CN101232145B - 光纤脉冲激光器装置及其控制方法 - Google Patents

光纤脉冲激光器装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种控制主振荡器-功率放大器型光纤脉冲激光器装置的脉冲输出的方法，该主振荡器-功率放大器型光纤脉冲激光器装置包括主振荡器单元和连接到主振荡器单元的功率放大器单元，该方法包括在起动功率放大器单元之前起动主振荡器单元。

Description

光纤脉冲激光器装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及光纤脉冲激光器装置，更特别地涉及控制脉冲输出使得在通过组合主振荡器与光学放大器而振荡脉冲的脉冲激光器(在下文中，被称作MO-PA型激光器装置)中，第一脉冲输出在幅度上与第二和随后脉冲输出相等的方法，以及根据该控制方法控制脉冲输出的光纤脉冲激光器装置。
本申请主张2007年1月23日提交的日本专利申请No.2007-12546的优先权，其内容通过引用合并在此。
背景技术
在相关技术中，例如在各种文献中公开了MO-PA型激光器装置。
在这些公开中，日本专利No.2658351公开了一种用于控制第一脉冲的峰值与第二和随后脉冲的各个峰值的强度比以进行晶片打标(wafermarking)的技术。
日本未审专利申请第一公开No.H7-74422公开了一种用于监视振荡器的粒子数反转状态并基于被监视的粒子数反转状态，在仅第一脉冲为低Q值的情况下来振荡脉冲的技术。
日本专利No.3411852公开了一种用于将激励光源操作到空闲状态以保持第一脉冲的幅度恒定的技术。
日本专利No.3364171公开了一种用于相应地降低打标速度以匹配较小的第一脉冲从而使打印的字符一致的技术。
日本未审专利申请第一次公开No.2004-337970公开了一种用于通过在光源起动时增加激励光源的电流而缩短上升时间的技术。
在MO-PA型激光器装置中，激光器输出一般取决于如PA单元的LD(在下文中称作泵浦LD)的激励光源的输出。如果泵浦LD的输出为零，即使MO单元振荡脉冲，激光器输出也为零。另外，当触发信号被输入到MO单元的Q开关时，与触发信号同步地生成Q开关脉冲。
一般而言，MO-PA型激光器装置的缺点是在以脉冲操作起动激光器之后前几个脉冲的输出立刻变小。相反，不采用MO-PA型的其它类型激光振荡器具有不同缺点，即仅第一脉冲被增加。
本发明致力于解决与MO-PA型激光器装置中的第一脉冲的输出相关的缺点。MO-PA型激光器装置中的第一脉冲的缺点的原因是放大器(PA)的缓慢的起动时间。例如，虽然在20kHz操作时脉冲与下一脉冲之间的时间间隔为50μs，但是放大器在起动时直到达到完全稳定的操作需要200微秒到500微秒。在此期间，脉冲在能量和峰值上变小。
另外，虽然MO单元可稍微早于PA单元起动，但是如果起动时间被缩短，由于MO单元的起动时间可能呈现瓶颈，从而使得难以从起动时间的减少中获得任何优势，所以MO单元的起动时间可导致某些缺点。
在相关技术中，泵浦LD起动时的操作控制旨在减少当泵浦LD提供受激的光时可能出现的延迟时间(参见日本专利No.3364171和日本专利申请第一次公开No.2004-337970)，而这也是本发明的一个目的。该相关技术不能对LD花费长时间来生成期望的输出并稳定放大介质的粒子数反转的实质问题提供解决方案，因此对于下列几点没有优势：
●在所有操作条件下使脉冲峰值从“第一脉冲”开始恒定。
●减少MO单元的起动时间。
另外，在最小化直到输出被稳定的时间方面，以上相关技术的优势不如本发明的优势。
发明内容
本发明的一个目的是提供能使脉冲输出从第一脉冲开始恒定的光纤脉冲激光器装置的脉冲输出控制方法。
为了实现上述目的，本发明的第一方面涉及一种控制主振荡器-功率放大器型光纤脉冲激光器装置的脉冲输出的方法，该主振荡器-功率放大器型光纤脉冲激光器装置包括主振荡器单元和连接到主振荡器单元的功率放大器单元，该方法包括执行以下序列：在起动功率放大器单元之前起动主振荡器单元；以及在起动功率放大器单元时，将主振荡器单元的操作从脉冲操作改变成连续振荡操作。
在上述方法中，所述序列还可包括在触发信号与连续振荡操作的结束时刻同步的情况下，使在任何振荡条件下在连续振荡操作中用于功率放大器的激励光源的输出相等；以及当执行脉冲操作的同时将功率放大器的激励光源的输出调整到期望输出。
本发明的第二方面涉及包括主振荡器单元和连接到主振荡器单元的功率放大器单元的主振荡器-功率放大器型光纤脉冲激光器装置，该装置包括：使用上述脉冲输出控制方法来控制脉冲激光器输出的控制器。
如图2所示，本发明的控制方法能加速放大器中的放大介质的粒子数反转的增加。
另外，根据本发明的方面，如图2所示，由于第一脉冲可在幅度上与第二及随后脉冲相等，采用本发明控制方法的光学放大器或光纤激光器可稳定脉冲输出。
另外，在本发明中，有可能在任何情况以相同的序列操作激光器装置而不需要复杂的脉冲控制，以及在不增加装置费用的情况下稳定脉冲输出。
附图说明
图1为示出根据本发明实施例的控制方法的例子的时序图。
图2为示出根据本发明实施例的控制方法的概要的图。
具体实施方式
本发明采用以下配置，以使得在激光器起动时脉冲峰值恒定或受控的情况下直到第一脉冲被输出时的时间最小化。
(1)配置成通过CW激光器和外部光学调制器的组合或具有内部光学调制器的Q-开关激光器来生成来自MO单元的脉冲以在PA单元的泵浦LD起动前将MO单元保持在振荡状态。
下列解释针对Q-开关MO，然而相似的操作对于具有外部调制器的CW MO是可能的。
当PA单元的泵浦LD起动时，该配置允许获得激光器的输出。
(2)触发激光器起动时，PA单元的泵浦LD单元被施加能量且开始LD的输出。此时，在MO单元的Q值恒定的情况下停止脉冲振荡。为停止脉冲激光器，激光器可转移到CW模式或其输出可设为零。结果，在指定时间段内没有脉冲信号输入到PA单元。在该时间段，用于PA单元的放大的光纤内部的粒子数反转增加。
(3)假设期望脉冲操作的时间段为T秒，在MO单元转移到CW模式(或停止输出)之后，MO单元的Q值在指定时间段内改变并通过Q开关操作返回脉冲操作。同时，PA单元的泵浦LD被适当调整到期望输出。
基于来自MO单元的CW输出的幅度和泵浦LD的驱动电流的强度来确定指定时间段。
当MO单元正在CW模式操作时，泵浦LD的输出可具有任何值以提高PA单元的放大介质(光纤)的粒子数反转，而该值优选地大于正常操作期间的输出。如果泵浦LD的输出小于正常操作期间的输出，由于自发发射的影响，可能不能获得粒子数反转的期望程度。
图1示出图解在上述(1)-(3)中说明的操作的时序图。
在MO-PA型激光器装置中，与第二及随后脉冲的峰值相比，第一脉冲的峰值趋向于必然减小。这是因为在激光器振荡的初始阶段，在PA单元中使用的放大介质的粒子数反转没有足够提高。因此，为了控制第一脉冲的峰值，从第一脉冲开始保持PA单元的放大介质的粒子数反转恒定是重要的。另外，通过在起动PA单元之前起动MO单元，需要使仅使用PA单元的放大介质(光纤)的粒子数反转来确定脉冲峰值是可能的。
然而，在脉冲振荡操作中，期望的粒子数反转状态根据期望的平均输出、脉冲频率等而变化。因此，在不监视放大介质的每一个粒子数反转状态的情况并为了在任何情况下使第一脉冲在幅度上与第二及随后脉冲相等，需要MO单元继续进行CW振荡直到放大介质达到恒定，并且在CW振荡稳定后转移到脉冲操作。
此时，如果使第一脉冲与第二及随后脉冲一致更重要，优选的是CW输出尽可能大，泵浦LD的操作条件(驱动电流)具有从其可获得期望输出的值，且CW操作时间尽可能长。
另一方面，如果最小化脉冲上升时间更重要，优选的是CW输出尽可能小，泵浦LD的操作条件具有大于从其可获得期望输出的值的值，且CW操作时间尽可能短。
不论以上哪种情况，与当光纤脉冲激光器装置不采用本发明的控制方法的情况相比，第一脉冲的幅度变得与第二及随后脉冲的幅度更加接近，并且脉冲上升时间缩短。
如图2所示，本发明的控制方法能加速放大器中的放大介质的粒子数反转的增加。
另外，根据本发明的方面，如图2所示，由于第一脉冲可在幅度上与第二及随后脉冲相等，采用本发明控制方法的光学放大器或光纤激光器可稳定脉冲输出。
另外，在本发明中，有可能在任何这些情况下以相同的序列操作激光器装置而不需要复杂的脉冲控制，以及在不增加装置成本的情况下稳定脉冲输出。
尽管上面已经说明了控制脉冲使第一脉冲在幅度(能量)上与第二及随后脉冲相等的方法，然而该方法可用来容易地控制仅第一脉冲以具有任何幅度。换句话说，有可能使第一脉冲的能量大于或小于第二及随后脉冲的能量。
例1
在当PA的激励功率为30W且当在CW操作中在30W的PA激励功率的情况下MO的CW输出为0mW(无输出)时可获得10W的平均激光器输出的光纤激光器中，分析在泵浦LD输出30W的功率之后直到第一脉冲在幅度上与第二及随后脉冲相等所花费的时间(以μs为单位)。表1示出结果。
表1
  重复频率   输出第一脉冲所花费的时间
  100kHz   30μs
  50kHz   70μs
  30kHz   100μs
  20kHz   180μs
在这个例子中，当在MO保持0mW的CW输出仅表1所示的时间之后开始Q开关脉冲操作时，第一脉冲在幅度上与第二脉冲相等(具有±5％的误差容限)。
表1所示的结果是根据经验基于PA单元的激励功率、MO单元的CW输出和期望输出而获得的。
例2
使用与例1相同的光纤激光器，执行与例1相同的控制以在15W的平均输出的操作条件下使第一脉冲在幅度上与第二及随后脉冲相等。与图1相似，当在30W的PA激励功率的情况下MO的CW输出为0mW时，分析输出第一脉冲所花费的时间(以μs为单位)。表2示出结果。
表2
  重复频率   输出第一脉冲所花费的时间
  100kHz   15μs
  50kHz   35μs
  30kHz   50μs
  20kHz   90μs
经过表2所示的时间之后的第一脉冲输出在幅度上与第二脉冲基本相等。
根据例1和例2之间的比较，可看出在正常操作下的平均输出与输出第一脉冲所花费的时间成比例。
如果在例1和2中设成0mW的CW输出增加到10mW或以上，则输出第一脉冲所花费的时间变为在0mW情况下的时间的一到三倍，因此延长了提高激光器的输出所花费的时间。然而，由于所花费的时间可能是数秒，只要其超过了下限值，就有可能简化控制操作以稳定地获得第一脉冲。
虽然上面已经说明并示出了本发明的优选实施例，但是应该理解这些是示例本发明而不是限制本发明。在不偏离本发明的精神或范围的条件下可作出添加、省略、替代以及其它的修改。因此，本发明将被认为不受前述说明的限制，而仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (2)

1.一种控制主振荡器-功率放大器型光纤脉冲激光器装置的脉冲输出的方法，所述主振荡器-功率放大器型光纤脉冲激光器装置包括主振荡器单元和连接到主振荡器单元的功率放大器单元，所述方法包括执行以下序列：
在起动所述功率放大器单元之前起动所述主振荡器单元；
在起动所述功率放大器单元时，将所述主振荡器单元的操作从脉冲操作改变成连续振荡操作；以及
触发信号触发所述主振荡器单元以使所述主振荡器单元于所述连续振荡操作的结束时刻同步地改变至所述脉冲操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述序列还包括：
在所述连续振荡操作中用于所述功率放大器单元的激励光源的输出相等；以及
在执行所述脉冲操作的同时，将用于功率放大器单元的激励光源的输出调整到期望输出。 
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