CN111869019A - 用于生成具有非常高重复率的激光脉冲的激光系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生成具有很高重复率的高功率激光脉冲的系统和方法。根据本发明，激光系统包括：振荡器(1)，其能够以不低于800兆赫兹的第一重复频率(F1)生成具有飞秒或皮秒持续时间的一系列源脉冲(100)的源激光束；以及光放大器系统(2)，其适于以等于第一重复频率(F1)或第一重复频率(F1)的倍数的第二重复频率(F2)接收和放大一系列源脉冲(100)，该倍数为大于或等于2的非负整数，以便生成具有非常高重复频率的一系列激光脉冲。

Description

用于生成具有非常高重复率的激光脉冲的激光系统和方法
技术领域
本发明总体上涉及脉冲激光器领域。
更特别地，涉及超短和高功率脉冲激光系统。
特别地，本发明涉及用于生成具有可调制的重复频率的超短高功率激光脉冲的系统和方法。
背景技术
由脉冲激光器发射的脉冲的重复率或频率通常根据所使用的架构和激光束的期望规格来确定。
主振荡器-功率放大器(MOPA)类型的架构通常用于制造高功率激光源。在该情况下，称为主振荡器的源生成包括源脉冲的源信号。该源信号在包括一个或几个串联放大级的光放大器系统中被放大。存在不同类型的源。该源可以是脉冲的，特别是基于锁模激光器的源，其振荡器腔的长度限定了重复频率。脉冲源也可以基于开关振荡器(Q开关)。
在某些应用中，用户可能需要增加入射激光束的功率，同时保持超短持续时间和激光脉冲能量。
脉冲重复频率的增加可以允许增加激光束的功率，但会损害每个脉冲的能量(参见Can Kerse等人的出版物，“3.5GHz intra-burst repetition rate ultrafast Yb-doped fiber laser”，Optics Communication 366，2016，404-409)。
J.Magne等人的出版物“Generation of a 4x 100GHz pulse-train from asingle-wavelength 10-GHz mode-locked laser using superimposed fiber Bragggratings and nonlinear conversion”(《光波技术杂志》，第24卷，第5期，2006年)描述了一种基于叠加光纤布拉格光栅(FBG)的重复频率倍增器。
Elsmere S.P.等人的出版物“High-repetition-rate subpicosecond source offiber-amplified Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Semiconductor Laserpulses”(IEEE Photonics Technology Letters，第20卷，第8期，2008年)描述了与锁模可饱和吸收器(SESAM)腔组合在一起的VECSEL类型的半导体激光器，该腔以几GHz的重复频率直接发射脉冲。
Michelle Y Sander等人的出版物“10GHz waveguide interleaved femtosecondpulse train”(2011年激光与光电大会(CLEO))描述了包括飞秒(fs)振荡器的激光源，该振荡器耦合到集成到平面电路的波导装置，该平面电路包括可热调节以生成为振荡器频率两倍或四倍的fs脉冲序列的Mach-Zehnder干涉仪。
期望开发用于工业应用的适于以非常高的能量和/或非常高的速率生成高功率激光脉冲的激光系统。
通常，期望在增加脉冲激光源中可用的峰值功率的同时限制光放大器的数量。
特别地，期望开发以可调制的重复频率生成从100nJ到十分之一μJ的高功率和高能量的激光脉冲(其可从按需的脉冲到非常高速率的脉冲序列)或者具有针对每个串和/或在连续串之间的可调制持续时间的一个或几个脉冲串的激光系统。
发明内容
为了弥补现有技术的上述缺陷，本发明提出了非常高速率的激光系统。
更特别地，根据本发明提出了一种非常高速率的激光系统，其包括：锁模振荡器，其适于以高于或等于800兆赫兹的第一重复频率F1生成包括飞秒或皮秒持续时间的一系列源脉冲的源激光束；以及光放大器系统，其适于接收并放大一系列源脉冲到第二重复频率F2，该第二重复频率F2等于第一重复频率F1或第一重复频率F1的倍数，该倍数是高于或等于2的自然整数，以生成非常高重复频率的一系列激光脉冲。
根据特定且有利的实施例，激光系统进一步包括被布置在振荡器和光放大器系统之间的重复频率倍增器装置，该重复频率倍增器装置包括：第一光耦合器-分束器、第一光延迟线和具有第一输出的第二光耦合器-分束器，该第一光耦合器-分束器适于在空间上将源激光束分离成以第一重复频率的第一脉冲束和以第一重复频率的第二脉冲束，该第一光延迟线在以第一重复频率的第二脉冲束的轨迹上布置在第一光耦合器-分束器和第二光耦合器-分束器之间，该第一光延迟线适于在第二脉冲束上引起等于第一重复频率的半个周期的光延迟，并生成延迟了半个周期的第二脉冲束，并且第二光耦合器-分束器适于将第一束和延迟了半个周期的第二束重组，并在第一输出上形成第一重组束，第一重组束中的脉冲以等于第一重复频率两倍的第二重复频率来额定。
有利地，第二光耦合器-分束器具有第二输出，该第二光耦合器-分束器适于在第二输出上形成包括以等于第一重复频率两倍的第二重复频率的脉冲的第二重组束，该第一重组束和第二重组束在第二光耦合器-分束器的输出处彼此同步。
根据该实施例的变型，重复频率倍增器装置包括第二光延迟线和具有第一输出的光组合器，该第二光延迟线在第二重组束的轨迹上布置在第二光耦合器-分束器和光组合器之间，该第二光延迟线适于在第二重组束上引起等于第一重复频率的四分之一周期的光延迟，并生成延迟了四分之一周期的第二脉冲束，并且光组合器适于将第一重组束和延迟了四分之一周期的第二脉冲束重组，并在其第一输出上形成包括以等于第一重复频率的四倍的第三重复频率的脉冲的第一四倍重复频率束。
有利地，光组合器具有第二输出，该光组合器适于在其第二输出上形成包括以等于第一重复频率的四倍的第三重复频率的脉冲的第二四倍重复频率束，该第一四倍重复频率束和第二四倍重复频率束在光组合器的输出处彼此同步。
根据特定的和有利的方面，第一光耦合器-分束器、第二光耦合器-分束器以及光组合器分别是偏振或偏振保持的耦合器，并且进一步包括适于将第一重组束和第二重组束或第一四倍重复频率束和第二四倍重复频率束分别组合的偏振器装置。
根据另一个特定的和有利的方面，激光系统进一步包括：脉冲压缩器，其被放置在第二光耦合器-分束器的第一输出上；和/或另一脉冲压缩器，其被放置在第二光耦合器-分束器的第二输出上。
根据另一个特定的和有利的方面，激光系统进一步包括：脉冲压缩器，其被放置在光组合器的第一输出上；和/或另一脉冲压缩器，其被放置在光组合器的第二输出上。
以下是根据本发明的激光系统的其它非限制性和有利的特征，这些特征是单独地或根据所有技术上可能的组合而得出的：
-锁模振荡器选自：半导体振荡器或固态振荡器(例如，在孤子状态中操作)，具有长度在7cm和10cm之间的高掺杂光纤的振荡器，或具有低于或等于约15cm(例如介于7cm和10cm之间)的长度的非常短的高掺杂光纤(作为光纤有源介质)的混合光纤/固态振荡器；
-光放大器系统包括从以下类型的光放大器中选择的光放大器或多个光放大器：有源光纤放大器和/或晶体放大器。
-晶体放大器为棒状、平板状或薄盘状；
-光放大器系统包括级联布置的多个光放大器，该多个光放大器包括光功率放大器；
-激光系统进一步包括非线性光频率二倍器或光频率三倍器光系统；
-激光系统进一步包括：脉冲拾取器，其分别放置在振荡器的下游以及光放大器系统或光功率放大器的上游，该脉冲拾取器适于在脉冲串的幅度中进行选择和/或调制，并将脉冲串分别注入光放大器系统或光功率放大器中；
-激光系统进一步可选地包括：另一个源，其适于生成与脉冲串互补的脉冲束；以及另一耦合器，其被布置为接收次级束和源脉冲串并将它们组合成具有等于脉冲串的脉冲内重复频率的重复频率的复合脉冲束，该另一耦合器适于将复合脉冲束注入光放大器系统或注入光功率放大器。
-激光系统进一步包括放置在光放大器系统的下游的光调制器，该光调制器适于选择放大脉冲的一个串或多个串和/或在幅度上调制放大脉冲的一个串或多个串。
本发明还提出了一种用于生成非常高速率的激光脉冲的方法，包括以下步骤：
-由具有高于或等于800兆赫兹的第一重复频率的振荡器生成飞秒或皮秒持续时间的一系列源脉冲，以及
-将一系列源脉冲光放大到等于第一重复频率(F1)或第一重复频率(F1)倍数的第二重复频率，该倍数是高于或等于2的自然整数，以便生成一系列非常高速率的激光脉冲。
附图说明
通过非限制性示例给出的以下与附图相关的描述将允许对本发明的内容以及如何实现本发明有很好的理解。
在附图中：
图1示意性地示出基于非常高速率的振荡器的根据本发明的激光系统；
图2示意性地示出以非常高速率操作的飞秒激光振荡器的示例性实施例；
图3示意性地示出以非常高速率操作的飞秒激光振荡器的另一示例性实施例；
图4示意性地示出基于非常高速率的振荡器的根据本发明的第一实施例的激光系统；
图5示意性地示出进一步包括脉冲拾取器的根据本发明的第二实施例的激光系统；
图6示意性地示出包括用于光功率放大器系统的反转(inversion)稳定装置的根据本发明的第三实施例的激光系统；
图7示意性地示出旨在与实施例之一结合使用的重复频率二倍器的结构；
图8示意性地示出旨在与本发明的实施例之一结合使用的因子4重复频率倍增器的结构；
图9示出来自非常高速率的振荡器的源脉冲的示例；
图10-11示出以非常高速率生成高能激光脉冲串的示例。
具体实施方式
装置和方法
图1以框图的形式示出基于以接近1GHz的高速率操作的锁模振荡器1、无源光纤5、第一有源光纤整体子系统17以及在自由空间中操作的另一个光子系统18的激光系统的主要组件。
在本文件中，有源光纤是指用作光放大器介质的掺杂光纤，例如稀土掺杂光纤。无源光纤是指通常非掺杂光纤，其不被用作光放大器介质并且主要具有传输功能。
在传统的脉冲激光系统中，通常使用有源光纤振荡器，该有源光纤振荡器以100MHz的量级并且在任何情况下低于500MHz的重复频率操作。在该频率范围内的光纤振荡器对应于具有至少20cm的长度的腔，以集成振荡器操作所需的所有功能。
振荡器1在这里是飞秒(或皮秒)振荡器，其以第一重复频率(表示为F1)生成超短源脉冲100。选择振荡器，该振荡器以第一重复频率F1操作，该第一重复频率F1高于或等于500MHz，并且优选地，高于或等于800MHz或甚至高于或等于1GHz。
振荡器1优选是锁模振荡器。在示例中，振荡器1是(VCSEL类型的)半导体振荡器或也是在孤子状态中操作的固态振荡器。在另一变型中，振荡器1是包括自由空间中的元件和几厘米长的高掺杂光纤的混合振荡器。
振荡器1生成每个脉冲1到100pJ的量级的低能量的超短源脉冲100。每个脉冲的能量水平远低于达到固体材料(诸如玻璃、半导体或金属)的烧蚀阈值所需的能量，该阈值超过100mJ/cm2。
基于二元或三元半导体化合物(例如VCSEL类型的InGaAs、InP或InGaP)的振荡器，可以轻松地将源脉冲的波长调谐到与如下放大器兼容的宽光谱带：在约1030nm的波长处操作的掺镱有源光纤放大器和/或在约1500nm的波长处操作的掺铒有源光纤放大器，或在约2000nm的波长处操作的掺铥或掺钬有源光纤放大器。此外，VCSEL类型的振荡器适于在高达10GHz或20GHz的重复频率范围内操作。
第一有源光纤整体(monolithic)子系统17包括例如有源光纤放大器系统2，该有源光纤放大器系统2包括例如有源光纤前置放大器以及可能的一个或多个有源光纤功率放大器。有利地，第一子系统17进一步包括脉冲拾取器3和/或脉冲扩展器6和/或光隔离器7，其布置在有源光纤前置放大器和有源光纤功率放大器之间。脉冲扩展器6优选地包括适当长度的无源光纤或啁啾布拉格光栅或特定的色散光纤(带隙光纤)。
另一个光子系统18包括例如光隔离器(可能是光功率放大器)、脉冲压缩器8和/或光调制器9。以已知的方式，脉冲压缩器8操作以在光功率放大的上游重新压缩第一子系统17的扩展器6中的扩展脉冲。光调制器9具有光门的功能，其操作以在输出处选择一个或几个脉冲序列。
图1的激光系统使得可以以高于或等于1千兆赫兹(GHz)的重复频率生成飞秒激光脉冲序列900，或者以高于或等于1千兆赫兹(GHz)的串内重复频率以及例如100Hz或100kHz或1MHz或更大的量级的串间重复频率生成飞秒激光脉冲串序列。
图2示出锁模和高重复频率振荡器的配置的详细示例。锁模振荡器1包括泵11、输入光系统12、包括反射镜M1、M2、M3、M4和M5的谐振光腔、布置在谐振光腔中的激光有源介质(laser active medium)10和输出光系统13。优选地，激光有源介质10包括具有等于例如10mm的厚度的激光晶体。激光有源介质10例如包括无源固体基质(玻璃、YAG、KGW、纤维...)和基于稀土离子的有源掺杂剂(最常见的是镱或铒，铥或钬)。谐振腔中往返的光长度为15cm的量级。晶体或最大长度约为7cm至10cm的非常高掺杂和非常短的有源光纤，使得与基于相对较少掺杂的有源光纤的有源介质相比，可以显著减小由实际长度除以晶体或(分别)有源光纤的光指数所定义的谐振腔的光长度，并且因此通过构造使激光振荡器具有非常高的第一重复频率F1。这里，晶体或高度掺杂的光纤是指晶体或掺杂有有源离子的光纤，使得泵波长处的吸收长度远低于晶体或光纤长度(以因子1或2)。实际上，在该情况下，吸收长度小于几厘米。
在示例性实施例中，激光有源介质10被放置在空气中。根据变型，激光有源介质10是通过两个未掺杂的玻璃或晶体块固定到谐振腔的两个端镜以形成无空气的整体结构的晶体。
泵二极管11生成连续或几乎连续的泵浦辐射111。输入光系统12沿着腔的纵向光轴19通过反射镜M2将泵浦辐射111注入谐振光腔。反射镜M2对于泵浦辐射111是透明的。输入光系统12例如是透镜光系统。输入光系统12将泵浦辐射111聚焦到有源激光介质10。有源激光介质10发射源激光束。反射镜M1、M2、M4和M5对于源激光束是反射性的。反射镜M5包括半导体可饱和吸收体，使得可以引发和维持锁模效果。反射镜M3对于源激光束是部分反射的并且是部分透明的。
在示例性实施例中，输入光系统12与有源激光介质10之间的距离L1约为60mm，凹面镜M2的中心与形成有源激光介质10的晶体的面之间的距离L2约为15mm，凹面镜M1的中心与有源激光晶体10的另一面之间的距离L3约为15mm，凹面镜M1和反射镜M4之间的距离约为66mm，反射镜M4与反射镜M5之间的距离约为15mm，并且凹面镜M2与反射镜M3之间的距离约为60mm。腔的物理长度约为170mm。重复频率F1然后为880MHz，重复周期约为1.1ns。
众所周知，谐振光腔被配置为以锁定模式操作，以便以高于或等于800兆赫(MHZ)的第一重复频率(F1)在谐振光腔的输出处生成包括飞秒持续时间的源脉冲序列100的源激光束。输出光系统13将脉冲源激光束注入到无源光纤5中。
无源光纤5将脉冲源激光束注入到第一整体子系统17中。光放大器系统2放大源脉冲100并以第一重复频率(F1)形成激光脉冲。有利地，脉冲拾取器3选择几个脉冲，其形成具有等于第一重复频率(F1)的串内重复频率的脉冲串。作为替代，脉冲拾取器3选择几个脉冲串。在特定实施例中，脉冲拾取器3选择确定数量的脉冲以产生一个或几个脉冲串。
图3示出锁模和高重复频率振荡器的配置的另一详细示例。与图1-2中相同的附图标记表示相同的元素。在图3的配置中，谐振光腔仅包括激光有源介质10、反射镜M1、反射镜M2和反射镜M3。图3中所示的腔的长度小于图2中所示的腔的长度。因此，图3的配置使得可以获得更高的第一重复频率F1，例如高于1GHz。
图4示出包括振荡器1和光放大器系统2的激光系统。
光放大器系统2包括一个光放大器或级联布置的多个光放大器。光放大器系统2由一个或多个有源光纤放大器和/或晶体放大器和/或混合放大器系统组成。在本文件中，混合放大器系统是指包括至少一个光纤放大器和至少一个晶体放大器的组合的系统。例如，光放大器系统2包括第一光放大器21或前置放大器、第二光放大器22和第N光放大器2N。光放大器22，…，2N例如是光功率放大器。
在图4中所示的第一实施例中，振荡器1生成包括以第一重复频率F1的一系列源脉冲100的源激光束。光放大器系统2接收一系列源脉冲100并将其放大以形成以第一重复频率F1的一系列激光脉冲200。该第一实施例使得可以生成以非常高的第一重复频率F1的激光脉冲200。然而，平均功率受到光放大器系统2限制，因此每个激光脉冲200的能量受到非常高的重复频率F1限制。在示例性实施例中，考虑了振荡器1，该振荡器1与包括无源光纤扩展器、单模光纤前置放大器和宽芯单模光纤放大器的光放大器系统2相结合，生成以880MHz的第一重复频率F1的持续时间约为250fs的源脉冲。在光放大器系统2的输出处的平均功率为20W的量级。在该情况下，激光脉冲200在时间上间隔1.1ns，并且能量E在输出S上被限制到每个激光脉冲200约十分之几毫焦耳，对于kW量级的平均功率而言，容易达到微焦耳。每个脉冲的能量水平远高于振荡器1的输出处的能量水平。然而，该能量水平通常不足以超过诸如玻璃、半导体或金属的固体材料8的烧蚀阈值，但是可以适用于低烧蚀阈值的材料，诸如聚合物。
尽管如此，看来烧蚀效率并不仅仅取决于每个激光脉冲的能量。因此，以相对有限的能量并且以非常高的重复频率F1施加超短激光脉冲可以使得获得所谓的烧蚀冷却效果(烧蚀冷却的材料去除)并显著提高材料的烧蚀效率。
在图5至图8中，相同的附图标记表示与图1至图4的元素相同或相似的元素。
在图5中所示的第二实施例中，脉冲拾取器3放置在前置放大器21和功率放大器22，…，2N之间。在振荡器1提供足够的功率(例如，高于50mW)的情况下，脉冲拾取器3也可以放置在振荡器1和前置放大器21之间。
前置放大器21接收以第一重复频率F1的源脉冲100并将其放大以形成到第一重复频率F1的预放大脉冲210。
脉冲拾取器3包括电光或声光类型的光调制器。脉冲拾取器3接收预放大脉冲210。脉冲拾取器3选择M个脉冲300的串，其中M是通常包括在1与1000之间的自然整数，或在50与500脉冲之间，并且优选地在50与200脉冲之间。脉冲拾取器3可以在按需脉冲模式、按需串模式或周期性串模式中以表示为F3的第三重复频率(频率介于100Hz和10MHz之间，最高频率可达100MHz)操作。两个串之间的时间间隔可以根据应用而变化。该重复频率变化可修改放大器中的增益动态，并导致每个脉冲能量的变化。在示例中，脉冲拾取器3以减小的占空比操作，其低于50％，并且优选地低于30％或者甚至低于20％。在特定的实施例中，脉冲拾取器3通过以等于约2MHz的第三重复频率F3并且以18％的占空比选择M≈80个脉冲的周期性串来操作。
在本文件中，串的占空比是指串的持续时间与两个连续串之间的时间间隔之间的比。
因此，在脉冲拾取器3的输出处，脉冲300具有等于第一重复频率F1的串内重复频率。脉冲拾取器3可以选择单个脉冲串或几个连续的脉冲串，其中具有确定的在两个连续串之间的时间间隔。在特定实施例中，脉冲拾取器3选择具有在连续串之间的恒定时间间隔的周期性串。换句话说，脉冲拾取器3可以以等于第三重复频率F3的串间重复频率操作。
根据特定实施例，根据用户定义的包络来控制脉冲拾取器3以便调制脉冲串中的脉冲的幅度。例如，脉冲拾取器3将顶帽(top-hat)选择应用于脉冲串。因此，所选脉冲串的脉冲都具有相同的幅度。作为替代，脉冲拾取器3施加具有上升沿、平稳段和下降沿的幅度调制。在该情况下，所选脉冲串的脉冲具有增大，然后恒定，然后减小的幅度。根据另一替代方案，脉冲间距3施加锯齿状的幅度调制，例如对于串的第一脉冲为最大值，然后对于随后的脉冲减小。本领域技术人员将容易地根据应用调整脉冲拾取器3的幅度调制轮廓。
M个脉冲300的串被注入到光功率放大器22，…，2N中。因此，光放大器系统2在输出端S上发射激光脉冲串500，该激光脉冲串500具有等于第一重复频率F1的串内重复频率，以及等于第三重复频率F3的串间重复频率。光功率放大器22，…，2N以第一重复频率F1但在有限数量M的脉冲上提供与脉冲序列相同的平均功率。因此，在同一光学放大器系统2放大的第一重复频率F1处，串的放大脉冲500具有高于脉冲序列的脉冲的能量的每脉冲能量。在顶帽串的情况下，串的能量因此等于功率除以第三重复频率F3，并且串中的每个脉冲能量等于该串的能量除以串中脉冲的数量M。
因此，根据应用，串的每个脉冲都被放大，以达到介于10nJ和几μJ之间的能量。因此，第二实施例使得可以增加每个脉冲的能量，而不降低第一串内重复频率F1。
此外，脉冲串的能量等于串的每个脉冲的能量之和。考虑一方面约80fs或ps的脉冲的串，该脉冲串具有纳秒量级的持续时间，以及另一方面，具有与所考虑的fs或ps脉冲的串的积分能量相同能量的纳秒持续时间的激光脉冲。然而，串的每个脉冲的持续时间是飞秒或皮秒，脉冲串的峰值功率远高于纳秒脉冲的峰值功率。串模式使得可能以与纳秒单脉冲不同的方式根据时间分配能量。因此，激光材料的相互作用发生了很大的变化。
因此，第二实施例使得可以增加可用的峰值功率。考虑光放大器系统的限制，选择串中的脉冲的数量。
现在，看来脉冲激光对固体材料的烧蚀效率不仅取决于每个脉冲的能量、脉冲持续时间，而且还取决于串模式、串内重复频率和放大的脉冲串的占空比。因此，施加相对有限的能量和非常高的串内重复频率F1的超短激光脉冲串可以获得烧蚀冷却效果(烧蚀冷却的材料去除)并提高材料的烧蚀效率，即增加材料去除量。
根据变型，激光系统进一步包括布置在光放大器系统2的输出处的电光或声光类型的光调制器9。例如图4中所示，光调制器9可以用于不具有脉冲拾取器3的系统中。作为替代方案，例如图5-6中所示，光调制器9用于包括脉冲拾取器3的系统中。控制光调制器9，以便遵循用户定义的包络来调制放大的脉冲的幅度。例如，光调制器9对放大脉冲的串应用顶帽选择。因此，所选串中的放大脉冲具有全部相同的幅度。作为替代方案，脉冲拾取器3施加具有上升沿、平稳段和下降沿的幅度调制。在该情况下，所选串的放大脉冲具有增大，然后恒定，然后减小的幅度。根据另一替代方案，光调制器9施加锯齿状的幅度调制，例如对于串的第一脉冲为最大值，然后对于随后的脉冲减小。本领域技术人员将容易地根据应用来调整光调制器9的幅度调制轮廓。
然而，第二实施例可示出光功率放大器22，…，2N的缺点。实际上，两个串之间的周期的变化易于引入增益不稳定性。
为了稳定光功率放大器的反转水平和增益，提出了第三实施例，如图6中所示。第三实施例进一步包括另一个源14，其适于生成与M个脉冲300的串互为补集的次级信号40。
耦合器15操作以在光功率放大器的输入处组合M个脉冲300的串和次级信号40。
在光放大器系统2的输出处，耦合器-分束器进行操作，一方面在空间上分离M个放大脉冲的串500，以及另一方面在空间上分离放大的次级信号400。
更精确地，我们处于以下条件下，即次级信号40被配置为在光功率放大器22，…，2N中保持总体的反转恰好在以放大由用户选为期望的能量水平的下一M个脉冲的串的必要的水平上。更精确地，对次级信号40进行时间调制，使得在光功率放大器系统22，…，2N中存储的能量保持在将下一M个脉冲300的串放大到期望的能量水平所必需的水平。通常，脉冲串的脉冲和次级信号40的脉冲具有不相同的持续时间和/或相同的能量。然而，次级信号40被设定大小为使得M个脉冲300的串和次级信号40的组合具有将光放大器22，…，2N的总体的反转水平保持在用下一M脉冲300的串提取期望的串能量所必需的值。因此，当对次级信号40进行时间调制，使得相应的时间间隔高于将两个M个脉冲300的串分开的时间间隔时，光放大器系统22，…，2N的增益对于M个放大脉冲的串500中的每个脉冲保持恒定。当由M个选定脉冲300的串组成的主信号发送到光功率放大器22，…，2N时，在去除一个或几个源脉冲的调制之后，以相同的增益放大M个脉冲300的串的所有选定脉冲。
在实践中，M个放大的脉冲300的串中的脉冲的能量被测量为时间的函数，并且所注入的次级信号40的脉冲的功率、能量、波长和/或持续时间被改变以便稳定M个放大脉冲300的串的脉冲能量。
因此，光功率放大器22，…，2N同时放大由脉冲拾取器3选择的脉冲串30和次级信号40。
有利地，脉冲串30和次级信号40具有相互横向的偏振状态。在该情况下，耦合器19和耦合器-分束器16可以包括偏振光元件。
在变型中，脉冲串30和次级信号40具有位于光放大器系统2的带宽中不同的波长。在该变型中，耦合器15和耦合器-分束器16可以包括二向色光组件。
因此，第三实施例使得可以将光功率放大器稳定在串模式中。可选地，激光系统进一步包括放置在耦合器-分束器16的输出处的光调制器9，以便调制M个放大脉冲的串500的幅度。
在另一个实施例中，将高重复频率振荡器、光放大器系统和重复频率倍增器的使用组合在一起。
Can Kerse等人(“3.5GHz intra-burst repetition rate ultrafast Yb-dopedfiber laser”，Optics Communications 366，2016，404-409)的文件公开了一种光纤放大器系统，该系统生成以3.5GHz的串内重复频率和1kHz的串重复频率的激光脉冲串。以下分析属于本公开。MOPA(主振荡器功率放大器)类型的该系统包括以108MHz的源重复频率发射源激光脉冲的激光振荡器、无源光纤重复频率倍增器装置4和有源光纤放大器系统。更精确地，重复频率倍增器装置4包括串联布置的6个50/50耦合器、5个光延迟线，每个光延迟线布置在两个连续的50/50耦合器之间。该重复频率倍增器装置4进行操作以将源重复频率乘以等于25的因子，从而使源重复频率从108MHz增加到3.5GHz。此外，该系统使用前置放大器、声光调制器和9级光纤放大器。声光调制器施加包络，以1kHz的重复频率确定脉冲串的形状。然后在9级光纤放大器中放大脉冲串。然而，该系统需要许多级联的组件。此外，该技术的缺点是难以维持输出脉冲的能量和时间间隔稳定性，特别是由于50/50耦合器的分支之间的不对称。另一方面，似乎很难在高于3.5GHz的重复频率范围内使用此类系统，这将需要附加的耦合器、附加的非常高精度的延迟线和附加的放大器级。
图7-8示出了可以结合到上述实施例之一的特定方面。该特定方面涉及因子2或4重复频率倍增器装置。优选地，该重复频率倍增器装置旨在被放置在振荡器1和光放大器系统2之间。根据变型，重复频率倍增器装置被放置在光前置放大器和光功率放大器系统之间。根据另一变型，重复频率倍增器装置布置在光放大器系统2的输出处。
更精确地，图7示出了因子2重复频率倍增器或重复频率二倍器4。重复频率倍增器装置4包括第一光耦合器-分束器41、第一光延迟线51和第二光耦合器-分束器42。第一光延迟线51布置在第一光耦合器-分束器41和第二光耦合器-分束器42之间。重复频率倍增器4接收包括以第一重复频率F1的激光脉冲的激光束100、200、500，每个激光脉冲具有表示为E的每个脉冲的能量。第一光耦合器-分束器41适于将激光束100、200或500在空间上分离成第一脉冲束110和第二脉冲束120，第一脉冲束110具有以第一重复频率F1额定的等于E/2的每个脉冲的能量，第二脉冲束120具有以第一重复频率F1额定的等于E/2的每个脉冲的能量。在第一光耦合器-分束器41的输出处，两个分离的光束具有相同的特性，在下文中，术语“第一脉冲束”和“第二脉冲束”在这里被任意地彼此区分，而没有任何顺序的概念。在第二脉冲束120的轨迹上，第一光延迟线51布置在第一光耦合器-分束器41和第二光耦合器-分束器42之间。第一光延迟线51适于在第二脉冲束120上引起等于第一重复频率F1的一半周期的光延迟，以便形成相对于第一脉冲束110暂时延迟了半个周期的第二脉冲束130。第二光耦合器-分束器42接收以第一重复频率F1的第一脉冲束110和以第一重复频率F1延迟了半个周期的第二脉冲束130。光延迟线51例如包括适当长度的无源光纤。第二光耦合器-分束器42例如是4输入-输出光耦合器。第二光耦合器-分束器42适于将第一束110和延迟了半个周期的第二束130重组，并且在第一输出S1上形成第一重组束142，第一重组束142中的脉冲具有等于E/4的每个脉冲的能量，并以等于第一重复频率F1两倍的第二重复频率F2额定。特别有利地，第二光耦合器-分束器42可以适于将第一光束110和延迟了半个周期的第二光束130重组并且在第二输出S2上形成第二重组束152，第二重组束152中的脉冲具有等于E/4的每个脉冲的能量，并以等于第一重复频率F1两倍的第二重复频率F2额定。有利地，第一光耦合器-分束器41和第二光耦合器-分束器42是50/50耦合器。在该情况下，两个输出S1和S2是可互换的。
因此，重复频率倍增器装置4进行操作以生成脉冲束142，该脉冲束142具有相对于F1乘以因子2的重复频率F2，其中每个脉冲的能量仅被除以4。从具有800MHz的第一重复频率F1的源振荡器开始，因此获得了具有2×800MHz＝1.6GHz的重复频率的重组束142和/或152。该配置进一步使得可以限制光放大器的数量，以获得适于蚀刻所考虑的材料的每个脉冲的能量。
通常使用两个输出S1或S2中的一个来以重复频率放大脉冲束，该重复频率是光放大器系统中源振荡器的重复频率的两倍。实际上，在大多数光放大器系统中，该放大必须沿单个光轴执行。在该情况下，该重复频率倍增器装置的有用输出功率约为输入功率P的一半，未计算重复频率倍增器装置的插入损耗。
图8示出频率倍增器的另一个示例，并且更精确地示出因子4重复频率倍增器或重复频率四倍器44。相同的附图标记表示与图7中相同的元件。重复频率倍增器44进一步包括光组合器49和第二光延迟线52。第二光延迟线52布置在第二光耦合器-分束器42和光组合器49之间。有利地，第二光耦合器-分束器42包括四个输入-输出。第二光耦合器-分束器42在一个输入上接收具有每个脉冲的能量E/2的以第一重复频率F1的第一脉冲束110，以及在另一个输入上接收以第一重复频率F1而时间延迟了一半周期并且具有每个脉冲的能量E/2的第二脉冲束130。如结合图7所解释的，第二光耦合器-分束器42适于重组第一脉冲束110和延迟的第二脉冲束130，并且将它们在空间上分离成以第一重复频率的两倍(2xF1)额定的具有等于E/4的每个脉冲的能量的第一组合束142，以及以第一重复频率的两倍(2xF1)额定的具有等于E/4的每个脉冲的能量的第二重组束152。第二光延迟线52布置在第二重组束152的轨迹上。第二光延迟线52适于在第二重组束152上引起等于第一重复频率F1的四分之一周期的光延迟，以便形成相对于第一重组束142而时间延迟了四分之一周期的第二脉冲束162。光组合器49接收额定为第一重复频率的两倍(2xF1)的第一重组束142和延迟了重复频率F1的四分之一周期并额定为第一重复频率的两倍(2xF1)的第二脉冲束162。光组合器49适于将第一重组束142和时间延迟四分之一周期的第二脉冲束162重组，并且在第一输出S1上形成第一四频束170，其中脉冲具有等于E/8的每个脉冲的能量，并且以等于第一重复频率F1的四倍的第三重复频率F3额定。特别有利地，光组合器49可适于重组第一分离束142和另一分离束162，并在第二输出S2上形成第二四频束180，其中脉冲具有等于E/8的每个脉冲的能量，并且以等于第一重复频率F1的四倍的第三重复频率F3额定。有利地，光组合器49是50/50耦合器。在该情况下，两个输出S1和S2是可互换的。
因此，重复频率倍增器44使得可以生成至少一个脉冲束170、180，该脉冲束具有相对于F1乘以4的第三重复频率F3，其中每个脉冲的能量仅被除以8。因此，从具有800MHz的第一重复频率F1的源振荡器开始，获得了具有4×800MHz＝3.2GHz的重复频率的重组束。
因此，可以将重复频率乘以2或4。要添加的组件(延迟线51、52和50/50组合器)的插入损耗仍然受到少数组件限制。因此，选择将重复频率倍增器限制为重复频率二倍器或四倍器，以便限制光耦合器-分束器41、42、光组合器49和光延迟线51、52的数量。
如在重复频率二倍器的情况下，该重复频率四倍器装置的有用输出功率约为输入功率P的一半，这不算重复频率倍增器装置的插入损耗，即与重复频率二倍器获得的功率相当的功率。
通常，振荡器1是线性偏振的。因此，源脉冲100、放大脉冲200以及脉冲串500的脉冲分别被线性偏振。
在一个实施例中，第一光耦合器-分束器41、第二光耦合器-分束器42和光组合器49是各向同性的耦合器，它们既不影响输入信号也不影响输出信号的偏振状态。作为替代方案，第一光耦合器-分束器41、第二光耦合器-分束器42和光组合器49是偏振或偏振保持(PM)的耦合器。在该情况下，对这些耦合器进行配置和定向，以便不改变偏振输入信号的偏振，并为输入信号的偏振提供50/50的分光比。该配置可以巧妙地用于各向同性的或者在两个偏振轴上具有相同的放大器因子的放大器系统。实际上，第一输出S1上的第一四频束170和第二输出S2上的第二四频束180可以同时使用。例如，使用半波片将第一四频束170或第二四频束180的偏振旋转90度，并且使用偏振器来组合两种偏振。该重组束然后可以在各向同性光放大器或各向同性光放大器链中放大。位于放大器链的输入处的能量损耗仅对装置的最终能量具有有限的影响。
作为替代方案，第二输出S2上的第二重组束180可以用于在并行布置的另一个类似的光放大器系统中被放大，因此具有两个几乎相同且同步的GHz源。
根据另一替代方案，第一重组束142和时间延迟了四分之一周期的第二脉冲束162在被重组之前被放大。因此，可以同时使用第一输出S1上的第一四频束170和第一输出S2上的第二四频束180。有利地，仅将脉冲压缩器放置在第一输出S1上，以便获得具有相同重复频率但在第一输出S1和第二输出S2上具有不同脉冲持续时间的脉冲。不同持续时间的这些脉冲有利地在具有或不具有预定横向偏移的情况下在同一样本上在空间上重组。
在特定的应用中，第一输出S1上的第一重组束170和第二输出S2上的第二重组束180用于根据泵浦探头配置进行的现场诊断。
在加工材料的最优速率高于源振荡器的速率的情况下，由于已经非常高的源振荡器速率，因此可以应用时间分割和组合解决方案，显著降低了复杂性。例如，从以500MHz的振荡器(每个脉冲之间的周期为2ns)开始，可以采用50/50的脉冲分割、将一个脉冲延迟一半周期的光延迟线和重组装置来执行约1GHz的速率。重组可以在空间上或通过偏振来执行。通过偏振执行重组基本上没有功率损耗，但是会丢失明确定义的偏振状态。可以例如经由50/50耦合器执行空间重组。该重组只能通过牺牲功率来实现，因为50％的入射光到达第一输出S1，并且50％的入射光到达第二输出S2。然而，由于其灵有源，该方法仍然受到青睐。可以接受激光系统极低功率部分中50％的损耗，而不会对整个激光系统的效率产生重大影响。
由于输出重复频率高，所以光延迟线51、52更加难以控制。实际上，重复频率倍增器装置可以使重复频率达到10GHz或更高。
重复频率倍增器装置有利地使得可以具有两个输出S1、S2，每个输出以相同的重复频率发射激光脉冲束。该装置允许泵浦探头激光器应用使用第一输出形成例如所谓的泵浦激光束，并且使用第一输出形成所谓的探头激光束。
具有非常高速率的源振荡器1使得可以将分离和重组操作的数量限制为2或4，同时获得多GHz域中的重复频率。因此获得了激光系统，其在GHz域中以第二重复频率F2生成超短脉冲。
如上所述，还可以使用脉冲拾取器3生成具有在GHz域内的串内重复频率的脉冲串。因此可以生成具有在GHz域内的串内重复频率和在100Hz和100MHz之间的串间重复频率的周期性脉冲串。脉冲具有GHz速率以及包括在1W和1000W之间的功率，并且优选在10到100W的量级。
根据实施例，脉冲拾取器3布置在重复频率倍增器4或44的上游。在该情况下，入射在脉冲拾取器3上的两个脉冲之间的间隔足够大(约1至2ns)以允许具有非常好的对比度的脉冲到脉冲控制。因此，脉冲拾取器3选择确定数量的脉冲。然后，重复频率倍增器4、44生成脉冲串，该脉冲串包括由脉冲拾取器选择的多个脉冲的倍数，该串具有几乎平坦(或顶帽)的形状。
在可以与上述实施例中的任何一个实施例组合的变型中，另一个光调制器9布置在重复频率倍增器4或44的下游。光调制器9是具有幅度的模拟控制的声光或电光类型。光调制器9操作以调制输出脉冲的幅度或选择脉冲串。然后，相对于源脉冲的周期，入射在光调制器9上的两个脉冲之间的周期减小了两倍或四倍。在该情况下，当光调制器9的上升时间高于入射在光调制器9上的两个脉冲之间的周期时，光调制器9可能太慢而不能选择顶帽串。
图9示出在如图2或3中所示的锁模激光振荡器的输出处的源脉冲束100的测量。锁模激光振荡器生成具有约900MHz的第一重复频率F1的源脉冲。两个连续激光脉冲之间的周期为1.1ns的量级。脉冲的持续时间为200fs的量级。脉冲的持续时间可以更短，例如100fs的量级或甚至小于100fs。
图10-11示出了从图9的源脉冲以非常高速率生成高能激光脉冲的脉冲串的示例。使用如图5中示意性示出的激光系统。图10示出来自振荡器并在有源光纤放大器系统中放大的约80个脉冲的串。图11示出具有2MHz的串间重复频率、约18％的占空比、20W量级的有源光纤放大器系统的输出功率以及约200fs的放大脉冲的持续时间的一系列激光脉冲串。
根据上文描述的实施例之一的脉冲激光系统发现了许多应用，特别是在诸如玻璃的固体材料，诸如例如硅的半导体或诸如例如铜、铝或不锈钢的金属的烧蚀中。聚合物或生物材料(角膜、牙本质等)也可以进行此类激光处理。
本发明特别地发现以1GHz或高于1GHz，或甚至高于10GHz或20GHz的量级的速率烧蚀各种固体材料的应用，以允许获得所谓的烧蚀冷却。
有利地，使用非线性光频率二倍器或光频率三倍器光系统，通过使根据上述实施例中任何一个实施例的非常高速率的激光器系统的输出处的光频率双倍或三倍，来转换脉冲束的波长。
此类激光系统使得可以在保持烧蚀质量和飞秒(或皮秒)加工精度的同时提高生产率。实际上，该激光系统通过生成具有高于1GHz的串内重复频率(或第二重复频率F2)的串，可以优化材料中能量的沉积。此外，激光系统使得可以通过以串中的非常高的速率(可能是较低速率的一系列脉冲)连续提供M个脉冲的能量来控制材料中的能量沉积。最后，激光系统使得可以通过调整以下不同参数根据需要与之相互作用的材料来控制和优化能量沉积：串中的脉冲频率(或串中脉冲之间的时间间隔)、串中的脉冲数和/或脉冲序列的速率。
本发明的激光系统适用于对稳健性和可靠性有严格要求的工业应用。此外，激光系统特别紧凑，因为其基本上是基于小型组件(棒、板或薄盘放大器晶体)和/或光纤组件。
用于生成重复频率超过1GHz的激光脉冲的方法特别适于实现固体材料的激光烧蚀效率的提高。

Claims (16)

1.一种非常高速率的激光系统，其特征在于包括：
-锁模振荡器(1)，其适于以高于或等于800兆赫兹的第一重复频率(F1)生成包括飞秒或皮秒持续时间的一系列源脉冲(100)的源激光束，以及
-光放大器系统(2)，其适于接收并放大所述一系列源脉冲(100)到等于所述第一重复频率(F1)或所述第一重复频率(F1)的倍数的第二重复频率(F2)，所述倍数是高于或等于2的自然整数，以生成非常高重复频率的一系列激光脉冲。
2.根据权利要求1所述的激光系统，进一步包括被布置在所述振荡器(1)和所述光放大器系统(2)之间的重复频率倍增器装置(4、44)，所述重复频率倍增器装置(4、44)包括：第一光耦合器-分束器(41)、第一光延迟线(51)和具有第一输出(S1)的第二光耦合器-分束器(42)，
所述第一光耦合器-分束器(41)适于在空间上将所述源激光束(100)分离成以所述第一重复频率(F1)的第一脉冲束(110)和以所述第一重复频率(F1)的第二脉冲束(120)，
所述第一光延迟线(51)被布置在以所述第一重复频率(F1)的所述第二脉冲束(120)的轨迹上在所述第一光耦合器-分束器(41)和所述第二光耦合器-分束器(42)之间，所述第一光延迟线(51)适于在所述第二脉冲束(120)上引起等于所述第一重复频率(F1)的半个周期的光延迟，并生成延迟了半个周期的第二脉冲束(130)，以及
所述第二光耦合器-分束器(42)适于将所述第一束(110)和延迟了半个周期的所述第二束(130)重组，并在所述第一输出(S1)上形成第一重组束(142)，所述第一重组束(142)中的所述脉冲以等于所述第一重复频率(F1)两倍的所述第二重复频率(F2)来额定。
3.根据权利要求2所述的激光系统，其中，所述第二光耦合器-分束器(42)具有第二输出(S2)，所述第二光耦合器-分束器(42)适于在所述第二输出(S2)上形成包括以等于所述第一重复频率(F1)两倍的所述第二重复频率(F2)的脉冲的第二重组束(152)，所述第一重组束(142)和所述第二重组束(152)在所述第二光耦合器-分束器(42)的所述输出处彼此同步。
4.根据权利要求3所述的激光系统，其中，所述重复频率倍增器装置(44)包括第二光延迟线(52)和具有第一输出(S1)的光组合器(49)，
所述第二光延迟线(52)被布置在所述第二脉冲束(152)的轨迹上在所述第二光耦合器-分束器(42)和所述光组合器(49)之间，所述第二光延迟线(52)适于在所述第二重组束(152)上引起等于所述第一重复频率(F1)的四分之一周期的光延迟，并生成延迟了四分之一周期的第二脉冲束(162)，以及
所述光组合器(49)适于将所述第一重组束(142)和延迟了四分之一周期的所述第二脉冲束(162)重组，并在其第一输出(S1)上形成包括以等于所述第一重复频率(F1)的四倍的第三重复频率(F3)的脉冲的第一四倍重复频率束(170)。
5.根据权利要求4所述的激光系统，其中，所述光组合器(49)具有第二输出(S2)，所述光组合器(49)适于在其第二输出(S2)上形成包括以等于所述第一重复频率(F1)的所述四倍的所述第三重复频率(F3)的脉冲的第二四倍重复频率束(180)，所述第一四倍重复频率束(170)和所述第二四倍重复频率束(180)在所述光组合器(49)的所述输出处彼此同步。
6.根据权利要求3或5所述的激光系统，其中，所述第一光耦合器-分束器(41)、所述第二光耦合器-分束器(42)以及所述光组合器(49)分别是偏振或偏振保持的耦合器，并且进一步包括偏振器装置，所述偏振器装置适于将所述第一重组束(142)和所述第二重组束(152)或所述第一四倍重复频率束(170)和所述第二四倍重复频率束(180)分别组合。
7.根据权利要求3所述的激光系统，进一步包括：脉冲压缩器(8)，其被布置在所述第二光耦合器-分束器(42)的所述第一输出(S1)上；和/或另一脉冲压缩器，其被放置在所述第二光耦合器-分束器(42)的所述第二输出(S2)上。
8.根据权利要求5所述的激光系统，进一步包括：脉冲压缩器(8)，其被放置在所述光组合器(49)的所述第一输出(S1)上；和/或另一脉冲压缩器(8)，其被放置在所述光组合器(49)的所述第二输出(S2)上。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的激光系统，其中，所述锁模振荡器从以下中选择：半导体振荡器或固态振荡器，混合振荡器或光纤振荡器。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的激光系统，其中，所述光放大器系统(2)包括光放大器(21)或多个光放大器(21，22，…，2N)，其从以下类型的光放大器中选择：有源光纤放大器和/或晶体放大器。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的激光系统，其中，所述光放大器系统(2)包括级联布置的多个光放大器(21，22，…，2N)，所述多个光放大器(21，...，22，…，2N)包括光功率放大器。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的激光系统，包括非线性光频率二倍器或光频率三倍器光系统。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的激光系统，进一步包括：脉冲拾取器(3)，其放置在所述振荡器(1)的下游和所述光放大器系统(2)或所述光功率放大器(22、2N)分别的上游，所述脉冲拾取器(3)适于在脉冲串(30)的幅度中进行选择和/或调制，并将所述脉冲串注入到分别所述光放大器系统(2)或所述光功率放大器(22、2N)中。
14.根据权利要求13所述的激光系统，进一步包括：
另一个源(14)，其适于生成与所述脉冲串(30)互补的脉冲束(40)；以及
另一耦合器(15)，其被布置为接收次级束和所述源脉冲串并将它们组合成具有等于所述脉冲串的脉冲内重复频率的重复频率的复合脉冲束，所述另一耦合器(15)适于将所述复合脉冲束注入所述光放大器系统(2)或注入所述光功率放大器(22、2N)。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的激光系统，进一步包括放置在所述光放大器系统(2)的下游的光调制器(9)，所述光调制器(9)适于选择放大脉冲(200)的串或多个串和/或在幅度上调制放大脉冲的所述串或所述多个串。
16.一种用于生成非常高速率的激光脉冲的方法，包括以下步骤：
-由具有高于或等于800兆赫兹的第一重复频率(F1)的振荡器(1)生成飞秒或皮秒持续时间的一系列源脉冲(100)，以及
-将所述一系列源脉冲光放大到等于所述第一重复频率(F1)或所述第一重复频率(F1)的倍数的第二重复频率(F2)，所述倍数是高于或等于2的自然整数，以生成一系列非常高速率的激光脉冲(140、150、170、180)。
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