具体实施方式

根据某些示例性实施方式，本文公开了可调谐Q切换激光器。

在详细说明本发明的至少一个实施方式之前，应当理解的是，本发明在其应用方面并不局限于以下说明书中阐述的细节或其实施例所示出的细节。本发明能够具有其他实施方式或者能够通过多种方式实践或执行。

本文公开了一种激光器系统，例如，生成具有在微米范围内的波长的光的激光器。在一些实施方式中，激光器是可用于例如手术、军事应用、材料加工、光学通信、光探测和测距(LIDAR)等多种应用的脉冲激光器。

可选地，该系统能够生成脉冲能量在mJ范围内的高能量脉冲。

在一些实施方式中，该系统还可包括至少一个标准具(还被称为：“标准具板”)。可选地，标准具允许调整激光的光谱带宽。可选地，标准具允许调整发射光的波长的可调谐性(例如，自由光谱范围)。

可选地，标准具可以是具有理想反射率的光学器件。可选地，标准具可包括钇铝石榴石(YAG)。可选地，通过在一个表面或两个表面上沉积电介质多层薄膜来改进标准具。可选地，激光的光谱带宽可以通过标准具的反射率、厚度或折射率来调整，例如，通过限制激光通过标准具时的透射波长频带。

可选地，可以使用具有不同厚度的标准具来调整光谱带宽并且提供光谱范围的可调谐性。可选地，可以通过调整标准具的厚度来改变激光的光谱带宽和/或光谱范围可调谐性。

可选地，通过“至少一个标准具”是指至少两个标准具板。可选地，该系统包括一对标准具板。

现在参考图1，图1示出了根据本主题的某些示例性实施方式的示例性激光器系统的示意性示图。图2和图11示出了根据本主题的一些示例性实施方式的另一示例性激光器系统。根据本发明的一个方面，提供了一种激光器系统100。激光器系统100可包括泵浦源(例如，泵浦二极管)110。泵浦源可在增益介质内生成粒子数反转，从而导致自发发射。

泵浦源的非限制性示例性元件是：连续灯、闪光灯和激光器。

泵浦二极管110可以例如通过一个或多个光学元件(例如，透镜120)光学耦合至光纤115，以生成激光器的增益。泵浦二极管110可以在连续波模式或准连续波模式下操作。

泵浦二极管110可以被调谐为提供具有与如下所述的从增益介质的基态至上激发态的转变对应的对应吸收波长相匹配的波长的光束。存在本领域公知的各种泵浦方案和泵浦配置，它们中的一些可以应用于本公开的应用。泵浦二极管110可包括直接泵浦，泵浦二极管可以输送到光纤115中。可选地，泵浦二极管110配置可包括侧泵浦和端泵浦。

激光器系统100可包括增益介质135。增益介质135可定位在激光器腔127内。非限制性的示例性增益介质135选自掺杂有稀土元素的材料(也被称为“激光器晶体”)。可选地，该材料包括选自但不限于钇铝石榴石Y₃Al₅O₁₂(“YAG”)、钇氟化锂(“YLF”)、锂氟化铝(LiLuF)和钇铝钙钛矿YAlO₃(“YAP”)的基质晶体。可选地，该基质晶体掺杂有稀土元素。非限制性的示例性稀有元素选自铬(Cr)、铥(Tm)、钬(Ho)、铒(Er)或其任何组合。

可选地，基质晶体可以是任何可接受的结晶基质，诸如但不限于：YAlO₃(YALO)、Y₃Al₅O₁₂(YAG)、LuAG、YLF和Y₃(Sc_xAl_2-x)Al₃O₁₂(YSAG)。

可选地，基质晶体可以是Tm³⁺-掺杂的晶体。可选地，Tm掺杂的晶体离子包括Tm:YAP和Tm:YLF晶体，允许产生发射2μm范围内的光的激光。

另外的非限制性的示例性增益介质135选自：Tm:YAG、Tm:YVO4、Tm:YLF、Tm:YAP或Tm:LuAG。可选地，激光晶体的基质晶体材料中的Tm³⁺掺杂剂的浓度与激光晶体的长度成反比。可选地，Tm³⁺掺杂剂的浓度在按重量计约0.2％至约8％之间。可选地，激光晶体具有范围从1×1×1mm至10×10×20mm、从2×2×10mm至4×4×10mm的尺寸。可选地，增益介质可以是Tm:YAP或Tm:YLF。

激光器系统100可包括第一光学元件130(例如，输入反射镜)。可选地，激光器系统100可包括一个或多个透镜，其可允许将泵浦源110光耦合至增益介质135。可选地，这种透镜可聚焦从泵浦源110发出的光束，从而允许增益介质135内部的最小光斑尺寸(例如，100μm至500μm)。可选地，激光器系统100可包括第一准直透镜120和第二聚焦透镜125。

光学元件130可以选自透镜、反光镜、例如凸面镜的镜、以及棱镜。光学元件130可定位在激光束的光路中，例如大致沿着激光器系统100的纵轴190。光学元件130、第一准直透镜120和第二聚焦透镜125中的一个或多个可使得泵浦源110光学耦合至增益介质135。可选地，光学元件130、第一准直透镜120和第二聚焦透镜125可定位在激光束的光路中。

可选地，输入反射镜130可以位于激光器腔127的第一端处。可选地，输入反射镜130可被配置成用作发散光学元件；或者用作反射凸表面、用作平光元件或者用作平凹光学元件。撞击输入反射镜的光可在其朝向增益介质反射回来时发散。在一些腔中，依赖于增益介质，可能有益的是邻近输入反射镜放置光圈，以防止高发散光重新进入增益(激光)介质，例如，由于波导效应。

可选地，输入反射镜130可包括第一表面122和第二表面123。第二表面123可基本上朝向激光器腔127和增益介质135。可选地，第二表面123可以涂覆有银、电介质或一些类似的涂层以提供高反射特性，例如以便用作输入反射镜。第一表面122可被表征为从泵浦源110接收的光束的高透射(“HT”)。可选地，表面123可被表征为具有对红外(IR)范围内的波长(例如，1500nm-3500nm，例如1800nm-2200nm)的高反射(“HR”)。可选地，表面123可被表征为具有对泵浦源110的波长(例如，700nm-800nm)的HT。

激光器系统100可具有定位在激光束的光路上的一个或多个标准具(例如，两个)140A和140B。可选地，一个或多个标准具包括第一标准具140A和第二标准具140B。可选地，第二标准具140B紧邻第一标准具140A定位，以便第一标准具和第二标准具定位在激光束的光路上。

如本文使用的，“紧邻”意指第二标准具紧挨着第一标准具定位，使得生成的激光束通过第一标准具传输，随后通过第二标准具传输。此外，应该阐明的是，激光器系统在第一标准具和第二标准具之间没有设置任何元件。可选地，标准具140A和140B沿着包括增益介质135的水平轴线190定位。在一些实施方式中，水平轴线190可限定为与纵向轴线成高达±60度。

可选地，标准具140A和140B提供激光器的可调谐光谱范围和窄光谱带宽。可选地，激光的透射波长带宽由标准具140A和140B的反射率、厚度和折射率决定，并且因此调整其脉冲宽度。可选地，可调谐性范围是至少10nm、至少14nm、至少20nm、至少25nm、至少30nm、至少35nm。可选地，可调谐性范围为8nm至50nm，或者在一些实施方式中为8nm至15nm，或者在一些实施方式中为10nm至15nm，或者在一些实施方式中为15nm至20nm，或者在一些实施方式中为20nm至30nm，或者在一些实施方式中为30nm至35nm，或者在一些实施方式中为35nm至40nm。

可调谐性范围可取决于发射光的波长。可选地，可调谐性范围可取决于输出耦合器的反射率和/或可饱和吸收器的透射率。

可选地，标准具140A比标准具140B薄。可选地，标准具140A具有1μm至100μm的厚度，或者在一些实施方式中，10μm至40μm，或者在一些实施方式中，20μm至30μm，或者在一些实施方式中，30μm至40μm，或者在一些实施方式中，40μm至60μm，或者在一些实施方式中，60μm至100μm。在一些实施方式中，标准具140A具有5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm或50μm的厚度，包括其间的任何值和范围。

可选地，标准具140B具有100μm至600μm的厚度，或者在一些实施方式中，200μm至600μm，或者在一些实施方式中，300μm至600μm。可选地，标准具140B具有100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm、550μm或600μm的厚度，包括其间的任何值和范围。

可选地，标准具140A与标准具140B的厚度比分别是1:5至1:40。可选地，标准具140A与标准具140B的厚度比分别是1:5、1:10、1:15、1:20、1:25、1:30、1:35或1:40，包括其间的任何值和范围。

不受任何特定理论或机制的约束，假设较薄的标准具允许光谱范围的可调谐性。标准具厚度越薄，光谱范围可调谐性越宽。进一步地，可调谐性范围匹配增益介质的扩增曲线。进一步地，并且不受任何特定理论或机制的约束，假设较厚的标准具响应于光谱带宽变窄，其中限制最大厚度以避免发生两个空间相邻模式。总之，使用两个标准具提供频谱范围可调谐性和频谱带宽变窄的两个特征。

可选地，标准具140A或标准具140B可包括全或部分反射材料，例如，涂层145的形式，例如在下面“示例性配置”下描述的。

可选地，激光器系统100可具有允许在脉冲模式下操作激光器系统100的Q切换元件150。Q切换元件150可以是无源Q切换元件，或可替换地，有源Q切换元件。

有源Q切换元件可以可选地是光调制单元，可选地定位在谐振器内。可选地，光调制单元中可包括声光调制器(AOM)、电光调制器(EOM)或声光可调滤波器(AOTF)作为光调制器。

可选地，激光器系统100可具有Q切换元件，诸如声光调制器(AOM)150。AOM 150可定位在激光束的光路中，例如，近似地沿着激光器系统100的纵轴线。在一个示例性配置中，AOM 150可定位在标准具140B和OC 160之间的激光器腔127的第二端处。在其他示例性配置中，AOM 150可定位在增益介质135和标准具140A之间。可选地，激光器腔127的长度可在1mm-500mm的范围内，例如，约100mm至250mm。

AOM 150可被配置为接收和调制种子激光束。可选地，激光束可被布置成通常以布拉格角入射至AOM 150。AOM 150可允许产生脉冲输出光束。进一步地，AOM 150可控制脉冲从种子激光器释放的时间。

在另一配置中，激光器系统100具有无源Q切换元件而不是AOM 150。无源Q切换元件可被配置为提供激光束的无源脉冲切换。

可选地，无源Q切换元件是可饱和吸收器(SA)。这种设置有无源Q切换元件的激光器可以是产生短脉冲激光束的广泛技术。

可选地，SA包括半导体。可选地，SA包括量子点。可选地，SA包括掺杂晶体。非限制性的示例性掺杂晶体选自：铬(II)掺杂的硒化锌(Cr:ZnSe)和铬(II)掺杂的硫化锌(Cr:ZnS)。可选地，掺杂晶体中的Cr2+掺杂剂的w/w(重量/重量)浓度在约1％至约20％之间，或可选地9％至13％。在一些情况下，Cr:ZnSe和Cr:ZnS SA可具有相对高的吸收横截面，因此不需要对SA上的小区域的聚焦模式。这可提供更多相对于谐振器的灵活性。可选地，Cr:ZnSe和Cr:ZnS SA具有低可饱和强度，这可导致在Q切换操作期间损坏风险降低。可选地，Cr:ZnS晶体SA可应用于若干无源Q切换(“PQS”)激光器，例如.Ho:YAG、Tm:KY(WO₄)、Tm:KLu(WO₄)等。

激光器系统100可具有输出耦合器(OC)160。OC 160可定位在激光器腔127的第二端处。可选地，OC可定位在激光束的光路中。OC 160可在激光器腔外部的腔内光束170中传输光功率的一部分以形成输出光束。OC 160可以是允许从激光器的腔内光束提取光的一部分的光学谐振器的部件。OC 160可具有部分反射(PR)涂层，允许腔内光束的某个部分透射通过。OC可具有用于1800nm-2200nm范围内的波长的PR涂层。可选地，PR涂层具有50％-90％范围内的反射率。

可选地，增益介质135、泵浦源110、输入反射镜130、输出耦合器160、第一标准具140A、第二标准具140B和q切换元件150处于激光束的光程处。

可选地，OC可以是平凹反射镜。可选地，平凹反射镜的曲率半径的范围可以从100mm至400mm，从150mm至250mm。可选地，激光器系统100可具有壳体。该壳体可由刚性的耐用材料制成，例如但不限于铝、不锈钢、硬聚合物等。该壳体可具有圆柱形、圆锥形、矩形或任何其他适合的形状。该壳体可以防止不希望的外来元素进入其中。

示例性配置

在某些实施方式中，可通过监测系统监测激光器系统100。监测系统可以根据其输出提供用于监测和获得来自激光器系统100的实验数据的方式。监测系统可包括光学滤波器，该光学滤波器可光学连接至至少部分地通过自由空间光传播的激光器腔127。

在本主题的一些示例性实施方式中，泵浦二极管110由具有105μm芯直径(数值孔径为0.22)的793nm光纤耦合激光二极管组成。对于Tm掺杂的增益介质，发射的波长可被调谐到对应于³H₆→³H₄跃迁的吸收峰值(例如，当Tm:YLF用于增益介质时)。可选地，泵浦源的发射波长可被调谐到对应于增益介质的³H₆→³F₄跃迁的吸收波长(例如，当Tm:YAP用于增益介质时)。可选地，泵浦源的发射波长可以是温度调谐的。

将3.5％掺杂的Tm:YLF晶体(9mm长并且具有3×3mm横截面)用作增益介质135。激光晶体被抗反射(AR)涂覆在泵浦110和激光波长两者处。晶体135被包裹在铟箔中并且被紧固到由18℃的冷却器水冷却的铝夹持器中。

使用涂覆在650nm-1050nm的双凸第一准直透镜120处的一对抗反射(AR)传递泵浦光束并聚焦在激光晶体Tm:YLF晶体(增益介质135)中。在Tm:YLF晶体内部获得的斑点尺寸为约250μm直径。Tm:YLF晶体可以从泵浦功率吸收约67％。端泵浦式架构实施用于腔127。光学元件(输入反射镜)130是后腔平面镜，具有在泵浦波长处的AR涂层和对于1850nm-2000nm的高反射率(HR)涂层。

上文描述了输入反射镜130、第一表面122和第二表面123的另外的非限制性实施方式。

OC 160可以是具有200mm曲率半径的平凹反射镜。OC是涂覆有在1850nm-2000nm之间的70％反射率的部分反射的(PR)。两个反射镜(第一反射镜和OC)之间的距离为200mm。

对于脉冲操作，由45mm长的熔融石英制成的水冷AOM 150用作有源Q切换并且在68MHz的射频下操作。

两个标准具140A和140B包括未涂覆的钇铝石榴石(YAG)，其中，500μm(140B)和25μm(140A)的厚度固定在腔内旋转台上。标准具的透射基于菲涅耳反射(来自每个表面的8.2％)。透射取决于波长，对于标准具140A和140B中的每一个，在介于72％至100％之间的光谱上变化。使用两个标准具板可以实现窄的频谱带宽，而不减小可调谐性范围。较薄的标准具140A可由于其39nm的自由频谱范围(FSR)而负责宽调谐范围，而较厚的标准具可限定频谱带宽。

透射光谱可与标准具的角度成反比变化，从而确定哪个波长将具有最大透射。通过旋转25μm的标准具140A，可以控制频谱损耗。在过滤掉剩余泵浦功率之后，可使用功率计(Ophir，L50(150)A-35)测量输出功率。激光光谱可由光谱分析仪OSA(Thorlabs，OSA205C)获取。可使用能量计(Ophir，PE50-C)测量脉冲能量。可使用12.5GHz扩展的InGaAs光电检测器(EOT，ET-5000)和100MHz示波器(Agilent，DSO-X2012A)来获得脉冲时间表征。

方法

在一些实施方式中，提供了产生脉冲激光束的方法。

现在参考图14，该图示出了根据本发明的一些实施方式的用于产生脉冲激光束的方法的可选流程图。

在一些实施方式中，该方法包括以下步骤：

(i)提供上述激光器系统，该激光器系统包括：

激光器腔；

输入反射镜，定位在激光器腔的第一端处；

输出耦合器，定位在激光器腔的第二端处；

增益介质，定位在激光器腔内；

泵浦源，光耦合至增益介质；

第一标准具，定位在激光器腔内；

q切换元件，定位在激光器腔内；

以及可选地定位在激光器腔内的第二标准具，其中，增益介质、泵浦源、输入反射镜、输出耦合器、第一标准具、q切换元件以及可选地第二标准具处于激光束的光程处(步骤700)；

向该泵浦源供应功率(例如，电功率)以便为该增益介质供能(步骤702)。

在一些实施方式中，该系统包括两个标准具，其中，第一标准具定位在增益介质和第二标准具之间，并且第二标准具定位在第一标准具和q切换元件之间。在一些实施方式中，q切换元件定位在第二标准具与输出耦合器(OC)之间。

当供应功率时：

可以产生穿过增益介质的激光束(步骤704)；然后，激光束透过第一标准具，并且可选地透过第二标准具(步骤706)；并且此后激光束透过有源或无源q切换元件(步骤708)。

可通过可选地在谐振器内的无源q切换元件或通过有源q切换元件(例如，光调制单元)获得激光器的脉冲模式。光调制单元中可以包括声光调制器(AOM)、电光调制器(EOM)或声光可调滤波器(AOTF)作为光调制器。

之后，激光束可以通过OC(步骤710)，从而从激光器腔输出脉冲激光束(步骤712)。

在一些实施方式中，泵浦源与输入反射镜可操作的通信。

现在参考图15，该图示出了根据本发明的一些实施方式的用于产生脉冲激光束的方法的另一可选流程图。

在一些实施方式中，该方法包括以下步骤：

(i)提供上述激光器系统，该激光器系统包括：

激光器腔；

输入反射镜，定位在激光器腔的第一端处；

输出耦合器，定位在激光器腔的第二端处；

增益介质，定位在激光器腔内；

泵浦源，光耦合至增益介质；

第一标准具，定位在激光器腔内；

q切换元件，定位在激光器腔内；

以及可选地定位在激光器腔内的第二标准具，其中，增益介质、泵浦源、输入反射镜、输出耦合器、第一标准具、q切换元件以及可选地第二标准具处于激光束的光程处(步骤700)；

向该泵浦源供应功率(例如，电功率)以便为该增益介质供能(步骤702)。

在一些实施方式中，q切换元件定位在增益介质与第一标准具之间，第一标准具定位在q切换元件与第二标准具之间，且第二标准具定位在第一标准具与OC之间。

当供应功率时：

可以产生穿过增益介质的激光束(步骤704)；并且此后激光束透过有源或无源q切换元件(步骤706)；以及透过第一标准具并且随后透过第二标准具(步骤708)。

可通过可选地在谐振器内的无源q切换元件或通过有源q切换元件(例如，光调制单元)获得激光器的脉冲模式。光调制单元中可包括声光调制器(AOM)、电光调制器(EOM)或声光可调滤波器(AOTF)作为光调制器。

之后，激光束可通过OC(步骤710)，从而从激光器腔输出脉冲激光束(步骤712)。

在一些实施方式中，泵浦源与输入反射镜可操作的通信。

在一些实施方式中，该激光束进一步光联接至光纤，以便使得能够实现该激光束的光纤传递(图13)。本领域存在公知的各种光纤，它们中的一些可以应用于本申请。

在一些实施方式中，激光束的特征在于例如红外(IR)光谱的波长。不受任何特定机制的限制，波长范围可取决于增益介质上的活性离子。例如但不限于，对于Tm掺杂的介质，该范围可从1700nm变化至2100nm；对于Ho掺杂的介质，该范围可从2000nm变化至2200nm；对于Cr掺杂的介质，该范围可从2200nm变化至2700nm或从2700nm变化至3000nm，例如对于Er掺杂的介质。

在一些实施方式中，该激光束的特征在于从1800nm至2100nm、从1900nm至2000nm范围内的波长。

在一些实施方式中，脉冲激光束的特征在于至少0.8mJ的能量。在一些实施方式中，脉冲激光束的特征在于至少1mJ的能量。在一些实施方式中，脉冲激光束的特征在于至少2mJ的能量。在一些实施方式中，脉冲激光束的特征在于至少3mJ的能量。在一些实施方式中，脉冲激光束的特征在于至少4mJ的能量。在一些实施方式中，脉冲激光束的特征在于至少4.5mJ的能量。

在一些实施方式中，脉冲激光束能量在1mJ-10mJ的范围内。在一些实施方式中，脉冲激光束能量是1mJ、2mJ、3mJ、4mJ、5mJ、6mJ、7mJ、8mJ、9mJ或10mJ，包括其间的任意值和范围。

在一些实施方式中，激光束的脉冲的特征为：在1毫焦至10毫焦的总脉冲能量和1800nm至2000nm的波长下，持续时间为5纳秒至10纳秒、10纳秒至20纳秒、20纳秒至30纳秒、30纳秒至40纳秒或30纳秒至50纳秒。

在一些实施方式中，激光光谱带宽为0.1nm至0.5nm FWHM，例如0.1nm、0.2nm、0.3nm、0.4nm或0.5nm FWHM，包括其间的任何值和范围。

在一些实施方式中，电功率以1瓦特至50瓦特供应。在一些实施方式中，电功率以1瓦特至40瓦特供应。在一些实施方式中，电功率以1瓦特至30瓦特供应。在一些实施方式中，电功率以2瓦特至30瓦特供应。在一些实施方式中，电功率以3瓦特至30瓦特供应。在一些实施方式中，电功率以1瓦特、5瓦特、10瓦特、15瓦特、20瓦特、25瓦特、30瓦特、35瓦特、40瓦特、45瓦特或50瓦特供应，包括其间的任何值和范围。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可包含其上具有计算机可读程序指令的计算机可读存储介质(或多个计算机可读存储介质)，该计算机可读程序指令用于使得处理器执行本发明的多个方面。

计算机可读存储介质可以是可以保留和存储指令以供指令执行装置使用的有形装置。计算机可读存储介质可以是例如但不限于电子存储装置、磁存储装置、光存储装置、电磁存储装置、半导体存储装置或上述各项的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体实例的非穷举列表包括以下各项：便携式计算机盘，硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)，静态随机存取存储器(SRAM)、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)，数字通用盘(DVD)、记忆棒、软盘、其上记录有指令的机械编码装置、以及上述各项的任何合适的组合。如本文使用的计算机可读存储介质不应被解释为瞬态信号本身，诸如无线电波或其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输介质传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或通过导线传输的电信号。而是，计算机可读存储介质是非瞬态(即，非易失性)介质。

本文描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到相应的计算/处理装置或经由例如互联网、局域网、广域网和/或无线网络的网络下载到外部计算机或外部存储装置。网络可包括铜传输电缆、光传输光纤、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理装置中的网络适配器卡或网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发计算机可读程序指令以存储在相应计算/处理装置内的计算机可读存储介质中。

用于执行本发明的操作的计算机可读程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或以包括诸如Java、Smalltalk、C++等面向对象的编程语言、以及诸如“C”编程语言或类似编程语言的常规程序的编程语言的一种或多种编程语言的任何组合编写的源代码或目标代码。计算机可读程序指令可完全在用户计算机上、部分在用户计算机上作为独立软件包、部分在用户计算机上以及部分在远程计算机上或完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，远程计算机可通过包括局域网(LAN)或广域网(WAN)的任何类型的网络与用户计算机连接，或者可连接至外部计算机(例如，通过使用互联网服务供应商的互联网)。在一些实施方式中，包括例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)的电子电路可以通过利用计算机可读程序指令的状态信息来执行计算机可读程序指令以使电子电路个性化，以便执行本发明的多个方面。

本文根据本发明的实施方式，参考方法的流程图和/或框图、设备(系统)以及计算机程序产品来描述本方面的多个方面。应理解的是，流程图和/或框图的每个框以及在流程图和/或框图中的框的组合可由计算机程序指令实现。

可将这些计算机可读程序指令提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程的数据处理设备的处理器，以制造机器，使得这些指令经由计算机或其他可编程的数据处理设备的处理器执行时，产生用于实现在流程图和/或框图的一个或多个框中规定的功能/行为的装置。这些计算机可读程序指令还可存储在计算机可读存储介质中，该存储介质可引导计算机、可编程的数据处理设备和/或其他装置通过特定的方式运行，使得其中存储有指令的计算机可读存储介质包括制品，该制品包括实现在流程图和/或框图或框中规定的功能/行为的多个方面。

计算机可读程序指令还可加载至计算机、其他可编程的数据处理设备或其他装置上，以使得在计算机、其他可编程设备或其他装置上执行的一系列操作步骤产生计算机实现过程，使得在计算机、其他可编程设备或其他装置上执行的指令实现流程图和/或框图或框中规定的功能/行为。

附图中的流程图和框图示出了根据本发明的各个实施方式的系统、方法和计算机程序产品的可以实现的架构、功能和操作。在这方面，在流程图或框图中的每个框可表示指令的模块、区段或部分，其包括用于实现规定的逻辑功能的一个或多个可执行的指令。在一些可替换的实现方式中，框中标记的功能可不按照图中标记的顺序进行。例如，根据有关功能，实际上可基本上同时地执行连续显示的两个框，或者有时可按照相反顺序执行这些框。还要注意的是，框图和/或流程图的每个框以及在框图和/或流程图中的框的组合可由基于专用硬件的系统实现，这些系统执行规定的功能或行为或进行专用硬件与计算机指令的组合。

出于示出之目的，呈现了对本发明的各种实施方式的描述，但是，并不旨在穷尽或限制所公开的实施方式。在不背离所描述实施方式的范围和精神的情况下，各种修改和改变对本领域普通技术人员来说是显而易见的。本文中选择使用的术语对实施方式的原理、实际应用或在市场上找出的技术的技术改进进行最佳说明，或者能够使本领域普通技术人员能够理解本文公开的实施方式。

概述

在本申请中，可以通过范围格式呈现本发明的各种实施方式。应理解的是，范围格式的描述仅仅用于方便和简单起见，并且不应解释为对本发明的范围的刻板限制。因而，范围的描述应被视为具体公开了所有可能的子范围以及在该范围内的单独的数值。例如，范围的描述(诸如，1至6)应认为具有具体公开的子范围，诸如1至3、1至4、1至5、2至4、2至6、3至6等，以及该范围内的单个数值，例如，1、2、3、4、5和6。这同样适用，与范围的宽度无关。

每当在本文中表示数值范围时，意指在所表示的范围内包括任何引用的数字(小数或整数)。短语在第一指示数与第二指示数“之间的范围”和“从”第一指示数“至”第二指示数的“范围”在本文中可交换地使用，并且旨在包括第一指示数和第二指示数以及在其间的所有小数和整数。

在本申请的说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”和“具有”及其形式中的每一个不一定限于可以与这些词语相关联的列表中的成员。此外，在本申请与通过引用结合的任何文件之间存在不一致的情况下，由此旨在以本申请为准。

上文描述的和在所附权利要求部分中要求保护的本发明的各种实施方式和各方面在以下实施例中找到实验支持。

实施例

现在参考以下实施例，其连同以上描述以非限制性形式说明本发明的一些实施方式。

在描述Tm:YLF激光器的一些示例性程序中，使用如上在“示例性配置”中描述的激光器系统。在描述Tm:YAP激光器的一些示例性程序中，使用如图2中描述的激光器配置。

在一个可选的配置中，示出了提供了基于Tm:YLF的激光器系统的本发明的示例性实施方式(如由图1例示的)。可在图3A中看出在没有腔内标准具的情况下连续波(CW)操作的Tm:YLF激光性能，其为吸收泵浦功率的函数。获得了在1.9W的激光阈值下的吸收泵浦功率。在11.9W的吸收泵浦功率下测量4.57W的最大输出功率，对应于23.3％的光-光转换和42.9％的斜率效率。

所测量的激光波长为1885nm，其中半峰宽(FWHM)处的光谱宽度为1.4nm。在将标准具对插入激光器腔之后，激光器实现了对应于20.6％的光-光转换的4.05W的最大输出功率，以及在图4A的1879nm激光波长下的38％的斜率效率。

在CW设置中，激光波长从1873nm调谐至1908nm，如图4A所示，实现35nm的连续调谐范围。如图4A所示，在整个调谐范围内，在11.9W的吸收泵浦功率下，测量的输出功率不会从2.9W下降。

对于这个变窄的带宽调谐操作，在1879nm的波长处实现4.05W的最大输出功率。在有源Q切换(AQS)模式中，选择1KHz的重复率。图3B中示出了自由运行(没有标准具)脉冲操作的激光平均输出功率。

在3W的吸收泵浦功率下出现激光阈值。在对应于18.3％的光-光转换和44％斜率效率的8W的吸收泵浦功率下实现2.25W的最大平均输出功率。如图5A所示，测量的发射波长为1985nm，光谱宽度为1.4nm FWHM。测量2.25mJ的最大输出能量，具有40ns的脉冲持续时间，对应于图6A至图6E中示出的56.2Kw的峰值功率。在将标准具对插入激光器腔内部之后，激光器以3.6W的吸收泵浦功率阈值操作，导致在9.2W的吸收泵浦功率下的1.97W的最大平均输出功率，如图3B中所示，对应于能量输出为1.97mJ至光转换为13.7％，和36％的斜率效率。获得的脉冲持续时间为37纳秒，对应于53.2KW的最大峰值功率。

图6A至图6E中示出了两种操作模式的激光能量、脉冲持续时间和峰值功率。激光光谱带宽变窄至0.15nm FWHM。如图4B所示，对于CW和有源Q切换激光器，该带宽沿着整个可调谐光谱实现。与CW操作相比，脉冲操作中的光谱调谐范围稍微变窄，从CW中的35nm到脉冲模式中的33nm，并且在1873nm到1906nm的范围内。如图7所示，在两种情况下实现的调谐范围都与25μm厚的标准具板的39nm计算的自由光谱范围(FSR)紧密一致。这表示测量的调谐范围主要受到标准具的限制，并且表示通过选择较厚的标准具可以获得较宽的光谱范围。沿着整个光谱范围，如图4B所示，对于8.6W的恒定最大吸收泵浦功率，测量的输出能量不会从0.83mJ下降。

在图3A中可以看出没有腔内标准具的连续波(CW)操作的Tm:YLF激光器性能作为吸收泵浦功率的函数。获得了在1.9W的激光阈值下的吸收泵浦功率。在11.9W的吸收泵浦功率下测量4.57W的最大输出功率，对应于23.3％的光-光转换和42.9％的斜率效率。

所测量的激光波长为1885nm，其中半峰宽(FWHM)处的光谱宽度为1.4nm。

在另一可选配置中，示出了提供了基于Tm:YAP的激光器系统的本发明的示例性实施方式(如由图2例示的)。

在图2中示出了Tm:YAP(AQS)激光器设置。泵浦源(110)是光纤耦合的(115)激光二极管，其在793nm发射高达15.8W，具有105μm的芯直径和0.22的N.A。将发射的波长温度调谐到对应于³H6→³F4跃迁的吸收峰值。使用在650nm-1050nm双凸透镜(120、125)处涂覆的一对抗反射(AR)将泵浦光束聚焦在Tm:YAP晶体(135)上，允许在Tm:YAP晶体内约260um的最小光斑尺寸。通过平面-平面后腔输入反射镜(130)传递该泵浦，该输入反射镜具有用于泵浦波长的AR涂层以及用于1850nm-2000nm的高反射率(HR)涂层。我们使用具有200mm的ROC的平凹反射镜作为输出耦合器(OC)160。对于1850nm-2000nm，OC 160是涂覆有70％的反射率的部分反射的(PR)。总腔长度(127)为220mm。具有3原子％Tm浓度掺杂的c切割的Tm:YAP晶体(135)是10mm长，同时具有3×3mm的横截面。将激光晶体(135)AR涂覆于泵浦波长和激光波长，包裹在铟箔中并紧固至由冷水器以稳定18℃冷却的铝夹持器中。通过将AOM(150)插入到激光器腔(127)中来实现有源脉冲切换。将具有500um(140B)和25um(140A)厚度的两个未涂覆的YAG标准具板固定在旋转台腔内上并置于AOM(150)和OC 160之间。

在图8中可以看出具有和没有腔内标准具的AQS操作的Tm:YAP激光性能作为吸收泵浦功率的函数。如图8A至图8C所示，在8W的吸收泵浦功率下测量2.25mJ的最大脉冲能量，其具有40ns的脉冲持续时间和约80KW的峰值功率。在1935nm的波长和1KHz的AOM频率下测量激光性能。

测量的激光波长为1935nm，其中半峰宽(FWHM)处的光谱宽度为150pm(图9B)。如图9A所示，激光波长在AQS模式中从1925nm调谐至1960nm，实现35nm的连续调谐范围。如图9A所示，沿着整个调谐范围，测量的脉冲能量不会从低于0.83mJ下降。

Tm:YAP无源Q切换(PQS)激光器系统如所描述的被配置为用于AQS Tm:YAP激光器，其中无源q切换SA(Cr:ZnS晶体，2×4×4mm，89％透射)替换AOM。

在图10中可以看出使用具有70％和85％反射的OC的PQS操作的Tm:YAP激光性能作为吸收泵浦功率的函数。

在图10A中示出了激光平均输出功率。

在16W的泵浦功率下实现了70％的OC的1.6W的最大平均输出功率和85％的OC的0.9W的最大平均输出功率。测量的发射波长为1934nm，并且对于70％和85％的OC的脉冲持续时间分别为24ns、29ns(图10A)。如图10B所示，测量70％的OC的最大脉冲能量为1.22mJ，85％的OC的最大脉冲能量为1.5mJ。重复率在280Hz-1660 Hz的范围内。当使用具有85％反射率的OC时，脉冲能量和重复率几乎不变。当使用具有70％反射率的OC时，脉冲能量和重复率几乎线性增加。

如图11所示，PQS模式中的可调谐性范围使用70％的OC时为11nm，并且可以通过使用85％的OC增加到14nm。如图11所示，对于85％的OC，将激光波长从1930nm调谐至1944nm，实现连续调谐范围。在12W的吸收泵浦功率下，在1.5kHz下，最大脉冲能量是1.22mJ。如图11所示，沿着整个调谐范围，测量的脉冲能量不会从0.85mJ下降。

图12示出了在连续模式(CW)和PQS模式中不同波长的Tm:YAP激光器的吸收泵浦功率的阈值。PQS模式中的吸收泵浦功率在操作波长范围中几乎不变，然而在CW模式中，泵浦功率显示对波长的强依赖性(图12)。

图13示出了耦合至光纤的Tm:YLF激光器的示例性配置。如图13所示，可以实现约75％的耦合效率。通过使用准直透镜和耦合透镜来实现耦合以实现将激光聚焦到光纤中。发射波长为1885nm，测量的峰值功率为40kW，输入功率为4W。用于该实验的光纤是多模二氧化硅芯(低OH含量)玻璃包层光纤。

在用于脉冲设置的调谐测量期间，最大泵浦功率减小，以便减小损坏激光部件的概率。

进一步地，在此呈现的一个示例性配置中，在调谐期间，激光器输出功率呈现随发射波长而变的显著变化。这些功率变化主要由波长相关的增益谱导致。对于Tm:YLF增益介质，发射截面强烈依赖于波长。特别地，当在1880nm与1908nm的发射峰值之间的增益截面中存在显著下降时。这些轻微的偏差可以通过为较短波长(典型地对于准三级激光器)增加较低激光器级的热量来解释。此外，所呈现的激光器的发射偏振强烈地取决于激光波长。高达1890nm的发射是p偏振的，而更长的波长是s偏振的。该结果与所报告的Tm:YLF的发光具有极好的一致性，因为增益截面对于两个偏振方向是不同的。

然而，在包括具有Tm:YAP晶体作为增益介质的激光器系统的另一示例性配置中，激光器输出功率的波长相关变化不太明显。

尽管这种输出功率依赖于激光波长，此处展示的激光器配置允许实现在整个调谐范围内的毫焦耳级脉冲激光，这仅受到标准具对光谱传输的限制。通过优化标准具参数，可以预期较宽的调谐范围。

在本公开的一个示例性实施方式中，展示了可调谐脉冲Tm:YLF激光器，达到mJ级能量脉冲和在1873nm-1906nm之间的33nm的可调谐性范围。在1879nm激光波长处获得53.2KW的最大峰值功率。使用标准具板还允许激光发射在整个可调谐性范围内实现0.15nm的窄光谱带宽。

在本公开的另一示例性实施方式中，展示了可调谐脉冲Tm:YAP激光器，达到mJ级能量脉冲和在1925nm-1960nm之间的35nm的可调谐性范围(用于AQS操作模式)和在1930nm-1941nm之间的11nm的可调谐性范围(用于PQS操作模式)。通过使用具有93％透射的SA，PQS模式的可调谐性范围还可以增加至约20nm。在1935nm激光波长处获得约80KW的最大峰值功率(用于AQS操作模式)。使用标准具板还允许激光发射在整个可调谐性范围内实现0.15nm的窄光谱带宽。就我们所知，在基于2μm范围内的Tm掺杂的增益介质的激光器中，第一次呈现了具有宽光谱可调谐性和窄频率激光的高能量脉冲的有用组合。这些独特特性通过允许同时定制脉冲能量和发射波长这两者并且使这种激光器成为迅速发展的2μm激光应用领域中的有前途的工具而显著地增强了这种类型的激光器系统的多功能性。

尽管已经结合其特定的实施方式描述了本发明，明显的是，对于那些本领域的技术人员而言，许多替换、修改和变化将是显而易见的。因而，本发明旨在包括落入所附权利要求的精神和广泛范围内的所有这些替换、修改和变化。

在本文将在本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请，通过引证以将它们的全部内容结合至本说明书中，以相同的程度，每个单独的出版物、专利或专利申请被特定地和单独地指出以通过引证结合在本文中。此外，在本申请中的任何参考的引用或识别不应解释为承认这种参考可以用作本发明的现有技术。对于所使用章节标题的程度而言，它们不应解释为必要的限制。