(57)【要約】【課題】増幅器の蓄積エネルギーを動的平衡状態に維持する装置を提供する。【解決手段】この発明の装置は、コントローラを含み、コントローラが、特定の周波数で増幅器にエネルギー制御パルスを要求することにより、増幅器の蓄積エネルギーを動的平衡状態に維持するように構成され、蓄積されたエネルギーが第１のレベルまで増加した後に、エネルギー制御パルスの第１のエネルギー制御パルスが要求され、第１のエネルギー制御パルスは、蓄積されたエネルギーを第１のレベルよりも少ない第２のレベルまで枯渇させ、蓄積されたエネルギーが再び第１のレベルに増加した後に、エネルギー制御パルスの第２のエネルギー制御パルスが要求され、第２のエネルギー制御パルスは、蓄積されたエネルギーを再び第２のレベルまで枯渇させる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
過渡光増幅器の連続的なポンピングを行うことによって前記増幅器の蓄積エネルギーを増大させることを含む方法であって、
前記増幅器の蓄積エネルギーは、順に増大する３つのエネルギーレベル、すなわち、
動的平衡状態の下限と、
前記動的平衡状態の上限と、
高エネルギーの入力パルスをより高エネルギーの出力パルスに増幅する蓄積エネルギーを定義する目標レベルとに関連付けられ、
前記方法は、ソースから前記増幅器へ高い繰り返し周波数で低エネルギーの制御パルスを送ることによって、前記増幅器の蓄積エネルギーを前記動的平衡状態に維持することをさらに含み、
前記方法は、トリガを受信することに基づいて、
前記増幅器へ低エネルギーの制御パルスを送ることを停止し、
前記ポンピングによって前記増幅器の蓄積エネルギーが前記目標レベルまで増大することを待機し、
前記高エネルギーの入力パルスを前記増幅器に送り、
前記高エネルギーの入力パルスをより高エネルギーの出力パルスに増幅し、これにより、前記増幅器の蓄積エネルギーを前記目標レベル未満の枯渇レベルまで低減させ、
前記より高エネルギーの出力パルスを出力することをさらに含む方法。
【請求項２】
前記ソースは、
５メガヘルツ（ＭＨｚ）より高いパルス繰り返し周波数を有する短パルスレーザ源と、
前記短パルスレーザ源に光学的に接続されて、前記短パルスレーザ源からのレーザパルスの送信及びエネルギーを制御するパルスピッカーとを備える請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記レーザパルスの送信及びエネルギーを制御することは、前記短パルスレーザ源からのレーザパルスを、前記パルスピッカーによって、通過させること、部分的に通過させること、又は遮断することを含む請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記低エネルギーの制御パルスを送ることを停止することは、前記短パルスレーザ源からのレーザパルスを前記パルスピッカーによって遮断することを含む請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記短パルスレーザ源又は前記パルスピッカーの少なくとも一方はマイクロ秒未満の応答時間を提供する請求項２記載の方法。
【請求項６】
前記低エネルギーの制御パルス、前記高エネルギーの入力パルス、及び前記より高エネルギーの出力パルスは、１マイクロ秒未満のパルス幅を有する請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記枯渇レベルは前記動的平衡状態の下限未満である請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記動的平衡状態の中心エネルギーレベルから前記目標レベル及び前記枯渇レベルの中心エネルギーレベルへの差は、前記動的平衡状態の中心エネルギーレベルから前記目標レベル又は前記枯渇レベルへの差よりも小さい請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記トリガを受信することと、前記より高エネルギーの出力パルスを出力することとの間の時間遅延は、約５ナノ秒〜約１００ナノ秒である請求項１記載の方法。
【請求項１０】
過渡光増幅器、ポンプ、ソース、及びコントローラを備えた装置であって、
前記過渡光増幅器は蓄積エネルギーを有し、前記蓄積エネルギーは、順に増大する３つのエネルギーレベル、すなわち、
動的平衡状態の下限と、
前記動的平衡状態の上限と、
高エネルギーの入力パルスをより高エネルギーの出力パルスに増幅する蓄積エネルギーを定義する目標レベルとに関連付けられ、
前記ポンプは、前記増幅器の蓄積エネルギーを増大させ、
前記ソースは、低エネルギーの制御パルス又は前記高エネルギーの入力パルスを前記増幅器に送り、
前記コントローラは、
高い繰り返し周波数で低エネルギーの制御パルスを前記増幅器へ送ることを前記ソースに要求することによって、前記増幅器の蓄積エネルギーを前記動的平衡状態に維持し、
トリガを受信することを待機し、
前記トリガを受信することに基づいて、
低エネルギーの制御パルスを前記増幅器へ送ることを停止し、
前記増幅器の蓄積エネルギーが前記目標レベルに到達するとき、前記高エネルギーの入力パルスを前記増幅器へ送ることを前記ソースに要求する装置。
【請求項１１】
前記ソースはレーザダイオードを備える請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
前記コントローラは、前記低エネルギーの制御パルスを送ることを停止するとき、前記レーザダイオードによるパルスの送信を防止するように前記レーザダイオードを制御するように構成される請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記ソースは、
前記低エネルギーの制御パルスを連続波低平均パワー制御ビームとして供給する連続波レーザと、
前記高エネルギーの入力パルスを供給する第２のレーザとを備える請求項１０記載の装置。
【請求項１４】
前記増幅器の蓄積エネルギーは、前記高エネルギーの入力パルスの増幅によって枯渇レベルまで低減され、
前記高い繰り返し周波数は、前記増幅器の蓄積エネルギーを前記低エネルギーの制御パルスなしで前記目標レベル及び前記枯渇レベルの間の平衡状態に維持する繰り返し周波数よりも高い請求項１０記載の装置。
【請求項１５】
前記上限及び前記下限の間の差は、前記目標レベル及び前記枯渇レベルの間の差の６０％以下である請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
前記上限及び前記下限の間の差は、前記目標レベル及び前記枯渇レベルの間の差の２０％以下である請求項１４記載の装置。
【請求項１７】
前記装置は、前記より高エネルギーの出力パルスを出力することをさらに含み、
前記上限及び前記下限の間の差を低減することは、
前記高エネルギーの出力パルスの出力時及び前記トリガの受信時の間のタイミングジッタと、
所望のエネルギーレベル及び前記より高エネルギーの出力パルスのエネルギーレベルの間のエネルギージッタとのうちの少なくとも一方を低減する請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
前記増幅器は、
１つ又は複数の単一パス増幅器と、
１つ又は複数のマルチパス増幅器と、
１つ又は複数の単一パス増幅器及１つ又は複数のマルチパス増幅器の組み合わせとのうちの少なくとも１つを備える請求項１０記載の装置。
【請求項１９】
前記コントローラは、
一連のパルスをバーストで提供するように前記トリガが指示していることを判定し、
前記増幅器の蓄積エネルギーが前記目標レベルに到達するとき、前記高エネルギーの入力パルスを前記一連のパルスのバーストとして要求する請求項１０記載の装置。
【請求項２０】
前記装置は、前記増幅器の後段における出力制御装置であって、増幅された低エネルギーの制御パルス及びより高エネルギーの出力パルスを通過させる、遮断する、又は増幅された低エネルギーの制御パルス及びより高エネルギーの出力パルスのエネルギーレベルを出力前に低減する出力制御装置をさらに備える請求項１０記載の装置。
【請求項２１】
前記コントローラは、前記コントローラが前記ソースからの低エネルギーのパルスを要求しているとき、パルスを遮断するように前記出力制御装置に要求するように構成される請求項２０記載の装置。
【請求項２２】
前記出力制御装置は、パルスピッカー又はパルスオンデマンドを備える請求項２０記載の装置。
【請求項２３】
前記増幅器の後段に非線形波長変換器をさらに備える請求項１０記載の装置。
【請求項２４】
前記装置は、複数のトリガを受信し、前記複数のトリガに対応する複数のより高エネルギーの出力パルスを出力し、
前記複数のトリガに対応する前記複数のより高エネルギーの出力パルスのタイミングジッタ及びエネルギージッタはそれぞれ約１マイクロ秒未満及び５％未満である請求項１０記載の装置。
【請求項２５】
短パルスレーザの利得調節の方法であって、前記方法は、
レーザシステムによって、前記レーザシステムの過渡光増幅器をポンピングし、これにより、前記増幅器の蓄積エネルギーを増大させることと、
前記レーザシステムによって、トリガを受信することを待機することと、
前記増幅器の蓄積エネルギーが保持エネルギーレベル未満である間、前記レーザシステムによって、前記レーザシステムのパルス源から前記増幅器へレーザパルスを送信することを防止することと、
前記増幅器の蓄積エネルギーが前記保持エネルギーレベルに到達し、前記トリガが受信されていないとき、前記レーザシステムによって、前記パルス源から前記増幅器に低エネルギーの制御パルスを送信し、各低エネルギーのパルスにより前記増幅器の蓄積エネルギーの一部を低減させ、前記ポンピングに対抗し、これにより、前記増幅器の蓄積エネルギーを前記保持エネルギーレベルの近傍及び未満の動的平衡状態に維持することと、
前記トリガが受信されるとき、前記レーザシステムによって、前記増幅器の蓄積エネルギーが前記保持エネルギーレベルよりも高い目標エネルギーレベルに達するまで、前記パルス源から前記増幅器へレーザパルスを送信することを防止し、その後、前記パルス源から前記増幅器へ高エネルギーの入力パルスを送信し、前記増幅器において前記高エネルギーの入力パルスをより高エネルギーの出力パルスに増幅することと、
前記レーザシステムによって、前記より高エネルギーの出力パルスを出力することとを含む方法。
【請求項２６】
前記トリガは、任意の時間において、前記レーザシステムのコントローラの外部から受信されるか、前記コントローラの内部で生成される請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
増幅の前に、前記低エネルギーの制御パルスの各低エネルギーの制御パルスは、前記高エネルギーの入力パルスのエネルギーに対して２５％以下のエネルギーを有し、
前記低エネルギーの制御パルスの繰り返しレートは、前記増幅器の蓄積エネルギーを前記低エネルギーの制御パルスなしで目標レベル及び枯渇レベルの間の平衡状態に維持するパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）の４倍以上であり、
前記増幅器の蓄積エネルギーは、前記高エネルギーの入力パルスの増幅によって前記枯渇レベルまで低減される請求項２５記載の方法。
【請求項２８】
増幅の前に、前記低エネルギーの制御パルスの各低エネルギーの制御パルスは、前記高エネルギーの入力パルスのエネルギーの約０．１％〜約４０％である請求項２５記載の方法。
【請求項２９】
前記低エネルギーの制御パルスの各低エネルギーの制御パルスは、約０．００１ナノジュール〜約１００ナノジュールのエネルギーを有する請求項２５記載の方法。
【請求項３０】
前記低エネルギーの制御パルスは、エネルギー及びタイミングを除き、前記高エネルギーの入力パルスと同様の光学的特性を有する請求項２５記載の方法。
【請求項３１】
前記高エネルギーの入力パルスは、前記より高エネルギーの出力パルスとして出力される前に、前記増幅器の利得媒質を複数回通過する請求項２５記載の方法。
【請求項３２】
前記トリガを受信することと、前記より高エネルギーの出力パルスを出力することとの間の時間遅延は、約１マイクロ秒未満である請求項２５記載の方法。
【請求項３３】
前記レーザシステムは、
ナノ秒レーザ、
ピコ秒レーザ、
フェムト秒レーザ、
マスタ発振器パワー増幅器レーザ、及び
再生増幅器レーザとのうちの少なくとも１つを備える請求項２５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーザシステムと、レーザシステムを動作させる方法とに関する。より具体的には、本開示は、任意のタイミングを有する短レーザパルスの増幅を調節する方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
短パルスレーザシステムは、マイクロ秒未満のパルス幅と、ミリ秒未満の時間間隔とを有する光パルスを生成する。本明細書で使用するとき、光の短パルスとは、マイクロ秒（１０−６秒）未満の継続時間を有する電磁パルスである。短パルスレーザシステムは、ナノ秒、ピコ秒、及びフェムト秒のレーザシステムなどの超短パルスレーザシステム（又は逆に、超高速レーザシステム）を含み、また、マイクロ秒未満のパルス幅及びミリ秒未満の時間分解能を有する増幅された光パルスを生成することができる他のレーザシステムを含む。
【０００３】
従来の短パルスレーザシステムでは、高エネルギーパルスは、一定の周波数及び一定のエネルギーで生成される。このようなレーザにおいてパルス間の時間が変わることで、各パルスのエネルギーに大きな差を生じて、レーザに、又はパルスを印加する対象に、ダメージを与える可能性がある。任意のタイミングでトリガされて短い継続時間のパルスを提供しながら、トリガされた各光パルスのエネルギーを制御することができる短パルスレーザが必要とされる。このようなレーザは、微細機械加工において有利であり、また、おそらくは、他の分野（例えば、眼科学、生物医学撮像、超高速分光学、超高速光ネットワーク、反応トリガ、フェムト化学など）においても有利であろう。
【０００４】
従来の超高速レーザ微細機械加工を単に一例として取り上げると、光ビームは、特定パターンでビームを印加するように、被加工物上で移動される。パターンをトレースするために、ビームが移動されてもよく、被加工物が移動されてもよく、あるいは両方が移動されてもよい。処理速度を最大化するためには、この移動は可能な限り高速にすべきであるが、速度は移動の精度に関する要件によって制限される。この移動は、直線の場合には非常に高速にすることができるが、小さな又は複雑な特徴部分の場合には非常に低速にする必要が生じる可能性がある。トレースされるパターンの複雑度に依存して、高速移動と低速移動との間の遷移が動的に発生する。
【０００５】
超高速レーザを用いて微細機械加工を行うとき、被加工物に印加される光ビームは、ｋＨｚ〜ＭＨｚの範囲のパルス繰り返し周波数（pulse repetition frequency：ＰＲＦ）を有する、ナノ秒からフェムト秒の継続時間の光パルスを含む。理想的には、各パルスのエネルギーは一定に維持され、パルスは被加工物上の物理的位置において均等な間隔を有する。被加工物上のパルスの間隔は、走査速度（光ビームと被加工物との間の相対速度）と、光パルス間の時間（又は逆に、光ビームのパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ））とに比例する。走査速度が動的に変化するので、被加工物上のパルスの間隔を一定に維持するためには、光パルス間の時間も動的に変化しなければならない。残念ながら、従来の増幅された超高速レーザのＰＲＦが動的に変化すると、出力光パルスのエネルギーが変化する。図１では、実線が増幅器（例えば、従来の超高速レーザの増幅器）の蓄積エネルギーであり、入力パルスを黒丸印で示し、出力パルスを白丸印で示す。パルスの相対エネルギーレベルを黒丸印又は白丸印の直径で示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７３８６０１９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１は、従来の超高速レーザ（２００８年６月１０日に公開された特許文献１の「Light pulse generating apparatus and method」による超高速レーザ；同文献の全体は参照により本明細書に組み込まれる）の増幅器の蓄積エネルギーのグラフである。実線は、ある時間期間にわたる増幅器の蓄積エネルギーを表す。グラフ上の黒丸印は増幅器への入力パルスを表し、黒丸印のサイズが入力パルスのエネルギーを表す。白丸印は出力パルスを表し、出力パルスは対応する入力パルスと同心に図示され、白丸印のサイズは出力パルスのエネルギーを表す。図１の例では、すべての入力パルスのエネルギーは同じままである。従来、最初の３つの入力パルスに示すように、時間間隔は、パルスを増幅器に提供するソース（例えば、短パルスレーザ源など）のパルス繰り返し周波数に基づいて固定される。最初の３つのパルスに関しては、時間間隔が固定され、蓄積エネルギーは動的平衡状態にあり、次のパルスが到来すると同時に目標レベルに戻るので、出力パルスは一定のエネルギーレベルを有する。パルス間の時間間隔が変化するとき、増幅器の動的平衡状態が破られる。パルス間の時間が増大するとき、増幅器が目標を行き過ぎて、次のパルスのエネルギーが非常に大きくなり、これにより、パルスがレーザ、被加工物、又はその他の物体にダメージを与える可能性がある。パルス間の時間が減少するとき、増幅器はその蓄積エネルギーを目標レベルまで補充することができず、次のパルスのエネルギーはそのタスクを実行するには不十分である可能性がある。タイミングが１パルス分でもずれると、増幅器がその平衡状態を再確立するために長い時間がかかる可能性がある。こうした問題は、より多くのパルスが一定の時間間隔又は一定のパルス繰り返し周波数からずれるにつれて悪化する。各入力パルスのエネルギーが一定に保持されないと、さらなるの問題が発生する。
【０００８】
パルスエネルギーの変動を十分に小さく保つ、任意のタイミング又は任意のトリガを有するパルスレーザが存在しなければ、結果として、スループット、品質、又はシステムの複雑度のいずれかを損なうことになる。今日の超高速レーザ用途及び市場分野の多くでは、このことは非常に重大な制約となる。従って、任意のタイミングかつ高い時間分解能でトリガされて、各トリガに関連付けられた短い継続時間の光パルスを提供可能であり、かつ、すべての光パルスのエネルギーを制御可能である、パルスレーザを有することが有利であろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
いくつかの可能な実施例において、ある方法は、過渡光増幅器の連続的なポンピングを行うことによって増幅器の蓄積エネルギーを増大させることを含んでもよい。増幅器の蓄積エネルギーは、順に増大する３つのエネルギーレベル、すなわち、動的平衡状態の下限と、動的平衡状態の上限と、高エネルギーの入力パルスをより高エネルギーの出力パルスに増幅する蓄積エネルギーを定義する目標レベルとに関連付けられてもよい。本方法は、ソースから増幅器へ高い繰り返し周波数で低エネルギーの制御パルスを送ることによって、増幅器の蓄積エネルギーを動的平衡状態に維持することを含んでもよい。本方法は、トリガを受信することに基づいて、増幅器へ低エネルギーの制御パルスを送ることを停止することを含んでもよい。本方法は、ポンピングによって増幅器の蓄積エネルギーが目標レベルまで増大することを待機することを含んでもよい。本方法は、高エネルギーの入力パルスを増幅器に送ることを含んでもよい。本方法は、高エネルギーの入力パルスをより高エネルギーの出力パルスに増幅し、これにより、増幅器の蓄積エネルギーを目標レベル未満の枯渇レベルまで低減させることを含んでもよい。本方法は、より高エネルギーの出力パルスを出力することを含んでもよい。
【００１０】
いくつかの可能な実施例において、ソースは、５メガヘルツ（ＭＨｚ）より高いパルス繰り返し周波数を有する短パルスレーザ源を含んでもよい。ソースは、短パルスレーザ源に光学的に接続されて、短パルスレーザ源からのレーザパルスの送信及びエネルギーを制御するパルスピッカーを含んでもよい。
【００１１】
いくつかの可能な実施例において、本方法は、レーザパルスの送信及びエネルギーを制御するとき、短パルスレーザ源からのレーザパルスを、パルスピッカーによって、通過させること、部分的に通過させること、又は遮断することを含んでもよい。
【００１２】
いくつかの可能な実施例において、本方法は、低エネルギーの制御パルスを送ることを停止するとき、短パルスレーザ源からのレーザパルスをパルスピッカーによって遮断することを含んでもよい。
【００１３】
いくつかの可能な実施例において、短パルスレーザ源又はパルスピッカーの少なくとも一方はマイクロ秒未満の応答時間を提供してもよい。
【００１４】
いくつかの可能な実施例において、低エネルギーの制御パルス、高エネルギーの入力パルス、及びより高エネルギーの出力パルスは、１マイクロ秒未満のパルス幅を有してもよい。
【００１５】
いくつかの可能な実施例において、枯渇レベルは動的平衡状態の下限未満であってもよい。
【００１６】
いくつかの可能な実施例において、動的平衡状態の中心エネルギーレベルから目標レベル及び枯渇レベルの中心エネルギーレベルへの差は、動的平衡状態の中心エネルギーレベルから目標レベル又は枯渇レベルへの差よりも小さくてもよい。
【００１７】
いくつかの可能な実施例において、トリガを受信することと、より高エネルギーの出力パルスを出力することとの間の時間遅延は、約５ナノ秒〜約１００ナノ秒であってもよい。
【００１８】
いくつかの可能な実施例において、ある装置は、過渡光増幅器、ポンプ、ソース、及びコントローラを含んでもよい。過渡光増幅器は蓄積エネルギーを有し、蓄積エネルギーは、順に増大する３つのエネルギーレベル、すなわち、動的平衡状態の下限と、動的平衡状態の上限と、高エネルギーの入力パルスをより高エネルギーの出力パルスに増幅する蓄積エネルギーを定義する目標レベルとに関連付けられる。ポンプは、増幅器の蓄積エネルギーを増大させる。ソースは、低エネルギーの制御パルス又は高エネルギーの入力パルスを増幅器に送る。コントローラは、高い繰り返し周波数で低エネルギーの制御パルスを増幅器へ送ることをソースに要求することによって、増幅器の蓄積エネルギーを動的平衡状態に維持するように構成されてもよい。コントローラは、トリガを受信することを待機するように構成されてもよい。コントローラは、トリガを受信することに基づいて、低エネルギーの制御パルスを増幅器へ送ることを停止し、増幅器の蓄積エネルギーが目標レベルに到達するとき、高エネルギーの入力パルスを増幅器へ送ることをソースに要求するように構成されてもよい。
【００１９】
いくつかの可能な実施例において、ソースはレーザダイオードを備えてもよい。
【００２０】
いくつかの可能な実施例において、コントローラは、低エネルギーの制御パルスを送ることを停止するとき、レーザダイオードによるパルスの送信を防止するようにレーザダイオードを制御するように構成される。
【００２１】
いくつかの可能な実施例において、ソースは、低エネルギーの制御パルスを連続波低平均パワー制御ビームとして供給する連続波レーザと、高エネルギーの入力パルスを供給する第２のレーザとを備えてもよい。
【００２２】
いくつかの可能な実施例において、増幅器の蓄積エネルギーは、高エネルギーの入力パルスの増幅によって枯渇レベルまで低減されてもよい。高い繰り返し周波数は、増幅器の蓄積エネルギーを低エネルギーの制御パルスなしで目標レベル及び枯渇レベルの間の平衡状態に維持する繰り返し周波数よりも高くてもよい。
【００２３】
いくつかの可能な実施例において、上限及び下限の間の差は、目標レベル及び枯渇レベルの間の差の６０％以下であってもよい。
【００２４】
いくつかの可能な実施例において、上限及び下限の間の差は、目標レベル及び枯渇レベルの間の差の２０％以下であってもよい。
【００２５】
いくつかの可能な実施例において、本装置は、より高エネルギーの出力パルスを出力してもよい。そのような実施例において、上限及び下限の間の差を低減することは、高エネルギーの出力パルスの出力時及びトリガの受信時の間のタイミングジッタと、所望のエネルギーレベル及びより高エネルギーの出力パルスのエネルギーレベルの間のエネルギージッタとのうちの少なくとも一方を低減してもよい。
【００２６】
いくつかの可能な実施例において、増幅器は、１つ又は複数の単一パス増幅器と、１つ又は複数のマルチパス増幅器と、１つ又は複数の単一パス増幅器及１つ又は複数のマルチパス増幅器の組み合わせとのうちの少なくとも１つを含んでもよい。
【００２７】
いくつかの可能な実施例において、本装置のコントローラは、一連のパルスをバーストで提供するようにトリガが指示していることを判定するように構成されてもよい。本装置のコントローラは、増幅器の蓄積エネルギーが目標レベルに到達するとき、高エネルギーの入力パルスを一連のパルスのバーストとして要求するように構成されてもよい。
【００２８】
いくつかの可能な実施例において、本装置は、増幅器の後段における出力制御装置であって、増幅された低エネルギーの制御パルス及びより高エネルギーの出力パルスを通過させる、遮断する、又は増幅された低エネルギーの制御パルス及びより高エネルギーの出力パルスのエネルギーレベルを出力前に低減する出力制御装置をさらに含んでもよい。
【００２９】
いくつかの可能な実施例において、本装置のコントローラは、コントローラがソースからの低エネルギーのパルスを要求しているとき、パルスを遮断するように出力制御装置に要求するように構成されてもよい。
【００３０】
いくつかの可能な実施例において、出力制御装置は、パルスピッカー又はパルスオンデマンドを含んでもよい。
【００３１】
いくつかの可能な実施例において、増幅器の後段に非線形波長変換器をさらに含んでもよい。
【００３２】
いくつかの可能な実施例において、本装置は、複数のトリガを受信し、複数のトリガに対応する複数のより高エネルギーの出力パルスを出力してもよい。そのような実施例において、複数のトリガに対応する複数のより高エネルギーの出力パルスのタイミングジッタ及びエネルギージッタはそれぞれ約１マイクロ秒未満及び５％未満であってもよい。
【００３３】
いくつかの可能な実施例において、短パルスレーザの利得調節の方法は、レーザシステムによって、レーザシステムの過渡光増幅器をポンピングし、これにより、増幅器の蓄積エネルギーを増大させることを含んでもよい。本方法は、レーザシステムによって、トリガを受信することを待機することを含んでもよい。本方法は、増幅器の蓄積エネルギーが保持エネルギーレベル未満である間、レーザシステムによって、レーザシステムのパルス源から増幅器へレーザパルスを送信することを防止することを含んでもよい。本方法は、増幅器の蓄積エネルギーが保持エネルギーレベルに到達し、トリガが受信されていないとき、レーザシステムによって、パルス源から増幅器に低エネルギーの制御パルスを送信することを含んでもよい。各低エネルギーのパルスにより増幅器の蓄積エネルギーの一部を低減させてもよい。ポンピングに対抗し、これにより、増幅器の蓄積エネルギーを保持エネルギーレベルの近傍及び未満の動的平衡状態に維持することを含んでもよい。本方法は、トリガが受信されるとき、レーザシステムによって、増幅器の蓄積エネルギーが保持エネルギーレベルよりも高い目標エネルギーレベルに達するまで、パルス源から増幅器へレーザパルスを送信することを防止し、その後、パルス源から増幅器へ高エネルギーの入力パルスを送信し、増幅器において高エネルギーの入力パルスをより高エネルギーの出力パルスに増幅することを含んでもよい。本方法は、レーザシステムによって、より高エネルギーの出力パルスを出力することを含んでもよい。
【００３４】
いくつかの可能な実施例において、トリガは、任意の時間において、レーザシステムのコントローラの外部から受信されるか、コントローラの内部で生成されてもよい。
【００３５】
いくつかの可能な実施例において、増幅の前に、低エネルギーの制御パルスの各低エネルギーの制御パルスは、高エネルギーの入力パルスのエネルギーに対して２５％以下のエネルギーを有してもよい。そのような実施例において、低エネルギーの制御パルスの繰り返しレートは、増幅器の蓄積エネルギーを低エネルギーの制御パルスなしで目標レベル及び枯渇レベルの間の平衡状態に維持するパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）の４倍以上である。増幅器の蓄積エネルギーは、高エネルギーの入力パルスの増幅によって枯渇レベルまで低減されてもよい。
【００３６】
いくつかの可能な実施例において、増幅の前に、低エネルギーの制御パルスの各低エネルギーの制御パルスは、高エネルギーの入力パルスのエネルギーの約０．１％〜約４０％であってもよい。
【００３７】
いくつかの可能な実施例において、低エネルギーの制御パルスの各低エネルギーの制御パルスは、約０．００１ナノジュール〜約１００ナノジュールのエネルギーを有してもよい。
【００３８】
いくつかの可能な実施例において、低エネルギーの制御パルスは、エネルギー及びタイミングを除き、高エネルギーの入力パルスと同様の光学的特性を有してもよい。
【００３９】
いくつかの可能な実施例において、高エネルギーの入力パルスは、より高エネルギーの出力パルスとして出力される前に、増幅器の利得媒質を複数回通過してもよい。
【００４０】
いくつかの可能な実施例において、トリガを受信することと、より高エネルギーの出力パルスを出力することとの間の時間遅延は、約１マイクロ秒未満であってもよい。
【００４１】
いくつかの可能な実施例において、レーザシステムは、ナノ秒レーザ、ピコ秒レーザ、フェムト秒レーザ、マスタ発振器パワー増幅器レーザ、及び再生増幅器レーザとのうちの少なくとも１つを含んでもよい。
【００４２】
本節、後節、及び図面に記載する実施例のそれぞれは、単独で適用されてもよく、及び／又は、本節、後節、及び図面に記載する他の実施例のうちの任意のものと組み合わせて適用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】短パルスレーザシステムに関連する例示的なグラフであって、一定及び可変のパルスタイミングの効果を示すグラフである。
【図２】任意のタイミングを有するレーザパルスの増幅を調節する本明細書に記載の例示的な実施例を示す図である。
【図３】本明細書に記載するシステム及び／又は方法を実施することができる例示的な環境を示す図である。
【図４】本明細書に記載するシステム及び／又は方法を実施することができる例示的なレーザを示す図である。
【図５】任意のタイミングを有するレーザパルスを増幅する蓄積エネルギーを調節する例示的な処理のフローチャートである。
【図６Ａ】図４に係る短パルスレーザシステムからの出力パルスからなる第１のシーケンスのエネルギーを示すグラフである。
【図６Ｂ】図６Ａに対応する増幅器蓄積エネルギーを示すグラフである。
【図６Ｃ】図４に係る短パルスレーザシステムからの出力パルスからなる第２のシーケンスのエネルギーを示すグラフである。
【図６Ｄ】図６Ｃに対応する増幅器蓄積エネルギーを示すグラフである。
【図７】本明細書に記載するシステム及び／又は方法を実施することができる例示的なマスタ発振器パワー増幅器超高速レーザシステムを示す図である。
【図８】本明細書に記載するシステム及び／又は方法を実施することができる例示的な再生増幅器レーザシステムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下の詳細な説明では添付の図面を参照する。異なる図面における同じ参照符号は、同一部又は同様の構成要素を識別する可能性がある。
【００４５】
時間分解能及びエネルギー分解能の両方に関して高精度に増幅器の利得を制御する例示的な方法及び装置を開示する。特に、過渡光増幅器（transient optical amplifier）を調節することで、パルス波形を有する一定エネルギーの増幅されたレーザ光を、任意の、ただし必ずしも固定値ではない繰り返しレートでトリガする。過渡光増幅器を調節することにより、短パルスレーザの不規則な外部トリガに通常は関連付けられるパルスエネルギーの変動が除去される。一部の実施形態では、ランダムなトリガタイミングにもかかわらず、マイクロ秒未満のタイミングジッタ及び／又は５％未満のエネルギージッタを達成することができる。例示的な方法及び装置を、簡易に、頑健に、かつ高い費用対効果で実施することができる。例示的な方法及び装置は、多くの短パルスレーザ用途でスループット及び／又は処理品質を向上させることができる。このため、産業用途での上記レーザの使用に関する経済的なハードルが低くなる。
【００４６】
図２を参照すると、本開示の一実施形態により動作する、連続的なポンピングが行われる過渡光増幅器の蓄積エネルギーが、時間に対してグラフ化されている。このグラフは一定の縮尺で示すものではなく、レーザ光の蓄積エネルギー、時間、及びパルスの間の全般的な関係を提供する。図２では、増幅器の蓄積エネルギー１０を、グラフ中の実線で示す。各丸印１２、１４、１６、１８はレーザ光のパルスを表す。各丸印の相対サイズは、そのパルスの相対エネルギーレベルを表す。小黒丸印は、増幅器に入力される低エネルギーの制御パルス１２を表す。大黒丸印は増幅器に入力される高エネルギーの入力パルス１４を表す。小白丸印は、増幅された低エネルギーの制御パルス１６を表し、大白丸印は、より高エネルギーの出力パルス１８を表す。十字は、より高エネルギーの出力パルス１８を出力するトリガ２０を受信したことを表す。４つの破線は、高エネルギーの入力パルス１４を所望のエネルギーレベルのより高エネルギーの出力パルス１８に増幅することができる目標エネルギーレベル２２と、動的平衡状態３０（例えば、保持エネルギーレベル）の上限２４と、動的平衡状態３０の下限２６と、高エネルギーの入力パルス１４をより高エネルギーの出力パルス１８に増幅した後の増幅器の枯渇エネルギーレベル２８とを表す。図１及び図２に示すように、また、当該技術分野において知られているように、入力パルスから出力パルスまでのエネルギー移送は、視覚的には瞬間てきなものである。
【００４７】
高レベルの観点では、図２のグラフは、本開示の実施形態が、トリガ２０を受信することを待機する間、増幅器の蓄積エネルギーを、目標レベル２２未満で、上限２４及び下限２６の間で変動させながら、どのように動的平衡状態に維持するかを示す。増幅器の蓄積エネルギー１０が上限２４に達すると、低エネルギーの制御パルス１２が増幅器に送られ、増幅器の蓄積エネルギーを下限２６まで低減させる。低エネルギーの制御パルス１２を増幅器に送ることは、トリガ２０を待ちながら無期限に継続することができる。一部の実施形態では、低エネルギーの制御パルス１２を送ることは、高いパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）で実行される。トリガ２０を受信すると、増幅器の蓄積エネルギー１０は目標レベル２２まで増大させられ、目標レベルに達すると、高エネルギーの入力パルス１４が増幅器にリリースされ、より高エネルギーの出力パルス１８に増幅されて最終的に出力される。
【００４８】
図１と図２を比較すると、図１の入力パルスが、時間的に、かつ、エネルギーレベルにおいて、図２の高エネルギーの入力パルス１４に対応することが分かる。しかしながら、図１の出力パルスは、入力パルスの時間間隔が不規則になるときに大きく変動するエネルギーレベルを有する一方、図２のより高エネルギーの出力パルス１８は、高エネルギーの入力パルス１４の間の時間にかかわらず一定である。
【００４９】
図３は、本明細書に記載するシステム及び／又は方法を実施することができる例示的な環境３００を示す図である。図３に示すように、環境３００は、レーザシステム３１０、ビーム伝送システム３２０、及び作業面３３０を含んでもよい。環境３００の装置は、有線接続、無線接続、又は有線接続と無線接続の組み合わせを介して相互接続されてもよい。
【００５０】
レーザシステム３１０は、パルス光ビームを出力可能な１つ又は複数の装置を含んでもよい。例えば、レーザシステム３１０は、短パルスレーザシステム（例えば、ピコ秒パルスレーザシステム、ナノ秒パルスレーザシステム、フェムト秒パルスレーザシステムなど）などを含んでもよい。レーザシステム３１０は、（例えば、作業面３３０上の被加工物の微細機械加工、低温アブレーション、切断、穿孔などのために）パルス光ビームを出力してもよい。
【００５１】
ビーム伝送システム３２０は、レーザシステム３１０によって出力される光ビームを変化させる可能性がある１つ又は複数の構成要素を含んでもよい。例えば、ビーム伝送システム３２０は、コーティングされたレーザ光学素子、コーティングあり及び／又はコーティングなしの基板（例えば、平面基板、曲面基板、レンズなど）、波長板（retardation plate）、偏光器、ビームガイド、ビーム移動機構（例えば、ガルバノメータ型光走査システム、ポリゴン走査システム、音響光学スキャナなど）、モータ駆動型ステージングシステム、ビーム伝送システム制御構成要素などを含んでもよい。
【００５２】
作業面３３０は、レーザシステム３１０からパルス光ビームを受信する面を含んでもよい。例えば、作業面３３０は、被加工物を搭載する面などを含んでもよい。一部の実施例では、作業面３３０は、（例えば、作業面３３０のモータ駆動型ステージングシステムなどに基づいて）レーザシステム３１０及び／又はビーム伝送システム３２０に対して横方向に移動してもよい。追加として、又は代替として、レーザシステム３１０によって出力される光ビームは、（例えば、ビーム伝送システム３２０のビーム移動機構などに基づいて）作業面３３０に対して横方向に移動してもよい。
【００５３】
図３に示す装置の個数及び構成は一例として提示する。実際には、図３に示すものに対して、追加の装置、より少ない個数の装置、異なる装置、あるいは異なって構成される装置を設けてもよい。さらに、図３に示す２つ以上の装置が単一装置内に実装されてもよく、あるいは、図３に示す単独の装置が複数の分散型の装置として実装されてもよい。追加として、又は代替として、環境３００の１組の装置（例えば、１つ又は複数の装置）は、環境３００のもう１組の装置によって実行されるように説明される１つ又は複数の機能を実行してもよい。図４は、ソース１０３と、ソースに光学的に接続される増幅器１０６と、増幅器に接続されるポンプ１０７と、増幅器１０６に光学的に接続される任意の出力制御装置１０８と、ソース１０３に接続され、オプションで増幅器１０６、ポンプ１０７、及び／又は出力制御装置１０８にも接続されるコントローラ１０９とを備えるレーザ１００を示す。ソース１０３、増幅器１０６、及び出力制御装置１０８は、光パス１１１に沿って光学的に接続される。一部の実施例では、レーザ１００はレーザシステム３１０に対応してもよい。
【００５４】
レーザ１００は、マイクロ秒、ナノ秒、ピコ秒、及びフェムト秒の範囲のうちのいずれかのパルス幅を有するレーザパルスを出力する。出力レーザパルスは、秒、ミリ秒、マイクロ秒、サブマイクロ秒などの範囲の時間間隔を有する。逆に、出力レーザパルスは、ヘルツ（Ｈｚ）の範囲、キロヘルツ（ｋＨｚ）の範囲、メガヘルツ（ＭＨｚ）の範囲などの最大パルス繰り返しレートを有してもよいが、必ずしも、繰り返し周波数に常に厳密に一致する必要はない。むしろ、レーザパルスは任意の時刻に出力されることが可能である。出力レーザパルスが固定繰り返しレートを有するか、あるいは任意の時間間隔を有するかにかかわらず、レーザ１００は、一定の設定可能なエネルギーレベルを各出力パルスに供給する。レーザパルスは、例えば、ミリジュール未満からジュールまでの範囲のうちのいずれかのエネルギーを有してもよい。例えば、図６Ａに関連して後述するように、レーザパルスは約１７マイクロジュールのエネルギーを有してもよい。もう１つの例として、一部の実施形態では、レーザパルスは約５０ミリジュール〜約２００ミリジュールの範囲のエネルギー値を有してもよい。さらにもう１つの例として、一部の実施形態では、レーザパルスはミリジュール未満の範囲のエネルギーを有してもよい。
【００５５】
レーザ１００は、マスタ発振器パワー増幅器（master oscillator power amplifier：ＭＯＰＡ）、再生増幅器、又は当業者にとって周知である他の構成などを含む、様々な異なるレーザ構成で実現することができる。ＭＯＰＡ及び再生増幅器構造について以下でさらに詳述する。しかしながら、簡単化のために省略するものの、他の構成も同様に可能である。
【００５６】
ソース１０３は、コントローラ１０９のコマンド下で、レーザ光のパルスを増幅器１０６に供給する。ソース１０３は、互いに異なる設定可能なエネルギーレベルで、かつ、任意のタイミングで、短（又は超短）レーザパルスを出力するように構成される。任意のタイミングは、パルスのランダムなタイミング、パルスのオンデマンドトリガ発生、パルスの予め設定されたパターン、及び固定繰り返しレートパルスなどの任意のタイミングを含む。一部の実施形態では、ソース１０３はレーザダイオードを備えてもよい。一部の実施形態では、ソース１０３は、パルスピッカーに光学的に接続される、低エネルギー、高ＰＲＦ、かつ超高速のシード発振器を備えてもよい。１つの可能な例として、ソース１０３は、約５メガヘルツ（ＭＨｚ）以上の周波数でレーザパルスを提供してもよい。代替の実施形態では、ソース１０３は、低エネルギーの制御パルスの代わりに低平均パワー光ビームを供給する連続波レーザを含んでもよく、高エネルギーパルスを供給するために第２のレーザが使用されてもよい。パルス及び光ビームを増幅器１０６の前段のソース１０３から制御することによって、より高い精度で増幅器を調節することができる。一部の実施例（例えば、ソース１０３がパルスピッカーを含む実施例）では、ソース１０３は、５％未満の誤差で、かつ、特定の効率（例えば、０．０１％、０．１％、１％、１０％、５０％、９０％など）で、光信号を送ることができる。一部の実施例では、ソース１０３は、特定レベルの誤差（例えば、５％未満の相対誤差など）で、かつ、互いに異なるエネルギー（例えば、１桁の範囲のエネルギーや２桁の範囲のエネルギー）で、光パルスを送ることができる。一部の実施例では、ソース１０３は、一部の実施例では、特定の応答時間（例えば、マイクロ秒又はナノ秒の応答時間）で、変更可能な可変効率で光信号を送ることができる。一部の実施例では、ソース１０３は、特定の応答時間で、動的に可変なパワー／エネルギーレベルで光信号を送ることができる。
【００５７】
増幅器１０６は、ソース１０３からパルスを受信し、増幅されたパルス、すなわち、より高いエネルギーレベルのパルスを出力する。増幅器１０６は、当業者に既知の過渡方式光増幅器を備えてもよい。例示的な増幅器のタイプは、ロッド増幅器、スラブ増幅器、ディスク増幅器、及びファイバ増幅器を含む。増幅器１０６は、１つの増幅器及び／又は一連の複数の増幅器を備えてもよい。増幅器１０６は、マルチパス増幅器、単一パス増幅器、又は直列に接続された任意個数の単一パス増幅器及び／又はマルチパス増幅器の組み合わせであってもよい。例えば、増幅器は、１つ又は複数の単一パス増幅器（例えば、直列で）、１つ又は複数のマルチパス増幅器（例えば、直列で）、及び／又は、直列の１つ又は複数の単一パス増幅器及び１つ又は複数のマルチパス増幅器を含んでもよい。増幅器１０６は、増幅されたパルスを出力制御装置１０８に出力してもよく、あるいは、レーザ１００から直接に出力してもよい。増幅器１０６は、ソース１０３からの光が増幅されないときに増幅器の蓄積エネルギーの予測可能な増大をもたらす連続的ポンピングを行って、過渡方式で動作する。増幅器１０６は、レーザ結晶又はレーザガラス（例えば、ネオジムドープドイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、イッテルビウムドープドタングステン酸塩結晶（例えば、カリウム・ガドリニウム・タングステン酸塩（ＫＧＷ）結晶、カリウム・イットリウム・タングステン酸塩（ＫＹＷ）結晶）、エルビウムドープドＹＡＧ、チタニウム・サファイア結晶など）などの利得媒質（例えば、ファイバに基づく利得媒質、ロッド、スラブ、ディスクなどのようなバルク利得媒質）、セラミック利得媒質、複合利得媒質などを含んでもよい。
【００５８】
増幅器１０６は、増幅器の利得媒質を通過する光パルスに増幅器１０６が提供することができる潜在利得を表す蓄積エネルギーを有する。パルスを増幅すると増幅器の蓄積エネルギーが減少するが、パルスを同じエネルギーレベルに増幅し続けるために、増幅器の蓄積エネルギーは補充される必要がある。
【００５９】
ポンプ１０７は、増幅器１０６に接続され、増幅器の蓄積エネルギーを増加させる。一部の実施形態では、ポンプ１０７は、増幅器１０６に電気的又は光学的に接続され、増幅器の蓄積エネルギーを予測可能なレートで増大させる。一部の実施形態では、ポンプ１０７は、エネルギーを一定供給する連続的ポンピングを実行して、増幅器の蓄積エネルギーを増大又は補充あする。増幅器の利得媒質は、本明細書でポンピングと呼ぶ処理で、ポンプ１０７から、光信号を増幅するエネルギーを受けてもよい。
【００６０】
オプションの出力制御装置１０８は、増幅器１０６から増幅されたレーザパルスを受信し、（例えば、コントローラ１０９によって）パルスを遮断、通過、又は部分的に通過させるように構成されることが可能である。例示的な出力制御装置１０８は、パルスピッカー、パルスピッカーを含むパルスオンデマンドモジュール、又は他のタイプの出力制御装置を含む。出力制御装置１０８は、非線形結晶材料に基づく波長変換器（例えば、非線形波長変換器）、フォトニック結晶ファイバ、ガスなどを含んでもよい。このような実施例では、追加の出力制御装置の構成要素により、周波数倍加処理、和及び差周波数生成処理、ラマン変換処理、スーパーコンティニュウム生成処理、高調波生成処理などを実行してもよい。パルスを部分的に通過させることで、パルスのエネルギーが最高レベル（パルス通過）から中間レベルまで低減される。
【００６１】
コントローラ１０９は、ソース１０３に接続され、及び／又は、ソース１０３を制御し、オプションで、増幅器１０６、ポンプ１０７、及び出力制御装置１０８に接続され、及び／又は、増幅器１０６、ポンプ１０７、及び出力制御装置１０８を制御する。コントローラ１０９は、増幅器の蓄積エネルギーを調節することと、出力パルスに対する要求又はトリガに応答してレーザ１００からより高エネルギーの出力パルスを出力することとを連携させる。例示的な実施形態では、コントローラ１０９は、ソース１０３からの低エネルギーかつ高周波のパルス又は他の低平均パワー光を用いて蓄積エネルギーを低減させることによって、ポンプ１０７からの増幅器の増大する蓄積エネルギーのバランスをとることで、増幅器の蓄積エネルギーを調節する。コントローラ１０９は、ソフトウェア及び／又はハードウェアで実現されてもよい。例えば、コントローラ１０９は、デジタル信号プロセッサなどのプロセッサ、マイクロプロセッサ、集積回路（例えば、フォトニック集積回路、特定用途向け集積回路（application-specific integrated circuit）、など）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（field-programmable gate array）などを含んでもよい。コントローラ１０９は、メモリ装置、通信インタフェース、入力構成要素、及び／又は出力構成要素など、プロセッサと相互作用する他の構成要素を含んでもよい。メモリ装置は、プロセッサによって使用される命令又はデータを記憶してもよい。通信インタフェースは、プロセッサに、レーザシステムの他の構成要素と通信させ、レーザシステムの外部からコマンドを受信させ、及び／又は、レーザシステムの外部にデータを供給させる。コントローラ１０９は、汎用コンピュータ、再構成可能なハードウェア（ＦＰＧＡなど）、特定用途向けハードウェア（ＡＳＩＣなど）、他の電気回路、及びこれらの実装技術の組み合わせによって実行される非一時的コンピュータ可読媒体に記憶されるコンピュータ可読命令を含んでもよい。
【００６２】
一実施形態では、コントローラ１０９は、予め定義された時間遅延と、ポンプ１０７からの連続的ポンピングに起因する増幅器の蓄積エネルギーの増大レートに関する知識とを用いて、増幅器１０６を調節する。高エネルギーの入力パルスを増幅した後、コントローラ１０９は、予め定義された時間にわたって低エネルギーの制御パルスを通過させない。高エネルギーの入力パルスを増幅した直後、増幅器の蓄積エネルギーは枯渇レベルまで低減し、予め定義された時間の後、蓄積エネルギーレベルは上限にあることがわかる。いったんコントローラ１０９が予め定義されたＰＲＦ及びエネルギーを有する制御パルスを要求すると、増幅器の蓄積エネルギーは上限及び下限の間の平衡状態を維持し、コントローラ１０９は、トリガを受信するまで、制御パルスを供給し続ける。コントローラ１０９は、トリガを受信すると、次の制御パルスを生成するときまで待機する。待機時間は、トリガを受信するタイミングに依存して、ゼロと制御パルス間の時刻との間の任意の時間量であってもよい。この不定性は、最終的に、トリガとより高エネルギーの出力パルスとの間の時間遅延ジッタをもたらす。待機時間が終了すると、次の制御パルスを通過させる代わりに、コントローラ１０９は、第２の予め定義された時間区間にわたって制御パルスを停止させる。この時点で、コントローラ１０９は増幅器の蓄積エネルギーが上限にあることを認識し、従って、第２の時間遅延は、増幅器の蓄積エネルギーを目標レベルまで増大させるように予め決定される。第２の時間区間の後、コントローラ１０９は高エネルギーの入力パルスを要求する。その後、コントローラ１０９のとる動作は、任意のタイミングを有するトリガ毎に繰り返すことができる。
【００６３】
このように、本実施形態では、コントローラ１０９は、２つの予め定義された時間区間、すなわち、一方は出力パルスの送出後に制御パルスの停止、省略などを行い、他方はトリガの受信後に制御パルスの停止、省略などを行う時間区間を用いて、増幅を制御する。このような実施形態では、トリガパルス間で可能な最小時間と等価である最大繰り返しレートＰＲＦｍａｘが存在する。これは、２つの予め定義された固定時間区間の和に等しい。一部の実施例では、コントローラ１０９は、異なるＰＲＦ最大値に基づき（例えば、異なるＰＲＦ最大値に対して異なる時間区間でコントローラ１０９をプログラミングすることに基づき）構成されてもよい。
【００６４】
図４に示す装置及び構成要素の個数及び構成は一例として提供する。実際には、図４に示す装置／構成要素に対して、追加の装置／構成要素、より少ない個数の装置／構成要素、異なる装置／構成要素、又は異なって構成される装置／構成要素が存在してもよい。
【００６５】
図５は、任意のタイミングを有するレーザパルスを増幅する蓄積エネルギーを調節する例示的な方法５００を示す。方法５００は、レーザ１００などの特定用途向けレーザにおいて、あるいは、既存レーザにおいて実施されてもよく、このようなレーザは、方法５００に記載される動作パラメータで動作可能であり、また、例えば、ダウンロード可能なコンピュータ命令又はリプログラマブルゲートアレイ命令、該命令を含む非一時的なコンピュータ可読媒体を供給することによって、又は、置換集積回路、もしくはコントローラ１０９など他のモジュールを設けることによって、適切に再構成可能である。一部の実施例では、方法５００の１つ又は複数の動作は、レーザ１００又はレーザシステム３１０によって実行されてもよい。一部の実施例では、図５に示す１つ又は複数の処理動作は、ビーム伝送システム３２０など、レーザ１００又はレーザシステム３１０とは別の、又はそれらを含む別の装置又は装置群によって実行されてもよい。
【００６６】
方法５００は、過渡光増幅器１０６の連続的ポンピング５０２を実行し、これにより増幅器の蓄積エネルギー１０を増加させることで開始される。増幅器の蓄積エネルギー１０は、順に増大する３つのエネルギーレベル、すなわち、動的平衡状態３０の下限２６と、動的平衡状態３０の上限２４と、高エネルギーの入力パルス１４をより高エネルギーの出力パルス１８に増幅する蓄積エネルギーを定義する目標レベル２２とに関連付けられる。場合によっては、上限２４及び下限２６の間の差は、特定の値（例えば、６０％、２０％など）以下としてもよい。連続的ポンピング５０２は、電気的、光学的、又は当該技術分野において既知の他のポンピング手段によって、ポンプ１０７を用いて達成可能である。ポンピングは、過渡方式で動作する光増幅器１０６に対してポンピング５０２が増幅器の蓄積エネルギー１０を予測可能なレートで増大させるという意味で連続的である。
【００６７】
連続的ポンピング５０２を行う間、方法５００は、低エネルギーの制御パルス１２を高い繰り返し周波数で増幅器１０６に送ることによって、増幅器の蓄積エネルギー１０を動的平衡状態３０に維持５０４し続ける。増幅器の蓄積エネルギー１０を動的平衡状態３０に維持５０４することは、増幅器の蓄積エネルギー１０を上限２４まで増大させ、次いで、低エネルギーの制御パルス１２を増幅器１０６に送り、増幅器の蓄積エネルギー１０を動的平衡状態３０の下限２６まで低減させることによって達成される。増幅器の蓄積エネルギー１０が（連続的ポンピング５０２により）動的平衡状態３０の上限２４に戻ったとき、他のそのようなパルス１２が増幅器１０６に送られる。低エネルギーの制御パルス１２の間の時間と、低エネルギーの制御パルスがパルス毎に増幅器１０６から抽出するエネルギーとを整合させることによって、方法５００は、任意の時間長にわたって増幅器１０６の蓄積エネルギーを動的平衡状態３０に維持することができる。より高エネルギのー制御パルスは、増幅器１０６からより大きなエネルギーを抽出し、その結果、低エネルギーの制御パルスよりも低い頻度で印加される可能性がある。一方、より低エネルギーの制御パルスは、増幅器１０６からより小さなエネルギーを抽出し、その結果、より高エネルギーの制御パルスよりも高い頻度で印加される可能性がある。制御パルスの繰り返しレートが増大される一方で制御パルスのエネルギーは低下されるので、制御パルス列と同じ平均パワーを有する連続波（ｃｗ）光ビームで制御パルス列をモデル化することができ、実際には置き換えることができる。
【００６８】
増幅器１０６の蓄積エネルギーを安定化するために、制御ビームの入力パワーは、抽出されるパワーが連続的ポンピングによってもたらされる所定時間にわたる蓄積エネルギーの増大に等しくなるように、選択されなければならない。一例として１ミリワット（ｍＷ）平均パワーを用いると、２０ＭＨｚのＰＲＦで０．０５ナノジュール（ｎＪ）のパルス、４０ＭＨｚで０．０２５ｎＪのパルス、２００ＭＨｚで０．００５ｎＪのパルスはすべて、同じ１ｍＷの平均パワーを達成する。パルスのエネルギーが減少し続け、ＰＲＦが増大し続ける場合、１ｍＷのパワーを有する連続波ビームに到達する。パルス毎のエネルギーが減少し、ＰＲＦが増大するにつれ、動的平衡状態３０の上限及び下限の間の分離もまた減少し、制御パルスが連続波光ビームを含むとき、目標レベル未満の単一の増幅器蓄積エネルギーレベルに集束する。場合によっては、動的平衡状態３０の中心エネルギーレベルは、目標レベル２２又は枯渇レベル２８への距離に比べて、目標レベル２２及び枯渇レベル２８の中心エネルギーレベルに近くてもよい。中心エネルギーレベルは、単に、２つの異なるエネルギーレベルの間の平均であってもよい。
【００６９】
増幅器の蓄積エネルギー１０を目標レベル２２未満の動的平衡状態３０に維持５０４することは、トリガ２０を待機する間、不定の時間長にわたって継続される。トリガ２０は、より高エネルギーの出力パルス１８がレーザ１００から要求されたことを示す、コントローラ１０９宛ての信号である。トリガ５０６に基づき（例えば、トリガ５０６に応じて、トリガ５０６の受信に基づき、トリガ５０６の生成に基づき、など）、増幅器の蓄積エネルギー１０を動的平衡状態３０に維持することが停止され、一連の動作によって、より高エネルギーの出力パルス１８をレーザ１００又はレーザシステム３１０から出力５１８させる。
【００７０】
より具体的には、方法５００は、低エネルギーの制御パルス１２を増幅器１０６に送ることを停止５０８し、ポンピング５０２によって増幅器の蓄積エネルギー１０が目標レベル２２まで増大することを待機５１０することで、トリガ２０に応答する。送ることを停止５０８することは、ソース１０３によって増幅器１０６に送信されている制御パルスを遮断し、そのようなパルスの送信を停止し、そのような低エネルギーの制御パルス１２を遮断又は停止するようにコントローラ１０９によってソース１０３に命令又は要求することとを含む。また、送ることを停止５０８することは、別の低エネルギーの制御パルス１２についてコントローラ１０９によってソース１０３に命令又は要求しないことを含んでもよい。
【００７１】
増幅器の蓄積エネルギー１０が目標レベル２２に到達すると、方法５００は、高エネルギーの入力パルス１４を増幅器１０６に送り５１２、増幅器１０６により、高エネルギーの入力パルス１４をより高エネルギーの出力パルス１８に増幅５１４させ、それと同時に、増幅器の蓄積エネルギー１０を目標レベル２２未満の枯渇レベル２８まで低減５１６させ、その後、レーザ１００又はレーザシステム３１０からより高エネルギーの出力パルス１８を出力５１８する。図２では、枯渇レベル２８は下限２６未満として示すが、レーザ１００又はレーザシステム３１０の構造に依存して、枯渇レベル２８は下限２６より高くてもよく、あるいは上限２４より高くてもよい。
【００７２】
高エネルギーの入力パルス１４を増幅器１０６に送る５１２ことは、高エネルギーの入力パルス１４を送信するようにコントローラ１０９がソース１０３に要求又は命令することを含んでもよい。高エネルギーの入力パルス１４を送る５１２ことは、パルスのバーストを送ることも含んでもよい。
【００７３】
出力５１８することは、トリガ２０を待機する間、増幅された制御パルス１６を出力することを含んでもよい。例えば、低エネルギーの制御パルス１２は、増幅後であっても、微細機械加工される被加工物に対して無害であるので、これらのパルスを遮断するために追加の複雑さを追加する必要がない。しかし、一部の実施形態では、増幅された低エネルギーの制御パルス１６は、遮断されるか、部分的にのみ出力される。例えば、出力制御装置１０８、パルスピッカー、又は非線形波長変換器は、増幅された低エネルギーの制御パルス１６を低減する、あるいは完全に遮断する増幅器１０６の後段に配置されてもよい。
【００７４】
より高エネルギーの出力パルス１８を出力５１８した後、方法５００は、増幅器の蓄積エネルギー１０を動的平衡状態３０に維持５０４し、トリガ２０の受信を待機することに戻る。一部の実施形態では、（例えば、レーザの電源をオンすることを含む）方法５００は、制御パルスを連続的に印加してもよく、上限２４及び下限２６の間の増幅器１０６の蓄積エネルギーの平衡状態が確立されるまで待機してもよい。
【００７５】
図５は、方法５００の例示的なブロックを示すが、一部の実施例では、方法５００は、図５に示すブロックに対して、追加のブロック、より少ない個数のブロック、異なるブロック、あるいは異なって構成されたブロックを含んでいてもよい。追加として、又は代替として、方法５００のブロックのうち２つ以上は並列に実行されてもよい。
【００７６】
図６Ａは、例示的なレーザシステム３１０について、より高エネルギーの出力パルス１８及び増幅された低エネルギーの制御パルス１６を示すグラフ６００であり、上端に丸印を有する各垂直線は、増幅されたパルスのエネルギーを表す。最初の５０マイクロ秒間にわたって、レーザシステム３１０は、いかなる制御パルスを用いることもなく、２００ｋＨｚの固定ＰＲＦ（５マイクロ秒ごとの出力パルスに相当）で、より高エネルギーの出力パルス６０２をトリガする。５０マイクロ秒後、トリガはランダムとなり、制御パルスが使用可能となる。５マイクロ秒の定期的なパルス期間よりも短い何らかの予め設定された時間（例えば２．５マイクロ秒）の後、２ＭＨｚのＰＲＦ（０．５マイクロ秒ごとのパルス）で、かつ、適切に選択されたパルスエネルギーで、低エネルギーの制御パルス６０４が増幅器に送られる。制御パルスの２ＭＨｚのＰＲＦは、トリガによって要求される高エネルギーの入力パルスの２００ｋＨｚのＰＲＦよりも１０倍高いので、増幅された制御パルス６０４は、より高エネルギーの出力パルス６０２のエネルギーの約１０％であるエネルギーレベルを有する。
【００７７】
次のトリガが受信されたとき（図示せず）、制御パルス６０４は遮断又はオフにされ、これにより、ポイント６０６で識別されるより高エネルギーの出力パルスが増幅されて出力される目標レベルに、増幅器の蓄積エネルギーを復帰させることができる。パルスを増幅６０６した後、増幅器の蓄積エネルギーは枯渇レベルまで激減しているので、増幅器の蓄積エネルギーが上限に復帰するまで制御パルスは遮断される。ポイント６０８において、蓄積エネルギーが上限に到達し、制御パルスが再び開始される。この時点（約８０マイクロ秒）において、最初の制御パルスの後に他のトリガが受信され、制御パルスが停止され、蓄積エネルギーが再び目標レベルまで増大し、パルス６０２及び６０６のような高エネルギーの入力パルスがリリースされる。このパターンは、残りのトリガされたパルスに対して継続される。
【００７８】
図６Ｂは図６Ａに対応する。図６Ｂは、図１及び図２に示すような増幅器の蓄積エネルギーを連続的に追跡する代わりに、増幅器の蓄積エネルギーの遷移を示す例示的なグラフ６１０である。増幅器の蓄積エネルギーの遷移は、図６Ａに示す出力パルスを生成することに関連付けられる。ｔ＝５０マイクロ秒まで、増幅器の蓄積エネルギーは、高エネルギーの入力パルスが増幅器に入る直前の目標レベルのポイント６１２と、パルスがより高エネルギーの出力パルスに増幅された直後の枯渇エネルギーレベルのポイント６１４との間で、動的に安定して発振していることがわかる。ｔ＝５０マイクロ秒の直後、増幅器の蓄積エネルギーは、予め設定された時間にわたって、目標レベルより小さい上限まで部分的にのみ復帰させられ、その後、パルス毎に予め設定された低エネルギーで、かつ、２ＭＨｚのＰＲＦで、低エネルギーの制御パルスが発生され、これにより、上限のポイント６１６と下限のポイント６１８との間で新たな動的安定状態をすぐに確立する。次のトリガが受信されたとき（図示せず）、制御パルスが遮断又はオフにされ、これにより、５マイクロ秒の元のパルス期間よりも短い時間、例えば２．５マイクロ秒で、増幅器の蓄積エネルギーをポイント６２０の目標レベルまで復帰させる。その後、増幅器の蓄積エネルギーは目標レベルにあり、このとき、次の高エネルギーの入力パルスをより高エネルギーの出力パルスに増幅する準備ができている。次の高エネルギーの入力パルスをより高エネルギーの出力パルスに増幅することにより、増幅器の蓄積エネルギーをポイント６２２に低減させ、その後、ポイント６２４に増大させ、そこで制御パルスが再び開始される。この時点（約ｔ＝８０マイクロ秒）において、最初の制御パルスの後に他のトリガが受信され、制御パルスが停止され、蓄積エネルギーが再び目標レベルまで増大し、高エネルギーの入力パルスがリリースされる。このパターンは、残りのトリガされたパルスに対して継続される。
【００７９】
図６Ｃ及び図６Ｄはそれぞれ図６Ａ及び図６Ｂと同様であるが、制御パルスは、１０倍高速のＰＲＦ（１０分の１の時間間隔の０．０５マイクロ秒に対応する２０ＭＨｚ）で印加される。このことは、ソースからの制御パルスのエネルギーが約１０分の１であることを必要とし、トリガを待機する間、より狭い動的平衡状態を確立する。また、１ステップ進んで、シード発振器の全繰り返しレート、例えば１００ＭＨｚを利用することができる。ここで、フリーズ期間は１０ｎｓの倍数となるので、トリガとより高エネルギーの出力パルスとの間の時間遅延の差の最大値、又はタイミングジッタは、１０ｎｓになる。１０ｎｓもの小さなタイミングジッタは、産業用途で影響を与えないであろうと考えられ、完全な（又は瞬時の）出力パルスタイミングとみなすことができる。従って、本開示の実施形態は、出力パルスの無視可能なタイミングジッタで、かつ、出力パルスの安定性に関するペナルティがほぼなしで、超高速レーザの任意のタイミングを有するトリガを可能にするといえる。その条件として、任意の２つのトリガパルス間の最小の時間分離、すなわち最大ＰＲＦが存在し、関連付けられたトリガされた出力パルスエネルギーを用途の需要に応じて選択可能であることが課される。
【００８０】
目標エネルギーレベル及び枯渇エネルギーレベルの間の動的平衡状態にある固定ＰＲＦで高エネルギーパルスを有するレーザを使用することと、本開示の制御を可能にすることで、より高いＰＲＦで低エネルギーの制御パルスを用いて上限及び下限の間の新たな動的平衡状態を確立することとの間に遷移時間が存在しない、ということに注目すべきである。増幅器は、トリガが受信されるまで、常に動的平衡状態に保持されてもよい。制御パルスのエネルギー及びＰＲＦは、予め定義された上限レベルが与えられたとき、増幅器が目標レベルよりも低い新たな動的平衡状態をにあるように選択される。このことにより、通常の固定ＰＲＦ動作と、トリガに基づく動作との間で、レーザシステムを動的かつ瞬時に遷移させることが可能になる。レーザ光の発生を開始しなければならない二次的キャビティが存在しない、すなわち、新たな安定状態に到達する前にレーザスパイク方式を実施するための時間遅延が存在しない。また、遷移時間の増加をもたらしたり、及び／又は、増幅器利得クリスタルの熱状態をその平衡状態から逸脱させたりするポンプパワー調節が行われない。
【００８１】
図６Ａ及び図６Ｂに戻ると、制御パルスについて２ＭＨｚのＰＲＦが選択された。各制御パルスは、増幅器の蓄積エネルギーが上限に戻るために、１／２ＭＨｚ＝０．５マイクロ秒の復帰時間を必要とする。従って、増幅器の蓄積エネルギーは、好ましくは０．５マイクロ秒の倍数である時間ウィンドウにわたってフリーズされることが可能である。トリガに対して一定の待ち時間（例えば、遅延時間）を有する出力に比較すると、光パルスは０．５マイクロ秒の時間的ジッタを有する可能性がある。一部の用途では、このタイミングジッタは有意な大きさではない。０．５マイクロ秒が有意な大きさである場合、タイミングジッタを許容可能な値まで低減させるために、制御パルスは、（図６Ｃ及び図６Ｄに示すように）より高いＰＲＦを有してもよい。図６Ｃ及び図６Ｄの例示的な実施形態は、０．０５マイクロ秒まで低減される時間的ジッタを提供する。他の実施形態では、無視可能なタイミングジッタが所望され、いくらかのエネルギージッタが許容可能である場合、要求された時刻において、ただし、増幅器の蓄積エネルギーが目標レベルに近いが目標レベルに到達していないとき、高エネルギーの入力パルスをリリースしてもよい。
【００８２】
図６Ａ〜図６Ｄは、図５に示す例示的な方法５００に関連する増幅器の蓄積エネルギー及びパルスエネルギーの値の例示的なグラフを示す。図６Ａ〜図６Ｄは例としてのみ提示する。他の例も可能であり、説明した例と異なっていてもよい。
【００８３】
図７は、マスタ発振器パワー増幅器超高速レーザシステム７００を示し、ここで、ソース７０２は、シード発振器７０４及びパルスピッカー７０６を備える。パルス生成はシード発振器７０４から開始され、シード発振器７０４は、典型的には近赤外波長領域（約１マイクロメートル）において、固定繰り返しレート（通常、１０〜２００ＭＨｚの範囲）で、低エネルギー（約１ｎＪ〜１００ｎＪ）かつピコ秒又はフェムト秒のシードパルス７０３を生成する。シード発振器７０４は、モード同期シード発振器、パルスダイオードレーザ、Ｑスイッチレーザ、パルスファイバレーザ、又は、当該技術分野において既知の過渡光増幅器にシードを供給することに適した他のレーザを含んでもよい。
【００８４】
パルスピッカー７０６はシード発振器７０４から光パルスを受信する。パルスピッカー７０６は、単一のパルスを、場合によっては、バーストと呼ばれるパルス群を、例えば１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲の固定ＰＲＦで間引くことによって、繰り返しレートを低減させてもよい。パルスピッカー７０６は、音響光学的又は電気光学的であってもよく、好ましくは、シード発振器７０４からの任意のパルス列であって、非繰り返しシーケンスを含むパルス列を間引くことができる。パルスピッカー７０６は、十分に短い応答時間で、ピッキング効率、すなわち間引かれたパルス７０７のエネルギーをさらに制御することができる。一部の実施例では、パルスピッカー７０６は、特定の効率（例えば、０．０１％、０．１％、１％、１０％、５０％、９０％など）で、かつ、５％未満の相対誤差で、光信号を通過させてもよい。一部の実施例では、パルスピッカー７０６は、一部の実施例では特定の応答時間（例えば、マイクロ秒又はナノ秒の応答時間）で変更可能な可変な効率で、光信号を通過させてもよい。これにより、パルスピッカー７０６は、シードパルス７０３を遮断すること、シードパルスを低エネルギーの制御パルス７０５として部分的に通過させること、シードパルスを高エネルギーの入力パルス７０７として通過させること、あるいはシードパルスのバーストを通過させることができる。可能な例として、制御パルスは、約１ピコジュール、約０．０１ナノジュール、約０．１ナノジュール、約１ナノジュール、約０．０１マイクロジュール、約０．１マイクロジュール、約２．５マイクロジュールなどのエネルギーで通過されてもよく、高エネルギーの入力パルスは、制御パルスの４倍、制御パルスの１０倍、制御パルスの１００倍などのエネルギーで通過されてもよい。
【００８５】
１段又は複数段の増幅器７０８は、パルスピッカー７０６によってソース７０２から送られた制御パルス７０５及び入力パルス７０７を受信し、それらを、増幅された制御パルス７０９と、より高エネルギーの出力パルス７１１とにそれぞれ増幅する。増幅器７０８は、光信号を増幅することのできる１つ又は複数の過渡連続波ポンプ増幅器を備える。増幅器７０８は、より高エネルギーの出力パルス７１１を約１マイクロジュール〜１０００マイクロジュールまで増幅してもよい。パルス毎のエネルギーレベルがこのような値を有する場合、より高エネルギーの出力パルス７１１は、低温アブレーション、すなわち低温での材料の除去を実施させ、ひいては微細機械加工のための高い処理品質を実現することができる。１つ又は複数の増幅器７０８は１つ又は複数のポンプを含んでもよい。一部の実施例では、増幅器７０８は、増幅器の利得媒質を通る単一パス又はマルチパスを有する増幅器を含んでもよい。
【００８６】
増幅器７０８の後段に、レーザ７００は、オプションで、パルスオンデマンドモジュール（ＰＯＤ）７１０を含む。ＰＯＤ７１０は第２のパルスピッカーであってもよい。ＰＯＤ７１０はオプションの出力制御装置１０８の一例である。ＰＯＤ７１０により、光ビームを高速にオン／オフし、増幅された制御パルス７０９を遮断することができ、また、レーザ７００から出力パルス７１３として送信されるより高エネルギーの出力パルス７１１のエネルギーレベルを完全に通過させるか、あるいは低減するように制御することができる。
【００８７】
コントローラ７１２は、増幅器の蓄積エネルギーを管理しながら、パルスピッカー７０６、ＰＯＤ７１０、トリガ２０を連携させる。コントローラ７１２は、シード発振器７０４を制御してもよく、増幅器７０８の１つ又は複数の段のための１つ又は複数のポンプを制御してもよい。
【００８８】
このように、本開示の実施形態は、シード発振器７０４の高い繰り返しレートを十分に活用することができる。シードパルス７０３のビームは、増幅器に入力パルス７０７を供給して高エネルギーの出力パルス７１３を生成することにも、低エネルギーの制御パルス７０５を供給して増幅器の蓄積エネルギーを要求に応じて、かつ、高い時間分解能で調節することにも使用される。一実施形態では、コントローラ７１２によって単一の音響光学変調器（acousto-optic modulator：ＡＯＭ）が駆動され、これは個々のシードパルスのエネルギーを調節する。この高度に動的な変調能力により、単一のＡＯＭを用いて、高エネルギーの入力パルス７０７及び低エネルギーの制御パルス７０５の両方を制御することができる。後者は、連続した高エネルギーの入力パルス７０７の間の時間間隔よりも短い、好ましくはずっと短い時間間隔を有する。制御パルス７０５の間隔は、ソリッドステート利得材料の状態寿命の上限（典型的には、１００マイクロ秒〜２０００マイクロ秒）よりも何桁も短い（例えば約１０ナノ秒〜１マイクロ秒）可能性があるので、制御パルス７０５のビームは、増幅器７０８からは実質的に連続波として見える。これにより、複数段の増幅器７０８の利得変化を完全に制御することができる。また、増幅器の利得材料のより遅い応答時間により、単一の高ＰＲＦのソース７０２を低パワー連続波（ｃｗ）ソースで置き換えて、高ＰＲＦかつ低エネルギーのパルスのビームの代わりに、低平均パワーｃｗビームを提供することができる。このような代替の実施形態は、高エネルギーの入力パルス７０７のための第２のソース又は第２のレーザを含む。
【００８９】
図７の例示的な実施形態に戻ると、制御パルス７０５は、増幅器７０８の現在の利得に整合する光パワーを有するので、コントローラ７１２は、増幅器の蓄積エネルギーを調節する完全な制御能力を有する。これにより、いかなる利得ダイナミクスも排除することができる。シード発振器の高い繰り返しレートに起因して、制御パルス７０５は、必要とされるときにすぐに、必要とされるパワーで、本質的には瞬間的に（増幅器７０８の応答時間よりも長い時間間隔で）利用可能となる。従って、本開示の実施形態では、
任意の継続時間にわたって、任意の蓄積エネルギーレベルで、増幅器７０８の蓄積エネルギー（ひいては増幅器７０８の利得）をほぼ瞬間的にフリーズさせることができる。これは、必要とされる長さにわたって、何であれ所望のエネルギーレベルで、増幅器の利得変化（増幅器の蓄積エネルギーの変化）を単に停止することによって、不規則なトリガを可能にする。
【００９０】
図７の例示的な実施形態では、低エネルギーの制御パルスは、それらのエネルギー及びそれらのタイミングを除いて、高エネルギーの入力パルスと同じ光学的特性を有することが好ましい。従って、いかなる複雑さも追加することなく、任意個数の段を含む複雑な増幅器チェーンを制御するために、制御パルスを使用可能である。各段は大きく異なっていることもあり、第１段は低エネルギーで１００００倍の利得を提供してもよく、第２段は高エネルギーで２倍の利得を提供してもよく、後者は（増幅器からは）高エネルギーの入力パルスと本質的に区別できないので、両者は同じ制御パルスによって安定化される。増幅器チェーンの全体は、目標レベルより低い動的平衡状態に常に保持されることが可能である。
【００９１】
制御パルスを増幅することは、トリガが存在しないときに増幅器の蓄積エネルギーが過剰に増大することを防ぐ。しかし、増幅された制御パルスを出力することは、一部の用途では望ましくない場合がある。一部の実施形態では、増幅された制御パルスは、レーザシステムから出力される前に減衰される可能性がある。ＰＯＤなどの出力制御装置が存在する場合、これは、増幅された制御パルスを除去するために容易に仕様可能である。もう１つの可能性は、ある種の非線形性に頼ることによって、より低い（おそらくはずっと低い）制御パルスエネルギーを利用することである。用途自体がこの非線形性を提供してもよい。超短レーザパルスを用いる微細機械加工では、例えば、低温アブレーションの処理はしきい値エネルギーを有し、増幅された制御パルスはこのしきい値未満であってもよい。波長変換されたレーザでは、非線形性は波長変換処理によって提供することができる。制御パルスの高いＰＲＦ、例えば、トリガされたより高エネルギーの出力パルスの最大ＰＲＦの１００倍の値を選択することによって、増幅された制御パルスエネルギーは、より高エネルギーの出力パルスのエネルギーの１００分の１となる。従って、増幅された制御パルスは、無視可能な効率でより高調波の波長に変換され、未変換の制御パルスは、波長フィルタリングを用いて、波長変換された出力パルスから容易に分離することができる。
【００９２】
図５に示すように、方法５００はトリガを受信することを含んでもよい。一部の実施例では、コントローラ１０９は外部トリガを受信してもよい。例えば、レーザシステムは、（例えば、ビームが作業面（例えば、作業面３３０））に対して移動されるときに出力パルスの物理的間隔を維持するために）トリガされたパルスが出力される時刻に基づきトリガを受信してもよい。一部の実施例では、レーザシステムは内部トリガを生成してもよい。例えば、レーザシステムが第１のＰＲＦでパルスを出力すると仮定する。さらに、レーザシステムが（例えば、第１のＰＲＦを変更させるユーザとの対話に基づいて、レーザシステムの入力に印加される電圧に基づいて、など）第２のより低いＰＲＦに変更するように決定すると仮定する。その場合、レーザシステムは第２のＰＲＦで内部トリガを生成してもよい。一部の実施例では、レーザシステムは、変化するＰＲＦで、特定の繰り返し周波数なしに（例えば、ランダムに、任意に、不規則に、など）、レーザを使用する用途に特有の命令に基づいて、レーザシステムに関連付けられるコンピュータプログラムなどに基づいて、内部トリガを生成してもよい。
【００９３】
一部の実施例では、コントローラ１０９は、増幅器の蓄積エネルギーが目標レベルまでポンピングされたことを時間量に基づき判定することができる。例えば、ポンプ１０７が増幅器１０６の蓄積エネルギーを特定レートでポンピングすることを仮定し、また、各低エネルギーの制御パルスが増幅器１０６の蓄積エネルギーを目標しきい値未満の特定の値まで低減させることを仮定する。その場合、コントローラ１０９は、最新の制御パルスが増幅された時間に基づき、蓄積エネルギーが目標しきい値を満たしたと判定するように構成されてもよい。例えば、制御パルスが増幅されてから、蓄積エネルギーが目標利得しきい値までポンピングされるまで特定の時間量が経過した場合、コントローラ１０９は、最新の制御パルスが増幅されてから特定の時間量が経過したと判定してもよい。追加として、又は代替として、コントローラ１０９は、蓄積エネルギーが目標しきい値までポンピングされたことをセンサに基づき判定してもよい。
【００９４】
タイミングジッタは、トリガを受信することと、より高エネルギーの出力パルスを出力することとの間における、最小時間遅延及び最大時間遅延の差を示してもよい。本開示に係るレーザシステムのタイミングジッタは、制御パルスに関連付けられる高ＰＲＦの逆数に等しくてもよい。最小時間遅延は、レーザシステムが制御パルスを要求する直前にトリガを受信する場合に発生することがある。最大時間遅延は、レーザシステムが制御パルスを要求した直後にトリガを受信する場合に発生することがある。レーザ１００は、低エネルギーの制御パルスでより高いＰＲＦ（同じ平均パワーの場合）を用いることによって、時間遅延を低減し、タイミングジッタを低減することができる。タイミングジッタを低減することで、微細機械加工処理の精度を向上させる可能性がある。可能な例としては、タイミングジッタ値は、約５ナノ秒〜約１００ナノ秒の間に設定されてもよく、あるいは異なる時間値の範囲内に設定されてもよい。
【００９５】
ここまで、任意のタイミングを有するトリガを発生するが一定エネルギー出力パルスを可能にするために、高分解能制御パルスを印加して増幅器の蓄積エネルギーを調節し、これにより、過渡光増幅器の利得をフリーズさせる例示的な実施形態を説明してきた。また、光学利得を制御する基本原理を用いて、パルスエネルギー変調を実施することもできる。すなわち、出力パルスエネルギーレベルを一定に維持する代わりに、本開示の実施形態は、ＰＯＤ又はパルスピッカーが実施できないことである、連続的な出力パルスを変調してより高いエネルギーレベルを有するように構成されてもよい。
【００９６】
一部の実施例では、レーザ１００は、レーザパルスの増幅を調節するために、異なるパラメータ集合を使用してもよい。例えば、レーザ１００は、第１のＰＲＦから第２のＰＲＦ（例えば、より高い出力エネルギー及びより低いＰＲＦに関連付けられる）又は第３のＰＲＦ（例えば、より低い出力エネルギー及びより高いＰＲＦに関連付けられる）などに変更してもよい。第１のＰＲＦ、第２のＰＲＦ、及び第３のＰＲＦはそれぞれ、各第１の時間区間及び各第２の時間区間に関連付けることができる。第１の時間区間は、高エネルギーの入力パルスを増幅するときと、低エネルギーの制御パルスの増幅を再開するときとの間で待機する時間量を定義してもよい。第２の時間区間は、トリガが受信されて上限に達した後の時間量であって、その後に高エネルギーの入力パルスを増幅する時間量を定義することができる。レーザ１００は、異なるＰＲＦに対応して第１の時間区間及び第２の時間区間を用いることによって、異なるＰＲＦ間で切り換えてもよい。例えば、第１のＰＲＦから第２のＰＲＦに切り換えるために、レーザ１００は、第１のＰＲＦに関連付けられる第１の時間区間及び第２の時間区間の使用を停止し、第２のＰＲＦに関連付けられる第１の時間区間及び第２の時間区間の使用を開始してもよい。
【００９７】
図８は、例示的な再生増幅器レーザシステム８００を示す。レーザシステム８００は、ソース８０９（例えば、シード発振器（seed oscillator：ＳＯ）８１０及びパルスピッカー（pulse picker：ＰＰ）８２０を備える）、１つ又は複数の増幅器８３０、１つ又は複数のポンプ源８４０、出力制御装置８５０、コントローラ８６０、ポッケルスセル（Pockels cell：ＰＣ）８７０、及び偏光素子８８０を含んでもよい。ソース８０９、シード発振器８１０、パルスピッカー８２０、ポンプ源８４０、出力制御装置８５０、コントローラ８６０については、上記図７と関連して、より詳細に説明している。増幅器８３０は、当該技術分野において周知の再生増幅器を備える。増幅器８３０は、２つのミラーＭ１及びＭ２の間で定義される共振キャビティ、利得媒質８３１、ポッケルスセル８７０、及び偏光素子８８０を含んでもよい。ポッケルスセル８７０は、光信号が偏光素子８８０によって共振キャビティの中へ、及び／又は、共振キャビティの外へ送られるかを制御してもよく、及び／又は、共振キャビティが遮断されるか否か（例えば閉又は開）を制御してもよい。ポッケルスセル８７０は、高エネルギーパルスを処理することができるナノ秒応答時間を有する他の電気光学スイッチ又は他のスイッチを含んでもよい。
【００９８】
マルチパス増幅器（例えば、ＭＯＰＡレーザシステム）では、増幅器を通るビーム経路の空間的構成によってパスの品質が定義されるので、ＭＯＰＡレーザシステムでは、増幅器を通るすべてのパルスが同じ個数のパスを生成する。再生レーザシステムでは、コントローラ８６０は、ポッケルスセル８７０を制御することによって、増幅器を通る異なる個数のパスを、パルス（例えば、高エネルギーの入力パルス及び低エネルギーの制御パルス）に生成させる。可能な一例として、低エネルギーの制御パルスは、トリガを待機する間、利得媒質を一往復のみ通過してもよい。一部の実施形態では、このような制御パルス毎に１回の往復は、増幅器の蓄積エネルギーを調節するために十分である可能性がある。他の実施形態では、再生増幅器の利得媒質を通過する複数のパスが必要とされてもよい。これは、例えば、キャビティ内の制御パルスの一部が、ソースからの他の制御パルスの一部が増幅器に入る間に漏出するように、制御パルスをポッケルスセル８７０に部分的に通過させることによって達成可能である。追加として、又は代替として、これは、例えば、制御パルスのエネルギーが蓄積エネルギーを所望の下限まで低減させるほど十分高くなるように、予め定義された品質の往復を行う間に制御パルスを捕捉することによって実現可能である。
【００９９】
図７及び図８に示す構成要素の個数及び構成は一例として示す。実際には、図７及び図８に示す構成要素に対して、追加の構成要素、より少ない個数の構成要素、異なる構成要素、又は異なって構成される構成要素を設けてもよい。例えば、レーザシステム８００は、１つ又は複数のファラデー回転子、１つ又は複数の波長板（例えば、パルスピッカー８２０と偏光素子８８０との間、ポッケルスセル８７０と偏光素子８８０との間、など）、出力制御装置８５０、１つ又は複数の追加の偏光素子８８０などを含んでもよい。
【０１００】
さらに、図７及び図８に示す２つ以上の構成要素は、単一の装置内に実装されてもよい。追加として、又は代替として、レーザシステム７００及び８００の１組の構成要素（例えば、１つ又は複数の構成要素）は、レーザシステム７００及び８００のもう１組の構成要素によって実行されるように説明した１つ又は複数の機能を実行してもよい。
【０１０１】
上記の開示は例示及び説明を提供するが、網羅的であること、あるいは、実施例を開示される通りの形態に限定することを意図していない。上記の開示に鑑みて複数の変更及び複数の変形が可能であり、あるいは、実施例を実施することで取得されてもよい。
【０１０２】
本明細書に記載するシステム及び／又は方法は、異なる形態のハードウェア、ファームウェア、又はハードウェアとソフトウェアの組み合わせで実現可能であることは明らかであろう。これらのシステム及び／又は方法を実現するのに使用される実際の特化した制御ハードウェア又はソフトウェアコードは、上記実施例に限定されない。よって、システム及び／又は方法の動作及び挙動は、本明細書では特定のソフトウェアコードを参照せずに記載した。ソフトウェア及びハードウェアは、本明細書の説明に基づきシステム及び／又は方法を実施するように設計可能であると理解される。
【０１０３】
特徴の具体的な組み合わせを特許請求の範囲に記載し、及び／又は、明細書に開示するが、これらの組み合わせは、可能な実施例の開示を限定することを意図していない。実際には、これらの特徴の多くは、特許請求の範囲に特に記載していない方法で、及び／又は、明細書に開示しない方法で、組み合わされてもよい。後述の各従属請求項は１つの請求項にのみ直接に従属する場合があるが、可能な実施例の開示は、特許請求の範囲における他のすべての請求項と組み合わされる各従属請求項も含む。
【０１０４】
本明細書で使用する構成要素、動作、又は命令は、特段明示しない限り、不可欠又は必須のものと解釈すべきではない。また、本明細書で使用されるとき、冠詞「ａ」及び「ａｎ」は１つ又は複数のアイテムを含むことを意図し、「１以上」と交換可能に使用される可能性がある。さらに、本明細書で使用されるとき、「組」という用語は１つ又は複数のアイテム（例えば、関連アイテム、未関連アイテム、関連アイテムと未関連アイテムの組み合わせ、など）を含むことを意図し、「１以上」と交換可能に使用される可能性がある。単独のアイテムが意図される場合、「１つ」又は同様の用語が使用される。また、本明細書で使用されるとき、「有する」、「有し」などの用語は、オープンエンドの用語であることを意図する。さらに、「基づき」という句は、特段明示しない限り、「少なくとも部分的に基づき」を意味することを意図する。
【図１】
2018056597.tif 000003
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
2018056597.tif 000009
【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
2018056597.tif 000011
【図７】
2018056597.tif 000012
【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年1月10日(2018.1.10)
【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】
コントローラを備える装置であって、
前記コントローラは、特定の周波数で増幅器にエネルギー制御パルスを要求することにより、前記増幅器の蓄積エネルギーを動的平衡状態に維持するように構成され、
前記装置において、
蓄積されたエネルギーが第１のレベルまで増加した後に、エネルギー制御パルスの第１のエネルギー制御パルスが要求され、
第１のエネルギー制御パルスは、蓄積されたエネルギーを第１のレベルよりも低い第２のレベルまで枯渇させ、
蓄積されたエネルギーが再び第１のレベルに増加した後に、エネルギー制御パルスの第２のエネルギー制御パルスが要求され、
第２のエネルギー制御パルスは、蓄積されたエネルギーを再び第２のレベルまで枯渇させる装置。
【請求項２】
前記コントローラは、トリガを受信することに基づいて、エネルギー制御パルスを前記増幅器に要求することを停止し、蓄積されたエネルギーが目標レベルに達すると、ソースにエネルギー入力パルスを前記増幅器に送るように要求するように構成される請求項１の装置。
【請求項３】
前記エネルギー入力パルスに関連するエネルギー量は、前記エネルギー制御パルスに関連するエネルギー量よりも多い請求項２の装置。
【請求項４】
前記蓄積されたエネルギーは、前記増幅器がエネルギー入力パルスを増幅した後に、前記第２のレベルよりも低い第３のレベルに枯渇される請求項２の装置。
【請求項５】
前記第１のレベルと前記第２のレベルとの間の差は、前記目標レベルと前記第３のレベルとの間の差の６０パーセント以下である請求項４の装置。
【請求項６】
前記装置は、蓄積されたエネルギーを増加させるポンプと、エネルギー制御パルス及びエネルギー入力パルスを前記増幅器に送るためのソースをさらに含む請求項１の装置。
【請求項７】
前記ソースは、エネルギー制御パルスを連続波低平均パワー制御ビームとして供給する連続波レーザと、エネルギー入力パルスを供給する第２のレーザとを含む請求項６の装置。
【請求項８】
前記コントローラは、予め定義された時間遅延に基づいて蓄積されたエネルギーをさらに維持する請求項１の装置。
【請求項９】
前記コントローラは、トリガが一連のパルスをバースト内に提供することを指示することを決定し、蓄積されたエネルギーが目標レベルに達すると、バースト内の一連のパルスとしてエネルギー入力パルスを要求するようにさらに構成される請求項１の装置。
【請求項１０】
前記コントローラは、前記コントローラがエネルギー制御パルスを要求しているときに、出力制御装置にパルスを遮断するように要求するようにさらに構成される請求項１の装置。
【請求項１１】
特定の周波数で増幅器にエネルギー制御パルスを要求することにより、前記増幅器の蓄積エネルギーを動的平衡状態に維持するステップを含む方法であって、
前記方法において、
蓄積されたエネルギーが第１のレベルまで増加した後に、エネルギー制御パルスの第１のエネルギー制御パルスが要求され、
第１のエネルギー制御パルスは、蓄積されたエネルギーを第１のレベルより低い第２のレベルまで枯渇させ、
蓄積されたエネルギーが再び第１のレベルに増加した後に、エネルギー制御パルスの第２のエネルギー制御パルスが要求され、
第２のエネルギー制御パルスは、蓄積されたエネルギーを再び第２のレベルまで枯渇させる方法。
【請求項１２】
前記方法は、トリガを受信することに基づいて、エネルギー制御パルスを前記増幅器に要求することを停止するステップと、蓄積されたエネルギーが目標レベルに達すると、ソースにエネルギー入力パルスを前記増幅器に送ることを要求するステップとをさらに含む請求項１１の方法。
【請求項１３】
前記エネルギー入力パルスに関連するエネルギー量は、前記エネルギー制御パルスに関連するエネルギー量よりも多い請求項１２の方法。
【請求項１４】
前記蓄積されたエネルギーは、前記増幅器がエネルギー入力パルスを増幅した後に、前記第２のレベルよりも低い第３のレベルに枯渇される請求項１２の方法。
【請求項１５】
前記第１のレベルと前記第２のレベルとの間の差は、前記目標レベルと前記第３のレベルとの間の差の６０パーセント以下である請求項１４の方法。
【請求項１６】
前記方法は、蓄積されたエネルギーを増加させるステップと、エネルギー制御パルス及びエネルギー入力パルスをソースから前記増幅器に送るステップとをさらに含む請求項１１の方法。
【請求項１７】
前記ソースは、エネルギー制御パルスを連続波低平均パワー制御ビームとして供給する連続波レーザと、エネルギー入力パルスを供給する第２のレーザとを含む請求項１６の方法。
【請求項１８】
前記蓄積されたエネルギーは、予め定義された時間遅延にさらに基づく請求項１１の方法。
【請求項１９】
前記方法は、トリガが一連のパルスをバースト内に提供することを指示することを決定するステップと、蓄積されたエネルギーが目標レベルに達すると、バースト内の一連のパルスとしてエネルギー入力パルスを要求するステップとをさらに含む請求項１１の方法。
【請求項２０】
前記方法は、エネルギー制御パルスを要求しているときに、出力制御装置にパルスを遮断するように要求するステップをさらに含む請求項１１の方法。
【外国語明細書】
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