特許 7289323 高ピークパワーレーザパルス生成方法および高ピークパワーレーザパルス生成システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-06-01

(45)【発行日】2023-06-09

(54)【発明の名称】高ピークパワーレーザパルス生成方法および高ピークパワーレーザパルス生成システム

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/10 20060101AFI20230602BHJP

【ＦＩ】

H01S3/10 Z

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2020568267

(86)(22)【出願日】2019-05-31

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-09-27

(86)【国際出願番号】 EP2019064225

(87)【国際公開番号】W WO2019233900

(87)【国際公開日】2019-12-12

【審査請求日】2022-03-04

(31)【優先権主張番号】1854860

(32)【優先日】2018-06-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】304032424

【氏名又は名称】イマジン・オプチック

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(72)【発明者】

【氏名】ゴージュ、ギョーム

(72)【発明者】

【氏名】アイェブ、アダム

(72)【発明者】

【氏名】レベック、ザビエル

【審査官】高椋 健司

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０１２８７４４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０００２６８８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１６－５１８０２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０６８１８８５４（ＵＳ，Ｂ２）

【文献】特開２０１８－０５６１４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０５０３３４６２（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２００２－１４８４７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ３／００ － ３／０２

Ｈ０１Ｓ ３／０４ － ３／０９５９

Ｈ０１Ｓ ３／１０ － ３／１０２

Ｈ０１Ｓ ３／１０５－ ３／１３１

Ｈ０１Ｓ ３／１３６－ ３／２１３

Ｈ０１Ｓ ３／２３ － ４／００

Ｂ２３Ｋ ２６／００ －２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高ピークパワーレーザパルス生成システム（１０）であって、
－１つ以上のレーザ線を備えた第１のナノ秒レーザパルス（Ｉ_Ｌ）を放射するための、少なくとも１つの光源（１０１）と、
－前記第１のレーザパルスを伝送するためのファイバデバイス（１１０）と、
－前記ファイバデバイスの上流に配置された、前記第１のレーザパルスを時間的に整形するための時間的整形モジュール（１０２）と、を備え、
前記ファイバデバイス（１１０）は、前記第１のレーザパルスを受光するように構成されたシングルコアを有する少なくとも１つの第１のマルチモードファイバを備え、
前記時間的整形モジュール（１０２）は、前記第１のレーザパルスの時間的コヒーレンスを低減することにより、前記第１のレーザパルスのパワースペクトル密度を低減するように構成され、
前記時間的整形モジュール（１０２）は、所定の回転軸周りに回転する回転反射デバイス（２２－２５）を備え、ドップラースペクトル幅広がりを持つ第１のレーザパルスを反射するように構成されることを特徴とする高ピークパワーレーザパルス生成システム。

【請求項2】

前記回転反射デバイスは、前記回転軸周りに回転または振動運動する少なくとも１つの第１の反射面を備えることを特徴とする請求項１に記載の高ピークパワーレーザパルス生成システム。

【請求項3】

前記第１のレーザパルスは所定の繰り返し周波数で放射され、
前記反射面の回転または振動の速度は、前記第１のレーザパルスの繰り返し周波数と同期し、
前記第１のレーザパルスの各々は、一定の入射角度で前記回転反射デバイスの反射面に入射することを特徴とする請求項２に記載の高ピークパワーレーザパルス生成システム。

【請求項4】

前記回転反射デバイスは、Ｎ枚の反射面と、Ｎ－１枚の偏向ミラーと、を備え、
前記偏向ミラーは、前記第１のレーザパルスの各々を前記反射面に向けて返すように構成され、
前記反射面のすべては、前記回転軸周りに回転または振動運動し、
前記Ｎは２以上であることを特徴とする請求項２または３に記載の高ピークパワーレーザパルス生成システム。

【請求項5】

前記時間的整形モジュール（１０２）は、前記第１のレーザパルスに含まれるレーザ線の数を増やすように構成された手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の高ピークパワーレーザパルス生成システム。

【請求項6】

前記ファイバデバイスの上流に配置された、前記第１のレーザパルスを空間的に整形するための空間的整形モジュール（１０３）をさらに備え、
前記空間的整形モジュール（１０３）は、前記第１のレーザパルスのパワー空間密度を標準化するように構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の高ピークパワーレーザパルス生成システム。

【請求項7】

前記第１のレーザパルスを光学的に増幅するために、前記ファイバデバイスの出力部に配置された、少なくとも１つの光増幅器（１２０）をさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の高ピークパワーレーザパルス生成システム。

【請求項8】

前記ファイバデバイス（１１０）は、入力部に第１のマルチモードファイバと、１組の小モードマルチモードファイバと、出力部に第２のマルチモードファイバと、を備え、
前記小モードマルチモードファイバは、前記第１のマルチモードファイバに接続され、
前記第２のマルチモードファイバは、前記小モードマルチモードファイバに接続され、前記第１のレーザパルスを出力するためのシングルコアを備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の高ピークパワーレーザパルス生成システム。

【請求項9】

前記第１のレーザパルスを光学的に前段増幅するために、前記ファイバデバイス（１１０）は、少なくとも１つのドープされたファイバを備えることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の高ピークパワーレーザパルス生成システム。

【請求項10】

－第１のレーザパルスを放射するステップと、
－前記第１のレーザパルスが注入されるシングルコアを備えた少なくとも１つの第１のマルチモードファイバを備えるファイバデバイスを介して、前記第１のレーザパルスを伝送するステップと、
－高ピークパワーレーザパルスを生成するために、前記ファイバデバイスの出力部に配置された少なくとも１つの第１の光増幅器を用いて、前記第１のレーザパルスを光学的に増幅するステップと、
－前記第１のレーザパルスを前記ファイバデバイスにより伝送する前に、前記第１のレーザパルスを時間的に整形するステップと、を備え、
前記第１のレーザパルスを時間的に整形するステップは、所定の回転軸周りに回転する回転反射デバイス（２２－２５）を用いて時間的コヒーレンスを低減することによりパワースペクトル密度を低減するステップを備え、
前記回転反射デバイスは、ドップラースペクトル幅広がりを持つ第１の入射パルスを反射するように構成されることを特徴とする高ピークパワーレーザパルス生成方法。

【請求項11】

前記第１のレーザパルスを、前記ファイバデバイスにより伝送する前に、空間的に整形するステップをさらに備え、
前記空間的に整形するステップは、前記第１のレーザパルスのパワー空間密度を標準化するステップを備えることを特徴とする請求項１０に記載の高ピークパワーレーザパルス生成方法。

【請求項12】

高ピークパワーレーザパルスを生成するために、前記ファイバデバイスの出力部に配置された少なくとも１つの光増幅器を用いて、前記第１のレーザパルスを光学的に増幅するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１０または１１に記載の高ピークパワーレーザパルス生成方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、レーザ衝撃を目的とし、高ピークパワーレーザパルスの生成方法および高ピークパワーレーザパルス生成システムに関する。特に本開示は、レーザ衝撃ピーニング、レーザ衝撃分光、レーザ衝撃超音波生成または部品のレーザ洗浄に適用可能である。

【背景技術】

【0002】

レーザ衝撃に基づく（すなわち、プラズマ形成を含む）表面処理アプリケーションは、非常に高いピークパワー（典型的には、約１０ＭＷ（メガワット）以上））のパルスを必要とする。これは、典型的には持続時間が数１０ナノ秒以下のパルスを意味する。このようなパルスは、約１００ミリジュール以上のエネルギーを持ち、典型的には数ｍｍ^２の領域にフォーカスされる。これはレーザ衝撃を形成するため、１０ジュール／平方センチメートルのオーダーのエネルギー密度を達成することができる。これらのアプリケーションは、レーザ衝撃分光、レーザ洗浄、例えば材料の結晶構造を分析するためのレーザ衝撃に基づく超音波生成、部品の耐用年数や機械抵抗を改善するためのレーザ衝撃ピーニングなどを含む。

【0003】

レーザ衝撃ピーニングは、例えば米国特許６００２１０２号明細書および欧州特許１５２８６４５．Ａ号明細書に開示されている。レーザ衝撃ピーニングを実行中に、高ピークパワーレーザパルスが吸収層を蒸発させる。これにより高温プラズマが生成される。このプラズマが拡散することにより、強い疎密波が発生する。これにより、材料の処理対象部分の深いところにプレストレスが形成される。閉じ込め層と呼ばれる第２の層（放射に対して透明な層（例えば水）、あるいは入射する放射に対して透明な材料（例えば石英））により、衝撃波が処理対象の表面内部に向けて緩和される。この「レーザ衝撃ピーニング」と呼ばれる方法により、材料の繰り返し疲労に対する機械抵抗が向上する。一般にこの方法は、自由空間において、処理対象領域にビームを伝送することにより実行される。

【0004】

しかしながら、自由空間において高パワーのレーザビームを伝送することは、安全上の問題を生む。従って、密閉された領域あるいはアクセスしにくい領域（例えば、周囲を取り囲まれた環境）にアクセスすることが困難となる。

【0005】

密閉された領域あるいはアクセスしにくい環境に存在する表面にアクセスするために、例えば米国特許４９３７４２１号明細書または欧州特許６８１８８５４号明細書に開示された光ファイバは好適なツールである。しかしながら、これらに開示された方法のいくつか（例えば、レーザ衝撃ピーニングやレーザ表面洗浄）は、一般に埃っぽい工業環境で実行される。これは、ファイバの入力面および出力面の損傷閾値を著しく低下させる。さらに清潔の観点とは別に、パルス持続時間が１μｓ未満のパルスレーザの場合、ファイバ内に注入可能なピークパワーレベルは、ファイバのコアを形成する材料の誘電損傷閾値により制限される。例えば、波長１０６４ｎｍで持続時間１０ｎｓのパルスの場合、空気／シリカの損傷閾値は約１ＧＷ／ｃｍ^２である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

注入および緩和に伴う損傷リスクを抑制するためには、コア直径の大きい導波管を使うことが好ましい。しかしながら、コア直径が大きい（典型的には１ｍｍより大きい）と、柔軟性が損なわれる。さらに曲率が大きすぎると、ファイバ損傷の原因となり得るエバネッセント波により、損失が発生する。例えば米国特許６８１８８５４号明細書に記載されるように、光ファイバの組（または「バンドル」）が使われることがある。しかしながらこのタイプの部品の場合、注入および伝搬の損失を抑制するためには、光エネルギーを各ファイバに個別に注入することが好ましい。これはエネルギー注入を複雑化させるので、高コスト化の原因となる。さらに、口径の大きい光フォーカシングシステムを、材料の出力部に与えることが必要となる。これは、光学システムを複雑化させるので、高コスト化や大型化の原因となる。

【0007】

特にこれらの理由から、パルス伝送を目的に光ファイバを使う場合は、実用上、比較的低いピークパワー（１０ＭＷ未満）のパルス伝送や、アクセスし易い領域（曲がりのない光路）へのアクセスなどに限られる。

【0008】

従って、ファイバの損傷閾値を向上させ、機械的ストレスに起因する光学性能の低下を防ぐために、柔軟性の高いファイバデバイスを備えたシステムを用いて、高ピークパワーのパルスを生成する必要がある。

【0009】

本発明の主題の１つは、高ピークパワー（典型的には約１０ＭＷ以上）のパルスを生成するための方法およびシステムである。これにより、ファイバデバイス内への安全なエネルギー注入が可能となり、伝送区間全体において安全なエネルギー伝搬が保証されると同時に、高い柔軟性が保たれる。

【課題を解決するための手段】

【0010】

第１の態様では、本開示は、高ピークパワーレーザパルス生成システムに関する。このシステムは、
－１つ以上のレーザ線を備えた第１のナノ秒レーザパルスを放射するための少なくとも１つの光源と、
－第１のレーザパルスを伝送するためのファイバデバイスと、
－前述のファイバデバイスの上流に配置された、前述の第１のレーザパルスを時間的に整形するための時間的整形モジュールと、を備える。
ファイバデバイスは、第１のレーザパルスを受光するように構成されたシングルコアを有する少なくとも１つの第１のマルチモードファイバを備える。時間的整形モジュールは、前述の第１のレーザパルスの時間的コヒーレンスを低減することにより、前述の第１のレーザパルスのパワースペクトル密度を低減するように構成される。前述の時間的整形モジュールは、所定の回転軸周りに回転する回転反射デバイスを備え、ドップラースペクトル幅広がりを持つ第１のレーザパルスを反射するように構成される。

【0011】

本開示における「高ピークパワー」という用語は、１０ＭＷ以上のパワーを持つレーザパルスを意味する。このようなパルスは、所定の材料においてレーザ衝撃を生成するために、数ｍｍ^２（典型的には、０．１ｍｍ^２以上１０ｍｍ^２以下）の表面領域にフォーカスされる。このフォーカスされたパルスは、例えばレーザ衝撃ピーニング、表面洗浄、超音波生成、分光等の応用に有用である。

【0012】

本開示における「ナノ秒レーザパルス」という用語は、持続時間が１ｎｓ以上１００ｎｓ以下のパルスを意味する。特にレーザ衝撃は、持続時間が非常に短いレーザパルス（数１００ピコ秒未満）では実現が難しい（または全く実現できない）。１つ以上の典型的な実施の形態では、前述の第１の光源は、持続時間が５ナノ秒以上２０ナノ秒以下のパルスを放射する。前述の第１のパルスは、１つ以上のレーザ線を備えてもよい。

【0013】

従って前述のシステムにより、ファイバデバイスの上りのパルスの時間的コヒーレンスを低減してパワースペクトル密度（ＰＳＤ）を低減することにより、非常高いピークパワーの材料への入射パルスを生成することができる。これにより、ファイバデバイスの入力および出力インタフェースを保護しつつ、所望のレーザ衝撃を生成することができる。特に時間的コヒーレンスの低減により、限られたエネルギーを持つように、ＰＳＤを低減することができる。準定常エネルギーまたは微減エネルギーとなるようにＰＳＤを低減することにより、スペックルに起因する強度スパイクを抑制することができ、ファイバデバイスへの注入を保護し、非線形効果を抑制することができる。細い直径（典型的には１ｍｍ未満、望ましくは３００μｍ未満）のマルチモードファイバを使うことができる。これによりファイバデバイスをより柔軟にすることができる。従って、曲率直径を１５ｃｍ未満に低減することで、密閉された環境により容易にアクセスすることができる。

【0014】

本開示で定義される時間的整形モジュールにより、前述の第１のレーザパルスに含まれるレーザ線のスペクトル幅を広げることができる。

【0015】

従って、時間的整形モジュールは、パルスの光強度がファイバデバイス誘導されたブリルアン散乱閾値未満となるように、パワースペクトル密度を低減するように構成される。従って、ファイバ内の非線形効果（特にブリルアン効果）に起因する光エネルギーの損失は抑制される。ブリルアン散乱閾値は、ファイバの直径が減少すると（そして、ファイバの長さが増加すると）減少し、光源のスペクトル幅がブリルアン線幅より大きくなると増加する。従ってレーザパルスのＰＳＤを低減することにより、高いブリルアン散乱閾値を保ちつつ、コア直径を縮めるおよび／またはファイバ長を伸ばすことができる。特に、ブリルアン閾値の計算は、光源のスペクトルプロファイルとブリルアンゲインのスペクトルプロファイルとの間の畳み込みを考慮に入れる。

【0016】

１つ以上の典型的な実施の形態では、ＰＳＤの低減は、例えば音響光学変調器を用いて、前述の第１のレーザパルスに含まれるレーザ線の数を増やすことにより実現できる。有利には、前述の第１のレーザパルスに含まれるレーザ線の数は、スペクトル幅広がりの上流で増加される。

【0017】

１つ以上の典型的な実施の形態では、回転反射デバイスは、前述の回転軸周りに振動または回転する。回転反射デバイスは、１つ以上の反射面を備える。前述の（単数または複数の）反射面に入射するパルスは、前述の反射面の各点で角速度が異なることに起因して、空間的に変化するドップラーシフトする。従って、前述の回転反射デバイスで反射したレーザパルスは、スペクトル幅が広がり、これによりＰＳＤが減少する。さらに、レーザパルスの時間的および空間的コヒーレンスが減少し、これによりスペックル効果および非線形効果が抑制される。

【0018】

１つ以上の典型的な実施の形態では、（単数または複数の）反射面は、入射面（これは、回転反射デバイスに入射し回転反射デバイスで反射する第１のレーザパルスの波数ベクトルの向きを含む）と呼ばれる面に垂直な面内に配置される。

【0019】

１つ以上の典型的な実施の形態では、前述の回転反射デバイス回転軸は、前述の第１のレーザパルスの入射面に垂直である。

【0020】

１つ以上の典型的な実施の形態では、前述の第１のレーザパルスは所定の繰り返し周波数で放射され、前述の回転反射デバイスの回転または振動速度は、前述の第１のレーザパルスの繰り返し周波数と同期している。これにより、前述の第１のレーザパルスの各々は、一定の入射角度で前述の回転反射デバイスの反射面に入射する。

【0021】

１つ以上の典型的な実施の形態では、前述の回転反射デバイスは、前述の第１のレーザパルスの入射面に垂直な軸周りに回転または振動運動する単純ミラーを備える。例えば反射面は、前述の第１のレーザパルスが、このミラーの面に垂直な向きで回転ミラーに入射するように構成される。

【0022】

１つ以上の典型的な実施の形態では、前述の回転反射デバイスは、複数の反射面と、ゼロでない角度を形成する２つの連続する表面と、前述の第１のレーザパルスの各々を前述の反射面に向けて返すための偏向ミラーと、を備える。複数の反射面は、例えば多角形の面に配置される。反射面の数を増やすことにより、ドップラー広がりを増やすことができる。従って、例えばＮ枚の反射面とＮ－１枚の偏向ミラーがあると（Ｎ≧２）、ドップラー広がりはＮ倍になる。

【0023】

１つ以上の典型的な実施の形態では、前述の反射面の少なくとも１つは非平面である（例えば、凹面または凸面である）。例えば前述のパルスに収束または発散効果を与えるために、反射出力面（すなわち、レーザパルスが最後に反射する面）は非平面である。

【0024】

１つ以上の典型的な実施の形態では、前述の第１のレーザパルスによって形成され前述の反射面に入射する光ビームは、前述の反射面より小さい直径を持つ。

【0025】

１つ以上の典型的な実施の形態では、前述のレーザパルス生成システムは、前述のファイバデバイスの上流に、前述の第１のレーザパルスを空間的に整形するための空間的整形モジュールをさらに備える。

【0026】

１つ以上の典型的な実施の形態では、空間的整形モジュールは、前述のファイバデバイスの入力部で、前述の第１のレーザパルスのパワー空間密度を標準化するように構成される。パワー空間密度を標準化することにより、ファイバ内の強度スパイク（これは例えば、ビームのガウシアン強度分布に関係する）を抑制することができる。

【0027】

パルスを空間的に整形するモジュールがあることにより、例えば、強度空間分布が「トップハット型」（すなわち低い強度空間分布、典型的には分布が最大＋／－１０％に抑制されたもの（スペックルに関係する粒効果を除く））のパルスを作ることができる。さらに「トップハット型」空間整形により、第１のパルスにより形成された光ビームを、マルチモードファイバのコアの大きさに適合させることができる。

【0028】

１つ以上の典型的な実施の形態では、レーザパルス生成システムは、ファイバデバイスの出力部で第１のレーザパルスを増幅するための、少なくとも１つの第１の光増幅器をさらに備える。このような光増幅器により、時間的整形モジュールを使うことに起因する任意のエネルギー損失を補償することができる。

【0029】

１つ以上の典型的な実施の形態では、レーザパルス生成システムは、光増幅器をポンピングするために、少なくとも１つのポンプレーザビームを放射する少なくとも１つのポンプ光源をさらに備える。

【0030】

ポンプ光源は、例えばレーザダイオードまたはレーザダイオードのアセンブリを備える。

【0031】

ポンプ光源は、連続光源または繰り返しレートが比較的低い（典型的には前述の第１のレーザパルスと同じ繰り返しレート、すなわち数キロヘルツの）パルス光源であってよい。

【0032】

１つ以上の典型的な実施の形態では、ポンプ光源は、持続時間が第１の光増幅器の励起レベルの持続時間に実質的に等しい（すなわち、典型的には数１００マイクロ秒の）ポンプパルスを供給するように、時間的に整形される。例えば、ポンプビームのサイズを第１のマルチモードファイバのコア直径に適合させるために、ポンプビームを空間的に整形することも可能である。

【0033】

１つ以上の典型的な実施の形態では、前述の少なくとも１つのポンプレーザビームは、前述の第１のレーザパルスとともに、ファイバデバイス内に注入される。その後、前述の少なくとも１つ光増幅器の増幅媒質のファイバ内伝送およびポンピングは、共伝搬する。代替的に増幅媒質の光ポンピングは、例えばレーザダイオードを用いて、横断的であってもよい。

【0034】

１つ以上の典型的な実施の形態では、前述のレーザパルス生成システムは、例えば直列に配置された複数の光増幅器を備える。

【0035】

１つ以上の典型的な実施の形態では、ファイバデバイスは、入力部に前述の第１のマルチモードファイバと１組の小モードマルチモードファイバとを備え、出力部に第２のマルチモードファイバを備える。小モードマルチモードファイバは、第１のマルチモードファイバに接続され、第１の「フォトニックランタン」と呼ばれるものを形成する。第２のマルチモードファイバは、小モードマルチモードファイバに接続され、前述の第１のレーザパルスを出力するためのシングルコアを備える。従って、ファイバデバイスは、２つのヘッドトゥテールの「フォトニックランタン」を備える。

【0036】

本開示では小モードマルチモードファイバとは、１００００モード未満（典型的には、５００モード以上１００００モード未満）のモードを備えるマルチモードファイバのことをいう。小モードマルチモードファイバの直径は、例えば０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下である。マルチモードファイバ（フォトニックランタンの入力ファイバ）は、２００００より多いモードを持つ。マルチモードファイバの直径は、例えば０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下である。

【0037】

このような２つのヘッドトゥテールの「フォトニックランタン」を備えるファイバデバイスにより、レーザパルスを、より細い径の小モードマルチモードファイバを介して伝送することができる。従って、より柔軟なファイバを使ってレーザパルスを伝送することができる。これにより、入力と出力とにおいてはシングルマルチモードコアを保ちつつ、より簡単に密閉領域にアクセスすることができる。

【0038】

１つ以上の典型的な実施の形態では、前述の第１のレーザパルスを光学的に前段増幅するために、ファイバデバイスは、少なくとも１つのドープされたファイバを備える。このドープされたファイバは、前述の第１のマルチモードファイバであってもよく、フォトニックランタンを使う場合は１つ以上の小モードマルチモードファイバであってもよい。光学的な前段増幅により、前述の第１のマルチモードファイバに注入されるエネルギーの総量を最小化することができる。

【0039】

代替的に、１つ以上の典型的な実施の形態では、ファイバデバイスはドープされない。この場合ファイバデバイスの機能は、前述の第１のレーザパルスを伝送することに限られる。

【0040】

１つ以上の典型的な実施の形態では、レーザパルス生成システムは、第２のレーザパルスを放射するための第２の光源を備える。第２のレーザパルスは、例えば第１のレーザパルスと波長の異なるレーザパルスである。望ましくは第２のレーザパルスは、同じファイバデバイスを用いて伝送される。１つ以上の典型的な実施の形態では、前述の第２のレーザパルスを増幅するために、レーザパルス生成システムは、前述のファイバデバイスの出力部に配置された第２の光増幅器を備える。

【0041】

１つ以上の典型的な実施の形態では、レーザパルス生成システムは、前述のファイバデバイスの出力部（例えば、前述の光増幅器が存在する場合はその出力部）に、高ピークパワーレーザパルスをフォーカスするフォーカス手段をさらに備える。

【0042】

１つ以上の典型的な実施の形態では、レーザパルス生成システムは、ファイバデバイスの先端部を移動させるための移動手段をさらに備える。材料の様々な位置で（例えば表面処理の場合、表面の様々な領域で）レーザ衝撃を与えることが必要な場合、材料またはファイバデバイスの先端部（すなわち、光源側に位置する近位端と反対側の端部）を移動してもよい。

【0043】

第２の態様では、本開示は、高ピークパワーレーザパルス生成方法に関する。この方法は、
－第１のレーザパルスを放射するステップと、
－第１のレーザパルスが注入されるシングルコアを備えた少なくとも１つの第１のマルチモードファイバを備えるファイバデバイスを介して、第１のレーザパルスを伝送するステップと、
－第１のレーザパルスをファイバデバイスにより伝送する前に、第１のレーザパルスを時間的に整形するステップと、を備え、
第１のレーザパルスを時間的に整形するステップは、所定の回転軸周りに回転する回転反射デバイスを用いて時間的コヒーレンスを低減することによりパワースペクトル密度を低減するステップを備え、
回転反射デバイスは、ドップラースペクトル幅広がりを持つ第１の入射パルスを反射するように構成される。

【0044】

従って前述の方法により、第１のレーザパルスに含まれるスペクトル線の幅を広げることができる。

【0045】

１つ以上の典型的な実施の形態では、前述の時間的に整形するステップは、第１のレーザパルスに含まれるスペクトル線の数を増やすステップをさらに備える。

【0046】

１つ以上の典型的な実施の形態では、前述のレーザパルス生成方法は、第１のレーザパルスを空間的に整形するステップをさらに備える。

【0047】

１つ以上の典型的な実施の形態では、第１のレーザパルスを空間的に整形するステップは、第１のレーザパルスのパワー空間密度を標準化するステップを備える。

【0048】

１つ以上の典型的な実施の形態では、前述のレーザパルス生成方法は、高ピークパワーレーザパルスを作るために、ファイバデバイスの出力部に配置された少なくとも１つの光増幅器を用いて、第１のレーザパルスを光学的に増幅するステップをさらに備える。

【0049】

１つ以上の典型的な実施の形態では、レーザパルス生成方法は、光増幅器の光ポンピングのために、前述の少なくとも１つのポンプレーザビームをファイバデバイスに注入するステップをさらに備える。

【図面の簡単な説明】

【0050】

本発明のその他の利点と特徴を、以下の図面を参照しながら説明する。

【図1】本開示に係る高ピークパワーパルス生成システム、および密閉環境におけるその動作を示す図である。

【図2A】本開示に係る高ピークパワーパルス生成システムの一例において、ドップラー効果によりレーザ線幅を広げるために、ファイバデバイスを用いた伝送の前に行うパルスの時間的整形の処理を示す図である。

【図2B】本開示に係る高ピークパワーパルス生成システムの一例において、ドップラー効果によりレーザ線幅を広げるために、ファイバデバイスを用いた伝送の前に行うパルスの時間的整形の処理を示す図である。

【図2C】本開示に係る高ピークパワーパルス生成システムの一例において、ドップラー効果によりレーザ線幅を広げるために、ファイバデバイスを用いた伝送の前に行うパルスの時間的整形の処理を示す図である。

【図2D】本開示に係る高ピークパワーパルス生成システムの一例において、ドップラー効果によりレーザ線幅を広げるために、ファイバデバイスを用いた伝送の前に行うパルスの時間的整形の処理を示す図である。

【図3A】本開示に係る高ピークパワーパルス生成システムの一例において、レーザ線の数を増やすために、ファイバデバイスを用いた伝送の前に行うパルスの時間的整形の処理を示す図である。

【図3B】本開示に係る高ピークパワーパルス生成システムの一例において、レーザ線の数を増やすために、ファイバデバイスを用いた伝送の前に行うパルスの時間的整形の処理を示す図である。

【図4A】本開示に係る高ピークパワーパルス生成システムの一例において、一定の強度プロファイルを持つビームを作るために、ファイバデバイスを用いた伝送の前にパルスを時間的に整形する手段を示す図である。

【図4B】本開示に係る高ピークパワーパルス生成システムの一例において、一定の強度プロファイルを持つビームを作るために、ファイバデバイスを用いた伝送の前にパルスを時間的に整形する手段を示す図である。

【図5】本開示に係る高ピークパワーパルス生成システムの一例であって、ファイバデバイスの出力部でレーザパルスを増幅するための光増幅器を備えるものを示す図である。

【図6】本開示に係る高ピークパワーパルス生成システムの一例において、ファイバデバイスの典型的な例を示す図である。

【0051】

一貫性を保つため、異なる図面における同じ要素は同じ符号で示される。

【発明を実施するための形態】

【0052】

本開示における関心は、材料へのレーザ衝撃を生成するのに適した高いピークパワーパルスを生成することにある。

【0053】

照度（単位面積当たりの照射光パワー）の高いパルス（典型的には、１平方センチメートルあたり数ミリオンワット）と材料との相互作用により、照射を受けた表面は急激に加熱し、緩和するプラズマの形で蒸発する。これはレーザ衝撃と呼ばれる。レーザ衝撃は、光と材料との間の相互作用時間が非常に短い（典型的には、数１０ナノ秒）メカニズムである。従って処理対象部分に、レーザ切断やレーザ溶接で発生するような著しい温度上昇が発生しない。レーザ衝撃は、閉じ込め層を利用して１次元方向に与えられてもよい。特に閉じ込め層がない場合は、レーザ衝撃の広がりは４πステラジアンに及ぶ。

【0054】

レーザ衝撃ピーニングの場合、より正確には、このように与えられたレーザ衝撃により、材料に深い残留圧縮応力を非常に高い精度で発生させることができる。これによりクラックの生成および拡大を遅らせることができ、最終的には疲労抵抗を増やすことができる。さらに閉じ込め層により、プラズマを処理対象の内部に向けて緩和させることができるので、処理効率を上げることができる。

【0055】

ＬＩＢＳ（光誘起ブレークダウン分光法）の場合、処理対象表面は、レーザ衝撃により蒸発する。このとき排出される原子およびイオンは励起エネルギー準位に励起され、原子線から成るスペクトルを放射する。その波長により、存在する元素を識別することができる。さらにその強度は、放射原子の凝縮に比例する。

【0056】

アブレーション洗浄の場合、表面に生成されたプラズマは、緩和効果により緩和する。これにより、洗浄対象表面を傷つけることなく、汚れを分離し除去することができる。

【0057】

レーザ生成超音波検査では、パルス－材料相互作用に起因するプラズマによって生成された超音波が使われる。超音波は材料内を伝搬し、界面で反射する。超音波の到達に伴って材料が変形するが、これは第２のレーザビームに結合された干渉計を用いて解析することができる。この解析により、材料の特性（例えば、厚さ、微視的構造、潜在的な欠陥等）に関する情報が与えられてもよい。

【0058】

図１に、本開示に係る高ピークパワーパルス生成システム１０および密閉環境内におけるその実行を示す。

【0059】

システム１０は、筐体１００の内部に、第１のレーザパルスＩ_Ｌを放射するための少なくとも１つの光源１０１を備える。筐体１００は空調されてもよく、また埃や湿気から隔離されてもよい。

【0060】

光源１０１は例えば、１ｎｓ以上１００ｎｓ以下（有利には、５ｎｓ以上２ｎｓ以下）のパルスを放射するパルスレーザである。光源は例えば、１．０６４μｍ（ネオジム（Ｎｄ）の放射波長：ＹＡＧレーザ）または１．０３０μｍ（イッテルビウム（Ｙｂ）の放射波長：ＹＡＧレーザ）の波長の光を放射する。光源１０１は、固体レーザ、ファイバレーザ、半導体レーザ、ディスクレーザまたはこれらのレーザの組み合わせを含むが、これらに限定されない。

【0061】

光源は、単一のレーザ線または複数のレーザ線を持つレーザパルスを放射してもよい。

【0062】

例えば、様々な波長の第１のパルスを放射し、これと異なる波長の少なくとも第２のパルスを放射する複数の光源が与えられてもよい。

【0063】

システム１０は、筐体１００の内部に、時間的整形モジュール１０２および／または空間的整形モジュール１０３（例えば、第１のレーザパルスの時間的および／または空間的コヒーレンスを減少させ、ほぼ一定の強度プロファイルを持つパルスを形成するもの）を備えてもよい。特にこれらの時間的および／または空間的整形モジュールは、強度のスパイクまたはレーザデバイスの入力部における「ホットスポット」を減少させ、非線形効果を抑制するために設けられる。時間的および空間的整形モジュールのいくつかの例を後述する。

【0064】

図１に示される例では、時間的整形モジュール１０２および空間的整形モジュール１０３の出力部で、第１のレーザパルスがファイバデバイス１１０に注入される。ファイバデバイス１１０により、単数または複数の光源から放射されたレーザパルスを伝送することができる。ファイバデバイス１１０は、このレーザパルスを受信するための、単一のコアを持つ１本のマルチモードファイバを備えてもよい。別の例では、ファイバデバイス１１０は、全てのレーザパルスを受信できる単一のコアを持つ第１のマルチモード光ファイバとともに、複数の光ファイバを備えてもよい。

【0065】

例えばレーザ衝撃ピーニングのためにシステム１０が使われる場合、閉じ込め層を形成するために、水ノズル１４を与えることもできる。水ノズル１４には、水タンクおよびホース１３を介して水を供給するためのポンプ１２が与えられる。水は必須ではない。閉じ込め層は、ジェル、塗料、またはパルスの波長に対して透明な固形材料（例えば、石英）を用いて得られてもよい。閉じ込め層を省略することもできるが、この場合、レーザ衝撃ピーニング処理によって与えられるプレストレスの深さは減少する。閉じ込め層は、レーザ衝撃ピーニング以外のアプリケーションには無用である。

【0066】

システム１０はまた、ファイバデバイスの先端部を移動させるための移動手段（図示せず）を備えてもよい。材料の様々な位置で（例えば処理対象が表面の場合、表面の様々な領域で）レーザ衝撃を与えることが必要な場合、材料またはファイバデバイスの先端部（すなわち、光源側に位置する近位端と反対側の端部）を移動してもよい。これにより処理対象の表面が、増幅されたレーザパルスによって空間的に走査されてよい。

【0067】

1つ以上の典型的な実施の形態では、システム１０はまた、ファイバデバイスの出力部でパルスを空間的に整形するための光部品を備える。光部品１１５は、例えば回折光学部品であり、例えばＤＯＥ（回折光学素子）、マイクロレンズシステム、光コンデンサ、パウエルレンズなどである。増幅されたレーザパルスを用いて処理対象部分を空間的に走査する場合、照射したい部分の様々な領域のオーバーラップを最小化するために、この整形により、例えば処理対象部分のジオメトリに適合することができる。これにより、速度を上げることができる。

【0068】

一方で図３Ａ－３Ｂ、他方で図４Ａ－４Ｄは、パルスをファイバデバイスにより伝送する前に、当該パルスを時間的に整形するための様々な手段（例えば、レーザ線幅を広げるまたはパルスのレーザ線数を増やすことにより、レーザパルスのパワースペクトル密度（ＰＳＤ）を低減するための、本開示に係る高ピークパワーパルス生成システム）を示す。

【0069】

ＰＳＤを低減することにより、ファイバデバイス１１０のファイバ（単数または複数）内の非線形効果を抑制し、パルスの時間的コヒーレンスを低減することができる。これにより、強度スパイクを抑制することができる。

【0070】

本出願人は、例えば本開示に係る高ピークパワーパルス生成システムでは、所定のファイバ直径および所定のファイバデバイスの長さに関し、ＰＳＤを、ファイバデバイス内で誘導されるブリルアン散乱の閾値未満に低減すると有利であることを見出した。

【0071】

特に温度の影響がある場合、光ファイバを形成する分子は、本来の位置の周囲で微小運動する。これにより、ファイバのコアの屈折率を変える原因となるフォノンが、低振幅音波の形で発生する。光波は、この媒体を通過するとき、こうした音波によって散乱される。この散乱は、音波の運動に起因するドップラー効果（自発ブリルアン散乱）を伴う。散乱波は、入射光波と同じ方向に伝搬するとき、ストークス波と呼ばれる。散乱波は、入射光波と反対方向に伝搬するとき、反ストークス波と呼ばれる。

【0072】

入力波がストークス波と干渉することにより非常に高いエネルギーを持つとき、強度変調と高いコントラストの屈折率格子とが、ファイバ内に発生するだろう。この現象は電歪現象と呼ばれ、反ストークス波に関して指数関数的ゲイン（誘導ブリルアンゲインと呼ばれる)を持つ誘導散乱を伴う。誘導波は、対向伝搬波の形で後方散乱される。これは、ファイバ内を伝わる波に関し、大きなエネルギー損失となる。

【0073】

誘導ブリルアンゲインは、ファイバ内を伝わる光であって所定の閾値（ブリルアン閾値（Ｐ_ｔｈ）と呼ばれる）より高い強度を持つものについてのみ発生する。ブリルアン閾値より高いと、反対方向に後方散乱される波の強度は指数関数的に増加する。ブリルアン閾値は以下の式で定義される（例えば、次の文献を参照。P. Singh et al. "Nonlinear scattering effects in optical fibers", Progress In Electromagnetics Research, PIER 74, 379-405, 2007）。

【数1】

ここで、Ａ_ｅｆｆはファイバのコアの有効領域、Ｌ_ｅｆｆはファイバの有効長さ、Ｋは伝送放射の偏光に関係する定数（１から２の値を取る）、ｇ_Ｂはブリルアンゲイン、Δνは第１のパルスからファイバ内に注入されるスペクトルの幅（ＰＳＤのスペクトル広がり）、Δν_Ｂはブリルアンゲインの幅である。単色波で環境温度の場合、ブリルアンゲインは２０ＭＨｚの幅を持つ。従って入射スペクトル幅が２０ＭＨｚより大きくシフトする（または広がる）場合、誘導ブリルアン効果は減少する傾向がある。言い換えれば、光波が単色であればあるほど（時間的コヒーレンスが大きければ大きいほど）、ブリルアン効果はより発生しやすくなる。

【0074】

上の式は、柔軟性を増すためにファイバデバイスのコア直径を縮小させると、ブリルアン閾値が低下することを表す。ブリルアン閾値を増すためには、例えば、ファイバに注入されるレーザパルスに含まれるレーザ線のスペクトル幅を広げるか、この（または、これらの）レーザ線の数を増やすかすればよい。

【0075】

図２Ａ－２Ｄは、第１のレーザパルスを時間的に整形し、この第１のパルスに含まれるレーザ線のスペクトル幅を広げるのに好適なモジュールの例を示す。

【0076】

前述の通り、レーザ線のスペクトル幅を広げることにより、ファイバデバイスのファイバ内の非線形効果（特に、誘導ブリルアン効果）を低減することができるが、さらにスペックル現象に起因する強度スパイクのリスクを抑制することもできる。特にスペクトル幅が広がると、時間的コヒーレンスおよび回折のための光容量が低減する。これにより、スペックル強度のコントラストを低減し、従って強度スパイクを低減することができる。

【0077】

図２Ａから２Ｄに示される例では、時間的整形モジュール１０２は、回転軸の周りに回転し、ドップラースペクトルが広がった第１の入射パルスを反射するように構成された反射デバイスを備える。

【0078】

図２Ａに示される例では、回転反射デバイスは、第１のパルスＩ_Ｌの入射面Πに直行する平面に配置された単純ミラー２２を備える。ミラー２２は、入射面Πに垂直で、ミラー面に含まれる回転軸２２１周りに回転する。回転ミラーは、回転軸２２１周りに回転または振動運動してよい。パルスが所定の繰り返し周波数で放射される場合、ミラーの回転または振動の速度は、この繰り返し周波数に同期する。これにより、各パルスは入射角と同じ角度でミラー２２に入射する。例えば図２Ａに示されるように、入射角は、ミラーの法線に対して０°である。入射角は必ずしも０でなくてもよいが、単純ミラーの場合は０であることが望ましい。

【0079】

図２Ａの例では、４分の１プレート２１に結びついた偏光スプリッタ部品２０があることにより、先ずミラー２２に入射するパルスを分割し、次にこのパルスをミラー２２で反射させることができる。

【0080】

図２Ａに示されるように、回転ミラー２２に入射するパルスは例えば、所定のスペクトル精細度（曲線２０１）を持つ中心周波数ν０のスペクトルＳ_０を持つ。さらに曲線２０２は、入射パルス強度（細い線）の空間的分布Ｉ（ｒ）および光周波数（太い線）の空間的分布ν（ｒ）を模式的に示す。曲線２０２に示されるように、光周波数の空間的分布は、一定（例えば、ν０）である。

【0081】

レーザパルスが回転ミラー２２に入射するとき、このレーザパルスはドップラー周波数シフト（Δν_Ｄ）する。これはビームの空間的プロファイルとともに変化する。特に空間的意味で、回転ミラーに入射するビームの各点は、ミラーの角速度δθ／δｔに起因してドップラーシフトする。ここで角速度は、ミラー点と回転軸との距離ｒの関数で変化する。

【0082】

従って曲線２０４は、ドップラー周波数シフトΔν_Ｄに起因してｒの関数で変化する反射パルス周波数ν（ｒ）を模式的に示している。

【0083】

回転ミラーに入射するビームの直径をＤ_ｆとおく。距離ｒ＝Ｄ_ｆ／２に位置するビームの上部は、負にドップラーシフトする。

【数2】

ここでν０およびν１は、それぞれ回転軸からの距離ｒ＝０およびｒ＝Ｄ_ｆ／２におけるビームの光周波数である。距離ｒ＝－Ｄ_ｆ／２に位置するビームの下部は、正にドップラーシフトする。

【数3】

ここでν２は、回転軸からの距離ｒ＝－Ｄ_ｆ／２におけるビームの光周波数である。回転軸からの距離ｒ＝０に位置するビームの中心は、受けるドップラーシフトが０であることに注意する。

【0084】

図２Ａに示される回転ミラーの場合、ドップラー広がりΔν_Ｄの全振幅は、Ｄ_ｆ～Ｄ_Ｍ（Ｄ_Ｍはミラーの直径）のとき最大となることを示すことができる。この場合、ドップラーシフトの振幅は、以下のようになる。

【数4】

ここで、δθはＲＰＭ（１ＲＰＭ＝２π ｒａｄ／ｍｉｎ＝２π／６０ ｒａｄ／ｓ）で表した回転（振動）速度、λは波長である。この例では、

【数5】

および

【数6】

は、ミラーの各端部で受けるドップラーシフトに相当すると仮定する。

【0085】

従って、ビームの各空間座ｒに関し、結果として生じる当該ビームに特有な光周波数を関連付けることができる。この空間的に変化するドップラー効果により、曲線２０３に示されるように、パルスのレーザ線（Ｓ_３）のスペクトル幅に広がりが生じる。

【0086】

図２Ｂから２Ｄは、回転反射デバイスの他の例を示す。これらの例では、回転反射デバイスは、例えば多角形の面に沿って配置された複数の反射面を備える。回転反射デバイスはさらに、各レーザパルスを１つの回転反射面から次の回転反射面に向けて返すための、固定された偏向ミラーを備える。反射面および偏向ミラーは例えば、ドップラー効果を最大にするために、入射および反射パルスの波数ベクトルの向きを持つ入射面Πに垂直な平面に配置される。反射面は、入射面に垂直な回転中心軸（例えば、多角形の重心を通る軸。この例では、多角形の対称軸）周りに回転または振動運動する。上記の例では、回転する多角形の各面は、反射面を形成する。従って回転反射デバイスは、Ｎ枚の反射面およびＮ－１枚の偏向ミラーを持つ。多角形の限られた数の側面上に、Ｎ（Ｎ≧２）枚の反射面を持つこともできる。この場合も偏向ミラーは常にＮ－１枚である。本出願人は、この特定の「回転多角形」配置により、ドップラー広がりを増やすことができることを見出した。

【0087】

図２Ｂの例では、回転反射デバイス２３は、正方形状に配置され対称軸２３２周りに回転する４枚の反射面２３１と、３枚の偏向ミラー２３３とを備える。図２Ｃの例では、回転反射デバイス２４は、六角形状に配置され対称軸２４２周りに回転する６枚の反射面２４１と、５枚の偏向ミラー２４３とを備える。図２Ｄの例では、回転反射デバイス２５は、八角形状に配置され対称軸２５２周りに回転する８枚の反射面２５１と、７枚の偏向ミラー２５３とを備える。一般的に回転反射デバイスは、Ｎ枚の反射面およびＮ－１枚の偏向ミラーを備えてよく、Ｎは２以上１０以下であってよい。図２Ｂから２Ｄに示される例では、結果として生じるスペクトルは、それぞれＳ_４、Ｓ_５、Ｓ_６（それぞれ、曲線２０５、２０６、２０７）である。

【0088】

図２Ｂ－２Ｄに示されるように、レーザーパルスＩ_Ｌは、多角形の反射面上に、当該反射面の法線に対し角度θで入射する。このレーザーパルスは、回転反射デバイスの回転または振動と時間的に同期している。これにより各入射パルスは、各反射面に対して同じ入射角度を持つ。

【0089】

ドップラー効果によるスペクトル幅の広がりを最大化するために、各反射面に入射するレーザパルスから形成される光ビームの直径が以下の式で定められるＤ_ｆ以下であるという条件が与えられてもよい。

【数7】

ここで、Ｄ_Ｍは回転軸と垂直方向の多角形の外径、αは多角形の中心とこれらのファセットの１つとの間の半角である。回転反射デバイスは、角速度δθを持つ。ここでθは、入射ビームの反射ファセットの法線に対する角度である。各回転ファセットで反射する放射は、ドップラー効果により光周波数がシフトするだろう。図２Ａに示されるように、ビームのドップラーシフトは、当該ビームの空間的プロファイルに応じて異なる。特に空間的には、反射面に入射するビームの各点は、回転面の角速度に起因してドップラーシフトする。ビームが回転軸と垂直方向に達すると、ドップラー広がりは最大となるだろう。これは以下の式を用いて定められる。

【数8】

【0090】

回転反射デバイスの多角形の幾何学的配置のおかげで、光パルスは多角形の各反射面から反射することができる。これにより、ドップラー効果によるスペクトル拡散の大きさを最大化することができる。従ってＮ枚の反射面を持つ多角形に関し、回転反射デバイスに入射する線のスペクトル幅は、ドップラー効果により広がるだろう。これは以下のように表される。

【数9】

【0091】

例えば、パルス持続時間が２０ｎｓで、スペクトルがフーリエ変換（スペクトル幅５０ＭＨｚ）に限られる、１０６４ｎｍのレーザパルスを考える。このレーザパルスが、５５０００ｒｐｍ（ｒｐｍ＝回転数／分、すなわち５７６０ ｒａｄ／ｓ）で回転する外径４０ｎｍの８角形と時間的に同期していると（この場合、当該８角形の面の法線に対するレーザビームの入射角はθ＝１１．２５°で、パルスは当該８角形の８枚の反射面で反射する）、このレーザスペクトルの幅は約６９０ＭＨｚ広がるだろう。従ってこの回転反射デバイスにより、入射スペクトル幅を１３倍広げることができる。

【0092】

さらに、レーザパルスのスペクトル幅を広げて時間的コヒーレンスを低減することに加えて、ビームの様々な空間座標は、様々なスペクトル成分に関係する。これにより、空間的コヒーレンスを低減することができる。従ってこのような時間的整形モジュールにより、光源の空間的－時間的コヒーレンスに起因する強度スパイクのビークを最小化することができる。さらに、直径１５ｎｍ、持続時間２０ｎｓ、波長１０６４ｎｍのビームの場合、回折限界は約６７μｒａｄである。パルスの持続時間中、８個のファセットの多角形が５５０００ｒｐｍ（５７６０ ｒａｄ／ｓ）で回転していると、ビームは２０ｎｍの持続時間の間に１１５μｒａｄ（すなわち、回折限界の約２倍）走査する。これは、スペックルのコントラストの最小化を助けるだろう。

【0093】

図３Ａ－３Ｂは、ファイバデバイスに注入されるレーザパルスのレーザ線の数を増やすための時間的整形モジュール１０２の例を示す。

【0094】

こうした例により、レーザ線の数を増やすことができる。これにより、時間的コヒーレンスが低減される。これにより、特にブリルアン閾値を増し、ファイバデバイスの入力部におけるスペックルのコントラストを低減することができる。

【0095】

図３Ａの例は、音波（一般にラジオ周波数に近い）によって光周波数を回折・変化させるために、音響光学変調器３３（ＡＯＭ）を用いて音響光学効果を使うことを基本とする。

【0096】

より正確には、モジュール１０２は、偏光スプリッタキューブ３１を備える。この偏光スプリッタキューブ３１は、スペクトルＳ_０の直線偏光したレーザパルスＩ_Ｌを、音響光学変調器３３に伝える。変調器３３は、多色ラジオ周波数ジェネレータ３２からの信号を受信する。回折したビームＦ_１、Ｆ_２、…は変調器３３で生じる。Ｎ個のラジオ周波数がジェネレータ３２から供給された多色ＲＦ信号を形成し、これを音響光学変調器３３に供給すると、変調器の出力部では、異なるＮ個の方向に回折した最大Ｎ個の回折ビームを得ることができる。各回折ビームは、方向に関連付けられ、ジェネレータ３２から供給される多色ＲＦ信号を形成するＮ個のラジオ周波数の１つに対応してスペクトルシフトする。ＲＦ周波数が高ければ高いほど、変調器３３の出力部におけるビームのスペクトルおよび角度のシフトは大きくなる。従って、変調器３３の出力部において、不連続なビームのアレイが放射される。この不連続なビームのアレイは、光学システム３４（例えば、光学レンズ）によって再調整されてもよい。このように調整されたビームは、４分の１プレート３４を通過する。この４分の１プレート３４は、直線偏光を円偏光に変える。４分の１プレートの出力部に、ミラー３６が配置される。これにより、自己調整配置が実現される。この光学配置により、ビームを変調器３３に向けて逆進させることができる。逆進パルスは、プレート３５を通過する。その後これらのパルスは、最初の偏光と同じ９０度偏光を持つ。逆進経路の後、パルスは変調器３３に入射するために、再びレンズ３４を通過する。ビームは再び角度およびスペクトルシフトする。逆進経路上でのスペクトルシフトは、外向き経路上でのスペクトルシフトに追加される。スペクトルシフトしたビームの各々は、偏光スプリッタキューブ３１に戻り、ファイバデバイス（図３Ａには示されない）に導かれる。図３Ａに示されるように、モジュール１０２によって作られた複数の線に起因して、結果として生じるスペクトルＳ_１は広がっている。

【0097】

例えば、多色ラジオ周波数信号３が３つの別個の（典型的には、３５ＭＨｚ以上３５０ＭＨｚ以下の）周波数ν１、ν２、ν３を備える場合、出力パルスのスペクトルＳ_１は、光周波数ν０＋２ν１、ν０＋２ν２、ν０＋２ν３のコムを備えるだろう。ここでν０は、光源１０１から放射されるパルスの中心光周波数である。一方、出力ビームは単一の方向を持つだろう。光源１０１から発せられるレーザパルスがすでに複数の線を備える場合、これらの線は、上述のようにそれぞれ増加されるだろう。考察対象の光増幅器の帯域はＡＯＭで生成されたシフトより遥かに広く、この時間的整形の結果生じるレーザパルスは光増幅器で増幅されてもよいことに注意する。例えばＮｄ：ＹＡＧ結晶は、波長１０６４ｎｍで、３０ＧＨｚ近くまで増幅された帯域を持つ。

【0098】

第１のレーザパルスの線数を増やすための別のアセンブリが、図３Ｂに示される。

【0099】

この例では、時間的整形モジュールは、入射パルスＩ_Ｌを強度変調するように構成された、振幅または位相変調器３７を備える。振幅変調器３７は、例えばポッケルスセルを備える。多色ラジオ周波数信号３８で強度が変調される場合、モジュール出力におけるスペクトルＳ_２は、多色ＲＦ信号３８に起因するスペクトル成分を多く含むだろう。これは、レーザ線の数および光源１０１に起因するパルスのパワースペクトル密度を増やすことにより、スペクトル幅を広げる効果を持つ。

【0100】

前述の例のように、レーザ線の数の増加に起因するＰＳＤの低減のファクターは、２から１０におよぶ。従って例えば、１００ＭＨｚといった狭いスペクトル幅から始めて、ファイバデバイスの入力部における全スペクトル幅が数１００ＭＨｚオーダーのパルスを得ることができる。これにより、ブリルアンゲインを著しく低減することができる。

【0101】

もちろん前述のＰＳＤを低減する方法は、網羅的なものではなく、組み合わされてもよい。

【0102】

図４Ａおよび４Ｂに、レーザパルスＩ_Ｌをファイバデバイスにより伝送する前に、レーザパルスＩ_Ｌを空間的に整形する処理の例を示す。

【0103】

これら２つの例は、実質的に均一な強度（「トップハット型」）のプロファイルを持つビームを作ることを目的とする。例えば、スペックルに関係する粒効果を除いて、光強度の空間的変化が＋／－１０％であることを目指す。

【0104】

図４Ａは、光学システム４２（例えば、光学レンズ）に関連して、ファイバのサイズおよびジオメトリに適合した空間的整形を実行するためのＤＯＥ（回折光学素子）４１を備える整形モジュール１０３の第１の例を示す。

【0105】

図４Ａでは、プロファイルＰ_０は、レーザ光源（例えば、ガウシアンレーザ光源）から発せられたレーザパルスの強度プロファイルを示す。本出願人は、図４Ａに示されるような「トップハット型」プロファイルでは、ファイバデバイスを伝搬中、強度スパイクのリスクが低減されることを見出した。光学システム４２の結像面におけるビームの空間的整形は、ＤＯＥ４１によって付与された、ＤＯＥにおけるビームの強度空間分布の空間的フーリエ変換で畳み込まれた位相マスクの空間的フーリエ変換に相当する。従ってＤＯＥ４１によって付与された位相マスクは、この畳み込みの結果が「トップハット型」強度分布を生むように計算される。ここでビームの直径Ｄは、光学システム４２の焦点距離に比例する。

【0106】

図４Ｂは、空間的整形モジュール１０３の他の変形を示す。この例では、空間的整形は、マイクロレンズアレイ４３、４４のペアと集光レンズ４５とを用いて実行される。

【0107】

第１のマイクロレンズアレイ４３（焦点距離Ｆ_μ１）は、入射ビームを複数のサブビームに分割する。集光レンズ４５と組み合わされた第２のマイクロレンズアレイ（焦点距離Ｆ_μ２）は、各サブビームの像を、「均一面」と呼ばれる面（これは、集光レンズの焦点距離Ｆ_Ｌの位置にある）に重ねる対物アレイの役割をする。２つのマイクロレンズアレイの間の距離を変えることにより、整形のサイズが変わる。マイクロレンズがそれぞれ個別に取るジオメトリにより、均一面の後の像の形が与えられる。

【0108】

図４Ａおよび４Ｂに示される空間的整形により、ガウシアンプロファイルに比べて、ファイバデバイス内を伝播中のマルチモードファイバの入力部における強度スパイクを低減することができる。特に、単一かつ共通のエネルギーおよび単一かつ共通のビーム直径に関し、「トップハット型」の円形プロファイルは、ガウシアンプロファイルに比べて低い強度ピークを持つ。

【0109】

レーザパルスのパワープロファイルにおける強度スパイクの低減は、前述のように、パルスの時間的コヒーレンスを低減することによっても実現できる。

【0110】

図５は、
本開示に係るシステム５０の一例であって、図１に示される要素の全部または一部を備え、前述のファイバデバイス１１０の出力部に配置された少なくとも１つの第１の光増幅器１２０をさらに備えるものを示す。複数の光増幅器は直列に配置されてもよい。増幅されたパルスを、光ファイバ（単数または複数）の出力部で空間的に整形することもできる。

【0111】

第１の光源と異なる波長の第２の光源がある場合、システムは、この第２の光源から放射された第２のレーザパルスを増幅するための、少なくとも１つの第２のレーザ増幅器を備えてもよい。

【0112】

システム５０はまた、ポンプビームＩ_Ｐを放射する光源１０４を備える。ポンプ光源１０４の波長は、光源１０１から放射されたパルスの波長および使われる光増幅器１２０に依存する。例えば、レーザ光源１０１が約１０６４ｎｍの波長の光を放射し、光増幅器１２０の増幅器結晶がＮｄ－ＹＡＧ結晶である場合、ポンプ光源１０４は、約８００ｎｍのポンプビームを放射できるだろう。レーザ光源１０１が約１０３０ｎｍの波長の光を放射し、増幅器結晶がＹｂ－ＹＡＧ結晶である場合、ポンプ光源１０４は、約９８０ｎｍのポンプビームを放射できるだろう。

【0113】

有利には、ポンプレーザ光源は、１つ以上のレーザダイオードを備える。

【0114】

ポンプレーザ光源１０４は、連続波モード（ＣＷ）または準連続波モード（ＱＣＷ）モードのポンプビームを放射してもよい。

【0115】

時間的整形モジュール１０５を用いて時間的整形を行うことにより、例えば、ポンプビームを強度的に変調することができる。この場合ポンプビームは、前述の第１のパルスの繰り返し周波数で変調される。ポンプビームは、所定の持続時間（例えば、光増幅器１２０の増幅に使われる希土類イオンの励起準位が持続する時間）、一定または準一定の光強度に保たれてよい。この持続時間が経過すると、ポンプビームの強度はゼロに減衰してよい。例えば空間的整形モジュール１０６を用いて、ポンプビームを空間的に整形することもできる。これにより、例えば、ポンプビームの光モードのサイズを第１のマルチモードファイバのコア直径に適用することにより、ファイバデバイス１１０へのポンプビームの注入を保護することができる。

【0116】

ポンプレーザダイオードを使う場合、空間的整形は、当該ダイオードを直接電気的に制御することにより行われる。

【0117】

図５の例では、ポンプビームは、ミラー１０７、１０８を用いて、レーザパルスＩ_Ｌの形でファイバデバイス１１０内に注入される。ポンプビームＩ_ＰはレーザパルスＩ_Ｌと共に伝搬する。すなわちポンプビームはファイバデバイス１１０内に注入される。共伝搬ポンピングは特に、ポンプレーザビームと増幅されるべきレーザパルスとのオーバーラップを最大化するのに有利である。従って増幅プロセスはより効率的となり、これにより必要なポンプエネルギーを最適化することができる。

【0118】

代替的に、光ポンピングは横方向であってもよく、例えば個別のレーザダイオードを用いて実行されてもよい。この変形により、例えばポンプダイオード当たり１本の光ファイバを用いて、さらなるポンプエネルギーを与えることができる。

【0119】

前述のように、いずれの場合も、図１に示される部品１１５（例えば、ＤＯＥ（回折光学素子）、マイクロレンズシステム、光コンデンサ、パウエルレンズなど）を用いて、増幅器１２０の出力部分でパルスを空間的に整形することができる。

【0120】

図６は、「フォトニックランタン」と呼ばれる２つの部品がヘッドトゥテールに配置されたファイバデバイス６０の１つの典型的な例を示す。

【0121】

各部品または「フォトニックランタン」は、マルチモードファイバ（２００００モード以上）のコアを、より細いコア径を持つ複数の小モードマルチモードファイバ（１００００モード未満）に接続する。こうした部品の構成は、例えば以下に開示されている（Noordegraaf. et al. "Multi-mode to single mode conversion in a 61 port photonic lantern", Optics Express, Vol. 18, No. 5 (2010) pp. 4673 - 4678.）。従って図６に示されるファイバデバイス６０は、第１のマルチモードファイバ６１と、この第１のマルチモードファイバ６１に接続された１組の小モードマルチモードファイバ６２とを入力部に備え、第２のマルチモードファイバ６３を出力部に備える。この第２のマルチモードファイバ６３は、前述の小モードマルチモードファイバに接続され、第１のレーザパルスを出力するためのシングルコアを備える。小モードマルチモードファイバは、例えば１０以上２０以下であればよく、望ましくは１０以上１００以下である。

【0122】

このようなデバイスは、伝送損失（典型的には、１５％未満）を伴うことがあるが、より細い径（典型的には、５０μｍ以上２００μｍ以下）の小モードマルチモードファイバを使うことにより柔軟性が著しく向上する。さらに損失は、シングルコア注入とカップリングセクションとの間にドープされたファイバ６２を使うことにより補償することができる。こうした損失は、ファイバデバイスの出力部に光増幅器を配置することにより補償してもよい。

【0123】

従って、ファイバデバイス６０を用いて、高エネルギー（典型的には、１０ｎｓのパルス当たり３００ｍＪより高い）のレーザパルスをシングルコアに注入し、このパルスを、より径の細い複数のファイバを介して処理対象領域まで伝搬させることができる。マルチファイバ伝送機能が実現されると、光放射は光増幅器１２０によって増幅され、処理対象の表面まで伝送される。エネルギーをシングルコアから伝送することにより、回折光学素子（例えば、ＤＯＥ、マイクロレンズシステム、光コンデンサまたはパウエルレンズ）を用いたビームの増幅および整形が容易となる。

【0124】

さらに、ファイバデバイスの入力部および出力部がより太い径（典型的には、３００μｍ以上１ｍｍ以下）のマルチモードファイバであることにより、ファイバデバイスの入力面および出力面のレーザ損傷に対する耐性が向上する。

【0125】

以上、いくつかの詳細な実施の形態を用いて説明したが、高ピークパワーパルス生成方法およびシステムは、様々な変形、変更、改良が可能であることは当業者に明らかである。こうした変形、変更、改良も、以下の請求項で定義される本発明の範囲内にあることが理解される。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】