Фемтосекундный ультрафиолетовый лазер
Группа изобретений относится к лазерной технике. Способ генерирования фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов, реализуемый соответствующей системой, включает направление на нелинейный оптический кристалл первого лазерного импульса, имеющего основную длину волны в ближней инфракрасной области электромагнитного спектра, при этом первый лазерный импульс имеет длительность импульса менее 1000 фемтосекунд. В первой части нелинейного оптического кристалла осуществляется преобразование по меньшей мере нескольких фотонов из первого лазерного импульса в длину волны второй гармоники основной длины волны с образованием второго лазерного импульса в нелинейном оптическом кристалле. Во второй части нелинейного оптического кристалла, содержащей периодически поляризованный кристалл оксида лантана-бария-германия, осуществляется преобразование по меньшей мере нескольких фотонов из первого лазерного импульса и второго лазерного импульса в длину волны третьей гармоники основной длины волны с образованием третьего лазерного импульса в нелинейном оптическом кристалле. Затем осуществляется выведение третьего лазерного импульса из нелинейного оптического кристалла, при этом третий лазерный импульс имеет длительность импульса менее 1000 фемтосекунд. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения длины преобразования. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 2 ил.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее раскрытие относится к генерированию лазерного пучка и, более конкретно, к фемтосекундному ультрафиолетовому лазеру.
Описание предшествующего уровня техники
В последние годы были разработаны фемтосекундные лазеры для различных вариантов применения в хирургии глаза, помимо других видов применения. Вследствие очень короткой длительности импульса в фемтосекундном диапазоне, фемтосекундные лазеры способны проявлять высокую интенсивность энергии в целевом материале, например, ткани глаза, что приводит к нелинейным процессам фоторазрушения, что обеспечивает в результате разложение ткани и предотвращает вредные термические эффекты.
Характерные длины волн для коммерческих фемтосекундных лазеров находятся в ближнем инфракрасном диапазоне спектра, при этом длины волн составляют 1000-1100 нанометров (нм).
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном аспекте раскрытый способ генерирования фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов может включать направление на нелинейный оптический кристалл первого лазерного импульса, характеризующегося основной длиной волны в ближней инфракрасной области электромагнитного спектра, при этом первый лазерный импульс характеризуется длительностью импульса менее 1000 фемтосекунд. Способ может включать преобразование в первой части нелинейного оптического кристалла по меньшей мере нескольких фотонов из первого лазерного импульса в длину волны второй гармоники основной длины волны с генерированием второго лазерного импульса в нелинейном оптическом кристалле. Способ также может включать преобразование во второй части нелинейного оптического кристалла по меньшей мере нескольких фотонов из первого лазерного импульса и второго лазерного импульса в длину волны третьей гармоники основной длины волны с генерированием третьего лазерного импульса в нелинейном оптическом кристалле. Способ может дополнительно включать выведение третьего лазерного импульса из нелинейного оптического кристалла, так что третий лазерный импульс характеризуется длительностью импульса.
В любом из раскрытых вариантов осуществления способ может включать выведение первого лазерного импульса и второго лазерного импульса из нелинейного оптического кристалла. В любом из раскрытых вариантов осуществления способа нелинейный оптический кристалл может предусматривать периодически поляризованный кристалл, в котором удовлетворяются условия фазового квазисинхронизма. В любом из раскрытых вариантов осуществления способа первая часть нелинейного оптического кристалла и вторая часть нелинейного оптического кристалла могут быть образованы в виде одного единого материала. В любом из раскрытых вариантов осуществления способа первая часть нелинейного оптического кристалла может предусматривать периодически поляризованный легированный оксидом магния стехиометрический кристалл танталата лития. В любом из раскрытых вариантов осуществления способа вторая часть нелинейного оптического кристалла может предусматривать периодически поляризованный кристалл оксида лантана-бария-германия.
В любом из раскрытых вариантов осуществления способ проведения направления первого лазерного импульса может дополнительно включать фокусирование первого лазерного импульса на нелинейном оптическом кристалле. В любом из раскрытых вариантов осуществления способ может включать спектральную фильтрацию при выведении из нелинейного оптического кристалла третьего лазерного импульса от первого лазерного импульса и второго лазерного импульса. В любом из раскрытых вариантов осуществления способа нелинейный оптический кристалл может предусматривать периодически поляризованные слои, которые приведены в соответствие с основной длиной волны. В любом из раскрытых вариантов осуществления способа первое поперечное распределение интенсивности первого лазерного импульса может соответствовать второму поперечному распределению интенсивности третьего лазерного импульса.
В другом аспекте раскрытый источник фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов может предусматривать источник лазерных импульсов, в том числе фемтосекундный импульсный лазер ближнего инфракрасного диапазона, при этом источник лазерных импульсов характеризуется длительностью импульса менее 1000 фемтосекунд и характеризуется основной длиной волны. Источник фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов может содержать нелинейный оптический кристалл, содержащий первую часть и вторую часть, последовательно ориентированные относительно ориентации падающих фотонов из источника лазерных импульсов. В источнике фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов первая часть нелинейного оптического кристалла может получать первые фотоны из источника лазерных импульсов и может преобразовывать по меньшей мере несколько из первых фотонов во вторые фотоны, характеризующиеся длинной волны второй гармоники основной длины волны, с генерированием второго лазерного импульса. В источнике фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов вторая часть нелинейного оптического кристалла может получать по меньшей мере несколько из первых фотонов и вторых фотонов и может преобразовывать по меньшей мере несколько из первых фотонов и вторых фотонов в третьи фотоны, характеризующиеся длиной волны второй гармоники основной длины волны, с образованием третьего лазерного импульса, характеризующегося длительностью импульса.
В любом из раскрытых вариантов осуществления источника фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов вторая часть может выводить первый лазерный импульс, второй лазерный импульс и третий лазерный импульс из нелинейного оптического кристалла. В источнике фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов нелинейный оптический кристалл может предусматривать периодически поляризованный кристалл, в котором удовлетворяются условия фазового квазисинхронизма. В источнике фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов первая часть нелинейного оптического кристалла и вторая часть нелинейного оптического кристалла могут быть образованы в виде одного единого материала. В источнике фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов первая часть нелинейного оптического кристалла может предусматривать периодически поляризованный легированный оксидом магния стехиометрический кристалл танталата лития. В источнике фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов вторая часть нелинейного оптического кристалла может предусматривать периодически поляризованный кристалл оксида лантана-бария-германия.
[0001] В любом из раскрытых вариантов осуществления источник фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов может предусматривать фокусирующий элемент для фокусирования первого лазерного импульса на нелинейном оптическом кристалле. В любом из раскрытых вариантов осуществления источник фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов может предусматривать оптический фильтр для спектрального отделения при выведении из нелинейного оптического кристалла третьего лазерного импульса от первого лазерного импульса и второго лазерного импульса. В любом из раскрытых вариантов осуществления источника фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов нелинейный оптический кристалл может предусматривать периодически поляризованные слои, которые приведены в соответствие с основной длиной волны. В любом из раскрытых вариантов осуществления источника фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов первое поперечное распределение интенсивности первого лазерного импульса может соответствовать второму поперечному распределению интенсивности третьего лазерного импульса.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Для более полного понимания настоящего изобретения и его признаков и преимуществ, здесь делается ссылка к нижеследующему описанию, воспринимаемому в сочетании с прилагаемыми графическими материалами, где:
на фиг. 1 представлена блок-схема выбранных элементов варианта осуществления фемтосекундного ультрафиолетового лазера и
на фиг. 2 представлена схема последовательности операций выбранных элементов способа для генерирования фемтосекундного ультрафиолетового лазерного импульса.
ОПИСАНИЕ КОНКРЕТНОГО (КОНКРЕТНЫХ) ВАРИАНТА (ВАРИАНТОВ) ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В нижеследующем описании на примере изложены подробности для содействия обсуждению раскрываемого объекта изобретения. Однако специалистам в данной области техники должно быть понятно, что раскрываемые варианты осуществления являются иллюстративными и не исчерпывают все возможные варианты осуществления.
Как используется в данном документе, написанная через дефис форма ссылочной позиции относится к конкретному представителю элемента, а написанная без дефиса форма ссылочной позиции относится к собирательному элементу. Так, например, устройство «12-1» относится к представителю класса устройств, который можно собирательно именовать устройствами «12» и любое из которых может обобщенно именоваться устройством «12».
Как отмечено, фемтосекундные лазеры ближнего инфракрасного диапазона были коммерчески разработаны для различных вариантов применения, таких как хирургия глаза. Тем не менее, в различных видах применения могут быть необходимы источники фемтосекундных лазерных импульсов с более высокой частотой (или более короткими длинами волн). Например, фемтосекундные ультрафиолетовые лазеры могут быть необходимы в офтальмологии для точного разрезания ткани, снижения энергии импульса, уменьшения объема разрушения лазерного разреза и во избежание нежелательного проникновения излучения в более глубокие ткани. Более того, фемтосекундные ультрафиолетовые лазеры могут обеспечивать уникальные преимущества в видах применения, предусматривающих обработку материала, где необходимым является точное или выборочное удаление материала из пластмасс, керамики и металлов.
Как будет описано более подробно, стабильное, надежное и оптически эффективное генерирование фемтосекундных лазерных импульсов раскрыто с использованием периодически поляризованных кристаллов, в которых удовлетворяются условия фазового квазисинхронизма (PPQPMC), с различными числами периодических или "поляризованных" слоев кристалла, которые обеспечивают большую длину преобразования без обратного преобразования и без особой ориентации PPQPMC для фазового синхронизма, которую может быть трудно достигнуть и поддерживать.
В отличие от описанных в данном документе PPQMC, генерирование ультрафиолетовых лазерных импульсов обычно осуществляли путем использования двухстадийного оптического способа с использованием лазера с потоком излучения в ближнем инфракрасном диапазоне (NIR), работающим при или около длины волны 1000 нм, называемой в данном документе основной частотой ω1. На первой стадии, называемой генерированием второй гармоники (SHG), можно достигать удвоения частоты источника NIR лазерных импульсов с генерированием ω2, где ω2=2ω1, путем использования первого кристалла, который огранен и ориентирован в соответствии с первым углом фазового синхронизма для SHG. На второй стадии, называемой генерированием третьей гармоники (THG), путем использования остальной части NIR лазерных импульсов источника и генерированных путем SHG импульсов можно получить суммарную частоту NIR и SHG с генерированием ω3, где ω3=3ω1=ω1+ω2. Соответственно, вторая стадия также может называться генерированием суммарных частот (SFG). Вторая стадия может включать применение второго кристалла, который огранен и ориентирован в соответствии со вторым углом фазового синхронизма для THG, который отличается от первого угла фазового синхронизма. Генерирование или преобразование частот лазера для SHG и THG обычно осуществляют с использованием отдельных нелинейных оптических объемных материалов, таких как борат бария (BBO) и триборат лития (LBO), которые применяют в форме объемного кристалла. Естественные выведение пучка и задержка импульса между ω1 и ω2 могут обеспечивать значительные затруднения для достижения более высокой эффективности преобразования при генерировании ω3 с применением способа, использующего два отдельные кристаллы. Во многих типичных инструментах для THG часто применяются оптические конфигурации с увеличенной сложностью, например, с повторной коллимацией, перефокусировкой и линией задержки.
Вследствие двухстадийности способа для SHG и THG обычно применяют 2 различных объемных кристалла, что может обеспечивать в результате определенные затраты и усилие для успешного осуществления. Например, эффективное THG может включать ориентацию падающих лазерных пучков к конкретным ориентациям кристаллографических осей кристаллов, которое называют направлением фазового синхронизма. Только в направлении фазового синхронизма групповая скорость генерированных частот (ω1, ω2) будет такой же, что и частота THG (ω3), что обеспечивает в результате необходимое сохранение импульса и энергии. Поскольку 2 кристалла будут огранены и ориентированы независимо друг от друга, их чувствительность регулировки для выравнивания в направлении фазового синхронизма может быть достаточно высокой, что может обеспечивать в результате относительно высокое усилие для выравнивания и короткие периоды рабочей стабильности. Данная чувствительность выравнивания распространяется на высокую чувствительность к линии визирования источника с основной частотой. Если двухстадийный процесс применяют с импульсными лазерными пучками, то могут накладываться дополнительные ограничения, поскольку длительность импульса сокращается до фемтосекундного диапазона, по меньшей мере частично, в связи с широкой полосой пропускания лазерного импульса и временное и пространственное наложение особо короткого импульса, проходящего через кристалл. Во многих оптических конструкциях кристалл для THG не имеет достаточной полосы преобразования и применяют дополнительные линии задержки оптического пути между оптическими путями для импульсов с различными частотами, что обеспечивает в результате даже большее усилие для регулировки и сниженную стабильность в связи с крайне высокими четкостью и точностью вовлеченных оптических путей для фемтосекундных импульсов. Кроме того, в дополнение к затратам и усилиям при THG с короткими лазерными импульсами в обычных системах с 2 объемными кристаллами, объемные кристаллы, применяемые для THG, должны быть как можно более тонкими для сведения к минимуму расширения импульса в связи с задержкой групповой скорости (GVD), которая затем может привести к применению компенсированных относительно импульса с линейной частотной модуляцией зеркал во избежание зависимых от частоты фазовых сдвигов. Также применение очень тонких кристаллов вдоль оптической оси может снижать эффективность преобразования в кристалле, делая достижение высоких энергий импульса еще более сложным.
Ссылаясь далее на графические материалы, на фиг. 1 представлена блок-схема, демонстрирующая выбранные элементы варианта осуществления фемтосекундного ультрафиолетового лазера 100. Фемтосекундный ультрафиолетовый лазер 100 не вычерчен в масштабе, но представлен в схематическом виде. В различных вариантах осуществления фемтосекундный ультрафиолетовый лазер 100 может быть реализован с меньшим или большим количеством компонентов, чем продемонстрировано в иллюстративном варианте осуществления, представленном на фиг. 1, которая представлена в целях описания. Отмечается, что несмотря на то, что фемтосекундный ультрафиолетовый лазер 100 описан в данном документе относительно определенных длин волн в электромагнитном спектре, фемтосекундный ультрафиолетовый лазер 100 может быть настраиваемым для работы с различными длинами волн в различных вариантах осуществления. Несмотря на то, что NIR-пучок 130, видимый пучок 132 и УФ-пучок 134 показаны смежно на фигуре 1 для ясности описания, следует понимать, что все три пучка совмещены и проходят конфокально.
Как показано, фемтосекундный ультрафиолетовый лазер 100 содержит источник 102 фемтосекундных NIR лазерных импульсов, который может представлять собой любой из множества источников фемтосекундных NIR лазерных импульсов, которые работают при определенных NIR длинах волн, например, при 1053 нм, 1064 нм и т. д. Более того, источник 102 фемтосекундных NIR лазерных импульсов может являться регулируемым в отношении различных значений интенсивности мощности, длительностей импульса, частот повторения и т. д., как необходимо для конкретных вариантов применения, таких как, например, в офтальмологии. Источник 102 фемтосекундных NIR лазерных импульсов выпускает NIR-пучок 130 с основной длиной волны, которая соответствует частоте ω1, как описано ранее. Поскольку NIR-пучок 130 в целом представляет собой импульсный пучок, то NIR-пучок 130 или по меньшей мере несколько фотонов, содержащихся в NIR-пучке 130, могут называться первым лазерным импульсом. В фемтосекундном ультрафиолетовом лазере 100 NIR-пучок 130 направлен на нелинейный оптический кристалл 104. Как показано, перед воздействием на нелинейный оптический кристалл 104 применяют фокусирующий элемент 106 для фокусирования NIR-пучка 130, что можно применять для улучшения генерирования УФ-пучка 134 во второй части 104-2 нелинейного кристалла 104. В определенных вариантах осуществления фокусирующий элемент 106 при необходимости может быть опущен, или заменен, или удвоен для конкретного применения фемтосекундного ультрафиолетового лазера 100. Отмечается, что фокусирующий элемент 106 может представлять собой одиночный механически регулируемый компонент фемтосекундного ультрафиолетового лазера 100, так что остальные другие части фемтосекундного ультрафиолетового лазера 100 могут быть реализованы в виде твердотельного устройства, не содержащего подвижных частей.
На фиг. 1 нелинейный оптический кристалл 104 содержит первую часть 104-1 и вторую часть 104-2, которые расположены последовательно относительно NIR-пучка 130, выходящего из источника 102 фемтосекундных NIR лазерных импульсов. В первой части 104-1 нелинейного оптического кристалла 104 по меньшей мере несколько фотонов из NIR-пучка 130 преобразуются в длину волны второй гармоники, соответствующую частоте ω2, как описано ранее, посредством процесса нелинейного генерирования второй гармоники (SHG), который обеспечивает в результате видимый пучок 132. Поскольку первая часть 104-1 может иметь практически большую длину взаимодействия в результате периодически поляризующих слоев, видимый пучок 132 может начинаться в некоторой области в первой части 104-1 и выпускаться первой частью 104-1 вместе с остальными фотонами NIR-пучка 130, которые не был преобразованы. Поскольку NIR-пучок 130 в целом представляет собой импульсный пучок, видимый пучок 132 или по меньшей мере несколько фотонов, содержащихся в видимом пучке 132, могут называться вторым лазерным импульсом.
В фемтосекундном ультрафиолетовом лазере 100 нелинейный оптический кристалл 104 может содержать периодически поляризованный кристалл, в котором удовлетворяются условия фазового квазисинхронизма (PPQPMC), для которого периодически поляризованные слои схематически изображены в поперечном сечении на фиг. 1 в целях описания и не вычерчены в масштабе. Периодическую поляризацию можно образовывать в виде слоев материала с определенной периодичностью, которая соответствует конкретной настраиваемой длине волны. Слои материала могут быть образованы путем фотолитографического формирования изображения кристаллографической c-плоскости в соответствии с определенной периодичностью. Периодичность может находиться в диапазоне от приблизительно 1 до 10 микрон при общем диапазоне толщин первой части 104-1 или второй части 104-1 от приблизительно 100 до 1000 микрон. Общее поперечное сечение нелинейного оптического кристалла 104 может быть образовано на площади от приблизительно 1 до 100 квадратных миллиметров. В некоторых вариантах осуществления первая часть 104-1 и вторая часть 104-1 образованы в виде одного единого материала, который представляет собой нелинейный оптический кристалл 104. В приведенных вариантах осуществления первая часть 104-1 состоит из периодически поляризованного легированного оксидом магния стехиометрического кристалла танталата лития (MgSLT), тогда как вторая часть 104-2 состоит из периодически поляризованного кристалла оксида лантана-бария-германия (LBGO).
Вследствие оптических свойств нелинейного оптического кристалла 104 первое поперечное распределение интенсивности первого лазерного импульса может соответствовать второму поперечному распределению интенсивности второго лазерного импульса. Другими словами, первая часть 104-1 может поддерживать поперечное распределение интенсивности NIR-пучка 130, по меньшей мере в отношении формы, если не в отношении всего размера, при генерировании видимого пучка 132 путем SHG. Также первая временная когерентность первого лазерного импульса может, по сути, соответствовать второй временной когерентности второго лазерного импульса. Другими словами, NIR-пучок 130 и видимый пучок 132 могут характеризоваться приблизительно той же длительностью импульса, так что, если NIR-пучок 130 присутствует в виде фемтосекундного импульса, то видимый пучок 132 присутствует в виде фемтосекундного импульса. Более того, поскольку нелинейный оптический кристалл 104 является относительно нечувствительным к точному углу падения для SHG NIR-пучка 130, на эффективность преобразования для SHG могут, по сути, не влиять небольшие изменение угла падения NIR-пучка 130 и, соответственно, направление падения фотонов в падающем пучке, исходящем из источника 102 фемтосекундных NIR лазерных импульсов. В связи с этим, фемтосекундный ультрафиолетовый лазер 100 может быть относительно надежным и стабильным, например, по отношению к температуре или вибрации, и может быть изготовлен с использованием стандартных оптических способов, так что исходная заводская регулировка подходит для необходимого эксплуатационного срока службы фемтосекундного ультрафиолетового лазера 100. В результате может быть обеспечено другое важное преимущество фемтосекундного ультрафиолетового лазера 100, поскольку PPQPMC, применяемый для нелинейного оптического кристалла 104, не обеспечивает пространственный вывод пучка и демонстрирует относительно небольшой временной вывод вследствие относительно короткой применяемой длины.
Во второй части 104-2 нелинейного оптического кристалла 104 по меньшей мере несколько фотонов из NIR-пучка 130, оставшиеся после SHG, и по меньшей мере несколько фотонов из видимого пучка 132 преобразуются в длину волны третьей гармоники, соответствующую частоте ω3, как описано ранее, посредством процесса нелинейного генерирования третьей гармоники (THG), обеспечивающего в результате УФ-пучок 134. УФ-пучок 134 может начинаться в некоторой области во второй части 104-2 и выпускаться второй частью 104-2 вместе с оставшимися фотонами NIR-пучка 130 и видимого пучка 132, которые не были преобразованы соответственно либо путем SHG, либо путем THG. Поскольку NIR-пучок 130 в целом представляет собой импульсный пучок, то УФ-пучок 134 или фотоны, содержащиеся в УФ-пучке 134, могут называться третьим лазерным импульсом.
Вследствие оптических свойств нелинейного оптического кристалла 104 второе поперечное распределение интенсивности второго лазерного импульса может соответствовать третьему поперечному распределению интенсивности третьего лазерного импульса. Другими словами, вторая часть 104-2 может поддерживать поперечное распределение интенсивности NIR-пучка 130, по меньшей мере в отношении формы, если не в отношении всего размера, при генерировании УФ-пучка 134 путем THG. Также вторая временная когерентность второго лазерного импульса (SHG) может по сути соответствовать третьей временной когерентности третьего лазерного импульса (THG). В различных вариантах осуществления первая временная когерентность первого лазерного импульса (NIR) может, по сути, соответствовать второй временной когерентности второго лазерного импульса (SHG). Другими словами, NIR-пучок 130 и УФ-пучок 134 могут характеризоваться той же длительностью импульса, так что, если NIR-пучок 130 присутствует в виде фемтосекундного импульса, то УФ-пучок 134 присутствует в виде фемтосекундного импульса. Поскольку первая часть 104-1 и вторая часть 104-1 в целом установлены вместе в непосредственной близости, вторая часть 104-2 в целом получает NIR-пучок 130 и видимый пучок 132 под тем же углом падения, что и первая часть 104-1.
Кроме того, фемтосекундный ультрафиолетовый лазер 100 показан с оптическим разделителем 108 пучков, который отделяет УФ-пучок 134 от NIR-пучка 130 и видимого пучка 132. Оптический разделитель 108 пучков может представлять собой устройство разделения гармоник, такое как дихроическое зеркало, если NIR-пучок 130 и видимый пучок 132 применяют для желаемой цели, такой как контроль мощности. В других вариантах осуществления оптический разделитель 108 пучков может представлять собой полосовой фильтр, который настроен на избирательное пропускание УФ-пучка 134.
Соответственно, из второй части 104-2 первый лазерный импульс, второй лазерный импульс и третий лазерный импульс выпускаются, по сути, во временной и пространственной когерентности. Вследствие процессов SHG и THG в нелинейном оптическом кристалле 104, как описано выше, пучки, выпускаемые из нелинейного оптического кристалла 104, характеризуются различными интенсивностями мощности. В частности, NIR-пучок 130 характеризуется более низкой интенсивностью мощности при выходе из второй части 104-2 по сравнению с интенсивностью падающего излучения NIR-пучка 130 в первой части 104-2. Как правило, УФ-пучок 134 характеризуется более низкой интенсивностью мощности при выходе из второй части 104-2, чем видимый пучок 132. Тем не менее, поскольку нелинейный оптический кристалл 104 может характеризоваться более высокой эффективностью преобразования при более высокой интенсивности мощности, УФ-пучок 134 может быть образован фемтосекундным ультрафиолетовым лазером 100 при относительно высоких уровнях абсолютной интенсивности мощности, а также поскольку нелинейный оптический кристалл 104 является подходящим для получения очень высоких интенсивностей мощности NIR-пучка 130. Например, в некоторых вариантах осуществления интенсивность мощности УФ-пучка 134 может составлять приблизительно от 10% до 30% (скорость преобразования THG) интенсивности мощности NIR-пучка 130 с использованием фемтосекундного ультрафиолетового лазера 100. В конкретных вариантах осуществления фемтосекундный ультрафиолетовый лазер 100 может быть подходящим для интенсивностей мощности, составляющих 1 тераватт на квадратный сантиметр или более, и может стабильно работать в течение по меньшей мере 100 часов с генерированием УФ-пучка 134. Соответственно, фемтосекундный ультрафиолетовый лазер 100 может преодолевать различные ограничения и трудности известных ранее способов генерирования фемтосекундного УФ лазерного импульса.
Следует отметить, что в различных вариантах осуществления или конструкциях фемтосекундного ультрафиолетового лазера 100 можно использовать другие реализации, компоновки и отклонения пучков. Например, определенные части оптических путей, применяемых в фемтосекундном ультрафиолетовом лазере 100, могут включать оптические волокна. В некоторых вариантах осуществления определенные части оптических путей, применяемых в фемтосекундном ультрафиолетовом лазере 100 могут включать оптические волноводы. Определенные части оптических путей, применяемых в фемтосекундном ультрафиолетовом лазере 100, могут представлять собой оптические пути в среде, такой как вакуум, свободное пространство, газовая среда или атмосфера. В приведенных вариантах осуществления поляризационный элемент можно применять по меньшей мере с одним из NIR-пучка 130, видимого пучка 132 и УФ-пучка 134. В другой конструкции фокусирующий элемент 106 может быть опущен или заменен. В конкретных вариантах осуществления по меньшей мере часть оптических компонентов, включенных в фемтосекундный ультрафиолетовый лазер 100, могут быть уменьшены в размере и объединены в компактный блок с относительно небольшими массой и наружными размерами.
На фиг. 1 фемтосекундный ультрафиолетовый лазер 100 не вычерчен в масштабе, но представлен в схематическом виде. В фемтосекундном ультрафиолетовом лазере 100 можно без отступления от объема раскрытия осуществлять модификации, дополнения или отступления. Компоненты и элементы фемтосекундного ультрафиолетового лазера 100, как описано в данном документе, могут быть объединены или разделены в соответствии с конкретными вариантами применения. Фемтосекундный ультрафиолетовый лазер 100 может быть реализованы с использованием большего количества компонентов, меньшего количества компонентов или с использованием других компонентов в некоторых вариантах осуществления.
Ссылаясь далее на фиг. 2, в форме схемы последовательности операций изображена блок-схема выбранных элементов варианта осуществления способа 200 генерирования лазерного импульса с помощью источника фемтосекундных УФ лазерных импульсов, как описано в данном документе. Способ 200 может быть реализован с помощью фемтосекундного ультрафиолетового лазера 100 (см. фиг. 1). Следует отметить, что определенные операции, описываемые в способе 200, могут являться необязательными, или в других вариантах осуществления может изменяться их порядок.
Способ 200 начинают со стадии 202 путем направления фемтосекундного NIR лазерного импульса на нелинейный оптический кристалл. Стадия 202 может включать фокусирование фемтосекундного NIR лазерного импульса. Длину волны (или частоту) NIR-фотонов фемтосекундного NIR лазерного импульса можно настраивать или выбирать по необходимости. На стадии 204 по меньшей мере несколько из NIR-фотонов преобразуются в видимые фотоны в первой части нелинейного оптического кристалла посредством SHG. Видимые фотоны на стадии 204 могут характеризоваться частотой ω2, тогда как NIR-фотоны характеризуются частотой ω1, как указано выше. На стадии 206 по меньшей мере несколько из NIR-фотонов и видимых фотонов могут быть преобразованы в УФ-фотоны во второй части нелинейного оптического кристалла посредством THG. УФ-фотоны на стадии 206 могут характеризоваться частотой ω3, как указано выше. На стадии 208 УФ-фотоны могут быть спектрально отделены от выходного импульса нелинейного оптического кристалла, при этом выходной импульс включает по меньшей мере несколько из NIR-фотонов, по меньшей мере некоторые из видимых фотонов и УФ-фотоны. На стадии 210 фемтосекундный УФ лазерный импульс может представлять собой выходной импульс. УФ-фотоны могут представлять собой выходные импульсы в фемтосекундном УФ лазерном импульсе, который когерентен во времени и пространстве с фемтосекундным NIR лазерным импульсом.
Как раскрыто в данном документе, способ и система для генерирования фемтосекундных (fs) ультрафиолетовых (УФ) лазерных импульсов обеспечивают стабильное, надежное и оптически эффективное генерирование фемтосекундных лазерных импульсов третьей гармоники с использованием периодически поляризованных кристаллов, в которых удовлетворяются условия фазового квазисинхронизма (PPQPMC), с различными числами периодически поляризованных кристаллических слоев, что обеспечивает большую длину преобразования без обратного преобразования и без особого направления фазового синхронизма. Фемтосекундный УФ-лазер может иметь высокую эффективность преобразования и может быть подходящим для работы в режиме высокой мощности.
Раскрытый выше объект изобретения следует считать иллюстративным, а не ограничивающим, и прилагаемая формула изобретения предназначена для охвата всех таких модификаций, улучшений и других вариантов осуществления, находящихся в пределах истинной сущности и объема настоящего раскрытия. Таким образом, в той мере, которая максимально допускается законом, объем настоящего раскрытия следует определять посредством самой широкой допустимой интерпретации нижеследующей формулы изобретения и ее эквивалентов, и его не следует ограничивать предшествующим подробным описанием.
1. Способ генерирования фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов, включающий:
направление на нелинейный оптический кристалл первого лазерного импульса, имеющего основную длину волны в ближней инфракрасной области электромагнитного спектра, при этом первый лазерный импульс имеет длительность импульса менее 1000 фемтосекунд;
преобразование в первой части нелинейного оптического кристалла по меньшей мере нескольких фотонов из первого лазерного импульса в длину волны второй гармоники основной длины волны с образованием второго лазерного импульса в нелинейном оптическом кристалле;
преобразование во второй части нелинейного оптического кристалла, содержащей периодически поляризованный кристалл оксида лантана-бария-германия, по меньшей мере нескольких фотонов из первого лазерного импульса и второго лазерного импульса в длину волны третьей гармоники основной длины волны с образованием третьего лазерного импульса в нелинейном оптическом кристалле; и
выведение третьего лазерного импульса из нелинейного оптического кристалла, при этом третий лазерный импульс имеет длительность импульса менее 1000 фемтосекунд.
2. Способ по п. 1, дополнительно включающий:
выведение первого лазерного импульса и второго лазерного импульса из нелинейного оптического кристалла.
3. Способ по п. 1, где нелинейный оптический кристалл содержит периодически поляризованный кристалл, удовлетворяющий условиям фазового квазисинхронизма.
4. Способ по п. 1, где первая часть нелинейного оптического кристалла и вторая часть нелинейного оптического кристалла образованы в виде одного единого материала.
5. Способ по п. 1, где первая часть нелинейного оптического кристалла содержит периодически поляризованный легированный оксидом магния стехиометрический кристалл танталата лития.
6. Способ по п. 1, где направление первого лазерного импульса дополнительно включает:
фокусирование первого лазерного импульса на нелинейном оптическом кристалле.
7. Способ по п. 1, дополнительно включающий:
спектральную фильтрацию на выходе из нелинейного оптического кристалла третьего лазерного импульса от первого лазерного импульса и второго лазерного импульса.
8. Способ по п. 1, где нелинейный оптический кристалл включает в себя периодически поляризованные слои, которые приведены в соответствие с основной длиной волны.
9. Способ по п. 1, где первое поперечное распределение интенсивности первого лазерного импульса соответствует второму поперечному распределению интенсивности третьего лазерного импульса.
10. Источник фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов, содержащий:
источник лазерных импульсов, содержащий фемтосекундный импульсный лазер ближнего инфракрасного диапазона, при этом источник лазерных импульсов имеет длительность импульса менее 1000 фемтосекунд и имеет основную длину волны, и
нелинейный оптический кристалл, имеющий первую часть и вторую часть, последовательно ориентированные относительно ориентации падающих первых фотонов из источника лазерных импульсов, причем вторая часть нелинейного оптического кристалла содержит периодически поляризованный кристалл оксида лантана-бария-германия, при этом:
первая часть нелинейного оптического кристалла принимает первые фотоны из источника лазерных импульсов и преобразует по меньшей мере несколько из первых фотонов во вторые фотоны, имеющие длину волны второй гармоники основной длины волны, с образованием второго лазерного импульса; и
вторая часть нелинейного оптического кристалла принимает по меньшей мере несколько из первых фотонов и вторых фотонов и преобразует по меньшей мере несколько из первых фотонов и вторых фотонов в третьи фотоны, имеющие длину волны третьей гармоники основной длины волны, с образованием третьего лазерного импульса, имеющего длительность импульса менее 1000 фемтосекунд.
11. Источник фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов по п. 10, где вторая часть выводит первый лазерный импульс, второй лазерный импульс и третий лазерный импульс из нелинейного оптического кристалла.
12. Источник фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов по п. 10, где нелинейный оптический кристалл содержит периодически поляризованный кристалл, удовлетворяющий условиям фазового квазисинхронизма.
13. Источник фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов по п. 10, где первая часть нелинейного оптического кристалла и вторая часть нелинейного оптического кристалла образованы в виде одного единого материала.
14. Источник фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов по п. 10, где первая часть нелинейного оптического кристалла содержит периодически поляризованный легированный оксидом магния стехиометрический кристалл танталата лития.
15. Источник фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов по п. 10, дополнительно содержащий:
фокусирующий элемент для фокусирования первого лазерного импульса на нелинейном оптическом кристалле.
16. Источник фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов по п. 10, дополнительно содержащий:
оптический фильтр для спектрального отделения на выходе из нелинейного оптического кристалла третьего лазерного импульса от первого лазерного импульса и второго лазерного импульса.
17. Источник фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов по п. 10, где нелинейный оптический кристалл включает в себя периодически поляризованные слои, которые приведены в соответствие с основной длиной волны.
18. Источник фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов по п. 10, где первое поперечное распределение интенсивности первого лазерного импульса соответствует второму поперечному распределению интенсивности третьего лазерного импульса.
