一種具有首脈沖自抑制功能的再生放大器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種具備首脈沖抑制功能的激光再生放大器，包含種子源、泵浦源及再生放大諧振腔。腔內包含增益介質、可控電光開關、波片等元件。當再生腔不工作時，腔內兩個或多個鏡片之間可以產生寄生振蕩，消耗增益介質中的反轉粒子數，避免其飽和。當再生腔恢復工作時，第一個導入再生腔放大的脈沖不會得到明顯比后續脈沖高的增益，放大器輸出脈沖序列中的首脈沖效應得到抑制。本發明實現首脈沖抑制的過程中，不添加任何元件、方案簡潔、成本低廉。此外，本發明適用范圍廣，有/無雙折射效應的增益晶體，長/短再生腔再生放大器，皆可適用。通過首脈沖的抑制，可以獲得更好的輸出脈沖均勻性，同時保護腔內易損元件，延長激光器使用壽命，改進激光加工效果。
【專利說明】
一種具有首脈沖自抑制功能的再生放大器
技術領域
[0001 ]本發明屬于超快激光領域，涉及一種激光再生放大器。
【背景技術】
[0002]激光作為重要的加工工具，在工業加工領域體現出了其特有的優勢。作為激光加工領域的一個重要分支，激光精細加工廣泛應用于柔性電路板制造，晶圓切割，心血管支架及太陽能電池制造等領域，這些領域對加工精度有極高的要求。最大限度的減少加工過程中的熱擴散是提高加工精度的關鍵方法。大量的研究結果表明，脈沖持續時間極短的超短脈沖激光可以有效地降低熱擴散，降低加工所需的脈沖能量和平均功率，實現良好的加工效果。
[0003]脈沖寬度在納秒量級，重復頻率在IkHz-1OOkHz量級的腔倒空激光器，其通常包含栗浦源和諧振腔。諧振腔內有聲光元件作為光開關，可利用聲場控制腔內的損耗，即所謂調Q。在“待機”狀態下，光開關處于關斷狀態，腔內損耗極大，無法形成激光振蕩，而栗浦源在持續栗浦晶體，不斷積累反轉粒子數。當光開關突然打開時，腔內損耗急劇下降，晶體內積累的能量快速釋放，形成巨脈沖輸出。周期性地“開啟”和“關斷”光開關，激光器就可以輸出納秒脈沖序列。當沒有任何保護措施時，在每一系列“開啟/關斷”周期變化的中，第一次開啟時輸出的脈沖獲得的增益和輸出的能量要遠高于這一系列后面的脈沖。這是由于第一次開啟之前晶體吸收栗浦光時間較長，積攢了大量能量，已經飽和，而脈沖序列之間的時間間隔很短，不會使晶體飽和。這個現象叫做首脈沖效應(First Pulse Effect)
[0004]脈沖寬度在皮秒量級，重復頻率在IkHz-1MHz量級的再生放大器，其通常包括種子源、栗浦源和諧振腔，諧振腔中包括增益介質、偏振分束元件、波片，同時利用電光元件作為光開關。低能量的脈沖激光種子源經過一片偏振分數元件“導入”再生諧振腔，此時改變電光元件上的電壓，激光通過電光元件后偏振方向改變，激光脈沖被“關”在再生腔內，多次通過增益晶體提升能量，當能量達到預期值時，再次改變電光元件上的加壓，繼而再次改變激光偏振態，將放大后的激光從諧振腔中“導出”。周期性地“導入”、“導出”，激光器就可以提升種子激光的能量，輸出高能量皮秒脈沖序列。當沒有任何保護措施時，在每一系列“導入/導出”周期變化的中，第一次導出時輸出的脈沖其能量要遠高于這一系列后面的脈沖。這是由于第一次導出之前晶體吸收栗浦光時間較長，積攢了大量能量，已經飽和，而脈沖序列之間的時間間隔很短，不會使晶體飽和。所以皮秒激光再生放大器，也會產生首脈沖效應。
[0005]在激光器的使用中，尤其是工業加工應用中，保證脈沖能量的一致性是非常重要的，大能量首脈沖會造成加工質量明顯下降。此外，首脈沖由于能量明顯高于后續脈沖，使得激光諧振腔內的聲光/電光元件存在安全隱患，巨脈沖對開關元件造成損傷時常發生。所以抑制首脈沖效應極其必要。
[0006]在納秒脈沖激光器中，較為常用的首脈沖抑制方法是在“待機”狀態下，諧振腔里的聲光開關不完全關閉，而是半開啟狀態，使得待機時激光器也有小功率輸出。這樣可以有效避免晶體飽和，同時可以調節半開啟的程度，將待機時激光器漏光與首脈沖效應，折衷考慮O
[0007]在皮秒脈沖激光放大器中，較為常用的首脈沖抑制方法有:(1)利用電路系統控制，提前將首脈沖“導出”，減少首脈沖在諧振腔內的往返次數，限制其能量增益；(2)諧振腔內部的開關長期連續工作，只作為導入導出工具。在諧振腔外部額外增加電光/聲光開關，用來控制激光“待機”和“輸出”兩種狀態間的切換。但是此幾種方案都需要復雜的電路同步系統支持，較難實現且成本較高。
[0008]2008年，David等人提出采用雙諧振腔法抑制首脈沖效應，其利用增益晶體的雙折射效應，針對不同偏振方向，搭建兩套諧振腔。主諧振腔用于放大激光脈沖，副諧振腔用于在主諧振腔不工作時消耗增益晶體能量，避免晶體飽和，從而達到抑制首脈沖的目的。但此方案有明顯缺陷:第一，該方案只適用于增益晶體為雙折射晶體的再生放大器;第二，由于雙折射效應尋常光和非常光分離角非常小，需要較長光路才能明顯分開，故該方案不適用于腔長較短的再生放大器;第三，該方案額外增加數個光學元件，增加了系統復雜度。
【發明內容】
[0009]本發明的目的在于克服現有再生放大器的缺點，抑制首脈沖效應，減弱首脈沖的會bi。
[0010]本發明裝置包含脈沖種子源、栗浦源和再生放大諧振腔，如圖1所示。諧振腔內有增益晶體、鏡片、偏振分束元件、可控電光開關元件等。
[0011]當在再生腔不工作時，精確調節諧振腔腔鏡的姿態，可以使得至少兩片腔鏡之間形成與工作光路不重合的激光振蕩一一類寄生振蕩，類寄生振蕩消耗增益晶體內部的反轉粒子數，使得晶體不會飽和，從而實現首脈沖抑制。
[0012]其中，寄生振蕩光路是利用諧振腔腔鏡特殊姿態實現的，而不是利用晶體雙折射效應中尋常光和非常光空間分離實現的，所以再生放大器增益晶體可以為非雙折射晶體，適用范圍更廣。
[0013]寄生振蕩形成于晶體兩端的鏡片之間，可以是兩片或者多于兩片腔鏡。由此產生的寄生振蕩，其與再生腔工作光路的夾角較大，容易與工作激發在空間上分開，故適用于較短的再生腔。
[0014]晶體兩端的鏡片為凹面鏡，凹面鏡、晶體、凹面鏡之間形成穩腔，對鏡片姿態的容忍量較高，易于實現類寄生振蕩。
[0015]晶體兩端的鏡片為平面鏡，加工簡單，不改變栗浦光在晶體內的焦斑大小。激光器正常工作時，振蕩激光的腰斑與栗浦光束腰匹配，獲得更高的效率和輸出功率。
[0016]晶體兩端的鏡片為凸面鏡，整個諧振腔為介穩腔，激光器正常工作時，輸出的激光脈沖具有更好的光斑模式。
[0017]本發明與現有技術相比，其優勢在于:
[0018]首先，本發明不添加任何元件，完全利用再生腔自有元件進行首脈沖抑制，成本更低，系統復雜度更低。
[0019]其次，本發明不利用晶體偏振特性進行首脈沖抑制，不要求增益介質具有雙折射效應，因此適用范圍更廣。
[0020]最后，本發明不采用雙折射效應區分工作腔和非工作腔，因此可以適用于抑制較短的再生腔產生的首脈沖效應，適用范圍更廣。
[0021]綜上所述，本發明在不添加任何元件的情況下，只通過精密控制再生腔鏡片的姿態，即可實現對再生放大器首脈沖效應的抑制，并且本發明適用范圍更廣，有/無雙折射效應的增益晶體，長/短再生腔，連續/脈沖栗浦模式，端面/側面栗浦方式的再生放大器，皆可適用。通過首脈沖的抑制，可以獲得更好的輸出脈沖均勻性，同時保護腔內易損元件，延長激光器使用壽命，改進激光加工效果。
【附圖說明】
[0022]圖1一整套激光再生放大器的示意圖；
[0023]1-低能量脈沖種子源，2-反射鏡，3-隔離器，4-反射鏡，5-偏振分束片，6_波片，7_法拉第旋轉器，8-偏振分束片，9-波片，10-電光開關，11-諧振腔端鏡，12-諧振腔腔鏡，13-諧振腔腔鏡，14-諧振腔腔鏡，15-諧振腔腔鏡，16-諧振腔端鏡，17-栗浦光耦合頭。X-增益介質
[0024]圖2有首脈沖抑制功能的激光再生放大器的不意圖；
[0025]201一一兩片腔內間產生寄生振蕩。
[0026]圖3有首脈沖抑制功能的激光再生放大器的示意圖；
[0027]301一一多片腔內間產生寄生振蕩。
[0028]圖4無首脈沖抑制功能的再生放大器輸出的脈沖序列示意圖
[0029]401——首脈沖；
[0030]圖5本發明中，帶有首脈沖自抑制功能的再生放大器輸出的脈沖序列示意圖
[0031]501——首脈沖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合實施例和附圖來對本發明作進一步說明。
[0033]實施例1:
[0034]圖2所示是一種有首脈沖抑制功能的激光再生放大器，從種子源I輸出的激光脈沖，經過隔離器3、波片6，旋轉器7后，偏振方向旋轉90°，由偏振分束元件8導入再生腔內。此時對電光開關元件10加壓，其與波片9的組合，入射激光的偏振態旋轉90°，激光返回偏振分束元件8時透過該元件，激光被鎖定在腔內往返。激光在腔內往返增益晶體X多次，脈沖能量逐步提升。隨后再次改變電光開關9上的電壓，其與波片8的組合，再次改變腔內激光的偏振狀態，激光從偏振分束元件8反射，再經過旋轉器7和波片6，最終在偏振分束元件5處反射輸出。以一定的頻率(典型值為IkHz?IMHz)改變電壓，導入導出激光，可以獲得該頻率的再生放大激光輸出。
[0035]當再生腔不工作時，腔鏡13、增益晶體X和腔鏡14組成短腔(如圖2虛線201所示)，形成類寄生振蕩。類寄生振蕩使得增益晶體不會積累大量的能量，當再生腔恢復工作時，首個注入的脈沖不會比后續脈沖獲得明顯高的增益。類寄生振蕩的增益截面遠小于再生腔的增益截面，故只有再生腔處于關斷狀態時，類寄生振蕩才會出現。類寄生振蕩的存在，不顯著影響再生放大器正常工作時輸出激光的平均能量。圖4是沒有首脈沖抑制功能的再生放大器的輸出脈沖序列示意圖，可以看到第一個脈沖由于獲得高增益，其能留明顯高于后續脈沖。而帶有首脈沖自抑制功能的再生放大器(圖5)，其輸出波形可以看出，第一個脈沖的能量僅僅稍高于后續脈沖，首脈沖效應得到明顯的抑制。
[0036]實施例2:
[0037]圖3所示是另一種有首脈沖抑制功能的激光再生放大器。其與實施例1的區別在于，當再生腔停止工作時，寄生振蕩在腔鏡13、增益晶體X和腔鏡14、15之間產生(301)。同樣地，寄生振蕩防止晶體飽和，抑制首脈沖，且不影響其正常工作時的輸出功率及能量。
[0038]盡管參照上述的實施例已對本發明做出具體描述，但是對于本領域的普通技術人員來說，應該理解并可以基于本發明公開的內容進行修改或改進，并且這些修改和改進都在本發明的精神以及范圍之內。
【主權項】
1.一種具有首脈沖自抑制功能的激光再生放大器，其由脈沖種子源、栗浦光、激光諧振腔等幾個部分組成，諧振腔內包含增益晶體、鏡片、偏振分束元件、可控電光開關元件等。該再生放大器利用在腔內形成的與工作光路不重合的振蕩一一類寄生振蕩，實現首脈沖抑制。2.如權利要求1所述的再生放大器，其特征在于增益晶體為非雙折射晶體。3.如權利要求1所述的再生放大器，其特征在于類寄生振蕩形成于晶體兩端的鏡片之間。4.如權利要求1-3所述的再生放大器，其特征在于晶體兩端的鏡片為凹面鏡。5.如權利要求1-3所述的再生放大器，其特征在于晶體兩端的鏡片為平面鏡。6.如權利要求1-3所述的再生放大器，其特征在于晶體兩端的鏡片為凸面鏡。
【文檔編號】H01S3/11GK105932535SQ201610417772
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月16日
【發明人】范海濤, 常亮, 張翼
【申請人】大恒新紀元科技股份有限公司