JP2005524997A

JP2005524997A - パルスレーザを供給する方法及びシステム

Info

Publication number: JP2005524997A
Application number: JP2004504355A
Authority: JP
Inventors: ハリーリージャー
Original assignee: ジマーリサーチインコーポレイテッド
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2003-05-08
Publication date: 2005-08-18
Also published as: US20030210717A1; AU2003228903A1; WO2003096493A3; EP1502333A4; AU2003228903A8; WO2003096493A2; EP1502333A2; US7006540B2; KR20050035518A

Abstract

【課題】パルスレーザを供給するためのシステム及び方法、並びにパルス当たりのエネルギを変えることなくパルスレーザのパルス持続時間を変化させるための特定の実施形態を提供する。
【解決手段】第１反射器、第２反射器、レイジングモジュール、及び高速光バルブを含むことができるパルスレーザを供給するためのシステム及び方法。第１反射器及び第２反射器は、光共振器を形成することができる。レイジングモジュールは、少なくとも部分的に、光共振器に配置することができる。高速光バルブは、少なくとも部分的に光共振器内に配置され、光共振器内でレイジングを阻止したり可能にしたりするような構造にすることができる。高速光バルブはまた、光共振器のほぼ往復時間であるパルス持続時間を有するレーザパルスを出力するような構造にすることができる。第１反射器又は第２反射器の少なくとも一部を移動する要素上に置くことにより、出力レーザパルスのパルス持続時間を容易に操作することができる。

Description

関連出願及び優先権の主張
本出願は、本明細書において引用により組み込まれる２００２年５月８日出願の米国特許出願一連番号第６０／３７８，８４７号に関連し、また、それからの優先権を主張する。
本出願は、パルスレーザを供給するためのシステム及び方法、並びに、パルス当たりのエネルギを変えることなくパルスレーザのパルス持続時間を変化させるための特定の実施形態を説明する。

従来のレーザシステムは、パルスレーザを供給することができる。しかし、パルス持続時間は、特定の設計によって決められ、残りのレーザパラメータから独立した変数ではない。すなわち、例えば、パルス持続時間を増大させるために、ポンプパワーは、一般的に低減される。残念ながら、ポンプパワーを低減すると、パルス当たりのエネルギも低減する。

必要とされることは、パルス当たりのエネルギを変えることなくパルスレーザのパルス持続時間を変化させるための便利な方法である。

米国特許出願一連番号第６０／３７８，８４７号

本出願は、パルスレーザを供給するためのシステム及び方法を説明する。一実施形態によれば、パルスレーザは、第１反射器、第２反射器、レイジングモジュール、及び高速光バルブを含むことができる。第１反射器及び第２反射器は、往復時間によって特徴付けすることができる光共振器を形成することができる。レイジングモジュールは、少なくとも部分的に、光共振器に配置することができる。高速光バルブは、少なくとも部分的に、光共振器内に配置することができ、光共振器内でレイジングを阻止したり可能にしたりするような構造にすることができる。高速光バルブはまた、光共振器のほぼ往復時間であるパルス持続時間を有するレーザパルスを出力するような構造にすることができる。

本パルスレーザシステムはまた、少なくとも第１反射器又は第２反射器の一部を装着することができる可動要素を提供することができる。この要素を移動させることにより、光共振器の寸法を変化させることができる。従って、往復時間が変更されるのみならず、出力されたレーザパルスのパルス持続時間もまた変えられる。

本パルスレーザシステムは、光共振器のレイジング活動で蓄えられたほぼ全てのエネルギが、パルス持続時間に依存せずにレーザパルスとして出力されるという点で利点を提供することができる。すなわち、パルス持続時間は、パルス当たりのエネルギに影響を与えることなく変化させることができる。

上記及び他の特徴及び利点は、全体を通して同じ参照符号が同じ部分を意味する添付図面と共に以下の詳細説明の精査を通じて認められるであろう。

以上は要約であり、従って、必然的に単純化、一般化、及び詳細の省略を含み、その結果、当業者は、この要約が単に例示的であり、いかなる意味においても限定を意味しないことを認めるであろう。同じく当業者には明らかなように、本明細書に開示された作動は、いくつかの方法で実施することができ、そのような変更及び修正は、本発明及びその広範な態様から逸脱することなく行うことができる。特許請求の範囲によってのみ規定される本発明の他の態様、発明の特徴、及び利点は、以下に説明する非限定的な詳細説明において明らかになるであろう。

添付図面を参照することにより、本発明の実施形態は更に良く理解され、その多くの目的、特徴、及び利点を当業者に明らかすることができる。

図面の全ては、ある特定の実施形態の図である。特許請求の範囲は、図に示されて以下に説明する特定の実施形態に限定されないものとする。

図１は、本発明の一態様によるパルスレーザシステム１００の実施例を示す。パルスレーザシステム１００は、第１反射器１１０、第２反射器１２０、レイジングモジュール１３０、及び高速光バルブ１４０を含む。第１反射器１１０及び第２反射器１２０は、光共振器１５０を形成する。高速光バルブ１４０及びレイジングモジュール１３０は、それぞれ少なくとも部分的に光共振器１５０内に配置される。レイジングモジュール１３０は、レーザ光を発するような構造にされる。高速光バルブ１４０は、光共振器内でレイジングを阻止する及び可能にするような構造にされる。高速光バルブ１４０はまた、光共振器のほぼ往復時間のパルス持続時間を有するレーザパルスを出力するような構造にされる。

光共振器１５０は、例えば、往復時間によって特徴付けすることができる。この往復時間は、光が光共振器１５０の中を通って往復するのに必要な時間として定義することができる。例えば、平面１７０を出発する光は、右に移動し、光バルブ１４０及びレイジングモジュール１３０を通過し、第２反射器１２０によって反射され、左に移動し、レイジングモジュール１３０、光バルブ１４０、及び平面１７０を通過し、第１反射器１１０によって反射され、右に移動して平面１７０へ戻ることにより、例えば、光軸１８０に沿って光共振器１５０を通って往復することができる。光が往復するのに必要なこの時間が往復時間である。

作動中は、高速光バルブ１４０は、レイジングが光共振器１５０内で阻止されるような第１モードである。レイジングモジュール１３０は、外部電源から第１期間に亘ってエネルギを受け取り、レイジング閾値よりも何倍も大きい場合があるそのエネルギを利得として蓄えるが、レイジングは、高速光バルブ１４０によって阻止されたままである。この第１期間は、利得が例えば定常状態レベル、飽和レベル、又は特定利得レベルに到達するのに十分なくらい長い。一実施例においては、レイジングモジュール１３０は、第１期間の後に外部電源からエネルギを最早受け取らない。

第１期間のほぼ終りにおいて、高速光バルブ１４０は第２モードに切り替わり、第２モードにおいては、光共振器１５０は、レイジング可能にされる。レイジングモジュール１３０中に蓄えられたかなりの大きさの利得のために、光共振器１５０は、レイジングを開始して比較的短時間に（すなわち、例えば第１期間よりも短い第２期間の後に）ピーク強度に到達する。

第２期間のほぼ終りにおいて、高速光バルブ１４０は、それが光共振器１５０のほぼ往復時間のパルス持続時間を有するレーザパルス１９０を光共振器１５０から出力するように、第３モードに切り替わる。一実施例においては、光共振器中に蓄えられたほぼ全てのエネルギは、光共振器１５０の往復時間のパルス持続時間を有するレーザパルスの形で出力される。

レーザパルス持続時間は、光共振器１５０の往復時間の関数なので、レーザパルス持続時間は、光共振器１５０の往復寸法を変化させることによって操作することができる。例えば、第２反射器１２０又はその一部は、光共振器１５０の往復寸法が第１反射器１１０と相対的に要素２００を単に移動することによって変化するように、可動要素（例えば、可動台）２００上に装着することができる。従って、レーザパルス１９０のパルス持続時間は、往復寸法を低減する（すなわち、図１において、第２反射器１２０を第１反射器１１０に近づけて移動させる）ことにより、時間的に低減することができる。レーザパルス１９０のパルス持続時間は、往復寸法を増大させる（すなわち、図１において、第２反射器１２０を右に（第１反射器１１０から遠くに）移動させる）ことにより、時間的に増大させることができる。代替的に、第１反射器１１０又はその一部を要素２００上に装着してもよい。更に、光共振器１５０の何れの端部からでも往復持続時間を調節する柔軟性をもたらすために、第１反射器１１０及び第２反射器１２０の両方を可動要素上に装着することができる。代替的に、反射器は、可動であるように構成することができる。

図２は、レーザパルスシステム１００の実施例のいくつかの部分を示す。この実施例においては、光共振器１５０は、第１反射器１１０及び第２反射器１２０によって形成される。第２反射器１２０は、第３反射器２１０及び「ダブ」プリズム２２０を含む。第２反射器１２０の一部、特に「ダブ」プリズム２２０は、可動要素２００上に装着される。光共振器１５０を光が進行する経路を光路２３０で示す。

「ダブ」プリズム２２０は、可動要素２００を移動させる効果を強化する。従って、可動台２００が第１反射器１１０から特定の距離だけ離れたところに移動される場合、光共振器１５０の往復距離は、その特定距離の４倍だけ増大される。同様に、可動台２００が第１反射器１１０に向けて特定の距離だけ移動される場合、光共振器１５０の往復距離は、その特定距離の４倍だけ低減される。

図３は、レーザパルスシステム１００の別の実施例のいくつかの部分を示す。この実施例においては、反射器１２０は、３つの「ダブ」プリズム２２０、２４０、及び２５０と第３の反射器２１０とを含む。２つの「ダブ」プリズム２２０及び２４０は、可動要素２００上に装着される。光共振器１５０を光が進行する経路を光路２３０で示す。

この構成の「ダブ」プリズム２２０、２４０、及び２５０は、可動要素２００を移動する効果を更に強化する。従って、可動要素２００が第１反射器１１０から特定の距離だけ離れたところに移動される場合、光共振器１５０の往復距離は、その特定距離の８倍だけ増大される（すなわち、上述の実施例の効果の２倍）。更に可動要素２００が第１反射器１１０に向けて特定の距離だけ移動される場合、光共振器１５０の往復距離は、その特定距離の８倍だけ低減される。特定の距離だけ可動要素２００を移動する効果を更に強化するために、更に多くの「ダブ」プリズムを使用することができる。

図４は、パルスレーザシステム１００の別の実施形態の例を示す。パルスレーザシステム１００は、第１反射器１１０、第２反射器１２０、レイジングモジュール１３０、及び高速光バルブ１４０を含む。第２反射器１２０は、第３反射器２１０及び「ダブ」プリズム２２０を含む。第２反射器１２０の一部、特に「ダブ」プリズム２２０は、可動要素２００上に装着される。「ダブ」プリズムは、水平アラインメントに対して全体的に鈍感なので、「ダブ」プリズムは利点とすることができる。垂直アラインメントの鈍感さは、第３反射器２１０をポーロプリズムで置換することによって強化することができる。高速光バルブ１４０は、共振器ダンパー２６０、偏光子２７０、及びＱ−スイッチ２８０を含む。共振器ダンパー２６０を作動して、第１偏光によって特徴付けられた光を第２偏光によって特徴付けられた光へ変換することができる。一実施例においては、共振器ダンパー２６０は、「通過当たり１／４波遅延」によって特徴付けられる「ポッケルス」セルを含む。偏光子２７０は、第１偏光によって特徴付けられた光を反射し、第２偏光によって特徴付けられた光を通過させるような構造にされる。Ｑ−スイッチ２８０は、光共振器１５０内のレイジングを可能にしない、及び光共振器１５０内のレイジングを可能にするの間で切り換えるような構造にされる。レイジングモジュール１３０は、第１ダイオードポンプヘッド（例えば、「Ｎｄ：ＹＡＧ」ロッドを有する「Ｎｄ：ＹＡＧ」ヘッド）２９０、第２ダイオードポンプヘッド３００、及び熱応力複屈折補正器３１０（例えば、９０度回転子）を含む。

作動中は、第１期間の間、二重ヘッド２９０及び３００は、それぞれのレーザダイオードによって光学的にポンピングされる。当業者に公知の方法でレイジングを許さないようにＱ−スイッチが設定されているので、レイジングは、光共振器１５０において生じない。二重ヘッド２９０及び３００がポンピングされている間はレイジングが生じないので、レイジングモジュール１３０は、レイジング閾値利得よりも遥かに大きくなることができる利得を蓄積する。第１期間のほぼ終りにおいて、Ｑ−スイッチ２８０は、レイジングを可能にするように切り換えられる。二重ヘッド２９０及び３００が過剰利得を有するので、レイジングが起き、ピーク強度は、極めて短時間に（すなわち、ほぼ第２期間の後に）到達される。一実施例においては、ピーク強度は、ほぼ５０ナノ秒（ｎｓ）未満で達成される。９０度回転子３１０が間に配置された二重ヘッド２９０及び３００の使用は、高ポンプ条件下での複屈折による偏光回転の最小化を可能にする。偏光子２７０は、第１偏光（例えば、垂直偏光）の光を反射するように設定される。すなわち、光共振器１５０内に閉じ込められたレーザ光は、第１偏光によって特徴付けられて光路２３０を辿る。

その後の第３期間においては、共振器ダンパー２６０は、第１偏光によって特徴付けられた光が第２偏光によって特徴付けられた光に変換されるように作動する。一実施例においては、この変換は２つの通過に亘って発生する。すなわち、第１偏光によって特徴付けられた光は、第１反射器１１０を通じて共振器ダンパー２６０を２度通過する。共振器ダンパー２６０を第２回目に通過した後、その時点で第２偏光（例えば、水平偏光）によって特徴付けられた光は、偏光子２７０によって反射されず、代わりに、出力レーザパルスビームとしてこの偏光子を通過する。すなわち、光共振器１５０内のレーザ光は、一度の往復で偏光子２７０を通じて光共振器１５０を出て行く。二重ヘッド２９０及び３００のポンピングが第２期間のほぼ終りで終了する実施例においては、光共振器１５０内に蓄積されたほぼ全てのレーザエネルギは、光共振器１５０の往復時間にほぼ等しい持続時間のレーザパルスとして出力される。更に、要素２００を移動させることにより、光共振器１５０の往復時間を簡単に変化させることができ、従って、レーザパルスのパルス持続時間を簡単に変化させることができる。しかし、たとえパルス持続時間を簡単に変化させることはできても、パルス当たりのエネルギは変化しない。

すなわち、パルスレーザを供給するためのシステム及び方法が提供されることが分る。当業者は、例示的であって限定的でない本説明に示された好ましい実施形態以外により本発明を実施することができ、また、本発明が特許請求の範囲によってのみ限定されることを認めるであろう。尚、本説明で示した特定の実施形態に対する均等物も本発明を同様に実施することができる。

当業者は、本明細書で説明した方程式を本明細書に説明したような様々な方法を使用して処理し（例えば、光信号処理システムなどに結合された処理システムにより）、光信号の特性を判断することができることを認めるであろう。少数の好ましい実施形態が本明細書において詳細に説明された。本発明の範囲が、説明したものとは異なるがやはり特許請求の範囲内に該当する実施形態も包含することは理解されるものとする。また、包含する意味の文言は、本発明の範囲を考察する際に非包括的なものとして解釈されるものとする。本発明は例示的な実施形態を参照して説明されたが、本説明は、限定の意味で解釈されないものとする。例示的実施形態の様々な修正及び組合せ、並びに本発明の他の実施形態は、本説明を参照すると当業者には明らかであろう。従って、特許請求の範囲は、いかなるそのような修正又は実施形態も包含するものとする。

本出願の節の見出しは、「３７ＣＦＲ１．７７」の下で示唆された出願の各部分との整合をもたらすために、又はそうでなければ構成上の手がかりを提供するために準備されたものである。これらの見出しは、本出願に由来するいかなる特許請求の範囲に示す発明をも限定又は特徴付けすべきではない。具体的にかつ一例として、見出しは「技術分野」と称しても、特許請求の範囲は、いわゆる発明の分野を説明するためのこの見出しの下で選択された表現によって限定されるべきではない。更に、「背景技術」における技術の説明は、その技術が本出願に対する従来技術であることを是認するものとして解釈されてはならない。「発明の開示」もまた、本出願に対する特許請求の範囲に示す発明を特徴付けるものとして考えてはならない。更に、これら見出しにおける「発明」の単数形への言及は、本出願で請求された新規な点が１つであるかどうかを議論するために使用されるべきではない。本特許明細書に付随する複数の特許請求の範囲の限定に従って複数の発明を示すことができ、従って、特許請求の範囲は、それによって保護される発明を規定する。全ての場合において、特許請求の範囲は、明細書に照らしてそれ自身の利益に関して考察されるべきであり、本出願に含まれた見出しによって制約されるべきではない。

本発明による実現化は、特定実施形態の関連において説明された。これらの実施形態は、例示的であり、限定することを意味しない。多くの変形、修正、追加、及び改良が可能である。従って、単一事例として本明細書に説明した構成要素に対して複数の事例を提供することができる。様々な構成要素、作動、及びデータストア間の境界はいくらか任意的であり、特定の作動は、特定の例示的構成に関連して示されている。他の機能性の割り当ても想定され、特許請求の範囲に該当すると考えられる。最後に、例示的構成において個別の構成要素として示された構造及び機能性は、組み合わされた構造又は構成要素として実施することができる。上記及び他の変形、修正、追加、及び改良は、特許請求の範囲に規定された本発明の範囲に該当することができる。

本発明の特定実施形態を示して説明したが、当業者には、本明細書の教示に基づいて本発明及びその広範な態様から逸脱することなく変更及び修正を行うことができること、及び、特許請求の範囲は、従ってその範囲に全てのそのような変更及び修正を本発明の真の精神及び範囲として包含することが明らかであろう。更に、本発明が特許請求の範囲によってのみ規定されることは理解されるものとする。

パルスレーザシステムの一実施形態のブロック図である。パルスレーザシステムの一実施形態のいくつかの部分を示す図である。本発明によるパルスレーザシステムの実施例のいくつかの部分を示す図である。パルスレーザシステムの一実施形態のブロック図である。

符号の説明

１００レーザパルスシステム
１１０、１２０、２１０反射器
１５０光共振器
２００可動要素
２２０、２４０、２５０「ダブ」プリズム
２３０光路

Claims

第１反射器及び第２反射器により形成され、往復時間により特徴付けられる光共振器と、
少なくとも部分的に前記光共振器内に配置されたレイジングモジュールと、
少なくとも部分的に前記光共振器内に配置され、該光共振器内のレイジングを阻止する及び可能にするような構造にされ、該光共振器のほぼ往復時間のパルス持続時間を有するレーザパルスを出力するような構造にされた高速光バルブと、
を含むことを特徴とするパルスレーザシステム。
前記レイジングモジュールは、レイジング材料と該レイジング材料をポンピングするポンピング供給装置とを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
前記レイジング材料は、「Ｎｄ：ＹＡＧ」材料を含むことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
前記ポンピング供給装置は、前記レイジング材料を光学的にポンピングする少なくとも１つのレーザダイオードを含むことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
前記レイジングモジュールは、第１ダイオードポンプ結晶ロッド及び第２ダイオードポンプ結晶ロッドを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
前記レイジングモジュールは、熱応力複屈折補正モジュールを含むことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
前記熱応力複屈折補正モジュールは、９０度回転子を含むことを特徴とする請求項６に記載のシステム。
前記高速光バルブは、偏光子と共振器ダンパーとを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
前記偏光子は、第１偏光によって特徴付けられた光を反射し、第２偏光によって特徴付けられた光を通すような構造にされ、
前記共振器ダンパーは、前記第１偏光によって特徴付けられた光を前記第２偏光によって特徴付けられた光に変えるような構造にされる、
ことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
前記共振器ダンパーは、２つの通過に亘って前記第１偏光によって特徴付けられた光を前記第２偏光によって特徴付けられた光に変えるような構造にされることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
前記高速光バルブは、Ｑ−スイッチを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
前記第１反射器及び前記第２反射器の１つ又はそれ以上は、可動であり、
前記出力されたレーザパルスの前記持続時間は、前記可動の第１及び第２反射器の前記１つ又はそれ以上の位置の関数である、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
前記第１反射器及び前記第２反射器の１つ又はそれ以上は、可動であり、
前記往復時間は、前記可動要素の位置の関数である、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
前記第２反射器は、第３反射器及び第４反射器を含み、
前記第１、第３、及び第４反射器の１つ又はそれ以上は、可動であり、
前記第１反射器、前記第３反射器、及び前記第４反射器は、同じ光路に沿って配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
前記往復時間は、前記可動の第１、第３、及び第４反射器の前記１つ又はそれ以上の位置の関数として変化することを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
前記出力されたレーザパルスの前記持続時間は、前記第３反射器を経由する前記光路に沿った前記第１反射器及び前記第４反射器間の距離の関数であることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
前記第３反射器は、少なくとも１つの「ダブ」プリズムであることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
前記第３反射器は、水平方向のずれに対して実質的に鈍感であるような構造にされることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
前記第４反射器は、垂直方向のずれに対して実質的に鈍感であるような構造にされることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
前記第３反射器は、少なくとも１つの「ダブ」プリズムの第１のセットを含み、
前記第４反射器は、少なくとも１つの「ダブ」プリズムの第２のセットを含む、
ことを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
前記第１のセットは、前記第２のセットよりも多くの「ダブ」プリズムを含むことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
前記第４反射器は、第１の高反射率鏡を含み、
前記第１反射器は、第２の高反射率鏡を含む、
ことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
前記パルス持続時間は、パルス当たりのエネルギに実質的に影響を与えることなく変更することができることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
可変パルス持続時間レーザを供給するためのシステムであって、
光共振器内のレイジングを阻止するための手段と、
第１の持続時間の間レイジング材料をポンピングするための手段と、
前記第１の持続時間のほぼ終りにおいて前記光共振器内のレイジングを可能にするための手段と、
第２の持続時間の後にレイジングをピーク強度に到達させるための手段と、
前記光共振器の往復時間にほぼ等しいパルス持続時間を有するレーザパルスを出力するための手段と、
前記光共振器の前記往復時間を変えることによって前記パルス持続時間を変化させる手段と、
を含むことを特徴とするシステム。
光共振器内のレイジングを阻止する段階と、
第１の持続時間の間レイジング材料をポンピングする段階と、
前記第１の持続時間のほぼ終りにおいて前記光共振器内のレイジングを可能にする段階と、
第２の持続時間の後にレイジングをピーク強度に到達させる段階と、
前記光共振器の往復時間にほぼ等しいパルス持続時間を有するレーザパルスを出力する段階と、
を含むことを特徴とする、レーザパルスを供給する方法。
前記出力する段階は、前記光共振器に蓄積したほぼ全てのエネルギを前記レーザパルスとして出力する段階を含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
前記光共振器の前記往復時間を変えることによって前記パルス持続時間を変化させる段階、
を更に含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
前記光共振器の光路長を変えることによって前記パルス持続時間を変化させる段階、
を更に含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
パルス当たりのエネルギを変えることなく前記パルス持続時間を変化させる段階、
を更に含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。