JP7286540B2 - 高出力モードロックレーザシステム及び使用方法 - Google Patents

Description

〔関連出願への相互参照〕
本出願は、引用により本明細書にその内容全体が組み込まれている２０１６年１２月４日出願の「高出力イッテルビウムドープフッ化カルシウムモードロックレーザ及び使用方法」という名称の米国仮特許出願第６２／４２９、８３０号に対する優先権を主張するものである。

高出力モードロックレーザシステムは、多光子顕微鏡及びデバイス製造のような様々な用途で現在使用されている。現在、これらの用途に関して３つのタイプの高出力モードロックレーザシステム：薄型ディスクレーザシステム、チャープパルスファイバ増幅器システム、及びバルクレーザシステムが市販されている。薄型ディスクレーザシステムは、ヒートシンク上に位置決めされた活性利得材料の薄層を含むダイオードポンプ式固体レーザシステムである。ダイオードポンプ源からのポンプ信号は、活性利得材料上に複数回入射し、これは、それに応答して出力信号を生成する。歴史的に、ディスクレーザシステムは、高い平均電力を生成することが可能である。しかし、ディスクレーザシステムは、約５００フェムト秒（以下、「ｆｓ」）未満のパルス幅を有して高い平均電力及び高い繰返し速度での出力信号を確実に生成することがほとんど不可能である。更に、ディスクレーザシステムは、複雑で高価な光ポンピング構成及び熱管理システムを必要とする。ピーク電力限界に起因して、ファイバベースの高出力モードロックレーザは、発振器と、増幅の前のパルスの延伸及び次に増幅の後のその後の圧縮を含むチャープパルス増幅器とを必要とし、従って、システムにコストと複雑さを追加する。

対照的に、バルク高出力モードロックレーザシステムは、利得材料としてＹｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＣＡＬＧＯ、Ｙｂ：ＫＹＷ、又はＹｂ：ＫＧＷのような光学結晶を使用する。従来技術のバルク高出力モードロックレーザシステムは、従来から有用であることが判明しているが、いくつかの欠点が確認されている。多くの場合に、光学結晶の高電力光ポンピングは、光学結晶内に１又は２以上の望ましくない熱効果をもたらす。例えば、１又は２以上の熱レンズが光学結晶内に生成され、それによってレーザシステムの出力電力を低減する場合がある。典型的に、これらの従来技術のバルクレーザシステムの平均出力電力は、約１５Ｗ未満である。図１は、連続波モードロック（ＣＷ－ＭＬ）信号が従来技術レーザキャビティ内でレーザから出力される範囲をポンプ源からの平均ポンプ電力に対する平均出力電力の関数としてグラフに示している。図示のように、狭いＣＷ－ＭＬレジームは、望ましくない不安定レジームによって終わる。従って、ＣＷ－ＭＬ信号を必要とする作動又はシステムは、比較的低い光学平均電力用途に制限される。これに加えて、現在利用可能なバルク高出力モードロックレーザシステムは、複数のポンプ源及び複合熱管理システムなどを必要とする複合システムである傾向がある。

すなわち、上記に照らして、高い平均電力で短いパルスを生成することができる簡単で廉価な高出力モードロックレーザシステムに対する継続する必要性が存在する。２０Ｗよりも高い平均電力でサブ２００ｆｓパルス持続時間を生成することができる簡単で廉価な高出力モードロックレーザシステムに対する更に別の必要性が存在する。更に、用途に十分な繰返し速度でこれらの短いパルス持続時間及び高い平均電力を生成することができる簡単で廉価な高出力モードロックレーザシステムに対する継続する必要性が存在する。更に、製造の容易さ及びロバスト性に関して拡張ＣＷ－ＭＬ範囲を有する簡単で廉価な高出力モードロックレーザシステムに対する必要性が存在する。

本出願は、高出力モードロックレーザシステム及び使用方法の様々な実施形態を開示する。一実施形態では、本出願は、高出力イッテルビウムドープフッ化カルシウムレーザシステムを開示する。高出力イッテルビウムドープフッ化カルシウムレーザシステムは、少なくとも１つのポンプ信号を提供するように構成された少なくとも１つのポンプ源を含むことができる。ポンプ信号は、少なくとも１つの高反射器と少なくとも１つの出力カプラとによって形成された少なくとも１つのレーザキャビティ内に向けることができる。更に、少なくとも１つのイッテルビウムドープフッ化カルシウム光学結晶は、少なくとも１つのレーザキャビティ内に位置決めすることができる。ポンプ源からのポンプ信号と通信してそれによってポンピングされるイッテルビウムドープフッ化カルシウムレーザシステムは、２０Ｗ又はそれよりも高い出力電力と約２００ｆｓ又はそれ未満のパルス幅とを有する少なくとも１つの出力信号を出力するように構成することができる。

別の実施形態では、本出願は、高出力バルクレーザシステムに関する。前の実施形態と同様に、高出力バルクレーザは、少なくとも１つのポンプ源を含む。少なくとも１つの高反射器と少なくとも１つの出力カプラとで形成された少なくとも１つのレーザキャビティは、ポンプ源からポンプ信号を受信するように構成することができる。少なくとも１つのバルク光学結晶は、レーザキャビティ内に位置決めすることができ、かつポンプ源と連通している。バルク光学結晶は、出力カプラから出力することができる少なくとも１つの出力信号２０Ｗ及び２００ｆｓを出力するように構成することができる。

更に別の実施形態では、本出願は、高出力レーザを開示する。高出力レーザは、少なくとも１つのポンプ源を含む。少なくとも１つの高反射器と少なくとも１つの出力カプラとによって形成された少なくとも１つのレーザキャビティは、ポンプ信号を受信するように構成することができる。少なくとも１つの利得媒体は、レーザキャビティ内に位置決めすることができ、かつポンプ源と連通している場合がある。利得媒体は、少なくとも１つの出力カプラからの２００ｆｓ又はそれ未満のパルス幅と少なくとも４０ＭＨｚの繰返し速度とを有する少なくとも２０Ｗの少なくとも１つの出力信号を出力するように構成することができる。

本明細書に説明するような高出力モードロックレーザシステム及び使用方法の他の特徴及び利点は、以下の詳細説明の考察からより明らかになるであろう。

本明細書に開示するような高出力モードロックレーザシステム及び使用方法の新規な態様は、以下の図面を精査することによってより明らかになるであろう。

従来技術の高出力レーザシステムのモードロッキングレジームを示すグラフである。 光ファイバデバイスを通じてポンプ信号をレーザキャビティに送出する単一ダイオードポンプ源を有する高出力モードロックレーザシステムの実施形態の概略図である。 複数のポンプ信号をレーザキャビティに送出する単一ダイオードポンプ源を有する高出力モードロックレーザシステムの別の実施形態の概略図である。 複数のポンプ信号をレーザキャビティに送出する複数のダイオードポンプ源を有する高出力モードロックレーザシステムの実施形態の概略図である。 本明細書に説明する新規のバルクＹｂ：ＣａＦ₂レーザシステムの性能を従来技術レーザの性能に対して比較する表である。 本明細書に開示するＹｂ：ＣａＦ₂モードロックレーザシステムの実施形態によって達成される性能の改善とモードロッキングレジームの増大とを示すグラフである。

本出願は、様々な光学システムと共に使用するための高出力イッテルビウムドープフッ化カルシウム（以下、「Ｙｂ：ＣａＦ₂」）モードロックレーザシステムの様々な実施形態に関する。高出力Ｙｂ：ＣａＦ₂モードロックレーザシステムの様々な実施形態は、Ｙｂ：ＣａＦ₂のようなＹｂドープ光学結晶の独特な光熱特性を利用してレーザシステムの出力電力のダイナミックレンジの上側領域の約５０パーセント（５０％）にわたる連続モードロック範囲を有する一方で共鳴している最低又はほぼ最低程度の横断方向空間ガウスビーム（ＴＥＭ₀₀）を有しながらモードロッキング窓の上側領域でスペクトル不安定性を低減又は排除する出力信号を提供するように構成された新規のキャビティ設計を含む。一実施形態では、本明細書に説明する高出力Ｙｂ：ＣａＦ₂モードロックレーザシステムは、約５０ＭＨｚよりも高い繰返し速度で約２０Ｗを超える平均出力電力を有するほぼ変換限界のサブ３００ｆｓパルスを送出するように構成することができる。例えば、一実施形態では、本明細書に説明するバルクＹｂ：ＣａＦ₂レーザシステムは、約７０ＭＨｚよりも高い繰返し速度で約２５Ｗを超える平均出力電力を有するほぼ変換限界のサブ２００ｆｓパルスを送出するように構成することができる。別の実施形態では、本明細書に説明するバルクＹｂ：ＣａＦ₂レーザシステムは、約８０ＭＨｚよりも高い繰返し速度で約３０Ｗ又はそれよりも高いものを超える平均出力電力を有するほぼ変換限界のサブ１５０ｆｓパルスを送出するように構成することができる。本明細書に開示する高出力Ｙｂ：ＣａＦ₂モードロックレーザシステムは、高調波結晶、光パラメトリック発振器、及び様々な多光子顕微鏡用途のための類似のデバイスと併せて使用することができる。任意的に、本明細書に開示する高出力Ｙｂ：ＣａＦ₂モードロックレーザシステムは、例えばデュアルコム分光法用途を含むレーザベースの分光法用途に使用するように構成することができる。別の実施形態では、本明細書に開示する高出力Ｙｂ：ＣａＦ₂モードロックレーザシステムは、そこに位置決めされた又はそれに結合された少なくとも１つの増幅器モジュールを含み、それによって高出力モードロックレーザシステムを提供することができる。任意的に、高出力Ｙｂ：ＣａＦ₂モードロックレーザシステムは、近赤外線光パラメトリック発振器（以下、「ＯＰＯ」）、及び／又は中赤外線ＯＰＯ、及び／又は遠赤外線ＯＰＯ、及び／又は光パラメトリック発生器をポンピングするためのポンプ源として使用することができる。別の用途では、本明細書に説明する高出力Ｙｂ：ＣａＦ₂モードロックレーザシステムは、書込導波路などのような様々なデバイスを製造するのに使用することができる。更に別の用途では、本明細書に説明する高出力Ｙｂ：ＣａＦ₂モードロックレーザシステムは、スーパーコンティニウム発生システム及びデバイスを生成するためにファイバベースの非線形光学デバイス及び／又はサファイア、ＹＡＧ、又はダイヤモンドのようなバルク非線形デバイスを含む非線形光学材料と併せて使用することができる。更に別の用途では、本明細書に説明する高出力Ｙｂ：ＣａＦ₂モードロックレーザシステムは、分光法用途に関してデュアルコム光源を生成するのに使用することができる。図２は、高出力Ｙｂ：ＣａＦ₂モードロックレーザシステム（以下、「レーザシステム」）の実施形態の概略図を示している。図示のように、レーザシステム２００は、少なくとも１つのポンプ信号２０４を出力するように構成された少なくとも１つのポンプ源２０２を含む。一実施形態では、ポンプ信号２０４は、約８５０ｎｍから約９９５ｎｍの波長を有する。例えば、一実施形態では、ポンプ信号２０４は、約９７９ｎｍの波長を有する。別の実施形態では、ポンプ信号２０４は、約９４０ｎｍの波長を有する。任意的に、ポンプ信号２０４は、約９７６ｎｍの波長を有することができる。更に別の実施形態では、ポンプ信号２０４は、約９１７ｎｍの波長を有する。別の実施形態では、ポンプ信号２０４は、そこに複数の波長を含むことができる。更に、ポンプ源２０２は、連続波ポンプ信号２０４を出力するように構成することができる。別の実施形態では、ポンプ源２０２は、少なくとも１つのパルスポンプ信号２０４を出力するように構成することができる。

図示の実施形態では、ポンプ源２０２は、複数のエミッタをそこに有する単一ダイオードベースのポンプ源を含み、各エミッタは光信号を出力するように構成される。例えば、一実施形態では、単一ダイオードポンプ光源は、単一ダイオードパッケージ又はデバイス内に位置付けられた複数のレーザダイオードエミッタを含み、各エミッタは、光信号を単一光ファイバデバイス内に出力するように構成される。従って、単一光ファイバデバイスは、複数のレーザダイオードエミッタから光信号を受信して単一ポンプ信号を出力するように構成することができる。任意的に、本発明のシステムでは、複数のダイオードベースのポンプ源を使用することができる。更に、いずれの様々な代替ポンプ源もレーザシステム２００と共に使用することができる。例えば、ファイバレーザは、ポンプ源２０２として使用することができる。図示のように、少なくとも１つの光ファイバデバイス２０６は、単一ダイオードベースのポンプ光源２０２に結合されるか又は他にそれと光学連通し、ポンプ光源２０２内の複数のエミッタから複数の光信号を受信してそこから単一ポンプ信号２０４を出力するように構成することができる。一実施形態では、光ファイバデバイス２０６は、単一モード混合式ポンプ信号２０４を出力するように構成される。任意的に、光ファイバデバイス２０６は、非モード混合式ポンプ信号２０４を出力するように構成することができる。更に、光ファイバデバイス２０６は、ポンプ源２０２内の少なくとも１つのエミッタからの少なくとも１つのポンプ信号の偏光を変えるように構成することができる。例えば、光ファイバデバイス２０６は、単一直線偏光を有するポンプ信号２０４を出力するように構成することができる。これに代えて、光ファイバデバイス２０６は、楕円偏光を有するポンプ信号２０４を出力するように構成することができる。別の代替例では、光ファイバデバイス２０６は、偏光解消ポンプ信号２０４を出力するように構成することができる。任意的に、光ファイバデバイス２０６は、ポンプ源２０２内に位置決めされた少なくとも２つのエミッタから受信した少なくとも２つの光信号のモード、偏光、及び強度などを混合するように構成することができる。当業者は、光ファイバデバイス２０６があらゆる様々な長さ及び横断方向寸法などで製造することができることを認めるであろう。更に、一実施形態では、光ファイバデバイス２０６は、１００ミクロン又は２００ミクロンのようなコアサイズを有する多モードファイバ、単一モードファイバ、段階的インデックスファイバ、ホーリーファイバ、及び光子的結晶ファイバなどを有することができる。

再び図２を参照すると、ポンプ信号２０４は、少なくとも１つの光学システム２１０に向けることができる。図示の実施形態では、光学システム２１０は、第１のレンズ２１２と任意的な第２のレンズ２１４とを含む。従って、図２は、テレスコープポンプ信号２０４をレーザに集束させるように構成されたレンズデバイス又はシステムのテレスコープを有するレーザシステム２００を示している。当業者は、光学システム２１０ではあらゆる数又はタイプの光学構成要素又はデバイスを使用することができることを認めるであろう。例えば、図２に示すように、少なくとも１つの任意的な光学構成要素２１６を光学システム２１０内に又はその近くに位置決めすることができる。例示的な任意的光学要素２１６は、レンズ、格子、スペクトルフィルタ、ビームスプリッタ、センサ、空間開口、シャッター、変調器、減衰器、ホモジナイザー、及び偏光子などを含むがこれらに限定されない。

図２に示すように、ポンプ信号２０４は、高反射器２２０及び／又は出力カプラ２６０のうちの少なくとも一方を通って横断することができ、レーザキャビティ２９０内に位置決めされた少なくとも１つの光学結晶システム２３０に入射することができる。図示の実施形態では、高反射器２２０は、キャビティ内信号２３６（すなわち、約１０００ｎｍから約１７００ｎｍの波長を有する光）の実質的に全て（すなわち、約９９．９％を超える）を反射する一方、実質的に全てのポンプ信号２０４（すなわち、約８５０ｎｍから約９９５ｎｍの波長を有する光）を透過させるように構成された少なくとも１つの光学コーティングを含む。図示の実施形態では、高反射器２２０は少なくとも１つの平面本体を有する。別の実施形態では、高反射器２２０は、湾曲又は弓形本体を有する。更に、高反射器２２０は、少なくとも１つの光学ステージ又はマウントに結合させることができる。任意的に、高反射器２２０を支持する光学ステージは、調節可能ミラーマウントを有することができる。これに代えて、高反射器２２０を支持する光学ステージは、調節不能ミラーマウントを有することができる。

再び図２を参照すると、少なくとも１つの光学結晶システム２３０は、レーザキャビティ２９０内に位置決めされ、そこにポンプ信号２０４の少なくとも一部分を受信するように構成することができる。一実施形態では、光学結晶システム２３０は、少なくとも１つの結晶マウント２３４上に位置決めされた少なくとも１つの光学結晶２３２を有する。一実施形態では、光学結晶２３２は、少なくとも１つのバルク光学材料を有する。例示的バルク光学材料は、イッテルビウムドープフッ化カルシウム（以下、「Ｙｂ：ＣａＦ₂」）単結晶材料、Ｙｂ：ＣａＦ₂セラミック材料、Ｙｂ：ＣＡＬＧＯ、及び他のイッテルビウムドープ利得媒体などを含むがこれらに限定されない。任意的に、本明細書に説明するＹｂ：ＣａＦ₂材料は、当業技術で公知の１又は２以上の追加ドーパントを含むことができる。例えば、一実施形態では、本明細書に説明するＹｂ：ＣａＦ₂材料は、約８８０ｎｍから約１１００ｎｍにわたる吸収スペクトルを有することができる。更に、Ｙｂ：ＣａＦ₂材料は、ポンプ信号２０４によってポンピングされることに応答して約１０００ｎｍから約１７００ｎｍ又はそれを超える波長を有する少なくとも１つのキャビティ内信号２３６を発生させるように構成することができる。任意的に、複数の光学結晶２３２は、レーザキャビティ２９０内に位置決めすることができる。光学結晶２３２は、入射ポンプ信号２０４に直交する少なくとも１つのファセット、又は入射ポンプ信号２０４に対して角度を成す少なくとも１つのファセットを含むことができる。更に、ポンプ信号２０４は、光学結晶２３２のあらゆる方向に沿って伝播することができる。従って、光学結晶２３２は、＜１００＞カット結晶を有することができる。別の実施形態では、光学結晶２３２は、＜１１０＞カット結晶を有することができる。任意的に、光学結晶２３２は、＜１１１＞カット結晶を有することができる。任意的に、結晶は、他の伝播方向にカットすることができる。

図２に示すように、光学結晶２３２は、レーザキャビティ２９０内に光学結晶２３２を確実かつ正確に位置決めするように構成された少なくとも１つの結晶マウント２３４上に位置決めすることができる。例示的実施形態では、レーザキャビティ２９０は、線形キャビティを有する。任意的に、レーザキャビティ２９０は、折り返しキャビティ、Ｚ－キャビティ、及びリングキャビティなどを有することができる。従って、レーザシステム２００は、ユーザが望むようにそのキャビティアーキテクチャを構成することができるように構成された１又は２以上の追加の固定及び／又は調節可能折り返しミラー、平面ミラー、曲面ミラー、ダイクロイックミラー、及び分散管理ミラーなどを含むことができる。図示の実施形態では、結晶マウント２３４は、少なくとも１つの熱制御システム２３８と連通することができる。例えば、存在する場合に、熱制御システム２３８は、１又は２以上の熱電チラー、流体源、加熱器、熱電対、及びセンサなどを含むことができる。使用中に、熱制御システム２３８は、結晶マウント２３４と結晶マウント２３４上に位置決めされた光学結晶２３２との温度をモニタ及び制御するように構成することができる。従って、結晶マウント２３４は、高い熱伝導係数を有する材料を含むあらゆる様々な材料から製造することができる。任意的に、熱制御システム２３８は、対流によって結晶マウント２３４上に位置決めされた光学結晶２３２を冷却するように構成された１又は２以上のファン又は類似のデバイスを有することができ、それにより、多くのレーザで現在使用されている複雑な水ベースの伝導熱制御システムが不要になる。従って、結晶マウント２３４は、光学結晶２３２の対流冷却を支援するように構成されたフィン及びヒートシンクなどのような１又は２以上の特徴又は要素を含むことができる。更に、熱制御システム２３８は、光学結晶２３２をモニタして望ましい温度に維持するように構成された少なくとも１つの内部又は外部プロセッサと通信することができる。任意的に、レーザシステム２００は、熱制御システム２３８なしで作動させる場合がある。

再び図２を参照すると、光学結晶２３２は、ポンプ信号２０４によってポンピングされることに応答して少なくとも１つのキャビティ内信号２３６を発生させるように構成される。キャビティ内信号２３６は、レーザキャビティ２９０内に又はその近くに位置決めされた少なくとも１つのモードロッキングシステム２４０に向けることができる。一実施形態では、モードロッキングシステム２４０は、少なくとも１つのＫｅｒｒレンズモードロッキングシステム（以下、「ＫＬＭシステム」）を有する。別の実施形態では、モードロッキングシステム２４０は、自己始動型モードロッキングを可能にするように構成された少なくとも１つの可飽和吸収体、半導体可飽和吸収体ミラー（以下「ＳＥＳＡＭ」）、及び／又は混成型ＫＬＭ／ＳＥＳＡＭシステムを有する。別の実施形態では、モードロッキングシステム２４０は、意図的位相不整合式高調波発生が自己始動型モードロッキングを提供する非線形光学結晶を有する。当業者は、レーザシステム２００と共にあらゆる様々な代替モードロッキングシステム及びデバイスを使用することができることを認めるであろう。

図２に示すように、少なくとも１つのキャビティ内光学構成要素２５０は、レーザキャビティ２９０内に位置決めすることができる。図示の実施形態では、２つのキャビティ内光学構成要素２５０がレーザキャビティ２９０内に位置決めされているが、いずれの数のデバイスもレーザキャビティ２９０内の様々な場所に使用することができることを当業者は認めるであろう。一実施形態では、キャビティ内光学構成要素２５０は、空間フィルタを含む。別の実施形態では、キャビティ内光学構成要素２５０は、偏光子を含む。例えば、レーザシステム２００は、直線偏光状態で作動させることができ、その場合に、キャビティ内光学構成要素２５０は、キャビティ内偏光選択要素を含む。従って、レーザシステム２００は、共線構成での２つの直交する直線偏光状態で同時に作動させることができる。更に、２つの偏光状態は、同じキャビティ容積を占有しながら僅かに異なる繰返し速度で作動し、出力信号２８０上の共通モードノイズのレベルを低減することができる。

任意的に、レンズ、ビームスプリッタ、ミラー、光学フィルタ、開口、絞り、虹彩、センサ、プリズム、分散補償デバイス又はシステム、群遅延分散デバイス及びシステム、Ｇｉｒｅｓ－Ｔｏｕｒｎｏｉｓ干渉計ミラー、変調器、光学平面、及びブリュースター窓などを含むがこれらに限定されないあらゆる様々な光学構成要素をキャビティ内光学構成要素２５０として使用することができる。別の実施形態では、キャビティ内光学構成要素２５０は、少なくとも１つの高調波発生デバイス又は結晶を含む。例えば、キャビティ内光学構成要素２５０は、ポンプ信号２０４及び／又はキャビティ内信号２３６のうちの少なくとも一方でポンピングされた時に少なくとも１つの第２高調波信号、第３高調波信号、又は第４高調波信号などを生成するように構成された少なくとも１つの高調波発生デバイスを含むことができる。

再び図２を参照すると、レーザシステム２００は、少なくとも１つの出力カプラ２６０を含み、それは高反射器２２０と併せてレーザキャビティ２９０を定める。一実施形態では、出力カプラ２６０は、キャビティ内信号２３６の約５パーセント～約５０パーセントを透過し、それによってキャビティ内信号２３６の少なくとも一部分がレーザキャビティ２９０から出て、それによって約１０００ｎｍから約１７００ｎｍの波長を有する出力信号２８０を生成するように構成される。例えば、一実施形態では、出力信号２８０は、約１０００ｎｍから１１００ｎｍの波長を有する。別の実施形態では、出力カプラ２６０は、キャビティ内信号２３６の約５パーセント（５％）を超えて約５０パーセント（５０％）未満を透過するように構成される。更に、本明細書に説明する独特なバルクＹｂ：ＣａＦ₂レーザシステム２００（及び以下に説明して図３及び４に示すレーザシステム）は、平均出力電力が約２０Ｗよりも高いほぼ変換限界のサブ３００ｆｓパルスを約５０ＭＨｚよりも高い繰返し速度で送出するように構成することができる。例えば、一実施形態では、本明細書に説明するバルクＹｂ：ＣａＦ₂レーザシステムは、平均出力電力が約２５Ｗよりも高いほぼ変換限界のサブ２００ｆｓパルスを約７０ＭＨｚよりも高い繰返し速度で送出するように構成することができる。任意的に、出力信号２８０の入力ピーク電力が制限される用途、例えば、自己集束が１ＭＷ未満のピーク電力でファイバの損傷をもたらすファイバ内の連続体発生が存在する。そのような用途では、パルスエネルギとパルス持続時間の両方（従って、ピーク電力）を一定に保ちながら、レーザシステム２００の繰返し速度を上げることによってレーザシステム２００の平均電力を上げることができる。従って、１００ｆｓの持続時間を有する１００ｎＪのパルスの場合に、１００ＭＨｚの繰返し速度は平均電力１０Ｗのレーザをもたらすのに対して、２００ＭＨｚの繰返し速度は２０Ｗの平均電力を生成することになり、共に１ＭＷのピーク電力を有する。このように繰返し速度の高いレーザほど平均電力の高い連続体源を生成し、物理的に短く、従ってより小型である。

別の実施形態では、本明細書に説明するバルクＹｂ：ＣａＦ₂レーザシステムは、平均出力電力が約３０Ｗよりも高いほぼ変換限界のサブ１５０ｆｓパルスを約８０ＭＨｚよりも高い繰返し速度で送出するように構成することができる。別の実施形態では、本明細書に開示する様々なレーザシステムは、２００ｆｓ又はそれ未満のパルス幅と少なくとも３００ＭＨｚの繰返し速度とを有する少なくとも２０Ｗの少なくとも１つの出力信号を出力するように構成することができる。任意的に、本明細書に開示する様々なレーザシステムは、２００ｆｓ又はそれ未満のパルス幅と少なくとも４００ＭＨｚの繰返し速度とを有する少なくとも２０Ｗの少なくとも１つの出力信号を出力するように構成することができる。更に、図２に示すように、キャビティ内光学構成要素２５０は、ポンプ信号２０４の少なくとも一部分を反射して光学結晶２３２に戻すように構成されたミラーとすることができる。任意的に、出力カプラ２６０は、それに付与されたあらゆる追加又は代替光学コーティングを含むことができる。例示的追加コーティングは、偏光コーティング、帯域通過フィルタコーティング、ノッチフィルタコーティング、及び波長選択コーティングなどを含むことができるがこれらに限定されない。

図３は、高出力イッテルビウムドープフッ化カルシウムモードロックレーザシステム（以下、「レーザシステム」）の別の実施形態の概略図を示している。前の実施形態と同様に、レーザシステム３００は、少なくとも１つのポンプ信号３０４を出力するように構成された単一ダイオードベースのポンプ源３０２を含む。前の実施形態と同様に、このレーザシステムは、単一ダイオードベースのポンプ源３０２に結合されるか又は他にそれと光学連通する少なくとも１つの光ファイバデバイス３０６を含む。ポンプ信号３０４は、約８５０ｎｍから約９９５ｎｍの波長を有することができる。例えば、一実施形態では、ポンプ信号３０４は、約９７９ｎｍの波長を有する。別の実施形態では、ポンプ信号３０４は、約９４０ｎｍの波長を有する。別の実施形態では、ポンプ信号３０４は、約９７６ｎｍの波長を有する。更に別の実施形態では、ポンプ信号３０４は、約９１７ｎｍの波長を有する。別の実施形態では、ポンプ信号３０４は、そこに複数の波長を含むことができる。更に、単一ダイオードベースのポンプ源３０２は、連続波ポンプ信号３０４を出力するように構成することができる。別の実施形態では、単一ダイオードベースのポンプ源３０２は、少なくとも１つのパルスポンプ信号３０４を出力するように構成することができる。

再び図３を参照すると、単一ダイオードベースのポンプ源３０２に結合された光ファイバデバイス３０６によって出力されたポンプ信号３０４は、上述のように少なくとも１つの光学システム３１０に向けることができる。例えば、光学システム３１０は、少なくとも１つのテレスコープ及びコリメータなどを有することができる。図示の実施形態では、光学システム３１０は、ポンプ信号３０４を受信し、第１のポンプビーム３０８ａと少なくとも第２のポンプビーム３０８ｂとを形成するように構成されたビームスプリッタを含む。任意的に、光学システム３１０は、第１及び第２のポンプビーム３０８ａ、３０８ｂのうちの少なくとも一方をあらゆる望ましい場所でレーザキャビティ３９０に挿入することを可能にする様々な光ファイバデバイス、導波路、レンズ、及びミラーなどを含むことができる。

図３に示すように、レーザキャビティ３９０は、高反射器３２０及び出力カプラ３６０によって定めることができる。当業者は、レーザキャビティ３９０を線形構成、折り返しキャビティ、Ｚ－キャビティ、及びリングキャビティなどを含むがこれらに限定されないあらゆる様々な構成で形成することができることを認めるであろう。従って、あらゆる数の平面又は曲面の折り返しミラー、反射器、及び光学マウントなどを使用してあらゆる望ましいキャビティアーキテクチャを形成することができる。図示のように、高反射器３２０は、第１のポンプビーム３０８ａの少なくとも一部分がそこを通って横断することができるように構成される。従って、先の実施形態と同様に、高反射器３２０は、それに付与された１又は２以上の光学コーティングを含むことができる。第１のポンプビーム３０８ａは、高反射器３２０を通って横断することができ、レーザキャビティ３９０内に位置決めされた少なくとも１つの光学結晶３３０及び／又は光学結晶３３２に入射することができる。図示の実施形態では、高反射器３２０は、キャビティ内信号３３６（すなわち、約１０００ｎｍから約１７００ｎｍの波長を有する光）の実質的に全て（すなわち、約９９．９％を超える）を反射する一方、実質的に全ての第１ポンプビーム３０８ａ（すなわち、約８５０ｎｍから約９９５ｎｍの波長を有する光）を透過させるように構成された少なくとも１つの光学コーティングを含む。図示の実施形態では、高反射器３２０は、少なくとも１つの平面本体を有する。別の実施形態では、高反射器３２０は、湾曲又は弓形本体を有する。更に、高反射器３２０は、少なくとも１つの光学ステージ又はマウントに結合させることができる。任意的に、高反射器３２０を支持する光学ステージは、調節可能ミラーマウントを有することができる。これに代えて、高反射器３２０を支持する光学ステージは、調節不能ミラーマウントを有することができる。

第１のポンプビーム３０８ａと同様に、第２のポンプビーム３０８ｂは、レーザキャビティ３９０に向けられ、レーザキャビティ３９０内に位置決めされた光学結晶システム３３０に入射させることができる。図示の実施形態では、第２のポンプビーム３０８ｂは、出力カプラ３６０を通して誘導される。任意的に、第２のポンプビーム３０８ｂは、１又は２以上の光ファイバ、導波路、ミラー、及び自由空間伝播システムなどを使用して出力カプラ３６０を通してそこに向けることができる。例えば、１又は２以上の光ファイバ導管は、光学システム３１０から第２のポンプビーム３０８ｂを受信し、その第２のポンプビーム３０８ｂを出力カプラ３６０を通じてレーザキャビティ３９０に向けるように構成することができる。別の実施形態では、１又は２以上のミラーは、光学システム３１０から第２のポンプビーム３０８ｂを受信し、その第２のポンプビーム３０８ｂの少なくとも一部分をレーザキャビティ３９０内に向けるように構成することができる。

再び図３を参照すると、少なくとも１つの光学結晶システム３３０は、レーザキャビティ３９０内に位置決めされ、そこに第１のポンプビーム３０８ａ及び／又は第２のポンプビーム３０８ｂの少なくとも一部分を受信するように構成することができる。先の実施形態と同様に、光学結晶システム３３０は、少なくとも１つの結晶マウント３３４上に位置決めされた少なくとも１つの光学結晶３３２を有する。任意的に、光学結晶は、少なくとも１つのバルク光学材料を有することができる。例示的バルク光学材料は、イッテルビウムドープフッ化カルシウム「Ｙｂ：ＣａＦ₂」単結晶材料、Ｙｂ：ＣａＦ₂セラミック材料、Ｙｂ：ＣＡＬＧＯ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｙｂ：ガラス、Ｙｂ：ＬｕＯ、ＹＣＯＢ、Ｙｂ：ＬｕＳｃＯ、及び他のＹｂドープ利得媒体などを含むがこれらに限定されない。任意的に、本明細書に説明するＹｂ：ＣａＦ₂材料は、当業技術で公知の１又は２以上の追加ドーパントを含むことができる。例えば、一実施形態では、本明細書に説明するＹｂ：ＣａＦ₂材料は、約８８０ｎｍから約１１００ｎｍにわたる吸収スペクトルを有することができる。更に、Ｙｂ：ＣａＦ₂材料は、第１及び第２のポンプビーム３０８ａ、３０８ｂのうちの少なくとも一方によってポンピングされることに応答して約１０００ｎｍから約１７００ｎｍ又はそれを超える波長を有する少なくとも１つのキャビティ内信号３３６を生成するように構成することができる。任意的に、複数の光学結晶３３２をレーザキャビティ３９０内に位置決めすることができる。

図３に示すように、光学結晶３３２は、レーザキャビティ３９０内に光学結晶３３２を確実かつ正確に位置決めするように構成された少なくとも１つの結晶マウント３３４上に位置決めすることができる。一実施形態では、光学結晶システム３３０は、上述の熱制御システム（上述の段落［０００８］、図２を参照）と類似の１又は２以上の熱制御システム（図示せず）に連通することができる。例えば、存在する場合に、熱制御システムは、１又は２以上の熱電クーラー、チラー、流体源、加熱器、熱電対、及びセンサなどを含むことができる。コスト及び簡単さのために、多くの場合に光学結晶３３２の水冷を排除し、それによってチラーのようなそのような熱制御システムに使用される部品を排除することが望ましい。図示の実施形態では、光学結晶システム３３０は空冷結晶マウントシステム３３４を含む。当業者は、本出願に説明する様々なレーザシステムが高温でも平均電力の実質的な劣化なしに公知の損傷閾値を超えて良好に作動可能であることを認めるであろう。更に、キャビティモード（キャビティ内信号３３６のレーザモード）は、他の活性光学材料で生成される強い熱レンズと比べて使用中にＹｂ：ＣａＦ₂光学結晶内に生成される弱い熱レンズに起因して温度に対して相対的に鈍感である。従って、本出願に開示するレーザシステムは、性能を実質的に低減することなく３０℃又はそれよりも高い温度で作動させることができる。従って、結晶マウント３３４は、その結晶マウント３３４の対流冷却、及び従って光学結晶３３２の冷却を強化するように構成された１又は２以上の特徴部、フィン、及び要素などを含むことができる。

再び図３を参照すると、光学結晶３３２は、第１及び第２のポンプビーム３０８ａ、３０８ｂによってポンピングされることに応答して少なくとも１つのキャビティ内信号３３６を生成するように構成される。キャビティ内信号２３６は、レーザキャビティ３９０内に又はその近くに位置決めされた少なくとも１つのモードロッキングシステム３４０に向けることができる。キャビティ内光学構成要素３５０は、空間フィルタを含むことができる。別の実施形態では、キャビティ内光学構成要素３５０は、偏光子を含む。任意的に、レンズ、ビームスプリッタ、ミラー、光学フィルタ、開口、絞り、虹彩、センサ、プリズム、分散補償デバイス又はシステム、群遅延分散デバイス及びシステム、Ｇｉｒｅｓ－Ｔｏｕｒｎｏｉｓ干渉計ミラー、変調器、光学平面、及びブリュースター窓などを含むがこれらに限定されないあらゆる様々な光学構成要素をキャビティ内光学構成要素３５０として使用することができる。別の実施形態では、キャビティ内光学構成要素３５０は、少なくとも１つの高調波発生デバイス又は結晶を含む。例えば、キャビティ内光学構成要素３５０は、第１のポンプビーム３０８ａ、第２のポンプビーム３０８ｂ、及び／又はキャビティ内信号３３６のうちの少なくとも１つでポンピングされた時に少なくとも１つの第２高調波信号、第３高調波信号、及び第４高調波信号などを生成するように構成された少なくとも１つの高調波発生デバイスを含むことができる。任意的に、レーザシステムは、キャビティダンプされてパルスエネルギを増大させることができる。

再び図３を参照すると、レーザシステム３００は、少なくとも１つの出力カプラ３６０を含み、それは、上述のように高反射器３２０と併せてレーザキャビティ３９０を定める。一実施形態では、出力カプラ３６０は、キャビティ内信号３３６の約５パーセント～約５０パーセントを反射し、それによってキャビティ内信号３３６の少なくとも一部分がレーザキャビティ３９０から出ることにより、約１０００ｎｍから約１７００ｎｍの波長を有する出力信号３８０を生成するように構成される。例えば、一実施形態では、出力信号３８０は、約１０００ｎｍから１１００ｎｍの波長を有する。任意的に、出力カプラ３６０は、それに付与されたあらゆる追加又は代替光学コーティングを含むことができる。例示的追加コーティングは、偏光コーティング、帯域通過フィルタコーティング、ノッチフィルタコーティング、及び波長選択コーティングなどを含むことができるがこれらに限定されない。

図３に示すように、少なくとも１つの光学システム又はデバイス３９２は、レーザキャビティ３９０と結合されるか又はそれと光学連通するように位置決めされ、出力信号３８０を受信して使用前にその出力信号３８０を誘導する、修正する、測定する、又は他に調整するように構成することができる。例えば、一実施形態では、外部光学システム３９２は、少なくとも１つの修正出力信号３９４を出力するように構成される。任意的に、外部光学システム３９２は、出力信号３８０による照射に応答して１又は２以上の高調波光信号を出力するように構成された少なくとも１つの高調波発生システムを有する。例えば、外部光学システム３９２は、そこに少なくとも１つの第２高調波発生デバイスを含むことができる。別の実施形態では、外部光学システム３９２は、そこに少なくとも１つの第３高調波発生デバイスを含むことができる。別の実施形態では、外部光学システム３９２は、そこに少なくとも１つの周波数倍加デバイスと少なくとも１つの光パラメトリック発振器とを有する。更に、外部光学システム３９２は、１又は２以上の増幅器を有することができる。別の実施形態では、外部光学システム３９２は、出力信号３８０によって直接ポンピングされるように構成することができる赤外線光パラメトリック発振器を有する。従って、外部光パラメトリック発振器３９２は、ＰＰＬＮ、ＰＰＬＴ、ＰＰＫＴＰ、ＫＴＰ、ＢＢＯ、及びＬＢＯなどのような１又は２以上の非線形材料を含むことができる。任意的に、赤外線光パラメトリック発振器は、キャビティダンプされてパルスエネルギを増大させる及び／又はキャビティ内周波数を倍加して同調範囲を拡大することができる。赤外線光パラメトリック発振器の同調範囲は、信号とＯＰＯからのアイドラーとを使用する差周波数混合によって中赤外線へ、又は信号とポンプ又はアイドラーとポンプを使用する和周波数混合によって可視へ更に拡大することができる。当業者は、本明細書に説明するレーザシステムのいずれもが上述の１又は２以上の外部光学システムを含むことができることを認めるであろう。

図４は、高出力Ｙｂ：ＣａＦ₂モードロックレーザシステムの別の実施形態の概略図を示している。図示のように、レーザシステム４００は、第１のポンプ源４０２ａと少なくとも第２のポンプ源４０２ｂとを含む。先の実施形態と同様に、第１のポンプ光源４０２ａ及び第２のポンプ光源４０２ｂは、ダイオードベースのポンプデバイスを有することができるが、当業者は、本出願に説明するレーザシステムと共にあらゆる様々なポンプ光源を使用することができることを認めるであろう。更に、第１のポンプ源４０２ａは、第１の光ファイバデバイス４０６ａに結合することができる。同様に、第２のポンプ源４０２ｂは、第２の光ファイバデバイス４０６ｂに結合することができる。第１のポンプ源４０２ａは、少なくとも１つのポンプ信号４０４ａを生成するように構成されるのに対して、第２のポンプ源４０２ｂは、少なくとも第２のポンプ信号４０４ｂを生成するように構成される。一実施形態では、第１及び第２のポンプ信号４０４ａ、４０４ｂのうちの少なくとも一方は、約８５０ｎｍから約９９５ｎｍの波長を有する。例えば、一実施形態では、第１及び第２のポンプ信号４０４ａ、４０４ｂのうちの少なくとも一方は、約９７９ｎｍの波長を有する。別の実施形態では、第１及び第２のポンプ信号４０４ａ、４０４ｂのうちの少なくとも一方は、約９７６ｎｍの波長を有する。別の実施形態では、第１及び第２のポンプ信号４０４ａ、４０４ｂのうちの少なくとも一方は、約９４０ｎｍの波長を有する。更に別の実施形態では、第１及び第２のポンプ信号４０４ａ、４０４ｂのうちの少なくとも一方は、約９１７ｎｍの波長を有する。任意的に、第１及び第２のポンプ信号４０４ａ、４０４ｂは、同じか又は異なる波長、偏光、繰返し速度、及び電力などを有することができる。更に、第１及び第２のポンプ源４０２ａ、４０２ｂのうちの少なくとも一方は、連続波ポンプ信号を出力するように構成することができる。別の実施形態では、第１及び第２のポンプ源４０２ａ、４０２ｂのうちの少なくとも一方は、少なくとも１つのパルスポンプ信号を出力するように構成することができる。

再び図４を参照すると、第１及び第２のポンプ信号４０４ａ、４０４ｂは、少なくとも１つの光学システム４１０に向けることができる。当業者は、光学システム４１０ではあらゆる数又はタイプの光学要素又はデバイスを使用することができることを認めるであろう。例えば、図４に示すように、光学システム４２０の少なくとも１つは、第２のポンプ信号４０４ｂの実質的に全てを透過させる一方、出力信号４８０の実質的に全てを反射するように構成されたビーム誘導器を有する。光学システム４１０に使用するための例示的な他の任意的な光学要素は、レンズ、格子、フィルタ、ビームスプリッタ、センサ、開口、シャッター、変調器、減衰器、ホモジナイザー、及び偏光子などを含むがこれらに限定されない。

図４に示すように、第１のポンプ信号４０４ａは、少なくとも１つの高反射器４２０を通って横断することができ、レーザキャビティ４９０内に位置決めされた少なくとも１つの光学結晶システム４３０に入射することができる。同様に、第２のポンプ信号４０４ｂは、少なくとも１つの出力カプラ４６０を通って横断することができ、レーザキャビティ４９０内に位置決めされた光学結晶システム４３０に入射することができる。先の実施形態と同様に、高反射器４２０及び出力カプラ４６０は、それに付与された上述の１又は２以上のコーティングを含むことができる。更に、高反射器４２０及び／又は出力カプラ４６０は、平面本体又は湾曲本体を有することができる。

再び図４を参照すると、少なくとも１つの光学結晶システム４３０は、レーザキャビティ４９０内に位置決めされ、そこに第１及び／又は第２のポンプ信号４０４ａ、４０４ｂの少なくとも一部分を受信するように構成することができる。一実施形態では、光学結晶システム４３０は、少なくとも１つの結晶マウント４３４上に位置決めされた少なくとも１つの光学結晶４３２を有する。一実施形態では、光学結晶４３２は、少なくとも１つのバルク光学材料を有する。例示的バルク光学材料は、Ｙｂ：ＣａＦ₂単結晶材料、Ｙｂ：ＣａＦ₂セラミック材料、Ｙｂ：ＣＡＬＧＯ、及び他のＹｂドープ利得媒体などを含むがこれらに限定されない。任意的に、本明細書に説明するＹｂ：ＣａＦ₂材料は、当業技術で公知の１又は２以上の追加ドーパントを含むことができる。例えば、一実施形態では、本明細書に説明するＹｂ：ＣａＦ₂材料は、約８８０ｎｍから約１１００ｎｍにわたる吸収スペクトルを有することができる。更に、Ｙｂ：ＣａＦ₂材料は、第１及び第２のポンプ信号４０４ａ、４０４ｂによってポンピングされることに応答して約１０００ｎｍから約１７００ｎｍ又はそれを超える波長を有する少なくとも１つのキャビティ内信号４３６を生成するように構成することができる。任意的に、複数の光学結晶４３２は、レーザキャビティ４９０内に位置決めすることができる。任意的に、光学結晶４３２を支持する結晶マウント４３４は、空冷式及び流体冷却式などであるように構成することができる。従って、結晶マウント４３４は、少なくとも１つのファン、チラー、熱電クーラー、及びセンサなどと連通することができる。

再び図４を参照すると、光学結晶４３２は、第１及び第２のポンプ信号４０４ａ、４０４ｂによってポンピングされることに応答して少なくとも１つのキャビティ内信号４３６を生成するように構成される。キャビティ内信号４３６は、レーザキャビティ４９０内に又はその近くに位置決めされた少なくとも１つのモードロッキングシステム４４０に向けることができる。一実施形態では、モードロッキングシステム４４０は、少なくとも１つのＫｅｒｒレンズモードロッキングシステム（以下、「ＫＬＭシステム」）を有する。別の実施形態では、モードロッキングシステム４４０は、自己始動型モードロッキングを可能にするように構成された少なくとも１つの可飽和吸収体、半導体可飽和吸収体ミラー（以下「ＳＥＳＡＭ」）、及び／又は混成型ＫＬＭ／ＳＥＳＡＭシステムを有する。別の実施形態では、モードロッキングシステム２４０は、意図的位相不整合高調波発生（例えば、第２高調波発生、第３高調波発生など）が自己始動型モードロッキングを提供する非線形光学結晶を有する。当業者は、レーザシステム４００と共にあらゆる様々な代替モードロッキングシステム及びデバイスを使用することができることを認めるであろう。

図４に示すように、少なくとも１つのキャビティ内光学構成要素４５０は、レーザキャビティ４９０内に位置決めすることができる。一実施形態では、キャビティ内光学構成要素４５０は空間フィルタを含む。別の実施形態では、キャビティ内光学構成要素４５０は偏光子を含む。任意的に、レンズ、ビームスプリッタ、ミラー、光学フィルタ、開口、絞り、虹彩、センサ、プリズム、分散補償デバイス又はシステム、群遅延分散デバイス及びシステム、Ｇｉｒｅｓ－Ｔｏｕｒｎｏｉｓ干渉計ミラー、変調器、光学平面、及びブリュースター窓などを含むがこれらに限定されないあらゆる様々な光学構成要素をキャビティ内光学構成要素４５０として使用することができる。別の実施形態では、キャビティ内光学構成要素４５０は、少なくとも１つの高調波発生デバイス又は結晶を含む。

再び図４を参照すると、レーザシステム４００は、少なくとも１つの出力カプラ４６０を含み、それは高反射器４２０と併せてレーザキャビティ４９０を定める。一実施形態では、出力カプラ４６０は、約１０００ｎｍから約１７００ｎｍの波長を有する出力信号４８０を出力するように構成される。例えば、一実施形態では、出力信号４８０は、約１０００ｎｍから１１００ｎｍの波長を有する。任意的に、出力カプラ４６０は、それに付与されたあらゆる追加又は代替光学コーティングを含むことができる。例示的追加コーティングは、偏光コーティング、帯域通過フィルタコーティング、ノッチフィルタコーティング、及び波長選択コーティングなどを含むことができるがこれらに限定されない。

図５は、本明細書に説明する新規のバルクＹｂ：ＣａＦ₂レーザシステムの性能を多光子顕微鏡用途、光遺伝学、微小機械加工、及び類似の用途で一般的に使用される従来技術のレーザシステムの性能と比較した表を示している。図示のように、本明細書に説明する新規のバルクＹｂ：ＣａＦ₂レーザシステムは、約２０Ｗよりも高い平均電力を有する出力信号２８０を約６０ＭＨｚよりも高い繰返し速度及びサブ２００ｆｓパルス幅で提供することができる。任意的に、本明細書に説明する新規のバルクＹｂ：ＣａＦ₂レーザシステムは、約２５Ｗよりも高い平均電力を有する出力信号を約６０ＭＨｚよりも高い繰返し速度及びサブ２００ｆｓパルス幅で提供することができる。別の実施形態では、本明細書に説明する新規のバルクＹｂ：ＣａＦ₂レーザシステムは、約３０Ｗよりも高い平均電力を有する出力信号２８０を約６０ＭＨｚよりも高い繰返し速度及びサブ２００ｆｓパルス幅で提供することができる。正確には、競合する従来技術のレーザシステムの大部分は、複雑な薄型ディスクレーザシステムを含み、それは定義上バルクレーザシステムではない。更に、これらのディスクレーザシステムは、約５０ＭＨｚよりも高い繰返し速度及びサブ２００ｆｓパルス幅で高電力出力信号を供給することができない。対照的に、図５に示すように、従来技術のバルクレーザシステムは、本明細書に説明する新規のバルクＹｂ：ＣａＦ₂レーザシステムと比較して同等の繰返し速度及びパルス幅を提供することができる。しかし、残念なことに、従来技術のバルクレーザシステムは、２０Ｗ又はそれよりも高い出力電力を供給することができない。

図６は、本明細書に開示するＹｂ：ＣａＦ₂モードロックレーザシステムの実施形態によって達成される性能の改善をグラフに示している。より具体的には、図６は、本明細書に説明するレーザキャビティの出力カプラから連続波モードロック信号が出力される範囲をポンプ源からのポンプ電力に対する出力電力の関数としてグラフに示している。上述のように、本明細書に説明するレーザシステムのキャビティは、あらゆる様々な光学結晶と共に使用することができるが、これらのキャビティは、そこにイッテルビウムドープの光学結晶を組み込むのに特に適している。全てのモードロック発振器は、安定した単一超高速パルス列をその範囲にわたって生成する作動範囲が限られている。図１に示す挙動は、半導体可飽和吸収体ミラーを使用してモードロックされた発振器を表すが、他のモードロッキング技術も類似の結果を生じる。低ポンプ電力では、発振器は、最初に閾値に達し、次に全くパルスのないｃｗ出力を生成する。より高いポンプ電力では、更に高いポンプ電力で望ましいｃｗモードロック（ＣＷ－ＭＬ）性能が達成されるまでｑスイッチモードロック（Ｑ－ＭＬ）作動の領域が観察される。このｃｗモードロック作動の領域は制限され、より高いポンプ電力では不安定なレジームが常に生じることになる。これらの不安定性は、多重パルシング、スペクトル不安定性、空間的不安定性、及び／又は時間的不安定性を含む場合がある。図６に示すように、本発明のレーザキャビティ内に位置決めされたＹｂ：ＣａＦ₂結晶のＣＷ－ＭＬ作動レジームは、図１に示す従来技術のレーザシステムのＣＷ－ＭＬ作動レジームよりもかなり大きい。その結果、従来技術のシステムよりも高電力で安定したキャビティ内信号２３６（図２参照）がＹｂ：ＣａＦ₂レーザによって出力され、それにより、より高い出力信号２８０を発生させることができる。この広いｃｗモードロック範囲は、弱い熱レンズ効果、最適なキャビティ設計、及び最適な可飽和吸収体設計の結果であり、レーザシステムのロバスト性及び製造可能性の改善をもたらす。不安定レジームで作動するリスクなしに出力電力を一定に保つために、ポンプ電力を修正する光ループを使用してレーザを作動させることができる。

本明細書に開示する実施形態は、本発明の原理を例示するものである。本発明の範囲に入る他の修正を使用することもできる。従って、本出願に開示するデバイスは、本明細書に図示して説明する通りのものに限定されない。

ＣＷ－ＭＬ ｃｗモードロック
Ｑ－ＭＬ ｑスイッチモードロック
Ｗ ワット

Claims (23)

1. 少なくとも１つのポンプ信号を出力するように構成された少なくとも１つのポンプ源と、
   少なくとも１つの高反射器と少なくとも１つの出力カプラとによって形成された少なくとも１つのレーザキャビティと、
   前記少なくとも１つのレーザキャビティ内に位置決めされた少なくとも１つのイッテルビウムドープフッ化カルシウム光学結晶であって、前記少なくとも１つのポンプ信号と通信してそれによってポンピングされ、かつ２０Ｗ又はそれよりも高い出力電力と２００ｆｓ又はそれ未満のパルス幅とを有する少なくとも１つの出力信号を出力するように構成された前記少なくとも１つのイッテルビウムドープフッ化カルシウム光学結晶と、
   を含むことを特徴とする高出力イッテルビウムドープフッ化カルシウムレーザシステム。
2. 前記少なくとも１つのポンプ信号は、連続波ポンプ信号を含むことを特徴とする請求項１に記載の高出力イッテルビウムドープフッ化カルシウムレーザシステム。
3. 前記少なくとも１つの出力信号は、連続波モードロック信号を含むことを特徴とする請求項１に記載の高出力イッテルビウムドープフッ化カルシウムレーザシステム。
4. 前記少なくとも１つのポンプ源は、単一光ファイバデバイスに結合された単一ダイオードパッケージ内に位置付けられた複数のレーザダイオードエミッタを含み、各エミッタが、光信号を該単一光ファイバデバイス内に出力するように構成され、該単一光ファイバデバイスは、該複数のレーザダイオードエミッタから該光信号を受信して前記少なくとも１つのポンプ信号を出力するように構成され、前記少なくとも１つのポンプ信号は単一ポンプ信号であることを特徴とする請求項１に記載の高出力イッテルビウムドープフッ化カルシウムレーザシステム。
5. 前記少なくとも１つのレーザキャビティ内に位置決めされた少なくとも１つの結晶マウントを更に含み、
   前記少なくとも１つの結晶マウントは、前記少なくとも１つのイッテルビウムドープフッ化カルシウム光学結晶を前記少なくとも１つのレーザキャビティ内で支持して位置決めするように構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の高出力イッテルビウムドープフッ化カルシウムレーザシステム。
6. 前記少なくとも１つの結晶マウントは、該少なくとも１つの結晶マウント上に位置決めされた前記少なくとも１つのイッテルビウムドープフッ化カルシウム光学結晶の対流冷却を強化するように構成された少なくとも１つの熱制御特徴を含むことを特徴とする請求項５に記載の高出力イッテルビウムドープフッ化カルシウムレーザシステム。
7. 前記少なくとも１つのイッテルビウムドープフッ化カルシウム光学結晶の冷却を支援するように構成された少なくとも１つの熱制御システムを更に含むことを特徴とする請求項６に記載の高出力イッテルビウムドープフッ化カルシウムレーザシステム。
8. 前記少なくとも１つの熱制御システムは、空冷システムを含むことを特徴とする請求項７に記載の高出力イッテルビウムドープフッ化カルシウムレーザシステム。
9. 前記少なくとも１つのレーザキャビティ内に位置付けられた結晶マウント上に位置決めされたイッテルビウムドープフッ化カルシウム光学結晶を更に含み、
   前記結晶マウントは、それに結合された熱制御システムを有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の高出力イッテルビウムドープフッ化カルシウムレーザシステム。
10. 前記少なくとも１つのイッテルビウムドープフッ化カルシウム光学結晶は、＜１１１＞カット結晶を含むことを特徴とする請求項１に記載の高出力イッテルビウムドープフッ化カルシウムレーザシステム。
11. 前記少なくとも１つの出力信号は、前記出力電力のダイナミックレンジの上側領域の少なくとも５０パーセント（５０％）にわたる連続モードロッキング範囲を有することを特徴とする請求項１に記載の高出力イッテルビウムドープフッ化カルシウムレーザシステム。
12. 少なくとも１つのポンプ源と、
    少なくとも１つの高反射器と少なくとも１つの出力カプラとで形成された少なくとも１つのレーザキャビティと、
    前記少なくとも１つのレーザキャビティ内に位置決めされて前記少なくとも１つのポンプ源と連通する少なくとも１つのイッテルビウムドープフッ化カルシウム光学結晶であって、前記少なくとも１つの出力カプラから出力されるように構成された２０Ｗ又はそれよりも高いかつ２００ｆｓ又はそれ未満の少なくとも１つの出力信号を出力するように構成された前記少なくとも１つのイッテルビウムドープフッ化カルシウム光学結晶と、
    を含むことを特徴とする高出力バルクレーザシステム。
13. 前記少なくとも１つのポンプ源から出力された少なくとも１つのポンプ信号が、連続波ポンプ信号を含むことを特徴とする請求項１２に記載の高出力バルクレーザシステム。
14. 前記少なくとも１つの出力信号は、連続波モードロック信号を含むことを特徴とする請求項１２に記載の高出力バルクレーザシステム。
15. 前記少なくとも１つのポンプ源は、単一ダイオードベースのポンプ源と光学連通して結合された少なくとも１つの光ファイバデバイスを含むことを特徴とする請求項１２に記載の高出力バルクレーザシステム。
16. 前記少なくとも１つのポンプ源は、単一光ファイバデバイスに結合された単一ダイオードパッケージ内に位置付けられた複数のレーザダイオードエミッタを含み、各エミッタが、少なくとも１つの光信号を該単一光ファイバデバイス内に出力するように構成され、該単一光ファイバデバイスは、該複数のレーザダイオードエミッタから該少なくとも１つの光信号を受信して単一ポンプ信号を出力するように構成されることを特徴とする請求項１２に記載の高出力バルクレーザシステム。
17. 少なくとも１つの高出力バルクレーザシステムが、空冷式レーザシステムを含むことを特徴とする請求項１２に記載の高出力バルクレーザシステム。
18. 前記少なくとも１つのイッテルビウムドープフッ化カルシウム光学結晶の冷却を支援するように構成された少なくとも１つの熱制御システムを更に含むことを特徴とする請求項１２記載の高出力バルクレーザシステム。
19. 前記少なくとも１つの出力信号は、出力電力のダイナミックレンジの上側領域の少なくとも５０パーセント（５０％）にわたる連続モードロッキング範囲を有することを特徴とする請求項１２に記載の高出力バルクレーザシステム。
20. 多光子顕微鏡システムに使用するための高出力イッテルビウムドープフッ化カルシウムレーザシステムであって、
    少なくとも１つのポンプ信号を出力するように構成された少なくとも１つのポンプ源と、
    少なくとも１つの高反射器と少なくとも１つの出力カプラとによって形成された少なくとも１つのレーザキャビティと、
    少なくとも１つの光パラメトリック発振器内に位置決めされた少なくとも１つのイッテルビウムドープフッ化カルシウム光学結晶であって、前記少なくとも１つのポンプ信号と連通してそれによってポンピングされ、かつ２０Ｗ又はそれよりも高い出力電力と２００ｆｓ又はそれ未満のパルス幅とを有する少なくとも１つの出力信号を出力するように構成された前記少なくとも１つのイッテルビウムドープフッ化カルシウム光学結晶と、
    少なくとも１つのイッテルビウムドープフッ化カルシウムレーザと光学連通する少なくとも１つの高調波発生システムであって、光パラメトリック発振器出力信号を受信して少なくとも１つの高調波出力信号を出力するように構成された前記少なくとも１つの高調波発生システムと、
    前記少なくとも１つの高反射器と前記少なくとも１つの出力カプラとによって形成されて前記少なくとも１つのイッテルビウムドープフッ化カルシウムレーザと光学連通する前記少なくとも１つの光パラメトリック発振器と、
    前記光パラメトリック発振器の少なくとも１つと光学連通する少なくとも１つの多光子顕微鏡システムと、
    を含むことを特徴とする高出力イッテルビウムドープフッ化カルシウムレーザシステム。
21. 前記少なくとも１つのポンプ源は、単一光ファイバデバイスに結合された単一ダイオードパッケージ内に位置付けられた複数のレーザダイオードエミッタを含み、各エミッタが、少なくとも１つの光信号を該単一光ファイバデバイス内に出力するように構成され、該単一光ファイバデバイスは、該複数のレーザダイオードエミッタから該少なくとも１つの光信号を受信して前記少なくとも１つのポンプ信号を出力するように構成され、前記少なくとも１つのポンプ信号は単一ポンプ信号であることを特徴とする請求項２０に記載の高出力イッテルビウムドープフッ化カルシウムレーザシステム。
22. 前記少なくとも１つの高調波発生システムは、前記光パラメトリック発振器出力信号の照射に反応して第２高調波を出力するように構成されていることを特徴とする請求項２０に記載の高出力イッテルビウムドープフッ化カルシウムレーザシステム。
23. 前記少なくとも１つの高調波発生システムは、前記光パラメトリック発振器出力信号の照射に反応して第３高調波を出力するように構成されていることを特徴とする請求項２０に記載の高出力イッテルビウムドープフッ化カルシウムレーザシステム。

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