特許 7452926 極高繰り返し率を有するレーザパルスを生成するためのレーザシステム及び方法

(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】2024-03-11

(45)【発行日】2024-03-19

(54)【発明の名称】極高繰り返し率を有するレーザパルスを生成するためのレーザシステム及び方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/10 20060101AFI20240312BHJP

   H01S 3/1106 20230101ALI20240312BHJP

   H01S 3/23 20060101ALI20240312BHJP

【ＦＩ】

H01S3/10 Z

H01S3/1106

H01S3/23

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2020537459

(86)(22)【出願日】2019-01-10

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-04-30

(86)【国際出願番号】 FR2019050051

(87)【国際公開番号】W WO2019138192

(87)【国際公開日】2019-07-18

【審査請求日】2021-12-24

(31)【優先権主張番号】1850249

(32)【優先日】2018-01-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】514010656

【氏名又は名称】アンプリテュード

(74)【代理人】

【識別番号】100074734

【弁理士】

【氏名又は名称】中里 浩一

(74)【代理人】

【識別番号】100086265

【弁理士】

【氏名又は名称】川崎 仁

(74)【代理人】

【識別番号】100076451

【弁理士】

【氏名又は名称】三嶋 景治

(72)【発明者】

【氏名】オニンジェ クルマン

(72)【発明者】

【氏名】オードゥアール エリック

【審査官】百瀬 正之

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－２５０９４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／００５０２３５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００３－１４３０７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２７０５５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５２０８０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００７－５０８６９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０３８２５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５１５８８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】J. Magne; J. Bolger, et al.，Generation of a 4×100 GHz pulse-train from a single-wavelength 10-GHz mode-locked laser using superimposed fiber Bragg gratings and nonlinear conversion，Journal of Lightwave Technology，米国，IEEE，2006年，Vol. 24, No. 5，p.2091-2099，https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1632246，DOI: 10.1109/JLT.2006.872682

【文献】Can Kerse et al.，3.5-GHz intra-burst repetition rate ultrafast Yb-doped fiber laser，Optics Communications，UK，2016年，Vol.366，p.404-409，http://doi.org/10.1016/j.optcom.2015.12.064

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ３／００－３／３０

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

－ ８００メガヘルツ以上の第１の繰り返し周波数（Ｆ１）において、フェムト秒又はピコ秒持続時間の一連のソースパルス（１００）を含むソースレーザビームを生成するように適合されたモードロッキング発振器（１）と、
－ 極高繰り返し周波数の一連のレーザパルスを生成するために、前記一連のソースパルス（１００）を受信し、且つ前記第１の繰り返し周波数（Ｆ１）に等しいか又はその倍数であって、２または４の自然整数である倍数である第２の繰り返し周波数（Ｆ２）に増幅するように適合された光増幅器システム（２）と
を含み、前記光増幅器システム（２）は、カスケードに配置されたいくつかの光増幅器（２１，２２，・・・，２Ｎ）を含み、このいくつかの光増幅器（２１，２２，・・・，２Ｎ）は、光パワー増幅器（２２，２Ｎ）を備え、
－発振器（１）の下流で、光パワー増幅器（２２，２Ｎ）の上流に置かれたパルスピッカー（３）をさらに含み、このパルスピッカー（３）は、第１の繰り返し周波数（Ｆ１）に等しいバースト内繰り返し周波数を有するバーストのパルス（３０）を選択し、そして該バーストのパルスを光パワー増幅器（２２，２Ｎ）に注入するように適合されており、
－前記発振器（１）と前記光増幅器システム（２）との間に配置された繰り返し周波数逓倍器装置（４、４４）をさらに含み、前記繰り返し周波数逓倍器装置（４、４４）は、前記第１の繰り返し周波数（Ｆ１）における前記バーストのパルスを受け、そして、前記第２の繰り返し周波数（Ｆ２）におけるバースト内繰り返し周波数を有するバーストのパルスを形成し、前記第２の繰り返し周波数（Ｆ２）が１０ＧＨｚ以上である
ことを特徴とする固体材料のアブレーションのための極高速レーザシステム。

【請求項2】

前記繰り返し周波数逓倍器装置（４、４４）は、第１の光結合器－分割器（４１）、第１の光学遅延線（５１）及び第１の出力（Ｓ１）を有する第２の光結合器－分割器（４２）を含み、前記第１の光結合器－分割器（４１）は、前記ソースレーザビーム（１００）を前記第１の繰り返し周波数（Ｆ１）における第１のパルスビーム（１１０）及び前記第１の繰り返し周波数（Ｆ１）における第２のパルスビーム（１２０）に空間的に分割するように適合され、前記第１の光学遅延線（５１）は、前記第１の繰り返し周波数（Ｆ１）における前記第２のパルスビーム（１２０）の軌道上の前記第１の光結合器－分割器（４１）と前記第２の光結合器－分割器（４２）との間に配置され、前記第１の光学遅延線（５１）は、前記第２のパルスビーム（１２０）上において、前記第１の繰り返し周波数（Ｆ１）の半周期に等しい光学遅延を誘起し、且つ半周期だけ遅延された第２のパルスビーム（１３０）を生成するように適合され、及び前記第２の光結合器－分割器（４２）は、前記第１のパルスビーム（１１０）と、半周期だけ遅延された前記第２のパルスビーム（１３０）とを再合成し、且つ第１の再合成ビーム（１４２）を前記第１の出力（Ｓ１）上に形成するように適合され、ここで、前記パルスは、前記第１の繰り返し周波数（Ｆ１）の２倍に等しい前記第２の繰り返し周波数（Ｆ２）において定格化される、請求項１に記載のレーザシステム。

【請求項3】

前記第２の光結合器－分割器（４２）は、第２の出力（Ｓ２）を有し、前記第２の光結合器－分割器（４２）は、前記第１の繰り返し周波数（Ｆ１）の２倍に等しい前記第２の繰り返し周波数（Ｆ２）におけるパルスを含む第２の再合成ビーム（１５２）を前記第２の出力（Ｓ２）上に形成するように適合され、前記第１の再合成ビーム（１４２）及び前記第２の再合成ビーム（１５２）は、前記第２の光結合器－分割器（４２）の前記出力において互いの間で同期される、請求項２に記載のレーザシステム。

【請求項4】

前記繰り返し周波数逓倍器装置（４４）は、第２の光学遅延線（５２）と、第１の出力（Ｓ１）を有する光合成器（４９）とを含み、前記第２の光学遅延線（５２）は、前記第２のパルスビーム（１５２）の軌道上の前記第２の光結合器－分割器（４２）と前記光合成器（４９）との間に配置され、前記第２の光学遅延線（５２）は、前記第２の再合成ビーム（１５２）上において、前記第１の繰り返し周波数（Ｆ１）の周期の４分の１に等しい光学遅延を誘起し、且つ周期の４分の１だけ遅延された第２のパルスビーム（１６２）を生成するように適合され、及び前記光合成器（４９）は、前記第１の再合成ビーム（１４２）と、周期の４分の１だけ遅延された前記第２のパルスビーム（１６２）とを再合成し、且つ第１の４倍繰り返し周波数ビーム（１７０）であって、前記第１の繰り返し周波数（Ｆ１）の４倍に等しい第３の繰り返し周波数におけるパルスを含む第１の４倍繰り返し周波数ビーム（１７０）をその第１の出力（Ｓ１）上に形成するように適合される、請求項３に記載のレーザシステム。

【請求項5】

前記光合成器（４９）は、第２の出力（Ｓ２）を有し、前記光合成器（４９）は、第２の４倍繰り返し周波数ビーム（１８０）であって、前記第１の繰り返し周波数（Ｆ１）の４倍に等しい前記第３の繰り返し周波数におけるパルスを含む第２の４倍繰り返し周波数ビーム（１８０）をその第２の出力（Ｓ２）上に形成するように適合され、前記第１の４倍繰り返し周波数ビーム（１７０）及び前記第２の４倍繰り返し周波数ビーム（１８０）は、前記光合成器（４９）の前記出力において互いの間で同期される、請求項４に記載のレーザシステム。

【請求項6】

前記第１の光結合器－分割器（４１）、前記第２の光結合器－分割器（４２）及び前記光合成器（４９）は、偏光又は偏光保持結合器であり、且つ前記第１の４倍繰り返し周波数ビーム（１７０）及び前記第２の４倍繰り返し周波数ビーム（１８０）を合成するように適合された偏光子装置をさらに含む、請求項５に記載のレーザシステム。

【請求項7】

前記第２の光結合器－分割器（４２）の前記第１の出力（Ｓ１）上に配置されたパルス圧縮器（８）及び／又は前記第２の光結合器－分割器（４２）の前記第２の出力（Ｓ２）上に置かれた別のパルス圧縮器をさらに含む、請求項３に記載のレーザシステム。

【請求項8】

前記光合成器（４９）の前記第１の出力（Ｓ１）上に置かれたパルス圧縮器（８）及び／又は前記光合成器（４９）の前記第２の出力（Ｓ２）上に置かれた別のパルス圧縮器（８）をさらに含む、請求項５に記載のレーザシステム。

【請求項9】

前記モードロッキング発振器は、半導体発振器若しくは固体発振器、ハイブリッド発振器又はファイバ光学発振器の中から選択される、請求項１～８のいずれか一項に記載のレーザシステム。

【請求項10】

前記光増幅器システム（２）は、以下の種類の光増幅器：能動光ファイバ増幅器及び／又は水晶増幅器の中から選択される光増幅器（２１）又は複数の光増幅器（２１、２２、．．．、２Ｎ）を含む、請求項１～８のいずれか一項に記載のレーザシステム。

【請求項11】

非線形光周波数ダブラー又は光周波数トリプラー光学系を含む、請求項１～１０のいずれか一項に記載のレーザシステム。

【請求項12】

前記パルスピッカー（３）は、前記パルスのバーストを振幅において変調するように適合される、請求項１～１１のいずれか一項に記載のレーザシステム。

【請求項13】

前記光増幅器システム（２）の下流に置かれた光変調器（９）をさらに含み、前記光変調器（９）は、増幅されたパルスのバースト又は複数のバースト（２００）を選択し、且つ／又は前記増幅されたパルスのバースト又は複数のバーストを振幅において変調するように適合される、請求項１～１２のいずれか一項に記載のレーザシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、概して、パルスレーザの分野に関する。

【0002】

本発明は、より具体的には、超短且つ高パワーパルスレーザシステムに関する。

【0003】

本発明は、特に、変調可能繰り返し周波数を有する超短高パワーレーザパルスを生成するためのシステム及び方法に関する。

【背景技術】

【0004】

パルスレーザにより発射されるパルスの繰り返し率又は周波数は、多くの場合、使用されるアーキテクチャ及びレーザビームの所望の仕様に応じて判断される。

【0005】

主発振器パワー増幅器（ＭＯＰＡ）タイプのアーキテクチャが高パワーレーザソースを作るために一般的に使用される。この場合、主発振器と呼ばれるソースは、ソースパルスからなるソース信号を生成する。このソース信号は、１つの増幅段又は直列のいくつかの増幅段を含む光増幅器システムにおいて増幅される。様々なタイプのソースが存在する。ソース（特にその発振器空洞長が繰り返し周波数を規定するモードロッキングレーザに基づくソース）は、パルス化され得る。パルスソースは、切り替え型発振器（Ｑスイッチ）にも基づき得る。

【0006】

いくつかの用途では、ユーザは、レーザパルスの超短持続時間及びエネルギーを維持する一方、入射レーザビームのパワーを増加する必要があり得る。

【0007】

パルス繰り返し周波数の増加は、レーザビームのパワーを増加することを可能にし得るが、１パルス当たりのエネルギーの損失に繋がる（刊行物Ｃａｎ Ｋｅｒｓｅ ｅｔ ａｌ．，“３．５ ＧＨｚ ｉｎｔｒａ－ｂｕｒｓｔ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｕｌｔｒａｆａｓｔ Ｙｂ－ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ”，Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ３６６，２０１６，４０４－４０９を参照されたい）。

【0008】

刊行物Ｊ．Ｍａｇｎｅ ｅｔ ａｌ．，“Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ４ｘ１００ＧＨｚ ｐｕｌｓｅ－ｔｒａｉｎ ｆｒｏｍ ａ ｓｉｎｇｌｅ－ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ １０－ＧＨｚ ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒ ｕｓｉｎｇ ｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｅｄ ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇｓ ａｎｄ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．２４，ｎｏ．５，２００６は、重畳型ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）に基づく繰り返し周波数逓倍器について説明している。

【0009】

刊行物Ｅｌｓｍｅｒｅ Ｓ．Ｐ．ｅｔ ａｌ．“Ｈｉｇｈ－ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ－ｒａｔｅ ｓｕｂｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｆｉｂｅｒ－ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ－Ｅｘｔｅｒｎａｌ－Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ－Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅｓ”，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．２０，ｎｏ．８，２００８は、モードロッキング可飽和吸収体（ＳＥＳＡＭ）空洞に組み込まれたＶＥＣＳＥＬタイプの半導体レーザ（数ギガヘルツの繰り返し周波数でパルスを直接発射する）について説明している。

【0010】

刊行物Ｍｉｃｈｅｌｌｅ Ｙ Ｓａｎｄｅｒ ｅｔ ａｌ．“１０ＧＨｚ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｐｕｌｓｅ ｔｒａｉｎ”，２０１１，Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃｓ（ＣＬＥＯ）２０１１は、２倍又は４倍発振器周波数で一連のｆｓパルスを生成するように熱的に調整可能なＭａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計を含む平面回路に一体化された導波管装置に結合されたフェムト秒（ｆｓ）発振器を含むレーザソースについて説明している。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

工業用途の極高エネルギー及び／又は極高速において高パワーレーザパルスを生成するように適合されたレーザシステムを開発することが望ましい。

【0012】

一般的に、光増幅器の数を制限する一方、パルスレーザソースにおいて利用可能なピークパワーを増加することが望ましい。

【0013】

特に変調可能繰り返し周波数（要求に応じたパルスから極高速パルス列まで及び得る）又は各バーストの及び／若しくは連続バースト間の変調可能持続時間を有する１つ若しくはいくつかのパルスのバーストにおいて、１００ｎＪ～１０分の数μＪの高パワー且つ高エネルギーのレーザパルスを生成するレーザシステムを開発することが望ましい。

【課題を解決するための手段】

【0014】

従来技術の上述の欠点を改善するために、本発明は、極高速レーザシステムを提案する。

【0015】

より具体的には、本発明によると、８００メガヘルツ以上の第１の繰り返し周波数Ｆ１において、フェムト秒又はピコ秒持続時間の一連のソースパルスを含むソースレーザビームを生成するように適合されたモードロッキング発振器と、極高繰り返し周波数の一連のレーザパルスを生成するために、一連のソースパルスを受信し、且つ第１の繰り返し周波数Ｆ１に等しいか又はその倍数であって、２以上の自然整数である倍数である第２の繰り返し周波数に増幅するように適合された光増幅器システムとを含む極高速レーザシステムが提案される。

【0016】

特定の且つ有利な実施形態によると、本レーザシステムは、発振器と光増幅器システムとの間に置かれた繰り返し周波数逓倍器装置をさらに含み、繰り返し周波数逓倍器装置は、第１の光結合器－分割器、第１の光学遅延線及び第１の出力を有する第２の光結合器－分割器を含み、第１の光結合器－分割器は、ソースレーザビームを第１の繰り返し周波数における第１のパルスビーム及び第１の繰り返し周波数における第２のパルスビームに空間的に分割するように適合され、第１の光学遅延線は、第１の繰り返し周波数における第２のパルスビームの軌道上の第１の光結合器－分割器と第２の光結合器－分割器との間に配置され、第１の光学遅延線は、第２のパルスビーム上において、第１の繰り返し周波数の半周期に等しい光学遅延を誘起し、且つ半周期だけ遅延された第２のパルスビームを生成するように適合され、及び第２の光結合器－分割器は、第１のビームと、半周期だけ遅延された第２のビームとを再合成し、且つ第１の再合成ビームを第１の出力上に形成するように適合され、ここで、パルスは、第１の繰り返し周波数の２倍に等しい第２の繰り返し周波数において定格化される。

【0017】

有利には、第２の光結合器－分割器は、第２の出力を有し、第２の光結合器－分割器は、第１の繰り返し周波数の２倍に等しい第２の繰り返し周波数におけるパルスを含む第２の再合成ビームを第２の出力上に形成するように適合され、第１の再合成ビーム及び第２の再合成ビームは、第２の光結合器－分割器の出力において互いの間で同期される。

【0018】

この実施形態の変形形態によると、繰り返し周波数逓倍器装置は、第２の光学遅延線と、第１の出力を有する光合成器とを含み、第２の光学遅延線は、第２の再合成ビームの軌道上の第２の光結合器－分割器と光合成器との間に配置され、第２の光学遅延線は、第２の再合成ビーム上において、第１の繰り返し周波数の周期の４分の１に等しい光学遅延を誘起し、且つ周期の４分の１だけ遅延された第２のパルスビームを生成するように適合され、及び光合成器は、第１の再合成ビームと、周期の４分の１だけ遅延された第２のパルスビームとを再合成し、且つ第１の４倍繰り返し周波数ビームであって、第１の繰り返し周波数の４倍に等しい第３の繰り返し周波数におけるパルスを含む第１の４倍繰り返し周波数ビームをその第１の出力上に形成するように適合される。

【0019】

有利には、光合成器は、第２の出力を有し、光合成器は、第２の４倍繰り返し周波数ビームであって、第１の繰り返し周波数の４倍に等しい第３の繰り返し周波数におけるパルスを含む第２の４倍繰り返し周波数ビームをその第２の出力上に形成するように適合され、第１の４倍繰り返し周波数ビーム及び第２の４倍繰り返し周波数ビームは、光合成器の出力において互いの間で同期される。

【0020】

特定の且つ有利な態様によると、第１の光結合器－分割器、第２の光結合器－分割器及び光合成器は、それぞれ偏光又は偏光保持結合器であり、且つ第１の再合成ビーム及び第２の再合成ビーム又は第１の４倍繰り返し周波数ビーム及び第２の４倍繰り返し周波数ビームをそれぞれ合成するように適合された偏光子装置をさらに含む。

【0021】

別の特定の且つ有利な態様によると、本レーザシステムは、第２の光結合器－分割器の第１の出力上に置かれたパルス圧縮器及び／又は第２の光結合器－分割器の第２の出力上に置かれた別のパルス圧縮器をさらに含む。

【0022】

さらに別の特定の且つ有利な態様によると、本レーザシステムは、光合成器の第１の出力上に置かれたパルス圧縮器及び／又は光合成器の第２の出力上に置かれた別のパルス圧縮器をさらに含む。

【0023】

個々に採用される本発明による又はすべての技術的に可能な組み合わせによるレーザシステムの他の非限定的且つ有利な特徴は、以下のとおりである：
－ モードロッキング発振器は、例えば、ソリトン状態で動作する半導体発振器若しくは固体発振器、７ｃｍ～１０ｃｍに含まれる長さの高ドープファイバを有する発振器又はファイバ活性媒体として約１５ｃｍ以下である（例えば、７ｃｍ～１０ｃｍに含まれる）長さの極短高ドープファイバを有するハイブリッドファイバ／固体発振器の中から選択される；
－ 光増幅器システムは、以下の種類の光増幅器：能動光ファイバ増幅器及び／又は水晶増幅器の中から選択される光増幅器又は複数の光増幅器を含む；
－ 水晶増幅器は、棒、スラブ又は薄い円盤タイプである；
－ 光増幅器システムは、カスケードに配置された複数の光増幅器を含み、複数の光増幅器は、光パワー増幅器を含む；
－ 本レーザシステムは、非線形光周波数ダブラー又は光周波数トリプラー光学系をさらに含む；
－ 本レーザシステムは、発振器の下流且つそれぞれ光増幅器システム又は光パワー増幅器の上流に置かれたパルスピッカーをさらに含み、パルスピッカーは、パルスのバーストを選択し、且つ／又はそれを振幅において変調し、及びパルスのバーストを光増幅器システム内又は光パワー増幅器内にそれぞれ注入するように適合される；
－ 本レーザシステムは、任意選択的に、パルスのバーストの相補的なパルスビームを生成するように適合された別のソースと、第２のビーム及びパルスのソースバーストを受信し、且つそれらを、パルスのバーストのバースト内繰り返し周波数に等しい繰り返し周波数を有する合成パルスビームに合成するように配置された別の結合器とをさらに含み、別の結合器は、この合成パルスビームを光増幅器システム内又は光パワー増幅器内に注入するように適合される。
－ 本レーザシステムは、光増幅器システムの下流に置かれた光変調器をさらに含み、光変調器は、増幅されたパルスのバースト又は複数のバーストを選択し、且つ／又は増幅されたパルスのバースト又は複数のバーストを振幅において変調するように適合される。

【0024】

本発明は、極高速レーザパルスを生成する方法であって、
－ ８００メガヘルツ以上の第１の繰り返し周波数を有する発振器により、フェムト秒又はピコ秒持続時間の一連のソースパルスを生成する工程と、
－ 一連の極高速レーザプラスを生成するために、一連のソースパルスを、第１の繰り返し周波数（Ｆ１）に等しいか又はその倍数であって、２以上の自然整数である倍数である第２の繰り返し周波数に光学的に増幅する工程と
を含む方法も提案する。

【0025】

非限定的例により与えられる添付図面に関連する以下の説明は、本発明がどのようなものから構成されるか及び本発明がどのように実施され得るかの良好な理解を可能にする。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】極高速発振器に基づく、本発明によるレーザシステムを概略的に示す。

【図2】極高速で動作するフェムト秒レーザ発振器の例示的実施形態を概略的に示す。

【図3】極高速で動作するフェムト秒レーザ発振器の別の例示的実施形態を概略的に示す。

【図4】極高速発振器に基づく、本発明の第１の実施形態によるレーザシステムを概略的に示す。

【図5】パルスピッカーをさらに含む、本発明の第２の実施形態によるレーザシステムを概略的に示す。

【図6】光パワー増幅器システムの反転安定化装置を含む、本発明の第３の実施形態によるレーザシステムを概略的に示す。

【図7】実施形態の１つと組み合わせて使用されるように意図された繰り返し周波数ダブラーの構造を概略的に示す。

【図8】本発明の実施形態の１つと組み合わせて使用されるように意図された４倍繰り返し周波数逓倍器の構造を概略的に示す。

【図9】極高速発振器から到来するソースパルスの一例を示す。

【図10】極高速の高エネルギーレーザパルスのバーストの生成の一例を示す。

【図11】極高速の高エネルギーレーザパルスのバーストの生成の一例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0027】

装置及び方法
図１は、１ＧＨｚに近い高速で動作するモードロック型発振器１、受動光ファイバ５、第１の能動光ファイバモノリシックサブシステム１７及び自由空間内で動作する別の光サブシステム１８に基づくレーザシステムの主部品をブロック図として示す。

【0028】

本明細書では、能動光ファイバにより意味するのは、光増幅器媒体として使用されるドープ光ファイバ（例えば、希土類元素ドープ光ファイバ）である。受動光ファイバにより意味するのは、光増幅器媒体として使用されず、主として透過機能を有する一般的非ドープ光ファイバである。

【0029】

従来のパルスレーザシステムでは、１００ＭＨｚ程度の（いかなる場合でも５００ＭＨｚより低い）繰り返し周波数で動作する能動光ファイバ発振器が一般的に使用される。この周波数範囲内のファイバ発振器は、発振器動作に必要なすべての機能を一体化するために少なくとも２０ｃｍの長さを有する空洞に対応する。

【0030】

発振器１は、ここで、Ｆ１で表される第１の繰り返し周波数において超短ソースパルス１００を生成するフェムト秒（又はピコ秒）発振器である。５００ＭＨｚ以上、好適には８００ＭＨｚ以上又はさらに１ＧＨｚ以上の第１の繰り返し周波数Ｆ１において動作する発振器が選択される。

【0031】

発振器１は、好適には、モードロッキング発振器である。一例では、発振器１は、ソリトン状態で動作する半導体発振器（ＶＣＳＥＬタイプの）又は固体発振器でもある。別の変形形態では、発振器１は、自由空間内の素子と数ｃｍ長の高ドープ光ファイバとを含むハイブリッド発振器である。

【0032】

発振器１は、１パルス当たり１～１００ｐＪ程度の低エネルギーの超短ソースパルス１００を生成する。このレベルの１パルス当たりエネルギーは、ガラス、半導体又は金属などの固体材料のアブレーション閾値に達するために必要とされる、１００ｍＪ／ｃｍ^２を超えるエネルギーよりはるかに低い。

【0033】

２価又は３価化合物半導体（例えば、ＶＣＳＥＬタイプのＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ又はＩｎＧａＰ）に基づく発振器は、ソースパルスの波長を、約１０３０ｎｍの波長で動作するイッテルビウムドープ能動光ファイバ増幅器及び／若しくは約１５００ｎｍの波長で動作するエルビウムドープ能動光ファイバ増幅器又は約２０００ｎｍの波長で動作するツリウム若しくはホルミウムドープ能動光ファイバ増幅器にも適合する広スペクトル帯に容易に調節することを可能にする。さらに、ＶＣＳＥＬタイプの発振器は、１０ＧＨｚ又は２０ＧＨｚまで及ぶ繰り返し周波数範囲内で動作するように適合される。

【0034】

第１の能動光ファイバモノリシックサブシステム１７は、例えば、能動光ファイバ増幅器システム２（例えば、能動光ファイバ前置増幅器を含む）と、場合により１つ又はいくつかの能動光ファイバパワー増幅器とを含む。有利には、第１のサブシステム１７は、能動光ファイバ前置増幅器と能動光ファイバパワー増幅器との間に配置されるパルスピッカー３、及び／又はパルス伸長器６、及び／又は光アイソレータ７をさらに含む。パルス伸長器６は、好適には、好適な長さの受動光ファイバ、又はチャープブラッグ格子、又は比分散光ファイバ（バンドギャップファイバ）でも構成される。

【0035】

他の光サブシステム１８は、例えば、光アイソレータ（場合により光パワー増幅器）、パルス圧縮器８及び／又は光変調器９を含む。周知の方法において、パルス圧縮器８は、光パワー増幅の上流の第１のサブシステム１７のパルス伸長器６において伸縮パルスを再圧縮するように動作する。光変調器９は、光ゲートの機能を有し、出力において１つ又はいくつかのパルス列を選択するように動作する。

【0036】

図１のレーザシステムは、１ギガヘルツ（ＧＨｚ）以上の繰り返し周波数においてフェムト秒レーザパルス列９００を生成すること、又は１ギガヘルツ（ＧＨｚ）以上のバースト内繰り返し周波数において、且つ例えば１００Ｈｚ、若しくは１００ｋＨｚ、若しくは１ＭＨｚ程度以上のバースト間繰り返し周波数においてフェムト秒レーザパルスバースト列を生成することを可能にする。

【0037】

図２は、モードロック型高繰り返し周波数発振器の構成の詳細な一例を示す。モードロック型発振器１は、ポンプ１１、入力光学系１２、鏡Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４及びＭ５を含む共振光空洞、共振光空洞内に配置されたレーザ活性媒体１０並びに出力光学系１３を含む。好適には、レーザ活性媒体１０は、例えば、１０ｍｍに等しい厚さを有するレーザ水晶で構成される。レーザ活性媒体１０は、例えば、受動固体マトリクス（ガラス、ＹＡＧ、ＫＧＷ、ファイバなど）と、希土類イオン（ほとんどの場合、イッテルビウム又はエルビウム、ツリウム又はホルミウム）ベース能動ドーパントとで構成される。共振空洞内の往復の光路長は、１５ｃｍ程度である。約７ｃｍ～１０ｃｍの最大長の水晶又は極高ドープ且つ極短能動ファイバは、比較的低いドープ能動光ファイバに基づく活性媒体と比較して、水晶又は能動ファイバそれぞれの光学指標により割られた実長により定義された共振空洞の光路長を著しく低減すること、したがって極高い第１の繰り返し周波数Ｆ１を（構築により）有するレーザ発振器を作ることを可能にする。ここで、水晶又は極高ドープ光ファイバにより意味するのは、ポンプ波長における吸収長さが水晶又は光ファイバ長さよりはるかに（係数１又は２だけ）短くなるような方法で能動イオンによりドープされた水晶又は光ファイバである。実際、この場合、吸収の長さは、数ｃｍより短い。

【0038】

例示的実施形態では、レーザ活性媒体１０は、空中に置かれる。変形形態によると、レーザ活性媒体１０は、無空気モノリシック構造を形成するために２つの非ドープガラス又は水晶ブロックにより共振空洞の２つの末端鏡に固定される水晶である。

【0039】

ポンプダイオード１１は、連続的又はほぼ連続的ポンプ放射１１１を生成する。入力光学系１２は、鏡Ｍ２を介して空洞の長手方向光軸１９に沿ってポンプ放射１１１を共振光空洞内に注入する。鏡Ｍ２は、ポンプ放射１１１に対して透明である。入力光学系１２は、例えば、レンズ光学系である。入力光学系１２は、ポンプ放射１１１を活性レーザ媒体１０に収束させる。活性レーザ媒体１０は、ソースレーザビームを発射する。鏡Ｍ１、Ｍ２、Ｍ４及びＭ５は、ソースレーザビームに対して反射性である。鏡Ｍ５は、モードロッキング効果を開始及び維持することを可能にする半導体可飽和吸収体を含む。鏡Ｍ３は、ソースレーザビームに対して部分的に反射性且つ部分的に透明である。

【0040】

例示的実施形態では、入力光学系１２と活性レーザ媒体１０との間の距離Ｌ１は、約６０ｍｍであり、凹面鏡Ｍ２の中心と活性レーザ媒体１０を形成する水晶の面との間の距離Ｌ２は、約１５ｍｍであり、凹面鏡Ｍ１の中心と活性レーザ水晶１０の他の面との間の距離Ｌ３は、約１５ｍｍであり、凹面鏡Ｍ１と鏡Ｍ４との間の距離は、約６６ｍｍであり、鏡Ｍ４と鏡Ｍ５との間の距離は、約１５ｍｍであり、及び凹面鏡Ｍ２と鏡Ｍ３との間の距離は、約６０ｍｍである。空洞の物理的長さは、約１７０ｍｍである。このとき、繰り返し周波数Ｆ１は、８８０ＭＨｚであり、繰り返し周期は、約１．１ｎｓである。

【0041】

知られているように、共振光空洞は、８００メガヘルツ（ＭＨＺ）以上の第１の繰り返し周波数（Ｆ１）において、フェムト秒持続時間のソースパルス列１００を含むソースレーザビームを共振光空洞の出力において生成するようにロックモードで動作するように構成される。出力光学系１３は、パルスソースレーザビームを受動光ファイバ５内に注入する。

【0042】

受動光ファイバ５は、パルスソースレーザビームを第１のモノリシックサブシステム１７内に注入する。光増幅器システム２は、ソースパルス１００を増幅し、第１の繰り返し周波数（Ｆ１）におけるレーザパルスを形成する。有利には、パルスピッカー３は、第１の繰り返し周波数（Ｆ１）に等しいバースト内繰り返し周波数を有するパルスのバーストを形成するいくつかのパルスを選択する。代替形態として、パルスピッカー３は、パルスのいくつかのバーストを選択する。特定の実施形態では、パルスピッカー３は、パルスの１つ又はいくつかのバーストを生成するために所定のパルス数を選択する。

【0043】

図３は、モードロック型高繰り返し周波数発振器の構成の別の詳細な例を示す。同じ参照符号は、図１～２と同じ素子を表す。図３の構成では、共振光空洞は、レーザ活性媒体１０、鏡Ｍ１、鏡Ｍ２及び鏡Ｍ３のみを含む。図３に示す空洞の長さは、図２に示すものより短い。したがって、図３の構成は、より高い（例えば、１ＧＨｚより高い）第１の繰り返し周波数Ｆ１を得ることを可能にする。

【0044】

図４は、発振器１と光増幅器システム２とを含むレーザシステムを示す。

【0045】

光増幅器システム２は、１つの光増幅器又はカスケードに配置されたいくつかの光増幅器を含む。光増幅器システム２は、１つ又はいくつかの能動光ファイバ増幅器、及び／又は水晶増幅器、及び／又はハイブリッド増幅器システムで構成される。本明細書では、ハイブリッド増幅器システムにより意味するのは、少なくとも１つのファイバ増幅器と少なくとも１つの水晶増幅器との組み合わせを含むシステムである。例えば、光増幅器システム２は、第１の光増幅器２１又は前置増幅器、第２の光増幅器２２及び第ｎの光増幅器２Ｎを含む。光増幅器２２、．．．、２Ｎは、例えば、光パワー増幅器である。

【0046】

図４に示す第１の実施形態では、発振器１は、第１の繰り返し周波数Ｆ１における一連のソースパルス１００を含むソースレーザビームを生成する。光増幅器システム２は、第１の繰り返し周波数Ｆ１における一連のレーザパルス２００を形成するために、一連のソースパルス１００を受信してそれらを増幅する。この第１の実施形態は、極高い第１の繰り返し周波数Ｆ１におけるレーザパルス２００を生成することを可能にする。しかし、平均パワーは、光増幅器システム２により制限されるため、各レーザパルス２００のエネルギーは、極高繰り返し周波数Ｆ１により制限される。例示的実施形態では、受動ファイバ伸長器、単一モードファイバ前置増幅器及びワイドコア単一モードファイバ増幅器を含む光増幅器システム２と組み合わされた８８０ＭＨｚの第１の繰り返し周波数Ｆ１における持続時間約２５０ｆｓのソースパルスを生成する発振器１が考察される。光増幅器システム２の出力における平均パワーは、２０Ｗ程度である。この場合、レーザパルス２００は、１．１ｎｓだけ時間的に分離され、エネルギーＥは、出力Ｓ上で１レーザパルス２００当たり約１０分の数ナノジュールに制限され、ｋＷ程度の平均パワーに関してマイクロジュールに達する可能性がある。１パルス当たりエネルギーのこのレベルは、発振器１の出力におけるものよりはるかに高い。しかし、エネルギーのこのレベルは、通常、ガラス、半導体又は金属などの固体材料８のアブレーション閾値を超えるには不十分であるが、高分子などの低アブレーション閾値材料に適し得る。

【0047】

それにもかかわらず、アブレーション効率は、１レーザパルス当たりのエネルギーのみに依存しないと思われる。したがって、比較的制限されたエネルギー及び極高繰り返し周波数Ｆ１における超短レーザパルスの印加は、いわゆるアブレーション冷却効果（アブレーション冷却材料除去）を得ることと、材料のアブレーションの効率を著しく増加することとを可能にする。

【0048】

図５～８では、同じ参照符号は、図１～４のものと同一又は同様の素子を表す。

【0049】

図５に示す第２の実施形態では、パルスピッカー３は、前置増幅器２１とパワー増幅器２２、．．．、２Ｎとの間に置かれる。発振器１が十分な（例えば、５０ｍＷより高い）パワーを供給する場合、パルスピッカー３は、発振器１と前置増幅器２１との間にも置かれ得る。

【0050】

前置増幅器２１は、事前増幅されたパルス２１０を形成するために、第１の繰り返し周波数Ｆ１においてソースパルス１００を受信し、それらを第１の繰り返し周波数Ｆ１に増幅する。

【0051】

パルスピッカー３は、電気光学又は音響光学タイプの光変調器を含む。パルスピッカー３は、事前増幅されたパルス２１０を受信する。パルスピッカー３は、Ｍ個のパルス３００（Ｍは、一般的には、１～１０００に含まれる自然整数である）又は５０～５００個のパルス、好適には５０～２００個のパルスのバーストを選択する。パルスピッカー３は、１００Ｈｚ～１０ＭＨｚ（１００ＭＨｚまで及ぶ可能性がある）に含まれるＦ３で表される第３の繰り返し周波数においてパルスオンデマンドモード、バーストオンデマンドモード又は周期的バーストモードで動作し得る。２つのバースト間の時間間隔は、用途に従って変化し得る。この繰り返し周波数変動は、増幅器における利得動力学を修正し、１パルス当たりエネルギーの変動に至り得る。一例では、パルスピッカー３は、５０％未満、好適には３０％未満又はさらに２０％未満の低減されたデューティサイクルで動作する。特定の実施形態では、パルスピッカー３は、約２ＭＨｚに等しい第３の繰り返し周波数Ｆ３において且つ１８％のデューティサイクルでＭ≒８０個のパルスのバーストを定期的に選択することにより動作する。

【0052】

本明細書では、バーストのデューティサイクルにより意味するのは、バーストの持続時間と２つの連続バースト間の時間間隔との比である。

【0053】

したがって、パルスピッカー３の出力において、パルス３００は、第１の繰り返し周波数Ｆ１に等しいバースト内繰り返し周波数を有する。パルスピッカー３は、パルスの単一バースト又は２つの連続バースト間の所定の時間間隔を有するパルスのいくつかの連続バーストを選択し得る。特定の実施形態では、パルスピッカー３は、連続バースト間の一定時間間隔を有する周期的バーストを選択する。換言すれば、パルスピッカー３は、第３の繰り返し周波数Ｆ３に等しいバースト間繰り返し周波数で動作し得る。

【0054】

特定の実施形態によると、パルスピッカー３は、ユーザにより規定された包絡線に従ってパルスのバースト内のパルスの振幅を変調するように制御される。例えば、パルスピッカー３は、トップハット選択をパルスのバーストに適用する。したがって、選択されたバーストのパルスは、すべて同じ振幅を有する。代替形態として、パルスピッカー３は、立上りエッジ、平坦域及び立下りエッジを有する振幅変調を適用する。この場合、選択されたバーストのパルスは、増加振幅、次に一定振幅、次に減少振幅を有する。別の代替形態によると、パルスピッチ３は、鋸歯状振幅変調（例えば、バーストの第１のパルスに対して最大振幅及びそれ以降のパルスに対して減少振幅）を適用する。当業者は、パルスピッカー３の振幅変調プロファイルを用途に応じて容易に適合化することになる。

【0055】

Ｍ個のパルス３００のバーストが光パワー増幅器２２、．．．、２Ｎ内に注入される。したがって、光増幅器システム２は、第１の繰り返し周波数Ｆ１に等しいバースト内繰り返し周波数を有するレーザパルス５００のバーストと、第３の繰り返し周波数Ｆ３に等しいバースト間繰り返し周波数とを出力Ｓ上に発射する。光パワー増幅器２２、．．．、２Ｎは、第１の繰り返し周波数Ｆ１においてであるが、限定数Ｍのパルス全体にわたってパルス列と同じ平均パワーを供給する。その結果、バーストの増幅されたパルス５００は、同じ光増幅器システム２により増幅された第１の繰り返し周波数Ｆ１におけるパルス列のパルスのエネルギーより高い１パルス当たりエネルギーを有する。したがって、トップハットバーストの場合、バーストのエネルギーは、第３の繰り返し周波数Ｆ３により割られたパワーに等しく、バースト内の１パルス当たりエネルギーは、バースト内のパルス数Ｍにより割られたこのバーストのエネルギーに等しい。

【0056】

したがって、バーストの各パルスは、用途に応じて１０ｎＪ～数μＪに含まれるエネルギーに達するように増幅される。したがって、第２の実施形態は、第１のバースト内繰り返し周波数Ｆ１を低減することなく、１パルス当たりエネルギーを増加することを可能にする。

【0057】

さらに、パルスのバーストのエネルギーは、バーストの各パルスのエネルギーの合計に等しい。一方では、約８０ｆｓ又はｐｓパルスのバーストであって、ナノ秒程度の持続時間を有するパルスのバーストを考慮し、他方では、考慮されるｆｓ又はｐｓパルスのバーストの積算エネルギーと同じエネルギーを有するナノ秒持続時間のレーザパルスを考慮する。しかし、バーストの各パルスの持続時間は、フェムト秒又はピコ秒であるため、パルスのバーストのピークパワーは、ナノ秒パルスのピークパワーよりはるかに高い。バーストモードは、ナノ秒単一パルスと非常に異なる様式でエネルギーを時間に応じて分散することを可能にする。したがって、レーザ－材料相互作用は、強く変化される。

【0058】

したがって、第２の実施形態は、利用可能ピークパワーを増加することを可能にする。バースト内のパルスの数は、光増幅器システムの限界を考慮して選択される。

【0059】

次に、パルスレーザによる固体材料のアブレーションの効率は、１パルス当たりエネルギー、パルス持続時間だけでなく、バーストモードではバースト内繰り返し周波数及びパルスの増幅されたバーストのデューティサイクルにも依存するように思われる。したがって、比較的制限されたエネルギー及び極高バースト内繰り返し周波数Ｆ１の超短レーザパルスのバーストの印加は、アブレーション冷却効果（アブレーション冷却材料除去）を得ることと、材料のアブレーションの効率を増加すること、すなわち除去される材料の量を増加することとを可能にし得る。

【0060】

変形形態によると、レーザシステムは、光増幅器システム２の出力に配置された電気光学又は音響光学タイプの光変調器９をさらに含む。光変調器９は、例えば、図４に示されるパルスピッカー３を有しないシステムにおいて使用され得る。代替形態として、光変調器９は、例えば、図５～６に示されるパルスピッカー３を含むシステムにおいて使用される。光変調器９は、ユーザにより規定された包絡線に従って、増幅されたパルスの振幅を変調するように制御される。例えば、光変調器９は、トップハット選択を増幅されたパルスのバーストに適用する。したがって、選択されたバーストの増幅されたパルスは、すべて同じ振幅を有する。代替形態として、パルスピッカー３は、立上りエッジ、平坦域及び立下りエッジを有する振幅変調を適用する。この場合、選択されたバーストの増幅されたパルスは、増加振幅、次に一定振幅、次に減少振幅を有する。別の代替形態によると、光変調器９は、鋸歯状振幅変調（例えば、バーストの第１のパルスに対して最大振幅及びそれ以降のパルスに対して減少振幅）を適用する。当業者は、光変調器９の振幅変調プロファイルを用途に応じて容易に適合化することになる。

【0061】

しかし、第２の実施形態は、光パワー増幅器２２、．．．、２Ｎの欠点を示し得る。実際、２つのバースト間の期間の変動は、利得不安定性を導入する可能性がある。

【0062】

光パワー増幅器の反転のレベル及び利得を安定化するために、図６に示す第３の実施形態が提案される。第３の実施形態は、Ｍ個のパルス３００のバーストの相補的な第２の信号４０を生成するように適合された別のソース１４をさらに含む。

【0063】

結合器１５は、光パワー増幅器の入力においてＭ個のパルス３００のバーストと第２の信号４０とを合成するように動作する。

【0064】

光増幅器システム２の出力において、結合器－分割器は、一方ではＭ個の増幅されたパルス５００のバーストを、他方では増幅された第２の信号４００を空間的に分割するように動作する。

【0065】

より正確には、本発明者らは、第２の信号４０が、光パワー増幅器２２、．．．、２Ｎにおいて、ユーザにより選択された次のＭ個のパルスのバーストを所望のレベルのエネルギーに増幅するために母集団の反転を正確に必要なレベルに維持するような方法で構成される条件に在る。より正確には、第２の信号４０は、光パワー増幅器システム２２、．．．、２Ｎ内に蓄えられたエネルギーが次のＭ個のパルス３００のバーストを所望のレベルのエネルギーに増幅するために必要なレベルのままとなるような方法で時間変調される。一般的に、パルスのバースト及び第２の信号４０のパルスは、同じ持続時間及び／又は同じエネルギーを有しない。それにもかかわらず、第２の信号４０は、Ｍ個のパルス３００のバーストと第２の信号４０との組み合わせが、次のＭ個のパルス３００のバーストにより所望のバーストエネルギーを抽出するために光増幅器２２、．．．、２Ｎの母集団の反転のレベルを必要な値に維持するための効果があるように大きさが決められる。したがって、対応する時間間隔が、２つのＭ個のパルス３００のバーストを分離する時間間隔より長くなるように第２の信号４０が時間変調される場合、光増幅器システム２２、．．．、２Ｎの利得は、Ｍ個の増幅されたパルス５００のバーストのパルス毎に一定のままである。Ｍ個の選択されたパルス３００のバーストで構成される主信号が光パワー増幅器２２、．．．、２Ｎに送信される場合、１つ又はいくつかのソースパルスを除去する変調後、Ｍ個のパルス３００のバーストのすべての選択されたパルスが同じ利得で増幅される。

【0066】

実際には、Ｍ個の増幅されたパルス３００のバーストのパルスのエネルギーは、時間及びパワー、エネルギー、波長に応じて測定及び／又は注入される第２の信号４０のパルスの持続時間はＭ個の増幅されたパルス３００のバーストのパルスのエネルギーを安定化するように変更される。

【0067】

したがって、光パワー増幅器２２、．．．、２Ｎは、パルスピッカー３により選択されるパルス３０のバーストと第２の信号４０とを同時に増幅する。

【0068】

有利には、パルス３０のバーストと第２の信号４０は、互いに横断する偏光状態を有する。この場合、結合器１９及び結合器－分割器１６は、偏光光学部品で構成され得る。

【0069】

変形形態では、パルス３０のバースト及び第２の信号４０は、光増幅器システム２の帯域内に位置する様々な波長を有する。この変形形態では、結合器１５及び結合器－分割器１６は、二色性光学部品で構成され得る。

【0070】

したがって、第３の実施形態は、光パワー増幅器をバーストモードにおいて安定化することを可能にする。任意選択的に、レーザシステムは、Ｍ個の増幅されたパルス５００のバーストの振幅を変調するように結合器－分割器１６の出力に置かれる光変調器９をさらに含む。

【0071】

別の実施形態では、高繰り返し周波数発振器、光増幅器システム及び繰り返し周波数逓倍器は、組み合わせて使用される。

【0072】

文献Ｃａｎ Ｋｅｒｓｅ ｅｔ ａｌ．（“３．５ＧＨｚ ｉｎｔｒａ－ｂｕｒｓｔ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｕｌｔｒａｆａｓｔ Ｙｂ－ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ”，Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ３６６，２０１６，４０４－４０９）は、３．５ＧＨｚのバースト内繰り返し周波数及び１ｋＨｚのバースト繰り返し周波数においてレーザパルスのバーストを生成するファイバ増幅器システムを開示する。以下の解析は、本開示に属する。ＭＯＰＡ（主発振パワー増幅器）タイプのこのシステムは、１０８ＭＨｚのソース繰り返し周波数においてソースレーザパルスを発射するレーザ発振器、受動光ファイバ繰り返し周波数逓倍器装置４及び能動光ファイバ増幅器のシステムを含む。より正確には、繰り返し周波数逓倍器装置４は、直列に配置された６つの５０／５０結合器、それぞれが２つの連続５０／５０結合器間に配置された５つの光学遅延線を含む。この繰り返し周波数逓倍器装置４は、ソース繰り返し周波数に２^５に等しい係数を乗算するように、したがって３．５ＧＨｚにおいて１０８ＭＨｚからソース繰り返し周波数を増加するように動作する。このシステムは、前置増幅器、音響光学変調器及び９段の光ファイバ増幅器をさらに使用する。音響光学変調器は、１ｋＨｚの繰り返し周波数においてパルスのバーストの形状を判断する包絡線を適用する。次に、パルスのバーストは、９段の光ファイバ増幅器において増幅される。しかし、このシステムは、カスケードにおける多くの部品を必要とする。さらに、この技術の欠点は、特に５０／５０結合器の分岐間の非対称性に起因して出力パルスのエネルギー及び時間間隔安定性を維持する困難さである。他方では、３．５ＧＨｚより高い繰り返し周波数範囲内でこのようなシステム（追加結合器、追加極高精度遅延線及び追加増幅段を必要とするであろう）を活用することは、困難に思われる。

【0073】

図７～８は、上述の実施形態の１つと組み合わされ得る特定の態様を示す。この特定の態様は、２又は４倍繰り返し周波数逓倍器装置に関係する。この繰り返し周波数逓倍器装置は、発振器１と光増幅器システム２との間に好適に置かれるように意図されている。変形形態によると、繰り返し周波数逓倍器装置は、光前置増幅器と光パワー増幅器システムとの間に置かれる。別の変形形態によると、繰り返し周波数逓倍器装置は、光増幅器システム２の出力に配置される。

【0074】

より正確には、図７は、２倍繰り返し周波数逓倍器、すなわち繰り返し周波数ダブラー４を示す。繰り返し周波数逓倍器装置４は、第１の光結合器－分割器４１、第１の光学遅延線５１及び第２の光結合器－分割器４２を含む。第１の光学遅延線５１は、第１の光結合器－分割器４１と第２の光結合器－分割器４２との間に配置される。繰り返し周波数逓倍器４は、第１の繰り返し周波数Ｆ１のレーザパルス（それぞれＥで表される１パルス当たりエネルギーを有する）を含むレーザビーム１００、２００、５００を受信する。第１の光結合器－分割器４１は、レーザビーム１００、２００又は５００を、第１の繰り返し周波数Ｆ１において定格化されたＥ／２に等しい１パルス当たりエネルギーを有する第１のパルスビーム１１０と、第１の繰り返し周波数Ｆ１において定格化されたＥ／２に等しい１パルス当たりエネルギーを有する第２のパルスビーム１２０とに空間的に分割するように適合される。第１の光結合器－分割器４１の出力において、２つの分割されたビームは、同じ特性を有し、用語「第１のパルスビーム」及び「第２のパルスビーム」は、本明細書の以降において、いかなる順番の概念も伴うことなく互いに区別されるように任意に使用される。第１の光学遅延線５１は、第２のパルスビーム１２０の軌道上の第１の光結合器－分割器４１と第２の光結合器－分割器４２との間に配置される。第１の光学遅延線５１は、第１のパルスビーム１１０に対して半周期だけ一時的に遅延された第２のパルスビーム１３０を形成するために、第２のパルスビーム１２０上の第１の繰り返し周波数Ｆ１の半周期に等しい光学遅延を誘起するのに好適である。第２の光結合器－分割器４２は、第１の繰り返し周波数Ｆ１において第１のパルスビーム１１０を、且つ第１の繰り返し周波数Ｆ１において半周期だけ遅延された第２のパルスビーム１３０を受信する。光学遅延線５１は、例えば、好適な長さの受動光ファイバにより構成される。第２の光結合器－分割器４２は、例えば、４入力－出力光結合器である。第２の光結合器－分割器４２は、第１のビーム１１０と、半周期だけ遅延された第２のビーム１３０とを再合成し、第１の再合成ビーム１４２を第１の出力Ｓ１上に形成するように適合され、ここで、パルスは、Ｅ／４に等しい１パルス当たりエネルギーを有し、第１の繰り返し周波数Ｆ１の２倍に等しい第２の繰り返し周波数Ｆ２において定格化される。特に有利には、第２の光結合器－分割器４２は、第１のビーム１１０と、半周期だけ遅延された第２のビーム１３０とを再合成し、第２の再合成ビーム１５２を第２の出力Ｓ２上に形成するように適合され得、ここで、パルスは、Ｅ／４に等しい１パルス当たりエネルギーを有し、第１の繰り返し周波数Ｆ１の２倍に等しい第２の繰り返し周波数Ｆ２において定格化される。有利には、第１の光結合器－分割器４１及び第２の光結合器－分割器４２は、５０／５０結合器である。この場合、２つの出力Ｓ１及びＳ２は、交換可能である。

【0075】

したがって、繰り返し周波数逓倍器装置４は、Ｆ１に対して係数２だけ逓倍された繰り返し周波数Ｆ２を有するパルスビーム１４２を生成するように動作し、ここで、１パルス当たりエネルギーは、４により割られるのみである。したがって、８００ＭＨｚの第１の繰り返し周波数Ｆ１を有するソース発振器から始まり、２×８００ＭＨｚ＝１．６ＧＨｚの繰り返し周波数を有する再合成ビーム１４２及び／又は１５２が得られる。この構成は、考慮される材料をエッチングするのに好適な１パルス当たりエネルギーを得るために光増幅器の数を制限することをさらに可能にする。

【0076】

２つの出力Ｓ１又はＳ２の一方が、通常、光増幅器システム内のソース発振器の繰り返し周波数の２倍である繰り返し周波数においてパルスビームを増幅するために使用される。実際、ほとんどの光増幅器システムでは、増幅は、単一光軸に沿って行われなければならない。この場合、この繰り返し周波数逓倍器装置の有効出力パワーは、繰り返し周波数逓倍器装置の挿入の損失を考慮しなければ入力パワーＰの約半分である。

【0077】

図８は、周波数逓倍器の別の例、より正確には４倍繰り返し周波数逓倍器、すなわち繰り返し周波数クワッドラプタ４４を示す。同じ参照符号は、図７と同じ素子を表す。繰り返し周波数逓倍器４４は、光合成器４９及び第２の光学遅延線５２をさらに含む。第２の光学遅延線５２は、第２の光結合器－分割器４２と光合成器４９との間に配置される。有利には、第２の光結合器－分割器４２は、４つの入力－出力を含む。第２の光結合器－分割器４２は、一方の入力上では、第１の繰り返し周波数Ｆ１において１パルス当たりエネルギーＥ／２を有する第１のパルスビーム１１０を受信し、別の入力上では、第１の繰り返し周波数Ｆ１において半周期だけ時間遅延され、且つ１パルス当たりエネルギーＥ／２を有する第２のパルスビーム１３０を受信する。図７に関連して説明したように、第２の光結合器－分割器４２は、第１のパルスビーム１１０と、遅延された第２のパルスビーム１３０とを再合成し、且つ第１の繰り返し周波数の２倍（２×Ｆ１）において定格化されたＥ／４に等しい１パルス当たりエネルギーを有する第１の合成ビーム１４２と、第１の繰り返し周波数の２倍（２×Ｆ１）において定格化されたＥ／４に等しい１パルス当たりエネルギーを有する第２の再合成ビーム１５２とに空間的に分割するように適合される。第２の光学遅延線５２は、第２の再合成ビーム１５２の軌道上に配置される。第２の光学遅延線５２は、第１の再合成ビーム１４２に対して周期の４分の１だけ時間遅延された第２のパルスビーム１６２を形成するために、第１の繰り返し周波数Ｆ１の周期の４分の１に等しい光学遅延を第２の再合成ビーム１５２上に誘起するように適合される。光合成器４９は、第１の繰り返し周波数の２倍（２×Ｆ１）において定格化された第１の再合成ビーム１４２と、繰り返し周波数Ｆ１の周期の４分の１だけ時間遅延され、且つ第１の繰り返し周波数の２倍（２×Ｆ１）において定格化された第２のパルスビーム１６２とを受信する。光合成器４９は、第１の再合成ビーム１４２と、周期の４分の１だけ時間遅延された第２のパルスビーム１６２とを再合成し、第１の出力Ｓ１上に第１の４倍周波数ビーム１７０を形成するように適合され、ここで、パルスは、Ｅ／８に等しい１パルス当たりエネルギーを有し、第１の繰り返し周波数Ｆ１の４倍に等しい第３の繰り返し周波数Ｆ３において定格化される。特に有利には、光合成器４９は、第１の分割されたビーム１４２と、他の分割されたビーム１６２とを再合成し、第２の４倍周波数ビーム１８０を第２の出力Ｓ２上に形成するように適合され得、ここで、パルスは、Ｅ／８に等しい１パルス当たりエネルギーを有し、第１の繰り返し周波数Ｆ１の４倍に等しい第３の繰り返し周波数Ｆ３において定格化される。有利には、光合成器４９は、５０／５０結合器である。この場合、２つの出力Ｓ１及びＳ２は、交換可能である。

【0078】

したがって、繰り返し周波数逓倍器４４は、Ｆ１に対して係数４だけ逓倍された第３の繰り返し周波数Ｆ３を有する少なくとも１つのパルスビーム１７０、１８０を生成することを可能にし、ここで、１パルス当たりエネルギーは、８により割られるのみである。したがって、８００ＭＨｚの第１の繰り返し周波数Ｆ１を有するソース発振器から始まり、繰り返し周波数４×８００ＭＨｚ＝３．２ＧＨｚを有する再合成ビームが得られる。

【0079】

したがって、繰り返し周波数は、係数２又は４だけ逓倍される。追加される部品（遅延線５１、５２及び５０／５０合成器）の挿入の損失は、これらの少数の部品により制限されるままである。したがって、光合成器４９の光結合器－分割器４１、４２及び光学遅延線５１、５２の数を制限するために繰り返し周波数逓倍器を繰り返し周波数ダブラー又はクワッドラプタに制限することが選択される。

【0080】

この繰り返し周波数クワッドラプタ装置の有効出力パワーは、繰り返し周波数逓倍器装置の挿入の損失を考慮しなければ、繰り返し周波数ダブラーの場合と同様に入力パワーＰの約半分（すなわち繰り返し周波数ダブラー装置により得られるものに匹敵するパワー）である。

【0081】

一般的に、発振器１は、直線偏光される。したがって、ソースパルス１００、増幅されたパルス２００及びパルス５００のバーストのパルスは、それぞれ直線偏光される。

【0082】

一実施形態では、第１の光結合器－分割器４１、第２の光結合器－分割器４２及び光合成器４９は、入力信号又は出力信号のいずれの偏光状態にも影響を及ぼさない等方性結合器である。代替形態として、第１の光結合器－分割器４１、第２の光結合器－分割器４２及び光合成器４９は、偏光又は偏光保持（ＰＭ）結合器である。この場合、これらの結合器は、偏光された入力信号の偏光を修正しないように、且つ入力信号の偏光の５０／５０の分割比を提供するように構成され且つ方向付けられる。この構成は、等方性であり、すなわち両方の偏光軸に沿って同じ増幅器係数を有する増幅器システムにおいて合理的に使用され得る。実際、第１の出力Ｓ１上の第１の４倍周波数ビーム１７０と、第２の出力Ｓ２上の第２の４倍周波数ビーム１８０とは、同時に使用され得る。例えば、半波長板が第１の４倍周波数ビーム１７０又は第２の４倍周波数ビーム１８０の偏光を９０度だけ回転させるために使用され、偏光子が２つの偏光を合成するために使用される。次に、再合成ビームは、１つの等方性光増幅器又は一連の等方性光増幅器において増幅され得る。一連の増幅器の入力に位置するエネルギーの損失は、限定された影響を装置の最終エネルギーに与えるのみである。

【0083】

代替形態として、第２の出力Ｓ２上の第２の再合成ビーム１８０は、平行に配置されており、したがって２つのほとんど同一且つ同期されたＧＨｚソースを有する別の同様の光増幅器システムにおいて増幅されるように使用され得る。

【0084】

別の代替形態によると、第１の再合成ビーム１４２と、周期の４分の１だけ時間遅延された第２のパルスビーム１６２とは、再合成される前に増幅される。したがって、第１の出力Ｓ１上の第１の４倍周波数ビーム１７０と、第１の出力Ｓ２上の第２の４倍周波数ビーム１８０とは、同時に使用され得る。有利には、パルス圧縮器は、同じ繰り返し周波数においてであるが、第１の出力Ｓ１及び第２の出力Ｓ２上で異なるパルス持続時間を有するパルスを得るように、第１の出力Ｓ１上にのみ置かれる。異なる持続時間のこれらのパルスは、有利には、所定の横方向シフトを有するか又は有しないかにかかわらず、同じサンプル上で空間的に再合成される。

【0085】

特定の用途では、第１の出力Ｓ１上の第１の再合成ビーム１７０及び第２の出力Ｓ２上の第２の再合成ビーム１８０は、ポンププローブ構成に従ってその場診断のために使用される。

【0086】

材料を機械加工するための最適速度がソース発振器の速度より高い場合、既に極高いソース発振器速度のために著しく低減された複雑性を有する時間分割及び合成解決策が適用され得る。例えば、５００ＭＨｚ（各パルス間２ｎｓの周期）における発振器から始まり、約１ＧＨｚの速度は、５０／５０パルス分割、パルスの１つを半周期だけ遅延する光学遅延線及び再合成装置により行われ得る。再合成は、空間的に又は偏光によりのいずれかで行われ得る。偏光による再合成は、本質的にパワー損失なしに行われるが、十分に規定された偏光状態は、失われることになる。空間的再合成は、例えば、５０／５０結合器を介して行われ得る。この再合成は、入射光の５０％が第１の出力Ｓ１に到達し、５０％が第２の出力Ｓ２に到達するため、パワーを犠牲にすることのみにより可能である。それにもかかわらず、この方法は、その柔軟性のために有利なままである。レーザシステムの非常に低いパワー部における５０％損失は、完全なレーザシステムの効率に重大な影響を与えることなく受容され得る。

【0087】

光学遅延線５１、５２は、出力繰り返し周波数が高いため、制御するのがなおさら困難である。実際、繰り返し周波数逓倍器装置は、１０ＧＨｚ以上まで及ぶ繰り返し周波数に達することを可能にする。

【0088】

繰り返し周波数逓倍器装置は、有利には、それぞれ同じ繰り返し周波数でレーザパルスビームを発射する２つの出力Ｓ１、Ｓ２を有することを可能にする。このような装置は、ポンププローブレーザ用途が第１の出力を使用して、例えばいわゆるポンプレーザビームを形成することと、第１の出力を使用して、いわゆるプローブレーザビームを形成することとを可能にする。

【0089】

極高速を有するソース発振器１は、複数ＧＨｚ領域内の繰り返し周波数を受容する一方、分割及び再合成動作の数を２又は４に制限することを可能にする。こうして、ＧＨｚ領域内の第２の繰り返し周波数Ｆ２において超短パルスを生成するレーザシステムが得られる。

【0090】

上に詳述されたように、ＧＨｚ領域内のバースト内繰り返し周波数を有するパルスのバーストもパルスピッカー３を使用して生成され得る。したがって、ＧＨｚ領域内のバースト内繰り返し周波数及び１００Ｈｚ～１００ＭＨｚに含まれるバースト間繰り返し周波数を有するパルスの周期的バーストが生成され得る。パルスは、ＧＨｚ速度と、１Ｗ～１０００Ｗに含まれる（好適には数１０～１００Ｗ程度の）パワーとを有する。

【0091】

実施形態によると、パルスピッカー３は、繰り返し周波数逓倍器４又は４４の上流に配置される。この場合、パルスピッカー３に入る２つのパルス間のセパレーションは、極良好なコントラストを有するパルスツーパルス制御を許容するのに十分に大きい（約１～２ｎｓ）。こうして、パルスピッカー３は、所定のパルス数を選択する。次に、繰り返し周波数逓倍器４、４４は、パルスピッカーにより選択されたパルス数の倍数を含むパルスのバースト（ほぼ平坦（又はトップハット）形状を有する）を生成する。

【0092】

上述の実施形態の任意の１つと組み合わされ得る変形形態では、別の光変調器９が繰り返し周波数逓倍器４又は４４の下流に配置される。光変調器９は、振幅のアナログ制御による音響光学又は電気光学タイプのものである。光変調器９は、出力パルスの振幅を変調するか又はパルスのバーストを選択するように動作する。次に、光変調器９に入る２つのパルス間の期間は、ソースパルスの期間に対して係数２又は４だけ低減される。この場合、光変調器９は、光変調器９の立上り時間が光変調器９に入る２つのパルス間の期間より長いと、トップハットバーストを選択するにはあまりに遅い可能性がある。

【0093】

図９は、図２又は３に示すようなモードロッキングレーザ発振器の出力におけるソースパルスビーム１００の測定結果を示す。モードロッキングレーザ発振器は、約９００ＭＨｚの第１の繰り返し周波数Ｆ１を有するソースパルスを生成する。２つの連続レーザパルス間の期間は、１．１ｎｓ程度である。パルスの持続時間は、２００ｆｓ程度である。パルスの持続時間は、より短くなり得る（例えば、１００ｆｓ程度又はさらに１００ｆｓ未満）。

【0094】

図１０～１１は、図９のソースパルスから極高速において高エネルギーレーザパルスのバーストを生成する一例を示す。図５において概略的に示されたようなレーザシステムが使用される。図１０は、発振器から到来して能動光ファイバ増幅器システムにおいて増幅された約８０個のパルスのバーストを示す。図１１は、約１８％のデューティサイクルの２ＭＨｚのバースト間繰り返し周波数を有する一連のレーザパルスのバーストを示し、能動光ファイバ増幅器システムの出力パワーは、２０Ｗ程度であり、増幅されたパルスの持続時間は、約２００ｆｓである。

【0095】

上に述べた実施形態の１つによるパルスレーザシステムは、特に、ガラス、例えばシリコンなどの半導体又は例えば銅、アルミニウム若しくはステンレス鋼などの金属などの固体材料のアブレーションにおいて多くの用途を見出す。高分子又は生体物質（角膜、象牙質など）もこのようなレーザ処理に曝され得る。

【0096】

本発明は、いわゆるアブレーション冷却を得ることを可能にする１ＧＨｚ程度の速度若しくは１ＧＨｚより速い速度又はさらに１０ＧＨｚ若しくは２０ＧＨｚより速い速度における様々な固体材料のアブレーションのための用途を特に見出す。

【0097】

有利には、非線形光周波数ダブラー又は光周波数トリプラー光学系は、上述の実施形態の任意の１つによる極高速レーザシステムの出力において光周波数を２倍又は３倍にすることによりパルスビームの波長を変換するために使用される。

【0098】

このようなレーザシステムは、アブレーションの品質と、フェムト秒（又はピコ秒）機械加工の精度とを維持する一方、生産性を増加することを可能にする。実際、このレーザシステムは、１ＧＨｚより高いバースト内繰り返し周波数（又は第２の繰り返し周波数Ｆ２）を有するバーストを生成することにより材料中のエネルギーの蓄積を最適化することを可能にする。さらに、レーザシステムは、バースト内の極高速度におけるＭ個のパルス（場合により低速度における一連のパルス）のエネルギーの連続供給により材料中のエネルギーの蓄積を制御することを可能にする。最後に、レーザシステムは、その相互作用がバースト内のパルス速度（又はバースト内のパルス間の時間分離）、バースト内のパルス数及び／又はパルス列の速度などの様々なパラメータを適合化することにより、望まれる材料に応じてエネルギーの蓄積を制御及び最適化することを可能にする。

【0099】

本発明のレーザシステムは、頑強性及び信頼性に関して要求される工業用途に適応化される。さらに、レーザシステムは、本質的に小嵩部品（棒、板又は薄円盤状増幅器水晶）及び／又はファイバ光学部品に基づくため、特にコンパクトである。

【0100】

１ＧＨｚを超える繰り返し周波数を有するレーザパルスを生成する方法は、固体材料のレーザアブレーションの効率の増加を実現するように特に適応化される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】