JP2013500583A - 専用に設定されているパルスバースト - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、参照によって本明細書に全内容が援用される、2009年7月21日付けで出願された米国特許出願第12/506,849号の優先権の利益を主張する。
本発明の実施形態が生じるのはこのような状況である。
本発明の他の目的と利点とは、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことで明らかになろう。
本明細書で使用する場合
ビームスプリッタは、光のビームを2つまたは3つ以上の部分に分離することができる光学装置を指す。
キャビティまたは光学共振キャビティは、光が往復または循環できる2つまたは3つ以上の反射表面によって定められている光路を指す。光路に交差する物体は、キャビティ内にあると言う。
連続波(CW)レーザは、パルス状レーザにおいてのような短いバーストではなく連続的に発光するレーザを指す。
利得は、一点から他の点に増幅器を通して伝達される信号の強度、パワー、またはパルスエネルギーの増加を指す。「非飽和利得」という用語は、増幅器における反転準位を著しく変化させない増幅器を通過する小信号の増加を指す。本明細書で使用される場合、利得と非飽和利得とは、互換的に使用されることになる。
ガーネットは、たと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)などの酸化結晶の特定のクラスを指す。
レーザは、励起誘導放射による光増幅の頭字語である。レーザはレーザ発生可能材料を含んでいるキャビティである。つまり、たとえば光または電荷によって励起することによって原子が準安定な状態に励起可能な水晶、ガラス、液体、半導体、染料、または気体な
どの任意の材料である。光は準安定な状態から基底状態に戻るときに物質によって放射される。発光は通過する光子の存在によって励起され、それによって放出された光子が励起させる光子と同じ位相と方向とを有すことになる。光(本明細書では励起放射を指す)はキャビティ内で振動し、一部がキャビティから放射されて出力ビームを形成する。
高調波発生(HHG)、たとえば第2高調波発生(SHG)、第3高調波発生(THG)、第4高調波発生(FHG)等で、入力光の2つまたは3つ以上の光子が周波数Nf0を有している出力光の光子を生成するように相互作用し、ここでNは相互作用する光子の数である。たとえば、SHGにおいてはN=2である。
差周波数発生(DFG)では、周波数f1の入力光の光子が、周波数がf1−f2の出力光の光子を生成するように、周波数f2の他の入力光の光子と相互作用する。
関連しているi番目の波の波ベクトルで、k1+k2=k3の場合、位相整合していると言える。たとえば周波数逓倍において、基本波と第2高調波の位相速度が整合しているときにプロセスは最も効果的である。通常、位相整合状態は、非線形材料中の光波長、分極状態、および伝搬方向を注意深く選択することによって達成される。
パルス期間(T)は、2つまたは3つ以上のパルスの列において連続しているパルスの同じ点の間の時間を指す。
Qは共振器(キャビティ)の性能指数を指し、(2π)×(共振器に保存されている平均エネルギー)/(サイクルあたり散逸するエネルギー)と定義される。光共振器の表面の反射率が高くなり、吸収損失が減少するほど、Qが増加し、所望のモードからのエネルギー損失が減少する。
Qスイッチレーザは、レーザ発生媒体において高準位の反転(光学利得とエネルギー蓄積)が達成されるまで、レーザ発生作用を防止するためにレーザキャビティ内のQスイッチを使用するレーザを指す。スイッチが音響光学変調器または電気光学変調器または可飽和吸収体によってキャビティのQを急速に増加させたときに、大きなパルスが発生する。
疑似位相整合(QPM)材料:疑似位相整合材料において、基本波の放射と高調波の放射とを、材料の非線形係数の符号を定期的に変化させることによって位相整合させている。符号の変化の期間(kQPM)によって、kQPM+k1+k2=k3のように追加の項が位相整合方程式に追加される。QPM材料において、基本波と高調波とは、同一の分極を有することがあり、効率を改善することが多い。疑似位相整合材料の例には周期分極ニオブ酸タンタル(PPLT)、周期分極ニオブ酸リチウム(PPLN)、周期分極低比組成ニオブ酸タンタル(PPSLT)、周期分極チタンリン酸カリウム(PPKTP)または周期分極微細構造ガラス繊維がある。
誘導ラマン散乱(SRS)は、強力な光ビームを伴って発生する可能性があるラマン散乱の一種である。ラマン散乱光は利得を得て、そのパワーは指数関数的に増加する。入力光のパワーが閾値を超えると、入射光の大部分が、入射光よりも周波数が低いラマン散乱光に変換される。SRSは、誘導ラマン効果またはコヒーレントラマン効果としても知られていることがある。
紫外放射は、以下の波長範囲に細分できる:約380nmから約200nmまでの近UV、約200nmから約10nmまでの遠または真空UV(FUVまたはVUV)、約1nmから約31nmまでの超UV(EUVまたはXUV)。
射の影響を最小化するように、増幅器段階の間に帯域通過フィルタ、光スイッチ、および光アイソレータを配置することができる。
EL)、または増幅誘導放出源(ASE)などの半導体シードソースの代表的なレーザの種類のいずれかとすることができる。前述のシードソースの全ては、駆動電流を変調することによって素早く変調されている出力パワーを有していてもよい。その代わりに、シードソース102は他の半導体部品に一体化されている前述の半導体シードソースのいずれかであってもよい。たとえば、DFBレーザは、半導体増幅器および/または電気吸収型変調器に一体化されていてもよい。シードソース102は、高速の外部変調器を備えている他のシードソースであってもよい。たとえば、マッハツェンダ型電気光学変調器を備えているファイバレーザであってもよい。シードソース102は、所望のシード出力特性を発生する電流変調器と外部変調器の組み合わせとすることができる。
デューティーサイクルは通常<0.01であるので、パルスは図2において幅の狭いスパイクとして現れる。わかりやすくなるように、図2のパルスの間隔は圧縮している。
いる制御システムを実装してもよい。この方法は、追加のハードウェアのコストを削減し、過度の利得の偶発的な増加によるパワー増幅器108に対する光学的損傷のおそれを最小にし、不可能でないにしても困難な外部変調器を使用している制御のレベルを達成できるようにする。
中間値はパルス間期間に続くパルスまたはパルスバーストが所望の挙動を示すように光増幅器内の利得を制御するように選択してもよい。パルスまたはパルスバーストが所望の挙動を示す多くの態様がある。たとえば、パルスまたはパルスバーストの間に、利得が光増幅器108内で光増幅器108、またはシステム100の他の構成要素を破損させたり故障させたりする点まで蓄積しないことが好ましい。専用に設定されているパルス、たとえば頂部が平坦なパルスのバーストが望ましいことが多い。バースト内の一様なパルスが望ましいことが多い。バースト内のパルスの非一様なしかし有用なパターンが望ましいこともある。要求に応じて一様な信号パルスを発生させることが望ましいことも多い。望ましい挙動はユーザによってシステム100の動作前に決められてもよい。
図4に示している例において、頂部が平坦なパルスバーストは7つの公称上同一のパルスを各々が有している。前述のように、バースト内のパルスの数は任意であって、バースト内に1つだけのパルスであってもよい。パルスバーストは、ユーザ制御入力123またはフィードバック信号120に応答して非同期に発生してもよい。この動作のモードは「パルスオンデマンド」として知られている。バースト内の全てのパルスは公称上同一であるのに対して、実際にはパルス間の変動はある程度は避けられない。しかし、そのような変動があっても、変動の程度が意図した用途に対して許容可能な場合、パルスバーストは頂部が平坦であると見なしてもよい。実際的な用途について、バースト内のパルスについてのパルスエネルギーまたはパルス振幅(ピークパワーに等しい)のいずれかの標準偏差が10%未満のバーストは、頂部が平坦であると見なすことができる。
で期間Tの間、最小値Pseedminにとどまっている。シードパワー制御のこの特定の形態は、頂部が平坦なパルスバーストには厳密には必要ないが、システムの制御の実装の他の局面については便利なことがある。たとえば、シードパワー制御のこの形態によって、バースト内の全てのパルスに隣接しているバックグラウンドレベルを同じにすることができ、また、パルスバーストが制御信号に対する遅延Tを伴ってトリガされて、トリガされたシーケンス内の第1のパルスを効果的に抑制することもできる。さらに、シードパワーをバースト後の期間Tの間、最小値Pseedminに維持することによって、利得が急速にその最小値に回復するため、パルスバースト間で必要な回復時間が最小になる。
てもよい。個別のパルス幅、パルスエネルギー、およびパルスピークパワーはバースト内の各パルスの間で異なっていてもよい。同様に、パルス間の期間つまりパルス間隔はパルス内で異なっていてもよい。
直尺度上に示している同じパルスバーストに対応している。図8は、最大のパワーPoutmaxを有している第1と第3のパルスと、最大のパワーPoutmax/2を有している第2、第4、および第5のパルスを有している専用に設定されているパルスも示している。この例では、第1と第2のパルスの間、第3と第4のパルスの間、および第4と第5の間の持続時間はTである。第2と第3のパルスの間の持続時間はより長く、この場合はパルスバースト内の他のパルスの間のパルス期間Tの3倍である。
用で向けられてもよく、監視センサ127はフィードバック信号をバーストモード制御回路124および/または休止モード制御回路125に供給してもよい。2つの制御回路124、125と高速電子スイッチ126とはシステムコントローラ101によって制御され、システムコントローラ101はパルスバーストを開始する信号、パルスバースト内の持続時間とパルス繰り返し率、専用に設定されているパルスバーストの波形、励起パワーレベルなどの動作パラメータを提供してもよい。その代わりに、他のシステム動作パラメータがコントローラ101によって提供されてもよい。
たがってパルス間期間とを、基準期間またはその一部を増分として変化させることができることが好ましい。基準期間は、コントローラ101の一部であるクロックのクロック周期であってもよい。
Claims (23)
- シードソースと、
前記シードソースに結合されている光増幅器と、
前記シードソースからのシード信号が1つまたは2つ以上のパルスバーストを示すように、最小値と最大値との間で前記シード信号のパワーを変化させるように構成されている第1の制御信号を生成するように構成されているロジックを有しているコントローラと、を備え、
各前記パルスバーストは1つまたは2つ以上のパルスを含み、
前記ロジックは前記パルスバースト内の連続しているパルスの間または連続している前記パルスバーストの間のパルス間期間の間に前記最小値よりも大きく且つ前記最大値よりも小さい中間値に前記シード信号の前記パワーを調整するように構成されている第2の制御信号を生成するようにさらに構成されており、
前記中間値は前記パルス間期間に続く前記パルスまたは前記パルスバーストが所望の挙動を示すように前記光増幅器内の利得を制御するように選択されている、
光学システム。 - 前記所望の挙動は、頂部が平坦なパルスバーストである、請求項1に記載の光学システム。
- 前記所望の挙動は、パルスの高さ、パルスの幅、および/またはパルスの間隔の所望のパターンを備えている1つまたは2つ以上のパルスを有しているパルスバーストである、請求項1に記載の光学システム。
- 前記コントローラに結合されているバーストモード制御回路と、
前記コントローラに結合されている休止モード制御回路と、
スイッチと、
をさらに有し、
前記スイッチは前記コントローラに結合されており、
前記スイッチは前記バーストモード制御回路に結合されており、
前記スイッチは前記休止モード制御回路に結合されており、
前記スイッチは前記シードソースに結合されており、
前記スイッチは前記コントローラからのモード選択信号に応答して前記バーストモード制御回路からの前記第1の制御信号または前記休止モード制御回路からの前記第2の制御信号を前記シードソースに選択的に結合するように構成されている、
請求項1に記載の光学システム。 - 前記シードソースはレーザダイオードを有しており、
前記第1及び第2の制御信号は前記レーザダイオードに加わる駆動電流を調整するように構成されている、
請求項4に記載の光学システム。 - 前記シードソースからの前記シード信号を検出し、前記シード信号に比例するフィードバック信号を生成するように構成されているシード信号センサをさらに有し、
前記シードソースは前記バーストモード制御回路または前記休止モード制御回路に結合されており、
前記バーストモード制御回路が前記フィードバック信号に応答して前記第1の制御信号を調整するように構成されているか、又は前記休止モード制御回路が前記フィードバック信号に応答して前記第2の制御信号を調整するように構成されている、請求項4に記載の光学システム。 - 前記シードソースはレーザダイオードを有している、請求項1に記載の光学システム。
- 前記第1及び第2の制御信号は前記レーザダイオードに加わる駆動電流を調整するように構成されている、請求項7に記載の光学システム。
- 前記シードソースが光変調器を有しているか、又は外部光変調器が前記シードソースと前記光増幅器との間に結合されている、請求項1に記載の光学システム。
- 前記第1及び第2の制御信号は前記光変調器または前記外部光変調器の光伝送を調整するように構成されている、請求項9に記載の光学システム。
- 前記光増幅器の出力に光学的に結合されている波長変換器をさらに有する、請求項1に記載の光学システム。
- 前記光増幅器はファイバ増幅器である、請求項1に記載の光学システム。
- シードソースと前記シードソースに結合されている光増幅器とを有している光学システムからの出力パルスを制御する方法であって、
a)前記シードソースからのシード信号が1つまたは2つ以上のパルスバーストを示すように、最小値と最大値との間で前記シード信号のパワーを変化させるように構成されている第1の制御信号を生成し、各パルスバーストが1つまたは2つ以上のパルスを有しているステップと、
b)パルスバースト内の連続しているパルスの間または連続しているパルスバーストの間のパルス間期間の間に前記最小値よりも大きく且つ前記最大値よりも小さい中間値に前記シード信号の前記パワーを調整するように構成されている第2の制御信号を生成するステップと、
を有し、
前記中間値は前記パルス間期間に続く前記パルスまたは前記パルスバーストが所望の挙動を示すように前記光増幅器内の利得を制御するように選択されている、方法。 - 前記所望の挙動は頂部が平坦なパルスバーストである、請求項13に記載の方法。
- 前記所望の挙動は、パルスの高さ、パルスの幅、および/またはパルスの間隔の所定のパターンを備えている1つまたは2つ以上のパルスを有しているパルスバーストである、請求項13に記載の方法。
- 前記a)はバーストモード制御回路を使用して前記第1の制御信号を生成するステップを有し、
前記b)は休止モード制御回路を使用して前記第2の制御信号を生成するステップを有し、
前記バーストモード制御回路または前記休止モード制御回路を前記シードソースに選択的に結合するステップをさらに有する、
請求項13に記載の方法。 - 前記シードソースはレーザダイオードを有しており、
前記第1及び第2の制御信号は前記レーザダイオードに加わる駆動電流を調整するように構成されている、
請求項16に記載の方法。 - 前記シード信号に比例するフィードバック信号を生成するステップと、
前記バーストモード制御回路を使用して前記フィードバック信号に応答して前記第1の制御信号を調整するか、又は前記休止モード制御回路を使用して前記フィードバック信号に応答して前記第2の制御信号を調整するステップと、
をさらに有する、請求項17に記載の方法。 - 前記シードソースが光変調器を有しているか、又は外部光変調器が前記シードソースと前記光増幅器との間に結合されており、
前記第1及び第2の制御信号は前記光変調器または前記外部光変調器の光伝送を調整するように構成されている、
請求項13に記載の方法。 - 前記光増幅器を公称上一定の励起速度で励起するステップをさらに有する、請求項13に記載の方法。
- シードソースと、
前記シードソースに結合されている光増幅器と、
前記シードソースに作動的に結合されており、前記シードソースが1つまたは2つ以上のパルスバーストを生成するように構成されているロジックを有しているコントローラと、
を有し、所与のパルスバースト内のパルスの間の期間は漸次可変である、光学システム。 - 前記パルスバーストは頂部が平坦なパルスバーストである、請求項21に記載の光学システム。
- 前記コントローラは、移動している目標に当たるパルスの間隔が公称上一定であるようにパルスの間の前記期間を調整するように構成されている、請求項22に記載の光学システム。
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