(57)【要約】  ２以上の光場を組み合わせる方法およびシステムが開示される。固体マスタレーザによって生成された第１の連続波高出力場が、第１の固体光増幅器に入射され、マスタレーザの出力場と高い位相コヒーレンスを示すレーザシステムからの単一の出力場を生成する。出力場の出力は、マスタレーザの出力と第１の光増幅器によって生成された出力の合計に等しく、一方でマスタレーザの出力場によって生成されたものと同様のビーム特性を示す。すなわち、単一の横および縦モードのガウシアンビームで、単一の偏光で、低ノイズを示す。このレーザシステムは、Ｎ個の光増幅器をマスタレーザと直列に配置して、単一の低ノイズ高出力場を提供できるという点で、非常に拡張性が高い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザシステムにおいて、
第１のレーザであって、第１の周波数（ｆ１）および第１の出力（Ｐ１）を有する第１の連続波出力場を生成するチタンサファイア（Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ）利得媒質を含む第１のレーザと、
第１の光増幅器であって、第２の周波数（ｆ２）および第２の出力（Ｐ２）を有する第２の連続波出力場を生成するチタンサファイア利得媒質を含む第１の光増幅器とを具え、
前記第１の連続波出力場が前記第１の光増幅器に注入され、それによって前記第２の連続波出力場が、前記第１の周波数（ｆ１）および前記第１の出力（Ｐ１）と第２の出力（Ｐ２）の合計にほぼ等しい出力（Ｐｏｕｔ）で前記レーザシステムの単一の出力場を形成することを特徴とするレーザシステム。
【請求項２】
前記第２の出力（Ｐ２）が、０．５Ｐ１＞Ｐ２＜１．５Ｐ１の範囲にある、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項３】
前記第１の出力（Ｐ１）が１ワット以上である、請求項１または２に記載のレーザシステム。
【請求項４】
前記第１の出力（Ｐ１）が４ワット以上である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のレーザシステム。
【請求項５】
前記第１の光増幅器が、アーム内にチタンサファイア利得媒質が配置されているリングキャビティを含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のレーザシステム。
【請求項６】
前記レーザシステムは、第１のレーザと第１の光増幅器との間の光路内に配置された第１のインジェクションロックモジュールをさらに具え、当該インジェクションロックモジュールは、前記第１の連続波出力場のモードが前記第１の光増幅器のものと一致するようにする手段を提供する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のレーザシステム。
【請求項７】
前記レーザシステムが、前記第１のレーザと前記第１の光増幅器との間の光路内に配置された第１の光アイソレータをさらに具える、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のレーザシステム。
【請求項８】
前記第１の光アイソレータが１つまたは複数のダイクロイックミラーを含む、請求項７に記載のレーザシステム。
【請求項９】
前記レーザシステムが、前記第２の連続波出力場を前記第１の連続波出力場の周波数に周波数ロックするための第１の周波数ロック制御ループをさらに具える、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のレーザシステム。
【請求項１０】
前記レーザシステムが、第３の周波数（ｆ３）および第３の出力（Ｐ３）を有する第３の連続波出力場を生成するチタンサファイア利得媒質を含む第２の光増幅器をさらに具え、前記第２の連続波出力場は前記第２の光増幅器に注入され、それによって前記第１の周波数（ｆ１）と、前記第１の出力（Ｐ１）、第２の出力（Ｐ２）および第３の出力（Ｐ３）の合計にほぼ等しい出力（Ｐｏｕｔ）とで前記レーザシステムの単一の出力場を形成する第３の連続波出力場を生成する、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のレーザシステム。
【請求項１１】
前記レーザシステムは、前記第１の光増幅器と前記第２の光増幅器との間の光路内に配置された第２のインジェクションロックモジュールをさらに具え、当該第２のインジェクションロックモジュールは、前記第２の連続波出力場のモードが前記第２の光増幅器のものと一致するようにする手段を提供する、請求項１０に記載のレーザシステム。
【請求項１２】
前記レーザシステムがさらに、前記第１の光増幅器と前記第２の光増幅器との間の光路内に配置された第２の光アイソレータを具える、請求項１０または１１に記載のレーザシステム。
【請求項１３】
前記第２の光アイソレータが１つまたは複数のダイクロイックミラーを含む、請求項１２に記載のレーザシステム。
【請求項１４】
前記レーザシステムが、前記第３の連続波出力場を前記第２の連続波出力場の周波数に周波数ロックするための第２の周波数ロック制御ループをさらに具える、請求項１０乃至１３のいずれかに記載のレーザシステム。
【請求項１５】
２以上の光場を組み合わせる方法であって、
周波数（ｆ０）および第１の出力（Ｐ１）を有する第１の連続波出力場を生成するためのチタンサファイア利得媒質を含む第１のレーザを提供するステップと、
第２の周波数（ｆ２）および第２の出力（Ｐ２）を有する第２の連続波出力場を生成するためのチタンサファイア利得媒質を含む第１の光増幅器を提供するステップと、
前記第１の連続波出力場を前記第１の光増幅器に注入するステップとを含み、これにより、前記第２の連続波出力場が、第１の周波数（ｆ１）および前記第１の出力（Ｐ１）と第２の出力（Ｐ２）の合計と実質的に等しい出力（Ｐｏｕｔ）でレーザシステムの単一の出力場を形成することを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記第２の出力（Ｐ２）が、０．５Ｐ１＞Ｐ２＜１．５Ｐ１の範囲にある、請求項１５に記載の２以上の光場を組み合わせる方法。
【請求項１７】
前記第１の出力（Ｐ１）は、１ワット以上または４ワット以上である、請求項１５または１６に記載の２以上の光場を組み合わせる方法。
【請求項１８】
前記第１の光増幅器を提供するステップは、アーム内にチタンサファイア利得媒質が配置されているリングキャビティを提供するステップを含む、請求項１５乃至１７のいずれか一項に記載の２以上の光場を組み合わせる方法。
【請求項１９】
前記方法が、前記第１の連続波出力場のモードを前記第１の光増幅器のモードに一致させるステップをさらに含む、請求項１５乃至１８のいずれか一項に記載の２以上の光場を組み合わせる方法。
【請求項２０】
前記方法が、前記第１の固体レーザを前記第１の光増幅器から光学的に分離するステップをさらに含む、請求項１５乃至１９のいずれか一項に記載の２以上の光場を組み合わせる方法。
【請求項２１】
前記方法が、前記第１の光増幅器を前記第１の連続波出力場に周波数ロックするステップをさらに含む、請求項１５乃至２０のいずれかに記載の２以上の光場を組み合わせる方法。
【請求項２２】
前記方法が、第３の周波数（ｆ３）および第３の出力（Ｐ３）を有する第３の連続波出力場を生成するために、チタンサファイア利得媒質を含む第２の光増幅器を提供するステップをさらに含み、前記第２の連続波出力場が第２の光増幅器に注入され、前記第３の連続波出力場は前記第１の周波数（ｆ１）と、前記第１の出力（Ｐ１）、第２の出力（Ｐ２）および第３の出力（Ｐ３）の合計にほぼ等しい出力（Ｐｏｕｔ）でレーザシステムの単一の出力場を形成する、請求項１５乃至２１のいずれか一項に記載の２以上の光場を組み合わせる方法。
【請求項２３】
前記方法が、前記第２の連続波出力場のモードを前記第２の光増幅器のモードに一致させるステップをさらに含む、請求項２２に記載の２以上の光場を組み合わせる方法。
【請求項２４】
前記方法が、前記第１の光増幅器を前記第２の光増幅器から光学的に分離するステップをさらに含む、請求項２２または２３に記載の２以上の光場を組み合わせる方法。
【請求項２５】
前記方法が、前記第２の光増幅器を前記第２の連続波出力場に周波数ロックするステップをさらに含む、請求項２２乃至２４のいずれか一項に記載の２以上の光場を組み合わせる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザの分野に関し、より具体的には、複数のレーザ光源をコヒーレントに組み合わせるためのレーザシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
単一のビーム内で生成され、また非常に低いノイズ特性を示す、高出力のレーザ光源を必要とする多くのアプリケーションが存在する。このようなアプリケーションは、原子の光トラッピングである。ここでは、レーザ光源から発生した誘導双極子力がその出力場内にある原子に作用し、出力場の強度の最大（または最小）に引き付けられ（反発され）、トラップされる（光学ピンセットの一種）。出力場内の出力が高いほどトラップの深度が大きくなり、したがって高出力レーザ光源に望ましい。生じる光場の揺らぎ（すなわち、モード変動やその他の残留ノイズ）が、原子の望まない運動や加熱を引き起こす。したがって、高出力レーザ光源も低ノイズを示すことが望まれる。したがって、高出力と低ノイズの組み合わせは、光トラップアプリケーションに最適となる。原子は高度に構成可能な光場にトラップされるため、結晶性の固体システムのエミュレーションに光トラップを使用できる。光トラップはまた、光学時計、量子コンピューティング、光学ピンセット、および量子光学実験に使用されている。
【０００３】
２以上の独立した利得媒質によって生成された出力光場をコヒーレントに合計するための手段を提供する多くのレーザシステムが当技術分野で知られている。例えば、米国特許第４，６４９，３５１号は、複数のレーザによって生成された出力光場を組み合わせるために回折格子が使用されるレーザシステムを開示している。回折格子は、照射時に、望まない高次の次数を抑制しながら、レーザの数に対応する回折次数の強度が実質的に等しくなるように構成されている。複数のレーザの位相ロックは、独立した単一のマスタレーザを使用して、回折格子を介して各レーザの参照ビームを生成することによって達成することができる。
【０００４】
米国特許第４，７５７，２６８号は、マスタレーザ光源からのパルス出力が一連のミラーおよび反射プリズムによって分割されて、複数のレーザ利得素子の同時駆動を実現するレーザシステムを開示する。利得素子に機能的に結合された位相共役反射器が、増幅された放射の位相共役を反射して利得素子に戻し、そこでさらに増幅される。次に、出力カプラが、レーザシステムを出る複数の利得素子からの増幅された放射を結合して、単一のコヒーレント出力として形成する。
【０００５】
複数のレーザデバイスをコヒーレントに組み合わせるための代替のレーザシステムが、米国特許出願公開第２００４／１６５６２０号に開示されている。ここでは、レーザデバイスは、レーザ活性領域を有する光ファイバを含む。各ファイバは、一端にリフレクタが配置されており、他端が光コンバイナに接続されている。光コンバイナは、各光ファイバ内で生成された出力を結合して、単一のコヒーレント出力を形成するように機能する。
【０００６】
米国特許出願公開第２００９／２９６７５１号では、レーザシステムが、直流注入によって位相ロックされる複数の半導体ダイオードレーザを含む。次に、各ダイオードレーザの光出力がファイバ増幅器によって増幅され、その後、複数のビームスプリッタプレートを具えるビーム結合モジュールによって結合されて、単一のコヒーレント出力ビームが形成される。
【０００７】
上記のレーザシステムは、レーザシステムに含まれる光学部品点数のために特に効率的ではなく、そのため生成できる出力は大幅に制限される。さらに、これらのレーザシステムによって生成される出力光場は、特に複数の出力が単一のビームではなくアレイ状に組み合わされた場合、モード品質が低く、個々のレーザ光源の出力を結合するために必要な複数の光学部品のために高いノイズレベルを示すことが知られている。結果として、これらのレーザシステムは、上記の高出力低ノイズのアプリケーションでの使用に適さない。
【０００８】
自由空間通信で使用する、注入ロッキングモノリシック、単方向シングルモードＮｄ：ＹＡＧリングレーザ（ＮＰＲＯ）に基づく高出力低ノイズのレーザシステムが当技術分野で知られている（例えば、ＳＰＩＥ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  第１４１７巻、Ｆｒｅｅ  Ｓｐａｃｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ＩＩＩ（１９９１年６月）「Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  ｃｈａｉｎｉｎｇ  ｏｆ  ｄｉｏｄｅ−ｐｕｍｐｅｄ  ｓｉｎｇｌｅ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｒｉｎｇ  ｌａｓｅｒｓ  ｆｏｒ  ｆｒｅｅ−ｓｐａｃｅ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ」、Ｃｈｅｎｇら参照）。この論文は、独立したＮＰＲＯレーザ（マスタレーザ）によって生成された連続波単周波出力に対する別のＮＰＲＯレーザ（スレーブレーザ）のインジェクションロックを開示する。次に、インジェクションロックされたＮＰＲＯレーザ（スレーブレーザ）の出力を使用して、第３のＮＰＲＯレーザをインジェクションロックすることができる。各ＮＰＲＯレーザの出力は、Ｎｄ：ＹＡＧの通常の動作波長である１０６４ｎｍで３００ミリワットから３５０ミリワットの範囲である。上記のように構成された場合、開示されたレーザシステムは、１０６４ｎｍで７５０ミリワットから１ワットの範囲の電力を有する単一周波数出力を提供する。実際には、そのようなシステムは非常に敏感であり、特に不安定であることがわかっている。
【０００９】
米国特許第５，０２７，３６０号は、前述のＮｄ：ＹＡＧインジェクションロックレーザシステムの安定性を高めるための解決策を開示している。米国特許第５，０２７，３６０号によって提供される解決策は、１０６４ｎｍで３０〜４０ミリワットの範囲の出力を持つＮＰＲＯレーザ（マスタレーザ）を使用して、従来のＮｄ：ＹＡＧリングキャビティレーザをインジェクションロックして、１０６４ｎｍで最大１３ワットの出力を持つ出力場をシステムから生成する。このシステムは、インジェクションロック状態を維持するために使用されるサーボループ制御システムをさらに含む。これは、スレーブレーザキャビティ内の変動を示すエラー信号を生成し、このエラー信号を使用してロック状態を維持するためにスレーブレーザキャビティの長さを調整することによって実現される。実際には、ＮＰＲＯレーザ（マスタレーザ）の出力を増大させるとシステム全体の安定性が低下するため、米国特許第５，０２７，３６０号に開示されているレーザシステムによって生成される出力は、Ｎｄ：ＹＡＧリングキャビティレーザによって生成できる出力に制限されることがわかっている。
【００１０】
上記のＮｄ：ＹＡＧベースのインジェクションロックレーザシステム、例えば重力波検出器用のレーザシステムで得られるよりも高出力を必要とする低ノイズアプリケーションがいくつか存在する。そのようなシステムの一例が、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｂ、２０１１年３月、第１０２巻、Ｉｓｓｕｅ３、頁５２９−５３８、「Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ−ｌｏｃｋｅｄ  ｓｉｎｇｌｅ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｌａｓｅｒ  ｗｉｔｈ  ａｎ  ｏｕｔｐｕｔ  ｐｏｗｅｒ  ｏｆ  ２２０Ｗ」、Ｗｉｎｋｅｌｍａｎｎらに開示されている。ここでは、出力２ＷのＮＰＲＯレーザが、４ヘッドのＮｄ：ＹＶＯレーザ増幅器によって３５ワットの出力レベルに増幅される。次に、Ｎｄ：ＹＶＯレーザ増幅器からの光がＮｄ：ＹＡＧ発振器をインジェクションロックする。Ｎｄ：ＹＡＧ発振器は、単一のリング共振器内に配置された４エンドポンプＮｄ：ＹＡＧ結晶で構成されており、１０６４ｎｍで最大２２０ワットの出力を実現する。
【発明の概要】
【００１１】
したがって、本発明の実施形態の目的は、当技術分野で知られているインジェクションロックレーザシステムの前述の欠点を防ぐか、少なくとも軽減することである。
【００１２】
本発明の実施形態のさらなる目的は、高出力場を生成するための当技術分野で知られているものに代わるレーザシステムを提供することである。
【００１３】
本発明の実施形態のさらに別の目的は、当技術分野で知られているレーザシステムと比較した場合に、動作波長の柔軟性が向上した出力場を生成するレーザシステムを提供することである。
【００１４】
本発明の第１の態様によれば、レーザシステムにおいて、
第１のレーザであって、第１の周波数（ｆ１）および第１の出力（Ｐ１）を有する第１の連続波出力場を生成するチタンサファイア（Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ）利得媒質を含む第１のレーザと、
第１の光増幅器であって、第２の周波数（ｆ２）および第２の出力（Ｐ２）を有する第２の連続波出力場を生成するチタンサファイア利得媒質を含む第１の光増幅器とを具え、
前記第１の連続波出力場が前記第１の光増幅器に注入され、それによって前記第２の連続波出力場が、前記第１の周波数（ｆ１）および前記第１の出力（Ｐ１）と第２の出力（Ｐ２）の合計にほぼ等しい出力（Ｐｏｕｔ）で前記レーザシステムの単一の出力場を形成するレーザシステムが提供される。
【００１５】
上記の構成は、高出力低ノイズの単一の出力場、すなわち単一の横および縦モード、単一の偏光、および第１の連続波出力場との高い位相コヒーレンスを示す第２の連続波出力場を有する固体レーザシステムを提供する。最も重要なことは、この単一出力場の波長は、第１のレーザの動作波長によって制御されるように、４００ｎｍの波長範囲（約６６０ｎｍ〜１０６０ｎｍ）で調整可能である。これにより、当該レーザシステムは光トラップ内での使用に特に適している。
【００１６】
第２の出力（Ｐ２）は第１の出力（Ｐ１）と同様、つまり０．５Ｐ１＞Ｐ２＜１．５Ｐ１の範囲であることが望ましい。
【００１７】
最も好ましくは、第１の出力（Ｐ１）は１ワット以上である。好ましくは、第１の出力（Ｐ１）は４ワット以上である。
【００１８】
好ましくは、第１の光増幅器は、アーム内にチタンサファイア利得媒質が配置されているリングキャビティを具える。
【００１９】
好ましくは、レーザシステムは、第１のレーザと第１の光増幅器との間の光路内に配置された第１のインジェクションロックモジュールをさらに具え、当該インジェクションロックモジュールは、第１の連続波出力場のモードが第１の光増幅器のものと一致することを確実にする手段を提供する。
【００２０】
最も好ましくは、レーザシステムは、第１のレーザと第１の光増幅器との間の光路内に配置された第１の光アイソレータをさらに具える。任意で、当該第１の光アイソレータは、１つまたは複数のダイクロイックミラーを含む。
【００２１】
最も好ましくは、レーザシステムは、第２の連続波出力場を第１の連続波出力場の周波数に周波数ロックするための第１の周波数ロック制御ループをさらに具える。
【００２２】
任意選択で、レーザシステムは、第３の周波数（ｆ３）および第３の出力（Ｐ３）を有する第３の連続波出力場を生成するチタンサファイア利得媒質を含む第２の光増幅器をさらに具え、第２の連続波出力場は第２の光増幅器に注入され、それによって第１の周波数（ｆ１）と、第１の出力（Ｐ１）、第２の出力（Ｐ２）および第３の出力（Ｐ３）の合計にほぼ等しい出力（Ｐｏｕｔ）とでレーザシステムの単一の出力場を形成する第３の連続波出力場を生成する。
【００２３】
上記の構成は、単一の出力場、すなわち、単一の横および縦モード、単一の偏光、および第１および第２の連続波出力場との高い位相コヒーレンスを示す第３の連続波出力場を有するレーザシステムを提供する。単一の出力場は、事実上、第１、第２、および第３の連続波出力場の出力の合計である出力レベルを示す。最も重要なことは、単一の出力場の波長が、最初のレーザの動作波長によって制御されるように、ここでも４００ｎｍの波長範囲（約６６０ｎｍ〜１０６０ｎｍ）で調整可能であることである。
【００２４】
好ましくは、レーザシステムは、第１の光増幅器と第２の光増幅器との間の光路内に配置された第２のインジェクションロックモジュールをさらに具え、当該第２のインジェクションロックモジュールは、第２の連続波出力場のモードが第２の光増幅器のものと一致することを確実にする手段を提供する。
【００２５】
最も好ましくは、レーザシステムは、第１の光増幅器と第２の光増幅器との間の光路内に配置された第２の光アイソレータをさらに具える。任意選択で、第２の光アイソレータは、１つまたは複数のダイクロイックミラーを含む。
【００２６】
最も好ましくは、レーザシステムは、第３の連続波出力場を第２の連続波出力場の周波数に周波数ロックするための第２の周波数ロック制御ループをさらに具える。
【００２７】
レーザシステムは、第１のレーザと直列に配置されたＮ個の光増幅器を含むように容易に拡張可能であり、これらは第１のレーザとＮ個の光増幅器からの出力場の出力の実質的な合計である出力を有する単一の出力場を生成することが理解されよう。したがって、システムは好ましくは、これらの構成要素間の光路内に配置されたインジェクションロックモジュールおよび／または光アイソレータを含むこととなる。さらに、各光増幅器は、光増幅器をシリーズ内の前の光増幅器に周波数ロックするための周波数ロック制御ループを具えることが好ましい。
【００２８】
本発明の第２の態様によれば、２つ以上の光場を組み合わせる方法が提供され、この方法は、
ある周波数（ｆ０）および第１の出力（Ｐ１）を有する第１の連続波出力場を生成するためのチタンサファイア利得媒質を含む第１のレーザを提供するステップと、
第２の周波数（ｆ２）および第２の出力（Ｐ２）を有する第２の連続波出力場を生成するためのチタンサファイア利得媒質を含む第１の光増幅器を提供するステップと、
前記第１の連続波出力場を前記第１の光増幅器に注入するステップとを含み、これにより、前記第２の連続波出力場が、第１の周波数（ｆ１）および前記第１の出力（Ｐ１）と第２の出力（Ｐ２）の合計と実質的に等しい出力（Ｐｏｕｔ）でレーザシステムの単一の出力場を形成する。
【００２９】
第２の出力（Ｐ２）は、第１の出力（Ｐ１）と同様、つまり０．５Ｐ１＞Ｐ２＜１．５Ｐ１の範囲であることが望ましい。
【００３０】
最も好ましくは、第１の出力（Ｐ１）は１ワット以上である。好ましくは、第１の出力（Ｐ１）は４ワット以上である。
【００３１】
好ましくは、第１の光増幅器を提供するステップは、アーム内にチタンサファイヤ利得媒質が配置されているリングキャビティを提供するステップを含む。
【００３２】
好ましくは、２つ以上の光場を組み合わせる方法は、第１の連続波出力場のモードを第１の光増幅器のモードに一致させることをさらに含む。
【００３３】
最も好ましくは、２つ以上の光場を組み合わせる方法は、第１の固体レーザを第１の光増幅器から光学的に分離するステップをさらに含む。
【００３４】
最も好ましくは、２つ以上の光場を組み合わせる方法は、第１の光増幅器を第１の連続波出力場に周波数ロックするステップをさらに含む。
【００３５】
任意選択で、２つ以上の光場を組み合わせる方法は、第３の周波数（ｆ３）および第３の出力（Ｐ３）を有する第３の連続波出力場を生成するために、チタンサファイア利得媒質を含む第２の光増幅器を提供するステップをさらに含み、前記第２の連続波出力場が第２の光増幅器に注入され、前記第３の連続波出力場は前記第１の周波数（ｆ１）と、前記第１の出力（Ｐ１）、第２の出力（Ｐ２）および第３の出力（Ｐ３）の合計に実質的に等しい出力（Ｐｏｕｔ）でレーザシステムの単一の出力場を形成する。
【００３６】
好ましくは、２つ以上の光場を組み合わせる方法は、第２の連続波出力場のモードを第２の光増幅器のモードに一致させるステップをさらに含む。
【００３７】
最も好ましくは、２つ以上の光場を組み合わせる方法は、第１の光増幅器を第２の光増幅器から光学的に分離することをさらに含む。
【００３８】
最も好ましくは、２つ以上の光場を組み合わせる方法は、第２の光増幅器を第２の連続波出力場に周波数ロックするステップをさらに含む。
【００３９】
本発明の第２の態様の実施例は、本発明の第１の態様の好ましいまたは任意の特徴を実施するための特徴を含むことができ、その逆も同様である。
【００４０】
本発明の第３の態様によれば、レーザシステムにおいて、
第１のレーザであって、第１の周波数（ｆ１）および第１の出力（Ｐ１）を有する第１の連続波出力場を生成する利得媒質を具える第１のレーザと、
Ｎ個の光増幅器であって、Ｎは２以上の整数であり、それぞれある周波数（ｆＮ）および出力（ＰＮ）を有する連続波出力場を生成する利得媒質を有するＮ個の光増幅器とを具え、
第１の光増幅器の連続波出力場は、前記第１の連続波出力場にインジェクションロックされ、Ｎ番目の光増幅器の連続波出力場は、Ｎ−１番目の光増幅器の連続波出力場にインジェクションロックされ、その結果、第１の周波数（ｆ１）と、前記第１の出力（Ｐ１）からＮ番目の出力（ＰＮ）の合計に実質的に等しい出力（Ｐｏｕｔ）とでレーザシステムの単一の出力場を形成するＮ番目の連続波出力場を形成するレーザシステムが提供される。
【００４１】
本発明の第３の態様の実施形態は、本発明の第１から第２の態様の好ましいまたは任意の特徴を実施するための特徴を含むことができ、その逆も同様である。
【００４２】
本発明の第４の態様によれば、３つ以上の光場を組み合わせる方法が提供され、この方法は、
ある周波数（ｆ０）および第１の出力（Ｐ１）を有する第１の連続波出力場を生成するための利得媒質を含む第１のレーザを提供するステップと、
Ｎ個の光増幅器を提供するステップであって、ここで、Ｎは２以上の整数であり、Ｎ個の光増幅器のそれぞれは、周波数（ｆＮ）および電力（ＰＮ）を有する連続波出力場を生成する利得媒質を含む、ステップと、
前記第１の光増幅器の連続波出力場を前記第１の連続波出力場にインジェクションロックし、Ｎ番目の光増幅器の連続波出力場をＮ−１番目の光増幅器の連続波出力場にインジェクションロックし、その結果、第１の周波数（ｆ１）と、前記第１の出力（Ｐ１）からＮ番目の出力（ＰＮ）の合計に実質的に等しい出力（Ｐｏｕｔ）とでレーザシステムの単一の出力場を形成するＮ番目の連続波出力場をもたらすステップとを含む。
【００４３】
本発明の第３の態様の実施形態は、本発明の第１から第２の態様の好ましいまたは任意の特徴を実施するための特徴を含むことができ、その逆も同様である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
ここで例としてのみ、図面を参照して本発明の様々な実施形態を説明する。
【図１】図１は、本発明の実施形態によるレーザシステムの概略図を示す。
【図２】図２（ａ）は、図１のレーザシステム内で採用されている光増幅器であり、図２（ｂ）は図１のレーザシステム内で採用されている代替的な光増幅器の概略図である。
【図３】図３は、本発明の代替的な実施形態によるレーザシステムの概略図を示す。
【図４】図４は、本発明のさらなる代替的な実施形態によるレーザシステムの概略図を示す。  以下の説明では、同じ部品には明細書および図面全体で同じ符号が付されている。図面は必ずしも原寸に比例しておらず、本発明の実施形態の詳細および特徴をよりよく説明するために、特定の部品の比率が誇張されている。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図１を参照して、レーザシステムの詳細を説明する。特に、図１は、全体を符号１によって示すように、本発明の第１の実施形態によるレーザシステムの概略図を提示する。
【００４６】
レーザシステム１は、システム１内のマスタ（またはシード）レーザとして使用されるチタンサファイア（Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ）レーザ２を具える。このマスタ・チタンサファイアレーザ２は、専用の連続波ダイオード励起固体（ＤＰＳＳ）レーザ光源３によって５３２ｎｍで光励起され、連続波出力場４を生成する。出願人によるＳｏｌｓＴｉＳ（商標名）レーザがマスタレーザ２として使用するチタンサファイアレーザの適切な例であり、一方で励起レーザ３は市販のダイオード励起固体（ＤＰＳＳ）レーザを含み得る。
【００４７】
励起レーザ３は、マスタ・チタンサファイアレーザ２に最大１８ワットの励起出力を提供する能力を有する。ここに記載の実施形態では、励起レーザ３は、マスタ・チタンサファイアレーザ２に約１８Ｗのポンプ出力を提供して、８８０ｎｍで最大約４．７Ｗの出力の調整可能な連続波出力場４（６６０ｎｍから１０６０ｎｍの間で調整可能）を提供するように構成される。多数のキャビティ内要素（例えば、エタロン）および制御電子機器の存在により、生成された調整可能な連続波出力場４は、単一の横および縦モードとして単一の周波数（ｆ０）で動作し、低位相ノイズを示す。実際には、マスタ・チタンサファイアレーザ２が４００ミリワットという低い電力で動作するように構成されている場合、出力場４の品質を維持できる。
【００４８】
図１から分かるように、連続波出力場４は、第１の光増幅器５に入射される。すなわち、連続波出力場４は第１の光増幅器５のシード光場として用いられ、したがって、第１の光増幅器５はマスタ・チタンサファイアレーザ２のスレーブとなる。第１のダイクロイックミラー６ａを使用して、シード光場４を第１の光増幅器５に再配向する。
【００４９】
また、インジェクションロッキングモジュール７を、マスタ・チタンサファイアレーザ２とスレーブ光増幅器５との間の光路内に配置されることが好ましい。このインジェクションロッキングモジュールは、２つのダイクロイックミラー６ｂと６ｃの間に配置されたビーム成形光学系８を含む。ビーム成形光学系８の複合効果が、シード光場４のモードがスレーブ光増幅器５のモードと一致することを確実にするための手段を提供する。
【００５０】
図２（ａ）は、レーザシステム１内で使用される第１の光増幅器５の概略図を示す。第１の光増幅器５は、アーム内にチタンサファイア利得媒質１０が配置されたリングキャビティ９を含み、チタンサファイア利得媒質１０は、専用の連続波ＤＰＳＳレーザ光源１１によって５３２ｎｍで光励起されて、連続波出力場１２を生成する。出願人のＳｏｌｓＴｉＳ（商標名）増幅器は、レーザシステム１内で使用するのに適した光増幅器５の例である。マスタ・チタンサファイアレーザ２とは異なり、第１の光増幅器５は、追加のキャビティ内要素を含まない。したがって、シード光場４がない場合、第１の光増幅器５は実質的に自由動作し、したがって、専用の連続波ＤＰＳＳレーザ光源１１によって５３２ｎｍで励起されると、７７０ｎｍで双方向出力を生成する。ここで説明する実施形態では、励起レーザ１１は、チタンサファイアレーザ５に約１８Ｗの励起出力を提供するように構成されている。
【００５１】
第１の光増幅器５のキャビティは、シード光場４すなわち８８０ｎｍの出力場４の周波数（ｆ０）で共振するように構成されている。上記のように、連続波出力場４は、第１の光増幅器５のシード光場として使用される。これは、連続波出力場４が第１の光増幅器５の出力カプラ１３に入射するように構成することによって達成される。結果として、光場４の一部は、第１の光増幅器５のリングキャビティ９に入り、残りは第１の光増幅器５の出力カプラ１３から反射される。
【００５２】
リングキャビティ９に入る出力場４の一部は、第１の光増幅器５の「シード」として機能する。この「シード」は、第１の光増幅器５内で、マスタ・チタンサファイアレーザ２の出力場４と同じ周波数で誘導発光をもたらすとともに、第１の光増幅器５を一方向に動作させる。
【００５３】
リングキャビティ９に入り、そこで増幅されるシード光場４の部分もまた、出力カプラ１３から反射されるものと同相であり、これにより、シード光場４と第１の光増幅器５の出力場１２との間の時間的位相コヒーレンスが保証される。
【００５４】
出力カプラ１３から反射される光場４の部分とリングキャビティ９内で増幅される部分との間の空間位相コヒーレンスは、シード光場４と光増幅器５の出力場１２の間の高度なモードマッチングをとることによって保証される。インジェクションロッキングモジュール７が、シード光場４と出力場１２のモードマッチングを支援するために使用される。
【００５５】
このように、光増幅器５の出力場１２がマスタ・チタンサファイアレーザ２の出力場４と組み合わされ、レーザシステム１は、単一の偏光およびシード光場４との高い位相コヒーレンスを示す単一の横および縦モードのガウシアンビームを示す単一の出力を提供する。つまりそれらの周波数は同相から波形の＜＜１サイクルである。出力場１２は、マスタ・チタンサファイアレーザ２の出力場４と第１の光増幅器５の出力場１２との出力の実質的な合計である約９．４Ｗの出力を有する。最も重要なことに、出力場１２の波長は、マスタ・チタンサファイアレーザ２の動作波長によって制御されるように、４００ｎｍの波長範囲（約６６０ｎｍから１０６０ｎｍ）にわたって調整可能である。比較すると、従来技術のＮｄ：ＹＡＧレーザシステムは、約０．０５ｎｍの範囲でのみ調整可能である。したがって、従来のＮｄ：ＹＡＧレーザシステムとは異なり、本レーザシステム１は、例えばバリウム、ベリリウム、セシウム、マグネシウム、ルビジウム、ストロンチウム、イッテルビウムなどのトラップすべき特定の原子に応じてレーザ光源を異なる原子波長に調整できる必要がある光トラップに使用することができる。
【００５６】
第１の光増幅器５は共振装置であり、上記のようにシード光場４が光増幅器５のリングキャビティ９と共振するときにインジェクションロックが生じるため、第１の光増幅器５の共振条件をシード光場４に周波数ロックすることがレーザシステムの安定動作のために有益となる。
【００５７】
図２（ａ）に示す実施形態では、ハンシュ・クイヨー技術に基づく好ましい周波数ロック制御ループ１４を使用して、所望の周波数ロックを達成する。この技術は、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  第３５巻、Ｉｓｓｕｅ３、頁４４１〜４４４（１９８０）で最初に記載され、第１の光増幅器５のチタンサファイア利得媒質１０がブリュースターカットクリスタルであるという事実を利用している。その結果、共振周波数の２つの直交する偏光成分に非対称性が存在する。この事実を利用するために、半波長板１５を使用して、リングキャビティ９に入るシード光場４の一部の偏光にオフセットを導入して、ブリュースターカットのチタンサファイア利得媒質１０への入射面に直交する偏光成分を導入する。その後、出力場１２の成分１６が分散形状共振を検出するために採用された偏光アナライザ１７に向けられ、これが電子的な周波数安定化のためにロッキング電子機器１８によって生成されたエラー信号をピエゾマウントされたキャビティミラー１９を介して提供することができる。
【００５８】
図２（ｂ）に示される代替の実施形態では、ポンドドレバーホール技術に基づく周波数ロック制御ループ２０を使用して、所望の周波数ロックを達成する。この技術は、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ．Ｂ、第３１巻、頁９７〜１０５（１９８３）に記載されている。この技術では、周波数変調器２１が、フォトダイオード２３によって出力場１２の成分２２内で検出されるシード光場４に周波数変調を適用する。次に、この周波数変調信号が、周波数ミキサ２４を介して復調されて、エラー信号が生成される。次に、周波数ロッキング電子機器２５が、ピエゾマウントされたキャビティミラー１９を介して電子周波数安定化のための補正信号を提供する。
【００５９】
光増幅器５の上記の周波数ロック技術は、それ自体では、シード光場４と出力場１２との間の位相コヒーレンスを提供しないことに留意されたい。むしろ、位相コヒーレンスは、第１の光増幅器５内の増幅プロセスの直接の結果である。これらの周波数ロック技術は、第１の光増幅器５の共振の周波数がシード光場４の周波数と一致したままとなることを保証するだけである。
【００６０】
出力場１２がマスタレーザ２と第１の光増幅器５の複合出力であることを確認するために、ファイバローンチモジュール２６を使用して出力場１２を分析した。図１に示すように、シングルモードファイバ２７に結合される前に、出力場１２の一部（約２％）がガラス基板を用いて取り出される。シングルモードファイバ２７を介した８０％以上の結合効率は、出力場１２が単一の横方向空間モードを占めることを実証している。ビーム品質の独立した測定ではＭ２値は１．１以下であり、これも出力場１２が単一の横方向空間モードを占めることを示している。
【００６１】
上述のように、インジェクションロックが達成される前に、一方向動作を強制するための内部要素を含まない第１の光増幅器５は双方向に動作し、その出力の半分がマスタレーザ２に向けられる。しかしながら、ダイクロイックミラー６ａ、６ｂ、および６ｃの存在により、７７０ｎｍでフリーランニングする光増幅器５の逆行発振がマスタレーザ２に戻るのが防止される。好ましくは、ダイクロイックミラー６ａ、６ｂおよび６ｃによって提供される光学的分離は、−５０ｄＢ以下の光学的分離を提供することができる。マスタレーザ２を第１の光増幅器５から光学的に分離するこの方法は、フリーランニングする光増幅器５の出力場の波長がマスタレーザ２の動作波長と著しく異なる（すなわち、１０ｎｍを超えて異なる）レーザシステムに特に適している。
【００６２】
当業者には、マスタレーザ２と光増幅器５との間に代替型の光アイソレータを配置できることを理解されるであろう。例として、図３には、本発明の第２の実施形態による代替のレーザシステムが、全体を符号２８で示されている。図３に示すレーザシステム２８は、ダイクロイックミラー６が標準ミラー２９に置き換えられ、光アイソレータ３０がマスタレーザ２と光増幅器５との間の光学経路内に配置されることを除いて、図１および２に示す上述したレーザシステム１と同様である。この実施形態は、フリーランニングする光増幅器５の出力場の波長とマスタレーザ２の動作波長との間の差を必要としない。
【００６３】
上記のレーザシステム１および２８は、マスタレーザ２または第１の光増幅器５のいずれかの独立した動作によって達成され得るものよりも大きい高出力場１２（〜９．４Ｗ）を提供することができる。最も重要なことに、出力場１２の波長は、マスタ・チタンサファイアレーザ２の動作波長によって制御されるように、４００ｎｍの波長範囲（約６６０ｎｍから１０６０ｎｍ）にわたって調整可能である。これは、従来技術で知られているＮｄ：ＹＡＧレーザシステム、例えば米国特許第５，０２７，３６０号に開示されているものよりも約２桁大きい。これは、マスタレーザ２によって生成される出力場４の出力が、米国特許第５，０２７，３６０号のレーザシステムで採用されているものよりも少なくとも１桁大きい場合でも達成される。出願人らは、より高出力のマスタレーザを採用することによる安定性の低下は、自由空間通信システムや重力波検出器では許容できないが、生成された出力場の動作波長の調整可能性を高めることが非常に有益である光トラップレーザシステムにとっては、許容できるトレードオフであることを見出した。
【００６４】
図１〜３に示されているレーザシステム１、２８のさらに重要な利点は、追加の光増幅器５を含めることで容易に拡張できるという事実である。例として、図４は、全体を符号３１で示すように、本発明の実施形態による代替的なレーザシステムを示す。
【００６５】
図４にあるように、連続波出力場１２が第２の光増幅器５ｂのシード光場として使用される。すなわち、連続波出力場１２は、第２の光増幅器５ｂのシード光場として使用されて、結果として、第２の光増幅器５ｂもマスタ・チタンサファイヤレーザ２のスレーブとなる。第４のダイクロイックミラー６ｄが、光場１２を第２の光増幅器５ｂに再配向するために使用される。
【００６６】
シード光場１２のモードが第２の光増幅器５ｂのモードと一致することを確実にするために、ここでも第２のインジェクションロックモジュール７ｂが第１および第２のスレーブ光増幅器５、５ｂ間の光路内に配置されることが望ましい。上記と同様の方法で、第２の光増幅器５ｂの共振条件をシード光場１２に周波数ロックすることも、レーザシステム３１の安定動作にとって有益である。
【００６７】
このように第２の光増幅器５ｂの出力場３２は、第１の光増幅器５ｂの出力場１２と組み合わされ、すなわちマスタ・チタンサファイアレーザ２の出力と組み合わされ、これによりレーザシステム３１は、単一の横および縦モード、単一の偏光、および第１のシード光場４および第２のシード光場１２との高い位相コヒーレンスを示す単一の出力を提供する。最も重要なことは、出力場３２は、マスタ・チタンサファイアレーザ２の出力場４、第１の光増幅器５の出力場１２、および第２の光増幅器５ｂの出力場の出力のほぼ合計である約１４Ｗの出力を有するという事実である。重要なことに、出力場３２の波長は、マスタ・チタンサファイヤレーザ２の動作波長によって制御されるように、４００ｎｍの波長範囲（約６６０ｎｍから１０６０ｎｍ）にわたって再び調整可能である。
【００６８】
上記のレーザシステム１は、実際には、マスタレーザ２の出力場４の出力とＮ個の追加の光増幅器５との出力の合計に等しい出力を有する出力場を提供するようにスケールアップできることが想定される。
【００６９】
いくつかの位相ロックインジェクションロックレーザシステムも開示されている。これらのシステムには、単一の横モードと縦モード、単一の偏光、およびそれぞれのシード光場との高い位相コヒーレンスを示す単一の出力を提供するという利点がある。開示されたレーザシステムの利点は、インジェクションロックレーザシステムの出力場が非常に拡張性が高く、したがって、生成された出力場の出力を増大させるための手段を提供するという事実である。
【００７０】
開示されたレーザシステムのさらなる利点は、生成される出力場が、マスタレーザ２の動作波長によって制御されるように、４００ｎｍの波長範囲（約６６０ｎｍ〜１０６０ｎｍ）にわたって調整可能であるという事実にある。これは、チタンサファイア利得媒質がマスタレーザ２およびマスタレーザ２と直列配置された１つまたは複数の光増幅器５内で使用されているという事実の結果である。比較すると、従来技術のＮｄ：ＹＡＧレーザシステムは約０．０５ｎｍの範囲にわたってのみ調整可能である。したがって、従来のＮｄ：ＹＡＧレーザシステムとは異なり、本レーザシステムは、トラップする必要のある特定の原子に応じてレーザ光源を異なる原子波長に調整できる必要がある光トラップに使用することができる。
【００７１】
２以上の光場を組み合わせる方法およびシステムが開示されている。固体マスタレーザによって生成された第１の連続波高出力場が、第１の固体光増幅器に入射され、マスタレーザの出力場と高い位相コヒーレンスを示すレーザシステムからの単一の出力場を生成する。出力場の出力は、マスタレーザの出力と第１の光増幅器によって生成された出力の合計に等しく、一方でマスタレーザの出力場によって生成されたものと同様のビーム特性を示す。つまり、単一の横および縦モードのガウシアンビームで、単一の偏光の、低ノイズを示す。このレーザシステムは、Ｎ個の光増幅器をマスタレーザと直列に配置して、単一の低ノイズ高出力場を提供できるという点で、非常に拡張性が高い。
【００７２】
明細書全体を通して、文脈上別段の要求がない限り、「具える」または「含む」という用語、またはこれらの変形語は、記載された数またはグループ数を含むが、他の数またはグループ数を除外しない意味として理解される。
【００７３】
さらに、説明における先行技術への言及は、その先行技術が一般的な共通知識の一部を形成していることを示すものと解釈されるべきではない。
【００７４】
本発明の上記説明は、例示および説明の目的で提示されており、網羅的であること、または本発明を開示された正確な形態に限定することを意図するものではない。記載された実施形態は、本発明の原理およびその実際の適用を最もよく説明し、それによって当業者が様々な実施形態において、企図される特定の使用に適した様々な修正を加えて本発明を最もよく利用できるようにするために選択および説明されたものである。したがって、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく、さらなる修正または変更を組み込むことができる。
【図１】
2021533555.tif 000003
【図２（ａ）】
2021533555.tif 000004
【図２（ｂ）】
2021533555.tif 000005
【図３】
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【図４】
2021533555.tif 000007
【国際調査報告】
2021533555.tif 000008
2021533555.tif 000009
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