RU2657305C2 - Method for forming multi-pulse packets of femtosecond laser pulses - Google Patents
Method for forming multi-pulse packets of femtosecond laser pulses Download PDFInfo
- Publication number
- RU2657305C2 RU2657305C2 RU2016130129A RU2016130129A RU2657305C2 RU 2657305 C2 RU2657305 C2 RU 2657305C2 RU 2016130129 A RU2016130129 A RU 2016130129A RU 2016130129 A RU2016130129 A RU 2016130129A RU 2657305 C2 RU2657305 C2 RU 2657305C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pulses
- laser
- pulse
- packet
- fiber
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 47
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 12
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 abstract description 17
- 230000003321 amplification Effects 0.000 abstract description 10
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 abstract description 10
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 13
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000009395 breeding Methods 0.000 description 1
- 230000001488 breeding effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000028161 membrane depolarization Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000001208 nuclear magnetic resonance pulse sequence Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
- H01S3/10038—Amplitude control
- H01S3/10046—Pulse repetition rate control
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Lasers (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Данное изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для обработки материалов лазерным излучением.This invention relates to laser technology and can be used for processing materials by laser radiation.
Уровень техникиState of the art
В настоящее время пико- и фемтосекундные лазеры находят все более широкое применение в лазерной микро-обработке. Для задач микрообработки материалов, как правило, необходимы импульсы с энергией от нескольких микроджоулей до сотен микроджоулей. При этом для некоторых материалов возникает необходимость в получении пакетов (групп) ультракоротких лазерных импульсов, отстоящих друг от друга во времени. Типично частота следования пакетов (групп) импульсов должна быть от нескольких килогерц до нескольких мегагерц. Количество импульсов в пакете, обычно не превышает десяти, поскольку дальнейшее увеличение количества импульсов (при сохранении суммарной лазерной энергии, приходящейся на весь пакет импульсов), как правило, не приводит к значимому росту эффективности процесса обработки, и поэтому нецелесообразно. Расстояние между соседними импульсами должно быть не менее десятка пикосекунд и не более нескольких наносекунд. Усиление ультракоротких лазерных импульсов до необходимых энергий, как правило, осуществляется по схеме усиления чирпированных импульсов с помощью регенеративного усилителя. Задача получения пакетов усиленных ультракоротких лазерных импульсов может быть решена как минимум двумя различными подходами. Одна схема предполагает усиление одиночного ультракороткого лазерного импульса, с его последующим «размножением» на несколько импульсов, образующих пакет. Другой подход заключается в формировании пакета низкоэнергетических ультракоротких импульсов на выходе лазерного генератора (до усиления) и усиление всего пакета импульсов как целого.Currently, pico- and femtosecond lasers are increasingly used in laser micro-processing. As a rule, pulses with energies from several microjoules to hundreds of microjoules are necessary for the tasks of microprocessing materials. Moreover, for some materials, it becomes necessary to obtain packages (groups) of ultrashort laser pulses that are separated from each other in time. Typically, the repetition rate of packets (groups) of pulses should be from several kilohertz to several megahertz. The number of pulses in a packet usually does not exceed ten, since a further increase in the number of pulses (while maintaining the total laser energy per pulse packet), as a rule, does not lead to a significant increase in the efficiency of the processing process, and therefore it is not practical. The distance between adjacent pulses should be at least a dozen picoseconds and not more than a few nanoseconds. Amplification of ultrashort laser pulses to the required energies, as a rule, is carried out according to the amplification of chirped pulses using a regenerative amplifier. The problem of obtaining packets of amplified ultrashort laser pulses can be solved by at least two different approaches. One scheme involves amplification of a single ultrashort laser pulse, with its subsequent “multiplication” by several pulses forming a packet. Another approach is to form a packet of low-energy ultrashort pulses at the output of the laser generator (before amplification) and to amplify the entire pulse packet as a whole.
Так, в патенте США 2006/0018349 А1 от 2006.01.26 раскрыт способ генерации последовательностей лазерных импульсов, позволяющий получать последовательности усиленных чирпированных лазерных импульсов на выходе регенеративного усилителя, усиливающего одиночные лазерные импульсы. Способ использует принцип усиления чирпированных импульсов с усилением в регенеративном усилителе с линейным резонатором, что позволяет применять его при работе с импульсами пико- и фемтосекундной длительности. Для получения пакета лазерных импульсов на выходе регенеративного усилителя используется поэтапная разгрузка резонатора за счет квази-ступенчатого изменения напряжения на ячейке Поккельса. Ступенчатый ход напряжения реализуется за счет электрической схемы коммутации. В данном способе возможность формирования различных огибающих пакета выходных импульсов существенно ограничена принципиальной монотонностью хода управляющего напряжения на ячейке Поккельса, что не позволяет, например, «пропускать» отдельные обходы резонатора и формировать «сложные» огибающие. Расстояние между соседними импульсами в пакете определяется длиной резонатора и для типичных резонаторов в таких схемах составляет до нескольких десятков наносекунд. Минимальное расстояние между соседними импульсами в пакете ограничено длиной резонатора (поскольку в нем размещаются оптические элементы для управления излучением и его усиления) и быстродействием доступных при текущем уровне техники генераторов высоковольтных импульсов, управляющих внутрирезонаторными ячейками Поккельса, эта величина составляет несколько наносекунд.So, in US patent 2006/0018349 A1 of 2006.01.26, a method for generating sequences of laser pulses is disclosed, which makes it possible to obtain sequences of amplified chirped laser pulses at the output of a regenerative amplifier amplifying single laser pulses. The method uses the principle of amplification of chirped pulses with amplification in a regenerative amplifier with a linear resonator, which allows it to be used when working with pulses of picosecond and femtosecond duration. To obtain a packet of laser pulses at the output of the regenerative amplifier, stage-by-stage unloading of the resonator is used due to a quasi-step change in voltage at the Pockels cell. The stepwise voltage path is realized due to the electrical switching circuit. In this method, the possibility of forming various envelopes of the packet of output pulses is substantially limited by the fundamental monotonicity of the control voltage path on the Pockels cell, which does not allow, for example, to “skip” individual bypasses of the resonator and form “complex” envelopes. The distance between adjacent pulses in the packet is determined by the length of the resonator and for typical resonators in such schemes is up to several tens of nanoseconds. The minimum distance between adjacent pulses in a packet is limited by the length of the resonator (since it contains optical elements for controlling the radiation and amplifying it) and the speed of the high-voltage pulse generators available at the current level of technology that control Pockels intracavity cells; this value is several nanoseconds.
Патент США 2007/0047601 А1 от 2007.03.01 описывает способ размножения лазерных импульсов, использующий закольцованную петлю оптической линии задержки в блочном исполнении содержащую ячейки Поккельса и усиливающий активный элемент. Петля линии задержки связана со входным оптическим сигналом через входной и выходной делители. Выходной делитель ориентирован таким образом, что он обеспечивает частичное пропускание s-поляризованной волны. Первая ячейка Поккельса осуществляет инжекцию входного импульса в линию задержки. В результате каждого обхода по линии задержки часть лазерного импульса покидает ее через выходной делитель и таким образом формирует отдельный лазерный импульс в выходном пакете. Усиливающий элемент компенсирует потери в линии задержки для того, чтобы выходные импульсы имели одинаковую энергию. После некоторого количества обходов линии обратной связи, лазерный импульс, циркулирующий по ней, выбрасывается с помощью второй ячейки Поккельса. Длина петли такой линии задержки, а именно она определяет расстояние между импульсами в выходном пакете, должна быть достаточно велика, чтобы внутри могли разместиться необходимые элементы. Кроме того, такой способ сам по себе довольно сложен, поскольку требует применения как лазерного активного элемента, так и электрооптических кристаллов, работа которых невозможна без соответствующих подсистем - накачки и высоковольтных источников.US patent 2007/0047601 A1 of 2007.03.01 describes a method for propagating laser pulses using a looped loop optical delay line in a block design containing Pockels cells and amplifying the active element. The delay line loop is connected to the input optical signal through the input and output dividers. The output divider is oriented in such a way that it provides partial transmission of the s-polarized wave. The first Pockels cell injects an input pulse into the delay line. As a result of each round trip along the delay line, a part of the laser pulse leaves it through the output divider and thus forms a separate laser pulse in the output packet. The amplifying element compensates for losses in the delay line so that the output pulses have the same energy. After a number of rounds of the feedback line, the laser pulse circulating along it is emitted using the second Pockels cell. The length of the loop of such a delay line, namely, it determines the distance between pulses in the output packet, must be large enough so that the necessary elements can be placed inside. In addition, this method itself is quite complicated, since it requires the use of both a laser active element and electro-optical crystals, the operation of which is impossible without the corresponding subsystems - pumping and high-voltage sources.
В патенте США 5293389 от 1994.03.08 рассматривается другой способ - формирование группы лазерных импульсов из одиночного лазерного импульса. Патент описывает способ и устройство для формирования последовательности эквидистантных во времени лазерных импульсов за счет применения закольцованной пассивной оптической линии задержки с преобразованием состояния поляризации. Для получения пакета импульсов одиночный лазерный импульс подается на поляризационный делитель. Одна часть (прошедшая или отраженная) направляется в дальнейшую часть схемы (рабочий канал) и становится первым импульсом в формируемом пакете, а другая (наоборот - отраженная или прошедшая) попадает в оптическую линию задержки. Линия задержки «закольцовывается», т.е. ее выход подается на тот же поляризационный делитель. В данной линии содержится элемент, изменяющий состояние поляризации излучения (в зависимости от конкретной реализации - на круговую, эллиптическую, другую линейную или в неполяризованное состояние). Из-за изменения поляризации лазерный импульс, прошедший по кольцу линии задержки, повторно делится на поляризаторе - одна часть попадает в рабочий канал и становится вторым импульсом в пакете, а другая возвращается обратно в линию задержки. Данная часть распространяется по линии задержки и опять частично выходит в рабочий канал в виде третьего импульса в пакете. В качестве линии задержки может применяться отрезок волоконного световода с входным и выходным коллиматорами, либо блочная зеркальная оптическая схема. Во втором случае в качестве элемента управляющего деполяризацией излучения используется фазовая пластинка. Для регулировки относительной энергии первого импульса в пакете между лазерным источником и «размножающим» устройством также может быть установлена фазовая пластинка.In US patent 5293389 from 1994.03.08 another method is considered - the formation of a group of laser pulses from a single laser pulse. The patent describes a method and apparatus for generating a sequence of time-equidistant laser pulses through the use of a looped passive optical delay line with the conversion of the polarization state. To obtain a packet of pulses, a single laser pulse is supplied to the polarization divider. One part (transmitted or reflected) is sent to the further part of the circuit (working channel) and becomes the first pulse in the generated packet, and the other (on the contrary, reflected or transmitted) falls into the optical delay line. The delay line is looped, i.e. its output is fed to the same polarization divider. This line contains an element that changes the state of radiation polarization (depending on the particular implementation, into a circular, elliptical, other linear or non-polarized state). Due to the change in polarization, the laser pulse passing through the ring of the delay line is re-divided by the polarizer - one part enters the working channel and becomes the second pulse in the packet, and the other returns back to the delay line. This part propagates along the delay line and again partially enters the working channel in the form of a third pulse in the packet. As a delay line, a segment of a fiber waveguide with input and output collimators, or a block mirror optical scheme can be used. In the second case, a phase plate is used as an element controlling radiation depolarization. To adjust the relative energy of the first pulse in the packet between the laser source and the "breeding" device can also be installed phase plate.
В патенте CN 103560391 от 2014.02.05 предложен другой способ формирования последовательностей лазерных импульсов, в котором размножение лазерных импульсов происходит за счет различия скоростей импульсов с различными поляризациями при распространении в кристаллическом двулучепреломляющем материале. Разделение исходного импульса на импульсы с различными поляризациями достигается за счет взаимной ориентации оптических осей двулучепреломляющих кристаллических элементов и поляризаторов, расположенных другом за другом. Описанный способ обладает принципиальным недостатком - в результате распространения излучения по двулучепреломляющим кристаллам, импульсы могут быть задержаны относительно друг друга на время не более 10 пс. Дальнейшее увеличение задержек между импульсами может быть реализовано за счет использования кристаллических элементов очень большой длины или в очень большом количестве, однако это существенно увеличивает стоимость реализации такого решения. Для дальнейшего увеличения расстояния между импульсами (до наносекунд) авторы 103560391 применяют дополнительные линии и петли задержки, устанавливаемые далее по ходу излучения. Получающееся в результате решение содержит до трех подсистем, в которых используются принципиально разные элементные базы: двулучепреломляющие кристаллы, блочные (не волоконные) поляризационные элементы и волоконно-оптические элементы. Причем последняя волоконная часть содержит поляризационно-чувствительные элементы (волоконные циркуляторы и волоконные контроллеры поляризации на изгибных потерях). Применение такой «гибридной» схемы формирования последовательности импульса делает ее технически сложной.In the patent CN 103560391 dated 2014.02.05, another method for generating sequences of laser pulses is proposed in which the propagation of laser pulses occurs due to the difference in the speeds of the pulses with different polarizations when propagating in a crystalline birefringent material. The separation of the initial pulse into pulses with different polarizations is achieved due to the mutual orientation of the optical axes of the birefringent crystalline elements and polarizers located one after another. The described method has a fundamental drawback - as a result of the propagation of radiation through birefringent crystals, the pulses can be delayed relative to each other for a period of not more than 10 ps. A further increase in the delays between pulses can be realized through the use of crystalline elements of a very large length or in a very large quantity, however, this significantly increases the cost of implementing such a solution. To further increase the distance between pulses (up to nanoseconds), the authors of 103560391 use additional lines and delay loops, which are installed further along the radiation path. The resulting solution contains up to three subsystems that use fundamentally different element bases: birefringent crystals, block (non-fiber) polarization elements, and fiber-optic elements. Moreover, the last fiber part contains polarization-sensitive elements (fiber circulators and fiber polarization controllers on bending losses). The use of such a “hybrid” pulse sequence formation circuit makes it technically difficult.
В патенте США 6067311 от 2000.05.23 раскрыт способ размножения лазерных импульсов. Этот способ используется для преобразования одиночных входных лазерных импульсов в четыре одинаковых лазерных импульса на выходе, разделенных во времени. Входной линейно-поляризованный лазерный импульс проходит через четвертьволновую пластинку, где его поляризация преобразуется в круговую. Р- и S-компоненты лазерного импульса разделяются с помощью поляризационного делителя. P-компонента проходит через делитель, a S-компонента направляется в схему задержки, содержащую пару зеркал и четвертьволновых пластинок. Пройдя через схему задержки, S-компонента следует по тому же пути, что Р-компонента, но оказывается запаздывающей относительно нее во времени. Далее, два разнесенных во времени импульса проходят через еще одну схему задержки с установленной перед ней четвертьволновой пластинкой. В результате этого каждый из двух лазерных импульсов оказывается разделенным еще на два, в результате на выходе формируется группа из четырех импульсов.US Pat. No. 6,067,311 of May 2, 2003 discloses a method for propagating laser pulses. This method is used to convert a single input laser pulse into four identical output laser pulses, separated in time. An input linearly polarized laser pulse passes through a quarter-wave plate, where its polarization is converted into a circular one. The P and S components of the laser pulse are separated using a polarization divider. The P-component passes through the divider, and the S-component is sent to a delay circuit containing a pair of mirrors and quarter-wave plates. After passing through the delay circuit, the S-component follows the same path as the P-component, but it turns out to be delayed relative to it in time. Further, two time-spaced pulses pass through another delay circuit with a quarter-wave plate installed in front of it. As a result of this, each of the two laser pulses is divided into two more, as a result, a group of four pulses is formed at the output.
Способы, описанные в патентах 5293389 от 1994.03.08 и 6067311 от 2000.05.23, являются ближайшими аналогами разработанного способа формирования пакета импульсов, но они обладают принципиальными недостатками. Расстояния между соседними импульсами в пакетах, получаемых описанными способами, определяются длиной линии или петли задержки. Линии задержки при этом должны иметь достаточную длину, чтоб в них могли разместиться управляющие поляризацией элементы. Это что приводит к ограничению минимально возможного расстояния между соседними импульсами в пакете в несколько наносекунд. Суммарная продолжительность таких пакетов получается достаточно большой, из-за чего инжекция такого пакета в резонатор регенеративного усилителя типичной длины становится затруднительной или технически невозможной.The methods described in patents 5293389 from 1994.03.08 and 6067311 from 2000.05.23, are the closest analogues of the developed method of forming a packet of pulses, but they have fundamental disadvantages. The distances between adjacent pulses in the packets obtained by the described methods are determined by the length of the line or delay loop. The delay lines should be of sufficient length so that they can accommodate the elements that control the polarization. This leads to the limitation of the minimum possible distance between adjacent pulses in a packet of several nanoseconds. The total duration of such packets turns out to be quite large, which is why the injection of such a packet into the cavity of a regenerative amplifier of a typical length becomes difficult or technically impossible.
Кроме того, способ, описанный в патенте 5293389, не позволяет получить пакет импульсов одинаковой энергии. Способ в патенте 6067311 лишен такого недостатка, и может быть использован для получения четырех одинаковых импульсов. Также принципиальным недостатком данных способов является их особенность, заключающаяся в том, что импульсы в формируемых пакетах имеют неодинаковые поляризации. Принципиально все импульсы из пакета могут быть приведены к одной поляризации, но возможности такого приведения ограничены. Например, быстродействие высоковольтных драйверов при повороте поляризации одиночных импульсов с помощью ячеек Поккельса ограничивает минимально допустимое расстояние между импульсами и также существенно удорожает систему.In addition, the method described in patent 5293389, does not allow to obtain a packet of pulses of the same energy. The method in patent 6067311 lacks such a drawback, and can be used to obtain four identical pulses. Also, a fundamental drawback of these methods is their feature, which consists in the fact that the pulses in the generated packets have different polarizations. In principle, all pulses from a packet can be reduced to one polarization, but the possibilities of such a reduction are limited. For example, the speed of high-voltage drivers when turning the polarization of single pulses using Pockels cells limits the minimum allowable distance between pulses and also significantly increases the cost of the system.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Таким образом, имеется необходимость в создании способа, лишенного недостатков ближайших аналогов, т.е. такого способа, который позволяет генерировать пакеты ультракоротких импульсов с расстоянием между соседними импульсами менее наносекунды усиленных до энергий до сотен микроджоулей и следующих с частотой от нескольких килогерц до сотен килогерц.Thus, there is a need to create a method devoid of the disadvantages of the closest analogues, i.e. such a method that allows you to generate packets of ultrashort pulses with a distance between adjacent pulses of less than a nanosecond amplified to energies of up to hundreds of microjoules and the following with a frequency of several kilohertz to hundreds of kilohertz.
Эта задача с достижением указанного технического результата решается в первом объекте настоящего изобретения за счет того, что предложен способ формирования пакетов ультракоротких импульсов, позволяющий получать пакеты лазерных импульсов с расстоянием между соседними импульсами менее 1 наносекунды, заключающийся в повторяющемся разделении лазерного импульса на два импульса, которые задерживаются во времени друг относительно друга и затем объединяются обратно. Разделение и объединение импульсов реализуется с помощью волоконных делителей, а задержка между импульсами за счет того, что лазерные импульсы между делителями распространения по волоконным каналам различных длине. Использование нескольких каскадов, каждый из которых включает в себя пару делителей и соединяющие их волоконные каналы, и их комбинаций позволяет построение схем, формирующих пакеты с различным количеством импульсов в них. Также допускается добавление в схемы аттенюаторов, ослабляющих энергию распространяющихся в соответствующем канале импульсов, для изменения огибающей формируемого пакета.This problem is achieved in the first object of the present invention with the achievement of the indicated technical result due to the fact that a method for generating ultrashort pulse packets is proposed, which makes it possible to obtain laser pulse packets with a distance between adjacent pulses of less than 1 nanosecond, which consists in repeating the separation of the laser pulse into two pulses, which delayed in time relative to each other and then combined back. Separation and combining of pulses is realized using fiber dividers, and the delay between pulses is due to the fact that the laser pulses between the propagation dividers along the fiber channels of different lengths. The use of several cascades, each of which includes a pair of dividers and fiber channels connecting them, and their combinations allows the construction of circuits forming packets with a different number of pulses in them. It is also allowed to add attenuators to the circuits that attenuate the energy of the pulses propagating in the corresponding channel to change the envelope of the packet being formed.
При использовании в составе лазерных технологических комплексов волоконное исполнение блока формирования пакетов по первому объекту изобретения допускает простую замену одного блока формирования на другой (с другими параметрами формируемых пакетов). Лазерные комплексы в таком случае могут комплектоваться набором таких блоков, которые могут быть меняться оператором при перенастройке комплекса на другие технологические режимы обработки.When used in the composition of laser technological complexes, the fiber design of the packet forming unit according to the first object of the invention allows the simple replacement of one forming unit with another (with other parameters of the formed packages). In this case, laser complexes can be equipped with a set of such blocks, which can be changed by the operator when reconfiguring the complex to other technological processing modes.
Особенность предложенного способа по объекту настоящего изобретения состоит в том, что расстояние между соседними импульсами определяется не длиной линии задержки, а разностью длин двух линий, и поэтому оно может быть уменьшено до значений, зависящих уже от точности, с которой отмеряются отрезки световодов.A feature of the proposed method according to the object of the present invention is that the distance between adjacent pulses is determined not by the length of the delay line, but by the difference in the lengths of two lines, and therefore it can be reduced to values that depend on the accuracy with which the segments of the optical fibers are measured.
Сформированные одним из этих способов пакеты лазерных импульсов имеют небольшую суммарную продолжительность (например, при четырех импульсах отстоящих друг от друга на 150 пикосекунд суммарная длительность пакета составляет 0.45 наносекунды), что позволяет инжектировать как целое пакет в резонатор регенеративного усилителя типичной длины (1-2 метра) с помощью одной ячейки Поккельса за однократно приложенный высоковольтный импульс (конечно, длительность такого высоковольтного импульса должна быть больше длительности всего пакета, но меньше периода обхода резонатора). После усиления такого пакета в усилителе, полную разгрузку резонатора (т.е. высвобождение всего пакета импульсов) также можно осуществить одной ячейкой Поккельса за однократное срабатывание.The laser pulse packets formed by one of these methods have a short total duration (for example, with four pulses 150 picoseconds apart, the total duration of the packet is 0.45 nanoseconds), which makes it possible to inject a regenerative amplifier of a typical length (1-2 meters) into the cavity ) using one Pockels cell for a once applied high-voltage pulse (of course, the duration of such a high-voltage pulse should be longer than the duration of the entire packet, but less after the cavity bypass period). After amplification of such a packet in the amplifier, complete unloading of the resonator (i.e., the release of the entire packet of pulses) can also be carried out with one Pockels cell for a single operation.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Настоящее изобретение иллюстрируется чертежами, на которых одинаковые или сходные элементы помечены одними и теми же ссылочными позициями.The present invention is illustrated by drawings in which the same or similar elements are marked with the same reference numerals.
На Фиг. 1 показана общая блок-схема лазерного комплекса по настоящему изобретению.In FIG. 1 shows a general block diagram of a laser complex of the present invention.
На Фиг. 2 показана схема блока формирования пакета импульсов на основе волоконных делителей.In FIG. 2 shows a diagram of a pulser packet forming unit based on fiber dividers.
На Фиг. 3а изображен сформированный пакет импульсов.In FIG. 3a shows a generated burst of pulses.
На Фиг. 3б изображен сформированный пакет эквидистантно расположенных импульсов.In FIG. 3b shows a generated packet of equidistant pulses.
На Фиг. 4а показан вариант исполнения схемы блока формирования пакета импульсов на основе волоконных делителей с аттенюаторами.In FIG. 4a shows an embodiment of a circuit for a pulse packet forming unit based on fiber dividers with attenuators.
На Фиг. 4б показан вариант исполнения схемы блока формирования пакета импульсов на основе волоконных делителей с аттенюаторами, формирующего пакет из трех ультракоротких лазерных импульсов.In FIG. 4b shows an embodiment of a circuit for a pulse packet forming unit based on fiber dividers with attenuators forming a packet of three ultrashort laser pulses.
Подробное описание вариантов осуществленияDetailed Description of Embodiments
Настоящее изобретение далее описывается со ссылками на прилагаемые чертежи посредством примеров его осуществления, которые являются иллюстративными, но не ограничивающими объем притязаний по настоящему изобретению, определяемый только нижеследующей формулой изобретения.The present invention is further described with reference to the accompanying drawings by way of examples of its implementation, which are illustrative, but not limiting the scope of the claims of the present invention, defined only by the following claims.
Лазерный комплекс, реализующий предложенный способ формирования многоимпульсных пакетов пико-/фемтосекундных лазерных импульсов в общем случае содержит (Фиг. 1): лазерный задающий генератор ультракоротких импульсов 1, стретчер 2, блок формирования пакета импульсов 3, усилители мощности 4, блок регенеративного усилителя 5, блок прореживания 6, блок компрессора 7, блок генерации оптических гармоник 8.A laser complex that implements the proposed method for generating multi-pulse packets of picosecond / femtosecond laser pulses in the general case contains (Fig. 1): a laser driving
Задающий генератор с синхронизацией мод 1, который в частном (но предпочтительном) случаем может быть реализован в волоконном исполнении, генерирует цуг ультракоротких пико- или фемтосекундных лазерных импульсов, следующих с частотой ƒ0. Цуг импульсов подается на стретчер 2, в котором происходит растяжение лазерных импульсов во времени (стретчирование). Предпочтительным является волоконное исполнение стретчера. Стретчированные импульсы поступают в блок формирования пакета импульсов 3, где каждый импульс из исходной последовательности преобразуется в пакет лазерных импульсов. Пакеты лазерных импульсов на выходе данного блока следуют друг за другом с частотой ƒ0. Все пакеты идентичны друг другу. Лазерный комплекс может содержать усилители мощности 4 (предпочтительно в волоконном исполнении), усиливающие лазерные импульсы, не изменяя их частоты следования. Далее импульсы подаются в лазерный регенеративный усилитель 5. Регенеративный усилитель содержит все неотъемлемые функциональные части (изолятор Фарадея, линейный или кольцевой резонатор, активный элемент(-ы), систему накачки, ячейки Поккельса). В регенеративном усилителе пакеты лазерных импульсов усиливаются на основе принципа лазерного усиления света посредством вынужденного излучения. Частота следования усиленных пакетов на выходе регенеративного усилителя понижается до частоты работы самого регенеративного усилителя ƒ1 (<ƒ0), которая может лежать в пределах от единиц герц до сотен килогерц. Источник накачки должен обеспечивать коэффициент усиления, достаточный для усиления пакета импульсов до энергии от 0.05 до 0.5 мДж. Такая энергия на выходе усилителя необходима, чтобы скомпенсировать конечное пропускание следующих подсистем комплекса (блока прореживания 6 и компрессора 7), типично составляющее 50-70%.A master oscillator with
После регенеративного усилителя усиленные пакеты импульсов проходят через блок прореживания 6, представляющий собой оптический селектор импульсов, в которой формируется прямоугольное или трапециевидное окно пропускания, покрывающее во времени весь пакет усиленных импульсов. Блок прореживания может быть реализован, например, в виде оптической схемы с электрооптической или акустооптической ячейкой. Блок прореживания 6 способен работать в режиме управления внешним сигналом для выделения требуемого количества пакетов лазерных импульсов, определяемого конкретным технологическим режимом обработки. Также блок прореживания может работать в режиме понижения частоты следования пакетов до ƒ2, выражающейся в виде ƒ2=ƒ1/N, где N - натуральное число. Усиленные пакеты импульсов направляются в компрессор 7, где происходит их обратное сжатие до пико- или фемтосекундных длительностей. Лазерный комплекс может комплектоваться блоком генерации оптических гармоник 8.After the regenerative amplifier, the amplified pulse packets pass through a
Варианты выполнения блока формирования пакета импульсов 3 описаны далее со ссылками на Фиг. 2, 3а, 3б, 4а и 4б. Каждый лазерный импульс 21 поступает по волоконному световоду 10 на первый волоконный делитель 11, где делится на два импульса 22 и 23, каждый из которых распространяется по своему волоконному каналу 12 и 13 в направлении следующего волоконного делителя 14. Волоконные каналы 13 и 14 имеют в общем случае различные длины L12 и L13 соответственно. Пара импульсов 22 и 23 приходят на делитель 14 задержанными во времени относительно друг друга на величину δТ1=|α12L12-α13L13|, где α12 и α13 - коэффициенты обратно пропорциональные скоростям распространения импульса по волокнам 12 и 13. Каждый из двух данных импульсов расщепляется еще на два импульса (22 на 24 и 26, 23 на 25 и 27), попадающие в волоконные каналы 15 и 16. Времена распространения излучения по каналам 15 и 16 отличаются друг от друга на δТ2=|α15L15-α16L16|, где α15 и α16 - коэффициенты обратно пропорциональные скоростям распространения импульса по волокнам 15 и 16, a L15 и L16 - соответственно геометрические длины этих волокон. Каждый из импульсов 24, 25, 26 и 27 разделяется делителем 17 на два импульса, которые на выходе делителя 17 оказываются в разных каналах 18 и 19 (импульс 24 делится на импульсы 28 и 32, 25 - на 29 и 33, 26 - на 30 и 34, 27 - на 31 и 35). Одна из этих сформированных групп импульсов (28, 29, 30, 31) следует по волокну 18, которое считается холостым каналом, и может быть использовано, например, для диагностики. Другая группа импульсов (32, 33, 34, 35) следует по волокну 19, которое считается рабочим каналом, и эта группа является сформированным пакетом лазерных импульсов, который будет усиливаться далее.Embodiments of the pulse
Для получения на выходе блока формирования пакета импульсов 3 четырех импульсов, из которых никакие два не совпадают друг с другом во времени, длины волоконных каналов L12, L13, L15, L16 должны быть подобраны так, чтобы их попарные абсолютные разности времен распространения по ним не совпадали друг с другом, т.е. δТ1≠δТ2. При этом времена δТ1 и δТ2 соответствуют расстояниям между парами импульсов. Сформированный пакет импульсов при δТ1≠δТ2 изображен на Фиг. 3а.In order to receive at the output of the pulse
Предпочтительно, но не обязательно использование одинакового волокна в каналах 12, 13, 15, 16, при этом коэффициенты α12, α13, α15, α16 совпадают друг с другом и задержки между импульсами, вносимые парами каналов, определяются разностями геометрических длин волокон 13, 14, 16, 17 и составляют δТ1=α|L12-L13| и δT2=α|L15-L16|, где α - коэффициент обратно пропорциональный скорости распространения излучения по используемому волокну.It is preferable, but not necessary, to use the same fiber in
Для получения пакета из четырех эквидистантно отстоящих друг от друга импульсов, длины световодов подбираются так, чтобы значение δТ2 отличалось от δТ1 ровно в два раза (в любую сторону, т.е. δТ2 может быть равным 2δТ1 либо δТ1/2). Расстояние между двумя соседними импульсами в пакете при этом равно меньшей величине из δТ1 и δТ2. Сформированный пакет из четырех эквидистантно расположенных импульсов при δТ1=δТ2/2 показан на Фиг. 3б.To obtain a packet of four pulses equidistantly spaced from each other, the lengths of the optical fibers are selected so that the value of δT 2 differs from δT 1 exactly two times (in any direction, i.e. δT 2 can be equal to 2δT 1 or δT 1/2 ) The distance between two adjacent pulses in the packet is equal to a smaller value of δT 1 and δT 2 . Formed package of four equidistant pulses? T 1 =? T 2/2 shown in FIG. 3b.
Поскольку расстояние между соседними импульсами определяется разностями длин волокон, данная схема может обеспечить формирование пакета импульсов с довольно малым расстоянием между соседними импульсами. Например, при использовании волокна типа Nufern РМ-980-ХР при |L12-L13|=3 см, |L15-L16|=6 см задержка между импульсами δТ1 составляет 150 пс. Формирование описанным способом пакетов импульсов, следующих с очень малыми интервалами между друг другом (10 пикосекунд и менее) технически затруднительно, поскольку в этом случае межимпульсное расстояние становится сравнимым с точностью, с которой отмеряются отрезки световода (10 пс соответствует точности отмера длин отрезков световода приблизительно ±0.2 мм). Максимальное возможное межимпульсное расстояние оказывается практически неограниченным, поскольку волоконные каналы могут иметь длину в десятки-сотни метров и более. Однако на практике целесообразно применение пакетов с межимпульсным расстоянием не более 10 нс, что соответствует разности длин волокон 20 см.Since the distance between adjacent pulses is determined by the difference in fiber lengths, this scheme can provide the formation of a packet of pulses with a fairly small distance between adjacent pulses. For example, when using fiber of the Nufern type PM-980-XP at | L 12 -L 13 | = 3 cm, | L 15 -L 16 | = 6 cm, the delay between pulses δT 1 is 150 ps. The formation by the described method of pulse packets following very short intervals between each other (10 picoseconds or less) is technically difficult, since in this case the interpulse distance becomes comparable with the accuracy with which the fiber sections are measured (10 ps corresponds to the accuracy of measuring the length of the fiber sections approximately ± 0.2 mm). The maximum possible inter-pulse distance is almost unlimited, since fiber channels can have a length of tens to hundreds of meters or more. However, in practice, it is advisable to use packets with an interpulse distance of not more than 10 ns, which corresponds to a fiber length difference of 20 cm.
На Фиг. 4а изображена модификация схемы блок формирования пакетов импульсов, в которой в каналы 13 и 16 установлены аттенюаторы 36 и 37 соответственно, предназначенные для ослабления лазерных импульсов, следующих по данным каналам. В качестве аттенюаторов могут быть применены волоконные аттенюаторы на изгибных потерях. Использование аттенюаторов позволяет регулировать относительную амплитуду импульсов, распространяющихся в данных каналах и тем самым изменять форму огибающей формируемого пакета. Аттенюаторы могут быть установлены в любые из каналов 12, 13, 15, 16.In FIG. 4a shows a modification of the circuit of the pulse packet forming unit, in which attenuators 36 and 37 are installed in
Предложенный способ исполнения блока формирования пакетов импульсов может быть модифицирован для получения пакетов с большим количеством импульсов за счет добавления к имеющейся схеме дополнительных последовательных каскадов делителей с соответствующими волоконными каналами различных длин. Количество импульсов в формируемых пакетах будет составлять 2n-1, где n - количество делителей (в изображенных на Фиг. 2 и 4а вариантах исполнения, n=3). Для формирования пакетов с эквидистантно задержанными импульсами разности времен распространения в парных волокнах (между двумя делителями) должны быть пропорциональны степеням 2, т.е. δТ2=2δТ1, δТ3=4δТ1, δТ4=8δТ1 и т.д., где δТ1 - минимальная разность времен распространения. Последовательность соединения составляющих каскадов может быть произвольной.The proposed method for executing a pulse packet forming unit can be modified to obtain packets with a large number of pulses by adding additional serial stages of dividers to the existing circuit with corresponding fiber channels of various lengths. The number of pulses in the generated packets will be 2 n-1 , where n is the number of dividers (in the versions shown in Fig. 2 and 4a, n = 3). To form packets with equidistantly delayed pulses, the differences in the propagation times in paired fibers (between two dividers) should be proportional to powers of 2, i.e. δT 2 = 2δT 1 , δT 3 = 4δT 1 , δT 4 = 8δT 1 , etc., where δT 1 is the minimum difference in propagation times. The sequence of connecting the component cascades can be arbitrary.
Формирование пакетов с другим количеством импульсов (не равным 2n-1) возможно за счет использования схем, в которых делители располагаются не в виде последовательности каскадов, а в виде их комбинаций друг с другом. Например, на Фиг. 4б изображена схема для получения пакета из трех импульсов одинаковой энергии. В этой схеме в выходном волоконном канале 19 делителя 17 формируется пакет из трех импульсов. Одинаковость энергии всех трех импульсов достигается с помощью аттенюаторов 38 и 39, настроенных на половинное ослабление.The formation of packets with a different number of pulses (not equal to 2 n-1 ) is possible due to the use of circuits in which the dividers are not arranged as a sequence of cascades, but in the form of their combinations with each other. For example, in FIG. 4b shows a circuit for receiving a packet of three pulses of the same energy. In this scheme, a packet of three pulses is formed in the
В случае работы блока формирования пакетов 3 в составе лазерного комплекса данный блок в волоконном исполнении может быть оборудован разъемными входными-выходными соединениями. Это позволит осуществлять оперативную замену одного блока в лазерном комплексе на другой (с другими параметрами формируемых пачек). Лазерный комплекс в таком случае может быть укомплектована набором блоков 3 с различными параметрами формируемых пакетов импульсов предназначенных для обработки материалов в различных режимах.In the case of the operation of the
Таким образом, предложенный способ позволяет формировать пакеты ультракоротких лазерных импульсов, с интервалами между соседними импульсами от 10 пс до 10 нс. Параметры получающихся пакетов импульсов, позволяют использовать такой способ при построении лазерных комплексов, реализующих принцип усиления чирпированных импульсов, для усиления таких пакетов до энергий, необходимых в технологических задачах микрообработки различных материалов.Thus, the proposed method allows the formation of packets of ultrashort laser pulses, with intervals between adjacent pulses from 10 ps to 10 ns. The parameters of the resulting pulse packets make it possible to use this method when constructing laser complexes that implement the principle of amplification of chirped pulses to amplify such packets to the energies necessary in the technological problems of microprocessing of various materials.
Claims (14)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016130129A RU2657305C2 (en) | 2016-07-22 | 2016-07-22 | Method for forming multi-pulse packets of femtosecond laser pulses |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016130129A RU2657305C2 (en) | 2016-07-22 | 2016-07-22 | Method for forming multi-pulse packets of femtosecond laser pulses |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016130129A RU2016130129A (en) | 2018-01-25 |
| RU2657305C2 true RU2657305C2 (en) | 2018-06-13 |
Family
ID=61024092
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016130129A RU2657305C2 (en) | 2016-07-22 | 2016-07-22 | Method for forming multi-pulse packets of femtosecond laser pulses |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2657305C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU233707U1 (en) * | 2024-12-26 | 2025-04-30 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Femtosecond pulse selector based on dynamic frequency divider |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2384126A (en) * | 2001-09-19 | 2003-07-16 | Mbda Uk Ltd | Optical pulse generator |
| US7769262B2 (en) * | 2005-12-09 | 2010-08-03 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Optical compressor and ultra-short pulse light source |
| US8023537B2 (en) * | 2006-03-29 | 2011-09-20 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Optical pulse train generator |
| CN103560391A (en) * | 2013-11-13 | 2014-02-05 | 上海朗研光电科技有限公司 | High-magnification discrete pulse broadening method for multi-level cascading polarization beam splitting |
-
2016
- 2016-07-22 RU RU2016130129A patent/RU2657305C2/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2384126A (en) * | 2001-09-19 | 2003-07-16 | Mbda Uk Ltd | Optical pulse generator |
| US7769262B2 (en) * | 2005-12-09 | 2010-08-03 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Optical compressor and ultra-short pulse light source |
| US8023537B2 (en) * | 2006-03-29 | 2011-09-20 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Optical pulse train generator |
| CN103560391A (en) * | 2013-11-13 | 2014-02-05 | 上海朗研光电科技有限公司 | High-magnification discrete pulse broadening method for multi-level cascading polarization beam splitting |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU233707U1 (en) * | 2024-12-26 | 2025-04-30 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Femtosecond pulse selector based on dynamic frequency divider |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016130129A (en) | 2018-01-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102674871B1 (en) | Laser system and method for generating very high repetition rate laser pulses | |
| KR102528882B1 (en) | Pulsed laser systems with time-modulated rate and/or amplitude | |
| US8374206B2 (en) | Combining multiple laser beams to form high repetition rate, high average power polarized laser beam | |
| US9166355B2 (en) | Directly driven source of multi-gigahertz, sub-picosecond optical pulses | |
| US10020632B2 (en) | UV-visible laser system having ultrashort highpower and/or high-energy pulses | |
| US7733922B1 (en) | Method and apparatus for fast pulse harmonic fiber laser | |
| US20220337017A1 (en) | Method for generating gigahertz bursts of pulses and laser apparatus thereof | |
| EP2250714A1 (en) | Generation of burst of laser pulses | |
| BR112017004051B1 (en) | Fiber pulse generator for emitting a pulse train | |
| US9525264B2 (en) | System and method for generating a burst of ultra-short, high-power laser pulses | |
| US12266901B2 (en) | Laser device for generating an optical frequency comb | |
| CN203012312U (en) | A Frequency Division Multiplexing Spectral Coherent Combination Amplifying Device | |
| CN106684688A (en) | Regenerative amplifier device with adjustable pulse energy and time intervals | |
| Favier et al. | Optimization of a Fabry-Perot cavity operated in burst mode for Compton scattering experiments | |
| CN109378695B (en) | High-average-power mode-locked laser generation system and method based on optical frequency comb locking | |
| Su et al. | On-demand multimode optical storage in a laser-written on-chip waveguide | |
| CN103762486B (en) | A kind of optical fiber laser exporting non-coherent bundle | |
| RU2657305C2 (en) | Method for forming multi-pulse packets of femtosecond laser pulses | |
| CN109378696B (en) | High-average power mode-locked laser generation system and method based on parallel frequency shifting | |
| CN103594915A (en) | Impulse sequence free regulation and control laser device and method for realizing impulse sequence free regulation and control through impulse sequence free regulation and control laser device | |
| JP3504592B2 (en) | Pulse laser generator and X-ray generator using the same | |
| CN110768092B (en) | Laser regenerative amplifier based on acousto-optic effect | |
| JP2001249367A (en) | Light generation method and light source | |
| RU2625623C1 (en) | Multi-channel electro-optical modulator (versions) | |
| RU2548394C1 (en) | Raman fibre pulsed laser |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HE9A | Changing address for correspondence with an applicant |