專(zhuān)利名稱(chēng)：產(chǎn)生可反復(fù)調(diào)用的激光脈沖的激光放大系統(tǒng)和激光放大方法
產(chǎn)生可反復(fù)調(diào)用的激光脈沖的激光放大系統(tǒng)和激光放大方法本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求I前序部分的激光放大系統(tǒng)和根據(jù)權(quán)利要求10前序部分的、用于產(chǎn)生可反復(fù)調(diào)用的具有預(yù)定的脈沖時(shí)間和/或脈沖能的激光脈沖的激光放大方法。對(duì)于像在生物醫(yī)藥或材料加工中的許多應(yīng)用場(chǎng)合，需要高強(qiáng)度的激光脈沖。在良好的射束質(zhì)量(M2〈l. 2)和皮秒或飛秒脈沖的情況下，這一般意味著在Ι- ο μ J范圍內(nèi)的脈沖能，以便超過(guò)典型的燒蝕或加工能量密度閾值并實(shí)現(xiàn)有效的工藝控制。被用于這樣的應(yīng)用場(chǎng)合的脈沖激光器系統(tǒng)，尤其是針對(duì)經(jīng)常被設(shè)計(jì)成可恢復(fù)或可再生的放大器或再生放大器形式的工業(yè)應(yīng)用，越來(lái)越多地要求可按需(即“on demand”)提 供激光脈沖的能力。這對(duì)于典型的納秒級(jí)(即具有在幾納秒到幾十納秒之間的特征脈沖持續(xù)時(shí)間)的激光器來(lái)說(shuō)絕對(duì)是已按標(biāo)準(zhǔn)集成的特征。隨著專(zhuān)門(mén)以超短(即具有在幾皮秒和飛秒之幾十皮秒和飛秒范圍內(nèi))的脈沖持續(xù)時(shí)間的脈沖來(lái)有利地或單獨(dú)地操作使用的應(yīng)用的成熟，“即需脈沖”工作未來(lái)對(duì)激光器而言也是一個(gè)絕對(duì)必要的特征。該能力意味著可按要求或者說(shuō)根據(jù)實(shí)際所需的要求來(lái)調(diào)用具有預(yù)定理想能量和/或理想脈沖持續(xù)時(shí)間的脈沖。目前尤其存在于工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合里的典型要求例如是a.在加工過(guò)程中調(diào)節(jié)重復(fù)率和脈沖能。這在現(xiàn)有技術(shù)的當(dāng)前系統(tǒng)中大多不是非常時(shí)間關(guān)鍵的，并且能夠關(guān)于激光器的系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)被認(rèn)為是絕熱(adiabatisch)的。b.在規(guī)定的重復(fù)率和脈沖能條件下使用TTL信號(hào)來(lái)發(fā)起脈沖序列(Pulszug)，在這里，切換邊沿必須位于放大脈沖序列的兩個(gè)脈沖之間。c.第一脈沖的脈沖能量超調(diào)(Pulsenergieuberhohung)應(yīng)該小,例如小于脈沖能量
目標(biāo)值的10%。根據(jù)工藝的不同，也可以接受較高的能量增高，但在某些工藝中只允許最小偏差或甚至沒(méi)有偏差。d.最后，已知這樣的越來(lái)越多的應(yīng)用狀況，此時(shí)可以或必須連續(xù)地(例如重復(fù)率從零到最大值(Ο-fmax))且時(shí)間關(guān)鍵地(即以快速調(diào)節(jié)時(shí)間如小于I μ s)調(diào)節(jié)脈沖重復(fù)率和脈沖能量。最后兩點(diǎn)c和d表現(xiàn)為重要要求，并且在現(xiàn)有技術(shù)的超短脈沖激光器系統(tǒng)中是做不到的。雖然出現(xiàn)了能用以獲得很好的時(shí)間分辨并進(jìn)而獲得即需工作或者說(shuō)脈沖反復(fù)調(diào)用性的一些技術(shù)方案，但這一般利用高重復(fù)率的振蕩器、設(shè)置在下游的脈沖選擇器、后設(shè)一個(gè)或多個(gè)線(xiàn)性二次放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。不過(guò)，很高的增益導(dǎo)致在接通時(shí)或在脈沖選擇器重復(fù)率的狀態(tài)變化時(shí)會(huì)出現(xiàn)能量超調(diào)(起振過(guò)程)。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出容許值。作為這種具有可根據(jù)要求反復(fù)調(diào)用的具有預(yù)定持續(xù)時(shí)間、時(shí)間分隔(重復(fù)率)和能量的脈沖的激光器系統(tǒng)的要實(shí)現(xiàn)的最低要求，可給出以下門(mén)檻I.脈沖突發(fā)開(kāi)始后的第一脈沖的脈沖能量超調(diào)應(yīng)該很小，這一般意味著偏差遠(yuǎn)小于脈沖能量目標(biāo)值的10%。2.脈沖重復(fù)率和脈沖能量應(yīng)當(dāng)能夠持續(xù)地從零變化至各自的最大值，并且還時(shí)間關(guān)鍵地(即以遠(yuǎn)小于I μ s的時(shí)間刻度)來(lái)改變。
從現(xiàn)有技術(shù)中知道了各種做法，其中測(cè)量初始信號(hào)或者輸出的激光脈沖。隨后，基于該信號(hào)可以對(duì)待放大的激光脈沖進(jìn)行損耗調(diào)制。但這些做法的前提是要為此產(chǎn)生脈沖，因而只適用于后續(xù)的脈沖，即，沒(méi)有立即對(duì)待放大的可反復(fù)調(diào)用的脈沖產(chǎn)生即時(shí)性的影響。因此，本發(fā)明的一個(gè)任務(wù)在于提供一種改進(jìn)的激光器系統(tǒng)以及一種相應(yīng)的方法，用以產(chǎn)生具有預(yù)定脈沖持續(xù)時(shí)間和/或脈沖能量的、可反復(fù)調(diào)用的激光脈沖。進(jìn)一步的任務(wù)在于提供如此設(shè)計(jì)的激光器系統(tǒng)，S卩，該激光器系統(tǒng)被如此控制或調(diào)節(jié)，即，在所調(diào)用的第一脈沖中就已經(jīng)出現(xiàn)很小的脈沖能量超調(diào)，而且實(shí)現(xiàn)了可以連續(xù)地且立即地變化的脈沖重復(fù)率和脈沖能量。所述任務(wù)通過(guò)權(quán)利要求I或10或者從屬權(quán)利要求的主題來(lái)完成或加以改進(jìn)。本發(fā)明基于在激光放大系統(tǒng)中使用損耗調(diào)制器來(lái)提供可反復(fù)調(diào)用的激光脈沖。該激光脈沖由激光源產(chǎn)生并通過(guò)設(shè)置在下游的放大介質(zhì)被放大，在這里，放大增益被設(shè)計(jì)為可受到損耗調(diào)制器的影響，因而能夠提供具有預(yù)定的脈沖持續(xù)時(shí)間或脈沖能的可反復(fù)調(diào)用的激光脈沖。根據(jù)本發(fā)明，在針對(duì)其中一個(gè)激光脈沖的放大過(guò)程之前，確定與該過(guò)程相關(guān)的 激光介質(zhì)實(shí)際狀態(tài)。在此情況下要關(guān)注的參數(shù)是當(dāng)時(shí)出現(xiàn)的激光介質(zhì)瞬時(shí)增益，根據(jù)對(duì)該瞬時(shí)增益的掌握來(lái)通過(guò)損耗調(diào)制器調(diào)節(jié)或控制該損耗產(chǎn)生。用損耗調(diào)制來(lái)影響下個(gè)待放大的脈沖因此是建立在掌握了當(dāng)前實(shí)際的或過(guò)去的放大系統(tǒng)狀態(tài)的基礎(chǔ)之上的。因此，通過(guò)在脈沖經(jīng)過(guò)激光介質(zhì)之前確定增益或者說(shuō)放大倍數(shù)，就可以超前及時(shí)地調(diào)整后面的放大過(guò)程，因而一方面提供良好滿(mǎn)足要求的激光脈沖。另一方面，這種調(diào)整是無(wú)延遲地完成的，這是因?yàn)椴槐卦诜糯筮^(guò)程后才測(cè)量輸出信號(hào)以進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣的對(duì)損耗調(diào)制的調(diào)整可通過(guò)直接測(cè)量激光介質(zhì)的狀態(tài)來(lái)完成，例如通過(guò)測(cè)量熒光或飽和狀態(tài)。該參數(shù)體現(xiàn)在隨后的激光脈沖通過(guò)時(shí)預(yù)期的放大效果中，因此，激光脈沖的輸入性能可根據(jù)所期望的參數(shù)像例如脈沖持續(xù)時(shí)間和脈沖能量通過(guò)該損耗調(diào)制而匹配于預(yù)期的放大性能。測(cè)定的熒光表示激光介質(zhì)的飽和，進(jìn)而也表示在介質(zhì)中的在先的放大過(guò)程和隨時(shí)間變化情況。與此相應(yīng)，作為直接測(cè)量的替代或也可作為其補(bǔ)充，可以進(jìn)行基于模型的控制，由此推導(dǎo)出并進(jìn)而預(yù)測(cè)激光介質(zhì)狀態(tài)及其性能。此時(shí)在這樣的建模中，除了激光介質(zhì)本身外，也可以考慮其它影響，例如像激光器諧振器的部件所引起的損耗。模型參數(shù)此時(shí)可以通過(guò)測(cè)量輸入信號(hào)和輸出信號(hào)或其它與放大相關(guān)的參數(shù)例如像熒光或飽和狀態(tài)來(lái)更新，并且模型因此按照一定的時(shí)間間隔或者連續(xù)不斷地被調(diào)整。損耗調(diào)制器和用于測(cè)量表示激光介質(zhì)的放大過(guò)程或放大能力的各參數(shù)的傳感器的精確位置此時(shí)取決于具體選擇的配置。脈沖放大器的一個(gè)典型例子表現(xiàn)為根據(jù)可恢復(fù)放大器原理的配置。這樣的配置例如由EP I 687 876所公開(kāi)，在這里，在諧振器內(nèi)按照脈沖產(chǎn)生的時(shí)間標(biāo)度進(jìn)行損耗調(diào)制。作為其它組成部分，它包括足夠快速的損耗調(diào)制器。它可以是聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器或起相同作用的其它合適部件。借助該快速調(diào)制器，放大器的諧振器損耗按照本發(fā)明根據(jù)脈沖要求(如時(shí)刻和能量)被如此調(diào)節(jié)或控制，即，可反復(fù)調(diào)用地提供具有所要求的脈沖持續(xù)時(shí)間和脈沖能量的激光脈沖。作為控制用的反饋信號(hào)，例如可以使用對(duì)應(yīng)于放大器熒光、進(jìn)而對(duì)應(yīng)于增益的信號(hào)。該控制例如可以基于依靠分析或經(jīng)驗(yàn)建立的諧振器性能模型來(lái)進(jìn)行，或者也可以在使用包含表述諧振器性能的值的查詢(xún)表情況下來(lái)進(jìn)行。
除了具有快速損耗調(diào)制器的再生放大器外，這樣的激光放大系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施例中可以還具有種子振蕩器、控制/調(diào)節(jié)電子裝置并或許具有其它可選的組成部分例如另一脈沖選擇器、脈沖壓縮器和非線(xiàn)性轉(zhuǎn)換級(jí)。以下，將結(jié)合附圖示意所示的實(shí)施例來(lái)單純舉例詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的、用于產(chǎn)生具有預(yù)定的脈沖持續(xù)時(shí)間和/或脈沖能量的可反復(fù)調(diào)用的激光脈沖的激光放大系統(tǒng)和基于該激光放大系統(tǒng)的本發(fā)明激光放大方法。其中圖I是本發(fā)明激光放大系統(tǒng)的第一實(shí)施例的示意圖，其包括熒光監(jiān)測(cè)；圖2是用于第一實(shí)施例的軟硬件組成部分的示意圖；
圖3是本發(fā)明激光放大系統(tǒng)的第二實(shí)施例的示意圖，其包括基于模型計(jì)算增益；圖4是用于第二實(shí)施例的軟硬件組成部分的示意圖；圖5是根據(jù)可恢復(fù)的放大器原理的現(xiàn)有技術(shù)的激光放大系統(tǒng)的不意圖；圖6是根據(jù)可恢復(fù)的放大器原理的本發(fā)明激光放大系統(tǒng)的第三實(shí)施例的示意圖，該激光放大系統(tǒng)具有熒光監(jiān)測(cè)，并且作為由帶有掃描器的激光加工設(shè)備控制的超短脈沖激光器系統(tǒng)的例子；圖7是根據(jù)可恢復(fù)的放大器原理的本發(fā)明激光放大系統(tǒng)的第四實(shí)施例的示意圖，該激光放大系統(tǒng)具有熒光監(jiān)測(cè)，并且具有用于產(chǎn)生高次諧波的其它組成部分；圖8示出本發(fā)明激光放大系統(tǒng)的第四和第五實(shí)施例的參數(shù)概況；圖9示出在IOOkHz下且沒(méi)有根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)時(shí)的第四實(shí)施例的放大常數(shù)和脈沖能量；

圖10表示在IOOkHz下且沒(méi)有根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)時(shí)的第五實(shí)施例的放大常數(shù)和脈沖能量；圖11表示在經(jīng)過(guò)頻率斜坡且沒(méi)有根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)時(shí)的第四實(shí)施例的放大常數(shù)和脈沖能量；圖12表示在經(jīng)過(guò)頻率斜坡且沒(méi)有根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)時(shí)的第五實(shí)施例的放大常數(shù)和脈沖能量；圖13表示在經(jīng)過(guò)頻率斜坡且具有根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)時(shí)的第四實(shí)施例的放大常數(shù)和脈沖能量；圖14表示在經(jīng)過(guò)頻率斜坡且具有本發(fā)明調(diào)節(jié)時(shí)的第五實(shí)施例的放大常數(shù)和脈沖倉(cāng);圖15表示隨機(jī)定時(shí)且無(wú)本發(fā)明調(diào)節(jié)的第四實(shí)施例的放大常數(shù)和脈沖能量；圖16表示隨機(jī)定時(shí)且無(wú)本發(fā)明調(diào)節(jié)的第五實(shí)施例的放大常數(shù)和脈沖能量；圖17表示隨機(jī)定時(shí)且具有本發(fā)明調(diào)節(jié)的第四實(shí)施例的放大常數(shù)和脈沖能量；圖18表示隨機(jī)定時(shí)且具有本發(fā)明調(diào)節(jié)的第五實(shí)施例的放大常數(shù)和脈沖能量；和圖19是按照可恢復(fù)的放大器原理的本發(fā)明激光放大系統(tǒng)的第六實(shí)施例的示意圖，該激光放大系統(tǒng)具有基于模型的增益計(jì)算。圖I表示具有熒光監(jiān)測(cè)功能的本發(fā)明激光放大系統(tǒng)的第一實(shí)施例的示意圖。在此配置結(jié)構(gòu)中，通過(guò)激光源I產(chǎn)生激光脈沖，該激光脈沖通過(guò)設(shè)置在下游的脈沖選擇器2被有目的地選作為待放大的激光脈沖。該激光脈沖被引導(dǎo)經(jīng)過(guò)激光介質(zhì)4，在那里被放大并最終作為可反復(fù)調(diào)用的激光脈沖S輸出并隨后加以利用。在激光介質(zhì)4之前設(shè)有損耗調(diào)制器3，其中損耗調(diào)制器3被如此設(shè)置和連接，以使該損耗調(diào)制器通過(guò)產(chǎn)生損耗來(lái)調(diào)制通過(guò)激光介質(zhì)4實(shí)現(xiàn)的激光脈沖的放大，從而提供具有預(yù)定的脈沖持續(xù)時(shí)間和/或脈沖能量的可反復(fù)調(diào)用的激光脈沖S。在其中一個(gè)激光脈沖的放大過(guò)程之前，利用熒光測(cè)量機(jī)構(gòu)確定激光介質(zhì)4的當(dāng)前瞬時(shí)增益，由控制/調(diào)節(jié)電子裝置5通過(guò)損耗調(diào)制器3根據(jù)激光介質(zhì)4的瞬時(shí)增益來(lái)調(diào)節(jié)損耗產(chǎn)生。作為激光源1，例如可以使用典型的激光器裝置來(lái)產(chǎn)生皮秒脈沖或飛秒脈沖，其輸出功率為O. I至10W，重復(fù)率為10至100MHz，脈沖長(zhǎng)度為IOOfs至10ps，波長(zhǎng)在700nm至
I.7 μ m之間。具有這些技術(shù)數(shù)據(jù)的激光源例如以脈沖持續(xù)時(shí)間為8至13ps的Nd:YV0激光器形式或者以脈沖持續(xù)時(shí)間為100至400fs的Yb:KYW激光器形式獲得。不過(guò)，相似的規(guī)格也可利用Ti :藍(lán)寶石或Cr = LiSAF激光器(約800nm波長(zhǎng))或通過(guò)使用Yb或Er摻雜型光纖激光器(1040nm或者1550nm波長(zhǎng))來(lái)獲得。 作為脈沖選擇器2或者損耗調(diào)制器3，可以采用現(xiàn)有技術(shù)的聲光調(diào)制器或電光調(diào)制器，在此也能在一個(gè)調(diào)制器中實(shí)現(xiàn)兩種功能性的組合。作為激光介質(zhì)4，不僅可以使用塊狀晶體(“Bulk-Kristalle”)，也可以使用光纖放大器。塊狀晶體的一個(gè)例子是使用約30mm長(zhǎng)的Nd:YV0晶體，其用激光二極管(100W, 880nm)被光泵浦。這樣的配置結(jié)構(gòu)適用于放大ps脈沖，在這里可以在大于200 μ J的脈沖能量下得到大于50W的輸出功率。利用光纖來(lái)實(shí)施的場(chǎng)合可以采用超過(guò)40cm長(zhǎng)的且含有Yb或Er摻雜的光纖，在這里，這樣的放大器一般用例如像在電信當(dāng)中的經(jīng)典的光纖來(lái)構(gòu)成，或者用基于光子晶體的例如基于棒狀光纖技術(shù)的光纖來(lái)構(gòu)成。光纖放大器的第一實(shí)現(xiàn)方式是通信中的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。在那里，通常放大大于IOps的脈沖并且使用小于IW的平均功率，但在此也可以實(shí)現(xiàn)具有幾瓦功能或飛秒脈沖持續(xù)時(shí)間的光纖放大器。第二實(shí)現(xiàn)方式尤其適用于放大脈沖持續(xù)時(shí)間小于500fs，并且可以用Yb摻雜型棒狀光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)幾十瓦的輸出功率。在這兩種情況下，考慮具有幾瓦到幾百瓦功率的激光二極管作為泵浦源。在圖2中示意示出了控制/調(diào)節(jié)電子裝置5的軟硬件組成部分，它充當(dāng)用于第一實(shí)施例的熒光測(cè)量的分析計(jì)算電子裝置。通過(guò)控制/調(diào)節(jié)電子裝置5，計(jì)算出所需要的輸入能，以便通過(guò)放大和與之匹配的損耗調(diào)制來(lái)獲得規(guī)定的輸出能量。為此所需的熒光測(cè)量此時(shí)直接在激光介質(zhì)4上進(jìn)行，即根據(jù)實(shí)施方式的不同，在晶體或者光纖上進(jìn)行。為此，光纖將熒光從晶體傳導(dǎo)至光電二極管。所出現(xiàn)的電信號(hào)在硬件配置HW中被放大，通過(guò)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并且由數(shù)字信號(hào)處理器DSP來(lái)處理。軟件SW在數(shù)字濾波器DF中過(guò)濾信號(hào)以消減噪聲并且計(jì)算用于損耗調(diào)制器例如聲光調(diào)制器的調(diào)節(jié)信號(hào)BSS。為了補(bǔ)償非線(xiàn)性，例如AOM特性曲線(xiàn)，隨后將調(diào)節(jié)信號(hào)線(xiàn)性化。算出的數(shù)字信號(hào)LAOM又在硬件側(cè)通過(guò)數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器DAC被轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，隨后被放大并通過(guò)RF驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制作為損耗調(diào)制器的AOM。圖3示意示出本發(fā)明激光放大系統(tǒng)的第二實(shí)施例，其具有基于模型的增益計(jì)算。在具有與第一實(shí)施例基本相同的結(jié)構(gòu)的情況下，在此實(shí)施例中，輸入能量和輸出能量是通過(guò)設(shè)于激光介質(zhì)4之前和之后的兩個(gè)光電二極管6來(lái)測(cè)量的。與第一實(shí)施例不同，在這里，在控制/調(diào)節(jié)電子裝置5中用數(shù)字建模并計(jì)算激光介質(zhì)4的狀態(tài)及其放大倍數(shù)。在基于初始值的初次計(jì)算后，依據(jù)測(cè)得的輸入能量和輸出能量用實(shí)際實(shí)現(xiàn)的增益來(lái)校正模型。圖4示出了第二實(shí)施例的軟硬件組成部分的對(duì)應(yīng)的示意圖。與第一實(shí)施例不同，控制/調(diào)節(jié)電子裝置5計(jì)算出激光介質(zhì)4的狀態(tài)、尤其是瞬時(shí)放大倍數(shù)。與此相關(guān)，激光介質(zhì)或許也可以是指被用于放大的多個(gè)激光晶體。此處，在每次放大過(guò)程后，在計(jì)算模型和光學(xué)系統(tǒng)之間進(jìn)行校正。當(dāng)與控制/調(diào)節(jié)電子裝置5的相同硬件配置HW的第一實(shí)施例相比時(shí)，在軟件SW中在數(shù)字過(guò)濾DF后進(jìn)行晶體狀態(tài)BKZ計(jì)算，又由此計(jì)算出用于損耗調(diào)制器的調(diào)節(jié)信號(hào)BSS并隨后加以線(xiàn)性化。晶體狀態(tài)BKZ計(jì)算基于晶體數(shù)字建模，對(duì)此例如可以采用針對(duì)放大倍數(shù)g和能量E的兩個(gè)微分公式，在這里，用于具有一個(gè)或多個(gè)設(shè)于諧振器內(nèi)、作為激光介質(zhì)的激光器晶體的放大器配置的公式可表述如下
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C/ Ir第一公式表述4能級(jí)系統(tǒng)的反轉(zhuǎn)和進(jìn)而放大，其與抽運(yùn)的激光能(第二公式)相關(guān)聯(lián)。具體適用以下標(biāo)記g-瞬時(shí)增益或循環(huán)放大常數(shù)g0-最小信號(hào)-放大常數(shù)上激光能級(jí)的壽命E-脈沖能量Esat-飽和能量Tk-諧振器循環(huán)時(shí)間Ipara-寄生損耗常數(shù)Inrod-可調(diào)的調(diào)制損耗開(kāi)始時(shí)，第一公式針對(duì)E = O來(lái)求解，并且在每次放大過(guò)程后，根據(jù)輸入能量和輸出能量，用實(shí)際存在的放大倍數(shù)來(lái)校正模型。不過(guò)原則上，基于模型的放大倍數(shù)計(jì)算也可通過(guò)其它的測(cè)量參數(shù)像例如熒光測(cè)量來(lái)支持或補(bǔ)充。在圖5中作為應(yīng)用場(chǎng)合示出包括激光放大系統(tǒng)的上述類(lèi)型的系統(tǒng)組成部件的腔體，所述激光放大系統(tǒng)符合現(xiàn)有技術(shù)的可重建的放大器原理。來(lái)自激光器種子源的偏振后的種子激光脈沖通過(guò)起偏器7被輸入該配置結(jié)構(gòu)，并在經(jīng)過(guò)電光轉(zhuǎn)換調(diào)制器9 (如波克爾斯盒)和四分之一波片8后被反射器10反射。根據(jù)施加在電光轉(zhuǎn)換調(diào)制器9上的電壓，激光射線(xiàn)的偏振面被旋轉(zhuǎn)，從而可穿過(guò)起偏器7。通過(guò)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)操作，因此不僅脈沖可被輸入該配置結(jié)構(gòu)中，激光脈沖S也可被輸出。為此，電光轉(zhuǎn)換調(diào)制器9與起偏器7相關(guān)地構(gòu)成一個(gè)外部可控開(kāi)關(guān)，光脈沖可借此被有選擇地輸入輸出并且諧振器品質(zhì)可以得到控制。如果輸入一個(gè)脈沖且因而其被截留在諧振器里，則該光脈沖在每次經(jīng)過(guò)激光介質(zhì)4'時(shí)被放大，其中在折射反射器11上進(jìn)行多次反射。激光介質(zhì)4'通過(guò)在此未示出的外部激光二極管源被光泵浦，并且可以例如以晶體或光纖形態(tài)構(gòu)成，在這里，激光介質(zhì)4'的其中一個(gè)表面按照從現(xiàn)有技術(shù)中知道的方式用作諧振器反射器。在一定次數(shù)的諧振器循環(huán)和經(jīng)過(guò)放大用激光介質(zhì)4’后，脈沖通過(guò)切換電光轉(zhuǎn)換調(diào)制器9所引起的偏振再次轉(zhuǎn)動(dòng)而穿過(guò)起偏器7作為激光脈沖S被輸出。在組成部件的結(jié)構(gòu)和配置中，這種布置結(jié)構(gòu)只是可重建放大器或再生放大器的一個(gè)例子。尤其是也可使用光纖部件來(lái)引導(dǎo)光。在圖6中，作為用于由包括掃描器的激光加工設(shè)備控制的超短脈沖激光器系統(tǒng)的例子，示出了本發(fā)明激光放大系統(tǒng)的第三實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明的激光放大系統(tǒng)具有原則上與圖5的現(xiàn)有技術(shù)例子相似的再生放大器12，其包括一個(gè)或多個(gè)放大用的激光介質(zhì)4"、包括兩個(gè)諧振器反射器10的激光諧振器、作為起偏器7的薄膜起偏器和第一電光轉(zhuǎn)換調(diào)制器9。根據(jù)本發(fā)明，在激光諧振器內(nèi)設(shè)有至少一個(gè)第二聲光或電光損耗調(diào)制器3用于控制脈沖能損耗,從而激光脈沖S的脈沖持續(xù)時(shí)間和/或脈沖能量可通過(guò)諧振器損耗的主動(dòng)調(diào)制被改變。但是，原則上也可以采用其它調(diào)制器，即例如第三或第四調(diào)制器，或調(diào)制器組合。諧振器損耗調(diào)制此時(shí)可以通過(guò)控制或調(diào)節(jié)來(lái)完成，在現(xiàn)有技術(shù)中原則上提供了許多種做法用于這種控制或調(diào)節(jié)。通過(guò)這樣的諧振器損耗的控制或調(diào)節(jié)，可反復(fù)調(diào)用地提供具有預(yù)定的脈沖重復(fù)率和/或脈沖能量的激光脈沖，從而實(shí)現(xiàn)了符合應(yīng)用的供應(yīng)具有期望時(shí)間和能量特性的激光脈沖S。 諧振器損耗調(diào)節(jié)的一個(gè)具體可行方案是使用一個(gè)表示放大器熒光的信號(hào)VF作為反饋信號(hào)。諧振器損耗的控制例如可以通過(guò)查詢(xún)表來(lái)進(jìn)行。其它組成部分是作為激光源I的用于提供待放大脈沖的種子振蕩器、第一和第二調(diào)制器3、9的控制/調(diào)節(jié)電子裝置5以及光隔離器13，該光隔離器13用于截止和輸出可反復(fù)調(diào)用的激光脈沖S，作為可加以利用的發(fā)射。圖7示出本發(fā)明激光放大系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，其具有其它的組成部分，用于產(chǎn)生高次諧波。此時(shí)，基本結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于如圖6所示的第三實(shí)施例，但在這里，一個(gè)脈沖展寬器14設(shè)于激光諧振器內(nèi)，一個(gè)脈沖壓縮器15設(shè)于激光諧振器外，它們?cè)试S按照在其它方面已知的現(xiàn)有技術(shù)方法的線(xiàn)性調(diào)頻的脈沖放大，就像例如從EP I 687 876中知道的那樣。通過(guò)適當(dāng)配置該脈沖壓縮器15，脈沖長(zhǎng)度可相對(duì)于種子脈沖被拉長(zhǎng)。但原則上，脈沖展寬器也可以設(shè)置在其它地方，尤其是也在激光諧振器之外。為了有目的地選擇并反復(fù)調(diào)用激光脈沖S，在隔離器13下游設(shè)有選脈沖器或脈沖選擇器2，在此實(shí)施例中在其下游設(shè)有非線(xiàn)性轉(zhuǎn)換級(jí)16，用于產(chǎn)生二次諧波和/或更高次諧波。作為損耗調(diào)節(jié)型再生放大器的工作的例子，數(shù)值模擬示出了 例如重復(fù)率變化如何影響到不受控制的放大器和與之相比受到控制的放大器。該模擬系統(tǒng)包含4個(gè)激光晶體作為激光介質(zhì)或者說(shuō)放大器介質(zhì)，并且被如此設(shè)計(jì)，即，可獲得在100-3000kHz重復(fù)率時(shí)的100W及以上的放大器功率。為了說(shuō)明具有損耗調(diào)制的再生放大器的情況，對(duì)公式(I)和(2)進(jìn)行分析并進(jìn)行數(shù)值積分。以下的圖8-圖18示出模擬狀況，用于說(shuō)明兩個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)的有效性，這兩個(gè)系統(tǒng)包括各有4個(gè)激光晶體的激光介質(zhì)Nd = YVO4和Nd: YLF，在這里，圖8概括地給出了相關(guān)的模擬參數(shù)。圖9和圖10分別示出在IOOkHz重復(fù)率下的用于Nd :YV0jP Nd: YLF再生放大器的脈沖能E和循環(huán)放大常數(shù)g。這些模擬用于說(shuō)明動(dòng)態(tài)狀況，在這里禁用了損耗調(diào)制。在兩個(gè)模擬中的寄生損耗常數(shù)為O. 223，這相當(dāng)于20%損耗。
可以清楚看到初始脈沖能量超調(diào)以及用于獲得起振狀態(tài)的時(shí)間。在NchYVO4的情況下，脈沖超調(diào)為10倍，在Nd:YLF的情況下，其因?yàn)樵谏霞す饽芗?jí)內(nèi)的較長(zhǎng)壽命和較小的放大截面而是35倍。不僅對(duì)于應(yīng)用而言，而且對(duì)于放大器本身來(lái)說(shuō)，這樣高的脈沖能量一般都是不可接受的，并且為了避免非線(xiàn)性而一般保持低于lmj。此外可以看到，在一次放大周期之前和之后的放大常數(shù)g之間的差異是相對(duì)小的，因而在放大過(guò)程中的放大常數(shù)g變化也小。在大約ImJ的抽運(yùn)脈沖能量情況下，這對(duì)NdiYVO4來(lái)說(shuō)相當(dāng)于小于10%，對(duì)NchYLF來(lái)說(shuō)約為1%。公式(2)表明，當(dāng)放大常數(shù)g因其在放大過(guò)程中只有很小變化而被視為近似恒定時(shí)，公式(2)與公式(I)無(wú)關(guān)聯(lián)。現(xiàn)在，放大器的恒定輸出能量的一個(gè)條件可以表述如下g-lpara-lmod = k = const (3)
參數(shù)K此時(shí)扮演脈沖能量的理想?yún)?shù)的角色，其預(yù)設(shè)給該系統(tǒng)。同時(shí)，在每次放大過(guò)程之前測(cè)量瞬時(shí)增益g，這例如可以利用借助光電二極管的放大器熒光測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。最后，諧振器內(nèi)部的損耗調(diào)制器Inwd被如此設(shè)定或者說(shuō)控制或調(diào)節(jié)，即，滿(mǎn)足公式(3)并且放大器因而產(chǎn)生等于理想值K的能量。在調(diào)節(jié)至恒定的放大器脈沖能量的情況下，這例如在沒(méi)有對(duì)放大時(shí)間或控制極長(zhǎng)度、泵浦條件和種子脈沖能(Seeder-Pulsenergie)做出任何改變的情況下，僅通過(guò)測(cè)量增益g和調(diào)節(jié)諧振器損耗Inrod (例如借助AOM或Ε0Μ)來(lái)做到?，F(xiàn)在，該放大器也可以非周期性地被隨意激發(fā)。在此情況下要注意以下幾點(diǎn)。一只有當(dāng)所請(qǐng)求的重復(fù)率小于或等于起振放大器能夠產(chǎn)生該能量(Inwd=O)的數(shù)值時(shí)，該調(diào)節(jié)才可保持對(duì)應(yīng)于理論值K的脈沖能。但是，也可產(chǎn)生具有較高脈沖率的脈沖突發(fā)。一因?yàn)樵撜{(diào)節(jié)基本上依據(jù)由單脈沖引起的可忽略不計(jì)的放大飽和，所以其品質(zhì)只在由放大過(guò)程引起的小增益變化Ag時(shí)，才得以保證。圖11和圖12表示放大器系統(tǒng)第四和第五實(shí)施例的、在經(jīng)過(guò)頻率斜坡且沒(méi)有根據(jù)本發(fā)明控制時(shí)的放大常數(shù)和脈沖能量。此時(shí)，頻率在大約4s內(nèi)從3MHz變到10Hz。如明確無(wú)疑看到的那樣，放大器通過(guò)調(diào)整頻率不僅經(jīng)歷了脈沖能量的顯著變化，而且也出現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)區(qū)域。也存在初始脈沖超調(diào)。在圖13和圖14中示出了放大器系統(tǒng)第四和第五實(shí)施例的、在經(jīng)過(guò)相同的頻率斜坡但具有根據(jù)本發(fā)明控制時(shí)的放大常數(shù)和脈沖能量。所設(shè)定的約100 μ J能量將被該調(diào)節(jié)很好地保持。只是對(duì)于Nd = YVO4出現(xiàn)小于5%的略微偏差。在此放大器中的可抽運(yùn)功率為大約100W，所以在頻率諧波起點(diǎn)即3MHz處的脈沖能量不對(duì)應(yīng)于用于放大器起振狀態(tài)的能量。但是，可以通過(guò)該調(diào)節(jié)來(lái)保持該能量，直到頻率降低到小于IMHz。也能充分修正初始脈沖能量超調(diào)。圖15和圖16示出放大器系統(tǒng)第四實(shí)施例的、在沒(méi)有本發(fā)明調(diào)節(jié)時(shí)且具有隨機(jī)定時(shí)的放大常數(shù)和脈沖能。如所期待的那樣，兩個(gè)放大器對(duì)于時(shí)間任意的脈沖請(qǐng)求序列相應(yīng)地以混沌方式做出反應(yīng)。而所調(diào)節(jié)出的大約100 μ J能量在本發(fā)明調(diào)節(jié)中得以良好保持，如圖17和圖18所示。只是對(duì)于Nd = YVO4出現(xiàn)了脈沖噪聲略微增大。該構(gòu)想可如此按照本發(fā)明來(lái)改進(jìn)，也可以在容許極限范圍內(nèi)調(diào)節(jié)能量的理想值參數(shù)K，由此除了按照時(shí)間的“按需脈沖”功能外，也可以自由選擇脈沖能量。圖19示意示出按照可恢復(fù)的放大器原理的本發(fā)明激光放大系統(tǒng)的第六實(shí)施例，該激光放大系統(tǒng)具有基于模型的增益計(jì)算。該激光器配置原則上對(duì)應(yīng)于第三實(shí)施例，但在這里沒(méi)有使用熒光測(cè)量機(jī)構(gòu)。而是在光隔離器13之前，通過(guò)分光鏡輸出由激光源I所產(chǎn)生的激光束的一部分，并通過(guò)第一光電二極管6來(lái)測(cè)量作為輸入能量的脈沖能量。其測(cè)量方式與通過(guò)第二光電二極管6在光隔離器后測(cè)量可反復(fù)調(diào)用的激光脈沖S的能量的方式相同。晶體狀態(tài)計(jì)算基于晶體的數(shù)字建模，并且根據(jù)圖4所示的做法來(lái)進(jìn)行，但在這里，設(shè)于諧振器內(nèi)的其它部件的貢獻(xiàn)部分例如像由轉(zhuǎn)換調(diào)制器9產(chǎn)生的損耗也可被加以考慮和建模。為了進(jìn)一步改善基于模型的控制，也可以在光路內(nèi)或者說(shuō)諧振器內(nèi)的其它位置進(jìn)行附加的脈沖能量測(cè)量。原則上，用于抑制脈沖超調(diào)的所述機(jī)理與放大介質(zhì)的實(shí)施方式無(wú)關(guān)。尤其是，具有放大用激光介質(zhì)和/或其它功能部件的所述激光放大系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明能以光纖結(jié) 構(gòu)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生可反復(fù)調(diào)用的激光脈沖(S)的激光放大系統(tǒng)，其至少包括 -激光源(I)，尤其是帶有設(shè)置在下游的脈沖選擇器(2)，用以有針對(duì)性地選擇待放大的激光脈沖； -激光介質(zhì)(4，4")，其用于放大由該激光源所產(chǎn)生的激光脈沖； -尤其是聲光或電光的損耗調(diào)制器(3), 其中該損耗調(diào)制器(3)如此設(shè)置和轉(zhuǎn)換操作，即，該損耗調(diào)制器通過(guò)產(chǎn)生損耗來(lái)調(diào)制該激光脈沖的通過(guò)該激光介質(zhì)(4，4")的放大，從而提供具有預(yù)定的脈沖持續(xù)時(shí)間和/或脈沖能量的可反復(fù)調(diào)用的激光脈沖(S)， 其特征在于， 在針對(duì)其中一個(gè)激光脈沖的放大過(guò)程之前，確定該激光介質(zhì)(4，4")的當(dāng)前瞬時(shí)增益，并且該損耗調(diào)制器(3)的損耗產(chǎn)生是根據(jù)該激光介質(zhì)(4，4")的瞬時(shí)增益來(lái)調(diào)節(jié)或控制的。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光放大系統(tǒng)，其特征在于，所述激光放大系統(tǒng)具有控制器組成部分，該控制器組成部分基于該激光介質(zhì)(4，4")狀態(tài)的模型、尤其是數(shù)字模型來(lái)計(jì)算該激光介質(zhì)(4，4")的實(shí)際狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光放大系統(tǒng)，其特征在于，所述激光放大系統(tǒng)具有測(cè)量電路，該測(cè)量電路測(cè)量在放大過(guò)程之前和之后的激光脈沖的能量。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的激光放大系統(tǒng)，其特征在于，該損耗產(chǎn)生是依據(jù)查詢(xún)表來(lái)控制的。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光放大系統(tǒng)，其特征在于，所述激光放大系統(tǒng)具有熒光測(cè)量機(jī)構(gòu)，所述熒光測(cè)量機(jī)構(gòu)用于根據(jù)對(duì)該激光介質(zhì)(4，4")熒光的測(cè)量來(lái)確定該激光介質(zhì)(4，4")的增益，以便尤其用于通過(guò)代表放大器熒光的反饋信號(hào)(VF)來(lái)調(diào)節(jié)所述損耗產(chǎn)生。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的激光放大系統(tǒng)，其特征在于，該激光放大系統(tǒng)具有再生放大器，其至少包括 -具有至少一個(gè)諧振器反射器(10)的激光諧振器，和 -開(kāi)關(guān)裝置，其包括至少一個(gè)起偏器(7)尤其是薄膜起偏器和尤其為電光的轉(zhuǎn)換調(diào)制器(9)，所述開(kāi)關(guān)裝置尤其是包括用于該轉(zhuǎn)換調(diào)制器(9)和該損耗調(diào)制器(3)的控制/調(diào)節(jié)電子裝置(5)。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的激光放大系統(tǒng)，其特征在于，所述激光放大系統(tǒng)具有脈沖壓縮器(15)和脈沖展寬器(14)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的激光放大系統(tǒng)，其特征在于，所述激光放大系統(tǒng)具有非線(xiàn)性的光學(xué)轉(zhuǎn)換級(jí)(16)，尤其用于產(chǎn)生二次諧波或三次諧波。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的激光放大系統(tǒng)，其特征在于，至少放大用的該激光介質(zhì)是按照光纖結(jié)構(gòu)形式構(gòu)成的。
10.一種用于產(chǎn)生具有預(yù)定的脈沖持續(xù)時(shí)間和/或脈沖能量的可反復(fù)調(diào)用的激光脈沖(S)的激光放大方法，其至少包括 激光源(I)； 激光介質(zhì)(4，4")，其用于放大由激光源產(chǎn)生的激光脈沖， 尤其是聲光的或電光的損耗調(diào)制器(3), 并且所述方法至少包括 -由該激光源產(chǎn)生待放大的激光脈沖，尤其從所產(chǎn)生的許多脈沖中選擇該激光脈沖； -通過(guò)該激光介質(zhì)(4，4")放大該激光脈沖； -提供經(jīng)過(guò)放大的激光脈沖，作為可反復(fù)調(diào)用的激光脈沖(S)， 其中，該損耗調(diào)制器(3)通過(guò)產(chǎn)生損耗來(lái)調(diào)制該激光脈沖的通過(guò)該激光介質(zhì)(4，4")的放大，從而提供具有預(yù)定的脈沖持續(xù)時(shí)間和/或脈沖能量的可反復(fù)調(diào)用的激光脈沖(S)，其特征在于， 在激光脈沖放大之前，確定該激光介質(zhì)(4，4")的當(dāng)前瞬時(shí)增益，并且通過(guò)該損耗調(diào)制器(13)的損耗產(chǎn)生是依據(jù)該激光介質(zhì)(4，4")的瞬時(shí)增益來(lái)調(diào)節(jié)或控制的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的激光放大方法，其特征在于，該激光介質(zhì)(4，4")的瞬時(shí)增益是依據(jù)該激光介質(zhì)(4，4")狀態(tài)的模型來(lái)計(jì)算的。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的激光放大方法，其特征在于，該激光介質(zhì)(4，4")的瞬時(shí)增益通過(guò)數(shù)值求解以下微分公式來(lái)確定 dg _g0-g gE dt 一 tl EsJr dl _;ηJ4 — ΓΤ ρα α mod/ Λ Tr 下列符號(hào)分別表示 g瞬時(shí)增益 go小信號(hào)-增益常數(shù) τ L上激光能級(jí)的壽命 E脈沖能量 Esat飽和能 Te諧振器循環(huán)時(shí)間 Ipara寄生損耗常數(shù) Imod可調(diào)的調(diào)制損耗。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12之一所述的激光放大方法，其特征在于，損耗產(chǎn)生的控制是通過(guò)查詢(xún)表來(lái)完成的。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13之一所述的激光放大方法，其特征在于，在放大過(guò)程之前和之后測(cè)量該激光脈沖的能量，并且結(jié)合所算出的實(shí)際瞬時(shí)增益的匹配來(lái)調(diào)整所述模型。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的激光放大方法，其特征在于，該激光介質(zhì)(4，4")的瞬時(shí)增益是通過(guò)測(cè)量該激光介質(zhì)(4，4")的熒光來(lái)確定的，尤其是損耗產(chǎn)生的調(diào)節(jié)是通過(guò)代表放大器熒光的反饋信號(hào)(VF)來(lái)進(jìn)行的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生可反復(fù)調(diào)用的激光脈沖(S)的激光放大系統(tǒng)，其至少包括激光源(1)，尤其是帶有設(shè)置在下游的脈沖選擇器(2)，用以有針對(duì)性地選擇待放大的激光脈沖；激光介質(zhì)(4″)，其用于放大由該激光源所產(chǎn)生的激光脈沖；和損耗調(diào)制器(3)，該損耗調(diào)制器(3)如此設(shè)置和轉(zhuǎn)換操作，即，該損耗調(diào)制器通過(guò)產(chǎn)生損耗來(lái)調(diào)制該激光脈沖的通過(guò)該激光介質(zhì)(4″)的放大，從而提供具有預(yù)定的脈沖持續(xù)時(shí)間和/或脈沖能量的可反復(fù)調(diào)用的激光脈沖(S)。在此，在針對(duì)其中一個(gè)激光脈沖的放大過(guò)程之前，確定該激光介質(zhì)(4″)的當(dāng)前瞬時(shí)增益，并且通過(guò)該損耗調(diào)制器(3)獲得的損耗產(chǎn)生是根據(jù)該激光介質(zhì)(4″)的瞬時(shí)增益來(lái)調(diào)節(jié)或控制的。
文檔編號(hào)H01S3/107GK102782965SQ201180009645
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2011年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月17日
發(fā)明者J·邁耶, 馬克西米利安·約瑟夫·萊德勒 申請(qǐng)人:高質(zhì)激光有限公司