具有可调节脉冲重复频率的无源Q开关激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种方法，用于改变无源Ｑ开关激光器的脉冲重复率而同时保持激光辐射的其它特性。激光器使用序列泵浦脉冲进行光泵浦，所述泵浦脉冲包括在非零功率水平之间的变更且以两个可调节的参数为特征。通过同时改变可调节的参数，激光器的脉冲重复率可被改变，而同时保持激光能量、脉冲激光辐射的扩散和脉冲激光辐射的光谱为恒定水平。在一个实施例中，所述序列泵浦脉冲包括泵浦功率补偿，在激光重复率被改变时，调节所述泵浦功率补偿的振幅和／或持续时间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及脉冲光泵浦激光器，更具体地涉及具有可变重复频率的无源Q开关二极管泵浦固体激光器。
技术介绍
无源Q开关二极管泵浦固体激光器因其富有效率、紧凑且可使用在可见和UV(紫外)波长范围内，而被广泛用于要求脉冲辐射的光源中。然而，在它们的标准运行模式中，它们以固定重复频率产生脉冲，所述固定重复频率经常被称作自由振荡频率，这使得在要求可调节脉冲重复频率的应用中难于采用这些激光器。尽管已经公开了改变无源Q开关激光器脉冲重复频率的方法，但是将这些激光器应用到那些要求重复频率不受激光特性约束的场合下仍有难度，所述激光特性譬如脉冲能量、脉冲稳定性、光束波形和扩散。基质辅助激光解吸/电离(MALDI)质谱分析是这种应用的一个例子，典型地要求UV激光器具有从数十赫兹到几千赫兹UV的范围内的脉冲重复频率和非常稳定的特性。在无源Q开关中，激光腔典型地包括增益元件和夹在两个激光镜之间的饱和吸收器，所述增益元件典型的是激光晶体小片，此后也被称为激光微芯片。增益媒质通过泵浦辐射源被泵浦，优选高能激光二极管。在最普通的连续波泵浦模式中，激光二极管以恒定功率Pump连续泵浦增益媒质；在操作开始，饱和吸收器处于高损耗状态，通过有效堵塞腔内光通道来阻止发射激光行为。通过感应建立增益媒质中高于阈值电平的激光跃迁的粒子数反转，连续的泵浦给增益元件施加能量。一旦在连续波泵浦下粒子数反转达到某一临界值，激光跃迁波长λ处相关的放大的固有光辐射的强度达到一个值，所述值足以引起饱和吸收器中光损耗的突然降低，打开激光谐振腔并导致快速形成类似雪崩的激光脉冲。激光脉冲将集聚的能量排出谐振腔，使得粒子数反转远低于阈值。在脉冲结束后，饱和吸收器转换回高损耗状态，进而粒子数反转建立的过程重新开始。粒子数反转从低的脉冲后的值达到临界值所需要的时间Bup，常被称为建立时间，确定自由振荡脉冲重复频率Ffree≈1/Bup。图1示出了无源Q开关激光器的自由振荡运行的时序图，图中使用以由时间间隔Bup分离的光脉冲20的形式示出连续波泵浦的功率Pump和激光器光输出。图2是示出了通过使用脉冲泵浦，现有技术的无源Q开关激光器的运行方法的时序图，此时脉冲重复频率为F而不是Ffree。在这种方法中，泵浦11在每个脉冲21后被停止，且在选择的时间延迟13后重新开始，以使脉冲间的时间周期T≥Bup。这样，脉冲重复频率F＝1/T＜Ffre。下文中被称作固定频率模式的这个运行模式的缺陷在于，只要重复频率F被改变，增益元件的热载荷就改变，如下文中所解释的那样。所述变化的热载荷会改变增益元件内的温度分布，从而导致激光微芯片中典型产生的热透镜的改变，所述热透镜是由于增益元件内泵浦吸收产生的热量而产生的，这明显影响激光器辐射的许多特性，譬如脉冲能量、射束发散性、脉冲稳定性等。由于泵浦吸收，增益元件的热载荷可被定义为在微芯片中产生的热量，因此该热载荷在整个激光器运行中甚至在重复频率改变时必须被保持恒定。这个热载荷是平均泵浦功率Pave的函数，所述平均泵浦功率以热量的形式耗散在增益元件中。对于前述脉冲运行方法，该平均耗散泵浦功率Pheat近似由方程式(1)给出Pheat＝αβPave(1)其中α是热载荷系数，即在增益元件中被耗散为热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数。对于二极管泵浦激光器，在固定频率模式中的平均光功率由方程式(2)给出 Pave＝(I-Ith)Rη (2)其中η是激光二极管的斜率效率，它典型为大约1W/A，Ith和I分别是激光器二极管的阈值电流和提供泵浦脉冲的激光器电流，R是二极管的占空比，所述占空比为建立时间与脉冲间周期之比R＝Bup/T＝FBup. (3)微芯片内耗散的热量或热载荷与占空比R成正比例且与重复频率F成比例变化，这遵循方程式(1)，(2)和(3)。J.Zayhosky等在IEEE J.of Quantum Electronics，vol.38，n.11，pp.1449-1454，2002发表的文章中公开了一种Q开关激光器系统，其中，其泵浦功率是如此的高，以致于在感兴趣的重复频率范围内的建立时间与脉冲周期T相比较显得非常小，所以在此范围内热载荷近似保持为常数。然而这种方法要求非常高的泵浦功率且对允许的重复频率变化的范围有限制。Deutsch等的美国专利6,038,240公开了一种方法和固体激光器系统，用于产生具有可变脉冲重复频率和恒定束特性的激光脉冲，其中使用一系列泵浦脉冲泵浦有源Q开关激光器，当重复频率变化时占空比R保持为常数，以及其中通过相对于各个泵浦脉冲的起点以固定时间延迟打开有源Q开关来由外部触发激光脉冲。这种方法，尽管对有源Q开关激光器系统提供了某些益处，但对于无源Q开关激光器，重复频率范围被限制在Ffree和0.5×Ffree之间，因为没有触发第二激光脉冲，泵浦脉冲不能比2Bup长。Kneip等的美国专利6,418,154公开了一种具有有源Q开关的脉冲二极管泵浦固体激光器，其中Q开关和二极管阵列由控制器协调控制，以使响应泵浦光脉冲而产生的激光器输出脉冲具有相同能量，而不依赖于激光器输出脉冲之间的时间间隔。在此专利技术中，泵浦光脉冲一结束，外部就主动的触发激光脉冲，并且二极管激光器阵列被设置成在每一个泵浦光脉冲结束和其随后的泵浦光脉冲开始之间来传送足够的额外的泵浦光至增益媒质，以使所述增益媒质中的增益在各个泵浦光脉冲开始时是相同的，而不依赖于所述泵浦光脉冲之间的时间间隔。在泵浦脉冲之间的另外泵浦光被用于保持增益最小值，以在泵浦结束后及时补偿粒子数反转时的指数衰减，这是泵浦脉冲开始时产生激光的初始条件，所述泵浦脉冲开始取决于连续脉冲间的时间周期，从而当泵浦脉冲重复频率改变时将导致激光脉冲能量的变化。这种泵浦增益媒质的方法，尽管对于有源Q开关激光器看来像是实现了它想要的功能，但可能导致平均泵浦光功率依赖重复频率，因此，至少在具有无源Q开关的微芯片激光器的情况中，可能导致激光器特性依赖于重复频率而变化。因此，本专利技术的目的是提供一种Q开关激光器装置及其运行方法，用于产生序列激光脉冲，其中激光脉冲的特性在其宽范围内实质上不依赖于它们的重复频率。
技术实现思路
依据本专利技术，提供一种用来改变无源Q开关激光器的激光脉冲重复频率而同时保持激光辐射的特性的方法，所述方法包括a)提供激光腔，其包括增益元件和用于无源Q开关的装置；b)将序列泵浦脉冲提供入所述增益元件，所述序列泵浦脉冲包含两个不同的非零功率水平且以至少两个可调节参数为特征；c)将这些至少两个可调节参数设定为初始值，用于产生第一重复频率的脉冲激光辐射；和d)将所述至少两个可调节参数的每一个的值改变为调节值，用于产生另一重复频率的脉冲激光辐射，同时控制脉冲激光辐射的特性。依据本专利技术的一个方面，通过在改变激光重复频率时保持平均泵浦功率恒定来选择调节值以使增益元件的热载荷保持在实质上恒定的水平。依据本专利技术的另一个方面，所述脉冲激光辐射的特性是脉冲能量、脉冲激光辐射的扩散、脉冲激光辐射的光谱和激光脉冲的建立时间中之一。依据本专利技术的另一个方面，所述序列泵浦脉冲包括具有非零大小的连续波功率补偿，可调节参数之一是连续波功率补偿的振幅，和可调节参数之二是连续泵浦脉冲之间的时间间隔。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种运行具有可变激光脉冲重复频率的无源Ｑ开关激光器的方法，包括以下步骤：提供激光腔，所述激光腔包含增益元件和用于无源Ｑ开关的装置；将序列泵浦脉冲提供到所述增益元件，所述序列泵浦脉冲包含两个不同的非零功率水平，且以至少两个可调 节参数为特征；将所述至少两个可调节参数设定为初始值，用于以第一重复频率产生脉冲激光辐射；和将所述至少两个可调节参数的每一个的值改变为调节值，用于以另一重复频率产生脉冲激光辐射，同时控制所述脉冲激光辐射的一个或多个特性。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷戈尔苏怀特，吉恩菲利普菲威，
申请(专利权)人：JDS尤尼弗思公司，
类型：发明
国别省市：US[]