CN108292824B - 用于提供光辐射的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于提供光辐射(1)的装置，该装置包括激光二极管(2)、脉冲发生器(9)和调制器(5)，其中：脉冲发生器(9)配置为发射皮秒脉冲；调制器(5)配置为发射纳秒脉冲；激光二极管(2)具有第一端子(6)和第二端子(7)；脉冲发生器(9)连接至第一端子(6)；并且调制器(5)配置为将激光二极管(2)偏置在激光二极管(2)的激射阈值(8)以下，并且该装置的特征在于：调制器(5)连接至第二端子(7)；脉冲发生器(9)包括连接至差分器(4)的半导体结(32)；半导体结(32)使得流动通过半导体结(32)的电流能够比该电流能够导通更快地截止；并且差分器(4)使得在流动通过半导体结(32)的电流截止时发生的阶跃变化转换为电脉冲，从而对激光二极管(2)进行增益开关，使其发射光脉冲宽度(11)小于10ns的光脉冲(10)。

Description

用于提供光辐射的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于提供光辐射的装置和方法。本发明对于包括半导体二极管激光器和光纤激光器的脉冲激光器，以及利用这种激光器进行标记、切割和焊接具有特别的应用。
背景技术
增益开关(Gain switched)激光二极管对于要求皮秒至低纳秒范围内的脉冲宽度的对材料进行标记、切割、刻绘(scribing)和其他工业加工具有重要的应用。通过经由泵浦功率调制激光器的增益来产生脉冲。如果对激光器突然施加高泵浦功率，则激光发射会在短暂延迟后开始。脉冲从弱荧光开始，然后在多次谐振器往返中放大。因此，存储在增益介质中的能量以短脉冲的形式提取。激光二极管可以用短电流脉冲或连续调制的电信号进行操作。通常，可用的脉冲长度范围从几纳秒至几十皮秒。脉冲重复速率是电子控制的，并且可以在很宽的范围内变化。在泵浦功率增加之前，激光器通常偏置在激光阈值以下。可以通过光放大器放大种子激光脉冲来提供具有微焦耳或毫焦耳范围内的能量的脉冲。
美国专利申请No.2014/0185643描述了用于为光脉冲产生而提供种子脉冲的增益开关激光二极管。通过以比与激光二极管阈值相关联的幅度低的幅度对激光二极管施加预偏置来减少放大的自发发射(ASE)。在预偏置脉冲的约10ns至100ns内施加幅度比与激光阈值相关联的幅度大的电种子脉冲。所得到的激光二极管脉冲可以在泵浦的、稀土掺杂的光纤中放大，并减少ASE。该专利申请描述了如何在微波功率分配器中结合预偏置与种子脉冲，该微波功率分配器包括被选择以提供合适的分配比率或阻抗匹配的电阻器。不幸的是，这种阻抗匹配导致施加到激光二极管的信号衰减，进而影响激光发射的脉冲能量。使用超宽带电子放大器来放大电脉冲信号可以消除这种不足。然而，超宽带电子放大器价格昂贵。
需要避免或减少上述问题的用于提供光辐射的装置和方法。
发明内容
根据本发明的非限制性实施例，提供了一种用于提供光辐射的装置，该装置包括激光二极管、脉冲发生器和调制器，其中：
·脉冲发生器配置为发射皮秒脉冲；
·调制器配置为发射纳秒脉冲；
·激光二极管具有第一端子和第二端子；
·脉冲发生器连接至第一端子；并且
·调制器配置为将激光二极管偏置在激光二极管的激射阈值以下，
并且该装置的特征在于：
·调制器连接至第二端子；
·脉冲发生器包括连接至差分器的半导体结；
·半导体结使得流动通过半导体结的电流能够与该电流能够导通相比更快地截止；并且
·差分器使得在流动通过半导体结的电流截止时出现的阶跃变化转换为电脉冲，从而对激光二极管进行增益开关使得激光二极管发射光脉冲宽度小于1ns的光脉冲。
令人惊讶的是，发明人已经发现能够通过将来自调制器的脉冲信号施加到激光二极管的第二端子来偏置激光二极管，然后通过将来自脉冲发生器的更短的脉冲信号施加到激光二极管的第一端子来对激光二极管进行增益开关。使用施加到激光二极管两侧的脉冲来对激光二极管进行增益开关相比于现有技术具有重要优势，包括：
·避免使用更昂贵的超宽带电子放大器；
·与其他解决方案相比，降低电子功率要求和相关联的冷却要求；
·避免现有技术系统的阻抗匹配组合器中的驱动信号衰减；
·由于衰减减少，所以等效电压驱动器的导通时间更快；
·由于衰减减少，所以等效电压驱动器的截止时间更快；并且
·与现有技术的预偏置增益开关系统相比，由于更快的导通和截止时间，所以脉冲附近的自发发射减少。
优选地，半导体结形成使用阶跃恢复来使电流截止的阶跃恢复设备的一部分。也可以使用其他半导体设备，诸如PIN二极管、变容二极管和场效应晶体管。然而，流动通过它们的电流不能像利用阶跃恢复设备所能够做到的那样快地截止。
半导体结和差分器可以配置为使得光脉冲宽度小于250ps。半导体结和差分器可以配置为使得光脉冲宽度小于100ps。
脉冲发生器可以包括具有半导体结的双极型晶体管。双极型晶体管可以配置为共基极放大器。双极型晶体管可以形成共发共基(cascode)放大器的一部分。
差分器可以包括由第一长度和第一特征阻抗限定的电波导。半导体结可以连接至电波导的第一端。电波导的第二端可以由比第一特征阻抗小的阻抗来限定，由此使得沿着从电波导的第一端向电波导的第二端传播的由极性限定的阶跃电压信号以相反的极性反射回电波导的第一端。因此，可以调整第一长度以调整光脉冲宽度。
第二端子可以利用由第二长度和第二特征阻抗限定的电波导连接至调制器。调制器可以由输出阻抗来限定。输出阻抗可以高于第二特征阻抗。沿着电波导从第二端子向调制器传播的由极性限定的电脉冲信号将然后以相同极性反射。有利地，以相同极性反射回脉冲信号有助于使激光二极管截止。因此，可以调整第二长度以调整光脉冲宽度。
该装置可以包括至少一个光反射器，至少一个光反射器配置为接收由激光二极管发射的光辐射，该光反射器位于与激光二极管相距第三距离处。可以选择第三距离，使得由光反射器反射的光脉冲与光脉冲中的后续光脉冲在时间上重叠。
半导体激光器可以使得光脉冲是啁啾的。该装置可以包括色散元件，色散元件配置为改变光脉冲的脉冲宽度。可以选择色散元件以将脉冲宽度改变为小于50皮秒。可以选择色散元件以将脉冲宽度改变为小于10皮秒。
该装置可以包括至少一个光放大器，至少一个光放大器配置为放大由激光二极管发射的光脉冲。
该装置可以包括种子激光器和耦合器。耦合器可以布置为将由种子激光器发射的光辐射与由半导体激光器发射的光辐射耦合以用于随后由光放大器进行放大。该装置可以配置为使得由半导体激光器发射的光脉冲叠加在由种子激光器发射的光脉冲上。耦合器可以是偏振分束器。
该装置可以包括扫描头，用于将光辐射扫描到组件的表面上。
本发明还提供一种用于提供光辐射的装置，该装置包括：脉冲发生器，用于发射由第一脉冲宽度和第一极性限定的第一电脉冲；和调制器，用于发射由第二脉冲宽度和第二极性限定的第二电脉冲，脉冲发生器连接至激光二极管的第一端子，并且调制器连接至激光二极管的第二端子，其中，第一脉冲宽度短于第二脉冲宽度，并且第一极性与第二极性相反。
本发明还提供一种用于对激光二极管进行增益开关的方法，该方法包括：选择脉冲发生器和调制器；将脉冲发生器和调制器连接至激光二极管的相反端子；使脉冲发生器发射第一电脉冲；使调制器发射第二电脉冲，其中，第一电脉冲的脉冲宽度比第二电脉冲的脉冲宽度短，并且第一电脉冲具有与第二电脉冲相反的极性。
本发明还提供一种用于提供光辐射的方法，包括：
·提供具有第一端子和第二端子的激光二极管；
·选择调制器，该调制器发射纳秒脉冲并且可以配置为将激光二极管偏置在激光二极管的激射阈值以下；并且该方法的特征在于以下步骤：
·选择包括半导体结的脉冲发生器，该半导体结连接至差分器；其中，半导体结使得流动通过半导体结的电流能够与该电流能够导通相比更快地截止；
·脉冲发生器连接至第一端子；
·调制器连接至第二端子；
·使用调制器以将激光二极管偏置在激光二极管的激射阈值以下；
·当电流截止时，使半导体结发射输出电压的阶跃变化；
·使用差分器对输出电压的阶跃变化进行差分以创建电脉冲；并且
·使用电脉冲对激光二极管进行增益开关，使其发射光脉冲宽度小于1ns的光脉冲。
在本发明的方法中，半导体结可以形成使用阶跃恢复来使电流截止的阶跃恢复设备的一部分。
在本发明的方法中，可以选择半导体结并且可以配置差分器，使得光脉冲宽度小于250ps。可以选择半导体结并且可以配置差分器，使得光脉冲宽度小于100ps。
在本发明的方法中，脉冲发生器可以包括具有半导体结的双极型晶体管。
在本发明的方法中，双极型晶体管可以配置为共基极放大器。
在本发明的方法中，双极型晶体管可以形成共发共基放大器的一部分。
本发明的方法可以是如下方法，在该方法中，差分器包括由第一长度和第一特征阻抗限定的电波导。半导体结可以连接至电波导的第一端。电波导的第二端可以由比第一特征阻抗小的阻抗来限定，由此使得沿着从电波导的第一端向电波导的第二端传播的由极性限定的阶跃电压信号以相反的极性反射回电波导的第一端。本发明的方法可以是如下方法，在该方法中，选择第一长度以提供期望长度的脉冲长度。
本发明的方法可以是如下方法，在该方法中，第二端子利用由第二长度和第二特征阻抗限定的电波导连接至调制器。调制器可以由输出阻抗来限定，并且输出阻抗可以高于第二特征阻抗，从而使得沿着电波导从第二端子向调制器传播的由极性限定的电脉冲信号以相同的极性反射。本发明的方法可以是如下方法，在该方法中，选择第二长度以提供期望长度的脉冲长度。
在本发明的方法中，至少一个光反射器可以配置为接收由激光二极管发射的光脉冲。光反射器可以位于与激光二极管相距第三距离处。可以选择第三距离，使得由光反射器反射的光脉冲与光脉冲中的后续光脉冲在时间上重叠。
在本发明的方法中，由光放大器发射的光脉冲可以是啁啾的。该方法可以包括提供色散元件以改变光脉冲的脉冲宽度的步骤。可以选择色散元件以将脉冲宽度改变为小于50皮秒。可以选择色散元件以将脉冲宽度改变为小于10皮秒。
在本发明的方法中，至少一个光放大器可以配置为放大由激光二极管发射的光脉冲。
在本发明的方法中，可以提供种子激光器和耦合器，其中，耦合器可以布置为将由种子激光器发射的光辐射与由半导体激光器发射的光辐射耦合以用于随后由光放大器进行放大。该装置可以配置为使得由半导体激光器发射的光脉冲叠加在由种子激光器发射的光脉冲上。耦合器可以是偏振分束器。
该方法可以包括提供扫描头并且将光辐射扫描到组件的表面上。
附图说明
现在将仅以示例的方式并参考附图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出根据本发明的用于提供光辐射的装置；
图2示出激光二极管特性；
图3示出包括共发共基放大器的阶跃恢复脉冲发生器；
图4示出与图3所示的电路对应的一些时序图；
图5示出差分器的实现方式；
图6示出以相反极性反射回到电子波导的波形；
图7示出以相同极性反射回到电子波导的波形；
图8示出包括线性驱动电路的装置；
图9示出包括用于产生纳秒至毫秒光脉冲的种子激光器的装置；以及
图10示出包括扫描器的装置。
具体实施方式
图1示出用于提供光辐射1的装置，该装置包括激光二极管2、脉冲发生器9和调制器5，其中：
·激光二极管2具有第一端子6和第二端子7；
·脉冲发生器9连接至第一端子6；
·调制器5连接至第二端子7；
·选择调制器5以将激光二极管2偏置在激光二极管2的激射(lasing)阈值8(图2所示)以下。
脉冲发生器9示出为包括阶跃恢复脉冲发生器3和差分器4。
示出激光二极管2发射具有脉冲宽度11和周期12的光脉冲10。脉冲宽度11由其半高全宽(full width half maximum value)限定。该装置可以发射脉冲重复频率等于周期12的倒数的脉冲链(pulse chain)。图1的装置特别地提供脉冲宽度11在皮秒至纳秒范围内的光脉冲10。脉冲宽度11可以小于10ns、小于1ns，优选地小于250ps，并且更优选地小于100ps。
激光二极管2可以包括铟镓砷。这种激光二极管可以具有超过1.8V的导通电压。激光二极管2可以具有比阶跃恢复二极管或晶体管的导通电压高的导通电压。激光二极管2可以是法布里-珀罗(Fabry-Perot)半导体激光二极管，诸如由瑞士苏黎世的II-VI激光企业(II-VI Laser Enterprise)制造的LC96A激光二极管。替代地，激光二极管2可以是分布式反馈(DFB)半导体激光二极管，诸如瑞士苏黎世的II-VI激光企业的CPE05413(LC-DFB)。激光二极管2也可以是垂直腔表面发射激光器VCSEL或其他类型的半导体激光二极管。
图2示出由激光二极管2发射的光功率21如何随着施加在二极管2上的正向电压22变化。在激光阈值8以下，光功率21随着施加在激光二极管2上的正向电压22而增加，光功率21如曲线23所示增加。激光二极管2表现得像发光二极管一样，发射非相干光。在激光阈值8以上，启动激射行为，激光二极管2发射相干的激光，并且光功率21如曲线24所示增加。光功率21随所施加的正向电压22的变化率在激光阈值8以上明显比在激光阈值8以下更大，即，曲线24比曲线23陡得多。
图3示出图1的阶跃恢复脉冲发生器3的示例实现方式。阶跃恢复脉冲发生器3包括具有半导体结32的双极型晶体管31，该半导体结32能够比其进入饱和更快地使用阶跃恢复退出饱和。半导体结32是npn晶体管的集电极基极结。当双极型晶体管31被驱动进入饱和时，基极-集电极结和基极-发射极结变为正向偏置，少数电荷载流子被注入并存储在基极-集电极结上。如果饱和晶体管被突然反向偏置，则基极-集电极pn结将表现为低阻抗，直到储存的电荷耗尽。一旦耗尽，阻抗将突然增加到其正常的高值，并且通过基极-集电极结的电流将突然变为零。双极型晶体管31形成共基极放大器33的一部分，进而形成共发共基放大器34的一部分。共发共基放大器具有用于高频放大器的优良特性，因为它们提供具有小得多的米勒(Miller)效应和大得多的输出电阻的共发射极级的性能。也可以使用其他晶体管电路，诸如共发射极、共源极或差分放大器，包括长尾对(long tailed pairs)。可以使用其他阶跃恢复组件，诸如阶跃恢复二极管。然而，阶跃恢复二极管相对昂贵并且不具有由晶体管提供的固有信号增益。
图3的装置包括控制阶跃恢复脉冲发生器3和调制器5的控制器35。识别测试点A、B、C、D和E，并且在图4中示出对应的电压信号。正向(positive going)信号401施加至调制器5。然后，调制器5发射负向(negative going)信号402，并且调制器5将激光二极管2偏置在其激射阈值8以下。控制器35发射正向信号403，该正向信号施加至共发共基放大器34。晶体管31的集电极基极结32被驱动进入饱和，结果使得负向脉冲404和少数载流子(未示出)存储在集电极基极结32中。负向脉冲404使负向信号405从差分器4输出。
施加至调制器5的信号的下降沿406使正向信号407从调制器5输出。然后，激光二极管2不再被偏置。施加至共发共基放大器34的负向信号408使晶体管31的集电极基极结32突然退出饱和，因为储存的少数载流子耗尽。流过集电极基极结32的电流突然中断，导致由快速正向阶跃409表征的阶跃恢复响应。通过差分器4对正向阶跃409进行差分，使得窄的正向电脉冲410施加至激光二极管2。电脉冲410对激光二极管2进行增益开关，该激光二极管发射参考图3所示的激光辐射脉冲411。应当注意，图3的共发共基放大器是简单的，可以由通常可获得的低成本组件构成，并且比替代的超宽带放大器方案便宜得多。它也更小，并且消耗少至少两个数量级的电功率。
参考图3和图4，脉冲发生器9和调制器5连接至激光二极管2的相反端子6、7。由脉冲发生器9发射的电脉冲410是正向脉冲，而由调制器5发射的电脉冲422是负向脉冲；电脉冲410、422具有相反的极性。电脉冲410具有比电脉冲422的脉冲宽度423小的脉冲宽度421。
可以选择脉冲宽度421以提供单个增益开关光脉冲10或多个增益开关光脉冲10。通常优选的是，脉冲宽度421足够短，使得激光二极管2发射单个增益开关光脉冲10。如果脉冲宽度421较长，则对于由脉冲发生器9发射的每个电脉冲410，激光二极管2可以发射参考图1所示的多个增益开关光脉冲10。脉冲宽度421可以小于10ns、小于1ns，优选地小于250ps，并且更优选地小于100ps。
调制器5可以使得其为激光二极管2提供恒定偏置。然而，通常优选的是，激光二极管2在光脉冲10之间截止以便减少来自激光二极管2的自发发射。优选地选择脉冲宽度423以最小化来自激光二极管2的自发发射。
图3所示的电路能够发射激光辐射脉冲411，该脉冲的脉冲宽度412小于10ns、优选地小于1ns、更优选地小于100ps。这种电路设计需要良好的射频布局。
如参考图5所示，差分器4可以包括由第一长度L1 51和第一特征阻抗Z1 52限定的电波导50。电波导50被示出为具有接地平面56的印刷电路板58上的轨迹(track)。在平面图中以及截面图中示出印刷电路板58，其中平面图中详细示出了波导50。阶跃恢复脉冲发生器3可以例如经由电波导54连接至电波导50的第一端53。电波导50的第二端55可以使用连接件57连接至接地平面56，该连接件57具有比第一特征阻抗Z1 52小的阻抗59。阻抗59优选地是具有零欧姆阻抗的短路，其可以通过印刷电路板中的层之间的通孔连接件或通过印刷电路板中同一层上至接地平面的连接件来实现。替代地，连接件57可以是可选择的连接件，诸如有线链路、开关、二极管或晶体管。对于具有多于一个波导50(每个均具有不同的第一长度L1 51)的印刷电路而言，可选择的连接件是有利的。然后，可以通过选择具有最佳选择的第一长度L1 51的波导50，在所选择的波导50的端部提供低阻抗或短路59，并且通过选择阻抗59等于波导50的特征阻抗Z1 52来阻抗匹配波导50中的另一波导以避免不想要的电反射，从而将印刷电路板设计为与不同类型的激光二极管2兼容。替代地或附加地，在一些情况下，一个或多个附加波导50中的阻抗59可以被选择为具有比波导50的特征阻抗Z1 52高的阻抗，以便产生电反射并因此创建为驱动激光二极管2而优化的脉冲形状。
参考图6，在时间64中从电波导50的第一端53传播至第二端55的正向阶跃电压信号61将以负向阶跃电压信号62反射回第一端53。正向信号61和负向信号62具有相反的极性。结果是在第一端53处的脉冲63，其具有与电波导50的往返延迟(约为时间64的两倍)对应的脉冲宽度65。脉冲63沿波导510传播至激光二极管2。通过调节波导50的第一长度L151，能够将脉冲宽度65设定为预定值。在10ps至500ps范围内的脉冲宽度65是容易实现的。例如，通过使用较长的轨迹长度、同轴电缆或其他形式的电波导，也可以获得较长的脉冲宽度。差分器4的其他实现方式也是可以的。
返回参考图5，电波导510连接至激光二极管2的第一端子6。激光二极管2的第二端子7利用电波导511连接至调制器5。在本示例中，第一端子6连接至激光二极管2的阳极，而第二端子7连接至激光二极管2的阴极。为了清楚起见，图3所示的电容器未在图5中示出。电波导511由第二长度L2 512和第二特征阻抗Z2 513限定。调制器5具有输出阻抗Z3 514。第一特征阻抗52和第二特征阻抗513的典型值为50Ω。如果调制器5使用高速晶体管晶体管逻辑(TTL)门来实现，则当调制器输出逻辑零时的输出阻抗Z3 514通常为大约2kΩ，其大于特征阻抗Z2 513。因此，如图7所示，在时间74中沿波导511从激光二极管2向调制器5行进的脉冲71将以具有与脉冲71相同极性的脉冲72反射回波导511。在往返延迟75之后到达激光二极管2的脉冲72将再次施加脉冲71，如信号73所示。脉冲的添加将有助于使激光二极管2截止。因此，可以选择第二长度L2 512来调节由激光二极管2发射的光脉冲10的光脉冲宽度11。
再次参考图1，激光二极管2使用光纤14连接到至少一个光反射器16。光反射器16位于与激光二极管相距第三距离L3 15的位置处。光反射器16反射由激光二极管2发射的光脉冲10。可以选择长度L315，使得由激光二极管2发射的光脉冲10被反射回激光二极管2，从而使得它们与激光二极管2内的后续光脉冲10在时间上重叠，因此为后续光脉冲10的形成提供种子。从激光二极管2到反射器16并返回到激光二极管2的光脉冲10的往返时间13优选地是光脉冲10的周期12或周期12的整数倍。通过这种方式，为激光二极管2提供光反馈，以便稳定光脉冲10的波长或缩短光脉冲10的脉冲宽度11。当激光二极管2是法布里-珀罗半导体激光二极管时，往返时间13与周期12或周期12的倍数的匹配尤其有利，但当使用其他类型的激光二极管(诸如分布式反馈(DFB)激光二极管)时，也可以是有利的。光反射器16可以是光纤布拉格(Bragg)光栅。光反射器16的反射率可以在0.1％至25％的范围内，并且优选地在4％至20％的范围内。
具有位于与激光二极管2相距不同的第三距离L3 15的位置处的附加光反射器16可以是有利的，选择该不同的第三距离L3以提供具有不同周期12的脉冲串(train)，并且因此实现不同的脉冲重复频率。可以选择附加的光反射器16，使得脉冲宽度11也不同于上述第一光反射器16所提供的脉冲宽度，例如通过调整附加光反射器16的反射率、中心波长和带宽中的至少一个。
具有附加光反射器16也可以是有利的，该附加光反射器被定位以展宽由该装置发射的光辐射1的带宽以避免受激布里渊(Brillouin)散射。这对于大于约4ns的脉冲宽度11而言尤其重要。然后，所得到的装置将能够发射皮秒脉冲以及更长的纳秒、微秒、毫秒或更长的脉冲，而没有由受激布里渊散射引起的问题。在美国专利No.7,936,796中描述了使用这种反射器来减少受激布里渊散射的效应，该专利在此通过引用并入本文。
在图1中还示出了光放大器17，光放大器17配置为放大由激光二极管2发射的光脉冲10。该装置可以包括多于一个光放大器17，第一光放大器用作前置放大器，并且最后的光放大器用作功率放大器。光放大器17可以是光纤放大器。替代地或附加地，功率放大器可以是固态放大器，诸如钇铝石榴石放大器。后者可以用于将光脉冲放大到比利用光纤放大器可获得的峰值功率更高的峰值功率。控制器35可以用于控制光放大器17中的泵浦(未示出)。当不存在光脉冲10时，关闭泵浦可以有利于减少来自光放大器17的不想要的放大自发发射。
图1的装置被示出为具有可选的色散元件18，其可以用于缩短光脉冲的脉冲宽度11或者延长脉冲宽度11。这种改变脉冲宽度11的方法依赖于由激光二极管2发射的光脉冲10为啁啾的。因此，通过选择适当的色散元件18，可以缩短或延长脉冲宽度11。合适的色散元件18包括一段单模光纤、一段光子带隙光纤、啁啾布拉格光栅或体光栅。可以选择色散元件18以将脉冲宽度11变为小于50皮秒。可以选择色散元件18以将脉冲宽度11变为小于10皮秒。通过这种方法，脉冲宽度11可以从几百皮秒缩短到十至五十皮秒。也可以获得更短的脉冲宽度11。
图3和图5中的电波导50被示出为短路至接地平面(earth plane)56，还可以将电波导50短路至电压轨(rail)82，如参考图8所示。电压轨82可以是用于电路板的公共电压轨，或者可以专门为差分器4产生。优选地，电压轨82与接地平面或可靠接地解耦。图8中的调制器5被示出为包括线性驱动器83。当调制器5导通时，电流可以从电压轨82流动通经激光二极管2，通过调制器5至地。该电流路径不包含将阻止直流电流的电容器耦合元件。然后，参考图1所示的后续光放大可以用于提供纳秒脉冲激光，诸如美国专利No.7,936,796中所述，该专利在此通过引用并入本文。如该专利中所述，光反射器16在纳秒脉冲激光器中起重要作用，以防止受激布里渊散射加强和损坏装置。也可以在正常传导模式下驱动激光二极管2，包括驱动激光二极管2以使其发射连续波激光辐射。
再次参考图8，调制器5可以用于将激光二极管2偏置在阈值以下，以便经由阶跃恢复脉冲发生器3产生光脉冲10。可以使用线性驱动器83产生偏置信号402。替代地或附加地，偏置信号402可以用分离的偏置电路84来产生。偏置电路84可以包括晶体管晶体管逻辑(TTL)逻辑门。图8的装置可以用于通过利用偏置电路84或线性驱动器83使激光二极管2偏置并激励阶跃恢复脉冲发生器3来提供皮秒脉冲85。该装置还可以用于产生更长的脉冲86，其脉冲形状可以通过利用线性驱动器83控制通过激光二极管2的驱动电流来调谐。该装置具有很大的实用性，因为它可以提供一个或多个皮秒脉冲85，之后、夹带或同时提供有纳秒、微秒或毫秒脉冲86。替代地或附加地，阶跃恢复脉冲发生器3可以在激光二极管2正在发射一个较长的脉冲86的同时进行操作。如激光产业中常用的那样，皮秒脉冲是指脉冲宽度在1ps和小于1ns范围内的脉冲，纳秒脉冲是指在1ns至小于1μs范围内的脉冲，微秒脉冲是指在1μs至小于1ms范围内的脉冲，并且毫秒脉冲是指在1ms至小于1秒范围内的脉冲。
图1的装置还可以包括种子激光器91和耦合器92，如参考图9所示。耦合器92布置为将由种子激光器91发射的光辐射93与由激光二极管2发射的光脉冲10耦合以用于随后由至少一个光放大器17进行的放大。耦合器92可以是耦合器、光纤耦合器、偏振分束器、光纤偏振分束器、波分复用耦合器或激光产品中常用的任何其他耦合器。种子激光器91可以操作为用于提供纳秒至毫秒长的光脉冲95形式的光辐射93。光脉冲95可以与来自激光二极管2的皮秒至低纳秒光脉冲10组合。光脉冲10可以在其朝向光放大器17传播时叠加在光脉冲95上，如图9的插图所示。替代地或附加地，光脉冲10可以在与光脉冲95不同的时间处出现。光输出中的这种灵活性对于切割、焊接和标记应用而言具有很大的实用性，特别适用于高反射金属，其中来自激光二极管2的放大的皮秒脉冲可以用于获得来自种子激光器91的放大的光辐射93的良好耦合。
参考图1至图9描述的装置还可以包括扫描器102，用于将光辐射1扫描到部件106的表面104上，如参考图10所示。激光器101可以包括图1、图3、图5、图8或图9所示的装置。光辐射1从激光器101输出，经由光纤线缆105耦合到扫描器102，并且使用物镜103聚焦到表面104上。激光器101正用于在部件106上切割槽108，并将部件106焊接至第二部件107。获得可控皮秒、纳秒、微秒和毫秒脉冲以及连续波光辐射的能力允许实现宽范围的材料加工。
应当认识到，上面参考附图描述的本发明的实施例仅仅是作为示例给出的，并且可以提供修改和附加的步骤和组件以增强性能。附图中所示的各组件不限于在其图中使用，并且可以用在其他附图中和本发明的所有方面中。本发明延伸到单独或以任何组合呈现的上述特征。

Claims (40)

1.一种用于提供光辐射的装置，所述装置包括激光二极管、脉冲发生器和调制器，其中：
·所述脉冲发生器配置为发射皮秒脉冲；
·所述调制器配置为发射纳秒脉冲；
·所述激光二极管具有第一端子和第二端子；
·所述脉冲发生器连接至所述第一端子；并且
·所述调制器配置为将所述激光二极管偏置在所述激光二极管的激射阈值以下，
并且所述装置的特征在于：
·所述调制器连接至所述第二端子；
·所述脉冲发生器包括连接至差分器的半导体结；
·所述半导体结使得流动通过所述半导体结的电流能够与该电流能够导通相比更快地截止；并且
·所述差分器使得在流动通过所述半导体结的电流截止时出现的阶跃变化转换为电脉冲，从而对所述激光二极管进行增益开关使得所述激光二极管发射光脉冲宽度小于1ns的光脉冲。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述半导体结形成使用阶跃恢复来使所述电流截止的阶跃恢复设备的一部分。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中，所述半导体结和所述差分器配置为使得所述光脉冲宽度小于250ps。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述半导体结和所述差分器配置为使得所述光脉冲宽度小于100ps。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中，所述脉冲发生器包括具有所述半导体结的双极型晶体管。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述双极型晶体管配置为共基极放大器。
7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述双极型晶体管形成共发共基放大器的一部分。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中，所述差分器包括由第一长度和第一特征阻抗限定的电波导，所述半导体结连接至该电波导的第一端，该电波导的第二端由比所述第一特征阻抗小的阻抗限定，由此使得沿着从该电波导的第一端向该电波导的第二端传播的由极性限定的阶跃电压信号以相反的极性反射回该电波导的第一端。
9.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中，所述第二端子利用由第二长度和第二特征阻抗限定的电波导连接至所述调制器，所述调制器由输出阻抗限定，并且所述输出阻抗高于所述第二特征阻抗，由此使得沿着该电波导从第二端子向所述调制器传播的由极性限定的电脉冲信号以相同极性反射。
10.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，包括：配置为接收由所述激光二极管发射的光脉冲的至少一个光反射器，所述光反射器位于与所述激光二极管相距第三距离处。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，选择所述第三距离，使得由所述光反射器反射的光脉冲与光脉冲中的后续光脉冲在时间上重叠。
12.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中，所述半导体激光器使得所述光脉冲是啁啾的，并且其中所述装置包括色散元件，所述色散元件配置为改变所述光脉冲的脉冲宽度。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，选择所述色散元件以将所述脉冲宽度改变为小于50皮秒。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，选择所述色散元件以将所述脉冲宽度改变为小于10皮秒。
15.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，包括：
配置为放大由所述激光二极管发射的光脉冲的至少一个光放大器。
16.根据权利要求15所述的装置，包括：种子激光器和耦合器，其中，所述耦合器布置为将由所述种子激光器发射的光辐射与由所述半导体激光器发射的光辐射耦合，以用于随后由所述光放大器进行放大。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述装置配置为使得由所述半导体激光器发射的光脉冲叠加在由所述种子激光器发射的光脉冲上。
18.根据权利要求16所述的装置，其中，所述耦合器是偏振分束器。
19.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，包括：扫描头，用于将所述光辐射扫描到组件的表面上。
20.一种用于提供光辐射的方法，包括：
·提供具有第一端子和第二端子的激光二极管；
·选择调制器，所述调制器发射纳秒脉冲并且能够配置为将所述激光二极管偏置在所述激光二极管的激射阈值以下；并且所述方法的特征在于以下步骤：
·选择包括半导体结的脉冲发生器，所述半导体结连接至差分器；其中，所述半导体结使得流动通过所述半导体结的电流能够与该电流能够导通相比更快地截止；
·所述脉冲发生器连接至所述第一端子；
·所述调制器连接至所述第二端子；
·使用所述调制器以将所述激光二极管偏置在所述激光二极管的激射阈值以下；
·当电流截止时，使所述半导体结发射输出电压的阶跃变化；
·使用所述差分器对所述输出电压的阶跃变化进行差分以创建电脉冲；并且
·使用所述电脉冲对所述激光二极管进行增益开关，使所述激光二极管发射光脉冲宽度小于1ns的光脉冲。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述半导体结形成使用阶跃恢复来使所述电流截止的阶跃恢复设备的一部分。
22.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，其中，选择所述半导体结并且配置所述差分器，使得所述光脉冲宽度小于250ps。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，选择所述半导体结并且配置所述差分器，使得所述光脉冲宽度小于100ps。
24.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，其中，所述脉冲发生器包括具有所述半导体结的双极型晶体管。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述双极型晶体管配置为共基极放大器。
26.根据权利要求24所述的方法，其中，所述双极型晶体管形成共发共基放大器的一部分。
27.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，其中，所述差分器包括由第一长度和第一特征阻抗限定的电波导，所述半导体结连接至该电波导的第一端，该电波导的第二端由比所述第一特征阻抗小的阻抗限定，由此使得沿着从该电波导的第一端向该电波导的第二端传播的由极性限定的阶跃电压信号以相反的极性反射回该电波导的第一端。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，选择所述第一长度以提供期望长度的脉冲长度。
29.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，其中，所述第二端子利用由第二长度和第二特征阻抗限定的电波导连接至所述调制器，所述调制器由输出阻抗限定，并且所述输出阻抗高于所述第二特征阻抗，由此使得沿着该电波导从所述第二端子向所述调制器传播的由极性限定的电脉冲信号以相同极性反射。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，选择所述第二长度以提供期望长度的脉冲长度。
31.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，包括：配置至少一个光反射器以接收由所述激光二极管发射的光脉冲，所述光反射器位于与所述激光二极管相距第三距离处。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，选择所述第三距离，使得由所述光反射器反射的光脉冲与光脉冲中的后续光脉冲在时间上重叠。
33.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，其中，由所述半导体激光器发射的光脉冲是啁啾的，并且所述方法包括提供色散元件以改变所述光脉冲的脉冲宽度。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，选择所述色散元件以将所述脉冲宽度改变为小于50皮秒。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，选择所述色散元件以将所述脉冲宽度改变为小于10皮秒。
36.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，包括：配置至少一个光放大器以放大由所述激光二极管发射的光脉冲。
37.根据权利要求36所述的方法，包括：种子激光器和耦合器，其中，所述耦合器布置为将由所述种子激光器发射的光辐射与由所述半导体激光器发射的光辐射耦合，以用于随后由所述光放大器进行放大。
38.根据权利要求37所述的方法，其中，由所述半导体激光器发射的光脉冲叠加在由所述种子激光器发射的光脉冲上。
39.根据权利要求37所述的方法，其中，所述耦合器是偏振分束器。
40.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，包括：提供扫描头并将所述光辐射扫描到组件的表面上。
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