法向入射安裝多晶TM：II?VI族材料的中紅外克爾透鏡鎖模激光器和控制多晶TM：II?VI族克爾透鏡鎖模激光器參數的方法與流程
本公開涉及一種中紅外固態自啟動克爾透鏡鎖模激光器。具體地，本公開涉及一種克爾透鏡鎖模激光器，所述克爾透鏡鎖模激光器可操作用于發射在1.8-8μm光譜范圍內的皮秒和飛秒脈沖并配置有法向切割的增益介質，其中所述增益介質選自摻雜過渡金屬離子的II-VI族多晶材料。
背景技術：
脈沖激光器被用于各種領域的應用，諸如光學信號處理、激光手術、生物醫藥、光學診斷、雙光子顯微鏡、光學探針、光學反射測量法、材料加工等。存在三種主要類別的脈沖激光器，即Q開關激光器、增益開關激光器以及鎖模激光器，其中本公開特別感興趣的是鎖模激光器。
鎖模激光器具有多個縱模，所述多個縱模同時振蕩且它們各自的相位相互鎖定，這樣允許產生均勻間隔的短脈沖和超短脈沖。通過能夠使激射模式的相位同步的鎖模機制建立了固定的相位關系，使得所有激射模式的相位差保持恒定。然后，這些光學相位鎖定模式相互干涉以形成短光學脈沖。
克爾透鏡方法(克爾聚焦、自聚焦)是基于摻雜有過渡金屬離子的II到VI族材料以及其他光學材料(例如，Ti-S)所固有的現象的超快速鎖模機制之一，該方法還被稱作克爾透鏡鎖模(KLM)。KLM是在包含增益介質的激光腔內逐漸形成脈沖且克爾介質不僅經歷自相位調制而且經歷自聚焦的機制。當KLM不是飽和吸收體時，諸如克爾效應的非線性光學特性產生虛假“飽和吸收體”效應，其中虛假“飽和吸收體”具有比任何固有飽和吸收體更快的響應時間。
典型地，在基于KLM的激光器中使用的增益介質包括鈦藍寶石Ti：S，其中鈦藍寶石Ti：S具有極好的熱-光特性。眾所周知，具有以布魯斯特角安裝的增益介質(例如Ti：S)的諧振腔的簡化和優點明顯超過與這種安裝相關的缺點。
與標準Ti：S單晶介質相反，單個形式的過渡金屬(TM)摻雜的II-VI族材料(具體地，多晶體)提供用于在中紅外范圍內(2-8μm)產生超短激光脈沖的唯一機會，其中所述中紅外范圍與Ti-S覆蓋范圍(0.7-1.1μm)互補。適合運行在中紅外波長范圍內的晶體材料的非限制性示例可以包括硒化鋅(“ZnSe”)、硫化鋅(“ZnS”)、CdZnSe、CdZnTe和展示出選擇性地覆蓋1.8-8微米光譜范圍的帶寬的許多其他物質。
由于多種原因，這些材料具有較差的熱光特性，且當布置為布魯斯特結構時以非常強烈不均勻的熱光效應為特征。因此，以布魯斯特角安裝的TM：II-VI族激光器的輸出功率無法超過若干瓦特。此外，由于這種激光器必須使用具有相對較低的泵浦吸收的相對較薄的增益元件，限制了這種激光器的效率。
圖1示出了多晶Cr2+：ZnSe/ZnS KLM激光器的可能原理圖之一的工作示例。線偏振的摻鉺光纖放大器(EDFA)的輸出被耦合到標準像散補償的不對稱的Z型折疊諧振腔，其中所述EDFA由低噪聲1550nm窄帶半導體激光器種子泵浦，其中所述Z型折疊諧振腔包括兩個曲面高反射(HR)鏡、平面HR鏡和平面輸出耦合器(OC，R＝99％)。像散意味著矢狀面(與腔體的主平面垂直的平面)和切向平面(即，與主平面平行)的光束焦點不在同一位置。此外，腔體的穩定區域針對不同平面是不同的，且輸出是橢圓形的。這些現象需要補償。
在圖1的設備中，激光腔的長度大約為94cm。通過使用以下兩種類型的激光(增益)介質，來獲得KLM機制：多晶Cr2+：ZnS(厚度為2.0mm；在1550nm下具有43％的小信號透射率)以及多晶Cr2+：ZnSe(厚度為2.4mm；15％的透射率)。增益元件是平面平行拋光的、未涂覆的、且以布魯斯特角安裝在銅熱沉上而沒有強制冷卻。為了令光學腔支撐脈沖，當脈沖循環通過腔體時脈沖的時間形狀和持續時間必須保持穩定。因此，當脈沖通過所述腔時，脈沖由于折射率的波長依賴性而變形，且需要對此進行補償。盡管所示配置中使用的腔鏡是非色散性的，然而增益介質和其他可選組件是色散性的。通過使用以布魯斯特安裝的熔融硅板(2mm厚)和YAG板(4mm厚)的組合，來執行色散補償。諧振腔在2400nm(中心激光波長附近)下的群延遲色散大約為-1000fs2。
針對最大CW輸出功率優化激光器，且接著精細調整曲面鏡之間的距離以便獲得KLM機制。通過OC平移(OC translation)來發起鎖模激光器振蕩。
在Cr2+：ZnSe中觀察到多個小時的不中斷的單脈沖振蕩，泵浦功率為1W且激光輸出功率為60mW。泵浦功率的進一步增加導致多脈沖和頻繁中斷鎖模。在1.25W泵浦功率和30mW輸出功率下，達到Cr2+：ZnS KLM激光器的最大穩定性(1-2小時的未中斷的單脈沖振蕩)。
圖2將針對KLM機制下的Cr2+：ZnS和Cr2+：ZnSe激光器獲得的輻射光譜和自相關軌跡進行比較。針對160MHz脈沖重復率下的單脈沖振蕩執行測量。Cr2+：ZnS激光器的輸出是sech2變換極限：在假設sech2屬性的情況下，根據自相關軌跡得到125fs脈沖持續時間，且在假設ΔτΔγ＝0.315時間帶寬積的情況下，根據輻射光譜計算出126fs脈沖持續時間。另一方面，Cr2+：ZnSe激光器自相關軌跡的形狀揭示了啁啾脈沖。激光器的發射譜失真，因此增加了時間帶寬積。大體地，估計Cr2+：ZnSe激光器的脈沖持續時間在100-130fs范圍內。
圖3示出了已知KLM激光器的相對簡化的腔體設計。具體地，由種子激光器10泵浦的光泵浦源1發射泵浦光束(示出為綠色)，泵浦光束在傳播通過泵浦光束聚焦和成形光學器件2的系統時進行聚焦和成形，其中泵浦光束聚焦和成形光學器件可以包括透鏡或反射鏡。然后通過折疊凹面電介質涂覆鏡3將經過聚焦和成形的光束耦合到光學腔體中，其中所述折疊凹面電介質涂覆鏡在激光波長下具有較高反射率且在泵浦波長下具有較高透射率。在進一步傳播通過增益介質4之后，期望波長的激光光束(示出為紅色)在折疊凹面電介質涂覆鏡5上發生碰撞，其中所述折疊凹面電介質涂覆鏡在激光波長下具有較高反射率且在泵浦波長下可選地具有較高透射率。從反射鏡5反射的激光光束入射到在激光波長下具有較高反射率的平面鏡6上，其中所述平面鏡是電介質或金屬涂覆的。可選地，色散補償組件7(諸如，以布魯斯特角安裝在激光器諧振腔中的平面平行板)布置在反射鏡5和6之間的腔體臂中。在從反射鏡6的向后反射之后，激光光束入射在反射鏡5上并傳播通過增益介質4以便撞擊在反射鏡3上。最后，激光光束通過輸出耦合器(“OC”)8從所述腔體去耦合作為輸出光束9。將激光光束的路徑示出為紅色，同時將泵浦光束示出為綠色。
如圖1和3所示，由于布魯斯特安裝增益介質的若干優點，在KLM激光器中壓倒性地使用增益介質的布魯斯特安裝。首先，在布魯斯特角入射的條件下，特定p偏振的光完全透射通過表面而沒有反射，因此使得制造專門且昂貴的抗反射涂層變得沒有必要。第二，增益介質用作起偏器，使得無需使用附加的起偏器。第三，增益介質的布魯斯特安裝和對諧振腔參數的特殊選擇允許補償在該諧振腔內傳播的激光光束和輸出激光光束的像散(由于光在曲面鏡表面上的非法向入射而引起像散)。諧振腔的像散可以降低激光器的性能(例如，輸出激光光束的質量)。在一些特定情況下，諸如克爾透鏡鎖模，像散甚至可以阻礙正確的激光器操作。
然而，增益介質的布魯斯特安裝并非沒有缺點。如圖3A所示，布魯斯特安裝方案包括激光光束和泵浦光束在增益介質中的較強的不均勻性。光束沿一個方向擴束且沿垂直方向保持初始尺寸。布魯斯特安裝的光學材料內部的擴束倍數等于材料的折射率n。因此，布魯斯特安裝的(i)導致增益元件中的光學強度被減小n倍；以及(ii)泵浦光束和激光光束的不對稱性導致在被泵浦通道內的不均勻熱量釋放，因此導致該材料中各種熱光效應的不均勻性。
布魯斯特安裝的缺點限制在單晶TM：II-VI族材料中約1W的輸出功率。目前，在多晶材料中已展示出具有30-60mW輸出功率的KLM激光操作，但是明顯需要增加輸出功率，以便滿足許多工業和科技應用所需的要求。然而，對具有傳統諧振腔方案的KLM TM：II-VI激光器的進一步功率調諧(power scaling)呈現出富有挑戰的困難。此外，上述缺點阻止縮短脈沖持續時間。另外，許多應用需要在期望頻率范圍內的比當前可用的脈沖更短的脈沖，其中當前報道的記錄短脈沖大約為40飛秒。
原理上，布魯斯特安裝的增益介質的光學密度限制泵浦功率，因此限制輸出功率。由于增益介質的厚度增加允許使用較高的泵浦功率，像散的程度也相應增加，其中必須應對像散進行補償。否則如上所述，基于KLM的激光器對于像散現象高度敏感，且在最差的可能情況下可能停止正確操作。然而，這種補償既不方便也并不有效。
因此，需要一種大功率中紅外固態自啟動克爾透鏡鎖模激光器，具有包括選自過渡金屬(TM)摻雜的II-VI族材料且在諧振腔中以法向入射角安裝的多晶非線性材料的光學腔體，以便明顯改善在KLM機制下激光器輸出功率、效率和脈沖持續時間。
因此，還需要上述中紅外KLM激光器，所述中紅外KLM激光器具有能夠在高泵浦功率下運行以便輸出高達幾十瓦的大功率超短脈沖的結構。
技術實現要素：
所公開的配置有諸如摻雜TM的II-VI族材料的增益介質的克爾透鏡鎖模激光器滿足上述需要，其中所述摻雜TM的II-VI族材料的增益介質以泵浦光束法向入射的方式安裝在所述光學腔體中。法向入射安裝具有以下重要特性和優點：
激光光束和泵浦光束貫穿所述增益介質保持圓形；
在被泵浦通道內的熱量釋放以及相應地在該材料中的各種熱光特性是均勻的且軸對稱的；
在增益元件內的光學強度增加n倍(比傳統布魯斯特安裝方案)；
由于較高光學強度而導致在增益元件內的各種非線性光學效應增加；
由于克爾效應具有非線性性質，更顯著的非線性效應在KLM激光機制中是非常重要的；
TM：II-VI介質中更顯著的非線性效應可以允許(至少部分地)補償諧振腔的像散。因此，在法向入射下使用TM：II-VI增益元件允許(在一定程度上)放寬對補償KLM激光器的諧振腔內的像散的要求。
法向入射安裝極大地簡化了具有較大長度和相應地較高泵浦吸收率的增益元件的使用；
較高的泵浦吸收率和較高的光學強度導致更有效的激光交互作用，且因此使能靈活地選擇輸出耦合器參數，以便允許增加的激光輸出功率(在給定泵浦功率下)；
材料中的均勻熱光效應使能增加泵浦功率(相較于傳統布魯斯特安裝方案)，且因此允許進一步放大激光輸出功率。
由于TM：II-VI激光介質具有相對較差的熱光特性且基于TM：II-VI的激光器操作在KLM機制下，上述所有方面對于TM：II-VI激光介質都非常重要。
在兩個實施例中實現本發明構思。實施例中的每一個包括一些方面，下文將立即簡要公開所述方面。
根據第一實施例的第一方面，本發明的克爾鎖模(“KLM”)激光器配置有諧振腔以及選自摻雜多晶過渡金屬的II-VI族材料(“TM：II-VI”)的增益介質。所述增益介質入射角為直角并安裝在諧振腔中，以便誘導足以令所述諧振腔在基波波長發射脈沖激光光束的克爾透鏡鎖模。所發射的基波波長的激光光束的脈沖均在1.8-8微米(“μm”)波長范圍內改變，具有等于或長于30-35飛秒(“fs”)時間范圍的脈沖持續時間以及在mW至約20瓦特(“W”)功率范圍內的平均輸出功率。
根據第二方面，第一方面的KLM激光器配置有具有相位匹配帶寬的增益介質，所述帶寬寬到足以在整個基波波長范圍內基波波長的一半處輸出激光光束(SHG)。
根據第三方面，第一和/或第二方面的本發明的KLM激光器具有配置有相位匹配的增益介質，其帶寬寬到足以在泵浦光傳播經過所述增益介質時同時產生基波波長的二次、三次和四次諧波。
根據第三方面，第一、第二和第三方面的任意組合或這些方面的單獨每一個方面，本發明的KLM激光器還包括平面諧振腔。
根據本公開的第五方面，第一、第二、第三和第四方面的任意組合或它們中的任意一個，增益介質包括摻雜TM的二元和三元II-VI族材料。
根據本公開的第六方面，上述五方面中的每一個的或這些方面的任意組合的本發明KLM激光器，增益介質選自由Cr2+：ZnSe、Cr2+：ZnS、Cr2+：CdSe、Cr2+：CdS、Cr2+：ZnTe、Cr2+：CdMnTe、Cr2+：CdZnTe、Cr2+：ZnSSe、Fe2+：ZnSe、Fe2+：ZnS、Fe2+：CdSe、Fe2+：CdS、Fe2+：ZnTe、Fe2+：CdMnTe、Fe2+：CdZnTe和Fe2+：ZnSSe及其組合構成的集合。
根據本公開的第七方面，上述方面中的每一個或其任意組合的本發明KLM包括線性偏振的光纖激光器泵浦源。線性偏振的光纖激光器泵浦源選自摻雜餌或銩的單模光纖且可操作用于在與基波波長不同的泵浦波長下發射被耦合到增益介質中的泵浦光束。激光光束和泵浦光束在傳播經過所述增益介質時保持圓形。
在第八方面，所公開的第一到第七方面中的每一個或這些方面的任意組合的激光KLM激光器包括配置為響應于所耦合的泵浦光束均勻釋放熱量的增益介質。所述泵浦光束在被泵浦的增益介質中產生均勻軸對稱的熱光效應。
根據本公開的第九方面，先前所述的八個方面中的每一個或其任意組合的本發明KLM包括具有帶寬的增益介質。帶寬寬到足以產生波長為泵浦波長和基波波長之和、和/或二者之差、和/或基波與基波頻率的二次、三次和/或四次光學諧波之和的輸出激光光束。
在本公開的第十方面，如1到9方面中的每一個或這些方面的任意組合所公開地，本發明KLM配置有比傳統布魯斯特安裝方案將內部光學強度增加n倍的增益介質。
在本公開的第十一方面，如1到10方面中的每一個或這些方面的任意組合所公開的本發明KLM，增益介質配置為基本上補償諧振腔的像散。
根據第二方面，在任意方面所公開的KLM配置有通過兩個相鄰的上游和下游電介質涂覆的折疊鏡限定的諧振腔，其中上述電介質涂覆的折疊鏡沿著泵浦光束的路徑彼此分離并位于增益介質的側面。每個反射鏡配置為在基波波長具有高反射率且在泵浦波長具有高透射率，其中下游折疊反射鏡配置為至少地部分透射高次諧波。
根據本公開的第十三方面，如先前公開的多個方面中的每一個或這些方面的任意組合所公開的KLM激光器具有諧振腔，包括在基波波長部分地透射的輸出耦合器以及位于輸出耦合器上游的至少一個平面分色鏡。所述腔體還具有至少一個在基波和高次諧波下具有較高透射率的中間板。
在本公開的第十四方面中，上述方面中的每一個或這些方面的任意組合的KLM形成有諧振腔，其中所述諧振腔包括被配置為平面平行板或棱鏡并可操作用于限制色散的色散補償元件。補償元件以布魯斯特角安裝。
在本公開的第十五方面中，上述方面中的每一個或這些方面的任意組合的KLM形成有諧振腔，其中所述諧振腔包括布魯斯特安裝的雙折射調諧器。
在本公開的第十六方面，上述方面中的每一個或這些方面的任意組合的KLM還包括在諧振腔內沿著激光光束的束腰移動增益介質的平移臺(translation stage)。控制增益介質的移動以便在輻射激光光束在基波波長的主波輸出以及在相應二次、三次和四次諧波的次波輸出之間重新分配激光光束的平均功率。
根據本公開的第二實施例，它的第一方面描述了一種用于對在克爾透鏡鎖模(“KLM”)激光器下的飛秒激光輻射進行非線性頻率變換的方法，所述克爾透鏡鎖模激光器如第一實施例的上述全部方面中的任一方面或其任意組合所公開。所述方法用于多程諧振腔(multi-pass resonator cavity)且包括安裝選自摻雜過渡金屬的II-VI族(“TM：II-VI”)材料的增益介質。在諧振腔內，以法向入射角切割所述增益介質。克爾透鏡對諧振腔進行鎖模以便發射主波輸出為包括一串基波波長的輸出脈沖的激光輻射。脈沖均在1.8-8微米(“μm”)波長范圍內改變，具有等于或長于30-35飛秒(“fs”)時間范圍的脈沖持續時間以及在mW至約20瓦特(“W”)功率范圍內的平均輸出功率。
在本方法的第二方面中，諧振腔還與主波輸出同時提供次波輸出。次波輸出是基波波長的半波長。
在第二實施例的第三方面，第一和/或第二方面的方法提供與主波輸出和次波輸出同時地附加輸出基波波長的三次和四次諧波的激光光束。
在第二實施例的第四方面，上述方面中的任意方面或其任意組合的方法包括在不同于基波波長的泵浦波長產生泵浦光束，并將泵浦光束耦合到增益介質中。
根據第二實施例的第五方面，上述方面中的每一個或其任意組合的方法用于附加地輸出波長為泵浦波長和基波波長之和及二者之差、以及基波波長和二次、三次和四次光學諧波波長之和與它們之差的激光光束。
附圖說明
根據以下附圖，將更清楚本公開的上述和其他方面、特征和優點，附圖中：
圖1是已知的現有技術的KLM激光器的一個示例性原理圖；
圖2是針對圖1的KLM激光器的發射光譜和自相關軌跡。
圖3是已知的現有技術的KLM激光器的另一示例性原理圖；
圖3A是圖3的放大細節，示出了在布魯斯特安裝的增益介質中的光束傳播；
圖4是本發明KLM諧振器的一種設計的光學示意圖；
圖4A是圖2的放大的增益介質；
圖4B是圖4公開的KLM激光器的可能示意圖之一；
圖5是用變換極限激光輻射光譜的理論曲線擬合的所公開KLM激光器的測量激光發射譜。
圖5A是自相關軌跡；
圖5B是所公開的KLM激光器發射的輸出激光光束的圖像；
圖6是優化的本發明KLM激光器的光學示意圖；
圖7示出了圖6的所公開的KLM激光器的測量發射譜，其中所述KLM激光器配置有具有相應的不同反射率的激光輸出耦合器；
圖8示出了與圖7的相應發射譜相對應的圖6的KLM激光器的自相關軌跡；
圖9是所公開的KLM激光器的多晶過渡金屬(“TM”)TM：II-IV增益介質的放大視圖；
圖10是本發明KLM激光器的另一光學示意圖；
圖11A是在對應的基波、二次諧波、三次諧波和四次諧波波長的激光器輸出光束的四個圖像；
圖11B是由熱攝像機獲得的本發明KLM激光器在基波波長和二次諧波的輸出的空間輪廓；
圖11C是在二次諧波波長獲得的KLM激光脈沖串的波形。
圖12是設置有用于控制激光器參數的裝置的本發明KLM激光器的另一光學示意圖；
圖12A是圖12的增益介質的放大視圖；
圖13、13A和13B示出了由本發明KLM激光器可控產生68fs和84fs脈沖；以及
圖14示出了由本發明KLM激光器可控產生46fs脈沖。
具體實施方式
現在詳細參考本發明的實施例。在有可能的情況下，附圖和說明書中使用相同或相似的附圖標記來表示現有技術和本發明配置共有的相同或相似的部件或步驟。附圖為簡化形式，且不是按精確比例繪制的。除非明確說明，否則對于二極管激光器和光纖激光器領域的技術人員而言，說明書和權利要求中的詞語和短語具有普遍和慣用的含義。詞語“耦合”和類似術語并非必須表示直接的、緊鄰的連接，還可以包括經由自由空間或中間元件進行的機械和光學的連接。
圖4示出了所公開的KLM激光器50的示例性配置，其中所述KLM激光器50具有相對所示諧振腔中的光束傳播平面以法向入射方式安裝的增益介質4’。其他組件與圖3所示的組件相似，并包括由源10種子泵浦并發射泵浦光(示出為綠色)的光學泵浦源1。泵浦源1可以配置為標準線偏振的單橫模(“SM”)摻鉺光纖激光器(EDFL)。備選地，源10可以是基于摻雜銩(“Tm”)的SM光纖激光器。
增益介質4’的法向入射安裝對于實現較高輸出激光功率和效率是至關重要的。具體地，多晶抗反射涂覆的增益介質4’耦合在折疊凹面電介質涂覆反射鏡3和5之間。盡管將增益介質4’示出為是平面平行的，然而它還可以是楔形的。反射鏡3在激光波長具有高反射性且在泵浦波長具有高透射性，而反射鏡5配置為在激光波長具有較高反射率且可選地在泵浦波長具有較高透射率。諧振腔可以具有多種配置。例如，圖4B示出了具有超過所示兩個折疊反射鏡的諧振腔。不管諧振腔的配置如何，最終激光光束撞擊輸出耦合器(“OC”)8上，并從諧振腔耦合輸出作為激光波長的輸出光束9。
應注意，可以通過使用空間優化的“色散反射鏡”來實現色散補償。高反射性反射鏡可以是輸出耦合器8的可用備選。諧振腔可以包括用于激光波長調諧的附加組件。
與圖1和3的KLM激光器的傳統諧振腔不同，本發明的平面諧振腔具有像散。然而，在TM：II-VI族激光器材料的具體情況下，如圖4B所示，泵浦光束和激光光束在增益元件內的高度均勻性允許增益元件基本上補償諧振腔的像散。下文所述的原理實驗證實了該論述。此外，可以通過仔細選擇折疊凹面反射鏡的曲率半徑和折疊角度，來將所公開的平面諧振腔的像散保持為非常低。根據需要，也存在在沒有本領域技術人員熟知的布魯斯特光學元件的情況下在折疊諧振腔內進行像散補償的多種技術，但是所有這些技術都僅是可選性的，且當在已知現有技術設備中時并非是必須的。
因此，TM：II-VI介質中的更顯著的非線性克爾效應可以允許顯著地補償諧振腔的像散。因此，在法向入射下使用TM：II-VI增益元件允許(在一定程度上)放寬對補償KLM激光器50的諧振腔內的像散的要求。
增益介質的法向入射安裝的主要優點在于(i)由于泵浦光束和激光光束的循環，更好地管理在增益元件中的熱光效應；(ii)顯著增加增益元件內的泵浦強度和激光強度(相較于標準布魯斯特安裝)；(iii)通過較大的長度和體積且因此較高的泵浦吸收大大地簡化對增益元件的使用。法向入射安裝也可以更有利于克爾透鏡鎖模。
圖5-圖5B示出了圖4的KLM激光器平面諧振腔50的結果，其中所述KLM激光器平面諧振腔配置有標準量產的AR涂覆的多晶Cr：ZnS增益元件4。已經方便地獲得了KLM機制的激光器。通過測量圖5的激光發射譜和圖5A的非線性自相關函數，來確認所述激光器的KLM機制，如下文所述。通過對實驗數據的數學分析來確認具有84fs脈沖持續時間的傅里葉變換極限脈沖，如下文所述。變換極限脈沖是理論上最短可能脈沖，被確定為其中t是脈沖持續時間，是脈沖寬度。從上文可以看出，為了產生具有特定持續時間的最短可能光脈沖，需要較寬的光譜帶寬。可以看出，測試KLM TM：II-VI激光器50可操作用于輸出基波/激光波長的光束9，在重復率為93MHz且脈沖能量為14nJ具有約1.3W的輸出功率，且特征化有變換極限脈沖和較好的光束質量，如圖5B所示。確信所獲得的輸出功率非常高。
圖6示出了基于Cr2+：ZnS增益元件4并且具有優化諧振器的本發明的KLM激光器50。HR-色散性高反射鏡(GDD～-200fs2)，YAG-2mm厚的布魯斯特安裝的色散補償板，OC-輸出耦合器(|GDD|＜150fs2)，MgF2-可選的0.5mm厚布魯斯特安裝的雙折射調諧器(Lyot濾波器)，L-泵浦聚焦透鏡。SHG-激光器在二次諧波波長的次波輸出。通過摻鉺光纖激光器(EDFL)的線偏振輻射在1567nm對所述激光器進行泵浦。
泵浦源1包括標準線偏振的摻鉺光纖激光器(EDFL)。為了增加激光輸出功率，以法向入射角將5mm長的多晶Cr2+：ZnS增益元件4’插入AR涂覆的折疊反射鏡3和5之間的水冷型銅熱沉上，其中多晶Cr2+：ZnS增益元件4’在1567nm泵浦波長具有11％的小信號透射率。腔體腿部(cavity legs)的長度是不相等的，比例為3∶5。諧振腔在激光發射的最大值(2300-2400nm)下的總色散約1400-1600fs2。為了對KLM激光器的波長調諧進行實驗，使用由MgF2制成的0.5mm厚的布魯斯特安裝的雙折射調諧器11(單板狀Lyot濾波器)。附加地，2mm厚的布魯斯特安裝的YAG板12布置為靠近位于被限定在反射鏡6和13之間的腿部中的調諧器11。平面諧振器還包括被限定在緊鄰OC 8的上游的平面反射鏡15和14之間的附加腿部。OC的色散在2200-2400nm范圍內在±150fs2內。SHG的輸出16示出為藍色，泵浦光為綠色且激光光束示出為紅色。
通過使用反射率為96、90、70和50％的輸出耦合器，已獲得具有優化平面諧振腔的KLM機制的激光器。在脈沖重復率為94.5MHz下執行大部分測量。然而，在脈沖重復率為80-120MHz的范圍內獲得KLM激光器振蕩。下表總結了激光特征描述的結果。
表格
ROC-輸出耦合器的反射率，Pout-KLM機制下的平均輸出激光功率，τ-激光脈沖持續時間(FWHM)，Δλ-激光發射譜的寬度(FWHM)，λC-激光發射峰值，Ppump-優化泵浦功率
從具有不同反射率的OC獲得的圖6的KLM激光器50的發射光譜和自相關軌跡分別示出在圖7和8中。光譜和自相關函數的形狀對應于針對全部四種類型的OC的sech2脈沖。這樣允許將0.315的時間帶寬積用于估計脈沖持續時間。在ROC＝90％(2525nm)下測量的光譜中的小峰值表示在激光器發射中存在凱利邊帶。由于經由高反射鏡在低于2200nm的波長下的泄漏，抑制相對的邊帶。以下解釋了針對在多晶Cr2+：ZnS中直接獲得二次諧波產生(SHG)的情況在ROC＝90％和70％下測量的平頂光譜。
總結基于法向安裝的多晶II-VI材料的KLM激光器50(具體地，多晶Cr2+：ZnS激光器)的上述配置，在脈沖重復率為80-120MHz的范圍內通常獲得了穩定的單脈沖fs激光振蕩，fs激光的輸出功率約為2W，且最短脈沖持續時間約46fs。確信上述全部數據對于II-VI增益介質是前所未有的。此外，在一些情況下，KLM激光器50可操作用于產生甚至更獨特的數據，輸出功率高達20W且脈沖持續時間低至30-35皮秒。
飛秒激光器的實踐應用通常要求非線性頻率變換(例如，產生光學諧波、產生和頻和差頻以及產生光學參量)。例如，可以通過使用結合光學參量發生器的Ti：S fs激光器，實現對于多光子成像至關重要的1.1-1.5μm光譜范圍。可以通過使用在2.2-3.0μm光譜范圍內操作的TM：II-VI中紅外fs激光器的SHG，來實現相同光譜范圍。
由于色散(在基波激光波長和半基波(“SH”)波長下的光傳播速率的差)而限制非線性材料中的SHG的效率。因此，從基波波長到SH波長的能量轉換發生在有限長度的非線性材料中，即所謂的相干長度(“CL”)。在許多材料中，CL大約為幾十μm，導致SH產生效率較差。在過去幾十年，已研究出用于克服該限制的大量技術。傳統技術基于一些非線性晶體的雙折射性。更多的當前研究是基于非線性材料的顯微結構的設計(準相位匹配或QPM)。標準QPM晶體包含針對在期望激光波長下最有效的非線性頻率轉換優化的規則圖案，例如它們具有有限帶寬的非線性頻率轉換。更復雜的圖案允許增加帶寬，其中增加帶寬伴隨著降低總轉換效率。
在此使用的多晶TM：II-VI材料包括顯微單晶顆粒。實驗中使用的多晶TM：II-VI樣本的顆粒尺寸大約為中紅外波長范圍內的SHG過程的相干長度(30-60μm，依賴于材料的波長和類型)。因此，可以像標準QPM材料那樣圖案化多晶TM：II-VI材料。與標準QPM材料不同，所述圖案化并非是完美的，而是隨機化的(在顆粒尺寸和晶軸的方向上存在不同)。圖案化的這種隨機化導致較低的非線性增益(相較于標準QPM材料)。然而，隨機化允許在非常寬的光譜范圍內進行SHG。因此，多晶TM：II-VI材料具有非常大帶寬的非線性頻率轉換。非線性頻率轉換的效率強烈依賴于光學強度(例如，SHG效率與光學強度的平方成正比)。因此，可以通過fs激光器脈沖的非常高的強度來補償多晶TM：II-VI材料的較小的非線性增益。多晶TM：II-VI材料的上述特征對于fs激光輻射的非線性頻率轉換至關重要。
具體地，參考圖9和10，KLM激光器50配置有多晶TM：II-VI增益介質4’。圖10的所公開的配置可操作用于同時輸出對應的二次、三次和四次諧波產生波長的光束，其中圖9分別將二次諧波產生(SHG)示出為黃色，將三次諧波產生(THG)示出為綠色且將四次諧波產生(FHG)示出為藍色，并將和頻與差頻波長(SFG和DFG)二者示出為黑色。
經由部分透射的OC 8來實現基波波長的激光輸出。在對應的二次、三次和四次諧波的激光輸出在反射鏡18處反射之后經由反射鏡20離開諧振腔。重要的是指出諧振腔的所有反射鏡不必是專門設計用于產生高次諧波輸出的。在測試設備中，SHG波長范圍內的反射鏡透射率約為50％并根據波長的改變而振蕩。圖11A示出了通過放置在反射鏡20之后的IR敏感卡獲得的2W KLM激光器50在對應基波(A)、二次諧波(B)、三次諧波(C)和四次諧波(D)波長(分別為2300、1150、770、575nm)下的輸出的典型圖像的快照。圖11B示出了通過位于OC 8后方的熱攝像機測量到的基波頻率和二次諧波的輸出光束的兩個圖像。圖11C示出了與在SHG波長下獲得的KLM激光器脈沖串的波形相關的圖。因此，中紅外飛秒激光器發射的相當一部分(高達50％)被轉換為二次諧波，且可以通過控制OC的反射率來調整SH功率的量。
圖10的fs激光器50在SHG波長下的輸出功率在反射鏡20之后達到30mW。這允許在諧振器內部獲得240mW SHG功率(必須考慮反射鏡18、20的50％透射率以及SHG發生在兩個相對方向上的事實)。所獲得的結果揭示出多晶TM：II-VI族材料的以下特征：多晶TM：II-VI族材料是對中紅外fs脈沖相對高效的非線性頻率轉換器(例如，在所述原理驗證實驗期間，在基波波長和SHG波長下獲得大約相同的光功率)。多晶TM：II-VI材料族的相位匹配帶寬寬到足以允許整個fs激光發射光譜的SHG。多晶TM：II-VI材料族的相位匹配帶寬寬到足以允許同時執行SHG、THG和FHG。在所公開的平面諧振器內的多晶TM：II-VI族材料可以用作fs激光增益介質以及非線性頻率轉換器。因此，當顯微單晶顆粒的大小大約為SHG、THG和FHG過程的相干長度的量級時，由于增益介質4’的多晶結構，激光器50可以輸出四個不同波長的多個fs輸出。
顆粒尺寸和晶軸的方向的不同導致材料的“圖案化”，類似于在準相位匹配(QPM)非線性轉換器中那樣。與標準QPM材料不同，圖案化不是規則的而是隨機的。另一方面，隨機圖案化材料中的非線性顆粒是非常低的。另一方面，隨機圖案化導致非常大帶寬的非線性頻率轉換。因此，通過fs激光器脈沖在諧振腔內的高峰值強度來補償多晶Cr2+：ZnS的低非線性增益。總言之，使用具有隨機化的QPM的多晶TM：II-VI族材料具有以下重要特征：
(i)由于所述介質的非常大的非線性帶寬，使用多晶TM：II-VI族材料允許對fs激光器的整個發射光譜的非線性頻率轉換。
(II)多晶TM：II-VI族材料中的非線性頻率轉換可以包括SHG、基波波長和其光學諧波下的激光發射之間的和頻混頻、在fs激光器和其他激光源(例如，泵浦激光器)之間的和頻混頻以及差頻混頻等。
(iii)以法向入射角安裝多晶TM：II-VI族材料允許減小激光光束在該介質內的尺寸，因此增加光學強度，并因此明顯地增加非線性轉換效率。
(iv)將多晶TM：II-VI族材料安裝在fs激光器的平面諧振腔內部允許同時產生基波激光波長和多個次波諧波(SHG、THG、FHG、SFG、DFG等)下的fs激光脈沖。
(v)在KLM激光器的平面諧振腔內以法向入射角安裝多晶TM：II-VI族介質允許增加增益元件的長度，因此增加非線性相互作用的長度，因此進一步明顯增加非線性轉換效率。
(vi)在KLM激光器的平面諧振腔內安裝多晶TM：II-VI族材料允許經由克爾非線性和材料中的其他非線性之間的相互作用精細地控制fs激光參數，如下文所述.
(Vii)由于KLM激光器的平面諧振腔內循環的光學功率總是高于在諧振腔外的輸出功率，在KLM激光器的平面諧振腔內安裝多晶TM：II-VI族材料允許使非線性轉換效率最大化。此外，可以通過優化輸出耦合器的反射率，來精細地控制平面諧振腔內的光學功率(因此，在多晶TM：II-VI族材料中的激光光束的強度)。
(viii)可以經由專門設計的二色鏡來實現多晶TM：II-VI族fs激光器在SHG、THG、FHG、SFG、DFG波長下的次波輸出，其中所述二色鏡在基波激光波長下具有較高反射率HR且在次波波長下具有較高透射率HT。
(ix)可以經由專門設計的電介質涂覆板來實現多晶TM：II-VI族fs激光器在SHG、THG、FHG、SFG、DFG波長下的次波輸出，其中所述電介質涂覆板在基波激光波長下具有高透射率HT且在次波波長下具有高反射率HR。所述板可以安裝在例如多晶TM：II-VI族光學元件以及諧振腔反射鏡之間。
圖12和12A示出了用于控制多晶TM：II-VI克爾透鏡鎖模激光器50的參數的原理圖。與圖4的原理圖相似，所示原理圖配置有光學泵浦源1、泵浦光束聚焦和成形光學器件2、在激光波長下具有較高反射率并在泵浦波長下具有較高透射率的折疊凹面電介質涂覆反射鏡3、以法向入射角安裝的抗反射(AR)涂覆多晶TM：II-VI增益元件4’。增益元件4’安裝在圖12A的臺30上，這樣允許沿著如雙箭頭線所示平移激光光束。KLM激光器50還包括在激光波長下具有高反射率的折疊凹面電介質涂覆反射鏡5(并可選地在泵浦和/或SHG、THG、FHG、SFG、DFG波長下具有高透射率)。所述激光器還具有在激光波長下具有高反射率的平面反射鏡(電介質或金屬涂覆的)6、可選地偏振組件以及用于色散補償的組件，諸如棱鏡7，所述組件被配置為以布魯斯特角安裝在激光諧振腔中作為平面平行板。所公開的KLM激光器還包括輸出耦合器8，對于基波波長的輸出激光光束9為透射性的，并且對于SHG波(和/或THG、FHG、SFG、DFG波長)為透射性的次波輸出10。將激光光束的路徑示出為紅色，并將泵浦光束示出為綠色。
克爾透鏡鎖模激光器依靠克爾效應：當在光學介質中傳播強光時發生的非線性光學效應；可以將其描述為立即發生的對介質折射率的修改。克爾效應的“強度”與光學強度成正比：SKcrr～I。因此，激光光束在增益介質中的緊實聚焦在KLM激光器中是至關重要的。通常通過將在兩個曲面反射鏡之間的增益介質布置在激光光束的束腰中并通過優化曲面反射鏡之間的距離，來實現所要求的聚焦。圖12A示意性地示出了激光光束的束腰。光學強度與激光光束面積成比例，因此它在束腰到達最大值并隨著光束尺寸的增加而降低。
實驗示出了多晶TM：II-VI族介質是適合于KLM激光器的材料。如上所述，實驗還示出了多晶TM：II-VI族介質是針對中紅外fs脈沖的相對有效的SHG轉換器。克爾效應的“強度”與光學強度平方成正比：SSHG～I2。
因此，兩個非線效應同時發生在多晶TM：II-VI族KLM激光器中：克爾透鏡(與I成正比)且SHG(與I2成正比)。克爾透鏡和SHG對光學強度的不同依賴程度允許通過沿著激光光束的束腰平移多晶TM：II-VI族增益元件，來改變兩個非線性效應的相對“強度”。因此，可以以可控的方式在這兩個非線性效應之間重新分配多晶TM：II-VI族介質的非線性行為。
具體地，圖13、13A和13B示出了增益介質4’相對圖12的曲面反射鏡3和5的兩個位置(示出為紅色和藍色)獲得的發射光譜、自相關軌跡。可以看出，平移多晶Cr：ZnS增益元件導致fs激光器參數的明顯改變：脈沖持續時間從84fs減小至68fs(輻射譜的寬度成正比地增加)。因此，所提出的方法允許精細地調整fs激光器參數。例如，平移多晶Cr：ZnS增益元件導致改變在SHG波長下fs激光輸出功率(在～10mW和～20mW之間)。SHG輸出的增加表現為激光輻射光譜在基波波長下的變形(由于激光發射的相當一部分被轉換為SHG，較高的SHG輸出對應于平頂輻射峰值)。參考圖14，精細地控制多晶TM：II-VI族KLM激光器參數的能力得到46fs脈沖持續時間，其中所述46fs脈沖持續時間在與中紅外TM：II-VI族KLM激光器相關的現有技術中是從未實現過的。
在多晶TM：II-VI族材料中同時存在克爾效應和足夠強的SHG效應具有以下重要應用：
沿著激光光束的束腰平移被安裝在KLM激光器的平面諧振腔內的多晶TM：II-VI族增益元件允許在基波波長的主波輸出以及SHG、THG、FHG、SFG、DFG波長的次波輸出之間精細地重新分配fs激光功率。
(i)沿著激光光束的束腰平移被安裝在KLM激光器的平面諧振腔內的多晶TM：II-VI族增益元件允許精細控制fs激光參數(脈沖持續時間、寬度和輻射譜的形狀)。
(ii)在多晶TM：II-VI族材料中同時存在克爾效應和足夠強的SHG效應能夠產生較短的激光脈沖(相較于傳統克爾透鏡鎖模機制)。
可以在不脫離本發明的精神和實質特征的情況下，對所公開的結構進行各種改變。因此，應將以上描述中所包括的所有事物理解為僅是示意性的，且在限制意義上，本公開的范圍由所附權利要求所限定。
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