[发明专利]用于Q开关固体激光器中的首个脉冲优化的方法以及Q开关固体激光器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于借助Q开关固体激光器产生由多个单脉冲组成的、具有所希望的单脉冲脉冲特性的脉冲串的方法以及一种适合于实施该方法的Q开关固体激光器。

背景技术

在材料激光加工的许多领域中不再放弃考虑脉冲的Q开关固体激光器。这些加工系统的主要组成部件是真正的激光射束源，该激光射束源由谐振腔、激光活性介质和Q开关组成。使用掺杂有稀土离子(ND³⁺，Yb³⁺，Er³⁺)的基晶(YAG，YVO₄，YLF)作为激光活性介质。这些晶体的特征是具有从几十微秒到几毫秒荧光寿命的激光跃迁。由此这些晶体能够在Q开关激光谐振腔中存储在低Q状态期间泵浦到激光介质中的能量。该过程被称为建立反转。在从谐振腔低Q转换到谐振腔高Q时反转突然消减并且所存储的能量以呈短脉冲形式输出。作为Q开关通常使用声光调制器(AOM)或者电光调制器(EOM)。脉冲能量和脉冲峰值功率取决于有多少能量在低Q状态期间被泵浦到激光介质中，因此取决于低Q状态的持续时间。谐振腔从低Q到高Q的转换过程能够反复进行，使得该激光器相应于开关频率发射由短脉冲(具有从几纳秒到几微秒脉冲持续时间)组成的脉冲串。低Q状态的持续时间在脉冲串的各个脉冲之间是恒定不变的，因此这些脉冲具有几乎相同的能量和峰值功率。然而这不适用于脉冲串的首个脉冲。在该首个脉冲之前激光谐振腔明显更长时间地处于低Q状态，因此将明显更多的能量泵浦到激光活性介质中。因此脉冲串的首个脉冲通常比后续脉冲包含明显更多的能量和明显更高的峰值功率。

特别是在利用Q开关固体激光器进行激光标刻时，为了产生好的加工结果通常需要相同脉冲峰值功率和相同脉冲能量的均匀脉冲。例如在矢量标记时出现的标刻间歇(例如在从一个矢量的末尾跳跃到后一个矢量的开始时)要求：激光器不是发射一个连续的脉冲串，而是必须发射多个时间上受限的脉冲串。在多次应用标刻时，这些脉冲串的每个首个脉冲的过高产生标刻的明显可见的不均匀性。

已经知道不同的方法，用于在Q开关固体激光器中避免脉冲串的首个脉冲的脉冲能量或者脉冲峰值功率过高。

特别有利的是一种方法，在该方法中，Q开关在首个脉冲的发射期间不完全打开。该方法在US 4,675,872中被更详细地描述。在这里脉冲串的首个脉冲被控制减弱。这由此实现：Q开关(AOM，EOM)被这样控制，使得该Q开关在首个脉冲期间不是从低Q状态转换到高Q状态，而是转换到中等Q状态。在该中等Q状态虽然产生一个脉冲，但该脉冲具有减小的脉冲能量和脉冲峰值功率，因为谐振腔由于Q减小而使该脉冲遭受损失(例如在AOM中呈衍射损失的形式)。在该方法中通常不能实现：在激光晶体中存储的多余能量通过单独发射首个脉冲期间的损失被足够地消减。相反，多余能量的一部分保留在激光晶体中，使得需要减弱其它的后续脉冲。在这里，各个脉冲的脉冲能量和脉冲峰值功率关键取决于当时调定的Q，该Q例如在AOM上通过施加在AOM上的HF功率的幅值预先给定。Q开关的产生首个脉冲的最优减弱的相应控制参数不仅因激光器而特定，而且取决于激光器的工作点(泵浦功率、重复频率、脉冲间隔比例)。求得这些控制参数是费用高的并且是有问题的。

一种替换的方法在于，在发射各个脉冲发射之前如此控制泵浦功率，使得这些脉冲获得分别希望的脉冲能量或者脉冲峰值功率。在这里，泵浦功率的改变对于脉冲能量和脉冲峰值功率的作用也关键取决于激光器的工作点(泵浦功率、重复频率、脉冲间隔比例)。在这里，求得合适的控制参数也是费用高的并且是有问题的。

在这些已知的方法中，用于首个脉冲优化的控制参数的求得是“几乎静态的”，即这些参数或者固定地预先给定，或者根据标刻结果人工优化。替换地也可以提供不同参数组的列表，工具软件或者使用者从列表中选择最合适的。这些已知的方法由于下面的原因而不令人满意：首先，激光器在使用中在泵浦功率、重复频率和脉冲间隔比例变化的情况下运行，使得需要经常地人工优化或者必须提供非常大量的参数组并且选出适当的。第二，首个脉冲优化可能取决于应用，使得应用的变化需要控制参数组的人工优化或者必须提供更大量的参数组。第三，优化的参数组只适用于优化时刻的状态，当激光器Q以后改变时(光具变差，泵浦源退化，在AOM情况下HF驱动器退化等)，优化的参数在有些情况下不再合适并且需要手工干预。第四，通常必须对于每个工具个别地确定不同的参数组，因为最优参数值由于各个工具之间的元件差异和校正偏差而可能不同。