(57)【要約】  複数の光学増幅器を注入同期する方法及びシステムが開示される。マスタレーザは、連続波出力場の生成に利用される。次に、光学変調器は、連続波出力場から第１及び第２のシード光場を生成する。第１及び第２のシード光場は、任意選択的に異なる動作周波数に１つ又は複数の光学増幅器を注入同期する入力を提供する。第１及び第２のシード光場は連続波出力場から生成されるため、光学増幅器の出力場は互い及び連続波出力場との高い位相コヒーレンスを示す。第１及び第２の光場の利用により、１つの光場に大きな周波数シフトを誘発する必要性が低減する。注入同期式レーザシステムの出力を位相同期する技法も提供されて、システム内の位相ノイズを更に低減する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
注入同期式レーザシステムにおいて、周波数（ｆ０）を有する連続波出力場を生成するマスタレーザと、
前記連続波出力場から、第１の周波数（ｆ１）を有する第１のシード光場及び第２の周波数（ｆ２）を有する第２のシード光場を生成するのに利用される１つ又は複数の光学変調器と、
を備え、
前記第１のシード光場は、前記第１の周波数（ｆ１）において１つ又は複数の光学増幅器を注入同期する入力を提供し、前記第２のシード光場は、前記第２の周波数（ｆ２）において１つ又は複数の光学増幅器を注入同期する入力を提供することを特徴とするシステム。
【請求項２】
請求項１に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記注入同期式レーザシステムは、前記連続波出力場から周波数（ｆＮ）を有するＮ個のシード光場を生成するのに利用されるＮ個の光学変調器を備えることを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第１の周波数（ｆ１）は、前記連続波出力場の前記周波数（ｆ０）に、前記１つ又は複数の光学変調器によって導入される変調周波数（Δｆ１）を加えたものに等しいことを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第２の周波数（ｆ２）は、前記連続波出力場の前記周波数（ｆ０）から、前記１つ又は複数の光学変調器によって導入される変調周波数（Δｆ２）を差し引いたものに等しいことを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記１つ又は複数の光学変調器によって導入される変調周波数（Δｆ）は、０．１ＧＨｚ〜４０ＧＨｚであることを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項３〜５の何れか１項に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記１つ又は複数の光学変調器によって導入される前記変調周波数（Δｆ）は、約６ＧＨｚであることを特徴とするシステム。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１項に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記１つ又は複数の光学変調器は、電気光学変調器（ＥＯＭ）を含むことを特徴とするシステム。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか１項に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記１つ又は複数の光学変調器は、音響光学変調器（ＡＯＭ）を含むことを特徴とするシステム。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか１項に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第１のシード光場は、前記第１のシード光場により注入同期される前記１つ又は複数の光学増幅器とモード整合することを特徴とするシステム。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか１項に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第２のシード光場は、前記第２のシード光場により注入同期される前記１つ又は複数の光学増幅器とモード整合することを特徴とするシステム。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか１項に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記注入同期式レーザシステムは、１つ又は複数の周波数同期制御ループを更に備えて、前記光学増幅器の１つ又は複数を前記第１のシード場に周波数同期することを特徴とするシステム。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか１項に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記注入同期式レーザシステムは、１つ又は複数の周波数同期制御ループを更に備えて、前記光学増幅器の１つ又は複数を前記第２のシード場に周波数同期することを特徴とするシステム。
【請求項１３】
請求項１〜１２の何れか１項に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記注入同期式レーザシステムは、前記１つ又は複数の光学変調器の１つに、第１の光学増幅器の出力場を前記第１のシード光場に位相同期できるようにするフィードバック信号を提供する第１の位相同期制御ループを更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第１の位相同期制御ループは、前記第１の光学増幅器及び前記連続波出力場の結合出力場から生成される第１の光学ビート信号から第１の電気ビート信号を生成するように構成された第１の検出器を備えることを特徴とするシステム。
【請求項１５】
請求項１４に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第１の位相同期制御ループは、前記第１の電気ビート信号の周波数に等しい周波数を有する第１の基準信号を生成するのに利用される基準発振器を更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項１６】
請求項１５に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第１の位相同期制御ループは、前記第１の電気ビート信号及び前記第１の基準信号から第１の誤差信号を生成するのに利用される第１の周波数混合器を更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項１７】
請求項１６に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第１の位相同期制御ループは、制御信号が前記第１の誤差信号から生成される第１の電圧制御発振器を更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項１８】
請求項１７に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第１の電圧制御発振器からの出力信号は、前記第１の光学変調器の前記フィードバック信号を提供することを特徴とするシステム。
【請求項１９】
請求項１７又は１８に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第１の位相同期制御ループは、前記第１の電圧制御発振器と前記第１の光学変調器との間に配置される第１の周波数シンセサイザを更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項２０】
請求項１３〜１６の何れか１項に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第１の位相同期制御ループは、制御信号が前記第１の誤差信号から生成される第１の電圧制御位相シフタを更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項２１】
請求項２０に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第１の電圧制御位相シフタの入力信号は、第１の固定周波数発振器により生成されることを特徴とするシステム。
【請求項２２】
請求項２０又は２１に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第１の位相同期制御ループは、前記第１の電圧制御位相シフタと前記第１の光学変調器との間に配置される第１の周波数シンセサイザを更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項２３】
請求項２０又は２１に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第１の位相同期制御ループは、前記第１の固定周波数発振器と前記第１の電圧制御位相シフタとの間に配置される第１の周波数シンセサイザを更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項２４】
請求項１３〜１５の何れか１項に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第１の位相同期制御ループは、第１の周波数ｆＡを有する第１の基準信号を生成するのに利用される第１の基準発振器を更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項２５】
請求項２４に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第１の位相同期制御ループは、第２の周波数ｆＢを有する第２の基準信号を生成するのに利用される第１のダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）を更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項２６】
請求項２５に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第１の周波数ｆＡは、前記第１の電気ビート信号の前記周波数から前記第２の周波数ｆＢを差し引いたものに等しいことを特徴とするシステム。
【請求項２７】
請求項２４〜２６の何れか１項に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第１の位相同期制御ループは、前記第１の電気ビート信号及び前記第１の基準信号ｆＡから第１の中間周波数信号を生成するのに利用される第１の周波数混合器を更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項２８】
請求項２７に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第１の位相同期制御ループは、前記第１の中間周波数信号及び前記第２の基準信号ｆＢから誤差信号を生成するのに利用される第２の周波数混合器を更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項２９】
請求項２８に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第１の位相同期制御ループは、制御信号が前記第１の誤差信号から生成される第１の電圧制御発振器を更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項３０】
請求項２５〜３０の何れか１項に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第１のダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）は、出力信号を生成するのに更に利用されることを特徴とするシステム。
【請求項３１】
請求項３０に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第１の位相同期制御ループは、前記第１の電圧制御発振器からの出力信号及び前記第１のＤＤＳの前記出力信号から、前記１つ又は複数の光学変調器の１つへの前記フィードバック信号を生成するのに利用される第３の周波数混合器を更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項３２】
請求項１〜３１の何れか１項に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記注入同期式レーザシステムは、第２の光学増幅器の出力場を前記第２のシード光場に位相同期できるようにするフィードバック信号を前記１つ又は複数の光学変調器の１つに提供する第２の位相同期制御ループを更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項３３】
請求項３２に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第２の位相同期制御ループは、前記第２の光学増幅器及び前記連続波出力場の結合出力場から生成される第２の光学ビート信号から、第２の電気ビート信号を生成するように構成された第２の検出器を備えることを特徴とするシステム。
【請求項３４】
請求項３３に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、基準発振器は、前記第２の電気ビート信号の周波数に等しい周波数を有する第２の基準信号を生成するのに利用されることを特徴とするシステム。
【請求項３５】
請求項３４に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第２の位相同期制御ループは、前記第２の電気ビート信号及び前記第２の基準信号から第２の誤差信号を生成するのに利用される第２の周波数混合器を更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項３６】
請求項３５に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第２の位相同期制御ループは、駆動信号が前記第２の誤差信号から生成される第２の電圧制御発振器を更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項３７】
請求項３６に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第２の電圧制御発振器からの出力信号は、前記第２の光学変調器の前記フィードバック信号を提供することを特徴とするシステム。
【請求項３８】
請求項３６又は３７に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第２の位相同期制御ループは、前記第２の電圧制御発振器と前記第２の光学変調器との間に配置される第２の周波数シンセサイザを更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項３９】
請求項３５に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第２の位相同期制御ループは、制御信号が前記第２の誤差信号から生成される第２の電圧制御位相シフタを更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項４０】
請求項３９に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第２の電圧制御位相シフタの入力信号は、第２の固定周波数発振器により生成されることを特徴とするシステム。
【請求項４１】
請求項３９又は４０に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第２の位相同期制御ループは、前記第２の電圧制御位相シフタと前記第２の光学変調器との間に配置される第２の周波数シンセサイザを更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項４２】
請求項３９又は４０に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第２の位相同期制御ループは、前記第２の固定周波数発振器と前記第２の電圧制御位相シフタとの間に配置される第２の周波数シンセサイザを更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項４３】
請求項３３に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第２の位相同期制御ループは、第３の周波数ｆＣを有する第３の基準信号を生成するのに利用される第２の基準発振器を更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項４４】
請求項４３に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第２の位相同期制御ループは、第４の周波数ｆＤを有する第４の基準信号を生成するのに利用される第２のダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）を更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項４５】
請求項４４に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第３の周波数ｆＣは、前記第２の電気ビート信号の前記周波数から前記第４の周波数ｆＤを差し引いたものに等しいことを特徴とするシステム。
【請求項４６】
請求項４３〜４５の何れか１項に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第２の位相同期制御ループは、前記第２の電気ビート信号及び前記第３の基準信号ｆＣから第２の中間周波数信号を生成するのに利用される第４の周波数混合器を更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項４７】
請求項４６に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第２の位相同期制御ループは、前記第２の中間周波数信号及び前記第４の基準信号ｆＤから第２の誤差信号を生成するのに利用される第５の周波数混合器を更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項４８】
請求項４７に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第２の位相同期制御ループは、制御信号が前記第２の誤差信号から生成される第２の電圧制御発振器を更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項４９】
請求項４４〜４８の何れか１項に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第２のダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）は、出力信号を生成するのに更に利用されることを特徴とするシステム。
【請求項５０】
請求項４９に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第２の位相同期制御ループは、前記第２の電圧制御発振器からの出力信号及び前記第２のＤＤＳの前記出力信号から、前記１つ又は複数の光学変調器の１つへの前記フィードバック信号を生成するのに利用される第６の周波数混合器を更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項５１】
請求項１〜５０の何れか１項に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記注入同期式レーザシステムは、前記マスタレーザと前記１つ又は複数の光学増幅器との間に配置される１つ又は複数の光学アイソレータを更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項５２】
請求項１〜５１の何れか１項に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記注入同期式レーザシステムはを更に備え前記注入同期式レーザシステムは、前記出力場、前記１つ又は複数の光学増幅器、及び又は前記連続波出力場の成分の１つ又は複数を周波数２逓倍するように構成された１つ又は複数の周波数２逓倍ステージを更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項５３】
請求項５２に記載の注入同期式レーザシステムにおいて、前記第１の光学ビート信号及び又は前記第２の光学ビート信号は、前記１つ又は複数の周波数２逓倍ステージ後に生成されることを特徴とするシステム。
【請求項５４】
２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、
周波数（ｆ０）を有する連続波出力場を生成するステップと、
前記連続波出力場を光学的に変調するステップであって、それにより、第１の周波数（ｆ１）を有する第１のシード光場及び第２の周波数（ｆ２）を有する第２のシード光場を生成する、光学的に変調するステップと、
前記第１のシード光場を利用するステップであって、それにより、前記第１の周波数（ｆ１）において１つ又は複数の光学増幅器を注入同期する、前記第１のシード光場を利用するステップと、
前記第２のシード光場を利用するステップであって、それにより、前記第２の周波数（ｆ２）において１つ又は複数の光学増幅器を注入同期する、前記第２のシード光場を利用するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項５５】
請求項５３に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記方法は、前記第１のシード光場を前記第１のシード場により注入同期された前記１つ又は複数の光学増幅器とモード整合するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項５６】
請求項５３又は５４に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記方法は、前記第２のシード光場を前記第２のシード場により注入同期された前記１つ又は複数の光学増幅器とモード整合するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項５７】
請求項５３〜５６の何れか１項に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記方法は、前記光学増幅器の１つ又は複数を前記第１のシード場に周波数同期するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項５８】
請求項５３〜５７の何れか１項に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記方法は、前記光学増幅器の１つ又は複数を前記第２のシード場に周波数同期するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項５９】
請求項５３〜５８の何れか１項に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記方法は、前記光学増幅器の１つの出力場を前記第１のシード光場に位相同期させる、前記光学的に変調された連続波出力場への第１のフィードバック信号を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項６０】
請求項５９に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第１のフィードバック信号を生成するステップは、前記光学増幅器の１つ及び前記連続波出力場の結合出力場から第１の光学ビート信号を生成するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項６１】
請求項６０に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第１のフィードバック信号を生成するステップは、前記第１の光学ビート信号から第１の電気ビート信号を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項６２】
請求項６１に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第１のフィードバック信号を生成するステップは、前記第１の電気ビート信号の周波数に等しい周波数を有する第１の基準信号を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項６３】
請求項６２に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第１のフィードバック信号を生成するステップは、前記第１の電気ビート信号及び前記第１の基準信号から第１の誤差信号を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項６４】
請求項６３に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第１のフィードバック信号を生成するステップは、前記第１の誤差信号を利用して、第１の電圧制御発振器の制御信号を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項６５】
請求項６４に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第１の電圧制御発振器からの出力信号は、前記光学変調器の前記第１のフィードバック信号を提供することを特徴とする方法。
【請求項６６】
請求項６５に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第１のフィードバック信号の周波数は、前記光学変調器に達する前、逓倍されることを特徴とする方法。
【請求項６７】
請求項６３に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第１のフィードバック信号を生成するステップは、前記第１の誤差信号を利用して、第１の電圧制御位相シフタの制御信号を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項６８】
請求項６７に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、第１の固定発振器は、前記第１の電圧制御位相シフタの入力信号を提供することを特徴とする方法。
【請求項６９】
請求項６８に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第１の電圧制御位相シフタからの出力信号は、前記光学変調器の前記フィードバック信号を提供することを特徴とする方法。
【請求項７０】
請求項６９に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記フィードバック信号の周波数は、前記光学変調器に達する前、逓倍されることを特徴とする方法。
【請求項７１】
請求項６８に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記入力信号の周波数は、前記第１の電圧制御位相シフタに達する前、逓倍されることを特徴とする方法。
【請求項７２】
請求項６３に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第１のフィードバック信号を生成するステップは、周波数ｆＡを有する第１の基準信号を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項７３】
請求項７２に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第１のフィードバック信号を生成するステップは、周波数ｆＢを有する第２の基準信号を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項７４】
請求項７３に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第１の周波数ｆＡは、前記第１の電気ビート信号の前記周波数から前記第２の周波数ｆＢを差し引いたものに等しいことを特徴とする方法。
【請求項７５】
請求項７３又は７４に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第１のフィードバック信号を生成するステップは、前記第１の電気ビート信号及び前記第１の基準信号ｆＡから第１の中間周波数信号を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項７６】
請求項７５に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第１のフィードバック信号を生成するステップは、前記第１の中間周波数信号及び前記第２の基準信号ｆＢから誤差信号を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項７７】
請求項７６に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第１のフィードバック信号を生成するステップは、前記第１の誤差信号から第１の電圧制御発振器の制御信号を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項７８】
請求項７７に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第１のフィードバック信号を生成するステップは、前記第１の電圧制御発振器からの出力信号と第１のＤＤＳからの出力信号とを周波数混合するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項７９】
請求項５３〜７８の何れか１項に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記方法は、前記光学的に変調された連続波出力場への第２のフィードバック信号を生成するステップであって、それにより、前記光学増幅器の１つの出力場を前記第２のシード光場に位相同期する、第２のフィードバック信号を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項８０】
請求項７９に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第２のフィードバック信号を生成するステップは、前記光学増幅器の１つ及び前記連続波出力場の前記結合出力場から第２の光学ビート信号を生成するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項８１】
請求項８０に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第２のフィードバック信号を生成するステップは、前記第２の光学ビート信号から第２の電気ビート信号を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項８２】
請求項８１に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第２のフィードバック信号を生成するステップは、前記第２の電気ビート信号の周波数に等しい周波数を有する第２の基準信号を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項８３】
請求項８２に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第２のフィードバック信号を生成するステップは、前記第２の電気ビート信号及び前記第２の基準信号から第２の誤差信号を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項８４】
請求項８３に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第２のフィードバック信号を生成するステップは、前記第２の誤差信号を利用して、第２の電圧制御発振器の制御信号を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項８５】
請求項８４に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第２の電圧制御発振器からの出力信号は、前記光学変調器の前記第２のフィードバック信号を提供することを特徴とする方法。
【請求項８６】
請求項８５に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第２のフィードバック信号の周波数は、前記光学変調器に達する前、逓倍されることを特徴とする方法。
【請求項８７】
請求項８３に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第２のフィードバック信号を生成するステップは、前記第２の誤差信号を利用して、第２の電圧制御位相シフタの制御信号を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項８８】
請求項８７に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、第２の固定発振器は、前記第２の電圧制御位相シフタの入力信号を提供することを特徴とする方法。
【請求項８９】
請求項８８に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第２の電圧制御位相シフタからの出力信号は、前記光学変調器の前記フィードバック信号を提供することを特徴とする方法。
【請求項９０】
請求項８７に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記フィードバック信号の周波数は、前記光学変調器に達する前、逓倍されることを特徴とする方法。
【請求項９１】
請求項８８に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記入力信号の周波数は、前記第２の電圧制御位相シフタに達する前、逓倍されることを特徴とする方法。
【請求項９２】
請求項８２に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第２のフィードバック信号を生成するステップは、周波数ｆＣを有する第３の基準信号を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項９３】
請求項９２に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第２のフィードバック信号を生成するステップは、周波数ｆＤを有する第４の基準信号を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項９４】
請求項９３に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第３の周波数ｆＣは、前記第２の電気ビート信号の前記周波数から前記第４の周波数ｆＤを差し引いたものに等しいことを特徴とする方法。
【請求項９５】
請求項９３又は９４に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第２のフィードバック信号を生成するステップは、前記第２の電気ビート信号及び前記第３の基準信号ｆＣから第２の中間周波数信号を生成するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項９６】
請求項９５に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第２のフィードバック信号を生成するステップは、前記第２の中間周波数信号及び前記第４の基準信号ｆＤから誤差信号を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項９７】
請求項９６に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第２のフィードバック信号を生成するステップは、前記第２の誤差信号から第２の電圧制御発振器の制御信号を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項９８】
請求項９７に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記第２のフィードバック信号を生成するステップは、前記第２の電圧制御発振器からの出力信号と第２のＤＤＳからの出力信号とを周波数混合するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項９９】
請求項５３〜９８の何れか１項に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記方法は、前記１つ又は複数の光学増幅器から前記連続波出力場を光学的に分離するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項１００】
請求項５３〜９９の何れか１項に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記方法は、前記出力場、前記１つ又は複数の光学増幅器、及び又は前記連続波出力場の成分の１つ又は複数を周波数２逓倍するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項１０１】
請求項１００に記載の２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法において、前記方法は、前記１つ又は複数の光学増幅器の前記出力場及び又は前記連続波出力場の成分の前記１つ又は複数を周波数２逓倍した後、前記第１の光学ビート信号及び又は前記第２の光学ビート信号を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザの技術分野に関し、特に連続波（ＣＷ）注入同期式レーザシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
位相同期式レーザシステムは、２つの光場を能動的に位相整合する既知の技法である。しかしながら、これらのシステムは、高周波数で高度の位相コヒーレンスを提供することができず、その理由は、そのような周波数が、能動的位相制御が実現可能又は容易に達成される周波数範囲を超えているためである。位相同期式レーザシステムはまた、「サーボバンプ」、すなわち、能動的制御システムの周波数範囲をわずかに超えた位相ノイズの増幅の影響も受ける。
【０００３】
２つの光場を位相整合する代替の技法は、注入同期に基づくものである。注入同期技法は主に連続波単一周波数レーザ源に適用される。望ましい周波数属性を有する低電力レーザ（マスタレーザ）を利用することにより、普通ならスペクトル属性がそれ程よくないより高電力のレーザ（スレーブレーザ）にその周波数を課すことが達成される。高電力レーザは機械的ばらつきの影響をより受けやすい傾向があり、ノイズが非常に低いポンプ源を利用することができず、温度の影響を大きく受けることから、低ノイズ性能又は単一周波数動作だけでも高電力レーザでは達成がはるかに困難であるため、注入同期は必要とされる。
【０００４】
注入同期は、マスタレーザの出力をスレーブレーザのキャビティに注入することにより達成される。マスタレーザの周波数がスレーブレーザの軸モード周波数の１つに近づくにつれて、マスタレーザからの光は再生的により高い強度に増幅され、最終的には、スレーブレーザの元々の自走モードが失われるような程度までスレーブレーザの利得を飽和させる。この同期範囲内で、スレーブレーザの出力はマスタレーザの出力の位相に位相同期される。注入同期は、電力効率を下げ、所望の高電力レベルに耐えることができないことが多いエタロン又は他のキャビティ内要素を使用しない高電力レーザの単一周波数動作という利点を提供する。
【０００５】
米国特許第５，０２７，３６０号明細書には、マスタレーザ及びスレーブレーザを備え、マスタレーザ及びスレーブレーザは両方とも連続波出力を有する固体状態レーザである高電力注入同期式レーザシステムが開示されている。開示されたシステムでは、スレーブレーザは、マスタレーザの少なくとも１０倍の出力電力を有する。システムは、注入同期状況の維持に利用されるサーボループ制御システムを更に備える。これは、スレーブレーザキャビティ内の変動を表す誤差信号を生成し、この誤差信号を利用して、同期状況を維持するよう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り達成される。
【０００６】
周波数変調レーザ及びモード同期式レーザも、２つ以上のスレーブレーザを同時に注入同期するマスタレーザとして利用されてきた。例えば、米国特許第４，６３５，２４６号明細書及び同第５，３７９，３０９号明細書を参照のこと。これらのシステムでは、異なる光学モードのモード同期式マスタレーザが、独立したレーザ発振器の注入同期に利用される。その結果、
ｆ＝ｆ０±ｎΔｆ  （１）
の動作周波数において共振する２つ以上のスレーブレーザの注入同期が達成され、式中、
ｆ０はマスタレーザの中心動作周波数であり、
ｎは整数であり、
Δｆは、マスタレーザの隣接モード間の周波数差である。マスタレーザのモードの位相変動は高度に相関するため、２つ以上のスレーブレーザの出力の位相変動も同様に高度に相関する。
【０００７】
上述した注入同期技法では、マスタレーザの出力と高度に整合した位相を有するスレーブレーザの出力になるが、実際には、この位相整合は完全ではない。スレーブレーザの追従が不完全であることは、特に低周波数においてまだ幾らかの残留位相ノイズがあることを意味する。加えて、注入同期式システムでの光場の伝送中、位相ノイズが導入される恐れがある。
【発明の概要】
【０００８】
したがって、本発明の実施形態の目的は、当技術分野で既知の注入同期式レーザシステムの上記欠点をなくすか、又は少なくとも軽減することである。
【０００９】
本発明の実施形態の更なる目的は、連続波マスタレーザが、２つ以上のスレーブレーザの同時注入同期に利用される注入同期式レーザシステムを提供することである。
【００１０】
本発明の実施形態の更なる目的は、当技術分野で既知の注入同期式レーザシステムと比較した場合、位相ノイズの低下を示す注入同期式レーザシステムを提供することである。
【００１１】
本発明の第１の態様によれば、注入同期式レーザシステムであって、
周波数（ｆ０）を有する連続波出力場を生成するマスタレーザと、
連続波出力場から、第１の周波数（ｆ１）を有する第１のシード光場及び第２の周波数（ｆ２）を有する第２のシード光場を生成するのに利用される１つ又は複数の光学変調器と、
を備え、
第１のシード光場は、第１の周波数（ｆ１）において１つ又は複数の光学増幅器を注入同期する入力を提供し、第２のシード光場は、第２の周波数（ｆ２）において１つ又は複数の光学増幅器を注入同期する入力を提供するシステムが提供される。
【００１２】
第１のシード光場及び第２のシード光場はマスタレーザの連続波出力場から生成されるため、１つ又は複数の光学増幅器の出力場も、互い及び連続波出力場との高い位相コヒーレンスを示す。この構成はまた、マスタレーザにより導入されるいかなるノイズも、第１及び第２のシード光場により注入同期される１つ又は複数の光学増幅器にとって共通することを保証する。
【００１３】
任意選択的に、注入同期式レーザシステムは、連続波出力場から周波数（ｆＮ）を有するＮ個のシード光場を生成するのに利用されるＮ個の光学変調器を備える。
【００１４】
第１の周波数（ｆ１）は、好ましくは、連続波出力場の周波数（ｆ０）に、１つ又は複数の光学変調器により導入される変調周波数（Δｆ１）を加えたものに等しい。好ましくは、第２の周波数（ｆ２）は、連続波出力場の周波数（ｆ０）から、１つ又は複数の光学変調器により導入される変調周波数（Δｆ２）を差し引いたものに等しい。正及び負の周波数シフトの使用は、出力場、第１の光シード場により注入同期される１つ又は複数の光学増幅器に第１の周波数シフトを付与し、出力場、第２の光シード場により注入同期される１つ又は複数の光学増幅器に第２の周波数シフトを付与することにより、Δｆ１＋Δｆ２の相対周波数オフセットを達成することができることを意味する。
【００１５】
好ましくは、１つ又は複数の光学変調器によって導入される変調周波数（Δｆ）は０．１ＧＨｚ〜４０ＧＨｚである。好ましくは、１つ又は複数の光学変調器によって導入される変調周波数（Δｆ）は約６ＧＨｚである。
【００１６】
好ましくは、１つ又は複数の光学変調器は、電気光学変調器（ＥＯＭ）を含む。代替的には、１つ又は複数の光学変調器は、音響光学変調器（ＡＯＭ）を含む。
【００１７】
好ましくは、第１のシード光場は、第１のシード光場により注入同期される１つ又は複数の光学増幅器とモード整合する。同様にして、第２のシード光場が、第２のシード光場により注入同期される１つ又は複数の光学増幅器とモード整合することが好ましい。
【００１８】
最も好ましくは、注入同期式レーザシステムは、１つ又は複数の周波数同期制御ループを更に備えて、光学増幅器の１つ又は複数を第１のシード場に周波数同期する。
【００１９】
最も好ましくは、注入同期式レーザシステムは、１つ又は複数の周波数同期制御ループを更に備えて、光学増幅器の１つ又は複数を第２のシード場に周波数同期する。
【００２０】
最も好ましくは、注入同期式レーザシステムは、１つ又は複数の光学変調器の１つに、第１の光学増幅器の出力場を第１のシード光場に位相同期できるようにするフィードバック信号を提供する第１の位相同期制御ループを更に備える。
【００２１】
最も好ましくは、第１の位相同期制御ループは、第１の光学増幅器及び連続波出力場の結合出力場から生成される第１の光学ビート信号から第１の電気ビート信号を生成するように構成された第１の検出器を備える。
【００２２】
第１の位相同期制御ループは、第１の電気ビート信号の周波数に等しい周波数を有する第１の基準信号を生成するのに利用される基準発振器を更に備え得る。
【００２３】
最も好ましくは、第１の位相同期制御ループは、第１の電気ビート信号及び第１の基準信号から第１の誤差信号を生成するのに利用される第１の周波数混合器を更に備える。
【００２４】
好ましくは、第１の位相同期制御ループは、制御信号が第１の誤差信号から生成される第１の電圧制御発振器を更に備える。好ましくは、第１の電圧制御発振器からの出力信号は、第１の光学変調器のフィードバック信号を提供する。任意選択的に、第１の位相同期制御ループは、第１の電圧制御発振器と第１の光学変調器との間に配置される第１の周波数シンセサイザを更に備える。
【００２５】
代替的には、第１の位相同期制御ループは、制御信号が第１の誤差信号から生成される第１の電圧制御位相シフタを更に備える。好ましくは、第１の電圧制御位相シフタの入力信号は、第１の固定周波数発振器により生成される。任意選択的に、第１の位相同期制御ループは、第１の電圧制御位相シフタと第１の光学変調器との間に配置される第１の周波数シンセサイザを更に備える。代替的には、第１の位相同期制御ループは、第１の固定周波数発振器と第１の電圧制御位相シフタとの間に配置される第１の周波数シンセサイザを更に備える。
【００２６】
更なる代替では、第１の位相同期制御ループは、第１の周波数ｆＡを有する第１の基準信号を生成するのに利用される第１の基準発振器を更に備える。第１の位相同期制御ループは、第２の周波数ｆＢを有する第２の基準信号を生成するのに利用される第１のダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）を更に備える。最も好ましくは、第１の周波数ｆＡは、第１の電気ビート信号の周波数から第２の周波数ｆＢを差し引いたものに等しい。
【００２７】
最も好ましくは、第１の位相同期制御ループは、第１の電気ビート信号及び第１の基準信号ｆＡから第１の中間周波数信号を生成するのに利用される第１の周波数混合器を更に備える。
【００２８】
最も好ましくは、第１の位相同期制御ループは、第１の中間周波数信号及び第２の基準信号ｆＢから誤差信号を生成するのに利用される第２の周波数混合器を更に備える。
【００２９】
好ましくは、第１の位相同期制御ループは、制御信号が第１の誤差信号から生成される第１の電圧制御発振器を更に備える。
【００３０】
好ましくは、第１のダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）は、出力信号を生成するのに更に利用される。
【００３１】
最も好ましくは、第１の位相同期制御ループは、第１の電圧制御発振器からの出力信号及び第１のＤＤＳの出力信号から、１つ又は複数の光学変調器の１つへのフィードバック信号を生成するのに利用される第３の周波数混合器を更に備える。
【００３２】
最も好ましくは、注入同期式レーザシステムは、第２の光学増幅器の出力場を第２のシード光場に位相同期できるようにするフィードバック信号を１つ又は複数の光学変調器の１つに提供する第２の位相同期制御ループを更に備える。
【００３３】
最も好ましくは、第２の位相同期制御ループは、第２の光学増幅器及び連続波出力場の結合出力場から生成される第２の光学ビート信号から、第２の電気ビート信号を生成するように構成された第２の検出器を備える。
【００３４】
好ましくは、基準発振器は、第２の電気ビート信号の周波数に等しい周波数を有する第２の基準信号を生成するのに利用される。
【００３５】
最も好ましくは、第２の位相同期制御ループは、第２の電気ビート信号及び第２の基準信号から第２の誤差信号を生成するのに利用される第２の周波数混合器を更に備える。
【００３６】
好ましくは、第２の位相同期制御ループは、駆動信号が第２の誤差信号から生成される第２の電圧制御発振器を更に備える。好ましくは、第２の電圧制御発振器からの出力信号は、第２の光学変調器のフィードバック信号を提供する。任意選択的に、第２の位相同期制御ループは、第２の電圧制御発振器と第２の光学変調器との間に配置される第２の周波数シンセサイザを更に備える。
【００３７】
代替的には、第２の位相同期制御ループは、制御信号が第２の誤差信号から生成される第２の電圧制御位相シフタを更に備える。好ましくは、第２の電圧制御位相シフタの入力信号は、第２の固定周波数発振器により生成される。任意選択的に、第２の位相同期制御ループは、第２の電圧制御位相シフタと第２の光学変調器との間に配置される第２の周波数シンセサイザを更に備える。代替的には、第２の位相同期制御ループは、第２の固定周波数発振器と第２の電圧制御位相シフタとの間に配置される第２の周波数シンセサイザを更に備える。
【００３８】
更なる代替では、第２の位相同期制御ループは、第３の周波数ｆＣを有する第３の基準信号を生成するのに利用される第２の基準発振器を更に備える。第２の位相同期制御ループは、第４の周波数ｆＤを有する第４の基準信号を生成するのに利用される第２のダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）を更に備える。最も好ましくは、第３の周波数ｆＣは、第２の電気ビート信号の周波数から第４の周波数ｆＤを差し引いたものに等しい。
【００３９】
最も好ましくは、第２の位相同期制御ループは、第２の電気ビート信号及び第３の基準信号ｆＣから第２の中間周波数信号を生成するのに利用される第４の周波数混合器を更に備える。
【００４０】
最も好ましくは、第２の位相同期制御ループは、第２の中間周波数信号及び第４の基準信号ｆＤから第２の誤差信号を生成するのに利用される第５の周波数混合器を更に備える。  
【００４１】
好ましくは、第２の位相同期制御ループは、制御信号が第２の誤差信号から生成される第２の電圧制御発振器を更に備える。
【００４２】
好ましくは、第２のダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）は、出力信号を生成するのに更に利用される。
【００４３】
最も好ましくは、第２の位相同期制御ループは、第２の電圧制御発振器からの出力信号及び第２のＤＤＳの出力信号から、１つ又は複数の光学変調器の１つへのフィードバック信号を生成するのに利用される第６の周波数混合器を更に備える。
【００４４】
好ましくは、注入同期式レーザシステムは、マスタレーザと１つ又は複数の光学増幅器との間に配置される１つ又は複数の光学アイソレータを更に備える。
【００４５】
任意選択的に、注入同期式レーザシステムは、出力場、１つ又は複数の光学増幅器、及び又は連続波出力場の成分の１つ又は複数を周波数２逓倍するように構成された１つ又は複数の周波数２逓倍ステージを更に備える。この実施形態では、第１の光学ビート信号及び又は第２の光学ビート信号が１つ又は複数の周波数２逓倍ステージ後に生成されることが好ましい。
【００４６】
本発明の第２の態様によれば、２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法であって、
−周波数（ｆ０）を有する連続波出力場を生成するステップと、
−連続波出力場を光学的に変調するステップであって、それにより、第１の周波数（ｆ１）を有する第１のシード光場及び第２の周波数（ｆ２）を有する第２のシード光場を生成する、光学的に変調するステップと、
−第１のシード光場を利用するステップであって、それにより、第１の周波数（ｆ１）において１つ又は複数の光学増幅器を注入同期する、第１のシード光場を利用するステップと、
−第２のシード光場を利用するステップであって、それにより、第２の周波数（ｆ２）において１つ又は複数の光学増幅器を注入同期する、第２のシード光場を利用するステップと、
を含む方法が提供される。
【００４７】
好ましくは、２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法は、第１のシード光場を第１のシード場により注入同期された１つ又は複数の光学増幅器とモード整合するステップを更に含む。同様にして、２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法は、第２のシード光場を第２のシード場により注入同期された１つ又は複数の光学増幅器とモード整合するステップを更に含む。
【００４８】
最も好ましくは、２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法は、光学増幅器の１つ又は複数を第１のシード場に周波数同期するステップを更に含む。
【００４９】
最も好ましくは、２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法は、光学増幅器の１つ又は複数を第２のシード場に周波数同期するステップを更に含む。
【００５０】
最も好ましくは、２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法は、光学増幅器の１つの出力場を第１のシード光場に位相同期させる、光学的に変調された連続波出力場への第１のフィードバック信号を生成するステップを更に含む。
【００５１】
最も好ましくは、第１のフィードバック信号を生成するステップは、光学増幅器の１つ及び連続波出力場の結合出力場から第１の光学ビート信号を生成するステップを含む。
【００５２】
第１のフィードバック信号を生成するステップは、好ましくは、第１の光学ビート信号から第１の電気ビート信号を生成するステップを更に含む。
【００５３】
第１のフィードバック信号を生成するステップは、好ましくは、第１の電気ビート信号の周波数に等しい周波数を有する第１の基準信号を生成するステップを更に含む。
【００５４】
好ましくは、第１のフィードバック信号を生成するステップは、第１の電気ビート信号及び第１の基準信号から第１の誤差信号を生成するステップを更に含む。
【００５５】
好ましくは、第１のフィードバック信号を生成するステップは、第１の誤差信号を利用して、第１の電圧制御発振器の制御信号を生成するステップを更に含む。好ましくは、第１の電圧制御発振器からの出力信号は、光学変調器の第１のフィードバック信号を提供する。任意選択的に、第１のフィードバック信号の周波数は、光学変調器に達する前、逓倍される。
【００５６】
代替的には、第１のフィードバック信号を生成するステップは、第１の誤差信号を利用して、第１の電圧制御位相シフタの制御信号を生成するステップを更に含む。最も好ましくは、第１の固定発振器は、第１の電圧制御位相シフタの入力信号を提供する。好ましくは、第１の電圧制御位相シフタからの出力信号は、光学変調器のフィードバック信号を提供する。任意選択的に、フィードバック信号の周波数は、光学変調器に達する前、逓倍される。代替的には、入力信号の周波数は、第１の電圧制御位相シフタに達する前、逓倍される。
【００５７】
更なる代替では、第１のフィードバック信号を生成するステップは、好ましくは、周波数ｆＡを有する第１の基準信号を生成するステップを更に含む。
【００５８】
第１のフィードバック信号を生成するステップは、好ましくは、周波数ｆＢを有する第２の基準信号を生成するステップを更に含む。最も好ましくは、第１の周波数ｆＡは、第１の電気ビート信号の周波数から第２の周波数ｆＢを差し引いたものに等しい。
【００５９】
第１のフィードバック信号を生成するステップは、好ましくは、第１の電気ビート信号及び第１の基準信号ｆＡから第１の中間周波数信号を生成するステップを更に含む。
【００６０】
最も好ましくは、第１のフィードバック信号を生成するステップは、好ましくは、第１の中間周波数信号及び第２の基準信号ｆＢから誤差信号を生成するステップを更に含む。
【００６１】
好ましくは、第１のフィードバック信号を生成するステップは、好ましくは、第１の誤差信号から第１の電圧制御発振器の制御信号を生成するステップを更に含む。
【００６２】
最も好ましくは、第１のフィードバック信号を生成するステップは、好ましくは、第１の電圧制御発振器からの出力信号と第１のＤＤＳからの出力信号とを周波数混合するステップを更に含む。
【００６３】
最も好ましくは、２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法は、光学的に変調された連続波出力場への第２のフィードバック信号を生成するステップであって、それにより、光学増幅器の１つの出力場を第２のシード光場に位相同期する、第２のフィードバック信号を生成するステップを更に含む。
【００６４】
最も好ましくは、第２のフィードバック信号を生成するステップは、光学増幅器の１つ及び連続波出力場の結合出力場から第２の光学ビート信号を生成するステップを含む。
【００６５】
第２のフィードバック信号を生成するステップは、好ましくは、第２の光学ビート信号から第２の電気ビート信号を生成するステップを更に含む。
【００６６】
第２のフィードバック信号を生成するステップは、好ましくは、第２の電気ビート信号の周波数に等しい周波数を有する第２の基準信号を生成するステップを更に含む。
【００６７】
好ましくは、第２のフィードバック信号を生成するステップは、第２の電気ビート信号及び第２の基準信号から第２の誤差信号を生成するステップを更に含む。
【００６８】
好ましくは、第２のフィードバック信号を生成するステップは、第２の誤差信号を利用して、第２の電圧制御発振器の制御信号を生成するステップを更に含む。好ましくは、第２の電圧制御発振器からの出力信号は、光学変調器の第２のフィードバック信号を提供する。任意選択的に、第２のフィードバック信号の周波数は、光学変調器に達する前、逓倍される。
【００６９】
代替的には、第２のフィードバック信号を生成するステップは、第２の誤差信号を利用して、第２の電圧制御位相シフタの制御信号を生成するステップを更に含む。最も好ましくは、第２の固定発振器は、第２の電圧制御位相シフタの入力信号を提供する。好ましくは、第２の電圧制御位相シフタからの出力信号は、光学変調器のフィードバック信号を提供する。任意選択的に、フィードバック信号の周波数は、光学変調器に達する前、逓倍される。代替的には、入力信号の周波数は、第２の電圧制御位相シフタに達する前、逓倍される。
【００７０】
更なる代替では、第２のフィードバック信号を生成するステップは、好ましくは、周波数ｆＣを有する第３の基準信号を生成するステップを更に含む。
【００７１】
第２のフィードバック信号を生成するステップは、好ましくは、周波数ｆＤを有する第４の基準信号を生成するステップを更に含む。最も好ましくは、第３の周波数ｆＣは、第２の電気ビート信号の周波数から第４の周波数ｆＤを差し引いたものに等しい。
【００７２】
第２のフィードバック信号を生成するステップは、好ましくは、第２の電気ビート信号及び第３の基準信号ｆＣから第２の中間周波数信号を生成するステップを更に含む。
【００７３】
最も好ましくは、第２のフィードバック信号を生成するステップは、好ましくは、第２の中間周波数信号及び第４の基準信号ｆＤから誤差信号を生成するステップを更に含む。
【００７４】
好ましくは、第２のフィードバック信号を生成するステップは、好ましくは、第２の誤差信号から第２の電圧制御発振器の制御信号を生成するステップを更に含む。
【００７５】
最も好ましくは、第２のフィードバック信号を生成するステップは、好ましくは、第２の電圧制御発振器からの出力信号と第２のＤＤＳからの出力信号とを周波数混合するステップを更に含む。
【００７６】
好ましくは、２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法は、１つ又は複数の光学増幅器から連続波出力場を光学的に分離するステップを更に含む。
【００７７】
好ましくは、２つ以上の光学増幅器を注入同期する方法は、出力場、１つ又は複数の光学増幅器、及び又は連続波出力場の成分の１つ又は複数を周波数２逓倍するステップを更に含む。この実施形態では、１つ又は複数の光学増幅器の出力場及び又は連続波出力場の成分の１つ又は複数を周波数２逓倍した後、第１の光学ビート信号及び又は第２の光学ビート信号を生成することが好ましい。
【００７８】
本発明の第２の態様の実施形態は、本発明の第１の態様の好ましい又は任意選択的な特徴を実施する特徴を含み得、又は逆も同様である。
【００７９】
本発明の第３の態様によれば、注入同期式レーザシステムであって、周波数（ｆ０）を有する連続波出力場を生成するマスタレーザと、連続波出力場から、第１の周波数（ｆ１）を有する第１のシード光場を生成するのに利用される第１の光学変調器とを備え、第１のシード光場は、第１の周波数（ｆ１）において第１の光学増幅器を注入同期する入力を提供し、
注入同期式レーザシステムは、第１の光学増幅器の出力場を第１のシード光場に位相同期できるようにするフィードバック信号を第１の光学変調器に提供する第１の位相同期制御ループを更に備える、システムが提供される。
【００８０】
好ましくは、注入同期式レーザシステムは、第２の周波数（ｆ２）を有する第２のシード光場を連続波出力場から生成するのに利用される第２の光学変調器を更に備える。第２のシード光場は、第２の光学増幅器を第２の周波数（ｆ２）に注入同期する入力を提供し得る。この実施形態では、注入同期式レーザシステムは、第２の光学増幅器の出力場を第２のシード光場に位相同期できるようにするフィードバック信号を第２の光学変調器に提供する第２の位相同期制御ループを更に備え得る。
【００８１】
好ましくは、第１のシード光場は、第１のシード光場により注入同期される第１の光学増幅器とモード整合される。同様にして、第２のシード光場が第２のシード光場により注入同期される第２の光学増幅器とモード整合されることが好ましい。
【００８２】
最も好ましくは、注入同期式レーザシステムは、第１の光学増幅器の共振状況を第１のシード光場に周波数同期する１つ又は複数の周波数同期制御ループを更に備える。
【００８３】
最も好ましくは、注入同期式レーザシステムは、第２の光学増幅器の共振状況を第２のシード光場に周波数同期する１つ又は複数の周波数同期制御ループを更に備える。
【００８４】
本発明の第３の態様の実施形態は、本発明の第１又は第２の態様の好ましい又は任意選択的な特徴を実施する特徴を備え得、又は逆も同様である。
【００８５】
本発明の第４の態様によれば、光学増幅器を注入同期する方法であって、
−周波数（ｆ０）を有する連続波出力場を生成するステップと、
−連続波出力場を光学的に変調するステップであって、それにより、第１の周波数（ｆ１）を有する第１のシード光場を生成する、光学的に変調するステップと、
−第１のシード光場を利用するステップであって、それにより、第１の光学増幅器を第１の周波数（ｆ１）に注入同期する、利用するステップと、
−第１の光学変調器のフィードバック信号を生成するステップであって、それにより、第１の光学増幅器の出力場を第１のシード光場に位相同期する、フィードバック信号を生成するステップと、
を含む方法が提供される。
【００８６】
本発明の第４の態様の実施形態は、本発明の第１〜第３の態様の好ましい又は任意選択的な特徴を実施する特徴を備え得、又は逆も同様である。
【００８７】
本発明の第５の態様によれば、注入同期式レーザシステムであって、周波数（ｆ０）を有する連続波出力場を生成するマスタレーザと、連続波出力場から、周波数（ｆＮ）を有する１つ又は複数のシード光場を生成するのに利用される１つ又は複数の光学変調器とを備え、１つ又は複数のシード光場は、１つ又は複数の光学増幅器を周波数（ｆＮ）に注入同期する入力を提供し、
注入同期式レーザシステムは、１つ又は複数の光学増幅器の出力場を１つ又は複数のシード光場に位相同期できるようにする１つ又は複数のフィードバック信号を１つ又は複数の光学変調器に提供する１つ又は複数の位相同期制御ループを更に備える、システムが提供される。
【００８８】
本発明の第５の態様の実施形態は、本発明の第１〜第４の態様の好ましい又は任意選択的な特徴を実施する特徴を備え得、又は逆も同様である。
【００８９】
本発明の第６の態様によれば、１つ又は複数の光学増幅器を注入同期する方法であって、  −周波数（ｆ０）を有する連続波出力場を生成するステップと、
−連続波出力場を光学的に変調するステップであって、それにより、第１の周波数（ｆＮ）を有する１つ又は複数のシード光場を生成する、光学的に変調するステップと、
−１つ又は複数のシード光場を利用するステップであって、それにより、１つ又は複数の光学増幅器を１つ又は複数の周波数（ｆＮ）に注入同期する、利用するステップと、
−１つ又は複数の光学変調器のフィードバック信号を生成するステップであって、それにより、１つ又は複数の光学増幅器の出力場を１つ又は複数のシード光場に位相同期する、フィードバック信号を生成するステップと、
を含む方法が提供される。
【００９０】
本発明の第６の態様の実施形態は、本発明の第１〜第５の態様の好ましい又は任意選択的な特徴を実施する特徴を備え得、又は逆も同様である。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
これより、図面を参照して単なる例として本発明の種々の実施形態について説明する。
【００９２】
【図１】図１は、本発明の実施形態による注入同期式レーザシステムの概略図を提示する。
【図２】図２は、（ａ）図１の注入同期式レーザシステム内で利用される光学増幅器及び（ｂ）図１の注入同期式レーザシステム内で利用される代替の光学増幅器の概略図を提示する。
【図３】図３は、本発明の代替の実施形態による注入同期式レーザシステムの概略図を提示する。
【図４】図４は、位相同期を含む注入同期式レーザシステムの概略図を提示する。
【図５】図５は、代替の位相同期を備える注入同期式レーザシステムの概略図を提示する。
【図６】図６は、第２の代替の位相同期を備える注入同期式レーザシステムの概略図を提示する。
【図７】図７は、周波数チャープを用いる位相同期を備える注入同期式レーザシステムの概略図を提示する。
【発明を実施するための形態】
【００９３】
以下の説明では、同様の部分は明細書及び図面全体を通して同じ参照符号で記される。図面は必ずしも一定の縮尺ではなく、本発明の実施形態の細部及び特徴をよりよく示すために、特定の部分の割合は誇張されている。
【００９４】
注入同期式レーザシステムの詳細について図１を参照してこれより説明する。特に、図１は、参照符号１で全体的に示される本発明の第１の実施形態による注入同期式レーザシステムの概略図を提示する。
【００９５】
注入同期式レーザシステム１は、システム１内のマスタ（又はシード）レーザとして利用される第１のＴｉ：サファイアレーザ２を備えることを見て取ることができる。マスタＴｉ：サファイアレーザ２は、専用連続波ダイオードポンプ式固体状態（ＤＰＳＳ）レーザ源３により５３２ｎｍにおいて光学的にポンピングされて、連続波出力場４を生成する。本出願人のプロプライエタリなＳｏｌｓＴｉＳ（登録商標）レーザはマスタレーザ２として使用されるＴｉ：サファイアレーザの適した例であり、一方、ポンプレーザ３は市販のダイオードポンプ式固体状態（ＤＰＳＳ）レーザを含み得る。
【００９６】
ポンプレーザ３は、マスタＴｉ：サファイアレーザ２に最高で１８ワットのポンプ電力を提供する能力を有する。ここで説明されている実施形態では、ポンプレーザ３は、マスタＴｉ：サファイアレーザ２に約６Ｗのポンプ電力を提供して、７８０ｎｍにおいて約１Ｗの電力において調整可能な連続波出力場４（７００ｎｍ〜１０００ｎｍで調整可能）を提供するように構成される。この構成を用いる場合、生成される調整可能な連続波出力場４は、単一の横モード及び縦モードとして単一周波数（ｆ０）で動作し、低位相ノイズを示す。
【００９７】
次に、連続波出力場４は光学変調器５に向けられる。光学変調器５の機能は、連続波出力場４から第１のシード光場６及び第２のシード光場７を生成することである。第１のシード光場６は、
ｆ１＝ｆ０＋Δｆ  （２）
の周波数を有し、一方、第２のシード光場７は、
ｆ２＝ｆ０−Δｆ  （２）
の周波数を有し、式中、ｆ０はマスタＴｉ：サファイアレーザ２の動作周波数であり、Δｆは光学変調器５により誘発される周波数シフトである。
【００９８】
光学変調器５は、１つ又は複数の音響光学変調器（ＡＯＭ）を含み得る。正シフトした第１のシード光場６及び負シフトした第２のシード光場７は、好ましくは、２つの独立したＡＯＭデバイスにより生成される。しかしながら、代替の実施形態では、光学変調器５は、Δｆ周波数シフトした第１のシード光場６及び第２のシード光場７を生成するのに利用される１つのＡＯＭを含み得、Δｆ周波数シフトの符号は、連続波出力場４がＡＯＭに入射する角度に依存する。
【００９９】
更なる代替の実施形態では、光学変調器５は、位相変調に準備された電気光学変調器（ＥＯＭ）を含み得る。ＥＯＭは自由空間型ＥＯＭ又は導波路型ＥＯＭの何れかであり得る。この実施形態では、光学変調器５は効果的に、正負の変調周波数において連続波出力場４に側波帯を適用し、第１のシード光場６及び第２のシード光場７として利用されるのはこれらの側波帯である。
【０１００】
上述したＡＯＭ及びＥＯＭは、光学変調器５が０．１ＧＨｚ〜４０ＧＨｚの周波数シフトΔｆを連続波出力場４に誘発できるようにする。約６ＧＨｚの周波数シフトΔｆの場合、生成される第１のシード光場６及び第２のシード光場７は通常、約１００ｍＷの電力を示す。本出願人により開発された代替の注入同期式レーザシステムは、約０．０８ＧＨｚ、約１．６ＧＨｚ、約２．４ＧＨｚ、及び約４．０ＧＨｚの周波数シフトΔｆを利用した。
【０１０１】
次に、第１のシード光場６は、注入同期式レーザシステム１の第１の分岐９内に配置された３つの光学増幅器８ａ、８ｂ、及び８ｃ（スレーブレーザ）に入力される。同様にして、第２のシード光場７は、注入同期式レーザシステム１の第２の分岐１０内に配置された３つの光学増幅器８ｄ、８ｅ、及び８ｆ（スレーブレーザ）に入力される。
【０１０２】
図２（ａ）は、注入同期式レーザシステム１内で利用される光学増幅器８の概略図を提示する。各光学増幅器８は、専用連続波ＤＰＳＳレーザ源１１により５３２ｎｍで光学的にポンピングされて、連続波出力場１２を生成するＴｉ：サファイアレーザを含む。本出願人のプロプライエタリなＳｏｌｓＴｉＳ（登録商標）レーザはここでも、光学増幅器８（スレーブレーザ）としての使用に適したＴｉ：サファイアレーザの適した例である。ここで説明される実施形態では、ポンプレーザ１１は、スレーブＴｉ：サファイアレーザ８に約１８Ｗのポンプ電力を提供するように構成される。
【０１０３】
３つの光学増幅器８ａ、８ｂ、及び８ｃ（スレーブレーザ）のキャビティは、第１のシード光場６の周波数（ｆ１）、すなわちｆ０＋Δｆで共振するように構成され、一方、３つの光学増幅器８ｄ、８ｅ、及び８ｆ（スレーブレーザ）のキャビティは、第２のシード光場７の周波数（ｆ２）、すなわちｆ０−Δｆで共振するように構成される。好ましくは、第１のシード光場６は、３つの光学増幅器８ａ、８ｂ、及び８ｃのキャビティとモード整合される。同様にして、第２のシード光場７が３つの光学増幅器８ｄ、８ｅ、及び８ｆのキャビティとモード整合されることが好ましい。
【０１０４】
マスタＴｉ：サファイアレーザ２の連続波出力場４の一部は各光学増幅器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、及び８ｆ（スレーブレーザ）に入力されるため、これは、関連する光学増幅器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、又は８ｆ（スレーブレーザ）内の「シード」として動作する。この「シード」は、それぞれの第１のシード光場６又は第２のシード光場７と同じ周波数で光学増幅器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、又は８ｆ（スレーブレーザ）内で誘導放出を生じさせる。
【０１０５】
したがって、光学増幅器８ａ、８ｂ、及び８ｃの出力場１２ａ、１２ｂ、及び１２ｃは、第１のシード光場６を増幅したものであり、約７．５Ｗの電力を有し、第１のシード光場６と高い位相コヒーレンスを示し、すなわち、周波数差は、波形の１サイクルよりも十分に小さい程度まで同相である。同様に、光学増幅器８ｄ、８ｅ、及び８ｆの出力場１２ｄ、１２ｄ、及び１２ｆは、ここでも約１０Ｗの電力を有し、第２のシード光場７と高位相コヒーレンスを示し、すなわち、周波数差は波形の１サイクルよりも十分に小さい程度まで同相である、第２のシード光場７を増幅したものである。
【０１０６】
光学増幅器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、又は８ｆは全て共振デバイスであり、先に説明したように、注入同期は、シード場６及び７が各光学増幅器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、又は８ｆのキャビティと共振する場合、生じるため、注入同期式レーザシステム１の安定した動作にとって、光学増幅器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、又は８ｆの共振状況を各シード場６及び７に周波数同期することが有益である。
【０１０７】
図２（ａ）に提示される実施形態では、ヘンシュ−クイヨー（Ｈａｎｓｃｈ−Ｃｏｕｉｌｌａｕｄ）法に基づく好ましい周波数同期制御ループ１３を利用して、所望の周波数同期を達成する。この技法は最初、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｖｏｌｕｍｅ  ３５，Ｉｓｓｕｅ  ３，ｐａｇｅｓ  ４４１  ｔｏ  ４４４（１９８０）に記載され、光学増幅器８のＴｉ：サファイア結晶１４がブリュースターカット結晶であることを利用する。その結果、共振周波数の２つの直交偏光成分において非対称性を示す。出力場１２の成分１５は、偏光分析器１６に向けられ、次に分散形共振を検出し、分散形共振は、圧電マウントキャビティミラー１８を介して電子周波数安定化に向けて電子回路１７を同期することにより生成される誤差信号を提供することができる。
【０１０８】
図２（ｂ）に提示される代替の実施形態では、パウンド−ドレバー−ホール（Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ）法に基づく周波数同期制御ループ１９を利用して、所望の周波数同期を達成する。この技法はＡｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ．Ｂ，Ｖｏｌｕｍｅ  ３１，Ｐａｇｅｓ  ９７  ｔｏ  １０５（１９８３）に記載され、米国特許第５，０２７，３６０号明細書内で利用される技法でもある。この技法では、周波数変調器２０が周波数変調をシード場６及び７に適用し、フォトダイオード２２により出力場１２の成分２１内で検出される。この周波数変調信号は次に、周波数混合器２３により復調されて、誤差信号を生成する。次に、周波数同期電子回路２４が、圧電マウントキャビティミラー１８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。
【０１０９】
注入同期が達成される前、単方向動作を矯正するいかなる内部要素も含まない光学増幅器８が双方向動作し、出力電力の半分はマスタレーザ２に向けられることが理解されよう。このため、マスタレーザ２と関連する光学増幅器８との間に光学アイソレータ１００を利用することが必要である。好ましくは、光学アイソレータ１００は−５０ｄＢ未満の光学分離を提供することが可能である。
【０１１０】
光学増幅器８の上述した周波数同期技法がそれ自体ではシード場６及び７と出力場１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、及び１２ｆとの間に位相コヒーレンスを提供しないことに留意されたい。その代わり、位相コヒーレンスは、光学増幅器８内の増幅プロセスの直接的な結果である。周波数同期技法は単に、光学増幅器８の共振の周波数がそれぞれのシード場６及び７の周波数と一致したままであることを保証する。
【０１１１】
第１のシード光場６及び第２のシード光場７がマスタＴｉ：サファイアレーザ２の連続波出力場４から生成されるため、光学増幅器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、及び８ｆの出力場１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、及び１２ｆも互い及び連続波出力場４と高位相コヒーレンスを示すことが理解されよう。
【０１１２】
ここで説明される注入同期式レーザシステム１の更なる利点は、光学変調器５内で正及び負の周波数シフトを生成するのに１つの周波数源であるマスタＴｉ：サファイアレーザ２を利用することにより、マスタＴｉ：サファイアレーザ２により導入されるいかなるノイズも、注入同期式レーザシステム１の第１の分岐９及び第２の分岐１０の両方に共通であることを保証することである。
【０１１３】
正及び負の周波数シフトの使用は、半分の周波数シフト＋Δｆを第１のシード光場６に付与し、残り半分の−Δｆを第２のシード光場７に付与することにより、２Δｆという第１の分岐９の出力場１２ａ、１２ｂ、及び１２ｃと第２の分岐１０の出力場１２ｄ、１２ｄ、及び１２ｆとの間の相対周波数オフセットを達成することができることを意味する。大きな周波数シフト２Δｆを１つの光場に付与することは、大きな技術的問題を呈する恐れがあるため、これは有利である。
【０１１４】
図１の実施形態は、光学変調器５により第１のシード光場６及び第２のシード光場７に同じ大きさの周波数シフトが付与されることが提示されるが、これが必ずしも該当する必要はない。代わりに、第１のシード光場６と第２のシード光場７との間の全体周波数オフセット２Δｆが維持される限り、異なる大きさのオフセットを第１のシード光場６及び第２のシード光場７に付与し得る。
【０１１５】
注入同期式レーザシステム１の第１の分岐９及び第２の分岐１０内に配置される光学増幅器８の数もまた、ここで説明される実施形態から可変であり得、すなわち、第１の分岐９に１〜Ｎ個の光学増幅器８があり得、第２の分岐１０に１〜Ｍ個の光学増幅器８があり得ることが理解されよう。代替の実施形態では、注入同期式レーザシステム１の第１の分岐９及び第２の分岐１０内に配置される光学増幅器８の数は等しくなくてもよく、すなわち、Ｎ≠Ｍであり得る。
【０１１６】
図３を参照して、本発明の代替の実施形態による注入同期式レーザシステム２５の概略図についてこれより考察する。
【０１１７】
注入同期式レーザシステム２５はここでも、システム２５内のマスタ（又はシード）レーザとして利用される、すなわち、専用連続波ダイオードポンプ式固体状態（ＤＰＳＳ）レーザ源３により光学的にポンピングされて、連続波出力場４を生成する第１のＴｉ：サファイアレーザ２を備えることを見て取ることができる。
【０１１８】
連続波出力場４はここでも、第１のシード光場６及び第２のシード光場７に分割される。第１のシード光場６の一部はここでも、注入同期式レーザシステム２５の第１の分岐９内に配置された光学増幅器８ａ、８ｂ、及び８ｃのそれぞれに入力される。同様に、第２のシード光場７の一部はここでも、注入同期式レーザシステム２５の第２の分岐１０内に配置された光学増幅器８ｄ、８ｅ、及び８ｆのそれぞれに入力される。ここでも、注入同期式レーザシステム２５の安定した動作にとって、上述したのと同様に、光学増幅器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、又は８ｆの共振状況をそれぞれのシード場６及び７に周波数同期することが有利である。
【０１１９】
図３の注入同期式レーザシステム２５は、光学増幅器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、及び８ｆが、独立した所定の周波数シフトΔｆＮを光学増幅器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、及び８ｆに付与するのに利用される専用光学変調器５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、及び５ｆを有するという点で図１の注入同期式レーザシステム１と異なり、ここで、ΔｆＮは何れの符号も有することができる。図３の注入同期式レーザシステム２５の光学変調器５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、及び５ｆがＥＯＭであることが好ましい。また、光学変調器５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、及び５ｆが、基準発振器により導入されるいかなるノイズも注入同期式レーザシステム２５の光学増幅器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、及び８ｆのそれぞれに共通するように、共通の基準発振器を共有することも好ましい。
【０１２０】
ここで説明される実施形態では、周波数シフト＋Δｆ１、＋Δｆ２、及び＋Δｆ３が、注入同期式レーザシステム２５の第１の分岐９内に配置された光学増幅器８ａ、８ｂ、及び８ｃのそれぞれに注入される第１のシード光場６の一部に誘導される。同様にして、周波数シフト−Δｆ１、−Δｆ２、及び−Δｆ３が、注入同期式レーザシステム２５の第２の分岐１０内に配置された光学増幅器８ｄ、８ｅ、及び８ｆのそれぞれに注入される第２のシード光場７の一部に誘導される。
【０１２１】
しかしながら、光学増幅器８ａ、８ｂ、及び８ｃに注入される第１のシード光場６の一部に誘導される周波数シフト及び光学増幅器８ｄ、８ｅ、及び８ｆに注入される第２のシード光場７の一部に誘導される周波数シフトが、各光学増幅器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、及び８ｆが全て異なる周波数で共振するように、ここで説明される実施形態と異なり得ることが理解されよう。
【０１２２】
注入同期式レーザシステム２５は、光学増幅器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、及び８ｆのそれぞれに異なる位相シフトを利用する手段を提供し、したがって、光学増幅器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、及び８ｆ内の不要な共振を回避できるようにする。当業者に理解されるように、複数の周波数が変調連続波出力場４（搬送波及び側波帯）内に存在する。光学増幅器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、及び８ｆのキャビティは、一定間隔の周波数で共振する。したがって、特定の変調周波数では、２つ以上の周波数の共振での不要な一致があり、すなわち、搬送波及び側波帯が両方とも光学増幅器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、及び８ｆのキャビティと共振し得る。しかしながら、側波帯が光学増幅器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、及び８ｆの各キャビティと共振することだけが望まれる。上記様式で第１のシード光場６及び第２のシード光場７に付与される周波数シフトを変更することにより、光学増幅器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、及び８ｆ間で同じ周波数オフセットを維持しながら、これらの一致を回避することができる。例えば、第１のシード光場６への周波数シフトは、一致を回避するために増大し得、一方、第２のシード光場７への周波数シフトは同量だけ低減され、それにより、これらの光場間で同じ全体オフセット２Δｆを維持する。
【０１２３】
また、光学増幅器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、及び８ｆのそれぞれに異なる位相シフトを利用可能なことにより、これより更に詳細に後述するように、新規の位相同期及び周波数チャープ技法を組み込むことが可能になる。
【０１２４】
位相同期注入同期式レーザシステム
図４は、光学増幅器８ａ及び８ｂのそれぞれに関連する位相同期制御ループ２７ａ及び２７ｂを備える注入同期式レーザシステム２６の概略図を提示する。
【０１２５】
注入同期式レーザシステム２６はここでも、システム２６内のマスタ（又はシード）レーザとして利用される、すなわち、専用連続波ダイオードポンプ式固体状態（ＤＰＳＳ）レーザ源３により光学的にポンピングされて、連続波出力場４を生成する第１のＴｉ：サファイアレーザ２を備えることを見て取ることができる。
【０１２６】
連続波出力場４はここでも、第１のシード光場６及び第２のシード光場７に分割される。第１のシード光場６は、注入同期式レーザシステム２６の第１の分岐９内に配置された光学増幅器８ａに入力されて、第１の出力場１２ａを生成する。同様に、第２のシード光場７は、注入同期式レーザシステム２６の第２の分岐１０内に配置された光学増幅器８ｂに入力されて、第２の出力場１２ｂを生成する。この実施形態では、連続波出力場４の一部が注入同期式レーザシステム２６からのシフトされていない第３の光学出力２８にも提供されることに留意されたい。
【０１２７】
ここで説明される実施形態では、周波数シフト＋Δｆが、専用光学変調器５ａの存在に起因して、光学増幅器８ａに注入される第１のシード光場６に誘導される。同様にして、周波数シフト−Δｆが、専用光学変調器５ｂの存在に起因して光学増幅器８ｂに注入される第１のシード光場６に誘導される。
【０１２８】
ここでも、注入同期式レーザシステム２６の安定した動作にとって、上述したのと同様に、光学増幅器８ａ及び８ｂの共振状況を各シード場６及び７に周波数同期することが有利である。
【０１２９】
位相同期制御ループ２７ａが利用されて、光学増幅器８ａのフィードバック信号２９ａを提供する。第１の出力場１２ａの一部と連続波出力場４とを結合して、第１の出力場１２ａと連続波出力場４との間の周波数差Δｆにおいて第１の光学ビート信号３２ａを生成するように構成された３つのビームスプリッタ３０及びミラー３１を備えることを見て取ることができる。次に、第１の光学ビート信号３２ａは、第１の高速光検出器３４ａにより第１の電気ビート信号３３ａに変換される。位相同期制御ループ２７ｂは、周波数Δｆを有する第１の基準信号３６ａを生成するのに利用される基準発振器３５を更に備える。第１の電気ビート信号３３ａ及び第１の基準信号３６ａは次に、位相同期制御ループ２７ｂ内に配置される第１の周波数混合器３７ａに供給される。第１の周波数混合器３７ａは、第１の電気ビート信号３３ａ及び第１の基準信号３６ａをダウンミックスして第１の誤差信号３８ａを提供するのに利用され、第１の誤差信号３８ａは、位相同期電子回路３９ａにより変換されて、第１の電圧制御発振器（ＶＣＯ）４１ａの制御信号４０ａを提供する。次に、ＶＣＯ４１ａからの出力信号４２ａは第１の周波数シンセサイザ４３ａを通過し、第１の周波数シンセサイザ４３ａは、ＶＣＯ４１からの出力信号４２ａを逓倍して、所望のフィードバック信号２９ａを生成するように構成される。
【０１３０】
電気ビート信号３３ａは、注入同期が行われた後に残っている第１のシード光場６と光学増幅器８ａとの間の残留位相ノイズについての情報を含む。電気ビート信号３３ａはまた、第１の出力場１２ａ及び第３の出力場２８ビームパス内に導入される位相ノイズについての情報も含む。位相同期制御ループ２７ａは、この情報を使用して、第１のシード光場６と光学増幅器８ａの出力場１２ａとの間の周波数オフセットΔｆを位相同期し、したがって、第１の出力場１２ａ内の位相ノイズを更に抑制するとともに、注入同期式レーザシステム２６内の光場４及び６の伝送中、導入されるいかなる追加ノイズも除去する。
【０１３１】
図４から見て取ることができるように、第２の位相同期制御ループ２７ｂは同様に、第２のシード光場７と光学増幅器８ｂの出力場１２ｂとの間に周波数オフセットΔｆを位相同期して、第２の出力場１２ｂ内の位相ノイズを更に抑制するとともに、注入同期式レーザシステム２６内の光場４及び７の伝送中、導入されるいかなる追加ノイズも除去するのに利用される。
【０１３２】
図４の注入同期式レーザシステム２６の位相同期メカニズムは、ＶＣＯ４１へのフィードバック提供に基づく。位相同期メカニズムが電圧制御位相シフタ４６へのフィードバック提供に基づく注入同期式レーザシステム４４及び４５について図５及び図６を参照してこれより考察する。
【０１３３】
これらの実施形態では、第１の誤差信号３８ａは、図４の注入同期式レーザシステム２６を参照して上述したのと同様に生成される。しかしながら、第１の誤差信号３８ａは、第１の電圧制御位相シフタ４６ａの制御信号４０ａを生成するのに利用される。第１の電圧制御位相シフタ４６ａにはまた、第１の固定周波数発振器４８ａにより生成された入力信号４７ａも提供される。
【０１３４】
図５の注入同期式レーザシステム４４では、第１の電圧制御位相シフタ４６ａからの出力信号４９ａは次に、第１の周波数シンセサイザ４３ａを通過し、第１の周波数シンセサイザ４３ａは、第１の電圧制御位相シフタ４６ａからの出力信号４９ａを逓倍して、所望のフィードバック信号２９ａを生成するように構成される。
【０１３５】
図６の注入同期式レーザシステム４５は、周波数シンセサイザ４３の位置のみが図５内に提示されるものと異なる。特に、注入同期式レーザシステム４５内で、周波数シンセサイザ４３は、注入同期式レーザシステム４４の場合と同様に第１の電圧制御位相シフタ４６からの出力信号４９の代わりに、電圧制御位相シフタ４６への入力信号４７を逓倍するように構成される。したがって、図５の注入同期式レーザシステム４４は低周波数（約１００ＭＨｚ）電圧制御位相シフタ４６との併用に適し、一方、図６の注入同期式レーザシステム４５はマイクロ波電圧制御位相シフタ４６との併用に適する。
【０１３６】
注入同期式レーザシステム２６、４４、及び４５では、光場１２の位相がマスタレーザ２の連続波出力場４に相対して位相変動する場合、フィードバック信号２９は、相対位相におけるこれらの変動を自動的に補償するよう光学変調器５により導入される周波数オフセットΔｆを変更するように動作する。これには、注入同期式レーザシステム２６、４４、及び４５の出力場間の位相コヒーレンスを更に増大させるという効果がある。
【０１３７】
上述した注入同期式レーザシステム２６、４４、及び４５の更なる利点は、注入同期及び位相同期への結合効果の結果である。注入同期は、純粋に能動的に制御されるシステムにより張り合うことができない高周波数への高度の位相コヒーレンスを保証する。追加の位相同期は、注入同期から残り得るか、又はシステムからの伝送において導入され得る、特に低周波数における相対位相ノイズを更に「クリーンアップ」する手段を提供する。
【０１３８】
光学ビート信号３２が生成される場所が、マスタレーザ２及び光学増幅器８の近くに配置される必要がないことに留意されたい。代替の実施形態では、光学ビート信号３２が生成される場所は、マスタレーザ２及び光学増幅器８からリモートであり得、例えば、記載される注入同期式レーザシステム２６、４４、及び４５により生成された光場が利用されることが意図される場所であり得る。
【０１３９】
周波数チャープを用いる位相同期
上述した注入同期式レーザシステム２６、４４、及び４５は、マスタレーザ２により生成される連続波出力場４と光学増幅器８により生成される出力場１２との間の周波数オフセットΔｆをチャープする手段、すなわち、一定の周波数変化を連続波出力場４と出力場１２との間に同じ時間期間にわたり付与する手段を提供するように構成し得る。そのような注入同期式レーザシステム５０の概略図を図７に提示する。
【０１４０】
注入同期式レーザシステム５０は、図４を参照して先に提示したものと同様である。理解を容易にすることのみを目的として、今回、第１の分岐９が提示されている。図７の注入同期式レーザシステム５０と図４に提示されるものとの主な違いは、注入同期式レーザシステム５０が、光学変調器５のフィードバック信号２９を生成するソースとして、１つのＶＣＯ４１ではなく複合発振器５１を利用することである。
【０１４１】
複合発振器５１は、ＶＣＯ４１及びダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）５２から形成される。この実施形態では、第１の周波数混合器３７ａが利用されて、通常ＧＨｚ領域における周波数ｆＡで動作する基準発振器３５により生成される第１の基準信号３６ａと電気ビート信号３３をダウンミックスして、周波数ｆＢを有する中間信号５３を生成する。次に、第２の周波数混合器３７ｂが利用されて、通常１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ領域における周波数ｆＢで動作するＤＤＳ  ５２により生成される第２の基準信号５４と中間信号５３をダウンミックスして、誤差信号３８を提供し、誤差信号３８は、位相同期電子回路３９により変換されて、ＶＣＯ４１の制御信号４０を提供する。第３の周波数混合器３７ｃが利用されて、ＶＣＯ４１からの出力信号４２をＤＤＳ  ５２により生成される出力信号５５と結合して、所望のフィードバック信号２９を生成する。
【０１４２】
複合発振器５１には、低ノイズを示すとともに、通常、数ＧＨｚのオーダである第１の基準信号３６ａの周波数前後を機敏に動くという利点がある。ＤＤＳ  ５２を利用して第２の基準出力信号５５（通常、ＭＨｚのオーダ）を生成することは、ＤＤＳ  ５２を利用して、周波数チャープを出力信号５５に適用する手段を提供する。当業者には理解されるように、そのような周波数チャープが出力信号５５に適用される場合、対応するチャープは第３の周波数混合器３７ｃの周波数混合プロセスに適用されて、チャープが光学増幅器８と第１のシード場６との間の周波数オフセットΔｆに適用されることになる。同期される第１のシード場６が注入される光学増幅器８はこのチャープに従い、連続波出力場４、ひいては出力場２８に対して出力場１２の周波数をチャープさせる。
【０１４３】
図７は、連続波出力場４に位相同期された出力場１２を有する、マスタレーザ２により注入同期される１つの光学増幅器８を提示する。このシステムが、複数の光学増幅器８がマスタレーザ２に注入同期及び位相同期される上述したシステムに拡張可能なことが理解されよう。
【０１４４】
図７に提示される実施形態では、ＤＤＳ  ５２は、複合発振器５１の第２の基準信号５４のソース及び第３の周波数混合器３７ｃの出力信号５５のソースとして利用される。独立したＤＤＳがこれらの２つの信号のソースとして等しく利用可能なことが理解されよう。
【０１４５】
図７の実施形態はまた、ｆＡで動作しているＶＣＯであるものとして基準発振器３５を示している。この基準発振器は、はるかに低い周波数で動作し、次に周波数シンセサイザによりｆＡに逓倍されるＶＣＯを等しく含み得る。
【０１４６】
周波数チャープ機能を用いた位相同期の上述した技法について、電圧制御発振器（ＶＣＯ）４１に基づく上記システムを参照して説明した。しかしながら、代替の実施形態では、この技法が、フィードバックが固定周波数発振器４８により供給される電圧制御位相シフタ４６へのものであるシステムに等しく適用可能なことが当業者には理解されよう。
【０１４７】
上述した注入同期式レーザシステムは、２つ以上の光学増幅器（スレーブレーザ）を同時に注入同期する単一連続波単一マスタレーザを提供し、したがって、互い及びマスタレーザ自体の出力との高い位相コヒーレンスを示す複数の出力場を生成する。
【０１４８】
１つ又は複数の周波数２逓倍ステージを注入同期式レーザシステム１、２６、４４、及び４５内に組み込んで、システムの動作周波数を上げ得ることが当業者には理解されよう。これらの周波数２逓倍ステージは外部に、すなわち、出力場１２及び２８の１つ又は複数内に配置することができる。周波数２逓倍ステージが出力場１２及び２８内に配置される場合、光検出器３４へのピックオフは、周波数２逓倍ステージ前又は後の何れであってもよく、すなわち基本光又第２高調波光を使用するものであってよい。後者の構成の利点は、位相同期２７制御ループ２７がまた、周波数２逓倍ステージにより又は周波数２逓倍ステージからの伝送において導入されるいかなる位相変動も補正することである。
【０１４９】
単一光学変調器内での正及び負の周波数シフトの生成に単一周波数マスタレーザを利用することにはまた、マスタレーザにより導入されるいかなるノイズも注入同期式レーザシステムの全てのスレーブレーザの出力に共通することを保証するという利点もある。正及び負の周波数シフトの使用はまた、周波数シフトの半分＋Δｆを第１の組の光学増幅器に付与し、残り半分−Δｆを第２の組の光学増幅器に付与することにより、２Δｆの出力場間の相対周波数オフセットを達成することができることも意味する。これは、大きな周波数シフト２Δｆを単一光場に付与することは大きな技術的問題を呈する恐れがあるため、有利である。
【０１５０】
注入同期式レーザシステムはまた、異なる大きさのオフセットを第１及び第２の組の光学増幅器に誘導する手段も提供する。この制御の増大により、光学増幅器の出力間に同じ全体周波数オフセットを維持しながら、光学増幅器のキャビティ内の問題のある同時発生する光学共振を回避することができる。
【０１５１】
幾つかの位相同期注入同期式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、当技術分野で既知のシステムと比較して出力場間の位相コヒーレンスが上がるという利点がある。加えて、位相同期注入同期式レーザシステムはまた、光学増幅器の出力場の周波数へのチャープをマスタレーザの連続波出力場に相対して導入できるようにもする。
【０１５２】
複数の光学増幅器を注入同期する方法及びシステムが開示される。マスタレーザは、連続波出力場の生成に利用される。次に、光学変調器は、連続波出力場から第１及び第２のシード光場を生成する。第１及び第２のシード光場は、任意選択的に異なる動作周波数に１つ又は複数の光学増幅器を注入同期する入力を提供する。第１及び第２のシード光場は連続波出力場から生成されるため、光学増幅器の出力場は、互い及び連続波出力場と高い位相コヒーレンスを示す。第１及び第２の光場の利用により、大きな周波数シフトを１つの光場に誘導する必要性が下がる。注入同期式レーザシステムの出力を位相同期する技法はまた、システム内の位相ノイズの更なる低減も提供する。
【０１５３】
本明細書全体を通して、状況により別段のことが要求される場合を除き、「備える」若しくは「含む」という用語又は「備えた」、「備えている」、「含んだ」、若しくは「含んでいる」等の変形は、記載された完全体又は完全体の群の包含を暗示するが、いかなる他の完全体又は完全体の群の除外も暗示しないことが理解される。
【０１５４】
更に、説明におけるいかなる従来技術の参照も、その従来技術が共通の一般知識の一部をなすことの指示として解釈されるべきではない。
【０１５５】
本発明の上記説明は、例示及び説明を目的として提示されており、網羅的である、すなわち、開示された厳密な形態に本発明を限定する意図はない。説明された実施形態は、本発明の原理及び本発明の実際用途を最良に説明し、それにより、当業者が意図される特定の用途に適するよう本発明を種々の実施形態で種々の変更を行って最良に利用できるようにするために選ばれ説明された。したがって、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の範囲から逸脱せずに、更なる変更又は改善も組み込まれ得る。
【図１】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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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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【国際調査報告】
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