(57)【要約】      （修正有）【課題】  一定パルス幅の一定出力エネルギで、且つ単一周波数のパルスレーザを提供する。【解決手段】  リング状共振器の共振器内に、１／２波長板Ｗ１、ファラデー回転子Ｆ、エタロンＥ１〜Ｅ３、ゲイン媒体Ｒ、ポッケルスセルＰＣ等を配置し、前記共振器内に単一周波数緩和発振パルスが形成されるまで、前記ゲイン媒体Ｒ内にポンプソースからのエネルギを蓄積する。前記緩和発振パルスの検出時に、ポッケルスセルＰＣを動作させて、前記共振器内損失を減少させ、前記ゲイン媒体Ｒ内に蓄積されたエネルギをパルスレーザ光として放出させる。【選択図】    図１
2005045211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一周波数を有するレーザ放射の出力パルスを得るためのレーザの操作方法であって、
前記レーザは、共振器、前記共振器内に配置されたゲイン媒体、及び、ポンプソースを備えてなり、
前記ポンプソースからのエネルギが前記ゲイン媒体に蓄積されている間、発振を抑制する量のキャビティ内損失を、前記共振器内に誘導すること、
前記共振器内に単一周波数緩和発振パルスが形成されるまで、前記ゲイン媒体内に前記ポンプソースからのエネルギでゲインを増大させること、
前記ゲイン媒体内に蓄積された増大したゲインが前記共振器から前記単一周波数の出力パルスとして出力されるように、前記緩和発振パルスの検出時に、前記共振器内に誘導された前記キャビティ内損失を減少させること、
を有するレーザの操作方法。
【請求項２】
前記ゲイン媒体が、ネオジムドープされた固体材料を備えてなり、
前記単一周波数の波長が約１．０５μｍである請求項１に記載のレーザの操作方法。
【請求項３】
前記ポンプソースが、光学エネルギソースを備えてなる請求項１に記載のレーザの操作方法。
【請求項４】
前記ポンプソースが、フラッシュランプを備えてなる請求項１に記載のレーザの操作方法。
【請求項５】
前記ポンプソースが、１またはそれ以上のレーザダイオードを備えてなる請求項１に記載のレーザの操作方法。
【請求項６】
前記共振器が、Ｑスイッチと偏光子を含み、
前記損失の減少が、前記Ｑスイッチの制御を備える請求項１に記載のレーザの操作方法。
【請求項７】
前記共振器が、電気的に制御されるポッケルスセルを含み、
前記損失の減少が、前記ポッケルスセルの制御を備える請求項１に記載のレーザの操作方法。
【請求項８】
前記損失の誘導と前記ゲインの増大と前記損失の減少の各工程を繰り返すことにより、実質的に一定なパルス振幅とパルス幅を有する複数の出力パルスを生成することを含む請求項１に記載のレーザの操作方法。
【請求項９】
前記出力パルスが、半値全幅３０ナノ秒より短いパルス幅を有する請求項１に記載のレーザの操作方法。
【請求項１０】
前記共振器が、制御可能な反射率を有する出力カプラを含み、
所望のパルス幅を達成するために前記出力カプラの反射率を制御することを含む請求項１に記載のレーザの操作方法。
【請求項１１】
前記共振器が、偏光ビームスプリッタを備えてなる出力カプラを含み、
前記共振器内の偏光を制御することにより、前記出力カプラの反射率を制御することを含む請求項１に記載のレーザの操作方法。
【請求項１２】
前記共振器が、偏光ビームスプリッタを備えてなる出力カプラを含み、
前記キャビティ内損失の誘導は、前記偏光ビームスプリッタにより伝送されるキャビティ内光の光量を設定することを含む請求項１に記載のレーザの操作方法。
【請求項１３】
前記共振器が、偏光ビームスプリッタを備えてなる出力カプラを含み、
前記キャビティ内損失の誘導は、前記偏光ビームスプリッタにより伝送される光量を設定するために前記共振器内に偏光回転素子を挿入することを含む請求項１に記載のレーザの操作方法。
【請求項１４】
前記共振器が、電気的に制御されるポッケルスセルを含み、
前記共振器が、偏光ビームスプリッタを備えてなる出力カプラを含み、
前記ポッケルスセルを用いて前記共振器内の偏光を制御することにより前記出力カプラの反射率を制御することを含む請求項１に記載のレーザの操作方法。
【請求項１５】
前記共振器が、電気的に制御されるポッケルスセルを含み、
前記損失の減少が、前記ポッケルスセルに印加する電圧パルスを制御することを含み、
前記共振器が、偏光ビームスプリッタを備えてなる出力カプラを含み、
前記損失の減少の間、前記ポッケルスセルに印加する電圧パルスを制御することにより、前記出力カプラの反射率を制御することを含む請求項１に記載のレーザの操作方法。
【請求項１６】
前記緩和発振パルスのピークより前に、該パルスの平均ピークパルスの５％未満で発生する時点で、前記緩和発振パルスの開始を検知することを含む請求項１に記載のレーザの操作方法。
【請求項１７】
前記緩和発振パルスのピークより前に、該パルスの平均ピークパルスの１％未満で発生する時点で、前記緩和発振パルスの開始を検知することを含む請求項１に記載のレーザの操作方法。
【請求項１８】
前記共振器が、Ｑスイッチと偏光子を含み、
前記緩和発振パルスの開始を検知することを含み、
前記損失の減少が、前記緩和発振パルスのピークより前に検知した前記開始に応答して前記Ｑスイッチに制御信号を印加することを含む請求項１に記載のレーザの操作方法。
【請求項１９】
前記出力パルス内が単一横モードとなるように、前記共振器内の開口の位置決めすることを含む請求項１に記載のレーザの操作方法。
【請求項２０】
前記共振器が、奇数個のリフレクタを有するリングを備えてなる請求項１に記載のレーザの操作方法。
【請求項２１】
前記共振器がリングを備えてなり、
光学ダイオードとして作動する部品により前記リング内の一方向の発振を抑制することを含む請求項１に記載のレーザの操作方法。
【請求項２２】
出力カプラを備えるレーザ共振器と、
前記共振器内のＱスイッチと、
前記共振器内のゲイン媒体と、
前記ゲイン媒体に結合し、前記ゲイン媒体をポンプするエネルギソースと、
前記共振器と結合し、前記共振器内の発振エネルギを検知するディテクタと、
前記エネルギソース、前記Ｑスイッチ、及び、前記ディテクタと結合し、緩和発振パルスを生成するために前記ゲイン媒体内のゲインを増大させるレベルに前記共振器内に損失を誘導する条件を設定し、前記緩和発振パルスの検知に応答して前記Ｑスイッチを用いて共振器損失を減少させ、単一周波数を有する出力パルスを発生させるコントローラと、
を備えてなるレーザシステム。
【請求項２３】
前記出力カプラが、制御可能な出力カプラを備えてなり、
前記コントローラが、前記共振器内の損失を減少させる間、前記出力カプラの反射率を増大させる請求項２２のレーザシステム。
【請求項２４】
前記出力カプラが、偏光ビームスプリッタを備えてなる請求項２２のレーザシステム。
【請求項２５】
望ましくない波長の反射が前記共振器内に結合して戻らないように調整されたエタロンを前記共振器内に含む請求項２２のレーザシステム。
【請求項２６】
発振を単一縦キャビティモードに制限するために適合された一連のエタロンを前記共振器内に含む請求項２２のレーザシステム。
【請求項２７】
前記Ｑスイッチが、ポッケルスセルを備えてなり、
前記出力カプラが、偏光ビームスプリッタを備えてなる請求項２２のレーザシステム。
【請求項２８】
前記ゲイン媒体が、ネオジムドープされた固体材料を備えてなり、
前記単一周波数の波長が約１．０５μｍである請求項２２のレーザシステム。
【請求項２９】
前記ポンプソースが、光学エネルギソースを備えてなる請求項２２のレーザシステム。
【請求項３０】
前記ポンプソースが、フラッシュランプを備えてなる請求項２２のレーザシステム。
【請求項３１】
前記ポンプソースが、レーザダイオードを備えてなる請求項２２のレーザシステム。
【請求項３２】
前記ディテクタが、前記緩和発振パルスのピークより前に、前記緩和発振パルスの開始を検知する請求項２２のレーザシステム。
【請求項３３】
前記ディテクタが、前記緩和発振パルスの開始を検知し、
前記コントローラが、前記検知された開始に応答して、前記Ｑスイッチに制御信号を印加する請求項２２のレーザシステム。
【請求項３４】
前記共振器が光学リングとして構成され、
前記共振器内に、光学ダイオードとして作動する光学部品を含む請求項２２のレーザシステム。
【請求項３５】
前記共振器が、奇数個のリフレクタを有する光学リングとして構成されている請求項２２のレーザシステム。
【請求項３６】
前記共振器が、反射角の設定量が可変の平面リフレクタを含む奇数個のリフレクタを有する光学リングとして構成され、
前記光学リングの長さの調整が、前記平面リフレクタの前記反射角の調整により可能である請求項２２のレーザシステム。
【請求項３７】
前記レーザ共振器内に、横モード制限用開口を含む請求項２２のレーザシステム。
【請求項３８】
前記出力カプラが、偏光ビームスプリッタを備えてなり、
前記共振器内に、ゲインの増大中に前記偏光ビームスプリッタにより伝送される光量を設定するための偏光回転素子を含む請求項２２のレーザシステム。
【請求項３９】
前記出力カプラが、調整可能な反射率の出力カプラを備えてなり、
前記コントローラが、パルス幅を確立するために前記出力カプラの調整可能な反射率を設定する請求項２２のレーザシステム。
【請求項４０】
前記Ｑスイッチが、ポッケルスセルを備えてなり、
前記出力カプラが、偏光ビームスプリッタを備えてなり、
前記コントローラが、前記共振器内の損失を減少させるときに、パルス幅を確立するために前記出力カプラの反射率の量を確立する調整可能な電圧を、前記ポッケルスセルに印加する請求項２２のレーザシステム。
【請求項４１】
前記出力カプラが、偏光ビームスプリッタを備えてなり、
前記共振器内に、ゲインの増大中に前記偏光ビームスプリッタにより伝送される光量を設定するための偏光回転素子を含む請求項２２のレーザシステム。
【請求項４２】
偏光子と出力カプラとして調整された偏光ビームスプリッタを備えて光学リングとして構成されたレーザレーザ共振器と、
前記共振器内の光学ダイオードと、
前記共振器内の１またはそれ以上のエタロンと、
前記共振器内のポッケルスセルと、
前記共振器内のゲイン媒体と、
前記ゲイン媒体に結合し、前記ゲイン媒体をポンプするエネルギソースと、
前記共振器と結合し、前記共振器内の発振エネルギを検知するディテクタと、
前記エネルギソース、前記ポッケルスセル、及び、前記ディテクタと結合し、緩和発振パルスを生成するために前記ゲイン媒体内のゲインを増大させるレベルに前記共振器内に損失を誘導する条件、及び、単一周波数を有する出力パルスが発生するように前記緩和発振パルスの検知に応答して前記ポッケルスセルを用いて共振器損失を減少させる条件を設定し、更に、前記損失を減少させる条件の間パルス幅を設定するために、前記共振器内の偏光を調整し、その結果、前記出力カプラとして調整された前記偏光ビームスプリッタの反射率を調整するための調整可能な電圧を前記ポッケルスセルに印加するコントローラと、
を備えてなるレーザシステム。
【請求項４３】
単一波長を有するレーザ放射の出力パルスを得るためのレーザの操作方法であって、
前記レーザは、光学リングとして構成された共振器、前記共振器内に配置されたゲイン媒体、及び、ポンプソースを備えてなり、
光学ダイオードとして作動する部品により前記リング内の一方向の発振を抑制すること、
前記単一波長以外の波長での前記リング内の発振を抑制すること、
出力カプラとして偏光ビームスプリッタを使用すること、
前記ポンプソースからのエネルギが前記ゲイン媒体に蓄積されている間、発振を抑制する量のキャビティ内損失を、前記共振器内に誘導するために、前記共振器内の偏光を設定すること、
前記共振器内に単一周波数緩和発振パルスが形成されるまで、前記ゲイン媒体内に前記ポンプソースからのエネルギでゲインを増大させること、
前記ゲイン媒体内に蓄積された増大したゲインが前記共振器から、変化した偏光によって規定されるパルス幅の単一周波数の出力パルスとして出力されるように、前記緩和発振パルスの検出時に、前記共振器内に誘導された前記キャビティ内損失を減少させ、前記偏光ビームスプリッタの反射率を設定するために、前記共振器内の偏光を変化させること、
を有するレーザの操作方法。
【請求項４４】
工作物の表面をレーザ衝撃ピーニングするためのピーニング方法であって、
単一周波数を有し、実質的に一定の振幅とパルス幅の一連のシードパルスを生成すること、
前記単一周波数を有する一連の高エネルギ出力パルスを誘導するためにレーザ増幅器に前記一連のシードパルスを供給すること、
前記表面上のターゲット領域をピーニングするために前記出力パルスと協働して前記工作物の位置決めを行うこと、
を有するピーニング方法。
【請求項４５】
前記一連のシードパルスが、前記表面上のターゲット領域をピーニングするための前記位置決めの間のバラツキが５％未満の振幅を有する請求項４４のピーニング方法。
【請求項４６】
前記一連のシードパルスが、前記表面上のターゲット領域をピーニングするための前記位置決めの間のバラツキが５％未満のパルス幅を有する請求項４４のピーニング方法。
【請求項４７】
前記一連のシードパルスが、前記表面上のターゲット領域をピーニングするための前記位置決めの間のバラツキが１％未満の振幅を有する請求項４４のピーニング方法。
【請求項４８】
前記一連のシードパルスが、前記表面上のターゲット領域をピーニングするための前記位置決めの間のバラツキが１％未満のパルス幅を有する請求項４４のピーニング方法。
【請求項４９】
前記一連のシードパルスが、１秒当たり１パルス以上の繰り返しレートを有し、複数の工作物が生産環境でピーニングされる相当期間に亘って、光学パラメータを調整することなく、前記シードパルスのソースの前記実質的に一定の振幅とパルス幅を維持する請求項４４のピーニング方法。
【請求項５０】
生産環境での複数の工作物への３日間より長期の使用に亘って、前記シードパルスのソースの光学パラメータを調整することなく、前記実質的に一定の振幅とパルス幅を維持する請求項４４のピーニング方法。
【請求項５１】
前記一連のシードパルスが、生産環境での少なくとも１００万パルスの連続動作に亘って、前記実質的に一定の振幅とパルス幅を維持する請求項４４のピーニング方法。
【請求項５２】
前記一連の高エネルギ出力パルスが、生産環境内での少なくとも１００万パルスの連続動作に亘って、パルス当たり約１０〜約１００ジュールの範囲の実質的に一定のパルス当たりエネルギを有するパルスを備える請求項４４のピーニング方法。
【請求項５３】
前記一連の高エネルギ出力パルスが、生産環境内での少なくとも１００万パルスの連続動作に亘って、約２０〜３０ナノ秒の範囲の実質的に一定のパルス幅を有するパルスを備える請求項４４のピーニング方法。
【請求項５４】
前記一連の高エネルギ出力パルスが、生産環境内での相当期間におけるオペレータの介在を伴わない使用中に、パルス当たり約１０〜約１００ジュールの範囲の実質的に一定のパルス当たりエネルギと、約２０〜３０ナノ秒の範囲の実質的に一定のパルス幅を有するパルスを備える請求項４４のピーニング方法。
【請求項５５】
前記一連の高エネルギ出力パルスが、生産環境内での少なくとも３日間の使用中に、パルス当たり約１０〜約１００ジュールの範囲の実質的に一定のパルス当たりエネルギと、約２０〜３０ナノ秒の範囲の実質的に一定のパルス幅を有するパルスを備える請求項４４のピーニング方法。
【請求項５６】
前記一連のシードパルスの生成が、
共振器、前記共振器内に配置されたゲイン媒体、及び、ポンプソースを含むレーザを使用すること、
前記ポンプソースからのエネルギが前記ゲイン媒体に蓄積されている間、発振を抑制する量のキャビティ内損失を、前記共振器内に誘導すること、
前記共振器内に単一周波数緩和発振パルスが形成されるまで、前記ゲイン媒体内に前記ポンプソースからのエネルギでゲインを増大させること、
前記ゲイン媒体内に蓄積された増大したゲインが前記共振器から前記出力パルスの形で出力されるように、前記緩和発振パルスの検出時に、前記共振器内に誘導された前記キャビティ内損失を減少させることを、含む請求項４４のピーニング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
アメリカ合衆国政府は、ローレンス・リバモア・ナショナルライブラリの事業のためのアメリカ合衆国エネルギ省とカリフォルニア大学間の契約Ｎｏ．Ｗ−７４０５−ＥＮＧ−４８に準拠し、本発明に関する権利を有する。
本発明は、レーザを用いた狭い線幅の単一周波数出力の発生法に関し、マスタオシレータ／パワーアンプ構成における該レーザの使用に関し、また、該レーザに基づくレーザピーニング法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
金属形成及びその表面特性を改良するために機械的衝撃を与えるという方法が従来起用されてきた。現在の産業の実際場面においては、金属表面のピーニング処理は高速ショットを使用して行われている。この処理は表面特性を改良し、多くの用途に対して特に重要なことには、金属疲労欠陥及び腐食欠陥に対する耐性に一部大幅な改善が見られたことがある。航空宇宙産業や自動車産業のありとあらゆる部品で、このショット・ピーニング法が用いられてきた。しかしながら、多くの用途において、このショット・ピーニング法では、十分に強いまたは深い処理が実現できない、或いは、表面仕上げへの悪影響があるために使用できないということがあった。
【０００３】
レーザの発明により、ピーニングに必要とされる強い衝撃が、レーザ駆動の高密度プラズマという手法により達成されうることが急速に認識されるようになった。Ｂ．Ｐ．フェアランド他、「７０７５アルミニウムにおけるレーザ・ショットによるミクロ組織及びメカニカル特性の変化」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．９, ３８９３頁  １９７２年９月）。典型的には、高エネルギ密度（約２００ｊ／ｃｍ２）で短いパルス長（約３０ナノ秒）のレーザにより１０ｋＢから３０ｋＢのプラズマ衝撃が金属表面で生成される。金属表面の黒塗装または他の吸収材の薄膜層が、金属の削磨を防ぐ衝撃吸収体として機能する。例えば、水のような、封止された物質または高密度物質が、強化された強い衝撃を提供して表面層をカバーする。これらの衝撃は、通常のショット・ピーニング法より深く強い圧縮された力を与えることが示されている。試験においては、この処理は、金属疲労及び腐食欠陥に対して構成材を強化する点で優越していることが示されている。しかしながら、十分なエネルギと反復率を備えたレーザを、生産に見合うコストで供給するのが困難であった。
【０００４】
この目的で利用されてきたあるレーザシステムについては、本願出願人の先願米国特許第５，２３９，４０８号「高出力・高品質ビーム再生増幅器」に開示されている。該特許に記載のレーザシステムは、３０ナノ秒以下オーダーのパルス幅のパルス当り２０ジュールより大きな出力パルスを発生可能なマスタオシレータ／パワーアンプ（ＭＯＰＡ）構成の高出力アンプからなる。当該特許では、マスタオシレータの実施例の一つとして、米国特許第５，０２２，０３３号「単一周波数出力を有するリングレーザ」を参照している。米国特許第５，０２２，０３３号に記載のオシレータ構成では、低出力パルスしか発生しないため、米国特許第５，２３９，４０８号に記載の増幅器システムで得られるより更に多くの増幅経路を必要とする。また幾つかの用途において、米国特許第５，２３９，４０８号のシステムで使用されたマスタオシレータは、エタロン出力カプラ付きの定在波（２ミラー線形共振器）オシレータであった。
【０００５】
ＭＯＰＡ構成の性能は、マスタオシレータから供給されるシードパルスの質によってある程度に制限される。前記従来技術のマスタオシレータは、高品質単一周波数Ｑスイッチオシレータシードパルスを供給することができたとはいえ、十分なパルスエネルギを必要とする生産現場において、パルス幅とパルスエネルギを十分に一定に維持し続けることは困難であった。
【０００６】
一般に、多くの用途において、多重縦モードから変調することなく再生可能でスムーズな時間的プロファイルを生み出すために、またＳＢＳ接合仕様のアンプで最高の波面反転性能を得るためにも、固体レーザから単一周波数Ｑスイッチオシレータパルスを得るのが好ましい。ハンナ他、「高出力能動的Ｑスイッチレーザの単一縦モード選択」（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ４，２３９〜２５６頁  １９７２年）において、低出力単一周波数マスタオシレータをインジェクション・ロッキングすることにより、Ｑスイッチレーザオシレータから単一縦モードの出力されることが示されていた。しかしながら、この技術においては、マスタオシレータとスレーブオシレータ間の注意深いモードマッチング、及び、Ｑスイッチスレーブオシレータ用の積極的なキャビティ長の安定化が必要である。
【０００７】
単一周波数出力を得る他の方法として、米国特許第５，０２２，０３３号に開示されているように、セルフシード共振器を使用する方法もある。当該従来技術の方法では、キャビティ内損失を抑え共振器中で弱い単一周波数連続波（ＣＷ）ビームを維持し続けることでシードパルスが増幅される。Ｑスイッチパルスを作り出す共振はどんなモードよりも先に弱いＣＷビームから増幅するため、ＣＷビームの特性と同様の特性を有する出力パルスが、Ｑスイッチングにより生み出される。しかしながら、パルス当りのエネルギ及びパルス幅は、例えばフラッシュランプや他のポンプエネルギソースにより供給されるリングレーザ用のポンプエネルギのドリフトにより変動することがある。従って、パルスパラメータの一様性は比較的乏しく、できる限り一定の出力パルスを用いてレーザピーニング処理を行うには、フラッシュランプエネルギ等のシード発振器の光学パラメータを常に調整することが必要となる。この方法の主要な欠点の一つは、パルス間のＣＷシード共振を一定に保つことの非効率性に起因する長いパルスの持続（２００ｎｓ）と低パルスエネルギである。
【０００８】
様々なセルフシード発振器が、パーク他、「ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザの単軸モード処理用電子線幅圧縮法」（ＯＰＴＩＣＡＬ  ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ、３７，４１１〜４１６頁、１９８１年）に開示されている。
【特許文献１】米国特許第５，２３９，４０８号明細書
【特許文献２】米国特許第５，０２２，０３３号明細書
【非特許文献１】Ｂ．Ｐ．フェアランド他、「７０７５アルミニウムにおけるレーザ・ショットによるミクロ組織及びメカニカル特性の変化」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．９, ３８９３頁  １９７２年９月
【非特許文献２】ハンナ他、「高出力能動的Ｑスイッチレーザの単一縦モード選択」、Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ４，２３９〜２５６頁  １９７２年
【非特許文献３】パーク他、「ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザの単軸モード処理用電子線幅圧縮法」、ＯＰＴＩＣＡＬ  ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ、３７，４１１〜４１６頁、１９８１年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、例えば、レーザピーニング等が行われる生産現場で該当するような時間間隔に亘る一連のパルスにおいて、レーザピーニングＭＯＰＡ用のシードパルスとして使用される十分に一定のエネルギとパルス幅で単一周波数の一連のパルスを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、米国特許第５，０２２，０３３号の方法を使用した時に比べて、１０倍以上大きなエネルギと１０分の１以下のパルス持続期間を供給することが可能な単純なデザインのセルフシードレーザ発振器を提供する。セルフシードレーザ発振器は、本発明の実施例にあるようなマスタオシレータ／パワーアンプ構成を有するレーザシステムに適用される。また、改良型レーザピーニングシステムや改良型レーザピーニング方法は、生産現場でよく見られるようなタイムインターバルがある状況においてオペレータ操作なしでも実質的に一定のパルス高とパルス幅を有する本発明によって生成される一連のパルスに基づいて、提供される。
【００１１】
本発明の一実施例としては、単一波長の出力パルスが得られるようにレーザを操作する方法がある。該レーザには、共振器、出力カプラ、共振器内に配置されたゲイン媒体、及び、ポンプソースが含まれる。該操作方法には、共振器中に偏光回転素子を挿入し、偏光ビームスプリッタを使用して導入された出力カプラによって伝達される偏光を回転によって少しずらす等の方法で、キャビティ内損失をレーザ共振器に誘発するものがある。生じた損失は、ポンプソースからのエネルギがゲイン媒体に蓄積されている間、発振を抑制するだけの量を有する。ゲインは、ゲイン媒体内でポンプソースからのエネルギにより蓄積されたゲインが誘発された損失を超え、シードパルスを作り出すところまで増加する。該ゲインは、共振器内で単一周波数緩和発振パルスが生成されるようになるゲイン対損失比が達成された時点で損失を超える。
【００１２】
緩和発振パルスを検知すると、ポッケルスセルを電気的に制御してＱスイッチングを行うこと等によってキャビティ内損失は減少し、その結果、ゲイン媒体内に蓄積された増加したゲインは、単一周波数の出力パルスの形で共振器から出力される。
【００１３】
本発明の幾つかの実施例においては、緩和発振パルスの開始は、該緩和パルスのピークより前に検知される。また別の実施例においては、緩和発振パルスの開始は当該パルスの極めて初期段階で検知され、その時点のパルスは平均的なピークパルスの５％未満或いは１％未満であるときもある。
【００１４】
レーザオシレータは、共振器の出力カプラの反射率を制御することでより最適化される。出力カプラの反射率の選択は、Ｑスイッチパルス持続時間と出力パワー抽出効率において重要な意味がある。従来であれば、該反射率の選択は、様々な反射率の光学コーティングによりなされてきたが、本共振器においては、偏光ビームスプリッタを使用して出力カプラの反射率の選択が実施されている。共振器の効果的な出力カップリングは、共振器内のビームの偏光に依存し、共振器内の偏光素子により達成され、また、Ｑスイッチング中にポッケルスセルに印加されたパルス電圧に対応する。共振器内に偏光部品を設けることで、また、好ましいＱスイッチパルス保持時間が得られるように電気的にパルス電圧を制御することで、出力カップリングは簡単に最適化される。
【００１５】
また、本発明の実施例では、オプティカルリングを規定する出力カプラと幾つかの他のリフレクタ、好ましくは出力カプラを含め奇数個のリフレクタを有するレーザ共振器を備えてなるレーザシステムを提供する。Ｑスイッチとゲイン媒体は、共振器内に含まれる。ディテクタが、共振器内の発振エネルギを検知するように、共振器に結合されている。コントローラは、ゲイン媒体用エネルギのソース、Ｑスイッチそしてディテクタに結合されている。共振器内の構成要素は、ゲイン対損失比が緩和発振パルスを生成するのに十分になるまで、ポンプエネルギのソースでゲイン媒体中のゲインを増加させながら損失を誘発する。緩和パルスの開始が検知されると、コントローラはＱスイッチングにより損失を低下させ、単一周波数の出力パルスが生成される。
【００１６】
本発明の実施例は、緩和発振パルスの開始中は単一縦キャビティモードに発振を制限するために、共振器中に一組のエタロンを含んでいる。また、横モード制限用開口をレーザ共振器中に設けている。
【００１７】
また、本発明のある実施例では、Ｑスイッチはポッケルスセルを備えてなり、出力カプラは偏光ビームスプリッタを備えてなる。出力カプラで僅かな楕円偏光を誘発するために僅かに回転された４分の１波長板は、損失を誘発し、同時に微量の光が共振器内を循環できるようにする。コントローラは、ポッケルスセルに加えられた電圧を制御することで共振器内の損失を低下させる。Ｑスイッチング中は、共振器内の損失を低下させるために電圧パルスが印加される。Ｑスイッチング中に印加される電圧パルスの振幅を設定することで、出力カプラの反射率が、所望のパルス持続時間に設定するように選択されたレベルになる。
【００１８】
また別の実施例では、レーザ共振器内の奇数個のリフレクタは、反射角の設定用に調整可能なマウントを備えたフラットリフレクタを含んでいる。反射角の調整により、オプティカルリングに対する長さ調整がなされ、キャビティモードがエタロンモードに一致することができる。
【００１９】
本レーザシステムの実施例では、約１．０５ミクロンの波長を有する出力パルスを生成する。かかる実施例においては、ゲイン媒体は、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ガラス、または、Ｎｄ：ＹＡＧを含むがこれらに限定されないネオジムドープされた固体材料である。
【００２０】
ある実施例においては、ポンプエネルギのソースは、フラッシュランプまたはアークランプを備えてなる。また別の実施例では、ポンプソースはレーザダイオードやレーザダイオードアレイ等のオプティカルエネルギのソースを備えてなる。
【００２１】
本発明のある実施例では、レーザシステムは、パルス高とパルス幅が不変の高出力単一周波数パルスを生成するために、ＭＯＰＡ構成を呈するレーザ共振器とパワーアンプを含んでいる。
【００２２】
本発明によれば、レーザ衝撃ピーニングの方法は、産業現場においては複数の工作物のピーニング表面に適用される。該方法は、製造現場において相当長期間オペレータの介在なしに単一波長で実質的に一定の振幅とパルス幅を有する一連のシードパルスを生成することを含む。シードパルスが、単一周波数を有する高エネルギ出力パルスを誘導するためにレーザ増幅器に供給される。工作物は、工作物の表面上のターゲット領域をピーニングするために一連のパルスと協働して位置決めされる。
【００２３】
本発明の他の実施例、側面及び利点については、以下の図面、詳細な説明、及び、請求の範囲の項を参照して明らかにされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１から図８を夫々参照しつつ、本発明の実施例の詳細について説明する。出力カップリングが電気的に調整可能なセルフシード単一周波数固体Ｑスイッチリングレーザについて、図１から図５を参照して説明する。図７は、図６のグラフのようなパルスを生成可能なマスタオシレータとして図１から図５に示すレーザシステムを含む、本発明のマスタオシレータ／パワーアンプ構成の実施例を示している。図８は、レーザピーニングを行う環境における本発明の応用例を示している。
【００２５】
図１に、本発明の一実施例における単一周波数Ｑスイッチレーザオシレータの基本的な構成が示されている。２つのミラーＭ１、Ｍ２と偏光ビームスプリッタＰ１が、三角形のオプティカルリングの形式で共振器を構成するように配置される。共振器は、気流の乱れによって共振器の動作が影響されないように箱（図示せず）の中に収容されている。ミラーＭ１から反時計回りの順番で、光学部品の基本的特性について説明する。
【００２６】
ミラーＭ１は、本実施例において、約１．０５ミクロンの発振波長で反射率が９９％以上の５メートルの曲率半径を有する高反射リフレクタを備えてなる。偏光ビームスプリッタＰ２、Ｐ３は、一方面に誘電体コーティングをし、他方面はそのままの溶融石英基板を備えてなる。偏光ビームスプリッタＰ２、Ｐ３は、Ｓ偏光を有する放射を反射し、Ｐ偏光を有する放射を伝送するように適合される。偏光ビームスプリッタは、ビーム中において、溶融石英用のブルースター角に対応した５７度の入射角となるように方向付けされる。こうすることで裸地面からの反射損失が抑制される。ゲイン媒体（固体ロッドＲ）がリング内で次に位置する。本実施例では、ゲイン媒体は、直径５ミリ、長さ６５〜１００ｍｍのＮｄ：ＹＬＦロッドである。約１ミクロンの波長では、Ｎｄ：ガラス、Ｎｄ：ＹＡＧを含む他のネオジムドープされた固体媒体も利用できる。また、他のゲイン媒体の構成や種類が使用されてもよい。本実施例において使用されているゲイン媒体は、フラッシュランプでポンプされる。他の実施例ではアークランプやレーザダイオード等のオプティカルエネルギの他のソースを使用している。
【００２７】
ミラーＭ２がリング内の次の構成部品である。ミラーＭ２は、約１ミクロンの波長で反射率９９％以上の平面高反射リフレクタからなる。ミラーＭ２は、本発明の実施例では、調整可能にマウントされ、該ミラーによる反射角の調整が可能となる。反射角を調整することで、例えば、リングのキャビティ長は、リング内の他の構成部品の再調整を必要とせず、エタロンモードに一致するように微調整できる。
【００２８】
ポッケルスセルＰＣがリング内の次の構成部品である。ポッケルスセルＰＣは、電子光学的に該セルを通過するビームの偏光を制御可能なように調整したＫＤ＊Ｐ（水素成分として重水素を用いた２水素リン酸カリウム）を備えてなる。電圧パルスが共振器の損失を制御するためにポッケルスセルに印加される。ある実施例においては、３０００Ｖから５０００Ｖの調整可能なパルスが、約３８００ボルトの半波電圧を有するポッケルスセルに印加され、そこで、円偏光が生成され、出力カプラＰ１から５０％の反射が起こる。
【００２９】
４分の１波長板Ｗ２がリング内の次の構成部品である。４分の１波長板Ｗ２は調整可能な（９０度）偏光回転によって共振器内で損失を誘発させるように、反射防止コーティングをした石英結晶を備えてなる。４分の１波長板Ｗ２は、共振器内で僅かに楕円偏光するように位置合わせされ、微量の光が緩和発振パルスの蓄積中に循環できるようになる。
【００３０】
約１．２ミリの開口を有する横モード制限用開口Ａがリング内で次に位置している。
【００３１】
偏光ビームスプリッタＰ１は、制御可能な出力カプラとして機能し、それを通過して出力パルスＢが供給される。
【００３２】
２分の１波長板Ｗ１がリング内の次の構成部品である。２分の１波長板Ｗ１は、４５度の偏光回転を生じるように調整された厚みを有する反射防止コーティングをした石英結晶を備えてなる。２分の１波長板Ｗ１からリング中で反時計回りの方向に隣接するのは、ファラデー回転子で、ビームの偏光をビーム伝播方向よりむしろファラデー回転子の方向に応じて４５度回転させる。本発明の実施例では、ＴＧＧ（テルビウム・ガドリニウム・ガーネット）を用いた永久磁石ファラデー回転子を使用している。
【００３３】
リング内の最後の構成部品は、一連のエタロンＥ１、Ｅ２、Ｅ３である。エタロンはファブリ・ペローエタロン用の固体溶融石英を備えてなる。エタロンＥ１は、３ｍｍの厚さのコーティングなしの石英で、４％の反射率を有する。エタロンＥ２は、５ｍｍの厚さの石英で、約４０％の反射率を有する。エタロンＥ３は、３０ｍｍの厚さのクオーツで、約４０％の反射率を有する。エタロンＥ１、Ｅ２、Ｅ３は、単一波長のドリフトを防止するために温度安定化される。
【００３４】
共振器は、共振器内の水平方向の位置ずれをなくすため、出力カプラを含む奇数個のミラーを有する。（換言すれば、共振器は、リング共振パス経路を規定する出力カプラと偶数の他のリフレクタを有する。）従って、平面リフレクタＭ２の角度を変更する、つまりリフレクタＭ２を平行移動するのではなく傾けることで、共振器内のリングキャビティ長の微調整が可能となる。こうして単純な調整を行うことで、リングキャビティ長をエタロンに適合させることができる。
【００３５】
図１では、高反射リフレクタＭ１と隣接したフォトディテクタＰＤを図示しており、高反射リフレクタＭ１を通過する放射漏れから緩和発振パルスの開始を検知するために使用される。Ｍ１からの少量の光漏れが、高速フォトダイオードを用いたフォトディテクタに導かれる。
【００３６】
偏光は、図１のレーザシステムの動作の手掛かりと捉えられる。偏光に基づいて、共振器は、オプティカルダイオードセクションとＱスイッチセクションの２つの主たる機能セクションに分けられる。
【００３７】
オプティカルダイオードセクションは、偏光ビームスプリッタＰ１とＰ２の間に位置する。このセクション内に２分の１波長板Ｗ１と４５度永久磁石ファラデー回転子Ｆが位置する。２分の１波長板Ｗ１は、Ｓ偏光（電界がレーザの平面図ではページに対して垂直）またはＰ偏光（電界が同ページに対して水平）の何れかに対して４５度回転するように構成される。以下の説明を明確にするために、図中の偏光ビームスプリッタＰ１、Ｐ２、Ｐ３は、常にＳ偏光を反射し、Ｐ偏光を伝送するものとする。ファラデー回転子Ｆは、ファラデー回転子Ｆと２分の１波長板Ｗ１による各４５度回転が、時計回り方向の伝播に対しては相殺され、反時計回り方向の伝播に対して９０度回転となるように足し合わされるように方向付けられる。この効果は、時計回り方向に伝播する放射に対してリングのオプティカルダイオードセクションで大きな損失をもたらすことである。特に、時計回り方向に偏光ビームスプリッタＰ２を通過して伝播するＰ偏光ビームは、ファラデー回転子Ｆと２分の１波長板Ｗ１の相互作用で回転を受けず、偏光ビームスプリッタＰ１を通して共振器を脱出するようにする。対照的に、反時計回り方向に偏光ビームスプリッタＰ１を通過して伝播するＳ偏光ビームは、９０度の回転を受け、Ｓ偏光からＰ偏光へと変換し、偏光ビームスプリッタＰ２とＰ３を通過して共振器内に留まるようにする。時計回り方向への大きな損失と反時計回り方向への極めて小さな損失の結果、図１のリング内の矢印及び出力ビームＢに示されるように、共振器内の光が反時計回り方向にのみ蓄積し、レーザ発光することが確実となる。
【００３８】
共振器のＱスイッチセクションは、図１の右半分に示され、偏光ビームスプリッタＰ１とＰ３の間に位置する。Ｑスイッチセクションの目的は、レーザロッドＲによって提供されるゲイン媒体内でエネルギが蓄積されている間にリング内で強いオプティカル損失を誘発することである。これにより、レーザロッドＲに大量のゲインが現出するようになるまで、オシレータがレーザ発光することを抑制する。下記に示すように、高ゲイン状態は、緩和発振パルスの開始により示唆される。高ゲインによって共振器内でオプティカル放射が高速に立ち上がり、比較的短いＱスイッチパルスを発生する。該オシレータは、半値全幅でのパルス持続時間が５０ナノ秒から２０ナノ秒或いはそれ以下の状態で、極めて高効率に動作可能である。実際には、Ｑスイッチセクション内のポッケルスセルＰＣを制御することで、その間に緩和発振パルスが生成されるまでゲイン媒体にゲインが増加していくと同時に発振が抑制される損失モードを設定でき、また、その間に出力パルスが生成される損失の低減されたモードを設定できる。
【００３９】
共振器内のＱスイッチセクションの他の機能としては、共振器のオプティカル出力カップリングの設定がある。電気光学ポッケルスセルＰＣに電圧が印加されないときは、ポッケルスセルを通過して伝播するビームの偏光は変化しない。つまり、Ｐ偏光で偏光ビームスプリッタＰ２、Ｐ３を通過して伝播する光は、偏光ビームスプリッタＰ１から反射せず、偏光ビームスプリッタＰ１を伝播することで、（４分の１波長板Ｗ２によって誘発される少量のＳ偏光を除き、）完全に消失する。共振器の出力カプラは、実際上偏光ビームスプリッタＰ１ということになる。ポッケルスセルに電圧が印加されるまで、出力カプラは略０の反射率で、ゲイン媒体内で高ゲインが蓄積されるときのみ共振器内の発振が可能となる。しかしながら、ポッケルスセルに適切な電圧が印加されると、ミラーＭ２から反射するＰ偏光ビームの偏光は、部分的に回転し、ビームの一部をＰ１から反射させる。このように、光学部品やコーティングを変えず、また共振器の光学的な再調整を行わずに、共振器出力の単純な電気的調整を行う方法がある。例えば、ポッケルスセルに半波電圧を印加すれば、約５０％の光線をＰ１から反射させることになる。ポッケルスセルに全波電圧を印加すれば、略１００％の光を反射させることになる。
【００４０】
動作において、増幅器ロッドＲ内のゲインは適切なレベルに到達するようにされ、そしてポッケルスセルに電圧が印加され、Ｐ１の反射率を増加する。印加される電圧レベルは、レーザシステムの個々の設置状況に応じたパルス持続時間を確立するよう経験的に決定される。この時点で、放射が共振器により規定されたオプティカルキャビティ内で急速に立ち上がり、ロッドＲからエネルギを抽出し、そして出力パルスＢとしてＰ１から現出する。
【００４１】
図１中のレーザオシレータは、単一光学周波数で出力するように指定されている。つまり、発振が単一縦キャビティモードに制限される必要があることを意味する。当該制限を行うため、少なくとも２つのエタロンＥ１，Ｅ２、より好ましくは、３つのエタロンＥ１，Ｅ２，Ｅ３を備えた一連のエタロンが、図１に示すように、共振器内に挿入されている。各エタロンは、均等に間隔を置いた周波数に対して高い光学伝送を有する。該間隔は、算出式ｃ／２ｎＬを用いて各エタロンの長さにより決定される。ここで、ｃは光速、ｎはエタロン材料の屈折率、Ｌはエタロンの長さである。また、レーザ共振器は、周波数ｃ／Ｌで均等に間隔を置いた低損失縦周波数モードを有する。ここでは、Ｌは共振器を一周する光学距離である。他の全てより低光学損失となるレーザロッド中のゲインの周波数帯域内で、３つのエタロンの周期的伝送特性の正味の効果によって単一の共振器モードとなるべく、３つのエタロンが長さを増加させて用いられる。共振器内のレーザ放射はこのキャビティモードでの周波数で増大し、結果として出力ビームは単一周波数となる。選択されたエタロンの長さとコーティングが、周知の原理によって、所望の周波数の選択を決定する。
【００４２】
共振器の周波数選択性の効率は、共振器内で放射が比較的ゆっくりと増大していくときに唯一完全に有効となる。もしＱスイッチパルスが極めて急激に増大できるとすると、比較的少ない共振器の周回回数（１０回未満）が要求される。放射が短時間にキャビティ内のエタロンと干渉するため、エタロンによって好ましくない周波数で生じる損失が、レーザ出力中の他のキャビティモードを抑制するのに十分でない可能性がある。当該理由より、Ｑスイッチレーザオシレータの動作にセルフシード手法が用いられる。
【００４３】
レーザ増幅器ロッドＲにエネルギが蓄積されている時間中、短いＱスイッチパルスが抽出される時間までは、発振は通常開始されない。しかしながら、本レーザでは、レーザのＱスイッチセクション中に追加の４分の１波長板Ｗ２が挿入されている。４分の１波長板Ｗ２の光軸がビームのＰ偏光と完全に位置合わせされていると、Ｐ偏光の回転が起こらない。しかしながら、もし４分の１波長板Ｗ２が少量だけ回転していると、キャビティ内ビームが楕円偏光となって現出し、ビームの一部が偏光ビームスプリッタＰ１で反射するようになる。別の手法では、４分の１波長板Ｗ２を回転する代わりに、ポッケルスセルに小さな電圧を印加して、ゲインが蓄積中に所望の楕円偏光を誘発させることができる。実際、楕円偏光は、レーザが増幅ゲインのピーク付近の閾値に丁度達するようにするポンピング処理中に、出力カプラＰ１に小さな反射率を付与する。４分の１波長板Ｗ２が適切に調整されると、レーザからの出力は、図２に示すように、少数（１〜３）の緩和発振パルスで構成される。これらのパルスは典型的にはかなり長い持続時間（４００ナノ秒の半値全幅）となる。これらの緩和発振パルスの一つまで発達するには何マイクロ秒もかかり、結果として、キャビティ内エタロンを何百回も通過することになる。このエタロンの多くの通過による光学損失の増倍が、非常に強力に、一つを除く全てのレーザキャビティモードの抑圧することになる。さて、この低出力で単一周波数の光が共振器内に現出すると、ポッケルスセルに電圧を印加し、短い高出力のＱスイッチパルスを生成する。高出力パルス（約１ＭＷ）は低出力緩和発振（約１００Ｗ）から発達するので、高出力パルスは緩和発振シードの周波数特性を有する。
【００４４】
実際に、セルフシード処理は、図１に示す外部フォトダイオードＰＤを用いて弱い緩和発振パルスの現出が一旦検知されると、ポッケルスセル（Ｑスイッチ）に電圧を印加することにより最適化される。図３に、本レーザシステムの制御システムの回路構成を示す。リング共振器は三角形５０で示され、線５１上に出力パルスを発生する。エネルギが高反射リフレクタＭ１から線５２上に漏れており、フォトダイオード５３によって検出される。フォトダイオードは、緩和発振パルスの開始の検出に対して即座に反応するために、バッテリ５４と抵抗５５によって逆バイアスが印加されている。フォトダイオードの出力はパルス増幅器５６で増幅され、トリガ発生器５７（例えば、スタンフォード・リサーチ・システムズ社製の型番ＤＧ５３５）に供給される。トリガ発生器のトリガはマルクスバンク電源を用いて構成されたＱスイッチパルサ５８に結合する。一実施例として、Ｑスイッチは、Ｑスイッチ電源、マルクスバンク、ステップアップ電圧源、及び、Ｑスイッチを含むコンティニューム社製の型番ＬＭ８１Ｍ−９９５で提供される。
【００４５】
ポンプエネルギソース６０は、リング共振器５０内のゲイン媒体に結合する。Ｑスイッチパルサ５８は、リング共振器５０内のポッケルスセルにパルスを印加する。フォトダイオード５３は、逆バイアス用バッテリ５４によって光導電モードになって高速応答動作する。パルス増幅器５６のゲイン、或いは、トリガ発生器５７のトリガレベルの設定により、オシレータが単一周波数でのレーザ発光の開始とともに、十分な電圧値の出力が供給される。該出力は、Ｑスイッチパルサ５８に供給されるトリガ信号を供給し、Ｑスイッチパルサ５８に対し、開成してオシレータをフルエネルギ、単一周波数で動作させるように指揮する。Ｑスイッチパルスのタイミングは、緩和発振パルスのピーク時より前であって、緩和発振パルスの開始の検出時に、好ましくは、フォトダイオードが検出した平均ピーク振幅の５％以下の検出時に、Ｑスイッチパルスが発生するように設定される。Ｑスイッチパルサ５８は、出力カプラの反射率を調整し、その結果、出力パルス幅を調整するために、ポッケルスセルに印加される電圧パルスの振幅が調整可能である。従って、電気的なコントローラが提供されることで、緩和発振パルスを生成するためにゲイン媒体のゲインの増大を可能にするレベルで、共振器内の損失を誘導する条件（つまり、ポッケルスセルに対して電圧印加しないか、或いは、低電圧印加すること）を設定し、且つ、Ｑスイッチを用いて、緩和発振パルスに応答して単一周波数の出力パルスを生成するように共振器内の損失を低下する条件（例えば、ポッケルスセルへの印加電圧の調整）を設定する。
【００４６】
図４は、トレース６５上のＱスイッチングの前後における緩和発振を示している。緩和発振パルスの開始を明示するために、トレース６６上において、緩和発振パルスの振幅を２５０倍に拡大している。トレース６５上において、処理を明快に示す目的のために、緩和発振パルスのピーク時より後にポッケルスセルが起動されている。ポッケルスセルをより早期に起動する方が一般的に有利であり、Ｑスイッチングの時間的なパルス形状におけるセルフシードの裾部分のサイズを最小化できる。従って、フォトダイオードの出力が、ピーク前の緩和発振パルスの平均ピークパワーの約５％以下を示すレベル、更に好ましくは、該平均ピークパワーの約１％以下を示す、例えば、図４のグラフ上のポイント６７のレベルに到達した時に、緩和発振パルスの開始が検出される。
【００４７】
図５は、セルフシード単一周波数パルス７５及び多重モードパルス７６を含む２つのＱスイッチパルスを比較して示す。本発明の技術を用いて発生した単一周波数パルス７５は、多重モードパルスと比較して、より滑らかな時間的形状とより短い増大（ビルドアップ）時間を呈している。
【００４８】
好適なシステムでは、周波数伝播ピーク間の相対的なアライメントがキャビティ内エタロン用に定常的に維持されることが重要である。金属製円筒容器内にそれらを収容することで実現できる。エタロンが非常に正確な温度に維持され、それ故、極めて一定の光学長となるように、円筒容器内の中空通路に非常に安定した温度の水を流すことも可能である。
【００４９】
更に、キャビティ内のエタロンＥ１、Ｅ２、Ｅ３は、好適なシステムの共振器のオプティカルダイオードセクション内に位置している。エタロンは、所望の周波数以外の周波数での光学損失を提供する機能を果たしている。エタロンは、所望でない周波数成分を反射することで当該損失を提供している。エタロンは、その表面がビーム経路に対して略９０度に（垂直入射）なるように位置合わせされていると、最大の周波数識別能を有するため、これらの望ましくない反射が共振器内へ再結合するのを回避しなければならない。このため、エタロンは、共振器のオプティカルダイオードセクション内に位置している。エタロン表面で起こりうる反射は、ファラデー回転子Ｆと２分の１波長板Ｗ１を通して、時計回り方向に逆伝播し、それらをＳ偏光からＰ偏光に変換する。この結果、反射ビームは偏光ビームスプリッタＰ１（出力カプラ）を通過して消失し、それらがレーザ共振器内で増幅してパワーが増大するのが回避される。
【００５０】
レーザ共振器内の弱い緩和発振パルスの開始を検知してポッケルスセルを起動することにより、重要な結論に帰着する。共振器内の光学ゲイン対光学損失比が１より大となるように十分なエネルギがレーザ増幅器ロッド中に一度蓄積された場合にのみ、レーザ発振と光の増大が起こる。つまり、増幅器ロッドのポンプ状態とは無関係に、ゲイン対損失比の実質的に同じ比において、ポッケルスセルへの電圧印加が起こり、Ｑスイッチ出力パルスが生成される。当該理由より、ロッドへのパルス間でのポンプエネルギに変動があったとしても、Ｑスイッチパルスエネルギは極めて安定に維持される。実際、もしユーザがポンプソースに対するエネルギを増加しても、Ｑスイッチパルスエネルギは変化しない。ロッド中の閾値光学ゲインが単により早くレーザ開始閾値に到達し、Ｑスイッチパルスが時間的に早く発生するだけである。
【００５１】
要するに、固体Ｑスイッチリングレーザは、２０〜５０ナノ秒の範囲の持続時間のパルスを生成する。正確な単一周波数動作は、発振が極めてゆっくりと（１乃至２マイクロ秒で）増大するセルフシード技術によって達成される。キャビティ内を循環する光学パワーが所定閾値に達すると、外部のフォトダイオードにより検知され、キャビティ内のポッケルスセルがＱスイッチして光学増大が起こり、非常に高いショット間のエネルギ安定性を備えた単一周波数の出力パルスが生成される。効率的な出力カップリング（即ち、出力カプラの反射率）は、ポッケルスセルに印加する電圧波形を電気的に変化させることにより、リアルタイムで簡単に調整できる。本設計では、１日２４時間の連続動作において正確且つ安定した性能を実証している。
【００５２】
図７は、上述のように実施されたマスタオシレータ２００の利用に適合した再生レーザ増幅器を用いたマスタオシレータ／パワーアンプ構成の回路図である。増幅器の実施例の詳細は、ここで完全に開示しているように参考のために加えた米国特許第５，２３９，４０８号で提供されている。図７の増幅器システムは、ポッケルスセルまたはファラデー回転子等の回転子２４０、リレー望遠鏡２２０、スラブ型ゲイン媒体２５０、及び、ＳＢＳ位相共役器２６０を備えて構成されている。スラブ２５０はポンプキャビティ（図示せず）内に収容されている。また、２つの偏光子２０２、２０６が、入力パルスを捕獲し、出力パルスを抽出するために含まれる。７つの平面高反射鏡２１１，２１２，２１３，２１４，２１５，２１６，２１７が、スラブ２５０、望遠鏡２２０、及び、リングをＳＢＳ位相共役器２６０に接続する偏光子２０６を通過する光学経路を規定する。
【００５３】
動作中は、マスタオシレータ２００は、Ｓ偏光を有する入力パルスを供給する。該パルスは、偏光子２０２に反射して、偏光を変化させずに維持しながら分離ポッケルスセル２４０を通過して進み、更に、偏光子２０６に反射して、反射鏡２１１〜２１７で規定されるリング状の光学経路に入る。
【００５４】
リング内では、ビームは、ビームを９０度回転してＰ偏光にする９０度回転子２０８に入る。パルスは、反射鏡２１１、２１２を通過し、光学経路２１９に沿ってリレー望遠鏡２２０を通過する。
【００５５】
望遠鏡２２０は、真空気密シール２２６でマウントされた第１レンズ２２４と真空気密シール２３０でマウントされた第２レンズ２２８を有する真空室２２２を含む。一実施例では、各レンズ２２４、２２８は焦点距離約１．２ｍのレンズである。レンズ２２４、２２８間の間隔は、該レンズ対が無焦点となるように約２．４ｍになっている。
【００５６】
ビームは、望遠鏡２２０から、反射鏡２１３を通過してスラブ２５０に入り、更に通過して、反射鏡２１４、２１５で反射して、スラブ２５０に戻って通過する。１回目のジグザグ状の通過と、伝播方向について本質的に鏡像となる２回目のジグザグ状の通過によって、ポンプ量の略単一充填量が達成される。このように、２回目のジグザグ通過により、１回目で抽出できなかった領域からゲインを抽出する。
【００５７】
ビームは、スラブ２５０から、反射鏡２１６に反射し、経路２４２に沿って望遠鏡２２０を通過し、反射鏡２１７に反射して偏光子２０６に戻る。ビームは回転子２０６で９０度回転してＳ偏光からＰ偏光に変換しているので、Ｐ偏光ビームは、回転子２０６によって９０度回転子２０８に伝送され、２回目のリングを通過する。しかしながら、リングの２回目の通過中は、９０度回転子が偏光を９０度回転させてＳ偏光に戻す。その結果、ビームがリングの２回目の通過の最後に偏光子２０６に到達すると、ＳＢＳ位相共役器２６０へと反射される。
【００５８】
ＳＢＳ位相共役器２６０から逆行してくる、まだＳ偏光であるが、反転した位相誤差を有するビームは、偏光子２０６によって反射鏡２１７へ反射され、そこでビームは経路２４２に沿って望遠鏡２２０を通過して反射鏡２１６へと進行する。ビームは、反射鏡２１６から、１回目のスラブ２５０を通過し、反射鏡２１４、２１５によって反射し、２回目のスラブ２５０を通過して戻ってくる。ビームは、スラブ２５０から進行して、反射鏡２１３に反射し、望遠鏡２２０と反射鏡２１２、２１１を通過して、９０度回転子２０８に戻る。９０度回転子２０８は、偏光を９０度回転させてＰ偏光に戻し、ビームを偏光子２０６に伝送し、リングの３回目の通過を完了するが、今回の通過は最初の２回の通過とは逆方向である。
【００５９】
ビームはＰ偏光を有しているので、偏光子２０６を通過して、４回目のリングの通過、或いは、逆方向の２回目の通過に進行する。この４回目の通過の最後に、９０度回転子は偏光を回転させＳ偏光に戻すと、ビームは偏光子２０６で反射して、リングから分離ポッケルスセル２４０に進む。この時点で、正味の累積位相誤差は本質的にゼロである。分離ポッケルスセル２４０またはファラデー回転子はビームを回転させＰ偏光にし、ビームを高エネルギ出力パルスとして偏光子２０２を通過させることができる。
【００６０】
従って、図７に示す増幅器は、位相共役器に入る前にリングを周回する２つの経路と、位相共役器を出た後の２つの等しく且つ逆の経路を用いることで、ビーム中の高ピーク摂動の可能性を最小化して、回折が減少したことを示す。更に、リングは、ポッケルスセルに代えて受動位相シフタを利用する。追加的に、全ての光学部品は、２つのリレー望遠鏡の使用によって像平面の近くに配置される。増幅器は、また、リングの通過当たり２回のスラブの通過によってより高いゲイン対損失を示す。
【００６１】
図７の単一周波数マスタオシレータ２００は、一貫した単一周波数を良好な振幅と時間的安定性と合わせて提供し、図１〜図５を参照して上記において説明したように構成される。図６は、図７のレーザシステムを用いて生成されたＱスイッチパルスの時間的形状を幾つか重ね合わせて表示するものである。代表的なパルス形状は、１．２ＭＷより大きいパルス高と半値全幅約２４ナノ秒のパルス幅を有する。パルス幅とパルス高は極めて一定である。本レーザは、オペレータの介在無しで、何時間、何日、何週、何ヶ月間の生産稼働中の間、実質的に一定のパルス幅、パルス高を再生する能力を備える。
【００６２】
本発明の緩和発振シードオシレータは、上述のようにＳＢＳ位相共役を採用した高パルスエネルギ固体マスタオシレータ／パワーアンプ・レーザシステムに適している。それはまた、周波数２倍及び３倍レーザ、ラマン周波数変換等の非線形周波数変換を備えたシステム、更に、光学パラメトリックオシレータ用のポンプソース及び光学パラメトリック増幅器として使用できる。オシレータ設計は、工業生産用の生産モード設備等のストレスのある環境に対して、特に良好に適合し、かかる環境下のエネルギソース変化、温度変化、及び、機械振動のある中で、極めて安定した出力が得られる。代表的な商業的用途として、レーザピーニング、レーザピーン加工、レーザピーンマーキング、レーザマシーニング、及び、レーザアニーリングが含まれる。
【００６３】
図８は、本発明を用いた工作物表面をレーザピーニングするための生産システムの簡略図である。生産システムは、図１〜図５を参照して上記において説明したように構成される緩和発振パルスシードマスタオシレータ３００を含む。プリアンプ３０１は、マスタオシレータ３００からの線３０３上の一連のパルスを増幅する。プリアンプ３０１の出力３０４は、図７を参照して説明したパワーアンプ等のパワーアンプ３０２に印加される。高出力パルスが線３０５上に出力される。
【００６４】
工作物操作ロボット３１０が、固定用アーム３１２を用いて工作物３１１を確保する。工作物３１１は、ジェットエンジンのタービンブレードや、レーザピーニング用に表面にターゲット領域を有するその他の金属部品が想定される。動作において、高出力パルスがスポット３０６において工作物３１１に激突し、ロボット３１０が工作物３１１を移動させ、次のパルスが印加される。本レーザシステム３００〜３０２のパルスレートは、１Ｈｚ以上で、例えば、一実施例では、約３Ｈｚである。ロボット３１０は、一連のパルスが工作物３１１の表面のターゲット領域をピーンするのに協働して、工作物３１１を移動させる。
【００６５】
緩和発振シードオシレータ３００によって提供されるシードパルスの安定性は、アンプ３０２の出力まで極めて良好に伝達されていると認められる。従って、シードレーザのパルス幅及びパルス高は、生産作業の間実質的に一定である。工作物がロボット３１０に取り付けられ、ターゲット領域がピーニングされ、工作物が取り外され、新たな工作物が取り付けられるという、実質的に連続的な生産環境内で、複数の工作物をレーザピーニングするのに必要な期間を通して、２乗平均平方根エネルギ安定性の変動が１％以下であると認められる。例えば、パルス当たり１５〜２０ジュールの出力パルスを生成するパワーアンプの場合、生産環境内で１００万パルス超のパルス列に亘るパルス高の変動は１５０ｍＪ未満であると認められる。実質的に一定のシードパルスに応答して、パルス当たり約１０〜１００ジュールの範囲の実質的に一定のパルス当たりエネルギと、生産環境内の相当期間に亘って、ある事例では、少なくとも１００万連続パルスに亘って、約２０〜３０ナノ秒の範囲の実質的に一定のパルス幅を有する一連の高パワー出力パルスがパワーアンプにより提供される。相当期間において、商業的生産の工作物が、本発明を用いてレーザピーニングされ、該生産中に処理された工作物に対する一貫性と信頼性の厳格な基準に適合する。或る商業的生産において、相当期間は少なくとも３日間であり、数週間または数ヶ月間の場合もある。別の商業的生産では、生産作業に対する相当期間は、生産中の一貫性と信頼性の厳格な基準を要求する一組の工作物として関係する複数の工作物をピーニングするのに十分な長さである。
【００６６】
実際、本発明のシステムを、オペレータが介在してマスタオシレータを調整することなく、数週間または数ヶ月間の生産作業に用いて、実質的に一定のパルス高及びパルス幅が期待される。
【００６７】
本発明は、上述の詳細な好適実施例及び具体例を参照して示されたが、これら実施例は、限定的な意味ではなく説明のためのものと理解されるべきである。種々の変更及び組み合わせは当業者において容易に想到するものと考えられ、また、かかる変更及び組み合わせは、本発明の趣旨及び特許請求の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明による単一周波数レーザ共振器の光学回路図
【図２】図１のシステムにおいてＱスイッチパルス増大をシードするのに使用される単一周波数緩和発振パルスを示すグラフ
【図３】図１のレーザシステムの制御回路の簡単な回路構成図
【図４】図１のシステムにおける緩和発振パルス開始の検知を示すグラフ
【図５】単一周波数及び多重周波数Ｑスイッチ出力パルス間のパルス波形とその相対的増大時間の比較図
【図６】本発明による単一周波数セルフシード操作により提供された高水準の安定性を示す増幅したＱスイッチレーザパルスの測定時間波形を重ね合わせたグラフ
【図７】本発明によるマスタオシレータ／パワーアンプの一構成例を示す光学回路図
【図８】本発明によるレーザピーニングシステム及びその方法の構成図
【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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【外国語明細書】
1   Title of Invention
Self-Seeded Single-Frequency Solid-State Ring Laser, and Single-Frequency Laser Peening Method and System Using Same 
2   Detailed Description of Invention
The United States Government has rights in this invention pursuant to Contract No. W-7405-ENG-48 between the United States Department of Energy and the University of California for the operation of Lawrence Livermore National Laboratory.  
BACKGROUND OF THE INVENTION
Field of the Invention
The present invention relates to methods using lasers to produce a single-frequency output with a narrow line width, to use of such lasers in master oscillator/power amplifier configurations, and to methods and systems for laser peening based on the same.
Description of Related Art
The use of mechanical shocks to form metals and to improve their surface properties has been realized for ages.  In current industrial practice, a peening treatment of metal surfaces is accomplished by using high velocity shot.  Treatment improves surface properties and very importantly for many applications, results in a part displaying significantly improved resistance to fatigue and corrosion failure.  A wide range of components are shot peened in the aerospace and automotive industries.  However, for many applications, shot peening does not provide sufficiently intense or deep treatment or cannot be used because of its detrimental effect on the surface finish.
With the invention of the laser, it was rapidly recognized  that the intense shocks required for peening could be achieved by means of a laser-driven tamped plasma. B.P. Fairand, et al., "Laser Shot Induced Microstructural and Mechanical Property Changes in 7075 Aluminum," Journal of Applied Physics, Vol. 43, No. 9, p. 3893, September 1972.  Typically, a plasma shock of 10kB to 30kB is generated at metal surfaces by means of high energy density (about 200 j/cm2), short pulse length (about 30 nanoseconds) lasers.  A thin layer of black paint or other absorbing material on the metal surface provides an absorber to prevent ablation of the metal.  A confining or tamping material such as water covers the surface layer providing an increased intensity shock.  These shocks have been shown to impart compressive stresses, deeper and more intense, than standard shot peening.  In testing, this treatment has been shown to be superior for strengthening components from fatigue and corrosion failure.  However, lasers with both sufficient energy and sufficient repetition rate to achieve production throughput at affordable costs have been difficult to provide. 
One laser system which has been utilized for this purpose is described in our prior U.S. Patent No. 5,239,408, entitled HIGH POWER, HIGH BEAM QUALITY REGENERATIVE AMPLIFIER.  The laser system described in the just cited ‘408  patent comprises a high power amplifier in a master oscillator/power amplifier MOPA configuration capable of producing output pulses greater than 20 joules per pulse with the pulse width on the order of 30 nanoseconds or less.  The ‘408  patent refers to U.S. Patent No. 5,022,033, entitled RING LASER HAVING AN OUTPUT AT A SINGLE FREQUENCY, as one implementation of a master oscillator.  The oscillator geometry described in 5,022,033 produces very low energy pulses and therefore requires many more amplifier passes than is achievable with the amplifier system described in 5,239,408.  In some applications, the master oscillator used in the system of the ‘408 patent was a standing-wave (2 mirror linear resonator) oscillator with an etalon output coupler.  
The performance of the MOPA configuration is limited to a degree by the quality of the seed pulse provided by the master oscillator. The master oscillators of the prior art have been able to supply high-quality single-frequency Q-switched oscillator seed pulses.  However, it has been difficult to maintain the pulse width and pulse energy substantially constant in a production environment at a sufficient pulse energies.  
In general, it is desirable in many applications to have single-frequency Q-switched oscillator pulses from a solid-state laser, both for generating reproducible smooth temporal profiles, without modulation from multiple longitudinal modes, and for achieving the best wavefront reversal fidelity with amplifiers using SBS conjugation.  Single longitudinal mode output from a Q-switched laser oscillator has been demonstrated by injection locking a low-power single-frequency master oscillator.  Hanna, et al., "Single Longitudinal Mode Selection of High Power Actively Q-Switched Laser," OPTICAL-ELECTRONICS 4, 239-256 (1972).  However, this technique requires careful mode matching between the master and slave oscillators and active cavity length stabilization for the Q-switched slave oscillator. 
Another method for achieving single frequency output is provided as described in the US Patent No. 5,022,033, using a self-seeded resonator. A seed pulse was allowed to build up in this prior art approach by maintaining a weak single-frequency, continuous wave (CW) beam in the resonator by managing intracavity loss.  An output pulse having beam qualities similar to those of the CW beam is generated by Q-switching because the oscillation which produces the Q-switched pulse builds up from the weak CW beam well ahead of any competing mode. However, the energy per pulse and pulse widths can vary with for example drift in the pump energy, supplied by flashlamps or other pump energy sources, for the ring laser.  Thus, the consistency of pulse parameters is relatively poor, and for laser peening operations with output pulses as consistent as possible, it would be necessary to constantly adjust optical parameters of the seed oscillator, such as flashlamp energy and the like. One primary disadvantage of this approach is the long pulse durations (200ns) and low pulse energies that result from the inefficiencies of keeping a constant, CW seed oscillation running between pulses.   
A variation of a self-seeded oscillator is described in Park et al., "Electronic Line WidTh Narrowing Method for Single Axial Mode Operation of Q-Switched Nd:YAG Lasers," OPTICAL COMMUNICATIONS 37, 411-416 (1981).
Thus, it is desirable to provide sequences of pulses, used as seed pulses for a laser peening MOPA for example, with substantially constant energy, substantially constant pulse width, and at a single frequency in sequences of pulses over time intervals that are relevant in a production environment for laser peening and other applications.
SUMMARY OF THE INVENTION
The present invention provides a self-seeded laser oscillator having simple design, and capable of providing as much as 10 times greater energy and 10 times lesser pulse duration than demonstrated using the approach of U.S. Patent No. 5,022,033.   The self-seeded laser oscillator is applied in laser systems having a master oscillator/power amplifier configurations in some embodiments of the invention.  In addition, an improved laser peening system and an improved laser peening process are provided based upon sequences of pulses produced according to the present invention that have substantially constant pulse heights and pulse widths without operator intervention over intervals of time that are significant in a production setting.
One embodiment of the invention is a method of operating a laser to obtain an output pulse having a single wavelength.  The laser includes a resonator, an output coupler and a gain medium positioned inside the resonator and a pump source.  The method comprises inducing an intracavity loss into laser resonator, such as by insertion of a polarization rotation element inside the resonator, rotating polarization slightly off a polarization which is transmitted by an output coupler implemented using a polarization beam splitter.  The loss established has an amount that prevents oscillation during a time that energy from the pump source is being stored in the gain medium.  Gain is built up in the gain medium with energy from the pump source until a point that the stored gain overcomes the induced loss to produce a seed pulse.  The gain overcomes the loss at a point when a ratio of gain to loss is established that results in formation of a single-frequency relaxation oscillation pulse in the resonator. 
Upon detection of the relaxation oscillation pulse, the intracavity loss is reduced, such as by Q-switching by electronically controlling the Pockels cell, so that the built-up gain stored in the gain medium is output from the resonator in the form of an output pulse at a single frequency. 
The detection of the onset of the relaxation oscillation pulse occurs prior to the peak of the relaxation pulse in some embodiments of the present invention.  In other embodiments, the detection of the onset of the relaxation oscillation pulse occurs very early in the pulse, such as at a point occurring at less than 5%, or in other embodiments at a point occurring at less than 1%, of average peak power of such pulses.
The laser oscillator is further optimized by controlling the reflectivity of the resonator output coupler.  The choice of reflectivity of the output coupler has a significant impact on the Q-switched pulse duration and output power extraction efficiency.  Conventionally, this can only be achieved by optical coatings with differing reflectivities.  In the resonator presented here, the output coupler is implemented using a polarizing beam splitter. The effective output coupling of the resonator is dependent on the polarization of the beam in the resonator, established by polarizing elements in the resonator, and in response to pulsed voltage applied to the Pockels cell during the Q-switching.  This can be readily optimized by setting polarization components in the resonator, and electronically controlling the pulsed voltage to achieve a desirable Q-switched pulse duration. 
Embodiments of the invention also provide a laser system that comprises a laser resonator having an output coupler and a number of other reflectors defining an optical ring, preferably having an odd total number of reflectors including the output coupler.  A Q-switch and a gain medium are included in the resonator.  A detector is coupled with the resonator to detect oscillation energy in the resonator.  A controller is coupled to a source of energy for the gain medium, to the Q-switch, and to the detector.  A component in the resonator induces loss while building up gain in the gain medium with the source of pump energy, until a gain to loss ratio is achieved that is sufficient to produce a relaxation oscillation pulse.  Upon detection of an onset of the relaxation pulse, the controller decreases the loss using the Q-switching so that an output pulse having a single frequency is generated.
Embodiments of the invention include a set of etalons in the resonator adapted to restrict oscillation to a single longitudinal cavity mode during the onset of the relaxation oscillation pulse.  Also, a transverse mode limiting aperture is placed in the laser resonator.
In some embodiments of the invention, the Q-switch comprises a Pockels cell and the output coupler comprises a polarizing beam splitter.  A quarter wave plate rotated slightly to induce slightly elliptical polarization at the output coupler induces loss, while allowing a slight amount of light to circulate in the resonator.  The controller decreases loss in the resonator by controlling a voltage applied to the Pockels cell.  During Q-switching, a voltage pulse is applied to decrease loss in the resonator.  By setting the magnitude of the voltage pulse applied during Q-switching, the reflectivity of the output coupler is established at a level chosen to set a desired pulse duration.
In yet other embodiments, the odd number of reflectors in the laser resonator include a flat reflector having an adjustable mount setting angle of reflection.  By adjustments of the angle of reflection, adjustments of the length to the optical ring can be made, so that the cavity mode can be matched with the etalon modes.
Embodiments of the laser system produce output pulses having a wavelength of about 1.05 microns.  In such embodiments, the gain medium can be neodymium doped solid-state material, including but not limited to Nd:YLF, Nd:glass or Nd:YAG.  
In some embodiments, the source of pump energy comprises a flashlamp or and arc lamp.  In other embodiments, the pump source comprises a source of optical energy such as a laser diode or laser diode array. 
In some embodiments of the invention, the laser system also includes a power amplifier arranged with the laser resonator having in a MOPA configuration, to produce high-power single-frequency pulses with consistent pulse height and pulse width.
According to the present invention, a method for laser shock peening is provided for peening surfaces of plurality of work pieces in an industrial setting.  The method comprises producing a sequence of seed pulses having a single wavelength, and substantially constant amplitudes and pulse widths without operator intervention for durations that are significant in the production setting.  The seed pulses are supplied to a laser amplifier to induce higher energy output pulses having in the single frequency.  The work pieces are positioned in cooperation with a sequence of pulses to peen target regions on the surfaces of the work pieces.
Other embodiments, aspects and advantages of the present invention can be seen on review of the drawings, the detailed description and the claims, which follow.
DETAILED DESCRIPTION
A detailed description of embodiments of the present invention is provided with reference to Figs. 1-8.  A self-seeded single-frequency solid-state Q-switched ring laser with electronically adjustable output coupling is described with reference to Figs. 1-5.  Fig. 7 illustrates a master oscillator/power amplifier embodiment of the present invention including the laser system of Figs. 1-5 as a master oscillator, capable of producing pulses as graphed in Fig. 6.  Fig. 8 illustrates application of the present invention in a laser peening environment.
The basic architecture of the single-frequency Q-switched laser oscillator of an embodiment of the present invention is shown in Fig. 1.  Two mirrors M1, M2 and a polarizing beam splitter P1 are arranged to form a resonator in the form of a triangular optical ring. The resonator is housed in a box (not shown) to prevented air turbulence from interfering with operation of the resonator. Going counterclockwise around the ring starting with mirror M1, basic characteristics of the optical components are described.
Mirror M1 comprises a high reflector with a 5 meter radius of curvature with greater than 99% reflectivity at the oscillating wavelength, about 1.05 microns in this embodiment.  Polarizing beam splitters P2, P3 comprise fused silica substrates with dielectric coatings on one surface and bare on the other.  The beam splitters P2 and P3 are adapted to reflect radiation having the S-polarization, and to transmit radiation having the P-polarization.  The polarizing beams splitters are oriented in the beam with an incidence angle of 57 degrees corresponding to the Brewster's angle for fused silica.  This prevents reflective losses from the bare surface.  A gain medium (solid-state rod R) is placed next in the ring.  In this embodiment, the gain medium comprises a Nd:YLF rod 5 mm in diameter and 65 to 100 mm long. Other neodymium doped solid-state media may be utilized, including Nd: glass and Nd:YAG, at  wavelengths near 1 micron. Other gain media configurations and types may be used.  The gain medium is flash lamp pumped in this embodiment.  Other embodiments use other sources of optical energy, such as arc lamps or laser diodes.
Mirror M2 is the next component in the ring.  Mirror M2 comprises a flat high reflector, having greater than 99% reflectivity at the wavelengths near 1 micron.  The mirror M2 is mounted on adjustable amount in embodiments of the present invention, so that the angle of reflection caused by the mirror can be adjusted.  By adjusting the angle of reflection, the cavity length of the ring can be finely tuned to match etalon modes for example, without requiring readjustment of other components in the ring. 
A Pockels cell PC is the next component in the ring.  The Pockels cell PC comprises KD*P (potassium dihydrogen-phosphate using deuterium as the hydrogen components) arranged for electro-optically controlling polarization of the beam passing through the cell.  A voltage pulse is applied to the Pockels cell to control resonator loss.  In one embodiment, an adjustable pulse having 3000 to 5000 volts may be applied to the Pockels cell having a half wave voltage of about 3800 volts, where circular polarization is generated, causing a 50% reflection from output coupler P1. 
A next component in the ring is a quarter wave plate W2 comprising a quartz crystal with an antireflective coating causing an adjustable (90°) polarization rotation to induce loss in the resonator.  The quarter wave plate W2 is aligned to cause slightly elliptical polarization in the resonator, so that a small amount of light is allowed to circulate during build up of a relaxation oscillation pulse.
A transverse mode limiting aperture A is placed next, having an aperture of about 1.2 mm.
The polarizing beam splitter P1 acts as a controllable output coupler, through which the output pulses B are supplied.
Half wave plate W1 is the next component in the ring.  The half wave plate W1 is a quartz crystal with antireflective coating having a thickness adjusted to cause 45° polarization rotation.  Adjacent to half wave plate W1 going counterclockwise is a Faraday rotator, which rotates polarization of the beam by 45°  in response to the orientation of the Faraday rotator, rather than beam propagation direction.  A permanent magnet Faraday rotator using TGG (terbium gadolinium garnet) can be used in embodiments the present invention.
The final component in the schematic of the ring is a set of etalons E1, E2, E3.  The etalons comprise solid, fused silica for Fabry-Perot etalons.  Etalon E1 is about 3 mm thick uncoated quartz with about 4% reflectivity.  Etalon E2 is about 5 mm thick quartz with reflectivity of about 40%.  Etalon E3 is about 30 mm thick with about 40% reflectivity.  The etalons E1, E2, E3 are temperature stabilized to prevent drift of the single wavelength. 
The resonator has an odd number of mirrors including the output coupler to cancel misalignment in the horizontal direction in the resonator. (Stated alternatively, the resonator includes an output coupler plus an even number of other reflectors defining a ring resonant path.)  Thus, changing the angle of the flat reflector M3, that is tilting the reflector M3 as opposed to translating it, allows fine adjustment of the cavity length of the ring resonator.  This allows the cavity length to be matched with etalons using a simple adjustment.
Fig. 1 illustrates a photodetector PD adjacent the high reflector M1, used for detecting onset of relaxation oscillation pulses from the radiation leakage through the high reflector M1.  A small amount of light leakage from M1 is directed to the photodetector implemented using a fast photodiode.  
Polarization can be considered a key to the operation of the laser system of Fig. 1.  Based on polarization, the resonator can be divided into two primary functional sections: the optical diode section and the Q-switch section.
The optical diode section is located between polarizing beam splitters P1 and P2.  Within this section are located a half wave plate W1, and a 45 degree permanent magnet Faraday rotator F. Wave plate W1 is configured such that it imparts a 45 degree rotation to either S-polarization (electrical field perpendicular to the page was looking at the plan view of the laser) or P-polarization (electrical field parallel to the page).  To clarify the following discussion, the polarizing beam splitters P1, P2, P3 shown always reflect S-polarization and transmit P-polarization.  Faraday rotator F is oriented so that the 45 degree rotations caused by the Faraday rotator F and the half wave plate W1 cancel in the clockwise propagation direction, and add (giving 90 degree rotation) in the counter-clockwise direction.  The effect of this is to provide a very large loss in the optical diode section of the ring for radiation traveling in the clockwise direction.  Specifically, a P-polarized beam that transmits through polarizing beam splitter P2 in the clockwise direction receives no rotation by the combination of the Faraday rotator F and the half wave plate W1, leaving it to escape the resonator through the polarizing beam splitter P1.  In contrast, an S-polarized beam that reflect from the beam splitter P1 traveling in the counterclockwise direction, receives a 90 degree rotation, converting it from S- to P-polarization, and allowing it to remain in the resonator by transmitting through polarizing beam splitters P2 and P3.  The result of the large loss in the clockwise direction and the very low loss in the counterclockwise direction ensures that the light inside the resonator builds up and lases only in the counterclockwise direction, as indicated by the arrow within the ring in Fig. 1, and by the output beam B direction. 
The Q-switch section of the resonator is shown in the right half of Fig. 1, and is located between polarizing beam splitters P1 and P3.  The purpose of the Q-switch section is to induce strong optical loss in the ring during the time that energy is being stored in the gain medium provided by laser rod R. This prevents the oscillator from lasing until a large amount of gain is present in the rod R. The high gain state is signaled by an onset of a relaxation oscillation pulse, as described below. High gain causes the optical radiation in the resonator to build very quickly, producing a relatively short Q-switched pulse.  This oscillator can be very efficiently operated with pulse durations between 50 and 20 nanoseconds, or less, full width half maximum.   In effect, controlling the Pockels cell in the Q-switch section allows setting a lossy mode, during which oscillation is prevented while gain builds up on the gain medium until generation of a relaxation oscillation pulse, and a mode with reduced loss, during which an output pulse is generated.
Another function of the Q-switch section of the resonator, is to set the optical output coupling of the resonator.  When no voltage is applied to the electro-optic Pockels cell PC, the polarization of the beam propagating through the cell is unchanged.  That means that light which is transmitted through the polarizing beam splitters P2 and P3 in P-polarization does not reflect from the polarizing beam splitter P1, and is completely lost (except for a small amount of S-polarization induced by wave plate W2) by transmitting through the beam splitter P1.  The output coupler of this resonator is actually the polarizing beam splitter P1.  Until a voltage is applied to the Pockels cell, the output coupler has near zero reflectivity so that oscillation within the laser resonator is only possible when high gain is stored in the gain medium.  However, when appropriate voltage is applied to the Pockels cell, the polarization of the P-polarized beam that reflects from the mirror M2 is partially rotated, causing some fraction of the beam to reflect from P1.  In this way, there is a straightforward electronic adjustment of the resonator output coupling without changing optical components or coatings, and without any optical realignment of the resonator.  For example, applying the half wave voltage to the Pockels cell will cause near 50% of the light to be reflected from P1.  Applying a full wave voltage to the Pockels cell will cause near 100% of the light to be reflected.  
In operation, the gain in the amplifier rod R is allowed to reach a desired level and then voltage is applied to the Pockels cell, increasing the reflectivity of P1.  The voltage level applied is determined empirically to establish a pulse duration, as suits a particular installation of the laser system.  At this point, radiation quickly builds up inside the optical cavity defined by the resonator, extracting energy from the rod R, and emerging through P1 as an output pulse B. 
The laser oscillator in Fig. 1 is designed to provide an output beam at a single optical frequency.  This means that oscillation needs to be restricted to a single longitudinal cavity mode.  To do this a set of etalons, comprising at least two etalons E1 and E2, and more preferably three etalons E1, E2 and E3, are inserted into the resonator as shown in Fig. 1.  Each etalon has high optical transmission at evenly spaced frequencies.  The spacing is determined by the length of each etalon using the formula c/2nL, where c is the speed of light, n is the index of refraction of the etalon material, and L is the length of the etalon.  The laser resonator also has low-loss longitudinal frequency modes, equally spaced by a frequency of c/L, where L in this case is the round trip optical distance through the resonator.  Three etalons of increasing length are used to so the net effect of their periodic transmission characteristics results in a single resonator mode, within the frequency bandwidth of the gain in the laser rod that has lower optical loss than all others.  The laser radiation inside the resonator builds up at the frequency of this cavity mode and the resulting output beam has a single frequency.  Lengths and coatings chosen for the etalons determine the desired frequency selection according to well-known principles of the art. 
The efficiency of the frequency selectivity in the resonator is only completely effective when the radiation builds up in the laser resonator relatively slowly.  If the Q-switched pulse is allowed to grow very quickly, then it requires a relatively few (less than 10) round trips through the resonator.  Because the radiation interacts for a short time with the intracavity etalons, the loss caused by the etalons at undesirable frequencies might be insufficient to suppress additional cavity modes in the laser output.  For this reason a self-seeded approach is taken to the operation of the Q-switched laser oscillator. 
During the time that energy is being stored in the laser amplifier rod R, oscillation would normally not be allowed to take place until it was time to extract a short Q-switched pulse.  However, in this laser, the additional quarter wave plate W2 is inserted into the Q-switch section of the laser.  When the optical axis of wave plate W2 is perfectly aligned with the P-polarization of the beam, no P-polarization rotation occurs.  However if W2 is rotated by a small amount, the intracavity beam becomes elliptically polarized, allowing some fraction of the beam to reflect from polarizing beam splitter P1. In an alternative approach, rather than rotating the wave plate W2, a small voltage can be applied to the Pockels cells to induce the required elliptical polarization during build up of gain. In effect, the elliptical polarization give the output coupler P1 a small reflectivity during the pumping process, which allows the laser to just reach threshold near a peak in amplifier gain.  When W2 is optimally adjusted, the output from the laser consists of the few (1-3) relaxation oscillation pulses as shown in Fig. 2.  These pulses are typically quite long in duration (400 nanoseconds full-width half-maximum).  The build up to one of these weak relaxation oscillation pulses takes many microseconds, resulting in many hundreds of passes through the intracavity etalons.  The multiplication of the optical losses from the many etalon passes provides very strong suppression of all the laser cavity modes except one.  Now that this low-power, single-frequency light is present in the resonator, voltage can then be applied to the Pockels cell, generating a short, high-power Q-switched pulse.  Since the high-power pulse (about one megawatt) builds up from the low-power relaxation oscillation (about 100 W), it has the frequency characteristics of the relaxation oscillation seed. 
In practice, the self-seeding process is optimized by applying the voltage to the Pockels cell (Q-switching) once the presence of the weak relaxation oscillation pulse has been detected using the external photodiode PD shown in Fig. 1.  Fig. 3 provides a schematic for the control system for the laser system.  The ring resonator is represented by triangle 50 and generates output pulse on line 51.  Energy leaks on line 52 from the high reflector M1, and is detected by photodiode 53.  The photodiode is back biased by a battery 54 and resistor 55 to react quickly to the detection of the onset of the relaxation oscillation pulse.  The output of the photodiode is amplified in pulse amplifier 56 and applied to a trigger generator 57 (e.g. Stanford Research Model DG 535).  The trigger generator trigger is coupled to a Q-switch pulser 58 implemented using a Marx bank power supply.  In one example system, the Q-switch is provide by Continuum Model LM81M-995, which includes a Q-switch power supply, a Marx bank, a step up voltage supply, and the Q-switch.
A pump energy source 60 is coupled to the gain medium inside the ring resonator 50.  The Q-switch pulser 58 applies a pulse to the Pockels cell inside the ring resonator 50.  The photodiode 53 operates with a fast response by means of a back biasing battery 54 that puts in the photo-conductive mode.  By setting the gain of the pulse amplifier 56 or the trigger level of the trigger generator 57, an output of sufficient voltage is provided just as the oscillator begins to lase at a single frequency.  This output provides a trigger signal that is fed to the Q-switch pulser 58 to command it to open and allow the oscillator to operate at full energy and single frequency.  The timing of the Q-switch pulse is set to occur upon detection of the onset of the relaxation pulse, before the peak of the pulse, and preferably upon detection of less than 5% of the average peak amplitude detected by the photodiode.  The Q-switch pulser 58 is adjustable so that the magnitude of the voltage pulse applied to the Pockels cell can be varied to adjust the reflectivity of output coupler, and thereby the output pulse width.  Thus, an electronic controller is provided to set conditions inducing loss in the resonator (e.g., no voltage or low voltage on Pockels cell) at a level allowing build up of gain in the gain medium to produce a relaxation oscillation pulse, and conditions decreasing loss in the resonator (e.g., adjustable voltage on Pockels cell) using the Q-switch in response to detection of the relaxation oscillation pulse, so that an output pulse having a single frequency is generated
Fig. 4 shows the relaxation oscillation before and after Q-switching on trace 65.  On trace 66, the amplitude scale of the relaxation pulse is amplified by 250 to illustrate the detection of onset of the relaxation pulse.  On trace 65, the Pockels cell was triggered after the peak of the relaxation oscillation for the purpose of clearly illustrating the process.  It is generally advantageous to trigger the Pockels cell much earlier, to minimize the size of the self-seeded foot on the Q-switched temporal pulse profile.  Thus, the onset of the relaxation oscillation pulse detected when the output of the photodiode reaches a level indicating less than about 5%, and more preferably less than about 1% such as at point 67 on the graph of Fig. 4, of average peak power of the relaxation oscillation pulse prior to the peak.
Fig. 5 compares two Q-switched pulses, including a self-seeded, single-frequency pulse 75, and a multimode pulse 76.  The single-frequency pulse 75 generated using the technique of the present invention has a smooth temporal profile and shorter buildup time than is seen in the multimode pulse.
In preferred systems, it is important that the relative alignment between frequency transmission peaks is consistently maintained for the intracavity etalons.  This is accomplished by housing them in a metal cylindrical enclosure.  Water with a very stabilized temperature is allowed to flow through hollow passages in the cylindrical enclosure to maintain the etalons at a very precise temperature and therefore very constant optical lengths. 
In addition, the intracavity etalons E1, E2, E3 are located inside the optical diode section of the resonator in preferred systems.  The etalons do their job by providing optical loss at frequencies other than the desired laser frequency.  They provide this loss by reflecting the unwanted frequencies.  Since the etalons have their highest frequency discrimination when their surfaces are aligned very near 90° (normal incidence) to the beam path, these undesirable reflections must be prevented from coupling back into the resonator.  For this reason, the etalons are located inside the optical diode section of the resonator.  Reflections that may occur from the surfaces of the etalons propagate in the clockwise direction back through the Faraday rotator F and wave plate W1, converting them from S- to P-polarization.  This allows them to transmit through polarization beam splitter P1 (the output coupler) and be lost, preventing them from growing in power due to amplification in the laser resonator. 
By triggering the Pockels cell in response to detection of the onset of a weak relaxation oscillation pulse in the laser resonator, an important consequence results.  Laser oscillation and light buildup can only began once sufficient energy has been stored in the laser amplifier rod such that the optical gain to optical loss ratio in the resonator is greater than one.  This means that the Pockels cell voltage will be applied, and the Q-switched output pulse will be generated, at the substantially the same gain to loss ratio, independent of how hard the amplifier rod is pumped.  For this reason, even if there are fluctuations in the pulse-to-pulse pump energy to the rod, the Q-switched pulse energies remain very stable.  In fact, if the user increases the energy to the pump source, the Q-switched pulse energy does not change.  The threshold optical gain in the rod simply reaches the lasing threshold more quickly and the Q-switched pulse is generated earlier in time.
In sum, a solid-state Q-switched ring laser generates pulse durations in the range of 20 to 50 nanoseconds.  Reliable single-frequency operation is achieved by a self-seeding technique in which oscillation is allowed to build up very slowly (one or two microseconds).  When the intracavity circulating optical power reaches a preset threshold, as detected by an external photodiode, and intracavity Pockels cell is used to Q-switch the optical buildup, resulting in single-frequency output pulses with very high shot to shot energy stability.  The effective output coupling (i.e. the reflectivity of the output coupler) can be easily adjusted in real time by electronically varying the voltage waveform applied to the Pockels cell.  This design demonstrates reliable and stable performance in continuous operation, 24 hours a day.
Fig. 7 is a schematic diagram of the master oscillator/power amplifier configuration with a regenerative laser amplifier suitable for use with a master oscillator 200 implemented as described above.  More details of an embodiment of the amplifier is provided in U.S. Patent No. 5,239,408, which is incorporated by reference as if fully set forth herein. The amplifier system of Fig. 7, includes a rotator 240, such as a Pockels cell or Faraday rotator, a relay telescope 220, a slab-shaped gain medium 250, and an SBS phase conjugator 260. The slab 250 is enclosed in a pump cavity (not shown). Two polarizers 202 and 206 are also included for capturing an input pulse, and extracting an output pulse. Seven flat, highly reflecting mirrors 211, 212, 213, 214, 215, 216, and 217, define an optical path through the slab 250, and telescope 220, and polarizer 206 connects the ring to SBS phase conjugator 260. 
In operation, a master oscillator 200 supplies an input pulse which has S polarization. The pulse reflects off polarizer 202, proceeds through an isolation Pockels cell 240 remaining unchanged in polarization, and is further reflected off polarizer 206 into a ring shaped optical path defined by mirrors 211-217. 
In the ring, the beam enters the 90 degree rotator 208 which rotates the beam by 90° to the P polarization. The pulse proceeds through mirrors 211 and 212 along optical path 219 through relay telescope 220. 
The telescope 220 includes a vacuum chamber 222 having a first lens 224 mounted by a vacuum tight seal 226, and a second lense 228 mounted by vacuum tight seal 230. In an illustrative embodiment, each of the lenses 224 and 228 is a 1.2 meter focal length lense. The spacing between lenses 224 and 228 is approximately 2.4 meters adjusted so that the lense pair is afocal. 
From telescope 220, the beam proceeds through mirror 213 into and through the slab 250 where it is reflected by mirrors 214 and 215 back through the slab 250. Near unity fill of the pumped volume is accomplished by a first zig-zag pass and a second zig-zag pass which are essentially mirror images about the direction of propagation. In this way, the second zig-zag pass will tend to extract gain from regions that may have been missed in the first pass. 
From slab 250, the beam is reflected off mirror 216 along path 242 through telescope 220, off mirror 217 where it is reflected back into polarizer 206. Since the beam has been rotated by the 90 degree rotator 206 from the S polarization to the P polarization, the P polarized beam is transmitted by polarizer 206 to 90 degree rotator 208 to proceed through the ring a second time. However, during this second pass through the ring, 90 degree rotator rotates the polarization by 90° back to the S polarization. Therefore, when the beam reaches the polarizer 206 at the end of a second pass through the ring, it will be reflected into SBS phase conjugator 260. 
The beam proceeding back out of the SBS phase conjugator, still having the S polarization, but reversed phase error will be reflected by polarizer 206 to mirror 217 where it will proceed along path 242 through telescope 220 to mirror 216. From mirror 216. From mirror 216, the beam will proceed through slab 250 a first time and be reflected back through the slab 250 a second time by mirrors 214 and 215. Proceeding out of slab 250, the beam will be reflected off mirror 213 and proceed back through telescope 220 and mirrors 212 and 211 to 90 degree rotator 208. The 90 degree rotator 208 will rotate the polarization by 90° back to the P polarization and transmit the beam to polarizer 206, thus completing a third pass through the ring, but this time in the reverse direction from the first two passes. 
Since the beam has a P polarization, the beam will pass through polarizer 206 and proceed through the ring for a fourth pass through the ring, or a second pass in the reverse direction. At the end of this fourth pass through the ring, 90 degree rotator will rotate the polarization back to the S polarization causing the beam to reflect off of polarizer 206 out of the ring and into isolation Pockels cell 240. By this point, the net accumulated phase error is essentially zero. Isolation Pockels cell 240 or Faraday rotator will rotate the polarization of the beam to the P polarization enabling the beam to pass through polarizer 202 as a high energy output pulse. 
Thus, the amplifier illustrated in Fig. 7 exhibits reduced diffraction, minimizing the likelihood of high peak perturbations in a beam, by utilizing two paths around the ring before entering the phase conjugator, and two equal and opposite paths around a ring after exiting the phase conjugator. The ring, further, utilizes a passive phase shifter instead of a Pockels cell. Additionally, all optical components are placed near the image planes by the use of two relay telescopes. The amplifier also exhibits higher gain to loss, with two slab passes per ring transit. 
The single-frequency master oscillator 200 in Fig. 7 provides consistent single-frequency with good amplitude and temporal stability, and is implemented as described above with reference to Figs. 1-5. Fig.  6 illustrates a number of superimposed Q-switched temporal pulse profiles generated using a laser system of Fig. 7.  The representative pulse profiles have pulse height of greater than 1.2 megawatts and a pulse width of about 24 nanoseconds full width half maximum. The pulse width and pulse heights are remarkably constant.  The laser has the ability to reproduce substantially constant pulse widths and pulse heights during production operation for hours, days, weeks and months, without operator intervention. 
The relaxation pulse seeded oscillator of the present invention is suitable for high pulse energy solid-state master oscillator/power amplifier laser systems that employ SBS conjugation as described above.  It can also be used in systems incorporating nonlinear frequency conversion, such as frequency doubled and tripled lasers, Raman frequency conversion, and as a pump source for optical parametric oscillators and optical parametric amplifiers.  The oscillator design is particularly well-suited to stressful environments, such as production mode facilities for industrial manufacturing, where high stability outputs are obtained in the presence of energy source variations, temperature variations and mechanical vibrations.  Representative commercial applications include laser peening, laser peen forming, laser peen marking, laser machining and laser annealing. 
Fig. 8 is a simplified diagram of a production system for laser peening surfaces of work pieces using the present invention.  The production system includes a relaxation pulse seeded master oscillator 300 implemented as described above with respect to Figs. 1-5.  A preamplifier 301 amplifies the sequence of pulses on line 303 from the master oscillator 300.  The output of the preamplifier 304 is applied to a power amplifier 302, such as the power amplifier described with reference to Fig. 7.  High power pulses are applied on line 305.
A workpiece handler robot 310 secures the workpiece 311 with securing arms 312.  The workpiece 311 may be a turbine blade from a jet engine, or other metallic component having a target region on a surface for laser peening.  In operation, a high power pulse impacts the workpiece 311 at spot 306, the robot 310 moves the workpiece, and the next pulse is applied.  The pulse rate of the laser system 300-302 is greater than 1 hertz, for example about 3 hertz in one embodiment.  The robot 310 moves the workpiece 311 in cooperation with the sequence of pulses to peen the target region on the surface of the workpiece 311. 
It is found that the stability of the seed pulses provided by the relaxation seeded oscillator 300 translates to the output of the amplifier 302 extremely well.  Thus, the pulse width and pulse height of the seed laser are substantially constant during production operation.  It is found that the root mean square energy stability varies less than 1% over a period of time required to laser peen a plurality of work pieces in a substantially continuous production environment, as work pieces are mounted on the robot 310, the target regions are peened, the workpiece is removed, and new work pieces are mounted.  For example, for a power amplifier producing about 15 to 20 joules per pulse, it is found that the pulse height varies less than 150 millijoules over a sequence of over one million pulses in a production environment.  In response to substantially constant seed pulses, a sequence of higher power output pulses can be provided by the power amplifier having a substantially constant energy per pulse in a range from about 10 to about 100 joules per pulse and a substantially constant pulse width in a range from about 20 to 30 nanoseconds over a significant interval in a production environment, and in some cases as much at least one sequential million pulses. In a significant interval, a commercial run of work pieces is laser peened using the present invention meeting rigorous standards for consistency and reliability for the work pieces processed during the run.  In some commercial runs, a significant interval is at least three days, and can be weeks or months.  In other commercial runs, a significant interval for production operation is long enough to peen a plurality of work pieces related as a set of work pieces requiring rigorous standards of consistency and reliability during the run.
In fact, substantially constant pulse heights and pulse widths can be expected using the system of the present invention for weeks or months of production operation without operator intervention to adjust the master oscillator.
While the present invention is disclosed by reference to the preferred embodiments and examples detailed above, it is to be understood that these examples are intended in an illustrative rather than in a limiting sense.  It is contemplated that modifications and combinations will readily occur to those skilled in the art, which modifications and combinations will be within the spirit of the invention and the scope of the following claims.  
3   Brief Description of Drawings
Fig. 1 is an optical schematic of a single-frequency laser resonator according to the present invention.
Fig. 2 is a graph showing single-frequency relaxation oscillation pulses used to seed Q-switched pulse buildup in the system of Fig. 1. 
Fig. 3 is a simplified schematic of the control circuitry for the laser system of Fig. 1.
Fig. 4 is a graph illustrating the detection of the onset of a relaxation oscillating pulse for the system of Fig. 1.
Fig. 5 is a comparison of pulse shape and relative buildup time between single-frequency and multi-frequency Q-switched output pulses
Fig. 6 is a graph overlaying measured temporal profiles of amplified, Q-switched laser pulses illustrating the high degree of stability provided by single-frequency self-seeded operation according to the present invention.
Fig. 7 is an optical schematic of one master oscillator/power amplifier configuration according to the present invention.
Fig. 8 is a schematic diagram of a laser peening system and method according to the present invention.
1.    A method of operating a laser to obtain an output pulse of laser radiation having a single wavelength, the laser including a resonator, a gain medium positioned inside the resonator and a pump source, the method comprising:
inducing an intracavity loss into the resonator, the loss being an amount that prevents oscillation during a time that energy from the pump source is being stored in the gain medium;
building up gain with energy from the pump source in the gain medium until formation of a single-frequency relaxation oscillation pulse in the resonator; and       reducing the intracavity loss induced in the resonator upon the detection of the relaxation oscillation pulse so that built-up gain stored in the gain medium is output from the resonator as a output pulse at the single frequency. 
2.    The method of claim 1, wherein
the gain medium comprises a neodymium-doped solid-state material, and the single frequency is approximately 1.05 microns. 
3.    The method of claim 1, wherein said pump source comprises a source of optical energy. 
4.    The method of claim 1, wherein said pump source comprises a flashlamp. 
5.    The method of claim 1, wherein said pump source comprises one or more laser diodes. 
6.    The method of claim 1, wherein the resonator includes a Q-switch and polarizer, and said reducing comprises controlling the Q-switch.  
7.    The method of claim 1, wherein the resonator includes an electronically controlled Pockels cell, and said reducing comprises controlling the Pockels cell.  
8.    The method of claim 1, including generating a plurality of output pulses having substantially constant pulse amplitude and pulse width by repeating said inducing, building up and reducing steps. 
9.    The method of claim 1, wherein the output pulse has a pulse width of less than 30 nanoseconds, full-width half-maximum.  
10.   The method of claim 1, wherein the resonator includes an output coupler having a controllable reflectivity, and including controlling the reflectivity of output coupler to establish a desired pulse width.  
11.   The method of claim 1, wherein the resonator includes an output coupler comprising a polarizing beam splitter, and including controlling the reflectivity of output coupler by controlling polarization inside the resonator.  
12.   The method of claim 1, wherein the resonator includes an output coupler comprising a polarizing beam splitter, and said inducing intracavity loss includes setting an amount of intracavity light that is transmitted by the polarizing beam splitter. 
13.   The method of claim 1, wherein the resonator includes an output coupler comprising a polarizing beam splitter, and said inducing intracavity loss includes inserting a polarization rotation element in the resonator to set an amount of light that is transmitted by the polarizing beam splitter.
14.   The method of claim 1, wherein the resonator includes an electronically controlled Pockels cell, and the resonator includes an output coupler comprising a polarizing beam splitter, and including controlling the reflectivity of output coupler by controlling polarization inside the resonator using the Pockels cell. 
15.   The method of claim 1, wherein the resonator includes an electronically controlled Pockels cell, and said reducing comprises controlling voltage pulses applied to the Pockels cell, and wherein the resonator includes an output coupler comprising a polarizing beam splitter, and including controlling the reflectivity of output coupler by controlling the voltage pulses applied to the Pockels cell during said reducing. 
16.   The method of claim 1, including detecting an onset of the relaxation oscillation pulse prior to a peak of the relaxation oscillation pulse, at a point occurring at less than 5% of average peak power of such pulses. 
17.   The method of claim 1, including detecting an onset of the relaxation oscillation pulse prior to a peak of the relaxation oscillation pulse, at a point occurring at less than 1% of average peak power of such pulses.
18.   The method of claim 1, wherein the resonator includes a Q-switch and a polarizer, and including detecting an onset of the relaxation oscillation, and the reducing includes applying a control signal to the Q-switch in response to the detected onset prior to a peak of the relaxation oscillation pulse. 
19.   The method of claim 1, including positioning an aperture within the resonator to allow a single transverse mode in the output pulse. 
20.   The method of claim 1, wherein the resonator comprises a ring having an odd number of reflectors. 
21.   The method of claim 1, wherein the resonator comprises a ring, an including suppressing oscillation in one direction within the ring with components acting as an optical diode.
22.   A laser system, comprising:
a laser resonator, comprising an output coupler;
a Q-switch in the resonator;
a gain medium in the resonator;
a source of energy, coupled with the gain medium, to pump the gain medium;
a detector, coupled with the resonator, to detect oscillation energy in the resonator; and 
a controller, coupled to the source of energy, the Q-switch and the detector, to set conditions inducing loss in the resonator at a level allowing build up of gain in the gain medium to produce a relaxation oscillation pulse, and to decrease loss resonator using the Q-switch in response to detection of the relaxation oscillation pulse, so that an output pulse having a single frequency is generated. 
23.   The system of claim 22, wherein said output coupler comprises a controllable output coupler, and the controller increases reflectivity of the output coupler while decreasing loss in the resonator.
24.   The system of claim 22, wherein said output coupler comprises a polarizing beam splitter.
25.   The system of claim 22, including an etalon in the resonator arranged so that reflections of undesirable wavelengths are not coupled back into the resonator. 
26.   The system of claim 22, including a set of etalons in the resonator adapted to restrict oscillation to a single longitudinal cavity mode. 
27.   The system of claim 22, wherein the Q-switch comprises a Pockels cell, and the output coupler comprises a polarizing beam splitter. 
28.   The system of claim 22, wherein the gain medium comprises a neodymium-doped solid-state material, and the single frequency is approximately 1.05 mm. 
29.   The system of claim 22, wherein said pump source comprises a source of optical energy. 
30.   The system of claim 22, wherein said pump source comprises a flashlamp. 
31.   The system of claim 22, wherein said pump source comprises a laser diode. 
32.   The system of claim 22, wherein the detector detects an onset of the relaxation oscillation prior to a peak of the relaxation oscillation pulse. 
33.   The system of claim 22, wherein the detector detects an onset of the relaxation oscillation, and the controller applies a control signal to the Q-switch in response to the detected onset. 
34.   The system of claim 22, wherein the resonator is arranged as an optical ring, and including optical components in the resonator acting as an optical diode. 
35.   The system of claim 22, wherein the resonator is arranged as an optical ring having an odd number of reflectors. 
36.   The system of claim 22, wherein the resonator is arranged as an optical ring having an odd number of reflectors, including a flat reflector having an adjustable mount setting an angle of reflection, whereby adjustments of a length of the optical ring can be made by adjusting the angle of reflection of the flat reflector. 
37.   The system of claim 22, including a transverse mode limiting aperture in the laser resonator. 
38.   The system of claim 22, wherein the output coupler comprises a polarizing beam splitter, and including a polarization rotation element in the resonator to set an amount of light that is transmitted by the polarizing beam splitter during build up of gain. 
39.   The system of claim 22, wherein said output coupler comprises an output coupler having an adjustable reflectivity, and the controller sets an adjustable reflectivity of the output coupler to establish a pulse width. 
40.   The system of claim 22, wherein the Q-switch comprises a Pockels cell, and the output coupler comprises a polarizing beam splitter, and the controller applies an adjustable voltage to the Pockels cell when reducing loss in the resonator, the adjustable voltage establishing an amount of reflectivity of the output coupler to establish a pulse width. 
41.   The system of claim 22, wherein the output coupler comprises a polarizing beam splitter, and including a polarization rotation element in the resonator to set an amount of light that is transmitted by the polarizing beam splitter during build up of gain. 
42.   A laser system, comprising:
a laser resonator arranged as an optical ring, comprising a polarizer and a polarizing beam splitter arranged as an output coupler;
an optical diode in the resonator;
one or more etalons in the resonator;
a Pockels cell in the resonator;
a gain medium in the resonator;
a source of energy, coupled with the gain medium, to pump the gain medium;
a detector, coupled with the resonator, to detect oscillation energy in the resonator; and 
a controller, coupled to the source of energy, the Pockels cell and the detector, to set conditions inducing loss in the resonator at a level allowing build up of gain in the gain medium to produce a relaxation oscillation pulse, and conditions decreasing loss resonator using the Pockels cell in response to detection of onset of the relaxation oscillation pulse, so that an output pulse having a single frequency is generated, and applying an adjustable voltage to the Pockels cell to adjust polarization within the resonator and thereby reflectivity of the polarizing beam splitter arranged as the output coupler, to set a pulse width during said conditions decreasing loss.
43.   A method of operating a laser to obtain an output pulse of laser radiation having a single wavelength, the laser including a resonator arranged as an optical ring, a gain medium positioned inside the resonator and a pump source, the method comprising:
suppressing oscillation in one direction within the ring with components acting as an optical diode;
suppressing oscillation within the ring at wavelengths other than the single wavelength;
using a polarizing beam splitter as an output coupler;
setting polarization inside the resonator to induce an intracavity loss into the resonator, the loss being an amount that prevents oscillation during a time that energy from the pump source is being stored in the gain medium;
building up gain with energy from the pump source in the gain medium until formation of a single-frequency relaxation oscillation pulse in the resonator; and       changing polarization inside the resonator to reduce the intracavity loss induced in the resonator and to set a reflectivity of the polarizing beam splitter upon the detection of the relaxation oscillation pulse so that built-up gain stored in the gain medium is output from the resonator as a output pulse at the single frequency having a pulse width determined by the changed polarization. 
44.   A method for laser shock peening surfaces of work pieces, comprising:
producing a sequence of seed pulses having a single wavelength, with substantially constant amplitude and pulse width;
supplying the sequence of seed pulses to a laser amplifier to induce a sequence of higher energy output pulses having said single frequency; and
positioning said work pieces in cooperation with said output pulses to peen target regions on said surfaces. 
45.   The method of claim 44, wherein said sequence of seed pulses has an amplitude with less than 5% variation during said positioning to peen the target regions on said surfaces. 
46.   The method of claim 44, wherein said sequence of seed pulses has pulse width with less than 5% variation during said positioning to peen the target regions on said surfaces. 
47.   The method of claim 44, wherein said sequence of seed pulses has an amplitude with about 1%, or less, variation during said positioning to peen the target regions on said surfaces. 
48.   The method of claim 44, wherein said sequence of seed pulses has pulse width with about 1%, or less, variation during said positioning to peen the target regions on a plurality of work pieces. 
49.   The method of claim 44, wherein said sequence of seed pulses has a repetition rate of greater than more than one pulse per second, and maintains said substantially constant amplitude and pulse width of a source of the seed pulses without adjusting optical parameters over a significant interval, during which a plurality of work pieces is peened in a production environment. 
50.   The method of claim 44, including maintaining said substantially constant amplitude and pulse width without adjusting optical parameters of a source of the seed pulses, over more than three days of use on a plurality of work pieces in a production environment.
51.   The method of claim 44, wherein said sequence of seed pulses maintains said substantially constant amplitude and pulse width over at least one million pulses of sequential operation in a production environment.
52.   The method of claim 44, wherein said sequence of higher power output pulses comprises pulses having a substantially constant energy per pulse in a range from about 10 to about 100 joules per pulse over at least one million pulses of sequential operation in a production environment. 
53.   The method of claim 44, wherein said sequence of higher power output pulses comprises pulses having a substantially constant pulse width in a range from about 20 to 30 nanoseconds over at least one million pulses of sequential operation in a production environment. 
54.   The method of claim 44, wherein said sequence of higher power output pulses comprises pulses having a substantially constant energy per pulse in a range from about 10 to about 100 joules per pulse and a substantially constant pulse width in a range from about 20 to 30 nanoseconds during use without operator intervention for a significant interval in a production environment. 
55.   The method of claim 44, wherein said sequence of higher power output pulses comprises pulses having a substantially constant energy per pulse in a range from about 10 to about 100 joules per pulse and a substantially constant pulse width in a range from about 20 to 30 nanoseconds during use for at least 3 days in a production environment.
56.   The method of claim 44, wherein said producing includes using a laser including a resonator, a gain medium positioned inside the resonator and a pump source;
inducing an intracavity loss into the laser resonator, the loss being an amount that prevents oscillation during a time that energy from the pump source is being stored in the gain medium;
building up gain with energy from the pump source in the gain medium until formation of a single-frequency relaxation oscillation pulse in the resonator; and
reducing the intracavity loss induced in the resonator upon the detection of the relaxation pulse so that built-up gain stored in the gain medium is output from the resonator in the form of the output pulse.
1   Abstract
A method of operating a laser to obtain an output pulse having a single wavelength, comprises inducing an intracavity loss into a laser resonator having an amount that prevents oscillation during a time that energy from the pump source is being stored in the gain medium.  Gain is built up in the gain medium with energy from the pump source until formation of a single-frequency relaxation oscillation pulse in the resonator.  Upon detection of the onset of the relaxation oscillation pulse, the intracavity loss is reduced, such as by Q-switching, so that the built-up gain stored in the gain medium is output from the resonator in the form of an output pulse at a single frequency. An electronically controllable output coupler is controlled to affect output pulse characteristics.  The laser acts a master oscillator in a master oscillator power amplifier configuration.  The laser is used for laser peening.
2   Representative Drawing :  Fig. 1
【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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