用于產生超短激光脈沖的裝置和方法
【專利說明】用于產生超短激光脈沖的裝置和方法
【背景技術】
[0001] 本發明的實施例，示范性地描述于本說明書中，概括而言是有關于超短激光脈沖 (ultrashort laser pulse)的產生。更具體言之，本發明的實施例是有關于具有高峰值功 率的超短激光脈沖的產生。
[0002] 具有高峰值功率的超短激光脈沖（意即，具有的FWHM脈沖持續時間的范圍從數 十皮秒（picosecond)到一飛秒（femtosecond)的激光脈沖）預期適用于實施諸如標記 (marking)、雕花（engraving)、微加工（micro-machining)、切割、鉆孔等材料處理應用。通 常，此等激光脈沖是通過將一雷射振蕩器（laser oscillator)產出的皮秒或飛秒激光脈沖 加以放大而產生。然而，短促及超短的脈沖的放大強烈地受到諸如放大器（amplifier)內 的自相位調變（self phase modulation ;SPM)的非線性效應所影響。雖然SPM引發了可被 使用于從皮秒到飛秒持續時間脈沖壓縮的強大光譜擴寬，但利用具有一般高斯時間強度分 布（Gaussian temporal intensity profile)的脈沖，時間相位的高斯調變并無法通過諸 如光柵對壓縮器（grating pair compressor)的傳統型裝置加以完全補償。當一激光脈沖 在放大期間遭受強烈的SPM且在時間上利用一對光柵被壓縮時，被壓縮的放大激光脈沖的 時間強度分布通常會在位于主脈沖附近的側翼處具有相對巨大的能量，此可以使得脈沖不 適用于材料處理的應用。
[0003] 其已知放大器內誘發的SPM大小是正比于行進通過放大器的激光脈沖的強度。 因此，傳統上是通過確保進入放大器的激光脈沖具有一相對上的低強度來控制SPM。降 低激光脈沖強度的一傳統方法包含利用一大直徑放大器增加脈沖的空間射束尺寸（例 如，透過一盤形雷射（disk laser))。另一種方法，稱為啁嗽式脈沖放大（Chirped Pulse Amplification ;CPA)，涉及拉長雷射振蕩器產生的一初始激光脈沖以產生一拉長激光脈沖 (通常其脈沖持續時間超過初始激光脈沖的脈沖持續時間的1000倍），此拉長激光脈沖的 峰值功率低于初始激光脈沖。之后，該拉長脈沖被放大，接著在時間上被壓縮。若初始激光 脈沖是由飛秒雷射振蕩器產生，則CPA可以非常有效，但若初始激光脈沖的脈沖持續時間 大于lps，則由于脈沖非常小的光譜頻寬而變得笨拙而無效能。在任何情況下，經過壓縮的 激光脈沖的脈沖持續時間頂多是與初始激光脈沖的脈沖持續時間一樣短。SPM也有被使用 于未經放大的脈沖壓縮。此等技術通常包含在一光纖中誘發強大的SPM并利用諸如光柵、 棱鏡等色散組件補償由此產生的嗽頻（chirp)。經過壓縮的激光脈沖的質量一般而言并不 適合材料處理的應用。
[0004] 本發明的實施例示范性地描述于下，以對付現有技術的前述及其它問題。 【實用新型內容】
[0005] -裝置的一實例包含一脈沖調節器（pulse conditioner)及一放大器。該脈沖調 節器被組構成用以修改一輸入激光脈沖的一時間強度分布，從而建立一調節激光脈沖，此 調節激光脈沖具有其特征在于一小于0. 13的錯配參數（misfit parameter)M的調節時間 強度分布，其中Μ經由下式獲得：
[0007] 式中的I Ψ (t) I2代表該調節激光脈沖的脈沖時間強度分布，而I Ψ pflt(t) I2代表 該調節激光脈沖的一拋物線擬合（parabolic fit)。該放大器親接至該脈沖調節器的一輸 出，并且被組構成用以增加該調節激光脈沖的功率，從而建立一放大激光脈沖。此裝置的各 種實例可以包含下列的一或多者。
[0008] 該放大激光脈沖的一時間強度分布的特征可以在于一大于或等于1的質量因子 Q，其中Q經由下式獲得：
[0010] 其中tfwhm是該調節激光脈沖的脈沖持續時間，而τ。經由下式獲得：
[0014] 其中t是時間（例如，以秒計量），而I(t)是激光脈沖強度，一個時間的函數。
[0015] 脈沖調節器與放大器的其中至少一者可以進一步被組構成用以至少準線性地啁 嗽化（quasi-linearly chirp)該調節激光脈沖。
[0016] 此裝置也可以包含一脈沖壓縮器，被組構成用以在時間上壓縮該放大激光脈沖， 從而產生一壓縮激光脈沖。該壓縮激光脈沖的一時間強度分布的特征可以在于一大于或等 于〇. 2的質量因子Q，其中Q經由下式獲得：
[0018] 其中tfwhm是該壓縮激光脈沖的脈沖持續時間，而τ。則經由下式獲得：
[0020] 其中
[0022] 其中t是時間（例如，以秒計量），而I⑴是激光脈沖強度，一個時間的函數。
[0023] -方法的一第一實例實行如下。一輸入激光脈沖的一時間強度分布被修改，從而 建立一調節激光脈沖，此調節激光脈沖具有特征在于一小于0. 13的錯配參數Μ的調節時間 強度分布，其中Μ經由下式獲得：
[0025] 式中的| Ψ⑴|2代表該調節激光脈沖的脈沖時間強度分布，而| Ψ pflt(t) |2則代 表該調節激光脈沖的一拋物線擬合。該調節激光脈沖被放大，從而建立一放大激光脈沖。
[0026] -方法的一第二實例實行如下。其脈沖持續時間至少lps的一輸入激光脈沖的一 時間強度分布被修改以建立一調節激光脈沖。該調節激光脈沖被放大以建立一放大激光脈 沖。該放大激光脈沖在時間上被壓縮以產生一壓縮激光脈沖，此壓縮激光脈沖具有一小于 輸入脈沖持續時間的壓縮脈沖持續時間。
【附圖說明】
[0027] 圖1示意性地例示用于產生超短激光脈沖的裝置的一實施例。
[0028] 圖2及圖3分別示范性地例示可被圖1所示的裝置調節、放大及選擇性地壓縮的 一輸入激光脈沖的時間強度及光譜分布的自相關曲線。
[0029] 圖4例示在圖1所示的裝置的一脈沖調節級內建立的一調節激光脈沖的時間強度 分布的一示范性自相關曲線。
[0030] 圖5例示在圖1所示的裝置的脈沖調節級內建立的調節激光脈沖的一示范性光譜 分布。
[0031] 圖6例示在圖1所示的裝置的放大級內建立的放大激光脈沖的一示范性光譜分 布。
[0032] 圖7例示圖1所示的裝置所產生的一壓縮激光脈沖的時間強度分布的一示范性自 相關曲線。
[0033] 圖8例示若脈沖調節級被省略時將在圖1所示的裝置的放大級內建立的一放大激 光脈沖的一示范性光譜分布。
[0034] 圖9例示若脈沖調節級被省略時將由圖1所示的裝置產生的一壓縮激光脈沖的時 間強度分布的一不范性自相關曲線。
【具體實施方式】
[0035] 以下參照附圖進行示范性實施例的說明。許多不同的形式及實施例可以在未脫離 本發明的精神及教示下存在，故本揭示不應被認定為局限于本文闡述的示范性實施例。反 之，該等示范性實施例的提供使得本揭示更為周密及完整，且能夠將本發明的范疇傳遞給 熟習相關技術者。在圖式中，組件的尺寸及相對尺寸可能被夸大以利清楚的說明。本說明 書的用語僅是針對描述特定示范實施例的用途，并非意在限制。在本說明書中，單數形式的 〃一〃、〃一個〃及〃該〃均預計包含復數形式的含義，除非上下文另有敘明。另外其應理 解，"包含"及/或"包括"的用詞，當使用于本說明書中時，指明所述特征、完整項目、步 驟、動作、組件、及/或組件的存在，但并不排除一或多個其它特征、完整項目、步驟、動作、 組件、組件、及/或其群組的存在或加入。除非另有指明，否則當被列述時，一數值范圍均包 含該范圍的上限與下限，以及介于其間的任何子范圍。
[0036] 本發明的實施例可以促進極高峰值功率飛秒或皮秒激光脈沖在光纖雷射放大器 中的產生，且未蒙受諸如自相位調變（SPM)的非線性效應的負面影響。本發明的實施例也 促進可被在時間上壓縮至一極短持續時間的放大激光脈沖的產生，以產生具有的時間強度 分布適于材料處理應用的激光脈沖。本發明的實施例也促進具有的脈沖持續時間位于一至 數十皮秒等級的激光脈沖的產生，且該等激光脈沖另外具有從雷射系統產生的具備相當長 脈沖持續時間（例如，位于奈秒（nanosecond)的級別）所通常具有的其它特性（例如，平 均功率、脈沖能量、脈沖重復率、等等），且未增加CPA系統的成本或復雜度。
[0037] 參見圖1，用于產生超短激光脈沖的一裝置，諸如裝置100,可以包含一種子雷射 102、一脈沖調節器104,光學式地親接至種子雷射102的一輸出、一放大器106,光學式地親 接至脈沖調節器104的一輸出、以及一選擇性脈沖壓縮器108,光學式地耦接至放大器106 的一輸出。一并考慮之下，種子雷射102與脈沖調節器104在本文中可以共同被稱為一〃 拋物線脈沖源"。
[0038] 概括而言，種子雷射102被組構成用以產生輸入激光脈沖，其可以從種子雷射102 輸出至脈沖調節器104 (例如，如箭頭102a所示）。種子雷射102可以是提供做為一雷射振 蕩器，諸如一鎖模固態塊材雷射（mode-locked solid-state bulk laser)、一鎖模光纖雷 射（mode-locked fiber laser)、一鎖模二極管雷射（mode-locked diode laser)、一 Q 型 開關雷射（Q-switched laser)、一增益開關雷射（gain-switched laser)、或者類似裝置或 前述項目的一種組合。在一實施例中，種子雷射102被提供做為一皮秒雷射振蕩器。輸入 激光脈沖是以一個范圍從20kHz到200MHz左右的脈沖重復率輸出自種子雷射102。在一實 施例中，輸入激光脈沖是以一個范圍從100kHz到80MHz(例如，位于從100kHz到50MHz的 范圍中）的脈沖重復率輸出自種子雷射102。其應理解，預定的脈沖重復率可以是通過使用 雷射振蕩器直接以設定的