JP6954906B2

JP6954906B2 - 光放射を提供する装置及び方法

Info

Publication number: JP6954906B2
Application number: JP2018528599A
Authority: JP
Inventors: マイケルゴーマンフィリップ; アンドレコードマードクリストフ
Original assignee: トルンプレーザーユーケーリミティド
Priority date: 2015-12-01
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2021-10-27
Anticipated expiration: 2036-11-30
Also published as: WO2017093704A1; KR102388238B1; KR20180088443A; US10511141B2; EP3384565B1; CN108292824B; EP3384565A1; GB201521214D0; JP2019503070A; US20180351326A1; CN108292824A

Description

本発明は光放射を提供する装置及び方法に関する。本発明は、半導体ダイオードレーザーとファイバーレーザーを含むパルス化されたレーザー、及びこのようなレーザーを使用したマーキング、切断、および溶接、のための特定のアプリケーションを備えている。

利得スイッチ駆動レーザーダイオードには、ピコ秒から低いナノ秒の範囲のパルス幅が要求される材料に対するマーキング、切断、けがき、および他の工業的な処理のための、重要なアプリケーションがある。パルスはポンプ動力によりレーザーの利得を調整することによって発生する。高いポンプ動力がレーザーに突然印加された場合は、短い遅延の後にレーザー放射が開始される。弱い蛍光を伴ったパルスが出始めると、この後にパルスは、共振器の中をかなりの回数往復することで増幅される。この結果、利得媒体の中に蓄えられたエネルギーは短いパルスの形式で抽出される。レーザーダイオードは、短い電流パルス、或いは連続的に変調された電気信号により動作させることができる。到達可能な範囲の典型的なパルス長は、数ナノ秒から数十ピコ秒迄である。パルスの放電頻度は電気的に制御することができ、広い範囲内で変化させることができる。ポンプ動力が増大する前に、レーザーが発振閾値を下回るようにバイアスされていることが一般的である。マイクロジュール、或いはミリジュールの範囲のエネルギーを備えるパルスを提供するために、シードレーザーパルスは光学的増幅器によって増幅することができる。

米国特許出願番号２０１４／０１８５６４３号は、光学的パルス発生のためのシードパルスを提供するのに使用される利得スイッチ駆動されるレーザーダイオードについて記述している。増幅自然放出光（ＡＳＥ）は、レーザーダイオードの閾値に関係する振幅よりも低い振幅のプリバイアスをレーザーダイオードに与えることによって低減される。レーザーダイオードの閾値に関係する振幅よりも大きい振幅を有する電気的なシードパルスが、１０〜１００ナノ秒（ｎｓ）の範囲のプリバイアスパルスとして与えられる。この結果、レーザーダイオードパルスは、ポンプされたレアアースが注入された光ファイバーの中で、低減されたＡＳＥによって増幅することができる。この特許出願は、適切な分割比、或いはインピーダンス整合を与えるように選択された抵抗器を含むマイクロ波電力スプリッタの中で、どのようにしてプリバイアスがシードパルスと結合されるかを記述している。残念ながら、このようなインピーダンス整合は、レーザーダイオードに印加される信号の減衰を引き起こし、その結果としてレーザー放出のパルスエネルギーに影響を与える。この欠点は、電気パルス信号の増幅に、超広帯域幅増幅器を使用することで解決することができる。しかしながら、超広帯域幅増幅器は高価である。

前述のような課題の無い、或いは課題が低減された光放射を提供する装置と方法が必要である。

本発明の限定されない実施例によれば、
光放射を提供する装置であって、該装置はレーザーダイオード、パルス発生器、及び変調器を備えており、この装置では、
・パルス発生器がピコ秒のパルスを放出するように形成されており、
・変調器がナノ秒のパルスを放出するように形成されており、
・レーザーダイオードが第１の端子と第２の端子を備えており、
・パルス発生器が第１の端子に接続されており、そして、
・変調器が、レーザーダイオードの発振閾値より低いバイアスをレーザーダイオードに印加するように形成されており、
前記装置は、
・変調器が第２の端子に接続されている、
・パルス発生器が微分器に接続する半導体接合を備えている、
・半導体接合は、半導体接合を流れる電流により、半導体接合がオンするよりも一層急速に半導体接合がオフすることができるようになっており、そして、
・微分器は、半導体接合を流れる電流がオフされたことが電気パルスに変換された時に、階段状変化が起こるようになっており、これによってレーザーダイオードが利得スイッチングされてレーザーダイオードが１ナノ秒よりパルス幅が小さい光パルスを放出するようになっている、ことを特徴としている。

驚いたことに、本発明者らは、変調器からレーザーダイオードの第２の端子にパルス信号を印加することによって、レーザーダイオードをバイアスすることが可能であり、その結果、レーザーダイオードを、パルス発生器からレーザーダイオードの第１の端子に短いパルス信号を印加することによって、レーザーダイオードをゲインスイッチすることを見出した。レーザーダイオードの両側へのパルスの印加を利用してレーザーダイオードをゲインスイッチングすることは、従来技術に比べて以下を含む大きな利点がある。
・高価な超広帯域幅増幅器の使用を無くすことができる。
・他の解法に比べて、電力要求とこれに付随する冷房の要求を低減することができる。
・従来技術のシステムにおけるインピーダンス整合がされた結合器の駆動信号の減衰を防ぐことができる。
・減衰の低減による結果として、同じ電圧駆動に対してより速いオン時間が得られる。
・減衰の低減による結果として、同じ電圧駆動に対してより速いオフ時間が得られる。
・オン時間とオフ時間が速くなったことによって、従来技術の予めバイアスしてゲインスイッチするシステムに比べて、パルス周囲の自然放出を低減できる。

半導体接合が、電流をオフするために、ステップリカバリを使用するステップリカバリ装置の一部分を形成することが好ましい。ＰＩＮ装置、バラクタダイオード、及び電界効果トランジスタのような、他の半導体装置も使用することができる。しかしながら、これらを流れる電流は、ステップリカバリ装置で可能なようには素早くオフすることができない。

半導体接合及び微分器は、光パルス幅が２５０ナノ秒より小さくなるように形成することができる。半導体接合及び微分器は、光パルス幅が１００ピコ秒より小さくなるように形成することができる。

パルス発生器は、半導体接合を備えるバイポーラトランジスタから形成することができる。バイポーラトランジスタは、共通ベース増幅器として形成することができる。バイポーラトランジスタは、カスコード増幅器の一部として形成することができる。

微分器は、第１の長さと第１の特性インピーダンスで規定される電気導波管を備えている。半導体接合は電気導波管の第１の端部に接続されている。電気導波管の第２の端部が第１の特性インピーダンスよりも小さいインピーダンスによって規定されており、この結果、電気導波管の第１の端部から電気導波管の第２の端部に沿って伝搬する極性によって規定される階段状の電圧信号が発生し、この信号は反対の極性を備えて電気導波管の第１の端部に反射されて戻るようにすることができる。この結果、第１の端部は光パルス幅を調整するために調整することができる。

第２の端子は、第２の長さと第２の特性インピーダンスによって規定される電気導波管で変調器に接続されている。変調器は、出力インピーダンスによって規定されている。出力インピーダンスは第２の特性インピーダンスよりも高くすることができる。また、第２の端子から変調器に向かって電気導波管を伝搬する極性によって規定される電気パルスは、同じ極性で反射されるようにすることができる。有利なことに、パルス信号を反射させて同じ極性で戻すと、レーザーダイオードをオフすることができる。この結果、光パルスの幅を調整するために、第２の長さを調整することができる。

装置は、レーザーダイオードによって放出される光パルスを受光するように形成された少なくとも１つの光反射器を備え、該光反射器はレーザーダイオードから第３の距離に位置させることができる。第３の距離は、光反射器によって反射される光パルスが連続する光パルスの各個に時間的にオーバーラップされるように選ぶことができる。

半導体レーザーは、光パルスが回折するようにできる。装置には、光パルスのパルス幅を変更するように形成された分散素子を含ませることができる。分散素子は、パルス幅が５０ピコ秒より小さく変更するように選ぶことができる。分散素子は、パルス幅が１０ピコ秒より小さく変更するように選ぶことができる。

装置は、レーザーダイオードによって放出される光パルスを増幅するように形成された少なくとも１つの光増幅器を含むことができる。

装置は、シードレーザーとカプラーとを備えることができる。カプラーは、光増幅器による増幅が引き続いて起こるように、光シードレーザーによって放出された光放射を、半導体レーザーによって放出された光放射に結合するように配置することができる。装置は、半導体レーザーによって放出された光パルスが、シードレーザーによって放出された光パルスに重畳されるように形成することができる。装置は、カプラーが分極化ビームスプリッタであって良い。

装置は、要素の表面上に光放射をスキャンするためのスキャンヘッドを備えることができる。

本発明はまた、光放射を提供する装置を提供し、この装置は、第１のパルス幅と第１の極性で規定される第１の電気パルスを放出するパルス発生器と、第２のパルス幅と第２の極性で規定される第２の電気パルスを放出する変調器を備え、パルス発生器はレーザーダイオードの第１の端子に接続され、変調器はレーザーダイオードの第２の端子に接続され、第１のパルス幅は第２のパルス幅よりも短く、第１の極性は第２の極性の反対である。

本発明はまた、レーザーダイオードをゲインスイッチングする方法を提供し、この方法は、パルス発生器と変調器を選び、パルス発生器と変調器をレーザーダイオードの反対側にある端子に夫々接続し、パルス発生器に第１の電気パルスを放出させ、変調器に第２の電気パルスを発生させ、第１の電気パルスのパルス幅は、第２の電気パルスのパルス幅よりも短く、第１の電気パルスは第２の電気パルスの極性と反対の極性である。

本発明はまた、以下のような光放射を提供する方法を提供し、この方法では、
・第１の端子と第２の端子を備えるレーザーダイオードが設けられ、
・ナノ秒のパルスを放出する変調器が選択され、レーザーダイオードの発振閾値より低いバイアスがレーザーダイオードに印加できるように形成され、そして、
この方法は以下のステップによって特徴付けられている、
・微分器に接続する半導体接合を備えているパルス発生器を選び、この半導体接合は、半導体接合を流れる電流により、半導体接合がオンするよりも一層急速に半導体接合がオフすることができるようになっている、
・パルス発生器は第１の端子に接続されており、
・変調器は第２の端子に接続されており、
・変調器を、レーザーダイオードの発振閾値より低いバイアスをレーザーダイオードに印加するように使用し、
・電流がオフされるように、半導体接合が出力電圧の中に階段状変化を放出するようにし、
・微分器を使用して出力電圧の階段状変化を微分して電気パルスを作り出し、そして
・電気パルスを使用して、レーザーダイオードを利得スイッチングして、レーザーダイオードが１ナノ秒よりパルス幅が小さい光パルスを放出するようにする。

本発明の方法では、半導体接合が、電流をオフするためにステップリカバリを使用するステップリカバリ装置の一部分を形成することができる。

本発明の方法では、半導体接合が選択され、微分器を光パルス幅が２５０ナノ秒より小さくなるように形成することができる。半導体接合が選択され、微分器を光パルス幅が１００ピコ秒より小さくなるように形成することができる。

本発明の方法では、パルス発生器を、半導体接合を備えるバイポーラトランジスタから形成することができる。

本発明の方法では、バイポーラトランジスタを共通ベース増幅器として形成することができる。

本発明の方法では、バイポーラトランジスタをカスコード増幅器の一部として形成することができる。

本発明の方法では、微分器が、第１の長さと第１の特性インピーダンスで規定される電気導波管を備えるものとすることができる。半導体接合は、電気導波管の第１の端部に接続させることができる。電気導波管の第２の端部は、第１の特性インピーダンスよりも小さいインピーダンスによって規定することができ、この結果、電気導波管の第１の端部から電気導波管の第２の端部に沿って伝搬する極性によって規定される階段状の電圧信号が発生し、この信号は反対の極性を備えて電気導波管の第１の端部に反射されて戻るようにすることができる。本発明の方法では、第１の長さを、所望の長さのパルス幅を与えるように選択することができる。

本発明の方法では、第２の端子が第２の長さと第２の特性インピーダンスによって規定される電気導波管で変調器に接続されている。変調器は出力インピーダンスによって規定されることができ、そして、出力インピーダンスは第２の特性インピーダンスよりも高くすることができ、この結果、第２の端子から変調器に向かって電気導波管を伝搬する極性によって規定される電気パルス信号を、同じ極性で反射するようにすることができる。本発明の方法では、第２の長さを、所望の長さのパルス幅を与えるように選択することができる。

本発明の方法では、少なくとも１つの光反射器を、レーザーダイオードによって放出される光パルスを受光するように形成することができる。光反射器は、レーザーダイオードから第３の距離に位置するようにすることができる。第３の距離は、光反射器によって反射される光パルスが、連続する光パルスの各個に時間的にオーバーラップされるように選ぶことができる。

本発明の方法では、半導体レーザーから放出される光パルスは回折することができるようになっている。本方法は光パルスのパルス幅を変更するように形成された分散素子を含むようにすることができる。分散素子は、パルス幅が５０ピコ秒より小さく変更するように選ぶことができる。分散素子は、パルス幅が１０ピコ秒より小さく変更するように選ぶことができる。

本発明の方法では、少なくとも１つの光増幅器は、レーザーダイオードによって放出される光パルスを増幅するように形成することができる。

本発明の方法では、シードレーザーとカプラーとを備えており、カプラーは、光増幅器による増幅が引き続いて起こるように、光シードレーザーによって放出された光放射を、半導体レーザーによって放出された光放射に結合するように配置されるようにすることができる。本方法では、半導体レーザーによって放出された光パルスが、シードレーザーによって放出された光パルスに重畳されるように形成することができる。カプラーは分極化ビームスプリッタであって良い。

本発明の方法は、要素の表面上に光放射をスキャンするためのスキャンヘッドを備えることを含ませることができる。

本発明の実施例は、ここでは単に例示により、そして、添付する図面を参照することによって記述される。

図１は本発明の光放射を提供する装置を示すものである。図２はレーザーダイオードの特性を示すものである。図３はカスケード増幅器を形成するステップリカバリパルス発生器を示すものである。図４は図３に示される回路に対応するタイミング図を示すものである。図５は微分器の実施例を示すものである。図６は電子導波管が逆極性の時の波形図を示すものである。図７は電子導波管が同一極性の時の波形図を示すものである。図８はリニア駆動回路を含む装置を示すものである。図９はナノ秒からミリ秒の光パルスを発生するためのシードレーザーを含む装置を示すものである。図１０はスキャナーを含む装置を示すものである。

図１は光放射１を提供する装置を示しており、この装置はレーザーダイオード２、パルス発生器９、及び変調器５を備えており、この装置では、
・レーザーダイオード２が第１の端子６と第２の端子７を備えており、
・パルス発生器９が第１の端子６に接続されており、
・変調器５が第２の端子７に接続されており、
・変調器５がレーザーダイオード２のバイアスを、図２に示されるレーザーダイオード２の発振閾値８よりも低くするように選択されている。

パルス発生器９は、図示のようにステップリカバリパルス発生器３と微分器４とを備えている。

レーザーダイオード２は、パルス幅１１と周期１２を備える光パルス１０を放出するように示されている。パルス幅１１はとその全幅の半値（半値全幅値）として規定されている。装置は、周期１２の逆数に等しいパルス繰り返し周波数のパルスチェーンを放出することができる。図１の装置は、ピコ秒からナノ秒の範囲の、パルス幅１１を備える光パルス１０を特に提供する。パルス幅１１は、１０ナノ秒より小さく、１ナノ秒より小さく、好ましくは２５０ピコ秒より小さく、そして更に好ましくは１００ピコ秒よりも小さいであろう。

レーザーダイオード２はインジウムガリウムひ化物を備えることができる。このようなレーザーダイオード２は、スイス国チューリヒの１１−Ｖ１レーザー企業によって製造されたＬＣ９６Ａレーザーダイオードのような、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ半導体レーザーダイオードであって良い。これに代わるものとして、レーザーダイオード２は、スイス国チューリヒの１１−Ｖ１レーザー企業のＣＰＥ０５４１３（ＬＣ−ＤＢＦ）のような、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザーダイオードであって良い。レーザーダイオード２は、垂直共振型面発光レーザーＶＣＳＥＬ、或いは他の型の半導体レーザーダイオードであっても良い。

図２はレーザーダイオード２によって放出される光強度２１が、ダイオード２の両端に印加される順方向電圧２２によって、どのように変化するかを示すものである。発振閾値８より下では、光強度２１はレーザーダイオード２の両端に印加される順方向電圧２２の増加によって増大する。光強度２１の増大は曲線２３で示す通りである。レーザーダイオード２は発光ダイオードのように振る舞い、非干渉性の光を放出する。発振閾値８より上では、発振動作が開始され、レーザーダイオード２は干渉性のレーザー光を放出する。光強度２１は曲線２４で示すように増大する。印加された順方向電圧２２に対する光強度２１の変化率は、発振閾値８より下の場合より発振閾値８より上の場合の方が著しく大きく、曲線２４は曲線２３よりも一層急峻である。

図３は図１のステップリカバリパルス発生器３の実施例を示すものである。ステップリカバリパルス発生器３は、半導体接合３２を備えるバイポーラトランジスタ３１を備えており、ステップリカバリを使用することによって、飽和状態に入るよりも素早く飽和状態から抜け出すことができる。半導体接合３２はｎｐｎ型トランジスタのコレクタ−ベース接合である。バイポーラトランジスタ３１が飽和状態になると、ベース−コレクタベース接合とベース−エミッタ接合が順方向バイアスとなり、少数の電荷キャリアが注入されてベース−コレクタ接合の両端に蓄えられる。飽和状態のトランジスタが突然反対方向にバイアスされると、ベース−コレクタ間のｐｎ接合が、蓄えられた電荷が無くなるまで低インピーダンスになる。一旦電荷が無くなると、インピーダンスは突然増大して通常の高い値になり、ベース−コレクタ接合を流れる電流は突然ゼロになる。バイポーラトランジスタ３１は共通ベース増幅器３３の一部を形成しており、更にはカスコード増幅器３４の一部を形成している。カスコード増幅器は、非常に小さいミラー効果と非常に大きい出力抵抗を備える共通エミッタ段の性能を提供するので、波増幅器として使用するための優れた特性を備えている。長いテールのペアを含む共通エミッタ、共通ソース、或いは微分増幅器のような他のトランジスタ回路が使用可能である。ステップリカバリダイオードのような、他のステップリカバリ部品が使用可能である。しかしながら、ステップリカバリダイオードは比較的高価であり、トランジスタによって与えられる生来の信号利得を持ち合わせない。

図３の装置は、ステップリカバリパルス発生器３と変調器５とを制御するコントローラ３５を含む。点Ａ、Ｂ，Ｃ及びＤに対応する電圧信号が図４に示される。正方向に立ち上がる信号４０１が変調器５に印加される。すると、変調器５は負方向に立ち下がる信号４０２を放出し、変調器５はレーザーダイオード２をその発振閾値８より低い状態でバイアスする。コントローラ３５は正方向に立ち上がる信号４０３を放出しこの信号がカスコード増幅器３４に印加される。トランジスタ３１のコレクタ−ベース接合３２は飽和状態になり、この結果、負方向に立ち下がるパルス４０４が放出され、少数キャリア（図示せず）がコレクタ−ベース接合３２の中に蓄積される。負方向に立ち下がるパルス４０４により、微分器４から負方向に立ち下がるパルス４０５が出力される。

変調器５に印加される信号の降下端４０６により、正方向に立ち上がる信号４０７が変調器５から出力される。この結果、レーザーダイオード２はバイアスされなくなる。負方向に立ち下がる信号４０８がカスコード増幅器３４に印加されると、トランジスタ３１のコレクタ−ベース接合３２が飽和状態になり、蓄積された少数キャリアが突然消失する。コレクタ−ベース接合３２を流れる電流は突然無くなり、この結果、急速な正方向の段差４０９によって特徴付けられるステップリカバリ応答になる。正方向の段差４０９は微分器４によって微分され、その結果、レーザーダイオード２に細くて正方向に立ち上がる電気パルス４１０が印加される。電気パルス４１０はレーザーダイオード２を利得スイッチングし、レーザーダイオードは、図３に示されるようなパルス状のレーザー放射４１１を放出する。図３のカスコード増幅器は単純構成であり、一般に入手できる低いコストの部材で形成することができ、これに代わる超広帯域幅増幅器による取り組みよりも、非常に安価であることに注目すべきである。更に、カスコード増幅器は小型であり、消費電力も超広帯域幅増幅器よりも少なくとも２桁低い。

図３と図４を参照すると、パルス発生器９と変調器５は、レーザーダイオード２の反対側の位置にある端子６，７に接続されている。パルス発生器９によって放出される電気パルス４１０は正方向に立ち上がるパルスであり、変調器５によって放出される電気パルス４２２は負方向に立ち下がるパルスであって、両電気パルス４１０，４２２は反対方向の極性を備えている。電気パルス４１０はパルス幅４２１を備えており、この幅は電気パルス４２２のパルス幅４２３よりも小さい。

パルス幅４２１は、単一の利得スイッチ駆動された光パルス１０、或いは複数の利得スイッチ駆動された光パルス１０を供給するために選択されるであろう。パルス幅４２１は、レーザーダイオード２が単一の利得スイッチ駆動された光パルス１０を放出できるように、十分に短いことが一般的に好ましい。パルス幅４２１が長いと、レーザーダイオード２はパルス発生器９によって放出される電気パルス４１０の各個のために、図１に示されるような、複数の利得スイッチ駆動された複数の電気パルスを放出することができる。パルス幅４２１は、１０ナノ秒より小さく、１ナノ秒より小さく、好ましくは２５０ピコ秒より小さく、更に好ましくは１００ピコ秒より小さくし得るであろう。

変調器５は、レーザーダイオード２に対して一定のバイアスを与えることができ得るであろう。しかしながら、レーザーダイオード２は、レーザーダイオード２からの自然放出を低減するために、光パルスと光パルスの間の区間では停止していることが一般的に好ましい。パルス幅４２３は、レーザーダイオード２からの自然放出を最小限にするように選択されることが好ましい。

図３に示される回路は、１０ナノ秒よりも、好ましくは１ナノ秒よりも、更に好ましくは１００ピコ秒よりも小さいパルス幅４１２を備えるパルス状のレーザー放射４１１を放出することができる。このような回路設計には適切な高周波配置が要求される。

微分器４は、図５に示されるような、第１の長さＬ₁５１と、第１の特性インピーダンスＺ₁５２で規定される電気導波管５０から形成することができる。電気導波管５０は、アース面５６を備える印刷回路基板５８の上の複数のトラックとして示される。印刷回路基板５８は、導波管５０の詳細な平面図と、断面図の両方で示される。ステップリカバリパルス発生器３は、例えば、電気導波管５４を通じて電気導波管５０の第１の端部５３に接続することができる。電気導波管５０の第２の端部５５は、第１の特性インピーダンスＺ₁５２よりも小さいインピーダンス５９を備える接続部５７を使用してアース面５６に接続することができる。インピーダンス５９は好ましくは０オームのインピーダンスを有する短絡回路であり、印刷回路基板の層間を接続するビヤホールによって達成するか、或いは、印刷回路基板の同じ層のアース面に接続することによって達成することができる。一方、接続部５７は、ワイヤリンク、スイッチ、ダイオード、或いはトランジスタのような選択可能な接続部とすることができる。導波管５０を１つ以上備えていて、各個が異なる第１の長さＬ₁５１を有する印刷回路のために、選択可能な接続部は有利である。印刷回路基板は、異なるタイプのレーザーダイオード２と互換性を持たせるために、最適な第１の長さＬ₁５１を備える導波管５０を選択し、選択された導波管５０の端部に低いインピーダンス、或いは短絡回路５９を提供し、望まない電気反射を取り除くことができるように、導波管５０の特性インピーダンスＺ₁５２に等しいインピーダンス５９を選択することによって他方の導波管５０とのインピーダンス整合をとることにより、設計することができる。これに代わって、或いはこれに加えて、いくつかのケースでは、電気的な反射を生じさせてレーザーダイオード２を駆動するための最適なパルス形状を作り出すために、追加の導波管５０の、１つ以上のインピーダンス５９を、導波管５０の特性インピーダンスＺ₁５２よりも高いインピーダンスを持つように選択することができる。

図６を参照すると、時間６４の中で、電気導波管５０の第１の端部５３から第２の端部５５に向かって伝搬する正方向に立ち上がるステップ状の電圧信号６１は、負方向に立ち下がるステップ状の電圧信号６２として第１の端部５３の方向に反射して戻る。正方向に立ち上がる信号６１と負方向に立ち下がる信号６２は反対の極性を備えている。結果として、第１の端部５３におけるパルス６３はパルス幅６５を備え、これは電気導波管５０の伝送遅延（時間６４の約２倍の時間）に対応する。パルス６３は導波管５１０に沿ってレーザーダイオード２に伝わる。導波管５０の第１の長さＬ₁５１を調整することによって、パルス幅６５を予め定められた値に設定することができる。パルス幅６５を１０ピコ秒から５００ピコ秒の範囲にすることは容易に実現できる。例えば、長いトラック長、同軸ケーブル、或いは他の形式の電気導波管を使用することによって、パルス幅を長くすることもできる。他の実施例の微分器４もまた可能である。

図５を参照すると、電気導波管５１０はレーザーダイオード２の第１の端子６に接続されている。レーザーダイオード２の第２の端子７は電気導波管５１１に接続されている。この実施例では、第１の端子６はレーザーダイオード２のアノードに接続されており、第２の端子７はレーザーダイオード２のカソードに接続されている。明確にするために、図３に示されるコンデンサは図５には示されていない。電気導波管５１１は第２の長さＬ₂５１２と、第２の特性インピーダンスＺ₂５１３で規定される。変調器５は出力インピーダンスＺ₅５１４を備えている。第１と第２の特性インピーダンス５２，５１３の典型的な値は５０Ωである。変調器５が高速トランジスタ・トランジスタ論理（ＴＴＬ）ゲートを使用して実現された場合、変調器が出力論理ゼロの時の出力インピーダンスＺ₃５１４は典型的にはおよそ２ｋΩであり、これは特性インピーダンスＺ₂５１３よりも高い。この結果、図７に示されるように、レーザーダイオード２から変調器５に向かって時間７４の中で導波管５１１を移動するパルス７１は、パルス７１と同じ極性を備えるパルス７２として導波管５１１で反射してレーザーダイオード２に戻る。伝送遅延７５の後にレーザーダイオード２に到着したパルス７２は、パルス７１を増強して図示の信号７３とする。パルスの追加によりレーザーダイオード２がオフになる。第２の長さＬ₂５１２は、この結果、レーザーダイオード２によって放出される光パルス１０の光パルス幅１１を調整するように選択することができる。

図１を再び参照すると、レーザーダイオード２は光ファイバー１４を使用して、少なくとも１つの光反射器１６に接続されている。光反射器１６は、レーザーダイオードから第３の距離Ｌ₃１５だけ離れて位置している。光反射器１６は、レーザーダイオード２によって放射された光パルス１０を反射する。距離Ｌ₃１５は、レーザーダイオード２によって放射された光パルス１０がレーザーダイオード２に反射して戻り、これらがレーザーダイオード２の中で、この光パルスに続く光パルス１０に時間的に重なるように選ぶことができる。レーザーダイオード２から光反射器１６に至り、レーザーダイオード２に戻る光パルス１０の往復時間は、光パルス１０の周期１２或いは周期１２の整数倍であることが好ましい。この意味で、光パルス１０の波長を安定させるために、レーザーダイオード２に光フィードバックが与えられるか、或いは光パルス１０のパルス幅１１が小さくされる。往復時間１３を周期１２に対応させるか、或いは周期の整数倍に対応させるかは、レーザーダイオード２がＦａｂｒｙ−ｐｅｒｏｔ半導体レーザーダイオードである場合に有利であるが、レーザーダイオードが散型フィードバック（ＤＦＢ）のような、異なる型のレーザーダイオードである場合も有利である。光反射器１６はファイバー・ブラッグ格子であって良い。光反射器１６の反射率は、０．１％から２５％の範囲、好ましくは４％から２％の範囲とすれば良い。

レーザーダイオード２からの異なる第３の距離Ｌ₃１５に、追加の光反射器１６を位置させると有利であり、この異なる第３の距離Ｌ₃は、異なる周期１２のパルス列を与えるように選び、その結果、異なるパルスの繰り返し周波数とすることができる。追加の光反射器１６は、そのパルス幅１１が上述の第１の光反射器１６によって与えられるものとは異なるように、例えば、少なくとも１つの反射率、中央の波長及び追加の光反射器１６の帯域を調整することによって選ぶことができる。

また、誘導ブリュアン散乱を防ぐために、装置によって放射される光放射１の帯域を広げるように位置させた追加の光反射器１６を持つことも有利である。これは特にパルス幅１１が４ナノ秒よりも大きい場合に重要である。この結果、装置は、誘導ブリュアン散乱による問題を生じさせることなく、長いナノ秒、マイクロ秒、ミリ秒、或いはこれらよりも長いパルスと同様に、ピコ秒のパルスを放射することができるであろう。誘導ブリュアン散乱の影響を低減するために、このような反射器を使用することは、米国特許番号７，９３６，７９６号に記述されており、この特許はここでは参照する先願として本願に組み込まれる。

図１にはまた、レーザーダイオード２によって放射された光パルス１０を増幅するように形成された光増幅器１７が示されている。装置は、最初の増幅器はプリアンプとして動作し、最後の増幅器はパワーアンプとして動作する、１つ以上の光増幅器１７を含んでも良い。光増幅器１７は光ファイバー増幅器とすることができる。これに代えて、或いはこれに加えて、パワーアンプは、イットリウム・アルミニウム・ガーネット・アンプのようなソリッドステートアンプとすることができる。後者は、光パルスを増幅して、光ファイバー増幅器によって得られるよりも、一層高いピーク電力とするのに使用することができる。コントローラ３５は、光増幅器１７の中のポンプ（図示せず）を制御するのに使用することができる。ポンプを停止させることは、光パルス１０が存在しない時に、光増幅器１７からの増幅された望まない自然放射を低減するのに有利である。

図１の装置は、光パルスのパルス幅１１を短くする、或いはパルス幅１１を長くする、のどちらかに使用できる追加の分散素子１８を備えるように描かれている。パルス幅を変更する方法は、レーザーダイオード２によって放射された光パルス１０が回析されることに依存する。したがって、適切な分散素子１８を選ぶことによって、パルス幅１１は、短くするか、或いは長くするかのどちらかにすることができる。適切な分散素子１８は、単一モードの光ファイバー長、フォトニックバンドギャップファイバー長、ブラッグ回折格子、或いはバルク格子を含む。分散素子１８は、パルス幅１１を５０ピコ秒より小さく変更するように選ぶことができる。分散素子１８は、パルス幅１１を１０ピコ秒より小さく変更するように選ぶことができる。この方法により、パルス幅１１は数百ピコ秒から５０ピコ秒まで短くすることができる。これよりも短いパルス幅１１もまた得ることが可能である。

図３と図５の電気導波管５０は、アース面５６に短絡するように描かれている。図８に示されるように、電気導波管５０は電圧レール８２に短絡することが可能である。電圧レール８２は、回路基板のための共通電圧レールであるか、或いは微分器４のために特別に作ることができる。好ましくは、電圧レール８２はアース面に結合されないか、或いは確実なアースに結合されない。図８の変調器５は、リニアドライブ８３を構成するものとして描かれている。変調器がオンになると、電流は電圧レール８２からレーザーダイオード２を通って、変調器５を通り、グランドに流れる。この電流通路には、コンデンサのような直流の流れを遮断する結合要素は含まれていない。図１に示されるように、これに続く光の増幅は、例えば、米国特許番号７，９３６，７９６号に記述されているように、ナノ秒のパルス化されたレーザー光を提供するのに使用され、この特許はここでは参照する先願として本願に組み込まれる。本発明に記述したように、光反射器１６は、誘導ブリュアン散乱の増大を防止したり、装置のダメージの防止するナノ秒のパルス化されたレーザーにおいて重要な機能を果たす。レーザーダイオード２を通常状態モードで駆動することも可能であり、このモードには、レーザーダイオード２が、連続した波状のレーザー放射を行うことが含まれる。

図８を参照すると、変調器５は、ステップリカバリパルス発生器３を通じて光パルス１０を発生させるために、レーザーダイオード２のバイアスを閾値より低くするのに使用することができる。バイアス信号４０２は、リニアドライブ８３を使用して発生させることができる。この代わりに、またはこれに加えて、バイアス信号４０２は独立したバイアス回路８４により生成することができる。バイアス回路８４はトランジスタ・トランジスタ論理（ＴＴＬ）の論理ゲートを備えることができる。図８の装置は、バイアス回路８４或いはリニアドライブ８３のどちらかを用いてレーザーダイオード２をバイアスして、ステップリカバリパルス発生器３を作動させることにより、ピコ秒パルス８５を提供するように使用することができる。装置はまた、リニアドライブ８３を用いてレーザーダイオード２を通る駆動電流を制御することによって調整されたパルス形状を備える長いパルス８６を発生させるのに使用することができる。装置は、ナノ秒、マイクロ秒、或いはミリ秒のパルス８６によって追従された、分散された、或いは同時に提供された、１つ以上のピコ秒のパルス８５を提供するという点で大きな有用性を備える。これに代わって、或いはこれに加えて、ステップリカバリパルス発生器３は、レーザーダイオード２が長いパルス８６を放出している間に動作させることができる。レーザー工業において一般に使用されるように、ピコ秒パルスはパルス幅の範囲が１ピコ秒から１ナノ秒の間のパルスであり、ナノ秒パルスはパルス幅の範囲が１ナノ秒から１マイクロ秒の間のパルスであり、マイクロ秒パルスはパルス幅の範囲が１マイクロ秒から１ミリ秒の間のパルスであり、そして、ミリ秒パルスはパルス幅の範囲が１ミリ秒から１秒の間のパルスである。

図１の装置はまた、図９に示されるように、シードレーザー９１とカプラー９２とを含む。カプラー９２は、少なくとも１つの光増幅器１７によって引き続いて起こる増幅のために、シードレーザー９１によって放出される光放射９３を、レーザーダイオード２によって放出された光パルス１０に結合するように配置されている。カプラー９２は、カプラー、光ファイバーカプラー、分極化ビームスプリッタ、光ファイバー製の分極化ビームスプリッタ、波長分割多重カプラー、或いはレーザー工業において一般的に存在するその他のカプラーの何れでも良い。シードレーザー９１は、ナノ秒からミリ秒までの長い光パルス９５の形の光放射９３を提供するように動作させることができる。光パルス９５は、レーザーダイオード２からのピコ秒からナノ秒の光パルス１０と結合させることができる。光パルス１０は、図９に挿入された図に示されるように、光増幅器１７に向かって伝搬するように、光パルス９５に重畳させることができる。これに代えて、或いはこれに加えて、光パルス１０は、光パルス９５の異なる時間において発生する。このような光出力の柔軟性により、特に、高反射金属に対する切断、溶接、及びマーキングへのアプリケーションにおいて大きな有用性があり、このアプリケーションでは、レーザーダイオード２からの増幅されたピコ秒のパルスを、シードレーザー９１からの増幅された光放射９３の十分なカプリングを得るために使用することができる。

図１から図９により述べられた装置はまた、図１０に示される要素１０６の表面１０４の上に光放射１をスキャンするためのスキャナー１０２を含むことができる。レーザー１０１は、図１，３，５，８，９に示される装置を備える。レーザー１０１から光放射１が出力され、光ファイバーケーブル１０５を通じてスキャナー１０２に供給され、対物レンズ１０３を使用して表面１０４の上に焦点が合わされる。レーザー１０１は、要素１０６にスロット１０８を切削形成するのに使用されると共に、要素１０６を第２の要素１０７に溶接するのに使用される。連続的な波の光放射と同様に、制御可能なピコ秒、ナノ秒、マイクロ秒、及びミリ秒のパルスを得る能力により、広い範囲の材料の加工を実現することができる。

図面を用いて上述した発明の実施例は単なる例示にすぎず、変形例や追加の処置及び構成により、性能を高めることができることに注意されたい。図面に示される個々の構成要素は、図面における使用を限定するものではなく、他の図面の中で、そして、本発明の全ての態様で使用されるであろう。本発明の権利範囲は、上述の特徴を、単独で、或いはどのように組み合わせても及ぶものである。

Claims

光放射を提供する装置であって、該装置はレーザーダイオード、パルス発生器、及び変調器を備えており、この装置では、
・パルス発生器がピコ秒のパルスを放出するように形成されており、
・変調器がナノ秒のパルスを放出するように形成されており、
・レーザーダイオードが第１の端子と第２の端子を備えており、
・パルス発生器が第１の端子に接続されており、そして、
・変調器が、レーザーダイオードの発振閾値より低いバイアスをレーザーダイオードに印加するように形成されており、
前記装置は、
・変調器が第２の端子に接続されている、
・パルス発生器が微分器に接続する半導体接合を備えている、
・半導体接合は、半導体接合を流れる電流により、半導体接合がオンするよりも一層急速に半導体接合がオフすることができるようになっており、そして、
・微分器は、半導体接合を流れる電流がオフされたことが電気パルスに変換された時に、階段状変化が起こるようになっており、これによってレーザーダイオードが利得スイッチングされてレーザーダイオードが１ナノ秒よりパルス幅が小さい光パルスを放出するようになっている、
ことを特徴とする装置。
請求項１に記載の装置であって、半導体接合が、電流をオフするためにステップリカバリを使用するステップリカバリ装置の一部分を形成することを特徴とする装置。
請求項１または２に記載の装置であって、半導体接合及び微分器が、光パルス幅が２５０ナノ秒より小さくなるように形成されていることを特徴とする装置。
請求項３に記載の装置であって、半導体接合及び微分器が、光パルス幅が１００ピコ秒より小さくなるように形成されていることを特徴とする装置。
請求項１から４の何れか１項に記載の装置であって、パルス発生器が、半導体接合を備えるバイポーラトランジスタから形成されていることを特徴とする装置。
請求項５に記載の装置であって、バイポーラトランジスタが共通ベース増幅器として形成されていることを特徴とする装置。
請求項５または６に記載の装置であって、バイポーラトランジスタがカスコード増幅器の一部として形成されていることを特徴とする装置。
請求項１から７の何れか１項に記載の装置であって、微分器が第１の長さと第１の特性インピーダンスで規定される電気導波管を備え、半導体接合が電気導波管の第１の端部に接続されており、電気導波管の第２の端部が第１の特性インピーダンスよりも小さいインピーダンスによって規定されており、この結果、電気導波管の第１の端部から電気導波管の第２の端部に沿って伝搬する極性によって規定される階段状の電圧信号が発生し、この信号は反対の極性を備えて電気導波管の第１の端部に反射されて戻ることを特徴とする装置。
請求項１から７の何れか１項に記載の装置であって、第２の端子が、第２の長さと第２の特性インピーダンスによって規定される電気導波管で変調器に接続されており、変調器は出力インピーダンスによって規定されており、そして出力インピーダンスは第２の特性インピーダンスよりも高く、この結果、第２の端子から変調器に向かって電気導波管を伝搬する極性によって規定される電気パルスが、同じ極性で反射されることを特徴とする装置。
請求項１から９の何れか１項に記載の装置であって、レーザーダイオードによって放出される光パルスを受光するように形成された少なくとも１つの光反射器を備え、該光反射器はレーザーダイオードから第３の距離に位置していることを特徴とする装置。
請求項１０に記載の装置であって、第３の距離は、光反射器によって反射される光パルスが連続する光パルスの各個に時間的にオーバーラップされるように選ばれることを特徴とする装置。
請求項１から１１の何れか１項に記載の装置であって、半導体レーザーは、光パルスが回折するようになっており、装置が光パルスのパルス幅を変更するように形成された分散素子を含むことを特徴とする装置。
請求項１２に記載の装置であって、分散素子は、パルス幅が５０ピコ秒より小さく変更するように選ばれることを特徴とする装置。
請求項１３に記載の装置であって、分散素子は、パルス幅が１０ピコ秒より小さく変更するように選ばれることを特徴とする装置。
請求項１から１４の何れか１項に記載の装置であって、レーザーダイオードによって放出される光パルスを増幅するように形成された少なくとも１つの光増幅器を含むことを特徴とする装置。
請求項１５に記載の装置であって、シードレーザーとカプラーとを備えており、カプラーは、光増幅器による増幅が引き続いて起こるように、シードレーザーによって放出された光放射を、半導体レーザーによって放出された光放射に結合するように配置されていることを特徴とする装置。
請求項１６に記載の装置であって、装置は、半導体レーザーによって放出された光パルスが、シードレーザーによって放出された光パルスに重畳されるように形成されていることを特徴とする装置。
請求項１７に記載の装置であって、カプラーが分極化ビームスプリッタであることを特徴とする装置。
請求項１から１８の何れか１項に記載の装置であって、要素の表面上に光放射をスキャンするためのスキャンヘッドを備えることを特徴とする装置。
光放射を提供する方法であって、
・第１の端子と第２の端子を備えるレーザーダイオードを設け、
・ナノ秒のパルスを放出する変調器を選択し、レーザーダイオードの発振閾値より低いバイアスをレーザーダイオードに印加できるように形成し、そして、
この方法は、
・微分器に接続する半導体接合を備えているパルス発生器を選び、この半導体接合は、半導体接合を流れる電流により、半導体接合がオンするよりも一層急速に半導体接合がオフすることができるようになっている、
・パルス発生器は第１の端子に接続されており、
・変調器は第２の端子に接続されており、
・変調器を、レーザーダイオードの発振閾値より低いバイアスをレーザーダイオードに印加するように使用し、
・電流がオフされるように、半導体接合が出力電圧の中に階段状変化を放出するようにし、
・微分器を使用して出力電圧の階段状変化を微分して電気パルスを作り出し、そして
・電気パルスを使用して、レーザーダイオードを利得スイッチングして、レーザーダイオードが１ナノ秒よりパルス幅が小さい光パルスを放出するようにする、
ことを特徴とする、方法。
請求項２０に記載の方法であって、半導体接合が、電流をオフするためにステップリカバリを使用するステップリカバリ装置の一部分を形成することを特徴とする方法。
請求項２０または２１に記載の方法であって、半導体接合が選択され、微分器が、光パルス幅が２５０ナノ秒より小さくなるように形成されていることを特徴とする方法。
請求項２２に記載の方法であって、半導体接合が選択され、微分器が、光パルス幅が１００ピコ秒より小さくなるように形成されていることを特徴とする方法。
請求項２０から２３の何れか１項に記載の方法であって、パルス発生器が、半導体接合を備えるバイポーラトランジスタから形成されていることを特徴とする方法。
請求項２４に記載の方法であって、バイポーラトランジスタが共通ベース増幅器として形成されていることを特徴とする方法。
請求項２４または２５に記載の方法であって、バイポーラトランジスタがカスコード増幅器の一部として形成されていることを特徴とする方法。
請求項２０から２６の何れか１項に記載の方法であって、微分器が第１の長さと第１の特性インピーダンスで規定される電気導波管を備え、半導体接合が電気導波管の第１の端部に接続されており、電気導波管の第２の端部が第１の特性インピーダンスよりも小さいインピーダンスによって規定されており、この結果、電気導波管の第１の端部から電気導波管の第２の端部に沿って伝搬する極性によって規定される階段状の電圧信号が発生し、この信号は反対の極性を備えて電気導波管の第１の端部に反射されて戻ることを特徴とする方法。
請求項２７に記載の方法であって、第１の長さは所望の長さのパルス幅を与えるように選択されることを特徴とする方法。
請求項２０から２７の何れか１項に記載の方法であって、第２の端子が、第２の長さと第２の特性インピーダンスによって規定される電気導波管で変調器に接続されており、変調器は出力インピーダンスによって規定されており、そして出力インピーダンスは第２の特性インピーダンスよりも高く、この結果、第２の端子から変調器に向かって電気導波管を伝搬する極性によって規定される電気パルスが、同じ極性で反射されることを特徴とする方法。
請求項２９に記載の方法であって、第２の長さは所望の長さのパルス幅を与えるように選択されることを特徴とする方法。
請求項２０から３０の何れか１項に記載の方法であって、レーザーダイオードによって放出される光パルスを受光するように形成された少なくとも１つの光反射器を備え、該光反射器はレーザーダイオードから第３の距離に位置していることを特徴とする方法。
請求項３１に記載の方法であって、第３の距離は、光反射器によって反射される光パルスが、連続する光パルスの各個に時間的にオーバーラップされるように選ばれることを特徴とする方法。
請求項２０から３２の何れか１項に記載の方法であって、半導体レーザーから放出される光パルスは回折するようになっており、本方法が光パルスのパルス幅を変更するように形成された分散素子を含むことを特徴とする方法。
請求項３３に記載の方法であって、分散素子は、パルス幅が５０ピコ秒より小さく変更するように選ばれることを特徴とする方法。
請求項３４に記載の方法であって、分散素子は、パルス幅が１０ピコ秒より小さく変更するように選ばれることを特徴とする方法。
請求項２０から３５の何れか１項に記載の方法であって、レーザーダイオードによって放出される光パルスを増幅するように形成された少なくとも１つの光増幅器を含むことを特徴とする方法。
請求項２０から３６の何れか１項に記載の方法であって、シードレーザーとカプラーとを備えており、カプラーは、光増幅器による増幅が引き続いて起こるように、光シードレーザーによって放出された光放射を、半導体レーザーによって放出された光放射に結合するように配置されていることを特徴とする方法。
請求項３７に記載の方法であって、本方法は、半導体レーザーによって放出された光パルスが、シードレーザーによって放出された光パルスに重畳されるように形成されていることを特徴とする方法。
請求項３７に記載の方法であって、カプラーが分極化ビームスプリッタであることを特徴とする方法。
請求項２０から３９の何れか１項に記載の方法であって、要素の表面上に光放射をスキャンするためのスキャンヘッドを備えることを特徴とする方法。