CN117477334A - 超快激光器基于自由触发脉冲输出的装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超快激光器基于自由触发脉冲输出的装置及控制方法，光纤分束器一路输出端连接主声光调制器的光学输入端，另一路输出端连接光纤准直器的输入端；主声光调制器的光学输出端连接光纤合束器的输入端；主声光调制器的控制输入端连接控制模块的输出端；光纤准直器的输出端连接板载式辅助声光调制器的光学输入端，板载式辅助声光调制器的输出端连接光纤准直器的输入端，板载式辅助声光调制器的控制输入端连接控制模块的输出端；光纤准直器的输出端连接光纤合束器的另一输入端；光纤合束器的输出端连接光学放大器的输入端；光学放大器的输出端连接自由空间声光调制器的光学输入端；自由空间声光调制器控制输入端连接控制模块的输出端。
Description
技术领域
本发明涉及一种超快激光器基于自由触发脉冲输出的装置及其控制方法。
背景技术
随着超快激光器如皮秒激光和飞秒激光在消费电子、半导体、玻璃以及电池新能源等领域的不断应用，精细微制造工艺对激光脉冲控制要求也越来越高，一种典型的应用是用户可以自由触发(FreeTrig)激光器输出脉冲，以适应用户所需的频率变化，其加工工艺特性表现为脉冲能量不会堆积，加工效果均匀，尤其适合于运动系统的圆弧加工或者变速加工。尽管行业内有相关方面的研究和应用，但在使用的便捷性以及效果方面还存在一定问题。
目前超快激光器种子输出一般都是基于锁模技术，激光器的基频都是通过种子锁模频率分频得到，但基频频率不能过低，否则种子脉冲经过放大后单脉冲能量太高会打坏光学晶体。而对于加工应用来说，用户输入激光器的FreeTrig频率信号经常会在低频段使用，如果激光器对频率有所限制，那加工也不能真正的称之为自由触发加工。
超快激光器，包括光纤声光调制器、光学放大器、自由空间声光调制器和控制模块，控制模块与光纤声光调制器和自由空间声光调制器相连，工作时锁模种子光(锁模频率一般为25M～80M)经过预放大后形成的预放大锁模种子光(简称为种子光)，种子光输入光纤声光调制器，在控制模块的控制下选取出一定频率的种子光(称为选频种子光)，在实际应用中该频率远小于锁模频率，称之为基频，一般是在几百kHz，选频种子光通过光学放大器进行放大后，输入自由空间声光调制器，在控制模块的控制下，自由空间声光调制器输出所需频率的激光脉冲。超快激光器内光学放大器主要是有泵浦源、光学晶体、光学镜片等组成，而激光器工作时，光学放大器内的泵浦源一般是恒流常工作模式，因此必须通过光纤声光调制器输出的选频种子光来带走泵浦所积累的上能级粒子数，如果选频种子光的基频过低(比如小于50k)，也就是选频种子光脉冲间隔太长，会导致光学放大器内泵浦源上能级粒子数自发跃迁形成自发辐射然后被放大(俗称ASE)，从而损伤光学晶体以及光学镜片。所以想获得激光器输出的低频脉冲，只能通过控制自由空间声光调制器对基频光脉冲进行二次选频，但是实际加工时运动系统在加减速时输入激光器的FreeTrig频率是不断变化的，通过二次选频得到的激光脉冲无法适应加工所需的频率，尤其在高速切割或划线的位置打点控制时，实际工艺表现为打点错位甚至漏点。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种超快激光器基于自由触发脉冲输出的装置及其控制方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
超快激光器基于自由触发脉冲输出的装置，特点是：包含种子分束脉冲发生模块、光学放大器、自由空间声光调制器、控制模块、光电探测器以及输入接口，种子分束脉冲发生模块包含光纤分束器、主声光调制器、光纤准直器、板载式辅助声光调制器、光纤准直器和光纤合束器，种子光输入至种子分束脉冲发生模块的光纤分束器输入端，光纤分束器分成两束光，光纤分束器的一路输出端连接至主声光调制器的光学输入端，光纤分束器的另一路输出端连接至光纤准直器的输入端；主声光调制器的光学输出端连接至光纤合束器的一输入端；主声光调制器的控制输入端连接至控制模块的一输出端；光纤准直器的输出端连接至板载式辅助声光调制器的光学输入端，板载式辅助声光调制器的输出端连接至光纤准直器的输入端，板载式辅助声光调制器的控制输入端连接至控制模块的一输出端；光纤准直器的输出端连接至光纤合束器的另一输入端；光纤合束器的输出端连接至光学放大器的输入端；光学放大器的输出端连接至自由空间声光调制器的光学输入端；自由空间声光调制器的控制输入端连接至控制模块的输出端；自由空间声光调制器的光学输出端输出所需光脉冲；外部触发信号通过输入接口连接至控制模块的输入端。
进一步地，上述的超快激光器基于自由触发脉冲输出的装置，其中，光电探测器的输出端连接至控制模块的输入端。
进一步地，上述的超快激光器基于自由触发脉冲输出的装置，其中，所述自由空间声光调制器为全波段68MHz～80MHz自由空间声光调制器。
进一步地，上述的超快激光器基于自由触发脉冲输出的装置，其中，所述控制模块包含高速比较器、通信接口、MCU和FPGA，光电探测信号接入至高速比较器的正输入端，参考地连接至高速比较器的负输入端，高速比较器的输出端与FPGA的全局时钟输入端相连；外部FreeTrig信号频率接入至FPGA的输入端；通信接口与MCU输入端相连，MCU的数据总线端口与FPGA的数据总线端口相连，MCU的出光信号输出端与FPGA的输入端相连；MCU的复位输出端与FPGA的全局复位输入端相连；FPGA的三个输出端分别输出用来控制主声光调制器、板载式辅助声光调制器以及自由空间声光调制器的控制信号。
进一步地，上述的超快激光器基于自由触发脉冲输出的装置，其中，所述板载式辅助声光调制器为表贴型自由空间型声光调制器。
进一步地，上述的超快激光器基于自由触发脉冲输出的装置，其中，所述主声光调制器为150～200MHz的光纤耦合声光调制器。
本发明超快激光器基于自由触发脉冲输出的控制方法，种子光输入至种子分束脉冲发生模块，由光纤分束器分成两束功率不同的种子光，主脉冲光束输入主声光调制器，次脉冲光束输入光纤准直器；光纤准直器的输出光进入板载式辅助声光调制器，主声光调制器在控制模块的调制控制下，输出所需频率的基频种子光；板载式辅助声光调制器在控制模块的调制控制下，输出频率可变宽度可调的种子光脉冲簇，并输入光纤准直器，继而输出调制光脉冲簇，光纤准直器和光纤准直器构成一对耦合器实现次脉冲光束由光纤传输到空间传输，再到光纤传输的过程；基频种子光和调制光脉冲输入至光纤合束器合束后输出合束光脉冲串，合束光脉冲串输入光学放大器放大，合束光脉冲串经过放大后从光学放大器输出放大光脉冲串，放大光脉冲串输入自由空间声光调制器，在控制模块的同步控制下输出所需的选取脉冲激光，输入接口输入FreeTrig频率信号至控制模块，控制激光器输出相同的频率的光脉冲。
更进一步地，上述的超快激光器基于自由触发脉冲输出的控制方法，其中，由光电探测器用以接收部分锁模种子光，从而输出种子锁模频率给控制模块，锁模频率用于控制模块的时钟信号。
更进一步地，上述的超快激光器基于自由触发脉冲输出的控制方法，其中，输入接口无输入频率信号时，控制模块输出固定频率的主声光调制器门控信号控制主声光调制器的开启和闭合，主声光调制器开启瞬间能拾取出一个或者多个主脉冲，输出基频种子光；控制模块控制板载式辅助声光调制器的门控信号是关闭的，板载辅助声光调制器无次脉冲输出，调制光脉冲簇是空的，光纤合束器输出合束光脉冲串等同于基频种子光，合束光脉冲串经过光学放大器放大后形成放大光脉冲串输出，若需测试出光，或者外部控制持续长出光，则控制模块输出控制自由空间声光调制器的自由声光调制器门控信号为高，自由空间声光调制器输出选取脉冲激光。
更进一步地，上述的超快激光器基于自由触发脉冲输出的控制方法，其中，加工时外部所需的频率信号FreeTrig频率信号通过输入接口输入控制模块，控制模块输出选频控制信号来控制主声光调制器立即开启，拾取出一个或者多个主脉冲即基频种子光，基频种子光的输出与FreeTrig信号输入之间的延时未超过2个锁模频率时钟周期，即小于0.1uS；同时控制模块实时检测FreeTrig频率变化，若输入频率小于基频时，控制模块输出脉冲宽度调制信号即辅助声光调制器门控信号来控制板载式辅助光调制器的开启及关闭，从而输出宽度调制的次脉冲簇到光纤准直器并输出调制光脉冲簇，光纤合束器将基频种子光和调制光脉冲簇合束后输出合束光脉冲串，并输入光学放大器；当FreeTrig信号频率小于激光器的最低允许基频时，合束光脉冲串中基频种子光之间的间隔长，间隔中包含调制光脉冲簇，带走光学放大器内泵浦所积累的上能级粒子数，保护光学放大器的光学镜片和光学晶体；合束光脉冲串通过光学放大器后输出放大光脉冲串，放大光脉冲串中包含放大后的主脉冲以及放大后的次脉冲簇，加工时只需放大后的主脉冲，因此控制模块输出自由空间声光调制器门控信号来控制空间自由声光调制器的同步开启并拾取出主脉冲，从而输出选取脉冲激光，从主声光调制器拾取出的基频种子光到通过自由空间声光调制器输出的选取脉冲激光，其光学延时小于0.2uS，从FreeTrig脉冲信号输入到光脉冲输出总延时时间最大未超过0.3uS；
当FreeTrig频率大于等于基频时，控制模块关闭板载式辅助声光调制器，调制光脉冲簇中无输出光脉冲，整个光路相当于只对基频种子光经光学放大器放大，最终从自由空间声光调制器输出。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
①本发明超快激光器基于自由触发脉冲输出的装置及控制方法，将预放大后的锁模种子光分成两路不同功率比的主路及次路种子光，控制主声光调制器随FreeTrig频率变化输出主脉冲，采用板载式声光调制器实现对次路种子光序列的宽度调制输出次脉冲簇，对主、次两路调制种子光合束并实现光学放大，自由空间声光调制器同步脉冲输出，FreeTrig模式下，输出激光单脉冲能量稳定；
②满足自由触发脉冲输出，光脉冲随着外部输入频率变化而变化，实时性比较好，激光输出脉冲的单脉冲能量是一致的，保证加工实时性要求和加工单脉冲能量稳定，无低频工作时损坏激光器的风险；
③激光器主动适应外部触发信号而控制脉冲的输出，同时使激光器单脉冲能量在限定频段内保持相对稳定，以满足加工应用的需求。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1：本发明装置的结构示意图；
图2：无外部Freetrig频率激光器脉冲输出过程示意图；
图3：FreeTrig时激光器脉冲输出过程示意图；
图4：控制模块的结构示意图；
图5：控制模块的控制流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，超快激光器基于自由触发脉冲输出的装置，包含种子分束脉冲发生模块1、光学放大器2、自由空间声光调制器3、控制模块4、光电探测器5以及输入接口6，种子分束脉冲发生模块1包含光纤分束器101、主声光调制器102、光纤准直器103、板载式辅助声光调制器104、光纤准直器105和光纤合束器106，种子光输入至种子分束脉冲发生模块1的光纤分束器101输入端，光纤分束器101分成两束光，光纤分束器101的一路输出端连接至主声光调制器102的光学输入端，光纤分束器101的另一路输出端连接至光纤准直器103的输入端；主声光调制器102的光学输出端连接至光纤合束器106的一输入端；主声光调制器102的控制输入端连接至控制模块4的一输出端；光纤准直器103的输出端连接至板载式辅助声光调制器104的光学输入端，板载式辅助声光调制器104的输出端连接至光纤准直器105的输入端，板载式辅助声光调制器104的控制输入端连接至控制模块4的一输出端；光纤准直器105的输出端连接至光纤合束器106的另一输入端；光纤合束器106的输出端连接至光学放大器2的输入端；光学放大器2的输出端连接至自由空间声光调制器3的光学输入端；自由空间声光调制器3的控制输入端连接至控制模块4的输出端；自由空间声光调制器3的光学输出端输出所需光脉冲；外部触发信号通过输入接口6连接至控制模块4的输入端。
如图4，控制模块4包含高速比较器401、通信接口402、MCU403和FPGA404，光电探测信号接入至高速比较器401的正输入端，参考地连接至高速比较器401的负输入端，高速比较器401的输出端与FPGA404的全局时钟输入端相连；外部FreeTrig信号频率接入至FPGA404的输入端；通信接口402与MCU403输入端相连，MCU403的数据总线端口与FPGA4的数据总线端口相连，MCU403的出光信号输出端与FPGA404的输入端相连；MCU3的复位输出端与FPGA404的全局复位输入端相连；FPGA404的三个输出端分别输出用来控制主声光调制器102、板载式辅助声光调制器104以及自由空间声光调制器3的控制信号。
高速比较器ADCMP553实现高稳定的种子锁模频率作为控制模块的基准时钟频率；现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，以下称FPGA)实现快速时序逻辑控制，微控制单元(Micro Control Unit，简称MCU)实现数据交互和设定；FPGA404采用Xilinx的XC6SLX4，具有数字锁相环倍频模块、频率比较模块、I2C接口模块等，数字输入和输出引脚多，并最高时钟速率可达220MHz。
上电后，MCU3输出一个1uS的低电平复位信号给FPGA4，对各个寄存器复位清零。上位机通过通信接口402发送指令给MCU403，MCU403接收到指令后执行相关操作，通过数据总线设定FPGA404相关数据，比如设定基频、工作模式(GATE或FreeTrig)、脉宽调制参数、控制出光等。高速比较器401用于将光电探测信号与参考地比较后进行整形输出可以让FPGA所能识别接收频率信号，该信号频率与种子锁模频率一致。
如图5，控制模块4的控制过程，工作时，同步锁模时钟频率；设定基频，控制主声光调制器102输出主脉冲，板载式辅助声光调制器104关闭；判断外部输入频率，若无输入频率，继续保持控制主声光调制器102输出基频脉冲，板载式辅助声光调制器104关闭；若外部输入频率小于基频，控制主声光调制器102输出同外部输入频率相同的主脉冲，同时根据外部频率大小调整控制板载式辅助声光调制器104输出次脉冲簇的频率及宽度；若外部输入频率等于或高于基频，控制主声光调制器102输出同外部输入频率相同的主脉冲，板载式辅助声光调制器104关闭；同步主声光调制器102的门控信号并做延时，在有外部频率输入或测试出光或外部长出光时，开启自由空间声光调制器3输出脉冲。
光学放大器2由一级或多级泵浦激光二极管以及光学晶体和光学隔离、光学镜片、耦合镜、波片器组成，可参见专利公开号CN109936041A公开的一种固体飞秒放大装置及其方法。
自由空间声光调制器3(FS AOM)为全波段68MHz～80MHz自由空间声光调制器。
主声光调制器102为200MHz的光纤耦合声光调制器(FC AOM)，光纤分束器、光纤准直器以及光纤合束器采用保偏型器件。
板载式辅助声光调制器104为表贴型自由空间型声光调制器。光电探测器5的输出端连接至控制模块4的输入端。
具体应用时，种子光(25M～80M)输入至种子分束脉冲发生模块1，由光纤分束器101分成两束功率不同的种子光，一般功率占比为85％和15％(实际应用可以适当调整)，功率占比85％的主脉冲光束输入主声光调制器102，功率占比为15％的次脉冲光束输入光纤准直器103；光纤准直器103的输出光进入板载式辅助声光调制器104，板载式辅助声光调制器104采用QUBIG公司FSi.SMD-NIR系列表贴型自由空间型声光调制器，具有体积小功率小响应快等特点；主声光调制器102在控制模块4的调制控制下，输出所需频率的基频种子光P1；板载式辅助声光调制器104在控制模块4的调制控制下，输出频率可变宽度可调的种子光脉冲簇，并输入光纤准直器105，输出调制光脉冲簇P2，光纤准直器103和光纤准直器105构成一对耦合器实现次脉冲光束由光纤传输到空间传输，再到光纤传输的过程；基频种子光P1和调制光脉冲P2输入至光纤合束器106合束后输出合束光脉冲串P3，合束光脉冲串P3输入光学放大器2放大，光学放大器2由一级或多级泵浦激光二极管以及光学晶体和光学隔离、光学镜片、耦合镜、波片器等组成；合束光脉冲串P3经过放大后从光学放大器2输出放大光脉冲串P4，放大光脉冲串P4输入自由空间声光调制器3，在控制模块4的同步控制下输出所需的选取脉冲激光P5，输入接口6输入FreeTrig频率信号至控制模块4，控制激光器输出相同的频率的光脉冲；光电探测器5用以接收部分锁模种子光，从而输出种子锁模频率给控制模块4，锁模频率用以控制模块4的时钟信号。
图2中，主声光调制器门控信号a表示控制模块4控制主声光调制器102的门控信号，基频种子光P1表示主声光调制器输出的基频种子光，调制光脉冲簇调制光脉冲P2表示光纤准直器105输出的对种子光进行调制后的光脉冲簇，合束光脉冲串P3表示光纤合束器106输出的光脉冲串，放大光脉冲串P4表示光学放大器2输出的光脉冲串，自由声光调制器门控信号b表示控制模块4控制自由空间声光调制器3的电平信号，选取脉冲激光P5表示自由空间声光调制器3输出的脉冲激光(最终激光输出)；当输入接口6无输入频率信号时，控制模块4输出固定频率(基频，亦可称为重频)的主声光调制器门控信号a控制主声光调制器102的开启(高电平)和闭合(低电平)，在主声光调制器102开启瞬间可以拾取出一个或者多个(是加工应用而定)主脉冲，从而输出基频种子光P1；在已知激光器功率的前提下，激光器的基频设定不会小于低频下限，因此不会使得基频种子光P1由于光脉冲间的间隔过小而导致损坏光学镜片和光学晶体，在此情况下，控制模块4控制板载式辅助声光调制器104的门控信号是关闭的，板载辅助声光调制器104无次脉冲输出，调制光脉冲簇P2是空的，此时光纤合束器106的输出合束光脉冲串P3等同于基频种子光P1，合束光脉冲串P3经过光学放大器2放大后形成放大光脉冲串P4输出，若需要进行测试出光，或者外部控制持续长出光，则控制模块4输出控制自由空间声光调制器3的自由声光调制器门控信号b为高，自由空间声光调制器3输出选取脉冲激光P5。
对于加工来说，相同材料在同等工艺条件下所需的激光器单脉冲能量是一定的，不同的是加工效率，切割或打标的速度不同，即意味着触发激光器产生脉冲输出的频率不同，触发频率会随着加工运动系统的速度变化，即FreeTrig模式加工。如果加工系统所需的FreeTrig频率最大为200kHz，则使用激光时会将200kHz定义为基频或者最高重频，200kHz基频下激光器输出的单脉冲能量即为加工所需的单脉冲能量，而在200kHz以下的触发频率，激光器输出的单脉冲能量需保持不变；同时，外部频率脉冲从输入，到激光器输出对应的光脉冲之间的延时应非常小(一般小于1uS)，保证打点均匀性。
在激光器功率一定的条件下，基频越低，输出的激光单脉冲能量越高，若基频低到一定的程度比如50kHz(最低基频视激光器而定)，由于ASE的影响，激光器的光学放大器2内光学镜片和光学晶体会被击穿损伤。结合图3，在低频加工时即保持单脉冲能量稳定又不损坏光学镜片和光学晶体，同时保证光脉冲输出的实时性；图3中，FreeTrig频率信号c表示加工时外部所需的频率信号，选频控制信号d表示控制模块4控制主声光调制器102的电平信号，辅助声光调制器门控信号e表示控制模块4控制板载辅助声光调制器104的电平信号，自由空间声光调制器门控信号f表示控制模块4输出控制自由空间声光调制器3的电平信号，基频种子光P1～选取脉冲激光P5所表示的含义与图2中所表述的一致。
当加工时外部所需的频率信号FreeTrig频率信号c通过输入接口6输入控制模块4，控制模块4输出选频控制信号d来控制主声光调制器102立即开启，并拾取出一个或者多个(加工应用而定)主脉冲即基频种子光P1，基频种子光P1的输出与FreeTrig信号输入之间的延时一般不超过2个时钟周期(锁模种子频率周期)，即小于0.1uS；同时控制模块4实时检测FreeTrig频率变化，若输入频率小于基频时，控制模块4输出脉冲宽度调制信号即辅助声光调制器门控信号e来控制板载式辅助光调制器104的开启及关闭，从而输出宽度调制的次脉冲簇到光纤准直器105并输出调制光脉冲簇P2，光纤合束器106将基频种子光P1和调制光脉冲簇P2合束后输出合束光脉冲串P3，并输入光学放大器2；当FreeTrig信号频率小于激光器的最低允许基频时，合束光脉冲串P3中基频种子光P1之间的间隔很长，但在这个间隔中正是包含调制光脉冲簇P2，带走光学放大器2内泵浦所积累的上能级粒子数，从而保护光学镜片和光学晶体；合束光脉冲串P3通过光学放大器2后输出放大光脉冲串P4，放大光脉冲串P4中包含放大后的主脉冲以及放大后的次脉冲簇，加工时只需要放大后的主脉冲，因此控制模块4输出自由空间声光调制器门控信号f来控制空间自由声光调制器3的同步开启并拾取出主脉冲从而输出选取脉冲激光P5，从主声光调制器102拾取出的基频种子光P1到通过自由空间声光调制器3输出的选取脉冲激光P5，其光学延时一般小于0.2uS，因此从FreeTrig脉冲信号输入到光脉冲输出总延时时间最大不超过0.3uS，保证实时性。
当FreeTrig频率大于等于基频时，图3中T0时刻，控制模块4关闭板载式辅助声光调制器104，调制光脉冲簇P2中无输出光脉冲，整个光路相当于只对基频种子光P1经光学放大器2放大，最终从自由空间声光调制器3输出。
对于光学放大器2来说，只要有种子光输入就会带走泵浦能级粒子数，在同等时间段内种子光个数越多，输出的放大光脉冲单脉冲能量也就越低，因此要保证低频时最终输出脉冲光的单脉冲能量与基频时输出光单脉冲能量一致，则需要控制好调制光脉冲簇P2的脉冲簇频率和脉冲簇宽度，需根据基频下的功率换算出单脉冲能量后进行标定，在给定不同外部频率下，调整控制板载式辅助声光调制器104的PWM信号即辅助声光调制器门控信号e，使激光器输出相应的功率，因此可得到在给定基频条件下，外部输入频率与PWM频率脉宽的对应关系，控制模块4在工作中根据对应关系实时调整PWM，最终使激光器输出光脉冲能量保持一致。
在FreeTrig频率大于基频后，单脉冲能量必定会降低，这种情况无法通过调整控制来保证单脉冲能量稳定，加工应用时会确定最大的FreeTrig频率点，并以此为基频，因此可以保证在基频以下单脉冲能量一致，考虑大于基频下单脉冲能量的一致性并无意义。
综上所述，本发明超快激光器基于自由触发脉冲输出的装置及控制方法，将预放大后的锁模种子光分成两路不同功率比的主路及次路种子光，控制主声光调制器随FreeTrig频率变化输出主脉冲，采用板载式声光调制器实现对次路种子光序列的宽度调制输出次脉冲簇，对主、次两路调制种子光合束并实现光学放大，自由空间声光调制器同步脉冲输出，FreeTrig模式下，输出激光单脉冲能量稳定。
满足自由触发脉冲输出，光脉冲随着外部输入频率变化而变化，实时性比较好，激光输出脉冲的单脉冲能量是一致的，保证加工实时性要求和加工单脉冲能量稳定，无低频工作时损坏激光器的风险。
激光器主动适应外部触发信号而控制脉冲的输出，同时使激光器单脉冲能量在限定频段内保持相对稳定，以满足加工应用的需求。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (9)
1.超快激光器基于自由触发脉冲输出的装置，其特征在于：包含种子分束脉冲发生模块(1)、光学放大器(2)、自由空间声光调制器(3)、控制模块(4)、光电探测器(5)以及输入接口(6)，种子分束脉冲发生模块(1)包含光纤分束器(101)、主声光调制器(102)、光纤准直器(103)、板载式辅助声光调制器(104)、光纤准直器(105)和光纤合束器(106)，种子光输入至种子分束脉冲发生模块(1)的光纤分束器(101)输入端，光纤分束器(101)分成两束光，光纤分束器(101)的一路输出端连接至主声光调制器(102)的光学输入端，另一路输出端连接至光纤准直器(103)的输入端；主声光调制器(102)的光学输出端连接至光纤合束器(106)的一输入端；主声光调制器(102)的控制输入端连接至控制模块(4)的一输出端；光纤准直器(103)的输出端连接至板载式辅助声光调制器(104)的光学输入端，板载式辅助声光调制器(104)的输出端连接至光纤准直器(105)的输入端，板载式辅助声光调制器(104)的控制输入端连接至控制模块(4)的一输出端；光纤准直器(105)的输出端连接至光纤合束器(106)的另一输入端；光纤合束器(106)的输出端连接至光学放大器(2)的输入端；光学放大器(2)的输出端连接至自由空间声光调制器(3)的光学输入端；自由空间声光调制器(3)的控制输入端连接至控制模块(4)的输出端；自由空间声光调制器(3)的光学输出端输出所需光脉冲；外部触发信号通过输入接口(6)连接至控制模块(4)的输入端。
2.根据权利要求1所述的超快激光器基于自由触发脉冲输出的装置，其特征在于：光电探测器(5)的输出端连接至控制模块(4)的输入端。
3.根据权利要求1所述的超快激光器基于自由触发脉冲输出的装置，其特征在于：所述控制模块(4)包含高速比较器(401)、通信接口(402)、MCU(403)和FPGA(404)，光电探测信号接入至高速比较器(401)的正输入端，参考地连接至高速比较器(401)的负输入端，高速比较器(401)的输出端与FPGA(404)的全局时钟输入端相连；外部FreeTrig信号频率接入至FPGA(404)的输入端；通信接口(402)与MCU(403)输入端相连，MCU(403)的数据总线端口与FPGA(404)的数据总线端口相连，MCU(403)的出光信号输出端与FPGA(404)的输入端相连；MCU(403)的复位输出端与FPGA(404)的全局复位输入端相连；FPGA(404)的三个输出端分别输出用来控制主声光调制器(102)、板载式辅助声光调制器(104)以及自由空间声光调制器(3)的控制信号。
4.根据权利要求1所述的超快激光器基于自由触发脉冲输出的装置，其特征在于：所述板载式辅助声光调制器(104)为表贴型自由空间声光调制器。
5.根据权利要求1所述的超快激光器基于自由触发脉冲输出的装置，其特征在于：所述主声光调制器(102)为150～200MHz的光纤耦合声光调制器。
6.权利要求1所述的装置实现超快激光器基于自由触发脉冲输出的控制方法，其特征在于：种子光输入至种子分束脉冲发生模块(1)，由光纤分束器(101)分成两束功率不同的种子光，主脉冲光束输入主声光调制器(102)，次脉冲光束输入光纤准直器(103)；光纤准直器(103)的输出光进入板载式辅助声光调制器(104)，主声光调制器(102)在控制模块(4)的调制控制下，输出所需频率的基频种子光(P1)；板载式辅助声光调制器(104)在控制模块(4)的调制控制下，输出频率可变宽度可调的种子光脉冲簇，并输入光纤准直器(105)，继而输出调制光脉冲簇(P2)，光纤准直器(103)和光纤准直器(105)构成一对耦合器实现次脉冲光束由光纤传输到空间传输，再到光纤传输的过程；基频种子光(P1)和调制光脉冲(P2)输入至光纤合束器(106)合束后输出合束光脉冲串(P3)，合束光脉冲串(P3)输入光学放大器(2)放大，合束光脉冲串(P3)经过放大后从光学放大器(2)输出放大光脉冲串(P4)，放大光脉冲串(P4)输入自由空间声光调制器(3)，在控制模块(4)的同步控制下输出所需的选取脉冲激光(P5)，输入接口(6)输入FreeTrig频率信号至控制模块(4)，控制激光器输出相同的频率的光脉冲。
7.根据权利要求6所述的超快激光器基于自由触发脉冲输出的控制方法，其特征在于：由光电探测器(5)用以接收部分锁模种子光，从而输出种子锁模频率给控制模块(4)，锁模频率用于控制模块(4)的时钟信号。
8.根据权利要求6所述的超快激光器基于自由触发脉冲输出的控制方法，其特征在于：输入接口(6)无输入频率信号时，控制模块(4)输出固定频率的主声光调制器门控信号(a)控制主声光调制器(102)的开启和闭合，主声光调制器(102)开启瞬间能拾取出一个或者多个主脉冲，输出基频种子光(P1)；控制模块(4)控制板载式辅助声光调制器(104)的门控信号是关闭的，板载辅助声光调制器(104)无次脉冲输出，调制光脉冲簇(P2)是空的，光纤合束器(106)输出合束光脉冲串(P3)等同于基频种子光(P1)，合束光脉冲串(P3)经过光学放大器(2)放大后形成放大光脉冲串(P4)输出，若需测试出光，或者外部控制持续长出光，则控制模块(4)输出控制自由空间声光调制器(3)的自由声光调制器门控信号(b)为高，自由空间声光调制器(3)输出选取脉冲激光(P5)。
9.根据权利要求6所述的超快激光器基于自由触发脉冲输出的控制方法，其特征在于：加工时外部所需的频率信号FreeTrig频率信号(c)通过输入接口(6)输入控制模块(4)，控制模块(4)输出选频控制信号(d)来控制主声光调制器(102)立即开启，拾取出一个或者多个主脉冲即基频种子光(P1)，基频种子光(P1)的输出与FreeTrig信号输入之间的延时未超过2个锁模频率时钟周期，即小于0.1uS；同时控制模块(4)实时检测FreeTrig频率变化，若输入频率小于基频时，控制模块(4)输出脉冲宽度调制信号即辅助声光调制器门控信号(e)来控制板载式辅助光调制器(104)的开启及关闭，从而输出宽度调制的次脉冲簇到光纤准直器(105)并输出调制光脉冲簇(P2)，光纤合束器(106)将基频种子光(P1)和调制光脉冲簇(P2)合束后输出合束光脉冲串(P3)，并输入光学放大器(2)；当FreeTrig信号频率小于激光器的最低允许基频时，合束光脉冲串(P3)中基频种子光(P1)之间的间隔长，间隔中包含调制光脉冲簇(P2)，带走光学放大器(2)内泵浦所积累的上能级粒子数，保护光学放大器(2)的光学镜片和光学晶体；合束光脉冲串(P3)通过光学放大器(2)后输出放大光脉冲串(P4)，放大光脉冲串(P4)中包含放大后的主脉冲以及放大后的次脉冲簇，加工时只需放大后的主脉冲，因此控制模块(4)输出自由空间声光调制器门控信号(f)来控制空间自由声光调制器(3)的同步开启并拾取出主脉冲，从而输出选取脉冲激光(P5)，从主声光调制器(102)拾取出的基频种子光(P1)到通过自由空间声光调制器(3)输出的选取脉冲激光(P5)，其光学延时小于0.2uS，从FreeTrig脉冲信号输入到光脉冲输出总延时时间最大未超过0.3uS；
当FreeTrig频率大于等于基频时，控制模块(4)关闭板载式辅助声光调制器(104)，调制光脉冲簇(P2)中无输出光脉冲，整个光路相当于只对基频种子光(P1)经光学放大器(2)放大，最终从自由空间声光调制器(3)输出。
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