超短脉冲激光系统和产生飞秒或皮秒脉冲的方法技术方案

本发明专利技术提供了一种超短脉冲激光系统和产生飞秒或皮秒脉冲的方法。该超短脉冲激光系统包括用于产生激光发射（ＡＳ）的放大激光介质（４）、具有至少一个谐振腔镜（３、５、６、７、８）的激光谐振腔以及泵浦源（１），该系统包括具有填充气体的充气部（９），后者填充了单种气体或者不同于空气构成的填充气体混合物，所述填充气体的非线性折射率ｎ２基本上对应于空气的非线性折射率，并且具有较之空气更小的旋转拉曼效应。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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H2被认为是有问题的，所以试图减小这种影响。因此，例如在Yb KYff和Yb KGff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:KYff multi-crystal resonators，，Optics Express, Vol. 16, No.23，IONovember 2008，pages 18839-18843。为了消除空气的影响，US2007/0223540 和 Plamer et al.， "Passivelymode-locked YbKLu(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。4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。
技术实现思路
本专利技术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。另一个目的是提供一种鲁棒性和工作参数的长期稳定性得到提高的激光系统。具体地讲，另一个目的是允许镱(Yb)飞秒激光器的鲁棒工作，该镱飞秒激光器在 单脉冲工作状态下具有小于300fs的脉冲长度、小于50MHz的脉冲重复率和超过1 μ J的脉 冲能量。另一个目的是增大用孤立子锁模仍可以操作这样的激光系统，而不出现双脉冲或 多脉冲状态的范围。这些目的分别由权利要求1和15或从属权利要求的主题来实现，或者进一步寻求方案。本专利技术涉及超短脉冲激光系统和用于在这样的激光系统(即，就它们的激光介质 和使用的组件、它们的装置和用于产生持续时间在几百皮秒到几十飞秒范围内的脉冲的特 征工作参数的进行了设计的激光装置中)产生飞秒或皮秒脉冲的对应方法。根据本专利技术的方案基于在超短脉冲激光系统中的激光谐振腔内提供充气单元 (通过其来引导束路径)的方法。该单元可以包括整个谐振腔或仅仅一个部分单元或多个 单个部分单元。因此，具体来讲，用于折叠光束路径(其当然限定了该区的主要部分)的 组件可以是充气单元的形式。根据本专利技术，该单元填充有单种气体或不同于空气构成的填 充气体混合物作为填充气体，充气单元的非线性折射率H2基本上对应于空气的非线性折射 率，并且填充气体具有小于空气的旋转拉曼效应。由于填充气体或充气单元的非线性折射率η2与大气条件中的非线性折射率基本 相同，因此可以防止由于少量进入空气而引起的工作点偏移，或者该偏移可以被减小到可 接受的程度。但是，根据本专利技术，还可以通过使折射率适应非大气填充气体的压力，将其调 整为空气的值，从而在这种情况下，压力变化或空气穿透将导致工作点的变化。但是，与现 有技术的方案相比，根据本专利技术，还可能使用气体和气体混合物，其具有高原子或分子重量，并且可以针对其容易地在技术上实现稳定的长期密封。根据本专利技术的方案基于下述发现通过减小旋转拉曼效应，可以避免或者至少减 小超短脉冲激光器工作的现有限制。通过使用也没有振动拉曼光谱带的气体实现了更显著 的减小。根据本专利技术的方法尤其适用于激光谐振腔内脉冲能量至少为1微焦和/或重复率 低于50MHz的飞秒激光器。由于使用了没有振动或旋转状态的单原子气体或分子，激光器中的气体介质不再 对实现超短脉冲激光谐振腔中的高峰值功率和峰值强度施加任何限制。例如对于惰性气体 就是这种情况，即，使用氩、氪、氙(它们的优点是与氦相比明显更容易处理而且与氦不同， 具有与空气的基本没有差别的非线性折射率)。因此，与氦相比，优点在于在压力变化或与 外部空气部分混合的情况下(在几经岁月后密封壳体的长时间工作中这是难以避免的)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于产生飞秒或皮秒脉冲的超短脉冲激光系统，该超短脉冲激光系统至少包括：·放大激光介质（４），其用于产生激光发射ＡＳ；·激光谐振腔，其具有至少一个谐振腔镜（６）和至少一个充气单元（９）；以及·泵浦源（１），其特别是激光二极管源，用于对所述激光介质（４，４’）进行泵浦，其特别具有所述激光谐振腔内的至少１微焦的脉冲能量和／或低于５０ＭＨｚ的重复率，其中，所述充气单元（９）充有填充气体，所述填充气体包括单种气体或不同于空气的构成的填充气体混合物，－所述充气单元的非线性折射率ｎ↓［２］基本上对应于空气的非线性折射率，并且－所述填充气体具有较之空气更小的旋转拉曼效应。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔科普夫，
申请(专利权)人：高Q技术有限公司，丹尼尔科普夫，
类型：发明
国别省市：AT