(57)【要約】材料処理のための同時スーパーパルス・QスイッチCO2レーザシステムが開示されている。システムは、レーザの出力波長を選択するフィルムが被覆されたホルダミラーを有する封じ込み折り曲げ導波路を備えている。システムは、更に、キャビティを形成する複数の反射デバイス、キャビティ内に配置されてレーザビームを発生する利得媒質、レーザビームを変調して、１以上のパルスを生じるキャビティロスモジュレータ、キャビティロスモジュレータに接続されて、キャビティロスモジュレータにパルス信号を送って、キャビティ内の光損失状態を制御するパルス信号発生システム、パルス信号発生システムに接続されて、パルス信号発生システムを制御するコントロールユニット、および、パルス信号発生システムに接続され、レーザビームの部分を受け入れて、レーザパルスの部分を切り取るパルスクリップ回路を備えている。
2004535663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記を備えた、材料処理のためのQスイッチCO2レーザシステム：
光共振器を形成する複数のミラー；
前記光共振器内に配置されてレーザビームを生じる利得媒質；
高損失状態から低損失状態、または、低損失状態から高損失状態へとキャビティ内の損失をスイッチし、それにより１またはそれ以上のパルスを発生するキャビティロスモジュレータ；
前記キャビティロスモジュレータに接続されて、パルス信号をキャビティロスモジュレータに伝送し、前記光共振器ないの光損失の状態を制御するパルス信号発生システム；
前記パルス信号発生システムに接続されて、パルス信号発生システムを制御するコントロールユニット；および
前記レーザビームの部分を受け入れ、そして、前記パルス信号発生システムに接続されて、前記レーザビームの部分を切り取るパルスクリップ回路。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザシステムであって、前記パルスクリップ回路は、下記を備えている：
前記レーザビームの部分を受け入れて、それによりレーザパルスを示す出力信号を与える検出器；
前記検出器の出力信号と基準信号とを比較して、それにより検出器の出力信号または基準信号の大または小を示す出力信号を与えるコンパレータ；および
コンパレータ出力信号を受け入れて、前記パルス信号発生システムにタイミング信号を与えるように作動し、前記キャビティロスモジュレータに伝送されるパルス信号の持続時間を制御するタイマー。
【請求項３】
請求項２に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、更に、前記検出器の出力信号を受け入れて、それによりコンパレータに増幅された検出器の出力信号を与える信号増幅器を備えている。
【請求項４】
請求項２に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、前記検出器の出力信号に関して、基準信号値をセットする第１バイアス回路を更に備えている。
【請求項５】
請求項２に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、更に下記を備えている：
前記検出器の出力信号を受け入れて、前記コンパレータに遅延した検出器出力信号を与えるように作動する信号遅延回路；
前記検出器出力信号を受け入れて、前記コンパレータに減衰した検出器出力信号を与えるように作動する信号減衰器。
【請求項６】
請求項５に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、前記減衰した検出器出力信号に関して、時間遅延検出器出力信号の値をセットする第２バイアス回路を更に備えている。
【請求項７】
請求項１に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、更にレーザビームの発生を自動的に停止するシステムを備えており、前記自動停止システムは、下記を備えている：
第１の状態の偏光におけるレーザビームを受け入れ、レーザビームを第１の状態の偏光において通過させるように作動する第１偏光デバイス；
第１の状態の偏光において第１偏光デバイスからレーザビームを受け入れ、そして、レーザビームの偏光を第２の状態の偏光に変化させるように作動し、更にワークピースにレーザビームを指向する偏光回転器、前記偏光回転器は、ワークピースから反射したレーザビームを第２の状態の偏光で受け入れ、そして、それによりレーザビームの偏光の状態を第３の状態の偏光に変更するように作動し、そして、前記第１偏光デバイスは、前記偏光回転から第３の状態の偏光でレーザビームを受け入れ；
第１偏光デバイスからレーザビームを受け入れ、それによりワークピースの反射率を示す出力信号を与える検出器；および
前記検出器からの出力信号と基準信号とを比較して、それにより検出器出力信号または基準信号の大または小を示す出力信号を与えるコンパレータ。
【請求項８】
請求項７に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、基準信号の値をセットするバイアス回路を更に備えている。
【請求項９】
請求項７に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、第１の状態の偏光で偏光回転器からのビームをワークピースに収束し、そして、ワークピースから反射したレーザビームを受け入れるレンズを更に備えている。
【請求項１０】
請求項７に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、検出器出力信号を受け入れて、そしてそれにより増幅された検出器出力信号を与える信号増幅器を更に備えている。
【請求項１１】
請求項７に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、コンパレータ出力信号、および、コントロールユニットからレーザをQスイッチする命令信号を受け入れる論理回路を更に備えている。
【請求項１２】
請求項１１に記載のレーザシステムであって、前記論理回路は、下記を備えている：
コンパレータ出力信号をインバートする信号インバータ；および
インバートされたコンパレータ信号およびコマンドパルスを受け入れて、出力信号を前記パルス信号発生システムに与える論理ANDゲート。
【請求項１３】
請求項７に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、第１の状態の偏光で第１偏光デバイスからレーザビームを受け入れ、第１の状態の偏光でレーザビームを通過させるように作動し、更に第３の状態の偏光で前記偏光回転器からのレーザビームを受け入れ、そして、更にそれによって第３の状態の偏光でレーザビームの偏光部分を前記検出器に反射するように作動する第２偏光デバイスを更に備えている。
【請求項１４】
請求項１に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、前記コントロールユニットに接続されて、レーザビームを交互にブロックおよび通過させるシャッターシステムを更に備えている。
【請求項１５】
請求項１に記載のレーザシステムであって、前記パルス信号発生システムは、下記を備えている：
パルスレシーバからのパルス信号を受け入れて、それにより前記キャビティロスモジュレータを充電または放電するスイッチ回路；
前記スイッチ回路に命令を与えるパルスレシーバ；および
パルスレシーバおよびスイッチ回路のための電源。
【請求項１６】
請求項１５に記載のレーザシステムであって、前記電源は下記を備えている：
前記スイッチ回路に接続されて定電圧入力信号を受け入れてそれによりスイッチ回路に高電圧出力信号を与えるパワーコンバータ；
前記パワーコンバータを制御し、そして、低電圧セットポイント信号を受け入れる電源コントローラ；
高電圧出力信号でパワーコンバータに接続され、そして、分割電圧で電源コントローラに接続され、それによって高電圧出力信号と低電圧セットポイントとの間の差を最小化するように作動する電圧デバイダ。
【請求項１７】
請求項１に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、レーザビームを受け入れて、レーザビームから所定の光オーダでレーザビームの部分を回折するように作動する位相グレーティングを更に備えている。
【請求項１８】
請求項１７に記載のレーザシステムであって、前記位相グレーティングは、信号発生器に接続される音響光学セルを備えており、前記音響光学セルはコントロールユニットからパルス信号を受け入れて、音響光学セルにおいて音響的に変化する位相グレーティングを発生するように作動する。
【請求項１９】
請求項１８に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、コントロールユニットからパルス信号を受け入れて音響的に変化する位相グレーティングおよびレーザパルスを同期する信号遅延デバイスを更に備えている。
【請求項２０】
請求項１５に記載のレーザシステムであって、前記スイッチ回路は、下記を備えている：
電源およびキャビティロスモジュレータに接続され、パルスレシーバから第１のパルス信号を受け入れて、そしてそれにより第１のスイッチが閉鎖位置にあるときにキャビティロスモジュレータを充電する第１のスイッチ；
キャビティロスモジュレータに接続され前記パルスクリップ回路から第２のパルス信号を受け入れ、そしてそれによって第２のスイッチが閉鎖位置にあるときにキャビティロスモジュレータを放電する第２のスイッチ。
【請求項２１】
請求項２０に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、第１および第２のスイッチ、並びに、キャビティロスモジュレータに接続されたインピーダンスを更に備えている。
【請求項２２】
請求項２１に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、第１および第２のスイッチへの第１および第２のパルス信号を増幅する増幅器を更に備えている。
【請求項２３】
請求項２０に記載のレーザシステムであって、前記第１および第２のスイッチは、トランスフォーマに接続された金属酸化物半導体電界効果トランジスタからなっている。
【請求項２４】
請求項２３に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは第１および第２のスイッチに接続されたインピーダンスを備えている。
【請求項２５】
請求項１に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、下記を備えている：
光共振器内に位置し、レーザビームを受け入れてレーザビームを偏光する第１偏光デバイス；および
光共振器内に位置し、レーザビームを受け入れてレーザビームの偏光を変化させる第２偏光デバイス。
【請求項２６】
請求項２５に記載のレーザシステムであって、前記第２偏光デバイスは、レーザビームの偏光を第１の状態の偏光から第２の状態の偏光へと変更させ、そして、第２の状態の偏光から第３の状態の偏光へと変更させるように作動する。
【請求項２７】
請求項２６に記載のレーザシステムであって、前記第２偏光デバイスは、前記パルス信号発生システムからキャビティロスモジュレータにパルス信号が送られないとき、レーザビームの偏光を第１の状態の偏光から第２の状態の偏光へと変更させ、そして、第２の状態の偏光から第３の状態の偏光へと変更させるように作動する。
【請求項２８】
請求項２６に記載のレーザシステムであって、前記第２偏光デバイスは、前記パルス信号発生システムからキャビティロスモジュレータに非ゼロパルス信号が送られるとき、レーザビームの偏光を第３の状態の偏光から第２の状態の偏光へと変更させるように作動する。
【請求項２９】
請求項２５に記載のレーザシステムであって、前記第１偏光デバイスは、薄膜偏光子からなっており、第１の状態の偏光のとき、キャビティ内でそれを通ってレーザビームを第１の方向に通過させ、そして、第３の状態の偏光のとき、光共振器が高光損失状態であるとき、キャビティ内でレーザビームを第２の方向に反射させ、そして、更に、光共振器が低光損失状態であるとき、キャビティ内でレーザビームをそれを通って第１および第２の方向に通過させる。
【請求項３０】
請求項２５に記載のレーザシステムであって、前記第２偏光デバイスは、クオータウエイブプレートからなっている。
【請求項３１】
請求項２５に記載のレーザシステムであって、前記第２偏光デバイスは、反射位相リターダからなっている。
【請求項３２】
請求項１に記載のレーザシステムであって、前記キャビティロスモジュレータは、下記を備えている：
レーザビームを受け入れる入射面および対向するレーザ出射面を有する光結晶；
レーザビームを受け入れる入射面および対向するレーザ出射面を有する第１光ウインドウ、前記第１光ウインドウは、光結晶の前記入射面と物理的に接触して第１光インターフェースを形成する；および
活性光結晶の前記レーザビーム出射面と物理的に接触し、第２光インターフェースを形成する光リフレクタ、前記光リフレクタは、光結晶からレーザビームを受け入れてレーザビームを活性光結晶に再指向するように作動する。
【請求項３３】
請求項３２に記載のレーザシステムであって、前記光リフレクタはプリズムからなっている。
【請求項３４】
請求項３２に記載のレーザシステムであって、前記光リフレクタは、レーザビームを受け入れる入射面および対向するレーザ出射面を有する第２光ウインドウからなっており、第２光ウインドウの入射面は、活性光結晶の出射面と物理的に接触して、第２光インターフェースを形成する。
【請求項３５】
請求項３４に記載のレーザシステムであって、前記反射面は、反射薄膜コーティングからなっている。
【請求項３６】
請求項１に記載のレーザシステムであって、前記光共振器は、マルチパス光アセンブリを備え、レーザビームをキャビティロスモジュレータを通って多数回指向する。
【請求項３７】
請求項３６に記載のレーザシステムであって、マルチパス光アセンブリは、下記を備えている：
光共振器内に位置し、キャビティロスモジュレータからレーザビームを受け入れて、レーザビームをキャビティロスモジュレータ内に再指向するように作動する第１反射デバイス；および
光共振器内に位置し、キャビティロスモジュレータおよび光共振器ミラーからレーザビームを受け入れて、レーザビームをキャビティロスモジュレータ内に再指向するように作動する第２反射デバイス。
【請求項３８】
請求項３７に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、キャビティ内に位置し、レーザビームを偏光する第１偏光デバイス；および、キャビティ内に位置し、レーザビームの偏光を変更する第２偏光デバイスを更に備えている。
【請求項３９】
請求項３７に記載のレーザシステムであって、第１反射デバイスは、反射薄膜またはプリズムからなっている。
【請求項４０】
請求項３８に記載のレーザシステムであって、第２反射デバイスは、ミラーからなっている。
【請求項４１】
請求項３８に記載のレーザシステムであって、第１偏光デバイスは、薄膜偏光子からなっている。
【請求項４２】
請求項３８に記載のレーザシステムであって、第２偏光デバイスは、反射位相遅延器からなっている。
【請求項４３】
繰り返しQスイッチ材料処理CO2レーザにおいて電気光学結晶によってレーザビームに誘起された一定位相遅延を維持する方法であって、前記方法は下記からなっている：
Qスイッチサイクルの高光損失インタバル間に電気光学結晶にゼロ電圧を維持し；そして、
Qスイッチサイクルの低光損失インタバル間に電気光学結晶に所定の非ゼロ電圧を維持する。
【請求項４４】
電気光学的に変調された結晶を有する材料処理CO2レーザをQスイッチする方法であって、前記方法は、下記からなっている：
第１の状態の偏光のレーザビームを発生し；
Qスイッチサイクルの高光損失インタバル間に電気光学結晶にゼロ電圧を維持し；そして、
Qスイッチサイクルの低光損失インタバル間に電気光学結晶に所定の非ゼロ電圧を維持する。
【請求項４５】
Qスイッチサイクルの高光損失インタバル間に電気光学結晶にゼロ電圧を維持する、請求項４４に記載の方法であって、下記ステップを備えている：
第１の状態の偏光を第２の状態の偏光に変更し；そして、
第２の状態の偏光を第３の状態の偏光に変更する。
【請求項４６】
Qスイッチサイクルの低光損失インタバル間に電気光学結晶に所定の非ゼロ電圧を維持する、請求項４４に記載の方法であって、下記ステップを備えている：
第１の状態の偏光を第２の状態の偏光に変更し；そして、
第２の状態の偏光を第３の状態の偏光に変更し、
第３の状態の偏光を第２の状態の偏光に変更し；そして、
第２の状態の偏光を第１の状態の偏光に変更する。
【請求項４７】
請求項４５に記載の方法であって、前記第１の状態の偏光は、線状の偏光であり、第２の状態の偏光は円形状の偏光であり、そして、第３の状態の偏光は第１の状態の偏光に直交する線状の偏光である。
【請求項４８】
請求項４６に記載の方法であって、前記第１の状態の偏光は、線状の偏光であり、第２の状態の偏光は円形状の偏光であり、そして、第３の状態の偏光は第１の状態の偏光に直交する線状の偏光である。
【請求項４９】
請求項４５に記載の方法であって、下記を備えている：
第１偏光デバイスを通って第１の状態の偏光でレーザビームを伝搬し；
電気光学結晶を通ってレーザビームの１回目の伝搬を行い；
偏光回転器を通ってレーザビームを伝搬し；
反射デバイスから第２の状態の偏光でレーザビームを反射し；
偏光回転器を通ってレーザビームの２回目の伝搬を行い；
電気光学結晶を通って第３の状態の偏光でレーザビームの２回目の伝搬を行い；そして、
第１偏光デバイスから第３の状態の偏光でレーザビームを反射する。
【請求項５０】
請求項４６の方法であって、下記を備えている：
第１偏光デバイスを通って第１の状態の偏光でレーザビームを伝搬し；
電気光学結晶を通ってレーザビームの１回目の伝搬を行い；
偏光回転器を通って第２の状態の偏光でレーザビームを伝搬し；
反射デバイスから第３の状態の偏光でレーザビームを反射し；
偏光回転器を通ってレーザビームの２回目の伝搬を行い；
電気光学結晶を通って第２の状態の偏光でレーザビームの２回目の伝搬を行い；そして、
第１偏光デバイスから第１の状態の偏光でレーザビームを伝搬する。
【請求項５１】
請求項４４に記載の方法であって、前記方法は、電気光学的結晶の電圧を、Qスイッチサイクルの高光損失インタバル間のゼロ電圧から、Qスイッチサイクルの低光損失インタバル間の非ゼロ電圧に変換するステップを更に備えている。
【請求項５２】
利得媒質およびキャビティロスモジュレータを有する、材料処理のためのCO2レーザのQスイッチ方法であって、下記を備えている：
最大平均高周波電力の整数倍に等しい電力を有する高周波パルスで、第１の所定の時間が持続する間、利得媒質に通電し；そして、
キャビティロスモジュレータを、第２の所定時間が持続する間通電して、レーザキャビティを高光損失状態から低光損失状態へスイッチさせて、それによって１またはそれ以上のパルスを発生し；
キャビティロスモジュレータの通電は、第１の利得媒質の通電から測定して、利得媒質の上部レーザレベルの１から２分布減衰時間の第３の持続時間後に起きる。
【請求項５３】
請求項５２に記載の方法であって、第１の所定時間が持続する間の利得媒質の通電は、第１の所定負荷サイクルの間、利得媒質を通電することからなっており、利得媒質に加えられる高周波パルスの電力量は、負荷サイクルで最大平均高周波電力を除したのに概ね等しい。
【請求項５４】
請求項５２に記載の方法であって、キャビティロスモジュレータを第２の所定時間が持続する間通電することは、キャビティロスモジュレータを交互に通電、脱通電することからなっている。
【請求項５５】
請求項５４に記載の方法であって、キャビティロスモジュレータを交互に通電および脱通電することは、第１の所定時間が持続する間、キャビティロスモジュレータを交互に通電および脱通電することからなっている。
【請求項５６】
請求項５２に記載の方法であって、前記方法は、第３の時間の持続を変化させるステップを更に備えている。
【請求項５７】
請求項５６に記載の方法であって、キャビティロスモジュレータを交互に通電および脱通電することは、第１の所定時間が持続する間、キャビティロスモジュレータの通電の振幅を所定回数引き続き増大させることからなっている。
【請求項５８】
材料処理のための回折グレーティングを有する繰り返しQスイッチCO2レーザの出力パルスの振幅を制御する方法であって、前記方法は下記を備えている：
レーザ出力パルスの部分を回折サイドオーダに回折し；そして
回折グレーティングの周波数を変化させる。
【請求項５９】
請求項１５に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、電源からスイッチ回路までの電力を手動で制御する手段を更に備えている。
【請求項６０】
請求項５９に記載のレーザシステムであって、電源からスイッチ回路までの電力を制御する手段は、電位差計からなっている。
【請求項６１】
請求項１に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、下記を備えている：
光共振器内に位置する導波路プレートを備えた密閉されたレーザヘッド、前記導波路プレートは、ジグザグに折り曲げた形状に配置された複数の導波チャンネルを有しており、レーザビームをそれに沿って複数のミラー間を誘導する；
複数のミラー、利得媒質、キャビティロスモジュレータ、パルス信号発生システム、パルスクリップ回路および密閉されたレーザヘッドを収納するハウジング；
高周波電源；
高周波電源および導波路プレートに接続される第１の電極；
導波チャンネル内の利得媒質に接続される第２の、低微粒発生、電極；
第２の電極と熱的に接続して、導波路プレートから熱を放熱する熱交換器。
【請求項６２】
請求項６１に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、コントロールユニットに接続されてレーザビームの通過をブロックするシャッタを更に備えている。
【請求項６３】
請求項６１に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムはレーザビームを偏光する偏光デバイスを更に備えている。
【請求項６４】
請求項６１に記載のレーザシステムであって、前記複数のミラーは波長選択ミラーであって、下記からなっている：
非レーザ波長で高透過率を有し、光共振器からのレーザビームを結合する出力結合ミラー；
レーザ波長で高反射率を有し、レーザビームを導波チャンネル間で指向する複数のレーザビームターンミラー；および
光フィードバックをレーザキャビティに与えるフィードバックミラー。
【請求項６５】
請求項６１に記載のレーザシステムであって、前記キャビティロスモジュレータは下記を備えている：
所定の屈折率を有し、レーザビームを受け入れる第１および第２光ウインドウ；
レーザビーム入射面およびレーザビーム出射面を有する電気光学結晶；
前記電気光学結晶は、第１および第２光ウインドウの屈折率と実質的に均等な屈折率を有しており、電気光学結晶はその間に位置し、レーザビーム入射面および出射面で、光的および熱的にだい１および第２ウインドウと接触して、第１および第２光インターフェースを形成し；
電気光学結晶および電気アースに接続される第１伝導電極；
電気光学結晶および電圧源に接続され、電気光学結晶の間に電圧を生じる。
【請求項６６】
請求項６５のレーザシステムであって、前記電気光学結晶は、光学的に研磨されたカドミウム・テルル化物結晶からなっている。
【請求項６７】
請求項６５に記載のレーザシステムであって、第１および第２光ウインドウは光学的に研磨された亜鉛・セリナイドウインドウからなっている。
【請求項６８】
請求項６５に記載のレーザシステムであって、第１および第２光ウインドウは、その外表面上に反射被膜を備えている。
【請求項６９】
請求項６５に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、更に下記を備えている：
電気光学結晶および第１および第２導電性電極を包含する内部容積を有するハウジング；
前記内部容積内に位置して、その中に配置された電気光学結晶、第１および第２導電性電極を保持する保持デバイス；
電気光学結晶を包含して電気光学結晶の音響エネルギーを吸収する緩衝デバイス、前記緩衝デバイスは、ハウジングと電気光学結晶の間、および、第１、第２導電性電極と電気光学結晶の間に位置している。
【請求項７０】
請求項６９に記載のレーザシステムであって、前記緩衝デバイスはインジウムストリップからなっている。
【請求項７１】
請求項６９に記載のレーザシステムであって、前記保持デバイスは、誘電性材からなっている。
【請求項７２】
請求項６９に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、前記保持デバイスの保持状態を調整する、複数のスプリング付スクリューを更に備えている。
【請求項７３】
下記を備えた電気光学変調器：
所定の屈折率を有し、レーザビームを受け入れる第１および第２光ウインドウ；
レーザビーム入射面およびレーザビーム出射面を有する電気光学結晶；
ここに、前記電気光学結晶は、第１および第２光ウインドウの屈折率と実質的に均等な屈折率を有しており：電気光学結晶は、その間に位置し、レーザビーム入射面および出射面において、第１および第２光ウインドウと光学的、且つ熱的に接触して、第１および第２光インタフェースを形成している；
電気光学結晶および電気アースに接続されている第１導電性電極；
電気光学結晶および電圧源に接続されて、それにより電気−光結晶に電圧を生じる第２導電性電極；および
電気光学結晶のエネルギーを吸収するインジウム緩衝デバイス。
【請求項７４】
請求項７３に記載の電気光学変調器であって、電気光学結晶は、光学的に研磨されたカドミウム・テルル化物結晶からなっている。
【請求項７５】
請求項７３に記載の電気光学変調器であって、第１および第２光ウインドウは光学的に研磨された亜鉛・セリナイドウインドウからなっている。
【請求項７６】
請求項７３に記載の電気光学変調器であって、第１および第２光ウインドウは、その外表面上に反射被膜を備えている。
【請求項７７】
請求項７３に記載の電気光学変調器であって、前記電気光学変調器は、更に下記を備えている：
電気光学結晶および第１および第２導電性電極を包含する内部容積を有するハウジング；
前記内部容積内に位置して、その中に配置された電気光学結晶、第１および第２導電性電極を保持する保持デバイス；
ここに、前記緩衝デバイスは、電気光学結晶を包含して電気光学結晶の音響エネルギーを吸収し、前記緩衝デバイスは、ハウジングと電気光学結晶の間、および、第１、第２導電性電極と電気光学結晶の間に位置している。
【請求項７８】
請求項７７に記載の電気光学変調器であって、前記緩衝デバイスは薄いストリップからなっている。
【請求項７９】
請求項７７に記載の電気光学変調器であって、前記保持デバイスは、誘電性材からなっている。
【請求項８０】
請求項７７に記載の電気光学変調器であって、前記電気光学変調器は、前記保持デバイスの保持状態を調整する、複数のスプリング付スクリューを更に備えている。
【請求項８１】
請求項１に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムはレーザビームの発生を自動的に停止するシステムを更に備えており、前記自動停止システムは、下記を備えている：
第１の状態の偏光におけるレーザビームを受け入れ、レーザビームを第１の状態の偏光において通過させるように作動する第１偏光デバイス；
第１偏光デバイスからレーザビームを受け入れ、レーザビームを第１の状態の偏光において通過させるように作動する第２偏光デバイス；
第１の状態の偏光において第２偏光デバイスからレーザビームを受け入れ、そして、レーザビームの偏光を第２の状態の偏光に変化させるように作動し、更にワークピースにレーザビームを指向する偏光回転器、
ここに、前記偏光回転器は、ワークピースから反射したレーザビームを第２の状態の偏光で受け入れ、そして、それによりレーザビームの偏光の状態を第３の状態の偏光に変更するように作動し；そして、前記第２偏光デバイスは、前記偏光回転から第３の状態の偏光でレーザビームを受け入れ、そして、レーザビームを光共振器から遠ざかるように指向し；
第２偏光デバイスからレーザビームを受け入れ、それによりワークピースの反射率を示す出力信号を与える検出器；および
前記検出器からの出力信号と基準信号とを比較して、それにより検出器出力信号または基準信号の大または小を示す出力信号を与えるコンパレータ。
【請求項８２】
請求項８１に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、基準信号の値をセットするバイアス回路を更に備えている。
【請求項８３】
請求項８１に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、第２の状態の偏光で偏光回転器からのビームをワークピースに収束し、そして、ワークピースから反射したレーザビームを受け入れるレンズを更に備えている。
【請求項８４】
請求項８１に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、検出器出力信号を受け入れて、そしてそれにより増幅された検出器出力信号を与える信号増幅器を更に備えている。
【請求項８５】
請求項８１に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、コンパレータ出力信号、および、コントロールユニットからレーザをQスイッチする命令信号を受け入れる論理回路を更に備えている。
【請求項８６】
請求項８５に記載のレーザシステムであって、前記論理回路は、下記を備えている：
コンパレータ出力信号をインバートする信号インバータ；および
インバートされたコンパレータ信号およびコマンドパルスを受け入れて、出力信号を前記パルス信号発生システムに与える論理ANDゲート。
【請求項８７】
請求項８１に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、第１の状態の偏光で第１偏光デバイスからレーザビームを受け入れ、第１の状態の偏光でレーザビームを通過させるように作動し、更に第３の状態の偏光で前記偏光回転器からのレーザビームを受け入れ、そして、更にそれによって第３の状態の偏光でレーザビームの偏光部分を前記検出器に反射するように作動する第２偏光デバイスを更に備えている。
【請求項８８】
電気光学的に変調された材料処理のためのQスイッチCO2レーザから放出されたレーザパルスの部分を切り取る方法であって、前記方法は下記ステップからなっている：
レーザパルスを検出し；
レーザパルスをレーザパルスを示す電気信号に変換し；
電気信号を電気バイアス信号と比較し；
前記レーザパルスを示す電気信号が電気バイアス信号よりも大きいとき、タイミングデバイスに、所定の持続時間後、レーザに電気光学変調を終了するように指示する。
【請求項８９】
請求項８８に記載の方法であって、前記方法は、更に変換された信号を増幅するステップを備えている。
【請求項９０】
電気光学的に変調された材料処理のためのQスイッチCO2レーザから放出されたレーザパルスの部分を切り取る方法であって、前記方法は下記ステップからなっている：
レーザパルスを検出し；
レーザパルスをレーザパルスを示す電気信号に変換し；
所定の持続時間、変換された信号を遅延して、それにより遅延信号を生成し；
変換された信号を所定の値で減衰して、それにより減衰された信号を生成し；
減衰された信号に関して、遅延信号をバイアスして、それによりバイアスされた信号を生成し；
バイアスされた信号を減衰された信号と比較し；
バイアスされた信号の値が減衰された信号の値と等しくなると、タイミングデバイスに、所定の持続時間後、レーザに電気光学変調を終了するように指示する。
【請求項９１】
電気光学的に変調された材料処理のためのCO2レーザをQスイッチする方法であって、前記方法は下記ステップを備えている：
レーザ内で光高損失条件の間、レーザ内の電気光学結晶に、電気光学結晶が高電圧レベルに十分充電されるまで通電し；
電気光学結晶の通電を停止し；
レーザ内の利得を、キャビティビルドアップタイムの間、ビルドアップし；
レーザ内で低光損失条件の間、レーザパルスを発生し；
レーザパルスが生成された後、電気光学結晶を脱通電し；そして
電気光学結晶の脱通電を停止する。
【請求項９２】
請求項９１に記載の方法であって、前記方法は、放出されたレーザパルスの部分を切り取るステップを更に備えている。
【請求項９３】
請求項９２に記載の方法であって、前記レーザパルスの部分の切り取りは、下記ステップを備えている：
レーザパルスを検出し；
レーザパルスをレーザパルスを示す電気信号に変換し；
所定の持続時間、変換された信号を遅延して、それにより遅延信号を生成し；
変換された信号を所定の値で減衰して、それにより減衰された信号を生成し；
減衰された信号に関して、遅延信号をバイアスして、それによりバイアスされた信号を生成し；
バイアスされた信号を減衰された信号と比較し；
バイアスされた信号の値が減衰された信号の値と等しくなると、タイミングデバイスに、所定の持続時間後、レーザに電気光学変調を終了するように指示する。
【請求項９４】
請求項９２に記載の方法であって、前記レーザパルスの部分を切り取る方法は下記ステップを備えている：
レーザパルスを検出し；
レーザパルスをレーザパルスを示す電気信号に変換し；
電気信号を電気バイアス信号と比較し；
前記レーザパルスを示す電気信号が電気バイアス信号よりも大きいとき、タイミングデバイスに、所定の持続時間後、レーザに電気光学変調を終了するように指示する。
【請求項９５】
請求項４５に記載の方法であって、前記方法は、下記を備えている：
第１偏光デバイスを通って第１の状態の偏光でレーザビームを伝搬し；
電気光学結晶を通ってレーザビームの１回目の伝搬を行い；
偏光回転器からのレーザビームを反射し；
反射デバイスからの第２の状態の偏光でレーザビームを反射し：
偏光回転器からのレーザビームに２回目の反射を行い；
第３の状態の偏光でレーザビームを、電気光学結晶を通る２回目の伝搬を行い；そして、
第１光偏光デバイスからのレーザビームを第３の状態の偏光で反射する。
【請求項９６】
請求項４６に記載の方法であって、前記方法は、下記を備えている：
第１偏光デバイスを通って第１の状態の偏光でレーザビームを伝搬し；
電気光学結晶を通ってレーザビームの１回目の伝搬を行い；
偏光回転器からレーザビームを第２の状態の偏光で反射し；
反射デバイスからレーザビームを第３の状態の偏光で反射し：
偏光回転器からのレーザビームに２回目の反射を行い；
第２の状態の偏光でレーザビームに、電気光学結晶を通る２回目の伝搬を行い；そして、
レーザビームを第１の状態の偏光で第１光偏光デバイスを通ってレーザビームを伝搬する。
【請求項９７】
下記を備えた、材料処理のためのQスイッチCO2レーザシステム：
光共振器；
高損失状態から低損失状態、または、低損失状態から高損失状態へとキャビティ内の損失をスイッチし、それにより１またはそれ以上のパルスを発生するキャビティロスモジュレータ；
前記キャビティロスモジュレータに接続されて、パルス信号をキャビティロスモジュレータに伝送し、前記光共振器内の光損失の状態を制御するパルス信号発生システム；
前記パルス信号発生システムに接続されて、パルス信号発生システムを制御するコントロールユニット；および
前記レーザビームの部分を受け入れ、そして、前記パルス信号発生システムに接続されて、前記レーザビームの部分を切り取るパルスクリップ回路。
【請求項９８】
請求項９７に記載のレーザシステムであって、前記波長選択ミラーは薄膜が被膜されたミラーであって、下記からなっている：
非レーザ波長で高透過率を有し、光共振器からのレーザビームを結合する出力結合ミラー；
レーザ波長で高反射率を有し、レーザビームを導波チャンネル間で指向する複数のレーザビームターンミラー；および
光フィードバックをレーザキャビティに与えるフィードバックミラー。
【請求項９９】
請求項１に記載のレーザシステムであって、前記レーザシステムは、下記を備えている：
密閉されたレーザヘッド；
密閉されたレーザヘッド内で、ジグザグに折り曲げられた光パスに沿ってレーザビームを誘導する第２の複数個のミラー；
複数のミラー、利得媒質、キャビティロスモジュレータ、パルス信号発生システム、パルスクリップ回路および密閉されたレーザヘッドを収納するハウジング；
高周波電源；
利得媒質に通電する高周波電源に接続された第１および第２の電極；および
利得媒質から熱を放熱する熱交換器。
【請求項１００】
下記を備えた、材料処理のためのCO2レーザシステム：
光共振器を形成する複数の波長選択ミラーを有する、折り曲げられた導波レーザ；
前記光共振器内に配置されてレーザビームを生じる利得媒質；
高損失状態から低損失状態、または、低損失状態から高損失状態へとキャビティ内の損失をスイッチし、それにより１またはそれ以上のパルスを発生するキャビティロスモジュレータ；
前記キャビティロスモジュレータに接続されて、パルス信号をキャビティロスモジュレータに伝送し、前記光共振器内の光損失の状態を制御するパルス信号発生システム；および
前記パルス信号発生システムに接続されて、パルス信号発生システムを制御するコントロールユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、短パルスQスイッチレーザおよび同時スーパーパルスQスイッチCO2レーザに関し、特に、材料処理における上述のレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工産業において、加工形状の品質は、ホールのドリルにおいてより短いレーザパルス幅およびより高いピーク強さを使用することによって向上することは広く理解されている。即ち、レーザで穿孔された孔の形状はより安定化し、レーザパルスが短くそしてピーク強さが高くなると、孔の周りに最小のリキャスト(recast)層および熱影響域が現れる（XiangLi Chen and Xinbing Liu; Short Pulsed Laser Machining: How short is Short Enough, J. Laser Applications, Vol. 11, No.6, December 1999を引用し、ここに組み込む）。
【０００３】
低いコストで最大の質を得ることは望ましいが、多くの場合妥協せざるを得ない。高い加工形状質は、少ないリキャースト層および少ない熱影響域の厚さを意味し、小さい表面粗さ、正確かつ安定した加工寸法である。低コストとは、レーザ加工設備の購入に際する投資の速やかな回収である。低コストは、設備費の他に更に維持費が安く、操作費用が安く、そして、処理速度が速く、仕上がり量が高いことである。波長（IR、近IR、可視またはUVレーザ）および操作パルスフォーマット（ミリセカンド、マイクロセカンド、マイクロセカンドの十分の１、ナノセカンド、ピコセカンドまたはフェムトセカンド持続パルス）等のレーザパラメータの選択は、特定の処理、材料設計許容、レーザシステムのコストによる。
【０００４】
IR域（即ち、CO2）で機能するレーザから近IR（即ち、YAGまたはYLF）、可視（即ち、ダブルYAGまたはYLF）、近UV（即ち、トリプルYAG、YLFまたはエキシマレーザ）へと移り、趨勢は、レーザ平均出力パワー当たりのドルでより高い設備コスト、および、低い平均パワー出力（これらは不利）に向かっており、一方で、より小さいスポットにより短い波長を集中する能力（これは利点）の故により高いパワー密度（w/cm2）より短いパルス幅に向かうことによって、レーザコストおよびパルス当たりのピークパワーが高くなり、その結果、パワー密度が増加し、一方で、平均パワー出力は低下する傾向にあり、レーザ出力パワー当たりのドルでコストが高くなっている。
【０００５】
ミリセカンドおよびマイクロセカンド幅レーザパルスを超えてナノセカンドパルスを使用すると、リキャースト層および熱影響域の厚さは著しく減少する（XiangLi Chen and Xinbing Liu; Short Pulsed Laser Machining: How Short is Short Enough, J. Laser Applications, Vol. 11, No. 6, December 1999）。これらは、高いピークパワーに伴う高いレーザビーム強さによってもたらされ、これらはQスイッチ、モードロックおよび他の関係する技術を使用するより短いレーザパルスによって得られ、そして、パルス持続時間は熱拡散時間よりも短いという事実によって得られる。例えば、直径２５０ミクロンの孔に対する代表的な熱拡散時間は約０．１ミリセカンドである。パルス当たり低いエネルギーにもかかわらず、これらの技術によって得られる高パルス繰り返し率によって、高いドリル速度が、合理的なコストで得られる。
【０００６】
短レーザパルス技術によってもたらされた高いレーザビーム強さの結果、ミリセカンド幅レーザパルスを使用する溶融−排除主体のメカニズムよりも、むしろ、蒸発主体の材料除去になっている。短いパルス幅は、レーザパルス間に周辺の材料により限定された熱拡散を生じることが知られている。小さいパルスエネルギーの数１０から数百のレーザパルスによって、しかも、数個の高エネルギーパルスではなく高パルス繰り返し周波数で、少しづつ材料を削って孔をドリルするので、孔ごとの寸法の安定は向上する。同じ理由で、ナノセカンドパルスからの熱的および機械的ショックは、ミリセカンドパルスと比較して、減少する。ナノセカンドレーザパルスを使用するとき、セラミックスおよびガラス等の壊れやすい材料に穿孔すると生じるマイクロクラックを観察することによって、ナノセカンドレーザパルスを使用する際の上述した効果が検出される。
【０００７】
レーザモードロック技術によって強度を更に高めて、サブナノセカンドパルス幅（即ち、ピコセカンドおよびフェムトセカンド域）まで低下させると、リキャスト層および熱影響域の一層の減少が観察される。代表的な電子エネルギーの転送時間は数ピコセカンド程度であるので、材料の表皮厚さ内で電子エネルギー転移が起きる前に、フェムトセカンドレーザパルスエネルギーが堆積する。これはプラズマを形成し、終局的に爆発し、そして、材料を蒸発させて、ほとんど溶解または熱影響域が生じない。パルス当たりの小さいエネルギー(〜１mJ)によって、生じるすべてのショックは弱く、壊れやすいセラミックアルミナ材料においてさえもマイクロクラックが生じない。レーザ線の狭い利得に故に、CO２レーザでは現在フェムトセカンドパルスは得ることができない。現在、固体レーザで、フェムトセカンドパルスを得ることができる。
【０００８】
合計放射レーザエネルギーが同一の場合、フェムトセカンドパルスは、ナノセカンドパルスよりも２から３倍より多くの材料を取り除く。しかし、フェムトセカンド域で操作する「ヒーロ」タイプの実験的、従来のレーザリサーチおよび開発システムでも、数ワットの平均パワーを出すに過ぎず、一方、ナノセカンドレーザは、１または２オーダ高いパワー出力を生じる。従って、フェムトセカンドレーザは、ほとんどの商業的な適用に対して必要とされる処理速度を提供する平均パワーにおいて依然として低い。１Wフェムトセカンドレーザは、直径０．１mm、深さ１．０mmの孔をドリルするのに１分以上必要であることが報告されている(XiangLi Chen and Xinbing Liu; Short Pulsed Laser Machining: How Short is Short Enough, J. Laser Applications, vol. 11, No. 6, December 1999)。現在のフェムトセカンドレーザは、非常にコストが高いので、特別高価値の使用のみに限定され、不幸にも相対的に市場ポテンシャルが低い。例えば、Lawerance Livermore National Labは、フェムトセカンドレーザパルスエネルギーは、基本的に熱移動を伴わず、外延なく堆積し、高感度爆発性材料を切断・加工するという事実を利用している。
【０００９】
金属における光吸収を波長の関数とする傾向は、図１に示すように、波長の増加を伴う低吸収へと向かう。従って、近IR、可視およびUV波長域は、ほとんどの金属の加工に最も効果的である。この利点は、プラスチック材料には存在しない。図１に含まれるデータは、金属表面でプラズマが生じると、関係がなくなる。その理由は、すべてのレーザエネルギーがプラズマに吸収されてしまい、その結果、材料にそのエネルギーが加えられる。プラズマが始まると、金属の波長変化の関数としての吸収が、基本的にフラットになってしまう。従って、金属の表面をより長い波長で吸収が大きくなるようにペイントし、そして、短いレーザ波長の高吸収の利点を効果的に取り除くことができる。
【００１０】
電子産業は、半導体およびハイブリッドパッケージのサイズを小さくする必要があり、プリント回路基板の密度を非常に大きくしている。その理由は、市場がより小さい携帯電話、ページングシステム、デジタルカメラ、ラップトップおよびハンドヘルドコンピュータ等を要求しているからである。これらの必要は、プリント回路基板に小さい垂直層の電子通路を形成するレーザの使用に関心を高めている。短パルスCO2レーザは、プリント回路基板にバイアホールドリルをするのに特に魅力的である。
【００１１】
その理由は次の通りである。第１に、調波生成技術を使用し近IR、および可視、UV波域で操作するYAG、またはYLFレーザに比べて、プリント回路基板またはハイブリッド回路樹脂またはセラミック材料のCO2波長での高アブソープションである。第２に、YAGレーザに比べて、CO2レーザに伴いワット当たり低コストである。第３に、CO2波長での銅の高反射率を利用するので、CO2レーザバイアホールドリル装置が、樹脂層を通って銅層までドリルし、そこで、CO2波長での銅インターコネクト材の高反射率によって、ドリルが停止することができる。これらは、ブラインドバイアと呼ばれ、回路の外側層と多層基板内の内部層とを連絡する。バイアホールドリルにおけるCO2レーザの主要な不利点は、短い波長のレーザと比べると、その１０．６ミクロンの波長によって大きなスポットサイズが得られることである。
【００１２】
他の不利点は、CO2レーザで、数ナノセカンド以下のパルス幅を得ることが難しい点である。CO2Qスイッチレーザの主要な利点は、次の通りである。即ち、固体レーザと比べると、レーザ出力のワット当たりのコストが低く、樹脂およびセラミック基板材料によるビームの吸収が高く、高PRFでの操作可能能力、Qスイッチ操作で相当の出力パワーを発生することができ、ビームが銅層に達するとドリルを停止することができる。
【００１３】
レーザシステムによってプリント回路基板にバイアホールをドリルする利点によって、レーザシステムはバイアホールドリル装置の市場の７０％を占め(David Moser; Laser Tools For Via Formation, Industrial Laser Solutions, p.35, May 2000を引用してここに組み込む)、残りの２５％は、ホト−バイアによって占められ、残りの５％は機械ドリル、パンチおよびプラズマエッチング等の他の技術視よって占められている。
【００１４】
上部CO2レーザ遷移レベルは、通常よりも大きな反転分布を蓄えるための相対的に長い減衰率を有している（３００Kで３８５torr−１sec−１および５００Kで１３００torr−１sec−１）。９．４および１０．４の両方の遷移に対する低いCO２レーザレベルは、下部レベルと上部レベルの間に大きな反転分布を容易に維持することができるほど速い大きさである。長い寿命の上部エネルギーレベルでの遷移を有するレーザ媒質は、Qスイッチ技術の適用に優れた候補である(A.E.Siegman; Laser, Chapt. 26, University Science Books, 1986を引用しここに組み込む)。上部レベルの長い寿命は、下部レーザレベルに関して通常よりも高い分布をビルドアップしてエネルギーを蓄える。従って、CO2レーザは、Qスイッチを行うための優れた候補である(G.W.Flynn et al; Progress and Applications of Q-switching Techniques Using Molecular Gas Lasers, IEEE J. Quant. Electronics, Vol. QE-2. p.378-381, Sept. 9166を引用してここに組み込む)。
【００１５】
Qスイッチは、広く使用されている技術であって、フィードバックキャビティ内に最初に大きな損失を与えることによって、レーザ媒質内に通常より大きな反転分布が生成される。大きな反転が得られた後、フィードバックキャビティ内の大きな光損失を速やかに取り除き、それによって、キャビティQを通常の大きな値（即ち、低損失値）にスイッチする。その結果、レーザ出力の非常に短い強いバーストをもたらし、全ての超過反転分布を短いレーザパルスとして放出する(A. E. Siegman; Lasers, Chapt.26, University Science Books, 1986)。
【００１６】
図2Aは、フィードバックキャビティ内の損失の時間による変化を示し、フィードバックミラーの回転電気光学変調器（即ちスイッチ）によって、または、図２Bの連続ポンプ条件PRFCWのもとレーザフィードバックキャビティに装入された音響光学スイッチによって得ることができる。図２Aは、更に、内部キャビティ損失変化の下、連続励起レーザによって実験された時間による利得変化を示す。利得は、上部CO2レーザレベルの１または２の分布減衰時間の最適時間に対して上昇することができる。このような最適時間では、キャビティ損失は高損失から通常の損失条件（即ち、キャビティのQが低から高値条件へとスイッチされる）へと、高電圧パルスを図２BのEOMに適用することによってスイッチされる。
【００１７】
この点で、利得は損失を大きく上回るので、励起された放出によるレーザ発振が始まり、レーザの連続パワーよりも１００倍大きいピークパワーを有するジャイアントレーザ出力パルスが放出される。パルスは長いテールを備えており、利得がフィードバックキャビティロスを超える限りは、最終的にはレーザのCWパワーレベルまで減衰する。多くの場合、このテールは、ホールドリル処理にとって有害である。この発明は、長いパルステールの問題に解決を提供するものである。ハイロスキャビティ条件が再びスイッチオンされると、レーザアクションは停止し、上述した利得ビルドアップのダイナミックなプロセスが繰りかえされる。
【００１８】
今まで、QスイッチCO2レーザは、固体状態レーザ（上部状態の寿命はCO2レーザが１/１０秒であるのに対して秒で測定される）のようには商業的な利用に広がりがない。これまでのQスイッチCO2レーザの使用のほとんどすべてが、軍事使用で支配されていた。CO２Qスイッチレーザの商業上の興味が欠けている理由のいくつかに、電気光学結晶（即ちCdTe）のコストが高いこと、EO結晶の供給が限定されること、EO結晶内の異なる光パス間の性能変化が大きいこと、異なる結晶間の性能変化が大きいことがある。その他、CdTe結晶上に優れた反射薄膜を形成することが困難である。
【００１９】
更に、電気光学変調器をIRにおいて音響光学モジュレータと置き換えることが容易にできない。その理由は、熱歪みが大きく、信頼性が低く、可視領域におけるよりも、減衰が高く、減衰性能が劣るからである。QスイッチCO2レーザは、ほとんどCdTe結晶によって生じるQスイッチ固体状態レーザよりも信頼性が劣ると考えられていた。従って、最短パルスCO2レーザの要求を満たすために、拡散冷却CO２レーザのスーパーパルスまたは外部ゲートCWレーザ操作またはTEAレーザ技術が使用されてきた(A.J. DeMaria; Review of CW High Power CO2 Lasers, Proceedings of the IEEE, pg. 731-748, June 1973を引用してここに組み込む)。機械的QスイッチCO2レーザも使用されているが、電子的Qスイッチレーザのパルス柔軟性がない。
【００２０】
これらの理由によって、ゲートCWおよびスーパーパルス、並びに、CWまたはスーパーパルスの何れかの光共振器の外側の音響光学デフレクション等の技術が、CO2レーザと共に支配的に使用されて、商業的な使用のためのIRレーザパルスを得ていた。しかし、これらの技術の各々は、CO2Qスイッチ技術と比較すると、次の点で劣っていた。即ち、遅い立ち上がり時間の長いパルス幅、低いパルス繰り返し周波数（PRF）、全般にレーザ効率が低い、パルスにともなう長い持続テールおよび低いピークパワー。TEAレーザもこれまで使用されてきた。しかし、パルス毎に時間的な不安定さがあり、音響ショック雑音にともなう高いパルス電圧が必要であり、そして、ガス流が必要なノン封じ込めレーザ操作である。
【００２１】
【非特許文献１】
XiangLi Chen and Xinbing Liu; Short Pulsed Laser Machining: How Short is Short Enough, J. Laser Applications, vol. 11, No. 6, December 1999
【非特許文献２】
A.J. DeMaria; Review of CW High Power CO2 Lasers, Proceedings of the IEEE, pg. 731-748, June 1973
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
従って、QスイッチCO2レーザのコストを低く、信頼性を高め、Qスイッチ性能を損なうことなく現在のCdTe電気光学的結晶技術をコスト的に効果的に利用することが望ましく、更に、高いピークパワーが得られ、キャビティダンピング技術と同様にスーパーパルスとQスイッチ技術を同時に使用して短いパルスを得る事が望ましい。更に、同時に、従来Qスイッチ技術によって得られるレーザパルスの長いテールを切断するＥＯ変調器を使用することが望ましい。QスイッチCO2レーザを商業的な数々のホールドリルに使用できることが望ましい。
【００２３】
特に、商業的な使用として、プリント回路基板のバイアホールドリル、自動車用ヘッドライト、フラットパネルディスプレイ、TVおよびコンピュータ用のブラウン管、街灯、自動車におけるライトバルブ応力板ガラスまたは圧力ガラスまたはソフトドリンク等を入れるプレスチックコンテナ等の外気圧よりも高い圧力、真空または部分真空の圧力ガラスコンテナのレーザマーキング等がある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
図３は、レーザ材料処理システムのブロック図を示す。システムは、レーザヘッド、パワーユニットを含み、そして、内部コントローラは備えても備えなくても良い。RFパワーユニットが好ましい。RFユニットは、CWまたはスーパーパルスモードで操作することができる。スーパーパルスモード操作は、ピークパワーの増大したレーザパルスを得るために使用される。レーザヘッドおよびそのパワーユニットおよびコントローラは、レーザ供給者（社）によって供給され、XYスキャンシステム、スキャナー、キーボード、光シャッタおよびディスプレイユニットは、通常、オリジナル装置製造者（OEM）の責任である。OEMコントローラは、スキャンシステムおよびディスプレイユニットに命令し、レーザコントローラに信号を送り、それによってレーザヘッドに命令する。レーザが液体によって冷却されるとき、チラーが必要とされ、それらをレーザ製造者またはシステムOEMが供給する。レーザビーム形成光部品が、通常、レーザヘッドとスキャナとの間に必要とされる。
【００２５】
レーザ製造者またはOEMシステム製造者はレーザビーム形成光部品を供給する。上述したブロック図は、デスクトップ製造型に使用される、レーザエングレービング、マーキング、カット、およびドリルシステムのブロック図と基本的に同一であり、ソフトウエアは、基本的にシステムを差別化する部分である。システムOEMは、通常、光スキャナ、システムコントローラおよびそのソフトウエアおよびディスプレイに責任を負う。
【００２６】
OEMシステムコントローラは、XY光スキャンシステムにどこを指すかを示し、レーザヘッドパワーユニット内においてコントローラを通じてレーザヘッドにオンおよびオフを知らせ、そして、放出するパワーを知らせる。OEMシステムコントローラは更にチラーをモニターし、監督し、そして、システムオペレータに対してディスプレイユニット上に所望の情報を表示して、システムオペレータは、キーボードによって命令を入力し、システムコントローラにアドレスする。システムコントローラおよびレーザパワーユニットコントローラは、適切に診断して、システムを不十分な冷却、レーザ放電およびRF電力供給間のインピーダンスの不適合から保護し、システム光シャッタ等の開閉等の安全機能を確保する。
【００２７】
図４は、図３の場合を修正したもので、材料処理システムにQスイッチレーザが使用される。レーザパワー供給を命令する他に、システムコントローラは、キーボードによってオペレータが入力したものを使用して計算し、レーザモジュレーションフォーマット（即ち、ゲート出力またはスーパーパルス出力、例えばパルス持続時間および繰り返し周波数と連係するQスイッチレーザパルス）を考慮し、そして、レーザヘッドおよびその電力供給並びにチラーの状態をモニタする。システムコントローラは、Qスイッチパワーモジュールとの間で命令を発し、または、信号を受け取る。
【００２８】
システムコントローラは、キーボードによってオペレータから信号を受け取り、光シャッタに命令し、その状態をモニタし、光シャッタは、光スキャナの前または後に挿入する。ある場合には、光シャッタはレーザハウジングからのレーザビームの出口に直接組み込まれる。シャッタがレーザハウジングの部分として組み込まれると、レーザ製造者は光シャッタおよびその回路を供給する。システムの状態は、適切なディスプレイユニットによって、キーボードオペレータに表示される。図４のQスイッチモジュールは、基本的に固体状態またはガスレーザシステムに対するものと同一である。差は主として、異なる電気光学的結晶の使用である。
【００２９】
Qスイッチレーザ、および、ホールドリルに使用されるモードロックまたはキャビィテダンプ短パルスレーザシステム等のより短いパルスレーザシステムを使用する他に、図４のQスイッチレーザシステムは、マーク、エンコードまたは応力ガラス容器または構造をドリルし、焦がすことなく紙に孔を開けるために使用することができる。Qスイッチまたはキャビティダンプレーザを使用して、圧力ガラスコンテナをマークし、エンコードする利点は（コンテナの内表面および外表面の間に圧力差がある）、現在、レーザシステムのそのような利用は商業的に不可能であり、利用することも、理解さえもされていなかった。
【００３０】
上述したコンテナとして、例えば、自動車ヘッドライト用シールドガラス、街灯、ブラウン管、フラットパネルディスプレイおよびビール・ソーダ・シャンペン用ボトルがある。安全ガラスドア、窓および自動車用サイドウインドの調質ガラス表面は、短レーザパルスによるレーザマーキングまたはエンコードの優れた候補である。何故ならば、ガラスおよびセラミックス等の壊れやすい材料において、Qスイッチまたはより短いレーザパルスによってマイクロクラックが生じないからである。長いパルスのレーザを使用して、このような圧力コンテナおよびガラス表面をマークし、エンコードすると、レーザがガラスをマークし、エンコードする位置にマイクロクラックが生じる。
【００３１】
これらのマイクロクラックは、壊れやすい材料に圧力がかかり時間の経過と共に大きくなり、広がる。CO2レーザビームは、ガラスまたはセラミックスによってより強く吸収されるので、そのような使用に対してレーザが選択される。サイズ、パワー、コストおよび処理速度によって、CO2レーザは、材料の非金属処理に適している。UVビームもまたガラス材によって吸収され、そのような適用の代わりのレーザとして考えられるが、コストが高く、処理速度が遅い。短パルスレーザ技術によって得られる高強度レーザビームによって、長い持続時間のパルスを使用する溶融−除去メカニズムではなく、蒸発による材料除去が行われる。
【００３２】
熱的および機械的衝撃は、図４の短レーザパルスシステムを使用すると、図３の長パルスシステムと比べると、少ない。従って、マイクロクラックは、短パルスレーザのレーザマーク、エンコードでは生じない。Qスイッチパルスの長いテールの切断によって、マークまたはエンコードされたガラスの位置でマイクロクラックが広がるのを防止することができる。図４のレーザシステムの使用によって、圧力ガラスコンテナおよび構造のマークおよびエンコードの市場が開かれる。現在、インクジェットまたは他の類似の装置が、上述したガラスコンテナおよび構造のマークまたはエンコードに使用されている。
【００３３】
インクジェットの、レーザマーク/エンコードシステムにおける不利点はよく知られている。これら不利点のいくつかに、マークが永久でなく操作中に擦れ落ちて外気に晒されること、インクおよび溶剤は消費され、コストが高く、インクおよび溶剤は有害で、工場環境を劣化させ、インクジェットマークシステムの故障時間が多く、稼動コストが嵩むことがある。インクジェットシステムの利点は初期資本が少ない点である。
【００３４】
紙またはプラスチック材の縁部を焦がすことなく紙またはプラスチックに多数の小さな孔をドリルすることは多くの産業において望まれている。例として、タバコフィルタ、銀行・金融業のチェックおよび他の金融書類の孔開けがある。過去、これらのためにTEAレーザが使用されてきた。Qスイッチレーザがこれらの材料に使用できることは理解されていなかった。封じ込めQスイッチレーザにとって必要である以上に高いエネルギーが必要なときには、レーザ増幅器を使用してQスイッチのためのパルスエネルギーを増大することができる。Qスイッチレーザは、１００    kHzを超える出力パルス繰り返し率を有しているのに対して、TEAレーザは約５００Hzを上限とするPRRを有している。
【００３５】
材料処理のためのQスイッチO2レーザシステムについて説明する。システムは、キャビティを形成する複数の反射デバイスを備えている。レーザビームを生成するためにガス放電利得媒質がキャビティ内に配置され、電気電源が使用され放電を励起する。キャビティロスモジュレータは、レーザビームを変調し、それによって１以上のレーザパルスを生じる。パルス信号発生システムは、キャビティロスモジュレータに接続されて、パルス信号をキャビティロスモジュレータに伝送し、それによって、キャビティ内の光損失状態を制御する。コントロールユニットは、パルス信号発生システムに接続されて、キャビティロスモジュレータに伝送されたパルス信号を制御する。パルステール切断回路は、レーザビームの部分を受け入れ、そして、パルス信号発生システムに接続されて、レーザパルスの部分を切断する。
【００３６】
電気光学結晶は複屈折である。従って、結晶に印加された電圧に関係なく、応力によってレーザビームの偏光変換を生じる。EO結晶のホルダは、結晶をしっかりと保持しながらも、結晶上の応力を最小化する。EO結晶は、圧電材であって、電圧が繰り返し加えられ取り除かれるときに、キャビティロスモジュレータによって生じる超音波エネルギーを吸収するように、結晶のパッケージが行われる。この目的のために、インジウム板が使用される。
【００３７】
レーザシステムは、レーザの生成を自動的に停止するシステムを備えている。この特徴は、レーザがワークピースからレーザキャビティ内にバック反射するのを防護して、光損失を回避する。この特徴は、更に、銅等の高反射面に当たるとレーザの操作を停止するために使用される。図２９において、第１偏光デバイスはレーザビームを受け入れる。第１の偏光デバイスからのレーザビームを受け入れる第２の偏光デバイスはレーザビームの偏光を第１の状態から第２の状態へと変更する。第２の偏光デバイスは、対象物またはワークピースによって反射された第２の状態の偏光におけるビームを受け入れ、そして、レーザビームの偏光を第２の状態から第３の状態に変更する。
【００３８】
第１の偏光デバイスは、第２の偏光デバイスからの第３の偏光状態においてレーザビームを受け入れる。検出器は、第１の偏光からレーザビームを受け入れ、そして、対象物の反射を示す出力信号を発する。コンパレータは、検出器の出力信号を基準信号と比較するために設けられている。これによって、検出出力信号または基準信号の大小を示す出力信号が出される。レーザシステムは、更に、レーザビームのブロックおよび通過を交互に行うコントロールユニットに接続されたシャッタシステムを備えている。
【００３９】
パルス信号発生システムは、コントロールユニットに接続され、電気的隔離を提供するパルスレシーバを備えている。パルス信号発生スイッチ回路は、パルスレシーバからパルス信号を受け入れ、そして、キャビティロスモジュレータを充電または放電するように作動する。電源は、パルスレシーバおよびパルス信号発生スイッチ回路に電源を供給する。パルス信号発生スイッチ回路は、電源およびキャビティロスモジュレータに接続された第１のスイッチからなっており、パルスレシーバからパルス信号を受け入れ、第１スイッチが閉鎖位置にあるときキャビティロスモジュレータを充電するように作動する。第２スイッチは、キャビティロスモジュレータに接続されている。第２スイッチは、パルスクリップ回路からパルス信号を受け入れて、第２スイッチが閉塞位置にあり、第１スイッチが開放位置にあるときに、キャビティロスモジュレータを放電するように作動する。
【００４０】
キャビティロスモジュレータは、レーザビームを受け入れる入射面および対向するビーム出射面を備えた活性光結晶からなっている。第１の光ウインドウは、レーザビームを受け入れる入射面および対向するビーム出射面を備えている。光ウインドウの出射面は、活性光結晶の入射面と物理的に接触し、第１光インターフェースを形成する。光反射器は、活性光結晶のレーザビーム出射面と物理的に接触し、第２光インターフェースを形成する。光反射器は、活性光結晶からレーザビームを受け入れるように作動し、レーザビームを活性光結晶に再指向する。
【００４１】
レーザシステムは、キャビティ内に位置する第１反射デバイスからなる多パス光学アセンブリを備えている。第１反射デバイスは、キャビティロスモジュレータからレーザビームを受け入れてキャビティロスモジュレータ内にレーザビームを再指向するように作動する。第２反射デバイスは、キャビティ内に位置して、キャビティロスモジュレータからのレーザビームを受け入れる。第２反射デバイスは、キャビティロスモジュレータ内にレーザビームを再指向するように作動する。かくして、レーザビームがキャビティロスモジュレータ内を通って多数通過するのが実現される。波長選択ミラーである複数のミラーは、ノンレーザ波長で高透過率を有しており、光共振器からのレーザビームを結合する出力結合ミラーと、レーザ波長で高透過率を有しており、導波路間でビームを指向する複数のレーザビームターニングミラーと、レーザキャビティに光フィードバックを提供するフィードバックミラーとからなっている。
【００４２】
レーザシステムは、位相グレーティングを備えており、レーザビームを受け入れる。位相グレーティングはレーザビームの部分を回折し、Qスイッチパルスの振幅を制御する。
繰り返しQスイッチCO2レーザにおいて電気光学結晶によってレーザビームに誘発される一定の位相遅延を維持するための方法について説明する。その方法は、Qスイッチサイクルの高光損失インタバル間、電気光学結晶間の電圧をゼロに維持し、そして、Qスイッチサイクルの低光損失インタバル間、電気光学結晶間の電圧を所定の非ゼロ値に維持することからなっている。
【００４３】
材料処理のための、利得媒質およびキャビティロスモジュレータを備えたQスイッチCO2レーザの操作方法が開示され、その方法は、利得媒質を第１の所定時間励起し、キャビティロスモジュレー他を第２の指定時間励起して、レーザキャビティを、高損失状態から低損失状態へスイッチし、１以上のパルスを発生することからなっている。回折グレーティングを備えた繰り返しQスイッチCO2レーザの出力パルスの振幅を制御する方法が開示され、その方法は、レーザ出力パルスの部分を回折サイドオーダに回折し、そして、回折グレーティングの周波数を変化させることからなっている。
【発明の効果】
【００４４】
低コストで、高いピークパワーが得られ、短パルスの信頼性の高いQスイッチCO2レーザを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
ＱスイッチＣＯ２レーザハウジング
図５は、レーザアセンブリ１００を概略示す図であり、レーザアセンブリ１００は、封じ込み・折り返し導波路、電気光学的ＱスイッチＣＯ２レーザヘッド４００および各種エレクトロニクス、光、電気光学変調器および電子−機械スイッチを含むレーザハウジング１０２備えている。レーザヘッド４００内のマルチパスジグザグ折り返し導波路８０６を説明のために示す。３パスまたは５以上のパスの折り返し導波路の形状は、気密に密閉されたレーザヘッド４００において使用することができる。出力カプリングミラー（ＯＣ）４０６およびターニングミラー（ＴＭ）４１４は、気密性を維持するために金属Ｏリングを使用している。
【００４６】
これらは２０００年７月１０日付で出願された発明の名称：高出力導波路レーザの米国特許出願Ｎｏ．０９／６１２，７３３、および、１９９７年３月１４日付で出願された発明の名称：ＲＦ励起導波路レーザの米国仮特許出願Ｎｏ．６０／０４１，０９２に開示されており、引用によりその全体をここに組み込む。出力カプリングミラー（ＯＣ）４０６およびターニングミラー（ＴＭ）４１４は、気密に密閉されたレーザヘッド４００から放射線（ビーム）を送信する（出力カプリングミラー（ＯＣ）４０６は概ね５１％、ターニングミラー（ＴＭ）４１４は概ね１％以下の伝送）。
【００４７】
出力カプリングミラー（ＯＣ）４０６およびターニングミラー（ＴＭ）４１４のためのミラーホルダフランジ８０４は、１９９７年３月１４日付で出願された発明の名称：ＲＦ励起導波路レーザの米国仮特許出願Ｎｏ．６０／０４１，０９２に開示されている。ターニングミラー４１６（ＴＭ１，ＴＭ２，ＴＭ３）は、レーザヘッド４００から放射線（ビーム）を発信しない。ターニングミラー４１６のためのミラーホルダフランジ８０２は、１９９７年３月１４日付で出願された発明の名称：ＲＦ励起導波路レーザの米国仮特許出願Ｎｏ．６０／０４１，０９２に開示されたものと同一である。
【００４８】
レーザヘッド４００に搭載されている薄膜偏光子（ＴＦＰ）４０４のためのミラーホルダフランジ８０２は、出力カプリングミラー（ＯＣ）４０６およびターニングミラー（ＴＭ）４１４のための改良版である。薄膜偏光子（ＴＦＰ）４０４のために要求される直径および角度が大きいので、修正が必要になる。更に、それは、薄膜偏光子（ＴＦＰ）１１４のためのミラーホルダの改良版でもある。薄膜偏光子（ＴＦＰ）１１４に関する修正は、気密な密閉が要求されるレーザヘッド４００に搭載されている薄膜偏光子（ＴＦＰ）４０４に必要とされる理由によって要求されている。薄膜偏光子（ＴＦＰ）１１４は、気密な密閉が要求されないレーザハウジング１０２に搭載されている。ＴＦＰ４０４の代わりにウインドウ４０４ｂを配置し、そして、レーザヘッド４００の外側に４０４を配置するオプションもある。図６は、ＴＦＰ４０４およびその固定リング４０４ａ、ミラー４１６、４１４を有するミラーホルダフランジ８０２および８０４を備えたレーザヘッド４００の等尺図である。
【００４９】
多くのプラスチック材に対して、波長１０．６ミクロンまたは他の波長よりも、波長概ね９．２ミクロンでの操作が好ましい。この場合に低いＣＯ２利得線で操作するのが好ましいときには、高い利得線でのレーザ操作を抑制する必要がある。
このことは、高い光損失（即ち、レーザホールドオフ）条件下にビルトアップされた非常に高い利得の故に、Ｑスイッチレーザ操作では特に正しい。図７は、ＣＯ２レーザによって発振される各種の利得線の相対出力を示す図である。高い利得は、概ね９．３，９．６，１０．２５および１０．６の波長で生じていることに留意。これらの利得線の１つを選択し他と区別するために、グレーティングを使用することができる。残念ながら、グレーティングは費用が高く、強度の高いレーザビームによって容易に損傷し、光的に損失が生じやすい。
【００５０】
幸いなことに、従来のミラーを使用することができる。従来のミラーは、その上に薄い膜が形成されて、所望の利得線をキャビティ内に反射し、そして／または、レーザキャビティから不必要な利得線を放出する。例えば、長さ２２６ｃｍの折り返しの無い導波路を有し、Ｑスイッチ条件下で波長９．２４９で操作するＣＯ２レーザに対する出力カプリングミラー（ＯＣＭ）の最適のトランスミッション（透過、または、取り出し）は概ね５０％である。従って、図５の部分的に反射するＯＣＭ４０６に対して、高いトランスミッションのすべての他の波長が望ましく、これら他の波長に対して高い減衰を与える。
【００５１】
図８は、被覆ＺｎＳｅミラーの透過および波長の関係を示す機能図である。被覆ＺｎＳｅミラーは、波長約９．２５ミクロンで５０％の透過を有し、波長約１０．２５および１０．６ミクロンで約９０％の透過を有し、波長９．６ミクロンで約７０％の透過を有している。これらはＣＯ２レーザに対する最も高い利得線である。このミラーの性能は、図５に示すレーザヘッド４００の出力カプリングミラー（ＯＣＭ）４０６に最も適している。その理由は、波長約９．２ミクロンでの発振が望ましいときに、ＯＣ４０６およびフィードバックミラー（ＦＢＭ）４０８によって形成されるレーザキャビティから好ましく無い周波数の大部分が、出力カプリングミラー（ＯＣＭ）によって取り出されるからである。
【００５２】
好ましくない利得線の除去についての追加の策は、ターニングミラー４１６に薄膜を形成することであり、それによって、好ましい波長に対しては高い反射を示し、好ましくない波長に対しては低い反射を示す。この特性によって、好ましい波長での発振を有利にすすめ、好ましくない波長における発振を抑制する支援をする。これら３つのミラーのすべてに被覆する必要はなく、他の利得線における好ましくない発振を抑制するに必要な数のミラーを被覆すればよい。図９は、薄膜被覆ＺｎＳｅミラーの透過および波長の関係を示す機能図である。薄膜被覆ＺｎＳｅミラーは、波長約９．２５ミクロンで１％の透過（即ち、９９％反射）を有し、波長９．６、１０．２５および１０．６ミクロンの高いＣＯ２利得線で高い透過（即ち、低い反射）を有している。この特性によって、波長９．２５ミクロンでの発振をすすめ、他の利得線における発振を抑制する。この被覆は、ターニングミラーＴＭ１、ＴＭ２およびＴＭ３（４１６）においても、追加の波長除去の必要に応じて行うことができる。
【００５３】
図５のミラー４１４は好ましい波長（例えば９．２５ミクロン）で高い反射率を有している。それでもなお、キャビティから少量のビーム（ラジエーション）は透過（即ち、波長９．２５で約１％以下）する。ミラー４１４から出る少量のビームは、検出器３０２によって検出される。検出器３０２は、例えば、ピロ検出器があり、その電気信号３０４は、ＡＤＤＣ（automatic down delay circuit）３０６に送られる。ＡＤＤＣ３０６の目的は、レーザパルスの始まりから選択された遅延時間τｐｃ経過後、Ｑスイッチレーザパルスの長いテールをクリップ(clip)することにある。遅延時間τｐｃの大きさは、レーザオペレータによって選択される。ミラー４１４ＯＣＭ４０６と同一のミラーホルダに配置され気密に密閉される。
【００５４】
コストおよび信頼性の観点から、気密に密閉されるレーザヘッドにおける開口は最小化することが賢明である。従って、図１０に示すように、小さい透過量（約１／２から１％）（即ち、例えば、金属被覆ミラーを使用することなく）の図５のフィードバックミラー（ＦＢＭ）４０８を使用し、この出力ビームを検出器３０２で検出し、電気信号３０４をＡＤＤＣ３０６に送ってもよい。これによって、ミラー４１４は、ミラー４１６のミラーホルダと同一ミラーホルダを使用することができ、ミラー４１４をレーザヘッド４００の中に配置することができる。その結果、レーザヘッド４００の外側ではビームを透過する必要がないので、ミラー４１４のための気密な密閉用の金属製Ｏリングは必要がなくなる。更に、ミラー４１４を、必要により、他の波長を除外する光フィルタとして機能させることができる。
【００５５】
図５および図１０の薄膜偏光子（ＴＦＰ１）４０４は、図面を参照しながら後述するように、図１６Ａおよび図１６ＢのＴＦＰ４０４と同一機能を発揮する。図１６Ａおよび図１６Ｂにおいては、図５および図１０のＴＦＰを励起する偏向レーザビームは電気光学変調器（ＥＯＭ）１４０を通過し、１／４波偏向回転装置を通過してＦＢＭ４０８に至る。図１７Ａおよび図１７Ｂにおいて、ＴＦＰ４０４を励起する偏光は、電気光学変調器（ＥＯＭ）１４０を通過し、反射相リターダ（ＲＰＲ）４１０からＦＢＭ４０８に至る。
【００５６】
図５および図１０は、レーザヘッド電源制御ユニット１０４からのパルス信号１０６をパルスレシーバ２０２、例えば、ＲＳ４２２差動トランジスタ／トランジスタ論理（ＴＴＬ）回路によってＥＯＭに送るプロセスを示している。この回路２０２は、ＥＯＭ１４０を駆動する高電圧（即ち、数ｋＶ）パルススイッチ回路２０６から、レーザアセンブリ１００との間のその他の電子インターフェースに対して、優れたノイズ免疫を提供する。パルスレシーバ２０２は、レーザヘッド４００と共通の接地を共有しないことによって、電気的な分離を提供する。高電圧電源２０８は、ＤＣ電源をパルスレシーバ２０２およびスイッチ回路２０６に供給する。
【００５７】
レーザシステム１００の電源制御ユニット１０４は、光シャッタ１１２のドライバ１１０に信号を送って、レーザヘッド４００からの出力を遮断または開放する。光シャッタは、従来知られているように、操作者が手動でシャッタを開いて、レーザを操作することができるように付加されている。
【００５８】
高光損失閾値電気光学変調器
アクティブ光ＣｄＴｅ結晶は、ＣＯ２レーザ用の電気光学変調器として広く使用されている。ＣｄＴｅモジュレータ結晶の入口に反射防止膜をしっかりと形成し、表面を励起することは一般に困難である。これらの被膜は、ＣＯ２レーザフィードバックキャビティ内に挿入すると容易に損傷する。反射防止膜は、これらの結晶がレーザフィードバックキャビティ内に挿入されて、キャビティ損失を高損失条件（即ち、低キャビティＱ）から低損失条件（即ち、高キャビティＱ）へのスイッチを行うとき、光損失を減少するために使用される。強いレーザビームによってこれらの被膜が剥がれたり光学的に損傷することは、ＱスイッチＣＯ２レーザに使用されるとき、これらのモジュレータにとって共通の損失である。ＥＯ変調結晶の薄膜光損失問題を解決することによって、ＱスイッチＣＯ２レーザの損失安全マージンを顕著に高め、これらが使用される材料穿孔システムを向上させることができる。
【００５９】
反射防止薄膜損傷問題は、パッシブ光ＩＲウインドウ材、例えば、ＺＮＳｅまたはＧａＡｓ（米国特許Ｎｏ．５，６８０，４１２を参照、引用によってここに組み込まれる）よりは、厳しくない。ＣｄＴｅおよびＺｎＳｅは、屈折率ｎ（ＣＯ２レーザ波長では相互に近接（即ち、それぞれｎ＝２．６および２．４）している）を有しているので、光学的に研磨されたＺｎＳｅウインドウは、ＣｄＴｅＥＯ結晶の入口面および出口面と光学的に接して配置されることができ、そして、
ＣｄＴｅ／ＺｎＳｅインターフェースの何れの方向にも高い透過損失は経験していない。
【００６０】
ＺｎＳｅ／ＣｄＴｅ／ＺｎＳｅ電気光学変調器構造に対する損失は、薄被膜ＣｄＴｅＥＯ変調器に対するよりも少し高い。しかし、やや高い損失はあってもレーザにおける信頼性の向上という利点がある。図１１は、このようなＺｎＳｅ／ＣｄＴｅ／ＺｎＳｅＥＯ変調器構造を符号番号１４０で示す。ＺｎＳｅ上に高光損失閾値反射防止薄膜を形成することは容易であり、市販で入手可能である。符号番号１４２は、ＣｄＴｅＥＯ結晶であり、符号番号１４８および１５０は、ＣｄＴｅＥＯ結晶１４２と光学的および熱的に接触するＺｎＳｅ透明ウインドウである。
【００６１】
ＣｄＴｅ上に反射防止膜を形成するに際しての問題は、接着性に優れた薄膜を得るためには、材料が分解（ＴｅはＣｄＴｅ結晶１４２の表面から移動する）する温度にＣｄＴｅを加熱する必要があるという事実から引き起こされたと信じられていた。その結果、図１１に示すＥＯの電極１４６、および１４４間に電気伝導パスを示すＣｄを多く含んだ面を残す。ＣｄＴｅ結晶１４２の電極に付加される高電圧の下では、結晶の表面に沿う電気伝導性の劣るパスによって、電極１４４、１４６巻に電流を流し、これが、反射防止薄膜とＣｄＴｅ結晶とのインターフェースにおける不均一な加熱を引き起こす。
【００６２】
その結果、２つの材料の間の結合を弱める。更に、レーザビームのパルスによって、周期的なストレスが加わり、反射防止膜およびＣｄＴｅ基板との間の劣った結合部に光損失をもたらし、Ｑスイッチレーザの性能を時間の経過と共に劣化させる。材料の分解が生じることなく、反射防止膜を形成するために、所定の温度にＺｎＳｅを加熱することができる。ＺｎＳｅおよびＣｄＴｅ結晶の屈折率が十分に近接し、２つの材料を光学的に接続させると、接続表面で光損失が低いということがわかったのは偶然である。
【００６３】
図１１は、その対向する面に印加される、伝導性電極１４４、１４６を有するＣｄＴｅ結晶１４２を含む電気光学変調器の主要部品の側面図である。ＣｄＴｅ結晶１４２は、屈折率が結晶１４２に適合するか、または、概ね適合する２つの透明なウインドウ１４８、１５０間に配置される。ＣｄＴｅＥＯ結晶の場合には、ＺｎＳｅが適している。透明なウインドウ１４８、１５０の外面１４８ａおよび１５０ａには反射防止被膜が形成されている。結晶１４２の上に高光損失閾値薄膜をけいせいするのは不可能ではないが困難であると考えられているが、ウインドウ１４８，１５０の上に形成するのは容易である。
【００６４】
ＥＯ変調器ハウジング１５２は、誘電支持部材１５４を備えており、誘電支持部材は開口１５６を有しており、電極１４４、１４６と電気的に接続されている。ＥＯ変調器ハウジング１５２は、端部支持部材１５８、１６２を有しており、端部支持部材の各々は、ウインドウ／ＥＯ結晶アセンブリを通ってレーザビーム４０２が通過する開口１６０、１６４を有している。端部支持部材１５８、１６２は、ファスナ１６６、１６７、１６８、１６９によって、部材１５４に固定されている。レーザビーム４０２は、結晶１４２の光軸４１８に関して、増幅または相変調になるように配置されている。
【００６５】
図１２および図１３は、ＥＯ変調器アセンブリ１４０を詳細に説明する側面図および正面図である。ＣｄＴｅは複屈折であるので、機械的応力は、偏光回転に変化をもたらす。従って、最適の光性能を発揮するために、ＥＯ結晶１４２を強く保持してストレスを与えないことが重要である。強く保持することによって、
熱膨張および収縮は結晶にストレスを与え、結晶１４２に印加する電圧に関係なく、結晶１４２を通るレーザビームの伝搬の偏光を変化させる。結晶１４２は、例えば、アルミニウム製の金属ハウジング２の中に収容される。符号番号１８ｂは、薄い（例えば、厚さ０．１０インチ）クッション、例えば、インジウムストリップであり、金属ハウジング２（接地電極として機能する）、ＣｄＴｅ結晶１４２およびセラミックスペーサ（４、５）の間に配置される。
【００６６】
符号番号１８ａは、更に、インジウムストリップ等の薄いクッションで、ＣｄＴｅ結晶およびホットカパー電極１４４の間に配置される。スクリュー１７と連係するスプリングは、結晶１４２にクッションを与え、ボルト１４、１７の締め付けによる過度のストレスを防止する。ＣｄＴｅは圧電性の材料であり、インジウムストリップは、結晶１４２に電圧が繰り返し印加され、取り除かれると、ＣｄＴｅ結晶によって生じた超音波のための音響吸収として機能する。この音響吸収はＣｄＴｅ電気光学変調器の正常な操作にとって重要である。電気的にホットポジティブな電極１４４は、その中に孔を有してホット電極１４４と電気的に接触可能な誘電体６によって、ＥＯに押し付けられる。
【００６７】
誘電体６は、バネ１５が付加されて、ネジ付ボルト１４によって、ホット電極１４４をＥＯ結晶１４２に柔らかく押し付ける。ボルト１４は、金属ハウジングと同一材料で作製されている金属カバー８を通ってネジ込まれる。金属カバー８は、ボルト２０によって金属ハウジングに固定される。金属ハウジング２とＥＯ結晶１４２との間、および、誘電体４、５とＥＯ結晶１４２との間には、インジウム金属１８ｂが配置され、結晶１４２とハウジングの間でクッションの役割を果たし、結晶１４２に電圧が繰り返し印加され、取り除かれると、ＣｄＴｅ結晶の圧電性によって生じた超音波のための音響吸収として機能し、そして、電極とＥＯ結晶１４２との間に優れた電気的接続を確保する。
【００６８】
誘電体４、５は、ネジ付ボルト１６によって加えられる圧力によるバネ動作によってＥＯ結晶を横方向に保持する。光学的に研磨された透明なウインドウ１４８、１５０は、ボルト２１によってリテーナスプリングホルダ１１によって圧せられる波型スプリング１３の使用によって、ＥＯ結晶１４２の光学的に研磨された端面１７２、１７６に押し付けられる。リテーナスプリングホルダ１１は、その中に孔１１ａを有しており、ＺｎＳｅウインドウ／ＣｄＴｅＥＯ結晶／ＺｎＳｅウインドウ配列１７２、１４２、１７６を通るレーザビーム４０２の通路を形成する。
【００６９】
ＥＯ結晶端面１７２、１７６と接触しない透明ウインドウ１４８、１５０の外側面２２は、反射防止膜が形成されて、構造１４０を通る光透過損失を最小化している。符号番号９および１０は、それぞれ挿入およびウインドウホルダであり、過度の圧力が透明ウインドウ１４８、１５０および結晶インタフェースに直接かからないように保障する。スプリング１５および１６は、ＣｄＴｅ結晶１４２にストレスがかからないようにし、その複屈折が、結晶１４２を通るレーザビームの偏光の好ましくない回転を生じないようにする。
【００７０】
ＱスイッチＩＲレーザ用のＣｄＴｅＥＯ結晶におけるゼロＤＣバイアスの維持
ＣｄＴｅ電気光学変調器結晶は、非常に低い濃度レベルでの不純物の痕跡を有しており、これらが電気光学変調器に適用する際の結晶の性能に悪影響を及ぼす。濃度は非常に低いので、結晶成長プロセスにおける濃度の制御が困難である。従って、結晶から結晶に与えられる所定の電圧に対して、同一位相遅延性能でのこれらの結晶の成長における歩留まりは高くない。特に、外部ＤＣバイアスを結晶全体にわたって長時間維持することが必要とされる状況で結晶が操作されるときに、そのことが言える。Ｑスイッチレーザにおいてこれらの不純物がＥＯ変調器性能に悪影響を及ぼす理由は、次の通りである。光ビームがそれを伝搬する位相を１／２λ（または１８０°）変化するためにＥＯ結晶間に必要とされる電圧Ｖｏは、次式であたえられる：
Vo=λo/2ｎo3γ４１  ×  d/ｌ        （１）
【００７１】
ここに、λｏはビーム×１０−４ｃｍの波長、ｄ／ｌは、結晶の直径／長さ比、ｎｏは、結晶の屈折率（ＣｄＴｅでは（＝２．６））およびγ４１は電気光学係数（ＣｄＴｅでは、＝６．８×１０−１０ｃｍ／ｖｏｌｔ）（A.J. Beauliea; Transversely Excited Atmospheric Pressure CO2 Lasers, Applied Phys. Letters, vol.16, pg. 504-506, June 1970参照、これを引用してここに組み込む）である。代表的には、ｄ＝０．５ｃｍ、ｌ＝５ｃｍのＣｄＴｅ結晶の、１／２λ位相遅延を得るために必要な電圧Ｖｏは、４．３５ｋＶである。
【００７２】
式（１）で計算されるＤＣ電圧が結晶１４２間に印加されると、図１４に示すように、結晶１４２内に存在する荷電粒子は、結晶中をゆっくりと移動し、そして、上述した不純物によって生じた不均一に分散したトラップ内に捕獲される。
その上、不均一に分散しているので、トラップの大きさは変化する。局部的にみると、捕獲された荷電は結晶内にＤＣバイアスを設定する。これは、更に、結晶１４２を通る伝搬経路の位置の関数として、結晶１４２を通るビーム伝搬によって生じる位相遅延において変化をもたらす。更に、内部に発生した位相遅延は、環境温度および時間と共に変化する。
【００７３】
これらの効果を示さない結晶の生産歩留まりは低く、従って、受容可能な性能を有する結晶を得るためにはコストが高くなる。これらの問題は、ＱスイッチＣＯ２レーザを主として軍事へ適用することに限定する上で大きな影響があり、産業上の適用には大きく影響しない。
産業上の材料処理への利用に適したＱスイッチＣＯ２レーザを得るために、上述した問題点に向かうアプローチが開示され、レーザキャビティ４０６、４０８内で高い損失状態を得るためには、外部ＤＣバイアスはＥＯ結晶１４２には必要とされないことが確認された。
【００７４】
図１４は上述した効果を判定する実験装置を示すものであり、１／２λ遅延ＤＣ電圧の下、所望の時間および温度で、ＣｄＴｅ結晶１４２を伝搬する光ビームの偏光で捕獲された荷電の、結晶１４２の面１７２上のいろいろな位置における効果を判定する。結晶１４２の面上の偏光におけるこのような変化は、図１５の面１８２に示されている。結晶が完全であると、偏光ベクトルの１８０°回転を得ることができ、結晶に存在する偏光は、結晶１４２に入る偏光と等しくなる。代わりに、結晶１４２の面１７２上の点から点１７２ａで変化する位相角θによる偏光の回転が見られる。
【００７５】
図１５は、４，４００ＶＤＣバイアス電圧の下、ＣｄＴｅ結晶上で採集された位相遅延データを示す。完全な結晶から期待される均一な１８０°位相遅延から離れた大きな変化に留意。この状況では、結晶の面上の与えられた位置を選択せざるを得ず、所望の位相遅延を得るために電圧を調整する。この結果、結晶の断面積よりも著しく小さい径の狭いレーザビームを使用する。大きなビームを使用すると、ビームが結晶内を通って進むにつれて、ビームの断面の異なる部分が異なる位相遅延を示す。この効果によると、各Qスイッチレーザは所望の位相遅延を得るために個々に調整される電圧およびEO結晶上の位置を有していなければならない。強く捕獲されていない電荷の性質、および、これらのゆっくりとした移動によって、図１５に示す位相遅延は、結晶の温度および時間と共に変化する。これによって、個々の産業上の適用におけるEOQスイッチレーザの使用を困難にする。更に、使用されるDC電圧の極が反対になると、結晶の面にまったく異なった位相遅延パターンが得られる。
【００７６】
産業上の材料処理に使用するに適したCO2Qスイッチレーザを得るためにCdTe材の問題を回避するアプローチは、図２Aおよび図2Bに示すQスイッチサイクルのポンプインタバルの高キャビティ光損失部分の間で、ＥＯ変調器をゼロDC電圧条件の下で操作することからなっている。キャビティ損失が低い（即ち、キャビティが高いQを有している）、図２Aおよび図2Bに示すパルス出力インタバルの短い時間にのみ、DC電圧をCdTe結晶に印加する。電圧が結晶に印加される短い時間によって、トラップに凝集し、内部DCバイアスを結晶１４２に不均一に生じさせる荷電粒子を最少化する。
【００７７】
ＥＯ変調器結晶１４２に外部DC電圧を印加することなく、Qスイッチレーザ内に挿入して、CdTe結晶を操作するための装置を図１６Aに示す。CO2レーザの出力ビームは、レーザ利得媒質７２６内のガスディスチャージに晒されている金属電極７３０の面に平行に偏光されている。従って、図１６Aに示す側面図において、光電場は、図１６Aに”●”で示すように紙の面に直交して偏光される。薄膜偏光子(TFT)４０４は、図１６Aおよび図16Bに示すように、レーザ利得媒質７２６と、高光損失閾値ＥＯ変調器センブリ１４０との間に挿入される。TFP４０４は、紙面に直交に偏光した光ビーム４０２が、最少光損失でTFP４０４を伝搬するように配置される（図１６B）。しかし、紙面に偏光された光ビーム４０２は、TFP４０４を通って伝搬しない。紙面における偏光は、矢印（横方向矢印）（縦方向矢印）で示す。TFP４０４の左に出るビームは、レーザ利得媒質７２６中を通過し、一部は、部分反射ミラー４０６によって、反射してレーザ利得媒質７２６中、次いで、TFP４０４を通過してCdTeEOMアセンブリ１４０中に戻る。
【００７８】
図１６Aにおいて、レーザ利得媒質７２６によって放出され、紙面に直交して偏光したビーム４０２は、TFP４０４を通過し、図１１、１２、１３、１４に示した高損失閾値ZnSe/CdTe/ZnSe ＥＯ変調器センブリ１４０およびクオータウエーブプレート等の偏光ロテイタ４１２中を進む。１／４λプレート４１２は、線状偏光を円形状矢印で示される円状偏光に変換するために使用される。クオータウエーブ菱、プリズム、または反射位相遅延等の他の偏光回転デバイスも使用することができる。
【００７９】
図１６Ａに示す１／４λプレート４１２を通って線状に偏光されたビーム４０２は、円状に偏光され、そして、反射ミラー４０８で反射されて１／４λプレート４１２を戻り、偏光において、更に９０°回転する。ZnSe/CdTe/ZnSe ＥＯ変調器センブリ１４０に向かって帰還して、伝搬する光ビームは、今度は紙面と平行に偏光する。このビームは、ＥＯ変調器センブリ１４０を通ってＴＦＰ４０４に向かって帰還して、伝搬する。ＴＦＰ４０４は、この偏光した部分を、ミラー４０６、４０８からなるレーザキャビティから外に反射する。これは、ＥＯ結晶に電圧が印加されないレーザキャビティ４０６、４０８に対する高損失条件を維持する。この高損失条件は、上部レーザレベルの利得を正常値よりも著しく大きな値に高めるレーザ発振を防止する。この利得の蓄積はレーザの光エネルギー貯蔵プロセスとして機能する。この貯蔵されたエネルギーは、１／４λ（即ち、９０°）偏光回転を誘導するために、ＥＯ変調器結晶１４２に電圧をかけたときに放出される。ＥＯＭ結晶にパルス電圧をかけると、上述したＣｄＴｅ材内の不純物によって引き起こされる位相遅延変化の問題を避けることができる。
【００８０】
レーザキャビティ４０６、４０８の低キャビティ損失条件へのスイッチは、次のようにして行うことができる。図１６Ｂに示すように、紙面に直交に偏光された、レーザ利得媒質７２６によって同時に放出された放射ビームは、ＴＦＰ４０４中を伝搬し、そして、高光閾値ＺｎＳｅ／ＣｄＴｅ／ＺｎＳｅ  ＥＯ変調器センブリ１４０中を伝搬する。このときの相違点は、ＥＯ変調器１４０にかけられた電圧は、ＥＯ結晶１４２の右に出るビームに対して９０°（即ち、１／４λ）偏光回転を与える。この装置にかけられた電圧は、式（１）のＶｏの１／２である。その理由は、ビームはＥＯＭ結晶を通る２つのパスを進むからである。
【００８１】
従って、ＥＯ変調器１４０から遠ざかるビームは円状に偏光する。この円状に偏光されたビームが１／４λプレート中を伝搬すると、紙面において、図１６Ｂに示すように、線状に偏光される。この線状に偏光されたビームは、線状偏光ビームとして反射ミラー４０８で反射され、１／４λプレート中を帰還し、再び９０°回転して、円状偏光に変換する。この円状偏光ビームは、ＥＯ結晶１４２を通って戻る。ＣｄＴｅ結晶１４２によって、１／４λ電圧に直面するので、円状偏光は、再び９０°回転し、これによって、図１６Ｂに示すように紙面に直交する当初の偏光に戻る。偏光されたビームは、ＴＦＰ４０４を通ってレーザ利得媒質７２６内に伝搬し、そこで増幅される。レーザキャビティ４０６、４０８内における光の強度は、急速に累加し、それによって、上部レーザレベルに蓄えられた通常よりも大きな光エネルギーを消費し、その結果、短い、高いピークのレーザ出力パルス４０２が得られる。上述したプロセスで示したように、ビームは、ＥＯ変調器１４０およびクオータウエーブプレート４１２を通る２つのパスを進むことによって、３６０°回転する。
【００８２】
ビームが進行する方向に関して、材料のカットをする線状の偏光レーザビームがどのようにして方向付けをするかによって生じるＫｅｒｆ幅（またはレーザカットの断面）における変化を避けるために、反射位相遅延は、レーザ材料処理産業において広く適用されることが判明した。カット方向に関する偏光の指向はカット断面に重要な影響を与えることが知られている。線状偏光から円状偏光への転換によって、レーザビームの進行方向に伴うレーザカットの断面変化を除去することができる。反射位相遅延（ＲＰＲ）は、レーザキャビティ内の強度を操作することができ、そして、産業上の材料処理の使用に適するＱスイッチＣＯ２レーザにおける使用に適している。図１７Ａおよび図１７Ｂは、図１６Ａおよび１６Ｂにおける１／４λプレート４１２の代わりにＲＰＲの使用を示す図である。ＲＰＲ４１０に対する説明は、クオータウエーブプレート４１２に対する説明と同一である。
【００８３】
図１７Ａおよび図１７Ｂは、図１６Ａおよび図１６Ｂに示す１／４λプレートの代わりに９０°反射位相遅延デバイス（ＲＰＲ）４１０を備えたＱスイッチレーザの操作を示す図である。ＲＰＲ４１０の芯合わせは、それほど敏感ではないが、レーザ反射ミラー４０８とレーザ部分反射ミラー４０６の芯合わせは敏感である。従って、反射ミラー４０８とＲＰＲ４１０は予め芯合わせし、（図示しない）ハウジングの中に配置することができる。次いで、このハウジングを、部分反射ミラー４０６に関して芯合わせすることができる。
【００８４】
上記パラグラフでは、図２Ａおよび図２Ｂに示した、Ｑスイッチ操作のために、キャビティ損失および利得変化が如何にして実験的に得られるかについて説明した。１／４λＤＣ電圧は、周期的にまたはアトランダムに、「オンコマンド」パルスフォーマットに適用することができる。低い損失（ローロス）は、レーザ媒質の上部状態（アパーステート）に蓄えられた大きなエネルギーが単一のパルスのビームで放出されることができる。その単一のパルスのビームは、連続波平均出力を上回る数オーダ大きいピークパワーを備え、そして、ＲＦスーパーパルスポンプ操作を上回るワンオーダ大きいピークパワーを備えている。パルス立ち上がり時間は、周期Ｑスイッチプロセスの高い損失（ハイロス）位相の間に達成される利得、キャビティ内の光損失、および、キャビティ長によって決定される。代表的には、Ｑスイッチ拡散冷却、密閉されたＣＯ２（全長２２６ｃｍを有し、ＲＦ出力１１００ワットによって励起される、ＮＶ型のこ歯折返し導波路８０６が使用される）から、パルス立ち上がり時間５０から７５ナノ秒（ｎｓｅｃ）、半出力点でのパルス幅１００から１３０ナノ秒が得られる。
【００８５】
キャビティが高い損失状態から低い損失状態にスイッチしてから主レーザビームが放出されるまでに、約３００ナノ秒の時間遅延が生じる。約８ｋＷのピーク出力が、２０ｋＨｚパルス繰り返しレートで得られる。このようなレーザは、通常１００Ｗ以上の出力であるが、フィードバックキャビティ４０６、４０８内にＴＲＰ４０４，ＥＯ結晶１４２およびＲＰＲを挿入して操作すると、このようなレーザは、高い繰り返しレートのＱスイッチモードで操作すると、５０から６０Ｗの平均出力である。
【００８６】
ＥＯ結晶サイズおよび電圧所要を減ずるマルチパス
必要とするＥＯ結晶が大きくなるほど、質の良い結晶を得ることが困難である。更に、結晶のコストはサイズの大きさにつれて増加する。一方、式（１）のｄ／l比が小さいほど、所望の偏光回転を得るために結晶にかける電圧Voが小さくなる。従って、結晶を通る２以上のパスを作ると、多くの場合、コストおよび結晶にかけるDC電圧の減少の観点から好ましい。ウインドウ/結晶/ウインドウアセンブリを通る多数のパスによる光損失にもかかわらず、上述したことがいえる。即ち、マルチパスを使用するために、ｄを増大しようとはしない。
【００８７】
図１８A、図18B、図18Cは、マルチパスを示す側面図である。図１８Aは利得媒質７２６からもっとも遠いZnSeウインドウ１５０の外表面に形成された高反射膜１５０bを備えたダブルパス形態を示す図である。レーザ利得媒質７２６に最も近いZnSeウインドウは、反射防止膜１４８aが形成されている。dが図１６A、１６B、１７A、１７Bのシングルパス形態と同様の場合は、lを１/2にするために短い結晶を使用するか、または、シングルパスの形態のように、lをそのままにして、図１８A、図１８Bに示すダブルパス形態によって同一位相遅延に対してVoを１/2にするか選択する。このプロセスによって、図１８Cに示すトリプルパス形態に対して電圧を１/3に減少することができる。
【００８８】
図１８Bは、ダブルパスＥＯ変調器１４０の別の態様を示す。この態様は、図１８Aに示す反射膜１５０を形成したZnSeウインドウ１５０の代わりにZnSeプリズムを使用する。ダブルパスは、１８０°位相遅延のために式（１）の1/2VoをEO結晶にかける必要があり、図１８Cに示すトリプルパスは、１/3Voをかける必要がある。なお、EO結晶のd/l比を一定に維持する。９０°位相遅延のためには、結晶１４２のダブルパスに対して１/４Vo、トリプルパスに対して１/6Voの電圧が必要である。
【００８９】
光部品TFP４０４およびRPR４１０を組み込んだ態様が、図１８A、図18B、図18Cに示されている。図１６A、図16Bの１/4λプレート４１２または他の偏光遅延デバイスが、RPRデバイス４１０の代わりに使用される。
【００９０】
自動ダウン遅延回路（パルス・テイル・クリッピング）
図１９は、図５または図１０のQスイッチレーザシステムの操作を示す。矩形の波形３４２は、図５および図１０のスイッチ回路２０６によってCdTeEO結晶にかかる高電圧パルスである。パルス形の波形３４４は、長いテール３４４aを示すレーザのQスイッチ出力パルスである。水平軸のスケールは、大区分で２５０ナノ秒である。両方の波形は、この図では帯域幅が限定されている。CdTeEO結晶１４２にかけられる高電圧パルス３４２のピーク電圧は２，７kWであり、その幅は約１．５マイクロ秒である。
【００９１】
この電圧がEO結晶１４２にかけられて約５００ナノ秒経過後、レーザアクションが始まる。結晶１４２にかかる電圧パルスに対して、ロングテールを備え２０kHzパルス繰り返し周波数（PRF）で、レーザのQスイッチ出力パルス３４４の平均出力は、１１０ナノ秒ワイドパルスに対して約１５Wである。これはパルス当たり６．８kWのピークパワーである（15W÷（１１０×１０−９sec×２×１０４Hz））。パルス当たりのエネルギーは約3/4ｍJである。パルス３４２は、ロングテール３４４aゆえに１マイクロ秒延伸している。
【００９２】
このテール３４４aは、かなりのエネルギーを含んでおり、短いレーザパルス使用の利点を回避して、小さい孔を穿孔またはマークする、または、ガラス容器または表面をエンコードするまたは紙、プラスチックに穿孔する、小さい孔を空ける。更に、ＥＯ変調器結晶１４２にかけられる高電圧３４４がゼロになるとき、レーザパルス３４４はクリップされ、または３４４bで先端が切り取られる。２０kHzで、テールがクリップされて、パルステールが生じない状態で、パルス当たりパルスエネルギー約０．５mJの１０Wの平均レーザ出力が、実験的に得られた。
【００９３】
図５および図１０のADDC306の主機能は、Qスイッチレーザパルスのロングテール３４４aを切り取って、ドリル等の材料処理へのQスイッチレーザパルスの適用が十分に実現できることである。これによって、ホールドリルのような処理間に材料を不必要に加熱することが回避される。テールをクリップしたQスイッチパルスを使用することは、これまでプリント回路基板のホールドリル等の産業上の材料処理に適用されていなかった。
【００９４】
図５および図１０に示すレーザシステムにおけるレーザパルス３４４のテールをクリップまたは切り取る１つの方法を図２０に示す。図２０は、図１９に示すデータに続く。EO結晶１４２に加えられる高電圧パルスの幅は、設定値に予め選択されるか調整されて、ロングテールQスイッチレーザパルス３４４の概ね所望の量のテールクリップが得られる。これは、スイッチ回路２０６がパルス３４２をオフにするとき達成される。高電圧パルス３４２のオフによって、レーザが低損失状態から高損失状態へと変換し、これによって、レーザの発振が停止する。高電圧パルス３４４の幅を予め選択または調整することによって、テールのクリップ量は予め所望の値に選択され、図２０に示す、半出力ポイントでのレーザ形およびパルス幅(LPW)が得られる。高電圧パルスの幅は、同時のスーパーパルスQスイッチレーザパルスの後端が切り取られて１００ナノ秒よりも短いパルスを生じる点まで減少することができる。
【００９５】
ある種の適用には、このパルス幅の事前選択または調整は適さない。その理由は、レーザ発振蓄積（ビルド）時間（BT）およびパルス立ち上がり時間(PRT)に変化がおきるからである。BTは、高電圧パルス３４４をEO結晶１４２に適用してレーザをハイロスステートからローロスステートに移行した後、同時放出から蓄積して、レーザが始まるのに必要な時間である。レーザパルス立ち上がり時間（PRT）およびレーザ蓄積時間(BT)は、主としてレーザ媒質内で起きる利得変化によって変化する。これは次の要因によって生じる。即ち、レーザの使用年月、レーザヘッド４００の温度変化、パルス繰り返しレートの変化、レーザフィードバックキャビティ４０６、４０８内における損失変化、加えられるRF電源７１６の大きさおよびＥＯ変調器１４０における変化によって生じるレーザビーム４０２の偏光における変化である。これらすべての要因によってレーザパルステールクリップの量の変化が生じ、特に、高電圧パルス幅を予め選択する方法においてこれらは生じる。なお、最大の変化は、レーザのパルス繰り返しレートの変化に伴って起きる。
【００９６】
テールクリップ（切り取り）の第２の方法を、図２１A、図２１Bに示す。このレーザパルステールクリップの方法によると、レーザ利得および/またはパルス繰り返しレートに伴うパルス長の変化を少なくできる。この方法は、産業上の材料処理への適用のための図５および図１０に示したレーザシステムにおいて使用することができる。
【００９７】
図２１AのADDCにおいて、図５に示すミラー４１４によって放出されたビーム４０２、または、図１０に示すFBM４０８は、パイロディテクター等の光検出器３０２によって検出される。検出器３０２からの出力電気信号３０４は、１またはそれ以上の直列プリ増幅器３１０への入力に使用される。プリ増幅器３１０からの出力信号３１２は、電圧コンパレータ３１４の１つの入力端子３１４aに使用される。可変DCバイアス３１８、３２０は、電圧コンパレータ３１４の他の入力端子３１４bに適用される。プリ増幅器３１０からのパルス信号３１２が予め選択された電圧バイアスレベル３２０を超えると、電圧コンパレータ３１４は、プログラマブルタイマー３２４に出力信号３１６を与える。
【００９８】
プログラマブルゲートアレーは、プログラマブルタイミングまたはタイマー３２４のカウント機能を行うように形成することができる。３２４aにおいて、レーザオペレータが手動でプログラマブルタイマー３２４の適切な時間遅延τpcを与えるように規定がなされており、それによって、レーザオペレータがQスイッチテール３４４aをどの程度切り取るかを選択することができる。選択された時間遅延τpcの後、プログラマブルタイマー３２４は、パルスレシーバ２０２または図５および図１０のスイッチ回路２０６に対して信号３０８を送信する。これによって、EO結晶１４２に適用される高電圧３４２をオフにして、レーザをローロスステートからハイロスステートに変換し、そして、レーザ活動を停止させる。
【００９９】
Qスイッチパルス３４４のテール３４４aをクリップするための信号３０８を発する手順の始まりは、図２０に示す高電圧パルス３４２の開始ではなく、Qスイッチパルスそのものの検出によって開始されるので、図２１Aに示す方法は、図２０に示すレーザ発振蓄積時間(BT)に過敏に反応しない。従って、レーザパルス幅(LPW)のより優れた制御が可能である。
【０１００】
図２１Bに示したように、Qスイッチパルス立ち上がり時間および/またはQスイッチパルス振幅は、説明の目的で示した３２６a、３２６b、３２６cのように変化するので、タイマー３２４がスタートする時間に幾分かの変化がある。これは、レーザパルス立ち上がり時間(PRT)に変化があるからである。上述したと同一理由によって、レーザパルス立ち上がり時間および振幅が変化する。この方法は、図２０に示す方法よりも、レーザパルス幅(LPW)における変化が小さい。
【０１０１】
図２１Aおよび図２１Bの方法によって得られるLPWが、適用しようとするものにとって依然として十分でない場合には、図２２Aおよび図２２Bに示す第３の方法がある。図２２Aにおいて、コンパレータ３１４は、Qスイッチパルスにおける予め選択された位置で、信号３１６を発する。予め選択されたパルスの位置の例は、パルス立ち上がり時間の５０％の位置、または、パルスのピーク位置である。図２２Aにおいて、検出器３０２は、Qスイッチパルス４０２cを検出するために使用される。検出器３０２の電気出力信号３０４は、直列プレ増幅器３１０の１またはそれ以上に与えられる。プレ増幅器３１０の出力信号３１２は、２つの信号３１２a、３１２bに分岐される。
【０１０２】
１つの信号３１２aは、時間遅延（τs）デバイス３４０aを伝搬して、示すように信号S1３３０を生じる。信号S1は図２２Bに３４０aで示すパルス波形を有している。約６０ナノ秒以下の時間遅延τsが、十分であることが判明した。他の信号３１２bは減衰器３３６を伝搬し、示すように信号S2３３８を生じる。信号S2は図２２Bに３４０bで示すパルス波形を有している。信号S1は、マイナスDCバイアス電圧３３４と共に、電圧コンパレータ３１４の１つの入力端子３１４aに適用される。信号S2は、コンパレータ３１４の他の入力端子に適用される。信号S1の値が信号S2（図２２Bの３４０c）と等しいとき、電圧コンパレータ３１４は、タイマー３２４に対して信号３１６を発する。
【０１０３】
３２４aにおける時間遅延τpcの後、プログラマブルタイマー３２４は、パルスレシーバ２０３または図５および図１０のスイッチ回路２０６に対して信号３０８を発して、図５および図１０のＥＯ変調器１４０に加えられる高電圧３４２をオフにする。ＥＯ変調器１４０に加えられる高電圧３４２をオフにすると、レーザキャビティはローロスステートからハイロスステートに移行し、それによって、レーザ活動を停止し、そして、Qスイッチレーザパルステール３４４aを切り取る。切り取られるテールの量は、レーザシステムのオペレータによって３２４aにおいてプログラマブルタイマー３２４に適用される時間τpcで決定される。図２３Bは、電圧コンパレータ３１４に適用される信号S1および信号S2の関係を示す。
【０１０４】
図２３Aおよび図２３Bは、図２２AのADDC３０６をそれぞれ使用するロングパルスおよびショートパルステール条件の下、図５に示すレーザから得た代表的なQスイッチパルス３４４を示す。データは帯域限定ではない。データは、図５および図１０のレーザハウジング１０２の出力で、HgCdTe検出器によって得られた。図２３Aはロングテールを含むベースラインでの約１．１マイクロ秒パルス長を示す。図２２Aのプログラマブルタイマーにおける遅延値τpcを減ずることによって、図２３Bに示すようにショートパルステール３４４bが得られる。この場合、ベースラインにおける全Qスイッチパルス幅は、約４５０ナノ秒である。パルスの半出力ポイントでのQスイッチパルス幅は、両方のケースにともに１００ナノ秒である。図２３Aおよび図２３Bにおけるデータは電気光学結晶１４２に適用される電圧３４２に対する２０kHzのPRFで得られたものである。
【０１０５】
EO結晶１４２を駆動するに必要な高電圧パルス回路と近接しているので、ADDC306のハウジングにおいて、高電磁干渉(EMI)防護が望ましい。EMI防護は、検出器３０２およびADDC回路３０６の残りを密閉された金属ハウジングおよびそのカバー内に装入し、カバーおよび電気コネクターと電気的に優れた接続を維持する。
【０１０６】
図２４Aおよび図２４Bは、金属ハウジング３４６内に配置されたADDC３０６の部品の状態を示す側面図および正面図である。図２４Aにおいて、符号番号３４８は、上部金属カバーであり、符号番号３５６は後部金属カバーである。これらは、カバー３４８、３５６およびハウジング３４６と間に（図示しない）優れた電気接続ガスケットを介してボルトで緊密に固定され、ハウジング３４６内に出入りするスプリアス電気信号を遮断する。符号３５０は、DC-DCコンバータであり、コントローラ１０４からのDC電圧をADDC３０６のすべての回路に供給する適切なDC電圧に変換する。DC-DCコンバータ３５０は、信号処理プリント回路基板３５２上に配置されている。
【０１０７】
このプリント回路基板３５２は、プログラマブルゲートアレーおよびプログラマブルタイマー３２４を含む関連部品を備えている。符号番号３５４は、レーザハウジング１０２へ出入りする電気信号を提供する電気コネクタである。ADDC３０６からのQスイッチレーザパルステールクリップ信号３０８は、EMI防護コネクタ３５４を通ってパルスレシーバ２０２に伝送される。符号番号３５８は、プリント回路基板であり、図２１Aおよび図２２Aに示すプレ増幅器３１０、時間遅延τs328、アッテネータ（減衰器）３３６、DCバイアス３３２電圧コンパレータ３１４回路を備えている。符号番号３６０は、底面高さ調整プレートである。符号番号３０２は、光検出器であり、図２１A図および図２２Aに示すパイロ電気検出器になる。
【０１０８】
符号番号３６４は、光拡散器であり、パイロ検出器３０２の均一な照明を確保する。符号番号３６４は、主ADDCハウジング３４６に嵌め込まれる別の光部品バレルハウジング３７２に装入される。光部品バレルハウジング３７２に装入されるものとして、アパーチャ３７０、光減衰器３６８およびビーム集光レンズ３６６がある。符号番号３６８、３４６および３６４は、必要なときのみ装入される。符号番号３７４は、SNC同軸コネクタであり、検出器３０２からの出力信号を提供し、ADDCアセンブリハウジング３４６の外からQスイッチレーザパルス３４４をモニターすることができる。
【０１０９】
高電圧EO結晶エレクトロニクス設計
図２５Aから図２５Dは、図５、１０、１１、１２および１３のEO結晶１４２のための高電圧スイッチ回路２０６の操作を示す図である。図２５Aから図２５Dは、EMO１４０の充電２１４をコマンドし、EOM140、即ちEOM140に適用される高電圧２１８を放電２１６する波形信号、および、その結果レーザから放出されるQスイッチパルス３４４の間の相対時間関係を示す。説明の目的で、高電圧スイッチ回路２０６の基本的操作を図２６に、図２５Aから図２５Dを相互参照する電気機械スイッチフォーマットで示す。図２５Aから図２５Dにおいて「ta」で示される時間の間、図５および図１０に示す高電圧スイッチ回路２０６によって適用される信号はない。
【０１１０】
従って、図２６において、充電スイッチ２２０および放電スイッチ２２２は何れも開放され、EOM140は充電されない（即ち、EOM１４０に電圧はかからない）。EOM１４０のキャパシタンスを充電する信号２１４を、図５および図１０に示すシステムコントローラ１０４によって提供するとき、図２６（b）に示す充電スイッチSc220は、時間「tb」で閉じられ、それによって、EOM１４０のキャパシタンスを、図５および図１０のHVスイッチ回路２０６から得られる完全に高電圧値まで充電する。約１００ナノ秒経過後、EOM１４０を充電する信号２１４は、時間「tc」でオフに切り替わる。図２６（c）に示す「tc」で、EOM１４０が完全に充電され、スイッチ２２０が開放される。そのときレーザは、ローキャビティロス状態にあり、レーザ発振が開始される。キャビティビルドアップ時間（即ち、図２５DのCBT）後、Qスイッチレーザパルス３４４が、図にしめすように、放出される。
【０１１１】
時間「td」で、図５、１０、２１A、または２２Aに示すADDC306からの信号３０８は、図２６(d)に「td」で示すように、スイッチ２２２を閉じることによって、EOMを放電する。約１００ナノ秒経過後、EOM１４０を放電する信号２１６がオフになり、スイッチ２２２が時間「te」で開放され、それによって、高電圧スイッチ２０６を図２６(e)に示すような状態のままにし、これは、時間「ta」の間の当初の状態と同一である。EOM１４０の放電は、上述したように（図２５Aから図２５D参照）Qスイッチパルス３４４のテール３４４aをクリップする。
【０１１２】
図２７は、図２６の状態を電子的に実行するのを説明する。高電圧パルススイッチ回路２０６は、図２１Aおよび図２２Aに示すADDC306と連係して作動し、ＥＯ変調器１４２を駆動するに必要な高電圧波形を生成し、Qスイッチレーザパルスを生じる。図５および図１０の高電圧パルス信号生成システム２００は、図２７に詳述している高電圧DC電源２０８、高電圧スイッチ回路２０６を備えている。HVスイッチ回路は、ＥＯ変調器１４０を充電するパルス信号２１４、または、ＥＯ変調器１４０を放電するADDCからのパルス信号２１６のいずれかを受ける。ＥＯ変調器１４０を充電するパルス信号２１４は、充電サイクルを開始し、これは、図２５Aから図２５Dの時間「tb」で示すように、高電圧をＥＯ変調器結晶１４０に適用する。ＥＯ変調器１４０を放電するパルス信号２１６は、放電サイクルを開始し、これは、図２５Aから図２５Dの時間「td」で示すように、ＥＯ変調器電圧をゼロに戻す。
【０１１３】
１０ナノ秒以下の速い高電圧パルス立ち上がり時間を生成するために、高電圧パルススイッチ２０６の設計は、寄生キャパシタンスおよびインダクタンスを最少にしながら、電気アークを避けるための必要な高電圧絶縁を与えるように細心の注意が必要である。更に、寄生キャパシタンスを減ずる結果、電源の消耗が小さくなり、それによって、熱管理の効果が上がり、そして、最終的に、高電圧スイッチ回路２０６の全体の大きさを小さくできる。
【０１１４】
EO結晶１４２を駆動する高電圧スイッチ回路２０６の好ましい特徴は、１）小さい寸法、高いPRFでの信頼性の高い高電圧作動、２）高速パルス立ち上がり時間のための低い寄生キャパシタンスおよび電源消耗の減少、３）低伝搬遅延であり、Qスイッチまたはキャビティダンプ作動が可能である、４）高電圧パルス振幅を変化させて光パルス振幅を調整する能力である。
【０１１５】
これらを達成するために、高電圧スイッチ回路２０６は、EO結晶１４２を充電・放電するための、図２７に示す複数の高電圧電源MOSFET２２４、２２６を使用して構成される。高電圧電源MOSFET２２４、２２６は、図２６に示す機械的スイッチ２２０、２２２の基本的機能を発揮する。MOSFET２２４、２２６の切り替えは、高作動速度およびなだれ高エネルギー性能のために選択される。高速特性は、高速高電圧パルスを生成するために使用され、後者の特徴は、信頼性の高い、容誤作動のために使用される。例えば、Philips  Electronics社のBUK４５６等のMOSFETが、このために適している。
【０１１６】
MOSFETスイッチ２２４の駆動は、ncワイドバンドパルス変圧器２２８の直列配置によって得られる。これらの変圧器２２８は、高電圧ワイヤおよび埋込用樹脂を使用してトロイダルフェライトコア２２８aの上に形成される。図２７は、複数ncステップダウンパルス変圧器２２８を示す。電流利得を得るために、２：１、３：１等のn:1比である。「充電」パルス信号２１４を、増幅器/制御回路２０６aを通ってパルス生成スイッチ回路２０６に供給すると、これら変圧器２２８は、ゲート(G)にプラス信号を、nc充電MOSFETの各々のソース（S）コネクタにマイナス信号を与える。これによって、高電圧DC電源２０８からドレイン(D)を通って、MOSFET２２４の各々のソース（S）に流れ、次いで、レジスタ２３２を通り、EO結晶１４２に流れる。
【０１１７】
回路２０６に使用される充電MOSFETスイッチ２２４の数は、EO結晶に適用される最大電圧に分岐される定格電圧と、高い信頼性を確保するファクタとによって決定される。４kVの電圧に対して、５から６のPhilips社のBUK４５６のMOSFETで十分であると思われる。充電パルス信号２１４がゼロになると、図２５Aから図２５Dおよび図２６の時間「tc」に示すように、MOSFET２２４はオフに切り替わり、ＥＯ変調器１４０は、信号２１６によって放電のコマンドを受けるまでそれ（チャージ）を維持する。
【０１１８】
「放電」パルス信号２１６を、増幅器/制御回路２０６aを通って高電圧生成スイッチ回路２０６に供給すると、パルス信号２１６が、nステップダウン変圧器２３０の各々に供給され、ゲート(G)およびnd放電MOSFETの各々のソース（S）コネクタ間の信号をオンにする。これによって、電流は、ＥＯ変調器１４２からnd放電MOSFETの各々を通って、図２５Aから図２５Dおよび図２６の時間「td」に示すように、グランドに放電される。放電信号２１６がゼロになると、MOSFET２２６は、オフに切り替わり、そして、スイッチ回路２０６の状態は、図２５Aから図２５Dおよび図２６の時間「te」に示すようになる。
【０１１９】
インピーダンス(Zn)２３４は、nc充電MOSFET２２４のそれぞれに接続されてMOSFET間に電気平衡を与える。各nc充電MOSFET２２４のインピーダンスの抵抗部分は、代表的には、各充電MOSFET２２４間のDC平衡のために１０メガオームである。充電MOSFET２２４のなだれ特性は問題であることを示し、各レジスタ間にキャパシタを使用することができる。各充電MOSFET２２４に必要なキャパシタは、異なる。キャパシタは、充電信号２１４のAC部分に対する平衡でもある。コスト面から、充電MOSFET２２４がなだれ問題に対して敏感でないように選択されると、キャパシタはなくてもよい。
【０１２０】
レジスタ２３６（代表的には、１５０キロオーム）は、サイクルのＥＯ変調器１４０放電部分間のDC平衡を確実にするために使用される。図２７の充電レジスタ２３２は、回路の充電および放電部分間の相互伝導問題を最小化するために機能する。
上に述べたのは、この高電圧スイッチ回路２０６の基本的な要素である。これら基本的な要素の変形は、従来の高速電子回路に熟知した人にとっては可能である。例えば、多数の第２次巻線を備えた単一変圧器を、図２７に示す個々のコアの代わりに、MOSFETを駆動するために使用することができる。より高速のパルス遷移を生成するために正帰還巻線を追加することができる。オプト−分離ゲートドライブの各種技術を適用することができる。不導電MOSFETのアクティブオフドライブを適用し、分離レジスタを最少にするか、除外することができる。電源消費量を少なくするために、共振充電技術を使用することができる。
【０１２１】
高電圧スイッチ回路２０６からの高電圧パルス出力は、Qスイッチレーザパルス３４４から所望の光出力を得るために変化させることができる。これは、高電圧電源２０８の出力電圧を、オープンまたはクローズ電気ループによって、変化させることによってできる。更に、ADDC回路は、出力光パルス幅における変形を拡大し、それによって、パルス−パルスにおけるパルスエネルギーの変形が可能である。
【０１２２】
図５および図１０に示すパルスレシーバ２０２、高電圧DC電源２０８および高電圧スイッチ回路２０６は、図２８に示すように金属ハウジング２３６内に内包される。EMIを考慮して、電磁気線がハウジングから漏れたり進入しないようにすることが必要である。符号番号２３８は、ハウジング２３６のカバーである。符号番号２４０および２４２は、高電圧スイッチ回路プリント回路基板のヒートシンクである。符号番号２０２は、パルスレシーバを含むプリント回路基板である。符号番号２４４は、フィルタキャパシタ、符号番号２４６はUltra volt Model  ４C24-60等の高電圧DC電源を含む筐体である。符号番号２５０は、入力/出力電気コネクタであり、符号番号２５２は、端部プレートである。
【０１２３】
自動ドリル停止（ASD）モジュール
Qスイッチレーザ、音響−光ゲートセル、ゲートまたはスーパーパルスレーザ、またはTEAレーザ等の繰り返しレーザパルスを使用するバイアホール（via hole）レーザドリルシステムへの魅力ある付加物は、自動ドリル（または処理）停止システムであり、レーザのドリル操作の停止を指示することができるシステムであり、ドリル処理が、銅または他の金属等の反射表面に到達したときに、処理を停止する。例えば、自動ドリル停止（ASD）(例えば、自動停止レーザ操作)システムは、レーザがプリント回路基板の誘電材料をドリルするとき、銅または他の金属から大きな反射率を使用することができる。
【０１２４】
反射ビームからの信号を検出することによって、レーザに信号を与えて、ワークピースのその位置におけるパルスを停止し、ワークピースの他の点にレーザビームが移動するとパルスを開始する。このような自動ドリル停止（ASD）システムは、時間の浪費をさけ、バイアホール(via hole)ドリルシステムの処理能力を増大する。図２９は、図１０のQスイッチレーザハウジング１０２に接続されるASDシステム５００の概略図である。このようなASDシステム５００は、更に、ワークピース５４８から反射したビームがレーザキャビティ４０６、４０８に入射して、キャビティ４０６、４０８内の光部品を損傷するのを防止することができる。
【０１２５】
図２９は、ASDシステムを実行する１つの方法を示す。更に、例として、パルス状のバイアホールドリルレーザが如何にしてワークピース５４８をドリルするかを示す。例として、プリント回路基板等のワークピース５４８は、４つの誘電層５３６、５４０、５４２、５４６、１つの開放された銅インターコネクト５３８、および、強い反射信号が検出される第２の銅インターコネクトを備えている。偏光パルスレーザビームは、RPR５０６および焦点レンズ５０８によって、ワークピースに指向される。
【０１２６】
パルスレーザは、第１誘電層５３６を貫通してドリルし、開放された銅インターコネクト５３８を通り、そして、誘電層５４０、５４２を貫通し、銅インターコネクトライン５４４で、レーザビーム４０２が停止する。銅インターコネクトライン５４４に達すると、バイアホール５５０から大量のレーザが、焦点レンズ５０８に向かって、更に、レーザキャビティに向かって反射される。ASDシステム５００は、反射ビームを使用して、自動的にレーザがこの位置でパルスを発生しつづけるのを停止する。新しい位置に移動し、パルスの再スタートを命令すると、レーザは再スタートし、再びドリル操作する。
【０１２７】
ASDシステム５００は、次のように機能する。Qスイッチレーザからのレーザパルス４０２が図２９の符号５６０で示すように、紙面において偏光する。レーザパルス４０２は、図５および図１０に示すレーザハウジング１０２の部分であるTFP１１４を通過する。TFP114は、紙面に直角に偏光したビーム５６０aを、損失無く通過させ、そして、ビームの他の偏光部分５６０bを反射する。TFP504に関しても同様なことが起きる。従って、TFP５０４を回転させることによって、ワークピース５４８に伝搬するレーザビームの減衰を変化させることができる。これは、手動の減衰調整モジュールが望まれるときに、レーザハウジング１０２に組み込まれる手動オプションである。
【０１２８】
その代わりに、後述するようにEO結晶１４２に加える電圧を調整してもよく、それは、閉ループフォーマットにおいて、または、図５および図１０に示す可変レジスタ２１２を手動で調整することによって行っても良い。２つのTFP１１４、５０４は、レーザヘッド４００からRPR５０６への直線的な配列を維持するために、図示するように（即ち、相互に傾斜させて）配置する。手動の減衰ビーム調整のオプションが選択されないとき、図２９においてTFP114のみが必要である。何れの場合も、TFP114および504は、ビームをRPR506、焦点レンズ５０８、次いで、ワークピース５４８に指向する。RPR５０６は、紙面に直角の偏光５６０aを、円形状の偏光ビーム５６０cに変換する。
【０１２９】
従って、ワークピース５４８において銅５４４で反射した円形状の偏光ビーム５６２aが、RPRによって再び反射されると、ビームは、紙面に平行な偏光のビーム５６２bに変換される。この偏光は、図示するように、TFPに反射され、パイロ電気検出器等の適切な検出器５１０によって検出される。RPRの使用によって、キャビティ内に反射するビームによってレーザキャビティ内の光部品が損傷しないように防護する。即ち、反射ビームの偏光を回転させて、TFP3(504)によって反射する。
【０１３０】
検出器５１０からの電気信号５１２は、プレ増幅器５１４に適用され、次いで、電圧コンパレータ５１６の１つの入力５１６aに適用される。可変DCバイアス５２０、５２２は、第２入力５１６bに適用される。間違った警告を避けるために、バイアス電圧５２２は、高い電圧に調節され、従って、電圧コンパレータ５１６は、金属反射によって生じる強い反射信号に基づいてのみ出力信号５２４を発し、誘電体からの弱い反射では反応しない。電圧コンパレータ５１６によって発せられる出力信号５２４が、バイアス電圧５２２より大きいとき、電圧コンパレータによって信号５２４が発せられる。
【０１３１】
電圧コンパレータ５２４からの電気信号は、システムコントローラ１０２に知らせ、「レーザパルス停止」命令がＥＯ変調器スイッチ回路２０６に送られる。これによって、システムコントローラ１０２は、レーザビームを他のスポットに移動し、ドリル操作を再開する。電圧コンパレータ５１６からの信号５２４は、インバータ５２６、次いで論理ANDゲート５３２に適用される。ANDゲート５３２は、ドリル停止信号５３４をパルスレシーバ２０２に与え、それによって、インバータ５２６からの信号５２８およびパルスレシーバ２０２からの命令パルスの両方がANDゲートに適用されると、電圧がEO結晶１４２に供給されないのを確実にする。
【０１３２】
図２９のASDシステム５００は次のように作動する。ドリル操作が第２銅インターコネクトライン５４４に達しないと、検出器５１０で検出される反射信号は非常に少ないか全くない。従って、コンパレータ５１６に与えられる入力信号５１２、コンパレータ５１６からの出力信号５２４（即ち、「論理低」でのコンパレータ５１６の出力５２４）は存在しない。しかし、ドリル操作が第２銅インターコネクトライン５４４に達しないと、レーザシステム１００は、ドリル（即ち、Qスイッチ）を続ける。レーザシステム１００がドリルを続けるためには、論理ANDゲート５３２への出力５２８が無ければいけない。従って、論理ANDゲート５３２は出力信号５３４を与えることができる。これは、インバータ５２６が信号５２８の論理低を論理高５２８に変換することによって、生じる。
【０１３３】
ANDゲート５３２は、信号５２８の論理高と信号５３０の論理高を論理的にANDし、ANDゲート５３２の出力５３４は、レーザシステム１００にドリルを続けるように指示する。ドリル操作が第２銅インタコネクトライン５４４に達すると、検出器５１０によって検出された大きな反射信号が存在する。その結果、プレ増幅器５１４を経てコンパレータ５１６に与えられる入力信号５１２が存在し、そして、コンパレータ５１６からの出力信号５２４は、その時点で論理高である。ドリル操作が第２銅インターコネクトライン５４４に達すると、電子命令は、レーザシステム１００に、ドリルの停止（即ち、Qスイッチを停止）を命ずる。レーザシステム１００がドリルを停止するためには、論理ANDゲート５３２の出力５３４は「論理低」でなければならない。このように、インバータ５２６は、論理高５２４を論理低５２８に変換する。ANDゲート５３２は、信号５２８の論理低と信号５３０の論理高を論理的にANDし、そして、ANDゲート５３２からの出力５３４が欠けているので、パルスレシーバには信号が存在しない。従って、EO結晶１４２には電圧が供給されず、レーザシステム１００にドリルを停止するように指示する。
【０１３４】
同時スーパーパルスおよびQスイッチレーザ操作
図３０AのパルスフォーマットＩおよびIIは、各種CO2レーザパルス技術をまとめたもので、現在材料をドリルしたり、穿孔したりするために使用されている。即ち、操作の振幅変調CWオペレーション(Ｉ)モード、または、スーパーパルス（II）モードである。図３０AのパルスフォーマットIIIからIVは、この発明に開示された短パルス、高ピークパワーアプローチ、即ち、Qスイッチ、並びに、同時スーパーパルスおよびQスイッチ操作を示す。CO2レーザパルス当たり、短、高ピークパワー、高繰り返し率、低エネルギーから得られる利点は、次の事実によっていることが十分認識されている。即ち、レーザパルスが短くなるにつれて、より清浄な孔が得られ、そして、材料に最小限の熱影響を与えながらドリル処理が効果的に行われる。パルス当たりのエネルギーが低くても、Qスイッチによって高いパルス繰り返しが得られ、そして、キャビティダンプ技術がドリル処理速度を高める。従って、図３０AにおけるパルスフォーマットIVは、IIIよりも、バイアホールをドリルすることにおいて優れており、そして、IIIはIIよりも優れており、IIはＩよりも優れている。
【０１３５】
Qスイッチアプローチが約０．１μ秒から数μ秒のパルス幅を与えるパルスフォーマットIVおよびIIIは、パルスフォーマットIIよりも優れている。パルスフォーマットIIの高繰り返し率ゲイン・スイッチアプローチは、１から１０マイクロ秒のパルス幅を生じる。パルスフォーマットIIはパルスフォーマットＩよりも優れている。パルス・ゲート・フォーマットＩは、正常なレーザパルス条件である。これは、CWに対して数マイクロ秒持続するパルスを生じる。短パルスに伴うパルス当たりエネルギーが小さい不利点は、広い幅のパルスに対するパルス当たり高エネルギーに比べて、短パルスの高繰り返し率および高ピークパワーによって補うことができる。即ち、レーザパルスによってドリルされるバイアホールから材料が駆逐される。これらのパラメータは、境界がくっきりとし、小径、および、よりスムーズなバイアまたは穿孔をもたらす。図３０Aに示すフォーマットの何れを選ぶかは、レーザのコスト、ドリル処理の速度およびドリルされた孔の質を総合的に判断してきまる。
【０１３６】
図３０Aは、同時スーパーパルスおよびQスイッチモード、ならびに、同時スーパーパルス、Qスイッチキャビティダンプモードでレーザを操作して実現した高ピークパワーの利点を示す。利点は、符号番号７１６で示すレーザヘッド４００への同一平均RFパワー６０６に対して、高ピークパワー、パルス当たり高エネルギー、および、速いレーザパルス立ち上がり時間出力を含む。スーパーパルスモードにおける高いRF駆動パワーによって、更に、CO2レーザが高いガス圧で作動することができ、非スーパーパルス操作間に、出力パルス当たり高エネルギーを生じる。
【０１３７】
図３０Bは、同時スーパーパルスおよびQスイッチ波形の繰り返しパルス操作を示す図である。特に、図３０Bは、CO2利得媒質７２６（図５および図１０における７１６）に適用されるRFピークパワーパルス（PRFP）、EO結晶１４２に適用される高電圧パルス６０４、レーザ利得媒質７２６および結果としてのQスイッチレーザ出力パルス３４４に適用可能な最大平均RFパワー（即ち、持続波高周波パワー(PRFCW)）、および、使用率約５０％での、これらのそれぞれのタイミング関係を示す。この例では、CO2レーザ放電（利得媒質７２６）を励起するスーパーRFパルス６０２当たり、１つのQスイッチパルス３４４が生じる。
【０１３８】
レーザドリルシステムオペレータは、レーザのスーパー繰り返し周波数PRF、および、使用率nを決定する。図３０Bは、RFパルス（PRFP）６０２のピークパワーが電源（PRFCW）６０６の平均RFパワー能力の約２倍である条件を示す。これは使用率５０％で代表的な例である。EO結晶１４２に適用される高電圧は、図１６A
から図１７B、図５および図１０に示した９０°偏光回転を与えるように選択する。
レーザ媒質における反転分布が最適時間（上部レーザレベルの約１から２分布減衰時間τdである）に対して上昇するために、高電圧６０４は、スーパーパルスRFがオンになった後、PBT時間が経過後EO結晶１４２に適用される。
【０１３９】
この時間は、図３０Bにおいて、分布ビルドアップ時間(PBT)として示されている。高電圧６０４は、レーザキャビティ４０６、４０８をハイロスステートからローロスステートにスイッチさせて、レーザ活動を生じさせる。その結果が、図３０BにCBTとして示すキャビティビルドアップタイムの後、レーザによって放出されるビームのQスイッチレーザ「スパイク」である。システムオペレータは、結晶１４２に適用される、RFスーパーポンピングパルス６０２の開始と、HVパルス６０４の開始との間の遅延時間PBTを決定する。これは、この情報を図４に示すキーボードを通ってシステムコントローラに入力することによって行われ、RS422パルスレシーバ２０２および高電圧スイッチ２０６に好ましい電気信号を与える。
【０１４０】
図３０Bにおいて、TRFはスーパーパルスRFパワー（PRFP）のパルス幅であり、THVはEOM結晶１４２に適用される高電圧６０４のパルス幅であり、そして、TPRPはスーパーパルス繰り返し周期である。使用率はTRF/TPRPで定義され、スーパーパルス繰り返し周波数はPRF=1/TPRPで定義される。レーザビームが、ミリセカンドオーダで１つの処理位置（即ち、バイア）から他の処理位置へ移動すると、スーパーパルスオペレーションがより低い使用率で遂行される。低い使用率によって、高いRF電源（即ち、図３０Bの６０４）を、スーパーパルス操作間に折り曲げ導波路内でのレーザ放電に適用することができ、そして、高いガス圧を利得媒質内で使用することができる。これらの変化の結果、高パルスエネルギーが得られる。一般的に、ガスレーザ放電に適用される電源PRFP量は、概ねPRFCW/使用率と等しくすることができる。例として、使用率１/6に対して電源PRFPは６×以下が可能である。これによって、図３０Bに示す操作において、Qスイッチパルス当たり高いピーク電源およびエネルギーを得ることができる。低使用率スーパーパルスおよびQスイッチ操作は、単一スーパーRF励起パルス602持続期間TRFに、単一Qスイッチパルス操作または多Qスイッチパルス操作において実行することができる。
【０１４１】
利得媒質７２６の１つのスーパーRFパルス励起間、低スーパーパルス使用率、同時スーパーパルスおよび繰り返しQスイッチレーザを図３１に示す。代表的に、パルス励起使用率０．１４から０．１７、PRFP＝４kWから５kWおよびTRF＝５０μ秒に対して得られるパラメータは、単一Qスイッチレーザパルスに対して２０kWから２５kWピーク電源、パルス当たり７から８mJエネルギーである。PRFP＝４kWから５kW、TRF＝１００μ秒、および、励起時間TRF＝１００μ秒間に１０Qスイッチパルスに対して、１０パルスに対する平均エネルギーは、３０mJである。この出力性能は、１/ TPRPに等しい繰り返し周波数で、繰り返される。これらの結果は、図５または図１０に示すレーザシステムによって得られる。CO2レーザヘッド４００のためのNV折り曲げ導波路８０６は、連続操作において、通常１００W出力レーザとして規定される。
【０１４２】
Qスイッチパルス３４４のテール３４４aが図２３Bに示すようにクリップされるとき、図２３Aのパルスロングテール３４４aに通常現れるエネルギーは、レーザ放電利得媒質７２６から引き出されない。従って、このエネルギーは保存され、繰り返しQスイッチ操作に続く、将来のQスイッチパルス３４４における引き出しのために使用可能である。図２３Bのテールクリップパルス幅（即ち、パルスの基部で３１０ナノ秒の広さ）およびTRF＝１００μ秒で、キャビティビルドアップ時間５００ナノ秒と推定すると、Qスイッチパルス列間のインタバル時間８１０ナノ秒のとき、１２３のQスイッチパルスが繰り返し得られる（即ち、１００×１０−６/８１０×１０−９＝１２３）。
スーパーパルス励起間のこのような繰り返しQスイッチパルス列から得られる出力エネルギーは、最も難しい、グラスファイバを含浸させたプラスチック材のドリルに十分である。
【０１４３】
図３１は、例えば、PRFP＝７×PRFCWおよび持続期間TRFのRFパルス励起６０２、TRF間の４つの繰り返しQスイッチパルス３４４によるレーザ放電７２６の駆動の場合に生じる操作の結果を示す。PRFPRFパルス電源の下、放電７２６の上部レーザレベルを満たすに必要な分布ビルドアップタイム(PBT)の経過後、高電圧がEOM結晶１４２に適用され、それによって、レーザキャビティ４０６、４０８を、ハイロスステートからローロスステートに変換する。これによって、レーザアクションが始まり、キャビティビルドアップタイム(CBT)の経過後、Qスイッチレーザパルス３４４は急激にピーク値に上昇し、そして、次いで、長いパルステール３４４aのローレベルに降下する。
【０１４４】
ロングパルステール３４４aは、それが許されれば、レーザの持続波出力パワーレベルに等しい値に衰退する。持続時間THV経過後、EOM結晶１４２に適用される高電圧パルス６０４は、オフに切り替えられ、それによって、レーザキャビティ４０６、４０８を、ローロスステートからハイロスステートに変換する。これによって、レーザアクションは停止して、Qスイッチレーザパルス３４４のテール３４４aをクリップする。レーザパルス３４４からテール３４４aをクリップすることによって、上部レーザレベルのディ分布が停止し、その結果、放電７２６のRFスーパーパルス励起６０２のもとに、上部レーザレベルの分布が再度開始される。
【０１４５】
図３２は、約６０μ秒の持続時間を有するレーザ放電の１つのスーパーパルス間における１００kHzでの４つのQスイッチパルスを示す。
パルス列エンベロープ内に含まれた繰り返し短パルスからなるレーザパルス列は、単一ロングパルスに比べて、材料ドリルにおいて優れている（Steve Maynard, Structured Pulses: Advantages in Percussion Drilling; Convergent Prima Newsletter, The Laser’s Edge, Vol. 11, Winter 2000, pg. 1-4を引用してここに組み込む）。このような構造化パルス列は、レーザパルス列の始めから終わりにかけてパルス振幅が連続的に増大するとき、高速ドリル、優れたホールテーパコントロール、優れた砕片コントロールを達成し、そして、ドリル処理の微細なチュウニングが可能であることが知られている。レーザを繰り返しQスイッチすると、ホールドリルの適用に好ましいパルス列になる（２つの繰り返しパルス列の例として、図３０A、３０Bおよび３１参照）。図３０Aにその他の例を示す。それらは、CWRFポンプまたはゲートパルス列（I）、スーパーRFパルスポンプパルス列（II）、CWポンプQスイッチパルス列（III）、およびスーパーRFパルスポンプQスイッチパルス列（IV）である。
【０１４６】
EOM結晶１４２に適用する高電圧６０４の振幅を変化させることによって、便利で非機械的な、即ち、速い、個々のQスイッチパルスの振幅変化を得ることができる（図３３）。このためには、図５または図１０の高電圧供給電源２０８の電圧出力を電子的に制御する必要がある。この点については後述する。
ホールのドリルを開始する第１のQスイッチレーザパルスは、最後のQスイッチレーザパルスほどはエネルギーはいらない。その理由は、最後のQスイッチレーザパルスは、材料の中をより深くドリルするからである。孔から材料を取り出すのに更に大きなエネルギーが必要であるので、材料の中を深くドリルするには大きなパルスエネルギーが必要である。パルス列が進むにつれて連続的にレーザエネルギーを増大することによって、表面の砕片はよりよくコントロールされ、孔の過度なテーパリングを回避することができる。構造化パルス列によってドリルすることによって、パルス当たり低いエネルギーでドリルを始めることができ、孔のラッパ口が小さくまたはほとんど無く、そして、砕片飛散が最少である。材料の表面下に進むと、パルスのエネルギーは、図３３に示すように、増加し、ドリル処理は最少テーパで続く。
【０１４７】
図３３は、順次増加するレーザピーク電源を有する同時RFゲートスーパーパルスおよび繰り返しQスイッチパルス列の間の現象を示す。図３６は、この操作モードにおけるQスイッチレーザ操作の実験データを示す。
レーザの出力パワーを調節する他の１つ方法は、その中心軸のまわりに図２９のTEP504を回転させる手段を与え、その結果、レーザハウジングから出る偏光レーザビームの量を変化させる。この機械的調節は緩やかであり、非常に遅いパルス繰り返し速度を除き、ピークパワーをパルス毎に調節することはない。
【０１４８】
個々のQスイッチパルスピークパワーの出力制御
EO結晶１４２に適用する電圧を変化させることによって、レーザ出力パルス３４４のピークパワーまたは振幅を変化させることができ、その結果、レーザキャビティ４０６、４０８内でビームの９０°偏光回転をさせることはない。高電圧供給電源（HVPS）に信号を与えて、EOM結晶１４２に適用する高電圧スイッチに供給する電圧を低下させることによって、EO結晶１４２に適用する電圧６０４を変化させることができる。これによって、パルス毎のQスイッチピークパワーにおける、速い、所定の変形が得られる。
【０１４９】
レーザからの出力光パワーは、相対的に敏感なレーザキャビティ内損失の関数である。従って、キャビティ内損失を調節する方法を使用することによって、ユーザは、処理要求に応答してレーザ出力パワーを変化させる。Qスイッチレーザは、EOM140等の内部可変光損失モジュレータを使用するので、この任務を達成する１つの方法は、電気光学的モジュレータ１４０に適用される高電圧パルスの振幅を制御することである。レーザ出力のパルス振幅を変化させる１つの方法は、図３４に示す低電圧DC−AC-高電圧DC電源コンバータ供給電源２６６の出力を調節することである。これは、図５および図１０のHVスイッチ回路２０６によってEOM結晶１４２を駆動する。このアプローチにおいて、図４に示すレーザ材料処理システムのオペレータは、低電圧DCセットポイントコマンド２６０を供給電源コントローラ２６２に供給し、これによって、パワーコンバータ２６６の高電圧出力２６４を、電圧デバイダ２７０によって出力電圧２６４とユーザが供給したセットポイントの間の差を最小にするように調節する。これを、図３４のブロック図に示す。
【０１５０】
パワーコンバータ２６６は線形調整器、スイッチ調整器、または、ハイブリッドでもよいことに留意すべきである。更に、非安定周波数変換ステージを使用する場合には、ユーザセットポイント２６０は、パワーコンバータに供給する入力供給電圧２６８を調節に使用することができる。このアプローチは、パワーコンバータ２６６を、ユーザ供給セットポイントコマンド２６０に応答して調節するので、応答時間は相対的に遅く、例えば、１０kHz以下である。パワーコンバータ２６６、電源供給コントローラ２６２および電圧デバイダネットワーク２７０は、図５および図１０の高電圧電源（HVPS）２０８からなっている。
【０１５１】
パワーコンバータ２６６からの高電圧出力２６４は、図５および図１０の高電圧スイッチ回路に適用され、EOMモジュレータ１４０の高電圧信号１７８を、図５および図１０で説明したようにオン・オフに切り替える。図３４に示す電子機器の操作によって、図３３で例示したように、パルス列内で各パルスのQスイッチパルス６０４a振幅を変化させることができる。
【０１５２】
音響光学的セルによる列内での個々のQスイッチパルスの出力の制御
図３１および図３３におけるパルス列６０４６０４a内において、個々のQスイッチレーザパルス３４４の振幅を変化させる別の方法は、図５および図１０のレーザキャビティ４０６、４０８の外側に位置する光損失モジュレータを使用し、レーザによってドリルされた孔のテーパを少なくする。図３５は音響−光セル２７２の使用による方法を示す。
【０１５３】
レーザによって発せられたQスイッチパルス列３４４は、音響−光(AO)セル２７２を通って送られる。ゲルマニウム（Ge）は、CO2レーザビームのための良好なAOセル材料である。しかし、ＥＯ変調器と比べると高い光損失および遅いスイッチ時間は、産業上の適用において使用されるCO2レーザにおけるキャビティ内損失モジュレーションとしての使用は推奨できない。AOセル２７２に適用されるRF信号２７４aを変化させることによって、Ge材料内で発生する光フェーズグレーティング２７６の強さを変化させる。
【０１５４】
このような光フェーズグレーティング２７６は、Ge材料を通って伝搬する超音波によって生じることは知られている。光フェーズグレーティングは、AOセル２７２を通って伝搬するレーザビーム４０２からブラッグ角ψでレーザビーム２７８を回折する。ブラッグ角ψは、公知のように、レーザ波長の超音波波長に対する比で決定される。AOセル２７２に適用されるRFパワー２７４aが高いほど、レーザビーム４０２から回折されるビーム量が大きくなり、音響的に可変の光フェーズグレーティング２７６のサイドオーダにドリルを行う。この結果、Qスイッチパルス３４４cの時間と共に、時間t1,t2,t3t4に示すように、次第に大きな振幅になる。回折したレーザビームは、光アブソーバまたはストップ２８０上に方向転換する。
【０１５５】
AOセル２７２に適用されるRFパワー２７４aを所定のパワーレベルに同期させて、AOセル２７２を通って伝搬する所定のQスイッチレーザパルス３４４の２７６aへの到達と一致させることによって、各レーザパルス３４４の振幅を所望のレベルに変化させることができる。レーザビーム４０２がAOセル２７２を通るポイント２７６aに音響ビームが進むに必要な時間遅延t0があるので、パルスレシーバ２０２に適用される信号１０６に見合う遅延を導入して、図３５に示すように、レーザパルス列３４４と、AOセル２７２に適用されるRFパワー２７４aとの間の同期を得る。
【０１５６】
これによって、t1−t2−t3−t4と時間が経過するに従って、Qスイッチパルス列３４４cの振幅が増大する。AOセル２７２に適用されるRFパワーのエンベロープは図３５における符号番号２８２に示す。示したように、時間t1では、RFパワーのエンベロープ２８２は相対的に高く、それによって、時間t1での対応するレーザ出力パルス３４４cは相対的に小さい。その理由は、音響波がAOセルにおけるレーザパルスと交差するとき、RFパワーによって生じる音響波によってレーザパルスから大きく回折するからである。しかし、RFエンベロープ２８２の大きさが時間t1,t2,t3,t4と小さくなるので、Qスイッチパルス列３４４cの対応する大きさがそれぞれ増大する。その理由は、RFパワーエンベロープ２８２の減少によって生じる低い振幅の音響波によって引き起こされる回折が小さいからである。
【０１５７】
放電を励起するRFスーパーパルスとEOMに適用される高電圧の間のタイミングの制御による個々のQスイッチパルスピークパワーの制御
図３３および図３５の上部に示すようにレーザ出力パルス３４４における可変ピークパワーを得る他の１つの方法は、レーザを励起する入力パワー６０２（図３１および３３）をオンにした後、時間TPBTで、レーザ媒質７２６の利得が最大値まで増加し始めるという事実を使用する。従って、レーザを励起する入力パワー６０２の始動と、そして、ミラー４０６、４０８からなるレーザキャビティをハイロスステートからローロスステート（即ち、Qスイッチの場合）へのスイッチとの間のタイミングは、放出されるレーザパルスのピークパワーを変化させる。
レーザを励起するエネルギーの始動と、レーザキャビティ４０６、４０８をハイロスステートからローロスステートへのスイッチとの間の時間が短いと、レーザ媒質の利得はピークにはならない。
【０１５８】
従って、放出される第１のパルスはピークパワーほど大きくはない。レーザによってQスイッチパルスが放出された後、媒質の利得はキャビティロス条件のCW発振を維持するために必要な値まで降下する。キャビティ４０６、４０８がハイロス条件にスイッチされると、レーザ媒質７２６の利得がビルドアップ（累加）を開始する。利得の累加は第１のQスイッチパルスの場合よりも大きな分布レベルで始まるので、第１のレーザパルスが放出されるときのレーザ利得を超えるに必要な時間は、短くなる。
【０１５９】
第１のQスイッチパルスが放出されたときよりも高い利得で、ハイロス条件からローロス条件にスイッチすると、第２の放出レーザパルスは第１のパルスよりもピークパワーが高い。これらの現象は、多数のQスイッチレーザパルスに対して続き、それによって、最大利得条件に達するまで、順次続くパルスのピークパワーが増大する。レーザから放出されるパルスの数は、ポンピングの強さ、レーザの利得閾値、Qスイッチパルス間の所望の時間間隔、レーザのガス圧、レーザ設計の冷却能力、および、レーザのRFスーパーパルス６０２のポンピング開始と、レーザキャビティのハイロスステートからローロスステートへの切り替えとの間の時間遅延の大きさによって決定される。
【０１６０】
図３６は、図３２のRFスーパーパルス６０２が６０μ秒から約４８μ秒に短縮され、パルス間の時間間隔が約１０μ秒に維持され、高キャビティ損失から低キャビティ損失条件への切り替え時間が短縮され、第１のQスイッチパルスが図３６に示すように約１４μ秒放出されるときの結果を示す。これらの条件下では、連続する各パルスの振幅が増大する４つのQスイッチパルスが得られる。この方法が、図３３および３５に示す方法よりも優れている点は、簡単なこととコストである。
【０１６１】
例えば、RFポンピングスーパーパルス６０２が７２μ秒に増大し、パルス間の時間間隔およびRFスーパーパルスポンピングプロセスの開始後、ハイロスからローロスへの光共振器スイッチの開始を基本的に同一にすると、出力パルス３４４の数が６パルスに増加するが、最後の２つのパルスのピークパワーは、レーザガスの加熱（図３７参照）によって減少する。そのような結果は、ホールドリル操作においては、一般的に好ましくない。パルス間の時間間隔は、次のパルスが材料上に到達する前に材料を孔から取り除くための最適の時間に基づいて選択される。図３３および図３５の方法は、自由の余地が大きく、従って、放出されるレーザパルス間の時間間隔の最適化を簡単にし、そして、レーザパルスのピークパワーを独立して制御することができる。しかし、図３６の方法で満足の場合には、レーザ実行コストが低くなる。
【０１６２】
提示したコンセプトは、CO2Qスイッチレーザに関して記述したが、基本概念は、Qスイッチ/キャビティダンプCO2レーザおよび他のレーザ、例えば、半導体ダイオードポンプ、またはYAGレーザ等のフラッシュランプポンプ固体状態レーザに適用することができる。
好ましい実施態様を示し説明したが、これらに対する各種改良および置き換えは、この発明の範囲および精神から離れることなく行うことができる。従って、この発明は、説明のために記載されたものであって、これらに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１６３】
この発明の方法によると、CO2Qスイッチレーザの他、Qスイッチ/キャビティダンプCO2レーザおよび他のレーザ、例えば、半導体ダイオードポンプ、またはYAGレーザ等のフラッシュランプポンプ固体状態レーザに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１６４】
【図１】レーザ源に対する波長の関数としての異なる金属の吸収率の比較を示すグラフである。
【図２Ａ】繰り返しパルスQスイッチレーザにおけるキャビティロス、利得およびレーザ出力パルスを示すグラフである。
【図２Ｂ】QスイッチCO2レーザへの連続波高周波パワー入力、および、Qスイッチを実行するための電気光学変調器に送られる高電圧信号を示すグラフである。
【図３】一般化されたレーザ材料ワークシステムのブロック図である。
【図４】一般化されたQスイッチレーザ材料ワークシステムのブロック図である。
【図５】材料処理のためのQスイッチCO2レーザシステムの第１のダイアグラムである。
【図６】図５に使用されるRFフェーズマッチングネットワークのための、熱交換機、ミラーホルダおよびハウジングを備えたレーザヘッドを示す同寸法図である。
【図７】各種レーザ波長でのCO2レーザの出力パワーを示すグラフである。
【図８】図５，６および１０において使用される波長の関数としてのCO2レーザのための出力カプリングミラーの透過をしめすグラフである。
【図９】図５，６および１０において使用される波長の関数としてのCO2レーザのためのターニングミラーの透過をしめすグラフである。
【図１０】ストップドリルオプションを示す材料処理のためのQスイッチCO2レーザシステムの第２のダイアグラムである。
【図１１】図５および図１０の高光ダメージ閾値EOMの第１の側断面図である。
【図１２】EOM結晶に如何に応力を加えないようにするかを図１１よりも詳細に示したEOMの横断面図である。
【図１３】図１２のEOMの横断面図である。
【図１４】一定電圧の下、X軸において偏光されたレーザビームを受けるEO結晶の配置を示す図である。
【図１５】EO結晶の面上の位置の関数としての、図１４のEO結晶を通るレーザビームにおける光フェーズシフトにおける変形を示す。
【図１６Ａ】レーザキャビティ内で高光損失状態となる、電圧がかからないレーザキャビティ内のEOMを示す第１のダイアグラムである。
【図１６Ｂ】レーザキャビティ内で低光損失状態となる、非ゼロ電圧がかかるレーザキャビティ内のEOMを示す第１のダイアグラムである。
【図１７Ａ】レーザキャビティ内で高光損失状態となる、電圧がかからないレーザキャビティ内のEOMを示す第２のダイアグラムである。
【図１７Ｂ】レーザキャビティ内で低光損失状態となる、非ゼロ電圧がかかるレーザキャビティ内のEOMを示す第２のダイアグラムである。
【図１８】図１８A、１８B、１８Cは、図１６Aから図１７BのEOMのマルチパス形態を示す図である。
【図１９】QスイッチレーザにおけるEO結晶に適用される高電圧パルスおよびレーザの出力パルスのオッシロスコープのトレースを示す第１のグラフである。
【図２０】QスイッチレーザのEO結晶に適用される高電圧パルスと、レーザ出力パルスの時間的相関関係を示すグラフである。
【図２１Ａ】Qスイッチレーザにおける出力パルスの部分を切り取る電子回路を示す第１のダイアグラムである。
【図２１Ｂ】CO2Qスイッチレーザにおける立ち上がり時間および出力パルスの振幅における変形の関数としての図２１Aに示す回路の出力のトリガリングの変形を示すグラフである。
【図２２Ａ】Qスイッチレーザにおける出力パルスの部分を切り取る電子回路を示す第２のダイアグラムである。
【図２２Ｂ】CO2Qスイッチレーザにおける出力パルスの時間遅延および減衰の関数としての図２２Aに示す回路の出力のトリガリングの変形を示すグラフである。
【図２３Ａ】ロングテールを備えたQスイッチレーザの出力パルスのオッシロスコープのトレースを示すグラフである。
【図２３Ｂ】切り取られたテールを備えたQスイッチレーザの出力パルスのオッシロスコープのトレースを示すグラフである。
【図２４Ａ】図２１Aおよび２１Bのハウジングおよび電子回路の配置を示す図である。
【図２４Ｂ】図２１Aおよび２１Bのハウジングおよび電子回路の配置を示す図である。
【図２５】（Ａ）から（Ｄは、充電および放電信号の相対タイミング、EOMに適用される高電圧信号およびその結果としてのQスイッチレーザの出力パルスを示すグラフである。
【図２６】QスイッチレーザにおけるEOMのためのスイッチ回路処理を説明するための、EOMを充電および放電する機械的スイッチの位置を使用して、図２５に対応する電気的に均等のダイアグラムである。
【図２７】図２６におけるスイッチ回路のより詳細な電気ダイアグラムである。
【図２８】図２７におけるハウジングおよびスイッチ回路の要素のアセンブリの配置を示す図である。
【図２９】ブラインドバイアホールのドリルに使用するQスイッチレーザのための自動レーザ停止回路を示すダイアグラムである。
【図３０Ａ】各種モジュレーション技術に対する相対レーザ出力パワーを示す図であり、フォーマットＩは、CWパルス、ゲートモジュレーション、フォーマットIIは、スーパーパルス用、フォーマットIIIは、テールをクリップしたQスイッチ用、フォーマットIVは、テールをクリップしたスーパーパルスQスイッチ用、フォーマットＶは、Qスイッチキャビティダンプ用、フォーマットVIは、スーパーパルスQスイッチキャビティダンプ用である。
【図３０Ｂ】スーパーパルスRFポンプパワーのレーザ利得媒質への適用、および、同時スーパーパルスダンプおよびQスイッチレーザにおいてEO結晶に適用される単一パルスの適用の相対タイミングを示すグラフである。
【図３１】スーパーパルスRFポンプパワーのレーザ利得媒質への適用、および、同時スーパーパルスダンプおよび繰り返しQスイッチレーザにおいてEO結晶に適用される繰り返しパルスの適用の相対タイミングを示すグラフである。
【図３２】スーパーパルスRFポンプパワーのレーザ利得媒質への適用の実験結果、および、出力を図３１に示した同時スーパーパルスダンプおよびQスイッチレーザにおいてEO結晶に適用される繰り返し電気パルスから得られた繰り返しQスイッチレーザ出力レーザパルスのオッシロスコープトレースを示すグラフである。
【図３３】スーパーパルスRFポンプパワーのレーザ利得媒質への適用、および、振幅が増大する同時スーパーパルスダンプおよび繰り返しQスイッチレーザにおいてEO結晶に適用される繰り返しパルスの振幅の増大の適用の相対タイミングを示すグラフである。
【図３４】Qスイッチレーザのピーク出力パルスパワーを制御するための、図５および１０に示すEOMに適用される高電圧を制御する電子回路のブロック図である。
【図３５】QスイッチCO2レーザパルスの出力ピークパワーを制御するための音響−光システムのブロック図である。
【図３６】振幅の増大するQスイッチ出力パルスを備えた同時スーパーパルスRFパルスポンプおよびQスイッチCO2レーザの実験結果のオッシロスコープのトレースを示す第１のグラフである。
【図３７】変化する繰り返しQスイッチ出力パルスを示す同時スーパーパルスRFパルスポンプおよびQスイッチCO2レーザの実験結果のオッシロスコープのトレースを示す第２のグラフである。
【符号の説明】
【０１６５】
１００  レーザアセンブリ
１０２  レーザハウジング
１０４  レーザヘッド電源制御ユニット
１０６  パルス信号
１１２  光シャッタ
２０２  パルスレシーバ
２０６  パルススイッチ回路
２０８  高電圧電源
１４０  電気光学変調器（ＥＯＭ）
４００  ＣＯ２レーザヘッド
４０４  薄膜偏光子（ＴＦＰ）
４０６  出力カプリングミラー
４１４  ターニングミラー
３０２  検出器
３０４  電気信号
３０６  ＡＤＤＣ
８０６  マルチパスジグザグ折り返し導波路
【図１】
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【図３２】
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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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４Ａ】
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【図２５】
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【図２７】
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【図２９】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３１】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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