(57)【要約】パルスレーザー装置およびレーザーパルスのパルス長を調整する方法の目的は、レーザー出力から実質的に独立して、広範囲にわたりパルス長を変化させることであり、特に、発振器出力を変更させることによりパルスを長くする場合における出力の低下に対抗して、ビームパラメータの好ましくない変化を防止することである。各段（１７〜２２）に１０倍を超える微弱信号増幅を行なう増幅媒体が用意された多段レーザー増幅器が、発振器パルスを供給すべく可変発振器出力を有するダイオード励起方式のＱスイッチ固体レーザー発振器の下流に配置されている。全ての増幅媒体により得られる全微弱信号増幅は１０００倍を超える。本パルスレーザー装置および方法は、パルス繰り返し率が１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚで数百ｎｓ〜数μｓの範囲のパルス長を必要とする産業および医療用途に利用可能である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス長が調整可能なレーザーパルスを生成するパルスレーザー装置であって、可変発振器出力を有するダイオード励起方式のＱスイッチ固体レーザー発振器が発振器パルスを供給すべく提供されているパルスレーザー装置において、
各段に１０倍を超える微弱信号増幅を行なう増幅媒体が用意された多段レーザー増幅器が、前記Ｑスイッチ固体レーザー発振器の下流に配置されていて、全ての増幅媒体により得られる全微弱信号増幅が１０００倍を超えることを特徴とするパルスレーザー装置。
【請求項２】
ポンプ照射と増幅対象のレーザー照射（１５）のモードマッチされたビームが、全ての増幅媒体内で０．５ｍｍ２未満のモード横断面積を有することを特徴とする、請求項１に記載のパルスレーザー装置。
【請求項３】
前記固体レーザー発振器が、アクティブ媒体として、異方性レーザー結晶（１）であって、ポンプビーム横断面が垂直に互いに異なる寸法を有する非対称のポンプビーム（６）により励起され、この非対称性に適合したレーザービーム横断面であり垂直に互いに伸長する方向で１:１より大きく１:３より小さい軸比率を有するレーザービーム横断面により横照射されている異方性レーザー結晶（１）を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のパルスレーザー装置。
【請求項４】
前記異方性レーザー結晶（１）の結晶軸のうち結晶応力限界の最高値が存在する方向の軸が、ポンプビーム横断面の寸法が小さい側の方向に位置する最大温度勾配に沿って方向付けられていることを特徴とする、請求項３に記載のパルスレーザー装置。
【請求項５】
前記異方性レーザー結晶（１）が、ポンプビームにより横照射され且つ一対ずつ互いに平行に対向して配置された長さの異なる結晶端（７〜１０）を有する結晶横断面を含み、熱膨張係数が、前記ポンプビーム横断面の寸法が小さい側の方向で且つ端長が短い側の結晶端（７、８）に平行な方向において最大であることを特徴とする、請求項４に記載のパルスレーザー装置。
【請求項６】
発振器パルスを提供するダイオード励起方式のＱスイッチ固体レーザー発振器の出力を変更させることによりレーザーパルスのパルス長を調整する方法であって、
前記発振器パルスが多段レーザー増幅器に供給され、全ての段階において微弱信号増幅が１０倍を超え、しかも全微弱信号増幅が少なくとも１０００倍を超える程度に増幅されることを特徴とする方法。
【請求項７】
ポンプビーム光源のダイオード電流により、ポンプビーム出力を変えることにより、前記パルス長が調整されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振器出力が可変な、ダイオード励起（ダイオードポンピング）方式のＱスイッチ固体レーザー発振器、特に１０Ｗを超える大出力の基本モード・レーザーにおけるパルス長の調整に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの産業または医療用途において、レーザーのパルス長およびパルス・エネルギーを変化させてその動作をきめ細かく制御可能にできれば好都合である。１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚのパルス繰り返し率において、パルス長が数百ｎｓ（ナノ秒）〜数μｓ（マイクロ秒）の範囲が特に重要である。目下のところ、好適な医療用途として眼科向け、好適な産業用途としてシリコンウェハーまたはガリウム砒素ウェハー上のチップのレーザー分離がある。しかし、材料加工分野、例えばセラミックやダイヤモンドの機械加工、レーザー・ホーニング、およびレーザー穿孔等においても緊急のニーズがあるが、この場合は特に１０ｎｓ未満の短いパルスが必要とされる。
【０００３】
連続的に励起（ポンピング）される音響光学的、Ｑスイッチ固体レーザー発振器の形式をとる既存の実施形態の多くは、基本的にランプ励起または横照射ダイオード励起Ｎｄ：ＹＡＧロッド・レーザーを含み、通常、５０ｎｓ〜２００ｎｓの範囲のパルス長を与える。長いパルス長はポンプ出力が低く且つパルス繰返し率が高い場合でのみ実現可能であるが、短いパルス長はパルス繰返し率が低い場合にのみ実現可能である。これらの構造では横照射基本モード動作の実現が困難且つパルス安定性が低いため、技術的に２００ｎｓを超えるパルス長は生成不可能である。更に、この種のレーザーはまた、非常に限られたパラメータ・ウインドウ内でしか動作できない。
【０００４】
特に大きい平均出力が、端面励起Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー発振器により１００ｋＨｚの繰り返し率で実現されるが、この場合でもポンプ出力Ｐｐを変えることでしか所与のキャビティ構成（Ｌ、Ｖ、Ｒ、Ｐｔｈ）でのパルス長を変更できず、またパルス長とパルス・エネルギーとの相関に起因して、パルス長が増大した場合に出力が急激に低下する。この関係が非特許文献１に記載されており、当該文献によればパルス長は以下の公式により、ポンプ出力Ｐｐ、レーザー閾値Ｐｔｈにおけるポンプ出力、アウトカップリング係数Ｒ、損失因子Ｖおよびキャビティ長Ｌの各パラメータから計算できる。
【数１】
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【０００５】
更に、ポンプビーム出力の変更に起因するキャビティ内出力の変化は通常、レーザー結晶の熱レンズの変質につながり、その結果、アウトカップリングされたビームのビームパラメータも変化する。この現象は多くの用途で問題であり、特に、非等方的な挙動をする熱レンズがビームプロフィールに非対称性をもたらす。
【０００６】
レーザーの繰り返し率の変化はまた、パルス持続期間と出力の変化に直接関係している。パルス持続期間および平均出力は、繰り返し率が低いほど低下する。
【０００７】
更に、特許文献１および特許文献２から、Ｑ変調を制御することにより医療用途向けにキャビティ内周波数を倍増させるダイオード励起レーザーにおいてパルス長の変更を実現できることが公知である。
【０００８】
パルス増大という外乱により生じた更なる発振器損失が効率の低下をもたらし、また指数関数的なパルスの立ち上がりに起因して力学系が極めて非線形になる結果、制御工学的な解が複雑化する点が不都合である。
【０００９】
【特許文献１】独国特許出願公開第１９９５８５６６号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１９９３２７９１８号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１００４３２６９号明細書
【非特許文献１】Ｒ.Ｉｆｆｌａｅｎｄｅｒによる、材料加工用固体レーザー（Ｓｏｌｉｄ  ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒｓ  ｆｏｒ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）、シュプリンガー社光学シリーズ（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｓｅｒｉｅｓ  ｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）、シュプリンガー・フェアラーク（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｖｅｒｌａｇ）、ベルリン（Ｂｅｒｌｉｎ）（２００１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、実質的にレーザー出力とは独立に、広範囲にわたりパルス長を変化させることであり、特に、発振器出力を変更させることにより、パルスを長くする場合における出力の低下に対抗して、ビームパラメータの好ましくない変化を防止することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的は本発明に従い、調整可能なパルス長を有するレーザーパルスを生成するパルスレーザー装置により達成される。ここで、発振器パルスを供給するための可変発振器出力を有するダイオード励起方式のＱスイッチ固体レーザー発振器を提供し、当該Ｑスイッチ固体レーザー発振器に後続する多段レーザー増幅器において１０倍を超える微弱信号増幅を行なう増幅媒体が各段に用意された結果、全ての増幅媒体により１０００倍を超える全微弱信号増幅が得られる。
【００１２】
１０００倍を超える大幅な微弱信号増幅により、反転密度が変化するためにパルス整形およびパルス拡張が生じ、発振器パルス全体にわたる線形強度ピークが存在せず、むしろ発振器パルスの立ち上がりエッジが反転により増幅され、この場合、反転が既に減少している立ち下がり縁よりもはるかに大きい。その結果、パルス増幅は、レーザーパルスの立ち上がりエッジが発振器パルスの立ち上がりエッジに対して時間的に前方へずれる現象に関係している。
【００１３】
本発明により、ダイオード電流によるポンプビーム出力の変化により発振器出力が変更する結果、レーザー出力は長期間一定に保ちながら、パルス長を極めて広い範囲（２００ｎｓ〜２０００ｎｓ）内で調整することができる。このように、大幅な微弱信号増幅により、発振器出力の変更をレーザー出力から分離することができる。
【００１４】
微弱信号増幅に反比例する増幅媒体の横断面積を最小化することが好適である。特に、ポンプ照射と増幅対象のレーザー照射のモードマッチされたビームのモード横断面積は、全ての増幅媒体の横断面領域において０．５ｍｍ２未満でなければならない。
【００１５】
固体レーザー発振器は、好適な構成において、アクティブ媒体として、異方性レーザー結晶であって、ポンプビーム横断面が垂直に互いに異なる寸法を有する非対称ポンプビームにより励起（ポンピング）され、この非対称性に適合したレーザービーム横断面であり垂直に互いに垂直に伸長する方向で１:１より大きく１:３より小さい軸比率を有するレーザービーム横断面により横照射されている（横切られている）異方性レーザー結晶を含んでいてよい。
【００１６】
これは、異方性レーザー結晶の結晶軸のうち結晶応力限界の最高値が存在する方向の軸が、ポンプビーム横断面の寸法が小さい側の方向に位置する最大温度勾配に沿って方向付けられていることにより実現できる。異方性レーザー結晶は、ポンプビームにより横照射され且つ一対ずつ互いに平行に対向して配置された長さの異なる結晶端を有する結晶横断面を含み、ポンプビーム横断面の寸法が小さい側の方向で且つ端長が短い側の結晶端に平行な方向においてその熱膨張係数が最大である。
【００１７】
発振器パルスが多段レーザー増幅器に供給され、全ての段階において微弱信号増幅が１０倍を超え、しかも全微弱信号増幅が少なくとも１０００倍を超える程度に増幅されることから、本発明による上述の目的は、発振器パルスを提供するダイオード励起方式のＱスイッチ固体レーザー発振器の出力を変更させることによりレーザーパルスのパルス長を調整する方法により更に達成される。
【００１８】
本発明は従って、一様なパルス形状、高いパルス・ピーク出力、および一定して高いパルス繰返し率を有する、特に短いパルスだけでなく特に長いパルスも提供することにより、産業／医療分野の各種用途においてパルス長を調整する汎用ツールを提供する。特に、長いパルスにおけるパルス安定性に注目されたい。
【００１９】
本発明について、概略図を参照しつつ以下により詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１に示す、特に本発明に適しているＱスイッチ固体レーザー発振器は、レーザー結晶として、ダイオードレーザー・アレイの形式をとる大出力ダイオードレーザー２により直接励起されるＮｄ：ＹＶＯ４結晶１、ダイオードレーザー・バーまたはその装置を含んでいる。この目的のために構成され、互いに垂直に伸張するシリンダ軸を有する２個の円柱レンズ３、４を含む画像形成光学機器は、レーザー・モードとの空間的重ね合わせのために平行化されたポンプビーム（８０８ｎｍ）を変換する。本来は約１:２０である速軸と遅軸間の焦点対半軸比率が、１：２．３という非対称な軸比率に変換され、この非対称ビーム横断面を有するＮｄ：ＹＶＯ４結晶１上へ結像される。光伝導ファイバーによるビーム透過とは対照的に、ポンプビームが直接自由ビーム透過を提供する結果、損失が抑えられ、より高い負荷能力を有する技術的に単純な構造が得られる。
【００２１】
図２によれば、８０８ｎｍのポンプ波長に対する反射防止コーティングおよび１０６４ｎｍのレーザー波長に対する高度反射コーティング系を備えたダイオードレーザー・アレイ２に面する自身のビーム入口面５で提供される異方性Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１は、結晶ｃ軸がポンプビーム横断面の寸法が大きい側（遅軸に平行）を向くように、且つ結晶ａ軸（その方向に結晶応力限界および熱膨張係数の最高値が存在する）ポンプビーム横断面の寸法が小さい側（速軸に平行）を向くようにポンプビーム６に向けられている。
【００２２】
結晶強度は、ａ軸方向の結晶高を下げて、これに関係する熱勾配を上げることにより、熱応力に対して実質的に増大させることがわかっている。これは、レーザー結晶１が既知の装置におけるよりも、実質的に高いポンプ出力およびポンプ出力密度で動作可能なことを意味する。
【００２３】
レーザー結晶は、ポンプビームにより横照射される（横切られる即ちトラバースされる）結晶横断面を有し、その端長が異なる結晶端７、８、９および１０が一対ごとに互いに平行に対向して配置されていて、結晶端７および８の長さは結晶端９および１０よりも短く、ポンプビーム横断面の寸法が小さい側の方向へ伸張することから、この要件は図２に従う構造により満たされる。
【００２４】
ポンプビーム横断面の寸法が小さい側の方向で結晶の寸法が減少するために熱フローが非対称となり、そのために熱レンズが非対称となる結果、結晶内部に楕円形のレーザービーム横断面が生じ、１:１を超え、且つ１:３未満である当該ビーム横断面の軸比率が、キャビティに非点収差補正要素を追加する必要なく、すなわち異なる軸について異なるビーム整形手段を用いる必要なく、ポンプビーム横断面の軸比率に適合される。
【００２５】
レーザー結晶は、ビーム入口面５の向かい側に、ブルースター角に切られた端面１１を備えているため、レーザー結晶屈折率の空気屈折率に対する比率分だけ軸比率を更に増大させることができる。一方、レーザー結晶内の楕円形のレーザー横断面は、結晶から放射された時点でほぼ円形の横断面を有する。
【００２６】
固体レーザー発振器は、反射ビーム入口面５以外に、キャビティの安定性基準に適合したビーム屈折鏡１２およびアウトカップリング鏡１３を含む。５００ｎｓを超える長いパルス長を有するパルスが生成される第一の実施形態において、パルス長に影響する２個のパラメータ、すなわちキャビティ長およびアウトカップリング係数は、各々８６０ｍｍおよび１０％に達する。一般に、この種類のより長いパルスには５００ｍｍを超えるキャビティ長が適している。
【００２７】
屈折鏡１２の曲率半径が減少した場合、キャビティ長を短くして、より短いパルス（５００ｎｓ未満）を生成すべく別の構造の固体レーザー発振器を構成することができる。例えばキャビティ長が２４０ｍｍの場合、ビーム品質（Ｍ２＜１．１）は不変のまま固体レーザー発振器の平均出力を２．０Ｗから３．２Ｗへ変更させることができ、その結果繰り返し率３０ｋＨｚで３０ｎｓの範囲内にあるパルス長が得られる。
【００２８】
当然ながら、固体レーザー発振器はまた、１５ｎｓ未満のパルス長さを実現すべく、１８０ｍｍをはるかに下回るキャビティ長に設計することも可能である。
【００２９】
音響光学スイッチ１４の形式をとるＱスイッチがパルスを生成すべく、屈折鏡１２とアウトカップリング鏡１３の間に配置されている。
【００３０】
キャビティ構成は、ポンプビーム（ΔＰ＝２Ｗ）の出力変化により生じるレーザー結晶の熱レンズが変化しても、ビーム品質（Ｍ２≦１．ｌ）は変化しないように選ばれており、更に、アウトカップリングされたレーザービームの直径は多くとも１５％しか変化しない。発振器出力は、０．８Ｗ〜１．４Ｗの範囲で変化することができ、それにより繰り返し率３０ｋＨｚにおいて、パルス持続期間が１９００ｎｓ〜３６０ｎｓだけ増幅器よりも遅延する。
【００３１】
繰り返し率は、１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの範囲内で音響光学スイッチ１４を制御することにより調整可能である。
【００３２】
固体レーザー発振器から放射されたレーザービーム１５のビームパラメータは、組合せレンズ１６により、下流に配置されたレーザー増幅器（図３）とマッチングされる（モード・マッチング）。特に、レーザービーム横断面が、低い半軸比率（１:２〜１:３）を有する楕円ビーム横断面に変換される。ビーム品質が一定であり、且つビーム直径が僅かに（１５％の）変化するため、当該マッチングが異なるポンプ出力および出力強度が保証される。これは、固体レーザー発振器の出力を変更させることにより、増幅されたビームのパルス長を変化させることが実現可能な条件である。
【００３３】
図３に示すレーザー増幅器（出力５０Ｗ）は、個々の増幅器段階について本明細書で引用している特許文献３に既に詳細に記述されており、逐次配置された６個のレーザー結晶１７〜２２が同数の関連付けられた大出力ダイオードレーザー（図３に示さず）によりダイオード励起される、６個の増幅器段階で構成されている。強力ダイオードレーザーから放射されたポンプビームは、最初に平行化され、続いてレーザー結晶１７〜２２内で集光される。速軸方向でのポンプビームのビーム品質が高いため、吸収ポンプ出力１２Ｗにおいて寸法が約０．１ｍｍ×２．０ｍｍの極めて楕円形に近いポンプ焦点が形成される結果、極めて高いポンプ出力密度、従って大幅な微弱信号増幅が得られる。これは、増幅器１段階当たり１０倍超に相当し、従って６個の増幅器段階からｌ０６を超える全微弱信号増幅が得られる。
【００３４】
固体レーザー発振器内のレーザー増幅器からのフィードバックを防止すべく、固体レーザー発振器から放射された円形レーザービーム１５がファラデー絶縁装置２３を横照射し、組合せレンズ１６により拡大され、続いてジグザグ形経路に沿って６個のレーザー結晶１７〜２２の全てを連続的に貫通する。更に、レーザービーム１５は円柱レンズ２４、２５によりレーザー結晶１７〜２２内で集光されて、極めて楕円に近いポンプ焦点と更にマッチングされる結果、接平面で平行化されたレーザービーム１５がレーザー結晶１７〜２２を、極めて楕円に近い焦点を有するサジタル平面において横照射する。本レーザー増幅器は、ペリスコープ２６により光学的に接続された２個の部分で構成されている。
【００３５】
円柱レンズ２９を通過する第二のパスの後で、レーザービームはサジタル平面においても、円柱レンズ２９を通過した先の第一のパスと同一の楕円形横断面を有するように再び平行化される。
【００３６】
従って、ポンプ照射および増幅対象のレーザー照射１５のモードマッチされたビームがレーザー結晶１７〜２２を貫通し、照射されたポンプビームの結果、互いに垂直な平面において異なる厚さを有する熱レンズが形成される。より厚い熱レンズにより当該平面に集光されたレーザー照射１５は、レーザー結晶１７〜２２の各々の内部へ誘導され、熱レンズ領域にビームウェストが形成される。
【００３７】
遅軸方向においてもビーム寸法の適合に利用できる屈折鏡２７〜３２がジグザグ形経路の確保に役立つ。装置を小型化すべく追加的な屈折要素３３〜３７が用いられる。
【００３８】
レーザービーム１５はレーザー増幅器から放射された後で、４個の円柱レンズおよび拡大光学機器を含む、図示しないレンズ装置により、意図する用途で望まれるビームパラメータに適合される。
【００３９】
図４、特に図４ａにおいてＱスイッチ発振器パルスに先行して立ち上がりエッジが指数関数的に上昇する様子を強調的に示しているが、レーザー増幅器の出力におけるレーザーパルスの立ち上がりエッジがｎｓ単位の時間内で発振器パルスの立ち上がりエッジに先行する様子を示す。これは、レーザー増幅器の大幅な微弱信号増幅により生じ、そのためパルス形成の極めて早い段階におけるμＷ範囲の極めて微弱な発振器出力であっても、増幅器パルスの立ち上がりエッジの相当な部分を十分形成できる。その結果、極めて早い段階、すなわち本ケースでは発振器の最大パルスに達する前に、増幅器が既にほぼ飽和しており、最大パルスを既に超えている。従ってより長いパルスが得られる。
【００４０】
総括するに、本発明に従い提案する装置により、増幅器パルスが明らかに先行するだけでなく、調節可能なパルス幅拡張が得られる。
【００４１】
図５に、大幅な微弱信号増幅による増幅プロセスの結果得られるパルスの時間延長を示す。ここで、固体レーザー発振器のポンプビーム出力が極めて広範囲に変化する一方、レーザー増幅器のポンプビーム出力は一定に保たれている。
【００４２】
図６に、増幅による出力低下の抑制により、発振器出力を変更させた際に、増幅器出力における出力の変化の程度が小さい（１０％）様子を示す。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】Ｑスイッチ固体レーザー発振器の構造を示す。
【図２】異方性レーザー結晶の軸方向を示す。
【図３】Ｑスイッチ固体レーザー発振器の下流に配置されたレーザー増幅器を示す。
【図４】大幅な微弱信号増幅を有する低出力発振器および増幅器を含む、本発明に従う装置により発生された、固体レーザー発振器およびレーザー増幅器の出力における異なるパルス形状を示す。
【図４ａ】大幅な微弱信号増幅を有する低出力発振器および増幅器を含む、本発明に従う装置により発生された、固体レーザー発振器およびレーザー増幅器の出力における異なるパルス形状を示す。
【図５】固体レーザー発振器の出力、およびレーザー増幅器の出力におけるパルス長の挙動を、固体レーザー発振器のポンプビーム光源のダイオード電流の関数として、従って発振器出力の関数として示すグラフである。
【図６】レーザー出力の挙動を、固体レーザー発振器のポンプビーム光源のダイオード電流の関数として、従って発振器出力の関数として示すグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
１        ＹＶＯ４結晶
２        大出力ダイオードレーザー
３、４    円柱レンズ
５        ビーム入口面
６        ポンプビーム
７〜１０  結晶端
１１        端面
１２        ビーム屈折鏡
１３        アウトカップリング鏡
１４        音響光学スイッチ
１５        レーザービーム
１６        組合せレンズ
１７〜２２  レーザー結晶
２４、２５  円柱レンズ
２６        ペリスコープ
２７〜３２  屈折鏡
３３〜３７  屈折要素
【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４ａ】
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【図５】
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【図６】
2005533382.tif 000010
【国際調査報告】
2005533382.tif 000011
2005533382.tif 000012
2005533382.tif 000013
2005533382.tif 000014