RU2802454C2 - Ultra-fast pulsed laser system with fast switching of pulse duration - Google Patents
Ultra-fast pulsed laser system with fast switching of pulse duration Download PDFInfo
- Publication number
- RU2802454C2 RU2802454C2 RU2021139935A RU2021139935A RU2802454C2 RU 2802454 C2 RU2802454 C2 RU 2802454C2 RU 2021139935 A RU2021139935 A RU 2021139935A RU 2021139935 A RU2021139935 A RU 2021139935A RU 2802454 C2 RU2802454 C2 RU 2802454C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- laser system
- pulse
- reference signal
- cpa
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Предпосылки к созданию настоящего изобретенияBackground to the present invention
Область техники настоящего изобретенияField of the present invention
[001] Настоящее изобретение относится к сверхбыстрой волоконной лазерной системе, способной управляемо переключать продолжительность импульса с исключительно высокой скоростью в режиме реального времени для выполнения различных задач по обработке материалов с более высокой скоростью производства и снижением стоимости.[001] The present invention relates to an ultra-fast fiber laser system capable of controllably switching pulse duration at extremely high speeds in real time to perform various material processing tasks with higher production speed and lower cost.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION
[002] Продолжительность импульса лазера является критическим параметром для оптимальной лазерной обработки. Для различных материалов часто требуется совершенно разная продолжительность импульса для достижения наилучшего качества обработки и скорости обработки. В результате для лазерной обработки неоднородных, композитных, состоящих из множества материалов или множества слоев компонентов часто требуется несколько лазеров, работающих с разной продолжительностью импульса, что требует непомерно высоких затрат. Кроме того, различные желаемые типы микрообработки (такие как сверление, нарезка канавок, маркировка, гравировка, резка, абляция, скрайбирование и т. д.) также могут потребовать диапазон оптимальных продолжительностей импульсов. Преимущественно иметь возможность выполнять несколько типов обработки одного и того же компонента, чтобы сократить время и стоимость настройки.[002] Laser pulse duration is a critical parameter for optimal laser processing. Different materials often require completely different pulse durations to achieve the best machining quality and processing speed. As a result, laser processing of heterogeneous, composite, multi-material or multi-layer components often requires multiple lasers operating at different pulse durations, which is cost prohibitive. Additionally, the different types of micromachining desired (such as drilling, grooving, marking, engraving, cutting, ablation, scribing, etc.) may also require a range of optimal pulse durations. It is advantageous to be able to perform multiple types of processing on the same component to reduce setup time and cost.
[003] Сверхбыстрые лазеры, включая, среди прочего, твердотельные и волоконные лазеры, являются общим термином для пикосекундных и фемтосекундных лазеров, которые широко используются в лазерной обработке различных материалов. Ширина импульса сверхбыстрых лазеров короче пикосекунды обычно используется для промышленных применений, в то время как более длинные импульсы используются для коммерческих и промышленных применений из-за высокой выходной мощности и высокой надежности. Такие сверхкороткие импульсы подавляют рассеивание тепла в места, окружающие обрабатываемые области, что значительно уменьшает образование зоны термического влияния и позволяет осуществлять сверхточную микро- и нанопроизводство различных материалов. Благодаря сверхкороткой ширине импульса пиковая интенсивность сверхбыстрых лазеров требует термообработки с плотностью мощности 103 - 104 Вт/см2, сварки и плакировки с плотностью мощности 105 - 106 Вт/см2, и удаления материала с плотностью мощности 107 - 109 Вт/см2 для сверления, резки и фрезерования. Такой уровень высокой пиковой интенсивности создает нелинейные проблемы в сердцевине волокна малого диаметра, снижая качество света и ограничивая его выходную мощность.[003] Ultrafast lasers, including but not limited to solid-state and fiber lasers, are a general term for picosecond and femtosecond lasers that are widely used in laser processing of various materials. Pulse widths of ultrafast lasers shorter than a picosecond are typically used for industrial applications, while longer pulses are used for commercial and industrial applications due to their high power output and high reliability. Such ultra-short pulses suppress heat dissipation into areas surrounding the treated areas, which significantly reduces the formation of a heat-affected zone and allows for ultra-precise micro- and nano-manufacturing of various materials. Due to their ultra-short pulse widths, the peak intensity of ultrafast lasers requires heat treatment with power densities of 10 3 - 10 4 W/cm 2 , welding and cladding with power densities of 10 5 - 10 6 W/cm 2 , and material removal with power densities of 10 7 - 10 9 W/ cm2 for drilling, cutting and milling. This level of high peak intensity creates non-linear problems in the small diameter fiber core, reducing light quality and limiting its output power.
[004] Было разработано множество методик минимизации нежелательных последствий высокой пиковой интенсивности в высокомощных лазерах, включая волоконный лазер. Одной из известных методик является усиление чирпированного импульса (CPA). При использовании этой методики извлеченная энергия импульса обычно выше, чем полученная при прямом усилении. CPA основано на хроматической дисперсии и может быть введено в свет, распространяющийся в оптических материалах, включая оптические волокна, за счет дисперсии материалов. Оно также может быть вызвано угловой дисперсией в решетках или призмах. Хроматическая дисперсия в компонентах брэгговской решетки использует принцип интерференции для того, чтобы отражать различные длины волн света в разных местах решетки. Удобство брэгговских отражателей заключается в том, что дисперсия может быть подобрана или спроектирована в соответствии с требованиями, такими как компенсация дисперсии других компонентов.[004] Many techniques have been developed to minimize the unwanted effects of high peak intensity in high power lasers, including fiber laser. One well-known technique is chirped pulse amplification (CPA). Using this technique, the extracted pulse energy is typically higher than that obtained with direct amplification. CPA is based on chromatic dispersion and can be introduced into light propagating in optical materials, including optical fibers, due to the dispersion of materials. It can also be caused by angular dispersion in gratings or prisms. Chromatic dispersion in Bragg grating components uses the principle of interference to reflect different wavelengths of light at different locations on the grating. The convenience of Bragg reflectors is that the dispersion can be matched or designed to suit requirements, such as compensating for the dispersion of other components.
[005] Каждый световой импульс, проходящий через оптическую среду, имеет временную форму, которая зависит от его частотного содержания. Для импульса без чирпа чем шире его частотный спектр, тем короче временная ширина импульса. Хроматическая дисперсия или чирп - это временное распределение по спектру длин волн. Чирп импульса является основой CPA, поскольку чем шире импульс, тем меньше пиковая интенсивность, тем выше порог для нелинейных эффектов и, следовательно, тем больше усиление импульса.[005] Each light pulse passing through an optical medium has a temporal shape that depends on its frequency content. For an unchirped pulse, the wider its frequency spectrum, the shorter the pulse's temporal width. Chromatic dispersion or chirp is the temporal distribution across a spectrum of wavelengths. Pulse chirp is the basis of CPA because the wider the pulse, the smaller the peak intensity, the higher the threshold for nonlinear effects, and therefore the greater the pulse amplification.
[006] Таким образом, в лазерных системах CPA сверхкороткие импульсы сначала расширяются во времени с помощью дисперсии, что приводит к достаточно сниженной интенсивности, позволяющей осуществлять последующее усиление расширенных импульсов. На заключительном этапе систем CPA расположенный дальше по технологической схеме дисперсионный элемент или устройство сжатия осуществляет временное сжатие оптически усиленных импульсов. Повторное сжатие усиленных импульсов с более высокой энергией импульса приводит к значительно большей пиковой мощности на выходе системы.[006] Thus, in CPA laser systems, ultrashort pulses are first expanded in time by dispersion, resulting in a sufficiently reduced intensity to allow subsequent amplification of the expanded pulses. At the final stage of CPA systems, a dispersive element or compression device located further along the technological scheme performs temporary compression of the optically amplified pulses. Recompression of amplified pulses with higher pulse energy results in significantly higher peak power output from the system.
[007] Многие промышленные применения лазерных систем CPA требуют импульсов, ограниченных преобразованием, что может быть достигнуто путем проектирования нулевой или близкой к нулевой общей дисперсии между различными дисперсионными компонентами в лазерной системе. Предел преобразования (или предел преобразования Фурье) - это нижний предел продолжительности импульса, который возможен для данного оптического спектра импульса. Другими словами, импульс, ограниченный преобразованием, не имеет чирпа. Если требуются импульсы, отличные от ограниченных преобразованием, компоненты, влияющие на общую дисперсию лазерной системы, должны быть правильно отрегулированы, чтобы предотвратить полную или нулевую компенсацию между этими компонентами.[007] Many industrial applications of CPA laser systems require conversion-limited pulses, which can be achieved by designing zero or near-zero total dispersion between the various dispersion components in the laser system. The transform limit (or Fourier transform limit) is the lower limit of the pulse duration that is possible for a given optical spectrum of the pulse. In other words, the transform-limited pulse has no chirp. If pulses other than conversion limited are required, the components contributing to the overall dispersion of the laser system must be properly adjusted to prevent full or zero compensation between those components.
[008] Иллюстративная волоконная оптическая лазерная система CPA содержит расширитель, такой как чирпированная волоконная брэгговская решетка (CFBG), используемая для расширения оптических импульсов от сверхбыстрого оптического затравочного лазера. Система также содержит устройство сжатия, например, чирпированную объемную брэгговскую решетку (CVBG), используемую для сжатия оптических импульсов после усиления. Импульсы могут быть увеличены в размере одним из двух методов после устройства сжатия импульсов. В соответствии с одним методом, оптическая спектральная ширина оптических импульсов может быть отрегулирована путем уменьшения спектральной ширины CFBG. Другой метод заключается в использовании несогласованной дисперсии между CFBG и CVBG для создания чирпированных оптических импульсов.[008] An exemplary CPA fiber optical laser system includes an expander, such as a chirped fiber Bragg grating (CFBG), used to expand optical pulses from an ultrafast optical seed laser. The system also contains a compression device, such as a chirped volume Bragg grating (CVBG), used to compress the optical pulses after amplification. Pulses can be increased in size by one of two methods after a pulse compression device. According to one method, the optical spectral width of the optical pulses can be adjusted by reducing the spectral width of the CFBG. Another method is to use the mismatched dispersion between the CFBG and CVBG to create chirped optical pulses.
[009] Тонкая настройка продолжительности импульса и формы импульса может быть осуществлена с помощью формирователя импульсов. Один пример формирователя импульсов, такого как CFBG, раскрыт в предварительных заявках на патент США 62782071 и 62864834. Настройка CFBG путем увеличения или уменьшения продолжительности импульса ограничена оптической полосой пропускания и величиной возможности настройки дисперсии. Было продемонстрировано, что такой импульс может быть перестроен от <1 пс до 25 пс с помощью CFBG. Однако скорость перестройки была ограничена 20 секундами из-за конструкции формирователя (нагрев различных частей CFBG). Существуют более быстрые формирователи импульсов, такие как подвижные решетки. Однако подвижная решетка громоздка, и ее перестройка происходит медленнее, чем у акустооптических формирователей импульсов, таких как коммерчески доступный Dazzler.[009] Fine-tuning the pulse duration and pulse shape can be done using a pulse shaper. One example of a pulse shaper, such as a CFBG, is disclosed in US Provisional Patent Applications 62782071 and 62864834. Tuning the CFBG by increasing or decreasing the pulse duration is limited by the optical bandwidth and the amount of dispersion tunability. It has been demonstrated that such a pulse can be tuned from <1 ps to 25 ps using CFBG. However, the tuning speed was limited to 20 seconds due to the design of the former (heating of various parts of the CFBG). There are faster pulse shapers, such as moving gratings. However, the moving grating is bulky and tuning is slower than acousto-optic pulse formers such as the commercially available Dazzler.
[010] Поэтому желательно использовать один лазерный источник, который может переключать продолжительность импульса в режиме реального времени, чтобы уменьшить время настройки, сложность и стоимость лазерной системы.[010] Therefore, it is desirable to use a single laser source that can switch pulse duration in real time to reduce setup time, complexity, and cost of the laser system.
[011] Кроме того, существует потребность в компактной конфигурации промышленного лазера с быстрым переключением между продолжительностями импульсов для различных приложений лазерной обработки с высокой скоростью.[011] In addition, there is a need for a compact industrial laser configuration with rapid switching between pulse durations for various high speed laser processing applications.
Краткое раскрытие настоящего изобретенияBrief Disclosure of the Present Invention
[012] Настоящее изобретение решает проблему быстрого переключения между фемтосекундными (фс), пикосекундными (пс) и наносекундными (нс) лазерами в одной лазерной конфигурации, используя методику усиления чирпированных импульсов (CPA).[012] The present invention solves the problem of rapidly switching between femtosecond (fs), picosecond (ps) and nanosecond (ns) lasers in a single laser configuration using chirped pulse amplification (CPA) technique.
[013] Лазерная система с усилением чирпированных импульсов (CPA) согласно настоящему изобретению в своей базовой конфигурации содержит сверхбыстрый затравочный лазер, который выдает последовательность сверхбыстрых импульсов вдоль светового пути, входящего в узел переключателя продолжительности импульсов. Последний способен разделить каждый импульс на два или более опорных сигнала, временное и спектральное содержание которых изменено таким образом, что только один из опорных сигналов продолжает распространяться по пути. Направленный опорный сигнал затем усиливается и снова подвергается временной обработке в расположенном дальше по технологической схеме дисперсионном элементе, вследствие чего система CPA выдает импульсы высокой энергии в фемтосекундном - наносекундном диапазоне продолжительности.[013] The chirped pulse amplification (CPA) laser system of the present invention, in its basic configuration, contains an ultrafast seed laser that emits a train of ultrafast pulses along a light path entering a pulse duration switch assembly. The latter is capable of dividing each pulse into two or more reference signals, the temporal and spectral content of which is changed in such a way that only one of the reference signals continues to propagate along the path. The directional reference signal is then amplified and again subjected to temporal processing in a downstream dispersive element, causing the CPA system to produce high-energy pulses in the femtosecond to nanosecond range.
[014] Узел переключателя продолжительности импульсов характеризуется наличием по меньшей мере одного расщепителя пучка, направляющего два опорных сигнала с соответствующими долями мощности расщепленного импульса по соответствующим путям передачи опорного сигнала. Каждый из опорных сигналов взаимодействует с расположенным раньше по технологической схеме дисперсионным элементом, изменяя временное содержание опорного сигнала. Кроме того, спектральные фильтры могут быть применены к соответствующим путям передачи опорного сигнала, чтобы изменить спектральное содержание опорного сигнала. Альтернативно для модуляции продолжительности импульса и ширины спектрального импульса каждого опорного сигнала может использоваться один расположенный раньше по технологической схеме дисперсионный элемент.[014] The pulse duration switch assembly is characterized by the presence of at least one beam splitter that routes two reference signals with corresponding fractions of split pulse power along respective reference signal transmission paths. Each of the reference signals interacts with a dispersive element located earlier in the technological scheme, changing the temporal content of the reference signal. In addition, spectral filters can be applied to the corresponding reference signal paths to change the spectral content of the reference signal. Alternatively, one upstream dispersive element can be used to modulate the pulse duration and spectral pulse width of each reference signal.
[015] Чтобы получить желаемую продолжительность импульсов на выходе системы CPA, два оптических переключателя входят в соответствующие пути передачи опорного сигнала и по отдельности управляются таким образом, что распространение одного из опорных сигналов блокируется. Любой из высокоскоростного акустооптического модулятора (AOM), электрооптического модулятора (EOM), переключателей на основе MEMS и других может быть легко включен в структуру согласно настоящему изобретению.[015] To obtain the desired pulse duration at the output of the CPA system, two optical switches are included in the respective reference signal paths and are individually controlled such that propagation of one of the reference signals is blocked. Any of a high-speed acousto-optical modulator (AOM), an electro-optical modulator (EOM), MEMS-based switches, and others can be readily incorporated into the structure of the present invention.
[016] Индивидуальное управление оптическими переключателями позволяет одновременно переключать оба из них в положение «включено». Это может быть полезно для промышленных применений, требующих последовательного облучения обрабатываемой поверхности двумя импульсами с различной продолжительностью импульса. Например, пикосекундный или наносекундный импульс сначала нагревает облучаемую поверхность так, что последующий фемтосекундный импульс, падающий на нагретую поверхность, образует отверстие. Последовательное облучение различными импульсами достигается путем увеличения длины оптического пути одного из путей передачи опорного сигнала. Эта конструктивная особенность может быть использована во всех примерах системы CPA согласно настоящему изобретению, описанных выше. Если, однако, требуется только один импульс, оба пути передачи опорного сигнала могут иметь одинаковую оптическую длину.[016] Individual control of the optical switches allows both of them to be switched to the "on" position simultaneously. This may be useful for industrial applications that require sequential irradiation of the treated surface with two pulses of different pulse durations. For example, a picosecond or nanosecond pulse first heats the irradiated surface such that a subsequent femtosecond pulse incident on the heated surface creates a hole. Successive irradiation with different pulses is achieved by increasing the length of the optical path of one of the reference signal transmission paths. This design feature can be used in all examples of the CPA system according to the present invention described above. If, however, only one pulse is required, both reference signal paths can have the same optical length.
[017] В лазерной системе CPA согласно настоящему изобретению расположенные раньше по технологической схеме дисперсионные элементы применяют соответствующие чирпы к опорным сигналам. Расположенные раньше по технологической схеме дисперсионные элементы выбираются из FBG, CFBG, отрезка волокна, оптических элементов на объемных волнах, призм и т. д. и располагаются вдоль соответствующих путей передачи опорного сигнала раньше или дальше по технологической схеме от соответствующих переключателей оптических импульсов.[017] In the CPA laser system of the present invention, upstream dispersion elements apply appropriate chirps to the reference signals. Upstream dispersive elements are selected from FBG, CFBG, fiber length, body wave optical elements, prisms, etc. and are located along the corresponding reference signal paths upstream or downstream from the corresponding optical pulse switches.
[018] Настраивая хроматическую дисперсию расположенных раньше и дальше по технологической схеме дисперсионных элементов, можно генерировать импульсы продолжительностью в фемтосекундном - наносекундном диапазоне. Например, фемтосекундный лазер может быть выполнен с возможностью использования расширителя импульсов CFBG с положительной дисперсией и почти согласованного устройства сжатия импульсов CVBG с отрицательной дисперсией или наоборот. В пикосекундных лазерах можно использовать более несогласованную пару CFBG и CVBG. В наносекундном случае CFBG может иметь тот же знак дисперсии, что и CVBG, то есть положительную или отрицательную дисперсию, чтобы еще больше расширить импульсы после усиления. Типичный CFBG может расширять импульс в диапазоне 0,5-1 нс. VBG с тем же знаком дисперсии в итоге расширяет импульсы до 1-2 нс.[018] By adjusting the chromatic dispersion of dispersion elements located earlier and further along the technological scheme, it is possible to generate pulses with a duration in the femtosecond - nanosecond range. For example, a femtosecond laser may be configured to use a positive dispersion CFBG pulse expander and a negative dispersion CVBG near-matched pulse compressor, or vice versa. Picosecond lasers can use a more unmatched pair of CFBG and CVBG. In the nanosecond case, CFBG can have the same dispersion sign as CVBG, i.e. positive or negative dispersion, to further broaden the pulses after amplification. A typical CFBG can extend the pulse in the range of 0.5-1 ns. VBG with the same dispersion sign ultimately expands the pulses to 1-2 ns.
[019] Лазерная система CPA, как раскрыто выше, характеризуется наличием по меньшей мере одного ответвителя пучка в оптической связи с нисходящими концами соответствующих путей передачи опорного сигнала. Функционально ответвитель пучка направляет выбранный опорный сигнал к нисходящему концу системы CPA. Расщепитель пучка и ответвитель пучка могут быть оптическим компонентом на объемных волнах или компонентом на основе волокна, причем оптический компонент на объемных волнах включает оптический элемент с диэлектрическим покрытием, а компонент на основе волокна представляет собой сплавной волоконный направленный ответвитель.[019] A CPA laser system, as disclosed above, is characterized by having at least one beam coupler in optical communication with the downstream ends of respective reference signal paths. Functionally, the beam coupler routes the selected reference signal to the downstream end of the CPA system. The beam splitter and beam coupler may be a body wave optical component or a fiber-based component, wherein the body wave optical component includes a dielectric coated optical element and the fiber-based component is a fused fiber directional coupler.
[020] Лазерная система CPA, как раскрыто выше, может дополнительно содержать по меньшей мере еще один разветвитель пучка и по меньшей мере один второй ответвитель пучка, определяющие между собой третий путь передачи опорного сигнала для третьего опорного сигнала со спектральным содержанием и продолжительностью импульса, которые отличаются от содержания и продолжительности других опорных сигналов. Третий путь передачи опорного сигнала структурно аналогичен двум вышеописанным путям передачи опорного сигнала и содержит третий расположенный раньше по технологической схеме дисперсионный элемент и третий оптический переключатель. Необязательно к третьему пути передачи опорного сигнала может быть применен третий спектральный фильтр.[020] The CPA laser system, as disclosed above, may further comprise at least one more beam splitter and at least one second beam coupler defining among themselves a third reference signal path for a third reference signal with spectral content and pulse duration that differ from the content and duration of other reference signals. The third reference signal transmission path is structurally similar to the two reference signal transmission paths described above and contains a third dispersive element located earlier in the technological scheme and a third optical switch. Optionally, a third spectral filter may be applied to the third reference signal path.
Краткое описание фигурBrief description of the figures
[021] Описанные выше аспекты и другие признаки системы согласно настоящему изобретению станут более понятными после прочтения подробного описания, выполненного со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:[021] The above described aspects and other features of the system according to the present invention will become better understood after reading the detailed description made with reference to the accompanying figures, in which:
[022] на фиг. 1 изображена оптическая схема раскрытой системы согласно настоящему изобретению;[022] in FIG. 1 shows an optical diagram of a disclosed system according to the present invention;
[023] на фиг. 2 изображена оптическая схема переключателя продолжительности импульсов, показанного на фиг. 1;[023] in FIG. 2 shows the optical circuit of the pulse duration switch shown in FIG. 1;
[024] на фиг. 3 изображена модификация оптической схемы согласно фиг. 1;[024] in FIG. 3 shows a modification of the optical circuit according to FIG. 1;
[025] на фиг. 4 изображена оптическая схема переключателя продолжительности импульсов, показанного на фиг. 3;[025] in FIG. 4 shows the optical circuit of the pulse duration switch shown in FIG. 3;
[026] на фиг. 5 изображена оптическая схема, изображающая оптическую модификацию согласно фиг. 1;[026] in FIG. 5 is an optical diagram showing the optical modification according to FIG. 1;
[027] на фиг. 6 изображена оптическая схема переключателя продолжительности импульсов, показанного на фиг. 5;[027] in FIG. 6 shows the optical circuit of the pulse duration switch shown in FIG. 5;
[028] на фиг. 7 изображена оптическая схема другой модификации согласно фиг. 1;[028] in FIG. 7 shows an optical circuit of another modification according to FIG. 1;
[029] на фиг. 8 изображена оптическая схема переключателя продолжительности импульсов, показанного на фиг. 7;[029] in FIG. 8 shows the optical circuit of the pulse duration switch shown in FIG. 7;
[030] на фиг. 9 изображена оптическая схема еще одной модификации согласно фиг. 1;[030] in FIG. 9 shows an optical diagram of another modification according to FIG. 1;
[031] на фиг. 10 изображена оптическая схема переключателя продолжительности импульсов, показанного на фиг. 9;[031] in FIG. 10 shows the optical circuit of the pulse duration switch shown in FIG. 9;
[032] на фиг. 11 изображена оптическая схема, аналогичная схеме согласно фиг. 9;[032] in FIG. 11 shows an optical circuit similar to the circuit shown in FIG. 9;
[033] на фиг. 12 изображен переключатель продолжительности импульсов, показанный на фиг. 11, основанный на расширителе на основе CFBG;[033] in FIG. 12 shows the pulse duration switch shown in FIG. 11, based on a CFBG based expander;
[034] на фиг. 13 изображена оптическая схема другой модификации согласно фиг. 1;[034] in FIG. 13 shows an optical circuit of another modification according to FIG. 1;
[035] на фиг. 14 изображен переключатель продолжительности импульсов, показанный на фиг. 13, основанный на расширителе на объемных волнах;[035] in FIG. 14 shows the pulse duration switch shown in FIG. 13, based on a body wave expander;
[036] на фиг. 15 изображена оптическая схема любой из фиг. 1, 3, 5, 7, 9, 11 и 13 с генератором второй гармоники (SHG);[036] in FIG. 15 shows an optical design of any one of FIG. 1, 3, 5, 7, 9, 11 and 13 with second harmonic generator (SHG);
[037] на фиг. 16 изображена оптическая схема переключателя импульсов, показанного на фиг. 15;[037] in FIG. 16 shows the optical circuit of the pulse switch shown in FIG. 15;
[038] на фиг. 17 изображена оптическая схема любой из фиг. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 и 15 в комбинации с SHG и механизмом преобразования более высоких гармоник;[038] in FIG. 17 shows an optical design of any one of FIG. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 and 15 in combination with SHG and higher harmonic conversion mechanism;
[039] на фиг. 18 изображена оптическая схема переключателя импульсов, показанного на фиг. 17;[039] in FIG. 18 shows the optical circuit of the pulse switch shown in FIG. 17;
[040] на фиг. 19 изображен пример оптической схемы любой из фиг. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 и 17;[040] in FIG. 19 shows an example of an optical design of any one of FIG. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 and 17;
[041] на фиг. 20 изображена оптическая схема переключателя продолжительности импульсов, показанного на фиг. 19;[041] in FIG. 20 shows the optical circuit of the pulse duration switch shown in FIG. 19;
[042] на каждой из фиг. 21A-C и 22A-C изображена работа узла переключения продолжительности импульсов в соответствии с любой из схем, изображенных на фиг. 1-20.[042] in each of FIGS. 21A-C and 22A-C illustrate the operation of a pulse duration switching assembly in accordance with any of the circuits shown in FIG. 1-20.
Подробное раскрытие настоящего изобретенияDetailed Disclosure of the Present Invention
[043] На фигурах каждый идентичный или почти идентичный компонент, показанный на различных фигурах, обозначен одинаковыми позиционными обозначениями. Для большей ясности не все компоненты могут быть обозначены на каждой фигуре.[043] In the figures, each identical or nearly identical component shown in the different figures is designated by the same reference numerals. For clarity, not all components may be indicated in each figure.
[044] Лазерная система согласно настоящему изобретению основана на лазерной методике усиления чирпированного импульса и содержит высокоскоростной узел переключателя продолжительности импульсов, который работает для пропускания одного или нескольких импульсных опорных сигналов с желаемой продолжительностью при блокировании или задержке выхода с другими продолжительностями импульсов. В лазерной системе согласно настоящему изобретению продолжительность импульса задается надлежащим управлением дисперсией и, необязательно, контролируемой регулировкой спектральной ширины дисперсионных элементов, таких как расширитель и устройство сжатия, которые далее называются расположенными раньше и дальше по технологической схеме дисперсионными элементами соответственно. Несколько схем, иллюстрирующих концепции изобретения, рассматриваются ниже.[044] The laser system of the present invention is based on a chirped pulse laser amplification technique and includes a high-speed pulse duration switch assembly that operates to pass one or more pulsed reference signals of a desired duration while blocking or delaying output of other pulse durations. In the laser system of the present invention, the pulse duration is controlled by proper dispersion control and optionally by controlled adjustment of the spectral width of dispersion elements such as the expander and compressor, hereinafter referred to as upstream and downstream dispersion elements, respectively. Several diagrams illustrating the concepts of the invention are discussed below.
[045] Как показано на фиг. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 и 17, сверхкороткоимпульсная лазерная система 10 CPA может содержать только волоконные компоненты, оптические компоненты на объемных волнах или любую комбинацию волоконных компонентов и оптических компонентов на объемных волнах. Лазерная система 10 содержит сверхкороткоимпульсный затравочный лазер или затравку 12, которая может работать в стандартном импульсном режиме или в режиме пачки импульсов. Стандартный режим характеризуется последовательностью сверхкоротких пикосекундных - фемтосекундных импульсов при равномерном диапазоне продолжительности частоты повторения импульсов. В режиме пачки импульсов последовательность импульсов выводится с неоднородной скоростью, причем каждая пачка содержит серию импульсов. Независимо от выбранного режима, импульсы падают на узел 14 переключателя продолжительности импульсов, работающий для вывода расширенной во времени и спектрально измененного импульсного опорного сигнала.[045] As shown in FIG. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 and 17, the ultrashort pulse laser system 10 CPA may comprise only fiber components, body wave optical components, or any combination of fiber components and body wave optical components. The laser system 10 contains an ultra-short pulse seed laser or seed 12, which can operate in a standard pulse mode or in a pulse burst mode. The standard mode is characterized by a sequence of ultrashort picosecond - femtosecond pulses with a uniform range of pulse repetition frequency durations. In pulse burst mode, a sequence of pulses is output at a non-uniform rate, with each burst containing a series of pulses. Regardless of the selected mode, the pulses are incident on pulse duration switch assembly 14, which operates to output a time-expanded and spectrally modified pulse reference signal.
[046] Как изображено на фиг. 1, 9, 11, 13, 15, 17 и 19, один или несколько усилителей 16, 18 усиливают оптически обработанные импульсы, выводимые из узла 14 переключателя. Альтернативно, как показано на фиг. 3, 5 и 7, по меньшей мере один из предварительных усилителей 16 может быть расположен раньше по технологической схеме от переключателя 14 продолжительности импульсов. Однако, в соответствии с методом CPA, усилитель или бустерный усилитель 18 всегда расположен дальше по технологической схеме от переключателя 14 продолжительности импульсов.[046] As shown in FIG. 1, 9, 11, 13, 15, 17 and 19, one or more amplifiers 16, 18 amplify the optically processed pulses output from the switch assembly 14. Alternatively, as shown in FIG. 3, 5 and 7, at least one of the preamplifiers 16 may be located upstream of the pulse duration switch 14. However, in accordance with the CPA method, the amplifier or booster amplifier 18 is always located further downstream from the pulse duration switch 14.
[047] Усиленные импульсы далее входят в расположенный дальше по технологической схеме дисперсионный компонент 20, настроенному на предоставление усиленных импульсных опорных сигналов 36 с желаемой продолжительностью. Желаемая продолжительность импульса может составлять от 5 фс до нескольких нс, а диапазон высокой пиковой мощности - от нескольких сотен ватт до нескольких МВт.[047] The amplified pulses are then input to a downstream dispersive component 20 configured to provide amplified pulse reference signals 36 of the desired duration. The desired pulse duration can be from 5 fs to several ns, and the high peak power range can be from several hundred watts to several MW.
[048] Необязательно лазерная система 10 CPA может быть выполнена с блоком преобразования частоты, расположенным дальше по технологической схеме от дисперсионного элемента или устройства 20 сжатия. Блок преобразования частоты может содержать только генератор 24 второй гармоники (SHG) (фиг. 15) или комбинацию SHG и по меньшей мере одного генератора 25 высших гармоник (HHG) (фиг. 1 и 17). При необходимости блок преобразования частоты может быть включен в систему 10, показанную на любой из приведенных выше фигур. Каждый из генераторов второй и высших гармоник содержат любой из известных нелинейных кристаллов, причем каждый кристалл оптимизирован для селективного преобразования одного из опорных сигналов для желаемой продолжительности преобразованного импульса. Оптимизация может быть осуществлена путем выбора длины кристалла, температуры кристалла, оси кристалла или комбинации длины, температуры и оси кристалла.[048] Optionally, the CPA laser system 10 can be configured with a frequency conversion unit located downstream from the dispersive element or compression device 20. The frequency conversion unit may comprise only a second harmonic generator (SHG) 24 (FIG. 15) or a combination of an SHG and at least one higher harmonic generator (HHG) 25 (FIGS. 1 and 17). If necessary, a frequency conversion unit may be included in the system 10 shown in any of the above figures. Each of the second and higher harmonic generators comprises any of the known nonlinear crystals, each crystal being optimized to selectively convert one of the reference signals for a desired converted pulse duration. Optimization can be accomplished by selecting die length, die temperature, die axis, or a combination of length, temperature, and die axis.
[049] Изолятор 15, предотвращающий распространение обратно отраженного света, может быть установлен в любой из схем, показанных на соответствующих фигурах, упомянутых выше. Кроме того, если на выходе системы 10 желательны импульсы, ограниченные преобразованием, формирователь на основе фазового сканирования с многофотонными внутриимпульсными интерференциями (MIIPS) может быть включен в любую из рассмотренных конфигураций системы 10 после расположенного дальше по технологической схеме дисперсионного элемента 20. Работа формирователя импульсов MIIPS раскрыта в документе PCT/US2018/025152, полностью включенном в настоящий документ посредством ссылки.[049] The isolator 15 preventing the propagation of back-reflected light can be installed in any of the circuits shown in the corresponding figures mentioned above. In addition, if conversion-limited pulses are desired at the output of system 10, a multiphoton intrapulse interference phase scanner (MIIPS) driver can be included in any of the discussed system 10 configurations after the downstream dispersive element 20. Operation of the MIIPS pulse driver is disclosed in PCT/US2018/025152, which is incorporated herein by reference in its entirety.
[050] Обратимся конкретно к фиг. 2, узел 14 переключателя продолжительности импульсов характеризуется наличием расщепителя 28 пучка, принимающего сверхкороткие импульсы от затравки 12 и разделяющего каждый сверхкороткий импульс на два или более импульсных опорных сигнала с равными или разными долями мощности. В зависимости от общей конструкции системы 10 CPA, расщепитель 28 пучка может иметь оптическую структуру на объемных волнах или волоконную структуру. Оптический элемента на объемных волнах может включать, например, оптический элемент с диэлектрическим покрытием, а волоконная структура представляет собой сплавной волоконный направленный ответвитель. Волоконный расщепитель пучка может быть выполнен как 1XN и 2XN расщепитель и иметь либо волокна, неподвижно прикрепленные к соответствующим портам (стиль пигтейл), либо розетки на каждом порту, в которые можно вставить волокно (стиль розетки).[050] Referring specifically to FIG. 2, pulse duration switch node 14 is characterized by the presence of a beam splitter 28 that receives ultrashort pulses from seed 12 and divides each ultrashort pulse into two or more pulsed reference signals with equal or different power shares. Depending on the overall design of the CPA system 10, the beam splitter 28 may have a body wave optical structure or a fiber structure. The body wave optical element may include, for example, a dielectric coated optical element and the fiber structure is an alloyed fiber directional coupler. The fiber bundle splitter can be configured as a 1XN or 2XN splitter and have either fibers permanently attached to the corresponding ports (pigtail style) or a receptacle at each port into which the fiber can be inserted (rosette style).
[051] Схема на фиг. 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 18 и 20 представляет собой полностью волоконную структуру, в которой два пути передачи опорного сигнала определяются двумя одномодовыми (SM) волокнами 40’ и 40’’ соответственно. Волокно, используемое в системе 10 согласно настоящему изобретению, выбирается среди обычных волокон, волокон, поддерживающих поляризацию, специализированных волокон и волокон с большой модовой областью (LMA). Независимо от светопроводящей среды, т. е. свободного пространства, волокна или комбинации свободного пространства и волокна, каждый путь передачи опорного сигнала содержит дисперсионный элемент 32’/32’’ и оптический переключатель 34’/34’’, за одним исключением, когда один дисперсионный элемент, расположенный раньше по технологической схеме, расположен после переключателя 14, как раскрыто ниже со ссылкой на фиг. 10.[051] The circuit in FIG. 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 18 and 20 is an all-fiber structure in which the two reference signal paths are defined by two single-mode (SM) fibers 40' and 40'', respectively. The fiber used in the system 10 of the present invention is selected from conventional fibers, polarization maintaining fibers, specialty fibers, and large mode area (LMA) fibers. Regardless of the light-conducting medium, i.e., free space, fiber, or a combination of free space and fiber, each reference signal path contains a 32'/32'' dispersive element and a 34'/34'' optical switch, with one exception where one the dispersion element located earlier in the process flow is located after the switch 14, as discussed below with reference to FIG. 10.
[052] Относительное положение расположенного раньше по технологической схеме дисперсионного элемента 32’, 32’’ и оптического переключателя 34’, 34’’, применяемого к каждому пути передачи опорного сигнала, может быть различным. Переключатели 34’, 34’’ соединены с соответствующими выходами расположенных раньше по технологической схеме дисперсионных элементов 32’ и 32’’. На фиг. 10 показаны переключатели 34’ и 34’’, расположенные раньше по технологической схеме от соответствующих дисперсионных элементов 32’, 32’’.[052] The relative position of the upstream dispersion element 32', 32'' and the optical switch 34', 34'' applied to each reference signal path may be different. Switches 34’, 34’’ are connected to the corresponding outputs of dispersion elements 32’ and 32’’ located earlier in the technological diagram. In fig. 10 shows switches 34’ and 34’’, located earlier in the technological diagram from the corresponding dispersion elements 32’, 32’’.
[053] Сверхкороткие импульсы, испускаемые затравочным лазером 12 (фиг. 1), характеризуются высокой пиковой мощностью до кВт или даже выше. Усиление этих импульсов может привести к разрушительным структурным последствиям. Сверхкороткие импульсы высокой энергии, усиленные в среде усиления, такой как волоконные усилители, также вызывают появление нелинейных эффектов, ограничивающих выходную мощность и снижающих качество света. Методика CPA направлена на минимизацию этих вредных эффектов, которые часто проявляются в фемтосекундных и пикосекундных лазерных системах, путем увеличения продолжительности сверхкоротких импульсов. Это достигается в данном случае с помощью расположенных раньше по технологической схеме дисперсионных элементов или расширителей 32’ и 32’’ импульсов, которые выполнены с возможностью временного расширения сверхкоротких импульсов. В результате, дисперсионные элементы 32’ и 32’’ вводят оптические задержки, зависящие от длины волны, для создания частотного чирпа для временного расширения. Следовательно, термин «частотный чирп» означает временное расположение частотных компонентов сверхкороткого лазерного импульса. Чирпы, вносимые расположенными раньше по технологической схеме дисперсионными элементами 32’, 32’’ в соответствующие опорные сигналы отличаются друг от друга. Чирпы выбираются таким образом, чтобы расширенные опорные сигналы при взаимодействии с расположенным дальше по технологической схеме дисперсионным элементом 20 преобразовывались в сверхкороткие импульсы с желаемой продолжительностью импульса (фиг. 1). Желаемая продолжительность выходных сверхкоротких импульсов выбирается среди фемтосекундных, пикосекундных и наносекундных импульсов. Также можно выводить комбинацию импульсов с соответствующими продолжительностями импульсов, отличными друг от друга. Например, продолжительность одного выходного импульса находится в пикасекундном диапазоне, а другого - в фемтосекундном диапазоне.[053] The ultrashort pulses emitted by the seed laser 12 (FIG. 1) are characterized by high peak power up to kW or even higher. Intensifying these impulses can lead to destructive structural consequences. Ultrashort, high-energy pulses amplified in amplification media such as fiber amplifiers also cause nonlinear effects that limit output power and reduce light quality. The CPA technique aims to minimize these harmful effects, which often occur in femtosecond and picosecond laser systems, by increasing the duration of ultrashort pulses. This is achieved in this case with the help of dispersion elements or pulse expanders 32’ and 32’, located earlier in the technological scheme, which are designed to temporarily expand ultrashort pulses. As a result, dispersive elements 32' and 32' introduce wavelength-dependent optical delays to create a frequency chirp for time expansion. Therefore, the term "frequency chirp" refers to the temporal arrangement of the frequency components of an ultrashort laser pulse. The chirps introduced by the dispersive elements 32’, 32’’ located earlier in the technological scheme into the corresponding reference signals differ from each other. The chirps are selected in such a way that the expanded reference signals, when interacting with the dispersive element 20 located further down the technological circuit, are converted into ultra-short pulses with the desired pulse duration (Fig. 1). The desired duration of the output ultrashort pulses is selected among femtosecond, picosecond and nanosecond pulses. It is also possible to output a combination of pulses with corresponding pulse durations different from each other. For example, the duration of one output pulse is in the picasecond range and the other is in the femtosecond range.
[054] Дисперсия имеет различные положительные и отрицательные знаки. В среде с положительной дисперсией высокочастотные компоненты импульса распространяются медленнее, чем низкочастотные компоненты, и импульс становится положительно чирпированным или чирпированным с линейным увеличением частоты, увеличиваясь по частоте со временем. В среде с отрицательной дисперсией более высокочастотные компоненты распространяются быстрее, чем низкочастотные, и импульс становится отрицательно чирпированным или чирпированным с линейным уменьшением частоты, уменьшаясь по частоте со временем. Дисперсионные решетки обеспечивают большие коэффициенты расширения, и с помощью дифракционных решеток сверхкороткие оптические импульсы могут быть расширены более чем в 1000 раз.[054] Variance has various positive and negative signs. In a positive dispersion environment, the high-frequency components of a pulse propagate more slowly than the low-frequency components, and the pulse becomes positively chirped, or chirped with a linear increase in frequency, increasing in frequency with time. In a negative dispersion environment, higher frequency components propagate faster than lower frequency components and the pulse becomes negatively chirped, or chirped with a linear decrease in frequency, decreasing in frequency with time. Dispersive gratings provide large expansion factors, and with diffraction gratings, ultrashort optical pulses can be expanded by more than 1000 times.
[055] Структурно, расположенный раньше по технологической схеме волоконный дисперсионный элемент 32’, 32’’ может включать любую из конфигураций призмы, оптического элемента на объемных волнах, отрезка волокна, объемной брэгговской решетки (VBG), однородной волоконной брэгговской решетки (FBG) или чирпированной FBG (CFBG). FBG - это периодическая структура, которая резонирует на одной брэгговской длине волны. В отличие от этого, в CFBG брэгговская длина волны изменяется вдоль решетки, поскольку каждая часть последней отражает различный спектр. Таким образом, ключевой характеристикой CFBG является тот факт, что общий спектр зависит от температуры/деформации, регистрируемой на каждом участке CFBG, в отличие от деформации или температуры, приложенной на всей длине решетки FBG. На фиг. 20 показана типичная конструкция модуля CFBG на основе CFBG и циркулятора.[055] Structurally, the upstream fiber dispersive element 32', 32'' may include any of the configurations of a prism, a body wave optical element, a fiber segment, a volumetric Bragg grating (VBG), a uniform fiber Bragg grating (FBG), or chirped FBG (CFBG). An FBG is a periodic structure that resonates at a single Bragg wavelength. In contrast, in CFBG the Bragg wavelength varies along the grating as each part of the grating reflects a different spectrum. Thus, a key characteristic of CFBG is the fact that the overall spectrum depends on the temperature/strain detected at each section of the CFBG, as opposed to the strain or temperature applied along the entire length of the FBG lattice. In fig. 20 shows a typical design of a CFBG module based on a CFBG and a circulator.
[056] Расположенный дальше по технологической схеме дисперсионный элемент 20 (фиг. 1) может быть сконфигурирован идентично расположенным раньше по технологической схеме дисперсионным элементам. Альтернативно конфигурации соответствующих расположенных раньше и дальше по технологической схеме дисперсионных элементов могут отличаться друг от друга. Например, расположенные раньше по технологической схеме дисперсионные элементы 32’, 32’’ могут иметь конфигурацию CFBG, в то время как расположенный дальше по технологической схеме дисперсионный элемент 20 имеет конфигурацию VBG. Различные комбинации, включающие дисперсионные элементы различных конфигураций, могут быть легко реализованы в любой из проиллюстрированных схем специалистом в области сверхкоротких лазеров.[056] The downstream dispersion element 20 (FIG. 1) can be configured identically to the upstream dispersion elements. Alternatively, the configurations of the respective upstream and downstream dispersion elements may differ from each other. For example, the upstream dispersion elements 32', 32'' may have a CFBG configuration, while the downstream dispersion element 20 has a VBG configuration. Various combinations, including dispersive elements of various configurations, can be easily implemented in any of the illustrated circuits by a specialist in the field of ultrashort lasers.
[057] Оптический переключатель 34’, 34’’ используется для отключения оптической мощности для любого из нежелательных путей передачи опорного сигнала, что позволяет только одному опорному сигналу с желаемой продолжительностью импульса распространяться к расположенному дальше по технологической схеме дисперсионному элементу 20. Оптический переключатель может иметь различные конфигурации. Например, это может быть переключатель на основе MEMS, электрооптический переключатель, такой как модулятор из ниобата лития, или акустооптический переключатель, такой как AOM. Конкретная конфигурация оптического переключателя 34’, 34’’ зависит от различных факторов. Однако ключевым моментом при выборе нужного переключателя является время переключения, которое должно быть как можно более быстрым. AOM, возможно, является самым быстрым переключающим устройством. В протестированных конфигурациях лазерной системы 10 CPA минимальное время переключения AOM, соединенного с волокном, было определено в диапазоне 20-30 нс. Считается, что этот интервал времени является рекордным временем, что очень важно при микрообработке деталей, состоящих из множества слоев или множества материалов, таких как половины пластин, печатные платы, гибкие схемы, которые требуют оптимально различных продолжительностей импульсов. Скорость, с которой система CPA 10 согласно настоящему изобретению способна переключать продолжительность импульса, является одним из ключевых преимуществ настоящего изобретения - по существу, она способна предложить функциональность нескольких лазеров в одном единственном лазере. Операция переключения управляется стандартной электроникой 15 с соответствующей скоростью, необходимой для включения и выключения оптических переключателей 34’ и 34’’.[057] An optical switch 34', 34'' is used to cut off optical power to any of the unwanted reference signal paths, allowing only one reference signal of the desired pulse duration to propagate to the downstream dispersive element 20. The optical switch may have various configurations. For example, this could be a MEMS switch, an electro-optical switch such as a lithium niobate modulator, or an acousto-optic switch such as an AOM. The specific configuration of the 34', 34'' optical switch depends on various factors. However, the key to choosing the right switch is the switching time, which should be as fast as possible. AOM is possibly the fastest switching device available. In the tested 10 CPA laser system configurations, the minimum switching time of the AOM coupled to the fiber was found to be in the range of 20-30 ns. This time interval is considered to be a record time, which is very important when micromachining parts consisting of multiple layers or multiple materials, such as half-wafers, printed circuit boards, flexible circuits, which require optimally different pulse durations. The speed at which the CPA 10 system of the present invention is able to switch pulse durations is one of the key advantages of the present invention - essentially, it is able to offer the functionality of multiple lasers in one single laser. The switching operation is controlled by standard electronics 15 at the appropriate speed required to turn on and off the optical switches 34' and 34''.
[058] На фиг. 21A-C изображено общее время переключения используемых оптических переключателей в CPA 10, осуществляющем переключение с 1,6 пс на 0,4 пс, тогда как на фиг. 22A-C изображено переключение в обратном порядке с 0,4 пс на 1,6 пс. Время переключения одинаково и составляет менее 1, 3 микросекунды. Недавние эксперименты показали, что в схеме согласно настоящему изобретению используются переключатели, работающие при времени переключения менее 200 нс, которое может быть дополнительно уменьшено до пикосекундного диапазона.[058] In FIG. 21A-C show the overall switching time of the optical switches used in the CPA 10 switching from 1.6 ps to 0.4 ps, while FIG. 22A-C shows switching in reverse order from 0.4 ps to 1.6 ps. The switching time is the same and is less than 1.3 microseconds. Recent experiments have shown that the circuit of the present invention uses switches operating at switching times of less than 200 ns, which can be further reduced to the picosecond range.
[059] Как упоминалось выше, также может быть несколько импульсов на выходе системы 10 CPA с различными продолжительностями импульсов путем использования различных по конфигурации дисперсионных элементов 32’ и 32’’, расположенных раньше по технологической схеме, и использования обоих переключателей 34’ и 34’’, оба из которых могут быть переключены в состояние «включено». Разделение импульсов на выходе узла 14 переключателя можно контролировать путем введения волоконной петли 22 задержки, увеличивающей оптическую длину одного из путей передачи опорного сигнала при сохранении оптической длины другого (других) пути передачи опорного сигнала. Все оптические пути могут быть выполнены с соответствующими петлями 22 задержки, имеющими такие размеры, чтобы обеспечить пути передачи опорного сигнала с соответствующими оптическими длинами, которые отличаются друг от друга. Это позволит создать пачку импульсов с разной продолжительностью или одинаковой продолжительностью импульсов, которые можно перенастраивать в режиме реального времени. Например, можно управлять затравкой в режиме пачки импульсов, например, поддерживать n импульсов в каждом оптическом пути, затем переключить затравку на пачку n-1 импульсов, пачку n-2 импульсов и т. д.[059] As mentioned above, there can also be multiple pulses at the output of the CPA system 10 with different pulse durations by using differently configured dispersion elements 32' and 32'' located earlier in the process flow and using both switches 34' and 34' ', both of which can be switched to the on state. The pulse separation at the output of switch assembly 14 can be controlled by introducing a fiber delay loop 22 that increases the optical length of one of the reference signal paths while maintaining the optical length of the other reference signal path(s). All optical paths may be configured with corresponding delay loops 22 sized to provide reference signal paths with corresponding optical lengths that are different from each other. This will allow you to create a train of pulses with different durations or the same duration of pulses, which can be reconfigured in real time. For example, you can control the seed in burst mode, such as maintaining n pulses in each optical path, then switching the seed to n-1 pulse burst, n-2 pulse burst, etc.
[060] Оптические пути объединяются в один оптический путь с помощью объединителя 38 пучков. Объединитель пучков может быть оптическим компонентом, выполненным аналогично расщепителю 28 пучка. В случае оптического элемента на объемных волнах это может быть оптический элемент с диэлектрическим покрытием. Для волоконной системы в систему 10 CPA может быть включен сплавной волоконный направленный ответвитель. Различные по конфигурации компоненты расщепителя и объединителя пучка могут быть реализованы в каждой схеме, показанной на фиг. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17 и 19.[060] The optical paths are combined into one optical path using a 38 beam combiner. The beam combiner may be an optical component configured similarly to the beam splitter 28. In the case of a body wave optical element, this may be an optical element with a dielectric coating. For a fiber system, a fused fiber directional coupler may be included in the 10 CPA system. Different configurations of beam splitter and beam combiner components may be implemented in each circuit shown in FIG. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17 and 19.
[061] На каждой из фиг. 10, 14 и 20 показаны дополнительные структурные элементы, которые требуют более подробного раскрытия. Как легко поймет специалист в данной области техники, все раскрытые ниже дополнительные компоненты могут быть легко включены во все схемы настоящей заявки.[061] In each of FIGS. 10, 14 and 20 show additional structural elements that require further disclosure. As one skilled in the art will readily understand, all of the additional components disclosed below can be readily incorporated into all circuits of the present application.
[062] Обратимся конкретно к фиг. 12, лазерная система 10 CPA согласно настоящему изобретению может быть дополнительно выполнена со спектральными фильтрами 41’, 41’’, примененными к соответствующим путям 40’ и 40’’ передачи опорного сигнала. Известно, что элементы FBG имеют относительно узкую полосу отражения, что несколько ограничивает продолжительность импульса. Как известно в области лазеров, чем короче ширина спектрального импульса расширенных опорных сигналов, тем больше продолжительность выходных повторно сжатых сверхкоротких импульсов. Таким образом, спектральные фильтры 41 могут быть использованы в качестве дополнительных формирователей импульсов, что приводит к более точной форме импульса. Выполненные для настройки падающих на них опорных сигналов на соответствующие и различные ширины спектральных импульсов, спектральные фильтры 41 могут быть расположены раньше или дальше по технологической схеме от соответствующих дисперсионных элементов 32’, 32’’. Другая структурная возможность включает расширение сверхкоротких импульсов выше по технологической схеме от расщепителя 28 пучка и, после разделения расширенного импульса на два опорных сигнала, обрезание соответствующих полос пропускания.[062] Referring specifically to FIG. 12, the CPA laser system 10 of the present invention may further be configured with spectral filters 41', 41'' applied to the respective reference signal transmission paths 40' and 40''. It is known that FBG elements have a relatively narrow reflection band, which somewhat limits the pulse duration. As is known in the laser field, the shorter the spectral pulse width of the extended reference signals, the longer the duration of the output recompressed ultrashort pulses. Thus, the spectral filters 41 can be used as additional pulse shapers, resulting in a more accurate pulse shape. Designed to tune the reference signals incident on them to corresponding and different spectral pulse widths, the spectral filters 41 can be located earlier or further along the process flow from the corresponding dispersive elements 32', 32''. Another design possibility involves expanding ultrashort pulses upstream from beam splitter 28 and, after splitting the expanded pulse into two reference signals, cutting the corresponding passbands.
[063] На фиг. 14 показана лазерная система 10 CPA согласно настоящему изобретению, имеющая гибридную волоконную структуру/структуру оптического элемента на объемных волнах узла 14 переключателя продолжительности импульсов. Как показано, расположенные раньше по технологической схеме дисперсионные элементы 32’, 32’’ имеют конфигурацию оптического элемента на объемных волнах, содержащую две отражательные решетки, две линзы, поляризатор, четвертьволновую пластину и пару ретрозеркал. Конфигурация свободного пространства элементов 32’ и 32’’ может быть выбрана из структур, включающих конфигурации Мартинеса и Трейси.[063] In FIG. 14 shows a CPA laser system 10 according to the present invention having a hybrid fiber/body wave optical element structure of a pulse duration switch assembly 14. As shown, the dispersion elements 32’, 32’, located earlier in the technological scheme, have a body-wave optical element configuration containing two reflective gratings, two lenses, a polarizer, a quarter-wave plate and a pair of retromirrors. The free space configuration of elements 32' and 32' may be selected from structures including Martinez and Tracy configurations.
[064] Обратимся конкретно к фиг. 20, лазерная система 10 CPA с несколькими путями передачи опорного сигнала, в дополнение к ранее раскрытым двум путям 40’ и 40’’ передачи опорного сигнала, содержит третий путь 40’’’ передачи опорного сигнала. Последний проходит между третьим расщепителем 42 пучка и третьим объединителем 44, причем расщепитель 42 пучка расположен между затравкой 12 и расщепителем 28, а третий ответвитель 44 присоединен между оптическим объединителем 38. Расположенный раньше по технологической схеме дисперсионный элемент 32’’’, необязательный контур 22’ задержки и оптический переключатель 34’’’ расположены вдоль третьего пути 40’’’ передачи опорного сигнала, как раскрыто в ранее рассмотренных схемах. Добавление третьего пути передачи опорного сигнала обеспечивает возможность использования трех опорных сигналов, расширенных до соответствующих различных продолжительностей импульса, которые могут быть выборочно сжаты до желаемой продолжительности импульса в расположенном дальше по технологической схеме дисперсионном компоненте 20. Два и три пути передачи опорного сигнала являются лишь парой примеров переключателя продолжительности импульсов согласно настоящему изобретению. Соответственно, в объем настоящего изобретения входит любое разумное количество расщепителей и объединителей, определяющих более трех путей 40’, 40’’ и 40’’’ передачи опорного сигнала.[064] Referring specifically to FIG. 20, the CPA laser system 10 with multiple reference signal paths, in addition to the previously disclosed two reference signal paths 40' and 40'', includes a third reference signal path 40''. The latter passes between the third beam splitter 42 and the third combiner 44, with the beam splitter 42 located between the seed 12 and the splitter 28, and the third coupler 44 connected between the optical combiner 38. Dispersive element 32'', located earlier in the technological scheme, optional circuit 22' delays and optical switch 34''' are located along the third reference signal transmission path 40''', as disclosed in the previously discussed diagrams. The addition of a third reference path allows for the use of three reference signals, expanded to correspondingly different pulse lengths, which can be selectively compressed to the desired pulse length in the downstream dispersive component 20. Reference paths two and three are just a couple of examples. pulse duration switch according to the present invention. Accordingly, any reasonable number of splitters and combiners defining more than three reference signal transmission paths 40', 40'' and 40'' are within the scope of the present invention.
[065] Обращаясь к фиг. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17 и 19, сверхбыстрый затравочный лазер 12 не ограничен каким-либо конкретным типом или конфигурацией и выбран, среди прочих, из объемных лазеров с диодной накачкой с синхронизацией мод, волоконных и полупроводниковых лазеров с синхронизацией мод. Если затравочный лазер 12 имеет волоконную конфигурацию, иллюстративная структура раскрыта в патенте США 10193296, полностью включенном в настоящий документ посредством ссылки.[065] Referring to FIG. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17 and 19, the ultrafast seed laser 12 is not limited to any particular type or configuration and is selected from, among others, diode-pumped mode-locked bulk lasers, fiber and mode-locked semiconductor lasers. If the seed laser 12 has a fiber configuration, an exemplary structure is disclosed in US Pat. No. 10193296, incorporated herein by reference in its entirety.
[066] Бустерный усилитель 18 может быть выбран из множества конфигураций, включая волоконную конфигурацию, конфигурацию на легированном редкоземельными ионами иттрий-алюминиевом гранате (YAG), дисковую конфигурацию и другие конфигурации усилителей. Независимо от конфигурации, бустерный усилитель 18 должен обеспечивать высокий коэффициент усиления для опорного сигнала или опорных сигналов, падающих на него. Пиковая мощность, достигающая уровня МВт, особенно выгодна для системы 10 CPA, снабженной ступенями преобразования частоты. Иллюстративные конфигурации волоконного бустерного усилителя 18 раскрыты в патентах США 7848368, 8068705, 8081667 и/или 9667023, тогда как конфигурация YAG раскрыта в публикации заявки на патент США 201662428628, включенной в настоящий документ посредством ссылки.[066] The booster amplifier 18 may be selected from a variety of configurations, including a fiber configuration, a rare earth yttrium aluminum garnet (YAG) configuration, a disk configuration, and other amplifier configurations. Regardless of configuration, boost amplifier 18 must provide high gain to the reference signal or reference signals incident on it. Peak power reaching the MW level is particularly beneficial for a 10 CPA system equipped with frequency conversion stages. Exemplary configurations of fiber boost amplifier 18 are disclosed in US Patents 7848368, 8068705, 8081667 and/or 9667023, while the YAG configuration is disclosed in US Patent Application Publication 201662428628, incorporated herein by reference.
[067] Хотя в настоящем документе были описаны принципы настоящего изобретения, специалисты в данной области техники должны понимать, что это описание приведено только в качестве примера, а не в качестве ограничения объема настоящего изобретения. Другие варианты осуществления предусмотрены в объеме настоящего изобретения в дополнение к иллюстративным вариантам осуществления, показанным и описанным в настоящем документе. Модификации и замены, выполненные специалистом в данной области техники, считаются находящимися в пределах объема настоящего изобретения, которое не должно быть ограничено за исключением следующей формулы изобретения.[067] Although the principles of the present invention have been described herein, those skilled in the art will understand that this description is provided by way of example only and not as a limitation on the scope of the present invention. Other embodiments are contemplated within the scope of the present invention in addition to the exemplary embodiments shown and described herein. Modifications and substitutions made by one skilled in the art are considered to be within the scope of the present invention, which is not to be limited except by the following claims.
Claims (24)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US62/871,878 | 2019-07-09 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021139935A RU2021139935A (en) | 2023-08-09 |
| RU2802454C2 true RU2802454C2 (en) | 2023-08-29 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017108311A1 (en) * | 2015-12-23 | 2017-06-29 | Asml Netherlands B.V. | A lithographic system and method |
| WO2017172874A1 (en) * | 2016-03-31 | 2017-10-05 | Ipg Photonics Corporation | Ultrafast pulse laser system utilizing intensity pulse shape correction |
| RU2670584C1 (en) * | 2014-02-03 | 2018-10-23 | Айпиджи Фотоникс Корпорэйшн | High-energy fiber laser, generating supershort pulses |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2670584C1 (en) * | 2014-02-03 | 2018-10-23 | Айпиджи Фотоникс Корпорэйшн | High-energy fiber laser, generating supershort pulses |
| WO2017108311A1 (en) * | 2015-12-23 | 2017-06-29 | Asml Netherlands B.V. | A lithographic system and method |
| WO2017172874A1 (en) * | 2016-03-31 | 2017-10-05 | Ipg Photonics Corporation | Ultrafast pulse laser system utilizing intensity pulse shape correction |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5499134A (en) | Optical pulse amplification using chirped Bragg gratings | |
| EP2549598B1 (en) | Inexpensive variable rep-rate source for high-energy, ultrafast lasers | |
| KR102528882B1 (en) | Pulsed laser systems with time-modulated rate and/or amplitude | |
| US20220294177A1 (en) | Ultrafast pulse laser system with multiple pulse duration fast switch | |
| US20220149579A1 (en) | Ultrashort pulse laser source with chirped pulse amplification and tailored pulse train | |
| JP2008523621A (en) | Bragg fiber in the system for the generation of high peak power light | |
| JP7463595B2 (en) | Multipulse Amplification | |
| JP7452926B2 (en) | Laser system and method for generating laser pulses with extremely high repetition rates | |
| KR20190093652A (en) | Generation of laser pulses in burst mode | |
| US20220337017A1 (en) | Method for generating gigahertz bursts of pulses and laser apparatus thereof | |
| EP2827461B1 (en) | Method and laser source for generation of optically synchronized dual-wavelength ultrashort light pulses | |
| JP4649927B2 (en) | Laser-induced modification processing apparatus and method | |
| KR20180126045A (en) | High-speed pulse laser system using intensity pulse shape correction | |
| KR20180072687A (en) | A non-linear optical system for generating or amplifying optical pulses by N-wave mixing, | |
| RU2802454C2 (en) | Ultra-fast pulsed laser system with fast switching of pulse duration | |
| US20240106185A1 (en) | Optical pulse generation device and optical pulse generation method | |
| RU2751446C1 (en) | Method for compensating for the narrowing of radiation spectrum in laser regenerative amplifier and device for its implementation | |
| WO2021010128A1 (en) | Laser device and method for generating laser light | |
| JP4114258B2 (en) | Multiple pulse light generation method and apparatus | |
| JP3464373B2 (en) | Pulse light generator | |
| JP2020500428A (en) | Method and apparatus for repetition rate locking of a mode-locked laser | |
| RU2021139935A (en) | ULTRA-FAST PULSED LASER SYSTEM WITH FAST SWITCHING OF PULSE DURATION | |
| Klenke et al. | Spatially separated non-linear pulse compression |