СВЕРХБЫСТРАЯ ИМПУЛЬСНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА С БЫСТРЫМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2023 года по МПК H01S3/10 

Предпосылки к созданию настоящего изобретения

Область техники настоящего изобретения

[001] Настоящее изобретение относится к сверхбыстрой волоконной лазерной системе, способной управляемо переключать продолжительность импульса с исключительно высокой скоростью в режиме реального времени для выполнения различных задач по обработке материалов с более высокой скоростью производства и снижением стоимости.

Предшествующий уровень техники настоящего изобретения

[002] Продолжительность импульса лазера является критическим параметром для оптимальной лазерной обработки. Для различных материалов часто требуется совершенно разная продолжительность импульса для достижения наилучшего качества обработки и скорости обработки. В результате для лазерной обработки неоднородных, композитных, состоящих из множества материалов или множества слоев компонентов часто требуется несколько лазеров, работающих с разной продолжительностью импульса, что требует непомерно высоких затрат. Кроме того, различные желаемые типы микрообработки (такие как сверление, нарезка канавок, маркировка, гравировка, резка, абляция, скрайбирование и т. д.) также могут потребовать диапазон оптимальных продолжительностей импульсов. Преимущественно иметь возможность выполнять несколько типов обработки одного и того же компонента, чтобы сократить время и стоимость настройки.

[003] Сверхбыстрые лазеры, включая, среди прочего, твердотельные и волоконные лазеры, являются общим термином для пикосекундных и фемтосекундных лазеров, которые широко используются в лазерной обработке различных материалов. Ширина импульса сверхбыстрых лазеров короче пикосекунды обычно используется для промышленных применений, в то время как более длинные импульсы используются для коммерческих и промышленных применений из-за высокой выходной мощности и высокой надежности. Такие сверхкороткие импульсы подавляют рассеивание тепла в места, окружающие обрабатываемые области, что значительно уменьшает образование зоны термического влияния и позволяет осуществлять сверхточную микро- и нанопроизводство различных материалов. Благодаря сверхкороткой ширине импульса пиковая интенсивность сверхбыстрых лазеров требует термообработки с плотностью мощности 10³ - 10⁴ Вт/см², сварки и плакировки с плотностью мощности 10⁵ - 10⁶ Вт/см², и удаления материала с плотностью мощности 10⁷ - 10⁹ Вт/см² для сверления, резки и фрезерования. Такой уровень высокой пиковой интенсивности создает нелинейные проблемы в сердцевине волокна малого диаметра, снижая качество света и ограничивая его выходную мощность.

[004] Было разработано множество методик минимизации нежелательных последствий высокой пиковой интенсивности в высокомощных лазерах, включая волоконный лазер. Одной из известных методик является усиление чирпированного импульса (CPA). При использовании этой методики извлеченная энергия импульса обычно выше, чем полученная при прямом усилении. CPA основано на хроматической дисперсии и может быть введено в свет, распространяющийся в оптических материалах, включая оптические волокна, за счет дисперсии материалов. Оно также может быть вызвано угловой дисперсией в решетках или призмах. Хроматическая дисперсия в компонентах брэгговской решетки использует принцип интерференции для того, чтобы отражать различные длины волн света в разных местах решетки. Удобство брэгговских отражателей заключается в том, что дисперсия может быть подобрана или спроектирована в соответствии с требованиями, такими как компенсация дисперсии других компонентов.

[005] Каждый световой импульс, проходящий через оптическую среду, имеет временную форму, которая зависит от его частотного содержания. Для импульса без чирпа чем шире его частотный спектр, тем короче временная ширина импульса. Хроматическая дисперсия или чирп - это временное распределение по спектру длин волн. Чирп импульса является основой CPA, поскольку чем шире импульс, тем меньше пиковая интенсивность, тем выше порог для нелинейных эффектов и, следовательно, тем больше усиление импульса.

[006] Таким образом, в лазерных системах CPA сверхкороткие импульсы сначала расширяются во времени с помощью дисперсии, что приводит к достаточно сниженной интенсивности, позволяющей осуществлять последующее усиление расширенных импульсов. На заключительном этапе систем CPA расположенный дальше по технологической схеме дисперсионный элемент или устройство сжатия осуществляет временное сжатие оптически усиленных импульсов. Повторное сжатие усиленных импульсов с более высокой энергией импульса приводит к значительно большей пиковой мощности на выходе системы.

[007] Многие промышленные применения лазерных систем CPA требуют импульсов, ограниченных преобразованием, что может быть достигнуто путем проектирования нулевой или близкой к нулевой общей дисперсии между различными дисперсионными компонентами в лазерной системе. Предел преобразования (или предел преобразования Фурье) - это нижний предел продолжительности импульса, который возможен для данного оптического спектра импульса. Другими словами, импульс, ограниченный преобразованием, не имеет чирпа. Если требуются импульсы, отличные от ограниченных преобразованием, компоненты, влияющие на общую дисперсию лазерной системы, должны быть правильно отрегулированы, чтобы предотвратить полную или нулевую компенсацию между этими компонентами.

[008] Иллюстративная волоконная оптическая лазерная система CPA содержит расширитель, такой как чирпированная волоконная брэгговская решетка (CFBG), используемая для расширения оптических импульсов от сверхбыстрого оптического затравочного лазера. Система также содержит устройство сжатия, например, чирпированную объемную брэгговскую решетку (CVBG), используемую для сжатия оптических импульсов после усиления. Импульсы могут быть увеличены в размере одним из двух методов после устройства сжатия импульсов. В соответствии с одним методом, оптическая спектральная ширина оптических импульсов может быть отрегулирована путем уменьшения спектральной ширины CFBG. Другой метод заключается в использовании несогласованной дисперсии между CFBG и CVBG для создания чирпированных оптических импульсов.

[009] Тонкая настройка продолжительности импульса и формы импульса может быть осуществлена с помощью формирователя импульсов. Один пример формирователя импульсов, такого как CFBG, раскрыт в предварительных заявках на патент США 62782071 и 62864834. Настройка CFBG путем увеличения или уменьшения продолжительности импульса ограничена оптической полосой пропускания и величиной возможности настройки дисперсии. Было продемонстрировано, что такой импульс может быть перестроен от <1 пс до 25 пс с помощью CFBG. Однако скорость перестройки была ограничена 20 секундами из-за конструкции формирователя (нагрев различных частей CFBG). Существуют более быстрые формирователи импульсов, такие как подвижные решетки. Однако подвижная решетка громоздка, и ее перестройка происходит медленнее, чем у акустооптических формирователей импульсов, таких как коммерчески доступный Dazzler.

[010] Поэтому желательно использовать один лазерный источник, который может переключать продолжительность импульса в режиме реального времени, чтобы уменьшить время настройки, сложность и стоимость лазерной системы.

[011] Кроме того, существует потребность в компактной конфигурации промышленного лазера с быстрым переключением между продолжительностями импульсов для различных приложений лазерной обработки с высокой скоростью.

Краткое раскрытие настоящего изобретения

[012] Настоящее изобретение решает проблему быстрого переключения между фемтосекундными (фс), пикосекундными (пс) и наносекундными (нс) лазерами в одной лазерной конфигурации, используя методику усиления чирпированных импульсов (CPA).

[013] Лазерная система с усилением чирпированных импульсов (CPA) согласно настоящему изобретению в своей базовой конфигурации содержит сверхбыстрый затравочный лазер, который выдает последовательность сверхбыстрых импульсов вдоль светового пути, входящего в узел переключателя продолжительности импульсов. Последний способен разделить каждый импульс на два или более опорных сигнала, временное и спектральное содержание которых изменено таким образом, что только один из опорных сигналов продолжает распространяться по пути. Направленный опорный сигнал затем усиливается и снова подвергается временной обработке в расположенном дальше по технологической схеме дисперсионном элементе, вследствие чего система CPA выдает импульсы высокой энергии в фемтосекундном - наносекундном диапазоне продолжительности.

[014] Узел переключателя продолжительности импульсов характеризуется наличием по меньшей мере одного расщепителя пучка, направляющего два опорных сигнала с соответствующими долями мощности расщепленного импульса по соответствующим путям передачи опорного сигнала. Каждый из опорных сигналов взаимодействует с расположенным раньше по технологической схеме дисперсионным элементом, изменяя временное содержание опорного сигнала. Кроме того, спектральные фильтры могут быть применены к соответствующим путям передачи опорного сигнала, чтобы изменить спектральное содержание опорного сигнала. Альтернативно для модуляции продолжительности импульса и ширины спектрального импульса каждого опорного сигнала может использоваться один расположенный раньше по технологической схеме дисперсионный элемент.

[015] Чтобы получить желаемую продолжительность импульсов на выходе системы CPA, два оптических переключателя входят в соответствующие пути передачи опорного сигнала и по отдельности управляются таким образом, что распространение одного из опорных сигналов блокируется. Любой из высокоскоростного акустооптического модулятора (AOM), электрооптического модулятора (EOM), переключателей на основе MEMS и других может быть легко включен в структуру согласно настоящему изобретению.

[016] Индивидуальное управление оптическими переключателями позволяет одновременно переключать оба из них в положение «включено». Это может быть полезно для промышленных применений, требующих последовательного облучения обрабатываемой поверхности двумя импульсами с различной продолжительностью импульса. Например, пикосекундный или наносекундный импульс сначала нагревает облучаемую поверхность так, что последующий фемтосекундный импульс, падающий на нагретую поверхность, образует отверстие. Последовательное облучение различными импульсами достигается путем увеличения длины оптического пути одного из путей передачи опорного сигнала. Эта конструктивная особенность может быть использована во всех примерах системы CPA согласно настоящему изобретению, описанных выше. Если, однако, требуется только один импульс, оба пути передачи опорного сигнала могут иметь одинаковую оптическую длину.

[017] В лазерной системе CPA согласно настоящему изобретению расположенные раньше по технологической схеме дисперсионные элементы применяют соответствующие чирпы к опорным сигналам. Расположенные раньше по технологической схеме дисперсионные элементы выбираются из FBG, CFBG, отрезка волокна, оптических элементов на объемных волнах, призм и т. д. и располагаются вдоль соответствующих путей передачи опорного сигнала раньше или дальше по технологической схеме от соответствующих переключателей оптических импульсов.

[018] Настраивая хроматическую дисперсию расположенных раньше и дальше по технологической схеме дисперсионных элементов, можно генерировать импульсы продолжительностью в фемтосекундном - наносекундном диапазоне. Например, фемтосекундный лазер может быть выполнен с возможностью использования расширителя импульсов CFBG с положительной дисперсией и почти согласованного устройства сжатия импульсов CVBG с отрицательной дисперсией или наоборот. В пикосекундных лазерах можно использовать более несогласованную пару CFBG и CVBG. В наносекундном случае CFBG может иметь тот же знак дисперсии, что и CVBG, то есть положительную или отрицательную дисперсию, чтобы еще больше расширить импульсы после усиления. Типичный CFBG может расширять импульс в диапазоне 0,5-1 нс. VBG с тем же знаком дисперсии в итоге расширяет импульсы до 1-2 нс.

[019] Лазерная система CPA, как раскрыто выше, характеризуется наличием по меньшей мере одного ответвителя пучка в оптической связи с нисходящими концами соответствующих путей передачи опорного сигнала. Функционально ответвитель пучка направляет выбранный опорный сигнал к нисходящему концу системы CPA. Расщепитель пучка и ответвитель пучка могут быть оптическим компонентом на объемных волнах или компонентом на основе волокна, причем оптический компонент на объемных волнах включает оптический элемент с диэлектрическим покрытием, а компонент на основе волокна представляет собой сплавной волоконный направленный ответвитель.

[020] Лазерная система CPA, как раскрыто выше, может дополнительно содержать по меньшей мере еще один разветвитель пучка и по меньшей мере один второй ответвитель пучка, определяющие между собой третий путь передачи опорного сигнала для третьего опорного сигнала со спектральным содержанием и продолжительностью импульса, которые отличаются от содержания и продолжительности других опорных сигналов. Третий путь передачи опорного сигнала структурно аналогичен двум вышеописанным путям передачи опорного сигнала и содержит третий расположенный раньше по технологической схеме дисперсионный элемент и третий оптический переключатель. Необязательно к третьему пути передачи опорного сигнала может быть применен третий спектральный фильтр.

Краткое описание фигур

[021] Описанные выше аспекты и другие признаки системы согласно настоящему изобретению станут более понятными после прочтения подробного описания, выполненного со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:

[022] на фиг. 1 изображена оптическая схема раскрытой системы согласно настоящему изобретению;

[023] на фиг. 2 изображена оптическая схема переключателя продолжительности импульсов, показанного на фиг. 1;

[024] на фиг. 3 изображена модификация оптической схемы согласно фиг. 1;

[025] на фиг. 4 изображена оптическая схема переключателя продолжительности импульсов, показанного на фиг. 3;

[026] на фиг. 5 изображена оптическая схема, изображающая оптическую модификацию согласно фиг. 1;

[027] на фиг. 6 изображена оптическая схема переключателя продолжительности импульсов, показанного на фиг. 5;

[028] на фиг. 7 изображена оптическая схема другой модификации согласно фиг. 1;

[029] на фиг. 8 изображена оптическая схема переключателя продолжительности импульсов, показанного на фиг. 7;

[030] на фиг. 9 изображена оптическая схема еще одной модификации согласно фиг. 1;

[031] на фиг. 10 изображена оптическая схема переключателя продолжительности импульсов, показанного на фиг. 9;

[032] на фиг. 11 изображена оптическая схема, аналогичная схеме согласно фиг. 9;

[033] на фиг. 12 изображен переключатель продолжительности импульсов, показанный на фиг. 11, основанный на расширителе на основе CFBG;

[034] на фиг. 13 изображена оптическая схема другой модификации согласно фиг. 1;

[035] на фиг. 14 изображен переключатель продолжительности импульсов, показанный на фиг. 13, основанный на расширителе на объемных волнах;

[036] на фиг. 15 изображена оптическая схема любой из фиг. 1, 3, 5, 7, 9, 11 и 13 с генератором второй гармоники (SHG);

[037] на фиг. 16 изображена оптическая схема переключателя импульсов, показанного на фиг. 15;

[038] на фиг. 17 изображена оптическая схема любой из фиг. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 и 15 в комбинации с SHG и механизмом преобразования более высоких гармоник;

[039] на фиг. 18 изображена оптическая схема переключателя импульсов, показанного на фиг. 17;

[040] на фиг. 19 изображен пример оптической схемы любой из фиг. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 и 17;

[041] на фиг. 20 изображена оптическая схема переключателя продолжительности импульсов, показанного на фиг. 19;

[042] на каждой из фиг. 21A-C и 22A-C изображена работа узла переключения продолжительности импульсов в соответствии с любой из схем, изображенных на фиг. 1-20.

Подробное раскрытие настоящего изобретения

[043] На фигурах каждый идентичный или почти идентичный компонент, показанный на различных фигурах, обозначен одинаковыми позиционными обозначениями. Для большей ясности не все компоненты могут быть обозначены на каждой фигуре.

[044] Лазерная система согласно настоящему изобретению основана на лазерной методике усиления чирпированного импульса и содержит высокоскоростной узел переключателя продолжительности импульсов, который работает для пропускания одного или нескольких импульсных опорных сигналов с желаемой продолжительностью при блокировании или задержке выхода с другими продолжительностями импульсов. В лазерной системе согласно настоящему изобретению продолжительность импульса задается надлежащим управлением дисперсией и, необязательно, контролируемой регулировкой спектральной ширины дисперсионных элементов, таких как расширитель и устройство сжатия, которые далее называются расположенными раньше и дальше по технологической схеме дисперсионными элементами соответственно. Несколько схем, иллюстрирующих концепции изобретения, рассматриваются ниже.

[045] Как показано на фиг. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 и 17, сверхкороткоимпульсная лазерная система 10 CPA может содержать только волоконные компоненты, оптические компоненты на объемных волнах или любую комбинацию волоконных компонентов и оптических компонентов на объемных волнах. Лазерная система 10 содержит сверхкороткоимпульсный затравочный лазер или затравку 12, которая может работать в стандартном импульсном режиме или в режиме пачки импульсов. Стандартный режим характеризуется последовательностью сверхкоротких пикосекундных - фемтосекундных импульсов при равномерном диапазоне продолжительности частоты повторения импульсов. В режиме пачки импульсов последовательность импульсов выводится с неоднородной скоростью, причем каждая пачка содержит серию импульсов. Независимо от выбранного режима, импульсы падают на узел 14 переключателя продолжительности импульсов, работающий для вывода расширенной во времени и спектрально измененного импульсного опорного сигнала.

[046] Как изображено на фиг. 1, 9, 11, 13, 15, 17 и 19, один или несколько усилителей 16, 18 усиливают оптически обработанные импульсы, выводимые из узла 14 переключателя. Альтернативно, как показано на фиг. 3, 5 и 7, по меньшей мере один из предварительных усилителей 16 может быть расположен раньше по технологической схеме от переключателя 14 продолжительности импульсов. Однако, в соответствии с методом CPA, усилитель или бустерный усилитель 18 всегда расположен дальше по технологической схеме от переключателя 14 продолжительности импульсов.

[047] Усиленные импульсы далее входят в расположенный дальше по технологической схеме дисперсионный компонент 20, настроенному на предоставление усиленных импульсных опорных сигналов 36 с желаемой продолжительностью. Желаемая продолжительность импульса может составлять от 5 фс до нескольких нс, а диапазон высокой пиковой мощности - от нескольких сотен ватт до нескольких МВт.

[048] Необязательно лазерная система 10 CPA может быть выполнена с блоком преобразования частоты, расположенным дальше по технологической схеме от дисперсионного элемента или устройства 20 сжатия. Блок преобразования частоты может содержать только генератор 24 второй гармоники (SHG) (фиг. 15) или комбинацию SHG и по меньшей мере одного генератора 25 высших гармоник (HHG) (фиг. 1 и 17). При необходимости блок преобразования частоты может быть включен в систему 10, показанную на любой из приведенных выше фигур. Каждый из генераторов второй и высших гармоник содержат любой из известных нелинейных кристаллов, причем каждый кристалл оптимизирован для селективного преобразования одного из опорных сигналов для желаемой продолжительности преобразованного импульса. Оптимизация может быть осуществлена путем выбора длины кристалла, температуры кристалла, оси кристалла или комбинации длины, температуры и оси кристалла.

[049] Изолятор 15, предотвращающий распространение обратно отраженного света, может быть установлен в любой из схем, показанных на соответствующих фигурах, упомянутых выше. Кроме того, если на выходе системы 10 желательны импульсы, ограниченные преобразованием, формирователь на основе фазового сканирования с многофотонными внутриимпульсными интерференциями (MIIPS) может быть включен в любую из рассмотренных конфигураций системы 10 после расположенного дальше по технологической схеме дисперсионного элемента 20. Работа формирователя импульсов MIIPS раскрыта в документе PCT/US2018/025152, полностью включенном в настоящий документ посредством ссылки.

[050] Обратимся конкретно к фиг. 2, узел 14 переключателя продолжительности импульсов характеризуется наличием расщепителя 28 пучка, принимающего сверхкороткие импульсы от затравки 12 и разделяющего каждый сверхкороткий импульс на два или более импульсных опорных сигнала с равными или разными долями мощности. В зависимости от общей конструкции системы 10 CPA, расщепитель 28 пучка может иметь оптическую структуру на объемных волнах или волоконную структуру. Оптический элемента на объемных волнах может включать, например, оптический элемент с диэлектрическим покрытием, а волоконная структура представляет собой сплавной волоконный направленный ответвитель. Волоконный расщепитель пучка может быть выполнен как 1XN и 2XN расщепитель и иметь либо волокна, неподвижно прикрепленные к соответствующим портам (стиль пигтейл), либо розетки на каждом порту, в которые можно вставить волокно (стиль розетки).

[051] Схема на фиг. 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 18 и 20 представляет собой полностью волоконную структуру, в которой два пути передачи опорного сигнала определяются двумя одномодовыми (SM) волокнами 40’ и 40’’ соответственно. Волокно, используемое в системе 10 согласно настоящему изобретению, выбирается среди обычных волокон, волокон, поддерживающих поляризацию, специализированных волокон и волокон с большой модовой областью (LMA). Независимо от светопроводящей среды, т. е. свободного пространства, волокна или комбинации свободного пространства и волокна, каждый путь передачи опорного сигнала содержит дисперсионный элемент 32’/32’’ и оптический переключатель 34’/34’’, за одним исключением, когда один дисперсионный элемент, расположенный раньше по технологической схеме, расположен после переключателя 14, как раскрыто ниже со ссылкой на фиг. 10.

[052] Относительное положение расположенного раньше по технологической схеме дисперсионного элемента 32’, 32’’ и оптического переключателя 34’, 34’’, применяемого к каждому пути передачи опорного сигнала, может быть различным. Переключатели 34’, 34’’ соединены с соответствующими выходами расположенных раньше по технологической схеме дисперсионных элементов 32’ и 32’’. На фиг. 10 показаны переключатели 34’ и 34’’, расположенные раньше по технологической схеме от соответствующих дисперсионных элементов 32’, 32’’.

[053] Сверхкороткие импульсы, испускаемые затравочным лазером 12 (фиг. 1), характеризуются высокой пиковой мощностью до кВт или даже выше. Усиление этих импульсов может привести к разрушительным структурным последствиям. Сверхкороткие импульсы высокой энергии, усиленные в среде усиления, такой как волоконные усилители, также вызывают появление нелинейных эффектов, ограничивающих выходную мощность и снижающих качество света. Методика CPA направлена на минимизацию этих вредных эффектов, которые часто проявляются в фемтосекундных и пикосекундных лазерных системах, путем увеличения продолжительности сверхкоротких импульсов. Это достигается в данном случае с помощью расположенных раньше по технологической схеме дисперсионных элементов или расширителей 32’ и 32’’ импульсов, которые выполнены с возможностью временного расширения сверхкоротких импульсов. В результате, дисперсионные элементы 32’ и 32’’ вводят оптические задержки, зависящие от длины волны, для создания частотного чирпа для временного расширения. Следовательно, термин «частотный чирп» означает временное расположение частотных компонентов сверхкороткого лазерного импульса. Чирпы, вносимые расположенными раньше по технологической схеме дисперсионными элементами 32’, 32’’ в соответствующие опорные сигналы отличаются друг от друга. Чирпы выбираются таким образом, чтобы расширенные опорные сигналы при взаимодействии с расположенным дальше по технологической схеме дисперсионным элементом 20 преобразовывались в сверхкороткие импульсы с желаемой продолжительностью импульса (фиг. 1). Желаемая продолжительность выходных сверхкоротких импульсов выбирается среди фемтосекундных, пикосекундных и наносекундных импульсов. Также можно выводить комбинацию импульсов с соответствующими продолжительностями импульсов, отличными друг от друга. Например, продолжительность одного выходного импульса находится в пикасекундном диапазоне, а другого - в фемтосекундном диапазоне.

[054] Дисперсия имеет различные положительные и отрицательные знаки. В среде с положительной дисперсией высокочастотные компоненты импульса распространяются медленнее, чем низкочастотные компоненты, и импульс становится положительно чирпированным или чирпированным с линейным увеличением частоты, увеличиваясь по частоте со временем. В среде с отрицательной дисперсией более высокочастотные компоненты распространяются быстрее, чем низкочастотные, и импульс становится отрицательно чирпированным или чирпированным с линейным уменьшением частоты, уменьшаясь по частоте со временем. Дисперсионные решетки обеспечивают большие коэффициенты расширения, и с помощью дифракционных решеток сверхкороткие оптические импульсы могут быть расширены более чем в 1000 раз.

[055] Структурно, расположенный раньше по технологической схеме волоконный дисперсионный элемент 32’, 32’’ может включать любую из конфигураций призмы, оптического элемента на объемных волнах, отрезка волокна, объемной брэгговской решетки (VBG), однородной волоконной брэгговской решетки (FBG) или чирпированной FBG (CFBG). FBG - это периодическая структура, которая резонирует на одной брэгговской длине волны. В отличие от этого, в CFBG брэгговская длина волны изменяется вдоль решетки, поскольку каждая часть последней отражает различный спектр. Таким образом, ключевой характеристикой CFBG является тот факт, что общий спектр зависит от температуры/деформации, регистрируемой на каждом участке CFBG, в отличие от деформации или температуры, приложенной на всей длине решетки FBG. На фиг. 20 показана типичная конструкция модуля CFBG на основе CFBG и циркулятора.

[056] Расположенный дальше по технологической схеме дисперсионный элемент 20 (фиг. 1) может быть сконфигурирован идентично расположенным раньше по технологической схеме дисперсионным элементам. Альтернативно конфигурации соответствующих расположенных раньше и дальше по технологической схеме дисперсионных элементов могут отличаться друг от друга. Например, расположенные раньше по технологической схеме дисперсионные элементы 32’, 32’’ могут иметь конфигурацию CFBG, в то время как расположенный дальше по технологической схеме дисперсионный элемент 20 имеет конфигурацию VBG. Различные комбинации, включающие дисперсионные элементы различных конфигураций, могут быть легко реализованы в любой из проиллюстрированных схем специалистом в области сверхкоротких лазеров.

[057] Оптический переключатель 34’, 34’’ используется для отключения оптической мощности для любого из нежелательных путей передачи опорного сигнала, что позволяет только одному опорному сигналу с желаемой продолжительностью импульса распространяться к расположенному дальше по технологической схеме дисперсионному элементу 20. Оптический переключатель может иметь различные конфигурации. Например, это может быть переключатель на основе MEMS, электрооптический переключатель, такой как модулятор из ниобата лития, или акустооптический переключатель, такой как AOM. Конкретная конфигурация оптического переключателя 34’, 34’’ зависит от различных факторов. Однако ключевым моментом при выборе нужного переключателя является время переключения, которое должно быть как можно более быстрым. AOM, возможно, является самым быстрым переключающим устройством. В протестированных конфигурациях лазерной системы 10 CPA минимальное время переключения AOM, соединенного с волокном, было определено в диапазоне 20-30 нс. Считается, что этот интервал времени является рекордным временем, что очень важно при микрообработке деталей, состоящих из множества слоев или множества материалов, таких как половины пластин, печатные платы, гибкие схемы, которые требуют оптимально различных продолжительностей импульсов. Скорость, с которой система CPA 10 согласно настоящему изобретению способна переключать продолжительность импульса, является одним из ключевых преимуществ настоящего изобретения - по существу, она способна предложить функциональность нескольких лазеров в одном единственном лазере. Операция переключения управляется стандартной электроникой 15 с соответствующей скоростью, необходимой для включения и выключения оптических переключателей 34’ и 34’’.

[058] На фиг. 21A-C изображено общее время переключения используемых оптических переключателей в CPA 10, осуществляющем переключение с 1,6 пс на 0,4 пс, тогда как на фиг. 22A-C изображено переключение в обратном порядке с 0,4 пс на 1,6 пс. Время переключения одинаково и составляет менее 1, 3 микросекунды. Недавние эксперименты показали, что в схеме согласно настоящему изобретению используются переключатели, работающие при времени переключения менее 200 нс, которое может быть дополнительно уменьшено до пикосекундного диапазона.

[059] Как упоминалось выше, также может быть несколько импульсов на выходе системы 10 CPA с различными продолжительностями импульсов путем использования различных по конфигурации дисперсионных элементов 32’ и 32’’, расположенных раньше по технологической схеме, и использования обоих переключателей 34’ и 34’’, оба из которых могут быть переключены в состояние «включено». Разделение импульсов на выходе узла 14 переключателя можно контролировать путем введения волоконной петли 22 задержки, увеличивающей оптическую длину одного из путей передачи опорного сигнала при сохранении оптической длины другого (других) пути передачи опорного сигнала. Все оптические пути могут быть выполнены с соответствующими петлями 22 задержки, имеющими такие размеры, чтобы обеспечить пути передачи опорного сигнала с соответствующими оптическими длинами, которые отличаются друг от друга. Это позволит создать пачку импульсов с разной продолжительностью или одинаковой продолжительностью импульсов, которые можно перенастраивать в режиме реального времени. Например, можно управлять затравкой в режиме пачки импульсов, например, поддерживать n импульсов в каждом оптическом пути, затем переключить затравку на пачку n-1 импульсов, пачку n-2 импульсов и т. д.

[060] Оптические пути объединяются в один оптический путь с помощью объединителя 38 пучков. Объединитель пучков может быть оптическим компонентом, выполненным аналогично расщепителю 28 пучка. В случае оптического элемента на объемных волнах это может быть оптический элемент с диэлектрическим покрытием. Для волоконной системы в систему 10 CPA может быть включен сплавной волоконный направленный ответвитель. Различные по конфигурации компоненты расщепителя и объединителя пучка могут быть реализованы в каждой схеме, показанной на фиг. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17 и 19.

[061] На каждой из фиг. 10, 14 и 20 показаны дополнительные структурные элементы, которые требуют более подробного раскрытия. Как легко поймет специалист в данной области техники, все раскрытые ниже дополнительные компоненты могут быть легко включены во все схемы настоящей заявки.

[062] Обратимся конкретно к фиг. 12, лазерная система 10 CPA согласно настоящему изобретению может быть дополнительно выполнена со спектральными фильтрами 41’, 41’’, примененными к соответствующим путям 40’ и 40’’ передачи опорного сигнала. Известно, что элементы FBG имеют относительно узкую полосу отражения, что несколько ограничивает продолжительность импульса. Как известно в области лазеров, чем короче ширина спектрального импульса расширенных опорных сигналов, тем больше продолжительность выходных повторно сжатых сверхкоротких импульсов. Таким образом, спектральные фильтры 41 могут быть использованы в качестве дополнительных формирователей импульсов, что приводит к более точной форме импульса. Выполненные для настройки падающих на них опорных сигналов на соответствующие и различные ширины спектральных импульсов, спектральные фильтры 41 могут быть расположены раньше или дальше по технологической схеме от соответствующих дисперсионных элементов 32’, 32’’. Другая структурная возможность включает расширение сверхкоротких импульсов выше по технологической схеме от расщепителя 28 пучка и, после разделения расширенного импульса на два опорных сигнала, обрезание соответствующих полос пропускания.

[063] На фиг. 14 показана лазерная система 10 CPA согласно настоящему изобретению, имеющая гибридную волоконную структуру/структуру оптического элемента на объемных волнах узла 14 переключателя продолжительности импульсов. Как показано, расположенные раньше по технологической схеме дисперсионные элементы 32’, 32’’ имеют конфигурацию оптического элемента на объемных волнах, содержащую две отражательные решетки, две линзы, поляризатор, четвертьволновую пластину и пару ретрозеркал. Конфигурация свободного пространства элементов 32’ и 32’’ может быть выбрана из структур, включающих конфигурации Мартинеса и Трейси.

[064] Обратимся конкретно к фиг. 20, лазерная система 10 CPA с несколькими путями передачи опорного сигнала, в дополнение к ранее раскрытым двум путям 40’ и 40’’ передачи опорного сигнала, содержит третий путь 40’’’ передачи опорного сигнала. Последний проходит между третьим расщепителем 42 пучка и третьим объединителем 44, причем расщепитель 42 пучка расположен между затравкой 12 и расщепителем 28, а третий ответвитель 44 присоединен между оптическим объединителем 38. Расположенный раньше по технологической схеме дисперсионный элемент 32’’’, необязательный контур 22’ задержки и оптический переключатель 34’’’ расположены вдоль третьего пути 40’’’ передачи опорного сигнала, как раскрыто в ранее рассмотренных схемах. Добавление третьего пути передачи опорного сигнала обеспечивает возможность использования трех опорных сигналов, расширенных до соответствующих различных продолжительностей импульса, которые могут быть выборочно сжаты до желаемой продолжительности импульса в расположенном дальше по технологической схеме дисперсионном компоненте 20. Два и три пути передачи опорного сигнала являются лишь парой примеров переключателя продолжительности импульсов согласно настоящему изобретению. Соответственно, в объем настоящего изобретения входит любое разумное количество расщепителей и объединителей, определяющих более трех путей 40’, 40’’ и 40’’’ передачи опорного сигнала.

[065] Обращаясь к фиг. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17 и 19, сверхбыстрый затравочный лазер 12 не ограничен каким-либо конкретным типом или конфигурацией и выбран, среди прочих, из объемных лазеров с диодной накачкой с синхронизацией мод, волоконных и полупроводниковых лазеров с синхронизацией мод. Если затравочный лазер 12 имеет волоконную конфигурацию, иллюстративная структура раскрыта в патенте США 10193296, полностью включенном в настоящий документ посредством ссылки.

[066] Бустерный усилитель 18 может быть выбран из множества конфигураций, включая волоконную конфигурацию, конфигурацию на легированном редкоземельными ионами иттрий-алюминиевом гранате (YAG), дисковую конфигурацию и другие конфигурации усилителей. Независимо от конфигурации, бустерный усилитель 18 должен обеспечивать высокий коэффициент усиления для опорного сигнала или опорных сигналов, падающих на него. Пиковая мощность, достигающая уровня МВт, особенно выгодна для системы 10 CPA, снабженной ступенями преобразования частоты. Иллюстративные конфигурации волоконного бустерного усилителя 18 раскрыты в патентах США 7848368, 8068705, 8081667 и/или 9667023, тогда как конфигурация YAG раскрыта в публикации заявки на патент США 201662428628, включенной в настоящий документ посредством ссылки.

[067] Хотя в настоящем документе были описаны принципы настоящего изобретения, специалисты в данной области техники должны понимать, что это описание приведено только в качестве примера, а не в качестве ограничения объема настоящего изобретения. Другие варианты осуществления предусмотрены в объеме настоящего изобретения в дополнение к иллюстративным вариантам осуществления, показанным и описанным в настоящем документе. Модификации и замены, выполненные специалистом в данной области техники, считаются находящимися в пределах объема настоящего изобретения, которое не должно быть ограничено за исключением следующей формулы изобретения.

Изобретение относится к сверхбыстрой волоконной лазерной системе, способной переключать продолжительность импульса с высокой скоростью в режиме реального времени. Лазерная система CPA со сверхкороткими импульсами выполнена с расщепителем пучка, разделяющим каждый сверхкороткий импульс от затравочного лазера на два опорных сигнала, которые распространяются по соответствующим путям передачи. Каждый путь передачи опорного сигнала содержит дисперсионный элемент, расширяющий соответствующие опорные сигналы до различных продолжительностей импульса. Оптические переключатели расположены на соответствующих путях передачи опорного сигнала. Каждый оптический переключатель управляется с высокой скоростью переключения между положениями «включено» и «выключено», чтобы выборочно блокировать один из опорных сигналов или временно разделять опорные сигналы на выходе узла переключения. Опорные сигналы расширяются и на выходе получается последовательность сверхкоротких импульсов высокой пиковой мощности с продолжительностью импульса, выбранной из фемтосекундного - пикосекундного диапазона, и пиковой мощностью до уровня МВт. Технический результат – уменьшение времени настройки и сложности лазерной системы. 17 з.п. ф-лы, 22 ил.

1. Лазерная система с усилением чирпированных импульсов (CPA), содержащая:

разнесенные друг от друга сверхбыстрый затравочный лазер, выдающий последовательность импульсов, и бустерный усилитель;

по меньшей мере один расщепитель пучка, соединенный с выходом затравочного лазера и выполненный с возможностью расщепления каждого импульса, падающего на него, на два опорных сигнала, причем опорные сигналы распространяются по соответствующим путям передачи опорного сигнала, будучи чирпированными до продолжительности, превышающей продолжительность импульса; и

два импульсных переключателя, расположенных вдоль соответствующих путей передачи опорного сигнала и каждый из которых выполнен с возможностью управления для чередования между положением «включено», в котором опорный сигнал беспрепятственно распространяется в направлении бустерного усилителя, и положением «выключено», в котором распространение опорного сигнала блокируется.

2. Лазерная система CPA по п. 1, дополнительно содержащая два дисперсионных элемента, расположенных вдоль соответствующих путей передачи опорного сигнала раньше или дальше по технологической схеме от соответствующих импульсных переключателей, причем дисперсионные элементы выполнены с возможностью предоставления двух опорных сигналов с одинаковым или разным чирпом.

3. Лазерная система CPA по п. 1, в которой пути передачи опорного сигнала характеризуются соответствующими длинами оптического пути, которые равны или отличаются друг от друга.

4. Лазерная система CPA по п. 1, в которой оптические переключатели выполнены с возможностью управления так, что, в то время как один из оптических переключателей находится в положении «выключено», другой оптический переключатель находится в положении «включено».

5. Лазерная система CPA по п. 1, в которой оба оптических переключателя находятся либо в положении «включено», либо в положении «выключено», причем один из оптических переключателей расположен вдоль пути передачи опорного сигнала с длиной оптического пути, которая больше, чем длина другого пути передачи опорного сигнала, чтобы обеспечить временное разделение между опорными сигналами дальше по технологической схеме от оптических переключателей, когда два оптических переключателя находятся в положении «включено».

6. Лазерная система CPA по п. 1, дополнительно содержащая два спектральных фильтра, расположенных вдоль соответствующих путей передачи опорного сигнала и характеризующихся соответствующими полосами пропускания, которые отличаются друг от друга.

7. Лазерная система CPA по п. 1, дополнительно содержащая по меньшей мере один ответвитель пучка в оптической связи с нисходящими концами соответствующих путей передачи опорного сигнала, причем каждый из расщепителя пучка и ответвителя пучка представляет собой оптический компонент на объемных волнах или волоконный компонент, где оптический компонент на объемных волнах включает оптический элемент с диэлектрическим покрытием, а волоконный компонент представляет собой сплавной волоконный направленный ответвитель.

8. Лазерная система CPA по п. 2, дополнительно содержащая расположенный дальше по технологической схеме дисперсионный элемент, находящийся в оптической связи с нисходящими концами соответствующих путей передачи опорного сигнала, чтобы принимать распространяющийся опорный сигнал или опорные сигналы, причем каждый из расположенных раньше по технологической схеме дисперсионных элементов и расположенного дальше по технологической схеме дисперсионного элемента генерирует соответствующие дисперсии, которые равны или отличаются друг от друга и характеризуются соответствующими совпадающими или противоположными знаками.

9. Лазерная система CPA по п. 2, в которой каждый из расположенных раньше по технологической схеме дисперсионных элементов применяет к опорному сигналу такой чирп, что при попадании незаблокированного опорного сигнала на расположенный дальше по технологической схеме дисперсионный элемент он способен выдать сверхкороткий импульс с продолжительностью в фемтосекундном - наносекундном диапазоне.

10. Лазерная система CPA по п. 1, в которой сверхбыстрый затравочный лазер характеризуется конфигурацией, выбранной из группы, состоящей из волоконных лазеров, дисковых и полупроводниковых лазеров, причем волоконный генератор характеризуется архитектурой Фабри-Перо или кольцевой архитектурой.

11. Лазерная система CPA по п. 1, в которой бустерный усилитель представляет собой легированный редкоземельными ионами волоконный усилитель или усилитель на легированном редкоземельными ионами иттрий-алюминиевом гранате (YAG).

12. Лазерная система CPA по п. 8, в которой каждый из расположенных раньше и дальше по технологической схеме дисперсионных элементов представляет собой волоконную брэгговскую решетку (FBG), чирпированную FBG, объемную брэгговскую решетку (VBG), призму или объемную решетку.

13. Лазерная система CPA по п. 1, дополнительно содержащая:

по меньшей мере один второй расщепитель пучка, расположенный между затравочным лазером и одним расщепителем пучка и находящийся в оптической связи с ними,

по меньшей мере один второй ответвитель пучка между одним ответвителем пучка и бустерным усилителем, причем второй расщепитель пучка и второй ответвитель находятся в оптической связи друг с другом, определяя по меньшей мере один третий оптический путь, и

третий расположенный раньше по технологической схеме дисперсионный элемент и третий оптический переключатель, расположенные вдоль третьего оптического пути и находящиеся в оптической связи друг с другом.

14. Лазерная система CPA по п. 13, в которой третий дисперсионный элемент способен генерировать третий чирп, отличный от или такой же, как чирпы, генерируемые двумя расположенными раньше по технологической схеме дисперсионными элементами.

15. Лазерная система CPA по п. 14, дополнительно содержащая дополнительный спектральный фильтр, характеризующийся полосой пропускания, отличной от полос пропускания соответствующих спектральных фильтров в одном и других оптических путях.

16. Лазерная система CPA по п. 1, в которой каждый из импульсных переключателей представляет собой акустооптический модулятор (AOM), электрооптический модулятор (EOM) или переключатель на основе MEMS, работающий с минимальным временем переключения в пикосекундном - наносекундном диапазоне.

17. Лазерная система CPA по п. 1, дополнительно содержащая один или несколько нелинейных кристаллов генерирования высших гармоник, расположенных дальше по технологической схеме от расположенного дальше по технологической схеме дисперсионного элемента, причем каждый из нелинейных кристаллов оптимизирован для селективного преобразования одного из опорных сигналов для желаемой продолжительности преобразованного импульса.

18. Лазерная система CPA по п. 17, в которой каждый из нелинейных кристаллов оптимизирован путем выбора длины кристалла, температуры кристалла или оси кристалла или комбинации длины, температуры и оси кристалла для частотного преобразования выбранного опорного сигнала.