(57)【要約】  光増幅器を動作させる方法では、光増幅器の利得を決定し、変調器駆動信号を光信号源に供給する。変調器駆動信号は、光増幅器の利得の関数である。また、この方法では、光信号源を用いて入力光信号を供給する。入力光信号は、それぞれが変調器駆動信号に関連する振幅を有する第１の複数のパルスを含んでいる。さらに、この方法では、入力光信号を光増幅器に結合し、光増幅器を用いて入力光信号を増幅して、第２の複数のパルスを含む出力光信号を生成する。
2015503856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光増幅器を動作させる方法であって、
前記光増幅器の利得を決定し、
前記光増幅器の前記利得の関数である変調器駆動信号を光信号源に供給し、
前記光信号源を用いてそれぞれが前記変調器駆動信号に関連する振幅を有する第１の複数のパルスを含む入力光信号を供給し、
前記入力光信号を前記光増幅器に結合し、
前記光増幅器を用いて前記入力光信号を増幅して、第２の複数のパルスを含む出力光信号を生成する、
方法。
【請求項２】
前記第１の複数のパルスの前記振幅が、時間的振幅プロファイルにより特徴付けられる、請求項１の方法。
【請求項３】
前記光増幅器は添加ファイバ増幅器である、請求項１の方法。
【請求項４】
前記光増幅器の利得を決定する際に、前記光増幅器の前記利得に関連するフィードバック信号を検出する、請求項１の方法。
【請求項５】
前記フィードバック信号は自然放射増幅光（ＡＳＥ）信号である、請求項４の方法。
【請求項６】
前記ＡＳＥ信号は、順方向に伝播するＡＳＥ信号又は反対方向に伝播するＡＳＥ信号の少なくとも一方である、請求項５の方法。
【請求項７】
フィードバック信号を検出する際に、前記入力光信号の波長の光から前記入力光信号の前記波長以外の波長の光を分離する、請求項４の方法。
【請求項８】
前記光増幅器の利得を決定する際に、
第３の複数のパルスを含むトリガ信号を受信し、
前記第３の複数のパルスのシーケンスに基づいて前記光増幅器の前記利得を決定する、
請求項１の方法。
【請求項９】
変調器駆動信号を供給する際に、
前記光増幅器の前記利得を用いてメモリに保存された複数のパルスプロファイルからパルスプロファイルを選択し、
前記選択されたパルスプロファイルに基づいて変調器駆動信号を供給する、
請求項１の方法。
【請求項１０】
入力光信号を生成する際に、
シード光信号を供給し、
前記シード光信号を変調する、
請求項１の方法。
【請求項１１】
光システムを動作させる方法であって、
シード光信号を供給し、
前記シード光信号を第１の光増幅器に結合し、
前記第１の光増幅器を用いて前記シード光信号を増幅して、前置増幅された光信号を生成し、
前記第１の光増幅器の利得を決定し、
第２の光増幅器の利得を決定し、
前記第１の光増幅器の前記利得及び前記第２の光増幅器の前記利得の関数である変調器駆動信号を光変調器に供給し、
前記光変調器を用いて前記前置増幅された光信号を変調して、それぞれが前記変調器駆動信号の関数である振幅によって特徴付けられる第１の複数のパルスを含む変調光信号を生成し、
前記変調光信号を前記第２の光増幅器に結合し、
前記第２の光増幅器を用いて前記変調光信号を増幅して、第２の複数のパルスを含む出力光信号を生成する、
方法。
【請求項１２】
前記第１の複数のパルスの前記振幅は、時間的振幅プロファイルによって特徴付けられる、請求項１１の方法。
【請求項１３】
前記第１の光増幅器の利得を決定する際に、前記第１の光増幅器の前記利得に関連する第１のフィードバック信号を検出し、
第２の光増幅器の利得を決定する際に、前記第２の光増幅器の前記利得に関連する第２のフィードバック信号を検出する、
請求項１１の方法。
【請求項１４】
前記第１のフィードバック信号及び前記第２のフィードバック信号のそれぞれがＡＳＥ信号である、請求項１３の方法。
【請求項１５】
前記第１の光増幅器の利得を決定し、第２の光増幅器の利得を決定する際に、
第３の複数のパルスを含むトリガ信号を受信し、
前記第３の複数のパルスのシーケンスに基づいて前記第１の光増幅器の前記利得及び前記第２の光増幅器の前記利得を決定する、
請求項１１の方法。
【請求項１６】
変調器駆動信号を供給する際に、
前記第１の光増幅器の前記利得及び前記第２の光増幅器の前記利得に部分的に基づいて、メモリに保存された複数のパルスプロファイルからパルスプロファイルを選択し、
前記選択されたパルスプロファイルに部分的に基づいて変調器駆動信号を供給する、
請求項１１の方法。
【請求項１７】
第１の複数のパルスを有する入力光信号を供給可能な光信号源と、
前記光信号源に連結された制御電子機器と、
前記入力光信号を増幅可能な光増幅器であって、前記光信号源が光学的に結合される入力と出力とを有する光増幅器と、
前記光増幅器の前記出力又は前記光増幅器の前記入力の少なくとも一方に結合されたフィードバックループであって、前記光増幅器の利得に関するフィードバック信号を受信可能なフィードバックループと、を備え、前記フィードバック信号は前記制御電子機器に結合され、前記制御電子機器は前記フィードバック信号に基づいて変調器駆動信号を供給可能であり、前記入力光信号の前記第１の複数のパルスのそれぞれが前記変調器駆動信号の関数である時間的振幅プロファイルによって特徴付けられる、
光増幅器システム。
【請求項１８】
前記制御電子機器は、プロセッサと、内部に複数のパルスプロファイルを保存したメモリと、前記プロセッサに連結されたデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）とを備え、前記プロセッサは、前記フィードバック信号に応じて前記メモリに保存された複数のパルスプロファイルからパルスプロファイルを選択し、前記ＤＡＣは、前記選択されたパルスプロファイルに基づいて前記変調器駆動信号を供給する、請求項１７の光システム。
【請求項１９】
前記光増幅器は添加ファイバ光増幅器であり、前記フィードバック信号は順方向に伝播するＡＳＥ信号又は反対方向に伝播するＡＳＥ信号である、請求項１７の光システム。
【請求項２０】
シード光信号を供給可能な光信号源と、
前記シード光信号を変調して、第１の複数のパルスを含む変調光信号を生成可能な光変調器と、
変調駆動信号を前記光変調器に供給可能な制御電子機器と、
前記変調光信号を増幅可能であって、前記光変調器の出力に結合された入力と出力とを有する光増幅器と、
前記光増幅器の前記出力又は前記入力に結合され、前記光増幅器の利得に関連するフィードバック信号を検出可能なフィードバックループと、を備え、前記フィードバック信号は前記制御電子機器に結合され、前記制御電子機器は前記フィードバック信号に基づいて前記変調器駆動信号を供給可能であり、前記変調光信号の前記第１の複数のパルスの振幅は前記変調器駆動信号の関数である、
光システム。
【請求項２１】
前記光増幅器は添加ファイバ増幅器である、請求項２０のシステム。
【請求項２２】
前記フィードバック信号はＡＳＥ信号である、請求項２０のシステム。
【請求項２３】
前記制御電子機器は、プロセッサと、内部に複数のパルスプロファイルを保存したメモリと、前記プロセッサに連結されたデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）とを備え、前記プロセッサは、前記フィードバック信号に基づいて前記メモリに保存された複数のパルスプロファイルからパルスプロファイルを選択可能であり、前記ＤＡＣは、前記選択されたパルスプロファイルに基づいて前記変調器駆動信号を供給可能である、請求項２０のシステム。
【請求項２４】
シード光信号を生成可能な光信号源と、
前記シード光信号を前置増幅して、前置増幅された光信号を生成可能な第１の光増幅器であって、前記光信号源に結合された入力と出力とを有する第１の光増幅器と、
前記第１の光増幅器の前記出力に結合される変調光信号であって、前記前置増幅された光信号を変調して、第１の複数のパルスを含む変調光信号を生成可能な光変調器と、
変調駆動信号を前記光変調器に供給可能な制御電子機器と、
前記変調光信号を増幅可能な第２の光増幅器であって、前記光変調器の出力に結合された入力と出力とを有する第２の光増幅器と、
前記第１の光増幅器の前記出力又は前記入力に結合され、前記第１の光増幅器の利得に関連する第１のフィードバック信号を検出可能な第１のフィードバックループと、
前記第２の光増幅器の前記出力又は前記入力に結合され、前記第２の光増幅器の利得に関連する第２のフィードバック信号を検出可能な第２のフィードバックループと、
を備え、
前記第１のフィードバック信号及び前記第２のフィードバック信号は前記制御電子機器に結合され、前記制御電子機器は前記第１のフィードバック信号及び前記第２のフィードバック信号に基づいて前記変調器駆動信号を供給可能であり、前記変調光信号の前記第１の複数のパルスの振幅は前記変調器駆動信号の関数である、
光システム。
【請求項２５】
前記第１の光増幅器及び前記第２の光増幅器のそれぞれが添加ファイバ増幅器である、請求項２４の光システム。
【請求項２６】
前記第１のフィードバック信号及び前記第２のフィードバック信号のそれぞれがＡＳＥ信号である、請求項２４の光システム。
【請求項２７】
前記制御電子機器は、プロセッサと、内部に複数のパルスプロファイルを保存したメモリと、前記プロセッサに連結されたデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）とを備え、前記プロセッサは、前記第１のフィードバック信号及び前記第２のフィードバック信号に基づいて前記メモリに保存された複数のパルスプロファイルからパルスプロファイルを選択可能であり、前記ＤＡＣは、前記選択されたパルスプロファイルに基づいて前記変調器駆動信号を供給可能である、請求項２４の光システム。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
Ｎｄ：ＹＡＧレーザのようなパルスレーザ源は、アブレーティング、マーキング、エングレービング、微細加工、切断、及びスクライビングなどの用途においてレーザによる材料加工を行うために用いられている。最近では、ファイバ利得媒体に基づいたレーザシステムが開発されている。これらのファイバによるレーザシステムのうちの一部のシステムにおいては、ファイバ増幅器が利用される。ファイバ利得媒体を利用する光増幅器及びレーザには、半導体励起レーザにより光学的に励起されるものが多い。ファイバ利得媒体は、典型的には、イッテルビウムやエルビウムのような希土類元素が添加された石英ガラスからなる。イッテルビウムは、１０２０ｎｍ〜１１００ｎｍの波長範囲で出射を行う光増幅器やレーザに用いられる。
【０００２】
レーザがパルスオンデマンドモードで動作しているとき、１つのパルス列の最初の光パルスは、その列の後続パルスよりもパワーが大きい傾向にある。この状況はファーストパルス問題と呼ばれることがあり、これは、レーザ利得媒体内に蓄積されるエネルギーが最初のパルス後に著しく減少し、次のパルス及び後続のパルスが利得媒体を通過するときまでに十分に補充されないことにより生じる。しかしながら、利得媒体が十分に回復した後に次のパルスが届くと、最初のパルスと同様のパルスが生成される。このため、レーザの動作中に変化し得るパルス繰り返し率によって、各パルスのエネルギーは、一般的に、利得媒体の状態の関数として変化する。レーザ加工用途においては、レーザパルス内の不整合によりこれに対応して加工動作中に不整合な結果が生じることが多いので、この挙動は一般的に好ましくない。
【０００３】
このように、この技術においては、パルス繰り返し周波数とは独立した、再現可能な出力パルス特性を有するファイバ型増幅器に対する需要がある。
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、概して、光増幅器及びレーザの分野に関するものである。特に、本発明は、アブレーティング、トリミング、マーキング、切断、及び溶接などの工業的用途に有用な利得補償されたレーザパルスを提供する方法及びシステムに関するものである。単なる例として、本発明は、パルス幅、ピークパワー、繰り返し率、及び時間的パルス形状をはじめとするリアルタイムで調整可能な特性を有するレーザ源に適用される。しかしながら、本発明は、より広い範囲に適用することができ、他のレーザ源や光増幅器システムに適用することができる。
【０００５】
本発明の一実施形態によれば、光増幅器を動作させる方法が提供される。この方法では、上記光増幅器の利得を決定し、変調器駆動信号を光信号源に供給する。上記変調器駆動信号は、上記光増幅器の上記利得の関数である。また、この方法では、上記光信号源を用いて入力光信号を供給する。上記入力光信号は、それぞれが上記変調器駆動信号に関連する振幅を有する第１の複数のパルスを含んでいる。さらに、この方法では、上記入力光信号を上記光増幅器に結合し、上記光増幅器を用いて上記入力光信号を増幅して、第２の複数のパルスを含む出力光信号を生成する。
【０００６】
本発明の他の実施形態によれば、光システムを動作させる方法が提供される。この方法では、シード光信号を供給し、上記シード光信号を第１の光増幅器に結合し、上記第１の光増幅器を用いて上記シード光信号を増幅して、前置増幅された光信号を生成する。また、この方法では、上記第１の光増幅器の利得を決定し、第２の光増幅器の利得を決定し、変調器駆動信号を光変調器に供給する。この変調器駆動信号は、上記第１の光増幅器の上記利得及び上記第２の光増幅器の上記利得の関数である。さらに、この方法では、上記光変調器を用いて上記前置増幅された光信号を変調して、それぞれが上記変調器駆動信号の関数である振幅によって特徴付けられる第１の複数のパルスを含む変調光信号を生成し、上記変調光信号を上記第２の光増幅器に結合し、上記第２の光増幅器を用いて上記変調光信号を増幅して、第２の複数のパルスを含む出力光信号を生成する。
【０００７】
本発明の別の実施形態によれば、光増幅器システムが提供される。この光増幅器システムは、第１の複数のパルスを有する入力光信号を供給可能な光信号源と、上記光信号源に連結された制御電子機器とを含んでいる。また、この光増幅器システムは、上記入力光信号を増幅可能な光増幅器であって、入力と出力とを有する光増幅器とを含んでいる。上記光信号源は上記入力に光学的に結合される。さらに、上記光増幅器システムは、上記光増幅器の上記出力又は上記光増幅器の上記入力の少なくとも一方に結合されたフィードバックループであって、上記光増幅器の利得に関するフィードバック信号を受信可能なフィードバックループを含んでいる。上記フィードバック信号は上記制御電子機器に結合され、上記制御電子機器は上記フィードバック信号に基づいて変調器駆動信号を供給することができる。上記入力光信号の上記第１の複数のパルスのそれぞれが上記変調器駆動信号の関数である時間的振幅プロファイルによって特徴付けられる。
【０００８】
本発明の他の別の実施形態によれば、光システムが提供される。この光システムは、シード光信号を供給可能な光信号源と、上記シード光信号を変調して、第１の複数のパルスを含む変調光信号を生成可能な光変調器とを含んでいる。また、この光システムは、変調駆動信号を上記光変調器に供給可能な制御電子機器と、上記変調光信号を増幅可能であって、入力と出力とを有する光増幅器とを含んでいる。上記光増幅器の上記入力は、上記光変調器の出力に結合される。さらに、上記光システムは、上記光増幅器の上記出力又は上記入力に結合され、上記光増幅器の利得に関連するフィードバック信号を検出可能なフィードバックループを含んでいる。上記フィードバック信号は上記制御電子機器に結合される。上記制御電子機器は上記フィードバック信号に基づいて上記変調器駆動信号を供給可能であり、上記変調光信号の上記第１の複数のパルスの振幅は上記変調器駆動信号の関数である。
【０００９】
本発明の特定の実施形態によれば、光システムが提供される。この光システムは、シード光信号を生成可能な光信号源と、上記シード光信号を前置増幅して、前置増幅された光信号を生成可能な第１の光増幅器であって、入力と出力とを有する第１の光増幅器とを含んでいる。上記第１の光増幅器の上記入力は上記光信号源に結合される。また、この光システムは、上記第１の光増幅器の上記出力に結合される変調光信号であって、上記前置増幅された光信号を変調して、第１の複数のパルスを含む変調光信号を生成可能な光変調器と、変調駆動信号を上記光変調器に供給可能な制御電子機器とを含んでいる。さらに、上記光システムは、上記変調光信号を増幅可能な第２の光増幅器であって、入力と出力とを有する第２の光増幅器を含んでいる。上記第２の光増幅器の入力は上記光変調器の出力に結合される。さらに、上記光システムは、上記第１の光増幅器の上記出力又は上記入力に結合され、上記第１の光増幅器の利得に関連する第１のフィードバック信号を検出可能な第１のフィードバックループと、上記第２の光増幅器の上記出力又は上記入力に結合され、上記第２の光増幅器の利得に関連する第２のフィードバック信号を検出可能な第２のフィードバックループとを含んでいる。上記第１のフィードバック信号及び上記第２のフィードバック信号は上記制御電子機器に結合され、上記制御電子機器は上記第１のフィードバック信号及び上記第２のフィードバック信号に基づいて上記変調器駆動信号を供給可能であり、上記変調光信号の上記第１の複数のパルスの振幅は上記変調器駆動信号の関数である。
【００１０】
本発明の別の実施形態によれば、光増幅器又は一連の光増幅器をパルスモードで動作させる方法は、光増幅器の利得の変動に対して光信号の振幅を調整して、パルスシーケンス特性とは独立して光出力の時間的パルス形状及びエネルギー特性を保持することを特徴としている。ある実施形態によっては、光増幅器の実際の利得は、測定された自然放射増幅光信号（すなわち、光増幅器からのフィードバック信号のレベルに基づく）に基づいて、光入力信号源をトリガする電気的トリガシーケンスの記録により、あるいはそれらの組み合わせにより決定される。様々な実施形態によれば、調整された光入力信号は、振幅変調器として機能する制御可能な光構成要素の動作により得られるか、あるいは、増幅器の光信号源を直接変調することにより直接得られる。本明細書において述べられるように、フィードバック信号により、増幅器における利得の関数としての入力信号の振幅プロファイルの前置補償が可能となる。
【００１１】
本発明により従来技術にはない数々の利点が得られる。例えば、本発明の実施形態は、増幅器の利得に関連する情報を利用して、増幅器の特性を前置補償し、所定の増幅出力パルスを供給する増幅器システムを提供する。本発明のこれらの実施形態及び他の実施形態を、本発明の利点や特徴の多くとともに、以下の説明及び添付図面との関係でより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、従来の光増幅器システムの動作を示す簡略化されたブロック図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態における光増幅器システムの動作を示す簡略化されたブロック図である。
【図３】図３は、本発明の他の実施形態における光増幅器システムの動作を示す簡略化されたブロック図である。
【図４】図４は、本発明のさらに他の実施形態における光増幅器システムの動作を示す簡略化されたブロック図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態におけるレーザ／増幅器システムのための制御システムを示す簡略化されたブロック図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態におけるレーザ／増幅器システムのために使用される例示的なトリガシーケンスを示すものである。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の一実施形態における変調器駆動信号の例示的なパルスプロファイルを示すものである。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の一実施形態における変調光入力信号の例示的なパルスプロファイルを示すものである。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本発明の一実施形態におけるターゲット出力光信号の例示的なパルスプロファイルを示すものである。
【図８】図８は、本発明の一実施形態において光増幅器を動作させる方法を示す簡略化されたフローチャートである。
【図９】図９は、本発明の一実施形態における光システムを動作させる方法を示す簡略化されたフローチャートである。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態におけるダブルパス光増幅器の例示的な構成を示す簡略化されたブロック図である。
【具体的な実施形態の詳細な説明】
【００１３】
本発明は、概して、光増幅器及びレーザの分野に関するものである。より具体的には、本発明は、アブレーティング、トリミング、マーキング、切断、及び溶接などの工業的用途に有用な利得補償レーザパルスを提供する方法及びシステムに関するものである。単なる例示に過ぎないが、本発明は、パルス幅、ピークパワー、繰り返し率、及び時間的パルス形状をはじめとする特性をリアルタイムで調整可能なレーザ源に適用される。しかしながら、本発明は、これよりも適用範囲が広く、他のレーザ源や増幅器システムに適用することができる。
【００１４】
本発明の実施形態を限定することなく、本明細書で述べられるレーザ「パルス」という語は、典型的には、（これに限定されるわけではないが）１秒のごくわずかだけの短い持続時間又は非常に短い持続時間のレーザ信号を含んでいる。しかしながら、典型的には、その短い持続時間内に、レーザの瞬間的パワーが、パルス開始前の低いレベル又はゼロレベルから、パルス中の高いレベルになり、そしてパルスが終了した後の低いレベル又はゼロレベルに戻るというように時間とともに変化すると理解されている。パルスの持続時間中の瞬間的なレーザパワーの特定の経時変化は、互いに異なるパルスの特性を区別するのに重要なパラメータである。本明細書で使用される「パルスプロファイル」という語は、パルスの持続時間中にわたる瞬間的な強度の経時変化を意味する。また、この語は、電気制御信号や検出フィードバック信号などの様々な関連する信号の経時変化を述べるのにも使用される。
【００１５】
ファイバ型光増幅器又はロッド型光増幅器においては、出力パルスエネルギーが増幅器内に蓄積されたエネルギーに近づくと、光パルスの形状の変形が生じる。飽和利得効果を生じさせるのは、定常状態では信号強度であるが、動的状態ではエネルギー密度である。主として重要なことは、高パワーパルスが利得媒体を伝播していくときに高パワーパルスが歪むことである。パルスがファイバ増幅器を通過する際には、パルスはファイバから次第により多くのエネルギーを抽出し、それにより利用可能な利得が減少する。この次第に減少する利得がパルスの変形を生じさせるのである。整形された光学波形を出射するように構成されたファイバ増幅器システムについては、同一人に譲渡されている米国特許第７７４２５１１号に述べられており、その明細書はあらゆる目的のために参照によりここに組み込まれる。米国特許第７７４２５１１号において利用される方法及びシステムは、本明細書で述べられる方法及びシステムとともに実現可能であることに留意すべきである。一例では、米国特許第７７４２５１１号では、どのようにして増幅器における利得飽和を釣り合わせて、立ち下がりよりも立ち上がりを低くした変調器用駆動信号を生成することによって実質的に方形の出力パルスを生成できるかについて述べられている。他の例においては、米国特許第７７４２５１１号では、立ち上がりに大きなオーバーシュートを有するパルスプロファイルや１つ又は２つの中間パルススパイクを有するパルスプロファイルのような所望の出力時間的パルスプロファイルを生成するための駆動信号を調整する方法について述べられている。
【００１６】
単一のパルスの持続時間内にパルスの変形を生じさせることに加えて、利得飽和は、パルス繰り返し率によっては、パルス列内のパルス中のパワー変動も生じさせることがある。図１は、従来の光増幅器システム１００の動作を示す簡略化されたブロック図である。この光増幅器システム１００は、光信号源１０２と、光変調器１０４と、光増幅器１０６と、制御電子機器１０８とを含んでいる。光信号源１０２は、シード光信号１３０を供給する。光変調器１０４は、光信号源１０２に連結された第１の入力と、制御電子機器１０８に連結された第２の入力と、出力とを有している。制御電子機器１０８は、変調器駆動信号１３８を光変調器１０４に供給する。光変調器１０４は、シード光信号１３０の振幅を変調して変調光信号１３２を生成する。シード光信号１３０は、連続波（ＣＷ）光信号又はパルス信号であってもよい。シード光信号１３０がＣＷ光信号である場合には、光変調器１０４は、ＣＷシード光信号１３０を複数のパルスを有するパルス光信号に変換することができる。変調光信号１３２は、光増幅器１０６の入力に結合される。入力光パルス列１３２は、光増幅器１０６により増幅されて増幅出力光パルス列１３４となる。
【００１７】
光増幅器１０６は、希土類添加ファイバ利得媒体を含んでいる。図１に示される例では、入力パルス列１３２のパルスは実質的に同一の振幅を有しており、増幅された出力パルス列１３４のパルスは、パルスシーケンス内でのパルスの位置によって振幅が異なることにより特徴付けられる。シーケンス内の第１のパルス１４２は、一般的に、利得媒体から多くのエネルギーを抽出し、第２のパルス１４４及び第３のパルス１４６が利得媒体を通過するときまでにそれが補充されないので、第１のパルスの増幅中の利得は第２のパルス１４４や第３のパルス１４６よりも大きい。利得が相当程度に回復するほど第４のパルス１４８と第３のパルス１４６との間の時間遅延が長いので、第４のパルス１４８の利得は第２のパルス及び第３のパルスよりも大きい。第５のパルス１５０の利得は第４のパルスなどと比べると小さい。シーケンスにおける様々なパルス間のパルス当たりのエネルギーが変動することは好ましくない。
【００１８】
図２は、本発明の実施形態における光増幅器システム２００の動作を示す簡略化されたブロック図である。図２に関して述べられるように、本発明の実施形態は、前置補償された入力光信号を光増幅器に供給することによって、利得変動に対する動的補償を実現するものである。光システム２００は、シード光信号２３０を供給する光信号源２０２と、光変調器２０４と、光増幅器２０６と、制御電子機器２０８とを含んでいる。光信号源は、レーザやレーザと増幅器の組み合わせなどであってもよい。ある実施形態では、光信号源２０２は半導体レーザ（例えば、波長１０３２ｎｍ、出力パワー２０ｍＷで動作するＣＷファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）安定化半導体ダイオードレーザ）である。他の特定の実施形態においては、光信号源は、波長１０６４ｎｍ、出力パワー１００ｍＷで動作する外部共振器半導体ダイオードレーザである。別の実施形態では、光信号源は小型の固体レーザ又はファイバレーザを含んでいる。特定の用途に応じて、他のレーザ源やＬＥＤ源なども用いることができる。このように、シード光信号２３０は、特定の実施形態によってはＣＷ信号又はパルス信号であり得る。ＣＷ信号が使用される実施形態においては、光変調器２０４を通過した後にパルスを形成してもよい。当業者であれば、多くの変形例、改良例、及び代替例が考えられるであろう。
【００１９】
特定の実施形態においては、光変調器２０４は、１０６４ｎｍで３ＧＨｚを超える帯域を有するＡＰＥ型ニオブ酸リチウムマッハ−ツェンダー変調器のような光学振幅変調器である。本発明の他の実施形態によれば、光変調器２０４は、電気光学マッハ−ツェンダー型変調器であり、これは短い光パルスを生成するのに必要な帯域を提供するものである。他の実施形態においては、光変調器２０４は、光エッジフィルタ、減衰変調器（extinction modulator）、又は音響光学変調器のような振幅変換器に好適な位相又は周波数を有する位相変調器又は周波数変調器である。
【００２０】
本発明の実施形態によれば、光増幅器２０６は光ファイバ増幅器である。本発明の実施形態で用いられるファイバ増幅器には、希土類添加シングルクラッド、ダブルクラッド、又は複数クラッドの光ファイバが含まれるが、これに限定されるものではない。そのようなファイバ増幅器において用いられる希土類ドーパントには、（９８０ｎｍから１１００ｎｍの波長範囲での光の増幅用の）イッテルビウム、他の波長での増幅用のエルビウム、ホルミウム、プラセオジム、ツリウム、ネオジムが含まれる。特定の実施形態においては、光増幅器１５０を構成するのに用いられる光ファイバ系構成要素は、いずれも偏波保持型シングルモードファイバを用いている。別の実施形態では、光増幅器２０６は、固体ロッド型増幅器又は固体ディスク型増幅器である。一実施形態によれば、光増幅器２０６は、気体の利得媒体を備えている。様々な実施形態によれば、光増幅器２０６は、単一ステージの光増幅器又は複数ステージの光増幅器である。
【００２１】
信号波長における増幅された出力光パルス列２３４とともに、自然放射増幅光（ＡＳＥ）も存在し得る。これらはともに、信号波長を含み得る波長範囲にわたって伝播していく。また、ＡＳＥは増幅器の入力端にも存在し得るが、これは入力光パルス列２３２に対して反対方向に伝播していく。ＡＳＥ信号は、増幅器の利得媒体における利得の量に直接関係するものである。したがって、順方向に伝播していくＡＳＥ信号又は反対方向に伝播していくＡＳＥ信号のいずれかをモニタリングすることにより、パルス間の利得変化を動的に補償することができる。順方向に伝播していくＡＳＥ信号又は反対方向に伝播していくＡＳＥ信号のいずれかをフィードバック信号として利用してポンプ信号を制御するように構成されたファイバ増幅器システムについてのさらなる説明は、譲受人が共通する米国特許第７６６７８８９号でなされている。この米国特許の明細書はあらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。本明細書で述べられる方法及びシステムと連係して米国特許第７６６７８８９号において用いられている方法及びシステムを実施することができることに留意すべきである。
【００２２】
再び図２を参照すると、光増幅器システム２００は、光増幅器２０６の出力と制御電子機器２０８との間のフィードバックループ２４０を含んでいる。上述したように、フィードバックループ２４０は、増幅器の利得に関係するフィードバック信号（例えばＡＳＥ）を検出する。一実施形態によれば、第１の波長で順方向に伝播するＡＳＥ信号は、信号分離器２１０を用いて信号波長の信号から分離される。信号分離器２１０は、波長デマルチプレクサであってもよい。この波長デマルチプレクサは、全ファイバ型波長デマルチプレクサ、ダイクロイックミラー、グレーティング、プリズム、又は他の好適な波長デマルチプレクサであってもよい。他の実施形態によれば、反対方向に伝播するＡＳＥ信号は、光サーキュレータ（図２では図示せず）を用いて光増幅器２０６の入力端で検出される。様々な実施形態によれば、ＡＳＥ検出器は、ＡＳＥ信号のすべて又はＡＳＥ信号の一部のみを検出してもよい。
【００２３】
順方向に伝播するＡＳＥ信号及び反対方向に伝播するＡＳＥ信号は、光増幅器２０６の利得に直接関係するものであるので、利得補償用のフィードバック信号として機能し得る。いずれの実施形態においても、順方向に伝播するＡＳＥ信号又は反対方向に伝播するＡＳＥ信号は、１以上の光検出器２１２に当たって電気的フィードバック信号を生成する。この電気的なフィードバック信号は制御電子機器２０８に入力される。光検出器２１２は、異なる波長を検出する複数の光検出器や、ある波長範囲にわたって光を検出する１以上の光検出器などを含み得ることに留意すべきである。一例として、ＡＳＥは、通常、光信号源の波長とは異なる波長で存在する。この例においては、光信号源の帯域外の波長でのＡＳＥを用いればフィードバック信号を生成することができる。あるいは、検出器は、１０６４ｎｍの光信号用のフィルタ（例えば約１０３０ｎｍ）を用いて狭い帯域でＡＳＥを検出することができる。ＡＳＥ検出用に複数の帯域を用いることもできる。さらに他の実施形態においては、信号波長以外の実質的にすべての波長でのＡＳＥ信号を用いてＡＳＥ信号を生成することができる。図２には図示されていないが、１以上の光検出器を用いて光増幅器から光変調器２０４に向けて反対方向に伝播するＡＳＥを検出することができる。当業者であれば、多くの変形例、改良例、及び代替例が考えられるであろう。
【００２４】
制御電子機器は、光増幅器２０６の利得変動を前置補償する変調光信号２３２を光変調器２０４が出力するように、電気的フィードバック信号に基づいて変調器駆動信号２３８を生成する。図２に示される例では、シーケンスの第１のパルス２４２、第２のパルス２４４、及び第４のパルス２４８は、増幅出力光信号２３４内の複数のパルスがパルス間で実質的に均一な振幅を有するように比例的に減衰している。一実施形態により提供されるファイバ系光増幅器は、パルス間で一定の特性を有する光パルスの増幅に特に好適であり、これにより、増幅出力光信号２３４のパルス間の振幅が均一となる。さらに、パルス繰り返し率やパルス間エネルギーなどを可変にする必要がある用途において、本発明の実施形態は好適である。
【００２５】
図２に示されるように、フィードバック信号が制御電子機器に供給されて、光変調器に供給される駆動信号及びその結果として光変調器の出力を前置補償する。このように、光変調器の出力は、光増幅器（例えば、１つ、２つ、３つ、又はそれより多くの光増幅器）により増幅される際に、出力信号が所望の振幅プロファイル（例えば、実質的に均一な振幅プロファイル）を有する、予め歪んだ又は前置補償された信号である。本発明の実施形態は、光増幅器に供給される入力信号及び光増幅器の状態、特に利得に基づいてフィードフォワード及びフィードバック制御を用いるシステムを提供する。
【００２６】
一例として、パルスが増幅器に入る前に、ＡＳＥフィードバック信号を用いて、ＡＳＥが測定され、制御電子機器に供給される。ＡＳＥフィードバック信号に基づいて、制御電子機器は、増幅器への光入力信号が所望の出力パルスプロファイルを得るのに適切なものとなるように、電気的入力信号を振幅変調器に供給する。実施形態によっては、パルス列の各パルスに対して所定の電気的入力信号を振幅変調器に供給するのに十分な速度でＡＳＥのモニタリングが行われる。例示的な実施方法においては、多数のパルスを短時間に受けると、利得が次第に低下し、ＡＳＥレベルが低下し、これに伴って制御電子機器は、より大きな変調光信号を生じさせる変調器駆動信号を生成する。これにより、均一な出力パルスを生成するのにより少ない増幅で足りるようになる。
【００２７】
別の実施形態によれば、光増幅器システム２００は、クライアントトリガ信号２３６を利得補償システムへの入力として用いる。このクライアントトリガ信号は、ＡＳＥフィードバック信号と連係して、あるいは、ＡＳＥフィードバック信号の代わりとして用いることができる。制御電子機器２０８は、特定のシーケンスを有する複数のパルスを含むクライアントトリガ信号２３６を受信する。制御電子機器２０８は、シーケンス内のそれぞれのパルスの位置により各パルスに対する光増幅器２０６の利得を決定し、これに伴って変調器駆動信号２３８を生成する。例えば、クライアントトリガ信号により最初１００ｋＨｚでレーザが動作し、その後クライアントトリガ信号がレーザを５０ｋＨｚで動作するように変化した場合には、典型的には、１００ｋＨｚでの動作と比較すると利得が増えることになる。検出される繰り返し率の変化を用いて、クライアントトリガ信号において検出される繰り返し率の変化に起因する増幅器の利得の変化に対して適切なものとなるように変調器駆動信号２３８を修正することができる。このように、本発明の実施形態は、トリガパルスのタイミングについての情報を提供するクライアントトリガ信号を用いて変調入力信号及び所望の増幅出力信号を生成する補償信号を算出する。
【００２８】
本発明の実施形態によれば、時間的に等しく分割されていないこともある光パルスのシーケンスを生成する方法及びシステムが提供される。さらに、パルス間でパルス幅とパルスエネルギーを所定の方法で個々に調整してもよい。さらに、パルスは、光パルスのシーケンスの任意の列を含んでいてもよい。このように、実質的に均一な振幅を有するパルスが図２に示されているが、これは本発明により必要とされるものではなく、他の実施形態は、利得補償を用いて、所定の出力振幅、パルス幅、パルス間遅延、繰り返し率などを提供する。当業者であれば、多くの変形例、改良例、及び代替例が考えられるであろう。
【００２９】
実施形態によっては、クライアントトリガ信号は、異なるパルス間の時間間隔に関する情報を含んでおり、この情報を用いてパルスの増幅に起因する利得への影響を算出することができる。これに代えて、あるいはタイミング情報と組み合わせて、クライアントトリガ信号が過去のパルスの履歴、例えば過去１ミリ秒にわたるパルス履歴に関する情報を含んでいてもよく、この情報を用いてパルス履歴が利得に与える影響を算出し、これらの影響を補償することができる。特有の増幅器のそれぞれに基準値を関連付け、利得分析プロセス中に複数の増幅器の間の変化を考慮することもできる。
【００３０】
本発明の実施形態は、増幅器の利得を算出するために用いることができるフィードバック信号（増幅器の利得に関する情報又はクライアントトリガ信号の情報を含む）のいずれか又は双方を用いて、増幅後に所望の出力光信号プロファイルが得られる入力のための所定の変調プロファイルを有し、増幅器に伝搬される入力光信号を変調するための方法及びシステムを提供する。
【００３１】
図３は、本発明の他の実施形態における光増幅器システム３００の動作を示す簡略化されたブロック図である。光増幅器システム３００は、光信号源３０２と、光増幅器３０４と、制御電子機器３１０とを含んでいる。光増幅器３０４は、希土類添加ファイバ利得媒体を含んでいる。一実施形態によれば、光システム３００は、フィードバックループ３３８も含んでいる。フィードバックループ３３８は、光増幅器３０４の利得に関連するフィードバック信号を検出する。一実施形態によれば、第１の波長で順方向に伝播するＡＳＥ信号は、信号分離器３０６を用いて信号波長の信号から分離される。信号分離器３０６は、波長デマルチプレクサであってもよい。この波長デマルチプレクサは、全ファイバ型波長デマルチプレクサ、ダイクロイックミラー、グレーティング、プリズム、又は他の好適な波長デマルチプレクサであってもよい。他の実施形態によれば、反対方向に伝播するＡＳＥ信号は、光サーキュレータ（図３では図示せず）を用いて光増幅器３０４の入力端で検出される。いずれの実施形態においても、順方向に伝播するＡＳＥ信号又は反対方向に伝播するＡＳＥ信号は、１以上の光検出器３０８に当たって電気的フィードバック信号を生成する。光検出器３０８からの電気的フィードバック信号は制御電子機器３１０に入力され、制御電子機器３１０は電気的フィードバック信号により変調器駆動信号３３２を生成する。フィードバック信号を生成するために反対方向に伝播するＡＳＥを用いる実施形態では、信号波長で反対方向に伝播する信号中のパワーを無視することができるので、信号波長の信号からのＡＳＥの分離を簡略化してもよい。
【００３２】
別の実施形態によれば、光システム３００は、図２を参照して先に述べたのと同様の方法で、利得補償を行うためにクライアントトリガ信号３３０を利用する。変調器駆動信号３３２は光信号源３０２を制御するために用いられ、光信号源３０２は、増幅出力光パルス列３３６がパルスシーケンスとは独立してパルス間で実質的に均一となるように、前置補償された入力光パルス列３３４を生成する。一実施形態によれば、光信号源３０２は、変調器駆動信号３３２によって制御される電流により駆動されるレーザダイオードである。
【００３３】
図３を参照すると、変調光信号を供給する光信号源を図２に示される光信号源２０２及び光変調器２０４と比較することができる。図３に示される実施形態は、変調器駆動信号を光変調器２０４に供給するのではなく、変調器駆動信号３３２を光信号源に供給しており、システムの構成要素の数を減らした実施形態となっている。一例として、光信号源３０２は、変調器駆動信号３３２を用いて直接変調される半導体レーザであってもよい。変調に好適な他のレーザも光信号源３０２として用いることができる。このように、本発明の実施形態は、光信号源と連係して光変調器を利用することができ、あるいは直接的に制御された光信号源を用いることができる。図３には図示されていないが、複数の増幅器モジュールを含み得る光増幅器３０４での増幅の前に変調光信号３３４を増幅するために、付加的な前置増幅器モジュールを利用することができる。さらに、増幅出力光信号３３６の均一な振幅が図３に示されているが、これは本発明の実施形態により必要とされるものではなく、他の所定のパルスプロファイルやパルス間遅延などを実施形態により提供することができる。単なる例として、３つの階段状の部分を有する第１のパルス形状の後に、所定の遅延時間後に実質的にトップハット形状の部分が続く例示的な時間的パルスプロファイルが図７Ｃに示されている。当業者であれば、多くの変形例、改良例、及び代替例が考えられるであろう。
【００３４】
図４は、本発明のさらに他の実施形態における光増幅器システムの動作を示す簡略化されたブロック図である。光増幅器システム４００は、光信号源４０２と、（複数の増幅器モジュールを含むことができ、前置増幅器とも呼ばれる）第１の光増幅器４０４と、光変調器４０８と、（複数の増幅器モジュールを含み得る）第２の光増幅器４１０と、制御電子機器４１８とを含んでいる。図３に示されたシステムと同様に、図４に示されたシステムは、図２に示されたシステムと構成要素を共有することができる。光信号源４０２はシード光信号４３０を生成し、このシード光信号４３０が第１の光増幅器４０４により前置増幅される。前置増幅された光信号４３２は、光変調器４０８により変調され変調光信号４３４となる。変調光信号の一部は、光変調器を通過する際に利得を受けるであろうが、変調光信号４３４に所定のプロファイルを与えるためのパルスの振幅の変動は、時間的及び／又は振幅の増幅及び変調の間に利得の減少又は増加がパルスに与える影響を図示するためだけに与えられていることは理解されよう。変調光信号４３４は第２の光増幅器４１０によって増幅され、パルスシーケンス、特にパルス間の時間遅延とは独立してパルス間で振幅が実質的に均一となることにより特徴付けられる増幅出力光パルス列４３６となる。
【００３５】
また、本発明の一実施形態によれば、光システム４００は、第１のフィードバックループ４４２と第２のフィードバックループ４４４とを含んでおり、第１のフィードバックループ４４２と第２のフィードバックループ４４４は、第１の光増幅器４０４の利得に関する第１のフィードバック信号と、第２の光増幅器４１０の利得に関する第２のフィードバック信号とをそれぞれ検出するものである。第１のフィードバック信号及び第２のフィードバック信号は、制御電子機器４１８に入力され、制御電子機器４１８は、第１の光増幅器及び第２の光増幅器の双方における利得の変動が変調光信号４３４において前置補償されるように、第１のフィードバック信号及び第２のフィードバック信号に基づいて変調器駆動信号４４０を供給する。一実施形態によれば、第１の光増幅器４０４の出力において第１の波長で順方向に伝播するＡＳＥ信号は、第１の信号分離器４０６を用いて信号波長の信号から分離される。この分離されたＡＳＥ信号は、第１の光検出器４１４に当たって第１の電気的フィードバック信号を生成する。同様に、第２の光増幅器４１０の出力において第２の波長で順方向に伝播するＡＳＥ信号は、第２の信号分離器４１２を用いて信号波長の信号から分離される。この分離されたＡＳＥ信号は、第２の光検出器４１６に当たって第２の電気的フィードバック信号を生成する。一実施形態によれば、第１の信号分離器４０６及び第２の信号分離器４１２は、波長デマルチプレクサであり得る。この波長デマルチプレクサは、全ファイバ型波長デマルチプレクサ、ダイクロイックミラー、グレーティング、プリズム、又は他の好適な波長デマルチプレクサであってもよい。他の実施形態によれば、第１のフィードバック信号及び第２のフィードバック信号の一方又は双方は、第１の光増幅器４０４及び第２の光増幅器４１０の入力端で検出される反対方向に伝播するＡＳＥ信号から生成される。別の実施形態によれば、光システム４００は、図２を参照して先に述べたのと同様の方法で、利得補償を行うためにクライアントトリガ信号４３８を利用する。
【００３６】
図４に示されるように、シード光信号は、１以上の第１の増幅器（例えば、一群の前記増幅器）により増幅され、光変調器４０８を通過した後に（例えば、１組の増幅器モジュールにおいて）増幅される。利得の減少の結果として、各組の後のパルスはその組の前のパルスよりも振幅が小さいので、第１の増幅プロセスにより信号にある程度の歪みが生じる。第１のフィードバックループ４４２におけるフィードバック信号は、第１の光増幅器４０４における利得についての情報を提供し、第２のフィードバックループ４４４におけるフィードバック信号は、第２の光増幅器４１０における利得についての情報を提供する。このフィードバック情報は、光変調器４０８を駆動して第２の光増幅器４１０に対する所定の入力を生成するために制御電子機器により用いられる。このように、変調器駆動信号４４０は、第１の増幅プロセス（例えば前置増幅器）中に生じた歪みを補償し、また第２のパワー増幅器４１０で起きる歪みも前置補償する。
【００３７】
図５は、本発明の一実施形態におけるレーザ／増幅器システムのための制御システム５００を示す簡略化されたブロック図である。この制御システム５００は、処理ユニット５１０と、メモリ５２０と、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）５３０とを含んでいる。一実施形態によれば、目的とする所定のパルスプロファイルに対する変調器駆動信号の複数のパルスプロファイルが所定の周波数範囲で様々なパルス繰り返し率に対して予め算出される。そして、予め算出されたパルスプロファイルはメモリ５２０に保存される。例示的な一例として、１０Ｈｚから５００ｋＨｚの周波数範囲において１６個の異なる繰り返し率に対して変調器駆動信号についての１６個のパルスプロファイルが予め算出されるようにしてもよい。予め算出されたパルスプロファイルのそれぞれは、それぞれの繰り返し率に関連付けられたパルス間の利得変動を考慮している。１６個の異なる繰り返し率は、等間隔であってもよいし、あるいは異なる間隔であってもよい。一実施形態によれば、１０Ｈｚから１００ｋＨｚの範囲ではパルス間の利得変動がよりはっきりするので、１６個の異なる繰り返し率は、１０Ｈｚから１００ｋＨｚの範囲では１００ｋＨｚから５００ｋＨｚの範囲よりもより密に離間している。他の実施形態においては、他の周波数範囲が用いられる。光増幅器のリアルタイム動作においては、制御システム５００は、電気的フィードバック信号５４０、クライアントトリガ信号５４２、又はこれらの組み合わせなどに応じて、パルス列中の各パルスに対して複数の保存されたパルスプロファイルから１つを選択する。ある実施形態では１６個のパルスプロファイルが保存されるが、これは本発明により必要とされるものではなく、特定の用途に応じて、これよりも多いパルスプロファイル又はこれよりも少ないパルスプロファイルを保存することもできる。一例として、より細かいステップ又はより広い周波数範囲を提供するために、３２個の信号又は６４個の信号を保存することができる。当業者であれば、多くの変形例、改良例、及び代替例が考えられるであろう。特定の実施形態においては、保存されたパルスプロファイルを、クライアントトリガ信号（例えば、パルス間の遅延）、利得に関連するフィードバック信号、又はその組み合わせなどに関する情報に関連付けることができる。所望の出力パルスプロファイル、トリガクライアント信号、及び／又は１以上の増幅器の利得に関連付けられたフィードバック信号に応じて、保存されたパルスプロファイルを処理ユニット５１０により選択し、所望の変調器駆動信号５４４を供給することができる。
【００３８】
本発明の実施形態によれば、光振幅変調器に与えられた駆動信号は、高速ＤＡＣを用いてアナログ信号に変換されるデジタルパターンに基づく整形波形を有している。整形波形は、コンピュータを用いて、メモリに実装されたＤＡＣにおいて波形のデジタル表現を作ることにより生成される。そして、このデジタルパターンが高速ＤＡＣを用いてアナログ信号に変換される。好ましくは、ＤＡＣの出力の立ち上がり時間及び立ち下がり時間は、１ｎｓ未満、より好ましくは５００ピコ秒（ｐｓ）未満、最も好ましくは３００ｐｓ未満である。好ましくは、ＤＡＣは、トリガイベントが起きる度に、コンピュータを用いてメモリにロードされた、事前にプログラムされた波形を生成するように構成されている。好ましくは、ＤＡＣのサンプリングレートは、５００メガサンプル／ｓ（ＭＳ／ｓ）以上、より好ましくは１ギガサンプル／秒（ＧＳ／ｓ）以上、最も好ましくは２ＧＳ／ｓ以上である。そのようなサンプリングレートを用いて、２ナノ秒（ｎｓ）ごと又はそれ以上の速度でデジタルパターンが定義され得る。１ＧＳ／ｓのサンプリングレートの場合、１ｎｓの分解能で任意の波形を生成することを意味する。好ましくは、ＤＡＣは、１００ＭＨｚを超えるアナログ電気帯域を有し、より好ましくは３００ＭＨｚを超えるアナログ帯域、最も好ましくは１ＧＨｚを超えるアナログ帯域を有している。好ましくは、ＤＡＣの電圧分解能は８ビットであり、より好ましくは１０ビット、最も好ましくは１２ビット以上である。
【００３９】
ＡＳＥフィードバック信号に基づく利得に反応する実施形態においては、制御システム５００が電気的フィードバック信号５４０を受信する。プロセッサ５１０の制御下で、制御システム５００は、受信した電気的フィードバック信号５４０に応じて、メモリ５２０に保存された複数のパルスプロファイルから１つのパルスプロファイルを選択する。ＤＡＣ５３０は、選択されたパルスプロファイルに応じて変調器駆動信号５４４を出力する。一実施形態によれば、変調器駆動信号５４４は、図２に示される変調器２０４に供給される。別の実施形態によれば、変調器駆動信号５４４は、図３に示される光信号源３０２に供給される。
【００４０】
別の実施形態によれば、制御システム５００は、特定のパルスシーケンスを有する複数のパルスを含むクライアントトリガ信号５４２を受信する。制御システム５００は、パルスシーケンス中の各パルスに対してそのパルスの位置に応じて増幅器の利得を決定する。そして、プロセッサの制御下で、制御システム５００は、決定された利得に基づいて、メモリ５２０に保存された複数のパルスプロファイルからパルスプロファイルを選択する。本発明の実施形態によれば、プロセッサ５１０は、マイクロプロセッサ、書換可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、及び／又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）など任意のタイプのプロセッサであってもよい。メモリ５２０は、ＲＯＭやＲＡＭメモリなど任意のタイプのメモリであってもよい。
【００４１】
一実施形態によれば、一例として、システムオペレータが、Ｉ／Ｏモジュール５５０を用いて所望の出力パルスプロファイルを特定することができる。例えば、鋸波状の振幅プロファイルを有する２０ｎｓ幅のパルスや椅子形状の５０ｎｓ幅のパルスを特定することができる。この例におけるメモリ５２０は、事前に算出され、光増幅器及び／又はクライアントトリガ信号に対して所定の条件が与えられた複数の保存パルスプロファイルを含み、その次に所望の出力パルスプロファイルを生成することになる変調器駆動信号を生成する。このように、利得媒体の様々な条件に対して、処理ユニットは、適切な保存パルスプロファイルを選択して、所望の出力パルスプロファイルを生成する。ある実施形態においては、メモリ５２０は、それぞれにある所望の出力パルス形状に関連付けられたメモリからなる１組のメモリを含んでいる。これらの実施形態においては、システムオペレータは、Ｉ／Ｏモジュールを用いてそのセットから所望の出力パルス形状の１つを選択し、適切な変調器駆動信号を生成する際に特定のメモリ内のエントリが用いられる。ある実施形態においては、多次元メモリでは、例えば、クライアントトリガ信号やＡＳＥフィードバック信号などの複数の入力を用いてメモリ内のパルスプロファイルが選択されることに留意すべきである。
【００４２】
メモリ内に保存され、所定の光パルスプロファイルを生成するのに役立つ１組のパルスプロファイルとの関係でいくつかの実施形態を述べたが、これは本発明により必要とされるものではなく、他の実施形態では、レーザが動作しているときにパルス形状を修正することができる。一例として、第１の所定のパルスプロファイルを生成する際にメモリの第１の部分を利用することができる。第２の光パルスプロファイルセットに関連付けられた第２のパルス形状セットを算出するために計算を行うことができる。この第２のパルス形状セットは、その後、メモリの第２の部分に保存し、その後、第１の所定のパルスプロファイルを用いた動作が完了した後に、第２の所定のパルスプロファイルを生成する際に利用することができる。このように、本発明の実施形態により、レーザ加工を行うのに使用することができるパルス形状の振動セット又は循環セットが提供される。ある実施形態では、オペレータが、Ｉ／Ｏモジュールを用いて所望の出力パルスプロファイルを与え、プロセッサは、実施形態によってはリアルタイムで、所望の出力パルスプロファイルを生成するために使用するのに好適なパルスプロファイルセットを算出することができる。このように、実施形態により、オペレータの入力に応答して出力パルスプロファイルを修正することができる光増幅器システムが提供され、これは、コンピュータ又は他の好適なシステムにより提供され得る。
【００４３】
図６は、本発明の一実施形態におけるレーザ／増幅器システムのために使用される例示的なクライアントトリガパルスシーケンスを示すものである。それぞれの縦線はトリガパルスを表している。ｔ１で開始しｔ２で終了するタイムフレーム４内でトリガ情報が分析される。５，６，７，８，９は、隣り合うトリガパルス間の時間間隔を表している。１０は、次に入力されるトリガパルスの前の時間遅延を表している。過去のトリガ情報から、多くの異なる分析手法及び計算手法を用いて利得圧縮係数を得ることができる。一実施形態によれば、圧縮係数の近似値は以下の式から得られる。
【数１】
2015503856.tif 000003
ここで、αは利得圧縮係数であり、増幅器の利得係数のその最大値に対する比としての瞬間値を表しており、ａiは各トリガパルスに関連づけられた重みであり、τiはトリガ時間マーカーを表し、Ｅpulseはパルスエネルギーであり、δ（ｘ）はｘ＝０のとき無限大となりｘ≠０のときゼロとなるデルタ関数であって、すべての値に関するデルタ関数の積分が１となるような同一性により制約されているものである。ある実施形態においては、利得圧縮係数は、ｔ１からｔ２までのスライディングタイムウィンドウにわたって上記式により算出される。そして、算出された利得圧縮係数は変調器駆動信号のパルスプロファイルを算出するために使用される。
【００４４】
図７は、本発明の一実施形態による例示的なパルスプロファイルを示すものである。図７Ｃは、本発明の一実施形態における増幅出力光信号のための例示的なターゲット光パルスプロファイル７１４を示すものである。図７Ｂは、本発明の一実施形態における例示的なターゲット光パルスプロファイルを生成するのに必要な変調光入力信号のための例示的なパルスプロファイルを示すものである。この例では、パルスプロファイル７０８，７１０，７１２は、それぞれ繰り返し率が約２００ｋＨｚ、約１００ｋＨｚ、約３０ｋＨｚの例示的な光パルスプロファイル７１４のパルスを生成するために計算された入力光パルスプロファイルを表している。図７Ａは、本発明の一実施形態において次に例示的なターゲット光パルスプロファイル７１４を生成する変調光入力信号を生成するために必要とされる変調器駆動信号用の例示的なパルスプロファイルを示すものである。パルスプロファイル７０２，７０４，７０６は、それぞれ繰り返し率が約２００ｋＨｚ、約１００ｋＨｚ、約３０ｋＨｚの例示的な光パルスプロファイル７１４を生成するために必要とされる変調器駆動信号を表している。
【００４５】
図７Ａに示されるように、変調器駆動信号は、異なるパルス繰り返し率に対して異なる電気的パルス振幅と波形を有しており、これにより図７Ｂに示されるように、異なるパルス繰り返し率に対して異なる光パルス振幅を有する変調光信号が生じる。図７Ａに示される電気的入力信号と図７Ｂに示される光信号との間の差は、光変調器に関連付けられた伝達関数に起因するものであることは理解できよう。変調器駆動信号の波形を正しく選択した場合には、増幅出力光信号のパルスプロファイル７１４は、パルス繰り返し率から実質的に独立する。さらに、増幅出力光信号のパルスプロファイル７１４は、図７Ａに示される電気的変調器駆動信号７０２，７０４，７０６に関連付けられた斜めに傾いた波形や図７Ｂに示される変調光信号７０８，７１０，７１２の斜めに傾いた波形と比較すると、パルスプロファイルの各部について上部が平坦な波形又は平坦部を有する波形によって特徴付けられる。立ち下がりよりも立ち上がりが低い斜めに傾いた波形は、譲受人が共通する米国特許第７７４２５１１号において述べられているように、利得飽和により生ずるパルス形状の変形を補償する。
【００４６】
図７Ａ〜図７Ｃに示されるように、変調光信号７０８は、２０ｎｓまでと３２ｎｓとの間で振幅が次第に大きくなっているが、出力光信号７１４は、このパルスの後半の部分における利得のロールオフの結果として上部が平坦なプロファイルを有する。より低い繰り返し率では、例えば、３０ｋＨｚに関連付けられたパルスプロファイル７１２では、変調光信号の傾斜がパルスプロファイル７０８に対して小さい。パルスプロファイル７０８は、この低い繰り返し率では利得のロールオフが少ないことを示している。このように、入力パルスプロファイルに適切な形状を与えることにより、所望の出力パルスプロファイルが得られる。パルスプロファイル７０８，７１０，７１２は、（例えば、クライアントトリガ信号をモニタリングすることにより検出されるような）３つの繰り返し率に対して図示されているが、これらのパルスプロファイル又はメモリに保存された付加的なパルスプロファイルを用いて増幅器の利得を考慮してもよい。
【００４７】
ソフトウェアにより実現する場合には、本発明の要素は、本質的には、必要なタスクを行うコードセグメントとなる。プログラム又はコードセグメントは、プロセッサで読込可能な媒体に保存され得る。プロセッサで読込可能な媒体（コンピュータ読取可能な媒体とも呼ばれる）には、情報を保存又は伝送可能な任意の媒体が含まれ得る。プロセッサで読込可能な媒体の例としては、電子回路、半導体メモリデバイス、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、又は他の不揮発性メモリ、フロッピーディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、光ディスク、ハードディスクなどが挙げられる。また、インターネットやイントラネットなどのコンピュータネットワークを介してコードセグメントをダウンロードすることも可能である。
【００４８】
図８は、本発明の一実施形態において光増幅器を動作させる方法を示す簡略化されたフローチャートである。方法８００では、光増幅器の利得を決定し（８０２）、変調器駆動信号を光信号源に供給する（８０４）。変調器駆動信号は利得の関数である。方法８００では、さらに、光信号源を用いて入力光信号を生成する（８０６）。入力光信号は第１の複数のパルスを含んでいる。第１の複数のパルスの振幅は変調器駆動信号に関連している。この方法では、さらに、入力光信号を光増幅器に結合し（８０８）、光増幅器を用いて入力光信号を増幅して出力光信号を生成する（８１０）。出力光信号は第２の複数のパルスを含んでいる。本発明のある実施形態では、約２０ｄＢから約３０ｄＢだけ入力信号が増幅される。
【００４９】
一実施形態によれば、光増幅器の利得を決定する際に、光増幅器の利得に関係するフィードバック信号を検出する。一実施形態によれば、光増幅器は希土類添加ファイバ増幅器である。希土類添加は、９８０ｎｍから１１００ｎｍの間の波長範囲における光の増幅の用途には、典型的にイッテルビウムである。エルビウムやネオジムなどの他の希土類元素も他の波長での増幅の用途に使用できる。本発明の実施形態によれば、希土類添加光ファイバは、シングルクラッド型でもよく、ダブルクラッド型でもよく、あるいはマルチクラッド型でもよい。また、偏波保持型ファイバであってもよい。光増幅器２０６は、１段の光増幅器であってもよく、あるいは多段の光増幅器であってもよい。一実施形態によれば、フィードバック信号は、増幅器の出力又は光増幅器の入力からそれぞれ分離された順方向に伝播するＡＳＥ信号又は反対方向に伝播するＡＳＥ信号を含んでいる。
【００５０】
別の実施形態によれば、光増幅器の利得を決定する際にトリガ信号を受信する。トリガ信号は、特定のパルスシーケンスを有する第３の複数のパルスを含んでいる。光増幅器の利得は、トリガ信号のパルスシーケンスに基づいて決定される。一実施形態によれば、変調器駆動信号を供給する際に、プロセッサの制御下で、光増幅器の利得に応じてメモリに保存された複数のパルスプロファイルからパルスプロファイルを選択し、選択されたパルスプロファイルに応じて変調器駆動信号を供給する。一実施形態によれば、入力光信号を生成する際に、光信号源により供給されたシード光信号を変調する。
【００５１】
図８に示された特定のステップが、本発明の一実施形態における光増幅器を動作させる特定の方法を提供していることは理解されるべきである。別の実施形態によれば、他のステップの順番で実施してもよい。例えば、本発明の別の実施形態では、上記で概説したステップを異なる順序で実施してもよい。さらに、図８に図示した個々のステップは、この個々のステップに適した様々な順番で実施され得る複数のサブステップを含んでいてもよい。また、特定の用途によっては、ステップを追加又は削除してもよい。当業者であれば、多くの変形例、改良例、及び代替例が考えられるであろう。
【００５２】
図９は、本発明の一実施形態における光システムを動作させる方法９００を示す簡略化されたフローチャートである。この方法９００では、シード光信号を供給し（９０２）、シード光信号を第１の光増幅器に結合する（９０４）。方法９００では、さらに、第１の光増幅器を用いてシード光信号を増幅して前置増幅光信号を生成する（９０６）。方法９００では、さらに、第１の光増幅器の利得を決定し（９０８）、第２の光増幅器の利得を決定する（９１０）。方法９００では、さらに、変調器駆動信号を供給する（９１２）。この変調器駆動信号は、第１の光増幅器の利得及び第２の光増幅器の利得の関数である。方法９００では、さらに、変調器駆動信号に応じて前置増幅光信号を変調して変調光信号を生成する（９１４）。変調光信号は、第１の複数のパルスを含んでいる。第１の複数のパルスの振幅は変調器駆動信号により決定される。方法９００では、さらに、変調光信号を第２の光増幅器に結合し（９１６）、第２の光増幅器を用いて変調光信号を増幅して出力光信号を生成する（９１８）。出力光信号は、第２の複数のパルスを含んでいる。
【００５３】
一実施形態によれば、第１の光増幅器の利得を決定する（９０８）際に、第１の光増幅器の利得に関連する第１のフィードバック信号を検出し、第２の光増幅器の利得を検出する際に、第２の光増幅器の利得に関連する第２のフィードバック信号を検出する。一実施形態によれば、第１の光増幅器及び第２の光増幅器のそれぞれは希土類添加ファイバ増幅器であり、第１のフィードバック信号及び第２のフィードバック信号のそれぞれはＡＳＥ信号である。
【００５４】
別の実施形態によれば、第１の光増幅器の利得を決定する（９０８）際及び第２の光増幅器の利得を決定する（９１０）際のいずれにおいても、トリガ信号を受信する。このトリガ信号は、特定のパルスシーケンスを有する第３の複数のパルスを含んでいる。第１の光増幅器の利得及び第２の光増幅器の利得のそれぞれは、トリガ信号のシーケンスに基づいて決定される。一実施形態によれば、変調器駆動信号を供給する（９１２）際に、プロセッサの制御下で、第１の光増幅器の利得及び第２の光増幅器の利得に応じて、メモリに保存された複数のパルスプロファイルからパルスプロファイルを選択し、選択されたパルスプロファイルに応じて変調器駆動信号を供給する。
【００５５】
図９に示された特定のステップが、本発明の一実施形態における光システムを動作させる特定の方法を提供していることは理解されるべきである。別の実施形態によれば、他のステップの順番で実施してもよい。例えば、本発明の別の実施形態では、上記で概説したステップを異なる順序で実施してもよい。さらに、図９に図示した個々のステップは、この個々のステップに適した様々な順番で実施され得る複数のサブステップを含んでいてもよい。また、特定の用途によっては、ステップを追加又は削除してもよい。当業者であれば、多くの変形例、改良例、及び代替例が考えられるであろう。
【００５６】
様々な実施形態によれば、光増幅器は、図２〜図４に示されるようなシングルパス光増幅器として構成されていてもよいし、あるいはダブルパス光増幅器として構成されていてもよい。図１０は、本発明の一実施形態における光サーキュレータ１００２及び反射体１０２０を利用したダブルパス光増幅器１０１０の例示的な構成を示している。光サーキュレータ１００２は、第１のポート１００４と、第２のポート１００６と、第３のポート１００８とを含んでいる。光増幅器１０１０の第１の端部１０１２は、光サーキュレータ１００２の第２のポート１００６に連結されている。光増幅器１０１０の第２の端部１０１４は、反射体１０２０に連結されている。入力信号は、光サーキュレータ１００２の第１のポート１００４に結合されている。光サーキュレータ１００２を通過した後、信号は光サーキュレータ１００２の第２のポート１００６から出て光増幅器１０１４の第１の端部１０１２に当たる。そして、信号は１回目に光増幅器１０１０を通過してここで増幅される。光増幅器１０１０の第２の端部１０１４から出た信号は、次に反射体１０２０に当たり、光増幅器１０１０に戻るように反射される。信号は、２回目に光増幅器１０１０を通過してここで信号が再び増幅される。光増幅器１０１０の第１の端部１０１２から出た信号は光サーキュレータ１００２の第２のポート１００６に結合される。光サーキュレータ１００２を通過した後、信号は光サーキュレータ１００２の第３のポート１００８から出る。様々な実施形態によれば、反射体１０２０は、ミラー又はファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）であり得る。ダブルパス光増幅器の他の構成を用いてもよい。当業者であれば、多くの変形例、改良例、及び代替例が考えられるであろう。
【００５７】
本明細書で述べた例や実施形態は、説明のためだけのものであり、その観点から様々な変形や変更が当業者に対して提案され得るし、それらは本出願の精神や範囲及び添付した特許請求の範囲に含まれるべきであることも理解されよう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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