CN110915079A - 激光放大器系统的动态播种 - Google Patents

激光放大器系统的动态播种 Download PDF

Info

Publication number
CN110915079A
CN110915079A CN201880044154.7A CN201880044154A CN110915079A CN 110915079 A CN110915079 A CN 110915079A CN 201880044154 A CN201880044154 A CN 201880044154A CN 110915079 A CN110915079 A CN 110915079A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pulse
seed
pulses
laser
amplitude
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201880044154.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110915079B (zh
Inventor
D·鲍尔
A·比德尼茨
R·弗莱格
F·扬森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Laser GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser GmbH filed Critical Trumpf Laser GmbH
Publication of CN110915079A publication Critical patent/CN110915079A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110915079B publication Critical patent/CN110915079B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06754—Fibre amplifiers
    • H01S3/06758—Tandem amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10038—Amplitude control
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA
    • H01S3/2316—Cascaded amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/06209—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes in single-section lasers
    • H01S5/06216—Pulse modulation or generation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/068—Stabilisation of laser output parameters
    • H01S5/0683—Stabilisation of laser output parameters by monitoring the optical output parameters
    • H01S5/06835—Stabilising during pulse modulation or generation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4012—Beam combining, e.g. by the use of fibres, gratings, polarisers, prisms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/0602—Crystal lasers or glass lasers
    • H01S3/0604—Crystal lasers or glass lasers in the form of a plate or disc
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10007—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers
    • H01S3/10023—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers by functional association of additional optical elements, e.g. filters, gratings, reflectors
    • H01S3/1003—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers by functional association of additional optical elements, e.g. filters, gratings, reflectors tunable optical elements, e.g. acousto-optic filters, tunable gratings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/102—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation
    • H01S3/1022—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation by controlling the optical pumping
    • H01S3/1024—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation by controlling the optical pumping for pulse generation

Abstract

一种激光放大器系统(1)，包括种子激光脉冲源单元(3)，用于提供至少两个种子脉冲序列，用后续的放大，其中，所述至少两个种子脉冲序列的种子脉冲(3')具有种子脉冲持续时间(T，TA，TB)，并且具有在所述种子脉冲持续时间(T，TA，TB)期间在一范围内进行变化的种子幅度(A)，所述种子幅度在其变化过程中是可调节的。所述激光放大器系统(1)还具有放大器级，尤其是由(例如光纤)放大器级(5A，5B，5C)组成的放大链(5)，所述放大链输出输出脉冲序列(5')。所述激光放大器系统(1)如此构造，使得所述输出脉冲序列的输出脉冲(5')的幅度变化过程源于至少两个种子脉冲(3')的份额。

Description

激光放大器系统的动态播种
技术领域
本发明涉及一种激光放大器系统，尤其是用于产生高功率激光脉冲的激光放大器系统。本发明还涉及一种用于动态地播种(Seeden)激光放大器系统(例如光纤激光放大器系统)的方法。
背景技术
在激光放大器系统中对脉冲进行放大时，可以达到由于放大饱和而可能导致脉冲形状变化的功率。例如，如果光纤激光放大器系统足够接近饱和地或高于饱和地运行，则在具有高放大系数的光纤激光放大器系统中的放大期间，纳秒脉冲的脉冲形状可能进行变化。脉冲形状的变化可能难以获得由用户所期望的脉冲形状，或者在极端情况下由于过高的脉冲峰值功率而破坏光学部件(例如光纤)。
已知的是，通过种子脉冲形状中的补偿，尤其是在高输出功率下，实现在激光放大器系统的输出端处的限定的脉冲形状。种子脉冲形状中的补偿可以通过种子激光器的操控来进行。例如，可以改变用作种子激光器的二极管激光器(在此也称为种子二极管)的通电电流(Bestromung)。在操控种子二极管时可达到的动态性能例如由于达到激光阈值而受限制。最大幅度例如由于半导体结构的破坏阈值和/或通过所依据的激光二极管结构的半导体结构中的热效应而向上受限制。此外，借助例如声光调制器(AOM、AOD、AOTF......)、电光调制器(EOM、Pockels电池......)或机械开关例如通过在放大器链的两个级之间进行调节干预可以实现脉冲成形(例如脉冲限幅(Pulsbeschneidung))。通常稍后在放大器链中对脉冲进行限幅，由此可能产生高功率损耗。
发明内容
本公开的一方面所基于的任务在于，提供种子激光脉冲的脉冲成形，该脉冲成形能够实现有效的放大。
这些任务中的至少一个通过根据权利要求1的激光放大器系统、通过根据权利要求5的激光放大器系统、通过根据权利要求16的用于对放大链进行播种的方法、以及通过根据权利要求18所述的用于对放大链进行播种方法来解决。从属权利要求中说明扩展方案。
一方面，激光放大器系统包括用于提供至少两个种子脉冲序列的种子激光脉冲源单元，以进行后续的放大，其中，至少两个种子脉冲序列的种子脉冲具有相应的种子脉冲持续时间，并且具有在相应的种子脉冲持续时间期间在一范围内进行变化的种子幅度，该种子幅度的变化过程是可调节的。此外，激光放大器系统包括至少一个放大器级，用于放大至少两个种子脉冲序列并且用于输出具有输出脉冲的输出脉冲序列，所述输出脉冲具有输出脉冲持续时间。将至少两个种子脉冲序列如此耦合输入到放大器级中，使得输出脉冲序列的输出脉冲的幅度变化过程源于(zurückgehen)至少两个种子脉冲的份额，所述至少两个种子脉冲分别分配给至少两个种子脉冲序列之一。
另一方面，激光放大器系统包括种子激光脉冲源单元，用于提供至少两个种子脉冲序列以进行后续的放大，其中，至少两个种子脉冲序列的种子脉冲具有相应的种子脉冲持续时间，并且具有在相应的种子脉冲持续时间期间在一范围内进行变化的种子幅度，该种子幅度的变化过程是可调节的。此外，激光放大器系统包括放大链，该放大链包括光学串联耦合的至少两个放大器级的序列，其中，在形成分配给放大器级的中间脉冲的情况下在放大器级中顺序进行放大，并且放大链输出具有输出脉冲的输出脉冲序列，所述输出脉冲具有输出脉冲持续时间，其中，输出脉冲序列的输出脉冲的幅度变化过程源于至少两个种子脉冲的份额，所述至少两个种子脉冲分别分配给至少两个种子脉冲序列之一。
另一方面，用于产生经放大的输出脉冲序列的方法具有以下步骤：提供至少两个种子脉冲序列以用于后续的放大，其中，至少两个种子脉冲序列的种子脉冲分别具有种子脉冲持续时间，并且分别具有在种子脉冲持续时间期间在一范围内进行变化的种子幅度，该种子幅度的变化过程是可调节的；在放大器级中放大种子脉冲，从而得到具有输出脉冲的输出脉冲序列，所述输出脉冲具有输出脉冲持续时间，其中，至少两个种子脉冲序列如此耦合输入到放大器级中，使得输出脉冲序列的输出脉冲的幅度变化过程源于至少两个种子脉冲的份额，所述至少两个种子脉冲分别分配给至少两个种子脉冲序列之一。
另一方面，产生经放大的输出脉冲序列的方法具有以下步骤：提供至少两个种子脉冲序列以进行后续的放大，其中，至少两个种子脉冲序列的种子脉冲分别具有种子脉冲持续时间，并且分别具有在种子脉冲持续时间期间在一范围内进行变化的种子幅度，所述种子幅度的变化过程是可调节的；在形成分配给放大器级的中间脉冲的情况下，在按顺序布置的放大器级中进行放大种子脉冲，使得得到具有输出脉冲的输出脉冲序列，所述输出脉冲具有输出脉冲持续时间，其中，至少两个种子脉冲序列如此耦合到放大器级中，使得输出脉冲序列的输出脉冲的幅度变化过程源于至少两个种子脉冲的份额，至少两个种子脉冲分别分配给至少两个种子脉冲序列之一。
在一些实施方式中，种子激光脉冲源单元可以构造用于提供至少两个待放大的部分种子脉冲序列，所述部分种子脉冲序列的部分脉冲具有部分脉冲持续时间。种子激光脉冲源单元包括例如至少一个激光脉冲源，例如能够可调节地通电的激光二极管。部分脉冲持续时间中的至少一个可以短于输出脉冲的输出脉冲持续时间。至少两个待放大的部分种子脉冲序列中的一个可以分别提供至少两个种子脉冲的至少两个份额之一，并且至少两个份额可以共同地输送给放大器级中的一个，以形成中间脉冲之一。
在一些实施方式中，可以如此构造激光放大器系统和尤其种子激光脉冲源单元的操控装置，使得对输出脉冲的幅度变化过程作出贡献的至少两个种子脉冲在时间上彼此间隔开、在时间上彼此邻接或在时间上重叠。
在一些实施方式中，可以如此构造激光放大器系统，尤其是种子激光脉冲源单元的操控装置，使得对输出脉冲的幅度变化过程作出贡献的至少两个种子脉冲在时间上相互间隔开、在时间上彼此邻接或在时间上重叠。因此，种子脉冲可以以小于种子脉冲持续时间的时间偏移彼此间隔开。此外，可以如此构造激光放大器系统、尤其种子激光脉冲源单元的操控装置，使得对输出脉冲的幅度变化过程作出贡献的至少一个种子脉冲相对于中间脉冲在时间上间隔开，在时间上与其邻接或在时间上与其重叠。因此，例如可以将至少一个种子脉冲与中间脉冲以小于种子脉冲持续时间(T)的时间偏移间隔开。
此外，输出脉冲的时间段可以源于至少一个种子激光脉冲源，所述至少一个种子激光脉冲源的种子脉冲遍历放大链的所有放大器级。替代地或附加地，至少两个种子脉冲序列之一的对输出脉冲的幅度变化过程作出贡献的种子脉冲可以表示部分种子脉冲序列的待放大的部分脉冲，该部分脉冲的部分持续时间短于输出脉冲的输出脉冲持续时间。
在一些扩展方案中，激光放大器系统可以具有：光学延迟单元，用于在对输出脉冲(尤其是种子脉冲或部分脉冲)的幅度变化过程作出贡献的脉冲之间产生激光脉冲时间偏移；划分单元，用于将激光脉冲划分成两个或更多个部分脉冲；组合单元，例如X:(100-X)-(光纤-)组合器，用于对部分脉冲进行组合；和/或衰减单元，用于降低激光脉冲、部分脉冲和/或中间脉冲的幅度。光学延迟单元例如可以在至少两个种子脉冲序列之一的种子脉冲与中间脉冲之间产生激光脉冲时间偏移，或在至少两个种子脉冲序列中的不同种子脉冲之间产生激光脉冲时间偏移。
在一些扩展方案中，激光放大器系统可以具有至少一个脉冲成形设备，用以改变中间脉冲之一的幅度。脉冲成形设备尤其可以构造为布置在两个相邻的放大器级之间的幅度变化单元，例如构造为声光调制器或电光调制器。替代地或附加地，在放大的连接端处可以设置至少一个脉冲成形设备，以改变输出脉冲序列的输出脉冲的幅度。
在一些实施方式中，种子激光脉冲源单元可以具有以能够可调节地通电的激光二极管形式的至少一个激光脉冲源，并且可选地对于至少两个种子脉冲序列中的每个都具有自身的激光脉冲源。
在一些实施方式中，激光放大器系统还可以包括操控单元，操控单元构造用于调节种子脉冲形状，尤其用于操控种子源、组合单元和/或脉冲成形设备。操控单元例如可以构造用于，由目标脉冲变化过程推导出种子脉冲变化过程、尤其输出脉冲之一的目标幅度变化过程，以及相应地调节种子脉冲形状、尤其调节至少两个种子脉冲的份额和/或所属的中间脉冲中的至少一个的幅度的限幅。此外，操控单元可以构造用于，在材料加工过程时(尤其在围绕弯曲路径进行射束引导时)操控脉冲成形设备，以降低输出脉冲的强度。
在该方法的一些实施方式中，输出脉冲之一的幅度变化过程还可以源于至少一个种子脉冲/中间脉冲的幅度的限幅。此外，种子脉冲的幅度变化过程以及(可选地)至少一个所属的中间脉冲的幅度的限幅可以如此相互匹配，使得相比于单个种子脉冲的动态范围，在进行放大之后可以获得更大的动态范围。
在该方法的一些实施方式中，至少一个种子脉冲序列可以如此耦合输入到放大器级中，并且可选地，至少一个种子脉冲序列可以如此耦合输入到后续的放大器级中，使得形成待放大的中间脉冲序列，该中间脉冲序列的幅度变化过程源于至少两个种子脉冲的份额，所述至少两个种子脉冲分别分配给至少两个种子脉冲序列之一。
在此提出的激光放大器系统中的多个位置上的脉冲成形干预能够实现高动态范围，这能够在激光放大器系统的输出端、尤其在具有高放大的放大器链的端部实现目标脉冲形状。
与两个级之间的纯粹的时间脉冲成形相反(其基本上假定脉冲的很大的功率分量被衰减并因此损失)，在此公开的激光器(例如光纤激光器)的高动态播种原则上可以是至少部分地无损且效率显着提高的，以及能够实现提高动态范围。因此，在此公开的设计方案与已知技术的组合能够使脉冲控制达到至今尚未实现的范围。
在此通常例如谈及(激光)脉冲。在此，脉冲此外可以包括突发脉冲序列(Burstpulsfolge)作为“突发脉冲”。相应地，脉冲在其脉冲包络下包括突发脉冲序列。此外，种子脉冲序列通常包括一个或多个脉冲。
附图说明
在此公开一种设计方案，其允许至少部分地改善现有技术的方面。以下基于附图对实施方式的描述尤其得出其他特征以及其目的性。附图示出：
图1示出具有多个放大器级的激光系统的示意图；
图2示出对于高放大所期望的具有高幅度动态的种子脉冲形状的示意图；
图3示出例如借助激光二极管和二极管电流调制的实际可实现的脉冲形状的示意图；
图4A和图4B示出借助部分脉冲组合可实现的脉冲形状的示意图；
图5示出在激光放大器系统中具有多个干预位置的级联的基于部分脉冲的种子设计方案的示意图；
图6和图7示出用于产生种子脉冲的部分脉冲组合的示意图；
图8示出基于单个激光脉冲源的部分脉冲产生以及部分脉冲组合的示意图；
图9示出在激光放大器系统中借助多个干预位置上的幅度限幅来实现所期望的目标脉冲形状的示意图；
图10示出用于表明幅度限幅的示意图。
具体实施方式
在此公开的方面部分基于以下知识：在放大过程的结束进行脉冲限幅可能是无效率的，因为根据脉冲形状通过脉冲成形可能损失高的功率分量。此外，在此一定有耦合输出的高(损耗)功率，并且因此高开销地耗散。此外，技术上难以实现在非常高的功率下对激光脉冲进行调制。
在此公开的方面部分基于以下知识：大的(指数)放大使得在具有高动态特性的放大过程中需要控制(单个脉冲或突发脉冲序列的)脉冲形状。对于具有高动态特性的脉冲成形，可以进行脉冲成形干预，以使得放大所基于的脉冲的形状与阶梯状的放大过程相匹配。在此，成形干预可以在放大器链内的至少两个不同的位置上和/或借助两个或更多个不同的方案进行。出发点分别是种子激光脉冲源的种子脉冲的脉冲成形。该第一成形干预提供种子脉冲序列中的种子脉冲，该种子脉冲具有种子脉冲持续时间并且具有在种子脉冲持续时间期间在一范围内进行变化的种子幅度，该种子幅度的变化过程是可调节的。这例如可以通过(种子)激光二极管的可调节的(例如上升的)通电来实现。通常，种子脉冲可以构造为单个脉冲或突发脉冲序列。
种子激光脉冲源的动态特性——在上面的示例中在能够进行通电的范围上——由于已经提到的种子二极管的激光阈值和最大幅度而受限制，因此在此提出，借助第二成形干预(通常借助其他成形干预)扩展对种子脉冲的脉冲幅度动态范围的控制中的限界。在相应的个别情况下，可以通过分析模型(例如Frantz-Nodvik方程或其他数值方法)来模拟成形干预，并对成形干预进行相应地匹配。附加地或替代地，可以通过测量脉冲参数和相应地迭代地改进干预进行成形干预。
在一些实施方式中，激光放大器系统的单个输出脉冲可以源于多个(直接彼此相邻和重叠的)部分脉冲(作为单个脉冲或作为突发脉冲序列)。在此为了进一步提高动态特性，还可以在放大器链的不同位置(例如在相邻放大器级之间)注入部分脉冲。替代地或补充地，还可以在不同的放大器级之间进行幅度匹配。由此，可以使总功率损耗最小化，或至少减小总功率损耗。
在以下描述的一些实施方式中，例如可以通过调制激光二极管的电流来对脉冲进行预成形。在后续的放大器级之前和/或在两个彼此相继的放大器级之间，也可以通过光调制器对脉冲(作为单个脉冲或作为突发脉冲序列)进行成形。由此，对例如在放大过程期间由于放大的饱和而出现的脉冲变形进行预补偿或中间校正(zwischenkorrigieren)。由于这种干预发生在放大过程的低功率范围内，因此伴随着较低的损耗。
以上提到的以及例如基于Frantz-Nodvik方程的分析模型可以实现，考虑到所期望的目标脉冲形状，或在了解激光系统种子脉冲形状中的已进行的参数变化的情况下，确定和调节多个部分脉冲的可能的特别所需的组合和/或幅度的限幅。这种调节设计方案也可以借助控制单元在激光系统的运行期间尤其实时地或在调节运行模式时进行，该控制单元实施对所涉及的种子二极管进行操控。
短脉冲激光器的许多应用(例如在纳秒和皮秒范围内)都可以从这种通过在激光系统或放大器级的输出端进行脉冲成形的控制中受益。以下示例性地结合附图详细阐述用于脉冲成形的各种措施。
图1示出具有种子激光脉冲源单元3、放大链5和(可选的)端部放大器级7的多级激光放大器系统1。各个单元及其部件例如可以通过光纤耦合器/组合器(例如光纤特定的(脉冲)组合单元9A)、光纤接合区段(Faserspleiβabschnitte)9B、传输光纤区段(例如在单元/部件之间通过线9C表明)和/或自由射束区段9D彼此连接。尽管以下描述的放大链5主要基于例如光纤激光放大器级，但是激光放大器级通常此外可以包括(棒型)光纤激光放大器级、杆激光放大器级、板激光放大器级和/或盘激光放大器级。
种子激光脉冲源单元3包括一个或多个种子激光器3A、3B、3C(种子源)，用于为至少一个种子脉冲序列提供用于后续的放大的种子脉冲3'。在图1中示例性地示出三个种子激光器。种子激光器的示例包括DFB(分布反馈式)激光二极管、DBR(分布布拉格反射镜)激光二极管或Fabry-Perot激光二极管，以及锁模超短脉冲(UKP)激光器或微芯片激光器。此外，种子激光脉冲源单元3包括用于调节种子脉冲形状的(二极管)操控单元11。操控单元11通过以点线示出的控制连接与例如三个种子激光器3A、3B、3C连接。控制装置例如可以使种子二极管的电流的调制(即通电)与后续的放大相匹配。此外，可以借助衰减单元来调节一个或多个种子激光器3A、3B、3C的种子功率。示例地，在种子激光器3B的光路中示意性地示出衰减单元4，并且该衰减单元与操控单元11连接。此外，操控单元11通常可以在所产生的激光束的特定应用上进行种子激光脉冲源单元3(通常是激光放大器系统1)的参数匹配。
放大链5例如可以包括光纤放大器级5A、5B的序列，所述光纤放大器级例如实施成同向
Figure BDA0002345724470000081
或逆向
Figure BDA0002345724470000082
地泵浦的、核心泵浦或包覆泵浦的光纤放大器。在图1中示例地示出泵浦二极管6，该泵浦二极管的功率被划分并反向传播地(逆向地)输送给放大器5A和5B。操控单元11在该示例中还用于调节泵浦二极管6。在光纤放大器级5A、5B中，在形成分配给光纤放大器级5A、5B的中间脉冲3”的情况下，耦合输入的种子脉冲3'顺序地被放大或对于端部放大器级7进行预放大。为了清楚起见，也可以使用其他放大器系统作为放大器级，例如放大器级5C不构造成为光纤放大器级。
放大链5还可以具有调制器13、15(例如，如声光调制器或电光调制器的幅度调制器，或如空间光调制器(英语Spatial Light Modulator，缩写SLM)的频谱成形单元)，用于附加的时间脉冲成形或频谱脉冲成形或用于稳定功率。一个或多个监测单元17还用于稳定功率和/或监测脉冲形状。调制器13、15和监测单元17同样例如由操控单元11操控或向其输出数据。出于稳定或匹配的目的，操控单元11可以通过功率监测装置17来操控例如种子激光器3A、3B、3C(种子功率)，泵浦二极管6(泵浦功率)以及调制器13、15(幅度调制/频谱成形)。
放大链5所合成的输出脉冲5'例如可以直接用于材料加工。替代地，放大链5所合成的输出脉冲5'还可以作为种子脉冲输送给端部放大器级7，以产生功率放大器脉冲7'。端部放大器级7例如是设计成主放大器并且在图1中示意性示出的放大器，该放大器具有盘状的激光活性介质。
经如此放大的端部放大器脉冲7'以及输出脉冲5'可以在用于激光切割、激光焊接和材料加工(例如用于微材料加工)或用于频率转换。此外，它们也可以用于科学目的，例如用于OPCPA(光学参量啁啾脉冲放大)的泵浦以及用于光谱学。
在放大链5中所使用的光纤中，在相应高的放大(和相应的反转)的情况下可能出现开头提及的放大限定的脉冲成形。相应地，原始的种子脉冲形状会在(光纤)放大器级5A、5B、5C中的放大期间由于饱和效应而变化。例如，相对于种子脉冲的后部，种子脉冲的前部或突发脉冲序列的第一脉冲可以经历显著提高的放大，如在图1中关于种子脉冲3'和中间脉冲3”示意性地表明的那样。在此，在图1的示意图中(以及在图5和图8的示意图中)，与图2至图4B的时间上的示图不同，通过传播方向示意性地说明脉冲形状。
操控单元11可以根据在此公开的用于调节种子脉冲形状——尤其用于操控种子源、组合单元和/或脉冲成形设备(15，60)——的设计方案来构造。此外，操控单元11可选地可以构造用于由目标脉冲变化过程推导出种子脉冲变化过程。尤其可以推导出输出脉冲之一的目标幅度变化过程。相应地，操控单元11可以调节种子脉冲形状、尤其至少两个种子脉冲的份额和/或所属的中间脉冲中的至少一个的幅度的限幅。该推导例如可以基于已经提到的算法，以及可以基于所测量的功率值。当然，控制单元也可以由多个单独的控制单元构建。
应注意，在一些放大器配置中，例如当未达到先前提及的饱和时，放大过程对脉冲形状的影响基本上可以忽略。在相应设计的盘放大器中例如可以是这种情况(其中通常在盘放大器中也可能出现脉冲形状变化)。在脉冲形状变化可以忽略的情况下，放大链5的输出脉冲形状基本上已经是目标脉冲形状，而不是在端部放大器级7之后的脉冲形状才是目标脉冲形状。端部放大器级7之后的脉冲形状例如可以具有与放大链5的输出脉冲形状几乎相同的形状，尽管强度增大。例如脉冲形状仅具有对于后续的阶段(例如材料加工设备)可以忽略的变化。在确定目标脉冲形状和由操控单元11相应地操控种子二极管和/或调制器时应考虑到这一点。
例如可能需要——如图1示例性地说明的那样——脉冲持续时间在纳秒或皮秒范围内的矩形脉冲作为用于激光加工过程的目标脉冲形状。其他示例包括具有或不具有上升沿和/或下降沿的高原脉冲(Plateau-Puls)，通常是梯形的或任意的脉冲形状。如果例如在放大器链5的端部存在脉冲持续时间约250ns的矩形脉冲，则需要这样的种子脉冲形状：该种子脉冲形状例如通过指数的幅度上升来预先补偿前部区域中的比例过大的放大。
在图2中，示意性地示出对于具有脉冲持续时间T的“理想的”种子脉冲(例如矩形输出脉冲)随着时间t增长而指数上升的幅度A。对于这样的幅度上升，种子激光二极管将例如以指数上升的电流来运行。
然而，种子激光二极管在最小电流和最大电流之间(或在最小种子脉冲幅度和最大种子脉冲幅度之间)的动态范围受到开头提及的激光阈值和最大幅度的限制。
图3例如对于激光二极管示意性地示出种子脉冲的幅度A随时间t的可实现的上升。可以看出，激光二极管的激光阈值可以在前面的脉冲部分中形成具有低幅度(接近高于激光阈值)的高原P。此外，种子脉冲的可使用的最大幅度Amax例如受到半导体结构的破坏阈值和/或受到激光二极管的半导体结构中的热效应的限制。
因此鉴于可实现的幅度上升，脉冲成形遭遇激光二极管可能操控的动态范围的限界。因为在开头提及的激光二极管的通电调制在某些情况下可能不足以实现预先如此补偿在放大过程期间种子脉冲的变形，使得在放大之后调节目标脉冲形状。除了已经提到的情况，即放大器系统具有相对于变形而言过高的放大之外，当目标脉冲形状本身应具有高的(不可预补偿的)动态特性时，也可能发生这种情况。如AOM之类的脉冲成形设备的动态范围也可能受到限制。
在此描述的设计方案可以允许，即使在以下情况下(例如在放大过程后的高激光功率的情况下)，例如对于后续的激光加工过程也能够实现所期望的目标脉冲形状。通过在放大过程的至少两个不同的位置进行成形干预来实现所提出的具有高动态特性的脉冲成形。除了对种子脉冲进行成形之外(例如可以通过调制二极管电流来对脉冲进行预成形)，还执行至少一种其他成形干预。
其他成形干预还可以包括如下设计方案：待放大的种子脉冲由多个部分脉冲构成。例如可以使用具有不同动态范围(例如通过图1中的衰减单元4而减小)的多个部分脉冲。附加地或替代地，可以将部分种子脉冲序列的部分脉冲在放大过程中引入放大器链5中的不同位置，作为其他成形干预。因此，例如如图1所示的那样，可以将种子激光器3C的激光脉冲引入光纤放大器级5B的前方。替代地或补充地，例如也可以将激光脉冲引入光纤放大器级的后方，例如在光纤放大器级5B的后方。
在此，一个基本思想在于部分脉冲种子源的级联布置主管种子脉冲的时间上彼此相继的段，其中，这些段的脉冲持续时间通常小于输出脉冲的脉冲持续时间。例如，在上面的示例中，可以将具有250ns的10％至90％范围内的脉冲持续时间的部分脉冲/中间脉冲进行组合。通常，也可以由部分脉冲/中间脉冲组合成较短或较长的脉冲持续时间，例如50ns或10μs。在此，部分脉冲种子源分别可以构造为单个种子二极管(如以下为了简化描述在图5至图7中所实现的那样)，或也可以源于共同的(原始)种子二极管(参见图8)。然后，经放大的输出脉冲通常相应地基于不同的种子脉冲序列的至少两个种子脉冲的放大。
图4A和4B表明在产生(单个脉冲或突发脉冲序列的脉冲包络的)具有高动态特性的脉冲形状时的部分脉冲方案。图4A示意性地示出两个部分脉冲21A、21B(其部分脉冲持续时间TA、TB例如分别约为脉冲持续时间T的一半)的份额的叠加，所述两个部分脉冲分别具有如图3中示出的幅度变化过程，其中，所属的幅度变化过程具有不同的下限(高原幅度)和上限(最大幅度)。在较低幅度范围内的部分脉冲21A基本上形成种子脉冲的时间上在前的段，而在较高幅度范围内的部分脉冲基本上形成种子脉冲的时间上在后的段。
如果组合了越来越多的部分脉冲——例如图4B示出具有部分脉冲持续时间Ti的四个部分脉冲的组合——则可以接近在图2中示出的“理想的”幅度变化过程。在所示的示例中，第一部分脉冲种子源控制第一部分脉冲/段的幅度，第N部分脉冲种子源控制第N部分脉冲/段的幅度。在此，N个段的持续时间——即部分脉冲的部分脉冲持续时间——(基本上)相等，或它们可以至少部分地不同。
此外，部分脉冲种子源的份额可能会在时间上重叠。例如，第一部分脉冲种子源可以从开始到结束进行辐射，而第二部分脉冲种子源从可调节的时刻起接入。
在一些实施方式中，如结合图1已经示出的那样，部分脉冲种子源位于放大器链5的不同位置。由此，顺序进行的放大本身可以用于提高部分脉冲种子源的脉冲幅度的动态特性。
以下实施方式例如阐述种子二极管作为种子激光器，光纤放大器级作为放大器级。然而，根据放大器系统，也可以使用其他——例如已经提及的——类型的种子激光器和放大器级。
作为另一示例性的实施方式，图5示出在多个放大器级(例如光纤放大器级)之后通过放大过程重复地播种的放大器链20。例如，第一种子二极管23A控制部分种子脉冲序列23A'的(时间上的)第一部分脉冲的幅度，种子二极管23B控制部分种子脉冲序列23B'的第二部分脉冲的幅度……而种子二极管23N控制第N部分脉冲的幅度。通常，种子激光器还可以共同控制一个或多个后续的部分脉冲。
在第一种子二极管23A之后存在第一放大器级25A(例如光纤放大器级)，在该第一放大器级中耦合输入部分种子脉冲序列23A'的第一部分脉冲以进行放大。经放大的第一部分脉冲/中间脉冲通过组合器(组合单元9A)(例如以自由射束或经光纤耦合地)与部分种子脉冲序列23B'的第二(尚未放大的)部分脉冲组合，使得所合成的脉冲例如具有更长的脉冲持续时间(例如第一部分脉冲和第二部分脉冲的脉冲持续时间之和)。通常，部分脉冲/中间脉冲可以在时间上(尤其以小于种子脉冲持续时间的时间偏移)彼此间隔开地进行组合，在时间上彼此邻接或在时间上重叠(合并)。
可以给每个部分脉冲分配最终离开放大器链5'的输出脉冲的一个时间范围(例如一个段)。这种分配的高动态特性在此归因于使用放大器级25A、25B、…25N的序列。在此应注意，时间范围(段)的时间位置不必与顺序结构中所属的种子二极管的位置相对应。而是它们可以彼此偏离。根据目标脉冲形状，对于相应的时间范围将部分脉冲引入放大过程。通常，相比于对于输出激光脉冲的较弱放大的时间范围的部分脉冲，将对于较强放大的时间范围的部分脉冲更早地引入级联。图4B中例如示出四个部分脉冲，这四个部分脉冲相应于所生成的输出脉冲的四个段被放大。也就是说，经放大的输出脉冲通常包括电磁辐射，该电磁辐射源于四个种子脉冲并且因此基于来自不同种子脉冲序列的四个种子脉冲的放大。
在根据图6的实施方式中，通过组合单元9A产生高动态特性。如果考虑例如两个(或更多个)相等强度的种子二极管33A、33B(作为种子激光器的示例)，则组合单元9A的一个通道例如可以传送种子二极管33A的至90％的部分脉冲，其中，组合单元31的其他通道传送种子二极管33B的仅至10％的部分脉冲。通过操控种子二极管33A、33B可以实现部分脉冲的时间偏移和/或重叠。相应得出的经组合的激光脉冲被输送至放大器级35。类似地，可以将多于两个种子二极管以相应的可选择的比例、偏移和/或重叠进行组合，尤其在时间上彼此间隔开、在时间上彼此邻接或在时间上重叠。例如，种子脉冲中的至少两个可以以小于种子脉冲持续时间的时间偏移彼此间隔开。
根据图6的实施方式(以及以下附图的实施方式)，例如可以将一个或多个种子二极管23A，…集成到图5的级联中。
在根据图7的实施方式中，在两个种子激光器43A、43B的两个(或更多个)部分脉冲的组合中使用单元41。单元41例如在整个脉冲持续时间上对部分脉冲之一的幅度变化过程一致地起作用。分配给种子激光器43A的光学臂例如具有放大器或衰减单元作为单元41，使得例如在组合单元9A中相等权重组合的部分脉冲覆盖不同的、可能可调节的幅度范围。因此产生提高的幅度动态特性，这可以在放大器级45中后续的放大中用于进行预补偿。种子激光器43A、43B的时间上的操控又可以相应于所涉及的段来进行(间隔地、重叠、合并等)。
在其他实施方式中，可以借助仅一个种子激光器产生多个部分脉冲。如图8中示例性地示出，首先可以借助分束器51将种子二极管53的种子脉冲光学地划分成两个沿着所属的光学臂53A、53B传播的部分脉冲。然后，基于如此形成的部分种子脉冲序列53A'、53B'产生所期望的幅度动态特性，使得输出脉冲(其电磁辐射)源于不同(部分)种子脉冲序列的至少两个种子脉冲。
例如在图8中，在光学臂53A中(例如如图7中借助单元41)对部分脉冲进行衰减或放大。另一光学臂53B例如在光纤段57(或者还有自由射束传播)上具有延迟。随后，两个部分脉冲相应于所涉及的段来间隔地、重叠地、合并地等(相等权重地或加权地)在组合单元中9A进行组合并输送至放大器级55。
附加地，一个或多个脉冲成形设备(调制器)可以用于放大器级之间的时间脉冲成形。
类似于图5，图9示出了放大器链20'，其具有放大器级61的级联。在形成分配给放大器级61的中间脉冲的情况下，激光器(例如种子激光二极管63)的耦合输入的种子脉冲在放大器级61中顺序放大。放大器链20A发出经相应放大的输出脉冲，所述输出脉冲分别基于耦合输入的种子脉冲，该种子脉冲——如下所述——已经被放大并且其幅度已经被调制。
在彼此相继的放大器级61之间可以设置用于改变所属的中间脉冲的幅度的脉冲成形设备60。脉冲成形设备60例如是用于改变幅度(即在中间脉冲的脉冲持续时间期间的幅度变化过程)的单元。脉冲成形设备例如构造为光学调制器(例如声光调制器或电光调制器)，脉冲成形设备构造用于，在中间脉冲的脉冲持续时间期间耦合输出能量，使得脉冲形状发生变化，尤其幅度在相应地所属的时间范围/段内下降。
图10中表明借助幅度变化过程71对中间脉冲的幅度进行限幅的设计方案。例如，如此操控声光调制器，使得中间脉冲的前侧(较小的t值)经历损耗，该损耗随t值的增加而减小。以这种方式，可以如此构造放大，使得在一定程度上以与“理想”幅度变化过程73近似(类似于图2)的幅度变化过程进行放大。
中间脉冲还可以(如上所述)在脉冲成形设备60之前或之后补充有其他部分脉冲，以实现所期望的动态范围。相应地，经放大的输出脉冲(通常其电磁辐射)分别源于多个耦合输入的种子脉冲，并且因此输出脉冲中的每个基于多个种子脉冲的放大。此外，脉冲成形设备61例如可以用于ASE(放大自发辐射)抑制。
以这种方式，例如由于放大的饱和，可以在光纤放大器级61之前或之间对脉冲变形进行校正。
回顾图1可以看出，其中示出的结构示意性地示出种子源3A、3B的(部分)脉冲的经加权的组合。此外，该结构包括在放大器级5B之前耦合输入种子源3C的其他部分脉冲，以及例如在放大器级5B和5C之前的幅度匹配。
考虑到在此公开的多种设计方案，例如可以使用如下光纤种子激光器，该光纤种子激光器的(可能伸长的)种子脉冲被划分，并且至少在一侧输送给延迟单元，该延迟单元使经划分的种子脉冲彼此延迟。必要时，附加地或可替代地，可以在相应的分支中借助调制器来调制经划分的且可能延迟的种子脉冲的能量，并且随后使它们再次聚集在一起。附加地，可以设置用于聚集的调制器，以对相应经聚集的脉冲进行限幅。然后，其他放大器的序列(所述放大器例如基于光纤、基于杆、基于板、基于盘)可以构成放大器链。可以在这些放大器之间进行补充脉冲成形，如在光纤放大器链的示例中所示。
关于开头提到的UKP激光器的种子源，种子脉冲序列可以具有包络，该包络的幅度变化过程相应地可以借助在此公开的设计方案进行调节。此外，UKP种子脉冲相比种子时钟可以更加接近地邻接。在确定目标脉冲形状以及由操控单元11相应地操控种子二极管和/或调制器时(例如为了降低重复率)必须考虑这一点。
在此公开的设计方案还允许，来自(例如基于光纤的)放大器链的输出脉冲(例如具有在瓦特范围内的功率)用作具有一个或多个(盘激光器)放大器级的盘激光器多通放大器系统的输入脉冲。然后，由激光器装置最终提供的高功率(例如千瓦范围内)的激光束被输送至相应的应用，例如激光加工应用。
在一些应用中有利的是，例如在待加工的工件上对具有高功率的激光束快速地进行功率调制、尤其中断辐射。为此，可以使用布置在产生激光束的激光装置后方的外部调制器等。这允许可以在固定的(“最佳的”)运行点上运行激光装置，并且因此在恒定和已知的射束参数的情况下来运行激光装置。然而，这种调制器成本高昂并且部分地在实施中很复杂，因为该调制器和可能的后续结构必须能够处理(排出)部分地非常高的耦合输出功率。
在一些实施方式中，在进行激光加工之前可以设置外部调制器，以使输出功率与加工过程相匹配。因此，例如在(例如基于晶体的)端部放大器之后，通过外部调制器对输出脉冲的强度进行限幅，在此不进行显著地改变(单个脉冲的或突发脉冲序列中的脉冲包络的)脉冲形状。例如当围绕曲线进行材料加工时(例如曲线切割)时可以期望这一点，以便例如能够使引入的能量保持恒定。
通过使用在此所公开的设计方案，作为外部调制器的替代或补充，可以改变对于在放大链之后跟随的主放大器的(例如对于盘多通放大器)输入脉冲的功率。也就是说，匹配例如图1中的放大器链5的输出脉冲，例如匹配从放大链中提取的峰值脉冲功率或重复率。以下阐述例如对于作为主放大器的盘多通放大器使用高动态播种的过程。但是该过程也可以转移到不同的主放大器系统和放大器链上。如所提及的那样，关于在此公开的设计方案，也可以使用具有活性介质的其他放大器系统，例如板型激光器或棒型激光器。
在放大器链5的耦合输入的输出脉冲变化之后，从盘多通放大器的激光器盘中的功率提取也发生变化。在短时间(通常在微秒范围内)后，这就已经可能导致主放大器中放大的变化，导致激光盘中的增益的变化，以及导致例如激光盘的热负载的变化(通常在毫秒范围内)。
为了平衡这两个方面，在对所输送的脉冲功率进行调制时，可以如此改变盘多通放大器的泵浦功率，使得耗散的功率以及出现在激光盘中的热透镜在第一近似中保持恒定。
此外，可以通过输入脉冲功率的动态变化来补偿盘多通放大器中的增益的变化，或者可以通过限制最大放大的效果(例如横向ASE、辅助谐振器或主放大器中的受控制的泵浦功率)来限界该变化。
主放大器中泵浦功率的变化例如可以要么进行控制、要么进行调节。对于后者的情况，可以进行测量盘折射能力或描述热透镜的其他参数(例如盘温度)。例如可以测量激光束的或与激光束共线传播的辅助激光束的射束参数，并将其用作调节信号。在此可以使用合适的建模，因为例如根据激光器配置，在输入泵浦功率减小或泵浦功率恒定时，热量产生可能上升或下降。
以上描述的处理方式的缺点在于，激光放大、尤其在脉冲持续时间上的激光增益无法保持恒定，使得输入脉冲功率的变化可能导致相应的脉冲过高。这种脉冲过高例如可以通过对输入脉冲能量进行合适的匹配来抑制，尤其借助在此公开的动态播种的设计方案对耦合输入的输出脉冲的幅度变化过程的匹配来抑制。
总之，示例性的流程可以具有以下步骤：
(1)通过盘多通放大器的输入脉冲产生来向下调制激光器装置的输出功率，例如以获得一半的输出功率。
(2)盘多通放大器的饱和度发生变化，盘例如因为反转电平上升而发热。同时盘多通放大器的放大增大。
(3)降低泵浦功率，使得放大下降。
(4)为了在盘多通放大器之后维持恒定的输出能量，必须又略微提高输入脉冲能量。
(5)得到更好的饱和度，并且激光盘变冷。相应地提高盘多通放大器的泵浦功率，必须再次降低输入脉冲能量，依此类推。
每当在已进行的步骤的范畴中期待脉冲过高时，可以相应地匹配放大链的耦合输入到主放大器中的输出脉冲的幅度变化过程。附加地，通过调整也可以改变射束焦散线(Strahlkaustik)，使得也可能匹配输出射束尺寸，其中，变化可以基于不同的时间标度。在此可以看出，与相应的目标幅度变化过程的幅度匹配通常是复杂的调节技术过程，该调节技术过程例如可以使用合适的模型进行参数化。
应明确强调，对于说明书和/或权利要求书中公开的所有特征，出于原始公开的目的而应该视为是独立的且彼此无关的，同样如出于限制要求保护的发明的目的而应该视为与实施方式和/或权利要求书中的特征组合无关。明确指出，出于原始公开的目的以及出于限制要求保护的发明的目的，所有范围说明或单元的组的说明公开了任意可能的中间值或单元的分组，尤其也作为范围说明的边界。

Claims (20)

1.一种激光放大器系统(1)，所述激光放大器系统具有：
种子激光脉冲源单元(3)，用于提供至少两个种子脉冲序列以进行后续的放大，其中，所述至少两个种子脉冲序列的种子脉冲(3')具有相应的种子脉冲持续时间(T，TA，TB)，并且具有在所述相应的种子脉冲持续时间(T，TA，TB)期间在一范围内进行变化的种子幅度(A)，所述种子幅度的变化过程是可调节的；
至少一个放大器级(5A，5B，5C)，用于放大所述至少两个种子脉冲序列并且用于输出具有输出脉冲(5')的输出脉冲序列，所述输出脉冲序列具有输出脉冲持续时间；
其中，所述至少两个种子脉冲序列如此耦合输入到所述放大器级(5A，5B，5C)中，使得所述输出脉冲序列的输出脉冲(5')的幅度变化过程源于至少两个种子脉冲(3')的份额，所述至少两个种子脉冲分别分配给所述至少两个种子脉冲序列中的一个。
2.根据权利要求1所述的激光放大器系统(1)，其中，所述激光放大器系统(1)如此构造，尤其所述种子激光脉冲源单元(3)的操控装置如此构造，使得对输出脉冲(5')的所述幅度变化过程作出贡献的所述至少两个种子脉冲(3')在时间上彼此间隔开、在时间上彼此邻接或在时间上重叠，
其中，可选地，所述至少两个种子脉冲(3')以小于所述种子脉冲持续时间(T)的时间偏移彼此间隔开。
3.根据权利要求1或2所述的激光放大器系统(1)，还具有光学延迟单元(57)，用于在对输出脉冲(5')的所述幅度变化过程作出贡献的所述至少两个种子脉冲(3')之间产生激光脉冲时间偏移。
4.根据以上权利要求中任一项所述的激光放大器系统(1)，其中，所述放大器级(5A，5B，5C)是光纤激光放大器级、杆激光放大器级、板激光放大器级和/或盘激光放大器级。
5.一种激光放大器系统(1)，其具有
用于提供至少两个种子脉冲序列的种子激光脉冲源单元(3)，以进行后续的放大，其中，所述至少两个种子脉冲序列的种子脉冲(3')具有相应的种子脉冲持续时间(T，TA，TB)，并且具有在相应的种子脉冲持续时间(T，TA，TB)期间在一范围内进行变化的种子幅度(A)，所述种子幅度的变化过程是可调节的；
放大链(5)，所述放大链包括光学串联耦合的至少两个放大器级(5A，5B，5C)的序列，其中，在形成分配给所述放大器级(5A，5B，5C)的中间脉冲(3”)的情况下，在所述放大器级(5A，5B，5C)中顺序地进行所述放大，并且所述放大链(5)输出具有输出脉冲(5')的输出脉冲序列，所述输出脉冲具有输出脉冲持续时间；
其中，所述输出脉冲序列的输出脉冲(5')的幅度变化过程源于至少两个种子脉冲(3')的份额，所述至少两个种子脉冲分别分配给所述至少两个种子脉冲序列中的一个。
6.根据权利要求5所述的激光放大器系统(1)，还具有
光学延迟单元，用于在所述至少两个种子脉冲序列中的一个种子脉冲序列的种子脉冲与中间脉冲(3“)之间产生激光脉冲时间偏移；和/或
光学延迟单元(57)，用于在所述至少两个种子脉冲序列中的不同种子脉冲序列的种子脉冲之间产生激光脉冲时间偏移。
7.根据权利要求5或6所述的激光放大器系统(1)，其中，
所述激光放大器系统(1)如此构造，尤其所述种子激光脉冲源单元(3)的操控装置如此构造，使得对输出脉冲(5')的所述幅度变化过程作出贡献的所述至少两个种子脉冲(3')在时间上彼此间隔开、在时间上彼此邻接或在时间上重叠，其中，可选地，所述种子脉冲彼此以小于所述种子脉冲持续时间(T)的时间偏移间隔开，和/或
其中，所述激光放大器系统(1)如此构造，尤其所述种子激光脉冲源单元(3)的操控装置如此构造，使得对输出脉冲(5')的所述幅度变化过程作出贡献的至少一个种子脉冲(3')相对于中间脉冲在时间上间隔开、在时间上与所述中间脉冲邻接、或在时间上与所述中间脉冲重叠，其中，可选地，所述至少一个种子脉冲以小于所述种子脉冲持续时间(T)的时间偏移而与中间脉冲间隔开。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的激光放大器系统(1)，其中
所述输出脉冲(5')的时间段源于至少一个种子激光脉冲源，所述种子激光脉冲源的种子脉冲遍历所述放大链(5)的所有放大器级(5A，5B，5C)，和/或
其中，所述放大链(5)包括光纤激光放大器级、杆激光放大器级、板激光放大器级和/或盘激光放大器级。
9.根据以上权利要求中任一项所述的激光放大器系统(1)，其中，所述至少两个种子脉冲序列中的一个的对输出脉冲(5')的所述幅度变化过程作出贡献的种子脉冲是部分种子脉冲序列(23A'，23B'；53A'，53B')的待放大的部分脉冲，所述待放大的部分脉冲的部分脉冲持续时间(TA，TB)小于所述输出脉冲(5')的输出脉冲持续时间。
10.根据以上权利要求中任一项所述的激光放大器系统(1)，还具有
至少一个划分单元(51)，用于将激光脉冲源的种子激光脉冲划分成两个或更多个脉冲；和/或
至少一个衰减单元(4)，用于降低激光脉冲的幅度、部分脉冲的幅度和/或中间脉冲的幅度；和/或
至少一个脉冲成形设备(15，60)，用于改变所述种子脉冲中的一个的幅度(A)，其中，所述脉冲成形设备(15，60)构造为声光调制器或电光调制器，用于在至少一个时间部分范围中对所述种子脉冲中的至少一个的幅度(A)进行限幅；和/或
至少一个组合单元(9A)，例如X:(100-X)-光纤组合器，用于
将至少两个激光脉冲源的种子脉冲彼此组合，或
将至少一个激光脉冲源的种子脉冲与中间脉冲(5')组合，或
将中间脉冲(5')与中间脉冲(5')组合。
11.根据以上权利要求中任一项所述的激光放大器系统(1)，其中，所述种子激光脉冲源单元(3)具有能够可调节地通电的激光二极管(23A)的形式的至少一个激光脉冲源，并且可选地对于所述至少两个种子脉冲序列中的每个种子脉冲序列具有自身的激光脉冲源。
12.根据以上权利要求中任一项所述的激光放大器系统(1)，其中，所述种子激光脉冲源单元(3)包括两个激光脉冲源，其中，所述第一激光脉冲源的脉冲——尤其通过衰减单元或放大器——与所述第二激光脉冲源的脉冲一起在组合单元(9A)中产生中间脉冲序列。
13.根据权利要求12所述的激光放大器系统(1)，还具有
至少一个脉冲成形设备(15，60)，用于改变所述中间脉冲(3”)中的一个的幅度(A)，其中，
所述脉冲成形设备(15，60)构造为声光调制器或电光调制器，用于在至少一个时间部分范围中对所属的中间脉冲(3”)中的至少一个的幅度(A)进行限幅，并且可选地布置在两个相邻的放大器级(5A，5B，5C)之间。
14.根据以上权利要求中任一项所述的激光放大器系统(1)，还具有
操控单元(11)，所述操控单元用于调节所述种子脉冲形状、尤其构造用于对种子源、组合单元(9A)和/或脉冲成形设备(15，60)进行操控，其中，
所述操控单元(11)可选地构造用于由目标脉冲变化过程、尤其由所述输出脉冲(5')中的一个的目标幅度变化过程推导出所述种子脉冲变化过程，以及用于相应地调节种子脉冲形状、尤其相应地调节所述至少两个种子脉冲(3')的份额和/或调节所属的中间脉冲(3”)中的至少一个的幅度(A)的限幅。
15.根据以上权利要求中任一项所述的激光放大器系统(1)，还具有
至少一个脉冲成形设备，所述至少一个脉冲成形设备连接到所述放大装置用以改变所述输出脉冲序列的输出脉冲(5')的幅度，其中，
所述脉冲成形设备构造为声光调制器或电光调制器，所述脉冲成形设备构造用于对所述输出脉冲序列的输出脉冲(5')的幅度进行限幅，尤其构造用于在基于晶体的端部放大器之后降低所述脉冲的强度，而不明显地改变所述脉冲形状，其中，
所述操控单元(11)可选地构造用于，在材料加工时操控所述脉冲成形设备，尤其在绕着弯曲的路径进行射束引导时操控所述输出脉冲，以降低所述输出脉冲的强度。
16.一种用于产生经放大的输出脉冲(5')的序列的方法，所述方法具有
提供至少两个种子脉冲序列(23A'，23B'；53A'，53B')用于进行后续的放大，其中，所述至少两个种子脉冲序列(23A'，23B'；53A'，53B')的种子脉冲(3')分别具有种子脉冲持续时间(T，TA，TB)，并且具有在种子脉冲持续时间(T，TA，TB)期间在一范围内进行变化的种子幅度(A)，所述种子幅度的变化过程是可调节的；
在放大器级(5A，5B，5C)中放大所述种子脉冲(3')，从而得到具有输出脉冲(5')的输出脉冲序列，所述输出脉冲具有输出脉冲持续时间；
其中，将所述至少两个种子脉冲序列如此耦合输入到所述放大器级(5A，5B，5C)中，使得所述输出脉冲序列的输出脉冲(5')的幅度变化过程源于至少两个种子脉冲(3')的份额，所述至少两个种子脉冲分别分配给所述至少两个种子脉冲序列中的一个。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述输出脉冲(5')中的一个的幅度变化过程还源于所述至少一个种子脉冲(3')的幅度(A)的限幅，和/或
其中，将所述种子脉冲(3')的幅度变化过程如此彼此匹配，使得相比于单个种子脉冲(3')的动态范围，在进行所述放大之后获得更大的动态范围。
18.一种用于产生经放大的输出脉冲(5')的序列的方法，所述方法具有，
提供至少两个种子脉冲序列(23A'，23B'；53A'，53B')用于进行后续的放大，其中，所述至少两个种子脉冲序列(23A'，23B'；53A'，53B')的种子脉冲(3')分别具有种子脉冲持续时间(T，TA，TB)，并且具有在种子脉冲持续时间(T，TA，TB)期间在一范围内进行变化的种子幅度(A)，所述种子幅度的变化过程是可调节的；
在形成分配给所述放大器级(5A，5B，5C)的中间脉冲(3”)的情况下，在顺序布置的放大器级(5A，5B，5C)中对所述种子脉冲(3')进行放大，从而得到具有输出脉冲(5')的输出脉冲序列，所述输出脉冲具有输出脉冲持续时间；
其中，所述输出脉冲序列的输出脉冲(5')的幅度变化过程源于至少两个种子脉冲(3')的份额，所述至少两个种子脉冲分别分配给所述至少两个种子脉冲序列中的一个。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中，将至少一个种子脉冲如此耦合输入到所述放大器级(5A，5B，5C)中，其中，可选地将至少一个种子脉冲如此耦合输入到后续的放大器级(5A，5B，5C)中，
使得形成待放大的中间脉冲，所述中间脉冲的幅度变化过程源于至少两个种子脉冲(3')的份额，所述至少两个种子脉冲分别分配给所述至少两个种子脉冲序列中的一个。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中，所述输出脉冲(5')中的一个的幅度变化过程还源于至少一个中间脉冲的幅度的限幅，和/或
其中，将所述种子脉冲(3')的幅度变化过程和可选地至少一个相关的中间脉冲(3”)的幅度(A)的限幅如此彼此匹配，使得相比于单个种子脉冲(3')的动态范围，在进行所述放大之后获得更大的动态范围。
CN201880044154.7A 2017-06-28 2018-06-27 激光放大器系统的动态播种 Active CN110915079B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017114399.8A DE102017114399A1 (de) 2017-06-28 2017-06-28 Dynamisches seeden von laserverstärkersystemen
DE102017114399.8 2017-06-28
PCT/EP2018/067268 WO2019002378A1 (de) 2017-06-28 2018-06-27 Dynamisches seeden von laserverstärkersystemen

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110915079A true CN110915079A (zh) 2020-03-24
CN110915079B CN110915079B (zh) 2023-07-14

Family

ID=62784147

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880044154.7A Active CN110915079B (zh) 2017-06-28 2018-06-27 激光放大器系统的动态播种

Country Status (3)

Country Link
CN (1) CN110915079B (zh)
DE (1) DE102017114399A1 (zh)
WO (1) WO2019002378A1 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11050211B2 (en) * 2016-12-09 2021-06-29 Furukawa Electric Co., Ltd. Pulsed laser device, processing device, and method of controlling pulsed laser device
CN114614326A (zh) * 2022-03-07 2022-06-10 北京工业大学 高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020053423A (ja) * 2018-09-21 2020-04-02 浜松ホトニクス株式会社 レーザ装置及びレーザ波形制御方法
DE102019116499A1 (de) * 2019-06-18 2020-12-24 Amphos GmbH Lasersystem und Verfahren zur Erzeugung von Laserstrahlung
US20210305763A1 (en) * 2020-03-24 2021-09-30 David Stucker Composite fiber laser assembly
DE102022104529A1 (de) 2022-02-25 2023-08-31 Trumpf Laser Gmbh Lasersystem mit einem Multipass-Verstärker eingerichtet zur thermischen Lasterhaltung

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090185588A1 (en) * 2008-01-16 2009-07-23 Deep Photonics Corporation Method and apparatus for producing arbitrary pulsetrains from a harmonic fiber laser
CN101981768A (zh) * 2008-03-27 2011-02-23 伊雷克托科学工业股份有限公司 使用可程序化的脉冲形状的激光微加工
CN102334249A (zh) * 2009-01-15 2012-01-25 伊雷克托科学工业股份有限公司 用于微加工的脉冲时间可程序化超快突发模式激光
CN103762486A (zh) * 2014-01-26 2014-04-30 上海交通大学 一种输出非相干光束的光纤激光器
WO2017092789A1 (en) * 2015-11-30 2017-06-08 Universität Stuttgart Radiation field generating unit
US20170179675A1 (en) * 2015-11-17 2017-06-22 Newport Corporation Homogeneous Laser Light Source for Area Processing Applications

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101575729B1 (ko) * 2014-04-30 2015-12-10 광주과학기술원 광섬유 레이저 장치 및 광섬유 레이저 제공방법

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090185588A1 (en) * 2008-01-16 2009-07-23 Deep Photonics Corporation Method and apparatus for producing arbitrary pulsetrains from a harmonic fiber laser
CN101981768A (zh) * 2008-03-27 2011-02-23 伊雷克托科学工业股份有限公司 使用可程序化的脉冲形状的激光微加工
CN102334249A (zh) * 2009-01-15 2012-01-25 伊雷克托科学工业股份有限公司 用于微加工的脉冲时间可程序化超快突发模式激光
CN103762486A (zh) * 2014-01-26 2014-04-30 上海交通大学 一种输出非相干光束的光纤激光器
US20170179675A1 (en) * 2015-11-17 2017-06-22 Newport Corporation Homogeneous Laser Light Source for Area Processing Applications
WO2017092789A1 (en) * 2015-11-30 2017-06-08 Universität Stuttgart Radiation field generating unit

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11050211B2 (en) * 2016-12-09 2021-06-29 Furukawa Electric Co., Ltd. Pulsed laser device, processing device, and method of controlling pulsed laser device
CN114614326A (zh) * 2022-03-07 2022-06-10 北京工业大学 高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器
CN114614326B (zh) * 2022-03-07 2024-04-30 北京工业大学 高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器

Also Published As

Publication number Publication date
CN110915079B (zh) 2023-07-14
WO2019002378A1 (de) 2019-01-03
DE102017114399A1 (de) 2019-01-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110915079B (zh) 激光放大器系统的动态播种
US7116688B2 (en) Laser system and method for generation of a pulse sequence with controllable parameters and computer program product
CN110073558B (zh) 激光装置和波形控制方法
CN102782965A (zh) 产生可反复调用的激光脉冲的激光放大系统和激光放大方法
JP4640336B2 (ja) レーザ装置
US20180269645A1 (en) High energy fiber laser amplifier with reduced optical linewidth
KR20200104875A (ko) 매우 높은 반복 레이트의 레이저 펄스를 발생시키기 위한 레이저 시스템 및 방법
EP3193412B1 (en) Fiber laser system and method for outputting laser beam
IL257272A (en) High power self-seeding laser power
JP6329721B2 (ja) レーザ装置および光増幅方法
CN111478163B (zh) 一种脉冲时域波形可调光纤激光器
EP3370307B1 (en) Fiber laser system, reflection resistance evaluation method and reflection resistance improvement method for same, and fiber laser
CN115513756B (zh) 一种声光合束高功率大能量飞秒激光器及其激光合束方法
CN108847566B (zh) 时域波形可控的激光产生系统及方法
US11316320B2 (en) Laser light-source apparatus and laser pulse light generating method
WO2009090935A1 (ja) 光増幅器
JP2020053423A (ja) レーザ装置及びレーザ波形制御方法
Wang et al. Coherent beam combining of two W-level fiber amplifiers in turbulence atmospheric environment based on stochastic parallel gradient descent algorithm
US10971888B2 (en) Optical amplifier
JP4774846B2 (ja) 光増幅装置およびその制御方法
CN114465079B (zh) 窄线宽脉冲光纤激光器及其控制方法
JP6705211B2 (ja) レーザー光発生装置
US20090185262A1 (en) Optical Amplifier With Time-Multiplexed Pump Laser
KR102490843B1 (ko) 다중 채널 광 신호 생성 장치
JP2022013192A (ja) パルスレーザ装置及びパルスレーザ装置の制御方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant