CN117872659B - 激光放大装置和激光放大方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光放大装置和激光放大方法，当激光放大装置处于第一工作模式时，先利用合束器将至少两个激光种子源输出的脉宽不同的种子激光进行同轴同偏振态耦合，经过准直器的准直后，再通过相同的预放大器和主放大器进行放大，实现同轴同偏振态不同脉宽激光的组合输出，并且，由于激光种子源成本和体积较小，因此，该激光放大装置的集成成本和体积较小；进一步地，当激光放大装置处于第二工作模式时，在输出信号脉冲激光的同时，通过调节半导体种子源输出阶段连续的种子激光作为消耗脉冲激光，进而将放大后的消耗脉冲和信号脉冲在时间和空间上进行分离，达到预放大器和主放大器的动态增益调节，保证输出脉冲的能量一致性提升。

Description

激光放大装置和激光放大方法

技术领域

本申请涉及激光技术领域，尤其涉及激光放大装置和激光放大方法。

背景技术

随着科学技术的进步，越来越多的器件需要同时实现复杂的功能，因此相应的材料也愈发复合化。为了实现相应材料的精准加工，需要相应的激光加工系统具有多脉冲体制运转特性，例如在某些应用场景中，可能需要将具有不同脉冲宽度（简称脉宽）的脉冲激光进行组合以获得最佳加工效果，具体例如将纳秒和皮秒脉冲激光组合输出，或者是将纳秒和飞秒脉冲激光组合输出，亦或是将纳秒/皮秒/飞秒脉冲激光同时组合输出；在另一些应用场景中，可能还需要将连续、准连续或脉冲激光组合输出，等等。

针对以上需求，现有技术通常是利用多个单独的激光器各自发出不同脉宽的激光，然后利用偏振片对不同脉宽的激光进行偏振合束，以实现相同波长不同脉宽激光的组合，然而，这种方式一方面需要多个单独的激光器，势必会造成激光放大装置成本和体积的增加，另一方面，利用偏振片对不同脉宽的激光进行偏振合束，所输出的组合激光中不同脉宽的激光的空间偏振状态不一致，也会造成加工效果的影响。

因此，亟需提供一种激光放大装置及激光放大方法，以实现不同脉宽的激光组合输出的同时，不仅激光放大装置的集成成本较低、体积较小，而且所输出的不同脉宽的激光的偏振特性保持一致。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种激光放大装置和激光放大方法，以实现不同脉宽的激光组合输出的同时，不仅激光放大装置的集成成本较低、体积较小，而且所输出的不同脉宽的激光的偏振特性保持一致。

为实现上述目的，本申请实施例提供了如下技术方案：

一种激光放大装置，包括沿光路传输方向依次设置的激光种子源、合束器、准直器、预放大器和主放大器；

所述激光种子源用于输出种子激光至所述合束器，所述激光种子源至少为两个，其中，至少两个所述激光种子源输出的种子激光的脉宽不同；

所述合束器用于对输入的种子激光进行同轴同偏振态耦合；

所述准直器用于对所述合束器输出的激光进行准直；

所述预放大器和所述主放大器用于对经所述准直器准直后的激光依次进行放大，输出放大激光；

所述激光放大装置至少具有第一工作模式，当所述激光放大装置处于所述第一工作模式时，输出种子激光的脉宽不同的至少两个所述激光种子源向所述合束器输入种子激光。

可选的，所述合束器为光纤合束器。

可选的，至少两个所述激光种子源包括第一激光种子源和第二激光种子源；

所述第一激光种子源包括光纤锁模种子源和光纤声光调制器，所述光纤锁模种子源用于产生锁模种子激光，所述光纤声光调制器用于对所述锁模种子激光进行降频选单，输出第一种子激光；

所述第二激光种子源包括驱动电路和半导体种子源，所述半导体种子源在所述驱动电路的驱动电流和驱动时间的控制下输出第二种子激光，所述第一种子激光和所述第二种子激光的脉宽不同；

所述激光放大装置还包括主控板，所述主控板用于向所述光纤声光调制器发送第一控制信号，所述第一控制信号用于控制所述光纤声光调制器对所述锁模种子激光进行降频选单；所述主控板还用于向所述驱动电路发送第二控制信号，所述第二控制信号用于控制所述驱动电路的驱动电流和驱动时间。

可选的，所述激光放大装置还包括沿光路传输方向位于所述主放大器的输出端一侧的固体声光调制器，所述固体声光调制器用于对所述放大激光进行开关光控制；

所述主控板还用于向所述固体声光调制器发送第三控制信号，所述第三控制信号用于控制所述固体声光调制器对所述放大激光进行开关光控制。

可选的，所述第一种子激光为皮秒种子激光或飞秒种子激光；

所述第二种子激光为连续种子激光、准连续种子激光或纳秒种子激光；

当所述第一种子激光为飞秒种子激光时，所述激光放大装置还包括沿光路传输方向位于所述固体声光调制器的输出端一侧的压缩单元，所述压缩单元用于对经过所述固体声光调制器的放大激光进行脉宽压缩。

可选的，所述激光放大装置还具有第二工作模式，当所述激光放大装置处于所述第二工作模式时，所述第一控制信号控制所述光纤声光调制器输出第一种子激光；

当所述第一控制信号控制所述光纤声光调制器输出的第一种子激光的频率固定时，所述驱动电路不工作，所述半导体种子源不产生第二种子激光；

当所述第一控制信号控制所述光纤声光调制器输出的第一种子激光的频率降低时，所述第二控制信号控制所述驱动电路的驱动电流和驱动时间，进而控制所述半导体种子源产生阶段连续的第二种子激光，所述第二种子激光和所述第一种子激光的频率相同，且所述第二种子激光的时序位于所述第一种子激光的时序之前，使得所述第二种子激光充当阶段连续的消耗脉冲激光；所述固体声光调制器还用于在所述第三控制信号的控制下将放大后的所述消耗脉冲激光从所述放大激光中分离出去，保持输出的放大激光的能量一致性。

可选的，所述主控板还用于采集所述光纤锁模种子源产生的所述锁模种子激光，并基于所述锁模种子激光形成基准频率信号，以所述基准频率信号为时钟基准产生所述第一控制信号、所述第二控制信号和所述第三控制信号。

可选的，所述激光放大装置还包括位于所述准直器和所述预放大器之间的隔离器，所述隔离器用于隔离所述放大激光向所述激光种子源的反向回光。

一种激光放大方法，应用于上述任一项所述的激光放大装置，所述激光放大装置至少具有第一工作模式，当所述激光放大装置处于所述第一工作模式时，所述激光放大方法包括：

利用至少两个激光种子源各自产生种子激光输入至合束器，其中，至少两个所述激光种子源输出的种子激光的脉宽不同，且输入所述合束器的种子激光中包括至少两种脉宽不同的种子激光；

利用所述合束器对输入的种子激光进行同轴同偏振态耦合；

利用准直器对所述合束器输出的激光进行准直；

利用预放大器和主放大器对经所述准直器准直后的激光依次进行放大，输出放大激光。

可选的，至少两个所述激光种子源包括第一激光种子源和第二激光种子源，所述第一激光种子源包括光纤锁模种子源和光纤声光调制器，所述第二激光种子源包括驱动电路和半导体种子源，所述激光放大装置还包括主控板，且所述激光放大装置还包括沿光路传输方向位于所述主放大器的输出端一侧的固体声光调制器；

所述激光放大装置还具有第二工作模式，当所述激光放大装置处于所述第二工作模式时，所述激光放大方法还包括：

利用所述主控板向所述光纤声光调制器发送第一控制信号，控制所述光纤声光调制器对所述光纤锁模种子源产生的锁模种子激光进行降频选单，输出第一种子激光；

当所述第一控制信号控制所述光纤声光调制器输出的第一种子激光的频率固定时，所述驱动电路不工作，所述半导体种子源不产生第二种子激光，所述第一种子激光经过合束器的同轴同偏振态耦合、准直器的准直以及预放大器和主放大器的放大后，形成放大激光输出；

当所述第一控制信号控制所述光纤声光调制器输出的第一种子激光的频率降低时，利用所述主控板向所述驱动电路发送第二控制信号，所述第二控制信号控制所述驱动电路的驱动电流和驱动时间，进而控制所述半导体种子源产生阶段连续的第二种子激光，所述第二种子激光和所述第一种子激光的频率相同，且所述第二种子激光的时序位于所述第一种子激光的时序之前，使得所述第二种子激光充当阶段连续的消耗脉冲激光；

所述第一种子激光和所述消耗脉冲激光经过合束器的同轴同偏振态耦合、准直器的准直以及预放大器和主放大器的放大后，形成放大激光；

利用所述主控板向所述固体声光调制器发送第三控制信号，所述固体声光调制器在所述第三控制信号的控制下将放大后的所述消耗脉冲激光从所述放大激光中分离出去，保持输出的放大激光的能量一致性。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本申请实施例所提供的激光放大装置，包括沿光路传输方向依次设置的至少两个激光种子源、合束器、准直器、预放大器和主放大器，其中，至少两个激光种子源输出的种子激光的脉宽不同；该激光放大装置至少具有第一工作模式，当激光放大装置处于第一工作模式时，输出种子激光的脉宽不同的至少两个激光种子源向合束器输入种子激光，合束器对输入的种子激光进行同轴同偏振态耦合，然后准直器对合束器输出的激光进行准直，进而预放大器和主放大器对经准直器准直后的激光依次进行放大，最终实现同轴同偏振态不同脉宽的激光的组合输出。相比于现有技术将多个单独的激光器发出的不同脉宽的激光通过偏振片合束的方式组合输出，本申请实施例所提供的激光放大装置处于第一工作模式时，一方面，先利用合束器对不同脉宽的种子激光进行同轴同偏振态耦合，再通过相同的预放大器和主放大器对同轴同偏振态的不同脉宽的种子激光进行放大，从而实现了同轴同偏振态不同脉宽的激光的组合输出，可以更好地适应对偏振敏感材料的加工，并且，可以通过对至少两种脉宽的激光在不同时间间隔下的加工效果对比分析，找到最优的多脉宽激光的组合方式，优化加工工艺参数；另一方面，利用激光种子源而非激光器产生不同脉宽的种子激光，由于激光种子源相对于激光器成本和体积均大大减小，因此，使得该激光放大装置的集成成本和体积大大降低。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术利用多个单独的激光器各自发出不同脉宽的激光，然后利用偏振片对不同脉宽的激光进行偏振合束的示意图；

图2为本申请实施例所提供的一种激光放大装置的结构示意图；

图3为本申请实施例所提供的另一种激光放大装置的结构示意图；

图4为本申请实施例所提供的又一种激光放大装置的结构示意图；

图5为本申请实施例所提供的激光放大装置处于第二工作模式时各信号的时序示意图。

附图标记：

1-激光器；2-激光器；3-半波片；4-半波片；5-偏振片；6-偏振片；10-激光种子源；20-合束器；30-准直器；40-预放大器；50-主放大器；11-第一激光种子源；12-第二激光种子源；S1-锁模种子激光；B1-第一种子激光；111-光纤锁模种子源；112-光纤声光调制器；121-驱动电路；122-半导体种子源；B2-第二种子激光；60-主控板；K1-第一控制信号；K2-第二控制信号；K3-第三控制信号；70-固体声光调制器；13-第三激光种子源；80-压缩单元；B31-第三种子激光；131-光纤锁模种子源；132-光纤声光调制器；S3-锁模种子激光；K4-第四控制信号；133-驱动电路；134-半导体种子源；K5-第五控制信号；90-隔离器；Z1-基准频率信号。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

图1示出了现有技术利用多个单独的激光器各自发出不同脉宽的激光，然后利用偏振片对不同脉宽的激光进行偏振合束的示意图。具体的，激光器1发出一种脉宽的激光，激光器2发出另一种脉宽的激光，这两种激光的波长相同脉宽不同，且这两种激光均已经在激光器中被放大，为了实现这两种激光的偏振合束，需要将一种脉宽的激光经过半波片3变成水平偏振的激光，并将另一种脉宽的激光经过半波片4变成垂直偏振的激光，从而，水平偏振的激光透过偏振片5，垂直偏振的激光被偏振片6反射后，再被偏振片5反射，最终实现相同波长不同脉宽的激光的同轴输出。由此，可以明显地看到，一方面，激光器输出的是已经被放大的激光，而激光器本身的成本较高、体积较大，并且，所需要的不同脉宽的激光越多，相应需要激光器的数量也越多，从而势必会造成整个激光放大装置成本和体积的大大增加；另一方面，最终输出的组合激光中不同脉宽的激光的空间偏振状态不一致，也会造成加工效果的影响。

有鉴于此，本申请实施例提供了一种激光放大装置，图2示出了本申请实施例所提供的激光放大装置的结构示意图，如图2所示，该激光放大装置包括沿光路传输方向依次设置的激光种子源10、合束器20、准直器30、预放大器40和主放大器50；其中，激光种子源10用于输出种子激光至合束器20，且激光种子源10至少为两个，至少两个激光种子源10输出的种子激光的脉宽不同。

具体工作时，激光种子源10输出种子激光，且激光种子源10输出的种子激光可以具有各种偏振态，但激光种子源10输出的种子激光进入合束器20后，只有相同偏振态的种子激光可以耦合在一起，且耦合在一起的种子激光具有相同的发散特性，即合束器20用于对输入的种子激光进行同轴同偏振态的耦合，以保证输入的种子激光具有相同的发射特性和偏振特性。

继而，准直器30用于对合束器20输出的激光进行准直，保证准直器30输出的激光具有相同的光斑直径和发散角。

进而，预放大器40和主放大器50用于对经准直器30准直后的激光依次进行放大，输出放大激光。

本申请实施例所提供的激光放大装置至少具有第一工作模式，当激光放大装置处于第一工作模式时，至少两个激光种子源10输出种子激光至合束器20，且该至少两个激光种子源10输出的种子激光的脉宽不同，即，输出种子激光的脉宽不同的至少两个激光种子源10向合束器20输入种子激光，合束器20对输入的种子激光进行同轴同偏振态耦合，进而经过准直器30的准直、预放大器40和主放大器50的放大后，实现同轴同偏振态不同脉宽的激光的组合输出。也就是说，当激光放大装置处于第一工作模式时，至少两个激光种子源10输出种子激光，且该至少两个激光种子源10中，至少两个激光种子源输出的种子激光的脉宽不同，从而经过合束器20的同轴同偏振态耦合、准直器30的准直以及预放大器40和主放大器50的放大后，实现同轴同偏振态不同脉宽的激光的组合输出。

需要说明的是，各个激光种子源10输出的种子激光的波长相同，以便于预放大器40和主放大器50对同波长不同脉宽的激光进行同时放大，也就是说，本申请实施例所提供的激光放大装置处于第一工作模式时，可以实现同轴同波长同偏振态不同脉宽的激光组合输出。

可以理解的是，当激光放大装置处于第一工作模式时，工作的激光种子源10分别输出需求脉宽的种子激光，如此，所有工作的激光种子源10中，可以各个激光种子源10输出的种子激光的脉宽均不同，也可以部分激光种子源10输出的种子激光的脉宽不同，但至少两个工作的激光种子源10输出的种子激光的脉宽不同。

还可以理解的是，虽然脉冲宽度指激光脉冲的持续时间，但在本申请中，激光种子源输出的种子激光并不局限于脉冲激光，激光种子源输出的种子激光还可以是准连续激光，或者是连续激光，也就是说，在本申请中，两个激光种子源输出的种子激光的脉宽不同，并不局限于两个激光种子源输出两种脉宽不同的脉冲种子激光；也可以一个激光种子源输出脉冲种子激光，另一个激光种子源输出连续种子激光或准连续种子激光；还可以一个激光种子源输出连续种子激光，另一个激光种子源输出准连续种子激光，即两个激光种子源输出的种子激光的脉宽不同，是指两个激光种子源输出的种子激光的脉冲体制不同，脉冲体制不同包括脉冲激光的脉宽不同以及脉冲激光、连续激光以及准连续激光的不同。

相比于现有技术将多个单独的激光器发出的不同脉宽的激光通过偏振片合束的方式组合输出，本申请实施例所提供的激光放大装置处于第一工作模式时，一方面，先利用合束器20对不同脉宽的种子激光进行同轴同偏振态耦合，再通过相同的预放大器40和主放大器50对同轴同偏振态的不同脉宽的种子激光进行放大，从而实现了同轴同偏振态不同脉宽的激光的组合输出，可以更好地适应对偏振敏感材料的加工，并且，可以通过对至少两种脉宽的激光在不同时间间隔下的加工效果对比分析，找到最优的多脉宽激光的组合方式，优化加工工艺参数；另一方面，利用激光种子源10而非激光器产生不同脉宽的种子激光，由于激光种子源10相对于激光器成本和体积均大大减小，因此，使得该激光放大装置的集成成本和体积大大降低。

可选的，合束器20可以为光纤合束器，以在激光放大装置处于第一工作模式时，合束器20将至少两个激光种子源10输出的脉宽不同的种子激光进行同轴同偏振态光纤耦合，保证输入的种子激光具有相同的发散特性和偏振特性。并且，光纤合束器成本较低，方便易用，且可靠性高。

可选的，在本申请的一些实施例中，如图2所示，至少两个激光种子源10包括第一激光种子源11和第二激光种子源12。

其中，第一激光种子源11包括光纤锁模种子源111和光纤声光调制器112，光纤锁模种子源111用于产生锁模种子激光S1，光纤声光调制器112用于对锁模种子激光S1进行降频选单，输出第一种子激光B1。

需要说明的是，光纤锁模种子源111产生的锁模种子激光S1为固定频率的脉冲激光，我们知道，脉冲激光的频率为单位时间内有规律地输出脉冲激光的脉冲数目，等同于一秒内脉冲重复出现的次数，但光纤锁模种子源111产生的固定频率的锁模种子激光通常不是最终需求频率的脉冲激光，因此，需通过光纤声光调制器112对光纤锁模种子源111产生的锁模种子激光进行降频选单，输出第一种子激光B1，该第一种子激光B1即为需求频率的种子激光。具体例如，当最终需求的脉冲激光的频率低于光纤锁模种子源111产生的锁模种子激光S1的频率时，需通过光纤声光调制器112对光纤锁模种子源111产生的锁模种子激光S1进行降频选单。

可选的，第一种子激光B1可以为皮秒种子激光或飞秒种子激光。

可选的，光纤锁模种子源111输出的锁模种子激光S1的波长可以为1064nm，脉宽可以为10ps。

第二激光种子源12包括驱动电路121和半导体种子源122，半导体种子源122在驱动电路121的驱动电流和驱动时间的控制下（即在驱动电路121的电激励下）输出第二种子激光B2，第一种子激光B1和第二种子激光B2的脉宽不同。

可选的，第二种子激光B2可以为连续种子激光、准连续种子激光或纳秒种子激光。

可选的，半导体种子源122输出的第二种子激光B2的波长可以为1064nm。

当第一种子激光B1为皮秒种子激光或飞秒种子激光，第二种子激光B2为连续种子激光、准连续种子激光或纳秒种子激光时，激光放大装置能够实现皮秒/纳秒激光、皮秒/连续激光、皮秒/准连续激光、飞秒/纳秒激光、飞秒/连续激光、飞秒/准连续激光等组合形式输出。

可选的，激光放大装置还包括主控板60，主控板60用于向光纤声光调制器112发送第一控制信号K1，第一控制信号K1用于控制光纤声光调制器112对光纤锁模种子源111产生的锁模种子激光S1进行降频选单，以使得输出的第一种子激光B1为需求频率的脉冲种子激光；主控板60还用于向驱动电路121发送第二控制信号K2，第二控制信号K2用于控制驱动电路121的驱动电流和驱动时间，进而控制半导体种子源122产生需求的脉冲种子激光、连续种子激光或准连续种子激光。

进一步可选的，如图2所示，激光放大装置还可以包括沿光路传输方向位于主放大器50的输出端一侧的固体声光调制器70，固体声光调制器70用于对主放大器50输出的放大激光进行开关光控制。

在本实施例中，主控板60还用于向固体声光调制器70发送第三控制信号K3，第三控制信号K3用于控制固体声光调制器70对放大激光进行开关光控制，从而，在需要输出放大激光时，固体声光调制器70将主放大器50输出的放大激光打开输出，在不需要输出放大激光时，固体声光调制器70将主放大器50输出的放大激光关闭输出。

需要说明的是，当第一种子激光B1为飞秒种子激光时，如图2所示，激光放大装置还包括沿光路传输方向位于固体声光调制器70的输出端一侧的压缩单元80，压缩单元80用于对经过固体声光调制器70的放大激光进行脉宽压缩。

可选的，在本申请的另一些实施例中，如图3和图4所示，激光种子源10至少为三个，至少三个激光种子源包括第一激光种子源11、第二激光种子源12和第三激光种子源13；

其中，第一激光种子源11包括光纤锁模种子源111和光纤声光调制器112，光纤锁模种子源111用于产生锁模种子激光S1，光纤声光调制器112用于对锁模种子激光S1进行降频选单，输出第一种子激光B1；

第二激光种子源12包括驱动电路121和半导体种子源122，半导体种子源122在驱动电路121的驱动电流和驱动时间的控制下（即在驱动电路121的电激励下）输出第二种子激光B2；

第三激光种子源13用于输出第三种子激光B31（或B32），第一种子激光B1、第二种子激光B2和第三种子激光B31（或B32）彼此的脉宽不同，以实现更多种脉冲体制激光的组合。

可选的，如图3所示，第三激光种子源13可以和第一激光种子源11类似，包括光纤锁模种子源131和光纤声光调制器132，光纤锁模种子源131用于产生锁模种子激光S3，光纤声光调制器132用于对光纤锁模种子源131产生的锁模种子激光S3进行降频选单，输出第三种子激光B31。此时，主控板60还用于向光纤声光调制器132发送第四控制信号K4，第四控制信号K4用于控制光纤声光调制器132对光纤锁模种子源131产生的锁模种子激光S3进行降频选单，以使得输出的第三种子激光B31为需求频率的脉冲种子激光。

另一可选的，如图4所示，第三激光种子源13可以和第二激光种子源12类似，包括驱动电路133和半导体种子源134，半导体种子源134在驱动电路133的驱动电流和驱动时间的控制下输出第三种子激光B31。此时，主控板60还用于向驱动电路133发送第五控制信号K5，第五控制信号K5用于控制驱动电路133的驱动电流和驱动时间，进而控制半导体种子源134产生需求的脉冲种子激光、连续种子激光或准连续种子激光。

再一可选的，第三激光种子源13还可以和第一激光种子源11、第二激光种子源12结构均不同的其他激光种子源，具体视情况而定。

在上述任一实施例的基础上，发明人还研究发现，在实现一些精细加工的过程中还要求超快激光器具备脉冲按需输出（Pulse on demand）的功能，对应到本申请实施例所提供的激光放大装置，即要求激光放大装置具有脉冲按需输出的功能，也就是说，当加工需要的脉冲激光的频率发生变化时，激光放大装置可实时调整所输出脉冲激光的频率，此时进一步需要保持输出脉冲激光的能量不变。例如，当进行直线加工时，激光放大装置可以输出固定频率的脉冲激光，当加工需要拐角时，激光放大装置需降低输出的脉冲激光的频率，并且在降低频率的过程中需保持输出的脉冲激光的能量不变，从而实现激光放大装置在输出不同频率的脉冲激光的同时保持输出的脉冲激光的能量一致，进而实现相同的加工质量。

具体的，如图2-图4所示，激光放大装置可以利用第一激光种子源11产生第一种子激光B1，并对第一激光种子源11产生的第一种子激光B1进行放大以输出需求频率的脉冲激光，其中，第一激光种子源11中的光纤锁模种子源111产生固定频率的锁模种子激光，光纤声光调制器112在主控板60发出的第一控制信号K1的控制下对光纤锁模种子源111产生的锁模种子激光进行降频选单，以输出第一种子激光B1，且第一种子激光B1为需求频率的种子激光，即第一种子激光B1为信号脉冲激光，进而经过预放大器40和主放大器50的放大后，输出需求频率且放大后的信号脉冲激光。

可以理解的是，预放大器40和主放大器50对经准直器30准直后的激光进行小信号高增益放大，最终实现高效率高功率同偏振态的激光输出，那么，预放大器40和主放大器50在对激光放大的过程中，其增益介质中存储的能量是固定的，当第一种子激光B1的频率（或者说要输出的脉冲激光的频率）不变时，预放大器40和主放大器50的输入和输出保持稳定，但当第一种子激光B1的频率（或者说要输出的脉冲激光的频率）变化时，需要调整预放大器40和主放大器50中增益介质储存的能量。特别地，当第一种子激光B1的频率降低时，预放大器40和主放大器50由于脉冲释放间隔的增加导致储能时间的延长进而使增益发生变化，预放大器40和主放大器50中增益介质储存的能量需要得到释放，从而保持输出的即使频率不同的脉冲激光的能量仍保持一致，否则，输出的放大激光频率的降低会导致放大激光提取次数的降低和增益的增加，严重时会导致预放大器40和主放大器50超过损伤阈值而损坏。

为了实现按需输出的功能，发明人提出了一种实现方式，具体的，当需要输出的脉冲激光的频率降低之前，通过主控板60发送的第一控制信号K1控制光纤声光调制器112从光纤锁模种子源111产生的锁模种子激光S1中选取一部分脉冲激光作为消耗脉冲激光，这部分消耗脉冲激光和光纤声光调制器112对光纤锁模种子源111产生的锁模种子激光S1正常降频选单输出的第一种子激光B1（也称为信号脉冲激光）一起经过合束器20的耦合、准直器30的准直以及预放大器40和主放大器50的放大后，再利用固体声光调制器70将放大后的消耗脉冲激光剔除出去，以降低预放大器40和主放大器50中增益介质的部分储能，并将放大后的第一种子激光输出，最终实现在降低输出脉冲激光频率的同时降低输出的脉冲激光的能量波动。

然而，发明人研究发现，虽然上述方式可以实现按需输出的功能，但也存在一个问题，由前述已知，由于光纤锁模种子源111产生的锁模种子激光的锁模频率是固定的，通常为20MHz-100MHz，因此，利用光纤声光调制器112所选定的消耗脉冲激光的频率对应锁模频率或者锁模频率的整数分之一，这种情况下会造成消耗脉冲激光是分立且不连续的，进而会造成在降低输出的脉冲激光的频率的过程中输出脉冲激光的能量波动仍然较大。

进一步地，发明人提出了另一种实现方式，在激光放大装置的至少两个激光种子源10包括第一激光种子源11和第二激光种子源12的基础上，激光放大装置还可以具有第二工作模式，当激光放大装置处于第二工作模式时，主控板60向光纤声光调制器112发送第一控制信号K1，第一控制信号K1控制光纤声光调制器112对光纤锁模种子源111产生的锁模种子激光进行降频选单，输出需求频率的第一种子激光B1；

当第一控制信号K1控制光纤声光调制器112输出的第一种子激光B1的频率固定不变时，第二激光种子源12中的驱动电路121不工作，半导体种子源122也不产生第二种子激光。可以理解的是，主控板60向驱动电路121发送第二控制信号K2，以控制驱动电路121的驱动电流和驱动时间，从而可以控制驱动电路121工作与否，进而驱动电路121可以控制半导体种子源122是否产生第二种子激光。

需要说明的是，如果激光放大装置中的激光种子源除包括第二激光种子源12之外仅还包括第一激光种子源11，如图2所示，则当激光放大装置处于第一工作模式时，实现第一激光种子源11发出的第一种子激光B1和第二激光种子源12发出的第二种子激光B2的同轴同偏振态耦合，进而放大后输出；当激光放大装置处于第二工作模式，且第一控制信号K1控制光纤声光调制器112降频选单出的第一种子激光B1的频率固定不变时，实现第一激光种子源11发出的第一种子激光B1的偏振态耦合，进而放大后输出。如果激光放大装置中的激光种子源除包括第二激光种子源12之外还包括第一激光种子源11以及其他激光种子源，如图3和图4所示，则当激光放大装置处于第一工作模式时，可实现任意两种激光种子源或多种激光种子源输出的种子激光的同轴同偏振态耦合，进而放大后输出；当激光放大装置处于第二工作模式，且第一控制信号K1控制光纤声光调制器112降频选单出的第一种子激光B1的频率固定不变时，可实现第一激光种子源11发出的第一种子激光B1的偏振态耦合，或者第一激光种子源11发出的第一种子激光B1和其他一种或多种激光种子源发出的种子激光的同轴同偏振态耦合，进而放大后输出。

当第一控制信号K1控制光纤声光调制器112降频选单出的第一种子激光B1的频率降低时，主控板60发出的第二控制信号K2控制驱动电路121的驱动电流和驱动时间，进而控制半导体种子源122产生阶段连续的第二种子激光B2，第二种子激光B2和第一种子激光B1的频率相同，且第二种子激光B2的时序位于第一种子激光B1的时序之前，使得第二种子激光B2充当阶段连续的消耗脉冲激光；此时，第一种子激光B1和充当阶段连续的消耗脉冲激光的第二种子激光B2经过合束器20的同轴同偏振态耦合、准直器30的准直以及预放大器40和主放大器50的放大后，形成放大激光；此时，固体声光调制器70还用于在第三控制信号K3的控制下将放大后的消耗脉冲激光从放大激光中分离出去，保持输出的放大激光的能量一致性，可以理解的是，最终输出的放大激光为放大后的第一种子激光B1。

可选的，如图2所示，主控板60还用于采集光纤锁模种子源111产生的锁模种子激光S1，并基于锁模种子激光S1形成基准频率信号Z1，以基准频率信号Z1为时钟基准产生第一控制信号K1、第二控制信号K2和第三控制信号K3。

具体的，图5示出了激光放大装置处于第二工作模式时各信号的时序示意图，结合图2-图5所示，当激光放大装置处于第二工作模式时，主控板60从光纤锁模种子源111采集锁模种子激光S1，并基于锁模种子激光S1形成基准频率信号Z1，以基准频率信号Z1为时钟基准产生第一控制信号K1、第二控制信号K2和第三控制信号K3（图5中未示出第三控制信号K3），其中，第一控制信号K1控制光纤声光调制器112对光纤锁模种子源111产生的锁模种子激光S1进行降频选单，以得到第一种子激光B1，第一种子激光B1为光纤锁模选频光，频率通常为100kHz-1MHz；第二控制信号K2控制驱动电路121的驱动电流和驱动时间，进而控制半导体种子源122产生的第二种子激光B2的持续时间、幅值等，以使得第二种子激光B2可以充当阶段连续的消耗脉冲激光。第一种子激光B1和充当阶段连续的消耗脉冲激光的第二种子激光B2经过合束器20的同轴同偏振态耦合、准直器30的准直以及预放大器40和主放大器50的放大后，形成放大激光，然后通过固体声光调制器70将放大后的消耗脉冲激光从放大激光中分离出去。也就是说，为避免预放大器40和主放大器50在降频过程中由于脉冲释放间隔的增加而导致储能时间的延长进而使增益发生变化，通过在作为信号脉冲激光的第一种子激光B1降频的时序之前引入时间和幅值可阶段连续调节的消耗脉冲激光以使降频的信号脉冲激光被放大时的增益保持稳定，进而保证输出的脉冲激光能量一致。

需要说明的是，在本申请中，阶段连续的消耗脉冲激光是相对于前述分立的消耗脉冲激光而言的，也就是说，阶段连续的消耗脉冲是在一段时间内持续，且这段时间需位于降频的第一种子激光B1的脉冲之前；由于第一控制信号K1和第二控制信号K2均以基准频率信号Z1为时钟基准产生，因此，第一控制信号K1和第二控制信号K2的频率相同，且两者时序可以错开，从而，可以使得第二种子激光B2（阶段连续的消耗脉冲激光）和第一种子激光B1的频率相同，且第二种子激光B2的时序位于第一种子激光B1的时序之前，进而，可以使得第二种子激光B2（阶段连续的消耗脉冲激光）被放大后再被分离出去以使降频的信号脉冲激光被放大时的增益保持稳定，并且，相对于前述分立的消耗脉冲激光，半导体种子源122产生的消耗脉冲激光可以阶段连续，且持续时间和幅值均可调节，从而使降频的信号脉冲激光被放大时的增益可以更加稳定，输出的脉冲激光能量一致性可以进一步提升。

还需要说明的是，如图5所示，由于第二激光种子源12包括驱动电路121和由驱动电路121驱动的半导体种子源122，且驱动电流121的驱动电流和驱动时间可以调节半导体种子源122产生的第二种子激光B2（即连续消耗脉冲激光）的持续时间和幅值，其中幅值包括幅值大小以及幅值变化斜率等，从而可以调节半导体种子源122产生的连续消耗脉冲激光的持续时间和幅值，动态调节预放大器40和主放大器50在对降频的信号脉冲激光放大时的增益，进而调节输出的脉冲激光能量。

概括来说，第二种实现方式为在信号脉冲降频过程中通过不断调整驱动电流大小和驱动电流驱动时间以调节信号脉冲时序前半导体种子源输出的消耗脉冲能力的变化，进而保证在信号脉冲到达预放大器和主放大器时具有一致的增益能力，并通过固体声光调制器将消耗脉冲和信号脉冲通过时间和空间上进行分离，最终达到预放大器和主放大器的动态增益调节，也就是说，通过调制半导体种子源的连续工作幅值大小和时间来实现消耗脉冲强度的阶段连续调节，进而实现激光放大装置降频过程中增益能力的有效降低，保证输出所需脉冲的能量一致性提升。

在上述任一实施例的基础上，可选的，激光放大装置还包括位于准直器30和预放大器40之间的隔离器90，隔离器90用于隔离放大激光向激光种子源10的反向回光，防止放大激光的反向回光损坏激光种子源10。

本申请实施例还提供了一种激光放大方法，该激光放大方法应用于上述任一实施例所提供的激光放大装置，由前述已知，激光放大装置至少具有第一工作模式，当激光放大装置处于第一工作模式时，参考图2-图4所示，该激光放大方法包括：

S11：利用至少两个激光种子源10各自产生种子激光输入至合束器20，其中，至少两个激光种子源10输出的种子激光的脉宽不同，且输入合束器20的种子激光中包括至少两种脉宽不同的种子激光。

S12：利用合束器20对输入的种子激光进行同轴同偏振态耦合。

S13：利用准直器30对合束器20输出的激光进行准直。

S14：利用预放大器40和主放大器50对经准直器30准直后的激光依次进行放大，输出放大激光。

也就是说，当激光放大装置处于第一工作模式时，至少两个激光种子源10输出种子激光，且该至少两个激光种子源10中，至少两个激光种子源输出的种子激光的脉宽不同，从而经过合束器20的同轴同偏振态耦合、准直器30的准直以及预放大器40和主放大器50的放大后，实现同轴同偏振态不同脉宽的激光的组合输出。

需要说明的是，各个激光种子源10输出的种子激光的波长相同，以便于预放大器40和主放大器50对同波长不同脉宽的激光进行同时放大，也就是说，本申请实施例所提供的激光放大装置处于第一工作模式时，可以实现同轴同波长同偏振态不同脉宽的激光组合输出。

可以理解的是，当激光放大装置处于第一工作模式时，工作的激光种子源10分别输出需求脉宽的种子激光，如此，所有工作的激光种子源10中，可以各个激光种子源10输出的种子激光的脉宽均不同，也可以部分激光种子源10输出的种子激光的脉宽不同，但至少两个工作的激光种子源10输出的种子激光的脉宽不同。

相比于现有技术先利用多个单独的激光器放大不同脉宽的激光，再将不同脉宽的激光通过偏振片合束的方式组合输出，本申请实施例所提供的激光放大方法，一方面，先利用合束器20对不同脉宽的种子激光进行同轴同偏振态耦合，再通过相同的预放大器40和主放大器50对同轴同偏振态的不同脉宽的种子激光进行放大，从而实现了同轴同偏振态不同脉宽的激光的组合输出，可以更好地适应对偏振敏感材料的加工，并且，可以通过对至少两种脉宽的激光在不同时间间隔下的加工效果对比分析，找到最优的多脉宽激光的组合方式，优化加工工艺参数；另一方面，利用激光种子源10而非激光器产生不同脉宽的种子激光，由于激光种子源10相对于激光器成本和体积均大大减小，因此，使得该激光放大装置的集成成本和体积大大降低。

进一步地，考虑到激光放大装置输出的放大激光需满足按需输出，即当加工需要的脉冲激光的频率发生变化时，激光放大装置可实时调整所输出脉冲激光的频率，此时需要保持输出脉冲激光的能量不变。基于此，在本申请的一些实施例中，如图2-图4所示，激光放大装置中的至少两个激光种子源包括第一激光种子源11和第二激光种子源12，第一激光种子源11包括光纤锁模种子源111和光纤声光调制器112，第二激光种子源12包括驱动电路121和半导体种子源122，激光放大装置还包括主控板60，且激光放大装置还包括沿光路传输方向位于主放大器50的输出端一侧的固体声光调制器70。

在本实施例中，激光放大装置还具有第二工作模式，当激光放大装置处于第二工作模式时，结合图2-图5所示，激光放大方法还包括：

S21：利用主控板60向光纤声光调制器112发送第一控制信号K1，控制光纤声光调制器112对光纤锁模种子源111产生的锁模种子激光S1进行降频选单，输出第一种子激光B1；

S22：当第一控制信号K1控制光纤声光调制器112输出的第一种子激光B1的频率固定时，驱动电路121不工作，半导体种子源122不产生第二种子激光B2，第一种子激光B1经过合束器20的同轴同偏振态耦合、准直器30的准直以及预放大器40和主放大器50的放大后，形成放大激光输出；

S23：当第一控制信号K1控制光纤声光调制器112输出的第一种子激光B1的频率降低时，利用主控板60向驱动电路121发送第二控制信号K2，第二控制信号K2控制驱动电路121的驱动电流和驱动时间，进而控制半导体种子源122产生阶段连续的第二种子激光B2，第二种子激光B1和第一种子激光B1的频率相同，且第二种子激光B2的时序位于第一种子激光B1的时序之前，使得第二种子激光B2充当阶段连续的消耗脉冲激光；

第一种子激光B1和消耗脉冲激光经过合束器20的同轴同偏振态耦合、准直器30的准直以及预放大器40和主放大器50的放大后，形成放大激光；

利用主控板60向固体声光调制器70发送第三控制信号K3，固体声光调制器70在第三控制信号K3的控制下将放大后的消耗脉冲激光从放大激光中分离出去，保持输出的放大激光的能量一致性。

由此可见，当激光放大装置处于第二工作模式时，在作为信号脉冲激光的第一种子激光的降频过程中，通过不断调整驱动电流大小和驱动电流驱动时间以调节信号脉冲时序前半导体种子源输出的消耗脉冲能力的变化，进而保证在信号脉冲到达预放大器和主放大器时具有一致的增益能力，并通过固体声光调制器将消耗脉冲和信号脉冲在时间和空间上进行分离，最终达到预放大器和主放大器的动态增益调节，也就是说，通过调制半导体种子源的连续工作幅值大小和时间来实现消耗脉冲强度的阶段连续调节，进而实现激光放大装置降频过程中增益能力的有效降低，保证输出所需脉冲的能量一致性提升。

由于本申请实施例所提供的激光放大方法与本申请实施例所提供的激光放大装置的工作过程相对应，而前述各实施例中已对本申请实施例所提供的激光放大装置的工作过程进行了详细阐述，因此本申请实施例所提供的激光放大方法可参照前述本申请实施例所提供的激光放大装置的工作过程，不再赘述。

本说明书中各个部分采用并列和递进相结合的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种激光放大装置，其特征在于，包括沿光路传输方向依次设置的激光种子源、合束器、准直器、预放大器和主放大器；

所述激光种子源用于输出种子激光至所述合束器，所述激光种子源至少为两个，其中，至少两个所述激光种子源输出的种子激光的脉宽不同；

所述合束器用于对输入的种子激光进行同轴同偏振态耦合；

所述准直器用于对所述合束器输出的激光进行准直；

所述预放大器和所述主放大器用于对经所述准直器准直后的激光依次进行放大，输出放大激光；

所述激光放大装置至少具有第一工作模式，当所述激光放大装置处于所述第一工作模式时，输出种子激光的脉宽不同的至少两个所述激光种子源向所述合束器输入种子激光；

至少两个所述激光种子源包括第一激光种子源和第二激光种子源；

所述第一激光种子源包括光纤锁模种子源和光纤声光调制器，所述光纤锁模种子源用于产生锁模种子激光，所述光纤声光调制器用于对所述锁模种子激光进行降频选单，输出第一种子激光；

所述第二激光种子源包括驱动电路和半导体种子源，所述半导体种子源在所述驱动电路的驱动电流和驱动时间的控制下输出第二种子激光，所述第一种子激光和所述第二种子激光的脉宽不同；

所述激光放大装置还包括主控板，所述主控板用于向所述光纤声光调制器发送第一控制信号，所述第一控制信号用于控制所述光纤声光调制器对所述锁模种子激光进行降频选单；所述主控板还用于向所述驱动电路发送第二控制信号，所述第二控制信号用于控制所述驱动电路的驱动电流和驱动时间；

所述激光放大装置还包括沿光路传输方向位于所述主放大器的输出端一侧的固体声光调制器，所述固体声光调制器用于对所述放大激光进行开关光控制；

所述主控板还用于向所述固体声光调制器发送第三控制信号，所述第三控制信号用于控制所述固体声光调制器对所述放大激光进行开关光控制；

所述激光放大装置还具有第二工作模式，当所述激光放大装置处于所述第二工作模式时，所述第一控制信号控制所述光纤声光调制器输出第一种子激光；

当所述第一控制信号控制所述光纤声光调制器输出的第一种子激光的频率固定时，所述驱动电路不工作，所述半导体种子源不产生第二种子激光；

当所述第一控制信号控制所述光纤声光调制器输出的第一种子激光的频率降低时，所述第二控制信号控制所述驱动电路的驱动电流和驱动时间，进而控制所述半导体种子源产生阶段连续的第二种子激光，所述第二种子激光和所述第一种子激光的频率相同，且所述第二种子激光的时序位于所述第一种子激光的时序之前，使得所述第二种子激光充当阶段连续的消耗脉冲激光；所述固体声光调制器还用于在所述第三控制信号的控制下将放大后的所述消耗脉冲激光从所述放大激光中分离出去，保持输出的放大激光的能量一致性。

2.根据权利要求1所述的激光放大装置，其特征在于，所述合束器为光纤合束器。

3.根据权利要求1所述的激光放大装置，其特征在于，所述第一种子激光为皮秒种子激光或飞秒种子激光；

所述第二种子激光为连续种子激光、准连续种子激光或纳秒种子激光；

当所述第一种子激光为飞秒种子激光时，所述激光放大装置还包括沿光路传输方向位于所述固体声光调制器的输出端一侧的压缩单元，所述压缩单元用于对经过所述固体声光调制器的放大激光进行脉宽压缩。

4.根据权利要求1所述的激光放大装置，其特征在于，所述主控板还用于采集所述光纤锁模种子源产生的所述锁模种子激光，并基于所述锁模种子激光形成基准频率信号，以所述基准频率信号为时钟基准产生所述第一控制信号、所述第二控制信号和所述第三控制信号。

5.根据权利要求1-4任一项所述的激光放大装置，其特征在于，所述激光放大装置还包括位于所述准直器和所述预放大器之间的隔离器，所述隔离器用于隔离所述放大激光向所述激光种子源的反向回光。

6.一种激光放大方法，其特征在于，应用于权利要求1-5任一项所述的激光放大装置，所述激光放大装置至少具有第一工作模式，当所述激光放大装置处于所述第一工作模式时，所述激光放大方法包括：

利用至少两个激光种子源各自产生种子激光输入至合束器，其中，至少两个所述激光种子源输出的种子激光的脉宽不同，且输入所述合束器的种子激光中包括至少两种脉宽不同的种子激光；

利用所述合束器对输入的种子激光进行同轴同偏振态耦合；

利用准直器对所述合束器输出的激光进行准直；

利用预放大器和主放大器对经所述准直器准直后的激光依次进行放大，输出放大激光。

7.根据权利要求6所述的激光放大方法，其特征在于，至少两个所述激光种子源包括第一激光种子源和第二激光种子源，所述第一激光种子源包括光纤锁模种子源和光纤声光调制器，所述第二激光种子源包括驱动电路和半导体种子源，所述激光放大装置还包括主控板，且所述激光放大装置还包括沿光路传输方向位于所述主放大器的输出端一侧的固体声光调制器；

所述激光放大装置还具有第二工作模式，当所述激光放大装置处于所述第二工作模式时，所述激光放大方法还包括：

利用所述主控板向所述光纤声光调制器发送第一控制信号，控制所述光纤声光调制器对所述光纤锁模种子源产生的锁模种子激光进行降频选单，输出第一种子激光；

当所述第一控制信号控制所述光纤声光调制器输出的第一种子激光的频率固定时，所述驱动电路不工作，所述半导体种子源不产生第二种子激光，所述第一种子激光经过合束器的同轴同偏振态耦合、准直器的准直以及预放大器和主放大器的放大后，形成放大激光输出；

当所述第一控制信号控制所述光纤声光调制器输出的第一种子激光的频率降低时，利用所述主控板向所述驱动电路发送第二控制信号，所述第二控制信号控制所述驱动电路的驱动电流和驱动时间，进而控制所述半导体种子源产生阶段连续的第二种子激光，所述第二种子激光和所述第一种子激光的频率相同，且所述第二种子激光的时序位于所述第一种子激光的时序之前，使得所述第二种子激光充当阶段连续的消耗脉冲激光；

所述第一种子激光和所述消耗脉冲激光经过合束器的同轴同偏振态耦合、准直器的准直以及预放大器和主放大器的放大后，形成放大激光；

利用所述主控板向所述固体声光调制器发送第三控制信号，所述固体声光调制器在所述第三控制信号的控制下将放大后的所述消耗脉冲激光从所述放大激光中分离出去，保持输出的放大激光的能量一致性。