CN101849332B - Q开关的固体激光器的脉冲稳定 - Google Patents

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Abstract

一种Q开关的固体激光器(1)，包括至少一个泵浦源(3)，一激光谐振器(6)，在该激光谐振器中安置有被泵浦源(3)泵浦的激光介质(7)和 Q开关(8)，用于探测由被泵浦的激光介质(7)发射的荧光光线(10)的探测器(11)，以及一用于根据探测的荧光光线(10)的强度调整激光脉冲(2)的脉冲能量的调节装置(14)。根据本发明，调节装置(12)具有设置在激光脉冲(2)的光路中的光学调节元件(8，15)，该调节元件适合于影响激光脉冲(2)的脉冲能量。

Description

Q开关的固体激光器的脉冲稳定
技术领域
本发明涉及一种Q开关的固体激光器，包括至少一个泵浦源、一个激光谐振器(在该激光谐振器中设置有由泵浦源泵浦的激光介质和Q开关)、一个用于探测由被泵浦的激光介质发射的荧光光线的探测器和一个用于根据探测的荧光光线的强度调节激光脉冲的脉冲能量的调节装置，还涉及一种用于调节Q开关的固体激光器的激光脉冲的脉冲能量的方法。
背景技术
例如从US5,018,152已知一种这样类型的Q开关的固体激光器。
在激光材料加工的许多领域中不再放弃考虑脉冲的Q开关的固体激光器。这样的加工系统的主要组成部件是真正的激光射线源，该激光射线源由谐振器、激发激光的介质和Q开关组成。使用掺杂有稀土离子(ND3+，Yb3+，Er3+)的基晶(YAG，YVO4，YLF，GdVO4)作为激发激光的介质。这些晶体的特征是激光跃迁，这些激光跃迁具有从几十微秒到几毫秒的荧光寿命。这些晶体由此能够在Q开关的激光谐振器中存储在低Q状态期间泵浦到激光介质中的能量。该过程被称作为反转构造。在激光介质中存储的能量部分地以荧光射线的形式释放。该荧光光线的强度是所存储能量大小的尺度。在从低谐振器Q转换到高谐振器Q时该反转被突然地解除并且所存储的能量以短脉冲的形式输出。作为被动Q开关通常使用可饱和的吸收器，作为主动Q开关通常使用声光或者电光调制器。脉冲能量和脉冲峰值功率取决于直到脉冲发射的时刻有多少能量被泵浦到激光介质中，因此取决于在从高Q到低Q转换时刻的剩余反转，取决于泵浦强度和低Q状态持续时间。谐振器从低Q到高Q的转换过程能够重复地进行，使得激光相应于开关频率发射由短脉冲(具有从几纳秒到几微秒的脉冲持续时间)的脉冲链。
特别是在用Q开关的固体激光器进行微加工和激光标记是，为了达到好的加工结果需要全部脉冲具有近似相同的脉冲能量和脉冲峰值功率。脉冲与脉冲间的不足的稳定性导致不均匀的标记并且可能产生损坏材料的结果。例如在矢量标记时出现的标记停顿特别成问题，这些标记停顿例如在从一个矢量结束到下一个矢量开始的突变时出现。它们使得激光器必须发射多个时间上受限的脉冲链来取代一个连续的脉冲链。脉冲链的各个脉冲之间的低Q状态持续时间是恒定的，而第一脉冲之前的激光明显较长时间处于低Q状态。如果在脉冲链之间不降低泵浦强度，则因此在第一脉冲之前将明显更多的能量泵浦到激光介质中。由于这样的原因激光链的第一脉冲与后续脉冲相比包含明显更多的能量和明显更高的峰值功率。
通常不采取主动预防措施来改善Q开关固体激光器的脉冲与脉冲间的稳定性。脉冲与脉冲间的稳定性由射线源结构引起并且与工作点(泵浦功率、重复频率、脉冲间隔比)有关。但已知用于改进Q开关固体激光的脉冲与脉冲间稳定性的技术。各种不同的技术涉及快速探测真正的激光脉冲以及后续的激光脉冲修正(例如US 3,747,019和WO 99/04465A1)。例如WO 99/04465A1公开了一种具有精确的脉冲能量控制的脉冲激光系统。这由此实现：具有纳秒范围内响应时间的快速脉冲能量探测器将脉冲能量转换成相应的电信号，该信号在达到定义的值时截取脉冲。但这些技术具有下面的缺点：
-需要谐振器外部的电光调制器，以便能够足够块地切割脉冲。这是昂贵的。控制该调制器的驱动器也是这种情况；
-为了能够在激光脉冲经过之前正确控制调制器，激光脉冲必须在时间上滞后。这需要光学滞后段，该滞后段作为附加光学元件并且基于与其关联的缺点例如功率损失、可能的失调和较大的结构空间而应当避免；
-该探测和调节电子装置必须非常快速。它必须从脉冲探测时刻起在很少的几纳秒内得知正确的衰减。这样快速的电子装置是费事的、易故障的和昂贵的；
-因为衰减涉及偏振旋转，该方法不能用于不偏振的激光。
由US5,018,152公开的脉冲激光系统规避了这些缺点，该激光系统具有荧光监视用于有针对性的泵浦功率调节和脉冲能量调节。替代真正的激光脉冲，根据荧光强度连续地探测在激光介质中构造的反转。如果荧光强度超过预给定的值，则使泵浦能量减小。以这样的方式实现在脉冲发射之前始终在激光介质中存储相同的能量。但不利的是，通过泵浦功率只能相对慢地改变反转。在这里，重要的时间标度由泵浦功率的开关速度给出。对于灯泵浦的系统，由于灯的惰性特性，光线强度不能在几微秒内开关。对于二极管泵浦的系统这在原则上是可行的。但为此所需的具有微秒范围内开关速度的电流驱动器包含这样的缺点：这些电流驱动器只能够以高的费用实现，否则它们对于被控制的二极管泵浦源的运行安全性表现出较高的风险。因此当重复频率高于约10kHZ时泵浦功率不是合适的调节参数。在这里，以在US5,018,152中公开的方法改善脉动与脉动间的稳定性仅能很有限地实现。但微加工领域或者激光标记领域中的应用典型地使用该范围内的重复频率。
发明内容
因此，本发明的任务在于，对于开始所述类型的Q开关固体激光器改善脉冲与脉冲间的稳定性，特别是即使重复频率高于约10kHZ的情况下。
根据本发明，该任务的解决方案是，调节装置具有设置在激光脉冲的光路中的光学调节元件，该调节元件适用于影响激光脉冲的脉冲能量。
根据本发明，为了影响脉冲能量，不是将反转、即激光介质中存储的能量而是仅将脉冲能量置于尽可能恒定的水平上。为此在发射激光脉冲之前在确定的时间间隔中借助荧光强度光学地测量激光介质中存储的能量。该方法基于这样的事实：从在已知该时间间隔持续长度和已知泵浦功率情况下的测量值能够明确地推断出在发射激光脉冲的时刻的存储能量并由此推断出所希望的脉冲能量。快速电子装置将测量信号与能够变化地调整的给定值比较并由此产生校正信号。该校正信号被发送到光学执行机构上，该执行机构适用于影响随后的脉冲的脉冲能量。校正信号和调节元件这样设立，使得与应有值的偏差对脉冲能量的作用最小化。该光学调节元件能够在足够短的时间内改变激光的脉冲能量。更准确地说，校正信号的计算持续时间与调节元件的反应时间的和必须比荧光测量与激光脉冲发射之间的时间间隔短，由此影响随后的激光脉冲的脉冲能量。该时间间隔典型地在微秒范围内，短于100μs，特别是短于10μs。荧光强度的测量优选以重复频率在每个单个激光脉冲发射前周期性进行，具体说典型地在小于100μs、特别是小于10μs的微秒范围内进行。
合适的调节元件的一个例子是谐振器内部的Q开关不完全打开。该不完全打开在脉冲建立期间和脉冲发射期间引起谐振器中的提高的循环损失。结果是，存储在激光介质中的能量仅不完全地释放并且因此减少脉冲能量。
合适的光学调节元件的另一个例子是外部调制器，例如声光调制器。在这种情况下对脉冲能量的影响基于：入射的激光射线穿过透明的介质，在该介质中，激光光线在声光波上的可变分量从原本的激光射线中弯折出来。对于直线偏振的固体激光器，该外部调制器可以替换地是电光调制器。在这种情况下对脉冲能量的影响基于可变的偏振旋转。通过随后将相互垂直的偏振方向的分开，该偏振旋转引起两个输出射线的可变的分配。
优选该固体激光器是基模激光器，该基模激光器的特征是激光脉冲的基本上单一的(eindeutig)并且保持不变的横向空间分布。因此该激光脉冲很大程度上由激光介质中存储的能量的大小并从而由荧光信号预先决定。相反，对于多模激光器，虽然荧光信号相同，但由于激光介质中存储的能量的不同的空间分布，激光脉冲的能量(以及空间分布)可能波动。
根据本发明的固体激光器特别是也能够被用来使在脉冲运行的固体激光器中典型地出现的脉冲链第一脉冲过高最小化。对于激光器的热振荡来说也是如此。通过根据本发明调节脉冲能量能够在这种程度上削弱脉冲链第一脉冲：使得第一脉冲的脉冲能量与后续脉冲仅略微不同，由此实现自动化发生第一脉冲的正确衰减。
固体激光器优选在恒定的泵浦功率下运行，以确保在荧光测量与激光脉冲发射之间激光介质中存储的能量的提高的固定的时间进程。这样在测量信号与预期的脉冲能量之间产生明确的关联。在这种情况下优选通过也被用于脉冲稳定的同一光学调节元件进行激光功率的调整。
另一方面，本发明涉及一种用于调节Q开关的固体激光器的激光脉冲的脉冲能量的方法，其中，根据由被泵浦的激光介质发射的荧光光线来光学地探测激光介质中存储的能量并且在谐振器内部或者在谐振器外部根据探测到的荧光光线调节激光脉冲的脉冲能量。
从权利要求、说明书和附图中得出本发明的其它优点。前面所述的以及还要进一步解释的特征也可以单个地或者多个任意结合地使用。所示出的和描述的实施方式不应被理解为穷举，而是具有用于解释本发明的示例性特点。
附图说明
附图示出：
图1根据本发明的Q开关固体激光器的第一实施方式，具有外部调制器作为脉冲能量调节装置的调节元件；
图2根据本发明的Q开关固体激光器的第二实施方式，具有设置在激光谐振器内的声光调制器作为脉冲能量调节装置的调节元件；
图3根据本发明的Q开关固体激光器的第三实施方式，具有设置在激光谐振器内的电光调制器作为脉冲能量调节装置的调节元件。
具体实施方式
图1中示出的Q开关固体激光器用于产生具有尽可能恒定的脉冲能量的激光脉冲2。
该固体激光器1包括泵浦源3、由两个合适的反射镜4，5定义的激光谐振器6，在该激光谐振器中设置有被泵浦源3泵浦的激发激光的介质(激光介质)7和主动Q开关(Q-Swith)8，该固体激光器1还包括用于控制主动Q开关8的驱动器9。使用掺杂有稀土离子(ND3 +，Yb3+，Er3+)的基晶(YAG，YVO4，YLF，GdVO4)作为激光介质。这种晶体的特征是，激光跃迁具有从几十微秒到几毫秒的荧光寿命，并且因此能够在Q开关的激光谐振器6中存储在低Q状态期间泵浦到激光介质7中的能量。存储在该激光介质7中的能量被部分地以荧光光线10的形式释放，该荧光光线的强度是所存储的能量大小的尺度并从而是随后的激光脉冲2的预计能量的尺度。荧光光线10被一探测器(例如光电二极管)11测量，该探测器在侧面(即不是沿着谐振器6的光学轴)对准激光介质7。该探测器11探测激光介质以射向探测器11有效面的空间角度发射的荧光光线10。必要时能够将激光介质7与探测器11之间的聚光光具用于增大该空间角度并由此增大落到探测器11上的强度。荧光强度优选以重复频率周期性测量，具体地说典型地在每个单个激光脉冲发射之前小于100μs、特别是小于10μs的微秒范围内测量。
泵浦源3的泵浦光线12能够通过遮暗和/或通过滤色器13保持远离探测器11。滤光器13理想地只允许由光学跃迁引起的波长落到探测器11上，在跃迁时，激光介质7的高能量级占据在随后的激光脉冲中转变到低能量状态，由此加强激光脉冲。
探测器11的测量信号被传送给一电路(调节装置)14，在那里与一能够可变地调整的给定值比较并且根据该差计算出校正信号。该校正信号被传送给谐振器外部的光学调节元件15，该调节元件的反应时间小于10μs并且该调节元件适用于影响从激光谐振器6输出耦合的激光脉冲2的脉冲能量。光学执行机构15可以是外部调制器，例如声光调制器(AOM)。在这种情况下对脉冲能量的影响基于：入射的激光射线穿过透明介质，在该介质中，激光光线在声波上的可变部分从原本的激光射线中弯折出来。对于线性偏振的固体激光器，光学调节元件15可以替换地是电光调制器(EOM)。在这种情况下对脉冲能量的影响基于可变的偏振旋转。通过随后将相互垂直的偏振方向分开，偏振旋转引起两个初始射线的可变的分配。
探测器11的测量信号的电子处理原则上可以通过模拟技术进行。但AD转换器和随后借助微处理器处理提供了大的优点，因为给定值和计算因数能够可变地适配。这使得例如能够实现稳定状态的简单的再校准。必要时必须对计算出的校正信号在到达光学调节元件15之前再进行类似转换。
在图2和3中示出的固体激光器1与图1中的固体激光器的区别仅在于：这里的光学调节元件安置在激光谐振器6内部并且通过主动的Q开关8形成。在图2中，主动的Q开关8构造为AOM，在图3中构造为后面连接有偏振器16的EOM。对于这种主动Q开关的系统，在脉冲建立期间和脉冲发射期间Q开关8的不完全打开引起激光谐振器6中的循环损失提高。结果，激光介质7中存储的能量只被不完全地释放并且因此减少脉冲能量。

Claims (11)

1.Q开关的固体激光器(1)，用于产生具有可调节的脉冲能量的激光脉冲(2)，包括：
包括：
至少一个泵浦源(3)，
激光谐振器(6)，在该激光谐振器中安置有被泵浦源(3)泵浦的激光介质(7)和Q开关(8)，
用于探测由被泵浦的激光介质(7)发射的荧光光线(10)的探测器(11)和
调节装置(14)，该调节装置具有设置在激光脉冲光路中的、可调整的光学调节元件，该光学调节元件为具有可调节的打开状态的、谐振器内部的Q开关(8)的形式，其中，该调节装置(14)根据探测的荧光光线(10)的强度将所述谐振器内部的Q开关(8)调整到不完全打开状态并且由此在激光脉冲(2)的脉冲建立和脉冲发射期间在激光谐振器(6)中这样产生可变的循环损失，使得所述脉冲能量被置于恒定的水平上。
2.根据权利要求1的Q开关的固体激光器，其特征在于，所述光学调节元件(8，15)的反应时间小于100μs。
3.根据权利要求1或2的Q开关的固体激光器，其特征在于，所述荧光光线(10)的探测以固体激光器(1)的重复频率周期性地进行，具体说是在每个单个激光脉冲(2)之前的固定地预给定的时间间隔。
4.根据权利要求1或2的Q开关的固体激光器，其特征在于，所述谐振器内部的Q开关(8)通过声光调制器或者电光调制器形成。
5.根据权利要求1或2的Q开关的固体激光器，其特征在于，在所述探测器(11)前面安置有滤光器(13)，该滤光器只允许由光学跃迁引起的波长射到探测器(11)上，在跃迁时，对高能量级的占据在随后的激光脉冲(2)中转变到低能量状态并且由此加强激光脉冲(2)。
6.根据权利要求1或2的Q开关的固体激光器，其特征在于，该Q开关的固体激光器(1)用在用于材料加工或者用于激光标记的系统中。
7.根据权利要求1的Q开关的固体激光器，其特征在于，所述光学调节元件(8，15)的反应时间小于10μs。
8.根据权利要求1或2的Q开关的固体激光器，其特征在于，该Q开关的固体激光器(1)用在用于微加工的系统中。
9.用于调节Q开关的固体激光器(1)的激光脉冲(2)的脉冲能量的方法，其中，根据由被泵浦的激光介质(7)发射的荧光光线(10)的强度光学地探测激光介质(7)中存储的能量，其特征在于，根据探测的荧光光线(10)的强度将谐振器内部的Q开关(8)调节到不完全打开状态，以便由此调节在激光脉冲(2)的脉冲建立和脉冲发射期间在激光谐振器(6)中的循环损失，使得所述脉冲能量被置于恒定的水平上。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，在发射每个单个激光脉冲(2)之前根据所述荧光光线(10)的强度光学地探测激光介质(7)中存储的能量。
11.根据权利要求9或10的方法，其特征在于，以固体激光器(1)的重复频率周期性地探测所述荧光光线(10)，具体说是在每个单个激光脉冲(2)之前的固定地预给定的时间间隔。
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