(57)【要約】  ファイバ発振器と高電力ファイバ増幅器とを含むレーザシステムのモードロック動作を始動し、および維持するのに必要とされる条件を検出し、および制御する方法ならびに装置である。本発明を用いて、ファイバ発振器の出力電力および繰り返し周波数を監視し、および発振器の動作を制御して温度などの環境条件の変化にも拘らず、さらには構成要素の経年変化または劣化による変化があっても、発振器が正しいモードロック動作を獲得し、および維持するようにする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振器と増幅器とを含むファイバレーザシステム用の制御装置であって、
ポンプダイオード温度および電流もしくは電力と、ファイバレーザ発振器の出力電力および繰り返し周波数とを含むレーザパラメータを監視する検出要素と、
前記検出要素から入力を受け取り、前記監視されるパラメータを制御して、前記ファイバレーザ発振器のモードロック動作を開始し、および維持するコントローラと
を備えたことを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記繰り返し周波数を監視するフォトダイオードおよび増幅器を含み、前記コントローラは、前記繰り返し周波数が安定かどうかを決定するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記コントローラは、発振器温度の関数としての前記ポンプダイオード電流もしくは電力の初期値と、前記発振器電力の出力の基準値とをストアするパラメータメモリを含み、および前記ダイオード電流を初期値まで上昇させるように動作することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記コントローラが、前記繰り返し周波数が安定であることを決定し、モードロックを表示したとき、前記出力電力測定要素は、前記出力電力を決定し、および前記コントローラは、前記測定された出力電力が前記基準値より低い場合に、前記ポンプダイオードの電流を増加させることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
ポンプ電流の前記増加の量は、前記測定された出力電力と前記基準値との差の大きさに依存することを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記コントローラが、前記繰り返し周波数が安定であることを決定し、モードロックを表示したとき、前記出力電力測定要素は、前記出力電力を決定し、および前記コントローラは、前記測定された出力電力が前記基準値より高い場合に、前記ポンプダイオードの電流を減少させることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項７】
ポンプ電流の前記減少の量は、前記測定された出力電力と前記基準値との差の大きさに依存することを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記コントローラが、予め定めた時間の後に前記繰り返し周波数が安定でないことを決定したとき、前記コントローラは、ダイオード電流を０に設定し、および再較正手順を開始することを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項９】
前記再較正手順は、前記ダイオード電流を、前記コントローラによってストアされた低い閾値まで上昇させるステップと、前記繰り返し周波数が安定かどうかを決定するステップと、前記繰り返し周波数が安定でない場合に、安定な繰り返し周波数が達成されるまで、前記ダイオード電流を段階的に増加させ、および減少させるステップとを備えることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記再較正手順が安定な繰り返し周波数を達成するのに失敗した場合、前記コントローラは、前記ダイオード温度を段階的方法によって増加させ減少させるステップと、安定な繰り返し周波数が達成されるまで、前記再較正手順を再び開始するステップと、を含む手順を開始することを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
発振器と増幅器とを含むファイバレーザシステムを制御する方法であって、
ポンプダイオード温度および電流もしくは電力と、ファイバレーザ発振器の出力電力および繰り返し周波数とを含むレーザパラメータを監視するステップと、
前記監視されるパラメータを制御して、前記ファイバレーザ発振器のモードロック動作を開始し、および維持するステップと
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記繰り返し周波数と、前記繰り返し周波数の安定性とを監視するステップを備えることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
発振器温度の関数としての前記ポンプダイオード電流の初期値と、前記発振器電力出力の基準値とをストアするステップをさらに備え、前記制御するステップは、前記ダイオード電流を初期値まで上昇させるステップを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記繰り返し周波数が安定であることを決定し、モードロックを表示したとき、前記出力電力を測定し、および前記測定された出力電力が前記基準値より低い場合に、前記ポンプダイオードの電流を増加させることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
ポンプ電流の前記増加の量は、前記測定された出力電力と前記基準値との差の大きさに依存することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記繰り返し周波数が安定であることを決定し、モードロックを表示したとき、前記出力電力を測定し、および前記測定された出力電力が前記基準値より高い場合に、前記ポンプダイオードの電流を減少させることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
ポンプ電流の前記減少の量は、前記測定された出力電力と前記基準値との差の大きさに依存することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記コントローラが、予め定めた時間の後に前記繰り返し周波数が安定でないことを決定したとき、ダイオード電流を０に設定し、再較正手順を開始することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記再較正手順は、前記ダイオード電流を、前記コントローラによってストアされた低い閾値まで上昇させるステップと、前記繰り返し周波数が安定かどうかを決定するステップと、前記繰り返し周波数が安定でない場合に、安定な繰り返し周波数が達成されるまで、前記ダイオード電流を段階的に増加させ、および減少させるステップとを含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記再較正手順が安定な繰り返し周波数を達成するのに失敗した場合、前記ダイオード温度を段階的に増加させ、および減少させるステップと、安定な繰り返し周波数が達成されるまで、前記再較正手順を再び開始するステップとを含む手順を開始することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
ポンプダイオードを有するファイバ発振器を含むファイバレーザシステムにおいてモードロックを自動的に再確立する障害回復方法であって、
ダイオード電流を、正常な動作電流より小さい低閾値まで上昇させるステップと、
前記発振器の繰り返し周波数が安定かどうかを決定するステップと、
前記繰り返し周波数が安定でない場合、安定な繰り返し周波数が達成されるまで、前記ダイオード電流を段階的に増加させ、および減少させることによって再較正するステップと、
前記再較正が安定な繰り返し周波数を達成するのに失敗した場合、前記ダイオード温度を段階的に増加させ、および減少させるステップと、安定な繰り返し周波数が達成されるまで前記再較正手順を再び開始するステップとを含む手続きを開始するステップと
を備えることを特徴とする障害回復方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバ発振器シード源と高電力ファイバ増幅器もしくは固体増幅器とを備えるパルスレーザシステムおよび、このようなレーザシステムのモードロック動作を維持する制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
受動モードロックファイバ発振器と高電力ファイバ増幅器とを含むパルスレーザシステムが開発されており、よく知られている。このようなシステムにおいては、発振器光キャビティパラメータの設計に基づいて、発振器は一定のポンプダイオード電流または電力で始動され、動作するのが一般的である。これらの発振器キャビティパラメータは、温度または時間の経過とともに、ポンプダイオード結合効率のような構成要素パラメータの変動に伴なって変化し得る。これらの変化によって、始動時に発振器がモードロックされるのを阻止したり、または正常に始動した後に発振器のモードロックが失われることがあり得る。このような事象中に、レーザをオフにしてシステムの損傷を防止するために、制御システムが備えられている（例えば、特許文献１参照。特許文献１の譲受人は本出願と同一であり、参照により本明細書に組み込まれる）。
【０００３】
特許文献２においては、モードロックが失われたときにモードロックを再始動するための制御システムが説明されている（Ｈｏｒｖａｔｈらによる特許文献２を参照）。バルク光学部品キャビティ中の利得媒質がＮｄ：ガラスなどの固体レーザ用材料から構成される発振器において、モードロックを維持するために、操作者は、まず基本ポンプダイオード電流をあらかじめ定める。モードロックが失われると、電流は一定の割合だけ増加して、発振器をオーバドライブしてしまう。いったんモードロックが獲得されると、電流は基本電流値まで減少する。発振器のモードロック状態は周期的に監視され、モードロックが失われると、再び電流を一定のオーバドライブ値まで増加させて、モードロックを獲得する。
【０００４】
ファイバ発振器においては、特許文献２の方法は、利得ファイバの温度変化、ポンプダイオード結合効率、または可飽和吸収体反射率のような条件は、ポンプダイオード電流を増加させあるいは減少させることを要求するかもしれないという事実に起因して、モードロックを保証していない。これらの増加または減少の所要量は、必ずしも一定割合ではなく、経時的に、および環境条件にともなって変化する。したがって、一定の量だけ電流を増加させても、モードロック状態を再確立するの助けにはならないので、特許文献２において説明されているオーバドライブ回路は、あまり価値がない。特許文献２の方法は、キャビティ電力があまりに高すぎると、ダブルパルス化または損傷を引き起こすことがあるので、有害な場合もあり得る。同様に、一定の割合だけ電流を増加させても、モードロックを獲得するのに十分なポンプダイオード電流に到らないこともある。
【０００５】
したがって、ファイバレーザにおいては、発振器モードロックを監視するばかりでなく、繰り返し周波数および出力電力を測定することが必要とされる。ファイバ発振器においては、ポンプダイオード電流を調整して、発振器出力電力を一定に保つことが好ましい。必要とされる制御レベルは、モードロックファイバレーザの設計に依存する。例えば、特許文献３によれば、ある設計では＋／−１％の電流範囲の安定性を必要とし、別の設計では＋／−１０％の電流範囲を必要とする。また特許文献４によれば、＋／−７％の電流安定性を必要とする設計が説明されている。問題となるのは、小さな範囲の電流安定性だけではない。重要なのは、安定性範囲の上方または下方への長期ドリフトである。
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願第１０／８１３１７３号明細書
【特許文献２】米国特許第６６９３９２７号明細書
【特許文献３】米国特許第５６２７８４８号明細書
【特許文献４】米国特許第５６８９５１９号明細書
【特許文献５】米国特許第６２５２８９２  Ｂ１号明細書（図９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ファイバ発振器においては、ポンプダイオードの温度を制御し、および変化させて、ポンプダイオードの波長が利得ファイバによる吸収にとって最適波長にあるようにすることができることも望ましい。ポンプダイオードの温度を上昇させまたは下降させて、所望の波長を得ることができる。本発明は、ファイバ発振器のモードロックを獲得、および維持するのに必要とされる条件を検出し、および制御する手段ならびに方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の目的は、温度のような環境条件の変化、またはポンプダイオード結合効率のような構成要素パラメータの変化にわたって、ファイバ発振器のモードロックを獲得する方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の目的は、ファイバ発振器の出力電力および繰り返し周波数を測定して、ファイバ発振器が適切にモードロックしているかを決定するシステムを提供することにある。
【００１０】
さらに、本発明の目的は、発振器ポンプダイオードの電流を変化させて、適切なモードロック状態を獲得するメカニズムを提供することにある。
【００１１】
本発明の目的は、発振器ポンプダイオードの電流を適切に変化させて、発振器の出力電力が一定値に保たれ、その結果、適切なモードロック状態を維持するメカニズムを提供することにもある。
【００１２】
本発明のさらなる目的は、ファイバ発振器ポンプダイオードの温度を適切に測定し、および制御して、ポンプダイオード温度および波長が、ダイオード電流または周囲温度の変化にともない最適値に維持されるようにしたシステムを提供することにある。
【００１３】
本発明のさらなる目的は、所望のポンプダイオード電流の設定をモジュール温度の関数として適切にストアして、モジュール温度が変化したときに発振器がモードロックを獲得できるようしたデバイスを提供することにある。
【００１４】
本発明の目的は、これら電流値を不揮発性メモリにストアして、モードロックを獲得するために発振器ポンプダイオード電流および温度において必要とされる電流変化を計算し、およびデバイスパラメータの変化にともない発振器モードロックを獲得するためにこれらの電流値が使用され得るようにした装置を提供することにある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図２は、本発明の装置のブロック図を示している。本発明の装置は、発振器２０と、増幅器３０と、コントローラ１０とを含む。図１は、モードロックを獲得するために使用される方法のフローチャートを示している。
【００１６】
コントローラ１０は、発振器と増幅器の両方の様々なパラメータを制御および監視する能力を持っている。図２Ａに示されるように、発振器は、その動作パラメータを決定し、および制御するために使用され得る多数の監視および制御要素を含む。ここでは、発振器には、発振器繰り返し周波数監視デバイス２１と、出力電力モニタ２２と、ポンプダイオード電流および電力モニタおよびコントローラ２３と、ポンプダイオード温度モニタおよびコントローラ２４と、可飽和吸収体温度モニタおよびコントローラ２５とが含まれる。図２Ｂに示されるように、増幅器は、ポンプダイオード電流および電力モニタおよびコントローラ２６と、ポンプダイオード温度モニタおよびコントローラ２７と、増幅器繰り返し周波数モニタ２８と、増幅器電力モニタ２９とを含む同様の監視および制御要素を含む。加えて、発振器および増幅器の温度自体を検出するために、温度センサ（図示されず）を発振器および増幅器内に配置することができる。したがって、コントローラ１０は、これらの検出器および制御要素を使用して、レーザを監視および／または制御することができる。
【００１７】
発振器ポンプダイオードと増幅器ポンプダイオードの両方の電流および温度を、このようにして監視および制御することができる。可飽和吸収体の温度を監視し制御して広い温度範囲にわたってその可飽和吸収体の反射率を波長に対して一定に保って、約１０〜４０℃の範囲にわたって高い信頼性でレーザを動作させることができる。後述のように、発振器および増幅器の両方の温度、電力、ならびに繰り返し周波数が、監視される。
【００１８】
例えば、発振器が始動されたとき、ポンプダイオード電流は、あらかじめプログラムされた温度依存始動電流まで上昇し、およびコントローラは、発振器の繰り返し周波数を監視する。一実施形態では、これは、フォトダイオードおよび増幅器を使用して、光信号を電気的パルス列に変換することによって実行される。このパルス列の繰り返し周波数が、コントローラによって計算される。この周波数が安定で、公称発振器繰り返し周波数のようなあらかじめ設定された値に実質的に等しく、繰り返し周波数があらかじめ定められた量よりも小さく変動している場合、発振器は、モードロックしていると見なされる。発振器が公称値ではない繰り返し周波数を生じさせるような状態が存在する。例えば、発振器は、高いキャビティ内電力が原因でダブルパルスを発することがあり、あるいは、発振器がＱスイッチングする場合、繰り返し周波数は不均一になることがある。これらは望ましくない状態である。本発明は、これらの状態を検出して防止することができる。公称繰り返し周波数からの許容可能な変動量を調整して、キャビティ長変動の変化に起因する小さな変化を許容することができる。この許容可能な変動量は、コントローラ内にストアされて、実際の繰り返し周波数との比較を行なうことができる。
【００１９】
より具体的には、モードロックを獲得するためのアルゴリズムが、図１のフローチャートに詳しく示されている。特定の一実施形態では、発振器始動（ステップ５０）において、発振器ポンプダイオード用の初期開始電流が、コントローラのテーブル内にストアされる。この初期電流は、発振器温度の関数であり、システム統合中に決定され、そしてコントローラメモリ内にストアされる。発振器の温度は始動時に測定され、初期発振器ポンプダイオード電流は、ステップ６０において、あらかじめ設定された温度依存値まで上昇させることによって、これに応じて設定される。ついで、コントローラは、ステップ６５において、約３０秒間にわたって数回、発振器の繰り返し周波数を測定して、ステップ７０において、繰り返し周波数が安定で、所定の範囲内にあるかどうかを決定する。これは、ファイバ発振器における始動の最初の数１００マイクロ秒の間に生じる通常のＱスイッチングからの誤った警報を回避するために実行される（例えば、Ｊｉａｎｇらによる特許文献５の図９を参照）。周波数が安定であり、かつ範囲内にある場合、短い待機時間（ステップ８０）の後、発振器の出力電力が、ステップ８２、ステップ８４において測定される。この電力は所定の基準値と比較され、電力が基準値より低い場合、発振器ポンプ電流は、ステップ８４において増加され、電力が基準値より高い場合、ステップ９０において減少させられる。増加または減少の量は可変であり、および実際の電力と基準電力との差の関数である。これにより、発振器電力が速やかに基準値に収束することを可能にする。
【００２０】
レーザ電力が基準電力レベルに達すると、通常の発振器始動が生じ、そしてコントローラは増幅器を始動させる。
【００２１】
ポンプ電流調整の上限および下限も、あらかじめ設定される。これらの値は、システムへの損傷を防止するように設定される。ステップ８６、ステップ９２およびステップ９６に示されるように、発振器出力が基準電力値に収束することなしに、電流が下限または上限に達した場合、レーザは停止され、および障害がユーザに表示される。
【００２２】
引き続き図１を参照するに、発振器用の初期ポンプダイオード電流を設定する際に、コントローラが安定周波数を検出できなかった場合には、ステップ７２において、ポンプダイオード電流は０に設定され、および、図３に示される再較正手順「再較正開始」ステップ１００が開始される。再較正プロセスが起こっていることをユーザに表示するメッセージが表示される。ついでコントローラは、ステップ１２０において、発振器ポンプダイオード電流をあらかじめ設定された低い値まで上昇させて、再較正手続きを開始する。ステップ１２５において、実際の周波数を表すコントローラ内にストアされた変数はリセットされ、短い遅延時間（ステップ１３０）の後、安定周波数が達成されたかどうかを見るために、発振器周波数のチェックが実行される。達成された場合、図３で説明されるように、ステップ１５２において、現在の温度に対する電流値がストアされ、およびステップ１５４において、（他の温度についての）他の始動電流値が再較正され、そして再びストアされる。短い待機時間（ステップ１５６）の後、ステップ１５８において、新しい基準電力値が決定され、および設定される。
【００２３】
安定周波数が達成されなかった場合、ステップ１６０において、電流が離散的に増加され、一実施形態では、安定周波数が達成されるまで、そのステップサイズは１０ミリアンペアである。システムへの損傷を防止するために、ステップ１４０において、発振器ポンプダイオード電流の上限が再び設定される（電流増加の過程において、プロセッサ障害に対する保護策として、リセットステップ１４１を挿入してもよい）。この上限は調整可能であり、特定の一実施形態では、上限はあらかじめ設定された初期再較正電流設定より大きい２００ミリアンペアに設定される。安定周波数が達成されることなしに、電流限界に達した場合、フローチャートに「始動失敗」手順ステップ２４０によって示されるように、別の調整手順が開始される。
【００２４】
図４に示される「始動失敗」手順において、発振器ポンプダイオードの温度が調整される。特定の一実施形態では、これは、ポンプダイオード温度を制御する熱電冷却器（ＴＥＣ）の設定点を変化させることによって実行される。これは、ポンプダイオード波長を、発振器をモードロックさせるのにより適した波長に変化させるために実行される。特定の一実施形態では、発振器ポンプダイオード温度は０．５℃の増分で調整され、および発振器ポンプダイオード電流を変化させ、および発振器周波数をチェックする、再較正手順「再較正開始」が再び実行される。調整の回数および調整毎の刻みサイズは、プログラム可能である。特定の一実施形態では、ステップ２５０、ステップ２７０によって示されるように、温度は、１刻み当たり０．５℃で６段階をかけて引き下げられ、および各段階において、再較正手順が再び実行される（ステップ２９０、ステップ１００および図３）。正常な始動または再始動が獲得されなかった場合、ステップ２６０、ステップ２８０によって示されるように、同様の方法によって、温度は、１刻み当たり０．５℃で６段階をかけて初期値から引き上げられる。発振器ポンプダイオードの温度を調整した後に安定周波数が獲得できなかった場合、ステップ３００において、障害が表示され、そしてレーザ動作は停止される。
【００２５】
図４の手順を使用して正常な始動が得られた場合、「新しい値のストア」手順（図３）は、「再較正開始」と「始動失敗」の両手順で得られた情報を使用して、発振器ポンプダイオード用の新たな始動電流およびポンプダイオード温度を確立する。元の発振器ポンプダイオード電流と新たな発振器ポンプダイオード電流との差が計算され、およびこのオフセットが、温度の関数としてコントローラの不揮発性メモリ内にストアされている発振器ポンプダイオード電流の値に各々に加えられる。加えて、発振器ポンプダイオード熱電冷却器用の新たに設定された温度も、このステップにおいて、コントローラの不揮発性メモリ内にストアされる。
【００２６】
本発明は、増幅器の動作に対する同様の制御および発振器波長の調整を行なって、この発振器波長と経時的におよび温度にともない変化し得る増幅器利得媒質の吸収プロフィールとの最適マッチングを維持することもできる。このような増幅器制御およびフィードバックの詳細は、先に言及した文献（例えば、特許文献１を参照。同文献は譲受人が本出願と同一であり、参照により本明細書に組み込まれる）において説明されている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】ファイバ発振器についてのモードロックプロセスのフローチャートである。
【図２】本発明を示すブロック図である。
【図２Ａ】図２に示す発振器の制御要素を示す図である。
【図２Ｂ】図２に示す増幅器の制御要素を示す図である。
【図３】再較正手順と、再較正およびモードロック調査から導き出されたオフセット値の使用ならびにストアを説明する図である。
【図４】モードロック調査アルゴリズムの一部としてのダイオード温度調整手順を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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