方法。

背景技术

长期以来，超短脉冲激光系统(即，能够产生特征脉冲持续时间在飞秒或皮秒范围内的激光脉冲的激光装置)在现有技术的各种实施方式中是广为人知的。然而，过去都是在大气条件下实现操作，工作参数的相关限制也越来越明显。最近出版了关于超短脉冲激光谐振腔(其中，空气被认为是重要且同时限制的变量)的一些科学著作。这里，空气的非线性折射率n₂被认为是有问题的，所以试图减小这种影响。

因此，例如在Yb:KYW和Yb:KGW飞秒激光器中，原则上可产生例如持续时间为100-150fs甚或更短的极短脉冲。但是，这要求装置包括比较短的谐振腔和低输出功率或输出能量，例如，70MHz重复率下0.5W。只要激光谐振腔长度和脉冲能量二者增大，常规可以达到的最短脉冲长度就基本上可以变长，并且可以仅获得300fs甚或500fs的脉冲持续时间。在以下文献中描述了在特别高的功率下可获得的最短脉冲持续时间仅是500fs的这种激光装置的例子：Calendron A.et al.，“High powercw and mode-locked oscillators based on Yb:KYW multi-crystal resonators”Optics Express，Vol.16，No.23，10November 2008，pages 18839-18843。

为了消除空气的影响，US 2007/0223540和Plamer et al.，“Passivelymode-locked Yb:KLu(WO₄)₂thin-disk oscillator operated in the positive andnegative dispersion regime”，Optics Letters，Vol.33，No.14，15July 2008，pages 1608-1610提出用不同于大气的气体代替空气或者使激光器至少与谐振腔的位于可抽空压力容器中一些部分一起工作。这里，要使用的气体或气体混合物必须具有小于空气的非线性折射率。使用氦被认为是特别合适的，因为其非线性折射率显著(＞＞10倍)小于空气的非线性折射率。

现有技术提出的这些方案旨在与空气的值相比显著降低气体介质的非线性折射率或者产生真空。使用氦的缺点在于复杂的技术处理，因为很难对氦进行密封)。而且，在飞秒激光器的情况下，存在的缺点在于其工作点相对于脉冲长度而显著偏移(由于所述工作点直接依赖于谐振腔内的自相位调制，从而在充氦激光器的情况下，其很大程度依赖于气体介质的非线性折射率)。

另一个备选方案是重新设计激光装置使得可以使用极高程度的耦合输出，从而可以减小用于在谐振腔内提供耦合输出功率所需的功率或强度。结果，激光脉冲与气体介质之间的相互作用被减小或者不再是麻烦的，使得大气条件下的工作变为可能。为了实现例如，78％的耦合输出，激光器必须包括具有穿过激光介质的多条通路的装置，造成该装置具有相当大的复杂度。而且，这样的装置的缺点在于在所有通路上激光介质中的色差(aberration)是附加的，并且产生所安置的激光介质要求复杂地遵守制造公差。

最小化激光脉冲与空气之间麻烦的非线性相互作用的第三个备选方案是：在具有比较短的激光脉冲(例如，短于500fs)的飞秒激光器的情况下，使激光器不是工作在所谓的孤立子锁模工作范围内而是工作在正循环色散(positive cycle dispersion)的工作范围内或啁啾脉冲模式下。这里，谐振腔内循环的脉冲可以被保持地明显更长(即，例如几皮秒)，但是可以外部压缩到期望的飞秒脉冲长度。由于随后需要的脉冲外部压缩以及皮秒激光器就不稳定性而言更难稳定的问题而更加复杂的装置在这里是不利的。而且，到目前为止，实际获得的功率和脉冲长度并没有明显比在可比较的激光器中用孤立子锁模可以获得的要好。

因此，后面提出的两个方案基于更复杂或更昂贵的技术装置，并且原则上在可获得功率方面还受到限制。使用抽空谐振腔区或具有不同于空气的非线性折射率n₂的填充气体所存在的问题是，在压力变化或与空气混合的情况下，会产生激光器工作点的偏移。确切地讲，就鲁棒的长期工作而言，几乎无法实现相应的持久密封。此外，由于氦的原子重量，正是现有技术中优选的氦才难以长期密封。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种改善的超短脉冲激光系统和一种产生飞秒或皮秒脉冲的方法。