СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОИМПУЛЬСНЫХ ПАКЕТОВ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ
METHOD FOR FORMING MULTI-PULSE PACKETS OF FEMTOSECOND LASER PULSES

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для обработки материалов лазерным излучением.
Уровень техники
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Раскрытие изобретения
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.
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.
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.
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.
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.
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 блок-схема лазерного комплекса по настоящему изобретению.
На Фиг. 2 показана схема блока формирования пакета импульсов на основе волоконных делителей.
На Фиг. 3а изображен сформированный пакет импульсов.
На Фиг. 3б изображен сформированный пакет эквидистантно расположенных импульсов.
На Фиг. 4а показан вариант исполнения схемы блока формирования пакета импульсов на основе волоконных делителей с аттенюаторами.
На Фиг. 4б показан вариант исполнения схемы блока формирования пакета импульсов на основе волоконных делителей с аттенюаторами, формирующего пакет из трех ультракоротких лазерных импульсов.
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.
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.
0
0
1
0
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 ƒ. 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 ƒ. 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 ƒ (<ƒ), 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%.
2
2
1
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 ƒ, выражающейся в виде ƒ=ƒ/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.
12
13
1
12
12
13
13
12
13
2
15
15
16
16
15
16
15
16
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 L и L соответственно. Пара импульсов 22 и 23 приходят на делитель 14 задержанными во времени относительно друг друга на величину δТ=|αL-αL|, где α и α - 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 δТ=|αL-αL|, где α и α - коэффициенты обратно пропорциональные скоростям распространения импульса по волокнам 15 и 16, a L и L - 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.
12
13
15
16
1
2
1
2
1
2
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 L, L, L, L должны быть подобраны так, чтобы их попарные абсолютные разности времен распространения по ним не совпадали друг с другом, т.е. δТ≠δТ. При этом времена δТ и δТ соответствуют расстояниям между парами импульсов. Сформированный пакет импульсов при δТ≠δТ изображен на Фиг. 3а.
12
13
15
16
1
12
13
2
15
16
Предпочтительно, но не обязательно использование одинакового волокна в каналах 12, 13, 15, 16, при этом коэффициенты α, α, α, α совпадают друг с другом и задержки между импульсами, вносимые парами каналов, определяются разностями геометрических длин волокон 13, 14, 16, 17 и составляют δТ=α|L-L| и δT=α|L-L|, где α - коэффициент обратно пропорциональный скорости распространения излучения по используемому волокну.
2
1
2
1
1
1
2
1
2
Для получения пакета из четырех эквидистантно отстоящих друг от друга импульсов, длины световодов подбираются так, чтобы значение δТ отличалось от δТ ровно в два раза (в любую сторону, т.е. δТ может быть равным 2δТ либо δТ/2). Расстояние между двумя соседними импульсами в пакете при этом равно меньшей величине из δТ и δТ. Сформированный пакет из четырех эквидистантно расположенных импульсов при δТ=δТ/2 показан на Фиг. 3б.
12
13
15
16
1
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 |L-L|=3 см, |L-L|=6 см задержка между импульсами δТ 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.
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.
n-1
2
1
3
1
4
1
1
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 2, 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. δТ=2δТ, δТ=4δТ, δТ=8δТ и т.д., где δТ - минимальная разность времен распространения. Последовательность соединения составляющих каскадов может быть произвольной.
n-1
Формирование пакетов с другим количеством импульсов (не равным 2) 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.
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.
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.