レーザパルス均等化システムおよび方法
システムおよび方法は、異なるパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）でレーザパルス均等化を提供する。初めにレーザ媒質を第１ポンピングレベルからピークポンピングレベルへポンピングした後、コントローラはポンプ源にレーザ媒質のポンピングをパルス均等化ポンピング曲線に基づき継続させることができる。均等化ポンピング曲線は、異なるＰＲＦにおいてレーザパルスパラメータをテストすることに基づき定めることができ、これによりパルスパラメータの最適な均等化結果を得ることができる。様々な均等化ポンピング曲線を評価するために用いる最適化指標には、異なるＰＲＦの下におけるパルスエネルギーレベルの一貫性、ピークパワーレベル、および／またはレーザのパルス幅が含まれる。均等化ポンピング曲線は、ピークポンピングレベルから第１ポンピングレベルに降下する曲線であってもよい。均等化ポンピング曲線は、線形に減少する曲線、実質的に指数的に減少する曲線、パラメトリックに減少する曲線、またはその他任意種類の曲線であってもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、パルス化レーザおよびパルス化レーザ加工システムに関する。特に、本開示は、最適パルス均等化ポンピング曲線を用いてレーザをポンピングすることにより、様々なパルス繰り返し周波数で放射されたレーザパルスを均等化することに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザは、広範な研究開発において広く用いられている。これには、分光法、バイオテクノロジー応用、様々な媒体および基板の検査、加工、微細加工を含む工業的作業が含まれる。これら応用の多くにおいて、パルス化レーザは、ランダム周波数、擬似ランダム周波数、および／または非定常周波数を有するパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）の下で用いることができる。
【０００３】
ある種のレーザアプリケーション、例えばシリコンウエハのフィルム切除加工は、重なり合ったレーザパルスを用いて抵抗薄膜を切除し、その抵抗値を所望の精度範囲内で変更する。このような加工は、レーザパルスを様々なＰＲＦおよびパルス重なりの下で用いる。切除品質を高くするためには、レーザパルスのパルスエネルギー、パルス幅、パルスピークパワーは実質的に等しい必要がある。
【０００４】
従来の典型的なレーザにおいて、レーザ媒質は光ポンプ源を用いてポンプされる場合がある。しかし、ＰＲＦを上げるとパルス毎のレーザエネルギーは低下し（例えば、パルス間のポンプ時間が減少するため）、一方でＰＲＦを上げるとレーザパルス幅は増加する（例えば、ポンプ時間が減少した結果、レーザ媒質のレージングゲインが低下するため）。これらの課題は、特にＱ−スイッチ固体レーザにおいて顕著である。
【０００５】
上述のように、多くのレーザアプリケーションはレーザパルスを様々なＰＲＦで用いる。アプリケーションによっては、異なるＰＲＦの下で、実質的に一定なパルスエネルギーおよびパルス幅を維持することが望ましい。例えば、シリコン上の薄膜フィルムを切除する場合においては、レーザパルスエネルギーが適切でないと切除が不完全になり、レーザエネルギーが多すぎると不動態化構造または集積回路基板に許容できないダメージを与える可能性がある。
【０００６】
レーザ動作を確実に許容可能なプロセスウインドウ（例えば、ピークパワー、パルスエネルギー、パルス幅についての規定のパルスパラメータ、その他のパラメータ）内に収めるため、様々なアプローチが取られてきた。例えば、本願出願人に特許されている米国特許第４，３３７，４４２号、発明の名称「ＦＩＲＳＴ ＬＡＳＥＲ ＰＵＬＳＥ ＡＭＰＬＩＴＵＤＥ ＭＯＤＵＬＡＴＩＯＮ」は、レーザポンピング電流を制御することによるレーザパルス振幅制御の方法を記述している。
【０００７】
Ｓｕｎ等に発行され、本願出願人に特許されている米国特許第６，９４７，４５４号、発明の名称「ＬＡＳＥＲ ＰＵＬＳＥ ＰＩＣＫＩＮＧ ＥＭＰＬＯＹＩＮＧ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＤ ＡＯＭ ＬＯＡＤＩＮＧ」は、使用されていないレーザパルスを音響光学変調器（ＡＯＭ）のようなパルスピッキング装置でブロックすることにより、安定化レーザパルスをランダム間隔で提供し、レーザ動作を一定ＰＲＦに維持する方法を記述している。
【０００８】
米国特許第５，２２６，０５１号、発明の名称「ＬＡＳＥＲ ＰＵＭＰ ＣＯＮＴＲＯＬ ＦＯＲ ＯＵＴＰＵＴ ＰＯＷＥＲ ＳＴＡＢＩＬＩＺＡＴＩＯＮ」は、単純な「ステップ型」関数に基づき、ポンプダイオードを介して電流を提供することにより、パルスエネルギーを均等化しようと試みている。このアプローチでは、レーザ媒質は第１ポンプ期間の間は第１一定ポンプレベルでポンプされ、第２ポンプ期間の間は第１ポンプ期間に続いてより低い第２一定レベルでポンプされる。この技術は、ＰＲＦが比較的低いレーザアプリケーションにおいては動作する。しかし、２つの一定ポンピング電流のみを使用するので、パルス均等化は不十分である。そのため、この種のシステムは所望のパルス均等化を提供できず、より高いＰＲＦで動作できない可能性がある。
【０００９】
図１は、従来のレーザポンピングシステムのタイミング図を示す。同図には、トリガ信号１０１、電流源から供給されるポンピング電流信号１２０、レーザ媒質内に蓄えられているエネルギーに対応するグラフ１４０、およびレーザ出力パルス１６２、１６４を示すグラフ１６０が含まれる。
【００１０】
トリガ信号１０１は、レーザパルス１６２、１６４を生成するレーザ共振器でＱ−スイッチを動作させるために用いられる。Ｑ−スイッチレーザパルス１６２、１６４を生成するため、レーザ媒質は電流または電力源によって駆動される光ポンプ源によってエネルギーを与えられる。ポンプ源は、例えばレーザダイオード、ダイオードバーまたはダイオードバースタック、その他当該分野で知られているポンプ源を備えることができる。レーザ媒質は、ネオジウム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）、ネオジウム添加イットリウム・フッ化リチウム（Ｎｄ：ＹＬＦ）、ネオジウム添加イットリウム・バナデート（Ｎｄ：ＹＶＯ４）、その他の当該分野で用いられている固体レーザ媒質を含むが、これらに限られるものではない。
【００１１】
トリガ信号１０１は方形波トリガ１０２、１０４を含み、方形波トリガ１０２、１０４は、立ち上がり（立ち下がり）エッジによって、Ｑ−スイッチの動作とレーザパルス１６２、１６４の生成を開始する。ポンプコントローラは、トリガ信号１０２、１０４に応答し、電流駆動または電力駆動ポンプ源に、実質的に方形のポンピング電流信号１２０によって表されるステップ関数に基づき、レーザ媒質をポンプさせる。
【００１２】
ポンピング電流信号１２０は、標準ポンプレベルｌｓでポンプ期間ｔｒにわたってポンプ源に供給される。標準ポンプレベルｌＳは、当該レーザアプリケーションが用いるＰＲＦ、パルスエネルギーレベル、パルス幅に基づいて定められる。ポンプ期間ｔｒの後、ポンプ源に供給されるポンピング電流信号１２０は、より低い維持ポンプレベルｌＮまで急激にスイッチングされる。実施形態によっては、維持ポンプレベルｌＮは、レーザ媒質内に蓄積されているエネルギーを所望のまたは均等化されたレベル（例えば、均等化されたレーザパルスを生成するために均等化されたエネルギー）に維持するように選択される。標準ポンプレベルｌＳと維持ポンプレベルｌＮはともに、実質的に一定または平坦である。
【００１３】
グラフ１４０は、レーザ媒質内に蓄積されているエネルギー量を、ポンピング電流信号１２０およびトリガ信号１０１についての時間の関数として示す。ポンプ期間ｔｒの間、レーザ媒質内に蓄積されるエネルギーは、レーザ媒質がポンピング電流信号１２０を用いて標準レベルｌＳでポンプされるにともなって増加する。この増加は、グラフ１４０の区間１４２に示されている。ポンプ期間ｔｒの後、ポンピング電流信号１２０は、維持ポンプレベルｌＮまで急激に低下し、これによりレーザ媒質内に蓄積されているエネルギーはエネルギーレベル１４４で横這いになる。レーザ媒質内に蓄積されているエネルギーは、Ｑ−スイッチがトリガ信号１０１に応じてレーザパルスを出力させるときに放出される（符号１４６に示す）。エネルギーレベル１４４は、特定のレーザ加工アプリケーションに応じて、結果として得られるレーザパルスが許容可能なパワーとパルス幅を有するように選択される。使用されるＱ−スイッチは、アプリケーションとレーザの設計に応じて、電気光学Ｑ−スイッチまたは音響光学Ｑ−スイッチであってもよい。
【００１４】
グラフ１６０は、トリガ１０１、ポンピング電流信号１２０、蓄積エネルギーを表すグラフ１４０に関連する、レーザパルス１６２、１６４の出力を示す。レーザパルス１６２、１６４に対応する個々の時刻では、Ｑ−スイッチはレーザ媒質にレーザパルスエネルギーを放射させる。これにより、蓄積エネルギーを表すグラフ１４０に示すように、レーザ媒質内に蓄積されているエネルギーはレーザパルス１６２、１６４としてレーザ媒質から放出される。レーザパルス１６２、１６４の出力に続いて、レーザ媒質は標準ポンプレベルｌＳで改めてポンプ期間ｔｒにわたってレーザ媒質をポンプし、次に維持ポンプレベルｌＮでポンプすることによって再びエネルギーを与えられる。
【００１５】
ポンピング期間ｔｒの後に発射するレーザパルスについては、蓄積エネルギーは均等化されたレベルにあり、したがってレーザパルスは均等化される（例えば、ＰＲＦが１／ｔｒより小さい限りは）。レーザがポンピング期間ｔｒより短い間隔で発射される場合、レーザパルスが出力される時点で、レーザ媒質はエネルギーレベルを均等化するために十分なエネルギーを与えられていない。これにより、レーザパルスは実質的にパルスエネルギーが小さくなり、および／または意図したよりも長いパルス幅となる可能性がある。従来のレーザは、均等化されたレーザパルスを高ＰＲＦで提供することができない。これは、標準ポンプレベルｌＳが実質的に一定であるという特性により、レーザ媒質が所望の蓄積エネルギーを蓄えるために用いられるポンプ期間ｔｒが長くなるからである。維持ポンプレベルｌＮも実質的に一定値である。レーザ設計、使用物質、生産過程などの詳細部分が様々に異なることに起因して、所望ＰＲＦ範囲内のパルス均等化効果が、十分ではない場合がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
レーザシステム内のピークパワー、エネルギーおよびレーザパルス幅を均等化するシステムおよび方法は、実際のテスト済みのレーザ性能に基づき、ポンピング電流または電力を制御する。１実施形態において、一連のレーザパルスを均等化する方法は、レーザが複数の異なるパルス繰り返し周波数で出力されたとき、パルス均等化ポンピング曲線を１以上の被観測レーザパルスパラメータに基づいて定めるステップを有する。パルス均等化ポンピング曲線は、異なるパルス繰り返し周波数における１以上のレーザパルスパラメータを実質的に均等化するように構成される。上記方法はまた、個々のターゲットを加工する一連のレーザパルスを生成するステップを有する。一連のレーザパルスのなかの個々のレーザパルスについて、上記方法は、ポンプ源を第１ポンピングレベルからピークポンピングレベルに駆動するステップ、パルス均等化曲線に基づきポンプ源をピークポンピングレベルから第１ポンピングレベルまで駆動するステップ、レーザを出力して実質的に均等化された１以上のレーザパルスパラメータを有する特定のレーザパルスを生成するステップ、を有する。
【００１７】
他の実施形態において、周期的、ランダム、または擬似ランダムなパルス繰り返し周波数で出力される一連のレーザパルスを均等化するためのレーザは、レーザ媒質、レーザ媒質をポンプするためのポンプ源、ポンプ源と通信可能に連結されたポンプコントローラを備える。ポンプコントローラは、ポンプ源を、第１期間において第１ポンピングレベルからピークポンピングレベルに駆動し、第２期間においてパルス均等化ポンピング曲線に基づきピークポンピングレベルから第１ポンピングレベルに駆動するように構成されている。パルス均等化ポンピング曲線は、異なるパルス繰り返し周波数において１以上のレーザパルスパラメータを実質的に均等化するように構成されている。
【００１８】
他の実施形態において、一連のレーザパルスを均等化する方法は、ポンプ源のピークポンピングレベルを定めるステップ、異なるパルス繰り返し周波数における１以上のレーザパルスパラメータを実質的に均等化するように構成されたパルス均等化ポンピング曲線を定めるステップ、第１期間においてポンプ源を第１ポンピングレベルからピークポンピングレベルに駆動するステップ、を有する。上記方法はまた、第２期間において選択されたパルス均等化ポンピング曲線に基づきポンプ源をピークポンピングレベルから第１ポンピングレベルに駆動するステップを有する。
【００１９】
さらなる側面と利点は、添付する図面を参照する以下の実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来のレーザポンピングシステムのタイミング図を示す。図１には、トリガ信号、電流源から供給される２ステップの一定ポンピング電流信号、レーザ媒質内に蓄えられているエネルギーに対応するグラフ、およびレーザ出力パルスを示すグラフが含まれる。
【図２】トリガ信号、ポンピング電流信号、レーザ媒質内に蓄えられているエネルギーに対応するグラフ、およびレーザ出力パルスを示すグラフの１実施形態に基づくタイミング図を示す。
【図３】１実施形態に基づくレーザシステム３００のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
ここに開示する実施形態は、レーザポンピング電流または電力を、実際のテスト済みレーザシステム性能に基づき制御することにより、レーザシステムにおけるレーザパルスのピークパワー、パルスエネルギー、パルス幅を均等化する。１実施形態に基づくレーザポンピングの間、レーザポンピング制御システムは、最初にレーザ媒質を維持ポンピングレベルからピークポンピングレベルにポンプする。その後、コントローラはパルス均等化ポンピング曲線に基づきポンプ源にレーザ媒質をポンプさせる。パルス均等化ポンピング曲線は、実際のテスト済みのレーザシステム性能に基づき、選択および／または改善することができる。パルス均等化ポンピング曲線は、ピークポンピングレベルから維持ポンピングレベルまで降下してもよい。
【００２２】
特定のレーザシステムのピークポンピングレベルは、レーザシステムのポンピング装置の動作定格、レーザシステムのレーザ媒質の特性、および特定のレーザ動作（例えば、パルスパワー、最大ＰＲＦ、および／またはレーザ加工の間に用いられるパルス幅）に基づき定めることができる。さらに、または他の実施形態において、特定のレーザシステムのピークポンピングレベルは、テストによって定め、および／または改善することができる。ポンピング電流上昇レートは、ポンピング装置の定格値によって定めることができる。１実施形態において、維持ポンピングレベルは、ピークポンピングレベルの約２０％から約９０％の間の範囲とすることができる。
【００２３】
最初にレーザ媒質を維持ポンピングレベルからピークポンピングレベルにポンピングした後、制御プログラムは、パルス均等化ポンピング曲線に基づきレーザ媒質のポンピングを継続する。パルス均等化ポンピング曲線は、レーザパラメータの実際のテストに基づき定め、および／または改善し、最適なパルス均等化結果を得ることができる。１実施形態において、パルス均等化ポンピング曲線は、レーザを所望のＰＲＦ上限で動作させ、レーザパルスピークパワー、パルスエネルギー、および／またはパルス幅を測定し、これら測定したパラメータが所望の値範囲に収まっているかを判定することによって定められる。１以上の測定したパラメータが所望の値範囲に収まっていない場合、レーザは所望の性能を発揮できない場合がある。この場合、レーザ動作はより低いＰＲＦに変更され、ポンピング曲線の降下曲線は、レーザパルスピークパワー、パルスエネルギー、および／またはパルス幅が上限ＰＲＦにおいて測定されたものと実質的に同一となるように、ピーク値から調整される。この過程は、ポンピング電流均等化ポンピング曲線を完成するために必要になる最低ＰＲＦを含む、複数の異なるＰＲＦについて繰り返される。パルス均等化ポンピング曲線は、特定のレーザ設計に依拠して、実質的に線形に減少する曲線（例えば、ピーク値から減少する）、実質的に指数的に減少する曲線、パラメトリックに減少する曲線、またはその他任意の曲線もしくは関数であってもよい。
【００２４】
図２は、トリガ信号２０１、ポンピング電流信号２２０、レーザ媒質内に蓄えられているエネルギーに対応するグラフ２４０、およびレーザ出力パルス２６２、２６４を示すグラフ２６０の１実施形態に基づくタイミング図を示す。
【００２５】
トリガ２０１は、レーザパルス２６２、２６４の生成を引き起こすために用いられる。トリガ２０１は、方形波トリガ信号２０２、２０４を含むことができる。方形波トリガ信号２０２、２０４は、レーザＱスイッチ駆動回路を動作させ、対応するレーザパルス２６２、２６４をそれぞれ生成する。上述のように、トリガ２０１のトリガ信号２０２、２０４は、通常のＰＲＦまたはランダムおよび／または擬似ランダムＰＲＦで生成することができる。
【００２６】
ポンプコントローラは、グラフ２２０に基づいてポンプ源を駆動する。ポンプコントローラは初めに、第１期間ｔＰの間、ポンプ源にレーザ媒質を第１ポンピングレベルまたは維持ポンピングレベルｌＮから第２ポンピングレベルまたはピークポンピングレベルｌＰまでポンプさせることができる。上述のように、ピークポンピングレベルｌＰとポンピング電流上昇レートは、ポンプ源の動作定格（例えば、ポンプ源が供給することができる最大電流または電力）、レーザ媒質の特性（例えば、レーザ媒質が損傷または過熱することなく受け取ることのできる電流または電力の量）、および／または特定のレーザ動作に基づいていてもよい。さらに、または他の実施形態において、レーザシステム、ポンピング装置、レーザ媒質、およびポンピングコントローラの実際のテスト、並びに所望の性能要件によって、ピークポンピングレベルｌＰを定め、および／または改善することができる。
【００２７】
ピークポンピングレベルｌＰに到達した後、コントローラはパルス均等化ポンピング曲線２２４に基づきポンプ源を駆動することができる。パルス均等化ポンピング曲線２２４は、第２期間ｔｅの間、ピークポンピングレベルｌＰから維持ポンピングレベルｌＮに降下してもよい。図１に示すように、第２期間ｔｅは、レーザ動作ＰＲＦによっては、実質的に第１期間ｔＰより大きいか、または同等であってもよい。
【００２８】
パルス均等化ポンピング曲線２２４は、ピークポンピングレベルｌＰから維持ポンピングレベルｌＮに降下する曲線（図１のポンピング電流信号１２０に示す急激な非連続ステップ関数とは対照的に）であってもよい。パルス均等化ポンピング曲線２２４を用いてレーザ媒質をポンプ源でポンピングすることにより、ポンプ源および／またはレーザ媒質に対する損傷リスクを減じることができる。また、パルス均等化ポンピング曲線２２４はテスト済みレーザ性能に基づき定められるので、改善された、または理想的なレーザパルス均等化を提供することができる。パルス均等化ポンピング曲線２２４を用いることにより、レーザシステムをより高いＰＲＦで、パルスを十分に均等化させた上で、動作させることもできる。
【００２９】
パルス均等化ポンピング曲線２２４は、線形に減少する曲線であってもよいし、実質的に指数的に減少する曲線（例えば図２に示すように）であってもよいし、パラメトリックに減少する曲線であってもよいし、その他種類の曲線であってもよい。様々な曲線形状を、ポンプ源の特性、レーザ媒質、特定のレーザ動作に基づいて選択することができる。上述のように、様々な曲線形状および／またはパルス均等化ポンピング曲線２２４の勾配パラメータは、レーザシステムの実際のテストに基づき評価し、および／または比較することができる。パルス均等化ポンピング曲線２２４は、ピークポンピングレベルｌＰから維持ポンピングレベルｌＮに降下してもよい。パルス均等化ポンピング曲線２２４は、ピークポンピングレベルｌＰと第１維持レベルｌＮの間で単調降下してもよいし、しなくてもよい。図２には示していないが、実施形態によっては、パルス均等化ポンピング曲線２２４は維持ポンピングレベルｌＮよりも下に降下し続けてもよい。
【００３０】
上述のように、維持ポンピングレベルｌＮからピークポンピングレベルｌＰへの上昇は、第１期間ｔＰにおいて発生する。パルス均等化ポンピング曲線２２４は、第２期間ｔｅにおいて、ピークポンピングレベルｌＰから維持ポンピングレベルｌＮへ降下する。ＰＲＦによっては、第２期間ｔｅは実質的に第１期間ｔＰよりも長くてもよい。パルス均等化ポンピング曲線２２４は、均等化されたレーザパルスを、約０Ｈｚ〜約１／（第１期間ｔＰ）Ｈｚの範囲のＰＲＦで提供するように構成されている。１実施形態においては、パルス均等化ポンピング曲線２２４は、均等化されたレーザパルスを約２０ｋＨｚのＰＲＦで提供する。しかし当業者は、特定のレーザによっては、その他多数の最大ＰＲＦ値も可能であることを理解するであろう。
【００３１】
図２は、パルス均等化ポンピング曲線２２４がピークポンピングレベルｌＰに到達した後即座に降下する様子を示しているが、パルス均等化ポンピング曲線２２４は、維持ポンピングレベルｌＮまで降下する前に、ある程度の期間ピークポンピングレベルｌＰに留まることもできる。パルス均等化ポンピング曲線２２４がピークポンピングレベルｌＰに留まる時間は、特定のレーザ動作のために用いられる所望のレーザパルスエネルギーレベルに依拠する。
【００３２】
グラフ２４０は、レーザシステムのレーザ媒質内に蓄積されるエネルギー量を、時間の関数として示す。ポンプ源が電流または電力をピークポンピングレベルｌＰで供給するのにともない、レーザ媒質内に蓄積されるエネルギーは増加する。この増加は、グラフ２４０の区間２４２で示されている。その後、ポンプ源がパルス均等化ポンピング曲線２２４に基づき駆動されるのにともない、蓄積エネルギー２４０は実質的に一定のレベル２４４に到達し、維持される。蓄積エネルギー２４４は、許容範囲内のピークパワー、パルスエネルギー、および／またはパルス幅を有する、個々のレーザパルス２６２、２６４の生成に対応する。パルス均等化ポンピング曲線２２４は、レーザ媒質内に蓄積されているエネルギーを、レーザパルス２６２、２６４がそれぞれ出力されるまで、実質的に一定のパルスエネルギーレベル２４４に維持させることができる。レーザパルス２６２、２６４が出力されると、レーザ媒質内に蓄積されているエネルギーは、グラフ２４０の区間２４６に示すように急激に消費される。
【００３３】
初めにポンプ源を駆動してレーザ媒質をピーク値ｌＰでポンピングすることにより、およびその後のパルス均等化ポンピング曲線２２４に基づき、従来のシステムよりも速く一貫的にレーザ媒質にエネルギーを与えることができる。そのため、レーザシステムは同様のパルス２６２、２６４（例えば、特定の仕様範囲に準じたパルス）を従来のシステムよりも高いＰＲＦで出力することができる。例えば、再び図１を参照して、レーザ媒質が許容可能なパワーレベルに到達するために要する時間は、ポンピング期間ｔｒとして示されている。説明のため、このポンピング期間ｔｒを図２のグラフ２４０上に複写している。図２に示すように、レーザ物質をチャージするためのエネルギー付与期間ｔｃは、従来システムにおいてレーザ物質をチャージするために用いられるポンピング期間ｔｒよりも実質的に短い。そのため、本明細書で開示するようにポンプされたレーザは、均等化されたパルス出力をもって、単純な非連続方形波（図１のポンピング電流信号１２０に示す）を用いてポンプされる従来のレーザよりも高いＰＲＦで動作することができる。また、パルス均等化ポンピング曲線２２４はレーザシステムの実際のテストに基づいて定められるので、レーザは、所望のＰＲＦ範囲内で、より高い精度をもって均等化されたレーザパルスを提供することができる可能性が高まる。
【００３４】
図３は、１実施形態に基づくレーザシステム３００のブロック図である。レーザシステム３００は、熱交換器３１２内に包まれたレーザ媒質３１０、レーザ出力３１４を制御するＱ−スイッチ３３０、レーザ媒質３１０をポンプするポンプ源３２２（レーザのその他の構成要素は示していない）、ポンプ源３２２を駆動する電流または電力源３２０、トリガ３４０、メモリ３５２を有し、および／または接続されたコントローラ３５０を備える。
【００３５】
上述のように、レーザ媒質３１０は、Ｎｄ：ＹＡＧロッド、またはその他任意の当該分野で知られているレーザ媒質を備えていてもよい。レーザ媒質３１０は、熱交換器３１２によって取り付けられ、および／または封入される。熱交換器３１２は、パッシブ冷却および／またはアクティブ冷却を提供する（例えば、冷却液を循環させ、または熱電冷却によって）。
【００３６】
電流および／または電力源３２０は、ポンプ源３２２を駆動する。ポンプ源３２２は、レーザ媒質３１０にエネルギーを与える。ポンプ源３２２は、レーザダイオード、ダイオードバーもしくはダイオードバースタック、またはその他任意の当該分野で知られているポンピング機構を備えていてもよい。
【００３７】
Ｑ−スイッチ３３０は、レーザ共振器（図示せず）内に挿入されている。Ｑ−スイッチ３３０は、例えば、音響光学もしくは電気光学スイッチまたはその他任意の当該分野で知られているスイッチング機構を備えていてもよい。Ｑ−スイッチ３３０は、出力３１４を介したレーザ媒質３１０のレーザパルス出力を制御する。
【００３８】
トリガ３４０は、１以上の制御信号を生成し、レーザシステム３００に１以上のレーザパルスを出力させることができる。そのため、トリガ３４０は、Ｑ−スイッチ３３０とポンピングコントローラ３５０に通信可能に連結されている。トリガ３４０は、Ｑ−スイッチ３３０にレーザパルスを出力３１４から出力させるための１以上の信号を生成する。また、トリガ３４０はポンピングコントローラ３５０と通信可能に連結されており、レーザパルス出力を準備している際に、コントローラ３５０にレーザ媒質３１０へエネルギーを供給させる。コントローラ３５０は、パルスが出力されるまで、パルス均等化ポンピング曲線に基づき、電流／電力源３２０に、ポンプ源３２２を第１ポンピングレベルまたは維持ポンピングレベルから第２ポンピングレベルまたはピークポンピングレベルへ駆動させ、ポンプ源３２２をピークポンピングレベルから維持ポンピングレベルに駆動させる。パルスが出力されると、その過程は繰り返される（例えば、コントローラ３５０は、パルス均等化ポンピング曲線に基づき、電流／電力源３２０に、連続的にポンプ源３２２をピークポンピングレベルへ駆動させ、または維持ポンピングレベルで駆動する）。
【００３９】
コントローラ３５０は、メモリ装置３５２を備え、および／または通信可能に連結されていてもよい。メモリ装置３５２は、特定のレーザに関連付けられた、維持ポンピングレベル、ピークポンピングレベル、パルス均等化ポンピング曲線を記憶する。コントローラ３５０は、これら値をメモリ装置３５２から読み取り、パルス均等化動作に用いるように構成することができる。
【００４０】
当業者にとって、上記実施形態の詳細部分について、本発明の趣旨から逸脱することなく多くの変更をなし得ることが理解されよう。したがって本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定められる。
【技術分野】
【０００１】
本開示は、パルス化レーザおよびパルス化レーザ加工システムに関する。特に、本開示は、最適パルス均等化ポンピング曲線を用いてレーザをポンピングすることにより、様々なパルス繰り返し周波数で放射されたレーザパルスを均等化することに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザは、広範な研究開発において広く用いられている。これには、分光法、バイオテクノロジー応用、様々な媒体および基板の検査、加工、微細加工を含む工業的作業が含まれる。これら応用の多くにおいて、パルス化レーザは、ランダム周波数、擬似ランダム周波数、および／または非定常周波数を有するパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）の下で用いることができる。
【０００３】
ある種のレーザアプリケーション、例えばシリコンウエハのフィルム切除加工は、重なり合ったレーザパルスを用いて抵抗薄膜を切除し、その抵抗値を所望の精度範囲内で変更する。このような加工は、レーザパルスを様々なＰＲＦおよびパルス重なりの下で用いる。切除品質を高くするためには、レーザパルスのパルスエネルギー、パルス幅、パルスピークパワーは実質的に等しい必要がある。
【０００４】
従来の典型的なレーザにおいて、レーザ媒質は光ポンプ源を用いてポンプされる場合がある。しかし、ＰＲＦを上げるとパルス毎のレーザエネルギーは低下し（例えば、パルス間のポンプ時間が減少するため）、一方でＰＲＦを上げるとレーザパルス幅は増加する（例えば、ポンプ時間が減少した結果、レーザ媒質のレージングゲインが低下するため）。これらの課題は、特にＱ−スイッチ固体レーザにおいて顕著である。
【０００５】
上述のように、多くのレーザアプリケーションはレーザパルスを様々なＰＲＦで用いる。アプリケーションによっては、異なるＰＲＦの下で、実質的に一定なパルスエネルギーおよびパルス幅を維持することが望ましい。例えば、シリコン上の薄膜フィルムを切除する場合においては、レーザパルスエネルギーが適切でないと切除が不完全になり、レーザエネルギーが多すぎると不動態化構造または集積回路基板に許容できないダメージを与える可能性がある。
【０００６】
レーザ動作を確実に許容可能なプロセスウインドウ（例えば、ピークパワー、パルスエネルギー、パルス幅についての規定のパルスパラメータ、その他のパラメータ）内に収めるため、様々なアプローチが取られてきた。例えば、本願出願人に特許されている米国特許第４，３３７，４４２号、発明の名称「ＦＩＲＳＴ ＬＡＳＥＲ ＰＵＬＳＥ ＡＭＰＬＩＴＵＤＥ ＭＯＤＵＬＡＴＩＯＮ」は、レーザポンピング電流を制御することによるレーザパルス振幅制御の方法を記述している。
【０００７】
Ｓｕｎ等に発行され、本願出願人に特許されている米国特許第６，９４７，４５４号、発明の名称「ＬＡＳＥＲ ＰＵＬＳＥ ＰＩＣＫＩＮＧ ＥＭＰＬＯＹＩＮＧ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＤ ＡＯＭ ＬＯＡＤＩＮＧ」は、使用されていないレーザパルスを音響光学変調器（ＡＯＭ）のようなパルスピッキング装置でブロックすることにより、安定化レーザパルスをランダム間隔で提供し、レーザ動作を一定ＰＲＦに維持する方法を記述している。
【０００８】
米国特許第５，２２６，０５１号、発明の名称「ＬＡＳＥＲ ＰＵＭＰ ＣＯＮＴＲＯＬ ＦＯＲ ＯＵＴＰＵＴ ＰＯＷＥＲ ＳＴＡＢＩＬＩＺＡＴＩＯＮ」は、単純な「ステップ型」関数に基づき、ポンプダイオードを介して電流を提供することにより、パルスエネルギーを均等化しようと試みている。このアプローチでは、レーザ媒質は第１ポンプ期間の間は第１一定ポンプレベルでポンプされ、第２ポンプ期間の間は第１ポンプ期間に続いてより低い第２一定レベルでポンプされる。この技術は、ＰＲＦが比較的低いレーザアプリケーションにおいては動作する。しかし、２つの一定ポンピング電流のみを使用するので、パルス均等化は不十分である。そのため、この種のシステムは所望のパルス均等化を提供できず、より高いＰＲＦで動作できない可能性がある。
【０００９】
図１は、従来のレーザポンピングシステムのタイミング図を示す。同図には、トリガ信号１０１、電流源から供給されるポンピング電流信号１２０、レーザ媒質内に蓄えられているエネルギーに対応するグラフ１４０、およびレーザ出力パルス１６２、１６４を示すグラフ１６０が含まれる。
【００１０】
トリガ信号１０１は、レーザパルス１６２、１６４を生成するレーザ共振器でＱ−スイッチを動作させるために用いられる。Ｑ−スイッチレーザパルス１６２、１６４を生成するため、レーザ媒質は電流または電力源によって駆動される光ポンプ源によってエネルギーを与えられる。ポンプ源は、例えばレーザダイオード、ダイオードバーまたはダイオードバースタック、その他当該分野で知られているポンプ源を備えることができる。レーザ媒質は、ネオジウム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）、ネオジウム添加イットリウム・フッ化リチウム（Ｎｄ：ＹＬＦ）、ネオジウム添加イットリウム・バナデート（Ｎｄ：ＹＶＯ４）、その他の当該分野で用いられている固体レーザ媒質を含むが、これらに限られるものではない。
【００１１】
トリガ信号１０１は方形波トリガ１０２、１０４を含み、方形波トリガ１０２、１０４は、立ち上がり（立ち下がり）エッジによって、Ｑ−スイッチの動作とレーザパルス１６２、１６４の生成を開始する。ポンプコントローラは、トリガ信号１０２、１０４に応答し、電流駆動または電力駆動ポンプ源に、実質的に方形のポンピング電流信号１２０によって表されるステップ関数に基づき、レーザ媒質をポンプさせる。
【００１２】
ポンピング電流信号１２０は、標準ポンプレベルｌｓでポンプ期間ｔｒにわたってポンプ源に供給される。標準ポンプレベルｌＳは、当該レーザアプリケーションが用いるＰＲＦ、パルスエネルギーレベル、パルス幅に基づいて定められる。ポンプ期間ｔｒの後、ポンプ源に供給されるポンピング電流信号１２０は、より低い維持ポンプレベルｌＮまで急激にスイッチングされる。実施形態によっては、維持ポンプレベルｌＮは、レーザ媒質内に蓄積されているエネルギーを所望のまたは均等化されたレベル（例えば、均等化されたレーザパルスを生成するために均等化されたエネルギー）に維持するように選択される。標準ポンプレベルｌＳと維持ポンプレベルｌＮはともに、実質的に一定または平坦である。
【００１３】
グラフ１４０は、レーザ媒質内に蓄積されているエネルギー量を、ポンピング電流信号１２０およびトリガ信号１０１についての時間の関数として示す。ポンプ期間ｔｒの間、レーザ媒質内に蓄積されるエネルギーは、レーザ媒質がポンピング電流信号１２０を用いて標準レベルｌＳでポンプされるにともなって増加する。この増加は、グラフ１４０の区間１４２に示されている。ポンプ期間ｔｒの後、ポンピング電流信号１２０は、維持ポンプレベルｌＮまで急激に低下し、これによりレーザ媒質内に蓄積されているエネルギーはエネルギーレベル１４４で横這いになる。レーザ媒質内に蓄積されているエネルギーは、Ｑ−スイッチがトリガ信号１０１に応じてレーザパルスを出力させるときに放出される（符号１４６に示す）。エネルギーレベル１４４は、特定のレーザ加工アプリケーションに応じて、結果として得られるレーザパルスが許容可能なパワーとパルス幅を有するように選択される。使用されるＱ−スイッチは、アプリケーションとレーザの設計に応じて、電気光学Ｑ−スイッチまたは音響光学Ｑ−スイッチであってもよい。
【００１４】
グラフ１６０は、トリガ１０１、ポンピング電流信号１２０、蓄積エネルギーを表すグラフ１４０に関連する、レーザパルス１６２、１６４の出力を示す。レーザパルス１６２、１６４に対応する個々の時刻では、Ｑ−スイッチはレーザ媒質にレーザパルスエネルギーを放射させる。これにより、蓄積エネルギーを表すグラフ１４０に示すように、レーザ媒質内に蓄積されているエネルギーはレーザパルス１６２、１６４としてレーザ媒質から放出される。レーザパルス１６２、１６４の出力に続いて、レーザ媒質は標準ポンプレベルｌＳで改めてポンプ期間ｔｒにわたってレーザ媒質をポンプし、次に維持ポンプレベルｌＮでポンプすることによって再びエネルギーを与えられる。
【００１５】
ポンピング期間ｔｒの後に発射するレーザパルスについては、蓄積エネルギーは均等化されたレベルにあり、したがってレーザパルスは均等化される（例えば、ＰＲＦが１／ｔｒより小さい限りは）。レーザがポンピング期間ｔｒより短い間隔で発射される場合、レーザパルスが出力される時点で、レーザ媒質はエネルギーレベルを均等化するために十分なエネルギーを与えられていない。これにより、レーザパルスは実質的にパルスエネルギーが小さくなり、および／または意図したよりも長いパルス幅となる可能性がある。従来のレーザは、均等化されたレーザパルスを高ＰＲＦで提供することができない。これは、標準ポンプレベルｌＳが実質的に一定であるという特性により、レーザ媒質が所望の蓄積エネルギーを蓄えるために用いられるポンプ期間ｔｒが長くなるからである。維持ポンプレベルｌＮも実質的に一定値である。レーザ設計、使用物質、生産過程などの詳細部分が様々に異なることに起因して、所望ＰＲＦ範囲内のパルス均等化効果が、十分ではない場合がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
レーザシステム内のピークパワー、エネルギーおよびレーザパルス幅を均等化するシステムおよび方法は、実際のテスト済みのレーザ性能に基づき、ポンピング電流または電力を制御する。１実施形態において、一連のレーザパルスを均等化する方法は、レーザが複数の異なるパルス繰り返し周波数で出力されたとき、パルス均等化ポンピング曲線を１以上の被観測レーザパルスパラメータに基づいて定めるステップを有する。パルス均等化ポンピング曲線は、異なるパルス繰り返し周波数における１以上のレーザパルスパラメータを実質的に均等化するように構成される。上記方法はまた、個々のターゲットを加工する一連のレーザパルスを生成するステップを有する。一連のレーザパルスのなかの個々のレーザパルスについて、上記方法は、ポンプ源を第１ポンピングレベルからピークポンピングレベルに駆動するステップ、パルス均等化曲線に基づきポンプ源をピークポンピングレベルから第１ポンピングレベルまで駆動するステップ、レーザを出力して実質的に均等化された１以上のレーザパルスパラメータを有する特定のレーザパルスを生成するステップ、を有する。
【００１７】
他の実施形態において、周期的、ランダム、または擬似ランダムなパルス繰り返し周波数で出力される一連のレーザパルスを均等化するためのレーザは、レーザ媒質、レーザ媒質をポンプするためのポンプ源、ポンプ源と通信可能に連結されたポンプコントローラを備える。ポンプコントローラは、ポンプ源を、第１期間において第１ポンピングレベルからピークポンピングレベルに駆動し、第２期間においてパルス均等化ポンピング曲線に基づきピークポンピングレベルから第１ポンピングレベルに駆動するように構成されている。パルス均等化ポンピング曲線は、異なるパルス繰り返し周波数において１以上のレーザパルスパラメータを実質的に均等化するように構成されている。
【００１８】
他の実施形態において、一連のレーザパルスを均等化する方法は、ポンプ源のピークポンピングレベルを定めるステップ、異なるパルス繰り返し周波数における１以上のレーザパルスパラメータを実質的に均等化するように構成されたパルス均等化ポンピング曲線を定めるステップ、第１期間においてポンプ源を第１ポンピングレベルからピークポンピングレベルに駆動するステップ、を有する。上記方法はまた、第２期間において選択されたパルス均等化ポンピング曲線に基づきポンプ源をピークポンピングレベルから第１ポンピングレベルに駆動するステップを有する。
【００１９】
さらなる側面と利点は、添付する図面を参照する以下の実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来のレーザポンピングシステムのタイミング図を示す。図１には、トリガ信号、電流源から供給される２ステップの一定ポンピング電流信号、レーザ媒質内に蓄えられているエネルギーに対応するグラフ、およびレーザ出力パルスを示すグラフが含まれる。
【図２】トリガ信号、ポンピング電流信号、レーザ媒質内に蓄えられているエネルギーに対応するグラフ、およびレーザ出力パルスを示すグラフの１実施形態に基づくタイミング図を示す。
【図３】１実施形態に基づくレーザシステム３００のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
ここに開示する実施形態は、レーザポンピング電流または電力を、実際のテスト済みレーザシステム性能に基づき制御することにより、レーザシステムにおけるレーザパルスのピークパワー、パルスエネルギー、パルス幅を均等化する。１実施形態に基づくレーザポンピングの間、レーザポンピング制御システムは、最初にレーザ媒質を維持ポンピングレベルからピークポンピングレベルにポンプする。その後、コントローラはパルス均等化ポンピング曲線に基づきポンプ源にレーザ媒質をポンプさせる。パルス均等化ポンピング曲線は、実際のテスト済みのレーザシステム性能に基づき、選択および／または改善することができる。パルス均等化ポンピング曲線は、ピークポンピングレベルから維持ポンピングレベルまで降下してもよい。
【００２２】
特定のレーザシステムのピークポンピングレベルは、レーザシステムのポンピング装置の動作定格、レーザシステムのレーザ媒質の特性、および特定のレーザ動作（例えば、パルスパワー、最大ＰＲＦ、および／またはレーザ加工の間に用いられるパルス幅）に基づき定めることができる。さらに、または他の実施形態において、特定のレーザシステムのピークポンピングレベルは、テストによって定め、および／または改善することができる。ポンピング電流上昇レートは、ポンピング装置の定格値によって定めることができる。１実施形態において、維持ポンピングレベルは、ピークポンピングレベルの約２０％から約９０％の間の範囲とすることができる。
【００２３】
最初にレーザ媒質を維持ポンピングレベルからピークポンピングレベルにポンピングした後、制御プログラムは、パルス均等化ポンピング曲線に基づきレーザ媒質のポンピングを継続する。パルス均等化ポンピング曲線は、レーザパラメータの実際のテストに基づき定め、および／または改善し、最適なパルス均等化結果を得ることができる。１実施形態において、パルス均等化ポンピング曲線は、レーザを所望のＰＲＦ上限で動作させ、レーザパルスピークパワー、パルスエネルギー、および／またはパルス幅を測定し、これら測定したパラメータが所望の値範囲に収まっているかを判定することによって定められる。１以上の測定したパラメータが所望の値範囲に収まっていない場合、レーザは所望の性能を発揮できない場合がある。この場合、レーザ動作はより低いＰＲＦに変更され、ポンピング曲線の降下曲線は、レーザパルスピークパワー、パルスエネルギー、および／またはパルス幅が上限ＰＲＦにおいて測定されたものと実質的に同一となるように、ピーク値から調整される。この過程は、ポンピング電流均等化ポンピング曲線を完成するために必要になる最低ＰＲＦを含む、複数の異なるＰＲＦについて繰り返される。パルス均等化ポンピング曲線は、特定のレーザ設計に依拠して、実質的に線形に減少する曲線（例えば、ピーク値から減少する）、実質的に指数的に減少する曲線、パラメトリックに減少する曲線、またはその他任意の曲線もしくは関数であってもよい。
【００２４】
図２は、トリガ信号２０１、ポンピング電流信号２２０、レーザ媒質内に蓄えられているエネルギーに対応するグラフ２４０、およびレーザ出力パルス２６２、２６４を示すグラフ２６０の１実施形態に基づくタイミング図を示す。
【００２５】
トリガ２０１は、レーザパルス２６２、２６４の生成を引き起こすために用いられる。トリガ２０１は、方形波トリガ信号２０２、２０４を含むことができる。方形波トリガ信号２０２、２０４は、レーザＱスイッチ駆動回路を動作させ、対応するレーザパルス２６２、２６４をそれぞれ生成する。上述のように、トリガ２０１のトリガ信号２０２、２０４は、通常のＰＲＦまたはランダムおよび／または擬似ランダムＰＲＦで生成することができる。
【００２６】
ポンプコントローラは、グラフ２２０に基づいてポンプ源を駆動する。ポンプコントローラは初めに、第１期間ｔＰの間、ポンプ源にレーザ媒質を第１ポンピングレベルまたは維持ポンピングレベルｌＮから第２ポンピングレベルまたはピークポンピングレベルｌＰまでポンプさせることができる。上述のように、ピークポンピングレベルｌＰとポンピング電流上昇レートは、ポンプ源の動作定格（例えば、ポンプ源が供給することができる最大電流または電力）、レーザ媒質の特性（例えば、レーザ媒質が損傷または過熱することなく受け取ることのできる電流または電力の量）、および／または特定のレーザ動作に基づいていてもよい。さらに、または他の実施形態において、レーザシステム、ポンピング装置、レーザ媒質、およびポンピングコントローラの実際のテスト、並びに所望の性能要件によって、ピークポンピングレベルｌＰを定め、および／または改善することができる。
【００２７】
ピークポンピングレベルｌＰに到達した後、コントローラはパルス均等化ポンピング曲線２２４に基づきポンプ源を駆動することができる。パルス均等化ポンピング曲線２２４は、第２期間ｔｅの間、ピークポンピングレベルｌＰから維持ポンピングレベルｌＮに降下してもよい。図１に示すように、第２期間ｔｅは、レーザ動作ＰＲＦによっては、実質的に第１期間ｔＰより大きいか、または同等であってもよい。
【００２８】
パルス均等化ポンピング曲線２２４は、ピークポンピングレベルｌＰから維持ポンピングレベルｌＮに降下する曲線（図１のポンピング電流信号１２０に示す急激な非連続ステップ関数とは対照的に）であってもよい。パルス均等化ポンピング曲線２２４を用いてレーザ媒質をポンプ源でポンピングすることにより、ポンプ源および／またはレーザ媒質に対する損傷リスクを減じることができる。また、パルス均等化ポンピング曲線２２４はテスト済みレーザ性能に基づき定められるので、改善された、または理想的なレーザパルス均等化を提供することができる。パルス均等化ポンピング曲線２２４を用いることにより、レーザシステムをより高いＰＲＦで、パルスを十分に均等化させた上で、動作させることもできる。
【００２９】
パルス均等化ポンピング曲線２２４は、線形に減少する曲線であってもよいし、実質的に指数的に減少する曲線（例えば図２に示すように）であってもよいし、パラメトリックに減少する曲線であってもよいし、その他種類の曲線であってもよい。様々な曲線形状を、ポンプ源の特性、レーザ媒質、特定のレーザ動作に基づいて選択することができる。上述のように、様々な曲線形状および／またはパルス均等化ポンピング曲線２２４の勾配パラメータは、レーザシステムの実際のテストに基づき評価し、および／または比較することができる。パルス均等化ポンピング曲線２２４は、ピークポンピングレベルｌＰから維持ポンピングレベルｌＮに降下してもよい。パルス均等化ポンピング曲線２２４は、ピークポンピングレベルｌＰと第１維持レベルｌＮの間で単調降下してもよいし、しなくてもよい。図２には示していないが、実施形態によっては、パルス均等化ポンピング曲線２２４は維持ポンピングレベルｌＮよりも下に降下し続けてもよい。
【００３０】
上述のように、維持ポンピングレベルｌＮからピークポンピングレベルｌＰへの上昇は、第１期間ｔＰにおいて発生する。パルス均等化ポンピング曲線２２４は、第２期間ｔｅにおいて、ピークポンピングレベルｌＰから維持ポンピングレベルｌＮへ降下する。ＰＲＦによっては、第２期間ｔｅは実質的に第１期間ｔＰよりも長くてもよい。パルス均等化ポンピング曲線２２４は、均等化されたレーザパルスを、約０Ｈｚ〜約１／（第１期間ｔＰ）Ｈｚの範囲のＰＲＦで提供するように構成されている。１実施形態においては、パルス均等化ポンピング曲線２２４は、均等化されたレーザパルスを約２０ｋＨｚのＰＲＦで提供する。しかし当業者は、特定のレーザによっては、その他多数の最大ＰＲＦ値も可能であることを理解するであろう。
【００３１】
図２は、パルス均等化ポンピング曲線２２４がピークポンピングレベルｌＰに到達した後即座に降下する様子を示しているが、パルス均等化ポンピング曲線２２４は、維持ポンピングレベルｌＮまで降下する前に、ある程度の期間ピークポンピングレベルｌＰに留まることもできる。パルス均等化ポンピング曲線２２４がピークポンピングレベルｌＰに留まる時間は、特定のレーザ動作のために用いられる所望のレーザパルスエネルギーレベルに依拠する。
【００３２】
グラフ２４０は、レーザシステムのレーザ媒質内に蓄積されるエネルギー量を、時間の関数として示す。ポンプ源が電流または電力をピークポンピングレベルｌＰで供給するのにともない、レーザ媒質内に蓄積されるエネルギーは増加する。この増加は、グラフ２４０の区間２４２で示されている。その後、ポンプ源がパルス均等化ポンピング曲線２２４に基づき駆動されるのにともない、蓄積エネルギー２４０は実質的に一定のレベル２４４に到達し、維持される。蓄積エネルギー２４４は、許容範囲内のピークパワー、パルスエネルギー、および／またはパルス幅を有する、個々のレーザパルス２６２、２６４の生成に対応する。パルス均等化ポンピング曲線２２４は、レーザ媒質内に蓄積されているエネルギーを、レーザパルス２６２、２６４がそれぞれ出力されるまで、実質的に一定のパルスエネルギーレベル２４４に維持させることができる。レーザパルス２６２、２６４が出力されると、レーザ媒質内に蓄積されているエネルギーは、グラフ２４０の区間２４６に示すように急激に消費される。
【００３３】
初めにポンプ源を駆動してレーザ媒質をピーク値ｌＰでポンピングすることにより、およびその後のパルス均等化ポンピング曲線２２４に基づき、従来のシステムよりも速く一貫的にレーザ媒質にエネルギーを与えることができる。そのため、レーザシステムは同様のパルス２６２、２６４（例えば、特定の仕様範囲に準じたパルス）を従来のシステムよりも高いＰＲＦで出力することができる。例えば、再び図１を参照して、レーザ媒質が許容可能なパワーレベルに到達するために要する時間は、ポンピング期間ｔｒとして示されている。説明のため、このポンピング期間ｔｒを図２のグラフ２４０上に複写している。図２に示すように、レーザ物質をチャージするためのエネルギー付与期間ｔｃは、従来システムにおいてレーザ物質をチャージするために用いられるポンピング期間ｔｒよりも実質的に短い。そのため、本明細書で開示するようにポンプされたレーザは、均等化されたパルス出力をもって、単純な非連続方形波（図１のポンピング電流信号１２０に示す）を用いてポンプされる従来のレーザよりも高いＰＲＦで動作することができる。また、パルス均等化ポンピング曲線２２４はレーザシステムの実際のテストに基づいて定められるので、レーザは、所望のＰＲＦ範囲内で、より高い精度をもって均等化されたレーザパルスを提供することができる可能性が高まる。
【００３４】
図３は、１実施形態に基づくレーザシステム３００のブロック図である。レーザシステム３００は、熱交換器３１２内に包まれたレーザ媒質３１０、レーザ出力３１４を制御するＱ−スイッチ３３０、レーザ媒質３１０をポンプするポンプ源３２２（レーザのその他の構成要素は示していない）、ポンプ源３２２を駆動する電流または電力源３２０、トリガ３４０、メモリ３５２を有し、および／または接続されたコントローラ３５０を備える。
【００３５】
上述のように、レーザ媒質３１０は、Ｎｄ：ＹＡＧロッド、またはその他任意の当該分野で知られているレーザ媒質を備えていてもよい。レーザ媒質３１０は、熱交換器３１２によって取り付けられ、および／または封入される。熱交換器３１２は、パッシブ冷却および／またはアクティブ冷却を提供する（例えば、冷却液を循環させ、または熱電冷却によって）。
【００３６】
電流および／または電力源３２０は、ポンプ源３２２を駆動する。ポンプ源３２２は、レーザ媒質３１０にエネルギーを与える。ポンプ源３２２は、レーザダイオード、ダイオードバーもしくはダイオードバースタック、またはその他任意の当該分野で知られているポンピング機構を備えていてもよい。
【００３７】
Ｑ−スイッチ３３０は、レーザ共振器（図示せず）内に挿入されている。Ｑ−スイッチ３３０は、例えば、音響光学もしくは電気光学スイッチまたはその他任意の当該分野で知られているスイッチング機構を備えていてもよい。Ｑ−スイッチ３３０は、出力３１４を介したレーザ媒質３１０のレーザパルス出力を制御する。
【００３８】
トリガ３４０は、１以上の制御信号を生成し、レーザシステム３００に１以上のレーザパルスを出力させることができる。そのため、トリガ３４０は、Ｑ−スイッチ３３０とポンピングコントローラ３５０に通信可能に連結されている。トリガ３４０は、Ｑ−スイッチ３３０にレーザパルスを出力３１４から出力させるための１以上の信号を生成する。また、トリガ３４０はポンピングコントローラ３５０と通信可能に連結されており、レーザパルス出力を準備している際に、コントローラ３５０にレーザ媒質３１０へエネルギーを供給させる。コントローラ３５０は、パルスが出力されるまで、パルス均等化ポンピング曲線に基づき、電流／電力源３２０に、ポンプ源３２２を第１ポンピングレベルまたは維持ポンピングレベルから第２ポンピングレベルまたはピークポンピングレベルへ駆動させ、ポンプ源３２２をピークポンピングレベルから維持ポンピングレベルに駆動させる。パルスが出力されると、その過程は繰り返される（例えば、コントローラ３５０は、パルス均等化ポンピング曲線に基づき、電流／電力源３２０に、連続的にポンプ源３２２をピークポンピングレベルへ駆動させ、または維持ポンピングレベルで駆動する）。
【００３９】
コントローラ３５０は、メモリ装置３５２を備え、および／または通信可能に連結されていてもよい。メモリ装置３５２は、特定のレーザに関連付けられた、維持ポンピングレベル、ピークポンピングレベル、パルス均等化ポンピング曲線を記憶する。コントローラ３５０は、これら値をメモリ装置３５２から読み取り、パルス均等化動作に用いるように構成することができる。
【００４０】
当業者にとって、上記実施形態の詳細部分について、本発明の趣旨から逸脱することなく多くの変更をなし得ることが理解されよう。したがって本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定められる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的、ランダム、または擬似ランダムなパルス繰り返し周波数で出力される一連のレーザパルスを、ポンプ源によってエネルギーを与えられるレーザ媒質を備えるレーザによって均等化する方法であって、
前記レーザが複数の異なるパルス繰り返し周波数で出力されたときの１以上の被観察レーザパルスパラメータに基づきパルス均等化ポンピング曲線を定めるステップであって、前記パルス均等化ポンピング曲線は、前記異なるパルス繰り返し周波数において１以上の前記レーザパルスパラメータを実質的に均等化するように構成されている、ステップと、
一連のレーザパルスを生成するステップと、
を有し、
各前記一連のレーザパルスは、
前記ポンプ源を第１ポンピングレベルからピークポンピングレベルへ駆動するステップと、
前記パルス均等化ポンピング曲線に基づき、前記ポンプ源を前記ピークポンピングレベルから前記第１ポンピングレベルへ駆動するステップと、
前記レーザを出力して実質的に均等化された１以上の前記レーザパルスパラメータを有する特定のレーザパルスを生成するステップと、
によって生成されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記１以上のレーザパルスパラメータは、レーザパルスピークパワー、レーザパルスエネルギー、レーザパルス幅を含むグループから選択されている、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ポンプ源は、第１期間において、前記第１ポンピングレベルから前記ピークピンピングレベルに駆動され、
前記ポンプ源は、第２期間において、選択された前記パルス均等化ポンピング曲線に基づき、前記ピークポンピングレベルから前記第１ポンピングレベルに駆動され、
前記第２期間は、実質的に前記第１期間より長い、
請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記異なるパルス繰り返し周波数は、約０Ｈｚと約１／（前記第１期間）Ｈｚの間の範囲内にあり、その全体にわたって前記パルス均等化ポンピング曲線が１以上の前記レーザパルスパラメータを実質的に均等化するように構成されている、
請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記パルス均等化ポンピング曲線は、前記第１ポンピングレベルに降下する前に第３期間にわたって前記ピークポンピングレベルを維持し、前記第３期間は所望のレーザパルスエネルギーレベルに基づいている、
請求項３記載の方法。
【請求項６】
前記パルス均等化ポンピング曲線は、前記ピークポンピングレベルから前記第１ポンピングレベルへ線形に減少する曲線である、
請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記パルス均等化ポンピング曲線は、前記ピークポンピングレベルから前記第１ポンピングレベルへ実質的に指数的に減少する曲線である、
請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記パルス均等化ポンピング曲線は、前記ピークポンピングレベルから前記第１ポンピングレベルへパラメトリックに減少する曲線である、
請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記ピークポンピングレベルは、前記ポンプ源の動作定格に基づいている、
請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記第１ポンピングレベルは、前記ピークポンピングレベルの約２０％と約９０％の間の範囲内にある、
請求項１記載の方法。
【請求項１１】
周期的、ランダム、または擬似ランダムなパルス繰り返し周波数で出力される一連のレーザパルスを均等化するレーザシステムであって、
レーザ媒質と、
前記レーザ媒質をポンプするポンプ源と、
前記ポンプ源に通信可能に連結されているポンプコントローラと、
を備え、
前記ポンプコントローラは、
第１期間において、前記ポンプ源を第１ポンピングレベルからピークポンピングレベルへ駆動し、第２期間において、パルス均等化ポンピング曲線に基づき、前記ピークポンピングレベルから前記第１ポンピングレベルへ駆動するように構成されており、
前記パルス均等化ポンピング曲線は、
異なるパルス繰り返し周波数において１以上のレーザパルスパラメータを実質的に均等化するように構成されている
ことを特徴とするレーザシステム。
【請求項１２】
前記第２期間は、実質的に前記第１期間より長い、
請求項１１記載のレーザシステム。
【請求項１３】
前記所定のパルス均等化は、前記レーザシステムが複数の異なるパルス繰り返し周波数で駆動されたときの１以上の被観察レーザパルスパラメータに基づいており、
前記パルス均等化ポンピング曲線は、前記異なるパルス繰り返し周波数における１以上の前記レーザパルスパラメータを実質的に均等化するように構成されている、
請求項１１記載のレーザシステム。
【請求項１４】
前記１以上のレーザパルスパラメータは、レーザパルスピークパワー、レーザパルスエネルギー、レーザパルス幅を含むグループから選択されている、
請求項１３記載のレーザシステム。
【請求項１５】
前記パルス均等化ポンピング曲線は、線形に減少する曲線である、
請求項１１記載のレーザシステム。
【請求項１６】
前記パルス均等化ポンピング曲線は、実質的に指数的に減少する曲線である、
請求項１１記載のレーザシステム。
【請求項１７】
前記パルス均等化ポンピング曲線は、パラメトリックに減少する曲線である、
請求項１１記載のレーザシステム。
【請求項１８】
前記ポンプ源は、１位上のレーザダイオード、ダイオードバー、ダイオードバースタックを含むグループから選択されている、
請求項１１記載のレーザシステム。
【請求項１９】
前記レーザ媒質は、ネオジウム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）、ネオジウム添加イットリウム・フッ化リチウム（Ｎｄ：ＹＬＦ）、ネオジウム添加イットリウム・バナデート（Ｎｄ：ＹＶＯ４）を含むグループから選択されている、
請求項１１記載のレーザシステム。
【請求項２０】
前記ポンプ源の前記ピークポンピングレベルは、前記ポンプ源の動作定格に基づいている、
請求項１１記載のレーザシステム。
【請求項２１】
周期的、ランダム、または擬似ランダムなパルス繰り返し周波数で出力される一連のレーザパルスを、ポンプ源に連結されたレーザ媒質を備えるレーザシステムによって均等化する方法であって、
前記ポンプ源のピークポンピングレベルを判定するステップと、
異なるパルス繰り返し周波数における１以上のレーザパルスを実質的に均等化するように構成されたパルス均等化ポンピング曲線を定めるステップと、
第１期間において、前記ポンプ源を第１ポンピングレベルから前記ピークポンピングレベルへ駆動するステップと、
第２期間において、前記選択されたパルス均等化ポンピング曲線に基づき、前記ポンプ源を前記ピークポンピングレベルから前記第１ポンピングレベルへ駆動するステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項１】
周期的、ランダム、または擬似ランダムなパルス繰り返し周波数で出力される一連のレーザパルスを、ポンプ源によってエネルギーを与えられるレーザ媒質を備えるレーザによって均等化する方法であって、
前記レーザが複数の異なるパルス繰り返し周波数で出力されたときの１以上の被観察レーザパルスパラメータに基づきパルス均等化ポンピング曲線を定めるステップであって、前記パルス均等化ポンピング曲線は、前記異なるパルス繰り返し周波数において１以上の前記レーザパルスパラメータを実質的に均等化するように構成されている、ステップと、
一連のレーザパルスを生成するステップと、
を有し、
各前記一連のレーザパルスは、
前記ポンプ源を第１ポンピングレベルからピークポンピングレベルへ駆動するステップと、
前記パルス均等化ポンピング曲線に基づき、前記ポンプ源を前記ピークポンピングレベルから前記第１ポンピングレベルへ駆動するステップと、
前記レーザを出力して実質的に均等化された１以上の前記レーザパルスパラメータを有する特定のレーザパルスを生成するステップと、
によって生成されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記１以上のレーザパルスパラメータは、レーザパルスピークパワー、レーザパルスエネルギー、レーザパルス幅を含むグループから選択されている、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ポンプ源は、第１期間において、前記第１ポンピングレベルから前記ピークピンピングレベルに駆動され、
前記ポンプ源は、第２期間において、選択された前記パルス均等化ポンピング曲線に基づき、前記ピークポンピングレベルから前記第１ポンピングレベルに駆動され、
前記第２期間は、実質的に前記第１期間より長い、
請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記異なるパルス繰り返し周波数は、約０Ｈｚと約１／（前記第１期間）Ｈｚの間の範囲内にあり、その全体にわたって前記パルス均等化ポンピング曲線が１以上の前記レーザパルスパラメータを実質的に均等化するように構成されている、
請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記パルス均等化ポンピング曲線は、前記第１ポンピングレベルに降下する前に第３期間にわたって前記ピークポンピングレベルを維持し、前記第３期間は所望のレーザパルスエネルギーレベルに基づいている、
請求項３記載の方法。
【請求項６】
前記パルス均等化ポンピング曲線は、前記ピークポンピングレベルから前記第１ポンピングレベルへ線形に減少する曲線である、
請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記パルス均等化ポンピング曲線は、前記ピークポンピングレベルから前記第１ポンピングレベルへ実質的に指数的に減少する曲線である、
請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記パルス均等化ポンピング曲線は、前記ピークポンピングレベルから前記第１ポンピングレベルへパラメトリックに減少する曲線である、
請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記ピークポンピングレベルは、前記ポンプ源の動作定格に基づいている、
請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記第１ポンピングレベルは、前記ピークポンピングレベルの約２０％と約９０％の間の範囲内にある、
請求項１記載の方法。
【請求項１１】
周期的、ランダム、または擬似ランダムなパルス繰り返し周波数で出力される一連のレーザパルスを均等化するレーザシステムであって、
レーザ媒質と、
前記レーザ媒質をポンプするポンプ源と、
前記ポンプ源に通信可能に連結されているポンプコントローラと、
を備え、
前記ポンプコントローラは、
第１期間において、前記ポンプ源を第１ポンピングレベルからピークポンピングレベルへ駆動し、第２期間において、パルス均等化ポンピング曲線に基づき、前記ピークポンピングレベルから前記第１ポンピングレベルへ駆動するように構成されており、
前記パルス均等化ポンピング曲線は、
異なるパルス繰り返し周波数において１以上のレーザパルスパラメータを実質的に均等化するように構成されている
ことを特徴とするレーザシステム。
【請求項１２】
前記第２期間は、実質的に前記第１期間より長い、
請求項１１記載のレーザシステム。
【請求項１３】
前記所定のパルス均等化は、前記レーザシステムが複数の異なるパルス繰り返し周波数で駆動されたときの１以上の被観察レーザパルスパラメータに基づいており、
前記パルス均等化ポンピング曲線は、前記異なるパルス繰り返し周波数における１以上の前記レーザパルスパラメータを実質的に均等化するように構成されている、
請求項１１記載のレーザシステム。
【請求項１４】
前記１以上のレーザパルスパラメータは、レーザパルスピークパワー、レーザパルスエネルギー、レーザパルス幅を含むグループから選択されている、
請求項１３記載のレーザシステム。
【請求項１５】
前記パルス均等化ポンピング曲線は、線形に減少する曲線である、
請求項１１記載のレーザシステム。
【請求項１６】
前記パルス均等化ポンピング曲線は、実質的に指数的に減少する曲線である、
請求項１１記載のレーザシステム。
【請求項１７】
前記パルス均等化ポンピング曲線は、パラメトリックに減少する曲線である、
請求項１１記載のレーザシステム。
【請求項１８】
前記ポンプ源は、１位上のレーザダイオード、ダイオードバー、ダイオードバースタックを含むグループから選択されている、
請求項１１記載のレーザシステム。
【請求項１９】
前記レーザ媒質は、ネオジウム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）、ネオジウム添加イットリウム・フッ化リチウム（Ｎｄ：ＹＬＦ）、ネオジウム添加イットリウム・バナデート（Ｎｄ：ＹＶＯ４）を含むグループから選択されている、
請求項１１記載のレーザシステム。
【請求項２０】
前記ポンプ源の前記ピークポンピングレベルは、前記ポンプ源の動作定格に基づいている、
請求項１１記載のレーザシステム。
【請求項２１】
周期的、ランダム、または擬似ランダムなパルス繰り返し周波数で出力される一連のレーザパルスを、ポンプ源に連結されたレーザ媒質を備えるレーザシステムによって均等化する方法であって、
前記ポンプ源のピークポンピングレベルを判定するステップと、
異なるパルス繰り返し周波数における１以上のレーザパルスを実質的に均等化するように構成されたパルス均等化ポンピング曲線を定めるステップと、
第１期間において、前記ポンプ源を第１ポンピングレベルから前記ピークポンピングレベルへ駆動するステップと、
第２期間において、前記選択されたパルス均等化ポンピング曲線に基づき、前記ポンプ源を前記ピークポンピングレベルから前記第１ポンピングレベルへ駆動するステップと、
を有することを特徴とする方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公表番号】特表２０１１−５１５８７０（Ｐ２０１１−５１５８７０Ａ）
【公表日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５０１９３７（Ｐ２０１１−５０１９３７）
【出願日】平成２１年３月２０日（２００９．３．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０３７８２４
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１２０６０３
【国際公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【出願人】（５９３１４１６３２）エレクトロ サイエンティフィック インダストリーズ インコーポレーテッド (161)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２０日（２００９．３．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０３７８２４
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１２０６０３
【国際公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【出願人】（５９３１４１６３２）エレクトロ サイエンティフィック インダストリーズ インコーポレーテッド (161)
【Ｆターム（参考）】
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