(57)【要約】  レーザー操作のためのパルス列を与えるように連続ポンピングＱスイッチレーザーを操作する方法を開示する。そのレーザーは光ポンピングにおいて熱レンズ形成効果を示す利得媒体を含む。パルス搬送はＱスイッチにより制御され、これはレーザーがパルスを搬送しないときは常開である。これは、パルスが搬送されていないときにレーザーにＣＷレーザー輻射を搬送させる。パルス列は、Ｑスイッチの閉止及びそれに続く再開によりＣＷ操作を反復的に中断させることによって搬送させる。中断の後、Ｑスイッチが再開放したとき、レーザーがレーザー輻射のパルスを搬送し、次の中断までＣＷ操作の搬送を再開する。本発明のＱスイッチ方法は、この１つの特定の反復Ｑスイッチ操作により、パルスの搬送の前、期間中、間に利得媒体における熱レンズ形成効果を一定に保ち、パルス列における全てのパルスが同一のピークパワーを持たせる。
2005539365.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体利得媒体を含む共振器を有するレーザーからレーザー輻射のパルスを搬送する方法であって、
前記固体利得媒体を連続的に光ポンピングして、レーザー輻射が前記共振器内に生成されるようにする段階と、
前記レーザーを操作して、レーザー輻射が連続波モードで生成されるようにする段階と、
前記レーザーの前記連続波操作を中断周期について反復的に中断させ、その中断期間は、その端部において前記レーザーが前記連続波操作を再開する前にレーザーパルスを搬送するのに充分であり、前記中断周期は前記レーザーにレーザー輻射のパルスのシーケンスを搬送させ、パルスの連続する１つずつの間の時間周期が前記中断周期の連続する１つずつの間の時間周期であり、前記レーザーは、パルスの連続する１つずつの搬送の間に連続波モードで操作される方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記パルスの連続する１つずつの間の前記中断周期及び時間周期が、中断及び非中断ＣＷ操作において搬送された平均輻射パワーがほぼ同様になるように選択されている方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、前記パルスの連続する１つずつの間の時間周期と前記中断周期との比が、約３：１以上である方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、前記共振器がＱスイッチの配置を含み、このＱスイッチが開放したときには前記連続波操作を可能とし、且つ前記中断周期には前記Ｑスイッチが閉止する方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法において、前記光ポンピング及び前記中断周期が、前記パルスが所定のレーザー操作を実行するのに充分なピークパワーを有するように配置され、且つ前記連続波モードにおいて搬送された前記レーザー輻射が、前記レーザー操作を実行するのに充分なパワーを有する方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法において、前記パルスのピークパワーが、前記連続波モードにおいて搬送された前記レーザー輻射のピークパワーよりも約百倍以上である方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法において、前記パルスのシーケンスが、２つより多くのパルスを含み、前記パルスの連続する１つずつの間の時間周期が同一である方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法において、前記パルスのシーケンスが、２つより多くのパルスを含み、前記パルスの連続する１つずつの間の時間周期が異なる方法。
【請求項９】
固体利得媒体を含む共振器を有するレーザーからレーザー輻射のパルスを搬送する方法であって、
Ｑスイッチを前記共振器内に設ける段階と、
前記Ｑスイッチが開放しているときに前記レーザーが連続波モードでレーザー輻射を搬送するように、前記Ｑスイッチを配置する段階と、
前記Ｑスイッチを開放して前記レーザーの連続波操作を可能とさせる段階と、
前記Ｑスイッチの閉止次いで再開放を反復して、前記レーザーの前記連続波操作は前記Ｑスイッチが閉止している間には中断して、その中断周期は前記Ｑスイッチが再開放したときに前記レーザーが前記連続波操作を再開する前にレーザー輻射のパルスを搬送するのに充分であるようにすることにより、前記Ｑスイッチの反復閉止及び再開放が、前記パルスの連続する１つずつの搬送の間の連続波モードにおけるレーザー操作で、前記レーザーにレーザー輻射のパルスのシーケンスを搬送させる段階とを含む方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、前記連続する１つずつのパルスの間の中断周期及び時間周期が、中断及び非中断ＣＷ操作において搬送された平均輻射パワーがほぼ同一になるように選択されている方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法において、前記パルスの連続する１つずつの間の時間周期と前記中断周期との比が、約３：１以上である方法。
【請求項１２】
固体利得媒体を含む共振器を有するレーザーからレーザー輻射のパルスを搬送する方法であって、
前記固体利得媒体を連続的に光ポンピングしてレーザー輻射が前記共振器内に発生できるようにする段階と、
レーザー輻射が連続波モードで生成されるように前記レーザーを操作する段階と、
前記レーザーの前記連続波操作を中断周期について反復的に中断させ、その中断期間は、前記利得媒体における励起状態レベルが前記連続光ポンピングにより飽和しないように充分に短く、且つ前記中断周期は、その端部において前記レーザーがレーザー輻射のパルスを搬送するのに充分に長く、前記中断周期の連続する１つずつの間の時間周期は、その間で連続波操作が再開されるように充分に長くすることにより、前記パルスの連続する１つずつの搬送の間の連続波モードにおけるレーザー操作で、前記反復中断がレーザー輻射のパルスのシーケンスを搬送させ、そのパルスの連続する１つずつの間の時間周期が前記中断周期の連続する１つずつの間の時間周期となる方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法において、前記パルスの連続する１つずつの間の時間周期と前記中断周期との比が、約３：１以上である方法。
【請求項１４】
固体利得媒体を含む共振器を有するレーザーから第１波長を有するレーザー輻射パルスを搬送し、第１波長レーザー輻射パルスはレーザー操作を実行する方法であって、
前記固体利得媒体を連続的に光ポンピングして、第１波長とは異なる第２波長を有するレーザー輻射が前記共振器内に発生できるようにする段階と、
第２波長レーザー輻射が連続波モードで生成されるように前記レーザーを操作する段階と、
前記レーザーの前記連続波操作を中断周期について反復的に中断させ、その中断期間は、その端部において前記レーザーが前記連続波操作を再開する前に第２波長レーザー輻射のパルスを搬送するのに充分であり、前記中断周期は前記レーザー共振器に第２波長レーザー輻射のパルスのシーケンスを搬送させ、パルスの連続する１つずつの間の時間周期が前記中断周期の連続する１つずつの間の時間周期であり、前記レーザー共振器に、第２波長レーザー輻射パルスの連続する１つずつの搬送の間に連続波モードで第２波長レーザー輻射を搬送させる段階と、
第２波長レーザー輻射パルスのシーケンス及び前記間のパルス連続波第２波長輻射を少なくとも１つの光学的非線型結晶に通過させて、第１波長レーザー輻射パルスを生成させ、その間には連続波第１波長輻射が生成されるようにする段階とを含み、
前記光ポンピング及び前記中断周期が、第１波長パルスがレーザー操作を実行するのに充分なピークパワーを有し、且つ第１波長連続波輻射がレーザー操作を実行するには不充分なパワーを有する方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法において、第１波長パルスのピークパワーが、前記連続波モードにおいて搬送された前記第１波長レーザー輻射のピークパワーよりも約一万倍以上である方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法において、前記パルスの連続する１つずつの間の前記中断周期及び時間周期が、中断及び非中断連続波操作において搬送された平均輻射パワーがほぼ同様になるように選択されている方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法において、前記パルスの連続する１つずつの間の時間周期と前記中断周期との比が、約３：１以上である方法。
【請求項１８】
請求項１４に記載の方法において、第２波長輻射が１つの光学的非線型結晶のみを通過し、且つ第１波長が第２波長の第２調波である方法。
【請求項１９】
請求項１４に記載の方法において、第２波長輻射が２つの前記光学的非線型結晶を通過し、且つ第１波長が第２波長の第３調波である方法。
【請求項２０】
請求項１４に記載の方法において、第２波長輻射が２つの前記光学的非線型結晶を通過し、且つ第１波長が第２波長の第４調波である方法。
【請求項２１】
固体利得媒体と、光ポンピングレーザーの共振器内に配置されたＱスイッチとを有する光ポンピングレーザーを操作する方法であり、ワークピースを処理するのに充分なエネルギの出力パルスを生成する方法であって、
ａ）前記Ｑスイッチが開放しているときに連続レーザー出力を生成するのに充分なパワーで前記利得媒体を連続的にポンピングする段階と、
ｂ）第１周期に亘ってＱスイッチを閉止する段階と、
ｃ）その後、前記Ｑスイッチを第１周期よりも長い第２周期に亘って開放し、第１周期の開始と第２周期の開始との間の時間が第２周期の開始の後に出力パルスを生成するのに充分であり、ワークピースを処理するのに充分なエネルギを有する段階と、
ｄ）段階ｂ）及びｃ）を繰り返して、複数の時間に複数の出力パルスを生成させ、第２周期の端部と第１周期の開始との間の時間が前記連続レーザー出力を生成するのに充分であり、時間周期が前記共振器内における熱レーザー形成における変化を最小化するように制御される方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の方法において、前記段階ｄ）の間、第２周期の持続期間が変化しない方法。
【請求項２３】
請求項２１に記載の方法において、前記段階ｄ）の間、第２周期の持続期間が変化する方法。
【請求項２４】
請求項２１に記載の方法において、第２周期の持続期間の第１周期に対する比が、少なくとも３：１である方法。
【請求項２５】
請求項２１に記載の方法において、前記出力パルスのピークパワーが、少なくとも前記連続レーザー出力のピークパワーよりも少なくとも百倍以上である方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の技術分野
一般に本発明は連続ポンピングされた固体レーザーにおけるパルス列生成に関する。本発明は特に、Ｑスイッチを用いてレーザーのＣＷ操作を反復的に中断させることにより、連続ポンピング固体レーザーにパルス列を生成する方法に関する。
【０００２】
発明の背景
パルスレーザーは、微小穿孔、材料製造、立体リソグラフィ、及び生命科学などのアプリケーションに広範に用いられている。これらのアプリケーションの多くは、操作の精度と柔軟性とが共に重要である。精度は、レーザーが、安定で基本的に同一のビーム伝播特性及びパルスからパルスについて同一のレーザーパルスエネルギーを有することを要求する。柔軟性は、パルス列の間に可変な期間を持つ複雑なパルス列を与えるようにすることを含む。パルスの間の期間は、１０マイクロセコンド（μｓ）乃至１秒又はそれ以上の範囲とすることができる。
【０００３】
精度及び柔軟性の最適な組み合わせは、一定又は可変（しかも安定）のレーザーパルスエネルギー及び近似的に同一のビーム伝播特性を有するレーザーパルスを好ましいタイミングシーケンスで搬送させる能力を含む。安定なビーム伝播特性は、レーザーパルスが所望のスポットサイズで所定の場所へ安定に集束できるように要求される。
【０００４】
連続ポンピング反復Ｑスイッチ固体レーザー（特にダイオードレーザーポンピングレーザー）は、上述のアプリケーションのために好適なパルスレーザー源である。というのは、このようなレーザーは高効率、長寿命、及び高信頼性を有するためである。このような固体レーザーにおいては、光ポンピングに起因するレーザー利得媒体における熱影響が、レーザー設計に特別な配慮を必要とする。重要な熱影響は、それぞれ熱勾配及び熱応力に起因する熱レンズ形成及び熱複屈折を含む。このような固体レーザーについて、所定の範囲の熱影響を補償若しくは許容し、且つその所定の範囲内にあるそれら熱影響の変化に起因するレーザー特性の変動を最小にするように、共振器を構成することが可能である。これは、固定レーザー共振器においては共振器パラメータの適宜な選択により実行することができる。測定若しくは予測された熱レンズ形成変化を許容するように、動的に再構成可能な共振器を持たせることも可能である。このような補償共振器においてさえも、パルス列の搬送の期間及びそれらの間に利得媒体における熱レンズ形成状態の大きな差異が存在するならば、列中のパルスは、その振幅及びビーム伝播特性がレーザーパルスのタイミングシーケンスに依存して変動してしまう。補償は（固定共振器の場合は）不充分であるか、（動的補償共振器の場合は）遅すぎる。
【０００５】
従来技術の連続ポンピング繰り返しＱスイッチ固体レーザーにおいては、レーザーパルスの搬送の間に閉止に留まる。ここで用語「閉止」とは、レージングが阻止されるようにＱスイッチが共振器内に高損失を生じることを意味する。このような従来技術において、利得媒体上の熱負荷はパルス繰り返し速度（ＰＲＦ）により変動する。従って上述した熱影響（このなかで熱レンズ形成がレーザー空間モード及び安定性に影響する卓越した役割を果たす）も変動する。
【０００６】
熱レンズ形成は、利得媒体内の熱勾配の結果である固体利得媒体の屈折率の空間的変動に起因して生じる。その熱勾配は、レーザー輻射及び他の要因として抽出できずにここで吸収されるポンピングパワーの部分による利得媒体の加熱からもたらされる。利得媒体のポンピング端において、熱レンズ形成は、全ポンピングパワーと、レーザー輻射として利得媒体から抽出されたパワーとの間の差異に比例する。利得媒体から抽出されたパワーは今度はＰＲＦに依存する。
【０００７】
例として、従来技術の連続ポンピング繰り返しＱスイッチ固体レーザーにおいては、利得媒体としてＮｄ：ＹＶＯ４、２７Ｗのダイオード出力によるポンピング端を用いると、利得媒体から抽出された平均レーザーパワーは５０ＫＨｚ及び５ＫＨｚではそれぞれ約１２．６Ｗ及び４．６Ｗになり得る。従って正味の加熱パワー及びそれによる熱レンズ形成は、５０ＫＨｚ及び５ＫＨｚ  ＰＲＦにおいて、１４．４Ｗ及び２２．４Ｗに比例する。レーザーが２つの異なるＰＲＦの間で切り換わるならば、重要な熱レンズ形成の変動が起こるので、レーザー空間モードの大きな変化がもたらされる。これは例えば精密な機械加工又は製造を提供する上で問題となる。共振器からの基本輻射パルスが周波数変換されて、この問題は、特定のアプリケーションを用いる前に、例えば、少なくとも１つの光学的非線形クリスタルにおける第２次、３次又は４次調波波長を形成するならば悪化する。これは、このような周波数変換は常に基本ビームにおける変動を増幅するためである。従って、レーザーが大きなＰＲＦ差の間で切り換わるときに利得媒体における熱影響の変動に打ち克つ方法が必要である。
【０００８】
本願の譲受人に譲渡されたＰＣＴ出願ＷＯ０１／２８０５０（公開２００１年４月１９日）においては、パルスレーザーを操作する方法が開示されており、ここでは機械加工操作又は他のアプリケーションを達成するように充分なエネルギを有するパルス列の搬送の間に、利得媒体が一定レベルで連続的にポンピングされてレーザーが操作され、機械加工操作又はアプリケーションを実行するように、不充分なエネルギを有する「熱レンズ形成制御」を与える。熱レンズ形成制御パルスが搬送される率は、機械加工パルス列が搬送される率よりも高い率であり、連続ポンピング利得媒体から抽出されたレーザー出力が機械加工パルス搬送期間中に抽出されたものとほぼ同じになるように調整される。１つの構成では、レーザーは、機械加工パルスの搬送期間中の平均出力とほぼ同じになるＣＷ出力を有する機械加工パルスの搬送の間の連続波（ＣＷ）モードで操作される。機械加工パルスが搬送される周期と周期との間又は周期期間中に利得媒体からほぼ同じ量の平均レーザー出力を抽出することにより、利得媒体における熱レンズ形成をレーザー共振器が補償される範囲に維持することができる。この方法は一般に効果的であるが、非機械加工パルス（又はＣＷレーザービーム）の搬送から機械加工パルスの搬送への遷移における熱レンズ形成変化を効果的に排除することが常に可能とは限らない。これは特に、機械加工パルスが搬送周期について比較的に遅い速度、例えば１０ＫＨｚ未満で搬送されて、機械加工パルス搬送周期中にレーザーが高いＲＥＦ又はＣＷで操作される場合に成り立つ。これは２つのシーケンスについての利得媒体からの平均出力抽出が大きく異なるので、熱レンズ形成変化がパルス搬送についてのレーザーパルスエネルギの変動又はレーザービーム搬送特性における変動をもたらすためである。機械加工パルス搬送の周期と周期との間及び周期期間中に熱レンズ形成を等しくすることが可能である場合でさえも、熱レンズ形成制御パルス（又はＣＷレーザービーム）と機械加工パルス搬送との間の特定の遅延を可能にすることが必要なことから、レーザーの操作は更に複雑になる。この遅延は、列内の第１の機械加工パルスを搬送する瞬間における利得媒体に保存されたエネルギが、列内の他のパルスの各々を搬送する瞬間において同じになることを与える。機械加工パルスを搬送するように固体レーザーを操作するための複雑でない方法が要請される。
【０００９】
発明の概要
本発明は、固体利得媒体を含む共振器を有するレーザーからのレーザー輻射のパルスのシーケンスを搬送する方法に関する。一つの観点によれば、この方法は、固体利得媒体を連続的に光学的にポンピングして、レーザー輻射を共振器内に生成できるようにすることを含む。このレーザーは、レーザー輻射が連続波（ＣＷ）モードで生成されるように操作される。従って、ＣＷ操作は、中断周期の端部において、レーザーが連続波操作を再開する前にレーザー輻射のパルスを搬送するのに充分な周期について反復的に中断される。これは、レーザーにレーザー輻射のパルスのシーケンスを搬送させて、連続的パルスの間の時間的周期が反復的中断周期の間の期間になるようにする。レーザーは連続的パルスの搬送の間の連続波モードで操作される。
【００１０】
本発明の他の観点においては、連続的周期の間の中断周期及び期間が、中断及び非中断ＣＷ操作において搬送される平均輻射出力がほぼ同じになるように選択される。連続ポンピング出力が一定に保持されるならば、これは固体利得媒体内の熱レンズ形成効果をパルスシーケンスの搬送の期間中及び搬送と搬送との間に一定に留める。共振器が、その熱レンズ形成の一定レベルを補償するならば、シーケンスの各パルスはほぼ同じパルスエネルギーを及びビーム伝播特性を有する。好ましくは、連続的パルスの中断周期に対する期間の比は約３：１又はそれ以上である。この方法は、約２００ＫＨｚ又はそれ未満のパルス繰り返し速度におけるパルスシーケンスを搬送するのに特に適している。
【００１１】
本発明の他の観点において、共振器はＱスイッチを含み、このＱスイッチはそれが開放したときに連続波操作を可能とし、且つ中断周期期間中にはＱスイッチが閉止するように構成されている。従来技術の連続ポンピングＱスイッチパルスレーザーにおいては、Ｑスイッチはレーザー輻射の生成を防ぐように常閉であり、パルスの搬送を開始するように開放し、且つその直後に閉止する。
【００１２】
本発明の他の観点においては、光学的ポンピング及び中断周期は、パルスが所定のレーザー操作を実行するのに充分なピークパワーを有し、ＣＷモードにおいて搬送されたレーザー輻射が操作を実行するには不充分なパワーを有する。パルスシーケンスが光学的非線形結晶を通過して周波数変換輻射又は周波数調波、例えば倍周波数輻射又は二次調波輻射を生成し、倍周波数パルスのピークパワーが、同じ周波数変換構成について周波数変換ＣＷ輻射のピークパワーの１００００倍以上にすることができる。
【００１３】
添付図面は明細書に組み込まれてその一部を構成しており、本発明の好ましい実施形態を模式的に図示し、上述の一般的説明及び以下に与えられる好ましい実施形態の詳細な説明と共に本発明の原理の説明に役立つ。
【００１４】
本発明の詳細な説明
ここで図面を参照すると、同様な構成は同様な参照符号により識別されている。図１は、レーザー共振器２２を有する基本的な従来技術の固体レーザー２０を模式的に示しており、その共振器２２は固体利得媒体２４及びＱスイッチ２６を含む。
【００１５】
共振器２２はミラー２８と３０との間に形成されている。利得媒体２４は、光源（例えばダイオードレーザー又はダイオードレーザー配列）から光ファイバー３２及びレンズ３４を介して利得媒体２４へ搬送されたポンピング光Ｐにより連続的に光学的に端部ポンピングされる。光ポンピングに応答して共振器内に生成された基本的レーザー輻射は、単独の矢印Ｆにより示されるように、共振器２２の縦軸３６に沿って循環する。ミラー３０は、基本的輻射の波長を部分的に透過させて、共振器からの輻射の搬送を可能とするように製作されている。
【００１６】
利得媒体２４が相当な熱レンズ形成効果を示すならば、共振器２２は適切な共振器パラメータ（ミラー曲率、共振器長及び共振器内の利得媒体の軸方向位置を含む）を選択することにより、このような熱レンズ形成の範囲を補償するように配置されている。所定のポンプ形態及び共振器については、任意の利得媒体における熱レンズ形成は、とりわけ、上述したような利得媒体に吸収されたポンピング光のパワーと利得媒体から抽出されたレーザー輻射のパワーとの間の差異により定まる。
【００１７】
レーザー輻射は、Ｑスイッチ２６が「開放」状態にあるときには共振器２２内を単に循環できるのみである。開放状態においては、Ｑスイッチはレーザー輻射の生成を妨げるように基本的輻射の充分な損失を生じることはない。好ましいＱスイッチは音響光Ｑスイッチである。このようなＱスイッチはＲＦ電源又はドライバ３８からＲＦポテンシャルを加えることにより「閉止」する。ＲＦポテンシャルの印加はＱスイッチ２６にそこへ入射する基本的輻射の一部を軸３６に沿って共振器２２の外側へ偏向するように偏向させる。偏向部分が充分に高ければ、結果的な損失はレーザー輻射が共振器内に生成されないほど高い。ＲＦポテンシャルの印加は制御器４０により制御される。Ｑスイッチが制御器４０からの指令に従って開閉する方式は、連続光ポンピングに応答してレーザー共振器からレーザー輻射が搬送されるモードを決定する。
【００１８】
上述したように、基本的輻射Ｆはミラー３０を介して共振器２２から搬送される。この輻射は、直接に使用できるか、或いは少なくとも１つの光学的非線形結晶を通過して基本的波長を短い波長へ変換してもよい。レーザー２０において、周波数ωを有する基本的輻射Ｆは第１の光学的非線形結晶４２を通過する。結晶４２は基本的輻射の一部分を周波数２ωを有する二次調波輻射（図１に二重矢印で示す）へ変換する。二次調波及び基本的輻射は次いで第２の光学的非線形結晶４４内で混合されて周波数数３ωを有する三次調波輻射（図１に三重矢印で示す）を与える。当業者には、更なる図示がなくとも、二次調波輻射を第２の光学的非線形結晶へ通過させるのみで四次調波輻射を生成できることが認められよう。
【００１９】
レーザー２０は単に基本的なレーザー共振器の例示であり、ここでは基本的な共振器のここに述べた部品及びパラメータを識別する目的で説明したものであることに留意されたい。以下では、パルス列を搬送させる連続ポンピング固体レーザーの方法の発明を説明する。更に複雑な連続ポンピングレーザーは、２つの個別のポンピング利得媒体要素と、熱レンズ形成の異なる範囲を補償する共振器の長さを調整する手段とを含み、その詳細は米国特許第５，９１２，９１２号(Caprara et al)に説明されており、その全ての開示事項が本明細書に参照により引用されている。本発明の方法はこのレーザー及び他の連続ポンピングＱスイッチ固体レーザーに等しくて起用可能である。
【００２０】
機械加工又は融除操作を達成するようにレーザー２０からのパルスのシーケンスまたは列を搬送するようにＱスイッチ２６を操作する従来技術の方法は、図２Ａ及び図２Ｂにおけるタイミング図により模式的に示してある。図２Ｂは第１及び第２連続パルス５１及び５２をパルスの列又はシーケンスで示し、このようなパルスの数は、その特定のアプリケーションに依存して数十又は数百である。図２Ａはパルスを与えるＱスイッチ操作を示す。Ｑスイッチを閉止するのに必要なＲＦレベルは１を示し、レベル０はＱスイッチが開放することを示す。Ｑスイッチは「常閉」状態（線５３）に保持される。次いでＱスイッチは図示（線５５）のように開放して、パルス５１の搬送を可能とする。パルス５１は、レーザー輻射の抽出を伴わない連続ポンピングにより利得媒体に保存されるエネルギの結果として生じる。Ｑスイッチを開放させるスイッチングタイム、即ち図２Ａにおける０から１の遷移をとる時間は、ＲＦドライバ３８の能力に依存し、代表的な８０ＭＨｚＲＦドライバについて１０ナノセコンド程度である。レーザーパルス幅Ｔ３は、共振器形態、利得媒体、ポンプパワー及びポンプ形態に依存して数ナノ秒乃至数百ナノ秒の範囲にある。次いでＱスイッチは閉止（線５７）してレーザー輻射の更なる搬送を防ぐので、パルスが搬送された後、Ｑスイッチは常閉状態へ復帰する（線５９）。Ｑスイッチは、開放した後、通常は約２マイクロ秒（μｓ）閉止する。閉止スイッチング時間（図２Ａにおける１乃至０の時間）は代表的には１００ｎｓ程度である。次いでＱスイッチは、先の開放に続く時間Ｔ１の後、再び開放し（線６１）、パルス５２の搬送を可能とする。次いでＱスイッチは、パルスの搬送の後に閉止し（線６３）、常閉状態（線６５）に保持される。この処理はシーケンスにおける残りのパルスの搬送が完了するまで反復される。シーケンスにおけるパルスの繰り返し率ＰＲＦは１／Ｔ１である。
【００２１】
例えば機械加工又は融除操作を実行するためにレーザー２０からパルスのシーケンス又は列を搬送するように、Ｑスイッチ２６を操作する本発明の方法の好ましい実施形態を図３Ａ及び図３Ｂのタイミング図により模式的に示す。ここで、先ずＱスイッチ２６は「常開」状態（図３Ａの線７１参照）に保持される。利得媒体２４は一定パワーレベルで連続的にポンピングされるため、レーザー２０は、図３Ｂにおける線７３により示されるように一定レベルのＣＷレーザー輻射を搬送する。
【００２２】
特定のレーザー操作についてパルスシーケンスを搬送することが望まれるときは、Ｑスイッチ２６は閉止し（図３Ａの線７５参照）、期間Ｔ２に亘って閉止に保持されて、光ポンピングを可能として、ＣＷ操作の平衡励起状態エネルギ上の利得媒体の反転分布（励起状態において保存されたエネルギ）を構築させる。期間Ｔ２は、この反転分布又は飽和状態に到達する利得媒体の励起状態に保存されたエネルギについての時間よりも短いことが好ましい。飽和レベルに達するのに必要な時間は、とりわけ、利得媒体の光ポンピングパワー、誘導放出の断面及び励起状態（上部レベル）寿命に依存するが、利得媒体の熱緩和時間に比べて一般に短いので、利得媒体における熱レンズ形成状態における注目すべき変化を生じるには不充分である。時間Ｔ２が経過した後に、Ｑスイッチ２６は開放状態（図３Ａ、線７７参照）へ復帰して、利得媒体内に保存されたエネルギがパルス８１として放出される（図３Ｂ参照）。
【００２３】
従来のレベルの再開（図３Ｂ、線８５参照）におけるＣＷレーザー輻射の搬送の前に、パルス８１の搬送は利得媒体内の保存されたエネルギを一時的に減損し、レーザー輻射の搬送を相当に低減する（図３Ｂ、領域８３参照）。例として、低減されたＣＷ操作時間Ｔ４は利得媒体のポンピング出力及び材料に依存して２マイクロ秒程度である。中断周期Ｔ２、パルス遅延Ｔ３、及び低減されたＣＷ操作時間Ｔ４は全て、利得媒体の熱緩和時間未満である。熱緩和時間は数ミリ秒ないし数十ミリ秒の範囲であり、且つポンピングパワーレベル、利得媒体の熱伝導性、及び利得媒体のための冷却装置などの要因に依存する。これらの周期Ｔ２、Ｔ３及びＴ４のシーケンスの間、これらは熱レンズ形成の増加及び減少の両方の傾向がある利得媒体内のエネルギ交換力学となる。その結果、これらは利得媒体内の熱レンズ形成状態における重要な変化とはならない。
【００２４】
シーケンス内の次のパルスが要求される前の時間Ｔ２において、Ｑスイッチ２６は再度閉止し（図３Ａ、線８７参照）、ＣＷレーザー輻射の搬送を期間Ｔ２に亘って再び中断する。Ｑスイッチは、先行パルス８１が開放された後、時間Ｔ１にてパルス９１を開放するように再度開放する（図３Ａ、線８９参照）。勿論、期間Ｔ１も中断期間Ｔ２の（開始の）間の時間である。パルス９１はパルス８１と同一のピークパワーを有し、利得媒体内の同一のエネルギ交換力学により生成されている。パルス９１が搬送された後、Ｑスイッチング及びパルス搬送事象の同一のシーケンスが、そのシーケンスにおける全てのパルスが搬送されるまで反復される。この時点では、Ｑスイッチは常開状態にあり、ＣＷレーザー輻射のみが搬送される。Ｑスイッチは、パルスの他のシーケンスが要求されるまでこの状態にとどまる。
【００２５】
図３Ａ及び図３Ｂを参照して説明したパルスシーケンスの搬送の間の利得媒体における熱レンズ形成は、基本的に一定であり、パルスシーケンスの搬送がないときには、利得媒体内における熱レンズ形成と同様である。他の局面では、利得媒体が一定パワーで連続的にポンピングされると、熱レンズ形成は一定にとどまることが予想され、パルスシーケンスの搬送の前、期間、搬送と搬送との間は、利得媒体から抽出された平均レーザー輻射エネルギは基本的に一定にとどまる。
【００２６】
本発明のＱスイッチング方法の最適有効性は、準備状態ＣＷパワーが中断期間Ｔ２へ搬送される期間のパルスの間の周期についての時間Ｔ５（図３Ｂ参照）の比較的に高い比を有することによる。残念ながら、時間Ｔ５は測定が困難である。しかしながら、一定ポンピングパワーレベルについて、反復又は消耗時間Ｔ４は固定されている。従ってＴ１（ＰＲＦの逆数）対Ｔ２の比もガイドラインを与えるために用いることができる。一般に、Ｔ２はＴ１よりも非常に小さくなければならない。これは、ＣＷ操作の中断が、Ｔ１が変化したときでさえもレーザーパワー出力がほぼ同じであるように充分に短いことを示す。例として、中断期間Ｔ２が２０μＳであるならば、Ｔ１が好ましくは約２００μｓ又はそれ以上であり、即ちＰＲＦは好ましくは約５ＫＨｚ未満である。本発明のＱスイッチ方法の最適有効性を与える一般的ガイドラインは、比Ｔ２：Ｔ１が好ましくは約３：１又はそれ以上であり、更に好ましくは約１０：1以上であり、Ｔ２は、利得媒体内の熱平衡の大きな摂動を回避する熱緩和時間よりも充分に短いことが好ましい。ＰＲＦの上限は時間Ｔ４により制限されており、これは所定の利得媒体についてのポンピング及び共振器形態に依存する。これらの一般的ガイドラインが続くならば、この方法は、安定したパルスエネルギ及びビーム伝播特性のレーザーのレーザーパルスを約２００ＫＨｚ未満のＰＲＦで搬送する能力がある。操作の有効性について特定の下限限界はない。実際、本発明の方法の利点は、連続パルが１秒又はそれ以上離間していても等しく有効である。
【００２７】
本発明の方法は、説明の単純化のために、規則的間隔において繰り返されるパルス列の絶対性について上述したが、この方法は、パルス間に不規則な時間間隔を有するパルス列の搬送に固有且つ等しく有効であることに留意されたい。これは本発明の方法の特に有益な局面である。不規則間隔パルスのパルス列は幾つかのパルスレーザーアプリケーションに有益である。例えば、このような不規則パルス列は、ハーフトーングラフィック(half-tone graphic)を与えるレーザーマーキング操作にしばしば用いられている。
【００２８】
また図３Ｂにおいては、パルス８１及び９１のピークパワーに対するＣＷレーザー輻射の平衡（定常）パワーが図示の便宜のために大きく誇張してあることにも留意されたい。実際には、パルス８１又は９１のピークパワーは準備状態ＣＷパワーの１００倍以上になり得る。例として、共振器配置においてパルス８１及び９１が３００マイクロジュール（μＪ）のエネルギ、２０ナノ秒（ｎｓ）の持続時間（Ｔ３）を有し、パルス繰返し速度２０ＫＨｚで搬送されて、パルスは約１５キロワット（ＫＷ）のピークパワーを有するようになる。対応する準備状態ＣＷパワーは通常は１０ワット（Ｗ）未満である。従って、１５ＫＷのパワーを有するパルスが特定の材料を有効に融除するのに必要であるならば、パルスの間に搬送された１０ＷのＣＷパワーは一般に材料の融除のためにはそれ自体が非効率的（不充分）である。しかしながら、材料の１つの位置へ搬送されたパルスの充分に長いシーケンスにおいては、例えばレーザー穿孔については、パルス間ＣＷ輻射材料の加熱に寄与し、且つこのような加熱が融除率に影響する。
【００２９】
本発明のＱスイッチング方法により生成されたパルス列が、レーザー輻射周波数（波長を有する）を倍化、即ち二次調波生成（ＳＨＧ）のために光学的非線型結晶を通過するならば、ＣＷ輻射の相対パワーはパルスパワーに比べて更に振幅の２倍程度で減少し、即ちピークパワーはＣＷパワーよりも約一万倍又はそれ以上大きくなる。これは、光学的非線型結晶において周波数変換効率は、結晶内の所定のビーム幅についてレーザービームのピークパワーの二乗に比例する。更に、２次光学非線型結晶における３次調波生成（ＴＨＧ）又は４次調波生成（ＦＨＧ）周波数変換を得る周波数変換は、依然として更なる減少をもたらす。従ってパルス間ＣＷ輻射は、殆どの実際的状態の下では機械加工処理には無効である。
【００３０】
要するに、レーザー機械加工操作のためのパルス列（燃焼又はシーケンス）を与えるように連続的ポンピングＱスイッチレーザーを操作する本発明の方法について上述した。このレーザーは、光ポンピングの際に熱レンズ形成効果を示す固体利得媒体を含む。パルス搬送はＱスイッチにより制御され、これはレーザーがパルスを搬送しないときは開放状態にある。これは、パルスが搬送されないときにレーザーにＣＷレーザー輻射を搬送させることを可能にする。パルス列がＱスイッチの閉止及び再開放によりによるＣＷ操作の反復的中断により搬送される。Ｑスイッチが中断の後に再開放したとき、レーザーはレーザー輻射のパルスを搬送して、次の中断までＣＷ操作の搬送を再開する。反復的中断は、パルス間に搬送される操作を実行するための充分なパワーを有するＣＷ輻射を伴う特定の操作を実行するのに充分なピークパワーを有するパルス列の搬送をもたらす。本発明のＱスイッチング方法は、この１つの特定の反復Ｑスイッチ操作により、パルス列搬送の前、期間中、間に利得媒体内の熱レンズ形成が一定にとどまり、パルス列における全てのパルスが同様なパルスエネルギ及びビーム伝播特性を有する。同様な結果を達成するための従来技術のＱスイッチング方法は、機械加工パルス列の搬送の前、期間中、間の熱レンズ形成を均等化する２つの異なる反復Ｑスイッチシーケンスと、列における全ての他のパルスとして同様なピークパワーを有するパルス列の第１のパルスにおけるピークパワーを与える別のＱスイッチ操作とを必要とする。
【００３１】
本発明について好ましい実施形態について説明した。しかしながら本発明はこの好ましい実施形態に限定されるものではない。むしろ、本発明は添付の特許請求の範囲によって規定される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、ＱスイッチとこのＱスイッチを開閉する制御器とを含む共振器を有する従来技術の光学的ポンピング固体レーザーを模式的に示す図である。
【図２】図２Ａ及び図２Ｂは、レーザーにパルスシーケンスを搬送させるように図１のＱスイッチを操作する従来技術の方法を模式的に示すタイミング図である。
【図３】図３Ａ及び図３Ｂは、レーザーにパルスシーケンスを搬送させるように図１のＱスイッチを操作する本発明によるＱスイッチ方法を模式的に示すタイミング図である。
【図１】
2005539365.tif 000003
【図２】
2005539365.tif 000004
【図３】
2005539365.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成17年8月10日(2005.8.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器（２２）内に配置された個体利得媒体（２４）及びＱスイッチ（２６）を有する光ポンピングレーザーを操作する方法であって、出力パルスを生成する前記方法は、
ａ）前記Ｑスイッチが開放しているときに、連続レーザー出力を生成するのに充分なパワーで前記利得媒体を連続的にポンピングする段階と、
b）第１周期（Ｔ２）に亘って前記Ｑスイッチを閉止する段階と、
ｃ)その後、前記Ｑスイッチを第２周期（７７乃至８７）に亘って開放し、その第１周期の開始と第２周期の開始との間の時間は第２周期の開始の近傍で出力パルスを生成するのに充分である段階と、
ｄ）段階b)及びc)を複数回繰り返して、複数の出力パルスを生成させ、第２周期（７７乃至８７）は第１周期（Ｔ２）よりも長く、第２周期の各々の開始と、それに続く第１周期の各々の開始との間の時間が、第２周期（Ｔ５）の後半部分の間に連続波形出力を生成するのに充分であって、且つ時間周期を前記共振器内における熱レーザー形成における変化を最小化するように制御する方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記出力パルスは、ワークピースを処理するのに充分なエネルギを有し、且つ前記連続波形出力は前記ワークピースを処理するのに必要なエネルギを下回るエネルギを有する方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、前記レーザー出力が周波数変換されており、且つ周波数変換出力パルスがワークピースを処理するのに充分なエネルギを有すると共に、前記連続波形出力は前記ワークピースを処理するのに必要なエネルギを下回るエネルギを有する方法。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の方法において、前記Ｑスイッチの連続する複数の開放の間の時間間隔（Ｔ１）が変化する方法。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法において、前記Ｑスイッチの連続する複数の開放の間の時間（Ｔ１）と第１周期（Ｔ２）との比が、少なくとも３:１である方法。
【請求項６】
請求項５の方法において、前記比が、少なくとも１０:１である方法。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか一項に記載の方法において、前記出力パルスのピークパワーが、前記連続続波形出力のピークパワーよりも少なくとも百倍以上である方
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか一項に記載の方法において、前記パルスにおける前記共振器から搬送された平均輻射パワー及び連続波形モードが、異なる出力パルス繰り返し周波数についてのものとほぼ同様になるように選択されている方法。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか一項に記載の方法において、前記Ｑスイッチ（２６）の連続する複数の開放の間の時間間隔（Ｔ１）に対する第１周期（Ｔ２）の比は、レーザーパワー出力が前記連続する複数の開放の間の時間間隔（Ｔ１）が変化する場合とほぼ同様になるように、充分に小さい方法。
【国際調査報告】
2005539365.tif 000006
2005539365.tif 000007