(57)【要約】本発明は、少なくとも２台の光学増幅器のコヒーレント結合用受動装置に関する。本発明によれば、この装置は、少なくとも４本の分岐（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４）をもつ干渉計を備えている。この干渉計は、偏光を分割し合成する光学手段を備えている。この手段は、１本の分岐にそれぞれ接続される４つの入射出ポートを備えている。第１分岐は、第１偏光手段と、第１光学増幅器と、第１ミラーとを備えている。第２分岐は、第２偏光手段と、第２光学増幅器と、第２ミラーとを備えている。第３分岐は、第３偏光手段と第３ミラーとを備えている。第４分岐は、干渉計の入射出分岐である。さらに、第１、第２および第３の偏光手段は、第１、第２および第３の分岐にそれぞれ入射し前記分岐の端でミラーに反射される偏光光学ビームが、前記分岐に入射する偏光した光学ビームの偏光に直交する偏光を、前記分岐から射出する偏光した光学ビームを形成するように構成されている。
2014521218.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも４本の分岐（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４）をもつ振幅分割干渉計を備えている複数の光学増幅器のコヒーレント結合用受動装置であって、
前記干渉計は、
−  ４つの入射出ポート（ＥＳ１、ＥＳ２、ＥＳ３、ＥＳ４）をもつ光学偏光分割合成手段（Ｃ１）を備え、各入射出ポート（ＥＳ１、ＥＳ２、ＥＳ３、ＥＳ４）は、４本の分岐（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４）のうちの１本にそれぞれ連結されており、
−  第１分岐（Ｂ１）は、第１偏光手段（Ｒ１）、第１双方向光学増幅器（Ａ１）、および前記第１分岐（Ｂ１）の端部を形成する第１ミラー（Ｍ１）を備え、
−  第２分岐（Ｂ２）は、第２偏光手段（Ｒ２）、第２双方向光学増幅器（Ａ２）、および前記第２分岐（Ｂ２）の端部を形成する第２ミラー（Ｍ２）を備え、
−  第３分岐（Ｂ３）は、第３偏光手段（Ｒ３）、第３分岐（Ｂ３）の端部を形成する第３のミラー（Ｍ３）を備え、
−  前記第１、第２および第３偏光手段（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）は、前記第１、第２および第３の入射出ポートそれぞれによって、前記第１、第２または第３分岐（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）それぞれに入射した偏光光学ビームが、第１、第２および第３ミラー（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）によってそれぞれ反射されて、前記分岐から射出される、前記分岐に入射した前記偏光光学ビームの偏光に直交する偏光をもつ偏光光学ビームを形成するように構成され、
−  第４分岐（Ｂ４）は、偏光入射光学ビーム（Ｓ０）を受光して、それを第４入射出ポート（ＥＳ４）に向かわせるように配置されている前記干渉計の入射出分岐であり、
−  光学偏光分割合成手段（Ｃ１）は、偏光入射ビーム（Ｓ０）を第１の２次入射ビーム（Ｈ１４ｉ）と第２の２次入射ビーム（Ｈ２４ｉ）に偏光分割するように構成され、前記第１および第２の２次入射ビームは互いに直交する偏光をもち、干渉計の第１、第２と第３分岐を通過する第１の２次入射ビーム（Ｈ１４ｉ）は、第１の光路に従って第１の増幅した射出ビーム（Ｈ１４ｏ）を形成し、干渉計の第１、第２および第３の分岐を通過する第２の２次入射ビーム（Ｈ２４ｉ）は、第１の光路と反対方位の第２の光路に従って第２の増幅した射出ビーム（Ｈ２４ｏ）を形成し、前記した第１及び第２の増幅した射出ビーム（Ｈ１４ｏ、Ｈ２４ｏ）は互いに直交する偏光を持っており、
−  前記分割再合成手段（Ｃ１）は、前記第１の増幅した射出ビーム（Ｈ１４ｏ）と前記した第２の増幅した射出ビーム（Ｈ２４ｏ）を受け、これらを、空間的、時間的かつコヒーレントに再合成して、偏光入射光学ビーム（Ｓ０）に対して反対方向に第４分岐（Ｂ４）中を伝播するコヒーレントな射出ビーム（Ｓ１）を形成する
ことを特徴とするコヒーレント結合用受動装置。
【請求項２】
前記分岐再合成手段は偏光分割キューブ（Ｃ１）を備えている請求項１によるコヒーレント結合用受動装置。
【請求項３】
第４分岐（Ｂ４）に配置されている光学アイソレータ（Ｒ４、Ｃ４）をさらに備えている請求項１または２によるコヒーレント結合用受動装置。
【請求項４】
前記第１、第２および／または第３の偏光手段（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）は、直線偏光した光学ビームの偏光を二重通過後９０度回転するように構成されている１／４波長板または双方向のファラデー回転子を備えている請求項１ないし３の１項によるコヒーレント結合用受動装置。
【請求項５】
前記第１および第２の光学増幅器は、同じ光学増幅利得を有する請求項１ないし４の１項によるコヒーレント結合用受動装置。
【請求項６】
前記第１および第２の光学増幅器（Ａ１、Ａ２）はそれぞれ多光路の光学増幅器から成ることを特徴とする請求項１ないし５の１項によるコヒーレント結合用受動装置。
【請求項７】
前記第１および第２の光学増幅器（Ａ１、Ａ２）は、光ファイバー増幅器である請求項１ないし６の１項によるコヒーレント結合用受動装置。
【請求項８】
請求項１ないし７の１項による２台の光学増幅器のコヒーレント結合用の受動装置を備えた、４台の光学増幅器（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４）のコヒーレント結合用受動装置であって、それぞれ第１および第２の分岐（Ｂ１、Ｂ２）の光学増幅器（Ａ１、Ａ２）とミラー（Ｂ１、Ｂ２）を備えている２台のサブユニットは、請求項１ないし７の１項による２台の光学増幅器のコヒーレント結合の別の受動装置にそれぞれ代替されているコヒーレント結合用受動装置。
【請求項９】
請求項１ないし７の１項による２台の光学増幅器のコヒーレント結合のための（１＋２ｎ−１）台の受動装置を備えた、２ｎ台の光学増幅器（Ａ１、Ａ２・・・Ａ２ｎ）（ｎは１以上の整数）のコヒーレント結合用受動装置であって、２台の光学増幅器のコヒーレント結合用の２ｎ−１台の受動装置は、請求項１ないし７の１項に記載の態様による装置の分岐に対称的に配置されているコヒーレント結合受動装置。
【請求項１０】
複数台の光学増幅器のコヒーレント結合用の受動方法であって、
−  偏光入射ビーム（Ｓ０）を請求項１ないし９の１項によるコヒーレント結合用受動装置の第４分岐に連結する工程、
−  偏光入射ビーム（Ｓ０）を、互いに直交する偏光をもつ第１の２次入射ビーム（Ｈ１）と第２の２次入射ビーム（Ｈ２）に分割する工程、
−  第１の２次入射ビーム（Ｈ１）を、第１の光路に続く干渉計の第１、第２、第３の分岐を順次通るようにし、また、第１の２次入射ビーム（Ｈ１）を、第１の増幅器（Ａ１）で２回増幅し、次に第２の増幅器（Ａ２）で２回増幅して、第１の増幅した射出ビーム（Ｈ１４о）を形成するように、第１の２次入射ビーム（Ｈ１）をアドレスする工程、
−  第２の２次入射ビーム（Ｈ２）を、前記第１の光路と反対方位の第２の光路に続く干渉計の第１、第２、第３の分岐を順次通るようにし、また、第２の２次入射ビーム（Ｈ２）を、第２の増幅器（Ａ２）で２回増幅し、次に第１の増幅器（Ａ１）で２回増幅し、第２の増幅した射出ビーム（Ｈ２４о）を形成するように、第２の２次入射ビーム（Ｈ２）をアドレスする工程、
−  干渉計の第１、第２及び第３の分岐での各通過時に、分岐に入射する第１の２次ビームの偏光と、前記分岐から射出する第１の２次ビームの偏光が直交するように、第１の２次ビームを変更する工程、
−  干渉計の第１、第２及び第３の分岐での各通過時に、分岐に入射する第２の２次ビームの偏光と、前記分岐から射出する第２の２次ビームの偏光が直交するように、第２の２次ビームの偏光を変更する工程、
−  第１の増幅した射出ビーム（Ｈ１４о）と第２の増幅した射出ビーム（Ｈ２４о）とを、空間的、時間的かつ偏光において再合成して、第４分岐（Ｂ４）において、偏光した入射光学ビーム（Ｓ０）に対して逆方向に伝播する増幅したコヒーレント射出ビーム（Ｓ１）を形成する工程
を備えていることを特徴とする受動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、別々に増幅した光学ビームやレーザーをコヒーレントに合成する装置と方法に関する。光学ビームのコヒーレント合成は、高エネルギおよび／または高平均出力のレーザーシステムを発展させるために、非常に見込みがある技術である。
【背景技術】
【０００２】
出力および／またはエネルギをより高くしたレーザーを発展させるという不変の傾向は、種々の困難性の現実に直面しなければならない。レーザーシステムの出力増加は、一般的に、ビームの品質低下を誘起してしまう一方、他方では、高出力でのビーム放出効率は、光学増幅器材料内部で起こる熱効果で制限されてしまう。
【０００３】
高エネルギおよび／または高出力のビームを獲得しようとする解決策は、数個の光源か数台の独立増幅器を使用して、異なる光源や増幅器からのビームを合成することである。この解決策によって、例えば、各増幅器に誘起される熱劣化の負の効果を制限できるようになる。しかしながら、単一の光学ビームとして、（空間的、スペクトル的さらに時間的に）同じ光学的品質の合成ビームを獲得するためには、幾本かの光学ビームを空間的かつ時間的に重畳しなければならないだけでなく、異なるビームの合成もコヒーレントになっていなければならない。すなわち、ビーム間の位相差は、長時間ゼロで安定していなければならない。コヒーレントな重畳の条件は、光学ビームのために達成することが非常に困難である。何故なら、位相差は、獲得の際、光学波長の端数以下になっていなければならないからである。実際、異なるビームの相対位相は急速に変化する可能性がある。コヒーレントな再合成で誘起される最も困難な技術問題は、異なる光学ビーム間で一定の相対位相を維持することである。
しかしながら、数本の光学ビームは、受動装置か能動装置のどちらかでコヒーレント再合成されてきた。
【０００４】
「Ｔ．Ｙ．Ｆａｎ著「Ｌａｓｅｒ  ｂｅａｍ  ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ，ｈｉｇｈ−ｒａｄｉａｎｃｅ  ｓｏｕｒｃｅｓ（高パワー、高放射輝度の光源に向けたレーザービーム合成）」、ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｓｅｌｅｃｔｅｄ  ｔｏｐｉｃｓ  ｉｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ（量子電子工学における抜粋論文のＩＥＥＥジャーナル）、第１１巻、第３号、２００５年」は、レーザービームの合成（合成する各ビームの出力、相対位相、偏光、振幅、心合わせの制御）に必要な基礎条件を示唆するとともに、ほぼ理想的な空間的、時間的、スペクトル的かつ偏光的品質を備えた高平均出力のビームを獲得するため、光学ビームのコヒーレント合成のための異なる方法を記載している。
【０００５】
米国特許ＵＳ５３０７３６９（Ｄ．Ｅ．Ｋｉｍｂｅｒｌｉｎ）は、半反射ミラーで２個のサブ−キャビティに分割される共通の共振キャビティ内部にある２つの増幅媒体を、コヒーレントに結合する受動装置を記載している。この装置は、二重光学の逆反応オッシレータと同様である。第１のレーザー増幅器から射出されるビームの一部は、第２のレーザー増幅器のサブ−キャビティに入射されるが、この逆も起こる。合成した射出レーザービームは、レーザーキャビティで起こる多数のコヒーレント反射の結果である。この装置により、連続レーザービームの平均出力か、２台のレーザーから射出される同期されたレーザーパルスの平均出力かのどちらかを倍増できる。しかしながら、２つのサブキャビティ内に光路の違いがあるため、受動装置の安定性と射出出力を制限する位相シフトが誘起されてしまう。さらに、コヒーレント結合用のそうした受動装置は、キャビティ中では動作するが増幅器としては使用できない。キャビティの外では、多数のビームを合成して、光源構成のより多くの可能性から利益を得ることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許ＵＳ５３０７３６９
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｔ．Ｙ．Ｆａｎ著「Ｌａｓｅｒ  ｂｅａｍ  ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ，ｈｉｇｈ−ｒａｄｉａｎｃｅ  ｓｏｕｒｃｅｓ（高パワー、高放射輝度の光源に向けたレーザービーム合成）」、ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｓｅｌｅｃｔｅｄ  ｔｏｐｉｃｓ  ｉｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ（量子電子工学における抜粋論文のＩＥＥＥジャーナル）、第１１巻、第３号、２００５年
【０００８】
光学ビームのコヒーレント再合成のための受動合成を現出するための制限された種々の能動装置が提案されている。能動的再合成は、合成する光学ビーム間の相対位相に直接的または間接的測定に基づくとともに、各光学ビーム上に負のフィードバックループで能動的に制御する位相シフトの導入に基づいている。コヒーレント再合成のための能動的装置は、再合成の前後でビームの一部を取り込むことが一般的で、そこから、光学ビーム間の位相シフトを取出し、音響−光学モジュレータや圧電ミラーを使用するか、光学ポンプ力を調整することによって、相対位相を各ビームにリアルタイムで適用する。
【０００９】
このようにして、増幅器に対しては、コヒーレント合成用の能動装置が一般的に使用されている〔Ｗｅｉ  Ｌｉａｎｇ、Ｎａｒｅｓｈ  Ｓａｔｙａｎ、Ｆｉｒｏｏｚ  Ａｆｌａｔｏｕｎｉ、Ａｍｎｏｎ  Ｙａｒｉｖ、Ａｎｔｈｏｎｙ  Ｋｅｗｉｔｓｃｈ、Ｇｅｏｒｇｅ  Ｒａｋｕｌｊｉｃ、および  Ｈｏｓｓｅｉｎ  Ｈａｓｈｅｍｉの「多レベル光学位相ロックしたループと合成するコヒーレントビーム」、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ、Ａｍ．Ｂ２４の２９３０〜２９３９（２００７）、Ｔ．Ｓｈａｙ、Ｖ．Ｂｅｎｈａｍ、Ｊ．Ｔ．Ｂａｋｅｒ、Ａ．Ｄ．Ｓａｎｃｈｅｚ、Ｄ．Ｐｉｌｋｉｎｇｔｏｎ、およびＣ．Ａ．Ｌｕ、ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｓｅｌ．  Ｔｏｐ．  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、１３、４８０（２００７）〕。コヒーレント合成は、連続しかつほぼ連続した状況、最近では、フェムト秒の状況（出版物Ｌ．Ｄａｎｉａｕｌｔ、Ｍ．Ｈａｎｎａ、Ｌ．Ｌｏｍｂａｒｄ、Ｙ．Ｚａｏｕｔｅｒ、Ｅ．Ｍｏｔｔａｙ、Ｄ．Ｇｏｕｌａｒ、Ｐ．Ｂｏｕｒｄｏｎ、Ｆ．ＤｒｕｏｎおよびＰ．Ｇｅｏｒｇｅｓの「２フェムト秒のファイバーチャープパルス光学増幅器のコヒーレントビーム合成」Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．３６、６２１〜６２３（２０１１）を参照）に示されている。
しかしながら、コヒーレント再合成用の能動装置は複雑になってしまう。何故なら導入が困難で高価になるリアルタイムのフィードバック制御の電子システムが必要となるからである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の１つの目的は、長時間安定で、高エネルギおよび／または高出力を維持することができる少なくとも２本の増幅した光学ビームのコヒーレント合成用装置提案することである。
本発明の他の目的は、Ｎ台の光学増幅器のコヒーレント結合用装置を提案することである。
本発明のさらに他の目的は、任意の時間的状況を、連続状況からフェムト秒パルスまで任意のタイプの光学増幅器に応用できるコヒーレント結合用の装置と方法を提案することである。
【００１１】
本発明は、コヒーレント結合の従来技術の欠点を矯正することを目的としており、より詳細には、複数台の光学増幅器のコヒーレント結合用受動装置に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、本コヒーレント結合用受動装置は、少なくとも４本の分岐をもつ振幅分割干渉計を備えており、前記干渉計は、４つの入射出ポートをもつ光学偏光分割合成手段を備え、各入射出ポートは、それぞれ４本の分岐のうちの１本と連結されており、第１分岐は、第１偏光手段、第１双方向光学増幅器および前記第１分岐の端部を形成する第１ミラーを備え、第２分岐は、第２偏光手段、第２双方向光学増幅器および前記第２分岐の端部を形成する第２ミラーを備え、第３分岐は、第３偏光手段、および第３分岐の端部を形成する第３のミラーを備え、前記第１、第２および第３偏光手段は、前記第１、第２および第３の入射出ポートそれぞれによって、前記第１、第２または第３分岐それぞれに入射した偏光光学ビームが、第１、第２および第３ミラーによってそれぞれ反射されて、前記分岐から射出される、前記分岐に入射した前記偏光光学ビームの偏光に直交する偏光をもつ偏光光学ビームを形成するように構成され、第４分岐は、偏光した入射光学ビームを受光して、それを第４入射出ポートに向かわせるように配置されている前記干渉計の入射出分岐であり、光学的偏光分割合成手段は、偏光した入射ビームを第１の２次入射ビームと第２の２次入射ビームに偏光分割するように構成され、前記第１および第２の２次入射ビームは互いに直交する偏光をもち、干渉計の第１、第２と第３分岐を通過する第１の２次入射ビームは、第１の光路に従って第１の増幅した射出ビームを形成し、干渉計の第１、第２および第３の分岐を通過する第２の２次入射ビームは、第１の光路と反対方位の第２の光路に従って第２の増幅した射出ビームを形成し、前記した第１及び第２の増幅した射出ビームは互いに直交する偏光を持っており、前記分割再合成する手段は、前記した第１の増幅した射出ビームと前記した第２の増幅した射出ビームとを、空間的、時間的かつコヒーレントに再合成して、偏光した入射光学ビームに対して反対方向に第４分岐中を伝播するコヒーレントな射出ビームを形成するように構成されている。
本発明の特定の実施の形態によれば、前記分割再合成手段は偏光分割キューブを備えている。
本発明の装置の特定の実施の形態の種々の態様によれば、
−  装置は第４分岐に配置された光学アイソレータをさらに備え、
−  前記第１、第２および／または第３の偏光手段は、直線偏光した光学ビームの偏光を二重通過後９０度だけ回転するように構成された１／４波長板または双方向のファラデー回転子を備えており、
−  前記第１および第２光学増幅器は、同じ光学増幅利得をもっており、
−  前記第１および第２の光学増幅器はそれぞれ多光路の光学増幅器を備えており、
−  前記第１および第２の光学増幅器は、光ファイバー増幅器である。
【００１３】
特定の実施の形態によれば、本発明は、既述の実施の形態の１つに従う２台の光学増幅器のコヒーレント結合用の受動装置を備えた４台の光学増幅器のコヒーレント結合用の受動装置であって、それぞれ第１および第２の分岐の光学増幅器とミラーを備えている２台のサブユニットが、既述の実施の形態の１つによる２台の光学増幅器のコヒーレント結合用の他の受動装置に置き換えられている、４台の光学増幅器のコヒーレント結合用受動装置に関する。
【００１４】
特定の実施の形態によれば、本発明は、既述の実施の形態の１つによる２台の光学増幅器のコヒーレント結合のための（１＋２ｎ−１）台の受動装置を備えた、２ｎ台の光学増幅器（ｎは１以上の整数）のコヒーレント結合用受動装置であって、２台の光学増幅器のコヒーレント結合のための２ｎ−１台の受動装置が、既述の実施の形態の１つによる装置の分岐に対称的に配置されている、コヒーレント結合用受動装置に関する。
本発明は、また複数台の光学増幅器のコヒーレント結合用の受動方法であって、以下の工程を備えている受動方法に関する。すなわち、
−  偏光入射ビームを、既述の実施の形態の１つによるコヒーレント結合用受動装置の第４分岐に連結する工程、
−  偏光入射ビームを、互いに直交する偏光をもつ第１と第２の２次入射ビームに分割する工程、
−  第１の２次入射ビームが、第１の光路に続く干渉計の第１、第２、第３の分岐を順次通るように、また、第１の２次入射ビームが、第１の増幅器で２回増幅され、次に第２の増幅器で２回増幅されて、第１の増幅した射出ビームを形成するように、第１の２次入射ビームをアドレスする工程、
−  第２の２次入射ビームが、第１の光路と反対方位の第２の光路に続く干渉計の第１、第２、第３の分岐を順次通るようにし、また、第２の２次入射ビームが、第２の増幅器で２回増幅され、次に第１の増幅器で２回増幅されて、第２の増幅した射出ビームを形成するように、第２の２次入射ビームをアドレスする工程、
−  干渉計の第１、第２及び第３の分岐での各通過時に、分岐に入射する第１の２次ビームの偏光と、分岐から射出する第１の２次ビームの偏光が直交するように、第１の２次ビームを変更する工程、
−  干渉計の第１、第２および第３の分岐での各通過時に、分岐に入射する第２の２次ビームの偏光と、分岐から射出する第２の２次ビームの偏光が直交するように、第２の２次ビームを変更する工程、さらに、
−  第１の増幅した射出ビームと第２の増幅した射出ビームとを、空間的、時間的に、かつ偏光において再合成して、第４分岐において、偏光した入射光学ビームに対して逆方向に伝播する増幅したコヒーレントな射出ビームを形成する工程
を備えている受動方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、光学増幅システムとレーザーに特に有利に応用される。
本発明は、また、以下の記載からより明白になるとともに、個別にかあるいは技術的に可能な任意の組み合わせで考慮されるべき特性にも関する。
【００１６】
非限定的な例示でのみ与えられる記載によって、添付の図面を参照すると、本発明がどのように実施できるかはより良く理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明によるコヒーレント結合用受動装置の基本セルの構成を模式的に図示している。
【図２】図１に図示したように基本セルを通る初期のＳ偏光したビームの伝播、すなわち、異なる分岐を通る初期のＳ偏光したビームの通過順序を挿入で模式的に図示している。
【図３】図１に図示したように基本セルを通る初期のＰ偏光したビームの伝播、すなわち、異なる分岐を通る初期のＰ偏光したビームの通過順序を挿入で模式的に図示している。
【図４】本発明の一実施の形態による２台の光学増幅器の結合用装置の構成を模式的に図示している。
【図５】図４に図示した２台の光学増幅器の結合用装置を通って、初期のＳ偏光のビームの伝播を模式的に図示しており、装置の異なった分岐を通る初期のＳ偏光のビームの通過順序を、挿入で模式的に図示している。
【図６】図４に図示した２台の増幅器の結合用装置を通って、初期のＰ偏光のビームの伝播を模式的に図示しており、装置の異なる分岐を通る初期のＰ偏光のビームの伝播順序を、挿入で模式的に図示している。
【図７】本発明の別の実施の形態による４台の光学増幅器の結合用装置の構成を模式的に図示している。
【図８】本発明の特定の実施の形態で使用できる多光路光学増幅器を模式的に図示している。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
任意数の光学増幅器のコヒーレント結合用の受動システムが提案されている。この受動システムは、任意の型の増幅器と時間状況において、連続形態からフェムト秒パルスまで適用することができる。理想的には、組み合わせる増幅器の数Ｎは、Ｎ＝２ｎに等しく、ここでｎは整数である。  
【００１９】
図１は、光学ビームを２本の２次光学ビームに分割できるようにするとともに、２本の部分ビームが往復光路を通過後コヒーレントに再合成できるようにする基本セルを図示している。
【００２０】
図１の基本セルは、２本以上の分岐をもつ干渉計を示している。例証的な実施の形態において、基本セルは、４つの入射出ＥＳ１、ＥＳ２、ＥＳ３、ＥＳ４をもつ偏光分割キューブＣ１（あるいは偏光ビームスプリッタＰＢＳ）を備えている。各入射出は分岐Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４に接続されている。分岐Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、高反射ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３をそれぞれ各端に備えている。分岐Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、逆反射分岐であって、こうした分岐Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３のうち１つの入射出ポートに入射する光学ビームは、反射して、反対の光路を通って同じ入射出ポートに向かう。第１分岐Ｂ１は、第１入射出ポートＥＳ１と第１ミラーＭ１の間に配置された第１ファラデー回転子Ｒ１を備えている。同様に、第２分岐Ｂ２は、第２入射出ポートＥＳ２と第２ミラーＭ２の間に配置された第２ファラデー回転子Ｒ２を備えている。第１ファラデー回転子Ｒ１は、第１分岐Ｂ１の各往復光路において４５度で光学ビームの偏光を回転させる配置になっているので、入射出ポートＥＳ１近くを出射するビームは、同ポートＥＳ１の近くに入射する同じ光学ビームの偏光と直交する偏光をもつ。同様にして、第２ファラデー回転子Ｒ２は、第２分岐Ｂ２の各往復光路において４５度で光学ビームの偏光を回転させる配置になっているので、入射出ポートＥＳ２近くを出射するビームは、同ポートＥＳ２近くに入射する同じ光学ビームの偏光と直交する偏光をもつ。第３分岐Ｂ３は、第３入射出ポートＥＳ３と第３反射ミラーＭ３との間に配置された１／４波長板Ｒ３（すなわちλ／４プレート）を備えている。１／４波長板Ｒ３の軸は、偏光分割キューブＣ１の適正軸に対して以下の態様で配向されている。すなわち、ポートＥＳ３近傍の分岐Ｂ３に入射する直線偏光ビームは、１／４波長板Ｒ３を通る第１伝播の後、円形偏光のビームに変換されてから、ミラーＭ３で反射され、再び１／４波長板Ｒ３を通過して、分岐Ｂ３から射出される直線偏光ビームを形成するが、このときの偏光は、同じ入射ビームの偏光と直交する。従って、直線偏光した光学ビームの偏光は、３本の分岐Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３のそれぞれを往復通過した後、９０度の回転している。
【００２１】
第４分岐Ｂ４は、干渉計の入射出分岐である。分岐Ｂ４は、直線偏光した入射ビームＳ０を受光するが、偏光軸が偏光分割キューブＣ１の軸に対して４５度になっていることが好ましい。偏光分割キューブＣ１は、入射ビームＳ０を、２本の２次ビーム、すなわち、直線Ｓ偏光の２次ビームＨ１とＰ偏光の２次ビームＨ２とに分割する。
【００２２】
始めに、第１の初期Ｓ偏光した、基本セル通過の２次ビームＨ１の伝播について図２に関連して詳述する。次に、基本セルを通過する第１の、初期Ｐ偏光した２次ビームＨ２の伝播について、図３に関連して詳述する。
【００２３】
図２とそれに続く図面において、Ｓ偏光したビーム、すなわち、紙面に直交する直線偏光のビームは、中心丸印の円で表し、Ｐ偏光したビーム、すなわち、紙面に平行する直線偏光のビームは、二重線矢印で表す。単線矢印は、光学ビームの伝播方向を指示する。
【００２４】
図２は、入射ビームＳ０のＳ偏光成分Ｈ１の伝播が模式的に表されている図１と同一の基本セルを図示している。分割キューブのポートＥＳ４は、分岐Ｂ４中を伝播する入射ビームＨ１４ｉを受光する。このビームＨ１４ｉは、Ｓ偏光しているので、分割キューブＣ１で反射されて分岐Ｂ２に向かい、分岐Ｂ２に入射してＳ偏光されるビームＨ１２ｉを形成する。ファラデー回転子Ｒ２を通る二重伝播とミラーＭ２での反射の後、第２分岐Ｂ２を射出するビームＨ１２ｏは、このときＰ偏光される。偏光キューブＣ１は、次いでそのビームＨ１２ｏを第１分岐Ｂ１に向けて伝達し、この分岐Ｂ１で、Ｐ偏光した入射ビームＨ１１ｉを形成する。第１ファラデー回転子Ｒ１を通る二重伝播とミラーＭ１での反射の後、第１分岐Ｂ１から射出されるビームＨ１１ｏは再びＳ偏光される。偏光分割キューブＣ１は、入射出ポートＥＳ１上のビームＨ１１ｏを受けてそれを第３分岐に向けて反射し、この第３分岐Ｂ３で、Ｓ偏光した入射ビームＨ１３ｉを形成する。ミラーＭ３での反射と１／４波長板Ｒ３を通る二重伝播の後、第３分岐を射出するビームＨ１３ｏがＰ偏光される。このようにして、キューブＣ１は、Ｐ偏光したビームＨ１３ｏを第４分岐に伝達し、この第４分岐で、第１のＰ偏光した２次射出ビームＨ１４ｏを形成する。図２における挿入箇所は、基本セルを通過する初期Ｓ偏光の成分Ｈ１が通る光路を模式的に図示している。ビームＨ１は、第４分岐Ｂ４に入射していて、第２分岐Ｂ２での往復の伝播、第１分岐Ｂ１での往復の伝播、第３分岐Ｂ３での往復の伝播をしており、さらには、入射ビームに対して逆方向に、かつ入射ビームＳ０の成分Ｈ１４ｉのＳ偏光とは反対のＰ偏光をもって、第４の分岐Ｂ４から射出する。
【００２５】
図２と同様に、図３は同じ基本セルを図示しており、入射ビームＳ０のＰ偏光成分Ｈ２の伝播が模式的に表されている。分割キューブのポートＥＳ４は、分岐Ｂ４中を伝播する入射ビームＨ２４ｉを受光する。ビームＨ２４ｉは、Ｐ偏光しているので、分割キューブＣ１により、分岐Ｂ３に伝達されて、分岐Ｂ３に入射してＰ偏光されるビームＨ２３ｉを形成する。ミラーＭ３での反射と１／４波長板Ｒ３を通る二重伝播の後、第３分岐から射出するビームＨ２３ｏはＳ偏光される。偏光分割キューブＣ１は、入射出ポートＥＳ３でビームＨ２３ｏを受光して、そのビームを第１分岐Ｂ１に向けて反射し、この第１分岐Ｂ１で、Ｓ偏光の入射ビームＨ２１ｉを形成する。第１ファラデー回転子Ｒ１を通る二重伝播とミラーＭ１で反射した後、第１分岐Ｂ１から射出するビームＨ２１ｏが再びＰ偏光される。次に、分割キューブＣ１は、そのビームＨ２１ｏを第２分岐Ｂ２に伝達し、この分岐で、Ｐ偏光した入射ビームＨ２２ｊを形成する。ファラデー回転子Ｒ２を通る二重伝播とミラーＭ２での反射の後、第２分岐Ｂ２から射出するビームＨ２２ｏはこのときＳ偏光される。次に、キューブは、Ｓ偏光したビームＨ２２ｏを第４分岐に向けて反射し、この第４分岐で、第２の、Ｓ偏光した２次射出ビームＨ２４ｏを形成する。図３における挿入は、基本セルを通る初期Ｐ偏光の成分Ｈ２が通る光路と、異なる分岐の伝播順序とを図示している。すなわち、ビームＨ２は、第４分岐Ｂ４に入射して、第３分岐Ｂ３において往復伝播し、第１分岐Ｂ１において往復伝播し、第２分岐Ｂ２において往復伝播し、入射ビームに対して逆方向にかつ入射ビームＳ０の成分Ｈ２４ｉのＰ偏光と反対のＳ偏光で、第４分岐Ｂ４から射出する。
２次ビームＨ１およびＨ２は、このように、干渉計において、２本の完全に逆方向の光路を通るものである。
【００２６】
Ｐ偏光したＨ１４ｏとＳ偏光したＨ２４ｏという２つの射出成分は、それぞれ空間的や時間的だけでなく偏光的にも重畳して、Ｐ軸とＳ軸に対して４５度の固有軸をもつ直線偏光の再合成ビームを形成する。ただし、Ｈ１４ｏのＰ偏光とＨ２４ｏのＳ偏光をした２成分は、同じ射出振幅をもっている。Ｈ１４ｏのＰ偏光した成分とＨ２４ｏのＳ偏光した成分の２成分が同じ射出振幅をもたない場合、偏光−コヒーレント再合成も得られ、射出ビームは、そのまま直線偏光をもっている。しかしながら、再合成したビームの偏光軸は、２成分それぞれの振幅に依存する角度で傾斜している。このようにして、コヒーレントに再合成した射出ビームＳ１は、図２の受動装置の射出で得られる。
【００２７】
要約すれば、図１ないし図３に図示した光学システムは、完全な反射鏡として動作する。この反射鏡に対しては、入射ビームＳ０は、互いに直交するように偏光した２つの部分光Ｈ１およびＨ２に分割される。これらの部分光は、時間的かつ空間的に分割し、最終的に、時間的、空間的かつ偏光的に再合成され、それぞれの偏光は交換してある。入射ビームは、ＰＢＳの中立軸に対して４５度で配向してある直線偏光になっている。このようにして、ＰＢＳは、入射を、同じ出力の直交偏光ＳおよびＰの２本のビームに分割する。これらのビームのそれぞれは、システムを通る異なった光路を通るが、これらの光路は互いに逆になっていて、各２次ビームは同じ光学位相を蓄積するのが一般である。このようにして、直交する２つの偏光成分の再合成によって、コヒーレント再合成を得ることができる。
そうした装置が、独立の光学増幅器で増幅した光線の合成にどのようにして有利に使用できるかについて以下説明する。
図４ないし図６は、本発明の好ましい実施の形態による２台の光学増幅器のコヒーレント結合用装置を模式的に図示している。
【００２８】
図４は、２台の光学増幅器の結合用装置の構成を模式的に図示している。図４の装置は、図１に関連して説明したものに類似の基本セルを備えている。装置は、第１の光学増幅器Ａ１と第２の光学増幅器Ａ２をさらに備えている。第１の光学増幅器Ａ１は、第１の分岐Ｂ１上に、好ましくは、ファラデー回転子Ｒ１とミラーＭ１との間に配設される。これと対称的に、第２の光学増幅器Ａ２は、第２分岐上、好ましくは、ファラデー回転子Ｒ２とミラーＭ２との間に配設される。好ましくは、これら２つの光学増幅器Ａ１およびＡ２は、直線偏光で動作する。理想的には、２台の増幅器Ａ１およびＡ２は、同じ特性（利得、貯蔵エネルギ、幾何学形状）になっているが、偏光解消は誘起しない。図４の装置は、さらに、例えば、パルスレーザー源のような光源２をさらに備えている。装置は、また、４５度のファラデー回転子Ｒ４と偏光分割キューブＣ４から形成された光学アイソレータを含み、このアイソレータは、第４分岐Ｂ４上でかつ光源２と入射出ＥＳ４との間に配設されている。
これに代えて円形偏光で動作する光学増幅器Ａ１およびＡ２に対して、２台のファラデー回転子Ｒ１、Ｒ２をそれぞれ１／４波長板に代えてもよい。
【００２９】
光源２は、偏光Ｐの、直線偏光した入射ビームＳ０を発生する。偏光キューブＣ４は、偏光を改変することなく入射ビームＳ０を伝達する。ファラデー回転子Ｒ４は入射ビームＳ０の偏光を４５度回転するように構成されている。この場合、入射ポートＥＳ４上の入射ビームは、以下Ｈ１４ｉと呼ぶＳ偏光成分と、以下Ｈ２４ｉと呼ぶＰ偏光成分をもつ。
【００３０】
図５は、図４に図示したような２台の増幅器を結合する装置を通る入射光の、Ｓ偏光の初期成分Ｈ１４ｉの伝播を模式的に図示している。この成分は、図４に関連して述べたものと同じ光路を辿る。成分Ｈ１４ｉは、始めにキューブＣ１に反射されて第２の分岐に向かう。第２分岐を辿る際、入射ビームＨ１２ｉはＳ偏光される。ファラデー回転子Ｒ２は、直線偏光状態にあるビームＨ１２ｉの偏光軸を４５度回転する。第２光学増幅器Ａ２は、始めにビームＨ１２ｉを増幅する。第２ミラーＭ２での反射後、ビームはその偏光を維持して、第２光学増幅器Ａ２により２回目の増幅がされる。ファラデー回転子Ｒ２は、直線偏光状態にあるビームＨ１２ｏの偏光軸を４５度回転するが、偏光Ｐにおいてだけである。偏光キューブＣ１は、第２光学増幅器で２回増幅したそのビームを第１分岐Ｂ１に伝達する。同様にして、分岐Ｂ１に入るＰ偏光ビームＨ１２ｉは、ファラデー回転子Ｒ１を通過することにより偏光が４５度回転し、次に第１光学増幅器Ａ１により第１回目の増幅を受ける。ミラーＭ１で反射した後、ビームは、第１光学増幅器Ａ１により２回増幅を受け、その後ビームの偏光は４５度回転される。分岐Ｂ１から射出するビームは、第２光学増幅器Ａ２により２回増幅され、次に第１光学増幅器Ａ１により２回増幅されてから、偏光ＰのビームＨ１４ｏとして第４分岐から射出される前に、分岐Ｂ３に向けて反射される。装置の異なる分岐におけるＳ偏光された初期ビームＨ１の伝播順序は、図５に挿入したものとして、模式的に図示してある。
【００３１】
同様にして、図６は、図４に図示したような２台の光学増幅器の結合用装置を通る入射ビームの初期Ｐ偏光成分Ｈ２４ｉの伝播を図示している。この成分Ｈ２４ｉは、図３に関連して説明したものと同じ光路を辿る。成分Ｈ２４ｉは、キューブＣ１により第３分岐Ｂ３に最初に伝達される。この分岐Ｂ３は、伝達された成分を、Ｓ偏光したビームＨ２３ｏとして第１分岐Ｂ１に向けて反射する。第１分岐Ｂ１上の往行程においては、入射ビームＨ２１ｉはＳ偏光される。ファラデー回転子Ｒ１は、直線偏光のままのビームＨ２１ｉの偏光軸を４５度だけ回転する。第１光学増幅器Ａ１は、ビームＨ２１ｉを第１回目は増幅する。第１ミラーＭ１での反射後、ビームは、その偏光を維持して、第１光学増幅器Ａ１で２度目の増幅を受ける。ファラデー回転子Ｒ１は、直線偏光であるビームＨ２１ｏの偏光軸を偏光Ｐで４５度回転する。分割キューブＣ１は、第１光学増幅器で２回増幅したこのビームを第２分岐Ｂ２に伝達する。同様にして、分岐Ｂ２に入射するＰ偏光ビームＨ２２ｉは、ファラデー回転子Ｒ２を通過することにより、偏光が４５度回転し、次いで第２光学増幅器Ａ２により１回増幅される。ミラーＭ２で反射後、ビームは、第２光学増幅器Ａ２で２度目の増幅を受けてから偏光が４５度回転される。第１光学増幅器Ａ１で２回増幅され、それから第２光学増幅器Ａ２で２回増幅された、分岐Ｂ２から射出するビームは、偏光ＳのビームＨ２４ｏとして第４分岐Ｂ４に向けて反射される。装置の異なった分岐にある初期Ｓ偏光のビームの伝播順序は、図５には挿入として模式的に図示してある。
【００３２】
このようにして、入射出ポートＥＳ４には、偏光Ｐの成分Ｈ１４ｏと偏光Ｓの成分Ｈ２４ｏの空間的で時間的の重畳が得られており、これらの成分は、キューブＣ１の適正軸に対して４５度の偏光軸をもつ直線偏光した再合成ビームＳ１を形成する。再合成した射出ビームＳ１は、光学アイソレータを用いて入射ビームから容易に分割できる。例えば、ファラデー回転子Ｒ４は、Ｓ偏光化する再合成ビームＳ１の偏光軸を４５度回転する。次に、分割キューブＣ４は、コヒーレント再合成射出ビームＳ１を反射して、入射ビームＳ０の方向から分割するようにする。
【００３３】
図４ないし図６に関連してこれまで説明した装置によって、２本の２次ビームに対して完全に対称的な増幅ができるようになる。パルスレーザービームの場合、増幅器のそれぞれは、最初に低エネルギパルスを、次に既に１回増幅したパルスに出会うことになる。各パルスは、最初にポンプで十分に反転した増幅器に、次に、先行パルスで一部減損した増幅器に出会うことになる。ビームＨ１とＨ２は、干渉計の入射ポートＥＳ４で分割され、第１回目は干渉計中で第２回目は入射出ポートＥＳ４で互いに交差し、この入射出ポートＥＳ４で再合成される。しかしながら、ビームＨ１とＨ２は、分岐Ｂ１で必ずしも互いに交差していない。事実、分岐Ｂ３の光路の長さは、それぞれ光学増幅器を備えている分岐Ｂ１とＢ２の長さよりもはるかに短い。特に光ファイバー増幅器の場合、各増幅器Ａ１かＡ２の長さは、数十センチメートルを超える。分岐Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３の長さは、最適化するのが有利であって、２次ビームＨ１とＨ２が光学増幅器Ａ１、Ａ２の一方に時間的には重畳していない。他方、分岐Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３の全長は、外乱に対して干渉計装置の感度を低下できるように最短に維持される。
【００３４】
図４ないし図６に図示した装置において、光学増幅器Ａ１は、ファラデー回転子Ｒ１とミラーＭ１との間に配置されており、光学増幅器Ａ２は、ファラデー回転子Ｒ２とミラーＭ２との間に配置されている。その結果、各光学増幅器は、ミラーにおける反射の前後で、同じ偏光状態で偏光したビームを、増幅するが、その際光学増幅器の適正軸に従うのが有利である。別の実施の形態によれば、ファラデー回転子Ｒ１は（あるいは、これと等価な１／４波長板）が、光学増幅器Ａ１とミラーＭ１との間に配設してあるか、ファラデー回転子Ｒ２（あるいは、これと等価な１／４波長板）が光学増幅器Ａ２とミラーＭ２との間に配設してあるかの片方かまたは両方の配設を行う。そのようにして、各光学増幅器Ａ１または各光学増幅器Ａ２は、往路の偏光状態に従って、すなわち、分岐の端部にミラーで反射する前に偏光したビームを、最初に増幅し、二番目に、ミラーで反射後直交偏光状態に従って偏光したビームを増幅する。
【００３５】
図４の構造をＮ台の光学増幅器の場合にまで一般化することは、図４に従って説明する結合システムが単一反射の光学増幅器として振舞うことを考慮して行う。
【００３６】
図７は、４台の光学増幅器のコヒーレント結合用装置の一例を図示している。図７の装置は、４つ分岐Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４に接続してある偏光分割キューブＣ１を備えている基本セルを備えている。分岐Ｂ３、Ｂ４は図４のものと同一である。第１分岐Ｂ１の第１光学増幅器Ａ１と第１ミラーＭ１は、図４に図示したような２台の光学増幅器Ａ１およびＡ２のコヒーレント結合用の別装置Ｄ１に換える。同様にして、第２分岐Ｂ２の第２光学増幅器Ａ２と第２ミラーＭ２は、図４に図示したような２台の光学増幅器Ａ３およびＡ４のコヒーレント結合用の別装置Ｄ２に換える。ファラデー回転子Ｒ１およびＲ２は、各往復動において、偏光を４５度回転するように構成されている。そのようにして、ビームの偏光は、ミラーを端部に備えている分岐における各往復動において、Ｐ極からＳ極へ、またその逆に変化する。第１の偏光分割キューブＣ１から別の偏光分割キューブＣ２またはＣ３までの各光路において、それぞれ直線Ｐ偏光および直線Ｓ偏光したビームは、その偏光軸が４５度回転され、それぞれＣ２、Ｃ３である他の偏光分割キューブ上でもう１回分岐されて、２本のサブビームになる。これとは逆に、２本のサブビームは、それぞれ分岐Ｂ８、Ｂ１２上の２台の光学増幅器システムの射出で再合成されて、固有軸が４５度傾斜した直線偏光のビームを形成する際、偏光回転子Ｒ１とＲ２は、それぞれ、この偏光を４５度再回転する。従って、サブユニットＤ１およびＤ２それぞれのビーム光路は、Ｐ偏光の入射ビームをＳ偏光の射出ビームに変換し、また逆の変換を行う。図４ないし図６に関連して展開したものと同様な理由付けに従うと、第１の偏光分割キューブＣ１にある入射出ポートＥＳ４に入射する初期Ｓ偏光成分が、図７の装置の異なる分岐Ｂ４−Ｂ２−Ｂ８を経る以下の光路を順次通ることが証明できる。該Ｓ偏光成分は、次にＣ２によって２本の射出ビームに分割される。射出ビームの一方は、分岐Ｂ７−Ｂ６−Ｂ５を通り、射出ビームの他方は、分岐Ｂ−５、Ｂ−６、Ｂ７を通る。これらの２本の射出ビームは、Ｃ２表面で再合成されて分岐Ｂ８−Ｂ２−Ｂ１−Ｂ１２を通るビームになり、次にＣ３上で再分割されて２本の分割ビームになる。射出ビームの一方は分岐Ｂ１０−Ｂ９−Ｂ１１を通り、他方は分岐Ｂ１１−Ｂ９−Ｂ１０を通る。これら２本の射出ビームは、Ｃ３で再合成されて、分岐Ｂ１２−Ｂ１−Ｂ３−Ｂ４を通り入射出ポートＥＳ４でＰ偏光射出成分を形成する。増幅に関して述べれば、第１の初期Ｓ偏光した２次ビームは、２本の射出ビームに分割される。射出ビームの一方は、光学増幅器Ａ４で連続して２回増幅され次いで光学増幅器Ａ３で２回増幅される。他方、第２の射出ビームは、連続して２回光学増幅器Ａ３で増幅され、次いで光学増幅器Ａ４で２回増幅される。これらの２回増幅（Ａ３とＡ４で）された２本の射出ビームは、他の増幅段階へ伝達される第２ビームに再合成されるが、２本の射出ビームに分割するためである。分割ビームの一方は、光学増幅器Ａ２により連続して２回、次に光学増幅器Ａ１により２回増幅される。他方、第２の射出ビームは、光学増幅器Ａ１により連続して２回次いで光学増幅器Ａ２により２回増幅されているが、これら２本の射出ビームは、射出に伝達される２次ビームに再合成される。これとは逆に、第１の偏光分割キューブＣ１の入射出ポートＥＳ４に入射する初期Ｐ偏光の成分は、図７の装置のＢ４−Ｂ３−Ｂ１−１２の異なる分岐を通る以下の光路を順次通り、それから２本の射出ビームに分割され、射出ビームの一方は、分岐Ｂ１１−Ｂ９−Ｂ１０を通り、その一方で、他方の射出ビームが分岐Ｂ１０−Ｂ９−Ｂ１１を通過する。これら２本の射出ビームは、分岐Ｂ１２−Ｂ１−Ｂ２−Ｂ８を通るビームに再合成される。合成されたビームは、２本の射出ビームに一度は再び分割される。射出ビームの一方は、分岐Ｂ５−Ｂ６−Ｂ７を通過するが、他方の射出ビームは、分岐Ｂ７−Ｂ６−Ｂ５を通過する。これら２本の分割ビームは、分岐Ｂ８−Ｂ２−Ｂ４を通過する１本のビームに再合成され、入射出ポートＥＳ４に、Ｓ偏光した射出成分を形成する。増幅に関していえば、第２の初期Ｐ偏光した２次ビームは、２本の射出ビームに分割される。被分割ビームの１本は、光学増幅器Ａ１で連続して２回増幅し、次いで光学増幅器Ａ２で２回増幅される。他方、第２の射出ビームは、光学増幅器Ａ２により順次２回、次いで光学増幅器Ａ１により２回増幅される。（Ａ１とＡ２により）２回増幅されたそうした２本の射出ビームは、２次ビームに再合成される。この２次ビームは、２本の射出ビームに分割する他の増幅段階に伝達される。射出ビームの一方は、光学増幅器Ａ３により連続して２回、次に光学増幅器Ａ４により２回増幅されるが、第２の射出ビームは、光学増幅器Ａ４で連続して２回、次に光学増幅器Ａ３で２回増幅される。これら２本の射出ビームは、射出に伝達される２次ビームに再合成される。ここで注目できるのは、２次ビームが装置の全分岐の近くを、２対２で完全に反対方位になっている厳密に反対方位の通過光路の順序で通る光路を備えていることである。
【００３７】
このようにして、本発明の方法によれば、Ｎ台の増幅器を受動的なコヒーレント結合することが可能になり、各増幅器は、Ｎ個の光路増幅器として動作する。従って、光学増幅器の台数が増えれば、内部の光路数が増加して、取り出し効率を改善する。このことは、１光路当たりの利得は低いが飽和影響の高い光学増幅器の場合、特に有用である。２台の光学増幅器の場合のように、ｎを整数としてＮ＝２ｎであれば、各光学増幅器における光路の順序は、結合した光学増幅器の総数がいくつであれ、数本の光路をもつ単一の光学増幅器がある状況に厳密に対応している。従って、光学増幅器中のｋ番目の光路に対応する増幅位相の間、全パルスは、他の光学増幅器中の（ｋ−１）番目の光路に既に出会っており、各光学増幅器は（ｋ−１）番目のパルスをすでに増幅している。増幅工程の間、全ての光学増幅器は、（ｋ番目の光路における利得、存在する貯蔵エネルギにおいて）こうして均等のままであり、各レプリカは同じエネルギを保持している。この特性によって、効率のよいコヒーレント合成が保証される。何故なら、その特性は、増幅ネットワークの各点における偏光状態ＳおよびＰそれぞれが含む出力における一定の平衡に変換されるからである。
【００３８】
本発明の装置と方法の能力を例証するために、以下一実施の形態を詳細に説明する。この実施の形態は、Ｙｂ：ＣａＦ２結晶に基づく４つの光学増幅器のコヒーレント結合に基づくものである。この材料は、いくつかの特性、とりわけポンプ源エネルギを貯蔵する高容量を含むいくつかの特性があるので、非常に興味深いものである。しかしながら、該材料の比較的低い利得は、Ｙｂ：ＣａＦ２に基づく標準光学増幅器からのエネルギ取り出し効率が、現在までのところ約１０％に制限されている。以下の実施の形態は、高い射出エネルギと優れた取り出し効率の両方を獲得するためのコヒーレント結合の技術のキャパシティを示している。
【００３９】
図８は、本発明の特定の実施の形態に使用できる多光路光学増幅器を模式的に図示している。図７のような装置を特に参照するが、図７において、光学増幅器Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４のそれぞれは、図８に図示した型の多光路光学増幅器を備えている。
【００４０】
図８の多光路構成は、画像のシステム２ｆ−２ｆに基づく従来のものである。この像システムは、前記した「能動ミラー」の構成において、焦点長さｆのレンズと、レンズから距離ｆにある再帰反射器（ミラーＭ’、Ｍ”およびＭｉ）と、レンズから距離ｆに置いた光学増幅器媒体Ａｉとを備えている。この構成は、２つの信号と（それぞれ１，０３０ｎｍと９８０ｎｍの）ポンプ波長にある結晶の前面にアンチ反射コーティングとそうした両波長で後面に高反射コーティングとを行うことによって得られる。光学システムと結晶が収差を導入しないと仮定することによって、ビームは（結晶をそれぞれ透過した後）結晶の平面で連続して再結像され、入射被写体面は射出像面に結像される。ここで特例として、２．７％でドープした５ｍｍの肉厚のＹｂ：ＣａＦ２結晶および全数６本の光路（ここでは、光路は結晶の入口から出口までの全光路と定義する）を考えてみる。９８０ｎｍで全獲得可能な１ｋｗのポンプ出力を考慮しており、このポンプ出力は結合する同一光学増幅器間に均等に分布していると仮定する。ポンプの繰り返し期間が、使用した結晶の発光時間定数、すなわち２．４ｍｓに等しいと仮定すると、ポンプ出力Ｅｐｕｍｐは２．４Ｊに対応する。すなわち、全ポンプエネルギは、（各増幅サイクルに対して）４台の光学増幅器間に等しく分配されている。１，０３０ｎｍにおいて８ｍＪのエネルギをもつ入射パルスは、どんな光学損傷をも避けるに十分な時間（〜１０ｎｓ）だけ時間的に拡張される。結晶に対する増幅信号の影響は、５Ｊ／ｃｍ２の損傷閾値以下に維持される。光学要素は、ミラーとレンズに対しては９９．９％、１／４波長板に対しては、９９．５％、分割キューブとファラデー回転子に対しては、約９９％よりそれぞれ高い効率をもつことを考慮する。こうした条件では、各光学増幅器は、約３９０ｍＪを貯蔵し、この数値は、約１．３の小信号利得に対応する。システムの光学要素の損失を考慮するとともに９５％の最終再合成効率を考慮すると、４台の光学増幅器のコヒーレントなネットワークをシミュレーションすることにより、６４％に近接する取り出し効率ｎｅｘｔｒに対して、１２５に等しい全利得Ｇｔｏｔ、および４１％（Ｅｐｕｍｐ／Ｅｏｕｔ、ｔｏｔａｌ）に等しいグローバル効率ｎｇｌｏｂａｌに対して、１Ｊ（すなわち光学増幅器当たり約２６５ｍＪ）に等しい出力エネルギＥｏｕｔ、ｔｏｔａｌを得ることができ、取り出し効率は、活性媒体に保存したエネルギと射出エネルギとの間の比として定義される。各光学増幅器において光路の数を１０まで増加することにより、そうした性能をまだ改良することもできる。例えば、出力エネルギＥｏｕｔ、ｔｏｔａｌを１．２Ｊに、全利得Ｇｔｏｔを１５０に、グローバル効率ｎｇｌｏｂａｌを５０％に、取出し効率ｎｅｘｔｒを８２％に等しくすることができる。
【００４１】
この技術によって、Ｎ台（Ｎ＝２ｎ、ｎは整数）の光学増幅器をコヒーレントかつ受動的に結合することができる。この方法は、入射ビームをＮ個のレプリカに分割し、各レプリカは、Ｎ台の光学増幅器を備えている増幅ネットワークを通って伝播する。従って、各レプリカは同じ最終エネルギで増幅される。このようにして、異なったレプリカは、２×２で相反する光路を通って同一光学位相を蓄積する。光学増幅器のネットワークの射出において、Ｎ個のレプリカのコヒーレント結合がこうして可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明のコヒーレント結合用装置は多数の利点がある。第１の利点は、この装置が受動的であって、リアルタイムのフィードバック制御システムに基づくコヒーレント結合用の能動的装置に比べると、組み立ての複雑性をかなり簡略にすることができる。次に、この装置によれば、２台の光学増幅器だけでなく、２台よりもかなり多数もあり得る光学増幅器の数Ｎを、各光学増幅器の性能を改善しつつ結合することが可能になることである。実際、本装置によれば、光学増幅器の台数の増加につれて各光学増幅器の抽出効率が改善できるようになり、増幅は、異なる光学増幅器間に配分され、各光学増幅器に対して数本の光路に分割される。
【符号の説明】
【００４３】
Ｂ１〜Ｂ４        分岐
ＥＳ１〜ＥＳ４    入射出ポート
Ｒ１〜Ｒ１１      １／４波長板
Ｍ１〜Ｍ１１      高反射ミラー
Ａ１〜Ａ４        光学増幅器
Ｃ１〜Ｃ４        偏光偏光キューブ      
【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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【国際調査報告】
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