CN113678330A - 具有脉冲时间重叠的激光系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脉冲激光系统，包括注入系统(10)、光学放大系统(20)和光束组合器(71)，脉冲激光系统被设计为一方面产生具有介于100fs至几百皮秒之间的短持续时间(Tc)的放大脉冲(301)，另一方面产生具有介于几皮秒至几百纳秒之间的长持续时间(TL)的另一放大脉冲(402)，具有短持续时间(Tc)的放大脉冲(301、311、401、501)和具有长持续时间(TL)的其他放大脉冲(302、402)来自同一光学放大系统(20)，并且具有短持续时间(Tc)的放大脉冲(301)与具有长持续时间(TL)的其他放大脉冲(402)以小于或等于长持续时间(TL,Tt)的相对延迟(Δt2)在时间上重叠。
Description
技术领域
本发明涉及基于激光脉冲的系统和方法的技术领域。
背景技术
在上述领域中，已知具有不同类型的脉冲激光器。半导体激光器或激光二极管传送持续时间在纳秒范围内的脉冲。啁啾脉冲放大激光系统允许获得皮秒范围内的短脉冲，甚至是持续时间介于大约100fs至几百飞秒之间的超短脉冲。
脉冲激光器通常以在技术上依赖于所用架构且通常必须适应所考虑的应用的速率或发射脉冲重复频率工作。
在本文中，术语“脉冲持续时间”是指脉冲的时间强度分布的半高全宽。
脉冲激光系统有许多应用，例如用于通过钻孔、切割和/或堆焊(surfacing)实现的材料加工。每种激光方法的优化取决于一组激光参数，具体包括：能量、波长、脉冲持续时间和脉冲速率。在该领域中，由于实现了在皮秒机制和飞秒(也称为亚皮秒)机制内不同的激光-物质相互作用现象，因此，使用持续时间为几皮秒或亚皮秒的脉冲显著扩展了激光器的应用范围。
连续脉冲在一段时间内的空间重叠(与样品上斑点的空间覆盖率相关联)是公知的技术并且用于许多方法中。
时移双脉冲的使用已经成为许多研究的主题。
图1示意性地示出了现有技术的激光器发射的激光脉冲随时间的变化。激光器发送由脉冲1和下一脉冲2之间的时段Δt1隔开的脉冲。时段Δt1通常是可调的。连续的激光脉冲1、2通常具有相同的持续时间Tc，其小于或远小于时段Δt1。
最近，周期性脉冲序列(称为“突发”)的使用产生了新的应用。脉冲突发的能量可能可调整，也可能不可调整。根据应用的不同，连续的突发在时间上由可调整持续时间或不可调整持续时间分开。
发明内容
然而，目标是在不增加激光系统复杂性的情况下提高激光加工方法的精度和/或速度。
本发明提出了一种脉冲激光系统，包括注入系统、光学放大系统和光束组合器，所述脉冲激光系统适于一方面产生具有介于100fs至几百皮秒之间的短持续时间的放大脉冲，另一方面产生具有长持续时间的另一放大脉冲或以千兆赫频率放大的具有长持续时间包络(envelop)的其他脉冲突发，所述长持续时间大于所述短持续时间，并且所述长持续时间介于几皮秒至几百纳秒之间，具有短持续时间的所述放大脉冲和具有长持续时间的所述另一放大脉冲或具有长持续时间包络的所述其他脉冲突发来自同一光学放大系统，并且具有短持续时间的所述放大脉冲在所述脉冲激光系统的所述输出端与具有长持续时间的所述另一放大脉冲或具有长持续时间包络的所述其他放大脉冲突发以相对延迟量在时间上重叠，所述相对延迟量小于或等于所述长持续时间。
有利地，短持续时间介于100飞秒至几百飞秒之间，而长持续时间介于五纳秒至几百纳秒之间。
优选地，长持续时间脉冲在短持续时间脉冲之前开始。因此，长持续时间脉冲在施加短持续时间脉冲之前加热材料以制备它。加热引起材料烧蚀阈值的改变。短持续时间脉冲重叠在长脉冲上，其中具有小于长脉冲持续时间的延迟。与单独施加不与长脉冲在时间上重叠的短脉冲相比，短持续时间脉冲以更高的效率烧蚀材料。
本发明具有许多应用，具体包括透明材料的钻孔、透明材料的切割和/或透明材料的表面处理。
根据第一实施例，所述注入系统适于产生源脉冲，所述光学放大系统适于接收所述源脉冲并产生放大脉冲，所述脉冲激光系统包括具有输入分支、输出分支和另一输出分支的分束器，所述分束器设置为将所述放大脉冲分开并形成所述输出分支上的分开的(divided)放大脉冲和所述另一输出分支上的另一分开的放大脉冲；压缩器，其设置在所述输出分支上并且适于接收所述分开的放大脉冲并产生具有短持续时间的压缩放大脉冲；光学延迟线，其设置在所述输出分支或所述另一输出分支上以引起所述相对延迟；光束组合器，其具有连接到所述分束器的所述输出分支以接收具有短持续时间的所述压缩放大脉冲以及连接到所述分束器的所述另一输出分支以接收具有长持续时间的所述另一分开的放大脉冲的另一输入。
有利地，短持续时间压缩放大脉冲具有介于100飞秒至几百飞秒之间的持续时间，而另一长持续时间分开的放大脉冲具有介于五纳秒至几百纳秒之间的持续时间。
根据第一实施例的特定方面，所述脉冲激光系统还包括设置在所述光束组合器上游的所述另一输出分支上的另一压缩器，所述另一压缩器适于在时间上压缩所述另一分开的放大脉冲。
根据第一实施例的另一特定方面，所述脉冲激光系统包括设置在所述光束组合器上游的所述分束器的所述另一输出分支上的非线性光学系统，所述非线性光学系统适于对所述另一分开的放大脉冲进行波长转换。
根据第二实施例，所述注入系统包括注入器、另一注入器和位于注入器和另一注入器之间的电子同步系统，所述注入器适于产生具有介于100fs至几百皮秒之间的短持续时间的源脉冲，所述另一注入器适于产生具有长持续时间的另一源脉冲，所述长持续时间包括介于5ns至几百ns之间，所述电子同步系统适于在所述源脉冲和所述另一源脉冲之间引起小于或等于所述长持续时间的延迟，所述光束组合器适于在空间和时间上重叠所述源脉冲和所述另一源脉冲，所述光学放大系统适于接收在时间上重叠的所述源脉冲和所述另一源脉冲并产生在时间上重叠的具有短持续时间的放大脉冲和具有长持续时间的另一放大脉冲。
有利地，短持续时间源脉冲具有介于100fs至几百飞秒之间的持续时间。
可选地，在第二实施例中，所述脉冲激光系统包括设置在所述光学放大系统下游的压缩器，所述压缩器适于接收具有短持续时间的所述放大脉冲并产生具有短持续时间的压缩放大脉冲。
根据第二实施例的另一特定方面，所述另一注入器包括振荡器或激光二极管或集成电路激光源。
根据另一实施例，所述注入系统包括注入器、千兆赫源和位于所述注入器和所述千兆赫源之间的电子同步系统，所述注入器适于产生具有介于100fs至几百皮秒之间的短持续时间的源脉冲，所述千兆赫源适于产生具有介于5ns至几百ns之间的长持续时间包络的其他千兆赫源脉冲突发，所述电子同步系统适于在所述源脉冲和所述千兆赫源脉冲突发之间引起延迟，所述光束组合器适于在空间和在时间上重叠所述源脉冲和所述其他千兆赫源脉冲突发，所述光学放大系统适于接收在时间上重叠的所述源脉冲和所述其他千兆赫源脉冲突发并产生与所述其他放大脉冲突发在时间上重叠的所述放大脉冲，压缩器适于接收所述放大脉冲并产生压缩放大脉冲。
有利地，在该实施例中，短持续时间源脉冲具有介于100fs至几百飞秒之间的持续时间。
根据第二实施例的特定方面，所述注入器包括振荡器和光调制器。
根据第二实施例的另一特定方面，所述脉冲激光系统包括设置在所述光束组合器上游的光延迟装置。
根据任一实施例的另一特定方面，所述脉冲激光系统包括适于对具有短持续时间的所述放大脉冲和/或所述另一放大脉冲，另外的所述其他放大脉冲突发，进行振幅调制的光衰减器或光调制器。
根据另一特定方面，所述光束组合器是选自光耦合器、偏振器、二向色组件、干涉滤光器或非线性光学组件中的一种。
根据另一特定方面，所述脉冲激光系统包括设置为接收具有短持续时间的所述放大脉冲并产生具有短持续时间的波长转换放大脉冲的非线性光频率转换器。
当然，本发明的不同特征、变型和实施例可以根据各种组合相互关联，只要它们不是彼此不兼容或排他的。
附图说明
此外，本发明的各种其他特征从参考示出本发明的非限制性实施例的附图进行的所附描述中显现，其中：
图1示意性地表示由现有技术的激光系统产生的短或超短连续激光脉冲，
图2示意性地表示根据第一实施例的具有时间重叠脉冲的激光系统，
图3示意性地表示根据第一实施例的变型的具有时间重叠脉冲的激光系统，
图4示意性地表示根据第一实施例的在时间上重叠的具有相对延迟量Δt2的短脉冲和长脉冲的能量，
图5示意性地表示根据第二实施例的具有时间重叠脉冲的激光系统，
图6示意性地表示在第二实施例中使用的注入器的示例，
图7示意性地表示在第二实施例的变型中使用的注入器的另一示例，
图8示意性地表示根据第二实施例的以相对Δt2在空间和时间上重叠的一个或多个短脉冲和一个长脉冲的能量，
图9示意性地表示根据第二实施例的变型的以相对延迟量Δt2在时间上重叠的长包络脉冲突发和短脉冲的能量。
应当注意，在这些图中，不同变型共有的结构和/或功能元件可以具有相同的参考标号。
具体实施方式
详细描述了不同的实施例。
在本文的其余部分中，脉冲激光系统的架构部分地基于啁啾脉冲放大。在这种类型的架构中，展宽器通过使用脉冲的频谱特性对脉冲进行时间展宽，光学放大系统放大展宽的脉冲以产生高能量的放大脉冲，链末端的压缩器在时间上对脉冲进行重新压缩放大脉冲产生高功率超短脉冲。
图2示意性地表示脉冲激光系统的第一实施例。
更具体地，根据第一实施例，脉冲激光系统包括注入系统10、光学放大系统20、分束器60、压缩器30、光学延迟线40和光束组合器71。
注入系统10包括振荡器13、展宽器15和光调制器16。振荡器13以高达约100MHz的速率产生脉冲。展宽器15在保持相同速率的同时在时间上展宽振荡器的每个脉冲。光调制器16允许选择光学放大系统20上游的一个或多个源脉冲100。
例如，光学放大系统20接收源脉冲100，将其放大并传送放大脉冲200。光学放大系统20包括一个或多个光放大器，例如前置放大器后接功率光放大器。当放大介质的增益带宽比源脉冲100的频谱宽度窄时，由于放大介质中脉冲的频谱变窄效应，放大脉冲200可以具有比源脉冲100更短的持续时间。或者，脉冲200的持续时间可以类似于源脉冲100的持续时间。
分束器60优选地是无源光学组件。举例来说，分束器60包括具有至少一个输入分支和两个输出分支的振幅耦合器-分离器。分束器60在输入分支上接收放大脉冲200。分束器60适于将放大脉冲200振幅分割为在一个输出分支上传播的分开的放大脉冲201和在另一输出分支上传播的另一分开的放大脉冲202。或者，分束器60包括偏振装置，例如偏振器和/或相位板，其被配置为根据偏振态将放大脉冲200偏振分割为分开的放大脉冲201，以及根据另一偏振态将放大脉冲200偏振分割为另一分开的放大脉冲202。根据另一变型，分束器60包括二向色镜或干涉滤光器，其适于将放大脉冲200波长分割成一个波长的分开的放大脉冲201和另一波长的分开的放大脉冲202。
有利地，分束器60允许相对于另一分开的放大脉冲202的振幅来改变和调整分开的放大脉冲201的振幅。可选地，衰减器80设置在输出分支中的一个或另一个上。该衰减器80允许独立于分束器60而相对于另一分开的放大脉冲202的振幅来调整分开的放大脉冲201的振幅。
在图2所示的实施例中，分开的放大脉冲201在分束器60的输出分支被引导到压缩器30，而另一分开的放大脉冲202在分束器60的另一输出分支被引导到光学延迟线40。压缩器30接收分开的放大脉冲201并传送具有短持续时间的压缩放大脉冲301。压缩放大脉冲301的持续时间Tc介于100fs至几ps之间。特别有利地，压缩放大脉冲301的持续时间Tc介于100飞秒至几百飞秒之间。光学延迟线40在不通过压缩器30的情况下接收另一分开的放大脉冲202，并传送具有长持续时间的延迟放大脉冲402，长持续时间表示为TL，介于几ps至1ns之间，具有小于或等于长持续时间的延迟放大脉冲402的持续时间TL的延迟量Δt2。在根据本公开的同一激光系统中，长脉冲和短脉冲之间的持续时间比包括介于1至10000之间，其值根据应用而确定。
根据图3所示的变型，延迟线40与光束组合器71上游的压缩器30设置在同一分支上。在该变型中，分开的放大脉冲201被引导到压缩器30和延迟线40，而另一分开的放大脉冲202被直接引导到光束组合器71。在这种情况下，压缩器30接收分开的放大脉冲201并传送具有短持续时间的压缩放大脉冲301。光学延迟线40接收压缩放大脉冲301并发送具有延迟量Δt2的压缩放大脉冲401，延迟量Δt2小于或等于形成长放大脉冲的另一分开的放大脉冲202的持续时间TL。
在图2和图3所示的第一实施例中，光束组合器71设置在光学放大系统20和延迟线40的下游。
在图2所示的实施例中，光束组合器71通过以相对延迟量Δt2在空间和时间上进行重叠来将将压缩放大脉冲301与具有长持续时间的延迟放大脉冲402重组。
在图3所示的实施例中，光束组合器71通过以相对延迟量Δt2在空间和时间上进行重叠来将延迟了延迟量Δt2的压缩放大脉冲401与具有长持续时间的另一分开的放大脉冲202重组。
光束组合器71是具有两个输入通道和一个输出通道的无源光学组件，用于以相对延迟量Δt2在空间上分别重叠具有短持续时间的压缩放大脉冲301、401和具有长持续时间的放大脉冲402、202，所述相对延迟量Δt2在短压缩放大脉冲和长放大脉冲之间。
在示例性实施例中，光束组合器71包括具有至少两个输入和一个输出的耦合器。光束组合器71适于以相对延迟量Δt2将短压缩放大脉冲301、401和长放大脉冲402、202分别进行振幅重叠。或者，光束组合器71包括偏振器，其被配置为将根据一种偏振态的短压缩放大脉冲和根据另一偏振态的长放大脉冲进行偏振重组。根据另一变型，光束组合器71包括二向色镜或滤光器或干涉滤光器，其适于将一个波长的短放大脉冲和另一波长的长放大脉冲重组。
在特定实施例中，光束组合器71还可以允许相对于长放大脉冲的振幅改变和调整短放大脉冲的振幅。然而，在这个级别引入这种振幅调整功能可能会导致损失并降低最大可存取功率。
在示例性实施例中，光学延迟线40添加固定和预定的延迟量Δt2。光学延迟线40由光学组件(例如，反射镜)制成，以允许以优于200飞秒的精度获得介于1ps至100ns之间的延迟量Δt2。光学延迟线40允许将短压缩放大脉冲301或401分别与长放大脉冲402或202重叠。短压缩放大脉冲相对于长放大脉冲的时间位置根据延迟量Δt2准确地确定，如图4所示。在图4中，延迟量Δt2在光束组合器71的输入处以短压缩放大脉冲的开始和长放大脉冲的开始之间的绝对值表示。在本文中，术语“脉冲的开始”是指脉冲强度等于该脉冲最大值的预定比例(例如最大值的10％)的时刻。
有利地，延迟量Δt2大于或等于另一分开的放大脉冲202的长持续时间TL的四分之一或一半，甚至是四分之三，其形成长放大脉冲。例如，对于持续时间等于100ns的长脉冲，延迟量Δt2至少为25ns，优选地至少为50ns。以这种方式，长放大脉冲在短放大脉冲开始之前照射暴露的材料。
根据特定且有利的变型，光学延迟线40具有可变延迟量Δt2，其允许调整短放大脉冲和压缩脉冲与长放大脉冲之间的延迟量。可变光学延迟线40例如简单地通过几个反射镜制成，其中一个反射镜安装在电动平移台上以实现光路长度的变化，因此获得短放大脉冲和长放大脉冲之间的可调整延迟量。
第一实施例的优点是在放大之后在两个空间分离的通道上传送短压缩放大脉冲和长放大脉冲。这种分离允许在经由光束组合器71重组短放大脉冲和压缩短脉冲和/或长放大脉冲之前，独立地修改它们。
根据第一实施例的变型，激光系统还包括设置在光束组合器71下游的非线性光频率转换器50。非线性光频率转换器50例如是总频率发生器、第二频率发生器，更一般地是多谐波发生器。例如，非线性光频率转换器50包括一个或多个用于改变波长的倍频晶体。因此，例如可以从1030nm的初始波长通过倍频(或用于“二次谐波生成”的SHG)过渡到515nm的波长，或以三倍频过渡到343nm的波长，或以四倍频过渡到257nm的波长。这种非线性光频率转换器50对入射光束的峰值功率非常敏感。通过将倍频晶体放置在链的末端，促进了从能量更高的短脉冲(即，短放大脉冲301)到经频率转换的短放大脉冲501的频率转换。在这种情况下，长放大脉冲不会发生光频率转换。非线性光频率转换器50因此允许独立于长放大脉冲选择性地对短放大脉冲进行频率转换。非线性光频率转换器50不会在经频率转换的短放大脉冲501和长放大脉冲之间引入额外的时移。
可选地或补充地，在另一分开的放大脉冲202的路径上还有另一非线性光频率转换器52，以便对光束组合器71上游的长放大脉冲202或延迟长放大脉冲402进行频率转换，以形成经频率转换的长放大脉冲502，例如光频率放大两倍或三倍。非线性光频率转换器52允许独立于短放大脉冲对长放大脉冲进行光频率转换。
在所有情况下，通常合适的是在每个非线性光频率转换器50和/或52的下游添加二向色镜以消除未转换的入射能量的一部分，特别是红外线中残余光束的波长。
根据第一实施例的变型，激光系统还包括位于另一分开的放大脉冲202的路径上的另一压缩器32，以便对光束组合器71上游的长放大脉冲，即长放大脉冲202或402，进行时间压缩并且形成具有小于100ps(例如，介于1ps至70ps之间)的长持续时间的另一压缩放大脉冲302。该变型允许独立于短放大脉冲在时间上压缩长放大脉冲，例如以调整短放大脉冲和长放大脉冲之间的持续时间比。
总之，第一实施例允许在同一光学放大系统20中放大的短放大脉冲和长放大脉冲之间施加相对延迟。可选地，第一实施例允许独立于长放大脉冲对短放大脉冲进行频率转换，或做反向操作。
图4示出了通过根据第一实施例的借助激光系统获得的短放大脉冲301和长放大脉冲302、402或502的时间重叠的示例，短放大脉冲301和长放大脉冲在时间上偏移相对延迟Δt2，使得待加工材料在暴露于短放大脉冲之前，在长放大脉冲开始处暴露等于相对延迟Δt2的持续时间。
在第一实施例的一个示例性应用中，压缩放大脉冲301具有介于大约100fs至500fs之间的短持续时间Tc。注入器10、光学放大系统20和分束器60形成分开的放大脉冲201和另一分开的放大脉冲202，其持续时间TL介于20ps至几百ns之间、5ns至100ns之间，或20ps至1ns之间，或20ps至700ps之间，例如50ps至150ps之间。压缩器30压缩分开的放大脉冲201以形成具有介于100fs至500fs之间的短持续时间Tc的压缩放大脉冲301。光学延迟线40延迟另一分开的放大脉冲202并形成延迟Δt2的长放大脉冲402。光学延迟线40允许调整短压缩放大脉冲301和长放大脉冲402之间的延迟Δt2。光束组合器71以延迟Δt2在空间和时间上重叠短放大脉冲301和长放大脉冲402。激光系统具有例如100W的平均功率。放大脉冲301和402的总能量优选地可在100μJ至50mJ之间调整。短放大脉冲301和长放大脉冲402之间的能量分布例如为50/50。当然，分束器60和/或光束组合器71的另一调整允许获得短放大脉冲301和长放大脉冲402之间的另一能量分布。注入器10的速率介于大约100kHz至2MHz之间。在100kHz的速率下，每100W平均功率可提供1mJ的能量。可选地，设置在光束组合器71上游的光学延迟线40上的另一压缩器32允许将长放大脉冲402的持续时间减少到小于70ps的值。
在光束组合器71的输出端，获得了具有短持续时间(通常为飞秒)的放大脉冲与具有ps或ns持续时间的长放大脉冲的时间重叠，所述时间重叠具有优选可调整的延迟Δt2。短压缩放大脉冲和长放大脉冲的这种时间重叠允许实现新的激光-物质相互作用机制。具体地，长脉冲开始的应用允许加热材料并改变其烧蚀阈值，然后短脉冲的时间重叠允许比单独使用短脉冲更有效地烧蚀材料。
实际上，已知超短模式下的激光方法可以实现作用于不同时间常数的多种类型的激光-物质相互作用机制，例如相当短(fs/ps)或较长(ns/μs/ms)。具体地，激光照射对温度上升和/或材料烧蚀动力学的影响非常依赖于脉冲的持续时间。
此外，通过总频率发生使短持续时间的压缩放大脉冲301、401、501和/或长持续时间的放大脉冲302、402或502具有不同波长的可能性允许获得双倍或三倍的光频率，换言之，波长除以2或3。这种光频率转换允许有一个额外的参数来监测这些激光-物质相互作用的机制，特别是激光烧蚀的机制。
这种还源于相互作用的物理特征的时间成形允许在一段时间内控制施加到材料上的能量分布。
总之，根据第一实施例的激光系统允许传送由同一光学放大系统放大并在时间上重叠的至少两个脉冲：具有短持续时间(优选地为飞秒)的放大脉冲，和具有长持续时间的另一放大脉冲(皮秒或纳秒)，具有短持续时间的放大脉冲相对于长脉冲以一定时间延迟而施加，该时间延迟小于长脉冲的持续时间。
图5示意性地表示脉冲激光系统的第二实施例。
该第二实施例基于两个注入器的组合：注入器11，优选地类似于结合图2描述的注入器10；以及另一注入器12或辅助注入器。注入器11传送具有短飞秒持续时间的源脉冲101。另一注入器12传送具有长皮秒或纳秒持续时间的另一源脉冲102。根据长脉冲持续时间的选择，另一注入器12可以包括展宽器。压缩器30通常适应注入器11的展宽器以产生具有飞秒持续时间的压缩脉冲311。可选地，注入器11和/或另一注入器12包括光学前置放大器。
电子同步系统18允许电子地调整短源脉冲101和另一长源脉冲102之间的延迟Δt2。通过电子手段获得的延迟准确度通常低于通过诸如光学延迟线之类的光学手段获得的延迟。对于常规电子系统，该精度在1ns的范围内。然而，现有更复杂的电子系统允许获得高达一百皮秒的精度。在另一源脉冲102具有大于或等于1ns的长持续时间的情况下，该精度非常适合。高精度电子设备(称为“同步锁”)也是公知的，其允许fs范围的同步，并且例如适合于在MHz或GHz范围内工作的锁模振荡器类型的注入器12。
在第二实施例中，光束组合器72设置在光学放大系统20的上游。光束组合器72以由同步系统18定义的延迟Δt2在空间和时间上重叠短源脉冲101和另一长源脉冲102。
光束组合器72有利地包括偏振器、产生根据偏振态而偏振的短源脉冲101的注入器11，以及产生根据另一横向偏振态而偏振的另一长源脉冲102的注入器12。或者，光束组合器72是光谱组件，例如二向色镜或干涉滤光器。
根据特定且有利的方面，衰减器81或82置在光束组合器72和入器11或另一注入器12之间。衰减器81或82允许调节短源脉冲101，或另一长源脉冲102的能量。或者，能量调整也可以由光束组合器72完成。为此，衰减器或光束组合器可以从允许根据入射角修改透射率/反射率曲线的二向色镜、具有可变频谱宽度的干涉滤光器或偏振组件中选择。短源脉冲101和/或另一长源脉冲102的能量调整允许调整在激光系统的输出端获得的重叠中的短源脉冲和另一长源脉冲的贡献比例。
在第二实施例的示例中，短源脉冲101具有fs持续时间。商用高带宽激光二极管产生具有介于5ns至几百ns之间的长持续时间TL的另一源脉冲102。通过修改电子设备可以获得5ns的较短持续时间TL。源脉冲101和另一源脉冲102的空间重叠是不可调整的。具体地，由于fs脉冲的克尔(Kerr)效应，ns光束和fs光束的尺寸可能不完全相同。在光束组合器72的下游，短源脉冲101和另一长源脉冲102以相对延迟至少部分地在空间和时间上重叠。更具体地，短源脉冲101在一定时滞或延迟量之后与另一长源脉冲102重叠，该时滞或延迟量小于另一长源脉冲102的持续时间。
另一源脉冲102的持续时间可以在5ns至几百ns之间调整。然而，如果另一长源脉冲102的持续时间大于300ns，则可以降低最大可存取速率。
电子同步系统18允许以1ns范围内的精度电子地调整短源脉冲101和另一长源脉冲102之间的延迟。
短源脉冲101和另一长源脉冲102的总累积能量的变化范围介于1μJ至50mJ之间。
光学放大系统20同时放大短源脉冲101和另一长源脉冲102。换言之，两个短源脉冲和长源脉冲在产生短放大脉冲211和另一长放大脉冲212的光学放大系统20中被放大。短放大脉冲211和另一长放大脉冲212在空间上重叠。此外，在电子同步系统18延迟之后，短放大脉冲211在时间上与另一长放大脉冲212重叠。因此，待加工材料在暴露于短放大脉冲211之前，在另一长放大脉冲212的开始处暴露等于上述延迟量的持续时间。
可选地，压缩器30接收重叠的短放大脉冲211和另一长放大脉冲212。然而，压缩器30通常针对短放大脉冲211的时间压缩进行优化，以便产生具有短持续时间的压缩放大脉冲311。另一注入器12例如包括非常窄频谱的纳秒二极管。在这种情况下，压缩器30不压缩另一长放大脉冲212。因此在压缩器30的输出端发现另一长放大脉冲212。因此压缩器30产生另一长放大脉冲212和具有介于100fs至几ps之间的短持续时间Tc的压缩放大脉冲311的重叠。当注入器11的重复周期小于另一长放大脉冲212的持续时间时，有可能使数个具有短持续时间的压缩放大脉冲重叠在同一个长放大脉冲212上。因此，图8示出了两个压缩放大脉冲311、321在同一长放大脉冲212上的重叠。在长放大脉冲212开始之后，以延迟Δt2施加第一压缩放大脉冲311。在以延迟Δt2施加第一压缩放大脉冲311之后，以延迟Δt1施加第二压缩放大脉冲312。延迟Δt2和Δt1之和小于长放大脉冲212的持续时间。或者，压缩器30适于在时间上压缩例如具有纳秒范围的持续时间的另一放大脉冲212，并形成具有皮秒范围的长持续时间的另一压缩放大脉冲312。
或者，激光系统不包括位于光学放大系统下游的压缩器。该变型特别适合于注入器11产生持续时间为几百皮秒的源脉冲101并且另一注入器产生持续时间介于几纳秒至几百纳秒之间的另一源脉冲102的情况。在这种情况下，光学放大系统直接产生具有几百皮秒的短持续时间的放大脉冲211，该放大脉冲211与具有介于几纳秒至几百纳秒之间的长持续时间的另一放大脉冲212在时间上重叠。
根据第二实施例的另一变型，在注入器11中还具有光学延迟线41或在另一注入器12中还具有光学延迟线42。该变型更具体地涉及另一源脉冲102具有ns范围内或小于1ns的持续时间的情况。光学延迟线41或42的调整允许根据图8的图表正确地定位短源脉冲101和另一长源脉冲102的时间重叠。还可以通过具有校准长度的光纤提供固定延迟以获得预定延迟。
根据第二实施例的又一变型，激光系统还包括设置在压缩器30下游的非线性光频率转换器50。非线性光频率转换器50例如是总频率发生器、第二频率发生器，更一般地是多谐波发生器。非线性光频率转换器50接收在时间上重叠的压缩放大脉冲311和另一长放大脉冲212。这种非线性光频率转换器50对入射光束的峰值功率非常敏感。通过将倍频晶体放置在链的末端，促进了从能量更高的短持续时间脉冲(即，压缩放大脉冲311)到经短持续时间频率转换的放大脉冲511的频率转换。在这种情况下，另一长放大脉冲212不会发生光频率转换。非线性光频率转换器50因此允许独立于另一长放大脉冲选择性地对短放大脉冲进行频率转换。或者，非线性光频率转换器50还会将另一长放大脉冲212转换为具有长持续时间的另一经频率转换的放大脉冲512。
优选地，注入器11类似于注入系统10，包括振荡器13、展宽器15和光调制器16，并结合图2进行描述。
图6表示在第二实施例中使用的另一注入器12的示例。该另一注入器12包括振荡器132、可选的展宽器152和光调制器162。在振荡器132传送飞秒脉冲的情况下，该振荡器132无论是否与展宽器152相关联，都允许产生具有介于一百飞秒至一百皮秒之间的长持续时间的另一源脉冲102。在振荡器132传送皮秒脉冲的情况下，不需要使用展宽器152。电子同步系统18通过受控伺服环(称为“同步锁定”和“锁相”环)使另一注入器12的振荡器132与注入器11的振荡器13在时间和相位上同步。
图7表示在第二实施例中使用的另一注入器12的另一示例。该另一注入器12包括大带宽激光二极管14和光调制器162。激光二极管14也可以是增益开关二极管，其短源脉冲持续时间可以降低到30ps。激光二极管14直接产生具有纳秒持续时间的另一源脉冲102。在这种情况下，不需要展宽器。激光二极管14的发射波长被选择为在光学放大系统20的带宽内。在光束组合器72是偏振器的情况下，确定激光二极管14的偏振态以允许光束组合器72将短源脉冲101与长源脉冲102进行重叠。在宽谱带光学放大系统(例如，光纤放大器)的情况下，光束组合器72也可以是光谱组件，例如二向色镜或干涉滤光器。
电子同步系统18允许控制由注入器11产生的短源脉冲101和由另一注入器12产生的另一长源脉冲102之间的延迟。对于FPGA电子系统，电子同步系统18的精度在100ps的范围内。或者，使用连续的发射激光二极管14和光调制器162调制由二极管发射的光强度，以产生另一长源脉冲102。这种替代方案允许获得短源脉冲101和另一长源脉冲102的更佳重叠精度，该精度仅受电子同步系统精度的限制。
在另一变型中，另一注入器12是触发类型的微芯片，其以由泵浦功率控制的速率运行，该泵浦功率例如在100kHz至1MHz之间可变。在这种情况下，注入器11的振荡器13以该集成电路的速率或以该速率的倍数同步。
图8示出了借助于根据第二实施例的激光系统，通过使短放大脉冲311和另一长放大脉冲212在时间上重叠而获得的脉冲重叠的示例，其中短放大脉冲311相对于另一长放大脉冲212在时间上偏移延迟Δt2。最短放大脉冲311具有介于大约100fs至几ps之间的短持续时间Tc。另一放大脉冲212具有介于5ns至几百ns之间的长持续时间TL。延迟Δt2小于另一长放大脉冲212的持续时间，优选地小于另一长放大脉冲212的持续时间的一半。可选地，至少一个第二短放大脉冲321也与相同的另一长放大脉冲212在时间上重叠。短放大脉冲311和第二短放大脉冲321之间的延迟例如等于注入器11的重复周期。
根据第二实施例的变型，注入器11仅包括传送飞秒脉冲的振荡器13和适于选择短源脉冲101的光调制器16。另一注入器包括以振荡器的速率产生M个其他千兆赫源脉冲的序列(或“突发”)的千兆赫源，M是自然数。例如，另一注入器12包括以千兆赫(GHz)速率传送M个其他飞秒脉冲的突发的振荡器132，其中M的数量可调整。在本文中，术语“千兆赫速率”表示介于0.1GHz至几十GHz之间的速率或重复频率。这种类型的振荡器允许直接传送其他源脉冲的突发，波列的持续时间Tt介于一纳秒至一百纳秒之间。在选择M个其他源脉冲的突发的情况下，可由光学延迟线41或42完成的电子同步系统18适配为使得短源脉冲101与其他脉冲的突发在时间上重叠，该源脉冲具有长持续时间包络。因此，来自千兆赫兹源的其他GHz源脉冲的突发包络能够以相对延迟Δt2与短源脉冲101在时间上重叠，其中相对延迟Δt2位于短源脉冲101和M个其他源脉冲的突发包络之间。
根据第二实施例的该变型，光学放大系统20同时放大短源脉冲101和其他GHz源脉冲的突发以分别形成放大脉冲211和其他放大脉冲的突发，这些放大脉冲和其他放大脉冲的突发以相对延迟Δt2在时间上重叠。在光学放大系统20的输出端，压缩器30分别对放大脉冲211和其他放大脉冲的突发进行时间压缩，并产生具有短持续时间的压缩放大脉冲311和其他压缩放大脉冲221、222、…、22M的突发220。其他压缩放大脉冲的突发220具有长持续时间包络。其他压缩放大脉冲的突发220的速率与GHz源的速率相同。以此方式，待加工材料在暴露于具有短持续时间的压缩放大脉冲311之前，在其他压缩放大脉冲的突发220开始处暴露，突发220具有长持续时间包络，持续时间等于相对延迟量Δt2。
第二实施例具有在空间上重叠光学放大系统和压缩器上游的短脉冲和长脉冲或脉冲突发的优点。换言之，根据第二实施例的激光系统分别传送在一个相同通道上重叠的短脉冲和长脉冲或脉冲突发。在注入系统11、12中执行短压缩放大脉冲和长放大脉冲或放大脉冲突发之间的相对延迟的调整。另一长脉冲或其他脉冲的突发的持续时间例如在5ns至几百ns的范围内。
本公开的激光系统允许获得持续时间在几百飞秒范围内的称为短放大脉冲的一个或多个放大脉冲与持续时间介于几十皮秒至几百纳秒之间的称为长放大脉冲的另一放大脉冲的重叠，短脉冲在相对于长放大脉冲的开始的一定延迟之后施加。在示例性实施例中，单个短放大脉冲在空间和时间上与长放大脉冲重叠。
根据图9所示的第二实施例的示例，具有短持续时间的压缩放大脉冲311与具有短持续时间的M个其他压缩放大脉冲221、222、…、22M的突发220以非常高的速率(在GHz范围内)重叠，M个其他GHz放大脉冲的突发具有介于几十皮秒至几百纳秒之间的长持续时间Tt的包络。该突发的每个放大脉冲221、222、...、22M具有例如介于100fs至500fs之间的持续时间。脉冲突发220的开始在这里被定义为脉冲突发220的第一脉冲221的开始。
本发明的系统通过使用一个相同的系统光放大器，允许在时间上分别重叠至少一个具有短持续时间的放大和压缩脉冲和一个更长的放大脉冲，或一个放大脉冲的长包络突发。这种用于具有短持续时间的压缩放大脉冲的飞秒或皮秒，以及用于长放大脉冲或放大脉冲的长包络突发的皮秒或纳秒的混合机制为激光-物质相互作用方法的精细控制提供了额外的参数。
当然，在所附权利要求的范围内，可以对本发明进行各种其他修改。
Claims (13)
1.一种脉冲激光系统，包括注入系统(10、11、12)、光学放大系统(20)和光束组合器(71、72)，所述脉冲激光系统适于一方面分别产生具有介于100fs至几百皮秒之间的短持续时间(Tc)的放大脉冲(211、301、311、401、501)，另一方面产生具有长持续时间(TL)的另一放大脉冲(202、212、302、402、502)或以千兆赫频率放大的具有长持续时间包络(Tt)的其他脉冲突发，所述长持续时间(TL,Tt)大于所述短持续时间(Tc)，并且所述长持续时间(TL,Tt)介于几皮秒至几百纳秒之间，具有短持续时间(Tc)的所述放大脉冲(301、311、401、501)和具有长持续时间(TL)的所述另一放大脉冲(302、402)或具有长持续时间包络(Tt)的所述其他脉冲突发(202、212、302、402、502)来自同一光学放大系统(20)，并且具有短持续时间(Tc)的所述放大脉冲(301、311、401、501)在所述脉冲激光系统的所述输出端，与具有长持续时间(TL)的所述另一放大脉冲(202、302、402、502)或具有长持续时间包络(Tt)的所述其他脉冲突发以相对延迟(Δt2)在时间上重叠，所述相对延迟(Δt2)小于或等于所述长持续时间(TL,Tt)。
2.根据权利要求1所述的脉冲激光系统，其中所述注入系统(10)适于产生源脉冲(100)，所述光学放大系统(20)适于接收所述源脉冲(100)并产生放大脉冲(200)，所述脉冲激光系统包括具有输入分支、输出分支和另一输出分支的分束器(60)，所述分束器(60)设置为将所述放大脉冲(200)分开并形成所述输出分支上的分开的放大脉冲(201)和所述另一输出分支上的另一分开的放大脉冲(202)；压缩器(30)，其设置在所述输出分支上并且适于接收所述分开的放大脉冲(201)并产生具有短持续时间(Tc)的压缩放大脉冲(301)；光学延迟线(40)，其设置在所述输出分支或所述另一输出分支上以引起所述相对延迟量(Δt2)；光束组合器(71)，其具有连接到所述分束器(60)的所述输出分支以接收具有短持续时间(Tc)的所述压缩放大脉冲(301)以及连接到所述分束器(60)的所述另一输出分支以接收具有长持续时间(TL)的所述另一分开的放大脉冲(202)的另一输入。
3.根据权利要求2所述的脉冲激光系统，还包括设置在所述光束组合器(71)上游的所述另一输出分支上的另一压缩器(32)，所述另一压缩器(32)适于在时间上压缩所述另一分开的放大脉冲(202)。
4.根据权利要求2或3所述的脉冲激光系统，包括设置在所述光束组合器(71)上游的所述分束器(60)的所述另一输出分支上的非线性光学系统(52)，所述非线性光学系统(52)适于对所述另一分开的放大脉冲(202)进行波长转换。
5.根据权利要求1所述的脉冲激光系统，其中所述注入系统(10、11、12)包括注入器(11)、另一注入器(12)和位于注入器(11)和另一注入器(12)之间的电子同步系统(18)，所述注入器(11)适于产生具有介于100fs至几百皮秒之间的短持续时间的源脉冲(101)，所述另一注入器(12)适于产生具有长持续时间的另一源脉冲(102)，所述长持续时间包括在介于5ns至几百ns之间，所述电子同步系统(18)适于在所述源脉冲(101)和所述另一源脉冲(102)之间引起小于或等于所述长持续时间的延迟，所述光束组合器(72)适于在空间和时间上重叠所述源脉冲(101)和所述另一源脉冲(102)，所述光学放大系统(20)适于接收在时间上重叠的所述源脉冲(101)和所述另一源脉冲(102)并产生在时间上重叠的具有短持续时间的放大脉冲(211)和具有长持续时间的另一放大脉冲(212)。
6.根据权利要求5所述的脉冲激光系统，包括设置在所述光学放大系统(20)下游的压缩器(30)，所述压缩器(30)适于接收具有短持续时间的所述放大脉冲(211)并产生具有短持续时间的压缩放大脉冲(301)。
7.根据权利要求5或6所述的脉冲激光系统，其中所述另一注入器(12)包括振荡器(132)或激光二极管(14)或集成电路激光源。
8.根据权利要求1所述的脉冲激光系统，其中所述注入系统(10、11、12)包括注入器(11)、千兆赫源和位于所述注入器(11)和所述千兆赫源之间的电子同步系统(18)，所述注入器(11)适于产生具有介于100fs至几百皮秒之间的短持续时间的源脉冲(101)，所述千兆赫源适于产生具有介于5ns至几百ns之间的长持续时间包络(Tt)的其他千兆赫源脉冲突发，所述电子同步系统(18)适于在所述源脉冲(101)和所述千兆赫源脉冲突发之间引起延迟，所述光束组合器(72)适于在空间和在时间上重叠所述源脉冲(101)和所述其他千兆赫源脉冲突发，所述光学放大系统(20)适于接收在时间上重叠的所述源脉冲(101)和所述其他千兆赫源脉冲突发并产生与所述其他放大脉冲突发在时间上重叠的所述放大脉冲(211)，压缩器(30)适于接收所述放大脉冲(211)并产生压缩放大脉冲(311)。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的脉冲激光系统，其中所述注入器(11)包括振荡器和光调制器。
10.根据权利要求5至8中任一项所述的脉冲激光系统，包括设置在所述光束组合器(72)上游的光延迟装置(41、42)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的脉冲激光系统，包括适于分别对具有短持续时间的所述放大脉冲(301、311)和/或所述另一放大脉冲(302、402)，所述其他放大脉冲突发进行振幅调制的光衰减器(80、81、82)或光调制器(16、162)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的脉冲激光系统，其中所述光束组合器(71、72)是选自光耦合器、偏振器、二向色组件、干涉滤光器或非线性光学组件中的一种。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的脉冲激光系统，包括设置为接收具有短持续时间的所述放大脉冲(301、311)并产生具有短持续时间的波长转换放大脉冲(501)的非线性光频率转换器(50)。
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