專利名稱：具有可調(diào)節(jié)脈沖重復(fù)頻率的無源q開關(guān)激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及脈沖光泵浦激光器，更具體地涉及具有可變重復(fù)頻率的無源Q開關(guān)二極管泵浦固體激光器。
背景技術(shù)：
無源Q開關(guān)二極管泵浦固體激光器因其富有效率、緊湊且可使用在可見和UV(紫外)波長范圍內(nèi)，而被廣泛用于要求脈沖輻射的光源中。然而，在它們的標準運行模式中，它們以固定重復(fù)頻率產(chǎn)生脈沖，所述固定重復(fù)頻率經(jīng)常被稱作自由振蕩頻率，這使得在要求可調(diào)節(jié)脈沖重復(fù)頻率的應(yīng)用中難于采用這些激光器。盡管已經(jīng)公開了改變無源Q開關(guān)激光器脈沖重復(fù)頻率的方法，但是將這些激光器應(yīng)用到那些要求重復(fù)頻率不受激光特性約束的場合下仍有難度，所述激光特性譬如脈沖能量、脈沖穩(wěn)定性、光束波形和擴散。
基質(zhì)輔助激光解吸/電離(MALDI)質(zhì)譜分析是這種應(yīng)用的一個例子，典型地要求UV激光器具有從數(shù)十赫茲到幾千赫茲UV的范圍內(nèi)的脈沖重復(fù)頻率和非常穩(wěn)定的特性。
在無源Q開關(guān)中，激光腔典型地包括增益元件和夾在兩個激光鏡之間的飽和吸收器，所述增益元件典型的是激光晶體小片，此后也被稱為激光微芯片。增益媒質(zhì)通過泵浦輻射源被泵浦，優(yōu)選高能激光二極管。在最普通的連續(xù)波泵浦模式中，激光二極管以恒定功率Pump連續(xù)泵浦增益媒質(zhì)；在操作開始，飽和吸收器處于高損耗狀態(tài)，通過有效堵塞腔內(nèi)光通道來阻止發(fā)射激光行為。通過感應(yīng)建立增益媒質(zhì)中高于閾值電平的激光躍遷的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，連續(xù)的泵浦給增益元件施加能量。一旦在連續(xù)波泵浦下粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達到某一臨界值，激光躍遷波長λ處相關(guān)的放大的固有光輻射的強度達到一個值，所述值足以引起飽和吸收器中光損耗的突然降低，打開激光諧振腔并導(dǎo)致快速形成類似雪崩的激光脈沖。激光脈沖將集聚的能量排出諧振腔，使得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)遠低于閾值。在脈沖結(jié)束后，飽和吸收器轉(zhuǎn)換回高損耗狀態(tài)，進而粒子數(shù)反轉(zhuǎn)建立的過程重新開始。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從低的脈沖后的值達到臨界值所需要的時間Bup，常被稱為建立時間，確定自由振蕩脈沖重復(fù)頻率Ffree≈1/Bup。
圖1示出了無源Q開關(guān)激光器的自由振蕩運行的時序圖，圖中使用以由時間間隔Bup分離的光脈沖20的形式示出連續(xù)波泵浦的功率Pump和激光器光輸出。
圖2是示出了通過使用脈沖泵浦，現(xiàn)有技術(shù)的無源Q開關(guān)激光器的運行方法的時序圖，此時脈沖重復(fù)頻率為F而不是Ffree。在這種方法中，泵浦11在每個脈沖21后被停止，且在選擇的時間延遲13后重新開始，以使脈沖間的時間周期T≥Bup。這樣，脈沖重復(fù)頻率F＝1/T＜Ffre。
下文中被稱作固定頻率模式的這個運行模式的缺陷在于，只要重復(fù)頻率F被改變，增益元件的熱載荷就改變，如下文中所解釋的那樣。所述變化的熱載荷會改變增益元件內(nèi)的溫度分布，從而導(dǎo)致激光微芯片中典型產(chǎn)生的熱透鏡的改變，所述熱透鏡是由于增益元件內(nèi)泵浦吸收產(chǎn)生的熱量而產(chǎn)生的，這明顯影響激光器輻射的許多特性，譬如脈沖能量、射束發(fā)散性、脈沖穩(wěn)定性等。
由于泵浦吸收，增益元件的熱載荷可被定義為在微芯片中產(chǎn)生的熱量，因此該熱載荷在整個激光器運行中甚至在重復(fù)頻率改變時必須被保持恒定。這個熱載荷是平均泵浦功率Pave的函數(shù)，所述平均泵浦功率以熱量的形式耗散在增益元件中。對于前述脈沖運行方法，該平均耗散泵浦功率Pheat近似由方程式(1)給出[9]Pheat＝αβPave(1)[10]其中α是熱載荷系數(shù)，即在增益元件中被耗散為熱量的被吸收的光功率部分，β是由微芯片吸收的平均光功率的系數(shù)。
對于二極管泵浦激光器，在固定頻率模式中的平均光功率由方程式(2)給出 Pave＝(I-Ith)Rη (2)[13]其中η是激光二極管的斜率效率，它典型為大約1W/A，Ith和I分別是激光器二極管的閾值電流和提供泵浦脈沖的激光器電流，R是二極管的占空比，所述占空比為建立時間與脈沖間周期之比[14]R＝Bup/T＝FBup. (3)[15]微芯片內(nèi)耗散的熱量或熱載荷與占空比R成正比例且與重復(fù)頻率F成比例變化，這遵循方程式(1)，(2)和(3)。
J.Zayhosky等在IEEE J.of Quantum Electronics，vol.38，n.11，pp.1449-1454，2002發(fā)表的文章中公開了一種Q開關(guān)激光器系統(tǒng)，其中，其泵浦功率是如此的高，以致于在感興趣的重復(fù)頻率范圍內(nèi)的建立時間與脈沖周期T相比較顯得非常小，所以在此范圍內(nèi)熱載荷近似保持為常數(shù)。然而這種方法要求非常高的泵浦功率且對允許的重復(fù)頻率變化的范圍有限制。
Deutsch等的美國專利6,038,240公開了一種方法和固體激光器系統(tǒng)，用于產(chǎn)生具有可變脈沖重復(fù)頻率和恒定束特性的激光脈沖，其中使用一系列泵浦脈沖泵浦有源Q開關(guān)激光器，當重復(fù)頻率變化時占空比R保持為常數(shù)，以及其中通過相對于各個泵浦脈沖的起點以固定時間延遲打開有源Q開關(guān)來由外部觸發(fā)激光脈沖。這種方法，盡管對有源Q開關(guān)激光器系統(tǒng)提供了某些益處，但對于無源Q開關(guān)激光器，重復(fù)頻率范圍被限制在Ffree和0.5×Ffree之間，因為沒有觸發(fā)第二激光脈沖，泵浦脈沖不能比2Bup長。
Kneip等的美國專利6,418,154公開了一種具有有源Q開關(guān)的脈沖二極管泵浦固體激光器，其中Q開關(guān)和二極管陣列由控制器協(xié)調(diào)控制，以使響應(yīng)泵浦光脈沖而產(chǎn)生的激光器輸出脈沖具有相同能量，而不依賴于激光器輸出脈沖之間的時間間隔。在此發(fā)明中，泵浦光脈沖一結(jié)束，外部就主動的觸發(fā)激光脈沖，并且二極管激光器陣列被設(shè)置成在每一個泵浦光脈沖結(jié)束和其隨后的泵浦光脈沖開始之間來傳送足夠的額外的泵浦光至增益媒質(zhì)，以使所述增益媒質(zhì)中的增益在各個泵浦光脈沖開始時是相同的，而不依賴于所述泵浦光脈沖之間的時間間隔。在泵浦脈沖之間的另外泵浦光被用于保持增益最小值，以在泵浦結(jié)束后及時補償粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時的指數(shù)衰減，這是泵浦脈沖開始時產(chǎn)生激光的初始條件，所述泵浦脈沖開始取決于連續(xù)脈沖間的時間周期，從而當泵浦脈沖重復(fù)頻率改變時將導(dǎo)致激光脈沖能量的變化。這種泵浦增益媒質(zhì)的方法，盡管對于有源Q開關(guān)激光器看來像是實現(xiàn)了它想要的功能，但可能導(dǎo)致平均泵浦光功率依賴重復(fù)頻率，因此，至少在具有無源Q開關(guān)的微芯片激光器的情況中，可能導(dǎo)致激光器特性依賴于重復(fù)頻率而變化。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種Q開關(guān)激光器裝置及其運行方法，用于產(chǎn)生序列激光脈沖，其中激光脈沖的特性在其寬范圍內(nèi)實質(zhì)上不依賴于它們的重復(fù)頻率。

發(fā)明內(nèi)容
依據(jù)本發(fā)明，提供一種用來改變無源Q開關(guān)激光器的激光脈沖重復(fù)頻率而同時保持激光輻射的特性的方法，所述方法包括a)提供激光腔，其包括增益元件和用于無源Q開關(guān)的裝置；b)將序列泵浦脈沖提供入所述增益元件，所述序列泵浦脈沖包含兩個不同的非零功率水平且以至少兩個可調(diào)節(jié)參數(shù)為特征；c)將這些至少兩個可調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)定為初始值，用于產(chǎn)生第一重復(fù)頻率的脈沖激光輻射；和d)將所述至少兩個可調(diào)節(jié)參數(shù)的每一個的值改變?yōu)檎{(diào)節(jié)值，用于產(chǎn)生另一重復(fù)頻率的脈沖激光輻射，同時控制脈沖激光輻射的特性。
依據(jù)本發(fā)明的一個方面，通過在改變激光重復(fù)頻率時保持平均泵浦功率恒定來選擇調(diào)節(jié)值以使增益元件的熱載荷保持在實質(zhì)上恒定的水平。
依據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述脈沖激光輻射的特性是脈沖能量、脈沖激光輻射的擴散、脈沖激光輻射的光譜和激光脈沖的建立時間中之一。
依據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述序列泵浦脈沖包括具有非零大小的連續(xù)波功率補償，可調(diào)節(jié)參數(shù)之一是連續(xù)波功率補償?shù)恼穹?，和可調(diào)節(jié)參數(shù)之二是連續(xù)泵浦脈沖之間的時間間隔。
依據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供一種運行Q開關(guān)激光器的方法，所述激光器具有改變激光脈沖之間時間延遲的功能，所述方法包括提供激光腔，其包含增益元件和用于無源Q開關(guān)的裝置，以及提供序列泵浦脈沖，其被送入所述增益元件；其中，所述序列泵浦脈沖包含i)三個連續(xù)的泵浦脈沖，其具有高于激光閾值的振幅，所述三個連續(xù)的泵浦脈沖在時間上由兩個不同時間間隔分隔以激勵由另兩個不同時間間隔分隔的三個激光脈沖；ii)在第一和第二連續(xù)的泵浦脈沖之間的第一泵浦前脈沖，所述第一泵浦前脈沖具有用于影響增益元件中溫度的第一能量；和iii)在所述第二和第三連續(xù)的泵浦脈沖之間的第二泵浦前脈沖，所述第二泵浦前脈沖具有不同于第一能量的第二能量，通過控制所述增益元件中的溫度以保持激光脈沖的特性不被改變。
依據(jù)本發(fā)明的再一個方面，提供一種用于可調(diào)Q開關(guān)的激光設(shè)備，所述激光設(shè)備包括激光腔，所述激光腔包含增益元件和用于所述激光腔的無源Q開關(guān)的裝置；泵浦裝置，其用于通過一序列泵浦脈沖泵浦所述增益元件，以產(chǎn)生具有可變重復(fù)頻率的脈沖激光輸出，所述序列泵浦的脈沖包括在兩個非零功率水平之間的變更且以至少第一可調(diào)節(jié)參數(shù)和第二可調(diào)節(jié)參數(shù)為特征；和控制裝置，其通過改變至少所述第一和第二可調(diào)節(jié)參數(shù)來控制所述序列泵浦脈沖和改變脈沖重復(fù)頻率。


現(xiàn)在將結(jié)合

本發(fā)明的示范性實施例，其中[27]圖1是常規(guī)無源Q開關(guān)激光器的自由運行模式的時序圖。
圖2是常規(guī)無源Q開關(guān)激光器的固定頻率運行模式的時序圖。
圖3是依據(jù)本發(fā)明的無源Q開關(guān)二極管泵浦激光器的圖。
圖4是圖3中的無源Q開關(guān)激光器的第一可變比率運行模式的時序圖。
圖5是示出計算出的泵浦功率補償對脈沖重復(fù)頻率的圖。
圖6是示出泵浦功率補償對激光器重復(fù)頻率的實驗圖。
圖7是示出激光脈沖功率的標準偏差對脈沖重復(fù)頻率的實驗圖。
圖8是依據(jù)本發(fā)明的無源Q開關(guān)激光器的第二可變比率運行模式的時序圖。
圖9是依據(jù)本發(fā)明的無源Q開關(guān)激光器的第三可變比率運行模式的時序圖。
圖10是依據(jù)本發(fā)明的二極管激光器泵浦的圖，所述二極管激光器泵具有兩個分離的可控激光器二極管。
具體實施例方式本發(fā)明涉及一種Q開關(guān)光泵浦激光器及其運行方法，該方法用于發(fā)射具有可調(diào)節(jié)激光脈沖重復(fù)頻率且不依賴重復(fù)頻率的脈沖特性的激光脈沖。所述激光器具有通過序列光泵浦脈沖泵浦的增益元件，所述序列光泵浦脈沖包括在至少兩個非零泵浦功率水平之間的變更?？刂蒲b置被用于調(diào)節(jié)所述序列泵浦脈沖的至少兩個參數(shù)，從而通過控制時間平均泵浦功率來控制增益元件的熱載荷，同時改變激光脈沖重復(fù)頻率。這樣能夠使增益元件內(nèi)溫度分布被控制在實質(zhì)上不依賴于脈沖重復(fù)頻率的恒定水平，從而控制輸出激光特性。
在圖3中示出依據(jù)本發(fā)明的Q開關(guān)激光器的示范性實施例，且在此后說明。
微芯片激光腔50包括增益元件20和飽和吸收器30，而且所述增益元件和所述飽和吸收器光結(jié)合以形成沿光軸5設(shè)置的單塊激光器塊230。增益元件20具有激光波長λ處的激光躍遷，并且能夠通過響應(yīng)泵浦波長λp處的光泵浦而提供光增益。單塊激光器塊230具有輸入激光晶面21，用于接收泵浦脈沖波長λp的脈沖泵浦輻射13，和輸出激光晶面31，用于以激光波長λ輸出脈沖激光輻射33。輸入晶面21和輸出晶面31分別具有薄膜涂層22和32，均以激光輻射的波長λ反射，從而在其間形成所述波長的激光腔。輸入激光晶面21面對激光器二極管泵浦10或任意其它合適的泵浦激光器，所述激光器二極管泵浦10或任意其它合適的泵浦激光器被設(shè)置以沿光軸5發(fā)射脈沖泵浦輻射13，所述光軸5朝向微芯片激光腔50的輸入晶面21。薄膜涂層22被選擇，以使輸入激光器晶面21對波長λp的泵浦輻射實質(zhì)上是透明的，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。
作為例子，增益元件20具體為3mm長的摻雜晶體Nd:YAG，所述晶體被切割至1.8×1.8mm的橫截面，在泵浦波長808nm處被光泵浦時具有波長1064nm的激光躍遷，以及飽和吸收器30具體為2.25mm長的Cr4+:YAG晶體和具有相同的橫截面。在某些實施例中，光學(xué)結(jié)合的Nd:YAG晶體和Cr4+:YAG晶體可被夾在兩片未摻雜的YAG晶體之間(圖3中未顯示)。
激光二極管泵浦裝置10優(yōu)選是高功率激光二極管泵浦，它能夠響應(yīng)流過激光二極管的驅(qū)動電流而發(fā)射脈沖泵浦輻射13。激光二極管泵浦裝置10包括激光二極管驅(qū)動電路，用于響應(yīng)控制信號而提供驅(qū)動電流，所述控制信號由控制器40通過通信線路41提供。透鏡15被設(shè)置在激光二極管10和微芯片激光器腔50之間，用于校準所述泵浦輻射13和用于使它穿過輸入晶面21而耦合進入微芯片激光腔50中。所述透鏡15可為適用于將泵浦輻射耦合進激光器晶體中的透鏡系統(tǒng)，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。
在運行中，由所述激光二極管10發(fā)射的所述脈沖泵浦輻射13在所述增益元件20中被吸收，會引起激光躍遷的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和在激光躍遷波長處輻射的自發(fā)發(fā)射。如果由所述泵浦束13傳送進增益元件20的泵浦功率Pp超過閾值Pth的持續(xù)時間為Bup，則微芯片激光腔50發(fā)射短激光脈沖的持續(xù)時間τ＜＜Bup，在短激光脈沖結(jié)束處，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)降落至低于發(fā)射激光要求的閾值的低水平。如果泵浦功率低于Pth，只要Pp＜Pth，飽和吸收器就保持在阻止激光發(fā)射的高損耗狀態(tài)。
所述脈沖泵浦輻射13的一部分被非輻射性地吸收入增益元件20，并被轉(zhuǎn)換為熱量，在增益元件20內(nèi)產(chǎn)生熱透鏡，所述熱透鏡影響激光輻射的許多特性，譬如它的能量、擴散、脈沖穩(wěn)定性等。由于增益元件20中相對慢的熱耗散速率，熱透鏡主要受到時間平均泵浦功率Pav＝∫dt Pump(t)/Tin的影響，其中Pump(t)是取決于時間的泵浦脈沖序列，而積分的時間間隔為Tin，Tin＞＞Bup，且超過典型的泵浦脈沖之間的時間間隔；因此，在激光器操作期間，保持平均泵浦功率在恒定水平對于激光穩(wěn)定性是有利的。
前述無源Q開關(guān)激光器的一個運行模式在圖4中以時序圖的形式說明，所述無源Q開關(guān)激光器提供具有恒定激光特性的穩(wěn)定激光發(fā)射。在這種操作模式中，通過泵浦序列泵浦微芯片激光腔50，其中連續(xù)波補償泵浦輻射被疊加在泵浦脈沖上，以及當泵浦脈沖重復(fù)頻率改變時調(diào)節(jié)補償泵浦輻射的光功率Poff。
參考圖4，在時刻t0和t1之間，激光二極管泵浦10以時間周期T1發(fā)射連續(xù)的泵浦脈沖401，402和403，所述脈沖具有泵浦脈沖功率Pp＞Pth和持續(xù)時間τp＝Bup。在脈沖之間，激光二極管泵浦10發(fā)射具有恒定泵浦功率Poff1＜Pth的連續(xù)波補償泵浦輻射。所述脈沖在時間上以第一時間間隔T1-τ＝T1-Bup被分割。微芯片激光腔50在各個連續(xù)的泵浦脈沖結(jié)束時發(fā)射激光脈沖，從而產(chǎn)生具有第一重復(fù)頻率F1＝1/T1的序列輸出激光脈沖(圖4中未顯示)。在其它實施例中，泵浦脈沖持續(xù)時間可在Bup和2Bup之間，即Bup≤τ＜2Bup，所述泵浦脈沖持續(xù)時間對激光重復(fù)頻率沒有影響。
由補償輻射410，411，412的周期分離的泵浦脈沖401-403構(gòu)成第一序列泵浦脈沖450，所述第一序列泵浦脈沖450可由時間相關(guān)泵浦功率函數(shù)P1(t)來描述，包括在非零功率水平Pp和Poff1之間的泵浦功率的周期性變更。
第一泵浦序列450以第一獨立可選擇的參數(shù)集合為特征，所述第一獨立可選擇的參數(shù)集合包括脈沖周期T＝T1和補償功率Poff＝Poff1。所述參數(shù)T和Poff可通過調(diào)節(jié)激光二極管驅(qū)動電流J的相應(yīng)參數(shù)來調(diào)節(jié)，所述激光二極管驅(qū)動電流激勵二極管激光器使它發(fā)射泵浦輻射，以及響應(yīng)由控制器40產(chǎn)生的控制信號。決定泵浦開始和激光脈沖之間時間延遲的建立時間Bup是泵浦脈沖功率Pp的函數(shù)，并且不是獨立可選擇的。在這個實施例中，如圖4所示，在泵浦脈沖期間和之間，激光二極管驅(qū)動電流I均超過激光二極管閾值電流Ith。
在時刻t1，響應(yīng)由控制器40產(chǎn)生的控制信號，改變可調(diào)節(jié)參數(shù)T和Poff以提供第二泵浦脈沖序列460，用于產(chǎn)生在圖4中沒有顯示的具有第二脈沖重復(fù)頻率F2的輸出激光脈沖序列。作為例子，圖4中F2小于F1。為了影響脈沖重復(fù)頻率的變化，泵浦脈沖周期T被設(shè)定為新的值T2＝1/F2＞T1。同時地，增加補償功率水平Poff且將其設(shè)定為新的值Poff2＞Poff1。在補償功率水平上的這個增加是本發(fā)明的特征，其提供了增益元件的另外的熱載荷，從而補償了由于減少的泵浦循環(huán)而導(dǎo)致的泵浦脈沖感應(yīng)部件上的熱載荷的減少。
泵浦功率補償?shù)男轮礟off2取決于新的脈沖重復(fù)頻率F2，并且依據(jù)本發(fā)明的一個實施例，被選擇以保持增益元件20的熱載荷不變且實質(zhì)上等于其從t0至t1的時間間隔期間的熱載荷。如此前所述，保持熱載荷在恒定水平需要保持平均泵浦功率沒有變化。對于前述序列泵浦脈沖，所述序列泵浦脈沖包括恒定泵浦功率Pp周期和恒定泵浦功率補償Poff周期以及在它們之間的周期性變更，由二極管激光器泵浦10發(fā)射的平均功率Pave滿足方程式(3)[50]Pave＝η(Ioffset-Ith)+(I-Ioffset)Rη (3)[51]其中η是二極管斜率效率，Ioffset是對應(yīng)于發(fā)射的泵浦功率Poff＝η(Ioffset-Ith)的連續(xù)波二極管補償電流，且此電流超過二極管閾值電流Ith，I是對應(yīng)于發(fā)射的峰值泵浦功率Pp＝η(I-Ith)的峰值二極管電流。并且，[52]R=BupT=BupF---(4)]]>[53]為泵浦序列的占空比，所述占空比與脈沖重復(fù)頻率F成比例。
根據(jù)本發(fā)明方法的這個實施例，當脈沖重復(fù)頻率F被改變，通過調(diào)節(jié)補償電流Ioffset來保持增益元件的熱載荷為常數(shù)，以致于平均泵浦功率保持在常數(shù)水平。根據(jù)方程(3)，補償電流的需求值，依賴于占空比R，且因此依賴于重復(fù)頻率F，Ioffset可根據(jù)下列方程(5)求得[55]Ioffset=Pave+ηIth-IRηη(1-R)---(5)]]>[56]作為例子，圖5示出了，對于具有無源Q開關(guān)的二極管泵浦固體激光器的典型配置，當脈沖重復(fù)頻率F從10Hz變化至4kHz時，為保持增益元件熱載荷的恒定所要求的補償電流Ioffset，其中Bup＝200μs，η＝1W/A，Ith＝2A，I＝17A。
方便地，圖5示出，當脈沖重復(fù)頻率F在10Hz和大約1.5kHz之間范圍內(nèi)或在圖5的方框500內(nèi)，Ioffset(F)可用線性函數(shù)來近似，因此極大地簡化了激光二極管控制器40的實施。
這種線性關(guān)系可允許使用一種簡化的激光器校正程序，所述程序在本發(fā)明的另一個實施例中實現(xiàn)，以限定用于感興趣重復(fù)頻率范圍的泵浦功率補償。作為例子，結(jié)合本發(fā)明特征的無源Q開關(guān)激光器具有下面參數(shù)集合Ith＝2.3A，η＝1.106W/A，I＝15.6A。在具有補償電流Ioffset＝IoffsetI＝3A的脈沖重復(fù)頻率F1＝1kHz處，這個激光器顯示在溫度范圍20.7℃-23℃內(nèi)具有小的脈沖波動的穩(wěn)定的脈沖運行。測得的建立時間Bup為100μs。通過測量每個輸出激光脈沖的光能Elp和計算多個輸出激光脈沖的Elp的相對標準偏差，來確定激光器運行的穩(wěn)定性。然后，脈沖重復(fù)頻率被改變?yōu)镕2＝200Hz，進而確定第二補償電流Ioffset2，以獲得穩(wěn)定運行的相同激光溫度范圍。這些測量結(jié)果被示出在圖6中，圖6為描述補償電流Ioffset與重復(fù)頻率F(Hz)關(guān)系的圖表。使用數(shù)字“1”和“2”標識的黑方框分別示出依據(jù)所述第一和第二前述測量的穩(wěn)定的運行條件。對測量的運行點1和2的線性擬合點3可被用于確定感興趣的任何重復(fù)頻率F的補償電流Ioffset(F)。
圖7示出了在100Hz和1kHz之間的各個重復(fù)頻率的被測量的輸出激光脈沖能量的相對標準偏差RSD=<δEp2><Ep>.]]>微芯片激光腔50被安裝在散熱片上，所述散熱片的溫度在整個測量中保持為常數(shù)。方框示出使用本發(fā)明前述方法獲得的實驗結(jié)果，其中如圖6所示的補償電流隨重復(fù)頻率呈線性變化。菱形示出依據(jù)更常規(guī)方法獲得的結(jié)果，其中補償電流被保持在不依賴于重復(fù)頻率的恒定水平。可以看出，本發(fā)明的方法提供明顯的更為穩(wěn)定的運行，尤其用于本具體實施例的低于400Hz的重復(fù)頻率。
我們還證實了，當依據(jù)前述方法調(diào)節(jié)補償電流Ioffset時，有益地，其他激光特性不依賴于重復(fù)頻率而改變，所述激光特性如激光輻射33的光譜和發(fā)散；反之，在保持補償電流的為任意恒定水平的同時，獲得與比率不相關(guān)的激光特性是不可能的。
重新回到圖4，補償泵浦輻射410-415可被描述為在所述泵浦輻射410-415之前的泵浦前脈沖，且在本發(fā)明方法的前述實施例中所述泵浦前脈沖具有等于泵浦脈沖間隔T-τ的持續(xù)時間。這些前脈沖沒有足夠的功率以引起發(fā)射激光；它們的作用是用于提供附加的增益元件載荷，所述附加的增益元件載荷可被調(diào)節(jié)以補償當脈沖重復(fù)頻率F被改變時的占空比R的變化。這個附加的熱載荷取決于泵浦前脈沖的光能Ep，此后還被稱為泵浦前脈沖的脈沖能量，所述能量是它們的持續(xù)時間和功率的乘積Ep＝Poff×(T-τp)。因此，使用不同持續(xù)時間和形狀的泵浦前脈沖可提供同樣的熱載荷，只要它們的能量保持相同，即使它們的振幅不足以啟動激光脈沖。
在圖8和9中，再次以時序圖的形式說明本方法的兩個其他實施例，其中補償泵浦功率在連續(xù)的泵浦脈沖的中間被往上改變，形成泵浦前脈沖810-814和910-914。這些泵浦前脈沖具有可調(diào)節(jié)的泵浦功率振幅Ppre和前脈沖持續(xù)時間Δ，當重復(fù)頻率即泵浦脈沖的時間周期T改變時，所述泵浦功率振幅Ppre和前脈沖持續(xù)時間Δ中的每一個可被改變以維持微芯片激光器的平均功率和熱載荷在恒定水平。在這種情況下，某些實施例中的補償功率Poffset可被設(shè)定為零。在這種情況中，依賴于脈沖重復(fù)頻率F的Ppre和Δ的最優(yōu)設(shè)置可在激光器校正階段從激光測量中重新獲得，例如通過在給定激光溫度范圍內(nèi)改變脈沖重復(fù)頻率和選擇要求的Ppre或Δ以保持激光輸出特性在恒定級，所述激光輸出特性是脈沖能量、脈沖穩(wěn)定性、射束擴散、時間平均的激光能譜等中之一。
本發(fā)明的方法還可被有利地用于在寬范圍的重復(fù)頻率上能夠進行具有恒定建立時間Bup的激光運行，所述方法的特征在于具有可變脈沖重復(fù)頻率的Q開關(guān)二極管泵浦激光器優(yōu)選通過序列泵浦脈沖泵浦，所述序列泵浦脈沖特征在于包含至少兩個可調(diào)節(jié)的參數(shù)，以及在改變重復(fù)頻率的同時，所述至少兩個可調(diào)節(jié)的參數(shù)被改變用于保持激光特性恒定。而且，如果重復(fù)頻率被改變，因為變化的熱載荷，則無源Q開關(guān)激光器運行的常規(guī)模式一般不會保持恒定的建立時間Bup。因此，由于所述建立時間的變化，通過外部周期性信號經(jīng)常難以觸發(fā)常規(guī)無源Q開關(guān)激光器發(fā)射脈沖。通過在前述實施例中適當?shù)馗淖兛烧{(diào)節(jié)的參數(shù)對(T，Poff)、(T，Δ)或(T，Ppre)，Bup時間可在較寬的重復(fù)頻率范圍內(nèi)保持恒定，通過外部信號使被觸發(fā)的激光脈沖能夠發(fā)射。激光器校正程序優(yōu)選用于形成查找表，其中針對各種可調(diào)節(jié)參數(shù)組合的Bup被測量，在所述查找表中，數(shù)值，如Poff、Ppre和/或Δ，依據(jù)T而被存儲。
如上面所述，通過改變激光二極管的驅(qū)動電流，可使用單個激光二極管來實現(xiàn)本發(fā)明的方法，或通過組合來自兩個或多個二極管激光器的輻射來本實施本發(fā)明的方法。圖10說明本發(fā)明的另一個實施例，其中首先使用透鏡711和721對來自兩個二極管激光器泵浦710和720的泵浦輻射進行校正，然后使用射束組合器730將所述泵浦輻射組合以形成脈沖泵浦輻射13，此后所述脈沖泵浦輻射被耦合進圖3中所示的微芯片激光腔50中。例如，使用這樣的排列可實現(xiàn)如圖4所示的本發(fā)明方法的第一實施例，將激光二極管泵浦710、720之一用在脈沖機制中的運行以產(chǎn)生泵浦脈沖，將所述激光二極管泵浦中的另一個用在連續(xù)波機制的運行以提供補償泵浦功率。
根據(jù)本發(fā)明，在另一實施例中，通過使用一個或多個連續(xù)波泵浦和設(shè)置在泵浦和微芯片激光器50之間的外部光調(diào)制器，可產(chǎn)生所需的以至少兩個可調(diào)節(jié)參數(shù)為特征的序列泵浦脈沖。
本發(fā)明的方法還可被應(yīng)用到有源Q開關(guān)激光器，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是可以理解的。
當然，在不脫離本發(fā)明的宗旨和范圍可以想象到許多其它的實施例。
權(quán)利要求
1.一種運行具有可變激光脈沖重復(fù)頻率的無源Q開關(guān)激光器的方法，包括以下步驟提供激光腔，所述激光腔包含增益元件和用于無源Q開關(guān)的裝置；將序列泵浦脈沖提供到所述增益元件，所述序列泵浦脈沖包含兩個不同的非零功率水平，且以至少兩個可調(diào)節(jié)參數(shù)為特征；將所述至少兩個可調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)定為初始值，用于以第一重復(fù)頻率產(chǎn)生脈沖激光輻射；和將所述至少兩個可調(diào)節(jié)參數(shù)的每一個的值改變?yōu)檎{(diào)節(jié)值，用于以另一重復(fù)頻率產(chǎn)生脈沖激光輻射，同時控制所述脈沖激光輻射的一個或多個特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中的所述的方法，其特征在于，控制所述脈沖激光輻射的特性包括改變所述脈沖重復(fù)頻率時，保持所述特性不改變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中的所述的方法，其特征在于，所述脈沖激光輻射的特性是激光脈沖能量、所述脈沖激光輻射的擴散、所述脈沖激光輻射的光譜和激光脈沖的建立時間中之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求2中的所述的方法，其特征在于，選擇所述調(diào)節(jié)值以保持所述增益元件中的溫度在實質(zhì)上恒定的水平。
5.根據(jù)權(quán)利要求2中的所述的方法，其特征在于，選擇所述至少兩個可調(diào)節(jié)的參數(shù)的所述調(diào)節(jié)值以保持平均泵浦功率實質(zhì)上不改變。
6.根據(jù)權(quán)利要求2中的所述的方法，其特征在于，選擇所述調(diào)節(jié)值以保持所述增益元件的熱載荷在實質(zhì)上恒定的水平。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項所述的方法，其特征在于，所述序列泵浦脈沖包括連續(xù)波功率補償。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述至少兩個可調(diào)節(jié)參數(shù)之一是所述連續(xù)波功率補償?shù)恼穹约八鲋辽賰蓚€可調(diào)節(jié)參數(shù)之二是連續(xù)的泵浦脈沖之間的時間間隔。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項所述的方法，其特征在于，所述序列泵浦脈沖包括在三個不同功率水平之間的功率變更，以及所述至少兩個可調(diào)節(jié)參數(shù)是所述功率變更之間的時間間隔。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項所述的方法，其特征在于，所述序列泵浦脈沖包括周期性泵浦脈沖序列。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項所述的方法，其特征在于所述序列泵浦脈沖包含振幅在激光閾值之上的用于激勵激光脈沖的泵浦脈沖和振幅低于激光閾值的泵浦前脈沖，所述泵浦前脈沖的每一個在時間上位于不同的一個泵浦脈沖之前，以影響所述增益元件的平均熱載荷；所述至少兩個可調(diào)節(jié)參數(shù)之一是在所述振幅高于激光閾值的泵浦脈沖之間的時間間隔，以及所述至少兩個可調(diào)節(jié)參數(shù)的另一個是所述泵浦前脈沖的脈沖能量；和在所述泵浦脈沖之間的時間間隔被改變時，所述泵浦前脈沖的脈沖能量被改變以保持所述增益元件的熱載荷恒定。
12.一種用于可調(diào)Q開關(guān)的激光設(shè)備，包括激光腔，所述激光腔包含增益元件和用于所述激光腔的無源Q開關(guān)的裝置；泵浦裝置，所述泵浦裝置使用序列泵浦脈沖以泵浦所述增益元件，以產(chǎn)生具有可變重復(fù)頻率的脈沖激光輸出，所述序列泵浦脈沖以至少第一可調(diào)節(jié)參數(shù)和第二可調(diào)節(jié)參數(shù)為特征；和控制裝置，所述控制裝置用于控制所述序列泵浦脈沖和用于改變所述脈沖重復(fù)頻率，同時通過變化所述至少第一和第二可調(diào)節(jié)參數(shù)來保持所述增益元件的熱載荷為恒定水平。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的激光設(shè)備，其特征在于，所述光泵浦裝置包括兩個光泵浦激光器，以及在運行中，所述泵浦激光器中至少一個以脈沖機制運行。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的激光設(shè)備，其特征在于，所述光泵浦裝置包括激光二極管，所述激光二極管在運行中由激光二極管驅(qū)動電流激勵。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的激光設(shè)備，其特征在于，所述控制裝置包括用于改變激光二極管驅(qū)動電流的裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求12至15中任意一項所述的激光設(shè)備，其中所述序列泵浦脈沖包括在兩個不同的非零功率水平之間的變更。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種方法，用于改變無源Q開關(guān)激光器的脈沖重復(fù)率而同時保持激光輻射的其它特性。激光器使用序列泵浦脈沖進行光泵浦，所述泵浦脈沖包括在非零功率水平之間的變更且以兩個可調(diào)節(jié)的參數(shù)為特征。通過同時改變可調(diào)節(jié)的參數(shù)，激光器的脈沖重復(fù)率可被改變，而同時保持激光能量、脈沖激光輻射的擴散和脈沖激光輻射的光譜為恒定水平。在一個實施例中，所述序列泵浦脈沖包括泵浦功率補償，在激光重復(fù)率被改變時，調(diào)節(jié)所述泵浦功率補償?shù)恼穹?或持續(xù)時間。
文檔編號H01S3/13GK1819377SQ20061000238
公開日2006年8月16日 申請日期2006年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月4日
發(fā)明者雷戈爾·蘇懷特, 吉恩-菲利普·菲威 申請人:Jds尤尼弗思公司