CN101443969A - 具有耦合到一个主振荡器的多个同步放大器的激光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了涉及多个放大后的输出的激光装置和方法。激光装置可包括主振荡器、耦合到主振荡器的光束分离器、以及光耦合到光束分离器的两个或更多的输出头。光束分离器将来自主振荡器的光束分离为两个或更多的子信号。每个输出头接收两个或更多的子信号中的一个。每个输出头都包括光耦合到光束分离器的耦合光学器件。光学功率放大器光耦合在光束分离器与耦合光学器件之间。来自两个或更多的输出头的光输出不会在目标处在空间重叠。可脉动主振荡信号从而脉动输出头的光输出并且使它们彼此之间基本上同步。

Description

具有耦合到一个主振荡器的多个同步放大器的激光装置
技术领域
本发明总体上涉及激光器，更具体地涉及具有用来产生同步输出的多个输出头的激光系统。
背景技术
高能激光器具有使相干光的强激光束聚焦于基板和其它目标之上的许多应用。许多高能激光系统利用主振荡器能量放大器(MOPA)结构。在MOPA激光系统中，来自被称为主振荡器的种子激光器(seed laser)的激光信号被送入用来放大主信号的能量的光学放大器当中。MOPA结构实现了放大后输出的精确的脉冲。通常在诸如激光微加工的高能应用中使用基于MOPA的激光系统。
在特定的激光应用中，有时期望同时应用激光到目标上的多个位置处或是同时处理多个目标。例如，在激光微加工中，出于快速加工的目的在多个位置处平行地钻出小而精确的孔是有利的。用来提供多个激光光束的一个可行方式是分离来自单个MOPA激光源的放大后的输出。然而，分离放大后的输出会降低对于各处理操作的可用功率。当对于特定操作存在最小(或最优)平均功率和/或峰值功率时，这将会成为严重的问题。为了补偿由于光束的分离造成的功率降低，可相应地提高激光源的输出功率。
在不作出结构变化的前提下通常很难放大(scale)多个输出头激光系统的总的系统输出功率。典型地，应用规定了最优脉冲持续时间、最大或最优的PRF(脉冲重复频率)、脉冲能量、峰值功率、波长等。通常地，使用平均功率来放大总的系统输出功率。然而，增大平均功率意味着PRF和/或脉冲能量也一定会随之增大。如果应用限制了PRF，则会需要某种类型的“脉冲选取”装置将某些脉冲引导到一个工件并且将其它的脉冲引导到另一工件。这将造成复杂化、不可靠性和/或价格昂贵。通常激光系统会限制脉冲能量。此外，许多激光系统会约束脉冲能量与其它脉冲参数之间的关系。因此，很难在不影响对于应用的某些重要参数的前提下任意地增大激光系统的功率(频率转换等)。
分离一个激光系统的输出的替换方式是使用多个完整的激光系统。不幸的是，这将会占据额外的空间，价格昂贵并且由于两个独立的激光器不可能具有相同的性能特点而引起性能变化。即使能够获得相同的性能，也很难使来自多个激光系统的输出同步化。
因此，在本领域中需要一种用来克服上述缺点的多输出激光装置。
发明内容
包含多个放大后的输出的激光装置和方法的本发明实施例可以克服现有技术中所存在的不利方面。激光装置可包括主振荡器、耦合到主振荡器的光束分离器、以及光耦合到光束分离器的两个或更多的输出头。光束分离器将来自主振荡器的信号分离为两个或更多的子信号。各输出头接收两个或更多的子信号中的一个。各输出头都包括光耦合到光束分离器的耦合光学器件。光学功率放大器光耦合在光束分离器与耦合光学器件之间。配置耦合光学器件使得来自两个或更多的输出头的光输出不会在目标处在空间重叠。放大后的输出可选地经过波长转换。输出头可被配置用来耦合放大后的输出到一个或更多的目标的一个或更多的不同位置处。主振荡器可包括调制器，被配置用来脉动主振荡器的光输出，从而脉动两个或更多的输出头的光输出并且使它们彼此之间基本上同步。
附图说明
当参考所附附图一起阅读时，可从下面的详细说明使本发明的其它目的和优点更加清楚明了，其中：
图1A-1E是根据本发明的实施例的激光装置的示意图；
图2是适用于本发明的实施例的主振荡器的示意图；
图3是适用于作为本发明的实施例中的前置放大器的光纤放大器的示意图；
图4是适用于作为本发明的实施例中的功率放大器的光纤放大器的示意图；
图5是适用于作为本发明的实施例中的波长转换器的第三谐波生成器的示意图；以及
图6A-6B是适用于根据本发明的实施例的平行激光加工的激光装置的示意图。
具体实施方式
尽管出于说明的目的下面的详细说明书包含了许多特定细节，但是本领域的普通技术人员应该理解的是在本发明保护范围之内可以对下面的细节作出许多变化和改变。相应地，在不损坏一般性并且不限制本发明的前提下，提出了如下所述的本发明的示例性实施例。
术语：
在这里使用了如下术语：
不定冠词“一个”或“一种”是指除了明确表述的之外，该冠词限定的一个或多个项目的数量。
光束分离器是指能够将光束分离为两个或更多的部分的光学设备。
腔或光谐振腔是指由光可往复或传播的两个或更多的反射表面所限定的光径。与该光径相交的对象被称为处于腔内。
连续波(CW)激光器：一种连续地而不是短突发地发射发射线的激光器，例如脉冲激光器。
二极管激光器是指一种被设计为使用激励发射来生成相干光输出的发光二极管。二极管激光器还被称为激光二极管或半导体激光器。
二极管-泵浦激光器是指一种具有由二极管激光器泵浦的增益介质的激光器。
增益介质是指如下所述的与激光器相关的可受激光照射的材料。
石榴石是指一种特定类型的氧化物晶体，例如包括钇铝石榴石(YAG)、钆镓石榴石(GGG)、钆钪镓石榴石(GSGG)、钇钪镓石榴石(YSGG)等。
与特定类型的装置中的一个项目或是一系列项目一起使用的“包括”、“包 括有”、“诸如”、“例如”、“等”、“类似的”、“可以”、“能够”、“能”以及其它类似的限定词表示该类型包含但是不局限于该项目或所列的项目。
红外射线是指由大约700纳米(nm)至大约100,000纳米(nm)之间的真空波长为特征的电磁辐射。
激光是受激发射的辐射光放大的首字母的缩写词。激光器是一种包含可受激光照射的材料的腔。这是任何材料--水晶、玻璃、液体、半导体、染料或气体--这些材料的原子能够通过例如光或放电被泵浦激励到亚稳态。当原子跃迁回到基态以及通过激励发射发射光时由原子发射出光。光(在这里被称为受激辐射)在腔内起振荡，其中一部分从腔内射出以形成输出光束。
光：正如在这里所使用的，术语“光”一般地是指粗略地对应于从大约1纳米(10-9米)至大约100微米的真空波长的范围的从红外光到紫外光的频率范围内的电磁辐射。
模式锁定激光是指一种通过内在地控制各模式的相对相位(有时通过关于时间的调制)以选择性引起高峰值功率和例如皮秒(10-12秒)域内的短持续时间的能量突发的激光。
非线性效应是指一类典型地仅利用单色、诸如由激光器产生的方向性光束来观看的光学现象。例子包括高次谐波生成(例如，二次、三次以及四次谐波)、光参数振荡、合频生成、差频生成、光参数放大、以及受激拉曼效应等。
非线性光波长转换处理是一种非线性光处理，其中经过非线性介质的给定波长λ0的输入光与介质和/或经过介质的其它光相互作用，以产生具有与输入光不同的真空波长的输出光。由于两个值都与光的真空速度相关，非线性波长转换等同于非线性频率转换。上述两个术语可以相互替换使用。非线性光波长转换包括：
例如二次谐波生成(SHG)、三次谐波生成(THG)、四次谐波生成(FHG)等的高次谐波生成(HHG)，其中输入光的两个或更多的光子相互作用，以产生具有频率Nf0的输出光光子，其中N是相互作用的光子数目。例如，在SHG中，N＝2。
合频生成(SFG)，其中频率为f1的输入光光子与频率为f2的另一输入光光子相互作用，以产生具有频率为f1+f2的输出光光子。
差频生成(DFG)，其中频率为f1的输入光光子与频率为f2的另一输入光光子相互作用，以产生具有频率为f1-f2的输出光光子。
非线性材料是指具有响应能够引起非线性效应的光辐射的非零的非线性电介质的材料。非线性材料的例子包括铌酸锂(LiNbO3)、三硼酸锂(LBO)、偏硼酸钡(BBO)、硼酸铯锂(CLBO)、KDP及其同构体、LiIO3、以及例如PPLN、PPSLN、PPKTP等的准相位匹配材料。还可通过在光纤中制备微结构而感应光纤以使其具有对光辐射的非线性响应。
光学放大器是指一种用来放大输入光信号的功率的装置。光学放大器类似于激光器，因为它使用由泵浦射线驱动的增益介质。放大器通常不具有反馈(即，腔)，因此放大器获得增益而不振荡。当在这里被使用时，光学功率放大器通常是指在将放大后的光束传递到目标或波长转换器之前的最后的光学放大器。在这里，辐射源与功率放大器之间的放大器级通常是指前置放大器。
相位匹配是指在多光波非线性光处理中使用的技术，用来提高在其上可以实现光波之间的能量的相干传递的距离。例如，在k1+k2＝K3时，其中ki是参与到处理中的第i个光波的光波矢量，三光波处理被认为是相位匹配。在倍频中，例如，当基波相位速度与二次谐波相位速度匹配时上述处理效率最高。典型地，通过谨慎地选择光波长、极性状态、以及非线性材料中的传播方向来获得相位匹配调节。
Q是指谐振器(腔)的性能因数，该性能因数Q是通过(2π)x(谐振器中存储的平均能量)/(每个周期内消散的能量)来定义的。当光振荡器的表面的反射率变得越高时，吸收损耗随之变得越低，Q随之变得更高并且由于期望模式造成的能量损耗也变得越低。
Q-开关是指一种快速改变光谐振器的Q的器件。
Q-开关的激光器是指一种在激光腔内使用Q开关的激光器，用来防止发射激光的动作直至在发射激光介质中获得高水平的倒置(光增益和能量存储)。当开关快速增大腔的Q时，例如利用声光或光电调制器或饱和吸收器，可产生巨大的脉冲。
准相位匹配(QPM)材料：在准相位匹配材料中，基波与高次谐波射线通过周期性地改变材料的非线性系数的符号来达到相位匹配。符号改变的周期(KQPM)对相位匹配方程式增加了额外的项目，从而KQPM+K1+K2＝K3。在QPM材料中，基波与高次谐波可具有等同的极性，通常可以提高效率。准相位匹配材料的例子包括周期性极化的钽酸锂(PPLT)、周期性极化铌酸锂(PPLN)、周期性极化化学计算铌酸锂(PPSLN)、周期性极化磷酸氧钛钾(PPKTP)或是周期性极化微结构化的玻璃光纤。
紫外(UV)射线是指以比可见光区域的波长更短但是比软X射线的波长更长的真空波长为特征的电磁辐射。紫外射线可细分为如下的波长范围：从大约380nm至大约200nm范围内的近UV；从大约200nm至大约10nm范围内的远离或真空UV(FUV或VUV)；以及从大约1nm至大约31nm范围内的极端UV(EUV或XUV)。
真空波长：电磁辐射的波长通常是在其中传播光波的介质的函数。真空波长是当射线经过真空进行传播并且通过频率分割的真空中的光速所获得的给定频率的电磁辐射所具有的波长。
说明书
图1A说明了根据本发明的实施例的多输出频率转换后的激光装置100及其方法。具体地，装置100通常包括主振荡器102、光束分离器104以及多个平行的波长转换光学输出头1071、1072、1073...107N，其中多个平行的波长转换光学输出头1071、1072、1073...107N包括光耦合到对应的波长转换器1101、1102、1103...110N的光学功率放大器1081、1082、1083...108N以及耦合光学器件1121、1122、1123...112N。各输出头1071...107N都可远离主振荡器102以独立模块化单元的形式存在。
通过下面的装置100的操作的讨论可以理解用来产生多个光波长转换后的输出的方法。主振荡器102产生主光信号103。通常地，主振荡器102可包括激光器并且主光信号103以相干光的形式存在。光束分离器104将主光信号103分离为子信号1061、1062、1063...106N。光束分离器104可以是任何适于用来将主光信号分离为子信号的设备。光束分离器可基于导波或自由空间的光传播。导波光束分离器的例子包括极性保持(PM)光纤耦合器、集成光耦合器、以及熔融拉锥型耦合器。可以从Canadian Instrument & Research Ltd.获得并且在例如http://www.cirl.com的网页上说明了作为光束分离器104使用的光纤耦合器的例子。自由空间光束分离器的例子包括部分反射介质镜、诸如沃拉斯顿(Wollaston)棱镜、半镀银镜、双色向面镜以及双色向面棱镜的极性化光束分离器。
子信号1061...106N被导向沿着独立的平行光径传播。独立的光径可以是自由空间路径，也可以是由独立的光纤或波导限定的光径。光学放大器1081...108N相应地放大子信号1061...106N以产生放大后的输出信号1091...109N。基于是否使用波长转换，系统100可产生以电磁频谱的红外(IR)可见或紫外(UV)范围内的真空波长为特征的放大后的输出。在这里使用时，“放大后的输出”的表达通常是指从一个或多个子信号1061...106N产生的任何放大后的信号并且通常包括放大后的输出信号1091...109N以及任何从此产生的光信号。
例如，放大后的输出信号1091、1092、1093...109N可相应地通过光波长转换器1101、1102、1103...110N在真空波长中被转换，以产生相应的波长转换后的输出1111、1112、1113...111N。波长转换后的输出1111...111N通常以不同于主振荡器信号103和子信号1061...106N的真空波长为特征。光波长转换器可通过一个或多个非线性光波长转换处理从放大后的输出1091...109N中产生波长转换后的输出1111...111N。这样的处理的例子包括但不局限于例如二次、三次以及四次谐波生成、光参数振荡、合频生成、差频生成、光参数放大、光参数振荡以及受激拉曼效应。可利用相位匹配的非线性光学材料来实现这样的处理以产生期望的波长转换效应。输出头1071...107N可具有配置用来产生以不同真空波长为特征的波长转换后的输出1111...111N的波长转换器1101...110N。值得注意的是，尽管示出的光学放大器1081...108N和波长转换器1101...110N都是独立的部件，但是可选地以诸如非线性放大光纤的单个部件来实现放大及波长转换功能。
耦合光器件1121、1122、1123...112N接收波长转换后的输出1111...111N并且传送最终的输出1131、1132、1133...113N到目标处。输出头1071...107N可被配置为使得最终的输出1131...113N不会在目标处在空间上重叠。这实现了利用放大后的以及波长转换后的射线来处理多个目标或同一目标上的不同点或面。耦合光器件1121...112N可以简单窗口的形式存在或包括具有选择用来将放大后的输出1091...109N或波长转换后的输出1111...111N作为最终输出1131...113N振荡或聚焦于一个或多个目标上的焦距和位置的透镜。所有的输出头1071...107N无需具有相同的耦合光器件1121...112N。
可选地，耦合光器件1121...112N可被配置用来修改最终输出1131...113N的时间特性。在某些实施例中，耦合光器件1121...112N可包括饱和的布喇格(Bragg)吸收器以将CW光束改变为某种形式的脉冲光束。可选地，耦合光器件1121...112N可包括脉冲压缩(或延伸器)方案。这种类型的耦合光器件1121...112N由于皮秒或毫微微秒类型的脉冲输出而避免即在传递光束之前的光学非线性是非常有用的。可选地，耦合光器件1121...112N可包括某种装置，用来影响例如最终输出1131...113N的脉冲重复频率(PRF)的时间特性。例如，耦合光器件1121...112N可包括光开关，用来使用户选择性地阻断所有的或某些输出1131...113N。可选地，耦合光器件1121...112N可包括脉冲挑选器，用来降低最终输出1131...113N的PRF。这可使用户选择性地控制哪些放大后的输出1091...109N或波长转换后的输出1111...111N作为最终输出1131...113N被传递到目标。
最终输出1131...113N可根据应用被传递到多个不同类型的目标中的任一个来执行多种不同类型的处理中的任一种。这些应用包括但不局限于材料处理、医疗、激光粒子加速器、以及晶圆检测。合适的目标的例子包括但不局限于金属、陶瓷、半导体、多晶体、化合物、薄膜、有机材料、体外或体内生物样品、基本粒子。在材料处理的特定例子中，目标可包括例如金属丝、印刷电路(PC)板、集成电路(IC)封装体、半导体晶圆和裸片(die)、LED晶圆、LED封装体、LED裸片等。材料处理应用的例子包括表面纹理化、热处理、表面雕刻(Surface Engraving)、精细微加工、表面熔蚀、切割、开槽、凸块形成、涂覆、锡焊、铜焊、烧结、密封、焊接连接线快速烧断、晶圆划线、切块及标记、通孔钻取、内存修理、平板显示修理、立体光刻、无掩模光刻、表面扩散及表面转变为化合物。
装置100的优点在于如果主振荡器102产生脉冲输出作为主信号103，则子信号1061...106N也会被脉动并且当它们到达各自的功率放大器1081...108N时是基本上同步的。在这里所使用的基本上同步意味着子信号1061...106N具有基本上相同的脉冲宽度并且彼此之间具有在时间上的高度重叠。例如，可通过补偿光束分离器104与功率放大器1081...108N之间的光径差的差值来调节重叠量。相似地，波长转换后的输出1111...111N可彼此之间基本上相互同步。例如，可通过调节光束分离器104与输出头1071...107N之间的光径长度来调节不同输出1111...111N之间的同步。
“同步”表示来自主振荡器102的射线的调制提供了输出头1071...107N的(或波长转换后的)输出的共同调制。这种同步输出对于材料处理应用特别有利。具有可平行处理N个相同目标的N个激光输出头或是具有可处理同一或不同目标上的N个不同位置的一个激光输出头的加工机具有是单头加工机的N倍的加工能力。这种能力对于制造环境来说特别重要，在这样的制造环境中要生产具有精确质量标准的相同产品。进一步，如果所有的输出都被相同地定时，则可以最小化任何处理步骤中的驻留时间。对于不同输出头之间的每个纳秒下降，处理的那个步骤中需要额外的一个纳秒的驻留时间。经过千百万的处理点之后，这种延迟可对加工能力产生重大的负担。相反地，如果输出可以同步则极大地降低这种延迟并且极大地提高加工能力。提供这种有时被称为“无抖动”复用的同步输出对于在如上所述的工业材料处理应用中的激光装置特别适用。
此外，多个放大器与输出头1071...107N一起使用提供了在装置的功率放大方面极大的优势。具体地，有效系统峰值功率，即单个输出头的(或波长转换后的)输出的峰值功率乘以输出头的个数会大于引起损伤、光纤非线性化问题或放大后输出的不期望失真的峰值功率。优选地，有效峰值功率小于光纤非线性化的阈值。进一步，期望各输出头的有效峰值功率都足够大以使波长转换效率足够高，例如对于SHG或THG处理大出约20％。相反，分离高能激光的输出以获得相同结果将会限制脉冲特性，这对于材料处理应用来说是至关重要的。多个放大后的输出的使用实现了对于诸如材料处理应用的不同应用的最优放大后输出的脉冲重复频率和/或脉冲宽度。
进一步，本发明的实施例还实现了使功率放大到大的总系统输出功率。在这里所使用的总系统输出功率表示所有的输出头1071...107N加在一起的总的平均输出功率。在本发明的实施例中，装置100的总系统输出功率可以是大约10瓦特或更高。
通常地，各输出头1071...107N在参数范围内可获得最佳操作。在波长转换后的激光器的特定例子中，这意味着需要光束1091...109N的峰值功率的范围以达到高效的操作。如果峰值功率太小则在波长转换器1101...110N中存在不充分的转换。如果峰值功率太大则会出现光纤中的寄生效应(即，拉曼(Raman)散射、布里渊(Brillouin)散射、自我相位调制)，这会降低波长转换后的输出功率。由于抑止了峰值功率以及由于已经为应用需求选择了PRF和脉冲宽度，否则将会很难放大波长转换后的激光系统中的平均功率。各输出头的平均功率输出等于峰值功率乘以脉冲宽度与PRF相乘的积(乘以代表脉冲形状的常数)。因为具有多个输出头，因此可得到更高的平均功率。
在本发明的特定实施例中，在主信号103的生成与光学功率放大器1081...108N实现的放大之间可包括前置放大级。例如，如图1B所示，可选装置120可包括光耦合在主振荡器102与光束分离器104之间的前置放大器114(或者串联连接的两个或更多的前置放大器114)。这些前置放大器114无需完全相同。前置放大器114放大主信号103以形成前置放大后的信号115，并且光束分离器将前置放大后的信号115分离为子信号1061...106N。随后可参考图1A进行如上所述的子信号1061...106N的光学功率放大及波长转换。在串联连接的两个前置放大器114的例子中，两个前置放大器无需完全相同(尽管它们可以是完全相同的)。可选地，单个前置放大器114可代替图1B中串联连接的两个或更多的前置放大器114。
可选地，在将主信号103分离为子信号1061...106N之后以及在由光学功率放大器1081...108N实现的放大之前可设置前置放大级。例如，如图1C所示，在另一可选装置130中，输出头1071、1072、1073...107N可分别包括光耦合在光学功率放大器1081...108N与光束分离器104之间的光学前置放大器1181...118N。光学前置放大器1181...118N对应地前置放大子信号1061...106N以产生前置放大后的子信号1191、1192、1193...119N，这些子信号1191、1192、1193...119N分别被光学功率放大器1081...108N放大。如上所述，参考图1A执行如此得到的放大后的输出信号1091...109N的可选波长转换。
在如图1D所示的另一可选装置140中，输出头1071...107N可通过波长转换器1101...110N而不是光学放大器或前置放大器来实现。相反地，输出头1071...107N可包括耦合到光束分离器104的放大器光纤1051...105N，用来传送并且放大来自主振荡器102的子信号以产生输入到波长转换器1101...110N中的放大后的输出信号1091...109N。在主振荡器102与光束分离器104之间可以耦合可选的前置放大器114。由于适用于每种光并且实现了紧凑的输出头1071...107N，因此上述配置是有利的。装置140可适用于其中输出头的定位和/或移动处于范围内的应用，该范围与对于放大器光纤1051...105N的弯曲半径的限制相一致。在可选实施例中，放大器光纤1051...105N可位于靠近主振荡器102的控制器处。可使用特别的无源光纤来传递放大后的输出1091...109N到波长转换器1101...110N。
在如图1E所示的另一可选装置150中，可在分支网络中串联设置光束分离及前置放大级，其中前置放大器耦合到光束分离器的输入和各个输出。在装置150中，主振荡器102光耦合到用来产生耦合第一光束分离器1041的放大后输出1151的前置放大器1141。放大后的输出1151的第一和第二部分1091、1092分别耦合到第二和第三前置放大器1142、1143。来自第二和第三前置放大器1142、1143的放大后输出1152、1153被分别耦合到第二和第三光束分离器1042、1043。第二和第三光束分离器1042、1043分别将第二和第三放大后的输出1152、1153分离为分别耦合到前置放大器1144、1145、1146、1147的部分1093、1094、1095、1096。来自前置放大器1144、1145、1146、1147的放大后的输出1154、1155、1156、1157分别耦合到用来产生输出信号前置放大器1131、1132、1133、1134的输出头1071、1072、1073、1074。例如如上所述，输出头1071、1072、1073、1074可包括功率放大器、波长转换器以及耦合光器件。
对于主振荡器102存在多种不同的可行性设计。一般地，主振荡器102可以是激光器或是窄带放大后的自发射(ASE)源。主光信号103可以在从大约500nm到大约2000nm范围内的真空波长为特征。可利用诸如半导体激光器和光纤激光器在内的多种类型的不同激光器获得具有在这个范围内的波长的光信号。例如，其中的一种可行的激光器设计是光纤激光器。图2描绘了可以作为图1A-1E的主振荡器102使用的光纤激光器200的例子。光纤激光器200通常包括光耦合到具有搀杂有适当搀杂剂的光纤芯的光纤的泵浦源202。例如，在不影响一般性的前提下，泵浦源可以是二极管激光器。适当的二极管激光器包括分布反馈(DFB)、分布式布喇格(Bragg)反射器(DBR)、Fabry-Perot激光器二极管或是窄带放大后的自发射(ASE)源。适当的泵浦激光器二极管的例子是从位于California州的Milpitas的JDS Uniphase商业获得的2900系列980nm泵浦二极管。
来自泵浦源202的泵浦射线被耦合到光纤204的光纤芯。泵浦射线与在光纤芯中激励射线发射的搀杂剂原子相互作用。位于光纤204的相对端处的例如布喇格(Bragg)光栅的反射器206在光纤204中前后反射受激的射线，利用经过光纤204的各射线来激励额外的发射。某些受激的射线207从一端泄露出反射器206作为输出。光调制器208可脉动受激的射线以产生脉冲输出209。例如，光调制器208可包括声光、磁光或电光调制器。光隔离器210可光耦合在光纤204与调制器208之间以防止射线不期望地从其输出端进入光纤204。
受激射线207的真空波长依赖于掺杂剂和光纤材料的选择。不同的掺杂剂和光纤材料需要泵浦射线的不同真空波长。例如，当利用具有大约976纳米的真空波长的射线泵浦时，掺杂有镱(Yb)的玻璃光纤产生在大约1.03至大约1.12微米的真空波长的受激射线。
可选地，主振荡器102可以是二极管泵浦的固态(DPSS)激光器，其可以是无源Q开关或是产生连续波(CW)。无源Q开关微激光器的例子是可以从位于Massachusetts州的Wellesley的Teem Photonics商业获得的微芯片微激光器。适当的CW DPSS激光器的例子是从California州的Milpitas的JDSUniphase商业获得的模型125非平面环形振荡器(NPRO)激光器。可选地，主振荡器102可以是分布式布喇格(Bragg)反射器(DBR)激光器。商业获得的DBR的例子是从位于德国的Marburg的Sacher Lasertechnik Group商业获得的模型DBR-1063-100。这种特定的分布式布喇格反射器激光器二极管产生具有100mW输出功率的真空波长为1063nm的射线。作为主振荡器102使用的商业获得设备的另一例子是从位于葡萄牙的Moreira de Maia的MultiwavePhotonics，S.A.商业获得的ASE窄带源。可利用外部光调制器来调制诸如DPSS、DBR激光器二极管、或ASE源的任何CW源的输出。
在本发明的可选实施例中，主振荡器可以多种形式中的一种存在。脉冲格式可以是任何适当的脉冲格式，其中脉冲持续时间范围例如从连续波(CW)到纳秒脉冲再到皮秒/毫微微秒脉冲。脉冲可以适合脉冲持续时间的任何重复速率进行重复。脉冲格式可包括脉冲的间隔性突发。功率放大器的输出无需频率转换，即在不脱离本发明的保护范围的前提下可以省略波长转换器1101、1102、1103...110N。输出波长可以是IR、可见光、UV。
可以对光学功率放大器1081...108N、前置放大器114、118以及放大器光纤1051...105N使用多种不同的设计。例如，在不影响一般性的前提下，功率放大器1081...108N和前置放大器114、118可以是光纤放大器。图3描绘了具有光纤302和泵浦源304的光纤前置放大器300的例子。光纤302包括包层和掺杂后的光纤芯。光纤302的光纤芯可以是例如直径大约为6微米。将要被放大的输入射线306耦合到光纤芯。来自泵浦源304的泵浦射线也被典型地耦合到光纤芯，但是可选地可以被耦合到包层。例如，输入射线306可以从主振荡器产生。光纤302的光纤芯中的例如稀土元素镱(Yb)、铒(Er)、钕(Nd)、钬(Ho)、钐(Sm)以及铥(Tm)或是这些元素中的两个或更多元素的组合的掺杂剂原子吸收来自泵浦射线的能量。本领域的技术人员应该熟悉稀土掺杂的光纤放大器(REDFA)方案及结构。
输入射线306激励来自掺杂剂原子的射线发射。受激的射线具有与输入射线相同的频率和相位。结果是具有与输入射线相同频率和相位但是更大的光强度的放大后的输出308。光隔离器310可光耦合到光纤302的输出端以防止射线从光纤302的输出端不期望地进入光纤302，例如反射的结果。在本发明的可选实施例中，按照需求可以省略、包含或是更新前置放大器以获得适应于使用的输出头个数的适当的光功率。
图4描绘了图1A-1C所示类型的装置中所使用的光纤功率放大器400的其它例子中的一个可行例子。光纤功率放大器400通常接收将要被放大的光信号401。光信号401可以从主振荡器产生并且可以在主振荡器与光纤功率放大器400之间被前置放大。例如具有一对中继(relay)透镜的光耦合器402可从第一端406将光信号401耦合到光纤404当中。优选地，光纤404足够长以吸收绝大部分的泵浦射线(例如，大约90％或更多)。期望光纤404具有适用于大模式区域(LMA)光纤的光纤芯直径。还期望光纤404是双包层的，其中内包层具有适用于接收高能、多模式泵浦射线的直径和接受角。例如，光纤404可以是具有LMA光纤芯的Nufern双包层有源光纤，例如从位于Connecticut州的East Granby的Nufern公司商业获得的部件号码为LMA-EYDF-25/300或LMA-TDF-25/250或是从丹麦的
Figure A200780013632D0020161137QIETU
的Crystal FibreA/S商业获得的模型DC-200-41-PZ-Yb。例如，光纤404的光纤芯可以掺杂有诸如铒(Er)、镱(Yb)或钕(Nd)的稀土元素。
泵浦源410在第二端408向光纤404提供泵浦射线411。泵浦源410典型地包含一个或多个高能激光器二极管。这些激光器二极管的类型可以是单个发射器或是包含多个单个发射器的单块集成电路。适当的可商业获得的激光器二极管的特定例子包括从位于德国的Dortmund的Lissotschenko Mikrooptik(LIMO)GmBH商业获得的模型LIMO110-F400-DL980激光器二极管以及从位于California州的Irvine的Apollo Instruments商业获得的Apollo F400-980-4激光器二极管。可选地，泵浦源410可以是光耦合在一起的单个发射器的阵列，例如从位于California州的Milpitas的JDS Uniphase商业获得的模型L3 980nm泵浦封装件。
优选地，源410是多模式源并且光纤404具有多模式内包层。在功率放大器400，泵浦射线典型地被耦合到光纤404的内包层。如果泵浦射线411是单模式的，则泵浦射线411可选地直接地耦合到光纤404的光纤芯。例如，光纤412可将来自泵浦源410的泵浦射线411耦合到准直透镜414。泵浦射线411可被耦合到光纤404的任一端或是两端。在某些实施例中，将泵浦源410设置在靠近主振荡器的位置处并且经由可以是多模式光纤的光纤412将泵浦源410连接到输出头是有利的。这样的设置降低了输出头的尺寸和热负荷。
泵浦射线411作为发散光束从光纤412发射出来。准直透镜414将发散光束聚焦为准直光束。波长选择性反射器416(例如，分色滤光片)反射泵浦射线朝向会聚透镜418，会聚透镜418将准直后的泵浦射线聚焦到光纤404的第二端408。光纤404的光纤芯中的掺杂剂原子吸收泵浦射线411，其中泵浦射线411激励具有与光信号401相同频率和相位但具有放大的光强度的放大后的输出射线420的发射。当放大后的输出射线420从光纤404的第二端408射出时被会聚。波长选择性反射器416被配置用来发射放大后的输出射线420。例如，频率选择性滤光片416可以是具有选择用来在泵浦射线411的频率范围(例如，大约976纳米)内反射射线的阻带以及选择用来在放大后的输出射线420的频率范围(例如，大约1.05微米)内发射射线的通带的分色滤光片。放大后的输出射线420则可以通过输出耦合透镜422进行聚焦。
尽管上述讨论详细描述了可用作功率放大器或前置放大器的光纤放大器，但是还可以使用其它的光学放大器设计。作为光纤实施方式的可选，放大器400可使用平板(slab)类型的增益介质，例如掺杂有诸如掺钕的镱钒酸盐(Nd:YVO4)、掺钕的镱铝石榴石(Nd:YAG)或是诸如烧结的Nd:YAG的陶瓷增益介质或基于半导体增益介质。这种平板类型的增益介质可以是侧面泵浦的或是端面泵浦的。还可在放大器400中使用具有杆状类型配置的增益介质。
图5描绘了图1A-1E所示类型的装置中所使用的波长转换器500的其它例子中的一个可行例子。在这个例子中，波长转换器500是三次谐波生成器。波长转换器500通常包括第一和第二非线性晶体502、504。合适的非线性晶体的例子包括锂铌酸盐(LiNbO3)、三硼酸锂(LBO)、偏硼酸钡(BBO)、六硼酸铯锂(CLBO)、钽酸锂、化学计量钽酸锂(SLT)、磷酸钛氧钾(KTiOPO4，简称KTP)、ADA、ADP、CBO、DADA、DADP、DKDP、DLAP、DRDP、KABO、KDA、KDP、LB4、或LFM以及这些晶体的同构体、诸如周期性极化铌酸锂晶体(PPLN)、周期性极化的化学计量钽酸锂(PPSLT)的周期性极化材料等。这样的非线性材料可以从例如位于中国福建的Fujian CastechCrystals商业获得。此外，例如如上关于图1E所述，非线性光纤可用于波长转换。
第一非线性晶体502接收来自功率放大器的放大后的输入射线501。输入射线501是以光频率ω为特征的。第一非线性晶体502与二次谐波生成相位匹配。相位匹配可以通过调节第一非线性晶体的温度来控制。具体地，部分输入射线501在非线性晶体502中反应来产生以光频率2ω为特征的二次谐波射线503。二次谐波射线502和输入射线501的剩余部分501’被耦合到第二非线性晶体504。第二非线性晶体504与光频率2ω的射线与光频率ω的射线的合频率生成相匹配。具体地，在第二非线性晶体504中，在第二非线性晶体504中二次谐波射线503与输入射线501的剩余部分501’相互作用以生成以光频率3ω为特征的三次谐波射线505。三次谐波射线505脱离第二非线性晶体504以提供频率转换后的输出。
如果第二非线性晶体的转换效率小于100％，则输入射线501的某些残留部分501″也可脱离第二非线性晶体504。波长转换器500可包括在发送三次谐波射线505时用来反射二次谐波射线503的残留部分501″和残留部分503’的光学滤光片506(例如，分色滤光片)。残留部分501’、503’可被导向到光阱或是被作为废光来处理。可选地，光学滤光片506可被配置用来选择性地通过多于一种输出波长。
例如，第一晶体502可以倍频1.04微米至1.08微米的波长输入射线501以产生具有真空波长为大约520nm至大约540nm的二次谐波射线503。第二非线性晶体504对二次谐波射线503与输入射线501’的剩余部分进行求和以产生具有范围从大约340nm至大约360nm的真空波长的三次谐波射线505。例如，在不影响一般性的前提下，第一晶体502可以倍频1.064微米输入射线501以产生532nm二次谐波射线503。第二晶体对输入射线501’的剩余部分与二次谐波射线503进行求和以产生355nm三次谐波射线505。值得注意的是，尽管图5描绘了三次谐波生成器的例子，但是本领域技术人员可以理解的是还可采用其它的非线性波长转换器，诸如二次谐波生成器、四次谐波生成器、其它高次谐波生成器、合频生成器、差频生成器、光参数振荡器、光参数放大器等。例如，如果省略第二非线性晶体504，则波长转换器500可被配置为二次谐波生成器。
本发明的实施例具有多种实际应用。例如，如图6A-6B所示，具有从单个主振荡器信号生成的多个放大后和波长转换后的输出的激光系统可以应用到激光材料处理系统当中。如图6A所示，激光材料处理系统600可包括通过光束分离器604光耦合到N个光学功率放大器6081、6082...608N的主振荡器602。N个光学功率放大器6081、6082...608N当中的每一个都光耦合到N个光波长转换器6101、6102...610N中的对应的一个。输出耦合透镜6121、6122...612N将来自光波长转换器6101、6102...610N的放大后和波长转换后的输出6131、6132...613N分别平行耦合到单个目标615。可选地，波长转换后的放大后的输出可被耦合到不同的目标615。目标615可相对于输出耦合器6121、6122...612N移动以实现工件的不同部分的加工，例如钻取多个平行的孔或是研磨出多个平行的狭槽(slot)或凹槽(groove)。这种平行加工配置可以提高工件的加工制造能力，因而提高生产速度以及降低生产成本。
图6A中的系统600被配置用来利用多个放大后的波长转换后的输出处理一个或多个目标的单侧。可选地，如图6B所示，激光材料处理系统620可被配置用来同时处理在同一或不同目标上的两个或多个不同位置。具体地，在系统620中，通过光束分离器624将来自主振荡器622的主信号621分离为两个分支。一个分支的主信号621被耦合到放大器6281、6282、波长转换器6301、6302以及用来将输出6331、6332耦合到目标635的一侧的输出耦合器6321、6322。第二分支的主信号621被耦合到放大器6283、6284、波长转换器6303、6304以及用来将输出6333、6334耦合到目标635的另一侧的输出耦合器6323、6324。这种配置实现了对目标635的相对侧面的同时处理。本领域技术人员可以理解的是这种配置可以扩展到利用任意个数的放大后和波长转换后的光输出同时处理目标的任意多的不同侧面。
本发明的实施例可对于具有多个输出波长转换的激光系统在成本和扩展性方面提供极大的优点。将多个放大器连接到相同的主振荡器意味着各输出/功率放大器(如果合适，以及相关的波长转换级)可在它最优功率水平上操作，同时仍可任意地增大系统输出功率。这种配置还最小化脉冲特性的变化，以便更方便地通过放大器对放大器地复制操作。各放大器可在最大功率下操作。无需从多个操作中分离一个放大后的激光输出而导致功率损耗。
由于在MOPA激光系统中大部分成本、大部分复杂性以及大部分功能都嵌入在主振荡器当中，因此本发明的实施例所获得的潜在成本节约是巨大的。在本发明的实施例中，相反地，与复制主振荡器所需成本相比较，与制造具有多个输出头的MOPA相关联的增加的成本是很小的。进一步，本发明的实施例实现了以特定(ad-hoc)方式增加输出头的个数，意味着当需要增大功率或生成能力时随着时间逐渐增加。因此，不会引起额外的系统成本直至需要额外的输出功率或生产能力。
尽管上面完整地说明了本发明的优选实施例，但是还可使用各种可选例、变型例以及等同例。因此，本发明的保护范围不应该参考上述说明书来确定，而是应该参考所附的权利要求书并且一起考虑所有的等同例的范围来确定本发明的保护范围。无论是否为优选的任何特征都可以与无论是否为优选的其它特征组合起来。在所附的权利要求书中，除了直接声明的之外，不定冠词“一 个”或“一种”是指紧跟该冠词的一个或多个项目的数量。所附的权利要求不应该被解释为包括“装置加功能”的限定，除非在给定的权利要求中使用短语“用于...的装置”清楚地记载了这样的限定。

Claims (48)

1.一种装置，包括：
主振荡器；
光束分离器，其耦合到主振荡器，该光束分离器适于将来自主振荡器的光束分离为两个或更多的子信号；
两个或更多的输出头，其平行地光耦合到光束分离器，从而每个输出头接收两个或更多的子信号中的一个，其中，两个或更多的输出头中的每一个都包括光耦合到光束分离器的耦合光学器件，该耦合光学器件被配置以使来自两个或更多的输出头的光输出不会在目标处在空间重叠；以及
一个或更多的光学功率放大器，其光耦合在光束分离器与耦合光学器件之间。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，
一个或更多的光学功率放大器位于两个或更多的输出头当中。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，
光学功率放大器包括放大器光纤。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，
光学功率放大器的泵浦源位于输出头的外面并且通过多模式光纤光耦合到输出头。
5.根据权利要求2所述的装置，其中，
两个或更多的输出头中的每一个都包括光耦合在光束分离器与功率放大器之间的光学前置放大器。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，
一个或更多的光学功率放大器包括光耦合在光束分离器与输出头之间的放大器光纤。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，
在不引起光纤非线性问题、不期望的失真、或对一个或更多的输出头造成损伤的前提下，该装置的有效峰值功率超过放大器所能产生的最大峰值功率。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，
该装置的总输出功率大于约10瓦特。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，
光学功率放大器是光纤放大器。
10.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
光耦合在主振荡器与一个或更多的功率放大器之间的光学前置放大器。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，
光学前置放大器包括串联耦合的两个或更多的光学前置放大器。
12.根据权利要求10所述的装置，其中，
光学前置放大器光耦合在主振荡器与光束分离器之间，该装置进一步包括两个或更多的额外的光学前置放大器，每一个额外的光学前置放大器都光耦合在光束分离器与功率放大器之间。
13.根据权利要求12所述的装置，进一步包括：
一个或更多的额外的光束分离器，其中，每一个额外的光束分离器都光耦合到输出光学前置放大器的其中之一的输出。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，
在主振荡器与一个或更多的功率放大器之间的分支网络中设置有两个或更多的光束分离器以及两个或更多的前置放大器。
15.根据权利要求1所述的装置，其中，
主振荡器包括调制器，该调制器被配置用来脉动主振荡器的光输出从而脉动两个或更多的输出头的光输出并且使它们彼此之间基本上同步。
16.根据权利要求1所述的装置，其中，
两个或更多的输出头中的每一个都包括光耦合的对光学功率放大器的输出进行波长转换的光波长转换器。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，
输出头被配置用来产生不同真空波长的输出射线。
18.根据权利要求16所述的装置，其中，
光波长转换器是高次谐波生成器、合频生成器、差频生成器、光参数振荡器或光参数放大器。
19.根据权利要求16所述的装置，其中，
光波长转换器是二次谐波生成器、三次谐波生成器或四次谐波生成器。
20.根据权利要求16所述的装置，其中，
光波长转换器是三次谐波生成器，从而该三次谐波生成器的光输出以大约340纳米至大约360纳米之间的真空波长为特征。
21.根据权利要求16所述的装置，其中，
光波长转换器是二次谐波生成器，从而该二次谐波生成器的光输出以大约520纳米至大约540纳米之间的真空波长为特征。
22.根据权利要求16所述的装置，其中，
每个输出头的峰值功率对于非线性光学器件是优化的并且避免了不期望的非线性。
23.根据权利要求22所述的装置，其中，
每个头的峰值功率小于不期望的非线性的阈值并且足够大以提供大出约20％的波长转换效率。
24.根据权利要求1所述的装置，其中，
主振荡器包括掺杂镱的增益介质，该增益介质被配置为使得来自主振荡器的光束以大约1.03至大约1.12微米之间的真空波长为特征。
25.根据权利要求1所述的装置，其中，
主振荡器包括分布式布喇格反射器(DBR)、分布式反馈(DFB)激光器、光纤激光器或是窄带放大后的自发射(ASE)源。
26.根据权利要求1所述的装置，其中，
主振荡器包括外部调制器。
27.根据权利要求1所述的装置，其中，
主振荡器产生以大约500nm至大约2000nm之间的真空波长为特征的主光信号。
28.根据权利要求1所述的装置，其中，
一个或更多的输出头包括光耦合到光学输出放大器的脉冲延伸或脉冲压缩机构。
29.根据权利要求1所述的装置，其中，
两个或更多的输出头被配置用来平行地传递放大后的输出射线到目标的两个或更多的侧面上。
30.根据权利要求1所述的装置，其中，
两个或更多的输出头被配置用来平行地同步传递放大后的输出射线到两个或更多的不同目标。
31.根据权利要求1所述的装置，其中，
耦合光学器件包括用来影响输出光束的时间特性的装置。
32.一种用来产生多个光输出的方法，包括：
产生主光信号；
将主光信号分离为两个或更多的子信号，其中，各子信号都沿着独立的光径被导向；
放大两个或更多的子信号中的每一个以产生两个或更多的放大后的输出；以及
导向放大后的输出到目标，从而放大后的输出不会在目标处在空间重叠。
33.根据权利要求32所述的方法，进一步包括：
在将主光信号分离为两个或更多的子信号之前，前置放大主光信号。
34.根据权利要求32所述的方法，进一步包括：
在放大两个或更多的子信号中的每一个之前并且在将主光信号分离为两个或更多的子信号之后，前置放大两个或更多的子信号中的每一个。
35.根据权利要求32所述的方法，进一步包括：
将两个或更多的放大后的输出光耦合到一个或更多的目标的不同侧面。
36.根据权利要求32所述的方法，进一步包括：
波长转换两个或更多的放大后的输出以产生两个或更多的波长转换后的放大后的输出。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，
两个或更多的波长转换后的输出包括三次谐波输出。
38.根据权利要求36所述的方法，其中，
两个或更多的波长转换后的输出包括二次谐波输出。
39.根据权利要求36所述的方法，其中，
两个或更多的放大后的输出以两个或更多的不同真空波长为特征。
40.根据权利要求32所述的方法，进一步包括：
选择性脉冲挑选两个或更多的放大后的输出以获得放大后的输出的任意组合。
41.根据权利要求32所述的方法，进一步包括：
延伸或压缩一个或更多的放大后的输出的脉冲宽度。
42.根据权利要求32所述的方法，其中，
目标是金属、陶瓷、半导体、聚合物、化合物、薄膜、丝、有机材料、体外或体内生物样品、或基本粒子。
43.根据权利要求32所述的方法，其中，
目标包括印刷电路(PC)板、集成电路(IC)封装体、半导体晶圆或半导体裸片、发光二极管(LED)晶圆、LED封装体、LED裸片、或丝。
44.根据权利要求32所述的方法，其中，
执行目标的材料处理包括执行表面纹理化、热处理、表面雕刻、精细微加工、表面熔蚀、切割、开槽、凸块形成、涂覆、锡焊、铜焊、烧结、密封、立体光刻、无掩模光刻、焊接连接线快速烧断、晶圆划线、切块、标记；通孔钻取；内存修理；平板显示修理；焊接、表面扩散或表面转变为化合物。
45.根据权利要求32所述的方法，其中，
执行目标的材料处理包括对于材料处理应用优化放大后的输出的脉冲重复频率和/或脉冲宽度。
46.根据权利要求32所述的方法，其中，
导向放大后的输出到目标从而放大后的输出不会在目标处在空间重叠的步骤包括执行目标的材料处理并且包括利用放大后的输出来同步处理多个目标。
47.根据权利要求32所述的方法，其中，
导向放大后的输出到目标从而放大后的输出不会在目标处在空间重叠的步骤包括执行晶圆检测、医疗、或激光粒子加速。
48.一种装置，包括：
主振荡器；
光束分离器，其耦合到主振荡器，该光束分离器适于将来自主振荡器的光束分离为两个或更多的子信号；
两个或更多的输出头，其平行地光耦合到光束分离器，从而每个输出头接收两个或更多的子信号中的一个；以及
一个或更多的光学功率放大器，其光耦合在光束分离器与耦合光学器件之间，
其中，主振荡器包括调制器，该调制器被配置用来脉动主振荡器的光输出，从而脉动两个或更多的输出头的光输出并且使它们彼此之间基本上同步。
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