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(fā)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(nèi)包含增益介質(zhì)、可控電光開關(guān)、波片等元件。當(dāng)再生腔不工作時(shí)，腔內(nèi)兩個(gè)或多個(gè)鏡片之間可以產(chǎn)生寄生振蕩，消耗增益介質(zhì)中的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，避免其飽和。當(dāng)再生腔恢復(fù)工作時(shí)，第一個(gè)導(dǎo)入再生腔放大的脈沖不會(huì)得到明顯比后續(xù)脈沖高的增益，放大器輸出脈沖序列中的首脈沖效應(yīng)得到抑制。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)首脈沖抑制的過程中，不添加任何元件、方案簡(jiǎn)潔、成本低廉。此外，本發(fā)明適用范圍廣，有/無(wú)雙折射效應(yīng)的增益晶體，長(zhǎng)/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(shí)保護(hù)腔內(nèi)易損元件，延長(zhǎng)激光器使用壽命，改進(jìn)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(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于超快激光領(lǐng)域，涉及一種激光再生放大器。
【背景技術(shù)】
[0002]激光作為重要的加工工具，在工業(yè)加工領(lǐng)域體現(xiàn)出了其特有的優(yōu)勢(shì)。作為激光加工領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，激光精細(xì)加工廣泛應(yīng)用于柔性電路板制造，晶圓切割，心血管支架及太陽(yáng)能電池制造等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域?qū)庸ぞ扔袠O高的要求。最大限度的減少加工過程中的熱擴(kuò)散是提高加工精度的關(guān)鍵方法。大量的研究結(jié)果表明，脈沖持續(xù)時(shí)間極短的超短脈沖激光可以有效地降低熱擴(kuò)散，降低加工所需的脈沖能量和平均功率，實(shí)現(xiàn)良好的加工效果。
[0003]脈沖寬度在納秒量級(jí)，重復(fù)頻率在IkHz-1OOkHz量級(jí)的腔倒空激光器，其通常包含栗浦源和諧振腔。諧振腔內(nèi)有聲光元件作為光開關(guān)，可利用聲場(chǎng)控制腔內(nèi)的損耗，即所謂調(diào)Q。在“待機(jī)”狀態(tài)下，光開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)，腔內(nèi)損耗極大，無(wú)法形成激光振蕩，而栗浦源在持續(xù)栗浦晶體，不斷積累反轉(zhuǎn)粒子數(shù)。當(dāng)光開關(guān)突然打開時(shí)，腔內(nèi)損耗急劇下降，晶體內(nèi)積累的能量快速釋放，形成巨脈沖輸出。周期性地“開啟”和“關(guān)斷”光開關(guān)，激光器就可以輸出納秒脈沖序列。當(dāng)沒有任何保護(hù)措施時(shí)，在每一系列“開啟/關(guān)斷”周期變化的中，第一次開啟時(shí)輸出的脈沖獲得的增益和輸出的能量要遠(yuǎn)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(shí)間較長(zhǎng)，積攢了大量能量，已經(jīng)飽和，而脈沖序列之間的時(shí)間間隔很短，不會(huì)使晶體飽和。這個(gè)現(xiàn)象叫做首脈沖效應(yīng)(First Pulse Effect)
[0004]脈沖寬度在皮秒量級(jí)，重復(fù)頻率在IkHz-1MHz量級(jí)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(zhì)、偏振分束元件、波片，同時(shí)利用電光元件作為光開關(guān)。低能量的脈沖激光種子源經(jīng)過一片偏振分?jǐn)?shù)元件“導(dǎo)入”再生諧振腔，此時(shí)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(guān)”在再生腔內(nèi)，多次通過增益晶體提升能量，當(dāng)能量達(dá)到預(yù)期值時(shí)，再次改變電光元件上的加壓，繼而再次改變激光偏振態(tài)，將放大后的激光從諧振腔中“導(dǎo)出”。周期性地“導(dǎo)入”、“導(dǎo)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(dāng)沒有任何保護(hù)措施時(shí)，在每一系列“導(dǎo)入/導(dǎo)出”周期變化的中，第一次導(dǎo)出時(shí)輸出的脈沖其能量要遠(yuǎn)高于這一系列后面的脈沖。這是由于第一次導(dǎo)出之前晶體吸收栗浦光時(shí)間較長(zhǎng)，積攢了大量能量，已經(jīng)飽和，而脈沖序列之間的時(shí)間間隔很短，不會(huì)使晶體飽和。所以皮秒激光再生放大器，也會(huì)產(chǎn)生首脈沖效應(yīng)。
[0005]在激光器的使用中，尤其是工業(yè)加工應(yīng)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(huì)造成加工質(zhì)量明顯下降。此外，首脈沖由于能量明顯高于后續(xù)脈沖，使得激光諧振腔內(nèi)的聲光/電光元件存在安全隱患，巨脈沖對(duì)開關(guān)元件造成損傷時(shí)常發(fā)生。所以抑制首脈沖效應(yīng)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(jī)”狀態(tài)下，諧振腔里的聲光開關(guān)不完全關(guān)閉，而是半開啟狀態(tài)，使得待機(jī)時(shí)激光器也有小功率輸出。這樣可以有效避免晶體飽和，同時(shí)可以調(diào)節(jié)半開啟的程度，將待機(jī)時(shí)激光器漏光與首脈沖效應(yīng)，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(tǒng)控制，提前將首脈沖“導(dǎo)出”，減少首脈沖在諧振腔內(nèi)的往返次數(shù)，限制其能量增益；(2)諧振腔內(nèi)部的開關(guān)長(zhǎng)期連續(xù)工作，只作為導(dǎo)入導(dǎo)出工具。在諧振腔外部額外增加電光/聲光開關(guān)，用來(lái)控制激光“待機(jī)”和“輸出”兩種狀態(tài)間的切換。但是此幾種方案都需要復(fù)雜的電路同步系統(tǒng)支持，較難實(shí)現(xiàn)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(yīng)，其利用增益晶體的雙折射效應(yīng)，針對(duì)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(shí)消耗增益晶體能量，避免晶體飽和，從而達(dá)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(yīng)尋常光和非常光分離角非常小，需要較長(zhǎng)光路才能明顯分開，故該方案不適用于腔長(zhǎng)較短的再生放大器;第三，該方案額外增加數(shù)個(gè)光學(xué)元件，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有再生放大器的缺點(diǎn)，抑制首脈沖效應(yīng)，減弱首脈沖的會(huì)bi。
[0010]本發(fā)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(nèi)有增益晶體、鏡片、偏振分束元件、可控電光開關(guān)元件等。
[0011]當(dāng)在再生腔不工作時(shí)，精確調(diào)節(jié)諧振腔腔鏡的姿態(tài)，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(nèi)部的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，使得晶體不會(huì)飽和，從而實(shí)現(xiàn)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(tài)實(shí)現(xiàn)的，而不是利用晶體雙折射效應(yīng)中尋常光和非常光空間分離實(shí)現(xiàn)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(chǎn)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(fā)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(wěn)腔，對(duì)鏡片姿態(tài)的容忍量較高，易于實(shí)現(xiàn)類寄生振蕩。
[0015]晶體兩端的鏡片為平面鏡，加工簡(jiǎn)單，不改變栗浦光在晶體內(nèi)的焦斑大小。激光器正常工作時(shí)，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(gè)諧振腔為介穩(wěn)腔，激光器正常工作時(shí)，輸出的激光脈沖具有更好的光斑模式。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)勢(shì)在于:
[0018]首先，本發(fā)明不添加任何元件，完全利用再生腔自有元件進(jìn)行首脈沖抑制，成本更低，系統(tǒng)復(fù)雜度更低。
[0019]其次，本發(fā)明不利用晶體偏振特性進(jìn)行首脈沖抑制，不要求增益介質(zhì)具有雙折射效應(yīng)，因此適用范圍更廣。
[0020]最后，本發(fā)明不采用雙折射效應(yīng)區(qū)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(chǎn)生的首脈沖效應(yīng)，適用范圍更廣。
[0021]綜上所述，本發(fā)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(tài)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)再生放大器首脈沖效應(yīng)的抑制，并且本發(fā)明適用范圍更廣，有/無(wú)雙折射效應(yīng)的增益晶體，長(zhǎng)/短再生腔，連續(xù)/脈沖栗浦模式，端面/側(cè)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(shí)保護(hù)腔內(nèi)易損元件，延長(zhǎng)激光器使用壽命，改進(jìn)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(zhuǎn)器，8-偏振分束片，9-波片，10-電光開關(guān)，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(zhì)
[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(nèi)間產(chǎn)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(nèi)間產(chǎn)生寄生振蕩。
[0028]圖4無(wú)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(fā)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(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖來(lái)對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0033]實(shí)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(jīng)過隔離器3、波片6，旋轉(zhuǎn)器7后，偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，由偏振分束元件8導(dǎo)入再生腔內(nèi)。此時(shí)對(duì)電光開關(guān)元件10加壓，其與波片9的組合，入射激光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°，激光返回偏振分束元件8時(shí)透過該元件，激光被鎖定在腔內(nèi)往返。激光在腔內(nèi)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(guān)9上的電壓，其與波片8的組合，再次改變腔內(nèi)激光的偏振狀態(tài)，激光從偏振分束元件8反射，再經(jīng)過旋轉(zhuǎn)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(dǎo)入導(dǎo)出激光，可以獲得該頻率的再生放大激光輸出。
[0035]當(dāng)再生腔不工作時(shí)，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(huì)積累大量的能量，當(dāng)再生腔恢復(fù)工作時(shí)，首個(gè)注入的脈沖不會(huì)比后續(xù)脈沖獲得明顯高的增益。類寄生振蕩的增益截面遠(yuǎn)小于再生腔的增益截面，故只有再生腔處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，類寄生振蕩才會(huì)出現(xiàn)。類寄生振蕩的存在，不顯著影響再生放大器正常工作時(shí)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(gè)脈沖由于獲得高增益，其能留明顯高于后續(xù)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(gè)脈沖的能量?jī)H僅稍高于后續(xù)脈沖，首脈沖效應(yīng)得到明顯的抑制。
[0036]實(shí)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(shí)施例1的區(qū)別在于，當(dāng)再生腔停止工作時(shí)，寄生振蕩在腔鏡13、增益晶體X和腔鏡14、15之間產(chǎn)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(shí)的輸出功率及能量。
[0038]盡管參照上述的實(shí)施例已對(duì)本發(fā)明做出具體描述，但是對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說，應(yīng)該理解并可以基于本發(fā)明公開的內(nèi)容進(jìn)行修改或改進(jìn)，并且這些修改和改進(jìn)都在本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
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(gè)部分組成，諧振腔內(nèi)包含增益晶體、鏡片、偏振分束元件、可控電光開關(guān)元件等。該再生放大器利用在腔內(nèi)形成的與工作光路不重合的振蕩一一類寄生振蕩，實(shí)現(xiàn)首脈沖抑制。2.如權(quán)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(quán)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(quán)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(quán)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(quán)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(hào)】H01S3/11GK105932535SQ201610417772
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年6月16日
【發(fā)明人】范海濤, 常亮, 張翼
【申請(qǐng)人】大恒新紀(jì)元科技股份有限公司