CN112582871B - 一种脉冲激光序列能量校正系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种脉冲激光序列能量校正系统及方法。脉冲激光序列能量校正系统包括基频光源、控制单元、能量调节单元以及倍频晶体；基频光源用于输出基频脉冲激光，倍频晶体用于将基频脉冲激光转换为倍频脉冲激光；能量调节单元位于基频光源与倍频晶体之间；控制单元与能量调节单元连接，控制单元预存有倍频脉冲激光的能量—时间曲线，控制单元用于根据能量—时间曲线控制能量调节单元调整基频脉冲激光入射到倍频晶体的强度，以使倍频脉冲激光中每个脉冲的能量相同；其中，能量—时间曲线根据能量调节单元未运行时获得。本发明实施例的技术方案，可以实现输出脉冲中每个脉冲的强度相同，且具有结构简单、器件可靠、方便调节等优点。

Description

一种脉冲激光序列能量校正系统及方法

技术领域

本发明实施例涉及激光技术，尤其涉及一种脉冲激光序列能量校正系统及方法。

背景技术

普通的固体低重频(50Hz以下)脉冲激光器由于单脉冲能量较高，目前已广泛应用于医疗、科研、工业等领域。随着科技的发展，越来越多用户对于激光的重复频率和波长有了更高的要求，多波长、高重复频率输出的激光器产品日益丰富。

现有的多波长、高重复频率的激光器存在一个问题，基频光由于重复频率较高，对倍频晶体有加热作用，使得倍频晶体在冷态和热态的倍频效率存在差异，倍频能量刚开始输出时和稳定时的能量不同，能量曲线有缓慢上升或下降到稳定状态的现象，导致输出的脉冲串的强度不均匀。

发明内容

本发明实施例提供一种脉冲激光序列能量校正系统及方法，以实现输出脉冲中每个脉冲的强度相同，且具有结构简单、器件可靠、方便调节等优点。

第一方面，本发明实施例提供一种脉冲激光序列能量校正系统，包括基频光源、控制单元、能量调节单元以及倍频晶体；

所述基频光源用于输出基频脉冲激光，所述倍频晶体用于将所述基频脉冲激光转换为倍频脉冲激光；

所述能量调节单元位于所述基频光源与所述倍频晶体之间；

所述控制单元与所述能量调节单元连接，所述控制单元预存有所述倍频脉冲激光的能量—时间曲线，所述控制单元用于根据所述能量—时间曲线控制所述能量调节单元调整所述基频脉冲激光入射到所述倍频晶体的强度，以使所述倍频脉冲激光中每个脉冲的能量相同；

其中，所述能量—时间曲线根据所述能量调节单元未运行时获得。

可选的，还包括分光单元，所述分光单元设置于所述倍频晶体的出射端，所述分光单元的第一输出端出射所述倍频脉冲激光，所述分光单元的第二输出端出射所述基频脉冲激光。

可选的，所述分光单元包括分光镜，所述分光镜用于透射所述倍频脉冲激光，所述基频脉冲激光，或者所述分光镜用于反射所述倍频脉冲激光，透射所述基频脉冲激光。

可选的，所述分光镜为二向色镜。

可选的，还包括基频脉冲激光吸收单元，用于吸收所述分光单元输出的基频脉冲激光。

可选的，所述基频脉冲激光和所述倍频脉冲激光的脉冲宽度为纳秒量级。

可选的，所述能量调节单元包括二分之一波片和旋转机构，所述旋转机构通过带动所述二分之一波片旋转来调节所述基频脉冲激光的强度。

可选的，所述基频脉冲激光和所述倍频脉冲激光的脉冲宽度为皮秒量级。

可选的，所述能量调节单元包括声光调制器或声光Q开关。

第二方面，本发明实施例还提供一种利用上述脉冲激光序列能量校正系统进行脉冲激光序列能量校正方法，包括：

将基频光源产生的基频脉冲激光输出到倍频晶体，获取能量调节单元未运行时倍频晶体输出能量，得到倍频脉冲激光的能量—时间曲线；

根据所述能量—时间曲线，得到开始出光到倍频能量达到稳定的时间T；

运行基频光源和倍频晶体之间的能量调节单元，控制单元根据所述能量—时间曲线，在T时间段内控制能量调节单元调整基频脉冲激光入射到所述倍频晶体的强度，以使所述倍频脉冲激光中每个脉冲的能量相同将基频光源产生的基频脉冲激光输出到倍频晶体，获取能量调节单元未运行时倍频晶体输出能量，得到倍频脉冲激光的能量—时间曲线；

根据所述能量—时间曲线，得到开始出光到倍频能量达到稳定的时间T；

运行基频光源和倍频晶体之间的能量调节单元，控制单元根据所述能量—时间曲线，在T时间段内控制能量调节单元调整基频脉冲激光入射到所述倍频晶体的强度，以使所述倍频脉冲激光中每个脉冲的能量相同。

有益效果：

本发明实施例提供的脉冲激光序列能量校正系统，包括基频光源、控制单元、能量调节单元以及倍频晶体；通过基频光源输出基频脉冲激光，通过倍频晶体将基频脉冲激光转换为倍频脉冲激光；通过在控制单元预存能量调节单元未运行时倍频脉冲激光的能量—时间曲线，获得开始出光到倍频能量达到稳定的时间，在这段时间内，通过控制单元根据能量—时间曲线控制能量调节单元调整基频脉冲激光入射到倍频晶体的强度，以使倍频脉冲激光中每个脉冲的能量相同，解决现有技术中倍频脉冲激光强度不一致的问题，且该脉冲激光序列能量校正系统具有结构简单、器件可靠、方便调节等优点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种脉冲激光序列能量校正系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种能量—时间曲线的示意图；

图3是本发明实施例提供的一种调整后的倍频—能量曲线示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种脉冲激光序列能量校正系统的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的又一种脉冲激光序列能量校正系统的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种脉冲激光序列能量校正方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1所示为本发明实施例提供的一种脉冲激光序列能量校正系统的结构示意图。参考图1，本实施例提供的脉冲激光序列能量校正系统包括基频光源10、控制单元20、能量调节单元30以及倍频晶体40；基频光源10用于输出基频脉冲激光，倍频晶体40用于将基频脉冲激光转换为倍频脉冲激光；能量调节单元30位于基频光源10与倍频晶体40之间；控制单元20与能量调节单元30连接，控制单元20预存有倍频脉冲激光的能量—时间曲线，控制单元20用于根据能量—时间曲线控制能量调节单元30调整基频脉冲激光入射到倍频晶体40的强度，以使倍频脉冲激光中每个脉冲的能量相同；其中，能量—时间曲线根据能量调节单元30未运行时获得。

其中，基频光源10可以出射基频光，基频光可以为一个脉冲串。倍频晶体40通过非线性效应将基频光转换为倍频光，例如可以是二倍频、三倍频等，本发明实施例对此不作限定。基频光源10可以为半导体激光器、固体激光器或者光纤激光器等，例如，基频光源10可以为1064nm的Nd：YAG激光器，倍频晶体40可以为偏硼酸钡(BBO)晶体，具体实施时可以根据实际应用需求选择基频光源10和倍频晶体40的类型。能量调节单元30可以在控制单元20的控制下，根据不同的程序设定，按预设规律调整输入到倍频晶体40的基频脉冲激光的强度。

在脉冲激光序列校正系统运行时，由于基频脉冲激光对倍频晶体40具有加热作用，倍频晶体40在不同温度时具有不同的效率，如果基频脉冲激光的功率恒定，出射的倍频脉冲激光一般是缓慢上升或缓慢下降到稳定状态，例如以指数规律上升到稳定或以指数规律下降到稳定的过程。示例性的，图2所示为本发明实施例提供的一种能量—时间曲线的示意图。参考图2，纵轴代表每个脉冲的能量，横轴代表一个脉冲串，脉冲间隔即为脉冲的周期(可换算为频率)。在能量调节单元未运行时，不进行能量校正，一串脉冲经过倍频后，由于基频光对晶体的加热作用，使得晶体温度逐渐升高，而脉冲串中每个脉冲的能量逐渐衰减并达到一个稳定的状态。

在本实施例中，可以通过在稳定之前通过能量调节单元30调整基频脉冲激光的强度按照相反的规律变化，可以使倍频输出能量曲线平滑，无缓慢上升或下降现象。具体的，可以通过在能量调节单元30未运行时，控制基频光源10打开，对倍频晶体40输出的能量—时间曲线进行标定，并获取开始出光到倍频能量达到稳定的时间T，将能量—时间曲线预存到控制单元20中，控制单元20可以根据能量—时间曲线控制基频脉冲激光的强度在T时间段内变化，从而使倍频晶体40输出的各个脉冲能量相同。图3所示为本发明实施例提供的一种调整后的倍频—能量曲线示意图。参考图3，通过控制能量调节单元，使得前若干个脉冲的倍频效率受到抑制，使其与倍频晶体温度稳定后的脉冲能量基本一致，从而实现倍频晶体能量稳定输出。

本实施例的技术方案，通过基频光源输出基频脉冲激光，通过倍频晶体将基频脉冲激光转换为倍频脉冲激光；通过在控制单元预存能量调节单元未运行时倍频脉冲激光的能量—时间曲线，获得开始出光到倍频能量达到稳定的时间，在这段时间内，通过控制单元根据能量—时间曲线控制能量调节单元调整基频脉冲激光入射到倍频晶体的强度，以使倍频脉冲激光中每个脉冲的能量相同，解决现有技术中倍频脉冲激光强度不一致的问题，且该脉冲激光序列能量校正系统具有结构简单、器件可靠、方便调节等优点。

在上述技术方案的基础上，图4所示为本发明实施例提供的另一种脉冲激光序列能量校正系统的结构示意图。参考图4，可选的，本实施例提供的脉冲激光序列能量校正系统还包括分光单元50，分光单元50设置于倍频晶体40的出射端，分光单元50的第一输出端501出射倍频脉冲激光，分光单元50的第二输出端502出射基频脉冲激光。

可以理解的是，由于倍频晶体40的效率不能达到100％，因此倍频晶体40输出的光束还会包括基频光，在某些应用中，可能不希望光束中存在基频光，因此可以设置分光单元50，从而滤除基频光。具体实施时，第一输出端可以为透射端，也可以为反射端，可选的，分光单元50包括分光镜，分光镜用于透射倍频脉冲激光，反射基频脉冲激光，或者分光镜用于反射倍频脉冲激光，透射基频脉冲激光，本发明实施例对此不作限定。可选的，分光镜可以为二向色镜。

图5所示为本发明实施例提供的又一种脉冲激光序列能量校正系统的结构示意图。参考图5，可选的，本实施例提供的脉冲激光序列能量校正系统还包括基频脉冲激光吸收单元60，用于吸收分光单元50输出的基频脉冲激光。

可以理解的是，图5所示的脉冲激光序列能量校正系统中分光单元50的反射端输出基频脉冲激光只是示意性的，在其他实施例中，若分光单元50的透射端输出基频脉冲激光，只需将基频脉冲激光吸收单元60设置在分光单元50的透射端即可。

可选的，基频脉冲激光和倍频脉冲激光的脉冲宽度为纳秒量级。可选的，能量调节单元包括二分之一波片和旋转机构，旋转机构通过带动二分之一波片旋转来调节基频脉冲激光的强度。

示例性的，在某一实施例中，旋转机构为能量转台，能量转台上安装一片二分之一波片，倍频晶体为二倍频晶体。基频光源使用一束能量6J，10ms，包含50个子脉冲的基频脉冲串进行倍频，希望最终得到总能量3J，且每个子脉冲能量相同的倍频光，经检测倍频后单个子脉冲输出能量从65mJ衰减到60mJ(从首个脉冲到约20个脉冲)并稳定，而通过能量转台从65mJ调整到60mJ大概旋转0.5°(从0°转到0.5°)，那么可以设定基频光开始工作时，转台角度为0.5°，此时单个脉冲倍频光输出60mJ能量，在4ms内，转台角度从0.5°旋转到0°，这样可以保证在10ms内，倍频光单个脉冲输出能量一直为60mJ，从而得到一个总能量为3J，且每个单脉冲能量相等的倍频光。

可选的，基频脉冲激光和倍频脉冲激光的脉冲宽度为皮秒量级。可选的，能量调节单元包括声光调制器或声光Q开关。

本实施例可以适用于1kHz以上重复频率的激光器。示例性的，在另一实施例中，能量调节单元为声光调制器(AOM)或声光Q开关，倍频晶体为二倍频晶体。基频光源使用一个重复频率为200kHz，功率30W的皮秒1064nm激光器做倍频，希望得到输出功率15W，且每个脉冲能量基本相等的倍频光。经检测发现，在1s内，倍频后单脉冲能量从0.08μJ降到0.075μJ，通过控制AOM的射频强度，改变入射基频光强度，使得基频光在1s内从约28W升到30W，从而使倍频光一直保持0.075μJ的单脉冲能量，最终得到平均功率为15W且每个脉冲能量基本相等的倍频光。

图6所示为本发明实施例提供的一种脉冲激光序列能量校正方法的流程示意图，该方法可以由上述实施例提供的任意一种脉冲激光序列能量校正系统来实施，该脉冲激光序列能量校正方法包括：

步骤S110、获取能量调节单元未运行时倍频晶体输出能量，得到倍频脉冲激光的能量—时间曲线。

其中获取能量调节单元未运行时倍频晶体输出能量指的是关闭能量调节单元，控制基频光源打开，对倍频晶体输出的能量—时间曲线进行标定，得到类似于图2所示的能量—时间对应关系。

步骤S120、根据能量—时间曲线，得到开始出光到倍频能量达到稳定的时间T。

示例性的，参考图2，第七个脉冲之后每个脉冲能量稳定，即前六个脉冲对应的时间即为T。

步骤S130、控制单元根据能量—时间曲线，在T时间段内控制能量调节单元调整基频脉冲激光入射到倍频晶体的强度，以使倍频脉冲激光中每个脉冲的能量相同。

在T时间段内，根据能量—时间曲线相反的变化规律控制基频脉冲激光的变化，以使倍频脉冲激光中每个脉冲的能量相同。例如，如果T时间段内，倍频脉冲激光中每个脉冲的能量逐渐变小，则控制单元控制能量调节单元使得入射到倍频晶体的激光脉冲的能量逐渐变大，使得倍频晶体输出的每个倍频脉冲的能量总是保持稳定或相同；

本实施例的技术方案，通过在能量调节单元未运行时获取倍频脉冲激光的能量—时间曲线，并获得开始出光到倍频能量达到稳定的时间，在这段时间内，通过控制单元根据能量—时间曲线控制能量调节单元调整基频脉冲激光入射到倍频晶体的强度，以使倍频脉冲激光中每个脉冲的能量相同，解决现有技术中倍频脉冲激光强度不一致的问题。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种脉冲激光序列能量校正系统，其特征在于，包括基频光源、控制单元、能量调节单元以及倍频晶体；

所述基频光源用于输出基频脉冲激光，所述倍频晶体用于将所述基频脉冲激光转换为倍频脉冲激光；

所述能量调节单元位于所述基频光源与所述倍频晶体之间；

所述控制单元与所述能量调节单元连接，所述控制单元预存有所述倍频脉冲激光的能量—时间曲线，运行基频光源和倍频晶体之间的能量调节单元，所述控制单元用于根据所述能量—时间曲线控制所述能量调节单元调整所述基频脉冲激光入射到所述倍频晶体的强度，在T时间段内控制能量调节单元调整基频脉冲激光入射到所述倍频晶体的强度，以使所述倍频脉冲激光中每个脉冲的能量相同；

其中，所述能量—时间曲线根据所述能量调节单元未运行时获得，将基频光源产生的基频脉冲激光输出到倍频晶体，获取能量调节单元未运行时倍频晶体输出能量，得到倍频脉冲激光的能量—时间曲线；根据所述能量—时间曲线，得到开始出光到倍频能量达到稳定的时间T。

2.根据权利要求1所述的脉冲激光序列能量校正系统，其特征在于，还包括分光单元，所述分光单元设置于所述倍频晶体的出射端，所述分光单元的第一输出端出射所述倍频脉冲激光，所述分光单元的第二输出端出射所述基频脉冲激光。

3.根据权利要求2所述的脉冲激光序列能量校正系统，其特征在于，所述分光单元包括分光镜，所述分光镜用于透射所述倍频脉冲激光，反射 所述基频脉冲激光，或者所述分光镜用于反射所述倍频脉冲激光，透射所述基频脉冲激光。

4.根据权利要求3所述的脉冲激光序列能量校正系统，其特征在于，所述分光镜为二向色镜。

5.根据权利要求2～4任一所述的脉冲激光序列能量校正系统，其特征在于，还包括基频脉冲激光吸收单元，用于吸收所述分光单元输出的基频脉冲激光。

6.根据权利要求1所述的脉冲激光序列能量校正系统，其特征在于，所述基频脉冲激光和所述倍频脉冲激光的脉冲宽度为纳秒量级。

7.根据权利要求6所述的脉冲激光序列能量校正系统，其特征在于，所述能量调节单元包括二分之一波片和旋转机构，所述旋转机构通过带动所述二分之一波片旋转来调节所述基频脉冲激光的强度。

8.根据权利要求1所述的脉冲激光序列能量校正系统，其特征在于，所述基频脉冲激光和所述倍频脉冲激光的脉冲宽度为皮秒量级。

9.根据权利要求8所述的脉冲激光序列能量校正系统，其特征在于，所述能量调节单元包括声光调制器或声光Q开关。

10.一种利用权利要求1～9任一所述的脉冲激光序列能量校正系统进行脉冲激光序列能量校正的方法，其特征在于，校正系统包括：

将基频光源产生的基频脉冲激光输出到倍频晶体，获取能量调节单元未运行时倍频晶体输出能量，得到倍频脉冲激光的能量—时间曲线；

根据所述能量—时间曲线，得到开始出光到倍频能量达到稳定的时间T；

运行基频光源和倍频晶体之间的能量调节单元，控制单元根据所述能量—时间曲线，在T时间段内控制能量调节单元调整基频脉冲激光入射到所述倍频晶体的强度，以使所述倍频脉冲激光中每个脉冲的能量相同。

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