JP2015519758A - 集積増幅器を備える、短パルスレーザ用可動式モジュールハウジング - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の光学板（３）と、第１の光学板（３）の上に、互いに対して機械的に安定するように装着される、シードレーザ発振器（４）、パルスピッカー（５）および入射側ファイバ接続光学ユニット（６）と、第１の光学板（３）とは別個の第２の光学板（７）と、第２の光学板（７）の上に、互いに対して機械的に安定するように装着される、出射側ファイバ接続光学ユニット（９）および少なくとも１つの増幅段（８、３０、３１）と、を備える短パルスレーザ（１）に関する。第１の光学板（３）の入射側ファイバ接続光学ユニット（６）および第２の光学板（７）の出射側ファイバ接続光学ユニット（９）は、フレキシブルな導光体（１０）によって光学的に相互に結合される。ハイブリッド短パルスレーザ（１）は、コンパクトな設計であり、低コストで動作させることが可能である。

Description

本発明は、短パルスレーザ、特に、産業環境および科学環境で適用される、ピコ秒（ｐｓ）範囲のレーザパルスを生成するための短パルスレーザに関する。本明細書では、本発明は、可能性な限りコンパクトな構成を有すると同時に、経済性の高いレーザに対する要望に関する。

１０μＪを超えるパルスエネルギーを有する、ｐｓ範囲のレーザパルスを生成するための公知の短パルスレーザは、産業および科学で要求される安定性および信頼性を達成するために、いわゆる自由空間光学系を使用して、完全に離散的に構成される。本明細書では、シードレーザ発振器、後段増幅器チェーンおよびパルスピッカーなどの、短いレーザパルスを生成するために必要な光学部品はすべて、互いに対して機械的に安定して光学板に装着される。それによって実現された自由なビーム経路が、本質的に機械的に安定した状態に保たれるように、水冷却および複雑な温度安定化が、さらに使用される。

自由空間光学系を使用する構成には、比較的大きな構造上の空間が必要である。必要とされる水冷却および温度安定化には、比較的高価な運転コストがかかる。ファイバ技術を使用する構成は、非線形光学効果が起こることにより、問題がある。ストレッチャーコンプレッサと組み合わせなければ、十分なパルスエネルギーを有する、所望の短パルス持続時間を達成することは不可能である。

本発明は、高いビームの品質とともに、できる限りコンパクトに構成することが可能であり、かつ、比較的安価な運転コストを可能にする、本明細書の導入部で言及した種類の、短パルスレーザを明示するという目的に基づいている。

この目的は、発明による、第１の光学板と、第１の光学板の上に、互いに対して機械的に安定して装着される、シードレーザ発振器、パルスピッカーおよび入射側ファイバ接続光学ユニットと、を備え、かつ、第１の光学板とは別個の、第２の光学板と、第２の光学板の上に、互いに対して機械的に安定して装着される、出射側ファイバ接続光学ユニットおよび少なくとも１つの増幅段と、を備える、短パルスレーザによって達成される。本明細書では、第１の光学板の入射側ファイバ接続光学ユニットおよび第２の光学板の出射側ファイバ接続光学ユニットは、フレキシブルな導光体によって、互いに光学的に接続される。

本明細書では、本発明は驚くべきことに、自由空間光学系を使用する、シードレーザ、パルスピッカーおよび増幅器チェーンなどの、すべての短パルスレーザの、これまでのコストがかかる構成からかけ離れている。これらに代わって、ハイブリッド技術が提案されており、このハイブリッド技術では、シードレーザおよびパルスピッカーが、自由空間光学系を使用して離散的に構成され、かつ、少なくとも１つの増幅段を有する出力増幅器への、導光体によるフレキシブルな接続が使用され、かつ、出力増幅器が、離散的な自由空間光学系を再び使用して構成される。

完全なビーム経路は本質的に、機械的に安定していなければならないので、自由空間光学系を使用しきった従来の構成の短パルスレーザの場合には、一般に水冷却および複雑な温度安定化が必要であるのに対して、提案されるハイブリッド構成の場合には、空気冷却を使用することができる。ハイブリッド技術を使用して構成されたレーザは、したがって、運転コストが安価である。ビーム経路が、フレキシブルに結合された２つの光学板の間で分割される、明示される短パルスレーザのビーム経路は、これまでと違い、ビーム経路は、単一の連続した光学板に完全に装着されるのではないので、全体として、非常にコンパクトな構成が可能になる。特に、２つの光学板は、個別の構成部品の複雑な機械的結合にさらに配慮することなく、異なる平面に配置することができる。例として、２つの光学板は、短パルスレーザのハウジングに簡単に装着することができる。

シードレーザ発振器は、モード同期固体レーザとして、モード同期ファイバレーザとして、またはパルスレーザダイオードとして、特に、いわゆる利得スイッチレーザダイオードとして構成することができる。パルスレーザダイオードの場合には、パルスピッカーの機能がパルスレーザダイオード自体によって提供されるのであれば、別個のパルスピッカーは必要なくなる。パルスレーザダイオードが、シードレーザ発振器として使用される場合には、パルスレーザダイオードを、自由空間技術を使用するか、またはファイバ接続を介して、短パルスレーザに接続させることができる。

パルスを、出力増幅器に１回だけまたは複数回通過させることができる。引き続いて通過させる複数の増幅段が含まれるのが好ましい。増幅媒体は、例えば、固体結晶である。ダイオードレーザが、ポンプレーザとして適宜に使用される。この第１のポンプレーザは、第２の光学板とは別個に配置されてもよい。その結果、出力増幅器の熱負荷が軽減される。次に、フレキシブルな導光体、特にファイバが、入射接続する目的で適宜に設けられる。

有利には、２つの光学板を接続する導光体は、活性ファイバとして構成され、第２のポンプレーザ、特にダイオードレーザが、活性ファイバをポンピングするために設けられる。言いかえれば、前置増幅器が、第１の光学板に配置されたシードレーザと、第２の光学板に配置された出力増幅器または増幅段との間に設けられ、前記前置増幅器は、同時にフレキシブルな接続として使用される。ポンプ光を入射接続するのに必要な光学ユニットは、活性ファイバに有利に接続される。ポンプ光は、前記光学ユニットを介してフレキシブルな導光体、特にファイバに適宜に転送される。

好ましくは、１つまたは各ポンプレーザが、光学板とは別個に、特に給電部に配置され、ポンプ光を増幅段および／または活性ファイバに接続するために、導光体、特にファイバがそれぞれ設けられる。これにより、２つの光学板によって形成されたレーザ構造ユニットへの熱負荷が低減される。これは、ひいてはレーザ構造ユニットの空気冷却に有益である。ポンプレーザを外部に配置することによって、さらにメンテナンス上の利点がもたらされる。欠陥のあるポンプレーザまたはダイオードレーザの交換が容易になる。交換の目的で、短パルスレーザの光学的構成に介入する必要がない。

１つの有利な実施形態の変形例では、ハイブリッド構成によって、第１の光学板および／または第２の光学板を、横方向の装着構成で、互いに空間分離されて垂直にハウジングに装着することがさらに可能になる。この構成は、特に、空気冷却に有利である。空気冷却の目的で、１つの好都合な構成では、光学板に沿って空気流を生成するように設計されたファンが設けられる。レーザ内に位置する、例えば増幅器結晶などのような熱源を冷却する目的で、熱伝導するように、これらを冷却ブロックに有利に装着することができる。冷却ブロックは、次に空気流をともなう相応のヒートシンクによって冷却される。短パルスレーザの構成が、動作状態において２つの光学板が互いに対向するように選択されると、空気冷却用に理想的に利用可能な流路が、光学板の間の内部に発生する。同時に、そのような構成は、極めてコンパクトである。

しかしながら、原則的に、本明細書に記載される短パルスレーザに、好適な空気冷却の代わりに、水冷却を供給することも、もちろん可能である。

好ましくは、第１の光学板および／または第２の光学板は、折りたたみ可能にハウジングに装着される。この実施形態の変形例では、コンパクトで、しかも、メンテナンスが容易な構成が可能になり、光学部品は、装着された状態でハウジングに「折りたたまれて収納」されるが、光学板の折りたたみを伸ばすことで、調節またはメンテナンス目的のために、手に取ることが可能になる。この目的のために、１つまたは各光学板は、例えばジョイント機構によって、短パルスレーザのハウジングに、特にハウジングの台板に、旋回可能に固定される。

さらに好ましくは、シードレーザ発振器が、第１の光学板の一方の側に配置され、パルスピッカーが、第１の光学板の反対側、すなわち他方の側に配置される。光学部品を光学板の両面に配置することによって、短パルスレーザを、さらにコンパクトにすることができる。これに対応して、有利には、第１の増幅段が、第２の光学板の一方の側に配置され、第２の増幅段が、第２の光学板の反対側、すなわち他方の側に配置される。この結果、増幅段全体にわたって、非常に省スペースな構成となる。光学板の前側および後側のそれぞれのユニットの光学的接続は、光学板を通して行なわれ、特に、その目的のために、相応に位置合わせされたミラー要素が、ビーム偏向のために設けられる。

シードレーザ発振器は、例えばモード同期固体レーザとして設けられ、相応に鏡面加工を施された端部ミラーが、レーザパルスを出射するために設けられる。パルスを生成する目的で、特に可飽和吸収体が、レーザ発振器に設けられる。例として、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶が、レーザ活性固体として使用される。可飽和吸収体は、例えば、ＩｎＧａＡｓのような適切な半導体材料である。

音響光学変調器（ＡＯＭ：ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）または電気光学変調器（ＥＯＭ：ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を、パルスピッカーとして使用するのが好ましい。波長が１０６４ｎｍであるシードレーザ発振器は、例えば、パルス幅が１０ｐｓ〜１ｎｓであり、かつ、パルスエネルギーが、ｓｕｂ−ｎＪに満たない範囲であるパルスを供給する。０Ｈｚ（個々のパルス）〜１０ＭＨｚのパルス繰り返し回数を有する個々のパルスまたはパルスシーケンスを、パルスピッカーを経由してそれから出射することができる。ファイバ増幅器を通過後に、パルスエネルギーは、約５０ｎＪ〜５００ｎＪである。出力増幅器を通過後に、パルスエネルギーは、約５０μＪ〜１ｍＪである。

本発明の例示的な実施形態を、図面を参照して、より詳細に説明する。

ハイブリッド技術を使用する短パルスレーザの概略図を示す。 短パルスレーザの構成に関するハイブリッド概念を非常に概略的に示す。 ハイブリッド技術を使用する短パルスレーザの、サブユニットが部分的に旋回された３次元説明図を示す。 図３に対応する短パルスレーザの、異なった視点から見た３次元説明図を示す。

図１は、ハイブリッド技術を使用する短パルスレーザ１の構成を、概略的に示す。短パルスレーザ１は、第１の光学板３の上に、それぞれが自由空間光学系を使用するシードレーザ発振器４およびパルスピッカー５を備える。シードレーザ発振器４から、パルスピッカー５を経由してそれから出射されたパルスは、入射側ファイバ接続光学ユニット６に転送される。入射側ファイバ接続光学ユニット６は、同様に第１の光学板３に固定して装着される。

短パルスレーザ１は、増幅段８が自由空間光学系を使用して形成される、第２の光学板７をさらに備える。増幅されるべきパルスは、出射側ファイバ接続光学ユニット９を介して前記増幅段に供給される。出射側ファイバ接続光学ユニット９は、同様に第２の光学板７に装着される。

シードレーザ発振器４の増幅段８へのフレキシブルな光学結合、または第１の光学板３の第２の光学板７へのフレキシブルな光学結合のために、短パルスレーザ１は、フレキシブルな導光体１０を備える。導光体１０は、本明細書では、光導波路として構成される。

導光体１０は、通過するパルスを前置増幅するための活性ファイバ１２として設計される。ファイバ増幅器１３は、ポンプレーザ１５によって実現され、ポンプレーザ１５のポンプ光は、入射接続切り替えスイッチ１７を介して、活性ファイバ１２へと入射される。

第１の光学板３および第２の光学板７は、原則的に、再調節を必要とするような光学的構成がなくても、互いに対して移動可能であることが明らかになる。２つの光学板３、７の光学結合が、フレキシブルな導光体１０によってもたらされる。単一の光学板上にある、剛性の自由空間光学系を使用する全体的な構成とは対照的に、示される実施形態は、非常にフレキシブルな設計および、特に、極めてコンパクトな構成が可能である。

図２は、ハイブリッド技術を使用する短パルスレーザ１の基本概念を、再度非常に概略的に示す。シードレーザ発振器４、パルスピッカー５および増幅段８は、自由空間光学系を使用して、それぞれの場合に対応する光学板に装着されるが、導光体１０は、それぞれの光学板の配置を、互いに対して本質的に自由に決めることが可能である。１つの有利な実施形態の変形例では、追加のパルスピッカー１９を設けることが可能である。追加のパルスピッカー１９は、増幅段８を通過後に増幅されたパルスを分離することができる。

図３は、ハイブリッド技術を使用する短パルスレーザ１の具体的な構成の、３次元説明図を示す。図１に示された概略図によれば、短パルスレーザ１は、第１の光学板３と、それとは別個の、第２の光学板７と、を備える。枠体２０および２１はそれぞれ、２つの光学板３、７の外側に装着される。以下に説明するサブユニットはそれぞれ、自由空間光学系を使用して、枠体２０、２１の内部に装着される。枠体２０、２１によって、光学板３、７は、ハウジング（さらに具体的な詳細は図示しない）の基体２６に、それぞれの場合に対応するピボット軸受２４および２５によって旋回可能に装着される。

さらなる枠体２７および２８はそれぞれ、光学板３、７の内側に固定される。前記枠体２７、２８内では、以下に説明するさらなるサブユニットが、自由空間光学系を使用して、光学板３、７に装着される。

シードレーザ発振器４は、第１の光学板の外側および枠体２７の内部の自由空間光学系を使用して構成される。シードレーザ発振器４に生成された短パルスは、第１の光学板３を通過させられて、第１の光学板３のもう一方の側に装着されたパルスピッカー５の中へと進む。パルスピッカー５を経由してそれから出射されたパルスは、入射側ファイバ接続光学ユニット６を介して、フレキシブルな導光体１０へと接続される。パルスピッカー５および入射側ファイバ接続光学ユニット６は、枠体２７内に配置される。導光体１０は、図１によるファイバ増幅器１３の実施形態では、活性ファイバ１２として構成される。ファイバ増幅器用のポンプ光は、ファイバによって外部のポンプレーザ１５から短パルスレーザ１に供給され、入射接続切り替えスイッチ１７（ここでは図示しない）によって活性ファイバ１２へと接続される。ファイバ１２は、図３では、短縮された様式で図示される。しかしながら、ファイバ増幅器１３の実施形態では、ファイバ１２は、実際には基体２６の切欠き部分１４内で何重にも巻かれて引き込まれる。入射接続切り替えスイッチ１７もまた、切欠き部分１４に配置される。

パルスピッカー５から出射されて、ファイバ増幅器１３で前置増幅されるパルスは、ファイバ１２を介して、または導光体１０を介して、枠体２８内の第２の光学板７の内側に配置される出射側ファイバ接続光学ユニット９内に達する。第１の増幅段３０が、自由空間光学系を使用して、出射側ファイバ接続光学ユニット９に形成される。第２の増幅段３１は、第２の光学板７の外側にある枠体２１内に形成される。第１の増幅段３０および第２の増幅段３１は、第２の光学板７を通して光学的に結合される。第２の増幅段３１を通過後に、高度に増幅されたパルスは次に、枠体２１の後側に位置する、光出射口３３を介して外側へと達する。

図示された短パルスレーザ１は、複数の給電接続部３５をさらに備える。給電線および制御線の横に並んで、増幅段３０、３１をポンピングし、かつ、活性ファイバ１２をポンピングするために設けられた外部のポンプ光源もまた、給電接続部３５を介して入射される。

対応するポンプレーザ１５、３９が、ダイオードレーザとして構成され、短パルスレーザ１用の、外部の給電部３７内に配置される。ポンプレーザ１５、３９のポンプ光は、対応するファイバ４１、４２を介して短パルスレーザ１へと接続される。ポンプレーザ１５、３９を外部に配置することよって、短パルスレーザ１の熱負荷を、低減することができる。同時に、メンテナンスがさらに容易になる。

２つの光学板３、７の間の空間に、流路が形成される。熱源を冷却する目的で、前記流路を通過する空気流が、ファン４０によって生成される。

図４は、異なった観点から見た、図３に対応する短パルスレーザ１を示す。特に、ピボット軸受２４、２５によって、２つの光学板３、７が旋回可能に装着されているのが、ここでは見えるようになっている。さらに、第２の光学板７の内側に装着された枠体２８が、ここでは異なった観点から見えるようになっている。

図３、４は、メンテナンス状態の短パルスレーザ１を示す。本明細書では、第２の光学板７は、基体２６において外側に向かって旋回する。枠体２１、２８のカバーを開くことによって、内部の光学的構成に容易に達することが可能である。短パルスレーザ１の動作状態では、２つの光学板３、７は、互いに平行に、基体２６の上に直立して位置する。

全体として、本明細書に記載される、ハイブリッド技術を使用する短パルスレーザ１は、極めてコンパクトな構成を有することが明らかになる。水冷却および複雑な温度安定化は、必要ではない。図３、４に示された短パルスレーザ１は、ファン４０による空気冷却だけによって冷却される。光学板３、７が旋回可能に装着されることにより、従来の短パルスレーザと比較して、メンテナンス支出が簡略化される。外部に配置されたポンプレーザまたはダイオードレーザ１５、３９は、短パルスレーザ１の構成に介入する必要なく、摩耗すれば、部品として容易に交換することができる。

１ 短パルスレーザ
３ 第１の光学板
４ シードレーザ発振器
５ パルスピッカー
６ 入射側ファイバ接続光学ユニット
７ 第２の光学板
８ 増幅段
９ 出射側ファイバ接続光学ユニット
１０ 導光体
１２ 活性ファイバ
１３ ファイバ増幅器
１４ 切欠き部分
１５ ポンプレーザ
１７ 入射接続切り替えスイッチ
１９ 追加のパルスピッカー
２０ 枠体
２１ 枠体
２４ ピボット軸受
２５ ピボット軸受
２６ 基体
２７ 枠体
２８ 枠体
３０ 第１の増幅段
３１ 第２の増幅段
３３ 光出射口
３５ 給電接続部
３７ 給電部
３９ ポンプレーザ
４０ ファン
４１ ファイバ
４２ ファイバ

Claims (9)

1. 第１の光学板（３）と、
   前記第１の光学板（３）の上に、互いに対して機械的に安定して装着される、シードレーザ発振器（４）、パルスピッカー（５）および入射側ファイバ接続光学ユニット（６）と、を備え、かつ、
   前記第１の光学板（３）とは別個の、第２の光学板（７）と、
   前記第２の光学板（７）の上に、互いに対して機械的に安定して装着される、出射側ファイバ接続光学ユニット（９）および少なくとも１つの増幅段（８、３０、３１）と、
   を備える短パルスレーザ（１）であって、
   前記第１の光学板（３）の前記入射側ファイバ接続光学ユニット（６）および前記第２の光学板（７）の前記出射側ファイバ接続光学ユニット（９）が、フレキシブルな導光体（１０）によって光学的に結合される、短パルスレーザ（１）。
2. 第１のポンプレーザ（３９）、特にダイオードレーザが、前記増幅段（８、３０、３１）をポンピングするために設けられる、請求項１に記載の短パルスレーザ（１）。
3. 前記導光体（１０）が、活性ファイバ（１２）であり、かつ、前記活性ファイバ（１１）をポンピングするために、第２のポンプレーザ（１５）、特にダイオードレーザが設けられる、請求項１または２に記載の短パルスレーザ（１）。
4. １つの、または各ポンプレーザ（１５、３９）が、前記第１の光学板（３）および前記第２の光学板（７）とは別個に、特に給電部（３７）に配置され、かつ、ポンプ光を前記増幅段（８、３０、３１）および／または前記活性ファイバ（１２）へと接続するために、導光体（４１、４２）、特にファイバ、がそれぞれ設けられる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の短パルスレーザ（１）。
5. 前記第１の光学板（３）および／または前記第２の光学板（７）が、横方向の装着構成で垂直にハウジングに装着される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の短パルスレーザ（１）。
6. 前記第１の光学板（３）および／または前記第２の光学板（７）が、折りたたみ可能にハウジングに装着される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の短パルスレーザ（１）。
7. 前記レーザ構成を冷却するためのファン（４０）であって、前記第１の光学板（３）および前記第２の光学板（７）に沿って空気流を生成するように設計されるファン（４０）が設けられる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の短パルスレーザ（１）。
8. 前記シードレーザ発振器（４）が、前記第１の光学板（３）の一方の側に配置され、前記パルスピッカー（５）が、前記第１の光学板（３）の反対側、すなわち他方の側に配置される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の短パルスレーザ（１）。
9. 第１の増幅段（３０）が、前記第２の光学板（７）の一方の側に配置され、第２の増幅段（３１）が、前記第２の光学板（７）の反対側、すなわち他方の側に配置される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の短パルスレーザ（１）。

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