专利名称：具有优选的无源模式锁定的短脉冲激光设备和用于其的多次反射望远镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有优选的无源模式锁定的短脉冲激光器设备，其具有谐振器，该谐振器包括激光晶体以及定义长的谐振器臂和短的谐振器臂的一些镜子，一个臂形成泵光束射入镜，并且另一个形成激光光束射出器，并且该设备具有多次反射望远镜，其增加谐振器长度并且和谐振器臂之一相关联，使用镜子构成该望远镜以在耦合进这些镜子之间的空间的激光光束射出返回剩余谐振器之前，在多个镜子之间多次前后反射该激光光束，在镜子上的顺序离心反射点关于彼此偏置。
相似的，本发明涉及用于短脉冲激光设备的多次反射望远镜，其用于增加它的谐振器长度，使用镜子构成该多次反射望远镜使得在耦合进这些镜子之间的空间的激光光束被射出返回剩余激光设备之前，在多个镜子之间多次前后反射该激光光束，在镜子上的顺序离心反射点关于彼此偏置。
近来，对短脉冲激光设备的兴趣逐渐增加，因为考虑在毫微微秒范围中极短的脉冲持续时间，且峰值脉冲输出＞1MW，可以制造科学和工业方面各不相同的设备。因此，这种具有在毫微微秒范围中的脉冲持续时间的短脉冲激光设备可以用于在电磁辐射和物体之间的相互作用的时间分辨研究。另一方面，考虑材料处理中的小型化的增加，可以精确和高速地生产最精密的结构。具有高输出脉冲能量和高重复速率的毫微微秒激光设备是理想的设备。在这个方面需要的是一种激光设备，其以10MHz量级的脉冲重复速率产生具有10fs量级的脉冲持续时间以及例如25到30nJ的能量的激光脉冲。因为相比早先的激光设备，在一般的钛-蓝宝石-fs激光器中需要的脉冲重复速率在毫微微秒范围中相对低(例如，以10MHz的量级而不是以80MHz的量级)，可以分别实现较高的脉冲峰值输出，或较高的脉冲能量，这正是材料处理中需要的。但是，这种相对低的重复速率反过来意味着激光谐振器中相对长的脉冲往返时间，仅仅通过计算得到谐振器长度增加，例如，从2m到16m，从而造成激光设备的尺寸增加。
基于早先由D.Herriott et al公布的，“Off-Axis paths in SphericalMirror Interferometers”，Applied Optics，1964年4月，vol.3，No.4，pp.523-526，之后由S.H.Cho et al提出脉冲往返时间的变长。在文章”Generation of 90-nJ pulses with a 4-MHz repetition-rate Kerr-lens mode-locked TiAl2O3laser operation with net positive and negative intracavitydispersion”，optics letters，2001年4月15日，vol.26，No.8，pp.560-562中，通过提供多通道谐振器部分，这里也被称为“多次反射望远镜”或简单地称为“望远镜”(根据A.Poppe et al的文章，“A Sub-10fs，2.5-MW TiSapphire Oscillator”，Ultrafast optics 1999，pp.154-157，Ascona，瑞士(1999))，因此因为彼此相对布置的镜子上的多次反射，通过在这个谐振器部分中的多个通道增加了脉冲往返的持续时间，并且由此降低了重复速率。在这个方式中，可以增加每个往返中射出的脉冲部分的能量部分。
但是，这些已知光学设备，或望远镜的缺点分别在于，对于激光谐振器仍然需要相对大的尺寸，使得激光设备的总的尺寸得到相对体积大的设备。另外，在现有的激光设备中，激光辐射的稳定性也有问题，并且必须考虑到望远镜将使得激光光束的横截面的图像为了稳定性的目的必须尽可能好地适于剩余的谐振器。但是，在现有设备中，情况是已经在望远镜的反射镜的位置中存在些许不精确，并且因此已经发生相对小的谐振器长度改变，造成光束横截面的实质上的改变，结果谐振器总的来说不稳定。另外，对于Cho等人的文章中的激光设备有一缺点，即，其通过望远镜反射镜之一中的切口将激光光束射入望远镜部分，并且通过在镜子中的相应切口再次从这个望远镜中射出，镜子的设计很复杂，并且它的生产存在问题。
因此，本发明的目的是允许通过增加仍然具有相对小的谐振器尺寸的激光设备中的脉冲往返时间而增加最初定义的短脉冲激光设备中的峰值脉冲输出；另外，使得望远镜很好的适应剩余的谐振器，并且因此，提供在激光光束产生中的高稳定性，并且易于进行对谐振器部分的精密调整。另外，本发明的目的是提供简单的适应性装置，用于将激光光束射入和射出谐振器的望远镜区域。
本发明最初定义的类型的短脉冲激光器布置的特征在于望远镜仅具有一个曲面，优选的凹面镜，以及平面镜，该平面镜的位置至少基本上对应于具有两个曲面镜的假想多次反射布置的中心，由此望远镜的一个曲面镜还包括假想的其他曲面镜的反射点。
相似的，本发明提供如最初定义的望远镜，并且包括特征性特性作为望远镜的反射镜，仅提供一个曲面，优选凹面镜，以及平面镜，平面镜的位置至少基本上对应于具有两个曲面镜的假想多次反射布置的中心，由此望远镜的一个曲面镜还包括假想的其他曲面镜的反射点。
因为上述设计，望远镜的尺寸实际上只有一半并且“被折叠”。这个方法是基于发现当在曲面镜上反射时，激光光束的波阵面呈现近似弯曲的区域，之后波阵面改变直到它在相对布置的镜子上反射使得它对应于在那里占主导的曲面，在其中心实现波阵面是平面的情况；在这个地方根据本发明布置平面镜。除了由此获得的尺寸的减少，实质上还可以看到一实质上的优点，即，可以比弯曲底基镜(substratemirror)更低廉的价格生产平面镜(通常在激光谐振器中使用绝缘材料的多层镜子)。作为另外的优点其使得对于这个射入激光光束，或射出激光光束的设备，当在曲面镜和平面镜之间的近似中心发生射入和射出时，足够的空间可用，这是因为在多次反射的过程中创建的相邻的光束路径相对宽的隔开，使得，如将在后面描述的，可以安装合适的射入和射出镜分别用于毫无问题地“分解”一个光束，或光束路径。通过这样，另一方面，可以制造用于多次反射的镜子而没有任何切口，通孔等。
考虑激光辐射的稳定性以及应该尽可能简单的望远镜的反射镜的设计，以及在操作期间镜子尽可能低的负载，进一步证明以下所述是有益的如果在一个曲面镜上，在假想的圆周线上，以对应于彼此的弧距离交替布置这个镜子的反射点和假想的另一曲面镜的反射点。因此，通过这个设备，将不会存在在望远镜的反射镜之间激光辐射的光束路径的“交错”，而是，在多反射期间激光光束遵循的光束路径将是Z字形的，对应于近似圆柱的表面或在镜子之间的截头圆锥体的表面。
考虑对于在生产技术的应用中短脉冲激光设备的设计，脉冲往返的增加另外适于在一个曲面镜上提供总共八个反射点的情况。
为了激光辐射的稳定性，并且在望远镜和谐振器的适应期间，如果在镜子和凹面镜的曲率半径之间的距离对应于下面关系是有益的L/R=1±(1+cosα)/2---(1)]]>其中，L是在曲面镜和平面镜之间的距离的两倍，R是曲面镜的曲率半径，并且α是在实际上和一个曲面镜相关联并位于圆周线上的两个各自连续的反射点之间的中心角。
为了简单，稳定的实施例，这里进一步提供望远镜的曲面镜是凹面镜，对其保持下面的关系L/R=1-(1+cosα)/2---(2)]]>如上所述，通过具有望远镜的“折叠”的本发明的设计，提供在望远镜的区域中激光光束的合适射入和射出，并且因此，根据的本发明的短脉冲激光设备的特别有益的实施例的特征在于，在曲面镜和平面镜之间的中心，在这两个镜子的光束路径之一的路径中提供用于激光光束的射入和射出镜。
最后，为了稳定性的目的，为了望远镜更好的适于剩余的谐振器，如果望远镜和长谐振器臂相关联是特别有益的。即，调查示出在长的谐振器臂，具有相对大的横截面的激光光束可用于射入望远镜部分，其中，通过本发明的望远镜设计，在望远镜部分的不同反射期间，在再次射出并提供给剩余的谐振器部分之前，激光光束的横截面仅轻微改变，该激光光束实际上在射入期间具有相同的横截面。通过此，任意可能的小的长度改变，也就是，在望远镜的透镜之间的距离的小的改变几乎不产生影响，这是因为这个光束横截面基本没有改变。以这种方式，容易地实现在望远镜和剩余的谐振器之间的最优适应。
在下面，将通过优选的示例性实施例的方式更为详细的描述本发明，在附图中示出了实施例，但是，并不限于此。其中，
图1示出了根据本发明的具有望远镜的短脉冲激光设备的配置的示意性表示；图2示出了当布置在安装盘上时的这种短脉冲激光设备，并且示意性的示出了在望远镜的区域中的射入和射出的激光光束；图3示意性的示出了具有两个望远镜凹面镜的现有望远镜的视图；图4和5示意性的示出了在其上具有反射点的这个望远镜反射镜；图6示出了通过提供平面望远镜反射镜，在根据图3的这个望远镜的“折叠”期间的假想的中间步骤；图7示出了根据本发明形成的、具有凹面镜和平面镜的望远镜的视图，还示意性示出了射入望远镜的激光光束和从望远镜射出的激光光束；图8示出了图7的望远镜凹面镜，其具有根据图4和5的示意性视图中的反射点；图9在视图中示出了横向方向上的激光光束的半径R(mm)与谐振器中的激光光束通过的距离x(m)的关系曲线，其具有短谐振器臂，长谐振器臂和在其间的相关联的望远镜；图10在视图中并且通过四个实例的方式示出了光束直径的改变与在望远镜反射镜之间的空间的关系曲线，从而示出考虑到稳定性激光光束的适应性；并且图11、12、13、14和15是类似于图9的视图，示出了横向光束半径R’与在五个实际设备中通过的距离x的关系曲线。
在图1中，示意性的示出了短脉冲激光设备11，其中，例如，本质上已知的克尔透镜模式锁定原理用于产生短脉冲激光。
根据图1，激光设备1包括谐振器12，向其提供，例如，泵光束13、氩激光光束。例如，在图1中为了简化的目的省略了诸如泵光束本身和激光光束，并且其是现有技术的一部分。
在通过透镜L1和分色镜之后，泵光束13激发激光晶体14，在本实例中是钛:蓝宝石(Ti:S)固体激光晶体。分色镜M1可由泵光束13透过，但是对于Ti:S激光光束高度反射。这个激光光束15(谐振器光束)之后照射在激光反射镜M2上并且由其反射到激光反射镜M3。这个激光反射镜M3再次反射激光光束到激光反射镜M4，并且激光光束15从那里反射回到激光反射镜M3、M2和M1，第二次通过激光晶体14。这个包括反射镜M2、M3和M4的谐振器部分形成所谓的短谐振器臂16，其在所示的实例中是Z形状的。
之后，激光光束15从反射镜M1反射到激光反射镜M5并且从后者到激光反射镜M6和到另外的激光反射镜M7，从而形成第二Z折叠的谐振器臂17，提供其作为长谐振器臂17。从激光反射镜M7，激光光束15进入仅在图1中示意性的示出的望远镜18，并且从那里到达用作射出的端镜OC。经这个射出端镜OC，激光光束15的一部分在提供补偿可能性的情况下射出，同时提供没有进一步示出并且由薄膜技术制成的补偿片晶以及镜子，用于提供散射补偿以及用于防止发生在激光谐振器12的方向上的不需要的反射。
激光晶体14是平面平行体，其光学上非线形并且形成克尔元件，其对于激光光束15的较高场强具有较大的有效光学厚度，但是在激光光束的场强或强度低的地方具有较小的有效厚度。这个本质上公知的克尔效应用于激光光束15的自聚焦，也就是，激光晶体14构成用于激光光束15的聚焦透镜。模式锁定可以进一步以本质上现有的方式实现，例如，通过在图1和2中没有进一步示出的小孔的方式(例如，AT 405 922 B)；但是，可以想象，设计端镜，例如，M4，作为可饱和的布拉格反射器并且因此用于模式锁定。
以薄膜技术制成反射镜M1、M2……M7，也就是，它们包括许多层，当反射具有大的光谱宽度的超短激光脉冲时实现它们的功能。激光光束15的不同波长分量在被反射之前进入各个反射镜的层的不同深度。以这种方式，在各个反射镜将不同波长分量延迟不同时间量；将在非常外表面处(也就是，向着表面)反射短波分量，但是，长波分量将在镜子的较深处反射。通过此，长波分量将在时间上相对短波分量延迟。以这种方式，因为非常短时间范围(优选的在10毫微微秒的范围和以下)的脉冲具有宽的频谱，可以获得散射补偿；这是在激光晶体14中的激光光束15的不同频率分量“看到”不同折射率的结果(也就是，激光晶体14的光学厚度对于不同频率的分量不一样大，并且因此当通过激光晶体14时不同频率的分量将不同的延迟)。可以通过在薄膜激光反射镜M1、M2……M7的上述散射补偿抵消这个效果。
这个所描述的是本质上现有的具有模式锁定的短脉冲激光器的配置，并且因此不需要对其详细描述。
在操作中，通过短谐振器臂16以及在长谐振器臂17中的激光光束15的每一往返，利用如上所述的射出OC射出一部分激光脉冲。实际上，没有望远镜18的激光谐振器12的长度大约是2m，例如，实现对应于75到100MHz的重复速率，例如，80MHz。为了通过增加往返时间并且因此通过减少重复速率而实现更高的脉冲峰值输出也就是脉冲能量，考虑例如用于材料处理的激光设备11，将通过安装望远镜18扩大激光谐振器12的长度。当将整个谐振器长度乘以因数八时，意味着，例如，大约15m或16m的谐振器长度，重复速率可以在例如，大约10MHz。为实现这个激光脉冲的长路径长度，在望远镜18中提供镜子布置，使得实现激光光束15的多次反射，由此对应于多次反射可以缩短望远镜18的结构长度。
在图2中，示意性的示出了根据图1的这种在安装盘19上的激光设备11，其具有尺寸a乘b，例如，a＝900mm乘b＝450mm。在这个安装盘19上，框在图1的虚线中的激光谐振器12的部分20被封装安装在外壳中，并且另外还在安装盘19上布置泵激光器21，从其将泵光束13经两个镜子22、23提供给激光谐振器部分20。从这个谐振器部分20，激光光束15在激光反射镜M6的方向上出现，如上所述的，通过激光反射镜M6将激光光束15反射到激光反射镜M7。从那里，激光光束14进入望远镜18，在望远镜18中，例如，在外壳中布置射入镜24，其在两个相对布置的望远镜反射镜25、26之间的一些光束路径之一中。这个射入镜24将激光光束15反射到一个平面望远镜反射镜25(在图2的左手)，之后后者将激光光束15反射到相对布置的望远镜凹面镜26。之后激光光束15在这两个望远镜反射镜25、26之间来回反射多次，例如，八次，在这个实例中，在望远镜凹面镜26上，在绕着凹面镜26的中心的假想圆周线上，提供对应于八个激光光束反射的总共8个反射点，这将在后面结合图7通过参考图8的方式更加详细的描述。
最后，激光光束15通过射出镜27射出望远镜18，将该射出镜27布置在射入镜24附近，该射出镜27与射入镜24在同一光束路径中并且反射激光光束15到另外的镜子28，从那里激光光束15经镜子29到达射出OC。为了简化的缘故，在图1的示意性图示中没有进一步示出这些镜子28、29。此外，如果望远镜18不存在，端镜(射出器)OC的位置将是图1的激光反射镜M6的位置。
具有增加的激光往返时间的短脉冲激光设备的重要方面是激光振荡的稳定性，其中必须考虑由单独的镜子引起的激光光束横截面的图像来影响合适的适应性。另一重要方面在于特别用于单独应用，也就是，在处理材料的情况中的特定重要性，在于激光设备11的紧密性；上述尺寸是对应于现有工业激光设备的900mm×450mm，但是其中，这里(图2)另外的望远镜部分18(其也形成分开的单元)内置使得需要激光光束15的较长的往返时间，并且因此可以实现较高的脉冲能量而不需要增加尺寸。这里希望达到几百nJ量级的脉冲能量而不是早先的小于10nJ。通过此，可以实现多于2MW的峰值脉冲输出。
相比具有望远镜的早先激光设备，在本发明的激光设备11中，如上所述，望远镜18和长谐振器臂17相关联，因为这对于振荡的稳定性是有益的，这将在下面参考图9更为详细的解释。在望远镜18中，激光光束15在镜子25、26之间大致沿着截头圆锥体的表面的假想圆柱表面以Z字形方式来回多次，例如，八次；当在望远镜18的长度的大约中心布置射入镜24和射出镜27时，将有足够的空间用于镜子24、27，因为在这个位置到下一个光束路径的距离相对大，使得不利地影响在镜子25、26之间的激光光束15的其他光束路径。这里很重要的也是在这里占主导的所谓的“弱聚焦”布置，其将在下面更加详细的解释。
对于本实施例，通过将在下面通过图3到8的方式更加详细解释的特别配置，获得极短的望远镜部分18而尽管激光光束15的路径长度变长到，例如8倍，是特别重要的。
在图3中，示出了具有两个凹面镜26a、26b的望远镜的本质上现有的基本配置，将激光光束15在两个镜子26a、26b之间来回反射几次。反射的类型使得激光光束在近似圆柱形产生的表面，也就是，在反射点1到5(另外，反射点是1到8，其中和反射点4、3、2重合布置图3的反射点6、7、8，这也参见图4和5)之间以Z字形方式来回反射。当然，当谈到“对应于圆柱形产生的表面”的Z字形线路时，不是特别精确，因为在镜子26a、26b之间的单独的光束路径是直的并且倾斜延伸，使得它们不能形成圆柱表面的母线，但是多次反射激光光束15的线路可以相对好的近似对应于这种圆柱形表面。
单独的光束路径的Z字形线路，或角偏置还分别来自对应于图4和5的镜子26a、26b的两个示意图(内侧)，在图中示出了镜子26a、26b上的激光光束15的反射点，编号为1到8。在那里，光束从镜子26a上的反射点1移动到另一镜子26b上的反射点2(关于那里角偏置)，并且从那里移动到镜子26a上的反射点3(再次角偏置)等。在示出的示意性实施例中，在每一镜子26a、26b产生90°的中心角α，作为对于相关联的反射点，例如2和4的角偏置。在对于2×4个反射的情况中，中心角α将因此较小。
先前通过图3到5解释的望远镜18的反射镜26a、26b之间的多次反射类型也被称为“弱聚焦”布置。另一方面，如果例如，在激光光束反射回到反射点1的方向之前，光束从镜子26a上的反射点1反射到镜子26b上的反射点6，并且从那里反射到镜子26a上的反射点3，并且从那里再次反射到镜子26b上的反射点8，到镜子26a上的反射点5，到镜子26b上的反射点2，到镜子26a上的反射点7并且到镜子26b上的反射点4，则给予“高度聚焦”布置。通过这个光束线路，将在两个镜子26a、26b之间的中心25’的区域中获得集束或“聚焦”，25’由图3的虚线示意性的示出。调查示出对于望远镜18的本设计，如已经在图2中提出并且将接下来参考图7和8更加详细的描述的，来自图3到5的弱聚焦布置更加合适，特别是因为光束路径合适的远离在中心25’和望远镜反射镜26之间的可怀疑的区域。作为将在下文中解释的，平面镜25(也参见图6)将被布置在中心25’，并且由于分别在这个中心25’和凹面镜26a和26b之间，在弱聚焦布置中的光束路径仍然相隔足够远，使得完全可以通过仅分解一个光束路径而容纳射入镜24和射出镜27。
在图5中，为了更好的示出的母体，对于高度聚焦的布置的情况的反射点的接下来的数字(合适的偏置的)被在用于弱聚焦布置的反射点的数字2、4、6和8之外的括号中指示。
从图3中可以进一步解释，在各个光束路径，例如从反射点1到反射点2，的激光光束15首先具有曲率与镜子26a的曲率相对应的波阵面，之后其在反射点2改变到对应于镜子26b的曲率的相对曲率。在其间的中心25’，存在平面波阵面的情况。这适用于本发明，其中在这个中心25’布置平面镜，望远镜反射镜25。之后图3所示的两个望远镜反射镜26a、26b“折叠”，也就是，使其重合，如在图6的假想中间步骤中示意性示出的。为了增强理解的目的，示出镜子26a绕着中心25’回转进入另一望远镜反射镜26b，直到两个镜子26a、26b移动进彼此具有相同的位置，并且因此产生如图2和7所示的望远镜凹面镜26。于是根据初始中心平面25’布置的平面镜25将位于相对的位置，参见图7。
从这个现有望远镜的“折叠”，还造成本发明的望远镜18的长度尺寸减半并且另外对应于图3到5的所有反射点1到8都位于一个剩余的凹面镜26上，参见图7和图8，其中在镜子26的示意性图示中这些反射点1到8都是可见的。另外，在8中，输入了决定角偏置的中心角α。为了便于区分，由小圆示出在镜子26a上初始存在的反射点(反射点1、3、5和7)，然而由交叉示出在另一镜子26b上初始存在的反射点2、4、6和8。在这样获得的最终的本发明的布置中，一个和另一望远镜反射镜26a，26b的反射点1到8分别彼此交替，每一关于另一个偏置角度α/2，并且彼此相对，具有到那里的偏置角α/4，在平面镜25上有反射点1’到8’，参见图7。
因此，还可以观看根据图7的望远镜，设计使得镜子26对应于图3的镜子26b，其中它另外包括另一凹面镜26a的反射点。作为对这个“组合的”望远镜凹面镜26的相对部件，平面镜25将适合距离望远镜反射镜26的距离(L/2)，并因此对应于在图3的望远镜反射镜26a、26b之间的距离(L)的一半。
图9示出了激光光束15依赖于其通过激光设备1的路径x的横向半径R’，可以看到在短谐振器臂16的端镜M4上存在相对小的光束横截面，其之后在这个短谐振器臂16中增加直到激光晶体14；上面已经描述，激光晶体14使得激光光束聚焦，这可以在图9的曲线上的窄的缺口上看到。接下来，长谐振器臂17跟随直到向望远镜18提供激光光束，在望远镜18的入口的光束横截面相对大。这个事实也由本发明利用，因为在这个方式中可以在振荡器中无问题地实现好的稳定性，这是因为在望远镜18的多次反射期间(参见图9中以在望远镜18中对应于反射点1到8的数字提供的反射)，在每一情况中占主导的光束横截面仅有轻微的改变，而不是望远镜和短谐振器臂16相关联的情况。通过此，可以在激光设备11中无问题地实现稳定的振荡，而且长度的轻微改变几乎不会引起任何不稳定性。
图9的视图仅是示意性的并且应该示出和本发明的关系，具体的说和激光设备11的优选实施例，其具有弱聚焦布置并且将望远镜18和长谐振器臂17相关联。另一方面，图11到14示出了对于具体实施例的计算机仿真，其中和分别示出用于高度聚焦布置的情况，或用于和短谐振器臂16相关联的望远镜18。在这些图中，为了更容易的理解输入了反射点1到8，谐振器臂16、17以及激光晶体14。
但是，首先应该通过图10的方式给出关于整个系统的稳定性的解释。为此，关系L/R=1±(1+cosα)/2]]>很重要，其中L是在曲面镜26和平面镜25之间的距离的两倍，R是凹面镜26的曲率半径，并且α是在实际上和一个曲面镜相关联，并且位于圆周线上的每两个顺序的反射点之间的中心角。
和先前通过图7和8的方式描述的，存在总共8个反射点1到8(也就是，对于每一假想的曲面镜26a、26b存在四个反射点)的事实无关，如在图4、5和8中出现的，中心角的量是α＝90°。另外，在上述关系中的符号“-”对应于先前解释的弱聚焦布置(然而符号“+”对应于高度聚焦布置)。因此，对于具有总共八个反射点1到8并且用于弱聚焦布置的实例，产生下面的关系L/R=1-(1+cosα)/2]]>因此，形成关系L/R＝0.293。对于R＝5000mm的镜子半径(对于凹面镜的半径值通常由“-”符号指示，如图10，但是这里为了简化的原因没有给出符号)，因此在镜子26a、26b之间的距离是L＝1465mm。这个距离L对于具体配置过大(参见在图2的实施例中安装盘尺寸a＝900mm)，而且通过图6和7描述的望远镜18的“折叠”，这个距离非常充分的布置，其中曲面镜26和平面镜25精确的隔开L/2＝732.5mm。
在高度聚焦布置的情况中，原理上示出了在最初提到的Cho等人的文件中，如上述，在两个凹面镜之间影响光束路径的集束，并且在这个高度聚焦布置中，符号“+”必须用于上述关系，其中关系L/R将产生L/R＝1.707的值。因为在镜子之间的距离L/R＝1465mm，这意味着各个望远镜反射镜的R＝L/1.707＝858mm。通过在距离L/2＝732.5mm的凹面镜26和平面镜25，将获得根据图5的括号中指示的数字的反射点。
在图10中，x轴实际上是(两倍)镜子距离L(对数示出)。在实际上实现的布置周围画框(如图12)。形成相关联的曲线30使得望远镜18耦合入振荡器的长臂17(1200mm)。如果半径R改变，距离L改变。如果计算出在另外的臂16，也就是，在端镜M4中光束直径相对(也就是，百分比)改变ΔD，产生在图10的y轴中输入的值。在尽管望远镜18改变但是光束半径不改变的位置，也就是零点，确切的实现最大稳定性。在图10中，也示出了曲线31、32和33用于其他实施例和比较的目的。
曲线30这是关于弱聚焦布置和望远镜18与长谐振器臂17相关联的情况。曲线和零线的交叉点在R＝4000mm。对于正在讨论的实际实施例(图12)，短期不能确切的获得这个镜子；因此，实现具有R＝5000mm的镜子的布置，如，关于图12的接下来的解释。
曲线31望远镜18在长谐振器臂17中并且小的曲率半径(例如，R＝858mm)将产生这个曲线31。R＝858mm(点34)处的关系将产生相比曲线30差的多的稳定性。即使还存在其中变化很小的稳定点(点35)，不稳定点将位于两个镜子之间非常大的距离(L＝6m)。
曲线32如果弱聚焦望远镜18(例如，具有镜子半径R＝5000mm)和初始振荡器12的短臂16相关联，形成这个曲线32。这里，再次在距离L的非常小的值(＜20cm)找到最大稳定性。通过此(和希望的相反)，不会产生激光光束路径的大的总加长。
曲线33在作为望远镜臂的短谐振器臂16和高度聚焦布置的组合中，事实上，最大稳定性也在非常好的位置(L＝0.8m)，但是在这个情况中在那个位置曲线33具有大的斜率。
但是，实际上，结果的偏差(最大到10％)非常可能发生在镜子半径上。而且，使用的模型不很精确，并且会发生测量和计算的光束型面的偏差。因此，更重要的是找到广泛的最大值(例如曲线30中)，而不是临界的(如在曲线33中)。
在图11到15中，对直线延伸(x轴)以m为单位的谐振器长度示出了属于实际实施例的有关以mm为单位的横向光束半径R’，这些实施例是基于计算机仿真的，但是，根据图12的实施例已经为了测试目的实际实现了。
在图11到15的所有图中，实线示出了理想振荡器的关系，其中所有长度值对应于理论值。虚线模拟了(如在这里指出的)在两个望远镜反射镜25、26之间的2cm偏差。看起来实际上没有发生大的偏差，而且测试示出发生了振动和温度漂移。但是，如果激光器(在短谐振器臂16的区域中)即使在大偏差的情况中没有显示出激烈的位移，也可以假定引起距离，例如在望远镜反射镜25、26之间的距离，的轻微改变的轻微的振动将不会对稳定性产生影响。
在图11中，用于激光设备11的横向方向上的光束半径R’在以m为单位的谐振器长度x上指示，其中谐振器数据如下短谐振器臂1665cm；长谐振器臂17120cm(在其上具有望远镜18)；在望远镜反射镜25、26之间的距离L/2＝52cm；望远镜凹面镜26的半径R＝3550mm；振荡器的总长度10.22m。
这个图对应于具有谐振器12的最优稳定性的实施例。但是，这里在望远镜反射镜25、26之间的距离不是非常大，使得没有按照需要的扩展激光脉冲的往返时间，并且重复速率仅被减少到14.6MHz。
如先前所述的，具有半径R＝5000mm的凹面镜可用于实际调查。通过这个镜子作为望远镜反射镜26，如所述的建立激光设备，并且出现不再能够给出最优稳定性(如，图10的零线)的事实，而是它具有轻微的偏差，如图10的曲线30上的框中的点。但是，在这个情况中产生的偏差是可以容忍的，因为在这个区域的曲线30，如在10中看到的，非常平坦，实际上上升＝0。在图12中，示出了相关联的图示光束半径/谐振器长度。
这里，谐振器数据如下短谐振器臂1665cm；长谐振器臂17120cm(在其上具有望远镜18)；在望远镜反射镜25、26之间的距离L/2＝73.2cm；望远镜凹面镜26的半径R＝5000mm振荡器12的总长度13.6m。
在图13中，示出了其中提供长谐振器臂17之后望远镜18中的高度聚焦布置；这造成关于望远镜18的反射镜25、26的变化不非常稳定的配置。这可以基于从实线到虚线的偏差而从图13中直接识别出来。
谐振器数据短谐振器臂1665cm；长谐振器臂17120cm(在其上具有望远镜18)；在望远镜反射镜25、26之间的距离L/2＝73.2cm；望远镜凹面镜26的半径R＝849mm；振荡器12的总长度13.6m。
因此，根据图13的示出将近似对应于在图10的曲线31上的点34。
在图14中，示出了其中在短谐振器臂16之后布置望远镜18的情况，相比图13可以看出，在望远镜的高度聚焦布置的情况中(如前所述)，考虑稳定性可以获得稍微好一些的状况。这个高度聚焦布置可以更好的适于短谐振器臂16。这还由在图14中相比图13改变不那么多的光束直径示出。
关于图14的谐振器数据如下短谐振器臂1665cm(在其上具有望远镜18)；长谐振器臂17120cm；在望远镜反射镜25、26之间的距离L/2＝73.2cm；望远镜凹面镜26的半径R＝849mm振荡器12的总长度13.6m。
最后，从图15的图中看出望远镜18耦合进长谐振器臂17的优点在于，因为如果望远镜位于短谐振器臂16之后，高度发散的激光光束15射入望远镜18。相对图11给出的表示，因此弱聚焦望远镜18的第一反射点不具有再次将激光光束集束的效果。仅是第二反射点在很长的路径之后实现这个准直。因此，望远镜反射镜的单独反射点上的最大光束半径R’＞2mm，也就是，光束直径大约4mm。但是，实际上，对于各个光束，必须在望远镜反射镜存在大3倍的间隔，以不失去任何能量输出。但是，这里，这意味着必须在镜子的每个反射点上存在具有大于1cm的直径的区域，由此镜子的均匀性的所有差错将以放大形式出现在激光光束图像中，造成光束变形。
属于图15的谐振器数据如下短谐振器臂1665cm(在其上具有望远镜18)；长谐振器臂17120cm；在望远镜反射镜25、26之间的距离L/2＝73.2cm；望远镜凹面镜26的半径R＝5000mm；振荡器12的总长度13.6m。
权利要求
1.一种具有模式锁定的短脉冲激光设备(11)，其具有谐振器(12)，谐振器(12)包括激光晶体(14)以及定义长谐振器臂(17)以及短谐振器臂(16)的几个镜子(M1-M7，OC)，镜子之一(M1)形成泵光束射入镜，并且另一镜子(OC)形成激光光束射出器，并且该短脉冲激光设备(11)具有多次反射望远镜(18)，其增加谐振器长度并和谐振器臂(16、17)之一相关联，使用镜子(25、26)构造该望远镜，以在射入到其间的空间中的激光光束(15)被射出回到剩余的谐振器之前，在镜子之间来回反射该激光光束(15)若干次，在反射镜(25、26)上的顺序的离心反射点(1到81’到8’)关于彼此偏置，其特征在于望远镜(18)仅具有一个曲面镜(26)以及平面镜(25)，该平面镜(25)的位置至少基本上对应于具有两个曲面镜(26a、26b)的假想多次反射布置的中心(25’)，由此，望远镜(18)的一个曲面镜(26)还包括假想的另一曲面镜的反射点。
2.如权利要求1所述的短脉冲激光设备，其中，该曲面镜(26)是凹面镜。
3.如权利要求1或2所述的短脉冲激光设备，其中，在该一个曲面镜(26)上，以对应于彼此的弓形距离，在假想圆周线上交替布置这个镜子的反射点和假想的另一曲面镜的反射点。
4.如权利要求1到3任意一个所述的短脉冲激光设备，其中，在该一个曲面镜(26)上提供总共八个反射点(1到8)。
5.如权利要求1到4任意一个所述的短脉冲激光设备，其中，在镜子(25、26)之间的距离和凹面镜(26)的曲率半径对应于关系L/R=1±(1+cosα)/2,]]>其中L是在曲面镜(26)和平面镜之间的距离的二倍，R是曲面镜(26)的曲率半径，并且α是在实际上和一个曲面镜相关联并位于圆周线上的每两个顺序的反射点之间的中心角。
6.如权利要求5所述的短脉冲激光设备，其中，该望远镜(18)的曲面镜(26)是凹面镜，对于其保持L/R=1-(1+cosα)/2.]]>
7.如权利要求1到6任意一个所述的短脉冲激光设备，其中，基本上在曲面镜(26)和平面镜(25)之间的中心，在这两个镜子之间的光束路径之一的路径中提供对于激光光束(15)的射入和射出镜(24、27)。
8.如权利要求1到7任意一个所述的短脉冲激光设备，其中，该望远镜(18)和长谐振器臂(17)相关联。
9.如权利要求1到8任意一个所述的短脉冲激光设备，其中，该无源模式锁定是作为所述模式锁定提供的。
10.一种用于短脉冲激光设备(11)以增加其长度的多次反射望远镜(18)，其中使用镜子(25、26)构造该望远镜(18)，以在射入到镜子之间的空间中的激光光束(15)被射出回到剩余的激光设备之前，在镜子之间来回反射该激光光束(15)若干次，在镜子(25、26)上的顺序的离心反射点(1到81’到8’)关于彼此偏置，其特征在于作为所述望远镜的反射镜，仅提供一个曲面镜(26)以及平面镜(25)，平面镜(25)的位置至少基本上对应于具有两个曲面镜(26a、26b)的假想多次反射布置的中心(25’)，由此，望远镜(18)的一个曲面镜(26)还包括假想的另一曲面镜的反射点。
11.如权利要求10所述的短脉冲激光设备，其中，该曲面镜(26)是凹面镜。
12.如权利要求10或11所述的短脉冲激光设备，其中，在该一个曲面镜(26)上，以对应于彼此的弓形距离，在假想圆周线上交替布置这个镜子的反射点和假想的另一曲面镜的反射点。
13.如权利要求10到12任意一个所述的短脉冲激光设备，其中，在该一个曲面镜(26)上提供总共八个反射点(1到8)。
14.如权利要求10到13任意一个所述的短脉冲激光设备，其中，该在镜子(25、26)之间的距离和凹面镜(26)的曲率半径对应于关系L/R=1±(1+cosα)/2,]]>其中L是在曲面镜(26)和平面镜之间的距离的二倍，R是曲面镜(26)的曲率半径，并且α是在实际上和一个曲面镜相关联并位于圆周线上的每两个顺序的反射点之间的中心角。
15.如权利要求14所述的短脉冲激光设备，其中，该望远镜(18)的曲面镜(26)是凹面镜，对于其保持L/R=1-(1+cosα)/2.]]>
16.如权利要求13到15任意一个所述的短脉冲激光设备，其中，基本上在曲面镜(26)和平面反射镜(25)之间的中心，在这两个镜子之间的光束路径之一的路径中提供对于激光光束(15)的射入和射出镜子(24、27)。
全文摘要
本发明涉及具有优选的无源模式耦合的短脉冲激光设备(11)。所述设备包括谐振器(12)，其包括激光晶体(14)和定义长谐振器臂(17)和短谐振器臂(16)的一些镜子(M1－M7，OC)，所述镜子之一(M1)形成泵光束射入镜，并且另一镜子(OC)形成激光光束射出器，并且该设备具有多次反射望远镜(18)，其增加谐振器长度并被分配给谐振器臂(16、17)。使用镜子(25、26)构造所述望远镜，以在以在射入到其间的空间中的激光光束(15)被射出回到剩余的谐振器之前，在镜子之间来回反射该激光光束(15)若干次，由此在镜子(25、26)上的顺序的离心反射点(1到81’到8’)关于彼此偏置。望远镜(18)仅包括一个曲面镜(26)以及平面镜(25)，该平面镜(25)的位置至少基本上对应于包括两个曲面镜(26a、26b)的假想多次反射布置的中心(25’)，由此，望远镜(18)的一个曲面镜(26)还包括假想的另一曲面镜的反射点。本发明还涉及用于所述设备的多次反射望远镜(18)。
文档编号H01S3/11GK1653658SQ03811215
公开日2005年8月10日 申请日期2003年5月13日 优先权日2002年5月17日
发明者安德烈亚斯·波佩, 安德烈亚斯·施廷格尔 申请人:费姆托激光产品股份有限公司