(57)【要約】【課題】各サブアレーでの位相差の補正と共に各サブアレーの指向角の補正さらに所望の位置への焦点調整を同一の装置により行うフェーズドアレーレーザ装置を提供する。【解決手段】基準レーザ光源の出力光をサブアレーに分岐し、サブアレーごとに増幅後、コヒーレント加算を行うフェーズドアレーレーザ装置において、前記各サブアレー毎に、前記サブアレーの１つに基づき生成された参照光とサブアレー出力光の合波光を各象限ごとに電気信号にする４象限光検出器９と、サブアレー出力光をコリメートする光学系のための並進駆動機構１１と、前記４象限光検出器からの信号に基づき、参照光とサブアレー出力光の光位相差を検出しサブアレーのための光位相変調器にフィードバック制御すると共に、サブアレー出力光の指向方向誤差を検出し前記並進駆動機構にフィードバック制御するフィードバック制御手段１０と、を備えた。【選択図】図１
2011254028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準レーザ光源の出力光をサブアレーに分岐し、サブアレーごとに増幅後、コヒーレント加算を行うフェーズドアレーレーザ装置において、
前記各サブアレー毎に、
前記サブアレーの１つに基づき生成された参照光とサブアレー出力光の合波光を各象限ごとに電気信号にする４象限光検出器と、
サブアレー出力光をコリメートする光学系のための並進駆動機構と、
前記４象限光検出器からの信号に基づき、参照光とサブアレー出力光の光位相差を検出しサブアレーのための光位相変調器にフィードバック制御すると共に、サブアレー出力光の指向方向誤差を検出し前記並進駆動機構にフィードバック制御するフィードバック制御手段と、
を備えたことを特徴とするフェーズドアレーレーザ装置。
【請求項２】
フィードバック制御手段が、４象限光検出器の電気信号から検出したサブアレー出力光の指向方向誤差に所望のオフセットを与えて並進駆動機構にフィードバックしてサブアレー出力光の指向方向を所望の方向に制御することを特徴とする請求項１に記載のフェーズドアレーレーザ装置。
【請求項３】
フィードバック制御手段が、４象限光検出器の電気信号から検出したサブアレー出力光の光位相差に所望のオフセットを与えて光位相変調器にフィードバックしてサブアレー出力光を所望の位置に集光させることを特徴とする請求項２に記載のフェーズドアレーレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、単一周波数の基準光をサブアレーに分岐しサブアレーごとに光増幅後、サブアレー間の光位相誤差を検出帰還して出力光をコヒーレント加算するフェーズドアレーレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
単一周波数の基準光をサブアレーに分岐しサブアレーごとに光増幅後、サブアレー間の光位相誤差を検出帰還して出力光をコヒーレント加算するフェーズドアレーレーザ装置において、各サブアレーから出力されるビームの指向角の誤差をμradのオーダ程度に揃える必要がある。また、合成ビームを任意の距離で得るためには、サブアレー間に波面曲率を与える必要がある。このため、従来は、光源内で静的に光軸調整して各アレー指向角を平行にしてコヒーレント加算し、望遠鏡を用いて集光位置を変更していた(例えば下記特許文献１参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３２３７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら従来の構成では、各サブアレーでの光増幅に伴う熱負荷の入力に伴い、指向角にずれが生じる問題があった。また、集光位置の変更に望遠鏡の主鏡と副鏡の間隔の機械的調整に時間を要することが課題であった。
【０００５】
この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、各サブアレーでの位相差の補正と共に、各サブアレーの指向角の補正、さらには所望の位置への焦点調整を同一の装置により行うフェーズドアレーレーザ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】
【０００６】
この発明は、基準レーザ光源の出力光をサブアレーに分岐し、サブアレーごとに増幅後、コヒーレント加算を行うフェーズドアレーレーザ装置において、前記各サブアレー毎に、前記サブアレーの１つに基づき生成された参照光とサブアレー出力光の合波光を各象限ごとに電気信号にする４象限光検出器と、サブアレー出力光をコリメートする光学系のための並進駆動機構と、前記４象限光検出器からの信号に基づき、参照光とサブアレー出力光の光位相差を検出しサブアレーのための光位相変調器にフィードバック制御すると共に、サブアレー出力光の指向方向誤差を検出し前記並進駆動機構にフィードバック制御するフィードバック制御手段と、を備えたことを特徴とするフェーズドアレーレーザ装置にある。
【発明の効果】
【０００７】
この発明では、各サブアレーでの位相差の補正と共に、各サブアレーの指向角の補正、さらには所望の位置への焦点調整を同一の装置により行うフェーズドアレーレーザ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１によるフェーズドアレーレーザ装置の構成を示す模式図である。
【図２】この発明の実施の形態２によるフェーズドアレーレーザ装置の構成を示す模式図である。
【図３】この発明の実施の形態３によるフェーズドアレーレーザ装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
この発明では、単一周波数の基準光をサブアレーに分岐しアレーごとに光増幅後、サブアレーの光位相誤差を検出帰還して出力光をコヒーレント加算するフェーズドアレーレーザ装置において、サブアレーの光位相誤差と同時に各サブアレーの指向角誤差を検出し、サブアレーごとの出力光コリメートレンズ駆動機構へと帰還制御を行うことにより、各サブアレーの指向角の補正および所望の位置への焦点調整を同一の装置で行うものである。
【００１０】
以下、この発明によるフェーズドアレーレーザ装置を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。
【００１１】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるフェーズドアレーレーザ装置の構成を示す模式図である。図１において、１は基準レーザ光源、２は光周波数シフタ、３ａ〜３ｃは光位相変調器、４ａ〜４ｃは光増幅器、５ａ〜５ｃはサブアレー出力光用コリメートレンズ、６は参照光用コリメートレンズ、７はビーム参照用平板、８ａ〜８ｃは集光用レンズ、９ａ〜９ｃは４象限光検出器、１０ａ〜１０ｃはフィードバック制御手段を構成する演算回路、１１ａ〜１１ｃはサブアレー出力光用コリメートレンズ５ａ〜５ｃの並進駆動機構、１２は光分波器を示している。また、図１において、光位相変調器３ａ〜３ｃから光増幅器４ａ〜４ｃまでの各光路をそれぞれサブアレー光路１３ａ〜１３ｃと呼び、光周波数シフタ２を含む光路を参照光路１４と呼ぶことにする。サブアレー光路１３ａ〜１３ｃは３個に制限されることはなく複数設けられ、その数に合わせてサブアレー出力光用コリメートレンズ５ａ〜５ｃ、集光用レンズ８ａ〜８ｃ、４象限光検出器９ａ〜９ｃ、演算回路１０ａ〜１０ｃおよび並進駆動機構１１ａ〜１１ｃが設けられる。
【００１２】
図１において、基準レーザ光源１、光周波数シフタ２、光位相変調器３ａ〜３ｃ、光増幅器４ａ〜４ｃ、光分波器１２は、レーザ光の入力および出力が光ファイバを介して行われる光ファイバ型の機器であり、上記の機器間は比較的太い破線で示す光ファイバにより接続されているものとする。さらに、これらの光ファイバは偏波保存型の光ファイバであるとする。
【００１３】
なお、これらの機器には空間型の光学系を介してレーザ光の入力および出力を行う空間型の機器を用いても良いが、この場合、レーザ光の光路を変更するための反射鏡が必要となったり、光軸の調整が必要となる。光ファイバ型の機器を用いることにより、機器間の光軸調整が不要となり、振動などの外乱の影響を受けにくくすることができる。さらに、偏波保持型の光ファイバを用いることにより、ファイバ中の偏光方向が維持されるため、サブアレーごとの偏光方向の検出機器および調整機器が不要となる。
【００１４】
次に動作について説明する。基準レーザ光源１は所定の発振波長、出力パワーで連続発振波のレーザ光を発生させる。基準レーザ光源１は所望の発振波長が得られるものを用いる。また、コヒーレント加算を行うために、できるだけ狭線幅のものが適する。基準レーザ光源１の出力パワーは、光増幅器４ａ〜４ｃへの入力パワーが各増幅器での増幅動作に問題ないほど十分に大きく、かつ参照光路１４へと十分なパワーを分岐できるようにするために必要な所定パワー以上の出力が可能なものを用いる。
【００１５】
基準レーザ光源１から出力されたレーザ光は、光分波器１２により複数のサブアレーとして、それぞれ所定の割合でパワーが各光路へと分岐される。光分波器１２により分岐された光路のうち１つは参照光として参照光路１４へと入力される。他の分岐された光路はサブアレー用の入力光としてサブアレー光路１３ａ〜１３ｃへと入力される。図１においては、サブアレー光路を１３ａ〜１３ｃしか示していないが、光分波器１２により分岐された光路のうち参照光用に用いるものを除く全ての光路をサブアレー光路として用いることができる。
【００１６】
光分波器１２には光ファイバ型の２分岐カプラを複数段接続したものや、光導波路型の分岐カプラなどを用いることができる。また、これらの組み合わせや多段階接続により分岐数の増設も可能である。
【００１７】
光分波器１２により分岐され参照光路１４へと入力された参照光は、光周波数シフタ２により所定の周波数変化が与えられる。光周波数シフタ２により与えられる周波数変化は、４象限光検出器９ａ〜９ｃで検出可能な帯域にする必要がある。光周波数シフタ２には音響光学変調器(AOM: Acousto-Optic Modulator)などを用いることができ、ＡＯＭを用いた場合、周波数変化量は通常、数１０〜数１００ＭＨｚ程度である。
【００１８】
光周波数シフタ２により周波数変化が与えられた参照光は、光ファイバから空間へと出力され、参照光用コリメートレンズ６によりコリメートビーム化される。参照光用コリメートレンズ６には球面レンズや非球面レンズ等の各種レンズやビームエキスパンダのようなビーム径変換光学系を使用できるが、コリメートビームのビーム径が所定値以上となるように焦点距離の適切なものを用いる。参照光コリメートビームのビーム径は各サブアレーからの出力ビームのすべてが参照光コリメートビーム内に収まるように大きくする必要がある。
【００１９】
サブアレー光路１３ａ〜１３ｃへと分岐されたレーザ光は各サブアレーにおいて、それぞれ光位相変調器３ａ〜３ｃで位相状態の変化を受けた後、光増幅器４ａ〜４ｃで光パワーを増幅される。
【００２０】
光位相変調器３ａ〜３ｃにはファイバ型であればＬｉＮｂＯ３結晶を用いたＬＮ位相変調器やマッハツェンダー型の光位相変調器を用いることができる。また、空間型の位相変調器としては液晶素子等を用いた空間位相変調器を用いることができる。これらはいずれも、素子への印加電圧により位相の変調量を制御可能である。
【００２１】
光増幅器４ａ〜４ｃは入力されたレーザ光を増幅し、所定のパワーに高める。光増幅器４ａ〜４ｃには、光ファイバ型増幅器、ロッド型や導波路型の増幅媒質を用いた光増幅器、半導体型増幅器などを用いることができるが、基準レーザ光源１の波長と、所望の増幅率等を考慮して適するものを選択する。
【００２２】
光増幅器４ａ〜４ｃの出力光は、サブアレー出力光用コリメートレンズ５ａ〜５ｃによりコリメートビーム化され、空間へと出力される。コリメートレンズ５ａ〜５ｃはコリメート後のビーム径が所定の値になるような焦点距離のものを用いる。前述のように、各サブアレーからのサブアレー出力光ビームと参照光コリメートビームの空間的な配置を考慮し、サブアレー出力光コリメートビームのビーム径とサブアレー出力光の配置(サブアレー光路１３ａ〜１３ｃの配置)を決定する。
【００２３】
サブアレー出力光用コリメートレンズ５ａ〜５ｃは、出力光に対して垂直な平面内の縦および横方向に位置を調整可能にする並進駆動機構１１ａ〜１１ｃをそれぞれ有する。並進駆動機構１１ａ〜１１ｃによってサブアレー出力光に対するサブアレー出力光用コリメートレンズ５ａ〜５ｃの位置を変化させることにより、サブアレー出力光コリメートビームの出射方向が調整できる。並進駆動機構１１ａ〜１１ｃには出力光に対して平行な方向に対しても位置調整機能を持つものを用いてもよい。この場合、サブアレー出力光(サブアレー光路１３ａ〜１３ｃの出力端)からサブアレー出力光用コリメートレンズ５ａ〜５ｃまでの距離についても調整可能となり、サブアレー出力光コリメートビームのコリメート状態の調整が可能となる。
【００２４】
各サブアレーからの出力光コリメートビームはビーム参照用平板７により、出力光パワーの一部が反射される。このとき、ビーム参照用平板７により反射されたサブアレー出力光は参照光コリメートビームと合波される。ビーム参照用平板７はサブアレー出力光の出射方向に対しておよそ４５度の角度になるように設置する。ビーム参照用平板７には反射面に低反射コーティングを施したミラーや光学研磨したガラス面などを用いることができ、裏面には無反射のコーティングを施したものを用いるのが望ましい。ビーム参照用平板７の反射率は、４象限光検出器９ａ〜９ｃで十分な検出感度を得るために必要な光入力パワーが得られるように参照光コリメートビームのパワーと併せて考慮し、反射率が大きいほど透過する出力光パワーの損失が大きくなるため、適切な反射率のものを選択して用いる。
【００２５】
ビーム参照用平板７により反射されたサブアレー出力光と参照光コリメートビームの合波光は、それぞれ集光用レンズ８ａ〜８ｃにより集光され、それぞれ４象限光検出器９ａ〜９ｃ上にビームスポットを形成する。集光用レンズ８ａ〜８ｃは、４象限光検出器９ａ〜９ｃでのビームスポット中心位置の検出精度を考慮し、集光ビーム径が適する大きさになるような焦点距離のものを選択して用いる。
【００２６】
４象限光検出器９ａ〜９ｃでは、参照光とサブアレー出力光の合波光を各象限ごとに電気信号に変換し、それぞれ演算回路１０ａ〜１０ｃに入力する。
【００２７】
演算回路１０ａ〜１０ｃでは、入力された電気信号のうち、参照光とサブアレー出力光のビート信号からサブアレー出力光の光位相差を検出する。また、各象限に入力される参照光とサブアレー出力光の合波光パワーを重心演算することによりビームスポット中心位置を検出する。
演算回路１０ａ〜１０ｃは、検出した光位相差を光位相変調器３ａ〜３ｃに入力する位相変調量としてフィードバック制御を行う。これにより、各サブアレー出力光の位相差を補正し、同位相に揃えることができる。
また、演算回路１０ａ〜１０ｃは、各サブアレー出力光が平行となる場合のビームスポット中心位置である基準位置からの検出したビームスポット中心位置のずれ量を計算することにより、各サブアレー出力光の指向方向誤差を検出する。これを並進駆動機構１１ａ〜１１ｃに入力する位置調整量としてフィードバック制御を行う。これにより、各サブアレー出力光を平行に保つことができる。
【００２８】
以上の構成では、４象限光検出器を用いることにより、サブアレー出力光の位相誤差と指向方向誤差を同時に検出でき、これらをフィードバック制御することにより、位相と指向方向を同時に補正することができる。これにより、光増幅器の発生する熱や、周囲温度、振動等によるサブアレー出力光用コリメートレンズの位置の変化を、リアルタイムに補正でき、装置の動作安定化を向上できる。
【００２９】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、各サブアレー出力光を平行(水平)にする場合の構成について説明したが、サブアレー出力用コリメートレンズに設けた並進駆動機構によって、各サブアレー出力光の出射方向を所望の方向に調整でき、複数のサブアレー全体の出力光の出射方向を所望の方向に調整できる。
【００３０】
図２はこの発明の実施の形態２によるフェーズドアレーレーザ装置の構成を示す模式図である。サブアレー出力光用コリメートレンズ５ａ〜５ｃでは、入力光とレンズの中心軸の相対位置によりコリメート光の出射方向を変化させることができる。図２の構成においては、演算回路１０ａ〜１０ｃは、各サブアレー出力光が平行となる場合のビームスポット中心位置である基準位置と異なる所定位置からの検出したビームスポット中心位置のずれ量を計算することにより、各サブアレー出力光の所望の指向方向からの誤差を検出する。これ(すなわちオフセットした指向方向誤差)を並進駆動機構１１ａ〜１１ｃに入力する位置調整量としてフィードバック制御を行う。
【００３１】
これにより、個々のサブアレー出力光の指向方向を所望の指向方向に制御できる。さらに全サブアレー出力光を所望の指向方向に制御することにより、複数のサブアレー全体の出力光の指向方向を制御できる。これにより、ミラーなどの光学素子を用いることなく、出力光ビームを任意の方向に調整することができる。また、個々のサブアレー出力光の指向方向のばらつきをなくすことができ、装置を安定に効率よく動作させることができる。
【００３２】
実施の形態３．
上記実施の形態２では、各サブアレーの出力光を平行に保ったまま複数のサブアレー全体の出力光の出射方向を制御する装置を示したが、サブアレー出力光のビーム毎の位相状態と出射方向を調整することにより、複数のサブアレー全体の出力光を集光させることができる。
【００３３】
図３はこの発明の実施の形態３によるフェーズドアレーレーザ装置の構成を示す模式図である。図３の構成においては、演算回路１０ａ〜１０ｃは、サブアレー出力光の指向方向がそれぞれ所望の指向方向になるように、ビームスポット中心位置ずれ量を検出し、並進駆動機構１１ａ〜１１ｃに入力する位置調整量としてフィードバック制御を行う。これにより、図３に示すように、各サブアレーの出力光が１点で重なるようにそれぞれのサブアレー出力光の指向方向を調整する。同時に、サブアレー出力光の出力光ビームが交差する点で各サブアレーの位相が一致するように、光位相変調器３ａ〜３ｃに入力する位相変調量を調整してフィードバック制御を行う。これ(すなわちオフセットした光位相差)により、１点で各サブアレー出力光のビームが重なり、さらに位相が一致しているために、この一点において各サブアレーからの出力光がコヒーレントに加算される。
【００３４】
この構成により、外部にレンズや望遠鏡などの集光用の光学素子を用いることなく、サブアレー出力光を集光した状態を作り出すことができる。さらに、サブアレー出力光用コリメートレンズの位置調整量を操作するだけで、複数のサブアレー出力光全体の集光位置を調整することができ、焦点位置調整を自動化させることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１  基準レーザ光源、２  光周波数シフタ、３ａ〜３ｃ  光位相変調器、４ａ〜４ｃ  光増幅器、５ａ〜５ｃ  サブアレー出力光用コリメートレンズ、６  参照光用コリメートレンズ、７  ビーム参照用平板、８ａ〜８ｃ  集光用レンズ、９ａ〜９ｃ  ４象限光検出器、１０ａ〜１０ｃ  演算回路(フィードバック制御手段)、１１ａ〜１１ｃ  並進駆動機構、１２  光分波器、１３ａ〜１３ｃ  サブアレー光路、１４  参照光路。
【図１】
2011254028.tif 000003
【図２】
2011254028.tif 000004
【図３】
2011254028.tif 000005