(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
増幅出力の相対的位相変動が１０ｋＨｚ未満に制限されるように、マルチコア・ファイバの形態で構成されたファイバ増幅器の熱変動が十分に整合して配置され、且つ、前記ファイバ増幅器の間の光エネルギーカップリングがすべて無視できるように、前記ファイバ増幅器が互いに離れて配置されたファイバ増幅器アレイと、
前記ファイバ増幅器アレイをシードし、フェムト秒〜１マイクロ秒の範囲のパルス幅を有するパルスを生成するレーザ光源と、
前記レーザ光源と前記ファイバ増幅器アレイとの間に配置され、前記レーザ光源からのパルスが、前記レーザ光源の空間分布に実質的に類似した空間分布を有したビームとして、前記ファイバ増幅器アレイの対応する前記ファイバ増幅器にそれぞれ入射するように、前記レーザ光源からのパルスを複数のビーム経路に分配するビーム分配器と、
前記ファイバ増幅器アレイを光学的にポンピングする、少なくとも１個のポンプ光源と、
空間的関係に配置されて前記ファイバ増幅器に光接続され、位相制御信号に応答して少なくとも１個の前記ファイバ増幅器の出力の光位相を補正する、複数の位相制御素子と、
大部分の前記ファイバ増幅器の出力の光位相を制御するため前記制御信号を生成する位相制御ユニットと、
を含み、前記制御信号と前記位相制御素子とが、大部分の個別の前記ファイバ増幅器の光出力位相を安定化させることを特徴とする、高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項２】
前記ファイバ増幅器アレイの出力の下流に挿入された位相板を含むことを特徴とする、請求項１に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項３】
前記ファイバ増幅器アレイの中の前記ファイバ増幅器間のエネルギーカップリングが１％未満であることを特徴とする、請求項１に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項４】
前記相対的位相変動が１ｋＨｚ未満であることを特徴とする、請求項１に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項５】
前記位相制御ユニットが検出器のアレイと、前記検出器から取得された位相情報を処理する適応アルゴリズムとを含むことを特徴とする、請求項１に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項６】
前記適応アルゴリズムが遺伝的アルゴリズムを含むことを特徴とする、請求項５に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項７】
前記レーザ光源がモードロック・レーザを含むことを特徴とする、請求項１に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項８】
前記レーザ光源が前記モードロック・レーザから放射されたパルスのパルス幅を増大するパルスストレッチャを含むことを特徴とする、請求項７に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項９】
前記レーザ光源が半導体レーザダイオードを含み、前記パルス幅が１ピコ秒〜１マイクロ秒の範囲に入ることを特徴とする、請求項１に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項１０】
前記マルチコア・ファイバが漏洩チャネルファイバを含むことを特徴とする、請求項１に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項１１】
前記漏洩チャネルファイバが偏波保持ファイバであることを特徴とする、請求項１０に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項１２】
信号参照アームを更に含み、
前記信号参照アームは、前記ファイバ増幅器アレイの中を逆向きに通過するビームの一部分と干渉するように配置され、前記位相制御素子及び前記位相制御ユニットは位相補償器として動作するように構成され、前記位相補償器は、前記信号参照アームにおける前記干渉に基づき、前記ファイバ増幅器アレイの中を前向きに通過するビームに一つずつの個別のファイバ増幅器の光位相の補償を提供することを特徴とする、請求項１に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項１３】
前記位相補償器が空間光変調器を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項１４】
前記ファイバ増幅器アレイの素子間のエネルギーカップリングが０．１％未満であることを特徴とする、請求項１に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項１５】
前記ファイバ増幅器アレイが、ＥＵＶ又はＸ線発生用のシステムの中に構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項１６】
前記ＥＵＶ又はＸ線発生用のシステムが、光リソグラフィにおいて光源として使用されることを特徴とする、請求項１５に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項１７】
前記ファイバ増幅器アレイが、パラメトリック増幅のためのポンプ光源として構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項１８】
前記ファイバ増幅器アレイが、ステップ・インデックス型ファイバ、フォトニック結晶ファイバ、又は、ブラッグファイバから構築された複数の個別のファイバ増幅器を含むことを特徴とする、請求項１に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項１９】
前記ファイバ増幅器のためのサイドポンピング素子を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項２０】
前記ファイバ増幅器が、ダブルパス構成で構築されていることを特徴とする、請求項１に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項２１】
位相制御素子が、セグメント化されたミラー・アレイの一部分を含むことを特徴とする、請求項１に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項２２】
前記位相制御素子が、ＭＥＭＳアレイの一部分を含むことを特徴とする、請求項１に記載の増幅器構築方式。
【請求項２３】
マルチコア・ファイバの形態で構成されたファイバ増幅器のアレイであって、前記ファイバ増幅器のコアの空間分離が、前記ファイバ増幅器アレイの出力位相変動を１０ｋＨｚ未満に制限する強い熱的カップリングを行うために十分に小さくされ、且つ、前記ファイバ増幅器間の光モードカップリングを０．１％以下に制限するために、十分に大きくされている、前記ファイバ増幅器アレイと、
空間的関係で配置され、前記ファイバ増幅器に光接続され、位相制御信号に応答して少なくとも１個の前記ファイバ増幅器の出力の光位相を補正する複数の位相制御素子と、
前記位相制御信号を発生し、前記ファイバ増幅器アレイの出力の光位相を安定化するため動作可能である位相制御器と、
を含むことを特徴とする、高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項２４】
前記ファイバ増幅器アレイにおいて、前記ファイバ増幅器が共通した中心の周りに、前記中心からほぼ等距離で配置されていることを特徴とする、請求項２３に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項２５】
前記位相制御器の制御帯域幅が、１０ｋＨｚ未満であることを特徴とする、請求項２３に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項２６】
増幅器の前記ファイバ増幅器アレイが単一リングに沿って、共通した中心からほぼ等距離で配置されていることを特徴とする、請求項２３に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項２７】
前記位相制御素子が一体化された位相変調器の一部分を形成することを特徴とする、請求項２３に記載の高ピーク出力ファイバ増幅器システム。
【請求項２８】
マルチコア・ファイバの形態で構成された、複数の個別のファイバ増幅器を含むファイバ増幅器アレイであって、前記ファイバ増幅器のコアの空間分離が、前記ファイバ増幅器アレイの出力位相変動を１０ｋＨｚ未満に制限する強い熱的カップリングを行うために十分に小さくされた、前記ファイバ増幅器アレイと、
前記ファイバ増幅器アレイを光学的にポンピングする、少なくとも１個のポンプ光源と、
前記ファイバ増幅器アレイをシードするマスターパルス発振器と、
空間的関係で配置され、前記ファイバ増幅器アレイの前記ファイバ増幅器に光接続され、位相制御信号に応答して少なくとも１個の前記ファイバ増幅器の出力の光位相を補正する、複数の位相制御素子と、
前記ファイバ増幅器アレイの中を逆向きに通過するビームの一部分と干渉するように配置された信号参照アームと、
大部分の前記ファイバ増幅器の出力の光位相を制御するために、前記制御信号を生成する位相制御器
とを備え、
前記位相制御素子及び前記位相制御器は、前記信号参照アームにおける前記干渉に基づき、前記ファイバ増幅器アレイの中を前向きに通過するビームに一つずつの個別のファイバ増幅器の光位相の補償を提供する位相補償器として動作するように構成されたことを特徴とする、レーザパルスをコヒーレント結合する増幅器構築方式。
【請求項２９】
前記制御信号が、パルス繰り返し周波数の約１０分の１より低いレートで選択されることを特徴とする、請求項２８に記載の増幅器構築方式。
【請求項３０】
前記パルスが、１００ｋＨｚ未満である一定の繰り返し周波数を有するように選択されていることを特徴とする、請求項２８に記載の増幅器構築方式。
【請求項３１】
前記個別のファイバが、偏波保持型であることを特徴とする、請求項２８に記載の増幅器構築方式。
【請求項３２】
前記マスター発振器と前記ファイバ増幅器アレイとの間に挿入された位相板を更に含むことを特徴とする、請求項２８に記載の増幅器構築方式。
【請求項３３】
前記ファイバ増幅器アレイの出力の下流に挿入された位相板を含むことを特徴とする、請求項２８に記載の増幅器構築方式。
【請求項３４】
位相制御素子が、空間ビーム変調器の一部分を含むことを特徴とする、請求項２８に記載の増幅器構築方式。
【請求項３５】
前記発振器が、モードロックされていることを特徴とする、請求項２８に記載の増幅器構築方式。
【請求項３６】
前記発振器の後にあるパルス伸長段と前記ファイバ増幅器アレイの下流に挿入されたパルス圧縮段とを更に含むことを特徴とする、請求項２８に記載の増幅器構築方式。
【請求項３７】
マルチコア・ファイバの形態で構成された、複数の個別のファイバ増幅器を含むファイバ増幅器アレイであって、前記ファイバ増幅器のコアの空間分離が、前記ファイバ増幅器アレイの出力位相変動を１０ｋＨｚ未満に制限する強い熱的カップリングを行うために十分に小さくされた、前記ファイバ増幅器アレイと、
前記ファイバ増幅器アレイを光学的にポンピングする、少なくとも１個のポンプ光源と、
前記ファイバ増幅器アレイをシードするマスターパルス発振器と、
前記ファイバ増幅器アレイの出力の一部分と光学的に干渉させる参照アームとして機能する、前記マスターパルス発振器の出力の一部分と、
前記光学的な干渉を検出する検出器アレイ
とを備え、該検出器アレイが、前記ファイバ増幅器アレイの大部分の素子の光位相のヘテロダイン位相検出することを可能にするために、前記参照アームが更に位相変調され、
更に、前記ファイバ増幅器アレイの中のそれぞれの前記ファイバ増幅器の大部分の出力の光位相を変調するように動作可能なように、空間的関係を有して配置された複数の位相制御素子を備え、
前記ヘテロダイン位相検出を行う前記検出器アレイ及び前記複数の位相制御素子が、前記検出器アレイの検出結果に基づいて少なくとも１個のファイバ増幅器の光出力位相を補正するように構成され、前記ファイバ増幅器アレイを構成する前記個別の素子のうちの大部分の間で光出力位相を安定化することを特徴とする、サブナノ秒レーザパルスのコヒーレント結合のための増幅器構築方式。
【請求項３８】
マルチコア・ファイバの形態で構成された、複数の個別のファイバ増幅器を含むファイバ増幅器アレイであって、前記ファイバ増幅器のコアの空間分離が、前記ファイバ増幅器アレイの出力位相変動を１０ｋＨｚ未満に制限する強い熱的カップリングを行うために十分に小さくされた、前記ファイバ増幅器アレイと、
前記ファイバ増幅器アレイを光学的にポンピングする、少なくとも１個のポンプ光源と、
前記ファイバ増幅器アレイをシードするマスターパルス発振器と、
前記ファイバ増幅器アレイの出力の一部分と光学的に干渉させる参照アームとして機能する、前記マスターパルス発振器の出力の一部分と、
前記光学的な干渉を検出する検出器アレイと、
該検出器アレイが、前記ファイバ増幅器アレイの大部分の素子の光位相のヘテロダイン位相検出することを可能にするために、前記ファイバ増幅器アレイを構成する前記個別の素子の光位相をディザリングする周波数を供給する局部発振器
とを備え、前記ヘテロダイン位相検出を行う前記検出器アレイが、前記検出器アレイの検出結果に基づいて少なくとも１個のファイバ増幅器の光出力位相を補正し、前記ファイバ増幅器アレイを構成する前記個別の素子のうちの大部分において、光出力位相を安定化することを特徴とする、サブナノ秒レーザパルスのコヒーレント結合のための増幅器構築方式。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超高出力ファイバレーザ・システムの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
ファイバ増幅器における効率的な増幅は、一般に、高い出力レベルでファイバに自己収束非線形を実質的に生じさせる増幅器長の延長を必要とする。実際に、自己収束に起因して、ファイバ増幅器において得られるピーク出力は約５ＭＷに制限されることがわかった。
【０００３】
光ファイバの一般的な非線形限界を解決するため、マルチコア・ファイバ設計（Ｄ．スクリフレス（Scrifres）による特許文献１、及びチェオ（Cheo）らによる特許文献２参照。）が提案されている。マルチコア・ファイバ設計は、広いコア領域に亘って信号強度を広げ、したがって、非線形効果を緩和する。回折限界に近い出力ビームを得るため、個別のコア間の受動ロッキングを実現することが可能であることが更に提案されている（特許文献１、チェオ（Cheo）による特許文献３、及び、その他多数の文献参照。）。このような受動位相ロッキング方式は、例えば、光キャビティの制約の範囲内でマルチコア・ファイバレーザをセットアップすることにより、種々の方法で実現することが可能である。回折効果は、したがって、すべての他のキャビティ・スーパーモードと比べて位相ロックされたキャビティ・スーパーモードの損失を最小限に抑えるため使用可能である（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照。）。ファイバアレイを使用する受動位相ロッキングも、例えば、シャキール（Shakir）らによる特許文献４及びイオノフ（Ionov）らによる特許文献５において実証されている。これらのアプローチは、典型的に、他のすべてのモードと比較したある一定のスーパーモードの優位な発振を生じさせるいくつかのタイプのモード選択に基づいている。典型的には、これらの受動コヒーレントカップリング技術はＣＷレーザ信号に基づいている。更に、受動位相ロッキングのアプローチは実施することが困難であり、スケーラビリティが制限されている。受動位相ロッキングは、ヴェルディール（Verdiell）らによる特許文献６においても、光屈折材料を使用する非線形ビーム結合に基づいて提案されている。しかし、光屈折材料は、著しい出力限界があるので、高出力用途のため有用でない。
【０００４】
このような受動位相カップリング技術に代わるものとして、位相共役鏡が、ファイバカップラ及びマルチモード・ファイバの複雑な配置から回折限界に近いモードを取得するために更に提案されている（ベチン（Betin）らによる特許文献７参照。）。しかし、高出力ファイバレーザの構築のため位相共役鏡を使用する信頼できる方法はまだ設計されていない。
【０００５】
マルチコア・ファイバ又はファイバアレイの受動位相ロッキングに代わるものとして、ファイバレーザのインコヒーレント加算及びコヒーレント加算がシングルコア光ファイバの非線形限界を解決するため検討されている。インコヒーレント加算は、典型的に、各ファイバレーザが波長選択性光学素子による波長結合を可能にするため異なる波長で動作するように設計された、ファイバレーザのリニアアレイを使用する波長分割多重化アプローチによって実施される（例えば、非特許文献３を参照。）。この技術を用いる限界は、この技術が典型的に非常に狭い信号帯域幅に制限され、よって、好ましくは、単一周波数ファイバレーザを用いて実施されることになる。ファン（Fan）によって非特許文献３に同様に記載されているように、コヒーレント加算では、典型的に、タイル状（タイル貼り状）開口アプローチとフィルド開口（充填開口）アプローチとに区別される。
【０００６】
複数の別個のファイバにコヒーレント加算を行うことは、現実の商業的応用のためには、可能性は制限されながら、技術的に複雑であり、非常に高価である。このようなファイバアレイのコヒーレント加算（典型的に、ファイバ・フェーズド・アレイ（ＦＰＡ）と呼ばれる。）が、いくつかのグループによって実証されている（Ｅ．ボットらによる特許文献８、及びライス（Rice）らによる特許文献９参照。）。
【０００７】
ブロスナン（Brosnan）らによる特許文献１０、ジョンソン（Johnson）らによる特許文献１１、Ｍ．ミンデン（Minden）による特許文献１２、ライス（Rice）らによる特許文献１３、ライス（Rice）らによる特許文献１４、Ｍ．ウイックハム（Wickham）らによる特許文献１５、Ｒ．ライス（Rice）らによる特許文献１６、Ｒ．ライス（Rice）らによる特許文献１７、シャイ（Shay）らによる特許文献１８、ローゼンベルグ（Rothenberg）らによる特許文献１９、ライス（Rice）らによる特許文献２０、及び、非特許文献４を参照のこと。これらのシステムは、すべてタイル状開口アプローチに基づき、天文学のため開発された位相制御技術、すなわち、非特許文献５及び非特許文献６から多くを取り入れている。天文学への応用では、光学イメージングシステムの大気位相面摂動は、大きい位相面を複数の独立したセクションに分割し、一つずつの個別のセクションの中で位相面を安定化させるため適応ミラー及びヘテロダイン位相検出を使用することによって補償される。市販の適応ミラーによれば、位相面摂動は、ｋＨｚまでの帯域幅をもつ大気ゆらぎに関して補償可能である。マルチディザ方式位相制御技術は、タイル状開口コヒーレント加算に適するが、これまでのところ、上記文献はフィルド開口ＦＰＡを実証していない。
【０００８】
フィルド開口構成におけるコヒーレント加算は、非特許文献３にファン（Fan）によって説明され、その後に、更にライス（Rice）らによって特許文献２１において説明されている。しかし、特許文献２１におけるシステムは、ＣＷ増幅器のコヒーレント加算を説明し、比較的大きい帰還ループ帯域幅をもつヘテロダイン位相検出技術に依拠している。
【０００９】
実際に、天文学によって知られている位相面補正技術のＦＰＡの位相制御への適用は、１０−１００ｋＨｚまでの周波数で顕著な位相変動を生じる可能性がある典型的なファイバ増幅器で観測される位相変動の非常に大きい帯域幅のため、これまでは可能ではなかった（例えば、非特許文献４を参照）。したがって、ＦＰＡにおける位相制御は、一般に、ＭＨｚ範囲の帰還ループ帯域幅をもつヘテロダイン位相検出技術を用いる位相ロックドループを用いて実行され、その結果として、適切な位相制御を確実にするため一つずつの独立したビームレット（ビーム片）に組み入れられるべき高価な音響光学周波数変調器の必要性を生じる。
【００１０】
更に、ＦＰＡのコヒーレント加算は、狭帯域幅ＣＷレーザ光源でシードされたＣＷファイバ増幅器を用いて主に実証され、パルス源のコヒーレント加算は多数の限界があった。例えば、ボット（Bott）らによる特許文献８の研究では、ボットは、タイル状開口システムだけを考慮し、ｆｓパルスを増幅するときにファイバ増幅器の非線形性を低減する手段を提案していない。パリーゼ（Palese）らによる特許文献２３の研究では、広いスペクトル帯域幅をもつパルス源は、チャネルのリニアアレイにスペクトル分割され、各チャネルはファイバ増幅器アレイの個別のコンポーネントにおいて増幅された。続いて、増幅されたスペクトルチャネルは分散光学素子の中で再結合された。このアプローチによる限界は、スペクトル分割及び再結合工程において考えられるスペクトル充填率の限界である。
【００１１】
更に別の研究では（例えば、非特許文献７参照。）、振幅変調ＣＷビームは、非変調ＣＷビームにコヒーレントにロックされ、このような方式のスペクトル帯域幅及び得ることができるパルス幅を制限する。
【００１２】
更に別の例では（例えば、マウロウ（Mourou）らによる特許文献２３参照。）、ファイバアレイの中のパルスのコヒーレント加算が提案されているが、パルスファイバ増幅器の位相制御のために機能できる方式は提案されていない。例えば、位相制御のための２個の時間遅延チャープパルスを妨害するときに観測されたビート信号を使用することが提案された。しかし、このようなビート信号は、パルスが時間的に重なり、特に、低い繰り返し周波数のパルス源に対し、このパルスの重なりが位相検出を非常に複雑にするときに限り観測可能である。
【００１３】
本発明の出願人に譲渡された、ハートル（Hartl）らによる現在係属中の特許文献２４に開示されているように、スペクトル帯域幅限界のないコヒーレント加算は、個別の分離したファイバ増幅器アレイ又はマルチコア・ファイバに基づいて、コヒーレントに多重化されたＦＰＡの記載において説明されている。この特許文献２４の開示内容の全体は、参照によって本明細書の一部として、組み入れられている。
【００１４】
光ファイバの出力限界を解決するためにマルチコア・ファイバの使用に代わるものとして、超マルチモード・ファイバも又提案されている。これらのマルチモード・ファイバは非常に大きいモード領域を有するので、高出力信号が単一モードファイバと比べて非常に低い光強度を使って伝搬可能である。このようなマルチモード・ファイバに入力モードの適応制御を使用すると、単一の基本モードの励起は、例えば、入力制御のため遺伝的アルゴリズムを使用して実現することが可能である（非特許文献８及び非特許文献９参照。）。このような基本モードは、ｋｍ長さのファイバ（数百メートルの範囲）であっても長期間に亘って安定しているので、遺伝的アルゴリズムに基づく比較的遅い適応制御は、基本モードを検出し、所与の基本モードを経時的に追跡するためにファイバ出射モードを調整するため実施可能である。これらの方式は、マルチモード・ファイバにおけるモード分散を補償可能であるが、マルチモード・ファイバの基本モードは一般に回折限界がなく、高出力レーザへの応用における有用性が制限されない。
【００１５】
ファイバ技術の出力限界を拡張する別の方法は、強化キャビティとファイバ増幅器との間で適応位相制御を使用して、ファイバ増幅器からの出力を１０００ないし１００００倍増大可能である外部強化キャビティの実施である（Ｉ．ハートル（Hartl）らによる特許文献２４参照。）。この技術の欠点は、可能なキャビティのＱ値及びキャビティの分散特性に重大な影響を与えることなく強化キャビティから光出力を抽出することが一般に非常に難しいことである。
【００１６】
ファイバ技術のピーク出力限界を拡張する更に別の方法は、イメシェフ（Imeshev）らによって特許文献２５に近年記載されているようなパラメトリック増幅方式の採用である。この方式では、量子増幅器がパラメトリック増幅用のポンプとして用いられる。一般に、パルスストレッチャは、量子増幅器におけるＢ積分問題を回避するため、量子増幅器の前に挿入可能である。量子増幅器の中で増幅された伸長パルスは、パラメトリック増幅器をポンピングするため、パラメトリック増幅器に向かう前に、更に圧縮可能である。特許文献２５においてイメシェフによって議論された、システムの商用での最大限の利用のために、量子増幅器は更にファイバシステムに基づくことが可能である。しかし、これまでに、パラメトリック増幅器のポンピングを目的として、マルチコア・ファイバの使用を可能にするシステム構成は説明されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】米国特許第５５６６１９６号明細書
【特許文献２】米国特許第７１０７７９５号明細書
【特許文献３】米国特許第６０３１８５０号明細書
【特許文献４】米国特許第７１３０１３３号明細書
【特許文献５】米国特許第６８８２７８１号明細書
【特許文献６】米国特許第５１２１４００号明細書
【特許文献７】米国特許第６４８０３２７号明細書
【特許文献８】米国特許第５６９４４０８号明細書
【特許文献９】米国特許第５９４６１３０号明細書
【特許文献１０】米国特許第６３６６３５６号明細書
【特許文献１１】米国特許第６２３３０８５号明細書
【特許文献１２】米国特許第６４００８７１号明細書
【特許文献１３】米国特許第６５９７８３６号明細書
【特許文献１４】米国特許第６６７８２８８号明細書
【特許文献１５】米国特許第６７０８００３号明細書
【特許文献１６】米国特許第６８１３０６９号明細書
【特許文献１７】米国特許第７０６５１１０号明細書
【特許文献１８】米国特許第７１８７４９２号明細書
【特許文献１９】米国特許第７１２０１７５号明細書
【特許文献２０】米国特許第７２２１４９９号明細書
【特許文献２１】米国特許出願第１１／３６１３５２号
【特許文献２２】米国特許出願第０９／８０８３３０号
【特許文献２３】国際公開第２００７／０３４３１７号
【特許文献２４】米国特許出願第１１／５４６９９８号
【特許文献２５】米国特許出願第１１／０９１０１５号
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】Ｍ．ラーゲ(Wrage）ら，オプティックス・レターズ(Opt. Lett.)，第２６巻，ｐ９８０，２００１年
【非特許文献２】Ｌ．ミチャイル(Michaille)ら，「大きなドーピング面積を有した、マルチコア・フォトニック結晶ファイバレーザ中の位相ロック及び超モード選択(Phase Locking and supermode selection in multicore photonic crystal fiber lasers with a large doped area)」，オプティックス・レターズ(Opt. Lett.)，第３０巻，ｐ．１６６８，２００５年
【非特許文献３】Ｔ．Ｙ．ファン(Fan)，「高出力／高ラディアンス光源のためのレーザビームの結合(Laser Beam Combining for High-Power High-Radiance Sources)」，米国電子電気学会(IEEE)，ジャーナル・オブ・セレクテッド・トピックス・イン・クウォンタム・エレクトロニクス(J.Sel.Top.in Quantum Electronics)，第１１巻，ｐ．５６７，２００５年
【非特許文献４】Ｓ．アウグスト(Augst)，「イッテルビウム・ファイバ増幅器のコヒーレント・ビーム結合と位相ノイズの測定(Coherent beam combining and phase noise measurements of ytterbium fiber amplifiers)」，オプティックス・レターズ(Opt. Lett.)，第２９巻，  ｐ．４７４，２００４年
【非特許文献５】Ｊ．Ｗ．ハーディ(Hardy）ら，「リアルタイム大気ゆらぎ補償(Real-time atmospheric compensation)」，ジャーナル・オブ・ジ・オプティカル・ササイアティ・オブ・アメリカ (J.Opt.Soc.Am.)，第６７巻，ｐ．３６０，１９９７年
【非特許文献６】Ｔ．Ｒ．オメーラ(O'Meara)，「適応光学系におけるマルチ・ディザ原理(The multidither principle in adaptive optics)」，ジャーナル・オブ・ジ・オプティカル・ササイアティ・オブ・アメリカ (J.Opt.Soc.Am.)，第６７巻，ｐ．３０６，１９９７年
【非特許文献７】Ｅ．チュング(Cheung)ら，「パルスド・ファイバ増幅器の位相ロック(Phase locking of a pulsed fiber amplifier)」，米国光学会（ＯＳＡ）国際会議：アドバンスド・ソリッド・ステート・フォトニクス(Opt.Soc.Conf.on Advanced Solid State Photonics)，ペーパー番号(paper）＃ＷＡ２，２００８年
【非特許文献８】伊藤晴康(H.Itoh）ら，「適応型パルス合成を用いた長い多モードファイバを通したファムト秒パルス伝送(Femtosecond pulse delivery through long multi-mode fiber using adaptive pulse synthesis)」，ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス(J.J.Appl.Phys.)，第４５巻，ｐ５７６１，２００６年
【非特許文献９】Ｘ．シェン(Shen)ら，「適応光学系による多モードファイバの分散の補償(Compensation for multimode fiber dispersion by adaptive optics)」，オプティックス・レターズ(Opt. Lett.)，第３０巻、ｐ．２９８５，２００５年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は、超小型、高出力、高エネルギー光パルス源の設計及びその用途を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
第１の実施形態では、回折限界に近い高エネルギーパルスは、コヒーレント結合型ファイバ増幅器においてチャープパルス増幅を使用して発生する。
【００２１】
第２の実施形態では、個別のファイバ増幅器のコヒーレント加算は、マルチコア・ファイバの形で増幅器アレイを実施することにより簡略化される。マルチコア・ファイバの個別のコアにおける屈折率変動の強い熱的結合の利用は、ｋＨｚレベルのフィードバック帯域幅をもつ適応光学系を用いて制御可能なレベルまでファイバ内部の位相変動の帯域幅を低減する。ファイバモード結合と、結果として得られる個別のファイバコアの間の出力交換は、最小の空間的重なり合いをもつ十分に分離されたコアを使用することによって最小限に抑えられる。
【００２２】
１００Ｗ範囲を上回る平均出力で光ファイバの自己収束限界より１０ないし１００倍大きいピーク出力をもつパルスの発生を可能にする、何十という個別の部材をもつファイバのアレイを実現することが可能である。
【００２３】
ファイバアレイはクラッディング方式及びサイドポンピング方式と完全に互換性があるので、熱的考慮だけによって制限される達成可能な出力パワーを含むスケーラブルな出力をもつ。
【００２４】
偏波保持ファイバに基づくファイバアレイを実現することが可能である。又は、代替的に、ファラデー回転子を、ダブルパス方式と併せてファイバアレイの出力における偏波変動を最小限に抑えるために構成することが可能である。
【００２５】
マルチコア・ファイバの利用は、一般に、一般的な用途のため経済的に実現可能にするために必要とされるファイバ・フェーズド・アレイの複雑さを低減する。
【００２６】
第３の実施形態では、マルチコア・ファイバアレイは、空気穴又は一般的な低屈折率漏洩チャネルによりモード限定されたファイバの利用によって稠密にパックされたファイバコアを用いて設計可能である。代替的に、ポンプカップリング端で相互接続されている間に信号カップリング端で分割可能であるマルチ・ファイバアレイは、ポンプカップリング方式の光学的複雑さを最小限に抑えるため使用可能である。このように強くカップリングされたマルチ・ファイバアレイは同様にコヒーレント加算のための帯域幅要件を軽減する。
【００２７】
第４の実施形態では、複雑さ軽減は、光信号をファイバアレイに効率的にカップリングするコヒーレント空間モード変換技術の利用によって更に可能になる。コヒーレントに結合されたファイバアレイのストレール比も又、ファイバ・フェーズド・アレイの出力で、フィルド開口構成におけるコヒーレントビーム結合のため、コヒーレント空間モード変換技術を使用して最大化される。
【００２８】
第５の実施形態では、上記実施形態に係る位相検出の方式及びファイバ・フェーズド・アレイの制御の方式が説明されている。光位相制御は、様々な構成でヘテロダイン位相検出を用いて実行可能である。
【００２９】
例えば、ヘテロダイン位相検出は、ファイバ・フェーズド・アレイの個別の素子と干渉するように構成された参照アームを用いて実現することが可能である。ヘテロダイン位相検出を可能にするため、参照アームは、典型的に、フェーズド・アレイの個別の素子間のランダムな位相変動の帯域幅より高い周波数で位相変調される。光学的干渉パターンは、その後に、検出器アレイを用いて検出され、位相検出エレクトロニクスは、フェーズド・アレイに光学的に連結された適切なトランスデューサを使用して各アレイ素子の中で光路長を制御するため使用される。
【００３０】
光路長の制御のための適切なトランスデューサ、例えば、反射で作動されるミラー・アレイのような様々な選択肢が考えられる。
【００３１】
同様に、様々な選択肢が位相検出のため実施可能である。例えば、低繰り返し周波数をもつパルスのための各ファイバアレイ素子の光位相を制御するため、ファイバ増幅器アレイの動作波長と異なる波長の付加的なＣＷレーザは、各アレイ素子にカップリング可能であり、位相検出全体がＣＷレーザの波長で実行可能である。同様に、パルス間に組み入れられた光漏洩信号の位相が位相検出のため使用可能である。
【００３２】
又は、適切なトランスデューサの光学的ディザリングが一つずつの個別のアレイ素子の光路長を変調するため使用可能である。非変調参照アームとファイバアレイの出力との間の光学的干渉パターンの位相感応検出が、その後に、各ファイバアレイ素子の光路長を制御するため使用可能である。
【００３３】
光位相制御は適応光学系方式に基づいて更に実行可能である。
【００３４】
光位相制御は、最適化目標としてストレール比の最大化を使用して、マルチコア・ファイバ構造に基づいてファイバ・フェーズド・アレイの位相コヒーレントスーパーモードを検出し追跡するため、高速遺伝的アルゴリズムに基づいて実施することも可能である。
【００３５】
適応光学系方式は、ファイバの内側の位相変動の複素共役を発生し、それらを信号伝送路に加算する空間光変調器を使用してファイバ間の位相変動を補償するためにディジタルホログラフィ方式と組み合わせることも可能である。
【００３６】
本明細書に記載されている実施形態は、高出力の機械加工への応用と、光パラメトリック増幅器のポンピングと、プラズマ、ＶＵＶ、ＥＵＶ及びＸ線発生とのために使用可能であり、又は、一般に、出力スケーリングが望まれるが、それ以外は非線形効果又は装置破損によって制限される場合に使用可能である。
【００３７】
第６の実施形態では、パルス化され、コヒーレントに結合されたマルチコア・ファイバによってポンピングされるパラメトリック増幅器、又は、一般的なファイバ・フェーズド・アレイが記載されている。
【００３８】
本発明の態様は、添付図面を参照して本発明の典型的な、非限定的な実施形態を詳細に説明することによって更に明白になる。図面は例示の目的のためであり、正確な縮尺ではない。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】ファイバ・フェーズド・アレイにおける光エネルギーパルスの増幅の一般的な方式の略図である。
【図２】コヒーレント加算による回折限界に近い光ビームの発生のためのマルチコア・ファイバの利用の一般的な方式の略図である。
【図３Ａ】ステップ・インデックス型ファイバに基づく個別のファイバコアを含むマルチコア・ファイバを概略的に示す断面図である。
【図３Ｂ】漏洩チャネルファイバに基づく個別のファイバコアを含むマルチコア・ファイバを概略的に示す断面図である。
【図３Ｃ】偏波保持漏洩チャネルファイバに基づく個別のファイバコアを含むマルチコア・ファイバを概略的に示す断面図である。
【図４】単一モード・ステップ・インデックス型ファイバ（点線）と、典型的な漏洩チャネルファイバ（破線及び一点鎖線）の半径方向強度分布を示し、破線が２本の低屈折率毛細管に沿った強度分布に対応し、一点鎖線が２個のギャップに沿った強度分布に対応するグラフである。
【図５】マルチコア・ファイバのサイドポンピング方式のグラフである。
【図５Ａ】同軸マルチコア・ファイバを概略的に示す図である。
【図６Ａ】反射で作動されるマルチコア・ファイバ増幅器による個別のファイバからの出力のコヒーレント加算の一般的な方式の略図である。
【図６Ｂ】マルチコア・ファイバ増幅器へのシード信号インジェクションの典型的な略図であり、同じ方式は、フィルド開口構成において個別のコアをコヒーレント加算するときにマルチコア・ファイバ増幅器からの信号抽出のためにも使用可能である。
【図７】市販のミラー・アレイの略図である。
【図８】透過で作動されるマルチコア・ファイバ増幅器による個別のファイバからの出力のコヒーレント加算の一般的な方式の略図である。
【図９】信号出射端でテーパーを使用するマルチコア・ファイバのインジェクション・シーディングの一般的な方式の略図である。
【図１０Ａ】位相制御のためＣＷレーザを使用する位相制御型マルチコア・ファイバ増幅器の略図である。
【図１０Ｂ】基準ビームの変調によるヘテロライン方式位相検出を使用する位相制御型マルチコア・ファイバ増幅器の略図である。
【図１０Ｃ】各個別のコアのビーム経路の変調によるヘテロダイン位相検出を使用する位相制御型マルチコア・ファイバ増幅器の略図である。
【図１０Ｄ】周波数コムを使用する位相制御型マルチコア・ファイバ増幅器の略図である。
【図１０Ｅ】干渉分光相互相関器のアレイを使用する位相制御型マルチコア・ファイバ増幅器の略図である。
【図１１】パルス変調及び位相制御の両方のための音響光学変調器を使用する位相制御型マルチコア・ファイバ増幅器の略図である。
【図１２Ａ】マルチコア・ファイバアレイ用のポンプカップリング方式の略図である。
【図１２Ｂ】ファイバアレイを構成する、個別のファイバの幾何学的な結束状態を示す略図である。
【図１３】別の実施形態に係るパラメトリック増幅器の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
第１の実施形態に係る設計例が図１に示されている。システム１００は、高出力光パルスの発生用の高出力ファイバ・フェーズド・アレイ・システムを含む。パルスは、ダイオード、ファイバ、又は、固体レーザを含むことがあるシード光源１０１において発生する。パルスは、ｆｓ範囲から約１μｓまでのパルス幅をもつことができる。パルスは、分散光学素子を使用して時間的に更に伸長可能である。分散パルス伸長のための素子は、チャープパルス増幅システムによって周知であるので、ここではこれ以上説明しない。シード光源１０１からの光パルスは、カップラ１０２を介して個別の光ビーム経路に分配される。ここではファイバ光カップラ１０２を含む配置が示されているが、代替的に、バルク光ビームスプリッタ又はバルク回折素子も又、光ビーム経路のアレイを発生させるため使用できる。位相制御素子、例えば、変調器１０３〜１０５が、その場合、個別の光ビーム経路の位相制御を可能にするためビーム経路に挿入される。個別のビーム経路の中のパルス伝搬は、その後に、ファイバ増幅器１０６〜１０８のアレイにカップリングされる。高出力を達成するため、ファイバ増幅器は、典型的に、ダブルクラッドであり、いずれの従来のポンプカップリング技術でもポンプ光をこれらの増幅器へカップリングするため使用可能である。ファイバ増幅器の出力は、レンズアレイ、及び、レンズアレイと回折光学素子との組み合わせを含むことがある素子１０９によって光学的に結合される。システムの出力で、回折限界に近い光ビーム１１０が発生し、変調器１０３〜１０５によって使用可能にされた位相制御が出力ビーム１１０のストレール比を最適化するため使用される。付加的なバルク光学素子を、分散パルス圧縮のためビーム１１０の下流に組み入れることができる。このような素子は、チャープパルス増幅システムによって周知であるので、ここではこれ以上説明しない。
【００４１】
第２の実施形態に係る設計例が図２に示されている。システム２００は、マルチコア・ファイバの形をしたファイバ・フェーズド・アレイを含む。シード光源２０１は、光学素子２０２によってある程度の個数の個別のビームに分割される。個別のビームは、一つずつの個別のビームの独立した位相制御を可能にする位相制御素子（例えば、変調器２０３）の中を通される。位相変調されたビームは、次に、ある程度の個数の個別のコア２０５を含むマルチコア・ファイバ増幅器２０４にカップリングされる。ここでは、７個のコア２０５が示されているが、より多数のコアも可能である。マルチコア増幅器２０４は、典型的に、ダブルクラッドであり、高出力半導体レーザを用いるポンピングを可能にする。いずれの従来のポンプカップリング技術でもポンプ光をマルチコア増幅器２０４へカップリングするため使用可能である。マルチコア・ファイバ増幅器２０４の出力は、レンズと回折光学素子とのアレイを含むことがある光ビーム成形素子２０６の中を通される。システムの出力で、回折限界に近い光ビーム２０７が発生し、変調器２０３によって使用可能にされた位相制御が出力ビーム２０７のストレール比を最適化するため使用される。付加的なバルク光学素子を、分散パルス伸長及び圧縮のため、シード光源２０１の上流及びビーム２０７の下流に組み入れることができる。このような素子は、チャープパルス増幅システムによって周知であるので、ここではこれ以上説明しない。
【００４２】
第３の実施形態に係るマルチコア・ファイバの断面の特定の設計例が図３Ａに示されている。このマルチコア・ファイバは、クラッド径３３０μｍを備えるファイバロッドと、１９本の単一モードファイバの等距離アレイとを含む。本設計例における外側ファイバ径は４００μｍである。一つずつの個別のコアのコア径は３０μｍであり、コア対コア間隔は６０μｍである。種々のコア設計、すなわち、従来のステップ・インデックス型ファイバ設計、マイクロ構造化ファイバ（非特許文献２）、漏洩チャネルファイバ（ドン(Dong)らによる米国特許出願第１１／１３４８５６号）、及び、ブラッグファイバを採用できる。これらのファイバ設計すべては従来技術において周知であるので、ここではこれ以上説明しない。これらの設計すべてにおいて、Ｙｂドーピング（又は他の希土類添加物）が信号増幅を可能にするためコア領域において容易に実現することが可能である。ポンプガイドのための薄い低屈折率クラッド材料を更に採用できる。このファイバの結合コア面積は約１３４００μｍ２であり、従来の大型コアファイバの考えられる最大コア面積の約３倍である。クラッド／コア面積比は６．４のオーダーであり、したがって、非常に高いクラッド吸収が低いＹｂドーピングレベルでこのような構造体において達成可能であり、この構造体の製造を非常に簡略化し、ファイバ寿命を延ばす。
【００４３】
漏洩チャネルファイバに基づく１９個の個別の単一モードコアを備えるマルチコア・ファイバの断面の構造例が図３Ｂに示されている。ここでは、斜線付きの円は、Ｙｂがドープされたコアエリアを表現し、一方、小さい斜線無しの円は、屈折率が低減された空気穴又はガラスエリアを表現する。対応する漏洩チャネルをもつ一つずつの個別のコアの設計は、それぞれの名称が「ガラス製大型コア光ファイバ(Glass Large-Core Optical Fibers)」であり、本発明の出願人に譲渡された、ドン(Dong)らによる現在、同時に係属中の米国特許出願第１１／１３４８５６号、米国特許出願第６０／９７５４７８号、米国特許出願第６１／０８６４３３号、及び、国際出願ＰＣＴ／ＵＳ／７４６６８に開示されている設計検討事項に従う。米国特許出願第１１／１３４８５６号、米国特許出願第６０／９７５４７８号、米国特許出願第６１／０８６４３３号、及び、国際出願ＰＣＴ／ＵＳ／７４６６８の開示内容の全体は、これらを参照することにより、本明細書に組み入れられている。
【００４４】
空気穴サイズ、又は、屈折率が低減したエリアのサイズは、基本モードの許容可能な損失を生じ、同時に、高次モードに対してはより高い損失を生じるように選択される。例示的な実施形態では、溶融石英ガラスの屈折率に厳密に一致している屈折率をもつイッテルビウム（Ｙｂ）添加ロッドは、同じ径を有する第２のタイプのロッドを用いて六角形状に積み重ねられるので、各Ｙｂ添加ロッドは第２のタイプの６本のロッドによって取り囲まれる。Ｙｂロッドは、溶融石英ガラスによって取り囲まれたＹｂ添加中心部分を有することができる。第２のタイプのロッドは、溶融石英ガラスによって更に取り囲まれたより低い屈折率をもつ中心部分、例えば、フッ素添加シリカを有する。比（Ｙｂロッド径）／（第２のロッドタイプの径）は、典型的に、０．６〜０．９である。六角形の積み重ねは、典型的に、六角形の積み重ねの外径より僅かに大きい内径をもつ石英ガラス管に挿入される。一実施形態では、結果として得られるプリフォームは、外側管の内部が真空にされた適切なファイバ径までファイバ・ドローイング・タワーで描画される。より低い屈折率のポリマーコーティングも又、ポンプ光がファイバのガラスエリアに案内され得るようにファイバに加えられる。代替的な実施形態では、毛細管の層が積み重ねとシリカ管との間に加えられ、その結果、ポンプが空気穴の層の内側に入る。更なる代替的な実施形態では、毛細管を、フッ素添加中心部分をもつ第２のロッドタイプの代わりに使用できる。別の実施形態では、ホウ素添加シリカロッドを、各漏洩チャネルファイバのコアを偏波保持用途のため複屈折にするため、図３Ｃに示されているように使用できる。このような偏波保持、マルチコア、漏洩チャネル構成の構造例は、更に後述される。
【００４５】
マルチコア漏洩チャネルファイバの使用は、１つずつの個別のモードのウィング成分の最小化のためにモードカップリングが少ない従来のステップ・インデックス型マルチコア単一モードファイバより緊密なコアのパッキングを可能にする。このことは、従来の単一モードファイバのモード強度分布が漏洩チャネルファイバの強度分布と比較されている図４に更に示されている。明らかに、漏洩チャネルファイバの強度分布のウィング成分は、従来のステップ・インデックス型ファイバより遙かに高速に零まで低下する。
【００４６】
図３Ｂ及び３Ｃに示された構造例では、２個の隣接する希土類添加コア領域の間に１個の低屈折率の構成要素が存在する。モードカップリングを更に低下させるため、コア分離が増大され、２個以上の低屈折率の構成要素を２個の添加コア領域の間に配置することができる。
【００４７】
漏洩チャネルファイバを用いると、およそ０．５のコア径／コア分離比が個別のコアの間の最低限のカップリングを用いて達成可能である。このような漏洩チャネルベースのマルチコア・ファイバのすべての放射パターンをコヒーレント加算するとき、タイル状開口構成において遠距離放射パターンのストレール比＞０．４が位相板のようなコヒーレントモード変更素子の使用無しに達成可能である。ここで、ストレール比は、ある一定の強度をもつビームの遠距離強度と、ハード開口ビームの遠距離強度に亘る開口内部の位相分布との比であることに注意を要する。１に接近するストレール比は、後述されるようにフィルド開口構成を使用して達成可能である。フィルド開口構成であっても、マルチコア・ファイバの中の個別のコアの緊密なパッキングは、全体的なファイバ径の最小化と、より大きい外径を有するファイバより改良された放熱とを可能にするので有利である。
【００４８】
マルチコア構造体の中のコアの緊密なパッキングは、スーパーモードとコア間のモードカップリングとの形成をもたらす。マルチコア構造体内部の固有屈折率は、様々な物理的メカニズム、例えば、応力、又は、固有屈折率変動によって誘起することができる。その結果として、スーパーモードは非常に抑制される可能性がある。光ファイバ内のモードは、個別のコアモードと、それらの間の無視可能なモードカップリングとの簡単な線形結合として表現可能である。
【００４９】
モードカップリングを無視できるようにするため、ファイバアレイ素子間のエネルギーカップリングは好ましくは約１％未満であり、より好ましくは、０．１％より小さく、又は、０．０２％より小さい。発明者による実験では、約０．０１％のカップリングが観測された。
【００５０】
スーパーモード抑制は、コア径が３０μｍより大きい大型コアファイバに対し最も効果的に機能する。屈折率変動が実現可能なモードサイズを制限する個別の大型コアファイバと比較して、マルチコア・ファイバでは、個別の大型コアファイバよりコア積み重ね密度を増加させ、有効モードエリアを拡大することを可能にするので、屈折率変動は実際には有利である。
【００５１】
マルチコア・ファイバレーザは、すべての偏波保持（ＰＭ）構成においても製造可能である。マルチコアＰＭファイバの典型的な設計は図３Ｃに示されている。ここでは、漏洩チャネルファイバが示されている。ファイバは、図３Ｃにおける各コアに向かい合って配置された小さい斜線付きのエリアによって表現されている応力生成領域の付加的な組み込みがなければ、図３Ｂに示された構造体に非常に類似している。図３Ｃに示した構造例では、応力生成領域は、各コアを直接に取り囲む６個の構成要素のうちの２個に対応する。これらの領域は、ファイバコアの中に応力を生成し、偏波保持動作をもたらす。ＰＭシングルコア、ＰＭ漏洩チャネルファイバは、それぞれの発明の名称が「ガラス製大型コア光ファイバ(Glass Large-Core Optical Fibers)」であるドンらによる米国特許出願第１１／１３４８５６号、米国仮特許出願第６０／９７５４７８号及び第６１／０８６４３３号、及び国際出願ＰＣＴ／ＵＳ／７４６６８において説明されている。マルチコアＰＭ漏洩シャネルファイバ設計は、これらの偏波保持の実施形態を複数のコアに拡大するので、ここではこれ以上説明しない。
【００５２】
マルチコア・ファイバは、マルチコア・ファイバ３０１のためのサイドポンピング配置３００を示す図５に示されているように、サイドポンプされることもある。マルチコア・ファイバアレイ３０１は、より大きい径のソリッドガラス・ロッドを含む。Ｖ字溝３０２、及び、場合によっては３０３が、その後に、マルチコア・ファイバの側面に切り込まれる。マルチコア・ファイバは、個別のコア３０４〜３０６を含み、３個のコアだけが示されているが、より多数のコアも又、可能である。Ｖ字溝３０２及び３０３は、ポンプ光をマルチコア・ファイバ構造体に向けるため使用され、ポンプ光は矢印３０７及び３０８で指定されている。このポンピング方式は、発明の名称が「埋込ミラーを用いたクラッド励起ファイバ光源への光結合の方法(Method for coupling light into cladding-pumped fiber sources using embedded mirrors)」である米国特許第５８５４８６５号明細書と、発明の名称が「ファイバのサイドポンピングの方法及び装置(Method and apparatus for side pumping a fiber)」である米国特許第６７０４４７９号明細書においてシングルコア・ファイバのため記載されているポンピング方式と非常に類似している。これらのポンピング構成及び種々の他のポンピング構成がシングルコア・ファイバ・ポンピングのため周知であるので、ここではこれ以上説明しない。図５は、サイドポンピング方式の構造例としてのみ役立ち、原則として、シングルコア・クラッド・ファイバに関連して使用されているようなあらゆるサイドポンピング方式が同様に使用可能である。
【００５３】
長さ１ｍのＹｂガラス・マルチコア・ファイバの場合、１ｋＷの出力パワーの熱負荷は約５０〜１００Ｗであると計算され、この熱負荷が、今度は、中心コア領域と周辺コア領域との間に約１０℃の温度差を生じる。中心コアと周辺コアとの間の対応する光路長差は、これによって、完全な熱負荷で約１１０μｍであり、時間遅延０．３ｐｓに対応する。帯域幅制限に近い、ｎｓ長パルスの場合、この時間遅延は、コヒーレンス時間が約１ｐｓより遙かに長い限り補償される必要がない。ｆｓ又は強くチャープ化されたｐｓ及びｎｓパルスの場合、熱誘起された光路長差は補償されるべきである。この補償は、ファイバの前後に取り入れられた適切な位相遅延の導入によって実現可能である。このような位相遅延は、例えば、ある一定の厚さの光位相板を用いて実現することが可能である。小さい熱負荷の場合、適応光学系補償方式が経路長差を調整可能である。
【００５４】
或いは、図５Ａに示されているように、複数のコアを、ファイバの周囲の単一リングに沿って配列してもよい。様々な実施形態では、すべてのコアは、半径方向にファイバ中心からほぼ同じ距離分離し、すべてのコアの間の熱誘起された光路長差はほぼ均等化される。以下では、このような構造体は同軸マルチコア・ファイバと呼ばれる。更に、すべてのコアを同軸マルチコア・ファイバの周辺に位置付けることは、従来のガラスロッドの応力破壊限界を超える吸収レベルでの同軸マルチコア・ファイバのより効率的な冷却及び動作を可能にする。その理由は、同軸マルチコア・ファイバの中心での温度上昇が、１メートル当たりに同じ熱負荷に対する従来のガラスロッドより同じ熱負荷に対して著しく低いということにある。非常に大きい熱負荷のレベルで動作するため、ポンプ光をファイバの周辺のリングの中に更に閉じ込めることが有利である。この閉じ込めは、例えば、中心ファイバエリアのため、フッ素ガラスのような低屈折率材料を使用することによって達成可能である。コアをファイバ中心の周りに対称的に配置した同軸マルチコア・ファイバは、多数の変形が可能である。いくつかの実施形態では、ファイバコアは、例えば、６、８、１２又はそれ以上の辺を有する正多角形の頂点に配置できる。複数の構成要素を各コアの周りに配置してもよく、空気穴又は低屈折ガラスを含むことができる。図３の構成に類似した偏波保持構成を、いくつかの実施形態において使用することもできる。
【００５５】
すべての個別のコアでの同時位相制御のためのセットアップ４００における第４の実施形態に係るマルチコア・ファイバ増幅器の例示的な構造は、図６Ａに示されている。ここでは、図３Ａ及び３Ｂに示されているようなマルチコア・ファイバが使用される。一つの基本的な構造としては、レーザ・シーダ４０１からの光学的な回折限界に近いビームの前端は位相板４０２（又は回折光学素子）によってマルチコア・ファイバ増幅器４０３の前面に映像化される。位相マスク４０２は、シードレーザからのシングルビームパターンをマルチコア・ファイバ４０３の表面上でマルチビームパターンに移し、前端システムからの光をマルチコア増幅器の一つずつの個別のコアの場所に集中させるため使用される。この例では、シード光の一部分は、ビームスプリッタ（ＢＳ）４０４、４０６及びミラー４０５を用いて、位相検出のため使用される検出器アレイ４０７へ向けられる。同様に、原則として、対応するマルチビームパターンをもつ一つ以上のシードレーザを、使用することが可能である。位相板によるシードからマルチコア増幅器へのビーム移動の安定した動作のため、複数のシードビームはコヒーレントであることが必要である。複数のシードビームを用いるシステム構成は、図６Ａの簡単な拡張であるので、ここでは更に説明しない。
【００５６】
マルチコア増幅器からのフィードバックを回避するため、アイソレータ（図示せず）が典型的にシーダ４０１の後に挿入される。シーダ光４０１は、マルチパス増幅器の一つずつの個別のコアにおいて増幅され、ファラデー回転子ミラー４０８を含むダブルパス構成が信号利得を最大化し、組立体内部の偏波ドリフトを補償するために使用される。
【００５７】
この例では、エンドポンプ型構成が示されている。ポンプレーザ４０９からのポンプ光は、信号出射端に挿入されたダイクロイック・ビームスプリッタ４１０及び偏光ビームスプリッタ４１１を介して供給される。ここでは、ポンプ光及びシード光は逆の偏波状態を有することが仮定されている。ダイクロイック・ビームスプリッタの上流で適切な光学系は、ポンプビームと信号ビームの両方のカップリング効率を最大化するため更に使用される。ポンプは、ビーム成形された半導体レーザから取得されるのが好都合であり（例えば、ファーマン(Fermann)らによる米国特許第６７７８７３２号明細書及びその中の参考文献を参照せよ。）、マルチコア・ファイバのポンプクラッディングにカップリングされる。或いは、図５に関連して説明されているような、組立体を更に簡略化するサイドポンピング方式を採用できる。同様に組立体は、個別の光学系コンポーネントの代わりに一体化されたコンポーネントを本実施形態に組み入れるとき、更に簡略化可能である。
【００５８】
適応ミラー又は適応ミラー・アレイ４１２は、個別のファイバコアの間でゆっくり変化する位相を変調し制御するためにマルチコア・ファイバを通る第１の経路の後に挿入される。ミラー・アレイは、例えば、圧電トランスデューサ及びＭＥＭＳアレイから構築できる。レンズペア４１３、４１４は、マルチコア・ファイバ４０３の出力をミラー・アレイ４１２に映像化するため更に用いられる。マルチコア・ファイバ・ロッド４０３の出力は、偏光ビームスプリッタ４１１を介して、ビーム結合のための第１の位相板４０２に、それから、用途に類似した第２の位相板（図示せず）の方向に向けられる。出力ビームのほんの一部だけがビームスプリッタ４０６を介して検出器アレイ４０７の方向へ向けられる。マルチコア・ファイバ内の一つずつの個別のコアに対応する光路の位相情報は、シード信号の一部をマルチコア・ファイバ４０３からの出力の一部と干渉させることにより取得される。
【００５９】
シードレーザからの信号は、時間的に分散的に伸長されることがあり、付加的なバルク分散パルス圧縮素子がパルスのピーク出力を更に増加させるため含まれることができる。
【００６０】
市販の適応ミラー・アレイの構造例は図７に示されている。巧く設計されたミラー・アレイの場合、各ミラーの位置は、ファイバが一定温度で動作すると、１〜１００Ｈｚ範囲の帯域幅の中に最大振幅を有するマルチコア・ファイバアレイの中の遅い位相変動を補償するために十分である１００〜１０００Ｈｚの周波数で調整可能である。
【００６１】
様々な実施形態では、空間的に分離されたミラーのアレイを有する市販のＭＥＭＳ装置が位相制御のために利用できる。ＭＥＭＳアレイの各素子は、光軸に沿って数ミクロンの長さ（ストローク長さ）に亘って制御可能であるミラーを含むことができ、チップ／チルト制御を提供できる。一例として、アイリス(Iris)ＡＯ社から入手可能であるＳ３７シリーズは、３７個の素子を有するアレイと共に、制御ソフトウェアを用いて、最大約２ｋＨｚで制御可能であり、最大ストローク１２μｍを含むＭＥＭＳ変形可能ミラーを含む。
【００６２】
様々な実施形態では、必要とされる適応ミラーの電子アクチュエータ制御は、天文学で知られているような標準的な技術を使用して実行され、すなわち、小さいディザ信号が各ミラーに印加され、アームに沿った光信号路の位相がディザ周波数でヘテロダイン方式検出を使用して測定される。
【００６３】
このマルチコア・ファイバアレイによると、従来のシングルモード・ファイバの出力限界は、平均出力能力がｋＷ範囲にある場合に、１０〜１００の倍数だけ下回る可能性がある。
【００６４】
コヒーレント加算のための光学配置５００を含む第４の実施形態に係る特定の設計例は、図６Ｂにおいて更に説明されている。簡単のため、マルチコア・ファイバ５０１はサイドポンプ方式であり、偏波保持型であると仮定する。シングルモード・ファイバ（図示しない）からの出力は、点ＰＯに位置している平面５０３の中でスポットサイズ径１００μｍをもつ入力ビーム５０２を生成するため、適切な望遠鏡（同様に図示されていない）を用いて拡大される。対応する角度広がりは、したがって、０．７３度であり、入力ビームの対応する開口数は波長１μｍで０．００６４である。焦点距離１００ｎｍをもつ第１のレンズＬ１  ５０４は、したがって、点ＰＯからのビームをコリメートするため使用される。位相板５０５は、入力ビームを多数の回折ビームに分割するためレンズ５０４から１００ｍｍの距離に位置付けられる。位相板上のスポットサイズは、入力ビームの開きから１．３ｍｍとして計算される。位相板上で変調期間ｄ＝０．４ｍｍを選択することにより、回折角度ｓｉｎ（α）＝１／４００＝０．００２５を取得する。焦点距離４０ｍｍの第２のレンズＬ２  ５０６の焦点に位相面を位置付けることにより、単一ビームは、スポット径４０μｍと、ビーム対ビーム間隔１００μｍとをもつビームのアレイに変換される。
【００６５】
入力ビームを受信するため設計された適切なマルチコア・ファイバ５０１は、コア径５０μｍと、コア対コア間隔１００μｍとを備えた損失チャネル・ファイバ（例えば、漏洩チャネルファイバ又は異なる設計の別のマルチコア・ファイバ）でもよい。同じ配置がマルチコア・ファイバの出力を単一ビームに結合するため逆に動作することも可能であり、その場合、レンズＬ１  ５０４は省くことができる。同様に、逆に動作させられる図６Ｂに示された光学的構成は、マルチコア・ファイバアレイ５０１を通る単一経路だけを使用してフィルド開口構成におけるビーム結合のため更に使用可能である。単一経路構成において一つずつの個別のコアの位相を制御する技術は、以下で図８を参照して説明されている。
【００６６】
マルチコア・ファイバ増幅器５０１は、点Ｐ０の上流でアイソレータを使用することによりシードビームから分離可能である。更にダブルパス構成で作動されるとき、出力はファラデー回転子及び偏光ビームスプリッタを点Ｐ０の上流に位置付けることにより抽出可能である。このような光学素子は従来技術において周知であるので、ここではこれ以上説明しない。
【００６７】
図６Ｂに示された構成では、マルチコア・ファイバの第２の先端がミラー・アレイ、例えば、図７に示されたアレイに映像化される。ミラー・アレイのそれぞれの端面は、典型的に、ｍｍのオーダーの径をもつので、適切な拡大光学系は、ミラー・アレイ上でマイクロコア・ファイバからの個別のビームレット（ビーム片）の分離を増大するため使用することが可能である。画像拡大用の光学系は従来技術において周知であるので、ここではこれ以上説明しない。
【００６８】
第４の実施形態の変形例では、ダブルパス配置の代わりに、シングルパス配置が同様に使用することが可能である。しかし、シングルパス配置は僅かにより複雑であり、増幅器内部の偏波ドリフトを自動的に補償しない。シングルパス配置の場合、したがって、図３Ｃに示されているように偏波保持マイクロコア・ファイバアレイを使用すると都合がよい。偏波保持マルチコア・ファイバ６０１を使用する典型的なシングルパス配置６００は図８に示されている。ここで、最終的な電力増幅器６０１に寸法が適合したマルチコア・ファイバ前置増幅器６０２は、ミラー・アレイから最終的な電力増幅器への出力の最適カップリングのため信号ビームを空間的に事前に条件付けるため使用されることが示されている。この場合も、サイドポンピング方式の使用は光学組立体を更に簡略化する。光学配置は、図９に示されているように単一ビーム入力をもつテーパー付きマルチコア・ファイバを用いて更に簡略化され得る。ここで、マルチコア・ファイバ７００は、信号入力端７０１で小さい径まで次第に細くなる。このようなマルチコア・ファイバはスターカップラと等価であり、入力信号をファイバの延長領域においてすべての個別のファイバコアにほぼ均等に分割する。テーパー付きファイバ領域の上流で付加的なカップラは、検出器アレイのための基準信号を提供するため更に使用可能である。或いは、図８におけるミラーアレイ６０３は、透過で作動される空間ビーム変調器で補完又は置換可能である。空間ビーム変調器、例えば、空間光変調器（ＳＬＭ）は、例えば、前置増幅器６０２と電力増幅器６０１との間に挿入可能である。このような空間光変調器は従来技術において周知であるので、ここではこれ以上説明しない。このような空間変調器の使用は図８Ａに示された組立体を非常に簡略化する。位相板（図示せず）は出力ビームのストレール比の最大化のためマルチコア・ファイバ増幅器の出力に挿入可能である。
【００６９】
基準信号とマルチコア・ファイバ６０１の出力との干渉は、同位相であるすべてのファイバコアに対応する所望の干渉パターンを作成するために空間光変調器へフィードバックを提供するため更に使用可能である。所望の干渉パターンは遺伝的アルゴリズムを用いて決定可能である。空間光変調器へのフィードバックのための適切なコスト関数を取得するため、所望の干渉パターンと実際の干渉パターンとの間の差が計算することができる。
【００７０】
より素早い位相制御のため、ディジタルホログラフィ技術を採用できる。ディジタルホログラフィの原理は、ストラッパーツ(Stappaerts)らへの米国特許第５３７８８８８号明細書と、Ｃ．ベランガー(Bellanger)らによる「ディジタル・ホログラフィによるコヒレントなファイバの結合(Coherent fiber Combining by digital holography)」，オプティックス・レターズ(Opt.Lett.)，第３３巻，第２４号，ｐ．２９３７，２００８年１２月において説明された。位相制御のためディジタルホログラフィを実施するため、小さい試験ビームがマルチコア・ファイバの中を逆向きに通過させられ、付加的な検出アレイ（図示せず）で基準ビームと干渉させられる必要がある。これは、ビームスプリッタ、ミラー、及び／又は、ビームを空間的に分割又は案内する他の光学素子の適切な配置を使用することによって実行可能である。主ビームは上述のように空間光変調器の中を通過するように構成される。試験ビームと基準ビームとの間の干渉パターンを空間光変調器にフィードバックすることにより、空間光変調器は、主ビームが通過するときの干渉パターンの複素共役を生成するように構成可能である。このようにして、マルチコア・ファイバ内部の位相変動が補償可能である。試験ビームと主ビームとは、位相補償技術を最もよく機能させるために類似した波長を有することになる。好ましくは、試験ビームは、小さい空間帯域幅を有し、主ビームのスペクトル帯域幅の範囲内に中心が置かれた波長を有する。ディジタルホログラフィ技術は、従来技術において周知であるので、ここではこれ以上説明しない。マルチコア・ファイバアレイの中の位相変動の周波数が低いため、ディジタルホログラフィ技術はこのような構造体における位相変動を補償するため非常に効果的である。
【００７１】
第５の実施形態では、いくつかの付加的な方式が位相検出のため使用することが可能である。
【００７２】
好ましい第１の方式は、図１０Ａに示されている。パルスシード「信号」光源８００は、回折素子８０１としての位相板及びリレー・レンズ８０２及び８０３を使用してマルチコア増幅器ファイバ８０６のコアに映像化される。ファイバ端面において、ファイバコアは、リレー・レンズ８０４及び８０５を使用して、シングルコアから放射された光が単一のミラー・セグメントによって反射されて同じコアに戻されるようにセグメント化されたミラー・アレイ８０８に映像化される。各ミラー・セグメントは、光伝搬方向と平行したアクチュエータによって並進可能である。ファラデー回転子８０７は、増幅器ファイバコアの中の偏波回転に対する周辺安定性を確保するために２重に通過させられる。増幅器コアを通る２回目の逆向きの通過の後に、光は偏光ビームスプリッタ８０９によって出射光から分離される。マルチコア増幅器ファイバ８０６はポンプ光源８１０によってクラッディングポンプされる。
【００７３】
狭い線幅の連続波「安定化」レーザ８１１からの光は、個別のドープト・ファイバコアの中を共に伝搬させられ、位相検出のため使用される。光源の波長は、ファイバの中で高透過性であるように選択される。好ましくは、ＣＷ光源の波長はシード光源の信号波長とは異なり、増幅器ファイバコアの最大利得帯域の外側であるように選択される。これにより、共に伝搬するＣＷ光によって利得が殆ど又は全く得られないこと、及び、ＣＷ光が増幅器利得を著しく減少させないことが確実になる。好ましくは、ＣＷ光源の波長は、リレー・レンズ８０３、８０４及び８０５の色収差による悪影響を受けないように信号波長に十分接近するように、そして、回折素子８０１での回折角度が信号波長の回折角度に接近するように選択される。
【００７４】
ＣＷ光の一部分は能動ファイバを迂回し、基準ビームとして使用される。この部分は、音響光学変調器（ＡＯＭ）８１２を使用して局部発振器８１３の周波数によって周波数シフトされ、光検出器アレイの素子を照明する。信号光と共に伝搬するＣＷ光は、ビームスプリッタ８１４で信号光と結合される。レンズ８１６は、レンズ８０３と一体となって、各ファイバコアをフォトダイオード・アレイ８１７の単一のフォトダイオードに映像化するため使用される。ＣＷレーザの波長がシードレーザと異なる場合、光バンドパスフィルタ、例えば、干渉フィルタ（ＩＦ）８１５及びビームスプリッタ８１４上のコーティングがＣＷレーザの波長の外側の光が検出器を飽和させることを阻止するため使用され得る。
【００７５】
共に伝搬させられたＣＷ光及び信号光が干渉し、検出器アレイ素子で、ヘテロダイン・ビート信号が検出される。基準ビームにおける選択的な波長板、回折素子、及び、付加的なレンズは、ビート信号を最大化するため挿入可能である。能動ファイバコアの光路長の変化は、共に伝搬するＣＷ光のドップラー・シフトを引き起こし、したがって、ビート信号の周波数シフトを引き起こす。このビート信号は、したがって、すべてのファイバコアの光路長を一定値に安定化させるため使用可能である。この方法は、ＣＷレーザを結合するため一般的に使用され、例えば、非特許文献４に記載されている。ここで説明されている第１の方式では、しかし、ＣＷレーザは、個別のファイバコアの経路長安定化のため使用され、増幅された光とは異なる。第１の方式は、シード光源のすべての繰り返し周波数のため使用可能である。経路長安定化のため、ヘテロダイン信号がバンドパスフィルタ８１８によって選択的にフィルタ処理される。位相検出器（ＰＤ）８２０は、ヘテロダイン・ビート信号と基準発振器との間の相対位相を検出するため使用される。これらの位相検出器は、ミラー・アクチュエータを制御するループフィルタ８２１によって閉じられているフィードバック安定化ループのための誤差信号を提供する。選択的なプリスケーラ（ＰＳ）８１９、例えば、１６分周回路は、帰還ループのロッキング範囲を増加させるため使用可能である。
【００７６】
帰還ループの動作は、ループフィルタ及びアクチュエータ素子の周波数応答によって決定される。ループフィルタ及びアクチュエータの最速応答時間は、シードパルス長より著しく長い１０μｓ時間スケールにある。したがって、例えば、ＣＷレーザと増幅された信号光との相互位相変調が原因となって起こる可能性があるＣＷレーザの中の高速位相変化は、位相補償帰還ループに干渉しない。
【００７７】
位相検出に係る第２の方式では、シード光自体が図１０Ｂに示されているように基準として使用され得る。局部発振器の周波数はパルス繰り返し周波数より低くし、しかも、効率的なヘテロダイン方式検出を可能にするために十分に高くすべきであるので、第２の方式は、好ましくは、１ＭＨｚを上回るパルス繰り返し周波数のため使用される。低周波数の場合、ＲＦミキサに基づく位相検出器がアナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ）とディジタル信号処理とによって置き換え可能である。この場合、帰還ループの周波数帯域幅は、好ましくは、パルス繰り返し周波数の１０分の１未満になるように選択される。
【００７８】
低繰り返し周波数での位相検出のための代替的な方式が図１１に示されている。ここで、高繰り返し周波数（＞１０ＭＨｚ）モードロック発振器９００がシード光源として使用される。音響光学変調器９０２はシードレーザからの光パルスの強度を変調するため使用される。これは、ＲＦ駆動周波数を変調器９０２に印加し、結果として得られる１次回折ビームを伝搬させるため光学系を配置することによって行われる。０次の非回折ビーム（図示せず）は、エネルギーが光学系の中を伝搬することを防止するように阻止される。これらの技術は、音響光学変調器及び偏波器システムの設計において、しばしば使用される。ＲＦ基準発振器９０４と、振幅変調のための入力端子を有するＲＦ増幅器９０３とを使用して、変調器のためのＲＦ駆動電界が発生する。ＲＦ増幅器は、この場合、高出力ＲＦパルスがモードロック光変調器より著しく低い繰り返し周波数で発生し、しかも、ｎ番目の発振器のパルス毎に同期し、他の時点ではＲＦ電力が零ではないが、著しく低下するように変調される。このようにして、光パルス列は、ｎ番目のパルスが高強度をもち、他のパルスが零ではない強度ではあるが、著しく低い強度をもつように変調される。これは、発振器の光の一部がビームスプリッタ９０１によってサンプリングされる状態で、ヘテロダイン・ビート検出のための発振器の繰り返し周波数で、周波数シフトされ、回折されたパルス列の使用を可能にする。２個の強度は、蓄積される増幅器エネルギーが主として高強度シードパルスによって使い尽くされ、増幅器出力での高強度パルスと低強度パルスとの間の強度コントラストが有意であるように選択される。高強度光パルスによる位相検出エレクトロニクスの飽和を防止するため、リミッタ回路又は高速電子スイッチを採用できる。この場合、帰還ループの周波数帯域幅は、好ましくは、パルス繰り返し周波数より１０倍高くなるように選択される。
【００７９】
図１０Ｃに示された位相検出に係る第３の方式では、局部発振器から得られた小さい変調又はディザ信号がミラー・アクチュエータ・アレイの各素子に印加される。検出器アレイからの信号は位相感応検出される。ローパスフィルタリング後、位相誤差は小さい変調信号と結合され、アクチュエータ・アレイへのフィードバック信号として使用される。ローパスフィルタのカットオフ周波数はディザ周波数より低い。
【００８０】
図１０Ｄに示された位相検出に係る第４の方式では、基準ビームは波長シフトされず、シードのパルス繰り返し周波数が局部発振器として使用される。このアプローチは、イ・フェイ・チェン(Yi-Fei Chen)らによる「ジッターとしての４０以下のモードロックパルス列の遠方分布(Remote distribution of a mode-locked pulse train with sub 40-as jitter)」に記載されているが、シードレーザの周波数コム構造を利用している。しかし、チェンらによって記載された研究成果では、利得を伴わずに単一光ファイバの経路長だけを安定化する。図１０Ｄの第４の方式では、複数のファイバが等しい経路長及び光利得に安定化されている。
【００８１】
図１０Ｅに示された位相検出に係る第５の方式では、検出器アレイは干渉分光相互相関器のアレイによって置換されている。干渉分光信号の縞パターンは検出され、ソフトウェアに基づく低帯域幅フィードバック安定化が用いられる。第５の方式の変形例では、１個の能動コアからの信号が基準ビームとして使用される。
【００８２】
上記方式の多様な組み合わせが上記方式の変形例として可能である。
【００８３】
干渉分光相互相関器によって発生した縞パターンに代わるものとして、増幅された信号パルスと基準ビームとの間のスペクトル干渉からの縞パターンが同様にフィードバック安定化のため使用可能である。
【００８４】
いくつかの方式では、位相制御のためのヘテロダイン方式検出技術の代わりに、遺伝的適応光学アルゴリズムがマルチコア・ファイバアレイからの波面誤差の最小化のため更に使用できる。遺伝的アルゴリズムは典型的にヘテロダイン方式検出よりかなり遅いので、遺伝的アルゴリズムは強く熱的にカップリングされたマルチコア・ファイバと共に使用するため適することができる。いくつかの方式では、最適化されたアルゴリズム及び専用ハードウェアが、遺伝的アルゴリズムに基づくシステムのための制御帯域幅を増大することができる。遺伝的アルゴリズムの使用は、位相面及び参照アームの干渉分光検出の必要性を除去する。位相制御のための遺伝的アルゴリズムの使用に基づくマルチコア・ファイバ増幅器は、したがって、参照アームが取り除かれた図６Ａに示された設計に非常に類似して構築される。ミラー・アレイへのフィードバックのための適切なコスト関数を取得するため、出力ビームの一部分のための周波数倍増段が用いられる。周波数倍増出力は、したがって、単一の検出器によって測定可能であり、ミラー・アレイの適切な断熱調整によって最適化可能である。或いは、複数の場所で周波数倍増ビームをサンプリングする検出器を採用することが可能であり、その場合、適切なコスト関数が中心ビーム部分での出力を最大化し、ビームの周辺部分での出力を最小化する。明らかに、遺伝的アルゴリズムに基づく適応モード制御を備えたサイドカップル型マルチコア増幅器は非常に小型であり、多数のコンポーネントを必要としないので、商用システムのため理想的である。
【００８５】
マルチコア・ファイバの代わりに、より従来的なファイバ・フェーズド・アレイがコヒーレント加算のため更に使用可能である。このような配置は、従来技術において周知であり、光信号と共に使用されるべきシステム構成は、特許文献２４において説明されているので、ここではこれ以上説明しない。従来のファイバアレイはアレイ素子毎に別個のポンプダイオードを使用可能であり、位相変動の雑音帯域幅を増大させる。したがって、同様に各アレイ素子のため音響光学位相変調器を使用することが有利である。この場合に位相雑音帯域幅が１０〜１００ｋＨｚであるので、パルス繰り返し周波数は、別個のＣＷ制御レーザ無しで位相制御を可能にするため、１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲内でなければならない。より低い繰り返し周波数信号のため、図１０Ｂに関して上述されているようなパルス変調器の間の漏洩が位相変調のため使用可能である。
【００８６】
更に１００ｋＨｚより低いパルス繰り返し周波数の場合、ＣＷ基準信号は、図１０Ａに関して既に説明されているように、位相制御のための適切な帯域幅を許可するため使用可能である。このようなＣＷレーザは、増幅器ファイバを通る高透過の波長（すなわち、Ｙｂ増幅器に対する１３００ｎｍ）で選択され、各アレイ・アームの位相を等しくするため各アレイ素子にカップリング可能である。しかし、ＣＷレーザはシステムの複雑さを増加する。
【００８７】
パルス繰り返し周波数＞１ＭＨｚでのコヒーレント加算は、漏洩信号を使用することなく、帯域幅が増大した位相変動を制御する能力のため、革新的に簡単になる。
【００８８】
コヒーレント加算において個別のビーム経路の位相制御のため変調器アレイを使用するとき、コンポーネント数の削減は１個のポンプビームを使用することにより実現可能である。このような例示的な実施形態は図１２Ａ及び１２Ｂに示されている。図１２Ａは、１個のポンプビームを使用するときにファイバ増幅器のコヒーレント加算のための組立体１０００を示している。ここで、マルチコア・ファイバ１００１は、境界で緩やかに融合された個別のファイバ１００２、１００３、１００４のアレイから組み立てられる。このような緩やかに融合されたファイバアレイの断面は図１２Ｂに示されている。ファイバは緩やかに融合されているので、ファイバは、図１２Ａに示されているように、個別の信号ビーム１００５、１００６、１００７の各ファイバへのカップリングを可能にする信号インジェクション端で個別のファイバに分割可能である。ポンプカップリング端１００８において、ファイバ端は、ビームスプリッタ１０１１及びレンズ１０１２を介して、ポンプ１０１０からファイバアレイ１００１へのポンプビーム１００９の効果的なカップリングを可能にするため更に融合され得る。
【００８９】
出力ビームのストレール比は、この場合も、図６Ａ及び６Ｂに関して説明されているように、フィルド開口構成において位相板の使用によって最大化可能である。
【００９０】
上記実施形態は、レンズ及び透過位相板のような主に透過型光学系に基づいて明らかにされている。本明細書中に記載されている様々な実施形態は、高ピーク出力及び平均出力の両方を含む高出力レーザシステムの設計を対象にしている。１００Ｗを上回る出力レベルで、熱マネージメントは、ミラー及び反射で作動される屈折素子のような反射型光学系の使用によって非常に利益を得る。ミラーによるレンズの置き換え、及び、反射型回折素子による透過型回折素子の置き換えは、簡単であり、ここではこれ以上説明しない。
【００９１】
ここに記載されているようなパルス状の、コヒーレント結合されたファイバレーザ光源は、光パラメトリック増幅器のため、ならびに、高出力ＥＵＶ、Ｘ線、及びプラズマ発生のためのポンプ光源として理想的である。ＥＵＶ及びＸ線発生のため、典型的に、レーザ誘導プラズマが使用され、プラズマはコヒーレント結合されたパルスを固体又は液体金属ターゲットに当てることにより発生する。コヒーレント結合されたパルス・ファイバ・レーザ光源のピーク電力の増加は、シングルコア・ファイバと比較して、ＥＵＶ及びＸ線発生の変換効率を非常に改善する。高出力ＥＵＶ及びＸ線源は、最新式のリソグラフィ用途及び高分解能イメージングにおいて非常に関心がもたれ、ここで説明されているように、小型高出力コヒーレント結合ファイバに基づく光源の採用により非常に利益を得ることになる。
【００９２】
小型高出力パラメトリック増幅器は、特許文献２５において説明されているので、ここではこれ以上説明しない。パラメトリック・ポンプ光源としてマルチコア・ファイバ増幅器を用いる構成は、パラメトリック・ポンプ光源がこのようなシステムから得ることができるパルスエネルギーをシングルコア・ファイバ増幅器を用いるポンピングより増加させるので、非常に魅力的である。
【００９３】
コヒーレント結合ファイバレーザ１１００を用いてポンプされるパラメトリック増幅器の構造例は、第６の実施形態に係る図１３に示されている。ここで、シングルシード発振器１１０１が便宜のため使用可能である。シード発振器は、Ｙｂベースであり、マルチコア・ファイバ増幅器１１０２を１０〜１０００ｍＪの範囲のエネルギーをもつ発生したポンプパルスにシードする。シード発振器は、便宜のために、パラメトリック増幅器結晶１１０３にシードするため、特許文献２５において説明されているように、受動周波数変換素子によって周波数シフトすることができる。パラメトリック・シード信号とマルチコア・ファイバ増幅器からの出力との両方を時間的に重ね合わせることにより、パラメトリック増幅器結晶の中の効果的な増幅を取得可能である。マルチコア・ファイバ増幅器の中のＢ積分は、チャープパルス増幅方式を採用すれば、更に最小化可能である。チャープパルス増幅を実現するためには、パルスストレッチャ段を、シード発振器の後、且つ、マルチコア（又はマルチ素子）ファイバ増幅器への信号インジェクションの前に用いればよい。マルチコア（又はマルチ素子）ファイバ増幅器の個別のビームレット（ビーム片）のコヒーレント結合の後に、パルスコンプレッサ段を用いればよい。このようなパルスコンプレッサ段は、例えば、バルク回折格子に基づいていると便利である。パルス圧縮後、ポンプパルスはパラメトリック増幅器の方向へ更に向けられ、シード信号を増幅するため使用される。マルチコア（又はマルチ素子）ファイバ増幅器を用いて、１０ｍＪを超えるパルスエネルギーを発生する高平均出力パラメトリック増幅器を作ることができる。
【００９４】
以上のように、本発明者は、ファイバ増幅器の少なくとも１個のアレイを有し、特に、レーザパルスのコヒーレント結合に適した高ピーク電力ファイバ増幅器システムについて説明してきた。増幅器システムは、高ピーク電力の短パルス用途に適用可能であり、例えば、少なくとも１ＭＷのオーダーでピーク電力が発生することができる。システムは、ＥＵＶ又はＸ線発生、光リソグラフィ、レーザ・レーダ、又は、類似した用途のため使用することができる。
【００９５】
少なくとも一つの実施形態は、高ピーク出力ファイバ増幅器システムを含む。システムはファイバ増幅器のアレイを含む。アレイの中の増幅器は、増幅器の熱変動が十分に整合し、増幅器出力で相対的な位相変動を低帯域幅、例えば、約１０ｋＨｚ未満に制限するように配置される。増幅器は、任意の増幅器の間のエネルギーカップリングが無視できるように、十分な相対的距離に配置される。システムは、レーザ光源を含む、増幅器のアレイをシードする手段を含む。シードパルス及び／又は増幅されたパルスは、フェムト秒〜約１マイクロ秒の範囲内のパルス幅を含む。ビーム分配器が、レーザ光源からパルスを分配するため、又は、シードする手段からパルスを分配するため、レーザ光源とアレイとの間に配置される。パルスは、アレイの中の対応する増幅器に入射する複数のビーム経路に分配される。ビームはパルスの空間分布に実質的に類似した空間分布を有する。少なくとも１個のパルス源は、ファイバ増幅器アレイを光学的に励起するため含まれている。空間的関係に配置された複数の位相制御素子は、アレイのファイバ増幅器に光接続されている。位相制御素子は、位相制御信号に応答して少なくとも１個のファイバ増幅器出力の光位相を補正する。システムは、大部分のファイバ増幅器の出力の光位相を制御するように、位相制御素子に印加された複数の制御信号を生成する手段を更に含む。制御信号及び位相制御素子は、アレイの中の大部分の個別のファイバ増幅器の間で光位相を安定化するように構成されている。
【００９６】
少なくとも一つの実施形態は、ファイバ増幅器のアレイを含む高ピーク電力ファイバ増幅器システムを含む。アレイは、上記増幅器のコアの空間分離が十分に小さいので、アレイの出力位相変動を低帯域幅、例えば、約１０ｋＨｚ未満に制限する強い熱カップリングを提供するように構成されている。ファイバ増幅器間の十分に大きい空間分離は、アレイの中の増幅器の間の光エネルギーカップリングを、例えば、約０．１％以下に更に制限する。複数の位相制御素子が空間的関係に配置され、アレイの中のファイバ増幅器に光接続されている。位相制御素子は、位相制御信号に応答して、少なくとも１個のファイバ増幅器出力の光位相を補正する。システムは、位相制御信号を発生する位相制御器を更に含み、アレイの中の増幅器の出力の光位相を安定化するため動作可能である。
【００９７】
少なくとも一つの実施形態は、レーザパルスのコヒーレント結合のための増幅器システムを含む。この少なくとも一つの実施形態は、ファイバ増幅器のアレイ、例えば、複数の個別のファイバ増幅器と、ファイバ増幅器アレイを光学的に励起するように構成された少なくとも１個のポンプ光源とを含む。マスターパルス発振器はファイバ増幅器アレイをシードする。空間的関係に配置された複数の位相制御素子は、アレイの中のファイバ増幅器に光接続されている。位相制御素子は、位相制御信号に応答して少なくとも１個のファイバ増幅器出力の光位相を補正する。位相制御素子に印加された複数の制御信号を生成する手段は、大部分のファイバ増幅器の出力の光位相を制御する。制御信号及び位相制御素子は、大部分の個別のファイバ増幅器の間の光位相を安定化する。
【００９８】
少なくとも一つの実施形態は、レーザパルス、例えば、サブナノ秒パルスのコヒーレント結合のための増幅器システムを含む。この少なくとも一つの実施形態は、ファイバ増幅器のアレイ、例えば、複数の個別のファイバ増幅器と、ファイバ増幅器アレイを光学的に励起するように構成された少なくとも１個のポンプ光源とを含む。マスターパルス発振器はファイバ増幅器アレイをシードする。マスター発振器の出力の一部分は、参照アームの中で使用され、ファイバアレイからの出力の一部分と光学的に干渉するように構成されている。光学的干渉は検出器アレイを用いて検出される。参照アームは、検出器アレイを用いてファイバアレイの中の大部分の素子の光位相のヘテロダイン位相検出を可能にするため更に位相変調される。空間的関係に配置された複数の位相制御素子はアレイの中のファイバ増幅器に光接続される。位相制御素子は、位相制御信号に応答して、少なくとも１個のファイバ増幅器出力の光位相を補正する。ヘテロダイン位相検出器及び位相制御素子は、ファイバアレイの大部分の個別の素子の間の光出力位相を安定化する。
【００９９】
少なくとも一つの実施形態は、レーザパルス、例えば、サブナノ秒パルスのコヒーレント結合のための増幅器システムを含む。この少なくとも一つの実施形態は、ファイバ増幅器のアレイ、例えば、複数の個別のファイバ増幅器と、ファイバ増幅器アレイを光学的に励起するように構成された少なくとも１個のポンプ光源とを含む。マスターパルス発振器はファイバ増幅器アレイをシードする。マスター発振器の出力の一部分は、参照アームの中で使用され、ファイバアレイからの出力の一部分と光学的に干渉するように構成されている。光学的干渉は検出器アレイを用いて検出される。ファイバ増幅器アレイの素子の光位相は局部発振器から導出された周波数でディザ化され、検出器アレイを用いてファイバアレイの中の大部分の素子の光位相のヘテロダイン位相検出を可能にする。ヘテロダイン位相検出器はファイバアレイの中の大部分の個別の素子の間で光出力位相を安定化するように構成されている。
【０１００】
様々な実施形態において：
増幅器を、増幅器の利得媒体の屈折率の熱変動を十分に整合させ、その結果、増幅器出力での相対的位相変動が低帯域幅、例えば、約１０ｋＨｚ未満に制限されるように配置してもよい。
【０１０１】
制御信号及び位相変調器を、ファイバアレイの出力のストレール比を最大化するために採用してもよい。
【０１０２】
パルス繰り返し周波数は、約１００ｋＨｚを上回ることができる。
【０１０３】
制御信号は、パルス繰り返し周波数の約１０分の１未満のレートで印加できる。
【０１０４】
パルス繰り返し周波数は、約１００ｋＨｚ未満でもよい。
【０１０５】
制御信号は、例えば、アレイの中の個別のファイバのパルスの間に漏洩信号から発生できる。
【０１０６】
増幅器には、マルチコア・ファイバ増幅器を含むことができる。
【０１０７】
増幅器アレイには、複数のマルチコア・ファイバ増幅器を含むことができる。
【０１０８】
マルチコア・ファイバ増幅器には、ステップ・インデックス型ファイバ、漏洩チャネルファイバ、フォトニック結晶ファイバ、又は、ブラッグファイバから構築された個別の素子を含むことができる。
【０１０９】
個別のファイバ増幅器は、偏波保持型でもよい。
【０１１０】
位相板を、マスター発振器のファイバ増幅器アレイの各増幅器へのカップリング効率を最大化するように、マスター発振器とファイバ増幅器アレイとの間に挿入してもよい。
【０１１１】
増幅器アレイの出力の下流に挿入された位相板を、ファイバの出力のストレール比を最大化するように組み込むことができる。
【０１１２】
システムには、増幅器アレイをサイドポンピングする手段を含むことができる。
【０１１３】
増幅器は、ダブルパス構成で構築されることがあり、第１のパスの後に挿入されたファラデー回転子を含むことができる。
【０１１４】
増幅器は、シングルパス構成で構築してもよい。
【０１１５】
位相制御素子は、一体化された素子のアレイ、例えば、ＭＥＭＳ又はＳＬＭとして形成してもよい。
【０１１６】
位相制御素子には、ミラー・アレイの一部分を含むことができる。
【０１１７】
位相制御素子には、ＭＥＭＳアレイの一部分を含むことができる。
【０１１８】
位相制御素子には、液晶空間ビーム変調器の一部分を含むことができる。
【０１１９】
フェーズド前置増幅器アレイを組み込むようにして、増幅器アレイに光学的寸法を適合させるようにしてもよい。
【０１２０】
マスター発振器の前置増幅器アレイへのカップリングを簡略化するために、前置増幅器の入力端にテーパー形状を付けるようにしてもよい。
【０１２１】
ファイバ増幅器は、マスター発振器の増幅器アレイへのカップリングを簡略化するように、ファイバ増幅器の入力で別個の素子に空間的に分離され、ファイバ増幅器の出力端で光学的に接触するようにできる。
【０１２２】
ファイバ増幅器アレイは、増幅器アレイの光学的な接触端に注入される単一のポンプ光源を用いて、光学的に励起してもよい。
【０１２３】
一つずつの個別のファイバ増幅器出力の光位相の検出を実現しやすくするため、システムには、ファイバアレイの出力ビームの一部分と干渉するように配置された信号参照アームを含むことができる。
【０１２４】
固定ディザ周波数を、複数の位相制御素子、例えば、位相変調器を制御するために、使用してもよい。
【０１２５】
様々なディザ周波数を、複数の位相制御素子を制御するために使用してもよい。
【０１２６】
参照アームの位相を、固定周波数で変調してもよい。
【０１２７】
システムには、１台以上の検出器、例えば、検出器アレイを含むことができる。
【０１２８】
システムには、アレイの中の一つずつの個別のファイバ増幅器にカップリングされたＣＷレーザを含むことができ、これにより、このファイバ増幅器の中を伝達され、アレイの中のファイバ増幅器の一つずつの光位相を、ヘテロダイン位相検出及び安定化をするようにすることができる。
【０１２９】
制御信号を、ファイバアレイの出力のストレール比を最大化するため設計された遺伝的アルゴリズムから導出してもよい。
【０１３０】
ファイバ増幅器アレイを、ＥＵＶ又はＸ線発生のために使用してもよい。
【０１３１】
ファイバ増幅器アレイを、光リソグラフィにおける光源として使用してもよい。
【０１３２】
ファイバ増幅器を、パラメトリック増幅のためのポンプ光源として使用してもよい。
【０１３３】
レーザ光源には、モードロック発振器を含むことができる。
【０１３４】
システムには、発振器の後に設けられたパルス伸長段と、ファイバ増幅器のアレイの下流側に挿入されたパルス圧縮段とを含むことができる。
【０１３５】
ヘテロダイン位相検出器及び複数の位相制御素子を、ファイバアレイの出力のストレール比を最大化するために、採用してもよい。
【０１３６】
参照アームを、ファイバアレイの個別の素子から導出してもよい。
【０１３７】
変調器のアレイを、異なる周波数で個別の増幅器の光位相を変調するために、採用してもよい。
【０１３８】
ヘテロダイン位相検出器を、ファイバアレイの出力のストレール比を最大化するように、採用してもよい。
【０１３９】
１個以上のパルスの空間分布は、回折限界に近くてもよい。
【０１４０】
ファイバアレイ素子間の光エネルギーカップリングは、約１％未満でもよい。
【０１４１】
アレイ素子の相対的変動を、約１ｋＨｚ未満に制限してもよい。
【０１４２】
複数の制御信号を生成する手段には、検出器アレイと検出器から取得された位相情報を処理する適応アルゴリズムとを含むことができる。
【０１４３】
適応アルゴリズムには、遺伝的アルゴリズムを含むことができる。
【０１４４】
シード手段には、モードロック・ファイバ発振器を含むことができる。
【０１４５】
シードする手段には、モードロック・レーザ又は他の光源から放射されたパルスのパルス幅を増大させる位相ストレッチャを含むことができる。
【０１４６】
レーザ光源には、半導体レーザダイオードを含むことができ、パルス幅がピコ秒から約１マイクロ秒の範囲で生成されるようにしてもよい。
【０１４７】
ファイバアレイには、マルチコア・ファイバを含むことができる。
【０１４８】
マルチコア・ファイバには、漏洩チャネルファイバを含むことができる。
【０１４９】
漏洩チャネルファイバは、偏波保持型でもよい。
【０１５０】
パルス繰り返し周波数より約１０倍高いレートで、制御信号を印加してもよい。
【０１５１】
システムには、ファイバアレイの中を逆向きに通過するビームの一部分と干渉するように配置され、位相補償手段を用いて上記ファイバアレイの中を前向きに通過するビームに対し一つずつの個別のアレイ要素の光位相の補償を可能にする、信号参照アーム及び位相補償手段を含むことができる。
【０１５２】
位相補償手段には、空間ビーム変調器、例えば、市販の空間光変調器（ＳＬＭ）を含むことができる。
【０１５３】
ファイバアレイ要素間のエネルギーカップリングは、約０．１％未満でもよい。
【０１５４】
位相制御素子を、上記増幅器の位相を制御するように採用してもよい。
【０１５５】
位相制御素子には、位相変調器を含むことができる。
【０１５６】
増幅器システムには、マルチコア漏洩チャネルファイバ（ＬＣＦ）を含むことができる。
【０１５７】
増幅器のアレイを、共通した中心の周りに、上記中心からほぼ等距離で配置してもよい。
【０１５８】
位相制御器の制御帯域幅は、約１０ｋＨｚ未満でもよい。
【０１５９】
増幅器システムには、マルチコア・ファイバを含むことができる。そして、増幅器のアレイを、上記マルチコア・ファイバの周辺付近の単一リングに沿って配列してもよい。
【０１６０】
一体化された位相変調器の一部分を形成するように、位相制御素子を構成してもよい。
【０１６１】
小型システム構成が、ファイバ出力の低帯域幅位相変動の一つの結果として取得可能である。例えば、位相制御素子は、ＭＥＭＳ、ＳＬＭ、マイクロミラー・アレイ、又は、他の一体化された装置及び／又は組立体と共に組み込まれることができる。
【０１６２】
約１０ｆｓより大きいパルス幅に対する回折限界に近い出力が、位相補償の一つの結果として、そして、アレイの中のファイバ増幅器間の限界モードカップリングの結果として取得可能である。
【０１６３】
出力パルス幅を、約１００ｆｓ〜１ｎｓ、１００ｆｓ〜１０ｐｓ、１ｐｓ〜１ｎｓ、又は、約１００ｐｓ〜５０ｎｓの範囲内の値とすることができる。
【０１６４】
好ましい実施形態の上記説明は一例として与えられている。提示された開示内容から、当業者は、本発明と、本発明に付随する利点とを認識するだけでなく、開示された構造及び方法への明らかな種々の変化及び変更を更に見出すであろう。したがって、発明の精神及び範囲に含まれ、特許請求の範囲によって規定されたこれらの変化及び変更すべてと、これらの変化及び変更の均等物とを網羅することが求められている。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図５Ａ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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