CN109473859A - 用于短脉冲激光器的任意触发的增益控制 - Google Patents

用于短脉冲激光器的任意触发的增益控制 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于短脉冲激光器的任意触发的增益控制。设备可以包括瞬态光放大器，其具有的储存能量与动态平衡的下边界和上边界以及限定用于将高能量输入脉冲放大到更高能量输出脉冲的储存能量的目标级相关。该设备可以包括用于增加放大器的储存能量的泵以及用于将低能量控制脉冲或高能量输入脉冲传递到放大器的源。该设备可以包括控制器，该控制器被配置为通过在高重复频率下为放大器请求低能量控制脉冲来将放大器的储存能量保持在动态平衡中。控制器可以等待接收触发。基于接收触发，该设备可以停止向放大器传递低能量控制脉冲，并且当放大器的储存能量达到目标级时，可以向放大器传递高能量输入脉冲。

Description

用于短脉冲激光器的任意触发的增益控制
本申请是申请日为2016年12月20日，申请号为201611184203.6，发明名称为“用于短脉冲激光器的任意触发的增益控制”的申请的分案申请。
技术领域
本公开涉及激光系统和操作激光系统的方法。更具体地，本公开涉及用于调节任意定时的短激光脉冲的放大的方法和系统。
背景
短脉冲激光系统产生具有亚微秒脉冲宽度和亚毫秒时间间隔的光脉冲。如本文所使用的，光的短脉冲是电磁脉冲，该电磁脉冲的持续时间小于微秒(10-6秒)。短脉冲激光系统包括诸如纳秒、皮秒和飞秒激光系统的超短脉冲激光系统(或相反超快激光系统)以及可以产生具有亚微秒脉冲宽度和亚毫秒时间分辨率的放大的光脉冲的其他激光系统。
在常规的短脉冲激光系统中，以恒定频率和恒定能量产生高能脉冲。改变这样的激光器中的脉冲之间的时间可以在每个脉冲的能量中产生显著差异，且具有对激光器或施加脉冲的物体造成损坏的可能性。需要这样的短脉冲激光器，其可以在任何任意时间触发，以提供短持续时间脉冲，同时控制每个触发的光脉冲的能量。这样的激光器对于微机械加工和潜在地其他领域(例如，眼科学、生物医学成像、超快光谱、超高速光网络、反应触发、飞秒化学等)将是有利的。
仅以常规的超快激光微机械加工为一个示例，光束在工件上移动以将该束以特定的图案施加。可以移动光束，可以移动工件或者可以移动两者，以描绘图案。为了使处理速度最大化，该移动应该尽可能快；然而，速度受到对移动的准确度的要求的限制。该移动对于直线可以非常快，但对于小或复杂的特征可能需要非常慢。根据描绘的图案的复杂性，动态地发生快速移动和缓慢移动之间的转换。
当以超快激光器进行微机械加工时，施加到工件的光束包括具有kHz至MHz的范围内的脉冲重复频率(PRF)的纳秒到飞秒持续时间的光脉冲。理想地，每个脉冲的能量保持恒定并且脉冲在工件上的物理位置中均匀地间隔开。工件上的脉冲间隔与扫描速度(光束和工件之间的相对速度)和光脉冲之间的时间(或相反地，光束的脉冲重复频率(PRF))成比例。因为扫描速度动态地变化，光脉冲之间的时间也必须动态地改变，以保持工件上的脉冲间隔恒定。不幸的是，动态地改变常规放大的超快激光器的PRF将改变输出光脉冲的能量。在图1中，实线是放大器(例如，常规超快激光器的放大器)的储存能量，输入脉冲由实心圆表示并且输出脉冲由空心圆表示。脉冲的相对能级由其实心圆或空心圆的直径表示。
图1图示常规超快激光器(诸如根据2008年6月10日公开的美国专利号7,386,019“Light pulse generating apparatus and method”的超快激光器，该专利以其整体通过引用并入本文)的放大器的储存能量。实线表示放大器随时间的储存能量。图上的实心圆表示进入放大器的输入脉冲，其中，实心圆的大小表示输入脉冲的能量。轮廓圆表示与它们对应的输入脉冲同心的输出脉冲，并且空心圆的大小表示输出脉冲的能量。在图1的示例中，所有输入脉冲的能量保持相同。按惯例，并且如针对前三个输入脉冲所示，基于向放大器提供脉冲的源(例如，短脉冲激光源等)的脉冲重复频率，时间间隔是固定的。对于前三个脉冲，存在固定的时间间隔，储存能量处于动态平衡，在下一个脉冲到达的同时返回到目标级，并且因此输出脉冲具有恒定的能级。当脉冲之间的时间间隔改变时，打破了放大器的动态平衡。在脉冲之间的时间增加的情况下，放大器过冲目标，并且下一个脉冲的能量可以是如此大以致该脉冲可以损坏激光器、工件或其他物件。当脉冲之间的时间减小时，放大器不能将其储存能量补充到目标级并且下一个脉冲的能量可能不足以执行它的任务。如果即使一个脉冲的定时充分关闭，则放大器可以花费大量时间来重新建立其平衡。随着更多的脉冲偏离恒定的时间间隔或恒定的脉冲重复频率，这些问题加重。如果每个输入脉冲的能量没有保持恒定，则出现另外的问题。
缺乏保持脉冲能量波动足够小的任意定时或任意触发的脉冲激光器导致吞吐量、质量或系统复杂性的妥协。在许多当今的超快激光应用和市场领域中，这是非常显著的限制。因此，具有可以在任意时间以高时间分辨率触发的脉冲激光器以提供与每次触发相关的短持续时间光脉冲，同时能够控制所有光脉冲的能量将是有利的。
概述
在一些可能的实施方式中，方法可以包括连续地泵浦瞬态光放大器从而增加放大器的储存能量。放大器的储存能量可以与三个增加的能级相关：动态平衡的下边界；动态平衡的上边界；以及限定用于将高能量输入脉冲放大到更高能量输出脉冲的储存能量的目标级。该方法可以包括通过在高重复频率下将来自源的低能量控制脉冲传递到放大器来将放大器的储存能量保持在动态平衡中。该方法可以包括基于接收触发，停止向放大器传递低能量控制脉冲。该方法可以包括等待泵浦以将放大器的储存能量增加到目标级。该方法可以包括将高能量输入脉冲传递到放大器。该方法可以包括将高能量输入脉冲放大到更高能量输出脉冲，从而将放大器的储存能量降低到低于目标级的耗尽级。该方法可以包括输出更高能量输出脉冲。
在一些可能的实施方式中，源可以包括具有大于5兆赫兹(MHz)的脉冲重复频率的短脉冲激光源。该源可以包括脉冲拾取器，该脉冲拾取器光学连接到短脉冲激光源以控制来自短脉冲激光源的激光脉冲的发射和能量。
在一些可能的实施方式中，当控制激光脉冲的发射和能量时，该方法可以包括由脉冲拾取器传递、部分传递或阻挡来自短脉冲激光源的激光脉冲。
在一些可能的实施方式中，当停止传递低能量控制脉冲时，该方法可以包括由脉冲拾取器阻挡来自短脉冲激光源的激光脉冲。
在一些可能的实施方式中，短脉冲激光源或脉冲拾取器中的至少一个可以提供亚微秒响应时间。
在一些可能的实施方式中，低能量控制脉冲、高能量输入脉冲和更高能量输出脉冲可以具有小于一微秒的脉冲宽度。
在一些可能的实施方式中，耗尽级可以低于动态平衡的下边界。
在一些可能的实施方式中，动态平衡的中心能级可以更接近目标级和耗尽级的中心能级而不是目标级或耗尽级。
在一些可能的实施方式中，接收触发和输出更高能量输出脉冲之间的时间延迟可以在约5纳秒和约100纳秒之间。
在一些可能的实施方式中，设备可以包括瞬态光放大器，其具有与三个增加的能级相关的储存能量：动态平衡的下边界；动态平衡的上边界；以及限定用于将高能量输入脉冲放大到更高能量输出脉冲的储存能量的目标级。该设备可以包括用于增加放大器的储存能量的泵。该设备可以包括用于将低能量控制脉冲或高能量输入脉冲传递到放大器的源。该设备可以包括控制器，该控制器被配置为通过请求源以高重复频率向放大器传递低能量控制脉冲来将放大器的储存能量保持在动态平衡中。控制器可以被配置为等待接收触发。控制器可以被配置为基于接收触发，停止向放大器传递低能量控制脉冲，并且当放大器的储存能量达到目标级时，请求源向放大器传递高能量输入脉冲。
在一些可能的实施方式中，源可以包括激光二极管。
在一些可能的实施方式中，当停止传递低能量控制脉冲时，控制器被配置为控制激光二极管来防止激光二极管发射脉冲。
在一些可能的实施方式中，源可以包括提供低能量控制脉冲作为连续波低平均功率控制束的连续波激光器以及提供高能量输入脉冲的第二激光器。
在一些可能的实施方式中，放大器的储存能量可以通过放大高能量输入脉冲而被耗尽至耗尽级。高重复频率可以大于在没有低能量控制脉冲的情况下将放大器的储存能量保持在目标级和耗尽级之间的平衡的重复频率。
在一些可能的实施方式中，上边界和下边界之间的差可以小于或等于目标级和耗尽级之间的差的60％。
在一些可能的实施方式中，上边界和下边界之间的差可以小于或等于目标级和耗尽级之间的差的20％。
在一些可能的实施方式中，该设备可以输出更高能量输出脉冲。在这样的实施方式中，减小上边界和下边界之间的差可以减小以下中的至少一个：输出更高能量输出脉冲的时间和接收触发的时间之间的定时抖动或者期望的能级和更高能量输出脉冲的能级之间的能量抖动。
在一些可能的实施方式中，该设备的放大器可以包括以下中的至少一个：一个或多个单程放大器、一个或多个多程放大器或者一个或多个单程放大器和一个或多个多程放大器的组合。
在一些可能的实施方式中，该设备的控制器可以被配置为确定触发指示在脉冲串中提供一系列脉冲。该设备的控制器可以被配置为当放大器的储存能量达到目标级时，请求高能量输入脉冲作为脉冲串中的一系列脉冲。
在一些可能的实施方式中，该设备可以包括放大器之后的输出控制，以在输出之前传递、阻挡或降低放大的低能量控制脉冲和更高能量输出脉冲的能级。
在一些可能的实施方式中，该设备的控制器可以被配置为当控制器向源请求低能量脉冲时，请求输出控制阻挡脉冲。
在一些可能的实施方式中，输出控制可以包括脉冲拾取器或按需脉冲。
在一些可能的实施方式中，该设备可以包括在放大器之后的非线性波长转换器。
在一些可能的实施方式中，该设备可以接收多个触发并且可以输出对应于多个触发的多个更高能量输出脉冲。在这样的实施方式中，对应于多个触发的多个更高能量输出脉冲的定时抖动和能量抖动可以分别小于约1微秒和5％。
在一些可能的实施方式中，短脉冲激光增益调节方法可以包括通过激光系统泵浦激光系统的瞬态光放大器，从而增加放大器的储存能量。该方法可以包括由激光系统等待接收触发。当放大器的储存能量低于保持能级时，该方法可以包括通过激光系统防止激光脉冲从激光系统的脉冲源发射到放大器中。当放大器的储存能量达到保持能级并且没有接收到触发时，该方法可以包括通过激光系统将低能量控制脉冲从脉冲源发射到放大器中。每个低能量脉冲可以减少放大器的储存能量中的一些，其抵消泵浦，从而将放大器的储存能量保持在接近且低于保持能级的动态平衡中。当接收到触发时，该方法可以包括通过激光系统防止激光脉冲从脉冲源发射到放大器中，直到放大器的储存能量达到高于保持能级的目标能级，然后将高能量输入脉冲从脉冲源发射到放大器中，在放大器中将高能量输入脉冲放大到更高能量输出脉冲。该方法可以包括通过激光系统输出更高能量输出脉冲。
在一些可能的实施方式中，可以在任何任意时间从激光系统的控制器的外部接收触发或者在激光系统的控制器的内部产生触发。
在一些可能的实施方式中，在放大之前，低能量控制脉冲中的每个低能量控制脉冲可以具有比高能量输入脉冲低25％或相应更少的能量。在这样的实施方式中，低能量控制脉冲的重复率可以是在没有低能量控制脉冲的情况下将放大器的储存能量保持在目标级和耗尽级之间的平衡的脉冲重复频率(PRF)的4x或者相应更多。放大器的储存能量可以通过放大高能量输入脉冲而被耗尽至耗尽级。
在一些可能的实施方式中，在放大之前，低能量控制脉冲中的每个低能量控制脉冲可以包括高能量输入脉冲的能量的约0.1％和约40％之间。
在一些可能的实施方式中，低能量控制脉冲中的每个低能量控制脉冲可以包括约0.001纳焦和约100纳焦之间的能量。
在一些可能的实施方式中，除了能量和定时之外，低能量控制脉冲可以具有与高能量输入脉冲相同的光学性质。
在一些可能的实施方式中，高能量输入脉冲可以在作为更高能量输出脉冲输出之前多次行进通过放大器的增益介质。
在一些可能的实施方式中，接收触发和输出更高输出能量脉冲之间的时间延迟可以小于约1微秒。
在一些可能的实施方式中，激光系统可以包括纳秒激光器、皮秒激光器、飞秒激光器、主振荡器功率放大器激光器或再生放大器激光器中的一个。
在此部分、以下部分和附图中描述的实施方式中的每一个可以单独应用和/或与在此部分、以下部分和附图中描述的任何其他实施方式组合应用。
附图说明
图1是关于短脉冲激光系统的示例图，其图示恒定脉冲定时和可变脉冲定时的影响；
图2是本文描述的用于调节任意定时的激光脉冲的放大的示例实施方式的图；
图3是在其中可以实现本文所描述的系统和/或方法的示例环境的图；
图4是在其中可以实现本文所描述的系统和/或方法的示例激光器的图；
图5是用于调节储存能量以放大任意定时的激光脉冲的示例过程的流程图；
图6A是示出来自根据图4的短脉冲激光系统的第一输出脉冲序列的能量的图；
图6B是示出对应于图6A的放大器储存能量的图；
图6C是示出来自根据图4的短脉冲激光系统的第二输出脉冲序列的能量的图；
图6D是示出对应于图6C的放大器储存能量的图；
图7是在其中可以实现本文所描述的系统和/或方法的示例主振荡器功率放大器超快激光系统的图；以及
图8是在其中可以实现本文所描述的系统和/或方法的示例再生放大器激光系统的图。
详细描述
以下详细描述参考附图。不同附图中的相同的参考数字可以标识相同或相似的元件。
公开了在时间和能量分辨率方面以高精度和准确度控制放大器的增益的示例性方法和设备。具体地，瞬态光放大器调节实现对脉冲、恒定能量放大的激光的任意、不一定固定的重复率的触发。瞬态光放大器调节消除了通常与短脉冲激光器的不定期外部触发相关的脉冲能量波动。尽管随机触发定时，但是在一些实施例中，可以实现亚微秒定时抖动和/或小于5％能量抖动。实现示例性方法和设备可以是简单、鲁棒且具有成本有效的。示例性方法和设备可以在许多短脉冲激光应用中导致增加的吞吐量和/或过程质量。这反过来降低工业应用中使用这样的激光器的经济障碍。
参考图2，根据本公开的实施例操作的连续泵浦的瞬态光放大器的储存能量对照时间绘制。该图没有按比例绘制，但是提供激光的脉冲、时间和储存能量之间的一般关系。在图2中，放大器的储存能量10在图中由实线表示。每个圆12、14、16、18表示激光的脉冲。每个圆的相对大小表示该脉冲的相对能级。小实心圆表示进入放大器的低能量控制脉冲12。较大的实心圆表示进入放大器的高能量输入脉冲14。小轮廓圆表示放大的低能量控制脉冲16，而大轮廓圆表示更高能量输出脉冲18。交叉表示接收触发20，以输出更高能量输出脉冲18。四条虚线表示其中高能量输入脉冲14可以被放大到更高能量输出脉冲18的期望能级的目标能级22、动态平衡30的上边界24(例如，保持能级)、动态平衡30的下边界26以及在将高能量输入脉冲14放大到更高能量输出脉冲18之后放大器的耗尽能级28。如图1和图2所示，并且如本领域所公知的，从输入脉冲到输出脉冲的能量传递实际上是瞬时的。
在高层次上，图2中的图图示本公开的实施例如何将放大器的储存能量保持在动态平衡中同时等待接收触发20，储存能量在低于目标级22的上边界24和下边界26之间振荡。当放大器的储存能量10达到上边界24时，低能量控制脉冲12被传递到放大器中，其将放大器储存能量耗尽到下边界26。将低能量控制脉冲12传递到放大器中可以无限地继续，同时等待触发20。在一些实施例中，传递低能量控制脉冲12以高脉冲重复频率(PRF)发生。当接收到触发20时，允许放大器的储存能量10增加到目标级22，并且当其达到该级别时，高能量输入脉冲14被释放到放大器中，被放大到更高能量输出脉冲18中并且最终输出。
比较图1和图2，可以看出图1的输入脉冲在时间和能级上对应于图2的高能量输入脉冲14；然而，当输入脉冲的时间间隔变得不定期时，图1的输出脉冲具有广泛变化的能级而图2的更高能量输出脉冲18是恒定的，而不管高能量输入脉冲14的时间如何。
图3是在其中可以实现本文所描述的系统和/或方法的示例环境300的图。如图3所示，环境300可以包括激光系统310、光束传输系统320和工作面330。环境300的设备可以经由有线连接、无线连接或有线连接和无线连接的组合互连。
激光系统310可以包括能够输出脉冲光束的一个或多个设备。例如，激光系统310可以包括短脉冲激光系统(例如，皮秒脉冲激光系统、纳秒脉冲激光系统、飞秒脉冲激光系统等)等。激光系统310可以输出脉冲光束(例如，用于工作面330上的工件的微机械加工、冷消融、切割、钻孔等)。
光束传输系统320可以包括可以修改由激光系统310输出的光束的一个或多个组件。例如，光束传输系统320可以包括涂覆的激光光学器件、涂覆和/或未涂覆的衬底(例如，平(Plano)衬底、曲面衬底、透镜等)、延迟板、偏振器、光束引导器、光束移动机构(例如，基于检流计的光学扫描系统、多边形扫描系统、声光扫描仪等)、机动分期系统、光束传输系统控制组件等。
工作面330可以包括用于接收来自激光系统310的脉冲光束的表面。例如，工作面330可以包括在其上安装工件的表面等。在一些实施方式中，工作面330可以相对于激光系统310和/或相对于光束传输系统320横向地移动(例如，基于工作面330的机动分期系统等)。另外或可替换地，由激光系统310输出的光束可以相对于工作面330横向地移动(例如，基于光束传输系统320的光束移动机构等)。
图3所示的设备的数量和布置作为示例提供。实际上，可以存在与图3所示的设备不同的设备、不同布置的设备、附加设备或更少的设备。此外，图3所示的两个或更多设备可以在单个设备内实现，或者图3所示的单个设备可以被实现为多个、分布的设备。另外或可替换地，环境300的一组设备(例如，一个或多个设备)可以执行被描述为由环境300的另一组设备执行的一个或多个功能。图4图示激光器100，其包括源103、光连接到源的放大器106、连接到放大器的泵107、光连接到放大器106的可选的光输出控制108以及控制器109，该控制器109连接到源103和可选地连接到放大器106、泵107和/或输出控制108。源103、放大器106和输出控制108沿光路111进行光连接。在一些实施方式中，激光器100可以对应于激光系统310。
激光器100输出具有在微秒、纳秒、皮秒和飞秒范围内的任何量的脉冲宽度的激光脉冲。输出激光脉冲具有在秒、毫秒、微秒、亚微秒等的范围内的任何量的时间间隔。相反地，输出激光脉冲可以具有赫兹(Hz)范围、千赫兹(kHz)范围、兆赫兹(MHz)范围等中的最大脉冲重复率；然而，对于输出激光脉冲，没有必要遵循重复频率。相反，激光脉冲可以在任何任意时间输出。无论输出激光脉冲是否具有固定的重复率或任意时间间隔，激光器100向每个输出脉冲提供恒定的可配置的能级。激光脉冲可以具有在例如，亚毫焦耳至焦耳的范围内的任何量的能量。例如，如以下结合图6A所述的，激光脉冲可以具有约17微焦耳的能量。作为另一个示例，在一些实施例中，激光脉冲可以具有在约50毫焦耳至约200毫焦耳的范围内的能量值。作为又一个示例，在一些实施例中，激光脉冲可以具有亚毫焦耳范围内的能量。
激光器100可以在各种不同的激光器配置中实现，该激光器配置包括主振荡器功率放大器(MOPA)、再生放大器或技术人员所公知的其他配置。将在下面更详细地描述MOPA和再生放大器配置；然而，其他配置是同样可能的，并且仅为了简洁而被省略。
源103在控制器109的命令下向放大器106提供激光的脉冲。源103被配置为在不同的、可配置的能级和任意定时处输出短(或超短)激光脉冲。任意定时包括任何定时，其包括脉冲的随机定时、脉冲的按需触发、脉冲的预设模式和固定重复率脉冲。在一些实施例中，源103可以包括激光二极管。在一些实施例中，源103可以包括光耦合到脉冲拾取器的低能量、高PRF超快种子振荡器。作为一个可能的示例，源103可以提供大于或等于约5兆赫兹(MHz)的频率的激光脉冲。在替换的实施例中，源103可以包括用于提供低平均功率光束而不是低能量控制脉冲的连续波激光器，并且第二激光器可以用于提供高能量脉冲。通过在放大器106之前控制来自源103的脉冲和光束，可能以更高的精度实现对放大器的更大的调节。在一些实施方式(例如，其中源103包括脉冲拾取器的实施方式)中，源103可以能够以小于5％误差的特定的效率(例如，0.01％、0.1％、1％、10％、50％、90％等)传递光信号。在一些实施方式中，源103可以能够以特定级别的误差(例如，低于5％相对误差等)传递具有不同的能量(例如，一个数量级的范围内的能量、两个数量级的范围内的能量等)的光脉冲。在一些实施方式中，源103可以能够以可变效率传递光信号，在一些实施方式中，该可变效率可以随着特定的响应时间(例如，微秒或纳秒响应时间)而改变。在一些实施方式中，源103可以能够以具有特定响应时间的动态可变的功率/能级传递光信号。
放大器106接收来自源103的脉冲并且输出放大的脉冲，即，更高能级的脉冲。放大器106可以包括技术人员已知的任何瞬变状态光放大器。示例放大器类型包括棒状放大器、板条放大器、片状放大器和光纤放大器。放大器106可以包括一个放大器和/或一系列的多个放大器。放大器106可以被配置用于多程、单程或任何数目的串联的单程和/或多程放大器的组合。例如，放大器可以包括一个或多个单程放大器(例如，串联)、一个或多个多程放大器(例如，串联)和/或串联的一个或多个单程放大器和一个或多个多程放大器。放大器106可以将放大的脉冲输出到输出控制108或者直接从激光器100输出。放大器106在具有连续泵浦的瞬变状态下操作，其在没有来自源103的光被放大时提供放大器的储存能量的可预测增加。放大器106可以包括增益介质(例如，基于光纤的增益介质、诸如棒、板条、圆片等的块型增益介质)，诸如激光晶体或激光玻璃(例如，掺钕钇铝石榴石(YAG)、掺镱钨酸盐晶体(例如，钨酸钆钾(KGW)晶体)、钨酸钇钾(KYW)晶体)、掺铒YAG、钛蓝宝石晶体等)、陶瓷增益介质、复合增益介质等。
放大器106具有储存能量，其表示放大器106可以向通过放大器增益介质的光脉冲提供的潜在增益。放大脉冲降低放大器的储存能量，并且放大器的储存能量应该被补充，以继续将脉冲放大到相同的能级。
泵107连接到放大器106，以增加放大器的储存能量。在一些实施例中，泵107电连接或光连接到放大器106并且为放大器的储存能量提供可预测速率的增加。在一些实施例中，泵107提供连续泵浦，其不断地提供能量来增加或补充放大器的储存能量。放大器的增益介质可以在本文中被称为泵浦的过程中接收来自泵107的用于放大光信号的能量。
可选的输出控制108接收来自放大器106的放大的激光脉冲，并且可以被配置(例如，通过控制器109)以阻挡、传递或部分传递脉冲。示例输出控制108包括脉冲拾取器、包括脉冲拾取器的按需脉冲模块或另一类型的输出控制。输出控制108还可以包括基于非线性晶体材料、光子晶体光纤、气体等的波长转换器(例如，非线性波长转换器)。在这种实施方式中，附加输出控制元件可以执行倍频过程、和频产生和差频产生过程、拉曼转换过程、超连续谱产生过程、高谐波产生过程等。部分地传递脉冲将脉冲的能量从其最高级(传递脉冲)降低到中等能级。
控制器109连接到源103和/或控制源103，并且可选地连接到和/或控制放大器106、泵107和输出控制108。控制器109协调调节放大器的储存能量，并且响应于输出脉冲的请求或触发，从激光器100输出更高能量输出脉冲。在示例实施例中，控制器109通过使用来自源103的低能量、高频率脉冲或其他低平均功率光耗尽储存能量来平衡来自泵107的放大器的增加的储存能量，从而调节放大器的储存能量。控制器109可以在软件和/或硬件中实现。例如，控制器109可以包括处理器，诸如数字信号处理器、微处理器、集成电路(例如，光子集成电路、专用集成电路等)、现场可编程门阵列等。控制器109还可以包括与处理器交互的其他组件，诸如存储设备、通信接口、输入组件和/或输出组件。存储设备可以存储由处理器使用的指令或数据。通信接口可以允许处理器与激光系统的其他组件进行通信，接收来自激光系统外部的命令和/或向激光系统外部提供数据。控制器109可以包括存储在非暂时性计算机可读介质中的计算机可读指令，用于由通用计算机、可重构硬件(诸如FPGA)、专用硬件(诸如ASIC)、这些实现技术的组合和其他电气来执行。
在一个实施例中，控制器109使用预定义的时间延迟和由于来自泵107的连续泵浦的放大器的储存能量的增加速率的知识来调节放大器106。在放大高能量输入脉冲之后，控制器109在预定义的时间内没有传递低能量控制脉冲。正好在高能量输入脉冲的放大之后，放大器的储存能量将降低至耗尽级，因此在预定义的时间之后，将已知储存能级在上边界处。一旦控制器109请求具有预定义的PRF和能量的控制脉冲，放大器的储存能量将保持在上边界和下边界之间的平衡中，因此控制器109继续提供控制脉冲直到它接收到触发。当控制器109接收到触发时，它等待直到它将产生下一个控制脉冲的时间。根据接收触发的时间，等待时间可以是零与控制脉冲之间的时间之间的任何时间量。这种不确定性将最终引入触发和更高能量输出脉冲之间的时间的时延抖动。当等待时间结束时，代替传递下一个控制脉冲，控制器109在第二预定义的时间间隔内停止控制脉冲。此时，控制器109知道放大器的储存能量在上边界，因此第二时间延迟是预先确定的，以允许放大器的储存能量增加到目标级。在第二时间间隔之后，控制器109请求高能量输入脉冲。然后，由控制器109采取的动作可以对每个任意定时的触发重复。
因此，在该实施例中，控制器109使用两个预定义的时间间隔来控制放大：一个时间间隔用于在发射输出脉冲之后停止控制脉冲、省略控制脉冲等，以及另一个时间间隔用于在接收到触发之后停止控制脉冲、省略控制脉冲等。在这样的实施例中，存在相当于在触发的脉冲之间可能的最小时间的最大重复率PRFmax。这相当于两个预定义的固定时间间隔的总和。在一些实施方式中，可以基于不同的PRFmax值(例如，基于针对不同的PRFmax值，以不同的时间间隔编程控制器109)来配置控制器109。
图4中所示的设备和组件的数量和布置作为示例提供。实际上，可以存在与图4中所示的那些设备/组件不同的设备/组件、不同布置的设备/组件、附加设备/组件或更少的设备/组件。
图5图示用于调节储存能量以放大任意定时的激光脉冲的示例方法500。方法500可以在诸如激光器100的特制激光器或现有的激光器中实现，该现有的激光器能够实现方法500中描述的操作参数并且可以例如，通过提供可下载的计算机或可再编程的门阵列指令、包含类似物的非暂时性计算机可读介质或甚至替换集成电路或诸如控制器109的其他模块来适当地重新配置。在一些实施方式中，方法500的一个或多个动作可以由激光器100或激光系统310执行。在一些实施方式中，图5的一个或多个处理动作可以由与激光器100或激光系统310分开或者包括激光器100或激光系统310的另一个设备或一组设备(诸如光束传输系统320)执行。
方法500开始于连续地泵浦502瞬态光放大器106，从而增加放大器的储存能量10。放大器的储存能量10与三个增加的能级相关：动态平衡30的下边界26，动态平衡30的上边界24以及限定用于将高能量输入脉冲14放大到更高能量输出脉冲18的储存能量的目标级22。在某些情况下，上边界24和下边界26之间的差可以小于或等于特定值(例如，60％、20％等)。连续泵浦502可以通过借助本领域已知的电、光或其他泵浦装置的泵107来实现。泵浦是连续的，在某种意义上，泵浦502为在瞬变状态中操作的光放大器106提供对放大器的储存能量10的可预测的增加速率。
在连续泵浦502时，方法500通过以高重复频率将低能量控制脉冲12传递到放大器106来将放大器的储存能量10保持504在动态平衡30中而继续。将放大器的储存能量10保持504在动态平衡30中通过以下方式实现：允许放大器的储存能量10增加到上边界24，然后将低能量控制脉冲12传递到放大器106中并且将放大器的储存能量10耗尽到动态平衡30的下边界26。当放大器的储存能量10(由于连续泵浦502)返回到动态平衡30的上边界24时，另一个这样的脉冲12被传递到放大器106。通过匹配低能量控制脉冲12之间的时间和低能量控制脉冲每脉冲从放大器106提取的能量，方法500可以将放大器106的储存能量保持在动态平衡30中任何时间长度。较高能量控制脉冲将从放大器106提取更多能量，并且因此可以比较低能量控制脉冲更不频繁地施加。另一方面，较低能量控制脉冲将从放大器106提取较少能量，并且因此可以比较高能量控制脉冲更频繁地施加。随着控制脉冲的能量降低而控制脉冲的重复率增加，控制脉冲串可被建模并且实际上由具有与控制脉冲串相同的平均功率的连续波(cw)光束代替。
为了稳定放大器106的储存能量，必须选择控制束的输入功率，使得所提取的功率等于由连续泵浦提供的随时间的储存能量增加。使用1毫瓦(mW)平均功率作为示例，20MHzPRF的0.05纳焦(nJ)脉冲、40MHz的0.025nJ脉冲和200MHz的0.005nJ脉冲都实现相同的1mW平均功率。如果脉冲能量继续降低并且PRF继续增加，则到达具有1mW的功率的连续波束。随着每脉冲的能量减小和PRF增加，当控制脉冲包括连续波光束时，动态平衡30的上边界和下边界之间的间隔也减小并且收敛到低于目标级的单个放大器储存能级。在某些情况下，动态平衡30的中心能级可以更接近目标级22和耗尽级28的中心能级而不是目标级22或耗尽级28。中心能级可以简单地是两个不同的能级之间的平均值。
无限地继续将放大器的储存能量10保持504在低于目标级22的动态平衡30中，同时等待触发20。触发20是到控制器109的表示已经向激光器100请求更高能量输出脉冲18的信号。基于(例如，响应于、基于接收到、基于产生等)触发506，停止将放大器的储存能量10保持在动态平衡30中并且一系列的动作导致从激光器100或激光系统310输出518更高能量输出脉冲18。
更具体地说，方法500通过停止向放大器106传递508低能量控制脉冲12并且等待510泵浦502以将放大器的储存能量10增加到目标级22来对触发20做出响应。停止传递508包括阻挡由源103发射到放大器106中的控制脉冲，停止这样的脉冲的发射以及由控制器109指示或请求源103来阻挡或停止这样的低能量控制脉冲12。停止传递508还可以包括由控制器109不向源103指示或请求另一个低能量控制脉冲12。
当放大器的储存能量10达到目标级22时，方法500将高能量输入脉冲14传递512到放大器106，其促使放大器106将高能量输入脉冲14放大514到更高能量输出脉冲18，同时将放大器的储存能量10降低516到低于目标级22的耗尽级28，然后将更高能量输出脉冲18从激光器100或激光系统310输出518。在图2中，耗尽级28被示出为低于下边界26；然而，根据激光器100或激光系统310的配置，耗尽级28可以高于下边界26或者高于上边界24。
将高能量输入脉冲14传递512到放大器106可以包括控制器109请求或指示源103发射高能量输入脉冲14。传递512高能量输入脉冲14还可以包括传递脉冲串。
输出518还可以包括输出放大的控制脉冲16同时等待触发20。例如，即使在放大之后，低能量控制脉冲12可以对被微机械加工的工件无害，因此无需增加额外的复杂性来阻挡这些脉冲。然而，在一些实施例中，阻挡或仅部分地输出放大的低能量控制脉冲16。例如，输出控制108、脉冲拾取器或非线性波长转换器可以定位在放大器106之后，其减少或完全阻挡放大的低能量控制脉冲16。
在输出518更高能量输出脉冲18之后，方法500返回以将放大器的储存能量10保持504在动态平衡30中并且等待接收触发20。在一些实施例中(包括例如，通电激光器)，方法500可以连续地施加控制脉冲，并且可以等待直到建立放大器106在上边界24和下边界26之间的储存能量平衡。
虽然图5图示方法500的示例块，但是在一些实施方式中，方法500可以包括与图5所描绘的块不同的块、不同布置的块、更少的块或附加块。另外或可替换地，方法500的块中的两个或更多可以并行执行。
图6A图示600示例激光系统310的更高能量输出脉冲18和放大的低能量控制脉冲16，其中每个圆顶竖线表示放大的脉冲的能量。对于前50微秒，激光系统310在200kHz的固定PRF(对应于输出脉冲之间的5微秒)下触发更高能量输出脉冲602，而没有任何控制脉冲。50微秒之后，触发变得随机并且启用控制脉冲。在比5微秒的常规脉冲周期短的一些预设时间(例如，2.5微秒)之后，低能量控制脉冲604以适当选择的脉冲能量被以2MHz的PRF(脉冲之间的0.5微秒)发送到放大器。放大的控制脉冲604具有更高能量输出脉冲602的能量的约10％的能级，因为控制脉冲的2MHz PRF比由触发请求的高能量输入脉冲的200kHz PRF高10倍。
当接收到下一个触发(未示出)时，阻挡或断开控制脉冲604，其允许放大器的储存能量恢复到目标级，在目标级处，由点606标识的更高能量输出脉冲被放大并且输出。在放大脉冲606之后，放大器的储存能量被耗尽到耗尽级，因此阻挡控制脉冲直到放大器的储存能量恢复到上边界。在点608处，储存能量达到上边界并且控制脉冲再次开始。在该点处(约80微秒)，在第一控制脉冲之后接收到另一个触发，停止控制脉冲，储存能量再次上升到目标级，并且释放类似于脉冲602和606的高能量输入脉冲。该模式继续剩下触发的脉冲。
图6B对应于图6A。图6B是放大器的储存能量的跃迁的示例图610，而不是如图1和图2中连续跟踪放大器的储存能量。放大器的储存能量的跃迁与产生图6A中描述的输出脉冲相关。可以看出，在t＝50微秒之前，放大器的储存能量是动态稳定的，其在紧接着高能量输入脉冲进入放大器之前的在目标级处的点612和紧接着脉冲被放大到更高能量输出脉冲之后的耗尽能级处的点614之间振荡。正好在t＝50微秒之后，放大器的储存能量被允许仅在预设时间内部分恢复到低于目标级的上边界，并且然后低能量控制脉冲以每脉冲的预设的低能量和2MHz PRF发射，紧接着在上边界处的点616和下边界处的点618之间建立新的动态稳态。当接收到下一个触发(未示出)时，阻挡或断开控制脉冲，其允许放大器的储存能量在比5微秒的原始脉冲周期短的时间(例如，2.5微秒)内恢复到点620处的目标级。然后，放大器的储存能量将处于目标级，准备将下一个高能量输入脉冲放大到更高能量输出脉冲，其促使放大器的储存能量耗尽到点622，然后提升到其中控制脉冲再次开始的点624。在该点处(约t＝80微秒)，在第一控制脉冲之后接收到另一个触发，因此停止控制脉冲，储存能量再次上升到目标级并且释放高能量输入脉冲。该模式继续剩下触发的脉冲。
图6C和图6D分别与图6A和图6B相似；然而，以快10倍的PRF(20MHz，其对应于0.05微秒的小10倍的时间间隔)施加控制脉冲。这需要来自源的控制脉冲的能量约10倍小并且在等待触发的同时建立较窄的动态平衡。还可以更进一步，使用种子振荡器的全重复率(例如，100MHz)。然后，冻结期将是10ns的倍数，因此触发和更高能量输出脉冲之间的时间延迟的最大差异或定时抖动将是10ns。低至10ns的定时抖动不太可能影响工业应用并且可被认为是完美(或瞬时)输出脉冲定时。因此，可以说本公开的实施例能够实现具有可忽略的输出脉冲的定时抖动的超快激光器的任意定时触发，并且实际上没有关于输出脉冲稳定性的损失。唯一的条件是在任何两个触发脉冲之间存在最小时间分离，即，存在可以根据应用需要选择的相关的触发的输出脉冲能量和最大PRF。
值得注意的是，没有在目标能级和耗尽能级之间的动态平衡中在固定PRF下使用具有高能量脉冲的激光器和使得能够根据本公开控制能够在较高PRF下使用低能量控制脉冲来在上边界和下边界之间建立新的动态平衡之间的转换时间。放大器可以始终保持在动态平衡中，直到接收到触发。选择控制脉冲的能量和PRF，使得给定预定义的上边界级，放大器处于低于目标级的新的动态平衡。这允许激光系统在正常固定的PRF操作和基于触发的操作之间的动态和瞬时转换。没有必须开始激光发射的次级腔，即，没有在达到新的稳态之前经历激光尖峰状态的时间延迟。还不存在必要的泵浦功率调整，其将导致增加的转换时间和/或促使放大器增益晶体的热状态偏离其平衡。
返回到图6A和图6B，选择2MHz的PRF用于控制脉冲。每个控制脉冲需要1/2MHz＝0.5微秒恢复时间，以使放大器的储存能量恢复到上边界。因此，放大器的储存能量可以被冻结时间窗，该时间窗将优选地为0.5微秒的倍数。与关于触发具有恒定等待时间(例如，延迟时间)的输出相比，光脉冲可以具有0.5微秒的时间抖动。在一些应用中，这种定时抖动是无关紧要的。在0.5微秒是显著的情况下，控制脉冲可以具有较高的PRF(如图6C和图6D中)，以将定时抖动减小到可接受的值。图6C和图6D的示例实施例提供减小到0.05微秒的时间抖动。在其他实施例中，当期望可忽略的定时抖动并且一些能量抖动可以是可接受的时，可以在所请求的时间释放高能量输入脉冲，但是当放大器的储存能量接近但还没有达到目标级时。
图6A-6D图示与图5所示的示例方法500相关的放大器储存能量和脉冲能量值的示例图。图6A-6D仅作为示例提供。其他示例是可能的并且可以不同于所描述的示例。
图7图示主振荡器功率放大器超快激光系统700，其中源702包括种子振荡器704和脉冲拾取器706。脉冲发生开始于种子振荡器704，其以固定重复率(通常在10MHz-200MHz的范围内)产生通常在近IR波长区域(约1微米)内的低能量(约1nJ至100nJ)皮秒或飞秒种子脉冲703。种子振荡器704可以包括锁模种子振荡器、脉冲二极管激光器、调Q激光器、脉冲光纤激光器或适合于播种如本领域已知的瞬态光放大器的其他激光器。
脉冲拾取器706接收来自种子振荡器704的光脉冲并且通过以在范围从例如，10kHz至100MHz的固定PRF处拾取被称为脉冲串的单脉冲(有时脉冲组)来减小重复率。脉冲拾取器706可以是声光的或电光的，并且可以优选地从种子振荡器704拾取包括非重复序列的任何脉冲序列。脉冲拾取器706还可以控制拾取效率，即，足够短的响应时间的拾取的脉冲707的能量。在一些实施方式中，脉冲拾取器706可以能够以小于5％相对误差的特定效率(例如，0.01％、0.1％、1％、10％、50％、90％等)传递光信号。在一些实施方式中，脉冲拾取器706可以能够以可变效率传递光信号，在一些实施方式中，该可变效率可以随着特定响应时间(例如，微秒或纳秒响应时间)改变。这允许脉冲拾取器706阻挡种子脉冲703、部分传递作为低能量控制脉冲705的种子脉冲、传递作为高能量输入脉冲707的种子脉冲或者传递种子脉冲串。作为可能的示例，可以以约1皮焦耳、约0.01纳焦、约0.1纳焦、约1纳焦、约0.01微焦耳、约0.1微焦耳、约2.5微焦耳等的能量传递控制脉冲，并且可以以比控制脉冲高4倍、比控制脉冲高10倍、比控制脉冲高100倍等的能量传递高能量输入脉冲。
一级或多级放大器708接收由脉冲拾取器706从源702传递出的控制脉冲705和输入脉冲707并且将它们分别放大到放大的控制脉冲709和更高能量输出脉冲711。放大器708包括能够放大光信号的一个或多个瞬态连续波泵浦的放大器。放大器708可以将更高能量输出脉冲711放大到约1微焦耳和1,000微焦耳之间。在每脉冲的这样的能级处，更高能量输出脉冲711能够引起冷消融，即，在低温下去除材料并且因此引起微机械加工的高过程质量。一个或多个放大器708可以包括一个或多个泵。在一些实施方式中，放大器708可以包括具有通过放大器的增益介质的单程或多程的放大器。
在放大器708之后，激光器700可选地包括按需脉冲模块(POD)710，其可以是第二脉冲拾取器。POD 710是可选的输出控制108的示例。POD710允许光束的快速打开/关闭、放大的控制脉冲709的阻挡并且可以允许控制以完全传递或降低从激光器700发射的更高能量输出脉冲711的能级作为输出脉冲713。
控制器712协调脉冲拾取器706、POD 710和触发20，同时管理放大器的储存能量。控制器712还可以控制用于一级或多级放大器708的一个或多个泵或种子振荡器704。
以这种方式，本公开的实施例可以充分利用种子振荡器704的高重复率。种子脉冲703的束既用于用输入脉冲707播种放大器以产生高能量输出脉冲713，又用于提供低能量控制脉冲705，以根据需要以高时间分辨率调节放大器的储存能量。在一个实施例中，单个声光调制器(AOM)由控制器712驱动，调节每个单独的种子脉冲的能量。这种高度动态调制能力允许使用单个AOM来控制高能量输入脉冲707以及低能量控制脉冲705。后者具有比连续的高能量输入脉冲707之间的时间间隔短、优选地短很多的时间间隔。因为控制脉冲705的间隔可以比固态增益材料的上能级寿命(通常为100微秒至2000微秒)短若干数量级(例如，约10纳秒至1微秒)，所以控制脉冲705的束被放大器708看作基本上连续的波。这能够完全控制放大器708的级的增益演变。放大器增益材料的较慢的响应时间还允许用低功率连续波(cw)源替代单个高PRF源702，以提供低平均功率cw束而不是高PRF低能量脉冲的束。这样替换的实施例将包括用于高能量输入脉冲707的第二源或第二激光器。
返回到图7的示例实施例，由于控制脉冲705具有与放大器708的当前增益匹配的光功率，控制器712具有完全控制来调节放大器的储存能量。这允许去除任何增益动态。由于高的种子振荡器重复率，一旦需要控制脉冲705，控制脉冲705基本上瞬时可用(具有大于放大器708的响应时间的时间间隔)，并且具有所需的功率。因此，本公开的实施例允许在任意持续时间和在任何储存能级下几乎瞬时冻结放大器708的储存能量(并且因此放大器708的增益)。只要需要，这能够通过在期望的任何能级下简单地暂停放大器的增益演变(放大器的储存能量的变化)来进行不定期触发。
在图7的示例实施例中，低能量控制脉冲优选地具有与高能量输入脉冲相同的光学性质，除了它们的能量和它们的定时。因此，控制脉冲可以用于控制包含任何数量的级的复杂的放大器链而没有增加任何复杂性。各个级甚至可以是非常不同，第一级可以在低能量下提供10000x的增益以及第二级可以在高能量下提供2x增益，它们将通过与后者相同的控制脉冲来稳定，该控制脉冲基本上(通过放大器)与高能量输入脉冲无法区分。整个放大器链可以一直保持在低于目标级的动态平衡中。
当没有触发时，放大控制脉冲防止放大器的储存能量过度增加。然而，在一些应用中，输出放大的控制脉冲可能是不期望的。在一些实施例中，放大的控制脉冲可以在它们从激光系统出射之前丢弃。如果存在诸如POD的输出控制，则它可以容易地用来去除放大的控制脉冲。另一种可能性是通过依赖某种非线性来利用较低(可能更低)控制脉冲能量。应用本身可以提供这种非线性。在用超短激光脉冲的微机械加工中，例如，冷消融的过程具有阈值能量并且放大的控制脉冲可以低于该阈值。在波长转换的激光器中，可以通过波长转换过程提供非线性。通过选择高控制脉冲PRF(例如，比触发的更高能量输出脉冲的最大PRF高100倍)，放大的控制脉冲能量将比更高能量输出脉冲小100倍。因此，放大的控制脉冲将被转换为具有可忽略的效率的更高谐波波长，使得未转换的控制脉冲可以容易地使用波长滤波从波长转换的输出脉冲分离。
如图5所示，方法500可以包括接收触发。在一些实施方式中，控制器109可以接收外部触发。例如，激光系统可以基于触发的脉冲将被输出的时间接收触发(例如，以便在相对于工作面(例如，工作面330)移动束时保持所输出的脉冲的物理间隔)。在一些实施方式中，激光系统可以产生内部触发。例如，假设激光系统以第一PRF输出脉冲。进一步假设激光系统确定改变为第二较低的PRF(例如，基于促使第一PRF改变的用户交互，基于施加到激光系统的输入的电压等)。在这种情况下，激光系统可以以第二PRF产生内部触发。在一些实施方式中，基于特定于使用激光器的应用的指令，基于与激光系统相关的计算机程序等，激光系统可以以没有特定的重复频率(例如，随机、任意、不定期等)在变化的PRF下产生内部触发。
在一些实施方式中，控制器109可以基于时间量确定放大器的储存能量已被泵浦到目标级。例如，假设泵107以特定速率对放大器106的储存能量进行泵浦，并且假设每个低能量控制脉冲将放大器106的储存能量耗尽到小于目标阈值的特定值。在这种情况下，控制器109可以被配置为基于最近的控制脉冲被放大的时间，确定储存能量满足目标阈值。例如，在控制脉冲被放大和存储的能量被泵浦到目标增益阈值之间可以经过特定的时间量，并且控制器109可以确定自从最近的控制脉冲被放大之后已经经过特定的时间量。另外或可替换地，控制器109可以基于传感器确定储存能量已经被泵浦到目标阈值。
定时抖动可以被称为在接收触发和输出更高能量输出脉冲之间的最小时间延迟和最大时间延迟之间的差。根据本公开的激光系统的定时抖动可以等于与控制脉冲相关的高PRF的倒数。在激光系统紧接着请求控制脉冲之前接收到触发的情况下可以发生最小时间延迟。在激光系统请求控制脉冲之后立即接收到触发的情况下可以发生最大时间延迟。激光器100可以通过使用较高的PRF与较低能量控制脉冲(对于相同的平均功率)来减小时间延迟并且减小定时抖动。减小的定时抖动可以提高微机械加工过程的准确度。作为可能的示例，定时抖动值可以在约5纳秒和约100纳秒之间或者可以在不同的时间值范围内。
到目前为止，示例实施例已经描述了高分辨率控制脉冲的施加，以调节放大器的储存能量，从而冻结瞬态光放大器的增益，以便允许任意定时的触发而恒定的能量输出脉冲。控制光增益的基本原理还可以用于实现脉冲能量调制，也就是说，代替将输出脉冲能级保持恒定，本公开的实施例可以被配置为调制连续的输出脉冲以具有更高能级，这是POD或脉冲拾取器不能做到的事情。
在一些实施方式中，激光器100可以使用不同的参数组来调节激光脉冲的放大。例如，激光器100可以从第一PRF改变到第二PRF(例如，其与较高输出能量和较低PRF相关)或者改变到第三PRF(例如，其与较低输出能量和较高PRF相关)等。第一PRF、第二PRF和第三PRF可以各自与相应的第一时间间隔和相应的第二时间间隔相关联。第一时间间隔可以定义在放大高能量输入脉冲和恢复对低能量控制脉冲的放大之间等待的时间量。第二时间间隔可以定义在接收到触发并且达到上边界之后的时间量，在该时间量之后，放大高能量输入脉冲。激光器100可以通过使用对应于不同的PRF的第一时间间隔和第二时间间隔在不同的PRF之间切换。例如，为了从第一PRF切换到第二PRF，激光器100可以停止使用与第一PRF相关的第一时间间隔和第二时间间隔，并且可以开始使用与第二PRF相关的第一时间间隔和第二时间间隔。
图8图示示例再生放大器激光系统800。激光系统800可以包括源809(例如，包括种子振荡器(SO)810和脉冲拾取器(PP)820)、一个或多个放大器830、一个或多个泵浦源840、输出控制850、控制器860、泡克耳斯盒(PC)870以及偏振组件880。结合以上图7更详细地描述了源809、种子振荡器810、脉冲拾取器820、泵浦源840、输出控制850和控制器860。放大器830包括本领域中公知的再生放大器。放大器830可以包括在两个镜M1和M2、增益介质831、泡克耳斯盒870和偏振组件880之间限定的谐振腔。泡克耳斯盒870可以控制光信号是否由偏振组件880传递到谐振腔和/或从谐振腔传出和/或可以控制谐振腔是否被阻挡还是未被阻挡(例如，封闭或开放)。泡克耳斯盒870可以包括具有纳秒响应时间的其他电光开光或其他开关，其可以处理高能量脉冲。
在MOPA激光系统中，通过放大器的所有脉冲进行相同的程数，因为在多程放大器中(例如，如在MOPA激光系统中)，程的量由通过放大器的光束路径的空间配置限定。在再生激光系统中，控制器860可以通过控制泡克耳斯盒870来促使脉冲(例如，高能量输入脉冲和低能量控制脉冲)通过放大器进行不同的程数。作为一个可能的示例，低能量控制脉冲可以仅通过增益介质一次往返，同时等待触发。在一些实施例中，每控制脉冲的这种单个往返可足以调节放大器的储存能量。在其他实施例中，可能需要多程通过再生放大器的增益介质。例如，这可以通过部分地传递控制脉冲通过泡克耳斯盒870来实现，使得腔中的一些控制脉冲逃逸，同时来自源的另一控制脉冲的一些进入放大器。另外或可替换地，例如，这可以通过在预定义量的往返中捕获控制脉冲来实现，以使控制脉冲的能量变得足够高以将储存能量耗尽到期望的下边界。
图7和图8中所示的组件的数量和布置作为示例提供。实际上，可以存在与图7和图8中所示的那些组件不同的组件、不同布置的组件、附加组件或更少的组件。例如，激光系统800可以包括一个或多个法拉第旋转器、一个或多个波片(例如，在脉冲拾取器820和偏振组件880之间、在泡克耳斯盒870和偏振组件880之间等)、输出控制850、一个或多个附加偏振组件880等。
此外，图7和图8所示的两个或更多组件可以在单个设备内实现。另外或可替换地，激光系统700和激光系统800的一组组件(例如，一个或多个组件)可以执行被描述为分别由激光系统700和激光系统800的另一组组件执行的一个或多个功能。
前述公开提供了说明和描述，但并不旨在穷举或者将实施方式限制为所公开的精确形式。根据以上公开，修改和变型是可能的或者可从实施方式的实践中获得。
明显的是，本文所描述的系统和/或方法可以在不同形式的硬件、固件或硬件和软件的组合中实现。用于实现这些系统和/或方法的实际专用的控制硬件或软件代码不限制实施方式。因此，本文中在没有参考特定的软件代码的情况下描述了系统和/或方法的操作和行为-应当理解，软件和硬件可以被设计为基于本文的描述实现系统和/或方法。
即使特征的特定组合在权利要求中详述和/或在说明书中公开，但是这些组合不旨在限制可能的实施方式的公开。事实上，这些特征中的许多特征可以以没有专门在权利要求中详述和/或在说明书中公开的方式组合。虽然下面列出的每项从属权利要求可以直接仅从属于一项权利要求，但是可能的实施方式的公开包括每项从属权利要求与权利要求集合中的每个其他权利要求组合。
本文所使用的元件、动作或指令都不应该被解释为关键或必要的，除非如此明确描述。另外，如本文所使用的，冠词“一个(a)”和“一个(an)”旨在包括一个或多个项，并且可与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所使用，术语“组”旨在包括一个或多个项(例如，相关项、不相关项、相关项和不相关项的组合等)，并且可与“一个或多个”互换使用。在仅意指一个项的情况下，使用术语“一个(one)”或类似语言。另外，如本文所使用的，术语“具有(has)”、“具有(have)”、“具有(having)”等旨在是开放式术语。此外，除非另外明确说明，短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”。

Claims (20)

1.一种设备，包括：
控制器，其被配置为：
通过以特定频率向放大器请求能量控制脉冲来将所述放大器的储存能量维持在动态平衡中，其中
在所述储存能量增加到第一级别之后请求所述能量控制脉冲的第一能量控制脉冲，
所述第一能量控制脉冲使所述储存能量耗尽到比所述第一级别低的第二级别，
在所述储存能量再次增加到所述第一级别之后请求所述能量控制脉冲的第二能量控制脉冲，并且
所述第二能量控制脉冲使所述储存能量再次耗尽到所述第二级别。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制器还被配置为：
基于接收到触发，停止向所述放大器请求能量控制脉冲；并且
当所述储存能量达到目标级时，请求源向所述放大器传递能量输入脉冲。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，与所述能量输入脉冲相关的能源量大于与所述能量控制脉冲相关的能源量。
4.根据权利要求2所述的设备，其中，在所述放大器放大所述能量输入脉冲之后，所述储存能量耗尽到比所述第二级别低的第三级别。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述第一级别与所述第二级别之间的差小于或等于所述目标级与所述第三级别之间的差的60％。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备还包括：
增加所述储存能量的泵；以及
将所述能量控制脉冲和能量输入脉冲传递至所述放大器的源。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述源包括：
连续波激光器，提供所述能量控制脉冲作为连续波低平均功率控制束，以及
第二激光器，提供所述能量输入脉冲。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制器还基于预定的时间延迟维持所述储存能量。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制器还被配置为：
确定触发指示在脉冲串中提供一系列脉冲；以及
当所述储存能量达到目标级时，请求能量输入脉冲作为所述脉冲串中的所述一系列脉冲。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制器还被配置为：
当所述控制器请求所述能量控制脉冲时，请求输出控制阻挡脉冲。
11.一种方法，包括：
通过以特定频率向放大器请求能量控制脉冲来将所述放大器的储存能量维持在动态平衡中，其中
在所述储存能量增加到第一级别之后请求所述能量控制脉冲的第一能量控制脉冲，
所述第一能量控制脉冲使所述储存能量耗尽到比所述第一级别低的第二级别，
在所述储存能量再次增加到所述第一级别之后请求所述能量控制脉冲的第二能量控制脉冲，并且
所述第二能量控制脉冲使所述储存能量再次耗尽到所述第二级别。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
基于接收到触发停止向所述放大器请求能量控制脉冲；并且
当所述储存能量达到目标级时，请求源向所述放大器传递能量输入脉冲。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，与所述能量输入脉冲相关的能源量大于与所述能量控制脉冲相关的能源量。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，在所述放大器放大所述能量输入脉冲之后，所述储存能量耗尽到比所述第二级别低的第三级别。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一级别与所述第二级别之间的差小于或等于所述目标级与所述第三级别之间的差的60％。
16.根据权利要求11所述的方法，还包括：
增加所述储存能量；以及
将所述能量控制脉冲和能量输入脉冲从源传递至所述放大器。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述源包括：
连续波激光器，提供所述能量控制脉冲作为连续波低平均功率控制束，以及
第二激光器，提供所述能量输入脉冲。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述储存能量还基于预定的时间延迟。
19.根据权利要求11所述的方法，还包括：
确定触发指示在脉冲串中提供一系列脉冲；以及
当所述储存能量达到目标级时，请求能量输入脉冲作为所述脉冲串中的所述一系列脉冲。
20.根据权利要求11所述的方法，还包括：
当所述能量控制脉冲被请求时，请求输出控制阻挡脉冲。
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