SI25975A - Hibridni laser za generiranje laserskih pulzov na zahtevo s konstantno energijo in metoda proizvajanja omenjenih pulzov - Google Patents

Abstract

Izum spada na področje konstrukcijskih detajlov laserskih naprav ter laserskih naprav za kontrolo intenzitete, frekvence, dolžine, polarizacije ali smeri izsevanih žarkov. Izum se nanaša na hibridni laser za generiranje pulzov na zahtevo s konstantno energijo, in na metodo proizvajanja omenjenih pulzov s pomočjo omenjenega hibridnega laserja. Bistvo hibridnega laserja je v tem, da vključuje vsaj en vir primarnih pulzov, vsaj en vir jalovih pulzov, vsaj dva ojačevalnika pulzov z različnim ojačevalnimspektrom in separator pulzov za ločevanje primarnih od jalovih pulzov, pri čemer se stabilizacija ojačitve in s tem konstantna energija primarni pulzov zagotovi s prilagoditvijo valovne dolžine jalovih pulzov, tako da se spekter jalovih pulzov premakne iz vrha ojačevalnega spektra drugega ojačevalnika. Prednostno se prilagoditev valovne dolžine jalovih pulzov zagotovi s spremembo temperature laserske diode ali z uporabo ustrezne vlakenske Braggove mrežice, s katero se doseže vklenitev valovne dolžinelaserske diode, ali z uporabo ustreznih prilagodljivih pasovnih filtrov v resonatorju ali z ustreznimi prilagodljivimi odbojnimi elementi v resonatorju.

Description

HIBRIDNI LASER ZA GENERIRANJE LASERSKIH PULZOV NA ZAHTEVO S KOSTANTNO ENERGIJO IN METODA PROIZVAJANJA OMENJENIH PULZOV

Področje tehnike

Izum spada na področje laserskih naprav za proizvajanje, pomnoževanje, modulacijo ali spreminjanje ponavljalne frekvence s pomočjo stimuliranih izsevanih svetlobnih valov, natančneje na področje konstrukcijskih detajlov laserskih naprav ter laserskih naprav za kontrolo intenzitete, frekvence, dolžine, polarizacije ali smeri izsevanih žarkov. Izum se nanaša na hibridni laser za generiranje laserskih pulzov na zahtevo, ki imajo konstantno energijo, in na metodo generiranja laserskih pulzov s konstantno energijo s pomočjo omenjenega hibridnega laserja.

Ozadje izuma in tehnični problem

Današnji laserski obdelovalni sistemi in metode izkazujejo potrebo po prilagodljivih laserskih virih, ki so zmožni generirati laserske pulze na zahtevo (angl, pulse on demand). Generiranje laserskih pulzov na zahtevo je še posebej pomembno pri uporabi hitrih skenirnih sistemov (npr. poligonski ali resnonančni skenirni sistemi), kjer je zaradi neprilagodljive hitrosti skeniranja zaželena visoka prilagodljivost laserskega sistema.

Hibridni laserji so laserji, ki združujejo različne geometrije ojačevalnih medijev, s čemer se izkoristi različne prednosti posamezne vrste ojačevalnih medijev. Pogosto se v ta namen uporabljajo predojačevalne stopnje na osnovi optičnih vlaken, ki zagotavljajo visok izkoristek in kvaliteto laserskega snopa, z dodatnimi trdninskimi močnostnimi ojačevalnimi stopnjami, ki omogočajo doseganje velikih vršnih moči oziroma velikih energij laserskih pulzov.

Pri proizvajanju laserskih pulzov na zahtevo se uporabljajo laserski viri, ki se jih z ustreznim dodatnim virom za generiranje jalovih pulzov, ojačevalnikom in separatorjem želenih pulzov združi v laserski sistem, pri čemer se jalovi pulzi uporabljajo za kontrolo ojačenja. Težave nastanejo v primerih, ko laserski sistemi vključujejo dva ali več različnih tipov ojačevalnikov, na primer enega ali več vlakenskih in enega ali več trdninskih ojačevalnikov. Različni ojačevalni spektri vlakenskih in trdninskih ojačevalnikov ter različne spektralne širine primarnih in jalovih pulzov privedejo do razlike v ojačenju med primarnimi in jalovimi pulzi in s tem do prehodnih pojavov. Posledično zaradi delovanja v režimu pulzov na zahtevo, amplituda oziroma energija pulzov ni več konstantna, kar je nezaželeno s stališča delovanja oziroma uporabe laserja. Na primer, z iterbijem dopirani vlakenski ojačevalniki imajo širok ojačevalni spekter, posledično je ojačenje primarnih (s širokim spektrom) in jalovih pulzov (z ozkim spektrom) enako. Nasprotno pa imajo trdninski ojačevalniki običajno ožji ojačevalni spekter, posledično je lahko ojačenje primarnih pulzov manjše od ojačenja jalovih pulzov, kar privede do prehodnih pojavov, ki se izražajo kot spreminjanje energij pulzov pri delovanju v režimu pulzov na zahtevo, saj laser v tem primeru zaradi različnih ojačenj ne deluje v stacionarnem režimu.

Za delovanje v režimu pulzov na zahtevo brez prehodnih pojavov, torej s konstantnimi energijami pulzov, morajo imeti primarni (želeni) pulzi s širokim spektrom in jalovi pulzi enako ojačenje na vseh stopnjah ojačenja, še posebno v primeru hibridnih laserjev, ki uporabljajo vlakenske in trdninske ojačevalnike. Tehnični problem, ki ga pričujoči izum rešuje, je torej zasnova hibridnega laserskega sistema, ki bo omogočal generiranje pulzov na zahtevo s konstantno energijo, kar pomeni, da mora omenjeni laserski sistem izločiti oziroma preprečiti prehodne pojave pri ojačenju pulzov. Izum mora biti primeren za integracijo v različne laserske naprave ter mora omogočati enostavno uporabo v različnih laserskih postopkih, kjer so zaželeni pulzi na zahtevo.

Stanje tehnike

Delovanje laserja v načinu pulzov na zahtevo se lahko doseže na več različnih načinov, ki so že dobro raziskani in opisani v literaturi. Pri laserjih, ki ne zahtevajo visokih energij pulzov oz. velikih moči na izhodu, se lahko pulze na zahtevo tvori preprosto z modulatorjem svetlobe na izhodu laserskega ojačevalnika. V primeru večjih moči, pa je v izogib mehanskih poškodb v modulatorju, potrebno uporabiti bolj napredne tehnike. Med zahtevnejše tehnike sodi t. i. koherentno združevanje pulzov iz več ločenih ojačevalnikov. V tem primeru se lahko s kontroliranjem faze posameznih pulzov dobi konstruktivno oz. destruktivno interferenco pulzov na izhodu laserskega sistema in s tem delovanje v načinu pulzov na zahtevo. Tvorba pulzov na zahtevo je podrobneje opisana v patentu EP3590160.

Ker je koherentno združevanje pulzov tipično zelo zahtevno, se tako za tvorbo pulzov na zahtevo tipično uporabljajo druge metode, pri katerih z dodatnimi jalovimi pulzi nadzorujemo ojačenje primarnih pulzov v laserskem ojačevalniku. Jalovi pulzi skrbijo za konstantno obrnjeno zasedenost ojačevalnika in jih je potrebno na izhodu ojačevalnika ločiti od primarnih pulzov, za kar lahko uporabimo različne tehnike. Obstoječi izumi, ki temeljijo na uporabi jalovih pulzov, se tako predvsem ločijo v načinih tvorbe jalovih in primarnih pulzov ter načinih ločevanja jalovih in primarnih pulzov na izhodu iz laserskega ojačevalnika.

V patentu US8149886 je tako opisano delovanje v načinu pulzov na zahtevo z uporabo enega vira za tvorbo tako jalovih kot primarnih pulzov in ločevanje le-teh na osnovi različne polarizacije primarnih in jalovih pulzov. Ta rešitev se razlikuje od pričujočega izuma, ker slednji za ločevanje primarnih in jalovih pulzov ne uporablja različne polarizacije, hkrati pa uporablja dva ali več virov za tvorbo primarnih in jalovih pulzov.

V patentu US8717670 je opisano ločevanje na osnovi frekvenčne pretvorbe svetlobe oz. na osnovi uporabe modulatorja svetlobe na izhodu ojačevalnika. V tem dokumentu se za uporabo tako primarnih kot jalovih pulzov uporablja dioda s preklopom ojačenja. Dioda jalove pulze generira z mnogo večjo ponavljalno frekvenco kot primarne pulze, zaradi česar je vršna moč jalovih pulzov mnogo manjša od vršne moči primarnih pulzov. To omogoča učinkovito ločevanje jalovih in primarnih pulzov s frekvenčno pretvorbo svetlobe. Ta rešitev se razlikuje od pričujočega izuma, ker slednji ne uporablja optičnih modulatorjev na izhodu laserskega ojačevalnika in ker pričujoči izum omogoča tvorbo pikosekundnih oz. femtosekundnih primarnih pulzov.

Namesto diode s preklopom ojačenja se lahko za tvorbo primarnih in jalovih pulzov uporablja tudi laserski oscilator, kot je to opisano v dokumentu DE102014017568. V omenjenem dokumentu je poleg laserskega resonatorja ključen tudi optični modulator, ki omogoča modulacijo pulzov iz oscilatorja, in s tem tvorbo primarnih oz. jalovih pulzov. Primarni pulzi imajo največjo amplitudo, medtem ko imajo jalovi pulzi mnogo manjšo amplitudo in mnogo večjo ponavljalno frekvenco. Zaradi manjše amplitude in večje frekvence imajo jalovi pulzi mnogo manjšo vršno moč kot primarni pulzi. Zaradi manjše vršne moči je ponovno možno ločevanje primarnih in jalovih pulzov na podlagi frekvenčne pretvorbe svetlobe. V omenjenem dokumentu je tudi ključno natančno poznavanje dinamike ojačevalnika, s katerim lahko dosežejo različne izhodne energije primarnih pulzov. Podobni pristopi so opisani tudi v patentu US9570877. Natančno poznavanje dinamike ojačevalnika je ključno tudi za napravo opisano v dokumentu DE102017210272, kjer uporabijo bodisi enega bodisi dva pulzna svetlobna vira za generiranje primarnih in jalovih pulzov.

Dva svetlobna vira za generiranje primarnih in jalovih pulzov se uporabljata tudi v napravi opisani v patentu US7885298. Tudi v temu primeru se primarni in jalovi pulzi na izhodu ločijo s frekvenčno pretvorbo svetlobe. V omenjenem dokumentu je opisana kontrola ojačenja pulzov v vlakenskem ojačevalniku, ne omenja pa trdninskih ojačevalnikov ali kombinacij različnih tipov ojačevalnikov z različnimi spektri ojačenja, kar se konceptualno razlikuje od pričujočega izuma. V primeru kombinacije različnih tipov ojačevalnikov namreč zgolj uporaba dodatnega vira za tvorbo jalovih pulzov ni zadosten pogoj za uspešno kontrolo ojačenja zaradi že zgoraj omenjenih razlik v spektrih ojačenja.

Opis rešitve tehničnega problema

Glede na zgoraj opisane znane rešitve je torej naloga izuma zagotoviti dodaten nadzor nad sekundarnim svetlobnim virom, ki proizvaja jalove pulze, kar bo omogočilo enakomerno ojačenje z ojačevalniki dveh različnih tipov in konstantno energijo želenih pulzov po separaciji z ustreznim separatorjem. Tehnični problem je rešen s hibridnim laserjem, kot je opisan v neodvisnem patentnem zahtevku, medtem ko so v odvisnih zahtevkih predstavljene prednostne izvedbe laserja po izumu. Nobena izmed do sedaj znanih rešitev ne predvideva spremembe oziroma prilagoditve spektra jalovih pulzov z namenom kontrole ojačenja pulzov.

Bistvo hibridnega laserja za generiranje pulzov na zahtevo s konstantno energijo po izumu je v tem, da za stabilizacijo ojačitve uporablja prilagoditev valovne dolžine jalovih pulzov, ki jih proizvaja en ali dva ali več izvorov jalovih pulzov. Sprememba valovne dolžine jalovih pulzov se lahko doseže na različne načine. V primeru, da se kot vir jalovih pulzov uporablja vlakenski ali trdninski laser, se lahko prilagoditev valovne dolžine doseže z uporabo ustreznih prilagodljivih pasovnih filtrov v resonatorju oz. z ustreznimi prilagodljivimi odbojnimi elementi v resonatorju, na primer uklonsko mrežico ali Braggovo mrežico. V prednostnem primeru se kot vir jalovih pulzov uporablja lasersko diodo, kjer je spremembo valovne dolžine možno doseči bodisi s spremembo temperature laserske diode, bodisi z uporabo ustrezne vlakenske Braggove mrežice, s katero dosežemo vklenitev valovne dolžine laserske diode. Najbolj enostavna metoda je sprememba temperature laserske diode, ki jo uporabnik lahko selektivno izbere z ustreznim krmiljenjem vgrajenih termoelektričnih elementov v sami laserski diodi. Temperatura izvora se prednostno nastavi na območju med 10 in 50 °C s prilagajanjem toka na termoelektričnem elementu, odvisno od želenega premika valovnih dolžin, ker je spekter jalovih pulzov odvisen od temperature izvora. Bolj kot sprememba temperature je bistvena sprememba valovne dolžine, ki jo je potrebno ustrezno (optimalno) odmakniti iz centra ojačenja. Želena prilagoditev valovne dolžine jalovih pulzov je možna ob vnaprejšnjem poznavanju ali meritvi ojačevalnega spektra trdninskega ojačevalnika in spektra primarnih laserskih pulzov, saj se lahko želena valovno dolžina jalovih pulzov vnaprej izračuna. Izračun potrebne valovne dolžine jalovih pulzov temelji na Frantz-Nodvikovih enačbah [1], ki opisujejo ojačenje svetlobe v laserskih ojačevalnikih in se lahko zapišejo kot = y In (1 - g,„ (1 - exp[2E_in / E_s ])) _Δ ¹ J exp[2£,„/£_s] ⁽¹⁾ σ£ ^exp[2£,„/£j + l/^_n-1J ’ kjer je Eout energija pulza na izhodu iz ojačevalnika, Es saturacijska energija ojačevalnika, En energija pulza ob vhodu v ojačevalnik, Aout obrnjena zasedenost v ojačevalniku po tem, ko pulz zapusti ojačevalnik, σ presek za stimulirano emisijo in L dolžina ojačevalnika. Ojačenje pri majhnem signalu gin v trenutku, ko pulz pride v ojačevalnik lahko zapišemo kot kjer je Δίη obrnjena zasedenost ojačevalnika v trenutku, ko pulz pride v ojačevalnik.

Ker je trajanje delovanja v načinu pulz na zahtevo dolgo v primerjavi s procesi povezanimi s črpanjem ojačevalnika, je potrebno črpanje ojačevalnika upoštevati pri modeliranju procesov v načinu pulzov na zahtevo. Optično črpanje vpliva na obrnjeno zasedenost ojačevalnika in ga lahko opišemo z enačbo

Δ(/) = Δ_οωεχρ(-^ί) + ^(1-εχρ(-Αΐ)), (2) kjer je Δ časovno odvisna obrnjena zasedenost po tem ko pulz zapusti ojačevalnik. Parametra A in B vpeljemo kot ^Α = ^2σ _Ρ^_Ρ-^^ j_n B = a_pcn_pN _kj_er j_{e presek za} absorpcijo črpalne svetlobe in n_p gostota črpalnih fotonov, τ je življenjski čas zgornjega laserskega nivoja in N gostota aktivnih ionov v ojačevalnem mediju. Med tem, ko je posamezen pulz v ojačevalniku lahko vpliv črpanja zanemarimo.

S preoblikovanjem enačb (1) lahko nato dobimo pogoj za valovno dolžino jalovih pulzov preko numerične rešitve enačbe , σ, =—In ¹ L\ l-exp l-exp ha>₀ ²⁽⁷I^E _m

Πω₀ (3) kjer je σι efektivni presek za stimulirano emisijo v trdninskem ojačevalniku za jalove pulze, L dolžina ojačevalnika, Δ obrnjena zasedenost ojačevalnika, E_out izhodna energija laserskih pulzov, Ej_n vhodna energija laserskih pulzov, /7 reducirana

Planckova konstanta in ω₀ nosilna frekvenca laserskih pulzov. Efektiven presek za stimulirano emisijo jalovih pulzov je definiran kot σ, = a₀$S(JWl,)dA , (4) kjer je S(A) ojačevalni spekter trdninskega ojačevalnika in σο presek za stimulirano emisijo pri valovni dolžini, ki ustreza maksimumu ojačevalnega spektra trdninskega ojačevalnika. Z izračunano vrednostjo za σι, ki se jo dobi iz enačbe (3), se lahko nato iz enačbe (4) izračuna potrebno valovno dolžino jalovih pulzov. Izhodno energijo laserskih pulzov E_out lahko določimo eksperimentalno ali pa jo določimo z rešitvijo Frantz-Nodvikovih enačb (1) za primarne laserske pulze.

Hibridni laser v prednostni izvedbi vključuje vsaj:

- vir primarnih pulzov z večjo širino spektra (tipično večjo od 2 nm),

- vsaj en element kot je na primer preklopnik pulzov (angl, pulse picker), s katerim je možno spreminjati ponavljalno frekvenco primarnih pulzov, razen v primeru, ko vir primarnih pulzov omogoča generiranje pulzov z različnimi ponavljalnimi frekvencami oziroma pulzov na zahtevo,

- vsaj en dodatni izvor za generiranje jalovih pulzov, katerih valovno dolžino je možno prilagoditi na območju nekaj nanometrov, tipično od 0,5 nm do 5 nm,

- vsaj en element za združevanje primarnih in jalovih pulzov,

- vsaj dva ojačevalnika, ki imata različna ojačevalna spektra, prednostno vsaj en vlakenski ojačevalnik in vsaj en trdninski ojačevalnik,

- opcijsko kompresor pulzov,

- separator pulzov za ločevanje primarnih (želenih) od jalovih pulzov, ter - kontrolno elektroniko za preklapljanje med primarnimi in jalovimi pulzi.

Vir primarnih pulzov je laserski oscilator, ki za generacijo laserskih pulzov lahko izkorišča tehniko preklopa ojačenja (angl, gain switching), preklop kvalitete resonatorja (angl. Q-switching) ali faznega vklepanja (angl, mode-locking). Prednostno je vir primarnih pulzov fazno vklenjen laserski oscilator, ki proizvaja pulze z dolžino manjšo od 10 ps pri ponavljalni frekvenci nad 1 MHz in povprečni moči okoli 1 mW pri 1030 nm. V tem primeru se za selekcijo želenih primarnih pulzov uporabi dodaten preklopnik pulzov, s katerim je možno izbirati posamezne primarne laserske pulze, ki se nato ojačujejo v laserskih ojačevalnikih.

Preklopnik pulzov je naprava, s katero je mogoče zelo hitro preklapljati med posameznimi laserskimi pulzi, pri čemer prepusti le izbrane pulze. Preklopnik pulzov je lahko bodisi akustooptični modulator, elektrooptični modulator ali polprevodniški optični ojačevalnik (angl, semiconductor optical amplifier). Prednostno je preklopnik pulzov akustooptični modulator z odzivnim časom krajšim od 100 ns.

Kot vlakenski ojačevalnik se smatra dopirano optično vlakno in pripadajoč črpalni sistem, s čimer dosežemo ojačenje laserskih pulzov. Prednostno so vlakenski ojačevalniki sestavljeni iz optičnih vlaken dopiranih z iterbijem, lahko pa so dopanti tudi drugi elementi poznani na področju tehnike. Vlakenskih ojačevalnikov je lahko več, pri čemer je točna lokacija preklopnika pulzov in združevalnika pulzov v verigi ojačevalnikov poljubna, pri čemer sta za združevalnikom pulzov vsaj še en vlakenski in vsaj še en trdninski ojačevalnik.

Trdninski ojačevalnik je dopiran kristal ali steklo, pri katerem laserski pulzi niso vodeni po ojačevalniku (kot v primeru vlakenskih ojačevalnikov), prednostno z iterbijem dopiran kristal YAG, črpan z diodnimi laserji pri valovni dolžini okoli 940 nm ali okoli 969 nm.

V primeru, ko se za vir primarnih pulzov uporablja vir ultrakratkih pulzov (na primer fazno vklenjen laserski oscilator), se lahko pred ojačevalniki dodatno uporabi tudi raztegovalnik laserskih pulzov. Prav tako se lahko v tem primeru uporabi tudi kompresor laserskih pulzov za izhodom iz zadnjega ojačevalnika.

Virov za generiranje jalovih pulzov je lahko poljubno, prednostno je en, alternativno pa dva ali več. V primeru uporabe enega vira jalovih pulzov je pomembno, da je vir takšen, da se lahko spreminja valovna dolžina in amplituda jalovih pulzov. V primeru dveh ali več virov jalovih pulzov pa je pomembno, da je vsaj en vir jalovih pulzov spektralno zamaknjen glede na ostale in se mu lahko spreminja amplituda pulzov. Vir jalovih pulzov je lahko DFB laserska dioda, prednostno trajanje jalovih pulzov je okoli 30 ns. V kolikor se uporabi en vir za jalove pulze, se mu prednostno spremeni valovna dolžina s temperaturno regulacijo na izvoru, alternativno pa z uporabo ustrezne vlakenske Braggove mrežice. V kolikor sta vira jalovih pulzov dva ali več, se premik valovnih dolžin na enake možne načine, kot v primeru enega vira, izvede za vsaj enega od virov jalovih pulzov. En vir ima tako valovno dolžino približno enako spektralnemu vrhu trdninskega ojačevalnika, drugi pa ima valovno dolžino na robu ali izven ojačevalnega spektra trdninskega ojačevalnika, ampak znotraj ojačevalnega spektra vlakenskega ojačevalnika, s čemer ni vpliva na ojačenje z le-tem. Delovanje v tem primeru je tako sledeče:

- vsota energij obeh jalovih pulzov mora biti konstantna in enaka energiji primarnega pulza, in

- amplituda jalovih pulzov se mora prilagoditi, zato da se lahko doseže ustrezno ojačenje v trdninskem ojačevalniku.

Pomembno je, da oba jalova vira ležita na različnih delih na ojačevalni krivulji trdninskega ojačevalnika, torej morata imeti različno ojačenje v trdninskem ojačevalniku, pri čemer mora imeti en večje ojačenje od primarnih pulzov, drugi pa manjše ojačenje.

Za ločevanje primarnih pulzov od jalovih se uporabi separator, ki lahko temelji na polarizacijskem ločevanju (v primeru različnih polarizacij primarnih in jalovih pulzov), na frekvenčnem podvajanju (v primeru različnih dolžin primarnih in jalovih pulzov) ali kombinaciji obojega, prednostno frekvenčno podvajanje (angl. Second harmonic generation oz. SHG), v katerega prihajajo izhodni pulzi iz kompresorja.

Hibridni laser po izumu je dodatno opremljen z ustreznimi elementi (npr. akustooptični ali elektrooptični modulator) in pripadajočo kontrolno elektroniko, ki omogočajo spreminjanje ponavljalne frekvence pulzov iz primarnega vira ter z kontrolno elektroniko, ki omogoča krmiljenje sekundarnih virov pulzov na način, s katerim je možno dobiti jalove pulze s poljubno frekvenco ponavljanja.

Metoda proizvajanja pulzov s konstantno energijo s hibridnim laserjem po izumu obsega sledeče korake:

a) generiranje primarnih pulzov s primarnim izvorom, izbor želenih pulzov, opcijsko razteg pulzov z Braggovo mrežico in opcijsko ojačenje z vsaj enim vlakenskim ojačevalnikom,

b) generiranje jalovih pulzov z vsaj enim dodatnim izvorom za jalove pulze in prilagajanje valovne dolžine jalovih pulzov na območju ojačevalnega spektra trdninskega ojačevalnika,

c) ojačenje pulzov nastalih v korakih a) in b) z vsaj enim prvim ojačevalnikom, prednostno z vlakenskim ojačevalnikom,

d) ojačenje pulzov iz koraka c) z vsaj enim drugim ojačevalnikom, ki ima drugačen ojačevalni spekter kot prvi ojačevalnik, prednostno s trdninskim ojačevalnikom, e) opcijsko stisk pulzov iz koraka d) s kompresorjem, in

f) ločevanje primarnih od jalovih pulzov iz koraka e) z ustreznim separatorjem.

Hibridni laser ter metoda proizvajanja ultrakratkih pulzov z enako energijo po izumu omogočata nastanek primarnih pulzov, ki imajo vsi enako energijo, kar pomeni, da je v želenem trenutku proizveden korekten pulz z želenimi značilnostmi, ki so pomembne za različne aplikacije z resonančnimi ali poligonskimi skenirnimi sistemi. Temperaturna regulacija ojačenja je enostavna za izvedbo in kontrolo, zaradi česar je dobljeni sistem kompakten, zanesljiv in brez nepotrebnih konstrukcijskih komplikacij.

Možna je tudi izvedba laserja z večjim številom ojačevalnikov različnih tipov, ki imajo različne ojačevalne spektre, pri čemer se konstantna energija želenih pulzov zagotovi na enak način kot zgoraj, in sicer s prilagoditvijo valovne dolžine jalovih pulzov. V takšnem laserju bi bila vključena vsaj dva vira jalovih pulzov, vendar pa je racionalnost takšnega laserja vprašljiva, zato takšna izvedba ni prednostna.

Hibridni laser za generiranje pulzov na zahtevo s konstantno energijo po izumu, njegovo delovanje ter metoda generiranja omenjenih pulzov bo v nadaljevanju podrobneje opisana s pomočjo izvedbenega primera in slik, ki prikazujejo:

Slika 1 Ojačitev pulzov z vlakenskim ojačevalnikom s širšim spektrom ojačenja

Slika 2 Ojačitev pulzov s trdninskim ojačevalnikom z ožjim spektrom ojačenja Slika 3 Odvisnost spektra jalovega pulza od temperature izvora

Slika 4 Ojačitev pulzov s trdninskim ojačevalnikom s premikom valovne dolžine jalovih pulzov iz enega vira jalovih pulzov

Slika 5 Ojačitev pulzov s trdninskim ojačevalnikom s premikom valovne dolžine dveh jalovih pulzov iz dveh virov jalovih pulzov

Slika 6 Shema hibridnega laserja za generiranje ultrakratkih pulzov na zahtevo po izvedbenem primeru

Spektri pulzov in ojačenja z vlakenskim ojačevalnikom s širšim spektrom ojačenja so prikazani na sliki 1, kjer so na levi strani vhodni primarni pulzi (1) in jalovi pulzi (2) z enako energijo kot primarni pulzi, na desni strani pa so izhodni ojačeni primarni pulzi (6) in jalovi pulzi (7). Ker ima vlakenski ojačevalnik širok spekter ojačenja (3), znotraj katerega se nahajata tako spekter (4) primarnih pulzov (1) kot tudi spekter (5) jalovih pulzov (2), je ojačenje obeh vrst pulzov enako.

Spektri pulzov in ojačenja s trdninskim ojačevalnikom z ožjim spektrom ojačenja so prikazani na sliki 2, kjer so na levi strani vhodni primarni pulzi (1) in jalovi pulzi (2) z enako energijo kot primarni pulzi, na desni strani pa so izhodni ojačeni primarni pulzi (6) in jalovi (7) pulzi, pri čemer je razvidna variacija v amplitudah oziroma energijah izhodnih primarnih pulzov (6). Ker ima trdninski ojačevalnik ozek spekter ojačenja (3a), se znotraj le-tega nahaja le spekter (5) jalovih pulzov (2), spekter (4) primarnih pulzov (1) pa le delno (del spektra 4a je izven emisijskega spektra), zaradi česar ojačenje obeh vrst pulzov ni enako.

Slika 3 prikazuje odvisnost spektra jalovih pulzov od temperature, pri čemer se vrh spektra pri temperaturi 20 °C nahaja pri približno 1028,7 nm, z višanjem temperature proti 47 °C pa se vrh spektra premika proti 1032 nm.

Slika 4 prikazuje ojačenja s trdninskim ojačevalnikom v primeru hibridnega laserja z enim izvorom jalovih pulzov. Hibridni laser po izvedbenem primeru I je tako sestavljen iz:

- izvora primarnih pulzov z ustreznim preklopnikom pulzov in raztegovalnikom pulzov.

- enega dodatnega izvora za generiranje jalovih pulzov, katerih valovno dolžino je možno spreminjati s spremembo temperature izvora, pri čemer je temperatura izvora od 10 do 50 °C, prednostno med 40 in 45 °C, in je omenjeni izvor prednostno 1030 nm DFB laserska dioda,

- Yb-dopiranega vlakenskega ojačevalnika,

- Yb:YAG trdninskega ojačevalnika,

- kompresorja pulzov,

- separatorja pulzov za ločevanje primarnih (želenih) od jalovih pulzov, ter

- kontrolne elektronike za preklapljanje med primarnimi in jalovimi pulzi ter kontrolo preklopnika pulzov.

Ob premiku (5a) valovne dolžine jalovih pulzov (5) kot je prikazano na sliki 4, se doseže enakomernost izhodnih primarnih pulzov.

Slika 5 prikazuje ojačenje s trdninskim ojačevalnikom v primeru hibridnega laserja z dvema izvoroma jalovih pulzov. Hibridni laser po izvedbenem primeru II je tako sestavljen iz:

- izvora primarnih pulzov z ustreznim preklopnikom pulzov in raztegovalnikom pulzov,

- dveh dodatnih izvorov za generiranje jalovih pulzov, od katerih ima en vir valovno dolžino blizu maksimuma spektra ojačenja trdninskega ojačevalnika, valovna dolžina drugega jalovega vira pa je dovolj izmaknjena, tako da je ojačenje v trdninskem ojačevalniku za drugi jalov vir znatno nižje od prvega jalovega vira in sta oba omenjena vira prednostno 1030 nm DFB laserski diodi,

- Yb-dopiranega vlakenskega ojačevalnika,

- Yb:YAG trdninskega ojačevalnika,

- kompresorja pulzov,

- separatorja pulzov za ločevanje primarnih (želenih) od jalovih pulzov, ter

- kontrolne elektronike za preklapljanje med primarnimi in jalovimi pulzi ter kontrolo preklopnika pulzov in kontrolo amplitud pulzov iz obeh jalovih virov.

Pri tej varianti ni poudarek na tem, da se lovi točno določeno (optimalno) valovno dolžino, kot pri primeru I. Važno je samo, da je en vir jalovih pulzov dovolj odmaknjen od drugega, torej da pade nekam na mejo ali celo izven spektra ojačenja v trdninskem ojačevalniku. Z nastavljanjem amplitude obeh jalovih virov se nato doseže enak efekt kot v izvedbenem primeru I.

Na levi strani slike 5 so vhodni primarni pulzi (1) in prvi jalovi pulzi (2a) ter drugi jalovi pulzi (2b), pri čemer je vsota energij prvih in drugih jalovih pulzov enaka energiji primarnih pulzov (1), na desni strani pa so izhodni ojačeni primarni pulzi (6) in jalovi (7a, 7b) pulzi. Valovna dolžina prvih jalovih pulzov (5a) je v okolici maksimuma spektra ojačenja trdninskega ojačevalnika (3a), valovna dolžina drugih jalovih pulzov (5b) pa je dovolj izmaknjena, da je ojačenje drugih jalovih pulzov v trdninskem ojačevalniku znatno nižje od ojačenja prvih jalovih pulzov. S primerno razliko v amplitudah (2c) med prvimi (2a) in drugimi (2b) jalovimi pulzi, se doseže enakomernost izhodnih primarnih pulzov (6), pri čemer je energija primarnih pulzov (6) enaka vsoti energij prvih (7a) in drugih (7b) jalovih pulzov.

Slika 6 prikazuje izvedbeni primer III hibridnega laserja po izumu, pri čemer je sistem sestavljen iz:

- sprednjega modula (a), ki ga sestavlja vlakenski oscilator, ki proizvaja pikosekundne pulze pri ponavljalni frekvenci 30 MHz, raztegovalnik pulzov, vlakenski ojačevalnik in preklopnik pulzov;

- dva dodatna vlakenska ojačevalnika (c) in (d) ter Yb:YAG trdninski ojačevalnik (e);

- kompresor (f);

izvor jalovih pulzov s trajanjem 32 ns, ki je nameščen za sprednjim modulom (a), pri čemer lahko jalovi pulzi nadomestijo primarne pulze iz modula (a);

- kontrolno elektroniko za krmiljenje preklopnika pulzov, izvora jalovih pulzov in za generiranje želenih sekvenc primarnih pulzov; ter

- separator SHG, ki je 2 mm dolg LBO (litijev triborat) kristal pri 55 °C, za filtriranje dolgih jalovih pulzov od primarnih pulzov, ki so izhodni pulzi (g) hibrinega laserja.

V obsegu izuma, kot je tukaj opisan in definiran v zahtevkih, so lahko možne tudi druge izvedbe hibridnega laserja, ki so jasne strokovnjaku s področja tehnike, kar pa ne omejuje bistva izuma, kot je opisan tukaj in definiran v zahtevkih.

Reference:

1. L. M. Frantz and J. S. Nodvik, Theory of Pulse Propagation in a Laser Amplifier, J. Appl. Phys. 34(8), 2346-2349 (1963).

Claims (16)

1. Patentni zahtevki

   1. Hibridni laser za generiranje pulzov na zahtevo s konstantno energijo, ki vključuje vsaj en vir primarnih pulzov, vsaj en vir jalovih pulzov, vsaj dva ojačevalnika pulzov z različnim ojačevalnim spektrom in separator pulzov za ločevanje primarnih od jalovih pulzov, pri čemer se stabilizacija ojačitve in s tem konstantna energija primarnih pulzov zagotovi s prilagoditvijo valovne dolžine jalovih pulzov, tako da se spekter jalovih pulzov premakne od centra ojačenja.
2. 2. Hibridni laser po zahtevku 1, značilen po tem, da se želena prilagoditev valovne dolžine jalovih pulzov izračuna kot numerična rešitev enačbe:

   l-exp l-exp σ, =— In ¹ ΖΔ , (3) < / kjer je σι efektivni presek za stimulirano emisijo v trdninskem ojačevalniku za jalove pulze, L dolžina ojačevalnika, Δ obrnjena zasedenost ojačevalnika, E_out izhodna energija laserskih pulzov, Ei_n vhodna energija laserskih pulzov, h reducirana Planckova konstanta in ωο nosilna frekvenca laserskih pulzov;

   pri čemer je efektiven presek za stimulirano emisijo jalovih pulzov definiran kot ^=^/5(/1)^)^, (4) kjer je S(A) ojačevalni spekter trdninskega ojačevalnika in σο presek za stimulirano emisijo pri valovni dolžini, ki ustreza maksimumu ojačevalnega spektra trdninskega ojačevalnika; in pri čemer se z izračunano vrednostjo za σι, ki se jo dobi iz enačbe (3), lahko iz enačbe (4) izračuna potrebno valovno dolžino jalovih pulzov.
3. 3. Hibridni laser po zahtevku 1 ali 2, značilen po tem, da je vir jalovih pulzov vlakenski ali trdninski laser in se prilagoditev valovne dolžine jalovih pulzov zagotovi z uporabo ustreznih prilagodljivih pasovnih filtrov v resonatorju ali z ustreznimi prilagodljivimi odbojnimi elementi v resonatorju, na primer uklonsko mrežico ali Braggovo mrežico.
4. 4. Hibridni laser po zahtevku 1 ali 2, značilen po tem, da je vir jalovih pulzov laserska dioda in se prilagoditev valovne dolžine jalovih pulzov izvede s spremembo temperature laserske diode.
5. 5. Hibridni laser po zahtevku 1 ali 2, značilen po tem, da je vir jalovih pulzov laserska dioda in se prilagoditev valovne dolžine jalovih pulzov izvede z uporabo ustrezne vlakenske Braggove mrežice, s katero se doseže vklenitev valovne dolžine laserske diode.
6. 6. Hibridni laser po zahtevku 4, značilen po tem, da se sprememba temperature laserske diode izbere z ustreznim krmiljenjem vgrajenih termoelektričnih elementov v sami laserski diodi, pri čemer se temperatura izvora nastavi na 10 do 50 °C s prilagajanjem toka na termoelektričnem elementu.
7. 7. Hibridni laser po kateremkoli izmed predhodnih zahtevkov, značilen po tem, da vključuje vsaj:

   - vir primarnih pulzov z večjo širino spektra, tipično večjo od 2 nm,

   - vsaj en element kot je na primer preklopnik pulzov (angl, pulse picker), s katerim je možno spreminjati ponavljalno frekvenco primarnih pulzov, razen v primeru, ko vir primarnih pulzov omogoča generiranje pulzov z različnimi frekvencami,

   - vsaj en dodatni izvor za generiranje jalovih pulzov, katerih valovno dolžino je možno prilagoditi na območju nekaj nanometrov, tipično od 0.5 nm do 5 nm,

   - vsaj en element za združevanje primarnih in jalovih pulzov,

   - vsaj dva ojačevalnika, ki imata različna ojačevalna spektra, prednostno vsaj en vlakenski ojačevalnik in vsaj en trdninski ojačevalnik,

   - opcijsko kompresor pulzov,

   - separator pulzov za ločevanje primarnih (želenih) od jalovih pulzov, ter - kontrolno elektroniko za preklapljanje med primarnimi in jalovimi pulzi.
8. 8. Hibridni laser po kateremkoli izmed predhodnih zahtevkov, značilen po tem, da je vir primarnih pulzov laserski oscilator, ki za generacijo laserskih pulzov lahko izkorišča tehniko preklopa ojačenja, preklop kvalitete resonatorja ali faznega vklepanja, prednostno fazno vklenjen laserski oscilator, ki proizvaja pulze z dolžino manjšo od 10 ps pri ponavljalni frekvenci nad 1 MHz.
9. 9. Hibridni laser po kateremkoli izmed predhodnih zahtevkov, značilen po tem, da je preklopnik pulzov akustooptični modulator, elektrooptični modulator ali polprevodniški optični ojačevalnik, prednostno akustooptični modulator z odzivnim časom krajšim od 100 ns.
10. 10. Hibridni laser po kateremkoli izmed predhodnih zahtevkov, značilen po tem, da je vlakenski ojačevalnik sestavljen iz optičnih vlaken dopiranih z iterbijem, lahko pa so dopanti tudi drugi elementi poznani na področju tehnike, pri čemer je vlakenskih ojačevalnikov lahko tudi več kot en in je točna lokacija preklopnika pulzov in združevalnika pulzov v verigi ojačevalnikov poljubna, pri čemer sta za združevalnikom pulzov vsaj še en vlakenski in vsaj še en trdninski ojačevalnik.
11. 11. Hibridni laser po kateremkoli izmed predhodnih zahtevkov, značilen po tem, da je trdninski ojačevalnik dopiran kristal ali steklo, pri katerem laserski pulzi niso vodeni po ojačevalniku, prednostno z iterbijem dopiran kristal YAG.
12. 12. Hibridni laser po kateremkoli izmed predhodnih zahtevkov, značilen po tem, da ima dodatno tudi raztegovalnik laserskih pulzov pred ojačevalniki ter kompresor laserskih pulzov za izhodom iz zadnjega ojačevalnika.
13. 13. Hibridni laser po kateremkoli izmed predhodnih zahtevkov, značilen po tem, da je virov jalovih pulzov je lahko poljubno, prednostno je en, alternativno pa dva ali več, pri čemer mora omogočati spreminjanje valovne dolžine in amplitude jalovih pulzov, prednostno je vir jalovih pulzov DFB laserska dioda.
14. 14. Hibridni laser po kateremkoli izmed predhodnih zahtevkov, značilen po tem, da ima vsaj dva vira jalovih pulzov in ima en v trdninskem ojačevalniku večje ojačenje od primarnih pulzov, drugi pa manjše ojačenje, pri čemer se prilagoditev izvede za vsaj enega od izvorov jalovih pulzov, tako da ima en vir valovno dolžino približno enako spektralnemu vrhu trdninskega ojačevalnika, drugi pa ima valovno dolžino na robu ali izven ojačevalnega spektra trdninskega ojačevalnika, ampak znotraj ojačevalnega spektra vlakenskega ojačevalnika, in pri čemer je

    - vsota energij obeh jalovih pulzov konstantna in enaka energiji primarnega pulza, in

    - se amplituda jalovih pulzov prilagodi, zato da se lahko doseže ustrezno ojačenje v trdninskem ojačevalniku, torej da je vsota energij obeh jalovih pulzov konstantna in enaka energiji primarnega pulza.
15. 15. Hibridni laser po kateremkoli izmed predhodnih zahtevkov, značilen po tem, da separator pulzov lahko temelji na polarizacijskem ločevanju, na frekvenčnem podvajanju ali kombinaciji obojega, prednostno pa separator temelji na frekvenčnem podvajanju.
16. 16. Metoda proizvajanja pulzov s konstantno energijo s hibridnim laserjem po kateremkoli izmed predhodnih zahtevkov, značilna po tem, da vključuje sledeče korake:

    a) generiranje primarnih pulzov s primarnim izvorom, izbor želenih pulzov, opcijsko razteg pulzov z Braggovo mrežico in opcijsko ojačenje z vsaj enim vlakenskim ojačevalnikom,

    b) generiranje jalovih pulzov z vsaj enim dodatnim izvorom za jalove pulze in prilagajanje valovne dolžine jalovih pulzov na območju ojačevalnega spektra trdninskega ojačevalnika,

    c) ojačenje pulzov nastalih v korakih a) in b) z vsaj enim prvim ojačevalnikom, prednostno z vlakenskim ojačevalnikom,

    d) ojačenje pulzov iz koraka c) z vsaj enim drugim ojačevalnikom, ki ima drugačen ojačevalni spekter kot prvi ojačevalnik, prednostno s trdninskim ojačevalnikom,

    e) opcijsko stisk pulzov iz koraka d) s kompresorjem, in

    f) ločevanje primarnih od jalovih pulzov iz koraka e) z ustreznim separatorjem.