JP2014090196A - 高出力の短小光パルス供給源 - Google Patents

Abstract

【課題】主発振器と、イッテルビウムドープファイバー増幅器（ＹＤＦＡ）の前置増幅器と、励起光レーザーと、光ヘッドと、高出力光ファイバー増幅手段と、光信号送出ファイバーと、励起光送出ファイバーとを備えてなる高出力短小パルス供給源を提供する。
【解決手段】主発振器１２、前置増幅器１４、および励起光レーザー１６は、これらの関連駆動・制御用電子部品および冷却用システムとともに、第１箇所で第１密閉箱２８の内部に設けられている。高出力光ファイバー増幅手段２０は、イッテルビウムドープの増幅器ファイバーと励起信号結合器とから構成されている。高出力光ファイバー増幅手段２０は、上記第１箇所から離れた第２箇所で、光ヘッド１８の内部に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高出力の短小光パルス供給源に関するものである。

工業プロセス、医療プロセスおよび科学的プロセスには、高出力レーザーについての現行の用途および現れつつある用途が多く存在している。従来、これらの用途では、大容量の光キャビティの備わった固体レーザーおよび気体レーザーが使用されており、また、これらのレーザーの出力は一般に自由空間平行ビームである。たいていの場合、レーザー源は、きわめて大きいものであり、また、器械あるいは機械の最も大きい単一要素を構成していることが多い。工業的用途でレーザーシステムを使用するときには、その大きいレーザーをレーザービームの標的にごく接近させて配置することは困難であることが多く、そのため、大容量光ビーム操向装置が必要である。このようなビーム操向装置には、堅牢で信頼性のある性能を可能にするために、正確に、かつ、厚い防振性表面に取り付けられて位置決めされた特別設計の低損失、高反射、および高損傷型の限界ミラーが含まれる。半導体検査のような多くの用途では、その検査用具は、半導体製造過程において使用されるとともに、高価なクリーンルーム環境にあることがきわめて多くて保険料がかかる製造用フロアーの上に間隔を置いて配置される多くの器械および機械のうちの１つにすぎない。このため、機器装備の専有面積の削減がきわめて有益である。レーザーによる材料処理のような他の工業的用途では、その用途環境は、ノイズを伴い、不潔で、レーザー源の操作に対する挑戦であることがきわめて多い。このような用途では、レーザーとビーム操向用光学部品とを不都合な作業環境から保護するために、付加的な測定が必要になることが多い。

ファイバーによるレーザービーム送出は、レーザー源を標的空間から遠くに位置決めすることができるようにするとともに小型の光ビーム送出ヘッド（光ヘッド）を上記の大きいレーザー源が器械およびクリーンルーム環境の外側における任意の電源および冷却システムとともに位置決めされる上記器械の内部に組み込むことができるようにする、明確で興味深い選択肢である。従来の大容量レーザーでは、ファイバーによる送出には、レーザー出力ビームを光ファイバーの中へ発射することが含まれる。このことは、特に高出力レーザー用途では達成するのがきわめて困難である。たいていの用途では、ビームを送出するために単一モードファイバーが必要であるレーザーの良好なビーム特性が要求される。実際には、単一モードファイバーには、１５μｍ未満の、ごく多くの場合には１０μｍ未満の芯線直径があり、また、この開口の中へのビームの効果的で安定した発射は達成することが困難である。さらにまた、高出力用途では、ファイバーの中へのこのような高強度の発射によって、そのファイバー面が損傷を受けるであろう。

加えて、紫外線ファイバーレーザーの用途では、紫外線がファイバーによって吸収されるため、ビームを送出する上で従来の光ファイバーを使用することができない。考慮された１つの選択肢は、光が上記ファイバーの空芯の内部へ大部分案内される中空芯線光結晶ファイバー（ＨＣＰＣＦ）を使用することである。ＨＣＰＣＦを使用しても、光を上記ファイバーの中へ発射する際の上記問題点を解消することはできず、また、高出力での面損傷を防止することはできない。しかしながら、ＨＣＰＣＦには２つの利点があり、すなわち、それらのＨＣＰＣＦによれば、従来のグラスガイド型光ファイバーに比較しておよそ１０００倍の因子によって、比較的低い損失と減少したファイバー非線形性との備わった紫外線の伝搬が可能になる。

ファイバーレーザーには、従来の大容量レーザーに優る顕著な利点が明確に備わっているが、その理由は、光ビームがすでにファイバーの内部にあり、発射用光学部品が必要でないからである。たいていの高出力ファイバーレーザー、特にパルスレーザーでは、主発振器電力増幅器（ＭＯＰＡ）構成体が使用され、その構成体の中では、低出力ファイバー発振器の出力は、一連の高出力ファイバー増幅器の中で増幅される。原則として、ファイバーレーザーあるいはファイバー増幅器の出力は、出力ファイバーを通して上記標的へ直接送出することができる。しかしながら、短小パルスの用途では、この出力は、上記のファイバーおよび増幅器の非線形効果によって、妨げられる。短小光パルスは、１０ナノセカンド（ｎｓ）（１０−８秒）未満の持続時間が備わっているパルスとして一般に定義されている（また、この明細書で定義されている）。ファイバー非線形性の減少は、特に短小パルスが比較的高いピーク強度で必要であるときには、任意のファイバー基システムにおける大きい挑戦である。

持続波および長大パルスの用途では、増幅器出力で付加的長さのファイバーを使用することについての問題点はほとんどないが、その理由は、比較的低い最大出力のために非線形効果を無視することができることが多いからである。しかしながら、短小パルスによるファイバー送出については、スペクトル広がりを引き起こす自己位相変調、およびスペクトル広がりと一時的広がりとの両方を引き起こすラマン散乱のような高水準の非線形効果による、パルスの一時的特性およびスペクトル特性の低下のために、光ファイバーの内部における非線形効果によって、高出力パルスの送出が妨げられる。

より大きい芯線寸法の備わったＨＣＰＣＦおよび従来型の光ファイバー（大モード区域（ＬＭＡ）ファイバーと称されている）が、ファイバー非線形性を減少させるために使用された。ＨＣＰＣＦによって、非線形性が数オーダー減少し、ＬＭＡファイバーによって、非線形性が減少し、上記芯線の上記区域が剥がれる。しかしながら、高出力パルス用途でのビーム送出のためにＬＭＡファイバーを使用することは解決策ではないが、その理由は、最大の単一モード芯線ファイバー（１５〜２０μｍのファイバー）であっても、高い最大出力パルスが送出されるときに顕著な非線形効果がもたらされるためである。

非線形効果を減少させることの重要性は、短小パルス供給源からの紫外線発生を考慮することで表すことができる。可視光線および紫外線を発生させるために短小パルスを使用することは一般的な取り組みであるが、その理由は、短小パルスから達成することのできる高い最大出力によって、ＬＢＯおよびＢＢＯのような非線形材料の中に、効率的な周波数変換がもたらされるからである。しかしながら、従来の非線形媒体の内部における効率的な変換には、上記パルスのスペクトル帯域幅ができるだけ狭いこと、好ましくは変換限定パルスがあること、が必要であることが多い。送出ファイバーあるいはファイバー増幅器の内部における高水準の非線形性によって、スペクトル広がりが引き起こされるであろうし、比較的低い非線形性によって、パルスのスペクトル帯域幅が２倍になり、それゆえ、そのパルスの変換効率が顕著に減少するであろう。従って、パルスの増幅におけるすべてのステージにおいて、ファイバーの非線形効果を阻止するかあるいは減少させることは重要である。

短小光パルスを増幅するためには、大容量レーザーシステムのために開発されたチャープパルス増幅法（Ｃｈｉｒｐｅｄ
Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）（ＣＰＡ）を利用することができ、この方法では、発振器からの短小パルスはファイバーあるいは大容量光学ストレッチャーの中で引き伸ばされ、増幅され、その後、圧縮される。この場合には、増幅された長大パルスは、米国特許公報第６２４９６３０号に記載されたように、光ファイバーによって遠くのプローブへ送出され、そこで、その後に再圧縮される。

このＣＰＡによる取り組みについての主な問題点の１つは、顕著な非線形歪みを生じることなくパルスを増幅するために、パルスは典型的には１０ナノセカンド（ｎｓ）よりも長大持続時間まで引き伸ばさなければならない。それゆえ、引き伸ばされて増幅されたパルスを圧縮するために、かなり長くて複雑な圧縮器が必要である。さらにまた、パルスを引き伸ばして圧縮するときには、ファイバー進入をすべて阻止するために、典型的には大量の光学部品が必要である。このことによって、堅牢にすることが困難であり、また、ＭＯＰＡにおける増幅の別のステージを必要とする顕著な損失が含まれる。さらにまた、増幅およびファイバー送出の後に、上記圧縮ステージには、顕著な光損失もまた含まれ、比較的長大パルス持続時間のために、上記圧縮器自体がきわめて大きく、これは光ヘッド自体が大きい専有面積を有することを意味している。一般に、ＣＰＡの取り組みは、理想的なものではなく、また、特にきびしい操作環境では、小型で堅牢かつ軽量な形態に維持することが困難である。

米国特許公報第６２４９６３０号明細書

本発明の一態様によれば、以下の高出力短小光パルス供給源が提供される。即ち、高出力短小光パルス供給源は、
短小光パルスを出力するために作動することのできる光信号供給源と、
第１箇所に設けられた光励起光源と、
上記第１箇所から離れた第２箇所に設けられた光ヘッドと、
この光ヘッドの内部に配置された、少なくともその光出力部を有している高出力光ファイバー増幅手段と、
上記光信号供給源から上記高出力光ファイバー増幅手段へ光パルスを送出するように構成された光信号送出ファイバーと、
光励起光を上記高出力光ファイバー増幅手段へ送出するように構成された励起光送出ファイバーと、を備え、
第１光パワーの短小光パルスが、上記高出力光ファイバー増幅手段へ送出されるとともに、その光ファイバー増幅手段の中で、上記光ヘッドからの出力のために第２の高い光パワーへ増幅されること。

上記光信号供給源は、好ましくは、前置増幅用増幅器の光ファイバーと１つ以上の前置増幅用光励起源とを備える光ファイバー前置増幅器へ光学的に連結された主発振器を備える。上記前置増幅用増幅器の光ファイバーは、好ましくは、希土類元素ドープ光ファイバーからなる。上記光信号供給源は、好ましくは、上記第１箇所に設けられている。代わりに、上記主発振器および上記前置増幅用増幅器の光ファイバーは、上記第１箇所と上記第２箇所との間にある第３箇所に設けられていてもよく、また、上記前置増幅用光励起源あるいはそれぞれの前置増幅用光励起源は、上記第１箇所に設けられ、かつ、対応する１つ以上の前置増幅用励起光送出ファイバーによって、上記前置増幅用増幅器の光ファイバーへ連結されている。

複数の光励起光源を、上記第１箇所と、対応する複数の励起光送出ファイバーとに設けることができる。

上記高出力光ファイバー増幅手段は、好ましくは、増幅器光ファイバーと１つ以上の励起信号結合器とを備える。この増幅器光ファイバーは、希土類元素ドープ光ファイバーからなるのが好ましく、また、上記前置増幅用増幅器の光ファイバーのような同種の希土類元素ドープ光ファイバーからなるのが最も好ましい。

この高出力の短小光パルス供給源は、直列状に光学的連結された複数の高出力光ファイバー増幅手段から構成されていてもよく、その最後の高出力光ファイバー増幅手段の少なくとも上記光出力部は、上記光ヘッドの内部に配置されている。

上記増幅器光ファイバーあるいはそれぞれの増幅器光ファイバーは、上記光ヘッドの内部に配置されているのが好ましい。上記励起信号結合器あるいはそれぞれの励起信号結合器は、上記光ヘッドの内部に配置されていてもよい。上記励起信号結合器あるいはそれぞれの励起信号結合器は、代わりに、上記第１箇所に配置されていてもよく、また、上記高出力光ファイバー増幅手段は、上記励起信号結合器あるいはそれぞれの励起信号結合器と上記増幅器光ファイバーあるいはそれぞれの増幅器光ファイバーとの間に光学的に連結された励起信号送出ファイバーをさらに備えていてもよい。この励起信号送出ファイバーあるいはそれぞれの励起信号送出ファイバーは、ダブルクラッド型光ファイバーであるのが好ましく、また、偏光維持用光ファイバーであるのが最も好ましい。

代わりに、上記増幅器光ファイバーは、上記第１箇所から上記光ヘッドへ延出するように構成されていてもよい。上記増幅器光ファイバーは、ダブルクラッド型増幅器光ファイバーから構成されているのが好ましい。上記励起信号結合器あるいは励起信号結合器は、光パルスおよび励起光を上記増幅器光ファイバーの一方端部に連結するように構成されて、上記第１箇所に設けられていてもよい。代わりに、あるいはこれに加えて、上記励起信号結合器あるいは励起信号結合器は、励起光を上記増幅器光ファイバーの信号出力端部に連結するように構成され、上記光ヘッドの内部に設けられていてもよい。

上記光ヘッドには、上記高出力光ファイバー増幅手段の出力部へ光学的に連結された光アイソレーター・光コリメーターアセンブリーがさらに備わっているのが好ましい。

上記高出力光ファイバー増幅手段には、上記増幅器光ファイバーあるいは上記最後の増幅器光ファイバーの上記出力端部へ光学的に連結された大容量の光増幅器要素、最も好ましくはロッド状増幅器がさらに備わっていてもよく、上記増幅器光ファイバーは、上記増幅器光ファイバーの中へ連結された任意の励起光の一部がその光ファイバーによって吸収されないように短い長さであり、また、上記大容量の光増幅器要素を励起するように作用する。

この高出力短小光パルス供給源には、上記高出力光ファイバー増幅手段あるいは上記最後の高出力光ファイバー増幅手段の上記出力部へ光学的に連結された非線形光周波数変換手段がさらに備わっていてもよい。この非線形光周波数変換手段は、非線形光学結晶から構成されているのが好ましい。この非線形光周波数変換手段は、光学的に直列状に配置された複数の非線形光学結晶から構成されていてもよい。この非線形光周波数変換手段は代わりに、非線形光ファイバーから構成されていてもよい。

この高出力短小光パルス供給源には、代わりに、あるいはそれに加えて、上記高出力光ファイバー増幅手段あるいは上記最後の高出力光ファイバー増幅手段へあるいは上記非線形光周波数変換手段へ光学的に連結された光パルス圧縮器が備わっていてもよい。この光パルス圧縮器は、上記信号波長で異常分散を有している透過型回折格子対あるいはフォトニック結晶ファイバーから構成されていてもよい。

この高出力短小光パルス供給源には、上記光パルス周波数を減少させるように作動することのできるパルスピッカーがさらに備わっていてもよい。このパルスピッカーには、上記光信号供給源からの光パルス周波数出力値よりも低い同期型ゲート周波数で駆動される音響光学的変調器のような光ゲートが備わっているのが好ましい。

この高出力短小光パルス供給源には、上記光ヘッドの内部に光学的監視手段がさらに備わっていてもよい。

上記光ヘッドは、発生した高出力短小光パルスを試験中の標的あるいは試料の上に正確に位置決めすることができるように、可動状に取り付けられていてもよい。上記光ヘッドは、並進ステージあるいはロボットアームのような機械的マニピュレーターに取り付けられているのが好ましい。

本発明の第１実施形態による高出力短小光パルス供給源の概略図である。 本発明の第２実施形態による高出力短小光パルス供給源の概略図である。 本発明の第３実施形態による高出力短小光パルス供給源の概略図である。 本発明の第４実施形態による高出力短小光パルス供給源の概略図である。 本発明の第５実施形態による高出力短小光パルス供給源の概略図である。 本発明の第６実施形態による高出力短小光パルス供給源の概略図である。 本発明の第７実施形態による高出力短小光パルス供給源の概略図である。 本発明の第８実施形態による高出力短小光パルス供給源の概略図である。 本発明の第９実施形態による高出力短小光パルス供給源の概略図である。 本発明の第１０実施形態による高出力短小光パルス供給源の概略図である。 本発明の第１１実施形態による高出力短小光パルス供給源の概略図である。

添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態を例示としてだけ、詳しく説明する。

図１によれば、本発明の第１実施形態によって高出力短小パルス供給源１０が提供されており、この高出力短小パルス供給源１０は、主発振器１２の形態にある光信号供給源と、イッテルビウムドープファイバー増幅器（ＹＤＦＡ）の前置増幅器１４と、励起光供給源１６と、光ヘッド１８と、高出力光ファイバー増幅手段２０と、光信号送出ファイバー２２と、励起光送出ファイバー２４と、高出力光アイソレーター２６とを備えている。

主発振器１２には、２００メガヘルツ（ＭＨｚ）のパルス周波数で１０ピコセカンド（ｐｓ）のパルスを出力するように作動することのできるモードロック型ファイバー発振器が備わっている。前置増幅器１４は、上記パルスの平均出力をおよそ１００ミリワット（ｍＷ）まで増幅する。

この例では、主発振器１２、前置増幅器１４、および励起光レーザー１６は、これらの関連駆動・制御用電子部品および冷却用システム（図示略）とともに、第１箇所で第１密閉箱２８の内部に設けられている。付加的な光アイソレーター３０，３２が、主発振器１２および前置増幅器１４の後方に、これらを後方反射から保護すべく設けられている。

高出力光ファイバー増幅手段２０には、イッテルビウムドープ増幅器ファイバーからなる１ｍ長さの単一モード偏光維持用の大モード区域と、大モード区域の信号ファイバーがある励起信号結合器とが備わっている。高出力光ファイバー増幅手段２０および高出力光アイソレーター２６は、上記第１箇所から遠い第２箇所に位置している光ヘッド１８の内部に設けられている。

前置増幅器１４からの短小で比較的低い出力の光パルス出力は、５ｍ長さの偏光維持用の単一モード光ファイバーが備わっている光信号送出ファイバー２２を経て高出力ファイバー増幅手段２０の励起信号結合器へ送出されるが、偏光維持用ファイバーの使用によって、上記信号を妨害するあらゆる環境効果が防止される。

励起光供給源１６には、９１５ナノメートル（ｎｍ）の波長と２０ワット（Ｗ）〜４０ワット（Ｗ）の光パワーとで持続波の励起光を発生させるために作動することのできるファイバーピッグテール型マルチエミッタの励起源が備わっている。

上記励起光は、この例では５ｍ長さの光ファイバーであって１０５マイクロメートル（μｍ）直径の芯線と０．２２マイクロメートル（μｍ）の多数の開口とが備わっている励起光送出ファイバー２４を介して、高出力光ファイバー増幅手段２０の上記励起信号結合器へ送出される。この励起光送出ファイバー２４は、環境効果に対して傷つきやすいものではなくて、工業的用途のための装甲型ジャケットの内部で信号送出ファイバーとともに保護されていてもよい。

高出力光ファイバー増幅手段２０は、受信した上記光パルスをおよそ２０ワット（Ｗ）の平均出力へ増幅し、結果として、およそ１０キロワット（ｋＷ）のパルス最大出力にする。上記高出力光パルス供給源１０の全体的な低い非線形性によって、上記光パルスのスペクトル広がりが最小限になることと、上記パルスが０．５ナノメートル（ｎｍ）未満の最終スペクトル帯域幅を有していることとが保証される。

上記高出力光ファイバー増幅手段２０と上記アイソレーター２６とが含まれている上記光ヘッド１８は、小さい専有面積を有し、かつ、上記光パルスの意図された標的に配置することができる。その結果、上記高出力短小光パルス供給源１０の大きくてノイズを伴う要素は、上記パルスの適用部位から離して設けられ、また、より小さい光ヘッドだけは上記標的の近くに配置する必要がある。

図２は、本発明の第２実施形態による高出力短小光パルス供給源４０を示している。この実施形態の光パルス供給源４０は、上記第１実施形態の光パルス供給源１０と実質的に同一であり、次の変更箇所を有している。同一の参照符号は、対応している特徴構成のために維持されている。

この実施形態では、第２励起光供給源４２が、上記第１密閉箱の内部で第１箇所に設けられている。第２励起光送出ファイバー４４もまた設けられており、この第２励起光送出ファイバーは、第２励起光供給源４２からの励起光を高出力光ファイバー増幅手段２０の上記励起光結合器へ送出する。

高出力光ファイバー増幅手段２０が代わりに、一連の２つの増幅器ファイバーと励起信号結合器とを有している２ステージ増幅器から構成され、必要に応じて増幅器ステージどうしの間にアイソレーターが設けられていてもよい、ということはわかるであろう。それぞれの励起信号供給源１６，４２はその後、個々の増幅器ステージを励起し、これらの増幅器ステージは、階段流（カスケード）を通して釣り合わされたゲインの備わった増大信号をもたらすために段階的に引き起こされるであろう。

たいていの用途では、高出力光ファイバー増幅手段２０には単一の増幅器ファイバーが必要であるだけである。しかしながら、増幅器ファイバーの数（従って、励起光供給源の数）は、前置増幅器１４から出力された光パルスの出力、信号送出ファイバー２２の長さ、および高出力短小光パルス供給源１０の用途によって決定されたような非線形効果の許容量によって、少なくとも部分的に決定されるであろう。

本発明の第３実施形態による高出力短小光パルス供給源５０が図３に示されている。この実施形態によるパルス供給源５０は、先の実施形態の光パルス供給源４０と実質的に同一であり、次の変更箇所を有している。同一の参照符号は対応している特徴構成のために維持されている。

この実施形態では、高出力光ファイバー増幅手段２０の励起信号結合器５２が、上記第１密閉箱２８の内部で第１箇所に設けられている。励起光送出ファイバー２４，４４および信号送出ファイバー２２もまた、第１密閉箱２８の内部に全体として収容されている。 この実施形態の高出力光ファイバー増幅手段２０には、励起信号送出ファイバー５４がさらに備わっており、このファイバー５４は、励起信号結合器５２の出力ファイバーから構成されている。励起信号送出ファイバー５４は、信号案内用芯線領域と、上記励起光供給源１６，４２からの励起光を案内する内部クラッド層とを有している偏光維持用ダブルクラッド型光ファイバーである。

励起信号送出ファイバー５４は、第１密閉箱２８の内部の励起信号結合器５２から、光ヘッド１８の内部の増幅器ファイバー５６まで延びている。それゆえ、増幅器ファイバー５６は共伝搬状況において励起される。

図４は、本発明の第４実施形態による高出力短小光パルス供給源６０を示している。この実施形態のパルス供給源６０は、先の実施形態の光パルス供給源５０と実質的に同一であり、次の変更箇所を有している。

この実施形態では、増幅器ファイバー６２は、偏光維持用ダブルクラッド型増幅器ファイバーから構成されているとともに、励起信号結合器５２と光ヘッド１８との間に延びている。増幅器ファイバー６２の入力端部は励起信号結合器５２の出力部に連結されており、増幅器ファイバー６２の出力端部は光ヘッド１８の中に配置されており、ここでは、その出力端部は光アイソレーターおよび平行光学系６４へ連結されている。それゆえ、増幅器ファイバー６２によって、パルス増幅と光ヘッド１８へのパルス送出との二重機能がもたらされる。

ファイバー増幅器は１００％効率的であるとはいえないため（典型的には５０〜７５％効率を達成することができる）、増幅器ファイバー６２は使用中に温かくなるであろう。放熱は、増幅器ファイバー６２を保護するための装甲状ケーブルの使用によって達成することができ、増幅器ファイバー６２の周りの空隙は、適切な熱伝達流体あるいはペーストで充填されて、増幅器ファイバー６２と上記ケーブルの内面との間に良好な熱的接触が保証される。

本発明の第５実施形態による高出力短小光パルス供給源７０が、図５に示されている。この実施形態のパルス供給源７０は、先の実施形態の光パルス供給源６０と実質的に同一であり、次の変更箇所を有している。

この例では、励起信号結合器５２が光ヘッド１８の中に設けられ、その結果、対向伝播用励起状況が用いられている。励起光送出ファイバー２４，４４が、上記第１密閉箱の中における励起源１６，４２から光ヘッド１８の中における励起信号結合器５２まで延びている。

本発明の第６実施形態による高出力短小光パルス供給源８０が、図６に示されている。この実施形態の光パルス供給源８０は、図４の光パルス供給源６０と実質的に同一であり、次の変更箇所を有している。

この例では、増幅器ファイバー６２は、この増幅器ファイバーへ送出された上記励起光のかなりの部分がこの増幅器ファイバーの内部で吸収されることなく、上記信号パルスとともに上記ファイバーの出力部へ伝搬されるように、「短い長さ」に作られている。高出力光ファイバー増幅手段２０には、ハイブリッド増幅装置を形成するために、増幅器ファイバー６２の上記出力部へ光学的に連結されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）結晶ロッドの形態にあるロッド状増幅器８２がさらに備わっている。このＹＡＧ結晶ロッド８２によれば、このＹＡＧ結晶ロッド８２を励起するために非吸収型励起光を利用することで、ごく少量の材料で上記短小光パルスの増幅の第２ステージが実行される。このＹＡＧ結晶ロッド８２によれば、２〜３デシベル（ｄＢ）の付加的ゲインがもたらされる一方で、上記信号パルスにはごく少ない非線形歪みがもたらされる。ＹＡＧ結晶ロッド８２の上記ゲインは、上記結晶の有効度、上記励起光と上記信号パルスとの発散比、およびＹＡＧ結晶ロッド８２にわたる上記励起光と上記信号パルスとの重複度によって決定される。

ＹＡＧ結晶ロッド８２から増幅器ファイバー６２の中への光フィードバックを防止するために、増幅器ファイバー６２の出力端部とＹＡＧ結晶ロッド８２とはともに、反射防止コーティングで被覆されている。代わりに、増幅器ファイバー６２および上記ＹＡＧ結晶ロッドは一緒に融合させてもよい。

ＹＡＧ結晶ロッド８２のようなロッド状増幅器を上記実施形態のいずれかととともに使用することもできる。

図７は、本発明の第７実施形態による高出力短小光パルス供給源９０を示している。この実施形態の光パルス供給源９０は、図２の光パルス供給源４０に基づくものであり、次の変更箇所を有している。同一の参照符号は対応している特徴構成のために維持されている。

この例では、高出力短小光パルス供給源９０は、高出力光ファイバー増幅手段２０の出力部へ光学的に連結されるとともに光ヘッド１８の内部に配置された非線形光周波数変換手段９２をさらに備えている。

この非線形光周波数変換手段９２は、（光学的に直列状連結された）一組の位相板９４、この例ではＩ型のＬＢＯ結晶である第１非線形結晶９６、この例ではＩ型のＢＢＯ結晶である第２非線形結晶９８、および調波分離器１００から構成されている。

１０６４ナノメートル（ｎｍ）の波長とおよそ２０ワット（Ｗ）の平均出力とが備わっている高出力光ファイバー増幅手段２０からの上記出力光パルスは、上記非線形周波数変換のための最適な偏光状態を設定するために、位相板９４を通過する。次に、これらのパルスは、従来の平行光学系および合焦光学系を使用して、上記ＬＢＯ結晶９６の中へ発射されて、上記パルスの上記波長が、１２ワット（Ｗ）の平均出力でそれらの第２調和波長の５３２ナノメートル（ｎｍ）へ変換される。

上記ＬＢＯ結晶９６から出力された周波数変換済みパルスは次に上記ＢＢＯ結晶９８の中へ発射され、そこで、上記波長は、１．２ワット（Ｗ）の平均出力でそれらの第４調和波長の２６６ナノメートル（ｎｍ）へ変換される。上記ＢＢＯ結晶９８からの出力は次に調波分離器１００を通過し、その調波分離器１００は、所望波長、この事例では２６６ナノメートル（ｎｍ）の波長だけを、上記高出力短小光パルス供給源９０の標的への出力として送出する。

ＬＢＯ結晶９６およびＢＢＯ結晶９８はそれぞれ、温度制御装置１０２によって制御される炉の内部に備え付けられている。これらの炉および温度制御装置１０２のための電力と、高出力光ファイバー増幅手段２０のための冷却用ファン（図示略）への電力は、電源ケーブル１０４を介して光ヘッド１８へ送出される。

上記非線形光周波数変換手段９２が、代わりに、第３の、第４のあるいはより高い調波を発生するための他の結晶の組み合わせ、例えばＰＰＬＮあるいはＰＰＫＴＰのような周期分極反転構造を有する非線形結晶を使用してもよいこと、あるいは、ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＢＩＢＯ、ＣＬＢＯ、およびＫＴＰのような従来の結晶の他の組み合わせを使用してもよいことは、わかるであろう。

有効な周波数変換のためには、上記パルスのスペクトル帯域幅はできるだけ狭く維持しなければならない。上記パルスを増幅する前に、上記光パルスを最大長さのファイバーによって上記非線形光変換手段９２へ近づけて透過させることで、高出力短小光パルス供給源９０は、上記パルスのスペクトル歪みが最小限にされ、かつ、非線形光変換効率がそれによって最大化されることを保証する。

従って、上記高出力短小光パルス供給源９０は紫外線を標的へ直接、送出することができ、また、上記供給源９０の嵩高い諸要素を上記標的から離して遠くに配置することができる。

上記非線形光周波数変換手段９２が、先に説明している実施形態に対応するいずれの高出力短小光パルス供給源に含まれてもよいことは、わかるであろう。

図８には、本発明の第８実施形態による高出力短小光パルス供給源１１０が示されている。この実施形態のパルス供給源１１０は、上記第１実施形態の光パルス供給源１０に基づくものであり、次の変更箇所を有しているとともに、極端に短い（フェムト秒の）光パルスを発生するために作動することができる。同一の参照符号は対応している特徴構成のために維持されている。

上記光パルス供給源１１０には、光ヘッド１８の内部に設けられて高出力光ファイバー増幅手段２０の出力部へ光学的に連結されたパルス圧縮器１１２がさらに備わっている。 この例では、上記パルス圧縮器は、１０ｃｍ未満の格子間隔が備わっている透過型回折格子対１１２の形態を採用している。パルス圧縮器１１２には代わりに、上記信号波長で異常分散があるフォトニック結晶ファイバーに基づいたファイバーパルス圧縮器が備わっていてもよい。

主発振器１２は、１０メガヘルツ（ＭＨｚ）のパルス周波数でおよそ１０ピコセカンド（ｐｓ）の持続時間を有している光パルスを発生する。これらのパルスは次に、光ファイバー前置増幅器１４によって、およそ５０ミリワット（ｍＷ）の光パワーへ増幅される。励起光供給源１６からの信号パルスおよび２０ワット（Ｗ）、９７５ナノメートル（ｎｍ）の励起光は、それぞれ信号送出ファイバー２２および励起光送出ファイバー２４を超えて（各ファイバーはこの例では２ｍの長さである）、大きいモード区域へ、すなわち、高出力光ファイバー増幅手段２０の内部における偏光維持用の単一モード型イッテルビウムドープ増幅器ファイバーへ送出される。高出力光ファイバー増幅手段２０は、上記平均パルス出力をおよそ１２ワット（Ｗ）へ増幅し、結果的に、１マイクロジュール（μＪ）以上のパルスエネルギーをもたらす。

上記高出力光ファイバー増幅手段の内部における増幅の間に、これらのパルス（およそ１０ピコセカンド（ｐｓ）の持続時間で上記高出力光ファイバー増幅手段へ入る）は、正のファイバー分散および自己位相変調の組み合わせのために、直線状にチャープされるようになる。

増幅されたパルスは次に透過型回折格子対１１２を通過するが、この回折格子対は、上記パルスを８０％よりも大きい効率で５００フェムト秒よりも少ないパルスに圧縮して、およそ１１マイクロジュール（μＪ）のエネルギーと２メガワット（ＭＷ）の最大出力とが備わっているパルスを作り出す。この高出力超短小パルスは次に、複雑なビーム操向用光学部品を必要とすることなく、意図された標的に直接配置することのできる上記ヘッド１８から送出することができる。

超短小のフェムト秒パルスを発生させるために、パルス圧縮器１１２を上記の高出力短小光パルス供給源の中へ組み込むことができる、ということはわかるであろう。

図９は、本発明の第９実施形態による高出力短小光パルス供給源１２０を示している。このパルス供給源１２０は、図２の光パルス供給源４０と実質的に同一であり、次の変更箇所を有している。同一の参照符号は対応している特徴構成のために維持されている。

この実施形態では、励起光供給源１６，４２は、第１箇所で、前置増幅器１４のための励起源１２２，１２４、およびそれらの関連する電気駆動回路系、冷却用および放熱用要素（図示略）とともに、第１密閉箱２８の内部に設けられている。高出力光ファイバー増幅手段２０および光アイソレーター２６は、上記第１箇所から遠い第２箇所で、光ヘッド１８の内部に設けられている。

主発振器１２および光ファイバー前置増幅器１４の上記増幅器ファイバーおよび上記励起信号結合器は、これらの関連アイソレーター３０，３２とともに、上記第１箇所と上記第２箇所との中間の第３箇所で第２密閉箱１２６の内部に設けられている。前置増幅器の励起源１２２，１２４の出力は、それぞれ前置増幅器励起送出ファイバー１２８，１３０を介して、光ファイバー前置増幅器１４の増幅器ファイバーへ送出される。

このようにして、主発振器１２、前置増幅器１４、および高出力光ファイバー増幅手段２０は、この用途の標的区域に隣接して配置された１つ以上の個別密閉箱の中に密閉することができ、従って、ビーム操向用光学部品の必要性がなくなる。

この構成を、非線形周波数変換およびパルス圧縮が含まれる、先に説明した実施形態のいずれかに適用することもできる、ということはわかるであろう。

図１０は、本発明の第１０実施形態による高出力短小光パルス供給源１４０を示している。このパルス供給源１４０は、図１のパルス供給源１０と実質的に同一であり、次の変更箇所を有している。同一の参照符号は対応している特徴構成のために維持されている。 このパルス供給源１４０には、上記光パルス周波数を減少させるように作動することのできるパルスピッカー１４２がさらに備わっていてもよい。この例では、パルスピッカー１４２には、主発振器１２からの光パルス周波数出力値よりも低い同期型ゲート周波数で駆動される音響光学的変調器のような光ゲートが備わっている。パルスピッカー１４２は、第１密閉箱２８の内部で前置増幅器１４の後方に設けられている。パルスピッカー１４２は、パルス供給源１４０の内部で上記光パルスが低いパルスエネルギーを有する位置に配置されている。これは、音響光学的変調器パルスピッカー１４２の中への光挿入損失が高いからであり、従って、上記パルスについては、上記パルスをそれらの最終高出力へ増幅するのに先立って、これのパルスをパルスピッカー１４２へ透過させるのが好ましい。パルスピッカーを設けることによってもまた、所望の平均出力についていっそう高いパルスエネルギーを達成することができる。

パルスピッカー１４２を上記パルス供給源のいずれかの内部に設けることができること、また、そこでは、上記パルス供給源が、２つ以上の増幅ステージを有していてこれらの増幅ステージのいずれか１つの後に、上記主発振器と上記最終高出力増幅ステージとの間にパルスピッカーを設けることのできる高出力光ファイバー増幅手段を備えていることは、わかるであろう。

本発明の第１１実施形態による高出力短小光パルス供給源１５０が、図１１に示されている。この例では、光ヘッド１８は、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の１つ以上に光ヘッド１８の並進をもたらすことのできる並進ステージ１５２に可動状に取り付けられている。この並進ステージ１５２によってもたらされた光ヘッド１８の制御された動きによって、上記高出力短小光パルスを試験中の標的あるいは試料の上に出力する正確な方向付けを行なうことができる。光ヘッド１８は代わりに、ロボットアームのような機械的マニピュレーターに取り付けることができる。

先に説明した実施形態のいずれかの光ヘッド１８を同じように可動状に取り付けることができる、ということはわかるであろう。

上記の実施形態には、さまざまな変更を本発明の範囲から逸脱することなく施すことができる。

上記主発振器が、固体モードロック型レーザー、例えばバナジウム酸ネオジウムレーザー、あるいはゲイン切り換え型レーザーダイオードのような、短小光パルスを発生させるように作動することのできる任意の光源を代わりに備えていてもよい、ということはわかるであろう。上記前置増幅器の上記増幅器ファイバーおよび上記高出力光ファイバー増幅手段は代わりに、エルビウム、ツリウム、あるいはネオジムのような異なる希土類元素でドープされていてもよい。

たいていの用途では、上記励起源は、上記希土類元素ドープ増幅器ファイバーを励起するために適切な波長（例えば８０８ｎｍ、９１５ｎｍあるいは９７５ｎｍ）で作動する多重モード型励起源であろう。例えば、単一ファイバーピッグテール型レーザーダイオード、ダイオードバー、あるいは、Ｆｉａｎｉｕｍ Ｌｔｄによって市販され、単一の１０５マイクロメートル（μｍ）芯線、０．２２開口数（ＮＡ）の励起光送出ファイバーの内部で２０〜４０ワット（Ｗ）を送出するＰＵＭＡ光源のようなマルチエミッタ励起源。

多重モード型励起光送出ファイバーが使用されるところでは、上記励起信号結合器には、ＯＦＳあるいはＳｉｆａｍ
Ｆｉｂｒｅ Ｏｐｔｉｃｓから市販されたもののような従来のテーパー状バンドルが含まれていることが典型的であろう。代わりに、励起信号結合器は、テーパー状連結器、側面励起用ファイバー構成体、あるいは米国特許公報第６，８２６，３３５号において提案されたような分散型励起連結用ファイバー構成体であってもよい。上記多重モード励起状況では、上記増幅器ファイバーは典型的にはダブルクラッド型ファイバー構造から構成され、そこでは、上記信号パルスは信号芯線の内部で案内され、また、上記励起光は上記ファイバークラッドの内部で案内される。

代わりに、上記励起源はファイバーピッグテール型レーザーダイオードあるいはファイバーレーザーのような単一モード励起源であってもよい。このファイバーレーザーはラマンファイバーレーザーであってもよく、または、上記希土類元素ドープ増幅器ファイバーを励起するために必要な波長で持続波あるいはパルス状放射線を発生させるクラッド用励起済みファイバーレーザーであってもよい。上記単一モード励起状況では、上記信号パルスと上記１つ以上の励起源からの励起光とは、溶融型ＷＤＭ連結器あるいは薄膜型ＷＤＭ連結器のような従来のＷＤＭ構成要素を使用して組み合わされる。

上記単一モード励起状況では、上記増幅器ファイバーは従来の単一クラッド状幾何学的形状を有し、ここでは、上記信号パルスと上記励起光とは上記増幅器ファイバーの芯線の内部を伝搬する。このことは、上記励起光吸収を増大させる点と、それゆえ、増幅器の長さ、ひいては非線形性を減少させる点に利益がある。

説明された高出力短小光パルス供給源のいずれかの上記光ヘッドには、上記増幅器ファイバーの強制空気冷却をもたらすために、上記高出力光ファイバー増幅手段の内部にヒートシンクおよび一体型ファンが含まれていてもよい。上記光ヘッドの内部には、フィードバック及び出力レベルを監視してインターロックおよび自動欠陥検出を可能にするために、上記第１密閉箱への電気的連絡および光学的連絡の両方とともに、光監視手段もまた設けることができる。

説明された上記実施形態によれば、以下のように、さまざまな利点がもたらされる。

上記高出力短小光パルス供給源によれば、短小ファイバー増幅システムと後処理用光学部品とを、上記パルス供給源のかさ高くてノイズを伴う熱発生要素から遠くに配置することができ、また、それによって、上記光ヘッドをごく小型にすることができる。従って、上記光ヘッドは、適用空間に近接させて配置することができ、空間を最小限にして、複雑で高価なビーム操向用光学部品の必要性をなくすことができる。

上記高出力短小光パルス供給源によれば、複雑なチャープパルス増幅（ＣＰＡ）法を利用することなく、高エネルギーで狭いスペクトル帯域幅の極端に短い（フェムト秒の）光パルスの送出が可能になる。ＣＰＡ法が組み入れられていない短小光パルス増幅システムでは、パルスを高い最大出力へ送出しあるいは増幅するすべてのファイバー長は物理的にできるだけ短く維持することが不可欠であり、上記高出力短小光パルス供給源の構造および構成によってこれが達成されることが保証される。

パルス圧縮器が組み入れられている上記高出力短小光パルス供給源によれば、ファイバー送出型レーザー源の中にＣＰＡを配置する必要性がなくなる。ＣＰＡパルス圧縮法を利用する公知の超短小パルス供給源よりも堅牢で、コストがより低く、また、維持しやすくかつ組み立てやすい高出力超短小パルス供給源が設けられる。

上記高出力短小光パルス供給源によれば、上記光ヘッドの内部に効果的に発生した紫外線光パルスの送出が可能になる。

上記高出力短小光パルス供給源によれば、複雑なビーム操向用光学部品を使用することなくビームを標的へ直接送出するという利点もまたもたらされる。従って、上記高出力短小光パルス供給源によれば、公知の高出力光パルス供給源に勝る、改善された機械的堅牢性、減少したコストおよび重量、ならびに保守の容易性がもたらされる。

上記高出力短小光パルス供給源によれば出力の拡張性もまた可能になるが、その理由は、これらの供給源が、上記遠隔励起用密閉箱の中に多重励起光供給源を組み込むことのできるものであり、また、上記励起光が、上記出力用光ヘッドの内部かあるいはそれに近接して遠くに配置された上記増幅システムへ、長い長さにわたってかつきわめて低い損失で送出されるからである。

１０ 高出力短小パルス供給源
１２ 主発振器
１４ 前置増幅器
１６ 励起光供給源
１８ 光ヘッド
２０ 高出力光ファイバー増幅手段
２２ 光信号送出ファイバー
２４ 励起光送出ファイバー
２６ 高出力光アイソレーター
２８ 第１密閉箱
３０ 付加的な光アイソレーター
３２ 付加的な光アイソレーター

Claims (19)

1. １０ナノ秒未満の持続時間を有する短小光パルスを出力するように作動することのできる光信号供給源と、
   第１箇所に設けられた光励起光源と、
   前記第１箇所から離れた第２箇所に設けられた光へッドと、
   前記光へッドの内部に配置された光出力部を少なくとも有する高出力光ファイバー増幅手段と、
   前記光信号供給源から前記高出力光ファイバー増幅手段へ光パルスを送出するように構成された光信号送出ファイバーと、
   光励起光を前記高出力光ファイバー増幅手段へ送出するように構成された励起光送出ファイバーと、を備え、
   前記高出力光ファイバー増幅手段は、増幅器光ファイバーと、１つ以上の励起信号結合器とを備え
   前記増幅器光ファイバーは、前記光へッドの内部に配置されていて、
   第１光パワーの短小光パルスが、前記光信号供給源から前記高出力光ファイバー増幅手段へ送出されるとともに、その高出力光ファイバー増幅手段において、前記光へッドからの出力のために第２の高い光パワーへ増幅される、
   ことを特徴とする高出力短小光パルス供給源。
2. 前記光信号供給源は、前置増幅用増幅器の光ファイバーと１つ以上の前置増幅用光励起源とを備える光ファイバー前置増幅器へ光学的に連結された主発振器を備える、請求項１に記載の高出力短小光パルス供給源。
3. 前記光信号供給源は、前記第１箇所に設けられている、請求項１または２に記載の高出力短小光パルス供給源。
4. 前記主発振器および前記前置増幅用増幅器の光ファイバーは、前記第１箇所と前記第２箇所との間にある第３箇所に設けられており、また、前記１つ以上の前置増幅用光励起源は、前記第１箇所に設けられ、かつ、対応する１つ以上の前置増幅用励起光送出ファイバーを介して、前記前置増幅用増幅器の光ファイバーへ連結されている、請求項２に記載の高出力短小光パルス供給源。
5. 複数の光励起光源が、前記第１箇所および対応する複数の励起光送出ファイバーに設けられている、請求項１〜４のいずれかに記載の高出力短小光パルス供給源。
6. この高出力短小光パルス供給源は、直列状に光学的連結された複数の高出力光ファイバー増幅手段を備えており、その最後の高出力光ファイバー増幅手段の少なくとも光出力部は、前記光へッドの内部に配置されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の高出力短小光パルス供給源。
7. 前記励起信号結合器は、前記光へッドの内部に配置されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の高出力短小光パルス供給源。
8. 前記励起信号結合器は、前記第１箇所に配置されており、また、前記高出力光ファイバー増幅手段は、前記励起信号結合器と、前記増幅器光ファイバーとの間に光学的に連結された励起信号送出ファイバーをさらに備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の高出力短小光パルス供給源。
9. 前記励起信号結合器は、光パルスおよび励起光を前記増幅器光ファイバーの一方端部に連結するように構成されて、前記第１箇所に設けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の高出力短小光パルス供給源。
10. 前記励起信号結合器は、励起光を前記増幅器光ファイバーの信号出力端部に連結するように構成されて、前記光へッドの内部に設けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の高出力短小光パルス供給源。
11. 前記高出力光ファイバー増幅手段は、前記増幅器光ファイバーあるいは前記最後の増幅器光ファイバーの出力端部へ光学的に連結された大容量の光増幅器要素をさらに備え、前記増幅器光ファイバーは、前記増幅器光ファイバーの中へ導かれる任意の励起光の一部がその光ファイバーによって吸収されないように短い長さであり、また、前記大容量の光増幅器要素を励起するように作用する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の高出力短小光パルス供給源。
12. この高出力短小光パルス供給源は、前記高出力光ファイバー増幅手段あるいは前記最後の高出力光ファイバー増幅手段の出力部へ光学的に連結された非線形光周波数変換手段をさらに備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の高出力短小光パルス供給源。
13. この高出力短小光パルス供給源は、前記高出力光ファイバー増幅手段もしくは前記最後の高出力光ファイバー増幅手段へ、又は前記非線形光周波数変換手段へ光学的に連結された光パルス圧縮器を備える、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の高出力短小光パルス供給源。
14. 前記光パルス圧縮器は、前記信号波長で異常分散を有している透過型回折格子対あるいはフォトニック結晶ファイバーから構成されている、請求項１３に記載の高出力短小光パルス供給源。
15. この高出力短小光パルス供給源は、前記光パルス周波数を減少させるように作動することのできるパルスピッカーをさらに備える、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の高出力短小光パルス供給源。
16. この高出力短小光パルス供給源は、前記光へッドの内部に光学的監視手段をさらに備える、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の高出力短小光パルス供給源。
17. 前記光へッドは、発生した高出力短小光パルスを試験中の標的又は試料の上に正確に振り向けることを可能とすべく、移動可能に取り付けられている、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の高出力短小光パルス供給源。
18. 前記光へッドは、並進ステージ、あるいはロボットアームのような機械的マニピュレーターに取り付けられている、請求項１７に記載の高出力短小光パルス供給源。
19. 前記高出力光ファイバー増幅手段の増幅器光ファイバーは、ダブルクラッド型増幅器光ファイバーから構成されている、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の高出力短小光パルス供給源。

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