JP2012529757A - 安定した可変波長高出力パルスレーザーシステムのための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

レーザーシステムは、出力部を有し、第１の波長、第１の線幅、出力電力によって特徴づけられるレーザー出力を生成するように動作可能な注入型レーザー光源を含む。このレーザーシステムは、利得帯域幅によって特徴づけられる可変波長パルス光源も含む。この可変波長パルス光源は、平均電力を有する出力信号を生成するように動作可能である。この出力信号は、複数の光パルスを含む。複数の光パルスのそれぞれが、第２の波長、第２の線幅、及びピーク電力によって特徴づけられる。このレーザーシステムは、注入型レーザー光源の出力部に結合された第１のポート、可変波長パルス光源に結合された第２のポート、及び第３のポートを有する光結合器をさらに含む。
【選択図】 図１

Description

関連出願の相互参照

[0001]本出願は、２００９年６月１１日出願の「Ｓｔａｂｌｅ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ」という名称の米国特許仮出願第６１／１８６，３１７号の優先権を主張するものであり、この開示の全体が、すべての目的のために参照によってここで組み込まれる。

[0002]Ｎｄ：ＹＡＧレーザーなどのパルスレーザー光源は、マーキング、エングレービング、微細加工、及び切断などの用途向けにレーザーベースの材料加工を遂行するのに用いられている。１パルス当たり０．５ｍＪ超のパルスエネルギーによって特徴づけられる多くの既存の高出力パルスレーザーは、光パルスを生成するために、Ｑスイッチ及びモードロックなどの技法に依存する。しかし、このようなレーザーは、空洞の寸法形状、ミラーの反射率などで前もって定義された特性を有する光パルスを生成する。そのため、一般に、このようなレーザーパルスの特性が磁界で変化されると、レーザー性能が損なわれることになる。このようなレーザーを用いて様々な可変パルス特性を実現するのは、一般に困難である。

[0003]ダイオードレーザーなどのパルスレーザー光源は、パルス状の電子的駆動信号を形成することにより、簡単な手法でパルス化することができる。しかし、このようなパルスレーザー光源からの信号の中心波長は変化する可能性があり、信号線幅も、駆動信号の電流レベルに強く依存し得る電子的駆動信号が与えられるとき広くなる可能性がある。このような広がった線幅の望ましくない結果の１つに、周波数の倍増、３倍増などを用いる高調波発生の効率がかなり低下することがある。したがって、当技術分野には、可変波長のパルス特性を有する安定したパルスレーザー光源を開発する必要性がある。

[0004]本発明によれば、可変波長レーザー光源の分野に関する方法及びシステムが提供される。より詳細には、本発明は、トリミング、マーキング、切断、及び溶接などの工業的応用に有用な高出力パルスレーザー光源を提供するための方法及び装置に関する。単なる一例として、本発明は、パルス幅、ピーク出力、繰返し率、時間パルス波形、偏光、波長、及び／又はスペクトルの線幅を含む、リアルタイムで調整可能な特性を有するレーザー光源に適用されている。しかし、本発明は、より広範な適用可能性を有し、他のレーザー光源に適用することができる。

[0005]本発明の一実施形態によれば、レーザーシステムは、出力部を有し、第１の波長、第１の線幅、出力電力によって特徴づけられるレーザー出力をもたらすように動作可能な注入型レーザー光源を含む。このレーザーシステムは、利得帯域幅によって特徴づけられる可変波長パルス光源も含む。この可変波長パルス光源は、平均電力を有する出力信号をもたらすように動作可能である。この出力信号は、複数の光パルスを含む。複数の光パルスのそれぞれが、第２の波長、第２の線幅、及びピーク電力によって特徴づけられる。このレーザーシステムは、注入型レーザー光源の出力部に結合された第１のポート、可変波長パルス光源に結合された第２のポート、及び第３のポートを有する光結合器をさらに含む。

[0006]本発明の別の実施形態によれば、複数の信号パルスを生成する方法が提供される。この方法は、光学的放射を生成するステップと、光学的放射を光結合器の第１のポートへ結合するステップと、光学的放射信号を光結合器の第１のポートから第２のポートへ伝送するステップとを含む。また、この方法は、第２のポートからの光学的放射信号を可変波長パルス光源に結合するステップと、複数の信号パルスを発生するステップと、複数の信号パルスを第２のポートに結合するステップとを含む。この方法は、複数の信号パルスを光結合器の第２のポートから第３のポートへ伝送するステップと、複数の信号パルスを第３のポートから出力するステップとをさらに含む。

[0007]本発明の代替実施形態によれば、増幅され、且つ安定化されたレーザーパルスを生成する方法が提供される。この方法は、注入型レーザー光源から光学的放射信号を生成するステップと、光学的放射信号に基づいて可変波長パルス光源を安定化して、安定化された信号パルスを生成するステップとを含む。また、この方法は、光ファイバ増幅器の安定化された信号パルスを増幅するステップと、増幅され、且つ安定化された信号パルスを出力するステップとを含む。

[0008]本発明の別の実施形態によれば、レーザーパルスを生成するためのレーザーシステムが提供される。このレーザーシステムは、第１の波長、第１の線幅、第１の電力、及び出力によって特徴づけられる注入型レーザー光源を含む。用語「注入型レーザー光源」と「安定化光源」は、本明細書では互換性があるように用いられる。このレーザーシステムはまた、中心波長、利得帯域幅、及び第２の電力によって特徴づけられる可変波長パルス光源を含む。この可変波長パルス光源は、それぞれが第２の波長及び第２の線幅よって特徴づけられる１組の光パルスを含む出力信号を有する。このレーザーシステムは、注入型レーザー光源の出力部に結合された第１のポート、可変波長パルス光源に結合された第２のポート、及び第３のポートを有する光結合器をさらに含む。光結合器として機能することができる複数の可能な構成要素又は構成要素の組合せが存在し、例えば光結合器は光サーキュレータでもよい。あるいはまた、光結合器はタップ結合器でもよい。しかし、本発明は、これら特定の光結合器に限定されない。このレーザーシステムは、第３のポートに結合された光増幅器をさらに含んでもよい。この光増幅器は、ポンプ光源、可変波長パルス光源からの出力信号を受け取るように構成された入力部分を有する光学活性されたファイバ及び出力部分を含む。このポンプ光源は、光学活性されたファイバに光学的に結合される。

[0009]本発明の一実施形態によれば、レーザーパルスを生成する方法が提供される。この方法は、注入型レーザー源からの光放射信号の安定化をもたらすステップと、安定化する光放射信号を光結合器の第１のポートへ結合するステップと、安定化する光放射信号を光結合器の第１のポートから第２のポートへ伝送するステップとを含む。また、この方法は、第２のポートからの安定化する光放射信号を可変波長パルス光源に結合するステップと、可変波長パルス光源を使用して、安定化された信号パルスを発生するステップと、安定化された信号パルスを第２のポートに入力するステップとを含む。この方法は、安定化された信号パルスを光結合器の第２のポートから第３のポートへ伝送するステップと、第３のポートから安定化された信号パルスを生成するステップとをさらに含む。

[0010]本発明の一実施形態によれば、安定した可変波長パルスレーザー光源が提供される。この可変波長パルスレーザー光源は、安定化する光学的放射を発生するように構成された安定化光源を含む。この可変波長パルスレーザー光源はまた、波長、スペクトルの線幅、偏光、パルスエネルギー、パルス持続時間、パルス電力の時間プロファイル、又は他の特性を含む所望の特性を有する１つ又は複数の信号パルスを生成するように構成された信号光源（可変波長パルス光源とも称される）を含む。この可変波長パルスレーザー光源は、信号光源によって供給される出力放射を増幅するのに役立つ光増幅器をさらに含む。安定化光源は、信号光源によって生成される放射の１つ又は複数の特性を制御する。制御され得る特性の例には、波長、スペクトルの線幅及び偏光が含まれ得るが、制御される特性は、これらの特定の特性又は特徴には限定されない。

[0011]本発明のさらなる実施形態によれば、安定した可変波長高出力パルスレーザーの材料加工システムが提供される。この加工システムは、第１の光信号を生成するための安定化パルスレーザー光源を含む。第１の光信号は、複数の光パルスを含む。光パルスのそれぞれが、安定化された波長及び安定化された線幅を有する。この加工システムは、第２の光信号を生成するための、安定化パルスレーザー光源に結合された波長変換器も含む。第２の光信号は第１の光信号に関連づけられる。この加工システムは、波長コンバータから第２の信号を受け取って、第２の信号を含むレーザービームを出力するように構成された光学システム、及び加工物を支持するための加工物保持具も含む。加工物は、光学システムからレーザービームを受け取るように構成される。この加工システムはまた、安定化パルスレーザー光源に結合された電子的な信号光源駆動回路と、電子的な信号光源駆動回路、安定化パルスレーザー光源、光学システム、及び加工物保持具に接続されたコントローラとを含む。この加工システムは、加工物の加工を監視するためにコントローラに接続されたセンサをさらに含む。

[0012]一実施形態によれば、このレーザー加工システムは、第１の波長、第１の線幅、第１の電力、及び出力によって特徴づけられる注入型レーザー光源も含む。このレーザー加工システムは、中心波長、利得帯域幅、及び第２の電力によって特徴づけられる可変波長パルス光源をさらに含み、可変波長パルス光源は、複数の光パルスを含む出力信号を有する。光パルスのそれぞれが、第２の波長及び第２の線幅によって特徴づけられる。このレーザー加工システムは、注入型レーザー光源の出力部に結合された第１のポート、可変波長パルス光源に結合された第２のポート、第３のポート、及び第３のポートに結合された光増幅器を有する光結合器を付加的に含む。光増幅器は、ポンプ光源、可変波長パルス光源からの出力信号を受け取るように構成された入力部分を有する光学活性されたファイバ及び出力部分を含み、ポンプ光源は、光学活性されたファイバに光学的に結合されている。

[0013]本発明を用いて、通常の技法に対して多数の利点が達成される。例えば、本発明による一実施形態では、比較可能な性能特性を有するレーザーと比較して廉価でコンパクトな構成を利用する、レーザー加工に適した高出力パルスレーザーが提供される。さらに、本発明の実施形態によれば、安定した中心波長及び狭いスペクトルの線幅を含むパルス特性を有する短パルスが発生される。含まれ得る他の特徴には、偏光の安定化及び偏差の低減が含まれる。さらに、本発明の実施形態によれば、パルスの時間プロファイルを特定の用途向けに最適化するか、レーザーシステムのエネルギー抽出効率を最大化するか、或いは光増幅器の飽和を補償するように、光パルスを成形することができる。実施形態次第で、これらの利点の１つ又は複数が存在し得る。これらの利点及び他の利点は、本明細書の全体を通して説明され、以下でより詳細に説明される。本発明の、様々なさらなる目的、特徴及び利点が、以下の詳細な説明及び添付図面を参照して、より完全に理解され得る。

本発明の一実施形態による光ファイバ増幅器を使用する、可変波長パルス特性を有する高出力の安定したパルスレーザー光源の簡易概略図である。 本発明の別の実施形態による光ファイバ増幅器を使用する、可変波長パルス特性を有する高出力の安定したパルスレーザーシステムの簡易概略図である。 本発明のさらに別の実施形態による光ファイバ増幅器を使用する、可変波長パルス特性を有する高出力の安定したパルスレーザーシステムの簡易概略図である。 本発明の代替実施形態による光ファイバ増幅器を使用する、可変波長パルス特性を有する高出力の安定したパルスレーザーシステムの簡易概略図である。 Ａ〜Ｄは本発明の実施形態によって生成される時間パルス波形の例を示す図である。 Ａは安定化なしの様々な信号パルスの代表的なスペクトル特性を示す図であり、Ｂ及びＣは注入型レーザー光源を使用して安定化された信号パルスの代表的なスペクトル特性を示す図である。 本発明の一実施形態によって安定化されたレーザーパルスを生成する方法を示す簡易流れ図である。 本発明の一実施形態により、増幅され、且つ安定化されたレーザーパルスを生成する方法を示す簡易流れ図である。 本発明の一実施形態による高出力の安定したパルスレーザー加工システムの簡易概略図である。 Ａ〜Ｃは図９に示されたレーザーシステムを使用して加工された例示的２層構造体の簡易図である。 図９に示されたレーザーシステムを使用して開けられたバイアホールを有する例示的多層回路基板の簡易図である。 本発明の一実施形態による、光ファイバ増幅器を使用する、可変波長パルス特性を有する高出力の安定したパルスレーザー光源の簡易概略図である。 本発明の一実施形態による、光ファイバ増幅器を使用する、可変波長パルス特性を有する高出力の安定したパルスレーザー光源の簡易概略図である。 本発明の一実施形態により、増幅され、且つ安定化されたレーザーパルスを生成する方法を示す簡易流れ図である。

[0029]図１は、本発明の一実施形態による、光ファイバ増幅器を使用する、可変波長パルス特性を有する高出力パルスレーザーシステムの簡易概略図である。高出力の安定化されたパルスレーザー１００は、安定化する光学的放射を発生する注入型レーザー光源１１０を含み、同放射は、光結合器１２０の第１のポート１１４に注入されて光結合器１２０の第２のポート１１６へ伝送される。一実施形態では、結合器は、３つ以上のポートを有するサーキュレータであり得る。このようなサーキュレータは、ニュージャージー州コールドウェルのＯＦＲ社のモデルＯＣ−３−１０６４−ＰＭとして利用可能である。本発明の一実施形態によれば、安定化する光学的放射は、安定化光源とも称される注入型レーザー光源１１０を使用することにより発生される連続波（ＣＷ）の半導体レーザーである。

[0030]一実施形態では、注入型レーザー光源１１０は、２０ｍＷの出力電力及び７０ｐｍのスペクトルの線幅を有して１０６４ｎｍの波長で動作する、ファイバブラググレーティング（ＦＢＧ）で安定化された半導体ダイオードレーザーを含む。

[0031]別の特定の実施形態では、注入型レーザー光源１１０は、１００ｍＷの出力電力及び１５０ｐｍのスペクトルの線幅を有して１０６４ｎｍの波長で動作する、外部空洞の半導体ダイオードレーザーを含む。さらなる特定の実施形態では、注入型レーザー光源１１０は、ファイバグレーティングを用いて周波数安定化された、２０ｍＷの出力電力及び５０ｐｍのスペクトルの線幅を有して１０６４ｎｍの波長で動作するファイバレーザーを含む。

[0032]代替実施形態では、注入型レーザー光源１１０は、分布帰還型（ＤＦＢ）ダイオードレーザー又はコンパクトな狭い線幅の固体レーザーを含む。注入型レーザー光源は、可変波長でもよい。本発明は、注入型レーザー光源がファイバ結合されることを要件とはしない。別の実施形態では、注入型レーザー光源は、空間伝搬光通信を用いて結合された、垂直空洞面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）又は短い空洞の固体レーザーなどの光源であり得る。当業者なら、多数の変形形態、変更形態、及び代替形態を理解するであろう。

[0033]高出力の安定化されたパルスレーザー１００は、安定化する光学的放射を注入型レーザー光源１１０から第２のポートを介して結合することにより、安定化された信号パルスを発生する、可変波長パルス光源１３０（信号光源とも称される）をさらに含む。可変波長パルス光源１３０からの安定化された信号パルスは、光結合器１２０の第２のポート１１６に供給されて光結合器１２０の第３のポート１１８へ伝送される。

[0034]可変波長パルス光源１３０は、注入型レーザー光源１１０と類似のタイプ又は別の構成であり得る。特定の実施形態では、可変波長パルス光源は、１Ｗのピークパルス電力と、５００ｋＨｚまで可変の繰返し率と、サブナノ秒のパルス上昇時間で１００ナノ秒のパルス幅とを有する１０６４ｎｍの波長で動作する半導体ダイオードレーザーである。別の実施形態では、可変波長パルス光源のピーク光パワーは、１Ｗより小さくても大きくてもよい。例えば、５００ｍＷ、１Ｗ、２Ｗ、３Ｗ、４Ｗ、５Ｗ、又はより大きいものであり得る。本発明のいくつかの実施形態によれば、注入型レーザー光源の出力電力は、可変波長パルス光源の出力電力未満である。実例のように、注入型レーザー光源の出力電力は、ＣＷ注入型レーザー光源については約２０ｍＷ〜約５０ｍＷの範囲であり得る。可変波長パルス光源の出力電力は、約１Ｗ〜約５Ｗ以上のピーク電力の範囲であり得る。

[0035]また、パルス幅は、１００ナノ秒より小さくてもより大きくてもよい。例えば、１ｎｓ、２ｎｓ、１０ｎｓ、２０ｎｓ、５０ｎｓ、２００ｎｓ、５００ｎｓ、或いはより長いものであり得る。別の実施形態では、可変波長パルス光源は、光結合器１２０の第２のポート１１６に結合された第１の面、及びファイバブラググレーティング（ＦＢＧ）に結合された第２の面を有する半導体光増幅器（ＳＯＡ）を含むことができる。この実施形態では、光結合器１２０の第２のポートを通って発せられた、注入型レーザー光源１１０からの安定化する光学的放射は、ＳＯＡに注入され、ＦＢＧから反射されて１度増幅され、ＳＯＡに再注入されてもう1度増幅される。ＦＢＧは、波長の関数としての反射率によって特徴づけられることになる。好ましくは、可変波長パルス光源の帯域幅より上の帯域では、ＦＢＧの反射率が高い（例えば１００％に近い）。一例として、注入／安定化光源のスペクトルの幅より大きい帯域幅にわたって、ＦＢＧの反射率が高い。単なる一例として、グレーティングの帯域幅は、注入型レーザー光源の帯域幅の３倍超、注入型レーザー光源の帯域幅の２倍超、注入型レーザー光源の帯域幅を超えるものなどである。特定の実施形態では、ＦＢＧは、注入型レーザー光源の利得帯域幅にわたって７５％より大きい反射率によって特徴づけられる。別の特定の実施形態では、ＦＢＧは、利得帯域幅にわたって９５％より大きい反射率によって特徴づけられる。一例として、反射率は、注入型レーザー光源１１０の波長で、７５％又は９５％より大きいある場合がある。

[0036]本発明のいくつかの実施形態によれば、注入型レーザー光源１１０によって生成された出力電力の小部分だけが可変波長パルス光源１３０に結合される。一例として、注入型レーザー光源１１０によって生成された出力電力の約５０％〜１００％の間のものが可変波長パルス光源１３０に結合される。別の例では、注入型レーザー光源１１０によって生成された出力電力の約１０％〜１００％の間のものが可変波長パルス光源１３０に結合される。一般に、特定の設計の制約の下に、注入光源から可変波長パルス光源に、できるだけ大きなパワーを注入するのが望ましい。場合によっては、注入効率が１０％しかないが、本発明の実施形態は、この効率に限定されず、より低い効率又はより高い効率で動作することができる。

[0037]代替実施形態では、注入型レーザー光源１１０によって生成される安定化された信号パルスは、単一パルスより複雑であり得て、例えば２パルス、３パルス、４パルス、５パルスなどといった複数のパルスを含むことができる。さらなる代替実施形態では、可変波長パルス光源は、外部空洞半導体ダイオードレーザー、コンパクトな固体レーザー、ファイバレーザーなどを含む。当業者なら、多数の変形形態、変更形態、及び代替形態を理解するであろう。

[0038]安定化する光学的放射は、結合器１２０の第１のポート１１４に注入され、結合器１２０の第２のポート１１６から出て可変波長パルス光源１３０に入る。可変波長パルス光源が信号パルスを発するので、安定化する光学的放射は、中心波長及び信号パルスの線幅の制御及び安定化の働きをする。安定化する光学的放射は、偏光などの他の特性を制御するためにも用いることができる。注入型レーザー光源を使用することによるこの注入同期は、可変波長パルス光源１３０によって発せられる放射の特性を制御するのに用いられる。制御することができるこのような特性の実例には中心波長及び線幅があるが、本発明はこれらの特性に限定されない。注入型レーザー光源１１０の中心波長が、可変波長パルス光源１３０のスペクトルの利得帯域幅内の光利得の波長の許容範囲内にある、安定化する光学的放射を生成することにより、可変波長パルス光源の中心波長のロックが可能になる。

[0039]可変波長パルス光源は、所望の用途次第で、様々な動作条件下で優れた安定化を達成するように最適化され得る。一実施形態では、このような最適化は、安定化する光学的放射を注入する可変波長パルス光源の前部反射器の最適なミラー反射率の選択を含むことができる。この前部反射器は、安定化する光学的放射の一部分を反射して光結合器の第２のポートへ戻し、戻される放射は第３のポートから出力されることになる。この反射された放射の存在は、特に光増幅段が結合器の第３のポートに光学的に結合されている場合には不利なことがある。本発明の一実施形態では、反射器の反射率は１％未満であり、好ましくは０．０１％未満である。この小さい反射率により、レーザーシステムの出力のバックグラウンド放射及び他の望ましくない放射が最小になり、光増幅器の不毛の利得消耗も最小化することになる。

[0040]安定化する光学的放射の一部分が、可変波長パルス光源の前部反射器から反射され、そこから光結合器の第２のポートへ伝送されて、光結合器の第３のポートから出力され得るので、また、このような影響は不利になり得るので、本発明の一実施形態では、安定化する光学的放射は、それ自体がパルス状である。安定化パルスは、安定化パルスの終端が注入型レーザー光源から可変波長パルス光源まで伝わって信号パルスの終了後の特定の時点に到着するように、信号パルスの開始前の特定の時点で始まって特定の時点で終了する。この実施形態では、したがって、安定化パルスの持続時間は、信号パルスの持続時間より長いか、或いは少なくとも信号パルスの持続時間と等しい。

[0041]可変波長パルス光源１３０によって発せられた信号パルスは、結合器１２０の第２のポート１１６に供給され、第３のポート１１８から結合器１２０を出る。一実施形態では、第３のポート１１８は光増幅器１６０に結合される。信号パルスは、光増幅器１６０によって入力端１４８で受け取られ、次いで光増幅器１６０を通過するとき増幅されて、光増幅器１６０の出力端（出力部）１７０に高出力光パルスをもたらす。

[0042]本発明の実施形態は、ファイバ増幅器を、光カプラ１５２を介して希土類ドープのファイバループ１５６に結合されるポンプ光源１５４を含む光増幅器１６０として利用することができる。一般に、半導体ポンプレーザーがポンプ光源１５４として使用されるが、当業者には明らかなように、光増幅器のポンピングは他の手段によって達成され得る。

[0043]特定の一実施形態では、光増幅器１６０は、イッテルビウムで約６×１０^２４イオン／ｍ^３のドーピング密度にドープされた約４．８μｍの直径のコアを有する、希土類ドープの長さ５メートルのファイバ１５６を含む。ポンプ光源１５４は、９７６ｎｍの波長で動作して５００ｍＷの出力電力を有する、ＦＢＧで安定化された半導体ＬＤであり得る。

[0044]別の特定の実施形態では、光増幅器１６０は、イッテルビウムで約１×１０^２６イオン／ｍ^３のドーピング密度にドープされた約１０μｍの直径のコアを有する、希土類ドープの長さ２メートルのファイバ１５６を含む。ポンプ光源１５４は、５Ｗの出力電力を有する半導体ＬＤであり得るが、他の出力電力値のものでもよい。レーザーシステムの出力端１７０における増幅されたパルスのピーク電力は、約５ｋＷであり得るが、ピーク電力は他の値を有することができる。

[0045]この実例は、イッテルビウムドープのファイバ増幅器及び１０６４ｎｍのレーザー波長について示されているが、本発明の実施形態では、ダイオードレーザー、固体レーザー、及び１０６４ｎｍ又は他の波長で動作するドープファイバの他の実例を用いることもできる。これらは、とりわけ、波長領域１５５０ｎｍにエルビウムドープのファイバを含み、波長領域２〜３μｍにツリウムドープのファイバを含む。これらの実施形態の１つ又は複数で、ポンプ光源は、光学活性されたファイバに光カプラを介して光学的に結合される。

[0046]光結合器１２０は、３つ以上のポートを有する光サーキュレータに限定されず、注入型レーザー光源１１０からの光を可変波長パルス光源１３０に注入することを可能にし、可変波長パルス光源からの光を出力することを可能にする他の構成要素を使用して構築することができる。光サーキュレータは、光ビームを結合する特徴にポートを絶縁する特徴も組み合わせるが、光結合器を作製するように構成要素を組み立てることにより、類似の機能を実現することができる。したがって、光結合器は、１つ又は複数の光カプラ及び１つ又は複数の光アイソレータを含むことができる。光結合器は、好ましくは３ｄＢ未満の光損失で、より好ましくは１ｄＢ未満の光損失で、注入型レーザー光源からの光を可変波長パルス光源に注入することを可能にし、その一方で、可変波長パルス光源からの光が注入型レーザー光源に入るのを、１５ｄＢを上回って、好ましくは２０ｄＢ、２５ｄＢ、３０ｄＢ以上、実質的に阻止する。

[0047]図１２に示される一実施形態では、光結合器は、注入型レーザー光源からの光を可変波長パルス光源に注入するようにタップ結合器５２０を使用することによって構築され得て、可変波長パルス光源１３０から注入型レーザー光源１１０へ伝わって戻る光を実質的に阻止するための光アイソレータ５０１を含む。注入型レーザー光源１１０からの光は、タップ結合器のポート５１４に注入され、ポート５１６でタップ結合器を出て、そこから可変波長パルス光源１３０に入って同光源を制御する。可変波長パルス光源から発せられた光は、ポート５１６でタップ結合器５２０に入り、光増幅器で増幅され、ポート５１８でタップ結合器を出る。可変波長パルス光源から発せられた光は、光アイソレータ５０１によって、注入型レーザー光源１１０に入るのを実質的に阻止される。しかし、光結合器は、これら特定の実例だけに限定されるものではない。さらに、光結合器は、ファイバ結合の光学的構成要素に全面的に限定されるのでなく、レンズ及びミラーを含むがこれらに限定されない空間伝搬光通信を用いて構築することができる。他の組合せは、当業者には明らかであろう。

[0048]光結合器を使用することは、本発明の要件ではない。例えば、一実施形態では、注入型レーザー光源からの安定化する放射は、部分的に透過性の後部反射器を通って可変波長パルス光源に注入されてもよい。本発明の一実施形態による高出力パルスレーザーを示すブロック図が、図１３に示されている。所望の特性を有する光パルスを生成するように調整可能なパルス状信号光源を駆動するのに、信号光源駆動回路（パルス状の電子的駆動回路）からの電子的信号が用いられる。一実施形態では、パルス状信号光源によって出力されるパルスのパルス波形は、パルス状の電子的駆動回路によって生成されてパルス状信号光源を駆動するのに用いられる電子パルスの形状を模倣する。別の実施形態では、パルス状信号光源によって出力されるパルスのパルスエネルギーは、パルス状の電子的駆動回路によって生成されてパルス状信号光源を駆動するのに用いられる電子パルスの振幅によって制御される。パルス状信号光源によって出力されるパルスの他の特性も、パルス状の電子的駆動回路によって生成される電子パルスによって制御され得る。この高出力レーザーは、パルス状信号光源の特性を制御するための光放射を生成する、安定化する光源をさらに含む。安定化する光源からの光放射を用いて制御することができるパルス状信号光源の特性には、波長、光線幅、偏光、及び偏差が含まれるが、これらの例だけに限定されることはない。この高出力レーザーは、パルス状信号光源によって発せられた光を増幅するためのファイバ増幅器（増幅器）をさらに含む。この増幅器は、１つ又は複数のファイバ増幅器を使用する１つ又は複数の増幅段を含んでもよい。

[0049]図１は、光結合器１２０の第３のポート１１８に結合された１つの光増幅器１６０の使用を示すが、これは本発明に必須のことではない。代替実施形態では、何らかの特定の用途の必要性に応じて、光結合器１２０の下流に複数の光増幅器を利用してもよい。図２は、本発明の一実施形態による光ファイバ増幅器を使用する、可変波長パルス特性を有する安定した高出力パルスレーザー２００の簡易概略図である。図２に示された実施形態は、２段光ファイバ増幅器２６０を使用する２段増幅プロセスを提供する。光増幅器の２つの段の間に光アイソレータ２４２を設けることができる。２段増幅の結果は、２段光増幅器２６０の出力端２７０におけるより高い出力パルス電力である。複数段の増幅は、１段増幅より大きな電力を生成することができる。当業者なら、多数の変形形態、変更形態、及び代替形態を理解するであろう。本発明の諸実施形態に利用される光源に関するさらなる説明が、同一出願人による「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ」という名称の米国特許第７，４４３，８９３号に見られ、この開示は、すべての目的のために参照によってここで組み込まれる。

[0050]図３は、本発明の一実施形態により、光増幅器２６０の出力端３７０にレーザーの基本波長以外の波長でレーザー光線を生成するための波長コンバータ３１０を組み込んだ、可変波長パルス特性を有する安定した高出力パルスレーザー３００の簡易概略図である。図３に示されるように、波長変換デバイスは、光増幅器の増幅された出力を受け取るように構成されている。パルスレーザーシステムの多数の用途が、紫外線スペクトル領域、赤外線スペクトル領域、又は可視スペクトル領域の波長を用いることから利益を得る。高調波生成を用いる波長コンバータは、近赤外の高出力パルス放射線の波長を変換する、例えば、１０６４ｎｍ又は１０３２ｎｍの波長を、２次高調波発生によって５３２ｎｍ又は５１６ｎｍなどのより短い波長に変換し、３次高調波発生によって３５５ｎｍ又は３４６ｎｍの波長に変換し、より高次の高調波へ同様に変換する技法である。より長い赤外波長を実現するために、非線形の混合も用いることができる。基本レーザー波長より短い、又はより長い他の波長で高出力放射を発生するために、ＢＢＯ（ベータ硼酸バリウム）、ＬＢＯ（リチウムバリウムボラートトリボラート）、ＫＴＰ（リン酸チタニルカリウム）、及び他の実例などの非線形の結晶が、高調波逓倍、高調波混合、パラメータ混合などに一般に用いられる。

[0051]図４は、本発明の一実施形態による光ファイバ増幅器を使用する、可変波長パルス特性を有する安定した高出力パルスレーザー４００の簡易概略図である。図４に示される実施形態では、コントローラ及び電子的駆動回路が、注入型レーザー光源１１０（安定化する光源とも称される）に接続された注入型レーザー光源駆動回路４０１と、可変波長パルス光源１３０に接続された信号光源駆動回路４０２と、第１のファイバ増幅器ポンプ光源１５４に接続された第１の増幅器の駆動回路４０３と、第２のファイバ増幅器ポンプ光源２５４に接続された第２の増幅器の駆動回路４０４とで示されており、４つの電子的駆動回路のすべてがコントローラ４０５に接続されている。コントローラ４０５は、一般にレーザーシステムの動作を制御するようにプログラムされた１つ又は複数のコンピュータである。

[0052]特に、コントローラ４０５は、可変波長パルス光源１３０から所望の一連のパルスを発生するのに必要な情報をもたらすことができ、その結果、出力される一連のパルス４７０は、特定の用途向けに所望の特性を有する。このような特性には、パルスピーク電力、パルス持続時間、パルス間の時間間隔、パルスの立ち上がり時間及び立ち下がり時間、時間パルス波形などが含まれる。この情報は、コントローラによって、第１の増幅器の駆動回路４０３及び第２の増幅器の駆動回路４０４を制御することにより、増幅器システム２６０の特性を最適化するのにも用いられ得る。例えば、電力信号パルスのピークが小さい場合には、増幅された誘発放出（ＡＳＥ）を低減するように、第２のファイバ増幅器ポンプ光源２５４から、低減されたポンピング電力を供給するのが有利であり得て、コントローラは、この情報を第２の増幅器の駆動回路４０４へ送ることができる。コントローラ４０５は、光ファイバ増幅器の利得飽和の低減など、時間パルス波形の最適化にもこの情報を用いることができる。さらなる情報が、同一出願人による「Ｍｅｔｈｏｄｅｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ａ Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｓｈａｐｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗａｖｅｆｏｒｍｓ」という名称の米国特許第７，４２８，２５３号に見られ、この開示は、すべての目的のために参照によってここで組み込まれる。さらに、コントローラ４０５は、可変波長パルス光源のあらゆる非線形性又は熱影響の低減など、パルス波形の最適化にこの情報を用いることができる。半導体ダイオードレーザーを使用する可変波長パルス光源では、例えば１００ｎｓ、２００ｎｓ、５００ｎｓ以上といった長いパルス幅は、半導体レーザーの活性領域の加熱のために、パルスの変形をもたらす可能性がある。

[0053]図４を参照すると、本発明の一実施形態は、第１のポート１１４、第２のポート１１６、第３のポート１１８、及び第４のポート１２２、並びに第４のポート１２２に結合された検出器４１０を有する結合器４２０を含んでもよい。検出器４１０は、増幅器２６０を通って後ろへ進行する逆伝搬光を監視することになる。逆伝搬光は、第３のポート１１８で結合器に入って第４のポート１２２で結合器４２０を出ることになり、次いで検出器４１０によって検出されることになる。このような逆伝搬光は、後方へ誘導されたラマン光、誘導ブリユアン散乱、後方へのＡＳＥ、反射光、又は他の可能な実例を含むことになる。検出された逆伝搬光に関するフィードバックを供給するために、検出器４１０がコントローラ４０５に結合される。

[0054]増幅器２６０を通って後方へ進行するこの光を検出して監視することにより、コントローラ４１０を使用してレーザーシステムの性能を最適化することができる。例えば、後方へのＡＳＥの存在が高レベルであると、利得がファイバ増幅器２６０において使い尽くされていないことを示すことになる。次いで、コントローラは、第１の増幅器の駆動回路４０３又は第２の増幅器の駆動回路４０４へ指示を送ることにより、ファイバ増幅器に供給されるポンピング電力を低減することができる。或いは、コントローラは、信号光源駆動回路４０２へ指示を送ることにより、信号ピーク電力を増加することができる。検出器４１０によって収集されたデータを、レーザーの性能の最適化及び制御に用いる多数の実例が当業者に知られている。さらなる情報が、同一出願人による「Ｍｅｔｈｏｄｅｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ Ｐｕｌｓｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ」という名称の米国特許第７，６６７，８８９号に見られ、この開示は、すべての目的のために参照によってここで組み込まれる。

[0055]可変波長パルス光源１３０によって生成される信号パルスの光パルスパラメータは、信号光源駆動回路４０２によって生成される駆動電流の等価な電流パルスパラメータによって部分的に求められるはずであることが、当業者には理解されよう。このようなパラメータには、パルス幅、立ち上がり時間、立ち下がり時間、ピーク電力、時間パルス波形などが含まれる。多くの場合、光パルスの形状と駆動電流パルスの形状は、基本的に同一である。したがって、パルスからパルスへ必要に応じて変化する任意の形状の一連の光パルスを実現するために、駆動電流パルス列に類似の変化が与えられる。このように、信号光源駆動回路４０２によって生成される駆動電流のパルスパラメータを適切に調節することにより、各信号パルス向けの所望のパルスパラメータを実現することが可能である。駆動電流のパルスパラメータを提供するようにとの指示が、コントローラ４０５から信号光源駆動回路４０２へ送られる。

[0056]図４に示されるように、このレーザーシステムは、注入型レーザー光源及び可変波長パルス光源に電気的に結合されたコントローラを含むことができる。このコントローラは、可変波長パルス光源のレーザーパラメータ及び注入型レーザー光源のレーザーパラメータを調節するように動作可能である。いくつかの実施形態では、光結合器は、検出器に結合された第４のポートを含む。検出器から受け取られた信号は、コントローラに入力として供給され得る。さらに、このレーザーシステムは、可変波長パルス光源に結合された電子的信号光源駆動回路及びコントローラを含むことができる。

[0057]したがって、本発明の実施形態によれば、図５Ａ及び図５Ｂに示される頂部が矩形のパルスなど、所望の形状のパルスを発生することができる。同様に、図５Ｃに示されたものなど任意の形状を有するパルスも発生することができる。さらに、図５Ｄに示されたものなど、パルス間に任意の間隔を有するパルス列も発生することができる。当業者なら、時間パルス波形、パルス列、及びパルス間隔を含む信号パルスの多くの変形形態、変更形態、及び代替形態を理解するであろう。例えば図５Ａ〜図５Ｄに示されたパルスの組合せは、本発明の実施形態によって提供され得る。

[0058]レーザーの動作波長を、特定の用途にかなうように変化させることができるのが望ましいことがある。これは、波長の大きな変化を含むことがある。例えば、波長のこのような大きな変化は、以前に説明されたように非線形結晶の高調波発生又は非線形結晶の非線形の混合による波長シフトを用いて実現することができる。

[0059]加工する材料の１つ又は複数の特定の共振と一致するように、波長を少し変化させるのも望ましいことがある。本発明の実施形態によれば、以前に説明されたように、可変波長注入型レーザー光源１１０によって発せられた安定化する光学的放射の中心波長を調節することにより、中心波長をシフトすることができる。図４を参照すると、注入型レーザー光源駆動回路４０１は、安定化する光学的放射の中心波長を、コントローラ４０５によって供給される指示に従ってパルスからパルスへと変化させるのに使用され得る。

[0060]図６Ａは、不安定な可変波長パルス光源からのレーザー放射の代表例を示す。図６Ｂ及び図６Ｃは、光安定化する放射を用いてパルス状信号の中心波長及び線幅をロックする代表例を示す。安定化のない線幅Ｌａが、図６Ｂ及び図６Ｃに示される安定化のある線幅Ｌｂ及びＬｃより広いことに留意されたい。可変波長パルス光源は、光利得が存在するスペクトル領域を表わし、可変波長パルス光源のスペクトル帯域幅（ＢＷ）は、利得が存在するスペクトルの幅ＦＷＨＭである。可変波長パルス光源のスペクトル帯域幅は、可変波長パルス光源を構成する材料及びドーピングのレベルによって決定される。パルス状光信号の線幅Ｌａは、利得の狭めとして知られているプロセスにより、可変波長パルス光源のスペクトル帯域幅よりかなり狭いものであり得る。スペクトル帯域幅は、パルス状信号のスペクトル線幅の約１０倍であり得る。本発明のいくつかの実施形態によれば、注入された信号の線幅は、可変波長パルスレーザーの利得帯域幅より狭い。注入同期を用いてパルス状光信号の各パルスの波長及び線幅など所望のスペクトル特性を実現することと同様に、注入同期の別の利点には、これらの特性を安定させることがあり、その結果、パルス状光信号の各パルスがパルス列の他のパルスと実質的に同一の波長、線幅、及び他の特性を有する。

[0061]いかなる安定化する放射も存在しないと、可変波長パルス光源によって発せられる放射は、可変波長パルス光源の光共振器空洞内のノイズから形成されることになり、信号パルスは中心波長λａ及び線幅Ｌａを有する。中心波長は、光利得が最大の波長及び可変波長パルス光源の共振器光学系の波長反射率プロファイルなどの要因の組合せによって決定され得る。信号パルスの中心波長及び線幅も、温度又は与えられている駆動電流などの他の要因による影響を受ける可能性がある。例えば、電流を急激に変化させると、パルスの期間中に、実際上は線幅の広がりである波長チャーピングをもたらす恐れがある。したがって、安定化する放射が存在しないと、発せられた中央の波長、線幅及び他の特性は、環境、パルス状信号の繰返し率、波形、及び様々な他の要因次第で変化する可能性がある。

[0062]線幅の広がり及び中心波長シフトのような変化は望ましくなく、材料加工における効率低下又は他の望ましくない影響、或いは高調波発生などの非線形効果を用いて基本波長から別の波長に変換するときの効率低下に繋がる恐れがある。信号パルスがノイズから形成されることを可能にするのでなく、可変波長パルス光源に対して安定化する信号を供給するように、注入型レーザー光源を使用して、中心波長、線幅、偏光、及び他の特性を制御するのが有利である。

[0063]安定化する放射が、単位波長当りのバックグラウンドノイズよりかなり高いレベルで可変波長パルス光源の光共振器空洞内に存在するとき、線幅、中心波長、及び他の特性の安定化を実現することができる。この状況の結果として、可変波長パルス光源からの出力のスペクトルは、安定化する放射のスペクトルと実質的に類似であって、可変波長パルス光源の電子的駆動状態と概して無関係であり得る。例えば、図１を参照すると、注入型レーザー光源１１０からの安定化する放射は、結合器１２０の第１のポート１１４の中へ放射を発し、この放射が、結合器１２０の中で結合器１２０の第２のポート１１６へ伝送され、第２のポート１１６を出て、可変波長パルス光源１３０の光共振器空洞に入る。注入型レーザー光源１１０からの中心波長λｂ及び線幅Ｌｂの安定化する光学的放射がバックグラウンドノイズよりかなり高い電力レベルで可変波長パルス光源１３０の光共振器空洞内に存在するとき、この安定化する光学的放射から信号パルスが形成され、信号パルスの中心波長がλｂになるはずであり、線幅がほぼＬｂになるはずである。同様に、安定化する光学的放射の中心波長がλｃに変化されて線幅がＬｃに変化されると、図６Ｃに示されるように、信号パルスの中心波長がλｃに変化することになり、線幅がほぼＬｃに変化することになる。図６Ｂ及び図６Ｃに示されるように、注入型レーザー光源１１０の中心波長が、可変波長パルス光源１３０の利得帯域幅内にあることに留意されたい。

[0064]マイクロワット又はミリワットの範囲などの非常に小さい電力レベルを有する安定化する光学的放射を用いて、このようにレーザーを注入同期することができる。例えば、注入型レーザー光源によって発せられる光学的な安定化する放射の電力は、５０ｍＷ以上と大きいか、又は０．５ｍＷ以下と小さいものであり得る。また、安定化する放射のスペクトル特性は、用途次第で選択することができる。例えば、光ファイバ増幅器の誘導ブリユアン散乱（ＳＢＳ）のような非線形効果を最小化するか又は非線形結晶の光高調波変換を最適化するようにスペクトル特性を選択することができる。光ファイバ増幅器のＳＢＳは、ファイバ内を伝搬する狭い信号線幅に強く依存する。本発明の一実施形態では、注入型レーザー光源はＦＢＧで安定化された半導体ダイオードレーザーであり、ＦＢＧの反射率及び帯域幅は、ＳＢＳの生成を低減するために、５０ｐｍ〜５００ｐｍの間の広い線幅をもたらすように選択される。同様に、中央の波長は１０６４ｎｍである必要はなく、例えば９７６ｎｍ、１０３０ｍ、１３００ｎｍ、１５５０ｎｍ又は他の多くの波長の選択肢など、別の波長であり得る。本発明は、可変波長パルス光源からの高いピーク電力の光パルスの生成と、注入型レーザー光源の制御されたスペクトル及び他の特徴とを組み合わせる。注入型レーザー光源によって制御され得る他の特徴には、偏光及び偏差が含まれる。例えば、いくつかの材料加工用途では、偏光ビームが重要なことがある。注入型レーザー光源によって制御され得る特徴は、言及されたものだけに限定されない。

[0065]図７は、安定した中心波長及び線幅によって特徴づけられたレーザーパルスを生成する方法を示す簡易流れ図である。方法７００は、光学的放射を生成するステップ（７０２）を含む。一例として、光学的放射は、注入型レーザー光源を使用して発生され得て、次いで、本明細書の全体を通してより十分に説明されるように、第２のレーザーを安定化するのに用いられる。光学的放射は、安定化するレーザー光源とも称される注入型レーザー光源を使用して発生することができる。注入型レーザー光源は、ファイバブラググレーティングで安定化された半導体ダイオードレーザー、ＣＷ半導体レーザー、パルス状の半導体レーザー、ファイバレーザー、それらの組合せなどであり得る。光学的放射は、光結合器の第１のポートに結合され（７０４）、光結合器の第１のポートから光結合器の第２のポートへ伝送される（７０６）。この方法は、第２のポートからの光学的放射信号を可変波長パルス光源に結合するステップ（７０８）も含む。光学的放射は、信号光源とも称され得る可変波長パルス光源で発生された放射を安定させるのにも用いられることになる。

[0066]この方法は、可変波長パルス光源を使用して複数の信号パルスを発生するステップ（７１０）と、複数の信号パルスを光結合器の第２のポートに結合するステップ（７１２）とをさらに含む。この信号パルスは、注入型レーザー光源によってもたらされる注入同期によって安定化されるので、安定化された信号パルスと称され得る。この方法は、複数の信号パルスを光結合器の第２のポートから第３のポートへ伝送するステップ（７１４）と、複数の信号パルスを第３のポートから出力するステップ（７１６）とをさらに含む。本明細書の全体を通して論じられるように、光結合器は光サーキュレータであり得る。

[0067]本発明の特定の実施形態によれば、この方法は、複数の信号パルスを光増幅器の入力端に結合するステップと、これら複数の信号パルスを増幅するステップと、これら複数の増幅された信号パルスを光増幅器の出力端で出力するステップとを含む。したがって、この特定の実施形態は、増幅され、且つ安定化された光パルスを生成することができる。光増幅器は、光カプラを介して、光学活性されたファイバ、例えば希土類ドープのファイバに光学的に結合されたポンプ光源を含むことができる。

[0068]図７に示された特定のステップは、本発明の一実施形態によって安定化された光パルスを生成する特定の方法を提供することを理解されたい。代替実施形態により、ステップの他のシーケンスも遂行され得る。例えば、本発明の代替実施形態は、上記に概説されたステップを異なる順序で遂行することができる。さらに、図７に示された個々のステップは、個々のステップの必要に応じて様々な順序で遂行され得る複数のサブステップを含んでもよい。さらに、特定の用途次第で、さらなるステップを付加又は除去してもよい。当業者なら、多数の変形形態、変更形態、及び代替形態を理解するであろう。

[0069]図８は、安定した中心波長及び線幅によって特徴づけられた増幅信号パルスを生成する方法を示す簡易流れ図である。方法８００は、注入型レーザー光源又は安定化するレーザー光源から、安定化する光学的放射を生成するステップ（８０２）を含む。この方法は、また、安定化する光学的放射を光結合器の第１のポートへ結合して、光結合器の第１のポートから第２のポートへ伝送するステップ（８０４）と、光結合器の第２のポートからの光学的放射信号を可変波長パルス光源に結合するステップ（８０６）とを含む。この方法は、可変波長パルス光源から安定化された信号パルスを発生するステップ（８０８）と、安定化された信号パルスを光結合器の第２のポートに入力するステップ（８１０）とをさらに含む。

[0070]この方法は、安定化された信号パルスを光結合器の第２のポートから第３のポートへ伝送して、第３のポートからの安定化された信号パルスを光増幅器の入力端で受け取るステップ（８１２）をさらに含む。安定化された信号パルスは、増幅されて（８１４）、光増幅器の出力端から出力される（８１６）。増幅は、希土類ドープのファイバ増幅器を使用して遂行することができる。

[0071]図８に示された特定のステップは、本発明の一実施形態によって増幅され、且つ安定化された光パルスを生成する特定の方法を提供することを理解されたい。代替実施形態により、ステップの他のシーケンスも遂行され得る。例えば、本発明の代替実施形態は、上記に概説されたステップを異なる順序で遂行することができる。さらに、図８に示された個々のステップは、個々のステップの必要に応じて様々な順序で遂行され得る複数のサブステップを含んでもよい。さらに、特定の用途次第で、さらなるステップを付加又は除去してもよい。当業者なら、多数の変形形態、変更形態、及び代替形態を理解するであろう。

[0072]本発明の実施形態によれば、時間的に不等間隔で分離され得る連続した光パルスを発生するシステムが提供される。さらに、パルス幅及びパルスエネルギーは、所定の手法でパルスごとに個々に調整され得る。必要に応じて、レーザーの中心波長をパルスごとにシフトすることができる。マーキング、エングレービング、微細機械加工、及び切断などのレーザーベースの材料加工により、高いピーク電力のパルスレーザーの用途が拡大した。用途及び加工される材料次第で、目前のタスク向けにパルス特性を適合させることができる。いくつかの用途については、矩形パルスなどの光の特定の時間パルス波形を用いて加工するのが好ましく、このようなパルスの形崩れは望ましくないことがある。例えば、メモリーチップ上の導電性リンクのレーザー加工の分野では、実質的に矩形の光パルスを使用するのが有利なことがある。他の用途では、直線偏光した光を使用するのが有利なことがある。

[0073]本発明の特定の一実施形態により、図９は、例示的レーザー加工システム９００を示す。システム９００は、レーザー光源９０２、波長コンバータ９０６、信号光源駆動回路９１４、光学システム９１０、コントローラ９１８、センサ９２２、及び加工物保持具９３０の頂部に配置された加工物９２６を含む。レーザー光源９０２は、波長、パルス持続時間、時間パルス波形、及びパルスの繰返し周期など特定の特徴を有するレーザーパルスを生成する。波長は、コントローラ９１８によって選択され得る。波長は、波長コンバータにより、コントローラ９１８を使用することによって調節されてもよい。パルス持続時間、時間パルス波形、及びパルスの繰返し周期は、本発明の一実施形態により、コントローラ９１８によって信号光源駆動回路９１４を介して調節され得る。コントローラ９１８は、特定の材料を加工するための最適な時間パルス波形及びパルス持続時間など、特定の材料を加工するための情報を提供することができる。

[0074]レーザー光源９０２によって発生された波長は、波長コンバータ９０６によって、２次高調波の波長、３次高調波の波長、又は４次高調波の波長など、基本波長の調波に変換され得る。システムによっては別々のレーザーを使用するが、非線形結晶における高調波発生の周知のプロセスを用いて１つのレーザーから別々の波長を得ることができる。例えば、約３５３ｎｍの波長を有する紫外線は、非線形結晶の調波３倍増を用いることにより１．０６４μｍの波長を有する赤外線レーザーから得ることができる。波長コンバータ９０６は、ガルバノメータに取り付けたミラーなどのビームを導くデバイスを含んでもよい。これらのミラーは、コントローラ９１８を使用することにより、レーザー光源９０２からのレーザービームの経路を、波長コンバータ９０６をバイパスするように迅速に変化させることができる。

[0075]光学システム９１０は、ビーム形状又はビームのスポットサイズを調節するのに使用されてもよい。光学システム９１０は、レーザービームを加工物９２６上に合焦するためのレンズ及びミラー、並びにビームを加工物９２６上の様々な位置に向けるための構成要素を含んでもよい。特定の実施形態では、ビームを向けるための構成要素は、ガルバノメータに取り付けたミラーでもよい。コントローラ９１８は、光学システム９１０とビームを導くための構成要素の運動とを制御するために使用され得る。例えば、穴開け加工において加工物９２６に穴を開けるとき、コントローラ９１８は、ビームが穴を開ける必要のあるエリア上で円を描いてスキャンするように、光学システム９１０を制御することができる。或いは、衝撃加工において加工物９２６に穴を開けるとき、レーザービームは、穴を開ける必要があるエリアへ導かれ、穴を直接あけるように複数回パルス化され得る。コントローラ９１８によって制御された加工物保持具９３０を移動させることにより、移動可能なステージを有する加工物保持具９３０に保持された加工物９２６のそれぞれの小さなエリアをレーザービームで加工することができる。

[0076]多くの用途は、様々なレーザービームを用いる複数の加工ステップを必要とする可能性がある。場合によっては、加工に、レーザーパラメータを変更するための特定の時間の正確な予測を可能にするような十分な再現可能性がないことがある。そのような場合、レーザーシステム９００は、センサ９２２を、加工ステップの１つが完了したことを検出して表示する表示器として使用することができる。次いで、センサ９２２は、信号光源駆動回路９１４を介してレーザー光源９０２と通信しているコントローラ９１８に対して、別の加工ステップへ切り換えるようにフィードバック信号を供給することができる。センサ９２２を使用することの利益の１つに、レーザー加工における遅延なしでレーザーパラメータを変化させるか又は最適化するようにコントローラ９１８にフィードバック信号を供給するのに、センサ９２２によって得られた情報が用いられ得ることがある。

[0077]加工の順序又はステップを監視するのにセンサを使用する多くの方法がある。本発明の一実施形態では、センサ９２２は、レーザー加工が生じるとき加工物９２６を観察するためのビデオカメラなどの視覚システムでもよい。本発明の別の実施形態では、センサ９２２は、加工物９２６から発せられる光の変化などの指標を検出するための光ダイオードでもよい。本発明のさらなる実施形態では、センサ９２２は、レーザー加工を通じて音の周波数の高さ又は大きさの変化などの指標を検出するための、加工物９２６の近くの可聴周波検出器でもよい。当業者なら、多数の変形形態、変更形態、及び代替形態を理解するであろう。

[0078]均一の材料又は様々な材料の多層構造を含む加工物９２６を加工するのにレーザーを用いることができる。例えば、金属がガラス又は誘電材料を含む絶縁基板上に堆積された回路の一部分を形成するところで、２つの接点間の金属導体を除去するに、レーザーがしばしば用いられる。加工物９２６は、様々な材料の少なくとも２つの層を有する多層構造体であり得る。

[0079]図１０Ａは、ガラス基板１００６上の薄い金属層１００２の一例を示す。一例として、金属はアルミニウムでもよい。図１０Ｂは、レーザーパルスの第１の組を用いることにより、金属層１００２の一部分が除去されることを示す。金属層１００２を除去することから発生したいくらかの残骸１０１４を含む領域１０１８、領域１０１８のそれぞれの面の金属層１００２の残存部分である領域１０１０ａ及び１０１０ｂを含む３つの領域が形成される。レーザーパルスの第１の組は、金属層１００２の一部分を迅速に除去するために、高エネルギーの短パルスを２つ含む。

[0080]次に図１０Ｃを参照すると、領域１０１８の残骸１０１４が、レーザーパルスの第２の組を用いることにより、除去されるか又は洗浄される。ガラス基板１００６から金属層１００２が除去されたとき、レーザーパラメータの第１の組がレーザーパラメータの第２の組に変更される。レーザーパルスの第２の組は、ガラス基板１００６を損傷することなく残骸１０１４を洗浄するために、低エネルギーの長パルスを５つ含む。

[0081]本発明の特定の実施形態では、レーザー波長は１０６４ｎｍであり得て、イッテルビウムでドープされたファイバ増幅器が使用され得る。金属層１００２を部分的に除去する第１のプロセスでは、レーザーパルスの第１の組は、それぞれが、５ｎｓのパルス持続時間及び０．２ｍＪのパルスエネルギーを有し得る。残骸１０１４を洗浄する第２のプロセスでは、レーザーパルスの第２の組は、それぞれが、１００ｎｓのパルス持続時間及び０．０５ｍＪのパルスエネルギーを有し得る。第１のプロセスと第２のプロセスの両方で、２０ｋＨｚのパルス繰返し率を用いることができる。

[0082]別の一般的な用途には、多層のそれぞれが、導体（例えば銅）と絶縁体（例えばガラスを充填したエポキシ樹脂又はサーモプラスチック）とが互い違いになっている多層回路基板を通るバイアホールをあけるのにレーザーを使用するものがあり得る。回路基板の特定の材料に対するレーザー加工を最適化するために、各層が、レーザーパラメータの別々の組を必要とする可能性がある。例えば、アニール又は洗浄を行なうために長い矩形パルスを用いてもよく、一方、少量の材料の正確な除去を可能にするために短パルス又は超高速パルスを用いてもよい。短パルスは、材料の非常に清浄な除去又は鋭い縁の除去をもたらし得るが、短パルスと関係しているエネルギーはより小さいので、短パルスの除去可能な速度は、長パルスより低いものであり得る。したがって、レーザー加工を最適化するために、特定の材料向けに、時間パルス波形、パルス持続時間、パルスエネルギーを選択することが重要である。

[0083]図１１は、回路基板の簡易断面図である。回路基板１１００は、第１の材料の第１の層１１０６、第２の材料の第２の層１１１０、第１の材料の第３の層１１１４、第２の材料の第４の層１１１８及び基板１１２２を含む。いくつかの実施形態では、基板又は回路基板は加工物と称される。レーザーパルスを用いることにより、第１の層１１０６及び第２の層１１１０を通して円形のバイアホール１１０２ａがあけられ、第３の層１１１４及び第４の層１１１８を通して円形のバイアホール１１０２ｂがあけられる。第１の材料は銅などの金属でもよく、一方、第２の材料はポリイミドなどのポリマーでもよい。第１の層１１０６及び第２の層１１１０のバイア１１０２ａが、第３の層１１１４及び第４の層１１１８のバイア１１０２ｂと異なるサイズを有してもよい。

[0084]本発明の特定の実施形態では、レーザー光源１１０２は、１０６４ｎｍの基本波長を有してもよい。第１の材料（例えば銅）の第１の層１１０６及び第３の層１１１４を通して穴をあけるとき、１０６４ｎｍの基本波長が銅のような金属によって実質的に反射されるので、レーザー光源１１０２の３次高調波（３５３ｎｍの紫外線）の波長を用いてもよい。レーザーパラメータは、０．０５ｍＪのパルスエネルギー及び５ｎｓのパルス持続時間を含んでもよい。少なくとも５０Ｊ／ｃｍ^２の高エネルギー密度を供給するために、紫外線は小さなスポットサイズ上に合焦され得る。５０ｋＨｚのパルス繰返し率のレーザーパルスを用いて第１の材料（例えば銅）の第１の層１１０６及び第３の層１１１４に穴を開けることにより、バイア１１０２ａ及び１１０２ｂが形成され得る。

[0085]第２の材料（例えばポリイミド）の第２の層１１１０及び第４の層１１１８を通して穴をあけるとき、波長コンバータ１１０６をバイパスするために、レーザー光源１１０２からのレーザービームを導くようにミラーを構成することにより、１０６４ｎｍの基本波長を用いてもよい。第２の層１１１０のバイアホール１１０２ａ及び第４の層１１１８のバイアホール１１０２ｂは、０．５ｍＪのパルスエネルギー、１００ｎｓのパルス持続時間、及び１０ｋＨｚのパルス繰返し率を用いる衝撃穴あけによって形成することができる。パルスの総数は、１００パルスを超えてもよい。

[0086]特定の実施形態では、レーザー加工で発生した残骸の洗浄を支援するために補助のガス流れを用いてもよい。レーザーパラメータをいつ切り換えるべきか判断するのに、感知機構として視覚システムを用いてもよい。視覚システムは、加工されている材料が金属なのかそれともプラスチックなのか示すために、炎の明るさ及びスペクトルの情報を検出することができる。

[0087]本発明の実施形態によってレーザーパラメータの別々の組を用いることの利益の１つに、２つの連続するパスの間にいかなる遅延もなく複数のパスを用いて全体の加工物を加工することがあり、その理由は、レーザーパラメータを調節するのに必要な時間が、連続するレーザーパルス間の時間より短いためである。この技法に必要とされる処理時間は、多層構造体を加工するのに少なくとも２つの別々のレーザーが必要とされる場合の処理時間よりかなり短いものであり得る。少なくとも２つの別々のレーザーを用いるとき、連続したレーザー穴あけ又はレーザー洗浄のためにエリアのそれぞれについての位置合わせを再度実現するのは、このようなエリアのそれぞれが以前の１つ又は複数のパスで加工されている場合、困難で時間のかかることである。

[0088]本発明の別の実施形態では、複数のレーザーを用いる場合に生じることがある複数のパスによるのではなく、加工物について１つのパスで加工することができる。１つのパスの実施形態では、加工されている加工物（例えばプリント回路基板）を様々な位置へ移動するのに要する時間は、通常、加工物を加工する（例えば１組のバイアホールをあける）のに要する時間より長いので、従来型の加工と比較してスループットが最大化されるという利益がある。したがって、パスが１つなら、合計の処理時間を短縮することができる。このように、この実施形態は、本明細書の全体にわたって説明された融通性のあるレーザーシステムを使用することにより、スループットの顕著な利点を提供することができる。

[0089]さらに、レーザーパラメータの別々の組を使用する技法は、別々の材料を加工するのに１組のパラメータを用いる技法より優れていることもある。１組のパラメータを用いて様々な材料を有する加工物を加工すると、いかなる材料に対してもパラメータが最適化されない可能性があり、その結果、レーザー加工に要する時間がより長くなるか、或いはピッチング、隆起、又は焼損ゾーンなどの望ましくない副作用をもたらす恐れがある。

[0090]本発明の実施形態を利用すると、パルス状半導体レーザーの注入同期が可能になる。さらに、本発明の実施形態により、注入同期半導体レーザーが生成する安定化されたパルスを、ファイバ増幅器を使用して増幅することができる。本発明の実施形態によれば、ファイバ増幅器は、高利得、低コスト、ポンプレーザーの好都合なファイバ結合などを含む複数の利点をもたらす。可変波長パルス光源は、レーザーパルスの整形、様々な繰返し率などを含む利点をもたらす。本発明の実施形態により、出力波長を所定の値に維持するのに注入同期が利用されるので、最小限の副作用で繰返し率が変化され得ることに留意されたい。

[0091]図１４は、本発明の一実施形態により、増幅され、且つ安定化されたレーザーパルスを生成する方法を示す簡易流れ図である。方法１４００は、注入型レーザー光源を用意するステップ（１４０２）と、注入型レーザー光源から光学的放射信号を生成するステップ（１４０４）とを含む。この方法は、また、光学的放射信号に基づいて可変波長パルス光源を安定化するステップ（１４０６）と、安定化された信号パルスを生成するステップ（１４０８）とを含む。この方法は、安定化された信号パルスを光ファイバ増幅器で増幅するステップ（１４１０）と、増幅され、且つ安定化された信号パルスを出力するステップ（１４１２）とをさらに含む。一実施形態では、光ファイバ増幅器は、光学活性されたファイバに光学的に結合されたポンプ光源を含む。一例として、注入型レーザー光源は、連続波の半導体レーザーを含むことができ、可変波長のパルス化されたレーザーは、パルス状の半導体レーザーを含むことができる。本発明の実施形態を利用すると、増幅され、且つ安定化された信号パルスのピーク電力は１ｋＷより大きくなり得る。

[0092]本発明が、特定の実施形態及び特定の実例に関して説明されてきたが、他の実施形態が本発明の趣旨及び範囲内に入り得ることを理解されたい。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲に加えてそれらの等価物のすべての範囲を参照して判断されるべきである。

Claims (23)

1. 出力部を有し、第１の波長、第１の線幅、出力電力によって特徴づけられるレーザー出力を生成するように動作可能である注入型レーザー光源と、
   利得帯域幅によって特徴づけられた可変波長パルス光源であって、前記可変波長パルス光源が、平均電力を有する出力信号を生成するように動作可能であり、前記出力信号が、第２の波長、第２の線幅、及びピーク電力によってそれぞれが特徴づけられる複数の光パルスを含む、可変波長パルス光源と、
   前記注入型レーザー光源の前記出力部に結合された第１のポート、前記可変波長パルス光源に結合された第２のポート、及び第３のポートを有する光結合器と
   を備えるレーザーシステム。
2. 前記光結合器が３ポートの光サーキュレータを備える、請求項１に記載のレーザーシステム。
3. 前記注入型レーザー光源が連続波の半導体レーザーを備える、請求項１に記載のレーザーシステム。
4. 前記連続波の半導体レーザーが、ファイバブラググレーティングで安定化された半導体レーザーを備える、請求項３に記載のレーザーシステム。
5. 前記注入型レーザー光源が、複数の光パルスのそれぞれのパルス幅より十分に長いパルス幅を有するパルス状の半導体レーザーを備える、請求項１に記載のレーザーシステム。
6. 前記可変波長パルス光源が半導体レーザーを備える、請求項１に記載のレーザーシステム。
7. 前記半導体レーザーの前小面の反射率が１％未満である、請求項６に記載のレーザーシステム。
8. 前記前小面の反射率が０．０１％未満である、請求項７に記載のレーザーシステム。
9. 前記可変波長パルス光源が、前記光結合器の第２のポートに結合された第１の面、及びファイバブラググレーティングに結合された第２の面を有する半導体光増幅器を備える、請求項１に記載のレーザーシステム。
10. 前記ファイバブラググレーティングが、前記第１の波長で７５％を上回る反射率によって特徴づけられる、請求項９に記載のレーザーシステム。
11. 前記反射率が９５％を上回る、請求項１０に記載のレーザーシステム。
12. 前記第１の波長が利得帯域幅内にある、請求項１に記載のレーザーシステム。
13. 前記第２の線幅が、前記第１の線幅にほぼ等しい、請求項１に記載のレーザーシステム。
14. 前記第２の波長が、前記第１の波長にほぼ等しい、請求項１に記載のレーザーシステム。
15. 前記第３のポートに結合された光増幅器であって、前記可変波長パルス光源の前記出力信号を受け取って増幅された出力を生成するように動作可能である光増幅器をさらに備える、請求項１に記載のレーザーシステム。
16. 前記光増幅器が、光学活性されたファイバと、前記光学活性されたファイバに光学的に結合されたポンプ光源とを備える、請求項１５に記載のレーザーシステム。
17. 光学的放射を生成するステップと、
    前記光学的放射を光結合器の第１のポートに結合するステップと、
    光学的放射信号を前記第１のポートから前記光結合器の第２のポートに伝送するステップと、
    前記第２のポートからの前記光学的放射信号を可変波長パルス光源に結合するステップと、
    複数の信号パルスを発生するステップと、
    前記複数の信号パルスを前記第２のポートに結合するするステップと、
    前記複数の信号パルスを前記光結合器の前記第２のポートから第３のポートに伝送するステップと、
    前記第３のポートから前記複数の信号パルスを出力するステップと
    を含む、複数の信号パルスを生成する方法。
18. 前記複数の信号パルスを光増幅器の入力端に結合するステップと、
    前記複数の信号パルスを増幅するステップと、
    複数の増幅された信号パルスを前記光増幅器の出力端で出力するステップと
    をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記光増幅器が、光学活性されたファイバに光学的に結合されたポンプ光源を含む、請求項１８に記載の方法。
20. 増幅され、且つ安定化されたレーザーパルスを生成する方法であって、
    注入型レーザー光源から光学的放射信号を生成するステップと、
    光学的放射信号に基づいて可変波長パルス光源を安定化して、安定化された信号パルスを生成するステップと、
    前記安定化された信号パルスを光ファイバ増幅器で増幅するステップと、
    前記増幅され、且つ安定化された信号パルスを出力するステップと
    を含む方法。
21. 前記光ファイバ増幅器が、光学活性されたファイバに光学的に結合されたポンプ光源を備える、請求項２０に記載の方法。
22. 前記注入型レーザー光源が連続波の半導体レーザーを備え、前記可変波長のパルス化されたレーザーがパルス状の半導体レーザーを備える、請求項２０に記載の方法。
23. 前記増幅され、且つ安定化された信号パルスのピーク電力が１ｋＷを上回る、請求項２０に記載の方法。

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