JP2001502476A

JP2001502476A - ピコ秒レーザ

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Publication number: JP2001502476A
Application number: JP10518703A
Authority: JP
Inventors: ハリー・リーガー; ヘンリー・シールズ; リチャード・エム・フォスター
Original assignee: ジェイエムエーアールテクノロジーカンパニー
Priority date: 1996-10-04
Filing date: 1997-10-03
Publication date: 2001-02-20
Also published as: WO1998022995A3; EP0937321A2; AU6756098A; KR20000048927A; EP0937321A4; US5742634A; WO1998022995A2; KR100339057B1

Abstract

(57)【要約】レーザシステムは、持続時間が６０から３００ピコ秒で、パルス当たり数ミリジュール（ｍＪ／ｐ）までのエネルギーレベルを有し、パルス幅の揺らぎが抑えられたパルスを生成する。レーザクリスタルがダイオードレーザによりポンプ（励起）される。少なくとも２つの鏡面を有する共振器は、レーザクリスタルを通るビームパスを定義する。共振器内のビームパスは、ポンプ周期の最後に近い短期間を除いて、第１の光学シャッタにより周期的にブロックされ、レーザクリスタル内にポンプエネルギーを構成する。第１の光学シャッタが開いている間、周期的なサブナノ秒の期間を除いて、第２の光学シャッタが共振器内の光をブロックする。この期間は、少なくとも１つの光パルスが共振器内を光速で複数回通過し、通過毎に励起されたレーザクリスタルからエネルギーを抽出することにより、強度を強くすることができるような期間である。光パルスが強度で確立された後、光学解放機構が共振器からパルスを解放する。

Description

【発明の詳細な説明】ピコ秒レーザこの発明は、レーザシステム、特に、高出力、高輝度の固体レーザシステムに関する。発明の背景マイクロマシニング（精密機械加工）のための物質除去、Ｘ線発生装置、高効率非線形加工等の、高輝度が要求される多くの技術においては、光線状態が良好で、短いパルス持続時間のレーザが非常に有効である。固体レーザにおけるショートパルスを発生させる方法としては、Ｑスイッチングと呼ばれる方法が最も一般的である。従来のＱスイッチングにおけるパルスの持続時間は、〜５ｎｓから〜２００ｎｓである。これらのパルスは、高ゲインの共振器を用いることによって、更に短くすることができる。これらの方法を用いることにより、ナノ秒パルスを、マイクロジュールレベルで発生させることが可能となる。ショートパルスを発生させる方法としてモード同期法も知られている。モードを同期することにより、パルスの持続時間を、〜１００ｆｓから〜３００ｐｓに短縮することができる。モードが同期されたレーザは、パルス列を連続的に発生するので、ほぼナノジュール単位のエネルギーをピコ秒レベルのパルスで発生することができる。多くの技術において要求される各パルス（パルス列ではない）のエネルギーは、〜１から〜３００ｍＪである。このため、上述した方法においては、ビームを〜１０³から〜１０⁸に増幅する必要がある。再生増幅あるいは多段増幅により、高ゲインを実現できるが、そのための装置は複雑なため非常に高価である。このため、より効率的にショートｍＪパルスのレーザビームを発生させるレーザシステムの実現が求められている。発明の開示この発明は、１パルスにつきミルジュール（ｍＪ／ｐ）程度のエネルギーで、持続時間が約６０から３００ｐｓのパルスを発生させるレーザシステムを提供する。レーザクリスタルは、ダイオードレーザによりポンプ（励起）される。共振器は、ビームがレーザクリスタル内を通過するように制御する少なくとも２つの反射鏡を有する。共振器内のビームの通路は、各エネルギー供給期間の終わりに近いわずかな時間を除き、供給されたエネルギーを蓄積するため、第一の光学シャッタにより、定期的に遮断される。第一の光学シャッタが開いている間、サブナノ秒おきに、第２の光学シャッターが共振器内の光を周期的に遮断する。この間隔は、少なくとも１つの光パルスが共振器内を光速で複数回通過し、通過毎に励起されたレーザクリスタルからエネルギーを抽出することにより、強度を高めるためのものである。光のパルスが十分蓄積された後、光学的解放機構により、パルスが共振器内から解放される。好適な実施の形態において、クリスタルは、レーザダイオードアレイからエネルギー供給される、ネオジウムとヤグ（Ｎｄ：ＹＡＧ）のロッドである。共振器は、２つの反射鏡と、偏光スプリッタとを備える。第一の光学シャッタは、音響 −光学Ｑスイッチである。第２の光学シャッタは、音響−光学モードロッカーを備える。光学的解放機構は、パルスが、偏光スプリッタを通って、前記共振器から解放されるようにするために、パルスのＳ偏光をＰ偏光へと回転させるポッケルスセルを備える。他の好適な実施の形態において、複数のレーザ増幅器は、上記レーザシステムにより生成された、パルス化されたレーザビームを増幅するためのものである。エネルギーレベルが、１パルスあたり２５０ｍＪを上回る、パルス化されたレーザビームが生成される。増幅器は、１０００Ｈｚで〜５０、及び２５０ｍＪとなるよう設計されている。このレーザシステムは、自己集束の限界（B-in tegral）、及びレーザ装置からエネルギーを効果的に抽出するための飽和度フルエンス未満で操作される。この高輝度レーザ技術は、非線形光学処理、マイクロマシニングなどにとっての非常に強力で望ましい技術として実現できる。図面の簡単な説明図１は、主発振器の構成の主要部分を示す図である。図２は、５０ｍＪ／ｐ増幅器の構成を示す図である。図３は、出力２５０ｍＪ／ｐ増幅器の４つの通路の構成を示す図である。図４は、出力２５０ｍＪ／ｐ増幅器のポンピング装置の構成を示す図である。図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃは、本発明の好適な実施の形態における、光パルスの生成を説明するための図である。図６は、第４の高調波を説明するための図である。図７は、ＯＰＯを供給するピコ秒パルスを説明するための図である。発明の詳細な説明ピコ秒レーザシステム図１は好適なレーザシステムの基本的な構成を示す概略図である。本システムの基本構成は、ダイオードによりポンプ（エネルギー供給；励起）されるネオジウム／ヤグ（Ｎｄ：ＹＡＧ）結晶（クリスタル）のロッド（棒）、Ｑスイッチ型共振器（Ｑスイッチにより制御される共振器）、超短パルスを発生する音響−光学モードロッカー、ポッケルスセル（Pockels Cell)制御型解放機構、より構成される。ダイオードポンプ型Ｎｄ：ＹＡＧロッドＮｄ：ＹＡＧ鏡面ロッド８（直径３ｍｍ、全長２.５ｃｍ）は、５光束構成（照射レーザ光５本）のレーザダイオードアレイ２（ＳＤＬ社型番ＳＤＬ３２４５ −Ｊ５）により長尺方向にエネルギー供給される。ダイオードアレイ２は準連続波を発生させるもので、平均消費電力５０ワット（１ｋＨＺ時）でデューティ比２０％（２００μＳの間オンし、８００μＳの間オフする）で動作することが望ましい。ダイオードアレイの波長は、Ｎｄ：ＹＡＧでの強い（高い）エネルギー吸収に対応して、約８０８ｎｍに設定されている。ポンプダイオードの出力は、マイクロレンズアレイ４で平行にされる。固定焦点レンズ６は、ポンプ光をＮｄ：ＹＡＧロッド８の後端部に集約する。１０６４ｎｍ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザの波長）で最大反射率（約９９.８％）、及び８０８ｎｍ（ポンピング波長）で高透過率を実現するように、Ｎｄ：ＹＡＧロッド８の内面は鏡面加工され、コーティングが施されている。ポンピング光が、（光ファイバに似た）鏡面筒からの総合的な内部反射により捉えられる（トラップされる）ことで高ポンピング率が得られる。寄生振動（発振）を防ぐため、Ｎｄ：ＹＡＧロッドの外面は傾斜約２度のカッティングが施され、さらに反射防止コーティングにより波長１０６４ｎｍでインサーションロスが最小となるようにしている。Ｑスイッチ型制御共振器偏光スプリッタ１２は、偏光Ｓを反射し、偏光Ｐを透過する。音響−光学Ｑスイッチ（ブリムロス（Brimrose）社型番ＦＱＱ−２７−２−１０６４）１４は、光学シャッタとして機能する。この光学シャッタは、ポンピング持続時間２００μＳのうちの最後の１００ｎｓだけ開く。これにより、Ｎｄ：ＹＡＧロッド８の背面９Ａ、偏光スプリッタ１２、５ｍの高反射凹面反射鏡１８の鏡面９Ｂとで屈折共振器９が構成される。Ｑスイッチがポンピングパルスの最後の１００ｎｓだけ開くので、２００μＳの各ポンピングパルス終端付近の約１００ｎｓの間を除き、共振空洞（キャビティ）９での擬似レーザ増幅を防止することができる。図５Ａは、ダイオードから周期的にエネルギーが供給されるＮｄ：ＹＡＧロッド内で周期的に確立されるエネルギーの様子を示している。図５Ｂは、ロッドからエネルギーを抽出するために、Ｑスイッチが２００μＳのポンピング期間の終端付近でどのように動作するかを示している。音響−光学モードロッカーによる１５０ｐｓのパルス生成音響−光学モードロッカー（ブリムロス（Brimrose）社型番ＦＳＭＬ−７０ −２０−ＢＲ−１０６４）１６は反射鏡１８の近傍に設置されている。光速をｃとしたときのモードロッカーのＲＦ（高周波）搬送周波数ｆとレーザ共振器の光学長Ｌとの関係は、以下の数式で表される。ｆ＝ｃ／４Ｌ本好適な実施の形態において、モードロッカー１６は７０ＭＨｚのＲＦ駆動装置により駆動される。これによりモードロッカー１６は定常波を発生する。定常波が０の場合、駆動周波数の２倍である１４０ＭＨｚの周波数に対し、約１５０ｐｓの間、モードロッカー１６は光を透過する。空洞の長さは約３.５フィートに設定されている。これにより、モードロッカー１６は第２の光学シャッタとして機能し、約７ｎｓ毎に１５０ｐｓの（マルチモード）パルスの通過を制御する。この７ｎｓという時間は、モードロッカーからの１５０ｐｓ（約２インチ）の光パルスがＮｄ：ＹＡＧロッドで折り返し、モードロッカーまで戻ってくる（ラウンドトリップ；往復）のにかかる時間である。このように、Ｑスイッチ１４が２００μｓのポンピング期間終端の約１００ｎｓの間開いた場合、２インチの光パルスが鏡面９Ａ、９Ｂ間の３.５フィートの共振空洞内を行き来する。そして、光パルスがＮｄ：ＹＡＧロッド８を通過するたび、エネルギーが増幅される。ポッケルスセル１０（ファストパルステクノロジー社（Fast P ulse Technology）型番１０４１ＦＶ−１０６）がオフの場合、パルスはポッケルスセル１０内を通過しても何も影響を受けない。ポッケルスセル１０は通常オフであるが、パルスが共振空洞を往復する毎にレーザパルスを９０度回転させるために、３ｎｓ以内でオフ状態からオン状態になる。図５ＣはＱスイッチがオン状態である１００ｎｓのインターバルにおける１５０ｐｓのパルス構成を示している。ポッケルスセルによるパルス解放反射鏡１８は、パルス中のわずかな光を漏洩（透過）する。光検出器２０はこのような漏洩光を検出する。光検出器２０の出力が図示しない遅延回路のトリガ閾値を超えると、遅延回路はλ／４ポッケルスセル１０をトリガする。これにより、空洞内を２回通過したビームを９０度回転させる。（出願人による好適な実施例によれば、トリガ信号がポッケルスセル１０をオンするのに十分な時間を確保するため、遅延時間は７０ｎｓに設定される。これにより、光検出器２０からの信号は、パルスが最大強度に到達する前の約７０ｎｓ（１０往復分）に、ポッケルスセル１０に供給される。）オンとなったポッケルスセル１０は、パルスが２回通過して、２回λ／４遅延されることにより、パルスをＳ偏光からＰ偏光に変える。これにより、十分に増幅されたパルスは、偏光スプリッタ１２を通って共振器から解放される。このときのパルスは図１Ａに示すような単一のショートパルスビーム２２である。出願人の試作システムで実現されているこの好適なレーザシステムでは、最大３ｍＪ／ｐの出力が得られる。パワーアンプパルスあたりのエネルギーがより高い方が多くの応用分野において有用である。ここに記載するレーザアンプは上述のレーザビームの特性（約１５０ｐｓパルスで、ほぼ回折が限定されたビーム）を維持しつつパルスあたりのエネルギーを増大することができる。レーザビームの断面積より大きなパワーアンプ内のアパーチャにレーザビームを合わせるため、ビームエキスパンダが使用される。この場合、多数の増幅器の構成を応用できる。以下に示す２タイプのアンプモジュールを作成した。パルスエネルギーが約５０ｍＪ／ｐまでの場合、図２に示す構成の増幅器を用い、パルスエネルギーが約２５０ｍＪ／ｐまでの場合、図３に示す構成の増幅器を用いることとする。５０ｍＪ／ｐ増幅レーザシステム図２に示す構成の増幅器も、基本レーザシステムで用いられたものと同一のダイオードポンピング型Ｎｄ：ＹＡＧモジュールを使用する。基本（種）システムからのＰ偏光ビームの直径は１ｍｍ未満である。ビームエキスパンダ６０がビーム直径を大きくして増幅器のアパーチャに合わせることで動作効率が上がる。薄膜偏光板６２はＰ偏光ビームを透過する。ファラデー回転器６４はビームを４５度回転させ、λ／２波長板６６がビームを４５度戻す。Ｐ偏光ビームは薄膜偏光板６２及びλ／４波長板６６を通過してアンプモジュール７２に到達する。アンプモジュールは、固定軸用のマイクロレンズを備えた平面（２Ｄ）ダイオードアレイと、Ｎｄ：ＹＡＧロッドへの長尺方向ポンピングのための合焦レンズと、を備えている。波長１０６４ｎｍでの高反射および８１０ｎｍでの高透過率が得られるように、Ｎｄ：ＹＡＧロッドの内面は鏡面加工され、コーティングされている。ビームはアンプモジュール７２を２回通って、λ／４波長板７０に戻る。反射ビームの総回転角は９０度である。戻ってきたビーム（Ｓ偏光）は、２往復目として、薄膜偏光板６８によりモジュール７２と同一構成のアンプモジュール７６方向に反射される。増幅は、各アンプモジュール７２，７６，８２，８６の往復行程、高反射率反射鏡８８で反射されることによる各アンプモジュール７６，８２，８６，７２の２回目の往復行程、を経て行われる。λ／４波長板７０，７４，８０，８４がモジュールでの各行程でビームを９０度回転させる。薄膜偏光板６２，６８，７８は、ビームを、その偏光に応じて、反射または透過する。すべてのモジュールを２往復してビームが増幅されると、（左方向に向かう）Ｐ偏光はλ／２波長板６６で４５度回転され、ファラデー回転器６４でさらに４５度回転させられることで９０度回転する。薄膜偏光板６２で反射されたビーム９０は、増幅器の外部に出る。本システムでは、各アンプモジュールがそれぞれ１０〜１５ｍＪ／ｐの増幅をおこなうので、最終的には約５０ｍＪ／ｐの増幅となる。不純物添加されていないＹＡＧによるＮｄ：ＹＡＧ結晶ロッド（全長：〜５ｍｍ）を用いた増幅器は、熱複屈折によるロスを４％以下に抑えながら約１０００Ｈｚで動作することができる。２５０ｍＪ／ｐ増幅レーザシステム応用分野のいくつかは、より高い増幅を必要とする。パルスを２５０ｍＪ／ｐに増幅するシステム用の好適な構成は、図３に示すように、４パス式で高抽出能力を持つ。この構成により、約１０００Ｈｚの動作でパルスあたり約２５０ｍＪを得ることができる。図３では、ポンピング装置を除いた増幅器の基本構成を示している。図３に示すように、基本レーザシステム（図１）から入射したＰ偏光ビームは、偏光スプリッタ３０を通過し、ファラデー回転器３２で４５度回転され、さらにλ／２波長板３４で４５度戻される（−４５回転される）。偏光スプリッタ３６を通過した第１回目のパスのＰ偏光ビームはＮｄ：ＹＡＧロッド３８，４２に向かう。直角回転器４０が熱により発生する複屈折を相殺し、コレクタレンズ４６がＮｄ：ＹＡＧロッドのサーマルレンジングを補償する。ビームは反射鏡４８に反射し、２回目のパス（通過）のために折り返され、λ／４波長板４４で回転されてＳ偏光ビームとなる。Ｓ偏光ビームは偏光スプリッタ３６で反射された後、反射鏡５０で反射し、３回目のパスのために再度Ｎｄ：ＹＡＧロッドに向かう。ビームは反射鏡４８に再度反射して最後の４パス目に入ると、λ／４波長板４４により回転されてＰ偏光ビームとなる。Ｐ偏光ビームは、偏光スプリッタ３６、λ／２波長板３４、ファラデー回転器３２を通過することで９０度回転する。つまり、偏光スプリッタ３０で反射したＳ偏光ビームが増幅器から出力される。上記構成の増幅器によるゲインは約７であり、これは（信号ゲインの小さい）シングルパスの不飽和ゲインである。しかし、飽和ゲインを得ようとすると、ゲインが減少してしまう。出願人が試作した増幅器では、数ｍＪ／ｐのパルスを約２５０ｍＪ／ｐまで増幅できた。図４はアンプモジュール３８，４２（図３）のポンプ配置を示している。（図示されたダイオードアレイ５４は３つだが、実際は各２セットのダイオードアレイ、つまり計６つのダイオードアレイが２つのＮｄ：ＹＡＧロッド３８，４２をポンピングしている。）出願人の設計・製作したポンプは１２０度互いに離間した横ポンプユニットである。円筒状レンズ５６が、平面レーザダイオードアレイの遅相軸をＮｄ：ＹＡＧロッド３８，４２に集約する。ウォータージャケット５８によりロッドは放熱される。図３の増幅器の出力は平均２５０ワットである。これは、約２５０ｍＪ／ｐ（１ｋＨｚで約２５０ｍＪ／ｐ）で１０００パルス／秒である。各Ｎｄ：ＹＡＧロッドはそれぞれ６０列のダイオードでポンピングされる。ダイオード（１光束あたりのピーク出力が５０ワット）はデューティ比２０％（２００μｓオンし、８００μｓオフする）で動作する。各ダイオードアレイ５４は２光束構成である。この実施例では、各Ｎｄ：ＹＡＧロッドに３つのアレイのダイオードが配置される。各Ｎｄ：ＹＡＧロッドの直径は１／４インチであり、全長は８ｃｍである。ロッドには、寄生増幅を防止するための傾斜カッティングが施されている。増幅器のピーク出力は２５０ｍＪ／１５０ｐ秒であり、１.７×１０⁹ワットのパルスを発生する。合焦させるだけで１０¹⁵ワット／ｃｍ² 以上の出力が可能である。高効率非線形光学変換上記レーザシステムの出力は赤外波長の１０６４ｎｍである。出願人は、非線形クリスタルにおいて高調波及び合計周波数を効率的に生成することで、ダイオード励起型固体レーザの波長を可視領域及び紫外領域まで拡張した。レーザと非線形クリスタルの変数により変換効率が異なる。高調波と合計周波数を効率的に生成するためのレーザには、高いピークパワーと良好な光線状態が望まれ宇。本発明のピコ秒パルス技術により、非常に高いピーク強度のレーザパルスを比較的低いパルスあたりのエネルギーで生成できる。変換効率はピークパワーに比例、つまり、Ｅ／ｔ（Ｅはパルスエネルギー、ｔはパルス持続時間）とダメージ閾値はｔ^1/2に比例するので、高い強度を非線形クリスタルに印加しても、ダメージを与えることなく効率的な変換が可能である。例えば、典型的なＱスイッチ型レーザのパルス持続時間は約１０ｎｓである。約１０ｎｓで約１ＧＷ／ｃｍ²の耐性を有する非線形クリスタルであれば、約１００ｐｓで約１０ＧＷ／ｃｍ²｛（１０ｎｓ／１００ｐｓ）^1/2＝１０｝の耐性を得ることができる。短非線形クリスタルでの非常に高いピーク強度は効率的な高調波生成（harmon ic generation;HG）及び合計周波数生成(Sum Frequency Generation;SFG)に好適である。以下は短非線形クリスタルの利点である。クリスタルの冷却性が高いウォークオフ（飛び）が少ない受光角度が大きい最適な可干渉（コヒーレント）長スペクトル帯域の受容度が高い熱屈曲に対する受容度が高い高い光学均質性吸収率が低いレンジングが少ない複屈折が小さいこのピコ秒レーザシステムでの１パス動作で得られる変換効率は、５３２ｎｍから１０６４ｎｍで６０％（Ｎｄ：ＹＡＧ使用）、３５５ｎｍから１０６４ｎｍで４５％、２６６ｎｍから１０６４ｎｍで２５％、と高い。２６６ｎｍでの変換効率は、３５５ｎｍと１０６４ｎｍのＳＦＧ（合計周波数生成）（図５）で得られた。用いられたクリスタルはＬＢＯクリスタルのみである。ＬＢＯクリスタルは耐久性が高く、民生から軍用までの多くの装置に使用されている。レーザ技術分野では１０６４ｎｍビームの波長を短くする技術が多く知られている。それらの内のいくつかは、スプリンガー・バーラッグ（Springer-Verlag）社（ドイツベルリンハイデルブルグ）刊ウォルター・コークナー（Walter Koechner）著『スプリンガーシリーズ固体レーザ工学』（Solid-State Laser Engineerin g，Springer Series）に紹介されている。本明細書に記載された高調波および合計周波数の生成が可能なレーザシステムは、例えば、紫外線／Ｘ線（もしくはレーザプラズマ生成）リソグラフ、紫外線短距離通信、歯科分野、マイクロマシンニング（精密機械加工）などの分野で用いられる装置に有用である。マイクロマシンニングについては、以下に詳述する。マイクロマシンニング（精密機械加工）電子、微小光学、精密電気機械技術などの分野では小型化が進み、より高精度で柔軟性のある精密機械工具が必要とされている。こうした工具は、切断、穿孔、エッチング、剥離など物質の除去作業に用いられる。マイクロマシンニングは従来の工具（ドリルや鋸など）では不可能である。ミクロンレベルの微細な点にレーザ合焦ができれば、上述のレーザシステムで精密機械加工も可能である。レーザのパルス持続時間、波長、光線品質がキーとなるパラメータである。本明細書のピコ秒レーザシステムは、パルス持続時間が短く、波長変換効率がよく、また回折限界に近い光線特性を実現しているので、他の精密加工レーザ装置より精密加工に適している。短パルス持続時間十分な光学エネルギーが除去対象物質に吸収され、その温度が除去閾値に到達することでレーザ除去ができる。除去閾値は、数十ピコ秒以上（対象物質により異なる）のパルスにおいてτ^1/2（τはパルス持続時間）に比例する。極短パルスでは、除去閾値とパルス持続時間とはほとんど無関係になってしまう。パルス持続時間を１０ｎｓ（従来のＱスイッチレーザ）から１００ｐｓに短縮すると（１／１００にすると）、除去閾値（単位領域あたりのエネルギー）の係数は１０（１００^1/2＝１０）の代にまで下がる。パルス持続期間が短いと、従来のエネルギーを照射しておこなう物質除去よりも短時間で物質除去ができる。十分に熱せられれば、実質的にすべての物質は除去できてしまうので、上述のようなパルス幅および持続時間を有するパルスを用いた物質除去は「低温切削」といえる。多くの物質、例えば銅や金などを除去する際にパルス持続時間を１００〜２００ｐｓ以下に減少させても、除去に必要なパルスエネルギーは保持される。その他の物質、例えば溶解シリカなどの除去の際には、約１０ｐｓのパルス持続時間において上記τ^1/2の比例関係が適用される。この、切削中に近接物質の温度がほとんど上昇しないという特徴は、精密電子回路を有するため高度なトリミング技術が必要とされるレジスタ、コンデンサ、インダクタンスコイルなどの加工、セラミック切削／穿孔などに用いられるあらゆる装置にとって重要である。波長一般的に、短吸収長は、より効率的な物質の除去を可能とする。多くの場合、短吸収（波）長は短い波長で起こる。上述のピコ秒レーザシステムを用いたより短い波長の効率的な生成は、応用分野としてのマイクロマシンニングにおける物質の除去にとって理想的である。出願人は、上述のレーザシステムを、セラミック（例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、金属、その他）をマイクロマシンニングするために使用した。適当な波長、パルスあたりのエネルギー、焦点構成、及び雰囲気ガスを選択することにより、スラグが発生しない、きれいな切断、切削、穿孔を行うことができる。正確で安全なターゲットレンジング１００ｐｓの光パルスは、空気中で、わずか、１.２インチの長さである。パルスの立ち上がり時間は、わずか、パルス持続期間の数分の１であり、従って、そのようなパルスはサブインチターゲットレンジ解像度を得ることができる。目の安全のため、１.５μｍより長い波長が必要とされる。１つの選択肢は、レーザ出力をより長い波長に、光学パラメータ発振器（ＯＰＯ）を介して変換することである。我々は、次の２つのアプローチを想定している。１）上述のレーザをＯＰＯクリスタル（ＫＴＰ，ＫＴＡなど）を１回通過するようにして使用し、信号と非信号間期間を生成する。ポンプ波長とアイドラ波長と引き下げ、１.５μｍの波長よりも大きい波長の信号出力を使用する。２）上述のレーザをＱスイッチ型モードロックドモードで動作させて、ＯＰＯクリスタルを同期ポンプし、そのピークに達したときに、信号をキャビティダンプする。図７は、第２のアプローチの概念図である。例えば、モードをロック（同期）したＱモードスイッチのＮｄ：ＹＡＧレーザシステム６０（図１，３，４に説明されているもの）がＯＰＯ７０をポンプ（励起）するために使用される。ポンプレーザ６０の出力は、Ｑスイッチによるエンベローブ（包楽線）を有するｐｓパルス６２の列である。ｐｓパルスの間隔は、共振器のラウンドトリップ（往復）期間（この例では、約７ｎｓ）である。ポンプビームは、長焦点レンズ６４（約１ｍ）によって非線形ＯＰＯクリスタル７０（１５ｍｍの長さのＫＴＰ）に合焦される。ＯＰＯ共振器は、ポンプレーザ共振器と同一の光学長のパスを与えるように離間して配置された反射鏡６６，７４から構成される（同期ポンピング）。反射鏡６６は、１.５ｍｍに対し高い反射率を有し、１０６４ｎｍに対して高い透過率を有する（Ｎｄ：ＹＡＧポンプ）、また、反射鏡７４は、１.５μｍに対して高い反射率を有する。偏光板７２は共振器の折返を形成する。偏光板７２は、紙面に平行な上の面の偏光（Ｐ偏光）に対しては高い透過率を有し、紙面に垂直な面上の偏光（Ｓ偏光）に対しては高い反射率を有する。ポッケルスセル６８は、非常に高速に（約３ｎｓ）にターンオンし、波長λの１／４のリタデーションを導入する。光検出器７６（応答時間約１ｎｍ）は、反射鏡７４からの微小な光漏を検出可能である。ＫＴＰクリスタルは、１０６４ｎｍから約１.５と３.６μｍに位相がマッチングするようにカットされる。また、ＫＴＰクリスタルは、１.５μｍがＳ偏光となるように配向される。共振器内のピコ秒ＯＰＯパルスは、各ラウンドトリップ（往復）の間に、ポンプビームとの同期を確立する。光検出器は、パルス列を検出して、遅延ジェネレータを起動し、この遅延ジエネレータがポッケスルセルをオンするようにトリガする。適当な遅延量を調整することにより、ポッケルスセルは、ｐｓＯＰＯパルスが最大の時にオンする。ポッケルスセルを２回通過することにより、偏光が９０度回転し（Ｐへ）、そして、パルス全体が、１.５ μｍで、単一のｐｓパルスとして共振器から出力する（キャビティダンピング）。上述の説明は、多くの特定の内容を含んでいるが、これらがこの発明のスコープ（技術的範囲）を限定するものではなく、好適実施例の単なる例示である。例えば、レーザ技術分野の当業者は、多くの他の波長でのｐｓパルスを、ＨＧ、ＳＦＧ及びＯＰＯ光学素子の種々の組み合わせを用いて、生成可能であることを理解できる。これらのｐｓパルスは、雰囲気ガス及び他の素子のリモートセンス（遠隔検出）に使用できる。交差する、ｐｓビームは３Ｄイメージを生成するために使用できる。ビームは、３Ｄターゲットの非常に高精度の距離測定（レンジング）に使用可能である。さらに、当業者は、ダイオードポンプレーザは適当なアークランプとフラッシュランプで置換可能であることを理解できる。ポンピングの構成は、上述の周期的なものに代えて、連続的（ＣＷ）なものでもよい。連続的なポンピングを使用する場合、図５Ａに示すパルスは、大きなデッドタイム（休止期間）なしに端から端まで続く。図１を参照して説明した好適実施例は１秒間に１０００パルスを生成し、各パルスは１／１０００秒離れている。キャビティ長７を、３.５フィートに代えて、７フィートとすることにより、同時にキャビティ内に７ｎｓ離れた２つのパルスを生成（確立）することができる。これらのパルスは、レーザシステムの出力が、２つのパルスが７ｎ秒離れた一連のパルスで、２パルスの組が１ｋＨｚの出力レートとなるように、共に出力される。当業者は、この発明のスコープ内において、他の多くの可能な変形をなすことができる。従って、この発明のスコープを特許請求の範囲とその法的な均等物に基づいて判断すべきであり、上述の例に基づいて判断すべきではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者ヘンリー・シールズアメリカ合衆国カリフォルニア州92129、サンディエゴ、トレスビスタスコート、13770番 (72)発明者リチャード・エム・フォスターアメリカ合衆国カリフォルニア州90266、マンハッタンビーチ、８スストリート、325番

Claims

【特許請求の範囲】１．固体短パルスレーザシステム、であって、Ａ）レーザ結晶と、Ｂ）前記レーザクリスタルをポンプするように配置された光学ポンプと、Ｃ）前記レーザクリスタルを通るビームパスを定義する共振器を定義する少なくとも２つの鏡面と、Ｄ）前記ビームパスに配置され、短期間を除いて、前記ビームパスの通過をブロックし、オン期間とオフ期間を定義する第１の光学シャッタと、Ｅ）前記共振器内に配置され、周期的なサブナノ秒期間を除いて前記共振器内の光の通過をブロックする第２の光学シャッタであって、前記サブナノ秒期間は、各オン期間内に離間して配置され、光パルスが前記共振器内を光速で複数回通過することを可能とし、各通過で強度を高めて、強化パルスを定義する、ように構成された第２の光学シャッタと、Ｆ）周期的に強化されたパルスを前記共振器から解放する光学解放機構であり、前記周期的に解放された強化パルスは強化パルスレーザビームを定義する、ように構成された光学解放機構と、を備えることを特徴とする固体短パルスレーザシステム。２．請求項１に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、前記光学ポンプは少なくとも１つのレーザダイオードアレーから構成される、ことを特徴とする固体短パルスレーザシステム。３．請求項２に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、前記レーザダイオードアレーは、周期的なポンピング期間を定義するように、前記レーザクリスタルを周期的にポンプするように制御される、ことを特徴とする固体短パルスレーザシステム。４．請求項２に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、前記レーザダイオードアレーは、前記レーザクリスタルを連続的にポンプするように制御される、ことを特徴とする固体短パルスレーザシステム。５．請求項１に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、前記レーザクリスタルは、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶である、ことを特徴とする固体短パルスレーザシステム。６．請求項１に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、前記第１の光学シャッタは音響−光学Ｑスイッチである、ことを特徴とする固体短パルスレーザシステム。７．請求項１に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、前記第２の光学シャッタは音響−光学モードロッカーである、ことを特徴とする固体短パルスレーザシステム。８．請求項１に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、前記光学解放機構は、ポッケルスセル（Pockels Cell）から構成される、ことを特徴とする固体短パルスレーザシステム。９．請求項１に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、前記レーザクリスタルは、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶であり、前記第１の光学シャッタは音響−光学Ｑスイッチであり、前記第２の光学シャッタは音響−光学モードロッカーであり、前記光学解放機構は、ポッケルスセル（Pockels Cell）から構成される、ことを特徴とする固体短パルスレーザシステム。１０．請求項１に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、強化パルスレーザビームを増幅するレーザ増幅器をさらに備える、ことを特徴とする固体短パルスレーザシステム。１１．請求項１０に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、前記レーザ増幅器は、ダイオードでポンプされた複数のＮｄ：ＹＡＧロッドから構成される、ことを特徴とする固体短パルスレーザシステム。１２．請求項１１に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、前記ダイオードでポンプされた複数のＮｄ：ＹＡＧロッドはパルス化されたレーザビームが２回ずつ複数回前記Ｎｄ：ＹＡＧロッドを通過するように構成されている、ことを特徴とする固体短パルスレーザシステム。１３．請求項１０に記載のダイオードポンプ型固体短パルスレーザシステムにおいて、前記レーザ増幅器は、ダイオードでポンプされた複数の、Ｎｄ：ＹＡＧロッドから構成され、パルス化されたレーザビームが前記Ｎｄ：ＹＡＧロッドを４回通過するように構成されている、ことを特徴とするダイオードポンプ型固体短パルスレーザシステム。１４．請求項１３に記載のダイオードポンプ型固体短パルスレーザシステムにおいて、各Ｎｄ：ＹＡＧロッドは、複数のレーザダイオードアレーによりポンプされる、ことを特徴とするダイオードポンプ型固体短パルスレーザシステム。１５．固体短パルスレーザシステム、であって、Ａ）レーザ結晶と、Ｂ）前記ポンプ期間の間、前記レーザクリスタルをポンプするポンプ手段と、Ｃ）共振器を生成する少なくとも２つの鏡面を備える共振器手段であって、前記レーザクリスタルを通るビームパスを定義する共振器と、Ｄ）前記共振器に配置され、周期的に離間した短期間を除いて、前記光をブロックする第１の光学シャッタ手段と、Ｅ）前記共振器内に配置され、周期的なサブナノ秒期間を除いて光をブロックし、前記サブナノ秒期間は、少なくとも１つの光パルスが前記共振器内を光速で複数回の通過することを可能とし、各通過で強度を高める、ように構成された第２の光学シャッタと、Ｆ）前記少なくとも１つのパルスを前記共振器から解放する光学解放手段と、を備えることを特徴とする固体短パルスレーザシステム。１６．請求項１５に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、前記ポンプ手段は少なくとも１つのレーザダイオードアレーから構成される、ことを特徴とする固体短パルスレーザシステム。１７．請求項１６に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、前記レーザダイオードアレーは、前記レーザクリスタルを周期的にポンプするように制御され、周期的ポンピングダイオードを構成することを特徴とする固体短パルスレーザシステム。１８．請求項１６に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、前記レーザダイオードアレーは、前記レーザクリスタルを連続的にポンプするように制御される、ことを特徴とする固体短パルスレーザシステム。１９．請求項１６に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、前記レーザクリスタルは、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶である、ことを特徴とする固体短パルスレーザシステム。２０．請求項１６に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、前記第１のシャッタ手段は音響−光学Ｑスイッチである、ことを特徴とする固体短パルスレーザシステム。２１．請求項１５に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、前記第２のシャッタ手段は音響−光学モードロッカーである、ことを特徴とする固体短パルスレーザシステム。２２．請求項１５に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、前記共振手段は、偏光ビームスプリッタから構成され、前記光学解放手段は、前記共振器内でパルスの偏光を回転させるポッケルスセル（Pockels Cell）から構成される、ことを特徴とする固体短パルスレーザシステム。２３．請求項１５に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、前記レーザクリスタルは、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶であり、前記ポンプ手段は、少なくとも１つのダイオードレーザから構成され、前記第１のシャッタ手段は音響−光学Ｑスイッチであり、前記第２のシャッタ手段は音響−光学モードロッカーであり、前記共振器手段は、偏光ビームスプリッタを備え、前記光学解放手段は、前記共振器内でパルスの偏光を回転させるポッケルスセル（Pockels Cell）から構成される、ことを特徴とする固体短パルスレーザシステム。２４．請求項１５に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、強化パルスレーザビームを増幅するレーザ増幅手段をさらに備える、ことを特徴とする固体短パルスレーザシステム。２５．請求項２４に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、前記レーザ増幅器は、ダイオードでポンプされた複数のＮｄ：ＹＡＧロッドから構成される、ことを特徴とする固体短パルスレーザシステム。２６．請求項２５に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、ダイオードでポンプされた複数のＮｄ：ＹＡＧロッドは、パルス化されたレーザビームが２回ずつ複数回前記Ｎｄ：ＹＡＧロッドを通るように構成されている、ことを特徴とするダイオードポンプ型固体短パルスレーザシステム。２７．請求項２６に記載の固体短パルスレーザシステムにおいて、ダイオードでポンプされた複数のＮｄ：ＹＡＧロッドは、パルス化されたレーザビームが少なくとも４回前記Ｎｄ：ＹＡＧロッドを通過するように構成されている、ことを特徴とするダイオードポンプ型固体短パルスレーザシステム。２８．請求項２７に記載のダイオードでポンプされた固体短パルスレーザシステムにおいて、各前記Ｎｄ：ＹＡＧロッドは、複数のレーザダイオードアレーによってポンプされる、ことを特徴とするダイオードポンプ型固体短パルスレーザシステム。２９．ダイオードでポンプされた固体短パルスレーザシステムであって、Ａ）Ｎｄ：ＹＡＧロッドと、Ｂ）前記Ｎｄ：ＹＡＧロッドをポンプするように配置されたダイオードアレーと、Ｃ）Ｑスイッチにより制御された共振器であって、１）Ｑスイッチと、２）オン期間とオフ期間において、共振器と前記Ｑスイッチとを定義する少なくとも２つの反射面と、３）偏光ビームスプリッタと、から構成される共振器と、Ｄ）前記共振器に配置され、周期的なサブナノ秒期間を除いて光の通過をブロックし、前記サブナノ秒期間は、偏光を定義し、少なくとも１つの光パルスが共振器内を光速で複数回通過することを可能とし、各通過で強度を高める、音響− 光学ウインドウと、Ｅ）周期的に前記少なくとも１つのパルスの偏光を回転させて、パルス化されたビームの形式で、強化パルスレーザビームを定義するように前記共振器から解放する偏光回転器と、を備えることを特徴とするダイオードでポンプされた固体短パルスレーザシステム。３０．請求項３０に記載のダイオードでポンプされた固体短パルスレーザシステムにおいて、前記強化パルスレーザビームを増幅するレーザ増幅器をさらに備えることを特徴とするダイオードでポンプされた固体短パルスレーザシステム。