根据速率和/或幅度时间可变的脉冲激光系统的制作方法

本发明总体上涉及脉冲激光领域。

更具体地，本发明涉及一种高功率和/或高能量脉冲激光系统，其脉冲在时间上被调制。本发明还涉及一种用于快速调制来自激光系统的放大脉冲的速率和/或幅度的方法，这些脉冲具有高功率和/或高能量。本发明还涉及一种用于产生时间调制的激光脉冲的方法，在可以从数百MHz量级的或GHz的甚高重复频率延伸到非常低的频率宽频率范围内，或者甚至用于按需产生脉冲。

背景技术：

脉冲激光器发射的脉冲的速率或重复频率通常根据所使用的架构和激光束所需的规格来确定。

主振荡器功率放大器(MOPA)类型的架构通常用于产生高功率激光源。在这种情况下，称为“主振荡器”的源10产生由源脉冲组成的源信号100。该源信号100在包括串联的一个或多个放大级的光学放大器系统30中被放大。存在不同类型的源10。源10可以是周期性的，特别是基于锁模激光器的源，其振荡器腔长度限定了重复频率。周期性源10还可以基于Q开关振荡器。锁模或Q开关源可以产生皮秒持续时间的脉冲，但不能按需产生脉冲。此外，还存在所谓的纳秒或连续MOPA，其中振荡器由脉冲二极管组成，并且其中振荡器速率不固定。这些脉冲激光二极管MOPA可以按需产生脉冲，但受限于纳秒级的脉冲持续时间。

在某些应用中，用户可能需要改变重复频率和/或调制超短激光脉冲的幅度，或者还需要部分或完全中断，然后重新开始发射高功率和/或高能激光脉冲。

激光脉冲发射的控制可以通过在光路中(光学放大器的上游或下游)插入脉冲调制或选择装置而以各种方式执行。

第一种方法包括：使用减频器装置以低于振荡器重复频率的激光输出频率产生脉冲。减频器通常选择2个、3个或N个中的一个脉冲，因此以重复频率产生脉冲，该重复频率分别等于振荡器重复频率的一半、三分之一或N分之一。另一种方法包括：使用用于通过电子控制信号按需选择脉冲的装置，以根据用户的要求触发脉冲的发射。又一种方法包括在激光器的输出端使用快速快门以适时地关闭或打开激光束，从一个脉冲到下一个脉冲。

在图1中示出了现有技术的时间调制脉冲激光系统。该激光系统包括源10、光学放大器系统30、布置在源10与光学放大器系统30的输入之间的脉冲选择器20和/或布置在光学放大器系统30的输出处的另一个脉冲选择器25。源10例如由锁模振荡器组成，该锁模振荡器产生由以固定速率发射的光脉冲组成的源信号100，该固定速率通常在约10kHz至约10MHz之间，或者甚至几个GHz。源信号100的光脉冲的持续时间通常为1飞秒或1皮秒的量级。在实例中，光学放大器系统30基于MOPA类型的架构。任选地，可将放大器系统集成在啁啾脉冲放大器(CPA)类型的架构中，其包括在放大器系统上游的展宽器和下游压缩器。

脉冲选择器20(或脉冲选择器(pulse picker))在光学放大器系统30上游从源信号100去除一个或多个光脉冲，并使由一个或多个所选光脉冲组成的调制信号110通过。光学放大器系统30放大调制信号110并产生由一个或多个放大的选定光脉冲组成的放大信号300。因此，脉冲选择器20可以在放大之前降低来自振荡器10的脉冲的重复频率，或者甚至在放大之前根据需要选择来自源信号的一个或多个光脉冲。存在不同类型的脉冲选择器20，特别是声光类型的脉冲选择器20，其基于布拉格或电光单元，例如普克尔斯单元，其使得可以在单脉冲体制下按需传送脉冲，或通常包括在约10kHz至约100MHz之间，或者甚至几GHz的频率范围内的周期性脉冲以及从几W到约10W的RF功率以达到期望的衍射效率。

然而，在光学放大器系统30上游修改调制信号110的脉冲之间的重复频率或时间间隔通常引起对放大信号300的脉冲参数的修改。尽管源信号100的脉冲在波长、持续时间和能量方面都是相同的，但可以观察到放大信号300的脉冲不相同。实际上，放大信号300的脉冲的能量和/或持续时间，放大信号300的脉冲波束的形状和/或质量可以根据调制信号110的选定脉冲之间的速率变化而变化。

具体地，在产生一系列激光脉冲期间，第一放大脉冲通常具有比该系列的接下来的脉冲高得多的能量和/或功率。该超高功率的原因在于，放大介质被连续泵送，当脉冲之间的时间间隔增加时，存储在放大器中的能量增加。因此，相比于随后的脉冲，对于一系列的第一脉冲，从放大器介质中提取更高的能量。该第一超高功率脉冲可能导致光学放大器系统30的组件的劣化或甚至破坏或者光学放大器系统30下游的光路中的组件的劣化或甚至破坏，并且负面地影响通常需要恒定且稳定的能量的激光方法。

因此，到目前为止，在光学放大器系统30上游对源信号的频率和/或幅度的脉冲的选择或调制使得不能随意调制激光系统的输出处的放大器脉冲300的频率和/或幅度而不影响所发射的脉冲的性质。

通常用于控制脉冲序列发射的另一种技术包括在激光器之后放置(声光或电光类型的)光学调制器25。当该调制器25被激活时，可以选择性地修改通过它的一个或多个脉冲的偏振、传播方向、幅度和/或相位特性，从而能够在空间上将某些放大脉冲250与其他放大脉冲252分离。这种技术主要由于以下原因而受到限制。首先，布置在光学放大器下游的电光(EO)或声光(AO)调制器的当前速度将其用途限制于几MHz或约10Mhz的最大速率。其次，放置在脉冲激光器输出处的光学调制器25引起功率损失(对于声光学调制器从10％到20％，对于电光学调制器为5％量级)。最后，在高功率激光器的情况下，激光束可能损坏放置在放大系统30的输出处的光学调制器25。光学调制器25还可以修改输出激光束的参数：例如，在空间上在热透镜的作用下，或者还在时间上，在光谱上或在空间上通过非线性效应的作用。

因此，需要一种系统和方法，使得能够对高能量和/或高功率脉冲激光系统的速率和/或幅度进行时间调制，其中该调制可以快速达到脉冲的重复速率，同时控制放大脉冲的性质(能量、持续时间、空间形状、光束质量)和确保放大系统随时间的稳定性。

技术实现要素：

为了弥补现有技术的上述缺陷，本发明提出了时间上调制速率和/或幅度的脉冲激光器系统，其包括适于产生由源光脉冲组成的源信号的源和适于接收和放大所述源信号的光学放大器系统。

更具体地，根据本发明提出了一种时间调制的脉冲激光系统，其包括脉冲选择或调制装置，其被配置为选择或调制源信号以形成由一个或多个光脉冲组成的主信号，在时间上调制该主信号的速率和/或幅度；并且激光系统被配置为一方面将主信号以及在另一方面将次信号注入到所述光学放大器系统中，所述光学放大器系统一方面形成速率和/或幅度被时间调制的放大的主信号并且在另一方面是放大的次信号，该次信号根据主信号的速率和/或幅度的时间调制而被实时调制，以稳定随着时间存储在光学放大器系统中的能量，并且激光系统被配置为空间上分离时间调制的速率和/或幅度放大的主信号到第一输出以及放大的次信号到第二输出。

本发明使得可以以受控的方式调制放大的光脉冲序列，同时在激光器中引起很少或没有损失。激光系统能够在从零频率延伸到主源频率的频率范围内工作，其可达到GHz的数量级，并且避免暴露脉冲选择器，其通常是对于放大之后的高能和/或高功率的放大脉冲的易损坏的光学器件。

单独地或根据任何技术上可能的组合得到的根据本发明的时间调制脉冲激光系统的其他非限制性和有利特征如下：

-光学放大系统具有适于放大第一波长的主信号和第二波长的次信号的光谱增益带，并且激光系统包括被配置为光谱分离第一波长的放大的主信号和第二波长下的放大的次信号的光谱滤波器；

-光学放大器系统适于接收和放大在第一偏振态中偏振的主信号和相应地在第二偏振态中偏振的次信号，所述第一和第二偏振态彼此正交，并且激光系统包括被布置和配置成分离一方面在第一偏振状态中偏振的放大的主信号和在另一方面在第二偏振状态中偏振的放大的次信号的偏振分离滤波器；

-光学放大器系统适于放大在光学放大器系统的第一输入-输出和第二输入-输出之间沿着彼此相反的方向传播的主信号和次信号，并且激光系统包括至少一个滤波器，被布置和配置为分离一方面放大的主信号和另一方面放大的次信号；

-光学放大器系统具有适于放大沿第一方向传播的主信号和沿第二方向传播的次信号的空间和/或角度孔径，第二方向与第一方向在空间和/或角度上分离，并且激光系统被配置为在空间和/或角度上分离沿第一方向传播的放大的主信号和相应地沿第二方向传播的放大的次信号；

-激光系统包括发射源信号的第一源和发射次信号的次源，脉冲选择或调制装置包括布置在第一源和光学放大器系统之间的脉冲选择器或调制器，脉冲选择器或调制器接收源信号并形成主信号，激光系统还包被布置和配置为将一方面所述主信号以及另一方面所述次信号注入到所述光学放大器系统中的光束组合器；

-激光系统包括发射源信号的单个，优选为周期性的源，脉冲选择或调制装置包括布置在源和光学放大器系统之间的脉冲选择器或调制器，脉冲选择器或调制器接收周期性源信号，并且一方面形成主信号，且另一方面形成次信号；

-脉冲选择或调制装置包括光学偏振调制器，所述光学调制器被配置为接收并在偏振方面调制源信号，以便生成在第一偏振态中偏振的主信号，并且生成在第二偏振态中偏振的次信号；

-脉冲选择或调制装置包括光学方向调制器，其被配置为接收并调制源信号，以便生成沿一个方向传播的主信号，并且生成沿另一个方向传播的次信号；

-脉冲选择或调制装置包括光学调制器，其被配置为接收并在幅度方面调制周期性源信号，以便生成幅度调制的主信号，并且其中根据主信号的幅度的时间调制来调制次信号的幅度。

根据另一个实施方式，光学放大器系统包括再生腔，该再生腔包括含有第一光学放大器的第一部分以及第二部分，脉冲选择或调制装置包括布置在第一部分和第二部分之间的再生腔中的普克尔斯盒，所述普克尔斯盒被配置为调制再生腔中的光学相移，光学滤波装置包括布置在普克尔斯盒和腔的第一部分之间的第一偏振器以及布置在普克尔斯盒和第二部分之间的第二偏振器，普克尔斯盒被配置为第一次调制光学相移以将源光脉冲捕获到再生腔中，再生腔放大捕获的光脉冲以形成放大的光脉冲，普克尔斯盒被配置为第二次调制光学相移，或者在放大的光脉冲在再生腔的第一部分中循环以形成放大的主信号时，第二偏振器被配置为将放大的主信号导向再生腔的第一输出，或者在放大的光脉冲在再生腔的第二部分中循环以形成放大的次信号时，第一偏振器被配置成将放大的次信号导向再生腔的第二输出。

有利的是，脉冲选择或调制装置被配置为以包括在亚纳秒至几纳秒的之间的开关时间来选择或调制源信号。

优选地，第一源是周期性的，重复周期包括在10kHz至1Ghz之间，并且源光脉冲具有包括在约1皮秒至几百纳秒之间的持续时间。

在各个实施方式中，脉冲选择或调制装置被电子地控制以使用优选地包括在约1纳秒至10纳秒之间的开关时间选择或调制源信号。

本发明还涉及一种在再生腔的输出处调制脉冲的速率和/或幅度的方法，该再生腔包括布置在再生腔中的第一偏振器和第二偏振器之间的普克尔斯盒，普克尔盒定界再生腔的第一部分和第二部分，并且再生腔包括布置在再生腔的第一部分中的至少一个光学放大器，所述方法包括以下步骤：

-向普克尔斯盒施加第一脉冲开关电压，以将源光脉冲注入并捕获到再生腔中；

-放大被捕获到再生腔中的光脉冲以形成放大的光脉冲，同时向普克尔斯盒施加零调制电压；

-当放大的光脉冲在再生腔的第一部分中循环以形成放大的主信号时，将第二脉冲开关电压施加到普克尔斯盒以调制光学相移，第二偏振器被配置为将放大的主信号导向再生腔的第一输出，和/或当放大的光脉冲在再生腔的第二部分中循环以形成放大的次信号时，第一偏振器被配置为将放大的次信号导向再生腔的第二输出。

根据特定实施方式，第二电压的施加包括随着时间的斜坡，以便对朝向第一输出的经放大的主信号进行幅度调制和/或对朝向第二输出的经放大的次信号进行幅度调制。

附图说明

通过非限制性实例给出的关于附图的以下描述将允许很好地理解本发明的构成以及其如何创作。

在附图中：

-图1示意性地示出了根据现有技术的时间调制的脉冲激光系统；

-图2示意性地示出了根据本发明第一实施方式的时间调制的脉冲激光系统的总体原理；

-图3示意性地示出了根据第一实施方式的变形的时间调制脉冲激光系统；

-图4示意性地示出了根据本发明第二实施方式的时间调制脉冲激光系统；

-图5示意性地示出了根据第二实施方式的实例的时间调制脉冲激光系统；

-图6示意性地示出了根据本发明第三实施方式的时间调制脉冲激光系统；

-图7示意性地示出了根据本发明第四实施方式的时间调制脉冲激光系统；

-图8示意性地示出了根据本发明第五实施方式的时间调制脉冲激光系统。

具体实施方式

在图2中示意性地示出了时间调制脉冲激光系统的第一实施方式。该实施方式基于使用布置在光学放大器上游的脉冲选择器20，被配置为将不同波长和/或偏振的主信号和次信号两者注入到适于放大这两个信号的光学放大器系统30中的光束组合器，以及适于将放大的主信号与放大的次信号分开的光谱和/或偏振滤波装置。

更确切地，在图2的方案中，示出了脉冲激光系统，其包括主源(第一源)11、脉冲选择器20、次源12、光束组合器60、光学放大器系统30和光学滤波器50。

主源11发射源信号100。主源11例如由以确定的重复频率f_rep发射周期性源信号100的周期性振荡器组成。周期性振荡器可以由锁模激光器或Q开关振荡器组成。源信号100的脉冲优选具有在几十ps至纳秒量级的持续时间。

光学放大器系统30可以包括单个光学放大器或串联布置的多个光学放大器，或者还包括几个并联布置并且通过分光耦合器多路复用的光学放大器。相同系统的光学放大器可能具有不同的性质：固体、晶体、薄盘(薄盘激光器)、平板(平板激光器)、光纤或光子晶体光纤光学放大器。光学放大器30通常是连续泵送的。增益光放大介质可以掺杂有稀土元素，特别是掺杂有这些稀土元素中的镱、钕、铒、铥、钬或某些合金。

脉冲选择器20布置在将主源11连接到光学放大器30的光路中。脉冲选择器20包括例如声光或电光学调制器。电子控制脉冲选择器20以快速响应时间进行开关，所述快速响应时间具有与分隔两个连续脉冲的持续时间相同的数量级或略高于分隔两个连续脉冲的持续时间，并且通常包括在约1纳秒(或者在某些情况下甚至更快)至几纳秒之间。脉冲选择器20(通过吸收、通过声光调制的偏转，通过在剪切模式中的电光或声光调制的偏振转换)来移除源信号的一个或多个光脉冲并且形成由一个或多个选择的光脉冲组成的主信号110。

次源12被配置为根据主信号110的调制来发射次信号120，例如由一个或多个次光脉冲组成的次信号120，次光脉冲是根据需要选择性地产生的。次源12被电子控制以快速响应时间进行开关，快速响应时间通常包括在约1纳秒(在某些情况下甚至约ps)至约10纳秒之间。此外，在其中期望以非常低的速率调制主信号的情况下，例如，为了根据需要产生单发放大脉冲，次源激活的持续时间也可以很长，其中该持续时间可以是例如几秒。

光束组合器60被布置为一方面接收主信号110并且另一方面接收次信号120。根据主源11和次源12的信号的相应特性来选择光束组合器60。光束组合器60可以是空间类型的光组合器，如立方体或部分透明且部分反射的板形式，或光谱类型的组合器，例如二向色板，或者也可以是偏振组合器，例如偏振立方体。光组合器60使得可以将主信号110和次信号120注入到光学放大器系统30中。因此，光学放大器系统30放大主信号110和次信号120两者，以形成放大的主信号310和放大的次信号320。

我们考虑其中次信号120在光学放大器30中消耗与主信号110大致相同的居量反转的条件。更确切地，无论主信号110的时间调制如何，次信号120都被时间调制为使得存储在光学放大器中的能量随时间保持在恒定水平。通常，主信号110和次信号120的脉冲具有不同的持续时间和/或相同的能量。然而，次信号120的度量(dimension)被设计为使得主信号110和次信号120的组合具有这样的效应：即，随着时间的推移将光学放大器30的居量反转的水平保持在恒定值，而不管主信号110的调制如何。因此，无论将主信号110的两个连续选定脉冲分开的时间间隔如何，光学放大器系统30的增益对于放大的主信号310的每个脉冲都保持恒定。当在光学放大器30中发送由选择的脉冲组成的主信号110时，在去除一个或多个源脉冲的中断之后，主信号110的所有选择的脉冲以相同的增益被放大。

实际上，测量放大的主信号310的脉冲随着时间的能量，并且修改注入的次信号120的脉冲的功率、能量、波长和/或持续时间以便使放大的主信号310的脉冲的能量稳定。

在该第一实施方式中，次源12必须能够根据脉冲选择器20的操作被足够快速地接通和断开。在第一实例中，次源12包括能够以接近主源11的波长的波长进行快速调制的激光二极管，主源11和次源12的波长位于光学放大器系统30的增益带。次源12可以是具有约1GHz的带宽的电信中使用的类型的激光二极管。由该激光二极管12发射的脉冲的持续时间典型地为纳秒量级(例如，从1到20纳秒)。根据变形，次源12由与主源11的主振荡器的速率同步的第二锁模振荡器组成。该变形比电信二极管更昂贵，但当没有二极管可用于期望的光谱范围时，这种变形可能是有益的替代。

特别有利地，激光系统包括将脉冲选择器20连接到次源12的同步装置，以便当脉冲选择器从源信号100中去除光脉冲时触发次信号120的脉冲的发射。

光学滤波器50被布置在光学放大器30的输出处。光学滤波器50被配置为将朝向第一输出S1的放大的主信号310和相应地朝向第二输出S2的放大的次信号320进行空间分离。该放大的次信号320可以被抑制或用于另一种应用。

在该第一实施方式的实例中，主源11发出具有主波长的主信号100，且次源12发出具有与主波长不同的次波长的次信号120。主源11和次源12被选择为使得主波长和次波长位于光学放大器30的增益带内。优选地，光学放大器30的增益与主波长和次波长大致相同。然而，主源11通常是超短的并且具有表示为FWHMprince的光谱宽度。选择次源，其具有纳秒量级的持续时间和窄光谱宽度(接近δ)的脉冲。为了将经放大的主信号310与经放大的次信号320分离而对经放大的主信号310没有显著损失，从以主波长为中心且宽度等于约1.5*FWHMprince或2*FWHMprince的光谱带中选出次波长。在该实例中，光束组合器60例如是适合于将主信号110组合到主波长并将次信号120组合到级波长的分色滤波器。有利的是，光学滤波器50是分色滤波器，其被选择为允许一方面具有主波长的放大的主信号310和另一方面具有次波长的放大的次信号320的光谱分离。激光二极管12可以被非常快地调制，以经由光束组合器60注入次信号120。可以调整激光二极管12的功率、能量、波长和/或持续时间，使得次信号120消耗与主信号110大致相同的增益。因此，该实施方式使得可以控制放大的主信号310的稳定性。

第一实施方式的该实例可以应用于具有其放大的光谱带的宽度足以放大两个不同波长的信号的增益介质的任何光学放大器30，两个不同波长的信号可以通过光学滤波器50彼此分离。

在变形中，主信号110和次信号120在彼此正交的偏振态下被分别偏振，光学放大器系统适于根据这些正交偏振态来放大信号。在该变形中，光学滤波器50包括偏振滤波器，例如被配置为将放大的主信号310空间分离至输出S1，并且将放大的次信号320空间分离至输出S2的偏振器。光束组合器例如是偏振器，其被配置为将在第一偏振态中偏振的主信号110和在第二偏振态中偏振的次信号120组合。

在图3中示意性地示出了基于偏振的调制的激光系统的第一实施方式的变形。在该变形中，相同的元件由与图2中相同的附图标记表示。信号源10替代主源11和次源12。源10通常以确定的重复频率f_rep发射由脉冲组成的源信号100。在该变形中，使用偏振调制器21。在本文，源信号100的光脉冲在第一偏振态下偏振，例如线性或圆形或椭圆形。偏振调制器21被配置为允许源信号的偏振在第一偏振态和与第一偏振态正交的第二偏振态之间的快速切换。偏振调制器21的切换时间优选地在1纳秒至几纳秒之间。偏振调制器21例如由基于普克尔斯盒的电光学调制器或声光学调制器构成。举例来说，偏振调制器21是相位调制器，其选择性地引入等于0的相移以形成由在第一偏振态中偏振的脉冲构成的主信号110，或者等于π的相移以形成由在第二偏振态下偏振的脉冲构成的次信号120。光学放大器系统30一方面放大主信号110以形成在第一偏振态中偏振的放大主信号310，并且相应地，光学放大器系统30放大次信号120以形成在第二偏振态下偏振的放大的次信号320。在光学放大器系统30的输出处，偏振器类型52的光学滤波器被布置和定向，以使得可以将由在第一偏振态中被偏振的放大的脉冲组成的放大的主信号310空间上分离到输出S1以及相应地将由在第二偏振态中偏振的放大的脉冲组成的放大的次信号320空间上分离到输出S2。

在示例性实施方式中，源10是光纤源，并且光学放大器30包括放大光纤。放大光纤可以是布置在受控环境中的偏振保持光纤或标准光纤，以保持第一偏振态和第二偏振态。主信号110的脉冲的选择由偏振调制器21的控制系统电子地执行。通过构造，主信号110和次信号120的光脉冲具有相同的波长，相同的功率。无论主信号的偏振调制如何，光学放大器30都具有恒定的居量反转水平。

放大的主信号310和放大的次信号320可以相对于彼此独立地使用。在应用中，偏振调制器21选择每隔一个的脉冲，这使得可以在放大器系统的输出处具有由放大的周期性脉冲组成的两个激光束，每个输出的重复频率等于源10的重复频率的一半。因此，获得两个周期性激光脉冲输出，其成本比两个完整的激光系统的成本更低。

因此，我们具有一个光闸，使得可以释放或不释放激光脉冲而不改变放大脉冲310的参数值(能量、持续时间、空间形状...)，并且其足够快进行从一个脉冲到下一个脉冲的打开和关闭切换。该光闸的状态改变速度定义了装置能够运行的最大速率。

第一实施方式的这些实例描述了由来自周期性源信号的一个或多个主脉冲的全体组成的主信号的选择。

更一般地，主信号可以由随着时间被幅度调制的源信号的一部分组成。因此，选择由一部分源脉冲构成的至少一个主脉冲，来代替选择全脉冲或不是全脉冲。例如，选择源脉冲的80％的能量。根据需要，选择的脉冲的幅度可以从一个脉冲到下一个脉冲而发生变化。类似于本公开的原理，注入次信号，该次信号适于补偿主信号的脉冲的幅度变化，以稳定光学放大器系统的增益，而不管主信号的调制幅度如何。次信号与幅度调制的主信号同时注入光学放大器中会在这两个信号的放大之间产生竞争。主信号和次信号的相应放大增益可能彼此不同。例如，改变注入的次信号的振幅、能量和/或持续时间，以保持光学放大器系统中的激发离子的居量反转随着时间的推移基本恒定。优选地，根据主信号的强度来调整次信号的强度，使得光学放大器的饱和增益保持恒定。因此产生放大的主信号的模拟幅度调制，同时确保光学放大器系统中的恒定增益。然后，根据所描述的实例中的任何一个，在空间上彼此分离放大的主信号和放大的次信号。

在该幅度调制的实施方式中，偏振调制器21不仅可以切换源的偏振态，而且还可以调制主信号110的选定脉冲的幅度。当第一偏振态的一部分可以变换成第二偏振态时而获得该幅度调制。例如，可以控制电光类型的偏振调制器21以引入包括在0至半波长之间的相移。类似地，声光型的偏振调制器可以被控制以产生在约0至约1之间的不同的衍射效率。因此，通常，注入到光学放大器系统中的主信号110由源信号100的一部分组成，并且注入到光学放大器系统中的次信号120根据主信号110的时间变化而被时间调制，使得无论主信号的时间变化如何，光学放大器的居量反转水平保持恒定。

在图4中示意性地示出了根据本发明的第二实施方式的时间调制速率和/或幅度的脉冲激光系统。

该第二实施方式基于双向光学放大器系统33的使用，即双向光学放大器系统33适用于放大在光学放大器系统33内部以相互相反的方向传播的两个光束。在该第二实施方式中，进行将与主信号110相反方向的次信号120注入到光学放大器系统30。

图4的激光系统包括主源11和次源12。声光或电光类型的脉冲选择器或调制器20被布置在主源11和双向光学放大器系统33的第一输入-输出之间。脉冲选择器或调制器20在将主源10连接到光学放大器33的光路中从优选周期性源信号100中去除部分脉冲或一个或多个光脉冲，并且时由源信号的一部分组成的主信号110通过朝向光学放大器系统33，例如一个或多个所选光脉冲的一部分。主信号110沿着第一传播方向在双向光学放大器33中传播。脉冲选择器或调制器20的切换时间优选地包括在约1纳秒(或甚至亚纳秒)至约10纳秒之间。主信号110被放大以形成沿着第一传播方向传播的放大的主信号310。

次源12发射根据主信号110的幅度和/或速率的调制而调制的次信号120。光学滤波器51布置在次源12与光学放大器系统33的第二输入-输出之间。根据主信号或次信号的特征，滤波器51可以从空间(光束组合器)，定向(光环行器或隔离器)、光谱或偏振滤波器中选择。光学滤波器51通过次级输入-输出将次信号120注入到双向光学放大器系统33中，使得次信号120在双向光学放大器系统33中以与主信号相反的方向传播。因此，次信号120被放大，以形成沿着与第一传播方向相反的方向传播的放大的次信号320。而且，光学滤波器51使得可以将放大的主信号310与次信号120分离，以将放大的主信号310导向第一输出S1。

在脉冲选择器或调制器20与光学放大器系统33的第一输入-输出之间布置另一光学滤波器52。该光学滤波器52将放大的次信号320与主信号110空间分离并将放大的次信号320导向第二输出S2。优选地，光学滤波器52是无源滤波器，例如，如果使用不同波长的源11、12，则是分色镜，或者如果使用在两种不同偏振态下偏振的信号110、120，则是偏振器，或者还是光环行器或隔离器。

该第二实施方式特别适用于光纤放大器，其通常是双向的，但通常不允许光束的空间和/或角度分离。

在图5中示意性地示出了根据本发明的第二实施方式的实例的时间调制脉冲激光系统。该激光系统包括主源10，该主源10以确定的重复频率f_rep发射由光脉冲组成的周期性源信号100。在本文，源信号100的光脉冲在第一偏振态下偏振，例如线性或圆形或椭圆形。光学调制器22一方面从源信号100形成指向光学放大器33的第一输入-输出的主信号110，并且另一方面形成指向光学放大器33的第二输入-输出的次信号120。在本文，光隔离器51使得可以将放大的主信号310分离为输出S1。另一个光隔离器52使得将放大的次信号320分离成输出S2。

图6示意性地示出了根据本发明第三实施方式的时间调制脉冲激光系统。

第三实施方式基于使用具有足够空间范围和/或角孔径的光学放大器系统30来放大在空间和/或角度上彼此分开的两个激光脉冲束。

图6的系统包括源10，其以重复频率f_rep发射由周期性光脉冲组成的周期性源信号100。光学调制器24在源脉冲100的光路中布置在源10和光学放大器系统30之间。光学调制器24适于并被配置为将周期性源信号100在空间和/或角度上一方面分离成沿着传播方向传播的主信号110，例如，与周期性源信号100的传播方向相同，且另一方面分离成次信号120，其例如相对于主信号110的传播方向成角度地偏转。光学调制器24是例如声光学调制器，其被配置为使得可以偏转次信号120。光学调制器24的开关时间可以包括在约1纳秒至10纳秒之间。主信号110沿第一传播方向被引导朝向光学放大器30并且被放大以形成放大的主信号310。光学放大器30具有足够宽的空间范围和/或角孔径以接受在第二方向上传播的次信号120。如果需要，在主信号和/或次信号的光路中布置基于反射镜的光学系统，以增加光信号30的主信号和次信号之间的空间和/或角度间隔。次信号120在光学放大器30内沿第二传播方向传播，与第一传播方向在空间和/或角度上分开。光学放大器30分别放大主信号110和次信号120，以形成沿第一方向传播的放大的主信号310以及相应地沿第二角方向传播的放大的次信号320。有利的是，第一和第二传播方向在空间和/或角度上彼此足够分离，以使得有可能选择性地使用输出S1上的放大的主信号310，并且可能选择性地使用输出S2上的放大的次信号320。在该第三实施方式中，放大后的滤波是空间和/或角度类型的滤波。如果需要，例如基于一个或多个反射镜的空间滤波器装置被放置在光学放大器系统的输出处并且被配置为增加两个放大信号310、320之间的空间和/或角度间隔。

该第三实施方式特别适用于基于Yb、Nd、Er、Tm、Ho、Ti和/或Cr掺杂的晶体，例如Yb:YAG，钕YAG(Nd:YAG)或掺钛蓝宝石晶体，或者也可以是Er:YAG、Tm:YAG、Ho:YAG晶体的光学放大器。

在图7中示意性地示出了根据本发明的第四实施方式的时间调制脉冲激光系统的示例性实施方式。

图7的激光系统包括源10，其发射由例如p偏振态的线性偏振光脉冲组成的周期性源信号100，p偏振态平行于图7的平面。激光系统包括声光学调制器24。在声光学调制器24的第一状态下，当适应的调制电压被施加到声光学调制器24时，源信号通过1级衍射被偏转，并形成沿着第一传播方向传播的主信号110。相反，当零调制电压被施加到声光学调制器24时，源信号不被偏转并且形成沿着与第一传播方向角度分离的第二传播方向传播的次信号120。在声光学调制器24的输出处，主信号110和次信号120具有相同的偏振态，在此为p偏振态。基于反射镜的光学系统41、42使得可以将主信号110导向光隔离器56。半波板54(λ/2)使得可以将主信号110的偏振态改变为正交线性偏振态，在此为s偏振态。另一个基于反射镜的光学系统45使得可以将次信号120导向偏振器90。偏振器90使得可以将沿着第一光路传播的s偏振主信号110与沿着第二光路传播的p偏振次信号120组合。在偏振器90的输出处，s-偏振主信号110沿着与p-偏振次信号120不同的传播方向传播，尽管这两个信号之间的角偏转与声光学调制器24的输出处的角偏转相比降低。例如，由无焦望远镜36，随后是聚焦透镜37和分色镜38组成的光学系统，使得可以将s-偏振主信号110和p-偏振次信号120导向光学放大器晶体30。由于通过二向色镜38的耦合，泵源35确保光学放大器晶体30的连续光泵送。具有以光学放大器晶体30为中心的曲率半径R的聚焦镜39使得可以在光学放大器晶体30中执行要被放大的信号的双通过。在光学放大器晶体30内部，将s-偏振主信号110与p-偏振次信号120叠加，以确保光学放大器30的增益的恒定性。在光学放大器晶体30中的双放大之后，放大的主信号310和放大的次信号320被导向偏振器90。该偏振器90使得可以将放大后的主信号310和放大后的次信号320在空间上彼此分开。偏振器90的输出处的s-偏振放大主信号310穿过半波板54，该半波板54将放大的主信号310的偏振态改变为正交线性偏振态，在本文为p-偏振态。光隔离器56使得可以将p-偏振放大的主信号310提取到输出S1。然后，可将该放大的主信号310发送到压缩器或用于任何所考虑的应用。另一方面，放大的次信号320在反射镜45上被反射向输出S2，例如吸收装置46(或束流捕集器)。

在该示例性实施方式中，光学调制器24被布置在源10的光路中并因此调制低功率周期性源信号100。这种配置确保了高效率的调制，同时避免了对光学调制器24的损坏。而且，由于光学调制器24的开关时间包括在约1纳秒(或甚至亚纳秒)至约10纳秒之间，因此该调制是快速的。1级衍射的周期性源信号以约85％或更高的衍射效率衍射。以1级衍射的该光束形成由周期性源信号的一部分组成的主信号110。因此，主信号110中的损耗非常有限。当声光学调制器被激活时，未以量级0偏转的剩余光束在光学放大器晶体30中也被放大。然而，与未以量级0衍射的剩余光束的重叠相比，与以1级衍射的主信号的重叠更大，使得未按级0衍射的光束看到较低的增益。当声光学调制器24被停用时，脉冲光束不按1级衍射。次信号120在光学放大器晶体30中被放大，然后放大的次信号320在空间上被偏振器90分开并在吸收装置46中被阻挡。

图8示意性地示出了根据本发明第五实施方式的时间调制脉冲激光系统。该第五实施方式基于使用具有再生腔的激光器，该再生腔包括布置在再生腔内的单个光学调制器80。该光学调制器80既用作脉冲选择器又用作光学调制器，以随着光学调制器的开关瞬间将脉冲导向第一输出S1或第二输出S2。

在现有技术的再生腔放大器中，第一光学调制器用作布置在光腔内的光学开关，以一次将一个脉冲注入再生腔，优选地具有随时间恒定的重复频率。通常将第二光学调制器布置在再生腔的输出处以对放大的脉冲进行空间和/或时间调制。这两个光学调制器可以是声光型或普克尔斯盒型。

图8的系统包括产生由光脉冲组成的周期性源信号100的源10。源10是例如具有重复频率f_osc的振荡器。在本文，源信号100的光脉冲在s-偏振态下是线性偏振的。光隔离器56形成再生腔的第一输入-输出。半波板54(λ/2)将源信号100的光脉冲的偏振态改变为p-偏振态。偏振器53朝向普克尔斯盒80传输p-偏振源信号100。

再生腔包括第一放大部分131、第二放大部分132和布置在该第一放大部分131和该第二放大部分132之间的普克尔斯盒80。再生腔的第一放大部分131包括布置在第一反射镜M1和偏振器61之间的第一光学放大器31。类似地，再生腔的第二放大部分132包括布置在第二反射镜M2和另一个偏振器62之间的第二光学放大器32。因此，普克尔斯盒被放置在偏振器61和偏振器62之间。

当没有脉冲被捕获在再生腔中并且普克尔斯盒80处于空闲状态(即，施加到普克尔斯盒的调制电压为零)时，被偏振器62反射并且通过普克尔斯盒80的p-偏振源脉冲100保持p-偏振。偏振器61被定向为仅在再生腔的第一放大部分131中传输s-偏振并且朝向输出S2传输p-偏振。因此，只要调制器保持停用，则没有p-偏振源脉冲进入再生腔的第一放大部分131中。

脉冲捕获且脉冲再生放大如下进行。当普克尔斯盒80被激活时，施加到普克尔斯盒的调制电压使得普克尔斯盒产生半波相移。激活的普克尔斯盒接收p-偏振源脉冲100并将构成源信号100的该脉冲的偏振改变为s-偏振。偏振器52向再生腔的第一放大部分131传输该s-偏振源脉冲100。s-偏振源脉冲通过穿过第一光学放大器31朝向反射镜M1而被第一次放大，然后在反射镜M1上被反射，并且通过穿过第一光学放大器31朝向偏振器52被第二次放大。普克尔斯盒80的调制电压从半波相移切换到零相移，同时该s-偏振源脉冲100在再生腔的第一部分131中循环，并且在其第2次返回通过普克尔盒之前。因此，普克尔斯盒不会改变从再生腔的第一放大部分131出射的放大脉冲的s-偏振。偏振器53向再生腔的第二放大部分132传输该放大的s-偏振源脉冲100。s-偏振脉冲通过穿过第二光学放大器32朝向反射镜M2而被再次放大，然后在反射镜M2上被反射，并且通过穿过第二光学放大器32朝向偏振器53被第2次放大，同时保持s-偏振。因此，s-偏振的脉冲在第一放大部分131中，然后在再生腔的第二放大部分132中，被捕获并循环放大。只要普克尔斯盒的电压保持为零，则在第一光学放大器和第二光学放大器中再生放大的脉冲的偏振保持s-偏振。穿过产生零相移的普克尔斯盒的所有其他p-偏振源脉冲100保持p-偏振。偏振器61拒绝再生腔的第一放大部分131之中的所有其他p-偏振源脉冲100通过输出S2。再生腔的尺寸优选被设计为捕获和放大一个脉冲一次。

提供了两种提取模式。第一提取模式包括当放大的s-偏振脉冲在再生腔的第一部分131中循环时，将普克尔斯盒80的调制电压从零相移切换到半波相移。在放大的s-偏振脉冲通过激活的普克尔斯盒80朝向第二部分132的通过期间，放大的脉冲的偏振改变并变为p-偏振。偏振器62提取再生腔的这个放大的p-偏振脉冲并将其导向半波板54。半波板54将朝向偏振器51传播的放大的脉冲的偏振再次改变为s-偏振。偏振器51对来自半波板54的放大的s-偏振脉冲进行滤波并将其导向输出S1。因此，在输出S1上获得由放大脉冲组成的放大主信号310。

第二提取模式包括：当放大的s-偏振脉冲在再生腔的第二放大部分132中循环时，将普克尔斯盒80的调制电压从零相移切换到半波相移。在放大脉冲通过激活的普克尔斯盒80朝向第一部分131的通过期间，放大的脉冲的偏振改变并变为p-偏振。偏振器62通过输出S2提取该放大的p-偏振脉冲并形成p-偏振放大次信号320。

这种操作模式的优点在于当施加到普克尔斯盒的电压为零时发生脉冲的放大。

在一方面，普克尔斯盒第一次以脉冲方式切换(通过从零相移到用于注入的半波相移，然后紧接着从半波相移到用于俘获的零相移)以便以随时间恒定地的重复频率f_rep注入并捕获源脉冲到再生腔中。因此，再生腔以恒定的重复频率放大脉冲。

另一方面，普克尔斯盒也是以脉冲方式(通过从零相移到用于提取放大脉冲的半波相移，然后在提取之后立即从半波相移到用于将普克尔斯盒置回到空闲状态的零相移)，但是在开关瞬间根据期望输出进行选择。在第一种情况下，当放大脉冲在再生腔的第一放大部分131中循环时的瞬间切换普克尔斯盒时，放大的脉冲被提取到路径S1以形成放大的主信号。在第二种情况下，当放大脉冲在再生腔的第二放大部分132中循环时的瞬间切换普克尔斯盒时，放大的次信号的脉冲被提取到路径S2以形成放大的次信号。从再生腔提取的脉冲在空间上分布在两个输出S1、S2上，同时以重复频率f_rep被完全提取，从而确保再生腔的光学放大器31、32的操作的稳定性。

确保该第五实施方式的良好操作的操作条件是必须用产生半波相移的电压阻挡再生腔，并且与在第一放大部分131中以及相应地在再生腔的第二放大部分132中的循环持续时间相比普克尔斯盒的开关速度必须足够快(Tfall<TpartI)，Trise<TpartII)。普克尔斯盒的开关时间通常包括在约1纳秒至几纳秒之间。

优选地，选择相同的第一放大部分131和第二放大部分132，使得第一放大部分131中的往返行程的持续时间T1等于第二放大部分132中的往返行程的持续时间T2。再生腔中的循环持续时间近似等于持续时间T1和持续时间T2的总和。在本文，假设两个源脉冲100之间的周期1/f_osc分别高于持续时间T1和持续时间T2，使得单个脉冲分别在再生腔的第一放大部分131中、在第二放大部件132中循环。

在该第五实施方式的变形中，再生腔包括例如在第一放大部分中的单个光学放大器31。

根据第五实施方式的替代方案，在偏振器61和偏振器62之间放置半波板。输出的放大脉冲的偏振因此被改变90度，并且当电压被施加到普克尔斯盒80时，发生脉冲的放大。

此外，根据替代操作模式，普克尔斯盒使得可以对放大信号执行幅度调制。例如，确定提取期间施加到普克尔斯盒的高电压的斜率。因此，通过向该高电压斜率施加时间偏移，在零相移和半波相移值之间施加幅度调制的相移，这使得可以将一部分脉冲提取到输出S1并且该同一脉冲的另一部分输出到输出S2。提取到输出S1或S2的脉冲的部分例可以通过随着时间调整相移的斜率来控制。因此，获得了输出S1和S2上的放大脉冲的幅度调制。

根据该第五实施方式的另一替代方案，再生腔的第一放大部分131和第二放大部分132被包括串联的一个或多个光学放大器的环腔取代。

本发明可以容易地在许多类型的脉冲激光系统中实现，以为放大的激光脉冲的速率和/或幅度的时间调制提供极大的灵活性，而不会在激光输出端的脉冲的能量、功率、持续时间、空间质量方面做出妥协。

无论脉冲持续时间、波长、功率、能量如何，本发明都适用于产生激光脉冲的任何激光系统。本发明特别适用于具有先验确定的重复频率的脉冲激光器的快速脉冲至脉冲调制。本发明也适用于放大的激光脉冲的幅度的快速调制。

本发明尤其适用于具有高和非常高的重复频率的激光器，例如具有包括在10Mhz至1GHz之间，并且尤其是几百MHz或更高的重复频率f_rep。本发明特别适用于包括主振荡器和至少一个放大级的脉冲激光器。本发明还适用于具有高平均功率(从1瓦到几百瓦，或者甚至高于50瓦的平均功率的几千瓦)的激光器或者高能量脉冲激光器(在几百纳米焦耳到毫焦耳的范围内)，其中描述中详述的优点(在放大链之后没有损失，没有有源元件，在高功率传输中是关键的)尤其重要。

布置在光学放大器系统的上游的脉冲选择器或调制器的以及可能的次源12的开关速度使得可以获得对放大的主光束的非常快的调制，同时确保光学放大器的操作的稳定性。换句话说，脉冲选择器或调制器以及可能的次源的开关速度与10Mhz和1GHz，并且优选地为几百MHz的非常高的频率范围内的超短光脉冲的调制兼容。因此，本发明提出了一种高能量和/或高功率的超短脉冲激光器，其在非常宽的频率范围内被调制，以便能够按需提供超短脉冲或具有高重复频率的超短脉冲，重复频率高达1Ghz，而没有光学放大器系统劣化的风险。