激光脉冲串产生装置的制作方法

1.本技术涉及激光加工领域，特别是涉及激光脉冲串产生装置。


背景技术：

2.传统获得激光器脉冲串的方法，通常是将一束包含脉冲的激光分裂成两束或者多束，每束经历不同的光程，从而在时域上分离，最后将两束或者多束脉冲激光合成一束，从而将单个激光脉冲分裂成两个或者多个激光脉冲串，脉冲间隔等于光程差带来的时延。
3.图1示出了传统脉冲分裂单元的结构示意图，参考图1所示，传统脉冲串产生的工作原理具体为：利用偏振分束平片将激光单脉冲被分裂成两束脉冲激光，其中一束脉冲激光经反射镜1、反射镜2的光路；另一束脉冲激光经外反棱镜、内反棱镜组成的光路，最后两束脉冲激光在偏振分束平片2处被偏振合成，合成后的脉冲激光包含两个脉冲。
4.基于此，当需要获得大量脉冲时，传统的方法是将多个所述传统脉冲分裂单元组合，图2示出了采用传统脉冲分裂单元产生脉冲串的装置，参考图2所示，激光单脉冲经过n个传统脉冲分裂单元被分裂成包含2n个脉冲的激光脉冲串。
5.但是，这样的装置使用大量的器件，装置本体非常复杂且尺寸非常大，装置中每个传统脉冲分裂单元合束时对光束共线的精度要求非常高，多个传统脉冲分裂单元组合时，误差会积累，装调难度非常高，稳定性很差；而且，激光脉冲串中，脉冲间隔由每轮脉冲分裂时，光程差控制，多个传统脉冲分裂单元的脉冲间隔一致性差，调节脉冲间隔时，需要同时调节所有传统脉冲分裂单元中的光程差，非常不方便；激光单脉冲分裂成大量激光脉冲串后，激光脉冲串总能量小于激光单脉冲能量，激光脉冲串中每个脉冲的能量下降许多倍，如分裂成1000个，每个脉冲能量仅为原脉冲的1000分之一。


技术实现要素：

6.本技术实施例提供了一种激光脉冲串产生装置，解决了至少一项上述现有技术中存在的技术问题。
7.为了实现上述目的，本技术实施例提供了一种激光脉冲串产生装置，用于将激光单脉冲输出为激光脉冲串，该装置包括：
8.分裂单元，接收激光脉冲进行分裂，并输出路径不同的第一激光脉冲、第二激光脉冲；
9.循环腔单元，接收所述第二激光脉冲并反复循环对第二激光脉冲的放大、分裂，每轮循环所述分裂单元输出均输出第一激光脉冲及第二激光脉冲，所述循环腔单元为直线型循环腔或环形循环腔；可以理解为，第一激光脉冲为分裂单元传递至输出单元的激光脉冲，第二激光脉冲为分裂单元传递至循环腔单元的激光脉冲。
10.增益单元，设置于所述循环腔单元内部，用于放大入射的激光脉冲；
11.输出单元，接收每轮所述分裂单元输出的所述第一激光脉冲并输出装置，得到激光脉冲串。
12.在其中一些实施例中，所述分裂单元为部分反射镜，所述输出单元为隔离器，所述增益单元为增益介质，所述隔离器、部分反射镜、增益介质及一全反镜依次设置；具体的，所述增益介质还连接有泵浦光源；
13.所述隔离器用于接收输入的激光单脉冲及所述部分反射镜反射或透射的激光脉冲信号，并反射输出所述部分反射镜反射或透射的激光脉冲信号；
14.所述部分反射镜用于将输入激光脉冲分裂输出为透射激光脉冲和反射激光脉冲；
15.所述全反镜用于将入射的激光脉冲反射至所述增益介质，所述全反镜与所述部分反射镜配合构成增益型循环腔单元；
16.其中，所述部分反射镜沿所述激光单脉冲入射方向的出射激光脉冲通过所述增益型循环腔单元循环进行放大、反射、二次放大及分裂，所述部分反射镜输出至所述隔离器的激光脉冲经所述隔离器反射输出，由于光程不同，在时域上有间隔，从而得到激光脉冲串。
17.基于如上结构，所述激光单脉冲经所述隔离器入射至所述部分反射镜，所述部分反射镜输出反射激光脉冲e1及透射激光脉冲p1；所述透射激光脉冲p1经所述增益型循环腔单元进行多次循环，得到所述部分反射镜输出至所述隔离器的激光脉冲e2、e3、
……
、en及所述部分反射镜输出至所述增益介质的激光脉冲p2、p3、
……
、pn；所述反射激光脉冲e1、透射激光脉冲e2及激光脉冲e3、e4、
……
、en经隔离器反射输出成脉冲串。
18.具体的，在所述增益型循环腔单元内，所述透射激光脉冲p1经所述增益介质放大后，再经所述全反镜反射进入所述增益介质二次放大；所述增益介质二次放大后的激光脉冲经所述部分反射镜输出反射激光脉冲p2及透射激光脉冲e2；激光脉冲en、pn同理可得，在此不再赘述。
19.在其中一些实施例中，所述部分反射镜、全反镜设置为与所述激光单脉冲入射方向垂直。
20.在其中一些实施例中，所述增益介质的增益配置为补偿所述部分反射镜的透过率引起的脉冲损耗，以输出能量相同的激光脉冲串，所述激光脉冲e1、e2、
……
、en的能量相等。基于此，在自激振荡的阈值以下，同时p1、p2、
……
、pn在其间不断的放大、输出，但能量不变，故最终输出激光脉冲串中的子脉冲e1、e2、e3
……
能量相等。
21.在其中一些实施例中，所述增益介质的增益配置为小于所述部分反射镜的透过率，以输出能量递减的脉冲激光串。
22.在其中一些实施例中，所述激光脉冲串的脉冲间隔t可通过如下表达式计算得到：t＝2l/c，其中，c为光速，l为所述增益型循环腔单元的腔长，也就是所述部分反射镜与所述全反镜之间的间距，所述脉冲间隔t即为激光脉冲两次到达所述部分反射镜的时间差。
23.在其中一些实施例中，采用所述部分反射镜作为输出单元直接输出激光脉冲串，所述增益型循环腔单元为基于多个全反镜配合组成的环形腔。
24.在其中一些实施例中，所述分裂单元为部分反射器，所述增益单元为增益光纤，所述输出单元为环形器，所述增益光纤一端通过一无源光纤连接所述部分反射器，另一端连接一全反射器。
25.在其中一些实施例中，所述分裂单元为分光耦合器，所述增益单元为增益光纤，所述输出单元为输出光纤；所述分光耦合器经一输入光纤接收所述激光单脉冲，所述循环腔单元为所述分光耦合器、无源光纤、增益光纤组成的光纤环形腔，所述增益光纤一端经一无
源光纤连接所述分光耦合器的输出端，另一端连接所述分光耦合器输入端，所述分光耦合器的输出端经所述输出光纤输出激光脉冲串。
26.相比于相关技术，本技术实施例提供的激光脉冲串产生装置，通过使用少量器件就能将激光单脉冲分裂成大量激光脉冲串，具有尺寸小、装调简单、稳定性高、脉冲间隔一致性高及调节方便的优点，并且激光脉冲串中每个脉冲的能量不会明显降低。
27.本技术的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本技术的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
28.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
29.图1是根据相关技术的分裂单元的结构示意图；
30.图2是根据相关技术的产生脉冲串的装置结构示意图；
31.图3是根据本技术实施例的激光脉冲串产生装置的结构示意图；
32.图4是根据本技术优选实施例的激光脉冲串产生装置的结构示意图；
33.图5是根据本技术优选实施例的激光脉冲串示意图；
34.图6是根据本技术优选实施例的另一激光脉冲串示意图；
35.图7是根据本技术优选实施例的激光脉冲串产生装置的另一结构示意图；
36.图8是根据本技术优选实施例的激光脉冲串产生装置的另一结构示意图；
37.图9是根据本技术优选实施例的激光脉冲串产生装置的另一结构示意图。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
40.术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
41.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
42.为了解决前述脉冲串产生装置所存在的装置复杂、尺寸大、误差积累、装调难度非
常高及稳定性很差等问题，本技术实施例提出了一种激光脉冲串产生装置。
43.图3是根据本技术实施例的激光脉冲串产生装置的结构示意图，参考图3所示，为了实现上述目的，本技术实施例的激光脉冲串产生装置至少包括：分裂单元1、循环腔单元2、增益单元3及输出单元4，待处理的激光单脉冲可直接经分裂单元1输入，也可经输出单元4输入，具体的：
44.分裂单元1，接收激光脉冲进行分裂，并输出路径不同的第一激光脉冲、第二激光脉冲；可选的，分裂单元1可以是镜片、光纤光栅、分光耦合器，或者其他能起到相同功能的器件。
45.循环腔单元2，接收第二激光脉冲并反复循环对第二激光脉冲的放大、分裂，每轮循环分裂单元1均输出第一激光脉冲及第二激光脉冲，循环腔单元2为直线型循环腔或环形循环腔；可以理解为，第一激光脉冲为分裂单元1传递至输出单元4的激光脉冲，第二激光脉冲为分裂单元1传递至循环腔单元2的激光脉冲。
46.增益单元3，设置于循环腔单元2内部，用于放大入射的激光脉冲；可选的，增益单元3可以是晶体或光纤。
47.输出单元4，接收每轮分裂单元1输出的第一激光脉冲并输出装置，得到激光脉冲串。
48.基于如上结构，本技术实施例的通过分裂单元1接收激光单脉冲，并分裂输出得到路径不同的第一激光脉冲、第二激光脉冲，第一激光脉冲被输出单元4接收并输出装置外，作为激光脉冲串的子激光脉冲；而第二激光脉冲传递至循环腔单元2进行多次循环，基于此，输出单元4得到多轮分裂单元1输出的第一激光脉冲，从而产生激光脉冲串。本技术实施例的激光脉冲串生成装置采用自循环的方式产生脉冲串，相较于现有技术，极大地简化了对装置构成部件的需求，降低装置复杂性，进而减小装置尺寸，降低成本。
49.下面结合附图4-图9对本技术激光脉冲串产生装置的多个优选实施例的具体结构和工作过程进行说明。
50.优选实施例一：
51.图4是根据本技术实施例的激光脉冲串产生装置的结构示意图，参考图4所示，分裂单元1为部分反射镜，输出单元4为隔离器，增益单元3为增益介质，隔离器、部分反射镜、增益介质及一全反镜依次设置，且部分反射镜、全反镜设置为与激光单脉冲入射方向垂直。具体的，增益介质还连接有泵浦光源，考虑到泵浦光源是增益介质的常规设置，在此不做赘述；
52.隔离器用于接收输入的激光单脉冲及部分反射镜反射或透射的激光脉冲信号，并反射输出部分反射镜反射或透射的激光脉冲信号，可选的，隔离器可以是自由空间法拉第隔离器、光纤环形器、λ/4波片与偏振分束器件组成的光隔离器，或者其他能起到相同功能的器件；
53.部分反射镜用于将输入激光脉冲分裂输出为透射激光脉冲和反射激光脉冲；
54.全反镜用于将入射的激光脉冲反射至增益介质，全反镜与部分反射镜配合构成增益型循环腔单元2；
55.其中，部分反射镜沿激光单脉冲入射方向的出射激光脉冲通过增益型循环腔单元2循环进行放大、反射、二次放大及分裂，部分反射镜输出至隔离器的激光脉冲经隔离器反
射输出，由于光程不同，在时域上有间隔，从而得到激光脉冲串。具体的，激光脉冲串的脉冲间隔t可通过如下表达式计算得到：t＝2l/c，其中，c为光速，l为增益型循环腔单元2的腔长，也就是部分反射镜与全反镜之间的间距，脉冲间隔t即为激光脉冲两次到达部分反射镜的时间差。本技术实施例的激光脉冲串脉冲间隔相同，一致性高，只需调节腔长即可调节脉冲间隔，非常方便。
56.基于如上结构，激光单脉冲经隔离器入射至部分反射镜，部分反射镜输出反射激光脉冲e1及透射激光脉冲p1；透射激光脉冲p1经增益型循环腔单元2进行多次循环，得到部分反射镜输出至隔离器的激光脉冲e2、e3、
……
、en及部分反射镜输出至增益介质的激光脉冲p2、p3、
……
、pn；反射激光脉冲e1、透射激光脉冲e2及激光脉冲e3、e4、
……
、en经隔离器反射输出成脉冲串。
57.具体的，在增益型循环腔单元2内，透射激光脉冲p1经增益介质放大后，再经全反镜反射进入增益介质二次放大；增益介质二次放大后的激光脉冲经部分反射镜输出反射激光脉冲p2及透射激光脉冲e2；激光脉冲e3、e4、
…
en和激光脉冲p3、p4、
…
pn同理可得，在此不再赘述，在此不再赘述。
58.本实施例中，增益介质的增益可配置为补偿部分反射镜的透过率引起的脉冲损耗，以输出能量相同的激光脉冲串，激光脉冲e1、e2、
……
、en的能量相等。举例，若部分反射镜的透过率配置为20％，则可将增益介质的增益配置为20％。基于此，在自激振荡的阈值以下，同时p1、p2、
……
、pn在其间不断的放大、输出，但能量不变，故最终输出激光脉冲串中的子脉冲e1、e2、e3
……
能量相等，如图5所示。
59.另外，本实施例中，增益介质的增益也可配置为小于部分反射镜的透过率，以输出能量递减的脉冲激光串，如图6所示。前述两种增益介质的配置可按需灵活选用。
60.优选实施例二：
61.图7是根据本技术实施例的激光脉冲串产生装置的另一结构示意图，参考图7所示，本技术优选实施例采用光纤器件实现上述实施例的变型，具体的：
62.分裂单元1为部分反射器，部分反射器采用部分反射光纤光栅，增益单元3为增益光纤，输出单元4为环形器，增益光纤一端通过一无源光纤连接部分反射器，另一端连接一全反射器，全反射器与部分反射器配合构成循环腔单元2，可选的，全反射器为全反射光纤光栅。
63.优选实施例三：
64.图8是根据本技术实施例的激光脉冲串产生装置的另一结构示意图，参考图8所示，本实施例与前述实施例一、二相同之处不再赘述，不同之处在于：
65.本技术实施例省略了前述实施例的隔离器或环形器，采用部分反射镜作为输出单元4直接输出激光脉冲串，增益型循环腔单元2为基于多个全反镜配合组成的环形腔，如图8，3个45度全反镜与部分反射镜相对设置组合构成循环腔单元2，增益介质设置于全反镜之间，使部分反射镜透射激光脉冲p1经全反镜反射进入增益介质进行放大后，并由全反镜反射回部分反射镜，以得到反射激光脉冲p2及透射激光脉冲e2，激光脉冲e3、e4、
…
en和激光脉冲p3、p4、
…
pn同理可得，在此不再赘述。
66.优选实施例四：
67.图9是根据本技术实施例的激光脉冲串产生装置的另一结构示意图，参考图9所
示，本实施例与前述实施例相同之处不再赘述，不同之处在于：
68.本技术实施例采用光纤环形腔实现上述实施例的变型。在本实施例中，分裂单元1为分光耦合器，增益单元3为增益光纤，输出单元4为输出光纤；分光耦合器经一输入光纤接收激光单脉冲，循环腔单元2为分光耦合器、无源光纤、增益光纤组成的光纤环形腔，增益光纤一端经一无源光纤连接分光耦合器的输出端，另一端连接分光耦合器输入端，分光耦合器的输出端经输出光纤输出激光脉冲串。
69.激光单脉冲经输入光纤输入传递至分光耦合器处，由分光耦合器处分该激光单脉冲，输出部分激光脉冲至输出光纤，即为激光脉冲e1，输出另一部分激光脉冲至无源光纤，经无源光纤进入增益光纤，即为激光脉冲p1；由于增益光纤的输出端直接连接分光耦合器的输入端，因此自然形成循环，在分光耦合器处输出激光脉冲p2及激光脉冲e2；，激光脉冲e3、e4、
…
en和激光脉冲p3、p4、
…
pn同理可得，在此不再赘述。
70.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
71.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。