具有可调节脉冲重复频率的无源Q开关激光器转让专利
申请号 : CN200610002382.7
文献号 : CN100590939C
文献日 : 2010-02-17
发明人 : 雷戈尔·苏怀特 , 吉恩-菲利普·菲威
申请人 : JDS尤尼弗思公司
摘要 :
本发明公开了一种方法，用于改变无源Q开关激光器的脉冲重复率而同时保持激光辐射的其它特性。激光器使用序列泵浦脉冲进行光泵浦，所述泵浦脉冲包括在非零功率水平之间的变更且以两个可调节的参数为特征。通过同时改变可调节的参数，激光器的脉冲重复率可被改变，而同时保持激光能量、脉冲激光辐射的扩散和脉冲激光辐射的光谱为恒定水平。在一个实施例中，所述序列泵浦脉冲包括泵浦功率补偿，在激光重复率被改变时，调节所述泵浦功率补偿的振幅和/或持续时间。
权利要求 :
1.一种运行具有可变激光脉冲重复频率的无源Q开关激光器的方法，其包括：
a)提供激光腔，所述激光腔包含增益元件和用于无源Q开关的装置；
b)将序列泵浦脉冲提供到所述增益元件，所述序列泵浦脉冲具有脉冲周期T1，从 而产生第一重复频率的脉冲激光辐射，其中，所述序列泵浦脉冲中的各个泵浦脉冲在泵 浦前脉冲之后，所述泵浦前脉冲由具有不足以引起激光的泵浦脉冲功率的泵浦辐射形 成；
c)将所述序列泵浦脉冲的脉冲周期从T1变化到T2，从而产生第二重复频率的脉 冲激光辐射；和d)将所述泵浦前脉冲的脉冲功率进行调节，从而补偿所述脉冲周期从T1到T2的 所述变化引起的所述增益元件的热载荷的变化，其中，如果T1小于T2，则所述泵浦前 脉冲的功率增加。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述泵浦前脉冲的脉冲功率在步 骤d)中变化到依赖于T2而被选择的值，从而当所述脉冲周期从T1变化到T2时，将激 光脉冲能量、稳定运行的激光温度范围、输出激光脉冲能量的相对标准偏差、所述脉冲 激光辐射的射束扩散、所述脉冲激光辐射的光谱和激光脉冲的建立时间中的至少之一保 持在恒定水平。
3.根据权利要求2中所述的方法，其特征在于，所述泵浦前脉冲的脉冲功率在步 骤d)中使用激光校准数据而被变化到所选择的值，这为依赖于所述脉冲重复频率的所述 泵浦前脉冲的脉冲功率提供了最优设置，其中，所述最优设置通过在校准阶段变化所述 脉冲重复频率并选择将激光特性保持在恒定水平的所述泵浦前脉冲的脉冲功率而获得， 其中，所述激光特性是所述脉冲激光辐射的脉冲能量、稳定运行的激光温度范围、输出 激光脉冲能量的相对标准偏差、所述脉冲激光辐射的射束扩散、所述脉冲激光辐射的光 谱和所述脉冲激光辐射的激光脉冲的建立时间之一。
4.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述泵浦前脉冲的脉冲能量在步 骤d)中被调节，从而当所述脉冲周期从T1变化到T2时，将平均泵浦功率保持在恒定 水平。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其特征在于，步骤b)包括将连续波 功率补偿提供给所述增益元件，从而形成泵浦脉冲之间的所述泵浦前脉冲。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤d)包括改变所述连续波功率补 偿的振幅，从而调节所述泵浦前脉冲的脉冲功率。
7.一种用于可调Q开关的激光设备，包括：
激光腔，所述激光腔包含增益元件和用于所述激光腔的无源Q开关的装置；
泵浦装置，所述泵浦装置使用序列泵浦脉冲以泵浦所述增益元件，以产生具有可变 重复频率的脉冲激光输出，所述序列泵浦脉冲具有脉冲周期T1，其中，所述泵浦序列 脉冲中的各个脉冲在泵浦前脉冲之后，所述泵浦前脉冲由具有不足以引起激光的泵浦脉 冲功率的泵浦辐射形成；和控制装置，所述控制装置用于控制所述序列泵浦脉冲和改变所述脉冲激光输出的脉 冲重复频率，同时通过将所述序列泵浦脉冲的脉冲周期从T1变化到T2以及如果T1大 于T2增加所述泵浦前脉冲的脉冲功率或如果T1小于T2减少所述泵浦前脉冲的脉冲功 率，而当所述脉冲周期从T1变化到T2时补偿所述增益元件的热载荷的变化，来保持所 述增益元件的热载荷为恒定水平。
8.根据权利要求7所述的激光设备，其特征在于，所述光泵浦装置包括两个光泵 浦激光器，以及在运行中，所述泵浦激光器中至少一个以脉冲机制运行。
9.根据权利要求7所述的激光设备，其特征在于，所述光泵浦装置包括激光二极 管，所述激光二极管在运行中由激光二极管驱动电流激励。
10.根据权利要求9所述的激光设备，其特征在于，所述控制装置包括用于改变激 光二极管驱动电流的装置。
11.根据权利要求7至10中任意一项所述的激光设备，其中所述序列泵浦脉冲包 括在两个不同的非零功率水平之间的变更。
说明书 :
技术领域
[1]本发明一般涉及脉冲光泵浦激光器，更具体地涉及具有可变重复频率的无源Q开 关二极管泵浦固体激光器。
背景技术
[2]无源Q开关二极管泵浦固体激光器因其富有效率、紧凑且可使用在可见和UV(紫 外)波长范围内，而被广泛用于要求脉冲辐射的光源中。然而，在它们的标准运行模式 中，它们以固定重复频率产生脉冲，所述固定重复频率经常被称作自由振荡频率，这使 得在要求可调节脉冲重复频率的应用中难于采用这些激光器。尽管已经公开了改变无源 Q开关激光器脉冲重复频率的方法，但是将这些激光器应用到那些要求重复频率不受激 光特性约束的场合下仍有难度，所述激光特性譬如脉冲能量、脉冲稳定性、光束波形和 扩散。
[3]基质辅助激光解吸/电离(MALDI)质谱分析是这种应用的一个例子，典型地要求UV 激光器具有从数十赫兹到几千赫兹UV的范围内的脉冲重复频率和非常稳定的特性。
[4]在无源Q开关中，激光腔典型地包括增益元件和夹在两个激光镜之间的饱和吸收 器，所述增益元件典型的是激光晶体小片，此后也被称为激光微芯片。增益媒质通过泵 浦辐射源被泵浦，优选高能激光二极管。在最普通的连续波泵浦模式中，激光二极管以 恒定功率Pump连续泵浦增益媒质；在操作开始，饱和吸收器处于高损耗状态，通过有效 堵塞腔内光通道来阻止发射激光行为。通过感应建立增益媒质中高于阈值电平的激光跃 迁的粒子数反转，连续的泵浦给增益元件施加能量。一旦在连续波泵浦下粒子数反转达 到某一临界值，激光跃迁波长λ处相关的放大的固有光辐射的强度达到一个值，所述值 足以引起饱和吸收器中光损耗的突然降低，打开激光谐振腔并导致快速形成类似雪崩的 激光脉冲。激光脉冲将集聚的能量排出谐振腔，使得粒子数反转远低于阈值。在脉冲结 束后，饱和吸收器转换回高损耗状态，进而粒子数反转建立的过程重新开始。粒子数反 转从低的脉冲后的值达到临界值所需要的时间Bup，常被称为建立时间，确定自由振荡 脉冲重复频率Ffree≈1/Bup。
[5]图1示出了无源Q开关激光器的自由振荡运行的时序图，图中使用以由时间间隔 Bup分离的光脉冲20的形式示出连续波泵浦的功率Pump和激光器光输出。
[6]图2是示出了通过使用脉冲泵浦，现有技术的无源Q开关激光器的运行方法的时 序图，此时脉冲重复频率为F而不是Ffree。在这种方法中，泵浦11在每个脉冲21后被 停止，且在选择的时间延迟13后重新开始，以使脉冲间的时间周期T≥Bup。这样，脉 冲重复频率F＝1/T＜Ffre。
[7]下文中被称作固定频率模式的这个运行模式的缺陷在于，只要重复频率F被改变， 增益元件的热载荷就改变，如下文中所解释的那样。所述变化的热载荷会改变增益元件 内的温度分布，从而导致激光微芯片中典型产生的热透镜的改变，所述热透镜是由于增 益元件内泵浦吸收产生的热量而产生的，这明显影响激光器辐射的许多特性，譬如脉冲 能量、射束发散性、脉冲稳定性等。
[8]由于泵浦吸收，增益元件的热载荷可被定义为在微芯片中产生的热量，因此该热 载荷在整个激光器运行中甚至在重复频率改变时必须被保持恒定。这个热载荷是平均泵 浦功率Pave的函数，所述平均泵浦功率以热量的形式耗散在增益元件中。对于前述脉冲 运行方法，该平均耗散泵浦功率Pheat近似由方程式(1)给出：
[9]Pheat＝αβPave (1)
[10]其中α是热载荷系数，即在增益元件中被耗散为热量的被吸收的光功率部分，β是 由微芯片吸收的平均光功率的系数。
[11]对于二极管泵浦激光器，在固定频率模式中的平均光功率由方程式(2)给出：
[12]Pave＝(I-Ith)Rη (2)
[13]其中η是激光二极管的斜率效率，它典型为大约1W/A，Ith和I分别是激光器二极 管的阈值电流和提供泵浦脉冲的激光器电流，R是二极管的占空比，所述占空比为建立 时间与脉冲间周期之比：
[14]R＝Bup/T＝FBup. (3)
[15]微芯片内耗散的热量或热载荷与占空比R成正比例且与重复频率F成比例变化， 这遵循方程式(1)，(2)和(3)。
[16]J.Zayhosky等在IEEE J.ofQuantum Electronics，vol.38，n.11，pp.1449-1454，2002发 表的文章中公开了一种Q开关激光器系统，其中，其泵浦功率是如此的高，以致于在感 兴趣的重复频率范围内的建立时间与脉冲周期T相比较显得非常小，所以在此范围内热 载荷近似保持为常数。然而这种方法要求非常高的泵浦功率且对允许的重复频率变化的 范围有限制。
[17]Deutsch等的美国专利6,038,240公开了一种方法和固体激光器系统，用于产生具 有可变脉冲重复频率和恒定束特性的激光脉冲，其中使用一系列泵浦脉冲泵浦有源Q开 关激光器，当重复频率变化时占空比R保持为常数，以及其中通过相对于各个泵浦脉冲 的起点以固定时间延迟打开有源Q开关来由外部触发激光脉冲。这种方法，尽管对有源 Q开关激光器系统提供了某些益处，但对于无源Q开关激光器，重复频率范围被限制在 Ffree和0.5×Ffree之间，因为没有触发第二激光脉冲，泵浦脉冲不能比2Bup长。
[18]Kneip等的美国专利6,418,154公开了一种具有有源Q开关的脉冲二极管泵浦固体 激光器，其中Q开关和二极管阵列由控制器协调控制，以使响应泵浦光脉冲而产生的激 光器输出脉冲具有相同能量，而不依赖于激光器输出脉冲之间的时间间隔。在此发明中， 泵浦光脉冲一结束，外部就主动的触发激光脉冲，并且二极管激光器阵列被设置成在每 一个泵浦光脉冲结束和其随后的泵浦光脉冲开始之间来传送足够的额外的泵浦光至增 益媒质，以使所述增益媒质中的增益在各个泵浦光脉冲开始时是相同的，而不依赖于所 述泵浦光脉冲之间的时间间隔。在泵浦脉冲之间的另外泵浦光被用于保持增益最小值， 以在泵浦结束后及时补偿粒子数反转时的指数衰减，这是泵浦脉冲开始时产生激光的初 始条件，所述泵浦脉冲开始取决于连续脉冲间的时间周期，从而当泵浦脉冲重复频率改 变时将导致激光脉冲能量的变化。这种泵浦增益媒质的方法，尽管对于有源Q开关激光 器看来像是实现了它想要的功能，但可能导致平均泵浦光功率依赖重复频率，因此，至 少在具有无源Q开关的微芯片激光器的情况中，可能导致激光器特性依赖于重复频率而 变化。
[19]因此，本发明的目的是提供一种Q开关激光器装置及其运行方法，用于产生序列 激光脉冲，其中激光脉冲的特性在其宽范围内实质上不依赖于它们的重复频率。
[3]基质辅助激光解吸/电离(MALDI)质谱分析是这种应用的一个例子，典型地要求UV 激光器具有从数十赫兹到几千赫兹UV的范围内的脉冲重复频率和非常稳定的特性。
[4]在无源Q开关中，激光腔典型地包括增益元件和夹在两个激光镜之间的饱和吸收 器，所述增益元件典型的是激光晶体小片，此后也被称为激光微芯片。增益媒质通过泵 浦辐射源被泵浦，优选高能激光二极管。在最普通的连续波泵浦模式中，激光二极管以 恒定功率Pump连续泵浦增益媒质；在操作开始，饱和吸收器处于高损耗状态，通过有效 堵塞腔内光通道来阻止发射激光行为。通过感应建立增益媒质中高于阈值电平的激光跃 迁的粒子数反转，连续的泵浦给增益元件施加能量。一旦在连续波泵浦下粒子数反转达 到某一临界值，激光跃迁波长λ处相关的放大的固有光辐射的强度达到一个值，所述值 足以引起饱和吸收器中光损耗的突然降低，打开激光谐振腔并导致快速形成类似雪崩的 激光脉冲。激光脉冲将集聚的能量排出谐振腔，使得粒子数反转远低于阈值。在脉冲结 束后，饱和吸收器转换回高损耗状态，进而粒子数反转建立的过程重新开始。粒子数反 转从低的脉冲后的值达到临界值所需要的时间Bup，常被称为建立时间，确定自由振荡 脉冲重复频率Ffree≈1/Bup。
[5]图1示出了无源Q开关激光器的自由振荡运行的时序图，图中使用以由时间间隔 Bup分离的光脉冲20的形式示出连续波泵浦的功率Pump和激光器光输出。
[6]图2是示出了通过使用脉冲泵浦，现有技术的无源Q开关激光器的运行方法的时 序图，此时脉冲重复频率为F而不是Ffree。在这种方法中，泵浦11在每个脉冲21后被 停止，且在选择的时间延迟13后重新开始，以使脉冲间的时间周期T≥Bup。这样，脉 冲重复频率F＝1/T＜Ffre。
[7]下文中被称作固定频率模式的这个运行模式的缺陷在于，只要重复频率F被改变， 增益元件的热载荷就改变，如下文中所解释的那样。所述变化的热载荷会改变增益元件 内的温度分布，从而导致激光微芯片中典型产生的热透镜的改变，所述热透镜是由于增 益元件内泵浦吸收产生的热量而产生的，这明显影响激光器辐射的许多特性，譬如脉冲 能量、射束发散性、脉冲稳定性等。
[8]由于泵浦吸收，增益元件的热载荷可被定义为在微芯片中产生的热量，因此该热 载荷在整个激光器运行中甚至在重复频率改变时必须被保持恒定。这个热载荷是平均泵 浦功率Pave的函数，所述平均泵浦功率以热量的形式耗散在增益元件中。对于前述脉冲 运行方法，该平均耗散泵浦功率Pheat近似由方程式(1)给出：
[9]Pheat＝αβPave (1)
[10]其中α是热载荷系数，即在增益元件中被耗散为热量的被吸收的光功率部分，β是 由微芯片吸收的平均光功率的系数。
[11]对于二极管泵浦激光器，在固定频率模式中的平均光功率由方程式(2)给出：
[12]Pave＝(I-Ith)Rη (2)
[13]其中η是激光二极管的斜率效率，它典型为大约1W/A，Ith和I分别是激光器二极 管的阈值电流和提供泵浦脉冲的激光器电流，R是二极管的占空比，所述占空比为建立 时间与脉冲间周期之比：
[14]R＝Bup/T＝FBup. (3)
[15]微芯片内耗散的热量或热载荷与占空比R成正比例且与重复频率F成比例变化， 这遵循方程式(1)，(2)和(3)。
[16]J.Zayhosky等在IEEE J.ofQuantum Electronics，vol.38，n.11，pp.1449-1454，2002发 表的文章中公开了一种Q开关激光器系统，其中，其泵浦功率是如此的高，以致于在感 兴趣的重复频率范围内的建立时间与脉冲周期T相比较显得非常小，所以在此范围内热 载荷近似保持为常数。然而这种方法要求非常高的泵浦功率且对允许的重复频率变化的 范围有限制。
[17]Deutsch等的美国专利6,038,240公开了一种方法和固体激光器系统，用于产生具 有可变脉冲重复频率和恒定束特性的激光脉冲，其中使用一系列泵浦脉冲泵浦有源Q开 关激光器，当重复频率变化时占空比R保持为常数，以及其中通过相对于各个泵浦脉冲 的起点以固定时间延迟打开有源Q开关来由外部触发激光脉冲。这种方法，尽管对有源 Q开关激光器系统提供了某些益处，但对于无源Q开关激光器，重复频率范围被限制在 Ffree和0.5×Ffree之间，因为没有触发第二激光脉冲，泵浦脉冲不能比2Bup长。
[18]Kneip等的美国专利6,418,154公开了一种具有有源Q开关的脉冲二极管泵浦固体 激光器，其中Q开关和二极管阵列由控制器协调控制，以使响应泵浦光脉冲而产生的激 光器输出脉冲具有相同能量，而不依赖于激光器输出脉冲之间的时间间隔。在此发明中， 泵浦光脉冲一结束，外部就主动的触发激光脉冲，并且二极管激光器阵列被设置成在每 一个泵浦光脉冲结束和其随后的泵浦光脉冲开始之间来传送足够的额外的泵浦光至增 益媒质，以使所述增益媒质中的增益在各个泵浦光脉冲开始时是相同的，而不依赖于所 述泵浦光脉冲之间的时间间隔。在泵浦脉冲之间的另外泵浦光被用于保持增益最小值， 以在泵浦结束后及时补偿粒子数反转时的指数衰减，这是泵浦脉冲开始时产生激光的初 始条件，所述泵浦脉冲开始取决于连续脉冲间的时间周期，从而当泵浦脉冲重复频率改 变时将导致激光脉冲能量的变化。这种泵浦增益媒质的方法，尽管对于有源Q开关激光 器看来像是实现了它想要的功能，但可能导致平均泵浦光功率依赖重复频率，因此，至 少在具有无源Q开关的微芯片激光器的情况中，可能导致激光器特性依赖于重复频率而 变化。
[19]因此，本发明的目的是提供一种Q开关激光器装置及其运行方法，用于产生序列 激光脉冲，其中激光脉冲的特性在其宽范围内实质上不依赖于它们的重复频率。
发明内容
[20]依据本发明，提供一种用来改变无源Q开关激光器的激光脉冲重复频率而同时保 持激光辐射的特性的方法，所述方法包括：a)提供激光腔，其包括增益元件和用于无源 Q开关的装置；b)将序列泵浦脉冲提供入所述增益元件，所述序列泵浦脉冲包含两个 不同的非零功率水平且以至少两个可调节参数为特征；c)将这些至少两个可调节参数设 定为初始值，用于产生第一重复频率的脉冲激光辐射；和d)将所述至少两个可调节参 数的每一个的值改变为调节值，用于产生另一重复频率的脉冲激光辐射，同时控制脉冲 激光辐射的特性。
[21]依据本发明的一个方面，通过在改变激光重复频率时保持平均泵浦功率恒定来选 择调节值以使增益元件的热载荷保持在实质上恒定的水平。
[22]依据本发明的另一个方面，所述脉冲激光辐射的特性是脉冲能量、脉冲激光辐射 的扩散、脉冲激光辐射的光谱和激光脉冲的建立时间中之一。
[23]依据本发明的另一个方面，所述序列泵浦脉冲包括具有非零大小的连续波功率补 偿，可调节参数之一是连续波功率补偿的振幅，和可调节参数之二是连续泵浦脉冲之间 的时间间隔。
[24]依据本发明的又一个方面，提供一种运行Q开关激光器的方法，所述激光器具有 改变激光脉冲之间时间延迟的功能，所述方法包括：提供激光腔，其包含增益元件和用 于无源Q开关的装置，以及提供序列泵浦脉冲，其被送入所述增益元件；其中，所述序 列泵浦脉冲包含：i)三个连续的泵浦脉冲，其具有高于激光阈值的振幅，所述三个连续 的泵浦脉冲在时间上由两个不同时间间隔分隔以激励由另两个不同时间间隔分隔的三 个激光脉冲；ii)在第一和第二连续的泵浦脉冲之间的第一泵浦前脉冲，所述第一泵浦 前脉冲具有用于影响增益元件中温度的第一能量；和iii)在所述第二和第三连续的泵浦 脉冲之间的第二泵浦前脉冲，所述第二泵浦前脉冲具有不同于第一能量的第二能量，通 过控制所述增益元件中的温度以保持激光脉冲的特性不被改变。
[25]依据本发明的再一个方面，提供一种用于可调Q开关的激光设备，所述激光设备 包括激光腔，所述激光腔包含增益元件和用于所述激光腔的无源Q开关的装置；泵浦装 置，其用于通过一序列泵浦脉冲泵浦所述增益元件，以产生具有可变重复频率的脉冲激 光输出，所述序列泵浦的脉冲包括在两个非零功率水平之间的变更且以至少第一可调节 参数和第二可调节参数为特征；和控制装置，其通过改变至少所述第一和第二可调节参 数来控制所述序列泵浦脉冲和改变脉冲重复频率。
[21]依据本发明的一个方面，通过在改变激光重复频率时保持平均泵浦功率恒定来选 择调节值以使增益元件的热载荷保持在实质上恒定的水平。
[22]依据本发明的另一个方面，所述脉冲激光辐射的特性是脉冲能量、脉冲激光辐射 的扩散、脉冲激光辐射的光谱和激光脉冲的建立时间中之一。
[23]依据本发明的另一个方面，所述序列泵浦脉冲包括具有非零大小的连续波功率补 偿，可调节参数之一是连续波功率补偿的振幅，和可调节参数之二是连续泵浦脉冲之间 的时间间隔。
[24]依据本发明的又一个方面，提供一种运行Q开关激光器的方法，所述激光器具有 改变激光脉冲之间时间延迟的功能，所述方法包括：提供激光腔，其包含增益元件和用 于无源Q开关的装置，以及提供序列泵浦脉冲，其被送入所述增益元件；其中，所述序 列泵浦脉冲包含：i)三个连续的泵浦脉冲，其具有高于激光阈值的振幅，所述三个连续 的泵浦脉冲在时间上由两个不同时间间隔分隔以激励由另两个不同时间间隔分隔的三 个激光脉冲；ii)在第一和第二连续的泵浦脉冲之间的第一泵浦前脉冲，所述第一泵浦 前脉冲具有用于影响增益元件中温度的第一能量；和iii)在所述第二和第三连续的泵浦 脉冲之间的第二泵浦前脉冲，所述第二泵浦前脉冲具有不同于第一能量的第二能量，通 过控制所述增益元件中的温度以保持激光脉冲的特性不被改变。
[25]依据本发明的再一个方面，提供一种用于可调Q开关的激光设备，所述激光设备 包括激光腔，所述激光腔包含增益元件和用于所述激光腔的无源Q开关的装置；泵浦装 置，其用于通过一序列泵浦脉冲泵浦所述增益元件，以产生具有可变重复频率的脉冲激 光输出，所述序列泵浦的脉冲包括在两个非零功率水平之间的变更且以至少第一可调节 参数和第二可调节参数为特征；和控制装置，其通过改变至少所述第一和第二可调节参 数来控制所述序列泵浦脉冲和改变脉冲重复频率。
附图说明
[26]现在将结合附图说明本发明的示范性实施例，其中：
[27]图1是常规无源Q开关激光器的自由运行模式的时序图。
[28]图2是常规无源Q开关激光器的固定频率运行模式的时序图。
[29]图3是依据本发明的无源Q开关二极管泵浦激光器的图。
[30]图4是图3中的无源Q开关激光器的第一可变比率运行模式的时序图。
[31]图5是示出计算出的泵浦功率补偿对脉冲重复频率的图。
[32]图6是示出泵浦功率补偿对激光器重复频率的实验图。
[33]图7是示出激光脉冲功率的标准偏差对脉冲重复频率的实验图。
[34]图8是依据本发明的无源Q开关激光器的第二可变比率运行模式的时序图。
[35]图9是依据本发明的无源Q开关激光器的第三可变比率运行模式的时序图。
[36]图10是依据本发明的二极管激光器泵浦的图，所述二极管激光器泵具有两个分离 的可控激光器二极管。
[27]图1是常规无源Q开关激光器的自由运行模式的时序图。
[28]图2是常规无源Q开关激光器的固定频率运行模式的时序图。
[29]图3是依据本发明的无源Q开关二极管泵浦激光器的图。
[30]图4是图3中的无源Q开关激光器的第一可变比率运行模式的时序图。
[31]图5是示出计算出的泵浦功率补偿对脉冲重复频率的图。
[32]图6是示出泵浦功率补偿对激光器重复频率的实验图。
[33]图7是示出激光脉冲功率的标准偏差对脉冲重复频率的实验图。
[34]图8是依据本发明的无源Q开关激光器的第二可变比率运行模式的时序图。
[35]图9是依据本发明的无源Q开关激光器的第三可变比率运行模式的时序图。
[36]图10是依据本发明的二极管激光器泵浦的图，所述二极管激光器泵具有两个分离 的可控激光器二极管。
具体实施方式
[37]本发明涉及一种Q开关光泵浦激光器及其运行方法，该方法用于发射具有可调节 激光脉冲重复频率且不依赖重复频率的脉冲特性的激光脉冲。所述激光器具有通过序列 光泵浦脉冲泵浦的增益元件，所述序列光泵浦脉冲包括在至少两个非零泵浦功率水平之 间的变更。控制装置被用于调节所述序列泵浦脉冲的至少两个参数，从而通过控制时间 平均泵浦功率来控制增益元件的热载荷，同时改变激光脉冲重复频率。这样能够使增益 元件内温度分布被控制在实质上不依赖于脉冲重复频率的恒定水平，从而控制输出激光 特性。
[38]在图3中示出依据本发明的Q开关激光器的示范性实施例，且在此后说明。
[39]微芯片激光腔50包括增益元件20和饱和吸收器30，而且所述增益元件和所述饱 和吸收器光结合以形成沿光轴5设置的单块激光器块230。增益元件20具有激光波长λ 处的激光跃迁，并且能够通过响应泵浦波长λp处的光泵浦而提供光增益。单块激光器块 230具有输入激光晶面21，用于接收泵浦脉冲波长λp的脉冲泵浦辐射13，和输出激光 晶面31，用于以激光波长λ输出脉冲激光辐射33。输入晶面21和输出晶面31分别具有 薄膜涂层22和32，均以激光辐射的波长λ反射，从而在其间形成所述波长的激光腔。 输入激光晶面21面对激光器二极管泵浦10或任意其它合适的泵浦激光器，所述激光器 二极管泵浦10或任意其它合适的泵浦激光器被设置以沿光轴5发射脉冲泵浦辐射13， 所述光轴5朝向微芯片激光腔50的输入晶面21。薄膜涂层22被选择，以使输入激光器 晶面21对波长λp的泵浦辐射实质上是透明的，这是本领域技术人员已知的。
[40]作为例子，增益元件20具体为3mm长的掺杂晶体Nd:YAG，所述晶体被切割至 1.8×1.8mm的横截面，在泵浦波长808nm处被光泵浦时具有波长1064nm的激光跃迁， 以及饱和吸收器30具体为2.25mm长的Cr4+:YAG晶体和具有相同的横截面。在某些 实施例中，光学结合的Nd:YAG晶体和Cr4+:YAG晶体可被夹在两片未掺杂的YAG晶 体之间(图3中未显示)。
[41]激光二极管泵浦装置10优选是高功率激光二极管泵浦，它能够响应流过激光二极 管的驱动电流而发射脉冲泵浦辐射13。激光二极管泵浦装置10包括激光二极管驱动电 路，用于响应控制信号而提供驱动电流，所述控制信号由控制器40通过通信线路41提 供。透镜15被设置在激光二极管10和微芯片激光器腔50之间，用于校准所述泵浦辐 射13和用于使它穿过输入晶面21而耦合进入微芯片激光腔50中。所述透镜15可为适 用于将泵浦辐射耦合进激光器晶体中的透镜系统，正如本领域技术人员已知的。
[42]在运行中，由所述激光二极管10发射的所述脉冲泵浦辐射13在所述增益元件20 中被吸收，会引起激光跃迁的粒子数反转和在激光跃迁波长处辐射的自发发射。如果由 所述泵浦束13传送进增益元件20的泵浦功率Pp超过阈值Pth的持续时间为Bup，则微 芯片激光腔50发射短激光脉冲的持续时间τ＜＜Bup，在短激光脉冲结束处，粒子数反转 降落至低于发射激光要求的阈值的低水平。如果泵浦功率低于Pth，只要Pp＜Pth，饱和 吸收器就保持在阻止激光发射的高损耗状态。
[43]所述脉冲泵浦辐射13的一部分被非辐射性地吸收入增益元件20，并被转换为热量， 在增益元件20内产生热透镜，所述热透镜影响激光辐射的许多特性，譬如它的能量、 扩散、脉冲稳定性等。由于增益元件20中相对慢的热耗散速率，热透镜主要受到时间 平均泵浦功率Pav＝∫dt Pump(t)/Tin的影响，其中Pump(t)是取决于时间的泵浦脉冲序列，而 积分的时间间隔为Tin，Tin＞＞Bup，且超过典型的泵浦脉冲之间的时间间隔；因此，在 激光器操作期间，保持平均泵浦功率在恒定水平对于激光稳定性是有利的。
[44]前述无源Q开关激光器的一个运行模式在图4中以时序图的形式说明，所述无源 Q开关激光器提供具有恒定激光特性的稳定激光发射。在这种操作模式中，通过泵浦序 列泵浦微芯片激光腔50，其中连续波补偿泵浦辐射被叠加在泵浦脉冲上，以及当泵浦脉 冲重复频率改变时调节补偿泵浦辐射的光功率Poff。
[45]参考图4，在时刻t0和t1之间，激光二极管泵浦10以时间周期T1发射连续的泵浦 脉冲401，402和403，所述脉冲具有泵浦脉冲功率Pp＞Pth和持续时间τp＝Bup。在脉冲 之间，激光二极管泵浦10发射具有恒定泵浦功率Pofff1＜Pth的连续波补偿泵浦辐射。所 述脉冲在时间上以第一时间间隔T1-τ＝T1-Bup被分割。微芯片激光腔50在各个连续的 泵浦脉冲结束时发射激光脉冲，从而产生具有第一重复频率F1＝1/T1的序列输出激光脉 冲(图4中未显示)。在其它实施例中，泵浦脉冲持续时间可在Bup和2Bup之间，即Bup ≤τ＜2Bup，所述泵浦脉冲持续时间对激光重复频率没有影响。
[46]由补偿辐射410，411，412的周期分离的泵浦脉冲401-403构成第一序列泵浦脉冲 450，所述第一序列泵浦脉冲450可由时间相关泵浦功率函数P1(t)来描述，包括在非零 功率水平Pp和Poff1之间的泵浦功率的周期性变更。
[47]第一泵浦序列450以第一独立可选择的参数集合为特征，所述第一独立可选择的 参数集合包括脉冲周期T＝T1和补偿功率Poff＝Poff1。所述参数T和Poff可通过调节激 光二极管驱动电流J的相应参数来调节，所述激光二极管驱动电流激励二极管激光器使 它发射泵浦辐射，以及响应由控制器40产生的控制信号。决定泵浦开始和激光脉冲之 间时间延迟的建立时间Bup是泵浦脉冲功率Pp的函数，并且不是独立可选择的。在这个 实施例中，如图4所示，在泵浦脉冲期间和之间，激光二极管驱动电流I均超过激光二 极管阈值电流Ith。
[48]在时刻t1，响应由控制器40产生的控制信号，改变可调节参数T和Poff以提供第 二泵浦脉冲序列460，用于产生在图4中没有显示的具有第二脉冲重复频率F2的输出激 光脉冲序列。作为例子，图4中F2小于F1。为了影响脉冲重复频率的变化，泵浦脉冲 周期T被设定为新的值T2＝1/F2＞T1。同时地，增加补偿功率水平Poff且将其设定为新 的值Poff2＞Poff1。在补偿功率水平上的这个增加是本发明的特征，其提供了增益元件的 另外的热载荷，从而补偿了由于减少的泵浦循环而导致的泵浦脉冲感应部件上的热载荷 的减少。
[49]泵浦功率补偿的新值Poff2取决于新的脉冲重复频率F2，并且依据本发明的一个实 施例，被选择以保持增益元件20的热载荷不变且实质上等于其从t0至t1的时间间隔期 间的热载荷。如此前所述，保持热载荷在恒定水平需要保持平均泵浦功率没有变化。对 于前述序列泵浦脉冲，所述序列泵浦脉冲包括恒定泵浦功率Pp周期和恒定泵浦功率补 偿Poff周期以及在它们之间的周期性变更，由二极管激光器泵浦10发射的平均功率Pave 满足方程式(3)：
[50]Pave＝η(Ioffset-Ith)+(I-Ioffset)Rη(3)
[51]其中η是二极管斜率效率，Ioffset是对应于发射的泵浦功率Poff＝η(Ioffset-Ith)的连 续波二极管补偿电流，且此电流超过二极管阈值电流Ith，I是对应于发射的峰值泵浦功 率Pp＝η(I-Ith)的峰值二极管电流。并且，
[52]
[53]为泵浦序列的占空比，所述占空比与脉冲重复频率F成比例。
[54]根据本发明方法的这个实施例，当脉冲重复频率F被改变，通过调节补偿电流Ioffset 来保持增益元件的热载荷为常数，以致于平均泵浦功率保持在常数水平。根据方程(3)， 补偿电流的需求值，依赖于占空比R，且因此依赖于重复频率F，Ioffset可根据下列方程 (5)求得：
[55]
[56]作为例子，图5示出了，对于具有无源Q开关的二极管泵浦固体激光器的典型配 置，当脉冲重复频率F从10Hz变化至4kHz时，为保持增益元件热载荷的恒定所要求 的补偿电流Ioffset，其中Bup＝200μs，η＝1W/A，Ith＝2A，I＝17A。
[57]方便地，图5示出，当脉冲重复频率F在10Hz和大约1.5kHz之间范围内或在图 5的方框500内，Ioffset(F)可用线性函数来近似，因此极大地简化了激光二极管控制器40 的实施。
[58]这种线性关系可允许使用一种简化的激光器校正程序，所述程序在本发明的另一 个实施例中实现，以限定用于感兴趣重复频率范围的泵浦功率补偿。作为例子，结合本 发明特征的无源Q开关激光器具有下面参数集合：Ith＝2.3A，η＝1.106W/A，I＝15.6A。在 具有补偿电流Ioffset＝Ioffset1＝3A的脉冲重复频率F1＝1kHz处，这个激光器显示在温度 范围20.7℃-23℃内具有小的脉冲波动的稳定的脉冲运行。测得的建立时间Bup为 100μs。通过测量每个输出激光脉冲的光能Elp和计算多个输出激光脉冲的Elp的相对标 准偏差，来确定激光器运行的稳定性。然后，脉冲重复频率被改变为F2＝200Hz，进而 确定第二补偿电流Ioffset2，以获得稳定运行的相同激光温度范围。这些测量结果被示出 在图6中，图6为描述补偿电流Ioffset与重复频率F(Hz)关系的图表。使用数字“1”和 “2”标识的黑方框分别示出依据所述第一和第二前述测量的稳定的运行条件。对测量 的运行点1和2的线性拟合点3可被用于确定感兴趣的任何重复频率F的补偿电流 Ioffset(F)。
[59]图7示出了在100Hz和1kHz之间的各个重复频率的被测量的输出激光脉冲能 量的相对标准偏差微芯片激光腔50被安装在散热片上，所述散热片 的温度在整个测量中保持为常数。方框示出使用本发明前述方法获得的实验结果，其中 如图6所示的补偿电流随重复频率呈线性变化。菱形示出依据更常规方法获得的结果， 其中补偿电流被保持在不依赖于重复频率的恒定水平。可以看出，本发明的方法提供明 显的更为稳定的运行，尤其用于本具体实施例的低于400Hz的重复频率。
[60]我们还证实了，当依据前述方法调节补偿电流Ioffset时，有益地，其他激光特性不 依赖于重复频率而改变，所述激光特性如激光辐射33的光谱和发散；反之，在保持补 偿电流的为任意恒定水平的同时，获得与比率不相关的激光特性是不可能的。
[61]重新回到图4，补偿泵浦辐射410-415可被描述为在所述泵浦辐射410-415之前的 泵浦前脉冲，且在本发明方法的前述实施例中所述泵浦前脉冲具有等于泵浦脉冲间隔 T-τ的持续时间。这些前脉冲没有足够的功率以引起发射激光；它们的作用是用于提供 附加的增益元件载荷，所述附加的增益元件载荷可被调节以补偿当脉冲重复频率F被改 变时的占空比R的变化。这个附加的热载荷取决于泵浦前脉冲的光能Ep，此后还被称 为泵浦前脉冲的脉冲能量，所述能量是它们的持续时间和功率的乘积：Ep＝Poff×(T-τp)。 因此，使用不同持续时间和形状的泵浦前脉冲可提供同样的热载荷，只要它们的能量保 持相同，即使它们的振幅不足以启动激光脉冲。
[62]在图8和9中，再次以时序图的形式说明本方法的两个其他实施例，其中补偿泵 浦功率在连续的泵浦脉冲的中间被往上改变，形成泵浦前脉冲810-814和910-914。这 些泵浦前脉冲具有可调节的泵浦功率振幅Ppre和前脉冲持续时间Δ，当重复频率即泵浦 脉冲的时间周期T改变时，所述泵浦功率振幅Ppre和前脉冲持续时间Δ中的每一个可被 改变以维持微芯片激光器的平均功率和热载荷在恒定水平。在这种情况下，某些实施例 中的补偿功率Poffset可被设定为零。在这种情况中，依赖于脉冲重复频率F的Ppre和Δ 的最优设置可在激光器校正阶段从激光测量中重新获得，例如通过在给定激光温度范围 内改变脉冲重复频率和选择要求的Ppre或Δ以保持激光输出特性在恒定级，所述激光输 出特性是脉冲能量、脉冲稳定性、射束扩散、时间平均的激光能谱等中之一。
[63]本发明的方法还可被有利地用于在宽范围的重复频率上能够进行具有恒定建立时 间Bup的激光运行，所述方法的特征在于具有可变脉冲重复频率的Q开关二极管泵浦激 光器优选通过序列泵浦脉冲泵浦，所述序列泵浦脉冲特征在于包含至少两个可调节的参 数，以及在改变重复频率的同时，所述至少两个可调节的参数被改变用于保持激光特性 恒定。而且，如果重复频率被改变，因为变化的热载荷，则无源Q开关激光器运行的常 规模式一般不会保持恒定的建立时间Bup。因此，由于所述建立时间的变化，通过外部 周期性信号经常难以触发常规无源Q开关激光器发射脉冲。通过在前述实施例中适当地 改变可调节的参数对(T，Poff)、(T，Δ)或(T，Ppre)，Bup时间可在较宽的重复频率范围内保持 恒定，通过外部信号使被触发的激光脉冲能够发射。激光器校正程序优选用于形成查找 表，其中针对各种可调节参数组合的Bup被测量，在所述查找表中，数值，如Poff、Ppre 和/或Δ，依据T而被存储。
[64]如上面所述，通过改变激光二极管的驱动电流，可使用单个激光二极管来实现本 发明的方法，或通过组合来自两个或多个二极管激光器的辐射来本实施本发明的方法。 图10说明本发明的另一个实施例，其中首先使用透镜711和721对来自两个二极管激 光器泵浦710和720的泵浦辐射进行校正，然后使用射束组合器730将所述泵浦辐射组 合以形成脉冲泵浦辐射13，此后所述脉冲泵浦辐射被耦合进图3中所示的微芯片激光腔 50中。例如，使用这样的排列可实现如图4所示的本发明方法的第一实施例，将激光二 极管泵浦710、720之一用在脉冲机制中的运行以产生泵浦脉冲，将所述激光二极管泵 浦中的另一个用在连续波机制的运行以提供补偿泵浦功率。
[65]根据本发明，在另一实施例中，通过使用一个或多个连续波泵浦和设置在泵浦和 微芯片激光器50之间的外部光调制器，可产生所需的以至少两个可调节参数为特征的 序列泵浦脉冲。
[66]本发明的方法还可被应用到有源Q开关激光器，这对于本领域技术人员是可以理 解的。
[67]当然，在不脱离本发明的宗旨和范围可以想象到许多其它的实施例。
[38]在图3中示出依据本发明的Q开关激光器的示范性实施例，且在此后说明。
[39]微芯片激光腔50包括增益元件20和饱和吸收器30，而且所述增益元件和所述饱 和吸收器光结合以形成沿光轴5设置的单块激光器块230。增益元件20具有激光波长λ 处的激光跃迁，并且能够通过响应泵浦波长λp处的光泵浦而提供光增益。单块激光器块 230具有输入激光晶面21，用于接收泵浦脉冲波长λp的脉冲泵浦辐射13，和输出激光 晶面31，用于以激光波长λ输出脉冲激光辐射33。输入晶面21和输出晶面31分别具有 薄膜涂层22和32，均以激光辐射的波长λ反射，从而在其间形成所述波长的激光腔。 输入激光晶面21面对激光器二极管泵浦10或任意其它合适的泵浦激光器，所述激光器 二极管泵浦10或任意其它合适的泵浦激光器被设置以沿光轴5发射脉冲泵浦辐射13， 所述光轴5朝向微芯片激光腔50的输入晶面21。薄膜涂层22被选择，以使输入激光器 晶面21对波长λp的泵浦辐射实质上是透明的，这是本领域技术人员已知的。
[40]作为例子，增益元件20具体为3mm长的掺杂晶体Nd:YAG，所述晶体被切割至 1.8×1.8mm的横截面，在泵浦波长808nm处被光泵浦时具有波长1064nm的激光跃迁， 以及饱和吸收器30具体为2.25mm长的Cr4+:YAG晶体和具有相同的横截面。在某些 实施例中，光学结合的Nd:YAG晶体和Cr4+:YAG晶体可被夹在两片未掺杂的YAG晶 体之间(图3中未显示)。
[41]激光二极管泵浦装置10优选是高功率激光二极管泵浦，它能够响应流过激光二极 管的驱动电流而发射脉冲泵浦辐射13。激光二极管泵浦装置10包括激光二极管驱动电 路，用于响应控制信号而提供驱动电流，所述控制信号由控制器40通过通信线路41提 供。透镜15被设置在激光二极管10和微芯片激光器腔50之间，用于校准所述泵浦辐 射13和用于使它穿过输入晶面21而耦合进入微芯片激光腔50中。所述透镜15可为适 用于将泵浦辐射耦合进激光器晶体中的透镜系统，正如本领域技术人员已知的。
[42]在运行中，由所述激光二极管10发射的所述脉冲泵浦辐射13在所述增益元件20 中被吸收，会引起激光跃迁的粒子数反转和在激光跃迁波长处辐射的自发发射。如果由 所述泵浦束13传送进增益元件20的泵浦功率Pp超过阈值Pth的持续时间为Bup，则微 芯片激光腔50发射短激光脉冲的持续时间τ＜＜Bup，在短激光脉冲结束处，粒子数反转 降落至低于发射激光要求的阈值的低水平。如果泵浦功率低于Pth，只要Pp＜Pth，饱和 吸收器就保持在阻止激光发射的高损耗状态。
[43]所述脉冲泵浦辐射13的一部分被非辐射性地吸收入增益元件20，并被转换为热量， 在增益元件20内产生热透镜，所述热透镜影响激光辐射的许多特性，譬如它的能量、 扩散、脉冲稳定性等。由于增益元件20中相对慢的热耗散速率，热透镜主要受到时间 平均泵浦功率Pav＝∫dt Pump(t)/Tin的影响，其中Pump(t)是取决于时间的泵浦脉冲序列，而 积分的时间间隔为Tin，Tin＞＞Bup，且超过典型的泵浦脉冲之间的时间间隔；因此，在 激光器操作期间，保持平均泵浦功率在恒定水平对于激光稳定性是有利的。
[44]前述无源Q开关激光器的一个运行模式在图4中以时序图的形式说明，所述无源 Q开关激光器提供具有恒定激光特性的稳定激光发射。在这种操作模式中，通过泵浦序 列泵浦微芯片激光腔50，其中连续波补偿泵浦辐射被叠加在泵浦脉冲上，以及当泵浦脉 冲重复频率改变时调节补偿泵浦辐射的光功率Poff。
[45]参考图4，在时刻t0和t1之间，激光二极管泵浦10以时间周期T1发射连续的泵浦 脉冲401，402和403，所述脉冲具有泵浦脉冲功率Pp＞Pth和持续时间τp＝Bup。在脉冲 之间，激光二极管泵浦10发射具有恒定泵浦功率Pofff1＜Pth的连续波补偿泵浦辐射。所 述脉冲在时间上以第一时间间隔T1-τ＝T1-Bup被分割。微芯片激光腔50在各个连续的 泵浦脉冲结束时发射激光脉冲，从而产生具有第一重复频率F1＝1/T1的序列输出激光脉 冲(图4中未显示)。在其它实施例中，泵浦脉冲持续时间可在Bup和2Bup之间，即Bup ≤τ＜2Bup，所述泵浦脉冲持续时间对激光重复频率没有影响。
[46]由补偿辐射410，411，412的周期分离的泵浦脉冲401-403构成第一序列泵浦脉冲 450，所述第一序列泵浦脉冲450可由时间相关泵浦功率函数P1(t)来描述，包括在非零 功率水平Pp和Poff1之间的泵浦功率的周期性变更。
[47]第一泵浦序列450以第一独立可选择的参数集合为特征，所述第一独立可选择的 参数集合包括脉冲周期T＝T1和补偿功率Poff＝Poff1。所述参数T和Poff可通过调节激 光二极管驱动电流J的相应参数来调节，所述激光二极管驱动电流激励二极管激光器使 它发射泵浦辐射，以及响应由控制器40产生的控制信号。决定泵浦开始和激光脉冲之 间时间延迟的建立时间Bup是泵浦脉冲功率Pp的函数，并且不是独立可选择的。在这个 实施例中，如图4所示，在泵浦脉冲期间和之间，激光二极管驱动电流I均超过激光二 极管阈值电流Ith。
[48]在时刻t1，响应由控制器40产生的控制信号，改变可调节参数T和Poff以提供第 二泵浦脉冲序列460，用于产生在图4中没有显示的具有第二脉冲重复频率F2的输出激 光脉冲序列。作为例子，图4中F2小于F1。为了影响脉冲重复频率的变化，泵浦脉冲 周期T被设定为新的值T2＝1/F2＞T1。同时地，增加补偿功率水平Poff且将其设定为新 的值Poff2＞Poff1。在补偿功率水平上的这个增加是本发明的特征，其提供了增益元件的 另外的热载荷，从而补偿了由于减少的泵浦循环而导致的泵浦脉冲感应部件上的热载荷 的减少。
[49]泵浦功率补偿的新值Poff2取决于新的脉冲重复频率F2，并且依据本发明的一个实 施例，被选择以保持增益元件20的热载荷不变且实质上等于其从t0至t1的时间间隔期 间的热载荷。如此前所述，保持热载荷在恒定水平需要保持平均泵浦功率没有变化。对 于前述序列泵浦脉冲，所述序列泵浦脉冲包括恒定泵浦功率Pp周期和恒定泵浦功率补 偿Poff周期以及在它们之间的周期性变更，由二极管激光器泵浦10发射的平均功率Pave 满足方程式(3)：
[50]Pave＝η(Ioffset-Ith)+(I-Ioffset)Rη(3)
[51]其中η是二极管斜率效率，Ioffset是对应于发射的泵浦功率Poff＝η(Ioffset-Ith)的连 续波二极管补偿电流，且此电流超过二极管阈值电流Ith，I是对应于发射的峰值泵浦功 率Pp＝η(I-Ith)的峰值二极管电流。并且，
[52]
[53]为泵浦序列的占空比，所述占空比与脉冲重复频率F成比例。
[54]根据本发明方法的这个实施例，当脉冲重复频率F被改变，通过调节补偿电流Ioffset 来保持增益元件的热载荷为常数，以致于平均泵浦功率保持在常数水平。根据方程(3)， 补偿电流的需求值，依赖于占空比R，且因此依赖于重复频率F，Ioffset可根据下列方程 (5)求得：
[55]
[56]作为例子，图5示出了，对于具有无源Q开关的二极管泵浦固体激光器的典型配 置，当脉冲重复频率F从10Hz变化至4kHz时，为保持增益元件热载荷的恒定所要求 的补偿电流Ioffset，其中Bup＝200μs，η＝1W/A，Ith＝2A，I＝17A。
[57]方便地，图5示出，当脉冲重复频率F在10Hz和大约1.5kHz之间范围内或在图 5的方框500内，Ioffset(F)可用线性函数来近似，因此极大地简化了激光二极管控制器40 的实施。
[58]这种线性关系可允许使用一种简化的激光器校正程序，所述程序在本发明的另一 个实施例中实现，以限定用于感兴趣重复频率范围的泵浦功率补偿。作为例子，结合本 发明特征的无源Q开关激光器具有下面参数集合：Ith＝2.3A，η＝1.106W/A，I＝15.6A。在 具有补偿电流Ioffset＝Ioffset1＝3A的脉冲重复频率F1＝1kHz处，这个激光器显示在温度 范围20.7℃-23℃内具有小的脉冲波动的稳定的脉冲运行。测得的建立时间Bup为 100μs。通过测量每个输出激光脉冲的光能Elp和计算多个输出激光脉冲的Elp的相对标 准偏差，来确定激光器运行的稳定性。然后，脉冲重复频率被改变为F2＝200Hz，进而 确定第二补偿电流Ioffset2，以获得稳定运行的相同激光温度范围。这些测量结果被示出 在图6中，图6为描述补偿电流Ioffset与重复频率F(Hz)关系的图表。使用数字“1”和 “2”标识的黑方框分别示出依据所述第一和第二前述测量的稳定的运行条件。对测量 的运行点1和2的线性拟合点3可被用于确定感兴趣的任何重复频率F的补偿电流 Ioffset(F)。
[59]图7示出了在100Hz和1kHz之间的各个重复频率的被测量的输出激光脉冲能 量的相对标准偏差微芯片激光腔50被安装在散热片上，所述散热片 的温度在整个测量中保持为常数。方框示出使用本发明前述方法获得的实验结果，其中 如图6所示的补偿电流随重复频率呈线性变化。菱形示出依据更常规方法获得的结果， 其中补偿电流被保持在不依赖于重复频率的恒定水平。可以看出，本发明的方法提供明 显的更为稳定的运行，尤其用于本具体实施例的低于400Hz的重复频率。
[60]我们还证实了，当依据前述方法调节补偿电流Ioffset时，有益地，其他激光特性不 依赖于重复频率而改变，所述激光特性如激光辐射33的光谱和发散；反之，在保持补 偿电流的为任意恒定水平的同时，获得与比率不相关的激光特性是不可能的。
[61]重新回到图4，补偿泵浦辐射410-415可被描述为在所述泵浦辐射410-415之前的 泵浦前脉冲，且在本发明方法的前述实施例中所述泵浦前脉冲具有等于泵浦脉冲间隔 T-τ的持续时间。这些前脉冲没有足够的功率以引起发射激光；它们的作用是用于提供 附加的增益元件载荷，所述附加的增益元件载荷可被调节以补偿当脉冲重复频率F被改 变时的占空比R的变化。这个附加的热载荷取决于泵浦前脉冲的光能Ep，此后还被称 为泵浦前脉冲的脉冲能量，所述能量是它们的持续时间和功率的乘积：Ep＝Poff×(T-τp)。 因此，使用不同持续时间和形状的泵浦前脉冲可提供同样的热载荷，只要它们的能量保 持相同，即使它们的振幅不足以启动激光脉冲。
[62]在图8和9中，再次以时序图的形式说明本方法的两个其他实施例，其中补偿泵 浦功率在连续的泵浦脉冲的中间被往上改变，形成泵浦前脉冲810-814和910-914。这 些泵浦前脉冲具有可调节的泵浦功率振幅Ppre和前脉冲持续时间Δ，当重复频率即泵浦 脉冲的时间周期T改变时，所述泵浦功率振幅Ppre和前脉冲持续时间Δ中的每一个可被 改变以维持微芯片激光器的平均功率和热载荷在恒定水平。在这种情况下，某些实施例 中的补偿功率Poffset可被设定为零。在这种情况中，依赖于脉冲重复频率F的Ppre和Δ 的最优设置可在激光器校正阶段从激光测量中重新获得，例如通过在给定激光温度范围 内改变脉冲重复频率和选择要求的Ppre或Δ以保持激光输出特性在恒定级，所述激光输 出特性是脉冲能量、脉冲稳定性、射束扩散、时间平均的激光能谱等中之一。
[63]本发明的方法还可被有利地用于在宽范围的重复频率上能够进行具有恒定建立时 间Bup的激光运行，所述方法的特征在于具有可变脉冲重复频率的Q开关二极管泵浦激 光器优选通过序列泵浦脉冲泵浦，所述序列泵浦脉冲特征在于包含至少两个可调节的参 数，以及在改变重复频率的同时，所述至少两个可调节的参数被改变用于保持激光特性 恒定。而且，如果重复频率被改变，因为变化的热载荷，则无源Q开关激光器运行的常 规模式一般不会保持恒定的建立时间Bup。因此，由于所述建立时间的变化，通过外部 周期性信号经常难以触发常规无源Q开关激光器发射脉冲。通过在前述实施例中适当地 改变可调节的参数对(T，Poff)、(T，Δ)或(T，Ppre)，Bup时间可在较宽的重复频率范围内保持 恒定，通过外部信号使被触发的激光脉冲能够发射。激光器校正程序优选用于形成查找 表，其中针对各种可调节参数组合的Bup被测量，在所述查找表中，数值，如Poff、Ppre 和/或Δ，依据T而被存储。
[64]如上面所述，通过改变激光二极管的驱动电流，可使用单个激光二极管来实现本 发明的方法，或通过组合来自两个或多个二极管激光器的辐射来本实施本发明的方法。 图10说明本发明的另一个实施例，其中首先使用透镜711和721对来自两个二极管激 光器泵浦710和720的泵浦辐射进行校正，然后使用射束组合器730将所述泵浦辐射组 合以形成脉冲泵浦辐射13，此后所述脉冲泵浦辐射被耦合进图3中所示的微芯片激光腔 50中。例如，使用这样的排列可实现如图4所示的本发明方法的第一实施例，将激光二 极管泵浦710、720之一用在脉冲机制中的运行以产生泵浦脉冲，将所述激光二极管泵 浦中的另一个用在连续波机制的运行以提供补偿泵浦功率。
[65]根据本发明，在另一实施例中，通过使用一个或多个连续波泵浦和设置在泵浦和 微芯片激光器50之间的外部光调制器，可产生所需的以至少两个可调节参数为特征的 序列泵浦脉冲。
[66]本发明的方法还可被应用到有源Q开关激光器，这对于本领域技术人员是可以理 解的。
[67]当然，在不脱离本发明的宗旨和范围可以想象到许多其它的实施例。