用于产生高峰值功率激光脉冲的方法和系统

技术领域

本说明书涉及出于激光冲击目的用于产生高峰值功率激光脉冲的方法和系统。本说明书尤其适用于激光冲击强化、激光冲击光谱技术、基于激光的超声产生或部件的激光清洗。

背景技术

基于激光冲击的表面处理应用(即涉及等离子体的形成)要求具有非常高的峰值功率(通常约为10兆瓦(MW)或更高)的脉冲，也就是说，通常要求脉冲的持续时间为约几十纳秒或更短并且其能量大于约一百毫焦耳。这些脉冲通常集中在几平方毫米的区域上，从而有可能实现每平方厘米几十焦耳的能量密度，用于形成激光冲击。这些应用包括例如激光冲击光谱技术、激光清洗、基于激光的超声产生(例如为了分析材料的晶体结构)以及为了提高部件的使用寿命和机械抵抗力的激光冲击强化。

例如在专利US6002102和EP1528645中描述了激光冲击强化。第一吸收性薄层沉积在待处理部件上。在操作过程中，高峰值功率激光脉冲会使吸收层汽化，从而产生热等离子体。等离子体的膨胀会引起强烈的压缩波，从而可以在待处理部件的材料深处产生预应力。称为约束层的第二层(其对辐射透明，例如水或对入射辐射的波长透明的材料，例如石英)有助于冲击波向待处理表面的内部松弛。这种称为“激光冲击强化”的方法可以增强部件对周期性疲劳的机械抵抗力。通常通过在自由空间中传输光束至待处理区域来执行该方法。

然而，在自由空间中传输大功率激光束会带来安全问题，并使其很难进入受限制或有阻碍的地方(例如，水下环境)。

例如在专利US4937421或US6818854中所描述的，为了进入位于受限制或有阻碍的环境中的表面，光纤似乎是非常合适的工具。然而，上述一些方法(例如激光冲击强化或激光表面清洗)通常在多尘的工业环境中进行，从而显著降低了光纤的输入表面和输出表面的损伤阈值。此外，除了清洗方面之外，对于脉冲持续时间小于1μs的脉冲激光，能够注入到光纤中的峰值功率水平受到形成光纤纤芯的材料的介电损伤阈值的限制。因此，对于1064nm处的10ns脉冲，空气/二氧化硅界面的损伤阈值约为1GW/cm

为了限制在注入和松弛时受损伤的风险，优选使用具有宽芯径的波导。但是，大的纤芯(通常大于1mm)不是很柔韧，过度的弯曲通过渐逝波产生损耗，这可能会损坏光纤。例如专利US6818854中所描述的，可以使用一组(或“束”)光纤。然而，为了限制在这类部件中的注入和传播损失，优选将光能分别注入每根光纤中，这使得注入变得复杂且昂贵。此外，有必要在部件的输出端处设置一种具有大孔径的光学聚焦系统，这使得光学系统变得复杂、昂贵且笨重。

尤其由于这些原因，在实践中，光纤在传输脉冲方面的用途仅限于传输峰值功率相对较低(小于10MW)的脉冲以及处理易于进入的区域(非弯曲路径)。

因此，需要通过具有光纤装置的系统来产生高峰值功率脉冲，这使得可以增加光纤的损伤阈值并改善光纤装置的柔韧性，从而避免其由于机械应力而导致光学性能下降。

本说明书的一个主题是一种高峰值功率(通常约为10MW或更高)脉冲的产生方法和系统，其允许安全的注入到光纤装置并确保安全的长距离传播，同时又维持了极大的柔韧性。

发明内容

根据第一方面，本说明书涉及一种高峰值功率激光脉冲产生系统，其包括：

-至少一个第一光源，其用于发射第一纳秒激光脉冲；

-光纤装置，其用于传输所述第一激光脉冲，所述光纤装置包括至少一个具有被设计为接收所述第一激光脉冲的单芯的第一多模光纤；

-至少一个第一光放大器，其被布置在所述光纤装置的输出端处，用于光学放大所述第一激光脉冲并产生所述高峰值功率激光脉冲。

在本说明书中，术语“高峰值功率”应理解为是指峰值功率约为10MW或者大于或等于10MW的激光脉冲。在聚焦于几平方毫米(通常在0.1到10mm

这样描述的系统借助于布置在所述光纤装置的输出端处的光放大器，使得对于入射在希望产生激光冲击的材料上的脉冲可以具有非常高的峰值功率，同时保护所述光纤装置的输入接口和输出接口。可以使用有限直径(通常小于1mm，有利地，小于300μm)的多模光纤，从而赋予所述光纤装置更大的柔韧性，并因此允许更容易进入受限制的环境，其中光纤曲率直径可以减小到小于15cm。

在本说明书中，术语“纳秒激光脉冲”应理解为是指持续时间在1至100ns之间的脉冲。具体而言，对于超短激光脉冲(小于几百皮秒)，激光冲击效果不佳或根本没有达到激光冲击效果。根据一个或多个示例性实施例，所述第一光源发射持续时间在5纳秒至20纳秒之间的脉冲。所述第一脉冲可以包括一个或多个激光线。

根据一个或多个示例性实施例，所述激光脉冲产生系统还包括用于对所述第一激光脉冲进行时域整形的模块。

根据一个或多个示例性实施例，所述时域整形模块包括被配置为通过减小时间相干性来减小所述脉冲的功率谱密度(PSD)的装置。这使得可以以有限的能量减少来减小PSD。以准恒定能量或略微减少的能量来减小PSD使得可以限制由散斑引起的强度尖峰，以保护向所述光纤装置的注入并限制非线性效应。

根据一个或多个示例性实施例，所述时域整形模块被配置为减小所述功率谱密度，使得所述脉冲的光强低于在所述光纤装置中激发的布里渊散射阈值。因此限制了在所述光纤中由非线性效应(尤其是布里渊效应)引起的光能损失。所述布里渊散射阈值在所述光纤的直径减小(以及所述光纤的长度增加)时减小，并且在所述光源的谱宽变得大于布里渊线的谱宽时增大。因此，通过减小所述激光脉冲的PSD(例如通过加宽光谱或增加激光线的数量)，可以在减小纤芯直径和/或增加光纤长度的同时保持较高的布里渊散射阈值。具体而言，所述布里渊阈值的计算考虑了所述光源的光谱分布与布里渊增益的光谱分布之间的卷积。

根据一个或多个示例性实施例，通过增加所述第一脉冲中包含的激光线的数量(例如通过声光调制器)来获得PSD的减小。

根据一个或多个示例性实施例，通过加宽所述第一脉冲中包含的激光线的光谱来实现PSD的减小。

根据一个或多个示例性实施例，为了加宽所述第一脉冲中包含的激光线的光谱，所述时域整形模块包括围绕给定的旋转轴旋转并且被配置为用多普勒频谱加宽效应反射所述第一入射脉冲的旋转反射装置。

所述旋转反射装置可以围绕所述旋转轴振荡或旋转。所述旋转反射装置包括一个或多个反射表面。由于在所述表面的每个点处的可变角速度，入射在所述反射表面上的脉冲经历了空间可变的多普勒频移。因此，由所述旋转反射装置反射的激光脉冲表现出光谱加宽，因此PSD减小。另外，减小了所述激光脉冲的空间相干性和时间相干性，从而有助于限制散斑效应和非线性效应。

根据一个或多个示例性实施例，所述反射表面被布置在垂直于同一个平面(称为所述第一脉冲的入射平面，其包括入射在所述旋转反射装置上并由所述旋转反射装置反射的所述第一激光脉冲的波矢的方向)的平面中。

根据一个或多个示例性实施例，所述旋转反射装置的旋转轴垂直于所述第一激光脉冲的所述入射平面。

根据一个或多个示例性实施例，在所述第一脉冲以给定的重复频率进行发射的情况下，所述旋转反射装置的旋转或振荡速度与所述第一脉冲的重复频率同步，使得每个所述第一脉冲均以恒定的入射角入射在所述旋转反射装置的反射表面上。

根据一个或多个示例性实施例，所述旋转反射装置包括简单的反射镜，该反射镜表现出围绕垂直于所述第一激光脉冲的入射平面的轴线的旋转或振荡运动。例如，所述反射镜被布置成使得所述第一激光脉冲以垂直于所述反射镜的平面的方向入射在所述旋转的反射镜上。

根据一个或多个示例性实施例，所述旋转反射装置包括多个反射表面(两个连续表面形成非零角度)以及用于使每个所述第一脉冲返回至每个所述反射表面的偏转镜。例如，所述多个反射表面被布置在多边形的面上。通过增加反射表面的数量，可以增强多普勒加宽效应。因此，例如，在具有N个反射表面(N≥2)以及N-1个偏转镜的情况下，多普勒加宽效应乘以N。

根据一个或多个示例性实施例，所述反射表面中的至少一个是非平面的(例如凹面或凸面)。例如，反射输出表面(即所述激光脉冲最后反射的地方)不是平面，以在所述脉冲上产生会聚或发散效应。

根据一个或多个示例性实施例，由所述第一激光脉冲形成并入射在所述反射表面上的光束的尺寸小于所述反射表面的尺寸。

根据一个或多个示例性实施例，所述激光脉冲产生系统还包括位于所述光纤装置的上游、用于对所述第一激光脉冲进行空域整形的模块。

根据一个或多个示例性实施例，所述空域整形模块被配置为在所述光纤装置的输入端处标准化所述脉冲的功率空间密度。例如，标准化所述功率空间密度使得可以限制所述光纤中的强度尖峰(其与光束的高斯强度分布有关)。

例如，用于对所述脉冲进行空域整形的模块使得可以形成强度空间分布为“高帽”类型的脉冲，即该脉冲具有较低的强度空间变化，通常限于+/-10％(排除与散斑相关的颗粒效应)。此外，“高帽”式空域整形使得由所述第一脉冲形成的光束可以适应所述多模光纤的纤芯尺寸。

根据一个或多个示例性实施例，所述激光脉冲产生系统还包括用于发射至少一个第一泵浦激光束的至少一个泵浦光源，所述至少一个第一泵浦激光束旨在用于对所述至少一个第一放大器进行光泵浦。

所述泵浦光源包括例如激光二极管或激光二极管组件。

所述泵浦光源可以是连续的或以相对低的重复率(通常以所述第一激光脉冲的重复频率，即小于几千赫兹)被脉冲化。

根据一个或多个示例性实施例，所述泵浦光源经过时域整形，以传送持续时间基本上对应于所述至少一个第一学放大器的激发能级的寿命(也就是说，通常为约几百微秒)的泵浦脉冲。也可以对所述泵浦光束进行空域整形，例如以使所述泵浦光束的尺寸适合于所述第一多模光纤的纤芯直径。

根据一个或多个示例性实施例，将所述至少一个泵浦激光束与所述第一脉冲一起注入所述光纤装置。因此，所述光纤的传输与所述至少一个第一光放大器的放大介质的泵浦是共传播的。作为替代，例如借助于激光二极管，所述放大介质的光泵浦可以横向于所述放大介质。

根据一个或多个示例性实施例，所述激光脉冲产生系统包括例如连续布置的多个光放大器。

根据一个或多个示例性实施例，所述光纤装置在输入端处包括所述第一多模光纤以及与所述第一多模光纤耦合的一组稍微多模的光纤(形成例如所谓的第一“光子灯笼”)，并且在输出端处包括第二多模光纤，该第二多模光纤与所述稍微多模的光纤耦合并且包括用于输出所述第一激光脉冲的单芯。因此，所述光纤装置包括两个头尾相接的“光子灯笼”。

在本说明书中，稍微多模的光纤是用于包括少于10000个模式(通常在500和10000个模式之间)的光纤的名称。所述稍微多模的光纤的直径例如在0.05至0.2mm之间。所述多模光纤(所述光子灯笼的输入光纤)包含多于20000个模式。所述多模光纤的直径例如在0.5至1mm之间。

这种光纤装置包括两个头尾相接的“光子灯笼”，使激光脉冲可以在直径较小的稍微多模的光纤中传输，因此使得可以针对激光脉冲的传输获得更大的灵活性，甚至允许更容易地进入受限制的环境，同时在输入端和输出端保持单个多模纤芯。

根据一个或多个示例性实施例，所述光纤装置包括至少一个掺杂光纤，用于光学预放大所述第一激光脉冲。在使用光子灯笼的情况下，该掺杂光纤可以是所述第一多模光纤或者一个或多个稍微多模的光纤。所述光学预放大使得可以进一步最小化要注入到所述第一多模光纤中的能量。

作为替代，根据一个或多个示例性实施例，所述光纤装置不经过掺杂。所述光纤装置的功能仅限于传输所述第一激光脉冲。

根据一个或多个示例性实施例，所述激光脉冲产生系统包括用于发射第二激光脉冲的第二光源。所述第二激光脉冲具有例如不同于所述第一激光脉冲的波长。有利地，所述第二激光脉冲由与所述第一激光脉冲相同的光纤装置传输。根据一个或多个示例性实施例，所述激光脉冲产生系统包括第二光放大器，该第二光放大器被布置在所述光纤装置的输出端处，用于放大所述第二激光脉冲。

根据一个或多个示例性实施例，所述激光脉冲产生系统还包括在所述至少一个光放大器的输出端处、用于将所述高峰值功率激光脉冲进行聚焦的装置。

根据一个或多个示例性实施例，所述激光脉冲产生系统还包括用于移动所述光纤装置的远端的装置。当需要在材料的不同位置产生激光冲击时(例如在对表面进行处理的情况下)，可以移动所述材料或移动所述光纤装置的远端(即与位于所述光源侧的近端相反的另一端)。

根据第二方面，本说明书涉及一种高峰值功率激光脉冲产生方法，其包括：

-发射第一纳秒激光脉冲；

-经由光纤装置传输所述第一激光脉冲，所述光纤装置包括至少一个具有单芯的第一多模光纤，所述第一激光脉冲注入到所述单芯中；

-通过至少一个布置在所述光纤装置的输出端处的第一光放大器来光学放大所述第一激光脉冲，以形成所述高峰值功率激光脉冲。

根据一个或多个示例性实施例，所述激光脉冲产生方法还包括对所述第一激光脉冲进行空域和/或时域整形。

根据一个或多个示例性实施例，所述时域整形包括通过减小时间相干性(例如通过增加所述第一脉冲中包含的光线的数量和/或加宽所述第一脉冲中的光线)来减小所述功率谱密度。

根据一个或多个示例性实施例，所述空域整形包括标准化所述第一激光脉冲的强度空间分布。

根据一个或多个示例性实施例，所述激光脉冲产生方法还包括将用于对所述至少一个第一放大器进行光泵浦的至少一个第一泵浦激光束注入所述光纤装置。

附图说明

本发明的其他优点和特征将在阅读本说明书时变得显而易见，本说明书通过下列附图进行图示：

-图1示出了说明根据本说明书的高峰值功率脉冲产生系统及其在受限制的环境中实现的图；

-图2A至图2C示出了说明根据本说明书的高峰值功率脉冲产生系统的光放大器的各种泵浦模式的图；

-图3A和图3B示出了说明在根据本说明书的高峰值功率脉冲产生系统的一个示例中，在光纤装置传输之前对脉冲进行时域整形以增加激光线数量的图；

-图4A至图4D示出了说明在根据本说明书的高峰值功率脉冲产生系统的一个示例中，在光纤装置传输之前对脉冲进行时域整形以通过多普勒效应加宽激光线的图；

-图5A和图5B示出了说明在根据本说明书的高峰值功率脉冲产生系统的一个示例中，在光纤装置传输之前对脉冲进行空域整形以形成具有恒定的强度分布的图；

-图6示出了根据本说明书的高峰值功率脉冲产生系统的一个示例中的光纤装置的一个示例性实施例的图。

为了一致性，在各个附图中使用相同的参考标记来表示相同的元件。

具体实施方式

在本说明书中，令人感兴趣的是高峰值功率脉冲的产生，其适用于在材料中产生激光冲击。

高照射脉冲(每单位面积传递的光功率)(通常为约每平方厘米数百万瓦)与材料的相互作用会引起照射表面的突然加热，并使该照射表面以等离子体形式汽化，等离子体进而松弛。这就是所谓的激光冲击。激光冲击是一种其中光/材料的相互作用时间非常短(通常为几十纳秒)的机制，因此，与激光切割或激光焊接方法一样，待处理部件的温度没有明显升高。使用约束层可以在一个方向上引起激光冲击。具体而言，在没有约束层的情况下，在4π球面度范围内发生激光冲击的扩展。

更精确而言，在激光冲击强化的情况下，由此产生的激光冲击使得可以以非常高的准确度在材料上引入深层的残余压应力。最终，这可以通过延迟裂纹的产生和传播来提高抗疲劳性。约束层还使得可以引起等离子体向待处理部件内部的松弛，并可以提高处理有效性。

在LIBS(“光诱导击穿光谱法”的缩写)的情况下，激光冲击使待处理表面汽化。射出的原子和离子被带到激发能级，并通过去激发而发射由原子谱线组成的光谱，该光谱中的波长使得可以识别存在的元素，并且该光谱中的强度与发射原子的浓度成正比。

在烧蚀清洗的情况下，在辐射作用下在表面上产生的等离子体发生松弛，从而在不损坏待清洗表面的情况下分离并排出污垢。

在激光产生超声检测中，使用由脉冲/物质相互作用而产生的等离子体形成的超声波。超声波在材料中传播并在界面处反射。可以使用与第二激光束耦合的干涉仪来分析超声波到达时材料的变形。这种分析可以提供与材料相关的几个特征有关的信息，例如，材料的厚度、微观结构或者甚至可能存在的潜在缺陷。

图1示出了说明根据本说明书的高峰值功率脉冲产生系统10及其在受限制的环境11中实现的图。

系统10包括至少一个用于发射第一激光脉冲I

光源101例如是脉冲激光器，其发射持续时间在1到100ns之间(有利地，在5到20ns之间)的脉冲。光源例如以1.064μm(钕(Nd):YAG激光器的发射波长)或1.030μm(镱(Yb):YAG激光器的发射波长)进行发射。光源101可以包括但不限于固体激光器、光纤激光器、半导体激光器、盘形激光器或这些激光器的组合。

光源可以发射具有单条激光线或多条激光线的激光脉冲。

也可以设置例如有各种波长的多个光源，用于发射具有不同波长的第一脉冲和至少第二脉冲。

系统10还可以在外壳100内包括时域整形模块102和/或空域整形模块103，例如旨在减小第一激光脉冲的时间和/或空间相干性并/或形成具有基本恒定的强度分布的脉冲。这些空域和/或时域整形模块尤其旨在弱化光纤装置输入端处的强度尖峰或“热点”以及限制非线性效应。时域和空域整形模块的一些示例将在本说明书的其余部分进行描述。

在图1所示的示例中，在时域整形模块102和空域整形模块103的输出端处，第一激光脉冲被注入光纤装置110。光纤装置110使得可以传输由所述光源发射的激光脉冲。光纤装置110可以包括具有被设计为接收所述激光脉冲的单芯的单根多模光纤。在其他示例中，光纤装置110可以包括多根光纤，但总是具有包括被设计为接收所有激光脉冲的单芯的第一多模光纤。

系统10还包括至少一个第一光放大器120，该至少一个第一光放大器120被布置在所述光纤装置110的输出端处，用于光学放大所述第一激光脉冲。可以可选地串联布置多个光放大器。在所述光放大器的输出端处，可以对放大的脉冲进行空域整形，并且通过图2A至图2C描述了一些示例。在适当的情况下，该系统还可以包括至少一个第二激光放大器，该至少一个第二激光放大器用于放大由第二光源以不同于第一光源的波长发射的第二激光脉冲。

系统10还包括用于发射泵浦光束I

有利地，泵浦激光光源包括一个或多个激光二极管。

泵浦激光光源104可以以连续(CW)或准连续(QCW)的模式发射泵浦光束。

通过时域整形模块105的时域整形使得可以例如在强度方面调制泵浦光束。因此，例如，泵浦光束以所述第一脉冲的重复频率进行调制。泵浦光束可以在给定的持续时间(例如，约为用于光放大器120的放大现象的稀土离子的激发能级时间)内保持恒定或准恒定的光强。一旦该持续时间过去，则泵浦光束的强度可以减小到零。还可以例如通过空域整形模块106对泵浦光束进行空域整形，这使得可以例如通过使泵浦光束的光学模式的尺寸适应于第一多模光纤的纤芯直径来确保将泵浦光束注入光纤装置110。

在使用泵浦激光二极管的情况下，通过直接作用于二极管的电气控制来执行时域整形。

在图1的示例中，通过反射镜107、108使泵浦光束与激光脉冲I

当系统10例如用于激光冲击强化时，为了形成约束层，还可以设置由水箱供应的水喷嘴14以及通过软管13向喷嘴14输送水的泵12。并非强制要求使用水，可以使用对脉冲的波长透明的凝胶、涂料或固体材料(例如石英)轻松获得约束层。也可以省去约束层，但是这降低了由激光冲击强化处理引起的预应力的深度。除激光冲击强化外，约束层在其他应用中并不实用。

系统10还可以包括移动装置(未示出)，用于移动光纤装置的远端。当需要在材料的各个位置(例如，在处理表面的情况下在表面的各个区域)产生激光冲击时，可以移动材料，或可以移动光纤装置的远端(也就是说与位于光源侧的近端相反的一端)，并且因此可以通过放大的激光脉冲对待处理表面进行空间扫描。

图2A至图2C示出了根据本说明书的高峰值功率脉冲产生系统的光放大器的各种泵浦模式。

光放大器120包括例如放大器棒20，例如该放大器棒20包括Nd:YAG、Yb:YSO或Nd:YLF材料或已知用于光放大的任何其他材料。这种放大器棒的尺寸通常为直径在5到10mm之间并且长度小于10cm。

在图2A的示例中，如在图2B的示例中一样，泵浦光束I

在图2A和图2B的情况下，滤光片21使得可以在光放大器的输出口处分离泵浦光束，从而仅用放大的脉冲I

图2C描述了一个示例，其中光泵浦是横向的，该光泵浦例如通过单独的光纤激光二极管来执行。这种类型的泵浦不适用于泵浦I

在所有情况下，都可以通过光学部件22(例如衍射光学部件，例如DOE(“衍射光学元件”)、微透镜系统、聚光镜或鲍威尔透镜)在放大器120的输出端处对脉冲进行空域整形。在通过放大的激光脉冲对待处理部件进行空间扫描的情况下，这种整形例如可以使其适应于待处理部件的几何形状，以便使想要照射的部件的各个区域之间的重叠最小化，从而实现速度上的增益。

图3A和图3B在一方面，并且图4A至图4D在另一方面示出了在根据本发明的高峰值功率脉冲产生系统的一个示例中，在由光纤装置传输之前对脉冲进行时域整形的各种装置，旨在通过增加脉冲的激光线数量或通过加宽激光线来减小激光脉冲的功率谱密度(PSD)。

减小PSD使得可以限制光纤装置110的光纤中的非线性效应，并且可以减小激光脉冲的时间相干性，从而可以限制强度尖峰。

例如，申请人已经表明，在根据本说明书的高峰值功率激光脉冲产生系统中，对于给定的光纤直径以及给定的光纤长度，减小PSD使其低于在光纤装置中激发的布里渊散射阈值可能是有利的。

具体而言，在温度的影响下，形成光纤的分子围绕其原始位置进行很小的移动。这导致改变光纤纤芯的折射率的声子以低振幅声波的形式出现。当光波通过该介质时，该光波被这些声波散射，并且由于声波的迁移，所述散射伴随着多普勒效应(自发布里渊效应)。当散射波沿与入射光波相同的方向传播时，其被称为斯托克斯波。当散射波沿与入射光波相反的方向传播时，其被称为反斯托克斯波。

当入射波具有很高的能量时，通过用斯托克斯波进行干涉，所述入射波将在光纤中产生强度调制以及高对比折射率光栅。这种现象(称为电致伸缩)伴随着受激的散射，该散射对反斯托克斯波具有指数级的增益。这称为受激布里渊增益。受激波以反向传播波的形式被反向散射，因此导致光纤中传输的波有巨大的能量损失。

受激布里渊增益仅在光纤中引导的光强大于阈值强度(称为布里渊阈值(P

其中A

上式表明，对于光纤装置中的小光纤纤芯直径(寻求这一点是为了实现柔韧性方面的增益)，布里渊阈值减小。为了增加布里渊阈值，例如可以寻求加宽被注入光纤装置的激光脉冲中包含的激光线的光谱，或者增加该激光线或这些激光线的数量。

图3A和图3B示出了旨在增加被注入光纤装置的激光脉冲的激光线数量的时域整形模块102的示例。

这些示例使得可以增加激光线的数量，从而导致时间相干性的降低。这使得尤其可以增加布里渊阈值并减小光纤装置输入端处的散斑对比度。

图3A的例子是基于利用声光效应的声光调制器33(AOM)的使用，以通过声波(通常接近射频)来衍射和改变光的光学频率。

更精确而言，模块102包括偏振分光立方体31，该偏振分光立方体31将光谱为S

例如，如果多色射频信号包括3个不同的射频ν

图3B中示出了用于增加第一激光脉冲的光线数的另一组件。

在该示例中，时域整形模块包括振幅或相位调制器37，该振幅或相位调制器37被配置为就强度而言对入射脉冲I

如上述示例中所述，由于激光线数量增加而导致的PSD减小范围可以是2到10倍。因此，例如，可以从通常为100MHz光谱宽度的薄光谱开始，在光纤装置的输入端处获得总光谱宽度为约几百MHz的脉冲，从而可以显著地降低布里渊增益。

图4A至图4D示出了用于对第一激光脉冲进行时域整形的合适模块的示例，从而使得能够加宽在所述第一脉冲中包含的激光线的光谱。

如先前所解释的，激光线的光谱加宽效应使得可以降低光纤装置的光纤中的非线性效应，尤其是受激布里渊效应，还可以限制由于散斑现象导致的强度尖峰的风险。具体而言，如果光谱加宽，则时间相干性和光的干涉能力降低。这使得可以减小散斑颗粒的对比度，并因此弱化强度尖峰。

在图4A至图4D所示的示例中，时域整形模块102包括围绕给定的旋转轴旋转的反射装置，该反射装置被配置为以多普勒频谱加宽效应来反射所述第一入射脉冲。

在图4A所示的示例中，旋转反射装置包括简单的反射镜42，该反射镜42被布置在垂直于第一脉冲I

在图4A的示例中，与四分之一波片41相关联的偏振分光元件40使得可以首先分离入射在旋转反射镜42上的脉冲，其次分离由反射镜42反射的脉冲。

如图4A所示，入射在旋转反射镜42上的脉冲具有例如具有给定的光谱精细度、以光学频率ν

当激光脉冲入射到旋转反射镜42上时，其经历随光束的空间分布而变化的多普勒频移Δν

因此，曲线404示意性地示出了由可变多普勒频移Δν

令D

其中ν

其中ν

在图4A所示的旋转反射镜的情况下，可以表明，当D

δθ为旋转(或振荡)速度，单位为RPM(1RPM＝2πrad/min＝2π/60rad/s)，λ为波长。在此示例中，假设

因此可以将光束的每个空间坐标r与其所得的特定光学频率相关联。如曲线403所示，这种空间可变的多普勒效应导致脉冲激光线的光谱加宽(光谱S

图4B至图4D示出了旋转反射装置的其他示例。在这些示例中，旋转反射装置包括例如沿着多边形的面布置的多个反射表面。旋转反射装置还包括固定的偏转镜，用于返回激光脉冲，以将每个脉冲从一个旋转反射表面返回到下一个旋转反射表面。反射表面和偏转镜例如被布置在垂直于入射平面Π的平面中(入射平面Π包括入射脉冲和反射脉冲的波矢方向)，以使多普勒频移效应最大化。反射表面表现出围绕旋转中心轴的旋转或振荡运动，该旋转中心轴垂直于入射平面，例如是穿过多边形的重心的轴，在该示例中是多边形的对称轴。在下面显示的示例中，旋转多边形的每个面都形成一个反射表面。因此，旋转反射装置包括N个反射表面和N-1个偏转镜。也可以使多边形的有限数量的侧边上具有N个反射表面(N≥2)，并且总是具有N-1个偏转镜。申请人已经表明，这种特定的“旋转多边形”配置使得可以加强多普勒加宽效应。

在图4B的示例中，旋转反射装置43包括被布置成正方形、围绕对称轴432旋转的4个反射表面431以及3个偏转镜433。在图4C的示例中，旋转反射装置44包括被布置成六边形、围绕对称轴442旋转的6个反射表面441以及5个偏转镜443。在图4D的示例中，旋转反射装置45包括被布置成八边形、围绕对称轴452旋转的8个反射表面451以及7个偏转镜453。一般而言，旋转反射装置可以包括N个反射表面(其中N在2和10之间)以及N-1个偏转镜。在图4B至图4D所示的示例中，所得光谱分别表示为S

如图4B至图4D所示，激光脉冲I

为了使通过多普勒效应的光谱扩展最大化，可以规定由入射在每个反射表面上的激光脉冲形成的光束的直径小于或等于：

D

其中，D

由于旋转反射装置的多边形几何形状，光脉冲可以从多边形的每个反射面进行反射，并且可以通过多普勒效应来增加光谱扩展效应。因此，对于具有N个反射面的多边形，入射在旋转反射装置上的光线的光谱将由于多普勒效应而变宽，其表示如下：

例如，考虑在1064nm处具有20ns的脉冲持续时间以及光谱受到傅里叶变换限制(光谱宽度为50MHz)的激光脉冲。如果激光脉冲在时间上与外径为40mm、以55000rpm(rpm＝每分钟转数，即5760rad/s)旋转的八边形同步，使得激光束和多边形表面的法线之间的入射角总是等于θ＝11.25°，并且脉冲从多边形的8个反射面进行反射，那么激光光谱将扩展到约690MHz。因此，旋转反射装置将使得入射光谱可以加宽13倍。

此外，除了扩展光谱并减小激光脉冲的时间相干性之外，光束的各种空间坐标还与各种光谱成分相关联，从而使得可以减小空间相干性。因此，这种时域整形模块使得可以最小化由光源的时空相干性引起的强度尖峰的峰值。此外，对于在1064nm处为20ns且直径为15mm的光束，衍射极限约为67μrad。现在，在脉冲的持续时间内，如果8面多边形以55000RPM(5760rad/s)的速度旋转，则光束在其20ns的持续时间内将经历等于115μrad或者约是两倍衍射极限的扫描。这将有助于最小化散斑的对比度。

当然，以上提出的用于减小PSD的方法不是穷举的，并且可以进行组合。

图5A和图5B示出了在通过光纤装置传输之前对激光脉冲I

这两个示例旨在形成具有“高帽”类型、强度基本均匀的分布的光束。例如，可以寻求光强+/-10％、排除与散斑相关的颗粒效应的空间变化。

因此，图5A示出了整形模块103的第一示例，该整形模块103包括与光学系统52(例如，光学透镜)相关联的DOE(指“衍射光学元件”)51，用于执行适合于光纤的尺寸和几何形状的空域整形。

在图5A中，分布P

图5B示出了空域整形模块103的另一变型。在该示例中，通过一对微透镜阵列53、54和会聚透镜55来执行空域整形。

第一微透镜阵列53(焦距为F

通过与高斯分布比较，如通过图5A和图5B所描述的空域整形使得可以在光纤装置中的传播期间弱化在多模光纤的输入端处的强度尖峰。具体而言，对于相同的能量以及同样的光束直径，“高帽”式圆形分布的峰值强度低于高斯分布。

如上所述，还可以通过减小脉冲的时间相干性来获得激光脉冲功率分布上的强度尖峰的弱化。

图6示出了光纤装置60的一个示例性实施例的图，其中两个被称为“光子灯笼”的部件被布置成头尾相接。

每个部件或“光子灯笼”将多模光纤纤芯(至少有20000个模式)连接到纤芯直径较小的多条稍微多模的光纤(少于10000个模式)。这些部件的布置例如在DNoordegraaf等人的文章("Multi-mode to single mode conversion in a 61port photonic lantern",Optics Express,Vol.18,No.5(2010)pp.4673-4678.)中进行了描述。因此，图6中描述的光纤装置60包括：在输入端处的第一多模光纤61；与第一多模光纤耦合的一组稍微多模的光纤62；以及在输出端处的第二多模光纤63，其与稍微多模的光纤耦合并包括用于输出第一激光脉冲的单芯。例如，可以存在10到20个之间(有利地，10到100个之间)的稍微多模的光纤。

这样的装置可能表现出通常小于15％的传输损耗，但由于使用了直径较小(通常在50μm至200μm之间)的稍微多模的光纤，因此具有非常好的柔韧性。此外，可以通过使用在单芯注入部分和耦合部分(61、63)之间进行掺杂的光纤62来补偿损耗。这些损耗也可以借助于在光纤装置的输出端处的光放大器120来补偿。

因此，可以通过光纤装置60将高能激光脉冲(对于10ns的脉冲，通常>300mJ)注入单芯中，并将所述脉冲经过多个直径较小的光纤传播到待处理区域上。一旦执行了多光纤传输功能，就通过光放大器120将光辐射放大，然后将光辐射传递到待处理表面。通过从单芯传递能量，可以促进衍射光学部件(例如DOE、微透镜系统、聚光镜或鲍威尔透镜)对光束的放大和整形。

此外，光纤装置的输入端和输出端是具有大直径纤芯(通常在300μm和1mm之间)的多模光纤，这一事实确保了对光纤装置的输入面和输出面的激光诱导损坏的敏感性。

尽管已经通过一定数量的详细的示例性实施例进行了描述，但是高峰值功率脉冲产生方法和系统包括各种变型、修正和改进，这些变型、修正和改进对于本领域技术人员将是显而易见的，应理解为这些变型、修正和改进是如下列权利要求所限定的本发明的范围的一部分。