(57)【要約】本発明は、オシレータ起動制御の装置および方法に関し、より詳細には、レーザをオーバードライブしてモードロック動作を実現する装置および方法に関する。起動が制御されるオシレータは、基板にマウントされるレージング媒体を有する。レージング媒体からレーザビームを誘導するレージングポンピングソースが、基板の上にマウントされる。モードロック検出デバイス（６４）が、基板のまわりにマウントされる。オーバードライブ回路（６１）が、オシレータのモードロック状態を判定するモードロック検出および信号処理デバイスに接続される。オーバードライブ回路は、オシレータ（６３）がモードロック状態でない場合に、ポンプソース（６２）をオーバードライブする。
2005539380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
起動が制御されるオシレータであって、
基板と、
該基板にマウントされるレージング媒体と、
該レージング媒体からレーザビームを誘導する該基板にマウントされたレーザポンピングソースであって、該レーザビームは、ある経路に沿って導かれる、レーザポンピングソースと、
該基板のまわりにマウントされたモードロック検出デバイスと、
該モードロック検出デバイスおよびレーザポンピングソースに接続されたオーバードライブ回路と
を備える、オシレータ。
【請求項２】
前記モードロック検出デバイスは、フォトディテクタである、請求項１に記載の起動が制御されるオシレータ。
【請求項３】
前記フォトディテクタは、フォトダイオード、ＣＣＤ、フォトマルチプライア、またはフォトトランジスタのいずれか１つである、請求項１に記載の起動が制御されるオシレータ。
【請求項４】
前記モードロック検出デバイスは、スペクトロメータ、スペクトルアナライザ、周波数ダブリング検出器、非線形強度検出器、またはオートコリレータのいずれか１つである、請求項１に記載の起動が制御されるオシレータ。
【請求項５】
前記レージング媒体は、Ｎｄ：ガラスからなる、請求項１に記載の起動が制御されるオシレータ。
【請求項６】
前記レーザポンピングソースは、ダイオード、レーザ、またはアークランプのいずれか１つである、請求項１に記載の起動が制御されるオシレータ。
【請求項７】
前記オーバードライブ回路は、モードロック状態を検出し、前記レーザポンピングソースに電流を提供するように構成される、請求項１に記載の起動が制御されるオシレータ。
【請求項８】
前記レーザビームは、連続して繰り返すピコ秒の範囲の短い光パルス列から形成される、請求項１に記載の起動が制御されるオシレータ。
【請求項９】
前記レーザビームは、連続して繰り返すフェムト秒の範囲の短い光パルス列から形成される、請求項１に記載の起動が制御されるオシレータ。
【請求項１０】
オシレータのモードロックの方法であって、
（ａ）ある期間オシレータにオーバードライブ電流を提供した後に、該オシレータがモードロックされるステップと、
（ｂ）該レーザオシレータへの該オーバードライブ電流を該レーザオシレータの通常の動作電流まで低減するステップと、
（ｃ）周期的に該オシレータをモニタリングして、該オシレータがモードロックされているかどうかを判定するステップと
を包含する、方法。
【請求項１１】
（ｄ）ステップ（ｃ）で前記オシレータがモードロックされていない場合に、ステップ（ａ）〜（ｃ）を実行するステップ
をさらに包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
（ｄ）オシレータがモードロックされていない場合に、エラー信号を発生させるステップ
をさらに包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記オシレータが、
基板と、
該基板にマウントされるレージング媒体と、
該レージング媒体からレーザビームを誘導する該基板にマウントされたレーザポンピングソースであって、該レーザビームは、ある経路に沿って導かれる、レーザポンピングソースと、
該基板のまわりにマウントされたモードロック検出デバイスと、
該モードロック検出デバイスおよびレーザポンピングソースに接続されたオーバードライブ回路と
を備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記モードロック検出デバイスは、フォトディテクタである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記フォトディテクタは、フォトダイオード、ＣＣＤ、フォトマルチプライア、またはフォトトランジスタのいずれか１つである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記モードロック検出デバイスは、スペクトロメータ、スペクトルアナライザ、周波数ダブリング検出器、非線形強度検出器、またはオートコリレータのいずれか１つである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記レージング媒体は、Ｎｄ：ガラスからなる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記レーザポンピングソースは、ダイオード、レーザ、またはアークランプのいずれか１つである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記オーバードライブ回路は、モードロック状態を検出し、前記レーザポンピングソースに電流を提供するように構成される、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記レーザビームは、連続して繰り返すピコ秒の範囲の短い光パルス列から形成される、請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
前記レーザビームは、連続して繰り返すフェムト秒の範囲の短い光パルス列から形成される、請求項１３に記載の方法。
【請求項２２】
前記レーザポンピングソースは、ダイオード、レーザ、またはアークランプのいずれか１つである、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
モードロック型レーザは、非常に高反復速度のパルス列を発生させる。レーザがモードロックするためには、レーザが多くの異なるキャビティモードで一度に発振し、かつ、これらの発振が同位相であることが必要である。モードロックは、レーザの特別動作の体制であり、イントラキャビティ変調（振幅または位相変調）は、全てのレーザーモードに一定の位相、すなわちフェーズロックまたは「モードロック」で動作させることにより、レーザ出力の一時的な形は、連続して繰り返す短い（通常、ピコ秒またはフェムト秒の範囲の）光パルスの列を形成する。通常利用されるモードロックデバイスは、可飽和吸収体である。
【０００２】
可飽和吸収体は、光の密度を増加させるとともに、光の吸収を減少させる材料である。可吸飽和吸収体は、通常、固体状態レーザキャビティの複数の密度でこの効果を示す。可飽和吸収体の重要なパラメータは、その波長範囲（光を吸収する場所）、その動的応答（可飽和吸収体が回復する速度）、および飽和流量（可飽和吸収体が飽和するための単位面積あたりのパルスエネルギー）である。可飽和吸収体は、その可飽和吸収体が取り扱い得る流量（エネルギー／面積）に制限があり、この流量を超えると、可飽和吸収体は損傷を受ける。また、一旦レーザがモードロックされると、イントラキャビティレーザパワーに対する拡張された露光は、レーザビームを集光する際に可飽和吸収体を損傷させ得る。逆に、十分なエネルギーが提供されなければ、可飽和吸収体は、モードロックを停止する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記説明、ならびに、自己位相変調およびＫｅｒｒレンズのモードロック寄与のような他の非線形光学効果により、モードロックが開始するようにオシレータをオーバードライブするデバイスおよび方法が望ましい。さらに、このようなデバイスおよび方法は、フィードバックループを提供してオシレータのモードロック状態を判定し、オシレータポンプソースへのオーバードライブを提供してモードロックを開始し、かつ、レーザエネルギーを最小の耐え得るエネルギーレベルまで減少させる。さらに、高イントラキャビティパワーによる２重のパルシングを避けるために、レーザパワーが低減されなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、オシレータ起動制御の装置および方法に関し、より詳細には、レーザをオーバードライブしてモードロック動作を実現する装置および方法に関する。
【０００５】
上記に説明された問題に対応するために、レーザオシレータは、レーザがモッドロック型動作になる前に、短い時間で開始時に、より激しく駆動されなければならず、かつ、通常の動作のためのポンプパワーは、低減されなければならない。このことは、オシレータの起動の間、または、オシレータがモードロックを停止させる時に、ポンプダイオードのポンプ電流をオーバードライブすることによって達成され得る。
【０００６】
レーザがモードロック型動作であるかどうかを示すオシレータからのフィードバック信号が必要とされる。この信号は、フォトダイオードのようなモードロック検出デバイスから導出され得る。オシレータポンプダイオードは、フィードバックが、オシレータがモードロックされていないことをシグナリングするときはいつでも、調節可能な時間および値でポンプ電流を増加させるように伸びる。
【０００７】
本発明のある局面では、起動が制御されるオシレータには、基板と、該基板にマウントされるレージング媒体と、該レージング媒体からレーザビームを誘発し、該基板にマウントされるレーザポンピングソースであって、該レーザビームはある経路に沿って導出される、レーザポンピングソースと、該基板のまわりにマウントされるモードロック検出デバイスと、該モードロック検出デバイスおよびレーザポンピングデバイスに接続されるオーバードライブ回路とが含まれる。例示のためであって、限定するものではないが、レーザポンピングソースは、ダイオード、レーザ、アークランプ、または他のソースであってもよい。
【０００８】
モードロックデバイスは、オシレータのモードロック状態を検出し得る任意のデバイスであり得る。ある実施形態では、モードロック検出デバイスは、フォトダイオードである。
【０００９】
オシレータの様々な構成が、本発明とともに利用され得る。本発明のある実施形態では、オシレータは、Ｎｄ：ガラスからなるレージング媒体を有する。Ｙｂ、Ｔｉ、Ｃｒドープホストのような他のレーザ材料および結晶ならびに他のレーザ材料および結晶は、オーバードライブをサポートすることに関して、非常に類似するように挙動する。
【００１０】
本発明のさらなる局面は、オーバードライブ回路である。オーバードライブ回路は、モードロック検出デバイスを利用してモードロック状態を検出するように構成される。オシレータが、モードロック（オシレータの開始または通常の動作の間に生じ得る）されない場合、オーバードライブ電流は、ポンプソース、例えば、レーザポンピングダイオードへの電流を提供する。
【００１１】
ある実施形態では、レーザビームは、ピコ秒またはフェムト秒の範囲の連続して繰り返す短い光のパルス列から形成される。
【００１２】
本発明の別の局面では、オシレータモードロックの方法は、（ａ）該オシレータがモードロックされる前に、ある期間、オシレータへのオーバードライブ電流を提供するステップと、（ｂ）レーザオシレータへのオーバードライブ電流を該レーザオシレータの通常の動作電流まで減少されるステップと、（ｃ）オシレータを周期的にモニタリングして、オシレータがモードロックされているかどうかを判定するステップとを包含する。
【００１３】
本発明のさらなる局面では、ステップ（ａ）〜（ｂ）は、ステップ（ｃ）においてオシレータがモードロックされていない場合に実行される。
【００１４】
本発明のある実施形態では、エラー信号は、オシレータがモードロックされていない場合に発生する。モードロック検出デバイスは、オシレータがモードロックされていないかどうかを判定するために利用される。オシレータがモードロックされていない場合、オシレータのモードロック状態をモニタリングしている回路がエラー信号を発生させる。
【００１５】
例示のためであって、限定するものではないが、本装置および方法とともに利用することに適したパルスレーザの例は、Ｎｄ：ＩｎｔｒａＬａｓｅＦＳレーザのようなガラスレーザ、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｉｎｃ．Ｉｎｏｖａ（アルゴン）およびＭｉｒａ（Ｔｉ：サファイア）のような、アルゴンイオンポンプ固体状態モードロックレーザ、連続波ダイオードポンプ周波数ダブルＹＡＧのようなダイオードレーザポンプ固体状態モードロックレーザ、ならびに、ダイレクトダイオードポンプモードロック固体状態レーザを含む。
【００１６】
上記説明は、以下の本発明の詳細な説明がよりよく理解され得るように、本発明の特徴および技術的利点の概要をやや広義に示した。本発明のさらなる特徴および利点は、以下に説明され、本発明の特許請求の範囲の主題となる。本発明と同一の目的を実行するほかの構造を改変または設計するための基礎として、開示される概念および特定の実施形態が容易に利用され得ることが、当業者に理解されるべきである。また、このような等価な構成が本発明の特許請求に示された本発明の意図および範囲から逸脱していないことが、当業者に理解されるべきである。本発明の特徴であると信じされる新規性のある特徴は、動作の機構および方法について、さらなる目的および利点とともに、添付の図面と関連して考慮される際に、以下の説明からよりよく理解される。しかし、各図面は、例示および説明のために提供され、本発明の制限を規定するものとして意図されないことが、明確に理解されるべきである。
【００１７】
本発明をより完全に理解するために、添付の図面に関連して以下の説明がなされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
最初に図１を参照すると、本発明において利用されるオシレータ１０の概略図が示される。オシレータの様々な構成が、本発明とともに利用され得る。示されるように、オシレータ１０は、基板１４にマウントされるレーザポンピングダイオード１２を含む。レーザポンピングダイオード１２は、ある波長を有するレーザビーム２６を発生させる。光ビーム１６がレーザポンピングダイオード１２を離れる際に、レンズ２０は、ダイクリックビームスプリッタ２２を介して、レージング媒体２４の上に光ビーム１６を集光する。
【００１９】
当業者に周知の方法で、レーザポンピングダイオード１２からのビーム１６の光は、レージング媒体２４でレーザビーム１６を誘導する。例えば、レージング媒体２４は、Ｎｄ：ガラスから構成され得る。一旦誘導されると、レーザビーム２６は、レージング媒体２４から出力結合ミラー２８へと移動する。明確にするために、図１を参照する際に、レーザビーム２６、および、オシレータ１０内でレーザビームが移動する経路は、両方ともナンバー２６で示されることが理解される。
【００２０】
例示されるオシレータ１０の出力カップラ２８は、出力カプラ２８に入射したレーザビーム２６の光の約９５％以上を反射する。レーザビーム２６の光の残りの５％以下、すなわち出力カプラ２８から反射しなかったビーム２６の一部分は、従って、オシレータ１０を離れることが可能である。一方、出力カプラ２８から反射されるレーザビーム２６の光の９５％以上は、ダイクリックビームミラー２２に向かって戻るように導かれる。
【００２１】
レーザビーム２６は、ミラー２２で反射してターニングミラー３２へ向かう。ターニングミラー３２では、ミラー３４に向かって反射する。ミラー３４は、反共振ファブリーペロー可飽和吸収体（ＡＦＰＳＡ）または半導体可飽和吸収体ミラー（ＳＥＳＡＭ）のような当業者に周知であるタイプの多層半導体構造で構築される。ＳＥＳＡＭは、ミラー構造へと構築される半導体可飽和吸収体である。この構造により、より高密度でより多くの光を反射するデバイスが生じる。ＳＥＳＡＭは、８００ｎｍより短い範囲から１６００ｎｍより大きい範囲までの様々な波長、数フェムト秒から数ナノ秒までのパルス幅、および、数ミリワットから１０ワットより大きい範囲の平均パワーレベルをカバーし得る。
【００２２】
ミラー３４から、レーザビーム２６は、その経路２６に沿って出力カプラ２８へと反射して戻る。そのリターン経路で、レーザビーム２６はターニングミラー３２によって順番に反射される。出力カプラ２８では、ビーム２６の光の９５％より多くが、出力カプラ２８とミラー（ＳＥＳＡＭ）３４との間の往復運動の間に再び反射される。これが、当業者に周知の方法で連続した結果、例えば、眼科手術に役立つパルスレーザビーム３６が発生する。本明細書中で開示されるように、ミラー３４と出力カプラ２８との間の光学素子は、通常オシレータ１０のキャビティと呼ばれるものを規定する。
【００２３】
パルスレーザビーム２６を生成かつ維持するために、オシレータ１０のキャビティ内部のビーム２６の光の分散制御が必要とされる。本発明のオシレータ１０では、これは、チャープ（ｃｈｉｒｐｅｄ）コーティングによって提供される。チャープコーティングは、反射素子、ミラー２２、出力カプラ２８、ターニングミラー３２、およびミラー３４の反射性表面上に適切に積層されることにより、より短い波長（例えば、青）の群速度は、より長い波長（例えば、赤）の群速度に対して増加する。
【００２４】
パルスレーザビーム３６（すなわち、レーザビーム２６の５％）が出力カプラ２８によってオシレータ１０のキャビティから放射されると、パルスレーザビーム３６は、ビームスプリッタ３８へ導かれる。ビームスプリッタ３８により、ビーム３６の約９０パーセント（９０％）が利用可能なビーム３６’として通過することができる。ビーム３６’（すなわち、ビーム３６の９０％）は、主に、眼科手術の手技で用いることが意図される。ビーム３６の残りの１０パーセント（１０％）は、ビームスプリッタ３８から、サンプルビーム３６’’として光デコーダ４０に向かって反射する。
【００２５】
図１に示されるように、光デコーダ４０は、ライン４４を介して処理ユニット４２に接続される。処理ユニット４２は、ライン４６を介してオーバードライブ回路４９に接続される。オーバードライブ回路４９は、ライン５０を介してポンプパワー制御４７に接続され、ポンプパワー制御４７は、ライン４８を介してポンプダイオード１２に接続される。
【００２６】
図２を参照すると、フィードバックループ、および、オシレータモードロックを開始／維持するようにポンプソース６２をオーバードライブするオーバードライブ回路６１を示す、簡略化されたブロック図が例示される。ポンプソース６２は、オーバードライブ回路６１に接続される。ポンプソース６２は、モードロック動作時に実行可能であるオシレータ６３のためのポンプパワーを提供する。モードロック検出デバイス６４は、ビームスプリッタ６５を介してオシレータ６３、および、処理ユニット６６に接続され、モードロック動作を検出する。モードロック検出デバイスとして、フォトディテクタ、好ましくはフォトダイオードが利用される。ＣＣＤ、フォトマルチプライア、またはフォトトランジスタを含む、他のタイプのフォトディテクタが利用され得る。さらに、モードロック検出デバイスとして、スペクトロメータ、スペクトルアナライザ、周波数ダブリング検出器、非線形強度検出器、またはオートコリレータが利用され得る。処理ユニット６６は、オーバードライブ回路６１に接続され、オーバードライブ回路６１は、ポンプソース６２に接続され、それにより、フィードバックループを形成する。
【００２７】
図３を参照すると、ポンプソースをオーバードライブする回路のある実施形態が示される。入力されるモードロックエラー信号は、デジタルであり（すなわち、レーザが適切にモードロックされていなければ、１）信号を検出デバイスから解析する処理ユニットからのものである。エラー信号は、モノステーブルフリップフロップをトリガーし、出口Ｕ２をある期間、ハイ状態にスイッチする。アップ時間は、Ｒ０＊Ｃ１時定数（通常は、約３秒）によって調節される。続くオペアンプは、反転加算器として機能する。オペアンプは、オーバードライブ電圧Ｕ２＊（Ｒ１／Ｒ２）をポンプソースの基本設定Ｕ３＊（Ｒ１／Ｒ３）に付加する。Ｕ３は、固定基準電圧である。この追加により、第２のオペアンプ（ゲインは−Ｒ５／Ｒ４）によって反転して戻され、かつ、増幅される。最後の出口電圧Ｕ５は、ポンプソースに向けられ、ポンプソースを比例するように駆動する。モードロック動作を終了したオシレータに応答して、制限された期間オーバードライブを提供し、モードロック動作へオシレータを戻す、別の回路が利用され得る。
【００２８】
特定のレーザをオーバードライブするために、特定のパーセンテージのレーザが、利用されるゲイン材料、利用される可飽和吸収体、ミラーのコーティング、およびレーザキャビティのデザインを含むレーザの変量に若干依存する。しかし、所与のオシレータのモードロックを開始させるために必要な特定のパワーは、レーザオペレータによって判定され得る。このベースパワーレベルは、特定の量またはパーセンテージだけ増加して、オシレータをモードロック動作状態に置く。著しく増大するパワーを利用するべきであるが、可飽和吸収体または他のレーザの素子が損傷を受けないように制限されるべきである。ある実施形態では、モードロック動作に必要なベース電流を超えるオーバードライブ電流の増大したパーセントは、３％から６０％の範囲であった。他のオシレータは、オーバードライブ電流の１％から５００％の範囲となり得る。ここでも、モードロック動作を開始させるベース電流が判定されることが重要である。
【００２９】
例えば、本発明のある実施形態では、ダイオードポンプレーザを有するオシレータは、．８アンプの動作電流を有する。オシレータの開始時に、ダイオードポンプレーザは、２００ｍＡのオーバードライブ電流を提供される。フォトディテクタを含むフィードバックループは、アクティブレーザをモニタリングして、モードロック動作を達成するときを判定する。アクティブレーザがモードロック動作を達成したとき、オーバードライブ電流は、通常の動作電流まで低減される。続いて、アクティブレーザがモニタリングされる。アクティブレーザがモードロック動作を終了した場合、エラー信号が発生される。ダイオードポンプレーザへのオーバードライブ電流を提供するように構成される回路は、この信号を受け取り、その後、アクティブレーザは、再度モードロック動作になる。アクティブレーザの動作中、周期的なモニタリングが継続する。
【００３０】
本発明およびその利点が詳細に説明されたが、様々な改変、代用、および変更が、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の意図および範囲から逸脱することなく本明細書においてなされ得ることが理解されるべきである。さらに、本出願の範囲は、本明細書中に記載されるプロセス、マシン、製造物、物質の組成、手段、方法、およびステップの特定の実施形態に限定されることが意図されない。本発明の開示から当業者には容易に理解されように、本明細書中に記載の対応する実施形態と実質的に同一の機能を実行するか、または、実質的に同一の結果を達成する、既存または今後開発されるプロセス、機械、製造物、物質の組成、手段、方法、またはステップが、本明細書により利用され得る。さらに、添付の特許請求の範囲は、その範囲にこのようなプロセス、機械、製造物、物質の組成、手段、方法、またはステップを含むことが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、本発明とともに利用され得るオシレータの概略図である。
【図２】図２は、フィードバックループおよびモニタリング回路のブロック図である。
【図３】図３は、レーザポンピングソースをオーバードライブする電子回路の概略図である。
【図１】
2005539380.tif 000003
【図２】
2005539380.tif 000004
【図３】
2005539380.tif 000005
【国際調査報告】
2005539380.tif 000006