用于主动控制种子激光器的光输出的方法与流程

本申请是申请日为2014年2月7日，名称为“用于主动控制种子激光器的光输出的方法”，申请号为201410044843.1的发明专利申请的分案申请。

本公开内容涉及用于种子激光器(seedlaser)的激光脉冲控制(laserpulsecontrol)。

背景技术：

在许多激光器应用中，要求稳定的激光脉冲。在一些情况中，对脉冲间的定时的控制是非常重要的，而在另一些情况中，脉冲能量或脉冲持续时间的变化可能是不可接受的。此外，一些激光系统可被配置为以一个窄范围内的脉冲重复率提供可重复的激光脉冲，使得那些要求可变脉冲重复率的应用通常需要多个源。在一些处理应用中，不稳定的脉冲输出表现为丢失脉冲或双脉冲，但这两者都是不可取的。下文描述了以宽范围的重复率提供稳定的激光脉冲的方法和装置。

技术实现要素：

如本文公开的，种子脉冲源可靠地向光放大器提供单独脉冲用于放大。经放大的单独脉冲接下来可用在各种各样的材料处理应用中，不带有由不想要的多脉冲引起的副作用。在一些实施例中，光脉冲生成系统包含：种子激光器，该种子激光器包括种子激光器泵和种子激光器增益介质。光放大器被定位以从所述种子激光器接收至少一个种子脉冲，并产生对应于经放大的种子脉冲的一个输出脉冲。种子激光器控制器被联接到所述种子激光器泵，并且被配置为响应于对与种子激光脉冲相关联的输出脉冲的检测而减少对种子激光器增益介质的泵浦。在一些实施例中，光电检测器被联接以接收所述输出脉冲的至少一部分，其中，对所述输出脉冲的检测是基于与所述输出脉冲的已接收的部分相关联的光电检测器信号。在另一些实施例中，所述输出脉冲的由所述光电检测器所接收的部分是种子脉冲的一部分或经放大的种子脉冲的一部分。在有代表性的实施例中，光放大器是光纤放大器，而种子泵包括一个或多个激光二极管。在典型的实施例中，种子激光器控制器被配置为建立一个脉冲电流用于种子泵激光二极管，且被配置为响应于检测到与种子激光脉冲有关的输出脉冲而减小脉冲电流的大小。在再一些实施方案中，种子激光器控制器被配置为响应于检测到与种子激光脉冲有关的输出脉冲而终止脉冲电流。在另外的有代表性的实施例中，种子激光器控制器被配置为通过周期性地施加一个脉冲偏置电流到一个种子泵激光二极管，以建立经放大的种子脉冲的重复率。

根据有代表性的实施例，生成种子脉冲的方法包含：检测与种子激光器相关联的光脉冲；以及响应于所检测到的脉冲，减少对种子激光器增益介质的泵浦。在一些实施方案中，种子激光器是用激光二极管泵浦的，且通过减小施加到所述激光二极管的电流来减少对种子激光器增益介质的泵浦。在另一些实施例中，种子激光器是用多个激光二极管泵浦的，且通过减小施加到所述多个激光二极管中至少一个的电流来减少对所述种子激光器增益介质的泵浦。在一些实施方案中，通过向所述多个激光二极管中至少一个施加脉冲电流以发起光脉冲的生成，其中所述脉冲电流响应于检测到的脉冲而减小。在典型实施方案中，对于所述多个激光二极管中的至少一个，所述脉冲电流大于激光二极管阈值电流，且向所述多个激光二极管中的至少一个施加偏置电流，其中所述偏置电流小于泵浦激光器阈值。典型地，所述偏置电流是dc偏置电流。

光种子脉冲源包含泵浦源，泵浦源被配置为对固态增益介质进行泵浦以在所述固态增益介质之内产生光增益。泵浦源控制器被配置为响应于对由所述固态增益介质产生的种子脉冲的检测而调节由所述泵浦源进行的泵浦。在一些实施例中，光电检测器被联接到所述泵浦源控制器且被配置为检测所述种子脉冲。在一些实施方案中，所述泵浦源是激光二极管，而所述泵浦源控制器被配置为基于施加到所述激光二极管的电流而调节泵浦。在再另外的实施例中，待要被泵浦的固态增益介质被定位在光谐振器之内。

所公开的技术的这些和其他特征将从下面的详细描述中变得更明了，所述详细描述是参考附图进行描述的。

附图说明

图1示出了一个被配置为在光纤放大器中放大种子激光脉冲的激光器系统。

图2示出一个种子泵浦控制系统，该系统被配置为将一个激光二极管泵浦电流有选择地设置成偏置电流或脉冲泵浦电流。

图3a-3b示出有代表性的种子泵浦激光器驱动电流。

图4示出以选定的脉冲重复率(prr)获取单个激光脉冲的一个有代表性的方法。

图5示出生成种子脉冲的一个有代表性的方法。

图6示出用于生成种子脉冲的装置，该装置被配置为将到种子激光器的泵浦辐射衰减。

图7示出基于是否检测到种子脉冲而控制种子泵的系统。

图8示出用于控制泵浦激光器的一种替代电路布置。

图9是材料处理系统的方框图，该系统包括一个受泵浦激光器控制的种子泵浦源。

图10是激光器系统的方框图，其中基于来自固态激光器的输出而控制泵浦激光器。

具体实施方式

如在本申请和权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”都包括复数形式，除非上下文另有明确规定。另外，术语“包括”意味着“包含”。此外，术语“联接”不排除在所联接的物件之间存在中间元件。

本文描述的系统、装置和方法不应解释为以任何方式进行限制。相反地，本公开内容涉及所公开的各个实施方案的所有新颖的和非显而易见的特征和方面，无论是单独的还是相互的各种组合和子组合。所公开的系统、方法和装置既不限于任何特定的方面或特征或其组合，而且所公开的系统、方法和装置也不要求必须存在任何一个或多个特定优点、或解决一个或多个特定问题。所有操作理论都是为了便于解释，但所公开的系统、方法和装置不限于这样的操作理论。

虽然所公开的方法中的一些的操作是以具体的、顺序性的次序描述以便演示，但应理解这样的描述方式也涵盖了重新排序，除非在下文中以明确的语言要求了某一次序。例如，按顺序描述的操作在一些情况下可被重新排序或并行执行。此外，为简便起见，附图可能不会示出所公开的系统、方法和装置可以与其他系统、方法和装置联合使用的各种方式。此外，说明书中有时会使用“产生”、“提供”等术语描述所公开的方法。这些术语是对已被执行的实际操作的高度抽象。对应于这些术语的实际操作根据具体的实施方式将会有所不同，且是本领域技术人员容易辨别的。

在一些实施例中，数值、过程或装置被称为“最低”、“最好”、“最小”等等。应理解，这样的描述是为了表明可以在许多使用的功能性替代方案中做出选择，且这样的选择不需要比其他选择更好、更小或以其他方式更优选。

在下面的实施例中，光信号和光束指的是波长在大约50nm到10μm之间的传播的电磁辐射，但也可以使用其他波长。在一些实施例中，使用与激光二极管泵浦激光器(介于大约500nm和1.1μm之间)以及掺杂光纤放大器(介于大约1μm和1.7μm之间)关联的波长。术语“光放大器”指的是一种根据适当的泵浦能够产生光增益的介质。光放大器可以定位在激光器腔或其他谐振器之内，以形成激光振荡器。

在一些实施例中，分束器或其他光学元件用来获取种子光束或放大的种子光束的部分。在其他实施例中，可以使用光纤联接器、分束器(splitter)、环行器(circulator)或其他光纤或散装光学部件或它们的组合。只要方便，可以在放大之前或之后检测脉冲生成。

种子激光器可以在1hz或更小到100mhz或更大的重复率提供种子脉冲。在低重复率下(也即，重复率小于1/tgain,其中tgain是与种子激光器增益关联的衰变时间，诸如所谓的t1或t2时间)，生成种子脉冲之后的残余增益(residualgain)典型地在脉冲之间被充分地衰减(attenuated)。在这样的重复率下，如果继续对种子激光进行泵浦，会导致第二脉冲(通常不想要)。在高重复率下，过量增益(excessgain)并未由脉冲之间的自发衰变而大幅减小，而过量增益会积累从而产生双脉冲。然而，如果在种子激光器中不产生足够的增益，则种子脉冲可能不会生成。对种子激光器泵的控制可用来避免或减小双脉冲或丢失脉冲的频率。此外，脉冲控制器可被配置为对于不同的脉冲重复率略微不同地运行，且通常在高重复率下更准确地终止或衰减种子激光泵浦。对过量增益的控制也倾向于减小脉冲间的抖动，可能是因为每个脉冲是基于从基本相同的种子激光泵浦产生的种子脉冲而产生的。

使用下面的一些实施例中示出的基于脉冲检测的泵浦减小，响应于脉冲偏置，种子激光器增益相对较高，使得立即产生种子脉冲，而随后的对dc偏置或其他低水平的泵浦的减小消除或减小了随后的不想要的脉冲的可能性。对于激光二极管泵浦源，dc偏置典型地低于激光阈值，且被选择以在施加脉冲电流时辅助迅速调制。在下面示出了有代表性的实施例以便于说明。

图1示出一个光脉冲系统100，其包括一个泵浦激光器104(典型地是一个激光二极管)，该泵浦激光器被联接以经由一个或多个泵浦光纤(pumpfiber)106向光纤放大器102提供一个泵浦光束(pumpbeam)。可以提供一个或多个泵浦激光器，并且可以在一个或多个泵浦光纤之内合并(combine)一个或多个泵浦光束。光纤放大器102通常是一段主动掺杂的光纤，诸如镱(yb)或铒(er)掺杂的光纤。在另一些实施例中，可以使用基于掺杂激光材料的光放大器，所述掺杂激光材料诸如掺杂水晶、掺杂玻璃棒、或固态的或是其他增益材料。多个泵浦光束在一个光纤合束器(fibercombiner)中被方便地合并，该光纤合束器包括被联接以接收相应的泵浦光束的一个或多个光纤。泵浦光束可被布置为对光纤放大器102或其他增益材料进行同向泵浦(co-pump)、反向泵浦(counter-pump)、或同向和反向泵浦(co-andcounter-pump)。在另一些实施例中，可以用联接有自由空间光学系统的泵浦光束、或是联接有泵浦光纤和自由空间光学系统的组合的泵浦光束对光纤放大器102泵浦。

如图1所示，一个微芯片种子激光器112被联接以将种子脉冲(seedpulse)输送到光纤放大器102，一个种子脉冲控制器114联接到微芯片种子激光器112以选择种子脉冲重复率(seedpulserepetitionrate)、定时和脉冲能量。微芯片激光器112可以包括一段固态增益材料，其放置在两个平面平行的介电镜(dielectricmirror)以及一个或多个激光二极管泵浦激光器之间。固态增益材料被选择以使得微芯片激光脉冲处于对应于光纤放大器102的增益带宽的波长，从而微芯片激光脉冲在光纤放大器102中被放大。微芯片激光器112典型地还包括一个可饱和吸收体(saturableabsorber)，并且所述微芯片激光器以单个微芯片腔模式(singlemicrochipcavitymode)产生q开关脉冲(q-switchedpulse)。然而，只要方便，也可以使用其他种子脉冲源。在一些实施例中，用来泵浦光纤放大器102的泵浦光束合束器还包括一个中心光纤或另一些选定的光纤(一个信号光纤)，所述中心光纤或另一些选定的光纤被配置为接收微芯片激光器种子脉冲并且将这些脉冲导引到光纤放大器102。

来自光纤放大器102的经放大的种子脉冲被光束整形(beamshaping)透镜116接收或被其他光束整形光学器件接收，并且被导引到光隔离器(opticalisolator)118以产生一个输出光束120，该输出光束被导引到一个或多个分束器(beamsplitter)122，使得将输出光束120的一部分导引到放大器泵浦功率控制器(amplifierpumppowercontroller)108和一个种子脉冲控制器(seedpulsecontroller)114。放大器泵浦功率控制器108被配置成确定用于(一个或多个)泵浦二极管104的驱动电流，以及建立用于初始化和终止泵浦激光驱动电流的定时，以及指定在驱动水平(drivelevel)之间的过渡(transition)。此外，放大器泵浦功率控制器108可以调整激光二极管驱动电流(laserdiodedrivecurrent)，以补偿一个或多个泵浦二极管的二极管老化或故障。

种子脉冲控制器114被配置为建立用于微芯片激光器112的泵浦激光器的驱动电流。典型地，种子脉冲控制器114以选定的重复率和一个恒定的偏置电流建立一个或多个电流脉冲，但也可以使用多种不同的驱动配置。激光二极管泵浦源通常是基于电流水平驱动的，但可以使用电流水平和电压水平的组合，且可以适当地使用和控制其他泵浦源。

一个温度控制器123也可联接到种子激光器112。经放大的种子脉冲的一部分可联接到脉冲抖动或脉冲模式评估器121，且种子激光器温度被调整以减少、增加或以其他方式选择想要的脉冲抖动。在通过控制种子激光器泵浦而将脉冲输出稳定的情况下，可以大大减少脉冲抖动，典型地减少到与未被稳定的种子泵浦相比的大约1/2至大约1/5。典型地，基于已测量的抖动或优选模式的配置，选择种子激光温度以获得选择的抖动(例如，最小抖动)。在典型的实施例中，将微芯片激光器温度控制到大约1℃，而常规系统要求将温度控制到大约0.01℃。因此，对于选定的重复率，允许大约1℃的温度变化。脉冲稳定化(pulsestabilization)也允许更简便地控制泵浦激光器电流。在使用常规的系统的情况下，脉冲激光电流被控制到大约10ma之内；但使用脉冲稳定的情况下，电流控制在大约100ma之内是合适的。

图2示出一个种子脉冲控制器200，该种子脉冲控制器200被配置为泵浦一个微芯片激光器从而以大范围的脉冲重复率重复地产生单脉冲输出。如图2所示，光纤放大器202被联接以接收来自种子激光器204的种子激光脉冲，种子激光器204是被种子泵激光器206泵浦的。光纤放大器202也联接到一个或多个泵浦激光器203。一个经放大的种子脉冲被提供为一个输出，而经放大的脉冲输出的一部分被分束器208和反射器210导引到光电检测器(photodetector)212。在一些实施例中，使用光纤联接器以将光束的多个部分导引到光电检测器212。响应于放大器脉冲输出的一个光电检测器信号被放大或缓冲(buffer)并且联接到脉冲检测器214。脉冲检测器214确定是否已经收到放大器脉冲，并且将相应的脉冲通知信号(pulsenotificationsignal)联接到电流开关216。电流开关216被联接以使得偏置电流控制器218或脉冲电流控制器220能够建立用于种子泵浦206的驱动电流。如果检测到经放大的脉冲，则偏置电流控制器218提供一个偏置电流到种子泵浦激光器206，且脉冲电流控制器220将脉冲驱动电流终止。偏置电流控制器0218典型地提供一个恒定的偏置电流，其是泵浦激光器阈值的大约5％、10％、20％、25％、40％、50％、75％或90％。脉冲电流控制器220通常提供一个驱动电流，该驱动电流是泵浦激光器阈值电流的1、2、4、5、10或20倍或更多倍，且可以被选择成避免泵浦激光器损坏的电流水平。脉冲电流控制器220还可以建立最大脉冲持续时间，但这样的持续时间也可以由电流开关216设置。

图3a-3b示出有代表性的种子泵激光器驱动电流。在图3a-3b中示出的电流过渡是示意性的，而实际的实施方式表现出有限的上升时间、下降时间和切换时间(switchingtime)。如图3a所示，激光器电流i偏置建立，同时等待种子脉冲生成的发起。在时间t开始，种子激光脉冲生成是通过提供一个脉冲电流i脉冲而发起的，该脉冲电流i脉冲通常远大于i偏置。dc偏置电流i偏置可以继续或是被终止。在时间t脉冲，脉冲检测器214检测到一个种子脉冲，且所述脉冲电流被关断，而偏置电流i偏置被接通。在图3b的实施例中，在时间t开施加偏置电流i偏置，且在时间t开始施加脉冲偏置。当在时间t脉冲检测到一个种子脉冲之后，驱动电流归零直到请求下一个脉冲为止。在另一些实施例中，偏置电流可以是脉冲的、多水平的或以其他方式选择的，以允许在施加i脉冲之后允许快速形成脉冲。

参照图4，一个有代表性的种子泵浦驱动器400包括一个时钟生成器402，该时钟生成器402提供时钟脉冲或其他限定种子脉冲重复率的信号。时钟生成器402被联接到d触发器404，该d触发器404则被连接到与泵浦驱动电流控制器414通信的一个模拟开关406。d触发器404被配置为发起模拟开关406的切换(switching)，以将来自联接到模拟开关输入406a的偏置电流源的种子泵浦驱动电流切换到由联接到模拟开关输入406b的脉冲电流源所建立的脉冲电流。

在图4的实施例中，模拟开关输出406c联接到fet416的栅极，所述fet416被联接以在基于模拟开关406的输出的驱动电流下驱动泵浦激光器420。感测电阻器418被提供用于测量激光器驱动电流，并且被联接到泵浦驱动控制器414，以使得脉冲和偏置驱动电流可被感测，从而提供基于反馈的驱动电流控制。脉冲检测器424被联接到一个光电检测器(在图4中未示出)和d触发器404，从而触发d触发器404以使得泵浦激光器电流从脉冲电流减小到偏置电流。另外的泵浦激光器可以用相应的模拟开关408、410类似地控制，但在图4中未示出另外的用于这样的泵浦激光器的电路。在一些实施例中，激光二极管阵列用作种子泵，但为了图示方便，在图4中只示出了单个激光二极管420。

图5示出生成单个种子脉冲的有代表性的方法500。在502，基于例如一个可由使用者调整的时钟信号，发起生成种子脉冲，从而以适合的重复率提供脉冲。在504，脉冲偏置被施加到一个或多个泵浦激光器，以将泵浦激光器激发(excite)到激光器阈值以上。在506，可检测一个经放大的种子脉冲或一个种子脉冲。如果没有检测到种子脉冲(或其他适当的脉冲)，则在504继续施加脉冲偏置。如果检测到种子脉冲，则脉冲偏置中断，且在508施加dc偏置。如上所述，在脉冲生成之后的dc偏置并非必要，且如果需要的话可在脉冲偏置之前施加预偏置。在510，检测请求(即，时钟信号)以确定是否待要生成另一个种子脉冲。若是，则在502发起一个脉冲。若否，则在508继续施加dc偏置。

参照图6，一个有代表性的种子脉冲生成器600包括一个种子泵浦源602，诸如一个或多个激光二极管或其他光源。种子泵向一个光衰减器604提供一个种子泵浦光束，该光衰减器604将所述种子泵浦光束联接到一个种子激光器606。响应于所述种子泵浦光束，种子激光器606产生一个光束，通常是一个单一的、孤立的光脉冲，该光脉冲经由分束器610而被导引到光放大器608。来自光放大器608的经放大的光束被导引通过输出分束器611。来自种子激光器606的无论是未放大的还是已放大的光束的部分都被分束器610、611中的一个或两个导引到脉冲检测器614，该脉冲检测器614联接至脉冲控制器616。基于在分束器610、611之一或两者处检测到的经放大的光脉冲或其他一个或多个选定的光信号，脉冲控制器616发起在光衰减器604处的光衰减的改变。为了提供迅速的衰减调制，光衰减器604可以是散装的或波导的电-光或声-光器件。此外，种子泵602可被调制以改变振幅、频率或其他种子泵浦特性，从而改变种子激光器增益介质被泵浦的速率。脉冲控制器616可用来建立脉冲重复率。

图7示出一个有代表性的种子脉冲源700，其包括联接到泵浦源702的一个种子激光器704。分束器706被定位以将种子激光器输出的一部分导引到脉冲检测器708。脉冲检测器708被联接到泵浦控制器710，该泵浦控制器710根据来自脉冲检测器708的一个信号而调制由种子泵702提供的泵浦功率。种子泵可以是光泵浦源、电泵浦源或其他适合于种子激光器704的泵浦源。

参照图8，用于泵浦一个种子激光器的泵浦激光器系统800包括泵浦激光二极管802-804，该泵浦激光二极管联接到包含有晶体管808、810的双极晶体管对。脉冲控制器816通过电阻器814联接到晶体管810的基极，以控制激光二极管802-804之内的电流。激光二极管驱动电压可被施加在801。一个感测电阻器812被提供用于测量激光二极管电流。

参照图10，固态激光器1004被定位以从泵浦激光器1006接收泵浦光束。反射器1008、1010被配置为将来自固态激光器1004的一个输出光束(诸如一个或多个脉冲)联接到光电检测器1012。响应于固态激光器输出的一个光电检测器信号被放大或缓冲并且被联接到脉冲检测器1014，该脉冲检测器1014确定是否已接收到脉冲，并且将相应的脉冲通知信号(pulsenotificationsignal)联接到电流开关1016。电流开关1016被联接以使得偏置电流控制器1018或脉冲电流控制器1020能够建立用于泵浦激光器1006的驱动电流。如果检测到已放大的脉冲，则偏置电流控制器1018提供偏置电流给泵浦激光器1006，且脉冲电流控制器1020终止脉冲驱动电流。在图10的实施例中，泵浦激光器方便地是一个或多个二极管激光器，但是也可以使用其他泵浦源。此外，对除了固态介质以外的增益介质的泵浦可以类似地控制，而对除了固态激光器以外的激光器可以类似地泵浦。

图9是有代表性的材料处理系统900的方框图，其包括一个光脉冲源902，该光脉冲源902包括泵浦激光脉冲控制器902a、种子激光器902b以及光放大器902c。来自光脉冲源902的光脉冲被光束整形光系统912处理，以形成被递送到目标914的脉冲光束。扫描级916被配置成将目标914平移从而在目标914的一个表面上扫描脉冲光束。或者，目标914、光脉冲源902以及光束整形光系统912中的一个或全部可被平移以进行光束扫描。典型地，扫描处于这样的速率以使得顺序的脉冲在目标914处是相邻的或在一定程度上交叠。对于常规的脉冲源，典型地会丢失一些脉冲。这些丢失的脉冲会导致目标914的相关联的区域仍然未被处理。

应认识到，所示的实施方案可在布置和细节上被修改且不背离上述原理。例如，所示实施方案中的以软件示出的元件可以用硬件实施，且反之亦然。此外，来自任一实施例的技术可以和任一一个或多个其他实施例中描述的技术相结合。应理解诸如参考所示实施例而描述的那些程序和功能，可以用单一的硬件模块或软件模块实施，或者可以提供分立的模块。上述具体布置是为图示方便而提供的，也可以使用其他布置。

例如，可以使用一个或多个种子泵激光器，终止或减少由这些种子泵激光器中的一个或多个进行的泵浦可以用来生成单独的种子脉冲。例如，对于由多个激光二极管泵浦的种子激光器，在所述多个激光二极管的一个或多个激光二极管中可以终止或减小用来激励(stimulate)脉冲生成的脉冲电流。这些激光二极管中的每一个均可设有不同的具有个别化的时间依赖关系的选定脉冲电流和偏置电流。虽然通过减小激光二极管驱动电流来减小种子激光泵浦通常是便利的，但在一些实施例中也可使用对泵浦激光器波长或偏振(polarization)的调制以允许在种子激光器增益介质中的光增益减小。通常选择泵浦减少，以使得在脉冲生成之后的任何另加的泵浦都不足以允许形成另一个脉冲。在一些实施例中，也可以衰减泵浦辐射，而除了激光器之外的泵浦源(诸如以电或以其他方式泵浦的光放大器)可以被相似地调制，以在一旦发射选定的一个或多个脉冲时就减小放大器增益。在上述实施例中，种子激光器被示为将种子脉冲导引到光放大器，但这样的种子脉冲也可以被导引到激光振荡器。

鉴于本公开内容的原理可以应用到许多可能的实施方案，应意识到所例示的实施方案只是举例，且不应被理解为限制了本公开内容的范围。我们要求保护落入所附权利要求的范围和精神内的所有主题内容。