锁模光泵浦半导体激光器

技术领域

[0001 ] 本发明总体上涉及外腔表面发射光泵浦半导体(OPS )激光器。本发明具体涉及锁模OPS激光器。

背景技术

[0002] 包括固态增益介质的锁模激光器在相对高的脉冲重复率下提供了非常短的脉冲。典型的锁模激光器在介于大约50和150MHz兆赫(MHz)之间的脉冲重复频率(通常为80MHz)下工作。根据增益介质,脉冲可具有大约100皮秒或者更少的FWHM持续期。更加商业化的锁模激光器采用具有相对较宽的增益带宽的固态增益介质。最常见的固态增益介质是掺杂了钛的氧化铝(T1:蓝宝石或Ti =Al2O3),它能够提供介于大约700纳米和900纳米之间的基本波长范围内的有限可调范围。可通过具有基本波长的输出辐射的频率转换来扩展该激光器的波长范围。

[0003] 锁模激光器脉冲的公共应用是用于多光子显微镜中的荧光激励。该应用得益于能够获得其波长可专门适合于特定荧光的锁模脉冲。

[0004] OPS-激光器包括具有被隔离层隔开的有源或量子阱(Q-W)层的多层半导体表面发射增益结构。该激光器的输出波长可通过选择有源层的半导体材料的适当组成而被“调整”用于具体值。这至少在理论上能提供从紫外光谱范围到电磁频谱的中红外范围的基本波长。半导体增益介质的特征在于,相对于针对固态增益介质的一毫秒或更长,该增益介质的激励状态寿命相对很短,例如大约10纳秒(ns)或者更小。为此,仅仅由非常短的共振器在相应非常高的脉冲重复频率(PRF)(例如,几千兆赫(GHz))下实现了半导体激光器中的模式锁定。这就使得可以在半导体增益介质的激励状态寿命内实现共振器中的多次往返。但是,可在该高PRF下实现的脉冲能量太低,而且PRF对于多光子显微镜应用来说太高。需要克服OPS-激光器的这一缺陷以便使得其波长选择优势能够用来优化多光子显微镜应用中的特定荧光的响应。

发明内容

[0005] 在一个方面中,根据本发明的设备包括具有共振器长度的激光器-共振器。至少一个表面发射多层半导体增益结构处于激光器-共振器中。至少一个任意其它增益结构包括被隔离层隔开的多个有源层并具有有源层的材料的激励状态寿命特征。装置被提供用于激励增益结构,从而使具有增益结构的有源层的基本波长特征的辐射在激光器-共振器中循环。模式锁定装置处于激光器-共振器内,用于使循环辐射循环作为共振器长度确定的预定脉冲重复频率下的锁模脉冲序列。光学设备被提供用于使循环辐射在激光器-共振器中在其每次往返期间产生预定多次增益结构入射,其中增益结构入射之间的预定时间小于增益结构的两倍激励状态寿命。

[0006] 这一配置使得本发明设备输出的锁模脉冲的PRF可被选择成可比拟于现有技术的固态锁模激光器的PRF,并同时循环脉冲能够使得一个或多个增益结构上的多个入射具有入射之间的小于两倍激励状态寿命的周期,从而允许脉冲能量的共振建立。在本发明的优选实施例中,共振器长度被选择成使脉冲重复频率介于大约50MHz和150MHz之间,而且共振器中的每次往返存在至少四次增益结构入射。

附图说明

[0007] 并入说明书并作为其一部分的附图示意性地图示了本发明的优选实施例,附图与上面的总体描述以及下述优选实施例的详细描述一起来解释本发明的原理。

[0008] 图1示意性地图示了根据本发明的锁模OPS-激光器的一个优选实施例,其包括其总长度被选择成提供180MHz的数量级的输出PRF的共振器以及具有光学泵浦OPS增益结构的增益模块,并且被配置成使得共振器中的辐射循环在共振器中专每次往返期间在增益结构上产生八次入射,其中连续入射之间的时间小于OPS增益结构的两倍激励状态寿命。

[0009] 图2示意性地图示了根据本发明的锁模OPS-激光器的另一优选实施例,其类似于图1的激光器,但是还包括用于OPS增益结构的同步脉冲光泵浦的设备。

[0010] 图3是示意性地图示了在根据本发明的锁模OPS-激光器的示例中计算出来的作为OPS-结构上的各种入射次数的模式锁定频率的函数的平均锁模输出功率与基板基本CW功率之比的示图。

[0011] 图3A是示意性地图示了在图3的示例中计算出来的作为80MHz的模式锁定频率下OPS-结构上的入射次数的函数的锁模输出功率的示图。

[0012] 图4示意性地图示了根据本发明的锁模OPS-激光器的又一优选实施例,其类似于图1的激光器,但是共振器中存在两个OPS-结构,而且共振器中的辐射循环在共振器中在每次往返期间在每个增益结构上产生四次入射。

具体实施方式

[0013] 现在参考附图,其中类似组件标有类似参考标号,图1示意性地图示了根据本发明的锁模OPS-激光器的一个优选实施例10。激光器10包括形成在部分反射部分透射镜14和包括可饱和吸收镜12 (例如可饱和Bragg反射(SBR)镜或半导体可饱和吸收镜(SESAM))之间的驻波激光器-共振器11。镜12为激光器-共振器的模式锁定做准备。镜14作为激光器-共振器的输出I禹合镜。

[0014] 激光器-共振器中的光增益由包括多层半导体增益结构18和上面的镜结构20的OPS-结构(0PS芯片)16提供。增益结构包括被隔离层隔开的多个有源层并具有有源层材料的激励状态寿命特征。增益结构由光泵浦辐射激活,如所示,以使得激光器辐射以下文将要详细描述的方式在共振器11中循环。优选地,泵浦辐射由二极管-激光器或二极管激光器阵列(未示出)提供。OPS芯片以与热沉22相通地方式被支撑。该OPS-结构的详细描述对于理解本发明的原理来说不是必须的,因此不在此予以阐述。注意,如前面说讨论的那样,该增益结构的激励状态寿命处于大约3ns的数量级。转让给本发明的受让人的美国专利N0.6,097,742中提供了 OPS-结构的生长、组成、材料和示例性增益-波长的详细描述,其整体公开通过引用并入本文。

[0015] 激光器-共振器11中包含在循环辐射的共振器中的每次往返期间导致共振器中的辐射循环的增益结构上的多次入射的设备,其中连续入射之间的时间优选地小于OPS增益结构18的大约两倍激励状态寿命,而且更优选地大约等于或小于激励状态寿命。此处,多入射设备包括与回复反射镜对30和32以及OPS-结构16的镜结构20配合的凹镜28A和 28B。

[0016] 对离开镜12的光束的追踪(由实心箭头F0ut表示):光束入射至凹镜24上;从镜24反射至平面镜26 ;并从镜26反射至凹镜28A。光束从镜28A反射以产生OPS芯片的增益结构上的第一入射(向前并反射通过)。镜结构20将第一入射光束反射至镜28B,然后从镜28B反射至回复反射器30的镜30A。镜30A将光束反射至镜30B,镜30B又将光束反射回镜28B。

[0017] 镜28B将光束反射回OPS芯片18以产生OPS增益结构上的第二入射。随后,光束被镜结构20反射至镜28A。镜28A将光束反射至回复反射器30的镜32A。镜32A将光束反射至反射器的的镜32B,的镜32B又将光束反射回镜28A。

[0018] 随后,光束又从镜28A反射以产生OPS芯片的增益结构上的第三入射。镜结构20将第三入射光束反射至镜28B,光束从镜28B再反射回回复反射器30的镜30A。镜30A将光束反射至镜30B,镜30B将光束反射回镜28B。

[0019] 镜28B将光束反射至OPS芯片18以产生OPS增益结构上的第四入射。随后,光束被镜结构20反射至镜28A。这时,镜28A将光束反射至共振器11的平面镜34。镜34将光束反射至凹镜36。镜36将光束反射至输出耦合镜14。在这时,光束已经完成了共振器11中的一般往返并经历了 OPS芯片上的四次入射。随后,镜14如空心箭头FBadt所示将光束沿入射路径反射回去。这样,光束通过重新追踪上述原始路径而完成了整个往返,从而在共振器11中的往返之前又产生增益结构18上的四次入射(通过)。在此特别要注意的是OPS芯片16大约位于镜28A和28B的焦点,由此使得光束在OPS芯片上的每次入射时具有大约相同的高度。

[0020] 还应该注意,高调制深度被要求用于用来提供模式锁定的可饱和吸反射器。在设备10中,包括凹镜24和36的折叠镜布置被配置成将循环辐射聚集在SESAM12上以最大化调制深度。可替换地,可饱和吸收镜可包含在共振器中的使得每次往返期间辐射会两次或更多次地辐射在其上的位置处。在共振器11中,这可以例如处于镜30A和30B之一上。甚至还可以在OPS芯片16的镜结构中构建可饱和吸收功能20。本领域技术人员可使用这些模式锁定配置,或在不脱离本发明的精神和范围的情况下导出其它模式锁定配置。

[0021] 图2示意性地图示了根据本发明的锁模OPS-激光器的另一优选实施例,其类似于图1的激光器,但是还包括用于OPS增益结构的同步脉冲光泵浦的设备。截至(Pick-Off)镜40将脉冲输出的一部分从输出f禹合镜14引导至光电二极管42,光电二极管42与可调制泵浦辐射源46电连接。光电二极管的输出提供了激光器10的瞬态输出PRF的测量。这就允许考虑共振器长度的细微变化而导致的由于输出的频率偏移来调节同步脉冲泵浦PRF。共同拥有的美国专利公开2009/0290606中可以找到与OPS-激光器的同步泵浦相关的其它信息,在此通过引用将其内容并入本文。

[0022] 同步泵浦通过在未产生并传递脉冲时阻止传递至OPS-结构的泵辐射,降低了OPS-结构上的热负载。然而,由于针对二极管-激光器的高驱动电流的脉冲调制的困难、以及二极管-激光器对于产生跟随电流脉冲的时间形式的光学输出的困难,同步泵浦在IOOMHz的数量级的频率下变得困难。可能的替换方案是利用诸如正弦调制电流之类的模拟调制电流驱动泵浦辐射源。

[0023] 图3是示意性地图示了在根据本发明的锁模OPS-激光器的示例中计算出来的作为OPS-结构上的各种入射次数的模式锁定频率的函数的平均锁模输出功率与基板基本CW功率之比(模式锁定比)的示图。在计算中假设,1%的共振器中具有固定损耗,加上OPS芯片上的入射次数乘以0.2%的附加损耗,从而考虑转向镜(steering mirror)中的损耗随着该入射的次数线性地增大这一事实。还假设OPS增益结构的激励状态寿命是3.0ns ;每次入射的未饱和增益是8% ;饱和强度是lOOkW/cm2 ;光束尺寸是400um (1/e2半径);相应的饱和功率是251W ;而且针对脉冲的相应饱和通量(fluence)是754纳焦(nj)。

[0024] 针对计算的每个入射次数优化了输出耦合百分比(在共振器11中是镜14的传输比)。在每个相应曲线中指出了入射次数。虚线曲线表示计算出来的可由由OPS芯片的镜结构终止的现有技术OPS-激光器-共振器获取的性能,其中共振器中的每次往返期间仅仅存在OPS芯片上的一次入射。图3的示图中插入的表格I提供了针对每个入射次数计算出来的最佳输出耦合百分比以及实际计算出来的CW功率。在此需注意,在现有技术锁模激光器的典型的80MHz PRF下,每往返仅仅一次入射的锁模平均功率小于可用CW功率的35%。对于每往返OPS芯片上两次入射(如OPS-结构的镜结构折叠的现有技术的OPS-激光器-共振器可以实现的那样),锁模OPS功率仅仅上升至大约可用CW功率的0.54%。

[0025] 需要注意的是,所谓的“薄碟”激光器中使用的固态增益介质具有比OPS增益结构的激励状态寿命远远更长的激励状态寿命。举例来说,掺杂有镱的钇铝石榴石(yttriumaluminum garnet, Yb:YAG)具有接近一毫秒的激励状态寿命。鉴于此,在锁模固态激光器的正常PRF范围内,模式锁定比没有显示出对该增益介质上的入射次数的任何依赖。

[0026] 图3A是示意性地图示了在图3的示例中计算出来的作为80MHz的模式锁定频率下OPS结构上的入射次数的函数的锁模输出功率的示图。示图上的虚线连接计算点仅仅用于趋势表示。从图3A可以明显看出,锁模输出的剧烈增长最少要求在共振器中在每次往返期间的OPS芯片上的大约4次入射。假定针对共振器中的辐射循环的大约12.5ns的往返时间,这表示辐射入射之间的时间优选地不大于大约3ns,即,不大于大约半导体增益结构的激励状态寿命。图3A中插入的表格2显示在本发明的80MHz锁模共振器中的针对2、4、8和和20次入射的入射之间的大致时间以及入射频率。本发明的配置仅仅在每次往返存在四次或更多次OPS芯片入射时变得实际有用,假定入射之间的时间段小于OPS增益结构的大约两倍激励状态寿命。

[0027] 8次入射和20次入射之间的锁模功率增长相对最适中,但是如果需要利用更高输出耦合来容纳共振器中的一个或多个损耗元件(例如,色散补偿器件的元件),则可以允许附加的入射。然而,实际需要注意的是,不管发生多少次入射,OPS芯片必须尽量平坦地封装。任意与平坦的背离,尤其是弯曲,将会由于入射次数而变得严重,而且将损害在OPS芯片上的相同位置中重复地对循环光束(对齐振荡模式)成像的能力,这当然是最大化与泵浦辐射的互动所要求的。优选地,即使对于少至4次入射,OPS芯片也不应该具有小于大约

10.0米的曲率半径(正或负),否则模式偏差以及相应的锁模功率输出将遭受损失。

[0028] 图4示意性地图示了根据本发明的锁模OPS-激光器的又一优选实施例50,其类似于图1的激光器,但是两个OPS-结构16A和16B (它们可具有相同或不同的增益波长)代替了设备50中的单个OPS芯片16。而且,由于附加的OPS芯片,图1的设备的模式成像镜28A和28B在设备50中由三个镜52A、52B和54代替。存在仅仅一个角(回复)反射器,即,具有镜56A和56B的回复反射器56。

[0029] 如用来表示图1的设备中的往返那样,设备50的共振器15中的往返由实心箭头(第一穿透多次入射布置)和空心箭头(第二穿透多次入射布置)表示。可以看出在设备50中,每个OPS芯片上存在循环辐射的四次入射。这就提供了每次往返的八次“增益入射”或“0PS芯片入射”,如图1的设备的共振器U。本领域技术人员将认识到,在没有进一步的图示或详细说明的情况下,与0PS50类似地布置的设备可被扩展,理论上至少包括每个往返提供十二次增益入射的三个OPS芯片、每个往返提供十六次增益入射的四个OPS芯片,以此类推。

[0030] 继续参考图4,如果OPS芯片16A和16B的增益带宽匹配,设备50的性能可从图3和图3A的示图中预测出来。实际上,对于这些示图的计算中呈现的每次增益入射的损耗,设备50中小于设备10中,这是因为提供每次入射时涉及更少的反射器。

[0031] OPS芯片16A的增益带宽可故意失配以扩展共振器中的多个OPS芯片的累积增益带宽。这可以用于例如提供有限范围的可调谐性(利用共振器中的可调波长选择元件)或者用于降低锁模脉冲的持续时间。举例来说,对于大约900nm的标称激光波长,认为实际上大约45nm的净增益带宽(FWHM)可由具有大约30nm的典型增益带宽的、峰值累积增益比单个OPS芯片的峰值增益大大约40%的多个OPS芯片实现。

[0032] 对于脉冲持续时间,相信可以在根据本发明的设备中获得大约200飞秒(fs)或更短的脉冲持续时间。上述共振器中的任意折叠镜可涂覆有提供用于补偿OPS-结构中可能出现的任意脉冲持续时间扩展正色散的负色散的镜(NGDD镜)。还可以在OPS芯片或SESAM12中通过适当配置其层厚来设计一些色散补偿。转让给本发明的受让人的美国专利N0.6,081,379和N0.6,154,138中详细描述了 NGDD镜设计的原理,其整体内容通过引用并入本文。根据所述原理自动设计NG⑶镜涂层的软件可在商业上从光学薄膜设计软件的多个供应商获取。而且,NGDD镜涂层可在商业上从光学涂层的多个供应商获取。

[0033] 在此应该注意,在所述的本发明的激光器-共振器中,为了方便描述和描绘至OPS芯片的多入射光束路径而放大了 OPS芯片或多芯片上的辐射的入射的上方角度。实际上,除了其它原因之外,优选地最小化这些入射角度以便优多次入射的化累积增益。在图1的共振器10中,成像镜28A和28B可以由具有可传递泵浦辐射的中心孔的单个抛物线镜代替。虽然半导体增益结构的光学泵浦(激活)是优选的,但是增益结构可被电激活,例如如美国专利N0.6,243,407所描述的那样,其整体内容通过引用并入本文。本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明的共振器做出这些及其它修改。

[0034] 还应该注意,在图1和图2的“单芯片”实施例或图4的多芯片实施例中,优选地,共振器被配置成使得往返中的连续增益入射之间的时间大致相同。这被用于连续入射的逐一成像布置所促进,因为存在可实现逐一成像的成像镜的焦距的实质的自由选择。

[0035] 总之,本发明通过提供具有被选择成提供150MHz或更小的锁模PRF的长度的共振器并同时在共振器中提供辐射循环的OPS芯片入射的足够更高的往返频率,克服了前面讨论的现有技术的锁模OPS-激光器的缺陷。往返OPS芯片入射的频率被选择成使得这些入射之间的时间段足够小以促进往返中脉冲能量的有效建立。

[0036] 以上参考优选的其它实施例描述了本发明。然而,本发明并不限于此处说明并描述的实施例。实际上,本发明由所附权利要求限定。

(聊城荣恒医疗器械有限公司)