具有可調節脈衝重複頻率的無源q開關雷射器的製作方法
2023-05-21 14:02:01
專利名稱：具有可調節脈衝重複頻率的無源q開關雷射器的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及脈衝光泵浦雷射器，更具體地涉及具有可變重複頻率的無源Q開關二極體泵浦固體雷射器。
背景技術：
無源Q開關二極體泵浦固體雷射器因其富有效率、緊湊且可使用在可見和UV(紫外)波長範圍內，而被廣泛用於要求脈衝輻射的光源中。然而，在它們的標準運行模式中，它們以固定重複頻率產生脈衝，所述固定重複頻率經常被稱作自由振蕩頻率，這使得在要求可調節脈衝重複頻率的應用中難於採用這些雷射器。儘管已經公開了改變無源Q開關雷射器脈衝重複頻率的方法，但是將這些雷射器應用到那些要求重複頻率不受雷射特性約束的場合下仍有難度，所述雷射特性譬如脈衝能量、脈衝穩定性、光束波形和擴散。
基質輔助雷射解吸/電離(MALDI)質譜分析是這種應用的一個例子，典型地要求UV雷射器具有從數十赫茲到幾千赫茲UV的範圍內的脈衝重複頻率和非常穩定的特性。
在無源Q開關中，雷射腔典型地包括增益元件和夾在兩個雷射鏡之間的飽和吸收器，所述增益元件典型的是雷射晶體小片，此後也被稱為雷射微晶片。增益媒質通過泵浦輻射源被泵浦，優選高能雷射二極體。在最普通的連續波泵浦模式中，雷射二極體以恆定功率Pump連續泵浦增益媒質；在操作開始，飽和吸收器處於高損耗狀態，通過有效堵塞腔內光通道來阻止發射雷射行為。通過感應建立增益媒質中高於閾值電平的雷射躍遷的粒子數反轉，連續的泵浦給增益元件施加能量。一旦在連續波泵浦下粒子數反轉達到某一臨界值，雷射躍遷波長λ處相關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，打開雷射諧振腔並導致快速形成類似雪崩的雷射脈衝。雷射脈衝將集聚的能量排出諧振腔，使得粒子數反轉遠低於閾值。在脈衝結束後，飽和吸收器轉換回高損耗狀態，進而粒子數反轉建立的過程重新開始。粒子數反轉從低的脈衝後的值達到臨界值所需要的時間Bup，常被稱為建立時間，確定自由振蕩脈衝重複頻率Ffree≈1/Bup。
圖1示出了無源Q開關雷射器的自由振蕩運行的時序圖，圖中使用以由時間間隔Bup分離的光脈衝20的形式示出連續波泵浦的功率Pump和雷射器光輸出。
圖2是示出了通過使用脈衝泵浦，現有技術的無源Q開關雷射器的運行方法的時序圖，此時脈衝重複頻率為F而不是Ffree。在這種方法中，泵浦11在每個脈衝21後被停止，且在選擇的時間延遲13後重新開始，以使脈衝間的時間周期T≥Bup。這樣，脈衝重複頻率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於，只要重複頻率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的溫度分布，從而導致雷射微晶片中典型產生的熱透鏡的改變，所述熱透鏡是由於增益元件內泵浦吸收產生的熱量而產生的，這明顯影響雷射器輻射的許多特性，譬如脈衝能量、射束髮散性、脈衝穩定性等。
由於泵浦吸收，增益元件的熱載荷可被定義為在微晶片中產生的熱量，因此該熱載荷在整個雷射器運行中甚至在重複頻率改變時必須被保持恆定。這個熱載荷是平均泵浦功率Pave的函數，所述平均泵浦功率以熱量的形式耗散在增益元件中。對於前述脈衝運行方法，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是熱載荷係數，即在增益元件中被耗散為熱量的被吸收的光功率部分，β是由微晶片吸收的平均光功率的係數。
對於二極體泵浦雷射器，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是雷射二極體的斜率效率，它典型為大約1W/A，Ith和I分別是雷射器二極體的閾值電流和提供泵浦脈衝的雷射器電流，R是二極體的佔空比，所述佔空比為建立時間與脈衝間周期之比[14]R＝Bup/T＝FBup. (3)[15]微晶片內耗散的熱量或熱載荷與佔空比R成正比例且與重複頻率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發表的文章中公開了一種Q開關雷射器系統，其中，其泵浦功率是如此的高，以致於在感興趣的重複頻率範圍內的建立時間與脈衝周期T相比較顯得非常小，所以在此範圍內熱載荷近似保持為常數。然而這種方法要求非常高的泵浦功率且對允許的重複頻率變化的範圍有限制。
Deutsch等的美國專利6,038,240公開了一種方法和固體雷射器系統，用於產生具有可變脈衝重複頻率和恆定束特性的雷射脈衝，其中使用一系列泵浦脈衝泵浦有源Q開關雷射器，當重複頻率變化時佔空比R保持為常數，以及其中通過相對於各個泵浦脈衝的起點以固定時間延遲打開有源Q開關來由外部觸發雷射脈衝。這種方法，儘管對有源Q開關雷射器系統提供了某些益處，但對於無源Q開關雷射器，重複頻率範圍被限制在Ffree和0.5×Ffree之間，因為沒有觸發第二雷射脈衝，泵浦脈衝不能比2Bup長。
Kneip等的美國專利6,418,154公開了一種具有有源Q開關的脈衝二極體泵浦固體雷射器，其中Q開關和二極體陣列由控制器協調控制，以使響應泵浦光脈衝而產生的雷射器輸出脈衝具有相同能量，而不依賴於雷射器輸出脈衝之間的時間間隔。在此發明中，泵浦光脈衝一結束，外部就主動的觸發雷射脈衝，並且二極體雷射器陣列被設置成在每一個泵浦光脈衝結束和其隨後的泵浦光脈衝開始之間來傳送足夠的額外的泵浦光至增益媒質，以使所述增益媒質中的增益在各個泵浦光脈衝開始時是相同的，而不依賴於所述泵浦光脈衝之間的時間間隔。在泵浦脈衝之間的另外泵浦光被用於保持增益最小值，以在泵浦結束後及時補償粒子數反轉時的指數衰減，這是泵浦脈衝開始時產生雷射的初始條件，所述泵浦脈衝開始取決於連續脈衝間的時間周期，從而當泵浦脈衝重複頻率改變時將導致雷射脈衝能量的變化。這種泵浦增益媒質的方法，儘管對於有源Q開關雷射器看來像是實現了它想要的功能，但可能導致平均泵浦光功率依賴重複頻率，因此，至少在具有無源Q開關的微晶片雷射器的情況中，可能導致雷射器特性依賴於重複頻率而變化。
因此，本發明的目的是提供一種Q開關雷射器裝置及其運行方法，用於產生序列雷射脈衝，其中雷射脈衝的特性在其寬範圍內實質上不依賴於它們的重複頻率。
發明內容
依據本發明，提供一種用來改變無源Q開關雷射器的雷射脈衝重複頻率而同時保持雷射輻射的特性的方法，所述方法包括a)提供雷射腔，其包括增益元件和用於無源Q開關的裝置；b)將序列泵浦脈衝提供入所述增益元件，所述序列泵浦脈衝包含兩個不同的非零功率水平且以至少兩個可調節參數為特徵；c)將這些至少兩個可調節參數設定為初始值，用於產生第一重複頻率的脈衝雷射輻射；和d)將所述至少兩個可調節參數的每一個的值改變為調節值，用於產生另一重複頻率的脈衝雷射輻射，同時控制脈衝雷射輻射的特性。
依據本發明的一個方面，通過在改變雷射重複頻率時保持平均泵浦功率恆定來選擇調節值以使增益元件的熱載荷保持在實質上恆定的水平。
依據本發明的另一個方面，所述脈衝雷射輻射的特性是脈衝能量、脈衝雷射輻射的擴散、脈衝雷射輻射的光譜和雷射脈衝的建立時間中之一。
依據本發明的另一個方面，所述序列泵浦脈衝包括具有非零大小的連續波功率補償，可調節參數之一是連續波功率補償的振幅，和可調節參數之二是連續泵浦脈衝之間的時間間隔。
依據本發明的又一個方面，提供一種運行Q開關雷射器的方法，所述雷射器具有改變雷射脈衝之間時間延遲的功能，所述方法包括提供雷射腔，其包含增益元件和用於無源Q開關的裝置，以及提供序列泵浦脈衝，其被送入所述增益元件；其中，所述序列泵浦脈衝包含i)三個連續的泵浦脈衝，其具有高於雷射閾值的振幅，所述三個連續的泵浦脈衝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雷射脈衝；ii)在第一和第二連續的泵浦脈衝之間的第一泵浦前脈衝，所述第一泵浦前脈衝具有用於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的泵浦脈衝之間的第二泵浦前脈衝，所述第二泵浦前脈衝具有不同於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雷射脈衝的特性不被改變。
依據本發明的再一個方面，提供一種用於可調Q開關的雷射設備，所述雷射設備包括雷射腔，所述雷射腔包含增益元件和用於所述雷射腔的無源Q開關的裝置；泵浦裝置，其用於通過一序列泵浦脈衝泵浦所述增益元件，以產生具有可變重複頻率的脈衝雷射輸出，所述序列泵浦的脈衝包括在兩個非零功率水平之間的變更且以至少第一可調節參數和第二可調節參數為特徵；和控制裝置，其通過改變至少所述第一和第二可調節參數來控制所述序列泵浦脈衝和改變脈衝重複頻率。
現在將結合
本發明的示範性實施例，其中[27]圖1是常規無源Q開關雷射器的自由運行模式的時序圖。
圖2是常規無源Q開關雷射器的固定頻率運行模式的時序圖。
圖3是依據本發明的無源Q開關二極體泵浦雷射器的圖。
圖4是圖3中的無源Q開關雷射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衝重複頻率的圖。
圖6是示出泵浦功率補償對雷射器重複頻率的實驗圖。
圖7是示出雷射脈衝功率的標準偏差對脈衝重複頻率的實驗圖。
圖8是依據本發明的無源Q開關雷射器的第二可變比率運行模式的時序圖。
圖9是依據本發明的無源Q開關雷射器的第三可變比率運行模式的時序圖。
圖10是依據本發明的二極體雷射器泵浦的圖，所述二極體雷射器泵具有兩個分離的可控雷射器二極體。
具體實施例方式本發明涉及一種Q開關光泵浦雷射器及其運行方法，該方法用於發射具有可調節雷射脈衝重複頻率且不依賴重複頻率的脈衝特性的雷射脈衝。所述雷射器具有通過序列光泵浦脈衝泵浦的增益元件，所述序列光泵浦脈衝包括在至少兩個非零泵浦功率水平之間的變更。控制裝置被用於調節所述序列泵浦脈衝的至少兩個參數，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，同時改變雷射脈衝重複頻率。這樣能夠使增益元件內溫度分布被控制在實質上不依賴於脈衝重複頻率的恆定水平，從而控制輸出雷射特性。
在圖3中示出依據本發明的Q開關雷射器的示範性實施例，且在此後說明。
微晶片雷射腔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合以形成沿光軸5設置的單塊雷射器塊230。增益元件20具有雷射波長λ處的雷射躍遷，並且能夠通過響應泵浦波長λp處的光泵浦而提供光增益。單塊雷射器塊230具有輸入雷射晶面21，用於接收泵浦脈衝波長λp的脈衝泵浦輻射13，和輸出雷射晶面31，用於以雷射波長λ輸出脈衝雷射輻射33。輸入晶面21和輸出晶面31分別具有薄膜塗層22和32，均以雷射輻射的波長λ反射，從而在其間形成所述波長的雷射腔。輸入雷射晶面21面對雷射器二極體泵浦10或任意其它合適的泵浦雷射器，所述雷射器二極體泵浦10或任意其它合適的泵浦雷射器被設置以沿光軸5發射脈衝泵浦輻射13，所述光軸5朝向微晶片雷射腔50的輸入晶面21。薄膜塗層22被選擇，以使輸入雷射器晶面21對波長λp的泵浦輻射實質上是透明的，這是本領域技術人員已知的。
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的雷射躍遷，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，光學結合的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)。
雷射二極體泵浦裝置10優選是高功率雷射二極體泵浦，它能夠響應流過雷射二極體的驅動電流而發射脈衝泵浦輻射13。雷射二極體泵浦裝置10包括雷射二極體驅動電路，用於響應控制信號而提供驅動電流，所述控制信號由控制器40通過通信線路41提供。透鏡15被設置在雷射二極體10和微晶片雷射器腔50之間，用於校準所述泵浦輻射13和用於使它穿過輸入晶面21而耦合進入微晶片雷射腔50中。所述透鏡15可為適用於將泵浦輻射耦合進雷射器晶體中的透鏡系統，正如本領域技術人員已知的。
在運行中，由所述雷射二極體10發射的所述脈衝泵浦輻射13在所述增益元件20中被吸收，會引起雷射躍遷的粒子數反轉和在雷射躍遷波長處輻射的自發發射。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的持續時間為Bup，則微晶片雷射腔50發射短雷射脈衝的持續時間τ＜＜Bup，在短雷射脈衝結束處，粒子數反轉降落至低於發射雷射要求的閾值的低水平。如果泵浦功率低於Pth，只要Pp＜Pth，飽和吸收器就保持在阻止雷射發射的高損耗狀態。
所述脈衝泵浦輻射13的一部分被非輻射性地吸收入增益元件20，並被轉換為熱量，在增益元件20內產生熱透鏡，所述熱透鏡影響雷射輻射的許多特性，譬如它的能量、擴散、脈衝穩定性等。由於增益元件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)是取決於時間的泵浦脈衝序列，而積分的時間間隔為Tin，Tin＞＞Bup，且超過典型的泵浦脈衝之間的時間間隔；因此，在雷射器操作期間，保持平均泵浦功率在恆定水平對於雷射穩定性是有利的。
前述無源Q開關雷射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開關雷射器提供具有恆定雷射特性的穩定雷射發射。在這種操作模式中，通過泵浦序列泵浦微晶片雷射腔50，其中連續波補償泵浦輻射被疊加在泵浦脈衝上，以及當泵浦脈衝重複頻率改變時調節補償泵浦輻射的光功率Poff。
參考圖4，在時刻t0和t1之間，雷射二極體泵浦10以時間周期T1發射連續的泵浦脈衝401，402和403，所述脈衝具有泵浦脈衝功率Pp＞Pth和持續時間τp＝Bup。在脈衝之間，雷射二極體泵浦10發射具有恆定泵浦功率Poff1＜Pth的連續波補償泵浦輻射。所述脈衝在時間上以第一時間間隔T1-τ＝T1-Bup被分割。微晶片雷射腔50在各個連續的泵浦脈衝結束時發射雷射脈衝，從而產生具有第一重複頻率F1＝1/T1的序列輸出雷射脈衝(圖4中未顯示)。在其它實施例中，泵浦脈衝持續時間可在Bup和2Bup之間，即Bup≤τ＜2Bup，所述泵浦脈衝持續時間對雷射重複頻率沒有影響。
由補償輻射410，411，412的周期分離的泵浦脈衝401-403構成第一序列泵浦脈衝450，所述第一序列泵浦脈衝450可由時間相關泵浦功率函數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集合為特徵，所述第一獨立可選擇的參數集合包括脈衝周期T＝T1和補償功率Poff＝Poff1。所述參數T和Poff可通過調節雷射二極體驅動電流J的相應參數來調節，所述雷射二極體驅動電流激勵二極體雷射器使它發射泵浦輻射，以及響應由控制器40產生的控制信號。決定泵浦開始和雷射脈衝之間時間延遲的建立時間Bup是泵浦脈衝功率Pp的函數，並且不是獨立可選擇的。在這個實施例中，如圖4所示，在泵浦脈衝期間和之間，雷射二極體驅動電流I均超過雷射二極體閾值電流Ith。
在時刻t1，響應由控制器40產生的控制信號，改變可調節參數T和Poff以提供第二泵浦脈衝序列460，用於產生在圖4中沒有顯示的具有第二脈衝重複頻率F2的輸出雷射脈衝序列。作為例子，圖4中F2小於F1。為了影響脈衝重複頻率的變化，泵浦脈衝周期T被設定為新的值T2＝1/F2＞T1。同時地，增加補償功率水平Poff且將其設定為新的值Poff2＞Poff1。在補償功率水平上的這個增加是本發明的特徵，其提供了增益元件的另外的熱載荷，從而補償了由於減少的泵浦循環而導致的泵浦脈衝感應部件上的熱載荷的減少。
泵浦功率補償的新值Poff2取決於新的脈衝重複頻率F2，並且依據本發明的一個實施例，被選擇以保持增益元件20的熱載荷不變且實質上等於其從t0至t1的時間間隔期間的熱載荷。如此前所述，保持熱載荷在恆定水平需要保持平均泵浦功率沒有變化。對於前述序列泵浦脈衝，所述序列泵浦脈衝包括恆定泵浦功率Pp周期和恆定泵浦功率補償Poff周期以及在它們之間的周期性變更，由二極體雷射器泵浦10發射的平均功率Pave滿足方程式(3)[50]Pave＝η(Ioffset-Ith)+(I-Ioffset)Rη (3)[51]其中η是二極體斜率效率，Ioffset是對應於發射的泵浦功率Poff＝η(Ioffset-Ith)的連續波二極體補償電流，且此電流超過二極體閾值電流Ith，I是對應於發射的峰值泵浦功率Pp＝η(I-Ith)的峰值二極體電流。並且，[52]R=BupT=BupF---(4)]]>[53]為泵浦序列的佔空比，所述佔空比與脈衝重複頻率F成比例。
根據本發明方法的這個實施例，當脈衝重複頻率F被改變，通過調節補償電流Ioffset來保持增益元件的熱載荷為常數，以致於平均泵浦功率保持在常數水平。根據方程(3)，補償電流的需求值，依賴於佔空比R，且因此依賴於重複頻率F，Ioffset可根據下列方程(5)求得[55]Ioffset=Pave+Ith-IR(1-R)---(5)]]>[56]作為例子，圖5示出了，對於具有無源Q開關的二極體泵浦固體雷射器的典型配置，當脈衝重複頻率F從10Hz變化至4kHz時，為保持增益元件熱載荷的恆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，當脈衝重複頻率F在10Hz和大約1.5kHz之間範圍內或在圖5的方框500內，Ioffset(F)可用線性函數來近似，因此極大地簡化了雷射二極體控制器40的實施。
這種線性關係可允許使用一種簡化的雷射器校正程序，所述程序在本發明的另一個實施例中實現，以限定用於感興趣重複頻率範圍的泵浦功率補償。作為例子，結合本發明特徵的無源Q開關雷射器具有下面參數集合Ith＝2.3A，η＝1.106W/A，I＝15.6A。在具有補償電流Ioffset＝IoffsetI＝3A的脈衝重複頻率F1＝1kHz處，這個雷射器顯示在溫度範圍20.7℃-23℃內具有小的脈衝波動的穩定的脈衝運行。測得的建立時間Bup為100μs。通過測量每個輸出雷射脈衝的光能Elp和計算多個輸出雷射脈衝的Elp的相對標準偏差，來確定雷射器運行的穩定性。然後，脈衝重複頻率被改變為F2＝200Hz，進而確定第二補償電流Ioffset2，以獲得穩定運行的相同雷射溫度範圍。這些測量結果被示出在圖6中，圖6為描述補償電流Ioffset與重複頻率F(Hz)關係的圖表。使用數字「1」和「2」標識的黑方框分別示出依據所述第一和第二前述測量的穩定的運行條件。對測量的運行點1和2的線性擬合點3可被用於確定感興趣的任何重複頻率F的補償電流Ioffset(F)。
圖7示出了在100Hz和1kHz之間的各個重複頻率的被測量的輸出雷射脈衝能量的相對標準偏差RSD=Ep2>Ep>.]]>微晶片雷射腔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。方框示出使用本發明前述方法獲得的實驗結果，其中如圖6所示的補償電流隨重複頻率呈線性變化。菱形示出依據更常規方法獲得的結果，其中補償電流被保持在不依賴於重複頻率的恆定水平。可以看出，本發明的方法提供明顯的更為穩定的運行，尤其用於本具體實施例的低於400Hz的重複頻率。
我們還證實了，當依據前述方法調節補償電流Ioffset時，有益地，其他雷射特性不依賴於重複頻率而改變，所述雷射特性如雷射輻射33的光譜和發散；反之，在保持補償電流的為任意恆定水平的同時，獲得與比率不相關的雷射特性是不可能的。
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之前的泵浦前脈衝，且在本發明方法的前述實施例中所述泵浦前脈衝具有等於泵浦脈衝間隔T-τ的持續時間。這些前脈衝沒有足夠的功率以引起發射雷射；它們的作用是用於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節以補償當脈衝重複頻率F被改變時的佔空比R的變化。這個附加的熱載荷取決於泵浦前脈衝的光能Ep，此後還被稱為泵浦前脈衝的脈衝能量，所述能量是它們的持續時間和功率的乘積Ep＝Poff×(T-τp)。因此，使用不同持續時間和形狀的泵浦前脈衝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雷射脈衝。
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的泵浦脈衝的中間被往上改變，形成泵浦前脈衝810-814和910-914。這些泵浦前脈衝具有可調節的泵浦功率振幅Ppre和前脈衝持續時間Δ，當重複頻率即泵浦脈衝的時間周期T改變時，所述泵浦功率振幅Ppre和前脈衝持續時間Δ中的每一個可被改變以維持微晶片雷射器的平均功率和熱載荷在恆定水平。在這種情況下，某些實施例中的補償功率Poffset可被設定為零。在這種情況中，依賴於脈衝重複頻率F的Ppre和Δ的最優設置可在雷射器校正階段從雷射測量中重新獲得，例如通過在給定雷射溫度範圍內改變脈衝重複頻率和選擇要求的Ppre或Δ以保持雷射輸出特性在恆定級，所述雷射輸出特性是脈衝能量、脈衝穩定性、射束擴散、時間平均的雷射能譜等中之一。
本發明的方法還可被有利地用於在寬範圍的重複頻率上能夠進行具有恆定建立時間Bup的雷射運行，所述方法的特徵在於具有可變脈衝重複頻率的Q開關二極體泵浦雷射器優選通過序列泵浦脈衝泵浦，所述序列泵浦脈衝特徵在於包含至少兩個可調節的參數，以及在改變重複頻率的同時，所述至少兩個可調節的參數被改變用於保持雷射特性恆定。而且，如果重複頻率被改變，因為變化的熱載荷，則無源Q開關雷射器運行的常規模式一般不會保持恆定的建立時間Bup。因此，由於所述建立時間的變化，通過外部周期性信號經常難以觸發常規無源Q開關雷射器發射脈衝。通過在前述實施例中適當地改變可調節的參數對(T，Poff)、(T，Δ)或(T，Ppre)，Bup時間可在較寬的重複頻率範圍內保持恆定，通過外部信號使被觸發的雷射脈衝能夠發射。雷射器校正程序優選用於形成查找表，其中針對各種可調節參數組合的Bup被測量，在所述查找表中，數值，如Poff、Ppre和/或Δ，依據T而被存儲。
如上面所述，通過改變雷射二極體的驅動電流，可使用單個雷射二極體來實現本發明的方法，或通過組合來自兩個或多個二極體雷射器的輻射來本實施本發明的方法。圖10說明本發明的另一個實施例，其中首先使用透鏡711和721對來自兩個二極體雷射器泵浦710和720的泵浦輻射進行校正，然後使用射束組合器730將所述泵浦輻射組合以形成脈衝泵浦輻射13，此後所述脈衝泵浦輻射被耦合進圖3中所示的微晶片雷射腔50中。例如，使用這樣的排列可實現如圖4所示的本發明方法的第一實施例，將雷射二極體泵浦710、720之一用在脈衝機制中的運行以產生泵浦脈衝，將所述雷射二極體泵浦中的另一個用在連續波機制的運行以提供補償泵浦功率。
根據本發明，在另一實施例中，通過使用一個或多個連續波泵浦和設置在泵浦和微晶片雷射器50之間的外部光調製器，可產生所需的以至少兩個可調節參數為特徵的序列泵浦脈衝。
本發明的方法還可被應用到有源Q開關雷射器，這對於本領域技術人員是可以理解的。
當然，在不脫離本發明的宗旨和範圍可以想像到許多其它的實施例。
權利要求
1.一種運行具有可變雷射脈衝重複頻率的無源Q開關雷射器的方法，包括以下步驟提供雷射腔，所述雷射腔包含增益元件和用於無源Q開關的裝置；將序列泵浦脈衝提供到所述增益元件，所述序列泵浦脈衝包含兩個不同的非零功率水平，且以至少兩個可調節參數為特徵；將所述至少兩個可調節參數設定為初始值，用於以第一重複頻率產生脈衝雷射輻射；和將所述至少兩個可調節參數的每一個的值改變為調節值，用於以另一重複頻率產生脈衝雷射輻射，同時控制所述脈衝雷射輻射的一個或多個特性。
2.根據權利要求1中的所述的方法，其特徵在於，控制所述脈衝雷射輻射的特性包括改變所述脈衝重複頻率時，保持所述特性不改變。
3.根據權利要求1中的所述的方法，其特徵在於，所述脈衝雷射輻射的特性是雷射脈衝能量、所述脈衝雷射輻射的擴散、所述脈衝雷射輻射的光譜和雷射脈衝的建立時間中之一。
4.根據權利要求2中的所述的方法，其特徵在於，選擇所述調節值以保持所述增益元件中的溫度在實質上恆定的水平。
5.根據權利要求2中的所述的方法，其特徵在於，選擇所述至少兩個可調節的參數的所述調節值以保持平均泵浦功率實質上不改變。
6.根據權利要求2中的所述的方法，其特徵在於，選擇所述調節值以保持所述增益元件的熱載荷在實質上恆定的水平。
7.根據權利要求1至6中任意一項所述的方法，其特徵在於，所述序列泵浦脈衝包括連續波功率補償。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述至少兩個可調節參數之一是所述連續波功率補償的振幅，以及所述至少兩個可調節參數之二是連續的泵浦脈衝之間的時間間隔。
9.根據權利要求1至6中任意一項所述的方法，其特徵在於，所述序列泵浦脈衝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節參數是所述功率變更之間的時間間隔。
10.根據權利要求1至6中任意一項所述的方法，其特徵在於，所述序列泵浦脈衝包括周期性泵浦脈衝序列。
11.根據權利要求1至5中任意一項所述的方法，其特徵在於所述序列泵浦脈衝包含振幅在雷射閾值之上的用於激勵雷射脈衝的泵浦脈衝和振幅低於雷射閾值的泵浦前脈衝，所述泵浦前脈衝的每一個在時間上位於不同的一個泵浦脈衝之前，以影響所述增益元件的平均熱載荷；所述至少兩個可調節參數之一是在所述振幅高於雷射閾值的泵浦脈衝之間的時間間隔，以及所述至少兩個可調節參數的另一個是所述泵浦前脈衝的脈衝能量；和在所述泵浦脈衝之間的時間間隔被改變時，所述泵浦前脈衝的脈衝能量被改變以保持所述增益元件的熱載荷恆定。
12.一種用於可調Q開關的雷射設備，包括雷射腔，所述雷射腔包含增益元件和用於所述雷射腔的無源Q開關的裝置；泵浦裝置，所述泵浦裝置使用序列泵浦脈衝以泵浦所述增益元件，以產生具有可變重複頻率的脈衝雷射輸出，所述序列泵浦脈衝以至少第一可調節參數和第二可調節參數為特徵；和控制裝置，所述控制裝置用於控制所述序列泵浦脈衝和用於改變所述脈衝重複頻率，同時通過變化所述至少第一和第二可調節參數來保持所述增益元件的熱載荷為恆定水平。
13.根據權利要求12所述的雷射設備，其特徵在於，所述光泵浦裝置包括兩個光泵浦雷射器，以及在運行中，所述泵浦雷射器中至少一個以脈衝機制運行。
14.根據權利要求12所述的雷射設備，其特徵在於，所述光泵浦裝置包括雷射二極體，所述雷射二極體在運行中由雷射二極體驅動電流激勵。
15.根據權利要求14所述的雷射設備，其特徵在於，所述控制裝置包括用於改變雷射二極體驅動電流的裝置。
16.根據權利要求12至15中任意一項所述的雷射設備，其中所述序列泵浦脈衝包括在兩個不同的非零功率水平之間的變更。
全文摘要
本發明公開了一種方法，用於改變無源Q開關雷射器的脈衝重複率而同時保持雷射輻射的其它特性。雷射器使用序列泵浦脈衝進行光泵浦，所述泵浦脈衝包括在非零功率水平之間的變更且以兩個可調節的參數為特徵。通過同時改變可調節的參數，雷射器的脈衝重複率可被改變，而同時保持雷射能量、脈衝雷射輻射的擴散和脈衝雷射輻射的光譜為恆定水平。在一個實施例中，所述序列泵浦脈衝包括泵浦功率補償，在雷射重複率被改變時，調節所述泵浦功率補償的振幅和/或持續時間。
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 優先權日2005年2月4日
發明者雷戈爾·蘇懷特, 吉恩-菲利普·菲威 申請人:Jds尤尼弗思公司