CN101897087A - 用于q开关固体激光器中的首个脉冲优化的方法以及q开关固体激光器 - Google Patents

用于q开关固体激光器中的首个脉冲优化的方法以及q开关固体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于借助Q开关固体激光器(1)产生由多个单脉冲(3)组成的、具有所希望的单脉冲(3)脉冲特性的脉冲串(2)的方法，该固体激光器具有用于影响单脉冲(3)的脉冲特性的调制器(9)，具有下面的方法步骤：通过将时间性的初始调制信号(16a)施加到调制器(9)上产生具有一种脉冲特性的脉冲串(2)的单脉冲(3)；探测产生的脉冲串(2)的单脉冲(3)的脉冲特性，基于所探测的和所希望的脉冲特性生成改变了的调制信号(16)以及通过将改变了的调制信号(16)施加到调制器(9)上产生具有改变了的脉冲特性的脉冲串(2)；重复最后的方法步骤，直到满足预先确定的关于优化的调制信号(16)的中断标准；以及通过将优化的调制信号(16)施加到调制器(9)上产生脉冲串(2)，该脉冲串的单脉冲具有所希望的脉冲特性。本发明还涉及一种适合于实施该方法的Q开关固体激光器(1)。

Description

用于Q开关固体激光器中的首个脉冲优化的方法以及Q开关固体激光器
技术领域
本发明涉及一种用于借助Q开关固体激光器产生由多个单脉冲组成的、具有所希望的单脉冲脉冲特性的脉冲串的方法以及一种适合于实施该方法的Q开关固体激光器。
背景技术
在材料激光加工的许多领域中不再放弃考虑脉冲的Q开关固体激光器。这些加工系统的主要组成部件是真正的激光射束源，该激光射束源由谐振腔、激光活性介质和Q开关组成。使用掺杂有稀土离子(ND3+，Yb3+，Er3+)的基晶(YAG，YVO4，YLF)作为激光活性介质。这些晶体的特征是具有从几十微秒到几毫秒荧光寿命的激光跃迁。由此这些晶体能够在Q开关激光谐振腔中存储在低Q状态期间泵浦到激光介质中的能量。该过程被称为建立反转。在从谐振腔低Q转换到谐振腔高Q时反转突然消减并且所存储的能量以呈短脉冲形式输出。作为Q开关通常使用声光调制器(AOM)或者电光调制器(EOM)。脉冲能量和脉冲峰值功率取决于有多少能量在低Q状态期间被泵浦到激光介质中，因此取决于低Q状态的持续时间。谐振腔从低Q到高Q的转换过程能够反复进行，使得该激光器相应于开关频率发射由短脉冲(具有从几纳秒到几微秒脉冲持续时间)组成的脉冲串。低Q状态的持续时间在脉冲串的各个脉冲之间是恒定不变的，因此这些脉冲具有几乎相同的能量和峰值功率。然而这不适用于脉冲串的首个脉冲。在该首个脉冲之前激光谐振腔明显更长时间地处于低Q状态，因此将明显更多的能量泵浦到激光活性介质中。因此脉冲串的首个脉冲通常比后续脉冲包含明显更多的能量和明显更高的峰值功率。
特别是在利用Q开关固体激光器进行激光标刻时，为了产生好的加工结果通常需要相同脉冲峰值功率和相同脉冲能量的均匀脉冲。例如在矢量标记时出现的标刻间歇(例如在从一个矢量的末尾跳跃到后一个矢量的开始时)要求：激光器不是发射一个连续的脉冲串，而是必须发射多个时间上受限的脉冲串。在多次应用标刻时，这些脉冲串的每个首个脉冲的过高产生标刻的明显可见的不均匀性。
已经知道不同的方法，用于在Q开关固体激光器中避免脉冲串的首个脉冲的脉冲能量或者脉冲峰值功率过高。
特别有利的是一种方法，在该方法中，Q开关在首个脉冲的发射期间不完全打开。该方法在US 4,675,872中被更详细地描述。在这里脉冲串的首个脉冲被控制减弱。这由此实现：Q开关(AOM，EOM)被这样控制，使得该Q开关在首个脉冲期间不是从低Q状态转换到高Q状态，而是转换到中等Q状态。在该中等Q状态虽然产生一个脉冲，但该脉冲具有减小的脉冲能量和脉冲峰值功率，因为谐振腔由于Q减小而使该脉冲遭受损失(例如在AOM中呈衍射损失的形式)。在该方法中通常不能实现：在激光晶体中存储的多余能量通过单独发射首个脉冲期间的损失被足够地消减。相反，多余能量的一部分保留在激光晶体中，使得需要减弱其它的后续脉冲。在这里，各个脉冲的脉冲能量和脉冲峰值功率关键取决于当时调定的Q，该Q例如在AOM上通过施加在AOM上的HF功率的幅值预先给定。Q开关的产生首个脉冲的最优减弱的相应控制参数不仅因激光器而特定，而且取决于激光器的工作点(泵浦功率、重复频率、脉冲间隔比例)。求得这些控制参数是费用高的并且是有问题的。
一种替换的方法在于，在发射各个脉冲发射之前如此控制泵浦功率，使得这些脉冲获得分别希望的脉冲能量或者脉冲峰值功率。在这里，泵浦功率的改变对于脉冲能量和脉冲峰值功率的作用也关键取决于激光器的工作点(泵浦功率、重复频率、脉冲间隔比例)。在这里，求得合适的控制参数也是费用高的并且是有问题的。
在这些已知的方法中，用于首个脉冲优化的控制参数的求得是“几乎静态的”，即这些参数或者固定地预先给定，或者根据标刻结果人工优化。替换地也可以提供不同参数组的列表，工具软件或者使用者从列表中选择最合适的。这些已知的方法由于下面的原因而不令人满意：首先，激光器在使用中在泵浦功率、重复频率和脉冲间隔比例变化的情况下运行，使得需要经常地人工优化或者必须提供非常大量的参数组并且选出适当的。第二，首个脉冲优化可能取决于应用，使得应用的变化需要控制参数组的人工优化或者必须提供更大量的参数组。第三，优化的参数组只适用于优化时刻的状态，当激光器Q以后改变时(光具变差，泵浦源退化，在AOM情况下HF驱动器退化等)，优化的参数在有些情况下不再合适并且需要手工干预。第四，通常必须对于每个工具个别地确定不同的参数组，因为最优参数值由于各个工具之间的元件差异和校正偏差而可能不同。
另一方面，在某些情况下希望，首个脉冲或者说第一脉冲不具有与后续脉冲相同的脉冲能量或者脉冲功率。例如在矢量标记时较小的脉冲能量可以具有优点，以便补偿在矢量开始时的反射镜运动的动态加速过程。
发明内容
与此相比，本发明的任务在于，给出一种用于借助Q开关固体激光器产生由多个单脉冲组成的脉冲串的方法以及提供一种适合于实施该方法的Q开关固体激光器，该脉冲串具有所希望的单脉冲脉冲特性，特别是脉冲串的一个或多个首个脉冲的所希望的脉冲能量或者脉冲功率。
根据本发明，该任务通过一种用于借助Q开关固体激光器产生由多个单脉冲组成的、具有所希望的单脉冲脉冲特性的脉冲串的方法实现，该固体激光器具有用于影响单脉冲的脉冲特性的调制器，该方法具有下面的方法步骤：
通过施加时间上的初始调制信号到调制器上产生脉冲串的具有一种脉冲特性的单脉冲；
探测所产生的脉冲串的单脉冲的脉冲特性，基于所探测的和所希望的脉冲特性生成改变了的调制信号，通过将该改变了的调值信号施加到调制器上来产生具有改变了的脉冲特性的脉冲串；
重复最后的方法步骤，直到满足关于最优调制信号的预定中断标准；以及
通过施加该最优调制信号到调制器上产生脉冲串，该脉冲串具有其单脉冲的所希望的脉冲特性。
根据本发明能够实现一个或多个首个脉冲的脉冲能量或者脉冲峰值功率的有针对性的调节，即首个脉冲优化。本发明不仅使得在Q开关固体激光器的生产中实施首个脉冲优化简化，而且使得能够实现根据变化的工作点个别地优化的首个脉冲优化。此外本发明确保首个脉冲优化在应用中的长时间可靠性。否则，在没有附加的花费高的测量技术的情况下，这两种效果只能通过用户方面的耗费时间的、基于加工结果的人工优化实现，其中，这种类型的优化除了需要的时间耗费外作为另外的缺点还导致次优的加工并且由此通常导致待加工件的废品。
优化的调制信号的生成优选借助在合适的控制装置或者调节装置中存储的算法全自动地进行，但也能够人工进行。在后一种情况中存在用于生成和探测脉冲串和用于调节时间上的调制信号的手段，但不存在根据探测的信号生成调制模式的算法。而是例如将脉冲串以图像示出在监视器上或者将一个标志脉冲串的首个脉冲的脉冲特性的参量例如作为数值或者数值表格输出，使用者基于这些信息人工优化调制模式。
对于某些应用有利的是，脉冲串的首个脉冲不与后续脉冲具有相同的脉冲能量。例如值得追求的是，使脉冲串的首个脉冲的能量相对于后续脉冲降低，以便补偿扫描镜的加速过程以及与此相关的较高的每单位面积能量输入。这可以由操作者借助相应的刻度因数预先规定给生成算法。在此可以或者预先给定一个时间间隔和一个共同的刻度因数，或者预先给定脉冲数和一个共同的刻度因数，或者对于各个脉冲单独预先给定刻度因数。
所希望的单脉冲脉冲特性可以例如是单脉冲的脉冲峰值功率或者是单脉冲的脉冲能量。在此为了减小从脉冲串到脉冲串之间出现的脉冲峰值功率波动或者脉冲能量波动的影响，有利的是，探测多个脉冲串并且对于脉冲串的每个单个脉冲形成平均值，由此生成改变了的调制信号。脉冲特性的探测能够直接地或者间接地进行，例如其方式是，探测该脉冲持续时间并且从该脉冲持续时间反推出脉冲能量或者反推出脉冲峰值功率。
优选调制器作用于谐振腔Q或者作用于Q开关固体激光器的泵浦功率。在第一种情况下调制器可以例如是Q开关固体激光器的声光Q开关，该Q开关借助时间上的HF功率调制信号来控制。如果例如首个脉冲超高，则根据超高的强度在“首个初始试验”中适配每个脉冲的HF功率值，使得脉冲峰值功率或者脉冲能量变得相同。每个脉冲获得分派给它的HF功率值。该时间上的HF功率模式现在又被发送给Q开关，所产生的脉冲串的脉冲峰值功率或者脉冲能量被探测并且被控制算法处理，时间上的HF功率模式被重新改变。这一直重复，直到已实现合适的首个脉冲优化。合适的首个脉冲优化可由此定义：满足所确定的中断标准，该中断标准例如可以是脉冲峰值功率或者脉冲能量与由所有脉冲形成的平均值的最大偏差或者可以是脉冲串的全部脉冲的脉冲峰值功率或者脉冲能量的最大变化。
特别优选，在用由多个单脉冲组成的脉冲串实施材料加工之前，对于至少一个以后在材料加工中出现的固体激光器工作点，特别是对于所有以以后在激光加工中出现的工作点，分别求出最优的调制信号。固体激光器根据其调校状态或者其谐振腔Q自给自足地并且适应性地生成适合于首个脉冲优化的控制参数，即固体激光器刚好为了当前加工(例如标刻)所需要的控制参数。
可使用各种不同的算法用于产生调制信号。一个简单的例子是各个脉冲的序列优化：在第一步骤中通过首个调制信号值或者HF功率值的变化以合适的方式使首个脉冲的脉冲峰值功率或者脉冲能量适配于后续脉冲的平均值。接着对于第二脉冲借助第二调制信号值的变化做同样的事情并且如此继续。在脉冲的峰值功率或者脉冲能量虽然完全调制但仍然不再明显地与后续脉冲的平均值有偏差时才中断。作为另外的例子可以使用爬山(Hill-Climbing)算法或者演变算法，例如遗传算法。在后一种情况中首先要将随机的或者有意义地将预先给定的、时间上的调制信号值或者HF功率模式发送到AOM上并且探测生成的脉冲串。生成装置、即控制装置或者调节装置进行最佳调制信号值或者HF功率模式的选择并且现在尝试演变地通过反复进行上面描述的过程优化它们。
在另一方面，本发明也涉及一种用于产生由多个单脉冲组成的、具有所希望的单脉冲脉冲特性的脉冲串的Q开关固体激光器，该固体激光器包括：
-用于影响单脉冲的脉冲特性的调制器；
-用于探测产生的脉冲串的单脉冲的脉冲特性的探测器；
-与该探测器和该调制器连接的一个装置，该装置基于当时探测的和所希望的脉冲特性生成用于控制调制器的、改变了的调制信号；以及
-数据存储器，在该数据存储器中存储所述改变了的调制信号。
替代用于生成改变的调制信号的装置，该Q开关固体激光器也可以具有输出装置，以便将探测到的、所生成的脉冲串的单脉冲的脉冲特性输出给使用者，并且可以附加地具有输入装置，该输入装置使得使用者能够改变调制信号。
在一优选实施方式中，调制器由Q开关固体激光器的Q开关形成，特别是由AOM或者EOM形成，该Q开关相应于从激光谐振腔中输出耦合的脉冲串的所希望的单脉冲脉冲特性来影响Q开关固体激光器的谐振腔Q。在另一优选实施方式中，调制器设置在Q开关固体激光器的泵浦光源与激光谐振腔之间的泵浦光线的光路中，因此作用于Q开关固体激光器的泵浦功率。替换地，调制器也可以是泵浦光源自身，该泵浦光源的泵浦功率被相应于从激光谐振腔中输出耦合的脉冲串的所希望的单个脉冲脉冲特性调制。
本发明其它的优点从权利要求、说明书和附图中得出。前面所提到的和后面解释的特征可以单独地或者多个任意组合地使用。所示出的和描述的实施方式不应被理解为穷举，而是对于阐述本发明具有示例性特点。
附图说明
附图示出：
图1根据本发明的具有首个脉冲优化的Q开关固体激光器的一种实施方式；
图2a由多个单脉冲组成的、具有超高的首个单脉冲的最初脉冲串以及在图1中示出的声光Q开关的、该脉冲串所基于的最初HF功率模式；以及
图2b相对于图2a中示出的脉冲串进行了首个脉冲优化的脉冲串以及声光Q开关的、该优化的脉冲串所基于的、优化的HF功率模式。
具体实施方式
在图1中示出的Q开关固体激光器1用于产生脉冲串2，该脉冲串由多个具有尽可能恒定不变的脉冲能量的单脉冲3组成。
该固体激光器1包括一泵浦源4、一激光谐振腔7以及一HF驱动器10，该激光谐振腔由对于激射光来说高反射的反射镜5和一输出耦合镜6定义，在该激光谐振腔中安置被泵浦源4泵浦的激光活性介质(激光介质)8和呈声光调制器(AOM)9形式的主动Q开关(Q-Switch)，该HF驱动器10用于控制AOM9。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8。这些晶体的特征是具有从几十微秒到几毫秒荧光寿命的激光跃迁，因此能够在Q开关激光谐振腔7中存储在低Q状态期间泵浦到激光介质8中的能量。脉冲串2通过输出耦合镜6从激光谐振腔7输出耦合并且能够借助快门(Shutter)11释放用于加工。
在进行加工(例如标刻)之前，在快门11关闭的情况下在以后在加工中出现的工作点(泵浦功率，重复率，脉冲间歇比例)处运行固体激光器1。谐振腔Q的转换首先以全调值深度进行。这由此实现：由HF驱动器发出并且被传输到AOM 9上的HF功率从其最大值(谐振腔低Q)转换到0(谐振腔高Q)。在图2a中在时间轴上方不仅示出由多个单脉冲3组成的、具有超高的首个单脉冲3a的脉冲串2的光功率Popt，而且示出HF功率PHF，即该脉冲串所基于的最初的HF功率模式16a。
由固体激光器1发射的光的一小部分(例如4％)通过这里构造为楔形玻璃的射束分裂器12被转向到这里构造为PIN光电二极管的探测器13上。该探测器13借助后置的“采样和维持”电路14探测脉冲串2的所有单脉冲3的峰值功率。替换地，也可以使用积分电路，以便探测脉冲串的全部脉冲的脉冲能量。现在将探测到的值传送给控制装置15，例如微控制器。为了使在脉冲串与脉冲串之间出现的脉冲功率或者脉冲能量波动的影响最小，有利的是，探测多个脉冲串2并且对于脉冲串2的每个单个脉冲求出平均值。控制装置15识别出脉冲串2的首个单脉冲3a是超高的，并且根据超高的强度在“首个试验”中适配在每个单脉冲施加到AMO 9上的HF功率值，使得脉冲峰值功率或者脉冲能量变得相同。即，在首个单脉冲期间不再进行HF功率的全调制。每个单脉冲3获得分配给它的HF功率值。该时间性的调制信号或者说HF功率模式16现在又通过驱动器10施加到AOM9上，所产生的脉冲串2的脉冲峰值功率或者脉冲能量被探测并且被控制装置15处理，该时间性的HF功率模式16被重新改变。这一直重复，直到已实现合适的首个脉冲优化。后者能够由此定义：满足所确定的中断标准，该中断标准例如可以是脉冲峰值功率或者脉冲能量与对所有脉冲求出的平均值的最大偏差或者可以是脉冲串的全部脉冲的脉冲峰值功率或者脉冲能量的最大变化。在图2b中示出相对于在图2a中示出的脉冲串进行了首个脉冲优化的脉冲串2以及该优化的脉冲串所基于的、AMO9的优化的HF功率模式16，在该脉冲串中所有的单脉冲3具有相同的脉冲峰值功率。如此生成的优化的HF功率模式16针对对应的加工点存储在控制装置15的数据存储器17中。接着对于以后在加工中出现的所以其它工作点实施相同的程序。
然后，为了加工，打开快门11并且产生具有所希望的脉冲特性(例如首个脉冲减弱)的脉冲串2，其方式在于，将针对所希望的脉冲特性和所希望的工作点而存储的、优化的调制信号16施加到AOM 9上。
替代所述控制装置，Q开关固体激光器也可以具有一输出装置，用于将探测到的、所产生的脉冲串的单个脉冲的脉冲特性输出给使用者，并且附加地具有一输入装置，该输入装置使得使用者能够改变调制信号。在这种情况下，附图标记15指示输出和输入装置。

Claims (16)

1.用于借助Q开关固体激光器(1)产生由多个单脉冲(3)组成的、具有所希望的单脉冲(3)脉冲特性的脉冲串(2)的方法，该固体激光器具有用于影响单脉冲(3)的脉冲特性的调制器(4；9)，该方法具有下面的方法步骤：
通过将时间性的初始调制信号(16a)施加到调制器(4；9)上产生具有一种脉冲特性的脉冲串(2)的单脉冲(3)；
探测所产生的脉冲串(2)的单脉冲(3)的脉冲特性，基于所探测的和所希望的脉冲特性生成改变了的调制信号(16)以及通过将该改变了的调制信号(16)施加到调制器(4；9)上来产生具有改变了的脉冲特性的脉冲串(2)；
重复最后的方法步骤，直到满足预先确定的、关于优化的调制信号(16)的中断标准；以及
通过将该优化的调制信号(16)施加到调制器(4；9)上产生脉冲串(2)，该脉冲串的单脉冲具有所希望的脉冲特性。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述单脉冲(3)的所希望的脉冲特性是其脉冲峰值功率或者其脉冲能量。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，所述改变了的调制信号(16)基于多个脉冲串(2)生成。
4.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，所述调制器(4；9)作用于谐振腔Q(1)或者作用于Q开关固体激光器(1)的泵浦功率。
5.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，在用由多个单脉冲(3)组成的脉冲串(2)实施激光加工之前，对于至少一个以后在加工中出现的固体激光器(1)工作点，特别是对于所有以后在激光加工中出现的工作点，分别生成并且特别是存储优化的调制信号(16)。
6.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，所述改变了的调制信号(16)全自动地、即不需要人工干预地生成。
7.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，所述改变了的调制信号(16)借助各个脉冲的序列优化生成。
8.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，所述改变了的调制信号(16)借助演变或者遗传算法或者爬山算法生成。
9.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，存储至少一个、特别是多个优化的调制信号(16)连同其对应的工作点。
10.用于产生由多个单脉冲(3)组成的、具有所希望的单脉冲(3)脉冲特性的脉冲串(2)的Q开关固体激光器(1)，该Q开关固体激光器包括：
用于影响单脉冲(3)的脉冲特性的调制器(4；9)；
用于探测所产生的脉冲串(2)的单脉冲(3)的脉冲特性的探测器(13)；
与该探测器(13)和该调制器(4；9)连接的一个装置(15)，该装置基于当时探测的和所希望的脉冲特性生成用于控制调制器(4；9)的、改变了的调制信号(5)；以及
数据存储器(17)，在该数据存储器中存储所述改变了的调制信号(16)。
11.根据权利要求10的Q开关固体激光器(1)，其特征在于，所述探测器在光路中安置在调制器(4；9)后面。
12.根据权利要求10或11的Q开关固体激光器(1)，其特征在于，所述调制器通过该Q开关固体激光器(1)的Q开关(9)形成。
13.根据权利要求10或11的Q开关固体激光器(1)，其特征在于，所述调制器设置在该Q开关固体激光器的泵浦光源(4)与激光谐振腔(7)之间的泵浦光线的光路中或者由该泵浦光源(4)自身形成。
14.根据权利要求10至13之一的Q开关固体激光器(1)，其特征在于，在所述数据存储器(17)中能够存储至少一个、特别是多个优化的调制信号(16)连同其对应的工作点。
15.根据权利要求10至14之一的Q开关固体激光器(1)，其特征在于，设置有用于使探测到的脉冲特性可视化的输出装置(15)并且设置有用于人工改变调制信号(16)的输入装置(15)。
16.根据权利要求15的Q开关固体激光器(1)，其特征在于，所述输出装置(15)将标志脉冲串的首个单个脉冲或者多个脉冲的脉冲特性的参量作为数值或者作为数值表格输出。
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