JP2017526018A - レーザーパルスを変調するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、パルス化変調電圧（５）によって動作する電気光学変調器（４）によってレーザーパルス（３）を変調するシステムに関する。変調器（４）の上流において取り付けられた電圧変調器（１２）が、出力電圧レベルにおけるパルス化変調スイッチング電圧（１３）を出力電圧レベルよりも高い変調電圧（５）に変換している。本発明は、更に、レーザーパルス（３）を変調する方法にも関する。

Description

本発明は、パルス化変調電圧によって動作する電気光学変調器によってレーザーパルスを変調するシステム及び方法に関する。

このタイプのシステム及び対応する方法は、主には、例えば、印刷産業における除去又は変更プロセス、薄膜を穿孔する際、並びに、その他の産業的なプロセスの環境における用途などの、レーザー放射による材料加工の分野における用途を有する。但し、計測学及び基礎研究においても、様々な用途を有している。これらの場合には、パルス化レーザービームがレーザーによって提供され、個々の用途の要件に従って、前記レーザービームの個々のパルスを変調しなければならない。

具体的には、レーザーが使用される用途に応じて、１つ又は複数のレーザーパルスの強度を変更する必要があろう。更には、特定のレーザーパルスのみをシステムから外部に導くように意図されている場合もあろう。これを目的として、レーザーのビーム経路内に配置された変調器により、個々の用途に従って、レーザーによって提供されるレーザーパルスを変調又は調整することが知られている。

変調器としては、一般に、ポッケルスセル（Ｐｏｃｋｅｌｓ ｃｅｌｌ）などの電気光学変調器が提供されており、例えば、この変調器に対して、入力側において、電気変調電圧が印加され、且つ、その結果、出力側において、位相、偏光、及び／又は強度におけるレーザーパルスの光学変調が可能となっている。

対応する変調仕様に従って、目標とする方式により、個々の又は複数のレーザーパルスを変調できるようにするには、変調電圧もパルス化する必要がある。更には、変調電圧は、通常、相対的に高い電圧レベルを有しており、この高い電圧レベルは、ほとんどの場合に、特に変調電圧の非常に短い変調パルスを生成する際に結果的に問題をもたらしうる高電圧（ＨＶ：Ｈｉｇｈ Ｖｏｌａｔａｇｅ）の範囲に含まれている。その理由は、変調電圧が、一般に、高電圧源により、連続的な電圧として提供され、且つ、下流において接続されている高電圧スイッチの作動により、変調仕様に従って、パルス化電圧に変換されているからである。

但し、このような既知のシステムおいて問題となるのは、前記システムが、全体的に、複雑な構造を有しており、且つ、更には、特に、短いスイッチング時間のケースにおいて、高電圧スイッチの構造的な状態に起因して、スイッチング時間を任意に低減することができないという点にある。

これは、特に、例えば、高反復レートを有するフェムト秒レーザーなどの超短パルスレーザーシステムにおけるレーザーパルスの変調の際に不利であることが証明されている。その理由は、システムによって制御された方式により、電圧を第１電圧レベルから第２電圧レベルにスイッチングするために、高電圧スイッチが、特定のスイッチング時間を必要としているからである。具体的には、超短パルスレーザーシステムにおいて、立ち上がり時間とも呼称されるこれらのスイッチング時間は、しばしば、個々のレーザーパルスの間の休止時間を上回っている。従って、過度に長い立ち上がり時間の結果として、個々の又は複数のレーザーパルスの誤った変調が発生する可能性があり、その結果、例えば、材料加工において、加工結果の望ましくない欠陥が生じる可能性がある。更には、加工プロセスにおけるそれぞれのレーザーパルスの、パルスについて正確な設定（ｐｕｌｓｅ−ａｃｃｕｒａｔｅ ｓｅｔｔｉｎｇ）も、可能ではない。

従って、本発明の目的は、超短パルスレーザーシステムにおいても、エラーの影響をほとんど受けにくいレーザーパルスの変調の実行を簡単な方式で可能にするシステムと、更には、方法と、を規定することにある。

導入部において言及されているタイプのシステムのケースにおいては、この問題は、変調器の上流において接続された電圧コンバータによって解決され、この電圧コンバータは、出力電圧レベルにおけるパルス化スイッチング電圧を出力電圧レベルとの関係において増大した変調電圧に変換している。

このようなシステムの場合には、まず、望ましい変調仕様に従って、スイッチング電圧を同様に低い出力電圧レベルにおいて生成することが可能であり、且つ、次いで、出力電圧レベルにおいて生成されたパルスシーケンスを維持した状態において、電圧コンバータにより、出力電圧レベルとの関係において増大した変調電圧に変換することができる。スイッチング電圧は、出力電圧レベルにおいて、相対的に簡単な方式により、且つ、相対的に短いスイッチング時間により、スイッチングすることができる。スイッチング電圧のパルスシーケンスが、電圧コンバータによるその変換の後にも、維持されていることから、相対的に高い変調電圧の電圧レベルにおいても、短い立ち上がり時間が結果的に得られる。この結果、超短パルスレーザーシステムの場合にも、誤った変調のリスクが大幅に低減される。

１つの有利な構成によれば、電圧コンバータは、変圧器として具体化される。変圧器としての実施形態によれば、電圧コンバータを簡単な方式で実現することができる。変圧器内においては、一次及び二次側電気回路が、互いに電気的に絶縁されており、これは、特に、安全面の観点において有利である。特に好ましくは、変圧器は、変圧器コアを有することが可能であり、この結果、相対的に高い効率を実現することができる。或いは、この代わりに、電圧コンバータは、例えば、ブーストコンバータとして実施することもできる。

有利には、パルス生成器、特に、変調パルス生成器が、電圧コンバータの上流において接続されている。パルス生成器が電圧コンバータの上流において接続された結果として、パルス化スイッチング電圧を出力電圧レベルにおいて予め生成することが可能であり、出力電圧レベルは、好ましくは、低電圧範囲に含まれている。低電圧コンポーネントを使用することにより、費用効率に優れたシステムの構造が可能となる。

パルス生成器が、スイッチとして、特に、半導体スイッチとして、具体化される構成が、特に有利である。特に好ましくは、スイッチは、トランジスタとして具体化される。半導体スイッチ又はトランジスタを使用することにより、機械的な運動を伴うことなしに電圧をスイッチングしうる高速スイッチの実現が単純な方式で可能となる。この結果、機械的な損耗効果及びシステムの結果的な欠陥を回避することができる。半導体スイッチ又はトランジスタは、正確な変調に必要とされる高速スイッチングが可能となるように、非常に短い立ち上がり時間を有している。可能なトランジスタ構成は、例えば、バイポーラトランジスタ又は電界効果トランジスタであってもよい。但し、パルス生成器としてのＭＯＳＦＥＴの使用が、特に好ましい。

この文脈においては、パルス生成器が半導体ハーフブリッジ又は半導体フルブリッジとして実現されることが更に有利である。特に好ましくは、半導体ハーフブリッジ又は半導体フルブリッジは、トランジスタハーフブリッジ又はトランジスタフルブリッジとして構成することができる。このようなハーフ又はフルブリッジは、スイッチングの際に相対的に小さなスイッチング損失しか発生せず、その結果、適切な効率が結果的に得られるという事実を特徴としている。更には、短い立ち上がり又はスイッチング時間を実現することもできる。

更に有利な構成によれば、低電圧源がパルス生成器の上流において接続されている。パルス生成器に低電圧を供給することにより、低電圧コンポーネントを使用することができるという利点が得られる。この結果、従来技術において通常使用されている高電圧コンポーネントとの比較において、安全性の利点を実現することが可能であり、その理由は、例えば、フラッシュオーバーの、更には、実際に、電磁的欠陥の、リスクを低減することができるからである。有利には、低電圧源は、１０V〜１０００Vの、特に有利には、１０Ｖ〜２５０Ｖの、電圧を有し、但し、特に有利には、約１００Ｖの電圧を有する。

本発明の更なる構成においては、制御ユニットによって生成された制御電圧によってパルス生成器を制御可能とすることが提案されている。制御電圧によってパルス生成器を制御することにより、例えば、材料加工プロセスのタイプによって予め定義された変調仕様に従って、例えば、予め定義されたビットストリームにより、好ましくは低電圧範囲に含まれるスイッチング電圧を変調することができる。この観点において、制御電圧により、例えば、材料加工における個々の用途の変調仕様に従って、パルス化スイッチング電圧を生成することが可能であり、且つ、次いで、この変調を維持した状態において、電圧コンバーターにより、必要とされる変調電圧の電圧レベルに変換することができる。制御電圧により、特に振幅及びパルス持続時間の観点において、スイッチング電圧を設定することができる。

本発明の更なる有利な構成によれば、最大変調電圧は、８００Ｖ〜１０ｋＶの範囲内に含まれている。ほとんどの電気光学変調器、特に、ポッケルスセルは、この範囲内において、確実に動作させることができる。好ましくは、最大変調電圧は、８００Ｖ〜５ｋＶの範囲に含まれており、特に好ましくは、８００Ｖ〜３ｋＶの範囲に含まれている。

更なる有利な構成は、電気光学変調器を通過するパルス化レーザービームを提供するレーザーを提供している。有利には、レーザーのパルスと変調電圧のパルスは、互いに調整されている。パルスについて正確な変調を実現できるようにするために、パルス化レーザービームを生成するべくレーザー内において使用されるレーザー信号が、レーザーパルスの望ましい変調を得るべく、制御ユニットの制御信号とマッチングされていることが、この文脈において特に有利である。

変調電圧の立ち上がり時間が、２つのレーザーパルスの間の休止時間の半分未満である構成が、特に有利である。この結果、可能な誤った変調のリスクを大幅に低減することが可能であり、その理由は、スイッチングプロセスのために、休止を容易に利用することができるからである。

有利には、変調電圧の立ち上がり時間は、２つのレーザーパルスの間の休止時間の４分の１未満であるが、特に好ましくは、２つのレーザーパルスの間の休止時間の８分の１未満である。

全体的に組立の観点において非常に便利であるために設計の観点から有利である構成によれば、パルス生成器、電圧コンバータ、及び制御ユニットが、モジュールを構成するべく、特に空間的に、組み合わせられている。モジュールを形成するための組合せは、機能的にも想定可能である。モジュールは、システム内において自給型の構造的且つ／又は機能的ユニットを形成することができる。モジュールを形成するべく個々のコンポーネントを組み合わせることにより、組立に関する費用を低減することができる。更には、モジュールは、例えば、ハウジング内において配置することも可能であり、その結果、個々のコンポーネントを環境的な影響又は損傷から保護することができる。有利には、パルス生成器、電圧コンバータ、及び制御ユニットを有するモジュールは、高電圧ラインを介して電気光学変調器に接続することが可能であり、電気光学変調器は、必ずしも、モジュールの一部分でなくてもよい。

一代替構成によれば、第１モジュールを形成するべく、パルス生成器と制御ユニットが組み合わせられており、且つ、第２モジュールを形成するべく、電圧コンバータと電気光学変調器が組み合わせられている。このケースにおいては、２つのモジュールを低電圧ラインを介して互いに接続することが可能であり、この結果、２つのモジュールの間における低電圧の送信の結果として、安全性のリスク及び損失が低減されるという利点が得られる。

更なる代替構成によれば、パルス生成器、電圧コンバータ、及び電気光学変調器は、モジュールを形成するべく、組み合わせられている。このような構造の場合には、制御ユニットのみが、モジュールから隔離された方式によって配置されており、これを理由として、モジュールと制御ユニット間において配置しなければならないのは、１つの信号ラインのみである。この結果、安全性の観点において、且つ、同様に、電磁適合性（ＥＭＣ：ＥｌｅｃｔｒｏＭａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）の観点において、更なる利点がもたらされる。

システムの更なる有利な構成によれば、パルス生成器及び／又は電圧コンバータは、ヒートシンクにより、特に、液体によって冷却されたセラミックキャリアにより、冷却可能となっている。パルス生成器及び／又は電圧コンバータを冷却することにより、例えば、過熱と、従って、個々のコンポーネントの障害と、が発生しないように、損失及び電荷反転電流（Ｃｈａｒｇｅ−ｒｅｖｅｒｓａｌ ｃｕｒｒｅｎｔ）の結果として生じる熱損失を放散させることができる。有利には、レーザー用に提供されるレーザー冷却をパルス生成器及び／又は電圧コンバータを冷却するために付随的に使用することも可能であり、これにより、相対的に単純且つ費用効率の優れた構造が結果的に得られる。

有利には、ヒートシンクは、パルス生成器及び／又は電圧コンバータを封入している。このような構成は、大きな面積にわたって、且つ、複数の方向において、熱が放散されることを保証することができる。

或いは、この代わりに、又はこれに加えて、ヒートシンクは、液体が流れるプレートとして、実施されてもよい。これは、特に、パルス生成器がトランジスタを有する場合に有利である。トランジスタは、好ましくは、良好な熱放散が１つの方向においてのみ予め実現されうるように、冷却プレート上において、水平方向に取り付けることができる。

更には、上述の問題を解決するべく、導入部において言及されているタイプの方法の場合に、変調器の上流において接続された電圧コンバータが、出力電圧レベルにおけるパルス化スイッチング電圧を出力電圧レベルとの関係において増大した変調電圧に変換することが提案される。

システムとの関連において既に説明した利点が、この場合にも、同様に提供される。

この文脈において、方法を実行するべく、上述の特徴を有するシステムが使用されることが更に有利であり、この場合に、システムの特徴は、個々に、又は組合せにおいて、使用されうる。

方法の有利な１つの態様によれば、スイッチング電圧の振幅を変化させることにより、変調電圧の振幅を適合させることが提案されている。好ましくは低電圧範囲に含まれるスイッチング電圧の振幅を変化させることにより、スイッチング電圧の正確なパルス間変動を実現することが可能であり、その結果として、好ましくは高電圧範囲に含まれる変調電圧の正確なパルス間変動をも可能とすることができる。この結果、相対的に正確なレーザーパルスの変調という利点がもたらされる。

方法の更なる構成によれば、パルス化レーザービームを生成するべく使用されるレーザー信号は、レーザーパルスのパルスについて正確な変調が変調電圧によって実現されうるように、制御ユニットを制御するべく使用される制御信号と同期化されている。

有利には、パルスについて正確なレーザーパルス変調シーケンスが電気光学変調器によって生成され、その結果として、正確な加工、計測、又はこれに類似したものが可能になっている。

以下、例示用の実施形態の添付の部分的に非常に概略的な図面を参照し、本発明によるシステムと、更には、本発明による方法と、の更なる利点及び詳細について説明することとする。

従来技術によるシステムをブロックダイアグラムで示した図である。 従来技術によるレーザーパルス、変調電圧、及び制御電圧の間の関係の概略を示した図である。 図１に対応する、本発明によるシステムを示す図である。 図２に対応する、本発明によるシステムのレーザーパルス、変調電圧、及び制御電圧を示す図である。 パルス生成器を示す図である。 本発明によるシステムの様々な実施形態の変形を示す図である。 ヒートシンクの第１実施形態変形に伴う高電圧コンバータを示す図である。 ヒートシンクの第２実施形態変形に伴うパルス生成器を示す図である。

まずは、図１及び図２を参照し、従来技術において知られているシステム１００及びこれと関連する欠点について説明した後に、図３〜図８を参照し、本発明によるシステム１００の詳細について説明することとする。

図１は、レーザー１と、レーザー１の下流において接続された電気光学変調器４と、を有するシステム１００の、従来技術において知られている構造を示しており、電気光学変調器は、特定の変調仕様に従って、レーザー１によって生成されたパルス化レーザービーム２を変調するべく意図されている。このようなシステム１００は、しばしば、材料加工において使用されているが、計測学又は基礎研究においても使用される。その理由は、用途の個々の要件に従って、パルス化方式によって提供されるレーザービーム２を変調する必要があるからであり、この場合には、しばしば、目標とされている方式により、個々のパルス３を変調する必要がある。

パルス化レーザービーム２が使用されるべく意図されている用途に応じて、その強度の観点においてレーザーパルス３を変調すると共に／又は、レーザービーム２から外部に個々のレーザーパルス３を導く必要がある。この変調を目的として、例えば、ポッケルスセルなどの電気光学変調器４を提供することが知られている。これらの変調器４によれば、その偏光、位相、及び強度の観点において、レーザーパルス３を変調することができる。

同様に、図１からわかるように、既知のシステム１０における電気光学変調器４は、高電圧により、具体的には、変調電圧５により、動作している。このケースにおいては、変調電圧５も同様にパルス化されており、これは、従来技術においては、高電圧スイッチ６によって実現されている。高電圧スイッチ６は、入力側において、１０００Ｖ以上の連続的な電圧を生成しうる高電圧源７に接続されている。

但し、図１に示されているシステム１００における不利な点は、高電圧スイッチ６を使用した結果として、システムによって制御された方式により、このような高電圧スイッチ６の場合における比較的長い立ち上がり時間に起因して、高速スイッチングが可能ではないという点にある。むしろ、このような高電圧スイッチ６は、通常、１ＭＨｚのスイッチング周波数に制限されている。

従って、図２に示されているように、特に、かなり短いパルスを有するレーザービーム２を変調する際に、しばしば、問題が発生する。その理由は、このようなケースにおける変調電圧５の立ち上がり時間Ａが、しばしば、２つのレーザーパルス３の間の休止時間Ｐを上回っているからである。立ち上がり時間Ａとは、変調電圧５が、この場合には０Ｖである第１電圧から、この場合には５ｋＶである第２電圧まで上昇する時間であり、この観点においては、特に、図２ａ）及び図２ｂ）を参照されたい。

制御電圧１０によって高電圧スイッチ６を正確に制御することはできるが（図２ｃを参照されたい）、スイッチ６は、構造的な状態に起因して、同様に直接的にスイッチング可能となるには、低速に過ぎる。この結果、高電圧スイッチ６の分野においては、必要とされる高電圧変調電圧５に到達する時点までの２５ｎｓ超の立ち上がり時間Ａが、もっぱら一般的である。その結果、誤った変調が発生することになり、その場合には、個々のレーザーパルス３が、図２ｄ）に従って、その強度の観点において、望ましくない方式によって変化することになるか、或いは、全体的にカットオフされることになる。この結果、例えば、材料加工の際に被加工物を加工するプロセスに悪影響が及ぶ可能性がある。

これは、例えば、フェムト秒レーザーなどの超短パルスレーザーシステムを使用する際に、特に問題となることが証明されている。その理由は、この場合には、レーザー１が、最大で１００ＭＨｚ以上のパルス周波数を有する非常に反復的なレーザービーム２を生成するからである。このようなレーザービーム２は、既知のシステムによっては、不十分にしか変調することができない。良好な結果を得るためには、１ＭＨｚ超のスイッチング周波数を提供する必要がある。又、これに加えて、それぞれの個々のレーザーパルス３用の変調電圧５のパルスについて正確な変動も、求められることになり、これは、既知の高電圧スイッチ６によっては、実現することができない。

図３〜図８には、簡単な手段を使用してこれらの問題を解決する本発明によるシステム１００が示されており、且つ、以下、これについて詳細に説明することとする。

本発明によるシステム１００のケースにおいては、変調器４が、同様に、レーザー１のビーム経路内に位置しており、この変調器は、レーザーパルス３を変調するべく意図されている。但し、図１に示されているシステム１００とは対照的に、電圧コンバータ１２が、変調器４の上流において接続されており、この電圧コンバータが、出力電圧レベルにおけるパルス化スイッチング電圧１３を出力電圧レベルとの関係において増大した変調電圧５に変換している。

例示用の実施形態においては、スイッチング電圧１３の出力電圧レベルは、低電圧範囲に含まれており、且つ、変調電圧５の電圧レベルは、高電圧範囲に含まれている。以下、電圧レベルの概念的な分離のために、低電圧スイッチング電圧（ＬＶスイッチング電圧）及び高電圧変調電圧（ＨＶ変調電圧）という表現を使用することとする。但し、本発明によれば、変調電圧５が、同様に、低電圧範囲に含まれているが、それにも拘らず、スイッチング電圧１３との関係において大幅に増大している構成も可能であることを指摘しておきたい。

低電圧範囲に含まれているスイッチング電圧１３を好ましくは高電圧範囲に含まれている増大した変調電圧５に変換する変調器４の上流において接続された電圧コンバータ１２により、変調器仕様に従って、予め低電圧範囲内において、パルス化ＬＶスイッチング電圧１３を生成することが可能であり、次いで、これが、高電圧コンバータ１２の支援により、パルスシーケンスが維持された状態において、ＨＶ変調電圧５に変換される。

この例示用の実施形態においては、電圧コンバータ１２は、高電圧コンバータとして実施された変圧器として実施されており、この変圧器は、その物理特性を改善するべく、且つ、効率性を増大させるべく、フェライトコア２０を有する。更には、変圧器１２を回路基板変圧器として実施することも可能であり、この場合に、巻線は、回路基板として具体化される。一次側において、ＬＶスイッチング電圧１３が変圧器１２に印加されており、この場合には、次いで、変圧器１２により、ＬＶスイッチング電圧１３が、予め定義された巻数比に従って、二次側におけるＨＶ変調電圧５に変換されている。次いで、前記変調電圧は、変調器４に印加されている。

従来技術の関連において既に説明したように、レーザービーム２のパルスシーケンスに対して適合されたパルス化ＨＶ変調電圧５が変調器４に対して印加されなければならない。本発明によれば、このパルス化は、低電圧範囲内において生成されている。これを目的として、パルス生成器６が提供されており、パルス生成器６は、変調仕様に従って、連続的に低電圧源１１によって提供される低電圧をパルス化する。

低電圧源１１が、パルス生成器６の上流において接続されており、且つ、１０Ｖ〜１０００Ｖの範囲内の、但し、特に好適には、１００Ｖの、電圧を提供している。変圧器１２の一次側において低電圧を使用することにより、低電圧コンポーネントの使用が可能になっている。低電圧コンポーネントは、通常、大量に入手可能な標準的なコンポーネントであり、且つ、従って、簡単に調達することができる。更には、高電圧コンポーネントの使用と関連したフラッシュオーバー及び電磁的負荷印加のリスクが格段に小さい。但し、これらのコンポーネントの最大の利点は、非常に短い立ち上がり時間Ａを結果的に得ることができるという点にある。

パルス生成器６は、変調仕様に応じて、低電圧源１１によって生成された低電圧をスイッチオン及びオフしうるスイッチとして具体化される。この例示用の実施形態においては、スイッチング要素は、トランジスタなどの個別の半導体コンポーネント１４を有する又は複数の並列接続された半導体コンポーネント１４を有する半導体又はトランジスタの縦列接続として実施されており、且つ、トランジスタハーフブリッジとして相互接続されている。図５は、このようなトランジスタハーフブリッジのパルス生成器６としての概略図を示している。但し、この代わりに、トランジスタフルブリッジを使用することも可能である。

トランジスタ１４、特に、ＭＯＳＦＥＴ、を使用することにより、低電圧範囲内における高速スイッチングが可能となるように、短い立ち上がり時間Ａという利点が得られる。従って、超短パルスレーザーシステムを使用する場合にも、レーザーパルス３の正確なパルス間変調が可能である。トランジスタのハーフ又はフルブリッジを使用することにより、第１及び第２電圧の間のスイッチングの際に、相対的に小さなスイッチング損失が発生する。更には、大きな電荷反転電流によって生成される熱損失が、低く維持される。

同様に図５からわかるように、２つのトランジスタ１４から構成されたトランジスタ縦列接続が、一次側において、変圧器１２に接続されており、これは、パルス化ＬＶスイッチング電圧１３を二次側におけるＨＶ変調電圧５に変換する。

パルス生成器６がパルス化ＬＶスイッチング電圧１３を生成できるようにするためには、変調仕様に従って、制御電圧１０を前記パルス生成器に印加する必要があり、これについては、図３を参照されたい。この結果、変調仕様に従って、制御電圧１０もパルス化される。

制御電圧１０は、制御ユニット８によって提供されている。制御ユニット８は、例えば、コンピュータ又はこれに類似したものに接続されることが可能であり、このコンピュータから、制御信号９が制御ユニット８に送信され、制御信号９は、予め定義されたビットストリームであってもよい。制御信号９は、実際の変調仕様を構成しており、変調仕様は、制御電圧１０、スイッチング電圧１３、そして、変調電圧５に至るまでのすべてのものにより、維持されている。制御電圧１０は、ＬＶスイッチング電圧１３が変調仕様に従ってパルス化されるように、制御信号９の支援によって変調され、且つ、スイッチング仕様として、パルス生成器６に供給されている。ＬＶパルス生成器６を使用することにより、制御電圧１０が、例えば、従来技術の高電圧スイッチの場合よりも大幅に低い電圧レベルを有しうる、という利点が得られる。従って、簡単且つ費用効率に優れた構造が結果的に得られる。

以下、図４を参照し、本発明によるシステム１００の提供される利点について更に詳細に説明することとする。低電圧コンポーネントの使用に起因して、ＨＶ変調電圧５の立ち上がり時間Ａは、従来技術との比較において大幅に短縮されている。この観点において、２つのパルス３の間の休止時間Ｐの半分未満である立ち上がり時間Ａを実現することができる。この結果、超短パルスレーザーシステムのレーザーパルス３を正確に変調できるようにするには、Ｐ／２未満の立ち上がり時間Ａが有利であるが、これが、Ｐ／４未満、特に、Ｐ／８未満である場合に、特に有利である。図４ｂ）には、本発明によるシステム１００のＨＶ変調電圧５の対応した図が示されている。

ＨＶ変調電圧５の立ち上がり時間Ａが２つのレーザーパルス３の間の休止時間Ｐよりも短いことから、誤った変調が防止される。即ち、相対的に時間的に長い休止時間Ｐ内において特定の信頼性又は許容範囲を有するスイッチングプロセスを収容することができる。この結果、もはや、個々のレーザーパルス３が、望ましくない方式でカットオフされることがなく、或いは、もはや、レーザーパルス３の強度の望ましくない変動が発生しない。誤った変調が確実に防止される。この観点において、例えば、正確なグレースケールビットマップを生成することができる。

制御電圧１０の振幅と、従って、ＬＶスイッチング電圧１３の振幅が変更された場合には、これがＨＶ変調電圧５内においても継続する。図４ｂ）からわかるように、ＨＶ変調電圧５は、例えば、５ｋＶから、３ｋＶ又は２ｋＶの電圧値に低減することが可能であり、そして、これが、今度は、図４ｄ）に示されているように、レーザーパルス３の強度の低減に結び付く。

更には、有利には、パルス化レーザービーム２を生成するべくレーザー１によって使用されるレーザー信号２２は、制御信号９と、或いは、制御電圧１０と、同期化されている。その理由は、その結果、変調仕様として機能するレーザーパルス３と制御信号９の間の時間的な位相マッチングが、単純な方式によって可能であるからである。個々の位相角の複雑な変動が必要とされていない。

以下、図６ａ）〜図６ｃ）を参照し、構成１００の個々の要素の可能なモジュール設計について説明することとするが、この場合に、モジュールという用語は、以下においては、空間的及び／又は機能的ユニットを意味しているものと理解されたい。

図６ａ）は、高電圧コンバータ１２、パルス生成器６、及び制御ユニット８が、モジュール１５を形成するべく、組み合わせられているシステムを示している。モジュール１５は、高電圧ライン１７を介してレーザー１に接続されており、ここには、変調器４も配置されている。レーザー１及び変調器４も、同様に、共通モジュール１６を形成している。

図６ｂ）は、パルス生成器６及び制御ユニット８が、モジュール１５を形成するべく組み合わせられている実施形態を示している。対照的に、高電圧コンバータ１２は、変調器４において配置されており、これにより、高電圧モジュール１６が結果的にもたらされている。高電圧変換がモジュール１６内においてのみ実行されることから、モジュール１５を低電圧ライン１８を介してモジュール１６に接続することが可能であり、これが理由となり、この場合には、配線用の費用が減少する。この結果、ＬＶモジュール１５とＨＶモジュール１６への好ましい分割がもたらされる。

図６ｃ）は、第３実施形態変形を示しており、この場合にも、ＬＶモジュール１５及びＨＶモジュール１６が同様に提供されている。パルス生成器６、高電圧コンバータ１２、並びに、更には、電気光学変調器４が、モジュール１６内において位置している。従って、必要とされるのは、モジュール１５内において配置されている制御ユニット８を信号ライン１９を介してモジュール１６に接続することのみであり、その結果、システムの構造と、特に、その配線と、が更に単純化される。

変調器４において又はレーザー１において個々の又は複数のコンポーネントを配置することにより、個々のモジュール１５、１６の間のライン要件が単純化される。この観点においては、図６ａ）に示されている高電圧ライン１７を省略することが可能であり、或いは、場合によっては、図６ｂ）に示されている低電圧ライン１８さえ、省略することができる。高電圧ライン１７から低電圧ライン１８への変更は、既に非常に有利であり、その理由は、フラッシュオーバーのリスクと、更には、このようなシステム１００の安全性について求められる要件と、を低減することができるからである。低電圧ライン１８から信号ライン１９への変更の結果として、システム１００が、更に単純化されると共に、更に費用効率に優れた方式で構成されることになる。又、この結果、ＥＭＣ欠陥も、更に大幅に低減される。

パルス生成の際には、但し、ＬＶスイッチング電圧１３の変換の際にも、大きな電荷反転電流に起因して熱損失が生じることから、パルス生成器６及び／又は高電圧コンバータ１２を冷却する必要がある。これを目的として、図７及び図８に従って、ヒートシンク２１が、特に、液体によって冷却されたセラミックヒートシンクが、提供される。セラミックは、利点を提供し、その理由は、セラミックは、システムの電気特性を劣化させないからである。例として、窒化アルミニウムセラミックが有利な材料として有用であることが証明されている。

図７からわかるように、第１実施形態によれば、変圧器１２は、ヨーク形状のヒートシンク２１の内部において位置している。変圧器１２のフェライトコア２０が、前記変圧器の内部において配置されている。図７から更にわかるように、ヒートシンク２１は、水がヒートシンク２１を通過できるようにする開口部２３を有する。ヒートシンク１２が変圧器１２を完全に封入しているという事実に起因して、大面積の熱放散を複数の方向において実現することができる。この結果、コンポーネントの過熱と、従って、更には、システム１００の障害と、が発生しなくなる。

図８は、ヒートシンク２１の代替実施形態を示しており、この場合にも、パルス生成器６として使用されるトランジスタ１４は、同様に、液体によって冷却されるセラミックプレート２１上において配置されている。図示されているように、トランジスタ１４は、トランジスタ１４の大きなエリアが冷却されうるように、エリアとしては、セラミックプレート２１上において位置している。この場合にも、開口部２３は、水を供給すると共に水を排出するべく機能している。このような構成によれば、下方への熱放散の実現が可能である。

冷却システムが、レーザー１において又は変調器４において既に提供されている場合には、高電圧コンバータ１２又はパルス生成器６を冷却するために前記冷却システムを使用することもできる。この結果、単純で費用効率に優れた構造が得られる。

上述のシステム１００と、更には、対応する方法と、は、パルス化スイッチング電圧１３を低電圧範囲に含まれる出力電圧レベルにおいて生成することが可能であり、次いで、レーザーパルス３が変調仕様に従って変調されうるように、電圧コンバータ１２により、このスイッチング電圧を出力電圧レベルとの関係において増大した必要とされる変調電圧５に変換することができるという事実を特徴としている。

１ レーザー
２ レーザービーム
３ レーザーパルス
４ 電気光学変調器
５ 変調電圧
６ パルス生成器
７ 高電圧源
８ 制御ユニット
９ 制御信号
１０ 制御電圧
１１ 低電圧源
１２ 電圧コンバータ
１３ スイッチング電圧
１４ 半導体コンポーネント
１５ モジュール
１６ モジュール
１７ 高電圧ライン
１８ 低電圧ライン
１９ 信号ライン
２０ フェライトコア
２１ ヒートシンク
２２ レーザー信号
２３ 開口部
１００ システム
Ｐ 休止時間
Ａ 立ち上がり時間

Claims (21)

1. パルス化変調電圧（５）によって動作する電気光学変調器（４）によってレーザーパルス（３）を変調するシステムであって、
   前記変調器（４）の上流において接続された電圧コンバータ（１２）であって、出力電圧レベルにおけるパルス化スイッチング電圧（１３）を前記出力電圧レベルとの関係において増大した前記変調電圧（５）に変換する電圧コンバータを特徴とするシステム。
2. 前記電圧コンバータ（１２）は、変圧器として具体化されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. パルス生成器（６）、特に、変調パルス生成器（６）が、前記電圧コンバータ（１２）の上流において接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記パルス生成器（６）は、スイッチとして、特に、半導体スイッチとして、具体化されることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. 前記パルス生成器（６）は、半導体ハーフブリッジ又は半導体フルブリッジとして具体化されることを特徴とする請求項３又は４に記載のシステム。
6. 低電圧源（１１）が、前記パルス生成器（６）の上流において接続されていることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 前記パルス生成器（６）は、制御ユニット（８）によって生成された制御電圧（１０）によって制御可能であることを特徴とする請求項３乃至６のいずれか１項に記載のシステム。
8. 前記変調電圧（５）は、８００Ｖ〜１０ｋＶの範囲であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 前記電気光学変調器（４）を通過するパルス化レーザービーム（２）を提供するレーザー（１）を特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のシステム。
10. 前記変調電圧（５）の立ち上がり時間（Ａ）は、２つのレーザーパルス（３）の間の休止時間（Ｐ）の半分未満であることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
11. 前記パルス生成器（６）、前記電圧コンバータ（１２）、及び前記制御ユニット（８）は、モジュール（１５）を形成するべく、特に空間的に、組み合わせられていることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載のシステム。
12. 前記パルス生成器（６）及び前記制御ユニットは、第１モジュール（１５）として組み合わせられ、且つ、前記電気光学変調器（４）は、第２モジュール（１６）として組み合わせられていることを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１項に記載のシステム。
13. 前記パルス生成器（６）、前記電圧コンバータ（１２）、及び電気光学変調器（４）は、モジュール（１６）を形成するべく、組み合わせられていることを特徴とする請求項３乃至１０のいずれか１項に記載のシステム。
14. 前記パルス生成器（６）及び／又は前記電圧コンバータ（１２）は、ヒートシンク（２１）により、特に、液体によって冷却されたセラミックキャリアにより、冷却可能であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のシステム。
15. 前記ヒートシンク（２１）は、前記パルス生成器（６）及び／又は前記電圧コンバータ（１２）を封入していることを特徴する請求項１４に記載のシステム。
16. 前記ヒートシンク（２１）は、液体が流れるプレートとして具体化されることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
17. パルス化変調電圧（５）によって動作する電気光学変調器（４）によってレーザーパルス（３）を変調する方法であって、
    前記変調器（４）の上流において接続された電圧コンバータ（１２）が、出力電圧レベルにおけるパルス化スイッチング電圧（１３）を前記出力電圧レベルとの関係において増大した前記変調電圧（５）に変換することを特徴とする方法。
18. 請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のシステムが、前記方法を実行するべく使用されていることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記変調電圧（５）の振幅は、前記スイッチング電圧（１３）の振幅を変化させることにより、適合されていることを特徴とする請求項１７又は１８に記載の方法。
20. レーザーパルス（３）を生成するべく使用されるレーザー信号（２２）は、前記制御ユニット（８）を制御するべく使用される制御信号（９）と同期化されていることを特徴とする請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載の方法。
21. パルスについて正確なレーザーパルス変調シーケンスが前記電気光学変調器（４）によって生成されることを特徴とする請求項１７乃至２０のいずれか１項に記載の方法。

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