光放大器系统及具有受限的脉冲能量的脉冲激光的制作方法

光放大器系统及具有受限的脉冲能量的脉冲激光的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于放大激光脉冲的光放大器系统，其包括能够接收一待放大激光脉冲束且产生一经放大激光脉冲束的一固态光增益介质及限制通过在此光增益介质中光激励所储存的能量的构件。根据本发明，此等限制构件包括：一连续谐振腔；及第一光分离构件，其能够将此连续谐振腔分成一共同部分及一损耗分支，该共同部分包括该光增益介质且该损耗分支包括光损耗构件，此光分离构件能够选择性地将一脉冲束引导至该连续谐振腔的此损耗分支的光轨道外且朝向该连续谐振腔的此损耗分支引导一连续束。
【专利说明】光放大器系统及具有受限的脉冲能量的脉冲激光

【技术领域】
[0001] 本发明涉及以脉冲模式操作激光及光放大器。更具体言之，本发明涉及一种放大 器或一种脉冲激光，其中最大储存及/或产生的能量限于一预定值。本发明较佳涉及一种 棒型光纤放大器或激光。

【背景技术】
[0002] 存在自一激光系统产生脉冲辐射的许多方式。容易区别直接产生周期性脉冲序列 的振荡器与增大别处产生的脉冲能量的放大器。脉冲激光系统广泛用于尤其是加工、标记、 雕刻各种材料及为其打孔的行业中。在所有此等应用中，使用者希望仅在待加工的工件居 中于激光束时触发脉冲的发射。因此，该系统在停止阶段与一脉冲或一系列脉冲以一高速 率发射的发射阶段之间交替。此等发射阶段与停止阶段是在范围可从数微秒至数分钟的量 级且以极多变频率交替。
[0003] 在此等停止阶段及起动阶段期间，因用于此等激光的增益介质限制能量储存能力 而在所有固态激光系统中出现一问题。多数现代固态激光将连续激光二极管用作为一激励 源。在一振荡器的情况下，一激光材料插入一谐振器中且自一或多个激励激光二极管接收 永久性辐射。该谐振器也含有能够阻止或允许激光发射通过的一光开关。在一持续时间T1 期间，该开关保持在一阻止位置中以使该激光材料充满能量。在此周期结束时，该开关突然 开启且发射出一短激光脉冲。来自该经发射激光脉冲的能量是与储存在激光介质中的能量 成比例。该等脉冲激光经设计使得在一激励周期期间储存且因此由该脉冲发射的能量不会 超过激光组件的损坏临限值。
[0004] 一固态激光通常具有一荧光时间，该荧光时间近似对应于在其期间能够储存能量 的时间且远长于在两个静止的连续脉冲发射之间经过的时间。例如，YAG中的钕离子的荧 光时间是近似200 μ s且玻璃中的镱离子的荧光时间是近似1200 μ s。此等持续时间远长于 通常以自10kHz至数MHz的速率操作的脉冲激光的典型周期。根据重复频率，一脉冲序列 激光的两个连续脉冲之间的持续时间T1因此通常低于100 μ s且可低于1 μ s。
[0005] 当用户停止激光发射时，开关保持在阻止位置中。然而，随着泵以连续模式操作， 该开关继续使增益介质充满能量。当用户决定使用激光时，其打开开关且该激光发射具有 可远大于静止模式的能量的一脉冲。在固态激光中此巨大的第一脉冲现象是熟知的且已提 议许多解决方案以尝试处理该现象。
[0006] 另一方面，使用者可能希望在维持一恒定脉冲能量的同时实时修改脉冲频率。在 脉冲触发应与一工件的移位同步时尤为如此。在该工件的加速阶段及减速阶段期间，脉冲 频率应随可超过十之一倍数而改变。接着，储存时间永久性地改变且变得不可能在增益介 质中保持一恒定能量。
[0007] 在专利US5226051中，提议一种固态激光，其中当两个连续脉冲之间的持续时间 超过一特定上限值时，激励功率减小。以此方式，储存在激光介质中的能量限于对应于静止 模式的值。只有在可快速调变激光二极管时才可应用此解决方案，但用于激励固态激光的 多数功率二极管并非如此。此外，快速调变由一激光二极管发射的功率大大减小其使用寿 命且造成其发射波长变化，从而引起激光脉冲波动。最后，此系统仅以一预定义速率进行操 作。
[0008] 专利US6038241描述一种固态激光，其包括电子控制其损耗以维持在增益介质中 (由经激发粒子数的量给定的）一能量位准接近静止位准的一光开关。过剩能量是以具有 与脉冲激光束相同的几何特性的一连续束的形式排空。此系统具有若干缺点：其需要复杂 的控制电子装置，其需要提前知道使用者中断后的脉冲频率，且其产生与主脉冲束方向相 同、波长相同及偏光相同的一连续激光束。
[0009] 专利文件W0 2004/095657描述一种用于在一固态激光中维持一恒定热透镜的类 似系统。
[0010] 专利US6009110提供一种基于一类似操作模式但适于具有波长转换的内腔的激 光的电子系统的另一实例。
[0011] 专利文件W0 2008/060407描述一种整合一电光偏光修改系统及一复杂的电子系 统以在中断激光脉冲发射后消除第一脉冲（超强度）的再生放大器。此再生放大器包括一 激光腔及一电光调变器，从而使其可能将在外部产生的一脉冲注入该腔中且接着在大量脉 冲通过该腔后喷射经放大脉冲。
[0012] 此等不同系统可与经触发激光或再生放大器一起操作但是并不适于一单信道或 双信道放大器的情况。先前装置使用具有一光开关放置在谐振器中的复杂控制模式。该 等装置也可造成发射与激光脉冲束共线的一连续激光束，此可能对使用者而言是不可接受 的。


【发明内容】

[0013] 本发明的一第一目的是防止光纤放大器系统的组件将过多能量储存在增益介质 中。秉持此目的，本发明寻求不管激励功率、不管重复频率及不管连续脉冲序列之间的中断 持续时间是多少仍限制储存在一光纤增益介质中的能量。因此，本发明寻求限制在中断一 激光脉冲序列发射后一第一激光脉冲的能量。
[0014] 本发明的一第二目的是不管脉冲频率、两个连续脉冲之间的中断持续时间及/或 激励功率是多少，确保经递送脉冲能量仍为常数。
[0015] 本发明的目的是纠正先前技术的缺点且更具体言之涉及一种用于放大激光脉冲 的光放大器系统，此光放大器系统包括：一固态光增益介质，且此光增益介质能够接收一待 放大激光脉冲束且产生一经放大激光脉冲束，此等脉冲的速率是1kHz到数百kHz之间；及 用于限制通过在此光增益介质中光激励所储存的能量的构件。根据本发明，此等限制构件 包括：一连续谐振腔，其配置在此光增益介质周围；及第一光分离构件，其配置在此连续谐 振腔中，此第一光分离构件能够将此连续谐振腔分成一共同部分及一损耗分支，该共同部 分包括该光增益介质且该损耗分支包括光损耗构件，此第一光分离构件能够选择性地将一 脉冲束引导至该连续谐振腔的此损耗分支的光轨道外且朝向该连续谐振腔的此损耗分支 引导一连续束，以当该增益介质的增益大于或等于与光损耗相等的一预定临限值时在此连 续谐振腔中产生一连续激光束且产生脉冲能量受限的一经放大脉冲束，此光增益介质需要 对该经放大脉冲束及该连续激光束而言是唯一的一传播轴。
[0016] 根据本发明的一特定态样，本发明的光放大器系统也包括能够将此经放大脉冲束 与连续激光束空间上分离的一第二光分离构件，光增益介质搁置在第一光分离构件与该第 二光分离构件之间，以沿一第一方向产生能量受限的一经放大脉冲束且沿另一方向产生一 连续激光束。
[0017] 根据一较佳形式的实施例，此光增益介质包括一光纤或一光纤棒，在该增益介质 中连续激光束及脉冲束的轨道是共线的，且此光纤或此光纤棒具有光谱宽度大于或等于 lnm的放大带宽或放大增益。
[0018] 根据特定态样，此第一光分离构件及/或该第二光分离构件包括能够将一波长 λ 1的激光脉冲束与一波长λ 2的连续激光束分离的至少一双向色滤光器。
[0019] 根据另一特定态样，第二光分离构件包括一偏光滤光器及/或此第一光分离构件 包括一偏光滤光器，此偏光滤光器能够将根据一第一偏光的激光脉冲束与根据与该第一偏 光不同的一第二偏光的连续激光束分离。
[0020] 根据一较佳态样，可调整此光损耗构件引发的光损耗以调整连续谐振腔的临限 值。
[0021] 本发明也涉及一种具有经触发脉冲的激光，其包括：一固态光增益介质，其配置在 一第一谐振腔中；光触发构件，其配置在此第一谐振腔中以触发在此第一谐振腔中发射一 激光脉冲束，此等脉冲束的速率是1kHz到数百kHz之间；及限制通过在此光增益介质中光 激励所储存的能量的构件。根据本发明，此激光包括：一第二连续谐振腔，该第一谐振腔及 该第二连续谐振腔具有包括该光增益介质及该光触发构件的一共同部分，该第一谐振腔具 有与此共同部分分离的至少一第一分支，且该第二谐振腔具有与此共同部分分离的至少一 第二损耗分支，此第二损耗分支包括光损耗构件；及第一光分离构件，其配置在此第一谐振 腔及第二谐振腔中以分别使该共同部分与该第一损耗分支及该第二损耗分支分离，此第一 光分离构件能够朝向该第一谐振腔的第一分支引导一激光脉冲束且朝向该第二连续谐振 腔的第二损耗分支引导一连续激光束。
[0022] 根据一特定形式的实施例，此光触发构件包括一声光调变器（偏光或非偏光）或 一电光调变器。
[0023] 根据一较佳形式的实施例，此光增益介质包括一光纤或一光纤棒，此光纤或此光 纤棒具有光谱宽度大于或等于lnm的一放大带宽及/或一放大增益。
[0024] 根据脉冲激光的一特定态样，第二光分离构件包括一双向色滤光器及/或此第一 光分离构件包括一双向色滤光器，此双向色滤光器能够将一波长λ 1的激光脉冲束与一波 长λ 2的连续激光束分离。
[0025] 根据另一形式的实施例，第二光分离构件包括一偏光滤光器及/或此第一光分离 构件包括一偏光滤光器，此偏光滤光器能够将根据一第一偏光的激光脉冲束与根据与该第 一偏光不同的一第二偏光的连续激光束分离。
[0026] 根据本发明的不同态样，此等光触发构件包括Q开关型被动触发器或一非偏光声 光调变器或一声光调变器。
[0027] 根据一特定态样，可调整此等损耗构件以调整连续谐振腔的临限值。
[0028] 根据另一特定态样，第二光分离构件包括一非线性晶体，该非线性晶体能够以与 输出取决于入射波长及/或入射偏光及/或入射峰值功率的基波不同的一频率产生一波。
[0029] 本发明也涉及一种根据所描述实施例模式之一的经触发脉冲的激光及使用一能 量限制器的光放大器，该系统包括通过闭合该经触发脉冲激光的第一谐振腔的至少一光构 件分离的两个增益介质，其中由第二连续谐振腔产生的连续激光束横越第二增益介质。
[0030] 本发明也涉及一种用于高功率、高能量以及高速激光（10)脉冲放大器的程序，该 程序包含下列阶段：
[0031] 光学激励一固态增益介质（1);
[0032] 产生待放大激光脉冲束（10)于一速率在1kHz到数百kHz之间；
[0033] 指派该待放大激光脉冲束（10)于固态增益介质（1)的方向上；
[0034] 通过在固态增益介质（1)中的单一或双通道放大的激光脉冲束（10)，如此以产生 经放大激光脉冲束（20)。
[0035] 根据本发明，此程序包含能量限制阶段，其通过光学激励而被储存于光学增益介 质（1)中，此限制阶段包含下列阶段：
[0036] 形成包含固态增益介质（1)的连续谐振腔，如此以当该增益介质（1)的增益大于 或等于与光损耗相等的一预定临限值时在此连续谐振腔（C2)中产生一连续激光束且产生 脉冲能量受限的一经放大脉冲束（20)。
[0037] 本发明将尤其有利地应用于一光纤脉冲激光。
[0038] 本发明也涉及在下文描述中提出且应被视为独立于或根据所有其技术上可能的 组合的特性。

【专利附图】

【附图说明】
[0039] 在仅为阐释及非限制性目的而参考随附图式给出的本发明的一或多个特定形式 的实施例的描述中，本发明将被更好地了解且本发明的其他目的、细节、特性及优点将显得 更加清楚。
[0040] 图1是分别根据一外部触发器的时间及脉冲（中间图脉冲）的经激发离子的粒子 数（上图曲线）以及来自先前技术的一脉冲激光中的激光脉冲（下图脉冲）的能量的演进 的一不意图；
[0041] 图2是一光增益介质或脉冲激光中的经激发粒子数的限制的原理的一示意图；
[0042] 图3是根据一第一形式的实施例的整合一能量限制器的具有一单通道的一光放 大器的一不意图；
[0043] 图4是根据另一形式的实施例的整合一能量限制器的具有一单通道的一光放大 器的一不意图；
[0044] 图5是根据图4的实施例形式的一变体的一光纤放大器的一示意图；
[0045] 图6是根据一第二形式的实施例的整合一能量限制器的一双通道光放大器的一 示意图；
[0046] 图7是根据本发明的一第三形式的实施例的包括具有互连腔的能量限制器的一 脉冲激光的一不意图；
[0047] 图8是根据图7的一变体的包括具有互连腔的能量限制器的一脉冲激光的一示意 图；
[0048] 图9是根据图8的一变体的至光纤的一脉冲激光的一示意图；
[0049] 图10是根据另一形式的实施例的整合多个光增益介质的一系统的一示意图；
[0050] 图11是根据图10的一变体的整合多个光增益介质的一系统的一示意图；
[0051] 图12根据另一形式的实施例的使用一声光调变器的能量受限的一脉冲激光的一 示意图；
[0052] 图13是根据本发明的一较佳形式的实施例的能量受限的一脉冲激光的一示意 图；
[0053] 图14表示根据本发明的一实施例形式的由激光产生的中值功率的一组量测，该 中值功率系施加至激励二极管的电流及经引发损耗的位准的一函数；
[0054] 图15A及图15B表示以不同激光操作速率的一激光脉冲序列。

【具体实施方式】
[0055] 本发明依赖于使用一种使得可在连续光激励期间当能量储存在一固态增益介质 中时消除该能量的「溢流」的装置。
[0056] 更确切言之，本发明涉及一种系统，较佳是被动的，使得可将由一经触发振荡器或 一放大器产生的脉冲能量限于一可调整值。该装置可用于消除一脉冲系统中的一脉冲序列 的第一脉冲，以便以随机可变频率下产生恒定能量脉冲或限制自一光放大器产生的传出能 量及避免在最终应用中有任何损坏。
[0057] 为了简化说明，我们将首先描述在一放大器中的装置操作。后文描述在一激光谐 振腔中的操作。
[0058] 图1是根据在一光增益介质中根据时间分布的瞬时触发（触发脉冲30)的经激发 离子（曲线33)的粒子数时间的演进的一示意图。已知通过触发形成脉冲的一激光振荡器 所产生的一脉冲的能量E是与在光开关触发前储存在该增益介质中的能量成比例。当该触 发是周期性地进行时，如图1所示前五个脉冲达到一静止状态。在该增益介质中激发的粒 子数是在值nf与ni之间振荡。脉冲34的能量E是与差ni-nf成比例。在一系列脉冲后， 我们假定使用者在一标准操作时间前的一长时间期间停止发射脉冲，且经激发粒子数增大 至其饱和的值n￥ 0当触发恢复时，经发射第一脉冲35因为此极大的经激发粒子数储存在激 光介质中而具有大得多的能量。同样地，若连续触发脉冲30之间的周期改变，则经发射脉 冲34的能量Ε成比例地改变。该等经发射的高能脉冲34存在损坏尤其具有一放大光纤或 一光纤棒的增益介质的风险。
[0059] 本发明的目的是为了维持一最大经激发粒子数等于低于最大位准η￥的一预定义 位准。图2说明本发明中使用的原理。由曲线31及33以及经发射脉冲35表示根据先前 技术的一脉冲激光的操作模式。以一触发速率，经激发离子的粒子数是在值nf与ni之间 振荡（曲线31)。若该触发速率减小，则激励时间增大且该经激发粒子数增大至介质的饱和 值（曲线33)。此存在触发一超强度脉冲35发射的风险。我们希望不管激光速率是多少， 仍将经激发粒子数的位准限于一预定义值（如曲线32所示）。在此情况下，经发射脉冲34 的能量限于（由曲线32定义的）经激发粒子数的此最大位准。为了获得此限制效果，我们 在互连于主腔中的一激光腔中使用一持续效果激光。一连续激光大致于腔中的增益恰好等 于腔的损耗的一操作很快地稳定。此操作点对应于达到临限值所需的粒子数字准，因为增 益是与经激发粒子数成正比例。通过改变连续激光中的损耗的位准，接着可能调整激光介 质的经激发粒子数及调整脉冲放大的限制位准ni。
[0060] 我们现将描述在图3示意性所示的一单信道放大器中此原理的使用。我们考虑一 种连续激励的光增益介质1。在图3及下文中，未展示连续激励源。在增益介质1中经激发 离子的粒子数随着激励持续时间而增大直至饱和值为止。当一激光脉冲入射在该增益介质 1上时，该激光脉冲是通过受激发射而放大且引起在该增益介质中经激发粒子数减小。经放 大脉冲的能量是与储存在该介质中的能量成比例。如结合图1所说明，在根据先前技术触 发的一激光中，当激励时间改变时，该等经放大脉冲的能量成比例地改变。该等经放大脉冲 的能量可超过放大器损坏临限值。该等经放大脉冲的过剩能量对不管入射脉冲的重复速率 是多少仍希望一恒定能量的使用者而言也可为一问题。本发明提议如图3所示的一第一特 定形式的实施例。一激光振荡器12用于产生待放大激光脉冲10。两个脉冲10的分隔时 间可大比例改变但是使用者希望从放大链中获得一恒定能量。待放大脉冲10是入射在一 光增益介质1上。一滤光器7及一滤光器8定位在该增益介质1的各侧上。该滤光器7及 该滤光器8能够有利地过滤一光束的偏光或波长。（以一直线所不的）一激光腔或谐振器 C2是由两面镜M5及M6形成，该两面镜的至少一者是部分反射的。该光增益介质1定位在 已知谐振器C2内部。一可调整损耗系统9插入此谐振器C2中而非待放大脉冲10或经放 大脉冲20的光轨道上。此可调整损耗系统可例如由与可能与滤光器7不同或相同的一偏 光器相关联的一四分之一波片9组成。对由此单元通过调整由偏光器定义的偏光方向及该 四分之一波片的慢轴方向形成的角度而引起的损耗进行调整。可有利地使该四分之一波片 的旋转机动化。在另一实施例中，损耗系统也可由以透明材料的一片组成，其中可修改束的 表面与轴之间的角度。此片的反射率随着入射角而改变，因此可调节来自腔C2的损耗。该 片可与一或多层一起处理以突出此可变反射率效果。
[0061] 当放大器1的激励时间增大时，此放大器1的增益增大直至该放大器增益等于腔 C2中的损耗为止。接着，一连续激光振荡是在镜M5与M6之间产生且维持经激发粒子数为 对应于该连续激光腔C2的振荡临限值的值。当由振荡器12发射的一脉冲到达该放大器1 中时，发现对应于此临限值的经激发粒子数及其放大后的能量不会超过由装置9的损耗设 定的一上限值。
[0062] 在一较佳形式的实施例中，光增益介质1是具有一宽增益带宽的一增益介质，此 意谓着能够可能以一不同增益将一脉冲束放大至一第一波长λ 1且将一连续激光束放大 至λ 1的一第二不同波长λ 2。较佳地，该光增益介质1是具有一宽增益光谱带（较佳大 于或等于lnm)的一光纤或一光纤棒。该光纤或光纤棒增益介质通常具有一弱的横越空间 效力。接着，在该光纤或光纤棒增益介质中该脉冲束及该连续激光束是共线。有利地，滤光 器7及8是例如能够传输波长λ 1的一脉冲束且反射波长λ 2的一连续激光束的波长滤光 器，波长λ 1及λ 2位于该增益介质的增益频带中。在此特定情况下，该增益介质1无法保 持偏光且待放大束10无需偏光。
[0063] 在图4所示的另一形式的实施例中，镜Μ5及Μ6并入滤光器7及8中。接着，此等 滤光器7及8是在正入射角下操作。该等镜Μ5、Μ6的至少一者应具有小于1的一反射率。 此等滤光器7、8的各者可例如由反射波长λ 2的光且透射任何其他波长尤其是λ 1的一大 型布拉格（Bragg)网络组成。接着，根据相同轴发射两个连续及脉冲束。接着，该等束被另 一光谱滤光器22分离，其可是一简单双向色镜或在非零入射角外运作的另一大型布拉格 网络或以窄于λ 1与λ2之间的间隔的一光谱接受的一谐波产生模块。可例如通过改变布 拉格网络7、8的一者的温度而调整腔C2中的损耗调节。该温度的此一变化将使该网络的 反射率曲线稍微光谱移位。对应于两个网络Μ5及Μ6的最大反射的波长不再准确对应，从 而造成在腔C2中有损耗。位移越大，则损耗越大。
[0064] 在图5所示的一特定形式的实施例中，滤光器7及8可通过采取例如光纤布拉格 网络的形式而整合或焊接至放大光纤1，该等滤光器7及8的至少一者具有低于100 %的一 反射率。接着，选择与待放大脉冲的波长不同的网络7及8的反射波长。因此，此两个布拉 格网络形成一腔C2,例如通过调整该两个布拉格光纤网络的一者的温度而调整该腔C2的 损耗。因此，在增益介质1中的增益超过由两个布拉格网络7、8引起的损耗时，此腔C2可 立即发射波长λ 2的一连续辐射。
[0065] 在图6所示的另一形式的实施例中，在双通道中使用光增益介质1。一偏光器13 放置在振荡器12与该光增益介质1之间的光路径上。该偏光器13是例如一偏光分离立方 体。一四分之一波片15及一镜Μ5放置在该增益介质1后面。待放大脉冲序列10根据一 偏光而在该放大器1中形成一第一通道且根据相同传播但在相反方向上且以一垂直偏光 而形成一第二通道。该偏光器13使待放大的入射脉冲束10与经放大脉冲束20分离。如 以图3的实施例形式，一谐振腔C2在端处具有一镜Μ5及一镜Μ6且包括宽增益带宽增益介 质1。该谐振腔C2也包括一光损耗系统9。一滤光器7配置在谐振腔C2中在增益介质1 与该光损耗系统9之间使得该光损耗系统9不在待放大脉冲10或经放大脉冲20的光轨道 上。该滤光器7是能够将一第一波长λ 1与一第二波长λ 2分离的一滤光器。因此，该滤光 器7将该谐振腔C2分成一共同部分及包括该损耗系统的一分支。该共同部分包括该增益 介质1。在该共同部分中，连续激光束及脉冲的光轨道是共线的。镜Μ5能够反射波长λ 1 及λ2的两个连续及脉冲束。在该谐振腔C2的损耗分支中仅传播一连续激光束11。较佳 地，使用一可调整光损耗系统9。该光损耗系统9可例如由一片组成，该片是由其至该连续 激光束11的轴的角度可改变的玻璃或任何其他透明材料组成。通过调整该光损耗系统9 的损耗位准，可调节该谐振腔C2以限制储存在该增益介质1中的能量而不影响待放大脉冲 束的传播。
[0066] 可容易地将来自本发明的装置的使用延伸至一短脉冲激光。问题是类似的。为 此，我们提议互连两个激光谐振器，其等共享相同增益介质1。图7展示一短脉冲激光中的 本发明的另一形式的实施例的一功能图。该光增益介质1被形成（由一虚线所示）一第一 谐振腔C1或第一激光腔的端的两面镜M2及M3环绕。该两面镜（M2或M3)的一者是部分 反射的。该第一谐振腔C1进一步包括一光开关4,该光开关4可是能够修改一光束的方向 的一声光型开关或能够修改一光束的偏光的一电光开关。在整个激励周期期间，该光开关 4保持一固定状态，在此期间我们希望限制能量。根据本发明，我们将建置通过两个端面镜 Μ5及Μ6闭合的一第二谐振腔C2 (由一直线所示），该两个端面镜的至少一者是半反射的以 提取连续激光束。该两个谐振腔C1及C2共享相同光增益介质1。一光损耗系统9配置在 属于该第二腔C2且不是该第一腔C1的一部分的一分离的分支开关中。一滤光器7将谐振 腔C2分成包括该增益介质1的一共同部分及包括该光损耗系统9的一损耗分支。在该共 同部分的另一端中，一滤光器8使波长λ?的一束与波长λ2的一束分离。当该开关4阻 止在第一腔C1中发射激光脉冲时，在该增益介质1中经激发粒子数增大直至此介质中的增 益等于该腔C2的损耗为止。在该增益介质1的增益达到该第二腔C2的损耗位准时，该第 二腔C2立即自动设定至连续激光且由光激励系统提供的任何额外能量被转至由该第二腔 C2发射的连续激光束上。有利地，一可调整损耗系统9是在该第二腔C2中用于调节损耗位 准及因此增益介质1中的经激发粒子数的最大位准。该可调整损耗系统可由一偏光器（其 是与放置在镜M5与该偏光器之间的一四分之一波片相关联）或一偏光器及放置在该滤光 器7与该偏光器之间的一二分之一波片或具有一可变入射角的一单个玻璃片组成。
[0067] 如以结合图3描述的实施例形式，滤光器7及8较佳是具有能够将一第一波长λ 1 的一脉冲束与一第二不同波长λ2的一连续激光束分离的一波长的滤光器。光增益介质1 能够可能以一不同增益放大该第一波长λ 1的一脉冲束及该第二不同波长λ 2的一连续激 光束。该光增益介质1较佳是具有一宽增益带宽（较佳大于或等于lnm)的一光纤或一光 纤棒。
[0068] 具有各种优点或缺点的许多变体是可能的。特定言之，存在使得可产生两个谐振 腔C1及C2而不引起该腔C1的过大损耗的组件7及/或8,该两个谐振腔C1及C2的至少 一物理性质是不同的。在一光纤或光纤棒增益介质中，该等光组件7及/或8也分别确保 在该两个谐振腔C1及C2共享的光增益介质1中脉冲束的光学路径及连续激光束的光学路 径是共线的。
[0069] 根据一第一变体（参考图8)，组件8放置在谐振腔C1及C2外部，镜M6形成该等 谐振腔C1及C2共享的一出口端。该组件8使得可将连续激光束11的发射方向与经放大 脉冲束20 (其是使用者关注的主束）的发射方向分离。因此，该连续激光束11是在与激光 脉冲束20不同的一方向上发射。该连续激光束11的辐射可达到一极高功率位准，但是可 经诱捕以避免影响脉冲束20的使用。应注意该组件8可在反射时、在透射时或在吸收时起 作用。
[0070] 我们提议能量限制器的一特定操作模式，此使得可确保由激光发射的脉冲具有由 使用者设定的一最大能量且也消除寄生连续束而主脉冲束也不产生损耗。
[0071] 为了获得互连且独立的两个腔Cl、C2,我们提议使用能够将具有一第一波长λ 1 的一束与具有一不同波长λ 2的一束分离的波长滤光器7及8。在此情况下，该第一谐振腔 C1是以由该等滤光器7及8透射的一第一波长λ 1的激光照射且该第二谐振腔C2是以由 该等滤光器7及8反射的一不同波长λ 2的激光照射。该波长滤光器7可放置在增益介质 1与腔底层镜M2之间的任何地方。
[0072] 主脉冲束是在镜M2与M3之间振荡且可由开关4以一可变速率脉冲传输。连续激 光束是在镜Μ5与M3之间振荡。
[0073] 在一特定操作模式中，由一或多个激光二极管连续激励光增益介质1。开关4用 于阻止在镜M2与M3之间发射激光脉冲。储存在该介质1中的经激发粒子数逐渐增大。一 旦该粒子数达到对应于由镜Μ5及Μ6形成的第二谐振腔C2中的激光效果的临限值的位准， 立即发射一连续激光束。接着，该经激发粒子数通过该连续激光效果而恒定地维持为此值。 一旦使用者通过移动该开关4而触发腔C1，具有波长λ 1的一激光脉冲是形成在该腔C1中 且由该腔C1发射。波长滤光器8使得可将该波长λ 1的脉冲束与该波长λ 2的连续激光 束分离且将该波长λ2的连续激光束排斥在主脉冲束的轨道外。
[0074] 以一替代或补充方式，可能考虑在第一谐荡腔C1中及/或在第二谐振腔C2中使 用偏光性质。接着，该装置是在一经偏光激光的情况下操作。在该第一腔及/或该第二谐 振腔的分离部分上，可能放置允许该两个谐振腔根据两种偏光状态（例如，针对该第一谐 振腔C1的水平偏光及针对该第二谐振腔C2的垂直偏光）而起作用的一偏光组件。接着， 主脉冲束（虚线）水平偏光且连续激光束（直线）垂直偏光。
[0075] 此外，用于调节经激发粒子数的限制位准的装置可由一四分之一波相位片组成， 其定向经调节使得当与一偏光器相关联时，该相位片引发必要损耗以设定增益介质1可储 存的最大粒子数字准。也可能使用一部分反射镜M5以大致调适损耗位准且使用相位片装 置及偏光器以改善调整。
[0076] 以图9所示的一替代方式，滤光器7及/或8可由光纤布拉格网络组成。形成腔 C1的反射器M2及M3也可任一者或两者皆是布拉格光纤式网络。该腔C1是由布拉格镜M2 及M3形成且自开关4产生脉冲。一旦增益介质1中的增益超过一预设临限值，由网络7及 8形成的腔C2立即发射一不同波长的一连续辐射。
[0077] 在图10所示的一特定组态中，可能使用本发明的标的以限制在整合多个光增益 介质的一系统中产生的脉冲的能量。一标准情况包括在由镜M2及M3组成的一激光腔中使 用一第一光增益介质1以产生一大致脉冲辐射，接着使用一第二光增益介质23以放大此辐 射。能量限制器装置借助于镜M5及M3而整合至形成一第二腔的第一谐振器中，但是当储 存在该第一光增益介质1中的能量超过由使用者设定的限制时由腔C2产生的连续辐射11 保持在待放大脉冲福射20共享的一传播轴上。为此，在该放大器1与该放大器23之间不 应存在第二滤光器8。因此，该连续激光束11入射在该第二增益介质23上且被放大。其提 取储存在此第二增益介质23中的能量的部分，从而限制此第二增益介质23中经放大脉冲 的能量。一滤光器8可在该第二增益介质23后面引进以使由该腔C2产生接着被放大器放 大的连续辐射与由腔C1产生并被该放大器放大的脉冲辐射分离。
[0078] 在图10的一第一形式的实施例中，可能使用腔C1及C2所共享的一镜M3。
[0079] 在图11中的一第二形式的实施例中，镜M3仅反射脉冲波20且透射连续波11。接 着，借助于定位在第二增益介质23后面且通过滤光器8而与辐射20分离的镜M5及一镜M6 而形成腔C2。再者，该滤光器8及该镜M6可被米取例如一布拉格镜或一双向色镜的形式的 一单个组件取代。
[0080] 在一特定形式的实施例中，第二滤光器8是由可自一基频波产生适当波长的一谐 波辐射的一非线性晶体组成。在此晶体中获得的转换结果将使产生于腔C1的波的偏光、波 长及峰值功率优化且因此将远弱于产生于腔C2的波。此系统未区别分别产生于腔C2及 C1的连续波与脉冲波，但是通过转换结果而在不同方向上朝向一不同波长的一波引导该等 波。特定言之，该非线性晶体可是经大小调整以产生第二基波谐波的一晶体。此晶体可是 例如 LB0、ΚΤΡ、ΒΒ0 或 LiNb03 的一晶体。
[0081] 图12提议一特定形式的实施例，其中镜M2被一绕射网络22取代且开关是一声光 调变器14。该绕射网络22具有低于两阶声光调变器之间的绕射角度的一接受角度。接着， 当该声光调变器处于通过位置中时，由该声光调变器14绕射主脉冲束10。第一谐振腔C1 的端是镜M3及绕射网络22。一脉冲激光脉冲束是在该第一谐振腔C1中振荡。为了阻止该 第一谐振腔C1，该声光调变器14的命令信号设定为零且光不再绕射。通过将一镜M5放置 在该绕射网络22后面，形成具有镜M5及镜M3作为端的一第二谐振腔C2。当该声光调变 器14处于阻止位置中时，激光脉冲10无法在增益介质1中放大。当该增益介质1的激励 继续时，一连续激光束11可形成在该第二谐振腔C2中。该绕射网络22选择为极具角度选 择性以反射由该声光调变器绕射的一束且以透射由该声光调变器透射的一束。在此形式的 实施例中，该声光调变器用于在该第一腔C1中引导该脉冲束且在该第二腔C2中引导连续 激光束。以与先前实施例模式类似的一方式，该第二谐振腔C2包括较佳可调整以调整该第 二激光腔的临限值的一光损耗系统9。一对滤光器7及8使得可通过一光学特性（波长、偏 光或任何其他特性）而区别连续束11与主束10或20且使该传出的连续激光束11与该激 光脉冲束20分离。该滤光器7用于要求该腔C2以Λ波长2的激光照射以能够被该滤光 器8所排斥。在无该滤光器7的情况下，C2将以增益峰值的激光辐射且存在被该滤光器8 透射的风险。同样地，若7及8是偏光器，则其等应经定向使得C1及C2以彼此垂直的偏光 的激光照射。
[0082] 在图13所示的一变体中，绕射网络22被具有一定尺寸的一镜M2取代使得该镜M2 能够反射由声光调变器绕射的一束同时允许连续束11通过至该侧或该镜M2而不被反射。 [0083] 激光增益介质1是呈一介质结晶或玻璃或光纤固态。一特定情况是使用一棒型光 纤。在特定模式的实施例中，该光纤是能够传播一偏光而不变换其的一光纤。在一光纤的 情况下，可通过垂直于光纤的轴抛光或割开放大器光纤1的出口面而形成两个谐振腔C1及 C2共享的出口镜Μ3、Μ6 (参考图8)。接着，该等腔C1及C2合并在该镜Μ6与滤光器7之间 且与在该滤光器7与镜M2之间或在该滤光器7与镜Μ5之间不同。
[0084] 图13表示本发明的一较佳形式的实施例，其中一脉冲激光是由插入一第一谐振 腔C1中的一 "棒型"光纤组成，该第一谐振腔C1是由一端处的一镜M2及在另一端处垂直 于束抛光的该光纤的面M3形成。该第一谐振腔C1是由一声光调变器14触发且包括后面 是一镜M2的一滤光器7偏光器。一第二谐振腔C2的端是光纤的面M3及作为具有约4% 的一反射系数的部分反射反射器Μ5的玻璃片9。增益介质1是由一连续激光二极管激励。 发射速率设定为10kHz。
[0085] 当施加在激励二极管上的电流I逐渐增大时，由激光产生的功率P几乎呈线性增 大（图14上的黑方块）。功率曲线停止在对应于作为光纤的损坏临限值的650 μ J至10kHz 的值6. 5W。可见在此实例中若用户继续增大激励电流，则该激光将损坏。
[0086] 接着，通过将一偏光滤光器放置在声光调变器及腔底层镜之间及将一反射器9放 置在由偏光器反射的束上而引进在本发明中描述的装置。运用具有等于4%的一反射系数 的一反射器9,产生图14上的黑圈。据观察根据18安培的一激励电流I，激光功率P饱和 且脉冲能量E变得独立于激励功率。也应注意通过将该反射系数改变成8% (图14中朝上 的三角形）或30% (图14中朝下的三角形），可能改变饱和位准。此饱和的说明是对第二 谐振腔C2的激光效果的临限值。超过此临限值，所有补充的激励功率传送至连续束上且不 再至激光束上。因此，存在经发射脉冲的能量的限制。
[0087] 一额外试验是通过以200W的一极高功率激励上述激光而完成。使用4%的一反 射器的装置是在适当位置中。接着，我们通过改变声光调变器的命令信号而改变激光速率。 在缺乏一限制器的情况下，此一激光应独立于该速率而产生近似100W或2kHz的50mJ及 10kHz的10mJ。此等值是理论的，因为其等分别比光纤的损坏临限值高50倍及10倍。在缺 乏一限制器的情况下，因此不可能在修改范围在自2kHz至数百kHz的速率的同时维持200W 的一激励功率。当引进该限制器时，分别对于5kHz的经触发脉冲30的一速率获得来自图 15A的脉冲能量曲线34及对于80kHz的经触发脉冲30的一速率获得图15B的脉冲能量曲 线34。应注意不管该速率是2kHz与80kHz之间的何值，脉冲能量（峰值高度）仍维持几乎 恒定。此证明不管两个脉冲之间的激励时间是多少，本发明仍限制由激光递送的能量。 [0088] 本发明使得可限制累积在意欲于放大光脉冲的一光增益介质中的能量且不管该 等脉冲的频率是多少及不管两个连续脉冲序列之间的中断持续时间是多少仍使其可调节 该等经放大脉冲的能量。
[0089] 本发明使得可产生能量受限于一预定程度的激光脉冲束，其不相关于脉冲持续 率，当该增益介质是大于或是等于一预定临界值时，其是通过产生一连续射束与激光脉冲 同时发射。
【权利要求】
1. 一种用于放大高功率、高能量以及高速脉冲的激光脉冲（10)的光放大器系统，此光 放大器系统包括： 一固态光增益介质（1)，此光增益介质（1)能够接收一待放大激光激光脉冲束（10)且 产生一经放大激光脉冲束（20)，此等激光脉冲束（10、20)的速率是1kHz到数百kHz之间， 及 限制通过在此光增益介质（1)中光激励所储存的能量的构件， 其特征在于： 此等限制构件包括：一连续谐振腔（C2)，其配置在该光增益介质（1)周围；及第一光分 离构件（7、14)，其等配置在此连续谐振腔（C2)中，此等光分离构件（7、14)能够将此连续谐 振腔（C2)分成一共同部分及一损耗分支，该共同部分包括该光增益介质（1)且该损耗分支 包括光损耗构件（9)，此等第一光分离构件（7、14)能够选择性地将一脉冲束引导至该连续 谐振腔（C2)的此损耗分支的光轨道外且朝向该连续谐振腔（C2)的此损耗分支引导一连续 束，以当该增益介质（1)的增益大于或等于与光损耗相等的一预定临限值时在此连续谐振 腔（C2)中产生一连续激光束（11)且产生脉冲能量受限的一经放大脉冲束（20)，且 其中该光增益介质（1)需要对该连续激光束（11)及该经放大激光脉冲束（20)而言是 唯一的一传播轴。
2. 如权利要求1的光放大器系统，其也包括能够将此经放大脉冲束（20)与该连续激 光束（11)空间上分离的第二光分离构件（8)，该光增益介质（1)配置在该等第一光分离构 件（7、14)与该第二光分离构件（8)之间，以沿一第一方向产生能量受限的一经放大脉冲束 (20)且沿另一方向产生一连续激光束（11)。
3. 如权利要求1或2的光放大器系统，其中此光增益介质（1)包括一光纤或一光纤棒， 在该增益介质（1)中该连续激光束及该脉冲束的轨道是共线的，此光纤或此光纤棒具有光 谱宽度大于或等于lnm的一放大带宽或一放大增益。
4. 如权利要求1到3中任一项的放大器系统，其中该等第一光分离构件（7、14)及/或 该第二光分离构件（8)包括能够将一波长λ 1的该激光脉冲束与一波长λ 2的该连续激光 束（11)分离的至少一双向色滤光器。
5. 如权利要求1到3中任一项的放大器系统，其中该第二光分离构件（8)包括一偏光 滤光器及/或其中此等第一光分离构件（7、14)包括一偏光滤光器，此偏光滤光器能够将 根据一第一偏光的该激光脉冲束与根据与该第一偏光不同的一第二偏光的该连续激光束 (11)分离。
6. 如权利要求1的放大器系统，其中可调整该光损耗构件（9)的经引发光损耗以调整 该连续谐振腔（C2)的临限值。
7. -种具有高功率、高能量以及高速脉冲的经触发脉冲的激光，该经触发脉冲的激光 包括： 一固态光增益介质（1)，其位于一第一谐振腔（C1)中， 光触发构件（4、14)，其等配置在此第一谐振腔中以触发在此第一谐振腔（C1)中发射 一激光脉冲束，此等激光脉冲束（10、20)的速率是1kHz到数百kHz之间，及 限制通过在此光增益介质（1)中光激励所储存的该能量的构件（9、M5、M6)， 其特征在于此激光包括： 一第二连续谐振腔（C2)，该第一谐振腔（Cl)及该第二连续谐振腔（C2)具有包括该光 增益介质（1)及该光触发构件（4)的一共同部分，该第一谐振腔（C1)具有与此共同部分分 离的至少一第一分支，且该第二谐振腔（C2)具有与此共同部分分离的至少一第二损耗分 支，此第二损耗分支包括该光损耗构件（9)，及 第一光分离构件（7、14)，其等配置在此第一谐振腔及第二谐振腔（Cl、C2)中以分别 使该共同部分与该第一损耗分支及该第二损耗分支分离，此等第一光分离构件（7、14)能 够朝向该第一谐振腔（C1)的该第一分支引导一激光脉冲束且朝向来自该第二连续谐振腔 (C2)的该第二损耗分支引导一连续激光束。
8. 如权利要求7的具有经触发脉冲的激光，其中此光学触发构件（4)包括一声光调变 器（偏光或非偏光）或一电光调变器。
9. 如权利要求7或8的具有经触发脉冲的激光，其中此光增益介质（1)包括一光纤或 一光纤棒，此光纤或此光纤棒（1)具有光谱宽度大于或等于lnm的一放大带宽及/或一放 大增益。
10. 如权利要求7到9中任一项的具有经触发脉冲的激光，其中该第二光分离构件（8) 包括一双向色滤光器及/或其中此等第一光分离构件（7、14)包括一双向色滤光器，此双向 色滤光器能够将一波长λ 1的该激光脉冲束与一波长λ 2的该连续激光束分离。
11. 如权利要求7到9中任一项的具有经触发脉冲的激光，其中该第二光分离构件（8) 包括一偏光滤光器及/或其中此等第一光分离构件（7、14)包括一偏光滤光器，此偏光滤光 器能够将根据一第一偏光的该激光脉冲束与根据与该第一偏光不同的一第二偏光的该连 续激光束分离。
12. 如权利要求7到11中任一项的具有经触发脉冲的激光，其中可调整此等损耗构件 以调整该连续谐振腔的临限值。
13. 如权利要求1到12中任一项的具有经触发脉冲的激光及/或光放大器，其中该第 二光分离构件包括一非线性晶体，该非线性晶体能够以与效能取决于入射波长及/或入射 偏光及/或入射峰值功率的基波不同的一频率产生一波。
14. 如权利要求1到13中任一项的具有经触发脉冲的激光及使用一能量限制器的光放 大器，其特征在于： 该系统包括通过闭合该经触发脉冲激光的该第一谐振腔（C1)的至少一光组件分离的 两个增益介质， 其中由该第二连续谐振腔（C2)产生的该连续激光束横越该第二增益介质。
15. -种用于高功率、高能量以及高速激光（10)脉冲放大器的程序，该程序包含下列 阶段： 光学激励一固态增益介质（1); 产生待放大激光脉冲束（10)于一速率在1kHz到数百kHz之间； 指派该待放大激光脉冲束（10)于固态增益介质（1)的方向上； 通过在固态增益介质（1)中的单一或双通道放大的激光脉冲束（10)，如此以产生经放 大激光脉冲束（20)， 此程序包含能量限制阶段，其通过光学激励而被储存于光学增益介质（1)中， 其特征在于，此限制阶段包含下列阶段： 形成包含固态增益介质（1)的连续谐振腔，如此以当该增益介质（1)的增益大于或等 于与光损耗相等的一预定临限值时在此连续谐振腔（C2)中产生一连续激光束且产生脉冲 能量受限的一经放大脉冲束（20)。
【文档编号】H01S3/067GK104160566SQ201380008579
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2013年2月8日 优先权日:2012年2月9日
【发明者】法蓝柯司·沙林, 朱里安·沙比 申请人:伊欧莱特系统公司