RU2800194C1 - Способ формирования пачек импульсов в оптическом усилителе с импульсной накачкой - Google Patents
Способ формирования пачек импульсов в оптическом усилителе с импульсной накачкой Download PDFInfo
- Publication number
- RU2800194C1 RU2800194C1 RU2022132858A RU2022132858A RU2800194C1 RU 2800194 C1 RU2800194 C1 RU 2800194C1 RU 2022132858 A RU2022132858 A RU 2022132858A RU 2022132858 A RU2022132858 A RU 2022132858A RU 2800194 C1 RU2800194 C1 RU 2800194C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical amplifier
- pulses
- laser
- radiation
- optical
- Prior art date
Links
Abstract
Изобретение относится к области лазерной техники. Способ формирования пачек импульсов в оптическом усилителе с импульсной накачкой характеризуется тем, что излучение от источника оптического излучения с частотой следования импульсов не менее 200 кГц и длительностью импульсов не более 100 пс вводят в активную среду оптического усилителя, который накачивают импульсным лазером, работающим в режиме модуляции добротности или в режиме переключения усиления с частотой следования импульсов не более 1 кГц, при этом длину волны излучения накачки лазера выбирают таким образом, чтобы создать инверсную населенность в активной среде оптического усилителя, а соотношение уровней энергии импульсов лазера накачки оптического усилителя и источника импульсного оптического излучения выбирают таким образом, чтобы обеспечивался режим насыщения по средней мощности усиления оптического усилителя. Технический результат - снижение тепловой нагрузки на образец или обрабатываемый лазерным излучением материал. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Изобретение относится к области лазерной техники и представляет собой способ для формирования пачек оптических импульсов с длительностью, огибающей более 100 мкс и частотами следования до 1 кГц.
[0002] Изобретение может найти свое применение в лазерной обработке материалов, чувствительных к перегреву.
[0003] Фактор перегрева является одним из ключевых при лазерной обработке полимеров и в медицине (лазерная хирургия и нейрохирургия, урология).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0004] Известен способ управления параметрами пачки коротких импульсов, включающий использование оптических элементов для взаимодействия с импульсами излучения для управления свойствами импульсов излучения; определение характеристики импульса, прошедшего взаимодействие с оптическим элементом; формирование управляющих сигналов; а также управление конфигурацией оптического элемента в соответствии с управляющим сигналом; при этом управляющий сигнал для данного импульса в данной пачке зависит от определенной характеристики соответствующего импульса по меньшей мере из одной предыдущей пачки (CN114730134A, дата публикации 08.07.2022).
[0005] Недостатком способа является невозможность получения пачки ультракоротких импульсов и наличие объемных элементов.
[0006] Известен способ генерирования пачек лазерных импульсов из первичной последовательности импульсов, который включает задержку части входного импульса относительно другой части входного импульса, при этом наборы незадержанных и задержанных частей множества входных импульсов образуют пачки выходных импульсов, при этом временная задержка задержанной части входного импульса относительно незадержанной части входного импульса больше, чем период времени между указанным входным импульсом и следующим входным импульсом (EP4035234A1, дата публикации 03.08.2022).
[0007] Недостатком способа является то, что для контроля частоты следования импульсов необходимо очень точно контролировать длину волоконной петли.
[0008] Известен способ умножения частоты повторения в последовательности оптических импульсов, основанный на умножении частоты следования импульса внутри кольцевого волоконного лазера (US6901174B2, дата публикации 31.05.2005).
[0009] Недостатком способа является необходимость точно контролировать длину оптического резонатора на заданной частоте.
[0010] Известен способ получения пачек импульсов путем модуляции тока накачки лазерных полупроводниковых диодов накачки (WO2005018063A2, дата публикации 24.02.2005).
[0011] Недостатком способа является невозможность получения ультракоротких импульсов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании способа формирования пачек оптических импульсов с длительностью огибающей более 100 мкс и частотами следования до 1 кГц без использования оптических модуляторов, вносящих потери в оптический тракт лазерной системы.
[0013] Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в снижении тепловой нагрузки на образец или обрабатываемый лазерным излучением материал за счет отсутствия воздействия между пачками импульсов, что обеспечивается использованием пачек импульсов с заданной частотой следования. Также реализация способа обеспечивает сокращение оптических элементов используемой лазерной установки, что обеспечивает повышение ее надежности и снижение ее конечной стоимости.
[0014] Заявляемый технический результат достигается за счет того, что способ формирования пачек импульсов в оптическом усилителе с импульсной накачкой, характеризующийся тем, что излучение от источника оптического излучения с частотой следования импульсов не менее 200 кГц вводят в активную среду оптического усилителя, который накачивают импульсным лазером, работающим в режиме модуляции добротности или в режиме переключения усиления с частотой следования импульсов не более 1 кГц, при этом длину волны излучения накачки лазера выбирают таким образом, чтобы создать инверсную населенность в активной среде оптического усилителя, а соотношение уровней энергии импульсов лазера накачки оптического усилителя и источника импульсного оптического излучения выбирают таким образом, что бы обеспечивался режим насыщения по средней мощности усиления оптического усилителя.
[0015] Кроме того, в частном случае реализации изобретения осуществляют управление накачкой лазера накачки оптического усилителя при помощи источника импульсов тока/напряжения с длительностью фронтов нарастания/спада менее 10 мкс, при этом лазер накачки работает в режиме переключения усиления.
[0016] Реализация способа позволяет сформировать цуг заданной длительности из усиленных импульсов, соответствующий по времени импульсу накачки усилителя. В результате импульсы в пачке будут обладать однородностью амплитуды до 90%. При этом может быть снижен дисперсионный и нелинейный пробеги импульсов за счет уменьшения числа и протяженности оптических элементов на пути импульсов, что обеспечивает меньшее искажение спектральных и временных характеристик импульсов.
[0017] Использование пачек импульсов с заданной частотой следования, позволяет снизить тепловую нагрузку на образец или материал за счет отсутствия воздействия между пачками импульсов. В то время, как, продолжительное воздействие непрерывной последовательностью импульсов может вызвать значительное повышение температуры образца/материала и его деградации.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018] Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых на фиг.1 - показаны схема реализации способа; фиг.2 - показаны схема реализации способа (вариант).
[0019] На чертежах позиции имеют следующие обозначения:
1 - источник импульсного оптического излучения с длительностью импульсов до 100 пс, с заданной частотой следования импульсов и длиной волны;
2 - лазер накачки оптического усилителя;
3 - оптический усилитель, согласованный с источником импульсного излучения;
4 - цуги усиленных импульсов;
5 - плата управления накачкой лазера накачки оптического усилителя;
[0020] Излучение от источника 1 оптического излучения непрерывной последовательности импульсов вводится в активную среду оптического усилителя 3. Частота следования импульсов источника 1 должна быть не менее 200 кГц для обеспечения числа импульсов в пачке от 20 и более штук. При этом могут быть получены импульсы в центре цуга с близкими значениями амплитуды. Длительность импульсов не должна превышать 100 пс, чтобы обеспечить высокие значения пиковой мощности, требуемые для технологических результатов. Также длительности импульсов менее 100 пс обеспечивают меньшее тепловое воздействие на объект.
[0021] Оптический усилитель 3 оптически накачивается импульсным лазером 2, работающим в режиме модуляции добротности с частотой следования импульсов до 1 кГц (фиг. 1). Такая частота следования импульсов обусловлена прикладной значимостью предлагаемого способа. Использование пачек ультракоротких импульсов с данной частотой следования позволит снизить тепловую нагрузку на обрабатываемый материал. Поэтому целесообразно использовать частоты ниже 1 кГц. Кроме того, для ряда активных элементов оптического усилителя 3 значения частоты более 1 кГц аналогичны непрерывной накачке. Длина волны генерации лазера 2 накачки оптического усилителя 3 должна попадать в резонансную длину волны поглощения среды оптического усилителя 3 и задается заранее для того, чтобы создать инверсную населенность в среде оптического усилителя 3. При несоблюдении данного условия, не будет достигнуто достаточного усиления излучения для реализации предлагаемого способа.
[0022] Соотношение уровней энергии импульсов лазера 2 накачки оптического усилителя 3 и источника импульсного оптического излучения 1 должно приводить к реализации режима насыщения по средней мощности усиления оптического усилителя 3. Данный эффект позволит поддерживать уровень амплитуды отдельных импульсов внутри пачки на близких значениях, создавая, так называемое «плато» на огибающей пачки импульсов. Длительность импульса, пиковая мощность импульса и зависимость мгновенной мощности импульса накачки от времени влияют на накопленную энергию активной среды оптического усилителя 3.
[0022] Соотношение уровней энергии импульсов лазера 2 накачки оптического усилителя 3 и источника импульсного оптического излучения 1 должно приводить к реализации режима насыщения по средней мощности усиления оптического усилителя 3. Данный эффект позволит поддерживать уровень амплитуды отдельных импульсов внутри пачки на близких значениях, создавая, так называемое «плато» на огибающей пачки импульсов. Длительность импульса, пиковая мощность импульса и зависимость мгновенной мощности импульса накачки от времени влияют на накопленную энергию активной среды оптического усилителя 3.
[0023] Таким образом, на выходе оптического усилителя 3 формируются пачки 4 усиленных импульсов, более чем в 100 раз превышающие по энергии импульсы от источника 1. Промежутки между пачками 4 импульсов заполнены последовательностью неусиленных импульсов, которые пренебрежимо малы по сравнению с импульсами в пачке 4. Пачка 4 усиленных импульсов может формироваться только при условии наличия инверсной населенности в активной среде оптического усилителя 3. Длительность пачки 4 импульсов определяется длительностью импульса накачки и временем жизни активных центров активной среды оптического усилителя 3. Частота следования пачек 4 усиленных импульсов определяется частотой следования импульсов лазера 2 накачки оптического усилителя 3. Частота следования импульсов внутри пачки 4 задается источником 1 импульсного оптического излучения.
[0024] Для реализации цугов усиленных пачек 4 импульсов в заданный внешними условиями промежуток времени допускается модернизация схемы устройства, представленной на фиг. 1, путем добавления платы 5 управления накачкой лазера 2 накачки оптического усилителя 3 (фиг. 2). Плата 5 управления накачкой лазера 2 накачки оптического усилителя 3 представляет собой источник импульсов тока/напряжения с длительностью фронтов нарастания/спада менее 10 мкс для управления затворами/питанием лазера 2 накачки усилителя, в зависимости от доступного типа модуляции. Длительность менее 10 мкс необходима для сокращения по времени переходных процессов в лазере накачки 2.
[0025] При этом лазер 2 накачки оптического усилителя 3 переходит в режим работы переключения усиления (gain-switch). Данный режим характеризуется формированием импульсов в резонаторе лазера 2 накачки усилителя за счет изменения коэффициента усиления, вызванного внешним изменением накачки. Этот режим позволяет формировать импульсы с длительностью порядка микро- или миллисекунд. Также допускается использование режима активной модуляции добротности лазера накачки 2 оптического усилителя 3, при наличии технических возможностей. Кроме того, необходимо заранее определить длину волны и энергию импульсов лазера накачки 2 для достижения насыщения усиления в оптическом усилителе 3.
[0026] Требования к лазеру 2 накачки оптического усилителя 3 аналогичны предыдущему варианту реализации изобретения. На выходе оптического усилителя 3 формируются цуги 4 усиленных импульсов более чем в 100 раз превышающие по энергии импульсы от источника оптического излучения 1.
[0027] В качестве источника 1 импульсного излучения могут выступать как полупроводниковые лазеры, работающие в режиме модуляции накачки, так и волоконные, работающие в режиме синхронизации мод.
[0028] В качестве лазера 2 накачки оптического усилителя 3 может быть использован волоконный лазер, работающий в режиме модуляции током (полупроводниковый лазер), работающий в режиме модуляции добротности (Q-switch), работающий в режиме переключения усиления (gain-switch). Основные требования: длина волны совпадает с резонансной длиной волны поглощения активной среды оптического усилителя 3. Энергия импульса достаточна для перевода активной среды оптического усилителя 3 в режим насыщения усиления, которое оценивается из общефизических понятий для каждой конкретной среды.
[0029] Контур усиления оптического усилителя 3 должен быть согласован с источником 1 усиливаемого импульсного излучения. Оптический усилитель 3 должен включать систему введения оптической накачки, систему ввода и вывода импульсного излучения.
Claims (2)
1. Способ формирования пачек импульсов в оптическом усилителе с импульсной накачкой, характеризующийся тем, что излучение от источника оптического излучения с частотой следования импульсов не менее 200 кГц и длительностью импульсов не более 100 пс вводят в активную среду оптического усилителя, который накачивают импульсным лазером, работающим в режиме модуляции добротности или в режиме переключения усиления с частотой следования импульсов не более 1 кГц, при этом длину волны излучения накачки лазера выбирают таким образом, чтобы создать инверсную населенность в активной среде оптического усилителя, а соотношение уровней энергии импульсов лазера накачки оптического усилителя и источника импульсного оптического излучения выбирают таким образом, чтобы обеспечивался режим насыщения по средней мощности усиления оптического усилителя.
2. Способ формирования пачек импульсов в оптическом усилителе с импульсной накачкой по п.1, отличающийся тем, что осуществляют управление накачкой лазера накачки оптического усилителя при помощи источника импульсов тока/напряжения с длительностью фронтов нарастания/спада менее 10 мкс, при этом лазер накачки работает в режиме переключения усиления.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2800194C1 true RU2800194C1 (ru) | 2023-07-19 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005018063A2 (en) * | 2003-08-11 | 2005-02-24 | Raydiance, Inc. | Pulse streaming of optically-pumped amplifiers |
| RU172347U1 (ru) * | 2016-07-11 | 2017-07-04 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" | Оптическая система для генерации лазерных импульсов высокой спектральной плотности |
| US9774160B2 (en) * | 2004-03-31 | 2017-09-26 | Imra America, Inc. | Femtosecond laser processing system with process parameters controls and feedback |
| RU210531U1 (ru) * | 2021-11-30 | 2022-04-19 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" | Оптическая система для генерации лазерных импульсов высокой спектральной плотности |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005018063A2 (en) * | 2003-08-11 | 2005-02-24 | Raydiance, Inc. | Pulse streaming of optically-pumped amplifiers |
| US9774160B2 (en) * | 2004-03-31 | 2017-09-26 | Imra America, Inc. | Femtosecond laser processing system with process parameters controls and feedback |
| RU172347U1 (ru) * | 2016-07-11 | 2017-07-04 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" | Оптическая система для генерации лазерных импульсов высокой спектральной плотности |
| RU210531U1 (ru) * | 2021-11-30 | 2022-04-19 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" | Оптическая система для генерации лазерных импульсов высокой спектральной плотности |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11108207B2 (en) | Pulse laser system that is temporally variable in terms of rhythm and/or amplitude | |
| CA2528123C (en) | Laser pulse generator | |
| US7539231B1 (en) | Apparatus and method for generating controlled-linewidth laser-seed-signals for high-powered fiber-laser amplifier systems | |
| US8964801B2 (en) | Method and system for stable and tunable high power pulsed laser system | |
| US7116688B2 (en) | Laser system and method for generation of a pulse sequence with controllable parameters and computer program product | |
| EP1438773B1 (en) | Q-switching method for pulse train generation | |
| EP3130044B1 (en) | System and method for generating high energy optical pulses with arbitrary waveform | |
| JP2018531524A6 (ja) | リズムおよび／または振幅が時間的に可変なパルスレーザーシステム | |
| US6587483B2 (en) | Q-switched solid state laser with adjustable pulse length | |
| US20140219299A1 (en) | Method for actively controlling the optical output of a seed laser | |
| JP2007295013A (ja) | 超音波の高速レーザを検出するシステムと方法 | |
| US8582614B2 (en) | Laser amplification system and method for generating retrievable laser pulses | |
| CN110190905B (zh) | 一种时间相位量子密钥分发系统发射端 | |
| KR20200104875A (ko) | 매우 높은 반복 레이트의 레이저 펄스를 발생시키기 위한 레이저 시스템 및 방법 | |
| WO2012173939A2 (en) | Fiber-mopa apparatus for delivering pulses on demand | |
| CN110474227B (zh) | 一种基于Burst模式的短脉冲激光器系统及控制方法 | |
| RU2800194C1 (ru) | Способ формирования пачек импульсов в оптическом усилителе с импульсной накачкой | |
| JP2018535561A (ja) | リズムおよび／または振幅が時間的に可変なパルスレーザーシステム | |
| CN115377786B (zh) | 一种提高激光脉冲时域对比度的系统及方法 | |
| RU2480875C2 (ru) | Способ дифференциального контроля инверсии населенности лазерной среды и устройство его реализующее | |
| JP3646006B2 (ja) | 光パルス発生器 | |
| KR100354336B1 (ko) | 초고속 광신호처리용 파장변환장치 | |
| US10288981B2 (en) | Laser light-source apparatus and laser pulse light generating method | |
| Lührmann et al. | High-average power Nd: YVO4 regenerative amplifier seeded by a gain switched diode laser | |
| US8014428B2 (en) | Mode-locked laser |