МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР (ВАРИАНТЫ)
MULTI-CHANNEL ELECTRO-OPTICAL MODULATOR (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в усилителях ультракоротких лазерных импульсов, в т.ч. в лазерных комплексах для технологий лазерного обработки материалов ультракороткими лазерными импульсами.
Уровень техники
Пико- и фемтосекундные лазеры в настоящее время широко применяются в задачах лазерной микрообработки материалов, в частности в технологии лазерного микромашининга. При микрообработке материалов ультракороткими лазерными импульсами энергия импульсов типично должна лежать в диапазоне нескольких микроджоулей до сотен микроджоулей. Получение фемтосекундных импульсов таких энергий возможно с применением технологии усиления чирпированных импульсов. Для получения усиленных импульсов, следующих с типичными для задач технологической обработки частотами следования (от нескольких сотен герц до сотен килогерц и единиц мегагерц), обычно применяются регенеративные усилители, имеющие линейный резонатор внутри которого располагаются собственно активная среда и вспомогательные элементы, управляющие работой усилителя. В частности, впрыск низкоэнергетичных лазерных импульсов в резонатор усилителя и выброс усиленных импульсов из него осуществляется с помощью ячеек Поккельса - электрооптических модуляторов.
Некоторые технологические задачи микрообработки материалов могут быть решены путем выбора особых режимов обработки, в частности за счет пачечного режима обработки, при котором на обрабатываемый образец вместо одиночного лазерного импульса подается группа из нескольких импульсов, следующих друг за другом с небольшим интервалом. Эта задача - формирование групп лазерных импульсов - может быть решена различными средствами.
Так, в патенте США 20100246611 А1 от 2010.03.27 предлагается метод для получения групп лазерных импульсов, заключающийся в вырезании групп импульсов из цуга с помощью электрооптического или акустооптического селектора импульсов, последующем формировании огибающей группы импульсов, и дальнейшем усилении всей группы с помощью усилителей мощности. При использовании данного подхода возможности усиления лазерных импульсов оказываются существенно ограничены. Большие коэффициенты усиления могут быть реализованы в регенеративных усилителях. Однако при работе с группой импульсов, инжекция такой группы импульсов в резонатор регенеративного усилителя может быть реализована при длине резонатора, превышающей суммарную длительность группы умноженную скорость света. Что при большой суммарной длительности группы требует резонаторов очень больших длин.
Принципиально другой подход к получению групп усиленных импульсов может быть реализован следующим образом. С помощью регенеративного усилителя одиночный лазерный импульс усиливается до необходимой энергии, а затем этот усиленный импульс расщепляется на насколько импульсов, задержанных относительно друг друга во времени.
Например, в патенте US 6067311 от 2000.05.23 описано устройство эксимерного лазера с системой размножения оптического импульса, которая в предпочтительном варианте исполняется в виде отдельного модуля. Система размножения способна преобразовывать один входной лазерный импульс в четыре 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. Р-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. На выходе такого устройства лазерные импульсы имеют неодинаковые энергии и поляризации, что может оказаться критичным для некоторых применений. Приведение импульсов к одинаковой поляризации возможно, но это либо требует применения дополнительной ячейки Поккельса (с наложением соответствующего ограничения на минимальное расстояние между соседними импульсами из-за технических возможностей высоковольтных генераторов доступных текущему уровню техники) либо, при использовании пассивных поляризационных устройств, сопровождается существенными потерями лазерной мощности.
Такого недостатка лишено устройство, представленное в патенте US 2007/0047601 А1 от 2007.03.01. Это устройство использует 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. Далее, при каждом обходе линии задержки часть лазерного импульса покидает ее через выходной делитель и таким образом формирует лазерный импульс в выходном сигнале. 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 в холостой выход. Такая схема обеспечивает на выходе последовательность импульсов с одинаковыми энергиями и поляризациями. Тем не менее, техническая сложность такой схемы (из-за наличия в ней усиливающего активного элемента и двух ячеек Поккельса) сопоставима со сложностью самого регенеративного усилителя.
Первоначальная задача может быть решена путем разработки устройства для получения группы усиленных импульсов сразу же на выходе резонатора регенеративного усилителя за счет постепенной разгрузки резонатора. При использовании обычного электрооптического модулятора, представляющего собой ячейку Поккельса с подключенным к ней генератором высоковольтных импульсов, реализация такой идеи оказывается невозможной, поскольку при современном уровне высоковольтной техники сформировать два и более высоковольтных импульсов, отстоящих друг от друга во времени на период обхода резонатора (типично один-два десятка наносекунд) и синхронизованных с моментами прохода через электрооптическую ячейку лазерного импульса невозможно. Таким образом поставленная задача требует нахождения нового технического решения.
Ближайшим аналогом к настоящему изобретению является устройство, раскрытое в патенте США 2006/0018349 А1 от 2006.01.26, где представлена лазерная система, формирующая последовательности пакетов усиленных лазерных импульсов на выходе регенеративного усилителя. Система использует принцип усиления чирпированных импульсов с усилением в регенеративном усилителе с линейным резонатором, что позволяет ей работать с импульсами пико- и фемтосекундной длительности. Для получения пакета лазерных импульсов на выходе регенеративного усилителя используется поэтапная разгрузка резонатора управление за счет квази-ступенчатого изменения напряжения на ячейке Поккельса. Ступенчатый ход напряжения реализуется за счет электрической схемы коммутации, через которую электрооптический кристалл соединен с источниками питания. Существенным недостатком этой системы можно считать, то, что возможность формирования различных огибающих группы выходных импульсов оказывается существенно ограниченной. Монотонность хода управляющего напряжения на ячейке Поккельса не позволяет, например, «пропускать» отдельные обходы резонатора и формировать «сложные» огибающие. Принципиальное отличие настоящего изобретения от представленного в патенте 2006/0018349 А1 заключается в многоканальности электрооптического модулятора, заключающейся в генерации нескольких отдельных коротких высоковольтных импульсов, а не одного квази-ступенчатого заднего фронта. Использование такого многоканального электрооптического модулятора позволяет осуществлять поэтапную разгрузку резонатора в произвольном режиме, т.е. в котором доля высвобождаемой из резонатора энергии на некотором очередном обходе резонатора не зависит от того какая часть энергии была высвобождена из резонатора на предыдущих обходах.
Раскрытие изобретения
Таким образом актуальным является поиск решения, которое позволит формировать группы лазерных импульсов с произвольными огибающими непосредственно на выходе регенеративного усилителя. Такие импульсы должны иметь энергию от десятка до нескольких сотен микроджоулей. Регенеративные усилители используют электрооптические модуляторы для как для инжекции низкоэнергиетичного лазерного импульса в резонатор, так и для высвобождения усиленного до необходимой энергии лазерного импульса из резонатора. В настоящем изобретении энергия усиленного импульса выбрасывается из резонатора не единовременно, а поэтапно, т.е. за несколько раз, в результате чего на выходе регенеративного усилителя образуется группа из нескольких лазерных импульсов, причем суммарная энергия всей группы импульсов с точностью до транспортных потерь равна энергии, до которой был усилен одиночный лазерный импульс в регенеративном усилителя, а расстояние между лазерными импульсами в группе совпадает с периодом обхода резонатора усилителя (или кратно ему). Эта задача с достижением указанного технического результата решается в настоящем изобретении за счет применения многоканального электрооптического модулятора, осуществляющего поэтапную разгрузку резонатора. Многоканальность здесь означает, что модулятор реализует приложение нескольких высоковольтных импульсов к ячейке Поккельса, каждый из которых приводит к частичному высвобождению лазерной энергии из резонатора, причем действие каждого канала независимо.
Многоканальный электрооптический модулятор состоит из ячейки Поккельса и подключенных к ней параллельно нескольких высоковольтных генераторов, формирующих колоколообразные высоковольтные импульсы с регулируемой амплитудой до четвертьволнового напряжения и длительностью менее периода обхода резонатора регенеративного усилителя. Ячейка Поккельса располагается на участке резонатора усилителя между поляризатором и одним из концевых зеркал. Каждый высоковольтный импульс, поданный на ячейку Поккельса приводит к тому, что при распространении лазерного импульса через ячейку Поккельса его линейная поляризация преобразуется в эллиптическую. Линейная компонента этой эллиптической поляризации перпендикулярная первоначальной линейной выводится из резонатора с помощью поляризатора, а компонента параллельная первоначальной остается в резонаторе. Таким образом осуществляется частичная разгрузка резонатора. Тот высоковольтный генератор, который срабатывает последним, формирует высоковольтный импульс с амплитудой равной четвертьволновому напряжению и при приложении такого импульса к ячейке Поккельса линейная поляризация лазерного импульса после его прохождения через ячейку в прямом и обратном направлениях преобразуется в линейную перпендикулярную первоначальной и в результате этого оставшийся лазерный импульс выводится из резонатора регенеративного усилителя полностью.
Высоковольтные генераторы подключаются к ячейке Поккельса параллельно с защитой от обратного напряжения при срабатывании других генераторов с помощью высоковольтных диодов.
Использование нескольких одинаковых высоковольтных генераторов, управляющих одиночными актами частичной разгрузки резонатора, позволяет регулировать порции высвобождаемой из резонатора лазерной энергии произвольным образом.
Рассмотрено два варианта исполнения. Первый - в котором один многоканальный электрооптический модулятор осуществляет и инжекцию низкоэнергетичного лазерного импульса в резонатор, и поэтапный выброс из него усиленного излучения. Во втором исполнении, актуальном для усилителей с непрерывной накачкой или накачкой длинными импульсами, в резонаторе имеется четвертьволновая пластинка, которая препятствует развитию свободной генерации. Кроме многоканального электрооптического модулятора, который осуществляет только поэтапную разгрузку резонатора, в резонаторе также имеется еще одна ячейка Поккельса, которая обеспечивает впрыск низкоэнергетичного лазерного импульса и под держание высокой добротности резонатора в течение фазы усиления за счет приложения квазипрямоугольного четвертьволнового высоковольтного импульса с резким передним фронтом.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение иллюстрируется чертежами, на которых одинаковые или сходные элементы помечены одними и теми же ссылочными позициями.
На Фиг. 1 показана общая схема оптической части резонатора регенеративного усилителя с ячейкой Поккельса многоканального электрооптического модулятора.
На Фиг. 2 показан вариант исполнения схемы оптической части резонатора регенеративного усилителя с ячейкой Поккельса многоканального электрооптического модулятора.
На Фиг. 3 показана схема совместного подключения высоковольтных генераторов к ячейке Поккельса.
Подробное описание вариантов осуществления
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.
Регенеративный усилитель имеет линейный резонатор, оканчивающийся зеркалами 1 и 2. Между этими зеркалами может быть установлено любое конечное число поворотных зеркал, поворачивающих ось резонатора. На Фиг. 1. К таким зеркалам относятся 3 и 4. Резонатор также содержит пару поляризаторов 5 и 6. Ось резонатора проходит между зеркалами и состоит из отрезков 7, 8, 9, 10, 11. Принципиальной является особенность резонатора, заключающаяся в следующем. Участки оси резонатора 7, 8, 9, лежат в одной плоскости, назовем ее горизонтальной. Участки оси резонатора 9, 10, 11 также лежат в одной плоскости, причем эта плоскость перпендикулярна предыдущей, т.е. вертикальна. На участке 7 в резонаторе размещается активный элемент (на Фиг. 1 не показан) и дополнительная пассивная оптика (зеркала, линзы), формирующая моду резонатора (на Фиг. 1. также не показаны). Поляризаторы 5 и 6 имеют высокий коэффициент отражения для S-поляризации (в данном случае горизонтальной) и высокий коэффициент пропускания для Р-поляризации (в данном случае вертикальной). Таким образом, в резонатор является высокодобротным для горизонтальной поляризации, на этой поляризации происходит усиление лазерного импульса. Вертикальная часть поляризации же выходит из резонатора через поляризаторы 5 или 6. Между поляризатором 6 и концевым зеркалом 1 на участке резонатора 11 размещается ячейка Поккельса 12. К ячейке Поккельса через контакты 13 параллельно подключаются восемь (или другое количество не меньшее трех) высоковольтных генераторов, формирующих высоковольтные колоколообразные импульсы с регулируемой амплитудой, длительность которых меньше периода полного обхода резонатора. Усилитель функционирует следующим образом. В активную среду поступает импульс накачки, создающий в ней запас энергии в виде инверсии населенностей. Низкоэнергетичный лазерный импульс инжекции вводится в резонатор вдоль направления 14. Этот импульс имеет вертикальную поляризацию и поэтому проходит через поляризатор 6 и попадает на участок резонатора 11. В момент прохождения лазерного импульса инжекции через ячейку Поккельса 12, на ее электроды 13 подается импульс высокого напряжения с амплитудой, равной четвертьволновому напряжению для данного электрооптического кристалла. Таким образом электрооптический кристалл ячейки Поккельса 12 действует на лазерное излучение как четвертьволновая пластинка. В результате двойного прохода лазерного импульса инжекции через ячейку 12 (в прямом направлении от поляризатора 6 к концевому зеркалу 2 и обратно от зеркала 2 к поляризатору 6) его поляризация преобразуется с вертикальной на горизонтальную и этот лазерный импульс отражается от поляризатора 6, а затем от поляризатора 5 в направлении зеркала 3 и распространяется по резонатору до другого концевого зеркала 2 и обратно к поляризаторам 5, 6 и к ячейке 12. К этому моменту действие высоковольтного импульса на ячейке 12 заканчивается, и она больше не преобразует поляризацию (за исключением малого собственного паразитного двулучепреломления). В результате этого поляризация лазерного импульса сохраняется горизонтальной, он оказывается таким образом инжектированным в резонатор и циркулирует по резонатору туда-обратно. После необходимого количества полных обходов резонатора (в зависимости коэффициента активной среды оно может быть от десятка до нескольких сотен) энергия усиливаемого импульса достигает необходимого значения и должна быть высвобождена из резонатора. Для этого на ячейку 12 прикладывают импульсы высокого напряжения. Максимум каждого высоковольтного импульса соответствует во времени моменту отражения лазерного импульса от зеркала 2 на очередном обходе резонатора. Амплитуды приложенного напряжения не превышают значения четвертьволнового напряжения, в результате чего поляризация циркулирующего импульса из линейной горизонтальной преобразуется в эллиптическую. Вертикально поляризованная компонента при распространении по участку «зеркало 2 - поляризатор 6» покидает резонатор через поляризатор 6 и следует по пути 14 в следующую часть схемы. Горизонтально поляризованная компонента отражается от поляризаторов 6 и 5 и остается в резонаторе. Таким образом энергия усиленного лазерного импульса высвобождается из резонатора не однократно, а за семь срабатываний ячейки Поккельса, в результате чего на выходе регенеративного усилителя получается группа из семи лазерных импульсов межимпульсным расстоянием равным периоду обхода резонатора усилителя. Поскольку амплитуды высоковольтных импульсов регулируются независимо друг от друга, на выходе можно сформировать группу импульсов с произвольной огибающей. Пропуск срабатывания одного или нескольких высоковольтных генераторов может обеспечить отсутствие данного лазерного импульса в выходной группе. Очевидно, что суммарная энергия группы лазерных импульсов на выходе равна (с точностью до малых паразитных потерь) энергии лазерного импульса, циркулировавшего по резонатору.
Следует отметить, что данная схема может работать и в «обычном» режиме однократной разгрузки резонатора. Для этого амплитуда первого разгружающего резонатор высоковольтного импульса устанавливается равной четвертьволновому напряжению, в результате чего вся усиленная энергия выходит из резонатора усилителя в виде одиночного импульса.
В данном исполнении для формирования группы импульсов из N на выходе необходимо N+1 высоковольтных генераторов. При современном уровне развития техники высоковольтные генераторы, даже имеющие оригинальные специализированные решения, имеют мертвое время (задержка между запускающим низковольтным импульсом и выходным высоковольтным импульсом) от сотни наносекунд, что на порядок превышает время обхода типичных резонаторов (от десятка наносекунд).
Другой вариант исполнения приведен на Фиг. 2. Данный вариант исполнения может быть использован в регенеративных усилителях с непрерывной накачкой. На участке резонатора размещается четвертьволновая пластинка 15 и две ячейки Поккельса 12 и 16. Между фазами усиления резонатор регенеративного усилителя оказывается низкодобротным за счет потерь, вносимых четвертьволновной пластинкой с поляризатором, это препятствует возникновению свободной генерации в резонаторе при непрерывной накачке. Для впрыска лазерного импульса инжекции используется ячейка Поккельса 16, на которую подается высоковольтный импульс. Этот импульс имеет передний фронт продолжительностью меньшей чем период обхода резонатора, длинную полку постоянного четвертьволнового напряжения, длительность которой превышает продолжительность фазы усиления и задний фронт. Передний фронт осуществляет впрыск одиночного лазерного импульса инжекции в резонатор. Длинная полка четвертьволнового напряжения обеспечивает высокую добротность резонатора в течение фазы усиления. Разгрузка резонатора осуществляется с помощью ячейки Поккельса 12 многоканального электрооптического модулятора. К этой ячейке подключаются параллельно восемь высоковольтных генераторов, формирующих короткие колоколообразные высоковольтные импульсы. Разгрузка резонатора так же как и в первом варианте исполнения осуществляется путем приложения высоковольтных импульсов при последовательных обходах резонатора. В данном варианте исполнения все восемь высоковольтных генераторов, подключенных к ячейке 12 реализуют разгрузку резонатора, потому что на впрыск осуществляется другой ячейкой Поккельса 16 со своим высоковольтным генератором.
В качестве высоковольтных генераторов используются схемы формирования высоковольтных импульсов на основе дрейфовых диодов с быстрым восстановлением. Высоковольтные генераторы подключаются к ячейке Поккельса параллельно. Для защиты схем формирования от обратного напряжения в выходных цепях применяются быстродействующие высоковольтные диоды с малой проходной емкостью. Данное схемное решение позволяет нескольким высоковольтным генераторам с одной нагрузкой без существенного изменения формы выходных высоковольтных импульсов.