JP4825809B2 - 調整可能なグレーティングコンプレッサを備えたパルスレーザ光源 - Google Patents

Description

（優先権主張出願）
本願は、全体として参照することにより本明細書に組み込まれる「可視フェムト秒パルスを活用する光導波路書き込み（OPTICAL WAVEGUIDE WRITING UTILIZING VISIBLE FETMOSECOND PULSES）と題される２００４年１２月２０日に出願された米国特許出願番号第６０／６３８，０７２号に対する優先権を主張する。

本願発明の装置及び方法は、パルスレーザ及びパルスレーザを用いて導波路を製造することに関する。

周知であるように、導波路は、例えばスラブの中等、媒体の中で光を伝搬するための光学経路を備える。この導波路は、媒体内の物質の屈折率を変化させることにより製造可能である。導波路は、例えば、基板の表面に配置された、あるいは基板の中に埋め込まれたチャネル導波路を含む。複雑な３次元アーキテクチャの集積化された光学系はこのような導波路構造で形成されることができる。

導波路は、材料の物理的な状態を変化させるため、及び物質内の屈折率を変化させるために媒体の中に光を照射することによって製造可能である。導波路書き込みは、レーザ、特にパルスレーザを使用して実現できる。残念なことに、導波路書き込みは複雑なプロセスである。このプロセスは市販されているレーザシステムを使用する多くの導波路にとっては実現可能ではない可能性がある。したがって、レーザ光を用いて導波路書き込みを可能にする追加の装置及び方法が必要とされる。

本明細書に説明されている多様な実施形態は、繰り返し周波数が可変の複数の超短光パルスを備えるパルスレーザビームを生じさせるレーザ光源を含む。一実施形態では、レーザ光源は、光パルスを出力するファイバ発振器と、光パルスを受け取るように配置されるパルスストレッチャとを備える。光パルスは光パルス幅を有する。このパルスストレッチャは、光パルス幅を増加し、引き伸ばされた光パルスを生じさせる分散を有する。レーザ光源は、引き伸ばされた光パルスを受け取るように配置されるファイバ増幅器を更に備える。ファイバ光増幅器は、引き伸ばされた光パルスを増幅する利得を有する。レーザ光源は光パルス幅を減少させる分散を有する自動的に調整可能なグレーティングコンプレッサを含む。グレーティングコンプレッサの分散は調整可能である。グレーティングコンプレッサは、異なった繰り返し周波数について分散を自動的に調整する。

本発明の別の実施態様も、繰り返し周波数が可変の複数の超短光パルスを備えるパルスレーザビームを生じさせるレーザ光源を備える。レーザ光源は光パルス幅を有する光パルスを出力するファイバ発振器と、光パルス幅を減少させる分散を有する自動調整可能なグレーティングコンプレッサとを備える。分散は調整可能であり、グレーティングコンプレッサは異なった繰り返し周波数について分散を自動的に調整する。

別の実施形態は、繰り返し周波数が可変の複数の超短光パルスを備えるパルスレーザビームを生じさせる方法を備える。この方法は光パルス幅を有する光パルスを生じさせることと、圧縮された光パルスを生成するために光パルス幅を減少させることと、繰り返し周波数を変化させることとを含む。この方法では、コンプレッサの分散は、最小パルス幅を生じさせるために異なった繰り返し周波数について自動的に調整される。

本明細書に説明されている別の実施形態は、媒体内で導波路を製造する方法を備える。この方法は持続時間が約３００フェムト秒と７００フェムト秒の間のパルス幅と、約４９０ナノメートルと５５０ナノメートルの間の範囲の波長を有する光パルスを備える超高速パルスレーザビームを生じさせることを含む。この方法は、媒体の領域の中に超高速パルスレーザビームの少なくとも一部を導くことと、媒体の領域からこの超高速パルスレーザビームを除去することとを更に含む。媒体の領域の中に導かれる超高速パルスレーザビームは、導波路が媒体内に形成されるように超高速パルスレーザビームが除去された後に領域内の媒体の屈折率を変化させるほど十分な強度を有する。本方法の一実施形態では、超高速パルスレーザビームは約５Ｊ／ｃｍ^２と約５０Ｊ／ｃｍ^２の間の、媒体の領域に対するレーザフルエンスを有する。別の実施形態では、光パルスは約１００ｋＨｚから５ＭＨｚの間の繰り返し周波数を有する。

導波路を製造するこの方法の別の実施形態は、赤外光を生じさせることと、可視光ビームを生じさせるために赤外光の周波数を倍増することとを更に含む。

導波路を製造するこの方法の別の実施形態では、媒体は、実質的に透明な結晶、ガラス及びポリマーから成る物質群から選択される。別の実施形態では、媒体は溶融石英を備える。更に別の実施形態では、媒体は物質イオン化バンドギャップλ_ｇを有する物質を備え、波長は３．０λ_ｇと５λ_ｇの間である。

別の実施形態では、この方法は、細長い導波路を形成するために媒体を移動することを更に備える。

更に別の実施形態では、この方法は、細長い導波路を形成するために超高速パルスレーザビームを移動することを更に備える。

本明細書に開示されている別の実施形態は、媒体内で導波路を製造するためのシステムを備える。このシステムは赤外ファイバレーザと、周波数逓倍器と、移動システムとを備える。赤外ファイバレーザは超高速パルス赤外レーザビームを出力する。周波数逓倍器は超高速パルス赤外レーザビームを受け取り、約４９０ナノメートルと５５０ナノメートルの間の範囲の波長を有する超高速パルス可視レーザビームを出力する。超高速パルス可視レーザビームは、持続時間が３００フェムト秒と７００フェムト秒の間のパルス幅を有する光パルスを備える。超高速パルス可視レーザビームは媒体の空間領域を照射する。移動システムは、媒体内でこの導波路を形成するために空間領域を移動する。

本システムの一実施形態では、赤外ファイバレーザはＹｂドープ・ファイバレーザを備える。更に別の実施形態では、赤外ファイバレーザは１０３０ナノメートルと１０５０ナノメートルの間の波長を出力し、周波数逓倍器は、第二高調波発生を介して波長が５１５ナノメートルと５２５ナノメートルの間の光を生成する非線形光学素子を備える。

導波路を製造するためのこのシステムの別の実施形態では、超高速パルス可視レーザビームは約５Ｊ／ｃｍ^２と５０Ｊ／ｃｍ^２の間の、空間領域に対するレーザフルエンスを有する。更に別の実施形態では、光パルスは約１００ｋＨｚから５ＭＨｚで繰り返し周波数が可変である。

導波路を製造するための本システムの別の実施形態は、超高速可視パルスレーザビームを受け取り、それをもって空間領域を照射するように配置される光学系を更に備える。本システムの一実施形態では、この光学系は顕微鏡対物レンズを備える。このシステムの別の実施形態では、光学系は約１．０未満という開口数を有する。

導波路を製造するためのこのシステムの一実施形態では、移動システムは、媒体が上に配置される移動ステージを備える。更に別の実施形態では、移動システムは可動ミラーを備える。

また本明細書に開示されているのは、超高速パルス可視レーザビームを生じさせる超高速パルス可視レーザ光源を備える導波路を製造するためのシステムでもある。超高速パルス可視レーザビームは約３００フェムト秒と８００フェムト秒の間のパルス期間と、約４９０ナノメートルと５５０ナノメートルの間の波長を有する光パルスを備える。このシステムはビームの中に配置される媒体を更に備える。この媒体は物理的な構造と、この構造が可視光のビームによって移動され、それによって屈折率を変化させるようにこの構造に依存する屈折率とを有する。

導波路を製造するための本システムの一実施形態では、媒体は物質イオン化バンドギャップλ_ｇを有し、波長は３．０λ_ｇと５λ_ｇの間である。更に別の実施形態では媒体は溶融石英を備えるが、別の実施形態では、媒体は透明な結晶、ガラス、及びポリマーから成る物質群から選択される。

やはり本明細書に開示されているのは、可視光ビームを生じさせることと、媒体の領域の中にこの可視光を導き、領域内の媒体の物理的な状態を変化し、領域内の屈折率を変更し、それにより導波路を形成することとを含む、媒体内で導波路を製造する方法である。

導波路を製造する本方法の一実施形態では、光源が３．０λ_ｇと５λ_ｇの間の出力波長を有し、この場合λ_ｇは物質イオン化バンドギャップである。別の実施形態では、可視光が緑色の光を備える。更に別の実施形態では、可視光ビームは、溶融石英内での導波路書き込みのために約４９０ナノメートルと５５０ナノメートルの間の範囲内の導波路を有する。

本明細書に開示されている更に別の実施形態は、媒体内で導波路を製造する方法を備える。この方法は可視光ビームを生じさせることと、可視ビームの少なくとも一部を媒体のある領域内に導くことと、媒体の領域から可視光を除去することとを含む。媒体の領域の中に導かれる可視光ビームは、可視光ビームが媒体内で導波路を形成するために除去された後に、領域内の媒体の屈折率を変化させるほど十分な強度を有する。

導波路を製造する本方法の一実施形態では、光源は３．０λ_ｇと５λ_ｇの間の出力波長を有し、この場合λ_ｇは物質イオン化バンドギャップである。本方法の別の実施形態では可視光ビームは緑色の光を備える。更に別の実施形態では、可視光ビームは溶融石英内での導波路書き込みのために約４９０ナノメートルと５５０ナノメートルの間の範囲内の導波路を有する。

導波路を製造する本方法の別の実施形態は、赤外光を生じさせることと、可視光ビームを生じさせるために赤外光の周波数を倍増することとを更に含む。本方法の別の実施形態では、周波数を倍増することは第二高調波発生を含む。別の実施形態では、赤外光は約１０４０ナノメートルのレーザ光を備え、可視光ビームは約５２０ナノメートルのレーザ光を備える。更に別の実施形態では、方法は約１００ｋＨｚから５ＭＨｚの可変繰り返し周波数で赤外レーザをパルス化することを更に含む。更に別の実施形態では、赤外レーザは、グレーティングコンプレッサと、最適パルス圧縮にこの繰り返し周波数の変化を与えるために自動的に再配置される搬送装置とを含む。

導波路を製造する本方法の一実施形態は、約３００フェムト秒と７００フェムト秒の間の期間のパルスを生じさせるために可視光ビームをパルス化することを更に含む。本発明の別の実施形態では、媒体は実質的に透明な結晶、ガラス及びポリマーから成る物質群から選択される。本方法の更に別の実施形態では、この媒体は溶融石英を備える。

導波路を製造する本方法の追加の実施形態は、細長い導波路を形成するために媒体を移動することを更に含む。本方法の別の実施形態は、細長い導波路を形成するために可視光ビームを移動することを更に含む。本方法の更に別の実施形態では、媒体内の屈折率は、可視光の除去後に増加する。

本明細書に開示される別の実施形態は、導波路を製造するためのシステムを備える。このシステムは、可視光のビームを生じさせる光源と、このビーム内に配置される媒体とを備える。媒体は物理的な構造と、この構造に依存する屈折率とを有する。この構造は、屈折率が変化するように可視光のビームによって移動される。

本システムの一実施形態では、光源は３．０λ_ｇと５λ_ｇの間の出力波長を有し、この場合λ_ｇは物質イオン化バンドギャップである。本システムの別の実施形態では、光源は、溶融石英内での導波路書き込みのために、約４９０ナノメートルと５５０ナノメートルの間の出力波長を有する。更に別の実施形態では、光源はレーザを備える。更に別の実施形態では、媒体は実質的に透明な結晶、ガラス、及びポリマーから成る物質群から選択される。本システムの実施形態では、この媒体は溶融石英を備える。

本明細書に開示されている別の実施形態は、媒体内で導波路を製造するためのシステムも備える。また本システムは、可視光を出力し、可視光で媒体の空間領域を照射する可視レーザ光源と、媒体内で導波路を形成するために空間領域を移動するための移動システムとを備える。

導波路を製造するための本システムの一実施形態では、可視レーザ光ソースは赤外レーザと、周波数逓倍器とを備える。別の実施形態では、赤外レーザはＹｂドープ・ファイバレーザとを備える。更に別の実施形態では、赤外レーザは１０４５ナノメートルの波長レーザを備え、周波数逓倍器は、第二高調波発生を介して５２２．５ナノメートルの波長光を生じさせる非線形光学素子を備える。更に別の実施形態では、可視レーザ光源は約４９０ナノメートルと５５０ナノメートルの間の出力波長を有する。例えば、赤外ファイバレーザは１０３０ナノメートルと１０５０ナノメートルの間の波長を出力してよく、周波数逓倍器は、第二高調波発生を介して５１５ナノメートルと５２５ナノメートルの間の波長の光を生じさせてよい非線形光学素子を備える。追加の実施形態では、可視レーザ光源は約１００ｋＨｚから５ＭＨｚにおいて、繰り返し周波数が可変である。

導波路を製造するための本システムの別の実施形態では、赤外レーザはグレーティングコンプレッサと、最適パルス圧縮に繰り返し周波数の変化を与えるためにグレーティングコンプレッサの分散が自動的に調整される機構とを含む。

本システムの別の実施形態は、可視レーザ光源から出力される可視光を受け取り、可視光で空間領域を照射するために配置される光学系を更に含む。一実施形態では、光学系は顕微鏡対物レンズを備える。別の実施形態では、光学系は約１．０未満の開口数を有する。

導波路を製造する本システムの別の実施形態では、移動システムは、媒体が配置される移動ステージを備える。本システムの別の実施形態では、この移動システムは可動ミラーを備える。

溶融石英を備える媒体内に導波路を書き込むことのできるシステム１０が図１に描かれている。このシステム１０は、可視光を出力する可視レーザ光源１２を備える。可視レーザ光源１２は、例えば約４９０ナノメートルと５５０ナノメートル間の可視光スペクトルの緑範囲の出力波長を有する。この波長範囲はいくつかの実施形態では約４５０ナノメートルと７００ナノメートルの間でもあってよい。

可視レーザ光源１２は、約１０４５ナノメートルという波長を有する光を出力する、Ｙｂドープ・ファイバレーザ１４を備える。例示的なＹｂがドープされた増幅ファイバレーザ１４は、ＩＭＲＡアメリカ（IMRA America）、アナーバー（Ann Arbor）、ミシガン（Michigan）から入手できるＦＣＰＡμＪｅｗｅｌを備える。このファイバレーザは約１００ｋＨｚと５ＭＨｚの間のパルス繰り返し周波数を有し、約３００ｆｓと７００ｆｓの間のパルス期間を有する超短パルスを出力できる。この高い繰り返し周波数が、相対的に高い移動速度（〜１ｍｍ／ｓ）で低損失導波路の製造を可能にする。これらの範囲外の値も他の実施形態では使用してもよい。

可視レーザ光源１２は、Ｙｂドープ・ファイバレーザから光パルスを受け取る周波数逓倍器１６を更に含む。これのような非線形媒体は変換効率と出力ビーム品質を最大にすることができるため、この周波数逓倍器１６の１つの好適実施形態は、非臨界位相整合リチウムトリボレート（ＬＢＯ）を活用する。周波数逓倍器は、ベータバリウムホウ酸塩（ＢＢＯ）、チタンリン酸カリウム（ＫＴＰ）、ビスマストリボレートＢｉＢ_３Ｏ_６、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）、リン酸二重水素化カリウム（ＫＤ^＊Ｐ）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）等の非線形媒体も備えてよく、入射ビームを非線形媒体の中に焦点を合わせ、変換率を高め、第二高調波出力ビームを平行にするために適切な光学部品を含んでよい。いくつかの実施形態では、周波数逓倍器は、第二高調波発生を介して約５２２ｎｍの波長で周波数逓倍された出力を生じさせる。周波数逓倍器１６から、及び可視レーザ光源１２からのこの出力は図１ではビーム１８として示されている。

他のタイプの光源及び特に他のタイプの可視レーザ光源１２が使用可能である。他のタイプのレーザが使用可能である。例えば、他のタイプのファイバパルスレーザ及び非ファイバパルスレーザが使用可能である。周波数逓倍及び第二高調波発生が、さまざまな実施形態で使用可能であり、また利用されなくてもよい。

システム１２は、可視レーザ光源１２から出力される可視光を受け取るように配置される光学系２０を更に含む。光学系２０は、例えば、ビーム１８の焦点をターゲット領域２２の中に合わせる顕微鏡対物レンズを含んでよい。（図１の図面は概略であり、このビームの焦点を合わせる光学系は使用可能であるが、ビームの収束を示していないことに留意する。）
光学系２０は、約１．０未満及びいくつかの実施形態では約１．０と０．４の間の開口数（ＮＡ）を有してよい。低ＮＡの収束型対物レンズが、例えばＮＡ＞１．０の油浸対物レンズ及び水浸対物レンズを基準にして焦点深度が長いために三次元導波路パターンの製造を容易にする。また、約５２０ｍｍに近い可視波長は、近赤外（ＮＩＲ）波長よりも可視顕微鏡使用で使用される標準高倍率対物レンズと互換性がある。このようにして、この対物レンズにより生じる挿入損失及びビーム収差は大幅に削減される。他のタイプの光学系２０が使用可能であり、光学系は特定の実施形態で除外されてよい。

システム１０は、導波路を形成するためにレーザビームを媒体２４の上に、特に媒体内又は媒体上のターゲット領域２２の中に導く。この媒体２４はいくつかの実施形態では溶融石英を備えてよい。媒体２４は結晶だけではなく、ガラス又はポリマーも含んでよい。使用可能な物質の例は、フッ素でドーピングされた石英ガラス、及び石英、サファイア、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化バリウム、及びベータバリウムホウ酸塩等の高バンドギャップ結晶性物質を含む。他の物質も使用可能である。

システム１０は、ターゲット領域２２を移動するための搬送システム２６を更に含む。媒体２４は、例えば、移動される移動ステージ２８の上に取り付けられてよい、あるいはそれ以外の場合レーザビーム１８に対して移動してよい。他の実施形態では、レーザビーム１８は、例えば回転又は傾斜できるミラーを使用して移動されてよい。レーザビーム１８は、例えば顕微鏡レンズ２０をシフトすることによって等、他の光学素子を移動することによって移動又は移動されてよい。ビーム１８を媒体２４に対して移動させる、あるいはそれ以外の場合ターゲット領域２２を移動させるための他の構成及び装置が使用可能である。

媒体２４に入射する可視光は、媒体２４の屈折率を変化させる。多様な好適実施形態では、ターゲット領域２２の可視レーザ光による照射が、媒体２４の物理的状態を変化し、ターゲット領域２２内の屈折率を高める。屈折率は可視レーザ光で照射されない媒体２４の周辺部分と比較して変更又は増加される。媒体２４の物理的状態が変化されるため、レーザビーム１８を取り除いても、屈折率の変化又は上昇は維持される。可視光を使用した屈折率を照射で変化させる多くの機構が使用可能である。

前述されたようなシステム１０は多くの技術的な特長を提供する。例えば、周波数逓倍された１０４５ナノメートルの放射線の使用は、多数の利点を提供する。例えば、Ｙｂドープ・ファイバレーザの基本波長（１０４５ｎｍ）で溶融石英に書き込まれる導波路は高い光学損失を生じさせる一方、同じレーザ（５２２ｎｍ）の第二高調波で類似した条件下で書き込まれる導波路は非常に低い光学損失を生じさせる。

また、更に短い波長は、回折限界スポットサイズの削減のために更に密接な収束を可能にする。したがって、相対的に低い入射パルスエネルギーで高い焦点強度／フルエンスを達成することが可能である。

更に短い波長は、更に長い波長を基準にした多光子吸収プロセスも強化する必要がある。更に短い波長は下位多光子イオン化を生じさせ、非線形吸収状態間で更に幅広い分離につながる。これが屈折率変更のための閾値間の分離、又は更に大きな処理ウィンドウを可能にする損傷を拡大する。しかしながら、他の実験超短パルスでは、４００−ｎｍレーザ照射が導波路を書き込む際に成功しないことが興味深い。

また、実質的に多くの対物レンズが生体顕微鏡法に設計されているため、（光の透過及び収差補正等の）これらの顕微鏡対物レンズの性能は可視波長については改善されるか、あるいは最適化される。したがって、Ｙｂをベースにしたレーザの第二高調波を使用することによって、波長は既存の顕微鏡システム内への単純な統合を可能にする。したがって導波路書き込みは基本検査システムとともに並列で統合できる。

導波路書き込みは複雑且つやりがいのあるプロセスである。上述したように、あるクラスの物質によく適している可能性のある技法が、別のクラスの物質には不適切な場合がある。したがって、導波路書き込みが可能である領域を特定することは、例えば更に低い光学損失、更に小さなスポットサイズの使用、及び更に高い焦点強度／フルエンスの使用、既存の顕微鏡システム等への統合の改善等の利点を提供するであろうが、それ以外の場合には適用できない可能性がある。

１つの好適実施形態では、図２に概略で示されているようなレーザ光源２００は、例えば、ＩＭＲＡアメリカの改良型ＦＣＰＡ μＪｅｗｅｌを備える。種々のレーザ光源２００に関する追加の詳細は、ともに全体として参照することにより本明細書に組み込まれる、２００４年１１月２２日に出願された、「全ファイバチャープパルス増幅システム（All-Fiber Chirped Pulse Amplification Systems）」」（ＩＭ−１１４）と題される米国特許出願第１０／９９２，７６２号、及び２００５年４月２６日に発行された「モジュール式高エネルギーかつ広く同調可能な超高速ファイバソース（Modular,High Energy,Widely-tunable Ultrafast Fiber Source）」と題される米国特許第６，８８５，６８３号に開示されている。一般的には、このようなレーザ光源２００は、発振器２１０と、パルスストレッチャ２２０と、光増幅器２３０と、グレーティングコンプレッサ２４０とを備える。

発振器２１０は光共振器を形成する１組の反射光学素子を備えてよい。発振器２１０は、この共振器内に配置される利得媒体を更に備えてよい。この利得媒体は、光パルスが発振器２１０によって発生するような材料である。利得媒体はポンプ光源（不図示）によって光学的にポンピングされることができる。一実施形態では、利得媒体はＹｂがドープされたファイバ等のドープされたファイバを備える。反射光学素子はいくつかの実施形態では、１つ又は複数の鏡又はファイバブラッグ格子を備えてよい。反射光学素子は、ドープされたファイバの端部に配置されてよい。他のタイプの構成だけではなく、他のタイプの利得媒体及び反射体も使用可能である。発振器２１０は、パルス期間又は幅（半値全幅、ＦＷＨＭ）τ、及び繰り返し周波数Γを有する光パルスを出力する。

パルスストレッチャ２２０は分散を有する光ファイバを備えてよい。パルスストレッチャ２２０は、発振器２１０に光学的に結合され、発振器によって出力される光パルスを受け取るように配置される。特定の実施形態では、発振器２１０とパルスストレッチャ２２０は光ファイバであるが、結合されている、あるいは重ね継がれている。他の装置及び他のタイプのパルスストレッチャ２２０も使用可能である。パルスストレッチャの出力はチャープパルスである。パルスストレッチャ２２０は、パルス幅τを拡大し、パルスを引き伸ばし、パルスの振幅も削減する。

パルスストレッチャ２２０は、増幅器が引き伸ばされた光パルスを受け取るように増幅器２３０に光学的に結合されている。増幅器２３０は、パルスを増幅する利得媒体を備える。増幅器２３０は、いくつかの実施形態ではＹｂがドープされたファイバ等のドープされたファイバを備えてよい。増幅器２３０は光学的にポンピングされてよい。同じ又は異なる光学ポンプソースは、発振器２１０及び増幅器２３０をポンピングするために使用可能である。増幅器２３０は非線形であってよく、自己位相変調を導入してよい。したがって、さまざまな振幅光パルスはさまざまな量の位相遅延を経験してよい。他のタイプの増幅器及び他の構成が使用可能である。

グレーティングコンプレッサ２４０は、光増幅器２３０から増幅された光パルスを受け取るように配置される。さまざまなタイプのグレーティングコンプレッサ２４０が技術上周知である。グレーティングコンプレッサ２４０は、分散を導入する１つ又は複数のグレーティングを備え、さまざまな波長にさまざまな光経路を提供するように構成される。チャープパルスを受け取るグレーティングコンプレッサ２４０は、（例えば、時間的に光パルスの後ろの）更に短い波長の位相遅延とは異なっている（例えば、時間的に光パルスの前に）更に長い波長の位相遅延を提供するように構成されてよい。位相遅延は、コンプレッサから出力されるパルスにおいて、更に長い波長と短い波長が時間的に重複し、パルス幅が縮小されるほどであってよい。光パルスはそれによって圧縮される。

一実施形態では、レーザ光源２００はＹｂドープの増幅ファイバレーザ（例えば、ＩＭＲＡアメリカの改良型ＦＣＰＡμＪｅｗｅｌ）を備える。このようなレーザは、商業的な固体レーザシステムに優る複数の主要な優位点を提供する。例えば、このレーザ光源は、約１００ｋＨｚから５ＭＨｚの「類のない範囲」に及ぶ可変繰り返し周波数を提供する。更に、発振器専用システムより高いパルスエネルギーは、焦点の配置で更に大きな柔軟性を可能にする。固体再生反復システムより高い繰り返し周波数は更に高速の製造速度を可能にする。可変繰り返し周波数は、さまざまなガラス等のさまざまな媒体の屈折率変更条件の最適化も容易にする。

レーザ光源２００の一実施形態では、パルスは従来のステップ型シングルモードファイバの長さで引き伸ばされ、バルクグレーティングコンプレッサ２４０で圧縮される。ストレッチャ２２０とコンプレッサ２４０間の三次分散の大きな不一致は、キュービコン（cubicon）パルスを使用することにより電力増幅器２３０内での自己位相変調を介して補償される。このキュービコンパルスは立方体のスペクトル及び時間形状を有する。電力増幅器２３０における自己位相変調の影響を受けて、赤のスペクトル成分のためのはるかに小さい非線形位相遅延を引き起こす一方で、三角形のパルス形は、パルスの青のスペクトル成分のための非線形位相遅延を拡大する。この自己位相変調の程度は電力増幅器２３０内でのレーザパルスの強度に依存する。更に、繰り返し周波数の変動が輝度の変化を引き起こし、したがって位相遅延及び分散も変えるであろう。

大部分は一定のポンピングに起因する一定の平均電力Ｐ_avgの場合、Ｐ_avg＝Ｅ_pulse×Γであり、この場合Ｅ_pulseはパルスエネルギー（Ｊ）であり、Γは繰り返し周波数（Ｈｚ）である。したがって、一定の平均電力の場合、繰り返し周波数を増加するとパルスエネルギーは減少する。逆に、繰り返し周波数を減少すると、パルスエネルギーは増加する。パルスエネルギーが、例えば１００ｋＨｚで３μＪから５ＭＨｚで１５０ｎＪまで繰り返し周波数とともに変化することを考慮すると、自己位相変調の程度も変化する。増幅器２３０において自己変調が変化するとパルス幅が変化する。繰り返し周波数の変動により引き起こされるパルス幅のこの変化を補正するために、グレーティングコンプレッサ２４０の分散を調整できる。

図３Ａは、繰り返し周波数の変化に伴いグレーティングコンプレッサの分散を自動的に調整するグレーティングコンプレッサ２４０の一実施形態を概略で描いている。グレーティングコンプレッサ２４０は、第１のグレーティングと第２のグレーティング２４２、２４４及び鏡２４６を含む。描かれているように、光学経路は第１と第２のグレーティング２４２、２４４と鏡２４６の間に伸張する。したがって、入力を通してグレーティングコンプレッサ２４０まで受け取られる光２４８のビームは第１のグレーティグ２４２に入射し、そこから回折される。ビーム２４８は、以後、第２のグレーティング２４４に導かれ、そこから鏡２４６に向かって回折される。ビーム２４８は鏡２４６から反射され、第２のグレーティング２４４に戻され、そこから第１のグレーティグ２４２に回折される。このビーム２４８は、入力を通って第１のグレーティング２４２から戻され回折される。

図３Ａは、矢印２５２によって表現される方向で第２のグレーティングを移動するように構成される移動ステージ２５０上に配置される第２のグレーティング２４４を示している。移動ステージ２５０は、移動ステージの移動を制御する制御回路２５４と通信している。また制御回路２５４は記憶装置２５６と通信している。制御回路２５４はプロセッサと、マイクロプロセッサと、ＣＰＵと、コンピュータと、ワークステーションと、パーソナルデジタルアシスタントと、ポケットＰＣ又は他のハードウェアデバイスを備えてよい。制御回路２５４は、ハードウェア、ソフトウェア又はファームウェアに記憶されている命令又は処理ステップの集合を実行してよい。命令又は処理ステップの集合体は制御回路２５４内に、又は何らかの他のデバイス又は媒体に記憶されてよい。

命令又は処理ステップの集合体はコンピュータプログラムコード要素及び／又は電子論理回路を含んでよい。制御回路２５４の多様な実施形態は、デジタル処理装置（例えば、コンピュータ、制御回路、プロセッサ、ワークステーション、ラップトップ、パームトップ、パーソナルデジタルアシスタント、携帯電話、キオスク等）に一連の機能ステップを実行するように命令する形式で論理要素をレンダリングする機械構成部品を含む。この論理回路は、一連のコンピュータ命令又は制御要素実行可能命令としてプロセッサによって実行されるコンピュータプログラムによって具現化されてよい。これらの命令を生成するために使用できるこれらの命令又はデータは、例えば、ＲＡＭ内、又はハードディスクドライブ又は光ドライブ上に、又はディスク上に常駐してよく、あるいは命令は磁気テープ、電子読み出し専用メモリ、又は適切なデータ記憶装置、又は動的に変更又は更新されてよい、あるいは動的に変更又は更新されなくてよいコンピュータアクセス可能媒体に記憶されてよい。したがって、これらの方法及びプロセスは、まだ考案されていないものだけではなく技術上周知のものも含めて、例えば、磁気ディスク、コンパクトディスク等の光ディスク、光ディスクドライブ又は他の記憶装置又は媒体に含まれてよい。記憶媒体は、ハードウェアを使用して実現される処理ステップを含んでよい。これらの命令は、以後変更される圧縮されたデータ等の記憶媒体上のフォーマットであってよい。

更に、処理のいくつか又はすべては、同じデバイス上で、このデバイスと通信する１台又は複数台のデバイス上で、あるいは他の多様な組み合わせの上ですべて実行できる。プロセッサは、ネットワークに組み込まれてもよく、プロセスの部分はネットワーク内の別個のデバイスによって実行されてよい。ユーザインタフェース等の情報のディスプレイはデバイス上に含むことができ、あるいは情報はデバイスに通信でき、及び／又は別個のデバイスと通信できる。

記憶装置２５６は、まだ考案されていないものだけではなく技術上周知のものも含めて、例えばディスクドライブ、揮発性メモリ又は不揮発性メモリ、光ディスク、テープ又は他の記憶装置又は記憶媒体を備えてよい。記憶装置２５６と制御回路２５４間の通信は、例えば結線を介して、あるいは電磁伝送によってでもよく、例えば電気、光学、磁気、又はマイクロ波等によってよい。同様に制御回路２５４と移動ステージ２５２間の通信は、例えば結線を介して又は電磁伝送によってでもよく、例えば電気、光学、磁気又はマイクロ波等によってよい。多岐に渡る構成及び装置が考えられる。

図３Ａも、第１のグレーティング２４２の移動を表す矢印２５８を示している。これらのグレーティング２４２、２４４のどちらかあるいは両方とも制御回路２５４又は他の制御回路に接続されている搬送装置を使用して移動されてよい。第１及び／又は第２のグレーティング２４２、２４４のこのような移動はその間の分離を変更し、グレーティング間の光が移動する光学経路の長さを増減する。この光路長を増減すると、ビーム上のグレーティングの角分散の影響が増減される。特定の実施形態では、鏡２４６も移動されてよい。

多様な実施形態では、記憶装置２５６は繰り返し周波数を表す値と、移動ステージ２５０のための位置つまり移動量を表す値とを含むデータベースを備える。繰り返し周波数が、例えばユーザによって設定又は変更されると、制御回路２５４は記憶装置２５６にアクセスし、移動ステージ２５０の位置及び／又は１つ又は両方のグレーティング２４２、２４４の位置を自動的に調整するために使用される値をそこから受け取ってよい。

前述されたように、図３Ａに示されているグレーティングコンプレッサ２４０の実施形態では、矢印２５２により示されるようなグレーティング２４４の移動が、回折される光がグレーティング間で伝搬する光学経路距離を変化する。この光路長を変化すると、グレーティングコンプレッサ２４０によりビーム２４８に導入される分散が変更される。したがって、搬送装置２５０を使用して異なる量、第２のグレーティング２４４を移動すると、グレーティングコンプレッサ２４０の分散が変更されるので、これはレーザ光源２００の他の部分の分散の変動を補償するために使用可能である。特に制御回路２５４は、繰り返し周波数の変化に起因する増幅器５３０内の分散の変化に対抗するために繰り返し周波数の変化に応えて適切な量、搬送装置２５０を介して第２のグレーティング２４４の移動を自動的に引き起こすように構成されてよい。

さまざまな構成が考えられる。図３Ａに関して、グレーティング２４２、２４４と鏡２４６の異なる組み合わせが、例えばグレーティング間のビーム２４８の光学経路を変化することによりグレーティングコンプレッサ２４０の分散を自動的に調整するために移動されてよい。

更に、グレーティングコンプレッサ２４０は違う設計としてもよい。グレーティング２４２、２４４のどちらか及び鏡２４６が排除されてよい。別の実施形態では、例えばグレーティングコンプレッサ２４０は、鏡２４６なしで第１と第２のグレーティング２４２、２４４を備える。他の実施形態では、更に多くのグレーティングが使用可能である。更に、他の実施形態では、グレーティングコンプレッサ２４０は、第２のグレーティング２４４なしで、第１のグレーティング２４２と鏡２４６とを備える。違う設計も可能である。例えば鏡の代わりにプリズムが使用可能である。プリズムは、グレーティングコンプレッサ２４０及びレーザ光源２００からポンピングされるレーザビーム２４８の出力を容易にしてよい。更に、まだ考案されていないものも技術上周知のものも含めて、他の構成が使用可能である。

図３Ｂは、グレーティング２４２と、第１の、及び第２の逆反射体２７２、２７４とを備えるグレーティングコンプレッサ２４０の別の実施形態を描く。第１の逆反射体２７２は、矢印２５２によって表される方向で逆反射体２７２を移動させるように構成された移動ステージ２５０上に置かれる。移動ステージ２５０は、図３Ａに関して説明されるものと実質的に同様に動作するように構成されてよい。入射ビーム２４８は、入力からグレーティングコンプレッサ２４に受け取られ、光学経路に沿ってグレーティング２４２まで移動し、そこから回折される。ビーム２４８は、以後第１の逆反射体２７２まで移動し、グレーティング２４２に向かって向け直される。ビーム２４８はグレーティング２４２から回折され、第２の逆反射体２７４に向かって移動する。ビーム２４８は第２の逆反射体２７４から反射し、グレーティングコンプレッサ２４０を通して、及び入力を通してその経路を逆にする。

逆反射体２７２、２７４はビームを反射することに加え、この反射されたビームが入射ビームに関して側面方向で変位されることを規定するプリズムを備えてよい。したがって、入力ビームは出力ビームからそれによって分離できる。図３Ｂでは、第１の逆反射体２７２が水平方向で（紙の平面で）入力ビームと出力ビームを側面に沿って分離するように向けられる。図３Ｂに示される第２の逆反射体２７４はプリズムも備える。このプリズムは水平方向で（紙の平面の中から）入力ビームと出力ビームを側面に沿って分離するように向けられる。その結果、第１の逆反射体と第２の逆反射体２７２、２７４は、互いに関して異なって向けられる（例えば９０°回転される）実質的に同一のプリズムを備えてよい。他のタイプの逆反射体及び他の構成も使用可能である。

矢印２５２によって示されるような第１の逆反射体２７２の移動は、グレーティング２４２からの反射間のビーム２４８によって移動する光学経路の距離を変化し、したがってグレーティングコンプレッサ２４０によってビーム２４８に導入される分散を変化させる。したがって、搬送装置２５０を使用して第１の逆反射体２７２を、異なる量、移動するとグレーティングコンプレッサ２４０の分散が変更される。更に、第１の逆反射体２７２は、繰り返し周波数の変化に起因する増幅器５３０の分散の変化に対抗するために、繰り返し周波数の変化に応えて適切な量、第１の逆反射体２７２の移動を自動的に引き起こすように構成される制御回路（図示されていないが、制御回路２５４に概して類似してよい）に動作可能なように結合されてよい。図３Ｂに示されているグレーティングコンプレッサ２４０の動作の他の態様は、図３Ａに示されているグレーティングコンプレッサ２４０の動作の態様に概して類似してよい。変動も考えられる。

加えて、制御回路２５４がグレーティングコンプレッサ２４０内の移動ステージ２５０を自動的に調整するために使用する繰り返し周波数に関する情報を含む記憶装置２５６を使用する代わりに、制御回路は搬送装置２５０の適切な変位を決定するためのさまざまな装置を使用してよい。例えば、繰り返し周波数を監視する光学検波器（例えば、フォトダイオード）が含まれてよい。制御回路２５４は、光学検波器からこの情報を使用してよい。他の実施形態では、光学検波器はパルス幅の測度を提供し、制御回路２５４はグレーティングコンプレッサ２４０の分散を自動的に調整するためにこの情報を使用する。光学検波器と制御回路２５４を含むフィードバックシステムは、グレーティングコンプレッサ２４０の分散を自動的に調整するために含まれてよい。レーザシステム２００を制御するためにフィードバックを使用することに関する追加の詳細は、全体として参照することにより本明細書に組み込まれている２００４年３月３１日に出願された「プロセスパラメータ、コントロール、及び制御付きのフェムト秒レーザ処理システム（Femtosecond Laser Processing System with Process Parameters,Controls and Feedback）（ＩＭ−１１０）と題される米国特許出願第１０／８１３，２６９号に開示されている。設計の他の変更も考えられる。

繰り返し周波数の変動について自動的に調整する自動グレーティングコンプレッサを備えるレーザ光源２００は本明細書に開示されるように導波路を製造する上で使用可能であるが、レーザ光源の応用はこのような目的に制限されず、他の用途にも使用可能である。

しかしながら、このレーザ光源２００は、導波路を製造するために特に有用であろう。高繰り返し周波数と相対的に高いパルスエネルギーの組み合わせは、高ＮＡ焦点対物レンズを必要とせずに高速で（〜１ｍｍ／ｓ）低損失導波路を書き込むことを可能にする。相対的に低いＮＡ焦点対物レンズを使用する能力は、光学的なレイアウトを簡略化し、三次元構造の製造に有用である長い作業距離と長い焦点深度を提供する。

このようなシステム１０は、溶融石英において導波路を書き込むために特に有用であろう。溶融石英はその大きなイオン化バンドギャップ（〜９ｅＶ）のため、導波路を書き込むことが相対的に困難なガラスである。λ_ｇというイオン化バンドギャップのある材料を考えると、実験は＜１ｄＢ／ｃｍ伝搬損失のある導波路を製造するために、導波路の書き込みが約３．０λ_ｇと５λ_ｇの間の領域を含むことを示す。更に長い波長で溶融石英に導波路を書き込むことは可能であるが、３．５λ_ｇ近くで動作すると、より幅広い処理ウィンドウ（屈折率変更閾値と損失閾値の間のより大きな分離）が提供される。更に、書き込み波長≧５λ_ｇの低損失導波路を製造するための＜１５０ｆｓと比較して、３．５λ_ｇ近くで動作するときには最高５００ｆｓパルスまで使用できる。３．０λ_ｇ以下の波長では導波路書き込みの効果が削減される可能性があり、負の屈折率変化等のより好ましくない結果を生じさせる。例えば、全体として参照することにより本明細書に組み込まれているジャーナル・オブ・オプティカル・ササイアティ・オブ・アメリカ（J.Opt.Soc.Am.）Ｂ、第１９巻、２４９６から２５０４ページ（２００２年）のストレソフ（Streltsov）及びボレリ（Borrelli）を参照すること。システム１０の特定の実施形態は前述の波長範囲及びパルス幅で動作するが、システム１０の他の実施形態は異なる波長範囲及びパルス幅（例えば、１００ｆｓから１０００ｆｓまで、及びこの範囲外）を活用してよい。

１μｍの波長のフェムト秒レーザ光源での導波路書き込みは、リン酸塩ガラスとホウケイ酸塩ガラスのサンプルで実現できる。全体として参照することにより本明細書にも組み込まれる、オプティクス・レターズ（Opt.Lett.）第２９巻、１９００から１９０２ページ（２００４年）のオセラーメ（Osellame）ら、及びＳＰＩＥ会議記録５３３９、１６８ページ（２００４年）の中のＭ．ウイル（Will）らを参照すること。１μｍという基本波長はホウケイ酸塩ガラス、ソーダ石灰ガラス、及びリン酸塩ガラス等の相対的に低いバンドギャップの透明な物質によく適しているが、前述されたようなレーザ光源２００の実施形態の第二高調波周波数で動作すると、更に幅広いクラスの高バンドギャップ透明材料を含むようにレーザの実用性が拡大される。

前述したように、システムの構成は異なってよく、導波路を製造する方法の移動例が考えられる。図４は、例えば、移動システムが回転式鏡又は傾斜式鏡３０を備えるシステムを示す。このシステム１０は収束光学系を含まない。レーザ光源１２から出力されるレーザビーム１８は、横断方向の断面を十分に縮小した。図５は、移動システムを含まない導波路を製造するためのシステムを示す。可視光は可視光によって照射される媒体２４上又は媒体２４内のパターンを形成するマスク３２を照射する。マスク３２を結像するための結像光学系３４も示されている。システム１０は、レーザ光でマスクを照射するためにレーザ光源１２とマスク３２の間に配置される照明光学系（不図示）を更に含んでよい。他の実施形態では、マスク又はレチクルが、ビーム及び／又は媒体を移動する又は段差を付けることに加えて使用可能である。

別の実施形態では、ファイバ導波路は、ファイバの端部を通って可視光を照射することによって形成されることができる。可視光は、ファイバの屈折率を変化させ、それによりファイバ内にコアを生じさせる。このコアは、ファイバの全長に沿って更に領域内のファイバの状態を変化させるために、更にファイバに沿って可視光を導く。したがって、コアはファイバに沿って長手方向に引き伸ばされる。したがって、ファイバ光学媒体における空間領域はこの例では自動的に移動される。他の構成も考えられる。

屈折率の変化を基礎とする、グレーティング、レンズ、位相マスク、鏡等の他のタイプの光学要素及び構造は、本明細書に開示されているものに類似した装置及びプロセスを使用して製造することができる。他の移動も考えられる。

本発明の特定の実施形態は説明されているが、これらの実施形態は例証としてのみ提示されており、本発明の範囲を制限することを目的としていない。したがって、本発明の大きさ及び範囲は続く請求項及びその同等物に従って定義されるべきである。

本発明の実施形態に係る媒体内に導波路を書き込むための、可視レーザ光源と収束光学系と媒体を支持する移動システムとを備えるシステムを示す。 発振器とパルスストレッチャと光増幅器とグレーティングコンプレッサとを備える、本発明の実施形態に係る可視光源の概略図を示す。 第１と第２のグレーティングと鏡とを備える、本発明の実施形態に係るグレーティングコンプレッサの概略図を示す。 １つのグレーティングと２つの逆反射体とを備える、本発明の実施形態に係るグレーティングコンプレッサの概略図を示す。 移動システムが回転式鏡又は傾斜式鏡を備える、本発明の実施形態に係る導波路を書き込むためのシステムを示す。 媒体の中に又は媒体の上にパターンを形成するためにマスクを使用した、本発明の実施形態に係る導波路を書き込むためのシステムを示す。

Claims (8)

1. 繰り返し周波数が可変の複数の超短光パルスを備えるパルスレーザビームを生じさせるレーザ光源であって、
   光パルス幅を有する光パルスを出力するファイバ発振器と、
   前記光パルスを受け取るように配置され、前記光パルス幅を拡大し、引き伸ばされた光パルスを生じさせる分散を有するパルスストレッチャと、
   前記引き伸ばされた光パルスを受け取り、前記引き伸ばされた光パルスを増幅する利得を有し、前記引き伸ばされた光パルスに自己位相変調の影響を与えて増幅し、該増幅された光パルスのパルス幅を繰り返し周波数の関数として変化させるファイバ増幅器と、
   可変光路長を有する光学経路によって互いに分離された、第１及び第２の光学素子を備え、前記光パルス幅を減少させる分散を有し、前記光学経路の光路長を変化することにより、前記分散を、異なる繰り返し周波数について自動的に調整するグレーティングコンプレッサと、
   前記第１又は第２の光学素子を移動する移動ステージと、
   前記光パルス幅を検知する光学検波器、及び、前記光パルス幅及び前記繰り返し周波数に基づいて前記グレーティングコンプレッサを駆動する制御回路を含むフィードバックシステムと、
   を備えることを特徴とするレーザ光源。
2. 前記グレーティングコンプレッサが、前記第１及び第２の光学素子として、前記光学経路によって互いに分離された２つのグレーティングを有し、
   少なくとも１つのグレーティングが並進移動可能であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
3. 前記移動ステージが、前記グレーティングの少なくとも一方を移動させることを特徴とする請求項２に記載のレーザ光源。
4. 前記制御回路が、異なった繰り返し周波数のために、前記グレーティングコンプレッサの分散を変化させるように、前記移動ステージに信号を送信することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ光源。
5. 前記繰り返し周波数に基づいて前記グレーティングコンプレッサの分散を自動的に調整するために、異なった繰り返し周波数及び関連付けられる調整値を含むデータベースを含む記憶装置を更に備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ光源。
6. 前記第１及び第２の光学素子が鏡、グレーティング、プリズム、逆反射体の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
7. 繰り返し周波数が可変の複数の超短光パルスを備えるパルスレーザビームを生じさせる方法であって、
   光パルス幅を有する光パルスを生じさせ、
   前記光パルス幅を減少させ、それにより圧縮光パルスを生成し、
   前記繰り返し周波数を変え、
   前記光パルス幅を検知し、
   前記繰り返し周波数の関数としての前記パルス幅の変化を補正するように、前記光パルス幅に基づき、前記異なった繰り返し周波数について自動的にバルクグレーティングコンプレッサの分散を調整し、
   前記分散を調整するための値を取得するためにそれと関連付けられる調整値を有するデータベースに記録されている繰り返し周波数と、前記異なった繰り返し周波数を比較すること
   を含むことを特徴とする方法。
8. 前記異なった繰り返し周波数について自動的にバルクグレーティングコンプレッサの分散を調整して、最小パルス幅を生じさせることを特徴とする請求項７に記載の方法。

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