TW201338319A - 光放大器系統及具有受限的脈衝能量之脈衝雷射 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種用於放大雷射脈衝之光放大器系統，其包括能夠接收一待放大雷射脈衝束且產生一經放大雷射脈衝束之一固態光增益介質及限制藉由在此光增益介質中光激勵所儲存之能量之構件。根據本發明，此等限制構件包括：一連續諧振腔；及第一光分離構件，其能夠將此連續諧振腔分成一共同部分及一損耗分支，該共同部分包括該光增益介質且該損耗分支包括光損耗構件，此光分離構件能夠選擇性地將一脈衝束引導至該連續諧振腔之此損耗分支之光軌道外且朝向該連續諧振腔之此損耗分支引導一連續束。

Description

光放大器系統及具有受限的脈衝能量之脈衝雷射
本發明涉及以脈衝模式操作雷射及光放大器。更具體言之，本發明涉及一種放大器或一種脈衝雷射，其中最大儲存及/或產生之能量限於一預定值。本發明較佳涉及一種棒型光纖放大器或雷射。
存在自一雷射系統產生脈衝輻射之許多方式。容易區別直接產生週期性脈衝序列之振盪器與增大別處產生之脈衝能量之放大器。脈衝雷射系統廣泛用於尤其係加工、標記、雕刻各種材料及為其打孔之行業中。在所有此等應用中，使用者希望僅在待加工之工件居中於雷射束時觸發脈衝之發射。因此，該系統在停止階段與一脈衝或一系列脈衝以一高速率發射之發射階段之間交替。此等發射階段與停止階段係在範圍可從數微秒至數分鐘之量級且以極多變頻率交替。
在此等停止階段及起動階段期間，因用於此等雷射之增益介質限制能量儲存能力而在所有固態雷射系統中出現一問題。多數現代固態雷射將連續雷射二極體用作為一激勵源。在一振盪器之情況下，一雷射材料插入一諧振器中且自一或多個激勵雷射二極體接收永久性輻射。該諧振器亦含有能夠阻止或允許雷射發射通過之一光開關。在一持續時間T1期間，該開關保持在一阻止位置中以使該雷射材料充滿能量。在此週期結束時，該開關突然開啟且發射出 一短雷射脈衝。來自該經發射雷射脈衝之能量係與儲存在雷射介質中之能量成比例。該等脈衝雷射經設計使得在一激勵週期期間儲存且因此由該脈衝發射之能量不會超過雷射組件之損壞臨限值。
一固態雷射通常具有一螢光時間，該螢光時間近似對應於在其期間能夠儲存能量之時間且遠長於在兩個靜止的連續脈衝發射之間經過之時間。例如，YAG中之釹離子之螢光時間係近似200 μs且玻璃中之鐿離子之螢光時間係近似1200 μs。此等持續時間遠長於通常以自10 kHz至數MHz之速率操作之脈衝雷射之典型週期。根據重複頻率，一脈衝序列雷射之兩個連續脈衝之間的持續時間T1因此通常低於100 μs且可低於1 μs。
當使用者停止雷射發射時，開關保持在阻止位置中。然而，隨著泵以連續模式操作，該開關繼續使增益介質充滿能量。當使用者決定使用雷射時，其打開開關且該雷射發射具有可遠大於靜止模式之能量之一脈衝。在固態雷射中此巨大的第一脈衝現象係熟知的且已提議許多解決方案以嘗試處理該現象。
另一方面，使用者可能希望在維持一恆定脈衝能量的同時即時修改脈衝頻率。在脈衝觸發應與一工件之移位同步時尤為如此。在該工件之加速階段及減速階段期間，脈衝頻率應隨可超過十之一倍數而改變。接著，儲存時間永久性地改變且變得不可能在增益介質中保持一恆定能量。
在專利US5226051中，提議一種固態雷射，其中當兩 個連續脈衝之間的持續時間超過一特定上限值時，激勵功率減小。以此方式，儲存在雷射介質中之能量限於對應於靜止模式之值。只有在可快速調變雷射二極體時才可應用此解決方案，但用於激勵固態雷射之多數功率二極體並非如此。此外，快速調變由一雷射二極體發射之功率大大減小其使用壽命且造成其發射波長變化，從而引起雷射脈衝波動。最後，此系統僅以一預定義速率進行操作。
專利US6038241描述一種固態雷射，其包括電子控制其損耗以維持在增益介質中(由經激發粒子數之量給定之)一能量位準接近靜止位準之一光開關。過剩能量係以具有與脈衝雷射束相同的幾何特性之一連續束之形式排空。此系統具有若干缺點：其需要複雜的控制電子裝置，其需要提前知道使用者中斷後之脈衝頻率，且其產生與主脈衝束方向相同、波長相同及偏光相同的一連續雷射束。
專利文件WO 2004/095657描述一種用於在一固態雷射中維持一恆定熱透鏡之類似系統。
專利US6009110提供一種基於一類似操作模式但適於具有波長轉換之內腔之雷射之電子系統之另一實例。
專利文件WO 2008/060407描述一種整合一電光偏光修改系統及一複雜的電子系統以在中斷雷射脈衝發射後消除第一脈衝(超強度)之再生放大器。此再生放大器包括一雷射腔及一電光調變器，從而使其可能將在外部產生之一脈衝注入該腔中且接著在大量脈衝通過該腔後噴射經放大脈衝。
此等不同系統可與經觸發雷射或再生放大器一起操作但是並不適於一單通道或雙通道放大器之情況。先前裝置使用具有一光開關放置在諧振器中之複雜控制模式。該等裝置亦可造成發射與雷射脈衝束共線之一連續雷射束，此可能對使用者而言係不可接受的。
本發明之一第一目的係防止光纖放大器系統之組件將過多能量儲存在增益介質中。秉持此目的，本發明尋求不管激勵功率、不管重複頻率及不管連續脈衝序列之間的中斷持續時間係多少仍限制儲存在一光纖增益介質中之能量。因此，本發明尋求限制在中斷一雷射脈衝序列發射後一第一雷射脈衝之能量。
本發明之一第二目的係不管脈衝頻率、兩個連續脈衝之間的中斷持續時間及/或激勵功率係多少，確保經遞送脈衝能量仍為常數。
本發明之目的係糾正先前技術之缺點且更具體言之涉及一種用於放大雷射脈衝之光放大器系統，此光放大器系統包括：一固態光增益介質，且此光增益介質能夠接收一待放大雷射脈衝束且產生一經放大雷射脈衝束；及用於限制藉由在此光增益介質中光激勵所儲存之能量之構件。根據本發明，此等限制構件包括：一連續諧振腔，其配置在此光增益介質周圍；及第一光分離構件，其配置在此連續諧振腔中，此第一光分離構件能夠將此連續諧振腔分成一共同部分及一損耗分支，該共同部分包括該光增益介質且 該損耗分支包括光損耗構件，此第一光分離構件能夠選擇性地將一脈衝束引導至該連續諧振腔之此損耗分支之光軌道外且朝向該連續諧振腔之此損耗分支引導一連續束，以當該增益介質之增益大於或等於與光損耗相等之一預定臨限值時在此連續諧振腔中產生一連續雷射束且產生脈衝能量受限之一經放大脈衝束，此光增益介質需要對該經放大脈衝束及該連續雷射束而言係唯一的之一傳播軸。
根據本發明之一特定態樣，本發明之光放大器系統亦包括能夠將此經放大脈衝束與連續雷射束空間上分離之一第二光分離構件，光增益介質擱置在第一光分離構件與該第二光分離構件之間，以沿一第一方向產生能量受限之一經放大脈衝束且沿另一方向產生一連續雷射束。
根據一較佳形式之實施例，此光增益介質包括一光纖或一光纖棒，在該增益介質中連續雷射束及脈衝束之軌道係共線的，且此光纖或此光纖棒具有光譜寬度大於或等於1 nm之放大頻寬或放大增益。
根據特定態樣，此第一光分離構件及/或該第二光分離構件包括能夠將一波長λ1之雷射脈衝束與一波長λ2之連續雷射束分離之至少一雙向色濾光器。
根據另一特定態樣，第二光分離構件包括一偏光濾光器及/或此第一光分離構件包括一偏光濾光器，此偏光濾光器能夠將根據一第一偏光之雷射脈衝束與根據與該第一偏光不同的一第二偏光之連續雷射束分離。
根據一較佳態樣，可調整此光損耗構件引發之光損耗 以調整連續諧振腔之臨限值。
本發明亦涉及一種具有經觸發脈衝之雷射，其包括：一固態光增益介質，其配置在一第一諧振腔中；光觸發構件，其配置在此第一諧振腔中以觸發在此第一諧振腔中發射一雷射脈衝束；及限制藉由在此光增益介質中光激勵所儲存之能量之構件。根據本發明，此雷射包括：一第二連續諧振腔，該第一諧振腔及該第二連續諧振腔具有包括該光增益介質及該光觸發構件之一共同部分，該第一諧振腔具有與此共同部分分離之至少一第一分支，且該第二諧振腔具有與此共同部分分離之至少一第二損耗分支，此第二損耗分支包括光損耗構件；及第一光分離構件，其配置在此第一諧振腔及第二諧振腔中以分別使該共同部分與該第一損耗分支及該第二損耗分支分離，此第一光分離構件能夠朝向該第一諧振腔之第一分支引導一雷射脈衝束且朝向該第二連續諧振腔之第二損耗分支引導一連續雷射束。
根據一特定形式之實施例，此光觸發構件包括一聲光調變器(偏光或非偏光)或一電光調變器。
根據一較佳形式之實施例，此光增益介質包括一光纖或一光纖棒，此光纖或此光纖棒具有光譜寬度大於或等於1 nm之一放大頻寬及/或一放大增益。
根據脈衝雷射之一特定態樣，第二光分離構件包括一雙向色濾光器及/或此第一光分離構件包括一雙向色濾光器，此雙向色濾光器能夠將一波長λ1之雷射脈衝束與一波長λ2之連續雷射束分離。
根據另一形式之實施例，第二光分離構件包括一偏光濾光器及/或此第一光分離構件包括一偏光濾光器，此偏光濾光器能夠將根據一第一偏光之雷射脈衝束與根據與該第一偏光不同的一第二偏光之連續雷射束分離。
根據本發明之不同態樣，此等光觸發構件包括Q開關型被動觸發器或一非偏光聲光調變器或一聲光調變器。
根據一特定態樣，可調整此等損耗構件以調整連續諧振腔之臨限值。
根據另一特定態樣，第二光分離構件包括一非線性晶體，該非線性晶體能夠以與輸出取決於入射波長及/或入射偏光及/或入射峰值功率之基波不同的一頻率產生一波。
本發明亦涉及一種根據所描述實施例模式之一者之經觸發脈衝之雷射及使用一能量限制器之光放大器，該系統包括藉由閉合該經觸發脈衝雷射之第一諧振腔之至少一光構件分離之兩個增益介質，其中由第二連續諧振腔產生之連續雷射束橫越第二增益介質。
本發明將尤其有利地應用於一光纖脈衝雷射。
本發明亦涉及在下文描述中提出且應被視為獨立於或根據所有其技術上可能的組合之特性。
本發明依賴於使用一種使得可在連續光激勵期間當能量儲存在一固態增益介質中時消除該能量之「溢流」的裝置。
更確切言之，本發明涉及一種系統，較佳係被動的， 使得可將由一經觸發振盪器或一放大器產生之脈衝能量限於一可調整值。該裝置可用於消除一脈衝系統中之一脈衝序列之第一脈衝，以便以隨機可變頻率下產生恆定能量脈衝或限制自一光放大器產生之傳出能量及避免在最終應用中有任何損壞。
為了簡化說明，吾人將首先描述在一放大器中之裝置操作。後文描述在一雷射諧振腔中之操作。
圖1係根據在一光增益介質中根據時間分佈之瞬時觸發(觸發脈衝30)之經激發離子(曲線33)之粒子數時間之演進之一示意圖。已知藉由觸發形成脈衝之一雷射振盪器所產生之一脈衝之能量E係與在光開關觸發前儲存在該增益介質中之能量成比例。當該觸發係週期性地進行時，如圖1所示前五個脈衝達到一靜止狀態。在該增益介質中激發之粒子數係在值nf與ni之間振盪。脈衝34之能量E係與差ni-nf成比例。在一系列脈衝後，吾人假定使用者在一標準操作時間前之一長時間期間停止發射脈衝，且經激發粒子數增大至其飽和之值n∞。當觸發恢復時，經發射第一脈衝35因為此極大的經激發粒子數儲存在雷射介質中而具有大得多的能量。同樣地，若連續觸發脈衝30之間的週期改變，則經發射脈衝34之能量E成比例地改變。該等經發射之高能脈衝34存在損壞尤其具有一放大光纖或一光纖棒之增益介質之風險。
本發明之目的係為了維持一最大經激發粒子數等於低於最大位準n∞之一預定義位準。圖2說明本發明中使用之 原理。由曲線31及33以及經發射脈衝35表示根據先前技術之一脈衝雷射之操作模式。以一觸發速率，經激發離子之粒子數係在值nf與ni之間振盪(曲線31)。若該觸發速率減小，則激勵時間增大且該經激發粒子數增大至介質之飽和值(曲線33)。此存在觸發一超強度脈衝35發射之風險。吾人希望不管雷射速率係多少，仍將經激發粒子數之位準限於一預定義值(如曲線32所示)。在此情況下，經發射脈衝34之能量限於(由曲線32定義之)經激發粒子數之此最大位準。為了獲得此限制效果，吾人在互連於主腔中之一雷射腔中使用一持續效果雷射。一連續雷射大致於腔中之增益恰好等於腔之損耗之一操作很快地穩定。此操作點對應於達到臨限值所需之粒子數位準，因為增益係與經激發粒子數成正比例。藉由改變連續雷射中之損耗之位準，接著可能調整雷射介質之經激發粒子數及調整脈衝放大之限制位準ni。
吾人現將描述在圖3示意性所示之一單通道放大器中此原理之使用。吾人考量一種連續激勵之光增益介質1。在圖3及下文中，未展示連續激勵源。在增益介質1中經激發離子之粒子數隨著激勵持續時間而增大直至飽和值為止。當一雷射脈衝入射在該增益介質1上時，該雷射脈衝係藉由受激發射而放大且引起在該增益介質中經激發粒子數減小。經放大脈衝之能量係與儲存在該介質中之能量成比例。如結合圖1所說明，在根據先前技術觸發之一雷射中，當激勵時間改變時，該等經放大脈衝之能量成比例地 改變。該等經放大脈衝之能量可超過放大器損壞臨限值。該等經放大脈衝之過剩能量對不管入射脈衝之重複速率係多少仍希望一恆定能量之使用者而言亦可為一問題。本發明提議如圖3所示之一第一特定形式之實施例。一雷射振盪器12用於產生待放大雷射脈衝10。兩個脈衝10之分隔時間可大比例改變但是使用者希望從放大鏈中獲得一恆定能量。待放大脈衝10係入射在一光增益介質1上。一濾光器7及一濾光器8定位在該增益介質1之各側上。該濾光器7及該濾光器8能夠有利地過濾一光束之偏光或波長。(以一直線所示之)一雷射腔或諧振器C2係由兩面鏡M5及M6形成，該兩面鏡之至少一者係部分反射的。該光增益介質1定位在已知諧振器C2內部。一可調整損耗系統9插入此諧振器C2中而非待放大脈衝10或經放大脈衝20之光軌道上。此可調整損耗系統可例如由與可能與濾光器7不同或相同之一偏光器相關聯之一四分之一波片9組成。對由此單元藉由調整由偏光器定義之偏光方向及該四分之一波片之慢軸方向形成之角度而引起之損耗進行調整。可有利地使該四分之一波片之旋轉機動化。在另一實施例中，損耗系統亦可由以透明材料之一片組成，其中可修改束之表面與軸之間的角度。此片之反射率隨著入射角而改變，因此可調節來自腔C2之損耗。該片可與一或多層一起處理以突出此可變反射率效果。
當放大器1之激勵時間增大時，此放大器1之增益增大直至該放大器增益等於腔C2中之損耗為止。接著，一連 續雷射振盪係在鏡M5與M6之間產生且維持經激發粒子數為對應於該連續雷射腔C2之振盪臨限值之值。當由振盪器12發射之一脈衝到達該放大器1中時，發現對應於此臨限值之經激發粒子數及其放大後之能量不會超過由裝置9之損耗設定之一上限值。
在一較佳形式之實施例中，光增益介質1係具有一寬增益頻寬之一增益介質，此意謂著能夠可能以一不同增益將一脈衝束放大至一第一波長λ1且將一連續雷射束放大至λ1之一第二不同波長λ2。較佳地，該光增益介質1係具有一寬增益光譜帶(較佳大於或等於1 nm)之一光纖或一光纖棒。該光纖或光纖棒增益介質通常具有一弱的橫越空間效力。接著，在該光纖或光纖棒增益介質中該脈衝束及該連續雷射束係共線。有利地，濾光器7及8係例如能夠傳輸波長λ1之一脈衝束且反射波長λ2之一連續雷射束之波長濾光器，波長λ1及λ2位於該增益介質之增益頻帶中。在此特定情況下，該增益介質1無法保持偏光且待放大束10無需偏光。
在圖4所示之另一形式之實施例中，鏡M5及M6併入濾光器7及8中。接著，此等濾光器7及8係在正入射角下操作。該等鏡M5、M6之至少一者應具有小於1之一反射率。此等濾光器7、8之各者可例如由反射波長λ2之光且透射任何其他波長尤其係λ1之一大型布拉格(Bragg)網路組成。接著，根據相同軸發射兩個連續及脈衝束。接著，該等束被另一光譜濾光器22分離，其可係一簡單雙向 色鏡或在非零入射角外運作之另一大型布拉格網路或以窄於λ1與λ2之間的間隔之一光譜接受之一諧波產生模組。可例如藉由改變布拉格網路7、8之一者之溫度而調整腔C2中之損耗調節。該溫度之此一變化將使該網路之反射率曲線稍微光譜移位。對應於兩個網路M5及M6之最大反射之波長不再準確對應，從而造成在腔C2中有損耗。位移越大，則損耗越大。
在圖5所示之一特定形式之實施例中，濾光器7及8可藉由採取例如光纖布拉格網路之形式而整合或焊接至放大光纖1，該等濾光器7及8之至少一者具有低於100%之一反射率。接著，選擇與待放大脈衝之波長不同的網路7及8之反射波長。因此，此兩個布拉格網路形成一腔C2，例如藉由調整該兩個布拉格光纖網路之一者之溫度而調整該腔C2之損耗。因此，在增益介質1中之增益超過由兩個布拉格網路7、8引起之損耗時，此腔C2可立即發射波長λ2之一連續輻射。
在圖6所示之另一形式之實施例中，在雙通道中使用光增益介質1。一偏光器13放置在振盪器12與該光增益介質1之間的光路徑上。該偏光器13係例如一偏光分離立方體。一四分之一波片15及一鏡M5放置在該增益介質1後面。待放大脈衝序列10根據一偏光而在該放大器1中形成一第一通道且根據相同傳播但在相反方向上且以一垂直偏光而形成一第二通道。該偏光器13使待放大之入射脈衝束10與經放大脈衝束20分離。如以圖3之實施例形式，一諧 振腔C2在端處具有一鏡M5及一鏡M6且包括寬增益頻寬增益介質1。該諧振腔C2亦包括一光損耗系統9。一濾光器7配置在諧振腔C2中在增益介質1與該光損耗系統9之間使得該光損耗系統9不在待放大脈衝10或經放大脈衝20之光軌道上。該濾光器7係能夠將一第一波長λ1與一第二波長λ2分離之一濾光器。因此，該濾光器7將該諧振腔C2分成一共同部分及包括該損耗系統之一分支。該共同部分包括該增益介質1。在該共同部分中，連續雷射束及脈衝之光軌道係共線的。鏡M5能夠反射波長λ1及λ2之兩個連續及脈衝束。在該諧振腔C2之損耗分支中僅傳播一連續雷射束11。較佳地，使用一可調整光損耗系統9。該光損耗系統9可例如由一片組成，該片係由其至該連續雷射束11之軸之角度可改變之玻璃或任何其他透明材料組成。藉由調整該光損耗系統9之損耗位準，可調節該諧振腔C2以限制儲存在該增益介質1中之能量而不影響待放大脈衝束之傳播。
可容易地將來自本發明之裝置之使用延伸至一短脈衝雷射。問題係類似的。為此，吾人提議互連兩個雷射諧振器，其等共用相同增益介質1。圖7展示一短脈衝雷射中之本發明之另一形式之實施例之一功能圖。該光增益介質1被形成(由一虛線所示)一第一諧振腔C1或第一雷射腔之端之兩面鏡M2及M3環繞。該兩面鏡(M2或M3)之一者係部分反射的。該第一諧振腔C1進一步包括一光開關4，該光開關4可係能夠修改一光束之方向之一聲光型開關或 能夠修改一光束之偏光之一電光開關。在整個激勵週期期間，該光開關4保持一固定狀態，在此期間吾人希望限制能量。根據本發明，吾人將建置藉由兩個端面鏡M5及M6閉合之一第二諧振腔C2(由一直線所示)，該兩個端面鏡之至少一者係半反射的以提取連續雷射束。該兩個諧振腔C1及C2共用相同光增益介質1。一光損耗系統9配置在屬於該第二腔C2且不是該第一腔C1之一部分之一分離的分支開關中。一濾光器7將諧振腔C2分成包括該增益介質1之一共同部分及包括該光損耗系統9之一損耗分支。在該共同部分之另一端中，一濾光器8使波長λ1之一束與波長λ2之一束分離。當該開關4阻止在第一腔C1中發射雷射脈衝時，在該增益介質1中經激發粒子數增大直至此介質中之增益等於該腔C2之損耗為止。在該增益介質1之增益達到該第二腔C2之損耗位準時，該第二腔C2立即自動設定至連續雷射且由光激勵系統提供之任何額外能量被轉至由該第二腔C2發射之連續雷射束上。有利地，一可調整損耗系統9係在該第二腔C2中用於調節損耗位準及因此增益介質1中之經激發粒子數之最大位準。該可調整損耗系統可由一偏光器(其係與放置在鏡M5與該偏光器之間的一四分之一波片相關聯)或一偏光器及放置在該濾光器7與該偏光器之間的一二分之一波片或具有一可變入射角之一單個玻璃片組成。
如以結合圖3描述之實施例形式，濾光器7及8較佳係具有能夠將一第一波長λ1之一脈衝束與一第二不同波長 λ2之一連續雷射束分離之一波長之濾光器。光增益介質1能夠可能以一不同增益放大該第一波長λ1之一脈衝束及該第二不同波長λ2之一連續雷射束。該光增益介質1較佳係具有一寬增益頻寬(較佳大於或等於1 nm)之一光纖或一光纖棒。
具有各種優點或缺點之許多變體係可能的。特定言之，存在使得可產生兩個諧振腔C1及C2而不引起該腔C1之過大損耗之組件7及/或8，該兩個諧振腔C1及C2之至少一物理性質係不同的。在一光纖或光纖棒增益介質中，該等光組件7及/或8亦分別確保在該兩個諧振腔C1及C2共用之光增益介質1中脈衝束之光學路徑及連續雷射束之光學路徑係共線的。
根據一第一變體(參考圖8)，組件8放置在諧振腔C1及C2外部，鏡M6形成該等諧振腔C1及C2共用之一出口端。該組件8使得可將連續雷射束11之發射方向與經放大脈衝束20(其係使用者關注之主束)之發射方向分離。因此，該連續雷射束11係在與雷射脈衝束20不同的一方向上發射。該連續雷射束11之輻射可達到一極高功率位準，但是可經誘捕以避免影響脈衝束20之使用。應注意該組件8可在反射時、在透射時或在吸收時起作用。
吾人提議能量限制器之一特定操作模式，此使得可確保由雷射發射之脈衝具有由使用者設定之一最大能量且亦消除寄生連續束而主脈衝束亦不產生損耗。
為了獲得互連且獨立之兩個腔C1、C2，吾人提議使用 能夠將具有一第一波長λ1之一束與具有一不同波長λ2之一束分離之波長濾光器7及8。在此情況下，該第一諧振腔C1係以由該等濾光器7及8透射之一第一波長λ1之雷射照射且該第二諧振腔C2係以由該等濾光器7及8反射之一不同波長λ2之雷射照射。該波長濾光器7可放置在增益介質1與腔底層鏡M2之間的任何地方。
主脈衝束係在鏡M2與M3之間振盪且可由開關4以一可變速率脈衝傳輸。連續雷射束係在鏡M5與M3之間振盪。
在一特定操作模式中，由一或多個雷射二極體連續激勵光增益介質1。開關4用於阻止在鏡M2與M3之間發射雷射脈衝。儲存在該介質1中之經激發粒子數逐漸增大。一旦該粒子數達到對應於由鏡M5及M6形成之第二諧振腔C2中之雷射效果之臨限值之位準，立即發射一連續雷射束。接著，該經激發粒子數藉由該連續雷射效果而恆定地維持為此值。一旦使用者藉由移動該開關4而觸發腔C1，具有波長λ1之一雷射脈衝係形成在該腔C1中且由該腔C1發射。波長濾光器8使得可將該波長λ1之脈衝束與該波長λ2之連續雷射束分離且將該波長λ2之連續雷射束排斥在主脈衝束之軌道外。
以一替代或補充方式，可能考量在第一諧盪腔C1中及/或在第二諧振腔C2中使用偏光性質。接著，該裝置係在一經偏光雷射之情況下操作。在該第一腔及/或該第二諧振腔之分離部分上，可能放置允許該兩個諧振腔根據兩種偏光狀態(例如，針對該第一諧振腔C1之水平偏光及針對該第 二諧振腔C2之垂直偏光)而起作用之一偏光元件。接著，主脈衝束(虛線)水平偏光且連續雷射束(直線)垂直偏光。
此外，用於調節經激發粒子數之限制位準之裝置可由一四分之一波相位片組成，其定向經調節使得當與一偏光器相關聯時，該相位片引發必要損耗以設定增益介質1可儲存之最大粒子數位準。亦可能使用一部分反射鏡M5以大致調適損耗位準且使用相位片裝置及偏光器以改善調整。
以圖9所示之一替代方式，濾光器7及/或8可由光纖布拉格網路組成。形成腔C1之反射器M2及M3亦可任一者或兩者皆係布拉格光纖式網路。該腔C1係由布拉格鏡M2及M3形成且自開關4產生脈衝。一旦增益介質1中之增益超過一預設臨限值，由網路7及8形成之腔C2立即發射一不同波長之一連續輻射。
在圖10所示之一特定組態中，可能使用本發明之標的以限制在整合多個光增益介質之一系統中產生之脈衝之能量。一標準情況包括在由鏡M2及M3組成之一雷射腔中使用一第一光增益介質1以產生一大致脈衝輻射，接著使用一第二光增益介質23以放大此輻射。能量限制器裝置借助於鏡M5及M3而整合至形成一第二腔之第一諧振器中，但是當儲存在該第一光增益介質1中之能量超過由使用者設定之限制時由腔C2產生之連續輻射11保持在待放大脈衝輻射20共用之一傳播軸上。為此，在該放大器1與該放大器23之間不應存在第二濾光器8。因此，該連續雷射束11 入射在該第二增益介質23上且被放大。其提取儲存在此第二增益介質23中之能量之部分，從而限制此第二增益介質23中經放大脈衝之能量。一濾光器8可在該第二增益介質23後面引進以使由該腔C2產生接著被放大器放大之連續輻射與由腔C1產生並被該放大器放大之脈衝輻射分離。
在圖10之一第一形式之實施例中，可能使用腔C1及C2所共用之一鏡M3。
在圖11中之一第二形式之實施例中，鏡M3僅反射脈衝波20且透射連續波11。接著，借助於定位在第二增益介質23後面且藉由濾光器8而與輻射20分離之鏡M5及一鏡M6而形成腔C2。再者，該濾光器8及該鏡M6可被採取例如一布拉格鏡或一雙向色鏡之形式之一單個元件取代。
在一特定形式之實施例中，第二濾光器8係由可自一基頻波產生適當波長之一諧波輻射之一非線性晶體組成。在此晶體中獲得之轉換結果將使產生於腔C1之波之偏光、波長及峰值功率最佳化且因此將遠弱於產生於腔C2之波。此系統未區別分別產生於腔C2及C1之連續波與脈衝波，但是藉由轉換結果而在不同方向上朝向一不同波長之一波引導該等波。特定言之，該非線性晶體可係經大小調整以產生第二基波諧波之一晶體。此晶體可係例如LBO、KTP、BBO或LiNbO3之一晶體。
圖12提議一特定形式之實施例，其中鏡M2被一繞射網路22取代且開關係一聲光調變器14。該繞射網路22具有低於兩階聲光調變器之間的繞射角度之一接受角度。接 著，當該聲光調變器處於通過位置中時，由該聲光調變器14繞射主脈衝束10。第一諧振腔C1之端係鏡M3及繞射網路22。一脈衝雷射脈衝束係在該第一諧振腔C1中振盪。為了阻止該第一諧振腔C1，該聲光調變器14之命令信號設定為零且光不再繞射。藉由將一鏡M5放置在該繞射網路22後面，形成具有鏡M5及鏡M3作為端之一第二諧振腔C2。當該聲光調變器14處於阻止位置中時，雷射脈衝10無法在增益介質1中放大。當該增益介質1之激勵繼續時，一連續雷射束11可形成在該第二諧振腔C2中。該繞射網路22選擇為極具角度選擇性以反射由該聲光調變器繞射之一束且以透射由該聲光調變器透射之一束。在此形式之實施例中，該聲光調變器用於在該第一腔C1中引導該脈衝束且在該第二腔C2中引導連續雷射束。以與先前實施例模式類似之一方式，該第二諧振腔C2包括較佳可調整以調整該第二雷射腔之臨限值之一光損耗系統9。一對濾光器7及8使得可藉由一光學特性(波長、偏光或任何其他特性)而區別連續束11與主束10或20且使該傳出之連續雷射束11與該雷射脈衝束20分離。該濾光器7用於要求該腔C2以Λ波長2之雷射照射以能夠被該濾光器8所排斥。在無該濾光器7之情況下，C2將以增益峰值之雷射輻射且存在被該濾光器8透射之風險。同樣地，若7及8係偏光器，則其等應經定向使得C1及C2以彼此垂直之偏光之雷射照射。
在圖13所示之一變體中，繞射網路22被具有一定尺寸之一鏡M2取代使得該鏡M2能夠反射由聲光調變器繞射 之一束同時允許連續束11通過至該側或該鏡M2而不被反射。
雷射增益介質1係呈一介質結晶或玻璃或光纖固態。一特定情況係使用一棒型光纖。在特定模式之實施例中，該光纖係能夠傳播一偏光而不變換其之一光纖。在一光纖之情況下，可藉由垂直於光纖之軸拋光或割開放大器光纖1之出口面而形成兩個諧振腔C1及C2共用之出口鏡M3、M6(參考圖8)。接著，該等腔C1及C2合併在該鏡M6與濾光器7之間且與在該濾光器7與鏡M2之間或在該濾光器7與鏡M5之間不同。
圖13表示本發明之一較佳形式之實施例，其中一脈衝雷射係由插入一第一諧振腔C1中之一“棒型”光纖組成，該第一諧振腔C1係由一端處之一鏡M2及在另一端處垂直於束拋光之該光纖之面M3形成。該第一諧振腔C1係由一聲光調變器14觸發且包括後面係一鏡M2之一濾光器7偏光器。一第二諧振腔C2之端係光纖之面M3及作為具有約4%之一反射係數之部分反射反射器M5之玻璃片9。增益介質1係由一連續雷射二極體激勵。發射速率設定為10 kHz。
當施加在激勵二極體上之電流I逐漸增大時，由雷射產生之功率P幾乎呈線性增大(圖14上之黑方塊)。功率曲線停止在對應於作為光纖之損壞臨限值之650 μJ至10 kHz之值6.5 W。可見在此實例中若使用者繼續增大激勵電流，則該雷射將損壞。
接著，藉由將一偏光濾光器放置在聲光調變器及腔底 層鏡之間及將一反射器9放置在由偏光器反射之束上而引進在本發明中描述之裝置。運用具有等於4%之一反射係數之一反射器9，產生圖14上之黑圈。據觀察根據18安培之一激勵電流I，雷射功率P飽和且脈衝能量E變得獨立於激勵功率。亦應注意藉由將該反射係數改變成8%(圖14中朝上之三角形)或30%(圖14中朝下之三角形)，可能改變飽和位準。此飽和之說明係對第二諧振腔C2之雷射效果之臨限值。超過此臨限值，所有補充的激勵功率傳送至連續束上且不再至雷射束上。因此，存在經發射脈衝之能量之限制。
一額外試驗係藉由以200 W之一極高功率激勵上述雷射而完成。使用4%之一反射器之裝置係在適當位置中。接著，吾人藉由改變聲光調變器之命令信號而改變雷射速率。在缺乏一限制器之情況下，此一雷射應獨立於該速率而產生近似100 W或2 kHz之50 mJ及10 kHz之10 mJ。此等值係理論的，因為其等分別比光纖之損壞臨限值高50倍及10倍。在缺乏一限制器之情況下，因此不可能在修改範圍在自2 kHz至數百kHz之速率的同時維持200 W之一激勵功率。當引進該限制器時，分別對於5 kHz之經觸發脈衝30之一速率獲得來自圖15A之脈衝能量曲線34及對於80 kHz之經觸發脈衝30之一速率獲得圖15B之脈衝能量曲線34。應注意不管該速率係2 kHz與80 kHz之間的何值，脈衝能量(峰值高度)仍維持幾乎恆定。此證明不管兩個脈衝之間的激勵時間係多少，本發明仍限制由雷射遞送之 能量。
本發明使得可限制累積在意欲於放大光脈衝之一光增益介質中之能量且不管該等脈衝之頻率係多少及不管兩個連續脈衝序列之間的中斷持續時間係多少仍使其可調節該等經放大脈衝之能量。
1‧‧‧第一光增益介質
4‧‧‧光開關
7‧‧‧濾光器
8‧‧‧濾光器
9‧‧‧四分之一波片
10‧‧‧待放大脈衝
11‧‧‧連續雷射束
12‧‧‧雷射振盪器
13‧‧‧偏光
14‧‧‧聲光調變器
15‧‧‧四分之一波片
20‧‧‧經放大脈衝
22‧‧‧繞射網路
23‧‧‧第二光增益介質
34‧‧‧經發射脈衝
35‧‧‧經發射第一脈衝
M2‧‧‧腔底層鏡
M3‧‧‧腔底層鏡
M5‧‧‧鏡
M6‧‧‧鏡
在僅為闡釋及非限制性目的而參考隨附圖式給出之本發明之一或多個特定形式之實施例之描述中，本發明將被更好地瞭解且本發明之其他目的、細節、特性及優點將顯得更加清楚。
圖1係分別根據一外部觸發器之時間及脈衝(中間圖脈衝)之經激發離子之粒子數(上圖曲線)以及來自先前技術之一脈衝雷射中之雷射脈衝(下圖脈衝)之能量之演進之一示意圖；圖2係一光增益介質或脈衝雷射中之經激發粒子數之限制之原理之一示意圖；圖3係根據一第一形式之實施例之整合一能量限制器之具有一單通道之一光放大器之一示意圖；圖4係根據另一形式之實施例之整合一能量限制器之具有一單通道之一光放大器之一示意圖；圖5係根據圖4之實施例形式之一變體之一光纖放大器之一示意圖；圖6係根據一第二形式之實施例之整合一能量限制器之一雙通道光放大器之一示意圖； 圖7係根據本發明之一第三形式之實施例之包括具有互連腔之能量限制器之一脈衝雷射之一示意圖；圖8係根據圖7之一變體之包括具有互連腔之能量限制器之一脈衝雷射之一示意圖；圖9係根據圖8之一變體之至光纖之一脈衝雷射之一示意圖；圖10係根據另一形式之實施例之整合多個光增益介質之一系統之一示意圖；圖11係根據圖10之一變體之整合多個光增益介質之一系統之一示意圖；圖12根據另一形式之實施例之使用一聲光調變器之能量受限之一脈衝雷射之一示意圖；圖13係根據本發明之一較佳形式之實施例之能量受限之一脈衝雷射之一示意圖；圖14表示根據本發明之一實施例形式之由雷射產生之中值功率之一組量測，該中值功率係施加至激勵二極體之電流及經引發損耗之位準的一函數；圖15A及圖15B表示以不同雷射操作速率之一雷射脈衝序列。
34‧‧‧經發射脈衝
35‧‧‧經發射第一脈衝

Claims (16)

  1. 一種用於放大雷射脈衝(10)之光放大器系統，此光放大器系統包括：一固態光增益介質(1)，此光增益介質(1)能夠接收一待放大雷射脈衝束(10)且產生一經放大雷射脈衝束(20)，及限制藉由在此光增益介質(1)中光激勵所儲存之能量之構件，其特徵在於：此等限制構件包括：一連續諧振腔(C2)，其配置在該光增益介質(1)周圍；及第一光分離構件(7、14)，其等配置在此連續諧振腔(C2)中，此等光分離構件(7、14)能夠將此連續諧振腔(C2)分成一共同部分及一損耗分支，該共同部分包括該光增益介質(1)且該損耗分支包括光損耗構件(9)，此等第一光分離構件(7、14)能夠選擇性地將一脈衝束引導至該連續諧振腔(C2)之此損耗分支之光軌道外且朝向該連續諧振腔(C2)之此損耗分支引導一連續束，以當該增益介質(1)之增益大於或等於與光損耗相等之一預定臨限值時在此連續諧振腔(C2)中產生一連續雷射束(11)且產生脈衝能量受限之一經放大脈衝束(20)，且其中該光增益介質(1)需要對該連續雷射束(11)及該經放大雷射脈衝束(20)而言係唯一的之一傳播軸。
  2. 如申請專利範圍第1項之光放大器系統，其亦包括能 夠將此經放大脈衝束(20)與該連續雷射束(11)空間上分離之第二光分離構件(8)，該光增益介質(1)配置在該等第一光分離構件(7、14)與該第二光分離構件(8)之間，以沿一第一方向產生能量受限之一經放大脈衝束(20)且沿另一方向產生一連續雷射束(11)。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之光放大器系統，其中此光增益介質(1)包括一光纖或一光纖棒，在該增益介質(1)中該連續雷射束及該脈衝束之軌道係共線的，此光纖或此光纖棒具有光譜寬度大於或等於1 nm之一放大頻寬或一放大增益。
  4. 如申請專利範圍第1項之放大器系統，其中該等第一光分離構件(7、14)及/或該第二光分離構件(8)包括能夠將一波長λ1之該雷射脈衝束與一波長λ2之該連續雷射束(11)分離之至少一雙向色濾光器。
  5. 如申請專利範圍第1項之放大器系統，其中該第二光分離構件(8)包括一偏光濾光器及/或其中此等第一光分離構件(7、14)包括一偏光濾光器，此偏光濾光器能夠將根據一第一偏光之該雷射脈衝束與根據與該第一偏光不同的一第二偏光之該連續雷射束(11)分離。
  6. 如申請專利範圍第1項之放大器系統，其中可調整該光損耗構件(9)之經引發光損耗以調整該連續諧振腔(C2)之臨限值。
  7. 如申請專利範圍第1項之具有經觸發脈衝之雷射及/或光放大器，其中該第二光分離構件包括一非線性晶體， 該非線性晶體能夠以與效能取決於入射波長及/或入射偏光及/或入射峰值功率之基波不同的一頻率產生一波。
  8. 如申請專利範圍第1項之具有經觸發脈衝之雷射及使用一能量限制器之光放大器，其特徵在於：該系統包括藉由閉合該經觸發脈衝雷射之該第一諧振腔(C1)之至少一光組件分離之兩個增益介質，其中由該第二連續諧振腔(C2)產生之該連續雷射束橫越該第二增益介質。
  9. 一種具有經觸發脈衝之雷射，其包括：一固態光增益介質(1)，其位於一第一諧振腔(C1)中，光觸發構件(4、14)，其等配置在此第一諧振腔中以觸發在此第一諧振腔(C1)中發射一雷射脈衝束，及限制藉由在此光增益介質(1)中光激勵所儲存之該能量之構件(9、M5、M6)，其特徵在於此雷射包括：一第二連續諧振腔(C2)，該第一諧振腔(C1)及該第二連續諧振腔(C2)具有包括該光增益介質(1)及該光觸發構件(4)之一共同部分，該第一諧振腔(C1)具有與此共同部分分離之至少一第一分支，且該第二諧振腔(C2)具有與此共同部分分離之至少一第二損耗分支，此第二損耗分支包括該光損耗構件(9)，及第一光分離構件(7、14)，其等配置在此第一諧振腔及第二諧振腔(C1、C2)中以分別使該共同部分與該第一 損耗分支及該第二損耗分支分離，此等第一光分離構件(7、14)能夠朝向該第一諧振腔(C1)之該第一分支引導一雷射脈衝束且朝向來自該第二連續諧振腔(C2)之該第二損耗分支引導一連續雷射束。
  10. 如申請專利範圍第9項之具有經觸發脈衝之雷射，其中此光學觸發構件(4)包括一聲光調變器(偏光或非偏光)或一電光調變器。
  11. 如申請專利範圍第9或10項之具有經觸發脈衝之雷射，其中此光增益介質(1)包括一光纖或一光纖棒，此光纖或此光纖棒(1)具有光譜寬度大於或等於1 nm之一放大頻寬及/或一放大增益。
  12. 如申請專利範圍第9項之具有經觸發脈衝之雷射，其中該第二光分離構件(8)包括一雙向色濾光器及/或其中此等第一光分離構件(7、14)包括一雙向色濾光器，此雙向色濾光器能夠將一波長λ1之該雷射脈衝束與一波長λ2之該連續雷射束分離。
  13. 如申請專利範圍第9項之具有經觸發脈衝之雷射，其中該第二光分離構件(8)包括一偏光濾光器及/或其中此等第一光分離構件(7、14)包括一偏光濾光器，此偏光濾光器能夠將根據一第一偏光之該雷射脈衝束與根據與該第一偏光不同的一第二偏光之該連續雷射束分離。
  14. 如申請專利範圍第9項之具有經觸發脈衝之雷射，其中可調整此等損耗構件以調整該連續諧振腔之臨限值。
  15. 如申請專利範圍第9項之具有經觸發脈衝之雷射及/ 或光放大器，其中該第二光分離構件包括一非線性晶體，該非線性晶體能夠以與效能取決於入射波長及/或入射偏光及/或入射峰值功率之基波不同的一頻率產生一波。
  16. 如申請專利範圍第9項之具有經觸發脈衝之雷射及使用一能量限制器之光放大器，其特徵在於：該系統包括藉由閉合該經觸發脈衝雷射之該第一諧振腔(C1)之至少一光組件分離之兩個增益介質，其中由該第二連續諧振腔(C2)產生之該連續雷射束橫越該第二增益介質。
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