專利名稱：激光束的多次反射延遲線元件以及包括該延遲線元件的諧振器和短脈沖激光器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光束的多次反射延遲線元件，該延遲線元件包括用于激光束的多次反射以便減小既定光程下激光諧振器的尺寸的反射鏡元件。
此外，本發(fā)明涉及包括該延遲線元件的諧振器和短脈沖激光器裝置。
背景技術(shù)：
近年來，短脈沖激光器裝置引起了越來越多的興趣，因為它們在＞1MW的脈沖峰值功率下具有在毫微微秒(fs)范圍內(nèi)的極短脈沖持續(xù)時間，所以它們能夠用于研究和工業(yè)中的許多應(yīng)用。具有在毫微微秒范圍內(nèi)的脈沖持續(xù)時間的這類短脈沖激光器裝置因此能夠用于在電磁輻射和物質(zhì)之間的相互作用的時間分辨的研究。另一方面，材料加工中的不斷微型化允許精確而高速地制造超精細(xì)結(jié)構(gòu)。具有高輸出脈沖能量和高重復(fù)頻率的毫微微秒激光裝置可理想地用于該目的。在這方面，希望擁有一種產(chǎn)生具有大約10毫微微秒的脈沖持續(xù)時間以及例如25至30nJ的能量的激光脈沖的激光裝置。常常，普通的鈦藍(lán)寶石毫微微秒激光器也尋求相對緩慢的脈沖重復(fù)頻率(大約10MHz而非例如80MHz)，因為它們能夠獲得更高的峰值脈沖功率或更高的脈沖能量，這對于材料加工來說是非常重要的。然而，這種較低的重復(fù)率進(jìn)而包括相對長的激光諧振器中的脈沖循環(huán)時間，從而導(dǎo)致諧振器長度相應(yīng)增加，這僅憑計算就可得出。
基本上認(rèn)為，激光諧振器必須具有既定光程Lr＝c0/2fr，其中c0＝激光速度，以便獲得既定重復(fù)頻率fr。毫微微秒振蕩器中的這種光程Lr一般說來由空氣構(gòu)成的傳播路徑來決定。為了減少諧振器的尺寸，早已有人建議在所謂的多次反射望遠(yuǎn)鏡中通過在對置的反射鏡上的重復(fù)反射來增加激光束的脈沖循環(huán)時間，例如，參見WO 2003/0983134 A2。
對于激光裝置，尤其是短脈沖激光器裝置的構(gòu)造而言，獲得緊湊的小尺寸仍然是一個關(guān)注的問題，即使沒有任何特殊的、縮短的脈沖重復(fù)率；其中，在這種情況下，當(dāng)然也可以實施在反射鏡元件上的多次反射原理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供以上定義的那類多次反射延遲線元件，以及包括該延遲線元件的激光諧振器和短脈沖激光器裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)特別小的緊湊型設(shè)計。本發(fā)明基于以下發(fā)現(xiàn)如果不使用如傳統(tǒng)短脈沖激光器裝置所常用的空氣傳播路徑，那么就可以減小諧振器的實際長度，在傳統(tǒng)短脈沖激光器裝置中，其光程和實際長度基本上相同，而如果使用在折射指數(shù)高于空氣的介質(zhì)中傳播，在該情況下，其實際長度與該折射指數(shù)成反比是可行的，即減小了該實際長度。本發(fā)明進(jìn)一步基于以下原理如果該激光束以相應(yīng)的傾斜角度撞擊具有不同折射指數(shù)的所述介質(zhì)與環(huán)境(空氣)之間的界面，這種介質(zhì)的使用和因此在具有不同折射指數(shù)的所述介質(zhì)與環(huán)境(空氣)之間的界面的存在使得激光束全部反射。眾所周知的，在界面上的該全反射臨界角取決于該兩種折射指數(shù)的商。
相應(yīng)地，以上定義的那類根據(jù)本發(fā)明的多次反射延遲線元件的特征在于，所述的反射鏡元件由玻璃元件的兩個對置排列且沿縱向延伸的拋光表面構(gòu)成，該玻璃元件優(yōu)選為玻璃棒，該玻璃元件在一個方向上延伸，并且進(jìn)一步包括拋光的激光束入射表面以及拋光的激光束出射表面，其中該玻璃元件的反射鏡元件的表面位于該入射表面和出射表面之間，并且與該激光束形成了一角度，該角度至少等于全反射臨界角，而該入射表面和該出射表面與該激光束形成小于該全反射臨界角的角度。
這種結(jié)構(gòu)可以有利地實現(xiàn)上述目的，同時，與空氣傳播路徑相比，獲得了實際長度的減小，該減小對應(yīng)于商1/n，這由玻璃折射指數(shù)n給出，此外還對應(yīng)于系數(shù)1/sinθ1，其中，角度θ1是每個激光束撞擊玻璃元件/環(huán)境界面的角度，即，玻璃元件的平面拋光面上撞擊的角度；因此，根據(jù)該激光束的多次反射和根據(jù)該玻璃元件的玻璃材料的折射指數(shù)，該激光束因此在玻璃元件中被“延遲”，其中，例如，在具有既定長度和厚度以及既定折射指數(shù)的玻璃棒的情況下，作為該入射角θ1的函數(shù)，將獲得幾乎2倍的光程長度，對應(yīng)于的激光束穿過延遲線元件時的相應(yīng)時間延遲，例如，對于具有大約70mm長度的玻璃棒來說，大約延遲40ns。換句話說，為了達(dá)到相同的延遲或相同的光程長度，空氣中的直線傳播路徑幾乎是目前的延遲線元件的長度的2倍。如果不是只提供一個延遲線元件，而是在一個激光諧振器或激光裝置中安裝幾個延遲線元件，那么可以顯著減小該諧振器長度或該激光裝置的尺寸。
由于生產(chǎn)的原因，也為了確保在全反射期間的一致條件，優(yōu)選地，該玻璃元件的拋光反射鏡元件表面彼此平行。該玻璃元件的拋光反射鏡元件表面之間的相對距離優(yōu)選為該玻璃元件中的激光束的平均波長的至少30倍。這可以優(yōu)化玻璃元件中的全反射數(shù)。
出于對稱性的考慮，此外，如果該玻璃元件的激光束入射表面和激光束出射表面相互平行，那么這將是有利的。由該玻璃元件形成的延遲線元件或組件從而可以同樣地從任何一側(cè)進(jìn)行操作。
脈沖持續(xù)時間在微微秒和毫微微秒范圍內(nèi)的超短激光脈沖具有在該頻率范圍內(nèi)的寬譜。已經(jīng)證實了具有跨越全部光學(xué)倍頻程的光譜(例如在500-1000nm之間)的脈沖，而且輸送具有約200nm的譜寬(以800nm的平均波長為中心)的脈沖的短脈沖激光器裝置早已在市場上可買到。為了形成在該時間范圍內(nèi)的短脈沖，寬帶信號的頻率成分必須要一致。由于折射指數(shù)的波長依賴性(也稱為色散)，在穿過致密的光學(xué)介質(zhì)時，不同的光譜成分被不同地延遲。為了定量地描述這一效果，引入了群延遲色散(GDD)，在下文中簡稱為GDD，作為在圓周頻率之后的光譜相位的二階導(dǎo)數(shù)。如果光學(xué)系統(tǒng)的GDD等于0，激光脈沖在穿過該系統(tǒng)時的持續(xù)時間保持不變。然而，如果該光學(xué)系統(tǒng)的總GDD≠0，那么在該系統(tǒng)的出口的脈沖持續(xù)時間的值不同于在其進(jìn)口時的值。為了抵消這一脈沖變化，必須補(bǔ)償該光學(xué)系統(tǒng)中的GDD，即，必須引入相同值然而符號相反的GDD。為了實現(xiàn)這種色散補(bǔ)償，開發(fā)了各種光學(xué)組件棱鏡對，柵板對和色散反射鏡(例如，參見US 5,734,503A)。由于色散多層反射鏡(通常稱為啁啾反射鏡-CMs)有較大的帶寬、用戶友善性和緊湊性，它們已經(jīng)越來越多地用于科研和工業(yè)應(yīng)用。
本發(fā)明光學(xué)延遲元件現(xiàn)在不僅能夠卓有成效地延遲激光脈沖，而且，作為本發(fā)明的進(jìn)一步深入，還可以對GDD進(jìn)行精確和簡單的控制，其中，尤其可以有利地全部或部分補(bǔ)償、或者甚至過度補(bǔ)償通過玻璃傳播路徑所引入的群延遲色散。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，多層干涉濾光片可用于控制GDD(參見Gires F，Tournois P(1964)Interférometre utilisable pour la compensationd′impulsions lumineuses modulées en fréquence.C.R.Hebd.Acad.Sci.2586112-6115)。在CM反射鏡上的反射期間，激光束的不同波長成分在被反射之前以不同深度穿透所述CM反射鏡的各層。因此，作為各自的穿透深度的函數(shù)，不同的頻率成分延遲不同長度的時間。因為許多光學(xué)成分具有正GDDs，所以GDD補(bǔ)償在大多數(shù)情況下需要負(fù)GDD。為了獲得負(fù)數(shù)GDD，該短波波包在CM反射鏡的上層反射，而長波部分在被反射之前更深地穿透CM反射鏡。如此，該長波頻率成分相對于短波成分在時間上延遲，這將導(dǎo)致所需的負(fù)數(shù)GDD。然而，GDD的控制不僅在借助啁啾反射鏡(也就是CM反射鏡)的情況下可行，而且借助諧振器狀的多層濾光片(共振色散反射鏡)也是可行的，參見前述Gires F，Tournois P的文章或文獻(xiàn)US 6,222,673 B1，US 6,154,318 A和WO01/05000 A1。在這些技術(shù)中與濾光片相互作用的光束的群延遲的頻率相依性通過該多層結(jié)構(gòu)中的各種波包的存儲時間而控制。
已經(jīng)有人提出了色散多層反射鏡的不同設(shè)計方法和實施方案。用于計算色散多層的層厚度的準(zhǔn)分析方法(例如，參見Matuschek N，Krtner FX，Keller U(1999)具有按用戶規(guī)格訂制的色散特性的雙啁啾反射鏡的分析設(shè)計。IEEE J.Quantum Electron.35129-137；Szipcs R，Kházi-Kis A(1997)啁啾介質(zhì)激光反射鏡的理論和設(shè)計。Appl.Phys.B65115-135；Tempea G，Krausz F，Spielmann Ch，F(xiàn)erencz K(1998)用啁啾介質(zhì)反射鏡的對150THz的色散控制。IEEE JSTQE 4193-196；US 6 462 878 B1)現(xiàn)在已經(jīng)允許設(shè)計具有高達(dá)400nm的帶寬的CM反射鏡(在780或800nm的平均波長下)。一對反射鏡(Laude V.和Tournois P.(1999)用于超寬帶色散控制的啁啾反射鏡對，Conference on Lasers andElectro-optics(CLEO/US)，OSA Technical Digest Series，OpticalSociety of America，Washington，D.C.，paper CtuR4以及US 6 590925 B1)和具有楔形正面的CM反射鏡(Matuschek N，Gallmann L，Sutter DH，Steinmeyer G，Keller U(2000)具有超光滑寬帶色散特性的背面涂布的啁啾反射鏡.；Appl.Phys.B 71509-522；Tempea G，Yakovlev V，Bakovic B，Krausz F，F(xiàn)erencz K(2001)傾斜的前界面啁啾反射鏡；JOSA B 181747-1750；以及WO 02/06899 A2)已經(jīng)使得在全光學(xué)倍頻程范圍內(nèi)，例如在500nm和1000nm之間的GDD控制變得可行。順便提一下，所有那些進(jìn)展目的在于擴(kuò)大色散反射鏡的帶寬，而沒有改進(jìn)用CM反射鏡或延遲線元件形成的諧振器的緊湊性。越來越多的工業(yè)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用然而要求開發(fā)極度緊湊和穩(wěn)定的毫微微秒源。
本發(fā)明延遲線元件，也稱為集成色散延遲線(IDDLs)，與緊湊度明顯超過使用用于GDD控制的CM反射鏡或棱鏡對的振蕩器的激光源組件結(jié)合，現(xiàn)在能夠精確控制GDD。
因此，根據(jù)本發(fā)明的延遲線元件的一個特別有利的進(jìn)一步的實施方式的特征在于，玻璃元件在拋光反射鏡元件表面的外例具有引起反射激光束的既定群延遲色散(GDD)的多層涂層。根據(jù)本發(fā)明的光延遲線元件或組件因此在玻璃元件的反射表面(界面)上設(shè)有多層干涉濾光片，它以本身常規(guī)的方式根據(jù)相應(yīng)的愿望引入了群延遲色散。一般說來，包括常規(guī)組件例如激光晶體、半透明鏡等的激光系統(tǒng)具有正GDD，為了能夠在此類情況下進(jìn)行補(bǔ)償，本發(fā)明延遲線元件的玻璃元件的拋光表面的涂層應(yīng)該通過以不同長度的時間儲存不同波長的激光輻射而產(chǎn)生負(fù)值GDD。這樣做時，玻璃元件的反射拋光面的反射率則不會改變，與色散反射鏡或諧振色散反射鏡相反(WO 01/05000 A1)。這些表面的高反射率由所提到的全反射提供，由所述涂層提供的多層干涉濾光片僅僅用于形成既定的GDD。這也與例如在US 6,256,434 B1中提出的技術(shù)相沖突，根據(jù)該文獻(xiàn)，激光晶體在兩面設(shè)有多層涂層，以便在該晶體上提供多層反射鏡，使得該激光束被“禁錮”在該晶體中，此外，產(chǎn)生了負(fù)值GDD。然而，用本發(fā)明延遲線元件，該涂層僅用于誘發(fā)既定GDD，而借助全反射獲得了高反射率，隨后可以用該多層涂層引入特別高的GDD值，以便能夠獲得用于光學(xué)長延遲線的緊湊結(jié)構(gòu)。這將在以下具體的示例實施方案中得到更加清楚地證明。
所述涂層的使用能夠?qū)⒑愣ɑ蝾l率依賴的GDD引入到本發(fā)明的延遲線元件中。尤其，所引入的GDD可以是負(fù)值，其中，在同是為了補(bǔ)償該系統(tǒng)的其它部分的正GDD的過度補(bǔ)償?shù)囊饬x上，它的絕對值還大于沒有涂層的玻璃元件中的激光束的整個路徑長度的正GDD。然而，當(dāng)然還可以確定負(fù)GDD值，使得它的絕對值基本上等于玻璃元件中的路徑長度的正GDD值，以便精確補(bǔ)償本發(fā)明延遲線組件的GDD，因此，根據(jù)群延遲色散獲得外部中性延遲線組件。順便說一下，當(dāng)然還可以想到，如果被認(rèn)為對于特定應(yīng)用有用的話，由該涂層引入的負(fù)GDD的絕對值小于總玻璃路徑的正GDD。
如果要滿足高質(zhì)量要求，該玻璃元件可以有利地由石英玻璃(熱解法硅石)制備，然而它還可以由BK7玻璃(以該名稱為大家所知道的硼冕玻璃)或CaF2玻璃(氟化鈣玻璃)制成，如果激光裝置的應(yīng)用與緊湊性和堅固性相關(guān)，則采用BK7玻璃較好，CaF2玻璃的特點在于其低折射指數(shù)和采用既定色散涂層使其具有比較高的總延遲線凈色散。
該玻璃元件的激光束入射表面和出射表面與該激光束一起優(yōu)選形成了本身已知的布儒斯特角。然而，該入射表面和出射表面還可以設(shè)有任何其它已知的抗反射涂層。從而可以防止在這些表面上的不希望有的降低效率的反射。
在該玻璃元件的反射拋光表面上設(shè)有的多層涂層例如可以用SiO2和TiO2層形成，或用SiO2和Ta2O5層形成，就其穩(wěn)定的激光束產(chǎn)生來說，尤其在多光子顯微鏡檢查、太拉赫產(chǎn)生、光譜學(xué)以及材料加工的應(yīng)用中，所述材料已經(jīng)證明是較好的。然而，就涂布工藝的便利來說，SiO2和Nb2O5層已經(jīng)證明是較好的。
本發(fā)明延遲線元件可以有利地在用于產(chǎn)生短脈沖激光的激光諧振器和短脈沖激光裝置中使用，如果使用幾個這種延遲線元件或延遲組件，那么是特別有利的，因為它們能夠獲得具有極小尺寸的諧振器和激光裝置的特別緊湊的結(jié)構(gòu)。


在下文中，參考附圖用優(yōu)選的示例性實施方案來詳細(xì)說明本發(fā)明，然而，本發(fā)明不限于這些實施方案。其中圖1是包括圖示延遲線元件的短脈沖激光器裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的延遲線元件的縱向示意圖；圖3描述了沿圖2的線III-III剖取的、通過這類玻璃元件延遲線元件的示意性剖視圖；圖3A是類似于圖3的、通過改變的玻璃元件延遲線元件的示意性剖視圖；圖4是說明了在使用具有目的用于GDD補(bǔ)償?shù)亩鄬油繉拥倪@種延遲線元件時獲得的負(fù)GDD(fs2)隨波長(nm)變化的函數(shù)關(guān)系圖；和圖5和6示意性描述了延遲線元件在激光諧振器或短脈沖激光器裝置中的兩種可能的排列。
具體實施例方式
圖1示意性地顯示了傳統(tǒng)的短脈沖激光器裝置11，該裝置本身是已知的，例如采用已知用于產(chǎn)生短脈沖的克爾透鏡模式鎖定原理。
根據(jù)圖1的激光裝置11包括諧振器12，向該諧振器12供給泵浦光束13，例如氬氣激光束。該泵浦激光器本身，例如氬激光器，為了簡化起見而在圖1中被省略，該激光器屬于現(xiàn)有技術(shù)。
在通過透鏡L1和分色鏡M1之后，激發(fā)光束13激發(fā)激光晶體14，在本實施例中該激光晶體14為鈦藍(lán)寶石(Ti:S)固體激光器晶體。該分色鏡M1可透過該激發(fā)光束13，然而高度反射該Ti:S激光束15。該激光束15，即諧振器光束，隨后碰撞激光反射鏡M2和被激光反射鏡M2反射到激光反射鏡M3。激光反射鏡M3進(jìn)而將該激光束反射到激光反射鏡M4，由激光反射鏡M4將該激光束15反射回到激光反射鏡M3，M2和M1，再次通過該激光晶體14。包括反射鏡M2，M3和M4的該諧振器部件形成了第一諧振器臂16，它在所示出的實施例中為Z形。
激光束15然后從反射鏡M1反射到激光反射鏡M5，從那里反射到激光反射鏡M6，進(jìn)一步反射到激光反射鏡M7，這些形成了同樣以Z形方式折疊的第二諧振器臂17。該激光束15從激光反射鏡M7到達(dá)延遲線元件18，該元件在圖1中僅僅示意性插入，從該元件再到達(dá)用作輸出耦合器的端鏡OC。經(jīng)由該輸出耦合端鏡OC，激光束15的一部分耦合輸出，同時提供補(bǔ)償選擇，其中提供補(bǔ)償小片CP以及采用薄層技術(shù)制成的鏡片(未示出)用于色散補(bǔ)償，并且務(wù)必使得在激光諧振器12的方向上不出現(xiàn)不希望有的反射。
激光晶體14是平面平行體，它是光學(xué)非線性的并形成了克爾元件，激光束15的電場強(qiáng)度越高，該激光晶體具有越高的有效光學(xué)厚度，但如果減小該激光束的電場強(qiáng)度，則具有較小的有效光學(xué)厚度。本身已知的這一克爾效應(yīng)用于激光束15的自聚焦，即，該激光晶體14形成了該激光束15的調(diào)焦透鏡。此外，能夠以本身已知的方式實現(xiàn)模式鎖定，例如借助光圈(例如參見AT405992 B)；此外，還可以設(shè)想將端鏡之一，例如M4設(shè)計為可飽和的布拉格反射器而因此使用它來實現(xiàn)模式鎖定。
反射鏡M1，M2...M7可以用薄膜技術(shù)實現(xiàn)，即，它們各自由多層構(gòu)成，該多層在具有大的光譜帶寬的超短激光脈沖的反射期間實現(xiàn)它們的功能。該激光束15的各種波長成分在被反射之前以不同深度穿透到各個反射鏡的各層中。這引起了各種波長成分在各個反射鏡上的不同長度的延遲；短波成分在更外面被反射(即，接近表面)，而長波成分在反射鏡中的更深處被反射。這導(dǎo)致長波成分相對于短波成分在時間上被延遲。這樣，以已知的方式提供了色散補(bǔ)償，因為時域特別短的脈沖(優(yōu)選在等于或小于10毫微微秒的范圍內(nèi))具有寬的頻譜。這歸因于以下事實激光束15的不同頻率成分“了解”激光晶體14中的不同折射指數(shù)，即該激光晶體14的光學(xué)厚度對于不同頻率成分來說是不同的，因此，在穿過該激光晶體14的時候，不同頻率成分被不同地延遲。這一效果能夠通過在薄層激光反射鏡M1，M2...M7上的所謂色散補(bǔ)償來克服。
迄今已經(jīng)描述了具有模式鎖定的短脈沖激光器的結(jié)構(gòu)，它本身是常用的(例如，參見WO 03/098314 A2)，因此，在這里不需要詳細(xì)說明。
如以上所指出的，在操作過程中，在激光束15的每一循環(huán)時借助輸出耦合器，即端鏡OC將該激光脈沖的一部分耦合輸出。為了即使在所形成的諧振器具有較小尺寸的情況下也獲得所需循環(huán)時間，從而獲得所需的重復(fù)率，通過安裝延遲線元件18來增加激光諧振器12的長度(即光程)。
這樣做時，提供了多次反射，然而以不同于短脈沖激光器裝置的方式，該短脈沖激光器裝置以已知的方式裝有用于延遲元件的望遠(yuǎn)鏡(WO 03/098314 A2)。本發(fā)明利用全反射的效應(yīng)，這將在下文通過圖2和3來說明，圖2和3舉例說明了延遲線元件18的一個至少目前特別優(yōu)選的實施方案。
當(dāng)光束(激光束)從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時，在相應(yīng)的該光束的傾斜入射時將發(fā)生全反射。全反射已用于激光裝置，以便增加該激光束和該激光晶體之間的相互作用的長度并且獲得提高的光束品質(zhì)(參見US 6,658,036 B1和US 2004/0062284 A1)。
在分別具有折射指數(shù)ni和nt的兩種介質(zhì)之間的界面上發(fā)生全反射的最小角被稱為臨界角θc，用下式來表示θc＝arcsin(nt/ni)。
激光束15經(jīng)由傾斜的入射表面S1(參見圖2)，以與玻璃元件21(例如玻璃棒或玻璃小片)的優(yōu)選平行的表面S2、S3形成角度θ1＞θc的方式耦合進(jìn)入玻璃元件21中；由于全反射，激光束15在玻璃元件21中傳播，直到以θ2＜θcrit的角度撞擊在相應(yīng)的傾斜的出射表面S4上為止，以便在沒有任何進(jìn)一步的全反射的情況下出射。因此，激光束15傳播經(jīng)過的光程L＝a/sin(θ1)，該光程L比玻璃元件21的實際長度大1/sin(θ1)倍。
代替如圖3所示的玻璃棒，如上文所指出的和在圖3A的剖面圖中所示出的，當(dāng)然可以使用具有稍微不同形狀例如小片形狀的玻璃元件作為所述玻璃元件21。在這種情況下，玻璃元件21的側(cè)面(在窄邊上)還可以按弓形而非直線或矩形方式形成，另一方面，在圖3的剖面圖中所示的玻璃棒玻璃元件21也可以具有相應(yīng)的向外彎曲的側(cè)面。
如上文所指出的，激光諧振器必須具有既定光程Lr＝c0/(2fr)，以便達(dá)到既定重復(fù)頻率fr。如果延遲線元件18不是由空氣路徑構(gòu)成，而是由玻璃元件21形成，那么，相對于具有空氣傳播路徑的諧振器，該諧振器的實際長度現(xiàn)在可以減小大約1.45倍(這對應(yīng)于目前的玻璃的折射指數(shù))，在具有空氣傳播路徑的諧振器中，光程和實際長度實際上是相同的。該實際長度根據(jù)另一系數(shù)1/sinθ1減小，因為如圖2所示，光束15不是沿著玻璃棒21直線傳播，而是由于全反射而在它的表面S2、S3之間來回反射。
為了能夠使這種延遲線元件18特別有利地應(yīng)用于緊湊型短脈沖激光振蕩器的構(gòu)造(尤其是毫微微秒激光振蕩器)，它應(yīng)該包括負(fù)值群延遲色散(GDD)，以便補(bǔ)償其余激光器組件(激光晶體14，半透明反射鏡M1，OC等)的正GDD。然而，光學(xué)玻璃將以大多數(shù)短脈沖激光器的波長引入正GDD；例如，大多數(shù)目前的光學(xué)玻璃在800nm(Ti藍(lán)寶石激光器的平均波長)下將引入從30fs2/mm到50fs2/mm的GDD。根據(jù)圖2和3的光學(xué)延遲線元件18，即玻璃元件21，現(xiàn)在在其對置的反射表面S2、S3上具有多重干涉濾光片，即，多層涂層B、B’；這些多層涂層B、B’通過以不同長的時間段“儲存”不同波長的輻射而產(chǎn)生負(fù)值GDD。不像諧振色散反射鏡(例如，參見WO 01/05000 A1)，所述多層干涉濾光片卻不會改變表面S2、S3的反射率(即，反射能力)。因為表面S2、S3的高反射率通過所述全反射提供，所以該多層干涉濾光片B，B′僅用于誘發(fā)既定GDD。如果該多層涂層B、B’僅用于誘發(fā)既定GDD(并且高反射率通過全反射獲得)，那么如在以下實施例中所表明的，涂層B、B’能夠引入更高的GDD值，因此，除了補(bǔ)償激光諧振器的其它組件的GDD以外，還允許制造沒有任何缺點的玻璃的光學(xué)長延遲線元件。如由所進(jìn)行的計算表明的，涂層B、B’的GDD因此能夠部分或全部補(bǔ)償，或甚至過度補(bǔ)償玻璃傳播路徑的正GDD，而沒有任何問題。
以下實施例闡明了這種涂層結(jié)構(gòu)，從基材，例如玻璃棒21開始的連續(xù)涂層用它們的化學(xué)式和層厚度(nm)來表示Nb2O5195.52SiO2197.82Nb2O596.65SiO2386.25Nb2O5112.17SiO2154.91Nb2O571.20SiO2211.83Nb2O5180.59
SiO2282.06Nb2O591.45SiO2194.93Nb2O576.48SiO2208.76Nb2O574.75SiO296.33Nb2O564.15SiO2185.78Nb2O5128.90SiO2494.08Nb2O5123.41SiO2172.20Nb2O579.23SiO2156.87Nb2O556.39SiO2149.73Nb2O589.63SiO2212.65Nb2O5193.54SiO2374.60Nb2O5109.11SiO2182.27Nb2O595.36SiO2173.74Nb2O590.61SiO2155.99Nb2O565.80
SiO2138.98Nb2O595.78SiO2263.92Nb2O563.85SiO2154.01Nb2O5115.68SiO2203.93Nb2O595.38SiO2185.78Nb2O592.00SiO2183.01Nb2O588.57SiO2176.82Nb2O583.01SiO2169.79Nb2O581.95SiO2174.18Nb2O591.47SiO2196.06Nb2O582.37SiO2214.89Nb2O5117.70SiO2251.14Nb2O5189.66以上所示的層順序產(chǎn)生了每次反射-275fs2的GDD，并且在100nm的帶寬范圍內(nèi)(每次反射)補(bǔ)償7.7mm石英玻璃的傳播路徑的GDD和TOD(在角頻率后的光譜相位的三級色散-三階導(dǎo)數(shù))。根據(jù)圖4的相關(guān)GDD是在假定石英玻璃/空氣界面上的入射角為45°(＞θ1)的情況下計算的。
如果圖2中所示的延遲線元件18具有厚度d＝5mm和長度a＝70mm，并且如果激光束入射角θ1＝45°，玻璃板21中的總實際路徑長度是大約92mm，該路徑長度對應(yīng)于大約133mm的光程長度和44.4ns的延遲。為了引入相同的延遲，與集成延遲線元件18的長度a相比，空氣中的直線傳播路徑必須長1.9倍。如果激光脈沖(尤其毫微微秒激光脈沖)在該延遲線元件18中傳播，那么在延遲線元件18的出口(出射表面S4)的脈沖持續(xù)時間會等于入口脈沖持續(xù)時間，只要該延遲線元件18的GDD在該脈沖的整個譜寬內(nèi)等于0。為此，反射面S2、S3設(shè)有所述多層干涉濾光片涂層B、B′，這些涂層補(bǔ)償玻璃元件21的玻璃材料的正GDD。對于圖2中的延遲線元件，92mm長玻璃路徑的總色散是3309fs2(假設(shè)玻璃棒21由石英玻璃制成)。在表面S2、S3上提供的涂層B、B’因此會產(chǎn)生每次反射大約-275fs2的GDD。包括以上舉例的層的涂層和層厚能夠獲得所述GDD(如圖4中所示的)和另外還補(bǔ)償100nm的三階色散。
具有本發(fā)明延遲組件18的多層涂層B、B′不改變表面S2、S3的反射率(由于全反射，該反射率為100％)，而僅僅引起反射光脈沖的群延遲的頻率相依性。這將得到實現(xiàn)，因為不同的頻率成分在該多層涂層B、B′中具有不同的存儲時間。然而，應(yīng)該再次強(qiáng)調(diào)的是，與本身已知的色散涂層相反，所提供的色散涂層不會影響它們所涂覆的表面S2、S3的反射率(這些反射率已經(jīng)由全反射給出)，而僅僅改變反射脈沖的光譜相位。
圖5和6舉例說明了本發(fā)明集成色散光延遲線元件在激光振蕩器中的應(yīng)用，然而，本發(fā)明當(dāng)然不限于這些結(jié)構(gòu)。
圖5顯示了一種激光振蕩器，即諧振器12，它包括激光晶體14，兩個集成色散延遲線元件18和四個反射鏡M1，M2，M3，M8。由泵浦光束13產(chǎn)生的激光束15在該兩個延遲線元件18的表面(圖2、3中的S2、S3)之間傳播，并且通過兩個曲面反射鏡M1和M2在激光晶體14中聚焦或重新聚焦。該反射鏡M1在泵浦激光器(光束13)的波長下具有高透射率，因此，能夠?qū)⒈闷止馐?3耦合進(jìn)入激光晶體14中。激光晶體14僅僅在圖5中示意性說明；激光晶體14還可以使用具有特殊幾何形狀的晶體，所述的特殊幾何形狀允許在激光束15和晶體表面之間形成布儒斯特角。諧振器的長度和相應(yīng)的激光器重復(fù)頻率以及諧振器12的穩(wěn)定性條件決定了該兩個延遲線元件18的長度。兩個端鏡之一M3或M8在激光束15的光譜范圍內(nèi)具有低透射率(通常在1％和30％之間)，因此可以耦合從諧振器12出來的激光束15的適當(dāng)能量部分。
圖6中表示的激光諧振器12不同于圖5中舉例說明的激光器，其不同之處在于圖6所示中的每一個諧振器臂由幾個集成延遲線元件18組成。該反射鏡M10至M18實現(xiàn)了將各個延遲線元件與其相繼的延遲線元件的耦合。激光束15各自在多次全反射下再次在延遲線元件18的表面之間傳播，并且通過兩個曲面反射鏡M1和M2聚焦或再聚焦到激光晶體14中。該反射鏡M1在泵浦激光的波長下具有高透射率，因此，能夠?qū)⒓ぐl(fā)光束13耦合進(jìn)入激光晶體14中。激光晶體14再次僅示意地舉例說明，可以由具有特殊幾何形狀的晶體構(gòu)成，所述的特殊幾何形狀允許在激光束15和晶體表面之間形成布儒斯特角。兩個端鏡之一M3或M8在激光束15的光譜范圍內(nèi)也具有低透射率(通常在1％和30％之間)，使得可以耦合從諧振器12出來的激光束15的適當(dāng)能量部分。
權(quán)利要求
1.激光束(15)的多次反射延遲線元件(18)，包括多次反射激光束以減小在預(yù)定光程下的激光諧振器(12)的尺寸的反射鏡元件，其特征在于，該反射鏡元件包括玻璃元件(21)的兩個對置的、沿縱向延伸的拋光表面(S2、S3)，該玻璃元件(21)在一個方向上延伸，并且進(jìn)一步包括拋光的激光束入射表面(S1)以及拋光的激光束出射表面(S4)，其中該玻璃元件(21)的反射鏡元件的表面(S2、S3)位于該入射表面(S1)和出射表面(S4)之間，并且與激光束(15)形成角度(θ1)，該角度(θ1)至少等于全反射的臨界角(θc)，而該入射表面(S1)和出射表面(S4)與該玻璃元件的激光束(15)形成角度(θ2)，該角度(θ2)小于全反射的臨界角(θc)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的延遲線元件，其特征在于，玻璃元件(21)的拋光的反射鏡元件表面(S2、S3)相互平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的延遲線元件，其特征在于，玻璃元件(21)的拋光的反射鏡元件表面(S2、S3)的相對距離至少為玻璃元件(21)中的激光束的平均波長的30倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3的任意一項所述的延遲線元件，其特征在于，玻璃元件(21)的激光束入射表面(S1)和激光束出射表面(S4)相互平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4的任意一項所述的延遲線元件，其特征在于，在該拋光的反射鏡元件的外側(cè)，玻璃元件(21)具有多層涂層(B，B’)，該多層涂層(B，B’)引起反射激光束的既定群延遲色散(GDD)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的延遲線元件，其特征在于，由該玻璃元件(21)的多層涂層(B、B’)引起的群延遲色散是恒定的。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的延遲線元件，其特征在于，由該玻璃元件(21)的多層涂層(B、B’)引起的群延遲色散是依賴于頻率的。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7的任意一項所述的延遲線元件，其特征在于，由該玻璃元件(21)的多層涂層(B、B’)引起的群延遲色散是負(fù)值，按絕對值計，等于或大于沒有多層涂層的玻璃元件(21)中的激光束(15)的整個路徑的群延遲色散正值。
9.根據(jù)權(quán)利要求5至8的任意一項所述的延遲線元件，其特征在于，玻璃元件(21)的多層涂層(B、B’)用SiO2和TiO2層形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求5至8的任意一項所述的延遲線元件，其特征在于，玻璃元件(21)的多層涂層(B、B’)用SiO2和Nb2O5層形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求5至8的任意一項所述的延遲線元件，其特征在于，玻璃元件(21)的多層涂層(B、B’)用SiO2和Ta2O5層形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11的任意一項所述的延遲線元件，其特征在于，玻璃元件(21)由石英玻璃制成。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至11的任意一項所述的延遲線元件，其特征在于，玻璃元件(21)由BK7玻璃制成。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至11的任意一項所述的延遲線元件，其特征在于，玻璃元件(21)由CaF2玻璃制成。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14的任意一項所述的延遲線元件，其特征在于，玻璃元件(21)的入射表面(S1)和出射表面(S4)與激光束(15)形成了布儒斯特角。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15的任意一項所述的延遲線元件，其特征在于，玻璃元件(21)的入射表面(S1)和出射表面(S4)具有防反射涂層。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至16的任意一項所述的延遲線元件，其特征在于，玻璃元件(21)為玻璃棒。
18.用于產(chǎn)生短脈沖激光的激光諧振器(12)，包括激光晶體(14)和激光反射鏡(Mi)以及至少一個根據(jù)權(quán)利要求1至17中的任意一項所述的延遲線元件(18)。
19.優(yōu)選具有被動鎖模的短脈沖激光器裝置，該裝置包括諧振器(12)，該諧振器(12)包括激光晶體(14)和多個激光反射鏡(Mi)，其特征在于，在諧振器(12)中設(shè)有至少一個根據(jù)權(quán)利要求1至17的任意一項所述的延遲線元件(18)。
全文摘要
激光束(15)的多次反射延遲線元件(18)，包括多次反射激光束以減小在預(yù)定光程下的激光諧振器(12)的尺寸的反射鏡元件，其中該反射鏡元件包括玻璃元件21的兩個對置的、沿縱向延伸的拋光表面(S2、S3)，該玻璃元件(21)在一個方向上延伸，并且進(jìn)一步包括拋光的激光束入射表面(S1)以及拋光的激光束出射表面(S4)，其中該玻璃元件(21)的反射鏡元件的表面(S2、S3)位于入射表面(S1)和出射表面(S4)之間，并且與激光束(15)形成角度(θ
文檔編號H01S3/098GK101036271SQ200580032127
公開日2007年9月12日 申請日期2005年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月28日
發(fā)明者加布里埃爾·滕佩亞, 安德烈亞斯·施廷格爾 申請人:費姆托激光產(chǎn)品股份有限公司