[发明专利]锁模光泵浦半导体激光器

说明书

技术领域

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

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（Ti：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。

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。

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

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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