JP2005045211A - セルフシード単一周波数固体リングレーザ、単一周波数レーザピーニング法、及び、そのシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 リング状共振器の共振器内に、1/2波長板W1、ファラデー回転子F、エタロンE1〜E3、ゲイン媒体R、ポッケルスセルPC等を配置し、前記共振器内に単一周波数緩和発振パルスが形成されるまで、前記ゲイン媒体R内にポンプソースからのエネルギを蓄積する。前記緩和発振パルスの検出時に、ポッケルスセルPCを動作させて、前記共振器内損失を減少させ、前記ゲイン媒体R内に蓄積されたエネルギをパルスレーザ光として放出させる。
【選択図】 図1
Description
本発明は、レーザを用いた狭い線幅の単一周波数出力の発生法に関し、マスタオシレータ/パワーアンプ構成における該レーザの使用に関し、また、該レーザに基づくレーザピーニング法及びシステムに関する。
Claims (56)
- 単一周波数を有するレーザ放射の出力パルスを得るためのレーザの操作方法であって、
前記レーザは、共振器、前記共振器内に配置されたゲイン媒体、及び、ポンプソースを備えてなり、
前記ポンプソースからのエネルギが前記ゲイン媒体に蓄積されている間、発振を抑制する量のキャビティ内損失を、前記共振器内に誘導すること、
前記共振器内に単一周波数緩和発振パルスが形成されるまで、前記ゲイン媒体内に前記ポンプソースからのエネルギでゲインを増大させること、
前記ゲイン媒体内に蓄積された増大したゲインが前記共振器から前記単一周波数の出力パルスとして出力されるように、前記緩和発振パルスの検出時に、前記共振器内に誘導された前記キャビティ内損失を減少させること、
を有するレーザの操作方法。 - 前記ゲイン媒体が、ネオジムドープされた固体材料を備えてなり、
前記単一周波数の波長が約1.05μmである請求項1に記載のレーザの操作方法。 - 前記ポンプソースが、光学エネルギソースを備えてなる請求項1に記載のレーザの操作方法。
- 前記ポンプソースが、フラッシュランプを備えてなる請求項1に記載のレーザの操作方法。
- 前記ポンプソースが、1またはそれ以上のレーザダイオードを備えてなる請求項1に記載のレーザの操作方法。
- 前記共振器が、Qスイッチと偏光子を含み、
前記損失の減少が、前記Qスイッチの制御を備える請求項1に記載のレーザの操作方法。 - 前記共振器が、電気的に制御されるポッケルスセルを含み、
前記損失の減少が、前記ポッケルスセルの制御を備える請求項1に記載のレーザの操作方法。 - 前記損失の誘導と前記ゲインの増大と前記損失の減少の各工程を繰り返すことにより、実質的に一定なパルス振幅とパルス幅を有する複数の出力パルスを生成することを含む請求項1に記載のレーザの操作方法。
- 前記出力パルスが、半値全幅30ナノ秒より短いパルス幅を有する請求項1に記載のレーザの操作方法。
- 前記共振器が、制御可能な反射率を有する出力カプラを含み、
所望のパルス幅を達成するために前記出力カプラの反射率を制御することを含む請求項1に記載のレーザの操作方法。 - 前記共振器が、偏光ビームスプリッタを備えてなる出力カプラを含み、
前記共振器内の偏光を制御することにより、前記出力カプラの反射率を制御することを含む請求項1に記載のレーザの操作方法。 - 前記共振器が、偏光ビームスプリッタを備えてなる出力カプラを含み、
前記キャビティ内損失の誘導は、前記偏光ビームスプリッタにより伝送されるキャビティ内光の光量を設定することを含む請求項1に記載のレーザの操作方法。 - 前記共振器が、偏光ビームスプリッタを備えてなる出力カプラを含み、
前記キャビティ内損失の誘導は、前記偏光ビームスプリッタにより伝送される光量を設定するために前記共振器内に偏光回転素子を挿入することを含む請求項1に記載のレーザの操作方法。 - 前記共振器が、電気的に制御されるポッケルスセルを含み、
前記共振器が、偏光ビームスプリッタを備えてなる出力カプラを含み、
前記ポッケルスセルを用いて前記共振器内の偏光を制御することにより前記出力カプラの反射率を制御することを含む請求項1に記載のレーザの操作方法。 - 前記共振器が、電気的に制御されるポッケルスセルを含み、
前記損失の減少が、前記ポッケルスセルに印加する電圧パルスを制御することを含み、
前記共振器が、偏光ビームスプリッタを備えてなる出力カプラを含み、
前記損失の減少の間、前記ポッケルスセルに印加する電圧パルスを制御することにより、前記出力カプラの反射率を制御することを含む請求項1に記載のレーザの操作方法。 - 前記緩和発振パルスのピークより前に、該パルスの平均ピークパルスの5%未満で発生する時点で、前記緩和発振パルスの開始を検知することを含む請求項1に記載のレーザの操作方法。
- 前記緩和発振パルスのピークより前に、該パルスの平均ピークパルスの1%未満で発生する時点で、前記緩和発振パルスの開始を検知することを含む請求項1に記載のレーザの操作方法。
- 前記共振器が、Qスイッチと偏光子を含み、
前記緩和発振パルスの開始を検知することを含み、
前記損失の減少が、前記緩和発振パルスのピークより前に検知した前記開始に応答して前記Qスイッチに制御信号を印加することを含む請求項1に記載のレーザの操作方法。 - 前記出力パルス内が単一横モードとなるように、前記共振器内の開口の位置決めすることを含む請求項1に記載のレーザの操作方法。
- 前記共振器が、奇数個のリフレクタを有するリングを備えてなる請求項1に記載のレーザの操作方法。
- 前記共振器がリングを備えてなり、
光学ダイオードとして作動する部品により前記リング内の一方向の発振を抑制することを含む請求項1に記載のレーザの操作方法。 - 出力カプラを備えるレーザ共振器と、
前記共振器内のQスイッチと、
前記共振器内のゲイン媒体と、
前記ゲイン媒体に結合し、前記ゲイン媒体をポンプするエネルギソースと、
前記共振器と結合し、前記共振器内の発振エネルギを検知するディテクタと、
前記エネルギソース、前記Qスイッチ、及び、前記ディテクタと結合し、緩和発振パルスを生成するために前記ゲイン媒体内のゲインを増大させるレベルに前記共振器内に損失を誘導する条件を設定し、前記緩和発振パルスの検知に応答して前記Qスイッチを用いて共振器損失を減少させ、単一周波数を有する出力パルスを発生させるコントローラと、
を備えてなるレーザシステム。 - 前記出力カプラが、制御可能な出力カプラを備えてなり、
前記コントローラが、前記共振器内の損失を減少させる間、前記出力カプラの反射率を増大させる請求項22のレーザシステム。 - 前記出力カプラが、偏光ビームスプリッタを備えてなる請求項22のレーザシステム。
- 望ましくない波長の反射が前記共振器内に結合して戻らないように調整されたエタロンを前記共振器内に含む請求項22のレーザシステム。
- 発振を単一縦キャビティモードに制限するために適合された一連のエタロンを前記共振器内に含む請求項22のレーザシステム。
- 前記Qスイッチが、ポッケルスセルを備えてなり、
前記出力カプラが、偏光ビームスプリッタを備えてなる請求項22のレーザシステム。 - 前記ゲイン媒体が、ネオジムドープされた固体材料を備えてなり、
前記単一周波数の波長が約1.05μmである請求項22のレーザシステム。 - 前記ポンプソースが、光学エネルギソースを備えてなる請求項22のレーザシステム。
- 前記ポンプソースが、フラッシュランプを備えてなる請求項22のレーザシステム。
- 前記ポンプソースが、レーザダイオードを備えてなる請求項22のレーザシステム。
- 前記ディテクタが、前記緩和発振パルスのピークより前に、前記緩和発振パルスの開始を検知する請求項22のレーザシステム。
- 前記ディテクタが、前記緩和発振パルスの開始を検知し、
前記コントローラが、前記検知された開始に応答して、前記Qスイッチに制御信号を印加する請求項22のレーザシステム。 - 前記共振器が光学リングとして構成され、
前記共振器内に、光学ダイオードとして作動する光学部品を含む請求項22のレーザシステム。 - 前記共振器が、奇数個のリフレクタを有する光学リングとして構成されている請求項22のレーザシステム。
- 前記共振器が、反射角の設定量が可変の平面リフレクタを含む奇数個のリフレクタを有する光学リングとして構成され、
前記光学リングの長さの調整が、前記平面リフレクタの前記反射角の調整により可能である請求項22のレーザシステム。 - 前記レーザ共振器内に、横モード制限用開口を含む請求項22のレーザシステム。
- 前記出力カプラが、偏光ビームスプリッタを備えてなり、
前記共振器内に、ゲインの増大中に前記偏光ビームスプリッタにより伝送される光量を設定するための偏光回転素子を含む請求項22のレーザシステム。 - 前記出力カプラが、調整可能な反射率の出力カプラを備えてなり、
前記コントローラが、パルス幅を確立するために前記出力カプラの調整可能な反射率を設定する請求項22のレーザシステム。 - 前記Qスイッチが、ポッケルスセルを備えてなり、
前記出力カプラが、偏光ビームスプリッタを備えてなり、
前記コントローラが、前記共振器内の損失を減少させるときに、パルス幅を確立するために前記出力カプラの反射率の量を確立する調整可能な電圧を、前記ポッケルスセルに印加する請求項22のレーザシステム。 - 前記出力カプラが、偏光ビームスプリッタを備えてなり、
前記共振器内に、ゲインの増大中に前記偏光ビームスプリッタにより伝送される光量を設定するための偏光回転素子を含む請求項22のレーザシステム。 - 偏光子と出力カプラとして調整された偏光ビームスプリッタを備えて光学リングとして構成されたレーザレーザ共振器と、
前記共振器内の光学ダイオードと、
前記共振器内の1またはそれ以上のエタロンと、
前記共振器内のポッケルスセルと、
前記共振器内のゲイン媒体と、
前記ゲイン媒体に結合し、前記ゲイン媒体をポンプするエネルギソースと、
前記共振器と結合し、前記共振器内の発振エネルギを検知するディテクタと、
前記エネルギソース、前記ポッケルスセル、及び、前記ディテクタと結合し、緩和発振パルスを生成するために前記ゲイン媒体内のゲインを増大させるレベルに前記共振器内に損失を誘導する条件、及び、単一周波数を有する出力パルスが発生するように前記緩和発振パルスの検知に応答して前記ポッケルスセルを用いて共振器損失を減少させる条件を設定し、更に、前記損失を減少させる条件の間パルス幅を設定するために、前記共振器内の偏光を調整し、その結果、前記出力カプラとして調整された前記偏光ビームスプリッタの反射率を調整するための調整可能な電圧を前記ポッケルスセルに印加するコントローラと、
を備えてなるレーザシステム。 - 単一波長を有するレーザ放射の出力パルスを得るためのレーザの操作方法であって、
前記レーザは、光学リングとして構成された共振器、前記共振器内に配置されたゲイン媒体、及び、ポンプソースを備えてなり、
光学ダイオードとして作動する部品により前記リング内の一方向の発振を抑制すること、
前記単一波長以外の波長での前記リング内の発振を抑制すること、
出力カプラとして偏光ビームスプリッタを使用すること、
前記ポンプソースからのエネルギが前記ゲイン媒体に蓄積されている間、発振を抑制する量のキャビティ内損失を、前記共振器内に誘導するために、前記共振器内の偏光を設定すること、
前記共振器内に単一周波数緩和発振パルスが形成されるまで、前記ゲイン媒体内に前記ポンプソースからのエネルギでゲインを増大させること、
前記ゲイン媒体内に蓄積された増大したゲインが前記共振器から、変化した偏光によって規定されるパルス幅の単一周波数の出力パルスとして出力されるように、前記緩和発振パルスの検出時に、前記共振器内に誘導された前記キャビティ内損失を減少させ、前記偏光ビームスプリッタの反射率を設定するために、前記共振器内の偏光を変化させること、
を有するレーザの操作方法。 - 工作物の表面をレーザ衝撃ピーニングするためのピーニング方法であって、
単一周波数を有し、実質的に一定の振幅とパルス幅の一連のシードパルスを生成すること、
前記単一周波数を有する一連の高エネルギ出力パルスを誘導するためにレーザ増幅器に前記一連のシードパルスを供給すること、
前記表面上のターゲット領域をピーニングするために前記出力パルスと協働して前記工作物の位置決めを行うこと、
を有するピーニング方法。 - 前記一連のシードパルスが、前記表面上のターゲット領域をピーニングするための前記位置決めの間のバラツキが5%未満の振幅を有する請求項44のピーニング方法。
- 前記一連のシードパルスが、前記表面上のターゲット領域をピーニングするための前記位置決めの間のバラツキが5%未満のパルス幅を有する請求項44のピーニング方法。
- 前記一連のシードパルスが、前記表面上のターゲット領域をピーニングするための前記位置決めの間のバラツキが1%未満の振幅を有する請求項44のピーニング方法。
- 前記一連のシードパルスが、前記表面上のターゲット領域をピーニングするための前記位置決めの間のバラツキが1%未満のパルス幅を有する請求項44のピーニング方法。
- 前記一連のシードパルスが、1秒当たり1パルス以上の繰り返しレートを有し、複数の工作物が生産環境でピーニングされる相当期間に亘って、光学パラメータを調整することなく、前記シードパルスのソースの前記実質的に一定の振幅とパルス幅を維持する請求項44のピーニング方法。
- 生産環境での複数の工作物への3日間より長期の使用に亘って、前記シードパルスのソースの光学パラメータを調整することなく、前記実質的に一定の振幅とパルス幅を維持する請求項44のピーニング方法。
- 前記一連のシードパルスが、生産環境での少なくとも100万パルスの連続動作に亘って、前記実質的に一定の振幅とパルス幅を維持する請求項44のピーニング方法。
- 前記一連の高エネルギ出力パルスが、生産環境内での少なくとも100万パルスの連続動作に亘って、パルス当たり約10〜約100ジュールの範囲の実質的に一定のパルス当たりエネルギを有するパルスを備える請求項44のピーニング方法。
- 前記一連の高エネルギ出力パルスが、生産環境内での少なくとも100万パルスの連続動作に亘って、約20〜30ナノ秒の範囲の実質的に一定のパルス幅を有するパルスを備える請求項44のピーニング方法。
- 前記一連の高エネルギ出力パルスが、生産環境内での相当期間におけるオペレータの介在を伴わない使用中に、パルス当たり約10〜約100ジュールの範囲の実質的に一定のパルス当たりエネルギと、約20〜30ナノ秒の範囲の実質的に一定のパルス幅を有するパルスを備える請求項44のピーニング方法。
- 前記一連の高エネルギ出力パルスが、生産環境内での少なくとも3日間の使用中に、パルス当たり約10〜約100ジュールの範囲の実質的に一定のパルス当たりエネルギと、約20〜30ナノ秒の範囲の実質的に一定のパルス幅を有するパルスを備える請求項44のピーニング方法。
- 前記一連のシードパルスの生成が、
共振器、前記共振器内に配置されたゲイン媒体、及び、ポンプソースを含むレーザを使用すること、
前記ポンプソースからのエネルギが前記ゲイン媒体に蓄積されている間、発振を抑制する量のキャビティ内損失を、前記共振器内に誘導すること、
前記共振器内に単一周波数緩和発振パルスが形成されるまで、前記ゲイン媒体内に前記ポンプソースからのエネルギでゲインを増大させること、
前記ゲイン媒体内に蓄積された増大したゲインが前記共振器から前記出力パルスの形で出力されるように、前記緩和発振パルスの検出時に、前記共振器内に誘導された前記キャビティ内損失を減少させることを、含む請求項44のピーニング方法。
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