專利名稱：用于激光脈沖等化的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本揭示是有關(guān)于脈沖激光及脈沖激光處理系統(tǒng)。具體言之，本揭示是有關(guān)于利用 最佳脈沖等化激發(fā)曲線激發(fā)激光以等化用變異式脈沖重復(fù)頻率發(fā)出的激光脈沖。
背景技術(shù)：
激光廣泛使用于為數(shù)眾多的研究及開發(fā)應(yīng)用，包括光譜術(shù)(spectroscopy)、生技 應(yīng)用(biotechnology application)、以及諸如檢驗(yàn)、處理、和微加工各種媒介及基板的工 業(yè)運(yùn)用。在許多此等應(yīng)用中，其可以是以隨機(jī)、虛擬隨機(jī)(pseudo-random)、和/或非固定脈 沖重復(fù)頻率(pulse repetition frequency ；簡稱“PRF”)的方式運(yùn)用脈沖激光。某些激光應(yīng)用，諸如對(duì)硅晶圓的薄膜裁修處理，使用重迭激光脈沖在電阻薄膜上 進(jìn)行切割以改變其電阻值使之落入所期望的精確范圍內(nèi)。此處理可以使用不同PRF及不同 重迭方式的激光脈沖，但該等激光脈沖的脈沖能量、脈沖寬度和脈沖峰值功率必須大致相 等以得到高水平的裁修質(zhì)量。在典型的習(xí)知激光技術(shù)中，其可以利用光學(xué)激發(fā)源(optical pump source)激 發(fā)激光介質(zhì)(lasing medium)。然而，每一脈沖的激光能量可能隨PRF的增加而減少(例 如，由于脈沖間激發(fā)時(shí)間的減小)，同時(shí)激光脈沖寬度可能隨PRF的增加而增加(例如，由 于減小的激發(fā)時(shí)間在激光介質(zhì)中造成較低的激光增益)。此等問題在Q型開關(guān)固態(tài)激光 (Q-switched solid state lasers)巾牛寺另lj_ll。如上所述，許多激光應(yīng)用使用不同PRF的激光脈沖。某些應(yīng)用可能需要在不同的 PRF中大致維持固定的脈沖能量和脈沖寬度。舉例而言，在對(duì)硅晶的薄膜裁修中，不足的激 光脈沖能量可以導(dǎo)致不完全的裁修，而過多的激光能量則可能對(duì)鈍化結(jié)構(gòu)(passivation structure)或集成電路基板造成無法接受的損害。其曾采用各種方法確保激光運(yùn)作維持于可接受的處理區(qū)間之中(例如，使峰值功 率、脈沖能量、脈沖寬度和其它參數(shù)落入界定的脈沖參數(shù)值之內(nèi))。例如，編號(hào)4，337，442標(biāo) 題為“FIRST LASER PULSE AMPLITUDE MODULATION(第一激光脈沖振幅調(diào)變)”的美國專利， 其受讓予本申請(qǐng)案的受讓人，描述一種通過控制激光激發(fā)電流的激光脈沖振幅控制方法。授予Sun等人，編號(hào)6，947，454標(biāo)題“LASERPULSE PICKINGEMPLOYING CONTROLLED AOM LOADING(運(yùn)用受控AOM負(fù)載的激光脈沖揀選)”的美國專利，其受讓予本申請(qǐng)案的受讓 人，描述一種使用諸如聲光式調(diào)變器(acousto-optic modulator ；A0M)的揀選裝置封鎖未 使用的激光脈沖以提供隨機(jī)區(qū)間的穩(wěn)定激光脈沖的方法，然而保持激光操作在固定的PRF。編號(hào)5, 226, 051 標(biāo)題為"LASER PUMP CONTROL FOR OUTPUT P0WERSTABILIZATI0N(針對(duì)輸出功率穩(wěn)定度的激光激發(fā)控制)，，的美國專利試圖依據(jù)一種 簡易的“步進(jìn)式”函數(shù)通過透過激發(fā)二極管提供電流以等化脈沖能量。在此方法中，其可以 在第一激發(fā)時(shí)段內(nèi)以第一固定激發(fā)位準(zhǔn)并在第一激發(fā)時(shí)段后的第二激發(fā)時(shí)段內(nèi)以較低的 第二固定位準(zhǔn)激發(fā)激光介質(zhì)。此技術(shù)可以工作于PRF極低的激光應(yīng)用中。然而，由于其僅 使用兩個(gè)固定的激發(fā)電流，故脈沖等化較不充分。就此點(diǎn)而言，此類型的系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)所需的脈沖等化，亦不能在較高的PRF下運(yùn)作。圖1例示習(xí)知激光激發(fā)系統(tǒng)的時(shí)序圖，其包含觸發(fā)信號(hào)101、由電流源供應(yīng)的激發(fā) 電流信號(hào)120、對(duì)應(yīng)至激光介質(zhì)中儲(chǔ)存能量的圖形140、以及代表激光輸出脈沖162、164的 圖形160。觸發(fā)信號(hào)101被用來以激光諧振器(laser resonator)起始Q型開關(guān)以產(chǎn)生激 光脈沖162、164。為了產(chǎn)生Q型開關(guān)激光脈沖162、164，其以通過電流源或功率源驅(qū)動(dòng)的 光學(xué)激發(fā)源激化激光介質(zhì)。該等激發(fā)源可以包含，舉例而言，激光二極管、二極管棒(diode bar)、或二極管棒的堆棧(diode bar stack)、或其它習(xí)知的激發(fā)源。激光介質(zhì)可以包含 固態(tài)激光介質(zhì)，其包含，但不限于，摻銣釔鋁石榴石(neodymium-doped yttrium aluminum garnet ；Nd:YAG)> 慘銣氟化 乙鋰(neodyminium-doped yttrium lithium fluoride ； Nd:YLF)、摻銣釩酸釔(neodyminium-doped yttrium vandate ;Nd:YVO4)、或者其它習(xí)用的 固態(tài)激光介質(zhì)。觸發(fā)信號(hào)101可以包含方波觸發(fā)102、104以在102、104的信號(hào)前(后)緣起始Q 型開關(guān)的動(dòng)作并產(chǎn)生激光脈沖162、164。激發(fā)控制器可以響應(yīng)觸發(fā)信號(hào)102、104以使得受 電流或功率驅(qū)動(dòng)的激發(fā)源依據(jù)表示為該大致呈方波的激發(fā)電流信號(hào)120的步階函數(shù)(step function)激發(fā)激光介質(zhì)。激發(fā)電流信號(hào)120可以以標(biāo)準(zhǔn)激發(fā)位準(zhǔn)Is持續(xù)供應(yīng)至激發(fā)源激發(fā)時(shí)段、。該標(biāo)準(zhǔn) 激發(fā)位準(zhǔn)Is可以依據(jù)該激光應(yīng)用所使用的PRF、脈沖能量位準(zhǔn)和脈沖寬度而決定。在該激 發(fā)時(shí)段、之后，供應(yīng)至激發(fā)源的激發(fā)電流120可以陡峭地切換至較低的維持激發(fā)位準(zhǔn)IN。 在某些實(shí)施方式之中，其可以選擇該維持激發(fā)位準(zhǔn)In以將激光介質(zhì)中的儲(chǔ)存能量維持于預(yù) 定或等化的位準(zhǔn)(例如，等化的能量以產(chǎn)生等化的激光脈沖)。該標(biāo)準(zhǔn)激發(fā)位準(zhǔn)Is與該維 持激發(fā)位準(zhǔn)In 二者均可以大致呈固定或均一數(shù)值。圖形140顯示激光介質(zhì)中特定量的儲(chǔ)存能量是時(shí)間的函數(shù)，其對(duì)應(yīng)于激發(fā)電流信 號(hào)120和觸發(fā)信號(hào)101。在激發(fā)時(shí)段、期間，當(dāng)其利用激發(fā)電流信號(hào)120以標(biāo)準(zhǔn)位準(zhǔn)Is激 發(fā)激光介質(zhì)時(shí)，儲(chǔ)存于激光介質(zhì)中的能量隨的增加。此增加顯示于圖形140中的區(qū)段142。 在激發(fā)時(shí)段、之后，激發(fā)電流信號(hào)120陡峭地降低至維持位準(zhǔn)In，其致使儲(chǔ)存于激光介質(zhì) 中的能量穩(wěn)定于能量位準(zhǔn)144。當(dāng)Q型開關(guān)依據(jù)觸發(fā)信號(hào)101使激光脈沖發(fā)出之時(shí)，儲(chǔ)存 于激光介質(zhì)中的能量被釋放(如參考點(diǎn)146所示)。其可以選擇能量位準(zhǔn)144使得產(chǎn)生的 激光脈沖符合特定激光處理應(yīng)用所需而具有可以接受的功率及脈沖寬度。所使用的Q型開 關(guān)可以是光電式Q型開關(guān)(electro-optic Q-switch)或聲光式Q型開關(guān)(acousto-optic Q-switch)，此取決于該應(yīng)用以及激光的設(shè)計(jì)。圖形160顯示激光脈沖162、164的發(fā)射，其相對(duì)于觸發(fā)101、激發(fā)電流信號(hào)120、以 及代表儲(chǔ)存能量的圖形140。在分別對(duì)應(yīng)至激光脈沖162和164的時(shí)間，Q型開關(guān)允許激光 介質(zhì)發(fā)射激光脈沖能量。如代表儲(chǔ)存能量的圖形140所顯示，此使得儲(chǔ)存于激光介質(zhì)中的 能量自激光介質(zhì)釋放而成為激光脈沖162、164。激光脈沖162、164發(fā)射之后，其可以通過以 標(biāo)準(zhǔn)激發(fā)位準(zhǔn)Is激發(fā)激光介質(zhì)另一段激發(fā)時(shí)間、，而后停留于維持激發(fā)位準(zhǔn)IN，以再次激 化激光介質(zhì)。對(duì)于在激發(fā)時(shí)段、之后擊發(fā)的激光脈沖而言，儲(chǔ)存的能量可以處于等化的位準(zhǔn)， 因此該等激光脈沖得以被等化(例如，只要PRF低于即可)。若激光在小于激發(fā)時(shí)段
5、的時(shí)間間隔下被擊發(fā)，則激光介質(zhì)在激光脈沖發(fā)出時(shí)可能尚未被充分激化至等化的能量 位準(zhǔn)。相較于預(yù)定的結(jié)果，此可能導(dǎo)致產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上具有較小脈沖能量和/或較長激光脈沖 寬度的激光脈沖。習(xí)知激光技術(shù)無法在高PRF情況下發(fā)出等化激光脈沖，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)激發(fā)位 準(zhǔn)Is的大致固定特性造成用于激光介質(zhì)累積所需儲(chǔ)存能量的激發(fā)時(shí)段、較長。維持激發(fā) 位準(zhǔn)、亦是大致固定的數(shù)值。由于不同激光設(shè)計(jì)、使用材料和制造流程的各種不同的細(xì)節(jié)， 預(yù)定PRF范圍內(nèi)的脈沖等化效果將無法滿足。

發(fā)明內(nèi)容
用于在激光系統(tǒng)中等化激光脈沖的峰值功率、能量和寬度的系統(tǒng)與方法，其依據(jù) 實(shí)際測試過的激光效能控制激發(fā)電流或功率。在一種實(shí)施方式中，一種用于等化一連串激 光脈沖的方法包含，當(dāng)以復(fù)數(shù)個(gè)不同脈沖重復(fù)頻率擊發(fā)激光時(shí)，依據(jù)一個(gè)或多個(gè)觀察到的 激光脈沖參數(shù)決定脈沖等化激發(fā)曲線。該脈沖等化激發(fā)曲線用以在不同脈沖重復(fù)頻率間大 致等化該一個(gè)或多個(gè)激光脈沖參數(shù)。此方法亦包含產(chǎn)生一連串激光脈沖以處理個(gè)別的目 標(biāo)。對(duì)于該一連串激光脈沖中的每一激光脈沖，該方法包含將激發(fā)源自一第一激發(fā)位準(zhǔn)驅(qū) 動(dòng)至一峰值激發(fā)位準(zhǔn)、依據(jù)該脈沖等化激發(fā)曲線將該激發(fā)源自該峰值激發(fā)位準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)至該第 一激發(fā)位準(zhǔn)、以及擊發(fā)激光以產(chǎn)生特定激光脈沖，其具有大致等化的一個(gè)或多個(gè)激光脈沖 參數(shù)。在另一實(shí)施方式中，一種用以等化以周期性、隨機(jī)式、或虛擬隨機(jī)式脈沖重復(fù)頻率 發(fā)射的一連串激光脈沖的激光，其包含激光介質(zhì)、激發(fā)該激光介質(zhì)的激發(fā)源、以及通信連接 至該激發(fā)源的激發(fā)控制器。該激發(fā)控制器用以在第一時(shí)段將激發(fā)源自第一激發(fā)位準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)至 峰值激發(fā)位準(zhǔn)并在第二時(shí)段依據(jù)脈沖等化激發(fā)曲線將該激發(fā)源自該峰值激發(fā)位準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)至 該第一激發(fā)位準(zhǔn)。該脈沖等化激發(fā)曲線用以在不同脈沖重復(fù)頻率間大致等化一個(gè)或多個(gè)激 光脈沖參數(shù)。在另一實(shí)施方式中，一種用以等化一連串激光脈沖的方法包含決定激發(fā)源的峰值 激發(fā)位準(zhǔn)、決定用以在不同脈沖重復(fù)頻率間大致等化一個(gè)或多個(gè)激光脈沖參數(shù)的脈沖等化 激發(fā)曲線、以及在第一時(shí)段將該激發(fā)源自第一激發(fā)位準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)至該峰值激發(fā)位準(zhǔn)。此方法同 時(shí)亦包含在第二時(shí)段依據(jù)所選定的脈沖等化激發(fā)曲線將該激發(fā)源自該峰值激發(fā)位準(zhǔn)驅(qū)動(dòng) 至該第一激發(fā)位準(zhǔn)。本發(fā)明的更多特色及優(yōu)點(diǎn)由以下較佳實(shí)施例的詳細(xì)說明將趨于明顯，該等實(shí)施例 說明將配合所附的圖式進(jìn)行。


圖1圖示習(xí)知激光激發(fā)系統(tǒng)的時(shí)序圖，其包含觸發(fā)信號(hào)、由電流源供應(yīng)的雙位準(zhǔn) 固定激發(fā)電流信號(hào)、對(duì)應(yīng)至激光介質(zhì)中儲(chǔ)存能量的圖形、以及代表激光輸出脈沖的圖形。圖2圖示依據(jù)一實(shí)施例例示觸發(fā)信號(hào)、激發(fā)電流信號(hào)、對(duì)應(yīng)至激光介質(zhì)中儲(chǔ)存能 量的圖形、以及代表激光輸出脈沖的圖形的時(shí)序圖。圖3是依據(jù)一實(shí)施例的激光系統(tǒng)300的功能方塊圖。
具體實(shí)施例方式揭示于本說明書的實(shí)施例通過依據(jù)實(shí)際測試過的激光效能控制激光激發(fā)電流以 在激光系統(tǒng)中等化激光脈沖的峰值功率、脈沖能量和脈沖寬度。在依據(jù)一個(gè)實(shí)施例的激光 激發(fā)期間，激光激發(fā)控制系統(tǒng)于起始時(shí)將激光介質(zhì)自維持激發(fā)位準(zhǔn)激發(fā)至峰值激發(fā)位準(zhǔn)。 之后，控制器使得該激發(fā)源依據(jù)脈沖等化激發(fā)曲線激發(fā)該激光介質(zhì)。該脈沖等化激發(fā)曲線 可以依據(jù)實(shí)際測試過的激光系統(tǒng)效能加以選定和/或改良。該脈沖等化激發(fā)曲線可以自峰 值激發(fā)位準(zhǔn)下降到維持激發(fā)位準(zhǔn)。特定激光系統(tǒng)的峰值激發(fā)位準(zhǔn)的決定可以依據(jù)該激光系統(tǒng)的激發(fā)裝置的運(yùn)作額 定范圍(operation rating)、該激光系統(tǒng)的激光介質(zhì)的性質(zhì)、以及特定的激光運(yùn)作為之 (例如，脈沖功率、最大PRFjP /或激光處理期間所用的脈沖寬度)。此外，或是在其它實(shí)施 例中，特定系統(tǒng)的峰值激發(fā)位準(zhǔn)可以通過試驗(yàn)而決定和/或改良。激發(fā)電流上升率可以經(jīng) 由激發(fā)裝置的額定數(shù)值決定。在一個(gè)實(shí)施例中，維持激發(fā)位準(zhǔn)位于介于該峰值激發(fā)位準(zhǔn)的 大約20%至大約90%的范圍間。在起始時(shí)將激光介質(zhì)自維持激發(fā)位準(zhǔn)激發(fā)至峰值激發(fā)位準(zhǔn)之后，控制程序依據(jù)脈 沖等化激發(fā)曲線繼續(xù)激發(fā)激光介質(zhì)。此脈沖等化激發(fā)曲線可以依據(jù)激光參數(shù)的實(shí)際測試結(jié) 果而決定和/或加以改良以達(dá)成最佳的脈沖等化效果。在一實(shí)施例中，該脈沖等化激發(fā)曲 線通過在PRF的所期望上限啟動(dòng)激光、量測激光脈沖峰值功率與脈沖能量和/或脈沖寬度、 以及判定該等量測參數(shù)落入所期望的數(shù)值范圍內(nèi)而決定。若一個(gè)或多個(gè)該等量測參數(shù)落在 所期望數(shù)值范圍之外，則該激光可能無法達(dá)到所期望的效能。接著，激光運(yùn)作被改變至較低 的PRF，且激發(fā)電流的下降曲線被自峰值數(shù)值調(diào)整，使得激光脈沖峰值功率、脈沖能量、和/ 或脈沖寬度大致與在上限PRF量測時(shí)相同。于復(fù)數(shù)個(gè)不同的PRF重復(fù)此流程，包含完整激 發(fā)電流等化激發(fā)曲線所需的最低PRF。脈沖等化激發(fā)曲線可以是大致線性的下降曲線(例 如，自峰值數(shù)值下降)、大致呈指數(shù)型的下降曲線(exponentially declining curve)、參數(shù) 式下降曲線(parametricallydeclining curve)或任何其它曲線或函數(shù)，其取決于特定激 光的設(shè)計(jì)。圖2例示依據(jù)實(shí)施例的觸發(fā)信號(hào)201、激發(fā)電流信號(hào)220、對(duì)應(yīng)至激光介質(zhì)中儲(chǔ)存 能量的圖形240、以及代表激光輸出脈沖262、264的圖形260的時(shí)序圖。觸發(fā)201用以觸發(fā)激光脈沖262、264的產(chǎn)生。觸發(fā)201可以包含方波觸發(fā)信號(hào)202、 204，其依序起始激光Q型開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路以分別產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的激光脈沖262、264。如上所述，觸 發(fā)201的觸發(fā)信號(hào)202、204可以以規(guī)律性的PRF或是以隨機(jī)和/或虛擬隨機(jī)性的PRF產(chǎn)生。激發(fā)控制器依據(jù)圖形220驅(qū)動(dòng)激發(fā)源。激發(fā)控制器可以在起始時(shí)于第一時(shí)段tp期 間驅(qū)使激發(fā)源將激光介質(zhì)自第一個(gè)或維持激發(fā)位準(zhǔn)In激發(fā)至第二或峰值激發(fā)位準(zhǔn)IP。如 上所述，峰值激發(fā)位準(zhǔn)Ip及激發(fā)電流上升率可以是基于激發(fā)源的運(yùn)作額定范圍(例如，激 發(fā)源可供應(yīng)的最大電流或功率)、激光介質(zhì)的性質(zhì)(在不受損傷或過熱的前提下，激光介質(zhì) 可以接受的電流或功率總量)、和/或特定的激光運(yùn)作。此外，或是在其它實(shí)施例中，該峰值 激發(fā)位準(zhǔn)Ip可以通過激光系統(tǒng)、激發(fā)裝置、激光介質(zhì)和激發(fā)控制器的實(shí)際試驗(yàn)以及其所期 望的效能規(guī)格而決定和/或改良。在達(dá)到峰值激發(fā)位準(zhǔn)Ip之后，控制器可以依據(jù)脈沖等化激發(fā)曲線224驅(qū)動(dòng)該激發(fā) 源。脈沖等化激發(fā)曲線224可以在第二時(shí)段、期間自峰值激發(fā)位準(zhǔn)Ip下降到維持激發(fā)位
7準(zhǔn)IN。如圖1所示，第二時(shí)段、可以大致大于或相當(dāng)于該第一時(shí)段％，其取決于激光運(yùn)作 PRF。脈沖等化激發(fā)曲線224可以是從峰值激發(fā)位準(zhǔn)Ip下降到維持激發(fā)位準(zhǔn)In的下降 曲線(相對(duì)于圖1所示的激發(fā)電流信號(hào)120的陡峭、不連續(xù)的步階函數(shù))。以激發(fā)源利用脈 沖等化激發(fā)曲線224激發(fā)激光介質(zhì)可以降低對(duì)激發(fā)源和/或激光介質(zhì)的損害風(fēng)險(xiǎn)。此外， 由于脈沖等化激發(fā)曲線224依據(jù)經(jīng)過試驗(yàn)的激光效能而決定，故其可以提供改良或較理想 的激光脈沖等化。使用脈沖等化激發(fā)曲線224亦可以提供激光系統(tǒng)以充分的脈沖等化運(yùn)作 于較高PRF的能力。脈沖等化激發(fā)曲線224可以是線性下降曲線、大致呈指數(shù)型的下降曲線(例如，如 圖2所繪)、參數(shù)式下降曲線、或其它曲線類型。其可以依據(jù)激發(fā)源、激光介質(zhì)、以及特定激 光運(yùn)作的特性以選擇不同的曲線類型。如上所述，脈沖等化激發(fā)曲線224的各種曲線形狀 和/或斜率參數(shù)可以依據(jù)激光系統(tǒng)的實(shí)際測試進(jìn)行評(píng)估和/或比較。脈沖等化激發(fā)曲線 224可以自峰值激發(fā)位準(zhǔn)Ip下降到維持激發(fā)位準(zhǔn)IN。脈沖等化激發(fā)曲線224可以是，亦可 以不是，在峰值激發(fā)位準(zhǔn)Ip和第一、維持位準(zhǔn)In間呈單調(diào)性地下降。雖然未顯示于圖2，在 某些實(shí)施例之中，脈沖等化激發(fā)曲線224可以繼續(xù)下降至維持激發(fā)位準(zhǔn)In以下。如上所述，自維持激發(fā)位準(zhǔn)In上升至峰值激發(fā)位準(zhǔn)Ip發(fā)生于第一時(shí)段tp。脈沖 等化激發(fā)曲線224則是在第二時(shí)段、自峰值激發(fā)位準(zhǔn)Ip下降到維持激發(fā)位準(zhǔn)/N。取決于 PRF,第二時(shí)段te可以大致大于第一時(shí)段tp。脈沖等化激發(fā)曲線224用以在介于大約0赫 茲(Hz)至大約1/(第一時(shí)段％)赫茲的范圍間提供位于PRF的等化激光脈沖。在一示范 性實(shí)施例中，脈沖等化激發(fā)曲線224提供位于高達(dá)大約20kHz (仟赫茲)的PRF的等化激光 脈沖。然而，取決于特定的激光，習(xí)于技藝者應(yīng)理解其亦可能使用其它PRF最大值。雖然圖2例示脈沖等化激發(fā)曲線224在抵達(dá)峰值激發(fā)位準(zhǔn)Ip之后立即下降，但脈 沖等化激發(fā)曲線224亦可以在下降至維持激發(fā)位準(zhǔn)In之前停留在峰值激發(fā)位準(zhǔn)Ip—段時(shí) 間。脈沖等化激發(fā)曲線224停留于峰值激發(fā)位準(zhǔn)Ip的時(shí)間長度可以取決于使用于特定激 光運(yùn)作所期望的激光脈沖能量位準(zhǔn)。圖形240例示儲(chǔ)存于激光系統(tǒng)的激光介質(zhì)中總能量，其顯示為時(shí)間的函數(shù)。當(dāng)激 發(fā)源于峰值激發(fā)位準(zhǔn)Ip供應(yīng)電流或功率時(shí)，儲(chǔ)存于激光介質(zhì)中的能量可以增加。此增加顯 示于圖形240中的區(qū)域242。之后，當(dāng)其依據(jù)脈沖等化激發(fā)曲線224驅(qū)動(dòng)激發(fā)源時(shí)，儲(chǔ)存能 量240可以抵達(dá)并維持于大致固定的位準(zhǔn)244。儲(chǔ)存能量位準(zhǔn)244可以分別對(duì)應(yīng)至具有位 于可接受范圍內(nèi)的峰值功率、脈沖能量和/或脈沖寬度的激光脈沖262、264的產(chǎn)生。脈沖等 化激發(fā)曲線224可以致使儲(chǔ)存于激光介質(zhì)中的能量維持于大致固定的脈沖能量位準(zhǔn)244， 直到其相對(duì)的激光脈沖262、264被發(fā)出為止。當(dāng)激光脈沖262、264發(fā)出之時(shí)，儲(chǔ)存于激光 介質(zhì)中的能量可以被迅速耗盡，如圖形240的區(qū)域246所例示。通過起始時(shí)驅(qū)動(dòng)激發(fā)源以在峰值數(shù)值Ip激發(fā)激光介質(zhì)并于其后依據(jù)脈沖等化激 發(fā)曲線224進(jìn)行，使得激光介質(zhì)的激化較習(xí)知系統(tǒng)更為迅速并更具一致性。就此而言，此激 光系統(tǒng)可以在較傳統(tǒng)系統(tǒng)高的PRF發(fā)射一致的脈沖262、264(例如，符合特定規(guī)格范圍的脈 沖)。舉例而言，再次參見圖1，激光介質(zhì)達(dá)到可接受功率位準(zhǔn)所需的時(shí)間是如圖中所繪的 激發(fā)時(shí)段、。為了說明的目的，此激發(fā)時(shí)段、再次顯示于圖2的圖形240中。如圖2所示， 用以對(duì)激光物質(zhì)進(jìn)行充電的激化時(shí)段t。大體上小于習(xí)知系統(tǒng)中用以對(duì)激光物質(zhì)進(jìn)行充電的激發(fā)時(shí)段、。就此而言，本揭示激發(fā)的具有等化激光脈沖輸出的激光可以較習(xí)知技術(shù)使 用簡單、不連續(xù)方波激發(fā)的激光(如例示于圖1的激發(fā)電流信號(hào)120所示)運(yùn)作于更高的 PRF。此外，由于脈沖等化激發(fā)曲線224依據(jù)激光系統(tǒng)的實(shí)際試驗(yàn)而決定，故此激光更適于 在所期望的PRF范圍內(nèi)發(fā)出具有更高精確度的等化激光脈沖。圖3是依據(jù)一實(shí)施例的激光系統(tǒng)300的功能方塊圖。激光系統(tǒng)300包含激光介 質(zhì)310裝于熱交換器(heat exchanger) 312中、Q型開關(guān)330以控制激光輸出314、激發(fā)源 (pump source) 322以激發(fā)激光介質(zhì)310 (該激光的其它組件未顯示于圖中)、電流或功率源 320以驅(qū)動(dòng)激發(fā)源322、觸發(fā)340、以及控制器350包含和/或連接內(nèi)存352。如上所述，激光介質(zhì)310可以包含Nd YAG條棒，或者是任何其它習(xí)知的激光介質(zhì)。 激光介質(zhì)310可以安置和/或封裝于熱交換器312之中。熱交換器312提供被動(dòng)式和/或 主動(dòng)式冷卻(例如，通過循環(huán)冷卻液體或者通過熱電式冷卻)。電流和/或功率源320驅(qū)動(dòng)激發(fā)源322，其接著激化激光介質(zhì)310。激發(fā)源322可 以包含激光二極管、二極管棒、或二極管棒的堆棧、或任何其它習(xí)知的激發(fā)機(jī)制。Q型開關(guān)330插入激光諧振器之中(未顯示于圖中)。Q型開關(guān)330可以包含，舉 例而言，聲光式或光電式開關(guān)或任何其它習(xí)知的開關(guān)機(jī)制。Q型開關(guān)330控制激光脈沖自激 光介質(zhì)310經(jīng)由輸出端314的發(fā)射。觸發(fā)340可以產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)控制信號(hào)以使得激光系統(tǒng)300發(fā)出一個(gè)或多個(gè)激光 脈沖。就此而言，觸發(fā)340通信連接至Q型開關(guān)330以及激發(fā)控制器350。觸發(fā)340產(chǎn)生一 個(gè)或多個(gè)信號(hào)以使得Q型開關(guān)330控制激光脈沖自輸出端314發(fā)出。此外，觸發(fā)340通信 連接至激發(fā)控制器350并使得控制器350激化激光介質(zhì)310以準(zhǔn)備發(fā)射激光脈沖。控制器 350使電流/功率源320依據(jù)脈沖等化激發(fā)曲線將激發(fā)源322自第一個(gè)或維持激發(fā)位準(zhǔn)驅(qū) 動(dòng)至第二或峰值激發(fā)位準(zhǔn)，并將激發(fā)源322自該峰值激發(fā)位準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)至該維持激發(fā)位準(zhǔn)，直 到脈沖發(fā)出為止。脈沖發(fā)出之后，該流程被再次重復(fù)(例如，控制器350使得電流/功率源 320依據(jù)該脈沖等化激發(fā)曲線于該維持激發(fā)位準(zhǔn)連續(xù)驅(qū)動(dòng)激發(fā)源322至峰值激發(fā)位準(zhǔn))。控制器350可以包含和/或通信連接至內(nèi)存裝置352。內(nèi)存裝置352可以預(yù)先儲(chǔ) 存與該特定激光相關(guān)的維持激發(fā)位準(zhǔn)、峰值激發(fā)位準(zhǔn)、以及脈沖等化激發(fā)曲線。控制器350 可以配置成自內(nèi)存裝置352讀取該等數(shù)值以于脈沖等化運(yùn)作中使用。前述實(shí)施例的細(xì)節(jié)可以在未脫離本發(fā)明的基本原理下進(jìn)行許多修改，此對(duì)于習(xí)于 技藝者將是顯而易見的。本發(fā)明的范疇因此應(yīng)由以下的權(quán)利要求范圍所界定。
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權(quán)利要求
一種用來等化由激光以周期性、隨機(jī)式、或虛擬隨機(jī)式脈沖重復(fù)頻率所發(fā)出的一連串激光脈沖的方法，所述激光包含由激發(fā)源所激化的激光介質(zhì)，該方法包含當(dāng)以復(fù)數(shù)個(gè)不同脈沖重復(fù)頻率擊發(fā)該激光時(shí)，依據(jù)一個(gè)或多個(gè)觀察到的激光脈沖參數(shù)決定脈沖等化激發(fā)曲線，其中所述脈沖等化激發(fā)曲線建構(gòu)成用以在所述不同脈沖重復(fù)頻率中大致等化所述一個(gè)或多個(gè)激光脈沖參數(shù)；以及產(chǎn)生一連串激光脈沖，其為了在所述連串激光脈沖中的每一激光脈沖將所述激發(fā)源自第一激發(fā)位準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)至峰值激發(fā)位準(zhǔn)；依據(jù)所述脈沖等化激發(fā)曲線將所述激發(fā)源自所述峰值激發(fā)位準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)至所述第一激發(fā)位準(zhǔn)；以及擊發(fā)所述激光以產(chǎn)生特定的激光脈沖，所述激光脈沖具有所述大致等化的一個(gè)或多個(gè)激光脈沖參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述一個(gè)或多個(gè)激光脈沖參數(shù)選擇自包含以下所 組成的組中激光脈沖峰值功率、激光脈沖能量和激光脈沖寬度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述激發(fā)源于第一時(shí)段被自所述第一激發(fā)位準(zhǔn)驅(qū) 動(dòng)至所述峰值激發(fā)位準(zhǔn)，且其中所述激發(fā)源于第二時(shí)段依據(jù)所選定的所述脈沖等化激發(fā)曲 線被自所述峰值激發(fā)位準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)至所述第一激發(fā)位準(zhǔn)，且其中所述第二時(shí)段大致大于所述第 一時(shí)段。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述脈沖等化激發(fā)曲線在所有所述不同脈沖重復(fù) 頻率中是建構(gòu)在介于大約0赫茲至大約1/(所述第一時(shí)段)赫茲的范圍間大致等化所述一 個(gè)或多個(gè)激光脈沖參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述脈沖等化激發(fā)曲線在下降至所述第一激發(fā)位 準(zhǔn)之前停留于所述峰值激發(fā)位準(zhǔn)第三時(shí)間長度，所述第三時(shí)間長度基于所期望的激光脈沖 能量位準(zhǔn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述脈沖等化激發(fā)曲線是自所述峰值激發(fā)位準(zhǔn)下 降至所述第一激發(fā)位準(zhǔn)的線性下降曲線。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述脈沖等化激發(fā)曲線是自所述峰值激發(fā)位準(zhǔn)下 降至所述第一激發(fā)位準(zhǔn)的大致呈指數(shù)性的下降曲線。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述脈沖等化激發(fā)曲線是自所述峰值激發(fā)位準(zhǔn)下 降至所述第一激發(fā)位準(zhǔn)的參數(shù)式下降曲線。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述峰值激發(fā)位準(zhǔn)是基于所述激發(fā)源的運(yùn)作額定 范圍。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一激發(fā)位準(zhǔn)位于介于所述峰值激發(fā)位準(zhǔn) 的大約20%至大約90%的范圍間。
11.一種用來等化以周期性、隨機(jī)式、或虛擬隨機(jī)式脈沖重復(fù)頻率發(fā)出的一連串激光脈 沖的激光，所述系統(tǒng)包含激光介質(zhì)；激發(fā)源，以激發(fā)所述激光介質(zhì)；以及激發(fā)控制器，通信連接至所述激發(fā)源，其中所述激發(fā)控制器用以在第一時(shí)段將所述激發(fā)源自第一激發(fā)位準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)至峰值激發(fā)位準(zhǔn)并在第二時(shí)段依據(jù)脈沖等化激發(fā)曲線將其自所述峰值激發(fā)位準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)至所述第一激發(fā) 位準(zhǔn)，且其中所述脈沖等化激發(fā)曲線建構(gòu)成用以在不同脈沖重復(fù)頻率間大致等化一個(gè)或多 個(gè)激光脈沖參數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的激光，其中所述第二時(shí)段大致大于所述第一時(shí)段。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的激光，其中當(dāng)以復(fù)數(shù)個(gè)不同脈沖重復(fù)頻率驅(qū)動(dòng)所述激光 時(shí)，所述脈沖等化激發(fā)曲線依據(jù)一個(gè)或多個(gè)觀察到的激光脈沖參數(shù)所預(yù)先決定，其中所述 脈沖等化激發(fā)曲線用以在所述不同脈沖重復(fù)頻率中大致等化所述一個(gè)或多個(gè)激光脈沖參數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的激光，其中所述一個(gè)或多個(gè)激光脈沖參數(shù)選擇自包含以下 所組成的組中激光脈沖峰值功率、激光脈沖能量和激光脈沖寬度。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的激光，其中所述脈沖等化激發(fā)曲線是線性下降曲線。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的激光，其中所述脈沖等化激發(fā)曲線是大致呈指數(shù)型的下降 曲線。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的激光，其中所述脈沖等化激發(fā)曲線是參數(shù)式下降曲線。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的激光，其中所述激發(fā)源選擇自包含一個(gè)或多個(gè)激光二極 管、二極管棒、以及二極管棒的堆棧的組。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的激光，其中所述激光介質(zhì)選擇自包含以下所組成的 組中摻銣 乙招石槽石(neodymium-doped yttrium aluminum garnet ；Nd:YAG)、摻 銣氟化 乙鋰(neodyminium-doped yttrium lithium fluoride ；Nd: YLF)、摻銣 凡酸 乙 (neodyminium-doped yttrium vandate ；Nd:YVO4)。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的激光，其中所述激發(fā)源的所述峰值激發(fā)位準(zhǔn)是基于所述激 發(fā)源的運(yùn)作額定范圍。
21.一種用來等化由激光系統(tǒng)以周期性、隨機(jī)式、或虛擬隨機(jī)式脈沖重復(fù)頻率所發(fā)出的 一連串激光脈沖的方法，所述激光系統(tǒng)包含連接至激發(fā)源的激光介質(zhì)，所述方法包含決定所述激發(fā)源的峰值激發(fā)位準(zhǔn)；決定脈沖等化激發(fā)曲線，其建構(gòu)成用以在不同脈沖重復(fù)頻率間大致等化一個(gè)或多個(gè)激 光脈沖參數(shù)；于第一時(shí)段將所述激發(fā)源自第一激發(fā)位準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)至所述峰值激發(fā)位準(zhǔn)；依據(jù)于第二時(shí)段的所選定的所述脈 等化激發(fā)曲線，將所述激發(fā)源自所述峰值激發(fā)位 準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)至所述第一激發(fā)位準(zhǔn)。
全文摘要
一種于不同脈沖重復(fù)頻率(PRF)提供激光脈沖等化的系統(tǒng)及方法。在起始時(shí)將激光介質(zhì)自第一激發(fā)位準(zhǔn)激發(fā)至峰值激發(fā)位準(zhǔn)之后，控制器依據(jù)脈沖等化激發(fā)曲線使激發(fā)源繼續(xù)激發(fā)激光介質(zhì)。等化激發(fā)曲線可以依據(jù)在不同PRF的激光脈沖測試參數(shù)而決定以達(dá)成脈沖參數(shù)的最佳等化效果。用以評(píng)估各種等化激發(fā)曲線的最佳化標(biāo)準(zhǔn)可以包含脈沖能量位準(zhǔn)、峰值功率位準(zhǔn)、和/或不同PRF下的激光脈沖寬度的一致性。等化激發(fā)曲線可以是自峰值激發(fā)位準(zhǔn)下降至第一激發(fā)位準(zhǔn)的下降曲線。等化激發(fā)曲線可以是線性下降曲線、大致呈指數(shù)型的下降曲線、參數(shù)式下降曲線、或任何其它曲線類型。
文檔編號(hào)H01S3/10GK101981767SQ200980110447
公開日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2009年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月25日
發(fā)明者孫云龍, 常峰 申請(qǐng)人:伊雷克托科學(xué)工業(yè)股份有限公司