TW202322498A - Q開關氣體雷射中之脈衝等化技術 - Google Patents

Abstract

一種具有二元脈衝等化技術的Q開關氣體雷射裝置包括一氣體雷射、一感測器、與一電子電路。一Q開關使該雷射共振器在高損耗及低損耗狀態之間切換以產生一脈衝雷射光束。該感測器得到表示該雷射脈衝能量的該脈衝雷射光束之一測量值。該電子電路運作該Q開關以(a)使該雷射共振器在該高損耗及低損耗狀態之間重複切換以設定該脈衝雷射光束之雷射脈衝的一重複率，(b)基於該脈衝能量測量值來調整該低損耗狀態的一損耗位準，以實現一目標雷射脈衝能量，且(c)調整該低損耗狀態的一持續時間以實現一目標雷射脈衝持續時間。藉由調整脈衝能量與持續時間兩者，在寬廣的重複率範圍內實現均勻的脈衝能量，以及若需要，實現均勻的脈衝持續時間。

Description

Q開關氣體雷射中之脈衝等化技術

發明領域

本申請案主張申請於2021年11月18日之美國專利臨時申請案第63/281,044號的優先權，其揭示內容全部併入本文作為參考資料。

本發明有關於Q開關氣體雷射，例如Q開關二氧化碳(CO ₂)及一氧化碳(CO)雷射。本發明特別有關於Q開關氣體雷射的輸出在脈衝重複率修改後的雷射脈衝能量及雷射脈衝持續時間的變化。

發明背景

氣體雷射的雷射增益介質為氣體混合物。提供雷射作用的光學活性實體為原子、離子或分子。這些光學活性實體通常由產生氣體放電從而在光學活性實體中產生居量反轉的射頻(RF)或者是直流(DC)高壓電場提供能量。許多氣體雷射在商業應用中已被固態雷射取代，由於它們普遍具有更高的效率、更小的尺寸、更低的成本和更簡單的操作。不過，某些類型的氣體雷射仍然很受歡迎，且為某些雷射應用的較佳解決方案。例如，二氧化碳雷射及一氧化碳雷射看到在工業製程中的實質用途，例如雷射機械加工，在此它們的紅外線(IR)波長及高平均功率是有利的。

二氧化碳雷射可輸送波長範圍在約9微米(µm)至約11微米之間的IR雷射輻射，然而一氧化碳雷射可輸送波長範圍在約4.5微米至約6.0微米之間的IR雷射輻射。用二氧化碳雷射及一氧化碳雷射可得到高達約8千瓦的平均功率。

許多雷射機械加工應用要求雷射輻射帶有脈衝。在二氧化碳及一氧化碳雷射的情形下，藉由打開及關閉增益介質中的氣體放電可產生脈衝雷射光束。不過，用此技術產生之雷射脈衝的升降時間由能量轉移過程在氣體混合物中的動力學支配且通常約為10到200微秒(µs)。這些升降時間導致整個雷射脈衝持續時間在數十到數百微秒的範圍內，這對於某些應用而言太長了。特別是，在要求被輻照材料中之熱影響區要很小的許多雷射機械加工應用中，這些雷射脈衝持續時間太長。當雷射脈衝持續時間為數十微秒或更多，被輻照材料在單一雷射脈衝期間的熱擴散造成熱影響區在遠離被輻照位置的方向顯著成長。甚至對於不要求較短雷射脈衝的應用，氣體放電的調變有相關熱變化導致光學不穩定性的額外缺點。

Q開關為一種用於藉由調變雷射共振器之腔內損耗來產生雷射脈衝的技術。Q開關使雷射共振器在高損耗狀態(低品質因子)與低損耗狀態(高品質因子)之間切換，同時維持雷射增益介質的穩定泵激(pumping)。產生雷射脈衝係藉由首先使雷射共振器在高損耗狀態中運作以防止雷射作用。在沒有雷射作用的情形下，增益介質的泵激導致大量的能量在雷射增益介質中累積。接下來，共振器損耗突然下降到致能雷射作用的低值。在經過一段時間的積累後，循環雷射功率在此低損耗狀態中迅速增加且快速耗盡儲存的能量。結果會產生雷射脈衝，通常持續時間在奈秒範圍內。最常見的是，周期性地進行Q開關以產生以脈衝重複率為特徵的一連串雷射脈衝。

Q開關可為主動式或被動式。在主動Q開關中，雷射共振器包括主動損耗元件，例如聲光調變器(AOM)或電光調變器(EOM)，其經控制成可使來自共振器的輻射轉向或者是不轉向以使雷射共振器在高損耗及低損耗狀態之間切換。主動Q開關通常用來產生脈衝重複率在數百千赫(kHz)下降到一千赫或更低之範圍內的雷射脈衝。主動Q開關可用來按需要產生單一雷射脈衝。

用脈衝雷射光束進行的雷射製程通常有最佳脈衝重複率。最佳脈衝重複率取決於該製程。因此，最通用的脈衝雷射系統能夠在脈衝重複率的一範圍內運行，有時從單發跨到數百千赫。雷射機械加工製程在各個單一部件加工期間需要改變脈衝重複率並不少見，因此需要動態調整脈衝重複率。在Q開關雷射的情形下，脈衝重複率的調整意味著改變雷射共振器之高損耗狀態的持續時間。至少對於相對高的脈衝重複率，這種改變會影響能量在切換到低損耗狀態之前積累於增益介質中的數量。結果，脈衝重複率的調整可能伴隨著雷射脈衝能量的改變。

發明概要

揭露於本文的是一種具有雷射脈衝能量及雷射脈衝持續時間兩者之二元脈衝等化技術的Q開關氣體雷射裝置及相關方法。本發明裝置及方法利用主動Q開關且經組配為在寬廣的脈衝重複率範圍內可等化雷射脈衝能量及持續時間。一個等化機構直接影響雷射脈衝能量，同時另一個等化機構直接影響雷射脈衝持續時間。該脈衝-能量-等化機構調整該雷射共振器之該低損耗狀態的損耗，同時該脈衝-持續時間-等化機構調整該低損耗狀態的持續時間。例如，在該Q開關為一AOM時，該脈衝-持續時間-等化機構基於保持某一數量的衍射，即使處於低損耗狀態，且調整此衍射數量以實現一所欲脈衝能量。為了比較，習知Q開關在低損耗狀態期間完全關閉以最小化雷射共振器的損耗。

吾等已意識到，脈衝能量及持續時間兩者的等化擴展可實現均勻脈衝能量的脈衝重複率範圍。儘管有可能只利用脈衝-能量-等化機構在相對高脈衝重複率的有限範圍內實現均勻脈衝能量，然而該脈衝-持續時間-等化機構有助於使此範圍擴展到較低的脈衝重複率。因此，本發明的二元脈衝等化技術很有用，即使目標只是在寬廣的脈衝重複率範圍內保持均勻雷射脈衝能量，而不管雷射脈衝持續時間。該脈衝-持續時間-等化機構進一步致能在寬廣的脈衝重複率範圍內實現所欲雷射脈衝持續時間，從而提供終極的雷射脈衝控制。

在一方面，一種具有脈衝等化技術的Q開關氣體雷射裝置包括一氣體雷射、一感測器、與一電子電路。該氣體雷射包括具有一Q開關的一雷射共振器，它可運作以使該雷射共振器在一高損耗狀態與一低損耗狀態之間切換以產生一脈衝雷射光束。該感測器經組配為可得到表示一雷射脈衝能量的該脈衝雷射光束之一測量值。該電子電路通訊耦合在該Q開關與該感測器之間，且經組配為可運作該Q開關以(a)使該雷射共振器在該高損耗及低損耗狀態之間重複切換以設定該脈衝雷射光束之雷射脈衝的一重複率，(b)基於用該感測器得到的該測量值來調整該低損耗狀態的一損耗位準，以實現一目標雷射脈衝能量，且(c)調整該低損耗狀態的一持續時間以實現一目標雷射脈衝持續時間。

在另一方面，一種用於等化由Q開關氣體雷射產生之雷射脈衝的方法包括：運作該Q開關氣體雷射的一Q開關以使該Q開關氣體雷射的一雷射共振器在高損耗及低損耗狀態之間重複切換以產生一脈衝雷射光束。該方法進一步包括：通過以下重複步驟來等化該脈衝雷射光束之雷射脈衝的雷射脈衝能量及雷射脈衝持續時間：(a)取樣該脈衝雷射光束以得到表示該雷射脈衝能量的一測量值，(b)基於表示該雷射脈衝能量的該測量值來調整該低損耗狀態的一損耗位準，以接近一目標雷射脈衝能量，且(c)調整該低損耗狀態的一持續時間以接近一目標雷射脈衝持續時間。

此時參考附圖，其中，類似組件用相同的元件符號表示，圖1圖示具有二元脈衝等化技術的一Q開關氣體雷射裝置100。裝置100包括氣體雷射110、感測器150、與電子電路160。氣體雷射110包括有Q開關118的雷射共振器116。例如，Q開關118為AOM或EOM。

本質上，氣體雷射110也包括氣體增益介質120。在一具體實施例中，氣體雷射110為二氧化碳或一氧化碳雷射且增益介質120對應包括二氧化碳或一氧化碳。至少在氣體雷射110為二氧化碳或一氧化碳雷射時，氣體雷射110進一步包括一或多個電極，其通過增益介質120施加高壓電場以泵激(賦能)在其中的二氧化碳或一氧化碳分子。在其他具體實施例中，氣體雷射110可為有長上態壽命(long upper-state lifetime)的不同類型氣體雷射。氣體雷射110可包括位在增益介質120之相反兩側上的電極122及124以在氣體增益介質120中產生放電。電極122耦合至高壓RF源，且電極124接地。

在圖示於圖1的實施例中，共振器116為線性共振器，它有雷射輻射190在其間來回傳播的兩個端鏡112及114。端鏡114為有部份反射率例如在10%至90%之範圍內的輸出耦合器。端鏡112可為有至少99%反射率的高反光鏡。在裝置100的其他實施例中，共振器116為由兩個以上之反射鏡界定的線性共振器，其中雷射輻射190的傳播路徑被折疊。又在其他實施例中，共振器116為環形共振器。

Q開關118放在循環雷射輻射190的傳播路徑中。電子電路160控制Q開關118的運作以脈衝化雷射輻射190，致使氣體雷射110輸出脈衝雷射光束192。更具體言之，電子電路160運作Q開關118以使共振器116在高損耗及低損耗狀態之間重複切換以設定雷射光束192之雷射脈衝192P的重複率。藉由改變Q開關118使共振器116在高損耗及低損耗狀態之間切換的速率，電子電路160能夠改變雷射光束192的脈衝重複率。換言之，電子電路160能夠控制Q開關118以實現在一數值範圍內的雷射脈衝192P周期T。電子電路160可接收指示雷射脈衝192P之所欲重複率的重複率輸入188。電子電路160可接收來自外部控制系統或使用者的重複率輸入188。

電子電路160也經組配為在處於共振器116之低損耗狀態時可控制及改變由Q開關118造成的損耗，以實現雷射脈衝192P的目標能量。Q開關118、感測器150和電子電路160在主動反饋迴路中配置成可施加雷射脈衝192P之能量的伺服控制。裝置100分裂出一部份196的雷射光束192且引導雷射光束部份196至感測器150。感測器150測量雷射光束部份196之雷射脈衝的脈衝能量E(或相關參數)以得到雷射脈衝192P之能量的度量(或表示它的另一參數)。感測器150傳達此脈衝能量測量值到電子電路160，且電子電路160相應地調整Q開關118的運作以實現至少在某一公差內的目標脈衝能量。

由感測器150測得的性質可為雷射光束部份196的平均能量且可取得作為數個或許多雷射脈衝192P的平均值。在一實作中，感測器150為熱堆感測器(thermopile sensor)、光導電或光伏半導體感測器，或輻射熱感測器(bolometric sensor)。替換地，感測器150可足夠快以測量個別雷射光束部份196中之脈衝的能量。裝置100可包括一或多個分光鏡以從雷射光束192得到雷射光束部份196。

電子電路160進一步經組配為在需要調整雷射脈衝192P之持續時間時可控制共振器116由Q開關118界定之低損耗狀態的持續時間。電子電路160做此調整可基於(a)雷射脈衝192P之持續時間的測量值、或(b)脈衝重複率、目標脈衝能量、從感測器150得到之脈衝能量測量值、與目標脈衝持續時間中之一或多者之間的預校準關係。

儘管未圖示於圖1，電子電路160可接收來自外部系統或使用者的目標脈衝能量及目標脈衝持續時間。電子電路160可包括離散電子組件、積體電路、微處理器、與備有軟體的電腦中之一或多個。

裝置100的某些具體實施例包括感測器152且引導雷射光束192的一部份198至感測器152。感測器152從雷射光束部份198得到雷射脈衝192P之持續時間w的測量值且傳達此脈衝-持續時間測量值至電子電路160。然後，電子電路160可基於脈衝-持續時間測量值來調整Q開關118的運作。感測器152可完成主動反饋迴路，其允許伺服控制雷射脈衝192P的持續時間以實現至少在某一公差內的目標脈衝持續時間。例如，感測器152為記錄個別雷射脈衝192P之波形的高速光學檢測器。

裝置100可包括一或多個分光鏡以分裂出一部份的雷射光束192至感測器150且視需要也至感測器152。在圖示於圖1的實施例中，裝置100包括(a)朝向感測器150及152分裂出雷射光束192之一部份194的分光鏡130、與(b)把部份194分成雷射光束部份196及198的分光鏡132。分光鏡132在不包括感測器152的具體實施例中可省略。在不脫離彼之範疇下，裝置100可實施其他方案以從雷射光束192得到雷射光束部份196，以及視需要得到雷射光束部份198。

電子電路160可包括控制器162與驅動器164。驅動器164產生電氣驅動信號182且供應驅動信號182至Q開關118以調變共振器損耗。例如，當Q開關118為AOM時，驅動器164為RF驅動器且驅動信號182為高壓RF信號。從控制器162收到的命令信號180支配由驅動器164產生的驅動信號182。命令信號180界定雷射脈衝192P的重複率、共振器116在處於低損耗狀態時的損耗、與低損耗狀態的持續時間。對於任何給定脈衝重複率，控制器162至少部份基於從感測器150得到的脈衝-能量測量值且視需要也基於從感測器152得到的脈衝-持續時間測量值來產生命令信號180。用控制器162產生命令信號180進一步基於所欲脈衝重複率，例如由重複率輸入188界定的。

在一具體實施例中，裝置100組配為主振盪器功率放大器(MOPA)。在此MOPA具體實施例中，氣體雷射110為主振盪器且裝置100進一步包括放大雷射光束192的雷射放大器170。在該MOPA具體實施例中，感測器150及感測器152(如果包括)可經配置成可在放大器170的放大之前或之後取樣雷射光束192。在放大後取樣雷射光束192通常有利，如圖1所示。如果分光是在放大之後，雷射光束192朝向該(等)感測器分裂出的部份可能不顯著。如果分光是在放大之前完成，則必須分出較大部份的雷射光束192，且對於雷射光束192輸送至應用(例如，雷射機械加工)之最終功率的影響可能很顯著。另外，由於放大雷射光束192為MOPA的輸出，放大雷射光束192的取樣提供實際輸出的更直接評定，且由電子電路160施加的控制可補償在放大器170中誘發的影響。

圖2為用於Q開關備有AOM Q開關之雷射共振器之先前技術方案200的時序圖。圖2圖示關於雷射脈衝232之產生的3個曲線圖210、220、230。曲線圖210描繪供應至用於驅動AOM之RF驅動器之命令信號212的時間演化。曲線圖220描繪由RF驅動器供應至AOM之RF驅動信號222的時間演化。RF驅動信號222由命令信號212界定。命令信號212的數值V _C在V _high與零的兩個數值之間切換。當V _C=V _high時，驅動信號222的RF電壓V _RF有振幅∆V _high，且AOM的相關衍射賦予共振器損耗致使雷射共振器處於高損耗狀態。當V _C為零時，V _RF為零致使AOM關閉，從而使雷射共振器處於低損耗狀態。

曲線圖230描繪在雷射共振器中循環之雷射功率P _L的時間演化。在方案200中，雷射脈衝232由命令信號212中下降到V _C=0的命令脈衝214產生。命令脈衝214在時間t ₁的前緣與在時間t ₂的後緣之間有持續時間∆t。命令脈衝214的持續時間∆t界定雷射共振器之低損耗狀態的持續時間。聲學及光學延遲造成從時間t ₁到雷射脈衝232的延遲T _delay。聲學延遲對應至在AOM光件中在時間t ₁之前產生完全通過雷射輻射190路徑從傳感器傳播的聲波。光學延遲對應至由自發發射引發的雷射輻射，該自發發射係藉由受激發射在多次往返通過賦能共振器期間「逐步建立」的。在描繪於圖2的場景中，聲學延遲比光學延遲長，因此雷射脈衝232在時間t ₂之後產生。

電子電路160能夠運作根據先前技術方案200的Q開關118。不過，先前技術方案200不提供脈衝等化技術，且雷射脈衝192P的能量及持續時間會隨著脈衝重複率而改變。

圖3圖示的一組示範雷射脈衝係由裝置100具體實施例產生，該具體實施例將Q開關118實作為AOM且運作僅限於先前技術方案200。雷射脈衝波形均由感測器152記錄，其實作為偵測及記錄隨著時間而改變之瞬時雷射功率的高速光學檢測器。在圖3實施例中，命令脈衝214的持續時間∆t為1.0微秒。圖3圖示各自在脈衝重複率為1千赫、5千赫、10千赫、25千赫、50千赫、75千赫、及100千赫時記錄的所得雷射脈衝波形。儘管雷射脈衝波形在從1千赫到25千赫之範圍內的脈衝重複率幾乎沒有變化，然而在脈衝重複率增加到25千赫以上時發生實質變化。特別是，對於25千赫以上的脈衝重複率，脈衝能量隨著脈衝重複率顯著下降。此外，雷射脈衝的形狀及持續時間在脈衝重複率增加到25千赫以上時改變。脈衝重複率在1至25千赫之範圍內時產生的雷射脈衝包含主脈衝和緊隨其後的顯著尾部310。在脈衝重複率增加到25千赫以上時，尾部310逐漸消失且雷射脈衝持續時間對應地減少。

圖4圖示另一組示範雷射脈衝，彼等由與圖3相同的裝置100具體實施例產生但是使用與先前技術方案200不同的較短命令脈衝214。此技術以下被稱為「脈衝修整」。在圖4實施例中，命令脈衝214的持續時間∆t為0.8微秒。圖4圖示各自在脈衝重複率為1千赫、5千赫、10千赫、25千赫、50千赫、75千赫、及100千赫時記錄的所得雷射脈衝波形。命令脈衝214從1.0微秒減少到0.8微秒實質消除所有測得脈衝重複率的尾部310。不過，雷射脈衝能量在脈衝重複率增加到25千赫以上時仍然大幅減少。因此，儘管脈衝修整有助於在一脈衝重複率的範圍內實現更均勻的雷射脈衝持續時間及形狀，然而脈衝修整不會等化雷射脈衝能量。

圖5進一步探索在固定脈衝重複率下命令脈衝持續時間對於雷射脈衝能量及持續時間的影響。圖5圖示在固定脈衝重複率下用不同命令脈衝持續時間得到的雷射脈衝波形。圖5的各個雷射脈衝波形用命令脈衝214的對應持續時間∆t標示。從1.1微秒的最長命令脈衝持續時間開始，雷射脈衝波形呈現實質柱腳狀尾部。主脈衝有約0.2微秒的寬度，且柱腳狀尾部延伸總雷射脈衝持續時間達約0.5微秒。在命令脈衝持續時間從1.1微秒減少時，在命令脈衝持續時間達到0.7微秒時，此尾部截掉且實質消除。當命令脈衝持續時間減少到0.7微秒以下時，雷射脈衝持續時間進一步減少，此時的結果是主脈衝的寬度減少。此外，雷射脈衝的峰值功率減少。

圖5資料證明，至少在某些脈衝重複率的狀態中，雷射脈衝能量對低損耗狀態的持續時間很敏感。圖5資料也顯示，至少在某些脈衝重複率的狀態中，只有相當窄的命令脈衝持續時間範圍提供乾淨的無尾脈衝同時保持主脈衝的全部能量。換言之，存在一個「最佳」命令脈衝持續時間，即使與此最佳命令脈衝持續時間有相對小的偏差也會產生重大影響。已發現，最佳命令脈衝持續時間隨著脈衝重複率的增加而增加，至少對於高於某一閾值率(threshold rate)的脈衝重複率而言是這樣。

圖3、4及5一起證明由例如氣體雷射110之Q開關氣體雷射產生之雷射脈衝的重複率、能量及持續時間之間的強耦合關係。這些關係的本質取決於在由脈衝重複率、能量及持續時間展開之三維參數空間中的位置。另外，該等關係對其他參數很敏感，包括共振器116的性質、增益介質120、與增益介質120的泵激作用。

圖6的流程圖圖示用於二元等化由Q開關氣體雷射產生之雷射脈衝的一種方法600。方法600可應用於裝置100且克服用圖3至5之資料圖示的問題以在寬廣的脈衝重複率範圍內提供均勻的雷射脈衝能量及持續時間。方法600需要根據比先前技術方案200更先進的方案來運作Q開關。以下，在裝置100的背景內討論方法600。方法600包括平行地進行的步驟610及620。

在步驟610，電子電路160運作Q開關118以使共振器116在高損耗及低損耗狀態之間重複切換以產生脈衝雷射光束192，如以上在說明圖1時所述。在步驟620，電子電路160與感測器150合作，且視需要也與感測器152合作，以在脈衝重複率的範圍內等化雷射脈衝192P的能量及持續時間。

步驟620包括步驟630及632。在步驟630，感測器150取樣雷射光束192以得到表示雷射脈衝192P之能量的測量值，如以上在說明圖1時所述。步驟630可實施步驟634：以複數個雷射脈衝192P之平均值來得到此脈衝-能量測量值。在步驟632，電子電路160基於在步驟630得到的脈衝-能量測量值來調整共振器116之低損耗狀態的損耗位準，以實現或至少接近目標脈衝能量。步驟630及632在主動反饋迴路中可反覆進行，以實現目標脈衝能量。在一示範場景中，步驟620實現在目標脈衝能量之10%內的雷射脈衝能量，其中雷射脈衝能量被評定為單一雷射脈衝的能量或複數個雷射脈衝的平均能量。

圖7為被方法600使用以Q開關氣體雷射110之一種方案700的時序圖。方案700為致能脈衝能量等化及脈衝持續時間等化兩者之方案200的變體。圖7圖示用於以AOM進行Q開關之具體實施例的方案700。方案700容易適合其他類型的Q開關，例如EOM。圖7的曲線圖720及730提供步驟632的更詳細實施例。曲線圖720描繪由電子電路160供應至AOM之RF驅動信號722的時間演化。相較於方案200的RF驅動信號222，RF驅動信號722在共振器116的低損耗狀態期間不一定為零。反而，RF驅動信號722在低損耗狀態期間一般有非零振幅∆V _low，且電子電路160基於在步驟630用感測器150得到的脈衝-能量測量值來調整∆V _low的數值。

曲線圖730描繪在共振器116中循環之雷射功率P _L的時間演化。當AOM被RF驅動信號722驅動時，RF驅動信號722從振幅∆V _high下降到非零振幅∆V _low導致產生雷射脈衝732。相較於在RF驅動信號一路下降到零時產生的雷射脈衝232(參考圖2)，雷射脈衝732有較低的峰值功率P _peak與較低的脈衝能量E。脈衝能量E(及峰值功率P _peak)的減少為AOM在共振器116之低損耗狀態期間賦予非零衍射損耗的結果。在步驟632，電子電路160按需要調整∆V _low以實現目標脈衝能量。例如，在從感測器150得到的脈衝-能量測量值指示雷射脈衝192P的能量超過目標脈衝能量時，電子電路160可增加∆V _low以增加共振器116之低損耗狀態的損耗。反之，在從感測器150得到的脈衝-能量測量值指示雷射脈衝192P的能量小於目標脈衝能量時，電子電路160可減少∆V _low。

方法600的步驟620也包括步驟642，其中，電子電路160調整共振器116之低損耗狀態的持續時間以實現或至少接近目標脈衝持續時間。圖7的曲線圖720及730提供步驟642的更詳細實施例。在此實施例中，電子電路160調整有振幅∆V _low之RF驅動信號722的持續時間∆t。在另一實施例中，電子電路160減少持續時間∆t以防止雷射脈衝732有尾部，或增加持續時間∆t以最大化雷射脈衝732之主脈衝中的能量。在又一實施例中，電子電路160調整持續時間∆t以實現目標脈衝持續時間，例如在半最大值(FWHM)脈衝持續時間的某一全寬。

在步驟620的一具體實施例中，步驟642之前為步驟640A，其中，感測器152取樣雷射光束192以得到表示雷射脈衝192P之持續時間的測量值，如以上在說明圖1時所述。步驟640A可實施步驟644：從單一雷射脈衝192P得到此脈衝-持續時間測量值，或以數個單一脈衝持續時間的平均值來得到。當步驟620包括步驟640A時，步驟642則基於在步驟640A得到的脈衝-持續時間測量值。此具體實施例可在主動反饋迴路中反覆執行步驟640A及642。由步驟640A及642進行的脈衝-持續時間反饋迴路可比由步驟630及632進行的脈衝-能量反饋迴路快，特別是在雷射脈衝持續時間從單一或僅僅數個雷射脈衝192P的測量值得到時。在一示範場景中，步驟620實現在目標脈衝持續時間之10%內的雷射脈衝持續時間。

在步驟620的另一具體實施例中，步驟642之前為步驟640B，其中，電子電路160要麼計算共振器116之低損耗狀態的所欲持續時間∆t，要麼從查找表取回所欲持續時間∆t。電子電路160從(a)目標脈衝持續時間與(b)持續時間∆t及脈衝重複率之間的預校準函數關係可算出所欲持續時間∆t，且視需要，也算出氣體雷射110及/或目標脈衝能量的一或多個其他參數。例如，藉由以線性取決於雷射脈衝192P之周期T(相當於脈衝重複率的倒數)的方式來調整持續時間∆t，有可能在脈衝重複率的範圍內實現恆定的雷射脈衝持續時間。替換地，為目標脈衝持續時間之函數的預校準持續時間∆t、脈衝重複率、且視需要，氣體雷射110及/或目標脈衝能量的一或多個其他參數，可列於包括在電子電路160中的查找表中。

在一場景中，步驟610包括改變雷射脈衝192P之重複率的步驟612。在此場景中，方法600執行步驟632，且視需要執行步驟642，以響應在步驟612產生的重複率變化以便最小化雷射脈衝能量及雷射脈衝持續時間由重複率變化造成的變化。

在電子電路160包括控制器162及驅動器164的具體實施例中，方案700的執行需要產生RF驅動信號722(驅動信號182的實施例)的驅動器164。驅動器164根據由控制器162產生的命令信號180來產生RF驅動信號722。圖7的曲線圖710圖示命令信號712的時間演化。命令信號712為可造成驅動器164產生RF驅動信號722之命令信號的實施例。命令信號712為在高值V _high與低值V _low之間交替的電壓V _C。當V _C=V _high時，V _RF有振幅∆V _high。當V _C=V _low時，V _RF有振幅∆V _low。V _low的數值為支配∆V _low之數值的信號值。各個雷射脈衝192P在以信號值V _low為特徵的命令脈衝714之後產生。V _low的數值控制∆V _low的數值從而雷射脈衝192P的能量。

控制器162藉由設定相繼命令脈衝714的前緣714L周期為所欲脈衝重複率的倒數，可設定雷射脈衝192P的重複率。在此情形下，控制器162藉由調整命令脈衝714之後緣714T的時間位置來調整共振器116之低損耗狀態的持續時間∆t。

命令信號712含有時序資訊(時間t ₁與t ₂)與可變電壓V _low兩者。替換地，控制器162可產生有以下兩個獨立分量的命令信號：時序信號與可變DC電壓。時序信號可為電晶體-電晶體-邏輯(TTL)信號，其含有與命令脈衝714類似的TTL脈衝但是有恆定信號值V _low。可變DC電壓可為類比信號，例如有支配振幅∆V _low或RF驅動信號722之數值V _low的DC電壓。商用RF驅動器常常經組配為可用於數位控制，而不是類比控制。命令信號可為數位信號，其包含數位編碼時間t ₁、延遲Δt、電壓值ΔV _high、與電壓值ΔV _low。

圖8圖示雷射脈衝192P的實施例，彼等在用根據方案700之二元脈衝等化技術運作裝置100時產生且基於感測器150及152的測量值來實施雷射脈衝能量及雷射脈衝持續時間兩者的動態調整。為了比較，圖8也圖示雷射脈衝的實施例，彼等在根據無脈衝等化技術的先前技術方案200來運作裝置100時產生。圖8描繪用感測器152測量之6個雷射脈衝波形的示波器軌跡。軌跡810、820及830使用先前技術方案200分別在脈衝重複率為10千赫、50千赫及100千赫時得到。因此，對於軌跡810、820及830，V _low保持為零且持續時間∆t保持不變。軌跡812、822及832也分別在脈衝重複率為10千赫、50千赫及100千赫時得到，但是它使用根據方案700的脈衝等化技術且動態調整信號值V _low及持續時間∆t兩者。

用於軌跡810、820及830的測得脈衝能量分別為704微焦耳(µJ)、542微焦耳及355微焦耳，且對應FWHM脈衝持續時間為105奈秒(ns)、118奈秒及117奈秒。顯然，在無脈衝等化技術下，脈衝能量在脈衝重複率從10千赫增加到100千赫時大幅改變。對比之下，在實施根據方案700的脈衝等化技術時，從軌跡812、822及832可以看出，所有3個脈衝重複率都得到實質相同的雷射脈衝波形。在有脈衝等化技術下，在10千赫、50千赫及100千赫測得的脈衝能量分別為250微焦耳、254微焦耳及262微焦耳。再者，這3個脈衝各有99奈秒的FWHM脈衝持續時間。

圖9A及9B分別圖示在有及無二元脈衝等化技術下用於3種不同脈衝重複率10千赫、50千赫及100千赫之雷射脈衝能量及雷射脈衝持續時間的實施例。資料集910在無脈衝等化技術下得到，亦即，∆V _low=0且∆t不變。資料集920及930使用根據方案700的二元脈衝等化技術得到，且基於從感測器150及152得到的測量值來動態調整∆V _low與∆t兩者。在資料集920的情形下，目標脈衝能量E _target為340微焦耳且目標脈衝持續時間w _target為99奈秒。在資料集930的情形下，目標脈衝能量E _target為250微焦耳且目標脈衝持續時間w _target為117奈秒。

資料集910顯示，在無脈衝等化技術下，雷射脈衝能量隨著脈衝重複率以從10千赫到100千赫減少兩倍的方式迅速下降。另外，雷射脈衝持續時間以不明顯的方式對於脈衝重複率有高度敏感性。對比之下，如資料集920及930所示，二元脈衝等化技術很有效。所有3個脈衝重複率都實現目標脈衝持續時間，且脈衝能量變化很小。對於兩個不同目標脈衝能量340與250微焦耳中之各者，每個測得雷射脈衝能量都在目標脈衝能量的5%內。

圖10A圖示一RF驅動器1000，它在Q開關118為AOM的裝置100具體實施例中可實作為驅動器164。圖10B圖示控制RF驅動器1000的示範命令信號1080。RF驅動器1000包括RF振盪器1010、混合器1020、與放大器1040。RF振盪器1010產生RF信號。混合器1020接收此RF信號且在混合器1020的「IF」埠進一步接收命令信號1080。命令信號1080為由命令信號712之相繼實例(successive instances)組成的可變類比電壓V _VA以界定雷射脈衝192P的重複率V _low及持續時間∆t(參考圖7)。命令信號1080用控制器162的實施例產生。混合器1020根據命令信號1080來調變來自RF振盪器1010的RF信號。放大器1040放大此一調變過的RF信號以產生用於驅動AOM Q開關的RF驅動信號1082。RF驅動信號1082相當於RF驅動信號722的相繼實例。RF驅動器1000可進一步包括過濾掉由混合器1020產生之不合意諧波的低通濾波器1030。

圖11A圖示另一RF驅動器1100，其經組配為可接收個別的時序及電壓輸入。圖11B圖示控制RF驅動器1100之時序方面的示範時序命令信號1180。RF驅動器1100與RF驅動器1000類似，除了進一步包括耦合至混合器1020之IF埠的數位控制類比開關1150以外。類比開關1150有兩個類比電壓輸入埠。一埠保持在電壓V _high，且另一埠從控制器162的一實施例接收V _low。類比開關1150也從控制器162接收個別的時序命令信號1180。時序命令信號1180與命令信號1080類似，除了是只獲得高低兩個數值而不攜載關於V _low之資訊的數位信號以外。類比開關1150根據時序命令信號1180在V _high、V _low之間切換，藉此產生命令信號1080。

圖12圖示用於二元脈衝等化且伺服控制雷射脈衝能量及雷射脈衝持續時間兩者的一控制器1200。控制器1200為控制器162的具體實施例且可在電子電路160中與RF驅動器1100一起實施。控制器1200從感測器150接收雷射光束192的平均功率測量值P _AVE且從感測器152接收雷射脈衝192P的雷射脈衝波形。雷射脈衝波形為隨著時間改變的瞬時雷射功率P _INST(t)。控制器1200處理P _AVE及P _INST(t)以分別產生V _low及時序命令信號1180，然後傳達V _low及時序命令信號1180至RF驅動器1100。P _AVE的處理用來實現目標脈衝能量E _target，且P _INST(t)的處理用來實現目標脈衝持續時間w _target。(雷射脈衝能量及雷射脈衝持續時間之間有某種程度的耦合，如以上在說明圖3至5時所述)。

為了脈衝能量等化的目的，控制器1200包括脈衝能量計算器1210、相加節點1220、與比例-積分-微分(PID)控制器1230。脈衝能量計算器1210從平均功率測量值P _AVE及脈衝重複率f _rep計算出脈衝能量E。脈衝重複率f _rep可從外源/信號接收或界定於控制器1200內部。相加節點1220評定計算脈衝能量E與目標脈衝能量E _target之間的差額∆E，且產生表示∆E的誤差信號。然後，PID控制器1230判定及輸出新的V _low以減少∆E。

PID控制只是可被裝置100及方法600採用之反饋算法的一實施例。替換地，裝置100及方法600可採用本技藝所習知的不同反饋算法。相應地，PID控制器1230可被採用用於最小化誤差信號之不同原理的另一種伺服控制器取代。

為了脈衝持續時間等化的目的，控制器1200包括波形分析儀1250與時序信號產生器1260。波形分析儀1250分析雷射脈衝波形P _INST(t)以導出雷射脈衝持續時間w。然後，時序信號產生器1260比較這個測得雷射脈衝持續時間w與目標脈衝持續時間w _target，且調整時序命令信號1180以最小化其間的差額。具體言之，時序信號產生器1260調整持續時間∆t，如以上在說明圖6及7時所述。然後，時序信號產生器1260將時序命令信號1180傳達給RF驅動器1100。

然而，V _low之調整的每次疊代係基於一連串雷射脈衝192P的取樣，時序命令信號1180之調整的每次疊代可基於單一雷射脈衝192P且因此可以更短的時間刻度完成。

基於圖7、10A、10B、11A、11B及12的以上說明屬於基於AOM的Q開關。藉由相應地改變用於Q開關的驅動信號，可修改這些具體實施例用於其他類型的Q開關。例如，當Q開關118為EOM時，用DC驅動信號取代上述RF驅動信號。

以上根據一較佳具體實施例及其他具體實施例來描述本發明。不過，本發明不受限於描述及描繪於本文的具體實施例。反而，本發明只受限於隨附專利請求項。

100:Q開關氣體雷射裝置 110:氣體雷射 112,114:端鏡 116:雷射共振器 118:Q開關 120:增益介質 122,124:電極 130,132:分光鏡 150,152:感測器 160:電子電路 162:控制器 164:驅動器 170:雷射放大器 180:命令信號 182:電氣驅動信號 188:重複率輸入 190:雷射輻射 192:脈衝雷射光束 192P:雷射脈衝 194:雷射光束192之一部份 196:雷射光束部份 198:雷射光束192的一部份 200:先前技術方案 210,220,230:曲線圖 212:命令信號 214:命令脈衝 222:驅動信號 232:雷射脈衝 600:方法 610, 612,620, 630, 632,634, 640A, 640B,642,644:步驟 710:曲線圖 712:命令信號 714:命令脈衝 714L:命令脈衝714的前緣 714T:命令脈衝714的後緣 720,730:曲線圖 722:RF驅動信號 732:雷射脈衝 ∆t:脈衝214的持續時間 ∆V _low,V _high:振幅 E:脈衝能量 E _target:目標脈衝能量 f _rep:脈衝重複率 P _AVE:平均功率測量值 P _INST(t):瞬時雷射功率 P _L:雷射功率 P _peak:峰值功率 T:雷射脈衝192P的周期 T _delay:射脈衝232的延遲 V _C:命令信號212的數值 V _low:重複率 V _high,V _low:命令信號712的高值與低值 V _RF:驅動信號222的RF電壓 V _VA:類比電壓 w:雷射脈衝持續時間 w _target:目標脈衝持續時間

併入且構成本專利說明書之一部份的附圖皆示意圖示本發明的較佳具體實施例，且與以上發明內容及以下的實施方式一起用來解釋本發明的原理。

圖1根據一具體實施例圖示具有雷射脈衝能量及雷射脈衝持續時間兩者之等化技術的Q開關氣體雷射裝置。

圖2的時序圖圖示用於Q開關備有AOM Q開關之雷射共振器的先前技術方案。

圖3圖示一組示範雷射脈衝，彼等由實施AOM Q開關且根據圖2先前技術方案運作的圖1裝置具體實施例產生。

圖4圖示另一組示範雷射脈衝，彼等由與圖3相同但是與圖2先前技術方案不同地實施脈衝修整的圖1裝置具體實施例產生。

圖5顯示的資料進一步探索用於控制Q開關的命令脈衝持續時間在固定脈衝重複率下對於雷射脈衝能量及持續時間的影響。

圖6的流程圖根據一具體實施例圖示用於二元等化由Q開關氣體雷射產生之雷射脈衝的方法。

圖7根據一具體實施例圖示圖6方法所使用之方案以用二元脈衝等化技術來Q開關氣體雷射的時序圖。

圖8根據一具體實施例圖示在根據圖7方案用二元脈衝等化技術運作圖1裝置時產生雷射脈衝實施例，且基於來自各自感測器的測量值來實施雷射脈衝能量及雷射脈衝持續時間兩者的動態調整。為了比較，圖8也圖示在不用脈衝等化技術下產生的雷射脈衝實施例。

圖9A及9B各自圖示在用及不用二元脈衝等化技術下用於3種不同脈衝重複率的雷射脈衝能量及雷射脈衝持續時間實施例。

圖10A根據一具體實施例圖示可實作於圖1裝置之具體實施例中的RF驅動器，在此該Q開關為一AOM。圖10B圖示用於控制此一RF驅動器的示範命令信號。

圖11A根據一具體實施例圖示可實作於圖1裝置之具體實施例中的另一RF驅動器，在此該Q開關為一AOM。此RF驅動器經組配為可接收個別的時序及電壓輸入。圖11B圖示用於控制圖11A之RF驅動器之時序方面的示範時序命令信號。

圖12根據一具體實施例圖示在雷射脈衝能量及雷射脈衝持續時間兩者之伺服控制下用於二元脈衝等化的控制器。

100:Q開關氣體雷射裝置

110:氣體雷射

112,114:端鏡

116:雷射共振器

118:Q開關

120:增益介質

122,124:電極

130,132:分光鏡

150,152:感測器

160:電子電路

162:控制器

164:驅動器

170:雷射放大器

180:命令信號

182:電氣驅動信號

188:重複率輸入

190:雷射輻射

192:脈衝雷射光束

192P:雷射脈衝

194:雷射光束192之一部份

196:雷射光束部份

198:雷射光束192的一部份

E:脈衝能量

T:雷射脈衝192P的周期

w:雷射脈衝持續時間

Claims (19)

1. 一種具有脈衝等化技術的Q開關氣體雷射裝置，其包含： 一氣體雷射，其包括有一Q開關的一雷射共振器，該Q開關可運作以使該雷射共振器在一高損耗狀態與一低損耗狀態之間切換以產生一脈衝雷射光束； 一第一感測器，其用於得到表示一雷射脈衝能量的該脈衝雷射光束之一第一測量值；與 一電子電路，其通訊耦合在該Q開關與該第一感測器之間且經組配為運作該Q開關以：(a)使該雷射共振器在該高損耗狀態及該低損耗狀態之間重複切換以設定該脈衝雷射光束之數個雷射脈衝的一重複率，(b)基於該第一測量值來調整該低損耗狀態的一損耗位準，以實現一目標雷射脈衝能量，且(c)調整該低損耗狀態的一持續時間以實現一目標雷射脈衝持續時間。
2. 如請求項1之裝置，其進一步包含一第二感測器，其用於得到表示一雷射脈衝持續時間的該脈衝雷射光束之一第二測量值，且其中，該電子電路經組配為基於該第二測量值來調整該低損耗狀態之該持續時間，以實現該目標雷射脈衝持續時間。
3. 如請求項2之裝置，其中，該第一感測器及該第二感測器經配置成可在該雷射共振器外取樣該脈衝雷射光束。
4. 如請求項2之裝置，其中，該電子電路在該第一感測器與該Q開關之間完成一脈衝-能量反饋迴路，且在該第二感測器與該Q開關之間完成一脈衝-持續時間反饋迴路。
5. 如請求項4之裝置，其中，該脈衝-持續時間反饋迴路比該脈衝-能量反饋迴路快。
6. 如請求項4之裝置，其中，該第一感測器為一感光性檢測器，其經組配為以該等雷射脈衝之複數個雷射脈衝的一平均值來得到該第一測量值，且該第二感測器為一光學檢測器，其經組配為以一個別雷射脈衝的一波形來得到該第二測量值。
7. 如請求項1之裝置，其中，該Q開關包括設置在該雷射共振器中的一聲光調變器。
8. 如請求項7之裝置，其中，該電子電路包括： 一RF驅動器，其用於產生及供應一射頻信號至該聲光調變器，在該射頻信號有非零振幅時造成該聲光調變器藉由衍射在該共振器中引進損耗；與 一控制器，其用於產生及送出一命令信號至該RF驅動器，該命令信號包括各自有前緣、後緣及信號值的一連串命令脈衝，各個前緣造成該RF驅動器產生有使該雷射共振器處於該低損耗狀態之一較低振幅的該射頻信號，各個後緣造成該RF驅動器產生有使該雷射共振器處於該高損耗狀態之一較高振幅的該射頻信號，且各個信號值設定該較低振幅的數值； 其中，該控制器經組配為(a)藉由設定在相繼前緣之間的一時段來設定該重複率以匹配一目標重複率的倒數，(b)基於該第一測量值來調整該信號值以實現該目標雷射脈衝能量，且(c)調整從前緣到對應後緣的一持續時間以實現該目標雷射脈衝持續時間。
9. 如請求項1之裝置，其進一步包含用於放大該脈衝雷射光束的一雷射功率放大器，其中，該第一感測器經配置成在該脈衝雷射光束用該雷射功率放大器放大後，從該脈衝雷射光束得到該第一測量值。
10. 一種用於等化由Q開關氣體雷射產生之雷射脈衝的方法，其包含下列步驟： 運作該Q開關氣體雷射的一Q開關以使該Q開關氣體雷射的一雷射共振器在一高損耗狀態及一低損耗狀態之間重複切換以產生一脈衝雷射光束；與 通過下列重複步驟來等化該脈衝雷射光束之數個雷射脈衝的雷射脈衝能量及雷射脈衝持續時間： 取樣該脈衝雷射光束以得到表示雷射脈衝能量的一第一測量值， 基於該第一測量值來調整該低損耗狀態的一損耗位準，以接近一目標雷射脈衝能量，與 調整該低損耗狀態的一持續時間以接近一目標雷射脈衝持續時間。
11. 如請求項10之方法，其中，該取樣步驟進一步包括：得到表示該雷射脈衝持續時間的該雷射光束之一第二測量值，且其中，該調整持續時間步驟係基於該第二測量值。
12. 如請求項11之方法，其中，該第一測量值的各個實例係以該等雷射脈衝之複數個雷射脈衝的一平均值來得到，且該第二測量值的各個實例係從一個別雷射脈衝來得到。
13. 如請求項10之方法，其中： 該運作步驟包括以下步驟：改變該等雷射脈衝的一重複率，從一第一值變成與該第一值不同的一第二值；與 該等化步驟包括：響應於該改變步驟來執行該等調整步驟，以便最小化由該改變步驟對該雷射脈衝能量及該雷射脈衝持續時間所造成的變化。
14. 如請求項13之方法，其中，該等化步驟包括： 在百分之10的範圍內，使在該重複率之該第二值時的個別或平均雷射脈衝能量，與在該重複率之該第一值時的個別或平均雷射脈衝能量保持相同；與 在百分之10的範圍內，使在該重複率的該第二值時的雷射脈衝持續時間，與在該重複率之該第一值時的雷射脈衝持續時間保持相同。
15. 如請求項10之方法，其中： 該運作步驟包括： 產生一命令信號，其包括各自有前緣、後緣及信號值的一連串命令脈衝，各個前緣啟動該雷射共振器進入該低損耗狀態的一轉變，各個後緣啟動該雷射共振器進入該高損耗狀態的一轉變，各個信號值界定該雷射共振器在該低損耗狀態期間的該損耗位準，與 藉由設定在相繼前緣之間的一時段來設定該等雷射脈衝的一重複率以匹配一目標重複率的倒數； 該調整損耗位準步驟包括：基於該第一測量值來調整該信號值；與 該調整持續時間步驟包括：基於該第二測量值來調整從前緣到對應後緣的一持續時間。
16. 如請求項10之方法， 其進一步包含放大該脈衝雷射光束的一步驟；與 其中，對放大之後的該脈衝雷射光束進行該取樣步驟。
17. 如請求項10之方法，其中，該Q開關為一聲光調變器。
18. 如請求項17之方法，其中，該運作步驟包括：驅動該聲光調變器以從該雷射共振器衍射出雷射光，且自其產生的損耗位準在處於該低損耗狀態時為非零。
19. 如請求項10之方法，其中，該取樣步驟在該雷射共振器外進行。

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