[发明专利]产生可反复调用的激光脉冲的激光放大系统和激光放大方法

说明书

本发明涉及根据权利要求1前序部分的激光放大系统和根据权利要求10前序部分的、用于产生可反复调用的具有预定的脉冲时间和/或脉冲能的激光脉冲的激光放大方法。

对于像在生物医药或材料加工中的许多应用场合，需要高强度的激光脉冲。在良好的射束质量(M²<1.2)和皮秒或飞秒脉冲的情况下，这一般意味着在1-10μJ范围内的脉冲能，以便超过典型的烧蚀或加工能量密度阈值并实现有效的工艺控制。

被用于这样的应用场合的脉冲激光器系统，尤其是针对经常被设计成可恢复或可再生的放大器或再生放大器形式的工业应用，越来越多地要求可按需(即“on demand”)提供激光脉冲的能力。这对于典型的纳秒级(即具有在几纳秒到几十纳秒之间的特征脉冲持续时间)的激光器来说绝对是已按标准集成的特征。随着专门以超短(即具有在几皮秒和飞秒之几十皮秒和飞秒范围内)的脉冲持续时间的脉冲来有利地或单独地操作使用的应用的成熟，“即需脉冲”工作未来对激光器而言也是一个绝对必要的特征。该能力意味着：可按要求或者说根据实际所需的要求来调用具有预定理想能量和/或理想脉冲持续时间的脉冲。目前尤其存在于工业应用场合里的典型要求例如是：

a.在加工过程中调节重复率和脉冲能。这在现有技术的当前系统中大多不是非常时间关键的，并且能够关于激光器的系统时间常数被认为是绝热(adiabatisch)的。

b.在规定的重复率和脉冲能条件下使用TTL信号来发起脉冲序列(Pulszug)，在这里，切换边沿必须位于放大脉冲序列的两个脉冲之间。

c.第一脉冲的脉冲能量超调()应该小，例如小于脉冲能量目标值的10%。根据工艺的不同，也可以接受较高的能量增高，但在某些工艺中只允许最小偏差或甚至没有偏差。

d.最后，已知这样的越来越多的应用状况，此时可以或必须连续地(例如重复率从零到最大值(0-fmax))且时间关键地(即以快速调节时间如小于1μs)调节脉冲重复率和脉冲能量。

最后两点c和d表现为重要要求，并且在现有技术的超短脉冲激光器系统中是做不到的。虽然出现了能用以获得很好的时间分辨并进而获得即需工作或者说脉冲反复调用性的一些技术方案，但这一般利用高重复率的振荡器、设置在下游的脉冲选择器、后设一个或多个线性二次放大器来实现。不过，很高的增益导致在接通时或在脉冲选择器重复率的状态变化时会出现能量超调(起振过程)。这远远超出容许值。

作为这种具有可根据要求反复调用的具有预定持续时间、时间分隔(重复率)和能量的脉冲的激光器系统的要实现的最低要求，可给出以下门槛：

1.脉冲突发开始后的第一脉冲的脉冲能量超调应该很小，这一般意味着偏差远小于脉冲能量目标值的10%。

2.脉冲重复率和脉冲能量应当能够持续地从零变化至各自的最大值，并且还时间关键地(即以远小于1μs的时间刻度)来改变。

从现有技术中知道了各种做法，其中测量初始信号或者输出的激光脉冲。随后，基于该信号可以对待放大的激光脉冲进行损耗调制。但这些做法的前提是要为此产生脉冲，因而只适用于后续的脉冲，即，没有立即对待放大的可反复调用的脉冲产生即时性的影响。

因此，本发明的一个任务在于提供一种改进的激光器系统以及一种相应的方法，用以产生具有预定脉冲持续时间和/或脉冲能量的、可反复调用的激光脉冲。

进一步的任务在于提供如此设计的激光器系统，即，该激光器系统被如此控制或调节，即，在所调用的第一脉冲中就已经出现很小的脉冲能量超调，而且实现了可以连续地且立即地变化的脉冲重复率和脉冲能量。

所述任务通过权利要求1或10或者从属权利要求的主题来完成或加以改进。

本发明基于在激光放大系统中使用损耗调制器来提供可反复调用的激光脉冲。该激光脉冲由激光源产生并通过设置在下游的放大介质被放大，在这里，放大增益被设计为可受到损耗调制器的影响，因而能够提供具有预定的脉冲持续时间或脉冲能的可反复调用的激光脉冲。根据本发明，在针对其中一个激光脉冲的放大过程之前，确定与该过程相关的激光介质实际状态。在此情况下要关注的参数是当时出现的激光介质瞬时增益，根据对该瞬时增益的掌握来通过损耗调制器调节或控制该损耗产生。用损耗调制来影响下个待放大的脉冲因此是建立在掌握了当前实际的或过去的放大系统状态的基础之上的。

因此，通过在脉冲经过激光介质之前确定增益或者说放大倍数，就可以超前及时地调整后面的放大过程，因而一方面提供良好满足要求的激光脉冲。另一方面，这种调整是无延迟地完成的，这是因为不必在放大过程后才测量输出信号以进行调节。