CN103236641A - 一种包络可调的超短脉冲序列产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种包络可调的超短脉冲序列产生装置及方法，该装置包括：脉冲激光源用以输出具有预定频率和脉宽的超短脉冲激光；调制信号发生器用以输出调制信号；光调制器用以在调制信号的控制下将超短脉冲激光调制成具有一定包络形状的光脉冲序列，每个包络包括至少2个子脉冲。本发明采用分光器实现了超短脉冲激光与调制信号的同步，精确地进行光脉冲的选择，生成了具有一定包络形状的光脉冲序列，光脉冲序列的包络形状、重复频率及包络脉冲的宽度都可以通过控制调制信号发生器做任意调整；且脉冲序列放大后的单脉冲能量及峰值功率可显著提高，满足短脉冲序列激光加工要求。

Description

一种包络可调的超短脉冲序列产生装置及方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，涉及一种激光脉冲生成装置及方法，特别是涉及一种包络可调的超短脉冲序列产生装置及方法。

背景技术

随着激光加工技术的发展，采用超短脉冲、超高强度、超短波长激光对材料进行加工已成为可能。超短脉冲激光的瞬间功率极大，可以和几乎任何材料发生相互作用，因而可用于超短脉冲激光加工的材料几乎不受限制。超短脉冲激光精密加工可以得到高于长脉冲激光加工的精度，可以进行材料表面的加工，并且可对透明材料内部进行加工与改性；尤其是对于超硬、易碎、高熔点、易爆等材料的加工，更具有其他方法无法匹敌的优势。

超短脉冲与传统的激光加工相比具有很多突出的优点。主要表现在以下几个方面：

1、超短脉冲激光加工可得到小于聚焦光斑尺寸的加工精度，不会受到光的衍射极限的限制，具有很高的空间分辨性精度高。

2、超短脉冲激光在加工过程中避免了热扩散问题，在加工材料中没有出现熔融区，没有重铸层，不产生微裂纹，同时避免了热熔化的存在，大大减弱和消除了传统加工中热效应带来的诸多负面影响。

3、超短脉冲激光加工对材料没有选择和限制性，而且加工所需要的脉冲能量阀值极低，一般只有毫焦耳量级。

4、超短脉冲激光加工过程不会产生导致结构损坏的冲击波，对临近位置的材料不产生破坏性的影响。

超短脉冲激光在材料加工中具有重要的应用，但在激光加工系统中，激光脉冲的重复频率也会对材料的加工效果产生影响。如要对具有规则间隔的目标进行高速、精确的加工，将多脉冲激光按照大约对应的间距，应用光学调制元件进行输出调制，以期达到要求的输出脉冲序列。如专利CN200880001706.2中提到过的多脉冲加工系统。

目前，实现多脉冲激光器多是基于灯泵或半导体泵浦的固体激光技术，其实现方式有：使用电光开关实现激光腔内两路子腔调Q振荡，输出双脉冲激光，如专利CN 1435924A；对同一台激光器的输出激光进行分束后，采用非线性偏振延迟给每束激光脉冲不同延时，形成多脉冲激光器，如专利US005293389A；多台脉冲激光器级联，并对这些激光器产生的激光在时间上进行同步控制，从而达到了产生可调节多脉冲激光光束输出的目的。上述基于灯泵或半导体泵浦的固体激光技术方式，其脉冲可控性较差，结构复杂，且成本高昂。在一些特定的加工领域中，在连续的超短脉冲中选择一定长度的脉冲序列，可以获得更好的加工效果。目前，超短脉冲激光器基本都是输出一种连续的光脉冲序列，如果需要一种多脉冲包络序列的激光，往往需要在输出激光后再加电光调制器、声光调制器等光电调制器进行调制。但光电调制器应用在高功率、高能量脉冲激光器后，很容易遭受破坏，致使应用稳定性欠缺。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种包络可调的超短脉冲序列产生装置及方法，用于产生一种包络可调的脉冲激光序列。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种包络可调的超短脉冲序列产生装置及方法。

一种包络可调的超短脉冲序列产生装置，所述包络可调的超短脉冲序列产生装置包括：脉冲激光源、分光器、光电转换器、调制信号发生器、光调制器；所述脉冲激光源用以输出具有预定频率和脉宽的超短脉冲激光；所述分光器与所述脉冲激光源相连，用以将所述超短脉冲激光分为两束；所述光电转换器与所述分光器相连，用以将分光器输出的一束超短脉冲激光转换成定时信号；所述调制信号发生器与所述光电转换器相连，用以根据所述定时信号的控制输出与所述超短脉冲激光同步或具有确定延时的调制信号；所述光调制器与所述分光器和调制信号发生器分别相连，用以在所述调制信号的控制下将所述分光器输出的另一束超短脉冲激光调制成具有一定包络形状的光脉冲序列；其中，光脉冲序列的每个包络均包括至少2个子脉冲。

优选地，所述分光器为能以任意比例和任意数目分光的光学器件。

优选地，所述包络可调的超短脉冲序列产生装置还包括与所述光调制器相连的激光放大器；所述激光放大器用以放大所述光脉冲序列。

优选地，所述光调制器包括自由空间声光调制器、光纤耦合声光调制器、电光调制器、或/和磁光调制器。

优选地，所述调制信号发生器为任意形式的能够产生数字信号或模拟信号，且由外部或内部触发，并能够对输入电信号进行分频、延时的信号发生系统。

一种包络可调的超短脉冲序列产生方法，述包络可调的超短脉冲序列产生方法包括：

步骤一，生成具有预定频率和脉宽的超短脉冲激光；

步骤二，将超短脉冲激光分为两束，一束超短脉冲激光用于调制输出；另一束超短脉冲激光经光电转换器后转换成定时信号；所述定时信号用以控制调制信号发生器生成所需的调制信号；

步骤三，在调制信号的控制下，将超短脉冲激光调制生成具有一定包络形状和一定频率的光脉冲序列，光脉冲序列的每个包络均包括至少2个子脉冲。

优选地，所述调制信号与所述超短脉冲激光同步或具有确定延时。

优选地，所述包络可调的超短脉冲序列产生方法还包括：步骤四，放大所述光脉冲序列。

如上所述，本发明所述的包络可调的超短脉冲序列产生装置及方法，具有以下有益效果：

本发明采用分光器和光电转换器实现了超短脉冲激光与调制信号的同步，精确地进行光脉冲的选择，生成了具有一定包络形状的光脉冲序列，并且每个脉冲包络中包含两个以上的子脉冲，光脉冲序列的包络形状、重复频率及包络脉冲的宽度都可以通过控制调制信号发生器做任意调整；且脉冲序列放大后的单脉冲能量及峰值功率可显著提高，满足短脉冲序列激光加工要求。

附图说明

图1显示为本发明所述的包络可调的超短脉冲序列产生装置的结构示意图。

图2显示为本发明所述的包络可调的超短脉冲序列产生装置生成的具有一定包络形状的光脉冲序列的示意图。

图3显示为本发明所述的包络可调的超短脉冲序列产生装置中脉冲激光源输出的超短脉冲激光的示意图。

图4显示为本发明所述的包络可调的超短脉冲序列产生装置中调制信号发生器输出的调制信号的示意图。

图5显示为本发明所述的包络可调的超短脉冲序列产生装置输出的具有一定包络形状的光脉冲序列的示意图。

图6显示为本发明所述的包络可调的超短脉冲序列产生方法的流程示意图。

元件标号说明

1    脉冲激光源；

2    调制信号发生器；

3    光调制器；

4    分光器；

5    光电转换器；

6    激光放大器。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。

实施例

本实施例提供一种包络可调的超短脉冲序列产生装置，如图1所示，所述包络可调的超短脉冲序列产生装置包括：脉冲激光源1、分光器4、光电转换器5、调制信号发生器2、光调制器3；所述脉冲激光源1用以输出具有预定频率和脉宽的超短脉冲激光；所述调制信号发生器2用以输出调制信号；所述光调制器3用以在所述调制信号的控制下将所述超短脉冲激光调制成具有一定包络形状的光脉冲序列；其中，光脉冲序列的每个包络均包括至少2个子脉冲。

本实施例中，脉冲激光源输出的激光直接通过光调制器，输出光脉冲完全由调制信号控制，连续的脉冲经过调制后，输出具有一定包络形状和重复频率的脉冲序列。

所述分光器4与所述脉冲激光源1相连，用以将所述超短脉冲激光分为两束，一束超短脉冲激光输入所述光调制器3；所述光电转换器5与所述分光器4和光调制器3分别相连，用以将另一束超短脉冲激光转换成定时信号；所述定时信号用以控制所述调制信号发生器2输出与所述超短脉冲激光同步或具有确定延时的调制信号。

进一步，所述调制信号发生器2为任意形式的能够产生数字信号或模拟信号，且由外部或内部触发，并能够对输入电信号进行分频、延时的信号发生系统。

进一步，所述光调制器3包括自由空间声光调制器、光纤耦合声光调制器、电光调制器、或/和磁光调制器。

进一步，所述分光器4为能以任意比例和任意数目分光的光学器件。

进一步，所述包络可调的超短脉冲序列产生装置还包括与所述光调制器3相连的激光放大器6；该激光放大器6可以为任意形式的激光放大器，如光纤放大器或固体放大器等；所述激光放大器6用以放大所述光脉冲序列。

本实施例中，脉冲激光源输出的激光经分光器分束后，经光电转换器转换后得到与光脉冲完全同步的电信号；再使用同步的电信号驱动光调制器，实现驱动信号与光脉冲的同步，在高功率工作条件下，获得稳定的脉冲序列。

本发明所述的包络可调的超短脉冲序列产生装置的工作过程如下：

如图2所示，所述脉冲激光源1产生脉冲宽度为T₀，重复频率为f₀的超短脉冲激光。所述超短脉冲激光经光调制器3调制后，变为脉冲宽度为T，重复频率为F的脉冲信号。其中，光调制器3输出的调制信号为脉冲宽度为T，重复频率为F的方波脉冲信号，如图3所示。超短脉冲激光经所述方波脉冲信号调制后成为一串脉冲包络序列（即所述具有一定包络形状的光脉冲序列），其中每个包络均包括至少2个子脉冲（所述子脉冲即为超短脉冲激光的脉冲），如图4所示。所述脉冲包络序列再经激光放大器放大后形成脉冲宽度为T，重复频率为F的高功率、高能量的一串脉冲包络序列，如图5所示；本发明所述的包络可调的超短脉冲序列产生装置即为多脉冲光纤激光器。脉冲激光源输出的超短脉冲激光先由分光器分束，其中一束经光调制器调制，另一束经光电转换器转换为触发信号再进入调制信号发生器，实现对光调制器的触发。

所述脉冲激光源所产生的脉冲宽度为T₀，重复频率为f₀的超短脉冲激光；所述超短脉冲激光经光调制器调制后，直接输出或经过放大级放大后输出具有一定包络形状的脉冲宽度为T，重复频率为F的超短脉冲序列激光。所述超短脉冲序列激光的子脉冲宽度T₀可以为飞秒、皮秒或纳秒数量级内的任一脉冲宽度；重复频率f₀可以为1KHz至100MHz范围内的任意数；包络形状可以为任意波形；每个包络内的子脉冲个数N可以是大于2的任一自然数。具有此种脉冲特点的超短脉冲序列激光既有超短脉冲激光加工的特点，又可以兼顾不同加工领域中对脉冲形状的要求，同时也引入了超短脉冲序列及多脉冲加工的特点，所以在材料微加工、精密机械、医疗、雷达探测等不同领域中显现出令人瞩目的应用前景。

本发明还提供一种包络可调的超短脉冲序列产生方法，如图6所示，所述包络可调的超短脉冲序列产生方法包括：

步骤一，生成具有预定频率和脉宽的超短脉冲激光；

步骤二，将所述超短脉冲激光分为两束，一束超短脉冲激光用于调制输出；另一束超短脉冲激光转换成定时信号；所述定时信号用以控制一调制信号发生器生成所述调制信号。所述调制信号与所述超短脉冲激光同步或具有确定延时。

步骤三，在调制信号的控制下，将超短脉冲激光调制成具有一定包络形状的光脉冲序列；其中，每个脉冲包络至少包含2个子脉冲。

步骤四，放大所述光脉冲序列。

本发明所述的包络可调的超短脉冲序列产生方法可以由本发明所述的包络可调的超短脉冲序列产生装置实现，但其实现装置不限于本发明所述的包络可调的超短脉冲序列产生装置的结构，凡是能够实现本发明所述的包络可调的超短脉冲序列产生方法的装置都包括在本发明的范围内。

下面以皮秒光纤激光器种子源为例，对本发明的实现过程进行具体说明。

皮秒光纤激光器种子源输出的光脉冲序列的重复频率为37MHz，脉宽为30ps，光功率约为200mw；经过光调制器对种子源输出的激光脉冲序列进行调整，调整后的输出信号为重复频率为40KHz，脉冲宽度200ns的脉冲信号。经过调制后，脉冲序列具有6个皮秒脉冲的包络。调制后的脉冲信号虽然可直接用于能量要求不高的加工系统，但是对于能量要求较高的加工，这样的能量还不能够达到预想的加工效果。所以，将调制后的信号再经过放大，得到输出平均功率为20W，重复频率为40KHz的6个光脉冲包络序列。放大后的光脉冲包络序列的脉冲能量已足以应用于能量要求较高的加工。

本发明所述的包络可调的超短脉冲序列产生装置及方法中，最后生成的具有一定包络形状的光脉冲序列的包络形状、重复频率及包络脉冲的宽度都可以通过控制调制信号发生器来改变；脉冲包络的形状可任意调整为方波、锯齿波等形状。本发明采用分光器实现了超短脉冲激光与调制信号的同步，精确地进行光脉冲的选择，生成了具有一定包络形状的光脉冲序列，并且每个脉冲包络中包含两个以上的子脉冲，光脉冲序列的包络形状、重复频率及包络脉冲的宽度都可以通过控制调制信号发生器做任意调整；且脉冲序列放大后的单脉冲能量及峰值功率可显著提高，满足短脉冲序列激光加工要求。

本发明提出的包络可调的超短脉冲序列产生装置及方法可以产生各种不同包络形状的脉冲序列，适用于一些特定材料与特殊加工工艺中。本发明采用一个能够输出超短脉冲激光的激光源代替多个独立激光器，并通过分光的方法来得到与输出脉冲激光完全同步的电调制信号，而且系统中只采用了一个光调制系统，实现了结构简单，脉冲包络可调的激光系统。其优势体现在以下几个方面：

1）该包络可调的超短脉冲序列产生装置仅包括一个脉冲种子源和一个光调制器，整个系统结构简单紧凑，脉冲调制方式简单易行。

2）脉冲包络中的各个子脉冲取自同一激光器产生的脉冲序列中，所以每个作用于加工工件的脉冲性质是完全相同的，如影响加工效果的峰值功率、光束质量、光斑大小等，避免了采用不同激光脉冲组成脉冲序列时，脉冲性质差异导致的影响。

3）与现有技术（如专利200710063827.7）相比，本发明在种子源之后加入了分束系统，采用分光器对激光脉冲进行分束，再通过光电转换得到与激光脉冲完全同步的调制信号，用这样的调制信号对光调制器进行控制，即使在高重复频率下工作，仍然能够得到稳定的脉冲序列输出。脉冲序列经过放大后，得到可用于生产加工的具有一定包络形状的多个脉冲组成的脉冲序列。本发明的主要特征在于应用分束器将激光脉冲种子源的输出进行分束，一束输入脉冲选择器；另一束经光电转换器后转换成定时信号。该定时信号用以控制调制信号发生器，输出与超短脉冲激光同步或具有确定延时的调制信号，实现对脉冲重复频率和持续时间的控制。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围应如权利要求书所列。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种包络可调的超短脉冲序列产生装置，其特征在于，所述包络可调的超短脉冲序列产生装置包括：

脉冲激光源，用以输出具有预定频率和脉宽的超短脉冲激光；

分光器，与所述脉冲激光源相连，用以将所述超短脉冲激光分为两束；

光电转换器，与所述分光器相连，用以将分光器输出的一束超短脉冲激光转换成定时信号；

调制信号发生器，与所述光电转换器相连，用以根据所述定时信号的控制输出与所述超短脉冲激光同步或具有确定延时的调制信号；

光调制器，与所述分光器和调制信号发生器分别相连，用以在所述调制信号的控制下将所述分光器输出的另一束超短脉冲激光调制成具有一定包络形状的光脉冲序列；其中，光脉冲序列的每个包络均包括至少2个子脉冲。

2.根据权利要求1所述的包络可调的超短脉冲序列产生装置，其特征在于：所述分光器为能以任意比例和任意数目分光的光学器件。

3.根据权利要求1所述的包络可调的超短脉冲序列产生装置，其特征在于：所述包络可调的超短脉冲序列产生装置还包括与所述光调制器相连的激光放大器；所述激光放大器用以放大所述光脉冲序列。

4.根据权利要求1所述的包络可调的超短脉冲序列产生装置，其特征在于：所述光调制器包括自由空间声光调制器、光纤耦合声光调制器、电光调制器、或/和磁光调制器。

5.根据权利要求1所述的包络可调的超短脉冲序列产生装置，其特征在于：所述调制信号发生器为任意形式的能够产生数字信号或模拟信号，且由外部或内部触发，并能够对输入电信号进行分频、延时的信号发生系统。

6.一种包络可调的超短脉冲序列产生方法，其特征在于，所述包络可调的超短脉冲序列产生方法包括：

步骤一，生成具有预定频率和脉宽的超短脉冲激光；

步骤二，将超短脉冲激光分为两束，一束超短脉冲激光用于调制输出；另一束超短脉冲激光经光电转换器后转换成定时信号；所述定时信号用以控制调制信号发生器生成所需的调制信号；

步骤三，在调制信号的控制下，将超短脉冲激光调制生成具有一定包络形状和一定频率的光脉冲序列，光脉冲序列的每个包络均包括至少2个子脉冲。

7.根据权利要求6所述的包络可调的超短脉冲序列产生方法，其特征在于：所述调制信号与所述超短脉冲激光同步或具有确定延时。

8.根据权利要求6所述的包络可调的超短脉冲序列产生方法，其特征在于，所述包络可调的超短脉冲序列产生方法还包括：

步骤四，放大所述光脉冲序列。

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