(57)【要約】  超短パルスを発生させるレーザヘッドが、ヘッド内で能動的ビームステアリングデバイスと一体化されている。適切なインターフェースプロトコルを用いた照射システムとの直接結合により、能動素子を照射システムによって直接に制御することが可能になる。
2010522998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘッドエンドを有するファイバレーザと、
前記ファイバレーザに光学的に結合されたビームステアリングデバイスと、
前記レーザの出力の少なくとも一部が入射する位置感応型センサと、
前記位置感応型センサから得られる出力を受け取り、フィードバック制御信号を前記ビームステアリングデバイスに供給するフィードバック装置と
を備えることを特徴とするファイバレーザシステム。
【請求項２】
少なくとも前記ビームステアリングデバイスは、前記レーザの前記ヘッドエンドに組み込まれていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
少なくとも前記ビームステアリングデバイスおよび前記位置感応型センサは、前記レーザの前記ヘッドエンドに組み込まれることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記ファイバレーザが光学的に結合される最終用途装置をさらに備え、
前記位置感応型センサは、前記最終用途装置に組み込まれていることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記位置感応型センサは、分割された光検知デバイスを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記位置感応型センサは、前記センサに対する前記レーザビームの入射位置ごとに固有の出力をもたらす光検知デバイスを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記ビームステアリングデバイスは、入射光の伝送角度に変化を与えるために移動可能に取り付けられた少なくとも１つのミラー素子と、前記ミラー素子を制御可能に位置決めするように、前記フィードバック制御信号に応答する素子とを備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記ビームステアリングデバイスは、入射光の伝送角度に変化を与えるために移動可能に取り付けられた少なくとも１つのミラー素子と、前記ミラー素子を制御可能に傾斜させるように、前記フィードバック制御信号に応答するアクチュエータとを備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記位置感応型センサの出力を受け取るように前記最終用途装置の中に配置されたシステム制御装置と、前記システム制御装置と前記フィードバック装置との間の通信インターフェースとをさらに備え、
前記システム制御装置は、前記位置感応型センサから導かれる前記信号を発生させ、前記信号を前記通信インターフェースを介して前記フィードバック装置へ出力することを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項１０】
前記位置感応型センサは、臨界角を有する光学素子であって、前記臨界角またはその近くで前記ファイバレーザからのビーム出力を垂直に受け取るように位置決めされた光学素子を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記位置感応型センサは、臨界角またはその近くで前記ファイバレーザからの出力ビームを垂直に受け取る少なくとも１つのプリズムと、それぞれが前記プリズムを通過した反射光および透過光を受け取るように配置された光検知器デバイスとを備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記位置感応型デバイスセンサは、ビームスプリッタと、臨界角またはその近くで前記ファイバレーザからの出力ビームを垂直に受け取る少なくとも１つのプリズムと、それぞれが前記プリズムを通過した反射光および透過光を受け取るように配置された光検知器デバイスとを備えることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記フィードバック装置は、名目上の経路からの前記ビームの角度変化を判断するために、前記光検知器デバイスの出力を受け取ることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記フィードバック装置は、名目上の経路からの前記ビームの角度変化を判断するために、各偏光経路の前記光検知器デバイスの出力を受け取ることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記位置感応型センサは、偏光感応型の角度応答を示す媒質と、入力ビームをＴＥおよびＴＭ偏光状態に分離するための偏光スプリッタと、それぞれがＴＥおよびＴＭ偏光ビームを受け取る一対の光検知器と、それぞれの入力部で前記光検知器の出力を受け取る差動増幅器とを備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記媒質はプリズムを含み、前記偏光スプリッタはウォラストンプリズムを含むことを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記ファイバレーザは、出力端に圧縮器を有するチャープパルス増幅システムを備え、
前記ビームステアリングデバイスは、前記圧縮器の一部を形成する少なくとも１つのミラーと、前記ミラーの角度位置を制御するためのアクチュエータとを備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記ファイバレーザは、出力端に圧縮器を有するチャープパルス増幅システムを備え、  前記ビームステアリングデバイスは、前記圧縮器の一部を形成する少なくとも１つのミラーと、前記ミラーの角度位置を制御するためのアクチュエータとを備えることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記ファイバレーザは、出力端に圧縮器を有するチャープパルス増幅システムを備え、
前記ビームステアリングデバイスは、前記圧縮器の一部を形成する少なくとも１つのミラーと、前記ミラーの角度位置を制御するためのアクチュエータとを備えることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項２０】
前記ファイバレーザは、出力端に圧縮器を有するチャープパルス増幅システムを備え、
前記ビームステアリングデバイスは、前記圧縮器の一部を形成する少なくとも１つのミラーと、前記ミラーの角度位置を制御するためのアクチュエータとを備えることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項２１】
前記ファイバレーザは、出力端に圧縮器を有するチャープパルス増幅システムを備え、
前記ビームステアリングデバイスは、前記圧縮器の一部を形成する少なくとも１つのミラーと、前記ミラーの角度位置を制御するためのアクチュエータとを備えることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項２２】
前記ファイバレーザは、出力端に圧縮器を有するチャープパルス増幅システムを備え、
前記ビームステアリングデバイスは、前記圧縮器の一部を形成する少なくとも１つのミラーと、前記ミラーの角度位置を制御するためのアクチュエータとを備えることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００４年６月１４日出願の米国仮出願第６０／５７８，８７５号に関するものであり、その開示を参照によって本明細書に組み込む。
【０００２】
本発明は、精密なレーザ加工用途に適した、レーザヘッドの幾何学的な光ビーム経路を安定化する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
光学系にとって、光源からのビーム経路を制御することはきわめて重要である。精密なレーザ加工システムでは、レーザビームをレーザヘッドから加工するターゲット材料まで精密に誘導することが必要である。通常は、その正確さが加工の精度を決定する。最も一般的な誤差原因は、使用する材料の特性が熱によって光学機械的に変化することによるビーム経路の変化である。レーザ共振器または増幅器では、この変化がレーザの動作障害またはレーザ性能の不安定化を招くこともある。
【０００４】
光学系および光学機械（ｏｐｔｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）材料を注意深く選択することにより受動的な方法を採用することができるが、これは、精密性を要求する多くの用途にとって十分な解決策にはならない。一方、温度を安定した状態に保つには、照射システム全体に対する適切な熱制御が必要である。そうした方法は、費用および時間のかかるメンテナンスを要することがしばしばであり、多くのレーザ照射システムに適用することができない。例えば＜１００ｐｓなどの超短パルスを発生させる固体レーザでは、レーザ共振器および増幅器を安定した光学機械状態に保つために、ヘッドの温度を一定にする必要がある。さらに、光源から加工するターゲット材料までのビーム伝送経路は、別々に取り扱う必要がある。
【０００５】
レーザ技術は、そうした温度制御を回避する別の設計による解決策へと移ってきている。この点では、ファイバベースのレーザ技術が有望である。実際、固体レーザの熱光学的な安定性が非常に不安定であることが、短パルスまたは超短パルスレーザの産業界での受け入れを妨げる主な障壁として認識されてきた。ほとんどのレーザ用途にとって、能動的な安定化方法が、ビーム伝送の制御のより現実性のある解決策である。精密レーザ加工業界で知られている従来技術としては、レーザヘッドと加工するターゲット材料との間でビームステアリング（ｂｅａｍ  ｓｔｅｅｒｉｎｇ）するためのデバイスが挙げられる。
【０００６】
特許文献１のレーザを備えたＣＮＣ工作機械は、環境の温度が変化したときに、自動的に正確なビーム経路アライメントを維持する。レーザ共振器のビーム制御については、ポンプレーザビームを安定化するために、位置センサと組み合わせた能動的なビームステアリングを含む方法が特許文献２に開示されている。この開示における適用可能な概念は、幾何学的に共振器内のビームと重複したレーザ媒質における利得量（ｇａｉｎ  ｖｏｌｕｍｅ）を保つことである。能動的なビーム制御のためのパラメータは、出力パワーなどレーザヘッドの性能であるが、レーザヘッドからの幾何学的なビーム経路を制御することはできない。
【０００７】
照射システムの観点からは、照射制御デバイスによって直接制御されるビーム伝送（ｂｅａｍ  ｄｅｌｉｖｅｒｙ）と統合されたレーザヘッドを使用することが望ましい。そうすることによって、アプリケーション設計者に設計の柔軟性を提供することが可能になる。
【０００８】
さらに、能動的なビーム制御を現実的に実現するには、限られた物理空間の中に実装される光学的な制御デバイスの開発が重要である。全反射（ｔｏｔａｌ  ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）の角感度を利用するデバイスは、１つの解決策となり得る。検知感度を高めるためにレーザノイズの消去が重要であるときには、反射または屈折におけるビームの角移動を偏光感応性によって検知することが、もう１つの解決策である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６５２８７６２Ｂ２号明細書
【特許文献２】米国特許第５９６９８５１号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Introduction to Modern Optics, G.R. Fowles, (Holt, Rinehart and Winston, 1975), 2nd ed, pp. 45
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ファイバベースのレーザ技術は、低いメンテナンスコスト、ビームの品質、高いエネルギー効率、および製造フロアでの実装の柔軟性の点から有望である。ビーム経路の制御に関して、自由空間の固体レーザと比べたときのファイバレーザの利点は、共振器内のビーム経路が本質的に熱機械的に安定していることである。ビーム経路はファイバの中に閉じこめられ、温度の変化によってビーム経路が変化することはない。光結合器に対する温度の影響も、ファイバレーザに必要な別個の構成要素のファイバを融着すること、又は小型のファイバピグテール付き（ｆｉｂｅｒ−ｐｉｇｔａｉｌｅｄ）光学系を使用することによって最小限に抑えることができる。利得ファイバの励起光源を除いて、レーザシステムの温度を厳密に制御する必要はない。レーザ共振器の外側での使用者のターゲットに対するビーム伝送だけは対処する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、ヘッド内で能動的ビームステアリングデバイスと一体化された、超短パルスを発生させるレーザヘッドを開示する。適切なインターフェースプロトコルを用いて照射システムと直接に結合することにより、能動的デバイスを照射システムによって直接に制御することが可能になる。
【００１３】
レーザヘッドと加工する材料との間のビーム伝送を安定化するために専用のデバイスを追加しなくてもよいことは、大きい利点となり得る。位置センサが加工する材料の近くに位置するように選択された場合でも、能動的ビームステアリングデバイスがレーザヘッド内に物理的に位置することは、幾何学的距離の延長に起因する角感度の向上にとって有利なである。
【００１４】
位置感応型センサを限られた空間に実装するために、かつ／またはビーム方向の角感度を高めるために、全反射および偏光感応型の検知が適用される。これは、ビーム経路の変化が光学系および光学系ホルダの角移動によって支配される場合にあてはまる。
【００１５】
さらに、本開示の例示的実施形態として、ファイバレーザのパルス圧縮器段（ｓｔａｇｅ）におけるミラーの能動的ステアリングが開示される。
【００１６】
制御アルゴリズムについては、特定の用途に応じて、２つの制御システム間の干渉または予期しないミスチューニング（ｍｉｓｔｕｎｉｎｇ）を回避するために、レーザヘッド内の能動的なビームアライメントを照射システム制御装置と調整する必要がある。本発明は、レーザヘッド内のビーム安定化回路が照射システムの主（ｍａｓｔｅｒ）制御システムからのコマンドに従う、能動的なビーム安定化方法を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】レーザヘッド、その電子機器、加工する材料への伝送光学系およびシステムの電子機器を備えるレーザ照射システムのブロック図である。レーザヘッドは、光源（１０２）と、能動的ビームステアリングデバイス（１０３）と、ビームセンサ（１０４）と電子制御装置（１０５）とを備える。ビーム位置決めセンサＡ（１０４）およびＢ（４０４）が、ビームの移動によってもたらされる位置情報と角度情報とを、電子機器を介してステアリングデバイスへ提供する。位置センサをレーザヘッド内に配置することができるが、必要な場合には、加工する材料（４０２）に物理的に近いビーム伝送（３００）の後の照射光学系システム（４０１）内に配置することができる。こうして、制御に関してより高い位置精度が得られ、その場合には、センサＢ（４０４）と照射システム制御装置（４００）との間で通信を行うことが可能になる。位置データは通信インターフェース（３０１）を介してレーザヘッドの電子制御装置（１０５）へ転送される。
【図２】反射ビームステアリングのための例示的デバイスを示す図である。装置は、ミラー（２００）と、ミラーホルダ（２０１）と、アクチュエータ（１０６）とを備え、アクチュエータが、ミラーへのビーム入射に角度変化を与えるためにミラーを傾斜させる。
【図３】位置感応型センサ（２１０）用の例示的デバイスを示す図である。検知器は、光信号、すなわち電流または電圧を発生させる半導体のフォトダイオードとすることができる。検知器領域全体に分散したビームスポット（２１１）の光信号を記録するために、複数の、この場合は４つの区画を有する。
【図４】ＴＥ（ｓ偏光）およびＴＭ（ｐ偏光）について、媒質へのビームの入射角の関数として内部反射率を示す図である。クロスマークを付けた角度が全反射の臨界角に相当し、塗りつぶした点の角度がブルースター角に相当する。
【図５】プリズム（２１３）の全反射を用いてビームの角移動を測定する概念を示す図である。入射ビーム（２１２）がプリズムで全反射を受けてフォトダイオード１（２１４）に当たり、漏洩伝送（ｌｅａｋ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）がフォトダイオード２（２１５）によって検知される。
【図６】角度感応型の光学センサの例示的実施形態を示す図である。入射ビーム（２１２）が、偏光ビームスプリッタ（２４１）を用いて２つの偏光成分に分離され、どちらの成分も、プリズム（２４３、２４４）で全反射を受けて光検知器（２４５、２４６）に入射する。プリズムからの漏出光または透過光も、光検知器（２４５、２４６）によって測定される。
【図７】図５の例示的デバイスの角感度の測定結果を示すプロットである。フォトダイオード２（ＰＤ２）の光電流の増加が右側の軸に示され、左側の軸が光電流の変化における角感度を示す。
【図８】偏光に依存する全反射を用いた、ビーム角度感応型の光学デバイスの例示的実施形態の図である。反射ビームのｓ成分（２２４）およびｐ成分（２２５）を光検知器（２２６）で平衡させるように、入射ビームの偏光が波長板（２２０）、（２２２）によって調節される。平衡された（ｂａｌａｎｃｅｄ）検知器からの光信号が差動電流増幅器（２２７）で比較され、その結果として制御電子機器（２２８）へ送られる。
【図９】一対のステアリングミラーおよび位置決めセンサを有する他の例示的実施形態の図である。アクチュエータおよび位置センサが電子制御装置（１０５）に結合され、電子制御装置（１０５）において、センサからのデータが処理され、アクチュエータの動きを制御するアクチュエータ駆動装置にコマンド信号が供給される。
【図１０】１つのステアリングミラー（１０７）および位置センサ（１０９）を用いた、能動的なビーム安定化方法の例示的実施形態の図である。アクチュエータ（１０６）がミラーマウントに取り付けられ、ビームスプリッタ（１０８）が位置センサに光を供給する。アクチュエータおよび位置センサが電子制御装置（１０５）に結合され、電子制御装置（１０５）において、センサからのデータが処理され、アクチュエータの動きを制御するアクチュエータ駆動装置へコマンド信号が供給される。
【図１１】パルス圧縮器における能動的なビームステアリング方法の例示的実施形態を示す図である。圧縮器で使用される１つ又は複数のミラーを、１つ又は２つの位置センサ（１０９）と組み合わせたアクチュエータによって能動的に制御することができる。アクチュエータおよび位置センサは電子制御装置（１０５）に結合され、電子制御装置（１０５）において、センサからのデータが処理され、アクチュエータの動きを制御するアクチュエータ駆動装置へコマンド信号が供給される。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
一般に、レーザ照射システムは、レーザヘッド、レーザヘッド制御装置、ビームを加工する材料へ伝送する伝送光学系（ｄｅｌｉｖｅｒｙ  ｏｐｔｉｃｓ）、および照射システムの制御電子機器を備える。レーザヘッドおよびシステムの電子機器（ｓｙｓｔｅｍ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）は、インターフェースプロトコルを用いて結合される。レーザヘッドおよびその電子機器に含まれる能動素子（ａｃｔｉｖｅ  ｄｅｖｉｃｅ）は、システムの電子機器によって制御されることが望ましい。レーザヘッドから加工する材料までのビーム経路の制御は、レーザヘッドに組み込まれた素子によって能動的に制御される。
【００１９】
照射システムへのビーム経路を決めるパラメータは、ビームの角度およびビームの移動量である。ビームステアリングデバイスと位置感応型の組み合わせによって、制御に対する自由度を基本的に与えることができる。従って、３つの主な機能部分、すなわちビーム位置決めセンサ、能動的ビームステアリングデバイス、および電子フィードバックループが必要になる。
【００２０】
基本的な方法は、ｉ）ビーム位置決めセンサデバイス（１０４、４０４）を用いて予め決められた基準経路に対するビームの位置を測定して位置情報を供給することと、ｉｉ）電子制御装置（１０５、４００）から送られた信号に従ってビーム経路の向きを操作する能動的ビームステアリングデバイス（１０３）を使用することである。位置センサは、レーザヘッド内または照射光学系内のいずれに配置してもよい。位置センサは、センサ領域上のビームの位置を直接に感知する検知器であっても、入射角を感知する素子であってもよい。
【００２１】
ビーム経路は、反射ミラーの角度を動かすことによって向きを操作することができる。キネマティックミラーマウントの角移動は、圧電素子、検流計デバイスもしくはステッパ、または直流モータ駆動のデバイスによって実現することができる。図２に示すように、本開示ではこの能動素子を「アクチュエータ」と呼ぶ。ミラーホルダ（２０１）の角部に配置されたアクチュエータは、ミラー（２００）を押し引きして、ミラーの傾斜角度を与える。ミラーへの入射ビームは、反射による角度変化を受ける。結果としてのビーム経路の変化は、図３に示すように、位置感応型センサによって検知することができる。位置感応型センサは、検知器領域上のレーザスポットの位置を検知することができる。領域を分割することによって、分割された領域上に分散した光電流の比較が可能になり、それによってスポットの相対位置が決まる。ビームの移動および角度の制御の自由度を確保するには、２組のステアリングミラーおよび位置感応型検知器が必要である。ほとんどのレーザ照射システムでは、ビーム移動（ｂｅａｍ  ｓｈｉｆｔ）に比較的鈍感な集束光学系が一般に使用されるため、移動よりも角度の変化を制御することが重要である。
【００２２】
例えば＜０．１ミリラジアンの角度の精度を得るためには、ステアリングデバイスならびに位置感応型センサの選択が重要である。ステアリング角度の分解能によって能動的制御の角度精度が制限され、センサ上の位置の分解能によってモニターされる角度精度が決まる。一般的に使用される位置感応型センサを制限するものは、センサ領域上へのビームスポットサイズである。したがって、センサ（２１０）上のスポットサイズ（２１１）を小さくすることによって、大きいスポットに比べて位置の精度が高まり、それによって角度精度が高まる。スポットサイズを小さくする１つの方法は、レンズを用いてセンサへの入射ビームを縮小することである。スポットサイズが小さくなると同時に、縮小によって角感度が高まる。レーザヘッドならびにシステムの光学系で許容される用途および空間によっては、そうした縮小器の実装に関する幾何的な制限が問題になる可能性がある。
【００２３】
コンパクトにパッケージングされた形を有する、限られた空間内で必要な角感度を実現する代替方法では、臨界角での内部反射率のキンク（ｋｉｎｋ）を利用する。図４は、ＴＥ光（ｓ偏光）およびＴＭ光（ｐ偏光）に対する内部反射率の理論的な曲線を、高屈折率から低屈折率へ向かう媒質間の境界面におけるビームの入射角の関数として示している（例えば、非特許文献１参照）。基本的には、臨界角付近の極めて小さい入射角の変化によって、全反射、または漏れ光もしくは透過光に急激な変化が生じる。
【００２４】
図５は、内部反射角が臨界角近くに設定されたプリズム（２１３）からの反射光（２１７）および透過光（２１６）を測定するデバイスを示している。ＰＤ１（２１４）およびＰＤ２（２１５）によって測定された光は、別々に処理することができる。
【００２５】
ビームを２つの経路に分割することによって、入射角の横および縦の方向をコンパクトな構成で測定することが可能になる。図６は、偏光ビームスプリッタ（２４１）を用いて、ビームを２つのプリズム（２４３、２４４）に向けて分割した例を示している。どちらの偏光状態のビームもプリズムで全反射を受け、反射光および／または透過光が光検知器（２４５、２４６）によって測定される。各偏光の光の量は、ビームスプリッタの前の１／２波長板（２４０）によって調節される。図６のビームの分割は、必ずしも偏光に依存する必要はない。ビームスプリッタは、光検知器への光パワーを調節するための様々な減衰器と組み合わせて用いることができる。
【００２６】
図７は、図５の例示的デバイスの角感度を示している。透過光または漏れ光はフォトダイオードによって測定され、光電流として右側の軸に対してプロットされる。全反射状態が崩れることによって、フォトダイオードＰＤ２の方向に、例えばプリズムの斜辺を通過するきわめて弱い光の漏出が現れるまで、プリズムを傾斜させる。漏れ光の増加は、入射角が臨界角からより小さい角度にずれるにつれて明らかになる。左側の軸は、感度、すなわち信号曲線の導関数に相当する、５０マイクロラジアン刻みの連続する測定点間における光電流のおよその相対変化を示す。
【００２７】
光学ビームが単色光で発散がゼロである場合、全反射は２値（非常にシャープなステップ関数）応答を有するはずである。実際には、ビームの発散および有限の波長分布のため、応答はより滑らかになる。例えば、１０４０〜１０６０ｎｍ、直径１．６ｍｍの理想的なガウスビーム（Ｇａｕｓｓｉａｎ  ｂｅａｍ）は、０.８２５ミリラジアン（全角）の発散を有し、この値はプリズム材料での波長分散に起因してさらに０．２３５ミリラジアンだけ広げられて１．０６ミリラジアンとなる。実際に、曲線の幅は１ミリラジアンに近くなる。最大の相対的な信号増加は、小さめの光学信号で観察された。例えば０．５ミリラジアン付近のピークでは、感度は、１マイクロラジアンの角度変化がそのレベルからの１％の相対的な信号増加に相当する。
【００２８】
このコンセプトの魅力は、その感度、簡潔さ、安定性、および極めてコンパクトなサイズにある。ビーム指向（ｂｅａｍ  ｐｏｉｎｔｉｎｇ）センサは、全体でわずか数センチメートルの長さに製造することができる。Ｘ角度およびＹ角度を安定化させるためには、２つのユニット（または組み合わされた１つのユニット）が必要になる。さらなるコンパクト化および安定化のために、検知器をプリズム表面に直接取り付けることができる。
【００２９】
先に示したように、発散するビームおよび広帯域のスペクトルのため、鋭い遷移は完全には実現されない。代替的な方法は、反射または透過における微小な変化を捉えるために、センサのパワー測定感度を高めることである。レーザの光パワーを測定することから得られる測定精度は、主としてレーザのパワー変動によって制限される。１％レベルの精度は難しい場合がある。
【００３０】
代替的な方法は、レーザの偏光安定性を用いることである。例えば３０〜４０ｄＢの線形偏光光程度の偏光は、レーザヘッド内の偏光光学系によって簡単に得られる。図８は、偏光に依存したビームの角度変化の測定の概略図を示している。測定の角度依存性は、基本的には図４のＴＥとＴＭの間で反射率および反射率の勾配が著しく異なることによるものである。この方法は、臨界角より小さい内部屈折角に適用することができる。外部反射率は偏光状態の間で同様の差を有するが、その差は内部反射の場合より小さい。基本的には、必要な精度に応じて、媒質の任意の偏光感応型の角度応答はこのコンセプトに従う。
【００３１】
入射ビームの内部反射は、ウォラストンプリズム（Ｗｏｌｌａｓｔｏｎ  ｐｒｉｓｍ）（２２３）または任意の偏光スプリッタを用いてＴＥ波とＴＭ波に分離される。どちらのビームも、２つの平衡された（ｂａｌａｎｃｅｄ）フォトダイオード（２２６）に別々に当たる。２つの平衡されたフォトダイオード（２２６）は、差動増幅器（２２７）において光信号が「ゼロ」にするように平衡されている。１／２波長板（２２０）および１／４波長板（２２２）は、平衡された「ゼロ」レベルが得られるように調節することができる。通常は、プリズムに当たる前のレーザヘッド内で用いられる偏光子に応じて、検知可能な「ゼロ」レベルのダイナミックレンジを、入射ビームのサブマイクロラジアンの角度分解能に相当する＜−４０ｄＢに容易にすることができる。
【００３２】
図９に示す一対のステアリングミラーおよび位置感応型センサによって、ビームの移動および角度方向の完全な制御が得られる。ビームスプリッタ（１０８）および部分ミラー（１０７−１）を用いてビームを幾何的に分岐させる。図１０に示すように、ビーム方向の角度制御は、１つのステアリングミラーと１つのセンサによって実現することができる。位置センサは、４分割フォトセンサ、または、対応する電子信号の出力を伴う前述の任意の角度感応型デバイスとすることができる。
【００３３】
本発明の実装例は、超高速レーザの自由空間パルス圧縮器領域（ｆｒｅｅ−ｓｐａｃｅ  ｐｕｌｓｅ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ  ａｒｅａ）内である。多くの超短パルスレーザにおいて、光学非線形性によって生じる現象を制限するための基本的な技術は、チャープパルス増幅である。さらに、この技術を用いて、すべての光学インターフェースを増幅器での高強度の超短パルスによる損傷から保護することができる。これは、主な増幅器段（ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ｓｔａｇｅ）の前に、時間領域内で十分長くなるようにパルスにプリチャーピング（ｐｒｅ−ｃｈｉｒｐｉｎｇ）を施し、次いで増幅後にパルスを再圧縮することによって実現することができる。パルスの再圧縮は、格子等の回折素子を備える自由空間の圧縮器段によって実現することができる。分散特性がパルスの再圧縮に適切である限り、圧縮器にプリズムまたは任意の分散素子を用いることができる。
【００３４】
図１１は、レーザヘッドにパッケージングされるパルス圧縮器の典型的な概略図を示している。圧縮器内の任意のミラーを、ビーム経路の向きを操作するのに用いることができる。アクチュエータを、入力ミラー（１１５）、ピックオフミラー（ｐｉｃｋ−ｏｆｆ  ｍｉｒｒｏｒ）１、２（１１３、１１４）などの１つ又は複数のミラー、あるいは折り畳みミラー（１１０）に取り付けることができる。折り畳みミラー（１１０）の制御は、ビームがこのミラーによって反射されると完全に反転して同じ光学系を通る形で伝播するため、特に有利である。アクチュエータを有するステアリングミラーを折り畳みミラー（１１０）と一体化することができる。
【００３５】
前述の例は、レーザヘッドに含まれる任意の自由空間光学系に拡張することができる。さらに、ビーム経路の向きを操作する手段は、ミラーに限定されない。ビーム経路の変化を生じさせる任意の透過屈折（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｅ  ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ）光学系を用いることができる。
【００３６】
レーザヘッドを照射システムに組み込んだ後、レーザヘッド内のビームステアリングは、それらの間の適切なインターフェースによって照射システムからのコマンドプロトコルに従うことができる。
【００３７】
このように、本発明者等は、ヘッドエンド（ｈｅａｄ  ｅｎｄ）を有するファイバレーザ及びファイバレーザに光学的に結合されたビームステアリングデバイス並びにレーザの出力の少なくとも一部が入射する位置感応型センサを備えるファイバレーザシステムについて述べてきた。フィードバック装置が、位置感応型センサから得られる出力を受け取り、フィードバック制御信号をビームステアリングデバイスに与える。このシステムでは、少なくともビームステアリングデバイス、および場合によっては位置感応型センサがレーザのヘッドエンドに組み込まれる。あるいは、最終用途アプリケーション（ｅｎｄ−ｕｓｅ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）がファイバレーザに光学的に結合されるときには、位置感応型センサを最終用途アプリケーションに組み込むことができる。ビームステアリングデバイスは、入射光の伝送角度に変化を与えるために移動可能に取り付けられた少なくとも１つのミラー素子と、当該ミラー素子を制御可能に位置決めする又は傾斜させるように、フィードバック制御信号に応答する素子またはアクチュエータとを備える。ファイバレーザが出力端に圧縮器を有するチャープパルス増幅システムの一部である場合には、ビームステアリングデバイスは、圧縮器の一部を形成する少なくとも１つのミラーと、当該ミラーの角度位置を制御するためのアクチュエータとを備えることができる。
【００３８】
システム制御装置は、位置感応型センサの出力を受け取るように最終用途装置（ｅｎｄ−ｕｓｅ  ａｐｐａｒａｔｕｓ）の中に配置することが可能であり、システム制御装置とフィードバック装置との間には通信インターフェースが確立され、システム制御装置は位置感応型センサから導かれる信号を発生させ、それを通信インターフェースを介してフィードバック装置へ出力する。当該システムでは、フィードバック装置は、名目上の経路（ｎｏｍｉｎａｌ  ｐａｔｈ）からのビームの角度変化（ａｎｇｕｌａｒ  ｖａｒｉａｎｃｅ）を判断するために、光検知器デバイスの出力を受け取るが、光検知器デバイスは異なる偏光経路の中にあってもよい。
【００３９】
位置感応型センサは、分割された光検知デバイスとすることが可能であり、それは、センサに対するレーザビームの入射位置ごとに固有の出力をもたらす光検知デバイスを含むことができる。あるいは、位置感応型センサは、臨界角を有し、臨界角またはその近くでファイバレーザからのビーム出力を垂直に（ｎｏｒｍａｌｌｙ）受け取るように位置決めされた光学素子とすることができる。別の選択肢として、位置感応型デバイスセンサは、ビームスプリッタと、臨界角またはその近くでファイバレーザからの出力ビームを垂直に受け取る少なくとも１つのプリズムと、それぞれがプリズムを通過した反射光および透過光を受け取るように配置された複数の光検知器デバイスとを備えることができる。さらに、位置感応型センサは、偏光感応型の角度応答を示す媒質と、入力ビームをＴＥおよびＴＭ偏光状態に分離するための偏光スプリッタと、それぞれがＴＥおよびＴＭ偏光ビームを受け取る一対の光検知器と、それぞれの入力部で光検知器の出力を受け取る差動増幅器とを備えるができる。媒質はプリズムとすることができ、偏光スプリッタはウォラストンプリズムとすることができる。
【００４０】
開示した実施形態において使用する様々な素子は、必ずしもそれらの実施形態のみでの使用に限定されず、任意の実施形態に用いることが可能であり、さらに、様々な実施形態を全体的または部分的に共に用いることも可能である。
【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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【国際調査報告】
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