CN106415949B - 法向入射安装多晶tm：ii-vi族材料的中红外克尔透镜锁模激光器和控制多晶tm：ii-vi族克尔透镜锁模激光器参数的方法 - Google Patents

法向入射安装多晶tm：ii-vi族材料的中红外克尔透镜锁模激光器和控制多晶tm：ii-vi族克尔透镜锁模激光器参数的方法 Download PDF

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Abstract

克尔锁模(“KLM”)激光器配置有谐振腔。以法向入射角切割选自多晶过渡金属掺杂的II‑VI族材料(“TM：II‑VI”)的增益介质，并将其安装在谐振腔内以便诱发KLM激光器在基波波长下发射脉冲激光光束。所发射的基波波长的激光光束的脉冲均在1.8‑8微米(“μm”)波长范围内改变，具有等于或长于30‑35飞秒(“fs”)时间范围的脉冲持续时间以及在mW至约20瓦特(“W”)功率范围内的平均输出功率。所公开的谐振腔配置有多个分隔开的反射镜，其中的两个位于增益介质的侧面并与增益介质相隔，其中对所述增益介质进行泵浦以便输出基波波长及其高次谐波波长下的激光光束。将增益介质安装在操作用于沿着激光光束的束腰可控地移动增益介质的平移机械结构上。增益介质的位移引起在基波波长下的主波输出和在高次谐波波长下的至少一个次波输出之间重新分配激光功率。

Description

法向入射安装多晶TM：II-VI族材料的中红外克尔透镜锁模激 光器和控制多晶TM：II-VI族克尔透镜锁模激光器参数的方法
技术领域
本公开涉及一种中红外固态自启动克尔透镜锁模激光器。具体地，本公开涉及一种克尔透镜锁模激光器，所述克尔透镜锁模激光器可操作用于发射在1.8-8μm光谱范围内的皮秒和飞秒脉冲并配置有法向切割的增益介质，其中所述增益介质选自掺杂过渡金属离子的II-VI族多晶材料。
背景技术
脉冲激光器被用于各种领域的应用，诸如光学信号处理、激光手术、生物医药、光学诊断、双光子显微镜、光学探针、光学反射测量法、材料加工等。存在三种主要类别的脉冲激光器，即Q开关激光器、增益开关激光器以及锁模激光器，其中本公开特别感兴趣的是锁模激光器。
锁模激光器具有多个纵模，所述多个纵模同时振荡且它们各自的相位相互锁定，这样允许产生均匀间隔的短脉冲和超短脉冲。通过能够使激射模式的相位同步的锁模机制建立了固定的相位关系，使得所有激射模式的相位差保持恒定。然后，这些光学相位锁定模式相互干涉以形成短光学脉冲。
克尔透镜方法(克尔聚焦、自聚焦)是基于掺杂有过渡金属离子的II到VI族材料以及其他光学材料(例如，Ti-S)所固有的现象的超快速锁模机制之一，该方法还被称作克尔透镜锁模(KLM)。KLM是在包含增益介质的激光腔内逐渐形成脉冲且克尔介质不仅经历自相位调制而且经历自聚焦的机制。当KLM不是饱和吸收体时，诸如克尔效应的非线性光学特性产生虚假“饱和吸收体”效应，其中虚假“饱和吸收体”具有比任何固有饱和吸收体更快的响应时间。
典型地，在基于KLM的激光器中使用的增益介质包括钛蓝宝石Ti：S，其中钛蓝宝石Ti：S具有极好的热-光特性。众所周知，具有以布鲁斯特角安装的增益介质(例如Ti：S)的谐振腔的简化和优点明显超过与这种安装相关的缺点。
与标准Ti：S单晶介质相反，单个形式的过渡金属(TM)掺杂的II-VI族材料(具体地，多晶体)提供用于在中红外范围内(2-8μm)产生超短激光脉冲的唯一机会，其中所述中红外范围与Ti-S覆盖范围(0.7-1.1μm)互补。适合运行在中红外波长范围内的晶体材料的非限制性示例可以包括硒化锌(“ZnSe”)、硫化锌(“ZnS”)、CdZnSe、CdZnTe和展示出选择性地覆盖1.8-8微米光谱范围的带宽的许多其他物质。
由于多种原因，这些材料具有较差的热光特性，且当布置为布鲁斯特结构时以非常强烈不均匀的热光效应为特征。因此，以布鲁斯特角安装的TM：II-VI族激光器的输出功率无法超过若干瓦特。此外，由于这种激光器必须使用具有相对较低的泵浦吸收的相对较薄的增益元件，限制了这种激光器的效率。
图1示出了多晶Cr2+：ZnSe/ZnS KLM激光器的可能原理图之一的工作示例。线偏振的掺铒光纤放大器(EDFA)的输出被耦合到标准像散补偿的不对称的Z型折叠谐振腔，其中所述EDFA由低噪声1550nm窄带半导体激光器种子泵浦，其中所述Z型折叠谐振腔包括两个曲面高反射(HR)镜、平面HR镜和平面输出耦合器(OC，R＝99％)。像散意味着矢状面(与腔体的主平面垂直的平面)和切向平面(即，与主平面平行)的光束焦点不在同一位置。此外，腔体的稳定区域针对不同平面是不同的，且输出是椭圆形的。这些现象需要补偿。
在图1的设备中，激光腔的长度大约为94cm。通过使用以下两种类型的激光(增益)介质，来获得KLM机制：多晶Cr2+：ZnS(厚度为2.0mm；在1550nm下具有43％的小信号透射率)以及多晶Cr2+：ZnSe(厚度为2.4mm；15％的透射率)。增益元件是平面平行抛光的、未涂覆的、且以布鲁斯特角安装在铜热沉上而没有强制冷却。为了令光学腔支撑脉冲，当脉冲循环通过腔体时脉冲的时间形状和持续时间必须保持稳定。因此，当脉冲通过所述腔时，脉冲由于折射率的波长依赖性而变形，且需要对此进行补偿。尽管所示配置中使用的腔镜是非色散性的，然而增益介质和其他可选组件是色散性的。通过使用以布鲁斯特安装的熔融硅板(2mm厚)和YAG板(4mm厚)的组合，来执行色散补偿。谐振腔在2400nm(中心激光波长附近)下的群延迟色散大约为-1000fs2。
针对最大CW输出功率优化激光器，且接着精细调整曲面镜之间的距离以便获得KLM机制。通过OC平移(OC translation)来发起锁模激光器振荡。
在Cr2+：ZnSe中观察到多个小时的不中断的单脉冲振荡，泵浦功率为1W且激光输出功率为60mW。泵浦功率的进一步增加导致多脉冲和频繁中断锁模。在1.25W泵浦功率和30mW输出功率下，达到Cr2+：ZnS KLM激光器的最大稳定性(1-2小时的未中断的单脉冲振荡)。
图2将针对KLM机制下的Cr2+：ZnS和Cr2+：ZnSe激光器获得的辐射光谱和自相关轨迹进行比较。针对160MHz脉冲重复率下的单脉冲振荡执行测量。Cr2+：ZnS激光器的输出是sech2变换极限：在假设sech2属性的情况下，根据自相关轨迹得到125fs脉冲持续时间，且在假设ΔτΔγ＝0.315时间带宽积的情况下，根据辐射光谱计算出126fs脉冲持续时间。另一方面，Cr2+：ZnSe激光器自相关轨迹的形状揭示了啁啾脉冲。激光器的发射谱失真，因此增加了时间带宽积。大体地，估计Cr2+：ZnSe激光器的脉冲持续时间在100-130fs范围内。
图3示出了已知KLM激光器的相对简化的腔体设计。具体地，由种子激光器10泵浦的光泵浦源1发射泵浦光束(示出为绿色)，泵浦光束在传播通过泵浦光束聚焦和成形光学器件2的***时进行聚焦和成形，其中泵浦光束聚焦和成形光学器件可以包括透镜或反射镜。然后通过折叠凹面电介质涂覆镜3将经过聚焦和成形的光束耦合到光学腔体中，其中所述折叠凹面电介质涂覆镜在激光波长下具有较高反射率且在泵浦波长下具有较高透射率。在进一步传播通过增益介质4之后，期望波长的激光光束(示出为红色)在折叠凹面电介质涂覆镜5上发生碰撞，其中所述折叠凹面电介质涂覆镜在激光波长下具有较高反射率且在泵浦波长下可选地具有较高透射率。从反射镜5反射的激光光束入射到在激光波长下具有较高反射率的平面镜6上，其中所述平面镜是电介质或金属涂覆的。可选地，色散补偿组件7(诸如，以布鲁斯特角安装在激光器谐振腔中的平面平行板)布置在反射镜5和6之间的腔体臂中。在从反射镜6的向后反射之后，激光光束入射在反射镜5上并传播通过增益介质4以便撞击在反射镜3上。最后，激光光束通过输出耦合器(“OC”)8从所述腔体去耦合作为输出光束9。将激光光束的路径示出为红色，同时将泵浦光束示出为绿色。
如图1和3所示，由于布鲁斯特安装增益介质的若干优点，在KLM激光器中压倒性地使用增益介质的布鲁斯特安装。首先，在布鲁斯特角入射的条件下，特定p偏振的光完全透射通过表面而没有反射，因此使得制造专门且昂贵的抗反射涂层变得没有必要。第二，增益介质用作起偏器，使得无需使用附加的起偏器。第三，增益介质的布鲁斯特安装和对谐振腔参数的特殊选择允许补偿在该谐振腔内传播的激光光束和输出激光光束的像散(由于光在曲面镜表面上的非法向入射而引起像散)。谐振腔的像散可以降低激光器的性能(例如，输出激光光束的质量)。在一些特定情况下，诸如克尔透镜锁模，像散甚至可以阻碍正确的激光器操作。
然而，增益介质的布鲁斯特安装并非没有缺点。如图3A所示，布鲁斯特安装方案包括激光光束和泵浦光束在增益介质中的较强的不均匀性。光束沿一个方向扩束且沿垂直方向保持初始尺寸。布鲁斯特安装的光学材料内部的扩束倍数等于材料的折射率n。因此，布鲁斯特安装的(i)导致增益元件中的光学强度被减小n倍；以及(ii)泵浦光束和激光光束的不对称性导致在被泵浦通道内的不均匀热量释放，因此导致该材料中各种热光效应的不均匀性。
布鲁斯特安装的缺点限制在单晶TM：II-VI族材料中约1W的输出功率。目前，在多晶材料中已展示出具有30-60mW输出功率的KLM激光操作，但是明显需要增加输出功率，以便满足许多工业和科技应用所需的要求。然而，对具有传统谐振腔方案的KLM TM：II-VI激光器的进一步功率调谐(power scaling)呈现出富有挑战的困难。此外，上述缺点阻止缩短脉冲持续时间。另外，许多应用需要在期望频率范围内的比当前可用的脉冲更短的脉冲，其中当前报道的记录短脉冲大约为40飞秒。
原理上，布鲁斯特安装的增益介质的光学密度限制泵浦功率，因此限制输出功率。由于增益介质的厚度增加允许使用较高的泵浦功率，像散的程度也相应增加，其中必须应对像散进行补偿。否则如上所述，基于KLM的激光器对于像散现象高度敏感，且在最差的可能情况下可能停止正确操作。然而，这种补偿既不方便也并不有效。
因此，需要一种大功率中红外固态自启动克尔透镜锁模激光器，具有包括选自过渡金属(TM)掺杂的II-VI族材料且在谐振腔中以法向入射角安装的多晶非线性材料的光学腔体，以便明显改善在KLM机制下激光器输出功率、效率和脉冲持续时间。
因此，还需要上述中红外KLM激光器，所述中红外KLM激光器具有能够在高泵浦功率下运行以便输出高达几十瓦的大功率超短脉冲的结构。
发明内容
所公开的配置有诸如掺杂TM的II-VI族材料的增益介质的克尔透镜锁模激光器满足上述需要，其中所述掺杂TM的II-VI族材料的增益介质以泵浦光束法向入射的方式安装在所述光学腔体中。法向入射安装具有以下重要特性和优点：
激光光束和泵浦光束贯穿所述增益介质保持圆形；
在被泵浦通道内的热量释放以及相应地在该材料中的各种热光特性是均匀的且轴对称的；
在增益元件内的光学强度增加n倍(比传统布鲁斯特安装方案)；
由于较高光学强度而导致在增益元件内的各种非线性光学效应增加；
由于克尔效应具有非线性性质，更显著的非线性效应在KLM激光机制中是非常重要的；
TM：II-VI介质中更显著的非线性效应可以允许(至少部分地)补偿谐振腔的像散。因此，在法向入射下使用TM：II-VI增益元件允许(在一定程度上)放宽对补偿KLM激光器的谐振腔内的像散的要求。
法向入射安装极大地简化了具有较大长度和相应地较高泵浦吸收率的增益元件的使用；
较高的泵浦吸收率和较高的光学强度导致更有效的激光交互作用，且因此使能灵活地选择输出耦合器参数，以便允许增加的激光输出功率(在给定泵浦功率下)；
材料中的均匀热光效应使能增加泵浦功率(相较于传统布鲁斯特安装方案)，且因此允许进一步放大激光输出功率。
由于TM：II-VI激光介质具有相对较差的热光特性且基于TM：II-VI的激光器操作在KLM机制下，上述所有方面对于TM：II-VI激光介质都非常重要。
在两个实施例中实现本发明构思。实施例中的每一个包括一些方面，下文将立即简要公开所述方面。
根据第一实施例的第一方面，本发明的克尔锁模(“KLM”)激光器配置有谐振腔以及选自掺杂多晶过渡金属的II-VI族材料(“TM：II-VI”)的增益介质。所述增益介质入射角为直角并安装在谐振腔中，以便诱导足以令所述谐振腔在基波波长发射脉冲激光光束的克尔透镜锁模。所发射的基波波长的激光光束的脉冲均在1.8-8微米(“μm”)波长范围内改变，具有等于或长于30-35飞秒(“fs”)时间范围的脉冲持续时间以及在mW至约20瓦特(“W”)功率范围内的平均输出功率。
根据第二方面，第一方面的KLM激光器配置有具有相位匹配带宽的增益介质，所述带宽宽到足以在整个基波波长范围内基波波长的一半处输出激光光束(SHG)。
根据第三方面，第一和/或第二方面的本发明的KLM激光器具有配置有相位匹配的增益介质，其带宽宽到足以在泵浦光传播经过所述增益介质时同时产生基波波长的二次、三次和四次谐波。
根据第三方面，第一、第二和第三方面的任意组合或这些方面的单独每一个方面，本发明的KLM激光器还包括平面谐振腔。
根据本公开的第五方面，第一、第二、第三和第四方面的任意组合或它们中的任意一个，增益介质包括掺杂TM的二元和三元II-VI族材料。
根据本公开的第六方面，上述五方面中的每一个的或这些方面的任意组合的本发明KLM激光器，增益介质选自由Cr2+：ZnSe、Cr2+：ZnS、Cr2+：CdSe、Cr2+：CdS、Cr2+：ZnTe、Cr2+：CdMnTe、Cr2+：CdZnTe、Cr2+：ZnSSe、Fe2+：ZnSe、Fe2+：ZnS、Fe2+：CdSe、Fe2+：CdS、Fe2+：ZnTe、Fe2+：CdMnTe、Fe2+：CdZnTe和Fe2+：ZnSSe及其组合构成的集合。
根据本公开的第七方面，上述方面中的每一个或其任意组合的本发明KLM包括线性偏振的光纤激光器泵浦源。线性偏振的光纤激光器泵浦源选自掺杂饵或铥的单模光纤且可操作用于在与基波波长不同的泵浦波长下发射被耦合到增益介质中的泵浦光束。激光光束和泵浦光束在传播经过所述增益介质时保持圆形。
在第八方面，所公开的第一到第七方面中的每一个或这些方面的任意组合的激光KLM激光器包括配置为响应于所耦合的泵浦光束均匀释放热量的增益介质。所述泵浦光束在被泵浦的增益介质中产生均匀轴对称的热光效应。
根据本公开的第九方面，先前所述的八个方面中的每一个或其任意组合的本发明KLM包括具有带宽的增益介质。带宽宽到足以产生波长为泵浦波长和基波波长之和、和/或二者之差、和/或基波与基波频率的二次、三次和/或四次光学谐波之和的输出激光光束。
在本公开的第十方面，如1到9方面中的每一个或这些方面的任意组合所公开地，本发明KLM配置有比传统布鲁斯特安装方案将内部光学强度增加n倍的增益介质。
在本公开的第十一方面，如1到10方面中的每一个或这些方面的任意组合所公开的本发明KLM，增益介质配置为基本上补偿谐振腔的像散。
根据第二方面，在任意方面所公开的KLM配置有通过两个相邻的上游和下游电介质涂覆的折叠镜限定的谐振腔，其中上述电介质涂覆的折叠镜沿着泵浦光束的路径彼此分离并位于增益介质的侧面。每个反射镜配置为在基波波长具有高反射率且在泵浦波长具有高透射率，其中下游折叠反射镜配置为至少地部分透射高次谐波。
根据本公开的第十三方面，如先前公开的多个方面中的每一个或这些方面的任意组合所公开的KLM激光器具有谐振腔，包括在基波波长部分地透射的输出耦合器以及位于输出耦合器上游的至少一个平面分色镜。所述腔体还具有至少一个在基波和高次谐波下具有较高透射率的中间板。
在本公开的第十四方面中，上述方面中的每一个或这些方面的任意组合的KLM形成有谐振腔，其中所述谐振腔包括被配置为平面平行板或棱镜并可操作用于限制色散的色散补偿元件。补偿元件以布鲁斯特角安装。
在本公开的第十五方面中，上述方面中的每一个或这些方面的任意组合的KLM形成有谐振腔，其中所述谐振腔包括布鲁斯特安装的双折射调谐器。
在本公开的第十六方面，上述方面中的每一个或这些方面的任意组合的KLM还包括在谐振腔内沿着激光光束的束腰移动增益介质的平移台(translation stage)。控制增益介质的移动以便在辐射激光光束在基波波长的主波输出以及在相应二次、三次和四次谐波的次波输出之间重新分配激光光束的平均功率。
根据本公开的第二实施例，它的第一方面描述了一种用于对在克尔透镜锁模(“KLM”)激光器下的飞秒激光辐射进行非线性频率变换的方法，所述克尔透镜锁模激光器如第一实施例的上述全部方面中的任一方面或其任意组合所公开。所述方法用于多程谐振腔(multi-pass resonator cavity)且包括安装选自掺杂过渡金属的II-VI族(“TM：II-VI”)材料的增益介质。在谐振腔内，以法向入射角切割所述增益介质。克尔透镜对谐振腔进行锁模以便发射主波输出为包括一串基波波长的输出脉冲的激光辐射。脉冲均在1.8-8微米(“μm”)波长范围内改变，具有等于或长于30-35飞秒(“fs”)时间范围的脉冲持续时间以及在mW至约20瓦特(“W”)功率范围内的平均输出功率。
在本方法的第二方面中，谐振腔还与主波输出同时提供次波输出。次波输出是基波波长的半波长。
在第二实施例的第三方面，第一和/或第二方面的方法提供与主波输出和次波输出同时地附加输出基波波长的三次和四次谐波的激光光束。
在第二实施例的第四方面，上述方面中的任意方面或其任意组合的方法包括在不同于基波波长的泵浦波长产生泵浦光束，并将泵浦光束耦合到增益介质中。
根据第二实施例的第五方面，上述方面中的每一个或其任意组合的方法用于附加地输出波长为泵浦波长和基波波长之和及二者之差、以及基波波长和二次、三次和四次光学谐波波长之和与它们之差的激光光束。
附图说明
根据以下附图，将更清楚本公开的上述和其他方面、特征和优点，附图中：
图1是已知的现有技术的KLM激光器的一个示例性原理图；
图2是针对图1的KLM激光器的发射光谱和自相关轨迹。
图3是已知的现有技术的KLM激光器的另一示例性原理图；
图3A是图3的放大细节，示出了在布鲁斯特安装的增益介质中的光束传播；
图4是本发明KLM谐振器的一种设计的光学示意图；
图4A是图2的放大的增益介质；
图4B是图4公开的KLM激光器的可能示意图之一；
图5是用变换极限激光辐射光谱的理论曲线拟合的所公开KLM激光器的测量激光发射谱。
图5A是自相关轨迹；
图5B是所公开的KLM激光器发射的输出激光光束的图像；
图6是优化的本发明KLM激光器的光学示意图；
图7示出了图6的所公开的KLM激光器的测量发射谱，其中所述KLM激光器配置有具有相应的不同反射率的激光输出耦合器；
图8示出了与图7的相应发射谱相对应的图6的KLM激光器的自相关轨迹；
图9是所公开的KLM激光器的多晶过渡金属(“TM”)TM：II-IV增益介质的放大视图；
图10是本发明KLM激光器的另一光学示意图；
图11A是在对应的基波、二次谐波、三次谐波和四次谐波波长的激光器输出光束的四个图像；
图11B是由热摄像机获得的本发明KLM激光器在基波波长和二次谐波的输出的空间轮廓；
图11C是在二次谐波波长获得的KLM激光脉冲串的波形。
图12是设置有用于控制激光器参数的装置的本发明KLM激光器的另一光学示意图；
图12A是图12的增益介质的放大视图；
图13、13A和13B示出了由本发明KLM激光器可控产生68fs和84fs脉冲；以及
图14示出了由本发明KLM激光器可控产生46fs脉冲。
具体实施方式
现在详细参考本发明的实施例。在有可能的情况下，附图和说明书中使用相同或相似的附图标记来表示现有技术和本发明配置共有的相同或相似的部件或步骤。附图为简化形式，且不是按精确比例绘制的。除非明确说明，否则对于二极管激光器和光纤激光器领域的技术人员而言，说明书和权利要求中的词语和短语具有普遍和惯用的含义。词语“耦合”和类似术语并非必须表示直接的、紧邻的连接，还可以包括经由自由空间或中间元件进行的机械和光学的连接。
图4示出了所公开的KLM激光器50的示例性配置，其中所述KLM激光器50具有相对所示谐振腔中的光束传播平面以法向入射方式安装的增益介质4’。其他组件与图3所示的组件相似，并包括由源10种子泵浦并发射泵浦光(示出为绿色)的光学泵浦源1。泵浦源1可以配置为标准线偏振的单横模(“SM”)掺铒光纤激光器(EDFL)。备选地，源10可以是基于掺杂铥(“Tm”)的SM光纤激光器。
增益介质4’的法向入射安装对于实现较高输出激光功率和效率是至关重要的。具体地，多晶抗反射涂覆的增益介质4’耦合在折叠凹面电介质涂覆反射镜3和5之间。尽管将增益介质4’示出为是平面平行的，然而它还可以是楔形的。反射镜3在激光波长具有高反射性且在泵浦波长具有高透射性，而反射镜5配置为在激光波长具有较高反射率且可选地在泵浦波长具有较高透射率。谐振腔可以具有多种配置。例如，图4B示出了具有超过所示两个折叠反射镜的谐振腔。不管谐振腔的配置如何，最终激光光束撞击输出耦合器(“OC”)8上，并从谐振腔耦合输出作为激光波长的输出光束9。
应注意，可以通过使用空间优化的“色散反射镜”来实现色散补偿。高反射性反射镜可以是输出耦合器8的可用备选。谐振腔可以包括用于激光波长调谐的附加组件。
与图1和3的KLM激光器的传统谐振腔不同，本发明的平面谐振腔具有像散。然而，在TM：II-VI族激光器材料的具体情况下，如图4B所示，泵浦光束和激光光束在增益元件内的高度均匀性允许增益元件基本上补偿谐振腔的像散。下文所述的原理实验证实了该论述。此外，可以通过仔细选择折叠凹面反射镜的曲率半径和折叠角度，来将所公开的平面谐振腔的像散保持为非常低。根据需要，也存在在没有本领域技术人员熟知的布鲁斯特光学元件的情况下在折叠谐振腔内进行像散补偿的多种技术，但是所有这些技术都仅是可选性的，且当在已知现有技术设备中时并非是必须的。
因此，TM：II-VI介质中的更显著的非线性克尔效应可以允许显著地补偿谐振腔的像散。因此，在法向入射下使用TM：II-VI增益元件允许(在一定程度上)放宽对补偿KLM激光器50的谐振腔内的像散的要求。
增益介质的法向入射安装的主要优点在于(i)由于泵浦光束和激光光束的循环，更好地管理在增益元件中的热光效应；(ii)显著增加增益元件内的泵浦强度和激光强度(相较于标准布鲁斯特安装)；(iii)通过较大的长度和体积且因此较高的泵浦吸收大大地简化对增益元件的使用。法向入射安装也可以更有利于克尔透镜锁模。
图5-图5B示出了图4的KLM激光器平面谐振腔50的结果，其中所述KLM激光器平面谐振腔配置有标准量产的AR涂覆的多晶Cr：ZnS增益元件4。已经方便地获得了KLM机制的激光器。通过测量图5的激光发射谱和图5A的非线性自相关函数，来确认所述激光器的KLM机制，如下文所述。通过对实验数据的数学分析来确认具有84fs脉冲持续时间的傅里叶变换极限脉冲，如下文所述。变换极限脉冲是理论上最短可能脉冲，被确定为
Figure BPA0000232372510000121
其中t是脉冲持续时间，
Figure BPA0000232372510000122
是脉冲宽度。从上文可以看出，为了产生具有特定持续时间的最短可能光脉冲，需要较宽的光谱带宽。可以看出，测试KLM TM：II-VI激光器50可操作用于输出基波/激光波长的光束9，在重复率为93MHz且脉冲能量为14nJ具有约1.3W的输出功率，且特征化有变换极限脉冲和较好的光束质量，如图5B所示。确信所获得的输出功率非常高。
图6示出了基于Cr2+：ZnS增益元件4并且具有优化谐振器的本发明的KLM激光器50。HR-色散性高反射镜(GDD～-200fs2)，YAG-2mm厚的布鲁斯特安装的色散补偿板，OC-输出耦合器(|GDD|＜150fs2)，MgF2-可选的0.5mm厚布鲁斯特安装的双折射调谐器(Lyot滤波器)，L-泵浦聚焦透镜。SHG-激光器在二次谐波波长的次波输出。通过掺铒光纤激光器(EDFL)的线偏振辐射在1567nm对所述激光器进行泵浦。
泵浦源1包括标准线偏振的掺铒光纤激光器(EDFL)。为了增加激光输出功率，以法向入射角将5mm长的多晶Cr2+：ZnS增益元件4’***AR涂覆的折叠反射镜3和5之间的水冷型铜热沉上，其中多晶Cr2+：ZnS增益元件4’在1567nm泵浦波长具有11％的小信号透射率。腔体腿部(cavity legs)的长度是不相等的，比例为3∶5。谐振腔在激光发射的最大值(2300-2400nm)下的总色散约1400-1600fs2。为了对KLM激光器的波长调谐进行实验，使用由MgF2制成的0.5mm厚的布鲁斯特安装的双折射调谐器11(单板状Lyot滤波器)。附加地，2mm厚的布鲁斯特安装的YAG板12布置为靠近位于被限定在反射镜6和13之间的腿部中的调谐器11。平面谐振器还包括被限定在紧邻OC 8的上游的平面反射镜15和14之间的附加腿部。OC的色散在2200-2400nm范围内在±150fs2内。SHG的输出16示出为蓝色，泵浦光为绿色且激光光束示出为红色。
通过使用反射率为96、90、70和50％的输出耦合器，已获得具有优化平面谐振腔的KLM机制的激光器。在脉冲重复率为94.5MHz下执行大部分测量。然而，在脉冲重复率为80-120MHz的范围内获得KLM激光器振荡。下表总结了激光特征描述的结果。
表格
Figure BPA0000232372510000131
ROC-输出耦合器的反射率，Pout-KLM机制下的平均输出激光功率，τ-激光脉冲持续时间(FWHM)，Δλ-激光发射谱的宽度(FWHM)，λC-激光发射峰值，Ppump-优化泵浦功率
从具有不同反射率的OC获得的图6的KLM激光器50的发射光谱和自相关轨迹分别示出在图7和8中。光谱和自相关函数的形状对应于针对全部四种类型的OC的sech2脉冲。这样允许将0.315的时间带宽积用于估计脉冲持续时间。在ROC＝90％(2525nm)下测量的光谱中的小峰值表示在激光器发射中存在凯利边带。由于经由高反射镜在低于2200nm的波长下的泄漏，抑制相对的边带。以下解释了针对在多晶Cr2+：ZnS中直接获得二次谐波产生(SHG)的情况在ROC＝90％和70％下测量的平顶光谱。
总结基于法向安装的多晶II-VI材料的KLM激光器50(具体地，多晶Cr2+：ZnS激光器)的上述配置，在脉冲重复率为80-120MHz的范围内通常获得了稳定的单脉冲fs激光振荡，fs激光的输出功率约为2W，且最短脉冲持续时间约46fs。确信上述全部数据对于II-VI增益介质是前所未有的。此外，在一些情况下，KLM激光器50可操作用于产生甚至更独特的数据，输出功率高达20W且脉冲持续时间低至30-35皮秒。
飞秒激光器的实践应用通常要求非线性频率变换(例如，产生光学谐波、产生和频和差频以及产生光学参量)。例如，可以通过使用结合光学参量发生器的Ti：S fs激光器，实现对于多光子成像至关重要的1.1-1.5μm光谱范围。可以通过使用在2.2-3.0μm光谱范围内操作的TM：II-VI中红外fs激光器的SHG，来实现相同光谱范围。
由于色散(在基波激光波长和半基波(“SH”)波长下的光传播速率的差)而限制非线性材料中的SHG的效率。因此，从基波波长到SH波长的能量转换发生在有限长度的非线性材料中，即所谓的相干长度(“CL”)。在许多材料中，CL大约为几十μm，导致SH产生效率较差。在过去几十年，已研究出用于克服该限制的大量技术。传统技术基于一些非线性晶体的双折射性。更多的当前研究是基于非线性材料的显微结构的设计(准相位匹配或QPM)。标准QPM晶体包含针对在期望激光波长下最有效的非线性频率转换优化的规则图案，例如它们具有有限带宽的非线性频率转换。更复杂的图案允许增加带宽，其中增加带宽伴随着降低总转换效率。
在此使用的多晶TM：II-VI材料包括显微单晶颗粒。实验中使用的多晶TM：II-VI样本的颗粒尺寸大约为中红外波长范围内的SHG过程的相干长度(30-60μm，依赖于材料的波长和类型)。因此，可以像标准QPM材料那样图案化多晶TM：II-VI材料。与标准QPM材料不同，所述图案化并非是完美的，而是随机化的(在颗粒尺寸和晶轴的方向上存在不同)。图案化的这种随机化导致较低的非线性增益(相较于标准QPM材料)。然而，随机化允许在非常宽的光谱范围内进行SHG。因此，多晶TM：II-VI材料具有非常大带宽的非线性频率转换。非线性频率转换的效率强烈依赖于光学强度(例如，SHG效率与光学强度的平方成正比)。因此，可以通过fs激光器脉冲的非常高的强度来补偿多晶TM：II-VI材料的较小的非线性增益。多晶TM：II-VI材料的上述特征对于fs激光辐射的非线性频率转换至关重要。
具体地，参考图9和10，KLM激光器50配置有多晶TM：II-VI增益介质4’。图10的所公开的配置可操作用于同时输出对应的二次、三次和四次谐波产生波长的光束，其中图9分别将二次谐波产生(SHG)示出为黄色，将三次谐波产生(THG)示出为绿色且将四次谐波产生(FHG)示出为蓝色，并将和频与差频波长(SFG和DFG)二者示出为黑色。
经由部分透射的OC 8来实现基波波长的激光输出。在对应的二次、三次和四次谐波的激光输出在反射镜18处反射之后经由反射镜20离开谐振腔。重要的是指出谐振腔的所有反射镜不必是专门设计用于产生高次谐波输出的。在测试设备中，SHG波长范围内的反射镜透射率约为50％并根据波长的改变而振荡。图11A示出了通过放置在反射镜20之后的IR敏感卡获得的2W KLM激光器50在对应基波(A)、二次谐波(B)、三次谐波(C)和四次谐波(D)波长(分别为2300、1150、770、575nm)下的输出的典型图像的快照。图11B示出了通过位于OC8后方的热摄像机测量到的基波频率和二次谐波的输出光束的两个图像。图11C示出了与在SHG波长下获得的KLM激光器脉冲串的波形相关的图。因此，中红外飞秒激光器发射的相当一部分(高达50％)被转换为二次谐波，且可以通过控制OC的反射率来调整SH功率的量。
图10的fs激光器50在SHG波长下的输出功率在反射镜20之后达到30mW。这允许在谐振器内部获得240mW SHG功率(必须考虑反射镜18、20的50％透射率以及SHG发生在两个相对方向上的事实)。所获得的结果揭示出多晶TM：II-VI族材料的以下特征：多晶TM：II-VI族材料是对中红外fs脉冲相对高效的非线性频率转换器(例如，在所述原理验证实验期间，在基波波长和SHG波长下获得大约相同的光功率)。多晶TM：II-VI材料族的相位匹配带宽宽到足以允许整个fs激光发射光谱的SHG。多晶TM：II-VI材料族的相位匹配带宽宽到足以允许同时执行SHG、THG和FHG。在所公开的平面谐振器内的多晶TM：II-VI族材料可以用作fs激光增益介质以及非线性频率转换器。因此，当显微单晶颗粒的大小大约为SHG、THG和FHG过程的相干长度的量级时，由于增益介质4’的多晶结构，激光器50可以输出四个不同波长的多个fs输出。
颗粒尺寸和晶轴的方向的不同导致材料的“图案化”，类似于在准相位匹配(QPM)非线性转换器中那样。与标准QPM材料不同，图案化不是规则的而是随机的。另一方面，随机图案化材料中的非线性颗粒是非常低的。另一方面，随机图案化导致非常大带宽的非线性频率转换。因此，通过fs激光器脉冲在谐振腔内的高峰值强度来补偿多晶Cr2+：ZnS的低非线性增益。总言之，使用具有随机化的QPM的多晶TM：II-VI族材料具有以下重要特征：
(i)由于所述介质的非常大的非线性带宽，使用多晶TM：II-VI族材料允许对fs激光器的整个发射光谱的非线性频率转换。
(II)多晶TM：II-VI族材料中的非线性频率转换可以包括SHG、基波波长和其光学谐波下的激光发射之间的和频混频、在fs激光器和其他激光源(例如，泵浦激光器)之间的和频混频以及差频混频等。
(iii)以法向入射角安装多晶TM：II-VI族材料允许减小激光光束在该介质内的尺寸，因此增加光学强度，并因此明显地增加非线性转换效率。
(iv)将多晶TM：II-VI族材料安装在fs激光器的平面谐振腔内部允许同时产生基波激光波长和多个次波谐波(SHG、THG、FHG、SFG、DFG等)下的fs激光脉冲。
(v)在KLM激光器的平面谐振腔内以法向入射角安装多晶TM：II-VI族介质允许增加增益元件的长度，因此增加非线性相互作用的长度，因此进一步明显增加非线性转换效率。
(vi)在KLM激光器的平面谐振腔内安装多晶TM：II-VI族材料允许经由克尔非线性和材料中的其他非线性之间的相互作用精细地控制fs激光参数，如下文所述.
(Vii)由于KLM激光器的平面谐振腔内循环的光学功率总是高于在谐振腔外的输出功率，在KLM激光器的平面谐振腔内安装多晶TM：II-VI族材料允许使非线性转换效率最大化。此外，可以通过优化输出耦合器的反射率，来精细地控制平面谐振腔内的光学功率(因此，在多晶TM：II-VI族材料中的激光光束的强度)。
(viii)可以经由专门设计的二色镜来实现多晶TM：II-VI族fs激光器在SHG、THG、FHG、SFG、DFG波长下的次波输出，其中所述二色镜在基波激光波长下具有较高反射率HR且在次波波长下具有较高透射率HT。
(ix)可以经由专门设计的电介质涂覆板来实现多晶TM：II-VI族fs激光器在SHG、THG、FHG、SFG、DFG波长下的次波输出，其中所述电介质涂覆板在基波激光波长下具有高透射率HT且在次波波长下具有高反射率HR。所述板可以安装在例如多晶TM：II-VI族光学元件以及谐振腔反射镜之间。
图12和12A示出了用于控制多晶TM：II-VI克尔透镜锁模激光器50的参数的原理图。与图4的原理图相似，所示原理图配置有光学泵浦源1、泵浦光束聚焦和成形光学器件2、在激光波长下具有较高反射率并在泵浦波长下具有较高透射率的折叠凹面电介质涂覆反射镜3、以法向入射角安装的抗反射(AR)涂覆多晶TM：II-VI增益元件4’。增益元件4’安装在图12A的台30上，这样允许沿着如双箭头线所示平移激光光束。KLM激光器50还包括在激光波长下具有高反射率的折叠凹面电介质涂覆反射镜5(并可选地在泵浦和/或SHG、THG、FHG、SFG、DFG波长下具有高透射率)。所述激光器还具有在激光波长下具有高反射率的平面反射镜(电介质或金属涂覆的)6、可选地偏振组件以及用于色散补偿的组件，诸如棱镜7，所述组件被配置为以布鲁斯特角安装在激光谐振腔中作为平面平行板。所公开的KLM激光器还包括输出耦合器8，对于基波波长的输出激光光束9为透射性的，并且对于SHG波(和/或THG、FHG、SFG、DFG波长)为透射性的次波输出10。将激光光束的路径示出为红色，并将泵浦光束示出为绿色。
克尔透镜锁模激光器依靠克尔效应：当在光学介质中传播强光时发生的非线性光学效应；可以将其描述为立即发生的对介质折射率的修改。克尔效应的“强度”与光学强度成正比：SKcrr～I。因此，激光光束在增益介质中的紧实聚焦在KLM激光器中是至关重要的。通常通过将在两个曲面反射镜之间的增益介质布置在激光光束的束腰中并通过优化曲面反射镜之间的距离，来实现所要求的聚焦。图12A示意性地示出了激光光束的束腰。光学强度与激光光束面积成比例，因此它在束腰到达最大值并随着光束尺寸的增加而降低。
实验示出了多晶TM：II-VI族介质是适合于KLM激光器的材料。如上所述，实验还示出了多晶TM：II-VI族介质是针对中红外fs脉冲的相对有效的SHG转换器。克尔效应的“强度”与光学强度平方成正比：SSHG～I2。
因此，两个非线效应同时发生在多晶TM：II-VI族KLM激光器中：克尔透镜(与I成正比)且SHG(与I2成正比)。克尔透镜和SHG对光学强度的不同依赖程度允许通过沿着激光光束的束腰平移多晶TM：II-VI族增益元件，来改变两个非线性效应的相对“强度”。因此，可以以可控的方式在这两个非线性效应之间重新分配多晶TM：II-VI族介质的非线性行为。
具体地，图13、13A和13B示出了增益介质4’相对图12的曲面反射镜3和5的两个位置(示出为红色和蓝色)获得的发射光谱、自相关轨迹。可以看出，平移多晶Cr：ZnS增益元件导致fs激光器参数的明显改变：脉冲持续时间从84fs减小至68fs(辐射谱的宽度成正比地增加)。因此，所提出的方法允许精细地调整fs激光器参数。例如，平移多晶Cr：ZnS增益元件导致改变在SHG波长下fs激光输出功率(在～10mW和～20mW之间)。SHG输出的增加表现为激光辐射光谱在基波波长下的变形(由于激光发射的相当一部分被转换为SHG，较高的SHG输出对应于平顶辐射峰值)。参考图14，精细地控制多晶TM：II-VI族KLM激光器参数的能力得到46fs脉冲持续时间，其中所述46fs脉冲持续时间在与中红外TM：II-VI族KLM激光器相关的现有技术中是从未实现过的。
在多晶TM：II-VI族材料中同时存在克尔效应和足够强的SHG效应具有以下重要应用：
沿着激光光束的束腰平移被安装在KLM激光器的平面谐振腔内的多晶TM：II-VI族增益元件允许在基波波长的主波输出以及SHG、THG、FHG、SFG、DFG波长的次波输出之间精细地重新分配fs激光功率。
(i)沿着激光光束的束腰平移被安装在KLM激光器的平面谐振腔内的多晶TM：II-VI族增益元件允许精细控制fs激光参数(脉冲持续时间、宽度和辐射谱的形状)。
(ii)在多晶TM：II-VI族材料中同时存在克尔效应和足够强的SHG效应能够产生较短的激光脉冲(相较于传统克尔透镜锁模机制)。
可以在不脱离本发明的精神和实质特征的情况下，对所公开的结构进行各种改变。因此，应将以上描述中所包括的所有事物理解为仅是示意性的，且在限制意义上，本公开的范围由所附权利要求所限定。

Claims (19)

1.一种克尔锁模“KLM”激光器，包括：
谐振腔；以及
增益介质，选自多晶过渡金属掺杂的II-VI族材料(“TM：II-VI”)，所述增益介质是以对于泵浦束的法向入射角安装并被安装在谐振腔内，以便诱导足以令谐振腔发射基波波长的脉冲激光光束的克尔透镜锁模，其中所发射的基波波长的激光光束的脉冲均在1.8-8微米(“μm”)波长范围内改变，具有等于30-35飞秒(“fs”)时间范围或者大于35飞秒时间范围的脉冲持续时间以及在mW级别到20瓦特(“W”)的功率范围内的平均输出功率，
其中所述克尔锁模“KLM”激光器还包括线偏振的光纤激光器泵浦源，选自掺杂铒或铥的单模光纤并可操作用于在与基波波长不同的泵浦波长下发射泵浦光束，其中将所述泵浦光束耦合到增益介质中，其中所述激光光束和泵浦光束在传播通过所述增益介质时保持圆形。
2.根据权利要求1所述的KLM激光器，其中所述增益介质配置具有相位匹配的带宽，其中所述带宽宽到足以在整个基波波长范围内基波波长的一半处输出激光光束。
3.根据权利要求2所述的KLM激光器，其中所述增益介质的相位匹配带宽宽到足以与基波波长同时产生基波波长的二次、三次和四次谐波波长。
4.根据权利要求1所述的KLM激光器，其中所述谐振腔是平面的。
5.根据权利要求1所述的KLM激光器，其中所述增益介质包括掺杂TM的二元和三元II-VI族材料。
6.根据权利要求5所述的KLM激光器，其中所述材料包括从由以下材料组成的组中选择的材料：Cr2+：ZnSe、Cr2+：ZnS、Cr2+：CdSe、Cr2+：CdS、Cr2+：ZnTe、Cr2+：CdMnTe、Cr2+：CdZnTe、Cr2+：ZnSSe、Fe2+：ZnSe、Fe2+：ZnS、Fe2+：CdSe、Fe2+：CdS、Fe2+：ZnTe、Fe2+：CdMnTe、Fe2+：CdZnTe、Fe2+：ZnSSe。
7.根据权利要求1所述的KLM激光器，其中所述增益介质配置为响应于所耦合的泵浦光而均匀地释放热量，其中所述泵浦光束在被泵浦的增益介质内产生各种均匀轴对称的热光效应。
8.根据权利要求1所述的KLM激光器，其中所述增益介质的相位匹配带宽宽到足以产生波长为泵浦波长和基波波长之和、二者之差以及波长为基波与二次、三次和四次光学谐波波长之和的输出激光光束。
9.根据权利要求1所述的KLM激光器，其中增益元件内的光学强度与传统布鲁斯特安装方案相比是n倍。
10.根据权利要求1所述的KLM激光器，其中所述增益介质配置为补偿谐振腔的像差。
11.根据权利要求1所述的KLM激光器，其中所述谐振腔包括至少两个相邻的上游和下游电介质涂覆的折叠反射镜，所述电介质涂覆的折叠反射镜沿着泵浦光束的路径相分离且每个配置为在基波波长下具有较高反射率且在泵浦波长下具有较高透射率，所述增益介质位于折叠反射镜之间并与折叠反射镜相隔，下游折叠反射镜配置为至少部分地透射高次谐波波长。
12.根据权利要求11所述的KLM激光器，其中所述谐振腔还包括在基波波长下部分透射的输出耦合器，位于输出耦合器上游并配置为在基波波长下具有较高反射率的至少一个平面分色镜。
13.根据权利要求11所述的KLM激光器，其中所述谐振腔还包括色散补偿元件，配置作为平面平行板或棱镜，并可操作用于限制色散，将所述色散补偿元件以布鲁斯特角安装。
14.根据权利要求11所述的KLM激光器，其中所述谐振腔还包括布鲁斯特安装的双折射调谐器。
15.根据权利要求2所述的KLM激光器，还包括在谐振腔内沿激光光束的束腰移动增益介质的平移台，以便在基波波长下所发射的激光光束的主波输出以及在相应的二次、三次和四次谐波波长下的次波输出之间可控地重新分配激光光束的平均功率。
16.一种用于克尔透镜锁模“KLM”激光器中飞秒激光发射的非线性频率转换的方法，包括：
提供多程谐振腔；以及
在谐振腔内安装选自过渡金属掺杂的II-VI族材料(“TM：II-VI”)的增益介质，所述增益介质是以对于泵浦束的法向入射角安装到所述谐振腔内，从而对谐振腔进行克尔透镜锁模以便发射包括基波波长的输出脉冲串的激光辐射的主波输出，其中所述脉冲均在1.8-8微米(“μm”)波长范围内改变，具有等于30-35飞秒(“fs”)时间范围或者大于35飞秒时间范围的脉冲持续时间以及在mW级别到20瓦特(“W”)的功率范围内的平均输出功率，
其中所述克尔锁模“KLM”激光器还包括线偏振的光纤激光器泵浦源，选自掺杂铒或铥的单模光纤并可操作用于在与基波波长不同的泵浦波长下发射泵浦光束，其中将所述泵浦光束耦合到增益介质中，其中激光光束和泵浦光束在传播通过所述增益介质时保持圆形。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：与主波输出同时提供沿着波长范围的基波波长的二次谐波波长的激光光束的次波输出。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：与主波输出和次波输出同时提供基波波长的三次和四次谐波波长的激光光束的附加输出。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
在与基波波长不同的泵浦波长下产生泵浦光束，并将泵浦光束耦合到增益介质中；以及
产生波长为泵浦波长和基波波长之和、二者之差以及波长为基波波长与二次、三次和四次光学谐波波长之和及它们之差的激光光束附加输出。
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