用于可调谐脉冲激光源的方法和系统的制作方法

专利名称：用于可调谐脉冲激光源的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明主要地涉及可调谐激光源的领域。更确切地说，本发明涉及一 种用于为诸如裁剪、打标、切割和焊接的工业应用提供高功率脉冲激光源 的方法和设备。仅仅作为举例，本发明适用于具有实时可调谐特性(包括 脉冲宽度、峰值功率、重复速率和脉冲形状)的激光源。但是，本发明具 有更宽的应用性并且可以被应用到其他激光源上。
背景技术：
诸如Nd:YAG激光器的脉冲激光源已经被用来为诸如打标、雕刻、显 微机械加工和切割的应用执行基于激光的材料处理。基于应用和将要处理 的材料，对激光脉冲的各种特性按照适于特定应用进行选择，其中激光脉 冲的各种特性包括脉冲宽度、脉冲重复率、峰值功率或能量以及脉冲形 状。许多现有的高功率激光器(例如，脉冲能量大于每脉冲0.5mJ)依赖 于诸如调Q和锁模的技术以产生光脉冲。但是，这样的激光器产生的光脉 冲的特性由腔的几何特性、镜的反射率等预先决定，并且通常不能在不影 响激光性能的情况下进行现场变化。使用这种激光器，通常难以实现一定 范围的脉冲特性。 '
因此在本领域中，有对于具有可调谐脉冲特性的脉冲激光器的需要。

发明内容
根据本发明，提供了主要地涉及可调谐激光源的领域的技术。更确切 地说，本发明涉及用于为诸如裁剪、打标、切割和焊接的工业应用提供高 功率脉冲激光源的方法和设备。仅仅作为举例，本发明适用于具有实时可 调谐特性(包括脉冲宽度、峰值功率、重复速率和脉冲形状)的激光源。 但是，本发明具有更宽的应用性并且可以应用到其他激光源上。
5根据本发明的实施例，提供了一种可调谐脉冲激光源。所述可调谐激 光源包括适于产生种子信号的种子源以及光学环行器。光学环行器包括第 一端口、第二端口和第三端口，其中第一端口耦合于种子源。可调谐激光 源也包括以第一侧和第二侧为其特征的振幅调制器。第一侧耦合于光学环 行器的第二端口。所述可调谐激光源还包括第一光放大器，第一光放大器 以输入端和包括频域发射滤波器的反射端为特征。输入端耦合于振幅调制 器的第二侧。此外，所述可调谐激光源包括耦合于光学环行器的第三端口 的第二光放大器。
根据本发明的另一个实施例，提供了 一种提供一个或更多激光脉冲的 方法。所述方法包括在光环行器的第一端口提供种子信号，将种子信号透 射到振幅调制器的第一侧，和将种子信号透射通过振幅调制器以限定通过 振幅调制器的第一次通过。所述方法也包括对种子信号进行时域滤波以提 供脉冲。时域滤波包括为振幅调制器调制驱动信号。所述方法还包括使用 第一光放大器放大脉冲以及对经放大的脉冲进行频域滤波以提供经过谱滤 波的脉冲。另外，所述方法包括将经过谱率波的脉冲透射通过振幅调制器 以限定通过振幅调制器的第二次通过，以及对经过放大的经过谱滤波的脉 冲进行时域滤波以提供中间脉冲。时域滤波包括为振幅调制器调制驱动信 号。此外，所述方法包括使用第二光放大器放大中间脉冲。
在传统技术之上使用被发明获得了许多优点。例如，在根据本发明的 实施例中，使用紧凑的结构提供了适合用于激光处理的高功率、脉冲激 光，此结构相比于具有可比工作性能的激光的结构较便宜。此外，在本发 明的实施例中，在保持脉冲之间的稳定性的同时，产生具有实时可调节脉 冲特性的短脉冲。此外，在根据本发明的实施例中，可以使光脉冲成形以 为特定应用优化脉冲轮廓，或最大化激光器系统中的能量提取效率。依靠 实施例，可能存在这些优点中的一个或更多。将要贯穿整个说明书描述的 这些和另外的优点并使其在下文中将会变得更显著。参考下文的详细描述 和附图，将能够更加充分地认识到本发明的各种另外的目的、特征和优 点。


图1为示出根据本发明实施例，使用光纤放大器的、具有可调谐脉冲 特性的高功率激光器的简图。
图2为示出在根据本发明实施例的高功率脉冲激光器中的不同位置的 电脉冲和光脉冲的时序简图。
图3为根据本发明实施例提供一系列激光脉冲的方法的简图。
具体实施例方式
图1为示出了根据本发明的实施例的、具有可调谐脉冲特性的、使用
光纤放大器的高功率脉冲激光器的简图。高功率脉冲激光器100包括种子 源110，其中种子源110产生注入到光学环行器(circulator) 120的第一端 口 114中的种子信号。根据此发明的实施例，被用来产生光种子信号的种 子源110为连续波(CW)半导体激光器。在特定实施例中，CW半导体激 光器为光纤布拉格光栅(FBG)稳定的半导体二极管激光器，此激光器以 20mW的输出功率工作在1032nm波长。在另一个特定实施例中，CW半 导体激光器为外腔半导体二极管激光器，此激光器以100mW的输出功率 工作在1064nm波长。输出功率可以低于或高于100mW。例如，输出功率 可以为50mW、 150mW、 200mW、 250mW等。在可选择的实施例中，种 子信号由小型固体激光器或光纤激光器产生。本领域的普通技术人员会认 识到多种变化、修改和选择。
在通过光学环行器120后，种子信号从环行器120的第二端口 122出 来并撞击到光振幅调制器130的第一侧132上。环行器为本领域中公知的 并且能够从多个供应商处得到，例如，新泽西州Caldwell的OFR, Inc.的型 号OC-3-1064-PM。
光振幅调制器130通常保持在"关"状态，即不能使撞击到调制器上 的信号透射。根据本发明的实施例，光振幅调制器提供种子信号的振幅调 制和时域滤波，以及放大自发辐射(ASE)滤波。在特定实施例中，光脉 冲的长度由光振幅调制器130的操作决定，其中光振幅调制器130可以为 在1064nm处具有大于3GHz带宽的APE型铌酸锂马赫-曾德(Mach-Zehnder)调制器。
根据本发明的实施例，光振幅调制器130为电光马赫-曾德型调制器， 其提供产生短光脉冲所需的带宽。在其他实施例中，光振幅调制器130为 相位或频率调制器，其具有合适的相位至振幅变换器或频率至振幅变换 器，其中变换器为诸如边缘光滤波器、消光调制器或声光调制器。例如， 电光相位调制器可以在光信号中引入频率啁啾，其在光信号透射通过短通 或长通滤波器时将会被变换为振幅调制。优选地，当没有电信号施加到电 光相位调制器时，光信号将会以经受高损耗的波长为特征。当向电光相位 调制器施加电信号时，光信号优选地在波长或频率啁啾方面改变为以低光 学损耗为特征的值。
为了使种子信号通过，光振幅调制器130第一次跳动到"开"状态以 便沿光路136产生光脉冲。由光振幅调制器130产生的光脉冲的脉冲宽度 和脉冲形状由施加到光振幅调制器130上的调制器驱动信号控制。之后， 光脉冲第一次通过第一光放大器150，并在其中受到放大。根据本发明的 实施例，由随时间变化的驱动信号驱动的振幅调制器提供种子信号的时域 滤波，由此产生的激光脉冲具有预定脉冲特性，包括脉冲宽度、脉冲形状 和脉冲重复率。
根据本发明的实施例，光放大器150为光纤放大器。本发明的实施例 中使用的光纤放大器包括但不限于掺稀土的单包层、双包层甚至多包层光 纤。用在这种光纤放大器中的稀土掺杂物包括镱、铒、钬、镨、铥或钕。 在特定实施例中，用于构造光放大器150的所有的基于光导纤维的组件都 使用保偏单模光纤。
参考图1，在使用光放大器的实施例中，泵142通过光耦合器140与 掺稀土的光纤环路144耦合。通常地，半导体泵浦激光器被用做泵142。 本领域的普通技术人员会认识到多种变化、修改和选择。在可选择的实施 例中，光放大器150为固体放大器，其包括但不限于固体棒放大器、周体 片放大器或气体增益介质。
在特定实施例中，光放大器150包括5米长的掺稀土光纤144，其具 有大约4.1/mi的核心直径以及掺杂有掺杂密度大约为4X 1024ions/m3的镱。放大器150也包括泵142，其中泵142为工作于976nm波长的FBG稳 频半导体激光二极管并具有100mW的输出功率。输出功率可以低于或大 于100mW。比如，输出功率可以为50mW、 150mW、 200mW、 250mW、 300mW、 350mW、 400mW等。在另一个特定实施例中，泵142为工作在 大约915nm波长的半导体激光二极管。在另一个特定实施例中，泵142为 工作在450mW或更高输出功率的半导体激光二极管。在一个具体实施例 中，放大器150也包括对光耦合器140的泵，其中光耦合器140为WDM 泵浦合波器。
从光放大器150沿光路148发出的信号之后撞击到反射结构146上， 并被反射回光放大器150。信号第二次通过光放大器150，信号在其中受 到放大。反射结构146对激光脉冲和通过光路148传送的放大自发辐射 (ASE)执行谱域滤波。因此，种子信号穿过振幅调制器130经受振幅调 制和时域调制，并且在从反射结构146反射时经受谱域滤波。
在实施例中，反射结构146为直接写入用作光放大器150的光纤中的 光纤布拉格光栅(FBG)。如本领域中公知的，对FBG的周期和光栅特性 进行选择以提供期望的反射系数。仅仅当作特定实施例中的例子，反射结 构146为具有大于90y。的峰值反射傘的FBG，并且其中心波长和谱宽度与 种子源110的输出紧密匹配。
从光放大器150沿光路136发出的信号撞击到光振幅调制器130的第 二侧134上，之后光振幅调制器130第二次跳动到"开"状态以允许入射 脉冲通过。根据本发明的实施例，考虑到信号通过放大器150和反射结构 146的渡越时间，将光振幅调制器130的第二个"开"脉冲的定时与调制 器130的第一次开启(第一 "开"脉冲)同步。在从光振幅调制器130的 第一侧发出之后，经放大的脉冲随后进入光环行器120的第二端口 122， 并且沿光路148从光环行器120的第三端口 116射出。
之后，信号在其通过第二光放大器160时被放大。如结合图1讨论 的，本发明的实施例利用了光纤放大器作为光放大器160，其中光放大器 160包括通过光耦合器152与掺稀土的光纤回路耦合的泵154。虽然对本 领域的技术人员来说，光放大器的泵浦很明显地可以由其他装置实现，但是通常地将半导体泵浦激光器用作泵154。在特定实施例中，第二光放大
器160包括5米长的掺稀土光纤156，其具有大约4.8/im的核心直径以及 掺杂有掺杂密度大约为6X10Mions/i^的镱。放大器160也包括泵154，其 中泵154为工作于976nm波长的FBG稳频半导体激光二极管并具有 500mW的输出功率。在另一个特定实施例中，第二光放大器160包括2米 长的掺稀土光纤156，其具有大约10/mi的核心直径以及掺杂有惨杂密度 大约为lX10、ons/m3的镱。光纤长度可以短于或长于2米。例如，可以 为l.Om、 3.0m、 3.5m、 4.0m、 4.5m、 5.0m等。放大器160还可以包括多 模泵154，其为具有5W输出功率的半导体激光二极管。输出功率可以低 于或大于5W。例如，输出功率可以为3W、 4W、 6W、 7W、 8W、 9W、 IOW等。
在另一个特定实施例中，为了使种子信号通过，光振幅调制器130跳 动一次而不是两次。光振幅调制器130变成"开"状态以产生沿光路136 传播的脉冲的上升沿。之后此信号通过光放大器150第一次放大。之后信 号撞击反射结构146并通过光放大器150第二次放大。此时从光放大器 150发出的信号沿光路136撞击到随后转到"关"状态的光振幅调制器 130的第二侧134。因此脉冲宽度由在光振幅调制器130保持在"开"状 态的时间减去信号通过放大器150和反射结构146的渡越时间给定。
虽然图1示出了使用耦合于光环路120的第三端口的单一光放大器 160，但是这并不是本发明所必需的。在可选择的实施例中，为适合于特 定应用，在光环路120的下游使用多个光放大器。本领域的普通技术人员 会认识到多种变化、修改和选择。
图2为示出在根据本发明实施例的高功率脉冲激光器中的不同位置的 电脉冲和光脉冲时序简图。仅仅作为例子，图2示出了到振幅调制器的重 复电驱动信号和通过如图1所示的本发明的实施例传播的光脉冲的时序。 第一电驱动信号220在电触发210之后施加到振幅调制器以产生光脉冲 240。在一些传播延迟后，光信号250第一次通过光放大器。光信号260 之后撞击到反射结构并且光信号250第二次通过光放大器。光脉冲240第 二次传递通过振幅调制器，其中振幅调制器由光脉冲240以电的方式驱动第二次220。最后在一些传播延迟之后光脉冲230从端口 3出射。
图3为根据本发明的实施例提供一系列激光脉冲的方法的简图。此方 法包括提供种子信号(310)。在本发明的实施例中，种子信号可以由半 导体激光器在1064nm波长处产生。此方法也包括将种子信号第一次传送 通过振幅调制器(320)。在本发明的实施例中，可以由光环行器或其他 光耦合装置实现将种子信号耦合进入振幅调制器。此方法还包括通过将驱 动信号第一次施加到振幅调制器上而为种子信号提供时域滤波(330)。 脉冲由光放大器放大(340)并经频域滤波(350)。因此，在图3中示出 的系统的一个阶段提供了经过谱滤波的脉冲。
可以理解，可以不离开这里描述的实施例的范围而使用多种放大器和 频域滤波器结构的组合。例如，可以在脉冲放大前或脉冲放大后实现频域 滤波。相应地，像双通光放大器中可能出现的那样，在脉冲的第一放大之 后和脉冲的第二放大之前实现频域滤波。此外，此方法包括将光信号第二 次传送通过振幅调制器(360)和通过将驱动信号第二次施加到振幅调制 器以提供脉冲信号的时域滤波(370)。在第二次通过振幅放大器之后， 经过放大的、在谱和时间方面受到滤波的脉冲可以被称作中间脉冲。在本 发明的实施例中，光脉冲由在第一次透射通过振幅调制器期间调制种子信 号产生并且在第二次透射通过振幅调制器期间被选通(gate)。
使用本发明的实施例，高功率脉冲激光源提供具有独立可调脉冲特性 的光脉冲流，其中脉冲特性包括脉冲宽度、峰值功率和能量、脉冲形状 和脉冲重复率。仅仅作为例子，本发明的特定实施例在第二光放大器160 的输出端170释放输出脉冲，其中所述脉冲大于每脉冲5/J，并具有10ns 的脉冲宽度和lOKHz的重复率。当然，由可选择的实施例提供其他脉冲特 性。例如，脉冲能量可以为1/J、 10/J、 20/J、 30/J等。脉冲持续时间在 例如2ns和150ns之间的值的范围内。脉冲重复频率在例如0到500kHz的 值的范围内。
在上述实施例中，使用了 CW种子源并且使用振幅调制器120执行提 供激光脉冲的时域滤波。但是，这不是本发明所必需的。在可选择的实施 例中，对种子源进行调制以提供脉冲的种子信号而不是CW种子信号。虽然脉冲的种子信号最小化由种子泄露引起的寄生信号积累，并使得种子源
的工作功率范围能够增加。例如，脉冲种子输出功率可以为200mW、 500mW甚至1W。在可选择的实施例中，脉冲种子信号的脉冲宽度可以等 于或长于整体脉冲激光源的期望脉冲宽度。使种子脉冲化也可以增加种子 激光器的有效线宽以减少受激布里渊散射。
提供根据本发明的实施例，提供的方法和系统产生光脉冲序列，这些 光脉冲可能不能在时间方面相等地分开。此外，以预定方式对每个脉冲分 别调整其脉冲宽度和脉冲能量。而且，应该认识到尽管上面的描述讨论了 单一光信号的产生，但是本发明的实施例通过多次重复单一脉冲以提供多 重脉冲的产生。这些多重脉冲可以包括光脉冲序列的任意列。
虽然参考特定实施例及其具体例子描述了本发明，但是应该明白其他 实施例也可以落入本发明的精神和范围内。因此，本发明的范围应该参照 权利要求及其全部等同物范围来确定。
本发明依据35 U.S.C. § 119 (e)要求申请于2006年4月18日的，题 为"Method and System for Tunable Pulse Laser Source"的美国临时专利申 请No. 60/793307的优先权，并将其通过引用全部结合在这里。
权利要求
1. 一种可调谐脉冲激光源，包括种子源，适于产生种子信号；光学环行器，其中所述光学环行器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口耦合于所述种子源；振幅调制器，以第一侧和第二侧为特征，其中所述第一侧耦合于所述光学环行器的第二端口；第一光放大器，以输入端和反射端为特征，其中所述输入端耦合于所述振幅调制器的第二侧；和第二光放大器，耦合于所述光学环行器的第三端口。
2. 根据权利要求1所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述种子源包括 半导体激光器。
3. 根据权利要求2所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述半导体激光 器包括FBG稳频半导体激光器。
4. 根据权利要求1所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述种子源包括 固体激光器或光纤激光器中至少一者。
5. 根据权利要求1所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述振幅调制器 包括适于对所述种子信号执行时域透射滤波的马赫-曾德干涉式振幅调制 器。
6. 根据权利要求1所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述第一光放大 器包括光纤放大器。
7. 根据权利要求6所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述光纤放大器 包括双通光纤放大器。
8. 根据权利要求6所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述光纤放大器 包括掺稀土光纤。 '
9. 根据权利要求8所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述掺稀土光纤 中掺杂的稀土包括一种或更多种稀土元素的混合物。
10. 根据权利要求9所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述一种或更多种稀土元素包括镱、铒、铥、钬、镨、或钕中的一种或更多种。
11. 根据权利要求6所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述光纤放大 器包括单包层、双包层或多包层光纤设计中的至少一者。
12. 根据权利要求11所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述光纤放大 器包括保偏光纤。
13. 根据权利要求1所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述第一光放大器包括掺稀土的光学棒放大器或掺稀土的光学片放大器中的至少一者。
14. 根据权利要求1所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述第二光放大器包括第二光纤放大器。
15. 根据权利要求14所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述第二光纤 放大器包括掺稀土光纤。
16. 根据权利要求15所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述掺稀土光 纤中掺杂的稀土包括一种或更多种稀土元素的混合物。
17. 根据权利要求16所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述一种或更 多种稀土元素包括镱、铒、铥、钬、镨、或钕中的一种或更多种。
18. 根据权利要求14所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述第二光纤 放大器包括单包层、双包层或多包层光纤设计中的至少一者。
19. 根据权利要求18所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述第二光纤 放大器包括保偏光纤。
20. 根据权利要求1所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述第二光放 大器包括惨稀土的光学棒放大器或掺稀土的光学片放大器中的至少一者。
21. 根据权利要求1所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述反射端包 括谱域反射滤波器。
22. 根据权利要求21所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述谱域反射 滤波器包括光纤布拉格光栅。
23. 根据权利要求21所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述谱域反射 滤波器的反射谱基本上与所述种子源的输出谱相匹配。
24. 根据权利要求1所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述振幅调制 器适于对所述种子信号执行谱域透射滤波。
25. 根据权利要求24所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述振幅调制器的透射谱基本上与所述种子源的输出谱相匹配。
26. —种提供一个或更多个激光脉冲的方法，所述方法包括 在光环行器的第一端口提供种子信号； 将所述种子信号透射到振幅调制器的第一侧；将所述种子信号透射通过所述振幅调制器以限定通过所述振幅调制器 的第一次通过；对所述种子信号进行时域滤波以提供脉冲，其中所述时域滤波包括为 所述振幅调制器调制驱动信号；使用第一光放大器放大所述脉冲；对经放大的脉冲进行频域滤波以提供经过谱滤波的脉冲；将所述经过谱滤波的脉冲透射通过所述振幅调制器以限定通过所述振 幅调制器的第二次通过；对经过放大的所述经过谱滤波的脉冲进行时域滤波以提供中间脉冲， 其中所述时域滤波包括为所述振幅调制器调制所述驱动信号；和使用第二光放大器放大所述中间脉冲。
27. 根据权利要求26所述的方法，其中，所述种子信号是使用FBG稳 频半导体激光器产生的激光信号。
28. 根据权利要求26所述的方法，其中，所述振幅调制器包括马赫-曾 德干涉式振幅调制器。
29. 根据权利要求26所述的方法，其中，所述第一光放大器包括双通 光纤放大器。
30. 根据权利要求26所述的方法，其中，对所述经过放大的经过谱域 滤波的脉冲进行所述时域滤波包括使用包括光纤布拉格光栅的谱域反射滤 波器。
31. 根据权利要求26所述的方法，其中，所述第二光放大器包括单通 光纤放大器。
全文摘要
本发明提供了一种可调谐脉冲激光源，包括适合产生种子信号的种子源以及光学环行器。所述光学环行器包括第一端口、第二端口和第三端口，其中所述第一端口耦合于所述种子源。所述激光源也包括以第一侧和第二侧为其特征的振幅调制器。所述第一侧耦合于所述光学环行器的第二端口。所述激光源还包括第一光放大器，所述第一光放大器以输入端和包括频域发射滤波器的反射端为特征。所述输入端耦合于所述振幅调制器的第二侧。此外，所述激光源包括耦合于所述光学环行器的第三端口的第二光放大器。
文档编号G02F1/35GK101427430SQ200780014070
公开日2009年5月6日 申请日期2007年4月18日 优先权日2006年4月18日
发明者伊薇斯·泰罗恩, 佛朗克斯·布鲁奈特, 塔利·帕纳芮洛, 帕斯卡尔·迪拉都阮泰, 柏那特·芮德, 理查德·木瑞森, 罗伯特·拉罗斯, 芮纳德·伯拉-皮卡德 申请人:热光子学镭射公司