具有可调节重复率和简化结构的高功率飞秒激光器的制作方法
专利名称：具有可调节重复率和简化结构的高功率飞秒激光器的制作方法
技术领域：
本专利文献涉及飞秒激光器，包括具有可调节重复率的高功率飞秒激光器。
背景技术：
在许多当今越来越具挑战的激光器应用中，持续要求每个脉冲携带高能量的较短脉冲。这些特征有希望对于激光器应用实现更好的控制和更大的操作速度。在这个领域的进展中，显著的一步是输出飞秒激光脉冲的激光系统的出现及成熟。这些飞秒激光器可以用于各种各样的应用，包括多种不同类型的眼科手术，在这些手术中，这些超短脉冲可以提供良好受控的组织修正
发明内容
本文献提供了用于构造并操作飞秒脉冲激光器的设计和技术，包括具有啁啾脉冲放大的激光系统的示例和实施方式，其中一些具有少量的光学元件，一些具有低的故障频率，其它的具有适当的小的物理空间，还有其它的可以允许在基本不重新调节系统的情况下改变重复率，并且一些降低了对热聚焦的敏感性。例如，激光引擎的一些示例包括振荡器，其产生并输出飞秒种子脉冲束；展宽器-压缩器，其展宽所述种子脉冲的持续时间；以及放大器，其从所述展宽器-压缩器接收经展宽的种子脉冲，放大所选择的经展宽的种子脉冲的幅度，以产生经放大的展宽脉冲，并且输出经放大的展宽脉冲的激光束，其中，所述展宽器-压缩器接收所述经放大的展宽脉冲的激光束，压缩所述经放大的展宽脉冲的持续时间，并输出脉冲持续时间少于1，000飞秒的飞秒脉冲的激光束，并且所述放大器包括色散补偿器，所述色散补偿器减少所述经放大的展宽脉冲的色散。在一些示例中，振荡器是二极管泵浦光纤振荡器，并输出变换受限的种子脉冲。在一些不例中，振荡器产生种子脉冲持续时间少于1，000飞秒的光束。在一些实施方式中，振荡器输出种子脉冲重复率在ΙΟ-ΙΟΟΜΗζ和20_50MHz中的一者的范围内的光束。在一些实施方式中，展宽器-压缩器包括啁啾体布拉格光栅。在一些实施方式中，展宽器-压缩器包括光热折射玻璃。在一些实施方式中，展宽器-压缩器将飞秒种子脉冲的持续时间展宽超过10倍。在一些实施方式中，展宽器-压缩器将飞秒种子脉冲的持续时间展宽至1，000-200, 000飞秒的展宽持续时间。在一些实施方式中，激光引擎不包含可调谐的展宽器-压缩器。在一些实施方式中，激光引擎包括偏振器以及所述振荡器和所述展宽器-压缩器之间的λ /4板，它将经展宽的种子脉冲束重定向到放大器。在一些实施方式中，激光引擎包括法拉弟隔离器，所述法拉弟隔离器从展宽器-压缩器接收经展宽的种子脉冲束，朝向放大器输出经展宽的种子脉冲束，从放大器接收经放大的展宽脉冲的激光束，朝向展宽器-压缩器的压缩器端口输出经放大的展宽脉冲的激光束，并且将振荡器与经放大的展宽脉冲的激光束隔离。在一些实施方式中，放大器包括光学元件，并且色散补偿器引入符号与放大器的光学元件引入的色散相反的色散。在一些实施方式中，由色散补偿器引入的色散与除色散补偿器外的放大器的光学元件在一次往返内引入的色散的幅度基本相等，并且符号相反。在一些实施方式中，色散补偿器包括啁啾反射镜、啁啾光纤、啁啾光栅、棱镜或啁啾透射光学元件中的至少一个。在一些实施方式中，放大器包括放大所选择的经展宽的种子脉冲的幅度的增益材料、限定共振腔的两个端面镜以及折叠放大器内的共振光学通路的两个折叠式反射镜，其中，所述两个端面镜和两个折叠式反射镜中的至少一个是啁啾反射镜。在一些实施方式中，啁啾反射镜在经放大的展宽脉冲中弓I入负色散。在一些实施方式中，激光引擎被配置为以第一重复率，并且随后用与激光引擎的所有光学兀件基本相同的布置、以不同的第二重复率输出光光束。在一些实施方式中，第一重复率和第二重复率落入10kHz-2MHz、50kHz_lMHz或100kHz-500kHz的范围中的一者内。
在一些实施方式中，当未改变的激光引擎针对第一重复率和第二重复率利用不同的光学元件的布置时，激光引擎可以被改变，以用与第一重复率基本相同的所有光学元件的布置，以第二重复率输出激光束。在一些实施方式中，放大器被配置为在保持放大器的光学布置不变的情况下，当改变重复率时，使放大器中的经放大的展宽脉冲的往返次数改变。在一些实施方式中，放大器具有少于I米的端面镜-端面镜的折叠式光学通路。在一些实施方式中，放大器是腔倒空再生放大器、啁啾脉冲放大器或Q切换放大器。在一些实施方式中，放大器在端面镜之间的光学通路中包括可切换的偏振器，它可以通过在可切换的偏振器调节经放大的展宽脉冲的偏振的调节偏振状态和可切换的偏振器基本不调节经放大的展宽脉冲的偏振的不调节偏振状态之间切换来选择经展宽的脉冲。在一些实施方式中，激光引擎可以包括高电压功率开关，所述高电压功率开关以少于5纳秒、4纳秒或3纳秒的上升时间控制可切换的偏振器从不调节偏振状态转换至调节偏振状态。在一些实施方式中，激光引擎在1-120秒、10-60秒和20_50秒中的一者之内将飞
秒脉冲的激光束的第一重复率变为第二重复率。在一些实施方式中，激光引擎在处于I μ s-ls范围的变化时间内将飞秒脉冲的激
光束的第一重复率变为第二重复率。在一些实施方式中，放大器包括至少一个聚焦镜和位于与聚焦镜的焦点接近之处的激光晶体。在一些实施方式中，激光引擎被配置为使得当激光引擎的重复率从第一值改变为第二值时(两个值的范围均为10kHz-2MHz)，那么所输出的激光束的直径的改变小于10%和20%中的一个，或者所输出的激光束的中心的移动小于光束直径的20%和40%中的一个。在一些实施方式中，激光束的飞秒脉冲的能量范围为1-100 μ J/脉冲、10-50 μ J/脉冲或20-30 μ J/脉冲中的一个。在一些实施方式中，激光引擎输出功率大于O. 1W、1W或IOW中的一个的激光束。在一些实施方式中，激光引擎是眼科手术系统的一部分。在一些实施方式中，用激光引擎产生激光束的方法包括以下步骤用振荡器产生持续时间少于1000飞秒的种子脉冲束；使用脉冲展宽器展宽所述种子脉冲的持续时间；使用放大器放大所选择的经展宽的种子脉冲的幅度，以产生经放大的展宽脉冲；使用脉冲压缩器将经放大的展宽脉冲的持续时间压缩至少于1，000飞秒；输出具有10kHz-2MHz范围内的第一重复率并且脉冲持续时间少于1，000飞秒的飞秒脉冲的激光束；在基本不改变激光引擎的光学布置的情况下，将所述重复率从第一重复率变为10kHz-2MHz范围内的第二重 复率，以及输出具有第二重复率并且脉冲持续时间少于1，000飞秒的飞秒脉冲的激光束。在一些实施方式中，放大的步骤包括在放大器中利用色散补偿器，以减少由放大器的光学组件弓I起的经放大的展宽脉冲的色散。在一些实施方式中，减少色散的步骤包括通过放大器中的至少一个啁啾反射镜引入补偿色散，其中，补偿色散与每次往返除色散补偿器之外的放大器的所有光学元件引入的色散幅度基本相等并且符号相反。在一些实施方式中，改变重复率的步骤包括在保持放大器的光学布置基本不变的同时改变放大器中往返的次数。在一些实施方式中，由同一个展宽器-压缩器执行展宽步骤和压缩步骤。在一些实施方式中，在已完成输出具有第一重复率的激光束之后，输出具有在1-120秒、10-60秒或20-50秒中的一者之内的第二重复率的激光束。在一些实施方式中，在处于1μ s-ls范围的变化时间内，将重复率从第一重复率
变为第二重复率。在一些实施方式中，激光引擎包括振荡器，其产生脉冲持续时间少于1000飞秒的脉冲光束；展宽器-压缩器，其展宽所述光束的脉冲的持续时间；以及放大器，其放大经展宽的光脉冲的幅度，以产生经放大的展宽脉冲，其中，所述展宽器-压缩器压缩经放大的展宽脉冲的持续时间，并输出激光脉冲的光束；并且激光引擎可操作用于输出具有处于10kHz-2MHz范围内的第一重复率的激光脉冲束，并且随后利用与激光引擎的所有光学元件基本相同的布置，输出具有处于10kHz-2MHz范围内的第二重复率的激光脉冲束，对于第一重复率和第二重复率，激光脉冲的持续时间少于1000飞秒。在一些实施方式中，放大器包括色散补偿器，所述色散补偿器至少部分地补偿由放大器的光学元件引入的色散。在一些实施方式中，放大器在放大器的端面镜之间包括可切换的偏振器，所述可切换的偏振器以少于5纳秒、4纳秒和3纳秒的上升时间，在可切换的偏振器调节经放大的展宽脉冲的偏振的状态和可切换的偏振器不调节经放大的展宽脉冲的偏振的状态之间切换。在一些实施方式中，放大器包括至少一个聚焦镜；以及位于所述聚焦镜的焦点附近的增益晶体。
在一些实施方式中，激光引擎在少于60秒、I秒和IOys中的一者的时间内，在第
一重复率和第二重复率之间切换。在一些实施方式中，激光引擎包括振荡器，其输出飞秒种子脉冲；展宽器，其展宽所述种子脉冲的持续时间；放大器，其将经展宽的种子脉冲放大成经放大的展宽脉冲，并且包括色散补偿器，用于补偿由放大器的光学元件引入的经放大的展宽脉冲的色散；以及压缩器，其接收经放大的展宽脉冲，压缩所述经放大的展宽脉冲的持续时间，并输出飞秒脉冲的激光束。在一些实施方式中，重复率可变的激光引擎包括Q切换腔倒空再生放大器，所述放大器包括两个端面镜，其中，所述激光引擎输出飞秒激光脉冲；并且端面镜之间的光学通路的长度小于2米。在一些实施方式中，端面镜之间的光学通路的长度小于I米。
在一些实施方式中，激光引擎包括振荡器，所述振荡器产生被传输至放大器的种子脉冲，其中，从在振荡器中产生种子脉冲的光子的点至激光引擎输出激光脉冲的点之间的总自由空间的光路长度小于500米、300米和150米中的一个。在一些实施方式中，放大器的腔的所有边缘尺寸小于I米或O. 5米中的一个，其中，所述放大器的腔容纳放大器的所有光学元件。在一些实施方式中，放大器的占地面积小于Im2或O. 5m2中的一个。在一些实施方式中，激光引擎包括展宽器-压缩器，所述展宽器-压缩器包括啁啾体布拉格光栅。在一些实施方式中，放大器包括色散补偿器，所述色散补偿器补偿由放大器的光学元件引入的色散。在一些实施方式中，放大器包括放大激光脉冲的幅度的激光晶体；以及折叠放大器内的共振光学通路的两个折叠式反射镜，其中两个端面镜和两个折叠式反射镜中的至少一个是啁啾反射镜。在一些实施方式中，激光引擎被配置为输出具有处于重复率范围内的第一重复率的激光束；并且随后用与激光引擎的所有光学元件基本相同的布置，输出具有处于该重复率范围内的第二重复率的激光束。在一些实施方式中，第一重复率和第二重复率落入10kHz-2MHz、50kHz-lMHz或100kHz-500kHz中的一者的范围内。在一些实施方式中，激光引擎被配置为使得在少于60秒、I秒和I μ s中的一者的
时间内，第一重复率可变为第二重复率。在一些实施方式中，放大器在端面镜之间包括可切换的偏振器，所述可切换的偏振器能够在少于5ns、4ns或3ns中的一者内，在可切换的偏振器调节经放大的脉冲的偏振的状态和可切换的偏振器基本不调节经放大的脉冲的偏振的状态之间切换。在一些实施方式中，放大器包括至少一个聚焦端面镜；以及位于与所述聚焦端面镜的焦点接近之处的激光晶体。在一些实施方式中，激光引擎包括振荡器，其产生并输出飞秒脉冲束；展宽器-压缩器，其展宽种子脉冲的持续时间；以及放大器，其从所述展宽器-压缩器接收经展宽的种子脉冲，放大所选择的经展宽的种子脉冲的幅度，以产生经放大的展宽脉冲，并且输出经放大的展宽脉冲的激光束；其中，所述展宽器-压缩器接收经放大的展宽脉冲的激光束，压缩经放大的展宽脉冲的持续时间，并且输出脉冲持续时间少于1，000飞秒的飞秒脉冲的激光束；其中，从在振荡器中产生种子脉冲的光子的点至激光弓I擎输出激光脉冲的点的光路长度小于500米。在一些实施方式中，光路的长度小于300米。在一些实施方式中，重复率可变的激光引擎包括振荡器，其产生并输出飞秒种子脉冲的光束；展宽器-压缩器，其展宽所述种子脉冲的持续时间；以及啁啾脉冲放大器，其放大所选择的经展宽的种子脉冲的幅度，以产生经放大的展宽脉冲，其中，所述放大器包括切换时间少于5ns的可切换的偏振器，所述展宽器-压缩器将经放大的展宽脉冲的持续时间压缩至飞秒值；并且所述激光引擎占据小于Im2的面积。在一些实施方式中，激光引擎是外科激光系统的一部分，所述外科激光系统在所述外科激光系统的顶部平台上具有成像系统和激光引擎。 在一些实施方式中，重复率可变的激光引擎包括振荡器，其产生并输出飞秒种子脉冲束；集成的展宽器-压缩器，其展宽所述种子脉冲的持续时间；以及Q切换腔倒空再生放大器，其放大所选择的经展宽的种子脉冲的幅度，以产生经放大的展宽脉冲；其中，所述展宽器-压缩器压缩经放大的展宽脉冲的持续时间，以输出飞秒激光脉冲，并且激光引擎的光学元件的数量少于75。在一些实施方式中，激光引擎的光学元件的数量少于50。在一些实施方式中，激光引擎的除振荡器外的部分中的光学元件的数量少于50。在一些实施方式中，激光引擎的除振荡器外的部分中的光学元件的数量少于35。在一些实施方式中，光学兀件是下列兀件之一反射镜、透镜、平行板、偏振器、隔离器、任何可切换的光学元件、折射元件、透射元件或反射元件。在一些实施方式中，光学元件使光进出空气。在一些实施方式中，集成的展宽器-压缩器包括啁啾体布拉格光栅。在一些实施方式中，放大器包括色散补偿器，所述色散补偿器补偿由放大器的光学元件引入的色散。在一些实施方式中，放大器包括限定共振腔的两个端面镜；以及折叠放大器内的共振光学通路的两个折叠式反射镜，其中，两个端面镜和两个折叠镜中的至少一个是啁啾反射镜。在一些实施方式中，激光引擎被配置为输出具有处于重复率范围内的第一重复率的激光束；并且随后用与激光引擎的所有光学元件基本相同的布置，输出具有处于该重复率范围内的第二重复率的激光束,其中，所述第一重复率和第二重复率在10kHz-2MHz、50kHz-lMHz 或 100kHz_500kHz 中的一者的范围内。在一些实施方式中，激光引擎被配置为使得在少于I秒的变化时间内所述第一重
复率可变为所述第二重复率。在一些实施方式中，放大器包括端面镜之间的可切换的偏振器，所述可切换的偏振器可以在少于5ns、4ns和3ns中的一者内在可切换的偏振器调节经放大的展宽脉冲的偏振的状态和可切换的偏振器基本不调节经放大的展宽脉冲的偏振的状态之间切换。在一些实施方式中，放大器包括至少一个聚焦镜；以及位于与所述聚焦镜的焦点接近之处的激光晶体。在一些实施方式中，激光引擎包括振荡器，其产生并输出飞秒种子脉冲束；展宽器-压缩器，其展宽所述种子脉冲的持续时间；以及放大器，其从所述展宽器-压缩器接收经展宽的种子脉冲，放大所选择的经展宽的种子脉冲的幅度，以产生经放大的展宽脉冲，并输出经放大的展宽脉冲；其中，所述展宽器-压缩器接收所述经放大的展宽脉冲，压缩所述经放大的展宽脉冲的持续时间，并输出脉冲持续时间少于1，000飞秒的飞秒脉冲的激光束；其中，所述激光引擎的除所述振荡器外的部分中的光学元件的数量少于50。在一些实施方式中，激光引擎的光学元件的数量少于75。在一些实施方式中，用激光系统扫描的方法包括以下步骤用激光引擎产生具有可变重复率的激光脉冲；用扫描激光传递系统将激光脉冲聚焦于目标区域中的聚焦点；用扫描激光传递系统在目标区域中以一定扫描速度扫描聚焦点；改变扫描速度；并且用重复率控制器根据改变后的扫描速度调节重复率。在一些实施方式中，产生的步骤包括通过振荡器产生飞秒种子脉冲；通过展宽器-压缩器展宽种子脉冲；通过放大器将所选择的经展宽的种子脉冲放大成经放大的展宽脉冲；以及通过展宽器-压缩器将经放大的展宽脉冲压缩成飞秒激光脉冲。在一些实施方式中，所述方法包括调节重复率，以大致将目标区域中的由激光产生的泡的密度维持在所选择的值左右。在一些实施方式中，泡的密度是线密度、面密度或体密度中的一者。在一些实施方式中，调节重复率的步骤包括与扫描速度成比例地调节重复率。在一些实施方式中，调节重复率的步骤包括在Iys-Is的时间范围内，将重复率从第一值调节为第二值。在一些实施方式中，扫描聚焦点的步骤包括沿着最小加速度路径扫描聚焦点。在一些实施方式中，所述方法包括沿着Z形转向路径XY扫描聚焦点；并且当接近路径的Z形转向部分时放慢重复率。在一些实施方式中，所述方法包括沿着螺旋形扫描激光束；并且当扫描接近螺旋形的中心时放慢重复率。在一些实施方式中，调节重复率包括由重复率控制器通过以下方式之一接收与改变后的扫描速度相关的信息感测改变的扫描速度，以及从处理器或存储器获得与改变后的扫描速度相关的电子信息，并根据接收到的与改变后的扫描速度相关的信息调节重复率。在一些实施方式中，重复率可变的激光扫描系统包括振荡器，其产生并输出飞秒种子脉冲束；展宽器-压缩器，其展宽所述种子脉冲持续的时间，从放大器接收经放大的展宽脉冲，压缩经放大的展宽脉冲的持续时间，并输出具有一重复率的飞秒脉冲的激光束；放大器，其从所述展宽器-压缩器接收经展宽的种子脉冲，放大所选择的经展宽的种子脉冲的幅度，以产生经放大的展宽脉冲，并向所述展宽器-压缩器输出经放大的展宽脉冲；以及扫描光学器件，其以可变的扫描速度扫描目标区域中的激光束的聚焦点，以产生光致破裂点；其中，所述激光扫描系统改变重复率，以产生具有预定密度分布的光致破裂点。在一些实施方式中，放大器包括色散补偿器，所述色散补偿器减少经放大的展宽脉冲的色散。
在一些实施方式中，放大器包括可切换的偏振器,所述可切换的偏振器旋转放大器中经展宽的脉冲的偏振平面，其中，可切换的偏振器的上升时间少于5ns、4ns或3ns中的
一者O在一些实施方式中，激光扫描系统包括控制电子元件，所述控制电子元件向可切换的偏振器施加控制信号，以致使可切换的偏振器以少于5ns、4ns和3ns中的一者的上升时间切换。在一些实施方式中，用激光引擎扫描的方法包括以下步骤产生具有一重复率的飞秒激光脉冲；将激光脉冲聚焦到目标区域中的聚焦点，以产生光致破裂点；以一扫描速度扫描目标区域中的聚焦点；并且在扫描期间调节重复率，以产生具有一密度分布的光致破裂点。在一些实施方式中，调节步骤包括产生光致破裂点，其中线点密度、面点密度和体点密度中的一个在目标区域中保持基本相等。 在一些实施方式中，调节步骤包括根据扫描速度的变化调节重复率。在一些实施方式中，调节步骤包括与扫描速度成比例地调节重复率。在一些实施方式中，调节重量重复率的步骤包括在Iys-Is的时间范围内，将重复率从第一值调节为第二值。在一些实施方式中，产生步骤包括通过振荡器产生飞秒种子脉冲；通过展宽器-压缩器展宽所述种子脉冲；通过放大器将所选择的经展宽的种子脉冲放大成经放大的展宽脉冲；以及通过展宽器-压缩器将经放大的展宽脉冲压缩成飞秒激光脉冲。在一些实施方式中，扫描聚焦点的步骤包括沿着最小加速度路径扫描聚焦点。在一些实施方式中，所述方法包括沿着Z形转向路径扫描聚焦点；并且当接近路径的Z形转向部分时放慢重复率。在一些实施方式中，所述方法包括沿着螺旋形扫描激光束；并且根据接近螺旋形的中心的扫描放慢重复率。在一些实施方式中，所述方法包括沿线的端部或线的转角中的一者扫描激光束；并且根据接近线的端部和线的转角中的一者的扫描放慢重复率。在一些实施方式中，所述方法包括接收存储或感测到的与扫描速度相关的信息，并且根据接收到的与扫描速度相关的信息，调节重复率。在一些实施方式中，所述方法包括接收感测到的或已成像的与目标区域相关的信息，并且根据接收到的与目标区域相关的信息，调节重复率。在一些实施方式中，激光引擎可以包括振荡器，其输出飞秒种子光学脉冲；以及放大器，其放大种子光学脉冲，以产生经放大的光学脉冲。这种放大器包括光学腔，其被耦合用于接收并循环种子光学脉冲；以及光学开关器件，其耦合至光学腔，用于控制将接收到的种子光学脉冲的光耦合入光学腔中，并且控制将光学腔内的光耦合出去，作为放大器的输出光。光学开关器件被配置为控制并调节耦合入光学腔内的光的往返次数，以控制并调节放大器产生的经放大的光学脉冲的脉冲重复率。该放大器还包括光学腔内的光学增益介质，其用于将种子光学脉冲放大成经放大的光学脉冲；以及光学腔内的色散补偿器，其用于补偿由放大器引起的经放大的光学脉冲的色散。激光引擎包括在放大器外部的一个或多个光学元件，以在将每个种子光学脉冲耦合入放大器中之前展宽所述种子光学脉冲的持续时间，并且压缩放大器输出的经放大的光学脉冲的持续时间，以产生经放大的光学脉冲。激光引擎可以被配置为不用在放大器外部设置色散补偿装置来补偿由放大器引入的经放大的光学脉冲的色散。在其它实施方式中，操作激光引擎以产生飞秒光学脉冲的方法可以包括展宽飞秒种子光学脉冲，以在每个脉冲中产生光功率降低的经展宽的种子光学脉冲；以及将经展宽的种子光学脉冲耦合入光学放大器的光学腔中，以放大每个经展宽的种子光学脉冲的光功率，从而产生经放大的展宽光学脉冲。在光学放大器的内部，光学补偿器用于为每个光学脉冲提供色散补偿，其中，所述光学补偿器被构造为引入与光在放大器的光学腔内往返一次由放大器引入的色散(由色散补偿器引起的色散除外)的符号相反并且幅度基本相等的色散。这种方法包括操作耦合至光学腔的光学开关器件，以控制经展宽的种子光学脉冲的光耦合入光学腔内，并且控制经放大的展宽光学脉冲的光耦合出光学腔；压缩来自光学腔的经放大的展宽光学脉冲的脉冲持续时间，以产生经压缩的放大光学脉冲作为激光引擎的输出；以及操作光学开关器件，以控制并调节光在光学腔内往返的次数，以在不使用位于放 大器外部的色散补偿装置的情况下，控制并调节经压缩的放大光学脉冲的脉冲重复率，从而补偿由放大器引起的色散。
图IA-B示出高功率飞秒激光引擎I的两个实施例。图2更详细地示出高功率飞秒激光引擎I的实施例。图3A示出啁啾激光脉冲的概念。图3B示出展宽器200’和压缩器400的示例。图3C示出集成的展宽器-压缩器200的实施方式。图4示出放大器300的实施例。图5A-B示出激光腔的泵浦-增益-倒空循环。图6A-D示出具有恒定重复率和可变重复率的扫描外科图案。图7A-B示出与放大器300中激光晶体310在两种不同温度下的热聚集相关的设计难点。图7C-D示出热聚焦减少的放大器300的两种实施方式。图8示出光束光功率作为操作温度的函数的相关性。
具体实施例方式在早期的飞秒激光器中，脉冲长度极短导致这些脉冲中的功率极高。然而，这种高功率恐怕会损坏激光器的增益介质。已经有了啁啾脉冲放大(CPA)形式的解决方案。在这种技术中，产生飞秒种子脉冲，接着通过将种子脉冲的长度展宽10-1000倍，到达皮秒范围，从而急剧降低脉冲内的功率。可以用增益介质安全地放大这些经展宽的脉冲而不造成损害。放大之后接着进行压缩，将经放大的脉冲长度压缩回到飞秒。当今已在众多应用中引入这种CPA方法。然而，CPA激光器也有缺点。通常，这些激光器具有大量的光学元件并且相应地十分复杂。这些因素使得故障频率非常高，并且减少了能够可靠开启和关闭激光器的次数。另夕卜，因为这些CPA激光器通常是在外科手术套房或手术室中受限制的空间中使用，所以CPA激光器非常大的尺寸致使将它们整合到医疗设备中非常困难。此外，如果不同的手术要求改变脉冲的重复率，则这种改变需要对大量的光学元件执行耗时的重新调节。另外，热聚焦对大多数CPA激光器的光学性能影响很大，使得它们对激光器的操作功率十分敏感。这种敏感性是重复率改变的另一障碍。可以实现在本文献中描述的构造和操作飞秒脉冲激光器的激光器设计和技术，以同时解决其它飞秒激光器中的各种技术问题。图IA示出啁啾脉冲放大(CPA)或者腔倒空再生放大器(⑶RA)激光引擎1，其包括振荡器100、展宽器-压缩器200和光学放大器300。振荡器100可以产生并输出飞秒种子脉冲的光束。展宽器-压缩器200可以展宽这些种子脉冲的持续时间。放大器300可以从展宽器-压缩器200接收经展宽的种子脉冲，放大经展宽的脉冲的幅度，并且输出经放大的展宽脉冲的激光束。可以将这些经放大的展 宽脉冲光学地耦合回展宽器-压缩器200中，展宽器-压缩器200可以压缩经放大的展宽脉冲的持续时间并输出飞秒脉冲的激光束。图IB示出另一个CPA激光引擎I’的示例，其中，处于光学振荡器100’和光学脉冲展宽器200’下游的光学放大器300’可以将经放大的展宽脉冲光学耦合至独立的压缩器400，压缩器400可以压缩经放大的展宽脉冲并输出飞秒脉冲的激光束。对激光引擎I和I’的描述包含许多控制功能和方法步骤。可以用一个或多个控制器、处理器和其它计算机控制器控制这些功能和步骤。这些控制器、处理器和计算机控制器可以利用高级软件，从而彼此进行交互。为了清楚地表述，本专利文献的图中删掉了这些处理器、控制器及其对应软件，但在一些实施方式中它们应当是对激光器发动器I和I’的描述的一部分。虽然将就诸如白内障手术、晶状体囊切开术或角膜手术之类的眼科应用描述本专利申请中的几个示例，但是激光引擎I的实施方式可用于相当广泛的应用范围，包括诸如视网膜和角膜外科手术的各种各样的眼科手术以及皮肤病和牙科的应用、不同的外科手术应用和各种材料加工应用，所述材料加工应用采用激光光致破裂或一些其它激光辅助处理将材料片成型。如上面指出的，一些啁啾脉冲放大CPA/⑶RA激光引擎有各种缺点。激光引擎I的实施例可以被配置为通过采用下面的设计原理及其它设计思想中的部分或全部来提供这些问题的解决方案(I)许多激光器具有大量的光学元件(比如上百个或更多)，使得它们的设计复杂并且造价昂贵。在这种背景下，激光引擎I的实施例可以具有少至共50个光学元件，并且在振荡器100外部不超过35个光学元件。(2)具有大量光学元件并且具有相应复杂性的激光器可以具有高故障频率。在一些CPA/⑶RA激光器中，在激光器“循环”(即，开启和关闭30-40次)后，出现故障的可能性可以变得非常高。这类系统可能需要在开关循环30-40次后或更频繁地进行定期维护，以预先解决在激光器常规操作期间出现的实际故障。在这个背景下，因为大大减少了光学元件的数量并且提出新的色散控制解决方案，所以激光引擎I的实施例可以在常规操作的预期下循环100次、120次或更多次，从而大大降低了所需的维修频率并提高了总体可靠性。(3)如下面所描述的，一些CPA/⑶RA激光器占用的物理空间大并且相应地往返持续时间长，这意味着充电的时间长，从而限制了其重复率以及它们用于空间受限的外科设备中的用途。在这个背景下，激光引擎I的实施例可以具有小型共振腔，在一些实施例中，所述共振腔可以具有小于I米的端面镜-端面镜的光学通路，并且在其它实施例中，它具有小于2米的端面镜-端面镜的光学通路。这种小型化也是引起激光引擎I具有高重复率的因素，所述重复率可能高达300kHz、500kHz或者甚至1，OOOkHz0尽管这些激光器具有高重复率，但上述的小型化可以意味着从产生光子的点至退出点测量得到的并包括腔内所有往返的整个光学通路低至150米。(4) 一些CPA/⑶RA激光器可以被精细调谐，以在特定重复率下进行操作。这种调谐可以涉及用压缩器200/400以特定重复率补偿展宽器200和放大器300的色散。然而， 如果应用需要改变重复率，则展宽器和放大器在这个新的重复率下引起不同的色散，从而打乱了 CPA/CDRA激光器的经精细调谐的色散补偿。为了补偿这种改变的色散，通常，需要以费时的工序重新调节展宽器200和压缩器200/400的光学元件。这种重新调节使得在眼科外科手术的时间量程上改变这些CPA/CDRA激光器的重复率在技术上是棘手的。因此，大多数商用眼科CPA激光器不提供可变重复率的功能，并且不提供在外科手术期间可改变的重复率。在这个背景下，激光引擎I的实施例可以包括能够降低或者甚至最小化由放大器300引起的激光束的色散的色散控制器或色散补偿器。这种色散的最小化使得能够改变重复率，而对激光引擎I的光学元件不进行耗时的重新调节。因此，包括色散控制器使得可以在对时间敏感的外科手术期间改变重复率。一个示例是使用第一重复率完成白内障手术并且使用第二重复率完成晶状体囊切开术或角膜手术。如众所周知的，在这些手术中，时间因素是十分关键的。(5)在某些情况下，在外科手术内，当激光束具有固定的重复率时，使用切割图案放置密度不均匀的激光点。示例包括在光栅或扫描图案的拐点或者在变窄或变宽的螺旋形的周围减慢扫描速度。在这个背景下，激光引擎I的实施例可以被配置为具有基本连续可调节的重复率，并且与改变扫描速度接近同步地调节重复率以补偿扫描速度的变化，使得激光点的形成具有接近恒定的密度或具有预定的密度分布。(6)另外，热聚焦对一些CPA/⑶RA激光器的光学性能产生负面影响，并且使得它们对激光束的功率和重复率的变化具有不期望的敏感性。在这个背景下，激光引擎I的实施例可利用热聚焦补偿技术，使得这些实施例对所应用的激光束的功率和重复率的变化相当不敏感。图2详细地示出激光引擎I的具体实施方式
。振荡器100可以是各种各样的光源，这些光源可以产生并输出激光引擎I的种子脉冲。示例包括二极管泵浦光纤振荡器。振荡器可以包括单个二极管，例如，在808nm波长下操作的GaAs 二极管，或大范围的各种其它二极管。光纤振荡器比基于自由空间光束传播的振荡器小得多。在外科手术应用中，操作场所的拥挤度是急需解决的限制，因此减小激光引擎的空间尺度是值得高度珍视的设计特征。 在一些示例中，振荡器输出高质量的种子脉冲。众多因素可能引起如接下来详细描述的高脉冲质量。(i)在一些实施例中，二极管可以包括频率稳定杆，如，二极管内的体布拉格(Bragg)光栅。这种光栅可以提供具有低噪声和高脉冲-脉冲稳定性的脉冲。可以用掺Nd或Yb的玻璃形成光纤。(ii)振荡器100可以包括半导体可饱和吸收镜或SESAM。利用一个或多个SESAM改善了所产生的脉冲内的模式的相干性，从而得到基本上模式锁定操作。具有上述设计原理的振荡器可以输出基本上变换受限的种子脉冲，例如，具有高斯形状的脉冲。在一些示例中，也可以产生平顶脉冲。脉冲的持续时间可以少于1，000飞秒(fs)。在一些实施方式中，脉冲持续时间可以在50-1,000飞秒的范围内，在一些其它实 施例中，脉冲持续时间可以在100-500飞秒的范围内。种子脉冲的频率(或重复率)可以在IO-IOOMHz的范围内，在其它实施例中，种子脉冲的频率(或重复率)可以在20_50MHz的范围内。但是，将种子脉冲频率降低到10或20MHz以下会带来一系列设计困难。因为这个原因，大多数振荡器以超过20MHz的频率操作。种子脉冲束的功率可以在IO-IOOOmW的范围内，在其它实施例中，种子脉冲束的功率可以在100-200mW的范围内。从许多时序方面考虑，可以将振荡器100用作主时钟。展宽器-压缩器200可以通过对脉冲的不同的频率分量引入不同的延迟时间来展宽种子脉冲。总之，展宽器-压缩器可以弓I入色散或啁啾。图3A详细地示出这种啁啾。展宽器-压缩器200可以接收大部分脉冲持续时间内频率分量(或频谱)大致一致(或“白”)的短脉冲。换句话说，在脉冲开始时不同频率分量的幅度接近平均并且在脉冲持续期间保持这种状态。展宽器-压缩器200可以通过针对这种“白”脉冲的红、绿和蓝分量引入不同的延迟时间来展宽脉冲长度。因此，展宽器-压缩器200所输出的脉冲的频率分量或频谱可能变得与时间有关。根据通常的惯例，其中红光频率占优势的前沿部分而蓝光频率占优势的后沿部分的脉冲被称为具有正色散或啁啾。本描述是指时域上的啁嗽，即，是指闻频分量和低频分量的相对延迟。空间啁嗽(即，光束内高频分量和低频分量在空间上的分离)引起各种额外设计困难，并且不在展宽器200’或展宽器-压缩器200的所期望的功能之中。展宽器-压缩器200或展宽器200’可以通过增强脉冲的前沿部分中的红光成分并且增强脉冲的后沿部分中的蓝光成分，将正啁啾引入初始为白的种子脉冲。类似地，也可以由展宽器-压缩器200或展宽器200’啁啾非白脉冲。展宽器-压缩器200可以将飞秒种子脉冲的持续时间从50-1，000飞秒的范围展宽至1，000-200，000飞秒，或1-200皮秒或者甚至高达500ps的经展宽的持续时间。展宽器-压缩器200可以将飞秒种子脉冲的持续时间展宽大于10的倍数。在一些情况下，展宽倍数可以大于102、103、104或105。这些展宽倍数中的每个引入放大器300的不同设计标准。图3B示出图IB所示类型的激光引擎I’可以利用展宽器200’和独立的压缩器400。展宽器200’可以包括第一光栅201、透镜202、第二光栅203和反射镜204。当短脉冲211进入展宽器200’时，第一光栅201可以将不同的频率分量折射到不同方向。在退出第一光栅201后，发散的光线可以传播至透镜202，并且重新导向到第二光栅203。一些实施例可以使用两个透镜替代透镜202。因为第二光栅203使得与第一光栅201成一定的角度并且不同频率的光线在分散方向上传播，所以不同的频率分量行进不同的距离，从而需要不同的时间来完成。例如，在图3B的展宽器200’中，具有蓝光谱区域中的频率的分量比红光区域中的分量行进更长的距离，从而获得相对于入射短脉冲的红光分量的延迟。这里以及整个文献中，以示例性且相对的方式使用术语“蓝”和“红”。它们分别是指具有较短和较长的波长的脉冲频谱的分量。在具体实施方式
中，激光平均波长可以为lOOO-llOOnm，并且脉冲的带宽可以在2-50nm的范围内，在一些情况下，脉冲的带宽可以在5_20nm的范围内。在这个示例中，脉冲的整个频谱在红外区域中。在这个示例中，术语“蓝”和“红”分别是指红外光谱的脉冲的带宽内具有较短和较长的波长的部分。第二光栅203的功能包括啁啾的部分控制，即，蓝光分量相对于红光分量的延迟以及将光束恢复至基本平行的光束，以使得其适于由反射镜204反射。反射镜204反射频 率分离的平行光线，它们接着通过第二光栅203、透镜202和第一光栅201折回其光路。到脉冲退出第一光栅201的时候，脉冲的蓝光分量经过长很多的距离，并且因此落后于红光分量。这种延迟对所输出的脉冲至少有三个方面的影响(i)脉冲长度变得长得多，(ii)不同频率分量的幅度在时间上相对彼此偏移，将红光分量偏移至脉冲的前沿并且将蓝光分量偏移至后沿，或者反之亦然，(iii)脉冲的总能量在更长的脉冲长度上分布，从而降低了所输出的脉冲的光功率。在一些情况下，可以将脉冲持续时间展宽100、1000甚至更多的倍数，相应地功率可以减少100、1000甚至更多的倍数。总之，展宽器-压缩器200或展宽器200’可以展宽脉冲，引入正啁啾，从而基本降低脉冲的功率。如之前所描述的，减少脉冲的峰值功率对CPA/CDRA激光器来说是有利的方面，因为随后的放大器300的腔光学元件没有暴露于过高功率的脉冲，并且因此避免受到光束的损害。图3B还示出压缩器400的示例，压缩器400可以包括第三光栅205、第四光栅207和反射镜208。一些示例在这些光栅之间没有透镜，而其它示例可以有一个或两个透镜。第三光栅205再次以与展宽器200’的第一光栅201类似的方式将脉冲频谱的不同分量导向不同方向。第四光栅207再次通过其取向部分地控制蓝光分量和红光分量的相对延迟，这与第二光栅203类似。然而，因为第四光栅207现在的取向与第二光栅203相反，所以蓝光分量的光学通路现在较短，引起负啁啾。这种负色散使得展宽脉冲的蓝光分量追上红光分量，从而将经放大的展宽脉冲的总体持续时间从数百皮秒缩短至数百飞秒。具有单独的展宽器200’和压缩器400的设计是图IB的激光引擎I’的实施例。图3B还示出具有单独的展宽器200’和压缩器400的图IB的设计的两个敏感方面。(i)首先，展宽器200’、放大器300和压缩器400需要彼此精细调节，使得压缩器400可以高精度地取消由展宽器200’导致的展宽以及接着取消由放大器300导致的色散。因此，设置透镜202的位置和第一至第四光栅201-207的取向可能需要特别高的精度，以补偿经放大的展宽脉冲的色散，并且将它们压缩回飞秒脉冲。当然，高精度的调节对扰动十分敏感温度、往返次数和机械强度的小的变化可以破坏调节精度，需要维持并重新校准具有图IB的构造的激光引擎I’。(ii)在一些复杂或多步骤的工序中，可能期望改变重复率。然而，这种重复率的改变通常伴随着往返次数的变化，以优化所输出的脉冲。反过来，往返次数的变化通常导致热聚焦的变化以及由放大器300引起的复合色散的变化。因此，重复率和往返次数的变化可能打乱对展宽、色散和压缩的平衡的仔细校准。为了对抗这些变化，如图3B的箭头所示，激光引擎I’的一些实施方式可能通过改变透镜202的位置、改变光栅201、203、205和207中某些的位置或取向、改变反射镜204和208的位置或通过移动一个或多个反射镜改变光束接触透镜202的位置，进行重新校准。不用说，这些改变通常需要小心并且经常反复进行机械调节和精度校准，所有这些都是耗时的干预。 重新校准的缓慢可能在期望脉冲重复率及时变化的应用中引起问题。这在时间是关键因素的应用中尤其是要禁止的，例如，在眼科手术应用期间，在这种手术中，病人控制眼睛移动的能力低至90秒。因为所有这些原因，大多数激光引擎不提供可变重复率的功倉泛。另外，因为在激光引擎I’中，展宽器200’与压缩器400是分离的，并且它们均包括多个光栅和透镜，所以图IB中的类型的激光引擎I’的展宽器和压缩器的空间尺度通常在空间上过大。为了减少展宽器200’和压缩器400的空间占地面积，并且为了减少校准时间，在激光引擎I’的一些实施方式中，展宽器200’和压缩器400可以共用一个或多个光学元件。在某些情况下，它们可以共用光栅，比如，第一光栅201和第三光栅205可以是相同的。在一些多重叠示例中，展宽器200’的两个光栅可以是相同的物理光栅，透镜和反射镜将光束在不同的经过期间从不同的方向引导到同一光栅上。在一些多重叠示例中，展宽器200的两个光栅和压缩器400的两个光栅的所有功能都可以由单个共用光栅执行。图3C示出图IA的实施例的展宽器-压缩器200的示例，它提供了对这些困难的鲁棒的解决方案。图3C的展宽器-压缩器200整合展宽和压缩功能，因此可以将它应用于图IA的激光引擎I的实施例中。如在图3C的示例中实现的这个展宽器-压缩器200是啁啾体布拉格光栅(CVBG)。这个CVGB可以是多层的堆叠(例如，在光热折射(PTR)玻璃中)，这些层具有合适的折射率以及随着这些层的位置而变化的光栅周期(grating period)。在这种设计中，对于脉冲的不同频谱分量，布拉格共振条件出现在不同的位置。因此，不同的频谱分量可在不同的位置被反射，从而在脉冲内获得不同的时间延迟。如图3C中的示例示出的，当短“白”脉冲211进入展宽器-压缩器200时，红光频率分量从具有较宽的层间间隔或光栅周期的近区发生折射，因为它们的波长较长并且在这些近区满足布拉格反射条件。相比之下，具有更短波长的蓝光频率分量从光栅的较远区域返回。因为蓝光分量经过更长的光路，所以它们获得相对于红光分量的延迟。因此，通过这个CVBG展宽器-压缩器200将输入的短白脉冲211展宽成更长的展宽脉冲212。在特定示例中，因为蓝光分量相对于红光分量延迟，所以展宽脉冲212引起正啁啾。其它实施方式可以具有产生负啁啾的CVBG，从而相对于蓝光频率分量延迟红光频谱分量。
这个CVBG展宽器-压缩器200也可以高精度地压缩经放大的展宽脉冲213而不进行任何不便的精细调节，因为展宽脉冲在由放大器300放大后被从相对端或压缩器端口入射到同一 CVBG展宽器-压缩器200。当展宽脉冲从相对端进入CVBG展宽器-压缩器200时，它的红光分量延迟的程度与在展宽步骤期间蓝光分量被延迟的程度相同，从而恢复脉冲的原始短长度。因此，这个展宽器-压缩器200可以非常有效地补偿展宽期间引入的色散，并输出正确地压缩的放大脉冲214。与具有独立的展宽器200’和压缩器400的激光引擎I’的特定方面比较，(i)激光引擎I对移动光学元件的精确对准不是十分敏感，因为它没有独立的展宽器200’和压缩器400，从而对机械扰动或操作温度的变化表现出显著的鲁棒性，以及(ii)因为如与等式
(I)- (2)和图5A-B相关地进一步说明的，放大器300的新设计没有引入与往返次数相关的额外色散，所以当重复率改变时，激光引擎I不需要敏感地重新校准并重新对准其光学元件并进行布置。这些属性使得能够将激光引擎I应用在重复率快速或及时变化很重要的应用中。 在其它与上述不同的设计中，放大器300可能引入额外色散。在这些设计中，可以为展宽器-压缩器200的集成构造可以附加重新调节功能，因为压缩器不仅必须压缩展宽器的色散，而且必须压缩放大器300的额外色散。这个增加的任务可能需要实现与压缩器功能相关的可调节块。返回图2，激光引擎I还可以包括有效的偏振分束器150。分束器150可以在振荡器100和展宽器-压缩器200之间包括偏振器和λ/4板。在其它实施例中，分束器150可以是薄膜偏振器。这种组合150可以使得种子脉冲通过，从振荡器100到达展宽器-压缩器200，但是将展宽脉冲从展宽器-压缩器200重新引导回到放大器300，因为λ /4板在两次经过后将脉冲光束的偏振平面旋转90度。偏振器在对种子脉冲的偏振方向具有透射性的同时，对于在第二次穿过λ/4板后的展宽脉冲的旋转了 90度的偏振平面具有反射性。在一些实施例中，激光引擎I可以在分束器150和放大器300之间的光学通路上包括法拉弟隔离器(Faraday isolator)500。法拉弟隔离器500的功能可以包括将振荡器100与经放大的光束隔离，以防止激光束的高功率损坏振荡器100。这种法拉弟隔离器500可以从分束器150接收经展宽的种子脉冲，将经展宽的种子脉冲向着放大器300传输，从放大器300接收经放大的展宽脉冲的激光束，并且通过偏振器550和560向着展宽器-压缩器200输出经放大的展宽脉冲的激光束。法拉弟隔离器500可用于其中放大器300通过与其接收脉冲相同的光路来输出经放大的脉冲的实施例中，这是因为，由于经放大的脉冲通常具有比种子脉冲大数百倍或者甚至数千倍的功率或强度，因此简单的重定向光学器件对于隔离功能来说可能很不足够。即使简单的重定向光学器件只让这些经放大的脉冲的一部分通过，所透射的脉冲依然可以具有足以损坏振荡器100的强度。在一些实施例中，法拉弟隔离器500可以被配置为让少于来自于放大器300的激光束的1/10，000的部分通过，朝向振荡器100。可以根据衰减获得相同的隔离功能法拉弟隔离器可以将经放大的激光束衰减例如40dB，或者在一些实施方式中，将其衰减50dB。法拉弟隔离器或偏振相关的隔离器可以包括三个部分垂直偏振的输入偏振器、法拉弟旋转器和以45度偏振的输出偏振器或检偏器(analyzer)。
输入偏振器将在向前方向上行进的光变成例如垂直地偏振，前提是所述光还没有在该方向上偏振。(这里，偏振平面是指电场向量所处的平面。另外，“垂直”仅创建常规或参考平面。在各种实施例中，实际的偏振平面可以取向于其它特定方向。)法拉弟旋转器以大约45度旋转光束的偏振平面，从而将它与检偏器的偏振平面对准，接着检偏器在不另外旋转偏振平面的情况下透射光。在反向方向上行进的光(如，从放大器300返回的经放大的脉冲)在退出检偏器之后，变成相对于参考垂直平面以45度偏振。法拉弟旋转器再次将偏振旋转大约45度。因此，由法拉弟旋转器朝向输入偏振器输出的光被水平偏振。因为输入偏振器垂直偏振，所以水平偏振的光将被输入偏振器接近完美地反射，而不是将其透射至振荡器100。因此，法拉弟隔离器500可以高效地保护振荡器100，使其不受高能量的经放大的激光脉冲影响。法拉弟旋转器通常通过产生指向光轴方向的磁场实现其功能。一些法拉弟旋转器包括永磁体，以实现此功能。法拉弟旋转器中使用的光学材料通常具有高的维尔德(Verdet)常数、低吸收系 数、低非线性折射率和高损坏阈值。另外，为了防止自聚焦和其它与热相关的效应，光通路通常短。700-1100纳米范围内的两种最常用的材料是掺铽的硼硅酸盐玻璃的和铽镓石榴石晶体(TGG)。其中放大器300不借助与脉冲进入时相同的光学通路输出经放大的脉冲的激光引擎I或I’的实施例可以不需要采用法拉弟隔离器500。图2和4示出从法拉弟隔离器500透射的光可以进入放大器300。放大器300可以包括激光晶体或增益介质，以放大在端面镜321和322之间往返的经展宽的种子脉冲。一些放大器300可以包括折叠式光学通路(或“z形腔”)，用折叠式反射镜重新引导激光器光束，以减小共振腔的空间尺度。图4中的放大器300具有4个反射镜限定共振腔的两个端面镜321和322以及两个折叠式反射镜323和324。在一些示例中，光学通路可以甚至自身折叠起来，呈现十字形图案。虽然利用更多折叠式反射镜可以通过将光学通路折叠成更紧凑的空间来甚至进一步减小放大器300的尺寸，但是额外的反射镜增加了增加误对准和提高价格的可能性。除了激光晶体310和反射镜321-324外，放大器300可以包括可切换的偏振器330以及薄膜偏振器340，所述可切换的偏振器330控制质量因子Q，进而控制放大器300的放大功能，所述薄膜偏振器340用作腔内脉冲的输入/输出端口。薄膜偏振器340是选择性偏振装置的特定示例，其以第一预定偏振反射光，同时以与第一预定偏振正交的第二偏振透射光。可切换的偏振器330可以是在当它不旋转经过它的光的偏振时的第一操作状态和当它响应于向其施加的控制信号而旋转光的偏振的第二操作状态之间进行切换的偏振装置。薄膜偏振器340和可切换的偏振器330的组合可用于控制来自法拉弟旋转器500的脉冲何时耦合进放大器300，以及在放大器300内放大的脉冲何时从放大器耦合出，如下面所解释的。图4中这种薄膜偏振器340和可切换的偏振器330的组合是用于放大器300的共振腔的光学开关的示例。也可以将其它设计用于这种光学开关。下面更详细地描述放大器300的操作和结构。具体地讲，将显示重复率的变化通常伴随着经放大的脉冲在端面镜321和322之间往返次数的变化。刚刚描述的光学开关的功能是通过控制何时将脉冲耦合进或耦合出共振腔来控制这些往返的次数。放大器300中的光学元件可以在这些往返的每次往返期间引入一定量的色散。因此，通过与改变重复率相关地改变放大器300中往返的次数，改变了由放大器300输出的经放大的脉冲的累积色散。即使调节压缩器400来补偿特定往返次数的色散，随着往返次数的变化而引起的色散变化使得图IB的激光引擎I’的展宽器200’、放大器300和压缩器400的展宽、色散放大和压缩的敏感性平衡被打乱，从而需要漫长的重新校准。当往返的次数变化时，甚至具有图IA中的集成的展宽器-压缩器200的激光引擎I的更创新构造也可能需要使用供调节的补偿元件。这个方面限制了这些激光引擎的用途。为了拓宽它们的用途，一些激光引擎可以包括色散控制器或补偿器作为放大器300的一部分。色散控制器的功能是在往返期间引入与放大器300的光学元件引入的色散相反并且大致相等的色散。作为这个色散补偿或控制的结果，在放大器300的共振腔中，在 往返期间，脉冲获得极少的色散或没有色散。因此，通过改变往返的次数，将经放大的脉冲的色散改变至仅很小的程度或者根本没有。因此，可以在基本不调节、重新对准或校准压缩器400或展宽器-压缩器200的光学布置的情况下改变激光脉冲的重复率，因为在往返期间没有累积要补偿的色散。因此，可以在图IB的激光引擎I’中实现色散受控的放大器300，使压缩器400不用在重复率改变后执行耗时的重新对准任务。此外，这个色散受控的放大器300使得能够在没有可调节补偿功能的情况下，在图IA的激光引擎I中使用集成的展宽器-压缩器200。例如，如果激光晶体310在激光脉冲在共振腔内往返期间引入正色散，则色散控制器可以引入幅度与经放大的展宽脉冲的幅度相同的负色散，以抑制、最小化或消除激光脉冲的色散。将色散定量的可用手段是“群延迟色散”或⑶D，其通常被定义为
λ3Λ(λ)(rOlJ 一 —...............................;......................L
C d/C⑴其中，λ是光的波长，c是光速，η( λ)是与波长相关的折射率并且L是腔中光学通路的长度。可以例如通过测量或根据设计进行推导，确定光学元件310、330和340、反射镜321-324以及任何其它可能在放大器300中出现的光学元件的⑶D。利用⑶D的相关知识，可以在腔中实现色散控制器，其GDD是与所确定的放大器300的光学元件的GDD大致相等且相反的值。如此设计的腔在脉冲的往返期间产生极少的色散或不产生色散，从而消除了所述问题并且拓宽了激光引擎I或I’的用途。在示例性示例中，在典型的CPA激光引擎I’中，可以通过展宽器200’将500飞秒的种子脉冲展宽200皮秒，达到200. 5皮秒的展脉冲长度。可以调节并校准对应的压缩器400，以将展宽脉冲向回压缩200ps，从而得到理想的大约500fs的经压缩的脉冲长度。由于存在不完美的因素，在实际情况中，经压缩的脉冲长度可能落在500-800fs的范围内。然而，在经展宽的脉冲在放大器300的共振腔中往返期间，经展宽的脉冲的长度可能由于放大器300的各种光学元件的色散(用腔的GDD表示)得到增强。典型的GDD值可以在数百fs2至数十万fs2内变化。在一些情况下，⑶D可以在5，000fs2-20, OOOfs2的范围内。因为通常展宽器200和补偿器400消除了彼此对脉冲长度的影响，所以由激光引擎I输出的脉冲的长度At(out)与振荡器100产生的种子脉冲的长度At(seed)和GDD相关，满足下面的关系
权利要求
1.一种可变的重复率的激光引擎，包括 振荡器，其产生并输出飞秒种子脉冲束； 集成的展宽器-压缩器，其展宽所述种子脉冲的持续时间；以及Q切换腔倒空再生放大器，其放大所选择的经展宽的种子脉冲的幅度，以产生经放大的展宽脉冲；其中 所述展宽器-压缩器压缩所述经放大的展宽脉冲的持续时间，以便输出飞秒激光脉冲；以及 所述激光引擎的光学元件的数量少于75。
2.根据权利要求I所述的激光引擎，其中 所述激光引擎的光学元件的数量少于50。
3.根据权利要求I所述的激光引擎，其中 所述激光引擎的除所述振荡器之外的部分中的光学元件的数量少于50。
4.根据权利要求I所述的激光引擎，其中 所述激光引擎的除所述振荡器之外的部分中的光学元件的数量少于35。
5.根据权利要求I所述的激光引擎，其中，光学元件是下列之一 反射镜、透镜、平行板、偏振器、隔离器、任何可切换的光学元件、折射元件、透射元件或反射元件。
6.根据权利要求I所述的激光引擎，其中 所述光学元件使得光从空气进入该光学元件并且退出该光学元件而进出空气。
7.根据权利要求I所述的激光引擎，所述集成的展宽器-压缩器包括 啁啾体布拉格光栅。
8.根据权利要求I所述的激光引擎，所述放大器包括 色散补偿器，其补偿由所述放大器的光学元件引起的色散。
9.根据权利要求I所述激光引擎，所述放大器包括 两个端面镜，其限定共振腔；以及 两个折叠式反射镜，其折叠所述放大器内的共振光学通路，其中，所述两个端面镜和所述两个折叠式反射镜中的至少一个是啁啾反射镜。
10.根据权利要求I所述激光引擎,其中 所述激光引擎被配置为以第一重复率输出激光束；并且 随后用与所述激光引擎的所有光学元件的布置基本相同的布置，以第二重复率输出激光束，其中 所述第一重复率和所述第二重复率在10kHz-2MHz、50kHz-lMHz或100kHz_500kHz中的一者的范围内。
11.根据权利要求10所述的激光引擎,其中 所述激光引擎被配置为使得所述第一重复率能够在少于I秒的变化时间内变成所述第二重复率。
12.根据权利要求I所述的激光引擎，所述放大器包括 在所述端面镜之间的可切换的偏振器，所述可切换的偏振器能够在少于5ns、4ns和3ns中的一者内在以下状态之间切换所述可切换的偏振器调节所述经放大的展宽脉冲的偏振的状态；以及所述可切换的偏振器基本不调节所述经放大的展宽脉冲的偏振的状态。
13.根据权利要求I所述的激光引擎，所述放大器包括至少一个聚焦镜；以及激光晶体，其位于极其接近所述聚焦镜的焦点的位置。
14.一种激光引擎，包括振荡器，其产生并输出飞秒种子脉冲束；展宽器-压缩器，其展宽所述种子脉冲的持续时间；以及放大器，其从所述展宽器-压缩器接收经展宽的种子脉冲，放大所选择的经展宽的种子脉冲的幅度，以产生经放大的展宽脉冲，以及输出所述经放大的展宽脉冲；其中，所述展宽器-压缩器接收所述经放大的展宽脉冲，压缩所述经放大的展宽脉冲的持续时间，以及输出脉冲持续时间少于1，OOO飞秒的的飞秒脉冲的激光束；其中，所述激光引擎中除振荡器之外的部分中的光学元件的数量少于50。
15.根据权利要求14所述的激光引擎，其中所述激光引擎中的光学元件的数量少于75。
全文摘要
本发明提供了用于构造并操作飞秒脉冲激光器的设计和技术。激光引擎的一个示例包括振荡器，其产生并输出飞秒种子脉冲束；展宽器-压缩器，其展宽所述种子脉冲的持续时间，以及放大器，其接收经展宽的种子脉冲，放大所选择的经展宽的种子脉冲的幅度以产生经放大的展宽脉冲，并将所述经放大的展宽脉冲的激光束输出回所述展宽器-压缩器，所述展宽器-压缩器压缩脉冲的持续时间并输出飞秒脉冲的激光束。所述放大器包括色散控制器，所述色散控制器补偿经放大的展宽脉冲的色散，使得在手术之间或根据扫描速度能调节激光的重复率。所述激光引擎可以是紧凑的，总光路小于500米，并且具有少量的光学元件，例如，少于50个。
文档编号H01S3/02GK102844941SQ201180010844
公开日2012年12月26日 申请日期2011年2月24日 优先权日2010年2月24日
发明者M·卡瓦维蒂斯 申请人:爱尔康手术激光股份有限公司
技术领域：
本专利文献涉及飞秒激光器，包括具有可调节重复率的高功率飞秒激光器。
背景技术：
在许多当今越来越具挑战的激光器应用中，持续要求每个脉冲携带高能量的较短脉冲。这些特征有希望对于激光器应用实现更好的控制和更大的操作速度。在这个领域的进展中，显著的一步是输出飞秒激光脉冲的激光系统的出现及成熟。这些飞秒激光器可以用于各种各样的应用，包括多种不同类型的眼科手术，在这些手术中，这些超短脉冲可以提供良好受控的组织修正
发明内容
本文献提供了用于构造并操作飞秒脉冲激光器的设计和技术，包括具有啁啾脉冲放大的激光系统的示例和实施方式，其中一些具有少量的光学元件，一些具有低的故障频率，其它的具有适当的小的物理空间，还有其它的可以允许在基本不重新调节系统的情况下改变重复率，并且一些降低了对热聚焦的敏感性。例如，激光引擎的一些示例包括振荡器，其产生并输出飞秒种子脉冲束；展宽器-压缩器，其展宽所述种子脉冲的持续时间；以及放大器，其从所述展宽器-压缩器接收经展宽的种子脉冲，放大所选择的经展宽的种子脉冲的幅度，以产生经放大的展宽脉冲，并且输出经放大的展宽脉冲的激光束，其中，所述展宽器-压缩器接收所述经放大的展宽脉冲的激光束，压缩所述经放大的展宽脉冲的持续时间，并输出脉冲持续时间少于1，000飞秒的飞秒脉冲的激光束，并且所述放大器包括色散补偿器，所述色散补偿器减少所述经放大的展宽脉冲的色散。在一些示例中，振荡器是二极管泵浦光纤振荡器，并输出变换受限的种子脉冲。在一些不例中，振荡器产生种子脉冲持续时间少于1，000飞秒的光束。在一些实施方式中，振荡器输出种子脉冲重复率在ΙΟ-ΙΟΟΜΗζ和20_50MHz中的一者的范围内的光束。在一些实施方式中，展宽器-压缩器包括啁啾体布拉格光栅。在一些实施方式中，展宽器-压缩器包括光热折射玻璃。在一些实施方式中，展宽器-压缩器将飞秒种子脉冲的持续时间展宽超过10倍。在一些实施方式中，展宽器-压缩器将飞秒种子脉冲的持续时间展宽至1，000-200, 000飞秒的展宽持续时间。在一些实施方式中，激光引擎不包含可调谐的展宽器-压缩器。在一些实施方式中，激光引擎包括偏振器以及所述振荡器和所述展宽器-压缩器之间的λ /4板，它将经展宽的种子脉冲束重定向到放大器。在一些实施方式中，激光引擎包括法拉弟隔离器，所述法拉弟隔离器从展宽器-压缩器接收经展宽的种子脉冲束，朝向放大器输出经展宽的种子脉冲束，从放大器接收经放大的展宽脉冲的激光束，朝向展宽器-压缩器的压缩器端口输出经放大的展宽脉冲的激光束，并且将振荡器与经放大的展宽脉冲的激光束隔离。在一些实施方式中，放大器包括光学元件，并且色散补偿器引入符号与放大器的光学元件引入的色散相反的色散。在一些实施方式中，由色散补偿器引入的色散与除色散补偿器外的放大器的光学元件在一次往返内引入的色散的幅度基本相等，并且符号相反。在一些实施方式中，色散补偿器包括啁啾反射镜、啁啾光纤、啁啾光栅、棱镜或啁啾透射光学元件中的至少一个。在一些实施方式中，放大器包括放大所选择的经展宽的种子脉冲的幅度的增益材料、限定共振腔的两个端面镜以及折叠放大器内的共振光学通路的两个折叠式反射镜，其中，所述两个端面镜和两个折叠式反射镜中的至少一个是啁啾反射镜。在一些实施方式中，啁啾反射镜在经放大的展宽脉冲中弓I入负色散。在一些实施方式中，激光引擎被配置为以第一重复率，并且随后用与激光引擎的所有光学兀件基本相同的布置、以不同的第二重复率输出光光束。在一些实施方式中，第一重复率和第二重复率落入10kHz-2MHz、50kHz_lMHz或100kHz-500kHz的范围中的一者内。
在一些实施方式中，当未改变的激光引擎针对第一重复率和第二重复率利用不同的光学元件的布置时，激光引擎可以被改变，以用与第一重复率基本相同的所有光学元件的布置，以第二重复率输出激光束。在一些实施方式中，放大器被配置为在保持放大器的光学布置不变的情况下，当改变重复率时，使放大器中的经放大的展宽脉冲的往返次数改变。在一些实施方式中，放大器具有少于I米的端面镜-端面镜的折叠式光学通路。在一些实施方式中，放大器是腔倒空再生放大器、啁啾脉冲放大器或Q切换放大器。在一些实施方式中，放大器在端面镜之间的光学通路中包括可切换的偏振器，它可以通过在可切换的偏振器调节经放大的展宽脉冲的偏振的调节偏振状态和可切换的偏振器基本不调节经放大的展宽脉冲的偏振的不调节偏振状态之间切换来选择经展宽的脉冲。在一些实施方式中，激光引擎可以包括高电压功率开关，所述高电压功率开关以少于5纳秒、4纳秒或3纳秒的上升时间控制可切换的偏振器从不调节偏振状态转换至调节偏振状态。在一些实施方式中，激光引擎在1-120秒、10-60秒和20_50秒中的一者之内将飞
秒脉冲的激光束的第一重复率变为第二重复率。在一些实施方式中，激光引擎在处于I μ s-ls范围的变化时间内将飞秒脉冲的激
光束的第一重复率变为第二重复率。在一些实施方式中，放大器包括至少一个聚焦镜和位于与聚焦镜的焦点接近之处的激光晶体。在一些实施方式中，激光引擎被配置为使得当激光引擎的重复率从第一值改变为第二值时(两个值的范围均为10kHz-2MHz)，那么所输出的激光束的直径的改变小于10%和20%中的一个，或者所输出的激光束的中心的移动小于光束直径的20%和40%中的一个。在一些实施方式中，激光束的飞秒脉冲的能量范围为1-100 μ J/脉冲、10-50 μ J/脉冲或20-30 μ J/脉冲中的一个。在一些实施方式中，激光引擎输出功率大于O. 1W、1W或IOW中的一个的激光束。在一些实施方式中，激光引擎是眼科手术系统的一部分。在一些实施方式中，用激光引擎产生激光束的方法包括以下步骤用振荡器产生持续时间少于1000飞秒的种子脉冲束；使用脉冲展宽器展宽所述种子脉冲的持续时间；使用放大器放大所选择的经展宽的种子脉冲的幅度，以产生经放大的展宽脉冲；使用脉冲压缩器将经放大的展宽脉冲的持续时间压缩至少于1，000飞秒；输出具有10kHz-2MHz范围内的第一重复率并且脉冲持续时间少于1，000飞秒的飞秒脉冲的激光束；在基本不改变激光引擎的光学布置的情况下，将所述重复率从第一重复率变为10kHz-2MHz范围内的第二重 复率，以及输出具有第二重复率并且脉冲持续时间少于1，000飞秒的飞秒脉冲的激光束。在一些实施方式中，放大的步骤包括在放大器中利用色散补偿器，以减少由放大器的光学组件弓I起的经放大的展宽脉冲的色散。在一些实施方式中，减少色散的步骤包括通过放大器中的至少一个啁啾反射镜引入补偿色散，其中，补偿色散与每次往返除色散补偿器之外的放大器的所有光学元件引入的色散幅度基本相等并且符号相反。在一些实施方式中，改变重复率的步骤包括在保持放大器的光学布置基本不变的同时改变放大器中往返的次数。在一些实施方式中，由同一个展宽器-压缩器执行展宽步骤和压缩步骤。在一些实施方式中，在已完成输出具有第一重复率的激光束之后，输出具有在1-120秒、10-60秒或20-50秒中的一者之内的第二重复率的激光束。在一些实施方式中，在处于1μ s-ls范围的变化时间内，将重复率从第一重复率
变为第二重复率。在一些实施方式中，激光引擎包括振荡器，其产生脉冲持续时间少于1000飞秒的脉冲光束；展宽器-压缩器，其展宽所述光束的脉冲的持续时间；以及放大器，其放大经展宽的光脉冲的幅度，以产生经放大的展宽脉冲，其中，所述展宽器-压缩器压缩经放大的展宽脉冲的持续时间，并输出激光脉冲的光束；并且激光引擎可操作用于输出具有处于10kHz-2MHz范围内的第一重复率的激光脉冲束，并且随后利用与激光引擎的所有光学元件基本相同的布置，输出具有处于10kHz-2MHz范围内的第二重复率的激光脉冲束，对于第一重复率和第二重复率，激光脉冲的持续时间少于1000飞秒。在一些实施方式中，放大器包括色散补偿器，所述色散补偿器至少部分地补偿由放大器的光学元件引入的色散。在一些实施方式中，放大器在放大器的端面镜之间包括可切换的偏振器，所述可切换的偏振器以少于5纳秒、4纳秒和3纳秒的上升时间，在可切换的偏振器调节经放大的展宽脉冲的偏振的状态和可切换的偏振器不调节经放大的展宽脉冲的偏振的状态之间切换。在一些实施方式中，放大器包括至少一个聚焦镜；以及位于所述聚焦镜的焦点附近的增益晶体。
在一些实施方式中，激光引擎在少于60秒、I秒和IOys中的一者的时间内，在第
一重复率和第二重复率之间切换。在一些实施方式中，激光引擎包括振荡器，其输出飞秒种子脉冲；展宽器，其展宽所述种子脉冲的持续时间；放大器，其将经展宽的种子脉冲放大成经放大的展宽脉冲，并且包括色散补偿器，用于补偿由放大器的光学元件引入的经放大的展宽脉冲的色散；以及压缩器，其接收经放大的展宽脉冲，压缩所述经放大的展宽脉冲的持续时间，并输出飞秒脉冲的激光束。在一些实施方式中，重复率可变的激光引擎包括Q切换腔倒空再生放大器，所述放大器包括两个端面镜，其中，所述激光引擎输出飞秒激光脉冲；并且端面镜之间的光学通路的长度小于2米。在一些实施方式中，端面镜之间的光学通路的长度小于I米。
在一些实施方式中，激光引擎包括振荡器，所述振荡器产生被传输至放大器的种子脉冲，其中，从在振荡器中产生种子脉冲的光子的点至激光引擎输出激光脉冲的点之间的总自由空间的光路长度小于500米、300米和150米中的一个。在一些实施方式中，放大器的腔的所有边缘尺寸小于I米或O. 5米中的一个，其中，所述放大器的腔容纳放大器的所有光学元件。在一些实施方式中，放大器的占地面积小于Im2或O. 5m2中的一个。在一些实施方式中，激光引擎包括展宽器-压缩器，所述展宽器-压缩器包括啁啾体布拉格光栅。在一些实施方式中，放大器包括色散补偿器，所述色散补偿器补偿由放大器的光学元件引入的色散。在一些实施方式中，放大器包括放大激光脉冲的幅度的激光晶体；以及折叠放大器内的共振光学通路的两个折叠式反射镜，其中两个端面镜和两个折叠式反射镜中的至少一个是啁啾反射镜。在一些实施方式中，激光引擎被配置为输出具有处于重复率范围内的第一重复率的激光束；并且随后用与激光引擎的所有光学元件基本相同的布置，输出具有处于该重复率范围内的第二重复率的激光束。在一些实施方式中，第一重复率和第二重复率落入10kHz-2MHz、50kHz-lMHz或100kHz-500kHz中的一者的范围内。在一些实施方式中，激光引擎被配置为使得在少于60秒、I秒和I μ s中的一者的
时间内，第一重复率可变为第二重复率。在一些实施方式中，放大器在端面镜之间包括可切换的偏振器，所述可切换的偏振器能够在少于5ns、4ns或3ns中的一者内，在可切换的偏振器调节经放大的脉冲的偏振的状态和可切换的偏振器基本不调节经放大的脉冲的偏振的状态之间切换。在一些实施方式中，放大器包括至少一个聚焦端面镜；以及位于与所述聚焦端面镜的焦点接近之处的激光晶体。在一些实施方式中，激光引擎包括振荡器，其产生并输出飞秒脉冲束；展宽器-压缩器，其展宽种子脉冲的持续时间；以及放大器，其从所述展宽器-压缩器接收经展宽的种子脉冲，放大所选择的经展宽的种子脉冲的幅度，以产生经放大的展宽脉冲，并且输出经放大的展宽脉冲的激光束；其中，所述展宽器-压缩器接收经放大的展宽脉冲的激光束，压缩经放大的展宽脉冲的持续时间，并且输出脉冲持续时间少于1，000飞秒的飞秒脉冲的激光束；其中，从在振荡器中产生种子脉冲的光子的点至激光弓I擎输出激光脉冲的点的光路长度小于500米。在一些实施方式中，光路的长度小于300米。在一些实施方式中，重复率可变的激光引擎包括振荡器，其产生并输出飞秒种子脉冲的光束；展宽器-压缩器，其展宽所述种子脉冲的持续时间；以及啁啾脉冲放大器，其放大所选择的经展宽的种子脉冲的幅度，以产生经放大的展宽脉冲，其中，所述放大器包括切换时间少于5ns的可切换的偏振器，所述展宽器-压缩器将经放大的展宽脉冲的持续时间压缩至飞秒值；并且所述激光引擎占据小于Im2的面积。在一些实施方式中，激光引擎是外科激光系统的一部分，所述外科激光系统在所述外科激光系统的顶部平台上具有成像系统和激光引擎。 在一些实施方式中，重复率可变的激光引擎包括振荡器，其产生并输出飞秒种子脉冲束；集成的展宽器-压缩器，其展宽所述种子脉冲的持续时间；以及Q切换腔倒空再生放大器，其放大所选择的经展宽的种子脉冲的幅度，以产生经放大的展宽脉冲；其中，所述展宽器-压缩器压缩经放大的展宽脉冲的持续时间，以输出飞秒激光脉冲，并且激光引擎的光学元件的数量少于75。在一些实施方式中，激光引擎的光学元件的数量少于50。在一些实施方式中，激光引擎的除振荡器外的部分中的光学元件的数量少于50。在一些实施方式中，激光引擎的除振荡器外的部分中的光学元件的数量少于35。在一些实施方式中，光学兀件是下列兀件之一反射镜、透镜、平行板、偏振器、隔离器、任何可切换的光学元件、折射元件、透射元件或反射元件。在一些实施方式中，光学元件使光进出空气。在一些实施方式中，集成的展宽器-压缩器包括啁啾体布拉格光栅。在一些实施方式中，放大器包括色散补偿器，所述色散补偿器补偿由放大器的光学元件引入的色散。在一些实施方式中，放大器包括限定共振腔的两个端面镜；以及折叠放大器内的共振光学通路的两个折叠式反射镜，其中，两个端面镜和两个折叠镜中的至少一个是啁啾反射镜。在一些实施方式中，激光引擎被配置为输出具有处于重复率范围内的第一重复率的激光束；并且随后用与激光引擎的所有光学元件基本相同的布置，输出具有处于该重复率范围内的第二重复率的激光束,其中，所述第一重复率和第二重复率在10kHz-2MHz、50kHz-lMHz 或 100kHz_500kHz 中的一者的范围内。在一些实施方式中，激光引擎被配置为使得在少于I秒的变化时间内所述第一重
复率可变为所述第二重复率。在一些实施方式中，放大器包括端面镜之间的可切换的偏振器，所述可切换的偏振器可以在少于5ns、4ns和3ns中的一者内在可切换的偏振器调节经放大的展宽脉冲的偏振的状态和可切换的偏振器基本不调节经放大的展宽脉冲的偏振的状态之间切换。在一些实施方式中，放大器包括至少一个聚焦镜；以及位于与所述聚焦镜的焦点接近之处的激光晶体。在一些实施方式中，激光引擎包括振荡器，其产生并输出飞秒种子脉冲束；展宽器-压缩器，其展宽所述种子脉冲的持续时间；以及放大器，其从所述展宽器-压缩器接收经展宽的种子脉冲，放大所选择的经展宽的种子脉冲的幅度，以产生经放大的展宽脉冲，并输出经放大的展宽脉冲；其中，所述展宽器-压缩器接收所述经放大的展宽脉冲，压缩所述经放大的展宽脉冲的持续时间，并输出脉冲持续时间少于1，000飞秒的飞秒脉冲的激光束；其中，所述激光引擎的除所述振荡器外的部分中的光学元件的数量少于50。在一些实施方式中，激光引擎的光学元件的数量少于75。在一些实施方式中，用激光系统扫描的方法包括以下步骤用激光引擎产生具有可变重复率的激光脉冲；用扫描激光传递系统将激光脉冲聚焦于目标区域中的聚焦点；用扫描激光传递系统在目标区域中以一定扫描速度扫描聚焦点；改变扫描速度；并且用重复率控制器根据改变后的扫描速度调节重复率。在一些实施方式中，产生的步骤包括通过振荡器产生飞秒种子脉冲；通过展宽器-压缩器展宽种子脉冲；通过放大器将所选择的经展宽的种子脉冲放大成经放大的展宽脉冲；以及通过展宽器-压缩器将经放大的展宽脉冲压缩成飞秒激光脉冲。在一些实施方式中，所述方法包括调节重复率，以大致将目标区域中的由激光产生的泡的密度维持在所选择的值左右。在一些实施方式中，泡的密度是线密度、面密度或体密度中的一者。在一些实施方式中，调节重复率的步骤包括与扫描速度成比例地调节重复率。在一些实施方式中，调节重复率的步骤包括在Iys-Is的时间范围内，将重复率从第一值调节为第二值。在一些实施方式中，扫描聚焦点的步骤包括沿着最小加速度路径扫描聚焦点。在一些实施方式中，所述方法包括沿着Z形转向路径XY扫描聚焦点；并且当接近路径的Z形转向部分时放慢重复率。在一些实施方式中，所述方法包括沿着螺旋形扫描激光束；并且当扫描接近螺旋形的中心时放慢重复率。在一些实施方式中，调节重复率包括由重复率控制器通过以下方式之一接收与改变后的扫描速度相关的信息感测改变的扫描速度，以及从处理器或存储器获得与改变后的扫描速度相关的电子信息，并根据接收到的与改变后的扫描速度相关的信息调节重复率。在一些实施方式中，重复率可变的激光扫描系统包括振荡器，其产生并输出飞秒种子脉冲束；展宽器-压缩器，其展宽所述种子脉冲持续的时间，从放大器接收经放大的展宽脉冲，压缩经放大的展宽脉冲的持续时间，并输出具有一重复率的飞秒脉冲的激光束；放大器，其从所述展宽器-压缩器接收经展宽的种子脉冲，放大所选择的经展宽的种子脉冲的幅度，以产生经放大的展宽脉冲，并向所述展宽器-压缩器输出经放大的展宽脉冲；以及扫描光学器件，其以可变的扫描速度扫描目标区域中的激光束的聚焦点，以产生光致破裂点；其中，所述激光扫描系统改变重复率，以产生具有预定密度分布的光致破裂点。在一些实施方式中，放大器包括色散补偿器，所述色散补偿器减少经放大的展宽脉冲的色散。
在一些实施方式中，放大器包括可切换的偏振器,所述可切换的偏振器旋转放大器中经展宽的脉冲的偏振平面，其中，可切换的偏振器的上升时间少于5ns、4ns或3ns中的
一者O在一些实施方式中，激光扫描系统包括控制电子元件，所述控制电子元件向可切换的偏振器施加控制信号，以致使可切换的偏振器以少于5ns、4ns和3ns中的一者的上升时间切换。在一些实施方式中，用激光引擎扫描的方法包括以下步骤产生具有一重复率的飞秒激光脉冲；将激光脉冲聚焦到目标区域中的聚焦点，以产生光致破裂点；以一扫描速度扫描目标区域中的聚焦点；并且在扫描期间调节重复率，以产生具有一密度分布的光致破裂点。在一些实施方式中，调节步骤包括产生光致破裂点，其中线点密度、面点密度和体点密度中的一个在目标区域中保持基本相等。 在一些实施方式中，调节步骤包括根据扫描速度的变化调节重复率。在一些实施方式中，调节步骤包括与扫描速度成比例地调节重复率。在一些实施方式中，调节重量重复率的步骤包括在Iys-Is的时间范围内，将重复率从第一值调节为第二值。在一些实施方式中，产生步骤包括通过振荡器产生飞秒种子脉冲；通过展宽器-压缩器展宽所述种子脉冲；通过放大器将所选择的经展宽的种子脉冲放大成经放大的展宽脉冲；以及通过展宽器-压缩器将经放大的展宽脉冲压缩成飞秒激光脉冲。在一些实施方式中，扫描聚焦点的步骤包括沿着最小加速度路径扫描聚焦点。在一些实施方式中，所述方法包括沿着Z形转向路径扫描聚焦点；并且当接近路径的Z形转向部分时放慢重复率。在一些实施方式中，所述方法包括沿着螺旋形扫描激光束；并且根据接近螺旋形的中心的扫描放慢重复率。在一些实施方式中，所述方法包括沿线的端部或线的转角中的一者扫描激光束；并且根据接近线的端部和线的转角中的一者的扫描放慢重复率。在一些实施方式中，所述方法包括接收存储或感测到的与扫描速度相关的信息，并且根据接收到的与扫描速度相关的信息，调节重复率。在一些实施方式中，所述方法包括接收感测到的或已成像的与目标区域相关的信息，并且根据接收到的与目标区域相关的信息，调节重复率。在一些实施方式中，激光引擎可以包括振荡器，其输出飞秒种子光学脉冲；以及放大器，其放大种子光学脉冲，以产生经放大的光学脉冲。这种放大器包括光学腔，其被耦合用于接收并循环种子光学脉冲；以及光学开关器件，其耦合至光学腔，用于控制将接收到的种子光学脉冲的光耦合入光学腔中，并且控制将光学腔内的光耦合出去，作为放大器的输出光。光学开关器件被配置为控制并调节耦合入光学腔内的光的往返次数，以控制并调节放大器产生的经放大的光学脉冲的脉冲重复率。该放大器还包括光学腔内的光学增益介质，其用于将种子光学脉冲放大成经放大的光学脉冲；以及光学腔内的色散补偿器，其用于补偿由放大器引起的经放大的光学脉冲的色散。激光引擎包括在放大器外部的一个或多个光学元件，以在将每个种子光学脉冲耦合入放大器中之前展宽所述种子光学脉冲的持续时间，并且压缩放大器输出的经放大的光学脉冲的持续时间，以产生经放大的光学脉冲。激光引擎可以被配置为不用在放大器外部设置色散补偿装置来补偿由放大器引入的经放大的光学脉冲的色散。在其它实施方式中，操作激光引擎以产生飞秒光学脉冲的方法可以包括展宽飞秒种子光学脉冲，以在每个脉冲中产生光功率降低的经展宽的种子光学脉冲；以及将经展宽的种子光学脉冲耦合入光学放大器的光学腔中，以放大每个经展宽的种子光学脉冲的光功率，从而产生经放大的展宽光学脉冲。在光学放大器的内部，光学补偿器用于为每个光学脉冲提供色散补偿，其中，所述光学补偿器被构造为引入与光在放大器的光学腔内往返一次由放大器引入的色散(由色散补偿器引起的色散除外)的符号相反并且幅度基本相等的色散。这种方法包括操作耦合至光学腔的光学开关器件，以控制经展宽的种子光学脉冲的光耦合入光学腔内，并且控制经放大的展宽光学脉冲的光耦合出光学腔；压缩来自光学腔的经放大的展宽光学脉冲的脉冲持续时间，以产生经压缩的放大光学脉冲作为激光引擎的输出；以及操作光学开关器件，以控制并调节光在光学腔内往返的次数，以在不使用位于放 大器外部的色散补偿装置的情况下，控制并调节经压缩的放大光学脉冲的脉冲重复率，从而补偿由放大器引起的色散。
图IA-B示出高功率飞秒激光引擎I的两个实施例。图2更详细地示出高功率飞秒激光引擎I的实施例。图3A示出啁啾激光脉冲的概念。图3B示出展宽器200’和压缩器400的示例。图3C示出集成的展宽器-压缩器200的实施方式。图4示出放大器300的实施例。图5A-B示出激光腔的泵浦-增益-倒空循环。图6A-D示出具有恒定重复率和可变重复率的扫描外科图案。图7A-B示出与放大器300中激光晶体310在两种不同温度下的热聚集相关的设计难点。图7C-D示出热聚焦减少的放大器300的两种实施方式。图8示出光束光功率作为操作温度的函数的相关性。
具体实施例方式在早期的飞秒激光器中，脉冲长度极短导致这些脉冲中的功率极高。然而，这种高功率恐怕会损坏激光器的增益介质。已经有了啁啾脉冲放大(CPA)形式的解决方案。在这种技术中，产生飞秒种子脉冲，接着通过将种子脉冲的长度展宽10-1000倍，到达皮秒范围，从而急剧降低脉冲内的功率。可以用增益介质安全地放大这些经展宽的脉冲而不造成损害。放大之后接着进行压缩，将经放大的脉冲长度压缩回到飞秒。当今已在众多应用中引入这种CPA方法。然而，CPA激光器也有缺点。通常，这些激光器具有大量的光学元件并且相应地十分复杂。这些因素使得故障频率非常高，并且减少了能够可靠开启和关闭激光器的次数。另夕卜，因为这些CPA激光器通常是在外科手术套房或手术室中受限制的空间中使用，所以CPA激光器非常大的尺寸致使将它们整合到医疗设备中非常困难。此外，如果不同的手术要求改变脉冲的重复率，则这种改变需要对大量的光学元件执行耗时的重新调节。另外，热聚焦对大多数CPA激光器的光学性能影响很大，使得它们对激光器的操作功率十分敏感。这种敏感性是重复率改变的另一障碍。可以实现在本文献中描述的构造和操作飞秒脉冲激光器的激光器设计和技术，以同时解决其它飞秒激光器中的各种技术问题。图IA示出啁啾脉冲放大(CPA)或者腔倒空再生放大器(⑶RA)激光引擎1，其包括振荡器100、展宽器-压缩器200和光学放大器300。振荡器100可以产生并输出飞秒种子脉冲的光束。展宽器-压缩器200可以展宽这些种子脉冲的持续时间。放大器300可以从展宽器-压缩器200接收经展宽的种子脉冲，放大经展宽的脉冲的幅度，并且输出经放大的展宽脉冲的激光束。可以将这些经放大的展 宽脉冲光学地耦合回展宽器-压缩器200中，展宽器-压缩器200可以压缩经放大的展宽脉冲的持续时间并输出飞秒脉冲的激光束。图IB示出另一个CPA激光引擎I’的示例，其中，处于光学振荡器100’和光学脉冲展宽器200’下游的光学放大器300’可以将经放大的展宽脉冲光学耦合至独立的压缩器400，压缩器400可以压缩经放大的展宽脉冲并输出飞秒脉冲的激光束。对激光引擎I和I’的描述包含许多控制功能和方法步骤。可以用一个或多个控制器、处理器和其它计算机控制器控制这些功能和步骤。这些控制器、处理器和计算机控制器可以利用高级软件，从而彼此进行交互。为了清楚地表述，本专利文献的图中删掉了这些处理器、控制器及其对应软件，但在一些实施方式中它们应当是对激光器发动器I和I’的描述的一部分。虽然将就诸如白内障手术、晶状体囊切开术或角膜手术之类的眼科应用描述本专利申请中的几个示例，但是激光引擎I的实施方式可用于相当广泛的应用范围，包括诸如视网膜和角膜外科手术的各种各样的眼科手术以及皮肤病和牙科的应用、不同的外科手术应用和各种材料加工应用，所述材料加工应用采用激光光致破裂或一些其它激光辅助处理将材料片成型。如上面指出的，一些啁啾脉冲放大CPA/⑶RA激光引擎有各种缺点。激光引擎I的实施例可以被配置为通过采用下面的设计原理及其它设计思想中的部分或全部来提供这些问题的解决方案(I)许多激光器具有大量的光学元件(比如上百个或更多)，使得它们的设计复杂并且造价昂贵。在这种背景下，激光引擎I的实施例可以具有少至共50个光学元件，并且在振荡器100外部不超过35个光学元件。(2)具有大量光学元件并且具有相应复杂性的激光器可以具有高故障频率。在一些CPA/⑶RA激光器中，在激光器“循环”(即，开启和关闭30-40次)后，出现故障的可能性可以变得非常高。这类系统可能需要在开关循环30-40次后或更频繁地进行定期维护，以预先解决在激光器常规操作期间出现的实际故障。在这个背景下，因为大大减少了光学元件的数量并且提出新的色散控制解决方案，所以激光引擎I的实施例可以在常规操作的预期下循环100次、120次或更多次，从而大大降低了所需的维修频率并提高了总体可靠性。(3)如下面所描述的，一些CPA/⑶RA激光器占用的物理空间大并且相应地往返持续时间长，这意味着充电的时间长，从而限制了其重复率以及它们用于空间受限的外科设备中的用途。在这个背景下，激光引擎I的实施例可以具有小型共振腔，在一些实施例中，所述共振腔可以具有小于I米的端面镜-端面镜的光学通路，并且在其它实施例中，它具有小于2米的端面镜-端面镜的光学通路。这种小型化也是引起激光引擎I具有高重复率的因素，所述重复率可能高达300kHz、500kHz或者甚至1，OOOkHz0尽管这些激光器具有高重复率，但上述的小型化可以意味着从产生光子的点至退出点测量得到的并包括腔内所有往返的整个光学通路低至150米。(4) 一些CPA/⑶RA激光器可以被精细调谐，以在特定重复率下进行操作。这种调谐可以涉及用压缩器200/400以特定重复率补偿展宽器200和放大器300的色散。然而， 如果应用需要改变重复率，则展宽器和放大器在这个新的重复率下引起不同的色散，从而打乱了 CPA/CDRA激光器的经精细调谐的色散补偿。为了补偿这种改变的色散，通常，需要以费时的工序重新调节展宽器200和压缩器200/400的光学元件。这种重新调节使得在眼科外科手术的时间量程上改变这些CPA/CDRA激光器的重复率在技术上是棘手的。因此，大多数商用眼科CPA激光器不提供可变重复率的功能，并且不提供在外科手术期间可改变的重复率。在这个背景下，激光引擎I的实施例可以包括能够降低或者甚至最小化由放大器300引起的激光束的色散的色散控制器或色散补偿器。这种色散的最小化使得能够改变重复率，而对激光引擎I的光学元件不进行耗时的重新调节。因此，包括色散控制器使得可以在对时间敏感的外科手术期间改变重复率。一个示例是使用第一重复率完成白内障手术并且使用第二重复率完成晶状体囊切开术或角膜手术。如众所周知的，在这些手术中，时间因素是十分关键的。(5)在某些情况下，在外科手术内，当激光束具有固定的重复率时，使用切割图案放置密度不均匀的激光点。示例包括在光栅或扫描图案的拐点或者在变窄或变宽的螺旋形的周围减慢扫描速度。在这个背景下，激光引擎I的实施例可以被配置为具有基本连续可调节的重复率，并且与改变扫描速度接近同步地调节重复率以补偿扫描速度的变化，使得激光点的形成具有接近恒定的密度或具有预定的密度分布。(6)另外，热聚焦对一些CPA/⑶RA激光器的光学性能产生负面影响，并且使得它们对激光束的功率和重复率的变化具有不期望的敏感性。在这个背景下，激光引擎I的实施例可利用热聚焦补偿技术，使得这些实施例对所应用的激光束的功率和重复率的变化相当不敏感。图2详细地示出激光引擎I的具体实施方式
。振荡器100可以是各种各样的光源，这些光源可以产生并输出激光引擎I的种子脉冲。示例包括二极管泵浦光纤振荡器。振荡器可以包括单个二极管，例如，在808nm波长下操作的GaAs 二极管，或大范围的各种其它二极管。光纤振荡器比基于自由空间光束传播的振荡器小得多。在外科手术应用中，操作场所的拥挤度是急需解决的限制，因此减小激光引擎的空间尺度是值得高度珍视的设计特征。 在一些示例中，振荡器输出高质量的种子脉冲。众多因素可能引起如接下来详细描述的高脉冲质量。(i)在一些实施例中，二极管可以包括频率稳定杆，如，二极管内的体布拉格(Bragg)光栅。这种光栅可以提供具有低噪声和高脉冲-脉冲稳定性的脉冲。可以用掺Nd或Yb的玻璃形成光纤。(ii)振荡器100可以包括半导体可饱和吸收镜或SESAM。利用一个或多个SESAM改善了所产生的脉冲内的模式的相干性，从而得到基本上模式锁定操作。具有上述设计原理的振荡器可以输出基本上变换受限的种子脉冲，例如，具有高斯形状的脉冲。在一些示例中，也可以产生平顶脉冲。脉冲的持续时间可以少于1，000飞秒(fs)。在一些实施方式中，脉冲持续时间可以在50-1,000飞秒的范围内，在一些其它实 施例中，脉冲持续时间可以在100-500飞秒的范围内。种子脉冲的频率(或重复率)可以在IO-IOOMHz的范围内，在其它实施例中，种子脉冲的频率(或重复率)可以在20_50MHz的范围内。但是，将种子脉冲频率降低到10或20MHz以下会带来一系列设计困难。因为这个原因，大多数振荡器以超过20MHz的频率操作。种子脉冲束的功率可以在IO-IOOOmW的范围内，在其它实施例中，种子脉冲束的功率可以在100-200mW的范围内。从许多时序方面考虑，可以将振荡器100用作主时钟。展宽器-压缩器200可以通过对脉冲的不同的频率分量引入不同的延迟时间来展宽种子脉冲。总之，展宽器-压缩器可以弓I入色散或啁啾。图3A详细地示出这种啁啾。展宽器-压缩器200可以接收大部分脉冲持续时间内频率分量(或频谱)大致一致(或“白”)的短脉冲。换句话说，在脉冲开始时不同频率分量的幅度接近平均并且在脉冲持续期间保持这种状态。展宽器-压缩器200可以通过针对这种“白”脉冲的红、绿和蓝分量引入不同的延迟时间来展宽脉冲长度。因此，展宽器-压缩器200所输出的脉冲的频率分量或频谱可能变得与时间有关。根据通常的惯例，其中红光频率占优势的前沿部分而蓝光频率占优势的后沿部分的脉冲被称为具有正色散或啁啾。本描述是指时域上的啁嗽，即，是指闻频分量和低频分量的相对延迟。空间啁嗽(即，光束内高频分量和低频分量在空间上的分离)引起各种额外设计困难，并且不在展宽器200’或展宽器-压缩器200的所期望的功能之中。展宽器-压缩器200或展宽器200’可以通过增强脉冲的前沿部分中的红光成分并且增强脉冲的后沿部分中的蓝光成分，将正啁啾引入初始为白的种子脉冲。类似地，也可以由展宽器-压缩器200或展宽器200’啁啾非白脉冲。展宽器-压缩器200可以将飞秒种子脉冲的持续时间从50-1，000飞秒的范围展宽至1，000-200，000飞秒，或1-200皮秒或者甚至高达500ps的经展宽的持续时间。展宽器-压缩器200可以将飞秒种子脉冲的持续时间展宽大于10的倍数。在一些情况下，展宽倍数可以大于102、103、104或105。这些展宽倍数中的每个引入放大器300的不同设计标准。图3B示出图IB所示类型的激光引擎I’可以利用展宽器200’和独立的压缩器400。展宽器200’可以包括第一光栅201、透镜202、第二光栅203和反射镜204。当短脉冲211进入展宽器200’时，第一光栅201可以将不同的频率分量折射到不同方向。在退出第一光栅201后，发散的光线可以传播至透镜202，并且重新导向到第二光栅203。一些实施例可以使用两个透镜替代透镜202。因为第二光栅203使得与第一光栅201成一定的角度并且不同频率的光线在分散方向上传播，所以不同的频率分量行进不同的距离，从而需要不同的时间来完成。例如，在图3B的展宽器200’中，具有蓝光谱区域中的频率的分量比红光区域中的分量行进更长的距离，从而获得相对于入射短脉冲的红光分量的延迟。这里以及整个文献中，以示例性且相对的方式使用术语“蓝”和“红”。它们分别是指具有较短和较长的波长的脉冲频谱的分量。在具体实施方式
中，激光平均波长可以为lOOO-llOOnm，并且脉冲的带宽可以在2-50nm的范围内，在一些情况下，脉冲的带宽可以在5_20nm的范围内。在这个示例中，脉冲的整个频谱在红外区域中。在这个示例中，术语“蓝”和“红”分别是指红外光谱的脉冲的带宽内具有较短和较长的波长的部分。第二光栅203的功能包括啁啾的部分控制，即，蓝光分量相对于红光分量的延迟以及将光束恢复至基本平行的光束，以使得其适于由反射镜204反射。反射镜204反射频 率分离的平行光线，它们接着通过第二光栅203、透镜202和第一光栅201折回其光路。到脉冲退出第一光栅201的时候，脉冲的蓝光分量经过长很多的距离，并且因此落后于红光分量。这种延迟对所输出的脉冲至少有三个方面的影响(i)脉冲长度变得长得多，(ii)不同频率分量的幅度在时间上相对彼此偏移，将红光分量偏移至脉冲的前沿并且将蓝光分量偏移至后沿，或者反之亦然，(iii)脉冲的总能量在更长的脉冲长度上分布，从而降低了所输出的脉冲的光功率。在一些情况下，可以将脉冲持续时间展宽100、1000甚至更多的倍数，相应地功率可以减少100、1000甚至更多的倍数。总之，展宽器-压缩器200或展宽器200’可以展宽脉冲，引入正啁啾，从而基本降低脉冲的功率。如之前所描述的，减少脉冲的峰值功率对CPA/CDRA激光器来说是有利的方面，因为随后的放大器300的腔光学元件没有暴露于过高功率的脉冲，并且因此避免受到光束的损害。图3B还示出压缩器400的示例，压缩器400可以包括第三光栅205、第四光栅207和反射镜208。一些示例在这些光栅之间没有透镜，而其它示例可以有一个或两个透镜。第三光栅205再次以与展宽器200’的第一光栅201类似的方式将脉冲频谱的不同分量导向不同方向。第四光栅207再次通过其取向部分地控制蓝光分量和红光分量的相对延迟，这与第二光栅203类似。然而，因为第四光栅207现在的取向与第二光栅203相反，所以蓝光分量的光学通路现在较短，引起负啁啾。这种负色散使得展宽脉冲的蓝光分量追上红光分量，从而将经放大的展宽脉冲的总体持续时间从数百皮秒缩短至数百飞秒。具有单独的展宽器200’和压缩器400的设计是图IB的激光引擎I’的实施例。图3B还示出具有单独的展宽器200’和压缩器400的图IB的设计的两个敏感方面。(i)首先，展宽器200’、放大器300和压缩器400需要彼此精细调节，使得压缩器400可以高精度地取消由展宽器200’导致的展宽以及接着取消由放大器300导致的色散。因此，设置透镜202的位置和第一至第四光栅201-207的取向可能需要特别高的精度，以补偿经放大的展宽脉冲的色散，并且将它们压缩回飞秒脉冲。当然，高精度的调节对扰动十分敏感温度、往返次数和机械强度的小的变化可以破坏调节精度，需要维持并重新校准具有图IB的构造的激光引擎I’。(ii)在一些复杂或多步骤的工序中，可能期望改变重复率。然而，这种重复率的改变通常伴随着往返次数的变化，以优化所输出的脉冲。反过来，往返次数的变化通常导致热聚焦的变化以及由放大器300引起的复合色散的变化。因此，重复率和往返次数的变化可能打乱对展宽、色散和压缩的平衡的仔细校准。为了对抗这些变化，如图3B的箭头所示，激光引擎I’的一些实施方式可能通过改变透镜202的位置、改变光栅201、203、205和207中某些的位置或取向、改变反射镜204和208的位置或通过移动一个或多个反射镜改变光束接触透镜202的位置，进行重新校准。不用说，这些改变通常需要小心并且经常反复进行机械调节和精度校准，所有这些都是耗时的干预。 重新校准的缓慢可能在期望脉冲重复率及时变化的应用中引起问题。这在时间是关键因素的应用中尤其是要禁止的，例如，在眼科手术应用期间，在这种手术中，病人控制眼睛移动的能力低至90秒。因为所有这些原因，大多数激光引擎不提供可变重复率的功倉泛。另外，因为在激光引擎I’中，展宽器200’与压缩器400是分离的，并且它们均包括多个光栅和透镜，所以图IB中的类型的激光引擎I’的展宽器和压缩器的空间尺度通常在空间上过大。为了减少展宽器200’和压缩器400的空间占地面积，并且为了减少校准时间，在激光引擎I’的一些实施方式中，展宽器200’和压缩器400可以共用一个或多个光学元件。在某些情况下，它们可以共用光栅，比如，第一光栅201和第三光栅205可以是相同的。在一些多重叠示例中，展宽器200’的两个光栅可以是相同的物理光栅，透镜和反射镜将光束在不同的经过期间从不同的方向引导到同一光栅上。在一些多重叠示例中，展宽器200的两个光栅和压缩器400的两个光栅的所有功能都可以由单个共用光栅执行。图3C示出图IA的实施例的展宽器-压缩器200的示例，它提供了对这些困难的鲁棒的解决方案。图3C的展宽器-压缩器200整合展宽和压缩功能，因此可以将它应用于图IA的激光引擎I的实施例中。如在图3C的示例中实现的这个展宽器-压缩器200是啁啾体布拉格光栅(CVBG)。这个CVGB可以是多层的堆叠(例如，在光热折射(PTR)玻璃中)，这些层具有合适的折射率以及随着这些层的位置而变化的光栅周期(grating period)。在这种设计中，对于脉冲的不同频谱分量，布拉格共振条件出现在不同的位置。因此，不同的频谱分量可在不同的位置被反射，从而在脉冲内获得不同的时间延迟。如图3C中的示例示出的，当短“白”脉冲211进入展宽器-压缩器200时，红光频率分量从具有较宽的层间间隔或光栅周期的近区发生折射，因为它们的波长较长并且在这些近区满足布拉格反射条件。相比之下，具有更短波长的蓝光频率分量从光栅的较远区域返回。因为蓝光分量经过更长的光路，所以它们获得相对于红光分量的延迟。因此，通过这个CVBG展宽器-压缩器200将输入的短白脉冲211展宽成更长的展宽脉冲212。在特定示例中，因为蓝光分量相对于红光分量延迟，所以展宽脉冲212引起正啁啾。其它实施方式可以具有产生负啁啾的CVBG，从而相对于蓝光频率分量延迟红光频谱分量。
这个CVBG展宽器-压缩器200也可以高精度地压缩经放大的展宽脉冲213而不进行任何不便的精细调节，因为展宽脉冲在由放大器300放大后被从相对端或压缩器端口入射到同一 CVBG展宽器-压缩器200。当展宽脉冲从相对端进入CVBG展宽器-压缩器200时，它的红光分量延迟的程度与在展宽步骤期间蓝光分量被延迟的程度相同，从而恢复脉冲的原始短长度。因此，这个展宽器-压缩器200可以非常有效地补偿展宽期间引入的色散，并输出正确地压缩的放大脉冲214。与具有独立的展宽器200’和压缩器400的激光引擎I’的特定方面比较，(i)激光引擎I对移动光学元件的精确对准不是十分敏感，因为它没有独立的展宽器200’和压缩器400，从而对机械扰动或操作温度的变化表现出显著的鲁棒性，以及(ii)因为如与等式
(I)- (2)和图5A-B相关地进一步说明的，放大器300的新设计没有引入与往返次数相关的额外色散，所以当重复率改变时，激光引擎I不需要敏感地重新校准并重新对准其光学元件并进行布置。这些属性使得能够将激光引擎I应用在重复率快速或及时变化很重要的应用中。 在其它与上述不同的设计中，放大器300可能引入额外色散。在这些设计中，可以为展宽器-压缩器200的集成构造可以附加重新调节功能，因为压缩器不仅必须压缩展宽器的色散，而且必须压缩放大器300的额外色散。这个增加的任务可能需要实现与压缩器功能相关的可调节块。返回图2，激光引擎I还可以包括有效的偏振分束器150。分束器150可以在振荡器100和展宽器-压缩器200之间包括偏振器和λ/4板。在其它实施例中，分束器150可以是薄膜偏振器。这种组合150可以使得种子脉冲通过，从振荡器100到达展宽器-压缩器200，但是将展宽脉冲从展宽器-压缩器200重新引导回到放大器300，因为λ /4板在两次经过后将脉冲光束的偏振平面旋转90度。偏振器在对种子脉冲的偏振方向具有透射性的同时，对于在第二次穿过λ/4板后的展宽脉冲的旋转了 90度的偏振平面具有反射性。在一些实施例中，激光引擎I可以在分束器150和放大器300之间的光学通路上包括法拉弟隔离器(Faraday isolator)500。法拉弟隔离器500的功能可以包括将振荡器100与经放大的光束隔离，以防止激光束的高功率损坏振荡器100。这种法拉弟隔离器500可以从分束器150接收经展宽的种子脉冲，将经展宽的种子脉冲向着放大器300传输，从放大器300接收经放大的展宽脉冲的激光束，并且通过偏振器550和560向着展宽器-压缩器200输出经放大的展宽脉冲的激光束。法拉弟隔离器500可用于其中放大器300通过与其接收脉冲相同的光路来输出经放大的脉冲的实施例中，这是因为，由于经放大的脉冲通常具有比种子脉冲大数百倍或者甚至数千倍的功率或强度，因此简单的重定向光学器件对于隔离功能来说可能很不足够。即使简单的重定向光学器件只让这些经放大的脉冲的一部分通过，所透射的脉冲依然可以具有足以损坏振荡器100的强度。在一些实施例中，法拉弟隔离器500可以被配置为让少于来自于放大器300的激光束的1/10，000的部分通过，朝向振荡器100。可以根据衰减获得相同的隔离功能法拉弟隔离器可以将经放大的激光束衰减例如40dB，或者在一些实施方式中，将其衰减50dB。法拉弟隔离器或偏振相关的隔离器可以包括三个部分垂直偏振的输入偏振器、法拉弟旋转器和以45度偏振的输出偏振器或检偏器(analyzer)。
输入偏振器将在向前方向上行进的光变成例如垂直地偏振，前提是所述光还没有在该方向上偏振。(这里，偏振平面是指电场向量所处的平面。另外，“垂直”仅创建常规或参考平面。在各种实施例中，实际的偏振平面可以取向于其它特定方向。)法拉弟旋转器以大约45度旋转光束的偏振平面，从而将它与检偏器的偏振平面对准，接着检偏器在不另外旋转偏振平面的情况下透射光。在反向方向上行进的光(如，从放大器300返回的经放大的脉冲)在退出检偏器之后，变成相对于参考垂直平面以45度偏振。法拉弟旋转器再次将偏振旋转大约45度。因此，由法拉弟旋转器朝向输入偏振器输出的光被水平偏振。因为输入偏振器垂直偏振，所以水平偏振的光将被输入偏振器接近完美地反射，而不是将其透射至振荡器100。因此，法拉弟隔离器500可以高效地保护振荡器100，使其不受高能量的经放大的激光脉冲影响。法拉弟旋转器通常通过产生指向光轴方向的磁场实现其功能。一些法拉弟旋转器包括永磁体，以实现此功能。法拉弟旋转器中使用的光学材料通常具有高的维尔德(Verdet)常数、低吸收系 数、低非线性折射率和高损坏阈值。另外，为了防止自聚焦和其它与热相关的效应，光通路通常短。700-1100纳米范围内的两种最常用的材料是掺铽的硼硅酸盐玻璃的和铽镓石榴石晶体(TGG)。其中放大器300不借助与脉冲进入时相同的光学通路输出经放大的脉冲的激光引擎I或I’的实施例可以不需要采用法拉弟隔离器500。图2和4示出从法拉弟隔离器500透射的光可以进入放大器300。放大器300可以包括激光晶体或增益介质，以放大在端面镜321和322之间往返的经展宽的种子脉冲。一些放大器300可以包括折叠式光学通路(或“z形腔”)，用折叠式反射镜重新引导激光器光束，以减小共振腔的空间尺度。图4中的放大器300具有4个反射镜限定共振腔的两个端面镜321和322以及两个折叠式反射镜323和324。在一些示例中，光学通路可以甚至自身折叠起来，呈现十字形图案。虽然利用更多折叠式反射镜可以通过将光学通路折叠成更紧凑的空间来甚至进一步减小放大器300的尺寸，但是额外的反射镜增加了增加误对准和提高价格的可能性。除了激光晶体310和反射镜321-324外，放大器300可以包括可切换的偏振器330以及薄膜偏振器340，所述可切换的偏振器330控制质量因子Q，进而控制放大器300的放大功能，所述薄膜偏振器340用作腔内脉冲的输入/输出端口。薄膜偏振器340是选择性偏振装置的特定示例，其以第一预定偏振反射光，同时以与第一预定偏振正交的第二偏振透射光。可切换的偏振器330可以是在当它不旋转经过它的光的偏振时的第一操作状态和当它响应于向其施加的控制信号而旋转光的偏振的第二操作状态之间进行切换的偏振装置。薄膜偏振器340和可切换的偏振器330的组合可用于控制来自法拉弟旋转器500的脉冲何时耦合进放大器300，以及在放大器300内放大的脉冲何时从放大器耦合出，如下面所解释的。图4中这种薄膜偏振器340和可切换的偏振器330的组合是用于放大器300的共振腔的光学开关的示例。也可以将其它设计用于这种光学开关。下面更详细地描述放大器300的操作和结构。具体地讲，将显示重复率的变化通常伴随着经放大的脉冲在端面镜321和322之间往返次数的变化。刚刚描述的光学开关的功能是通过控制何时将脉冲耦合进或耦合出共振腔来控制这些往返的次数。放大器300中的光学元件可以在这些往返的每次往返期间引入一定量的色散。因此，通过与改变重复率相关地改变放大器300中往返的次数，改变了由放大器300输出的经放大的脉冲的累积色散。即使调节压缩器400来补偿特定往返次数的色散，随着往返次数的变化而引起的色散变化使得图IB的激光引擎I’的展宽器200’、放大器300和压缩器400的展宽、色散放大和压缩的敏感性平衡被打乱，从而需要漫长的重新校准。当往返的次数变化时，甚至具有图IA中的集成的展宽器-压缩器200的激光引擎I的更创新构造也可能需要使用供调节的补偿元件。这个方面限制了这些激光引擎的用途。为了拓宽它们的用途，一些激光引擎可以包括色散控制器或补偿器作为放大器300的一部分。色散控制器的功能是在往返期间引入与放大器300的光学元件引入的色散相反并且大致相等的色散。作为这个色散补偿或控制的结果，在放大器300的共振腔中，在 往返期间，脉冲获得极少的色散或没有色散。因此，通过改变往返的次数，将经放大的脉冲的色散改变至仅很小的程度或者根本没有。因此，可以在基本不调节、重新对准或校准压缩器400或展宽器-压缩器200的光学布置的情况下改变激光脉冲的重复率，因为在往返期间没有累积要补偿的色散。因此，可以在图IB的激光引擎I’中实现色散受控的放大器300，使压缩器400不用在重复率改变后执行耗时的重新对准任务。此外，这个色散受控的放大器300使得能够在没有可调节补偿功能的情况下，在图IA的激光引擎I中使用集成的展宽器-压缩器200。例如，如果激光晶体310在激光脉冲在共振腔内往返期间引入正色散，则色散控制器可以引入幅度与经放大的展宽脉冲的幅度相同的负色散，以抑制、最小化或消除激光脉冲的色散。将色散定量的可用手段是“群延迟色散”或⑶D，其通常被定义为
λ3Λ(λ)(rOlJ 一 —...............................;......................L
C d/C⑴其中，λ是光的波长，c是光速，η( λ)是与波长相关的折射率并且L是腔中光学通路的长度。可以例如通过测量或根据设计进行推导，确定光学元件310、330和340、反射镜321-324以及任何其它可能在放大器300中出现的光学元件的⑶D。利用⑶D的相关知识，可以在腔中实现色散控制器，其GDD是与所确定的放大器300的光学元件的GDD大致相等且相反的值。如此设计的腔在脉冲的往返期间产生极少的色散或不产生色散，从而消除了所述问题并且拓宽了激光引擎I或I’的用途。在示例性示例中，在典型的CPA激光引擎I’中，可以通过展宽器200’将500飞秒的种子脉冲展宽200皮秒，达到200. 5皮秒的展脉冲长度。可以调节并校准对应的压缩器400，以将展宽脉冲向回压缩200ps，从而得到理想的大约500fs的经压缩的脉冲长度。由于存在不完美的因素，在实际情况中，经压缩的脉冲长度可能落在500-800fs的范围内。然而，在经展宽的脉冲在放大器300的共振腔中往返期间，经展宽的脉冲的长度可能由于放大器300的各种光学元件的色散(用腔的GDD表示)得到增强。典型的GDD值可以在数百fs2至数十万fs2内变化。在一些情况下，⑶D可以在5，000fs2-20, OOOfs2的范围内。因为通常展宽器200和补偿器400消除了彼此对脉冲长度的影响，所以由激光引擎I输出的脉冲的长度At(out)与振荡器100产生的种子脉冲的长度At(seed)和GDD相关，满足下面的关系
权利要求
1.一种可变的重复率的激光引擎，包括 振荡器，其产生并输出飞秒种子脉冲束； 集成的展宽器-压缩器，其展宽所述种子脉冲的持续时间；以及Q切换腔倒空再生放大器，其放大所选择的经展宽的种子脉冲的幅度，以产生经放大的展宽脉冲；其中 所述展宽器-压缩器压缩所述经放大的展宽脉冲的持续时间，以便输出飞秒激光脉冲；以及 所述激光引擎的光学元件的数量少于75。
2.根据权利要求I所述的激光引擎，其中 所述激光引擎的光学元件的数量少于50。
3.根据权利要求I所述的激光引擎，其中 所述激光引擎的除所述振荡器之外的部分中的光学元件的数量少于50。
4.根据权利要求I所述的激光引擎，其中 所述激光引擎的除所述振荡器之外的部分中的光学元件的数量少于35。
5.根据权利要求I所述的激光引擎，其中，光学元件是下列之一 反射镜、透镜、平行板、偏振器、隔离器、任何可切换的光学元件、折射元件、透射元件或反射元件。
6.根据权利要求I所述的激光引擎，其中 所述光学元件使得光从空气进入该光学元件并且退出该光学元件而进出空气。
7.根据权利要求I所述的激光引擎，所述集成的展宽器-压缩器包括 啁啾体布拉格光栅。
8.根据权利要求I所述的激光引擎，所述放大器包括 色散补偿器，其补偿由所述放大器的光学元件引起的色散。
9.根据权利要求I所述激光引擎，所述放大器包括 两个端面镜，其限定共振腔；以及 两个折叠式反射镜，其折叠所述放大器内的共振光学通路，其中，所述两个端面镜和所述两个折叠式反射镜中的至少一个是啁啾反射镜。
10.根据权利要求I所述激光引擎,其中 所述激光引擎被配置为以第一重复率输出激光束；并且 随后用与所述激光引擎的所有光学元件的布置基本相同的布置，以第二重复率输出激光束，其中 所述第一重复率和所述第二重复率在10kHz-2MHz、50kHz-lMHz或100kHz_500kHz中的一者的范围内。
11.根据权利要求10所述的激光引擎,其中 所述激光引擎被配置为使得所述第一重复率能够在少于I秒的变化时间内变成所述第二重复率。
12.根据权利要求I所述的激光引擎，所述放大器包括 在所述端面镜之间的可切换的偏振器，所述可切换的偏振器能够在少于5ns、4ns和3ns中的一者内在以下状态之间切换所述可切换的偏振器调节所述经放大的展宽脉冲的偏振的状态；以及所述可切换的偏振器基本不调节所述经放大的展宽脉冲的偏振的状态。
13.根据权利要求I所述的激光引擎，所述放大器包括至少一个聚焦镜；以及激光晶体，其位于极其接近所述聚焦镜的焦点的位置。
14.一种激光引擎，包括振荡器，其产生并输出飞秒种子脉冲束；展宽器-压缩器，其展宽所述种子脉冲的持续时间；以及放大器，其从所述展宽器-压缩器接收经展宽的种子脉冲，放大所选择的经展宽的种子脉冲的幅度，以产生经放大的展宽脉冲，以及输出所述经放大的展宽脉冲；其中，所述展宽器-压缩器接收所述经放大的展宽脉冲，压缩所述经放大的展宽脉冲的持续时间，以及输出脉冲持续时间少于1，OOO飞秒的的飞秒脉冲的激光束；其中，所述激光引擎中除振荡器之外的部分中的光学元件的数量少于50。
15.根据权利要求14所述的激光引擎，其中所述激光引擎中的光学元件的数量少于75。
全文摘要
本发明提供了用于构造并操作飞秒脉冲激光器的设计和技术。激光引擎的一个示例包括振荡器，其产生并输出飞秒种子脉冲束；展宽器-压缩器，其展宽所述种子脉冲的持续时间，以及放大器，其接收经展宽的种子脉冲，放大所选择的经展宽的种子脉冲的幅度以产生经放大的展宽脉冲，并将所述经放大的展宽脉冲的激光束输出回所述展宽器-压缩器，所述展宽器-压缩器压缩脉冲的持续时间并输出飞秒脉冲的激光束。所述放大器包括色散控制器，所述色散控制器补偿经放大的展宽脉冲的色散，使得在手术之间或根据扫描速度能调节激光的重复率。所述激光引擎可以是紧凑的，总光路小于500米，并且具有少量的光学元件，例如，少于50个。
文档编号H01S3/02GK102844941SQ201180010844
公开日2012年12月26日 申请日期2011年2月24日 优先权日2010年2月24日
发明者M·卡瓦维蒂斯 申请人:爱尔康手术激光股份有限公司
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