JP2010534923A - 音響光学ｑスイッチｃｏ２レーザ - Google Patents

Abstract

パルスＣＯ_２レーザは、レーザの基本波長で透過性の音響光学（ＡＯ）物質を含むキャビティ内音響光学（ＡＯ）ＱスイッチでＱスイッチされる。一例では、ＡＯ材料はゲルマニウムである。
【選択図】図２（ｂ）

Description

本発明は、一般的にＱスイッチパルスレーザに関する。本発明は特にＱスイッチ高出力パルス二酸化炭素（ＣＯ_２）レーザに関する。

高出力ＱスイッチパルスＣＯ_２レーザは、折り畳み導波管や折り畳み自由空間ガウシアンモード設計で製造されている。そのようなＱスイッチＣＯ_２レーザは、穿孔やプリント基板（ＰＣＢ）ポリマ切断を通じてなど、材料加工の多くの特定の、高価値アプリケーションで魅力的な光学特性を有する。高出力ＱスイッチＣＯ_２レーザは、またフォトリソグラフィー用プラズマＥＵＶ（極紫外線）放射線生成で用いる主発振器パワーアンプ（ＭＯＰＡ）配列で発振器としても有用である。そのようなレーザは、コンパクトなパッケージで、たとえば約１０キロワット（ｋＷ）あるいはそれ以上の非常に高い瞬間ピーク光パワーを、たとえば約１０ワット（Ｗ）あるいはそれ以上の小さな平均パワーと組み合わせる。

高出力ＣＯ_２レーザをＱスイッチする１つの一般的な方法は、キャビティ内電気光学（Ｅ−Ｏ）モジュレータの使用を含む。このことにより、たとえば数１０ナノ秒（ｎｓ）の非常に高速の光学スイッチが可能となり、たとえば約１００ｎｓＦＷＨＭ（半値全幅）の短い光学パルスと、たとえば約１００キロヘルツ（ｋＨｚ）あるいはそれ以上の高パルス繰り返し速さを有するレーザとなる。今日まで、高い電気光学係数、高いバルク抵抗率および低い赤外線吸収の適切な組み合わせ材料は、単結晶テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）しかない。ＣｄＴｅ・Ｅ−Ｏ・Ｑスイッチを含むパルスＣＯ_２レーザは、本願発明の出願人に譲渡された米国特許６，８２６，２０４号に説明されている。

Ｅ−Ｏ・ＱスイッチＣＯ_２レーザに関するＣｄＴｅへの全面的な依存には、２つの重要な問題がある。１番目は、ＣｄＴｅ結晶そのもののコストと、ＣｄＴｅ結晶を駆動するための高速、高電圧モジュラードライバのコストとを含む要素の高いコストである。これらの要素のコストにより、完成したパルスＣＯ_２レーザのコストがこれに匹敵する平均パワーを有する連続波（ＣＷ）ＣＯ_２レーザのコストより何倍も高いことになる。

しかし、より重要な問題は、モジュレータ品質のＣｄＴｅ結晶の供給が非常に限られているということである。長年の間、そのようなＣｄＴｅ結晶に関しては１社しか供給者がいなかった（米国ペンシルバニア州バトラのKeystone Crystals社）。他の結晶生成者も要求される品質のＣｄＴｅ結晶の成長を試みたが、それらの試みは概して成功しなかった。このことは、事実上、Ｅ−Ｏスイッチ品質のＣｄＴｅ結晶の供給には将来の不安定性があることを意味する。このことは、大規模な市場製品の開発を考える際に問題となる。ＣｄＴｅ結晶を成長させることの問題に付随する高コストは、Ｅ−Ｏ・ＱスイッチＣＯ_２レーザのさらなる開発と、材料加工システムにそのようなレーザを用いることの大きな障害となっている。

ＣＯ_２レーザをＱスイッチする代替の、比較的低価格のアプローチは、共振器エンドミラーまたは共振器折り畳みミラーを、ミラーが一つの完全にずれている位置から別の光学的に整列した位置に相互にスイープするようにスキャンすることを含む。このアプローチは、本発明の出願人に譲渡された２００６年３月１３日出願の米国特許出願番号１１／６３８，６４５号に記載され、本書に参照して組み込まれる。このアプローチでの問題は、ミラーがスキャン角度とスイープ速度の適切な組み合わせを与えるように特定の共振周波数でスキャンされることが好ましいということである。このことにより、そのようなレーザで可能なＰＲＦのレンジを制限し、したがって、そのようなレーザに対しては、Ｅ−Ｏ・ＱスイッチＣＯ_２レーザのようなフレキシブルな操作パラメータを期待できないことである。ＣｄＴｅ・Ｅ−Ｏ・Ｑスイッチを必要としないがこれに匹敵する速さでＱスイッチするＣｄＴｅ・Ｅ−Ｏ・ＱスイッチＣＯ_２レーザのようなフレキシビリティを有するパルスＱスイッチレーザの必要性がある。

本発明は、パルスＱスイッチＣＯ_２レーザに向けられている。一局面において、本発明によるレーザは、ＣＯ_２を含む気体利得媒質を有するレーザ共振器を備える。励起配置が提供され、利得媒質を含むＣＯ_２を励起する。音響光学（ＡＯ）Ｑスイッチがレーザ共振器に配置され、ＣＯ_２の基本波長特性で透過性のＡＯ材料を含む。

ＡＯ材料は、好ましくは、約９マイクロメートルから約１１マイクロメートルの間の波長で透過性である。１つの好適な波長は約１０．６マイクロメートルである。１つの好適なＡＯ材料はゲルマニウムである。

好ましくはレーザ共振器は、５０パーセントより大きな出力結合を有する。一例では、レーザ共振器は第１ミラーと第２ミラーで終端処理され、第２ミラーは基本波長を部分的に透過し、出力結合を提供する。本発明のレーザは少なくとも約１０ｋＷのピークパワーで少なくとも約１０Ｗの平均パワーを有するパルス列を供給することができる。

好適な一実施の形態では、単一のＲＦ電源（パワーサプライ）を用いて、ＡＯセルを駆動するのに加え、レーザ気体を励起するレーザ電極にパワーを与える。

図１は、炭酸ガスレーザをＱスイッチするのに適した音響光学（ＡＯ）セルの好適な形式を図示する。 図２は、ＡＯセルでＱスイッチされる炭酸ガスレーザシステムを図示する。 図３は、図２で図示したタイプの炭酸ガスレーザの操作を図解するタイミング図である。 図４は、入力ＲＦパワーと図２で図示したタイプの炭酸ガスレーザからの出力光パルスのオシロスコープ波形である。 図５は、入力ＲＦパワーと図２で図示したタイプの炭酸ガスレーザからの出力光パルスのオシロスコープ波形である。 図６は、入力ＲＦパワーと図２で図示したタイプの炭酸ガスレーザからの出力光パルスのオシロスコープ波形である。 図７は、図２で図示したタイプの炭酸ガスレーザのパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）の関数としての平均出力パワーとビーム広がりのプロットである。 図８は、図２で図示したタイプの炭酸ガスレーザにより生成したビームの遠視野形状のプロットである。 図９は、レーザシステムの概略図で、単一の電源を用いてレーザとＡＯセルの双方にＲＦエネルギを供給する。 図１０は、ＲＦ電源で生成したエネルギの一部をＡＯセルに流用するのに用いられるＲＦタップの一形式の図である。 図１１は、図２で図示したが、図９に従って改変してあるタイプの炭酸ガスレーザの操作を図解するタイミング図である。 図１２は、入力ＲＦパワーと図２で図示したが、図９に従って改変してあるタイプの炭酸ガスレーザからの出力光パルスのオシロスコープ波形である。 図１３は、入力ＲＦパワーと図２で図示したが、図９に従って改変してあるタイプの炭酸ガスレーザからの出力光パルスのオシロスコープ波形である。

本発明は、従来型の電気光学Ｑスイッチの代わりに音響光学（ＡＯ）セルを用いてＱスイッチを行う炭酸ガスレーザに関する。

ＡＯセルは、Ｑスイッチする別のレーザでの先行技術で使われてきた。これは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザのような近赤外線固体レーザで用いられる極めて一般的な技術である。このような比較的短い波長（ＣＯ_２レーザ用の１０μｍと比べて１〜２μｍ）で、石英やＴｅＯ_４のような低光学損失のＡＯ材料のいくつかの候補がある。しかし、９〜１１μｍで現在のところ使える唯一のＡＯ材料は、単結晶ゲルマニウム（Ｇｅ）である。ゲルマニウムは一般的に良好な光学材料であるが、それでも、典型的には９〜１１ミクロン帯域でｃｍ当たり約１〜２％の、比較的高い赤外線（ＩＲ）吸収を有する。レーザビームが通過するゲルマニウムＡＯ結晶は、適当な音響パワーレベルでＡＯセルを通過するレーザビームの約８０％の偏向効率を得るために、典型的には５ｃｍの幅を有する。したがって、そのような結晶を通過することの結果としての光学損失は、ＣｄＴｅの場合の損失よりも高い桁の大きさである。一方、この吸収による不利益な光学レンズ効果はＣｄＴｅより比較的高いＧｅの熱伝導率で相殺される。結果として、ＧｅＡＯセルを通過したＣＯ_２レーザビームのゆがみは、ＣｄＴｅ・ＥＯセルを通過したＣＯ_２レーザビームに相当する。Ｇｅは４という比較的高い屈折率を有し、よって、その表面での反射防止コーティングがキャビティ内レーザ作用に必要である。Ｇｅは、ＣｄＴｅと比べると、結晶中の優れた光学品質均一性という長所を有する。また、ＣｄＴｅよりも遥かに大きなサイズで得られる。

光学損失にも関わらず、ゲルマニウムが、レーザキャビティ（空洞）の外部のビームの方向をコントロールするのにＣＯ_２レーザと共に、１５年間以上の間首尾よくかつ一般的に用いられてきた。それは、営業的マーキングや穿孔用途の高速ＣＯ_２レーザビームスキャニングシステムでレーザ光学キャビティの外部の光学ビーム偏向器としてもっとも一般的に用いられてきた（Raveilat および Del Vallesの「レーザビームによる移動物体のマーキング方式（System for Marking Moving Objects by Laser Beams）」という題名の米国特許第５，０２１，６３１号参照。また、米国特許第７，０５８，０９３号および米国特許第６，８２６，２０４号を参照し、いずれも本明細書に参照して組み込む。）。ＡＯセルはまた、ＣＯ_２レーザレーダーシステムのレーザの光学キャビティの外部の周波数シフタとして用いられてきた。

このＣＯ_２レーザ用途を助けるために、地味だが繁盛している供給元が高品質のＧｅ・ＡＯモジュレータを提供するように発展している。イントラ・アクション（Intra- Action）、イソメット（Isomet）およびブリムローズ（Brimrose）を含む多くの供給者が、かなりの量の市販の装置とこれに関連したＲＦドライバとを製造している。上記のシステムの多くにおいて、数１００ワットのスループットの光学パワーレベルがこれらの装置を貫通する。さらに、ＡＯ装置は、ＣＯ_２の波長においてＥＯ装置と比較してかなり経済的である。完成したＧｅモジュレータの費用は２０００米ドルもしない。対照的に、取り付ける前の適切なＣｄＴｅ結晶だけで、約６０００米ドルかかる。これに電子機器の費用が加わる。

Ｇｅモジュレータがレーザキャビティの外側で使われるという事実にも関わらず、そのようなモジュレータはＱスイッチを提供するのに市販のレーザシステムで使用されてはいないようである。意欲を減退させる大きな要素は、高品質のＧｅ装置においてでさえも光学損失が比較的高いことである（片道で数パーセント／ｃｍ）。このことにより、ＣｄＴｅＱスイッチＣＯ_２レーザと比較してレーザ出力が約２５％の減少となる。それにも関わらず、ＧｅモジュレータがＣＯ_２レーザ用のＱスイッチとして競合的に機能する状況があるかどうかを調査することを決めた。

我々の調査によれば、上記の光学損失の状況は、レーザビームを多数のジグザグ状の折り畳みから得られる高利得レーザの使用によりおよび／または導波管または自由空間ガウシアン・モード・レーザ共振器設計内のレーザ放電をスーパーパルスすることにより大いに軽減される。

典型的には、高利得ＣＯ_２レーザは、矩形、円形あるいは楕円形断面のいずれかを有するたくさんの狭いセラミック導波管からなる長いガス放出利得媒質を有し、光学的に直列に接続されるように多くの折り畳まれた形状に配列される。高利得はまた、レーザ放電をスーパーパルスすることによっても得られ、それにより折り畳みの数を少なくする選択肢も提供できる。光学折り畳みの使用により数メートルの長さの全レーザ利得長を得られる。

本出願人により製造されるタイプのレーザでは、各導波管チャネルあるいは経路の典型的な長さは、４５センチメートルのオーダーである。典型的な利得の量はセンチメートル当たり０．５パーセントのオーダーである。よって３パス共振器では、利得は１．０より十分に低い（４５×３×０．００５＝０．６７５）。しかし、５パス共振器を用いると、利得は約１．０になる。折り畳まれた形状が使われる場合には、よって少なくとも５パスあるいはそれ以上の共振器設計を用いるのが好ましい。

そのような高利得ＣＯ_２レーザから最適なエネルギを抽出するために、比較的高い（＞５０％）出力結合ミラー（すなわち、低反射性）を使用することが必要である。７パスあるいは９パス設計では、７５パーセント以上の出力結合を用いることができる。

ＡＯモジュレータをそのような高出力結合を有する高利得レーザの共振器に挿入することは、ＡＯセルを低利得（すなわち、短い）ＣＯ_２レーザに挿入するとしたよりも、全キャビティ損失の増加はかなり低いパーセントになるであろう。結果として、ＡＯ・Ｑスイッチ高利得ＣＯ_２レーザのレーザ効率は、ＡＯモジュレータが原因となる損失がレーザの出力結合よりかなり小さいので、短いレーザ（すなわち、低利得レーザ）で経験するであろうほどには悪くはない。このことは、全体でのキャビティ損失に対してＡＯセル光学損失が原因となる部分が少なめであるということになる。７５％出力カップリングミラーを有するＣＯ_２レーザでは、ＡＯモジュレータ損失による１５％〜２０％（例として）は、許容されるのに十分に小さい。

折り畳みレーザキャビティ設計あるいはスーパーパルス放電で達成可能な高利得ＣＯ_２レーザの設計の現在の能力と組み合わせて、上記の２パラグラフで述べた認識は、市場の条件を満たした小型でコンパクトなＱスイッチレーザパッケージとなり、本発明の重要な態様である。本発明は、材料加工用途に加え半導体産業のＥＵＶフォトリソグラフィー用途においてレーザ生成プラズマから極ＵＶ放射を生成するための高パルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）Ｑスイッチレーザアンプチェインのコスト効率のよいＱスイッチレーザ発振器として特に魅力がある。

図１は、音響変換器にＲＦ信号を加えた（すなわち、図１のスイッチＳは閉じられている）ＡＯモジュレータの機能を模式的に図示する。直径「ｄ」（例示として円形ビームと仮定する）、ＡＯセルの基部（すなわち、ＡＯセルの側面）と平行な極性の電場（Ｅ）およびパワー「Ｐｉ」を有する入力レーザビームは、波長Ｖａの音波のブラッグ角φ_ＢでＡＯセル中を伝播し、よってレーザビームの大部分は回折角θ＝（λｆ_ａ／ｖ_ａ）で反射し、ここで、λはＩＲ波長（すなわち、ＣＯ_２レーザで９〜１１ミクロン）、ｆ_ａとｖ_ａは音響周波数と音響速度（Ｇｅでは、ｖ_ａ＝５．５×１０^３ｍ／秒）である。ｆ_ａ＝４０ＭＨｚでは、θは典型的には、７７．１ｍｒａｄである。λ＝１０．６ミクロンでは、ブラッグ角φ_Ｂは、Ｇｅの４０ＭＨｚの音響周波数に対しほぼ３８．５ｍｒａｄである。音波の強度（Ｐａｃ）が回折したレーザパワー（Ｐ_ｏ〜Ｐ_ｉη）の量を決定し、ここで、ηは角度θで回折したＰ_ｉレーザパワーのパーセントである。典型的には、ηは、４０ＭＨｚの音響周波数と約３０ワットのパワーのＧｅにおいて１０．６ミクロンで約８０％である。

スループットビームの回折しないパワーは、Ｐ_１〜（Ｐ_ｉ−Ｐ_ｏ）である。回折したビームのパーセント「η」は次式から算定できる。
η＝ｓｉｎ^２［（１．５７（２／λ^２（Ｌ／Ｈ）ＭＰ_ａｃ）^１／２） 式１
ここで、Ｌ／Ｈは形状係数、Ｐ_ａｃは音響パワー、ＭはＧｅ材の性能指数＝１８０^１５ｍ^２／ワットである。

図１（ａ）のセルがレーザのフィードバック光学キャビティに挿入されるとすると、ＱスイッチＣＯ_２レーザの高い損失状態をもたらすであろう。

適切な操作のために、ＡＯセルは、導波管極軸に平行な偏向面に向けられる。セルを回転方向に調整して、キャビティ内ビームがブラッグ角でＧｅ結晶に入るようにする。パルス間で、ＲＦパワーをＡＯセルに適用することでレイジングを抑制し、ブラッグ角の２倍のビーム偏向となる。光学パルスを生成するのに、ＡＯセルへのＲＦパワーを短期間切り、ＲＦが切れた時間でパルス尾部の長さのを決める。

図１（ｂ）は、音響変換器にＲＦパワーを加えていない（すなわち、スイッチＳが開かれている）ＡＯモジュレータの機能を模式的に図示する。この場合、回折はなく、１次のＰ_ｏ〜Ｐ_ｉに対し光学吸収（すなわち、９〜１１ミクロンで１ｃｍ当たり１〜２％）および反射防止コートされた表面からの反射は無視する。以下に説明する例では、図１（ｂ）に示すようにＡＯセルへのパワーがないときにはレーザは低損失状態にある。

［実験用レーザの構造］
ＡＯ・Ｑスイッチ法の実行可能性を調べるため、既存の要素を用いて実証用レーザを組み立てた。組立品を図２に示す。レーザ利得セルは、全部で９の導波管Ｕ字型導波管スロット（３．２ｍｍ×３．２ｍｍ断面）付きの、複数に折り畳まれた形状に配列された、シールされたＲＦ励起導波管レーザ管で構成される。スロットは、セラミックのブロックに加工したチャネルで画定されるのが典型である。レーザハウジングの各端部の２つの大きなミラーＭ_１、Ｍ_２のそれぞれは、３つの折り畳まれた反射を提供する。出力カプラーＭ_０は、２５％の反射率（あるいは７５％カップリング）を有し、ＺｎＳｅ薄膜偏光板（ＴＦＰ）２０が、共振器の偏光と真空窓の両方を与える。ミラーのうちいくつかは、所望の９．２５μｍ波長でのレイジングを確かにするために特別なコーティングがなされる。

簡単化のため、図２には５パスだけの折り畳み共振器構造が示される。Ｍ_０は、アウトカップリング（出力結合）ミラーである。ミラーＭ_１、Ｍ_２は、２つの矩形ビーム折り畳みミラーで、ミラーＭ_３は、密封シールレーザハウジングの外側に配置され、レーザキャビティの高反射ミラーである。折り畳み導波管レーザのさらなる情報については次の同一出願人の特許に開示されており、それぞれを参照して組み込む：米国特許第６，７８８，７２２号および第６，７９８，８１６号。

利得セルは安定した基部構造に搭載された。標準の５．０ｃｍ幅Ｇｅ音響光学ビーム偏向器（イントラ・アクション＃ＡＤＭ−４０６Ｂ１）をチューブの端部で偏光板２０の隣に配列し、４０ＭＨｚの音響中心周波数で９．２５ミクロンのＩＲ波長で約３８ｍｒａｄあるブラッグ角となるように回転する。ピアノ端反射体（Ｍ_３）をＡＯセルの背面に配置して、共振器を完成した。ＡＯセルを、端部ミラーＭ_３と薄膜偏光板２０の間のＣＯ_２ガス混合物を含有する密封シールレーザチューブハウジングの外側にはめ込む。

標準の１００ＭＨｚ電源（パワーサプライ）２２を用いて、スイッチＳ_２を通じて約１ｋＷのＲＦパワーをＣＯ_２放射電極２４に供給した。さらに、標準の４０ＭＨｚ電源３０を用いて、ＡＯセルを約３０Ｗの最大パワーで駆動した。この後者のユニットは、外部パルス発生器で開閉し、所望の光学パルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）を与えた。

図２（ａ）のようにスイッチ「Ｓ１」を閉じると、レーザ放射はキャビティから外に回折する。これは、高い損失の状態であり、レーザは振動できない。スイッチ「Ｓ１」が開いていると（図２（ｂ））、セル内に音波がない。したがって、放射はレーザキャビティから外に回折しない。これは、低い損失状態であり、レーザは振動する。

この実験では、スイッチＳ２は全ての時間で閉じられたままであり、よって電源２２からのＲＦパワーはレーザ放電に連続的に供給された。スイッチＳ２を開閉することでレーザをスーパーパルスすることもできた。減少したデューティサイクルを用いてレーザを高いＲＦパワーで操作し高パワーピークパルスを生成することもできる。（スーパーパルス型の運転に関する追加の情報は、同一出願人の米国特許第６，８２６，２０４号に記載され、本明細書に参照して組み込む。）図２のスイッチＳ１、Ｓ２の開閉を同期することにより、レーザにより供給されるパルス形式に柔軟性が与えられる。

ＣＯ_２レーザ利得を生成するレーザ放電を駆動するＲＦパワー、音響パワーＰａｃ、のオンオフ時間の順序、結果としてのＱスイッチパルスタイミングと並んで音響時間遅延、および、これに関連したパルス尾部のクリッピングを図３に示す。図３（ａ）は、レーザへのＲＦパワーを示す。図３（ｂ）は、ＡＯセルへのパワーを示す。図３（ｃ）は、セル内のビーム位置でのＡＯセルの影響を表すようにしている。より具体的には、そして下記に説明するように、セルの変換器にパワーが印加される時間と音波がレーザビームに到達する時間との間に遅延がある。逆に言うと、パワーが変換器から取り去られる時間と音波の中断がレーザビームに到達する時間との間には同様の時間遅延がある。したがって、レーザは、変換器へのパワーが取り除かれた直後に低い損失状態になるのではなく、時間遅延がある。図３（ｄ）はレーザ出力を示す。

図３（ａ）の時間ｔ_１において、レーザのＲＦ電源へのＲＦパワーはオンになる。あくまでも一例として、レーザ放電へのＲＦパワーはオンのままであると仮定する。初期の時間「ｔ_０」で（図３（ｂ）参照）ＡＯセルへのパワーは、既にオンであり、時間ｔ_ＨＬの間オンであり続ける。時間ｔ_１で、放電へのＲＦパワーがオンとなると、オフにされる。時間「ｔ_ＬＬ」間待ったのち（図３（ｂ）参照）、ＡＯセルは時間ｔ２でオンに戻される。音波は、変換器からの距離「Ｄ」でレーザ放射と交わる（図１（ｂ）参照）ので、音波がレーザ放射と交差する点に到達するまでにかかる時間のために時間遅延ｔ_Ｄ＝Ｄ／Ｖａがある（図３（ｃ）参照）。音波がレーザビームの位置を交差するときに、図１（ａ）のようにキャビティから外側への放射の回折のために高い損失を生ずる。上位のレーザの分布が「ｔ_ＨＬ」時間の間（ｔ_１とｔ_３の間）に増幅される。

ｔ_０およびｔ_ＨＬの時間遅延の後、時間ｔ_３に対応して、時間ｔ_１で開始された音波の中断がレーザビームに到達し、図１（ｂ）のようにレーザを低い損失状態に切り替える。その結果、レーザは振動し、光パルスを生成し始める。時間「ｔ_４」で、時間ｔ_２で始まった音波はセル内のレーザビームに到達し、光が共振器経路から外部に回折されるのでレーザを再び高い損失状態にする。このことにより、普通時間「ｔ_５」で終わるＱスイッチレーザパルスの尾部は、時間「ｔ_４」に短縮される。レーザパルス尾部の終了時間は、「ｔ_ＬＬ」の期間、すなわちＡＯセルがオフにされる期間により調整される。

［実験結果］
９つの折り畳み導波管ＣＯ_２レーザについての、典型的なＱスイッチ操作を示すいくつかのオシロスコープの出力波形を図４、図５に示す。２つの図のそれぞれで、上側の出力波形（図４（ａ）、５（ａ））は、約４０ＭＨｚの変換器ＲＦ駆動信号である。４０ＭＨｚ信号はインライン方向性結合器を用いて得られた。各図の下側の出力波形（図４（ｂ）、５（ｂ））は、Qスイッチレーザパルスである。図４のスイープ速度は大区分当たり４００ナノ秒で、図５では大区分当たり１０マイクロ秒である。ＡＯセルへのＲＦパワーを３０Ｗに維持して、高い損失状態を保ち、レーザが上位のレーザの分布以上に大きくなるようにする。セルへのＲＦ駆動はその後に約８００ナノ秒の間隔、閉じられる。Ｑスイッチレーザパルスは、約２，２５０ナノ秒後に生ずることに注意を要する。この遅延の大部分は、Ｇｅ結晶内の音波がキャビティ内レーザビームに到達する有限伝達時間および音波がレーザビームの直径を横断するのに要する伝達時間のためである。Ｇｅ内の音波の速度は５５００ｍ／秒であり、一方、実験で用いたレーザのビーム直径は約２ｍｍ幅である。ＲＦドライバ効果やレーザの光学増幅時間による遅延もある。

図４（ｂ）は、結果としてのＱスイッチレーザパルスが、従来の電気光学Ｑスイッチで得られるのと同等である、１１０ｎｓＦＷＨＭのオーダーの幅を有することを示す。しかし、パルスの尾部は、ＥＯ・Ｑスイッチのように急速にカットオフされるよりもむしろ、かなり長めの時間でロールオフされる傾向がある。このことはまた、Ｇｅ結晶で有限の音響通過時間のためでもある。この比較的長い通過時間が、結果としての光学パルス時間が、ＥＯキャビティダンプ型の２０ｎｓより小さいのと反対に１００ｎｓのオーダーであるので、同時のレーザのＱスイッチとキャビティダンプ操作とでの音響光学セルの使用を魅力的ではなくすることにも、注意を要する。図５は、５０ｋＨｚＰＲＦでのＱスイッチ操作を示す。

図６のオシロスコープ出力波形は、速いスイープ速度、すなわち、１００ナノ秒大目盛でＱスイッチパルスを示す。

図４〜６から分かるように、ＡＯセルで広範囲なパルス形式を指示できる。このことは、レーザ出力を駆動するパルスＲＦと同期したパルス・バーストを含み、ＡＯ・ＱスイッチにＥＯ・Ｑスイッチと同等のフレキシビリティを与えるようにユーザインターフェースから起動される外部パルスと結合される。

１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚのＰＲＦを有する平均出力のプロットとそれに対応する２次元（ｘ、ｙ軸）の遠視野ビーム広がりが、図７に提供される。このデータは、１０ｋＨｚから１００ｋＨｚから２分毎に１０ｋＨｚのステップで大きくされたＡＯモジュレータのパルス繰り返し周波数で取られたものである。３０Ｗを超える最大パワーが、テストラン中８００ナノ秒で一定に保たれた各パルスに対するＲＦのない時間で、最大速度で得られた。上記から分かるように、両軸でのビーム広がりは、全運転範囲にわたり基本的に一定のままである。このことにより、Ｇｅ・ＡＯ結晶の熱レンズは、少なくともこれらのパワーレベルにおいては、共振器の全体的安定性を顕著に悪化するほどに大きく問題ではないことが示される。

５０ｋＨｚＰＲＦで２７Ｗ出力パワーでのｘ軸およびｙ軸の遠視野出力ビーム形状を図８に示す。図８は、ビームが両軸でガウシアンに近いことを示す。

［共通の電源］
上記で説明した図２の実施の形態では、２つの電源が示されている。より詳細には、電源２２が電極に高パワー入力を供給し、電源３０がＡＯセルに低パワー入力を提供する。上記で説明した例では、電源２２は１００ＭＨｚの周波数で運転され、電源３０は４０ＭＨｚで運転された。両電源はＲＦパワーを生成するので、レーザを単一周波数で単一電源により運転することも可能である。この方法は、レーザを単純化し、コストを大きく低減する。１つの電源を用いることにより、パルス形状を変化させる自由度はいくらか減少する。

図９は、レーザシステムの基本物理的配置を模式的に示し、放電を励起し、本発明のＱスイッチを起動するのに電源だけを用いる。電源５０からの出力は１つのスイッチ「Ｓ」を通過する。スイッチＳからのＲＦ信号は、一連のトランジスタ出力アンプ５２を通過し、レーザの出力に供給されるのに好ましいパワーを得る。アンプからの出力パワーＰは典型的には約１ｋＷである。ＲＦタップで僅かなパーセント「η」、すなわちＰの出力の数パーセントが取り出され、ＡＯセルへ供給されるパワーが、Ｐａ＝ηＰ、ここで、ηは取り出されたパワーＰのパーセント、となる。このことによりパワー（ＰＬ）は、ＰＬ＝（１−η）Ｐ_Ａとしてレーザ出力に提供される。典型的な値しては、Ｐ＝１ｋＷ、ＡＯセル用にはＰａ＝η（Ｐ）=５０Ｗである。１００ＭＨｚで、ＡＯセルは、たとえば、１００ＭＨｚで動作するイントラ・アクション社（IntraAction Corp.）のＡＯセル・モデルＡＧＭ-１００５Ａ２１−５１でよい。η＝０．０５で、１００ＭＨｚで駆動されるレーザ放電用にはＰ_Ｌ＝９５０Ｗを生ずる。

ＡＯセル用のおおよそ１３ｄＢのＲＦタップは、たとえば送電線やプリント基盤技術で製造されるＲＦ方向性結合器あるいは取り出し単巻変圧器などのＲＦ技術分野で周知の種々の方法で、あるいは取り出し容量ブリッジであるいはインダクタ／コンデンサ回路網等で得られる。

一例として、図１０は１ｋＷＲＦ電源の出力からのパワーの僅かな量を５０Ｗのパワーを必要とするＡＯセルを駆動するのに結合する、１３ｄＢの単巻変圧器ＲＦタップ（取り出し）法を説明する。固定ターンタップ（図示せず）あるいは手動誘導コイルタップ（図１０に示すような）を使って、ＡＯセルを駆動するのに必要な少量のＲＦパワーを結合する。そのような単巻変圧器ＲＦタップ技術はＲＦの技術分野で周知である。

図９に戻ると、スイッチＳを閉じるとＲＦパワーをＣＯ_２レーザとＡＯセルの両方に供給する。ＡＯセルはその後スイッチが入れられるので、レーザ振動を阻止し、それにより上位のレーザの過剰分布を増幅する。レーザの上位での過剰分布が最大化したとき、Ｓが開かれ、レーザとＡＯセルとのスイッチを同時に切る。続いて、音響変換器から伝播する音波に付随する時間遅れが、レーザビームがＡＯセルを伝播するところを通過するとすぐに、レーザ振動が始まる。Ｇｅ中の音波速度は約５．５×１０^５ｃｍ／秒であり、よって、音波が１ｃｍ進むのに約１．８マイクロ秒かかる。

図１１は、本発明の事象の時間順を示す。時間ｔ_０で図９のスイッチＳが閉じられ、よって図１１（ａ）に示すようにＲＦ電源（すなわち、１ｋＷとする）からＲＦパワー「Ｐ」が供給される。Ｐの「η」パーセントがＡＯセル用に取り出されるので、レーザ放電に供給されるＲＦパワーはＰ_Ｌ＝（１−η）Ｐであり、ＡＯセルに供給されるパワーはＰ_ａ＝ηＰである（図１１（ｂ）参照）。たとえば、η＝０．０５とすると、ＲＦ電源（ＰＳ）の１ｋＷに対してＰ_Ｌ＝９５０Ｗ、Ｐ_ａ＝５０Ｗを生ずる。ＲＦパルスの時間間隔は、図１１（ａ）でＴ_ｂｕとして示される。このパルスの振幅は、低められたデューティサイクルのために（上記で説明したスーパーパルス運転）ＲＦサプライの平均パワーの２倍である。

ＡＯセルを伝播するレーザビームは音響変換器から多少離れているので、音波が、レーザビームが時間ｔ_１で光学共振器を高損失状態に遷移するのを妨害する前に、時間遅れ（Ｔ_Ｄ）がある（図１１（ｃ）参照）。時間ｔ_１でレーザの上位状態の分布が増幅され始め、時間ｔ_２で最大値に達し、その後にそのレベルが下がる（図１１（ｄ）参照）。時間ｔ_３でレーザ放電とＡＯセルへのＲＦパワーはスイッチＳを閉じることにより切断される。ＡＯセル内のパルスの音波の伝播は、時間Ｔ_４までＴ_Ｄに等しい期間レーザビームを通過し続ける。レーザ放電へのＲＦパワーは時間ｔ_３で止まっているので、上位のレーザの分布は、ｔ３−ｔ４間の時間の増幅自然放出のために下落し始める。時間ｔ_４で、Ｑスイッチは透過し始め、レーザは低損失状態になる。この点で、レーザ振動が始まり、出力が増幅され、パルスとして抽出される。Ｑスイッチパルスのピークは、図１１（ｅ）に示すように時間ｔ_５で生ずる。レーザの上位状態の存続期間は数１０マイクロ秒であるが、ｔ_３とｔ_４の時間差は数マイクロ秒より小さいので、ｔ_３とｔ_４間のエネルギ損失は少ない。

Ｑスイッチパルスの尾部に含まれる残留放射線は、この例ではｔ_６とｔ_７の間に自然に終了する。この例では、スイッチＳは時間ｔ_６で閉じられるが、Ｑスイッチは、上記で説明した時間遅れＴ_Ｄのために時間ｔ_８まで透過状態のままである。したがって、この例では、尾部クリッピングはない。以下に説明するように、ＲＦパワーが切られる時間（ｔ_３）とオンに戻される時間（ｔ_６）との間の間隔が減じられると、ＡＯセルはパルス尾部の終了の前に高損失状態に切り替わり、尾部は削られるであろう。パルスの尾部を削ることは、性能、特に孔開け加工の性能を向上する。

図１２は、レーザのＲＦ放電とＡＯセルに同時にＲＦパワーを供給した後の実時系列を示す実験データを提供するのに相等する。使用されたレーザシステムは、図４と図５で出力波形を生成するのに用いたものと類似するが、レーザのＲＦ放電とＡＯセルに単一の電源を用いるように変形された。上部の出力波形（図１２（ａ））はＲＦパワーで、下部の出力波形（図１２（ｂ））はレーザパルスである。

図１２の実験例で、ＲＦパワーはＴ_ｂｕ=１２．８マイクロ秒の間オンで、ＰＲＦは１／２０マイクロ秒あるいは５０ｋＨｚで、ＲＦパワーが切られる時間間隔はおおよそＴ_０＝７．２マイクロ秒である。図１２（ｂ）は、ＲＦＰＳからのＲＦパルスの５０ｋＨｚＰＲＦで生ずるＱスイッチレーザパルスを示す。Ｑスイッチパルスの出現の時間遅れは、ＲＦパルスが切られた後約３．２マイクロ秒である。この時間遅れは、図１１に示すように音波伝播時間Ｔ_ＤにＱスイッチパルスがレーザ光学キャビティ内に自然放射ノイズから増幅されるのに必要な時間（ＴＬ）を足した合計である。図１２（ｂ）では、Ｑスイッチパルスの長い尾部が、２番目のＲＦパルスがオンになった後２．４マイクロ秒で切られていることに注意を要する。時間遅れ（Ｔ_Ｄ）は、音波がＡＯセル内でレーザビームを横切るのに必要な時間である。

図１３はＴ_ＢＵがおおよそ１８．４マイクロ秒にまで増加し、よって図１２に示したのと同じＰＲＦ=５０ｋＨｚに対してＴ_０がおおよそ１．６マイクロ秒に減少したときに生ずる時系列のデータを図示する。ＲＦの切れている時間Ｔ_０がこの例では、図１２のものより短いので、２番目のパルスがパルス尾部に関してすぐに生じ、よって、図１２で示すよりもすぐに尾部の放射線を「削り取る」。レーザ放電とＡＯセルの両方へ供給されるＰＲＦとＲＦパルスの長さと、この単一ＲＦＰＳ／単一スイッチの尾部のＰＲＦと放射線長さとを変化させることで、ＡＯ・Ｑスイッチレーザシステムを用途に合わせて変化させることができる。

本発明を好適な実施の形態と関連して説明したが、当業者により、添付の特許請求の範囲に確定された本発明の範囲と思想から変わることなしに、種々の変更と改変とがなされ得る。

Claims (15)

1. ＣＯ_２を含む気体利得媒質を内包するハウジングと；
   高反射体と出力カプラーとを含むレーザ共振器と；
   前記利得媒質を励起する励起配置と；
   前記レーザ共振器に配置される音響光学（ＡＯ）セルであって、ＣＯ_２の基本波長特性で実質的に透過性のＡＯ材料を含むＡＯセルとを備え；
   前記ＡＯセルを用いて前記共振器を高損失状態と低損失状態との間で切換え、Ｑスイッチパルスを生成する；
   ＣＯ_２レーザ。
2. 前記ＡＯ材料はゲルマニウムである；
   請求項１のＣＯ_２レーザ。
3. 単一電源を用いて前記利得媒質を励起しＡＯセルにパワーを与える；
   請求項１のＣＯ_２レーザ。
4. 前記電源はＲＦエネルギのパルスを生成する；
   請求項３のＣＯ_２レーザ。
5. 前記出力カプラーは少なくとも７５パーセントの出力結合を提供する；
   請求項１のＣＯ_２レーザ。
6. ＣＯ_２を含む気体利得媒質を内包するハウジングと；
   前記利得媒質を励起する一対の空間的に離間した電極と；
   高反射体と出力カプラーとを含むレーザ共振器であって、前記出力カプラーは少なくとも５０パーセントの出力結合を提供し、前記共振器は少なくとも２つの折り畳みミラーをさらに含み前記利得媒質を通過する少なくとも５パスの折り畳み共振器形状を作る、レーザ共振器と；
   前記電極にエネルギを提供し少なくとも１．０のレーザ利得を生成するＲＦ電源と；
   前記レーザ共振器に配置される音響光学（ＡＯ）セルであって、ＣＯ_２の基本波長特性で実質的に透過性のＡＯ材料を含むＡＯセルとを備え；
   前記ＡＯセルを用いて前記共振器を高損失状態と低損失状態との間で切換え、Ｑスイッチパルスを生成する；
   ＣＯ_２導波管レーザ。
7. 前記ＡＯ材料はゲルマニウムである；
   請求項６のＣＯ_２導波管レーザ。
8. 前記ＲＦ電源のエネルギのある部分をＡＯセルにエネルギを与えるように流用するタップをさらに含む；
   請求項６のＣＯ_２導波管レーザ。
9. 前記電源がＲＦエネルギのパルスを生成する；
   請求項８のＣＯ_２導波管レーザ。
10. 二酸化炭素ガスを含むハウジングと；
    前記レーザガスを励起してレーザビームを生成する一対の空間的に離間した電極と；
    前記電極の間に位置し、少なくとも５つの導波管経路を画定するセラミック要素と；
    高反射体と出力カプラーとレーザビームを導波管経路に沿わせる複数の折り畳みミラーを含み、前記レーザの利得は１．０より大きく、前記出力カプラーは少なくとも５０パーセントの出力結合を提供する、レーザ共振器と
    前記レーザ共振器に配置される音響光学（ＡＯ）セルであって、ＣＯ_２の基本波長特性で実質的に透過性のＡＯ材料を含むＡＯセルとを備え；
    前記ＡＯセルを用いて前記共振器を高損失状態と低損失状態との間で切換え、Ｑスイッチパルスを生成する；
    二酸化炭素導波管レーザ。
11. 前記ＡＯ材料はゲルマニウムである；
    請求項１０の二酸化炭素導波管レーザ。
12. レーザ共振器内に配置されたＣＯ_２を含む気体利得媒質を有するレーザからＱスイッチパルスを生成する方法であって、前記レーザは前記利得媒質を励起する一対の電極にエネルギを供給するＲＦ電源を含み、前記レーザは前記レーザ共振器に配置された音響光学（ＡＯ）セルをさらに含み、前記ＡＯセルを用いて前記共振器を高損失状態と低損失状態との間で切換えＱスイッチパルスを生成し、前記方法は：
    前記利得媒質を励起するのに前記電極にＲＦパワーのパルスを供給する工程と；
    前記パルスからＲＦパワーの一部を取り出し、その取り出したパワーを前記ＡＯセルに供給する工程とを備え；
    前記パルスのタイミングは、レーザがＱスイッチレーザパルスを生成するように選定される；
    方法。
13. 前記ＡＯ材料がゲルマニウムである；
    請求項１２のレーザ。
14. ＣＯ_２を含む気体利得媒質を内包するハウジングと；
    前記利得媒質を励起する一対の電極と；
    前記利得媒質を取り囲むレーザ共振器と；
    エネルギを電極に供給するパルスＲＦ電源と；
    前記レーザ共振器に配置される音響光学（ＡＯ）セルであって、ＣＯ_２の基本波長特性で実質的に透過性のＡＯ材料を含み、前記ＡＯセルを用いて前記共振器を高損失状態と低損失状態との間で切換えＱスイッチパルスを生成する、ＡＯセルと；
    前記ＲＦ電源からのパルスのエネルギの一部を流用して前記ＡＯセルを運転するタップとを備える；
    ＣＯ_２レーザ
15. 前記ＡＯ材料がゲルマニウムである；
    請求項１４のレーザ。

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