专利名称：使用激光二极管光学泵浦模块的飞秒激光器设备的制作方法
技术领域：
本公开涉及一种二极管泵浦的激光器设备。更具体地说，本公开涉及一种使用激光二极管光学泵浦模块的飞秒激光器设备，其可以提供稳定的锁模，并可以改进超快激光器(ultrafast laser)中的功率稳定性和光束稳定性。
背景技术：
一般来说，超快激光脉冲具有诸如高峰值功率、大谱宽度等优良的性质，以及短的脉冲时间宽度。超快激光器系统由于其这样的性质而已经被用于各种材料的超精度微加工、非线性光学、生物、化学、物理和医学应用等。·
例如，由于使处理区域中的热扩散最小并对周围不产生残余的破坏，飞秒区域的超快激光脉冲可以处理太硬而不能被机械处理的材料。此外，由于作为基于高峰值功率的多光子吸收的非线性光学效应，超快激光脉冲甚至可以处理诸如玻璃、聚合物等透明材料的各种纳米尺度的结构。激光稳定性指示各要素是否随着时间保持恒定不变，其中，所述要素包括施加于要施加激光的对象的功率、施加于对象的光束的位置、光束的空间传播、光束的分布图样
坐寸o当激光必须从远处被精确地施加于目标时，例如，如激光处理中一样，激光稳定性是非常重要的。特别地，对于诸如飞秒激光器的超快激光器，激光稳定性甚至在具有纳米级精度的超精度激光处理中更加重要。光束稳定性指示光束是否在预定位置处稳定地传播以及在空间方面的角度是否与诸如激光处理的应用密切相关。光束稳定性的特性可以用光束位置稳定性和光束角度稳定性来描述，光束位置稳定性与光束在对象上的形状的位置变化相关联，光束角度稳定性指示当光束聚焦在对象上时的角度变化。光束稳定性通常被称为“光束指向稳定性”。影响激光稳定性的因素可以包括内在因素和外在因素，例如，物理振动、机械形变、热分布的变化、共振器的不稳定、气流等。超快激光器对这些内在因素和外在因素尤其敏感，从而，为了改进激光器的稳定性，已经作出了各种努力。在以飞秒激光器为代表的超快激光器中，锁模是从飞秒振荡器获得超短脉冲的方法。因为锁模对光路的微小变化非常敏感，所以振荡器也对由于环境温度的变化所引起的光学支架(optical mount)的机械形变非常敏感,从而,振荡器的输出特性相应地会敏感地改变。由于这个原因，用于稳定操作的大部分飞秒激光器被安置和操作于具有用于将环境温度稳定地保持在±0.5°内的恒温设施的无尘室中。但是，在应用高功率泵浦光源的诸如光学泵浦相关支架、激光介质支架等的光学支架周围，或者，在由于其冷却盘(cooling pan)而放出大量热到外部的激光功率装置、冷却装置等的周围，不可避免地发生局部温度变化。也就是说，飞秒激光器在其输出特性方面深受包含于其中的光学部件周围的局部温度变化以及安置该激光器的空间周围的环境温度的变化的影响。因此，将飞秒激光器系统机械地构造为对温度尽可能地不敏感是非常重要的。传统的代表性的飞秒激光器是使用Ti蓝宝石作为介质的激光器。Ti蓝宝石由于具有100纳米的大的发射谱带而可以产生直达几飞秒的非常短的脉冲。为了从外部泵浦能量，来自由高功率激光二极管泵浦的Nd:YV0激光器的绿色光源以几十至几百微米的大小被强烈地聚焦到Ti蓝宝石激光晶体。泵浦光源与Ti蓝宝石在结构上相隔几米，从而，为了稳定地操作Ti蓝宝石激光器，泵浦光源的输出特性的稳定性是非常重要的。例如，在泵浦光源的差的指向稳定性的情况下，以几十至几百微米的大小被强烈地聚焦在Ti蓝宝石激光晶体中的泵浦光源的斑点位置不恒定地改变，使得泵浦光源和激光束之间的模耦合连续地改变，从而降低激光功率稳定性。例如，如果诸如输出功率、输出光束方向等的特性劣化，那么使用该特性的激光处理产品的质量也会劣化。为了克服上述问题，将反射镜安置在这样的光学支架上，该光学支架安装有能够细调光束方向的控制装置。因此，通过反射镜可以控制泵浦光源的光束方向，从而控制功率稳定性。但是，当同时控制光学部件以优化稳定性时，系统的尺寸变大，系统的结构变复杂，并且，系统的价格也增加。因此，在一般的情况中，控制装置仅被安装一个或两个光学部件。另一方面，如果可以通过将从半导体激光二极管输出的高功率光束直接施加于激光晶体来获得超快脉冲，那么可以克服传统的Ti蓝宝石激光器需要昂贵的泵浦激光的问题。于是，可以更容易地解决作为Ti蓝宝石激光器的缺点的价格、尺寸和稳定性的这样的问题。在这种情况下，如果可以将作为泵浦光源的高功率激光二极管靠近激光晶体放置在离激光晶体的几十厘米或几厘米内，那么可以进一步改进超快激光器的稳定性。如果可以通过使用高功率激光二极管以连续波的模式而不是脉冲的模式来泵浦用于改进超快激光器的输出功率的放大器部件，那么可以进一步稳定地操作该激光器。当首先以锁定在飞秒振荡器中的模式产生飞秒脉冲时，脉冲的能量非常低，约毫微焦耳(nj)，从而该脉冲不适合于诸如激光处理等的应用。为了提高飞秒脉冲的能量，使用啁啾脉冲放大(CPA)的技术。从飞秒振荡器输出的脉冲在时间上被拉伸并然后被施加于放大器，从而被用作种子脉冲(seeding pulse)。在飞秒放大器的激光晶体中，种子脉冲和放大器/共振器模式之间的稳定耦合对于飞秒放大器的稳定性非常重要。因此，在飞秒激光器中具有放大器的系统中，振荡器的稳定性变得更加重要。提高飞秒激光器的稳定性的另一种方法是通过挖空单个铝块的内部来制造激光器壳体，在该壳体中，除了上盖以外的部分被一体地制造为单件，以使由于温度变化而导致的壳体的机械形变最少。此外，为了努力减少温度变化，用具有优良的导热性的铜制造安装有高功率二极管的模块或者安装有激光晶体的模块，并且，让恒温的冷却水流动。为了进一步改进稳定性，冷却水线以及上述模块可以被设置在激光器壳体中，以让冷却水流动,从而使温度变化最少。但是，例如，通常可知，如果激光器被操作和使用，并然后在断电之后在第二天将 激光器再次通电以便操作，那么激光器的特性被劣化。这是因为在断电期间发生的机械形变甚至在通电之后也没有通过冷却装置被完全恢复的缘故。为了克服该问题，在某种常见的飞秒激光器系统中，推荐24小时内操作诸如泵浦光源、包含冷却水的冷却装置等的激光器系统，以便保持稳定状态。但是，不容易把激光共振器的光学支架保持在恒温。为了减少飞秒激光器的功率随着时间的变化、包含指向稳定性的光束的空间变化等，应该稳定地保持用于把从外部施加的泵浦光源与共振器内部的激光晶体中的光束在空间上匹配的模耦合。如果从外部施加的泵浦光源远离激光晶体，那么由于泵浦光源的光束稳定性而不容易稳定地保持模耦合。因此，为了制造高稳定性的飞秒激光器，希望将激光二极管作为泵浦光源直接施加于近范围内的激光晶体。由于高功率泵浦光源从外部被施加，并且，在激光共振器的内部产生高功率激光束，所以高功率以热的形式被传送到光学支架，还被传送到激光平台和激光器，诸如激光晶体、光学镜等的光学部件与光学支架接合。传送的热导致光学支架等的机械形变，并且，该机械形变轻微地改变光学部件的方向，使得激光共振器的布置被扰乱，从而降低了激光器的输出特性。特别地，在诸如飞秒激光器的超快激光器中，使用锁模现象来产生飞秒脉冲，并且，由于锁模对于共振器的形变非常敏感，所以飞秒脉冲的稳定性被降低，最后，不再保持锁模，从而甚至可能会不再产生飞秒脉冲。例如，作为测试实现的飞秒激光器的形式在图I的光学概念图中被示出。在图I中，LC指示激光晶体，Ml至M6指示反射镜，SAM指示可饱和吸收镜，DM指示二向色镜，OC指示输出耦合器，LD指示激光二极管，WP指示半波片，CL指示准直透镜，FL指示聚焦透镜。在图I中，虚线框指示激光二极管的光学泵浦单元。传统上，为了以这样的形式实现光学概念图，诸如各个反射镜的光学部件被独立地安装在光学支架上并被固定在激光平台上。更具体地，图2示出实现图I的虚线框的装置，其中，通过使用高功率激光二极管，以光学的方式将能量从激光共振器的外部提供给共振器内部的激光晶体。这里，附图标记100指示光纤，附图标记IlOa至IlOf指示用于在其上安装光纤、半波片、准直透镜、聚焦透镜和二向色镜的各个支架，附图标记120a至120g指示安置在激光平台130上以支撑各个支架的支架块。当高功率二极管输出光束通过各种光学部件时，其一部分被反射并入射在各种机械部件或激光器壳体上。于是，当高功率泵浦光束在一些光学支架中被吸收时，激光器中的热分布变得不均匀，导致局部加热，从而各个支架独立地变形，这样，激光器的共振器的布置变差。照此，如果发生大量的形变，用于在飞秒激光器中产生飞秒激光脉冲的锁模不再被保持，从而，不再产生飞秒脉冲，并且，产生非常低峰值功率的连续波。在这种情况下，必须操作锁模启动器(mode-locking starter)以再次产生锁模，·从而产生锁模并再次产生飞秒激光脉冲。如果激光器尽管已经被锁定，但是仍然保持长时间断电，那么激光器被热冷却下来并返回到热平衡状态。但是，如果激光器被再次通电，那么再次发生热不平衡，导致机械形变。然而，由于激光器没有完全返回到以前的状态，所以锁模通常被解除。图3示出当飞秒激光器开始在光学泵浦单元的光学支架被独立地安装的状态中操作时功率随着时间的变化。图3示出当以前被操作以稳定地产生飞秒激光脉冲的激光器被断电以完全冷却之后对激光器再次通电时的情况。由此可知，尽管飞秒激光器的锁模是稳定的，但是，如果对激光器再次通电，那么锁模通常被解除，由此产生连续波(CW)。结果，为了对激光器进行锁模，必须操作锁模启动器。
背景技术：
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明的背景技术的理解，因此，上述信息可以包含没有形成本领域的普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
因此，为了努力解决与现有技术相关的上述问题，已经作出了本发明，本发明提供一种设备，其中，为了在超快激光器中提供稳定的锁模并改进功率稳定性和光束稳定性，安装有二极管泵浦单元的光学部件的光学支架使用低热膨胀系数的杆来被机械地接合并形成泵浦模块，并且，泵浦模块与激光平台或壳体最大地分离开。为了实现前述目的，在本发明中提供的使用激光二极管光学泵浦模块的飞秒激光器设备具有如下特性。使用激光二极管泵浦模块的飞秒激光器设备通过使用低热膨胀系数的杆来与安装有二极管泵浦单元的光学部件的光学支架机械地接合，由此形成泵浦模块，并且将形成的泵浦模块与激光平台或壳体最大地分离开，从而在超快激光器中提供稳定的锁模并改进功率稳定性和光束稳定性。更具体地，由于飞秒激光器中的高亮度泵浦光源引起的局部加热而导致机械形变的光学支架被机械地接合，从而以集成的方式被模块化。
为了模块化，使用对于温度变化的机械热膨胀系数几乎为零的因瓦合金(invar)。另外，为了使模块和激光平台或壳体之间的接触最少，使传送到该模块的外部热形变最少。而且，聚焦在激光晶体中的泵浦光源和激光共振器模式之间的模耦合通过对于温度变化机械地稳定光学泵浦模块来被稳定地保持，从而改进激光器的功率稳定性和光束稳定性。因瓦合金在美国通常被称为FeNi36和64FeNi，其是镍、铁等的合金，并且，由于其低热膨胀系数而出名。名称“invar”(因瓦合金)还源自于“invariant”，“invariant”是指它相对于温度变化不会特别地膨胀或收缩。
因瓦合金在室温下具有约I. 2x10_6/K的热膨胀系数。这样的系数意味着机械值相对于1°C的温度变化仅仅改变约1/1000000。由于上述的热特性，当如精密工具、时钟等中一样需要高尺度稳定性时，使用因瓦
入全I=I -Wl o虽然在市场上可以得到诸如因瓦合金、超因瓦合金、科瓦铁镍钴合金等的各种因瓦合金材料，但是随着化学成分，在热膨胀系数方面仍有一些差异。下面讨论本发明的其它方面和优选实施例。下面讨论本发明的上述和其它特征。
现在参考在附图中示出的本发明的某一示例性实施例详细地描述本发明的上述和其它特征，这些附图仅仅以图示的方式在下文中给出，从而并不限制本发明，在附图中图I是飞秒激光器的光学概念的示意图；图2示出独立地安装传统的光学支架的光学泵浦单元的前视图和平面图；图3是示出在开始飞秒激光器的操作时功率随着时间的变化的曲线图，该飞秒激光器应用了独立地安装有传统的光学支架的光学泵浦单元；图4示出根据本发明的光学支架被模块化为单件的光学泵浦单元的前视图和平面图；图5是示出根据本发明的光学支架被模块化为单件的光学泵浦单元中的各种模块耦合器的透视图；图6是示出根据本发明的光学支架被模块化为单件的光学泵浦单元中的接合型光学支架的透视图；图7是示出根据本发明的光学支架被模块化为单件的光学泵浦单元中的反射光束阻挡器的透视图；图8是示出根据本发明的飞秒脉冲的特征(脉冲宽度)的曲线图；图9是示出根据本发明的飞秒脉冲的特征(光谱)的曲线图；图10是示出根据本发明的在开始飞秒激光器的操作时输出功率随着时间的变化的曲线图，该飞秒激光器应用了具有被模块化为单件的光学支架的光学泵浦单元；图11是示出根据本发明的光束位置随着时间的相对变化的曲线图；以及
图12是示出根据本发明的光束指向变化的曲线图。应该理解，附图并不一定是按比例的，呈示了说明本发明的基本原理的各种优选特征的稍微简化的表示。包括例如特定尺寸、取向、位置和形状的本文中公开的本发明的特定设计特征将部分地由具体的期望应用和使用环境来确定。在附图的若干图中附图标记始终是指本发明的相同或等同的部件。
具体实施例方式现在将在下文中对本发明的实施例进行详细的参考，本发明的例子在附图中示出并在下面被描述。虽然将结合示例性实施例描述本发明，但是将会这样理解，本描述不应当将本发明限制于示例性实施例。相反，本发明应当不仅覆盖示例性实施例，还覆盖可以包含在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的各种替换、修改、等同物和其它实施例。在下文中将参照附图详细地描述本发明。图4示出根据本发明的光学支架被模块化为单件的光学泵浦单元的前视图和平面图。如图4所示，根据本发明的飞秒激光器设备可以包括光学泵浦模块，在该光学泵浦模块中，形成二极管泵浦单元的光学部件和用于安装这些光学部件的支架通过使用低热膨胀系数的杆即多个模块耦合杆18和最小量的模块耦合器19被模块化为单件，使得光学泵浦模块被安置成与激光平台16相隔开，例如，被安置在与激光平台16相隔预定距离(高度)的位置中。为此，提供作为泵浦光源的激光二极管10、用于调整泵浦光源的偏振方向的半波片11、用于有效地施加激光二极管10的输出光束到激光晶体12并改进模耦合的准直透镜13和聚焦透镜14、用于聚焦泵浦光源的激光晶体12、以及用于反射激光束并使泵浦光源从其通过的二向色镜15a和15b，并且，这些光学部件按照半波片11、准直透镜13、聚焦透镜14和然后激光晶体12的顺序依次地布置在一条线中，二向色镜15a和15b设置在激光晶体12的前面和后面。特别地，各个光学部件，例如，半波片11、准直透镜13、聚焦透镜14以及二向色镜15a和15b，被安装在相应的支架17a至17e上并由它们支撑，并且，各个支架17a至17e通过多个模块耦合杆18 (优选地，两个至四个模块耦合杆18)被耦合成单件。也就是说，模块耦合杆18通过同时水平地穿透相应的支架17a至17e来被接合，使得安装有光学部件的支架17a至17e全部耦合成单件。模块耦合杆18可以是具有低热膨胀系数的因瓦合金、超因瓦合金或科瓦铁镍钴
么么I=I -Wl o包括光学部件和各个支架17a至17e的模块耦合杆18全部被接合并被支撑在至少一个模块耦合器19上，所述至少一个模块耦合器19被安置在激光平台16上。这里，如图6所示，支架17a至17e中的每一个可以为环形块的形式，该环形块具有用于接纳光学部件的光学部件安置部分(seating portion)29和用于精确地微调在光学部件安置部分29中接纳的光学部件的位置的位置调整螺丝23。支架17a至17e中的每一个被设置有用于使模块耦合杆18从其中通过的两个至四个孔。模块耦合器19还可以具有各种形式，例如，如图5所示，它们可以具有带有敞口或封闭型的支架安置部分28和用于使模块耦合杆18从其中通过的两个至四个通孔26的各种形式。这里，未描述的附图标记27指示用于将模块耦合器19安置在激光平台16上的螺丝孔。通常看来，光学泵浦模块可以具有非对称的形状，因为光学部件被集中地放置在前端侧，并且，为了解决该问题，即，为了全局地稳定光学泵浦模块，提供辅助适配器20，该辅助适配器20通过螺丝接合结构等在与半波片11相对的一端被耦合在模块耦合杆18上。置于二向色镜15a和15b之间的激光晶体12通过激光晶体支架21被直接安置在激光平台16上。也就是说，激光晶体12的激光晶体支架21被直接安置在激光平台16上，而不是被耦合在模块耦合杆18上。·
反射光束阻挡器22被放置在半波片11的后端侧中，该反射光束阻挡器22防止安装有半波片11的支架17a被由二向色镜15a和15b反射的高亮度光束加热。反射光束阻挡器22被安置在激光平台16上。特别地，提供光纤25，该光纤25从激光二极管10延伸并向着半波片11连接，并且，其端部以被光纤支架24支撑的方式连接和安置，该光纤支架24被耦合在模块耦合杆18上。〈实施本发明的方式〉作为实施本发明的测试实现的飞秒激光器的形式在图I的光学概念图中示出。在该测试中使用的激光晶体LC使用具有5%掺杂的镱离子、Yb3+离子和3x3x3mm3的尺寸的Yb:KYW。作为各向异性激光晶体的Yb:KYW根据泵浦光束的传播方向和偏振方向具有不同的吸收率。为了使泵浦光源的吸收率最大，对激光晶体进行切割，使得泵浦光源的偏振方向平行于激光晶体的a轴，并且，泵浦光源在激光晶体的b轴的方向上传播，激光晶体的两个表面被涂敷有抗反射涂层，以使对于泵浦光源波长和激光波长的反射最少。具有IOOmm的曲率半径的凹形二向色镜DM被设置为反射激光束并使泵浦光源从其中通过。为了使飞秒激光共振器产生短于I皮秒的脉冲，必须校正在激光共振器中包含的光学部件中发生的色散。一般来说,使用棱镜延迟线(prism delay line)或啁啾镜来补偿色散。与将两个棱镜一起用作一对的棱镜延迟线中不一样，在啁啾镜的情况中，色散补偿由啁啾镜自身的色散值而不是离光学部件的距离确定，使得飞秒激光器可以被紧凑地构造。在这种情况下，在共振器中使用两个啁啾反射镜，并且，单次通过中的总群速色散是 GVD=-1350fs2。为了将由连续波CW振荡的飞秒激光器转换为产生锁模的飞秒脉冲的激光器，在激光共振器的端部设置半导体可饱和吸收镜SAM。为了获得超过吸收器的可饱和强度的强度，使用具有300mm的曲率半径的凹形反射镜，并且，将光束聚焦在半导体可饱和吸收镜SAM的表面上。
使用的半导体可饱和吸收镜SAM的吸收率为3%。作为泵浦光源，使用具有8W的最大功率的激光二极管LD。激光二极管被安置在铜块上，该铜块安置有Peltier热电装置，并且，对铜块进行控制，使得其温度被冷却器保持恒定，预定温度的冷却水在冷却器中循环。照此，对激光二极管的温度进行控制，使得波长允许激光晶体中的泵浦光源的最大吸收。为了提高泵浦效率，与激光二极管接合的光纤的长度是约80至120mm —样短，优选地为约100_，从而获得具有约7%的去偏振率的线性偏振光束。为了有效地施加高功率激光二极管的输出光束，应用了具有100至IlOiim (优选地，105 u m)的芯直径和0. 11的数值孔径的光纤。此外，为了改进模耦合，使用分别具有60mm的焦距的准直透镜CL和聚焦透镜FL，以便优化。在激光晶体中聚焦的泵浦光源的横向光束具有约IOOiim的直径，从而与在激光晶体中产生的共振器模式的尺寸非常匹配。由于当前激光晶体中的泵浦光源的吸收率随着泵浦光源的偏振方向而改变，所以安装在旋转支架上的半波片WP被预先设置在光纤的末端后面，以微调泵浦光源的偏振方向，从而使光学泵浦效率最大化。在根据本发明的当前的测试中，光学泵浦单元包括激光二极管端、半波片WP、准直透镜CL、聚焦透镜FL、二向色镜DM和反射镜M3。虽然在图2中，安装有光学泵浦单元的光学部件的光学支架被独立地固定在激光平台上，但是在图4中，安装有光学泵浦单元的光学部件的光学支架由模块耦合杆机械地接合。当如图4中一样通过机械接合来构造支架模块时，为了使支架模块与外侧或激光平台的机械形变无关，制造模块耦合器并将模块耦合杆与其接合，并且，将用于接合模块耦合杆的如图5所示的形式的接合型支架被安置在激光平台上。模块耦合器是用于连接一体型光学泵浦模块和激光平台的工具，并且，在考虑光学泵浦模块的稳定性的情况下，模块耦合器的数量优选地为最小值。在当前例子中，如图4所示，已经使用了两个模块耦合器。在当前例子中，安装光学泵浦单元的激光二极管端部、半波片、准直透镜、聚焦透镜、二向色镜和反射镜的接合型支架。为了相对于激光共振器进一步全局地稳定一体型光学泵浦模块的非对称设置，另外将辅助适配器设置在相对端。这里，二极管泵浦光束的大部分在激光晶体中被吸收，并且，其余的部分以热的形式被传送到激光晶体支架，使得激光晶体支架与光学泵浦模块分离并被直接安置在激光平台上。由于很多热被传送，所以通过使冷却到预定温度的冷却水流经与激光器连接的冷却器来冷却激光晶体支架。当高亮度光束从激光器的共振器的二向色镜反射时，它到达半波片的接合型支架，从而发生局部加热，在热形变方面导致差的机械稳定性。为了防止这样的现象，如图7所示的反射光束阻挡器被分开制造，并且，被直接安置在激光平台上，而不是在光学泵浦模块上。总而言之，在本发明中，为了在超快激光器中提供稳定的锁模并改进功率稳定性和光束稳定性，安装有二极管泵浦单元的光学部件的支架通过使用低热膨胀系数的杆来被机械地接合，从而形成光学泵浦模块，并且，光学泵浦模块与激光平台或壳体最大地分离。更具体地，为了一体型模块化，由于飞秒激光器中的高强度泵浦光源局部加热而发生机械形变的支架被机械地接合，并且，为了模块化，使用其机械热膨胀系数相对于温度变化几乎为零的因瓦合金。另外，通过使模块和激光平台或壳体之间的接触最少，使传送到该模块的外部热形变也最少。
而且，聚焦在激光晶体中的泵浦光源和激光共振器模式之间的模耦合通过对于温度变化机械地稳定光学泵浦模块来被稳定地保持，从而改进激光器的功率稳定性和光束稳定性。从光学泵浦模块可以获得如下效果。为了振荡飞秒激光器，首先，设置全反射镜代替半导体可饱和吸收器，以作为连续波振荡激光器，并且，使光学布置优化，其后，为了振荡飞秒脉冲，用半导体可饱和吸收器替代全反射镜，从而产生锁模。飞秒脉冲以87. SMHz的重复率操作，每个脉冲的能量为10毫微焦耳或更大，并且，平均功率为约1W。图8至12示出当在飞秒激光器中通过光学泵浦单元的一体型模块化来使热形变最少时飞秒脉冲的输出特性的测量结果。图8示出飞秒激光脉冲的时间宽度的测量结果，其中，半峰全宽(FWHM)为91. 4飞秒，并且，光谱具有14. 5纳米的FWHM，其中，中心波长为1043纳米，如图9所示。指示飞秒脉冲的特性的脉冲宽-带宽乘积被测量为A V A T=O. 372。如果飞秒脉冲为sech2形式的双曲线函数的形状，那么该乘积为0. 315。图10示出当在飞秒激光器中开始激光器操作时输出功率随着时间的变化，该飞秒激光器应用了光学泵浦模块，其中，通过使用模块耦合杆以集成的方式对光学泵浦单元的支架进行模块化。如图3—样，图10示出当以前被操作以稳定地产生飞秒激光脉冲的激光器被断电以完全冷却之后对激光器再次通电时的情况。由此可知，与独立地安装支架的图3不一样，使用一体型模块化的光学泵浦单元的图10的结果非常稳定地操作。在图3中，锁模被解除，使得必须操作锁模启动器，然而，在图10中，即使对激光器再次通电，激光器也在若干分钟内被稳定，从而保持锁模。另外，输出功率随着时间的变化在图10中比在图3中稳定。在当前测试中实现的一体型光学泵浦模块通过使用单个激光二极管实现了对于激光晶体的纵向方向的光学泵浦。由该特征扩展，通过使用两个激光二极管，可以针对激光晶体在不同方向上对称地施加更高的功率。在这种情况下，一个光学泵浦单元可以形成光学泵浦模块，使得两个光学泵浦模块可以被设置在激光晶体的两侧，或者，模块耦合杆可以被延伸，以用两个光学泵浦单元形成一个光学泵浦模块。为了激光平台的机械稳定性，可以另外设置模块耦合器。当使用两个或更多个激光晶体形成激光器时，可以使用更多的光学泵浦模块，或者，可以扩展一体型光学泵浦模块。在根据本发明的当前测试中，可以更具体地测量飞秒激光束的稳定性。光束稳定性可以用光束位置稳定性和光束指向稳定性来表$。光束位置稳定性指示当激光束被传送到目标时在放置目标的表面上激光束的位置改变多少。光束位置稳定性是指示当目标被放置在离激光器的远处时激光束多么精确地入·射在目标上的指标，从而是非常重要的。光束指向稳定性指示当通过使用具有短焦距的透镜将激光束聚焦在小尺寸中时聚焦方向改变多少。光束指向稳定性是重要的，因为它是影响当如激光处理中一样将高强度光束聚焦在处理产品(例如，金属材料、非金属材料等)上时激光处理结果的精度的指标。激光束的中心被定义为功率密度分布或主空间矩的中心(centroid)。光束的传播方向，z轴，是连接在均质介质的两个平面中同时测量的两个中心的直线。光束稳定性可以用具有光束位置稳定性和光束角度稳定性的特征来描述，光束位置稳定性指示X轴和y轴相对于光束传播方向即z轴的横向位移，光束角度稳定性指示角度变化。嵌入有CO)的光束分析仪(beam profiler)被设置在离激光器的1000mm处,并且，测量光束中心的变化，使得相对光束位置稳定性A rel被表示为A Ml=2 2/D，其中，D为光束直径，I为位置标准差。具有12mm的焦距的透镜被设置在离激光器的750mm的位置中，并且，嵌入有CXD的光束分析仪被设置在聚焦表面上，并且，测量光束中心的变化，使得相对光束指向稳定性Sral被表示为S ral=2 O/d,其中，d为光束直径，O为位置标准差。图11示出实验上测量相对光束位置随着时间的变化(S卩，光束位置稳定性)的结果，由此可知，光束位置稳定性小于0. 1%。也就是说，在远离激光器的位置中，相对于光束尺寸，光束位置变化为0. 1%或更小。图12示出实验上测量相对指向随着时间的变化(即，光束指向稳定性)的结果，由此可知，光束指向稳定性非常低，在X轴方向上为约0. rad,在y轴方向为约0. 7 ii rad。考虑到具有优良的光束指向稳定性的常见激光器具有2至rad的光束指向稳定性，用本发明的实施例实现的测试结果是非常出色。根据本发明的使用激光二极管光学泵浦模块的飞秒激光器设备具有如下优点。用于安装光学部件的光学支架以集成的方式被模块化，并且，同时，模块化的光学泵浦模块与激光平台或壳体分离，以使该模块与激光平台或壳体的接触最少，从而使传送到光学泵浦模块的外部热形变最少，由此稳定光学泵浦模块，从而改进激光功率的稳定性和光束的稳定性。
而且，通过在光学泵浦模块的集成中使用低热膨胀系数的杆的机械接合，可以使由于温度变化的影响所导致的机械形变最少。参考本发明的优选实施例已经详细地描述了本发明。但是，本领域的技术人员将会认识到，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以 在实施例中进行改变，本发明的范围由所附权利要求或其等同物限定。
权利要求
1.一种飞秒激光器设备，使用激光二极管光学泵浦模块，该飞秒激光器设备包括 激光二极管，用于对光源进行泵浦； 半波片，用于调整顺序地布置的泵浦光源的偏振方向； 准直透镜和聚焦透镜，用于有效地施加激光二极管的输出光束到激光晶体并改进模耦合； 激光晶体，用于聚焦泵浦光源；以及 设置在激光晶体的前面和后面的二向色镜，用于反射激光束并使泵浦光源从其透过， 其中，半波片、准直透镜、聚焦透镜和二向色镜通过机械接合以光学泵浦模块的形式被集成为单件，使得光学泵浦模块以与激光平台分离的方式被安置。
2.根据权利要求I所述的飞秒激光器设备，其中，光学泵浦模块包括 用于分别在其上安装半波片、准直透镜、聚焦透镜和二向色镜的支架； 多个模块耦合杆，用于通过水平地穿透所述支架以集成的方式耦合这些支架；以及 至少一个模块耦合器，被安置在激光平台上并与模块耦合杆接合，以支撑模块耦合杆。
3.根据权利要求I所述的飞秒激光器设备，还包括辅助适配器，该辅助适配器在与半波片相对的末端处被稱合到模块稱合杆，以与光学泵浦模块的非对称布置相关联地、全局地稳定该光学泵浦模块。
4.根据权利要求I所述的飞秒激光器设备，其中，激光晶体通过激光晶体支架被直接安置在激光平台上。
5.根据权利要求I所述的飞秒激光器设备，还包括反射光束阻挡器，该反射光束阻挡器被放置在半波片的后端侧的后面并被安置在激光平台上，以防止安装有半波片的支架被由二向色镜反射的高亮度光束加热。
6.根据权利要求I至5中的任一项所述的飞秒激光器设备，其中，所述多个模块耦合杆中的每一个由具有低热膨胀系数的因瓦合金、超因瓦合金和科瓦铁镍钴合金中的一种形成。
7.根据权利要求I所述的飞秒激光器设备，还包括光纤，该光纤被连接在激光二极管和半波片之间，并且，该光纤的端部由耦合在模块耦合杆上的光纤支架支撑，并且，光纤由具有80至120mm的长度、100至100 μ m的芯直径和O. 11的数值孔径的光纤形成。
8.根据权利要求I所述的飞秒激光器设备，其中，如果使用两个激光二极管，那么一个光学泵浦单元形成光学泵浦模块，并且，以这样的方式形成的两个光学模块被设置在激光晶体的两侧以供使用。
全文摘要
本发明提供使用激光二极管光学泵浦的飞秒激光器设备。为了在诸如飞秒激光器的超快激光器中提供稳定的锁模和改进功率稳定性和光束稳定性，安装有二极管泵浦单元的光学部件的光学支架使用低热膨胀系数的杆被机械地接合并形成泵浦模块，并且，泵浦模块与激光平台或壳体最大地分离。
文档编号H01S3/02GK102957082SQ201210269309
公开日2013年3月6日 申请日期2012年7月31日 优先权日2011年8月22日
发明者金光勳, 姜旭, 梁主喜, E·萨尔, S·奇若夫, A·库里克 申请人:韩国电气研究院