(57)【要約】光学素子を特徴付けるための方法および装置において、光学素子はレーザーの一部分であり、キャビティ内レーザービームを横切る光学素子を走査するように移動ステージに取り付けられている。レーザーの性能特性は、光学素子の位置の関数として記録される。
2021523562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学特徴付け装置であって、
レーザービームを生成するように構成されたレーザーを備え、
前記レーザーは、
第１のミラーと、
第２のミラーを第１の方向および第２の方向に移動させるように構成された二次元移動ステージに取り付けられた前記第２のミラーであって、前記第１の方向および第２の方向は、前記第２のミラーの位置においてレーザービームの伝搬方向によって規定される第３の方向に実質的に垂直であり、前記第１のミラーおよび第２のミラーは、前記レーザーのレーザーキャビティを規定する、前記第２のミラーと、を含む、光学特徴付け装置。
【請求項２】
前記第１のミラーは、前記レーザーキャビティから前記レーザービームの少なくとも一部分を放出するように構成された出力カプラである、請求項１に記載の光学特徴付け装置。
【請求項３】
前記レーザーは、前記レーザーキャビティをさらに規定する複数のキャビティ内ミラーをさらに含む、請求項１または２に記載の光学特徴付け装置。
【請求項４】
前記複数のキャビティ内ミラーの第１のキャビティ内ミラーは、第２の偏光タイプの光よりも良好に第１の偏光タイプの光を反射するように構成され、前記複数のキャビティ内ミラーの他のキャビティ内ミラーは、前記第１の偏光タイプの光よりも良好に前記第２の偏光タイプの光を反射するように構成される、請求項３に記載の光学特徴付け装置。
【請求項５】
前記レーザービームは、前記第１のミラーと前記第１のキャビティ内ミラーとの間の第１の平面内を伝搬し、
前記レーザービームは、前記第１の平面内ではない第３の方向に伝搬する、請求項４に記載の光学特徴付け装置。
【請求項６】
前記レーザービームの少なくとも１つの特性を測定するように構成された光学検出システムをさらに備える請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学特徴付け装置。
【請求項７】
前記光学検出システムは、パワーメーターを備える、請求項６に記載の光学特徴付け装置。
【請求項８】
前記光学検出システムは、第１のフォトダイオードを備える、請求項６または７に記載の光学特徴付け装置。
【請求項９】
前記光学検出システムは、パルス特徴付け検出器を含む、請求項６〜８のいずれか一項に記載の光学特徴付け装置。
【請求項１０】
前記パルス特徴付け検出器は、自己相関器を含む、請求項９に記載の光学特徴付け装置。
【請求項１１】
前記レーザービームが前記第２のミラーの少なくとも選択された部分に入射するように、二次元移動ステージを使用して前記第２のミラーを移動させるように構成されたコントローラをさらに備える請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光学特徴付け装置。
【請求項１２】
前記コントローラは、前記第２のミラーの複数の部分の各々について少なくとも１つの検出器から測定結果を受信するようにさらに構成される、請求項１１に記載の光学特徴付け装置。
【請求項１３】
前記測定結果は、高速フォトダイオード信号、時間的パルス幅、および光パワー測定値のうちの１つまたは複数である、請求項１２に記載の光学特徴付け装置。
【請求項１４】
前記コントローラは、モードロック電流閾値を決定するようにさらに構成される、請求項１２または１３に記載の光学特徴付け装置。
【請求項１５】
前記コントローラは、高速フォトダイオード信号に基づいてモードロック電流閾値を決定するようにさらに構成される、請求項１４に記載の光学特徴付け装置。
【請求項１６】
前記コントローラは、二分探索を使用してモードロック電流閾値を決定するように構成される、請求項１４または１５に記載の光学特徴付け装置。
【請求項１７】
前記コントローラは、前記光学特徴付け装置の損傷閾値を決定するように構成される、請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の光学特徴付け装置。
【請求項１８】
前記コントローラは、光パワー測定値に基づいて損傷閾値を決定するように構成される、請求項１７に記載の光学特徴付け装置。
【請求項１９】
前記コントローラは、前記光学特徴付け装置の寿命を決定するように構成される、請求項１２〜１８のいずれか一項に記載の光学特徴付け装置。
【請求項２０】
前記コントローラは、光パワー測定値に基づいて前記寿命を決定するように構成される、請求項１９に記載の光学特徴付け装置。
【請求項２１】
前記コントローラは、前記第２のミラーの１つまたは複数の特性の２次元マップを作成するようにさらに構成される、請求項１２〜２０のいずれか一項に記載の光学特徴付け装置。
【請求項２２】
ベースプレートを含むハウジングをさらに備え、
前記第１のミラーは、前記ハウジング内のベースプレートに取り付けられ、
前記第２のミラーは、前記ハウジングの外側に配置されている、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の光学特徴付け装置。
【請求項２３】
前記第２のミラーは、可飽和吸収体ミラー（ＳＡＭ）である、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の光学特徴付け装置。
【請求項２４】
前記レーザービームの経路において前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に配置された利得媒体をさらに備える請求項１〜２３のいずれか一項に記載の光学特徴付け装置。
【請求項２５】
前記第２のミラーは、前記レーザーキャビティのエンドミラーである、請求項１〜２４のいずれか一項に記載の光学特徴付け装置。
【請求項２６】
光学特徴付け装置であって、
ビーム軸を有するキャビティ内レーザービームを生成するように構成されたレーザーと、
光学素子が前記キャビティ内レーザービームを受け取るように前記光学素子を保持するように設けられた位置決めマウントであって、前記光学素子を前記ビーム軸を実質的に横切って動かすことができる前記位置決めマウントと、を備える光学特徴付け装置。
【請求項２７】
前記キャビティ内レーザービームは、前記光学素子の非線形特性を探査する、請求項２６に記載の光学特徴付け装置。
【請求項２８】
前記キャビティ内レーザービームは、光学顕微鏡では実質的に視認できない前記光学素子の光学特性を探査する、請求項２６または２７に記載の光学特徴付け装置。
【請求項２９】
前記光学素子は、前記レーザーのレーザーキャビティを規定する、請求項２６〜２８のいずれか一項に記載の光学特徴付け装置。
【請求項３０】
前記光学素子は、前記レーザーのエンドミラーである、請求項２６〜２９のいずれか一項に記載の光学特徴付け装置。
【請求項３１】
前記光学素子は、可飽和吸収体である、請求項２６〜２９のいずれか一項に記載の光学特徴付け装置。
【請求項３２】
光学素子を特徴付ける方法であって、
レーザーのキャビティ内ビームを実質的に横切る光学素子を走査すること、
走査された光学素子の位置の関数として前記レーザーの性能特性を記録すること、を備える方法。
【請求項３３】
前記性能特性の複数の値を前記光学素子上の複数の位置にマッピングする表示情報を提供することをさらに備える請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記性能特性は、前記光学素子の光学的に非線形な特性に関連付けられている、請求項３２または３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記性能特性は、光学顕微鏡では実質的に視認できない前記光学素子の光学特性に関連付けられている、請求項３２〜３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
前記光学素子は、前記レーザーのレーザーキャビティを規定する、請求項３２〜３５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３７】
前記光学素子は、前記レーザーのエンドミラーである、請求項３２〜３６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３８】
前記光学素子は、可飽和吸収体である、請求項３２〜３７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３９】
前記性能特性は、前記レーザーの光パワーを含む、請求項３２〜３８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４０】
前記性能特性は、前記レーザーの時間的パルス幅を含む、請求項３２〜３９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４１】
前記性能特性は、モードロックポンプ閾値を含む、請求項３２〜４０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４２】
二分探索を使用してモードロックポンプ閾値を決定することを備える請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記二分探索を使用してモードロックポンプ閾値を決定することは、
ポンプ電流範囲を規定すること、
前記ポンプ電流範囲の中間点に実質的に等しい電流を使用して前記レーザーをポンピングすること、をさらに含む、請求項４２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、「３５ ＵＳＣ １１９（ｅ）」の下で、２０１８年５月３日に出願された「光学素子の特徴付け」と題する米国特許出願番号６２／６６６，６７７号に基づく優先権を主張する。
【０００２】
本出願は、光学素子を特徴付ける装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ミラー、（限定されないが）光学的非線形結晶、可飽和吸収体、非線形自己集束光学素子、およびビーム成形部品などの光学素子は、さまざまな用途で使用されている。レーザーが期待通りに動作することを保証するために非常に特殊な特性を必要とする、光学素子を使用してレーザーを形成する等の特定の用途がある。
【０００４】
例として、可飽和吸収体ミラー（saturable absorber mirror : SAM）をレーザーキャビティのエンドミラーとして使用され得る。ＳＡＭにより、レーザーは受動的にモードロックされ、超短レーザーパルスを生成する。超短光パルス（すなわち、約１００ピコ秒未満の光パルス）は、研究開発のさまざまな分野だけでなく、時間領域分析を含む商用用途でも有用である。例えば、超短光パルスは、時間領域分光法、光学的距離測定、時間領域イメージング（time-domain imaging : TDI）、光コヒーレンストモグラフィー（optical coherence tomography : OCT）、蛍光寿命イメージング（fluorescent lifetime imaging : FLI）、および遺伝子配列決定のための寿命分解蛍光検出に有用であり得る。超短パルスはまた、光通信システム、医療用途、および光電子デバイスの試験を含む商用用途にも有用であり得る。
【０００５】
上述の用途は、典型的には、超短光パルスが所与の用途において有効であるための特定の要件を有する。例えば、（時間的パルス幅または単に「パルス幅」とも呼ばれる）パルス持続時間は、幾つかの用途によっては閾値レベル未満であるべきであり、光パワーは、幾つかの用途によっては閾値レベルよりも大きくなければならない。レーザーのパルス幅および光パワーは、主にＳＡＭの特性に基づいている。したがって、ＳＡＭは、特定の用途において有用な十分な大きさの光パワーを有する十分に短いパルスを生成することができなければならない。
【０００６】
さらに、レーザーを製造するとき、ＳＡＭは、Ｑスイッチング等の望ましくないレーザー挙動を伴わずに、指定されたポンプパワーおよびモードロックにおいてまたは超えないでレーザーをモードロックさせるように選択されるべきである。ミラー及び／又はＳＡＭは、寿命を示す特性及びレーザーの動作パワーよりも高い損傷閾値も示すべきである。
【発明の概要】
【０００７】
本明細書において記載される技術は、光学素子を特徴付ける装置および方法に関する。
本出願の一態様によれば、光学特徴付け装置が提供される。光学特徴付け装置は、レーザービームを生成するように構成されたレーザーを含む。レーザーは、第１のミラーおよび第２のミラーを含む。第２のミラーは、第２のミラーを第１の方向及び第２の方向に移動させるように構成された二次元移動ステージに取り付けられ、第１の方向及び第２の方向は、第２のミラーの位置においてレーザービームの伝搬方向によって規定される第３の方向に垂直である。第１のミラーおよび第２のミラーは、レーザーのレーザーキャビティを規定する。
【０００８】
本出願の一態様によれば、光学特徴付け装置が提供される。光学特徴付け装置は、ビーム軸を有するキャビティ内レーザービームを生成するように構成されたレーザーを含む。光学特徴付け装置はまた、光学素子がキャビティ内レーザービームを受け取るように光学素子を保持するように設けられ且つ光学素子を軸を横切って移動させることができる位置決めマウントを含む。
【０００９】
本出願の一態様によれば、光学素子を特徴付ける方法が提供される。方法は、ビーム軸を有するキャビティ内レーザービームを横切る光学素子を走査すること、走査された光学素子の位置の関数としてレーザーの性能特性を記録すること、を含む。
【００１０】
本教示の上記の及び他の態様、実施態様、動作、機能、特徴及び実施形態は、添付の図面とともに以下の説明からより十分に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
当業者であれば、本明細書において記載されている図面は例示目的のみであることを理解するであろう。いくつかの事例において、本実施形態の様々な態様は、本実施形態の理解を容易にするために、誇張又は拡大されて示されている場合があることを理解されたい。図面において、同様の参照符号は、概して様々な図面全体を通じて同様の特徴、機能的に類似する及び／又は構造的に類似する要素を参照する。図面は、必ずしも原寸に比例してはおらず、むしろ、本教示の原理を例示しているところが強調されている。図面は、決して本教示の範囲を限定するようには意図されていない。
【図１】図１は、いくつかの実施形態による、光学特徴付け装置のブロック図である。
【図２】図２は、いくつかの実施形態による、一連のパルスを示す。
【図３】図３は、いくつかの実施形態による、光学検出システムの概略図である。
【図４】図４は、いくつかの実施形態による、パルスレーザーの概略図である。
【図５】図５は、いくつかの実施形態による、光学特徴付け装置の一部分を示す。
【図６】図６は、いくつかの実施形態による、光学特徴付け装置のエンドミラーマウントを示す。
【図７】図７は、いくつかの実施形態による、光学特徴付け装置を確立するためのパルスレーザーを修正する方法を示す。
【図８】図８は、いくつかの実施形態による、パルス半導体レーザーを示す。
【図９】図９は、いくつかの実施形態による、パルスファイバレーザーを示す。
【図１０】図１０は、いくつかの実施形態による、光学素子を特徴付ける方法のフローチャートである。
【図１１】図１１は、いくつかの実施形態による、モードロックポンプ閾値を決定する方法のフローチャートである。
【図１２】図１２は、いくつかの実施形態による、コンピューティングデバイスである。
【図１３Ａ−Ｃ】図１３Ａは、いくつかの実施形態による、例示的なパワーマップであり、図１３Ｂは、いくつかの実施形態による、例示的なパルス幅データであり、図１３Ｃは、いくつかの実施形態による、例示的なパルス幅マップである。
【図１４Ａ−Ｆ】図１４Ａは、いくつかの実施形態による、例示的なパワーであり、図１４Ｂは、いくつかの実施形態による、例示的なレーザー発振形態マップであり、図１４Ｃは、いくつかの実施形態による、例示的なパルス幅マップであり、図１４Ｄは、いくつかの実施形態による、例示的なパワーマップであり、図１４Ｅは、いくつかの実施形態による、例示的なレーザー発振形態マップであり、図１４Ｆは、いくつかの実施形態による、例示的なパルス幅マップである。
【図１５Ａ−Ｂ】図１５Ａは、いくつかの実施形態による、例示的なレーザー発振形態マップであり、図１５Ｂは、図１５Ａのレーザー発振形態マップと比較するための光学顕微鏡画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本出願の特徴及び利点は、図面とともに取り上げられるときに下記に記載される詳細な説明からより明らかとなろう。図面を参照して実施形態を説明するとき、方向に関する参照（「上（above）」、「下（below）」、「上部（top）」、「下部（bottom）」、「左（left）」、「右（right）」、「水平（horizontal）」、「垂直（vertical）」など）が使用される場合がある。そのような参照は、読者が図面を通常の向きで見るのを補助するものとしてのみ意図している。これらの方向に関する記載は、具現化されるデバイスの特徴の好適な向き又は唯一の向きを説明することを意図していない。デバイスは、他の向きを使用して具現化されてもよい。
【００１３】
導入
本発明者らは、光学素子を特徴付ける従来の技術は、特定用途のレーザーシステムを構築するために重要な特性を十分に測定していないこと認識し、諒解している。例えば、ミラーおよび可飽和吸収体、例えば可飽和吸収体ミラー（saturable absorber mirror : SAM）は、従来、顕微鏡を用いた目視観察および／または外部レーザーシステムによる探査（probing）によって特徴付けられる。このような技術は光学素子の特定の特性を測定することができるが、光学素子を特徴付ける従来の技術は、光学素子を使用するレーザーの性能に間接的に関連する特性を測定し、特定の特性を有するレーザーシステムを構築するための重要な特性を直接的に測定していない。したがって、本発明者らは、従来の技術を使用して測定することができない光学素子に関する情報を提供する光学特徴付け技術を考案した。
【００１４】
限定ではなく例として、ＳＡＭは、光の超短パルスを生成するレーザーキャビティのエンドミラー（end mirror）として使用され得る。従来、ＳＡＭは、顕微鏡下でＳＡＭを視覚的に検査すること、および／または別個のレーザーシステムを使用してＳＡＭを探査することによって特徴付けられる。例えば、不飽和状態でのＳＡＭの反射率および／または吸収は、レーザービームのリフレクトメトリー（reflectometry）を使用して測定され得る。さらに、ＳＡＭの緩和時間（relaxation time）、例えば、ＳＡＭ内の光電子が伝導帯から価電子帯に緩和するのにかかる時間は、従来、パルスレーザーシステムを使用するポンププローブ技術を用いて測定され得る。本発明者らは、目視検査、反射率および緩和時間は、定量化するためのＳＡＭの有用な特性であり得るが、これらの測定が特定の条件および／または基準を満たすことを確実にすることは、レーザーシステムにおいてＳＡＭを使用することが期待される性能基準を満たすことを決定するのに十分ではないことを認識し、諒解した。例えば、従来の技術は、ＳＡＭの表面品質にいくらかのガイダンスを提供するが、ＳＡＭを使用するレーザーのモードロックおよび出力性能についての直接的な情報を提供しない。
【００１５】
本発明者らは、ＳＡＭをレーザーシステムに含め、そのレーザーシステムの特性を測定することにより、その特定のＳＡＭを組み込んだレーザーの性能に関する直接的な情報が得られることを認識し、諒解した。特に、モードロック（mode-locking）性能（繰り返し率、ポンプ閾値、品質（例えば、Ｑスイッチがない）およびレーザーの光パワーが直接的に測定されることができる。ＳＡＭの欠陥は、パワーの損失またはモードロック性能の不良によって証明され、レーザーシステムの製造者は、レーザーシステムの所望の性能基準を満たす高品質のＳＡＭを選択することができる。
【００１６】
本発明者らはさらに、レーザーシステムに光学素子を含む光学特徴付け技術が、ＳＡＭ以外の光学素子の特徴付けに有用であることを認識し、諒解した。例えば、ミラーは、適切な出力レーザーパワーおよびモードロック性能を保証するために、そのようなシステムを使用して特徴付けられ得る。離れた別個のレーザーシステムの出力を用いて光学素子を探査することによって光学コンポーネントの特徴を測定する従来のアプローチとは対照的に、レーザーキャビティ内に特徴付けられる光学素子を含めることによって、従来の技術を用いては不可能な追加の感度（sensitivity）を提供し得る。この追加の感度は、レーザーシステムの出力レーザービーム特性が、レーザーシステムの構成コンポーネントの品質および特性に従ったものであるという事実に起因する。感度の向上は、部分的には、レーザーキャビティ内でコヒーレントな光のビームを生成することに固有の光フィードバックに起因し得る。ミラーを特徴付けることに加えて、非線形光学素子はレーザーキャビティ内で特徴付けられることができ、キャビティ内レーザービームを使用することによって、非線形光学素子の性能に関する追加の情報を提供することができ、この情報は、従来の技術を使用しては得られないばかりか、感度を高めることができる。
【００１７】
さらに、本発明者らは、ＳＡＭなどの複数の光学素子が必ずしもそれらの表面全体で統一されているとは限らないことを認識し、諒解した。ＳＡＭには、レーザー出力の損失、モードロック性能の低下、または致命的な障害の原因となる可能性のある複数の欠陥が存在する。したがって、いくつかの実施形態は、ＳＡＭ、または特徴付けられる他の光学素子を、レーザーキャビティの入射レーザービームに垂直な平面内でＳＡＭを移動させるように構成された二次元移動ステージ上に取り付ける。二次元移動ステージを使用することにより、レーザービームの照射スポットがＳＡＭの一部または全体にわたってラスター化（rastered）され得る。したがって、ＳＡＭの２次元マップが作成されて、ＳＡＭのどの部分がレーザーシステムの性能に影響を与える欠陥を有するかを示すことができる。いくつかの例では、使用できない１つまたは複数の大きな領域を有するＳＡＭは、廃棄されるか、またはレーザーシステムの製造に含めない。ＳＡＭの使用できない領域が小さいか、またはＳＡＭの一部に局所化されている場合には、レーザービームの照射スポットが（例えば、レーザーシステムは、ＳＡＭの識別された部分を使用するときに、必要なパワーおよびモードロック能力を示す）ＳＡＭの使用可能と考えられる領域に入射するようにＳＡＭが位置決めされて配置されている限り、ＳＡＭはレーザーシステムに含められることができる。
【００１８】
本発明者らはまた、光学素子特徴付け装置において、複数の光学素子を効率的に特徴付けるように、光学素子を容易に取り除いて別の光学素子と置き換えることが有用であり得ることを認識し、諒解した。したがって、光学素子をレーザーシステムのハウジング内に配置するのではなく、光学素子をレーザーハウジングの外側に配置する。いくつかの実施形態では、光学素子は、レーザーシステムの平面に対して垂直に配向され得る。例えば、レーザーシステムのレーザーキャビティは、特徴付けられる光学素子にレーザービームが入射するように、レーザーキャビティを規定する光学系に垂直な方向にハウジングからレーザービームを反射するミラーを含み得る。特徴付けられる光学素子をレーザーハウジングの外側に配置することは、二次元移動ステージをハウジングに適合させる必要がなく、移動ステージの移動範囲がハウジングによって制限されないという追加の利点を有し得る。光学素子および移動ステージをハウジングに適合させる必要があるという制約を取り除くことにより、そうでなければ可能であるより大きな光学素子を特徴付けることが可能である。例えば、任意のサイズのＳＡＭウェーハ（wafer）全体（例えば、直径１、２、３、４、または５インチのウェーハ）は、ウェーハを個々の構成コンポーネントにダイシングする前に特徴付けられる。ダイシングの前にウェーハを特徴付けることによって、ＳＡＭウェーハの低品質部分を廃棄することができ、完成したレーザーシステムでは最終的に使用できない個々の構成コンポーネントの製造に従来費やされていた時間および労力を節約し得る。
【００１９】
複数の光学素子を特徴付ける技術および複数の光学素子を特徴付ける装置の様々な例示的な例を以下に説明する。しかしながら、実施形態は、以下の実施例のいずれかに従って動作することに限定されず、他の実施形態が可能であることを理解されたい。
【００２０】
図１は、いくつかの実施形態における超短パルスレーザー１１０、光学検出システム１４０、二次元移動ステージ１４５、およびコントローラ１５０を含む例示的な光学特徴付け装置１００を示す。超短パルスレーザー１１０は、（いくつかの実施形態において固体材料であり得る）利得媒体１０５と、利得媒体を励起するポンプ源（pump source）（図示せず）と、光レーザーキャビティの端部を画定する少なくとも２つのキャビティエンドミラー（cavity end mirror）１０２，１０４と、を含む。いくつかの実施形態では、ビーム成形、波長選択、および／またはパルス形成の目的で、レーザーキャビティ内に１つまたは複数の追加の光学素子が存在し得る。動作中、パルスレーザー１１０は、キャビティのエンドミラー１０２、１０４の間、および利得媒体１０５を通ってレーザーキャビティ内を前後に伝搬する超短光パルス１２０を生成し得る。複数のキャビティミラー１０４の１つは、一連の光パルス１２２がパルスレーザー１１０から放出されるように、循環しているパルスの一部を部分的に伝達し得る。いくつかの実施形態では、エンドミラー１０２は、パルスレーザー１１０が受動的にモードロックすることを可能にするＳＡＭであり得る。放出されたパルスは、（破線で示される）ビームウェスト（beam waist）ｗによって特徴付けられるビームを形成し得る。
【００２１】
いくつかの実施形態では、パルスレーザー１１０は、パルス波長の少なくとも一部を周波数倍増によってより短い波長に、またはパラメトリック増幅（parametric amplification）によってより長い波長に変換する非線形結晶等の非線形光学素子（図示せず）を含み得る。そのような周波数変換が生じる場合、パルスレーザー１１０は、第１の波長の光を含む第１のビームと、第２の波長の光を含む第２のビームと、を含み得る。例えば、利得媒体１０５は、１０６４ｎｍでレーザー発振して、１０６４ｎｍでパルスを生成し得る。１０６４ｎｍのパルスは、ＫＴＰまたはＢＢＯ等の非線形結晶を使用して、第二高調波発生（second harmonic generation : SHG）によって５３２ｎｍのパルスに変換され得る。したがって、ビーム１２２は、１０６４ｎｍのパルスと５３２ｎｍのパルスとの両方を含み得る。
【００２２】
放出されたパルス１２２の測定された時間的強度プロファイルは、図２に示されるように現れる。いくつかの実施形態では、放出された複数のパルスのピーク強度値はほぼ等しく、プロファイルはガウス時間プロファイルを有し得るが、ｓｅｃｈ２プロファイル等の他のプロファイルも可能である。いくつかの場合では、複数のパルスは対称的な時間プロファイルを有しておらず、他の時間形状を有してもよい。いくつかの実施形態では、利得および／または損失のダイナミクスは、非対称プロファイルを有する複数のパルスを生成し得る。各パルスの持続時間は、図２に示すように、半値全幅（full-width-half-maximum : FWHM）値によって特徴付けられ得る。複数の超短光パルスのＦＷＨＭ値は１００ピコ秒未満であり得る。
【００２３】
レーザーから放出される複数のパルスは、一定の間隔Ｔによって分離され得る。いくつかの実施形態では、Ｔは、レーザーにおける動的な利得および／または損失の変調率によって決定され得る。モードロックレーザーの場合、Ｔは、キャビティエンドミラー１０２、１０４間の往復移動時間によって決定され得る。いくつかの実施形態によれば、パルス分離時間Ｔは、約１ｎｓ〜約１００ｎｓの間であり得る。いくつかの場合では、パルス分離時間Ｔは、約０．１ｎｓ〜約１ｎｓの間であり得る。いくつかの実装形態では、パルス分離時間Ｔは、約１００ｎｓ〜約２μｓの間であり得る。
【００２４】
いくつかの実施形態では、光学検出システム１４０は、レーザー１１０からパルス１２２のビームを受け取り、レーザービームの１つまたは複数の特性を検出し得る。光学検出システム１４０からの検出結果は、分析のためにコントローラ１５０に供給される。光学検出システム１４０はまた、レーザービームを様々な検出器のうちの１つに案内するためのガイド光学系を含み得る。例えば、図３は、ガイド光学系の一例として、ダイクロイックミラー（dichroic mirror）３４１およびビームスプリッタ３４２を含む例示的な光学検出システム１４０を示している。ダイクロイックミラー３４１は、第１の波長の光を反射し、第２の波長の光を透過し得る。例えば、レーザービーム１２２が１０６４ｎｍパルスと５３２ｎｍパルスとの両方を含む場合、１０６４ｎｍの光は、１０６４ｎｍの光のパワーを測定する第１のパワーメーター（power meter）３４３に向かって反射され得る。ビームスプリッタ３４２は、５３２ｎｍの光の一部を、５３２ｎｍの光のパワーを測定する第２のパワーメーター３４４に向けて伝達し得る。ビームスプリッタ３４２を透過する５３２ｎｍの光は、パルス特徴付け検出器３４５に向けられる。パルス特徴付け検出器３４５は、レーザーシステム１１０によって出力された５３２ｎｍのパルスのパルス幅を測定するように構成される。いくつかの実施形態では、パルス特徴付け検出器３４５は、ＡＰＥによって製造されたｐａｌｓｅＴｅｃｈ自己相関器（autocorrelator）等の自己相関器であり得る。自己相関器は、レーザーパルスの時間的パルス幅を測定する。他の実施形態では、パルス特徴付け検出器３４５は、ＳＰＩＤＥＲ（direct electric field reconstruction）またはＦＲＯＧ（frequency resolved optical gating）のスペクトル干渉測定を実行するデバイスを含み、これらは両方とも、レーザーパルスの時間的パルス幅だけでなく、レーザーパルスの最大強度および位相プロファイルも提供し得る。光学検出システム１４０の複数の個別検出器の各々からの検出結果は、コントローラ１５０に供給される。
【００２５】
複数の実施形態は、特定の光学検出システム１４０に限定されない。例えば、図１は、光学検出システム１４０が、レーザーシステム１１０の完全に外部にあることを示している。しかしながら、いくつかの実施形態では、１つまたは複数の検出器が、レーザーシステム自体の中に含まれてもよい。例えば、レーザーキャビティが複数の内部ミラーから形成される複数の実施形態では、検出器は、複数のミラーのうちの１つまたは複数のミラーの後ろに配置されて、ミラーを透過するレーザービームの一部を検出してもよい。そのような検出器は、レーザーのパワーを測定するために、レーザーシステムのハウジング内に配置され得る。いくつかの実施形態では、光学検出システム１４０は、ハウジングの外側またはハウジングの内側にあり得る高速フォトダイオードを含み得る。
【００２６】
図１に戻ると、光学特徴付け装置１００は、エンドミラー１０２上のレーザービームの照射スポットがエンドミラー１０２の表面全体にわたって走査され得るように、エンドミラー１０２を移動させるように構成された二次元移動ステージ１４５を含み得る。移動ステージ１０２の移動はレーザービームの入射光パルス１２２に対して垂直であるため、エンドミラー１０２を移動させてもレーザーキャビティの長さは変化しない。図１の二次元移動ステージ１４５の概略図内の矢印は、図示される実施形態において、移動ステージがエンドミラー１０２を移動させる（紙面の平面内において上下および紙面の内外の）２つの方向を示す。いくつかの実施形態では、二次元移動ステージ１４５は、コントローラ１５０によって制御される電動移動ステージである。いくつかの実施形態では、二次元移動ステージ１４５は、第２の一次元移動ステージ上に搭載された第１の一次元移動ステージを含み、２つの移動ステージの移動方向が互いに直交している。二次元移動ステージ１４５に加えて、いくつかの実施形態は、エンドミラー１０２の傾斜を制御する２軸傾斜調整マウント（図示せず）を含み得る。傾斜調整マウントは、１つまたは複数のパワー測定からのフィードバックを使用して、エンドミラー１０２が適切に位置合わせされてパルスレーザー１１０の性能を最適化することを確実にし得る。
【００２７】
上述したように、光学特徴付け装置１００は、移動ステージ１４５を制御し、光学検出システム１４０から測定データを受信するためのコントローラ１５０を含む。以下でより詳細に説明するように、コントローラ１５０は、記憶装置およびプロセッサを含み得る。記憶装置は、光学検出システム１４０から受信した測定データ、ならびにプロセッサによって実行されたときにプロセッサに測定データを分析させる複数の命令を記憶し得る。複数の命令は、移動ステージ１４５の移動をさらに制御し得る。
【００２８】
複数の実施形態は、光学特徴付け装置１００の特定の光学レイアウトに限定されない。いくつかの実施形態では、光学特徴付け装置１００は、特徴付けられる光学素子が最終的に含まれるレーザーシステムのレイアウトと同様のレイアウトを有する。そのような事例では、光学特徴付け装置１００の多くの特性がレーザーシステムと同じであることを保証することが有益であり得る。例えば、レーザーキャビティの長さは、光学特徴付け装置１００および光学素子を対象としたレーザーシステムにおいて同じであり得る。いくつかの実施形態では、光学特徴付け装置１００は、既存のレーザーシステムを変更することによって形成されてもよい。
【００２９】
モードロックレーザーモジュール
図４を参照すると、光学特徴付け装置１００を形成するように変更され得るコンパクトなモードロックレーザーモジュール１−１０８の一例が示されている。いくつかの実施形態による、コンパクトなモードロックレーザーモジュール１−１０８は、レーザーキャビティ（レーザーキャビティの第１のエンドミラーとして機能することができる出力カプラ１−１１１と、レーザーキャビティの第２のエンドミラーとして機能することができる可飽和吸収体ミラー（ＳＡＭ）１−１１９との間の光学素子を含む）と、モードロックレーザー１−１１０の構成要素の一部または全部が取り付けられる（ハウジングとも呼称される）成形ベースシャーシ２−１０５と、モードロックレーザーの動作を安定させることができる少なくとも１つのキャビティ内光学素子２−１２８と、レーザーからの出力をより短い波長に変換する際に協働することができる周波数２倍化要素２−１７０、２−１６４、２−１６０と、（光パワー等の）レーザーの動作パラメータを監視し、レーザーによって生成された光パルスに同期した電子クロック信号を生成する電気部品２−１９０、２−１５４、２−１８２、２−１１６とを含む。ポンプモジュール２−１４０は、ベースシャーシ２−１０５に取り付けられ、かつモードロックレーザーの利得媒体１−１０５を励起するために使用されることができる。
【００３０】
いくつかの実施形態によると、コンパクトなモードロックレーザーモジュール１−１０８のベースシャーシ２−１０５は、長さＬが約２０ｃｍと約３０ｃｍとの間、高さＨが約１０ｃｍと約２０ｃｍとの間であり、厚さは約１０ｃｍと約３０ｃｍとの間である。いくつかの事例では、１つ又は複数の寸法が最大２０％大きくなることがある。いくつかの実施形態によれば、コンパクトなモードロックレーザーモジュール１−１０８によって占有される容積は、約３０ｃｍ×１８ｃｍ×３ｃｍ、または約１６２０ｃｍ３であり得る。いくつかの実施形態によれば、モードロックレーザーモジュール１−１０８の全体形状またはフォームファクタは、高さＨよりも長い長さＬと、長さまたは高さのいずれかよりもはるかに小さい厚さとを有し、２８５０立方ｃｍ未満の容積を占有し、かつ重さが約２キログラム未満、または約２キログラムであるスラブである。いくつかの事例では、モジュール１−１０８の重量は１キログラム〜２キログラムである。
【００３１】
いくつかの実施形態では、ベースシャーシ２−１０５は、アルミニウム、チタン、アルミニウムの合金、またはチタンの合金から形成することができる。他の実施形態では他の材料を使用することができる。いくつかの実施形態では、ベースシャーシ２−１０５は、ベースシャーシ内に機械加工または他の方法（例えば、鋳造または組み立てによって）で形成された複数のキャビティ２−１０２を含むことができる。いくつかの実施形態では、直径１２．５ｍｍ（またはそれ以下）の光学部品が、モードロックレーザー１−１１０を構築するために使用され、かつベースシャーシ２−１０５のキャビティ２−１０２内に部分的または完全に埋め込まれることができ、カバー（図示せず）をキャビティ２−１０２の上に配置して、キャビティ内の構成要素を外部の環境要因および汚染物質から保護することができる。いくつかの実施形態では、カバーをキャビティ２−１０２上に配置して、１つまたは複数のキャビティを気密封止することができる。
【００３２】
キャビティ２−１０２の間には、ベースシャーシ２−１０５内に形成されたリブ２−１０７を設けることができる。いくつかのリブには、キャビティ内レーザービームがリブを通って隣接するキャビティへ通過することを可能にする穴または開口部（視認できない）を設けることができる。いくつかの実施形態によれば、ベースシャーシ２−１０５の縁部に対して角度をなして延在する１つ又は複数の傾斜リブ２−１０７を設けることができる。例えば、傾斜リブ２−１０７は、ベースシャーシ２−１０５を横断する角部から角部への方向に延在することができる。傾斜リブ２−１０７は、傾斜リブを有しない場合と比較して、ベースシャーシ２−１０５のねじり剛性を３倍に増大させることができる。ねじり剛性が増加することで、レーザー動作の不安定性を防止し、ベースシャーシ２−１０５に作用する摂動力に対するモジュールの耐性を向上させるのに役立つ。いくつかの事例では、リブの少なくとも一部は、キャビティの底部からベースシャーシ２−１０５の上面まで延在して、レーザーモジュール１−１０８のための１つ又は複数のカバー（図示せず）をリブに取り付けることができる。これに関して、剛性金属カバー（例えば、約１ｍｍを超える厚さを有する金属）、剛性ポリマーカバー（例えば、約２ｍｍを超える厚さを有するポリマー）、またはベースシャーシ２−１０５に対してシールされるか、または支持片（例えば、金属フレーム）でベースシャーシ２−１０５に対して保持されることができる可撓性材料（金属またはポリマー）を含んだ任意の適切なカバーが使用され得るが、これらに限定されない。いくつかの事例では、カバー材料は、金属製フレーム（約１．５ｍｍ厚）を用いてベースシャーシに対して保持されているタイベック（Ｔｙｖｅｋ（登録商標））（約０．２５ｍｍ厚）を含む。
【００３３】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の取り付け機構２−１０３を１つまたは複数のリブ２−１０７に配置することができる。取り付け機構２−１０３は、コンパクトなレーザーモジュール１−１０８を機器または他のプラットフォームに取り付けるために使用することができる。いくつかの場合において、取り付け機構はキネマティックマウントを提供して、各レーザーモジュール１−１０８、または同じレーザーモジュールが、ほぼ同じ位置および位置合わせで（例えば、±１００ミクロン以内まで）再現可能に取り付けられるようになる。キネマティックマウントは、取り付け処理によって生じるストレスを軽減し得る。取り付け機構２−１０３は、タップが切られているか、または空の状態である穴を含み得る。穴は皿穴加工されるか、または座ぐり加工されることができる。キネマティックマウントの場合、底面（図４には図示せず）が第１の取り付け機構のための円錐形接触面またはリング接触、第２の取り付け機構のためのくさび状接触面または２点接触面、および第３の取り付け機構のための平面または１点接触を含む３つの取り付け機構２−１０３を設けることができる。代替的に、取り付け機構２−１０３において２つの皿穴加工された穴を使用して、ベースシャーシ２−１０５を受承支持構造に位置合わせすることができる。
【００３４】
レーザーモジュール１−１０８のモードロックレーザー１１０は、レーザーのキャビティの出力端にある出力カプラ１−１１１、利得媒体１−１０５、およびレーザーキャビティの反対側の端部にある可飽和吸収体ミラー（ＳＡＭ）１−１１９を含むことができる。レーザーキャビティ内に複数のミラー２−１１６、２−１１７、２−１２０、２−１２１、２−１２２、２−１２３、２−１２４、２−１２５を配置して、レーザーの光軸１−１２５を折り返して、レーザーキャビティの長さを延長して、所望のパルス繰り返し率またはパルス分離間隔Ｔを達成することができる。レーザーキャビティ内にビーム整形光学系（例えば、レンズおよび／または曲面ミラー）を配置して、キャビティ内レーザービームのサイズおよび／または形状を変更することもできる。
【００３５】
ここで、１０６４ｎｍのレーザー発振波長で動作するモードロックレーザー用の例示的な光学部品について説明する。本発明の実施形態は記載された光学部品のみに限定されないことが理解されるであろう。いくつかの実施形態では、より少ないか、またはより多い光学部品を使用することができ（例えば、パルス繰り返し率を変更するためにミラーを追加または除去する）、部品上の光学コーティングは、異なる波長でレーザー発振するレーザーに対して異なるものとすることができる。
【００３６】
利得媒体１−１０５は、ベースシャーシ２−１０５内に熱を放散する熱伝導性マウント（例えば、アルミニウムまたは銅のブロックまたは他の熱伝導性材料）に取り付けられたネオジムドープ材料を含むことができる。モードロックレーザーが高い平均パワー（例えば、３００ｍＷを超える）で動作すると、利得媒体１−１０５において熱レンズ効果が生じる。いくつかの事例では、そのような熱レンズ効果はレーザーの動作を不安定にする可能性がある。利得媒体から熱伝導性マウントへの熱伝達を改善するために、利得媒体１−１０５をインジウム箔または熱伝導性マウントへの熱伝達を改善する他の適切な材料で包装することができる。いくつかの事例では、銀エポキシまたは他の適切な熱伝導性接着剤を使用して利得結晶を熱マウントに固定することができる。いくつかの事例では、利得媒体１−１０５および熱伝導性マウントは、熱をベースシャーシ２−１０５に逃がすことができる熱電クーラー（TEC : thermo-electric cooler）に取り付けることができる。ＴＥＣまたは液体冷却などの他の能動的冷却技術は、利得媒体１−１０５の能動的温度制御を提供し、熱レンズ効果を減少させることができる。
【００３７】
利得媒体１−１０５の能動的冷却を排除することは、レーザーのコストおよび複雑性を低減することができる。最大１０ワットの光ポンピングパワーが利得媒体をポンピングするために使用される場合であっても、利得媒体の能動的温度制御を本実施形態のモードロックレーザー１１０に使用する必要がない。驚くべきことに、関連する熱レンズ効果（正レンズ効果）がポンプの出力範囲に亘って利得媒体の熱誘起焦点距離を０から約１５ジオプタに変えることができるとしても、モードロックレーザー１１０はこの範囲のポンプパワーに亘って安定してモードロックされたままである。１５ジオプタを超える熱レンズ効果の場合、レーザーキャビティは、モードロック動作や連続波動作をサポートできない不安定な共振器になる可能性がある。利得媒体におけるこのような広範囲の熱レンズ効果にわたるモードロックの安定性は、部分的にはモードロックレーザー１１０のための光学部品の選択および配置によるものである。一実施形態によれば、モードロック動作の安定性および改善された性能は、ある量の熱レンズ効果を利得媒体内で生じさせることに大きく依存する。実施形態では、１ジオプタと１５ジオプタとの間の正のレンズ効果の熱レンズ効果の量に対して、モードロックレーザー１１０の安定したモードロック動作を得ることができる。熱レンズ効果がこの範囲に亘って変化しても、安定したモードロックを維持するためにレーザーキャビティに対して機械的調整を行う必要はない。利得媒体１−１０５内の熱レンズ効果の量が８ジオプタと１２ジオプタとの間の正の熱レンズ効果であるとき、モードロックレーザーの改善された性能を得ることができる。連続波動作では、０ジオプタと少なくとも１５ジオプタとの間の正の熱レンズ効果があり得る。熱レンズ効果の量（約４ジオプタを超える）は、（例えば、ヘリウムネオンレーザーまたはレーザーダイオードからの）連続波レーザープローブビームを（例えば、ある角度で）利得媒体１−１０５を通過させて、「ポンプビームオン」状態と「ポンプビームオフ」状態との間で利得媒体から一定の距離を置いてプローブビームの相対変位を測定することによって測定することができる。ポンプビームオン状態は、レーザーダイオードのポンプビームがオンであり、レーザー１１０のモードロックレーザー発振のために利得媒体１−１０５を励起するときである。相対変位が小さくなるため、４ジオプタ以下の値を正確に測定することは困難である。
【００３８】
利得媒体１−１０５における光ポンプビームの吸収は、利得媒体において熱レンズ効果を引き起こす可能性がある。実施形態では、利得媒体における熱レンズ効果の量は、利得媒体１−１０５に適用される光ポンプビームのパワー量を変化させること（例えば、ポンプモジュール２−１４０からのパワー量を変化させること）によって変化させることができる。追加的または代替的に、利得媒体内の熱レンズ効果の量は、利得媒体１−１０５を励起するために使用される光ポンプビームの光波長を調整することによって変化させることができる。光ポンプビームの波長の調整は、例えば、ポンプモジュール２−１４０内のレーザーダイオードの温度を調整することによって実行することができる。ポンプビームの波長を調整することは、利得媒体１−１０５における光ポンプビームの吸収量を変化させることができる。
【００３９】
いくつかの実施態様では、利得媒体１−１０５は、１０６４ｎｍでのレーザー発振を提供することができるバナジン酸ネオジム（neodymium vanadate）（例えば、Ｎｄ３＋：ＹＶＯ４）を含むことができる。他の実施形態では、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、およびＣｒ：フォルステライトなどであるが、これらに限定されない他の固体結晶を使用することができる。いくつかの実施形態では、キャビティ内の光学部品がこの波長でレーザー発振するように設計されコーティングされている限り、バナジン酸ネオジム利得媒体１−１０５を使用して１３４２ｎｍでレーザー発振を代替的または付加的に提供することができる。利得媒体は、いくつかの事例では、３ｍｍ〜１１ｍｍの長さを有することができる。いくつかの実施形態では、利得媒体の長さは５ｍｍ〜９ｍｍであり得る。いくつかの事例では、ネオジムドーパントレベル（原子％）は０．１０％〜１％とすることができる。いくつかの実施形態では、ドーパントレベルは０．１０％〜０．５０％とすることができる。いくつかの実施形態では、ドーパントレベルは０．２４％〜０．３０％とすることができる。いくつかの実施形態によれば、結晶長は約７ｍｍとすることができ、ドーパントレベルは約０．２７％とすることができる。約７ｍｍの長さに対して０．３％よりかなり高いドーピングレベル（原子％）が、より高い動作パワーでのレーザーの動作を不安定にし（例えば、高次空間モードでレーザー発振を誘発するか、またはモードロックを不安定にするかまたは終了させる）、これは、キャビティ内部品を再調整することを不所望に必要とする可能性がある。例えば、１％ドーピングでは、モードロックがあるポンプパワーレベルを超えて終了され、モードロックを回復するためにキャビティ内光学素子を再調整しなければならなかった。利得媒体１−１０５の横方向寸法（単数または複数）は、任意の適切な値（例えば、１ｍｍ〜４ｍｍ）とすることができる。利得媒体は、円筒形ロッド、矩形バー、または他の任意の形状の形態とすることができる。
【００４０】
いくつかの実施形態では、利得媒体１−１０５の端面は、レーザー発振波長λｌ（バナジン酸ネオジムの場合、約１０６４ｎｍであり得る）およびポンプ波長λｐ（バナジン酸ネオジムの場合、約８０８ｎｍであり得る）に対して反射防止コーティングされ得る。いくつかの実施形態では、利得媒体の一方の端面を出力カプラコーティングで被覆して、端面がレーザーキャビティのエンドミラーとして機能し、別個の出力カプラ１−１１１を使用する必要がないようにすることができる。
【００４１】
利得媒体１−１０５は、レーザーキャビティの光軸１−１２５に対して約１度と約３度との間の角度に配向された法線ベクトルを利得媒体の端面が有するような向きで、非調整可能なマウント（微細な角度調整または位置調整を提供しないマウント）に取り付けることができる。例えば、利得媒体用の熱伝導性マウントは、利得媒体１−１０５が配置される凹部を含むことができる。凹部は、利得媒体を熱伝導性マウントに整列させることができる。熱伝導性マウントは、ベースシャーシ２−１０５上の特徴（例えば、機械加工された表面、ピン、ねじ穴のうちのいずれか１つまたはそれらの組み合わせ）に位置合わせして、利得媒体をレーザーキャビティの光軸１−１２５に対してある角度で位置合わせさせることができる。いくつかの実施形態によれば、利得媒体１−１０５は、レーザー発振を目的とした好ましい偏光と整列するように、そのマウント内でカットおよび配向されることができる。例えば、利得媒体１−１０５は、図４のＹ軸に平行な直線偏光でレーザー発振するように配向することができる。
【００４２】
いくつかの実施形態によれば、コンパクトなモードロックレーザー用の出力カプラ１−１１１は、表面品質が１０〜５（スクラッチおよびディグ）であり、波面誤差が最大でλ／１０の高品質のレーザー光学素子とすることができる。出力カプラ１−１１１の一方の表面は多層誘電体で被覆されて、レーザー発振波長λｌに対して約７５％と約９５％との間の値を有する反射率を提供し、かつ（最小の反射率で）利得媒体１−１０５を励起するために使用されるポンプ波長λｐの透過を可能にする。いくつかの実施形態では、レーザー発振波長は約１０６４ｎｍであり、ポンプ波長は約８０８ｎｍであり得るが、他の実施形態では、他の波長を使用することができる。いくつかの実施形態では、レーザー発振波長での出力カプラの反射率は８２％と８８％との間である。この範囲の反射率内の出力カプラが、レーザーの安定動作で所望の量の出力パワーを提供し、かつレーザーの動作範囲に亘って可飽和吸収体ミラー１−１１９上に適切な量のフルエンスを提供する。
【００４３】
出力カプラ１−１１１の第２の面（レーザー出力側）は、ポンプ波長とレーザー発振波長の両方に対して反射防止コーティングで被覆することができ、かつ出力カプラの反射面に対してある角度（例えば、約１度と約４度との間）で配向されることができる。出力カプラ１−１１１の出力（透過）面からのレーザー発振波長の少量の反射が、モードロックレーザーからのパルスを著しくかつ不利に広げる可能性がある。いくつかの実施形態によれば、出力カプラ上のコーティングは、ごくわずかな反射でポンプ波長λｐを透過させるように二色性である。
【００４４】
いくつかの実施形態によれば、出力カプラ１−１１１は、２つの直交軸（例えば、図４のＹ軸およびＸ軸を中心とする）の周りで光軸１−１２５に対して角度調整を提供する２軸調整マウントに取り付けることができる。いくつかの実施形態では、出力カプラ１−１１１は、ベースシャーシ２−１０５に一体化することができる非調整可能なマウントに取り付けることができる。非調整可能なマウントは、コンパクトなレーザーのコストおよび複雑性を低減する。さらに他の実施形態では、出力カプラ１−１１１は、透明基板と１つまたは複数の光学コーティングとを備える別個の光学部品の代わりに、利得媒体１−１０５の端面上の多層光学コーティングとして形成することができる。
【００４５】
出力カプラ１−１１１と利得媒体１−１０５との間の距離を変更することによって、モードロックパルスの時間プロファイル（パルス持続時間とも呼ばれる）のＦＷＨＭ値を変更することができる。レーザーのモードロックは、出力カプラ１−１１１と利得媒体１−１０５との間の距離を０ｍｍから１０ｍｍの間で変化させることによって達成することができ、パルス持続時間は、約９ピコ秒から約３８ピコ秒の間で変化させることができる。この範囲の距離は、異なるパルス幅を得るために異なる距離を選択することによって得られる。いくつかの実施形態によれば、出力カプラ１−１１１と利得媒体１−１０５との間の距離は、４ｍｍと８ｍｍとの間に設定される。
【００４６】
出力カプラ１−１１１におけるレーザーのキャビティ内ビームウェストが（１／ｅ２で測定されたビーム半径の）１００ミクロンから１８０ミクロンの間であるときに、ある範囲の平均レーザー発振パワーにわたって安定で効率的な動作が達成される。出力カプラ１−１１１におけるビームウェストの値は、曲面ミラー２−１１７のようなキャビティ内光学素子によって、出力カプラから曲面ミラーまでの距離によって、および利得媒体１−１０５内のポンプビームウェストによって部分的に決定される。いくつかの実施形態によれば、利得媒体におけるレーザー発振波長のビームウェストは、利得媒体１−１０５におけるポンプビームウェストよりも著しく小さくすることができる。例えば、利得媒体におけるレーザー発振波長に対するビームウェストは、利得媒体において１００ミクロンと１５０ミクロンとの間とすることができ、ポンプビームに対する最小ウェストは、１８０ミクロンと２５０ミクロンとの間とすることができ、ポンプビームは、その光軸に関して完全に対称的ではないものとし得る。出力カプラ１−１１１における、かつ利得媒体１−１０５内のビームウェストの値はまた、第２の曲面ミラー２−１２７の焦点距離および可飽和吸収体ミラー１−１１９までの第２の曲面ミラー２−１２７の距離によって影響され得る。レーザーダイオードポンプビームよりもモードロックレーザー１−１１０のレーザー発振ビームに対するビームウェストを小さくすることは、モードロックレーザー動作の安定性を改善することができる（例えば、レーザーが利得媒体１−１０５内のレーザービームとレーザーダイオードポンプビームとの相対運動によるパワー変動およびモードロック変動の影響を受けにくくすることができる）。用語「ビームウェスト」は、レーザービーム強度がビームの両側でピーク値から１／ｅ２値まで低下する空間的範囲を指すために使用される。円形ビームは、単一ビームウェストによって特徴付けられ得る。楕円形のビームは、ビームの短軸に対するビームと長軸に対するビームの２つのビームウェストで特徴付けられ得る。
【００４７】
レーザーキャビティの反対側の端部には、可飽和吸収体ミラー（ＳＡＭ）１−１１９が取り付けられ得る。ＳＡＭは、非線形光吸収を示す多層半導体構造（例えば、多重量子井戸）と、基板上に形成された高反射器とを含むことができる。非線形光吸収は、レーザーに受動モードロックを誘起することができる。例えば、ＳＡＭは、低い光強度でより高い吸収および損失を示し、高い光強度でブリーチングするかまたはほとんど吸収を示さず、かつより少ない損失を示し得る。半導体構造は、高反射器に入射し、ほぼ、高反射器から反射される光場によって作成される光定在波のピーク強度に半導体構造が位置するように、ＳＡＭ内の高反射器から離間されることができる。ＳＡＭの一例は、ＢＡＴＯＰオプトエレクトロニクス有限責任会社（BATOP Optoelectronics GmbH）［独国イェナ（Jena）所在］から入手可能な品番ＳＡＭ−１０６４−５−１０ｐｓ−ｘである。ＳＡＭの非線形光吸収のため、高強度の光パルスは低強度の連続波レーザー動作よりもキャビティ内での損失が少ないので、レーザーはパルス動作モード（受動モードロック）で優先的に動作する。
【００４８】
いくつかの実施形態によれば、ＳＡＭはヒ化ガリウム半導体組成物から形成することができる。ＳＡＭは、より大きな基板またはウェーハから切り取ることができ、ＳＡＭの面を横切る最大寸法が１ｍｍと３ｍｍとの間の正方形の形状とすることができる。ＳＡＭの吸収の緩和時間は１０ｐｓと３０ｐｓとの間とすることができる。ＳＡＭの不飽和吸収は、２％と６％との間とすることができる。ＳＡＭの変調度は、ＳＡＭの不飽和吸収の６０％と７４％との間とすることができる。いくつかの実施態様では、緩和時間は約２５ｐｓであり、非飽和吸収は約４％である。そのようなＳＡＭ１−１１９は、１２ｐｓと２０ｐｓとの間のパルス持続時間を有するモードロックレーザー発振をサポートすることができる。いくつかの実施形態では、ＳＡＭの飽和フルエンスは、約７０マイクロジュール／ｃｍ２（μＪ／ｃｍ２）とすることができる。
【００４９】
ヒ化ガリウムＳＡＭの長期動作のためには、キャビティ内レーザービームからのＳＡＭ上の光フルエンスが２．５ミリジュール／ｃｍ２（ｍＪ／ｃｍ２）未満に保たれるべきであることを認識し、諒解した。５ｍＪ／ｃｍ２以上の値では、ＳＡＭが損傷する可能性がある。いくつかの実施形態では、ＳＡＭ上のフルエンスは、ＳＡＭの飽和フルエンスの約１０倍未満に保つことができる。ＳＡＭ上のフルエンスは、ＳＡＭにおけるビームウェストを制御することによって（例えば、レーザーキャビティ内に配置された曲面ミラー２−１２７を用いて）、および出力カプラ１−１１１の反射率を選択してキャビティ内パワーを制御することによって制御することができる。いくつかの実施形態によれば、ＳＡＭにおけるビームウェストは、出力カプラ反射率が８２％と８８％との間であるとき、８０ミクロンと１２０ミクロンとの間とすることができる。
【００５０】
出力カプラ１−１１１とＳＡＭ１−１１９との間に、レーザーキャビティの光軸を複数回折り返す複数のミラーを設けることができる。これらのミラーのいくつか（例えば、ミラー２−１１５、２−１２０、２−１２１、２−１２２、２−１２３、２−１２４、２−１２５）は、平坦な面を有することができ、かつ非調整可能なマウントに取り付けられることができる。いくつかの実施形態によれば、２つのミラー２−１１７、２−１２７は曲面を有することができ、かつ集束反射器（focusing reflector）を含むことができる。いくつかの事例では、ミラー２−１１７、２−１２７用の集束反射器の代わりに、他のタイプの集束光学系（focusing optic）（例えば、レンズまたは複合レンズ）を使用することができる（例えば、キャビティ内ビームがミラー２−１１７またはミラー２−１２７の位置で折り返されない場合）。レーザーの光軸を折り返すために使用される平面ミラーおよび曲面ミラーに関して、ミラーの反射率は、ミラーが使用される入射角でのレーザー発振波長に対して非常に高くなり得る。例えば、そのようなミラーの反射率は、ある場合には９９％よりも大きく、さらにある場合には９９．５％よりも大きくすることができる。１つまたは複数の折り返しミラーの表面品質は、少なくとも１０〜５（スクラッチおよびディグ）とすることができ、波面誤差は最大でλ／１０とすることができる。いくつかの事例では、１つまたは複数の折り返しミラーの表面品質は、少なくとも４０〜２０（スクラッチおよびディグ）とすることができ、波面誤差は最大でλ／１０とすることができる。スクラッチおよびディグの表面品質に対するより高い値は、折り返しミラーのコストを大幅に削減することができる。
【００５１】
いくつかの実施形態では、ミラーのうちの少なくとも１つ（たとえば、ミラー２−１２４）は、利得媒体１−１０５からＳＡＭ１−１１９への単一の通過のためにキャビティ内ビームを複数回折り返すことができる。図４に示す例示的な構成では、利得媒体１−１０５からＳＡＭ１−１１９に進む光パルス１−１２０の跳ね返りシーケンスは、ミラー２−１１５、２−１１７、２−１２０、２−１２１、２−１２２、２−１２３、２−１２４、２−１２５、２−１２４、２−１２７、２−１２４からＳＡＭ１−１１９に達する反射のシーケンスである。このシーケンスでは、キャビティ内ミラーのうちの１つのミラー２−１２４が多重反射のために使用され、ビームがレーザーキャビティの一端から他端へ進むときに、少なくとも２回の反射に対してこのミラー上で入射角の符号が反転される。例えば、図４を参照すると、ビームが出力カプラ１−１１１からＳＡＭ１−１１９に進むとき、ミラー２−１２４上の第１の入射角は＋Ｚ方向であり、第２の入射角は−Ｚ方向である。ＳＡＭ１−１１９から反射した後、パルスは次に逆跳ね返りシーケンスで利得媒体に戻る。コンパクトなレーザーモジュール内で光軸が複数回折り返すことによって、キャビティ長を延長して、２００ＭＨｚ未満で５０ＭＨｚ程度の低いパルス繰り返し率を得ることができる。パルス繰り返し率は、レーザーキャビティの長さに依存し、これは、キャビティ内のミラー間の跳ね返りの数およびミラー間の距離によって部分的に決定される。いくつかの実施形態によれば、パルス繰り返し率は、ミラーを再配置し、かつ第１の曲面ミラー２−１１７と第２の曲面ミラー２−１２７との間のキャビティ内のミラーを追加または除去して、出力カプラ１−１１０と可飽和吸収体ミラー１−１１９との間の光路長を増減することによって変更することができる。キャビティ内ビームは第１の曲面ミラー２−１１７と第２の曲面ミラー２−１２７との間でほぼコリメートされているので、ビームがこの領域でコリメートされていない場合よりも、パルス繰り返し率への変更をより容易に行うことができる。いくつかの実施形態では、ミラーを再配置して異なるパルス繰り返し率を得るために、追加の一体型光学マウントをベースシャーシ内に形成することができる。
【００５２】
上記のように、本発明者らは、バイオ光電子チップ上のサンプルの超並列分析には、２００ＭＨｚ未満で５０ＭＨｚ程度の低いパルス繰り返し率が望ましいことを認識し、諒解した。しかしながら、複数回使用されるいくつかのミラーを有する複数のミラーを使用することは、何時間にも亘る安定したモードロックレーザー発振を維持するために、ミラーの互いに対する非常に高度の安定性を必要とする。補強リブを含むベースシャーシ２−１０５内の支持面に対してミラーを一体的に取り付けることにより、ミラーの必要な安定性および安定したモードロック動作を達成することができる。
【００５３】
いくつかの実施形態では、１つの折り返しミラー２−１１５は、キャビティ内の放射の偏光を制御し、ポンプビーム放射（図４の太い破線として示される）の監視を可能にするように構成することができる。例えば、折り返しミラー２−１１５は、偏光（ベースシャーシの面外へのＹ方向への偏光）を９９％を超える高い反射率、さらに、いくつかの事例では、９９．５％を超える高い反射率で反射し、かつ直交ｐ偏光に対する反射率が低くなって、ｐ偏光のレーザー発振が防止されるようにコーティングされることができる。いくつかの事例では、折り返しミラー２−１１５は、２０％を超えるｐ偏光を透過させ、かつｓ偏光を高い反射率で反射する偏光ビームスプリッタとすることができる。折り返しミラー２−１１５はさらに、ミラーの後方に位置する光検出器２−１１６にポンプビーム放射の大部分またはほぼ全部を伝達することができる。いくつかの実施形態では、折り返しミラーは、ポンプビーム放射の透過を可能にするための二色性コーティング（dichroic coating）を含むことができる。他の実施形態では、二色性コーティングを使用しなくてもよく、レーザー発振波長用のコーティングは、検出のために折り返しミラー２−１１５を通過するポンプビーム放射の適切な透過を可能にし得る。光検出器２−１１６からの出力は、信号処理および／または外部信号プロセッサへの送信のためにＰＣＢ２−１９０に供給することができる。
【００５４】
いくつかの実施形態では、利得媒体１−１０５およびＳＡＭ１−１１９内で所望のビームウェストサイズを得るために、２つの曲面ミラー２−１１７、２−１２７を設計し、レーザーキャビティ内に配置することができる。第１の曲面ミラー２−１１７は、利得媒体１−１０５の近傍のレーザーキャビティの第１の部分に配置することができる。第２の曲面ミラー２−１２７は、ＳＡＭ１−１１９の近傍のレーザーキャビティの第２の部分に配置することができる。少なくとも曲面ミラーの間には、レーザーの光軸を折り返してキャビティ長延長領域においてレーザーキャビティの長さを延長する複数の折り返しミラーを設けることができる。キャビティ長延長領域においてキャビティの長さを延長するために、ミラー２−１２７とＳＡＭ１−１１９との間にキャビティ内レーザービームを複数回折り返すミラー２−１２４を追加的に設けることができる。例えば、図４に示すように、曲面ミラー２−１２７およびミラー２−１２４は、これら２つの反射器からのキャビティ内ビームを即時の連続的な跳ね返りで３回折り返すことができる。
【００５５】
いくつかの実施形態によれば、第１の曲面ミラー２−１１７は、球面反射器とすることができ、かつ２４０ｍｍと２６０ｍｍとの間の焦点距離ｆ１を有することができる。この反射器の焦点距離の許容誤差は、焦点距離の±１％とすることができる。本発明者らは、焦点距離が約２５０ｍｍの第１の曲面ミラー２−１１７を出力カプラ１−１１１から２３０ｍｍと３１０ｍｍとの間に配置することができ、異なる特性を有する安定したモードロック動作を得ることができることを見出した。いくつかの実施形態によれば、第１の曲面ミラーを出力カプラから２８０ｍｍと３００ｍｍとの間に配置して、コンパクトなレーザーモジュールの広範囲の動作パワーに亘って安定したモードロック動作を得ることができる。この構成では、利得媒体１−１０５を出力カプラから４ｍｍと８ｍｍとの間に配置することができる。第１の曲面ミラー２−１１７の焦点距離と利得媒体１−１０５および出力カプラ１−１１１に対する第１の曲面ミラー２−１１７の位置、および第２の曲面ミラー２−１２７の焦点距離とＳＡＭ１−１１９に対する第２の曲面ミラー２−１２７の位置は、利得媒体内のキャビティ内ビームのビームウェストを決定することができる。
【００５６】
他の実施形態では、第１の曲面ミラー２−１１７の焦点距離は他の値を有してもよい。例えば、より低いパワーで動作するよりコンパクトなモードロックレーザーに対しては、より短い焦点距離ｆ１＜２３０ｍｍを使用することができる。実施形態において、出力カプラ１−１１１は、焦点距離ｆ１の３０％以内の値の範囲（例えば、０．７ｆ１＜ｄ１＜１．３ｆ１）内にある第１の曲面ミラー２−１１７からの距離ｄ１に配置することができる。いくつかの事例では、０．９ｆ１＜ｄ１＜１．３ｆ１である。
【００５７】
いくつかの実施形態では、第１の曲面ミラー２−１１７は、レーザーの光軸に対するミラーの配向角度（面内の角度および面外の角度）を調整するための２つの自由度のみを提供する調整可能なマウントに取り付けられることができる。調整可能なマウントは、オペレータが、レーザーの動作を安定性、ビーム品質、出力パワー、および／またはパルス特性に関して調整することができるように、レーザーがレーザー発振している間に、光学部品の位置（Ｘ、Ｙ、Ｚのうちの１つまたは複数）および／または向き（入射キャビティ内ビームの光軸に対するピッチおよび／またはヨー）を微調整することを可能にする。微調整は、例えば、ミラーマウント上でのマイクロメータ及び／又は微細にねじ切りされたねじ調整によって達成することができる。調整可能であることは、第１の曲面ミラー２−１１７の要件ではないことに留意されたい。さらに、レーザーキャビティを形成するように使用される他のミラーが、キャビティの位置合わせを微調整するように使用されてもよい。
【００５８】
レーザーがレーザー発振している間にリアルタイムでレーザーキャビティを位置合わせするための唯一の調整として、第１の曲面ミラー２−１１７に対して２つの自由度のみを提供し、折り返しミラー（例えば、ミラー２−１２３）に対して１つの自由度のみを提供することにより、コンパクトなモードロックレーザーモジュールのコストおよび複雑性を低減することができる。他の事例では、例えば、第１の曲面ミラー２−１１７用のミラーマウントは、ミラーの位置を調整するための追加の自由度を含むことができる。いくつかの実施形態によれば、ポンプビームを整列または再整列させ、モードロックレーザーからの出力パワーを増大させるために、曲面ミラー２−１１７を調整した後にポンプモジュール２−１４０に対する調整を行うことができる。
【００５９】
第２の曲面ミラー２−１２７は球面反射器とすることができ、かつ２４０ｍｍと２６０ｍｍの間の焦点距離ｆ２を有することができる。この反射器の焦点距離の許容誤差は、焦点距離の±１％とすることができる。本発明者らは、焦点距離が約２５０ｍｍの第２の曲面ミラー２−１２７をＳＡＭ１−１１９から２６０ｍｍと２９０ｍｍとの間に配置することができ、異なる特性を有する安定したモードロック動作を得ることができることを見出した。いくつかの実施形態によれば、第２の曲面ミラーをＳＡＭ１−１１９から２７０ｍｍと２８５ｍｍとの間に配置して、コンパクトなレーザーモジュールの広範囲の動作パワーに亘って安定したモードロック動作を得ることができる。第２の曲面ミラー２−１２７の焦点距離およびＳＡＭ１−１１９に対する第２の曲面ミラー２−１２７の位置は、ＳＡＭ１−１１９におけるキャビティ内ビームのビームウェストを決定することができ、かつ利得結晶におけるビームウェストにも影響を与えることができる。
【００６０】
他の実施形態では、第２の曲面ミラー２−１２７の焦点距離は他の値を有してもよい。例えば、より短いパワーで動作するよりコンパクトなモードロックレーザーに対しては、より短い焦点距離ｆ２＜２４０ｍｍを使用することができる。実施形態では、ＳＡＭ１−１１９は、焦点距離ｆ２の２０％以内の値の範囲（例えば、０．８ｆ２＜ｄ２＜１．２ｆ２）内にある第２の曲面ミラー２−１２７からの距離ｄ２に配置することができる。いくつかの事例では、ｆ２＜ｄ２＜１．２ｆ２である。
【００６１】
レーザーモジュールのコストおよび複雑さを低減するために、第２の曲面ミラー２−１２７は、例えば、非調整可能なマウントに取り付けることができる。上述のように、（第１の曲面ミラー２−１１７および折り返しミラー２−１２３を除く）レーザーキャビティ内のすべての反射部品は、セルフアライニング式の非調整可能なマウントに取り付けることができる。さらに、第１の曲面ミラー２−１１７は角度調整に対して２つの自由度のみを有し、折り返しミラー２−１２３は角度調整に対して１つの自由度のみを有するようにすることができる。本発明者らは、いくつかの実施形態によれば、これら３つの調整のみを使用して、モードロックレーザーキャビティを長期間安定した動作のために位置合わせすることができることを見出した。例えば、第１の曲面ミラー２−１１７を使用して、利得媒体１−１０５からビームを受け取るために固定位置に取り付けられているＳＡＭ１−１１９へビームを導くことができる。（図４の±Ｙ方向における）いかなる面外変位も、折り返しミラー２−１２３上の単一度の角度調整を調整することによって対処することができる。ＳＡＭ１−１１９が、同じ経路に沿ってビームが反射して戻るように垂直入射でキャビティ内ビームを受け取らない場合、ＳＡＭへの入射角は、第２の曲面ミラー２−１２７上でキャビティ内ビームを並進させることによって調整することができる。ＳＡＭ１−１１９はほぼ第２の曲面ミラーの焦点にあるので、このミラー上のビームの並進によって、ＳＡＭにおける入射角が変更される。第１の曲面ミラー２−１１７に対して角度調整を行うことによって、キャビティ内ビームを第２の曲面ミラーの表面を横切って並進させることができる。キャビティ内ビームがＳＡＭ１−１１９から第１の曲面ミラー上に反射して戻るまで、第１の曲面ミラーに対して調整を行うことができる。
【００６２】
本発明者らは、ＳＡＭ上のキャビティ内レーザービームのスポットサイズが、第２の曲面ミラー２−１２７とＳＡＭ１−１１９との間の距離の変化よりも、第１の曲面ミラー２−１１７とレーザーの出力カプラ１−１１１との間の距離の変化に対してより敏感であり得ることを見出した。この結果は、第１の曲面ミラー２−１１７と第２の曲面ミラー２−１２７との間の延長されたキャビティの長さに関連している。この延長されたキャビティの長さは、レーザーキャビティの長さの半分より長くすることができ、その長さを通してキャビティ内レーザービームはほぼコリメートされることができる。曲面ミラー２−１１７と出力カプラ１−１１１との間の距離の変化は、延長されたキャビティ内のコリメーションに影響を与える可能性があり、それは第２の曲面ミラー２−１２７におけるビームサイズの変化を増幅する可能性がある。増幅は、第２の曲面ミラー２−１２７とＳＡＭ１−１１９との間の距離の変化よりも強くＳＡＭ１−１１９におけるスポットサイズに引き続き影響を与える。従って、第１の曲面ミラー２−１１７の配置は、ＳＡＭ１−１１９上のフルエンスを調整するために使用することができる。いくつかの実施形態では、増幅効果は、第２の曲面ミラー２−１２７の焦点距離を長くすることによって低減することができる。
【００６３】
利得媒体１−１０５内のビームウェストが１００ミクロンと１５０ミクロンとの間であり、かつＳＡＭ１−１１９でのビームウェストが８０ミクロンと１２０ミクロンとの間であるように、レーザーキャビティが上述のように位置合わせされかつ構成される場合、本発明者らは、利得媒体１−１０５における熱レンズ効果の０ジオプタから１５ジオプタに変化が及ぶ光共振器（レーザーの当業者に公知の条件）に関し、かつ２つの曲面ミラー２−１１７、２−１２７の±１％の焦点距離誤差に関する「安定性基準」をレーザーキャビティが満たすことを見出した。高い光パワーでは、利得媒体１−１０５はポンプ放射から顕著な熱を獲得することができ、加熱された利得媒体は、媒体の温度に依存する合焦パワー（ジオプタ）を有する光学レンズ（熱レンズ効果とも呼ばれる）を作り出すことができる。光ポンピング高出力レーザーの場合、この熱レンズ効果による変化はレーザーを不安定にし、ポンプパワーの初期安定動作点からの５０％の増加に対するレーザー発振を消滅させる可能性がある。本発明者らは、コンパクトなモードロックレーザーモジュール１−１０８が２ワットから８ワットへのポンプパワーの変動、初期安定動作点からのポンプパワーの３００％の増加に対して安定したモードロック動作を維持することを確認した。レーザーキャビティの安定性の範囲は驚くほど広く、コンパクトなモードロックレーザーを広い範囲のキャビティ内パワーおよび出力パワーに亘って動作させることが可能となる。例えば、レーザーからの平均出力パワーは、この範囲のポンプパワーに亘って３５０ミリワットから３．５ワットの間で変化することができ、一方、ＦＷＨＭパルス持続時間は、１２ピコ秒と１８ピコ秒との間に維持される。この出力を周波数２倍化して、例えば、１００ミリワットと１．５ワットとの間の平均パワーレベルで、５３２ｎｍの波長で同じ持続時間のパルスを生成することができる。
【００６４】
いくつかの実施形態によれば、モードロックレーザーの動作を安定化させるのに役立ち、かつ／またはモードロックレーザーのビーム品質を改善するために、レーザーキャビティ内に光学部品を取り付けることができる。例えば、空間モードフィルタ２−１１８をレーザーキャビティ内に配置し、高次空間モードでのレーザー発振を防止するように構成することができる。モードフィルタ２−１１８は、任意の適切な形状（例えば、円形、楕円形、三日月形、正方形、長方形、多角形など）の開口を含むことができる。開口は、非調整可能なマウントに取り付けることができ、あるいは開口がキャビティ内ビームの光軸を横切る方向に移動できるように取り付けることができる。いくつかの事例（例えば、絞り）では、開口のサイズは、調整可能とすることができる。様々な実施形態において、開口は、レーザー発振動作をレーザーキャビティの最低次の横方向空間モードに制限し、それはモードロックの安定性を向上させることができる。
【００６５】
動的安定化および位置合わせのために、いくつかの実施形態では、ビームステアリング部品をレーザーモジュール１−１０８に含ませることができる。例えば、キャビティ内ビームに対してある角度で回転させることができる１つ又は複数の反射防止コーティングされたレーザー窓または光学平面２−１２８は、ＳＡＭ１−１１９のキャビティ内ビームの入射角を並進および／または変更するためにアクチュエータ２−１６２によって自動的に動作されることができる。アクチュエータとレーザー窓との間の機械的リンク機構２−１６４、およびレーザー窓２−１２８に対するピッチまたはヨーの自動調整を可能にするピッチまたはヨーマウントを設けることができる。アクチュエータ２−１６２は、ステッピングモータ、圧電トランスデューサ、容量トランスデューサ、または他の任意の適切なアクチュエータを含むことができる。
【００６６】
キャビティ内レーザー窓の回転は、レーザー窓からの出射ビームを回転方向に横方向にシフトさせる。横方向のシフト量は、スネルの法則をレーザー窓の２つの界面に適用することにより決定することができる。レーザー窓が第２の曲面ミラー２−１２７とＳＡＭ１−１１９との間に位置する場合、レーザー窓の回転は主にＳＡＭ上のキャビティ内ビームを並進させることとなる。そのようなレーザー窓の回転は、キャビティ内ビームをＳＡＭを横切って移動させることによってＳＡＭの寿命を延ばすように使用することができる。走査運動はＳＡＭの疲労を減少させることができ、あるいはＳＡＭが損傷を受けている場合、ビームを損傷を受けたスポットから離れるように移動させることができる。レーザー窓２−１２８が図４に示すように第２の曲面ミラー２−１２７の前方に配置されている場合、レーザー窓の回転は主にＳＡＭ上へのキャビティ内ビームの入射角を変更することとなる。そのようなレーザー窓の回転は、レーザーキャビティを動的に整列または再整列して安定したモードロック動作を得るように、かつ／または維持するように使用することができる。
【００６７】
レーザー性能を示し、かつキャビティ内ビームステアリング部品を自動的に調整するために使用され得る信号は、（光検出器２−１１６またはポンプモジュールに搭載されているポンプ光検出器（図示せず）で検出される）ポンプ出力、レーザーパワーおよび／またはパルス特性（レーザー発振波長に感度が良いレーザー出力光検出器２−１５４で検出される）、および第２高調波パワー（２倍化出力光検出器２−１８２で検出される）のうちの任意の１つまたはそれらの組み合わせを含むことができる。信号（単数または複数）は、１つまたは複数のアクチュエータ２−１６２を動作させるためのフィードバック制御信号の処理および生成のためにＰＣＢ２−１９０上の回路に供給することができる。いくつかの実施形態では、レーザー出力光検出器２−１５４および２倍化出力光検出器２−１８２の一方または両方は、ＰＣＢ２−１９０上に取り付けられ、かつモードロックレーザーモジュール１−１０８の側面に配置された穴および／または窓（図示せず）を介して放射線を受け取ることができる。いくつかの実施形態では、キャビティ内ビームステアリング部品の回転は、１つまたは複数のフィードバック信号に基づいて、キャビティアライメントを微調整し、かつ／またはＳＡＭ１−１１９上のキャビティ内ビームの位置を変更するように自動化することができる。
【００６８】
いくつかの実施形態によれば、追加的または代替的に、利得媒体１−１０５内に非対称熱勾配を誘起することによってキャビティアライメントを得ることができる。非対称の熱勾配は、熱レンズ効果に影響を及ぼし、利得媒体１−１０５を通過する際に、キャビティ内レーザービームに小さな角度偏向を生じさせるように利得媒体１−１０５内の屈折率を変化させることができる。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の温度制御デバイス（例えば、抵抗加熱素子、ＴＥＣクーラー、またはそれらの組み合わせ）を利得媒体の１つまたは複数の側面に接続することができる。いくつかの実施形態によれば、利得媒体１−１０５は、利得媒体の２〜４つの面（４つの長手方向端部）に熱的に結合された２〜４つの独立して動作可能な温度制御デバイス（図４には示さず）を有し得る。熱的結合は、温度制御デバイスと利得媒体１−１０５の面との間に位置する熱エポキシ又はインジウム箔を含むことができる。各温度制御デバイスはまた、温度制御デバイスの反対側のヒートシンク（レーザーブロックなど）への熱的結合をも含むことができる。いくつかの事例では、１つまたは複数の温度制御デバイスの動作により、光軸２−１１１を横切る方向にビームを偏向させることができる。温度制御デバイスで温度を選択的に変更することによって、キャビティ内レーザービームをステアリングして再整列させることができる。いくつかの事例では、１つまたは複数のキャビティ内レーザー窓２−１２８を利得媒体内での熱ビームステアリングと並行して調整して、たとえばキャビティ内ビームをＳＡＭ上に再配置し、かつ／またはレーザーの安定したモードロック動作を維持することができる。
【００６９】
本発明者らは、モードロックレーザーの平均パワーおよび／またはスペクトル特性が、安定したモードロック動作を決定することができることを認識し、諒解した。たとえば、モードロック動作中のレーザーの平均パワーが一定の値を下回って降下した場合、モードロックをサポートするのに十分な非線形光吸収がＳＡＭ１−１１９にない場合がある。レーザーはこのとき、ＱスイッチしてＳＡＭ１−１１９を損傷し得る。いくつかの事例では、レーザーの平均出力パワーの急速な変動により、レーザーがモードロックに加えてＱスイッチングしていることを示し、これは、ＳＡＭ１−１１９を損傷する可能性がある。いくつかの実施形態では、レーザー１−１１０によって生成された光パワーおよび／またはレーザーの出力パルスまたはモードロック特性を検知するように少なくとも１つのセンサ２−１５４（例えば、フォトダイオード）を含み、かつ配置することができる。例えば、第１のセンサ２−１５４からの信号をスペクトル分析してモードロック周波数付近の側波帯を検出することができ、これはＱスイッチングの開始および／またはレーザー１−１１０のモードロックパルス列における不安定性を示すことができる。第２のセンサ（図示せず）は、レーザー１−１１０によって生成された平均光パワーを検出することができる。検出された平均レーザーパワーが予め設定されたレベルを下回ってドリフトする場合、および／または側波帯変動またはパワー変動が第１のセンサ２−１５４によって検出された場合、自動キャビティアライメントルーチンを実行してパワーを回復し、かつ／または修理のためにレーザーを遮断することができる。いくつかの事例では、モードロックパルス列の不安定性を示す側波帯は、高次空間キャビティモードのレーザー発振によるものである。このような不安定性は、例えば、キャビティ内空間モードフィルタ２−１１８を自動または手動で調整することによって修正することができる。いくつかの実施形態によれば、レーザー発振波長に感度の良い１つまたは複数のセンサ２−１５４をＰＣＢ２−１９０上に取り付けることができる。
【００７０】
いくつかの事例では、追加の信号を処理してレーザーの動作を分析することができる。例えば、ポンプパワーは、レーザーからの平均パワーレベルと共に、（フォトダイオードまたは他の適切な光検出器とすることができる）ポンプパワーセンサ２−１１６を用いて評価することができる。いくつかの実施形態では、周波数２倍化パワーの量は、追加的にまたは代替的に、センサ２−１８２（フォトダイオードまたは他の適切な光検出器とすることができる）で監視することができる。例えば、平均レーザーパワーがほぼ一定を維持している間に、平均周波数２倍化パワーが減少することは、モードロックパルス長の変化、または周波数２倍化光学部品に関する問題を示す可能性がある。
【００７１】
コンパクトモードロックレーザーモジュール１−１０８の複数の構成要素は、レーザーキャビティが実質的に単一平面内にあるように、ベースシャーシ２−１０５に取り付けられている。本発明者らは、そのようなレーザーモジュールを光学特徴付け装置として適切であるように修正するために、ＳＡＭ２−１２８を他の構成要素とは異なる平面に配置することが有用であることを理解した。特に、ＳＡＭ２−１２８は、レーザーキャビティの他の光学構成要素に対して垂直な方向にＳＡＭ２−１２８を方向付けるレーザーモジュール１−１０８のハウジングの外側にあるマウント内に取り付けられ得る。
【００７２】
そのような実施形態の一例が図５に示され、光学特徴付け装置の一部分５００が例示されている。モードロックレーザーモジュール１−１０８は、ハウジング５０１を含む。モードロックレーザーモジュール１−１０８の構成要素のほとんどは、ハウジング５０１内の単一平面内にある。ハウジング５０１の外側に配置されたマウント５０２は、ミラーまたはＳＡＭなどの光学部品を配置することができるレセプタクル（receptacle）を含む。マウント５０２は、光学部品が上方から落下するように設けられている。レーザービームは上方から光学部品に入射する。マウント５０２は、水平面内のマウント５０２内の光学部品の位置を制御し得る２つのモーター部分５１０、５１１を含む電動二次元移動ステージに取り付けられている。
【００７３】
図６は、マウント内にＳＡＭ６０１が配置されたマウント５０２の拡大図を示している。いくつかの実施形態では、マウント５０２は、ＳＡＭウェーハ全体を収容するためにより大きな実装面積を有し得る。ＳＡＭウェーハ全体は、ハウジング５０１内に適合しないが、マウント５０２をハウジング５０１の外側に配置することによって、完全なウェーハを走査するための十分な空間が存在する。
【００７４】
図４の既存のモードロックされたレーザーモジュール１−１０８をエンドミラーがハウジングの外側になるように修正するには、レーザービームをハウジング５０１の外に向け直さなければならない。これを達成するために、ベースシャーシ２−１０５において図４の黒丸２−１０７で示される位置に孔が形成される。ピックオフミラー（pick-off mirror）は、孔の上方に配置され、レーザービームがキャビティ内ミラー２−１２４およびＳＡＭ１−１１９に入射することを許容するのではなく、孔を通してレーザービームを下方に反射する。図４のミラーのほとんどは、ベースシャーシ２−１０５によって確立された平面内でｓ偏光された光を効率的に反射するように構成されているが、レーザーモジュール１−１０８に追加されるピックオフミラーは、ｐ偏光された光を効率的に反射するように構成されている。既存のモードロックされるレーザーモジュール１−１０８に対する修正は、図７に示されており、レーザービームは、孔７０１を通してピックオフミラー７０３によって反射される。図７の点線は、ＳＡＭ７０５からの反射を含む修正なしのレーザービーム経路を示す。いくつかの実施形態では、修正されていないシステム内のピックオフミラー７０３からＳＡＭ７０５の位置までの距離は、ピックオフミラー７０３からマウント５０２内のＳＡＭ６０１までの距離と等しい。距離を同じに保つことによって、このセットアップを用いて測定されるレーザーの特性は、修正されていない位置におけるＳＡＭを含む修正されていないモードロックレーザーモジュール１−１０８の挙動に最もよく似ている。
【００７５】
図４〜７は、光学特徴付け装置として使用されるように修正され得る特定のレーザーモジュールを示すが、実施形態は、そのように限定されない。他のレーザーシステムもまた、光学特徴付け装置として機能するように変更され得る。図８は、いくつかの実施形態で使用され得るモードロック半導体レーザーを示し、図９は、いくつかの実施形態で使用され得るモードロック半導体レーザーを示す。
【００７６】
図８を参照すると、モードロックレーザーダイオード４−１００は、いくつかの実施形態に従って、試料のプロービングまたは測定を行うために直接的に使用される所望の波長で（例えば、青色、緑色、または赤色の波長で）パルスを生成し得る。いくつかの場合では、レーザーダイオードによって生成されたパルスは、プロービングまたは測定用途で使用するために、別の波長（たとえば、２倍の周波数）に変換され得る。例えば、モードロックレーザーダイオードは、赤外波長でパルスを生成し、これらのパルスは、光スペクトルの青色、緑色、または赤色領域に周波数を２倍にされてもよい。
【００７７】
モードロック半導体レーザーは、レーザーダイオード４−１０５および可飽和吸収体ミラー３−１２０を含み得る。レーザーキャビティの端部は、いくつかの実施形態に従って、半導体レーザーダイオード４−１０５および可飽和吸収体ミラー３−１２０の一端に形成された反射コーティング４−１１２によって画定されてもよい。ＳＡＭ３−１２０は、二次元移動ステージに取り付けられて、レーザービームの照射スポットがＳＡＭ３−１２０全体にわたって走査されることを可能にし得る。レーザーキャビティは、レーザーダイオードからの光ビームの発散を再形成および／または変更する第１の光学系ＯＳ１を含み得る。レーザーキャビティは、キャビティ内ビームを可飽和吸収体ミラーに再形成および／または集束させ得る第２の光学系ＯＳ２をさらに含み得る。いくつかの実施形態では、レーザーキャビティは、光遅延素子３−１１０を含み得る。モードロックレーザーダイオードは、波長λlでレーザーを放出し、持続時間が約１００ｐｓよりも短い超高速パルス列を生成し得る。
【００７８】
いくつかの実装形態では、レーザーダイオード４−１０５は、光導波路構造のいずれかの端部において光学コーティングを含み得る。光学コーティング４−１１０、４−１１２は、蒸着プロセスまたは物理堆積プロセスなどの任意の適切な堆積プロセスによって形成され得る。いくつかの実施形態では、レーザーダイオードの第１の端部は、レーザーキャビティの出力カプラとして機能する部分透過性コーティング４−１１２を含み得る。透過性コーティング４−１１２は、レーザービームの一部をキャビティの外側に伝達して、超高速パルス列を供給し得る。コーティング４−１１２の透過率は、いくつかの実施形態によれば、約２％〜約１５％の間であり、その反射率は、約９８％〜約８５％の間であり得る。レーザーダイオード４−１０５の反対側の端部は、反射防止コーティング４−１１０でコーティングされて、レーザーダイオードからの放射の大部分を、大きな反射なしにレーザーキャビティ内に通過させることができる。例えば、反射防止コーティング４−１１０は、レーザー発振波長λlの１％未満を反射し得る。
【００７９】
モードロックレーザーダイオードの使用は、例えば、約３００ｍＷを超える電力レベルなどの大量の電力を必要としないいくつかの実施形態にとって有利であり得る。モードロックレーザーダイオードの１つの利点は、コンパクトなサイズと、レーザー内で使用される光学素子の数が少ないことである。レーザー媒体は非常に小さく（例えば、５ｍｍ未満の幅に）できるので、いくつかの実施形態では、モードロックレーザーダイオードのアレイを使用することが可能である。いくつかの実装形態では、モードロックレーザーダイオードのアレイは、共通の光学素子を共有し得る。例えば、２つ以上のレーザーダイオードは、１つ以上の光学素子（例えば、光学遅延素子３−１１０、光学系ＯＳ１、ＯＳ２、および可飽和吸収体ミラー３−１２０のうちの１つ以上）を共有し得る。
【００８０】
図９を参照すると、超高速パルスがモードロックファイバレーザーを用いて生成され得る。モードロックファイバレーザー５−２００は、ダイオード励起固体レーザー（diode-pumped solid-state laser）で使用される光学素子を含み得る。しかしながら、モードロックファイバレーザーでは、利得媒体は、レーザーキャビティに光遅延素子を提供することもできる長さの光ファイバ５−１２０を含む。いくつかの実施形態によれば、ダイオードポンプ源３−１０５は、図９に示されるように、ファイバ５−１２０の端部に結合されるポンプ波長λｐを提供し得る。
【００８１】
いくつかの実装形態では、複数の光結合素子は製造され、光ファイバ５−１２０の両端に結合され得る。例えば、第１の光学素子５−２１０は、光ファイバの第１の端部に結合または形成され得る。第１の光学素子は、光ファイバの端部に直接取り付けられているか、または支持構造を用いて取り付けられているボールレンズ（ball lens）または屈折率分布型レンズ（graded refractive index lens）を含み得る。さらに、第１の光学素子５−２１０は、ポンプ波長λｐの大部分（例えば、約９８％以上）を透過し、かつレーザー発振λlの大部分（約９８％〜約８５％）を反射する二色性コーティングを含み得る。したがって、第１の光学素子５−２１０は、ファイバレーザー５−２００用の出力カプラを備えてもよい。
【００８２】
第２の光学素子５−２２０は、いくつかの実施形態では、光ファイバの端部上に形成された二色性コーティングを含んでもよく、このダイクロイックコーティングは、レーザー発振波長λlの大部分（例えば、約９８％以上）を透過し、ポンプ波長λｐの大部分（例えば、約９８％以上）を光ファイバ中に反射するように構成されている。いくつかの実施形態では、第２の光学素子５−２２０は、光ファイバの端部に直接取り付けられるか、または支持構造を用いて結合されるボールレンズまたはＧＲＩＮレンズを含み得る。例えば、ＧＲＩＮレンズは光学接着剤でファイバの端部に接着され、ＧＲＩＮレンズの露出した端部は、レーザー発振波長λlの大部分（例えば、約９８％以上）を透過し、ポンプ波長λｐの大部分（例えば、約９８％以上）を光ファイバに反射するように構成された二色性コーティングでコーティングされ得る。いくつかの実施形態によれば、レーザーダイオード３−１０５からのポンプ放射を光ファイバに結合するために使用される第１の光学レンズ系ＯＳ１と、光ファイバからの放射を可飽和吸収体ミラー３−１２０に集束するために使用される第２の光学レンズ系ＯＳ２とがあり、これらは二次元移動ステージ上に取り付けられ得る。
【００８３】
図１０を参照すると、ＳＡＭ等の光学素子を特徴付けるための方法１０００が示されている。ブロック１００１において、コントローラ（例えば、図１のコントローラ１５０）は、二次元移動ステージ（例えば、図１のステージ１４５）を使用してＳＡＭを初期位置に移動させる。ブロック１００３において、コントローラ（例えば、図１のコントローラ１５０）は、光学検出システムを使用してレーザービームの少なくとも１つの特性を測定する。ブロック１００５において、コントローラは、測定対象のＳＡＭの追加の部分があるかどうかを判定する。「Ｙｅｓ」の場合、方法１０００はブロック１００１に戻り、コントローラは移動ステージを使用してレーザービームの照射スポットに対するＳＡＭの位置を調整する。測定する追加の位置がない場合、方法１０００は、コントローラがレーザービームの１つまたは複数の特性を決定するブロック１００７に続く。ブロック１００９において、コントローラは、レーザービームの１つまたは複数の特性に基づいて、ＳＡＭの２次元マップを作成する。方法１０００の実施形態は、図１０に示される動作の順序に限定されない。例えば、いくつかの実施形態は、ブロック１００５の前に、各特性が測定されるときに（レーザーの１つまたは複数の特性を決定する）ブロック１００７を実行してもよい。
【００８４】
いくつかの実施形態では、任意の走査で複数の特性を測定することができる。様々な特性を測定するための様々なアプローチが存在する。いくつかの実装形態では、走査の各位置において複数の測定が実行されてもよい。あるいは、最初の測定のために最初のスキャンを完了し、続いて２番目の測定のために２番目のスキャンを完了することができる。各走査は、同じ数の位置または同じ「解像度」を有する必要はなく、走査の解像度は、ＳＡＭが取り付けられる移動ステージのステップサイズによって決定される。
【００８５】
前述のように、光学検出システムは、パルス幅、各放出波長に関連するパワー、および／または高速フォトダイオード信号を含むパルスレーザーの多くの特性を検出し得る。ブロック１００３で測定されたこれらの量は、ＳＡＭの品質に関連するレーザーの追加の特性を決定するために使用されることができる。しかし、いくつかの特性は追加分析なしにＳＡＭを特徴付けるのに有用である。例えば、５３２ｎｍでの光パルスおよび１０６４ｎｍでの光パルスの両方を放射するレーザーシステムにおいて、光パルスの各ビームのパワーは、レーザーシステムの性能にとって重要であり得る。例えば、ＳＡＭを使用するレーザーシステムは、５３２ｎｍで特定のパワーの光を生成することが期待され得る。したがって、ＳＡＭの面全体にわたって５３２ｎｍでの光のパワーをマッピングすることは、実行する重要な特性付けである。
【００８６】
同様に、パルス特徴付け検出器３４５によって測定されるレーザーパルスの時間的パルス幅は、ＳＡＭの面を走査することによって測定するレーザーシステムの有用な特性である。いくつかの実施形態では、自己相関器信号は、ｓｅｃｈ２曲線に適合され、そのＦＷＨＭは、時間的パルス持続時間として使用される。
【００８７】
測定された量から導出されることができる第１の特性は、パルスレーザーが連続波（continuous wave : CW）であるか、受動モードロック（passively mode-locking : ML）であるか、Ｑスイッチング（Q-switching : QS）であるかである。レーザーシステムのメーカーは、レーザーがＱスイッチングではなくモードロックされていることを確認したいと考えている。特定のＳＡＭはＱスイッチングを起こしやすいため、ＳＡＭの表面全体にわたってモードロック能力をマッピングすることは、製造されたレーザーシステムにおいてＳＡＭを使用すべきか否かを決定する際に有用な測定である。レーザーがＣＷであるか、モードロックであるか、Ｑスイッチングであるかを判定するための１つの技術は、高速フォトダイオードからの信号に基づいている。レーザーがＣＷであるとき、高速フォトダイオード信号はパルスを含まない。レーザーがモードロックされると、高速フォトダイオード信号は、ほぼ一定の強度を有する規則的な間隔のパルスを含む。レーザーがＱスイッチングである場合、高速フォトダイオード信号は、比較的短い時間スケールで強度が変動するパルスを含む。したがって、高速フォトダイオード信号が、これら３つの動作条件のうちのいずれが動作パラメータの任意のセットに対して存在するか否かを判定するように分析され得る。
【００８８】
測定された量から導き出されることができる第２の特性は、損傷閾値である。損傷閾値を測定するには永続的にＳＡＭに損傷を与える必要があるため、損傷閾値のマップは形成されない。代わりに、損傷閾値は、ＳＡＭの周囲のいくつかの位置で試験され得る。損傷閾値を測定するための１つの技術は、５３２ｎｍにおける光パルスのパワーに基づいている。ポンプ電流が増加されて、損傷閾値に達する前では５３２ｎｍでの光のパワーが増加し得る。損傷閾値に達すると、５３２ｎｍでの光パワーの急激な低下が生じる。したがって、損傷閾値を決定することは、５３２ｎｍでの光のパワーをパワーの低下について監視するパワーメーターからの信号を分析することを含み得る。
【００８９】
測定された量から導出されることができる第３の特性はＳＡＭの寿命である。本発明者らは、品質が悪く寿命が短いＳＡＭが、一定時間の動作後に、モードロックからＱスイッチングに自発的に変化することを認識した。例えば、約２４〜７２時間の連続動作の後、低品質のＳＡＭを使用するレーザーは自発的にＱスイッチングを開始し得る。従って、Ｑスイッチングの兆候について高速フォトダイオード信号を監視することは、ＳＡＭの寿命を決定するために使用され得る。代替的または追加的に、生成された光パルスのパワーを使用して、寿命を決定し得る。本発明者らは、レーザーを約２４〜７２時間動作させると、５３２ｎｍおよび／または１０６４ｎｍの光パルスのパワーが低下し、その低下速度がＳＡＭの寿命に関連することを認識した。したがって、パワーが特定の閾値速度よりも大きい速度で低下する場合、ＳＡＭは低品質であると考えられる。寿命測定は非常に遅い（例えば、２４〜７２時間かかる）ので、ＳＡＭの走査が実行されてもよい。代わりに、ＳＡＭの信号測定を使用して、ＳＡＭ全体を特徴付けることができる。
【００９０】
測定量から導出されることができる第４の特性は、モードロック電流閾値とも呼ばれるモードロックポンプ閾値（mode-locking pump threshold）である。この特性は、レーザーシステムが受動的にモードロックするレーザーポンプの電流の最小値である。モードロックポンプ閾値を決定するために使用され得る種々の技術が存在する。いくつかの実施形態では、（特に最悪ケースの）決定を行うのに要する時間を短縮するために、モードロックポンプ閾値は、図１１に関連して説明される二分探索方式（binary search strategy）を使用して決定される。複数の実施形態は、このアプローチに限定されない。別のアプローチは、可能な限り最小のポンプ電流で開始し、レーザーのモードロックまで電流をステップサイズだけ増加させることである。しかしながら、このタイプのアプローチは、二分探索アプローチよりも時間がかかる。
【００９１】
図１１は、特定のＳＡＭを備えた光学特徴付け装置のモードロックポンプ閾値を決定する方法１１００のフローチャートである。ブロック１１０１において、コントローラ１５０は、二分探索のために電流範囲およびステップサイズを初期化する。初期電流範囲は、所定の最小ポンプ電流および所定の最大ポンプ電流によって定義され得る。初期の最大ポンプ電流は、例えば、ポンピングが生じる最大電流よりも１ステップまたは２ステップだけ低くてもよい。
【００９２】
ブロック１１０３において、コントローラは、ポンプ電流を電流範囲の中間点に設定し、レーザーがモードロックされているかどうかを判定する。コントローラは、上記のように、高速フォトダイオード信号を使用してレーザーがモードロックされているかどうかを判定し得る。あるいは、パルス特徴付け検出器からの信号を用いて、レーザーがモードロックされているかどうかを判定してもよい。
【００９３】
ブロック１１０５において、方法１１００は、コントローラがブロック１１１３においてレーザーが中間点の電流値でモードロックされていないと判定した場合にブロック１１０３に進む。ブロック１１１３において、コントローラは、現在の中間点の値をその範囲の新しい最小ポンプ電流として記憶する。次に、方法１１００は、ブロック１１１５に進み、コントローラは、新しい範囲がステップサイズよりも小さいかどうかを判定する。「ｙｅｓ」の場合、コントローラ１５０は、モードロックポンプ閾値が見つからないと判定し、方法１１００は終了する。「ｎｏ」の場合、コントローラ１５０はブロック１１０３に戻る。
【００９４】
ブロック１１０５において、方法１１００は、コントローラがブロック１１０５においてレーザーが中間点の電流値でモードロックされていると判定した場合にブロック１１０７に進む。ブロック１１０７において、コントローラは、現在の中間点の値をその範囲の新しい最大ポンプ電流として記憶する。次に、方法１１００は、ブロック１１０９に進み、コントローラは、これが、ブロック１１０３においてレーザーがモードロックされていると判定された３回連続の時間であるかどうかを判定する。「ｙｅｓ」の場合、コントローラ１５０は、現在の中間点の値をモードロックポンプ閾値として記憶し、方法１１００は終了する。「ｎｏ」の場合、コントローラ１５０はブロック１１０３に戻る。方法１１００は、実際のモードロック閾値よりも下で生じるモードロックの偽の検出を回避するために、ブロック１１０９の判定を行う。
【００９５】
いくつかの実施形態では、光学素子の特徴付けを実行するときに、上記した特性のすべてが決定されるわけではない。複数の特性の任意の一部分は、任意の特徴付けルーチンに対して決定され得る。
【００９６】
図１のコントローラ１５０は、コンピューティングデバイスを使用して具体化され得る。図１２は、他のものが可能であるが、本明細書において説明される技術を実装するシステムで使用され得るコンピューティングデバイス１２００の形態のコンピューティングデバイスの特定の実装例を示す。コンピューティングデバイス１２００は、例えば、図１のコントローラ１５０として具体化され得る。図１２は、コンピューティングデバイスがコントローラとして動作するために必要なコンポーネントの描写、または本明細書において説明された技術に従って動作するシステムの他のコンピューティングデバイスの描写でも、包括的な描写でもないことを理解されたい。
【００９７】
コンピューティングデバイス１２００は、少なくとも１つのプロセッサ１２０２、少なくとも１つの入力／出力インタフェース１２０４、ディスプレイ１２０６、およびコンピュータ可読記憶媒体１２１０を含み得る。コンピューティングデバイス１２００は、例えば、ウェアラブルデバイス、デスクトップまたはラップトップパーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（personal digital assistant）、スマート携帯電話、タブレットコンピュータ、サーバ、または任意の他の適切なコンピューティングデバイスであり得る。１つまたは複数の入力／出力インタフェース１２０４は、コンピューティングデバイス１２００が、移動ステージおよび／または光学検出システムの複数の構成要素と有線および／または無線で通信することを可能にする任意の適切なハードウェアおよび／またはソフトウェアであり得る。１つまたは複数の入出力インタフェース１２０４は、無線アクセスポイント、スイッチ、ルータ、ゲートウェイ、および／または他のネットワーク機器と通信するためのネットワークインタフェース、ならびにインターネットを含む複数のコンピュータ間でデータを交換するための任意の適切な有線および／または無線通信媒体または媒体を含み得る。コンピュータ可読媒体１２１０は、処理されるデータおよび／またはプロセッサ１２０２によって実行される複数の命令を格納するように構成され得る。プロセッサ１２０２は、データの処理および命令の実行を可能にする。データおよび複数の命令は、コンピュータ可読記憶媒体１２１０に記憶され、例えば、コンピューティングデバイス１２００の複数の構成要素間の通信を可能にし得る。
【００９８】
デバイス１２００は、いくつかの実施形態では、光学部品の表面の２次元マップをデバイス１２００のユーザーに提示するためのディスプレイ１２０６を含み得る。
コンピュータ可読記憶媒体１２１０に記憶されたデータおよび複数の命令は、本明細書において説明される原理に従って動作する技術を実装する複数のコンピュータ実行可能命令を含み得る。図１２の例では、コンピュータ可読記憶媒体１２１０は、コントローラ機能１２１６を実装し、光学検出システムからの測定データ１２１２および測定データ１２１２の分析から得られる分析データ１２１４のような種々の情報を記憶する説明されたコンピュータ実行可能な複数の命令を記憶する。媒体６１２は、光学特徴付け装置１００を制御するための上記の技術のいずれかを実施し得るコントローラ機能１２１６の複数の命令をさらに記憶し得る。
【００９９】
図１２には示されていないが、コンピューティングデバイス１２００は、ユーザーが制御デバイス１２００と対話し、デバイス１２００に入力を提供することを可能にするユーザーインタフェースを含む１つまたは複数の構成要素および周辺機器をさらに備え得る。このようなデバイスは、キーボード、マウス、タッチパッド、デジタル化タブレットなどのポインティングデバイス（pointing device）を含み得る。別の例として、コンピューティングデバイスは、音声認識または他の可聴形式で入力情報を受信し得る。
【０１００】
結果の例
図１３Ａ〜１３Ｃは、１００マイクロメートルの走査ステップサイズを有する２ｘ２（two by two）ミリメートルのＳＡＭについて、光学特徴付け装置１００を用いて５３２ｎｍでの光パルスの出力パワーおよびパルス幅をマッピングすることによって得られた例示的な結果を示す。図１３Ａは、ＳＡＭの面全体の５３２ｎｍでの出力パワーを示す。このように、複数の端部は、低いパワーを示している。さらに、（図１３Ａの破線円によって示される）ＳＡＭの中心付近にも低いパワーを示す位置が存在する。これはＳＡＭの欠陥を示している可能性がある。この場合、欠陥は、ＳＡＭがレーザーシステムで使用され得るほど十分に小さいように見えるが、ＳＡＭは、レーザービームの照射スポットが欠陥とは異なる位置にあるように配置されるべきである。図１３Ｂは、ＳＡＭ上の単一の位置の自己相関器の測定結果を示している。ｓｅｃｈ２フィットのＦＷＨＭはパルス幅として用いられる。図１３Ｃは、ＳＡＭの面全体のすべての位置のパルス幅のマップである。図１３Ａのパワーマップが可能性のある欠陥を示す同じ位置において、光学特徴付け装置のレーザーのパルス幅は、ＳＡＭの他の位置と比較して著しく増大される。図１３Ａおよび１３Ｃの２つのマップを一緒に使用して、ＳＡＭをレーザーキャビティ内に最適に配置する方法、またはＳＡＭが不十分な品質である場合にＳＡＭを使用するかどうかを判定し得る。
【０１０１】
図１４Ａ〜Ｆは、光学特徴付け装置を使用した異なるＳＡＭの結果の例を示している。図１４Ａは、１００マイクロメートルのステップサイズを有する５３２ｎｍレーザーパルスのパワーのマップであり、図１４Ｂは、１００マイクロメートルのステップサイズを有するレーザー発振形態（すなわち、ＣＷ（オフ）、Ｑスイッチング（ＱＳ）、またはモードロック（ＭＬ））のマップであり、図１４Ｃは、１００マイクロメートルのステップサイズを有するパルス幅のマップである。この場合も、ＳＡＭの複数の端部は、十分なパワー、モードロック、またはパルス幅を提供しない。さらに、ＳＡＭの中心付近には、その位置でのレーザーＱスイッチングおよびＳＡＭの面上の他の位置よりも著しく大きいパルス幅によって示されるように、欠陥が存在する。図１４Ｄ〜Ｆは、２５マイクロメートルのより小さなステップサイズを使用して欠陥にズームインするマップである。図１４Ｄは、欠陥付近における５３２ｎｍのレーザーのパルス幅のパワーのマップであり、図１４Ｅは、欠陥付近におけるレーザー発振形態のマップであり、図１４Ｆは、欠陥付近におけるパルス幅のマップである。
【０１０２】
発明者らは、光学顕微鏡（図１５Ａ参照）を用いてＳＡＭを目視検査することにより、レーザー発振形態が欠陥の存在を示すＳＡＭの位置（図１５Ｂ参照）を調査した。欠陥の位置においてＳＡＭ上に視認できる欠陥は存在しない。したがって、本発明者らは、いくつかの実施形態の特徴付け技術が、目視検査のような従来の技術を用いては検出できないＳＡＭ等の光学部品の欠陥を検出することができることを認識し、諒解した。いくつかの実施形態では、光学特徴付け装置は、光学顕微鏡では不可能な光学素子の非線形特性を探査することができる。さらに、光学特徴付け装置は、光学顕微鏡などの従来の検査技術では不可能なキャビティ内レーザービームで光学素子を探査することができる。
【０１０３】
その他の考慮事項
このように、光学特徴付け装置のいくつかの実施形態のいくつかの態様を説明したが、様々な変更、修正、及び改善が当業者には容易に想到されることが諒解されるべきである。そのような変更、修正、及び改善はこの開示の一部であるように意図されており、本発明の精神及び範囲内にあることが意図されている。本教示を様々な実施形態及び例に関連して説明したが、本教示がこのような実施形態又は例に限定されることは意図されていない。逆に、本教示は、当業者には諒解されるであろう様々な代替形態、修正、及び均等物を包含する。
【０１０４】
例えば、実施形態は、上述したよりも多いまたは少ない光学部品をレーザーキャビティ内に含むように変更されてもよい。さらに、レーザーキャビティの構成は、いくつかのレーザーキャビティで示されたものとは異なり、光路においてより多いかまたはより少ない曲がり角または折り返しを有してもよい。さらに、エンドミラーおよび／またはＳＡＭを移動ステージ上に取り付ける実施形態について説明したが、レーザーキャビティの端部にない他の光学素子が、特徴付けられる移動ステージ上に取り付けられてもよい。このようにして、複数の光学素子は、光学素子を特徴付ける目的で、キャビティ内レーザービームを受け取るように配置されてもよい。
【０１０５】
様々な発明の実施形態が説明及び図示されてきたが、当業者は、その機能を実施し、かつ／又は、それらの結果及び／又は説明されている利点の１つもしくは複数を得るための様々な他の手段及び／又は構造を容易に想定し、そのような変形及び／又は修正の各々は、説明されている本発明の実施形態の範囲内にあると考えられる。より一般的には、当業者は、説明されているすべてのパラメータ、寸法、材料、及び構成が例であるように意図されていること、ならびに、実際のパラメータ、寸法、材料、及び／又は構成が、本発明の教示が使用される特定の１つ又は複数の用途に応じて決まることを容易に諒解するであろう。当業者は、日常の実験のみを使用して、説明されている特定の発明の実施形態に対する多くの均等物を認識することになり、又は、それを究明することが可能になる。それゆえ、上記の実施形態は例としてのみ提示されていること、ならびに、添付の特許請求項及びその均等物の範囲内で、発明の実施形態は、具体的に説明及び特許請求されているのとは他の様態で実践されてもよいことが理解されるべきである。本開示の発明の実施形態は、説明されている各個々の特徴、システム、システム・アップグレード、及び／又は方法を対象とし得る。加えて、そのような特徴、システム、システム・アップグレード、及び／又は方法が相互に矛盾しない場合、２つ以上のそのような特徴、システム、及び／又は方法の任意の組み合わせが、本開示の発明の範囲内に含まれる。
【０１０６】
さらに、特定の実施形態のいくつかの利点が示され得るが、すべての実施形態がすべての説明されている利点を含むとは限らないことは諒解されるべきである。いくつかの実施形態は、有利であるとして説明されている任意の特徴を実装しなくてもよい。したがって、上記の説明及び図面は例示のみを目的としたものである。
【０１０７】
限定ではないが、特許、特許出願、論説、著書、論文、及びウェブ・ページを含む、この出願において引用されているすべての文献及び同様の資料は、そのような文献及び同様の資料の形式にかかわらず、参照によりそれらの全体が明示的に組み込まれる。組み込まれている文献及び同様の資料のうちの１つ又は複数が、限定ではないが、定義されている用語、用語の用法、説明されている技法などを含め、この出願と異なるか、又は、相反する場合、この出願が優先する。
【０１０８】
使用されている節の見出しは、構成のみを目的としており、決して説明されている主題を限定するものとして解釈されるべきではない。
また、説明されている技術は、そのうち少なくとも１つの例が設けられている方法として具現化され得る。方法の一部分として実施される動作は、任意の適切な様式で順序付けられてもよい。したがって、動作が示されているものとは異なる順序で実施され、たとえ例示的な実施形態においては順次の動作として示されていたとしても、いくつかの動作を同時に実施することを含んでもよい実施形態が構築されてもよい。
【０１０９】
定義及び使用されているものとしてのすべての定義は、辞書の定義、参照によって組み込まれている文書における定義、及び／又は、定義されている用語の通常の意味に優先するものとして理解されるべきである。
【０１１０】
「光学的（optical）」という用語は、紫外線、可視光、近赤外線及び短波長赤外線のスペクトル帯域を参照するように用いられ得る。
「特徴的な波長（characteristic wavelength）」または「波長」は、放射の制限された帯域幅内の中心波長または主波長を指すように使用され得る。いくつかの場合では、放射の帯域幅内のピーク波長を指すこともある。
【０１１１】
「特徴的なエネルギー（characteristic energy）」または「エネルギー」という用語は、特徴的な波長に関連するエネルギーを指すように使用され得る。
「約（about）」、「おおよそ（approximately）」、及び「実質的に（substantially）」という用語が、値を参照して使用されている場合があり、参照されている値に妥当な変動が加わった値及び差し引かれた値を包含するように意図されている。変動の量は、いくつかの実施形態においては値の５％未満であってもよく、いくつかの実施形態においては１０％未満であってもよく、さらに、いくつかの実施形態においては２０％未満であってもよい。装置が広い範囲の値、例えば１桁以上の大きさを含む範囲にわたって適切に機能し得る実施形態では、変動量は２倍（factor of two）であり得る。例えば、装置が２０〜３５０の範囲の値に対して適切に機能する場合、「約８０」は、４０〜１６０の間の値を含み得る。
【０１１２】
「隣接する」という用語は、２つの要素が互いに近接近して（例えば、２つの要素のうちの大きい方の横方向寸法又は垂直方向寸法の約５分の１未満の距離内に）配置されることを指すように用いられてもよい。いくつかの事例において、隣接する要素の間には、介在する構造又は層があってもよい。いくつかの事例において、隣接する要素は、介在する構造又は要素なしに互いに直に隣接してもよい。
【０１１３】
不定冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、本明細書及び特許請求の範囲において使用されているものとしては、明確に逆に指示されていない限り、「少なくとも１つ」を意味するように理解されるべきである。
【０１１４】
「及び／又は」という語句は、本明細書及び特許請求の範囲において使用されているものとしては、そのように結合されている要素、すなわち、いくつかの事例では結合して存在し、他の事例では分離して存在する要素の「いずれか又は両方」を意味するものとして理解されるべきである。「及び／又は」を用いてリストされている複数の要素は、同じように、すなわち、そのように結合されている要素の「１つ又は複数」として解釈されるべきである。「及び／又は」条項によって具体的に識別されている要素以外の他の要素が、具体的に識別されているそれらの要素に関連するか、関連しないかにかかわらず、任意選択的に存在してもよい。したがって、非限定例として、「備える（comprising）」のような限定しない文言とともに使用されているとき、「Ａ及び／又はＢ」に対する参照は、１実施形態においてはＡのみ（任意選択的にＢ以外の要素を含む）を指し、別の実施形態においてはＢのみ（任意選択的にＡ以外の要素を含む）を指し、また別の実施形態においてはＡとＢの両方（任意選択的に他の要素を含む）を指し得る、などであり得る。
【０１１５】
本明細書及び特許請求の範囲において使用されるものとしては、「又は」は、上記で定義されているような「及び／又は」と同じ意味を有するものとして理解されるべきである。例えば、リスト内で項目を分離しているとき、「又は」又は「及び／又は」は、包含的である、すなわち、複数の要素又は要素のリストのうちの少なくとも１つを含むが、２つ以上をも含み、また任意選択的に追加のリストされていない項目も含むものとして解釈されるべきである。「〜のうちの１つのみ」もしくは「〜のうちの正確に１つ」、又は、特許請求の範囲において使用されるとき、「〜からなる」のように、明確に逆に指示されている用語だけは、複数の要素又は要素のリストのうちの正確に１つの要素を含むことを指す。一般的に、使用されているような「又は」という用語は、「いずれか」、「〜のうちの１つ」、「〜のうちの１つのみ」又は「〜のうちの正確に１つ」のような、排他性の用語が先行するときは、排他的な選択肢（すなわち「１方又は他方であり、両方ではない」）を示すものとしてのみ解釈されるべきである。「基本的に〜からなる」は、特許請求の範囲において使用されるとき、特許法の分野において使用されるものとしての、その通常の意味を有するべきである。
【０１１６】
本明細書及び特許請求の範囲において使用されるものとしては、１つ又は複数の要素のリストを参照する「少なくとも１つ」という語句は、要素のリスト内の要素のうちのいずれか１つ又は複数から選択される少なくとも１つの要素を意味するものとして理解されるべきであるが、必ずしも、要素のリスト内に具体的にリストされているあらゆる要素のうちの少なくとも１つを含むとは限らず、要素のリスト内の要素の任意の組み合わせを排除するものではない。この定義はまた、「少なくとも１つ」という語句が参照する要素のリスト内で具体的に識別されている要素以外の要素が、具体的に識別されているそれらの要素に関連するか、関連しないかにかかわらず、任意選択的に存在し得ることも可能にする。したがって、非限定例として、「Ａ及びＢのうちの少なくとも１つ」（又は、同等に「Ａ又はＢのうちの少なくとも１つ」、もしくは、同等に「Ａ及び／又はＢのうちの少なくとも１つ」）は、１実施形態においては、Ｂが存在せず、２つ以上のＡを任意選択的に含む少なくとも１つのＡを指し（また、任意選択的にＢ以外の要素を含む）、別の実施形態では、Ａが存在せず、２つ以上のＢを任意選択的に含む少なくとも１つのＢを指し（また、任意選択的にＡ以外の要素を含む）、また別の実施形態では、任意選択的に２つ以上のＡを含む少なくとも１つのＡ、及び、任意選択的に２つ以上のＢを含む少なくとも１つのＢを指し得る（また、任意選択的に他の要素を含む）、などである。
【０１１７】
特許請求の範囲において、及び、上記の本明細書において、「備える」、「含む」、「担持する」、「有する」、「含有する」、「包含する」、「保持する」、「〜から構成される」などのようなすべての移行句は、限定しないものである、すなわち、含むが、それに限定されないことを意味するものとして理解されるべきである。「〜からなる」及び「基本的に〜からなる」という移行句のみが、それぞれ限定的な又は半限定的な移行句であるべきである。
【０１１８】
特許請求の範囲は、その旨述べられていない限り、記載されている順序又は要素に限定されるものとして読み取られるべきではない。添付の特許請求項の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者によって、形態及び詳細に様々な変更を行うことができることが理解されるべきである。以下の特許請求項の及びその均等物の精神及び範囲内に入るすべての実施形態が特許請求される。
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ−Ｃ】
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【図１４Ａ−Ｆ】
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【図１５Ａ−Ｂ】
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【国際調査報告】
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