脉冲型CO2激光输出脉冲形状和功率控制制造技术

为了保持由RF提供能量的封闭扩散冷却脉冲型CO2气体放电激光器(160)中的恒定的激光输出脉冲功率，每个激光输出脉冲由更短RF脉冲的串或序列产生。当激光输出脉冲(176)之间的时间变得足够短到使得一个脉冲中的功率可通过前面的脉冲的气体放电加热效应减小时，通过改变序列中的脉冲的的持续时间或占空比来改变RF脉冲串(164)中的能量，由此保持激光输出脉冲中的输出脉冲功率恒定。任意序列中的RF脉冲可具有不同持续时间以调整相应激光输出脉冲的时域形状。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】脉冲型CO2激光输出脉冲形状和功率控制
本专利技术总体涉及由射频(RF)提供能量的脉冲型二氧化碳(CO2)气体放电激光器中的输出功率控制。本专利技术具体涉及在激光输出脉冲间提供恒定功率，以及控制该激光器的输出脉冲的时域形状。
技术介绍
在由RF提供能量的封闭扩散冷却脉冲型CO2气体放电激光器中，如果脉冲之间的时间变得足够短，则扩散冷却将变成主导，从而导致CO2激光气体混合物中的温度上升。这会影响到输出脉冲的特征，尤其是输出脉冲的上升沿和下降沿。这会导致脉冲间的功率不一致以及由此导致的平均功率的变化。典型的激光气体混合物包括比例大约为80：10：10的氦气(He)、氮气(N2)和CO2。图1A和图1B提供了时序图，其比较了由RF脉冲(图1A)提供能量的现有技术的扩散冷却CO2气体放电激光器以及从该激光器获得的激光输出脉冲(图1B)之间的关系。假设激光器被调谐成在大约10.6微米(μm)的波长下操作。RF脉冲从时间t0开始并且在时间t3结束。如此处所示，RF脉冲具有大约100微秒或者更长的持续时间。一开始没有激光输出，因为激光气体混合物中的N2需要时间才能被RF激励并随后通过碰撞将该能量传递给CO2。在相对短的时间之后，激光气体混合物中存在一个初始增益峰值(功率峰值)，其在时间t1下落到大致为0。由于非常短的持续时间的原因，该功率峰值中的能量从处理角度来说并不显著。功率峰值之后，激光输出功率逐步提高。提高功率的该时间段在图1B中被指定为τR。在该时间期间，气体混合物的温度上升，而且在时间t2，由于针对10.6μm波长以及针对大约9.6μm(假设激光器谐振腔在此未被调谐)处的另一激光波长的能量转换之间的竞争，增益(对激光器进行调谐的10.6μmCO2波长处)开始逐渐下落。增益下降的物理现象的详细描述对于理解本专利技术的原理不是必要的，在此未予描述。10.6μm的功率的这个逐渐下降时间段，由于激光气体混合物的加热，而在图1B中被指定为时间段τH。在时间t3，当RF脉冲结束时，增益以及激光脉冲功率在图1B中被指定时间段τF的下降时间内成指数地朝着0下降。如果脉冲RF-脉冲持续时间足够短，则可以避免图1B中所示的单独的激光脉冲中的气体加热效应。然而，在其中脉冲间存在足够短的持续时间的激光脉冲串中，气体加热仍将发生，但是该效应将以不同方式呈现，这将在下面进行描述。图2A和图2B提供了时序图，其比较了三个RF脉冲ARF，BRF和CRF(图2A)的串与分别得到的激光输出脉冲AL，BL和CL之间的关系。在此假设以在脉冲之间提供0.15毫秒(ms)级别的时间T的脉冲重复频率F来传递RF脉冲。脉冲持续时间(TP)被假设为大约25微秒(μs)。该脉冲持续时间足够短，由此避免了图1B的τH的影响。然而，脉冲之间的时间足够短而使得激光气体不会回到一个脉冲在下一个脉冲开始之前开始的温度。其结果就是，脉冲BL的峰值功率PL2小于脉冲AL的峰值功率PL1，而且脉冲CL的峰值功率PL3小于脉冲BL的峰值功率PL2。这种峰值功率沿脉冲的下降持续，直到到达稳态气体加热状态。在脉冲间的示例性的0.15ms的情况下，对于大约100Torr的激光气体压力，在传递了大约7个脉冲之前，这可能不会出现。图3是示意性地图示出作为现有技术的扩散冷却CO2激光器中的脉冲间时间的函数的，隔离的激光输出脉冲对之间的测得的幅值比(由菱形表示)的示图。圆圈表示与3千赫兹(kHz)的脉冲重复频率相对应的脉冲分隔时间。在这种情况下的RF脉冲持续时间(激励脉冲)为大约25μs，但是持续时间为50μs的RF脉冲也能获得类似的结果。可以看出，当脉冲之间的时间介于大约750和1000微秒或更大之间时，持续脉冲的幅值变得大致相等。对于精细的激光器机械加工操作，例如印制电路板(PCB)中通孔的激光钻孔，保持脉冲与脉冲之间的一致性是很重要的。脉冲不一致性的开端定义了可使用的脉冲重复率的上限，由此定义了操作吞吐量的极限。在大多数情况下，稳态状态不是个选择，因为具体的钻孔序列要求不规则间隔的待命脉冲。所以，需要一种能够保持按需触发的间隔相对短的激光输出脉冲的脉冲与脉冲之间的一致性的方法和设备。
技术实现思路
本专利技术涉及一种操作气体放电激光器的方法，用于提供激光输出脉冲形式的激光器输出。激光器包括由射频电源(RFPS)供电的隔开的气体放电电极，其中激光器谐振腔形成在气体放电电极之间。在本专利技术的一个方面中，该方法包括：将第一RF脉冲串从RFPS传递至气体放电电极以便为激光器谐振腔提供能量。第一串中的RF脉冲在时间上间隔开的时间足够短到使得激光器谐振腔能够以仿佛第一RF脉冲串是单个RF脉冲的方式响应第一RF脉冲串，由此激光器谐振腔响应于第一RF脉冲串的能量提供而传递第一激光输出脉冲。在另一个方面中，方法可进一步包括：在传递第一RF脉冲串之后，将第二RF脉冲串从RFPS传递至气体放电电极以便为激光器谐振腔提供能量。第二RF脉冲串中的RF脉冲在时间上间隔开的时间也足够短到使得激光器谐振腔能够以仿佛第二RF脉冲串是单个RF脉冲的方式响应第二RF脉冲串，由此在传递第一个单个激光输出脉冲之后，激光器谐振腔响应于第二RF脉冲串的能量提供而传递第二激光输出脉冲。第二串中的RF脉冲的持续时间和数量中的一个被选择成使得第一和第二激光输出脉冲具有大约相等的功率。附图说明图1A和图1B形成了示意性地图示出现有技术的扩散冷却CO2激光器中的作为RF脉冲的时间的函数的功率与相应激光输出脉冲之间的关系的时序图。图2A和图2B形成了示意性地图示出现有技术的扩散冷却CO2激光器中的作为RF脉冲串的时间的函数的功率与相应激光输出脉冲串之间的关系的时序图，其中峰值脉冲功率由于RF脉冲的激光气体加热而沿脉冲依次减小。图3是示意性地图示出现有技术的扩散冷却CO2激光器中作为脉冲间时间的函数的隔开的激光输出脉冲对之间的测得的幅值比的示图。图4A是示意性地图示出第一和第二连续的现有技术的RF激励脉冲的示图，其中假设它们之间的时间足够短以使得在相应激光输出脉冲中导致图2B的峰值功率下降。图4B是示意性地图示出根据本专利技术的脉冲内调制的示图，其中图4A的现有技术的激光脉冲由更短脉冲(也具有相等的持续时间)的连续的持续时间相等的第一和第二串代替，但是其中更短脉冲的第二串的脉冲重复频率被增大以通过在第二串中包含比第一串更短的脉冲来补偿图2B的峰值功率下降效应。图4C是示意性地图示出根据本专利技术的脉冲内调制的示图，其中图4A的现有技术的激光脉冲由更短脉冲的连续的持续时间相等的第一和第二串代替，其中每个串中具有相同数量的脉冲，但是第二串中的脉冲具有比第一串中的脉冲更长的持续时间以补偿图2B的峰值功率下降效应。图4D是示意性地图示出与图4C类似的根据本专利技术的脉冲内调制的示图，但是其中它的每个串中的第一脉冲具有比该串中的其它脉冲更长的持续时间，以便减小脉冲串产生的相应激光脉冲的上升时间。图5是示意性地图示出25微秒长的RF脉冲串产生的测得的激光脉冲的示波器描迹的再现，该RF脉冲串类似于图4D的脉冲串但是其中在更长的第一子脉冲之后存在12个子脉冲。图6是示意性地图示出用于产生图5的激光脉冲的实验设备的高级电路图。图7是示意性地图示出根据本专利技术的通过脉冲内调制实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种操作气体放电激光器的方法，用于提供激光输出脉冲形式的激光器输出，激光器包括由射频电源(RFPS)供电的隔开的气体放电电极，其中激光器谐振腔形成在气体放电电极之间，所述方法包括：将第一RF脉冲串从RFPS传递至气体放电电极以便为激光器谐振腔提供能量，所述串中的每个脉冲包括多个RF能量周期，第一RF脉冲串中的RF脉冲在时间上间隔开的时间足够短到使得激光器谐振腔能够以仿佛第一RF脉冲串是单个RF脉冲的方式响应第一RF脉冲串，由此激光器谐振腔响应于第一RF脉冲串的能量提供而传递第一激光输出脉冲。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.04.13 US 61/624,096;2012.05.09 US 13/467,8901.一种操作气体放电激光器的方法，用于提供激光输出脉冲形式的激光器输出，激光器包括由射频电源(RFPS)供电的隔开的气体放电电极，其中激光器谐振腔形成在气体放电电极之间，所述方法包括：将第一RF子脉冲串从RFPS传递至气体放电电极以便为激光器谐振腔提供能量，所述串中的每个子脉冲包括多个RF能量周期，第一RF子脉冲串中的RF子脉冲在时间上间隔开的时间足够短到使得激光器谐振腔能够以仿佛第一RF子脉冲串是单个RF脉冲的方式响应第一RF子脉冲串，由此激光器谐振腔响应于第一RF子脉冲串的能量提供而传递第一激光输出脉冲；以及在传递第一RF子脉冲串之后，将第二RF子脉冲串从RFPS传递至气体放电电极以便为激光器谐振腔提供能量，第二串中的每个子脉冲包括多个RF能量周期，第二RF子脉冲串中的RF子脉冲在时间上间隔开的时间足够短到使得激光器谐振腔能够以仿佛第二RF子脉冲串是单个RF脉冲的方式响应第二RF子脉冲串，由此在传递第一个单个激光输出脉冲之后，激光器谐振腔响应于第二RF子脉冲串的能量提供而传递第二激光输出脉冲，而且其中第二串中的RF子脉冲的持续时间和数量中的一个被选择成使得第二激光脉冲中的能量更贴近地匹配第一激光脉冲中的能量。2.根据权利要求1所述的方法，其中第一RF子脉冲串包括具有第一持续时间的初始子脉冲以及后续的具有比第一持续时间短的第二持续时间的多个子脉冲。3.根据权利要求1所述的方法，其中第一串中的所有RF子脉冲具有相同的持续时间。4.根据权利要求1所述的方法，其中第一和第二RF子脉冲串具有大约相同的持续时间。5.根据权利要求4所述的方法，其中第一和第二RF子脉冲串中具有相同数量的子脉冲。6.根据权利要求5所述的方法，其中第一串中的RF子脉冲具有第一持续时间，第二串中的RF子脉冲具有第二持续时间，其中第二持续时间长于第一持续时间。7.根据权利要求5所述的方法，其中第一RF子脉冲串包括具有第一持续时间的初始子脉冲以及后续的每个都具有第二持续时间的多个子脉冲，而且第二RF子脉冲串包括具有第三持续时间的初始子脉冲以及后续的每个都具有第四持续时间的多个子脉冲，而且其中第三持续时间长于第一持续时间，而且第四持续时间长于第二持续时间。8.根据权利要求4所述的方法，其中第一和第二串中的RF子脉冲的持续时间相同，而且第二串中的子脉冲数量大于第一串中的子脉冲数量。9.根据权利要求1所述的方法，其中对第二串中的RF子脉冲的数量或持续时间的选择取决于第一激光输出脉冲的结尾与第二激光输出脉冲的起始之间的时间。10.一种气体放电激光器设备，包括：隔开的放电电极；在放电电极之间延伸的激光器谐振腔；射频电源(RFPS)，其连接至放电电极以便为激光器谐振腔提供能量；以及连接至RFPS的电子电路...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·罗森塔尔，J·肯尼迪，V·塞古因，D·阿利，
申请(专利权)人：相干公司，
类型：发明
国别省市：美国;US