JP2014512679A - パルスモードシードレーザの安定化 - Google Patents

Abstract

パルスシードレーザ源（１２）とレーザ増幅器（２０）と光パワー増幅器（３０）とを含むプログラミング可能な調整レーザパルス発生器（１０）は、シードレーザ（第１の実施形態）又は連続波シードレーザ出力の外部変調器（第２の実施形態）に印加されるプログラミング可能なアナログ調整パルス信号に応答して整形された高パワー調整レーザパルス（３２）を生成する。プログラミング可能なアナログ調整パルス信号は、マルチチャンネル信号発生器（１８）により生成された、個々にプログラミング可能な複数のアナログパルスを組み合わせることにより生成される。パルスシードレーザ源に印加されたバイアスにより、調整レーザパルスを生成する前に前段階レーザ発振が生じ、シードレーザ源スペクトル線及び線幅が固体レーザ増幅器の狭い利得線幅の中で安定し、これによりレーザ出力のパルスピークの安定性が得られる。調整レーザパルス発生器は、短い波長で高調波を生成することを考慮しており、種々の微細加工用途に対して経済的で信頼性の高いレーザ源を提供する。

Description

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本開示は、レーザ微細加工用途において使用される調整レーザパルスを生成することに関するものであり、特に、プログラミング可能な電気信号パルスに応答してシードレーザにより生成され、ファイバレーザ及び固体パワー増幅器により増幅される調整レーザパルスを発する、非常に効率的なプログラミング可能な調整レーザパルス発生器を利用する方法及びシステムに関するものである。

背景情報

メモリチップの冗長リンク加工はレーザ微細加工用途の一例である。半導体メモリアレイチップの製造が完了した後、チップの露出面上の集積回路（ＩＣ）パターンが不動態化材料（passivating material）からなる電気的な絶縁層でシールされる。典型的な不動態化材料としては、樹脂や例えばポリイミドのような熱可塑性ポリマーがある。この最後の「パッシベーション」層の目的は、チップの表面が周囲の水分と化学的に反応するのを防止し、この表面を周囲の粒子から保護し、機械的応力を吸収することにある。不動態化の後、メモリセルのプロービングと機能テストを可能にする金属配線が埋め込まれた電子パッケージ内にこのチップが搭載される。多くの冗長メモリセルのうちの１つに欠陥があると判断された場合、そのセルとアレイ中の隣接するセルとを接続している導電性配線、すなわちワイヤを切断することによりそのセルを使用不能にする。「リンク加工」又は「リンクブローイング」により個々のメモリセルを使用不能にすることは、ターゲットに隣接する材料、ターゲットの下方にある材料、又はターゲットの上方にある材料にダメージを与えることなく、非常に局所的な領域でリンク材料を選択的に除去するようにレーザビームエネルギーを方向付けることのできるレーザ微細加工装置により実現することができる。レーザビーム波長、スポットサイズ、パルス繰り返し率、パルス形状、又はエネルギー伝達に影響を与える他の空間的又は時間的ビームパラメータを変化させることにより、指定されたリンクを選択的に加工することが可能となり得る。

メモリアレイや他のタイプのＩＣチップにおける導電リンクの後処理を必要とするレーザ微細加工プロセスは、前縁エッジの立ち上がりが非常に速い急峻なパルス（例えば、立ち上がり時間が１〜２ns）を用いて、所望の品質、歩留まり、及び信頼性を得ることができる。導電リンクを綺麗に切断するために、レーザパルスが金属配線を切断する前にその上にあるパッシベーション層をレーザパルスが貫通する。既存の固体レーザからの典型的なパルスの立ち上がり端はパルス幅とともに変化する。５〜２０nsのパルス幅と徐々に立ち上がる傾斜した前縁エッジを有する従来のガウス形レーザパルスをリンク加工に用いると、特に厚さが大きすぎる場合や不均一な場合には、パッシベーション層に「オーバークレーター（over crater）」を生じる傾向がある。

上側のパッシベーション層の破断の挙動は、Yunlong Sunによる「半導体系素子のレーザ加工最適化」というタイトルの博士論文（オレゴン大学院学会、１９９７年）において非常によく分析されている。パッシベーション層の厚さは重要なパラメータであるので、特定のパッシベーション層の材料の最適な厚さをSunの分析に基づいたシミュレーションにより決定してもよい。パッシベーション層のウェハレベルのプロセス制御をＩＣ製造中に維持するのが難しいために、厚さが最適なものとならなかったり、ウェハ間やウェハごとの厚さが不均一になったりすることがある。したがって、後処理に用いられるレーザパルスの特性を最適化することは、パッシベーション層において誤って目標とされた寸法や変化の原因を補償するのに役立つ場合がある。

Smartによる米国特許第6,281,471号は、リンク加工のために実質的に方形状のレーザパルスを利用することを提案している。そのような急峻なエッジを有するパルスは、主発振器レーザをファイバパワー増幅器に結合することにより生成することができる。典型的には、この構成は主発振器出力増幅器（ＭＯＰＡ）、あるいはファイバパワー増幅器の場合にはＭＯＦＰＡと呼ばれる。典型的には、この低パワー主発振器は、速い立ち上がり時間を有する方形状のパルスを生成可能なダイオードレーザを用いる。一方、Yunlong Sun等による「Methods of and Laser Systems For Link Processing Using Laser Pulses With Specially Tailored Power Profiles」についての米国特許第7,348,516号（Sun'516特許）では、エッジが垂直に立ち上がるにもかかわらず、実質的に方形状のレーザパルスはリンク加工のためには最良のレーザパルス形状ではないと述べられている。この特許は、本特許出願の譲受人に譲渡されている。この代わりにSun'516特許は、一実施形態においては、最も効率的にリンクを加工するための、高速に立ち上がる１つ又は複数のピークがあり、その後信号強度が下がり、消滅する前に低いパワーレベルで比較的平坦に維持される、椅子の形に似た特別に調整されたレーザパルス形状を利用することについて述べている。

リンク加工及び他のレーザ加工中に、調整レーザパルスは所望の強度かつ制御可能な強度で対象材料又は対象構造と相互作用するので、調整レーザパルス形状は、一定のガウス形パルス形状に比べて利点がある。調整レーザパルスでは、対象材料の異なる加工フェイズに対して、あるいは対象となる多層構造内の異なる材料に対して強度が制御可能であるので、優れた加工結果を得ることができる。

メモリリンク加工において実際上重要である典型的な調整レーザパルスのパワープロファイルが図１Ａに示されている。図１Ａの調整レーザパルスのパワープロファイルは、（１）１．５ns未満でピークパワーに達する高速立ち上がりエッジと、（２）レーザパルスの時間的プロファイルの選択可能な時間位置における１つのピークと、（３）ピークパワーより低い平均最小パワーとを示している。図１Ｂは、レーザパルスの時間的プロファイルの中央近傍で生じる１つのパルスピークを示しており、図１Ｃは、レーザパルスの時間的プロファイルにおける異なる時点で生じる複数のパルスピークを示している。Sun等による「Generating Sets of Tailored Laser Pulses」についての米国特許第7,126,746号は、図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃに示されるタイプの１つの調整レーザパルス又は複数組の調整レーザパルスを利用するメモリリンク加工技術について述べている。

いずれもSun等による「Lasers for Synchronized Pulse Shape Tailoring」についての米国特許第7,289,549号及び「Methods For Synchronized Pulse Shape Tailoring」についての米国特許第7,301,981号は、異なる長さの２つの光路において２つのレーザ発振媒体を用いて実現され、いくつかの特別調整レーザ形状を有する複合レーザパルスを生成するレーザ設計を提案している。

レーザ技術が進歩するにつれ、ファイバ増幅器に続く種々のパルスモードシードレーザ源が一般的になってきた。そのようなデザインの１つがDeladurantaye等による「Digital Laser Pulse Shaping Module and System」についての米国特許出願公開公報2009/0323741 A1に開示されている（Deladurantaye公開公報'741）。Deladurantaye公開公報'741は、高速デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）を利用して、レーザ源に結合された光学変調器を駆動するか、あるいは直接ＤＡＣを用いて所望の調整パルス形状をレーザ源に注入することによりレーザ源を駆動するために所望のパルス形状を有する電流パルスを生成する方法について述べている。

Deladurantaye公開公報'741において述べられた一実施形態によれば、駆動電流パルスが光学ゲート素子又は変調器を駆動する際、単一の連続波ダイオードレーザが主発振器を形成し、その出力が特別に調整されたパルスを形成する電気光学（Ｅ−Ｏ）素子やマッハ−ツェンダー変調器のような光学変調器に結合される。そして、調整パルスはファイバ前置増幅器に送られ、その出力がＭＯＰＡ構成におけるファイバパワー増幅器に印加される。オプションとして、出力レーザビームの波長を変換するために高調波変換器を追加することもできる。

ＭＯＰＡ構成は、安定した信号源、パルス形状、及び、レーザビーム品質を提供することができるが、レーザパワー出力レベルが低くなるという制限がある。ファイバ増幅器は、ゲインが高いので頻繁に使用され、光ポンピングが容易で、光学システム構造への統合が容易である。しかしながら、緑色又は紫外域スペクトルのより高いパワー（すなわち２ワット以上）のＭＯＰＡリンク加工システムは、増幅のために緑色光又はＵＶ光への変換に用いられる高パワーＩＲレーザエネルギーを受け取るファイバパワー増幅器に対するダメージのリスクが高い。より高いパワーを必要とするリンク加工及び他のレーザ加工に対して要求されるパワーレベルを得るためにファイバパワー増幅器を使用することは、現状のファイバレーザ技術では極めて難しい。加工に際して必要とされるレーザパワーがより高くなるにつれ、ファイバ増幅器がシステムを制限する設計要素となる。

ESI-PyroPhotonics Lasers社に譲渡された Murison等による米国特許第7,796,655号は、光サーキュレータにおいて連続波シードダイオードレーザと振幅変調器を用いて調整パルス光波形を形成する方法を開示している。Deladurantaye公開公報'741及びMurison等の特許のいずれも、変調器を用いて特別に調整されたパルスを形成することについて述べており、そのパルスにおいては、変調器を駆動するために使用される波形の形状がＤＡＣ上のメモリに保存されたデジタルパターンに由来している。また、Deladurantaye公開公報'741は、ＤＡＣを用いてシードダイオードレーザを直接駆動して増幅に好適な調整パルスを生成することについて述べている。この構成において、シードダイオードレーザからの出力は、特別に調整された所望の形状をなしており、さらに変調することなく直接増幅することができる。Deladurantaye公開公報'741は、シードレーザ出力のスペクトル安定性については議論していない。

ＤＡＣを用いて所望のパルス形状を有する電流パルスを生成することの欠点は、電子回路を設計するのが複雑になることである。ＤＡＣは、調整パルスを多くの連続した区分又はセグメントに分割する必要がある。ＤＡＣが生成するセグメントの数が大きくなればなるほど、調整パルス信号の分解能が向上する。従来のガウス形のパルスよりも優れたリンク加工の利点を有するためには、典型的な調整パルスプロファイルの前縁エッジの立ち上がり時間は１．５ns未満でなければならないという動作条件が、ＤＡＣのパルスタイミング分解能及び速度に影響を与える。この前縁エッジの立ち上がり時間は、１ns（又は１ns未満）のパルスタイミング分解能、すなわち各ＤＡＣセグメントの持続時間が長くて１nsであることを特徴付ける。このパルスタイミング分解能及び速度と５０〜１００nsの合計パルス時間を有する調整パルスは、ＤＡＣが５０〜１００個ものセグメントを有していることを必要とする。このため、ＤＡＣの速度及びその制御ロジックは１GHzよりも速ければならない。調整パルスの生成に必要なＤＡＣ速度及びセグメント数は、ＤＡＣ実装の設計に対する問題となる。

開示の概要

プログラミング可能な調整レーザパルス発生器は、プログラミング可能なパルス形状の電気信号に応答してシードレーザ出力を生成し、サブナノ秒〜数百ナノ秒のオーダーのパルス幅と数ナノ秒〜サブナノ秒のオーダーの高速立ち上がり時間とを有する所定の形状の調整レーザパルスを生成する。第１の好ましい調整レーザパルス発生器の実施形態は、入力としてパルスシードレーザ出力を生成するための電気信号を有するパルスシードレーザの形態のパルスレーザ源を含んでいる。第２の好ましい調整レーザパルス発生器の実施形態は、外部に位置し、連続波シードレーザからの出力出射を受けてパルスシードレーザ出力を生成する変調器を含んでいる。調整レーザパルス発生器は、光パワー増幅器によってパルスシードレーザ（第１の実施形態）又は外部変調器（第２の実施形態）に印加される電気信号に応答して整形された一連の高パワー調整レーザパルスを生成する。調整レーザパルス発生器は、パワースケーリングと短い波長での高調波の生成を考慮しており、高繰り返し率で動作可能な、経済的で信頼性の高いレーザ源を提供する。調整レーザパルス発生器は、レーザマーキング、レーザビア・ホール穿孔、レーザ溶接、ダイシング、スクライビング、切断、及び太陽電池、フラットパネル、又は他の基板をはじめとする様々な金属や非金属材料に対する他のレーザ加工用途を含む様々なレーザ加工作業のために様々な波長で調整レーザパルスを生成する。調整レーザパルス発生器により実現される組み合わせの構成は、光学的にシードパルスをスライスすることにより調整レーザパルスを形成する既存のサブトラクティブ法よりも本質的に効率的である。さらに、この構成は、固体増幅器から安定したレーザ出力パワーを生成し、これによりレーザパワーのスケーラビリティを提供することができる。

追加の態様及び利点については、添付図面を参照して説明される以下の好ましい実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。

図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃは、レーザリンク加工に好適な調整パルス形状の３つの例である。 図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃは、レーザリンク加工に好適な調整パルス形状の３つの例である。 図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃは、レーザリンク加工に好適な調整パルス形状の３つの例である。 図２は、本開示のプログラミング可能な調整レーザパルス発生器の第１の好ましい実施形態のブロック図である。 図３は、一実施形態における、調整駆動電流パルス入力信号の好ましい電流駆動プロファイルの合成を示す図である。 図４は、バイアス電流と図３の線Ｄの調整駆動電流パルス入力信号を規定するように相互に接続された２つのレーザドライバ集積回路チップのブロック図である。 図５は、固体増幅器のスペクトル波長に対する増幅利得を示す、典型的な固体利得要素Ｙｂ：ＹＶＯ₄の利得スペクトルである。 図６Ａ及び図６Ｂは、図２及び図７に示されるシードレーザにバイアスを印加する前はピーク安定性が劣っていること及び印加後はピーク安定性が改善されることをそれぞれ示している固体増幅器の出力を表す椅子形調整レーザパルス出力の再現である。 図６Ａ及び図６Ｂは、図２及び図７に示されるシードレーザにバイアスを印加する前はピーク安定性が劣っていること及び印加後はピーク安定性が改善されることをそれぞれ示している固体増幅器の出力を表す椅子形調整レーザパルス出力の再現である。 図７は、本開示のプログラミング可能な調整レーザパルス発生器の第２の好ましい実施形態のブロック図である。

好ましい実施形態の詳細な説明

図２を参照すると、第１の好ましい実施形態においては、プログラミング可能な調整レーザパルス発生器１０は、マルチチャンネルアナログ信号発生器１８により同期される調整駆動電流パルス入力信号１６に応答して、レーザパルス強度プロファイルを有するパルスシードレーザ出力１４を生成するパルス励起シードダイオードレーザ１２を含んでいる。パルスシードレーザ出力１４のスペクトル線幅及びスペクトル線の安定性は、メモリチップリンク切断のようなレーザ加工用途に対して重要なファクターであるが、同時に固体レーザ増幅器による安定的な増幅を達成するための重要な特性でもある。安定的なスペクトル線を有しスペクトル線幅の狭いシードダイオードレーザ１２によって、レーザ加工の要求を満たす程度に十分に小さいスポットサイズにレーザが集束される。好ましいシードダイオードレーザ１２の一例は、ニュージャージー州モンマウスジャンクションのInnovative Photonic Solutions社から入手可能な１０６４nmシングルモードスペクトル安定化レーザモデルNo.I1064SB0120Pである。このレーザは、高ピークパワーを有するパルスファイバレーザをシーディング（seeding）するために特別に設計されており、１０６４nmで±０．０２nmの特定のスペクトルバンド幅を有している。このレーザは、１MHzという狭い線幅と０．００７nm毎セ氏の安定性を達成するためにブラッググレーティング光学フィルタを利用している。他の実施形態においては、シードダイオードレーザ１２はシードファイバレーザである。

アナログ信号発生器１８は、プログラミングされたアナログ電流パルスであって調整駆動電流パルス入力信号１６を形成するように組み合わされたアナログ電流パルスをマルチチャンネル上に生成する。好ましいアナログ信号発生器１８の一例は、ドイツ連邦共和国ボーデンハイムのiC Haus社から入手可能なモデルiC-HB Triple 155MHzレーザドライバである。iC-HBドライバは、３チャンネルアナログ信号生成能力を有する集積回路であり、各チャンネルは、ユーザが指定した振幅、パルス幅、及び１．５ns未満の速い前縁エッジの立ち上がり時間を含むタイミングパラメータに対して独立してプログラミングされている電流パルスを生成する。３チャンネルパルスを分離する遅延時間は、それらのパルスを所望の時間でトリガすることでプログラミングされる。調整駆動電流パルス入力信号１６は、３つのプログラミング可能なチャンネルの電流パルスの組み合わせにより形成される。信号発生器１８が供給可能なプログラミング可能なチャンネルの電流パルスの数を増やすために、複数のiC-HBドライバを相互に接続することができる。多数のパルス形状のうちの任意の１つのパルス形状を仮定した駆動電流プロファイルを有する調整駆動電流パルス入力信号１６を同期させるようにアナログ信号発生器１８をプログラミングしてもよい。

パルスシードレーザ出力１４は、ファイバレーザ増幅器２０をシーディングする。ファイバレーザ増幅器２０は、１０５０〜１１００nmの範囲において高ゲイン（例えば、１０⁴）及び低パワーで動作し、固体増幅器３０に送られる増幅レーザ出力２２を生成するように１つ以上の増幅器ステージで実現される。増幅レーザ出力２２は、ファイバレーザ増幅器２０に入力信号として印加されるパルスシードレーザ出力１４と同一のスペクトル線及びスペクトル線幅の特性を有している。パルスシードレーザ出力１４は、ファイバレーザ増幅器２０の１つの好ましい実施形態は、ワシントン州バンクーバーのnLIGHT社から入手可能なシングルモードイッテルビウム添加ファイバモデルNo. LIEKKI Yb1200-6/125である。必要とされる増幅ゲインを実現するように、ファイバの長さ、レーザ発振ドーパントの種類、ドーピングのレベル、及び励起レベルを選択できることは、当業者であれば理解できるであろう。１つ以上の増幅器ステージにおいて実装される固体増幅器３０は、その動作波長で非常に狭いスペクトルバンド幅を有する高パワーレーザ出力３２を生成する。好ましい固体増幅器３０の一例は、バナジウム酸塩（ＹＶＯ）レーザである。バナジウム酸塩利得媒体は、１０６４nmの発振波長を有し、０．０２nm未満の利得スペクトル幅を有する。固体増幅器利得素子は、好ましくは、様々な既知のＹｂ添加又はＮｄ添加の固体レーザ媒質（solid-state lasants）から選択され、最も好ましくはＹｂ：ＹＶＯ₄又はＮｄ：ＹＡＧであり、これは棒状、円筒状、円板状、又は直方体状であり得る。

オプションとして、緑色光出力を生成する２次高調波発生器のような高調波変換光学系モジュール３４に高パワーレーザ出力３２を印加してもよい。高調波変換モジュール３４は、既知の高調波変換技術を通じてより高い高調波周波数に入射入力パルスを変換するための非線形結晶を含んでいる。高パワーレーザ出力３２の１０６４nmから３５５nmへの高調波変換を行う第１の実施形態では、高調波変換光学系モジュール３４は、３次高調波発生（ＴＨＧ）変換用のタイプＩ決定的位相整合ホウ酸リチウムに続いて２次高調波発生（ＳＨＧ）変換用のタイプＩ非決定的位相整合三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）結晶を含んでいる。２６６nmへの高調波変換を行う第２の実施形態では、ＴＨＧ ＬＢＯ結晶を決定的位相整合ベータバリウムボラート（ＢＢＯ）結晶で置き換えてもよい。２６６nmへのＦＨＧ変換を行う第３の実施形態では、代わりにＣＬＢＯを用いてもよい。高調波変換プロセスは、V．G． Dmitriev等による「Handbook of Nonlinear Optical Crystals」１３８〜１４１ページ、Springer-Verlag社、ニューヨーク州、１９９１年、ISBN 3-540-53547-0において述べられている。

図３は、調整駆動電流パルス入力信号１６の好ましい電流駆動プロファイル４０の合成を示す図である。図３の線Ｄにおいてパルス期間４４にわたって経時変化する振幅４２を有するものとして示されている電流駆動プロファイル４０は、３つの電流波形の重ね合わせを示している。図３の線Ａは、チャンネル１のパルス４６の電流波形を示しており、これは駆動電流プロファイル４０のパルス期間にわたるパルス幅４８を有する方形パルスである。パルス４６の振幅５０及びパルス幅４８が、パルスシードレーザ出力１４のレーザパルス強度プロファイルの平均最小パワーを規定する。図３の線Ｂは、チャンネル２のパルス５４の電流波形を示しており、これは駆動電流プロファイル４０の前縁エッジ５８で開始する電流スパイクを提供する狭いパルス幅５６を有する方形パルスである。パルス５４の振幅６０及びパルス幅５６は、それぞれ、パルスシードレーザ出力１４のレーザパルス強度プロファイルの初期パワースパイクのピーク振幅及び持続時間を規定する。図３の線Ｃは、チャンネル３のパルス６２の電流波形を示しており、これはチャンネル２のパルス５４のパルス幅５６及び振幅６０よりも広いパルス幅６４と低い振幅６６を有する方形パルスである。チャンネルパルス５４及び６２は、チャンネル３のパルス６２が駆動電流プロファイル４０の後縁エッジ６８の近傍で低い方のピーク振幅電流パルスを提供するような量だけ時間的にずらされている。パルス６２の振幅６６及びパルス幅６４は、それぞれ、パルスシードレーザ出力１４のレーザパルス強度プロファイルの後縁エッジの近くの、比較的パワーが低く、持続時間が長い、対象材料を加工するためのパルスのピーク振幅及び持続時間を規定する。

先に述べたように、付加的なチャンネルが考えられ、それも本開示の範囲内であるが、各iC-HBドライバは、現在のところ３つの出力チャンネルに限定されている。より精巧に調整された電流駆動プロファイル、例えば、図３の線Ｄの調整駆動電流信号プロファイル４０は、後述する理由によりバイアス電流レベルに重ね合わされるが、付加的で結合可能な電流パルスを生成するために付加的なプログラミング可能なチャンネルの利用を伴うものである。これは、複数のiC-HBドライバを接続し、６個あるいは９個以上のプログラミング可能なチャンネルを形成することによりなされる。さらに、シードダイオードレーザ駆動電流の高い値が単一iC-HBドライバチャンネルの最大電流定格を超えるような場合には、複数のチャンネルを平行に結合して協調的に高い電流値を低減することができる。

図４は、バイアス電流と、図３の線Ｄの電流駆動プロファイル４０を有する調整駆動電流パルス入力信号１６とを規定するのに好適な第１のiC-HBドライバ７０及び第２のiC-HBドライバ７２を有する実施形態を示している。上述したように、iC-HBドライバ７０及び７２のそれぞれは３チャンネルを有しており、各チャンネルは、電流制御電圧チャンネル入力、スイッチング入力、及びダイオード陰極電流シンクを含んでいる。図４に示される実施形態では、ダイオード陰極電流シンクが、シードダイオードレーザ１２の陰極７４に結合される。１つのチャンネルがバイアスを規定し、３つの他のチャンネルが駆動電流パルスプロファイル４０を規定する。ドライバ７０上のチャンネル１は、電流制御電圧チャンネル入力７６₁と、スイッチング入力７８₁と、ダイオード陰極電流シンク１６₁とを含んでいる。ドライバ７０上のチャンネル２は、電流制御電圧チャンネル入力７６₂と、スイッチング入力７８₂と、ダイオード陰極電流シンク１６₂とを含んでいる。ドライバ７２上のチャンネル３は、電流制御電圧チャンネル入力７６₃と、スイッチング入力７８₃と、ダイオード陰極電流シンク１６₃とを含んでいる。さらに、ドライバ７０のバイアスチャンネルは、電流制御電圧チャンネル入力７６₄と、スイッチング入力７８₄と、ダイオード陰極電流シンク１６₄とを含んでいる。タイミングコントローラ８０は、ドライバ７０及び７２のスイッチング入力を開閉するタイミングパルスを規定するようにプログラミングされる。タイミングコントローラ８０がスイッチング入力上でタイミングパルスを活性化すると、スイッチング入力は、対応するチャンネルダイオード陰極電流シンクを開き、これにより、振幅コントローラ８２における設定可能な電圧によりパルス振幅を予め規定しつつ、チャンネルにより電流パルスを下げることができる。タイミングパルスの出現中にダイオード陰極電流シンクが開いていると、直列に接続された電圧源８４及び抵抗８６からシードダイオードレーザ１２を通って電流が流れる。

図４は、ドライバ７０及び７２のスイッチング入力とタイミングコントローラ８０の出力との間の導電体について、電流パルスのトリガ動作の連続を規定する方形パルスのタイミング波形を示している。第一に、設定可能な電圧８８がバイアスパルス電流振幅を予め規定した後、駆動電流プロファイル４０のパルス期間を超えるパルス幅９２を有する方形パルスバイアスタイミング波形９０が、シードダイオードレーザ１２を通るバイアス電流の流れを活性化する。第二に、設定可能な電圧９４がパルス振幅５０を予め規定した後、パルス幅４８に対応するパルス幅９８を有するタイミング波形９６が、パルス４６（図３の線Ａ）を活性化するチャンネル１をトリガする。第三に、設定可能な電圧１００がパルス振幅６０を予め規定した後、パルス幅５６に対応するパルス幅１０４を有するタイミング波長１０２が、パルス５４（図３の線Ｂ）を活性化するチャンネル２をトリガする。第四に、設定可能な電圧１０６がパルス振幅６６を予め規定した後、パルス幅６４に対応するパルス幅１１０を有するタイミング波形１０８が、パルス６２（図３の線Ｃ）を活性化するチャンネル３をトリガする。

別の実施形態では、１つのiC-HBドライバを用いて、１つの初期パルスピークと低い方の平均パワーレベルとによって特徴付けられ、図１Ａの調整パルスの時間的プロファイルに似た時間的プロファイルを有する調整駆動電流パルス入力信号１６を生成する。単一のチャンネルはバイアス電流レベルを開始し、残る２つのチャンネルは、ドライバ７０に対して図４を参照して述べたのと同様の方法で、初期パルスピークと低い方の平均パワーレベルとを合成する。

調整駆動電流パルス入力信号１６が、高速の、すなわち１．５ns 未満の前縁エッジを有するパルスモードでシードダイオードレーザ１２を駆動するときは、常に固体レーザ増幅器３０の高パワーレーザ出力３２のパルスピークの不安定性が存在する。この現象の研究の結果、出願人は、レーザ出力３２のパルスピークの不安定性は、シードダイオードレーザ１２がパルス励起を受ける際のパルスシードレーザ出力１４のスペクトル線の不安定性と、固体増幅器３０の比較的狭い利得線幅との組み合わせにより生ずるものであると結論づけた。

図５は、そのような不安定性が固体増幅器３０の出力３２でどのようにして生じるかを説明する図である。図５を参照すると、固体増幅器３０は、スペクトル波長に対する増幅利得の応答曲線１１４を有している。パワーの半値全幅での利得スペクトルバンド幅は約０．０２nmである。このため、シードダイオードレーザ１２のスペクトル線又はスペクトル線幅の変動（不安定性）により、パルスシードレーザ出力１４のスペクトル線は応答曲線１１４に沿った利得の変化量に左右され、レーザ出力３２のピークパワーの不安定性（ジッタ）が生じる。ファイバレーザ増幅器２０の利得媒体は比較的広い（５０nm）スペクトルバンド幅を有するため、このようなパルスピーク不安定性は増幅レーザ出力２２では明確ではない。

図６Ａは、固体増幅器３０の高パワーレーザ出力３２を表す椅子形調整パルスのオシロスコープディスプレイのスクリーンショット再現である。図６Ａは、高パワーレーザ出力３２のレーザパルス強度プロファイルのパルスピーク１２２のその前縁エッジ１２４での不安定性を示すものである。出願人は、１．５ns未満の前縁エッジを有する駆動電流パルス入力信号１６による刺激に対して、シードダイオードレーザ１２がその指定されたスペクトルバンド幅及びレーザ発振波長の安定性に集中しないことにより、レーザ出力３２のパルスピークの不安定性が生じると考えている。このため、出願人は、連続波動作に対する別の現在の測定と性能評価を提案しているシードダイオードレーザ製造者の仕様は、上述したパルスレーザの動作条件に適合しないのではないかと推測している。パルスモードにおけるシードダイオードレーザの動作は、特定のスペクトル安定性及び線幅に落ち着く前のパルスの開始時にレーザ出射スペクトル線ジッタを生じる。シードダイオードレーザ１２を固体増幅器３０に統合した場合、ＹＶＯ利得媒体の狭いスペクトル幅からシードダイオードレーザ１２のスペクトル線の不安定性を見ることができる。

出願人は、主たる調整駆動電流パルス入力信号１６の一部の前から開始しその間継続する低振幅のバイアス電流パルスをシードダイオードレーザ１２に適用することにより、シードダイオードレーザ１２から低パワーバイアスレーザ発振、すなわちシードダイオードレーザ１２のパルスシードレーザ出力１４のスペクトル線及びスペクトル線幅を十分に安定化し、それまで見られたパルスピーク１２２の不安定性を最小限にする前段階レーザ発振を生じさせることができることを発見した。図６Ｂは、安定的なパルスピークパワー１２８を有する、得られた調整レーザ出力３２を示すものである。バイアス電流パルスの振幅は、シードダイオードレーザ１２から比較的低い前段階レーザ発振出力（図示せず）を生成するのに十分に低い。レーザ出力３２は、パルスピーク安定性に優れているが、前段階レーザ発振は、増幅及び高調波発生段階の後に検出可能なパワーレベルを大きく下回っている。低パワー電流バイアスパルスの開始後まもなく主たる調整駆動電流パルス入力信号１６が印加され、固体増幅器３０からの最終的なレーザパルス出力３２は、好ましくないパルスピーク不安定性を生じることなく調整レーザパルスを送ることができる。低パワー電流バイアスパルスの前縁エッジと調整駆動電流パルス入力信号１６との間の時間遅延は数ナノ秒から１ミリ秒の範囲内である。低パワー電流バイアスパルスは、好ましくは数ナノ秒から１ミリ秒の範囲で主たる調整駆動電流パルス入力信号１６と部分的に重なるが、（図４に示されるように）主たる調整駆動電流パルス入力信号１６の始めから終わりまでに及ぶものであってもよい。この低い振幅バイアス電流パルスは、後述するようにiC-HBドライバ７０及び７２の１つのチャンネルによって、あるいはスタンドアロン型信号発生器によって生成することができる。

図４に示される実施形態においては、アナログ信号発生器１８のドライバ７０のバイアスチャンネルが、低パワーの前段階レーザ発振を生じさせるための低電流の幅広バイアスパルスを送るために用いられている。好ましいバイアスパルス電流レベルは、シードダイオードレーザ１２のレーザ発振閾値の１．０〜１．２倍の範囲である。レーザ発振閾値電流の３．０倍以下のバイアス電流が所望の効果を奏する。Innovative Photonic Solutions社のシードダイオードレーザ１２を用いた好ましい実施形態については、電流は４６mA以下であり、好ましくは７mA〜４６mAの範囲である。このバイアス電流パルスは、シードダイオードレーザ１２を安定化させるために予め選択された時間遅延分（約１０nsなど）だけ調整駆動電流パルス入力信号１６に先行している。バイアス電流は、レーザパルス出力３２のパルスピーク１２２におけるジッタを約１６％から約４％に低減する。図６Ｂは、その前縁エッジ１３０で安定性を示す所望のパルスピーク１２８を有する、得られた固体増幅器３０の調整レーザパルス出力３２を示すものである。調整駆動電流パルス入力信号１６により生成されるものよりもずっと小さい出力パワーをシードダイオードレーザ１２から生成するように、バイアス電流レベルが選択される。このため、バイアスパルス電流は、調整駆動電流パルス入力信号１６と大部分で重なる場合がある。非線形高調波変換プロセスがそれを抑制するので、オプションの高調波変換器光学系モジュール３４を用いてバイアスレーザ出力成分を低減してもよい。

図７を参照すると、第２の好ましい実施形態では、プログラミング可能な調整レーザパルス発生器１４０は、連続波レーザ出力１４４を生成する連続波シードレーザ１４２を含んでいる。外部変調器１４６は、シードレーザ１４２から連続波レーザ出力１４４を受け、アナログ信号発生器１８から調整駆動電流パルス入力信号１６を受けてパルスシードレーザ出力１４を生成する。好ましい連続波シードレーザは、Innovative Photonic Solutions社の上述したシードダイオードレーザである。あるいは、Murison等による米国特許に述べられた連続波単一波長ファイバレーザを用いることもできる。外部変調器は、Ｅ−Ｏデバイスのような光学変調器又は１０６４nmで３GHzを超えるバンド幅を有するＡＰＥ型のニオブ酸リチウムマッハ−ツェンダー変調器を含んでいてもよい。パルス発生器１４０の他の構成要素はパルス発生器１０のものと同一であるので、同一の参照番号を付している。

上記で使用された用語及び説明は、例示のためだけに述べられたものであり、限定することを意味するものではない。上述した実施形態の詳細に対して、本発明の基本的な原理から逸脱することなく多くの変更がなされてもよいことは、当業者であれば理解できるであろう。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ決定されるべきである。

Claims (15)

1. 時間依存レーザパルス強度プロファイルによって特徴付けられるパルスレーザ出力を出射するプログラミング可能な調整レーザパルス発生器であって、
   調整パルスアナログ駆動入力信号を形成するように合成される複数のプログラミング可能な時間変位信号パルスを生成するマルチチャンネルアナログ信号発生器を備え、前記信号パルスは、前記調整パルスアナログ駆動入力信号がその組み合わせによりレーザパルス強度プロファイルを規定するパルス形状を呈するように規定された振幅を有し、
   前記マルチチャンネルアナログ信号発生器に作用的に関連付けられ、前記調整パルスアナログ駆動入力信号に応答して前記レーザパルス強度プロファイルを有するパルスシードレーザ出力を生成するパルスシードレーザ源を備え、
   前記パルスシードレーザ出力を受けて、前記パルスシードレーザ出力の前記レーザパルス強度プロファイルに対応するレーザパルス強度プロファイルを有する増幅レーザ出力を生成するレーザ増幅器を備える、
   プログラミング可能な調整レーザパルス発生器。
2. 前記パルスシードレーザ源がシードダイオードレーザを含む、請求項１のプログラミング可能な調整レーザパルス発生器。
3. 前記パルスシードレーザ源がシードファイバレーザを含む、請求項１のプログラミング可能な調整レーザパルス発生器。
4. 前記パルスシードレーザ源が、連続波レーザ出力を発する連続波レーザと、前記連続波レーザと協働して、前記調整パルスアナログ駆動入力信号に応答して前記連続波レーザ出力を変調し、前記パルスシードレーザ出力を生成するパルス変調器とを備える、請求項１のプログラミング可能な調整レーザパルス発生器。
5. 前記レーザ増幅器は、前記パルスシードレーザ出力を受けて増幅する１段以上のファイバレーザ増幅器を備える、請求項１のプログラミング可能な調整レーザパルス発生器。
6. 前記増幅レーザ出力を受けてさらに増幅しパワー増幅器パルスレーザ出力を生成する１段以上の固体パワー増幅器をさらに備える、請求項１のプログラミング可能な調整レーザパルス発生器。
7. 前記パルスシードレーザ源がスペクトル線及びスペクトル線幅によって特徴付けられ、前記固体パワー増幅器が狭いスペクトル利得幅により特徴付けられる利得媒体を含み、前記パルスシードレーザ源に電気的バイアスを印加して、前記固体パワー増幅器の前記狭いスペクトル利得幅の中で前記スペクトル線及びスペクトル線幅を安定化させ、これにより前記パワー増幅器パルスレーザ出力の安定化を容易にする前段階レーザ発振動作を行うバイアス源をさらに備える、請求項６のプログラミング可能な調整レーザパルス発生器。
8. 前記複数のプログラミング可能な時間変位信号パルスの１つが前記電気的バイアスを形成し、前記電気的バイアスパルスが一時的に前記調整パルスアナログ駆動入力信号に先行するとともに前記調整パルスアナログ駆動入力信号と部分的に重なり、前記パルスシードレーザ源のレーザ発振電流閾値の１．０〜３．０倍の範囲の電流レベルを有する、請求項７のプログラミング可能な調整レーザパルス発生器。
9. 前記電気的バイアスは、前記パルスシードレーザ出力上に重ね合わされた連続波レーザ出力の形態である、請求項７のプログラミング可能な調整レーザパルス発生器。
10. 前記パルスシードレーザ出力はパルスレーザ出力波長を有し、前記パルスシードレーザ出力波長の高調波変換を行って、前記パルスレーザ出力波長よりも短い波長のレーザ出力を生成するために、前記固体パワー増幅器と光学的に関連付けられた高調波変換器をさらに備える、請求項６のプログラミング可能な調整レーザパルス発生器。
11. プログラミング可能な時間依存レーザパルス強度プロファイルによって特徴付けられるプログラミング可能なパルスレーザ出力を生成する方法であって、
    駆動信号パルス入力に応答して形成されたプログラミング可能なレーザパルス強度プロファイルを有するパルスシードレーザ出力をパルスシードレーザ源から生成し、前記パルスシードレーザ源は、パルスモードで動作しているときのスペクトル線及び線幅の安定性が連続波モードで動作しているときと比べて劣っていることにより特徴付けられ、
    前記プログラミング可能なレーザパルス強度プロファイルを規定するパルス形状を有する前記駆動信号パルス入力を合成し、
    前記パルスシードレーザ源のスペクトル線及びスペクトル線幅を安定化するのに十分な期間に与えられるバイアスを前記パルスシードレーザ源に印加し、
    安定化されたスペクトル線及びスペクトル線幅と安定したパルスピークでパルスシードレーザ出力を出射するように、前記駆動信号パルス入力を前記パルスシードレーザ源に供給し、
    狭いスペクトル利得幅により特徴付けられる利得媒体を有する固体パワー増幅器で前記パルスシードレーザ出力を増幅し、前記固体パワー増幅器の前記狭いスペクトル利得幅の中で前記安定化されたスペクトル線及び線幅とパルスピークで前記パルスシードレーザ出力の実質的に正確な複製を呈する増幅レーザ出力を生成する、
    方法。
12. 前記駆動信号パルス入力はアナログ型であり、前記駆動信号パルス入力の合成は、アナログ型の前記駆動信号パルス入力を形成するように組み合わされる複数の時間変位電流パルスを生成するプログラミング可能なマルチチャンネルアナログ信号発生器により行われる、請求項１１の方法。
13. 前記パルスシードレーザ出力はパルスレーザ出力波長を有し、さらに、前記増幅レーザ出力を高調波変換器に印加して前記パルスレーザ出力波長の高調波変換を行う、請求項１１の方法。
14. 前記パルスシードレーザ源がシードダイオードレーザを含む、請求項１１の方法。
15. 前記パルスシードレーザ源がシードファイバレーザを含む、請求項１１の方法。

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