(57)【要約】平均波長変換出力またはパルスエネルギの制御。シードパルスが生成、増幅および波長変換され得る。波長変換出力またはパルスエネルギは、増幅出力またはパルスエネルギを実質的に変化させずに、変換効率を調整することによって制御され得る。平均波長変換出力は、増幅パルス周期と比較可能な時間にわたって平均増幅パルス出力を調整せずに当該時間にわたって制御され得る。光学システムは、光増幅器に結合されたシード源；光増幅器に結合された波長変換器；および制御装置を含む。制御装置はシード源、光増幅器、または波長変換器に結合される。制御装置は、増幅パルス周期と比較可能な時間にわたって平均増幅パルス出力を調整せずに当該時間にわたって平均波長変換出力を制御できる。択一的に制御装置は、増幅パルスエネルギを実質的に変化させずに変換効率を調整することによって波長変換パルスエネルギを制御できる。
2009544049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長変換平均出力の制御方法であって、前記制御方法は、
１個以上のシードパルスを生成することと；
前記シードパルスを光増幅器によって増幅することによって、１個以上の増幅パルスを生成することと；
前記増幅パルスを波長変換することによって、波長変換平均出力によって特徴付けられた１個以上の波長変換パルスを生成することと；
前記増幅パルスのパルス周期と比較可能な時間スケールとしての周期スケールにわたって前記増幅パルスの平均出力を実質的に調整することなく、前記周期スケールにわたって波長変換平均出力を制御することと
を含む、制御方法。
【請求項２】
前記パルス周期は、約１ミリ秒未満である、請求項１記載の制御方法。
【請求項３】
前記シードパルスの増幅は、前記光増幅器にポンピングエネルギを供給することを含み、
前記周期スケールにわたって前記光増幅器に供給される平均ポンプ出力は、実質的に一定である、請求項１記載の制御方法。
【請求項４】
波長変換平均出力の制御は、
前記増幅パルスのピーク出力の調整と、
前記増幅パルスの偏光とのうちの少なくとも一方を含む、請求項１記載の制御方法。
【請求項５】
前記増幅パルスのピーク出力の調整は、
前記シードパルスの負荷サイクルの調整と、
前記シードパルスのパルス繰返周波数の調整とのうちの少なくとも一方を含む、請求項４記載の制御方法。
【請求項６】
前記制御方法は更に、前記シードパルスの一定の平均出力を維持することを含む、請求項５記載の制御方法。
【請求項７】
前記増幅パルスの光スペクトルの調整は、前記シードパルスの光スペクトルの変化を含む、請求項４記載の制御方法。
【請求項８】
前記増幅パルスの光スペクトルの調整は、１個以上の前記シードパルスの少なくとも一部のピーク出力を調整することによって、前記シードパルスは前記光増幅器中に誘導されたラマン散乱を生成するようになっていることを含む、請求項４記載の制御方法。
【請求項９】
前記増幅パルスの光スペクトルの調整は、波長変換器に結合された第１放射と第２放射の比率の調整を含み、
前記第１放射は、前記波長変換器のスペクトル許容帯域幅内にある第１波長によって特徴付けられ、
前記第２放射は、前記波長変換器のスペクトル許容帯域幅外にある第２波長によって特徴付けられる、請求項４記載の制御方法。
【請求項１０】
前記第２放射は、所定波長範囲内にあって、
前記第２放射は、前記シードパルスを増幅するために使用される前記光増幅器によって増幅される、請求項９記載の制御方法。
【請求項１１】
シード源によって１個以上の前記シードパルスを生成することは、前記第１波長と前記第２波長の電磁放射を包含する前記シードパルスの生成を含む、請求項９記載の制御方法。
【請求項１２】
前記増幅パルスの偏光の調整は、前記光増幅器と波長変換器との間に光学的結合された調節可能な複屈折素子を使用することを含む、請求項４記載の制御方法。
【請求項１３】
前記制御方法は更に、前記シードパルスを増幅するために使用される前記光増幅器内で誘導されるブリルアン散乱を避けるために前記シードパルスをチャーピングすることを含む、請求項１記載の制御方法。
【請求項１４】
１個以上のパルスの生成は、前記増幅パルスの波長変換に使用される波長変換器のスペクトル帯域よりも広いスペクトル帯域によって特徴付けられた１個以上の前記シードパルスを生成することを含む、請求項１記載の制御方法。
【請求項１５】
前記増幅パルスの波長変換は、χ２非線形相互作用を含む、請求項１記載の制御方法。
【請求項１６】
前記χ２非線形相互作用は、第２次高調波発生、第３次高調波発生、第４次高調波発生、および更に高次の高調波発生、およびこれらと前記シードパルスの周波数との間の和周波発生、差周波発生、および、１個以上の高調波発生と光パラメトリック発振発生のうちの少なくとも１つを含む、請求項１５記載の制御方法。
【請求項１７】
前記増幅パルスの波長変換は、χ３非線形相互作用を含む、請求項１記載の制御方法。
【請求項１８】
前記制御方法は更に、波長変換パルスの出力を監視することによって、フィードバック信号を生成することを含み、
波長変換平均出力の制御は、前記フィードバック信号に応答することによって波長変換出力を調整することを含む、請求項１記載の制御方法。
【請求項１９】
更に前記制御方法は、波長変換パルスの少なくとも一部をターゲットに結合させて前記ターゲットからフィードバック信号を検出することを含み、
波長変換平均出力の制御は、前記フィードバック信号に応答することによって波長変換出力を調整することを含む、請求項１記載の制御方法。
【請求項２０】
１個以上の前記シードパルスの生成は、増幅自然放出光源によって１個以上の前記シードパルスを生成することを含む、請求項１記載の制御方法。
【請求項２１】
波長変換システムであって、前記波長変換システムは、
シード源と；
前記シード源に光学的結合された光増幅器と；
前記光増幅器に光学的結合された波長変換器と；
前記シード源、前記光増幅器、および前記波長変換器のうちの少なくとも１個に光学的結合した制御装置と
を含み、
前記制御装置は、増幅パルスのパルス周期と比較可能な時間スケールとしての周期スケールにわたって前記光増幅器から出る前記増幅パルスの平均出力を実質的に調整することなく、前記周期スケールにわたって前記波長変換器の出力の波長変換平均出力を制御するように構成された論理を含む、波長変換システム。
【請求項２２】
前記論理は、
前記光増幅器によって生成された１個以上の前記増幅パルスのピーク出力を調整することと、
前記増幅パルスの光スペクトルを調整することと、および
前記増幅パルスの偏光を調整することと
のうちの少なくとも１つを行なうように構成される、請求項２１記載の波長変換システム。
【請求項２３】
前記論理は、負荷サイクルと；
前記シード源によって生成されることによって前記光増幅器に入力される１個以上のシードパルスのパルス繰返周波数と
のうちの少なくとも一方を調整するように構成される、請求項２１記載の波長変換システム。
【請求項２４】
前記論理は、前記シードパルスの一定の平均出力を維持するように構成される、請求項２３記載の波長変換システム。
【請求項２５】
前記論理は、シードパルスの光スペクトルを調整するように構成される、請求項２１記載の波長変換システム。
【請求項２６】
前記論理は、１個以上のシードパルスの少なくとも一部のピーク出力を調整することによって、シードパルスは誘導されたラマン散乱を生成するように構成される、請求項２１記載の波長変換システム。
【請求項２７】
前記論理は、前記波長変換器に結合された第１放射と第２放射の比率を調整するように構成され、
前記第１放射は、前記波長変換器のスペクトル帯域幅内にある第１波長によって特徴付けられ、
前記第２放射は、前記波長変換器のスペクトル許容帯域幅外にある第２波長によって特徴付けられる、請求項２１記載の波長変換システム。
【請求項２８】
前記第２放射は、所定波長範囲内にあって、
前記第２放射は、前記光増幅器によって増幅されるようになっている、請求項２７記載の波長変換システム。
【請求項２９】
前記シード源は、
特徴付けられた前記第１放射を生成するように構成された第１放射源と；
前記第２放射を生成するように構成された第２放射源と；
第１シード放射および第２シード放射に光学的結合された波長マルチプレクサとを含む、請求項２７記載の波長変換システム。
【請求項３０】
前記論理は、前記第１放射源と前記第２放射源のうちの少なくとも一方に光学的結合され、
前記論理と前記制御回路のうちの少なくとも一方は、前記マルチプレクサに結合された前記第１放射と前記第２放射の量の比率を制御するように構成される、請求項２９記載の波長変換システム。
【請求項３１】
前記第２放射は、所定波長範囲内にあって、前記第２放射は、前記光増幅器によって増幅されるようになっている、請求項３０記載の波長変換システム。
【請求項３２】
前記波長変換システムは更に、複屈折素子を含み、
前記複屈折素子は、前記光増幅器と前記波長変換器との間に光学的結合され、且つ調節可能である、請求項２１記載の波長変換システム。
【請求項３３】
前記論理は、調節可能な複屈折素子に結合され、
前記論理と回路のうちの少なくとも一方は、調節可能な複屈折素子によって伝送される偏光を調整するように構成される、請求項３２記載の波長変換システム。
【請求項３４】
前記波長変換システムは更に、出力モニタとフィードバックループを含み、
前記出力モニタは、前記波長変換器の出力の少なくとも一部を受取り、前記出力部分に応答することによってフィードバック信号を生成するように構成され、
前記フィードバックループは、前記出力モニタと前記制御装置との間に結合され、
前記論理は、前記フィードバック信号に応答することによって波長変換平均出力を調整するように構成される、請求項２１記載の波長変換システム。
【請求項３５】
前記波長変換システムは更に、フィードバックセンサとフィードバックループを備え、
前記フィードバックセンサは、前記波長変換器の出力の少なくとも一部とターゲットとの相互作用に応答することによって、フィードバック信号を生成するように構成され、
前記フィードバックループは、前記フィードバックセンサと制御装置との間に結合され、
前記論理は、前記フィードバック信号に応答することによって波長変換平均出力を調整するように構成される、請求項２１記載の波長変換システム。
【請求項３６】
前記シード源は、増幅自然放出光源である、請求項２１記載の波長変換システム。
【請求項３７】
波長変換パルスエネルギの制御方法であって、前記制御方法は、
１個以上のシードパルスを生成することと；
前記シードパルスを光増幅器によって増幅することによって、１個以上の増幅パルスを生成することと；
前記増幅パルスを波長変換することによって、波長変換パルスエネルギによって特徴付けられた１個以上の波長変換パルスを生成することと；
前記増幅パルスのパルスエネルギを実質的に変化させることなく波長変換効率を調整することによって、前記波長変換パルスエネルギを制御することと
を含む、制御方法。
【請求項３８】
１個以上の前記シードパルスの生成は、シード源が増幅自然放出光源によって１個以上の前記シードパルスを生成することを含む、請求項３７記載の制御方法。
【請求項３９】
波長変換光システムであって、前記波長変換光システムは、
シード源と；
前記シード源に光学的結合された光増幅器と；
前記光増幅器に光学的結合された波長変換器と；
前記シード源、前記光増幅器、および前記波長変換器のうちの少なくとも１個に光学的結合した制御装置とを含み、
前記制御装置は、前記光増幅器から出る前記増幅パルスのパルスエネルギを実質的に変化させることなく、波長変換効率を調整することによって前記波長変換器の波長変換出力のパルスエネルギを制御するように構成された論理を含む、波長変換光システム。
【請求項４０】
前記シード源は、増幅自然放出光源である、請求項３９記載の波長変換光システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にレーザに係り、特にパルスレーザシステムの波長変換平均出力の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力光源は、強力な光線の焦点を基体またはその他のターゲットに合わせる多くの用途に用いられている。多くの高出力光源構造において、シード源から出る信号は、信号の出力を増幅する光増幅器に供給される。このような高出力光源構造の一例として何よりも主発振器電力増幅器（ＭＯＰＡ）構造が挙げられる。主発振器電力増幅器構造によって、増幅された出力の精密なパルシングが可能となる。シード信号の光学増幅に基づくレーザシステムは、しばしばレーザマイクロマシニングのような高出力用途で使用される。
このことに関連して本発明の実施形態が生じる。
【０００３】
以下の詳細な記述は、説明の目的のために多くの具体的な詳細を含むが、通常の当業者ならば、以下の詳細に対する多くの変化例や代替例が本発明の範囲内に含まれることを理解するであろう。従って以下に記す本発明の実施例は、請求された発明の一般性を失うことなく、且つこれに何らかの制限を加えることなく説明される。
【０００４】
（用語解説）
不定冠詞「Ａ」または「Ａｎ」は、別様に明記されない限り、前記冠詞に続く１個以上の事項の数量を意味する。
【０００５】
ビームスプリッタとは、光線を１個以上の部分に分割することのできる光学装置を言う。
ブリルアン散乱は、媒質を通過する光波と音波の間の相互作用に起因する媒質における光の自然散乱を含む、非線形光学現象を言う。
【０００６】
キャビティまたは光共鳴キャビティとは、光が往復または循環できるための２個以上の反射面によって定義された光経路を言う。光経路を横断する物体は、キャビティ内にあると言われる。
【０００７】
チャーピングとは、光源の放射波長で長期ドリフと対照的な急速な変化を言う。
連続波（ＣＷ）は、放射をショートバーストではなく、むしろパルスレーザのように連続的に放出するレーザを言う。
【０００８】
負荷サイクル（Ｄ）とは、規則的な間隔で生じるパルスに対するパルス持続時間τとパルス繰返周波数（ＰＲＦ）との積を言う。負荷サイクルは率で、たとえば０．０１として表現されてよく、または同等にパーセンテージで、たとえば１％として表現されてよい。
【０００９】
ダイオードレーザとは、誘導された放射を使用することによってコヒーレントな光出力を生成するように設計された発光ダイオードを言う。ダイオードレーザは、レーザダイオードまたは半導体レーザとして知られている。
【００１０】
ダイオードポンプドレーザとは、ダイオードレーザによってポンピングされる利得媒質を有するレーザを言う。
利得とは、ある点から別の点に伝送される信号の強度、パワーまたはパルスエネルギの
増幅器による増加を言う。
【００１１】
利得媒質とは、レーザに関連して以下に記載するレーザ化可能な材料を言う。
ガーネットは特殊な酸化物結晶であり、たとえばイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（ＧＧＧ）、ガドリニウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネット（ＧＳＧＧ）、イットリウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネット（ＹＳＧＧ）を含む。
【００１２】
特定のカテゴリーである事項または一連の事項と関連して用いられる「含む」、「含む」、「たとえば」、「および同類のもの」、「してよい」、「できる」、「できよう」およびその他類似の修飾語句は、前記カテゴリーがその事項および列挙された事項を含むが、それらの事項に制限されないことを意味する。
【００１３】
赤外放射とは、約７００ナノメータ（ｎｍ）と約１００，０００ｎｍの間の真空波長によって特徴付けられる電磁放射を言う。
レーザは、Ｌｉｇｈｔ  Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｏｆ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ（放射の誘導放出による光増幅）の頭字語である。レーザはレーザ化可能な材料を含むキャビティである。これは原子がポンピング、たとえば光または放電によって準安定状態に励起され得る任意の材料、たとえば結晶、ガラス、液体、半導体、色素、気体である。光は、準安定状態から放出される。光の放出は、通過する光子が存在することによって誘導され、通過する光子は、放出される光子に誘導する光子と同じ位相および方向を持たせる。光（ここでは誘導された放射を意味する）は、キャビティ内で発振し、その一部は、キャビティから押し出されて出力ビームを形成する。
【００１４】
光：ここで用いられる「光」という用語は、一般に赤外から紫外に至る周波数範囲内の電磁放射を言い、概ね約１ナノメータ（１０−９メータ）から約１００ミクロンの真空波長の範囲に対応する。
【００１５】
モードロックレーザとは、各モードの相対位相を（しばしば時間に関する変調を通して）内部的に制御することによって機能することによって、高いピーク出力と短い時間、たとえばピコ秒（１０−１２秒）範囲のエネルギバーストを選択的に生じさせるレーザを言う。
【００１６】
非線形効果は、典型的にほぼ単色の指向性光線、たとえばレーザによって作られる光線でのみ見ることができる一種の光学現象を言う。非線形効果の例として、高次高調波発生（たとえば第２次高調波発生、第３次高調波発生、第４次高調波発生）、光パラメトリック発振、和周波発生、差周波発生、光パラメトリック増幅および誘導されたラマン効果がある。
【００１７】
非線形光波長変換プロセスは、非線形媒質を通過する与えられた真空波長λ０の入力光が、媒質と媒質のうちの少なくとも一方を通過する光と相互作用することによって、入力光と異なる真空波長を有する出力光を生み出す非線形光プロセスである。非線形波長変換と非線形周波数変換は、２個の値が光の真空速度によって関係付けられるため等効物である。いずれの用語も同じ意味で用いられてよい。非線形波長変換は、次を含む。
【００１８】
高次高調波発生（ＨＨＧ）、たとえば第２次高調波発生（ＳＨＧ）、第３次高調波発生（ＴＨＧ）、第４次高調波発生（ＦＨＧ）等。これは入力光の２個以上の光子が相互作用することによって、周波数Ｎｆ０を有する出力光を生み出す。ここにＮは、相互作用する光子の数である。たとえば第２次高調波発生では、Ｎ＝２である。
【００１９】
和周波発生（ＳＦＧ）。これは周波数ｆ１の入力光の光子が、周波数ｆ２の他の入力光の光子と相互作用することによって、周波数ｆ１＋ｆ２を有する出力光を生み出す。
差周波発生（ＤＦＧ）。これは周波数ｆ１の入力光の光子が、周波数ｆ２の他の入力光の光子と相互作用することによって、周波数ｆ１−ｆ２を有する出力光の光子を生み出す。
【００２０】
非線形材料とは、非線形効果を生じさせることができる光放射に対してノンゼロ非線形誘電応答を有する材料を言う。非線形材料の例は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、３ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、ベータホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、ホウ酸セシウムリチウム（ＣＬＢＯ）、ＫＤＰおよびその同形体、ＬｉＩＯ３の結晶、並びに疑似位相整合材料、たとえばＰＰＬＮ、ＰＰＳＬＴ、ＰＰＫＴＰおよび類似物を含む。光ファイバもファイバ内に微細構造を形成することによって光放射に対して非線形応答を持たせることができる。
【００２１】
光増幅器とは、入力された光信号のパワーを増幅する装置を言う。光増幅器は、ポンピング放射によって駆動される利得媒質を使用するレーザに類似する。増幅器は一般にフィードバック（即ちキャビティ）を欠いているため、利得は有するが発振しない。ここで使用される光出力増幅器は、一般に増幅されたビームをターゲットまたは波長変換器に供給する前段における最後の光増幅器を指す。放射源と出力増幅器との間の増幅段階は、ここでは一般に前置増幅器と呼ぶ。
【００２２】
位相整合とは、多重波非線形光プロセスにおいて波間でエネルギをコヒーレントに伝送できる距離を拡大するために使用される技術を言う。たとえば、３重波プロセスはｋ１ 
＋ｋ２ ＝ｋ３ であるとき位相整合すると言われる。ここにｋiは、プロセスに関与するi番目の波の波数ベクトルである。たとえば周波数倍増においては、基本高調波位相速度と第２次高調波位相速度が整合する場合にプロセスは、最も効率的である。典型的に位相整合条件は、非線形材料における光波長、偏光状態および伝搬方向を慎重に選択することによって達成される。
【００２３】
パルス持続時間（τ）とは、繰返信号の時間的持続または寿命、たとえばパルスの前縁および後縁における半値点の間の時間的間隔を言う。パルス持続時間は、しばしば「パルス幅」と呼ばれる。
【００２４】
パルスエネルギとは、パルス内のエネルギ量を言う。パルスエネルギは、瞬間的パルスをパルス周期にわたって積分することによって計算され得る。
パルス周期（Ｔ）とは、２個以上のパルスの系列において連続するパルスの等値点の間の時間を言う。
【００２５】
パルス繰返周波数（ＰＲＦ）は、単位時間当たりのパルスの繰返率を言う。パルス繰返周波数（ＰＲＦ）は、逆数で周期Ｔと呼ばれる。たとえばＰＲＦ＝１／Ｔである。
Ｑは、共振器（キャビティ）の性能指数であり、（２π）×（共振器内に蓄積された平均エネルギ）／（サイクル当りの消散エネルギ）として定義される。光共振器の表面の反射率が高く、且つ吸収損失が低いほど、Ｑは大きく、且つ所望されたモードに対するエネルギ損失は少なくなる。
【００２６】
Ｑスイッチとは、光共振器のＱを急速に変化させるために使用されるデバイスを言う。
Ｑスイッチレーザとは、レーザキャビティ内のＱスイッチを使用することによってレーザ媒質内で高レベルの反転（光利得とエネルギの蓄積）が達成されるまでレーザ作用を阻止するレーザを言う。スイッチが、たとえば音響光学変調器または電気光学変調器または
可飽和吸収体によってキャビティのＱを急速に増大させると、莫大なパルスが生成される。
【００２７】
疑似連続波（擬似ＣＷ）とは、連続的に見える程高い繰返率でパルスの連続を生成することを言う。
疑似位相整合（ＱＰＭ）材料：疑似位相整合材料において、材料の非線形率の符号を周期的に変換することによって基本高調波放射と高次高調波放射が位相整合される。符号変換の周期（kＱＰＭ）は、位相整合式に新しい項を付加する。たとえばkＱＰＭ＋ｋ１ ＋
ｋ２ ＝ｋ３。ＱＰＭ材料において、基本高調波と高次高調波は、同一の偏光を持つこと
ができ、しばしば効率を改善する。疑似位相整合材料の例は、周期分極反転タンタル酸リチウム（ＰＰＬＴ）、周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）、化学量論組成周期分極反転タンタル酸リチウム（ＰＰＳＬＴ）、周期分極反転リン酸チタニルカリウム（ＰＰＫＴＰ）または周期分極反転微細構造グラスファイバを含む。
【００２８】
ラマン散乱とは、物質による散乱光が入射光よりも低い周波数を有するような入射光の散乱を言う。入射光と散乱光との周波数の差（ラマンシフトと呼ぶ）は、散乱材料の自然振動周波数に対応する。
【００２９】
光増幅器の飽和は、遷移周波数の付近の入射放射のパワーがある特定の値を越える時、前記周波数の付近の媒質の利得係数が減少することを言う。利得係数が一定であるならば、媒質によって放出されるパワーは、入射パワーに比例する。しかし典型的には、利得媒質がパワーを放射できる率には限界がある。この限界は、関与するエネルギレベルの寿命に依存する。この限界に達すると、誘導遷移は十分急速に上方エネルギレベル分布を顕著に引き下げ、それによって利得係数を低下させる。この効果は、増幅パワーを入力パワーの関数として「平坦化」する。
【００３０】
誘導ブリルアン散乱は、強い光が結晶格子の変形を引き起こすことによって格子内に超音波を発生させる増幅プロセスの一種である。
誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）は、強い光線で引き起こすことができるラマン散乱の一種である。ラマン散乱光は利得を受け、そのパワーは指数関数的に増加する。入射光のパワーがある限界値を超えると入射光の大部分は入射光よりも周波数の低いラマン散乱光に変換される。誘導ラマン散乱はしばしば誘導ラマン効果またはコヒーレント・ラマン効果としても知られている。
【００３１】
紫外（ＵＶ）放射とは、可視領域の波長よりも短く、軟Ｘ線の波長よりも長い真空波長によって特徴付けられる電磁放射を言う。紫外放射は次の波長領域に区分されることができる。即ち、約３８０ｎｍ〜約２００ｎｍの近紫外領域、約２００ｎｍ〜約１０ｎｍの遠近紫外領域または真空紫外領域（ＦＵＶまたはＶＵＶ）、約１ｎｍ〜約３１ｎｍの極紫外領域（ＥＵＶまたはＸＵＶ）。
【００３２】
真空波長：電磁放射の波長は一般に波が移動する媒質の関数である。真空波長とは、与えられた周波数の電磁放射が真空中を伝播したと想定した場合の波長であり、真空中の光の速度を周波数で除することによって与えられる。
【００３３】
飽和強度（Ｉｓａｔ）：増幅器の利得を小信号利得の半分に低減させる強度である。増幅器を通過する信号強度が飽和強度よりも著しく大きい場合、増幅器は飽和状態にあると言われる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３４】
典型的な非線形波長変換プロセスにおいて、第１光周波数ω１によって特徴付けられる基本放射は、第２光周波数ω２によって特徴付けられる波長変換出力放射に変換される。波長変換効率ηは、基本放射に対する波長変換放射の平均出力の比、即ちＰω２ａｖｇ／Ｐω１ａｖｇを表す。波長変換平均出力Ｐω２ａｖｇの精密な制御は、しばしば多くのレーザ用途に求められる。パルスのロングバーストおよび擬似連続波動作を必要とするレーザ用途の具体例は、たとえばマイクロマシニング、ウェーハスクライビング、ウェーハダイシングおよび溶接を含む。特に溶接用途では表面に貫通することによって溶接を開始するためにしばしば高い初期出力を必要とするが、その後溶接を継続するための出力は急速に減少する。これはしばしば溶融池または溶融金属を維持するためであり、特にキーホール溶接にとって重要である。波長変換平均出力の精密な制御を必要とする他のレーザ用途は、美容整形術を含む。
【００３５】
追加の精密レーザ用途は、しばしば波長変換パルスエネルギの精密な制御を要求する。そのような用途は、リンクブローイング、微生物学用途、たとえば細胞膜の穿孔、ホールまたはビアドリリング等あるが、これらに限られない。ホールまたはビアドリリングの具体的なケースでは、しばしば異種の材料層を貫通することが望ましい。更に、ドリリングを特定の層で停止することもしばしば必要となる。そうするために、孔の深さが停止点に達したらパルスエネルギを減らすことが有益である。リンクブローイング等多くのプロセスは、所望された材料効果を低減するために最小パルスエネルギを必要とする。この限界値を下回るパルスエネルギは、材料に対して効果を及ぼさない。これらの用途では、波長変換出力は、パルス間で完全にオフにする必要はない。
【００３６】
波長変換平均出力を変化させる技術は存在するが、それらの技術には制限がある。たとえば、連続波ダイオード励起固体レーザまたはファイバレーザは、平均基本出力Ｐω１ａｖｇを変調させることによって波長変換平均出力を変調させるためにシャッターを使用することがある。残念ながらシャッターの使用は、特定の用途にとってしばしば遅すぎる。レーザシステムがレーザダイオードを含む場合は、レーザから出る放射の平均出力を、レーザダイオードにポンピングエネルギを供給する電流の高速変調によって変調することが可能である。残念ながらこのような高出力レーザダイオードの高速変調は、幾つかの理由から望ましくないことがある。第１に、高速変調は、急速な熱サイクルを数多く繰返すことによる疲労のためにダイオードの寿命を低下させることがある。更に、強い過渡電流を駆動するために使用する電気回路は、しばしば複雑で高価である。更にまた、変調率および変調の深度は、典型的にキャビティ寿命および上準位の寿命等の要因によって制限される。これはそのような変調技術によって得られるピーク出力を制限し、非効率的な波長変換を招く。更にまた、ダイオード励起固体レーザにとって出力モード空間特性は、典型的に平均出力に依存する。従って平均出力の変調は、出力モード空間特性に不利に影響し得る。
【００３７】
択一的に、平均基本出力は、フラッシュランプ励起されたパルスレーザによって、利得媒質のポンピングに使用されるフラッシュランプパルスの出力を変化させることによって変調され得る。残念ながらフラッシュランプポンピングの繰返率は、典型的に低すぎ、擬似連続波ではないので、高いパルス繰返率が求められる用途には使用できない。更に、フラッシュランプパルスエネルギは、一般にｓｈｏｔ−ｔｏ−ｓｈｏｔベースで一貫しておらず、平均出力およびフラッシュランプポンピングのためのパルスエネルギ制御を不精密にする。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
これらの短所を克服するために、本発明の実施形態は、平均基本出力を有意に変化させるのとは対照的に、原理的に波長変換効率ηを変化させることによってパルス光源における波長変換平均出力Ｐω２ａｖｇを制御する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態に従う、装置の概略図。
【図２】本発明の実施形態で使用するのに適した、シード源の概略図。
【図３】本発明の実施形態で前置増幅器として使用するのに適した、ファイバ増幅器の概略図。
【図４】本発明の実施形態で出力増幅器として使用するのに適した、ファイバ増幅器の概略図。
【図５】本発明の実施形態で波長変換器として使用するのに適した、第３次高調波発生器の概略図。
【図６】光波長変換器の変換効率を、基礎的ピーク出力の関数として示すグラフ。
【図７】光波長変換器の変換効率を、基礎的ピーク出力の関数として示すグラフ。
【図８】光波長変換器の変換効率を、相対偏光角の関数として示すグラフ。
【図９】本発明の代替実施形態で使用されてよい、二重放射源を有するシード源を示す概略図。
【図１０Ａ】光パルスにおいて誘導された、ラマン散乱の効果を説明するタイミング図。
【図１０Ｂ】光パルスにおいて誘導された、ラマン散乱の効果を説明するタイミング図。
【図１０Ｃ】本発明の実施形態に従い波長変換効率を制御するためにパルス整形を使用する例における、光パルスのタイミング図。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図１は、本発明の実施形態に従う波長変換光学システム１００および方法を示す。具体的に言うと、波長変換光学システム１００は一般に、制御装置１０１、シード源１０２、光増幅器１０３、および波長変換器１１０を含む。シード源１０２は、シード放射１０４を生成し、シード放射１０４は、光増幅器１０３によって増幅されて増幅出力１０９を生成する。波長変換器１１０は、増幅出力１０９の少なくとも一部を波長変換することによって、波長変換出力１１１を生成する。波長変換器１１０から出た波長変換出力１１１の平均出力を制御する方法は、波長変換光学システム１００の動作に関する以下の説明から理解されよう。
【００４１】
シード源１０２は、シード放射１０４を１個以上のパルスの形で生成する。シード放射１０４が有する光スペクトルは、基本周波数ω１と帯域によって特徴付けられてよく、択一的にそれぞれ特性帯域を有する離散波長の分布として特徴付けられてよい。スペクトル分布は、パルスの持続時間にわたって実質的に一定であってよく、または時間に連れて変化してよく、たとえばチャーピングされてもよい。一般に、シード源１０２は、レーザを含んでよく、シード源１０２は、コヒーレント光の形態であってよい。択一的にシード源１０２は、増幅自然放出光源（ＡＳＥ）を含んでよい。シード源１０２によって生成されるシード放射１０４は、電磁スペクトルの赤外領域、可視領域または紫外領域であってよい。たとえば、シード放射１０４は、約５００ｎｍ〜約２０００ｎｍの領域の真空波長によって特徴付けられてよい。この領域内の波長を有する光信号は、多様なレーザ、たとえば半導体レーザやファイバレーザ等によって獲得され得る。
【００４２】
制御装置１０１は、シード源１０２、光増幅器１０３、および波長変換器１１０のうちの少なくとも１つに動作結合されてよい。制御装置は、平均波長変換出力（Ｐω２ａｖｇ）を制御するように構成された論理１２１を含む。論理１２１は、増幅出力１０９の平均出力（Ｐω１）を調整せずに、平均波長変換出力（Ｐω２ａｖｇ）をパルス繰返周波数に類似の帯域によって精密に制御する。増幅出力１０９の平均出力は、パルス周期（Ｔ）と比較可能な時間スケールにわたって、実質的に一定であってよい。パルス周期Ｔは、随意
の適当な値を有してよく、Ｐｕｌｓｅ−ｔｏ−ｐｕｌｓｅベースで論理１２１によって調整されてよい。一例を挙げると、パルス周期Ｔは、１ミリ秒以下であってよい。
【００４３】
シード源１０２は、数多くの多様な設計が可能である。たとえばシード源１０２は、ダイオードを介して駆動電流によってポンピングされる低出力ダイオードレーザであってよい。市販される適当な例として、分布反射型（ＤＢＲ）タイプのレーザダイオードは、マールブルク（ドイツ）のザッハー・レーザ技術グループから出ているＤＢＲ−１０６３−１００である。シード放射１０４は、電流をオンおよびオフに切替えることによってパルス放出され得る。択一的に、シード放射１０４は、光変調器、たとえば音響光学変調器または電気光学変調器によってパルス放出されてよい。特に有用なタイプの変調器は、ニオブ酸リチウムで作られた集積光学タイプのマッハ・ツェンダー変調器である。このような変調器は、ブザンソン（フランス）のフォトライン社からモデル＃ＭＸＰＥ−ＬＮとして市販される。
【００４４】
更に、シード放射１０４は、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）を避けるために光増幅器１０３内でチャーピングされてよい。分布反射型タイプのレーザダイオードの場合、チャーピングは、レーザダイオードの利得、位相または反射セクションを通して電圧または電流を旋回させることによって達成される。チャーピング率は、システムに応じて約１０ＭＨｚ／ｎｓほど低くても、約１ＧＨｚ／ｎｓよりも大きくてもよい。チャーピング率は、誘導ブリルアン散乱を避けるために光増幅器１０３内で調節されてよい。
【００４５】
図２は、図１のシード源１０２として使用できるファイバレーザ２００の例を示す。ファイバレーザ２００は一般に、適当なドーパントでドーピングされたコアを有するファイバに光学的結合されたポンピング源２０２を含む。一般性を失うことなく例を挙げるならば、ポンピング源は、ダイオードレーザであってよい。適当なポンプレーザダイオードの例は、ミルピタス（カリフォルニア州）のＪＤＳユニフェイズから出ているシリーズ２９００、９８０ｎｍポンプダイオードである。
【００４６】
ポンピング源２０２から出るポンピング放射は、ファイバ２０４のコアに結合される。ポンピング放射は、放射の放出を誘導するファイバコア内でドーパント原子と相互作用する。ファイバ２０４の向き合う端部にあるリフレクタ２０６、たとえばブラッグ格子が誘導された放射をファイバ２０４内で往復させて追加的な放出を誘導し、それぞれファイバ２０４内を通過する。誘導放射の一部２０７は、リフレクタ２０６の一方の端部から出力として漏れる。光変調器２０８は、誘導放射をパルス放出することによってパルス出力２０９を生成してよい。例を挙げると、光変調器２０８は、音響光学変調器、磁気光学変調器または電気光学変調器を含んでよい。変調器２０８は、制御装置１０１に動作結合されて、パルス出力２０９のパルス繰返周波数と負荷サイクルのうちの少なくとも一方の自動制御を提供してよい。ファイバ２０４の出力端から望ましくなく放射が進入するのを防ぐために、ファイバ２０４と変調器２０８との間に光アイソレータ２１０が光学的結合されてよい。更に、光アイソレータ２１０は、光アイソレータ２１０に隣接する他の素子、たとえば分光フィルタ、光変調器または偏光器を含んでよい。
【００４７】
誘導放射２０７の真空波長は、ドーパントとファイバ材料の選択に依存する。種々異なるドーパントとファイバ材料は、ポンピング放射の種々異なる真空波長を要求する。例を示すと、イッテルビウム（Ｙｂ）でドーピングされたグラスファイバは、約９７６ナノメータの真空波長を有する放射でポンピングされると、約０．９８〜１．１５ミクロンの真空波長での誘導放出を生成する。
【００４８】
択一的に、シード源１０２は、ダイオード励起固体レーザ（ＤＰＳＳ）であってよく、これは受動的Ｑスイッチ型、モードロック型、または連続波（ＣＷ）型であってよい。受
動的Ｑスイッチ型マイクロレーザの一例は、ウェルズリー（マサチューセッツ州）のティーム・フォトニクスから出ているマイクロチップマイクロレーザである。適当なモードロック型レーザの例は、チューリッヒ（スイス）のタイム・バンドウィトス・プロダクツ社から出ているリンクスである。適当な連続波型ダイオード励起固体レーザの例は、ミルピタス（カリフォルニア州）のＪＤＳユニフェイズから出ているモデル１２５非平面リング発振器（ＮＰＲＯ）レーザである。
【００４９】
択一的に、シード源１０２は、レーザダイオードであってよい。種々のタイプのレーザダイオード、たとえば分布反射型（ＤＢＲ）レーザ、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ、またはファブリペローレーザダイオードが使用されてよい。市販される分布反射型の例は、マールブルク（ドイツ）のザッハー・レーザ技術グループから出ているＤＢＲ−１０６４−１００である。この特殊な分布反射型レーザダイオードは、波長１０６４ｎｍおよび出力１００ｍＷの真空波長で放出を生み出す。
【００５０】
択一的に、シード源１０２は、増幅自然放出光源（ＡＳＥ源）、たとえば限界値以下で動作するレーザダイオード、半導体増幅器、テーパー半導体増幅器、またはファイバ増幅器であってよい。シード源１０２として使用されてよい市販の増幅自然放出光源の例は、モレイラ・デ・マイア（ポルトガル）のマルチウェイブ・フォトニクス社から出ている増幅自然放出光源狭帯域源である。ダイオード励起固体レーザ、分布反射型レーザダイオードまたは増幅自然放出光源等いかなる連続波源の出力も、外部光変調器を使用することによって変調されてよい。増幅自然放出光源は、レーザダイオードと同様に、増幅自然放出光源のポンピングに使用される電流をパルス化することによって、またはシード放射を光変調器に通すことによってパルスシード放射１０４を生成してよい。増幅自然放出光源は、典型的に光増幅器１０３内で誘導ブリルアン散乱を避けるために十分広い光スペクトル（たとえば約１０ＧＨｚ以上）を有するシード放射１０４を生成する。そのようなものとして増幅自然放出光源から出るシード放射１０４は、光増幅器１０３内で誘導ブリルアン散乱を避けるためにチャーピングを必要としない。更に、増幅自然放出光源のスペクトル帯域幅は、高い波長変換効率を維持するために非線形波長変換素子のスペクトル帯域幅よりも狭くてよい。
【００５１】
ダイオードレーザ、ダイオード励起ファイバレーザ、ダイオード励起個体レーザ、および増幅自然放出光源のうちの少なくとも一方では、ユーザはパルス繰返周波数（ＰＲＦ）と負荷サイクルのうちの少なくとも一方の完全で精密な制御を有することができる。特にパルス繰返周波数は、光変調器の制御によって、または制御装置１０１から出る信号に応答することによってダイオード電流を制御することによって制御され得る。
【００５２】
本発明の択一的な実施形態においてシード源１０２は、多くの形態を取ることができよう。最大パルス周期は、増幅器利得材料の上準位の寿命によってのみ制限される。パルス周期の範囲は、ミリ秒からフェムト秒に及ぶ。パルスは、パルス幅に適した随意の繰返率で繰返されてよい。パルスの形状は、トップハット形状である必要はなく、ガウス分布、鋸状、短い高出力前縁、またはその他任意のパルス形状であってよい。パルスフォーマットは、随意の適当なパルスフォーマット、たとえばパルスの間欠的バーストであってよい。
【００５３】
更に、シード源１０２から出るシード放射１０４は、高負荷サイクル、低負荷サイクルの非比較的高振幅のパルスと組合せた低振幅パルスを含んでよい。シード放射１０４のパルス形状は、光増幅器１０３内で生じ得るパルスの歪を補償するために事前に変形されてよい。ここで留意されるのは、シード放射１０４および増幅出力１０９がピーク間放出ゼロの実質的に正方形のパルス形状を有する場合、波長変換出力１１１は、典型的にシード放射１０４と導体的に変形されてよいことである。これはピーク出力による波長変換効率
ηの変化に起因する。更に留意されることとして、波長変換出力１１１に加えて波長変換器１１０から出る全体出力は、変換されない基本放射と、ラマンシフト放射とのうちの少なくとも一方を含んでよいことである。
【００５４】
シード放射１０４は、光増幅器１０３に光学的結合され、光増幅器１０３は、シード放射１０４を増幅し、それによって増幅信号１０９を１個以上の増幅パルスの形態で生成する。光増幅器１０３は、１個以上の増幅ユニットを包含してよい。たとえば光増幅器１０３は、シード源１０２と出力増幅器１０８との間に光学的に直列に結合された１個以上の随意の前置増幅器１０６を含んでよい。前置増幅器１０６は、シード放射１０４を増幅してよく、これによって間接信号１０７を生成する。間接信号１０７は、出力増幅器１０８によって増幅されて増幅出力１０９を生成する。
【００５５】
上述のように、光増幅器１０３は、１個以上の前置増幅器１０６と１個の出力増幅器１０８を含んでよい。前置増幅器１０６と出力増幅器１０８に対して種々の設計を用いることができる。一般性を失うことなく一例を挙げるならば、前置増幅器１０６と出力増幅器１０８のうちの少なくとも一方は、ファイバ増幅器であってよい。図３は、光ファイバ３０２とポンピング源３０４とを有する前置ファイバ増幅器３００を示す。光ファイバ３０２は、クラッドとドーピングされたコアを含む。光ファイバ３０２のコアの直径は、たとえば約６ミクロンであってよい。光ファイバ３０２は、偏波面保存光ファイバまたは単一偏波ファイバであっても望ましい。増幅されるべき入力放射３０６は、コアに結合される。ポンピング源３０４から出るポンピング放射も、典型的にコアに結合されるが、択一的にクラッドに結合されてもよい。例を示すと、入力放射３０６は、シード源に由来してよい。光ファイバ３０２のコア内のドーパント原子、たとえば希土類元素、たとえばイッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、ホルミウム（Ｈｏ）、サマリウム（Ｓｍ）、ツリウム（Ｔｍ）またはこれらの２種類以上の元素の組合せが、ポンピング放射からエネルギを吸収する。当業者は、希土類元素添加ファイバ増幅器（ＲＥＤＦＡ）の図式と構造を熟知していよう。
【００５６】
入力放射３０６は、ドーパント原子から放射の放出を誘導する。誘導された放射は、入力放射と同じ周波数および位相を有する。結果として生じる増幅出力３０８は、入力放射と同じ周波数および位相を有するが、光強度はより大きい。たとえば反射の結果として光ファイバ３０２の出力端から望ましくなく放射が進入するのを防ぐために、光ファイバ３０２の出力端に光アイソレータ３１０が光学的結合されてよい。更に、光アイソレータ３１０に隣接する他の素子、たとえば分光フィルタ、光変調器または偏光器を含んでよい。本発明の択一的な実施形態において、前置増幅器は省略されるか、包含されるか、または波長変換器１１０に対して要求される固有の光出力を達成するように性能をアップグレードされてもよい。
【００５７】
図４は、何よりも光増幅器１０３で使用されてよいファイバ出力増幅器４００の可能な例を示す。ファイバ出力増幅器４００は、一般に増幅されるべき光信号４０１を受取る。光信号４０１は、シード源から由来し、シード源とファイバ出力増幅器４００との間で前段増幅されてよい。たとえば１対のリレーレンズを有する光結合器４０２は、光信号４０１を第１端部４０６で光ファイバ４０４に結合してよい。好ましくは、ファイバ４０４は、ポンピング放射の十分なパーセンテージ（たとえば約９０％以上）を吸収できる程に長い。ファイバ４０４にとっては、ラージモードエリア（ＬＭＡ）ファイバに適したコア直径を有することが望ましい。更に、ファイバ４０４は、高出力のマルチモードポンプ放射を受容するのに適したクラッド内径と受光角を有するデュアルクラッドであることが望ましい。ファイバ４０４は、偏波面保存光ファイバまたは単一偏波ファイバであることも望ましい。例を挙げると、ファイバ４０４は、イーストグランビー（コネティカット州）のヌーファンから出ているヌーファン・デュアルクラッドアクティブファイバ、ＬＭＡコア
付き、品番例ＬＭＡ−ＥＹＤＦ−２５／３００若しくはＬＭＡ−ＴＤＦ−２５／２５０、またはビアケレズ（デンマーク）のクリスタル・ファイバＡ／Ｓから出ているモデルＤＣ−２００−４１−ＰＺ−Ｙｂであってよい。例を挙げると、ファイバ４０４のコアは、希土類元素、たとえばエルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）またはネオジム（Ｎｄ）を添加されてよい。
【００５８】
ポンピング源４１０は、第２端部４０８でポンピング放射４１１をファイバ４０４に供給する。ポンピング源４１０は、典型的に１個以上の高出力レーザダイオードを含む。これらのレーザダイオードは、シングルエミッターか、または複数のシングルエミッターを包含するモノリシックバーの形態であってよい。市販されるレーザダイオードの具体的な例は、ドルトムント（ドイツ）のリソチェンコ・ミクロオプティーク（ＬＩＭＯ）有限会社から出ているモデルＬＩＭＯ１１０−Ｆ４００−ＤＬ９８０レーザダイオード、およびアーバイン（カリフォルニア州）のアポロ・インストゥルメンツから出ているアポロＦ４００−９８０−４を含む。択一的に、ポンピング源４１０は、互いに光学的結合されたシングルエミッターの配列、たとえばミルピタス（カリフォルニア州）のＪＤＳユニフェイズから出ているモデルＬ３  ９８０ｎｍポンプパッケージの配列であってよい。
【００５９】
好ましくは、源４１０はマルチモード源であり、ファイバ４０４はマルチモード内側クラッドを有する。出力増幅器４００において、ポンピング放射は典型的にファイバ４０４のインナークラッドに結合される。ポンピング放射４１１がシングルモードである場合、ポンピング放射４１１は、択一的にファイバ４０４のコアと直接結合されてよい。例を挙げると、ファイバ４１２は、ポンピング源４１０から出るポンピング放射４１１をコリメータレンズ４１４に結合してよい。ポンピング放射４１１は、ファイバ４０４の一方の端部か、または両方の端部に結合されてよい。若干の実施形態において、ポンピング源４１０をシード源１０２の近位に配置することによって、ポンピング源４１０をマルチモードファイバであってよいファイバ４１２を介して接続することが有利である。このような配置は、寸法と熱負荷を減少させよう。
【００６０】
ポンピング放射４１１は、ファイバ４１２から発散ビームとして生じる。コリメータレンズ４１４は、発散ビームを平行ビームに収束させる。波長選択的リフレクタ４１６（たとえば干渉フィルタ）は、ポンピング放射を収束レンズ４１８に向かって反射し、収束レンズ４１８は、収束されたポンピング放射をファイバ４０４の第２端部４０８内に収束させる。光ファイバ４０４のコア内のドーパント原子は、ポンピング放射４１１を吸収することによって、光信号４０１と同じ周波数および位相を有するが、光強度は増幅された増幅出力放射４２０の放出を誘導する。増幅出力放射４２０は、ファイバ４０４の第２端部４０８から生じるかのように発散する。波長選択的リフレクタ４１６は、増幅出力放射４２０を伝送するように構成される。例を挙げると、周波数選択的フィルタ４１６は、ポンピング放射４１１の周波数範囲（たとえば約９７６ナノメータ）の放射を反射するように選択された阻止帯域と、増幅出力放射４２０の周波数範囲（たとえば約１．０６ミクロン）の通過帯域とを有する干渉フィルタであってよい。次いで増幅出力放射４２０は、出力カプラーレンズ４２２によって収束されてよい。
【００６１】
以上、前置増幅器または出力増幅器として使用されてよいファイバ増幅器を詳細に説明したが、他の光増幅器の設計が使用されてもよい。増幅器４００は、ファイバ構成の代替としてスラブ型利得媒質、たとえばドーピングされた結晶を使用してもよい。例としてネオジム添加オルトバナジウム酸イットリウム（Ｎｄ：ＹＶＯ４）、ネオジム添加アルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）、またはセラミック媒質、たとえば焼結Ｎｄ：ＹＡＧ、または半導体ベース利得媒質がある。このようなスラブ型利得媒質は、側面励起または端面励起されてよい。ロッド型構成を有する利得媒質も増幅器４００内で利用されてよい。
【００６２】
光増幅器１０３から出る増幅出力１０９は、波長変換器１１０に光学的結合される。本発明の若干の実施形態において、波長変換光学システム１００は、光増幅器１０３から増幅出力１０９を受取って波長変換器１０５に送る結合光学素子１０５を含んでよい。結合光学素子１０５は、単純な窓の形態であってよい。択一的に、結合光学素子１０５は、増幅出力１０９を波長変換器１１０に収束または集中させるように選択された焦点長さと位置を有するレンズを含んでよい。結合光学素子１０５は、択一的に増幅出力１０９の時間的特性を修正するように構成されてよい。若干の実施形態において、結合光学素子１０５は、パルス圧縮（またはパルス伸張）図式を含んでよい。このタイプの結合光学素子は、望ましくない光学非線形性を避けるためにピコ秒またはフェムト秒型のパルス出力で使用すれば特に有用であろう。択一的に、結合光学素子１０５は、増幅出力１０９に、たとえばそのパルス繰返周波数（ＰＲＦ）に影響を与える何らかの手段を含んでよい。たとえば結合光学素子１０５は、ユーザが選択的に増幅出力１０９の全部または一部を遮断できるように光シャッターを含んでよい。択一的に、結合光学素子１０５は、増幅出力１０９のパルス繰返周波数を減少させるためにパルスピッカーを含んでよい。
【００６３】
波長変換器１１０は、増幅出力１０９から波長変換出力１１１を生成するが、波長変換出力１１１は、１個以上の波長変換パルスの形態であってよい。波長変換出力１１１は、増幅出力１０９の光スペクトル、および波長変換器１１０内で行われる波長変換の性質に依存することによって、電磁スペクトルの赤外（ＩＲ）領域、可視領域または紫外（ＵＶ）領域における真空波長によって特徴付けられてよい。光波長変換器１１０は、増幅出力１０９から１個以上の光波長変換プロセスによって光周波数ω２によって特徴付けられる波長変換出力１１１を生成してよい。そのようなプロセスの例は、これに限られるものではないが、第２次高調波発生、第３次高調波発生、第４次高調波発生、更に高次の高調波発生光、光パラメトリック発振、和周波発生、差周波発生、光パラメトリック増幅、光パラメトリック発振および誘導されたラマン効果がある。このようなプロセスは、所望の波長変換効果を生じるように位相整合された非線形光学材料を使用して実現されてよい。ここで留意すべきは、光増幅器１０３と波長変換器１１０は、独立のコンポーネントとして示されるが、これは増幅と波長変換の機能を単一のコンポーネントにおいて実現する可能性を排除することを意味するものではないということである。
【００６４】
波長変換器１１０は、１個以上の非線形プロセスによって波長変換出力１１１を生み出してよい。随意の非線形プロセスが実現されてもよい。例を挙げると、非線形プロセスは、χ２非線形相互作用またはχ３プロセスであってよい。χ２非線形相互作用の例は、第２次高調波発生、第３次高調波発生、第４次高調波発生、光パラメトリック発振、シードパルス、および１個以上の高調波間の和周波または差周波のうちの少なくとも一つの発生を含む。波長変換器１１０において、これらを１個以上組合せたプロセスが行われてもよい。χ３プロセスの例は、ラマン散乱、ブリルアン散乱および自己位相変調を含む。
【００６５】
本発明の実施形態は、随意の適当な波長変換器を使用してよい。図５は、中でも図１に示す波長変換光学システム１００で使用されてよい波長変換器５００の１例を示す。この例では、波長変換器５００は第３次高調波発生である。波長変換器５００は、一般に第１非線形結晶５０２と第２非線形結晶５０４を含む。適当な非線形結晶の例は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、３ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、ベータホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、ホウ酸セシウムリチウム（ＣＬＢＯ）、タンタル酸リチウム、化学量論タンタル酸リチウム（ＳＬＴ）、リン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ４、ＫＴＰとしても知られる）、ＡＤＡ、ＡＤＰ、ＣＢＯ、ＤＡＤＡ、ＤＡＤＰ、ＤＫＤＰ、ＤＬＡＰ、ＤＲＤＰ、ＫＡＢＯ、ＫＤＡ、ＫＤＰ、ＬＢ４またはＬＦＭおよびその同形体、周期分極反転タンタル酸リチウム、および化学量論組成周期分極反転タンタル酸リチウム（ＰＰＳＬＴ）を含む。このような非線形材料は、たとえば福建省（中国）の復建カステッククリスタルズから市販される。更に、非線形ファイバは、波長変換のために使用されてよい。波長変換器５
００は、制御装置１０１に動作結合される。例を挙げると、制御装置１０１内の論理１２１が、第１非線形結晶５０２および第２非線形結晶５０４のいずれか一方または両方の温度、歪み、配向角または電界を調整するデバイスを制御することによって、波長変換効率を最大化、制御、および安定化のうちの少なくとも１つを行なうことができる。
【００６６】
第１非線形結晶５０２は、出力増幅器から増幅入力放射５０１を受取る。入力放射５０１は、光周波数ωによって特徴付けられる。第１非線形結晶５０２は、第２次高調波発生に対して位相整合される。位相整合は、第１非線形結晶の温度を調整することによって制御される。特に、入力放射５０１の一部が非線形結晶５０２内で反応することによって、光周波数２ωによって特徴付けられる第２次高調波放射５０３を生成する。第２次高調波放射５０２と入力放射５０１の残余部分５０１′は、第２非線形結晶５０４に結合される。第２非線形結晶５０４は、光周波数２ωの放射と光周波数ωの放射との和周波数に位相整合される。特に第２非線形結晶５０４において、第２次高調波放射５０３と入力放射５０１の残余部分５０１′は、第２非線形結晶５０４内で相互作用することによって、光周波数３ωによって特徴付けられる第３次高調波５０５を生成する。第２非線形結晶５０４から第３次高調波放射５０５が出て周波数変換出力を供給する。
【００６７】
第２非線形結晶の変換効率が１００％未満の場合、入力放射５０１の残余部分５０１″が第２非線形結晶５０４から出てよい。波長変換器５００は、第２次高調波放射５０３の残余部分５０１″と残余部分５０３′を反射することによって、第３次高調波放射５０５を伝送する光フィルタ５０６（たとえば干渉フィルタ）を含んでよい。残余部分５０１″、５０３′は、光学トラップに向けられるか、さもなくば廃光として処分されてよい。択一的に光フィルタ５０６は、選択的に１個以上の出力波長、たとえば第３次高調波放射５０５、残余第２次高調波放射５０３′および残余基本放射５０１″を透過させるように構成され得る。
【００６８】
例を挙げると、第１結晶５０２は、波長１．０４ミクロン〜１．０８ミクロンの入力放射５０１の周波数を倍加することによって、真空波長５２０ｎｍ〜５４０ｎｍを有する第２次高調波放射５０３を生成してよい。第２非線形結晶５０４は、第２次高調波放射５０３を入力放射の残余部分５０１′と合計することによって、約３４０ｎｍ〜約３６０ｎｍの範囲の真空波長を有する第３次高調波放射５０５を生成する。一般性を失うことなく例示すると、第１結晶５０２は、１．０６４ミクロンの入力放射５０１を倍加して５３２ｎｍの第２次高調波放射５０３を生成してよい。第２結晶は、入力放射の残余部分５０１′を第２次高調波放射５０３と合計することによって、３５５ｎｍの第３次高調波放射５０５を生成する。ここで留意すべきは、図５は、第３次高調波放射発生器の例を示すにもかかわらず、当業者ならばその他の非線形波長変換器、たとえば第２次高調波発生器、第４次高調波発生器、更に高次の高調波発生器、和周波発生器、差周波発生器、光パラメトリック発振器、光パラメトリック増幅器、その他の類似物が使用され得ることを認識するであろうということである。たとえば波長変換器５００は、第２非線形結晶５０４が省かれた場合に第２次高調波発生器として構成されてよい。
【００６９】
波長変換光学システム１００は、波長変換出力１１１を受取って最終出力１１３を伝送する結合光学素子１１２を含んでよい。結合光学素子１１２は、単純な窓を含んでよく、また光ファイバも含んでよい。択一的に、結合光学素子１１２は、波長変換出力１１１を最終出力１１３として収束または集中させるように選択された焦点長さと位置を有するレンズを含んでよい。結合光学素子１１２は、択一的に最終出力１１３の時間的特性を修正するように構成されてよい。若干の実施形態において、結合光学素子１１２は、パルス圧縮（またはパルス伸張）図式を含んでよい。このタイプの結合光学素子は、ビーム伝送の直前に光学非線形性を避けるためにピコ秒またはフェムト秒型のパルス出力で使用すれば特に有用であろう。択一的に、結合光学素子１１２は、たとえば最終出力１１３のパルス
繰返周波数（ＰＲＦ）に影響を与える何らかの手段を含んでよい。たとえば結合光学素子１１２は、ユーザが最終出力１１３の全部または一部を選択的に遮断できるように光シャッターを含んでよい。択一的に、結合光学素子１１２は、最終出力１１３のパルス繰返周波数を減少させるためにパルスピッカーを含んでよい。
【００７０】
制御装置１０１は、ユーザ制御入力１２３に応答することによって波長変換出力を調整してよい。若干の実施形態において、システム制御装置１０１は、１個以上のフィードバック信号に応答することによって動作してよい。たとえば最終出力１１３の一部は、たとえばビームスプリッタ１１４によって出力モニタ１１６に偏向されてよい。残余部分１１５は、ターゲット１１８に向けられてよい。択一的にビームスプリッタ１１４と結合光学素子１１２の順序は、逆にすることができ、波長変換光学システム１００は、なおも類似の方法で機能する。出力モニタ１１６は、制御装置１０１との制御ループに動作結合されてよい。択一的に、ターゲット１１８における、またはターゲット１１８の付近のフィードバックセンサ１２０は、制御ループで制御装置１０１に結合されて、フィードバック信号を供給してよい。フィードバックセンサ１２０は、残余出力１１５とターゲット１１８との相互作用によって影響され得るターゲット１１８の関連する特性の変化を測定または検出する随意の適当なセンサであってよい。関連する特性の例は、反射率、透過率、温度、スペクトル放出、蛍光性、吸収、音響特性、電気抵抗を含むが、これらに限られない。出力モニタ１１６とフィードバックセンサ１２０のうちの少なくとも一方から出るフィードバック信号は、最終出力１１３と残余出力１１５のうちの少なくとも一方の平均出力、またはパルスエネルギに依存してよい。制御装置１０１は、波長変換光学システム１００のコンポーネント、たとえばシード源１０２、前置増幅器１０６、出力増幅器１０８、結合光学素子１０５、１１２を調整することによって、波長変換器１１０の波長変換効率ηを変化させ、残余出力１１５中に所望の平均波長変換出力またはパルスエネルギを生成できるようにしてよい。
【００７１】
制御装置１０１によって使用される制御アルゴリズムは、多くの形態を有してよい。たとえば、出力モニタ１１６から出る信号に基づきフィードフォワードループが実現され得る。最後の波長変換パルスエネルギが予想よりも大きいことを制御装置１０１が認識したら、フィードフォワードループは、パルス幅をわずかに増大させることによって、一定のパルス繰返周波数を維持する。これは波長変換効率を減少させ、パルス出力エネルギを一定に保とうとすることによって、平均出力安定性を高める働きをするであろう。これは、可能な制御ループの多くの態様の１つに過ぎない。
【００７２】
残余出力１１５は、種々異なるターゲットのいずれかに供給されて、用途に依存する種々異なるタイプのいずれかを実現してよい。用途は、材料加工、医療、レーザ粒子加速器、ウェーハ検査を含むが、これらに限られない。適当なターゲットの例は金属、セラミック、半導体、ポリマー、合成物、薄膜、有機材料、ｉｎ  ｖｉｔｒｏまたはｉｎ  ｖｉｖｏの生物見本、素粒子を含むが、これらに限られない。材料加工の具体的なケースにおいて、ターゲットは、たとえばワイヤー、印刷回路（ＰＣ）基板、集積回路（ＩＣ）パッケージ、ＩＣウェーハダイ、ＬＥＤウェーハ、パッケージ、ダイおよび類似物を含むが、これらに限られない。材料加工用途の例は、表面テクスチャリング、熱処理、表面彫刻、精密マイクロマシニング、表面剥離、切断、溝彫り、バンプ形成、被覆、はんだ付け、ろう付け、焼結、シーリング、溶接、リンクブローイング、ウェーハスクライビング、ダイシングおよびマーキング、ビアドリリング、メモリー修理、フラットパネルディスプレー修理、ステレオリソグラフィ、マスクレスリソグラフィ、表面拡散および化合物の表面転換を含む。
【００７３】
上述したように、波長変換出力１１１の平均出力Ｐω２ａｖｇは、増幅出力１０９の平均出力Ｐω１ａｖｇと波長変換器１１０の変換効率ηに依存する。波長変換効率は、一般
に波長変換器１１０内で生じる正確な非線形プロセス、使用する非線形材料、およびシステムジオメトリー、たとえば非線形素子の長さ、そして基本放射（たとえば増幅出力１０９）の非線形素子への収束に依存する。波長変換効率ηは、一般に増幅出力１０９を構成するパルスのピーク出力Ｐｐｋ、増幅出力１０９の波長λ、および増幅出力１０９の偏光Пに依存する。従って波長変換出力は、次のように表現されてよい。
Ｐω２ａｖｇ＝Ｐω１ａｖｇ×η（Ｐｐｋ，λ，П）＝Ｐω１ａｖｇ×ηＰｐｋ（Ｐｐｋ）×ηλ（λ）×ηΠ（П）…（式１）
ピーク出力（Ｐｐｋ）、波長（λ）、および偏光（П）は、シード源信号１０４を構成するパルスのパルス周期Ｔと比較可能な時間スケールにわたって制御されてよい。特に制御装置１０１は、シード源１０２、光増幅器１０３、および波長変換光学システム１００のうちの少なくとも一方のその他のコンポーネントの適当な特性を制御することによって、Ｐｐｋ、λ、およびПのうちの少なくとも１つに影響し、パルス周期Ｔと比較可能な時間スケールにわたって平均波長変換出力Ｐω２ａｖｇを変化させることができる。
【００７４】
（ηＰｐｋのＰｐｋに対する関数依存性）
基本制御出力は、シード源１０２の負荷サイクルとパルス繰返率のうちの少なくとも１つを変化させることによって制御されてよい。広い動作窓にわたってピーク基本出力は、負荷サイクルＤの減少に連れて単調増加し、ピーク基本出力Ｐｐｋは、パルス繰返周波数の減少に連れて単調増加する。増幅出力１０９における基本ピーク出力の制御の詳細は、部分的に光増幅器１０３に、更に具体的には、出力増幅器１０８が飽和であるか、不飽和であるかに依存してよい。ラージモードエリアを使用する出力増幅器１０８の典型的な飽和出力レベルは、Ｙｂグラスファイバで約３００ｍＷである。飽和動作に対して出力増幅器１０８の出力は、少なくともこのレベルの３倍、たとえば約１Ｗよりも大きくなければならない。
【００７５】
飽和状態の増幅器に対して、平均入力が増幅器を飽和させるのに十分でない間は、平均出力は、平均入力シード出力からほぼ独立する。これはシステムの負荷サイクルまたはパルス繰返周波数から独立する。上述したように、出力増幅器１０８の飽和動作にとって、波長変換効率ηは、負荷サイクルＤの単調減少関数として概算されてよい。負荷サイクルＤは、Ｄ＝τ×ＰＲＦとして定義される。ここにτは、パルス幅である。パルス繰返周波数（ＰＲＦ）は、パルス繰返周波数＝１／Ｔである。固定されたパルス繰返周波数における飽和動作に対して、Ｄがピーク出力Ｐｐｋまで上昇すると変換効率ηは下降し、またその逆である。択一的且つ同等にτまたはパルス繰返周波数を変化させることによって、類似の正確な制御を得ることができる。例を挙げると、制御装置１０１から出る信号は、シード源１０２のポンピングを変調することによって、または音響光学変調器若しくは電気光学変調器によってシード放射１０４を変調することによって負荷サイクルＤ、パルス繰返周波数またはパルス持続時間τを制御してよい。こうして波長変換平均出力Ｐω２ａｖｇは、負荷サイクルＤ、パルス繰返周波数またはパルス持続時間τを変えることによって変化してよく、他方増幅出力１０９の平均出力Ｐω１ａｖｇは、パルス周期Ｔと比較可能な時間スケールにわたって名目上一定である。特に、ポンプダイオード励起出力増幅器としての出力増幅器１０８に対する駆動電流は、パルス周期Ｔと比較可能な時間スケールにわたって一定に保たれてよい。
【００７６】
出力増幅器１０８の不飽和動作の場合は、飽和動作の場合と類似する。出力増幅器１０８が飽和状態で動作しない場合でも、増幅出力１０９のほぼ一定の平均パワーを得ることが可能である。出力増幅器１０８に対する平均入力信号がほぼ一定の平均パワーを有する間、平均出力パワーＰω１ａｖｇは、ほぼ一定である。出力増幅器１０８に対する入力信号パワーとは、シード源１０２から出るシード放射１０４の平均出力、または前置増幅器１０６から出る前段増幅出力１０７のいずれか使用された方であってよい。出力増幅器１０８に対する一定の平均入力信号出力は、出力増幅器１０８に対する入力信号のピーク出
力が負荷サイクルに逆比例することを含意する。出力増幅器１０８のピーク出力パワーは、増幅器の飽和状態に関わりなくピーク入力パワーに対応する。従って上述したように波長変換光学システム１００の波長変換平均出力を、出力増幅器に対する平均入力パワーの追加的な制御素子で制御してよい。たとえば、制御装置１０１は、シード源１０２と前置増幅器１０６のうちの少なくとも１つに供給されるポンプエネルギを調整することによって、前置増幅器出力１０７の一定の平均出力を維持してよい。
【００７７】
出力増幅器１０８の効率的な動作のために、パルス周期（Ｔ）は、利得材料の上準位の寿命よりも小さいことが望ましい。たとえばＹｂグラスの場合、上準位の寿命は、ほぼ１ミリ秒である。従ってパルス周期Ｔは、約１ミリ秒よりも小さくなるであろうが、これはパルス繰返周波数が約１ＫＨｚよりも大きいことを含意する。効率的な動作にとっても、シード源１０２から出るシード放射１０４の放出スペクトルは、出力増幅器１０８の利得帯域内になければならない。たとえば９７６ｎｍでポンピングされたときＹｂグラス利得範囲は、約９８０ｎｍ〜１１５０ｎｍである。増幅器の効率的な動作のために、シード放射１０４は、このスペクトル窓の範囲内にあるべきである。
【００７８】
Ｐｐｋの制御による波長変換出力の制御は、１０６４ｎｍの基本波長をホウ酸リチウム（ＬＢＯ）内の５３２ｎｍに変換する波長変換器１１０における第２次高調波発生の具体例ついて理解されてよい。発明者は、実用的なレーザシステムにおいて第２次高調波変換効率と、３ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）に対するピーク出力との間に次の関係を決定した。
【００７９】
ηＰｐｋ（Ｐｐｋ）＝Ａ×tanh2{Ｐｐｋ／Ｂ0.5}…（式２）
式２において経験的に決定された定数は、約０．６の値を有する。Ｂは、波長変換器１１０で使用される３ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）の長さに依存する経験的に決定された定数である。一定のＢは、最小値約５ＫＷを有する。説明の目的で値Ｂ＝１０ＫＷが使用されてよい。図６は、変換効率と基本ピーク出力Ｐｐｋの間で結果として生じる関係のグラフを示す。数値結果は、状況が異なれば異なるが、すべての状況は、類似の特性を共有し、波長変換効率は、広い動作範囲にわたってピーク基本出力の増大に連れて単調増加する。
【００８０】
（ηλの基本波長（λ）に対する関数依存性）
上述のように、波長変換効率は、基本波長によって変化する。多くの波長変換材料は、狭いスペクトル許容帯域幅を有する。多くの主発振器電力増幅器（ＭＯＰＡ）レーザシステムに対して、光増幅器１０３における利得は、波長変換器１１０内の非線形素子の波長変換帯域幅よりもはるかに広くてよい。波長変換平均出力Ｐω２ａｖｇは、波長変換器１１０の波長変換帯域幅における基本光の一部分を変化させることによって制御されてよい。これを行う可能な１つの方法は、シード源によって生み出されたシード放射の波長を変化させることである。択一的に、高いピーク出力が光増幅器１０３内で誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）を引き起こしてよく、その結果として基本放射のスペクトルが拡大する。それゆえ、上述したようにピーク出力を制御することによって、たとえばパルス負荷サイクルまたはパルス繰返周波数を制御することによって、光増幅器１０３内で誘導ラマン散乱が誘発される結果としてスペクトルを拡大してよい。基本放射の光スペクトルの制御によって波長変換効率ηの調整は、高い帯域幅と精度による波長変換平均出力を可能にする。
【００８１】
狭い波長源に対して、相対変換効率ηλの変化は、基本波長の関数として次のように表現されてよい。
ηλ＝{[sin(Π×λ−λ０／Δλ ／（Δλ／Π）}2  …（式３）
式３においてλは、基本波長であり、λ０は、波長変換器で使用される非線形素子における完璧な位相整合に対する波長であり、Δλは、非線形素子のスペクトル許容帯域幅である。スペクトル許容帯域幅Δλは、一般に非線形素子の長さ、使用される非線形材料のタイプ、および波長変換プロセスの性質に依存する。たとえば、λ０＝１０６４ｎｍの長
さ２ｃｍの３ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）結晶における第２次高調波発生に対して、スペクトル帯域幅Δλは、約３．８ｎｍである。λ０およびΔλのこれらの値を式３に適用すると、図７に示すグラフが得られる。
【００８２】
ここで留意すべきは、シード放射１０４および増幅出力放射１０９は、単一波長、多重離散波長、または波長連続体によって特徴付けられてよいことである。相対スペクトル変換効率は、式３を使用することによって決定されてよく、増幅出力放射１０９のスペクトル中のすべての波長で積分してよい。
【００８３】
（ηПの偏光Пに対する関数依存性）
上述したように、波長変換効率は、基本偏光によって変化してよい。タイプＩの変換では、唯一の偏光状態が変換される。タイプＩＩの変換では、変換に両方の偏光状態が必要である。いずれの場合も波長変換出力は、波長変換器１１０に入る増幅出力１０９の偏光状態を制御することによって調整されてよい。
【００８４】
変換効率ηと偏光Пとの関係は、一部は非線形プロセスのタイプと、波長変換器１１０内で起こる位相整合に依存する。制限することなく例を挙げると、第２次高調波発生と、３ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）における１０６４ｎｍの第２次高調波発生に対して最大の非線形性を有するタイプＩの位相整合について、変換効率ηП（Π）は、次のように表現されてよい
ηП（Π）＝（cosine（Π））２  …（式４）
式４において、Пは、波長変換器１１０に入る基本放射の偏光状態の、最適な周波数変換を与える偏光状態に対する角度である。図８は、式４のグラフを示す。式４および図８から見られるように、偏光角Пの制御によって波長変換パルスエネルギの正確な制御が可能となる。たとえば制御装置１０１から出る信号は、シード源１０２または結合光学素子１０５内の電気光学偏光回転器に動作結合される。たとえば結合光学素子１０５は、電気光学スイッチまたは圧電素子付きリールファイバ等の調節可能な複屈折素子を含んでよく、これらは制御装置１０１から出る信号に応答することによって制御され得る。増幅出力１０９の偏光を適切に調整することによって、波長変換器１１０の波長変換効率ηが制御され得る。ＰＰＬＮ等特定のタイプの非線形材料では偏光角Пは、圧電材料等を用いて非線形材料に伸張を加えることによって制御されてよい。そのような伸張は、制御装置１０１から出る信号に応答することによって制御されてよい。
【００８５】
択一的に、結合光学素子１０５は、調節可能な複屈折素子の後で偏光素子を含んでよい。この場合、増幅出力１０９の波長変換器１１０への入力は、図８に示されたものと類似の方法で変化させることができる。
【００８６】
（好適な実施形態）
好適な実施形態において、増幅された出力１０９のパルスは、シード放射１０４のパルスと実質的に等しい形状を有し、増幅出力１０９は、シード放射１０４と等しい負荷サイクルＤを有する。またこの好適な実施形態において、出力増幅器１０８は、高飽和し、増幅出力１０９の平均出力は、ほぼシード放射１０４の平均出力Ｐω１ａｖｇからほぼ独立する。増幅出力１０９のパルスのピーク出力Ｐｐｋは、Ｐｐｋ＝Ｐω１ａｖｇ／Ｄによって与えられる。平均波長変換出力Ｐω２ａｖｇは、シード放射１０４の負荷サイクルＤを変えることによって変更される。負荷サイクルＤが変化するとピーク出力Ｐｐｋが変化し、それによって変換効率η、従って波長変換出力Ｐω２ａｖｇが変化する。こうして波長変換出力は、シード放射１０４の負荷サイクルを変えることによって制御され、出力増幅器１０８の動作条件は変えない。
【００８７】
上記の実施形態が選好されるが、本発明は、他の実施形態も包含する。たとえば（１）
出力増幅器１０８が飽和していない場合。（２）増幅出力１０９のパルスが出力増幅器１０８内の歪みのためにシード放射１０４のパルスと同じ形状を有しない場合。および（３）変換効率ηを変化させる他の方法。以下に、これらの実施形態およびその他の実施形態について記載する。
【００８８】
（システム動作の例）
上記のコンセプトは、数値例で説明されてよい。以下の例において本発明の範囲を制限することは、全く意図されていない。この例では、数学的な便宜上、正方形の入力パルスが仮定されてよい。しかしながら、パルス形状に関するそのような制限は、実用的に必要ない。１００ＫＨｚのパルス繰返周波数ＰＲＦ、および１０ナノ秒（ｎｓ）のパルス帯域幅τが仮定される。これらの値から１０−３または０．１％の負荷サイクルＤが得られる。出力増幅器１０８に適用されるポンピング出力は、４０ワットであると仮定され、出力増幅器１０８から出る増幅出力１０９のＰω１ａｖｇは、３０ワットであると仮定される。これは出力増幅器１０８の変換効率の７５％を意味する。このような値は、Ｙｂグラスファイバ等の利得媒質にとって合理的である。ピーク出力Ｐｐｋは、Ｐω２ａｖｇ／Ｄ＝３０ワット／１０−３＝キロワット（ｋＷ）から決定されてよい。式２および図６の長さ２ｃｍの３ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）における第２次高調波変換に対して、この値のピーク出力で得られる変換効率ηは５２．９％である。これは平均波長変換出力Ｐω２ａｖｇが１５．９ワットであることを意味する。
【００８９】
ユーザが平均出力を１０％減らしたいと想定する。これは変換効率ηを１０％減らして４８％にすることを意味する。式２と図６から変換効率４８％に対するピーク出力Ｐｐｋは、約２１ｋＷである。正方形パルスにとって、負荷サイクルＤは、ピーク出力Ｐｐｋに対する平均出力Ｐω１の比率の尺度でもある。従って所望された４８％の変換効率ηを得るためには、負荷サイクルＤは、Ｄ＝０．１％×３０Ｗ／２１ｋＷ＝０．１４３％に変化しなければならない。それゆえ平均出力を１０％減らすために、制御装置１０１は、負荷サイクルを０．１４３％に調整する。特に制御装置１０１は、シード源１０２におけるダイオードレーザの駆動電流を制御するパルス列を生成してよい。パルス列の負荷サイクルは、制御論理１２１を実現するハードウェアまたはソウトウェアによって電子的に調整されてよい。
【００９０】
（代替実施形態）
上述した実施形態において数値バリエーションが考案されてよい。たとえばシード源１０２から出るシード放射の波長を調節することによって、平均波長変換器の出力が調整されてよい。特に半導体レーザ装置は、熱的に調整されてよい。このような調節は、典型的に遅く、たとえば数キロヘルツまたはそれ以下のスケールで行われる。択一的に、若干の特殊な分布反射型（ＤＢＲ）デバイスは、電気音響的に調整されてよく、これは１メガヘルツ以上といった非常に高速の調節を許す。
【００９１】
図９に示す具体的な代替実施形態において、シード源６００は、２個以上の放射源たとえば第１放射源６０２と第２放射源６０４を含んでよく、これらは第１シード波長λ１と第２シード波長λ２という２種類の波長分布によって特徴付けられるシード放射出力を生成する。第１シード波長λ１は、波長変換器１１０のスペクトル許容範囲内にあり、そこで生じる波長変換プロセスに対して位相整合される。第２シード波長λ２は、波長変換器１１０のスペクトル許容範囲外にある。第１放射源６０２と第２放射源６０４は、互いに独立のレーザダイオードまたはその他のレーザ源であってよい。択一的に、第１放射源６０２と第２放射源６０４は、増幅自然放出光源、またはレーザと増幅自然放出光源の組合せであってよい。各々の第１放射源６０２と第２放射源６０４は、たとえば制御装置１０１から出る信号によって独立に制御されてよい。第１放射源６０２と第２放射源６０４のそれぞれから出るシード放射出力は、マルチプレクサ６０６によって混合されて、両波長
分布の選択された量の放射を含むシード放射６０８を生成してよい。シード放射は、前置増幅器１０６または、出力増幅器１０８に挿入されてよい。第２波長λ２は、波長変換器１１０のスペクトル許容範囲外にあるので、第１波長λ１と結付いた増幅放射のみが、波長変換出力１１１に寄与する。このように波長変換平均出力Ｐω２ａｖｇは、２個のシード放射出力の比率を調整することによって調整され得る。
【００９２】
好ましくは、第１波長λ１および第２波長λ２の両方が、光増幅器１０３のスペクトル帯域幅、具体的には出力増幅器１０８のスペクトル帯域幅内にある。そうである場合は、それらの一方のみが波長変換出力パワーに寄与するにもかかわらず、両シード放射信号が増幅される。その利点は、出力増幅器１０８内における有害な利得の蓄積を伴うことなく、Ｐω２ａｖｇの非常に高速な調整が可能になることである。上述したように、出力増幅器１０８に対する実質的に一定のポンピング出力を維持することがしばしば望ましい。しかし、ポンピングされる間に出力増幅器１０８が入力放射を増幅しない場合、増幅器が損傷を被るレベルまで増幅器内の利得が増加することがある。シード放射の２種類の波長を用いることによって利得は、波長変換器１１０によって変換される波長から、波長変換器１１０によって変換されない波長へ急速にシフトされることができ、その逆も同様であり、ポンプ出力は比較的一定である。こうして波長変換出力を生成することなく、出力増幅器１０８からエネルギが取り出され得る。
【００９３】
上述したコンセプトの別の変化例において、シード源１０２から放出されるシード放射１０４のパルス形状を制御することによって、パルスのある部分が高いピーク出力を有し、たとえば前置増幅器１０６、出力増幅器１０８、結合光学素子１０５、および前置増幅器１０６のうちの少なくとも１つと、出力増幅器１０８との間の光経路中に、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）を生成するようにしてよい。特に、図１０Ａに示されるように、シード源１０２から出るシード放射１０４のパルス７０２は、波長変換器１１０の許容帯域幅ΔλＷＣ内にある真空波長λ１およびスペクトル帯域幅Δλｍ１によって特徴付けられてよい。図１０Ｂに示されるように、パルス７０２は、誘導ラマン散乱を生成するのに十分高いピーク出力Ｐｐｋを有してよい。誘導ラマン散乱は、結果として生じる増幅出力パルス７０４のスペクトル帯域幅を拡大し、これが波長変換器１１０に結合される。増幅出力パルスは、波長λ１および誘導ラマン散乱拡大部分７０８によって特徴付けられる増幅シード部分７０６を含む。増幅された出力パルス７０４の誘導ラマン散乱拡大部分７０８は、波長変換器のスペクトル帯域幅ΔλＷＣ外にあってよい。誘導ラマン散乱拡大部分７０８は、さもなければシード部分７０６に流入したであろうエネルギを使用する。パルス７０２のピーク出力を調整することによって、シード部分７０６および誘導ラマン散乱拡大部分７０８における出力の量が制御され得る。
【００９４】
それゆえ、光増幅器１０３または、結合光学素子１０５内で発生する誘導ラマン散乱の量を制御することによって、波長変換効率ηが制御されてよい。
本発明の実施形態を制限することなく数値例を挙げるために、シリカファイバ内の誘導ラマン散乱周波数シフトを約４４０ｃｍ−１とする。これは１０６４ｎｍ放射から１１７ｎｍ放射へのシフトに相応する。例を挙げると、Ｙｂ添加シリカファイバが出力増幅器１０８内の利得媒質として使用される。このようなファイバは、１１１７ｎｍの放射から利得を取り出すことができる。しかし増幅出力パルス７０４のラマンシフト部分７０８は、波長変換器１１０における非線形素子の許容帯域幅の十分外にあってよい。このような場合、ラマンシフト部分７０８は、波長変換出力１１１には寄与しないであろう。
【００９５】
ラマンシフトの量は、たとえばシード源から出るシード放射１０４のパルス形状を制御することによって調整され得る。たとえば図１０Ｃに示されるように、シードパルス７１２は、高出力部分７１４と低出力部分７１６を含んでよい。高出力部分７１４は、誘導ラマン散乱の限界値ＰＳＲＳを超える出力Ｐ１によって特徴付けられてよい。低出力部分７
１６は、限界値ＰＳＲＳを下回るピーク出力Ｐ２によって特徴付けられてよい。Ｐ１、Ｐ２、および高出力部分７１４、および低出力部分７１６のうちの少なくとも１つを調整することによって、シードパルス７１２によって生成される誘導ラマン散乱の量が制御されてよい。
【００９６】
本発明の実施形態は、多数の実用的な用途を有する。たとえば、増幅され波長変換された出力を有するレーザシステムは、レーザ材料加工システムに応用される。
本発明の実施形態は、幾つかの利点を提供する。たとえば、本発明の実施形態は、高帯域動作を許容する。波長変換パルスに含まれるパワーおよびエネルギは、Ｐｕｌｓｅ−ｔｏ−ｐｕｌｓｅベースで精密に調整され得る。帯域幅は、一次的に公称システムパルス繰返率によって制限される。本発明の実施形態は、波長変換パルスエネルギの精密な制御を可能にする。更に増幅ポンプ源、たとえばレーザダイオードは、一定またはほぼ一定の平均出力によって駆動されてよい。これによって熱制御ループは単純化され、ポンプ源波長を増幅吸収スペクトルに合わせて最適化するのを容易にする。これはポンプ源の寿命を増大し、高出力エレクトロニクスに対する要件を低減し得る。高出力波長変換レーザシステムは、経済的に製造および使用され得る。本発明の実施形態は、ポンプダイオードにかかる熱負荷が更に安定化されるため、ポンプダイオードの波長安定性も増大させる。これによってダイオード波長が利得材料の吸収ピークに適合するように近接して保持されるので、長さの短いファイバを使用することが可能となる。
【００９７】
更に、本発明の実施形態において、出力ビームの特性は特に単一モードのファイバシステムにおいて、平均出力から独立させることができる。本発明の実施形態は、一定またはほぼ一定の熱負荷を維持することによって、出力増幅器における熱サイクルを減少させることができる。熱サイクルが減少するとファイバの出力端の組付け安定性が改善されて、ビームポインティングが良好になる。更に、本発明の実施形態は、熱サイクルの繰返しに起因するファイバ故障の可能性を低減する。更に本発明の実施形態は、システム損傷の可能性を低減する。光増幅器は、利得が増幅器から取り除かれないと、深刻な故障を招くことがある。ある実施形態は、増幅器からほぼ一定の平均出力を取り出すことによって利得が蓄積するのを防ぐ。
【００９８】
上記は、本発明の好適な実施形態を完全に記述したものであるが、種々の代替例、修正および等効物を使用することが可能である。それゆえ本発明の範囲は、上記の記載内容を基準にして決定されるべきではなく、それに代えて添付の請求項およびそれらの等効物の全範囲を基準にして決定されなければならない。選好されると否とにかかわらずいかなる特徴も、選好されると否とにかかわらず他の随意の特徴と組み合わされてよい。以下の請求項において、不定冠詞「Ａ」または「Ａｎ」は、別様に明記されない限り、前記冠詞に続く１個以上の事項の数量を意味する。添付の請求項は、「ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ」の語句を使用する請求項において制限が明示されていない限り、ミーンズ・プラス・ファンクション制限を含むものとして解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【国際調査報告】
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