(57)【要約】【課題】小型化、長寿命化、スイッチング速度の高速化及び低廉化を図ることができる、レーザー光路変更装置を提供する。【解決手段】本発明の第一実施形態に係るレーザー光路変更装置１は、入力されたレーザー光Ｌを透過光Ｌｔと回折光Ｌｄとに分散させる三台の音響光学偏光器２（第一音響光学偏光器２ａ、第二音響光学偏光器２ｂ、第三音響光学偏光器２ｃ）と、各音響光学偏光器２で生じた回折光Ｌｄを一つのレーザー光Ｌ′に集約する結合器３と、を備え、音響光学偏光器２は、第二音響光学偏光器２ｂに第一音響光学偏光器２ａの透過光Ｌｔが入力され、第三音響光学偏光器２ｃに第二音響光学偏光器２ｂの透過光Ｌｔが入力されるように接続された構成を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力されたレーザー光を透過光とｎ−１個（ｎは２以上の整数）の回折光とに分散させる複数の音響光学偏光器と、
各音響光学偏光器で生じた回折光のうち同一の回折角を有する回折光を一つのレーザー光に集約するｎ−１個（ｎは２以上の整数）の結合器と、
前記音響光学偏光器の回折角を制御する高周波信号発生器と、を備え、
前記複数の音響光学偏光器は、二番目以降の音響光学偏光器に一つ前の音響光学偏光器の透過光が入力されるように接続された構成を有する、
ことを特徴とするレーザー光路変更装置。
【請求項２】
前記複数の音響光学偏光器は三台である、請求項１に記載のレーザー光路変更装置。
【請求項３】
前記結合器は、集約する回折光の位相同期を行う位相調整機構を含む、請求項１に記載のレーザー光路変更装置。
【請求項４】
前記音響光学偏光器の排熱を行う冷却器を備える、請求項１に記載のレーザー光路変更装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光路変更装置に関し、特に、単一のレーザー光を複数の方向に伝送するためのレーザー光路変更装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、レーザー光を人工衛星等の宇宙機に使用される複数の推進器に光ケーブルを介して伝送するレーザースラスターシステムが開示されている。また、特許文献１には、レーザー光を複数の方向に伝送する切替装置として、電磁的光学効果を利用した光スイッチング素子を用いる旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３６６５７６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、レーザー光の光路を変更（偏向）する際には、ミラー、電気光学素子、音響光学素子等の部品が用いられているが、例えば、宇宙太陽光発電送電施設、レーザー推進器、デブリ軌道変換用レーザー照射装置等の宇宙インフラ設備では、レーザー光を複数の方向に確実に伝送する必要がある。
【０００５】
しかしながら、ミラーのような機械駆動部品では、小型化し難い、駆動機構が摩耗してしまう、スイッチング速度の高速化が難しい等の問題がある。また、電気光学素子や特許文献１に記載された光スイッチング素子を用いた部品では、レーザー光の偏向のために素子に印加する電圧源として高電圧源（ｋＶ級）を必要とし、帯電防止、ノイズ防止及び寿命対策の点で高価になりやすいという問題がある。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑み創案されたものであり、小型化、長寿命化、スイッチング速度の高速化及び低廉化を図ることができる、レーザー光路変更装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、入力されたレーザー光を透過光とｎ−１個（ｎは２以上の整数）の回折光とに分散させる複数の音響光学偏光器と、各音響光学偏光器で生じた回折光のうち同一の回折角を有する回折光を一つのレーザー光に集約するｎ−１個（ｎは２以上の整数）の結合器と、前記音響光学偏光器の回折角を制御する高周波信号発生器と、を備え、前記複数の音響光学偏光器は、二番目以降の音響光学偏光器に一つ前の音響光学偏光器の透過光が入力されるように接続された構成を有する、ことを特徴とするレーザー光路変更装置が提供される。
【０００８】
前記複数の音響光学偏光器は、例えば、三台である。
【０００９】
また、前記結合器は、集約する回折光の位相同期を行う位相調整機構を含んでいてもよい。
【００１０】
また、前記音響光学偏光器の排熱を行う冷却器、例えば、コールドプレートを備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
上述した本発明に係るレーザー光路変更装置によれば、レーザー光の光路を偏向する機器として音響光学偏光器（ＡＯＤ：Acousto-Optic Deflector）を採用したことにより、機械駆動部を有していないことから、装置の小型化及び長寿命化を図ることができる。また、音響光学偏光器を採用したことにより、スイッチング速度をμｓ単位まで高速化することができる。また、音響光学偏光器を採用したことにより、高電圧源を使用する必要がなく、装置の低廉化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第一実施形態に係るレーザー光路変更装置を示す全体構成図である。
【図２】結合器の構成の一例を示す概略構成図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係るレーザー光路変更装置を示す全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態について図１〜図３を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の第一実施形態に係るレーザー光路変更装置を示す全体構成図である。図２は、結合器の構成の一例を示す概略構成図である。
【００１４】
本発明の第一実施形態に係るレーザー光路変更装置１は、図１に示したように、入力されたレーザー光Ｌを透過光Ｌｔと回折光Ｌｄとに分散させる三台の音響光学偏光器２（第一音響光学偏光器２ａ、第二音響光学偏光器２ｂ、第三音響光学偏光器２ｃ）と、各音響光学偏光器２で生じた回折光Ｌｄを一つのレーザー光Ｌ′に集約する結合器３と、音響光学偏光器２の回折角θを制御する高周波信号発生器４と、を備え、音響光学偏光器２は、第二音響光学偏光器２ｂに第一音響光学偏光器２ａの透過光Ｌｔが入力され、第三音響光学偏光器２ｃに第二音響光学偏光器２ｂの透過光Ｌｔが入力されるように接続された構成を有している。
【００１５】
レーザー光Ｌは、図１に示したように、レーザー発生装置５により発振される。レーザー発生装置５は、レーザー光の出力等の条件に応じて、既存の種々のレーザー発生装置の中から任意に選択することができる。レーザー光Ｌは、例えば、光ファイバーによって伝送される。
【００１６】
音響光学偏光器２は、いわゆるＡＯＤ（Acousto-Optic Deflector）である。音響光学偏光器２は、図１に示したように、高周波信号発生器４（ＲＦ信号発生器）に接続されており、高周波信号発生器４から音響光学偏光器２の素子に任意の周波数の高周波信号（ＲＦ信号）を印加することができるように構成されている。レーザー光路変更装置１を宇宙空間や原子力発電所等で使用する場合には、高周波信号発生器４として、産業用の小型ＲＦ信号発生器を耐放射線仕様に調整したものを使用してもよい。
【００１７】
音響光学偏光器２におけるレーザー光Ｌの偏向位置は、印加するＲＦ周波数に線形的に比例することから、高い周波数のＲＦ信号を印加すると回折角θを大きくすることができ、低い周波数のＲＦ信号を印加すると回折角θを小さくすることができる。
【００１８】
したがって、音響光学偏光器２は、光路切替スイッチとして作用し、回折角θはＲＦ信号の周波数によって任意に調整することができることから、出力チャネルは複数設けることができる。図１に示した実施形態では、レーザー光Ｌを使用するクライアント機器Ｃ１，Ｃ２が二箇所であることから、出力チャネルを透過光用と回折光用の二つに設定している。
【００１９】
すなわち、音響光学偏光器２は、一つの入力チャネルＩと二つの出力チャネルＯ１，Ｏ２を有している。入力チャネルＩは、音響光学偏光器２に入力するレーザー光Ｌ（透過光Ｌｔを含む）を伝送する光ファイバーの一端を支持する構造体を含んでいる。また、入力チャネルＩは、光軸の集束性を高めるレンズ等の光学部品を含んでいてもよい。
【００２０】
出力チャネルＯ１は、透過光Ｌｔ用の出力チャネルであり、出力チャネルＯ２は、回折光Ｌｄ用の出力チャネルである。出力チャネルＯ１，Ｏ２は、透過光Ｌｔ又は回折光Ｌｄを所定の場所に伝送する光ファイバーの一端を支持する構造体を含んでいる。また、出力チャネルＯ１，Ｏ２は、光軸の集束性を高めるレンズ等の光学部品を含んでいてもよい。
【００２１】
ここで、三台の音響光学偏光器２は、第一音響光学偏光器２ａの透過光Ｌｔが第二音響光学偏光器２ｂの入力チャネルＩまで光ファイバーによって伝送され、第二音響光学偏光器２ｂの透過光Ｌｔが第三音響光学偏光器２ｃの入力チャネルＩまで光ファイバーによって伝送されるように構成されている。そして、音響光学偏光器２を回折させない場合（非回折時）には、第三音響光学偏光器２ｃの透過光Ｌｔは、伝送先の一つであるクライアント機器Ｃ１に伝送される。
【００２２】
また、第一音響光学偏光器２ａ、第二音響光学偏光器２ｂ及び第三音響光学偏光器２ｃの回折光Ｌｄは、それぞれ結合器３まで光ファイバーを介して伝送され、一つのレーザー光Ｌ′に集約されて伝送先の一つであるクライアント機器Ｃ２に伝送される。
【００２３】
結合器３は、位相の異なる三つの回折光Ｌｄを一つのレーザー光Ｌ′に集約することから、回折光Ｌｄの位相同期を行う位相調整機構３１を含んでいてもよい。位相調整機構３１は、例えば、図２に示したように、ＭＥＭＳミラー３１ａと、ＭＥＭＳミラー３１ａの反射波を偏向するミラー３１ｂと、レーザー光Ｌ′の一部を僅かに抽出するスプリッタ３１ｃと、ＭＥＭＳミラー３１ａ及びスプリッタ３１ｃに接続された制御装置３２と、を備えている。
【００２４】
制御装置３２は、スプリッタ３１ｃにより抽出されたレーザー光を受光し、レーザー光Ｌ′の出力を計測し、レーザー光Ｌ′の出力が最大となるようにＭＥＭＳミラー３１ａの位置又は角度を調節する。このように、ＭＥＭＳミラー３１ａを制御することにより、回折光Ｌｄの光路長を制御することができ、回折光Ｌｄを位相同期させてレーザー光Ｌ′の出力を増大させることができる。
【００２５】
本実施形態では、三つの回折光Ｌｄを集約しているが、図２に示したように、例えば、第一音響光学偏光器２ａの回折光Ｌｄについては光路長を調整する機構（ＭＥＭＳミラー３１ａ及びミラー３１ｂ）を省略し、残りの第二音響光学偏光器２ｂ及び第三音響光学偏光器２ｃの回折光Ｌｄについて光路長を調整する機構（ＭＥＭＳミラー３１ａ及びミラー３１ｂ）を挿入するようにしてもよい。かかる構成により、装置の軽量化及び低廉化を図ることができる。勿論、全ての回折光Ｌｄについて光路長を調整する機構（ＭＥＭＳミラー３１ａ及びミラー３１ｂ）を挿入してもよい。
【００２６】
なお、図示した位相調整機構３１の構成は単なる一例であり、回折光Ｌｄを伝送する光ファイバーの長さを予め調整しておくことにより、位相同期させるようにしてもよい。この場合、ＭＥＭＳミラー３１ａ、ミラー３１ｂ、スプリッタ３１ｃ及び制御装置３２を省略することができ、装置の軽量化及び低廉化を図ることができる。
【００２７】
また、音響光学偏光器２の内部では、レーザーエネルギーの数％が吸収されることによる発熱を生じる。例えば、ｋＷ級のパワーレーザーを伝送する場合には１００Ｗ級の発熱を生じる。そこで、音響光学偏光器２の排熱を行うコールドプレート６（冷却器）を配置するようにしてもよい。例えば、音響光学偏光器２は、コールドプレート６の上面に密着して固定するようにしてもよいし、コールドプレート６で全体を覆うようにしてもよい。なお、冷却器は、音響光学偏光器２の排熱を行うことができるものであればよく、コールドプレート６に限定されるものではない。
【００２８】
図１では、各音響光学偏光器２にコールドプレート６を個別に配置しているが、全ての音響光学偏光器２を一つのコールドプレート上の配置するようにしてもよい。また、コールドプレート６には、従来の宇宙機で採用されているヒートパイプ等の排熱ループを内蔵したものを使用してもよい。なお、入力チャネルＩ及び出力チャネルＯ１，Ｏ２は、図１に示したように、コールドプレート６上に配置してもよいし、コールドプレート６の形状や大きさに応じてコールドプレート６の外側に配置してもよい。
【００２９】
ところで、現在の音響光学偏光器２（ＡＯＤ）の回折効率は非回折時の透過光Ｌｔの出力の６５〜７０％である。すなわち、１００％の入力光に対して３０〜３５％は回折せずに透過光Ｌｔとして漏れることとなる。したがって、レーザー光Ｌの光路を切り替える際に、如何にレーザー光を高効率に伝送できるか否かが重要となる。
【００３０】
そこで、本実施形態では、音響光学偏光器２を多段（例えば、三段）に配列して、それぞれの音響光学偏光器２からの回折光Ｌｄを回収して集約することによりレーザー光の出力効率を向上させている。
【００３１】
ここで、本実施形態に係るレーザー光路変更装置１を用いた場合の出力効率について、表１〜表３を用いて説明する。表１はレーザー光Ｌを回折させない場合（非回折時）の出力効率を示し、表２は回折効率が６５％の場合の出力効率を示し、表３は回折効率が７０％の場合の出力効率を示している。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
まず、レーザー光Ｌを回折させない場合（非回折時）について説明する。第一音響光学偏光器２ａに１００％のレーザー光Ｌを入力すると、約３％の熱ロスを生じることから、熱ロス後の出力は９７％となる。第一音響光学偏光器２ａは回折光Ｌｄを生じないように制御されていることから、透過光Ｌｔの出力は９７％となり、この透過光Ｌｔが第二音響光学偏光器２ｂにそのまま入力される。
【００３４】
第二音響光学偏光器２ｂでは、入力光の出力が若干低下していることから、約２．９％の熱ロスを生じ、熱ロス後の出力は９４．１％となる。第二音響光学偏光器２ｂは回折光Ｌｄを生じないように制御されていることから、透過光Ｌｔの出力は９４．１％となり、この透過光Ｌｔが第三音響光学偏光器２ｃにそのまま入力される。
【００３５】
第三音響光学偏光器２ｃでは、入力光の出力がさらに低下していることから、約２．８％の熱ロスを生じ、熱ロス後の出力は９１．３％となる。第三音響光学偏光器２ｃは回折光Ｌｄを生じないように制御されていることから、透過光Ｌｔの出力は９１．３％となり、この透過光Ｌｔがクライアント機器Ｃ１に伝送される。すなわち、非回折時におけるレーザー光路変更装置１の出力効率は９１．３％となる。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
次に、音響光学偏光器２の回折効率が６５％の場合について説明する。第一音響光学偏光器２ａに１００％のレーザー光Ｌを入力すると、約３％の熱ロスを生じることから、熱ロス後の出力は９７％となる。いま第一音響光学偏光器２ａの回折効率は６５％であるから、回折光Ｌｄの出力は６３．０５％、透過光Ｌｔの出力は３３．９５％となる。そして、３３．９５％の透過光Ｌｔが第二音響光学偏光器２ｂに入力される。
【００３８】
第二音響光学偏光器２ｂでは、入力光の出力が低下していることから、約１％の熱ロスを生じ、熱ロス後の出力は３２．９５％となる。いま第二音響光学偏光器２ｂの回折効率は６５％であるから、回折光Ｌｄの出力は２１．４２％、透過光Ｌｔの出力は１１．５３％となる。そして、１１．５３％の透過光Ｌｔが第三音響光学偏光器２ｃに入力される。
【００３９】
第三音響光学偏光器２ｃでは、入力光の出力がさらに低下していることから、約０．１％の熱ロスを生じ、熱ロス後の出力は９５．９９％となる。いま第三音響光学偏光器２ｃの回折効率は６５％であるから、回折光Ｌｄの出力は７．４３％、透過光Ｌｔの出力は４％となる。
【００４０】
また、各音響光学偏光器２の回折光Ｌｄは結合器３に伝送され、結合器３によって一つのレーザー光Ｌ′に集約される。したがって、レーザー光Ｌ′の出力は、６３．０５％＋２１．４２％＋７．４３％＝９１．９％となり、このレーザー光Ｌ′がクライアント機器Ｃ２に伝送される。すなわち、回折時におけるレーザー光路変更装置１の出力効率は９１．９％となる。
【００４１】
【表３】
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【００４２】
次に、音響光学偏光器２の回折効率が７０％の場合について説明する。第一音響光学偏光器２ａに１００％のレーザー光Ｌを入力すると、約３％の熱ロスを生じることから、熱ロス後の出力は９７％となる。いま第一音響光学偏光器２ａの回折効率は７０％であるから、回折光Ｌｄの出力は６７．９％、透過光Ｌｔの出力は２９．１％となる。そして、２９．１％の透過光Ｌｔが第二音響光学偏光器２ｂに入力される。
【００４３】
第二音響光学偏光器２ｂでは、入力光の出力が低下していることから、約１％の熱ロスを生じ、熱ロス後の出力は２８．１％となる。いま第二音響光学偏光器２ｂの回折効率は７０％であるから、回折光Ｌｄの出力は１９．６７％、透過光Ｌｔの出力は８．４３％となる。そして、８．４３％の透過光Ｌｔが第三音響光学偏光器２ｃに入力される。
【００４４】
第三音響光学偏光器２ｃでは、入力光の出力がさらに低下していることから、約０．１％の熱ロスを生じ、熱ロス後の出力は８．４２％となる。いま第三音響光学偏光器２ｃの回折効率は７０％であるから、回折光Ｌｄの出力は５．８９％、透過光Ｌｔの出力は２．５３％となる。
【００４５】
また、各音響光学偏光器２の回折光Ｌｄは結合器３に伝送され、結合器３によって一つのレーザー光Ｌ′に集約される。したがって、レーザー光Ｌ′の出力は、６７．９％＋１９．６７％＋５．８９％＝９３．４６％となり、このレーザー光Ｌ′がクライアント機器Ｃ２に伝送される。すなわち、回折時におけるレーザー光路変更装置１の出力効率は９３．４６％となる。
【００４６】
このように、三台の音響光学偏光器２を用いることにより、非回折時及び回折時の両方の場合において出力効率を９０％以上に保持することができ、クライアント機器Ｃ１，Ｃ２に伝送されるレーザー光の高効率化を図ることができる。
【００４７】
なお、本実施形態では三台の音響光学偏光器２を用いた場合について説明したが、例えば、回折効率の高い音響光学偏光器が開発された場合には音響光学偏光器２を二台にしてもよいし、熱ロスの少ない音響光学偏光器を用いる場合には音響光学偏光器２を四台以上にしてもよい。
【００４８】
上述した本実施形態に係るレーザー光路変更装置１によれば、レーザー光Ｌの光路を偏向する機器として音響光学偏光器２を採用したことにより、機械駆動部を有していないことから、装置の小型化及び長寿命化を図ることができる。また、音響光学偏光器２を採用したことにより、スイッチング速度をμｓ単位まで高速化することができる。また、音響光学偏光器２を採用したことにより、高電圧源を使用する必要がなく、装置の低廉化を図ることができる。
【００４９】
次に、本発明の第二実施形態に係るレーザー光路変更装置１について、図３を参照しつつ説明する。ここで、図３は、本発明の第二実施形態に係るレーザー光路変更装置を示す全体構成図である。なお、図１に示した第一実施形態と同一の構成部品については同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００５０】
上述したように、音響光学偏光器２は、回折角θをＲＦ信号の周波数に応じて変更できることから、出力チャネルをｎ個（ｎは２以上の整数）に設定することができる。図３に示したレーザー光路変更装置１は、ｎ個のクライアント機器Ｃｉ（ｉは１〜ｎの整数）を有し、各音響光学偏光器２がｎ個の出力チャネルＯｉ（ｉは１〜ｎの整数）を有している。ここで、出力チャネルＯ１は透過光Ｌｔ用であることから、ｎ−１個の出力チャネルＯ2〜Ｏｎが回折光Ｌｄ用となる。
【００５１】
本実施形態においても、レーザー光Ｌを回折させない場合（非回折時）には、第一音響光学偏光器２ａの透過光Ｌｔが第二音響光学偏光器２ｂに伝送され、第二音響光学偏光器２ｂの透過光Ｌｔが第三音響光学偏光器２ｃに伝送され、最終的に第三音響光学偏光器２ｃの透過光Ｌｔがクライアント機器Ｃ１に伝送される。すなわち、音響光学偏光器２は、二番目以降の音響光学偏光器２に一つ前の音響光学偏光器２の透過光Ｌｔが入力されるように直列に接続された構成を有している。
【００５２】
また、ｎ−１個のクライアント機器Ｃｉ（ｉは２〜ｎの整数）には、結合器３ｉ（ｉは２〜ｎの整数）が接続されており、各結合器３ｉは制御装置３２に接続されている。そして、各音響光学偏光器２における出力チャネルＯｉ（ｉは２〜ｎの整数）から出力される回折光Ｌｄは、それぞれ同じ番号の結合器３ｉ（ｉは２〜ｎの整数）に伝送され、一つのレーザー光Ｌ′に集約される。すなわち、各音響光学偏光器２で生じた回折光のうち同一の回折角θを有する回折光Ｌｄが一つのレーザー光Ｌ′に集約される。
【００５３】
本実施形態に係るレーザー光路変更装置１によれば、クライアント機器Ｃｉの個数に応じて、音響光学偏光器２の出力チャネルＯｉの個数を設定することができ、各クライアント機器Ｃｉに高出力のレーザー光を伝送することができる。
【００５４】
上述した第一実施形態及び第二実施形態に係るレーザー光路変更装置１において、クライアント機器Ｃｉは、例えば、宇宙太陽光発電送電施設、レーザー推進器、デブリ軌道変換用レーザー照射装置等の宇宙インフラ設備である。したがって、上述したレーザー光路変更装置１は、宇宙空間という放射線環境下で信頼性の高い動作が求められる場合を想定している。
【００５５】
しかしながら、上述したレーザー光路変更装置１は、宇宙空間での使用に限定されるものではなく、類似する環境下である原子力発電設備内や作業者が立ち入ることができない高所作業等においても使用することができる。例えば、原子力発電設備内では、点検・補修・解体等に使用される多腕型又は多指型のレーザープロセッシング無人ロボットにレーザー光路変更装置１を使用することができる。
【００５６】
本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００５７】
１  レーザー光路変更装置
２  音響光学偏光器
２ａ  第一音響光学偏光器
２ｂ  第二音響光学偏光器
２ｃ  第三音響光学偏光器
３，３ｉ  結合器
４  高周波信号発生器
５  レーザー発生装置
６  コールドプレート（冷却器）
３１  位相調整機構
３１ａ  ＭＥＭＳミラー
３１ｂ  ミラー
３１ｃ  スプリッタ
３２  制御装置
Ｃｉ  クライアント機器
Ｌ  レーザー光
Ｌｔ  透過光
Ｌｄ  回折光
Ｉ  入力チャネル
Ｏｉ  出力チャネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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