高功率锁模激光系统及使用方法技术方案

本文中公开了一种高功率镱掺杂氟化钙激光系统，其包括至少一个泵浦源、由至少一个高反射器和至少一个输出耦合器形成的至少一个激光腔，以及定位在与泵浦源通信的激光腔内的至少一个镱掺杂氟化钙光学晶体，该镱掺杂氟化钙光学晶体被配置成输出至少一个至少20 W的输出信号，其具有200 fs或更小的脉冲宽度和至少40 MHz的重复率。

High power mode-locked laser system and its application

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高功率锁模激光系统及使用方法对相关申请的交叉引用本申请要求2016年12月4日提交的题为“High-PowerYtterbiumDopedCalciumFluorideMode-LockedLaserandMethodsofUse”的美国临时专利申请序列号62/429,830的优先权，其整个内容通过引用结合到本文中。
技术介绍
高功率锁模激光系统目前被用于各种各样的应用，诸如多光子显微镜和器件制造。目前，通常有三种类型的高功率锁模激光系统可用于这些应用：薄盘激光系统、线性调频脉冲光纤放大器系统和体块型（bulk）激光系统。薄盘激光系统是二极管泵浦的固态激光系统，其包括定位在散热器上的一薄层有源增益材料。来自二极管泵浦源的泵浦信号多次入射在有源增益材料上，响应于此，该有源增益材料产生输出信号。历史上，盘形（disk）激光系统已经能够产生高平均功率。然而，盘形激光系统在很大程度上尚不能够可靠地产生具有小于约500飞秒（在下文中称为“fs”）的脉冲宽度的输出信号，以及以高平均功率和高重复率可靠地产生。此外，盘形激光系统需要复杂且昂贵的光学泵浦配置和热管理系统。由于峰值功率限制，基于光纤的高功率锁模激光器需要振荡器和线性调频脉冲放大器，其包括在放大之前拉伸脉冲，然后在放大之后进行随后的压缩，因此向系统添加了成本和复杂性。相反地，体块型高功率锁模激光系统使用光学晶体（诸如Yb：YAG、Yb：CALGO、Yb：KYW或Yb：KGW）作为增益材料。虽然现有技术的体块型高功率锁模激光系统在过去已被证明是有用的，但是已经发现了许多缺点。常常，光学晶体的高功率光学泵浦导致了光学晶体内的一种或多种不期望的热效应。例如，可以在光学晶体内创建一个或多个热透镜，由此减小激光系统的输出功率。通常，这些现有技术的体块型激光系统的平均输出功率小于约15W。图1以图表方式示出了该范围，其中连续波锁模（CW-ML）信号从现有技术激光腔内的激光器输出，作为平均输出功率对比来自泵浦源的平均泵浦功率的函数。如示出的，窄的CW-ML状况（regime）被不合期望的不稳定性状况终止。如此，需要CW-ML信号的操作或系统被局限于相对低的光学平均功率应用。另外，目前可用的体块型高功率锁模激光系统往往是需要多个泵浦源、复杂热管理系统等等的复杂系统。因此，鉴于前述内容，一直需要一种能够以高平均功率产生短脉冲的简单、低成本的高功率锁模激光系统。进一步需要一种能够产生具有平均功率大于20W的低于200fs脉冲持续时间的简单、低成本的高功率锁模激光系统。此外，一直需要一种能够以对于应用而言足够的重复率产生这些短脉冲持续时间和高平均功率的简单、低成本的高功率锁模激光系统。此外，需要一种具有扩展的CW-ML范围以易于制造和鲁棒性的简单、低成本的高功率锁模激光系统。
技术实现思路
本申请公开了高功率锁模激光系统的各种实施例及使用方法。在一个实施例中，本申请公开了一种高功率镱掺杂氟化钙激光系统。该高功率镱掺杂氟化钙激光系统可以包括：至少一个泵浦源，其被配置成提供至少一个泵浦信号。该泵浦信号可以被引导到至少一个激光腔中，该激光腔由至少一个高反射器和至少一个输出耦合器形成。此外，至少一个镱掺杂氟化钙光学晶体可以定位在至少一个激光腔内。镱掺杂氟化钙激光系统与来自泵浦源的泵浦信号通信并由其泵浦，并且可以被配置成输出至少一个输出信号，该至少一个输出信号具有20W或更高的输出功率以及约200fs或更小的脉冲宽度。在另一实施例中，本申请涉及一种高功率体块型激光系统。和先前的实施例一样，高功率体块型激光器包括至少一个泵浦源。由至少一个高反射器和至少一个输出耦合器形成的至少一个激光腔可以被配置成从泵浦源接收泵浦信号。至少一个体块型光学晶体可以定位在激光腔内并且与泵浦源通信。体块型光学晶体可以被配置成输出可以从输出耦合器输出的至少一个20W和200fs的输出信号。在又另一实施例中，本申请公开了一种高功率激光器。该高功率激光器包括至少一个泵浦源。由至少一个高反射器和至少一个输出耦合器形成的至少一个激光腔可以被配置成接收泵浦信号。至少一个增益介质可以定位在激光腔内并且可以与泵浦源通信。增益介质可以被配置成从至少一个输出耦合器输出至少一个至少20W的输出信号，其具有200fs或更小的脉冲宽度和至少40MHz的重复率。如本文中描述的高功率锁模激光系统及使用方法的其他特征和优点将根据以下详细描述的考虑而变得更加显而易见。附图说明如本文中公开的高功率锁模激光系统及使用方法的新颖方面将通过审阅以下附图而变得更加显而易见，其中：图1以图表方式示出了现有技术的高功率激光系统的锁模状况；图2示出了高功率锁模激光系统的实施例的示意图，该系统具有经由光纤器件将泵浦信号输送到激光腔的单个二极管泵浦源；图3示出了高功率锁模激光系统的另一实施例的示意图，该系统具有将多个泵浦信号输送到激光腔的单个二极管泵浦源；图4示出了高功率锁模激光系统的实施例的示意图，该系统具有将多个泵浦信号输送到激光腔的多个二极管泵浦源；图5示出了将本文中描述的新颖体块型Yb：CaF2激光系统的性能相对于现有技术激光器的性能进行比较的表格；以及图6以图表方式示出了由本文中公开的Yb：CaF2锁模激光系统的实施例实现的经改善的性能和增加的锁模状况。具体实施方式本申请涉及用于与各种光学系统一起使用的高功率镱掺杂氟化钙（在下文中称为“Yb：CaF2”）锁模激光系统的各种实施例。高功率Yb：CaF2锁模激光系统的各种实施例包括：新颖的腔设计，其被配置成利用Yb掺杂光学晶体（诸如Yb：CaF2）的独特光热属性来提供具有连续锁模范围的输出信号，该连续锁模范围跨越激光系统的输出功率动态范围的上部区域的几乎百分之五十（50％），同时减少或消除锁模窗口上部区域处的光谱不稳定性，同时使最低或几乎最低阶的横向空间高斯光束（TEM00）共振。在一个实施例中，本文中描述的高功率Yb：CaF2锁模激光系统可以被配置成以大于约50MHz的重复率来输送具有超过约20W的平均输出功率的几乎变换有限的低于300fs脉冲。例如，在一个实施例中，本文中描述的体块型Yb：CaF2激光系统可以被配置成以大于约70MHz的重复率来输送具有超过约25W的平均输出功率的几乎变换有限的低于200fs脉冲。在另一实施例中，本文中描述的体块型Yb：CaF2激光系统可以被配置成以大于约80MHz的重复率来输送具有超过约30W或更高的平均输出功率的几乎变换有限的低于150fs脉冲。本文中公开的高功率Yb：CaF2锁模激光系统可以与谐波晶体、光学参量振荡器和用于各种多光子显微镜应用的类似器件结合地使用。可选地，本文中公开的高功率Yb：CaF2锁模激光系统可以被配置为用于基于激光的光谱应用，其包括例如，双梳光谱应用。在另一实施例中，本文中公开的高功率Yb：CaF2锁模激光系统可以包括：定位在其中或与其耦合的至少一个放大器模块，由此提供高功率锁模激光系统。可选地，高功率Yb：CaF2锁模激光系统可以被用作泵浦源，以便泵浦近红外光学参量振荡器（在下文中称为“OPO”）和/或中红外OPO、和/或远红外OPO、和/或光学参量发生器。在另一应用中，本文中描述的高功率Yb：CaF2锁模激光系统可以被用于制造各种各样的器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高功率镱掺杂氟化钙激光系统，其包括：至少一个泵浦源；至少一个激光腔，其由至少一个高反射器和至少一个输出耦合器形成；定位在所述至少一个激光腔内的至少一个镱掺杂氟化钙光学晶体，所述至少一个镱掺杂氟化钙光学晶体与至少一个泵浦信号通信并由其泵浦，并且被配置成输出具有20W或更高输出功率以及200fs或更小脉冲宽度的至少一个输出信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.04 US 62/429,8301.一种高功率镱掺杂氟化钙激光系统，其包括：至少一个泵浦源；至少一个激光腔，其由至少一个高反射器和至少一个输出耦合器形成；定位在所述至少一个激光腔内的至少一个镱掺杂氟化钙光学晶体，所述至少一个镱掺杂氟化钙光学晶体与至少一个泵浦信号通信并由其泵浦，并且被配置成输出具有20W或更高输出功率以及200fs或更小脉冲宽度的至少一个输出信号。2.根据权利要求1所述的高功率镱掺杂氟化钙激光系统，其中所述至少一个泵浦信号包括连续波泵浦信号。3.根据权利要求1所述的高功率镱掺杂氟化钙激光系统，其中所述至少一个输出信号包括连续波锁模信号。4.根据权利要求1所述的高功率镱掺杂氟化钙激光系统，其中所述至少一个泵浦源包括：耦合到单个光纤器件的位于单个二极管封装内的多个激光二极管发射器，每个发射器被配置成将光学信号输出到所述单个光纤器件中，所述单个光纤器件被配置成从所述多个激光二极管发射器接收所述光学信号并且输出单个泵浦信号。5.根据权利要求1所述的高功率镱掺杂氟化钙激光系统，进一步包括：至少一个定位在所述至少一个激光腔内的至少一个晶体支架，所述至少一个晶体支架被配置成在所述至少一个激光腔内的期望位置处支撑和定位所述至少一个镱掺杂氟化钙光学晶体。6.根据权利要求5所述的高功率镱掺杂氟化钙激光系统，其中所述至少一个晶体支架由至少一种具有高导热系数的材料制成。7.根据权利要求6所述的高功率镱掺杂氟化钙激光系统，其中所述至少一个晶体支架包括：至少一个热控制特征，所述至少一个热控制特征被配置成增强定位在所述至少一个晶体支架上的至少一个镱掺杂氟化钙光学晶体的对流冷却。8.根据权利要求7所述的高功率镱掺杂氟化钙激光系统，进一步包括：至少一个热控制系统，所述至少一个热控制系统被配置成帮助冷却所述至少一个镱掺杂氟化钙光学晶体。9.根据权利要求8所述的高功率镱掺杂氟化钙激光系统，其中所述至少一个热控制系统包括空气冷却系统。10.根据权利要求1所述的高功率镱掺杂氟化钙激光系统，进一步包括：定位在所述至少一个激光腔内的晶体支架上的镱掺杂氟化钙光学晶体，所述晶体支架具有与其耦合的热控制系统。11.根据权利要求1所述的高功率镱掺杂氟化钙激光系统，其中所述至少一个镱掺杂氟化钙光学晶体包括<111>切割的晶体。12.根据权利要求1所述的高功率镱掺杂氟化钙激光系统，其中所述至少一个输出信号具有跨越所述输出功率动态范围的上部区域的至少百分之五十(50％)的连续锁模范围。13.一种高功率体块型激光系统，其包括：至少一个泵浦源；由至少一个高反射器和至少一个输出耦合器形成的至少一个激光腔；至少一个体块型光学晶体，其定位在所述至少一个激光腔内并且与所述至少一个泵浦源通信，所述至少一个体块型光学晶体被配置成输出至少一个20W或更高以及200fs或更小的输出信号，所述至少一个输出信号被配置成从所述至少一个输出耦合器输出。14.根据权利要求13所述的高功率体块型激光系统，其中所述至少一个泵浦信号包括连续波泵浦信号。15.根据权利要求13所述的高功率体块型激光系统，其中所述至少一个输出信号包括连续波锁模信号。16.根据权利要求13所述的高功率体块型激光系统，其中所述至少一个泵浦源包括：至少一个光纤器件，所述光纤器件与基于单二极管的泵浦源光通信地耦合。17.根据权利要求13所述的高功率体块型激光系统，其中所述至少一个泵浦源包括：耦合到单个光纤器件的位于单个二极管封装内的多个激光二极管发射器，每个发射器被配置成将至少一个光学信号输出到所述单个光纤器件中，所述单个光纤器件被配置成从所述多个激光二极管发射器接收所述至少一个光学信号并且输出单个泵浦信号。18.根据权利要求13所述的高功率体块型激光系统，其中所述至少一个高功率体块型激光系统包括空气冷却激光系统。19.根据权利要求13所述的高功率体块型激光系统，进一步包括：至少一个热控制系统，其被配置成帮助冷却所述至少一个体块型光学晶体。20.根据权利要求13所述的高功率体块型激光系统，其中所述至少一个输出信号具有跨越所述输出功率动态范围的上部区域的至少百分之五十(50％)的连续锁模范围。21.一种高功率激光器，其包括：至少一个泵浦源；由至少一个高反射器、至少一个输出耦合器形成的至少一个激光腔，所述至少一个输出耦合器被配置成输出至少一个输出信号；以及至少一个增益介质，其定位在...

【专利技术属性】
技术研发人员：J沙尔，CY简，R博吉，J卡夫卡，A迪纳，
申请(专利权)人：纽波特公司，
类型：发明
国别省市：美国,US