JP2014530493A - 制御可能多波長ファイバ・レーザ光源 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つの実施形態において、レーザ・システムは、ファイバ・レーザ光源と、偏光コントローラと、波長変換器とを含む。ポンプ波長と信号波長との間の相対電力分布は、偏光コントローラを使用して制御可能である。オプションの位相補償器を使用して、出力レーザ・ビームの偏光状態を制御する。様々な実施形態において、多波長間の相対電力分布を少なくとも約１００：１の範囲にわたって制御することができる。

Description

本発明は、多数の出力波長を有するファイバ・レーザ光源に関し、より詳細には、各波長においてエネルギーを制御する方法およびシステムに関する。

ファイバ・レーザ光源の利用は、工業および科学分野で、過去数年間にわたり計量用途、撮像用途および材料加工用途において増加している。ファイバ系レーザ・システムは、今では多くの用途に対して十分に確立され、低パルス電力から中パルス電力における高繰り返し数の用途に特に適している。

ファイバ・レーザの基本出力波長を、ファイバ・レーザ光源が利用可能でない別の波長に変換するために非線形光学過程および媒体を使用することができる。波長変換信号を高調波変換、和もしくは差周波数混合、パラメトリック増幅、ラマン・シフト、自己位相変調（ＳＰＭ）および／または他の好適な非線形過程によって生成することができる。

多波長を利用することは有益であり得る。例えば、テラヘルツ用途では、１つの波長を使用してＴＨｚ放射線を生成し、他の波長を使用してＴＨｚパルスを検出する。同様に、時間ゲーティング・ポンプおよびプローブ測定では、第１の波長を使用して対象を励起し、第２の波長をプローブとして使用する。いくつかのレーザ加工用途では、第１の波長を使用して標的材料を予備加工し、第２の波長を使用して標的をさらに加工することができる。

以下の特許、公開特許出願および公報は、少なくとも一部において、ファイバ・レーザおよび増幅器、光学測定技術、ならびに／またはレーザ・パルス群を生成するための様々な構成に関する。米国特許第５，４５０，４２７号、米国特許第５，８１８，６３０号、および米国特許第５，８８０，８７７号。さらに、米国特許第５，３６１，２６８号には、切換可能二波長周波数変換レーザ・システムが開示されている。

ポンプ波長と信号波長とを切り換えるために様々な技術を使用することができる。１つの例として、非線形結晶をポンプ・レーザ・ビームの内外にシフトさせることによって、またはポンプ・レーザ・ビームを結晶上に、または結晶から導くことによって、レーザ出力をポンプ波長と信号波長との間で切り換えることができる。しかし、これは、ポンプまたは信号電力の連続的または高分解能制御を行わずに、単一出力としてポンプまたは信号を提供する。また、臨界的アラインメント（ｃｒｉｔｉｃａｌ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）を維持することが困難である。１つの代替として、温度、入射角等を変化させることによって非線形結晶の位相整合を整調することで、信号光の電力を変化させることができる。しかし、調整範囲は、通常は限定され、整調は波長に影響を及ぼし得る。別の例として、多数の光路を光変調器または偏向器に利用して、ポンプ放射線を非線形結晶または出力に選択的に誘導することができるが、そのような構成は、システムの複雑さを増大させ得る。

非線形結晶における位相整合条件は、通常、入力および出力レーザ・ビームの偏光状態に敏感である。例えば、（ｏｏｅ）タイプＩ位相整合を使用すると、その偏光が非線形結晶の正規軸に平行であるポンプ光のみが、有用な非線形過程に寄与する。したがって、ポンプ光源の偏光状態を変化させることによって信号電力を制御することができる。

位相整合を可能にする非線形結晶は、通常は複屈折結晶である。その結果、初期偏光が結晶の光軸に平行でなければ、送信光の偏光状態が変化することになる。そのような条件下では、出力レーザ偏光が楕円形に偏光し得る。不定の楕円形偏光状態は、偏光が臨界的な用途では望ましくない。

四分波長板および／または半波長板などの波長板を使用して、位相遅れを補正することができる。しかし、波長板をビーム路内に単に加えるだけでは、非線形結晶によって生成される位相遅れを完全に補償できない。偏光状態は、エネルギー分布が変化するたびに変化し得るため、波長板の調整が必要になる。また、波長板は、それらが予め空間的に分離されていなければポンプおよび信号波長の両方の偏光状態に影響を及ぼすことになる。ポンプ光と信号光を分離するとともに、波長板を調整すると、レーザ・システムおよびその動作の複雑さが増大する。

米国特許第５，４５０，４２７号 米国特許第５，８１８，６３０号 米国特許第５，８８０，８７７号 米国特許第５，３６１，２６８号

ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ．ｃｏｍ／ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ＿ｗａｖｅ＿ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．ｈｔｍｌ

本発明の１つの目的は、多波長間のエネルギー／電力分布が調整可能な単純かつ頑強な多波長ファイバ・レーザ光源を提供することである。例えば、ポンプ波長と信号波長の間のエネルギーの分布を制御することは、ＴＨｚ生成、材料加工、ポンプおよびプローブ測定ならびに他の用途に有利であり得る。

１つの態様において、本発明は、非線形結晶を有する波長変換ユニット、結晶の前に配置される偏光コントローラを特徴とする。レーザ電力分布は、例えば偏光制御構成要素を調整することによって、偏光コントローラによりポンプ波長と信号波長の間で制御可能である。波長変換ユニットを下流の切換可能光学フィルタと組み合わせて、出力波長を選択することができる。

本発明の別の態様において、位相補償器を非線形結晶の後ろに配置して、出力の偏光状態を制御する。

少なくとも１つの実施形態は、第１の波長を有する入力ビームを生成するファイバ・レーザ光源と、入力ビームの偏光を制御するための偏光コントローラと、偏光コントローラから入力ビームを受光し、波長変換ビームを生成する波長変換器とを備えるレーザ・システムを含む。第１の波長におけるビーム電力の少なくとも一部を第２の波長にあるビーム電力に変換する。偏光コントローラは、第１および第２の波長の各々における相対電力が制御可能なように構成され、レーザ・システム出力は、第１および第２の波長の両方における検出可能な電力を含む。

いくつかの実施形態において、第１の波長または第２の波長を選択するためのスペクトル選択フィルタが含められる。

少なくとも１つの実施形態は、第１の波長を有する入力ビームを生成するファイバ・レーザ光源を備えるレーザ・システムを含む。光源は、ファイバ系レーザおよび／または増幅器と、偏光維持ファイバとを含む。偏光コントローラは、レーザ光源から受光された入力ビームの偏光を制御し、所望の偏光を有する第１のビームを出力するように構成される。偏光コントローラは、十分に利用可能な電力からほぼ消光状態までの実質的に連続的な範囲にわたって偏光調整が可能である。システムは、偏光コントローラから第１のビームを受光し、第１の波長にあるビーム電力の少なくとも一部が第２の波長にあるビーム電力に変換された波長変換ビームを生成する波長変換器を含む。偏光コントローラは、第１および第２の波長の各々における相対電力が偏光コントローラによって制御されるように構成され、レーザ・システム出力は、第１および第２の波長の両方における検出可能な電力を含む。

本発明による制御可能波長ファイバ系光源の例の概略図である。 本発明の実施形態に対応する例示的な構成の図である。 ポンプ波長と信号波長の間の電力分布が偏光コントローラで制御される例の概略図である。 偏光コントローラを使用して信号電力を制御し、信号電力をＳＨＧ生成の角度依存性に適合させることによって得られたポンプおよび信号出力の測定値を示すグラフである。 ポンプ光の偏光状態が位相補償器を使用して制御される例の概略図である。 ポンプ光の偏光状態が位相補償器を使用して制御される例の概略図である。

本明細書に記載されているように、「波長」という用語は、一般には、その回りに所定の、規定の、または公称スペクトル帯域幅が存在する中心波長を指し、そのような帯域幅は、狭い疑似モノクロ範囲の波長（例えば１ｎｍの分画）またはより広いスペクトル帯域幅（例えば１ｎｍ超）に対応し得る。例として、スペクトル帯域幅は、レーザ・パルス幅の関数であり、非線形波長変換過程の結果として広げられてもよい。

本明細書に記載されているように、信号電力は、信頼性のある加工または測定を可能にするのに十分にノイズまたは偏光消光レベルを上回る場合に検出可能と見なされてもよい。そのような基準は、例えば、少なくとも約３：１、より好ましくは約１０：１の信号対ノイズ比によって特徴づけられてもよい。

レーザ光源からの基本波長出力は、「ポンプ」と称し、波長変換出力は「信号」と称することがあり、そのような用語は、レーザ系「ポンプ−プローブ」用途の文脈内のものである。

本明細書に記載されているように、エネルギー（または電力）の分布は、多波長間の相対信号電力および／またはエネルギー、例えば２つの波長におけるパルス電力の比によって特徴づけられてもよい。

「レーザ・ビーム」は、レーザ系システム内の連続的、疑似連続的および／またはパルス・エネルギーまたは電力を指す。

「パルス・レーザ・ビーム」は、パルス・パラメータ、例えばパルス持続時間および繰り返し数または負荷サイクルによって特徴づけられてもよい１つのまたは一連のレーザ・パルスを指す。「パルス・レーザ・ビーム」は、短レーザ・パルスのパルス列または突発を含むことができる。パルス・レーザ・ビームのパラメータを変更してもよい。

「疑似ＣＷ」は、例えば１０μｓの比較的長いパルス幅を有するレーザ出力を指す。

「ＣＷレーザ」は、連続的に、またはほぼ連続的に放射線を発するレーザを指し、通常の動作時の非常に高い負荷サイクルによって特徴づけられてもよい。

レーザ光源特性は、組み合わされてもよく、互いに排除的でない。例えば、「ＣＷモード・ロック・レーザ」は、連続的動作においてモード・ロック・パルス列を発することが知られている（モード・ロック・レーザの説明については、例えばｐｈｏｔｏｎｉｃｓ．ｃｏｍ／ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ＿ｗａｖｅ＿ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．ｈｔｍｌ参照）。

本発明の少なくとも１つの実施形態は、例えば図１Ａに示されるように、第１の波長を有する入力レーザ・ビームを生成するためのファイバ系レーザ光源１１０と、入力ビームを受光する１つまたは複数の偏光制御構成要素を有する偏光コントローラ１２０と、疑似位相整合（ＱＰＭ）非線形結晶を含むことができる波長変換器１３０（例えば波長変換ユニット）と、オプションの位相補償器１４０とを含む。ＱＰＭ非線形結晶は、周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）を含むことができる。

ファイバ系光源１１０が好ましいが、他の好適なレーザ光源を利用してもよい。レーザ光源は、パルス・レーザ、ＣＷレーザおよび／または疑似ＣＷレーザの１つ，またはそれらの組合せを備えていてもよい。例えば、レーザ光源は、ＣＷもしくはＱ切換モード・ロック・レーザを含むゲイン切換、ｑ切換および／またはモード・ロック光源を備えていてもよい。好ましい実施形態において、光源出力は、線形偏光される。

所定の出力偏光状態を有するファイバ・レーザまたはレーザ増幅器が望ましい。例えば、偏光維持（ＰＭ）ファイバをファイバ・レーザ１１０に使用して、そこからの出力の偏光を維持することができる。希土類がドープされたファイバは、ファイバ・レーザまたはファイバ・レーザ増幅器における望ましいゲイン媒体である。

波長変換器１３０は、その入力（例えばポンプ偏光）における偏光状態に敏感である。例えば、ＰＰＬＮ結晶が変換器に使用され、ポンプ光の偏光が結晶の偏光に平行である場合は、位相整合条件が満たされる。したがって、偏光コントローラ１２０を使用して波長変換器１３０の入力時の偏光状態を制御することによって、ＱＰＭ結晶または他の変換素子の変換効率を制御することができる。したがって、波長変換器１３０の出力時の波長依存信号電力を、最大利用可能出力からほぼ消光状態まで変化させることができる。図１Ｂは、波長変換のための非線形結晶１３０ａと、位相補償器１４０−ａと、波長選択のための切換可能フィルタとを含む例示的な好ましいシステムを示す。本例において、偏光コントローラは、半波長板１２０−ａを備え、後方反射を制限するために光アイソレータが利用される。様々な実施形態において、商業的に入手可能な半波長板を利用してもよい。波長板を低ウェッジで特定することができるため、波長板を回転させ、光学システムの適正なアラインメントを容易に維持することができる。オプションの位相補償器１４０−ａの動作については以下に説明する。

図２は、周波数二倍化のためのＰＰＬＮ結晶を用いた偏光コントローラ（例えばゼロ次半波長板）によるポンプ波長と信号波長の間の電力（またはエネルギー）分布の制御を示す。線形偏光ポンプ光により、半波長板は、偏光を任意の所望の角度に変化させることができる。位相整合偏光上に存在する電場は、Ａ_θ＝Ａ_０ｃｏｓ（θ）（ただし、θは、ポンプ光偏光と位相整合偏光との角度である）である。したがって、基本的には、位相整合偏光方向に平行なポンプ光の場を０とＡ_０との間の任意の値に制御することができる。それにより、それぞれ第１および第２の（例えば波長変換）ビームの波長スペクトルを概略的に示す図２のグラフ２１０−ａ、２１０−ｂおよび２１０−ｃに概略的に示されているように、それぞれ第１（例えばポンプ）および第２（例えば信号）の波長における相対ビーム電力が制御される。

図３は、図２に示されたシステムを用いて得られた測定値を示す。本例では、エルビウム系ファイバ・フェムト秒レーザ発振器および増幅器をファイバ系レーザ光源として使用した。レーザ増幅器の出力はレーザ・パルス列をもたらし、そのパルスは、１６１０ｎｍの中心波長、約１００ｆｓのパルス持続時間、約３ｎＪのパルス・エネルギー、および線形偏光を有していた。波長変換にＰＰＬＮ結晶を使用した。ゼロ次半波長板をファイバ・レーザ増幅器とＰＰＬＮ結晶との間に配置した。ポンプ・パルスおよび対応する信号パルスの相対電力を測定した。

図３のグラフは、ポンプ光偏光による信号電力およびポンプ電力の変化を示す。信号電力を直接測定し、ポンプ電力を信号電力に基づいて計算した。図３のフィッティングによって示されているように、信号電力は、既知のＳＨＧ生成の角度依存性に従っていた。その結果は、少なくとも約１００：１の制御範囲にわたる信号電力の円滑な依存を実証するものである。様々な実施形態において、制御範囲は、１０：１を超え得る。システム構成要素の消光比および偏光純度によって制限されながらも１０００：１に近い範囲が達成可能である。ポンプ電力もその範囲にわたって円滑に制御可能であり、ポンプ電力の変調は、最大変換効率によって決定づけられる。

様々な実施形態において、例えばコンピュータ遠隔制御（不図示）による電子制御が望ましい。例えば、制御機能を生成し、サンプリングし、さもなければいくつかの偏光設定で確立し、デジタルデータとして保存し、制御範囲にわたる実質的に連続的な制御に対して再構成することによって、柔軟な高分解能の高速制御を可能にし得る。液晶位相変調器または電気光学変調器などの電子制御可能な位相遅延デバイスをそのような実施態様に使用することができる。様々な実施形態において、位相遅延器以外の偏光制御ユニット、例えば磁場が調整可能なファラデー・ローテータを使用することが可能であった。

いくつかの実施形態において、電力モニタリングおよびフィードバック・システム（不図示）を使用して、電力分布を所望の値に自動的に制御することができ、さらに出力安定器として構成することができる。例として、様々な実施形態において、多波長間の相対電力分布を少なくとも約１００：１の範囲にわたって制御することができる。

再び図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、様々な実施態様において、オプションの位相補償器１４０を利用して、偏光純度をさらに制御することができる。非線形結晶の複屈折は、結晶を透過する偏光状態光の間の位相遅延をもたらす検討対象であり得る。位相遅延は、例えば図２の２１０−ｃに示されているように、光の偏光を入力と異なる状態に変化させ得る。四分波長板と半波長板（不図示）との組合せなどの従来の位相遅延構成要素を使用して位相遅延を補償することができるが、そのような補償はシステムの複雑さを増大させる。２つの異なる偏光状態の間の電力比の変化は、出力ビーム偏光状態を相応に変化させる。したがって、従来の位相遅延構成要素を使用する位相遅延の補償は、いくつかの実施形態での使用に好適であるが、幾分不便である。

ポンプ光の２つの偏光状態の間の電力分布は変化するが、これらの２つの軸の間の位相遅延は一定である。この特徴は、図４に示されるように、固定位相補償器を、位相遅延を補償するように利用することを可能にする。複屈折光学構成要素をこの目的に使用することができ、それは、最も好ましくは、十分に高い非線形閾値を有するか、さもなければ波長シフトを回避するように構成されることになる。非線形結晶４１０および位相補償結晶４２０は、一部に、それぞれの厚さ、ならびにＳおよびＰ方向に沿って見られるそれぞれの屈折率差によって特徴づけられる。位相補償器は、好ましくは、非線形結晶の光軸に対して、同一の光軸、または逆符号の平行光軸を有することになる。補償器４２０の厚さは、同じ値の位相遅延を与えるとともに、符号が非線形結晶の光軸と逆になるように予め設定される。補償器は、偏光状態を入射状態に回復させることができる。回復は、電力比の変化によって影響されず、信号光の偏光が非線形結晶および補償器の光軸に平行であるため、信号光に影響を与えることはない。したがって、ポンプ光と信号光の分離は不必要である。

図４に示されるように、位相補償器は、予め選択された厚さの光学部品であり得るか、または図４Ｂに示されるように角柱状の２つの部品４２０−ａによって形成され得る。後者の構成は、補償器の厚さを、非線形結晶によって引き起こされる遅延に合うように予め調整することを可能にする。いくつかの実施形態において、ＥＯ構成要素などの活性デバイスを利用することができる。図４の補償器の実施態様では、レーザ・システムが整列した後に位相遅延を調整する必要がない。しかし、いくつかの構成において、調整機構を提供することができ、それは、レーザ・システム出力の偏光状態の操作などのさらなる有益性を達成するのに好適であり得る。

再び図２を参照すると、波長選択フィルタを波長変換器から下流に配置することができ、それにより、ポンプ光もしくは信号光、またはその両方をレーザ光源から選択的に出力させることが可能である。ポンプおよび信号の一方のみを出力させる場合は、偏光制御構成要素および波長変換器を電力調整器および／または電力安定器として使用することができる。

上記の例では、ポンプおよび信号を二波長システムにおける動作に向けて構成した。しかし、本発明の実施形態は、二波長動作のみに限定されない。以上に述べたように、波長変換のためにいくつかの非線形過程が利用可能であり、そのような過程を利用する実施形態も本発明の範囲内である。偏光制御および位相補償技術を、２つを超える出力波長による使用に適応させてもよい。例えば、アイドラ波長がポンプ波長とも信号波長とも異なり、波長変換器で生成される場合は、二重波長レーザ・システムを三重波長光源として構成することができる。多くの選択肢を利用して多波長パルス・レーザ光源を提供することができる。例えば、ファイバ系レーザ技術が好ましいが、いくつかの実施形態において、ＤＰＳＳ Ｑ切換レーザは、入力パルスを生成するのに利用することができ、またファイバ・レーザおよび／または増幅器とオプションで組み合わせることができる。様々な実施態様において、ファイバ・レーザおよび／または長パルス・ダイオード光源を含むＣＷもしくは疑似ＣＷ光源を使用することができる。上述のように、波長シフトは、高調波生成に制限されず、他の好適な非線形過程で実施することができる。いくつかの実施形態において、ＱＰＭ結晶（例えばＰＰＬＮ）または非臨界位相整合結晶（例えばＬＢＯ）などの非線形結晶を利用することができ、そのような結晶は、温度に対する波長依存性応答を示し得る。そのような結晶の温度を整調することによって、出力波長および電力変換効率のさらなる制御を達成することができる。いくつかの実施形態において、非偏光入力を生成し、好適な光学部品を用いて偏光ビームに変換することができる。いくつかの実施態様において、場の調整を行うことなく、予め設定された偏光および出力波長を動作に向けて提供するために、レーザ・システム作製時に偏光コントローラを調整することができる。いくつかの実施態様において、所望の制御範囲にわたる柔軟な動作のための制御ユニットを提供することができる。

したがって、本発明をいくつかの実施形態において説明した。実施形態は、互いに排他的でなく、１つの実施形態に関して記載した要素を、所望の設計目的を達成する好適な方法で他の実施形態と組み合わせ、または他の実施形態から除外してもよいことを理解されたい。

少なくとも１つの実施形態は、レーザ・システムを含む。レーザ・システムは、第１の波長を有する入力ビームを生成するレーザ光源を含む。偏光コントローラは、入力ビームの偏光を制御する。波長変換器は、第１の波長にある偏光コントローラからの入力ビームを受光し、第１の波長にあるビーム電力の少なくとも一部が第２の波長にあるビーム電力に変換された波長変換ビームを生成する。偏光コントローラは、第１および第２の波長の各々における相対電力が制御可能であるように構成され、レーザ・システム出力は、第１および第２の波長の両方における信号電力を含む。

一部またはすべての実施形態において、レーザ光源は、希土類がドープされた光ファイバを含むことができる。

一部またはすべての実施形態において、レーザ光源は、偏光維持ファイバを含むことができる。

一部またはすべての実施形態において、レーザ光源は、フェムト秒からピコ秒の範囲の少なくとも１つのパルス幅を有するパルス・レーザ・ビームを生成するパルス・レーザを含むことができ、それぞれ第１および第２の波長にある対応する入力および波長変換パルスの相対電力が偏光コントローラで制御可能である。

一部またはすべての実施形態において、偏光コントローラは、位相遅延器を含むことができる。

一部またはすべての実施形態において、偏光コントローラは、電気光学変調器を含むことができる。

一部またはすべての実施形態において、偏光コントローラは、液晶位相遅延器を含むことができる。

一部またはすべての実施形態において、偏光コントローラは、制御可能なファラデー・ローテータを含むことができる。

一部またはすべての実施形態において、位相補償器は、波長変換器から下流に配置され、１つまたは複数の波長における偏光状態を制御するように構成されてもよい。

一部またはすべての実施形態において、位相補償器は、複屈折光学部品を含むことができる。

一部またはすべての実施形態において、複屈折光学部品は、偏光維持ファイバを含むことができる。

一部またはすべての実施形態において、複屈折光学部品は、角柱状の２つの素子を含むことができる。

一部またはすべての実施形態において、複屈折光学部品は、活性位相遅延器を含むことができる。

一部またはすべての実施形態において、活性位相遅延器は、電気光学位相変調器を含むことができる。

一部またはすべての実施形態において、１つまたは複数の波長選択的フィルタは、第１および第２の波長の出力エネルギー部分を制御するように波長変換器から下流に配置されてもよい。

一部またはすべての実施形態において、パルス・レーザ光源は、ファイバ・レーザおよび／または増幅器を含むことができる。

一部またはすべての実施形態において、フィードバック・コントローラは、出力レーザ電力を安定化させてもよい。

一部またはすべての実施形態において、第１の波長はポンプ波長であってもよく、第２の波長は信号波長であってもよく、レーザ・システムは、第１の波長にあるエネルギーが対象を励起するために使用され、第２の波長にあるエネルギーがプローブとして使用される、時間ゲーティング・ポンプおよびプローブ測定のためのシステムの一部として構成されてもよい。

一部またはすべての実施形態において、レーザ・システムは、第１の波長にあるエネルギーが標的材料を予備加工するために使用され、第２の波長にあるエネルギーが標的材料をさらに加工するために使用される材料加工システムの一部として構成されてもよい。

一部またはすべての実施形態において、相対電力は、少なくとも約１０：１の制御範囲にわたって制御可能であってもよい。

一部またはすべての実施形態において、レーザ光源は、ファイバ・レーザおよびファイバ増幅器の両方を含むことができる。

一部またはすべての実施形態において、波長変換器は、疑似位相整合または非臨界的位相整合非線形結晶を含んでいてもよく、前記非線形結晶は、温度に対する波長依存性応答を有することによって特徴づけられる。

一部またはすべての実施形態において、疑似位相整合結晶は、周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）を含むことができる。

一部またはすべての実施形態において、非臨界的位相整合結晶は、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）を含むことができる。

少なくとも１つの実施形態は、レーザ・システムを含む。レーザ・システムは、第１の波長を有する入力ビームを生成するレーザ光源を含む。偏光コントローラは、入力ビームの偏光を制御する。波長変換器は、偏光コントローラから入力ビームを受光し、第１の波長にあるビーム電力の少なくとも一部が第２の波長にあるビーム電力に変換された波長変換ビームを生成する。偏光コントローラは、第１および第２の波長の各々における相対電力が制御可能であるように構成される。レーザ・システム出力は、第１および第２の波長の両方における信号電力を含む。第１の波長または第２の波長を選択するためのスペクトル選択フィルタが含まれる。

一部またはすべての実施形態において、第１の波長はポンプ波長であってもよく、第２の波長は信号波長であってもよく、レーザ・システムは、第１の波長にあるエネルギーが対象を励起するために使用され、第２の波長にあるエネルギーがプローブとして使用される、時間ゲーティング・ポンプおよびプローブ測定のためのシステムの一部として構成されてもよい。

一部またはすべての実施形態において、レーザ・システムは、第１の波長にあるエネルギーが標的材料を予備加工するために使用され、第２の波長にあるエネルギーが標的材料をさらに加工するために使用される材料加工システムの一部として構成されてもよい。

一部またはすべての実施形態において、波長間の電力分布は、少なくとも約１０：１の範囲にわたって制御可能であってもよい。

少なくとも１つの実施形態は、レーザ・システムを含む。レーザ・システムは、第１の波長を有する入力ビームを生成するファイバ系レーザ光源を含む。ファイバ系光源は、ファイバ系レーザおよび／または増幅器を含む。偏光コントローラは、レーザ光源から受光された入力ビームの偏光を制御し、第１の波長および所望の偏光を有する第１のビームを出力するように構成される。偏光コントローラは、完全に利用可能な電力からほぼ消光状態までの実質的に連続した範囲にわたる偏光調整が可能である。波長変換器は、偏光コントローラから第１のビームを受光し、第１の波長にあるビーム電力の少なくとも一部が第２の波長にあるビーム電力に変換された波長変換ビームを生成する。偏光コントローラは、第１および第２の波長の各々における相対電力が偏光コントローラによって制御されるように構成される。レーザ・システム出力は、第１および第２の波長の両方における信号電力を含む。

一部またはすべての実施形態において、位相補償器は、１つまたは複数の波長におけるビーム偏光を制御するように波長シフタから下流に配置されてもよい。

一部またはすべての実施形態において、ファイバ系レーザ光源は、偏光維持ファイバを含むことができる。

一部またはすべての実施形態において、偏光コントローラは、第１および第２の波長において検出可能な相対出力電力が実質的に一定になるように入力ビームの予め設定された偏光を提供してもよい。

本発明の概要を説明する目的で、本発明の特定の態様、利点および新規の特徴が本明細書に記載されている。しかし、一部の特定の実施形態に従って必ずしもすべての当該利点が達成されなくてもよいことを理解されたい。したがって、本発明は、本明細書に教示または示唆され得る他の利点を必ずしも達成することなく、１つまたは複数の利点を達成するように具現化または実施されてもよい。

特定の実施形態のみを本明細書に具体的に記載したが、本発明の主旨および範囲を逸脱することなく、多くの修正を加えることができることが明らかになるであろう。さらに、接頭語は、単に本明細書および請求項の読み易さを向上させるために使用されている。これらの接頭語は、使用されている用語の普遍性を縮小することを意図しておらず、特許請求の範囲をそこに記載されている実施形態に制限するものと考えられるべきではないことに留意されたい。

Claims (21)

1. 第１の波長を有する入力ビームを生成するレーザ光源と、
   前記入力ビームの偏光を制御するための偏光コントローラと、
   第１の波長にある前記偏光コントローラからの前記入力ビームを受光し、前記第１の波長にあるビーム電力の少なくとも一部が第２の波長にあるビーム電力に変換された波長変換ビームを生成する波長変換器と
   を備え、前記偏光コントローラは、前記第１および第２の波長の各々における相対電力が制御可能であるように構成され、レーザ・システム出力が、前記第１および第２の波長の両方における信号電力を含む、レーザ・システム。
2. 前記レーザ光源は、希土類がドープされた光ファイバまたは偏光維持ファイバを含む、請求項１に記載のレーザ・システム。
3. 前記レーザ光源は、フェムト秒からピコ秒の範囲の少なくとも１つのパルス幅を有するパルス・レーザ・ビームを生成するパルス・レーザを含み、それぞれ第１および第２の波長にある対応する入力および波長変換パルスの相対電力が前記偏光コントローラで制御可能である、請求項１に記載のレーザ・システム。
4. 前記偏光コントローラは、位相遅延器、電気光学変調器、液晶位相遅延器または制御可能ファラデー・ローテータを含む、請求項１に記載のレーザ・システム。
5. 位相補償器が前記波長変換器から下流に配置され、１つまたは複数の波長における偏光状態を制御するように構成され、前記位相補償器は、複屈折光学部品を含み。前記複屈折光学部品は、偏光維持ファイバ、角柱状の２つの素子、または電気光学位相変調器を含む活性位相遅延器を含む、請求項１に記載のレーザ・システム。
6. １つまたは複数の波長選択フィルタが、前記第１および第２の波長の出力エネルギー部分を制御するように前記波長変換器から下流に配置されている、請求項１に記載のレーザ・システム。
7. パルス・レーザ光源は、ファイバ・レーザおよび／または増幅器を含む、請求項１に記載のレーザ・システム。
8. 出力レーザ電力を安定化させるためのフィードバック・コントローラをさらに含む、請求項１に記載のレーザ・システム。
9. 前記第１の波長はポンプ波長であり、前記第２の波長は信号波長であり、前記第１の波長にあるエネルギーが対象を励起するために使用され、前記第２の波長にあるエネルギーがプローブとして使用される、時間ゲーティング・ポンプおよびプローブ測定のためのシステムの一部として前記レーザ・システムが構成される、請求項１に記載のレーザ・システム。
10. 前記第１の波長にあるエネルギーが標的材料を予備加工するために使用され、前記第２の波長にあるエネルギーが前記標的材料をさらに加工するために使用される材料加工システムの一部として構成される、請求項１に記載のレーザ・システム。
11. 前記相対電力は、少なくとも約１０：１の制御範囲にわたって制御可能である、請求項１に記載のレーザ・システム。
12. 前記レーザ光源は、ファイバ・レーザおよびファイバ増幅器の両方を含む、請求項１に記載のレーザ・システム。
13. 前記波長変換器は、疑似位相整合非線形結晶または非臨界的位相整合非線形結晶を含み、前記非線形結晶は、温度に対する波長依存性応答を有することによって特徴づけられ、前記疑似位相整合非線形結晶は、周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）を含み、前記非臨界的位相整合非線形結晶は、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）を含む、請求項１に記載のレーザ・システム。
14. 第１の波長を有する入力ビームを生成するレーザ光源と、
    前記入力ビームの偏光を制御するための偏光コントローラと、
    前記偏光コントローラから前記入力ビームを受光し、前記第１の波長にあるビーム電力の少なくとも一部が第２の波長にあるビーム電力に変換された波長変換ビームを生成する波長変換器であって、前記偏光コントローラは、前記第１および第２の波長の各々における相対電力が制御可能であるように構成され、レーザ・システム出力が、前記第１および第２の波長の両方における信号電力を含む、波長変換器と、
    前記第１の波長または前記第２の波長のどちらかを選択するためのスペクトル選択フィルタと
    を備えるレーザ・システム。
15. 前記第１の波長はポンプ波長であり、前記第２の波長は信号波長であり、前記第１の波長にあるエネルギーが対象を励起するために使用され、前記第２の波長にあるエネルギーがプローブとして使用される、時間ゲーティング・ポンプおよびプローブ測定のためのシステムの一部として前記レーザ・システムが構成される、請求項１４に記載のレーザ・システム。
16. 前記第１の波長にあるエネルギーが標的材料を予備加工するために使用され、前記第２の波長にあるエネルギーが標的材料をさらに加工するために使用される材料加工システムの一部として構成される、請求項１４に記載のレーザ・システム。
17. 電力分布は、少なくとも約１０：１の範囲にわたって制御可能である、請求項１４に記載のレーザ・システム。
18. 第１の波長を有する入力ビームを生成し、ファイバ系レーザおよび／または増幅器を含むファイバ系レーザ光源と、
    前記レーザ光源から受光された入力ビームの偏光を制御し、第１の波長および所望の偏光を有する第１のビームを出力するように構成され、完全に利用可能な電力からほぼ消光状態までの実質的に連続した範囲にわたる偏光調整が可能である偏光コントローラと、
    前記偏光コントローラから前記第１のビームを受光し、前記第１の波長にあるビーム電力の少なくとも一部が第２の波長にあるビーム電力に変換された波長変換ビームを生成する波長変換器と
    を備え、前記偏光コントローラは、前記第１および第２の波長の各々における相対電力が前記偏光コントローラによって制御されるように構成され、レーザ・システム出力が、前記第１および第２の波長の両方における信号電力を含むレーザ・システム。
19. １つまたは複数の波長におけるビーム偏光を制御するように波長シフタから下流に配置された位相補償器をさらに含む、請求項１８に記載のレーザ・システム。
20. 前記ファイバ系レーザ光源は、偏光維持ファイバを含む、請求項１８に記載のレーザ・システム。
21. 前記偏光コントローラは、前記第１および第２の波長において検出可能な相対出力電力が実質的に一定になるように前記入力ビームの予め設定された偏光を提供する、請求項１８に記載のレーザ・システム。

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