JP2022540831A

JP2022540831A - パルス持続時間スイッチを備えたレーザーシステム

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Publication number: JP2022540831A
Application number: JP2022500970A
Authority: JP
Inventors: アレックス・ユシム; デイヴィッド・クラーク; イゴール・サマルツェフ; ジョー・アンタス; ジャスティン・バルサロウ
Original assignee: アイピージーフォトニクスコーポレーション
Priority date: 2019-07-09
Filing date: 2020-07-09
Publication date: 2022-09-20
Also published as: KR20220025113A; WO2021007398A1; EP3997767A4; CN114097149A; US20220294177A1; EP3997767A1

Abstract

ＣＰＡ超短パルスレーザーシステムは、シードレーザーからのそれぞれの超短パルスを少なくとも２つのレプリカへと分割するビームスプリッターを備えて構成されており、２つのレプリカは、それぞれのレプリカ経路に沿って伝播する。それぞれのレプリカ経路は、それぞれのレプリカを異なるパルス持続時間に引き伸ばす上流分散性エレメントを含む。光学的スイッチが、上流分散性エレメントから上流または下流において、それぞれのレプリカ経路の中に位置付けされている。それぞれの光学的スイッチは、「オン」位置と「オフ」位置との間で高いスイッチング速度で動作するように個別に制御可能であり、レプリカのうちの１つを選択的にブロックするか、または、スイッチングアッセンブリの出力においてレプリカを時間的に分離するようになっている。レプリカは、非常に引き伸ばされているので、一連の高ピークパワー超短パルスが、ｆｓ～ｎｓの範囲から選択されるパルス持続時間、および、最大でＭＷレベルのピークパワーで、それぞれ出力されるようになっている。

Description

本発明は、オンザフライで極めて高い速度でパルス持続時間を制御可能にスイッチングするように動作し、より高い生産速度で異なる材料加工タスクを実施し、コストを低減させる、超高速ファイバーレーザーシステムに関する。

レーザーのパルス持続時間は、最適なレーザー機械加工のための重要なパラメーターである。異なる材料は、最良の機械加工品質および加工速度のために、幅広く全く異なるパルス持続時間を必要とすることが多い。結果として、不均質な、複合の、または、多材料もしくは多層のコンポーネントのレーザー加工は、極めて高いコストを伴って異なるパルス持続時間で動作する複数のレーザーを必要とすることが多い。加えて、異なる所望のタイプのマイクロ加工（たとえば、ドリリング、トレンチング、マーキング、彫刻、切断、アブレーション、スクライビングなど）は、また、最適なパルス持続時間の範囲を必要とする可能性がある。セットアップ時間およびコストを低減させるために、同じコンポーネントに対して複数のタイプの加工を実施することができるということが有利である。

超高速レーザーは、なかでも、固体レーザーおよびファイバーレーザーを含み、さまざまな材料のレーザー加工において幅広く使用されているピコ秒レーザーおよびフェムト秒レーザーのための総称である。ピコ秒よりも短い超高速レーザーのパルス幅は、典型的に産業用途のために使用されるが、高い出力パワーおよび高い信頼性に起因して、商業用途および産業用途のために、より長いパルスが使用される。そのような超短パルス幅は、加工された領域の周囲への熱拡散を抑制し、それは、熱影響域の形成を著しく低減させ、さまざまな材料の超高精度のマイクロ－ファブリケーションおよびナノ－ファブリケーションを可能にする。超短パルス幅に起因して、超高速レーザーのピーク強度は、１０^３～１０^４Ｗ／ｃｍ^２での熱処理、１０^５～１０^６Ｗ／ｃｍ^２での溶接およびクラッディング、ならびに、ドリリング、切断、およびフライス加工に関して１０^７～１０^９Ｗ／ｃｍ^２の材料除去を必要とする。このレベルの高いピーク強度は、小さい直径のファイバーコアに非線形の問題を生成させ、光の品質を低下させ、その出力パワーを制限する。

ファイバーレーザーを含む高パワーレーザーの中に高いピーク強度の望ましくない結果を最小化するために、多数の技法が開発されてきた。公知の技法のうちの１つは、チャープパルス増幅（ＣＰＡ）である。この技法を利用すると、抽出されるパルスエネルギーは、典型的に、直接的な増幅によって取得されるものよりも高くなる。ＣＰＡは、色分散に基づいており、材料分散を介して光ファイバーを含む光学材料の中に伝播する光によって導入され得る。また、それは、格子またはプリズムの中の角度分散を介して導入され得る。ブラッググレーティングコンポーネントの中の色分散は、格子の中の異なる場所において異なる波長の光を反射するために、干渉の原理を使用する。ブラッグ反射鏡の便利な点は、分散が他のコンポーネントの分散補償などのような要件に調整または設計され得るということである。

光学的媒体を通してガイドされるそれぞれの光パルスは、その周波数成分に依存する時間的な形状を有している。チャープのないパルスに関して、その周波数スペクトルが広いほど、パルスの時間的な幅は短くなる。色分散またはチャープは、波長スペクトルにわたる時間的な広がりである。パルスチャープは、ＣＰＡの基礎である。その理由は、パルスが広くなるほど、ピーク強度は低くなり、非線形効果のための閾値が高くなり、したがって、パルス増幅が大きくなるからである。

したがって、ＣＰＡレーザーシステムにおいて、超短パルスは、第１の分散を使用して最初に時間的に引き伸ばされ、それは、引き伸ばされたパルスのその後の増幅を可能にする十分に低減される強度をもたらす。ＣＰＡシステムの最終的な段階において、下流分散性エレメントまたはコンプレッサーが、光学的に増幅されたパルスの時間的な圧縮を実施する。より高いパルスエネルギーで増幅されたパルスを再圧縮することは、システムの出力において、著しく高いピークパワーを結果として生じさせる。

ＣＰＡレーザーシステムの多くの産業用途は、変換限界パルスを必要とし、それは、レーザーシステムの中のさまざまな分散性コンポーネント同士の間に、ゼロのまたはゼロに近い全体的な分散を設計することによって実現され得る。変換限界（または、フーリエ変換限界）は、パルスの所与の光学スペクトルに対して可能なパルス持続時間の下限である。換言すれば、変換限界パルスは、チャープを有していない。変換限界パルス以外が必要とされる場合には、レーザーシステムの全体的な分散に影響を与えるコンポーネントが適正に調節され、これらのコンポーネント同士の間の完全なまたはゼロの補償を防止するべきである。

例示的なＣＰＡファイバーレーザーシステムは、超高速光学レーザーシードからの光学的パルスを引き伸ばすために使用される、チャープファイバーブラッググレーティング（ＣＦＢＧ）などのストレッチャーを含む。また、システムは、増幅の後に光学的パルスを圧縮するために使用される、チャープ体積ブラッググレーティング（ＣＶＢＧ）などのコンプレッサーを含む。パルスは、パルスコンプレッサーの後に２つの方法のうちの一方によって、サイズを増加され得る。１つの方法によれば、光学的パルスの光学スペクトル幅は、ＣＦＢＧのスペクトル幅を減少させることによって調節され得る。他の方法は、ＣＦＢＧとＣＶＢＧとの間にミスマッチした分散を使用し、チャープされた光学的パルスを生成させるということである。

パルス持続時間およびパルス形状の微調整は、パルス整形器によって達成され得る。ＣＦＢＧなどのパルス整形器の１つの例が、特許文献１および特許文献２に開示されている。パルス持続時間を増加または減少させることによるＣＦＢＧの調整は光学的な帯域幅および分散調整可能性の量によって制限される。そのようなパルスは、ＣＦＢＧを使用して＜１ｐｓから２５ｐｓに調整され得るということが実証された。しかし、調整の速度は、整形器の設計（ＣＦＢＧの異なる部分を加熱する）に起因して、２０秒に制限された。可動格子などのより高速なパルス整形器が利用可能である。しかし、可動格子は嵩張り、その調整可能性は、市販のＤａｚｚｌｅｒなどの音響光学的パルス整形器のものよりも遅い。

したがって、オンザフライでパルス持続時間をスイッチングし、レーザーシステムのセットアップ時間、複雑さ、およびコストを低減させることができる、単一のレーザー源を使用することが望ましい。

高い速度での異なるレーザー加工用途に関してパルス持続時間同士の間での高速スイッチングを備えた、コンパクトな産業用グレードのレーザー構成に対するさらなる必要性が存在している。

米国仮特許出願第６２７８２０７１号米国仮特許出願第６２８６４８３４号米国特許第１０１９３２９６号米国特許第７８４８３６８号米国特許第８０６８７０５号米国特許第８０８１６６７号米国特許第９６６７０２３号米国特許出願公開第２０１６／６２４２８６２８号

本発明は、チャープパルス増幅（ＣＰＡ）技法を利用する単一のレーザー構成における、フェムト秒（ｆｓ）、ピコ秒（ｐｓ）、およびナノ秒（ｎｓ）パルスレーザーの間の高速スイッチングの問題に対処する。

本発明のチャープパルス増幅（ＣＰＡ）レーザーシステムは、その基本的な構成において、超高速シードレーザーを含み、超高速シードレーザーは、パルス持続時間スイッチアッセンブリの中へ連結されている光経路に沿って一連の超高速パルスを出力する。後者は、それぞれのパルスを２つ以上のレプリカへとスプリットするように動作し、それらは、パルスの時間的成分およびスペクトル成分が修正されるようにし、レプリカのうちの１つのみが経路に沿って伝播を継続するようになっている。次いで、ガイドされたレプリカは、下流分散エレメントの中で増幅され、再び時間的に処理され、ＣＰＡシステムが、ｆｓ～ｎｓの持続時間範囲にある高エネルギーパルスを出力するようになっている。

パルス持続時間スイッチアッセンブリは、スプリットされたパルスのそれぞれのパワーフラクションを備えた２つのレプリカをそれぞれのレプリカ経路に沿ってガイドする少なくとも１つのビームスプリッターを備えて構成されている。レプリカは、レプリカの時間的成分を修正する上流分散性エレメントとそれぞれ相互作用する。加えて、スペクトルフィルターが、それぞれのレプリカ経路に適用されることが可能であり、レプリカのスペクトル成分を変化させるようになっている。代替的に、単一の上流分散性エレメントは、それぞれのレプリカのパルス持続時間およびスペクトルパルス幅を変調させるために使用され得る。

ＣＰＡシステムの出力においてパルスの所望の持続時間を有するようにするために、２つの光学的スイッチは、それぞれのレプリカ経路の中へ連結され、個別に制御されており、レプリカのうちの１つがさらなる伝播からブロックされるようになっている。高速音響光学変調器（ＡＯＭ）、電気光学変調器（ＥＯＭ）、ＭＥＭＳベースのスイッチ、およびその他のいずれかが、本発明の構造体の中に容易に組み込まれ得る。

光学的スイッチの個々の制御は、それらの両方が「オン」位置に同時にスイッチングされることを可能にする。これは、異なるパルス持続時間を有する２つのパルスによって加工されることとなる表面のシーケンシャルな照射を必要とする産業用途にとって有用である可能性がある。たとえば、ｐｓまたはｎｓパルスは、照射された表面を最初に加熱し、加熱された表面に入射する後続のｆｓパルスが孔部を形成するようになっている。異なるパルスによるシーケンシャルな照射は、レプリカ経路のうちの１つの光学的経路長さを増加させることによって達成される。この構造的な特徴は、上記に開示されている本発明のＣＰＡシステムの例のすべてとともに使用され得る。しかし、単一のパルスのみが必要とされる場合には、両方のレプリカ経路は、均一な光学的長さを有することが可能である。

本発明のＣＰＡレーザーシステムにおいて、上流分散性エレメントは、それぞれのチャープをレプリカに適用する。上流分散性エレメントは、ＦＢＧ、ＣＦＢＧ、ファイバーの長さ、バルクオプティック（ｂｕｌｋｏｐｔｉｃ）、プリズムなどから選択され、それぞれの光学的パルススイッチから上流にまたは下流に、それぞれのレプリカ経路に沿って位置付けされている。

上流分散性エレメントおよび下流分散性エレメントの色分散を調整することによって、フェムト秒～ナノ秒の範囲のパルス持続時間を発生させることが可能である。たとえば、フェムト秒レーザーは、プラスの分散ＣＦＢＧパルスストレッチャーおよびほぼマッチしたマイナスの分散ＣＶＢＧパルスコンプレッサーを使用することによって構成されることが可能であり、または、その逆も同様に可能である。よりミスマッチなＣＦＢＧおよびＣＶＢＧのペアが、ピコ秒レーザーにおいて使用され得る。ナノ秒のケースに関して、ＣＦＢＧは、ＣＶＢＧと同じ分散の符号、すなわち、プラスのまたはマイナスの分散を有し、増幅の後にパルスをさらに引き伸ばすことが可能である。典型的なＣＦＢＧは、０．５～１ｎｓの範囲までパルスを引き伸ばすことが可能である。同じ分散符号を有するＶＢＧは、最後には１～２ｎｓまでパルスを引き伸ばすこととなる。

上記に開示されているようなＣＰＡレーザーシステムは、それぞれのレプリカ経路の下流端部と光学的に通信している少なくとも１つのビームカプラーを備えて構成されている。機能的に、ビームカプラーは、選択されたレプリカをＣＰＡシステムの下流端部に向けてガイドする。ビームスプリッターおよびビームカプラーは、それぞれ、バルクオプティックコンポーネントまたはファイバーベースのコンポーネントであることが可能であり、バルクオプティックコンポーネントは、誘電体コーティングされたオプティックを含み、一方では、ファイバーベースのコンポーネントは、方向性溶融ファイバーカプラーである。

上記に開示されているようなＣＰＡレーザーシステムは、少なくとももう１つのビームスプリッターおよび少なくとも１つの第２のビームカプラーを追加的に有することが可能であり、それらは、それらの間に、他のレプリカのものとは異なるスペクトル成分およびパルス持続時間成分を有する第３のレプリカのための第３のレプリカ経路を画定している。第３のレプリカ経路は、上記に開示されている２つのレプリカ経路と構造的に同様であり、第３の上流分散性エレメントおよび第３の光学的スイッチを含む。随意的に、第３のスペクトルフィルターが、第３のレプリカ経路に適用され得る。

本発明のシステムの上記のおよび他の特徴は、以下の図面を伴う以下の特定の説明から、より容易に明らかになることとなる。

開示されているシステムの本発明の光学的な概略図である。図１のパルス持続時間スイッチの光学的な概略図である。図１の光学的な概略図の修正を図示する図である。図３のパルス持続時間スイッチの光学的な概略図である。図１の光学的な修正を図示する光学的な概略図である。図５のパルス持続時間スイッチの光学的な概略図である。図１の別の修正の光学的な概略図である。図７のパルス持続時間スイッチの光学的な概略図である。図１のさらに別の修正の光学的な概略図である。図９のパルス持続時間スイッチの光学的な概略図である。図９のものと同様の光学的な概略図である。ＣＦＢＧベースのストレッチャーに基づく図１１のパルス持続時間スイッチを示す図である。図１の別の修正の光学的な概略図である。バルクストレッチャーに基づく図１３のパルス持続時間スイッチを示す図である。第２高調波発生器（ＳＨＧ）を備えた図１、図３、図５、図７、図９、図１１、および図１３のいずれかの光学的な概略図である。図１５のパルススイッチャーの光学的な概略図である。ＳＨＧおよび高次高調波変換メカニズムと組み合わせた図１、図３、図５、図７、図９、図１１、図１３、および図１５のいずれかの光学的な概略図である。図１７のパルススイッチャーの光学的な概略図である。図１、図３、図５、図７、図９、図１１、図１３、図１５、および図１７のいずれかの光学的な概略図の例を示す図である。図１９のパルス持続時間スイッチの光学的な概略図である。図１～図２０に図示されている概略図のいずれかによる高速パルス持続時間スイッチングアッセンブリの動作を図示する図である。図１～図２０に図示されている概略図のいずれかによる高速パルス持続時間スイッチングアッセンブリの動作を図示する図である。図１～図２０に図示されている概略図のいずれかによる高速パルス持続時間スイッチングアッセンブリの動作を図示する図である。図１～図２０に図示されている概略図のいずれかによる高速パルス持続時間スイッチングアッセンブリの動作を図示する図である。図１～図２０に図示されている概略図のいずれかによる高速パルス持続時間スイッチングアッセンブリの動作を図示する図である。図１～図２０に図示されている概略図のいずれかによる高速パルス持続時間スイッチングアッセンブリの動作を図示する図である。

図において、さまざまな図に図示されているそれぞれの同一のまたはほぼ同一のコンポーネントは、同様の数字によって表されている。明確にする目的のために、すべてのコンポーネントが、すべての図においてラベル付けされているとは限らない可能性がある。

本発明のレーザーシステムは、チャープパルス増幅レーザー技法に基づいており、高速パルス持続時間スイッチアッセンブリを含み、高速パルス持続時間スイッチアッセンブリは、他のパルス持続時間を有する出力をブロックまたは遅延させながら、所望の持続時間を有する１つまたは複数のパルスレプリカを通過させるように動作する。本発明のレーザーシステムでは、パルス持続時間は、適正な分散管理によって設定され、随意的に、それぞれ上流分散エレメントおよび下流分散エレメントとさらに称されるストレッチャーおよびコンプレッサーなどの分散性エレメントのスペクトル幅の制御可能な調節によって設定される。発明概念を図示するいくつかの概略図が、下記に議論されている。

図１、図３、図５、図７、図９、図１１、図１３、図１５、および図１７を参照すると、ＣＰＡ超短レーザーシステム１０は、ファイバーコンポーネントのみ、バルクオプティックコンポーネントのみ、または、ファイバーコンポーネントおよびバルクオプティックコンポーネントの任意の組み合わせを含むことが可能である。レーザーシステム１０は、標準的なパルス状レジームまたはバーストレジームで動作することができる超短パルスシードレーザーまたはシード１２を含む。標準的なレジームは、均一なパルス繰り返しレート持続時間範囲における一連の超短ｐｓ～ｆｓパルスによって特徴付けられる。バーストレジームでは、一連のパルスは、不均一なレートで出力され、それぞれのバーストは、一連のパルスを含む。選択されるレジームにかかわらず、パルスは、パルス持続時間スイッチアッセンブリ１４に入射し、パルス持続時間スイッチアッセンブリ１４は、時間的に引き伸ばされたおよびスペクトル的に変更されたパルスレプリカを出力するように動作する。

図１、図９、図１１、図１３、図１５、図１７、および図１９に図示されているように、単一のまたは複数の増幅器１６、１８が、スイッチアッセンブリ１４から出力される光学的に処理されたパルスを増幅させる。代替的に、図３、図５、および図７に示されているように、前置増幅器１６のうちの少なくとも１つは、パルス持続時間スイッチ１４から上流に位置付けされ得る。しかし、ＣＰＡ方法によれば、増幅器またはブースター１８は、常に、パルス持続時間スイッチ１４から下流に位置付けされている。

増幅されたパルスは、所望の持続時間を有する増幅されたパルスレプリカ３６を提供するように調整された下流分散性コンポーネント２０の中へさらに連結されている。所望のパルス持続時間は、５ｆｓの程度に低く、数ｎｓの程度に長くなっていることが可能であるが、一方では、高ピークパワー範囲は、数百ワットから数ＭＷの間に延在している。

随意的に、ＣＰＡレーザーシステム１０は、分散エレメントまたはコンプレッサー２０から下流に周波数変換ユニットを備えて構成され得る。周波数変換ユニットは、第２高調波発生器（ＳＨＧ）２４（図１５）のみ、または、ＳＨＧおよび少なくとも１つの高次高調波発生器（ＨＨＧ）２５（図１および図１７）の組み合わせを含むことが可能である。必要とされる場合には、周波数変換ユニットは、上記に列挙されている図のいずれかに示されているシステム１０の中に組み込まれ得る。第２高調波発生器および高次高調波発生器は、公知の非線形結晶のいずれかをそれぞれ含み、それぞれの結晶は、所望の変換されたパルス持続時間に関してレプリカのうちの１つを選択的に変換するように最適化されている。最適化は、結晶長さ、結晶温度、もしくは結晶軸線、または、結晶長さ、温度、および軸線の組み合わせを選択することによって達成され得る。

後方反射光の伝播を防止するアイソレーター１５が、上記に参照されたそれぞれの図に示されている概略図のいずれかの中に据え付けられ得る。そのうえ、変換限界パルスがシステム１０の出力において望まれる場合には、多光子パルス内干渉位相スキャン（ＭＩＩＰＳ：ｍｕｌｔｉｐｈｏｔｏｎｉｎｔｒａｐｕｌｓｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｐｈａｓｅｓｃａｎ）整形器が、下流分散エレメント２０の後に、システム１０の議論されている構成のいずれかの中に組み込まれ得る。ＭＩＩＰＳパルス整形器の動作は、ＰＣＴ／ＵＳ２０１８／０２５１５２に開示されており、それは、参照により本明細書に完全に組み込まれている。

具体的に図２を参照すると、パルス持続時間スイッチアッセンブリ１４は、ビームスプリッター２８を備えて構成されており、ビームスプリッター２８は、シード１２から超短パルスを受け取り、それぞれの超短パルスを、等しいまたは異なるパワーフラクションを有する２つ以上のパルスレプリカへと分割する。ＣＰＡシステム１０の全体的な設計に応じて、ビームスプリッター２８は、バルクオプティック構造体またはファイバー構造体を有することが可能である。バルクオプティックは、たとえば、誘電体コーティングされたオプティックを含むことが可能であり、一方では、ファイバーベースの構造体は、方向性溶融ファイバーカプラーである。ファイバーベースのビームスプリッターは、１ＸＮおよび２ＸＮスプリッターとして構成され得り、それぞれのポートに固定して取り付けられているファイバー（ピッグテールスタイル）、または、ファイバーを差し込むことができるそれぞれのポートの上にレセプタクルを備えたファイバー（レセプタクルスタイル）のいずれかを有することが可能である。

図２、図４、図６、図８、図１０、図１２、図１６、図１８、および図２０の概略図は、２つのレプリカ経路が２つのシングルモード（ＳＭ）ファイバー４０’および４０’’によってそれぞれ画定されるすべてのファイバー構造体である。本発明のシステム１０の中で使用されるファイバーは、通常のファイバー、分極維持ファイバー、特殊ファイバー、および大モードエリア（ＬＭＡ：ｌａｒｇｅｍｏｄｅａｒｅａ）ファイバーの中から選択される。光ガイド媒体にかかわらず、すなわち、自由空間もしくはファイバー、または、自由空間およびファイバーの組み合わせにかかわらず、それぞれのレプリカ経路は、上流分散性エレメント３２’／３２’’および光学的スイッチ３４’／３４’’を含み、図１０を参照して下記に開示されているように、単一の上流分散性エレメントがスイッチ１４の後に設置されているときの１つの例外を伴う。

それぞれのレプリカ経路に適用される上流分散性エレメント３２’、３２’’および光学的スイッチ３４’、３４’’の相対的な位置は、変化することが可能である。スイッチ３４’、３４’’は、上流分散性エレメント３２’および３２’’のそれぞれの出力に連結されている。図１０は、それぞれの上流分散性エレメント３２’、３２’’から上流に位置付けされているスイッチ３４’および３４’’を図示している。

シードレーザー１２（図１）から放出される超短パルスは、最大でｋＷまたはそれ以上に高い高ピークパワーをそれぞれ有している。これらのパルスを増幅させることは、壊滅的な構造的結果につながる可能性がある。また、ファイバー増幅器などのゲイン媒体の中で増幅された高エネルギー超短パルスは、非線形効果の開始を引き起こし、非線形効果は、出力パワーを制限し、光の品質を低下させる。ＣＰＡ技法は、超短パルスの持続時間を延長することによってｆｓおよびｐｓレーザーシステムの中に頻繁に現れるこれらの有害な影響を最小化することに向けられる。これは、ここでは、超短パルスを時間的に引き伸ばすように構成されている上流分散性エレメントまたはパルスストレッチャー３２’および３２’’によって達成される。結果として、上流分散性エレメント３２’および３２’’は、波長依存性の光学的遅延を導入し、時間的な引き伸ばしのための周波数チャープを発生させる。したがって、周波数チャープという用語は、超短レーザーパルスの周波数成分の時間的な配置を意味している。上流分散性エレメント３２’、３２’’によってそれぞれのレプリカに導入されるチャープは、互いに異なっている。チャープは、引き伸ばされたレプリカが、下流分散性エレメント２０（図１）と相互作用すると、所望のパルス持続時間を有する超短パルスへと変換されるように選択される。出力超短パルスの所望の持続時間は、ｆｓパルス、ｐｓパルス、およびｎｓパルスの中から選択される。また、それぞれのパルス持続時間が互いに異なるパルスの組み合わせを出力することも可能である。たとえば、一方の出力パルス持続時間は、ｐｓ範囲にあり、一方では、他方の出力パルス持続時間は、ｆｓ範囲にある。

分散は、異なるプラスのおよびマイナスの符号を有している。プラスの分散を有する媒体では、パルスのより高い周波数成分は、より低い周波数成分よりも低くトラベルし、パルスは、プラスにチャープされるかまたはアップチャープされ、時間とともに周波数が増加する。マイナスの分散を有する媒体では、より高い周波数成分は、より低いものよりも速くトラベルし、パルスは、マイナスにチャープされるかまたはダウンチャープされ、時間とともに周波数が減少する。分散性格子は、大きいストレッチングファクターを提供し、回折格子を使用することによって、超短光学的パルスは、１０００倍以上に引き伸ばされ得る。

構造的に、上流のファイバー分散エレメント３２’、３２’’は、プリズム、バルクオプティック、ファイバーの長さ、体積ブラッググレーティング（ＶＢＧ）、均一なファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）、またはチャープＦＢＧ（ＣＦＢＧ）構成のいずれかを含むことが可能である。ＦＢＧは、１つのブラッグ波長において共振する周期的な構造体である。それとは対照的に、ブラッグ波長は、ＣＦＢＧの中の格子に沿って変化する。その理由は、後者のそれぞれの部分が異なるスペクトルを反射するからである。したがって、ＣＦＢＧの重要な特質は、ＦＢＧの格子長さ全体の上に適用される歪みまたは温度とは対照的に、全体的なスペクトルが、ＣＦＢＧのそれぞれのセクションの中に記録された温度／歪みに依存するという事実である。図２０は、ＣＦＢＧおよびサーキュレーターに基づく典型的なＣＦＢＧモジュール設計を示している。

下流分散エレメント２０（図１）は、上流分散性エレメントと同一に構成され得る。代替的に、それぞれの上流分散性エレメントおよび下流分散性エレメントの構成は、互いに異なっていることが可能である。たとえば、上流分散性エレメント３２’、３２’’は、ＣＦＢＧ構成を有することが可能であり、一方では、下流分散性エレメント２０は、ＶＢＧである。異なって構成されている分散性エレメントを含むさまざまな組み合わせは、超短レーザー技術の当業者によって、図示されている概略図のいずれかの中で容易に実装され得る。

光学的スイッチ３４’、３４’’は、望ましくないレプリカ経路のいずれかに関して、光学的パワーを遮断するために使用され、したがって、所望のパルス持続時間を有する１つのレプリカのみが下流分散性エレメント２０に向けて伝播することを可能にする。光学的スイッチは、異なる構成を有することが可能である。たとえば、それは、ＭＥＭｓベースのスイッチ、ニオブ酸リチウム変調器などの電気光学スイッチ、またはＡＯＭなどの音響光学スイッチであることが可能である。光学的スイッチ３４’、３４’’の特定の構成は、さまざまな要因に依存する。しかし、所望のスイッチを選択するための重要な考慮事項は、スイッチング時間であり、スイッチング時間は、可能な限り高速であるべきである。ＡＯＭは、恐らく最も速いスイッチングデバイスである。ＣＰＡレーザーシステム１０のテストされる構成では、ファイバー連結ＡＯＭの最小スイッチング時間は、２０～３０ｎｓの範囲にあるように決定された。この時間間隔は、記録時間であると考えられ、記録時間は、セミウエハー、ＰＣＢ、Ｆｌｅｘ回路などの、最適に異なるパルス持続時間を必要とする多層または多材料パーツのマイクロ加工において非常に重要である。本発明のＣＰＡシステム１０がパルス持続時間をスイッチングするように動作する速度は、本発明の重要な利点のうちの１つであり、本質的に、１つの単一のレーザーの中に複数のレーザーの機能性を提供することが可能である。スイッチング動作は、標準的な電子機器１５によって制御され、適当な速度が、光学的スイッチ３４’および３４’’をスイッチオンおよびスイッチオフするために必要とされる。

図２１Ａ～図２１Ｃは、１．６ｐｓまたは０．４ｐｓからスイッチングするＣＰＡ１０において利用される光学的スイッチの合計スイッチング時間を図示しており、一方では、図２２Ａ～図２２Ｃは、０．４ｐｓから１．６ｐｓへ逆の順序のスイッチングを図示している。スイッチング時間は、１．３マイクロ秒と同じおよび未満である。最近の実験は、ｐｓ範囲までさらに減少され得る２００ｎｓ未満のスイッチング時間において動作するスイッチを利用する本発明の概略を実証した。

上述のように、異なって構成されている上流分散エレメント３２’および３２’’を利用することによって、ならびに、両方とも「オン」状態にスイッチングされ得る、スイッチ３４’および３４’’の両方を使用することによって、ＣＰＡシステム１０の出力において、異なるパルス持続時間を有する複数のパルスを有することも可能である。スイッチアッセンブリ１４の出力におけるパルス分離は、遅延ファイバーループ２２を導入することによって制御されることが可能であり、遅延ファイバーループ２２は、他のレプリカ経路の光学的長さをそのままに維持しながら、レプリカ経路のうちの１つの光学的長さを増加させる。すべての光学的経路は、互いに異なっているそれぞれの光学的長さをレプリカ経路に提供するように寸法決めされたそれぞれの遅延ループ２２を備えて構成され得る。それは、リアルタイムで再構成可能な異なるパルス持続時間または同じパルス持続時間を有するパルスのバーストを生成させることを可能にすることとなる。たとえば、バーストモードでシードを動作させ、たとえば、それぞれの光学的経路の中のパルスのｎ数を維持し、次いで、ｎ－１パルスバースト、ｎ－２パルスバーストなどにシードをスイッチングすることなどが可能である。

光学的経路は、ビームコンバイナー３８を使用することによって、単一の光学的経路へと組み合わせられる。ビームコンバイナーは、ビームスプリッター２８と同様に構成されている光学コンポーネントであることが可能である。バルクオプティックに関して、これは、誘電体コーティングされたオプティックであることが可能である。ファイバーベースのシステムに関して、方向性溶融ファイバーカプラーが、ＣＰＡシステム１０の中に組み込まれ得る。異なって構成されているビームスプリッターおよびコンバイナーコンポーネントは、図１、図３、図５、図７、図９、図１１、図１３、図１５、図１７、および図１９に示されているすべての概略図において実装され得る。

図１０、図１４、および図２０は、より詳細な開示を必要とする追加的な構造的エレメントをそれぞれ示している。当業者が容易に理解するように、下記に開示されている追加的なコンポーネントのすべては、本出願のすべての概略図の中に容易に組み込まれ得る。

具体的に図１２に目を向けると、本発明のＣＰＡレーザーシステム１０は、それぞれのレプリカ経路４０’および４０’’に適用されるスペクトルフィルター４１’、４１’’を備えた随意的に構成され得る。ＦＢＧエレメントは、パルス持続時間をいくらか制限する比較的に狭い反射帯域幅を有することが知られている。レーザー技術において知られているように、引き伸ばされたレプリカのスペクトルパルス幅が短いほど、出力の再圧縮された超短パルスの持続時間が長くなる。したがって、スペクトルフィルター４１は、より洗練されたパルス形状をもたらす追加的なパルス整形器として使用され得る。スペクトルフィルター４１は、それに入射するレプリカをそれぞれのおよび異なるスペクトルパルス幅に調節するように構成されており、それぞれの上流分散性エレメント３２’、３２’’から上流にまたは下流に位置付けされ得る。別の構造的可能性は、ビームスプリッター２８から上流で超短パルスを引き伸ばすこと、および、引き伸ばされたパルスを２つのレプリカへとスプリットした後に、それぞれの帯域幅をカットすることを含む。

図１４は、パルス持続時間スイッチアッセンブリ１４のハイブリッドファイバー／バルクオプティック構造体を有する本発明のＣＰＡレーザーシステム１０を図示している。示されているように、上流分散性エレメント３２’、３２’’は、２つの反射格子、２つのレンズ、偏光子、４分の１波長板、およびレトロ－ミラーペアを含むバルクオプティック構成を有している。エレメント３２’および３２’’の自由空間構成は、Ｍａｒｔｉｎｅｚ構成およびＴｒｅａｃｙ構成を含む構造体から選択され得る。

具体的に図２０を参照すると、マルチレプリカ経路ＣＰＡレーザーシステム１０は、以前に開示されている２つのレプリカ経路４０’および４０’’に加えて、第３のレプリカ経路４０’’’を有している。後者は、第３のビームスプリッター４２と第３のコンバイナー４４との間に延在しており、ビームスプリッター４２は、シード１２とスプリッター２８との間に位置付けされており、第３のカプラー４４は、光学的コンバイナー３８の間に連結されている。上流分散性エレメント３２’’’、随意的な遅延ループ２２’、および光学的スイッチ３４’’’は、以前に議論されている概略図を参照して開示されているように、第３のレプリカ経路４０’’’に沿って位置付けされている。第３のレプリカ経路の追加は、それぞれの異なるパルス持続時間に引き伸ばされた３つのレプリカを使用する可能性を提供し、それらは、下流分散性コンポーネント２０において所望のパルス持続時間に選択的に圧縮され得る。２つのおよび３つのレプリカ経路は、単に、本発明のパルス持続時間スイッチの２、３個の例に過ぎない。したがって、４つ以上のレプリカ経路４０’、４０’’、および４０’’’を画定する任意の合理的な数のスプリッターおよびコンバイナーが、本発明の範囲の中にカバーされている。

図１、図３、図５、図７、図９、図１１、図１３、図１５、図１７、および図１９を再検討すると、超高速シード１２は、特定のタイプまたは構成に限定されず、なかでも、モードロックのダイオードポンプバルクレーザー、モードロックのファイバー、および半導体レーザーから選択される。シードレーザー１２がファイバー構成を有する場合には、例示的な構造体は、特許文献３に開示されており、それは、参照により本明細書に完全に組み込まれている。

ブースター１８は、ファイバー、希土類イオンがドープされたイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、ディスク、および他の増幅器構成を含む、さまざまな構成から選択され得る。構成にかかわらず、ブースター１８は、それに入射する１つまたは複数のレプリカに高いゲインを提供するべきである。ＭＷレベルに達するピークパワーは、周波数変換段階を提供されたＣＰＡシステム１０にとって、とりわけ有益である。ファイバーブースター１８の例示的な構成が、特許文献４、特許文献５、特許文献６、および／または特許文献７に開示されており、一方では、ＹＡＧ構成は、特許文献８に開示されており、すべてが、参照により本明細書に組み込まれている。

本発明の原理が本明細書で説明されてきたが、この説明は、単に例として行われているに過ぎず、本発明の範囲に関する限定として行われていないということが当業者によって理解されるべきである。本明細書で示されて説明されている例示的な実施形態に加えて、他の実施形態が、本発明の範囲の中に企図されている。当業者による修正例および置換例は、本発明の範囲の中にあると見なされ、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって限定されることを除いて、限定されるべきではない。

１０ＣＰＡレーザーシステム
１２超高速パルスシードレーザーまたはシード
１４パルス持続時間スイッチアッセンブリ
１５アイソレーター
１６前置増幅器
１８増幅器、ブースター
２０下流分散性コンポーネント、下流分散性エレメント、コンプレッサー
２２遅延ファイバーループ
２２’ 随意的な遅延ループ
２４第２高調波発生器（ＳＨＧ）
２５高次高調波発生器（ＨＨＧ）
２８ビームスプリッター
３２’、３２’’、３２’’’ 上流分散性エレメント
３４’、３４’’、３４’’’ 光学的スイッチ
３６パルスレプリカ
３８ビームコンバイナー
４０’、４０’’、４０’’’ レプリカ経路
４１’、４１’’ スペクトルフィルター
４２第３のビームスプリッター
４４第３のコンバイナー

Claims

一連のパルスを出力する、間隔を離して配置された超高速シードレーザーと、ブースターと、
少なくとも１つのビームスプリッターであって、前記少なくとも１つのビームスプリッターは、前記シードレーザーの出力に連結されており、それに入射するそれぞれのパルスを２つのレプリカへとスプリットするように構成されており、前記レプリカは、前記パルスの持続時間よりも長い持続時間にチャープされている間にそれぞれのレプリカ経路に沿って伝播する、少なくとも１つのビームスプリッターと、
それぞれのレプリカ経路に沿って位置付けされており、「オン」位置と「オフ」位置との間で交互になるようにそれぞれ制御可能であり、前記「オン」位置では、前記レプリカが、前記ブースターに向けて妨げられずに伝播し、前記「オフ」位置では、前記レプリカの伝播がブロックされる、２つのパルススイッチと、
を含む、チャープパルス増幅（ＣＰＡ）レーザーシステム。
２つの上流分散性エレメントをさらに含み、前記２つの上流分散性エレメントは、それぞれのパルススイッチから上流または下流に、それぞれのレプリカ経路に沿って位置付けされており、前記分散性エレメントは、それぞれの２つのレプリカに均一なまたは異なるチャープを提供するように構成されている、請求項１に記載のＣＰＡレーザーシステム。
前記レプリカ経路は、互いに等しいかまたは互いに異なるそれぞれの光学的経路長さを有している、請求項１に記載のＣＰＡレーザーシステム。
前記光学的スイッチは、前記光学的スイッチのうちの一方が前記「オフ」位置にある間に、他方の光学的スイッチが前記「オン」位置にあるように制御可能である、請求項１に記載のＣＰＡレーザーシステム。
前記２つの光学的スイッチは、両方とも「オン」または「オフ」位置のいずれかにあり、前記光学的スイッチのうちの一方は、他方のレプリカ経路の前記光学的経路長さよりも大きい前記光学的経路長さを伴って、前記レプリカ経路に沿って位置付けされており、２つの光学的スイッチが前記「オン」位置にあるときに、前記光学的スイッチから下流にある前記レプリカ同士の間に時間的な分離を提供するようになっている、請求項１に記載のＣＰＡレーザーシステム。
２つのスペクトルフィルターをさらに含み、前記２つのスペクトルフィルターは、それぞれのレプリカ経路に沿って位置付けされており、互いに異なるそれぞれの帯域幅を有している、請求項１に記載のＣＰＡレーザーシステム。
それぞれのレプリカ経路の下流端部と光学的に通信している少なくとも１つのビームカプラーをさらに含み、前記ビームスプリッターおよびビームカプラーは、それぞれ、バルクオプティックコンポーネントまたはファイバーベースのコンポーネントであり、前記バルクオプティックコンポーネントは、誘電体コーティングされたオプティックを含み、一方では、前記ファイバーベースのコンポーネントは、方向性溶融ファイバーカプラーである、請求項１に記載のＣＰＡレーザーシステム。
伝播する１つまたは複数の前記レプリカを受け取るように、それぞれのレプリカ経路の下流と光学的に通信している下流分散性エレメントをさらに含み、前記上流分散性エレメントおよび下流分散性エレメントのそれぞれは、互いに等しいかまたは互いに異なるそれぞれの分散を発生させ、それぞれのマッチしている、または、反対の符号を有している、請求項２に記載のＣＰＡレーザーシステム。
前記上流分散性エレメントは、そのようなチャープを前記レプリカにそれぞれ適用し、ブロックされていない前記レプリカが前記下流分散性エレメントに衝突すると、それが、ｆｓ～ｎｓの範囲からの持続時間を有する超短パルスを出力するように動作するようになっている、請求項２に記載のＣＰＡレーザーシステム。
前記超高速シードレーザーは、ファイバーレーザー、ディスク、および半導体レーザーからなる群から選択される構成を有しており、前記ファイバーオシレーターは、Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｒｏｔまたはリングアーキテクチャーを有している、請求項１に記載のＣＰＡレーザーシステム。
前記ブースターは、希土類イオンがドープされたファイバー増幅器または希土類イオンがドープされたイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）増幅器である、請求項１に記載のＣＰＡレーザーシステム。
上流分散エレメントおよび下流分散エレメントは、それぞれ、ファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）、チャープＦＢＧ、体積ブラッググレーティング（ＶＢＧ）、プリズム、またはバルクグレーティングである、請求項８に記載のＣＰＡレーザーシステム。
少なくとも１つの第２のビームスプリッターであって、前記少なくとも１つの第２のビームスプリッターは、前記シードレーザーと１つのビームスプリッターとの間に位置付けされており、前記シードレーザーおよび１つのビームスプリッターと光学的に通信しており、少なくとも１つの第２のビームカプラーが、１つのビームカプラーとブースターとの間にあり、前記第２のビームスプリッターおよび第２のカプラーは、互いに光学的に通信しており、少なくとも１つの第３の光学的経路を画定している、少なくとも１つの第２のビームスプリッターと、
前記第３の光学的経路に沿って位置付けされており、互いに光学的に通信している、第３の上流分散性エレメントおよび第３の光学的スイッチと
をさらに含む、請求項１に記載のＣＰＡレーザーシステム。
前記第３の分散性エレメントは、前記２つの上流分散性エレメントによって発生させられるチャープと異なるかまたは同じ第３のチャープを発生させるように動作する、請求項１３に記載のＣＰＡレーザーシステム。
１つのおよび他の光学的経路の中のそれぞれのスペクトルフィルターの帯域幅とは異なる帯域幅を有する追加的なスペクトルフィルターをさらに含む、請求項１４に記載のＣＰＡレーザーシステム。
は、それぞれ、ｐｓ～ｎｓの範囲にある最小スイッチング時間によって動作する、音響光学変調器（ＡＯＭ）、電気光学変調器（ＥＯＭ）、またはＭＥＭＳベースのスイッチである、請求項１に記載のＣＰＡレーザーシステム。
前記下流分散性エレメントの下流にある１つまたは複数の高次高調波発生非線形結晶をさらに含み、前記非線形結晶は、所望の変換されたパルス持続時間に関して、前記レプリカのうちの１つを選択的に変換するようにそれぞれ最適化されている、請求項１に記載のＣＰＡレーザーシステム。
前記非線形結晶は、結晶長さ、結晶温度、もしくは結晶軸線、または、前記結晶長さ、温度、および軸線の組み合わせを選択することによってそれぞれ最適化されており、選択された前記レプリカを周波数変換する、請求項１７に記載のＣＰＡレーザーシステム。