特表 2024-542187 Ｑスイッチガスレーザーにおけるパルスイコライゼーション

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-11-13

(54)【発明の名称】Ｑスイッチガスレーザーにおけるパルスイコライゼーション

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/117 20060101AFI20241106BHJP

【ＦＩ】

H01S3/117

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024529345

(86)(22)【出願日】2022-10-27

(85)【翻訳文提出日】2024-05-22

(86)【国際出願番号】 US2022078772

(87)【国際公開番号】W WO2023091849

(87)【国際公開日】2023-05-25

(31)【優先権主張番号】63/281,044

(32)【優先日】2021-11-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】512095392

【氏名又は名称】コヒレント， インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100078282

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 秀策

(74)【代理人】

【識別番号】100113413

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 夏樹

(74)【代理人】

【識別番号】100181674

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 貴敏

(74)【代理人】

【識別番号】100181641

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】230113332

【弁護士】

【氏名又は名称】山本 健策

(72)【発明者】

【氏名】シギーン， バーノン エー．

(72)【発明者】

【氏名】シュメルザー， デイビッド ピー．

(72)【発明者】

【氏名】フォンタネラ， ジョエル

(72)【発明者】

【氏名】ローセンタール， ピーター

【テーマコード（参考）】

5F172

【Ｆターム（参考）】

5F172AD05

5F172DD03

5F172NN13

5F172NP03

5F172NQ24

5F172NQ25

5F172ZA04

(57)【要約】

二変量パルスイコライゼーションを持つＱスイッチガスレーザー装置は、ガスレーザー、センサーおよび電子回路を含む。Ｑスイッチは、パルスレーザービームを生成するために、高損失状態と低損失状態との間でレーザー共振器を切り替える。センサーは、レーザーパルスエネルギーを示すパルスレーザービームの測定結果を得る。電子回路は、（ａ）パルスレーザービームのレーザーパルスの繰り返しレートを設定するために、高損失状態と低損失状態との間でレーザー共振器を繰り返し切り替えることと、（ｂ）目標レーザーパルスエネルギーを達成するために、パルスエネルギーの測定結果に基づいて、低損失状態の損失レベルを調整することと、（ｃ）目標レーザーパルス持続時間を達成するために低損失状態の持続時間を調整することとを行うように、Ｑスイッチを動作させる。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

パルスイコライゼーションを有するＱスイッチガスレーザー装置であって、前記Ｑスイッチガスレーザー装置は、
Ｑスイッチを有するレーザー共振器を含むガスレーザーであって、前記Ｑスイッチが、パルスレーザービームを生成するために高損失状態と低損失状態との間で前記レーザー共振器を切り替えるように動作可能である、ガスレーザーと、
レーザーパルスエネルギーを示す前記パルスレーザービームの第一の測定結果を得るための第一のセンサーと、
前記Ｑスイッチと前記第一のセンサーとの間で通信可能に結合されている電子回路であって、前記電子回路は、（ａ）前記パルスレーザービームのレーザーパルスの繰り返しレートを設定するために、前記高損失状態と前記低損失状態との間で前記レーザー共振器を繰り返し切り替えることと、（ｂ）目標パルスエネルギーを達成するために、前記第一の測定結果に基づいて、前記低損失状態の損失レベルを調整することと、（ｃ）目標レーザーパルス持続時間を達成するために、前記低損失状態の持続時間を調整することとを行うように、前記Ｑスイッチを動作させるように構成されている、電子回路と
を備えている、Ｑスイッチガスレーザー装置。

【請求項2】

レーザーパルス持続時間を示す前記パルスレーザービームの第二の測定結果を得るための第二のセンサーをさらに備え、前記電子回路が、前記第二の測定結果に基づいて、前記目標レーザーパルス持続時間を達成するために、前記低損失状態の前記持続時間を調整するように構成されている、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記第一のセンサーおよび前記第二のセンサーが、前記レーザー共振器の外側で前記パルスレーザービームをサンプリングするように配置されている、請求項２に記載の装置。

【請求項4】

前記電子回路が、前記第一のセンサーと前記Ｑスイッチとの間でパルスエネルギーフィードバックループを完成させ、前記第二のセンサーと前記Ｑスイッチとの間でパルス持続時間フィードバックループを完成させる、請求項２に記載の装置。

【請求項5】

前記パルス持続時間フィードバックループが、前記パルスエネルギーフィードバックループよりも高速である、請求項４に記載の装置。

【請求項6】

前記第一のセンサーが、複数の前記レーザーパルスにわたる平均として前記第一の測定結果を得るように構成される感光性検出器であり、前記第二のセンサーが、個々のレーザーパルスの波形として前記第二の測定結果を得るように構成される光学検出器である、請求項４に記載の装置。

【請求項7】

前記Ｑスイッチが、前記レーザー共振器中に設置される音響光学変調器を含む、請求項１に記載の装置。

【請求項8】

前記電子回路が、
ラジオ周波数信号を生成し、前記音響光学変調器へ供給するためのＲＦドライバーであって、前記ラジオ周波数信号は、０でない振幅のときに、前記音響光学変調器に、回折によって前記共振器中の損失を誘発させる、ＲＦドライバーと、
指令信号を生成し、前記ＲＦドライバーへ送信するためのコントローラーであって、前記指令信号が、先行エッジ、後行エッジおよび信号値をそれぞれ有する一連の指令パルスを含み、それぞれの先行エッジは、前記ＲＦドライバーに、前記レーザー共振器を前記低損失状態にするより低い振幅を有する前記ラジオ周波数信号を生成させ、それぞれの後行エッジは、前記ＲＦドライバーに、前記レーザー共振器を前記高損失状態にするより高い振幅を有する前記ラジオ周波数信号を生成させ、それぞれの信号値は、前記より低い振幅の値を設定する、コントローラーと
を含み、
前記コントローラーが、（ａ）連続的な先行エッジ間の周期を目標繰り返しレートの逆数とマッチするように設定することによって、前記繰り返しレートを設定することと、（ｂ）前記目標レーザーパルスエネルギーを達成するために、前記第一の測定結果に基づいて、前記信号値を調整することと、（ｃ）前記目標レーザーパルス持続時間を達成するために、前記先行エッジから前記対応する後行エッジまでの持続時間を調整することとを行うように構成されている
請求項７に記載の装置。

【請求項9】

前記パルスレーザービームを増幅させるためのレーザーパワー増幅器をさらに備え、前記第一のセンサーが、前記レーザーパワー増幅器による増幅の後に、前記第一の測定結果を前記パルスレーザービームから得るように配置される、請求項１に記載の装置。

【請求項10】

Ｑスイッチガスレーザーによって生成されるレーザーパルスをイコライズするための方法であって、前記方法は、
パルスレーザービームを生成するために高損失状態と低損失状態との間で前記Ｑスイッチガスレーザーのレーザー共振器を繰り返し切り替えるように前記ＱスイッチガスレーザーのＱスイッチを動作させるステップと、
前記パルスレーザービームのレーザーパルスの、レーザーパルスエネルギーおよびレーザーパルス持続時間を、繰り返しステップを通してイコライズするステップであって、前記繰り返しステップが、
前記レーザーパルスエネルギーを示す第一の測定結果を得るために前記パルスレーザービームをサンプリングすることと、
目標レーザーパルスエネルギーに近づけるために、前記第一の測定結果に基づいて、前記低損失状態の損失レベルを調整することと、
目標レーザーパルス持続時間に近づけるために前記低損失状態の持続時間を調整することと
を行う、ステップと
を含む方法。

【請求項11】

前記サンプリングするステップが、前記レーザーパルス持続時間を示す前記レーザービームの第二の測定結果を得ることをさらに含み、前記持続時間を調節するステップが、前記第二の測定結果に基づく、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記第一の測定結果のそれぞれのインスタンスが、複数の前記レーザーパルスにわたる平均として得られ、前記第二の測定結果のそれぞれのインスタンスが、個々のレーザーパルスから得られる、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記動作させるステップが、前記レーザーパルスの繰り返しレートを、第一の値から、前記第一の値と異なる第二の値へ変化させるステップを含み、
前記イコライズするステップが、前記変化させるステップによって引き起こされる前記レーザーパルスエネルギーおよびレーザーパルス持続時間への変化を最小限にするように、前記変化させるステップに応答して前記調節するステップを行うことを含む
請求項１０に記載の方法。

【請求項14】

前記イコライズするステップが、
前記繰り返しレートの前記第二の値において、前記繰り返しレートの前記第一の値と１０％以内で同じである個々の、または平均されたレーザーパルスエネルギーを、維持することと、
前記繰り返しレートの前記第二の値において、前記繰り返しレートの前記第一の値と１０％以内で同じであるレーザーパルス持続時間を、維持することと
を含む、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記動作させるステップが、
指令信号を生成することであって、前記指令信号は、先行エッジ、後行エッジおよび信号値をそれぞれ有する一連の指令パルスを含み、それぞれの先行エッジは、前記レーザー共振器の前記低損失状態への遷移を開始し、それぞれの後行エッジは、前記レーザー共振器の前記高損失状態への遷移を開始し、それぞれの信号値は、前記低損失状態の間における前記レーザー共振器の前記損失レベルを画定することと、
連続的な先行エッジ間の周期を目標繰り返しレートの逆数とマッチするように設定することによって、前記レーザーパルスの繰り返しレートを設定することと
を含み、
前記損失レベルを調整するステップが、前記第一の測定結果に基づいて前記信号値を調整することを含み、
前記持続時間を調整するステップが、前記第二の測定結果に基づいて前記先行エッジから前記対応する後行エッジまでの持続時間を調整することを含む、
請求項１０に記載の方法。

【請求項16】

前記パルスレーザービームを増幅させるステップをさらに備え、
前記サンプリングするステップが、前記パルスレーザービームについてその増幅後に行われる、請求項１０に記載の方法。

【請求項17】

前記Ｑスイッチが、音響光学変調器である、請求項１０に記載の方法。

【請求項18】

前記動作させるステップが、前記損失レベルが結果として前記低損失状態において０でないように前記レーザー共振器の外へレーザー光を回折させるために前記音響光学変調器を駆動することを含む、請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

前記サンプリングするステップが、前記レーザー共振器の外側で行われる、請求項１０に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（優先権）
本出願は、２０２１年１１月１８日に提出された米国仮特許出願第６３／２８１，０４４号の優先権を主張し、その開示は、全体において参照によって組み込まれている。

【0002】

（発明の技術分野）
本発明は、Ｑスイッチ二酸化炭素（ＣＯ_２）レーザーおよびＱスイッチ一酸化炭素（ＣＯ）レーザーのようなＱスイッチガスレーザーに関連する。本発明は、パルス繰り返しレートの変更に対する、Ｑスイッチガスレーザーの出力のレーザーパルスエネルギーおよびレーザーパルス持続時間の変化に、特に関連する。

【背景技術】

【0003】

（背景技術の議論）
ガスレーザーのレーザー利得媒質は、ガス混合物である。レーザー作用を提供する光学活性体は、原子、イオンまたは分子である。これらの光学活性体は、普通、高電圧電場（ラジオ周波数（ＲＦ）か直流（ＤＣ）のどちらか）によってエネルギーを供給され、それは、ガス放電を生成し、それによって、光学活性体中に反転分布を提供する。多くのガスレーザーは、商業的利用において、固体レーザーによって、それらの概してより高効率、より小さいサイズ、より低コストおよびより単純な動作のために、取って代わられてきた。しかし、ある種のガスレーザーは、人気のままであり、いくつかのレーザー利用のための好ましい解法である。例えば、ＣＯ_２レーザーおよびＣＯレーザーは、レーザー加工のように、赤外線（ＩＲ）波長および高平均パワーが有利である産業プロセスにおいてかなりの使用が見られる。

【0004】

ＣＯ_２レーザーは、約９マイクロメートル（μｍ）から約１１μｍの波長範囲内でＩＲレーザー放射を送達することができ、一方、ＣＯレーザーは、約４．５μｍから約６．０μｍの波長範囲内でＩＲレーザー放射を送達することができる。最大約８キロワットの平均パワーが、ＣＯ_２レーザーおよびＣＯレーザーで得られることができる。

【0005】

多くのレーザー加工利用は、レーザー放射がパルス状であることを必要とする。ＣＯ_２レーザーおよびＣＯレーザーの場合、パルスレーザービームは、利得媒質中でガス放電をオンオフすることによって生成され得る。しかし、この技術によって生成されるレーザーパルスの立ち上がり時間および立ち下がり時間は、ガス混合物中におけるエネルギー伝達プロセスの速度論によって決められ、通常１０マイクロ秒（μｓ）から２００μｓのオーダーである。これらの立ち上がり時間および立ち下がり時間は、結果として、レーザーパルス持続時間全体が何十から何百マイクロ秒もの範囲内になり、それは、ある利用にとっては長すぎる。特に、これらのレーザーパルス持続時間は、照射された物質中の熱影響部が小さいことが必要とされる多くのレーザー加工利用において長すぎる。レーザーパルス持続時間が数十マイクロ秒またはそれより長いとき、単一のレーザーパルスの間での照射された物質中の温度拡散は、熱影響部を照射された位置から離れる方向に大幅に拡大させる。たとえより短いレーザーパルスを必要としない利用のためであっても、ガス放電の変調は、関係する温度変動が光学不安定性を導くという追加の欠点を有する。

【0006】

Ｑスイッチングは、レーザー共振器の空洞内損失を変調することによりレーザーパルスを生成するための技術である。Ｑスイッチングは、レーザー利得媒質の安定したポンピングを維持しながら、レーザー共振器を高損失状態（低Ｑ値）と低損失状態（高Ｑ値）との間で切り替える。レーザーパルスは、第一に、レーザー発振作用を妨げるために高損失状態においてレーザー共振器を動作させることによって生成される。レーザー発振作用のない場合、利得媒質のポンピングは、結果として、レーザー利得媒質中に大量のエネルギーの蓄積となる。次に、共振器損失は、急に、レーザー作用を可能にする低い値へ降下する。ビルドアップ時間の後、循環レーザーパワーは、この低損失状態で急速に増加し、蓄えられたエネルギーは、即座に枯渇する。その結果が、通常ナノ秒範囲内の持続時間を持つレーザーパルスの生成である。最も一般的には、Ｑスイッチングは、パルス繰り返しレートによって特徴づけられる１列のレーザーパルスを生成するために、周期的に行われる。

【0007】

Ｑスイッチングは、アクティブまたはパッシブであり得る。アクティブＱスイッチングにおいて、レーザー共振器は、アクティブ損失要素、例えば、音響光学変調器（ＡＯＭ）または電気光学変調器（ＥＯＭ）を含み、それは、レーザー共振器を高損失状態と低損失状態との間で切り替えるために、共振器からの放射を迂回させるか迂回させないように制御されている。アクティブＱスイッチングは、通常、数百キロヘルツ（ｋＨｚ）から１ｋＨｚまたはそれより低くに至るまでの範囲内のパルス繰り返しレートを持つレーザーパルスを生成するために使用される。アクティブＱスイッチングは、要求に応じて単一のレーザーパルスを生成するために使用され得る。

【0008】

パルスレーザービームを用いて行われるレーザープロセスは、通常、最適なパルス繰り返しレートを有する。最適なパルス繰り返しレートは、プロセスに依存する。それゆえ、最も多用途なパルスレーザーシステムは、パルス繰り返しレートの範囲で、時々シングルショットから数百キロヘルツに跨って、動作可能である。レーザー加工プロセスが、それぞれの単一部分のプロセス中にパルス繰り返しレートを変動させることを伴い、パルス繰り返しレートのオンザフライ調整を必要とすることは、珍しいことではない。Ｑスイッチレーザーの場合、パルス繰り返しレートの調整は、結局、レーザー共振器の高損失状態の持続時間を変化させることと同じである。少なくとも比較的高いパルス繰り返しレートに対しては、このような変化は、低損失状態への切り替えの前に利得媒質中に蓄積されるエネルギーの量に影響することができる。その結果、パルス繰り返しレートの調整は、変化させられるレーザーパルスエネルギーに付随して起こり得る。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0009】

（発明の概要）
本明細書で開示されるのは、レーザーパルスエネルギーとレーザーパルス持続時間との両方の二変量パルスイコライゼーションを持つＱスイッチガスレーザー装置および関係する方法である。本装置および方法は、アクティブＱスイッチングを使い、パルス繰り返しレートの広い範囲にわたって、レーザーパルスエネルギーおよび持続時間をイコライズするように構成されている。１つのイコライゼーションのメカニズムは、レーザーパルスエネルギーに直接影響を与えるのに対し、他のイコライゼーションのメカニズムは、レーザーパルス持続時間に直接影響を与える。パルスエネルギーイコライゼーションのメカニズムは、レーザー共振器の低損失状態の損失を調整するのに対し、パルス持続時間イコライゼーションのメカニズムは、低損失状態の持続時間を調整する。例えば、ＱスイッチがＡＯＭであるとき、パルス持続時間イコライゼーションのメカニズムは、低損失状態においてもある程度の回折を維持し、所望のパルスエネルギーを達成するためにこの程度の回折を調整することに基づいている。比較のために、従来のＱスイッチは、レーザー共振器の損失を最小限にするために、低損失状態の間は、完全にオフになる。

【0010】

私たちは、パルスエネルギーと持続時間との両方のイコライゼーションが、一様なパルスエネルギーが達成され得るパルス繰り返しレートの範囲を延ばすことを実現した。パルスエネルギーイコライゼーションのメカニズムのみを使用することによって、比較的高いパルス繰り返しレートの制限された範囲にわたって、一様なパルスエネルギーを達成することは可能であり得るのに対して、パルス持続時間イコライゼーションのメカニズムは、より低いパルス繰り返しレートまでのこの範囲の延長を促進する。それ故、本二変量パルスイコライゼーションは、目的が単に、レーザーパルス持続時間に関わらず、パルス繰り返しレートの広い範囲にわたって一様なレーザーパルスエネルギーを維持することであるときでも有用である。パルス持続時間イコライゼーションのメカニズムは、パルス繰り返しレートの広い範囲にわたって所望のレーザーパルス持続時間を達成し、それにより最終的なレーザーパルス制御を提供することをさらに可能にする。

【0011】

１つの側面において、パルスイコライゼーションを持つＱスイッチガスレーザー装置は、ガスレーザー、センサーおよび電子回路を含む。ガスレーザーは、パルスレーザービームを生成するために高損失状態と低損失状態との間でレーザー共振器を切り替えるように動作可能であるＱスイッチを有するレーザー共振器を含む。センサーは、レーザーパルスエネルギーを示す、パルスレーザービームの測定結果を得るように構成されている。電子回路は、Ｑスイッチとセンサーとの間で通信可能に結合されており、（ａ）パルスレーザービームのレーザーパルスの繰り返しレートを設定するために高損失状態と低損失状態との間でレーザー共振器を繰り返し切り替えることと、（ｂ）目標レーザーパルスエネルギーを達成するために、センサーによって得られる測定結果に基づいて、低損失状態の損失レベルを調整することと、（ｃ）目標レーザーパルス持続時間を達成するために、低損失状態の持続時間を調整することとを行うようにＱスイッチを動作させるように構成されている。

【0012】

他の側面において、Ｑスイッチガスレーザーによって生成されるレーザーパルスをイコライズするための方法は、パルスレーザービームを生成するために高損失状態と低損失状態との間でＱスイッチガスレーザーのレーザー共振器を繰り返し切り替えるようにＱスイッチガスレーザーのＱスイッチを動作させることを含む。その方法は、繰り返しステップ（（ａ）レーザーパルスエネルギーを示す測定結果を得るためにパルスレーザービームをサンプリングするステップ、（ｂ）目標レーザーパルスエネルギーに近づけるために、レーザーパルスエネルギーを示す測定結果に基づいて、低損失状態の損失レベルを調節するステップ、および（ｃ）目標レーザーパルス持続時間に近づけるために低損失状態の持続時間を調整するステップ）を通してパルスレーザービームのレーザーパルスのレーザーパルスエネルギーおよびレーザーパルス持続時間をイコライズすることをさらに含む。

【図面の簡単な説明】

【0013】

（図面の簡単な説明）
添付図面は、明細書の一部に組み込まれ、かつ明細書の一部を構成し、本発明の好ましい実施形態を概略的に図示し、上記で与えられる一般的な記載および下記で与えられる好ましい実施形態の詳細な記載と共に、本発明の原理を説明する役割を果たす。

【0014】

【図1】図１は、実施形態に従って、レーザーパルスエネルギーとレーザーパルス持続時間との両方のイコライゼーションを持つＱスイッチガスレーザー装置を図示する。

【0015】

【図2】図２は、ＡＯＭ Ｑスイッチを搭載するレーザー共振器をＱスイッチングするための先行技術スキームのタイミング図である。

【0016】

【図3】図３は、ＡＯＭ Ｑスイッチを実装し、図２の先行技術スキームに従って動作される図１の装置の実施形態によって生成される１組の例示的なレーザーパルスを示す。

【0017】

【図4】図４は、図３の実施形態と同じであるが、図２の先行技術スキームからずれたものにおいてパルストリミングを実装している図１の装置の実施形態によって生成される他の組の例示的なレーザーパルスを示す。

【0018】

【図5】図５は、固定されたパルス繰り返しレートにおけるレーザーパルスエネルギーおよび持続時間へのＱスイッチを制御する指令パルス持続時間の効果をさらに呈するデータを表示する。

【0019】

【図6】図６は、実施形態に従って、Ｑスイッチガスレーザーによって生成されるレーザーパルスの二変量イコライゼーションのための方法のフローチャートである。

【0020】

【図7】図７は、実施形態に従って、二変量パルスイコライゼーションを持つガスレーザーをＱスイッチするために図６の方法によって使われるスキームのタイミング図である。

【0021】

【図8】図８は、図７のスキームに従って、二変量パルスイコライゼーションを持つ図１の装置を動作させ、実施形態に従って、それぞれのセンサーからの測定結果に基づいてレーザーパルスエネルギーおよびレーザーパルス持続時間との両方の動的調整を実装するときに生成されるレーザーパルスの例を示す。比較のために、図８は、パルスイコライゼーションなしで生成されるレーザーパルスの例もまた図示する。

【0022】

【図9】図９Ａおよび図９Ｂは、３つの異なるパルス繰り返しレートにおける、二変量パルスイコライゼーションがあるときおよびないときの、レーザーパルスエネルギーおよびレーザーパルス持続時間の例をそれぞれ示す。

【0023】

【図10】図１０Ａは、実施形態に従って、ＱスイッチがＡＯＭである図１の装置の実施形態において実装され得るＲＦドライバーを図示する。図１０Ｂは、このＲＦドライバーを制御するための例示的な指令信号を図示する。

【0024】

【図11】図１１Ａは、実施形態に従って、ＱスイッチがＡＯＭである図１の装置の実施形態において実装され得る他のＲＦドライバーを図示する。このＲＦドライバーは、個別のタイミング入力および電圧入力を受け取るように構成されている。図１１Ｂは、図１１ＡのＲＦドライバーのタイミング面を制御するための例示的なタイミング指令信号を図示する。

【0025】

【図12】図１２は、実施形態に従って、レーザーパルスエネルギーとレーザーパルス持続時間との両方のサーボ制御を持つ二変量パルスイコライゼーションのためのコントローラーを図示する。

【発明を実施するための形態】

【0026】

（発明の詳細な説明）
ここで図を参照すると、同様の構成要素が同様の数字で指定されており、図１は、二変量パルスイコライゼーションを持つ１つのＱスイッチガスレーザー装置１００を図示する。装置１００は、ガスレーザー１１０、センサー１５０および電子回路１６０を含む。ガスレーザー１１０は、Ｑスイッチ１１８を有するレーザー共振器１１６を含む。Ｑスイッチ１１８は、例えば、ＡＯＭまたはＥＯＭである。

【0027】

ガスレーザー１１０は、本質的に、ガス利得媒質１２０もまた含む。１つの実施形態では、ガスレーザー１１０は、ＣＯ_２レーザーまたはＣＯレーザーであり、利得媒質１２０は、対応してＣＯ_２またはＣＯを含む。少なくともガスレーザー１１０がＣＯ_２レーザーまたはＣＯレーザーであるときは、ガスレーザー１１０は、その中でＣＯ_２またはＣＯ分子をポンプする（エネルギーを供給する）ために、利得媒質１２０を通して高電圧電場をかける１つまたはそれより多くの電極をさらに含む。他の実施形態では、ガスレーザー１１０は、長い上位状態の寿命を持つ異なる種のガスレーザーであり得る。ガスレーザー１１０は、ガス利得媒質１２０中で放電を生成するために、利得媒質１２０の両側に位置する電極１２２および電極１２４を含み得る。電極１２２は、高電圧ＲＦ供給源と接続され、電極１２４は接地されている。

【0028】

図１に描写される例では、共振器１１６は、２つのエンドミラー１１２およびエンドミラー１１４を有するリニア共振器であり、レーザー放射１９０が、その間を行ったり来たりして伝搬している。エンドミラー１１４は、部分反射率を持つ出力カプラであり、部分反射率は、例えば、１０％から９０％の間の範囲内にある。エンドミラー１１２は、少なくとも９９％の反射率を持つ高反射体であり得る。装置１００の他の例では、共振器１１６は、２より多いミラーによって画定されるリニア共振器であり、レーザー放射１９０の伝搬経路が折り曲げられている。さらに他の例では、共振器１１６は、リング共振器である。

【0029】

Ｑスイッチ１１８は、循環レーザー放射１９０の伝搬経路中に置かれる。電子回路１６０は、ガスレーザー１１０がパルスレーザービーム１９２を出力するように、レーザー放射１９０をパルス化するためにＱスイッチ１１８の動作を制御する。より具体的には、電子回路１６０は、高損失状態と低損失状態との間で共振器１１６を繰り返し切り替えるためにＱスイッチを動作させることにより、レーザービーム１９２のレーザーパルス１９２Ｐの繰り返しレートを定める。電子回路１６０は、Ｑスイッチ１１８が高損失状態と低損失状態との間で共振器１１６を切り替えるレートを変動させることによって、レーザービーム１９２のパルス繰り返しレートを変動させることが可能である。言い換えると、電子回路１６０は、レーザーパルス１９２Ｐ間の周期Ｔの値の範囲を達成するために、Ｑスイッチ１１８を制御することが可能である。電子回路１６０は、レーザーパルス１９２Ｐの所望の繰り返しレートを示す繰り返しレート入力１８８を受け取り得る。電子回路１６０は、外部制御システムまたはユーザーから繰り返しレート入力１８８を受け取り得る。

【0030】

電子回路１６０は、レーザーパルス１９２Ｐの目標エネルギーを達成するために、共振器１１６の低損失状態において、Ｑスイッチ１１８によって課される損失を制御し変動させるようにも構成されている。Ｑスイッチ１１８、センサー１５０および電子回路１６０は、レーザーパルス１９２Ｐのエネルギーのサーボ制御を発揮するために、アクティブフィードバックループ中に配置されている。装置１００は、レーザービーム１９２のフラクション１９６を分離し、レーザービームフラクション１９６をセンサー１５０へ方向づける。センサー１５０は、レーザーパルス１９２Ｐのエネルギーの測定値（またはそれを示す他のパラメータ）を得るために、レーザービームフラクション１９６のレーザーバルスのパルスエネルギーＥ（または関連するパラメータ）を測定する。センサー１５０は、このパルスエネルギーの測定結果を電子回路１６０に通信し、電子回路１６０は、それに応じて、少なくともある程度の許容値内に目標パルスエネルギーを達成するために、Ｑスイッチ１１８の動作を調整する。

【0031】

センサー１５０によって測定される特性は、レーザービームフラクション１９６の平均エネルギーであり得、いくつかまたは多くのレーザーパルス１９２Ｐ全体の平均として得られ得る。１つの実装において、センサー１５０は、サーモパイルセンサー、光伝導性もしくは光起電性半導体センサー、またはボロメータセンサーである。代替的に、センサー１５０は、レーザービームフラクション１９６中の個々のパルスのエネルギーを測定するのに十分な速度であり得る。装置１００は、レーザービーム１９２からレーザービームフラクション１９６を得るために１またはそれより多くのビームスプリッターを含み得る。

【0032】

電子回路１６０は、レーザーパルス１９２Ｐの持続時間を調整するために、必要に応じて、Ｑスイッチ１１８によって画定される、共振器１１６の低損失状態の持続時間を制御するようにさらに構成されている。電子回路１６０は、この調整を、（ａ）レーザーパルス１９２Ｐの持続時間の測定結果に基づいて、または（ｂ）パルス繰り返しレート、目標パルスエネルギー、センサー１５０から得られたパルスエネルギーの測定結果および目標パルス持続時間のうち１またはそれより多くの間の予め校正された関係に基づいて行い得る。

【0033】

図１には示さていないが、電子回路１６０は、目標パルスエネルギーおよび目標パルス持続時間を外部システムまたはユーザーから受け取り得る。電子回路１６０は、ディスクリート電子部品、集積回路、マイクロプロセッサおよびソフトウェア搭載のコンピュータのうち１またはそれより多くを含み得る。

【0034】

装置１００のある実施形態は、センサー１５２を含み、レーザービーム１９２のフラクション１９８をセンサー１５２に方向づける。センサー１５２は、レーザービームフラクション１９８からレーザーパルス１９２Ｐの持続時間ｗの測定結果を得、このパルス持続時間の測定結果を電子回路１６０に通信する。次いで、電子回路１６０は、パルス持続時間の測定結果に基づいてＱスイッチ１１８の動作を調整し得る。センサー１５２は、少なくともある程度の許容値内に目標パルス持続時間を達成するために、レーザーパルス１９２Ｐの持続時間のサーボ制御を可能にするアクティブフィードバックループを完成させ得る。センサー１５２は、例えば、個々のレーザーパルス１９２Ｐの波形を記録する高速光学検出器である。

【0035】

装置１００は、センサー１５０に、および任意でセンサー１５２にもレーザービーム１９２のフラクションを分離する１またはそれより多くのビームスプリッターを含み得る。図１に描写される例では、装置１００は、（ａ）センサー１５０およびセンサー１５２に向かってレーザービーム１９２のフラクション１９４を分離するビームスプリッター１３０および（ｂ）フラクション１９４をレーザービームフラクション１９６および１９８に分けるビームスプリッター１３２を含む。ビームスプリッター１３２は、センサー１５２を含まない実施形態においては省略され得る。この範囲から逸脱することなく、装置１００は、レーザービーム１９２からレーザービームフラクション１９６、および任意でレーザービームフラクション１９８を得るために、他のスキームを実装し得る。

【0036】

電子回路１６０は、コントローラー１６２およびドライバー１６４を含み得る。ドライバー１６４は、電気駆動信号１８２を生成し、共振器損失を変調させるためにＱスイッチ１１８へ駆動信号１８２を供給する。例えば、Ｑスイッチ１１８がＡＯＭであるとき、ドライバー１６４は、ＲＦドライバーであり、駆動信号１８２は、高電圧ＲＦ信号である。ドライバー１６４による駆動信号１８２の生成は、コントローラー１６２から受け取る指令信号１８０によって決められる。指令信号１８０は、レーザーパルス１９２Ｐの繰り返しレート、低損失状態における共振器１１６の損失および低損失状態の持続時間を画定する。所与のパルス繰り返しレートに対して、コントローラー１６２は、センサー１５０から得られるパルスエネルギーの測定結果、および任意でセンサー１５２から得られるパルス持続時間の測定結果にも、少なくとも部分的に基づいて、指令信号１８０を生成する。コントローラー１６２による指令信号１８０の生成は、（例えば、繰り返しレート入力１８８によって画定されるように）所望のパルス繰り返しレートにさらに基づく。

【0037】

１つの実施形態では、装置１００は、主発振器出力増幅器（ＭＯＰＡ）として構成される。このＭＯＰＡの実施形態では、ガスレーザー１１０は、主発振器であり、装置１００は、レーザービーム１９２を増幅させるレーザー増幅器１７０をさらに含む。ＭＯＰＡの実施形態では、センサー１５０および（含まれる場合）センサー１５２は、増幅器１７０による増幅の前または後に、レーザービーム１９２をサンプリングするために配置され得る。図１に描写されるように、増幅後にレーザービーム１９２をサンプリングすることは、概して有利である。（単数または複数の）センサーに向かって分離されるレーザービーム１９２のフラクションは、分離が増幅後であるとき、有意でなくあり得る。分離が増幅より前になされるとき、より大きいレーザービーム１９２のフラクションが、分離されなければならず、利用（例えばレーザー加工）へ送達されるレーザービーム１９２の最後のパワーへの衝撃は、有意になり得る。加えて、増幅されたレーザービーム１９２は、ＭＯＰＡの実際の出力であるので、増幅されたレーザービーム１９２のサンプリングは、実際の出力のより直接的な評価を提供し、電子回路１６０により発揮される制御は、増幅器１７０中で誘発される効果を相殺し得る。

【0038】

図２は、ＡＯＭ Ｑスイッチを装備するレーザー共振器をＱスイッチングするための先行技術スキーム２００のタイミング図である。図２は、レーザーパルス２３２の生成域に関する３つのグラフ２１０、２２０、２３０を示す。グラフ２１０は、ＡＯＭを駆動するためのＲＦドライバーへ供給される指令信号２１２の時間的進化を描写する。グラフ２２０は、ＲＦドライバーによってＡＯＭに供給されるＲＦ駆動信号２２２の時間的進化を描写する。ＲＦ駆動信号２２２は、指令信号２１２によって画定される。指令信号２１２の値Ｖ_ｃは、Ｖ_ｈｉｇｈと０との２つの値の間で切り替わる。Ｖ_ｃ＝Ｖ_ｈｉｇｈのとき、駆動振動２２２のＲＦ電圧Ｖ_ＲＦは、振幅ΔＶ_ｈｉｇｈを有し、関係するＡＯＭによる回折は、レーザー共振器が高損失状態になるように、共振器損失を与える。Ｖ_ｃ＝０のとき、ＡＯＭがオフになるように、Ｖ_ＲＦは０であり、それによってレーザー共振器を低損失状態に置く。

【0039】

グラフ２３０は、レーザー共振器中を循環するレーザーパワーＰ_Ｌの時間的進化を描写する。スキーム２００において、レーザーパルス２３２は、Ｖ_ｃ＝０まで降下している指令信号２１２の指令パルス２１４によって生成される。指令パルス２１４は、時刻ｔ_１における先行エッジと時刻ｔ_２における後行エッジとの間の持続時間Δｔを有する。指令パルス２１４の持続時間Δｔは、レーザー共振器の低損失状態の持続時間を画定する。音響および光学遅延は、時刻ｔ_１からレーザーパルス２３２までの遅延Ｔ_{ｄｅｌａｙ}を課す。聴覚遅延は、ＡＯＭ光学系中の音響波形に対応し、その音響波形は、時刻ｔ_１まで生成されていき、レーザー放射１９０の経路を完全に通って変換器から伝搬する。光学遅延は、エネルギーを供給された共振器を通る何往復もの間における誘導放出による自然放出の「ビルドアップ」によって開始されるレーザー放射に対応する。図２に描写されるシナリオにおいて、音響遅延は、光学遅延より長く、それゆえ、レーザーパルス２３２は、時刻ｔ_２の後に生成される。

【0040】

電子回路１６０は、先行技術スキーム２００に従ってＱスイッチ１１８を動作させることが可能である。しかし、先行技術スキーム２００は、パルスイコライゼーションを提供せず、レーザーパルス１９２Ｐのエネルギーおよび持続時間は、パルス繰り返しレートと共に変動する。

【0041】

図３は、ＡＯＭのようなＱスイッチ１１８を実装し、先行技術スキーム２００に従って動作するように制限されている装置１００の実施形態によって生成される１組の例示的なレーザーパルスを示す。レーザーパルス波形は、瞬間レーザーパワーを時間関数として検出し記録する高速光学検出器として実装されているセンサー１５２によって記録される、図３の例において、指令パルス２１４の持続時間Δｔは、１．０μｓである。図３は、１ｋＨｚ、５ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、２５ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、７５ｋＨｚおよび１００ｋＨｚのパルス繰り返しレートのそれぞれにおいて記録された結果のレーザーパルス波形を示す。レーザーパルス波形は、１ｋＨｚから２５ｋＨｚの範囲内のパルス繰り返しレートに対してほとんど変化しないのに対して、パルス繰り返しレートが２５ｋＨｚを過ぎて増加すると、実質的な変化が起こる。特に、２５ｋＨｚを超えるパルス繰り返しレートに対して、パルスエネルギーは、パルス繰り返しレートと共に強い減少を呈する。加えて、パルス繰り返しレートが２５ｋＨｚを超えて増加するとき、レーザーパルスの形状および持続時間は、変化する。１～２５ｋＨｚの範囲のパルス繰り返しレートで生成されるレーザーパルスは、有意な尾部３１０が後に続く主パルスからなる。パルス繰り返しレートが２５ｋＨｚを超えて増加すると、尾部３１０は、徐々に消え、レーザーパルス持続時間は、対応して減少する。

【0042】

図４は、図３のものと同じである装置１００の実施形態によるが、より短い指令パルス２１４という先行技術スキーム２００からずれたものを使用して生成される他の組の例示的なレーザーパルスを示す。この技術は、以下では「パルストリミング」と呼ぶ。図４の例では、指令パルス２１４の持続時間Δｔは、０．８μｓである。図４は、１ｋＨｚ、５ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、２５ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、７５ｋＨｚおよび１００ｋＨｚのパルス繰り返しレートのそれぞれで記録された結果のレーザーパルス波形を示す。１．０μｓから０．８μｓまでの指令パルス２１４の低下は、全ての測定されたパルス繰り返しレートにおいて尾部３１０を本質的に消去する。しかし、パルス繰り返しレートが２５ｋＨｚを超えて増加するとき、レーザーパルスエネルギーは、やはり劇的に減少する。このように、パルストリミングは、パルス繰り返しレートの範囲全体にわたって、より一様なレーザーパルス持続時間および形状を達成するのを助けるのに対し、パルストリミングは、レーザーパルスエネルギーをイコライズしない。

【0043】

図５は、固定されたパルス繰り返しレートにおけるレーザーパルスエネルギーおよび持続時間への指令パルス持続時間の効果をさらに調査する。図５は、固定されたパルス繰り返しレートにおける異なる指令パルス持続時間で得られるレーザーパルス波形を示す。図５中のそれぞれのレーザーパルス波形は、指令パルス２１４の対応する持続時間Δｔによってラベル付けされている。最も長い指令パルス持続時間である１．１μｓから始めると、レーザーパルス波形は、実質的に台座のような尾部を呈する。主パルスは、約０．２μｓの幅を有し、台座のような尾部は、最大約０．５μｓまで合計レーザーパルス持続時間を延ばす。指令パルス持続時間が１．１μｓから減少すると、この尾部は、切り捨てられ、指令パルス持続時間が０．７μｓに達するとき、本質的に消去される。指令パルス持続時間が０．７μｓを過ぎて低下するとき、レーザーパルス持続時間は、ここで主パルスの幅が減少する結果として、さらに減少する。加えて、レーザーパルスのピークパワーは、減少する。

【0044】

図５のデータは、少なくともあるパルス繰り返しレートのレジームにおいて、レーザーパルスエネルギーが、低損失状態の持続時間に敏感であることを実証する。図５のデータは、少なくともあるパルス繰り返しレートのレジームにおいて、指令パルス持続時間のかなり狭い範囲のみが、主パルスの全エネルギーを維持しつつ、台座のないクリーンなパルスを提供することもまた示す。言い換えると、「最適な」指令パルス持続時間があり、この最適な指令パルス持続時間からの比較的小さいずれでさえ、有意な効果を有する。私たちは、最適な指令パルス持続時間が、少なくとも、ある閾値レートを超えるパルス繰り返しレートに対して、パルス繰り返しレートと共に増加することを発見した。

【0045】

図３、図４および図５のデータは、共に、ガスレーザー１１０のようなＱスイッチガスレーザーによって生成されたレーザーパルスの繰り返しレート、エネルギーおよび持続時間の間の強く結合された関係を実証する。これらの関係の性質は、パルス繰り返しレート、エネルギーおよび持続時間に跨る三次元パラメータ空間における位置に依存する。加えて、その関係は、共振器１１６、利得媒質１２０および利得媒質１２０のポンピングの特性を含む他のパラメータに敏感である。

【0046】

図６は、Ｑスイッチガスレーザーによって生成されたレーザーパルスの二変量イコライゼーションのための１つの方法６００のフローチャートである。方法６００は、装置１００へ適用され得、パルス繰り返しレートの広い範囲にわたって一様なレーザーパルスエネルギーおよび持続時間を提供するために、図３～図５のデータによって図示される課題を克服する。方法６００は、先行技術スキーム２００よりも進歩したスキームに従ってＱスイッチを動作させることを伴う。以下において、方法６００は、装置１００のコンテキスト内において述べられる。方法６００は、並行して行われるステップ６１０およびステップ６２０を含む。

【0047】

ステップ６１０において、電子回路１６０は、図１を参照して上記で述べられるように、パルスレーザービーム１９２を生成するために、共振器１１６を高損失状態と低損失状態との間で繰り返し切り替えるようにＱスイッチ１１８を動作させる。ステップ６２０において、電子回路１６０は、パルス繰り返しレートの範囲全体にわたってレーザーパルス１９２Ｐのエネルギーおよび持続時間をイコライズするために、センサー１５０と、および任意でセンサー１５２とも協働する。

【0048】

ステップ６２０は、ステップ６３０およびステップ６３２を含む。ステップ６３０において、センサー１５０は、図１を参照して上記で述べられるように、レーザーパルス１９２Ｐのエネルギーを示す測定結果を得るために、レーザービーム１９２をサンプリングする。ステップ６３０は、複数のレーザーパルス１９２Ｐにわたる平均としてのこのパルスエネルギーの測定結果を得るステップ６３４を実装し得る。ステップ６３２において、電子回路１６０は、目標パルスエネルギーを達成、または少なくとも近づけるために、ステップ６３０において得られるパルスエネルギーの測定結果に基づいて、共振器１１６の低損失状態の損失レベルを調整する。ステップ６３０およびステップ６３２は、目標パルスエネルギーを達成するために、アクティブフィードバックループにおいて反復して行われ得る。例のシナリオにおいて、ステップ６２０は、目標パルスエネルギーの１０％以内であるレーザーパルスエネルギーを達成し、そのレーザーパルスエネルギーは、単一のレーザーパルスのエネルギーまたは複数のレーザーパルスの平均エネルギーとして評価される。

【0049】

図７は、ガスレーザー１１０をＱスイッチするための方法６００によって使われる１つのスキーム７００のタイミング図である。スキーム７００は、パルスエネルギーのイコライゼーションとパルス持続時間のイコライゼーションとの両方を可能にするスキーム２００の変更である。図７は、ＱスイッチングがＡＯＭを用いて行われる実施形態のためのスキーム７００を示す。スキーム７００は、他のタイプのＱスイッチ（例えばＥＯＭ）に容易に適応する。図７のグラフ７２０およびグラフ７３０は、ステップ６３２のより詳細な例を提供する。グラフ７２０は、電子回路１６０によってＡＯＭへ提供されるＲＦ駆動信号７２２の時間的進化を描写する。スキーム２００のＲＦ駆動信号２２２と比較すると、共振器１１６の低損失状態の間、ＲＦ駆動信号７２２は、必ずしも０ではない。その代わりに、ＲＦ駆動信号７２２は、低損失状態の間、０でない振幅ΔＶ_ｌｏｗを概して有し、電子回路１６０は、ステップ６３０においてセンサー１５０によって得られるパルスエネルギーの測定結果に基づいて、ΔＶ_ｌｏｗの値を調整する。

【0050】

グラフ７３０は、共振器１１６中を循環するレーザーパワーＰ_Ｌの時間的進化を描写する。ＡＯＭがＲＦ駆動信号７２２によって駆動されるとき、ＲＦ駆動信号７２２の振幅ΔＶ_ｈｉｇｈから０でない振幅ΔＶ_ｌｏｗへの降下は、レーザーパルス７３２の生成を結果として生じる。ＲＦ駆動信号を０にまで降下させるときに生成されるレーザーパルス２３２（図２を参照）と比較すると、レーザーパルス７３２は、より低いピークパワーＰ_ｐｅａｋおよびより低いパルスエネルギーＥを有する。パルスエネルギーＥ（およびピークパワーＰ_ｐｅａｋ）の低下は、ＡＯＭが共振器１１６の低損失状態の間に０でない回折損失を課した結果である。ステップ６３２において、電子回路１６０は、目標パルスエネルギーを達成するために、必要に応じてΔＶ_ｌｏｗを調整する。例えば、センサー１５０から得られたパルスエネルギーの測定結果が、レーザーパルス１９２Ｐのエネルギーが目標パルスエネルギーを上回ることを示すとき、電子回路１６０は、共振器１１６の低損失状態の損失を増加させるために、ΔＶ_ｌｏｗを増加させ得る。対照的に、センサー１５０から得られたパルスエネルギーの測定結果が、レーザーパルス１９２Ｐのエネルギーが目標パルスエネルギーを下回ることを示すとき、電子回路１６０は、ΔＶ_ｌｏｗを減少させ得る。

【0051】

方法６００のステップ６２０は、ステップ６４２もまた含み、ステップ６４２では電子回路１６０は、目標パルス持続時間を達成、または少なくとも近づけるために、共振器１１６の低損失状態の持続時間を調整する。図７のグラフ７２０およびグラフ７３０は、ステップ６４２のより詳細な例を提供する。この例において、電子回路１６０は、振幅ΔＶ_ｌｏｗを有するＲＦ駆動信号７２２の持続時間Δｔを調整する。他の例においては、電子回路１６０は、レーザーパルス７３２が尾部を有することを妨げるために持続時間Δｔを低下させるか、またはレーザーパルス７３２の主パルスにおけるエネルギーを最大化するために持続時間Δｔを増加させる。さらに他の例においては、電子回路１６０は、ある半値幅（ＦＷＨＭ）のパルス持続時間のような目標パルス持続時間を達成するために、持続時間Δｔを調整する。

【0052】

ステップ６２０の１つの実施形態において、ステップ６４２は、ステップ６４０Ａに先行し、ステップ６４０Ａでは、センサー１５２は、図１を参照して上記で述べられるように、レーザーパルス１９２の持続時間を示す測定結果を得るためにレーザービーム１９２Ｐをサンプリングする。ステップ６４０Ａは、単一のレーザーパルス１９２Ｐからの、またはいくつかの単一パルス持続時間の平均としてのこのパルス持続時間の測定結果を得るステップ６４４を実装し得る。ステップ６２０がステップ６４０Ａを含むとき、ステップ６４２は、ステップ６４０Ａにおいて得られるパルス持続時間の測定結果に基づいている。この実施形態は、アクティブフィードバックループにおいて、ステップ６４０Ａおよびステップ６４２を反復して行い得る。ステップ６４０Ａおよびステップ６４２によって実施されるパルス持続時間フィードバックループは、とりわけ、レーザーパルス持続時間が、単一またはごくわずかのレーザーパルス１９２Ｐの測定結果から得られるときに、ステップ６３０およびステップ６３２によって実施されるパルスエネルギーフィードバックループよりも速い速度であり得る。例のシナリオにおいて、ステップ６２０は、目標パルス持続時間の１０％以内であるレーザーパルス持続時間を達成する。

【0053】

ステップ６２０の他の実施形態において、ステップ６４２は、ステップ６４０Ｂに先行し、ステップ６４０Ｂでは、電子回路１６０は、共振器１１６の低損失状態の所望の持続時間Δｔを計算するか、ルックアップテーブルから所望の持続時間Δｔを取得するかのどちらかを行う。電子回路１６０は、（ａ）目標パルス持続時間と、（ｂ）ガスレーザー１１０の持続時間Δｔとパルス繰り返しレート、および任意でガスレーザー１１０の１またはそれより多くの他のパラメータも、ならびに／または目標パルスエネルギーとの間の予め校正された関数関係から、所望の持続時間Δｔを計算し得る。例えば、レーザーパルス１９２Ｐ間の周期Ｔ（パルス繰り返しレートの逆数に等しい）に線形に依存するように持続時間Δｔを調整することによって、パルス繰り返しレートの範囲にわたって、一定なレーザーパルス持続時間を達成することが可能であり得る。代替的に、ガスレーザー１１０の目標パルス持続時間、パルス繰り返しレートおよび任意でガスレーザー１１０の１またはそれより多くの他のパラメータも、ならびに／または目標パルスエネルギーの関数としての予め校正された持続時間Δｔは、電子回路１６０中に含まれるルックアップテーブルにおいてリスト化され得る。

【0054】

１つのシナリオにおいて、ステップ６１０は、レーザーパルス１９２Ｐの繰り返しレートを変化させるステップ６１２を含む。このシナリオにおいて、方法６００は、繰り返しレートの変化によって引き起こされるレーザーパルスエネルギーおよびレーザーパルス持続時間への変化を最小限にするように、ステップ６１２においてもたらされる繰り返しレートの変化に応答して、ステップ６３２および任意でステップ６４２を行う。

【0055】

電子回路１６０がコントローラー１６２およびドライバー１６４を含む実施形態において、スキーム７００の実行は、ドライバー１６４がＲＦ駆動信号７２２（駆動信号１８２の例）を生成することを伴う。ドライバー１６４は、コントローラー１６２によって生成された指令信号１８０に従ってＲＦ駆動信号７２２を生成する。図７のグラフ７１０は、指令信号７１２の時間的進化を示す。指令信号７１２は、ドライバー１６４にＲＦ駆動信号７２２を生成させることができる指令信号の１つの例である。指令信号７１２は、高い値Ｖ_ｈｉｇｈと低い値Ｖ_ｌｏｗとの間を交替する電圧Ｖ_ｃである。Ｖ_ｃ＝Ｖ_ｈｉｇｈのとき、Ｖ_ＲＦは、振幅ΔＶ_ｈｉｇｈを有し、Ｖ_ｃ＝Ｖ_ｌｏｗのとき、Ｖ_ＲＦは、振幅ΔＶ_ｌｏｗを有する。Ｖ_ｌｏｗの値は、ΔＶ_ｌｏｗの値を決める信号値である。それぞれのレーザーパルス１９２Ｐは、信号値Ｖ_ｌｏｗによって特徴づけられる指令パルス７１４の後に生成される。Ｖ_ｌｏｗの値は、ΔＶ_ｌｏｗの値を制御し、それゆえレーザーパルス１９２Ｐのエネルギーを制御する。

【0056】

コントローラー１６２は、連続的な指令パルス７１４の先行エッジ７１４Ｌ間の周期を所望のパルス繰り返しレートの逆数に設定することによって、レーザーパルス１９２Ｐの繰り返しレートを設定し得る。この場合、コントローラー１６２は、指令パルス７１４の後行エッジ７１４Ｔの時間的位置づけを調整することによって、共振器１１６の低損失状態の持続時間Δｔを調整する。

【0057】

指令信号７１２は、タイミング情報（時刻ｔ_１および時刻ｔ_２）と可変電圧Ｖ_ｌｏｗとの両方を含有する。代替的に、コントローラー１６２は、２つの個別の構成要素であるタイミング信号および可変ＤＣ電圧として指令信号を生成し得る。タイミング信号は、指令パルス７１４と同様であるが、一定の信号値Ｖ_ｌｏｗを持つＴＴＬパルスを含有するトランジスタ－トランジスタロジック（ＴＴＬ）信号であり得る。可変ＤＣ電圧は、アナログ信号であり得、例えば、振幅ΔＶ_ｌｏｗを決める値Ｖ_ｌｏｗのＤＣ電圧、またはＲＦ駆動信号７２２である。しばしば、商業的なＲＦドライバーは、アナログ制御よりもデジタル制御のために構成されている。指令信号は、デジタル的に符号化された時刻ｔ_１、遅延Δｔ、電圧値ΔＶ_ｈｉｇｈおよび電圧値ΔＶ_ｌｏｗを備えるデジタル信号であり得る。

【0058】

図８は、スキーム７００に従って二変量パルスイコライゼーションを持つ装置１００を動作させ、センサー１５０およびセンサー１５２からの測定結果に基づくレーザーパルスエネルギーとレーザーパルス持続時間との両方の動的調整を実装するときに生成されるレーザーパルス１９２Ｐの例を示す。比較のために、図８は、パルスイコライゼーションなしで、先行技術スキーム２００に従って装置１００を動作させるときに生成されるレーザーパルスの例もまた示す。図８は、センサー１５２によって測定される６つのレーザーパルス波形のオシロスコープトレースを描写する。トレース８１０、トレース８２０およびトレース８３０は、先行技術スキーム２００で使用している１０ｋＨｚ、５０ｋＨｚおよび１００ｋＨｚのそれぞれのパルス繰り返しレートにおいて得られる。それゆえ、トレース８１０、トレース８２０およびトレース８３０に対して、Ｖ_ｌｏｗは、０で保たれ、持続時間Δｔは、一定に保たれる。トレース８１２、トレース８２２およびトレース８３２もまた、１０ｋＨｚ、５０ｋＨｚおよび１００ｋＨｚのそれぞれのパルス繰り返しレートにおいて得られるが、信号値Ｖ_ｌｏｗと持続時間Δｔとの両方の動的調整を持つスキーム７００に従うパルスイコライゼーションを使用する。

【0059】

トレース８１０、トレース８２０およびトレース８３０に対する測定されたパルスエネルギーは、それぞれ７０４マイクロジュール（μＪ）、５４２μＪおよび３３５μＪであり、対応するＦＷＨＭパルス持続時間は、１０５ナノ秒（ｎｓ）、１１８ｎｓおよび１１７ｎｓである。パルスイコライゼーションがないと、パルス繰り返しレートが１０ｋＨｚから１００ｋＨｚまで増加するとき、パルスエネルギーは劇的に変化することが明らかである。対照的に、スキーム７００に従ってパルスイコライゼーションを実装するとき、トレース８１２、トレース８２２およびトレース８３２から明白なように、本質的に同一のレーザーパルス波形が、３つの全てのパルス繰り返しレートに対して得られる。パルスイコライゼーションがあると、１０ｋＨｚ、５０ｋＨｚおよび１００ｋＨｚでの測定されたパルスエネルギーは、それぞれ２５０μＪ、２５４μＪおよび２６２μＪである。さらに、３つのパルスのそれぞれは、９９ｎｓのＦＷＨＭパルス持続時間を有する。

【0060】

３つの異なるパルス繰り返しレート、１０ｋＨｚ、５０ｋＨｚおよび１００ｋＨｚに対する、二変量パルスイコライゼーションがあるときおよびないときの、図９Ａは、レーザーパルスエネルギーの例を、図９Ｂは、レーザーパルス持続時間の例を、それぞれ示す。データセット９１０は、パルスイコライゼーションがないとき、つまりΔＶ_ｌｏｗ＝０かつΔｔが一定のときに、得られる。データセット９２０およびデータセット９３０は、スキーム７００に従って二変量パルスイコライゼーションを使用し、ΔＶ_ｌｏｗとΔｔとの両方がセンサー１５０およびセンサー１５２から得られた測定結果に基づいて動的に調整されるとき、得られる。データセット９２０の場合、目標パルスエネルギーＥ_{ｔａｒｇｅｔ}は、３４０μＪであり、目標パルス持続時間ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}は、９９ｎｓであった。データセット９３０の場合、目標パルスエネルギーＥ_{ｔａｒｇｅｔ}は、２５０μＪであり、目標パルス持続時間ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}は、１１７ｎｓであった。

【0061】

データセット９１０は、パルスイコライゼーションがないとき、レーザーパルスエネルギーは、パルス繰り返しレートと共に、１０ｋＨｚから１００ｋＨｚまで２倍の低下を伴って、急速に減少することを示す。加えて、レーザーパルス持続時間は、非自明なように、パルス繰り返しレートにかなり敏感である。対照的に、データセット９２０およびデータセット９３０を参照すると、二変量パルスイコライゼーションは、非常に効果的である。目標パルス持続時間は、３つの全てのパルス繰り返しレートにおいて達成されており、パルスエネルギー変動は、小さい。２つの異なる目標パルスエネルギー、３４０μＪおよび２５０μＪのそれぞれに対して、それぞれ測定されたレーザーパルスエネルギーは、目標パルスエネルギーの５％以内である。

【0062】

図１０Ａは、Ｑスイッチ１１８がＡＯＭである、装置１００の実施形態において、ドライバー１６４として実装され得る１つのＲＦドライバー１０００を図示する。図１０Ｂは、ＲＦドライバー１０００を制御する例示的な指令信号１０８０を図示する。ＲＦドライバー１０００は、ＲＦオシレーター１０１０、ミキサー１０２０および増幅器１０４０を含む。ＲＦオシレーター１０１０は、ＲＦ信号を生成する。ミキサー１０２０は、このＲＦ信号を受け取り、ミキサー１０２０の「ＩＦ」ポートで指令信号１０８０をさらに受け取る。指令信号１０８０は、レーザーパルス１９２Ｐの繰り返しレート、Ｖ_ｌｏｗおよび持続時間Δｔを画定するための指令信号７１２（図７参照）の連続的なインスタンスからなる可変アナログ電圧Ｖ_ＶＡである。指令信号１０８０は、コントローラー１６２の例によって生成される。ミキサー１０２０は、指令信号１０８０に従って、ＲＦオシレーター１０１０からのＲＦ信号を変調する。増幅器１０４０は、ＡＯＭ Ｑスイッチを駆動するためのＲＦ駆動信号１０８２を生成するために、この変調されたＲＦ信号を増幅する。ＲＦ駆動信号１０８２は、ＲＦ駆動信号７２２の連続的なインスタンスに等しい。ＲＦドライバー１０００は、ミキサー１０２０によって生成された所望でない高調波を取り除くローパスフィルター１０３０をさらに含み得る。

【0063】

図１１Ａは、個別のタイミング入力および電圧入力を受け取るように構成される他のＲＦドライバー１１００を図示する。図１１Ｂは、ＲＦドライバー１１００のタイミング面を制御する例示的なタイミング指令信号１１８０を図示する。ＲＦドライバー１１００は、ミキサー１０２０のＩＦポートに結合されるデジタル的に制御されるアナログスイッチ１１５０をさらに含むことを除けば、ＲＦドライバー１０００と同様である。アナログスイッチ１１５０は、２つのアナログ電圧入力ポートを有する。１つのポートは、電圧Ｖ_ｈｉｇｈで保たれ、もう一方は、コントローラー６２の例からＶ_ｌｏｗを受け取る。アナログスイッチ１１５０は、コントローラー１６２から個別のタイミング指令信号もまた受け取る。タイミング指令信号１１８０は、Ｖ_ｌｏｗについての情報を運ばずに、低い値と高い値との２つの値のみを獲得するデジタル信号であることを除けば、指令信号１０８０と同様である。アナログスイッチ１１５０は、タイミング指令信号１１８０に従って、Ｖ_ｈｉｇｈとＶ_ｌｏｗとの間で切り替わり、それによって指令信号１０８０を生成する。

【0064】

図１２は、二変量パルスイコライゼーションのための、レーザーパルスエネルギーとレーザーパルス持続時間との両方のサーボ制御を伴う１つのコントローラー１２００を図示する。コントローラー１２００は、コントローラー１６２の実施形態であり、電子回路１６０中にＲＦドライバー１１００と共に実装され得る。コントローラー１２００は、センサー１５０からレーザービーム１９２の平均パワーの測定結果Ｐ_ＡＶＥを受け取り、センサー１５２からレーザーパルス１９２Ｐのレーザーパルス波形を受け取る。レーザーパルス波形は、時間関数Ｐ_ＩＮＳＴ（ｔ）としての瞬間レーザーパワーである。コントローラー１２００は、Ｐ_ＡＶＥおよびＰ_ＩＮＳＴ（ｔ）を処理することで、Ｖ_ｌｏｗおよびタイミング指令信号１１８０をそれぞれ生成し、次いでＶ_ｌｏｗおよびタイミング指令信号１１８０をそれぞれＲＦドライバー１１００へ通信する。Ｐ_ＡＶＥの処理は、目標パルスエネルギーＥ_{ｔａｒｇｅｔ}を達成する働きをし、Ｐ_ＩＮＳＴ（ｔ）の処理は、目標パルス持続時間ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}を達成する働きをする。（図３～図５に参照して上記で述べられるように、レーザーパルスエネルギーとレーザーパルス持続時間との間に、ある程度の結合があり得る。）

【0065】

パルスエネルギーイコライゼーションのために、コントローラー１２００は、パルスエネルギー計算機１２１０、サミングノード１２２０および比例－積分－微分（ＰＩＤ）コントローラー１２３０を含む。パルスエネルギー計算機１２１０は、平均パワーの測定結果Ｐ_ＡＶＥおよびパルス繰り返しレートｆ_ｒｅｐからパルスエネルギーＥを計算する。パルス繰り返しレートｆ_ｒｅｐは、外部の、供給源／信号から受け取られ得るか、またはコントローラー１２００において内部で画定され得る。サミングノード１２２０は、計算されたパルスエネルギーＥと目標パルスエネルギーＥ_{ｔａｒｇｅｔ}との差ΔＥを評価し、ΔＥを示すエラー信号を生成する。ＰＩＤコントローラー１２３０は、次いで、ΔＥを低下させるために、新しいＶ_ｌｏｗを決定し、出力する。

【0066】

ＰＩＤ制御は、装置１００および方法６００によって用いられ得るフィードバックアルゴリズムのほんの１つの例である。代替的に、装置１００および方法６００は、技術的に公知である異なるフィードバックアルゴリズムを用い得る。従って、ＰＩＤコントローラー１２３０は、エラー信号を最小化するための異なる原理を用いる他の種類のサーボコントローラーに置き換えられ得る。

【0067】

パルス持続時間イコライゼーションのために、コントローラー１２００は、波形アナライザー１２５０およびタイミング信号生成器１２６０を含む。波形アナライザー１２５０は、レーザーパルス持続時間ｗを導き出すために、レーザーパルス波形Ｐ_ＩＮＳＴ（ｔ）を分析する。タイミング信号生成器１２６０は、次いで、この測定されたレーザーパルス持続時間ｗを目標パルス持続時間ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}と比較し、それらの間の差を最小化するようにタイミング指令信号１１８０を調整する。具体的には、タイミング信号生成器１２６０は、図６および図７を参照して上記で述べられるように、持続時間Δｔを調整する。タイミング信号生成器１２６０は、次いで、タイミング指令信号１１８０をＲＦドライバー１１００へ通信する。

【0068】

Ｖ_ｌｏｗの調整のそれぞれの反復は、一連のレーザーパルス１９２Ｐのサンプリングに基づいく一方、タイミング指令信号１１８０の調整のそれぞれの反復は、単一のレーザーパルス１９２Ｐに基づき得、ゆえに、さらに短いタイムスケール上で行われ得る。

【0069】

図７、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１１Ａ、図１１Ｂおよび図１２に基づく上記の記述は、ＡＯＭに基づくＱスイッチングに関する。これらの実施形態は、Ｑスイッチに応じて駆動信号を変化させることによって、他の種類のＱスイッチングへ変更され得る。例えば、Ｑスイッチ１１８がＥＯＭであるとき、上記で述べられるＲＦ駆動信号は、ＤＣ駆動信号によって置き換えられる。

【0070】

本発明は、好ましい実施形態および他の実施形態について、上記で記載されている。しかし、本発明は、本明細書において記載され、描写されている実施形態に制限されない。それよりも、本発明は、本明細書に添付される請求項によってのみ制限される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【国際調査報告】