CN110582904B - 用于产生高重复率激光脉冲丛波的装置和方法 - Google Patents

用于产生高重复率激光脉冲丛波的装置和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于在激光器装置中产生一系列激光脉冲(特别是单个丛波中的脉冲之间的最小时间距离为皮秒域的单脉冲丛波和多脉冲丛波)的方法和装置。该装置至少包括主振荡器和再生放大器。该方法至少包括以下步骤：将来自主振荡器的激光脉冲注入到再生放大器中，在再生放大器的光腔中多次往返行程期间对注入的脉冲丛波进行放大，从再生放大器的腔中排出放大后的脉冲丛波，其中注入步骤包括向光开关施加第一中间电压持续一段时间，在该一段时间内，将来自振荡器的一个或多个脉冲注入到放大器中，从而形成注入的种子脉冲的丛波，该种子脉冲在放大步骤中被进一步放大，在放大步骤中将光开关电压设置为锁定电压。

Description

用于产生高重复率激光脉冲丛波的装置和方法
参考文献
Bergmann等人.2010.控制普克尔盒.专利US7649667.
Courjaud.2016.用于产生超短、高功率激光脉冲丛波的系统和方法.专利US8525264.
Danielius,Romualdas.2016.用于短脉冲激光、激光源和激光工作站的再生光放大器.专利US9306370.
Deladurantaye等人.2004.激光器装置.专利US6807198.
Deladurantaye,P.,A.Cournoyer,M.Drolet,L.Desbiens,D.Lemieux,M. Briand和Y.Taillon.2011."使用来自光纤激光源的高重复率皮秒脉冲丛波的材料微加工"SPIE784104的论文集,《光纤激光器VIII：技术、系统和应用》.
Forrester,P.,K.Bol,L.Lilge和R.Marjoribanksa.2006."通过脉冲串丛波(>100MHz)超快激光加工对生物组织的消融中的传热和能量吸收的影响"SPIE 6343的论文集,北方光子学2006.
Fuchs等人.2016..通过切换普克尔盒产生丛波模式的方法.专利 US9531151.
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Herman等人.2003.丛波超快激光加工方法.专利US6552301.
Hosseini等人.2015.激光脉冲丛波的产生专利EP2250714.
Hu,Wenqian,Yung C.Shin和Galen King.2010."用于提高材料去除率的多丛波模式皮秒激光烧蚀的建模"《应用物理A-材料科学与加工》98,407-415.
Kafka等人.2004.低增益再生放大器系统.专利US7016107.
Kerse,C.,H.Kalaycioglu,P.Elahi,B.
Figure BDA0002259608380000011
D.K.Kesim,6.Akfaalan,S.Yavaj,etal.2016."采用超快脉冲丛波的烧蚀冷却材料去除"《自然》537,84-89.
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Neuenschwander,B.,Th.Kramer,B.Lauer,and B.Jaeggi.2015."具有ps和fs 脉冲的丛波模式：对去除率、表面质量和热累积的影响"SPIE 9350的论文集,《微电子和光电制造的激光应用(LAMOM)》XX,93500U.
Noh等人.2016.脉冲激光装置和使用其的丛波模式以及用于控制可变丛波模式的方法.专利号US9461436.
Qian,Z.,A.Mordovanakis,J.E.Schoenly,A.Covarrubias,Y.Feng,L.Lilge和R.S.Marjoribanks.2014."脉冲串丛波模式、作为软生物组织模型的超快激光与 3D活细胞培养物的相互作用"《生物医学光学快报》5,208-222.
Rezaei,S.,J.Li和P.R.Herman.2015."用于微加工期间驱动热累积效应的高能飞秒激光脉冲的丛波串发生器，"《光学快报》40,2064-2067.
Rockwell等人.2016.用于临时集中泵功率以支持高峰值功率脉丛波发或其他时变激光输出波形的产生的方法和设备.专利US9246303.
Tamaki等人.2005.再生光放大器.专利US6882469.
Zhang,Haibin,Shane M.Eaton和P.R.Herman.2007."用外部调制飞秒光纤激光器在熔融二氧化硅中单步写入布拉格光栅波导"Optics Letters 32, 2559-2561.
Zimmermann,F,S.Richter,S.Doring,A Tunnermann和S Nolte.2013."玻璃与飞秒激光丛波的可超声结合"《应用光学》52,1.
技术领域
本申请涉及一种通过使用包括主振荡器和再生放大器的激光系统中的电光控制来产生激光脉冲序列、特别是一系列激光脉冲丛波的方法。
背景技术
在工业微加工、科学和医学的许多领域中，激光器的使用已变得至关重要。在广泛的应用中采用激光器产生的光的各种技术正在密集发展。与常规的机械技术相比，激光辅助的焊接、切割、打标等优势包括但不限于高速和高精度，从而可以对材料进行简单的后处理或不进行后处理。
在任何提及的和相关的激光辅助技术中，期望的机械变化是由于在将光能沉积到材料后发生的相关物理现象。在该烧蚀过程期间，固相材料转变成气相并蒸发。当前的最先进的激光器系统提供了激光产生和输送的不同方法，具有自己的优点和缺点，这对于本领域技术人员是众所周知的。
激光辅助微加工技术面临的最常见问题之一是与脉冲影响区域的加热有关，这可能会引起附带损坏。利用飞秒激光脉冲而不是皮秒或者更长的时间可以精确地去除材料，减少因局部加热而造成的损坏。
对于更快的材料加工，需要大功率的输出激光辐射。但是，采用大功率激光器的技术具有屏蔽效应。它们是由材料表面上的等离子体引起的，这由于散焦、反射、散射等原因而导致后续光脉冲的衰减。类似地，非线性效应对于高能相互作用也变得重要。在这种情况下，烧蚀率会严重降低。由于增加的加工速度和减小的热效应，高重复率技术是有利的。
通过激光脉冲的丛波进行材料加工是一种相对较新的方法(例如，参见专利US6552301(Herman等人，2003年))。激光脉冲的丛波也称为有限长度脉冲串、多束或大脉冲。一般而言，激光脉冲丛波定义为在时间上相等地分隔的两个或更多个激光脉冲。连续脉冲之间的时间间隔称为丛波内脉冲分隔，而与丛波内脉冲分隔相反的测量值称为丛波内频率。
从此处，我们指的是以下操作，其中，丛波中的脉冲分隔的时间为：作为千赫兹(kHz)丛波从1μs到1ms，作为兆赫兹(MHz)丛波从1ns到1μs，作为千兆赫兹(GHz)丛波从1μs到1ns。
当以所述丛波频率重复产生脉冲丛波时，激光器系统可以以连续丛波模式操作，所述丛波频率与两个相邻丛波的开始之间的时间间隔成倒数并且小于丛波内频率。
当在终端用户手动触发或电子设备驱动器触发的任意时间激发脉冲丛波时，激光器系统可以以按需丛波模式操作。
在表征不同的丛波模式及其在材料加工中的性能时，必须考虑各个脉冲长度、丛波内频率和丛波频率。
例如，在Kerse等人的研究中，可以找到关于如何在激光丛波模式下将烧蚀率提高几个数量级以及减小热效应的详尽讨论(Kerse等人2016)。通过用低能量脉冲的GHz丛波代替单个高能量激光脉冲，同时保持光纤激光器辐射的平均功率不变，获得了非常有前景的结果。低能量的脉冲不会引起屏蔽效应，而是在时间上紧密分开，使得在发生热扩散之前除去局部加热的材料。
Zimmermann等人证明了低强度飞秒脉冲的兆赫兹丛波的激光焊接以获得高达96％未切割玻璃的结合玻璃断裂应力(Zimmermann等人，2013)。在高强度飞秒脉冲的兆赫兹丛波模式下，与单脉冲模式相比，BK7玻璃中产生了更深的孔(Rezaei，Li和Herman，2015)。激光器系统在皮秒脉冲的kHz或MHz丛波模式下操作与相同通量下的单脉冲相比，执行明显更快的铜烧蚀速度(Hu， Shin和King，2010)。仿真证实了该结果，表明对于高丛波内频率而言，脉冲之间未耗散的累积能量对于快速操作至关重要。Neuenschwander等人报告了关于铜烧蚀的相似结果，但是在相同的方案中未观察到钢去除率的提高(Neuenschwander等人，2015)。
Zhang等人已经证明，利用激光脉冲丛波在制造布拉格光栅波导中也可能是有利的(Zhang，Eaton和Herman 2007)。
飞秒脉冲的MHz丛波被证明可以在散焦条件下在钠钙玻璃中形成更有效的丝状损伤(Deladurantaye等人，2011)。
由于可以使得向相邻软组织的热传递最小化并避免附带损坏，因此在丛波模式下用激光脉冲进行生物组织治疗是有利的(Forrester等人，2006)。还显示，在激光治疗下，细胞坏死取决于脉冲强度，而不是丛波长度，因此可以获得更安全的治疗(Qian等人，2014)。
当前技术水平的激光器系统包括主振荡器和再生放大器，可产生高强度激光脉冲丛波，并利用若干种技术。
在现有技术的某些情况下，在放大之前产生激光脉冲的丛波，然后将其用作放大器的种子脉冲。放大器的设备和驱动方法不需要是任何特殊的，并且可以从现有技术中众所周知(例如参见专利US7649667(Bergmann等人，2010)，US9306370(Danielius 2016)，US7016107(Kafka等人2004)或US6882469(Tamaki 等人2005))。
例如，专利US9246303(Rockwell等人，2016)公开了一种用于切换由主振荡器提供的光脉冲、在前置放大器增益介质中产生丛波并将这种整形的种子信号提供给功率放大器的方法和设备；专利US9431436(Noh等人，2016)公开了一种通过对脉冲和连续激光源的辐射、随后的选择性放大和通过非线性元件进行频率转换进行组合来产生未放大的激光脉冲丛波的设备和方法。本领域普通技术人员将认识到，根据这些和类似方法，丛波内频率是固定的并且等于由固态主振荡器提供的脉冲的重复率，即量级为几十兆赫兹。
专利US8798107(Deladurantaye等人，2004)公开了一种通过施加周期性相位调制并通过脉冲拾取器执行脉冲选择来产生皮秒种子丛波脉冲的装置和方法。在给定的实施例中，最大丛波内频率在MHz范围内。
在现有技术的一些情况下，在脉冲放大之后在单独的设备(所述丛波发生器)中产生激光脉冲的丛波，其中通过现有技术中已知的任何种类的激光器系统来进行脉冲产生和放大。
例如，专利EP2250714(Hosseini等人，2015)公开了一种从放大和展宽后的脉冲产生激光丛波的设备和方法。在给定的实施例中，丛波频率是固定的并且等于由激光器系统本身提供的脉冲的重复率，丛波内频率是固定的并且等于所公开的设备内的倒数光学周期(数十纳秒，即兆赫兹丛波模式)。
专利申请US9525264(Courjaud 2016)公开了一种产生激光丛波的方法和系统，其中来自主振荡器的一个以上的脉冲被捕获在多通道再生放大器内。在放大后，脉冲的丛波被释放，脉冲的数量与放大器的光路有关，并且丛波内的频率是固定的并且等于由主振荡器提供的脉冲的重复率。
在现有技术的某些情况下，通过将来自主振荡器的单个种子脉冲注入到放大器中来产生激光脉冲的丛波，单个种子脉冲然后在增益介质中进行放大。在一段时间后，脉冲被部分地从放大器中提取出；剩余部分被进一步放大，并且例如在下一次往返行程中被重复地部分地提取。以这种方式，产生放大的激光脉冲的丛波。
可以通过控制放大器腔内的脉冲偏振并根据其进行切换来完成放大器内部脉冲的注入、捕获和排出。由于这个原因，至少一个偏振切换装置(例如普克尔盒)被放置在所述腔中光束的光路内，并且其驱动电压随时间变化(例如， US7649667(Bergmann等人，2010)，US9306370(Danielius 2016)，US6882469 (Tamaki等人，2005)。
专利US9531151(Fuchs等人.2016)公开了一种在再生放大器的腔内切换单个普克尔盒的方法，使得来自主振荡器的单个脉冲被捕获在再生放大器的腔内以用于多程放大，并且多个通过向普克尔斯盒施加特定的电压变化序列而进一步排出。该方法允许产生激光丛波，其频率可以通过普克尔盒驱动器电压进行调节，并且丛波内频率是固定的并且等于再生放大器腔内一个脉冲周期的倒数持续时间(从10ns到200ns，即在兆赫兹范围内)。
在现有技术已知的(包括主振荡器和再生放大器)的所有已知的激光丛波产生装置和方法中，最高的丛波内频率与主振荡器中的脉冲产生频率或再生放大器中的脉冲往返行程时间有关。由于主振荡器在几十MHz的频率下操作，并且再生放大器中脉冲的往返循环时间长于10ns，因此现有技术已知的包括主振荡器和再生放大器的激光丛波产生装置和方法均无法允许产生丛波内频率高于几百MHz的激光丛波。
发明内容
本发明的实现考虑了上述情况，并且本发明的目的是提供一种用于生成 GHz和THz范围内的任意丛波内频率的激光脉冲丛波的方法。
为了达到这个目的，激光器系统包括主振荡器和再生放大器，主振荡器的脉冲产生周期和再生放大器的激光脉冲往返行程时间满足一定的关系条件。根据本实施例的再生光放大器包括用于放大通过电光切换系统注入的光的谐振器，电光切换系统包括至少一个普克尔盒；电光系统的操作方法使得能够通过由至少三个阶段组成的过程进行激光脉冲的注入、锁定/放大和排出，该至少三个阶段对应于将几个激光脉冲注入到再生放大器中、在再生放大器中循环期间将其锁定和放大以及它们作为激光丛波的部分排出。
种子脉冲由主振荡器产生，提供的脉冲的时间间隔为周期τOSC，所述周期至少为几纳秒到几十纳秒。种子脉冲的偏振状态使得脉冲在再生放大器之前完全通过偏振选择光学元件传输，并注入到再生放大器的腔中。再生放大器腔内激光脉冲的循环时间(往返行程时间τRA)与其光路有关，并且通常为几纳秒到几十纳秒。在本实施例中，可以通过机械地缩短或拉长再生放大器和/或振荡器内的光路来调整τOSC和τRA。
通过将再生放大器的电光系统设置为某种中间状态(中间电压)来实现脉冲注入，这导致种子激光脉冲从主振荡器部分地传输到再生放大器的腔。对于已经注入到再生放大器的腔中的脉冲，它们会被部分反射回所述腔，并通过偏振选择光学元件的透射而部分地排出。结果，在此阶段期间，仅一部分种子脉冲能量被留在再生放大器内循环，而其余部分是原始的，并从再生放大器中排出。
同时，种子脉冲被连续注入到再生放大器中。取决于再生放大器中的往返行程时间τRA和种子脉冲分隔周期τosc，新注入到再生放大器中的脉冲在已经在腔中循环的一个或多个脉冲之前或之后加入。
以这种方式，在再生放大器内形成了激光脉冲串。于是，在该脉冲串中脉冲之间的时间间隔Δτ为
Δτ＝|τosc- NτRA|.
这里N是大于或等于1的整数，以确保
Δτ＜τRA.
在再生放大器中的往返行程时间τRA和种子脉冲分隔周期τosc相似(即相隔小于1纳秒)的情况下，N＝1且再生放大器中循环脉冲串中连续脉冲之间的时间间隔是
Δτ＝|τosc-τRA|.
通过将再生放大器的电光系统设置为不会使激光脉冲的偏振发生任何变化的状态(两次通过再生放大器的包含电光系统和任何其他脉冲偏振改变元件的分支)，可以实现再生放大器的锁定和脉冲的放大。这等效于如果普克尔盒是该分支中唯一的脉冲偏振实施元件，则将普克尔盒的电压设置为λ/2电压，如果该分支另外包含四分之一波片，则将普克尔盒的电压设置为λ/4电压。
在这样的操作模式下，提供给再生放大器的任何种子脉冲在包含偏振实施元件的分支中经过两次通过之后离开所述腔，而没有放大。当再生放大器被主振荡器供应的脉冲锁定时，在注入阶段期间注入再生放大器的脉冲保持循环并被进一步放大。
通过将再生放大器的电光系统设置为某种中间状态来实现从再生放大器排出脉冲，这使得再生放大器内的激光脉冲在每次往返行程仅部分地通过偏振选择光学元件传输。结果，一部分脉冲能量留在再生放大器中循环并进一步放大，而其余部分随着激光脉冲丛波从再生放大器中排出，丛波内频率f等于在再生放大器中循环的脉冲之间的时间间隔的倒数。即
Figure BDA0002259608380000081
与现有技术中已知的激光丛波方法相比，在此实施例中，激光丛波内频率分别与再生放大器中的往返行程和种子脉冲分隔的相对时间有关，而不是与主振荡器的固定重复率有关。本领域的普通技术人员将认识到，通过调整几何参数，例如，再生放大器和/或种子振荡器的腔长度，Δτ的值可以调整到小于纳秒，从而提供了从几GHz到几十GHz范围的fin-burst(丛波内频率)。
附图说明
图1a至图1d示出了激光器系统的示意图，该激光器系统包括根据给定实施例的再生放大器；
图2a至图2b示出了通过偏振切换装置的切换顺序进行根据给定实施例的注入、锁定/放大和排出的过程；
图3a至图3c示出了随着由相应的高电压驱动器提供的电压的时间依赖性来切换普克尔盒的方法；
图4a至图4b示出了用于产生激光丛波的电光系统的示例性操作的计算结果；
图5示出了用于产生激光丛波的电光系统的示例性操作的测得的光信号；
附图–附图标记
110 激光器系统
112 主振荡器
114 偏振分束器
116 半波片
118 法拉第隔离器
120 反射镜
122 反射镜
124 第一分支
126 第二分支
128 偏振分束器
130 偏振切换装置
132 增益介质
134 输出
136 四分之一波片
138 电光单元
140 控制元件
142 四分之一波片
144 电光单元
146 电光单元
148 控制元件
150 控制元件
152 四分之一波片
154 双晶普克尔盒
156 控制元件
158 控制元件
210 电压时间依赖性
212 第一时间间隔，对应于n个脉冲的注入
214 第二时间间隔，对应于1个丛波的放大
216 操作阶段，对应于1个丛波的排出
218 排出的脉冲时间依赖性
220 电压时间依赖性
222 第一时间间隔，对应于n个脉冲的注入
224 第二时间间隔，对应于1个丛波的放大
226 第三时间间隔，对应于m个丛波的排出
228 排出的脉冲时间依赖性
具体实施方式
在本文中以及进一步，我们将使用类似“主振荡器”的术语，它意味着具有固定脉冲重复率(通常在数十MHz范围内)的锁模短脉冲激光器。除非振荡器包括用于主动改变光腔的长度的装置。
术语“RA”是指再生放大器。
“种子脉冲”是指由主振荡器发射的多个脉冲，其中(例如，对于80MHz 脉冲重复率的主振荡器而言)时间距离在纳秒范围内；“种子丛波”是指注入的种子脉冲的集合或丛波，这些脉冲可能被注入到再生放大器腔中，但尚未放大，种子丛波的脉冲之间的时间距离在皮秒的范围内，这是因为脉冲可能将注入再生放大器，并在RA腔内丛波的不同往返行程中添加到已经循环的种子丛波中。
术语“PC”是指普克尔盒。
单丛波-即从种子丛波放大的脉冲的丛波。
多丛波-单丛波的集合，在RA腔内的放大的丛波的不同往返行程中一个接一个地排出。.
描述-图1a至图1d
图1a至图1d示出了激光器系统110的实施例的示意图，其包括：种子脉冲发生器或主振荡器112；第一偏振选择元件114，例如第一偏振分束器；第一偏振元件116，例如半波片；偏振旋转器118，例如法拉第隔离器；再生放大器腔，限制在至少两个反射元件(例如反射镜120和122)之间；再生放大器腔还包括由第二偏振选择元件128(例如，第二偏振分束器)隔开的至少两个分支124和 126；第一分支124还包括反射镜120和偏振切换装置130；第二分支126还包括反射镜122和增益介质132。
增益介质132例如可以体现为镱-或掺钕的激光介质(例如，Yb：KYW， Yb：KGW或Nd：YVO4)。这些材料仅作为示例提供。增益介质的选择不应限制本发明的范围。
偏振切换装置130包括至少一个电光单元(优选为普克尔盒)以及相应的电压驱动电路，并且可以包括一个或多个偏振元件(诸如四分之一波片或半波片)。
电光装置的可能的实施例在图1b至图1d中示出。
图1b示出了现有技术中已知的偏振切换装置的实施方式。它包括四分之一波片136和电光单元138(例如普克尔盒)及其控制元件(驱动器)140。普克尔盒可以是标准的市售电光部件，而驱动器不是标准电子部件并且其工作原理可从现有技术中得知(美国专利US9531151)。
图1c示出了偏振切换装置的可能的实施例，其可应用于本发明。它包括四分之一波片142和两个电光单元144和146(例如普克尔盒)及其控制元件148 和150。在此实施例中，普克尔盒可以是标准的市售电光部件，而相应的驱动器可以是标准的市售高电压开关。
图1d示出了偏振切换装置的替代实施例，其可应用于本发明。它包括四分之一波片152、双晶普克尔盒154和两个控制元件156和158。在此实施例中，普克尔盒是非标准的电光元件，包括两个非线性晶体，可以单独向其提供电压。替代地，可能存在带有适当触点(通常为4个触点)的单个非线性晶体，以用于连接两个高电压开关。在此布置中使用的相应控制元件可以是标准的市售高电压开关。
在这些实施例的任何一个中，光开关可以是能够改变透射光的偏振和/或相位的任何电光装置，并且光学开关的锁定电压对应于电光装置的栅极电压，特别是λ/4电压或零电压。
操作-图1a至图1d
简单起见，在本文中以及进一步，输入种子脉冲的偏振将被称为“p偏振”；垂直于种子脉冲偏振的偏振将被称为“s偏振”。本领域技术人员将认识到，此实施例和其他实施例的操作原理与种子脉冲偏振的假定偏振状态无关。
定位在主振荡器112和四分之一波片116之间的第一偏振分束器114被定向为使得它将透射从主振荡器112的侧面到达的p偏振种子脉冲并且将反射从相反侧到达输出134的s偏振极化脉冲。
激光脉冲进一步穿过半波片116和法拉第隔离器118，这导致脉冲的偏振状态切换为s偏振。被定向成使其将透射s偏振光的第二偏振分束器128进一步将脉冲透射到谐振器腔的第一分支124中。
在第一分支中，脉冲穿过偏振切换装置130，从反射镜120被反射，并且在到达第二偏振分束器128之前第二次穿过偏振切换装置。由于此偏振分束器被定向为朝着第一偏振分束器114传输s偏振脉冲并将p偏振脉冲反射到再生放大器腔的第二分支126，因此在这一点脉冲的透射率/反射率完全由偏振切换装置 130的操作模式定义。
当偏振切换装置130以将脉冲的线性偏振(即，p偏振或s偏振)改变为圆偏振(即，作为单个四分之一波片操作)的模式操作时，两次通过此元件将导致脉冲的极化从s极化切换到p极化。在这种情况下，脉冲从第二分束器反射并被引导到再生放大器腔的第二分支126。在此分支的两次通过期间，脉冲在增益介质132中放大两次，然后在偏振分束器128中再次反射到第一分支。在第一分支，脉冲的偏振状态再次切换回p偏振。脉冲然后通过偏振分束器传输。随后在法拉第隔离器118和半波片116中将其偏振切换为s偏振。最后，在从第一偏振分束器114反射之后，从激光器系统中提取出脉冲。由于每个脉冲在排出前仅被放大了两次，此所以操作模式表示为无效。
当偏振切换装置130以将脉冲的偏振状态从p偏振切换为s偏振的模式(即，作为单个半波片操作)操作时，两次通过此元件导致脉冲的偏振没有改变。然后，如果将s偏振种子脉冲注入到第一分支124中，则稍后将其传输通过第二偏振分束器128而不进行放大。关于种子脉冲，再生放大器以无效模式操作。但是，如果脉冲从第二分支126到达(即p偏振)，则它不会通过第二偏振分束器 128传输，而是被锁定在再生放大器腔内。因此，此操作模式表示为锁定。
当偏振切换装置130以将脉冲的偏振状态转换为中间状态的模式操作时，在第二偏振分束器128处发生任意偏振的脉冲的反射和折射。也就是说，在每次往返行程时，一部分脉冲被锁定在再生放大器腔内，一部分从再生放大器腔中被提取出。同时，任何输入的种子脉冲的一部分也被注入到再生放大器腔中。此操作模式被表示为中间，其中电光单元被提供有中间切换电压。
换句话说，注入步骤涉及将第一中间电压施加到偏振切换装置一段时间，在此期间，来自主振荡器的一个或多个脉冲注入到再生放大器中，从而形成注入的种子脉冲的丛波-种子丛波。此种子丛波在放大步骤中被进一步放大，在该步骤中，偏振切换装置电压被设置为锁定电压。
在又一实施例中，来自主振荡器的脉冲具有在数十MHz范围内的重复率，并且通过附加的电光脉冲拾取装置仅拾取某些脉冲，并且在适当的时刻将其注入到RA腔中以建立具有所需时间模式的种子丛波。
描述-图2a至图2b
图2a至图2b示出了根据实施例的激光器系统的行为，在单丛波中具有任意数量脉冲的任意数量激光丛波的注入、放大和排出。
操作-图2a至图2b
参考图2a，示出了产生单激光脉冲丛波的方法。在左侧，示出了施加到给定实施例的电光单元130的电压210的时间依赖性。在持续时间为T1的第一时间间隔212期间，通过施加第一中间切换电压，将偏振切换装置130设置为中间操作模式，并且将n＝T1/τOSC激光脉冲注入到再生放大器中。在持续时间为 T2的第二时间间隔214期间，偏振切换装置被设置为锁定模式，并且先前注入的脉冲被放大，腔内的连续脉冲之间的时间距离为：
Δτ＝|τosc-NτRA|.
这里N是大于或等于1的整数，以确保Δτ＜τRA。最后，关闭驱动电压，将偏振切换单元切换为无效模式；此操作阶段216对应于n个脉冲的单丛波的排出。产生丛波的丛波内频率f＝1/Δτ，如图2a所示，右侧为排出的脉冲时间依赖性218。
在图2b中，示出了产生多个激光脉冲丛波或多丛波的方法。在左侧，示出了施加到给定实施例的电光单元的电压220的时间依赖性。在持续时间T1的第一时间间隔222期间，通过施加第一中间切换电压，偏振切换装置130被设置为中间操作模式，并且n＝T1/τosc激光脉冲被注入到再生放大器腔中。在持续时间 T2的第二时间间隔224期间，通过施加锁定电压将偏振切换装置130设置为锁定模式，并且先前注入的脉冲被放大。腔内连续脉冲之间的时间距离为Δτ＝|τosc-NτRA|.
这里，N是大于或等于1的整数，以确保Δτ＜τRA。在持续时间T3的第三时间间隔226期间，通过施加第二中间电压，偏振切换装置130被设置为第二中间模式，这导致在RA腔中每个往返行程部分地排出放大的激光脉冲丛波，因此形成多丛波。产生的丛波数m定义为m＝T3/τRA；丛波被分开τRA并且丛波内频率为f＝1/Δτ，如图2b所示，右侧为排出的脉冲时间依赖性228。
换句话说，在一个实施例中，排出步骤包括将偏振切换装置设置为第二中间电压，在该第二中间电压下，光开关允许在再生放大器的腔中，在脉冲丛波的每个往返行程中，部分地排出放大的脉冲丛波，从而产生多丛波。
描述-图3a至图3c
图3a至图3c示出了由相应的高电压驱动器提供的电压的时间依赖性。
在图3a中，在第一行中示出了提供给整个偏振切换装置130的总电压的时间依赖性。在第二行和第三行中，示出了由图1c所示的实施例中的第一和第二控制元件(快速高电压开关)148和150提供的电压的时间依赖性。对于替代实施例，如图1d所示，相应的高电压开关是156和158。
参考图3b至图3c，示出了供应的电压的替代时间依赖性。
操作-图3a至图3c
图3a详细描述的普克尔盒切换时间依赖性对应于先前公开并在图2a中示意性示出的单丛波生成的操作模式。
图3b和图3c详细描述的普克尔盒切换时间依赖性对应于先前公开并在图 2b中示意性示出的多丛波生成的替代方法。
在图3b所示的切换模式(中间切换电压)的情况下，偏振切换单元130在注入阶段222和排出阶段226期间的状态是相等的并且对应于由有源控制元件 (快速高电压开关)之一提供的电压u1。
在图3c所示的切换模式的情况下，偏振切换装置130在注入阶段222和排出阶段226期间的状态不同；注入阶段222期间的状态对应于由有源驱动器之一提供的电压U1，排出阶段226期间的状态对应于电压u2，其等于λ/4电压与 u1之间的差。
描述-图4a至图4b
图4a至图4b示出了用于产生激光丛波的电光系统的示例性操作的计算结果。
在图4a中，在左侧示出了施加到偏振切换装置130的电压(即PC电压)、增益介质132处的能量以及输出134处的脉冲能量的时间依赖性，其示出了根据图2a所示的方案的激光脉冲产生的单千兆赫丛波的方案。右侧显示了时间依赖性的放大区域，单丛波中有激光脉冲
图4b的图示类似于图4a，示出了根据图2b所示的方案的多个千兆赫兹丛波的产生方案。
操作-图4a至图4b
图4a至图4b所示的激光脉冲丛波输出的时间依赖性通过在理论上在激光器系统110中模拟种子脉冲放大来获得。假定由主振荡器112产生的种子脉冲各自具有75.0nJ的能量，并且计算它们与增益介质132和其他光学元件的引起损失的多重相互作用。在再生放大器的每个往返行程中，使用Frantz-Nodvik方程模拟增益介质处每个脉冲的能量放大，
Figure BDA0002259608380000151
这里Esat是增益介质的饱和能量，设置为2μJ，Ein是入射脉冲的能量，Est是存储在增益处的能量，在每次相互作用时消耗掉，如下所示
Figure BDA0002259608380000152
其中t是连续相互作用之间的时间，τ是增益介质的荧光寿命，设置为500 ns，G0是增益，设置为2。
通过偏振切换装置130和偏振分束器128的操作来实现再生放大器中的脉冲的注入、放大和排出。此处，通过假设偏振分束器128处的时间相关的透射系数对应于PC电压u1、u2和uλ/4来模拟这些元件的操作。在再生放大器的每个往返行程中，包括了由无源光学元件引起的5％的额外损耗。
通过假设主振荡器中的光路等于连续种子脉冲之间的时间间隔τosc＝15.6 ns和再生放大器中的往返时间τRA＝15.8ns，来模拟再生放大器中种子脉冲的产生及其传播。利用这种方案，产生激光脉冲丛波，脉冲间隔为200ps，对应于 5GHz的丛波内频率
描述-图5
图5示出了用于产生激光丛波的电光系统的测得的光信号。
左侧示出了由11个飞秒脉冲组成的单丛波的光输出。右侧示出了由4个飞秒脉冲组成的单丛波的光输出。
操作-图5
通过将电光系统的光输出聚焦到快速光电二极管上获得图5的频谱图，并用示波器测量电信号。
在又一实施例中，可以通过调节再生放大器中注入的脉冲的往返行程时间和/或主振荡器的种子脉冲之间的时间间隔来调整单丛波中放大的激光脉冲之间的时间间隔。这可以通过手动或主动(计算机控制)更改RA和/或主振荡器的腔长度来实现。例如，在RA中，这可以通过调节再生放大器的至少一个分支中的光路来完成。
在又一实施例中，通过改变第一中间电压的幅值来控制单丛波中的脉冲的振幅包络。另外，第一中间电压的斜率(换句话说，在时间T1期间电压的逐渐增加/减少)可以用于整形单丛波中的脉冲的振幅包络。
在又一实施例中，通过改变第二中间电压的幅值来控制多丛波的振幅包络。另外，第二中间电压的斜率(换句话说，在时间T3期间电压的逐渐增加/减少) 可以用于整形多丛波中的脉冲丛波的振幅包络。
如上所述的这种激光装置可以安装在专用于精密材料加工、医学治疗或用于时间分辨光谱的激光器系统中。

Claims (32)

1.一种用于在激光器装置中产生一系列激光脉冲的方法，所述激光器装置包括至少一个主振荡器和具有光腔的再生放大器，所述再生放大器包括至少一个光开关，所述至少一个光开关由至少一个高电压开关控制，所述方法至少包括以下步骤：
将来自所述主振荡器的激光脉冲注入到所述再生放大器中，从而形成注入的种子脉冲；
在所述再生放大器的光腔中在多次往返行程期间放大所注入的种子脉冲；
从所述再生放大器的光腔中排出所放大的种子脉冲；
其中，注入步骤包括：
将第一中间电压直接施加到光开关上，使得所述光开关被切换为锁定状态与开启状态之间的第一中间状态，在所述锁定状态，所述种子脉冲被锁定在所述再生放大器中进行放大步骤，在所述开启状态，所述光开关对于激光脉冲是完全透射的，在所述第一中间状态，所述光开关是部分透射的；
施加所述第一中间电压一定时间段，在该一定时间段期间，来自所述主振荡器的一个以上的激光脉冲被注入到所述再生放大器的光腔中并以其部分强度在所述再生放大器的光腔中作为种子脉冲进行循环，来自所述主振荡器的进一步的脉冲注入到所述再生放大器中并加入在已在所述再生放大器中循环的所述种子脉冲的之前或之后，从而形成种子丛波。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，排出步骤包括：将第二中间电压施加到所述光开关，在所述第二中间电压下，所述光开关允许在所述再生放大器的光腔中在所述种子丛波的每个往返行程中部分地排出所放大的种子丛波，从而产生多丛波。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光开关是能够改变透射光的偏振和/或相位的电光装置，并且所述光开关的锁定电压对应于所述电光装置的栅极电压。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在种子丛波中的所注入的脉冲在时间上间隔开等于所述主振荡器的腔中的脉冲的往返行程时间的时间间隔。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，放大的脉冲在单丛波中以一定的时间间隔间隔开，所述时间间隔小于在所述再生放大器的光腔中的脉冲的至少一个往返行程时间与所述主振荡器产生的种子脉冲之间的时间间隔之间的最小差的绝对值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，可以通过调整所述再生放大器中的注入脉冲的往返行程时间和/或调整所述主振荡器的种子脉冲之间的时间间隔来调整单丛波中放大的激光脉冲之间的时间间隔。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过调整所述主振荡器和/或所述再生放大器的至少一个分支的光路来手动地或主动地改变在所述再生放大器中注入的脉冲往返行程时间和/或所述主振荡器的种子脉冲之间的时间间隔。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，在丛波排出步骤中使用的中间电压是由第一高电压开关或第二高电压开关产生的。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过激活或停用第一高电压开关和第二高电压开关来产生在所述放大步骤中使用的锁定电压。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，通过改变所述第一中间电压的幅值来控制单丛波中的脉冲的振幅包络。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，通过向所述第一中间电压提供斜率来控制单丛波中的脉冲的振幅包络。
12.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过改变所述第二中间电压的幅值来控制多丛波的振幅包络。
13.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过向所述第二中间电压提供斜率来控制多丛波的振幅包络。
14.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述注入步骤包括控制所述第一中间电压的持续时间，所述第一中间电压的持续时间确定被注入到所述再生放大器中的种子脉冲的数量，从而确定单丛波中的脉冲的数量。
15.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述排出步骤包括控制所述第二中间电压的持续时间，所述第二中间电压的持续时间确定从所述再生放大器中排出的放大的丛波的数量，并且从而确定多丛波中的丛波的数量。
16.一种激光器装置，用于产生激光脉冲丛波，所述激光器装置至少包括主振荡器和再生放大器，所述再生放大器包括具有快速光开关的光腔，所述快速光开关被布置成至少切换到锁定状态，在所述锁定状态中，一个以上的种子脉冲被锁定在所述再生放大器中进行放大，所述激光器装置包括第一高电压开关和第二高电压开关，其特征在于：
来自所述主振荡器的激光脉冲被注入到所述再生放大器的过程中，所述光开关进一步被布置为由具有第一中间电压的所述第一高电压开关切换到中间状态，在该中间状态下，所述光开关是部分透射的并且允许多于一个激光脉冲进入所述再生放大器的光腔中并在所述再生放大器的光腔中作为种子脉冲进行循环，来自所述主振荡器的进一步的脉冲注入到所述再生放大器中并加入在已在所述再生放大器中循环的所述种子脉冲的之前或之后，从而形成种子丛波；
所述第二高电压开关提供第二中间电压，所述第一中间电压和所述第二中间电压之和产生锁定电压，所述锁定电压对应于所述光开关的锁定状态和所述再生放大器的锁定状态。
17.根据权利要求16所述的激光器装置，其特征在于，所述光开关被进一步布置为被切换至第二中间状态，在所述第二中间状态中，所述光开关是部分透射的，并且允许从所述再生放大器的腔中排出多个放大的种子丛波。
18.根据权利要求16所述的激光器装置，其特征在于，所述光开关被布置成被切换到开启状态，在所述开启状态中，所述光开关是完全透射的并且允许排出单个放大的种子丛波。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的激光器装置，其特征在于，放大的脉冲在单丛波中以一定的时间间隔间隔开，所述时间间隔小于在所述再生放大器的光腔中的脉冲的至少一个往返行程时间与所述主振荡器产生的种子脉冲之间的时间间隔之间的最小差的绝对值。
20.根据权利要求16至18中任一项所述的激光器装置，其特征在于，所述光开关是普克尔盒。
21.根据权利要求20所述的激光器装置，其特征在于，所述普克尔盒包括两个单独的独立控制的电光单元。
22.根据权利要求20所述的激光器装置，其特征在于，所述普克尔盒包括一个光学部件和两个独立控制的高电压切换电子单元。
23.根据权利要求20所述的激光器装置，其特征在于，所述普克尔盒包括至少两个光学部件和两个单独的独立控制的高电压切换电子单元。
24.根据权利要求16至18中任一项所述的激光器装置，其特征在于，所述光开关被布置为通过控制所述第一中间电压的幅值来控制单丛波中的脉冲的振幅包络。
25.根据权利要求16至18中任一项所述的激光器装置，其特征在于，所述光开关被布置为通过向所述第一中间电压提供斜率来控制单丛波中的脉冲的振幅包络。
26.根据权利要求16至18中任一项所述的激光器装置，其特征在于，所述光开关被布置为通过控制所述第二中间电压的幅值来控制多丛波的振幅包络。
27.根据权利要求16至18中任一项所述的激光器装置，其特征在于，所述光开关被布置为通过向所述第二中间电压提供斜率来控制多丛波的振幅包络。
28.根据权利要求16至18中任一项所述的激光器装置，其特征在于，所述光开关被布置为通过控制所述第一中间电压的持续时间来控制被注入到所述再生放大器中的种子脉冲的数量，从而控制单丛波中的脉冲数量。
29.根据权利要求16至18中任一项所述的激光器装置，其中，所述光开关被布置为通过控制所述第二中间电压的持续时间来控制从所述再生放大器排出的放大的丛波的数量。
30.根据权利要求16至18中任一项所述的激光器装置，其特征在于，所述激光器装置被布置为用于激光材料加工。
31.根据权利要求16至18中任一项所述的激光器装置，其特征在于，所述激光器装置被布置为用于基于激光的光谱。
32.根据权利要求16至18中任一项所述的激光器装置，其特征在于，所述激光器装置被布置为用于医学治疗。
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