CN117441273A - 用于增加激光器系统的使用寿命的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

激光器系统配置有至少一个光放大装置，所述至少一个光放大装置在相应的时间间隔内按顺序以第一操作波长和至少一个附加操作波长输出光信号。每个时间间隔短于所述光放大装置的预定有效寿命。以多个波长操作的所述光放大装置的总的使用寿命比预定有效寿命长3倍至10倍。

Description

用于增加激光器系统的使用寿命的方法和装置
技术领域
本公开涉及具有至少一个固态放大器或增强器的激光器系统。特别地，本公开涉及一种激光器系统，其中增强器可以受控制以在相应的时间间隔内以多个波长按顺序进行操作，每个时间间隔短于增强器以该多个波长中的任一波长的预定有效寿命。
背景技术
对于许多实体，资本资产代表了大量的资源投资。因此，为了充分利用投资，需要主动地核算和管理这些资产。折旧是“在资产的预计使用寿命内，资产的购置成本减去其预计残值或残余价值后的系统且合理的分配。”参见https://www.investopedia.com/ terms.asp。简单地说，它是一种固定资产在其可以使用的时段内分配部分成本的方法。“使用寿命是对资产在其价值被完全折旧之前被认为可以使用的平均年数的估计。”Id“固定资产是公司计划长期使用以帮助产生收入的物品，例如设备。Id
当估计资产的使用寿命(也被称为有效寿命)时，考虑资产的当前状况、资产的质量或如何使用资产，对于制造商而言是有帮助的。但是电脑的使用寿命是多少？汽车是多少？电视机是多少？以及对于(本)主题专利申请最重要的是，激光器的使用寿命是多少？这里是由美国政府推荐的使用寿命估算的一些示例(http://www.irs.gov/irm/part1/ irm_01-035-006.html.)
表I
考虑到各种固态激光器，其中包括光纤激光器等，每个单独装置的成本当然当然地根据配置、输出功率、操作状态、信号波长和许多其他因素和参数而有很大差异。然而，例如，在平均功率为数百瓦的准连续(quasi-continuous，QCW)状态下操作的固态激光器并不便宜。那么，并不奇怪任何客户/用户，无论其规模如何，都对所购买的装置/系统的耐久性非常感兴趣。对于制造商而言，当然，它的本质就是尽可能多地销售装置；然而，制造商的良好的声誉和客户群——商誉——无疑是任何企业的非常重要的无形资产。总之，激光器的使用寿命对于制造商和客户都是至关重要的。
可以增加固定资产的使用寿命的因素包括升级和定期维护固定资产、改进维护程序、技术进步和操作程序的修订等。以下描述涉及相应图1和图2A至图2B的示例性光纤激光器和光纤激光器系统，但是作为普通技术人员容易认识到，以下描述涉及以连续波(continuous wave，CW)、QCW或脉冲状态中的任何一种操作的任何固态激光器。
图2A至图2B分别图示了示例性的光学示意图和组装的脉冲绿光纳秒光纤激光器系统10，其在美国专利10,520,790中被详细公开，该美国专利的全部内容通过引用以其整体并入本文。图2的系统10包括模块12和激光头14。
除了其他部件之外，模块12容纳脉冲型主振荡器功率光纤放大器(pulsed masteroscillator power fiber amplifier，MOPFA)激光源(图2A)，其通过聚焦光学器件以由种子设定的1064nm的基本波长输出一系列IR光脉冲。MOPFA配置必须包括种子16和固态增强器18，例如光纤放大器。安装在模块12中的附加部件包括电子装置、前置放大器、光泵、控制种子温度的热电冷却器以及其他部件。激光头14封装基于非线性晶体的第二谐波频率发生器，其将处于1064nm的基本波长的IR光转换为处于532nm波长的绿光。它还容纳光导光学器件和用于将未转换的IR光与绿光分离的光谱滤波器。
系统10的操作包括指示系统10运行得如何的各种指示器。实际上，系统的每个部件都与通常被监测和控制的某些参数相关联。从客户的角度来看，系统10最重要的参数是系统的输出功率和光的光谱、时间和/或空间质量，如果需要的话的话是这样。
图3图示了系统10在以小时测量的操作时段内的输出。可以看出，总的IR功率在约350小时内退化了约35％。在相同的时间段内，绿光功率的退化为约46％。尝试识别这种显着退化的原因的激光领域的普通技术人员将能够归咎于无数的原因。然而，通常来说，最可能的罪魁祸首是光纤增强器。系统10的增强器的成本可能达到数万和甚至数十万美元。如果失效，修复整个系统10的唯一方法是更换整个增强器，其成本可能超过数十万美元。
在可以解释增强器失效的多种原因中，最可能的原因之一是基于热写入纵向折射率光栅以及与之相关联的光暗化效应。光暗化是指任何物体由于光照射而变得不透明(变暗)的过程。最近的论文使用该术语意味着在光纤中吸收颜色中心的可逆生成。这些中心增加了损失并降低了光质量。导致增强器退化的其他因素可能包括量子缺陷和背景吸收。显然，如果所使用的光纤具有高质量的特征并因此具有较高的光暗化阈值，则光纤增强器的使用寿命可以比图3的有效寿命稍长，并且可以达到约2000小时。然而，通常地，被并入系统10中的增强器持续不超过50000小时。
图4图示了Yb增强器的发射光谱。虚线18指示具有无波谷的倒抛物曲线的期望光谱。并且在一段时间内，可能会享受该曲线的平滑性，这指示被测试的系统以所期望的方式操作。但是其不会持续太久。在某一时间点T3，光经历了相当大的损失，如所测量的光谱20中的波谷所指示的。
图5总结了上述讨论。具体地，在时间T3，还被称为时间阈值，功率开始不可逆地减小。其发生后不久，增强器应该被更换。那么，增强器的使用寿命是多少？它肯定比上表中所公开的产品的使用寿命短。处理增强器的退化的已知做法包括操作该增强器直到使用寿命的结束为止，并且然后更换该增强器。
虽然以上描述一般集中于包括至少一个放大器的激光器系统，但是激光领域的普通技术人员容易认识到，其他光放大装置，例如独立的振荡器，也经历相同的问题。例如，对于图1的输出几百瓦并且有时甚至一千瓦的独立光纤振荡器并不罕见。在许多需要单模(single mode，SM)或多模(multimode，MM)窄线宽或SM单频(SM single frequency，SMSF)输出的基于激光的应用中，此类高的功率输出完全足以执行手头的任务，而无需采用附加的放大器。然而，与并入激光器系统中的放大器一样，高功率的独立振荡器可能仅受益于增加使用寿命。
基于前述内容，需要一种增加单独使用或并入激光器系统中的光放大装置的有效寿命的方法和结构组件。
发明内容
根据本公开的发明构思，至少一个激光器能够操作以针对相应的时间间隔按顺序以多个操作波长输出光信号。每个间隔在激光器达到预定时间阈值之前终止。众多实验已经显示，根据所公开的构思操作的激光器在使用中比根据已知的实践(即，以一个单一波长)使用的相同的增强器长3倍至10倍。本发明构思可以在独立的光放大振荡器或激光器系统中实施，该激光器系统除了振荡器之外还包括至少一个放大器。
独立的激光器被配置为振荡器，该振荡器能够操作以按顺序以所期望的光谱范围内的不同波长输出光。一般地，任何可调谐的激光器都以这种方式操作。然而，与可调谐振荡器相比，本发明构思要求振荡器以每个离散波长操作的时间间隔短于凭经验确定的以该波长的使用寿命。
通常地，设置有MOP(F)A架构的高功率激光器系统，主要的耐久性问题与增强器有关——一组放大器中的最后一个且最强大的放大级联提供具有最大增益的光。因此，示例性激光器系统包括种子——主振荡器，其以第一操作波长输出光信号，该第一操作波长选自种子可以发射激光的所期望的光谱范围的多个操作波长。光信号直接地耦接到增强器中，或者在逐级放大之后耦接到增强器中。该系统在第一时间间隔内以第一波长操作。根据本发明构思，第一时间间隔短于增强器以第一波长的预定有效寿命。
然后，将种子调谐到在第二时间间隔内以选自所述光谱范围的第二操作波长输出光信号。与相应的操作波长相对应的第二时间间隔和后续时间间隔分别短于增强器的预定有效寿命。通常地，增强器以任何所选择的操作波长的预定有效寿命基本上相同。然而，增强器具有在所选择的波长之间变化的使用寿命的可能性并不被排除在本发明的范围之外。在这种情况下，用于相应所选择的波长的时间间隔可能不是统一的，但构思保持不变：每个时间间隔短于增强器以任何给定波长的预定有效寿命。本发明构思允许增强器操作持续一段相当更长的使用寿命，同时以保持在预定的窄功率范围内的输出功率输出信号。通常地，后者为最大输出功率的±5-10％。
本发明的激光器和激光器系统还包括热电冷却器(TEC)，该热电冷却器被配置为控制振荡器的温度，并且更精确地控制布拉格光栅(Bragg Grating，BG)的温度，从而导致在所选择的范围内切换操作波长。在具有MOPA配置的激光器系统中，振荡器起种子的作用，种子通常地是激光二极管。然而，种子的其他配置，例如光纤振荡器，也是本发明的一部分。
根据一种配置，TEC基于校准表来操作，该校准表建立温度与相应的操作波长之间的关系。该表存储在控制器的存储器装置中。
替代性地，控制器配置有连续优化算法，该连续优化算法负责不间断地控制TEC的温度。相反，在基于表的配置中，温度以离散的逐步方式变化。因此，本发明构思可以应用于依赖于校准表的离散模式和连续模式，在该连续模式中，波长连续变化而无需跟踪给定光谱带中的精确波长。
除了温度可控制配置或替代温度可控制配置，如果种子具有半导体结构，则可以通过控制施加到该种子的输入电流来实现波长之间的切换。
所公开的方法建立了本发明的激光器系统的操作。特别地，其包括以按顺序的方式以多个操作波长操作种子。种子以每个操作波长操作的持续时间被控制为短于增强器的预定使用寿命。
附图说明
根据附图，本发明的系统和方法的各种特征将变得更加明显，附图并非旨在按比例绘制。附图构成本主题申请的一部分，但并不意在作为对任何特定实施例的限制的限定。在附图中，各图中所示的每个一致或几乎一致的部件由相似的附图标记表示。为了清楚起见，并非每个部件在每幅图中都被标记。在附图中：
图1图示了示例性独立振荡器；
图2A图示了设置有频率转换器的示例性光纤激光器系统的光学示意图；
图2B图示了图2A的示例性光纤激光器系统；
图3图示了图1和图2的激光器系统中IR功率和绿光功率随时间推移的分布；
图4图示了图1和图2的激光器系统的增强器的光谱功率输出；
图5示意性地图示了图4的增强器的操作；
图6示意性地图示了所公开的激光器系统的发明构思；
图7图示了本发明的激光器系统的示例性光学示意图；
图8示出了本发明激光器系统的在使用寿命内的IR功率和绿光功率的分布；
图9图示了图7的本发明系统的光谱功率输出；和
图10图示了图7的激光器系统的IR功率的分布。
具体实施方式
本发明构思允许激光器系统的独立激光器或放大器比具有标准配置的相同系统的有效寿命长3倍至10倍。根据任一给定规范的激光器系统的操作包括提供在被限制为规定输出功率的±10％的规定范围内的输出功率。优选地，该功率范围被限制为规定输出功率的±5-10％。
与图示了在光放大装置的整个有效寿命期间以单一波长操作的光放大装置的图5所示的已知技术相反，如图6所图示的本发明构思提供了在独立激光器或系统的放大器的有效寿命终止之前，将操作波长从λ1切换到λ2(到λn)。假设时间间隔0-T3和T3-T4分别各自等于预定有效寿命，则光放大装置分别在时间间隔(0-Ti3)和(Ti3-Ti4)的结束时切换到新波长，该时间间隔(0-Ti3)和(Ti3-Ti4)各自比预定有效寿命更短，如下所解释的。
除了图6之外，考虑图7，基于激光器系统15来详细地解释本发明构思。特别地，示例性示意图具有MOP(F)A架构，根据该MOP(F)A架构，种子(seed)20生成相应不同操作波长的光信号，这些光信号被按顺序耦接到增强器(booster)25中。具有MOPA配置的系统主要关注于增强器的耐久性(longevity)，该增强器具有比种子20的使用寿命显著更短的使用寿命。种子20优选地是输出微弱信号的激光二极管，该微弱信号在包括所示的增强器25的可选的放大级联中被按顺序放大。种子20的配置不限于激光二极管，并且可以包括窄线宽激光器、波长可调谐/不可调谐的激光器、光纤激光器、固态激光器和单频激光器中的一种。
增强器25以每个被耦接的操作波长操作持续某一时间间隔。增强器25必须满足的条件包括：在达到已知的时间阈值(其是增强器的有效寿命)之前，终止该增强器25以任何所选择的操作波长的操作。与种子20类似，增强器25可以具有选自窄线宽放大器、单频放大器、波长可调谐放大器、波长不可调谐放大器、光纤放大器、固态放大器和混合放大器等的各种配置。
示例性系统15具有与图2B的系统10类似的配置。然而，由于其结构特殊性，原始系统部件能够提供附加的结构特征，其包括种子20在众多操作波长之间的周期性切换。操作波长选自种子20操作的光谱范围。光谱范围取决于激光器配置和掺杂剂的类型。例如，铥(Tm)光纤激光器的光谱范围可以宽至大约200nm，而掺杂有镱(Yb)的固态和光纤激光器则具有明显更窄的光谱范围。如果使用后者，则示例性的光谱范围为约10nm。
系统15的种子20包括以单频操作的单模(SM)二极管激光器。一般地，通过改变激光二极管的输入处的温度和/或电流来切换该激光二极管的输出的操作波长。这对于IR激光二极管来说极其明显，其中温度的小变化都会极大地影响小带隙。因此，几乎所有的激光二极管都是温度可调谐的，但是这种可调谐性一般很小。激光二极管还通过改变输入电流来显示一些基于电流的功率可调谐性，但是它不如基于温度的可调谐性优选。本发明构思可以成功地在配置有种子20的激光器系统中工作，该种子20以单一或多个横向和纵向模式(MM)输出辐射。
激光器系统15的控制系统(CS)30监测每个时间间隔的持续时间，并且在该持续时间的结束时生成耦接到热电冷却器(TEC)35中的控制信号。响应于该控制信号，TEC 35改变种子20的温度，从而促使该种子20以与紧接之前所使用的操作波长不同的另一操作波长操作。
结合有本发明结构的系统15以以下方式操作。假设该系统15的增强器25(图7)具有覆盖0-T3时间段的有效寿命，如图6所示，其中T3为时间阈值。在增强器以第一操作波长λ1操作达到时间阈值T3之前，CS 30在短于T3时间阈值的任意时间Ti1输出控制信号。控制信号使得TEC 35能够改变种子20的温度，该种子20以新操作波长λ2生成光信号。种子20以新波长λ2的操作持续时间间隔Ti1e-Ti2，该时间间隔Ti1e-Ti2可以具有或可以不具有与第一时间间隔0-Ti1相同的持续时间，但是其必然短于增强器25的有效寿命。该增强器25在相应的统一或非统一的时间间隔内继续接收来自种子20的以相应不同的操作波长λn的一个或多个光信号，所述相应的统一或非统一的时间间隔中的每一个时间间隔小于以任意单一波长操作的增强器25的有效寿命。
如图8所图示的，本发明的系统15的增强器25的使用寿命比图3所示的相同的增强器的使用寿命长4倍以上。显然地，增强器25的使用寿命可以比图8所示的增强器的使用寿命甚至更长，并且比已知的现有技术的增强器25的寿命长10倍。增强器25的增加的有效寿命不会影响图7的系统15的输出IR功率和/或绿光功率，其保持接近所期望的最大功率，在其最大值的±(5-10)％范围内变化。
通常地，增强器25的有效寿命以以下方式确定。可获得的有源光纤(即，掺杂有具有已知发射光谱的任何已知稀土元素的离子的光纤)的期望的长度从一轴新的光纤展开，并且然后被切割成实验增强器的一部分。后者经历对于本领域普通技术人员已知的广泛的测试程序，如燃烧(burning)，在此期间增强器以从所期望的光谱范围选择的任意单一波长操作。因此，有效寿命是通过实验确定的。众所周知，一个线轴与另一线轴的纤维统一性是难以实现的，这需要为每个新的线轴建立时间阈值。
图9图示了基于IR输出功率来校准增强器25的操作的过程，该IR输出功率是作为与增强器的燃烧期间的多个时间点处的各个温度相对应的多个种子中心波长的函数来测量的。例如，选择1063.6nm和1065nm两个操作波长。假设1kW的IR输出是最佳的，很容易看出，对于短于增强器的确定的有效寿命(500小时)的第一个448小时的时间间隔，增强器25最初将所期望的瓦数保持在所期望的操作波长的光谱范围之上，如红色曲线所指示的。在接下来的与蓝色曲线相对应的400小时的时间间隔期间，输出功率在1063.6nm波长处略有下降。然而，1063.6nm的操作波长处的损耗保持在所期望的功率范围内，例如在5％内，并因此是可接受的。在1065nm的操作波长处，输出功率实际上保持最佳。因此，增强器可以在与绿色曲线相对应的第三个400小时的时间间隔内以所选择的两个操作波长起作用。假设在106.3nm的操作波长处10％的损耗是不可接受的，则剩余的1065波长是仅有的一个可以用于增强器在与紫色曲线相对应的接下来400小时的时间间隔内操作的操作波长。然而，在该时间间隔的结束时，增强器的输出功率超出了可接受的功率范围，并且需要被更换。综上所述，增强器可以在第一时间间隔期间以例如1065nm的波长操作，并且然后对于第二时间间隔切换到1063.6nm波长的输出辐射。最后，随后的波长变回到1065nm，允许增强器操作持续第三时间间隔。因此，增强器的使用寿命从500小时的预定有效寿命增加到1232小时的使用寿命。
上述示例的测试程序是系统化的并被制成表格。建立时间、温度和波长之间的对应关系的校准表的示例存储在图3的CS 30中，并且如下所示。
表II
PA234407B
该时间间隔可以是任意持续时间，只要其短于增强器的预定有效寿命即可，并且不必是统一的。图10是图7的增强器25的延长的有效寿命的另一示例。可以看出，对于图7的增强器25的近1700个操作小时，IR功率和绿光功率两者都在所期望的功率范围内。图9图示了IR输出和绿色输出中的每一个输出的平均功率和峰值功率的分布。图10图示了激光器系统15的绿光功率分布。
根据本发明在本文公开的方面在其应用中不限于以下描述中所阐述的或在附图中图示的部件的构造和布置的细节。这些方面能够采用其他光学示意图并且能够以各种方式实践或执行。本文提供具体实施方式的示例仅用于说明性目的，并且不旨在进行限制。特别地，结合任何一个或多个实施例讨论的动作、部件、元件和特征并不旨在被排除在任何其他实施例中的类似作用。例如，除了上面所公开的QCW模式之外，图7的增强器25还可以以CW或脉冲状态操作。要考虑的其他操作参数可以包括偏振、SM或MM、窄/宽线宽、单/多个放大级、掺杂剂类型等等。
由此已经描述了至少一个示例的几个方面，本领域普通技术人员容易理解，本领域技术人员将容易想到各种改变、变型和改进。例如，本文所公开的示例适用于其他背景。此类改变、变型和改进是本公开的一部分。因此，前述描述和附图仅作为示例。

Claims (20)

1.一种激光器系统，所述激光器系统包括至少一个光放大装置，所述至少一个光放大装置被配置为在第一时间间隔内以第一操作波长输出光信号，所述第一时间间隔短于所述光放大装置的预定有效寿命，其中，所述第一操作波长选自包括所述光放大装置操作的多个操作波长的光谱范围，
所述光放大装置能够调谐到在所述第一时间间隔接下来的第二时间间隔内以所述光谱范围的第二操作波长输出所述光信号，其中所述第二时间间隔短于所述光放大装置的所述预定有效寿命。
2.根据权利要求1所述的激光器系统，其中，所述一个光放大装置是单模(SM)振荡器或多模(MM)振荡器。
3.根据权利要求1所述的激光器系统，其中，所述一个光放大装置是SM放大器或MM放大器，所述系统还包括SM种子或MM种子，所述SM种子或MM种子按顺序以所述第一波长和所述第二波长生成所述光信号，其中所述放大器接收所述光信号并且以期望的输出功率输出所述光信号，所述期望的输出功率对于每个时间间隔都保持在规定的功率范围内。
4.根据权利要求3所述的激光器系统，其中，所述光谱范围包括附加操作波长，所述种子在相应的附加时间间隔以所述附加操作波长操作，所述附加时间间隔中的每一个短于所述放大器的所述预定有效寿命。
5.根据权利要求3所述的激光器系统，其中，所述规定的功率范围对应于最大功率或最佳功率的±5-10％，所述光谱范围取决于所述光放大装置的配置和掺杂剂材料。
6.根据权利要求3所述的激光器系统，其中，所述振荡器能够以相应的规则时间间隔或不规则时间间隔在操作波长之间切换。
7.根据权利要求3所述的激光器系统，还包括：
热电冷却器(TEC)，所述热电冷却器耦接到所述种子并且控制所述种子的温度；和
控制器，所述控制器能够操作以输出控制信号，所述控制信号耦接到所述种子中并且促使所述种子在所述操作波长之间切换。
8.根据权利要求7所述的激光器系统，其中，所述控制器被配置有存储器装置，所述存储器装置包含：
温度操作波长转换表，所述控制系统在每个时间间隔的结束时输出耦接到所述TEC的所述控制信号，从而以逐步的方式改变所述振荡器的温度；或
连续优化算法，所述连续优化算法用于在每个所述时间间隔期间逐渐地改变所述振荡器的温度，使得在前一时间间隔的结束时设定用于每个后续时间间隔的操作波长。
9.根据权利要求3所述的激光器系统，还包括至少一个或多个光纤前置放大器。
10.根据权利要求3所述的激光器系统，其中，所述种子选自窄线宽振荡器、宽线宽振荡器、波长可调谐振荡器、波长不可调谐振荡器、光纤振荡器、固态振荡器或单频振荡器，所述放大器选自窄线宽放大器、单频放大器、波长可调谐放大器、波长不可调谐放大器、光纤放大器、固态放大器或混合放大器。
11.根据权利要求3所述的激光器系统，其中，所述种子和所述放大器分别被配置为以单模或多模输出所述光信号。
12.根据权利要求3所述的激光器系统，其中，所述振荡器和所述放大器限定以连续波状态、或脉冲状态、或准连续状态操作的主振荡器功率放大器架构。
13.根据权利要求10所述的激光器系统，其中，所述种子是基于温度的波长可调谐种子、或基于电流的波长可调谐种子、或基于温度和电流的可调谐种子。
14.根据权利要求3所述的激光器系统，还包括频率转换器，所述频率转换器以光学的方式耦接到所述放大器的输出。
15.根据权利要求3所述的激光器系统，其中，所述放大器的使用寿命比以所述第一波长和所述第二波长中的一个波长操作的放大器的预定有效寿命长3倍至10倍。
16.一种操作具有种子和增强器的激光器系统的方法，包括：
在相应的时间间隔在至少两个不同的操作波长之间切换所述种子，由此生成相应的光信号，所述至少两个不同的操作波长是从所期望的光谱范围中选择的，所述相应的时间间隔短于所述增强器仅以第一波长和第二波长中的任一个波长操作的预定有效寿命；以及
在所述增强器中放大所述光信号，以提供在预定功率范围内的系统输出，其中所述增强器以所述第一波长和所述第二波长操作的总的使用寿命长于所述增强器仅以所述第一波长或所述第二波长操作的预定有效寿命。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述种子能够在选自所述光谱范围的第一波长、第二波长和至少一个附加波长之间切换，所述增强器的预定有效寿命短于所述增强器以所述第一波长、所述第二波长和所述附加波长的使用寿命。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述预定功率范围在所述增强器的最大功率或最佳功率的±5-10％内变化。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述种子能够以相应的规则时间间隔或不规则时间间隔在操作波长之间切换。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括根据建立所述操作波长与相应的温度的依赖性的校准表或连续波长优化算法来可控地改变所述种子的温度，其中所述种子是激光二极管或光纤振荡器。
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