(57)【要約】      （修正有）【課題】高出力・高効率なスラブレーザおよびレーザ増幅器を提供する。【解決手段】レーザ装置は、スラブ結晶１と、紫外線周波数帯を含む光エネルギーを提供する光源２と、サマリウムでドープされたフッ化テルビウムを含む空洞フィルタ材料であって、前記フィルタ材料は、前記スラブ結晶１の少なくとも片面上に提供され、前記光源２から前記光エネルギーを受け取るように構成され、前記スラブ結晶１による吸収のために、第１の紫外線周波数帯の光エネルギーを、可視光線の第２の周波数帯の光エネルギーに変換するように構成される、空洞フィルタ材料とを含み、前記スラブ結晶１は、一端から増幅されたレーザビームを放射するように構成される。【選択図】図１
2018164090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピースを提供するステップと、
レーザ装置を提供するステップと、
前記レーザ装置を使用して、レーザ光を放射して、ワークピースに１つまたは複数の材料の層を追加するか、あるいは前記ワークピースから１つまたは複数の材料の層を取り除くために、前記レーザ装置を使用するステップと、
を備える、ワークピースを製造する方法であって、
前記レーザ装置は、
スラブ結晶と、
紫外線周波数帯を含む光エネルギーを提供する光源と、
サマリウムでドープされたフッ化テルビウムを含む空洞フィルタ材料であって、前記フィルタ材料は、前記スラブ結晶の少なくとも片面上に提供され、前記光源から前記光エネルギーを受け取るように構成され、前記スラブ結晶による吸収のために、第１の紫外線周波数帯の光エネルギーを、可視光線の第２の周波数帯の光エネルギーに変換するように構成される、空洞フィルタ材料と
を含み、
前記スラブ結晶は、一端から増幅されたレーザビームを放射するように構成される、
ワークピースを製造する方法。
【請求項２】
前記ワークピースは、半導体装置に形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ワークピースは、太陽光発電装置に形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ワークピースは、集積回路に形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ワークピースは、コンデンサに形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ワークピースは、銅および／またはアルミニウムを含む導電体である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
ダイヤモンドまたはダイヤモンド状炭素を含む材料の１層は、前記レーザ装置を使用して前記ワークピースに加えられる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
炭化タルタンハフニウムを含む材料の１層は、前記レーザ装置を使用して前記半導体装置に加えられる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
スラブレーザを提供するステップと、
ワークピースを提供するステップと、
材料の１つまたは複数の層を前記ワークピース上に堆積するために、前記高エネルギーのパルスビームを放射するために前記スラブレーザを使用するステップと、
を備える、ワークピースを製造する方法であって、
前記スラブレーザは、
増幅された高エネルギーのパルスレーザビームを端部から放射するように構成されたスラブ結晶と、
第１の周波数帯を含む光エネルギーを提供する光源と、
前記スラブ結晶の少なくとも片面上に提供され、前記光源から前記光エネルギーの少なくとも一部を受け取るように構成され、レーザビームを増幅する前記スラブ結晶による吸収のために、前記第１の周波数帯の光エネルギーの少なくとも一部を、前記第２の周波数帯の光エネルギーに変換するように構成される、空洞フィルタ材料と、
前記レーザを冷却するように構成された冷却サブシステムと
を含む、ワークピースを製造する方法。
【請求項１０】
前記材料は、ダイヤモンドまたはダイヤモンド状炭素である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記材料は、炭化タルタンハフニウムである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
スラブレーザを提供するステップと、
半導体ワークピースを提供するステップと、
炭素源を提供するステップと、
ダイヤモンドもしくはダイヤモンド状炭素の１つまたは複数の層を前記炭素源から前記半導体ワークピース上に堆積するために、非常に短いパルスの高エネルギービームを放射するために前記スラブレーザを使用するステップと
を備える、半導体装置の製造方法であって、
前記スラブレーザは、
増幅された高エネルギーのパルスレーザビームを端部から放射するように構成されたスラブ結晶と、
第１の周波数帯を含む光エネルギーを提供する光源と
前記スラブ結晶の少なくとも片面上に提供され、前記光源から前記光エネルギーの少なくとも一部を受け取るように構成され、レーザビームを増幅する前記スラブ結晶による吸収のために、前記第１の周波数帯の光エネルギーの少なくとも一部を、前記第２の周波数帯の光エネルギーに変換するように構成される、空洞フィルタ材料と、
前記レーザを冷却するように構成された冷却サブシステムと
を含む、半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
スラブレーザを提供するステップと、
ワークピースを提供するステップと、
炭素源を提供するステップと、
ダイヤモンドもしくはダイヤモンド状炭素の１つまたは複数の層を前記炭素源から前記ワークピース上に堆積するために、高エネルギービームを放射するために前記スラブレーザを使用するステップと、
前記ワークピースを前記エネルギー貯蔵装置内に組み込むステップと
を備える、エネルギー貯蔵装置の製造方法であって、
前記スラブレーザは、
増幅された高エネルギーのレーザビームを端部から放射するように構成されたスラブ結晶と、
第１の周波数帯を含む光エネルギーを提供する光源と
前記スラブ結晶の少なくとも片面上に提供され、前記光源から前記光エネルギーの少なくとも一部を受け取るように構成され、レーザビームを増幅する前記スラブ結晶による吸収のために、前記第１の周波数帯の光エネルギーの少なくとも一部を、前記第２の周波数帯の光エネルギーに変換するように構成される、空洞フィルタ材料と、
前記レーザを冷却するように構成された冷却サブシステムと
を含む、
エネルギー貯蔵装置の製造方法。
【請求項１４】
材料を第１の対象から第２の対象に輸送するためのシステムであって、
前記システムは、
１つまたは複数の第１のレーザ装置を備える第１の増幅サブシステムを提供することと、
第１のレーザビーム出力を生成するために、前記第１の増幅サブシステムに入力するための、第１の所望のパルス特性を有する第１のシードレーザビームを出力するように構成された第１のシードレーザを提供することと、
１つまたは複数の第２のレーザ装置を備える第２の増幅サブシステムを提供することと、
第２のレーザビーム出力を生成するために、前記第２の増幅サブシステムに入力するための、所望のパルス特性を有する第２のシードレーザビームを出力するように構成された第２のシードレーザを提供することと、
前記第１の対象の一部を気化するために、前記第１のレーザビーム出力の少なくとも一部を前記第１の対象に経路指定するように構成された、第１のレーザの経路指定サブシステムを提供することと、
前記第１の対象の前記気化された部分の少なくとも一部を、前記第２の対象上にまたは前記第２の対象の中に受け入れるための前記第２の対象を準備するために、前記第２のレーザビームを出力の少なくとも一部を前記第２の対象に経路指定するように構成された、第２のレーザの経路指定サブシステムを提供することと、を備え、
ここで、前記第１のレーザ装置のそれぞれはスラブレーザを備えており、前記スラブレーザは、
スラブ結晶と、
前記スラブ結晶の少なくとも片面上に提供され、前記光源から前記光エネルギーの少なくとも一部を受け取るように構成され、レーザビームを増幅する前記スラブ結晶による吸収のために、前記第１の周波数帯の光エネルギーの少なくとも一部を、前記第２の周波数帯の光エネルギーに変換するように構成される、空洞フィルタ材料と、
を含み、
前記光エネルギーを前記第２の周波数帯で吸収した後に、前記スラブ結晶は、入射光ビームを前記スラブ結晶の一端に、ある角度で受け取るとともに、前記一端から増幅されたレーザビームを前記ある角度とは異なる角度で放射するか、または前記光エネルギーを前記第２の周波数帯で吸収した後に前記入射光ビームから直線移動された、前記増幅されたレーザビームを放射する、
材料を第１の対象から第２の対象に輸送するためのシステム。
【請求項１５】
前記第１のシードレーザは、約１／２ナノ秒以下のパルス幅、および約１００ｎｍ以下の比較的狭い帯域幅を有する、超高速レーザである、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第１のシードレーザは、約３．２μｓ以下毎のパルスを放射する超高速レーザである、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第２のシードレーザは、約１ナノ秒以上のパルス幅のＱスイッチレーザである、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１８】
前記第１のレーザ経路指定サブシステムは、プルームをさらに原子化するために前記プルーム内に存在する前記第１の対象の粒子を熱化するために、前記第１のレーザビームの別の部分を前記第１の対象の前記気化された部分の前記プルームに経路指定するようにさらに構成される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１９】
前記１つまたは複数の第２のレーザ装置は、スラブレーザを備えており、前記スラブレーザは、
スラブ結晶と、
前記スラブ結晶の少なくとも片面上に提供され、前記光源から前記光エネルギーの少なくとも一部を受け取るように構成され、レーザビームを増幅する前記スラブ結晶による吸収のために、前記第１の周波数帯の光エネルギーの少なくとも一部を、前記第２の周波数帯の光エネルギーに変換するように構成される、空洞フィルタ材料と、
を含み、
前記光エネルギーを前記第２の周波数帯で吸収した後に、前記スラブ結晶は、入射光ビームを前記スラブ結晶の一端に、ある角度で受け取るとともに、前記一端から増幅されたレーザビームを前記ある角度とは異なる角度で放射するか、または前記光エネルギーを前記第２の周波数帯で吸収した後に前記入射光ビームから直線移動された、前記増幅されたレーザビームを放射する、
請求項１４に記載のシステム。
【請求項２０】
前記スラブ結晶は、前記スラブ結晶の底部に対する角度が９０度ではない角度の反射面を備える、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２１】
前記反射面は、レーザビームに対して周波数選択性を有するが、励起ランプに対して透明であることを特徴とする、１／４波長積層の誘電多層を含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２２】
前記スラブ結晶は、前記スラブ結晶によって放射された前記出射レーザビームが、前記源からの前記光エネルギーの前記入射ビームからある角度または距離だけ分離されるように構成される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２３】
前記第１の周波数帯は紫外線光周波数帯であり、前記第２の周波数帯は紫外線光より小さい周波数帯である、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２４】
前記装置の構成要素を保持するように構成される一方で、前記装置の１つまたは複数の前記構成要素の熱膨張が可能である、複数の弾性保持部をさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２５】
前記空洞フィルタ材料は、サマリウムでドープされたフッ化テルビウムを含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記スラブ結晶はクロムをドープしたアレキサンドライトを含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２７】
前記スラブ結晶および／または前記空洞フィルタ材料を冷却するために、前記装置内の前記冷却液を循環するように構成された冷却液循環サブシステムをさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２８】
前記一端は、前記スラブ結晶の隣接した片面に対して鋭角に設けられ、前記スラブ結晶の反対側の隣接面に対して鈍角に設けられている、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２９】
前記第１の増幅サブシステム、前記第２の増幅サブシステム、または両方は、それぞれのレーザビーム（複数可）内の異なる光シードを補うように構成された、少なくとも１つの圧縮機または補償器を含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項３０】
前記スラブ結晶は、チタンをドープしたサファイアを含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項３１】
前記シードレーザの前記一方または両方は、
スラブ結晶と、
前記スラブ結晶の少なくとも片面上に提供され、前記光源から前記光エネルギーの少なくとも一部を受け取るように構成され、レーザビームを増幅する前記スラブ結晶による吸収のために、前記第１の周波数帯の光エネルギーの少なくとも一部を、前記第２の周波数帯の光エネルギーに変換するように構成される、空洞フィルタ材料と、
を含む、スラブレーザから構成され、
前記光エネルギーを前記第２の周波数帯で吸収した後に、前記スラブ結晶は、入射光ビームを前記スラブ結晶の一端に、ある角度で受け取るとともに、前記一端から増幅されたレーザビームを前記ある角度とは異なる角度で放射するか、または前記光エネルギーを前記第２の周波数帯で吸収した後に前記入射光ビームから直線移動された、前記増幅されたレーザビームを放射する、請求項１４に記載のシステム。
【請求項３２】
前記スラブ結晶は、チタンをドープしたサファイアを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３３】
前記材料はヒ化ホウ素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３４】
前記第１の対象はヒ化ホウ素を含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項３５】
任意の１つまたは複数の前記レーザ装置は、
正面に対して第１の角度で提供された入射光ビームを受け取るために、前記スラブ結晶の底部に対して鋭角を形成する、前記正面を有するスラブ結晶であって、前記スラブ結晶は、前記スラブ結晶の前記底部に対して９０度ではない背面角で設けられた後壁も有する、スラブ結晶と、
第１の周波数帯内の一部および第２の周波数帯内の一部を含む光エネルギーを提供する光源と、
前記第１の光周波数帯で透過し、前記スラブ結晶の前記頂部および／または前記底部上に提供され、前記光源から前記光エネルギーを受け取るように構成され、また前記スラブ結晶による少なくとも部分的な吸収のために、前記第１の周波数帯の光エネルギーを、変換周波数帯の光エネルギーに変換するように構成される、空洞フィルタ材料と
を含む、スラブレーザーを備え、
前記光源および前記空洞フィルタ材料は、前記第２の光周波数帯内の前記光エネルギーの前記一部の少なくとも一部が前記空洞フィルタを通って前記スラブ結晶に伝播されるように配置され、
前記スラブ結晶は、前記空洞フィルタを通って伝播される前記第２の周波数帯内の前記光エネルギーの前記部分の一部を吸収することにより、かつ前記変換された周波数帯における前記光エネルギーの一部を吸収することにより、前記スラブ結晶から放射するためのレーザビームを増幅するように構成され、
前記鋭角および前記背面角は、前記スラブ結晶に入射する前記入射光ビームが前記スラブ結晶から放射された前記増幅されたレーザビームと一致しないように、前記増幅されたレーザビームが前記スラブ結晶の前記正面から、前記第１の角度と異なる角度で放射されるように選択される
請求項１４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記スラブは長方形のスラブである、請求項１に記載の方法。
【請求項３７】
前記スラブは幅より大きい長さを有し、複数の光源も幅より大きい長さを有し、前記光源は、前記光源の前記長さが、前記スラブの前記長さに沿って線に並行でないように配置される、請求項１に記載の方法。
【請求項３８】
１つまたは複数の光源によって放射された光放射を前記装置の中に反射するために、少なくとも１つの空洞反射器をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３９】
前記空洞反射器は、前記装置を冷却するための冷却サブシステムから冷却液を受け取るための少なくとも１つのチャネルを備えて構成される、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
１つまたは複数の冷却チャネルを互いから分離するために、少なくとも１つの封止をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項４１】
前記少なくとも１つの封止は、空洞反射器および前記スラブまたは空洞フィルタ材料のいずれかと接触して設けられる、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記装置を冷却するための冷却サブシステムを支持するために、前記装置の外周上に装着された少なくとも水マニホールドをさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項４３】
前記装置を冷却するための冷却サブシステムを支持するために、前記装置上に装着された少なくとも１つのマニホールドをさらに備える、請求項１に記載の方法
【請求項４４】
前記装置は、前記スラブが複数のレーザビームを平行に放射するように構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項４５】
前記スラブ結晶は、チタンをドープしたサファイアを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項４６】
前記材料はヒ化ホウ素を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項４７】
前記スラブ結晶は、チタンをドープしたサファイアを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項４８】
前記材料はヒ化ホウ素を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項４９】
前記スラブ結晶は、チタンをドープしたサファイアを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項５０】
前記材料はヒ化ホウ素を含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年８月３日に出願された米国特許出願第１３／５６６，１４４号の利益を主張し、参照によって本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、一般にレーザおよびレーザ増幅器の分野に関する。より詳細には、本出願は、ランプにより光学的に励起されるスラブの形の固体レーザ増幅器に関し、レーザビームは、ブリュースター角ファセットを通って入り、ビームが入った面と同じ面を通って出る前に、全内部反射に起因して複数の面から面へのバウンスを経験する。
【０００３】
概して、ランプを駆動したスラブレーザは長年存在する。先行技術は、駆動し、面を励起し、面から面へ複数のバウンスをし、全内部反射（ＴＩＲ）Ｎｄ：Ｙａｇ（ネオジムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット）スラブのクリプトンアークランプのゼネラル・エレクトリックの設計によって実証される。ゼネラル・エレクトリックの設計では、Ｎｄ：Ｙａｇ結晶は、クリプトンアークランプで面励起された。これらの特定の設計は、数キロワットに達した出力で約４％の変換効率（レーザ出力を電力で割った）を達成した。この設計では、黒体スペクトルおよび輝線光子を放射するクリプトンアークフラッシュまたはアークランプ（セリウムをドープした石英エンベロープからなる）は、ネオジムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット・スラブの隣接面上に可能な限り均一に引き続き反射された。この利得素子は、このエネルギーの一部を選択的に吸収した。このエネルギーは、ネオジム原子を上昇されたエネルギー状態に励起し、それからレーザビームが発生または増幅された。
【０００４】
後の例は、効率および構造の簡潔さを増加するために（ドープされたＹａｇによって高く吸収される光子エネルギーの特定の周波数のみを生成することにより）ダイオードレーザ励起源を組み込んだ。さらに後の例は、ネオジムをドープしたイットリウム・バナジウム酸塩（ＹｂＶＯ４）を利得媒体として利用した。このようなシステムが基準になり、その限界がＹＡＧ、バナジウム酸塩または利得結晶を調製できる最大サイズである。米国特許第３，６３３，１２６号および第３，６３１，３６２号は、関連した技術を検討している。
【０００５】
先に述べたダイオードを励起するシステムは、１０％のシステム効率を実証しており、効率は理想的環境の２５％に近づくことさえあるが費用が高く、絶縁はダイオード励起レーザに対して約５０％の効率であり、Ｎｄ：ＶＯ４に対して６５％の効率、Ｎｄ：ＹＡＧについては、効率は、１．０６４ミクロンの放射に約５０％の変換効率を有しており、続くビームクリーンアップは１０％までシステム出力効率を低減し、良好に設計されたシステムの全体効率は約２５％である。出力電力への電流の上限は、励起されたファイバ端部であったセラミックＹａｇスラブ、および面を励起したタイプの両方を有することが実証されており、その両方は主にノースロップ・グラマンによって構築された。それらのシステムは、ダイオード励起レーザに対して約５０％の効率、および約２５％の出力効率に対してＮｄ：Ｙａｇスラブの約５０％の変換効率をもつ、１レーザヘッド当たり２５ｋＷ（キロワット）の出力を実証した。
【０００６】
既存のランプを励起した設計に対する限界効率は、主に２つの領域にある。第１は、励起ランプからの発光スペクトルは、通常レーザ結晶材料の励起スペクトルに一致しないという事実に起因する非効率性である。第２は、２倍以下で不完全に充填された利得材料を通過するビームを有することに起因して、利得材料からのビーム抽出の非効率性である。これらの欠点は、スラブレーザ概念の潜在的な実際的適用を妨げてきた。
【発明の概要】
【０００７】
横に面を励起し、ランプを駆動したスラブレーザ、および面から面へのビーム伝播方式での増幅器設計が提示される。ＴＩＲ（全内部反射）の端部バウンスは、同じ入力ファセットから戻る増幅された放射の方向を変えるが、異なる角度方向では、必要に応じてより大きいシステム内で使用することは示された設計を実質的にさせる。
【０００８】
また希ガスに基づいた以前のランプ設計より多くの光子を使用可能なスペクトル内に生成する、励起ランプの使用も提示される。また、ランプ出力の非有益部分を有益な励起帯に幾分高い効率で変換する、空洞蛍光フィルタも利用されてきた。これは、効率および電力処理能力を改善する。
【０００９】
例示的実施形態として、スラブ結晶、および空洞フィルタ材料が、第１の周波数帯において受領した光エネルギーを、スラブ結晶によって吸収された第２の周波数帯において光エネルギーに変換するように、光源から光エネルギーを受領するためにスラブ結晶の少なくとも片側に提供された空洞フィルタ材料を備える、レーザ装置が提供される。
【００１０】
上記のレーザについて、スラブ結晶は、入射光ビームをスラブ結晶の一端の中にある角度で受領するように適合され、また増幅されたレーザビームを一端からある角度と異なる角度で放射する、または光エネルギーを第２の周波数で吸収した後、入射光ビームから直線的にシフトされた、増幅されたレーザビームを放射する。
【００１１】
スラブ結晶、紫外線周波数帯を含む光エネルギーを提供する光源、およびサマリウムでドープされたフッ化テルビウムを含む空洞フィルタ材料であって、フィルタ材料は、光源から光エネルギーを受領するため、またレーザビームを増幅するためにスラブ結晶による吸収に対して、第１の紫外線周波数帯における光エネルギーを、可視光線の第２の周波数帯で光エネルギーに変換するために、スラブ結晶の少なくとも片面上に提供される、空洞フィルタ材料を備えるレーザ装置の例示的実施形態がさらに提供される。
【００１２】
上記のスラブ結晶は、裏反射面を含まない一端から増幅されたレーザビームを放射するように適合される。
【００１３】
また、スラブ結晶、紫外線周波数帯内の一部および可視光線周波数帯内の一部を含む光エネルギーを提供する光源、ならびに可視光線周波数帯に透過する空洞フィルタ材料であって、フィルタ材料は、光源から光エネルギーを受領するために、またスラブ結晶による吸収に対して、第１の紫外線周波数帯における光エネルギーを、紫外線周波数帯より小さく変換された周波数帯で光エネルギーに変換するために、スラブ結晶の少なくとも片面上に提供される、空洞フィルタ材料を備える、レーザ装置の例示的実施形態も提供される。
【００１４】
上記レーザの光源および空洞フィルタ材料は、可視光線周波数帯内の光エネルギーの該一部の少なくとも一部が空洞フィルタを通ってスラブ結晶に伝播されるように配置され、スラブ結晶は、空洞フィルタを通って伝播された可視光線周波数帯内の光エネルギーの該一部の一部を吸収し、かつスラブレーザから放射するレーザビームを増幅するために、光エネルギーの一部を変換された周波数帯において吸収するように適合される。
【００１５】
スラブ結晶、第１の周波数帯で光エネルギーを提供する光源、光源から光エネルギーの一部を受領するために、また第１の周波数帯において光エネルギーの該一部の少なくとも一部を、スラブ結晶による少なくとも部分的な吸収のために第２の周波数帯において光エネルギーに変換するために、スラブ結晶の少なくとも片側に提供される空洞フィルタ材料、装置の構成要素を保持する一方で、装置の１つまたは複数の構成要素の熱膨張が可能である、複数の弾性保持部、ならびに装置を冷却するために装置内に冷却液を循環させるための冷却液循環システムであって、スラブ結晶は、スラブ結晶の一端から増幅されたレーザビームを放射するように適合される、冷却液循環システムを備えるレーザ装置の例示的実施形態がさらに提供される。
【００１６】
また、正面に対して第１の角度で提供された入射光ビームを受領するために、スラブ結晶の底部に対して鋭角で提供された点を形成する、正面を有するスラブ結晶であって、スラブ結晶は、スラブ結晶の底部に対して９０度でない背面角で提供される後壁も有する、スラブ結晶、第１の周波数帯内の一部および第２の周波数帯内の一部を含む光エネルギーを提供する光源、ならびに第１の光周波数帯に透過し、光源から光エネルギーを受領するために、またスラブ結晶による少なくとも部分的な吸収のために、第１の周波数帯における光エネルギーを変換された周波数帯において光エネルギーに変換するために、スラブ結晶の頂部および／または底部上に提供される、空洞フィルタ材料を備える例示的レーザ装置も提供される。
【００１７】
上記レーザの光源および空洞フィルタ材料は、第２の光周波数帯内の光エネルギーの該一部の少なくとも一部が空洞フィルタを通ってスラブ結晶に伝播されるように配置され、さらにスラブ結晶は、空洞フィルタを通って伝播される第２の周波数帯内の光エネルギーの該部分の一部を吸収することにより、かつ変換された周波数帯における光エネルギーの一部を吸収することにより、スラブ結晶から放射するためのレーザビームを増幅するように適合される。
【００１８】
上記レーザについて、鋭角および背面角は、スラブ結晶に入る入射光ビームがスラブ結晶から放射された増幅されたレーザビームと一致しないように、増幅されたレーザビームがスラブ結晶の正面から、第１の角度と異なる角度で放射されるように選択されるように選択される。
【００１９】
光ビームを増幅するために直列のあらゆる上記レーザの任意の複数を使用する、レーザ増幅システムがさらに提供される。
【００２０】
例えば、構成要素上もしくは構成要素内に物質を気化し堆積することにより、半導体装置または被覆された導体などの構成要素を製造するために、本明細書に記載されたように１つまたは複数のスラブレーザを利用して製造するシステムおよび方法がさらに提供される。堆積された材料は、ドーパント、または例えばダイヤモンドもしくはダイヤモンド状炭素などの材料の層であることが可能である。
【００２１】
また、そのすべてではないが、一部が以下により詳細に説明される、追加の例示的実施形態も提供される。
【００２２】
本明細書に説明される例示的実施形態の特徴および利点は、添付図面を参照して以下の説明を読むと、本開示に関連する当業者には明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一例示的実施形態の外観図の概略図である。
【図２】スラブレーザ材料の両面上に提供される、フィルタ空洞材料の２層を示す概略図である。
【図３】レーザスラブ、２つの空洞フィルタ、励起ランプ、セラミック反射体、および外ケースとの間の関係を示す、図１の本発明の例示的実施形態の端面図の概略図である。
【図４】冷却用外部水マニホールドを追加する、別の例示的実施形態の概略図である。
【図５】例示的実施形態のレーザスラブの一般断面形状の概略図である。
【図６】例示的実施形態の増幅器スラブに入り、増幅器スラブから離れる軸上レーザビームの経路の概略図である。
【図７Ａ】例示的実施形態の入射ビームから出射ビームを分離するためにレーザビームが移動する効果の概略図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示された例示的実施形態に対して、複数のレーザビームが移動する効果の概略図である。
【図８Ａ】例示的実施形態におけるレーザスラブの正面で楔の角度を半化する効果を示す概略図である。
【図８Ｂ】例示的実施形態におけるレーザスラブの正面で楔の角度を半化する効果を示す概略図である。
【図９】例示的実施形態に対する異なる方向のビーム内に入射ビームおよび出射ビームを提供するための例示的配置の概略図である。
【図１０Ａ】例示的実施形態において端部反射面の角度を変化することにより、入射ビームから出射ビームの例示的分離を示す概略図である。
【図１０Ｂ】例示的実施形態において端部反射面の角度を変化することにより、入射ビームから出射ビームの例示的分離を示す概略図である。
【図１１】大きいスラブレーザ結晶を使用し、より多くの励起ランプを追加する、例示的増幅器チェーンの１断面の内部構造を示す概略図である。
【図１２】レーザビームがどのように利得材料に入出するかを示す、チェーン内の１つの増幅器の断面を示す概略図である。
【図１３】非常に高い出力電力を提供するために、図１２の複数の増幅器を直列に組み立てる例を示す概略図である。
【図１４】１つまたは複数のスラブレーザを使用して、構成要素を製造するための例示的配置を示す概略図である。
【図１５】図１４の例示的配置に対する例示的試料設定を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
上に論じたように、横に面を励起し、ランプを駆動したスラブレーザ、および面から面へのビーム伝播方式での増幅器設計が提示される。ＴＩＲの端部バウンスは、同じ入力ファセットから戻る増幅された放射の方向を変えるが、異なる角度方向では、必要に応じてより大きいシステム内で使用することは示された設計を実質的にさせる。この形状の選択により、発生される、または増幅されるレーザ光のパルスは、利得材料の同じ片をレーザスラブの内側を１往復につき少なくとも４回（標準の２回ではない）通過する。１通過当たり約６０％であるエネルギー抽出効率の条件下で、これは、抽出されるレーザスラブ内に貯蔵されるエネルギーの例えば約９７％をもたらす。この特徴は、例示的装置のより高い効率に寄与する。
【００２５】
また、さらなる例示的実施形態は、金属または金属ハロゲン化物合金を使用する、励起ランプの使用も提示され、これは希ガスに基づいた以前のランプ設計より多くの光子を使用可能なスペクトル内に生成する。また（水銀アークランプのため、およびチタンサファイアレーザのためのヨウ化インジウム・プラス・ヨウ化タリウムランプのスペクトルの紫外線部分における）ランプ出力の非有益部分を有益な励起帯に幾分高い効率で変換する空洞蛍光フィルタも利用されてきた。これらの改善は、ダイオードレーザを励起したタイプのみに通常関連した、効率および電力処理能力で作動するシステムをもたらす。しかし、ここに提示された例示的システムは、レーザダイオードの代わりにランプを使用してこれらの効率を達成し、したがってダイオードレーザ励起を使用して同量の出力電力を実装するために、以前の設計より費用を非常に少なくすることができる。
【００２６】
例示的設計に利用される提示された利得材料に対して、提示されたランプを励起した設計は、同じサイズに対してこれらのレーザのダイオードを励起したタイプを超える、電力出力レベルを有することになる。例えば、アレキサンドライト装置に利用される励起レーザから可視光線出力（６３５〜６７０ｎｍおよび６８０．４ｎｍの赤色光）の効率は、例えば、約２０％の変換効率で作動する。また、５３２ｎｍの緑色光を出力する周波数が２倍のＮｄレーザは、チタンサファイアの緑色吸収帯を励起するために使用され、約２０％の電気から光学への変換効率で作動する。比較すると、金属アークおよび金属ハロゲン化物アークランプの電気から光学への効率は、どちらもほぼ７０〜７３％である。この改善および構造を使用して、パルスまたは持続波レーザビームを、４０％に近づく上限を有するシステム効率で非常に高い電力レベルに増幅することができる。１つのヘッド当たりの出力は、アレキサンドライトに提示されたヘッドの設計に対して６．５〜１５．５ｋＷの範囲（チタンに対する範囲は約３．６ｋＷ）になると予期されるが、その設計はこれらの電力レベルに限定されない。
【００２７】
レーザ装置全体の構成
図１は、本発明の一例示的実施形態の全体的構造の概略を示す。スラブ結晶１および６つの励起ランプ２の端部は、筐体３の外側に延在する。筐体は液体冷却がスロット４を通過することを可能にする。これらのスロット４は、後に論じるように筐体３の外側の水マニホールドに入る。
【００２８】
図２は、空洞フィルタスラブ５が、レーザスラブ結晶１の両面上の筐体の内側に存在する。この図では、６つの励起ランプ２のうちの３つのみが空洞内に示されている。空洞フィルタスラブ５の目的は、励起ランプ２から放射された光の紫外線部分を可視スペクトルに変換することであり、可視スペクトルは、スラブレーザ結晶１の材料によってより容易に吸収される。
【００２９】
図３は、外ケースの内側の主要要素を示す、例示的実施形態の端面図の概略を示す。構造の中心は、隙間８’を備える空洞フィルタスラブ５により頂面および底面上を包囲されるレーザスラブ結晶１である。レーザ結晶１を励起するために使用する６つのランプ２は、空洞フィルタスラブ５の外側に提供される。これらの構成要素を包囲するのは、筐体７内に収納される４つのセラミック反射体６であり、筐体７はステンレス鋼から作成できる。図３の筐体７は、図１の筐体３と同じタイプであることが可能であるが、これは必須要件ではない。構造間の隙間８’および８内に、冷却水などの冷却液が提供され、冷却液はランプ２およびスラブ結晶１を冷却するために流れる。
【００３０】
図４は、レーザを冷却するために使用される、水マニホールド１０を提供する例示的実施形態を示す。２つのマニホールド１０は、外部ケース７を通り、セラミック反射体６’を通って延在するスロット９を覆う。水は、中心レーザスラブ１を冷却するために、２つのスロット９を通り隙間８’を通り反対側に流される。また水は、励起ランプ２を冷却するために、隙間８内で軸方向に（図２および３における励起ランプ２の方向に）分離した回路内を流れる。スラブレーザ結晶１に対する冷却水の温度と励起ランプ２に対する冷却水の温度が異なることが可能なのは、それらの温度は、スラブがランプの効率温度より高い効率温度を作動できる、分離した回路（以下に説明される）上にあるからである。
【００３１】
加えて、図４の例では、開けられた穴１１が存在する、あるいはレーザスラブ１および空洞フィルタスラブ５の長さに沿って数インチ毎に置かれたセラミック反射体６’が提供される。これらの穴により、シリコンゴムまたはテフロン（登録商標）緩衝材を使用してそれぞれのスラブを支持し、レーザ要素が過熱し、したがって膨張すると、熱膨張における差異を吸収することが可能になる。加えて、シリコンは水封を形成して、励起ランプ２を冷却する異なる温度水から分離する、スラブレーザ結晶１と空洞フィルタスラブ５との間に水を保持する。
【００３２】
スラブレーザ結晶
一例示的設計では、スラブレーザ結晶１は、クロムをドープしたアレキサンドライト（Ｃｒ：ＢｅＡｌ２Ｏ４）から構成されるが、別の例では、スラブレーザ結晶は、チタンをドープしたサファイアから構成されることが可能である。スラブ結晶のバルクは、ドープされた材料から作成される。しかしスラブ結晶のバルクは、アレキサンドライト結晶（ＢｅＡｌ２Ｏ４）の非ドープ部分で、またはチタンサファイアに対して清浄なキャップを生成するために拡散接合を介して縁部および端部上に清浄な非ドープのサファイアでその後処理されることも可能である。清浄なキャップ部分の目的は、高い励起電力で生成された温度勾配に起因するレンズ歪みを低減することである。これらの清浄なキャップは、非ドープ部分が残余からの熱負荷がない、または利得材料から抽出されたエネルギーがないので、３つの要因による歪効果を低減する。
【００３３】
レーザスラブ結晶を生成する好ましい結晶成長法は、伝統的な熱交換法（ＨＥＭ）を介するはずである。この結晶成長技術は、例示的利得材料のいずれに対しても混入物のない結晶を生成する。この方法により、例えば、１平方センチメートル当たり２３ギガワットまでの損傷のない電力限界が、アレキサンドライト材料に対して実現可能である（同様の電力処理能力がサファイア材料に対してももたらされる）。一方、チョクラルスキー結晶成長法を使用する増幅器構造では、アレキサンドライト結晶を、例えば、１ナノ秒パルス長に対して１平方センチメートル当たり１〜１．５ギガワットの電力限界の放射で生成することができる。これらの損傷値は、計画的標準作動電力を優に超え、これは、１平方センチメートル当たり１００メガワットであることが可能である。
【００３４】
レーザスラブに対してスラブ結晶を獲得した後、約１ミクロンの厚さの二酸化ケイ素を測定するなどの反射コーティングを両面および恐らく縁部に加えて、増幅したレーザ光のための反射体として作用し、バウンス部位に重なる封止を保護することが可能である。
【００３５】
設計者がそのように望む場合、拡散接着された清浄なキャップを側面から除外することができ、スラブ結晶をアルミナセラミック空洞反射体の内側に側面で包囲することができ、誘導体反射鏡コーティングを結晶の２面および端部に加えて、増幅ビームの所望の反射を促進する、追加設計要素を有する。この変形形態は、単一の封止が結晶の本体の周囲に圧縮されることを可能にする。
【００３６】
励起ランプ
例示的励起ランプ２は、水銀を満たした（例えば、７トルのアルゴンを共に満たした）清浄に研磨したサファイア・エンベロープまたは清浄に溶融した石英エンベロープを利用することができる。特にサファイアを利用する際、高ニッケル合金であるコバールは、コバールがほぼ一致する膨張係数を有するのでこのようなランプに使用することができ、工業的な標準技法を使用してエンベロープに蝋付けすることができる。タングステン電極はコバールに蝋付けされ、この電極は水銀内にアークを定着させる。
【００３７】
このような手法で構築され活性化されたランプは、例えば、水銀に対して約７２％の効率、およびヨウ化タリウムに対して約７０％の効率を有する。これらの例示的ランプは、高周波数のＡＣ電源で最良に駆動される。このような電源は、市販されており、バラストと呼ばれ、動作周波数は４０〜１００ｋＨｚである。ランプは、排熱除去率（例えば、脱イオン水を使用して２４０Ｗ／ｃｍ２の表面積）を選択することによって、また有益なサイズにスケーリングすることによってサイズ化される。例えば、約４．５ｍｍの直径で約１３５Ｖ／ｃｍで流れる孔を備えるランプは、約５．８アンペアで通過する。水銀アークランプについては、一旦プラズマが孔内に定着し水銀が蒸発すると、インピーダンス特性は、印加電圧が３倍であっても、電流は２０％程度しか増加しないことである。したがって、長さ１フィートのランプは、例えば、３５ＫＷ、または１ｃｍ当たり約１０００ワットまで流れることが可能である。しかし、長期間で電力は、１ｃｍ当たり約４００ワットに低減し、長さは短縮される。通常の慣行では、例えば、２ｍｍの孔で長さ約８〜１５ｃｍのアークを備えた、６ｍｍの直径の溶融した清浄の石英を使用する。ＡＣ電源で活性化されるこれらのランプでは、１電極当たり約１０％の熱損失があり、支持不可能な熱損失が電極自体およびエンベロープ上に直接隣接した領域に発生する可能性があるので、このことに配慮しなければならない。
【００３８】
空洞フィルタスラブ
図１〜３に示されたように例示的空洞フィルタスラブ５は、それぞれ約０．１％のサマリウムでドープされたフッ化テルビウム（ＴｂＦ３）からなる長方形のブロック結晶で作成され、これは紫外線スペクトルのほとんどを包含する吸収帯を有する。サマリウムイオンへのエネルギーの移動は、結晶母体を介してほぼ無損失の非放射移動である。次いで結晶は、蛍光をほぼ５９５ｎｍのアレキサンドライト結晶のピーク吸収帯で発し、そうでなければ無駄になるＵＶエネルギーを有益な可視光に変換し、それによってシステムの励起効率が増加する。平均入力周波数と特殊な放射周波数とのエネルギー差から残留する熱負荷が存在する。これはストークスシフトと呼ばれる。この差は、利用可能なエネルギーのすべてまたはほとんどが抽出される場合でも、結晶内に残留する熱の原因となる。
【００３９】
この電力レベルにおける水銀ランプのスペクトル出力は、ＵＶ内の約３分の１である。したがって、ＵＶ放射エネルギーをできるだけ多く再利用するために空洞フィルタスラブを使用することは、効率を増加させるために望ましい。加えて、フッ化テルビウムのフィルタスラブは、アレキサンドライト結晶に衝突するＵＶ放射の量を低減する。この放射は経年で結晶を損傷し、その透明度を低下させる傾向があり、次いでこれはその有効性を、ひいてはレーザ装置の寿命を制限する。
【００４０】
他の結晶設計は、空洞フィルタスラブの使用にも実現可能である。これらは、チタンをドープしたサファイア利得材料を有するテルビウム・ガーネット、テルビウム、セリウム、チタンをドープしたＹＡＬＯ、ガドリニウム、ガリウム、テルビウム、セリウム、サマリウムをドープしたＹＡＧ、サマリウムでドープしたフッ化テルビウム、およびテルビウム・サマリウムをドープしたフッ化イットリウムリチウムを含む（が、これに限定されない）。それぞれはその固有の利点を有する。ほとんどはサマリウムでドープしたフッ化テルビウムより効率が少ないが、酸化物結晶は、より低い変換効率に起因してより多くの熱が残る、オフセットでより高い電力入力レベルを処理することができる。
【００４１】
空洞反射体
図４に示されたように例示的セラミック空洞反射体６、６’は、例えば、高純度のＡｌ２Ｏ３（アルミナ）組成物を含む、非劣化セラミックから構成することができる。構成要素を、圧縮されたシリコンゴム封止（好ましくは白または透明）を介してその縁部に止水を可能にする、シーリング釉薬で仕上げることができる。空洞反射体６は、光（放射）をランプ２から利用される装置の中に反射を返すように設計される。この反射体６は、好ましくは、上述されたセラミック材料などの不活性（熱的、化学的、および放射）物質から作成される。
【００４２】
空洞反射体６、６’の配置は、ランプ２の長さに沿って開放空間８内の水流を促進するために、各端部に２つの長方形スロットを備えた長方形管に似ている。またこれは空洞フィルタ５の一面を冷却する。加えて、励起チャンバの各端部に正方形の反射端部キャップがあり、その中にランプが通過できる穴がある。シリコンゴムのＯリング封止をランプ壁および反射体端部に対して圧縮できるように、分離した封止圧力プレートが存在する。一端には、レーザスラブが通過し、圧力Ｏリングおよび封止プレートを介して封止される、長方形の穴が存在する。
【００４３】
端部付近の外側の頂面および底面には、水が各側面（図示せず）に入出することができる２つのさらなる取付具が提供される。これは、ランプおよび空洞フィルタの一部に対して冷却水を受領するためである。
【００４４】
スラブレーザ結晶の形状
図５は、例示的スラブレーザ結晶１の一般的形状の側面図を示す。形状は、各端部の中点から測定された、スラブ幅１２、スラブ長さ１３、入射ビームおよび出射ビームが通過する面に対する、ブリュースター光学窓として作用する楔角度１４、ならびに結晶の反射端部に対する角度１５によって画定される。これらの４つのパラメータのすべては、例示的実施形態に相互に連結され、スラブレーザ結晶１は、所望の機能のためにこれらのパラメータの特定の組を有するべきである。
【００４５】
図６は、反射角度１５は９０度で提供され、入射角度はブリュースター角度によって設定され（例えば、アレキサンドライトＣ軸に対するブリュースター角度は６０．０６度であるので、入射面の楔角度１４は２９．９４度である）、次いで所望のスラブ長さは、スラブ幅に独自に関連する、好ましい例示的状況を示す。入射レーザビーム１６が中心線上に配置された場合については、長さは、ビーム中心が反射端部でスラブの隅部に衝突するようにすべきである、その結果、出射ビームも中心線上にある。図６に示された場合については、入射ビームおよび出射ビーム１６は常に共線である。励起ランプからの光２０は、スラブの頂面および底面に入る一方で、レーザ光源はブリュースター角度面を介して入り、増幅されたレーザ光はブリュースター角度面を介して出る。
【００４６】
入射ビームがスラブの正面に対して上下に移動されたときは、出射ビームも反対方向に移動される。これは図７Ａに示されており、単一の入射ビーム１６は、中心線と入射窓との中間にある。次いで入射ビーム（または複数のビーム）が、図７Ｂの１７によって示されたように、窓のサイズの半分に過ぎない場合は、出射ビーム１７’は、入射ビーム１７から物理的に分離する。この構成は、ビームの分離の問題を解決するが、ビームの断面積をスラブ面のサイズの半分未満に制限する。
【００４７】
正面楔角度１４は、必ずしも前の図におけるようにブリュースター角度の構成要素に設定される必要はない。楔の角度が変化するにつれて、スラブの内側でビーム１６の内部反射角度は変化し、所与の全長に対する反射の数は変化する。同じ長さおよび幅に対して働く他の入射楔角度の２つの例が、図８Ａおよび８Ｂに示されている。図８Ａの第１の例では楔角度１４は３７．６度であり、図８Ｂの第２の例では、楔角度１４’は４６．２度である。広範囲の角度に対して働くスラブ長さを見出すことは可能である。しかしこのようなすべての場合において、入射ビームおよび出射ビームは、互いに（一致して）頂面で反対方向にある。
【００４８】
しかし、ほぼ９０度の角度範囲も存在し、これも使用できる。このような１つの条件が図９に示されており、正面角度１４’’はスラブ軸に対して９０度である。この角度程度の解決策については、出射ビームと入射ビームは位置合わせされない。これは、入射ビームと出射ビーム１６の分離の良好な特徴を有する。しかし、正面の領域は、他の楔角度１４および１４’に比べて最小であるが、これは増幅した光の電力密度を限定する。
【００４９】
最後に、好ましい例示的実施形態は、スラブの端部に９０度ではない角度の反射面を提供する。これは２つの例示的角度１５および１５’について図１０Ａ、１０Ｂに示されている。図１０Ａの第１の例では、端部角度１５は、８８．２５度であり、これにより、出射ビームは軸上の入射ビームから９．４１度だけ分離される。図１０Ｂの第２の例では、角度１５’は９１．８０度であり、出射ビームは、入力ビームから１３．５０度だけ分離される。他の角度をスラブ長さのスラブ幅に対する割合に依存して使用でき、これらの２つは例として示されているに過ぎない。この構成は、入射ビームと出射ビームを分離し、また完全孔を入射ビームで満たすことが可能になる、望ましい特徴を有する。
【００５０】
上述と同じ材料および一般配置を使用するが、わずかに異なる構造である別の例示的設計が、図１１に部分的に示されている。この変形形態は、はるかに高い電力レベルにスケーリングができるはずである。この例では、利得結晶２１の片面のみに提供された１列のランプ２２が存在し、より多くのランプが存在する。図１〜４に提示された４ｃｍ幅の結晶例に対する片面上の３つのランプの代わりに、例えば、長さ３０ｃｍの結晶に対して２４個までのランプが存在可能である。また結晶軸は、Ｂ軸が３０ｃｍの寸法に沿うように横方向に回転する。また励起ランプ２２とレーザ利得材料２１との間にある単一の空洞フィルタスラブ２５も示されている。
【００５１】
図１２は、例示的レーザ増幅器チェーンの断片３０の１つの例の断面を示し、断片３０は図１１の構造を組み込む。この図は、レーザ増幅器スラブ２１、空洞フィルタスラブ２５、および励起ランプ２２のアレイを示す。また増幅器スラブ２１の片面のみを覆うセラミック空洞反射体２６およびステンレス鋼ケース２７も示されている。空洞反射体２６は光（放射）をランプ２２から利用される装置の中に反射を返すように設計される。この反射体２６は、好ましくは、例えば、高アルミナセラミックなどの不活性（熱的、化学的、および放射）物質から作成される。増幅器スラブ２１と空洞フィルタ２５との間の隙間は、従来通り冷却水の通過を可能にし、また励起ランプ２２の周囲の空間は、冷却水の回路の分離を可能にする。スラブは、水回路の分離を保ち、温度が上昇すると部品の熱膨張を可能にする、封止２９により定位置に保持される。
【００５２】
また増幅されたレーザビームの通路も図１２に示されている。ビームの中心は、ビームの中心が利得結晶２１の面にブリュースター角度で衝突するように、実線１６によって示されている。ビームは、ビームが表面を交差する際に屈折し（角度を変え）、完全に背面に反射し、ブリュースター角度で出る。ビームは破線１６’および１６’’によって示されたように幅広く、利得媒体を２度（入って出る）横切る。
【００５３】
図１３は、増幅段３０がどのように増幅器チェーンに組み合わせて、著しく高い電力の増幅されたビームをもたらすことができるかを示す。レーザビーム１６は、増幅段３０のそれぞれをビーム経路を各側面上で交互に通過する。それぞれの増幅段間に、励起ランプ光子がレーザ利得材料によって吸収されるまで、励起ランプ光子を空洞内に捕捉する反射面３１が存在する。
【００５４】
低い電力レベルでは、レーザ増幅器を、図１〜４に関して論じた例示的レーザを使用して構築することができる。電力レベルが増幅器チェーンに沿って増加すると、増幅器は、図１１〜１３に示された例示的構成に設計を変更することが可能である。結果は、ＨＥＭ法を介して成長した実証された利得材料の電力処理限界まで、以前に可能であったより高い効率で非常に高い電力ビームである。レーザビームは断面が膨張するので、この構造はビームが相互作用するために大きい表面積のスラブを提示する。ヘッドのサイズは、ブールを生成するＨＥＭ炉のサイズによってのみ制限され、ブールからスラブ結晶が切断される。例えば、この構成が高さ１５ｃｍ、厚さ１ｃｍ、長さ３０ｃｍのアクティブスラブで作成される場合、約１５ｃｍｘ１５ｃｍのビーム断面を利用して、この構成は、単純で比較的小さい装置内に大量のピークおよび平均電力のビームを発生するはずである。
【００５５】
しかし、より大きいスラブ増幅器結晶が、拡散接合などの記載された方法を介して組み立てられた場合であっても、最適な励起ランプのサイズは、長さ約１５ｃｍまたは直径６ｍｍ孔２ｍｍのエンベロープに対して６キロワットの電力に制限されやすい。この制限は、電極に堆積された２０％の熱に起因する（ＡＣ波形入力に作動した場合１０％の各端部に対応する）。陽極として作用する電極は熱溶着を得、熱溶着は半周期ごとに生じる。この熱負荷は、直径６ｍｍの石英管内で長期間管理可能である。異なる寸法は異なる熱除去特性を有し、ゆえに異なる寿命を有する。この励起ランプの電力および長さが、より大きいスラブ結晶と共に使用するために選択される場合は、ランプは、短縮された「Ｕ」構造内のアーム間の１５ｃｍのアーム部分を備えたアームに９０度で入る電極部分で構築されるはずである。このタイプのランプは、図１１に示された行がアレイと置換されるように、後方反射器を通ってずらして配列された平行ソケット内に装着されるはずである。配置は、アレキサンドライト（水銀ランプ）またはチタンサファイア（ヨウ化タリウムランプ）レーザスラブのいずれかと共に使用される、ヨウ化タリウムまたは水銀アークランプのいずれかで均一の励起光度などを達成することが可能である。
【００５６】
代替材料
上記の設計の変形形態は、アークランプ内の充填材として水銀と共にヨウ化タリウムを使用することである（これは励起ランプのスペクトルを変える。参照によって組み込まれた特許第７，０６１，１８２号を参照されたい。これは、冷却能力を含み、より高い電力負荷を有するために修正された場合、励起ランプ源として使用されてより長い寿命をより低い効率費用で提供できる）。別の選択肢は、レーザスラブ利得媒体としてチタンをドープしたサファイア（Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３）と共にサファイアランプの内側を充填材としてヨウ化インジウムを使用することである。ヨウ化インジウムランプを使用する場合、空洞フィルタは、ＵＶ光を発生するランプとしての使用にも望ましいはずである。空洞フィルタをこの（Ｈｇ／Ａｒ＋ヨウ化タリウム）構造に対して回避できるのは、ランプがほぼ５３５ｎｍで７１％の出力を有するからである。これは、Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３吸収帯のほぼピークである周波数帯である。
【００５７】
この構成は、発信器として使用されることを恐らく支持しないが、この構成は、実際的な増幅器として使用されるためにそれ自体が役立つはずである。蛍光減衰時間はチタンサファイア利得材料に比べて、摂氏１８０度でアレキサンドライトにおいて約２５倍長いので（例えば、７５マイクロ秒に対して３．２マイクロ秒）、この構成は依然としてアレキサンドライト増幅器より効率が低いはずである。しかし設計者がアレキサンドライトより長い周波数で作動することを必要とした場合、Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３システムはそのように作動することができるはずである。
【００５８】
適用
高出力レーザのいくつかの重要な使用の１つは、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）における。高い繰り返し率のＱスイッチパルス（これらのパルスは、本開示に論じられた例示的レーザに適用される、いくつかの市販の外部スイッチ装置の１つを使用して生成される）が、スパッタターゲットに向けられる場合は、あらゆる原子種または化合物の離散層を基板に移動して、構築されたミクロの階層化装置を作成することができる。高出力ＰＬＤさえも超える改善は、ＰＬＤに対して使用するターゲット気化においてこのレーザの両方のタイプを使用することである。この例では、最高平均電力レーザ（例えば、アレキサンドライトは高放射輝度のＱスイッチパルスを約１３，３３３Ｈｚで生成する）を使用して、ターゲット材料を高速で取り除くことができる。より高い繰り返し率（例えば、３１２．５ｋＨｚ）で超高速レーザとして作動するチタンレーザからの第２のビームは、イオン原子堆積材料の輸送中のプルームに向けられる。この二重のレーザの使用は、あらゆる放出された粒子状物質が第２のレーザにより原子イオン物質に完全に変換されるはずであるので、生成された薄膜の質を大きく向上させるはずである。
【００５９】
これは、製造技術のスペクトルを示し、一端では、堆積が行われる追加製造と呼ばれ、他方では除去または減法製造が全行程を構成する組合せと共に行われる。大規模の例は、恐らく冷却のため、次いで特定量を取り除いてネット形状部品を達成するために構築された内部構造の有無にかかわらず特定の形状に築かれるコバールなどの、ニッケル鉄合金の取付けスタブなどの膨張が一致する材料上で、地上で最高の融点の材料である炭化タルタンハフニウムなどの、製造不可能でなければ、珍しく以前は困難であった化合物を噴霧するＰＬＤプラズマであるはずである。このような装置は、車両の翼上または排気のプラズマプルーム内のいずれかの極超音速機の制御面に適するはずである。この同じ技術および材料の拡張は、熱遮蔽の車両スキン材料に再利用可能であり、これは現在の材料の組合せより軽く強いはずである。この同じ技術の微細なレベルでは、半導体材料の層のＰＬＤ堆積に、続いて特定領域の除去を伴い、続いて他の半導体材料の堆積を伴って装置を作成するはずである。例示用例は、それと共に安価なダイオードレーザを一例として作成する、ダイオードレーザブールを製造することである。これはマイクロ電子回路またはマイクロ電子機械素子すなわちＭＥＭの代表であるのは、この高出力パルスレーザ技術は、周波数または高調波変換装置と併せて使用される際、スペクトルの短い周波数部においてこれまでにない電力レベルの生成ができ、それによって直接的なマイクロ電子デバイスの製造が可能になるからである。この技術は、ダイヤモンド状炭素（ＤＣＬ）（別の例としてマイクロ電子デバイス）を製造するのに特に有益であるはずである。さらなる例は、半導体熱制御のためのヒートスプレッダ材料としてのヒ化ホウ素材料の堆積である。適用のこの領域では、このレーザを、非常に高速の分子ビームエピタキシーを製造する機械に対して改良されたイオン放出体として使用することもできる。これは、市販の機械において高電圧イオン源銃に加えられる、または高電圧イオン源銃の代替になるはずである。この例示的用途では、Ｑスイッチ源およびモード同期源は、オプションで超微粒子化のためにイオン源に、次いでイオンビームに作用する、ナノ秒長パルス、およびピコ秒またはより小さいパルス長でさえも利用して、ターゲット装置のブール能力のみによって制限されて、堆積したイオンを時速１〜１０ミクロンなどの固有の堆積厚さ制限であるより、むしろ時速ミリメートルまたはセンチメートルの厚さの使用可能な構造に融合する、ビーム電流を達成するはずである。
【００６０】
一例は、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）の被覆をレーザまたはデュアルレーザを使用してあらゆる金属機械基板上に堆積すること（または実際のダイヤモンド被覆を堆積すること）であろう。ＤＬＣ層は、市販用途に重要である少なくとも４つの特徴を有する。第１に、ＤＬＣは極めて硬い所望の特徴を有し、ＤＬＣで被覆される表面は実際にいかなる摩耗も示すことはない。第２に、ＤＬＣ層は、非常に高い熱伝導率（銅より数倍高い）を有し、これは熱スプレッダとしての使用に理想となり、それに付着したあらゆる表面から熱を取り除く。第３に、ＤＬＣ層は、電気的に絶縁し、非常に高い絶縁破壊電圧（１ミクロンの厚さあたり約１０，０００ボルト）を有する。第４に、ＤＬＣは、熱膨張の非常に低い係数を有し、ＤＬＣは小型のモノリシックに積層された回路構造から作動の熱を奪うので、極めて高い電力で作動する集積回路およびマイクロ電子デバイスを組み立てるための基板として使用可能である。したがって、ＤＬＣ層を使用して効果的な電気絶縁を、エネルギー貯蔵のための電力用コンデンサを含む、多くの高電圧あるいは高い電界密度用途への使用に対して、比較的薄い層または厚いウェハ／スラブおよび積層されたモノリシック構造のブロックを提供できる。
【００６１】
様々な製品の製造に使用される銅またはアルミニウム線に加えられるＤＬＣ絶縁により、ＤＬＣ絶縁装置が高分子絶縁材料で可能であるより高い温度で作動できるはずである。従来の高分子で絶縁した有線装置に対する作動温度の限度は約２００℃である。比較すると、ＤＬＣ被覆は、その黒鉛化温度まで機能するはずであり、これはほぼ４００℃で始まる。ＤＬＣの熱伝導率、非常に低い熱膨張係数、および電圧絶縁の組合せにより、装置を高分子で絶縁した同等物より数倍小さい物理的サイズに装置を構築できるようになり、しかも依然として同じ電力レベルで作動するはずである。
【００６２】
パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）（スパッタターゲットは黒鉛またはピュアカーボンである）によって生成されたＤＬＣ被覆は、小さい試料上に実証されているが、より大規模の商業用途への障害は、低コストで利用できないこと、および本明細書に開示されたスラブレーザのようにより高い電力のレーザを利用できないことである。一実装形態は、本明細書に開示された設計などのアレキサンドライトおよびまたはチタンレーザを使用して、ドナースパッタターゲットに向けられるＱスイッチおよびまたは超高速パルスを生成することであり、チタンサファイアのタイプは約３１２，５００ＫＨｚまたはより大きいパルス速度を生成して同時に使用され、基板に飛行中にプルームに向けられる（したがって、超粉砕化し、細分化し、イオン化する）。この方法は、あらゆるスパッタ材料に使用することができ、源材料として黒鉛に限定されない。
【００６３】
別の有益な商業用途は、低コストの太陽電池またはＰＬＤによる集積回路の生産における。実際にあらゆる材料をあらゆる基板上にあらゆる順番および厚さで堆積することができ、コンピュータで制御して堆積し、かつ堆積された材料の大量または少量の原子を取り除く。商業用途への障害は、低コストで高出力のレーザ源を利用可能になった。本明細書に開示されたあらゆるレーザを使用して、シリコン、ゲルマニウム、ゲルマニウム上のヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化ガリウムインジウム、燐化ガリウムまたはあらゆる他のガリウム合金などの、高効率の多層ＰＶ（太陽光発電）薄膜の経済的な高速生成ができる。スパッタリングによって生成された現在存在するあらゆる既存の半導体合金が特許請求の範囲に含まれる。あらゆる基板材料上の化学気相蒸着またはイオン堆積を、記載されたレーザシステムまたはデュアルレーザシステムで生成できる。この技術は、単層または多層構造における炭素原子の１原子の厚さのシートが特定の形状部品に成長した、グラフェンの高速で大領域の製造を含む。
【００６４】
ＰＬＤは最低堆積温度を有するので、今やＰＶ薄膜を適切な熱可塑性繊維または箔面上に成長させることが可能である。これにより、従来のＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法に比べて、低い製造コストで可撓性のＰＶアレイに対する道を提供するはずである。
【００６５】
高出力レーザは、溶接および／または切断の領域に多数の用途を有する。Ｑスイッチタイプのスラブレーザは、鋼板を数インチ〜数十インチの厚さを快速で切断できるはずである。２０ｋＷのＣＯ２のレーザは現在造船所内で使用されているが、１００ｋＷのレーザは稀であり非常に高額である。これは本明細書に開示されたようにスラブレーザシステムの場合に可能性が低いはずであり、これはより経済的に作成できる。本開示に提供された例などの直列のレーザ増幅器から作成されるシステムは、ある程度のこの電力を他のメガワット級のレーザシステムに比べてはるかに低い作動費用で送達できる。
【００６６】
また高出力レーザシステムとして接近して使用される記載されたパルスおよびまたは連続波（８，２２０，０９６５などによって例証されている）などの単一または組み合わせたレーザ源は、トンネルおよび／または地下掘削に使用できる。組み合わせた構造として連続および／またはＱスイッチパルス列ビームを使用することにより、ターゲット掘削の岩面を厚い垂直スラブに薄切りすることができるはずである。薄切り下の長方形部分を連結式コンベヤベルトの材料除去システムの使用のために掘削し、次いで切断ビームを互いの垂直薄切り上のこの空間の数フィート上に水平に方向付けるとすると、水平に薄切りがなされた後、岩のスラブの重量によりある時点で岩が割れて連結式コンベヤベルトシステムの上に急落するはずである。気化により１メガワットビームで２２フィートの岩に約１秒で１インチの直径の穴を開け、岩から１０メートルｘ１０メートルｘ１メートルの「パネル」を１時間程度で除去することが、コンベヤベルトずり出しシステムでできる。小型の５メガワットシステムは、重いトラックのずり出し構造に実行可能である。これはトンネル掘進速度に２５〜５０倍の改善を示すはずである。
【００６７】
レーザのパルス長は、レーザの適用に重要である可能性がある。レーザのパルス長が長いほど、気化される材料がプルーム内に望ましくない粒子をより多く含む傾向がある。これは、十億分のわずか、またはわずかナノ秒の長さのパルスにさえ起こることがある。しかし、１兆分の１秒長のパルスに迫るにつれて、原子緩和時間は接近し、これは熱エネルギーを隣接の原子に伝達する材料の能力を制限する傾向があり、したがってクランプは、充分に冷却されないので付着できず、これは原子化を増進し、粒子汚染を低減する。これが、爆発物をＱスイッチシステムではなく超高速システムで機械加工でき、超短パルスまたは超高速パルスで気化の熱をプルームと共に除去する１つの理由である。
【００６８】
それ故、１ピコ秒より短く、超高速と呼ばれるパルスに関心がもたれている。チタンサファイアシステムからの通常のパルス長は１００フェムト秒であり、このようなシステムは、１００アト秒長ほど短いパルスを生成した。
【００６９】
物質がより短いレーザパルスで気化される際、設計者が取り組む粒子はほとんどなく、これにより、より良好な薄い薄膜およびより単純なプロセスを生み出す。この特徴が、これらのＭＯＰＡの設計が集積回路およびマイクロ電子機械システム製造に有益な理由である。特に興味深いのは、これらのレーザ設計を使用するＤＬＣ基板およびダイヤモンド半導体集積回路である。
【００７０】
これらの短パルスを作成する問題は、利得材料を横切るこのような短パルスに対して、１）短パルスは、荷電された原子と相互作用する充分な時間を費やさないので、多くの貯蔵されたエネルギーを使用しないために荷電された原子を誘導できない、２）このような超高速パルスを生成するシステムは、通常１つの大きい（直径２０ｍｍ、長さ６ｍｍ）結晶を必要とし、結晶は、結晶から所望のエネルギーを実際に得るために結晶を約８〜２０回通って短パルスに再度向けられる、３）所望のエネルギーが獲得されたとき、輝度は極めて高く、これにより光学の表面を破壊する可能性があることである。１兆分の１秒長である１ジュールパルスの放射を考慮すると、これは１兆ワットの放射を生成するはずである。損傷閾値に対する、べき乗スケーリング則は、電力の２分の１またはパルス長の差の平方根であり、その上で１ｎｓ長パルスに対して５ＧＷ／ｃｍの放射レベルは、例えば、１ピコ秒長パルスに対して１５６ＭＷに耐えるはずである。このパルス長は、例えば約１０００倍短く、したがって１０００の平方根は３１．６２であり、例示的放射およびエネルギーレベルは、例えば１ジュールで１兆ワットであるはずであり、したがって、新しい損傷閾値は、例えば１／３１．６２＝０．０３１６２ジュールであるはずである。
【００７１】
そのため従来の超高速システムでは、実際のパルス長は約１／２ナノ秒長であり、スペクトル化合物をチャープする、またはスペクトル的に重なるように、回折格子対内に圧縮される。これにより超高速増幅器に関する別の問題が出てくる、すなわち、光の速度は通常ほとんどの光学材料において異なる色に対して異なり、これは５００ピコ秒の青色部がパルス自体の５００ピコ秒の赤色部より遅い場合に「分散」をもたらす。これは、ほとんどのシステムの平均電力出力が超高速システムに対して制限され、通常１００ワット未満を提供される、最も重要な理由の１つである。例示的最先端のシステムには３００，０００ドル掛かり、液体窒素で冷却され、Ｑスイッチの周波数が２倍の励起レーザを必要とし、これは駆動するために１００ワットを得るには５倍の電力であり、したがって、例えば、約５００，０００ドルのシステムを生成する。対照的に、開示されたチタンサファイア増幅器から３，６００ワットを得る費用は、これを執筆時点では、例えば約１００，０００ドル程度である。メーカーが記載された１００ワット超高速システムを作成した理由は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）ができなかった科学の関心の薄膜を作成した科学を生み出したことである。
【００７２】
しかし、逆平行構造に配列された直列の高屈折率ガラスプリズムを通って分散されたパルスを方向付けることに基づいた、固体パルス圧縮技術を利用して、この問題を正すことができた。各プリズムの先端を通ってパルスを送ることにより、物理的距離は、ガラスを通るより遅い波形（より高い周波数）に対してより長く、より速い波形（より遅い周波数）に対してより短く、空気中とガラス内の経路長の差により低周波数をこの戦略によって圧縮することができるので、低周波数が増幅器に入ると、パルス内に位置していた場所に戻る。この構造は、光がプリズム積層を通って跳ね返るように、鏡をビーム経路の端部に有する積層を提供する。これらの積層されたプリズムを増幅器のほぼヘッドのサイズまたはそれ以上のサイズに提供することができ、これは、分散補償の１つまたは複数のヘッドを実際の電力の１つまたは複数のヘッドの隣に提供することが有益である。
【００７３】
例示的応用システム
これらの構成要素がどのように働き、どのように使用されるかを示すために、図１４は、第１のシードレーザ４０内の源から増幅器４２および鏡４８、４７を通ってプロセスチャンバ４５内のその端点に進むパルスを示し、次いでこれを第２のシードレーザ４１に対して繰り返す。第１のシードレーザ４０は、超高速増幅器チェーン４２に対するシードとして作用する。パルス長周波数および反復率は、所望の応用に従ってこの構成要素内で画定される。例えば、パルス長周波数および反復率は、１／２ナノ秒パルスを生成することができ、このパルスは例えば、１００ｎｍ幅の帯域幅７５０ｎｍ〜８５０ｎｍを有し、例えば秒速３１２，５００のパルスが放射される。別法として、チタンサファイアの蛍光出力帯域幅は、光６５０ｎｍ〜１１００ｎｍを記載されたのと同じ速度で生成し、望ましい場合それらの周波数でレーザの作動が可能になる。
【００７４】
増幅器チェーンは、例示的モジュールのために図１に示されたような増幅器モジュールの直列アレイからなることが可能であり、この場合パルスは、図２ならびに１０Ａおよび１０Ｂに示されたように、チタンサファイアの利得結晶の中に導かれる。レーザビームは結晶を端から端まで横切り再度戻るので、レーザビームは面から面に伝播し、レーザビームは異なる角度で分離目的のために入出するが、赤色構成要素に対する光の速度は青色構成要素より速いので、レーザビームは増幅され分散される。これにより、それぞれが依然として１／２ｎｓ長である部分が、互いに遅れ、パルスが効果的に長くなる。第１のスラブが出ると、パルスを分散補償器または圧縮器の中に向けることができ、（以下に説明する）これは、現在増幅されたパルスが１／２ｎｓ長に戻るように、利得結晶の置換効果を覆す。これは、所望の電力レベルに達するまで各増幅段に対して繰り返され、所望の電力レベルに達した点で、パルスは補償器の同じ種類および設計で圧縮されるが、構造およびサイズは恐らくより大きく、より高いエネルギーレベルを収容する。
【００７５】
圧縮装置を、チャーピングと呼ばれるプロセスによって５，０００倍短くなるパルスを生成するために構築することが可能である。これは、青色部および赤色部が部分的に極めて重複するように、青色部および赤色部が適時に変換され、異なる色の尾端部および先端部が破壊的に干渉するように、異なる色の尾端部および先端部が分離される場合、この効果は、１ピコ秒長レベルであるが、パルスのエネルギー含量を低減しない、パルスの中心に重複しない部分を残す。
【００７６】
図１４を再度参照すると、最終圧縮段は、ビーム５１を出力するために含まれた増幅器チェーンの端部を収納する第１の増幅器４２内に配置されるはずである。放出されたビーム５１は、第１のビームスプリッタ４８に進み、そこで超高速パルスエネルギーの一部５１’は、プロセスまたは試料チャンバ４５に下がって反射されて、基板を熱化して図１５のプルーム５８内の粒子の中に入る。スプリッタ４５を通って放射するビーム５１の他方部分は、３倍器モジュール４４に入り、ここではパルスエネルギーの一部が、例えば１／３波長または２６６ｎｍの光子に変換される。これらの光子およびパルスのこの部分は反射鏡４７上に向けられ、この場合１ピコ秒２６６ｎｍ光パルス５２が、図１５の試料５９に示されたように、試料４５内で被覆される試料上に向けられる。これが、ＵＶ光子が電子を試料５９の表面から置換し、表面を光イオン化する場所であり、ひいては被覆の質および速度を高める。図１４に示された第２のアレキサンドライト増幅器チェーンでは、第２のシードレーザ４１は、例えば、１００ｎｍまでの帯域幅を有する５０ｎｓ長パルスのビーム５３を秒速１３，３３３パルスで生成する（パルス幅、反復率および帯域幅は、被覆エンジニアによって選択されてプロセスを最適化する）。このビーム５３は、増幅器チェーン４３の中に向けられ、ここではパルスはエネルギー含量を増加され、ビーム経路５４を介して増幅器チェーン４３から出て別の鏡４７に進み、ここではパルスは試料チャンバ４５内の源材料上に向けられる。源試料５７は図１５に示されており、これは気化され、原子化されたプルーム５８になる。
【００７７】
ビーム５４内のこのレーザパルス列は、この効果が６００ピコ秒より長いパルス上で良好に働かないので、必ずしも圧縮される必要はない。アレキサンドライト利得材料内の分散は、パルス長に著しく影響を与えることはなく、このビームは源における材料の気化に有効であるために、所望の電力レベルに達する必要があるに過ぎない。異なる材料は、この効果を最適化するために異なる長さのパルスを必要とし、この効果は堆積されるそれぞれの増幅器チェーンおよび材料に対してシードレーザ内で設定される。
【００７８】
それ故、図１４は、本明細書に記載されたアレキサンドライトＭＯＰＡおよびチタンサファイアＭＯＰＡシステムの両方を組み込む、現実世界のＰＬＤレーザ源発生器の配置のための例示的構成要素構造を示す。それぞれは、対応するシードレーザまたは主発信器４０、４１を有し、シードレーザまたは主発信器４０、４１は、チタンサファイアおよびアレキサンドライト主発信器のそれぞれであることが可能である。主発信器は、各増幅器チェーンに対してコヒーレンス長、パルス周波数、パルス長および反復率を画定する。したがってシード４０は超高速シードレーザであり、これは、例えば、約３．２μｓ（またはそれ未満）毎、または秒速３１２，５００回（またはそれを超える）反復した、約１００ｎｍの帯域幅（７５０ｎｍ〜８５０ｎｍ）（もしくはより狭い帯域幅）の約１／２ナノ秒（またはそれ未満）を生成するはずである。これらの短いパルスを達成するために、シード４０は（非常に短期間のまさにコヒーレントシードパルスを生成する方法で）モード同期される可能性が高いはずである。
【００７９】
同様に、シード４１は、アレキサンドライト増幅器チェーン４３に対する源であり、シード４１は、例えば、１００ｎｍ以下の帯域幅の５０ｎｓ＋／−２０パルス、例えば、７５μｓ毎または秒速１３，３３３回で、Ｑスイッチを生成するはずである。この帯域幅は、パルス長が、青色構成要素および赤色構成要素のスペクトル構成要素を重複することにより６０００倍まで圧縮されて、個々のパルスの時間枠に破壊的に干渉する際に、超高速レーザに対して所望の特徴である。この効果は、シードパルスのコヒーレンス長により可能である（光子の振幅波のピークおよび谷は行進する兵士のように整列する）。
【００８０】
ＰＬＤ製造において原子レベル特性を活用に相関関係がある必要性が多く、すなわちこれらの特徴の１つは、プルーム内の気化された原子の可能性を高めて、被覆される基板上に構築された順で互いに引き付け接着することが望ましいことである。これが、設計者は、増幅されたレーザの周波数を変換した部分から短い波長光子を生成することにより、それらの原子をそのように促す能力を含むことを望むことが非常に多い理由である。これは３倍器４４内で達成される。この装置は、選択されたビームの一部を２６６ｎｍの光子に変換するホルダー内で、調和周波数変換結晶のクラスタである。該ビーム５１の使用されない部分は、ビームスプリッタ４８から主に反射され、イオン源から被覆される基板に移送される原子および粒子を熱化するように、プルーム上に向けられる。
【００８１】
この目的のために超高速レーザのより高い部分が使用される理由は、チタンレーザの２５倍以上の反復率の利用であり、ＵＶビーム５２により照射を介して辛うじて光イオン化できる事象を生成して、組織および表面での付着を被覆される基板の所望される領域（極端な技巧の場合に特に大きい領域または跡線）の構築された薄膜（窒化ガリウム構造に必要とされるような）に高めることである。図１５に示された被覆チャンバでは、ビーム５２は、例えば、試料５９を照射する２６６ｎｍの紫外線ビーム部分を光イオン化する。ビーム５１を介してプルーム５８を熱化または原子化する部分が大きいほど、また平均電力が高いほど、アレキサンドライトビーム５４がイオン源５７を照射する反復率が低い。プルーム、源および基板上の入射照射の角度を介した最適化の詳細は、薄膜の立案者の分散内にある。これらのパラメータのすべては、シードレーザおよび真空チャンバまたは部分選択圧力の大気の一部の特性を変更することによって変えることができる。
【００８２】
それ故、図１４および１５に示されたような手法を、半導体製造（ワークピースとして半導体基板上の層をドープするおよび／もしくは堆積する）または様々なワークピースアイテムをダイヤモンドもしくはＤＬＣなどの所望の材料で被覆するために利用することができる。
【００８３】
上に記載されたレーザ増幅器の高効率および電力発生能力を、例えばＭＯＰＡ（主発信電力増幅器を表す）と呼ばれる構造内に活用する現実世界の構造を、ここでより詳細に説明する。
【００８４】
アレキサンドライトとしても公知のクロムをドープしたクリソベリルおよびチタンをドープしたサファイアの利得結晶のそれぞれのタイプは、レーザおよび関連した増幅器ビーム列のそれぞれのタイプに対して、分離した主発信器で作動し、分離した主発信器を提供される。それぞれのタイプの利得材料は、相補型パルス長およびエネルギーレベルの発生を好む特性を有する。アレキサンドライトのＭＯＰＡは、その繰り返しパルス列においてＱスイッチと呼ばれることが多い、例えば１〜２００ナノ秒長のパルスを生成するのに最も良く利用される一方、チタンサファイアのＭＰＯＡは、超高速と呼ばれることが多い、サブピコ秒パルス長の圧縮に適切である、サブナノ秒パルス長を選択的に発生する。逆平行格子圧縮またはアクティブミラー・プリズム圧縮システムを利用するはずである。交互に、誘導ブリルアン散乱鏡は、波面歪を同時に修正するように、圧縮プリズムと共に使用されることが可能である。
【００８５】
この設計の能力を活用するために、ＰＬＤシステムの設計者は、本明細書に記載された２つの異なるタイプのレーザを同じ被覆システムで利用することができる。それぞれのタイプのレーザは調節可能であるので、標準鏡被覆帯域幅内で、通常中心線周波数±１０％であり、両者は別個であるが区別可能な出力周波数を容易に作動でき、両者は偏光出力を生成する。高反射率偏光ビームスプリッタまたは鏡を使用して、両方のビームを最も可能性が高い源で組み合わせる、または分離する。
【００８６】
チタンサファイア結晶は、例えば、約３．２μｓである蛍光寿命を有するのに対して、通常の増幅器設計システムの作動温度でアレキサンドライトは、例えば、約７５μｓであるが、アレキサンドライトは、例えば、氷点下温度で１．５ミリから、例えば、摂氏１５０度で７５μｓの範囲の蛍光寿命を有する。これは、放出断面がアレキサンドライトに対して異なる温度で変化する際に、出力電力および抽出効率に関する。利得媒体が飽和まで荷電される場合、設計者はパルスを抽出し、利得結晶をこの時間枠内またはより速く再荷電できる。チタンサファイアレーザは、通常、例えば５〜２００ｎｓで励起されるが、平均は、５０ｎｓ＋／−２０ｎｓの緑色レーザパルスであり、チタンサファイア結晶の利得部分は飽和されることが多いので、チタンサファイア結晶の利得部分は超放射になる。
【００８７】
これは、利得結晶がＱスイッチおよび関連した電子機器を追加するようないかなる特別な手法もなしに、はるかに短いパルス（約２〜５ｎｓ）を生成することを意味する。交互に、ミリ秒長である、溶接などのはるかに長いパルスを望む場合は、励起エネルギーは、多くの蛍光時間枠を超えて利得材料を荷電するのに充分な速度で加えられるべきであるので、実際に励起エネルギーはパルス中に疑似ＣＷで動作する。
【００８８】
開示された設計は、増幅器が発信器として動作することができるレベルに、荷電または励起される必要はないが、アレキサンドライト装置は、必要に応じて発信器として作動可能であるという事実を利用する。レーザは、（開示された設計において）励起が可能ないかなるレベルでも単に荷電されるが、ランプ放射は開示されたように有効に使用されるので、増幅器は、蛍光時間枠の間に貯蔵されたエネルギーを抽出するために増幅器を通って送られたパルスを有することができる。
【００８９】
実際にアレキサンドライトを通ってより高い反復率のパルス列を動作させることができるが、このような場合には誘導放射断面に注意を払わなければならず、誘導放射断面は、アレキサンドライトがパルス列内により長いナノ秒パルスの生成に好ましいのとは反対に、チタンが高利得で非常に短いパルスを生成することにより好ましい。しかし、この厳格な仕様は設計者の裁量による。この特徴により、６５０ｎｍのダイオードレーザが小さいアレキサンドライトスラブを、例えば図１４の配列に示した項４２および４３などの、Ｑスイッチ、またはモード同期およびＱスイッチシード発信器のいずれかとして、励起することが可能になる。アレキサンドライトまたはチタンサファイアのいずれかの増幅器チェーンに対するシード主発信器は、図１４における項４０および４１によって示されている。
【００９０】
現実世界のＰＬＤシステム設計は、超高速および／またはＱスイッチパルス列をプルーム上に向け（図１５項５１）、恐らく変換された該１つまたは複数のビームの一部を有し、高調波発生器（図１４項４４）では、短波ＵＶスペクトルに達するので、設計者は光学電力レベルおよび関心の周波数に向ける選択肢を有し、原子クランプまたは粒子が原子化され、またイオン化される、または取り除かれるように所期のプルームまたは基板（図１５項５１および５４）を照射し、また被覆される基板の表面も光イオン化される（またノックオフされた電子を有する）ので、この状態は付着率および構築された原子集合を増加させる。
【００９１】
下の表は、開示されたレーザの様々な適用に対する例示的作動構成を示す。
【表１】
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【００９２】
温度依存性放射断面は抽出効率に関係し、設計におけるアクティブゲイン値には、レーザ経路内の構成要素が損傷するまたは阻害される場合に損傷する可能性がある、非常に高いエネルギーを含有するパルス列が都合がよいので、損傷閾値レベルは、注意深く設計され、レベルをこの限度より下に安全に保たれる必要がある。
【００９３】
多くの他の例示的実施形態を、上述の特徴の様々な組合せを通して提供することができる。上に説明された実施形態は特定の例および代替形態を使用するが、様々な追加の代替形態を使用してもよく、等価物が、本出願の所期の範囲から必ずしも逸脱することなく、本明細書に記載された要素および／またはステップに替えられてもよいことが、当業者には理解されよう。修正形態は、本出願の所期の範囲から逸脱することなく、実施形態を特定の状況または特定の要件に適合させる必要があることがある。本出願は、本明細書に記載された特定の例示的実装形態および例示的実施形態に限定されないが、特許請求の範囲は、それによって網羅されるすべての新規および非自明の実施形態を、文字通りにまたは等価物に、開示の有無に関わらず網羅するためにそれらの最も広義の妥当な解釈を与えられることが意図される。
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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