(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルフシーディング高出力レーザーであって：
空間フィルター；
前記空間フィルターからの低パワー非歪み光学ビームを循環させるための光学リレー；
前記低パワー非歪み光学ビームの位相面を適応的に変更するために前記光学リレーの出力に光学的に結合される適応光学系；
高パワー非歪み光学ビームを生成するために前記適応光学系の位相制御素子の出力に光学的に結合される高出力増幅器であり、前記適応光学系により射出された適応的に変更された位相面が、当該高出力増幅器によりもたらされる歪みを打ち消して前記高パワー非歪み光学ビームを生成する、高出力増幅器；
前記高パワー非歪み光学ビームをセルフシーディング高出力レーザーの出力としての高パワー出力ビームと低パワービームとに分割するために前記高出力増幅器に光学的に結合されたビームスプリッター；
前記低パワービームを前記空間フィルターに集束させる集束レンズ；
前記空間フィルターによりフィルタリングされた前記低パワービームのメトリックを検出する検出器；及び
前記の検出されたメトリックに基づいて、前記の検出されたメトリックを入力し、前記適応光学系を適応的に制御して、前記高出力増幅器のパワーを最大化するためのコントローラー；
を有するセルフシーディング高出力レーザー。
【請求項２】
請求項１に記載されたセルフシーディング高出力レーザーであって、前記検出器がパワー検出器であり、前記メトリックが前記低パワービームのパワーである、セルフシーディング高出力レーザー。
【請求項３】
請求項１に記載されたセルフシーディング高出力レーザーであって、前記検出器が波面センサー検出器であり、前記メトリックが前記低パワービームの波面である、セルフシーディング高出力レーザー。
【請求項４】
請求項１に記載されたセルフシーディング高出力レーザーであって、前記空間フィルターがシングルモードファイバー、ピンホール又はスリットである、セルフシーディング高出力レーザー。
【請求項５】
請求項１に記載されたセルフシーディング高出力レーザーであって、前記光学リレーが、前記低パワービームを増幅するための10を超える利得を伴う能動シングルモードファイバーを含む、セルフシーディング高出力レーザー。
【請求項６】
請求項１に記載されたセルフシーディング高出力レーザーであって、さらに
前記低パワー非歪み光学ビームを前記適応光学系に結合するためのビーム成形又はフォーマッティング光学系；
を有する、セルフシーディング高出力レーザー。
【請求項７】
請求項６に記載されたセルフシーディング高出力レーザーであって、前記ビーム成形又はフォーマッティング光学系が1つ又は複数のレンズである、セルフシーディング高出力レーザー。
【請求項８】
請求項６に記載されたセルフシーディング高出力レーザーであって、前記ビーム成形又はフォーマッティング光学系がアフォーカルテレスコープである、セルフシーディング高出力レーザー。
【請求項９】
請求項６に記載されたセルフシーディング高出力レーザーであって、さらに
高パワービームが前記空間フィルターへと逆行し或いは反射するのを防止するために前記適応光学系と前記光学リレーとの間に光学的に結合されたアイソレーター；
を有するセルフシーディング高出力レーザー。
【請求項１０】
セルフシーディング高出力レーザーであって：
空間フィルター；
低パワー非歪み光学ビームを循環させるための光学リレー；
歪みを伴う高パワー光学ビームを生成するために前記光学リレーの出力に光学的に結合された高出力増幅器；
前記の歪みを伴う高パワー光学ビームの位相面を適応的に変更して高パワー非歪み光学ビームを生成するために前記高出力増幅器の出力に光学的に結合された適応光学系であり、当該適応光学系から射出された前記の適応的に変更された位相面が前記高出力増幅器によりもたらされた歪みを打ち消して前記高パワー非歪み光学ビームを生成する、適応光学系；
前記高パワー非歪み光学ビームをセルフシーディング高出力レーザーの出力としての高パワー出力ビームと前記光学リレーにより循環されるべき低パワービームとに分割するために、前記適応光学系の位相制御素子に光学的に結合されたビームスプリッター；
前記低パワービームのメトリックを検出する検出器；
前記の検出されたメトリックに基づいて、前記の検出されたメトリックを入力し、前記適応光学系の位相制御素子を適応的に制御して、前記高パワー出力ビームの位相波面歪みを最小化するためのコントローラー；
を有するセルフシーディング高出力レーザー。
【請求項１１】
請求項１０に記載されたセルフシーディング高出力レーザーであって、前記検出器がパワー検出器であり、前記メトリックが前記低パワービームのパワーである、セルフシーディング高出力レーザー。
【請求項１２】
請求項１０に記載されたセルフシーディング高出力レーザーであって、前記検出器が波面センサー検出器であり、前記メトリックが前記低パワービームの波面である、セルフシーディング高出力レーザー。
【請求項１３】
請求項１０に記載されたセルフシーディング高出力レーザーであって、前記光学リレーが、前記低パワービームを増幅するための10を超える利得を伴う能動シングルモードファイバーを含む、セルフシーディング高出力レーザー。
【請求項１４】
請求項１０に記載されたセルフシーディング高出力レーザーであって、さらに
低パワー光学ビームを前記高出力増幅器に結合するためのビーム成形又はフォーマッティング光学系；
を有する、セルフシーディング高出力レーザー。
【請求項１５】
請求項１４に記載されたセルフシーディング高出力レーザーであって、前記ビーム成形又はフォーマッティング光学系が1つ又は複数のレンズである、セルフシーディング高出力レーザー。
【請求項１６】
請求項１４に記載されたセルフシーディング高出力レーザーであって、前記ビーム成形又はフォーマッティング光学系がアフォーカルテレスコープである、セルフシーディング高出力レーザー。
【請求項１７】
請求項１０に記載されたセルフシーディング高出力レーザーであって、さらに
高パワービームが前記空間フィルターへと逆行し或いは反射するのを防止するために前記高出力増幅器と前記光学リレーとの間に光学的に結合されたアイソレーター；
を有するセルフシーディング高出力レーザー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に高出力レーザーに関し、より詳細には、セルフシーディング高出力レーザーに関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力ファイバーレーザー、特に数十ワット又は数百ワット、場合によっては数キロワットの出力電力を有する増幅器がますます需要が高まっている。高い出力電力を有するレーザーは、多くの用途に必要とされる。用途としては、材料加工（溶接、切削、穿孔、はんだ付け、マーキング、表面改質）；大規模なレーザーディスプレイ;リモートセンシング（例えば、LIDAR）;医療用途（例えば手術）;軍事用途（例えば、ミサイル迎撃兵器）;及び基本的科学用途（例えば、粒子加速）等を含むが、これらに限定されない。
【０００３】
典型的な高出力レーザーは、1個又は数個の強力なポンプ源を必要とする。高出力レーザーダイオードによるポンピングがより普及してきた。高出力レーザーは、主発振器／電力増幅器（Master  Oscillator/Power  Amplifier、MOPA）として構成されることが多い。主発振器／電力増幅器では、低パワー、高ビーム品質の主発振器が、1個又は複数個の電力増幅器内で高出力パワーへと増大される。高出力の適応光学系（AO）が、典型的には、電力増幅器の後に配置され、増幅中にビームに与えられる如何なる位相歪みをも補正するために使用される。しかしながら、マルチキロワットの電力レベルにおいて、適切に強力な主発振器及び適切なパワーハンドリングを備えた適応型光学系を作ることが問題である。
【０００４】
インジェクションシーダー（injection  seeders）は、小さなシードレーザーの出力をより大きなレーザーのキャビティへと導き、より大きなレーザーの出力を安定させるデバイスである。ほとんどのシードレーザーは、より大きなレーザーの利得媒体の線幅内で放射する安定した単一周波数レーザーである。シードレーザーの単一周波数は、より大きなレーザーが単一縦モードで放射するように促す。シードレーザーは連続的でもパルス的でもよい。パルスレーザーをシーディングすることにより、パルスからパルスへの出力エネルギー及びタイミング（ジッター）の変動を低減し、パルス内の時間変動を平滑化することができる。多くの商用のレーザーは、シーディング源としてレーザーダイオードを使用している。しかしながら、シーディング源のための余分なレーザーは、レーザー装置のコスト及び複雑さを増してしまう。
【０００５】
高出力レーザーシステムは、切断、穿孔、溶接及び熱処理などの様々な産業用途、並びに宇宙飛行、航空宇宙及び陸上システムなどの様々なプラットフォームに関する軍事指向性エネルギー兵器用途のために考慮されている。用途の目的を達成するために、高出力レーザーシステムを正確に指向（steer）し、最適に焦点を合わせる必要がある。指向は、視線制御（line-of-sight  control）及び焦点合わせを含み、HELシステムに関して、波面誤差補正を含む。現在、波面誤差補正は通常、適応光学系を用いて達成される。さらに、1個又は複数個の高速指向ミラーを使用して、傾きを補正し、見通し線（line-of-sight）を方向付けることができる。典型的には、開口共有素子（aperture  sharing  element、ASE）と共に複数の波面センサーが使用される。
【０００６】
しかしながら、固体HELを拡大することは複雑な作業であり、通常、レーザー媒体中に蓄積した廃熱及び付随する熱レンズ効果及び複屈折により、出力ビームの劣化をもたらす。すなわち、レーザーの出力が高いほど、レーザー出力ビームの歪みが大きくなる。マルチキロワットの回折限界に近い固体レーザーのための既存の解決策は、以下の3つのカテゴリーのうちの1つに分類される：1）キャビティ内高出力適応光学系を有するパワー発振器;  2）直列の1個又は数個の増幅器を伴う単一ビームラインMOPAシステム;  3）複数の並列小型パワー発振器又はMOPAを伴うビーム結合システム。図１に示す第1のカテゴリーは通常、低利得レーザー材料とともに使用される。
【０００７】
図1は、従来技術によるパワー発振器高利得増幅器の簡略ブロック図である。典型的な固体レーザーの場合、レーザー利得媒体はレーザーダイオードで光学的に励起され、1を超える単一パス利得で反転分布を達成する。レーザー信号が、キャビティ内の光学的ノイズに由来し、積極的なフィードバックによって高反射ミラーと部分反射ミラーとの間で振動するとき、誘導放出によって増幅される。レーザーキャビティ内に配置された変形可能ミラーは、波面センサーのアパーチャで位相が平坦になるように、発振レーザービームの波面（又は位相面又は位相フロント）を調整する。再結像光学系（図示せず）は、典型的に、サンプルビームの経路内に挿入される。サンプルビームはフォールドミラー（fold  mirror）又はビームスプリッター（beam  splitter）を通過し、波面センサーの入射開口を変形可能ミラーのアパーチャに再結像し、正確な補正を保証する。適応光学系（AO）コントローラは、波面センサーから電気信号を受信し、変形可能ミラーを、センシングされた波面の共役（又は逆）である形状へと駆動するアクチュエータコマンドを生成する。その結果、残留波面歪みを最小限に抑えた高品質の出力ビームが得られる。このパワー発振器（PO）アーキテクチャの1つの制限は、低利得媒体の場合に非常に高くなり得る部分反射ミラーの反射率の逆数によって、キャビティ内の強度が出力ビーム強度よりも大きいことである。このことは、レーザー利得媒体に高い熱応力を与え、熱レンズ効果及び複屈折によるビーム劣化を悪化させる。それはまた、変形可能なミラー素子を、同じ用途のためのこれらの装置の出力処理限界を超える可能性のある同じ高いキャビティ内強度に曝す。
【０００８】
図2に示す第2のカテゴリーは、効率的な動作のために増幅器利得を合理的に低く保持し、ＭＯへの光学フィードバックの有害な影響を最小限に抑えるために、比較的高出力の主発振器（MO）（通常はシステム出力電力の1％〜10％の範囲の電力を必要とする）を必要とする。これらのレーザーも、典型的に、出力において高出力適応光学系とともに実装されるが、変形可能ミラーの出力が低い場合に、MOとパワー増幅器（PA）との間に位置する適応光学系を潜在的に使用することができる。
【０００９】
図２のMOPAのアーキテクチャは、図１のパワー発振器と相違する。何故ならば、図2のアーキテクチャでは、高出力利得媒体（パワー増幅器）を取り囲むレーザーキャビティを画定するミラーが存在せず、信号は、アイソレーター段によりパワー増幅器にファイバー結合できる別個の外部主発振器から生じる。アイソレーター段は、増幅器からＭＯへのフィードバックを最小にする。ファイバーの出力においてビーム成形レンズが含まれ、パワー増幅器アパーチャへの効率的な結合のためにビームを拡大して成形する。
【００１０】
第3のカテゴリーのレーザーは、増幅素子のパワーローディング及び適応光学系に入射するパワーを1  /  N（ここでNは並列ビームの数）だけ減少させることができる。しかしながら、そのようなシステムの複雑さレベルは、高コスト、信頼性低下及び大きいサイズ／重量を導く。出力（図示せず）におけるセンサーが、各DMの平均位相を駆動する出力ビーム間の位相（ピストン誤差）を測定する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の実施形態は、レーザーキャビティ内にリング幾何形状と適応光学系を含む。ループの周りの伝播方向において、適応光学系は、出力カプラとビーム経路の低パワー部分内の増幅器との間に、又は高出力ビーム経路内の増幅器と出力カプラとの間に配置することができる。本発明を使用すると、（MOPA構成で必要とされる）外部主発振器の必要性が除去され、結果として、より複雑でなく、より低コストでかつより堅牢な高出力レーザーが得られる。非常に高い出力レベルで動作するキャビティ内適応光学系を必要とする大出力発振器の非常に高いキャビティ内強度と比較して、本発明では、キャビティ内適応光学系が低い電力負荷で動作可能であり、特に、適応光学系がループの低電力部分内に配置されている場合にそうである。本発明はまた、位相結合HELアーキテクチャで必要とされる、コヒーレントに結合された並列増幅器ビームラインのアレイの位相を測定し調整する複雑さを回避する。
【００１２】
いくつかの実施形態において、本発明は、以下の構成要素を含むセルフシーディング高出力レーザーである。すなわち、セルフシーディング高出力レーザーは、空間フィルター；前記空間フィルターからの低パワー非歪み光学ビームを循環させるための光学リレー；前記低パワー非歪み光学ビームの位相面を適応的に変更するために前記光学リレーの出力に光学的に結合される適応光学系；高パワー非歪み光学ビームを生成するために前記適応光学系の位相制御素子の出力に光学的に結合される高出力増幅器であり、前記適応光学系により射出された適応的に変更された位相面が、当該高出力増幅器によりもたらされる歪みを打ち消して前記高パワー非歪み光学ビームを生成する、高出力増幅器；前記高パワー非歪み光学ビームをセルフシーディング高出力レーザーの出力としての高パワー出力ビームと低パワービームとに分割するために高出力増幅器に光学的に結合されたビームスプリッター；前記低パワービームを前記空間フィルターに集束させる集束レンズ；前記空間フィルターによりフィルタリングされた前記低パワービームのメトリックを検出する検出器；及び前記の検出されたメトリックに基づいて、前記の検出されたメトリックを入力し、前記適応光学系を適応的に制御して、前記高出力増幅器のパワーを最大化するためのコントローラー；を有する。
【００１３】
いくつかの実施形態において、本発明のセルフシーディング高出力レーザーは：空間フィルター；低パワー非歪み光学ビームを循環させるための光学リレー；歪みを伴う高パワー光学ビームを生成するために前記光学リレーの出力に光学的に結合された高出力増幅器；前記の歪みを伴う高パワー光学ビームの位相面を適応的に変更して高パワー非歪み光学ビームを生成するために前記高出力増幅器の出力に光学的に結合された適応光学系であり、当該適応光学系から射出された前記の適応的に変更された位相面が前記高出力増幅器によりもたらされた歪みを打ち消して前記高パワー非歪み光学ビームを生成する、適応光学系；前記高パワー非歪み光学ビームをセルフシーディング高出力レーザーの出力としての高パワー出力ビームと前記光学リレーにより循環されるべき前記低パワービームとに分割するために、前記適応の位相制御素子に光学的に結合されたビームスプリッター；前記低パワービームのメトリックを検出する検出器；前記の検出されたメトリックに基づいて、前記の検出されたメトリックを入力し、前記適応光学系の位相制御素子を適応的に制御して、前記高パワー出力ビームの位相波面歪みを最小化するためのコントローラー；を有する。
【００１４】
いくつかの実施形態において、セルフシーディング高出力レーザーは、前記低パワー非歪み光学ビームを前記適応光学系に結合するためのビーム成形又はフォーマッティング光学系を含んでよい。いくつかの実施形態において、セルフシーディング高出力レーザーは、如何なる逆伝搬をも防止するための、ビーム経路内のアイソレーターを含んでよい。
【００１５】
いくつかの実施形態において、前記検出器がパワー検出器であり、前記メトリックが前記低パワービームのパワーであってよい。いくつかの実施形態において、前記検出器は、波面センサー検出器であり、前記メトリックは前記低パワービームの波面であってよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
本発明のこれらの及び他の特徴、特色及び利点が、以下の説明、添付特許請求の範囲に関して、より良く理解される。
【図１】従来技術に従った、電力発振器高利得増幅器の簡略ブロック図である。
【図２】従来技術に従った、高出力適応光学系を備えたMOPA  HELの簡略ブロック図である。
【図３】代表的な波面センサーを示している。
【図４】本発明のいくつかの実施形態に従った、セルフシーディング高エネルギーレーザー（HEL）のための例示的な簡略ブロック図である。
【図５】本発明のいくつかの実施形態に従った、セルフシーディング高エネルギーレーザー（HEL）のための例示的な簡略ブロック図である。
【図６】本発明のいくつかの実施形態に従った、波面センシングを有するセルフシーディング高エネルギーレーザー（HEL）のための例示的な簡略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
いくつかの実施形態において、本発明は、ほぼ回折限界のビーム品質を有する、単一のビームライン高出力固体レーザーを達成する。この固体レーザーは、主発振器（master  oscillator）を必要とせず、高出力の適応光学系を使用しない。このことは、非常に高い出力結合比（例えば、約99％）を有するリング発振器構成内で、高利得（例えば、約100の利得）の単一の高出力増幅器を使用することによって達成される。この「セルフシーディング」（self-seeding）構成は、回折限界に近いビーム品質を達成するためには依然として適応光学系を必要とするが、適応光学系は、適応光学系のパワーがシステム出力電力の小部分（例えば、約１％）であるリングの低パワー区間（leg）に配置される。このパワーレベルを処理することができる適応光学系は、成熟度が高く、コストが低く、堅牢であるため、適応光学系が全出力ビームパワーを処理可能であり、コスト、サイズ及び複雑さが低減され、システムの堅牢性が向上する。
【００１８】
図4は、本発明のいくつかの実施形態に従ったセルフシーディングHELの例示的な簡略ブロック図を示す。このセルフシーディングHEL内の信号ビームは、自発放出（spontaneous  emission）から蓄積され、増幅され、フィルタリングされ、再循環されて、出力において高出力レーザービームを生成する。図示されているように、循環ビームは、ビーム成形ビーム又はビームフォーマッティング光学系402、例えばレンズに入り、適応光学（Adaptive  Optics,  AO）位相制御素子404に入射してから、高出力増幅器406に入る。リレーのタイプ及び増幅器のタイプに依存して、ビーム成形又はビームフォーマッティング光学系は、一連のレンズであってもよいし、単純にビームをリサイズするアフォーカルテレスコープ（afocal  telescope）であってもよい。
【００１９】
AO位相制御素子は、入射光放射の位相プロファイルを変更する変形可能ミラー、光位相アレイ（OPA）その他の形態の空間光変調器であってもよい。高出力増幅器406は、100を超える利得を有する平面導波路（PWG）であってもよく、AO位相制御素子404からの出力を増幅する。しかしながら、AO位相制御素子はまた、利得媒体内部の熱効果及び高出力領域内での他の収差により、出力においていくらかの位相歪みを生じる。位相歪みは、熱光学（dn/dT）、弾性光学、及び寸法歪み効果による利得媒体内の温度変化から生じ得る。他の収差は、介在する光学素子における同様の効果及び介在する空気中の熱誘導乱流（thermally  induced  turbulence）から生じ得る。AOコントローラー418によって制御されるAOの位相制御素子は、高出力増幅器406の入力において光学リレー414からの回折限界ビームの位相を適応的に予め歪ませ（pre-distort）、それにより、生成されたプリディストーション（pre-distortion）が増幅器の出力424における増幅器内部の位相歪み（例えば、熱レンズ効果）を打ち消す。光学リレー414は、ファイバー、自由空間光学系又はそれらの組み合わせであってもよい。
【００２０】
増幅器406の高出力ビーム出力424は、部分反射フォールドミラー（partially  reflecting  fold  mirror）（又はビームスプリッター）408によって、高出力ビーム410及び低出力再循環ビーム426に分割される。高出力増幅器406の利得及びシステムの要求に依存して、低パワービーム426は、増幅器の出力424の小さな部分（例えば、1〜10％）である。低パワービーム426は、空間フィルター413から光学リレー414に入力され、集束レンズ412を介して、低歪の歪んでいない低出力光ビームを循環させ、リレー光学系（図示されたシングルモード光学系）を介してビーム成形又はビームフォーマッティング光学系及び光アイソレーター422にフィードバックされる。光アイソレーター422、例えばファラデーアイソレーターは、電力増幅器406から空間フィルター413へのビームの逆伝播／反射を防止する。いくつかの実施形態において、光アイソレーター422は、光学リレーの自由空間部分に配置することができる。空間フィルター413は、シングルモードファイバーの磨いた端部、ピンホール（図示のように）、スリット（プレーナ導波路のような高アスペクト比の増幅器の場合のように）、又は他の任意のタイプのシングルモード光空間フィルターであってよい。空間フィルター413を伝播する低パワービーム426は、空間フィルター413の特性のために歪みがなく、すなわち、空間フィルター413は低パワービーム426の基本モードのみを通過させる。ビームスプリッター408は、例えば、（図示のような）部分的に反射する鏡、薄いペリクルミラー（pellicle  mirror）、ホログラフィック光学素子、低効率回折格子、又は菱形構成（rhomboid  configuration）の1対の低効率格子であってよい。
【００２１】
光学的検出器416は、空間的にフィルタリングされた低出力ビームのパワーを測定し、AOコントローラー418に情報を供給する。コントローラーは、その情報を用いて、例えばAO位相制御素子404を制御信号420によって適応的に制御する。例えば、高出力増幅器406の入力ビームに所望のプリディストーションを生成するために、変形可能なミラー位相制御素子404内の複数のミラーアクチュエータを移動させる。このようにして、「フィードバック」ループを通じて、AO位相制御素子404は、高出力増幅器406の出力424での歪みを除去し或いは実質的に減少させることにより、高出力増幅器406の出力424でのビームの品質及びパワーを最大化する。
【００２２】
いくつかの実施形態において、コントローラー418は、空間フィルター413を通して送信されたビームパワーを最適化メトリック（optimization  metric）として使用して、高出力増幅器406の出力424でビーム品質及びパワーを適応的かつ効果的に最大化する古典的な「ヒルクライミング」（Hill  Climbing）技法を実行する。当業者に知られているように、ヒルクライミングは数学的最適化技法であり、これは問題に対する任意の解から始まる反復アルゴリズムである。この技法は、1つ又は複数の入力パラメータ（この場合、電力増幅器へのビーム入力の位相プロファイル）を増分的に変化させることによって、より良い解決策を見つけることを試みる。その変化がより良い解決策を生み出す場合、さらなる改善が見いだせなくなるまで、最適化パラメータに対する増分変化がなされる。その変化がより悪い解決策を生み出す場合には、最適化パラメータが変化されず、技法は、従前の解法で再開される。ヒルクライミングは、典型的には、局所最適値を見つけるのに最もよく機能するが、すべての可能な解決策の中から最良の可能な解（すなわち、全体最適値）を見つけることが保証されているわけではない。
【００２３】
いくつかの実施形態において、コントローラー418は、ヒルクライミング技法の一例である確率的勾配降下（stochastic  parallel  gradient  descent,  SPGD）制御技法を実行する。  SPGD制御技術では、変形可能ミラー内の（ミラー）アクチュエータの確率的摂動を介して、勾配推定が並列に適用される。この技法は、基準状態に関する摂動生成のための「コインフリップ（Coin-flip）」統計を実行し、摂動状態のセンサーメトリック（sensor  metric）（例えば、空間的にフィルタリングされたビームのパワー）を測定する。SPGD制御技術のより詳細な説明は、James  C.  Spall著「効率的な最適化のための同時摂動法の概要（An  Overview  of  the  Simultaneous  Perturbation  Method  for  Efficient  Optimization）」、Johns  Hopkins  APL  Technical  Digest、Vol.  19、No.4（1996）に記載されており、その全内容を参照として本明細書に明示的に引用する。
【００２４】
図4に示すように、適応光学位相制御素子404は、ビーム成形又はビームフォーマッティング光学系402と高出力増幅器406との間に位置される低電力再循環ビーム経路内に配置される。しかしながら、図5及び図6に示すように、AO位相制御素子は高出力増幅器の出力段に配置されてもよい。どちらの場合でも、AO位相制御素子は、（出力がほぼ制限された）最高出力ビーム品質を達成するように（コントローラーによって）制御され、結果として遠方のターゲットに最大のレーザー強度を与えることができるフォーカス可能なビームをもたらす。
【００２５】
いくつかの実施形態において、シングルモードファイバーを空間フィルターとして使用してビームを空間的にフィルタリングする場合、そのファイバーは、選択的に、低パワービームを増幅するための（例えば、10を超える）利得を有するように（例えば、レーザーイオンでドープされた）能動ファイバーであってよい。したがって、低パワーのビームは、増幅器の出力424のより小さな部分であってもよい。すなわち、99.99％のようなさらに高い出力結合比（例えば、電力増幅器で100の利得、能動ファイバーで100の利得）である。
【００２６】
図5は、本発明のいくつかの実施形態に従った、セルフシーディング高エネルギーレーザー（HEL）の例示的な簡略ブロック図を示す。これらの実施形態と図４に示すものとの主な相違点は、これらの実施形態では、適応光学系504が、増幅器とビームスプリッター508との間で電力増幅器506の出力に配置される点である。このようにして、AO位相制御素子504は、コントローラー518によって適応的に制御され、高出力ビーム524内の電力増幅器506によって生成された歪みを打ち消し、低歪高出力ビーム528を生成する。低歪高出力ビーム528は、ビームスプリッター508によって高パワー出力ビーム510及び低パワー（フィードバック）ビーム526に分割される。
【００２７】
低パワービーム526は、集束レンズ512によって空間フィルター513を通って光学リレー514に入力され、光学リレー514を通って光学アイソレーター522を介してビーム成形又はビームフォーマッティング光学系502へとフィードバックされる。光学リレー514は、ビームスプリッター508のシードビームレグ（seed  beam  leg）から低パワーの非歪み光ビーム（un-distorted  optical  beam）を循環させる。光検出器516は、空間的にフィルタリングされた低出力ビームを測定し、その情報をコントローラー518に供給する。コントローラーは、その情報を用いて、出力ビーム510における収差（aberration）を最小限に抑えるために、制御信号520を介してＡＯ制御素子504を適応的に制御する。図４のセルフシーディングレーザーキテクチャの利点は、このアーキテクチャを非常に高出力の用途により適したものにするために高出力の適応型光学素子を使用することはないことである。
【００２８】
図6は、本発明のいくつかの実施形態に従った、波面検出を伴うセルフシーディング高エネルギーレーザー（HEL）の例示的な簡略ブロック図を示す。これらの実施形態において、空間フィルター614（それぞれ図4及び図5の光学検出器416及び516と同様）を通じて増幅器624の出力でビームのパワーを検出又はサンプリングする代わりに、波面センサー616が、増幅器624の出力における波面を測定する。図4の実施形態と同様に、入力ビームが、ビーム成形又はビームフォーマッティング光学系602を用いて拡大されフォーマッティングされ、高出力増幅器606へと方向付けられる。高出力増幅器606は、ビームを増幅するが、それはまた、例えば熱的効果によって、出力においていくらかの位相歪みを生じさせる。コントローラー618によって制御されるAOの位相制御素子608は、高出力増幅器606の出力における位相フロント（phasefront）を適応的に変更し、それにより生成された歪みは、増幅器の出力624における増幅器内の位相歪み（熱レンズ効果）を打ち消す。
【００２９】
増幅器606の高出力ビーム出力624は、AOの位相制御素子（変形可能ミラー）608によって反射され、低位相歪みを伴う高出力ビーム628を生成する。変形可能なレンズ／ミラーの表面は、波面制御及び光学収差の補正を達成するように変形することができる。次に、高出力低歪ビーム628は、フォールドミラービームスプリッター（fold  mirror  beamsplitter）630から反射されて、高出力ビーム610及び低出力サンプルビーム626を生成する。サンプルビーム626は、第2のビームスプリッター634によってさらに波面サンプル636及びシードビーム638に分割される。波面サンプルYYYの波面は、波面センサー616によって測定される。シードビーム638は、集束レンズ612を通ってリレー光学系614（図の単一モード光ファイバー）に入力され、光アイソレーター622を通じてビーム成形又はビームフォーマッティング光学系602へとフィードバックされる。
【００３０】
波面センサー616は、第2のビームスプリッター634からの波面サンプル636の波面を検出し、この情報を電気的インターフェイス632を介してコントローラー618へ供給する。コントローラーは、その情報を用いて、AOの位相制御素子を制御信号620を介して適応的に制御する。制御は、例えば、変形可能なミラー内の複数のミラーアクチュエータを移動させて、出力ビーム610内に所望の補正歪みを生成することによる。このようにして、「フィードバック」ループを通じて、変形可能ミラー608は出力ビーム610における歪みの量を最小化する。
【００３１】
いくつかの実施形態において、コントローラー618は、古典的な（既知の）ラストフレーム位相共役アルゴリズムを使用して、波面サンプル636内の波面情報を用いて、出力ビーム610における歪みの量を適応的かつ効果的に最小化することができる。
【００３２】
代表的な波面センサーであるシャックハルトマン（Shack-Hartmann）センサーが図3に示されている。このセンサーは、歴史的に、大気の乱れ又はレーザー透過によって引き起こされる位相のみの収差を測定するために使用されてきた。図示されているように、同じ焦点距離のレンズアレイ（レンズレット（lenslet））304が、入射波面302を捕捉する。レンズレットアレイ304の各々は、光子センサー／検出器（例えば、CCDアレイ又はクワッドセル（quad-cell））上に集束される。各レンズにわたる波面の局所的な傾斜は、センサー上の焦点スポット308の位置から計算することができる。任意の位相収差は、離散的な傾斜の集合に近似することができる。レンズレットのアレイをサンプリングすることにより、これらの傾斜の全てを測定することができ、波面全体をプロセッサによって近似することができる。
【００３３】
本提案による、非常に高い出力結合部分と適応光学系を有するリング幾何形状の高出力レーザーの構成は、ビーム成形又はビームフォーマッティング光学系と高出力増幅器との間に配置され、或いは出力カプラと高出力増幅器との間に配置される。すなわち、レーザーキャビティ内に適応光学系を配置することは、それが主発振器（master  oscillator）を必要とせず、適応光学系に入射するパワーがレーザー出力パワーのほんの小さな一部であるという独特な特性を有する。
【００３４】
当業者であれば、本発明の広い範囲から逸脱することなく、上述した本発明の図示された及びその他の実施形態に対して様々な変更を行うことができることを認識するであろう。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態又は構成に限定されず、むしろ添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲及び真意の範囲内にある如何なる変更、適合又は修正をも包含することが意図されている。
【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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