CN106684688B - 一种脉冲能量和时间间隔可调节的再生放大装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲能量和时间间隔可调节的再生放大装置以及利用所述再生放大装置产生可控脉冲的方法，通过控制同步触发器控制电光Q开关驱动源，进而改变电光Q开关两端的电压，完成储能阶段和脉冲放大阶段的切换，通过控制电光Q开关开启或断开的时间长短以及脉冲放大阶段和下个储能阶段的时间间隔，实现对脉冲串中脉冲的时间间隔和能量任意控制。

Description

一种脉冲能量和时间间隔可调节的再生放大装置

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别是指一种脉冲能量和时间间隔可调节的再生放大装置。

背景技术

在激光超快(皮秒或飞秒)加工中，烧蚀效果与脉冲能量成对数关系，脉冲串模式(Burst Mode)可显著提高材料烧蚀速度。通过这种模式可以将相同的总能量分配到几个脉冲中，然后通过脉冲叠加来达到更高的去除量。“BurstMode”模式有效地提高了激光加工能力，并大大拓展了其应用领域。该模式已被证明在加工导体材料(如钢和硬质合金)时非常有效。例如，测试结果表明，特定条件下，使用五个连续脉冲串来代替单一脉冲，可以使烧蚀率提高5到10倍。

现有脉冲串模式(Burst Mode)是基于超短脉冲的MOPA(主振荡功率放大)技术路线，主振荡器产生高重复频率(MHz～数十MHz)的超短脉冲，利用脉冲选单***选出特定重复频率的脉冲串进入后续功率放大***进行放大。

但是，发明人在实现本申请的技术方案的同时，发现现有技术存在以下缺点：

1)、脉冲串中的多个脉冲时间间隔恒定，由主振荡器的重复频率决定；

2)、脉冲串中的脉冲的能量可控性差，只能控制以特定斜率上升或下降。

现有的脉冲串模式的不变的脉冲时间间隔和特定的脉冲能量的可操控性差等问题，不能适应多种加工材料。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种对脉冲串中脉冲的时间间隔和能量任意控制，进而具有更高灵活性的再生放大装置。

基于上述目的本发明实施例提供的一种脉冲能量和时间间隔可调节的再生放大装置，包括：

光学部分和电学部分；

所述光学部分按照光传播方向依次包括锁模振荡器、光隔离***和再生放大器，其中，所述锁模振荡器用于产生种子脉冲序列，所述光隔离***按照光传播方向依次包括第一偏振器件、法拉第旋转器和二分之一波片，所述再生放大器包括泵浦源、第一镜片、增益晶体、第二偏振器件、四分之一波片、电光Q开关和第二镜片，经所述光隔离***的入射光入射至所述第二偏振器件并经所述第二偏振器件反射后在所述再生放大器中放大；

所述电学部分包括同步触发器和电光Q开关驱动源，所述同步触发器分别与所述锁模振荡器和所述电光Q开关驱动源电连接，所述电光Q开关驱动源与所述电光Q开关电连接；

所述同步触发器用于锁定所述种子脉冲序列，并通过控制所述电光Q开关驱动源的开启或关断的时刻，控制所述光学部分输出的脉冲的脉冲能量和相邻两个脉冲之间的时间间隔。

进一步地，所述同步触发器具体用于：

根据预设脉冲能量控制所述电光Q开关驱动电源的第i开启时刻以及与所述第i开启时刻对应的第i关断时刻；

根据预设脉冲时间间隔确定与所述第i关断时刻对应的第i+1开启时刻，根据第i+1预设脉冲能量控制与所述第i+1开启时刻对应的第i+1关断时刻，i＝1,2….N-1，N为一次储能过程需要释放的脉冲个数，N为大于或等于2的正整数。

进一步地，所述同步触发器用于产生第一控制信号和第二控制信号，所述第一控制信号用于控制所述电光Q开关驱动源的开启，所述第二控制信号用于控制所述电光Q开关驱动源的关断。

进一步地，所述种子脉冲序列的偏振特性为水平偏振或垂直偏振。

基于上述目的，本发明还提供一种利用所述的脉冲能量和时间间隔可调节的再生放大装置产生可控脉冲串的方法，包括储能阶段和脉冲放大阶段，脉冲放大阶段可以释放多个放大脉冲：

在储能阶段，在第一时间段内控制同步触发器进而控制电光Q开关驱动源，使电光Q开关加压为0V，所述锁模振荡器发出的种子脉冲先后经过第一偏振器件、法拉第旋转器和二分之一波片后为垂直偏振，经第二偏振器件入射到再生放大器中，经镜第二镜片反射，先后两次经过四分之一波片，被旋转90°变成水平偏振后进入再生增益介质放大，返程后经第二镜片反射两次次经过四分之一波片，水平偏振被旋转90°变为垂直偏振，经第二偏振器件透射输出；

在脉冲放大阶段，当种子脉冲进入再生腔变为水平偏振时，在第i开启时刻，控制同步触发器进而控制电光Q开关驱动源，开启电光Q开关，种子脉冲两次通过电光晶体和四分之一波片后偏振特性未发生变化，锁定在再生放大器中，多次通过增益介质提取能量；当放大脉冲到达预定脉冲能量后，在第i关断时刻，控制同步触发器进而控制电光Q开关驱动源，关闭电光Q开关，放大脉冲两次通过四分之一波片变为垂直偏振，通过第二偏振器件透射输出；根据预设脉冲时间间隔确定与所述第i关断时刻对应的第i+1开启时刻，根据第i+1预设脉冲能量控制与所述第i+1开启时刻对应的第i+1关断时刻，

其中，i＝1,2….N-1，N为一次储能过程需要释放的脉冲个数，N为大于或等于2的正整数；

重复上述过程，持续输出脉冲串，即可控制产生脉冲的能量和时间间隔，进而输出可控脉冲串。

从上面所述可以看出，本发明提供的脉冲能量和时间间隔可调节的再生放大装置以及利用所述装置产生可控脉冲的方法，通过控制同步触发器控制电光Q开关驱动源，进而改变电光Q开关两端的电压，完成储能阶段和脉冲放大阶段的切换，通过控制变电光Q开关开启或断开的时间长短以及脉冲放大阶段和下个储能阶段的时间间隔，实现对脉冲串中脉冲的时间间隔和能量任意控制。

附图说明

图1为本发明实施例的脉冲能量和时间间隔可调节的再生放大装置示意图；

图2为本发明实施例的再生放大装置的脉冲串工作示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提供的一种脉冲能量和时间间隔可调节的再生放大装置，包括：光学部分和电学部分；所述光学部分按照光传播方向依次包括锁模振荡器、光隔离***和再生放大器，其中，所述锁模振荡器用于产生种子脉冲序列，所述光隔离***按照光传播方向依次包括第一偏振器件、法拉第旋转器和二分之一波片，所述再生放大器包括泵浦源、第一镜片、增益晶体、第二偏振器件、四分之一波片、电光Q开关和第二镜片，经所述光隔离***的入射光入射至所述第二偏振器件并经所述第二偏振器件反射后在所述再生放大器中放大；

所述电学部分包括同步触发器和电光Q开关驱动源，所述同步触发器分别与所述锁模振荡器和所述电光Q开关驱动源电连接，所述电光Q开关驱动源与所述电光Q开关电连接；

所述同步触发器用于锁定所述种子脉冲序列，并通过控制所述电光Q开关驱动源的开启或关断的时刻，控制所述光学部分输出的脉冲的脉冲能量和相邻两个脉冲之间的时间间隔。

本发明实施例还提供一种利用上述装置产生可控脉冲的方法，

包括储能阶段和脉冲放大阶段，脉冲放大阶段可以释放多个放大脉冲：

在储能阶段，在第一时间段内控制同步触发器进而控制电光Q开关驱动源，使电光Q开关加压为0V，所述锁模振荡器发出的种子脉冲先后经过第一偏振器件、法拉第旋转器和二分之一波片后为垂直偏振，经第二偏振器件入射到再生放大器中，经镜第二镜片反射，先后两次经过四分之一波片，被旋转90°变成水平偏振后进入再生增益介质放大，返程后经第二镜片反射两次次经过四分之一波片，水平偏振被旋转90°变为垂直偏振，经第二偏振器件透射输出；

在脉冲放大阶段，当种子脉冲进入再生腔变为水平偏振时，在第i开启时刻，控制同步触发器进而控制电光Q开关驱动源，开启电光Q开关，种子脉冲两次通过电光晶体和四分之一波片后偏振特性未发生变化，锁定在再生放大器中，多次通过增益介质提取能量；当放大脉冲到达预定脉冲能量后，在第i关断时刻，控制同步触发器进而控制电光Q开关驱动源，关闭电光Q开关，放大脉冲两次通过四分之一波片变为垂直偏振，通过第二偏振器件透射输出；根据预设脉冲时间间隔确定与所述第i关断时刻对应的第i+1开启时刻，根据第i+1预设脉冲能量控制与所述第i+1开启时刻对应的第i+1关断时刻，

其中，i＝1,2….N-1，N为一次储能过程需要释放的脉冲个数，N为大于或等于2的正整数；

重复上述过程，持续输出脉冲串，即可控制产生脉冲的能量和时间间隔，进而输出可控脉冲串。

本发明提供的脉冲能量和时间间隔可调节的再生放大装置以及利用所述装置产生可控脉冲的方法，通过控制同步触发器控制电光Q开关驱动源，进而改变电光Q开关两端的电压，完成储能阶段和脉冲放大阶段的切换，通过控制变电光Q开关开启或断开的时间长短以及脉冲放大阶段和下个储能阶段的时间间隔，实现对脉冲串中脉冲的时间间隔和能量任意控制。

如图1所示，为本发明实施例的脉冲能量和时间间隔可调节的再生放大装置示意图。从图中可以看出，本实施例的再生放大装置包括光学部分和电学部分；

所述光学部分按照光传播方向依次包括锁模振荡器1、光隔离***2和再生放大器3，其中，所述锁模振荡器1用于产生种子脉冲序列，所述光隔离***2按照光传播方向依次包括第一偏振器件201、法拉第旋转器202和二分之一波片203，所述再生放大器3包括泵浦源301、第一镜片302、增益晶体303、第二偏振器件304、四分之一波片305、电光Q开关306和第二镜片307，经所述光隔离***2的入射光入射至所述第二偏振器件304并经所述第二偏振器件304反射后在所述再生放大器3中放大；

所述电学部分包括同步触发器4和电光Q开关驱动源5，所述同步触发器5分别与所述锁模振荡器1和所述电光Q开关驱动源5电连接，所述电光Q开关驱动源5与所述电光Q开关306电连接；

所述同步触发器4用于锁定所述种子脉冲序列，并通过控制所述电光Q开关驱动源5的开启或关断的时刻，控制所述光学部分输出的脉冲的脉冲能量和相邻两个脉冲之间的时间间隔。

所述同步触发器具体用于：根据预设脉冲能量控制所述电光Q开关驱动电源的第i开启时刻以及与所述第i开启时刻对应的第i关断时刻；根据预设脉冲时间间隔确定与所述第i关断时刻对应的第i+1开启时刻，根据第i+1预设脉冲能量控制与所述第i+1开启时刻对应的第i+1关断时刻，i＝1,2….N-1，N为一次储能过程需要释放的脉冲个数，N为大于或等于2的正整数。

所述同步触发器用于产生第一控制信号和第二控制信号，所述第一控制信号用于控制所述电光Q开关驱动源的开启，所述第二控制信号用于控制所述电光Q开关驱动源的关断。可选的，第一控制信号为触发信号A，第二控制信号位触发信号B，其中触发信号A用于触发所述电光Q开关驱动源5的工作，触发信号B用于触发所述电光Q开关驱动源5的关断。电光Q开关驱动源5为所述电光Q开关306提供时间长度可调节的高压驱动信号，进而控制电光Q开关两端的电压。

可选的，在本实施例中，种子脉冲序列的偏振特性为水平偏振，在本发明的其他实施例中，根据具体需求，所述种子脉冲序列的偏振特性也可以为垂直偏振。

如图2所示，为本发明实施例的再生放大装置的脉冲串工作示意图。

通过控制同步触发器输出触发信号，实现再生放大器脉冲串工作模式，同时控制触发信号的时序对脉冲串中脉冲的时间间隔和能量进行编程，具体实现方法如下：

1)储能阶段

电光Q开关加压为0V时，激光通过电光Q开关的晶体不引入光程差。此时四分之一波片与第二镜片使激光偏振特性旋转90°，致使再生腔输出率为100％，阻止了自激振荡的产生；主振荡器发出的种子脉冲先后经过第一偏振器件、法拉第旋转器与二分之一波片后为垂直偏振，经第二偏振器件入射到再生放大器的再生腔中，偏振激光经镜第二镜片反射，先后两次经过四分之一波片，被旋转90°变成水平偏振进入再生增益介质放大，经第一镜片反射返程后经第二反射二次经过四分之一波片，水平偏振被旋转90°，再由第二偏振片透射输出，输出激光由光隔离***隔离输出。储能阶段持续时间对应图中的t0时间段。

2)脉冲串放大阶段

当种子脉冲进入再生腔变为水平偏振时，在1时刻同步触发器给电光Q开关驱动源提供触发信号A，开启电光Q开关，再生放大腔处于低损耗状态。种子脉冲两次通过电光Q开关的晶体和四分之一波片后偏振特性未发生变化，就可以锁定脉冲保留在腔内，多次通过增益介质提取能量。此放大阶段持续时间对应图中的t1时间段，可通过改变t1的长短来控制放大脉冲的能量。当放大脉冲到达预定脉冲能量后，在2时刻同步触发器给电光Q开关驱动源提供触发信号B，关断电光Q开关。放大脉冲两次通过四分之一波片变为垂直偏振，通过第二偏振器件透射输出，再由光隔离***隔离输出。

经过时间间隔为Δt1后，当种子脉冲进入再生腔变为水平偏振时，在3时刻同步触发器给电光Q开关驱动源提供触发信号A，开启电光Q开关，再生放大腔处于低损耗状态。种子脉冲两次通过电光晶体和四分之一波片后偏振特性未发生变化，保留在再生放大器的再生腔内，多次通过增益介质提取能量。此放大阶段持续时间为t2，可通过改变t2的长短来控制放大脉冲的能量。当放大脉冲到达预定脉冲能量后，在4时刻同步触发器给电光Q开关驱动源提供触发信号B，关断电光Q开关。放大脉冲两次通过四分之一波片变为垂直偏振，通过第二偏振器件透射输出，再由光隔离***隔离输出。则在先的放大脉冲和在后的放大脉冲之间的时间间隔为Δt1和t2之和，而且可调整Δt1来改变两放大脉冲之间的时间间隔。

依次类推，再生放大器可输出N个放大脉冲，完成一个脉冲串周期，此周期持续时间为T＝t0+t1+Δt1+…+tN。之后再次进入储能阶段。

3)再生放大器重复步骤1)和2)，按照工作重复频率持续输出超快脉冲串。

当利用上述方法实现对脉冲串中脉冲的时间间隔和能量任意控制时，可以根据实际需要，根据脉冲串中的N个脉冲的脉冲能量，预先设定每个脉冲放大过程的持续时间，以及相邻脉冲的时间间隔，根据上述持续时间和时间间隔编程设定一个时刻表，所述时刻表中为时间点，在对应时点控制所述电光Q开关驱动源提供对应的触发信号，也可以根据上述持续时间和时间间隔编程设定一个时段表，所述时段表包括第一时间点和N-1个后续时间段，在第一时间点以及每过一个后续时间段，控制所述电光Q开关驱动源提供对应的触发信号。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种脉冲能量和时间间隔可调节的再生放大装置，其特征在于，包括：

光学部分和电学部分；

所述光学部分按照光传播方向依次包括锁模振荡器、光隔离***和再生放大器，其中，所述锁模振荡器用于产生种子脉冲序列，所述光隔离***按照光传播方向依次包括第一偏振器件、法拉第旋转器和二分之一波片，所述再生放大器包括泵浦源、第一镜片、增益晶体、第二偏振器件、四分之一波片、电光Q开关和第二镜片，经所述光隔离***的入射光入射至所述第二偏振器件并经所述第二偏振器件反射后在所述再生放大器中放大；

所述电学部分包括同步触发器和电光Q开关驱动源，所述同步触发器分别与所述锁模振荡器和所述电光Q开关驱动源电连接，所述电光Q开关驱动源与所述电光Q开关电连接；

所述同步触发器用于锁定所述种子脉冲序列，并通过控制所述电光Q开关驱动源的开启或关断的时刻，控制所述光学部分输出的脉冲的脉冲能量和相邻两个脉冲之间的时间间隔。

2.根据权利要求1所述的再生放大装置，其特征在于，所述同步触发器具体用于：

根据预设脉冲能量控制所述电光Q开关驱动电源的第i开启时刻以及与所述第i开启时刻对应的第i关断时刻；

根据预设脉冲时间间隔确定与所述第i关断时刻对应的第i+1开启时刻，根据第i+1预设脉冲能量控制与所述第i+1开启时刻对应的第i+1关断时刻，i＝1,2….N-1，N为一次储能过程需要释放的脉冲个数，N为大于或等于2的正整数。

3.根据权利要求2所述的再生放大装置，其特征在于，所述同步触发器用于产生第一控制信号和第二控制信号，所述第一控制信号用于控制所述电光Q开关驱动源的开启，所述第二控制信号用于控制所述电光Q开关驱动源的关断。

4.根据权利要求1所述的再生放大装置，其特征在于，所述种子脉冲序列的偏振特性为水平偏振或垂直偏振。

5.一种利用如权利要求1到4中任一项所述的脉冲能量和时间间隔可调节的再生放大装置产生可控脉冲串的方法，其特征在于，包括储能阶段和脉冲放大阶段，脉冲放大阶段可以释放多个放大脉冲：

在储能阶段，在第一时间段内控制同步触发器进而控制电光Q开关驱动源，使电光Q开关加压为0V，所述锁模振荡器发出的种子脉冲先后经过第一偏振器件、法拉第旋转器和二分之一波片后为垂直偏振，经第二偏振器件入射到再生放大器中，经第二镜片反射，先后两次经过四分之一波片，被旋转90°变成水平偏振后进入再生所述增益晶体放大，返程后经第二镜片反射两次经过四分之一波片，水平偏振被旋转90°变为垂直偏振，经第二偏振器件透射输出；

在脉冲放大阶段，当种子脉冲进入再生腔变为水平偏振时，在第i开启时刻，控制同步触发器进而控制电光Q开关驱动源，开启电光Q开关，种子脉冲两次通过所述电光Q开关和四分之一波片后偏振特性未发生变化，锁定在再生放大器中，多次通过所述增益晶体提取能量；当放大脉冲到达预定脉冲能量后，在第i关断时刻，控制同步触发器进而控制电光Q开关驱动源，关闭电光Q开关，放大脉冲两次通过四分之一波片变为垂直偏振，通过第二偏振器件透射输出；根据预设脉冲时间间隔确定与所述第i关断时刻对应的第i+1开启时刻，根据第i+1预设脉冲能量控制与所述第i+1开启时刻对应的第i+1关断时刻，

其中，i＝1,2….N-1，N为一次储能过程需要释放的脉冲个数，N为大于或等于2的正整数；

重复上述过程，持续输出脉冲串，即可控制产生脉冲的能量和时间间隔，进而输出可控脉冲串。