用于脉冲激光源发射成形光波形的方法和系统

摘要

本发明提供了用于脉冲激光源发射成形光波形的方法和系统。一种可调谐脉冲激光源，包括适于产生种子信号的种子源，具有第一端口、第二端口和第三端口的光学环行器，其中第一端口耦合于种子源。可调谐脉冲激光源还包括适合于产生成形的电波形的调制器驱动器，与调制器驱动器相耦合并适合于接收成形的电波形的振幅调制器。振幅调制器由第一侧和第二侧来表征，其中第一侧耦合于光学环行器的第二端口。可调谐脉冲激光源还包括由输入端和反射端来表征的第一光放大器。输入端与振幅调制器的第二侧相耦合。此外，可调谐脉冲激光源包括与光学环行器的第三端口相耦合的第二光放大器。

权利要求

1.一种可调谐脉冲激光源，包括：

种子源，其适于产生种子信号；

光学环行器，其具有第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口耦合于所述种子源；

调制器驱动器，其适合于产生成形的电波形；

振幅调制器，其与所述调制器驱动器相耦合并适合于接收所述成形的电波形，其中所述振幅调制器由第一侧和第二侧来表征，所述第一侧耦合于所述光学环行器的第二端口；

第一光放大器，其由输入端和反射端来表征，其中所述输入端与所述振幅调制器的第二侧相耦合；和第二光放大器，其与所述光学环行器的第三端口相耦合。

2.根据权利要求1所述的可调谐脉冲激光源，还包括高速数字-模拟转换器，所述高速数字-模拟转换器被设置为提供所述成形的电波形。

3.根据权利要求2所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述高速数字-模拟转换器的特征在于500百万样本/秒或者更快的取样率，以及大于100MHz的模拟电带宽。

4.根据权利要求2所述的可调谐脉冲激光源，还包括计算机，其设置来计算数字式样，所述数字式样被提供给所述高速数字-模拟转换器以转换为所述成形的电波形。

5.根据权利要求1所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述可调谐脉冲激光源的输出包括光脉冲组。

6.根据权利要求5所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述光脉冲组包括：第一脉冲，其由第一持续时间以及第一强度来表征；第二脉冲，其由第二持续时间以及第二强度来表征。

7.根据权利要求6所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述第一持续时间与所述第二持续时间不同，并且所述第一强度与所述第二强度不同。

8.根据权利要求5所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述光脉冲组包括：第一脉冲，其由第一持续时间以及第一强度来表征；第二脉冲，其由第二持续时间以及第二强度来表征；第三脉冲，其由第三持续时间以及第三强度来表征。

9.根据权利要求5所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述光脉冲组包括具有相同持续时间和相同强度的多个脉冲。

10.根据权利要求1所述的可调谐脉冲激光源，其中，所述可调谐脉冲激光源的输出的特征在于：具有脉冲持续时间的输出脉冲形状，以及具有尖峰持续时间的功率尖峰，所述尖峰持续时间小于所述脉冲持续时间的50％。

11.一种提供激光脉冲的方法，所述方法包括：提供种子信号；

将所述种子信号耦合到光学环行器的第一端口；

从所述光学环行器的第二端口输出所述种子信号；

提供第一成形的电信号；

将所述第一成形的电信号耦合到振幅调制器的电端口；

将由所述振幅调制器产生的成形的光脉冲输出到光放大器的输入端；

将所述成形的光脉冲放大以提供放大的成形的光脉冲；

提供第二成形的电信号；

将所述第二成形的电信号耦合到所述振幅调制器的电端口；

在所述光学环行器的第二端口接收再成形的光脉冲；以及在所述光学环行器的第三端口输出所述再成形的光脉冲。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一成形的电信号与所述第二成形的电信号不同。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述再成形的光脉冲的特征在于基本方形的形状。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述再成形的光脉冲的特征在于强度的增加是时间的函数。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述再成形的光脉冲的特征在于强度的减少是时间的函数。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，高速数字-模拟转换器被用来产生所述第一成形的电信号和所述第二成形的电信号，所述高速数字-模拟转换器的特征在于500百万样本/秒或者更快的取样率、以及大于100MHz的模拟电带宽。

17.根据权利要求11所述的方法，其中，使用双通放大器实现放大所述成形的光脉冲。

18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述放大的成形的光脉冲的特征在于脉冲持续时间以及具有尖峰持续时间的功率尖峰，所述尖峰持续时间小于所述脉冲持续时间的

50％。

说明书

用于脉冲激光源发射成形光波形的方法和系统

技术领域

[0001] 本发明主要地涉及可调谐激光源的领域。 更确切地说，本发明涉及一种用于为诸如裁剪、打标、切割和焊接的工业应用提供高功率脉冲激光源的方法和设备。 仅仅作为举例，本发明适用于具有实时可调谐特性(包括脉冲宽度、峰值功率、重复速率和脉冲形状)的激光源。 但是，本发明具有更宽的应用性并且可以被应用到其他激光源上。

背景技术

[0002] 诸如Nd:YAG激光器的脉冲激光源已经被用来为诸如打标、雕刻、显微机械加工和切割的应用执行基于激光的材料处理。 基于应用和将要处理的材料，对激光脉冲的各种特性按照适于特定应用进行选择，其中激光脉冲的各种特性包括：脉冲宽度、脉冲重复率、峰值功率或能量以及脉冲形状。 许多现有的高功率激光器(例如，脉冲能量大于每脉冲0.5mJ)依赖于诸如调Q和锁模的技术以产生光脉冲。但是，这样的激光器产生的光脉冲的特性由腔的几何特性、镜的反射率等预先决定。 因此，通常不能在不影响激光性能的情况下对这种激光脉冲进行现场变化。 使用这种激光器，通常难以实现一定范围的脉冲特性。

[0003] 因此在本领域中，有对于具有可调谐脉冲特性的脉冲激光器的需要。

发明内容

[0004] 根据本发明，提供了主要地涉及可调谐激光源的领域的技术。 更确切地说，本发明涉及用于为诸如裁剪、打标、切割和焊接的工业应用提供高功率脉冲激光源的方法和设备。 仅仅作为举例，本发明适用于具有实时可调谐特性(包括脉冲宽度、峰值功率、重复速率和脉冲形状)的激光源。 但是，本发明具有更宽的应用性并且可以应用到其他激光源上。

[0005] 根据本发明的实施例，提供了一种可调谐脉冲激光源。 可调谐脉冲激光源包括适于产生种子信号的种子源，具有第一端口、第二端口和第三端口的光学环行器，其中第一端口耦合于种子源。 可调谐脉冲激光源还包括适合于产生成形的电波形的调制器驱动器，与调制器驱动器相耦合并适合于接收成形的电波形的振幅调制器。 振幅调制器由第一侧和第二侧来表征，其中第一侧耦合于光学环行器的第二端口。 可调谐脉冲激光源还包括由输入端和反射端表征的第一光放大器。 输入端与振幅调制器的第二侧相耦合。此外，可调谐脉冲激光源包括与光学环行器的第三端口相耦合的第二光放大器。

[0006] 在第一实施例中，成形的电波形导致光放大器中增益饱和的影响被显著降低，由此提供了光输出脉冲，该脉冲的特征在于基本方形的波形。 在第二实施例中，成形的电波形导致光放大器中增益饱和的影响被显著降低，由此提供了光输出脉冲，该脉冲的特征在于强度的增加是时间的函数。 在第三实施例中，成形的电波形导致光放大器中增益饱和的影响被显著降低，由此提供了光输出脉冲，该脉冲的特征在于强度的减少是时间的函数。

[0007] 根据本发明的另一个实施例，提供了一种提供激光脉冲的方法。 此方法包括提供种子信号，将种子信号耦合到光学环行器的第一端口，以及从光学环行器的第二端口输出种子信号。 此方法还包括提供第一成形的电信号，将第一成形的电信号耦合到振幅调制器的电端口，将的成形的光脉冲输出到光放大器的输入端，以及将成形的光脉冲放大以提供放大的成形的光脉冲。 此方法还包括提供第二成形的电信号，将第二成形的电信号耦合到振幅调制器的电端口，在光学环行器的第二端口接收再成形的光脉冲，以及在光学环行器的第三端口输出再成形的光脉冲。

[0008] 使用本发明实现了优于传统技术的许多优点。 例如，在根据本发明的实施例中，使用紧凑的结构提供了适合用于激光处理的高功率脉冲激光器，此结构与具有可类比工作性能的激光器相比更加便宜。 此外，在本发明的实施例中，在保持脉冲之间的稳定性的同时，产生具有实时可调节脉冲特性的短脉冲。 此外，在根据本发明的实施例中，可以使光脉冲成形以为特定应用优化脉冲分布，或使激光器系统中的能量提取效率最大化。根据实施例，可能存在这些优点中的一个或更多。 将要贯穿整个说明书描述的这些和另外的优点并使其在下文中将会变得更显著。 参考下文的详细描述和附图，将能够更加充分地认识到本发明的各种另外的目的、特征和优点。

附图说明

[0009] 图1为示出根据本发明实施例的具有可调谐脉冲特性的使用光纤放大器的高功率脉冲激光器的简图。

[0010] 图2为示出在根据本发明实施例的高功率脉冲激光器中的不同位置的电脉冲和光脉冲的时序简图。

[0011] 图3为高斯脉冲和准方波(超高斯)脉冲的脉冲形状图。

[0012] 图4A为根据本发明的实施例的施加到振幅调制器的电波形的简图。

[0013] 图4B为根据本发明的实施例，响应于图4A所示电波形而产生的输出光脉冲的简图。

[0014] 图5A和图5B根据本发明的实施例的有尖峰的光输出脉冲的简图；

[0015] 图5C和图5D是示出了根据本发明的实施例的施加到振幅调制器的电波形以及相应的有尖峰的光输出脉冲的简图；

[0016] 图6示出了根据本发明的多个实施例所提供的光脉冲组；

[0017] 图7A和图7B为根据本发明的实施例的对于三个具有不同能量和宽度的脉冲的施加到振幅调制器的电波形以及相应的输出光波形的简图。

[0018] 图8A和图8B是根据本发明的另一个实施例的施加到振幅调制器的电波形和输出光脉冲的简图。

具体实施方式

[0019] 图1为示出了根据本发明的实施例的、具有可调谐脉冲特性的、使用光纤放大器的高功率脉冲激光器的简图。高功率脉冲激光器100包括种子源110，其中种子源110产生注入到光学环行器(circulator)120的第一端口114中的种子信号。 根据本发明的实施例，被用来产生光种子信号的种子源110为连续波(CW)半导体激光器。 在特定实施例中，CW半导体激光器为由光纤布拉格光栅(FBG)稳定的半导体二极管激光器，此激光器以20mW的输出功率工作在1032nm波长。 在另一个特定实施例中，CW半导体激光器为外腔半导体二极管激光器，此激光器以100mW的输出功率工作在1064nm波长。在可选择的实施例中，种子信号由小型固体激光器或光纤激光器产生。 本领域的普通技术人员会认识到多种变化、修改和选择。

[0020] 在通过光学环行器120后，种子信号从环行器120的第二端口122出来并照射到光振幅调制器130的第一侧132上。 环行器为本领域中公知的并且能够从多个供应商处得到，例如，新泽西州Caldwell的OFR Inc.的型号OC-3-1064-PM。

[0021] 光振幅调制器130通常保持在“关”状态，即不能使照射到调制器上的信号透射。 根据本发明的实施例，光振幅调制器提供种子信号的振幅调制和时域滤波，以及放大自发辐射(ASE)滤波。 在特定实施例中，光脉冲的长度由光振幅调制器130的操作决定，其中光振幅调制器130可以为在1064nm处具有大于3GHz带宽的APE型铌酸锂马赫-曾德(Mach-Zehnder)调制器。

[0022] 根据本发明的实施例，光振幅调制器130为电光马赫-曾德型调制器，其提供产生短光脉冲所需的带宽。 在其他实施例中，光振幅调制器130为相位或频率调制器，其具有合适的相位至振幅变换器或频率至振幅变换器，所述变换器诸如边缘光滤波器、消光调制器或声光调制器。

[0023] 为了使种子信号通过，光振幅调制器130第一次跳动(pulse)到“开”状态以便沿光路136产生光脉冲。 由光振幅调制器130产生的光脉冲的脉冲宽度和脉冲形状由施加到光振幅调制器130上的调制器驱动信号控制。 之后，光脉冲第一次通过第一光放大器150，并在其中受到放大。根据本发明的实施例，由随时间变化的驱动信号驱动的振幅调制器提供种子信号的时域滤波，由此产生的激光脉冲具有预定脉冲特性，包括脉冲宽度、脉冲形状和脉冲重复率。

[0024] 根据本发明的实施例，施加到光振幅调制器130的驱动信号具有成形的波形，其中该信号由使用高速数字-模拟转换器(DAC)转换为模拟信号的数字式样(pattern)产生。 使用计算机，通过在DAC上的片上存储器中产生波形的数字表示形式以产生成形的波形。 之后使用高速数字-模拟转换器(DAC)将数字式样转换为模拟信号。 DAC的输出上升时间和下降时间优选地小于1ns，更优选地小于500皮秒(ps)，最优选地小于300ps。DAC优选地设置为每当触发事件发生时使用计算机产生载入存储器中的预编程的波形。DAC的取样率优选地为至少500百万次取样/秒(MS/s)，更优选地为至少1G次取样/秒(GS/s)，最优选为至少2GS/s。通过这种采样率，可以每2纳秒(ns)或者更好地限定数字式样。 通过1GS/s的采样率，这意味着可以以1ns的分辨率产生任意波形。
DAC优选地具有大于100MHz的模拟电带宽，模拟带宽更优选地大于300MHz，并且其最优选地大于1GHz。 DAC的电压分辨率优选地为8比特，其更优选地为10比特，最优选地为12比特或更大。

[0025] 为产生给定的电驱动波形，使用者所需要遵循的工艺流程在下文中被强调出来。 首先，使用者将限定一串表示每1纳秒施加到调制器的电压的数字。 本领域的技术人员显然明白串长度必须至少和光脉冲宽度一样长。 例如，如果期望的输出光脉冲为30ns，那么电波形应该至少为30ns。 对于1GS/s采样率的DAC来说，串长度优选地大于30个。 因此，DAC一般会存储至少30个样本。 之后使用计算机，将这串数字载入DAC的存储器中。之后，每个触发事件都将会输出由这串数字所表示的模拟电波形。模拟电波形被施加到调制器上。 举例来说，用于产生这种波形的设备为俄勒冈州比弗顿市的Tektronix Inc.的型号AWG2040。

[0026] 根据本发明的实施例，光放大器150为光纤放大器。 本发明的实施例中使用的光纤放大器包括但不限于掺稀土的单包层、双包层甚至多包层光纤。 用在这种光纤放大器中的稀土掺杂物包括镱、铒、钬、镨、铥或钕。 在特定实施例中，用于构造光放大器150的所有的基于光纤的组件都使用保偏单模光纤。

[0027] 参考图1，在使用光纤放大器的实施例中，泵142通过光耦合器140与掺稀土的光纤环路144耦合。 通常地，半导体泵浦激光器被用做泵142。 本领域的普通技术人员会认识到多种变化、修改和选择。 在可选择的实施例中，光放大器150为固态放大器，其包括但不限于固态棒放大器、固态片放大器或气体增益介质。

[0028] 在特定实施例中，光放大器150包括5米长的掺稀土光纤144，其具有大约24 3
4.1μm的芯层直径并掺杂有掺杂密度大约为4×10 ions/m 的镱。 放大器150也包括泵
142，其中泵142为工作于976nm波长的由FBG稳定的半导体激光二极管并具有100mW的输出功率。 在另一个特定实施例中，泵142为工作在大约915nm波长的半导体激光二极管。在另一个特定实施例中，泵142为工作在450mW或更高输出功率的半导体激光二极管。在一个具体实施例中，放大器150也包括泵对光纤的耦合器140，其中耦合器140为WDM泵浦合波器。

[0029] 从光放大器150沿光路148发出的信号之后照射到反射结构146上，并被反射回光放大器150。信号第二次通过光放大器150，信号在其中受到放大。反射结构146对激光脉冲和通过光路148传送的放大自发辐射(ASE)执行谱域滤波。 因此，种子信号穿过振幅调制器130经受振幅调制和时域调制，并且在从反射结构146反射时经受谱域滤波。

[0030] 在实施例中，反射结构146为光纤布拉格光栅(FBG)，该FBG被直接写入到用作光放大器150的光纤中。 如本领域中公知的，FBG的周期和光栅特性被选择以提供期望的反射系数。 仅仅当作特定实施例中的例子，反射结构146为具有大于90％的峰值反射率的FBG，并且其中心波长和谱宽度与种子源110的输出紧密匹配。

[0031] 从光放大器150沿光路136发出的信号照射到光振幅调制器130的第二侧134上，之后光振幅调制器130第二次跳动到“开”状态以允许入射脉冲通过。 根据本发明的实施例，考虑到信号通过放大器150和反射结构146的渡越时间，将光振幅调制器130的第二个“开”脉冲的定时与调制器130的第一次开启(第一个“开”脉冲)同步。 在从光振幅调制器130的第一侧发出之后，经放大的脉冲随后进入光环行器120的第二端口122，并且沿光路148从光环行器120的第三端口116射出。

[0032] 根据本发明的实施例，如对第一次开启所描述的，施加到光振幅调制器130的用于第二次开启的驱动信号具有成形的波形，该成形的波形源于使用高速数字-模拟转换器(DAC)转换为模拟信号的数字式样。基于具体应用，第二次开启的成形的波形可以与第一次开启的波形不同。 在一些实施例中，第二驱动信号仅具有矩形波形以使得光脉冲无改变地离开双通(double pass)放大器。 在其他实施例中，第二驱动信号具有非矩形形状的波形以基于特定应用来改变离开双通放大器的光脉冲。

[0033] 在其他实施例中，在一个触发事件中，第一驱动信号和第二驱动信号作为一个复合波从高速DAC中同时产生。为产生这个包括第一次和第二次开启信号的复合单一电驱动波形，使用者所需要遵循的工艺流程在下文中被强调出来。 首先，使用者限定用于第一次开启和第二次开启的一串，该数字表示每1纳秒施加到调制器的电压。 本领域的技术人员显然明白串长度必须至少和光脉冲宽度的两倍与光信号通过双通放大器的渡越时间的总和一样长。例如，如果期望的输出光脉冲为30ns并且经过放大器的光渡越时间为150ns，那么电波形应该至少为210ns。 在一些实施例中，在第一次开启与第二次开启信号之间的电波形基本上为零。 对于1GS/s采样率的DAC来说，串长度优选地大于210个数字。因此，DAC需要存储至少210个样本。DAC样本长度更优选地可以大于1024。之后使用计算机，将这串数字(样本)载入DAC的存储器中。 之后，每一个触发事件都将会输出由这串数字表示的复合模拟电波形。该模拟电波形被施加到调制器上。 举例来说，用于产生这种波形的设备为俄勒冈州比弗顿市的Tektronix Inc.的型号AWG2040。

[0034] 之后，信号在其通过第二光放大器160时被放大。 如结合图1讨论的，本发明的实施例利用了光纤放大器作为光放大器160，其中光放大器160包括通过光耦合器152与掺稀土的光纤环路耦合的泵154。虽然对本领域的技术人员来说，光放大器的泵浦很明显地可以由其他装置实现，但是通常地将半导体泵浦激光器用作泵154。 在特定实施例中，第二光放大器160包括5米长的掺稀土光纤156，其具有大约4.8μm的芯层直径并掺24 3
杂有掺杂密度大约为6×10 ions/m 的镱。放大器160也包括泵154，其中泵154为工作于976nm波长的由FBG稳定的半导体激光二极管并具有500mW的输出功率。 在另一个特定实施例中，第二光放大器160包括2米长的掺稀土光纤156，其具有大约10μm的芯
26 3
层直径并掺杂有掺杂密度大约为1×10 ions/m 的镱。放大器160还可以包括泵154，泵
154为具有5W输出功率的半导体激光二极管。

[0035] 在另一个特定实施例中，为了使种子信号通过，光振幅调制器130跳动一次而不是两次。 光振幅调制器130变成“开”状态以产生沿光路136传播的脉冲的上升沿。之后此信号通过光放大器150第一次放大。 之后信号照射反射结构146并通过光放大器
150第二次放大。此时从光放大器150发出的信号沿光路136照射到光振幅调制器130的第二侧134，光振幅调制器130随后转到“关”状态。因此脉冲宽度由光振幅调制器130保持在“开”状态的时间减去信号通过放大器150和反射结构146的渡越时间给定。 施加到光振幅调制器130上的调制器驱动信号具有成形的波形，该成形的波形如上所述源于使用高速数字-模拟转换器(DAC)转换为模拟信号的数字式样。

[0036] 虽然图1示出了使用耦合于光环路120的第三端口的单一光放大器160，但是这并不是本发明所必需的。 在可选择的实施例中，为适合于特定应用，在光环路120的下游使用多个光放大器。本领域的普通技术人员会认识到多种变化、修改和选择。 涉及本发明的实施例所采用的光源的更多描述可以在申请于2007年4月18日的一同转让并在审的美国专利申请No.11/737,052中找到，为所有目的通过引用方式将其全部结合在这里。

[0037] 图2为示出在根据本发明实施例的高功率脉冲激光器中的不同位置的电脉冲和光脉冲时序简图。 仅仅作为例子，图2示出了到振幅调制器的重复电驱动信号和通过如图1所示的本发明的实施例传播的光脉冲的时序。 在电触发210之后，第一电驱动信号220施加到振幅调制器以产生光脉冲240。在一些传播延迟后，光信号250第一次通过光放大器。 光信号260之后照射到反射结构并且光信号250第二次通过光放大器。 光脉冲240第二次传递通过振幅调制器，其中振幅调制器由光脉冲240以电的方式驱动第二次
220。 最后在一些传播延迟之后，光脉冲230从端口3出射。

[0038] 采用本发明的实施例，可以提供产生具有独立可调节脉冲特性的光脉冲流的高功率脉冲激光源，其中脉冲特性包括脉冲宽度、峰值功率和能量、脉冲形状和脉冲重复速率。 仅仅作为例子，本发明的特定实施例在第二光放大器160的输出端170释放输出脉冲，所述脉冲大于每脉冲5μJ，并具有10ns的脉冲宽度和10KHz的重复率。 当然，由可选择的实施例提供其他脉冲特性。

[0039] 在上述实施例中，使用了CW种子源并且使用振幅调制器120执行提供激光脉冲的时域滤波。但是，这不是本发明所必需的。 在可选择的实施例中，对种子源进行调制以提供脉冲的种子信号而不是CW种子信号。 提供的脉冲的种子信号使由种子通过振幅放大器泄露到双通放大器中而引起的ASE积累和增益损耗最小化，并使得种子源的工作功率范围能够增加。 在可选择的实施例中，脉冲种子信号的脉冲宽度可以等于或长于整个脉冲激光源的期望脉冲宽度。 使种子脉冲化也可以增加种子激光器的有效线宽以减少受激布里渊散射(SBS)。

[0040] 根据本发明的实施例，提供了产生光脉冲序列的方法和系统，其中光脉冲序列在时间上可以不是均匀分割的。 此外，可以以预定方式对各脉冲逐一地独立调整脉冲宽度和脉冲能量。 此外，应该认识到虽然上面的描述讨论了单一光脉冲的产生，但本发明的实施例考虑到了将单一脉冲重复多次以产生多重脉冲。 这些多重脉冲可以包括一系列光脉冲序列。 在本发明的一些实施例中，DAC在每个触发事件时产生成形的波形，因此产生与每个触发事件同步的多重光脉冲。当以达到100KHz、500KHz、或者1MHz以及更高的速率产生光脉冲时，使用这个工作模式是很有利的。 在其他实施例中，DAC可以被用来由每个触发事件产生多重光脉冲。以此工作模式，成形的波形具有脉冲组。 在一些实施例中，该组光脉冲相同。在其他实施例中，该组光脉冲不同。 当对于特定应用需要突发光脉冲时，这种工作模式特别有利。例如，其有利于产生两个或更多个具有10-20ns时间延迟的10ns脉冲，整组脉冲以达到10KHz、500KHz、或者1MHz以及更高的速率重复。 在此例子中，每个单一触发事件将会产生10ns脉冲的组。

[0041] 诸如打标、雕刻、显微机械加工和切割的基于激光的材料处理已经使得高峰值功率脉冲激光得到了广泛的应用。 基于应用和将要处理的材料，脉冲特性(特别是脉冲形状)需要适应于特定的应用。 对于一些应用，优选地用诸如方形脉冲的特定光脉冲形状进行处理，并且这种脉冲的形变可能是不利的。

[0042] 在基于光纤的功率放大器中，当输出脉冲能量接近放大器中存储的能量时，光脉冲的形状发生形变。 在稳定状态下，增益饱和效应的原因是信号强度，然而在动态状态下，其原因是能量密度。主要结果是高功率脉冲在其传播通过增益介质时被扭曲。 随着脉冲通过光纤放大器，其从光纤中逐渐地提取出更多能量，并随之减少可用增益。 这种逐渐减少的增益引起了脉冲形变。图3为高斯脉冲和准方波(超高斯)脉冲的脉冲形状图。 因为高斯形在其前沿包含其能量的较少部分，脉冲形变从定性的角度说不太剧烈。另一方面，准方波脉冲的脉冲损耗的效果是非常显著的。

[0043] 在对存储芯片上的导电连接进行激光处理的领域，使用基本上方形的光脉冲是有利的。上升和下降时间优选地可以为约1纳秒(ns)。 上升和下降时间最优选地可以为小于1纳秒(ns)、约0.5ns或更小。在本发明的实施例中，放大器中的增益饱和是反平衡的(counter-balanced)，通过为调制器产生具有比下降沿更低的上升沿的驱动信号，以产生基本方形的输出脉冲。 图4A和图4B是根据本发明的实施例的施加到振幅调制器的电波形和输出光脉冲的简图。 在此示例中，表示在图4B中的期望的输出光脉冲具有20mJ的能量，1ns的上升和下降时间，30ns的宽度以及约670W的峰值功率。施加到振幅调制器以产生期望的输出光脉冲的电波形示出在图4A中。 使用具有1GS/s以及12比特分辨率的DAC产生电驱动信号。在此简图中，仅示出了将电驱动信号第一次施加到调制器上第一次开启)的情况。 图4A以V_pi(Vπ)的分数(fraction)的形式示出了施加到振幅调制器的电压，其中V_pi在本领域中公知作为驱动振幅调制器从完全消光到完全透射所需要的电压。

[0044] 在实施例中，第二次(第二次开启)使用的调制器的电驱动信号为矩形。 第二次开启只允许光脉冲不经改变地朝向输出放大器离开双通放大器。 第二光驱动信号仅选通(gate)输出光脉冲。 在其它实施例中，根据应用，也可以使用非矩形波形使第二光驱动信号成形。 也应该理解到，实际上第一和第二电驱动信号可以为如上文中解释的包括第一和第二驱动波形的复合驱动信号。 对于此示例，电驱动信号的基本特性为前沿低于后沿。 这是为了考虑放大器中的饱和。随着脉冲传播通过放大器，脉冲的前沿从放大器中提取能量，光增益被减少。 经历了较少增益的脉冲后沿受到的放大较少。因此，注入到放大器中的脉冲的后沿比其前沿要更高。

[0045] 在本发明的其他实施例中，脉冲成形不仅被用来抵消增益饱和，而且用来产生非方形光脉冲。 根据特定应用，输出光脉冲可以与方形脉冲不同。

[0046] 在对存储器芯片或其他集成电路芯片上的导电连接进行激光处理的领域，使用具有特别调整的功率分布的激光脉冲的系统有利于更好的处理质量以及产量。

[0047] 例如在本发明的实施例中，使用如图5A或图5B中示出的特别调整的光功率的时间分布。 参考图5A和图5B，在连接材料被全部除去之前，激光脉冲功率分布60c和60d分别可以被特别地调整为在激光脉冲的开始部分具有显著的前沿超调(overshoot)62(图5A)或者在激光脉冲持续时间内的某时刻具有一个或两个脉冲中部尖峰64(在图5B中示出了一个尖峰)。 在特定实施例中，功率尖峰的定时位于从激光脉冲功率分布的上升沿到激光脉冲功率分布的持续时间的约70％的间隔中。 图5B示出了激光脉冲功率分布60d，其中功率水平在脉冲尖峰64之前和之后相对平坦。在脉冲尖峰64之前和之后，激光脉冲功率分布可以具有变化的功率水平。 以这种方式调整激光脉冲功率分布从前沿超调或者脉冲中部尖峰提供足够的激光峰值功率和能量，以促进连接材料的良好的移除，并在移除掉大部分连接材料时，使用低得多的激光脉冲功率除去剩余的连接材料，并确保减少了损伤硅衬底和连接附近结构的危险。

[0048] 图5C和图5D是示出了根据本发明的实施例的施加到振幅调制器的电波形以及相应的有尖峰的光输出脉冲的简图。 这些图示出了脉冲中部有尖峰的光输出的具体例子。 在此例子中，表示在图5D中的期望的输出光脉冲具有20mJ的能量，约5ns的上升和下降时间，在底部约55ns的总宽度，在底部约15ns的尖峰宽度，以及约570W的峰值功率。 输出脉冲在主脉冲的中央具有尖峰。 脉冲在大约285W处具有基底，其中285W约为570W的峰值功率的一半。 施加到振幅调制器以产生期望的输出光脉冲的电波形示出在图5C中。使用具有1GS/s的取样率以及12比特的分辨率的DAC产生电驱动信号。在此简图中，仅示出了将电驱动信号第一次施加到调制器上(第一次开启)的情况。 图
5C以V_pi(Vπ)的分数的形式示出了施加到振幅调制器的电压，其中V_pi在本领域中公知作为驱动振幅调制器从完全消光到完全透射所需要的电压。 在实施例中，第二次使用(第二次开启)的调制器的电驱动信号为矩形。第二次开启只使光脉冲不经改变地离开双通放大器朝向输出放大器。第二光驱动信号仅选通输出光脉冲。 在其它实施例中，根据应用，也可以使用非矩形波形使第二光驱动信号成形。 也应该理解到，实际上第一和第二电驱动信号可以为如上文中解释的包括第一和第二驱动波形的复合驱动信号。

[0049] 使用本发明的实施例，激光功率分布的这种特殊调整产生好得多的处理结果、更宽的处理窗口、并减少了对于硅衬底和临近连接的结构的损伤的危险。

[0050] 这里提供的特别调整的激光脉冲在激光脉冲的开始具有超调或者在激光脉冲的持续时间内具有尖峰。 在脉冲过程中，超调或尖峰的功率幅度大于激光脉冲的平均功率幅度的约10％，例如，10％到50％。 超调或者尖峰的时间宽度为预定值，例如，在约1ns到约激光脉冲持续时间的50％之间。在特定实施例中，超调或者尖峰的时间宽度在激光脉冲持续时间的约10％到50％之间。在实施例中，考虑到制作过程中连接结构和激光参数的所有实际变化，尖峰的定时被设置在连接完全被移除的时间之前。 基于不同的连接结构可以使用对激光脉冲功率的时间分布进行调制的其他技术，诸如多重前沿超调、多重尖峰或振荡峰功率幅度。 在一些应用中，激光脉冲的持续时间在约1ns到约40ns之间。 激光脉冲功率的时间分布的下降沿通常小于10ns。 激光脉冲的能量优选地位于约
0.001微焦到约10微焦之间。

[0051] 根据本发明的特定实施例提供的非方形波的另一个例子为图6中示出的激光脉冲组。集成电路(IC)制作过程中的产品经常承受由下层或图案或微粒污染物的对准发生变化而引起的缺陷。对于这种应用，采用至少两个激光脉冲的组来切割IC连接而不使用传统连接处理系统的单激光脉冲是有利的，其中该激光脉冲组中的每个激光脉冲的能量都在安全范围内。 在本发明的一些实施例中，类似于图6中示出的光脉冲组由激光器发射。 根据本发明的各种实施例，该光脉冲组的持续时间短于1000ns，短于500ns，短于300ns或者在5ns到300ns的范围内。 当然，脉冲持续时间的具体值将由具体应用决定。
组中每个激光脉冲的脉冲宽度基本上在约100飞秒到约30ns的范围内。 在用于IC连接切割应用的实施例中，组中每个激光脉冲具有的单脉冲能量或峰值功率小于支撑连接结构的硅衬底的损伤阈值。 组中激光脉冲的数目被设置为预定值，使得最后的脉冲在保持下方的钝化层和衬底完好无损的情况下，扫除连接的底部。 因为该组的整个持续时间短于1000ns，因此，此组被传统连接切割激光定位系统认为是单脉冲。 根据本发明的实施例，通过在计算机中产生合适的调制电波形的数字表示形式，之后通过高速数字-模拟转换器(DAC)将此数字式样转换为模拟信号，以产生激光脉冲组。在一些实施例中，脉冲组被作为仅使用一个电信号驱动振幅调制器的单一光波形来看待。

[0052] 在一些实施例中，该脉冲组包括不同形状、不同能量或者不同宽度的脉冲。 例如，如图7A和图7B所示，简单的一组包括具有不同能量或宽度的三个脉冲。 图7A和图7B是根据本发明的实施例，对于三个具有不同能量和宽度的脉冲，施加到振幅调制器的电波形以及输出光脉冲的简图。 在此例子中，表示在图7B中的期望的输出光波形具有50mJ的总能量。 第一脉冲具有6mJ的能量、约1ns的上升和下降时间、6ns的宽度以及约1000W的峰值功率。 第二脉冲具有4mJ的能量、约1ns的上升和下降时间、8ns的宽度以及约500W的峰值功率。 第三脉冲具有40mJ的能量、约1ns的上升和下降时间、50ns的宽度以及约800W的峰值功率。 前两个脉冲之间间隔20ns，第二脉冲与第三脉冲之间间隔50ns。 脉冲间隔和三个脉冲具有不同的宽度和功率一般很难以传统方法实现。
在此实施例中，以三个脉冲被作为单波形看待。 施加到振幅调制器以产生期望的输出光脉冲的电波形示出在图7A中。 使用具有1GS/s采样率以及12比特分辨率的DAC产生电驱动信号。在此简图中，仅示出了将电驱动信号第一次施加到调制器上(第一次开启)的情况。 图7B以V_pi(Vπ)的分数的形式示出了施加到振幅调制器的电压。 在实施例中，第二次使用(第二次开启)的调制器的电驱动信号为矩形波。

[0053] 在本发明的另一个实施例中，产生用于有效的激光处理的光波形。 接下来描述激光脉冲的形状。 首先以预定功率水平P1将激光能量施加到材料表面上持续预定时间t1，使得被处理的材料熔化并蒸发而产生由蒸发作用引起的反冲，其中反冲使得产生的熔融物转移到作用区域的外围而基本上不从激光束作用区域喷射熔化材料的物质，由此在材料中制造出键孔。 之后，以不同的预定功率水平P2将更多激光能量施加到激光束作用区域并持续预定时间t2，使得引起的蒸发反冲不足以抵消表面张力，并且在保持产生的熔融物的温度在材料的熔点之上的情况下，发生了该键孔的受控制的塌陷。 第三，以不同的预定功率水平P3将更加多激光能量施加到激光束作用区域并持续预定时间t3，从而引起熔化材料的迅速蒸发，产生的反冲造成了第一阶段制造的熔融物几乎完全的喷射，并因此形成了焊坑(crater)。 最后，以不同的预定功率水平P4将激光能量施加到激光束作用区域并持续预定时间t4，使得还没有被喷射出作用区域的剩余熔融物的温度以及靠近所述焊坑的壁的固态材料的温度以可控制的速率降低，其中可控制的速率低于材料通常将会产生微裂纹的冷却速率。

[0054] 图8A和图8B是根据本发明的另一个实施例的施加到振幅调制器的电波形和输出光脉冲的简图。 图8中示出的实施例可以被用在如上所述的材料有效激光处理应用中。 在此示例中，表示在图8B中的期望的输出光波形具有20mJ的总能量。 首先在约20ns的时段以175W的功率水平产生激光能量。 之后在约25ns的时段以88W的功率水平产生激光能量。另外在约10ns的时段以690W的功率水平产生更多激光能量。最终在约55ns的时段以88W的功率水平产生更多激光能量。 施加到振幅调制器以产生期望的输出光脉冲的电波形示出在图8A中。 使用具有1GS/s采样率以及12比特分辨率的DAC产生电驱动信号。 在此简图中，仅示出了将电驱动信号第一次施加到调制器上(第一次开启)的情况。 图8A以V_pi(Vπ)的分数的形式示出了施加到振幅调制器的电压。 在实施例中，第二次使用(第二次开启)的调制器的电驱动信号为矩形波。

[0055] 在一些应用中，激光系统的输出受到频率转换，以产生其他波长的信号。 例如，如本领域中公知的，在1064nm处的信号可以被二倍频或三倍频以产生532nm或354nm信号。 用于频率转换的单元通常包括一个或更多的非线性光学晶体，诸如LBO、KTP等。 经频率转换的信号的光学时域波形与处于基础波长的信号的光学时域波形具有非线性关系。 例如，对于二倍频来说，两个波形大约有2次方的关系。 这意味着如果基础频率的功率加倍的话，倍频的功率将会成为四倍。例如，如果1064nm处的峰值功率从
10kW增加到20kW，如果所有其他的参数保持不变的话，那么在532nm处的峰值功率大约将乘以系数4。 在这种情况下，532nm处的峰值功率可能从2.5kW变为10kW。 那么复合光波形的频率变换不是线性的。 因此，如果对于给定应用需要某一经频率转换的光波形，则基础脉冲形状将会具有不同的波形。 对于施加到振幅调制器的电驱动信号需要考虑这个区别。 根据本发明的一些实施例，施加到振幅调制器的电驱动信号考虑了由频率转换过程所导致的光波形形变。

[0056] 正如上面所讨论的，施加到振幅调制器的特定脉冲形状的波形由特定应用所决定。 它也由所使用的特定放大器的构造所决定。 使用单模式芯层光纤的更低功率的放大器并不一定需要与使用大模式光纤的更高功率放大器相同量的脉冲成形。 并且，如果使用了放大器串，那么特定成形的波形将由增益和用在每个阶段的光纤的几何形状所决定。 它也由频率转换单元的存在与否所决定。 因此，对于一个特定的输出光学波形，必须判定施加到振幅调制器的最佳电波形。 为了决定这个最佳电波形，可以采用几种方法。 第一种是建立将调节器的电驱动波形与光输出波形相联系的激光系统的物理模型。通过对特定系统进行数字模拟，那么可以判定最佳电驱动波形。 本申请的发明人已经建立这种模型。 另一种方法包括在实验室中对激光系统进行连续的近似以决定最佳的电驱动波形。 在这种方法中，第一电波形被施加到振幅调制器，这从激光系统中产生了第一光输出波形。 之后，对这个光输出与电波形进行比较以得到修正第一电波形的误差信号。例如如本发明的实施例中讨论过的，使用对产生电波形的快速DAC进行控制的计算机，可以将误差的信号计算出来。 可以通过从第一电波形减去第一光输出波形的归一化倒数(normalized inverse)来得到这样的误差信号。 之后将该误差信号加到第一电波形，以产生驱动调制器以产生第二光输出波形的第二电波形。 然后重复这个程序直到对振幅调制器进行驱动的电波形产生了所需要的光输出波形。

[0057] 虽然根据特定实施例和本发明的具体例子对本发明进行了描述，但是，应该理解其他实施例也可能落入本发明的精神和范围内。 因此，本发明的范围应该参考权利要求以及其等效的全部范围所决定。

[0058] 本发明依据35U.S.C.§119(e)要求申请于2006年9月29日的、题为“Method and System for a Pulsed Laser Source Emitting Shaped OpticalWaveforms”的美国临时专利申请No.60/848,077的优先权，并将其公开内容通过引用全部结合在这里。