ЛАЗЕР С САМОЗАПУСКОМ СИНХРОНИЗАЦИИ МОД
LASER WITH SELF-START OF MOD SYNCHRONIZATION

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
[0001] Данная заявка является продолжением заявки на патент США серийный №13/733,966, поданной 4 января 2012 года, которая полностью включена в данную заявку посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0002] Данная патентная заявка относится к лазерам, а более конкретно к синхронизации мод лазеров с возможностью самозапуска.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] В лазерах с синхронизацией мод, моды резонатора образуются в процессе отражения световых импульсов между зеркалами резонатора в лазере. Данные лазеры содержат компонент для синхронизации мод, синхронизирующий фазы различных мод резонатора, организуя их в серию ультракоротких лазерных импульсов.
[0004] К синхронизации мод могут привести несколько механизмов, включающих временную или спектральную модуляцию коэффициента усиления, потери в резонаторе, или модовую структуру лазерного резонатора. Широкие классы этих механизмов могут быть охарактеризованы как нелинейный оптический режим работы лазера или отклик. В лазерах с активной синхронизацией мод процессами синхронизации мод управляют путем внешнего активного воздействия. В лазерах с пассивной синхронизацией мод параметры резонатора модулируются с помощью динамики генерации самого лазера. Оба класса лазеров могут демонстрировать высокие динамические характеристики, которые в конечном итоге определяют эксплуатационные параметры и выходные характеристики генерируемых импульсов, включая длительность импульса, среднюю мощность, пиковую мощность, качество пучка лазерного излучения, динамическую стабильность, а также возможность самозапуска.
[0005] В выходных характеристиках лазеров с синхронизацией мод, как правило, отражаются компромиссы конструкции между противоречащими требованиями, как например, нелинейными свойствами синхронизации мод, от которых зависят несколько выходных характеристик лазера. Примером таких требований является требование, чтобы нелинейно-оптические свойства были активными в течение достаточно долгого времени для самозапуска лазера, противоречащее требованию, чтобы нелинейно-оптические свойства были активными только в течение короткого времени для создания ультракоротких лазерных импульсов.
[0006] В некоторых конструкциях лазеров эти противоречивые или конкурирующие требования устранены, благодаря использованию двух компонентов синхронизации мод с различными нелинейными механизмами для синхронизации фаз. Например, один из концевых отражателей или усиливающий материал лазера может отображать нелинейный механизм, оказывающий влияние на фазы мод резонатора, а дополнительный поглощающий элемент может синхронизировать моды резонатора путем модуляции их амплитуд. Вышеуказанные противоречащие конструктивные требования могут быть удовлетворены путем реализации нелинейных элементов, имеющих разные масштабы характеристического времени.
[0007] Еще одна пара противоречивых конструктивных требований включает интенсивность лазерного пучка для начала нелинейно-оптического режима работы лазера. Для обеспечения функции самозапуска предпочтительны низкие значения начальной интенсивности пучка лазера, в то время как эффективный способ формирования импульсов в ультракороткие импульсы подразумевает высокие значения начальной интенсивности пучка лазера. К тому же, некоторые лазеры содержат различные компоненты, обусловленные различными нелинейными механизмами, для одновременного удовлетворения данных конструктивных требований.
[0008] Однако использование двух нелинейных элементов для решения конструктивных конфликтов в данных лазерах также приводит к проблемам. Каждый нелинейный элемент может быть сложным и дорогостоящим. Более того, часто преимущества дорого обходятся. Например, фазомодулирующий эффект Керра, обусловленный некоторыми конструкциями, приводит к непредусмотренным и нежелательным сложным связям между временным и пространственным эффектами, при этом импульс модулируется при его прохождении через нелинейный элемент на основе ячейки Керра. Данную модуляцию необходимо учитывать при проектировании резонатора, что чрезмерно усложняет конструкцию. Кроме того, для генерации коротких импульсов с синхронизированными модами резонатор должен быть стабильным для самозапуска, как без учета, так и с учетом эффекта Керра. Выполнение данных требований не всегда возможно. С учетом допусков на параметры резонатора, диапазон рабочих режимов таких конструкций может быть очень узким. Также, полученный лазер не может быть устойчивым к внешним возмущающим воздействиям. Другие нелинейные элементы также могут обладать аналогичными недостатками.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] В данной патентной заявке приводятся варианты реализации изобретения лазера для генерации импульсного светового пучка, отличающийся тем, что лазер содержит выходное зеркало, выполненное с возможностью отражения отраженной части импульсного светового луча обратно в лазер и для добавления к выходящей из лазера части импульсного светового пучка; концевой отражатель, выполненный с возможностью возврата импульсного светового пучка в лазер; усиливающий материал, расположенный вдоль оптического пути между выходным зеркалом и концевым отражателем, выполненный с возможностью усиления импульсного светового пучка; самозапускающийся насыщаемый поглотитель, выполненный с возможностью самозапуска импульсного режима работы лазера с синхронизацией мод; и насыщаемый поглотитель для генерации импульсов, выполненный с возможностью генерации импульсов импульсного светового пучка в лазерные импульсы с длительности импульса менее 1 000 фемтосекунд (фс).
[0010] Некоторые варианты реализации изобретения лазера содержат выходное зеркало, выполненное с возможностью отражения части импульсного светового пучка обратно в лазер, и для добавления к выходящей из лазера части импульсного светового пучка; блок полупроводникового зеркала с насыщаемым поглощением, содержащую слой концевого отражателя, выполненный с возможностью возврата импульсный светового пучка в лазер, слой самозапускающегося насыщаемого поглотителя, выполненного с возможностью самозапуска импульсного режима работы лазера с синхронизацией мод, и слой насыщаемого поглотителя для генерации импульсов, выполненный с возможностью генерации импульсов импульсного светового пучка в лазерные импульсы с длительности импульса менее 1 000 фемтосекунд; и усиливающий материал, расположенный вдоль оптического пути между выходным зеркалом и блоком полупроводникового зеркала с насыщаемым поглощением, выполненный с возможностью усиления импульсного светового пучка.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0011] На Фиг. 1 проиллюстрирован лазер 100 с насыщаемым поглотителем 110.
[0012] На Фиг. 2 проиллюстрирована временная зависимость поглощательной способности различных лазеров.
[0013] На Фиг. 3A проиллюстрирован лазер 100 с насыщаемым поглотителем 112 и ячейкой Керра 114.
[0014] На Фиг. 3B проиллюстрирована временная зависимость поглощательной способности лазера, проиллюстрированного на Фиг. 3A.
[0015] На Фиг. 4A-B проиллюстрированы примеры лазера 200 с двумя насыщаемыми поглотителями 212 и 214.
[0016] На Фиг. 5A-D проиллюстрированы реализации лазера с двумя поглотителями 200.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0017] На Фиг. 1 довольно подробно проиллюстрирован типовой пассивный лазер с синхронизацией мод 100. Лазер 100 может содержать нелинейный элемент 110, например насыщаемый поглотитель 110, который служит в качестве концевого отражателя или отражателя лазерного резонатора лазера 100. Лазер 100 также может содержать выходное зеркало 120, усиливающий лазерный материал 130, и, для компактных конструкций, одно или более отклоняющих зеркал 140-1, 140-2, и т.д. Усиливающий лазерный материал 130 могут накачивать с помощью различных систем, например, одного или более накачивающих диодов. С помощью накачки возбуждают электроны в усиливающем материале 130, благодаря чему переводят электроны на более высокие энергетические уровни, причем при последующих индуцированных переходах назад к низким энергетическим состояниям излучаются фотоны из которых формируются моды резонатора лазера 100. Данная терминология часто используется таким образом, что концевой отражатель 110 и выходное зеркало 120 описывают лазерный резонатор.
[0018] Наиболее совершенными насыщаемыми поглотителями 110 являются зеркала с полупроводниковым насыщающимся поглотителем или SESAMS, в которых в качестве поглотителей используют структуры с квантовыми ямами. В то время, как в данной заявке будет описан принцип действия нелинейного элемента 110, который является насыщаемым поглотителем, в других вариантах реализации изобретения могут использоваться другие нелинейные элементы, например, насыщаемые активные элементы. В данных нелинейных элементах свет, распространяющийся через усиливающий или поглощающий материал, изменяет заселенность атомных уровней, молекулярных уровней или зонной структуры полупроводников и таким образом изменяет усиливающие, поглощающие или отражающие свойства материала.
sat,a
sat,a
a
a
sat,a
sat,a
eff,a
sat,a
eff,a
sat,a
sat,g
sat,g
sat,g
eff,g
sat,g
sat,g
g
g
eff,g
2
2
.
.
[0019] Нелинейным насыщаемым поглощающим элементом 110, например SESAM 110, может поглощаться доля падающего света низкой интенсивности, но в случае, если интенсивность света достигает порогового уровня, называемого плотностью насыщения F, насыщаемый поглощающий элемент становится насыщенным, при этом теряя способность поглощать свет, интенсивность которого превышает пороговое значение. Иногда такое насыщение также называют активацией насыщаемого поглотителя 110. Плотность насыщения зависит от атомных, молекулярных и спектроскопических свойств поглощающего материала, которую определяют по формуле F=hν/σ, где hν является энергией фотона и σ является сечением поглощения центров линии поглощения в материале. Типовые значениями для Fsat,a являются значения от 10 μДж/см до 500 μДж/см. Энергия насыщения поглотителя, E, является произведением плотности насыщения F и эффективной площади моды A в месте расположения поглотителя: E=AF. С помощью аналогичных соотношений описывают насыщаемые усиливающие материалы, путем объединения плотности насыщения F и энергии насыщения E усиливающего материала: E=AF, где F=hν/σ, с σ, являющимся сечением усиления центров линии усиления в материале и A - эффективной площадью моды в месте, где находится усиливающий материал. В некоторых случаях ненасыщенный поглотитель 110 может поглощать долю поглощения, например, 1-10% падающего света при условии, если интенсивность света ниже порога насыщения. С другой стороны в случае, если интенсивность лазерного пучка превышает порог насыщения, поглотитель 110 становится насыщенным и его поглощательная способность может упасть до значения ниже 1%.
sat
[0020] Как только подается напряжение на лазер 100 и на его диод накачки, моды резонатора заполняют его объем и свет начинает распространяться в прямом и обратном направлении между концевым отражателем насыщаемого поглотителя 110 и выходным зеркалом 120. Во время каждого распространения в прямом и обратном направлении, усиливающий материал 130 усиливает свет за счет доли усиления. При низких значениях мощности накачки и, соответственно, при низких значениях плотности энергии пучка доля усиления усиливающего материала 130 меньше доли поглощения насыщаемого поглотителя 110, тем самым предотвращая запуск генерации лазерных импульсов лазером 100. В процессе накачки усиление увеличивается, при этом доля усиления может превысить долю поглощения и может начаться генерация лазерных импульсов лазером 100. До тех пор, пока плотность энергии пучка остается намного ниже F, поглотитель не выполняет динамических или нелинейных действий и лазерная генерация будет происходить в непрерывном волновом режиме.
sat,a
sat,a
[0021] В процессе накачки усиление еще больше увеличивается, плотность энергии пучка может возрасти до значения F. При таких значениях плотности излучения активируется нелинейность насыщаемого поглотителя 110, что приводит к динамическому процессу: фазы мод в резонаторе лазера 100 становятся конструктивно синхронизированными при помощи случайных колебаний, что приводит к появлению синхронизированных по фазе импульсов увеличенной амплитуды, причем плотность излучения поднимается выше порога плотности насыщения F, при этом доля поглощения насыщаемого поглотителя 110 уменьшается, и таким образом циклически распространяемые в прямом и обратном направлении синхронизированные по фазе импульсы усиливаются усиливающим материалом 130 в большей мере, чем остальная часть пучка. Данное селективное усиление синхронизированных по фазе импульсов, часто упоминаемое как синхронизация мод, запускает импульсный режим лазера 100 вместо режима непрерывного лазерного излучения.
[0022] Выходное зеркало 120 может быть сконструировано для передачи при отражении доли нескольких процентов падающего лазерного импульса, при этом лазером 100 испускается лазерный импульс. Доля отраженного лазерного импульса проходит ее при следующем распространении в прямом и обратном направлении и возвращается к выходному зеркало 120 повторно усиленным, причем выходное зеркало 120 снова передает долю лазерного импульса. Поскольку данный процесс повторяется во время каждого распространения в прямом и обратном направлении, лазер 100 выпускает последовательность лазерных импульсов. Данный процесс часто называют работой лазера 100 в режиме самозапуска синхронизации мод.
[0023] Материалы внутри резонатора, такие как стекло или кристалл усиливающего материала имеют хроматическую дисперсию, благодаря чему различные спектральные компоненты импульса распространяются внутри материала с различной скоростью. Данная дисперсия нежелательным образом расширяет или растягивает импульс, а также повышает порог синхронизации мод. Поэтому, как правило, дисперсией света в лазерном резонаторе управляют путем добавления в резонатор компенсирующих элементов, например, пар дисперсионных призм или чирпированных зеркал. Следует отметить, что такие компенсирующие элементы могут даже способствовать механизму самозапуска.
[0024] Подходящим критерием количественной оценки дисперсии является “дисперсия групповой задержки”, или GDD, которую часто определяют как:
,
где λ является длиной волны света, c является скоростью света, n(λ) является длиной волны, зависящей от коэффициента преломления, и L является длиной оптического пути в резонаторе. GDD оптических элементов 110-140, а также любого другого оптического элемента, который может находиться в лазере 100 могут определять, например, путем измерения или предварительной оценки параметров конструкции. После определения GDD может быть реализован контроллер дисперсии в резонаторе с GDD приблизительно равной и противоположной по знаку определенной GDD оптических элементов лазера 100. В разработанном таким образом резонаторе в процессе распространения импульсов в прямом и обратном направлении возникает небольшая или вовсе отсутствует дисперсия, таким образом устраняют описанные проблемы и повышают эффективность лазера.
[0025] Благодаря компенсации дисперсии можно также препятствовать дополнительному расширению импульса, инициируемого изменяющимися во времени фазовыми изменениями света, вызванными нелинейными эффектами. В случае эффективной компенсации резонатора минимизируется расширение импульсов во времени, вызванное дисперсией и нелинейными эффектами, при этом лазерный импульс в резонаторе называют солитоном и говорят, что лазер работает в режиме синхронизации мод солитонного типа.
[0026] На Фиг. 2 проиллюстрировано, что активированное состояние насыщаемого поглотителя 110 является переходным: после активации, или открытия, поглощательная способность насыщаемого поглотителя 110 падает до значения, близкого к прозрачному только на короткое время, с последующим восстановлением способности поглощать свет, не более чем на время восстановления насыщаемого поглотителя.
[0027] К конструкции данных лазеров 100 с пассивной синхронизацией мод предъявляют два конструктивных требования: ожидается, что лазеры 100 будут выполнены с возможностью самостоятельного запуска режима синхронизация мод, а также преобразования испускаемых импульсов в ультракороткие лазерные импульсы высокой интенсивности. Данные требования являются противоречивыми и конкурирующими. С одной стороны, условия для самозапуска лазера будут возникать в случае, если насыщаемый поглотитель 110 остается открытым в течение времени, достаточного для самозапуска, TSS для усиления небольшого колебания, созданного случайным расположением нескольких несинхронизированных мод резонатора с разными периодами, в мощный импульс. Время восстановления насыщаемого поглотителя, необходимое для самозапуска TSS, зависит от ряда характеристик материала и может варьироваться в широком диапазоне. Кривая (a) показывает, что типичные значения TSS могут включать от десятков фемтосекунд (фс) до десятков или сотен наносекунд, например, в диапазоне 10 фс - 100 нс, в некоторых других случаях 100 фс - 10 нс, в других случаях 500 фс - 10 нс.
[0028] С другой стороны, чем дольше время восстановления насыщаемого поглотителя 110, тем больше длительность усиливаемых импульсов. Следовательно, вторым конструктивным требованием является необходимость преобразования импульсов в ультракороткие импульсы, например, в импульсы диапазона десятки фемтосекунд, что приводит к тому же времени восстановления насыщаемого поглотителя для формирования достаточно коротких по времени импульсов TPS для преобразования импульсов в ультракороткие импульсы. Кривая (b) показывает, что характерные значения времени формирования импульсов TPS могут лежать в диапазоне 1 фс - 1 нс, а также в некоторых других случаях 10 фс - 1 нс, в других случаях 50 фс - 500 фс.
[0029] Кроме того, необходимо также, чтобы лазерный резонатор достиг желаемых динамических характеристик для более широких временных масштабов накопления импульсов в резонаторе в течение многих циклов распространения в прямом и обратном направлении. В случае, если лазер является стабильным в данном временном диапазоне, лазер излучает последовательность импульсов с синхронизацией мод “непрерывная волна” в так называемом непрерывном режиме синхронизации мод. Если динамические характеристики нестабильны в данном временном диапазоне, результатом является периодическая последовательность гигантских импульсов с модуляцией добротности с короткими импульсами с синхронизацией мод с огибающей интенсивности с модуляцией добротности, или импульсов с более случайной огибающей. Работа лазера в таком режиме синхронизации мод с модуляцией добротности (QML), вероятно, может привести к повреждению оптических компонентов лазера. Таким образом, работа в непрерывном режиме с синхронизацией мод часто желательна, например, в случае если лазерные импульсы вводят в последующий усилитель.
[0030] К конструкции насыщаемого поглотителя снова предъявляются противоречивые требования: на этот раз, к пороговым значениям амплитуды, где активируется нелинейность, тем самым открывая поглотитель. Для генерации ультракоротких импульсов с синхронизацией мод насыщаемый поглотитель 110 должен открываться при более высоких значениях интенсивности. Для дополнительного усиления данные конструкции выбирают только в непосредственной близости от пика случайно сгенерированных импульсов, что приводит к тому, что импульсы становятся ультракороткими. Для полноты, с целью получения ультракоротких импульсов более высокой интенсивности усиление насыщения и формирование керровской линзы часто настраивается вместе с поглощением.
[0031] К сожалению, тот же высокий порог амплитуды с большей вероятностью может привести к нежелательной модуляции добротности. Однако эти для данных конкурирующих требований по-прежнему остается ограниченный диапазон параметров, при которых может быть достигнуто непрерывное излучение с синхронизацией мод без модуляции добротности. Можно достичь стабильности по сравнению с QML без настройки формирования керровской линзы, путем регулировки поглощения и насыщение усиления так, чтобы удовлетворить требование:
,
P
p
P
st
R
L
p
p
p
p
p
p1
p2
[0032] где q(E) представляет собой потерю энергии импульса при распространении в прямом и обратном направлении, внесенную насыщаемым поглотителем для данного импульса с синхронизацией мод с внутрирезонаторной энергией импульса E в резонаторе; E является значением энергии импульса в установившемся режиме; T является временем распространения в прямом и обратном направлении резонатора; и τ является периодом существования возбужденного состояния усиливающей среды. Данное неравенство показывает, что для малого значения внутрирезонаторной мощности уменьшение потерь за счет насыщения должно быть больше уменьшения коэффициента усиления, чтобы активировать режим синхронизации мод и поддерживать экспоненциальный рост энергии импульса. Тем не менее сокращение потерь должно быть ограничено выше определенной внутрирезонаторной энергии, поскольку это задано ограниченной величиной производной потерь в приведенном выше неравенстве. С этого момента усиление будет уменьшаться быстрее уменьшения потерь и прекращается дальнейший рост лазерного импульса, предотвращая образование колебаний и модуляции добротности. В данном неравенстве q(E) представляет все потери при насыщении. Например, в случае использования в резонаторе двух поглотителей, q(E) представляет собой сумму вкладов отдельных поглотителей: q=q+q.
[0033] В сумме, формирование импульсов и самозапуск предъявляют противоречивые требования к времени восстановления, а формирование импульсов и стабильность QML предъявляют противоречивые требования к плотности насыщения. Необходимость удовлетворения этих противоречивых требований представляет собой существенную задачу при проектировании пассивных лазеров с синхронизацией мод, в которых используют один нелинейный элемент, например насыщаемый поглотитель 110.
[0034] На Фиг. 3A проиллюстрировано, что, как упоминалось ранее, для удовлетворения данных противоречивых конструктивных требований в некоторых лазерах 100 могут использоваться два нелинейных элемента, медленный нелинейный элемент 112 и быстрый нелинейный элемент 114. Например, медленный нелинейный элемент может быть насыщаемым поглотителем 112, а быстрый нелинейный элемент может быть ячейкой Керра 114. Ячейка Керра может быть отдельным элементом в резонаторе или усиливающим материалом 130, при этом может обеспечивать нелинейное изменение показателя преломления. Остальные элементы лазера 100 могут быть аналогичными вышеописанным выходному зеркалу 120, усиливающему материалу 130, а отклоняющим зеркалам 140-1/140-2.
[0035] На Фиг. 3B проиллюстрировано, что временная зависимость коэффициента поглощения для данных конструкций может быть сложной. Так как интенсивность света из-за колебаний превышает пороговое значение, медленный нелинейный элемент 112 может иметь возможность самозапуска лазера 100 путем падения его поглощения, при условии, что время его восстановления TSS является достаточно малым. Для формирования ультракоротких импульсов быстрый нелинейный элемент 114 может накладывать более быстрый процесс восстановления с меньшим временем восстановления TPS на данную кривую медленного восстановления.
[0036] Однако такие конструкции могут иметь, по меньшей мере, следующие недостатки. (a) Использование двух нелинейных элементов является дорогостоящим. (b) При использовании двух элементов занимается дополнительное пространство, которого крайне недостаточно в ограниченных габаритах резонатора лазера. (c) Наличие двух отдельных элементов усложняет процесс изготовления. (d) Для двух элементов может потребоваться отдельная настройка и калибровка. И, в заключение, (е) данные элементы приводят к тому, что удваивается число непредвиденных последствий, которые нуждаются в дополнительной компенсации. Проблема (е) возникает прежде всего потому, что для медленного нелинейного элемента 112 и быстрого нелинейного элемента 114, как правило, используются различные режимы работы, например эффект Керра для модулирования фазы и SESAM для модулирования амплитуды. Эти различные режимы работы могут приводить к нежелательным последствиям различных видов. Например, как описано выше, эффект Керра вводит нежелательные сложные связи между временными и пространственными эффектами, модулирующие импульс при его прохождении через нелинейный элемент. Необходимо, чтобы данная модуляция была компенсирована, например, путем добавления в резонатор дополнительных динамических линз, что повышает сложность конструкции.
[0037] На Фиг. 4A проиллюстрированы варианты реализации изобретения, обеспечивающие простое решение для удовлетворения вышеприведенных противоречивых конструктивных требований. Одним из вариантов реализации изобретения является лазер 200 для усиления импульсного светового пучка, который может содержать аналоги приведенных ранее элементов: концевой отражатель 210 для возвращения импульсного светового пучка в лазер 200, выходной элемент 220 для отражения отраженной части импульсного светового луча обратно в лазер и добавления выходящей части импульсного светового луча из лазера 200, и лазерный усиливающий материал 230, расположенный между концевым отражателем 210 и выходным зеркалом 220 вдоль оптического пути, для усиления светового пучка. Лазеры 200, которые предназначены для работы в компактной пространственной среде могут также содержать одно или несколько отклоняющих зеркал, например, 240-1 и 240-2.
[0038] Кроме того, лазер 200 может снова содержать два нелинейных элемента, 212 и 214, один оптимизированный для требования режима самозапуска синхронизации мод, другой для требования формирования ультракоротких импульсов. Тем не менее в отличие от лазера 100 в вариантах реализации изобретения лазера 200 нелинейные элементы 212 и 214 могут иметь одинаковый принцип действия, например, оба могут быть насыщаемыми поглотителями.
[0039] В некоторых лазерах 200 самозапускающийся насыщаемый поглотитель 212 и насыщаемый поглотитель для генерации импульсов 214 могут быть отдельными оптическими элементами. В некоторых лазерах 200 самозапускающийся насыщаемый поглотитель 212 и насыщаемый поглотитель для генерации импульсов 214 могут быть отдельными слоями, интегрироваными в одном концевом отражателе 210. В любом из этих случаев параметры материала и положения поглотителей 212 и 214 могут выбираться с целью оптимизации их функциональных возможностей.
SS
SS
PS
SS
[0040] Оптимизация может включать соответствующий выбор времени восстановления и пороговых значений плотности излучения самозапускающегося насыщаемого поглотителя 212 и насыщаемого поглотителя для генерации импульсов 214. Самозапускающийся насыщаемый поглотитель 212 может иметь значения времени восстановления при самозапуске T в диапазоне 10 фс - 100 нс, 100 фс - 10нс или 500 фс - 10 нс. насыщаемый поглотитель для генерации импульсов 214 может иметь значения времени восстановления при генерации импульсов TPS в диапазоне 1 фс - 1 пс, 10 фс - 1 пс, или 50 фс - 500 фс. Соответственно, в некоторых случаях время восстановления при генерации импульсов TPS может быть 1 - 1000 раз короче времени восстановления при самозапуске T. В других вариантах реализации изобретения T может быть в 10 - 100 раз короче времени восстановления при самозапуске T. Допустимые диапазоны порогового значения плотности излучения описывают ниже.
[0041] Любой самозапускающийся насыщаемый поглотитель 212, а также насыщаемый поглотитель для генерации импульсов 214 может работать в режиме пропускания или отражения.
[0042] В лазере 200 с парой нелинейных элементов 212 и 214 с тем же принципом действия могут встретиться ранее перечисленные конструкционные задачи, которые могут быть решены следующим образом. (a) Использование одной пары с одинаковым принципом действия нелинейных элементов дешевле, поскольку они могут интегрироваться в виде отдельных слоев в том же полупроводниковом кристалле. (b) Аналогично, два нелинейных элемента с одинаковым принципом действия могут занимать меньше места, особенно в интегрированных вариантах реализации изобретения. (с) При одинаковом принципе действия также упрощается совместное производство нелинейных элементов 212 и 214. (d) Также облегчается калибровка двух нелинейных элементов с одинаковым принципом действия 212 и 214. И, в заключение, (е) в силу того, что два нелинейных элемента с одинаковым принципом действия 212 и 214 работают одинаково, отпадает необходимость в двух отдельных компенсаторных механизмах для устранения их непредвиденных последствий и влияний.
[0043] В пункте (e) обратим внимание на то, что в лазерном лазере 100, в котором нелинейный элемент 110 или, по меньшей мере, один из нелинейных элементов 112/114 действует на основе эффекта Керра, показатель преломления материала модулируется с помощью сложной связи временных и пространственных эффектов как функция интенсивности света. Показатель преломления модулируется во времени по мере распространения импульсов через нелинейный материал. Одним из последствий данной модуляции является то, что пространственный профиль импульса перпендикулярный к направлению распространения становится пространственно искаженными, так как наибольшая интенсивность центральной части импульса подвергается фазовой модуляции в большей мере, чем его “крылья”, тем самым искажая пучок. Данный эффект иногда называют самофокусировкой. Для лазерных резонаторов данного типа необходимо очень тщательное проектирование и точность при изготовлении. Данные резонаторы, как правило, содержат внутрирезонаторный пространственный фильтр, например, апертуру, так что для резонатора, в целом, являются предпочтительными коротко-импульсные моды, а несинхронизированные моды или длинно-импульсные моды подавляются. Как отмечалось выше, необходимость таких компенсирующих элементов увеличивает сложность конструкции, требует точной настройки лазерного резонатора, и делает более сложным достижение стабильности и хорошего пространственного профиля мод лазерного луча. Кроме того, ячейки Керра, как правило, имеют значительно большие пороговые значения плотности излучения, и это вызывает трудности при управлении более длинными, пикосекундными импульсами.
[0044] Исходя из этих недостатков, в некоторых вариантах реализации изобретения лазера 200 насыщаемое поглощение используют в качестве общего принципа действия нелинейных элементов 212 и 214. В данных лазерах 200 вместо ячейки Керра могут использовать насыщаемые поглотители 212 и 214, поскольку насыщаемые поглотители в значительной степени не модулируют фазу света; в основном они влияют на амплитуду света. Использование насыщаемого поглощение в качестве общего принципа устраняет необходимость реализации в лазере 200 механизмов для контроля поперечных мод.
[0045] Одним эффективным способом реализации того же принципа действия является изготовление насыщаемых поглотителей 212 и 214 из одинакового материала, например из одинакового полупроводника.
[0046] В некоторых вариантах реализации лазера в качестве общего принципа действия вместо насыщаемого поглощения могут использовать насыщаемое усиление, и могут использовать два усилительных элемента.
[0047] Вышеупомянутые проблемы требуют своего решения даже при использовании вариантов реализации с одинаковым принципом действия. В случае, если насыщаемые поглотители 212 и 214 формируются в одном и том же полупроводнике, для самозапускающегося насыщаемого поглотителя 212 требуется, чтобы пороговое значение плотности излучения в полупроводнике было низким настолько, чтобы стало возможным запустить лазер 200 путем усиления незначительных случайных колебаний пучка, в то время как для насыщаемого поглотителя для генерации импульсов 214 требуется, чтобы пороговое значение плотности излучения было высоким настолько, чтобы он мог выбрать и усилить только вершину импульсов, тем самым делая их наиболее короткими, насколько это возможно.
[0048] На Фиг. 4A проиллюстрирована реализация самозапускающегося насыщаемого поглотителя 212 и насыщаемого поглотителя для генерации импульсов 214 для пропускания. На Фиг. 4B проиллюстрирована реализация самозапускающегося насыщаемого поглотителя 212 и насыщаемого поглотителя для генерации импульсов 214 для отражения. В некоторых из этих лазеров 200 могут использовать дополнительные отклоняющие зеркала 240-3 и 240-4.
[0049] На Фиг. 5A-C, проиллюстрированы некоторые варианты реализации лазера 200, которые удовлетворяют данные противоречивые конструктивные требования, путем использования двух насыщаемых поглотителей для различных интенсивностей пучка, при этом на Фиг. 5D иллюстрируется, что другие варианты реализации изменяют пороговое значение плотности излучения двух насыщаемых поглотителей, как описано ниже.
[0050] Лазер 200 на Фиг. 5A выполнен с возможностью фокусировки лазерного пучка в фокальное пятно FS, например с помощью фокусирующего отклоняющего зеркала 240, возможно, в сочетании с расширителем пучка. Для наглядности лазер 200 показан явно только в соответствующем разделе. Различная ориентация насыщаемых поглотителей 212 и 214 относительно фокального пятна FS является эффективным способом управления интенсивностью пучка, которая подбирается для каждого поглотителя индивидуально, поскольку фокусировка сжимает радиус пучка вокруг фокального пятна FS и, таким образом, повышает интенсивность лазерного пучка (энергию лазерного пучка на единицу площади) в данной точке. Кроме того, такое расширение и перефокусировка лазерного пучка может достигаться путем добавления множества альтернативных преломляющих или отражающих элементов.
SS
[0051] В данных вариантах реализации лазера 200 самозапускающийся насыщаемый поглотитель 212 может размещаться вблизи фокального пятна FS, где лазерный пучок сжимается до наименьшего радиуса. Таким образом, если после подачи напряжения питания на лазер 200 появляются световые колебания, интенсивность или плотность излучения колеблющегося лазерного пучка превышает порог сначала в фокальном пятне FS, недалеко от самозапускающегося насыщаемого поглотителя 212. В ответ активируется самозапускающийся насыщаемый поглотитель 212 и колебание усиливается в ходе его распространения в прямом и обратном направлении. Поскольку самозапускающийся насыщаемый поглотитель 212 имеет достаточно малое время восстановления T, с помощью усиливаемых колебаний лазер 200 может запуститься самостоятельно.
[0052] В то же время, поскольку насыщаемый поглотитель для генерации импульсов 214 расположен дальше от фокального пятна FS по сранению с самозапускающимся насыщаемым поглотителем 212, в месте его расположения тот же лазерный пучок распространяется на больший радиус лазерного пучка и, следовательно, интенсивность лазерного пучка в насыщаемом поглотителе для генерации импульсов 214 ниже интенсивности в самозапускающемся насыщаемом поглотителе 212. По этой причине, те же колебания, с помощью которых был активирован самозапускающийся насыщаемый поглотитель 212, не активируют насыщаемый поглотитель для генерации импульсов 214, если они изготовлены из одинакового полупроводника и таким образом имеют одинаковое пороговое значение плотности излучения или интенсивности. После того, как самозапускающийся насыщаемый поглотитель 212 запустил лазер 200 и импульсы с синхронизированными модами начинают все более и более усиливаться после нескольких распространений в прямом и обратном направлении, в конечном итоге, интенсивность импульсов превышает пороговое значение плотности излучения в месте расположения насыщаемого поглотителя для генерации импульсов 214, активируя или открывая его. После того, как насыщаемый поглотитель для генерации импульсов 214 также активируется, он начинает сужать импульсы, преобразуя их в ультракороткие импульсы.
[0053] Поясняя конструкцию на Фиг. 5A другими словами, лазер 200 может пространственно изменять радиус пучка R импульсного светового пучка вдоль оптического пути в лазере. Самозапускающийся насыщаемый поглотитель 212 может быть размещен в первом месте в лазере 200, в котором радиус пучка R1, и насыщаемый поглотитель для генерации импульсов 214 может быть размещен на втором месте в лазере 200, в котором радиус пучка является R2, отличающийся тем, что R1 меньше R2.
[0054] На Фиг. 5B проиллюстрирован еще один интегрированный вариант реализации лазера 200, в котором самозапускающийся насыщаемый поглотитель 212 и насыщаемый поглотитель для генерации импульсов 214 формируются не только из одинакового типа полупроводника, но, фактически, в пределах одного полупроводникового кристалла: на подложке 216 концевого отражателя 210. В показанной отражающей конструкции насыщаемого поглотителя, зеркальный слой 218 концевого отражателя 210 может образовывать стоячую волну от падающего светового пучка и отраженного светового пучка. По аналогии с принципом проектирования варианта реализации на Фиг. 5A, самозапускающийся насыщаемый поглотитель 212 может быть выполнен в виде слоя, в котором интенсивность пучка является высокой, например, от узлов стоячей волны, при этом насыщаемый поглотитель для генерации импульсов 214 может быть выполнен там, где интенсивность лазерного пучка ниже, например, рядом с узлом стоячей волны. Аналогично вышесказанному, в данной конструкции случайное колебание приводит к тому, что в самозапускающемся насыщаемом поглотителе 212 интенсивность света сначала возрастает выше порогового значения плотности излучения, а затем активирует его для самозапуска лазера 200. Благодаря усилению полученных импульсов во время их распространения в прямом и обратном направлении интенсивность пучка достигает порогового значения даже возле узловых областей стоячей волны в месте, где находится насыщаемый поглотитель для генерации импульсов 214, таким образом активируя насыщаемый поглотитель для генерации импульсов 214. После активации, насыщаемый поглотитель для генерации импульсов 214 затем может преобразовывать импульсы в ультракороткие импульсы.
[0055] В данных конструкциях слои насыщаемого амортизатора могут быть выполнены и расположены с целью эффективного использования конструкции квантовых ям, т.к. толщину квантовых ям можно регулировать с точностью, которая намного меньше длины волны света, а также очень хорошо можно контролировать условия выращивания слоев.
[0056] В таких интегрированных вариантах реализации изобретения два слоя насыщаемого поглотителя выполняются в одном и том же полупроводнике, причем во время последовательного выращивания слоев могут применяться различные условия выращивания для слоя самозапускающегося поглотителя и слоя насыщаемого поглотителя для генерации импульсов. Данных конструкций можно добиться путем разной плотности насыщения и времени восстановления для слоев насыщаемых поглотителей 212 и 214.
[0057] На Фиг. 5C проиллюстрирован лазер 200 с интегрированным концевым отражателем 210 по Фиг. 5B, отличающийся тем, что слой самозапускающегося насыщаемого поглотителя 212 расположен вдали от узлов стоячей световой волны, а близко к максимуму стоячей световой волны, при этом слой насыщаемого поглотителя для генерации импульсов 214 расположен в непосредственной близости к узлу стоячей световой волны.
[0058] Далее, будут описаны различные варианты реализации свободного пространства лазера 200. Лазер 200 может использоваться в качестве затравочного лазера для лазера с усилением чирпированных импульсов (CPA), в котором усиливаемые импульсы используются для офтальмологической хирургии. Для таких офтальмологических хирургических лазеров с длиной волны в ближней инфракрасной области, при этом могут использоваться кристаллы или стекла, легированные неодимом Nd или иттербием Yb, хорошо зарекомендовавшие себя при работе. Длина волны лазерного излучения может быть в диапазоне от 1030 нм - 1070 нм. В случае, если импульсы лазера последовательно усиливаются в усилителе, мощность, получаемая от отсциллятора, является менее критичной. Таким образом, может быть достаточной сравнительно низкая, от 10 до 250 мВт, средняя мощность, с длительностью импульса между 1 фс и 1000 пс или 150 пс и 500 фс и частотой повторения между 1 МГц и 1000 МГц, или 40 МГц до 150 МГц. Данные уровни мощности, длительности импульса и частота повторения достижимы в компактных оптических установках благодаря использованию усиливающих материалов на основе Nd и Yb. Например, в лазере со средней мощностью 100 мВт, длительностью импульса 300 пс, частотой повторения 100 МГц, с потерями на выходном зеркале и потерями, вызванными ненасыщением, 5%, внутрирезонаторная средняя мощность может достигать 2 Вт, или энергия в импульсе 20 нДж с приблизительно 6 кВт пиковой мощности.
2
2
2
2
[0059] С резонатором длиной 1,5 м, плоскими выходным и фокусирующим зеркалами вблизи кристалла и SESAM с 0,1 м радиусом кривизны, площадь моды внутри кристалла и на SESAM может составлять около 800 квадратных микрометров, что означает оптическую плотность излучения около 2400 μДж/см. В целях предотвращения модуляции добротности насыщаемый поглотитель для генерации импульсов 214 может работать в оптическом, или рабочем режиме, со значениями плотности излучения в 3-10 раз, 2-30 раз или 1-100 раз большей плотности насыщения насыщаемого поглотителя для генерации импульсов 214. Это поможет установить расчетное значение плотности насыщения насыщаемого поглотителя для генерации импульсов 214 в диапазоне 20 - 2000 μДж/см, 80-1200 μДж/см, или 200-800 μДж/см.
[0060] Поскольку с помощью лазера 200 могут генерироваться импульсы, которые в десять раз короче, чем время восстановления поглотителя, особенно в солитонном режиме с синхронизацией мод, время восстановления насыщаемого поглотителя для генерации импульсов может составлять около 1-10 пикосекунд, в некоторых случаях около 3 пс.
2
2
2
[0061] Для того, чтобы начать безотказную работу в режиме синхронизации мод, самозапускающийся насыщаемый поглотитель 212 может быть выполнен с возможностью “предварительно организовать” моды лазера для генерации квази-случайных импульсных выбросов, с помощью которых можно активировать поглотитель для генерации импульсов 214. Это произойдет, если энергия, содержащаяся в импульсных выбросах в пределах временного окна времени восстановления поглотителя для генерации импульсов 214, является значительной долей энергии насыщения поглотителя для генерации импульсов 214. Для достижения, например, 1/10 энергии насыщения поглотителя для генерации импульсов 214, нужно увеличить в 5 раз энергию насыщения самозапускающегося поглотителя 212, причем плотность насыщения в самозапускающемся поглотителе 212 может быть в 5*10=50 раз ниже, чем у поглотителя для генерации импульсов 214. С учетом приведенных диапазонов числовых значений для поглотителя для генерации импульсов 214 данный множитель составляет около 50, причем отношение диапазона для самозапускающегося поглотителя 212 можно преобразовать в диапазон значений плотности насыщения около 0,5-40 μДж/см, 2-25μДж/см, или 4-15μДж/см. В различных вариантах реализации изобретения отношение плотности насыщения насыщаемого поглотителя для генерации импульсов 214 к плотности насыщения самозапускающегося насыщаемого поглотителя 212 может находиться в диапазоне 1-100, 2-30, и 3-10, при этом определяя также диапазоны плотности насыщения для самозапускающегося насыщаемого поглотителя 212.
[0062] Время восстановления самозапускающегося поглотителя 212 также может быть больше, например, на порядок больше длительности ожидаемых запускающих импульсных выбросов или времени восстановления поглотителя для генерации импульсов 214, и может быть в диапазоне 10-100 пс, например, 30 пс.
[0063] Следует отметить, что длительное время восстановления может уменьшать плотность насыщения поглотителя, причем возбуждения в поглотителе могут оставаться на своем верхнем энергетическом уровне дольше, при этом больше энергии может храниться в возбужденном состояния и нет необходимости в накачке релаксированных возбуждений, чтобы снова поднять их на верхний уровень. Это полезно при проектировании самозапускающегося поглотителя 212 с низким значением плотности насыщения и высоким значением времени восстановления. Также обратите внимание, что после активации переходных процессов, самозапускающийся поглотитель 212 может работать в полностью открытом состоянии, с плотностью излучения в 10-100 раз выше насыщения, например, около 50 раз выше насыщения. Данное глубокое насыщение также помогает предотвратить неустойчивость генерации, вызванную модуляцией добротности.
[0064] Разницу 10-100 между плотностью насыщения двух поглотителей можно разделить на две части. Принимая в качестве примера коэффициент 50, множитель 10 может исходить из различий в материале и спектроскопических свойствах самозапускающегося поглотителя 212 и поглотителя для генерации импульсов 214. Оставшийся множитель 5 может происходить из различия в местоположении поглотителей 212 и 214 относительно узлов стоячей волны в интегрированном слоистом SESAM концевом отражателе 210.
SS
[0065] На Фиг. 5D проиллюстрировано, что в других вариантах реализации лазера 200, вместо позиционирования насыщаемых поглотителей 212 и 214 в местах с различными интенсивностями пучка, они могут быть выполнены с различными порогами плотности излучения или порогами насыщения. В таких вариантах реализации изобретения, даже если поглотители работают с похожими или даже одинаковыми значениями интенсивности пучка, они могут активизироваться при различных значениях интенсивности пучка или значениях плотности излучения из-за различных пороговых значений. Аналогично в других вариантах реализации изобретения в некоторых лазерах 200 самозапускающийся насыщаемый поглотитель 212 может быть выполнен с порогом насыщения ниже порога насыщения насыщаемого поглотителя для генерации импульсов 214. В таком лазере 200 колебаний сначала активируют самозапускающийся насыщаемый поглотитель 212, в котором начинается усиление импульсов с временем релаксации T. Так как амплитуда импульса усиливается во время нескольких распространений в прямом и обратном направлении, амплитуда импульса достигает порога насыщения насыщаемого поглотителя для генерации импульсов 214, тем самым активируя его. Активированный насыщаемый поглотитель для генерации импульсов 214 затем преобразует импульсы в ультракороткие импульсы. В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 5D, насыщаемый поглотитель для генерации импульсов может также использоваться в качестве концевого отражателя 210.
[0066] В одном варианте реализации лазера 200, разница между пороговыми значениями или значениями плотности насыщения может быть достигнута путем выполнения насыщаемых поглотителей 212 и 214 из различных материалов. Материалы могут быть выбраны из материалов для изготовления SESAM, поглотителей на объемном полупроводнике, атомных поглотителей из стекла или кристалла, полупроводниковых квантовых ям, квантовых точек, легированных-слоистых структур, тонких пленок из органических красителей, органических полупроводников, или, среди прочего, слоев углеродных нанотрубок.
[0067] В другом варианте реализации изобретения, насыщаемые поглощающие слои 212 и 214 могут быть выполнены из аналогичных материалов, но при этом их спектроскопические свойства изменены или модифицированы. Например, спектр поглощения базового полупроводникового кристалла может быть изменен таким образом, что пик поглощения изменяется путем изменения толщины слоев в квантовых ямах поглотителей.
[0068] Здесь следует напомнить, что квантовые ямы являются двумерными наноструктурами, геометрические факторы которых могут быть сравнимы с длиной волны квантовых возбуждений принимающей материи: ее электронов, дырок, экситонов и, в частности, поляронов. Спектроскопия квантовых ям может быть изменена путем изменения структуры, состава материала, дефекта или концентрации примесей, ионной имплантации, и внешнего воздействия в слоях, индуцированных различными условиями роста. Спектроскопические свойства структур с квантовыми ямами могут быть также настроены и изменены путем применения различных геометрий роста, применения различных условий роста, уровня дефектов, уровней легирующих примесей, ионной имплантации и условий для достижения желаемой плотности насыщения и восстановления поглощения или времени релаксации.
SS
PS
[0069] В вариантах реализации насыщаемых поглотителей, в которых используют красители или органические полупроводники, спектроскопические свойства могут настраивать путем незначительного изменения их химического состава. В других вариантах реализации поглотителя, принимающие материалы, такие как стекло или кристаллы могут изменять спектроскопию внутренних атомов. Время восстановления T и T и насыщение или пороговое значение плотности излучения также могут быть подобраны пользователем, путем манипуляции межмолекулярными взаимодействиями в органических красителях и полупроводниках.
[0070] Хотя принципы работы продемонстрированы в данной заявке для реализации в открытом пространстве, те же самые принципы могут быть реализованы в волоконных лазерах. Например, лазер 200 может быть волоконным лазером с диодной накачкой 200. Лазер может содержать один диод накачки или большое разнообразие других диодов и диодных структур, таких как банк или кластер диодов. Волоконные лазеры могут быть гораздо меньше лазеров в открытом пространстве и могут требовать менее точную настройку и калибровки. При хирургическом использовании, где в операционной свободное пространство является ограниченным, сокращенная пространственная протяженность лазера 200 может быть высокоценной конструктивной особенностью.
[0071] В некоторых примерах, лазер 200 может содержать также структуры для улучшения динамических характеристик и качества импульсов, включая элементы управления дисперсией, например, волоконные Брэгговские решетки, и диоды накачки со стабилизированной частотой, содержащий частотно-стабилизирующие стержни, например, объемные Брэгговские решетки внутри диода. Такие лазеры могут генерировать импульсы с низким уровнем шума и высокой стабильностью характеристик от импульса к импульсу. Волокно может быть выполнено из стекла, легированного неодимом или иттербием.
[0072] В целом, лазер 200 может испускать существенно ограниченные преобразованиями затравочные импульсы, например Гауссовой формы. В некоторых примерах могут быть также сгенерированы импульсы с плоской вершиной. Длительность импульсов может быть менее 1000 фс. В некоторых реализациях длительность импульсов может быть в диапазоне 10-1000 пс, в некоторых других вариантах реализации изобретения в диапазоне 100-500 пс. Частота импульсов, или частота повторения может быть в диапазоне 1-1000 МГц, в других вариантах реализации изобретения в диапазоне 10-100 МГц. Мощность пучка импульсов может быть в диапазоне 10-1000 мВт, а в других вариантах реализации изобретения в диапазоне 100-200 мВт.
[0073] Одним из широко используемых применений в данном документе описаны лазеры 200 для использования в качестве источника затравочных импульсов в лазерах с усилением чирпированных импульсов (CPA) с модуляцией добротности.
[0074] Хотя документ содержит много конкретных примеров, они должны рассматриваться не как ограничения объема изобретения или формулы изобретения, а, скорее, как описание особенностей вариантов реализации изобретения. Некоторые признаки, описанные в настоящем документе в контексте отдельных вариантов реализации изобретения, также могут быть реализованы в виде комбинации в одном варианте реализации изобретения. И, наоборот, различные признаки, описанные в контексте одного варианта реализации изобретения, также могут быть реализованы в нескольких вариантах реализации изобретения отдельно или в любой подходящей подкомбинации. Кроме того, хотя признаки могут описываться выше как действующие в определенных комбинациях и даже изначально заявленные как таковые, один или несколько признаков из заявленной комбинации могут в некоторых случаях быть удалены из комбинации, и заявленная совокупность может ссылаться на подкомбинацию или вариации подкомбинаций.