阅读说明：本技术 大功率激光辐射的快速调制 (Fast modulation of high power laser radiation ) 是由 T·艾达姆 B·利姆珀特 于 2018-03-02 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于产生幅度调制的激光辐射的设备,其具有将激光束(1)分成至少两个光束通道的分裂元件(2),放大光束通道之一中的激光辐射的至少一个光放大器(3、7),以及组合元件(9),其将在光束通道中传播的激光辐射(4、8)相干地叠加在至少一个输出光束(14)中。本发明的目的是提供一种设备,利用其可以非常快速地对脉冲或连续激光辐射进行幅度调制,特别是切换,即去激活和再激活。在电子调制信号和切换操作之间只需经过几纳秒的时间。应该实现高的开关对比度。该方法也应适用于高功率。根据本发明,提供至少一个相位调制器(5),其在光束通道之一中位于光放大器(7)的上游,并且根据相位对在光束通道中传播的激光辐射进行时间调制。此外,本发明涉及一种用于激光辐射的幅度调制的方法。(The invention relates to a device for generating amplitude-modulated laser radiation, comprising a splitting element (2) which splits a laser beam (1) into at least two beam paths, at least one optical amplifier (3, 7) which amplifies the laser radiation in one of the beam paths, and a combining element (9) which coherently superimposes the laser radiation (4, 8) propagating in the beam path in at least one output beam (14). It is an object of the invention to provide a device with which pulsed or continuous laser radiation can be amplitude modulated, in particular switched, i.e. deactivated and reactivated, very quickly. Only a few nanoseconds of time need pass between the electronic modulation signal and the switching operation. A high on-off contrast should be achieved. The method should also be suitable for high powers. According to the invention, at least one phase modulator (5) is provided, which is located upstream of the optical amplifier (7) in one of the beam paths and temporally modulates the laser radiation propagating in the beam path as a function of the phase. Furthermore, the invention relates to a method for amplitude modulation of laser radiation.)

大功率激光辐射的快速调制

技术领域

本发明涉及一种用于激光辐射的幅度调制的方法，其具有以下方法步骤：

-产生激光辐射，

-将激光辐射分成至少两个光束通道，以及

-将在光束通道中传播的激光辐射相干地组合在至少一个输出光束中。

此外，本发明涉及一种用于产生幅度调制的激光辐射的设备，其具有

-***元件，其将激光束分成至少两个光束通道，以及

-组合元件，其将在光束通道中传播的激光辐射相干地叠加在至少一个输出光束中。

背景技术

近年来，短脉冲激光器已经成为高精度材料加工中的多功能工具。超短激光脉冲(脉冲长度<10ps)相对于较长的激光脉冲(脉冲长度在几纳秒范围内)具有优势，这是由于热量向工件的输入量较低(所谓的冷烧蚀)。加工速度取决于激光的脉冲频率。为了进行具有成本效益的材料加工，近年来已经开发了高重复率的激光系统。对于给定的脉冲能量，这同样意味着平均功率的增加。

材料加工中的许多应用都需要脉冲激光系统的激光脉冲或甚至整个脉冲串以有针对性的方式被去激活，或者需要连续的激光信号以使其功率尽快被修正。例如，如果控制激光束焦点位置的加工扫描仪必须在两点之间移动光束，而在移动过程中没有任何激光辐射照射在要加工的工件表面上，则可以存在这种类型的应用。

如果使用kHz范围内的脉冲频率(μs-ms范围内的激光脉冲之间的间隔)，则现有技术中存在一系列调制技术，用于去激活和再激活激光束或显著改变其功率。除了机械开关方法外，这些方法还包括电光、声光和光电-光开关(请参见W.Koechner，“Solid StateLaser Engineering(固态激光工程)”，纽约，Springer，第6版)。

在高脉冲重复频率激光系统的两个激光脉冲(脉冲频率>>1MHz，激光脉冲之间的间隔<<1μs)之间或在连续发射激光器中(连续波激光器，也称为cw激光器)，必须迅速地，即在显着小于1μs的切换时间内，去激活并再激活激光发射(或对其功率进行显着修改)的情况的技术要求显着地更高。在这些情况下，有必要使用一种调制机制，该机制能够在比电子控制系统提供的调制信号出现后的脉冲间隔短的时间间隔内去激活和再激活激光器(或显着改变其功率)。

在此，一个基本方面是在例如材料加工中，通常必须具有高的平均功率和/或高的脉冲能量。

因此，调制原理必须提供高对比度，并且还必须适用于高功率并尽可能高效率。

另一个基本方面是，激光脉冲或整个脉冲串的功率调制和/或去激活或再激活必须不对所用的激光系统产生任何负面影响，例如，不对激光振荡器或激光放大器的反相电平产生任何负面影响，否则这将导致不希望的且不可控制的功率波动。

现有技术中已知的大多数用于脉冲或连续激光辐射的切换或调制的方法都不能与快速的切换时间一起用于高功率应用：

已知的机械开关具有固有的惯性。因此，它们的反应时间限制为1ms的下限。

使用声光调制器(AOM)作为电子可控的光学开关，在晶体(通常为SiO₂或TeO₂)中产生移动声波，激光束在该声波上衍射。但是，由于用于切换的声波必须穿过光束的整个横截面，但是为了避免达到材料的损坏阈值，对于其能够有多小可能会有限制，因此经过了通常大于1μs的切换时间。尽管具有较高的性能稳定性和较高的开关对比度，但是AOM对于许多应用程序仍然太慢。而且，AOM的衍射效率很少超过75％，这总是降低输出功率。

通常使用的另一种电子控制的光学开关是普克尔斯(Pockels)盒。这是一个压控波片，也可以快速切换。通过在kV范围内的控制信号来调节波片的材料的双折射，使得光可以被下游的偏振分束器耦合出并因此被去激活。但是，此处通常使用的晶体(LiNbO₃，KTP，BBO，RTP等)具有不可忽略的残留吸收的缺点。由于热透镜效应，将相关的热量输入到晶体中导致发射的辐射质量下降。因此，普克尔斯盒不适用于极高的平均功率(范围从几百瓦到几千瓦，甚至更高)。

发明内容

在这种背景下，本发明的目的是提供一种方法和相应的设备，借助该方法和相应的设备，可以非常快速地对脉冲的或连续的激光辐射进行幅度调制，特别是切换，即去激活和再激活。应该实现高的开关对比度。此外，该方法应该适合于高功率，即适合于大于10W的激光辐射的平均功率，并且优选地显着地超过即大于100W至超过1kW。调制应包含尽可能少的损耗(高效率)。

本发明从上述类型的方法开始实现该目的，因为在放大之前，已经根据相对相位位置对在光束通道中传播的激光辐射进行了时间调制，从而根据幅度对输出光束进行时间调制。

根据本发明，首先使用合适的激光系统以低功率产生激光辐射。然后将激光辐射分成至少两个光束通道。为了本发明的目的，分成至少两个光束通道意味着将激光辐射分成至少两个在空间上分开的光束路径。在至少一个光束通道中，优选在所有光束通道中，可以放大在相应光束通道中传播的激光辐射。为此目的，使用本身已知类型的光放大器。在放大之后，在光束通道中传播的高功率激光辐射被相干地组合成一个输出光束或多个输出光束。通过将激光辐射分成至少两个光束通道以及随后的相干组合，产生了一种干涉仪，该干涉仪可以例如以马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪的方式或以迈克尔逊(Michelson)干涉仪的方式构造。在此，每个光束通道形成一个干涉仪支路，其中在至少一个干涉仪支路中，优选在所有干涉仪支路中，在每种情况下都可以放大在那里传播的激光辐射。在输出光束中，放大的激光辐射被组合，从而导致各个光束的辐射功率相加。

在一种可能的实施例中，产生多个输出光束，这些输出光束中的至少一个根据本发明被调制。

本发明基于以下发现：在光束通道中传播的激光辐射可以在放大之前根据相对相位位置进行时间调制。不适用于高功率的相位调制器(例如，电光调制器或简称EOM)可用于此目的。

根据本发明，将相位调制器集成到由光束通道形成的用于幅度调制的干涉仪装置中。时间调制，即在光束通道(即干涉仪分支)中传播的辐射的相对相位位置的变化，会导致相干组合中的干涉状态发生相应的变化，从而导致输出光束的幅度调制。相位调制(例如通过EOM)允许满足上述要求的高开关速度和快速的反应时间。

布置在光束通道中，即相干组合上游的光放大器，以恒定的平均功率连续地暴露于激光辐射。由于根据本发明压印的调制，仅相位随时间变化。这导致每个光放大器中的反相电平随时间保持恒定。因此，所有可用的激光脉冲具有相同的脉冲能量。根据本发明的幅度调制在放大期间不会引起任何不希望的功率波动。可用的激光脉冲是那些与相位调制相对应的、对输出光束产生相长干涉的激光脉冲。

根据本发明，通过以如下方式调制相位，可以使激光辐射在纳秒范围内(或者甚至更快地)被打开或关闭或调制：使得各个光束的激光辐射完全相长地或完全地相消地干涉输出光束。同样，由于各个光束的相对相位位置相应地在输出光束中仅产生部分相长干涉，因此可以进行连续的幅度调制。

本发明的主要优点是可以完全使用市售组件来实现。

在根据本发明使用的光束通道中传播的激光辐射的相干组合可以分为两类，即，填充孔径(光束在近场和远场中的叠加)和平铺孔径(仅在远场中的叠加)。根据本发明的方法可以应用于两种类别，优选地使用填充孔径组合，因为与平铺孔径原理相比，具有更高的组合或消光效率。

可以以任何脉冲长度和脉冲频率对激光辐射进行脉冲化。只要合适的组件可用，激光辐射可以具有任何波长。激光辐射也可以是连续发射的连续波激光辐射(cw激光辐射)。

根据本发明的方法特别适用于脉冲激光辐射的调制，即，包括时间间隔相等的激光脉冲的激光辐射的调制，激光脉冲的脉冲频率大于1kHz，优选大于10kHz，更优选大于100kHz，并且特别优选大于1MHz。在所有上述频率范围中，作为本发明的结果，可以以脉冲精度进行调制。

根据本发明的调制技术特别适合于高功率。产生的激光辐射的平均功率可以大于10W，优选地大于100W，特别优选地甚至大于1kW。

在根据本发明的方法的优选实施例中，控制在光束通道中传播的激光辐射的相对相位位置。为此，可以使用另一个相位调节元件。同样，用于调制的相位调制器(例如，EOM)可以用于反馈控制。在实际系统中，不可避免地在光束通道中发生光程长度的波动，例如由于热膨胀。这导致在相干组合的位置处在光束通道中传播的激光辐射的相对相位位置发生波动。这进而导致输出光束中的功率发生不希望的波动。通过控制相对相位位置，光束通道中的光程长度的差异得以稳定。因此，尽管对系统有外部影响，即使在最大输出功率下，也能在输出光束中获得稳定的发射。在此，反馈控制的带宽可以(明显地)小于根据本发明的时间相位调制的频率。由外部影响引起的波动通常具有比调制频率低得多的频率。

反馈控制应当被配置为使得其不对抗根据本发明的相位调制起作用。一要通过从反馈控制的标称值偏离的调制调整激光辐射的相对相位位置，与相位调制无关的反馈控制就(在由反馈控制的带宽预先确定的时间段之后)抵消该调制。

相对相位位置的时间调制根据调制信号方便地进行。调制信号是由上级控制系统预先确定的信号，该系统可以直接预先确定要调整的相对相位，也可以预先确定输出光束的幅度。在后一种情况下，必须根据由调制原理预先确定的幅度和相对相位位置之间的关系，将调制信号转换成用于所使用的相位调制器(例如，EOM)的控制信号。在控制相对相位位置的情况下，反馈控制的当前标称值应方便地跟踪调制信号，以确保反馈控制不会对抗期望的调制。如果调制频率在用于稳定干涉仪的反馈控制的带宽的范围内或小于该带宽，则反馈控制的当前标称值应对应于根据预先确定的调制信号要调整的相对相位位置。

在根据本发明的方法的优选实施例中，在光束通道中传播的激光辐射的相干组合发生在至少两个输出光束中。该实施例基于这样的考虑，即大量应用(例如在材料加工中)需要将激光功率灵活地划分为各个空间上分开的加工站或输出端口。与在每个加工站使用单个激光器进行单独加工相比，这既可以降低购买成本，又可以显着提高生产率以及所使用的整个处理系统的加工选项范围。

根据本发明，使用相干组合多个(至少两个)光束通道的方法，有利地实现了具有多个输出光束的设备的实现。这对于连续和脉冲激光辐射都是可能的。这里要相干叠加的各个通道的激光辐射的相对相位位置决定了功率在两个或多个可能的输出光束中的分布。换句话说，相干组合允许将在光束通道中传播的激光辐射的相对相位位置的时间调制转换为在光束通道中传播的激光辐射***成输出光束的功率比的时间调制。

同样在该实施例中，对于稳定的输出功率也方便地发生了相对相位位置的稳定，以便补偿例如由于各个光束通道中的热或声干扰引起的波动。为了在输出光束之间重新分配输出功率，根据本发明，有必要对各个光束通道之间的相对相位位置进行有针对性的修改，并且如果该重新分配要维持的时间长于对应于稳定带宽的时间，同样有必要修正相干组合的稳定的标称值。为了稳定对应于光束通道中激光辐射的相位位置的输出光束中的输出功率分布，可以使用常规的稳定方法，例如，LOCSET和

方便地，在上述示例性实施例中，在光束通道中传播的激光辐射在至少两个输出光束中的每个光束中相干地不同地相干地叠加，即以不同的组合，例如以这样的方式相干地叠加：在两个光束通道之间具有给定的相位差的情况下，在第一输出光束中存在相长干涉，而在第二输出光束中存在相消干涉。

在两个光束通道组合的最简单示例中，上述方法允许在两个输出光束上灵活分配输出功率。相对相位位置改变π(从第一输出光束中的理想相长干涉和第二输出光束中的理想相消干涉开始)可将输出功率完全移至第二输出光束，并在那里可为应用所用。同样可以通过适当选择相位位置来设置所有中间功率值。应当注意，与单个激光器的发射相比，该方法增加了单个输出光束的最大可能功率。假设组合效率为100％，则每个输出光束可以发射单个发射的0％至200％的功率。

根据在不同输出光束上重新分配功率的所需速度，可以采用各种元件来改变光束通道中的相对相位位置。例如，延迟部分中的压电驱动镜允许修改kHz范围内的功率分布以及GHz范围内的电光调制器，从而可以以脉冲精度将激光辐射重新分配到不同的输出光束上。

一种特定的应用场景是在一个或多个加工站(例如，为了交换工件)关闭激光辐射。在此转换时间内，激光功率可以转移到其他加工站，从而得到有效利用。

此外，本发明所基于的目的通过一种上述类型的设备得以实现，其方式是，提供至少一个相位调制器，该相位调制器在光束通道中的一个中对在该光束通道中传播的激光辐射在相位方面进行时间调制。

作为无源，低损耗且性能稳定的***和/或组合元件，偏振分束器(例如薄膜偏振器)或强度分束器是合适的，例如可以以高质量和低成本在商业上获得。衍射元件(例如光栅)作为***和/或组合元件也是可行的。

方便地，根据本发明的设备具有反馈控制电路，该反馈控制电路控制在光束通道中传播的激光辐射的相对相位位置，以便在不可避免地发生外部影响的情况下稳定光束通道中的光程长度，例如如上所述。作为用于检测相对相位位置的测量装置，反馈控制电路可以包括例如本身已知类型的汉斯-库拉德检测器。作为调节元件，反馈控制电路可以包括例如布置在光束通道中的一个中的延迟部，该延迟部可以改变(例如通过压电致动器)。这样，可以特别简单地实现反馈控制。然而，调节元件也可以是相位调制器本身，在这种情况下，调制信号以及叠加在其上的来自控制器的控制信号被馈送到相位调制器。

作为用于快速切换的相位调制器，优选采用EOM。有市售的EOM，其开关时间在ns范围内。因此，可以实现满足基于激光的材料加工领域要求(见上文)的快速幅度调制。根据本发明，可以将能够在市场上以低成本获得的、为低功率而设计的EOM(例如，光纤EOM)用作相位调制器。

根据本发明的设备允许在高重复率短脉冲激光器的两个激光脉冲之间去激活和再激活激光束。因此，根据本发明的设备允许切换时间仅在几纳秒的范围内。如上所述，连续发射(cw)的激光辐射也可以相应地迅速进行无级调制。

附图说明

下面参照附图更详细地解释本发明的示例性实施例。这些显示以下内容：

图1：在第一实施例中的根据本发明的设备的示意图，

图2：具有多个输出光束的第二实施例中的根据本发明的设备的示意图。

具体实施方式

在图1中，使用激光系统(未示出)产生输入脉冲串1，并使用分束器形式的***元件2将其分成两个(或更多个)光束通道。图1显示了1对2分束器(例如偏振分束器)。强度分束器(例如50/50分束器，分段镜或1对N分束器，例如衍射元件)也是可能的。通过1对2分束器的级联布置或使用1对N分束器，可以获得两个以上的光束通道。在空间上分开的脉冲串4和8通过光放大器3和7或放大器链，以达到所需的功率。在光束通道中的一个中，有一个相位调制器5(例如普克尔斯盒/EOM)，它在脉冲串8上压印了一个时间相位模式。这是由外部调制信号以控制电压6的形式预先确定的。根据本发明，相位模式决定幅度调制的调制深度。在组合元件9处，在光束通道中传播的激光辐射4、8被相干地叠加在单个输出光束中。在此至关重要的是，光束通道之间的光程差比激光辐射的相干长度要小，最好是小得多。

在借助于图1的示例性实施例说明的偏振组合中，组合元件9是偏振元件(例如，偏振分束器或薄膜偏振器)。在组合元件9处的叠加期间，第一光束通道(脉冲串8)中的p偏振光束的总辐射功率和第二光束通道(脉冲串4)中的s偏振光束的总功率首先组合以形成输出光束。如果在两个光束通道中传播的激光辐射4、8的相对相位位置等于零(或2π的整数倍)，则干涉是最大相长的，并且输出辐射的特征在于线性偏振，偏振取向倾斜45°。现在，波片12用于将取向旋转到随后的偏振器13(任何偏振元件，例如具有与偏振有关的透射的光栅压缩器)的p偏振。此状态表示输出光束中激光辐射的最大幅度。如果两个激光通道中的激光辐射的相对相位位置由于相位调制而发生变化，则相长干涉将随和输出光束的幅度相应减小而减小。这形成了根据本发明的幅度调制原理的基础。如果省略了随后的偏振器13，则虽然所描述的设置不能用于调制幅度，但是可以将其用于以脉冲精度调制偏振状态。

在实际条件下，光束通道中会发生光程长度的波动，从而导致相应的偏振状态发生波动，从而导致输出光束的功率发生波动。因此，在图1的示例性实施例中，一部分组合的激光束被分束器10引导到检测器(HCD)11。这分析了偏振态，从而分析了在两个光束通道中传播的激光辐射4、8的相对相位位置。HCD 11用于产生误差信号，该误差信号用于控制并因此稳定光束通道中的光程长度的差异。

由相位调制器5根据控制电压6调节的相对相位位置在每种情况下必须预先确定为用于稳定干涉仪的反馈控制的标称控制值。如果要衰减相对大量的激光脉冲，这尤其重要。反馈控制的反应时间由调节元件17的速度确定。例如，如果调节元件17是EOM，则反应时间可以在纳秒范围内；如果调节元件17由例如延迟部分中的压电驱动镜配置，可以获得毫秒范围内的反应时间。由于外部影响导致的固有相位波动很慢(通常在1000Hz或更小范围内)，因此宽泛的反应时间范围是可以容忍的。

该示例性实施例中的误差信号被馈送到控制器18，该控制器18控制在光束通道中传播的激光辐射的相对相位位置。在示例性实施例中，一个单独的元件，例如在两个光束通道中的一个中的延迟部分中的压电驱动镜，被用作调节元件17。可替代地，误差信号可以被直接馈送到相位调制器5，在这种情况下，误差信号被适当地叠加在控制电压6上。控制电压6还被馈送给控制器18。控制电压6为控制器18提供电流标称值，用于相对相位位置的反馈控制。

因此，尽管对系统有外部影响，在输出端仍可获得稳定的发射。相对相位位置被稳定到由控制电压6预定的标称值。

如上所述，光束通道中激光辐射的相对相位位置的改变导致输出光束的幅度减小，从而不再出现最大的相长干涉。如果相位差是π(或3π、5π等)，则在组合元件9的下游又获得了激光辐射的线性偏振，其中偏振取向旋转了90°(与没有相位差的情况进行比较)。因此，如果偏振器13上的波片12的位置不变，则可以达到完全消光。幅度下降到最小值。

为了快速地改变幅度(以脉冲精度)，相应的相位跳变被相位调制器5压印。没有附加的相位压印的激光脉冲可用作输出光束中的可用辐射14。具有附加的压印相位的脉冲被衰减，从而使它们在偏振器13处部分地偏转或在相位跳变π的情况下完全偏转并形成分支的脉冲串15，该脉冲串可以被另外使用或吸收到光束阱16中。

根据本发明的方法也可以用两个以上的光束通道来实现，其中或者使用多个相位调制器，或者在将激光辐射级联地***成光束通道的情况下，例如在第一次1对2***后，在光束通道中调制相位，然后将调制后的激光辐射***为其他光束通道。不对称***也是可能的，例如激光辐射被***成一个相位调制的高功率光束通道和多个未调制的低功率光束通道。

在图2的示例性实施例中，借助于作为***元件的分束器S，信号源(例如，激光振荡器或前置放大器系统)(未示出)的激光辐射被***成多个光束通道。在示例性实施例中，光放大器V_1-V₄位于四个光束通道的每一个中。在每个放大器的上游定位有一个相位调制器Φ₁-Φ₄，例如电光调制器。反射镜和光束组合器K₁-K₃(例如，部分反射镜或偏振分束器)的所示布置用作组合元件。本发明允许使用所有四个输出光束P₁-P₄，其中在光束通道中传播的激光辐射借助于反射镜和光束组合器K₁-K₃被相干地叠加。根据相位调制器Φ₁-Φ₄的相位位置，基于单个光束通道的功率，在四个输出光束P₁-P₄上分别获得0-200％的功率分布，在P₂和P₃上甚至获得0-400％的功率分布。

在图2的示例性实施例中，与图1的示例性实施例中一样，在实践中应该再次提供对在光束通道中传播的激光辐射的相位位置的反馈控制，以补偿由于环境影响(热干扰和声干扰)引起的波动。图2中没有示出此反馈控制。

图2中所示的方法可以扩展到任意数量的N个光束通道和M个输出光束，其中M可以在2到N之间。