JP2009534850A - １つの主発振器に結合した複数の同期増幅器を有するレーザー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストと拡張性に大きな利点を持つ、１つの主発振器に連結した複数の同期増幅器を有するレーザー装置を提供すること。
【解決手段】複数の増幅出力を伴うレーザー装置及び方法を開示する。レーザー装置は、主発振器と、主発振器に結合したビームスプリッタと、ビームスプリッタに光学的に結合した２つ以上の出力ヘッドとを有する。ビームスプリッタは主発振器からの信号を２つ以上のサブ信号に分割する。出力ヘッドはそれぞれ２つ以上のサブ信号のうちの１つを受信する。出力ヘッドはそれぞれ、ビームスプリッタに光学的に結合した結合光学素子を有する。ビームスプリッタと結合光学素子の間に光出力増幅器を光学的に結合する。２つ以上の出力ヘッドからの光出力は目標において空間的には重ならない。主発振器信号はパルス化されるので、出力ヘッドの光出力もパルス化され、実質上互いに同期する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は一般的にはレーザーに関し、より詳細には、同期出力を発生する複数の出力ヘッドを有するレーザーシステムに関する。

高出力レーザーには多くの用途がある。それらの用途では、コヒーレント光の強いビームを基板やその他の目標上に集束させる。高出力レーザーシステムには主発振器出力増幅器（ＭＯＰＡ）構成を利用するものが多い。ＭＯＰＡレーザーシステムでは、主発振器としてのシードレーザーからのレーザー信号が光学増幅器に供給され、主信号の出力が増幅される。ＭＯＰＡ構成によって、増幅出力の精確なパルス化が可能となる。ＭＯＰＡ系レーザーシステムは、レーザーマイクロ加工などの高出力用途に使用されることが多い。

ある種のレーザー用途においては、レーザー光を目標上の複数の位置に同時に当てたり、複数の目標を同時に加工したりしたい場合がある。例えば、レーザーマイクロ加工では、加工速度を上げるために複数位置で小さく精確な穴を同時に開けるのが有利な場合がある。複数のレーザービームを提供するための１つの可能な方法は、単一のＭＯＰＡレーザー源からの増幅出力を分割することである。しかし、増幅出力を分割すると、各加工動作に対する有効出力が減少してしまう。これは、特定の動作に対して最小（又は最適）平均出力及び／又は最大出力が存在する場合には、重大な問題となり得る。ビーム分割のために減少した出力を補うために、相応にレーザーの出力を増加させても良い。

一般的に、多出力ヘッドレーザーシステムの総システム出力を構成変更なしに有意に拡大縮小することは難しい。典型的には、最適パルス持続時間、最大又は最適ＰＲＦ（パルス繰返し周波数）、パルスエネルギー、ピーク出力、波長などは用途によって決まる。一般的に、総システム出力は平均出力に応じたものとなる。しかし、平均出力を増加するには、ＰＲＦとパルスエネルギーの一方又は両方を増加させねばならない。ＰＲＦに制限のある用途の場合、ある種の「パルスピッキング」手段を用いて１つのワークに幾つかのパルスを誘導し、一方で別のワークに他のパルスを誘導する必要がある。このようなものは、複雑で、信頼性を欠き、及び／又は、高価になりがちである。レーザーシステムでは、パルスエネルギーに制限を設けている場合が多い。また、多くのレーザーシステムではパルスエネルギーと他のパルスパラメータとの関係に制約を設けている。従って、その用途に必須なパラメーターのうちの幾つかを妥協せずに（周波数変換やその他の方法で）レーザーシステムの出力を任意に増加させることは困難となり得る。

１つのレーザーシステムの出力を分割する代わりになるのは、複数の完全なレーザーシステムを使用することである。残念ながら、この方法は追加スペースを使い、高価となり、２つの別個のレーザーが同一の性能特性を持つことは考えられないので、性能にばらつきが生じる。たとえ同一性能を得ることができたとしても、複数のレーザーシステムからの出力を同期させることは難しい。

このように、従来技術は、上記不都合を克服する複数出力レーザー装置を必要としている。

従来技術に関わる不都合は、複数の増幅出力を伴うレーザー装置と方法を目的とする本発明の実施例によって克服される。レーザー装置は、主発振器と、主発振器に結合したビームスプリッタと、ビームスプリッタに光学的に結合した２つ以上の出力ヘッドとを有して良い。ビームスプリッタは、主発振器からの光ビームを２つ以上のサブ信号に分割する。それぞれの出力ヘッドは、２つ以上のサブ信号のうちの１つを受信する。それぞれの出力ヘッドは、ビームスプリッタに光学的に結合した結合光学素子を有する。光出力増幅器がビームスプリッタと結合光学素子の間に光学的に結合される。結合光学素子は、２つ以上の出力ヘッドからの光出力が目標において空間的に重ならないように構成される。任意に、増幅出力を波長変換しても良い。出力ヘッドは、１つ以上の目標上の１つ以上の異なる位置に対して増幅出力を結合するように構成しても良い。主発振器は、主発振器の光出力をパルス化するように構成した変調器を有しても良い。この場合、２つ以上の出力ヘッドの光出力はパルス化され、実質上互いに同期する。

本発明の他の目的や利点は、次の詳細な説明を読み、添付図面を参照すれば明らかとなるであろう。

次の詳細な説明には例示のために多くの具体的な詳細が含まれるが、当該技術の通常の技術者ならば、次の詳細には本発明の範囲内で多くの変形や代替が存在することが理解されるであろう。したがって、以下に述べる本発明の具体的な実施例は、本請求発明に対する普遍性を全く失うことなく、また、本請求発明に対して如何なる制限を課すこともなく示される。

用語：
本明細書において使用される場合：
不定冠詞「Ａ」又は「Ａｎ」は、特に明示の無い場合、当該不定冠詞に続く品目の量が１つ以上であるということを言う。

ビームスプリッタとは、光ビームを２つ以上の部分に分割できる光学装置を言う。

キャビティ又は光学共鳴キャビティとは、光が往復又は循環可能な２つ以上の反射面によって決まる光路を言う。

連続発振（ＣＷ）レーザーとは、パルスレーザーのように短バーストで発光するのではなく、連続的に発光するレーザーを言う。

ダイオードレーザーとは、誘導放出を用いてコヒーレント光出力を生じるように設計した発光ダイオードを言う。ダイオードレーザーは、レーザーダイオード又は半導体レーザーとしても知られている。

ダイオード励起レーザーとは、ダイオードレーザーによって励起される利得媒体を有するレーザーを言う。

利得媒体とは、レーザーに関して下述するようなレーザーとして使用可能な材料を言う。

ガーネットとは、特定種の酸化物結晶を言う。これには、例えば、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、ガドリニウムガリウムガーネット（ＧＧＧ）、ガドリニウムスカンジウムガリウムガーネット（ＧＳＧＧ）、イットリウムスカンジウムガリウムガーネット（ＹＳＧＧ）などが含まれる。

特定の範疇における１つの品目あるいは品目の一覧と連携して使用される、含む、含まれる、例えば、「のようなもの」、「例を挙げると」、など、「その他同様のもの」、であって良い、で有り得る、かもしれない、その他同様な修飾語は、当該範疇が当該品目又は一覧した品目を含むが、それらの品目には限定されないという意味である。

赤外線とは、約７００ナノメーター（ｎｍ）から約１００，０００ｎｍまでの真空波長で特徴付けられた電磁放射を言う。

レーザーは放射線の誘導放出による光増幅（light amplification by stimulated emission of radiation）の頭文字である。レーザーはレーザーとして使用可能な材料を有するキャビティである。これは、光や放電などのポンピングによって準安定状態に励起しうる原子を有するものであれば、結晶、ガラス、液体、半導体、染料、気体など、如何なる材料でも良い。光が原子によって放出されるのは、原子が基底状態に戻り誘導放出によって光を放出する時である。光（ここでは誘導放射線と呼ぶ）はキャビティ内を振動し、キャビティから放出された一部が出力ビームを形成する。

光について。本書で使用される「光」という用語は、一般的に、凡そ約１ナノメーター（１０^−９メーター）から約１００ミクロンの真空波長範囲に相当する赤外線から紫外線に亘る周波数範囲の電磁放射線を言う。

モードロックレーザーとは、各モードの相対位相（時間に対する変調を通じた場合も有り）を内部制御して高ピーク出力と、例えばピコ秒（１０^−１２秒）といった領域の短持続時間とを持つエネルギーバーストを選択的に生じさせる機能を持つレーザーを言う。

非線形効果とは、典型的にはレーザーが発生する光ビームなどのほぼ単色で指向性を持つ光ビームを用いた時にのみ見られる、ある種の光学的現象を言う。例を挙げると、高調波発生（例えば、二次、三次及び四次高調波発生）、光パラメトリック発振、和周波発生、差周波発生、光パラメトリック増幅、及び、誘導ラマン効果がある。

非線形光波長変換処理とは、非線形媒体を通過する所定の真空波長λ_０の入力光が該媒体及び／又は該媒体を通過する他の光と相互作用して入力光とは異なる真空波長を持つ出力光を生じる非線形光学的処理のことである。波長と周波数は光の真空速度によって関連付けられるので、非線形波長変換は非線形周波数変換と等価である。両用語は置き換え可能に使用できる。非線形光波長変換は次のことを含む。

高調波発生（ＨＨＧ）。例えば、二次高調波発生（ＳＨＧ）、三次高調波発生（ＴＨＧ）、四次高調波発生（ＦＨＧ）など。ＨＨＧでは、入力光のうちの２つ以上の光子が相互作用して、周波数Ｎｆ_０を持つ出力光光子を生じる。ここでＮは相互作用する光子数である。例えば、ＳＨＧではＮ＝２である。

和周波発生（ＳＦＧ）。ＳＦＧでは、周波数ｆ_１の入力光光子が周波数ｆ_２の別の入力光光子と相互作用して、周波数ｆ_１＋ｆ_２を持つ出力光光子を生じる。

差周波発生（ＤＦＧ）。ＤＦＧでは、周波数ｆ_１の入力光光子が周波数ｆ_２の別の入力光光子と相互作用して、周波数ｆ_１−ｆ_２を持つ出力光光子を生じる。

非線形材料とは、光学的放射に対して、非線形効果を引き起こし得る非ゼロ非線形誘電反応を持つ材料を言う。非線形材料の例としては、ＰＰＬＮ、ＰＰＳＬＴ、ＰＰＫＴＰなどの擬似位相整合材料を始め、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、ベータホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、ホウ酸セシウムリチウム（ＣＬＢＯ）、ＫＤＰ及びその同形体、ＬｉＩＯ_３が挙げられる。光ファイバも、ファイバ内に微細構造を作り込むことによって光学的放射に対して非線形反応を持たせることが可能である。

光増幅器とは、入力光信号の出力を増幅する装置を言う。光増幅器は放射線のポンピングによって駆動される利得媒体を用いる点でレーザーに類似である。増幅器は一般にフィードバック（即ち、キャビティ）を欠くので、利得を得られるが発振はしない。本書で使用する場合、光出力増幅器とは一般的に、目標又は波長変換器へ増幅ビームを放出する前の最終光増幅器を言う。放射線源と出力増幅器の間の増幅段は、本書では一般的に前置増幅器と言う。

位相整合とは、多光波非線形光学的処理で用いられる技術を言い、光波間のエネルギーのコヒーレントな移動が可能な距離を拡大するものである。例えば、三光波処理では、ｋ_ｉを処理に参与するｉ番目の光波の波動ベクトルとして、ｋ_１＋ｋ_２＝ｋ_３であるときに位相整合されたと言う。例えば、倍周波処理では、基本波と第二高調波の位相速度を整合すれば処理が非常に効果的となる。典型的には、位相整合状態は、非線形材料における光波長、偏光状態及び伝搬方向の慎重な選択によって達成される。

Qとは、共振器（キャビティ）の性能指数を言い、（２π）×（共振器に蓄積された平均エネルギー）／（サイクル当たりの散逸エネルギー）として定義される。光共振器の表面の反射率が高ければ高いほど、また、吸収損が低ければ低いほど、Qは高くなり、予定モードからのエネルギー損は低くなる。

Qスイッチとは、光共振器のQを急速に変更するために使用される装置を言う。

Qスイッチレーザーとは、高水準の反転（光利得とエネルギー蓄積）がレイジング媒体において達成されるまでレイジング作用を防止しておくためにレーザーキャビティにおいてQスイッチを使用するレーザーを言う。スイッチが例えば音響光学又は電気光学変調器や可飽和吸収体を用いてキャビティのQを急速に増加させると、ジャイアントパルスが発生する。

擬似位相整合（ＱＰＭ）材料について。擬似位相整合材料では、材料の非線形係数の符号を周期的に変えることによって基本波と高調波を位相整合する。符号変更周期（ｋ_QPM）は、ｋ_QPM＋ｋ_１＋ｋ_２＝ｋ_３となるように追加項を位相整合式に追加する。ＱＰＭ材料では、基本波と高調波は同一の偏光を持てるので、効率を改善できることが多い。擬似位相整合材料の例として、周期分極反転タンタル酸リチウム（ＰＰＬＴ）、周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）、周期分極反転化学量論タンタル酸リチウム（ＰＰＳＬＴ）、周期分極反転リン酸チタンカリウム（ＰＰＫＴＰ）、あるいは、周期分極反転微細構造化グラスファイバを挙げることができる。

紫外線（ＵＶ）放射とは、可視領域の真空波長よりも短いが、軟Ｘ線の真空波長よりは長い真空波長によって特徴付けられる電磁放射を言う。紫外線放射は、次の波長範囲に細分化できる。即ち、約３８０ｎｍから約２００ｎｍの近紫外線、約２００ｎｍから約１０ｎｍの遠紫外線又は真空紫外線、及び、１ｎｍから３１ｎｍの極紫外線である。

真空波長について。電磁放射線の波長は一般的に、波が進行する媒体の関数となる。真空波長は、所定の周波数の電磁放射線が真空中を伝搬したとすれば持つであろう波長であり、真空における光速を当該周波数で割ることによって得られる。

図１Ａは、本発明の一実施例による複数出力周波数変換レーザー装置１００と方法を示す。具体的には、装置１００は一般的に、主発振器１０２と、ビームスプリッタ１０４と、複数の並列波長変換光出力ヘッド１０７_１、１０７_２、１０７_３・・・１０７_Ｎとを有する。並列波長変換光出力ヘッド１０７_１、１０７_２、１０７_３・・・１０７_Ｎは、対応する（任意の）波長変換器１１０_１、１１０_２、１１０_３・・・１１０_Ｎと結合光学素子１１２_１、１１２_２、１１２_３・・・１１２_Ｎとに光学的に結合した光出力増幅器１０８_１、１０８_２、１０８_３・・・１０８_Ｎを含む。各出力ヘッド１０７_１・・・１０７_Ｎは、主発振器１０２から遠くに配置された別個のモジュラユニットの形でも良い。

複数の光波長変換出力を発生するための方法は、次の装置１００の動作説明で理解することができる。主発振器１０２は主光信号１０３を発生する。一般的に、主発振器１０２はレーザーを含み、主光信号１０３はコヒーレント光の形式で良い。ビームスプリッタ１０４は主光信号１０３をサブ信号１０６_１、１０６_２、１０６_３・・・１０６_Ｎに分割する。ビームスプリッタ１０４は、主光信号をサブ信号に分割する適当な仕組みならば如何なるものでも構わない。ビームスプリッタは、導波に基づく場合と自由空間光伝送に基づく場合がある。導波型ビームスプリッタの例として、偏波保持型（ＰＭ）ファイバカプラー、集積型光カプラー、及び、融着テーパ型カプラーが挙げられる。ビームスプリッタ１０４として使用可能なファイバカプラーの例としては、Canadian Instrumentation & Research社のものが利用でき、例えば、http://www.cirl.com/に説明されている。自由空間型ビームスプリッタの例としては、部分反射誘電ミラー、ウォラストンプリズムなどの偏光ビームスプリッタ、半鍍銀ミラー、二色性ミラー、及び、二色性ミラー付きプリズムが挙げられる。

サブ信号１０６_１・・・１０６_Ｎは別個の平行光路に沿って誘導される。これらの別個の光路は、自由空間路であっても良いし、別個の光ファイバあるいは導波管によって決まる光路であっても良い。光増幅器１０８_１・・・１０８_Ｎはそれぞれ対応するサブ信号１０６_１・・・１０６_Ｎを増幅して増幅出力信号１０９_１・・・１０９_Ｎを生成する。波長変換を用いるかどうかに応じて、システム１００は電磁スペクトルの赤外（ＩＲ）領域、可視領域、または紫外（ＵＶ）領域に真空波長を持つという特徴を持つ増幅出力を生成することができる。ここで使用される限りにおいて、「増幅出力」という表現は一般的に、サブ信号１０６_１・・・１０６_Ｎのうちの１つ以上から生じた如何なる増幅信号をも指し、一般的に増幅出力信号１０９_１・・・１０９_Ｎ及びそこから派生する如何なる光信号をも含む。

例えば、増幅出力信号１０９_１、１０９_２、１０９_３・・・１０９_Ｎはそれぞれ対応する光波長変換器１１０_１、１１０_２、１１０_３・・・１１０_Ｎによって真空波長を変換され、対応する波長変換出力１１１_１、１１１_２、１１１_３・・・１１１_Ｎを生じる。波長変換出力１１１_１・・・１１１_Ｎは一般的に、主発振器信号１０３とサブ信号１０６_１・・・１０６_Ｎの真空波長とは異なる真空波長を持つという特徴を持つ。光波長変換器は、１つ以上の非線形光波長変換処理によって増幅出力１０９_１・・・１０９_Ｎから波長変換出力１１１_１・・・１１１_Ｎを生成して良い。このような処理の例としては、例えば、第二、第三及び第四高調波発生、和周波発生、差周波発生、光パラメトリック増幅、光パラメトリック発振、及び、誘導ラマン効果があるが、これらに限定されるものではない。このような処理は、所望の波長変換効果を生じるように位相整合した非線形光学材料を用いて実現しても良い。出力ヘッド１０７_１・・・１０７_Ｎは、異なる真空波長によって特徴付けられる波長変換出力１１１_１・・・１１１_Ｎを生じるように構成した波長変換器１１０_１・・・１１０_Ｎを有しても良い。特に、光増幅器１０８_１・・・１０８_Ｎと波長変換器１１０_１・・・１１０_Ｎは別々の構成要素として示されているが、その代わりに増幅機能と波長変換機能を非線形増幅器ファイバのような単一構成要素で実現しても良い。

結合光学素子１１２_１、１１２_２、１１２_３・・・１１２_Ｎは波長変換出力１１１_１・・・１１１_Ｎを受信して最終出力１１３_１、１１３_２、１１３_３・・・１１３_Ｎを目標に送出する。出力ヘッド１０７_１・・・１０７_Ｎは、最終出力１１３_１・・・１１３_Ｎが目標において空間的に重ならないように構成しても良い。これによって、複数の目標、又は、同一目標上の異なる点あるいは面を、増幅及び波長変換された放射線で処理することが可能となる。結合光学素子１１２_１・・・１１２_Ｎは単一窓の形式でも良いし、あるいは、増幅出力１０９_１・・・１０９_Ｎあるいは波長変換出力１１１_１・・・１１１_Ｎを最終出力１１３_１・・・１１３_Ｎとして１つ以上の目標上に平行化あるいは収束させるように選択した焦点距離及び焦点位置を持つレンズを有しても良い。全ての出力ヘッド１０７_１・・・１０７_Ｎが同一の結合光学素子１１２_１・・・１１２_Ｎを持つ必要はない。

あるいは、結合光学素子１１２_１・・・１１２_Ｎは最終出力１１３_１・・・１１３_Ｎの時間特性を変更するように構成しても良い。幾つかの実施例において、結合光学素子１１２_１・・・１１２_Ｎは、ＣＷビームをある種のパルスビームの形に変える可飽和ブラッグ吸収体を有しても良い。あるいは、結合光学素子１１２_１・・・１１２_Ｎはパルス圧縮（又は延長）系を有しても良い。この種の結合光学素子１１２_１・・・１１２_Ｎは、特にビーム送出直前の光学非線形性を避けるためにピコ秒あるいはフェムト秒パルス出力を用いるときに有用となる場合がある。あるいは、結合光学素子１１２_１・・・１１２_Ｎは、最終出力１１３_１・・・１１３_Ｎの時間特性、例えば、パルス繰返し周波数（ＰＲＦ）に作用するある種の手段を有しても良い。例えば、結合光学素子１１２_１・・・１１２_Ｎは、使用者が出力１１３_１・・・１１３_Ｎの全部又は幾つかを選択的に阻止できる光学シャッタを有しても良い。あるいは、結合光学素子１１２_１・・・１１２_Ｎは、最終出力１１３_１・・・１１３_ＮのＰＲＦを減じるためのパルスピッカーを有しても良い。これによって、使用者は、増幅出力１０９_１・・・１０９_Ｎと波長変換出力１１１_１・・・１１１_Ｎのどちらを最終出力１１３_１・・・１１３_Ｎとして目標に送出するかを選択的に制御することが可能となる。

最終出力１１３_１・・・１１３_Ｎは、用途に応じて多くの異なるタイプの目標に送出されて多くの異なるタイプの処理を実現することができる。用途としては、材料加工、医療、レーザー粒子加速、及び、ウェハ検査が挙げられるが、これに限定されるものではない。好適な目標の例としては、金属、セラミック、半導体、高分子、複合材、薄膜、有機材料、体外又は体内生物学的試料、素粒子が挙げられるが、これに限定されるものではない。材料加工の具体的な例としては、目標は、例えば、線材、プリント配線（ＰＣ）基板、集積回路（ＩＣ）パッケージ、半導体ウェハ及び半導体ダイ、ＬＥＤウェハ、ＬＥＤパッケージ、ＬＥＤダイなどが挙げられる。材料加工用途の例としては、表面模様付け、熱処理、表面彫刻、精密超微細機械加工、表面削磨、切断、溝付け、バンプ形成、塗工、ハンダ付け、ロウ付け、焼結、封止、溶接、リンクブロー、ウェハスクライビング、ダイシング及びマーキング、バイア穿孔、メモリ修復、フラットパネルディスプレイ修復、ステレオリソグラフィー、マスクレスリソグラフィー、表面拡散、及び、化合物への表面変換が挙げられる。

装置１００の利点は、主発振器１０２がパルス出力を主信号１０３として生成するならば、サブ信号１０６_１・・・１０６_Ｎもパルス化され、それぞれの出力増幅器１０８_１・・・１０８_Ｎに到着する時に互いにほぼ同期することが可能になるという点である。ここで使用しているほぼ同期というのは、サブ信号１０６_１・・・１０６_Ｎがほぼ同じパルス幅を持ち、互いに対して高度な時間的重なりを有するという意味である。この重なり量は、例えば、ビームスプリッタ１０４と出力増幅器１０８_１・・・１０８_Ｎとの間の光路の相違における相違を補正することによって調整可能である。同様に、波長変換出力１１１_１・・・１１１_Ｎが互いにほぼ同期しても良い。異なる出力１１１_１・・・１１１_Ｎ間の同時性は、例えば、ビームスプリッタ１０４と出力ヘッド１０７_１・・・１０７_Ｎとの間の光路長を調整することによって調整可能である。

「同期」というのは、主発振器１０２からの放射線の変調が出力ヘッド１０７_１・・・１０７_Ｎの出力（波長変換されていてもそうでなくても）に共通の変調を提供することを意味する。このような同期出力は特に材料加工用途に好都合である。Ｎ個の同等な目標を並列加工可能な、あるいは、同一又は異なる目標上のＮ個の異なる位置を加工可能なＮ個のレーザー出力ヘッドを持つ機械は、単一ヘッドしか持たない機械のＮ倍の処理能力を有する。この能力は、同等な製品を厳密な品質基準で製造するような製造環境にとっては特に有効である。更にまた、全ての出力が同じタイミングを持つならば、どの処理工程においても滞留時間は最小化される。異なる出力ヘッド間のナノ秒のタイミング違い毎に、ナノ秒のさらなる滞留時間がその処理工程のそのステップにおいて必要になる。数百万以上の処理点がある場合、こうした遅延を合計すると、処理能力に大きな負担となり得る。反対に出力を同期させることができるならば、こうした遅延は劇的に減らすことができ、処理能力は大幅に強化可能となる。このような同期出力の提供は、「ジッターフリー」な多重化と呼ぶ場合もあるが、とりわけ上述したような工業原料加工用途で使用するレーザー装置に有用である。

また、出力ヘッド１０７_１・・・１０７_Ｎと連携して複数の増幅器を使用すると、装置の出力拡大縮小に大きな利点がもたらされる。具体的には、実効システムピーク出力、即ち、１個の出力ヘッドの出力（波長変換されていてもそうでなくても）のピーク出力にヘッド数を乗算したものは、損傷やファイバ非線形問題や増幅出力の望ましくない歪みの原因になり得るピーク出力より大きくなる可能性があるからである。実効ピーク出力はファイバ非線形性の閾値より小さいことが好ましい。更に、各出力ヘッドの実効ピーク出力は、波長変換効率が十分高く、例えば、ＳＨＧやＴＨＧ処理の約２０％よりも大きくなるに十分なほど大きいことが望ましい。反対に、高出力レーザーの出力を分割して同じ結果を達成しようとするならば、材料加工用途に必要なパルス特性を制限してしまうことなる。複数の増幅出力を使用すると、増幅出力のパルス繰返し周波数及び／又はパルス幅を材料加工用途などの異なる用途に対して最適化することができる。

また、本発明の実施例は、大きな総システム出力への出力拡大も可能にする。ここで使用される総システム出力とは、全出力ヘッド１０７_１・・・１０７_Ｎの合計出力の総平均出力を言う。本発明の実施例では、装置１００の総システム出力は約１０ワット以上であって良い。

一般的に、各出力ヘッド１０７_１・・・１０７_Ｎは、ある範囲のパラメータにおいて最良の動作をする。波長変換レーザーという特別な場合には、このことは、効率的な動作を得るためにはビーム１０９_１・・・１０９_Ｎのピーク出力がある範囲にあらねばならないということを意味する。ピーク出力が当該範囲よりも低すぎると、波長変換器１１０_１・・・１１０_Ｎにおける変換が不十分なものとなるかもしれない。ピーク出力が当該範囲よりも高すぎると、ファイバ内に寄生効果（ラマン散乱、ブリユアン散乱、自己位相変調）が存在して、波長変換出力を減じる可能性がある。ピーク出力はこのように制約を受ける一方で、ＰＲＦ及びパルス幅は用途要件によって既に選択されているので、波長変換レーザーシステムで平均出力を拡大縮小することは難しくなる。各ヘッドの平均出力は、ピーク出力にパルス幅を乗算しＰＲＦを乗算（パルス波形を考慮した定数を乗算）したものに等しい。複数ヘッドが存在するので、より高い平均出力になり得る。

本発明のある実施例では、主信号１０３の発生と光出力増幅器１０８_１・・・１０８_Ｎによる増幅の間に前置増幅段を設けても良い。例えば、図１Ｂに示すように、代替装置１２０は、主発振器１０２とビームスプリッタ１０４の間に光学的に結合した１つの前置増幅器１１４（あるいは直列の２つ以上の前置増幅器１１４）を有しても良い。前置増幅器１１４は同一のものである必要はない。前置増幅器１１４は主信号１０３を増幅して前置増幅信号１１５を形成する。前置増幅信号１１５はビームスプリッタによってサブ信号１０６_１・・・１０６_Ｎに分割される。その後サブ信号１０６_１・・・１０６_Ｎの光出力増幅と波長変換は、図１Ａに関して上述したように進行して良い。直列の２つの前置増幅器１１４の場合、２つの前置増幅器は同一である必要はない（同一であってもよいが）。また、図１Ｂにおける直列の２つ以上の前置増幅器１１４は１つの前置増幅器１１４に置き換え可能である。

あるいは、前置増幅段は主信号１０３をサブ信号１０６_１・・・１０６_Ｎに分割した後光出力増幅器１０８_１・・・１０８_Ｎによる増幅の前に行なわれても良い。例えば、図１Ｃに示すように、別の代替装置１３０では、出力ヘッド１０７_１、１０７_２、１０７_３・・・１０７_Ｎはそれぞれ、光出力増幅器１０８_１・・・１０８_Ｎとビームスプリッタ１０４の間に光学的に結合した光前置増幅器１１８_１・・・１１８_Ｎを有しても良い。光前置増幅器１１８_１・・・１１８_Ｎはそれぞれ対応するサブ信号１０６_１・・・１０６_Ｎを前置増幅して前置増幅信号１１９_１、１１９_２、１１９_３・・・１１９_Ｎを生成する。前置増幅信号１１９_１・・・１１９_Ｎはそれぞれ光出力増幅器１０８_１・・・１０８_Ｎによって増幅される。生じた増幅出力信号１０９_１・・・１０９_Ｎの光波長変換は図１Ａに関して上述したように進行して良い。

図１Ｄに示す別の代替装置１４０では、出力ヘッド１０７_１・・・１０７_Ｎは波長変換器１１０_１・・・１１０_Ｎを用いて実現できるが、光増幅器や前置増幅器は用いない。その代わりに出力ヘッド１０７_１・・・１０７_Ｎは、ビームスプリッタ１０４に光学的に結合した増幅器ファイバ１０５_１・・・１０５_Ｎを有しても良い。増幅器ファイバ１０５_１・・・１０５_Ｎは、主発振器１０２からのサブ信号を透過かつ増幅して増幅出力信号１０９_１・・・１０９_Ｎを生成する。増幅出力信号１０９_１・・・１０９_Ｎは波長変換器１１０_１・・・１１０_Ｎに入力される。前置増幅器１１４は任意であるが、主変換器１０２とビームスプリッタ１０４の間に結合しても良い。このような構成には、非常に軽くて小さな出力ヘッド１０７_１・・・１０７_Ｎを用意できるという利点がある。装置１４０は、出力ヘッドの位置取り及び／又は移動が増幅器ファイバ１０５_１・・・１０５_Ｎの曲げ半径の制限に一致する範囲内となるような用途において有用となり得る。代替実施例において、増幅器ファイバ１０５_１・・・１０５_Ｎは主発振器１０２に近接したコントローラに配置しても良い。専用の受動型光ファイバを用いて増幅出力１０９_１・・・１０９_Ｎを波長変換器１１０_１・・・１１０_Ｎに送出しても良い。

図１Ｅに示す別の代替装置１５０では、ビーム分割段と前置増幅段が１つの分岐網に縦続し、前置増幅器を入力とビームスプリッタの各出力に結合しても良い。装置１５０では、主発振器１０２は前置増幅器１１４_１に光学的に結合し、前置増幅器１１４_１は、第１ビームスプリッタ１０４に結合させる増幅出力１１５_１を生成する。増幅出力１１５_１の第１及び第２部分１０９_１、１０９_２はそれぞれ第２及び第３前置増幅器１１４_２、１１４_３に結合する。第２及び第３前置増幅器１１４_２、１１４_３からの増幅出力１１５_２、１１５_３はそれぞれ第２及び第３ビームスプリッタ１０４_２、１０４_３に結合する。第２及び第３ビームスプリッタ１０４_２、１０４_３はそれぞれ第２及び第３増幅出力１１５_２、１１５_３を部分１０９_３、１０９_４、１０９_５、１０９_６に分割する。部分１０９_３、１０９_４、１０９_５、１０９_６はそれぞれ前置増幅器１１４_４、１１４_５、１１４_６、１１４_７に結合する。前置増幅器１１４_４、１１４_５、１１４_６、１１４_７からの増幅出力１１５_４、１１５_５、１１５_６、１１５_７は出力ヘッド１０７_１、１０７_２、１０７_３、１０７_４に結合される。出力ヘッド１０７_１、１０７_２、１０７_３、１０７_４は出力信号１１３_１、１１３_２、１１３_３、１１３_４を生成する。出力ヘッド１０７_１、１０７_２、１０７_３、１０７_４は、例えば上述のような、出力増幅器、波長変換器及び結合光学素子を有しても良い。

主発振器１０２には多くの異なる設計が可能である。一般的に、主発振器１０２は狭帯域の増幅自然放出（ＡＳＥ）源で良い。主光信号１０３は、真空波長が約５００ｎｍから約２０００ｎｍの範囲にあるという特徴を持つ。この範囲に真空波長を持つ光信号は、半導体レーザーやファイバレーザーなど、様々な異なるレーザーを用いて得ることが可能である。数ある中で一例を挙げれば、１つの可能なレーザー設計はファイバレーザーである。図２は図１Ａ〜１Ｅの主発振器１０２として使用可能なファイバレーザー２００の一例を示す。ファイバレーザー２００は一般的に、適当なドーパントを添加したコアを持つファイバに光学的に結合したポンピング源２０２を有する。ポンピング源の一例はダイオードレーザーであるが、一例であって、これによって一般性を失うものではない。適当なダイオードレーザーの例としては、分散形フィードバック（ＤＦＢ）、分散形ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、ファブリ‐ペロレーザーダイオード、あるいは、増幅自然放出（ＡＳＥ）源が挙げられる。適当なポンプダイオードとしては、カリフォルニア州ミルピタスのJDS Uniphase社から入手可能なシリーズ２９００という９８０ｎｍポンプダイオードがある。

ポンピング源２０２からのポンピング放射はファイバ２０４のコアに結合される。このポンピング放射はファイバコアのドーパント原子と相互作用して放射線の放出を誘導する。ファイバ２０４の両端にある反射器２０６は、例えばブラッグ回折格子であるが、誘導放射線を反射してファイバ２０４内を往復させ、ファイバ２０４内を通過させる毎に追加放出を誘導する。誘導放射線２０７のうちの幾分かは一端にある反射器から出力として漏出する。この誘導放射線は、光変調器２０８によってパルス化してパルス出力２０９を生成しても良い。光変調器２０８の例としては、音響光学変調器、磁気光学変調器、あるいは、電気光学変調器が挙げられる。光アイソレーター２１０をファイバ２０４と変調器２０８の間に光学的に結合して、放射線がファイバ出力端からファイバ２０４内に望ましくなく侵入するのを防止しても良い。

誘導放射線２０７の真空波長は、ドーパントとファイバ材料の選択によって決まる。ドーパントとファイバ材料が異なれば、ポンピング放射線の真空波長も変える必要がある。例えば、イッテルビウム（Ｙｂ）添加グラスファイバの場合、約９７６ナノメーターの真空波長を持つ放射線でポンピングを行うと、約１．０３から約１．１２ミクロンの真空波長で誘導放出を生じる。

あるいは、主発振器１０２は、ダイオード励起固体（ＤＰＳＳ）レーザーでも良い。ＤＰＳＳレーザーは、受動的にＱスイッチされても良いし、連続波（ＣＷ）を動作させても良い。受動Ｑスイッチマイクロレーザーの一例は、マサチューセッツ州ウェルズリーのTeem Photonic社から入手可能なマイクロチップマイクロレーザーである。適当なＣＷＤＰＳＳレーザーの一例は、カリフォルニア州ミルピタスのJDS Uniphase社から入手可能なモデル１２５という非平面リング発振器（ＮＰＲＯ）レーザーである。あるいは、主発振器１０２は分散型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザーでも良い。商業的に利用可能なＤＢＲの一例は、ドイツ国マールブルクのSacher Lasertechnik Group社のモデルＤＢＲ−１０６３−１００である。この特定の分散型ブラッグ反射器レーザーは１００ｍＷの出力、１０６３ｎｍの真空波長で放出を行う。主発振器１０２として使用できる商業利用可能な装置の別の例は、ポルトガル国モレイラデマイアのMultiwave Photonics S.A.社から入手可能なＡＳＥナローバンドソースである。ＤＰＳＳ、ＤＢＲレーザーダイオードやＡＳＥ源など如何なるＣＷ源であろうとも、出力は外部光変調器を用いて変調されて良い。

本発明の代替実施例では、主発振器は多くの形式のうちの１つを取ることができる。パルスフォーマットは、パルス持続時間が例えば連続波（ＣＷ）からナノ秒パルス、ピコ／フェムト秒パルスまでの範囲で、如何なる適当なパルスフォーマットでも良い。パルスは、パルス持続時間に対して適当な如何なる繰返し率で繰り返されても良い。パルスフォーマットは、間欠的に集中するパルスを含んでも良い。出力増幅器の出力は周波数変換される必要はない。即ち、波長変換器１１０_１、１１０_２、１１０_３、・・・１１０_Ｎは、本発明の範囲を逸脱することなく省略可能である。出力波長はＩＲでも可視でもＵＶでも良い。

光出力増幅器１０８_１・・・１０８_Ｎ、前置増幅器１１４、１１８及び増幅器ファイバ１０５_１・・・１０５_Ｎとしては多くの異なる設計を用いることができる。光出力増幅器１０８_１・・・１０８_Ｎ及び／又は前置増幅器１１４、１１８はファイバ増幅器で良いが、これは一例であって、一般性を失うものではない。図３は光ファイバ３０２とポンピング源３０４を有するファイバ前置増幅器３００の一例を示す。光ファイバ３０２はクラッディングとドープ処理コアとを有する。光ファイバ３０２のコアは例えば直径約６ミクロンである。増幅されるべき入力放射線３０６はこのコアに結合される。ポンピング源３０４からのポンピング放射線も典型的にはこのコアに結合されるが、場合によってはクラッディングに結合されても良い。例えば、入力放射線３０６は主発振器から生じる。ファイバ３０２のコア中のドーパント原子、例えば、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｂ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ホルミウム（Ｈｏ）、サマリウム（Ｓｍ）及びツリウム（Ｔｍ）などの希土類元素や、これらの元素の２つ以上の組み合わせがポンピング放射線からエネルギーを吸収する。当該分野の熟練者には、希土類添加ファイバ増幅器（ＲＥＤＦＡ）方式及び構成は親しみのあるものであろう。

入力放射線３０６はドーパント原子から放射線の放出を誘導する。この誘導放射線は入力放射線と同一の周波数と位相を持つ。そのため、増幅出力３０８は入力放射線と同一の周波数と位相を持つ一方、より大きな光強度を持つ。例えば反射の結果としてファイバ３０２の出力端から放射線が望ましくなくファイバ内に侵入するのを防止するために、光アイソレーター３１０がファイバ３０２の出力端に光学的に結合されても良い。本発明の代替実施例では、前置増幅器は、使用出力ヘッド数に対して必要な適正出力を達成するために必要な省略、包含あるいは更新を行っても良い。

図４は、多くの例のうちの１つの可能な例として、図１Ａ〜１Ｃに示したタイプの装置において使用可能なファイバ出力増幅器４００を示す。ファイバ出力増幅器４００は一般的に、増幅されるべき光信号４０１を受信する。光信号４０１は主発振器から生じたもので良く、また、主発振器とファイバ出力増幅器４００の間で前置増幅されても良い。光カプラー４０２は例えば一対のリレーレンズを有し、光信号４０１を第１端４０６において光ファイバ４０４内に結合する。好適には、ファイバ４０４は十分な割合（例えば約９０％以上）のポンピング放射線を吸収するのに十分なほど長い。ファイバ４０４は大モード領域（ＬＭＡ）ファイバに対して適当なコア直径を持つことが望ましい。更に、ファイバ４０４は、高出力マルチモードポンピング放射線を受けるのに適当な内部クラッディング径と受入角を持つ二重クラッドであることが望ましい。一例として、ファイバ４０４は、コネチカット州イーストグランビーのNufern社から入手可能なＬＭＡコアを持つＮｕｆｅｒｎデュアルクラッドアクティブファイバ、例えば部品番号ＬＭＡ−ＥＹＤＦ−２５／３００やＬＭＡ−ＥＹＤＦ−２５／２５０、あるいは、デンマーク国ビルケロッドのCrystal Fibre A/S社から入手可能なモデルＤＣ−２００−４１−ＰＺ−Ｙｂである。例えば、ファイバ４０４のコアには、エルビウム（Ｅｂ）、イッテルビウム（Ｙｂ）あるいはネオジウム（Ｎｄ）などの希土類元素が添加されても良い。

ポンピング源４１０は第２端４０８においてポンピング放射線４１１をファイバ４０４に供給する。ポンピング源４１０は典型的には１つ以上の高出力レーザーダイオードを有する。これらのレーザーダイオードは、１つの単一発光体の形式であるか、複数の単一発光体を有するモノリシックバーの形式であるか、どちらも可能である。商業利用可能な適当なレーザーダイオードの具体的な例としては、ドイツ国ドルトムントのLissotschenko Mikrooptik (LIMO) GmBH社のモデルＬＩＭＯ１１０−Ｆ４００−ＤＬ９８０レーザーダイオードと、カリフォルニア州アービンのApollo Instruments社のＡｐｐｏｌｌｏ Ｆ４００−９８０−４レーザーダイオードがある。あるいは、ポンピング源４１０は、光学的に結合し合った単一発光体のアレイでもよい。例えば、カリフォルニア州ミルピタスのJDS Uniphase社から入手可能なモデルＬ３ ９０８ｎｍポンプパッケージである。

好適には、源４１０はマルチモード源であり、ファイバ４０４はマルチモード内部クラッディングを有する。出力増幅器４００において、ポンピング放射線は典型的にはファイバ４０４の内部クラッディングに結合される。反対に、ポンピング放射線４１１が単一モードの場合、ポンピング放射線４１１はファイバ４０４のコアに直接結合させても良い。例えば、ファイバ４１２がポンピング放射線４１１をポンピング源４１０からコリメータレンズ４１４に結合しても良い。ポンピング放射線４１１はファイバ４０４の一端あるいは両端に結合して良い。幾つかの実施例では、ポンピング源４１０を主発振器に近接配置して、ポンピング源４１０をファイバ４１２経由で出力ヘッドに接続するのが好都合である。ファイバ４１２はマルチモードファイバで良い。このような構成は出力ヘッドにおけるサイズと熱負荷を減らす。

ポンピング放射線４１１は発散ビームとしてファイバ４１２から発する。コリメータレンズ４１４はこの発散ビームを平行ビームに集束させる。波長選択性反射器４１６（例えば二色性フィルタ）がポンピング放射線を収束レンズ４１８に向けて反射する。収束レンズ４１８は平行化されたポンピング放射線をファイバ４０４の第２端４０８内に集束させる。ファイバ４０４のコアに存在するドーパント原子はポンピング放射線４１１を吸収して、光信号４０１と同一の周波数と位相を持つが増幅された光強度を有する増幅出力放射線４２０の放出を誘導する。増幅出力放射線４２０はファイバ４０４の第２端４０８から発すると発散する。波長選択性反射器４１６は増幅出力放射線４２０を透過するように構成される。例えば、周波数選択性フィルタ４１６は、ポンピング放射線４１１の周波数範囲（例えば約９７６ナノメーター）で放射線を反射するように選択した拒絶帯と、増幅出力放射線４２０の周波数範囲（例えば約１．０５ミクロン）で放射線を透過するように選択した通過帯域とを持つ二色性フィルタで良い。増幅出力放射線４２０はこの場合出力カプラーレンズ４２２によって集束されても良い。

これまでの議論では前置増幅器又は出力増幅器として使用可能なファイバ増幅器を詳述してきたが、他の光増幅器設計を用いても良い。ファイバ構成に対する１つの代替案として、増幅器４００はスラブ型利得媒体を用いても良い。例えば、ネオジウム添加オルトバナジウム酸イットリウム（Ｎｄ：ＹＶＯ_４）やネオジウム添加イットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）のような添加結晶、あるいは、焼結Ｎｄ：ＹＡＧなどのセラミック利得媒体、あるいは半導体系利得媒体である。このようなスラブ型利得媒体には側部ポンピングでも端部ポンピングでも良い。ロッド型構成を持つ利得媒体を増幅器４００に用いても良い。

図５は、多くの例のうちの１つとして、図１Ａ〜１Ｅに示すタイプの装置で使用可能な波長変換器５００を示す。この例では、波長変換器５００は第三高調波発生器である。波長変換器５００は一般的に第１及び第２非線形結晶５０２、５０４を有する。適当な非線形結晶の例としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、ベータホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、ホウ酸セシウムリチウム（ＣＬＢＯ）、タンタル酸リチウム、化学量論タンタル酸リチウム（ＳＬＴ）、リン酸チタンカリウム（ＫＴＰとしても知られるＫＴｉＯＰＯ_４）、ＡＤＡ、ＡＤＰ、ＣＢＯ、ＤＡＤＡ、ＤＡＤＰ、ＤＫＤＰ、ＤＬＡＰ、ＤＰＤＰ、ＫＡＢＯ、ＫＤＡ、ＫＤＰ、ＬＢ４あるいはＬＦＭ及びその同形体、周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）、周期分極反転タンタル酸リチウム及び周期分極反転化学量論タンタル酸リチウム（ＰＰＳＬＴ）などの周期分極反転材料を挙げることができる。このような非線形材料は商業利用可能であり、例えば、中国福建省の福建福晶科技社から入手できる。また、例えば図１Ｅに関して上述したように、非線形ファイバを波長変換に使用しても良い。

第１非線形結晶５０２は出力増幅器からの増幅入力放射線５０１を受信する。入力放射線５０１は光周波数ωを持つことを特徴とする。第１非線形結晶５０２は第二高調波発生のために位相整合される。位相整合は第１非線形結晶の温度を調整することによって制御される。具体的には、入力放射線５０１が非線形結晶５０２と相互作用して第二高調波放射線５０３を発生する。第２高調波放射線５０３は光周波数２ωを持つことを特徴とする。第二高調波放射線５０３と入力放射線５０１の残存部分５０１’は第２非線形結晶５０４に結合する。第２非線形結晶５０４は、光周波数２ωの放射線と光周波数ωの放射線の間で和周波発生を行うために位相整合される。具体的には、第２非線形結晶５０４において、第二高調波放射線５０３と入力放射線５０１の残存部分５０１’は第２非線形結晶５０４中で相互反応し、光周波数３ωを持つことを特徴とする第三高調波放射線５０５を発生する。第三高調波放射線５０５は第２非線形結晶５０４を出て周波数変換出力を提供する。

第２非線形結晶の変換効率が１００％未満の場合、入力放射線５０１の残余部分５０１”も第２非線形結晶５０４から出て行く可能性がある。波長変換器５００は、第三高調波放射線５０５を透過し、残余部分５０１”と第二高調波放射線５０３の残余部分５０３’を反射する光学フィルタ５０６（例えば二色性フィルタ）を有しても良い。残余部分５０１”、５０３’は光学トラップに誘導しても良いし、あるいは、廃棄光として廃棄しても良い。あるいは、光学フィルタ５０６は１出力波長より大きなものを選択的に通過させるよう構成することもできる。

例えば、第１結晶５０２は１．０４ミクロンから１．０８ミクロンの波長の入力放射線５０１の周波数を２倍にして、約５２０ｎｍから５４０ｎｍの真空波長を持つ第二高調波放射線５０３を発生する。第２非線形結晶５０４は第二高調波放射線５０３を入力放射線５０１’の残存部分と合算して、約３４０ｎｍから約３６０ｎｍに亘る真空波長を持つ第三高調波放射線５０５を発生する。例えば、これによって一般性を失うわけではないが、第１結晶５０２は１．０６４ミクロンの入力放射線５０１を２倍にして、５３２ｎｍの第二高調波放射線５０３を発生する。第２結晶は入力放射線５０１’の残存部分を第二高調波放射線５０３と合算して、３５５ｎｍの第三高調波放射線５０５を発生する。注意すべきは、図５は第三高調波発生器の一例を示しているけれども、第二高調波発生器、第四高調波発生器、他のより高次の高調波発生器、和周波発生器、差周波発生器、光パラメトリック発振器、又は、光パラメトリック増幅器など、他の非線形波長変換器も使用可能なことは当該分野の技術者には理解されるであろう。例えば、波長変換器５００は、第２非線形結晶５０４を省略した場合には、第二高調波発生器として構成しても良い。

本発明の実施例は多くの実用用途を持っている。例えば、図６Ａ〜６Ｂに示すように、単一の主発振器から発生させた複数の増幅・波長変換出力を持つレーザーシステムはレーザー材料加工システムに用途を見つけることができる。図６Ａに示すように、レーザー材料加工システム６００は、ビームスプリッタ６０４によってＮ個の光出力増幅器６０８_１、６０８_２・・・６０８_Ｎに光学的に結合した主発振器６０２を有する。Ｎ個の光出力増幅器６０８_１、６０８_２・・・６０８_ＮはＮ個の光波長変換器６１０_１、６１０_２・・・６１０_Ｎのうちの対応する１つにそれぞれ光学的に結合する。出力カプラーレンズ６１２_１、６１２_２・・・６１２_Ｎは増幅され周波数変換された出力６１３_１、６１３_２・・・６１３_Ｎを光変調変換器６１０_１、６１０_２・・・６１０_Ｎからそれぞれ単一の目標６１５に対して並列に結合させる。あるいは、これらの波長変換増幅出力は異なる目標６１５に結合させても良い。目標６１５は出力カプラー６１２_１、６１２_２・・・６１２_Ｎに対して相対的に移動して、例えば、複数の平行列の穴を穿孔することによって、あるいは、複数の平行な開口や溝を削ることによって当該ワークの異なる部分が加工可能となる。このような並行処理構成によって、ワークの加工処理能力を増強して、それによって製造速度を上げ、コストを引き下げることができる。

図６Ａのシステム６００は、複数の増幅波長変換出力を用いて１つ以上の目標の片側を加工するように構成される。あるいは、図６Ｂに示すように、レーザー材料加工システム６２０は、同一又は異なる目標上の２つ以上の異なる位置を同時に加工するように構成しても良い。具体的には、システム６２０において、主発振器６２２からの主信号６２１はビームスプリッタ６２４によって２つの分岐に分割される。主信号６２１の一方の分岐は増幅器６２８_１、６２８_２と、波長変換器６３０_１、６３０_２と、目標６３５の片面に出力６３３_１、６３３_２を結合する出力カプラー６３２_１、６３２_２とに結合させる。主信号６２１の第二の分岐は増幅器６２８_３、６２８_４と、波長変換器６３０_３、６３０_４と、目標６３５の片面に出力６３３_３、６３３_４を結合する出力カプラー６３２_３、６３２_４とに結合させる。当該分野の技術者ならば、どのような数の増幅波長変換光出力を用いても、１つの目標の異なる面数がどれだけあっても、同時加工できるように本発明の実施例を拡張できることは理解されるであろう。

本発明の実施例は複数出力波長変換レーザーシステムのコストと拡張性に大きな利点をもたらすことができる。複数の増幅器を同一の主発振器に結合するということは、各出力増幅器（及び、適切ならば、関連づけられた波長変換段）が最適出力水準で動作するにも拘わらず、システム出力を任意に増加させることができるということである。このような構成は、パルス特性におけるばらつきも最小化するので、増幅器間でより簡単に処理を反復できるようになる。各増幅器は最大出力で運用可能となる。１つの増幅レーザー出力を複数の動作で分割して出力損を招く必要がない。

本発明の実施例によるコスト削減は潜在的に重要である。というのもＭＯＰＡレーザーシステムでは、コストの多く、複雑さの多く、そして、機能性の多くが主発振器に内在しているからである。それに対して、本発明の実施例では、ＭＯＰＡに複数出力ヘッドを動作させることに関連する追加コストは、主発振器を重複させるコストと比べて小さい。更に、本発明の実施例によれば、出力ヘッド数を臨時に増やすことができる。臨時にというのは、増加出力や処理能力が必要になるに従って徐々にという意味である。従って、追加出力や処理能力が必要になるまで、追加システムコストは発生しない。

上記は本発明の好適な実施例の完全な説明であるが、様々な変形例、変更例、等価例も使用可能である。それゆえ、本発明の範囲は、上述の説明を参照して決められるのではなく、付属請求項を参照し、それらの等価例の全範囲も加えて決定されるべきものである。好適かどうかに拘わらず、如何なる特徴も、好適かどうかに拘わらず、他の如何なる特徴とも組み合わせても良い。各請求項において、不定冠詞「Ａ」又は「Ａｎ」は、特に明示の無い場合、当該不定冠詞に続く品目の量が１つ以上であるということを言う。付属請求項は、「〜の手段」という字句を用いて所与の請求項において明示的に列挙しない限り、『ミーンズ−プラス−ファンクション』制限を含むとは解釈しないものとする。

本発明の実施例によるレーザー装置の概略図である。 本発明の実施例によるレーザー装置の概略図である。 本発明の実施例によるレーザー装置の概略図である。 本発明の実施例によるレーザー装置の概略図である。 本発明の実施例によるレーザー装置の概略図である。 図２は本発明の実施例と共に使用するのに適した主発振器の概略図である。 図３は本発明の実施例における前置増幅器として使用するのに適したファイバ増幅器の概略図である。 本発明の実施例における出力増幅器として使用するのに適したファイバ増幅器の概略図である。 本発明の実施例における波長変換器として使用するのに適した第三高調波発生器の概略図である。 本発明の実施例による並列レーザー加工に適応させたレーザー装置の概略図である。 本発明の実施例による並列レーザー加工に適応させたレーザー装置の概略図である。

Claims (48)

1. 主発振器と、
   前記主発振器に結合し、前記主発振器からの光ビームを２つ以上のサブ信号に分割するように構成したビームスプリッタと、
   前記２つ以上のサブ信号のうちの１つをそれぞれ受信するように前記ビームスプリッタに対して並列に光学的に結合し、前記ビームスプリッタに光学的に結合した結合光学素子をそれぞれ有する２つ以上の出力ヘッドと、
   前記ビームスプリッタと前記結合光学素子の間に光学的に結合した１つ以上の光出力増幅器とを備え、
   前記結合光学素子は、前記２つ以上の出力ヘッドからの光出力が目標において空間的に重ならないように構成されることを特徴とする装置。
2. 前記１つ以上の光出力増幅器が前記２つ以上の出力ヘッド内に配置されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記光出力増幅器が増幅器ファイバを有することを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記光出力増幅器のための励起光源を前記出力ヘッド外に配置し、多モード光ファイバによって前記出力ヘッドに対して光学的に結合することを特徴とする請求項２に記載の装置。
5. 前記２つ以上の出力ヘッドはそれぞれ、前記ビームスプリッタと前記出力増幅器の間に光学的に結合された光前置増幅器を有することを特徴とする請求項２に記載の装置。
6. 前記１つ以上の光出力増幅器は、前記ビームスプリッタと１つの出力ヘッドの間に光学的に結合した増幅器ファイバを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記装置の実効ピーク出力は、ファイバの非線形性の問題、望ましくない変形、あるいは、１つ以上の出力ヘッドへの損傷を招くことなく、前記増幅器が発生可能な最大ピーク出力を超過することを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記装置の総出力は約１０ワットより大きいことを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記光出力増幅器がファイバ増幅器であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 前記主発振器と前記１つ以上の出力増幅器の間に光学的に結合した光前置増幅器を更に有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 前記光前置増幅器は、直列に結合した２つ以上の光前置増幅器を有することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記光前置増幅器は前記主発振器と前記ビームスプリッタの間に光学的に結合され、前記装置は、２つ以上の追加光前置増幅器を更に有し、各追加光前置増幅器は前記ビームスプリッタと前記出力増幅器の間に光学的に結合されることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
13. １つ以上の追加ビームスプリッタを更に有し、各追加ビームスプリッタが前記出力光前置増幅器の１つの出力に光学的に結合されることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 前記主発振器と前記１つ以上の出力増幅器の間には分岐網に配置した２つ以上のビームスプリッタと２つ以上の前置増幅器が存在することを特徴とする請求項１に記載の装置。
15. 前記主発振器は前記主発振器の光出力をパルス化するように構成した変調器を有し、これによって前記２つ以上の出力ヘッドの光出力はパルス化され、実質上互いに同期することを特徴とする請求項１に記載の装置。
16. 前記２つ以上の出力ヘッドはそれぞれ、前記光出力増幅器の出力を波長変換するように光学的に結合した光波長変換器を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
17. 前記出力ヘッドは異なる真空波長の出力放射を生じるように構成されることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. 光波長変換器は、高調波発生器、和周波発生器、差周波発生器、光パラメトリック発振器、又は、光パラメトリック増幅器であることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
19. 前記光波長変換器は第二高調波発生器、第三高調波発生器、又は、第四高調波発生器であることを特徴とする請求項１６に記載に記載の装置。
20. 光波長変換器は第三高調波発生器であり、前記第三高調波発生器の光出力が約３４０ナノメーターから３６０ナノメーターの真空波長という特徴を有することを特徴とする請求項１６に記載に記載の装置。
21. 前記光波長変換器は第二高調波発生器であり、前記第二高調波発生器の光出力が約５２０ナノメーターから５４０ナノメーターの真空波長という特徴を有することを特徴とする請求項１６に記載に記載の装置。
22. 出力ヘッド当たりのピーク出力は非線形光学に対して最適化され、望ましくない非線形性を回避することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
23. 出力ヘッド当たりのピーク出力は望ましくない非線形性の閾値よりも小さく、且つ、約２０％よりも大きな波長変換効率を提供するのに十分な大きさであることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
24. 前記主発振器は、前記主発振器からの光ビームが約１．０３ミクロンから１．１２ミクロンの真空波長という特徴を持つように構成したイッテルビウム添加利得媒体を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
25. 前記主発振器は、分布型ブラッグレフレクタ（ＤＢＲ）レーザー、分布型フィードバック（ＤＦＢ）レーザー、ファイバレーザー、又は、狭帯域増幅自然放出（ＡＳＥ）源を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
26. 前記主発振器は外部変調器を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
27. 前記主発振器は、約５００ナノメーターないし約２０００ナノメーターの真空波長という特徴を有する主光信号を発生することを特徴とする請求項１に記載の装置。
28. 前記１つ以上の出力ヘッドは、前記光出力増幅器に光学的に結合した光パルス延長あるいはパルス圧縮機構を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
29. 前記２つ以上の出力ヘッドは、前記目標上の２つ以上の面に対して並行に増幅出力放射を放出するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
30. 前記２つ以上の出力ヘッドは、２つ以上の異なる目標に対して並行に増幅出力放射を同期放出するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
31. 前記結合光学素子は、出力ビームの時間特性に影響を与える手段を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
32. 主光信号を発生する工程と、
    前記主光信号を２つ以上のサブ信号に分割し、各サブ信号を別個の光路に誘導する工程と、
    前記２つ以上のサブ信号をそれぞれ増幅して２つ以上の増幅出力を発生する工程と、
    前記増幅出力が目標において空間的に重複しないように前記増幅出力を前記目標に誘導する工程とからなる複数光出力を発生するための方法。
33. 前記主光信号を２つ以上のサブ信号に分割する前に前記主光信号を前置増幅する工程を更に有することを特徴とする請求項３２に記載の方法。
34. 前記主光信号を２つ以上のサブ信号に分割した後前記２つ以上のサブ信号のそれぞれを増幅する前に、前記２つ以上のサブ信号をそれぞれ前置増幅する工程を更に有することを特徴とする請求項３２に記載の方法。
35. １つ以上の目標上の異なる面に対して前記２つ以上の増幅出力を光学的に結合する工程を更に有することを特徴とする請求項３２に記載の方法。
36. 前記２つ以上の増幅出力を波長変換して２つ以上の波長変換増幅出力を発生する工程を更に有することを特徴とする請求項３２に記載の方法。
37. 前記２つ以上の波長変換出力が第三高調波を含むことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
38. 前記２つ以上の波長変換出力が第二高調波を含むことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
39. 前記２つ以上の増幅出力が２つ以上の異なる真空波長を持つことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
40. 前記２つ以上の増幅出力を選択的にパルスピッキングして任意の組み合わせの増幅出力を得る工程を更に有することを特徴とする請求項３２に記載の方法。
41. 前記１つ以上の増幅出力のパルス幅を延長又は圧縮する工程を更に有することを特徴とする請求項３２に記載の方法。
42. 前記目標は、金属、セラミック、半導体、高分子、複合材、薄膜、線材、有機材料、体外又は体内生物学的試料、又は、素粒子であることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
43. 前記目標には、プリント配線（ＰＣ）基板、集積回路（ＩＣ）パッケージ、半導体ウェハ又は半導体ダイ、発光ダイオード（ＬＥＤ）ウェハ、ＬＥＤパッケージ、ＬＥＤダイ、又は線材が含まれることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
44. 前記目標の材料加工を行う工程には、表面模様付け、熱処理、表面彫刻、精密超微細機械加工、表面削磨、切断、溝付け、バンプ形成、塗工、ハンダ付け、ロウ付け、焼結、封止、ステレオリソグラフィー、マスクレスリソグラフィー、リンクブロー成形、ウェハスクライビング、ダイシング、及び、マーキングを行うこと、バイア穿孔、メモリ修復、フラットパネルディスプレイ修復、溶接、表面拡散、又は、化合物への表面変換が含まれることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
45. 前記目標の材料加工を行う工程には、素材加工用途のために前記増幅出力のパルス繰返し周波数及び／又はパルス幅を最適化する工程が含まれることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
46. 前記増幅出力が目標において空間的に重複しないように前記増幅出力を前記目標に誘導する工程には、前記増幅出力で複数の目標を同期加工することを含む、前記目標の素材加工を行う工程が含まれることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
47. 前記増幅出力が目標において空間的に重複しないように前記増幅出力を前記目標に誘導する工程には、ウェハ検査、医療、又は、レーザー粒子加速を行う工程が含まれることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
48. 主発振器と、
    前記主発振器に結合し、前記主発振器からの光ビームを２つ以上のサブ信号に分割するように構成したビームスプリッタと、
    前記２つ以上のサブ信号のうちの１つをそれぞれ受信するように、前記ビームスプリッタに光学的に並列結合した２つ以上の出力ヘッドと、
    前記ビームスプリッタと前記結合光学素子の間に光学的に結合した１つ以上の光出力増幅器とを備え、
    前記主発振器は、前記主発振器の光出力をパルス化するように構成した変調器を有し、それによって前記２つ以上の出力ヘッドの光出力はパルス化され、実質上互いに同期することを特徴とする装置。

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