CN100590939C - 具有可调节脉冲重复频率的无源q开关激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方法，用于改变无源Q开关激光器的脉冲重复率而同时保持激光辐射的其它特性。激光器使用序列泵浦脉冲进行光泵浦，所述泵浦脉冲包括在非零功率水平之间的变更且以两个可调节的参数为特征。通过同时改变可调节的参数，激光器的脉冲重复率可被改变，而同时保持激光能量、脉冲激光辐射的扩散和脉冲激光辐射的光谱为恒定水平。在一个实施例中，所述序列泵浦脉冲包括泵浦功率补偿，在激光重复率被改变时，调节所述泵浦功率补偿的振幅和/或持续时间。

Description

具有可调节脉冲重复频率的无源Q开关激光器

技术领域

[1]本发明一般涉及脉冲光泵浦激光器，更具体地涉及具有可变重复频率的无源Q开关二极管泵浦固体激光器。

背景技术

[2]无源Q开关二极管泵浦固体激光器因其富有效率、紧凑且可使用在可见和UV(紫外)波长范围内，而被广泛用于要求脉冲辐射的光源中。然而，在它们的标准运行模式中，它们以固定重复频率产生脉冲，所述固定重复频率经常被称作自由振荡频率，这使得在要求可调节脉冲重复频率的应用中难于采用这些激光器。尽管已经公开了改变无源Q开关激光器脉冲重复频率的方法，但是将这些激光器应用到那些要求重复频率不受激光特性约束的场合下仍有难度，所述激光特性譬如脉冲能量、脉冲稳定性、光束波形和扩散。

[3]基质辅助激光解吸/电离(MALDI)质谱分析是这种应用的一个例子，典型地要求UV激光器具有从数十赫兹到几千赫兹UV的范围内的脉冲重复频率和非常稳定的特性。

[4]在无源Q开关中，激光腔典型地包括增益元件和夹在两个激光镜之间的饱和吸收器，所述增益元件典型的是激光晶体小片，此后也被称为激光微芯片。增益媒质通过泵浦辐射源被泵浦，优选高能激光二极管。在最普通的连续波泵浦模式中，激光二极管以恒定功率P_ump连续泵浦增益媒质；在操作开始，饱和吸收器处于高损耗状态，通过有效堵塞腔内光通道来阻止发射激光行为。通过感应建立增益媒质中高于阈值电平的激光跃迁的粒子数反转，连续的泵浦给增益元件施加能量。一旦在连续波泵浦下粒子数反转达到某一临界值，激光跃迁波长λ处相关的放大的固有光辐射的强度达到一个值，所述值足以引起饱和吸收器中光损耗的突然降低，打开激光谐振腔并导致快速形成类似雪崩的激光脉冲。激光脉冲将集聚的能量排出谐振腔，使得粒子数反转远低于阈值。在脉冲结束后，饱和吸收器转换回高损耗状态，进而粒子数反转建立的过程重新开始。粒子数反转从低的脉冲后的值达到临界值所需要的时间B_up，常被称为建立时间，确定自由振荡脉冲重复频率F_free≈1/B_up。

[5]图1示出了无源Q开关激光器的自由振荡运行的时序图，图中使用以由时间间隔B_up分离的光脉冲20的形式示出连续波泵浦的功率P_ump和激光器光输出。

[6]图2是示出了通过使用脉冲泵浦，现有技术的无源Q开关激光器的运行方法的时序图，此时脉冲重复频率为F而不是F_free。在这种方法中，泵浦11在每个脉冲21后被停止，且在选择的时间延迟13后重新开始，以使脉冲间的时间周期T≥B_up。这样，脉冲重复频率F＝1/T＜F_fre。

[7]下文中被称作固定频率模式的这个运行模式的缺陷在于，只要重复频率F被改变，增益元件的热载荷就改变，如下文中所解释的那样。所述变化的热载荷会改变增益元件内的温度分布，从而导致激光微芯片中典型产生的热透镜的改变，所述热透镜是由于增益元件内泵浦吸收产生的热量而产生的，这明显影响激光器辐射的许多特性，譬如脉冲能量、射束发散性、脉冲稳定性等。

[8]由于泵浦吸收，增益元件的热载荷可被定义为在微芯片中产生的热量，因此该热载荷在整个激光器运行中甚至在重复频率改变时必须被保持恒定。这个热载荷是平均泵浦功率P_ave的函数，所述平均泵浦功率以热量的形式耗散在增益元件中。对于前述脉冲运行方法，该平均耗散泵浦功率P_heat近似由方程式(1)给出：

[9]P_heat＝αβP_ave    (1)

[10]其中α是热载荷系数，即在增益元件中被耗散为热量的被吸收的光功率部分，β是由微芯片吸收的平均光功率的系数。

[11]对于二极管泵浦激光器，在固定频率模式中的平均光功率由方程式(2)给出：

[12]P_ave＝(I-I_th)Rη    (2)

[13]其中η是激光二极管的斜率效率，它典型为大约1W/A，I_th和I分别是激光器二极管的阈值电流和提供泵浦脉冲的激光器电流，R是二极管的占空比，所述占空比为建立时间与脉冲间周期之比：

[14]R＝B_up/T＝FB_up.    (3)

[15]微芯片内耗散的热量或热载荷与占空比R成正比例且与重复频率F成比例变化，这遵循方程式(1)，(2)和(3)。

[16]J.Zayhosky等在IEEE J.ofQuantum Electronics，vol.38，n.11，pp.1449-1454，2002发表的文章中公开了一种Q开关激光器系统，其中，其泵浦功率是如此的高，以致于在感兴趣的重复频率范围内的建立时间与脉冲周期T相比较显得非常小，所以在此范围内热载荷近似保持为常数。然而这种方法要求非常高的泵浦功率且对允许的重复频率变化的范围有限制。

[17]Deutsch等的美国专利6,038,240公开了一种方法和固体激光器系统，用于产生具有可变脉冲重复频率和恒定束特性的激光脉冲，其中使用一系列泵浦脉冲泵浦有源Q开关激光器，当重复频率变化时占空比R保持为常数，以及其中通过相对于各个泵浦脉冲的起点以固定时间延迟打开有源Q开关来由外部触发激光脉冲。这种方法，尽管对有源Q开关激光器系统提供了某些益处，但对于无源Q开关激光器，重复频率范围被限制在F_free和0.5×F_free之间，因为没有触发第二激光脉冲，泵浦脉冲不能比2B_up长。

[18]Kneip等的美国专利6,418,154公开了一种具有有源Q开关的脉冲二极管泵浦固体激光器，其中Q开关和二极管阵列由控制器协调控制，以使响应泵浦光脉冲而产生的激光器输出脉冲具有相同能量，而不依赖于激光器输出脉冲之间的时间间隔。在此发明中，泵浦光脉冲一结束，外部就主动的触发激光脉冲，并且二极管激光器阵列被设置成在每一个泵浦光脉冲结束和其随后的泵浦光脉冲开始之间来传送足够的额外的泵浦光至增益媒质，以使所述增益媒质中的增益在各个泵浦光脉冲开始时是相同的，而不依赖于所述泵浦光脉冲之间的时间间隔。在泵浦脉冲之间的另外泵浦光被用于保持增益最小值，以在泵浦结束后及时补偿粒子数反转时的指数衰减，这是泵浦脉冲开始时产生激光的初始条件，所述泵浦脉冲开始取决于连续脉冲间的时间周期，从而当泵浦脉冲重复频率改变时将导致激光脉冲能量的变化。这种泵浦增益媒质的方法，尽管对于有源Q开关激光器看来像是实现了它想要的功能，但可能导致平均泵浦光功率依赖重复频率，因此，至少在具有无源Q开关的微芯片激光器的情况中，可能导致激光器特性依赖于重复频率而变化。

[19]因此，本发明的目的是提供一种Q开关激光器装置及其运行方法，用于产生序列激光脉冲，其中激光脉冲的特性在其宽范围内实质上不依赖于它们的重复频率。

发明内容

[20]依据本发明，提供一种用来改变无源Q开关激光器的激光脉冲重复频率而同时保持激光辐射的特性的方法，所述方法包括：a)提供激光腔，其包括增益元件和用于无源Q开关的装置；b)将序列泵浦脉冲提供入所述增益元件，所述序列泵浦脉冲包含两个不同的非零功率水平且以至少两个可调节参数为特征；c)将这些至少两个可调节参数设定为初始值，用于产生第一重复频率的脉冲激光辐射；和d)将所述至少两个可调节参数的每一个的值改变为调节值，用于产生另一重复频率的脉冲激光辐射，同时控制脉冲激光辐射的特性。

[21]依据本发明的一个方面，通过在改变激光重复频率时保持平均泵浦功率恒定来选择调节值以使增益元件的热载荷保持在实质上恒定的水平。

[22]依据本发明的另一个方面，所述脉冲激光辐射的特性是脉冲能量、脉冲激光辐射的扩散、脉冲激光辐射的光谱和激光脉冲的建立时间中之一。

[23]依据本发明的另一个方面，所述序列泵浦脉冲包括具有非零大小的连续波功率补偿，可调节参数之一是连续波功率补偿的振幅，和可调节参数之二是连续泵浦脉冲之间的时间间隔。

[24]依据本发明的又一个方面，提供一种运行Q开关激光器的方法，所述激光器具有改变激光脉冲之间时间延迟的功能，所述方法包括：提供激光腔，其包含增益元件和用于无源Q开关的装置，以及提供序列泵浦脉冲，其被送入所述增益元件；其中，所述序列泵浦脉冲包含：i)三个连续的泵浦脉冲，其具有高于激光阈值的振幅，所述三个连续的泵浦脉冲在时间上由两个不同时间间隔分隔以激励由另两个不同时间间隔分隔的三个激光脉冲；ii)在第一和第二连续的泵浦脉冲之间的第一泵浦前脉冲，所述第一泵浦前脉冲具有用于影响增益元件中温度的第一能量；和iii)在所述第二和第三连续的泵浦脉冲之间的第二泵浦前脉冲，所述第二泵浦前脉冲具有不同于第一能量的第二能量，通过控制所述增益元件中的温度以保持激光脉冲的特性不被改变。

[25]依据本发明的再一个方面，提供一种用于可调Q开关的激光设备，所述激光设备包括激光腔，所述激光腔包含增益元件和用于所述激光腔的无源Q开关的装置；泵浦装置，其用于通过一序列泵浦脉冲泵浦所述增益元件，以产生具有可变重复频率的脉冲激光输出，所述序列泵浦的脉冲包括在两个非零功率水平之间的变更且以至少第一可调节参数和第二可调节参数为特征；和控制装置，其通过改变至少所述第一和第二可调节参数来控制所述序列泵浦脉冲和改变脉冲重复频率。

附图说明

[26]现在将结合附图说明本发明的示范性实施例，其中：

[27]图1是常规无源Q开关激光器的自由运行模式的时序图。

[28]图2是常规无源Q开关激光器的固定频率运行模式的时序图。

[29]图3是依据本发明的无源Q开关二极管泵浦激光器的图。

[30]图4是图3中的无源Q开关激光器的第一可变比率运行模式的时序图。

[31]图5是示出计算出的泵浦功率补偿对脉冲重复频率的图。

[32]图6是示出泵浦功率补偿对激光器重复频率的实验图。

[33]图7是示出激光脉冲功率的标准偏差对脉冲重复频率的实验图。

[34]图8是依据本发明的无源Q开关激光器的第二可变比率运行模式的时序图。

[35]图9是依据本发明的无源Q开关激光器的第三可变比率运行模式的时序图。

[36]图10是依据本发明的二极管激光器泵浦的图，所述二极管激光器泵具有两个分离的可控激光器二极管。

具体实施方式

[37]本发明涉及一种Q开关光泵浦激光器及其运行方法，该方法用于发射具有可调节激光脉冲重复频率且不依赖重复频率的脉冲特性的激光脉冲。所述激光器具有通过序列光泵浦脉冲泵浦的增益元件，所述序列光泵浦脉冲包括在至少两个非零泵浦功率水平之间的变更。控制装置被用于调节所述序列泵浦脉冲的至少两个参数，从而通过控制时间平均泵浦功率来控制增益元件的热载荷，同时改变激光脉冲重复频率。这样能够使增益元件内温度分布被控制在实质上不依赖于脉冲重复频率的恒定水平，从而控制输出激光特性。

[38]在图3中示出依据本发明的Q开关激光器的示范性实施例，且在此后说明。

[39]微芯片激光腔50包括增益元件20和饱和吸收器30，而且所述增益元件和所述饱和吸收器光结合以形成沿光轴5设置的单块激光器块230。增益元件20具有激光波长λ处的激光跃迁，并且能够通过响应泵浦波长λ_p处的光泵浦而提供光增益。单块激光器块230具有输入激光晶面21，用于接收泵浦脉冲波长λ_p的脉冲泵浦辐射13，和输出激光晶面31，用于以激光波长λ输出脉冲激光辐射33。输入晶面21和输出晶面31分别具有薄膜涂层22和32，均以激光辐射的波长λ反射，从而在其间形成所述波长的激光腔。输入激光晶面21面对激光器二极管泵浦10或任意其它合适的泵浦激光器，所述激光器二极管泵浦10或任意其它合适的泵浦激光器被设置以沿光轴5发射脉冲泵浦辐射13，所述光轴5朝向微芯片激光腔50的输入晶面21。薄膜涂层22被选择，以使输入激光器晶面21对波长λ_p的泵浦辐射实质上是透明的，这是本领域技术人员已知的。

[40]作为例子，增益元件20具体为3mm长的掺杂晶体Nd:YAG，所述晶体被切割至1.8×1.8mm的横截面，在泵浦波长808nm处被光泵浦时具有波长1064nm的激光跃迁，以及饱和吸收器30具体为2.25mm长的Cr4+:YAG晶体和具有相同的横截面。在某些实施例中，光学结合的Nd:YAG晶体和Cr4+:YAG晶体可被夹在两片未掺杂的YAG晶体之间(图3中未显示)。

[41]激光二极管泵浦装置10优选是高功率激光二极管泵浦，它能够响应流过激光二极管的驱动电流而发射脉冲泵浦辐射13。激光二极管泵浦装置10包括激光二极管驱动电路，用于响应控制信号而提供驱动电流，所述控制信号由控制器40通过通信线路41提供。透镜15被设置在激光二极管10和微芯片激光器腔50之间，用于校准所述泵浦辐射13和用于使它穿过输入晶面21而耦合进入微芯片激光腔50中。所述透镜15可为适用于将泵浦辐射耦合进激光器晶体中的透镜系统，正如本领域技术人员已知的。

[42]在运行中，由所述激光二极管10发射的所述脉冲泵浦辐射13在所述增益元件20中被吸收，会引起激光跃迁的粒子数反转和在激光跃迁波长处辐射的自发发射。如果由所述泵浦束13传送进增益元件20的泵浦功率P_p超过阈值P_th的持续时间为B_up，则微芯片激光腔50发射短激光脉冲的持续时间τ＜＜B_up，在短激光脉冲结束处，粒子数反转降落至低于发射激光要求的阈值的低水平。如果泵浦功率低于P_th，只要P_p＜P_th，饱和吸收器就保持在阻止激光发射的高损耗状态。

[43]所述脉冲泵浦辐射13的一部分被非辐射性地吸收入增益元件20，并被转换为热量，在增益元件20内产生热透镜，所述热透镜影响激光辐射的许多特性，譬如它的能量、扩散、脉冲稳定性等。由于增益元件20中相对慢的热耗散速率，热透镜主要受到时间平均泵浦功率P_av＝∫dt P_ump(t)/T_in的影响，其中P_ump(t)是取决于时间的泵浦脉冲序列，而积分的时间间隔为T_in，T_in＞＞B_up，且超过典型的泵浦脉冲之间的时间间隔；因此，在激光器操作期间，保持平均泵浦功率在恒定水平对于激光稳定性是有利的。

[44]前述无源Q开关激光器的一个运行模式在图4中以时序图的形式说明，所述无源Q开关激光器提供具有恒定激光特性的稳定激光发射。在这种操作模式中，通过泵浦序列泵浦微芯片激光腔50，其中连续波补偿泵浦辐射被叠加在泵浦脉冲上，以及当泵浦脉冲重复频率改变时调节补偿泵浦辐射的光功率P_off。

[45]参考图4，在时刻t₀和t₁之间，激光二极管泵浦10以时间周期T₁发射连续的泵浦脉冲401，402和403，所述脉冲具有泵浦脉冲功率P_p＞P_th和持续时间τ_p＝B_up。在脉冲之间，激光二极管泵浦10发射具有恒定泵浦功率P_offf1＜P_th的连续波补偿泵浦辐射。所述脉冲在时间上以第一时间间隔T₁-τ＝T₁-B_up被分割。微芯片激光腔50在各个连续的泵浦脉冲结束时发射激光脉冲，从而产生具有第一重复频率F₁＝1/T₁的序列输出激光脉冲(图4中未显示)。在其它实施例中，泵浦脉冲持续时间可在B_up和2Bup之间，即Bup≤τ＜2Bup，所述泵浦脉冲持续时间对激光重复频率没有影响。

[46]由补偿辐射410，411，412的周期分离的泵浦脉冲401-403构成第一序列泵浦脉冲450，所述第一序列泵浦脉冲450可由时间相关泵浦功率函数P₁(t)来描述，包括在非零功率水平P_p和P_off1之间的泵浦功率的周期性变更。

[47]第一泵浦序列450以第一独立可选择的参数集合为特征，所述第一独立可选择的参数集合包括脉冲周期T＝T₁和补偿功率P_off＝P_off1。所述参数T和P_off可通过调节激光二极管驱动电流J的相应参数来调节，所述激光二极管驱动电流激励二极管激光器使它发射泵浦辐射，以及响应由控制器40产生的控制信号。决定泵浦开始和激光脉冲之间时间延迟的建立时间B_up是泵浦脉冲功率P_p的函数，并且不是独立可选择的。在这个实施例中，如图4所示，在泵浦脉冲期间和之间，激光二极管驱动电流I均超过激光二极管阈值电流I_th。

[48]在时刻t₁，响应由控制器40产生的控制信号，改变可调节参数T和P_off以提供第二泵浦脉冲序列460，用于产生在图4中没有显示的具有第二脉冲重复频率F₂的输出激光脉冲序列。作为例子，图4中F₂小于F₁。为了影响脉冲重复频率的变化，泵浦脉冲周期T被设定为新的值T₂＝1/F₂＞T₁。同时地，增加补偿功率水平P_off且将其设定为新的值P_off2＞P_off1。在补偿功率水平上的这个增加是本发明的特征，其提供了增益元件的另外的热载荷，从而补偿了由于减少的泵浦循环而导致的泵浦脉冲感应部件上的热载荷的减少。

[49]泵浦功率补偿的新值P_off2取决于新的脉冲重复频率F₂，并且依据本发明的一个实施例，被选择以保持增益元件20的热载荷不变且实质上等于其从t₀至t₁的时间间隔期间的热载荷。如此前所述，保持热载荷在恒定水平需要保持平均泵浦功率没有变化。对于前述序列泵浦脉冲，所述序列泵浦脉冲包括恒定泵浦功率P_p周期和恒定泵浦功率补偿P_off周期以及在它们之间的周期性变更，由二极管激光器泵浦10发射的平均功率P_ave满足方程式(3)：

[50]P_ave＝η(I_offset-I_th)+(I-I_offset)Rη(3)

[51]其中η是二极管斜率效率，I_offset是对应于发射的泵浦功率P_off＝η(I_offset-I_th)的连续波二极管补偿电流，且此电流超过二极管阈值电流I_th，I是对应于发射的峰值泵浦功率P_p＝η(I-I_th)的峰值二极管电流。并且，

[52] $R=\frac{B_{\mathrm{up}}}{T}=B_{\mathrm{up}}F---\left(4\right)$

[53]为泵浦序列的占空比，所述占空比与脉冲重复频率F成比例。

[54]根据本发明方法的这个实施例，当脉冲重复频率F被改变，通过调节补偿电流I_offset来保持增益元件的热载荷为常数，以致于平均泵浦功率保持在常数水平。根据方程(3)，补偿电流的需求值，依赖于占空比R，且因此依赖于重复频率F，I_offset可根据下列方程(5)求得：

[55] $I_{\mathrm{offset}}=\frac{P_{\mathrm{ave}}+\mathrm{\η}{I}_{\mathrm{th}}-\mathrm{IR\η}}{\mathrm{\η}(1-R)}---\left(5\right)$

[56]作为例子，图5示出了，对于具有无源Q开关的二极管泵浦固体激光器的典型配置，当脉冲重复频率F从10Hz变化至4kHz时，为保持增益元件热载荷的恒定所要求的补偿电流I_offset，其中B_up＝200μs，η＝1W/A，I_th＝2A，I＝17A。

[57]方便地，图5示出，当脉冲重复频率F在10Hz和大约1.5kHz之间范围内或在图5的方框500内，I_offset(F)可用线性函数来近似，因此极大地简化了激光二极管控制器40的实施。

[58]这种线性关系可允许使用一种简化的激光器校正程序，所述程序在本发明的另一个实施例中实现，以限定用于感兴趣重复频率范围的泵浦功率补偿。作为例子，结合本发明特征的无源Q开关激光器具有下面参数集合：I_th＝2.3A，η＝1.106W/A，I＝15.6A。在具有补偿电流I_offset＝I_offset1＝3A的脉冲重复频率F₁＝1kHz处，这个激光器显示在温度范围20.7℃-23℃内具有小的脉冲波动的稳定的脉冲运行。测得的建立时间B_up为100μs。通过测量每个输出激光脉冲的光能E_lp和计算多个输出激光脉冲的E_lp的相对标准偏差，来确定激光器运行的稳定性。然后，脉冲重复频率被改变为F₂＝200Hz，进而确定第二补偿电流I_offset2，以获得稳定运行的相同激光温度范围。这些测量结果被示出在图6中，图6为描述补偿电流I_offset与重复频率F(Hz)关系的图表。使用数字“1”和“2”标识的黑方框分别示出依据所述第一和第二前述测量的稳定的运行条件。对测量的运行点1和2的线性拟合点3可被用于确定感兴趣的任何重复频率F的补偿电流I_offset(F)。

[59]图7示出了在100Hz和1kHz之间的各个重复频率的被测量的输出激光脉冲能量的相对标准偏差

微芯片激光腔50被安装在散热片上，所述散热片的温度在整个测量中保持为常数。方框示出使用本发明前述方法获得的实验结果，其中如图6所示的补偿电流随重复频率呈线性变化。菱形示出依据更常规方法获得的结果，其中补偿电流被保持在不依赖于重复频率的恒定水平。可以看出，本发明的方法提供明显的更为稳定的运行，尤其用于本具体实施例的低于400Hz的重复频率。

[60]我们还证实了，当依据前述方法调节补偿电流I_offset时，有益地，其他激光特性不依赖于重复频率而改变，所述激光特性如激光辐射33的光谱和发散；反之，在保持补偿电流的为任意恒定水平的同时，获得与比率不相关的激光特性是不可能的。

[61]重新回到图4，补偿泵浦辐射410-415可被描述为在所述泵浦辐射410-415之前的泵浦前脉冲，且在本发明方法的前述实施例中所述泵浦前脉冲具有等于泵浦脉冲间隔T-τ的持续时间。这些前脉冲没有足够的功率以引起发射激光；它们的作用是用于提供附加的增益元件载荷，所述附加的增益元件载荷可被调节以补偿当脉冲重复频率F被改变时的占空比R的变化。这个附加的热载荷取决于泵浦前脉冲的光能E_p，此后还被称为泵浦前脉冲的脉冲能量，所述能量是它们的持续时间和功率的乘积：E_p＝P_off×(T-τ_p)。因此，使用不同持续时间和形状的泵浦前脉冲可提供同样的热载荷，只要它们的能量保持相同，即使它们的振幅不足以启动激光脉冲。

[62]在图8和9中，再次以时序图的形式说明本方法的两个其他实施例，其中补偿泵浦功率在连续的泵浦脉冲的中间被往上改变，形成泵浦前脉冲810-814和910-914。这些泵浦前脉冲具有可调节的泵浦功率振幅P_pre和前脉冲持续时间Δ，当重复频率即泵浦脉冲的时间周期T改变时，所述泵浦功率振幅P_pre和前脉冲持续时间Δ中的每一个可被改变以维持微芯片激光器的平均功率和热载荷在恒定水平。在这种情况下，某些实施例中的补偿功率P_offset可被设定为零。在这种情况中，依赖于脉冲重复频率F的P_pre和Δ的最优设置可在激光器校正阶段从激光测量中重新获得，例如通过在给定激光温度范围内改变脉冲重复频率和选择要求的P_pre或Δ以保持激光输出特性在恒定级，所述激光输出特性是脉冲能量、脉冲稳定性、射束扩散、时间平均的激光能谱等中之一。

[63]本发明的方法还可被有利地用于在宽范围的重复频率上能够进行具有恒定建立时间B_up的激光运行，所述方法的特征在于具有可变脉冲重复频率的Q开关二极管泵浦激光器优选通过序列泵浦脉冲泵浦，所述序列泵浦脉冲特征在于包含至少两个可调节的参数，以及在改变重复频率的同时，所述至少两个可调节的参数被改变用于保持激光特性恒定。而且，如果重复频率被改变，因为变化的热载荷，则无源Q开关激光器运行的常规模式一般不会保持恒定的建立时间B_up。因此，由于所述建立时间的变化，通过外部周期性信号经常难以触发常规无源Q开关激光器发射脉冲。通过在前述实施例中适当地改变可调节的参数对(T，P_off)、(T，Δ)或(T，P_pre)，B_up时间可在较宽的重复频率范围内保持恒定，通过外部信号使被触发的激光脉冲能够发射。激光器校正程序优选用于形成查找表，其中针对各种可调节参数组合的B_up被测量，在所述查找表中，数值，如P_off、P_pre和/或Δ，依据T而被存储。

[64]如上面所述，通过改变激光二极管的驱动电流，可使用单个激光二极管来实现本发明的方法，或通过组合来自两个或多个二极管激光器的辐射来本实施本发明的方法。图10说明本发明的另一个实施例，其中首先使用透镜711和721对来自两个二极管激光器泵浦710和720的泵浦辐射进行校正，然后使用射束组合器730将所述泵浦辐射组合以形成脉冲泵浦辐射13，此后所述脉冲泵浦辐射被耦合进图3中所示的微芯片激光腔50中。例如，使用这样的排列可实现如图4所示的本发明方法的第一实施例，将激光二极管泵浦710、720之一用在脉冲机制中的运行以产生泵浦脉冲，将所述激光二极管泵浦中的另一个用在连续波机制的运行以提供补偿泵浦功率。

[65]根据本发明，在另一实施例中，通过使用一个或多个连续波泵浦和设置在泵浦和微芯片激光器50之间的外部光调制器，可产生所需的以至少两个可调节参数为特征的序列泵浦脉冲。

[66]本发明的方法还可被应用到有源Q开关激光器，这对于本领域技术人员是可以理解的。

[67]当然，在不脱离本发明的宗旨和范围可以想象到许多其它的实施例。

Claims (11)

1.一种运行具有可变激光脉冲重复频率的无源Q开关激光器的方法，其包括：

a)提供激光腔，所述激光腔包含增益元件和用于无源Q开关的装置；

b)将序列泵浦脉冲提供到所述增益元件，所述序列泵浦脉冲具有脉冲周期T1，从而产生第一重复频率的脉冲激光辐射，其中，所述序列泵浦脉冲中的各个泵浦脉冲在泵浦前脉冲之后，所述泵浦前脉冲由具有不足以引起激光的泵浦脉冲功率的泵浦辐射形成；

c)将所述序列泵浦脉冲的脉冲周期从T1变化到T2，从而产生第二重复频率的脉冲激光辐射；和

d)将所述泵浦前脉冲的脉冲功率进行调节，从而补偿所述脉冲周期从T1到T2的所述变化引起的所述增益元件的热载荷的变化，其中，如果T1小于T2，则所述泵浦前脉冲的功率增加。

2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述泵浦前脉冲的脉冲功率在步骤d)中变化到依赖于T2而被选择的值，从而当所述脉冲周期从T1变化到T2时，将激光脉冲能量、稳定运行的激光温度范围、输出激光脉冲能量的相对标准偏差、所述脉冲激光辐射的射束扩散、所述脉冲激光辐射的光谱和激光脉冲的建立时间中的至少之一保持在恒定水平。

3.根据权利要求2中所述的方法，其特征在于，所述泵浦前脉冲的脉冲功率在步骤d)中使用激光校准数据而被变化到所选择的值，这为依赖于所述脉冲重复频率的所述泵浦前脉冲的脉冲功率提供了最优设置，其中，所述最优设置通过在校准阶段变化所述脉冲重复频率并选择将激光特性保持在恒定水平的所述泵浦前脉冲的脉冲功率而获得，其中，所述激光特性是所述脉冲激光辐射的脉冲能量、稳定运行的激光温度范围、输出激光脉冲能量的相对标准偏差、所述脉冲激光辐射的射束扩散、所述脉冲激光辐射的光谱和所述脉冲激光辐射的激光脉冲的建立时间之一。

4.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述泵浦前脉冲的脉冲能量在步骤d)中被调节，从而当所述脉冲周期从T1变化到T2时，将平均泵浦功率保持在恒定水平。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其特征在于，步骤b)包括将连续波功率补偿提供给所述增益元件，从而形成泵浦脉冲之间的所述泵浦前脉冲。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤d)包括改变所述连续波功率补偿的振幅，从而调节所述泵浦前脉冲的脉冲功率。

7.一种用于可调Q开关的激光设备，包括：

激光腔，所述激光腔包含增益元件和用于所述激光腔的无源Q开关的装置；

泵浦装置，所述泵浦装置使用序列泵浦脉冲以泵浦所述增益元件，以产生具有可变重复频率的脉冲激光输出，所述序列泵浦脉冲具有脉冲周期T1，其中，所述泵浦序列脉冲中的各个脉冲在泵浦前脉冲之后，所述泵浦前脉冲由具有不足以引起激光的泵浦脉冲功率的泵浦辐射形成；和

控制装置，所述控制装置用于控制所述序列泵浦脉冲和改变所述脉冲激光输出的脉冲重复频率，同时通过将所述序列泵浦脉冲的脉冲周期从T1变化到T2以及如果T1大于T2增加所述泵浦前脉冲的脉冲功率或如果T1小于T2减少所述泵浦前脉冲的脉冲功率，而当所述脉冲周期从T1变化到T2时补偿所述增益元件的热载荷的变化，来保持所述增益元件的热载荷为恒定水平。

8.根据权利要求7所述的激光设备，其特征在于，所述光泵浦装置包括两个光泵浦激光器，以及在运行中，所述泵浦激光器中至少一个以脉冲机制运行。

9.根据权利要求7所述的激光设备，其特征在于，所述光泵浦装置包括激光二极管，所述激光二极管在运行中由激光二极管驱动电流激励。

10.根据权利要求9所述的激光设备，其特征在于，所述控制装置包括用于改变激光二极管驱动电流的装置。

11.根据权利要求7至10中任意一项所述的激光设备，其中所述序列泵浦脉冲包括在两个不同的非零功率水平之间的变更。

Images