用于产生超短激光脉冲的装置和方法
【专利说明】用于产生超短激光脉冲的装置和方法
【背景技术】
[0001] 本发明的实施例，示范性地描述于本说明书中，概括而言是有关于超短激光脉冲 (ultrashort laser pulse)的产生。更具体言之，本发明的实施例是有关于具有高峰值功 率的超短激光脉冲的产生。
[0002] 具有高峰值功率的超短激光脉冲（意即，具有的FWHM脉冲持续时间的范围从数 十皮秒（picosecond)到一飞秒（femtosecond)的激光脉冲）预期适用于实施诸如标记 (marking)、雕花（engraving)、微加工（micro-machining)、切割、钻孔等材料处理应用。通 常，此等激光脉冲是通过将一雷射振荡器（laser oscillator)产出的皮秒或飞秒激光脉冲 加以放大而产生。然而，短促及超短的脉冲的放大强烈地受到诸如放大器（amplifier)内 的自相位调变（self phase modulation ;SPM)的非线性效应所影响。虽然SPM引发了可被 使用于从皮秒到飞秒持续时间脉冲压缩的强大光谱扩宽，但利用具有一般高斯时间强度分 布（Gaussian temporal intensity profile)的脉冲，时间相位的高斯调变并无法通过诸 如光栅对压缩器（grating pair compressor)的传统型装置加以完全补偿。当一激光脉冲 在放大期间遭受强烈的SPM且在时间上利用一对光栅被压缩时，被压缩的放大激光脉冲的 时间强度分布通常会在位于主脉冲附近的侧翼处具有相对巨大的能量，此可以使得脉冲不 适用于材料处理的应用。
[0003] 其已知放大器内诱发的SPM大小是正比于行进通过放大器的激光脉冲的强度。 因此，传统上是通过确保进入放大器的激光脉冲具有一相对上的低强度来控制SPM。降 低激光脉冲强度的一传统方法包含利用一大直径放大器增加脉冲的空间射束尺寸（例 如，透过一盘形雷射（disk laser))。另一种方法，称为啁嗽式脉冲放大（Chirped Pulse Amplification ;CPA)，涉及拉长雷射振荡器产生的一初始激光脉冲以产生一拉长激光脉冲 (通常其脉冲持续时间超过初始激光脉冲的脉冲持续时间的1000倍），此拉长激光脉冲的 峰值功率低于初始激光脉冲。之后，该拉长脉冲被放大，接着在时间上被压缩。若初始激光 脉冲是由飞秒雷射振荡器产生，则CPA可以非常有效，但若初始激光脉冲的脉冲持续时间 大于lps，则由于脉冲非常小的光谱频宽而变得笨拙而无效能。在任何情况下，经过压缩的 激光脉冲的脉冲持续时间顶多是与初始激光脉冲的脉冲持续时间一样短。SPM也有被使用 于未经放大的脉冲压缩。此等技术通常包含在一光纤中诱发强大的SPM并利用诸如光栅、 棱镜等色散组件补偿由此产生的嗽频（chirp)。经过压缩的激光脉冲的质量一般而言并不 适合材料处理的应用。
[0004] 本发明的实施例示范性地描述于下，以对付现有技术的前述及其它问题。 【实用新型内容】
[0005] -装置的一实例包含一脉冲调节器（pulse conditioner)及一放大器。该脉冲调 节器被组构成用以修改一输入激光脉冲的一时间强度分布，从而建立一调节激光脉冲，此 调节激光脉冲具有其特征在于一小于0. 13的错配参数（misfit parameter)M的调节时间 强度分布，其中Μ经由下式获得：
[0007] 式中的I Ψ (t) I2代表该调节激光脉冲的脉冲时间强度分布，而I Ψ pflt(t) I2代表 该调节激光脉冲的一拋物线拟合（parabolic fit)。该放大器親接至该脉冲调节器的一输 出，并且被组构成用以增加该调节激光脉冲的功率，从而建立一放大激光脉冲。此装置的各 种实例可以包含下列的一或多者。
[0008] 该放大激光脉冲的一时间强度分布的特征可以在于一大于或等于1的质量因子 Q，其中Q经由下式获得：
[0010] 其中tfwhm是该调节激光脉冲的脉冲持续时间，而τ。经由下式获得：
[0014] 其中t是时间（例如，以秒计量），而I(t)是激光脉冲强度，一个时间的函数。
[0015] 脉冲调节器与放大器的其中至少一者可以进一步被组构成用以至少准线性地啁 嗽化（quasi-linearly chirp)该调节激光脉冲。
[0016] 此装置也可以包含一脉冲压缩器，被组构成用以在时间上压缩该放大激光脉冲， 从而产生一压缩激光脉冲。该压缩激光脉冲的一时间强度分布的特征可以在于一大于或等 于〇. 2的质量因子Q，其中Q经由下式获得：
[0018] 其中tfwhm是该压缩激光脉冲的脉冲持续时间，而τ。则经由下式获得：
[0020] 其中
[0022] 其中t是时间（例如，以秒计量），而I⑴是激光脉冲强度，一个时间的函数。
[0023] -方法的一第一实例实行如下。一输入激光脉冲的一时间强度分布被修改，从而 建立一调节激光脉冲，此调节激光脉冲具有特征在于一小于0. 13的错配参数Μ的调节时间 强度分布，其中Μ经由下式获得：
[0025] 式中的| Ψ⑴|2代表该调节激光脉冲的脉冲时间强度分布，而| Ψ pflt(t) |2则代 表该调节激光脉冲的一拋物线拟合。该调节激光脉冲被放大，从而建立一放大激光脉冲。
[0026] -方法的一第二实例实行如下。其脉冲持续时间至少lps的一输入激光脉冲的一 时间强度分布被修改以建立一调节激光脉冲。该调节激光脉冲被放大以建立一放大激光脉 冲。该放大激光脉冲在时间上被压缩以产生一压缩激光脉冲，此压缩激光脉冲具有一小于 输入脉冲持续时间的压缩脉冲持续时间。
【附图说明】
[0027] 图1示意性地例示用于产生超短激光脉冲的装置的一实施例。
[0028] 图2及图3分别示范性地例示可被图1所示的装置调节、放大及选择性地压缩的 一输入激光脉冲的时间强度及光谱分布的自相关曲线。
[0029] 图4例示在图1所示的装置的一脉冲调节级内建立的一调节激光脉冲的时间强度 分布的一示范性自相关曲线。
[0030] 图5例示在图1所示的装置的脉冲调节级内建立的调节激光脉冲的一示范性光谱 分布。
[0031] 图6例示在图1所示的装置的放大级内建立的放大激光脉冲的一示范性光谱分 布。
[0032] 图7例示图1所示的装置所产生的一压缩激光脉冲的时间强度分布的一示范性自 相关曲线。
[0033] 图8例示若脉冲调节级被省略时将在图1所示的装置的放大级内建立的一放大激 光脉冲的一示范性光谱分布。
[0034] 图9例示若脉冲调节级被省略时将由图1所示的装置产生的一压缩激光脉冲的时 间强度分布的一不范性自相关曲线。
【具体实施方式】
[0035] 以下参照附图进行示范性实施例的说明。许多不同的形式及实施例可以在未脱离 本发明的精神及教示下存在，故本揭示不应被认定为局限于本文阐述的示范性实施例。反 之，该等示范性实施例的提供使得本揭示更为周密及完整，且能够将本发明的范畴传递给 熟习相关技术者。在图式中，组件的尺寸及相对尺寸可能被夸大以利清楚的说明。本说明 书的用语仅是针对描述特定示范实施例的用途，并非意在限制。在本说明书中，单数形式的 〃一〃、〃一个〃及〃该〃均预计包含复数形式的含义，除非上下文另有叙明。另外其应理 解，"包含"及/或"包括"的用词，当使用于本说明书中时，指明所述特征、完整项目、步 骤、动作、组件、及/或组件的存在，但并不排除一或多个其它特征、完整项目、步骤、动作、 组件、组件、及/或其群组的存在或加入。除非另有指明，否则当被列述时，一数值范围均包 含该范围的上限与下限，以及介于其间的任何子范围。
[0036] 本发明的实施例可以促进极高峰值功率飞秒或皮秒激光脉冲在光纤雷射放大器 中的产生，且未蒙受诸如自相位调变（SPM)的非线性效应的负面影响。本发明的实施例也 促进可被在时间上压缩至一极短持续时间的放大激光脉冲的产生，以产生具有的时间强度 分布适于材料处理应用的激光脉冲。本发明的实施例也促进具有的脉冲持续时间位于一至 数十皮秒等级的激光脉冲的产生，且该等激光脉冲另外具有从雷射系统产生的具备相当长 脉冲持续时间（例如，位于奈秒（nanosecond)的级别）所通常具有的其它特性（例如，平 均功率、脉冲能量、脉冲重复率、等等），且未增加CPA系统的成本或复杂度。
[0037] 参见图1，用于产生超短激光脉冲的一装置，诸如装置100,可以包含一种子雷射 102、一脉冲调节器104,光学式地親接至种子雷射102的一输出、一放大器106,光学式地親 接至脉冲调节器104的一输出、以及一选择性脉冲压缩器108,光学式地耦接至放大器106 的一输出。一并考虑之下，种子雷射102与脉冲调节器104在本文中可以共同被称为一〃 拋物线脉冲源"。
[0038] 概括而言，种子雷射102被组构成用以产生输入激光脉冲，其可以从种子雷射102 输出至脉冲调节器104 (例如，如箭头102a所示）。种子雷射102可以是提供做为一雷射振 荡器，诸如一锁模固态块材雷射（mode-locked solid-state bulk laser)、一锁模光纤雷 射（mode-locked fiber laser)、一锁模二极管雷射（mode-locked diode laser)、一 Q 型 开关雷射（Q-switched laser)、一增益开关雷射（gain-switched laser)、或者类似装置或 前述项目的一种组合。在一实施例中，种子雷射102被提供做为一皮秒雷射振荡器。输入 激光脉冲是以一个范围从20kHz到200MHz左右的脉冲重复率输出自种子雷射102。在一实 施例中，输入激光脉冲是以一个范围从100kHz到80MHz(例如，位于从100kHz到50MHz的 范围中）的脉冲重复率输出自种子雷射102。其应理解，预定的脉冲重复率可以是通过使用 雷射振荡器直接以设定的