[发明专利]多级参量模块和包括该模块的皮秒脉冲激光源

说明书

一种多级光学参数(OP)模块，该多级OP模块被配置有上游光学参量放大(OPA)级、多个中间OPA级和输出OPA级，这些OPA级沿着单个光路径布置并且与在相应λp、λ₃和λ_f波长下的泵浦光束、信号光束和IR光束相互作用。OPA级中各自被设置有时间延迟补偿(TDC)组件，该TDC组件沿着单个光路径与OPA级交替。TDC组件各自被配置为补偿泵浦光束与信号光束之间的群速度失配，并且沿着OPA级之间的光路径引导IR光束、泵浦光束和信号光束，同时防止闲频光束在每个后续参量交互作用之后传播。

技术领域

本公开涉及皮秒激光器。具体地，本公开涉及一种基于光学参量模块的大功率准连续(QCW)皮秒激光器，该光学参量模块被配置有多个基于非线性晶体的参量放大器(OPA)级，以及利用该OPA模块的应用。

背景技术

许多科学和工业应用需要具有可调中心波长、可变光谱宽度以及在可见频率范围中具有不同的脉冲持续时间的高平均功率脉冲激光器。虽然已经开发了红外频率范围内的大功率单模(SM)激光器并且将其广泛应用于各种工业中，但是总体而言，大功率蓝光激光器并且特别是超快大功率蓝光激光器还没有执行在任何期望功率范围内，期望功率范围在几百瓦到至少1kW之间。

几乎没有用于产生蓝色激光的实际技术方法。一种方法包括制造基于氮化镓(GaN)的蓝色二极管激光器。具有长寿命的基于GaN的二极管激光器是未知的，并且基于GaN的二极管激光器受到有限的光学效率的影响。

多年来，开发基于超快蓝光激光器的源的最有效方法是基于非线性转换，即，锁模激光器的三倍频和四倍频，锁模激光器包括Kerr透镜锁模(KLM)Ti：蓝宝石激光器，Nd：YAG激光器、锁模EDFA、以及最近的纳秒(ns)Yb光纤激光器。

另一种流行的用于开发超快蓝光激光源的方法是基于参量(parametric)非线性光学设备。特别地，由于宽的调谐范围和平均功率可缩放性，绿光泵浦OPA、光学参量振荡器(OPO)和OP生成器(OPG)是有吸引力的激光源。例如，同步泵浦光学参量设备是可调相干辐射的可用超快源，其提供跨越宽光谱区域的平均功率。

参量过程中的能量守恒定律如下：

信号/闲频的二次谐波生成SHS/SHI：

信号/闲频和IR激光波长的和频生成SFS/SFI：

图1示出基于USP 7,106,498中公开的分级和频参量放大器的蓝光激光源的示例性示意图。该示意图相当好地代表了现有的蓝光激光源，并且包括分束器1，分束器1借助于多个反射镜9沿着两个不同的光学臂分别引导基频和泵浦频率下的光部分。在和频可调生成器(SFG)14中以光学方式组合在一起，输出包括以激光器领域的普通技术人员公知的方式生成的在相应不同频率处的四个光信号17、18、19和20。所示的具有分束器、合束器和多个反射镜的双臂示意图具有大的覆盖区和复杂的配置，这是已知的基于参量放大的蓝光激光器的极大缺点。

在参量过程中使用的各种NLO中，三硼酸锂LiB3O5(LBO)NL晶体已被证明特别抗损坏且无吸收，因此，适用于否则可能容易损坏的大功率参量设备。其它硼酸盐NL晶体(β-硼酸钡，BaB2O4或BBO和硼酸铋，BiB3O6或BiBO)和周期极化的NL晶体(PPTL，PPLN和PPKTP)可能同样有效，并且对于参量放大，有时甚至优于LBO晶体，这主要由于它们较大的非线性系数d_eff。不幸的是，由于所采用的临界相位匹配条件，当使用BBO和BIBO时的期望最小脉冲峰值功率相对较高。最常见的周期性极化的晶体易于受到光折射或光致变色损坏，这限制了平均功率的缩放。然而，各种应用仅可以受益于高平均功率的蓝光。参量转换不限于蓝光生成。借助于参量过程生成的其它波长可以有利地用于各种工业中。