(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スペクトルビーム結合を使用し、複数のレーザービームレットを結合して単一の平行（コリメート）出力ビームを形成するシステムであって、
複数のビームレットを放出するように構成され、１次元配列に配置された複数の広帯域レーザー源と、
前記複数のビームレットを平行にするように配置された複数のレンズと、
前記平行にされたビームレットに空間チャープを適用し、当該空間チャープ済みビームレットを所定の平面上に位置決めするように構成された空間チャーパーであって、これにより前記ビームレットのスペクトル成分が前記平面上に渡って横方向に分散するものであり、前記空間チャーパーは、前記平行にされた複数のビームレットの各々を分散するように構成された分散素子と、前記分散されたビームレットを前記平面上に集光するように構成された第１のレンズとを有するものである、前記空間チャーパーと、
前記空間チャーパーにより与えられた前記空間チャープを取り除き、前記ビームレットを単一の平行出力ビームへ結合するように構成された分散ビーム結合器であって、前記分散ビーム結合器は第２のレンズと回折格子とを有し、前記第２のレンズは、前記平面と前記回折格子との間に配置され、第２の焦点距離を有し、前記平面から前記第２の焦点距離の位置に配置されているものである、前記分散ビーム結合器と
を有するシステム。
【請求項２】
スペクトルビーム結合を使用し、複数のレーザービームレットを結合して単一の平行（コリメート）出力ビームを形成するシステムであって、
複数のビームレットを放出するように構成され、１次元配列に配置された複数の広帯域レーザー源と、
前記複数のビームレットを平行にするように配置された複数のレンズと、
前記平行にされたビームレットに空間チャープを適用し、当該空間チャープ済みビームレットを所定の平面上に位置決めするように構成された空間チャーパーであって、これにより前記ビームレットのスペクトル成分が前記平面上に渡って横方向に分散するものであり、前記空間チャーパーは複数のレンズ−回折格子ペアを含み、各レンズ−回折格子ペアは空間チャープを前記平行ビームレットの１つに適用するよう構成されており、前記複数のレンズ−回折格子ペアは前記空間チャープ済みビームレットを前記平面上に位置決めするように配置されており、各レンズ−回折格子ペアは第１の回折格子と第１のレンズとを有し、前記第１のレンズは前記第１の回折格子と前記平面との間に配置され、前記第１のレンズは第１の焦点距離を有し、前記第１のレンズは前記平面から前記第１の焦点距離の位置に配置されているものである、前記空間チャーパーと、
前記空間チャーパーにより与えられた前記空間チャープを取り除き、前記ビームレットを単一の平行出力ビームへ結合するように構成された分散ビーム結合器であって、前記分散ビーム結合器は、第２のレンズと第２の回折格子とを有し、前記第２のレンズは前記平面と前記回折格子との間に配置され、前記第２のレンズは第２の焦点距離を有し、前記第２のレンズは前記平面から前記第２の焦点距離の位置に配置されているものである、前記分散ビーム結合器と
を有するシステム。
【請求項３】
請求項２記載のシステムにおいて、前記複数のレンズ−回折格子ペアの各第１のレンズは回折格子及び前記平面と焦点を共有するように位置決めされているものであるシステム。
【請求項４】
請求項２記載のシステムにおいて、前記複数のレンズ−回折格子ペアは一次元の直線配列で配置されるものであるシステム。
【請求項５】
請求項１記載のシステムにおいて、前記複数のレンズの各レンズは略１ｍの焦点距離を有するものであるシステム。
【請求項６】
スペクトルビーム結合を使用し、複数のレーザービームレットを結合して単一の平行（コリメート）出力ビームを形成するシステムであって、
複数のビームレットを放出するように構成され、１次元配列に配置された複数の広帯域レーザー源と、
前記複数のビームレットを平行にするように配置された複数のレンズと、
前記平行にされたビームレットに空間チャープを適用し、当該空間チャープ済みビームレットを所定の平面上に位置決めするように構成された空間チャーパーであって、これにより前記ビームレットのスペクトル成分が前記平面上に渡って横方向に分散するものであり、前記空間チャーパーは空間チャープを前記平行ビームレットのそれぞれに適用するように構成された第１の回折格子と、、前記空間チャープ済みビームレットを前記平面上に位置決めするように構成された第２の回折格子とを有する回折格子ペアを含むものである、前記空間チャーパーと、
前記空間チャーパーにより与えられた前記空間チャープを取り除き、前記ビームレットを単一の平行出力ビームへ結合するように構成された分散ビーム結合器であって、前記分散ビーム結合器は、第３の回折格子と第４の回折格子とを有する回折格子ペアーを含み、前記第３の回折格子は、前記第４の回折格子上に前記空間チャープ済みのビームレットを回折するように構成されているものである、前記分散ビーム結合器と
を有するシステム。
【請求項７】
請求項６記載のシステムにおいて、このシステムは、さらに、
前記第１の回折格子と前記第２の回折格子の下流に配置され、前記空間チャープ済みビームレットを前記ビーム結合器に向けるように配置された少なくとも１つのミラーを有するものであるシステム。
【請求項８】
スペクトルビーム結合を使用し、複数のレーザービームレットを結合して単一の平行（コリメート）出力ビームを形成するシステムであって、
複数のビームレットを放出するように構成され、１次元配列に配置された複数の広帯域レーザー源と、
前記複数のビームレットを平行にするように配置された複数のレンズと、
前記平行にされたビームレットに空間チャープを適用し、当該空間チャープ済みビームレットを所定の平面上に位置決めするように構成された空間チャーパーであって、これにより前記ビームレットのスペクトル成分が前記平面上に渡って横方向に分散するものであり、前記空間チャーパーは複数の第１の回折格子を含み、当該複数の第１の回折格子の各々は空間チャープを前記平行ビームレットのうちの１つに適用するように配置され、前記複数の第１の回折格子は前記空間チャープ済みのビームレットを前記平面上に位置決めするように配置されるものである、前記空間チャーパーと、
前記空間チャーパーにより与えられた前記空間チャープを取り除き、前記ビームレットを単一の平行出力ビームへ結合するように構成された分散ビーム結合器であって、前記分散ビーム結合器は、第２の回折格子と第３の回折格子とを含み、前記第２の回折格子は、前記第３の回折格子上に前記空間チャープ済みのビームレットを回折するように構成されているものである、前記分散ビーム結合器と
を有するシステム。
【請求項９】
請求項８記載のシステムにおいて、前記第１の回折格子は、チャープ体積ブラッグ回折格子（ｃｈｉｒｐｅｄ  ｖｏｌｕｍｅ  Ｂｒａｇｇ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ｇｒａｔｉｎｇ）であるシステム。
【請求項１０】
請求項９記載のシステムにおいて、このシステムは、さらに、
前記チャープ体積ブラッグ回折格子に対して配置された複数のミラーを有し、これにより前記空間チャープ済みビームレットが前記平面上に位置決めされるものであるシステム。
【請求項１１】
請求項２記載のシステムにおいて、前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子はそれぞれ誘電体コーティングされた反射回折格子を含むものであるシステム。
【請求項１２】
請求項１記載のシステムにおいて、前記複数の広帯域レーザー源はレーザーファイバーアレイを含むものであるシステム。
【請求項１３】
請求項１２記載のシステムにおいて、前記レーザーファイバーアレイは、１ｍｍ間隔で一次元の直線配列で配置された２０〜１００の間の広帯域レーザーファイバーを含むものであるシステム。
【請求項１４】
請求項１記載のシステムにおいて、各広帯域レーザー源は略１ｎｍの帯域幅を有するものであるシステム。
【請求項１５】
請求項１記載のシステムにおいて、各広帯域レーザー源は略１ｋｗ〜１００ｋｗの出力強度を有するものであるシステム。
【請求項１６】
請求項２記載のシステムにおいて、このシステムは、さらに、
１若しくはそれ以上の前記レンズ―回折格子ペアの前記第１の回折格子と前記第１のレンズに動作可能に接続されたアクティブ位置制御サブシステムを有し、これにより前記空間チャーパーの出力が前記平面上に位置決めされるものであるシステム。
【請求項１７】
スペクトルビーム結合を使用し、複数のレーザービームレットを結合して単一の平行出力ビームを形成する方法であって、
１次元配列に配置された複数の広帯域レーザー源から複数のレーザービームレットを放出する工程と、
複数のレンズを使用して前記複数のビームレットを平行にする工程と、
所定の平面上でスペクトルビーム成分の横方向分散を生成するように配列された少なくとも１つの分散素子を含む空間チャーパーを使用して、空間チャープを前記平行にされた複数のビームレットの各々に適用する工程であって、前記適用する工程は、前期分散素子を使用して前記平行にされた複数のビームレットの各々を分散する工程と、第１のレンズを使用して前記分散されたビームレットを前記平面上に集光する工程とを含むものである、前記適用する工程と、
分散ビーム結合器を使用して、前記空間チャープ済みビームレットを単一の平行出力ビームへ結合する工程であって、前記結合する工程は、第２のレンズを使用して前記空間チャープ済みビームレットを回折格子に集光させる工程と、前記回折格子を使用して前記空間チャーパーにより与えられた前記空間チャープを取り除き、前記ビームレットを単一の平行出力ビームへ結合する工程とを含むものである、前記結合する工程と、
を有する方法。
【請求項１８】
スペクトルビーム結合を使用し、複数のレーザービームレットを結合して単一の平行出力ビームを形成する方法であって、
１次元配列に配置された複数の広帯域レーザー源から複数のレーザービームレットを放出する工程と、
複数のレンズを使用して前記複数のビームレットを平行にする工程と、
所定の平面上でスペクトルビーム成分の横方向分散を生成するように配列された複数のレンズ−回折格子ペアを含む空間チャーパーを使用して、空間チャープを前記各平行にされたビームレットに適用する工程であって、前記適用する工程は、第１の回折格子を使用して各ビームレットを回折する工程と、第１のレンズを使用して前記各回折ビームレットを前記平面上に集光する工程とを含むものである、前記適用する工程と、
分散ビーム結合器を使用して、前記空間チャープ済みビームレットを単一の平行出力ビームへ結合する工程であって、前記結合する工程は、第２のレンズを使用して前記空間チャープ済みビームレットを回折格子に集光させる工程と、前記回折格子を使用して前記空間チャーパーにより与えられた前記空間チャープを取り除き、前記ビームレットを単一の平行出力ビームへ結合する工程とを含むものである、前記結合する工程と、
を有する方法。
【請求項１９】
スペクトルビーム結合を使用し、複数のレーザービームレットを結合して単一の平行出力ビームを形成する方法であって、
１次元配列に配置された複数の広帯域レーザー源から複数のレーザービームレットを放出する工程と、
複数のレンズを使用して前記複数のビームレットを平行にする工程と、
所定の平面上でスペクトルビーム成分の横方向分散を生成するように配列された複数の回折格子ペアを含む空間チャーパーを使用して、空間チャープを前記各平行にされたビームレットに適用する工程であって、前記複数の回折格子ペアのそれぞれは第１の回折格子と第２の回折格子を有し、前記適用する工程は、前記回折格子ペアの第１の回折格子を使用して前記各ビームレットに空間チャープを適用する工程と、前記回折格子ペアの第２の回折格子を使用して前記各空間チャープ済みビームレットを前記平面上に位置決めする工程と、
分散ビーム結合器を使用して、前記空間チャープ済みビームレットを単一の平行出力ビームへ結合する工程であって、前記結合する工程は、第３の回折格子を使用して前記空間チャープ済みビームレットを第４の回折格子に回折させる工程と、前記第４の回折格子を使用して前記空間チャーパーにより与えられた前記空間チャープを取り除き、前記ビームレットを単一の平行出力ビームへ結合する工程とを含むものである、前記結合する工程と、
を有する方法。
【請求項２０】
スペクトルビーム結合を使用し、複数のレーザービームレットを結合して単一の平行出力ビームを形成する方法であって、
１次元配列に配置された複数の広帯域レーザー源から複数のレーザービームレットを放出する工程と、
複数のレンズを使用して前記複数のビームレットを平行にする工程と、
所定の平面上でスペクトルビーム成分の横方向分散を生成するように配列された複数のチャープ体積ブラッグ回折セルを含む空間チャーパーを使用して、空間チャープを前記各平行にされたビームレットに適用する工程であって、前記適用する工程は、前記チャープ体積ブラッグ回折格子セルを使用して前記各ビームレットを回折する工程を含むものである、前記適用する工程と、
分散ビーム結合器を使用して、前記空間チャープ済みビームレットを単一の平行出力ビームへ結合する工程であって、前記結合する工程は、第３の回折格子を使用して前記空間チャープ済みビームレットを第４の回折格子に回折させる工程と、前記第４の回折格子を使用して前記空間チャーパーにより与えられた前記空間チャープを取り除き、前記ビームレットを単一の平行出力ビームへ結合する工程とを含むものである、前記結合する工程と、
を有する方法。
【請求項２１】
請求項１８記載の方法において、この方法は、さらに、
前記ビームレットを前記平面上に位置決めするため、アクティブ位置制御サブシステムを使用して、前記空間チャーパーの少なくとも１つの前期レンズ―回折格子ペアの前記第１の回折格子と前期第１のレンズの位置をアクティブ制御する工程を有する方法。
【請求項２２】
請求項１記載のシステムにおいて、前記平面は、前記第１のレンズと焦点を共有するように位置決めされているものであるシステム。
【請求項２３】
請求項６記載のシステムにおいて、前記平面は、前記空間チャーパーに含まれる前記回折格子ペアと前記分散ビーム結合器に含まれる前記回折格子ペアとの間の対称面であるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスペクトルビーム結合（Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｂｅａｍ  Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ：ＳＢＣ）に関する。より具体的には、本発明は広帯域幅レーザーを用いたＳＢＣに関する。
【背景技術】
【０００２】
スペクトルビーム結合（ＳＢＣ)は将来有望な概念であって、複数の低出力ビームを結合し、単一で高出力の光線を形成するものである。ＳＢＣでは、それぞれの低出力レーザー素子が離散的な波長のビームレット（ｂｅａｍｌｅｔｓ）を放出し、複数の当該レーザー素子からの前記ビームレットは、スペクトル分散素子を使用し結合されてモノリシックな（つまり一体化した）出力を形成する。この方法では、前記ビームレット個別の光線品質が維持され、単一素子で得られるより高出力なスケールが可能となる。一般的に光線品質とは、レーザーがどれだけ集中的に集光できるかの査定であり、回折が制限されるガウス・ビームは、達成し得る範囲内で最高の光線品質を達成する。様々な評価尺度が光線品質を示すために使われ、例えば、ビームパラメータ積（Ｂｅａｍ  Ｐａｒａｍｅｔｅｒ  Ｐｒｏｄｕｃｔ：ＢＰＰ）があり、それはビームウエストにおけるビーム半径と遠視野ビーム拡散の積である。Ｍ２値は、空間周波数領域での前記ビーム（二次モーメント）帯域幅と、それに対応するビームウエストにおいてビーム半径が同じのガウス・ビームの帯域幅との比率であり、前記Ｍ２値の逆数も使われる。
【０００３】
ＳＢＣ技術の先行技術は一般的に、各ビームレットが狭スペクトル線幅を示すことが要求され、それは角分散を要因とする光線品質の喪失を結合要素から避けるためである。しかしながら、現代の高出力の（例えば、数キロワット（ｍｕｌｔｉ−ｋｉｌｏｗａｔｔ）クラスの）ファイバーレーザー（単一領域モード）は、一般的に１ｎｍ（〜３００ＧＨｚ）規模の帯域幅を示し、そのままＳＢＣアーキテクチャに使用することが阻まれる。図１はＳＢＣ先行技術概念を示すものであって、広帯域幅リニアファイバーレーザーアレイ１０の出力を結合済み出力ビーム６０へと結合し、前記離散波長光線１２をアレイ面１２から焦点距離ｆに配置されたフーリエ変換レンズ３０を使って、回折格子４０に集光することによって結合される。回折格子４０によって回折が起きると、前記離散波長光線１２は同一方向に伝播し、単一光線出力６０へと結合される。選択的な出力結合ミラー５０は、前記アレイ１０の各ファイバーに対し、波長選択的フィードバックを提供することができる。しかしながら、前記ファイバーレーザーが、独立して定められた波長を有する増幅器として構成されている場合、前記出力結合ミラー５０は必要ない。もし前記離散波長入力光線１２が狭スペクトル帯域幅のものであれば、このシステムの結合光線６０の領域輝度は、前記離散波長光線１２の輝度を超え高くなる。しかしながら、もし前記離散波長光線入力１２が広スペクトル帯域幅のものであれば、この領域輝度の増加は、回折格子４０による角分散を原因とする領域輝度の減少によって、部分的、或いは完全に打ち消されてしまう。前記アレイ１０における各ファイバーレーザー素子のスペクトルが広くなればなるほど、スペクトル輝度、すなわち結合光線６０全体の光線品質も、角分散によって一層悪化する。
【０００４】
米国特許第７，１９９，９２４号は、広帯域幅レーザーのＳＢＣによって引き起こされる前記角分散を、２つの平行な回折格子を直列に使用して克服する方法を開示する。第１の回折格子がビームレットのアレイで角分散を起こすと、第２の回折格子上でビームレットが重なりあう結果となり、そこで角分散が取り除かれ、前期ビームレットは重なり合いながら順伝播する。しかし、この方法は確かに角分散を排除するが、それは、結合面で各ビームレットのスペクトル成分が横方向に分散するという代償がある。これは、ビームレットに"空間チャープ（ｓｐａｔｉａｌ  ｃｈｉｒｐ）"を与えることとして知られている。当該空間チャープは、通常は拡大中に起こり得るビームレット拡散の同時減少がない状態のまま、第二の回折格子上での前記ビームレットのスポットサイズを大きくする。それはすなわちＢＰＰの増加と見なされ、光線品質の損失に相当する。空間チャープ由来の光線品質の損失は、角分散によって起こり得る光線品質の損失と同等である。
高出力ファイバーレーザーの帯域幅を狭める試みが進められるなか、狭帯域出力（例えば、数ＧＨｚ）に関する前記先行技術は、１ｋＷ以下でしかない。従って、複数の広帯域幅レーザー出力を、構成要素であるそれぞれの光線と実質的に同じ光線品質を示すような単一の光線へと結合する、改良済みＳＢＣ技術とは、出力パワーが１ｋＷより高いファイバーレーザーを結合するか、若しくは、如何なる出力レベルの入力ファイバーレーザーアレイについて、狭スペクトル帯域幅の必要性の緩和をすることが必要である。
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある（国際出願日以降国際段階で引用された文献及び他国に国内移行した際に引用された文献を含む）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】  米国特許第７２３３４４２号明細書
【特許文献２】  米国特許出願公開第２００１／００３６００２号明細書
【特許文献３】  米国特許出願公開第２００５／０２３２１８２号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の主目的は、上述の先行技術における、１若しくは２以上の問題点を解決するための、スペクトルビーム結合のシステムと方法を提供することにある。
【０００７】
本発明は、上記及びその他の目的を達成するためのスペクトルビーム結合システムとその方法を提供するものであって、それは１若しくは２以上の分散素子を使って複数のビームレットそれぞれに空間チャープ（揺らぎ）が加えられるものであり、前記空間チャープ済みビームレットが単一平行（コリメート）出力ビームへと結合されるのに先立ち、１若しくは２以上の出力回折格子によってフーリエ面でタイル化されるものである。
【０００８】
本発明の第１の側面によると、スペクトル結合を使って複数のレーザービームレットを単一コリメート出力ビームに結合するシステムであって、複数のビームレットを放出する複数の広帯域レーザー源と、複数のビームレットを放つ複数の広帯域レーザー源と、複数のビームレットを平行化する複数のコリメートレンズと、前記コリメートビームレットに空間チャープを加え、且つ前記ビームレットのスペクトル成分がフーリエ面上で横方向にずれるように、前記空間チャープ済みビームレットをフーリエ面にてタイル化するよう構成された空間チャーパー（ｓｐａｔｉａｌ  ｃｈｉｒｐｅｒ）と、前記空間チャーパーによって引き起こされた空間チャープを取り除き、前記ビームレットを単一コリメート出力ビームへと結合するよう構成された分散ビーム結合器とを含む。
【０００９】
本発明の第２の側面によれば、スペクトルビーム結合システムの光線品質を向上するための方法であって、複数の広帯域レーザー源から複数のレーザービームレットを放出する工程と、それぞれ複数のコリメートレンズを使って各ビームレットを平行化する工程と、スペクトルビーム素子の横方向分布がフーリエ面で生じるよう配置された、少なくとも１つの分散素子を含む空間チャーパーを用いて、各ビームレットに空間チャープを加える工程と、空間チャープ済みの前記ビームレットを単一のコリメート済み出力ビームに結合する工程とを含む。
【００１０】
本発明の更なる目的と利点及び、本発明の様々な実施形態の構造と運用が、添付の図面（同じ構成部品を指すのに同じ参照番号が使われている）への参照と共に以下に詳細に記載される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、ＳＢＣ概念の先行技術である。
【図２】図２は、本発明の実施形態による広帯域幅ＳＢＣシステムである。
【図３】図３は、本発明の実施形態による広帯域幅ＳＢＣシステムである。
【図４】図４は、本発明の実施形態による空間チャープを加えるためのレンズ−回折格子ペアを示すものである。
【図５】図５は、フーリエ面について対称的に配置された２つのレンズ−回折格子ペアを示すものである。
【図６】図６は、本発明の実施形態による第１のレンズ−回折格子ペアと、第２のレンズ−回折格子ペアを示すものである。
【図７】図７及び図８はそれぞれ側面図と平面図であり、本発明による、広帯域幅ＳＢＣシステムのもう１つの実施形態のである。
【図８】図７及び図８はそれぞれ側面図と平面図であり、本発明による、広帯域幅ＳＢＣシステムのもう１つの実施形態のである。
【図９】図９は、本発明による、広帯域幅ＳＢＣシステムの更にもう１つの実施形態である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明における広帯域ＳＢＣシステム１００の実施形態は、図２に概略的（に図示される。前記システム１００は、広帯域ファイバーアレイ１１０と、回折格子１４０と、出力結合ミラー１５０と、前記広帯域ファイバーアレイと前記回折格子との間に配置される、前記ファイバーアレイからのビームレットを、前記回折格子に集光するレンズ１３０とを含み、図１に示される先行技術システムのものと類似する。しかしながら、システム１００においては、各ビームレットを回折格子１４０に集光する前に空間チャープを引き起こすことによって、広帯域ファイバーアレイ１１０からの各ビームレットが相殺され、分散的なビーム結合光学素子（例えば回折格子１４０）による角分散が修正される。本実施形態においては、前記空間チャープは空間チャーパー１２０によって各ビームレットに引き起こされる。そしてそれは例えば、対となるレンズ（ｆ１）１２２及び（ｆ２）１２６の間に配置される分散素子１２４を含むことがある。レンズ（ｆ１）１２２は、前記広帯域１１０と分散素子１２４との間に配置され、前記アレイからの前記出力をコリメートする。レンズ（ｆ２）１２６は、前記分散素子と共焦点で位置決めされ、レンズ１３０と共焦点で位置決めされたフーリエ面１２８上の空間で、前記ビームレットがタイル化する。空間チャープ化された前記ビームの適切なタイル化は、レンズ１３０と回折格子１４０によって前記ビームレットからスペクトル的に単一のコリメート済み出力ビームへとフーリエ面１２８において結合することを可能にする。図示されるように、光線出力がそれから出力結合ミラー１５０を通り抜けることもあり得る。前期出力結合ミラー１５０は、前記コリメート出力ビームの出力を、レーザー発振が起こるように、広帯域ファイバーアレイに反射し返す。前述のアプローチは、空間的且つスペクトル的に分散したレーザー光源をフーリエ面１２８で効率よく結合し、すなわち従来の狭帯域ＳＢＣで必要とされる、継続的に分布した単色ファイバーアレイ１０に類似する。
【００１３】
図３は、本願に関するもう一つの広帯域ＳＢＣシステム２００を図示する。広帯域ＳＢＣシステム２００は、図２に図示される前記システムと類似するが、各ビームレットに空間チャープを引き起こすための、レンズ−回折格子ペア２７０のアレイを含む。特定すると、システム２００は、入力レーザービームのアレイ若しくは、例えば広帯域ファイバーアレイからのビームレットと、入力ビームレットの数に対応するレンズ−回折格子ペア２７０のアレイと、最終的なレンズ−回折格子ペア２８０とを含む。便宜的にに、色の異なる２つの入力ビームレットと２つのレンズ−回折格子ペア２７０が図示されている。しかしながら、この概念は、前記レンズ−回折格子ペアの適切な選定と配置によって、Ｎ個の多色入力源ビームレットとＮ個のレンズ−回折格子ペア２７０に一般化することが可能であることは理解されるものである。各レンズ−回折格子ペア２７０は、回折格子（Ｇ１）２２４と、焦点距離ｆ１と光学軸（ＯＡ１）を有するレンズ（ｆ１）２２６とを含み、"フーリエ面"と記述される平面２２８上に回折光を集光すべく、前記回折格子と共焦点であるよう位置決めされ、前記広帯域コリメートレーザー光線のスペクトル成分は横方向に分布し、これはレインボーカラー効果として図に示される。この方法においては、各レンズ−回折格子ペア２７０が空間チャーパーとして機能する。レンズ−回折格子ペア２８０は、レンズ軸（ＬＡ２）と光学軸（ＯＡ２）を有するレンズ（ｆ２）２３０と、回折格子（Ｇ２）２４０とを含み、レンズ（ｆ２）２３０の前記光学軸（ＯＡ２）は、前記空間チャーパーの光学軸（ＯＡ１）から横方向にずれて配置される。前記システムは、図１若しくは２に図示されるタイプの、出力結合ミラーを含むこともある。
【００１４】
図４は、システム２００における、単一のレンズ−回折格子ペア２７０を示し、本願の実施形態において、レンズ−回折格子ペアがどのように空間チャーパーとして使用されるかを図示する。図示されているように、多色性広帯域コリメートレーザー光線は、回折格子（Ｇ１）２２４により回折し、青（ｂ）と赤（ｒ）の光線で表されるような、スペクトル光線成分が角分散する。焦点距離がｆ１のレンズ２２６は、回折格子（Ｇ１）２２４と共焦点に置かれ、前記回折光は、レンズ２２６のｆ１の下流に位置する平面２２８に集光する。上で述べられた通り、平面２２８は"フーリエ面"として言及される。なぜなら、レインボーカラー効果として概略的に図で示されているように、広帯域コリメートレーザー光線のスペクトル成分は横方向に分散するからである。
【００１５】
図５は、光学軸（ＯＡ）と同一直線上にあるフーリエ面２２８について、対照的に配置されるレンズ−回折格子ペア２７０とレンズ−回折格子ペア２８０とを示し、第一のレンズ−回折格子組合せを使って空間チャープを作成し、前記空間チャープを第二のレンズ−回折格子組合せで取消すという概念を示している。当該光学配置において、元の多色性広帯域コリメートレーザー光線が実質的に出力レーザー光線として再構築される。これは、分散した前記スペクトルを、元のレンズ−回折格子ペア２７０を通過しに戻るよう逆反射するために平面ミラーをフーリエ面２２８に位置決めすることと同等のことである。
【００１６】
図６は、システム２００における単一のレンズ−回折格子ペア２７０を示し、前記レンズ−回折格子ペアを、第二のレンズ−回折格子ペア２８０の光学軸に相対的な位置に配置することの効果を明示するものである。ここでは、レンズ−回折格子ペア２８０は、レンズ軸（Ｌｅｎｓ  Ａｘｉｓ：ＬＡ）を有するレンズ（ｆ２）２３０と、回折格子（Ｇ２）２４０とを含み、レンズ−回折格子ペア２７０の前記光学軸（ＯＡ）に対して、横方向にずらして配置（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｌｙ  ｄｉｓｐｌａｃｅｄ）される。図６では、前記入力レーザー光線のスペクトル成分は、青（ｂ）と緑（ｇ）の光線によって示される。図５と図６の比較によって、当該横方向ずらし配置による唯一の影響は、回折格子Ｇ２上への出力ビームの軌跡が、元のずらしと同じ分だけ移動することであると明らかにされる。図３に図示されるシステム２００は、Ｎ個のレンズ−回折格子ペアの組合せが、直線的なアレイとして、第二のレンズ−回折格子ペアの光学軸に対して横側に配置されていると理解される。
【００１７】
システム２００の運用において、各入力広帯域コリメートレーザー光線は、光線のスペクトル成分を角分散するそれぞれの回折格子Ｇ１によって回折され、第一のレンズ−回折格子ペア２７０については青（ｂ）や緑（ｇ）の光線として、そして第二のレンズ−回折格子ペア２７０については赤（ｒ）やオレンジ（ｏ）として示される。それぞれの各レンズｆ１は、空間チャープ光線をフーリエ面２２８に集光して、タイル状スペクトルを生成するする。フーリエ面２２８における前記空間チャープ光線の適切なタイル化は、レンズ−回折格子ペア２８０が前記ビームレットを単一コリメート出力ビームとしてスペクトル的に結合するのを可能にする。違う視点から見た場合、前記フーリエ面２２８は、単色の発散ビームレットをそれぞれ放出するＮ個の仮想ファイバーレーザーのソースとして見なすこともできる。、前記フーリエ面２２８の右側への光学配置は、Ｎ個の狭帯域幅ファイバーレーザーのＳＢＣの標準的な状態（ｃａｎｏｎｉｃａｌ  Ｓｉｔｕａｔｉｏｎ）に対応する。
【００１８】
図７及び図８は、本発明による、広帯域ＳＢＣシステム３００のもう一つの実施形態を示し、入力回折格子ペア３７０が、各ビームレットに空間チャープを引き起こすための空間チャーパー３２０として使用されるものであり、その間出力回折格子ペア３８０は、スペクトルビーム結合に使用される。更に特定すると、システム３００は、入力レーザービームレット若しくはビームレット３１２のアレイと（例えば広帯域ファイバーアレイ３１０からのもの）、前記ビームレットをコリメートするよう構成されたレンズのアレイと、回折格子３７０と３８０のペアとを含み、それらは、対称面の複数の折り返しミラーについて対称に配置され、第一の回折格子ペア３７０が各コリメートビームレットに空間チャープを引き起こし、そしてそれは前記チャープビームレットを対称面若しくはフーリエ面にて空間的にタイル化するものであり、前記ミラーが前記空間的にタイル化されたビームレットを出力回折格子ペアに誘導し、前記出力回折格子ペア３８０が前記ビームレットを単一の光線へと結合するものである。便宜的に４つの入力ビームレット３１２が図示されている。しかしながら、この概念は、Ｎ個の入力ソースビームレットとして一般に理解されるものである。前記入力回折格子ペア３７０は、空間チャープを入力ビームレットに引き起こすよう位置決めされた第一の回折格子（Ｇ１）３２４と、前記チャープビームレットを受け取り、それらをレインボーカラー効果で示される対称面にて空間的にタイル化する第二の回折格子（Ｇ２）３２６とを含む。図示された実施形態では、前記空間タイル化が分散面に対して直角な平面でコンパクトに実施されている。折り返しミラー３７５は、フーリエ面に沿って前記空間チャープビームレットを出力回折格子ペアに誘導するために配置される。出力回折格子ペア３８０は、第３の回折格子（Ｇ３）３３０と第４の回折格子（Ｇ２）３４０とを含み、それらは、前記空間チャープビームレットが第３の回折格子から第４の回折格子へと回折し、それによって単一出力ビームに結合されるよう配置される。図７及び図９は単一の大きな入力回折格子ペアを示すが、実際にはこれらは各入力ビームレットに対する個別の素子であってもよい。
【００１９】
図９は本発明による、広帯域ＳＢＣシステム４００のもう１つの実施形態を示し、それは図７及び図８に図示されるものと類似するが、ここではチャープ体積ブラッグ回折格子（Ｃｈｉｒｐｅｄ  Ｖｏｌｕｍｅ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ：ＣＶＢＧ）が、空間チャーパーを各ビームレットに引き起こす空間チャーパーとして使用される。先の実施形態のように、前記入力ビームレット４１２はレンズによってコリメートされ、出力回折格子ペア４８０がスペクトルビーム結合に使用される。ＣＶＢＧは、指数変調が光熱ガラスにエンコードされる体積ホログラム装置である。適切な変調プロファイルの設計により、前記装置は、素材の異なる深さにおいて異なる波長を反射させるようにすることが可能である。この装置は、レーザーパルスに、時間チャープ若しくは空間チャープを引き起こすのに使用することができる。しかしながら、もし入力レーザー回折格子ベクトルに対する角度で入力レーザーが前記ＣＶＢＧに入射する場合、異なる波長での異なる侵入深さのせいで、前記装置は空間チャープを反射光線に引き起こす。一旦ビームレットが空間チャープ化されると、空ちゃんチャープビームレットは折り返しミラーを使ってフーリエ面で同時にタイル化され、最後の出力回折格子ペア４８０から回折するとすぐに、で前記ビームレットが互いに重なり合い空間チャープが無い状態で、回折限界まで順伝播する。
【００２０】
一実施形態において、前記レーザーアレイは、約１ｍｍ間隔での一次元的の直線配列で配置され、約２０〜約１００幅の帯域幅レーザーを含む。一実施形態において、前記の各レーザーの帯域幅は約１ｎｍであり、レーザーの出力パワーはおよそ１ｋｗからおよそ１００ｋｗである。１実施形態において、レンズ−回折格子ペア２７０内の各レンズｆ１の焦点距離はおよそ１ｍであり、一方、レンズ−回折格子ペア２８０内のレンズｆ２の焦点距離はおよそ１ｍである。如何なる適切な分散素子を使用することができるが、前記回折格子Ｇ１とＧ２は、好ましくは、高出力であり、誘電体コーティングがなされた、反射回折格子である。
【００２１】
上記から、本発明に係る実施形態は、ＳＢＣビーム結合光学によって引き起こされる分散を、各広帯域幅ファイバーアレイビームレットを単一のコリメート出力ビームへと結合する前に"予め相殺"することによって、修正できることが理解されるものである。本発明によって認識されるシステムと方法は、回折限界の光線品質及び高出力のアウトプットが要求される、例えば、ミサイル防衛のためのレーザー兵器システムや、砲兵による防衛、精密照準爆撃などの様々な応用に適用される。更に、例えば図３の２６０として破線で示されたような１若しくはそれ以上の光学部品の位置または配向を調整することにより、アクティブ位置制御サブシステム（ａｃｔｉｖｅ  ｐｏｓｔｉｏｎｉｎｇ  ｃｏｔｒｏｌ  ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ）は正確にタイル化（例えば、フーリエ面での空間チャープスペクトルの位置決め）するのに使用され得る。
【００２２】
本発明をその特定の実施形態と共に説明してきたが、多くの代替手段、修正、及び変更が可能なことは当業者にとって明らかである。例えば、誘電体コーティングされた反射型回折格子を分散素子として使用することが望ましいが、これに限定されるものではないが反射型回折格子又は通過型回折格子を含む適切なあらゆる分散素子が使用できることは理解されるものである。更に、レンズ−回折格子ペア内のレンズは、図示されるような通過型素子若しくは、適切な寸法の湾曲型ミラー基盤でもよい。そして更にレーザーファイバーアレイの使用が好まれる一方で、如何なる帯域幅レーザーソースも使用可能である。従って、本発明の好ましい実施形態について説明したが、実例的な意図であって、限定をするものではない。ここに示される本発明の真の思想及び範囲内にある様々な変更をなすことができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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