專利名稱：用于可調諧脈沖激光源的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要地涉及可調諧激光源的領域。更確切地說，本發(fā)明涉及一 種用于為諸如裁剪、打標、切割和焊接的工業(yè)應用提供高功率脈沖激光源 的方法和設備。僅僅作為舉例，本發(fā)明適用于具有實時可調諧特性(包括 脈沖寬度、峰值功率、重復速率和脈沖形狀)的激光源。但是，本發(fā)明具 有更寬的應用性并且可以被應用到其他激光源上。
背景技術：
諸如Nd:YAG激光器的脈沖激光源已經被用來為諸如打標、雕刻、顯 微機械加工和切割的應用執(zhí)行基于激光的材料處理。基于應用和將要處理 的材料，對激光脈沖的各種特性按照適于特定應用進行選擇，其中激光脈 沖的各種特性包括脈沖寬度、脈沖重復率、峰值功率或能量以及脈沖形 狀。許多現有的高功率激光器(例如，脈沖能量大于每脈沖0.5mJ)依賴 于諸如調Q和鎖模的技術以產生光脈沖。但是，這樣的激光器產生的光脈 沖的特性由腔的幾何特性、鏡的反射率等預先決定，并且通常不能在不影 響激光性能的情況下進行現場變化。使用這種激光器，通常難以實現一定 范圍的脈沖特性。 '
因此在本領域中，有對于具有可調諧脈沖特性的脈沖激光器的需要。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明，提供了主要地涉及可調諧激光源的領域的技術。更確切 地說，本發(fā)明涉及用于為諸如裁剪、打標、切割和焊接的工業(yè)應用提供高 功率脈沖激光源的方法和設備。僅僅作為舉例，本發(fā)明適用于具有實時可 調諧特性(包括脈沖寬度、峰值功率、重復速率和脈沖形狀)的激光源。 但是，本發(fā)明具有更寬的應用性并且可以應用到其他激光源上。
5根據本發(fā)明的實施例，提供了一種可調諧脈沖激光源。所述可調諧激 光源包括適于產生種子信號的種子源以及光學環(huán)行器。光學環(huán)行器包括第 一端口、第二端口和第三端口，其中第一端口耦合于種子源。可調諧激光 源也包括以第一側和第二側為其特征的振幅調制器。第一側耦合于光學環(huán) 行器的第二端口。所述可調諧激光源還包括第一光放大器，第一光放大器 以輸入端和包括頻域發(fā)射濾波器的反射端為特征。輸入端耦合于振幅調制 器的第二側。此外，所述可調諧激光源包括耦合于光學環(huán)行器的第三端口 的第二光放大器。
根據本發(fā)明的另一個實施例，提供了 一種提供一個或更多激光脈沖的 方法。所述方法包括在光環(huán)行器的第一端口提供種子信號，將種子信號透 射到振幅調制器的第一側，和將種子信號透射通過振幅調制器以限定通過 振幅調制器的第一次通過。所述方法也包括對種子信號進行時域濾波以提 供脈沖。時域濾波包括為振幅調制器調制驅動信號。所述方法還包括使用 第一光放大器放大脈沖以及對經放大的脈沖進行頻域濾波以提供經過譜濾 波的脈沖。另外，所述方法包括將經過譜率波的脈沖透射通過振幅調制器 以限定通過振幅調制器的第二次通過，以及對經過放大的經過譜濾波的脈 沖進行時域濾波以提供中間脈沖。時域濾波包括為振幅調制器調制驅動信 號。此外，所述方法包括使用第二光放大器放大中間脈沖。
在傳統(tǒng)技術之上使用被發(fā)明獲得了許多優(yōu)點。例如，在根據本發(fā)明的 實施例中，使用緊湊的結構提供了適合用于激光處理的高功率、脈沖激 光，此結構相比于具有可比工作性能的激光的結構較便宜。此外，在本發(fā) 明的實施例中，在保持脈沖之間的穩(wěn)定性的同時，產生具有實時可調節(jié)脈 沖特性的短脈沖。此外，在根據本發(fā)明的實施例中，可以使光脈沖成形以 為特定應用優(yōu)化脈沖輪廓，或最大化激光器系統(tǒng)中的能量提取效率。依靠 實施例，可能存在這些優(yōu)點中的一個或更多。將要貫穿整個說明書描述的 這些和另外的優(yōu)點并使其在下文中將會變得更顯著。參考下文的詳細描述 和附圖，將能夠更加充分地認識到本發(fā)明的各種另外的目的、特征和優(yōu) 點。


圖1為示出根據本發(fā)明實施例，使用光纖放大器的、具有可調諧脈沖 特性的高功率激光器的簡圖。
圖2為示出在根據本發(fā)明實施例的高功率脈沖激光器中的不同位置的 電脈沖和光脈沖的時序簡圖。
圖3為根據本發(fā)明實施例提供一系列激光脈沖的方法的簡圖。
具體實施例方式
圖1為示出了根據本發(fā)明的實施例的、具有可調諧脈沖特性的、使用
光纖放大器的高功率脈沖激光器的簡圖。高功率脈沖激光器100包括種子 源110，其中種子源110產生注入到光學環(huán)行器(circulator) 120的第一端 口 114中的種子信號。根據此發(fā)明的實施例，被用來產生光種子信號的種 子源110為連續(xù)波(CW)半導體激光器。在特定實施例中，CW半導體激 光器為光纖布拉格光柵(FBG)穩(wěn)定的半導體二極管激光器，此激光器以 20mW的輸出功率工作在1032nm波長。在另一個特定實施例中，CW半 導體激光器為外腔半導體二極管激光器，此激光器以100mW的輸出功率 工作在1064nm波長。輸出功率可以低于或高于100mW。例如，輸出功率 可以為50mW、 150mW、 200mW、 250mW等。在可選擇的實施例中，種 子信號由小型固體激光器或光纖激光器產生。本領域的普通技術人員會認 識到多種變化、修改和選擇。
在通過光學環(huán)行器120后，種子信號從環(huán)行器120的第二端口 122出 來并撞擊到光振幅調制器130的第一側132上。環(huán)行器為本領域中公知的 并且能夠從多個供應商處得到，例如，新澤西州Caldwell的OFR, Inc.的型 號OC-3-1064-PM。
光振幅調制器130通常保持在"關"狀態(tài)，即不能使撞擊到調制器上 的信號透射。根據本發(fā)明的實施例，光振幅調制器提供種子信號的振幅調 制和時域濾波，以及放大自發(fā)輻射(ASE)濾波。在特定實施例中，光脈 沖的長度由光振幅調制器130的操作決定，其中光振幅調制器130可以為 在1064nm處具有大于3GHz帶寬的APE型鈮酸鋰馬赫-曾德(Mach-Zehnder)調制器。
根據本發(fā)明的實施例，光振幅調制器130為電光馬赫-曾德型調制器， 其提供產生短光脈沖所需的帶寬。在其他實施例中，光振幅調制器130為 相位或頻率調制器，其具有合適的相位至振幅變換器或頻率至振幅變換 器，其中變換器為諸如邊緣光濾波器、消光調制器或聲光調制器。例如， 電光相位調制器可以在光信號中引入頻率啁啾，其在光信號透射通過短通 或長通濾波器時將會被變換為振幅調制。優(yōu)選地，當沒有電信號施加到電 光相位調制器時，光信號將會以經受高損耗的波長為特征。當向電光相位 調制器施加電信號時，光信號優(yōu)選地在波長或頻率啁啾方面改變?yōu)橐缘凸?學損耗為特征的值。
為了使種子信號通過，光振幅調制器130第一次跳動到"開"狀態(tài)以 便沿光路136產生光脈沖。由光振幅調制器130產生的光脈沖的脈沖寬度 和脈沖形狀由施加到光振幅調制器130上的調制器驅動信號控制。之后， 光脈沖第一次通過第一光放大器150，并在其中受到放大。根據本發(fā)明的 實施例，由隨時間變化的驅動信號驅動的振幅調制器提供種子信號的時域 濾波，由此產生的激光脈沖具有預定脈沖特性，包括脈沖寬度、脈沖形狀 和脈沖重復率。
根據本發(fā)明的實施例，光放大器150為光纖放大器。本發(fā)明的實施例 中使用的光纖放大器包括但不限于摻稀土的單包層、雙包層甚至多包層光 纖。用在這種光纖放大器中的稀土摻雜物包括鐿、鉺、鈥、鐠、銩或釹。 在特定實施例中，用于構造光放大器150的所有的基于光導纖維的組件都 使用保偏單模光纖。
參考圖1，在使用光放大器的實施例中，泵142通過光耦合器140與 摻稀土的光纖環(huán)路144耦合。通常地，半導體泵浦激光器被用做泵142。 本領域的普通技術人員會認識到多種變化、修改和選擇。在可選擇的實施 例中，光放大器150為固體放大器，其包括但不限于固體棒放大器、周體 片放大器或氣體增益介質。
在特定實施例中，光放大器150包括5米長的摻稀土光纖144，其具 有大約4.1/mi的核心直徑以及摻雜有摻雜密度大約為4X 1024ions/m3的鐿。放大器150也包括泵142，其中泵142為工作于976nm波長的FBG穩(wěn) 頻半導體激光二極管并具有100mW的輸出功率。輸出功率可以低于或大 于100mW。比如，輸出功率可以為50mW、 150mW、 200mW、 250mW、 300mW、 350mW、 400mW等。在另一個特定實施例中，泵142為工作在 大約915nm波長的半導體激光二極管。在另一個特定實施例中，泵142為 工作在450mW或更高輸出功率的半導體激光二極管。在一個具體實施例 中，放大器150也包括對光耦合器140的泵，其中光耦合器140為WDM 泵浦合波器。
從光放大器150沿光路148發(fā)出的信號之后撞擊到反射結構146上， 并被反射回光放大器150。信號第二次通過光放大器150，信號在其中受 到放大。反射結構146對激光脈沖和通過光路148傳送的放大自發(fā)輻射 (ASE)執(zhí)行譜域濾波。因此，種子信號穿過振幅調制器130經受振幅調 制和時域調制，并且在從反射結構146反射時經受譜域濾波。
在實施例中，反射結構146為直接寫入用作光放大器150的光纖中的 光纖布拉格光柵(FBG)。如本領域中公知的，對FBG的周期和光柵特性 進行選擇以提供期望的反射系數。僅僅當作特定實施例中的例子，反射結 構146為具有大于90y。的峰值反射傘的FBG，并且其中心波長和譜寬度與 種子源110的輸出緊密匹配。
從光放大器150沿光路136發(fā)出的信號撞擊到光振幅調制器130的第 二側134上，之后光振幅調制器130第二次跳動到"開"狀態(tài)以允許入射 脈沖通過。根據本發(fā)明的實施例，考慮到信號通過放大器150和反射結構 146的渡越時間，將光振幅調制器130的第二個"開"脈沖的定時與調制 器130的第一次開啟(第一 "開"脈沖)同步。在從光振幅調制器130的 第一側發(fā)出之后，經放大的脈沖隨后進入光環(huán)行器120的第二端口 122， 并且沿光路148從光環(huán)行器120的第三端口 116射出。
之后，信號在其通過第二光放大器160時被放大。如結合圖1討論 的，本發(fā)明的實施例利用了光纖放大器作為光放大器160，其中光放大器 160包括通過光耦合器152與摻稀土的光纖回路耦合的泵154。雖然對本 領域的技術人員來說，光放大器的泵浦很明顯地可以由其他裝置實現，但是通常地將半導體泵浦激光器用作泵154。在特定實施例中，第二光放大
器160包括5米長的摻稀土光纖156，其具有大約4.8/im的核心直徑以及 摻雜有摻雜密度大約為6X10Mions/i^的鐿。放大器160也包括泵154，其 中泵154為工作于976nm波長的FBG穩(wěn)頻半導體激光二極管并具有 500mW的輸出功率。在另一個特定實施例中，第二光放大器160包括2米 長的摻稀土光纖156，其具有大約10/mi的核心直徑以及摻雜有慘雜密度 大約為lX10、ons/m3的鐿。光纖長度可以短于或長于2米。例如，可以 為l.Om、 3.0m、 3.5m、 4.0m、 4.5m、 5.0m等。放大器160還可以包括多 模泵154，其為具有5W輸出功率的半導體激光二極管。輸出功率可以低 于或大于5W。例如，輸出功率可以為3W、 4W、 6W、 7W、 8W、 9W、 IOW等。
在另一個特定實施例中，為了使種子信號通過，光振幅調制器130跳 動一次而不是兩次。光振幅調制器130變成"開"狀態(tài)以產生沿光路136 傳播的脈沖的上升沿。之后此信號通過光放大器150第一次放大。之后信 號撞擊反射結構146并通過光放大器150第二次放大。此時從光放大器 150發(fā)出的信號沿光路136撞擊到隨后轉到"關"狀態(tài)的光振幅調制器 130的第二側134。因此脈沖寬度由在光振幅調制器130保持在"開"狀 態(tài)的時間減去信號通過放大器150和反射結構146的渡越時間給定。
雖然圖1示出了使用耦合于光環(huán)路120的第三端口的單一光放大器 160，但是這并不是本發(fā)明所必需的。在可選擇的實施例中，為適合于特 定應用，在光環(huán)路120的下游使用多個光放大器。本領域的普通技術人員 會認識到多種變化、修改和選擇。
圖2為示出在根據本發(fā)明實施例的高功率脈沖激光器中的不同位置的 電脈沖和光脈沖時序簡圖。僅僅作為例子，圖2示出了到振幅調制器的重 復電驅動信號和通過如圖1所示的本發(fā)明的實施例傳播的光脈沖的時序。 第一電驅動信號220在電觸發(fā)210之后施加到振幅調制器以產生光脈沖 240。在一些傳播延遲后，光信號250第一次通過光放大器。光信號260 之后撞擊到反射結構并且光信號250第二次通過光放大器。光脈沖240第 二次傳遞通過振幅調制器，其中振幅調制器由光脈沖240以電的方式驅動第二次220。最后在一些傳播延遲之后光脈沖230從端口 3出射。
圖3為根據本發(fā)明的實施例提供一系列激光脈沖的方法的簡圖。此方 法包括提供種子信號(310)。在本發(fā)明的實施例中，種子信號可以由半 導體激光器在1064nm波長處產生。此方法也包括將種子信號第一次傳送 通過振幅調制器(320)。在本發(fā)明的實施例中，可以由光環(huán)行器或其他 光耦合裝置實現將種子信號耦合進入振幅調制器。此方法還包括通過將驅 動信號第一次施加到振幅調制器上而為種子信號提供時域濾波(330)。 脈沖由光放大器放大(340)并經頻域濾波(350)。因此，在圖3中示出 的系統(tǒng)的一個階段提供了經過譜濾波的脈沖。
可以理解，可以不離開這里描述的實施例的范圍而使用多種放大器和 頻域濾波器結構的組合。例如，可以在脈沖放大前或脈沖放大后實現頻域 濾波。相應地，像雙通光放大器中可能出現的那樣，在脈沖的第一放大之 后和脈沖的第二放大之前實現頻域濾波。此外，此方法包括將光信號第二 次傳送通過振幅調制器(360)和通過將驅動信號第二次施加到振幅調制 器以提供脈沖信號的時域濾波(370)。在第二次通過振幅放大器之后， 經過放大的、在譜和時間方面受到濾波的脈沖可以被稱作中間脈沖。在本 發(fā)明的實施例中，光脈沖由在第一次透射通過振幅調制器期間調制種子信 號產生并且在第二次透射通過振幅調制器期間被選通(gate)。
使用本發(fā)明的實施例，高功率脈沖激光源提供具有獨立可調脈沖特性 的光脈沖流，其中脈沖特性包括脈沖寬度、峰值功率和能量、脈沖形狀 和脈沖重復率。僅僅作為例子，本發(fā)明的特定實施例在第二光放大器160 的輸出端170釋放輸出脈沖，其中所述脈沖大于每脈沖5/J，并具有10ns 的脈沖寬度和lOKHz的重復率。當然，由可選擇的實施例提供其他脈沖特 性。例如，脈沖能量可以為1/J、 10/J、 20/J、 30/J等。脈沖持續(xù)時間在 例如2ns和150ns之間的值的范圍內。脈沖重復頻率在例如0到500kHz的 值的范圍內。
在上述實施例中，使用了 CW種子源并且使用振幅調制器120執(zhí)行提 供激光脈沖的時域濾波。但是，這不是本發(fā)明所必需的。在可選擇的實施 例中，對種子源進行調制以提供脈沖的種子信號而不是CW種子信號。雖然脈沖的種子信號最小化由種子泄露引起的寄生信號積累，并使得種子源
的工作功率范圍能夠增加。例如，脈沖種子輸出功率可以為200mW、 500mW甚至1W。在可選擇的實施例中，脈沖種子信號的脈沖寬度可以等 于或長于整體脈沖激光源的期望脈沖寬度。使種子脈沖化也可以增加種子 激光器的有效線寬以減少受激布里淵散射。
提供根據本發(fā)明的實施例，提供的方法和系統(tǒng)產生光脈沖序列，這些 光脈沖可能不能在時間方面相等地分開。此外，以預定方式對每個脈沖分 別調整其脈沖寬度和脈沖能量。而且，應該認識到盡管上面的描述討論了 單一光信號的產生，但是本發(fā)明的實施例通過多次重復單一脈沖以提供多 重脈沖的產生。這些多重脈沖可以包括光脈沖序列的任意列。
雖然參考特定實施例及其具體例子描述了本發(fā)明，但是應該明白其他 實施例也可以落入本發(fā)明的精神和范圍內。因此，本發(fā)明的范圍應該參照 權利要求及其全部等同物范圍來確定。
本發(fā)明依據35 U.S.C. § 119 (e)要求申請于2006年4月18日的，題 為"Method and System for Tunable Pulse Laser Source"的美國臨時專利申 請No. 60/793307的優(yōu)先權，并將其通過引用全部結合在這里。
權利要求
1. 一種可調諧脈沖激光源，包括種子源，適于產生種子信號；光學環(huán)行器，其中所述光學環(huán)行器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口耦合于所述種子源；振幅調制器，以第一側和第二側為特征，其中所述第一側耦合于所述光學環(huán)行器的第二端口；第一光放大器，以輸入端和反射端為特征，其中所述輸入端耦合于所述振幅調制器的第二側；和第二光放大器，耦合于所述光學環(huán)行器的第三端口。
2. 根據權利要求1所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述種子源包括 半導體激光器。
3. 根據權利要求2所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述半導體激光 器包括FBG穩(wěn)頻半導體激光器。
4. 根據權利要求1所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述種子源包括 固體激光器或光纖激光器中至少一者。
5. 根據權利要求1所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述振幅調制器 包括適于對所述種子信號執(zhí)行時域透射濾波的馬赫-曾德干涉式振幅調制 器。
6. 根據權利要求1所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述第一光放大 器包括光纖放大器。
7. 根據權利要求6所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述光纖放大器 包括雙通光纖放大器。
8. 根據權利要求6所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述光纖放大器 包括摻稀土光纖。 '
9. 根據權利要求8所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述摻稀土光纖 中摻雜的稀土包括一種或更多種稀土元素的混合物。
10. 根據權利要求9所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述一種或更多種稀土元素包括鐿、鉺、銩、鈥、鐠、或釹中的一種或更多種。
11. 根據權利要求6所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述光纖放大 器包括單包層、雙包層或多包層光纖設計中的至少一者。
12. 根據權利要求11所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述光纖放大 器包括保偏光纖。
13. 根據權利要求1所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述第一光放大器包括摻稀土的光學棒放大器或摻稀土的光學片放大器中的至少一者。
14. 根據權利要求1所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述第二光放大器包括第二光纖放大器。
15. 根據權利要求14所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述第二光纖 放大器包括摻稀土光纖。
16. 根據權利要求15所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述摻稀土光 纖中摻雜的稀土包括一種或更多種稀土元素的混合物。
17. 根據權利要求16所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述一種或更 多種稀土元素包括鐿、鉺、銩、鈥、鐠、或釹中的一種或更多種。
18. 根據權利要求14所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述第二光纖 放大器包括單包層、雙包層或多包層光纖設計中的至少一者。
19. 根據權利要求18所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述第二光纖 放大器包括保偏光纖。
20. 根據權利要求1所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述第二光放 大器包括慘稀土的光學棒放大器或摻稀土的光學片放大器中的至少一者。
21. 根據權利要求1所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述反射端包 括譜域反射濾波器。
22. 根據權利要求21所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述譜域反射 濾波器包括光纖布拉格光柵。
23. 根據權利要求21所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述譜域反射 濾波器的反射譜基本上與所述種子源的輸出譜相匹配。
24. 根據權利要求1所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述振幅調制 器適于對所述種子信號執(zhí)行譜域透射濾波。
25. 根據權利要求24所述的可調諧脈沖激光源，其中，所述振幅調制器的透射譜基本上與所述種子源的輸出譜相匹配。
26. —種提供一個或更多個激光脈沖的方法，所述方法包括 在光環(huán)行器的第一端口提供種子信號； 將所述種子信號透射到振幅調制器的第一側；將所述種子信號透射通過所述振幅調制器以限定通過所述振幅調制器 的第一次通過；對所述種子信號進行時域濾波以提供脈沖，其中所述時域濾波包括為 所述振幅調制器調制驅動信號；使用第一光放大器放大所述脈沖；對經放大的脈沖進行頻域濾波以提供經過譜濾波的脈沖；將所述經過譜濾波的脈沖透射通過所述振幅調制器以限定通過所述振 幅調制器的第二次通過；對經過放大的所述經過譜濾波的脈沖進行時域濾波以提供中間脈沖， 其中所述時域濾波包括為所述振幅調制器調制所述驅動信號；和使用第二光放大器放大所述中間脈沖。
27. 根據權利要求26所述的方法，其中，所述種子信號是使用FBG穩(wěn) 頻半導體激光器產生的激光信號。
28. 根據權利要求26所述的方法，其中，所述振幅調制器包括馬赫-曾 德干涉式振幅調制器。
29. 根據權利要求26所述的方法，其中，所述第一光放大器包括雙通 光纖放大器。
30. 根據權利要求26所述的方法，其中，對所述經過放大的經過譜域 濾波的脈沖進行所述時域濾波包括使用包括光纖布拉格光柵的譜域反射濾 波器。
31. 根據權利要求26所述的方法，其中，所述第二光放大器包括單通 光纖放大器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種可調諧脈沖激光源，包括適合產生種子信號的種子源以及光學環(huán)行器。所述光學環(huán)行器包括第一端口、第二端口和第三端口，其中所述第一端口耦合于所述種子源。所述激光源也包括以第一側和第二側為其特征的振幅調制器。所述第一側耦合于所述光學環(huán)行器的第二端口。所述激光源還包括第一光放大器，所述第一光放大器以輸入端和包括頻域發(fā)射濾波器的反射端為特征。所述輸入端耦合于所述振幅調制器的第二側。此外，所述激光源包括耦合于所述光學環(huán)行器的第三端口的第二光放大器。
文檔編號G02F1/35GK101427430SQ200780014070
公開日2009年5月6日 申請日期2007年4月18日 優(yōu)先權日2006年4月18日
發(fā)明者伊薇斯·泰羅恩, 佛朗克斯·布魯奈特, 塔利·帕納芮洛, 帕斯卡爾·迪拉都阮泰, 柏那特·芮德, 理查德·木瑞森, 羅伯特·拉羅斯, 芮納德·伯拉-皮卡德 申請人:熱光子學鐳射公司