定义
发射脉冲的激光。
脉冲激光器可以在不同的模式下工作，涉及产生的光脉冲的时间模式。 最常见的是（a）单脉冲操作，也称为按需脉冲操作，以及（b）具有固定脉冲重复率的重复脉冲。 然而，也有突发模式激光器，发射脉冲的突发（束，组）（见图1）。 每个脉冲串由一定数量的脉冲组成，有时也称为微脉冲，而整个脉冲串可以被视为宏脉冲。
图1：以具有恒定脉冲能量的常规脉冲的形式发射的激光脉冲。
这种突发模式可以用以下参数来表征：
- 每个脉冲都可以用脉冲能量、持续时间和峰值功率来表征，并可能具有中心波长、带宽等其他细节。 在最简单的情况下，这些脉冲参数可能都是恒定的，除了一定量的随机波动和系统变化。 然而，在某些情况下，存在很大的系统变化，例如每个脉冲串内脉冲能量的衰减，或者针对某些应用量身定制的脉冲能量的其他时间依赖性（见图2）。
- 每个脉冲串包含一定数量的脉冲。 脉冲在每个脉冲串内具有一定的脉冲重复率。 这也称为突发内重复率。 它是突发内时间脉冲间隔的倒数。 （也可能有不规则的脉冲间隔，但每个脉冲串内部的规则间隔是最常见的。
- 在许多情况下，突发以固定的突发重复率重复，该重复率通常比突发中的脉冲重复率低几个数量级。 在其他情况下，可能会按需触发突发。
- 在某些情况下，指定了总脉冲能量（宏脉冲能量），当然不应将其与较低的微脉冲能量混淆。
图2：突发模式，每个突发中都有定制的时效模式。一些突发模式激光系统允许人们为特定应用自由定制此类图案。
脉冲串中的后续脉冲之间通常没有相干性，除了基于锁模激光器的某些源，如下所述。
根据激光源的类型和应用，脉冲群参数可以采用非常不同的值。 例如，在某些情况下，突发内部的重复率仅为几千赫兹，而在其他情况下则为数千兆赫兹。 突发重复率可能非常低（例如 1 Hz）或更大，例如数百千赫兹。
突发模式激光器的应用
如果只有突发模式允许足够好的性能，则使用突发模式可能是出于对特定激光应用的要求（例如在激光材料加工和光学计量中），或者主要取决于所用激光器类型的特性。
请注意，不同的应用需要非常不同的脉冲群参数，这可以通过非常不同的激光架构来实现，如下所述。
激光加工
突发模式激光器的一个重要应用是激光材料加工，例如以激光钻孔或其他涉及激光烧蚀的方法的形式。 在这里，微脉冲能量范围从纳焦耳（用于激光微加工）到毫焦耳甚至更高，而脉冲持续时间从飞秒到纳秒不等。 一个脉冲脉冲串可用于钻一个孔，在两个脉冲串之间的时间内，激光光斑或工件可以移动到下一个孔的位置。
材料是否在两个脉冲之间冷却很重要。
在每个脉冲串内，具有Q开关激光器（微秒到毫秒）的系统的脉冲间隔通常仍然很大，以至于从一个脉冲到下一个脉冲的残余热量（考虑在激光光斑内）很弱，甚至可以忽略不计。 因此，消融材料的数量仅取决于施加的脉冲的数量，而不取决于它们的时间间距。 然而，对于具有非常高的脉冲串内重复率（兆赫兹到千兆赫兹）的突发，情况会发生变化，其中激光光斑处材料的温升基本上从一个脉冲到下一个脉冲。 在这种情况下，消融效率（以去除的mm3每焦耳光能）可以显着改善，与使用具有相似能量但重复率低得多的常规脉冲的方法相比。 突发模式操作还可以允许使用较低的脉冲能量和峰值功率。 爆发的持续时间必须保持足够短，以避免形成太大的热影响区。
高速成像
其他应用包括高速成像。 例如，使用粒子图像测速法和其他方法进行的流体流动诊断可以利用具有高重复率（几兆赫兹）的强脉冲，以便至少在有限的突发持续时间内记录数据。 虽然以这种重复率连续成像似乎更可取，但可用的激光功率可能不足，或者成像的物体不能容忍如此高的平均功率。
其他应用
突发模式激光器还有其他各种应用，例如激光距离测量、光纤通信和内燃机的激光诱导等离子体点火。
突发模式激光器的类型
突发模式激光器可以以非常不同的方式实现，具有非常不同的突发参数，并且出于非常不同的原因。 此类激光器类型，包括各种类型的主振荡器功率放大器（MOPA）器件，将在以下各节中介绍。
调Q激光器
一些调Q激光器在突发模式下工作，在每个脉冲群中，平均输出功率远远超过激光器在较长时间内可能产生的功率，例如，因为激光晶体或泵浦源会过热。 但是，对于足够短的突发，可以实现这样的性能。 如果脉冲串之间的时间足够长，则允许激光部件充分冷却，从而使脉冲能量远高于具有该重复率的常规重复操作。 通常，突发之间的时间比每次突发的持续时间长得多。 但是，仍然存在限制，例如由激光诱导损伤的阈值设置。
通常，这种激光器中的光泵浦要么在每次脉冲期间是连续的（例如，使用来自闪光灯的长脉冲），要么在每个激光脉冲之前以一个泵浦脉冲的形式发生，而脉冲之间没有发生泵浦。 请注意，激光晶体（或其他类型的增益介质）中的能量需要在每次脉冲之前补充；通常，如果不在多个脉冲之间泵送增益介质，则无法提取多个脉冲。 因此，一束内的脉冲重复率通常不能很高。
也可以采用腔倾倒来获得更短的脉冲，和/或额外的放大器级来获得更高的脉冲能量[20]。
锁模激光加脉冲拾取器和放大器
一些激光系统包含
- 连续工作的锁模激光器，脉冲重复率通常在数十兆赫兹和几千兆赫兹之间，
- 脉冲拾取器或可能的具有连续可变透射率的光调制器，以及
- 某种类型的光放大器，例如基于激光晶体（可能具有多通道放大器的光学布置）或（对于较小的脉冲能量）稀土掺杂光纤。 也可以使用一系列这样的放大器，例如光纤放大器，然后是带有激光晶体的功率增强器。
使用合适的电子控制，可以形成具有任意数量的脉冲和突发重复率的脉冲串，而每个脉冲串内的脉冲重复率只能是锁模激光器的脉冲重复率或其中的某个整数分数。 如果在系统中使用合适的光调制器，还可以定制每个脉冲串内脉冲能量的演变。 其他脉冲特性，如持续时间和中心波长，通常不能修改。 脉冲持续时间为飞秒或皮秒范围。
形成高重复率脉冲串的另一种可能性是原则上操作锁模激光器，使其谐振器中循环多个脉冲[9]。 然而，通常很难控制功率、定时和脉冲质量的分配。 因此，这里不再进一步考虑这种方法。
爆发通常太短，无法有效泵送。
对于此类系统，每个脉冲串内的脉冲重复率通常非常高（数十兆赫兹或更高），没有太多时间在微脉冲之间重新泵浦放大器。 （通常，重新泵浦需要上层状态寿命量级的时间，对于通常的固态增益介质，该时间为微秒到毫秒。 因此，泵送基本上是在每次爆发之前完成的，或者如果爆发重复率很高，则连续进行。 这样做的结果是，放大器在每个组内获得或多或少的下降（→增益饱和），这取决于脉冲提取了多少存储的能量。
特别是在突发重复率小的情况下，人们通常希望通过每次爆发提取大部分存储的能量，因为否则这些能量会在下一次爆发的时间内丢失。 因此，在每次爆发中都会获得强烈的增益衰减。 对于放大器的恒定输入脉冲能量，这将导致每个脉冲串内脉冲能量的相应衰减。 在放大器增益（以及增益的降低）很高的情况下，脉冲能量的衰减将特别明显。
通常需要对突发进行时间整形以补偿增益饱和。
如果脉冲能量的衰减是不希望的，可以尝试通过在放大器之前创建一个突发模式来补偿它，其中脉冲能量从一个脉冲到另一个脉冲适当增加。 特别是对于高增益放大器（例如光纤放大器），这种方法仅受实际输入脉冲调制强度的限制。 如果使用前置放大器，则可能需要针对弱增益饱和进行优化（例如，通过使用大模域光纤），即使这会在一定程度上损害功率转换效率。
高突发内脉冲重复率也与应用密切相关。 例如，如上所述，激光消融可能导致消融速率显著增加。
锁模激光加脉冲分配器
为了获得具有非常高的突发重复率（许多兆赫兹甚至千兆赫兹）的两个短脉冲，可以将锁模激光器与某种脉冲分配器结合使用，后者将激光器的每个输出脉冲转换为例如 2、4 或 8 个脉冲的序列。 （通常，脉冲数是 2 的幂，因为脉冲数随后会使脉冲数翻倍。
这些来源可用于研究相当快的过程，例如在激光烧蚀的背景下[17]。
调Q模式锁定
被动锁模激光器在某些情况下（例如泵浦功率低）可以进入调Q模式锁定状态。 在这里，它自然会产生超短脉冲脉冲的突发，其中一部分可以表现出比连续模式锁定高得多的脉冲能量（图3，红线）。
图3：在Q开关模式锁定（红色）和具有恒定脉冲能量的常规模式锁定（蓝色）条件下，被动调Q激光器中的光功率演变。
因此，这似乎是实现超短脉冲突发模式的简单解决方案。 但是，这种方法具有严重的局限性。 不仅要获得脉冲能量的平滑调制，而不是如图1所示的恒定脉冲能量突发。 特别是，脉冲串重复率需要相当高，因为如果脉冲在脉冲群之间完全“消失”，脉冲产生就会变得不稳定：脉冲可能会变长，并且表现出其持续时间和其他时间和光谱细节的大幅波动。 然而，为了获得更高的最大脉冲能量，人们需要精确地进入低突发重复率的状态。
种子激光二极管增强放大器
种子激光二极管在定时、不同波长等方面具有高度的灵活性。
产生种子脉冲的一种非常灵活的方法是使用增益开关半导体激光管作为放大器系统（通常是主振荡器光纤放大器）的种子激光器。 然后可以非常自由地定制输入脉冲模式。 人们可能希望使用额外的调制器以获得更大的自由度，例如，在不改变脉冲持续时间和其他脉冲参数的情况下修改每个脉冲脉冲中脉冲能量的演变。 此外，可以使用多个不同波长的激光二极管，这对于某些应用来说可能很有趣。
与锁模激光器相比，这种种子源当然更紧凑、更便宜。 另一方面，它在脉冲能量和持续时间方面的限制要大得多。 通常，需要再增加一个光纤放大器级，以便在给定的输出脉冲能量下实现足够高的增益。 在某些情况下，同样重要的是，无法获得脉冲的相互相干性。
微芯片激光器和其他微型激光器
主动或被动调Q微芯片激光器也适用于带或不带光放大器的突发模式激光系统。 例如，可以使用被动Q开关激光器，该激光器被泵浦足够长的时间间隔以产生多个输出脉冲，这些脉冲通常具有大致相等的能量和时间间隔。 这种装置适用于内燃机的激光诱导等离子体点火[10]。
可实现的脉冲持续时间可以在纳秒或皮秒域内，而脉冲能量通常可以达到微焦耳 - 远高于脉冲半导体激光管。
变频
由于峰值功率很大，通常不难为突发模式激光器配备用于非线性频率转换到其他波长的有效装置。 在最简单的情况下，这是一个倍频器，但频率三倍和四倍也是可能的。 泵浦光参量振荡器是另一种选择，前提是OPO中的脉冲积聚足够快。 如果没有，光参量发生器（OPG）通常应该足够快，以达到这种操作模式，但它通常需要更强烈的泵浦脉冲。
参考文献
[1] N. Jiang et al., “Advances in generation of high-repetition-rate burst mode laser output”, Appl. Opt. 48 (4), B23 (2009), doi:10.1364/AO.48.000B23
[2] H. Kalaycioglu, K. Eken and F. Ö. Ilday, “Fiber amplification of pulse bursts up to 20 μJ pulse energy at 1 kHz repetition rate”, Opt. Lett. 36 (17), 3383 (2011), doi:10.1364/OL.36.003383
[3] C. Emmelmann and J. P. C Urbina, “Analysis of the influence of burst-mode laser ablation by modern quality tools”, Physics Procedia 12, 172 (2011), doi:10.1016/j.phpro.2011.03.119
[4] H. Kalaycioglu et al., “1 mJ pulse bursts from a Yb-doped fiber amplifier”, Opt. Lett. 37 (13), 2586 (2012), doi:10.1364/OL.37.002586
[5] J. Körner et al., “Efficient burst mode amplifier for ultra-short pulses based on cryogenically cooled Yb3+:CaF2”, Opt. Express 21 (23), 29006 (2013), doi:10.1364/OE.21.029006
[6] P. Elahi et al., “Generation of picosecond pulses directly from a 100 W, burst-mode, doping-managed Yb-doped fiber amplifier”, Opt. Lett. 39 (2), 236 (2014), doi:10.1364/OL.39.000236
[7] M. N. Slipchenko et al., “100 kHz, 100 ms, 400 J burst-mode laser with dual-wavelength diode-pumped amplifiers”, Opt. Lett. 39 (16), 4735 (2014), doi:10.1364/OL.39.004735
[8] S. Roy et al., “100-ps-pulse-duration, 100-J burst-mode laser for kHz-MHz flow diagnostics”, Opt. Lett. 39 (22), 6462 (2014), doi:10.1364/OL.39.006462
[9] X. Li et al., “Pulse bursts with a controllable number of pulses from a mode-locked Yb-doped all fiber laser system”, Opt. Express 22 (6), 6699 (2014), doi:10.1364/OE.22.006699
[10] Y. Ma et al., “A novel miniaturized passively Q-switched pulse-burst laser for engine ignition”, Opt. Express 22 (20), 24655 (2014), doi:10.1364/OE.22.024655
[11] H. Yu et al., “85-W burst-mode pulse fiber amplifier based on a Q-switched mode-locked laser with output energy 0.5 J per burst pulse”, J. Lightwave Technol. 33 (9), 1761 (2015)
[12] S. Yılmaz et al., “Amplified spontaneous emission in high-power burst-mode fiber lasers”, J. Opt. Soc. Am. B 32 (12), 2462 (2015), doi:10.1364/JOSAB.32.002462
[13] T. Chen et al., “Burst-mode-operated, sub-nanosecond fiber MOPA system incorporating direct seed-packet shaping”, Opt. Express 24 (18), 20963 (2016), doi:10.1364/OE.24.020963
[14] P. Elahi et al., “Burst-mode thulium all-fiber laser delivering femtosecond pulses at a 1 GHz intra-burst repetition rate”, Opt. Lett. 42 (19), 3808 (2017), doi:10.1364/OL.42.003808
[15] M. Nie et al., “100 μJ pulse energy in burst-mode-operated hybrid fiber-bulk amplifier system with envelope shaping”, Opt. Express 25 (12), 13557 (2017), doi:10.1364/OE.25.013557
[16] H. Debrégeas et al., “TWDM-PON BURST mode lasers with reduced thermal frequency shift”, J. Lightwave Technol. 36 (1), 128 (2018)
[17] C. Gaudiuso et al., “Incubation during laser ablation with bursts of femtosecond pulses with picosecond delays”, Opt. Express 26 (4), 3801 (2018), doi:10.1364/OE.26.003801
[18] M. E. Smyser et al., “Burst-mode laser architecture for the generation of high-peak-power MHz-rate femtosecond pulses”, OSA Continuum 2 (12), 3490 (2019), doi:10.1364/OSAC.2.003490
[19] B. Neuenschwander et al., “Influence of the burst mode onto the specific removal rate for metals and semiconductors”, J. Laser Applications 31 (2), 022203 (2019), doi:10.2351/1.5096083
[20] W. Wu et al., “30 mJ, 1 kHz sub-nanosecond burst-mode Nd:YAG laser MOPA system”, Opt. Express 27 (25), 36129 (2019), doi:10.1364/OE.27.036129
[21] Y. Liu et al., “>100 W GHz femtosecond burst mode all-fiber laser system at 1.0 μm”, Opt. Express 28 (9), 13414 (2020), doi:10.1364/OE.391515
[22] M. N. Slipchenko, T. R. Meyer and S. Roy, “Advances in burst-mode laser diagnostics for reacting and nonreacting flows”, Proc. of the Combustion Institute 38 (1), 1533 (2021), doi:10.1016/j.proci.2020.07.024
[23] N. Hodgson et al., “Efficiency of ultrafast laser ablation in burst mode as a function of intra-burst repetition rate and pulse fluence”, Proc. SPIE 11676, 1167606G (2021), doi:10.1117/12.2576277
[24] A.-L. Viotti et al., “Temporal pulse quality of a Yb:YAG burst-mode laser post-compressed in a multi-pass cell”, Opt. Lett. 46 (18), 4686 (2021), doi:10.1364/OL.435073
[25] M. Floess, T. Steinle and H. Giessen, “Burst-mode femtosecond fiber-feedback optical parametric oscillator”, Opt. Lett. 47 (3), 525 (2022), doi:10.1364/OL.446933
[26] T. Bartulevicius et al., “30 W-average-power femtosecond NIR laser operating in a flexible GHz-burst-regime”, Opt. Express 30 (20), 36849 (2022), doi:10.1364/OE.472907
