(57)【要約】  光学システムが、第１の出力を有する第１の光ビームを生成するように構成された第１の光源を含む。光学システムは、第２の出力を有する少なくとも１つの第２の光ビームを生成するように構成された第２の光源を含む。第２の出力は、第１の出力を上回ることができる。光学システムは、第２の出力の少なくとも１つの第２の光ビームを第１の出力の第１の光ビームと平行又は近平行パターンで大気空間領域内で少なくとも部分的に相互位置合わせして、大気空間領域内で誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）を介して第２の出力の少なくとも１つの第２の光ビームの光子から第１の出力の第１の光ビームの光子にエネルギーを移動させる装置を含む。【選択図】図１
2021532421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学システムであって、
第１の出力を有する第１の光ビームを生成するように構成された第１の光源と、
前記第１の出力よりも大きな第２の出力を有する少なくとも１つの第２の光ビームを生成するように構成された第２の光源と、
前記第２の出力の前記少なくとも１つの第２の光ビームを前記第１の出力の前記第１の光ビームと平行又は近平行パターンで大気空間領域内で少なくとも部分的に相互位置合わせして、前記大気空間領域内で誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）を介して前記第２の出力の前記少なくとも１つの第２の光ビームの光子から前記第１の出力の前記第１の光ビームの光子にエネルギーを移動させる手段と、
を備えることを特徴とする光学システム。
【請求項２】
前記大気空間領域は、誘導量子エネルギーの吸収及び放出を容易にすることができる所定量のガス及び／又はプラズマを含む、
請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
前記第２の出力は、前記第１の出力よりも少なくとも１桁分大きい、
請求項１に記載の光学システム。
【請求項４】
前記第１の光源は、第１のビーム品質を有する前記第１の光ビームを生成するように構成され、前記第２の光源は、第２のビーム品質を有する前記少なくとも１つの第２の光ビームを生成するように構成され、前記第１のビーム品質は、前記第２のビーム品質のものよりも強化されたスポットサイズ、ビーム広がり、ビーム伝搬及びビーム変換のうちの少なくとも１つを有する、
請求項１に記載の光学システム。
【請求項５】
前記第１の光源は、前記第１の光ビームの一部として位相共役された光ビームを生成して伝送するように構成される、
請求項１に記載の光学システム。
【請求項６】
センサと動作可能に関連し、前記第１の光ビームが伝播する媒体によって生じた光学収差を検出するとともに、前記第１の光ビームに共役を課して前記位相共役された光ビームを生成するように構成されたプロセッサを備える、
請求項５に記載の光学システム。
【請求項７】
前記プロセッサは、前記第１の光ビームの一部をサンプリングして前記光学収差を検出するように構成される、
請求項６に記載の光学システム。
【請求項８】
前記少なくとも部分的に相互位置合わせする手段は、前記少なくとも１つの第２の光ビームを前記位相共役された光ビームと相互位置合わせするように構成される、
請求項５に記載の光学システム。
【請求項９】
前記大気空間領域は、前記第１の光ビーム及び前記第２の光ビームの少なくとも一方の光路に沿った１キロメートル〜１０キロメートルの範囲の空間の体積である、
請求項１に記載の光学システム。
【請求項１０】
前記第２の光源は、複数の第２の光ビームを生成するように構成される、
請求項１に記載の光学システム。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの第２の光ビームをより短い波長に変換するように構成された高調波発生器を備える、
請求項１に記載の光学システム。
【請求項１２】
前記第２の光源は、パルス状光ビーム発生器として構成される、
請求項１に記載の光学システム。
【請求項１３】
前記第１の光源は、その光路に沿って第１の回折拡散を示す前記第１の光ビームを生成するように構成され、前記第２の光源は、その光路に沿って第２の回折拡散を示す前記少なくとも１つの第２の光ビームを生成するように構成され、前記第２の回折拡散は前記第１の回折拡散よりも大きい、
請求項１に記載の光学システム。
【請求項１４】
前記第１の光源は、第１の直径を有する前記第１の光ビームを生成するように構成され、前記第２の光源は、第２の直径を有する前記少なくとも１つの第２の光ビームを生成するように構成され、前記第１の直径は前記第２の直径よりも大きい、
請求項１に記載の光学システム。
【請求項１５】
前記第２の光源は、複数の第２の光ビームを生成するように構成され、前記相互位置合わせする手段は、前記複数の第２の光ビームを前記第１の光ビームの前記第１の直径の周囲又はその内部に群がるように導くよう構成される、
請求項１４に記載の光学システム。
【請求項１６】
光ビームの伝送方法であって、
第１の出力を有する第１の光ビームを生成するステップと、
前記第１の出力よりも大きな第２の出力を有する少なくとも１つの第２の光ビームを伝送するステップと、
前記第２の出力の前記少なくとも１つの第２の光ビームを前記第１の出力の前記第１の光ビームと平行又は近平行パターンで大気空間領域内で少なくとも部分的に相互位置合わせして、前記大気空間領域内でラマン増幅を介して前記第２の出力の前記少なくとも１つの第２の光ビームの光子から前記第１の出力の前記第１の光ビームの光子にエネルギーを移動させるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記大気空間領域は、誘導量子エネルギーの吸収及び放出を容易にすることができる所定量のガス及び／又はプラズマを含む、
請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第２の出力は、前記第１の出力よりも少なくとも１桁分大きい、
請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
第１のビーム品質を有する前記第１の光ビームを生成するステップと、
第２のビーム品質を有する前記少なくとも１つの第２の光ビームを生成するステップと、
を含み、前記第１のビーム品質は、前記第２のビーム品質のものよりも強化されたスポットサイズ、ビーム広がり、ビーム伝搬及びビーム変換のうちの少なくとも１つを有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
光学システムであって、
第１のビーム出射部分及び第１のビーム帰還部分を含む第１の光ビームを光路に沿って生成するように構成された第１の光源と、
前記第１のビーム出射部分に検出された光学収差の反転を課すことによって前記第１のビーム帰還部分を位相共役して、位相共役された第１のビーム出射部分を生成するように構成された手段であって、前記位相共役された第１のビーム出射部分からのストロークシフト光子が、信号ビーム波長及び信号ビーム位相を有する信号ビームを形成するようにする手段と、
前記光路に沿って少なくとも１つの第２の光ビームを生成することによって、前記少なくとも１つの第２の光ビームからのポンプ光子にポンプビームを形成させるように構成された第２の光源と、
大気空間領域において、誘導量子エネルギーの吸収及び放出を容易にするガス及び／又はプラズマの含有に基づいて選択されたラマンインタラクションゾーン（ＲＩＺ）として指定された前記光路に沿って、前記ポンプビームを前記信号ビームと少なくとも部分的に相互位置合わせする手段と、
を備え、
前記信号ビームのストロークシフト光子が、前記ガス及び／又はプラズマによる誘導量子エネルギーの吸収及び放出を容易にするようにストロークシフトされ、
量子エネルギー吸収が、前記信号ビーム波長及び前記信号ビーム位相を有するさらなるストロークシフト光子を生成し、
前記さらなるストロークシフト光子が前記信号ビームを増幅する、
ことを特徴とする光学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
大気空間領域内で光ビームを相互位置合わせして、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）プロセスを介して１つの光ビームから別の光ビームにエネルギーを移動させる光学システム及び方法を開示する。
【背景技術】
【０００２】
高エネルギーレーザー（ＨＥＬ）源から大気を通じて長距離にわたって光エネルギーを伝播する有効性は、標的位置の指定エリアにおいて最大放射照度（ｍａｘｉｍｕｍ  ｉｒｒａｄｉａｎｃｅ）を維持する能力に基づくことができる。この伝播効率は、分子の吸収及び散乱、エアロゾルの散乱及び吸収、大気乱流、（空気の吸収及び加熱からの）熱ブルーミング、光軸のジッタ、ＨＥＬ源の出力及びビーム品質低下、並びにこれらの現象を補正するあらゆる補償技術の限界を含む多くの要因によって低下する。伝播効率の低下を補正して緩和するために、適応光学プロセス（ａｄａｐｔｉｖｅ  ｏｐｔｉｃｓ  ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ）を使用することができる。既知の適応光学プロセスは、光路に沿った光学収差の測定を使用して、ＨＥＬ源から開始される共役相（ｃｏｎｊｕｇａｔｅ  ｐｈａｓｅ）を生成する。擾乱大気を通じてＨＥＬ波面が伝播すると、乱流及びその他の収差によって位相共役信号が「解消（ｕｎｄｏｎｅ）」される結果、ＨＥＬ波面は、標的における平らな位相面（ｐｈａｓｅ  ｆｒｏｎｔ）と標的における高い放射照度とを有する波面をもたらすように補正される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＨＥＬシステムにおける既知の適応光学素子は、大気中の伝搬路に沿って測定された収差の数学的共役をもたらすようにレーザー光源の波面位相（ｗａｖｅｆｒｏｎｔ  ｐｈａｓｅ）を修正する表面を生成するようにアクチュエータによって成形される可変形状ミラーなどのコンポーネントを採用する。これらの可変形状ミラー及びその他のコンポーネントは高価であり、高レベルな光学的清浄度（ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｌｅａｎｌｉｎｅｓｓ）の要件を伴い、光学的及び電気的損傷を受けることがある。このことは、高エネルギー光ビームのために設計された適応光学システムでは特に当てはまる。これらの高価な素子を排除すれば、大幅なコスト削減、潜在的に良好な性能、改善されたシステム信頼性及び保全性、並びによりコンパクトで軽量のパッケージングを実現することができる。また、空間分解能、アクチュエータ／制御ループ帯域幅及びサーボ電子部品に関する既知の適応光学系設計の限界は、標準的な設計手法が光路に沿ったきめ細かな高時間周波数変動を補償するのを妨げる。
〔参考文献〕
【０００４】
光学システム及び方法は以下の文献から公知であり、これらは全てその全体が引用により本明細書に組み入れられる。
−  Ｒｏｂｅｒｔ  Ｌ．ＭｃＣｒｏｒｙ、Ｄｉｒｅｃｔｏｒ、「空気中における高出力レーザーのラマン散乱」、掲載：ＬＬＥ  Ｒｅｖｉｅｗ、１９９１年１０月１日〜１９９２年９月３０日、第５２巻、２１１〜２２３頁（Robert L. McCrory, Director, “Raman Scattering of High-Power Lasers in Air,” published in the LLE Review, October 1, 1991-Sept. 30, 1992, Volume 52, pp. 211-223）
−  Ａｐａｒａｎｊｉ、Ｓａｎｔｏｓｈ他、「高出力イッテルビウムファイバーレーザーのラマンベースのパワー結合及び波長変換」、ＳＰＩＥ１０５１２議事録、ファイバーレーザーＸＶ：技術及びシステム、１０５１２１Ｕ（２０１８年２月２６日）；ｄｏｉ：１０．１１１７／１２．２２９０３４７（Aparanji, Santosh, et al., "Raman Based Power Combining and Wavelength Conversion of High Power Ytterbium Fiber Lasers," Proc. SPIE 10512, Fiber Lasers XV: Technology and Systems, 105121U (26 February 2018); doi: 10.1117/12.2290347）
−  Ｃｒａｗｆｏｒｄ  Ｄ．、Ｐ．Ｔｈｉａｇａｒａｊａｎ、Ｊ．Ｇｏｉｎｇｓ、Ｂ．Ｃａｌｉｖａ、Ｓ．Ｓｍｉｔｈ、Ｒ．Ｗａｌｋｅｒ、「超高ピーク出力レーザーダイオードアレイの進歩」、ＳＰＩＥ１０５１４議事録、高出力ダイオードレーザー技術ＸＶＩ、１０５１４０Ｈ（２０１８年２月１９日）；ｄｏｉ：１０．１１１７／１２．２２９４０４６（Crawford D., P. Thiagarajan, J. Goings, B. Caliva, S. Smith, R. Walker, "Advancements of Ultra-High Peak Power Laser Diode Arrays," Proc. SPIE 10514, High-Power Diode Laser Technology XVI, 105140H (19 February 2018); doi: 10.1117/12.2294046）
−  Ｄａｎｇｏｒｉ，Ａ．Ｅ．他、「２周波数レーザービームによる空気中強制ラマン散乱」、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｂ：Ａｔ．Ｍｏｌ．Ｏｐｔ．Ｐｈｙｓ．２２（１９８９）７９７〜８０５（Dangori, A. E., et al. “Forced Raman Scattering in Air by a Two-Frequency Laser Beam.” J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 22 (1989) 797-805）
−  Ｆｕｋｕｍｏｔｏ、Ｊｏｓｅｐｈ  Ｍ．他、「キャビティ内差周波混合を伴う周期的に分極されたＬｉＮｂＯ３光学パラメータ式発振器」、ＯＳＡ  ＴＯＰＳ第１９巻、高度固体レーザー、Ｗａｌｔｅｒ  Ｒ．Ｂｏｓｅｎｂｅｒｇ及びＭａｒｔｉｎ  Ｍ．Ｆｅｊｅｒ（ｅｄｓ．）０１９９８、Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ（Fukumoto, Joseph M., et al.; “Periodically Poled LiNbO3 Optical Parametric Oscillator with Intracavity Difference Frequency Mixing,” OSA TOPS Vol. 19 Advanced Solid State Lasers Walter R. Bosenberg and Martin M. Fejer (eds.) 01998 Optical Society of America）
−  Ｈｅｎｅｓｉａｎ、Ｍａｒｋ他、「ＮＯＶＡ大気経路、投影ＮＯＶＡ及びＮＯＶＡ  ＩＩシステムの性能限界における誘導ラマン散乱実験の概要」、ＵＣＲＬ−ＴＲ−２３４１１０、２００７年８月２９日（Henesian, Mark, et al.; “Summary of Stimulated Raman Scattering Experiments in the NOVA Air-Path and Projected NOVA and NOVA II System Performance Limits,” UCRL-TR-234110, August 29, 2007）
−  Ｋｕｒｎｉｔ，Ｎ．Ａ．、「大気酸素における誘導回転ラマン散乱の計算及び測定」、Ｌｏｓ  Ａｌａｍｏｓ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ、ＬＡ−ＵＲ−９５−４１４５、１９９５年１月（Kurnit, N. A.; “Calculation and Measurement of Stimulated Rotational Raman Scattering in Atmospheric Oxygen,” Los Alamos National Laboratory, LA-UR-95-4145, January 1995）
−  Ｌａｍｐｅｌ，Ｊ．、「大気中微量ガスのＤＯＡＳ測定に対する空気の振動ラマン散乱の影響」、Ａｔｍｏｓ．Ｍｅａｓ．Ｔｅｃｈ．、８、３７６７〜３７８７、２０１５、ｗｗｗ．ａｔｍｏｓ−ｍｅａｓ−ｔｅｃｈ．ｎｅｔ／８／３７６７／２０１５／、ｄｏｉ：１０．５１９４／ａｍｔ−８−３７６７−２０１５（Lampel, J.; “The Impact of Vibrational Raman Scattering of Air on DOAS Measurements of Atmospheric Trace Gases,” Atmos. Meas. Tech., 8, 3767-3787, 2015 www.atmos-meas-tech.net/8/3767/2015/ doi:10.5194/amt-8-3767-2015）
−  Ｍａｌｅｖｉｃｈ，Ｐ．Ｎ．他、「大気ガストレーシングのための超高速レーザー誘起後方誘導ラマン散乱」、ＥＰＪ  Ｗｅｂ  ｏｆ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｓ  ＤＯＩ：１０．１０５１／ｅｐｊｃｏｎｆ  ２０１／４１  ３４１１２００９  １２００９（２０１３）（Malevich, P. N., et al.; “Ultrafast-Laser-Induced Backward Stimulated Raman Scattering for Tracing Atmospheric Gases,” EPJ Web of Conferences DOI: 10.1051/ epjconf 201/41 34112009 12009 (2013)）
−  ＭｃＣｏｎｎｅｌｌ、Ｇａｉｌ他、「周期的に分極されたニオブ酸リチウムにおける同時誘導ラマン散乱第二高調波生成」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ  ２００５（McConnell, Gail, et al.; “Simultaneous Stimulated Raman Scattering Second Harmonic Generation in Periodically Poled Lithium Niobate,” Optics Express 2005）
−  ＯｋｌｏｐＣｉＣ、Ａｎｔｏｎｉｊａ他、「系外惑星大気中の分子状水素及び窒素によるラマン散乱」、Ｔｈｅ  Ａｓｔｒｏｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ、８３２：３０（１７頁）、２０１６年１１月２０日、ｄｏｉ：１０．３８４７／０００４−６３７Ｘ／８３２／１／３０（OklopＣiＣ, Antonija, et al.; “Raman Scattering by Molecular Hydrogen and Nitrogen in Exoplanetary Atmospheres,” The Astrophysical Journal, 832:30 (17pp), 2016 November 20 doi:10.3847/0004-637X/832/1/30）
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−  Ｒｏｋｎｉ，Ｍｏｒｄｅｃｈａｉ  ＆  Ｆｌｕｓｂｅｒｇ，Ａｌｌｅｎ、「大気中における誘導回転ラマン散乱」、ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  Ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、第ＱＥ−２２巻、第７号、１９８６年７月（Rokni, Mordechai, & Flusberg, Allen; “Stimulated Rotational Raman Scattering in the Atmosphere,” IEEE Journal Of Quantum Electronics, VOL. QE-22, NO. 7, JULY 1986）
−  Ｒｕｓｓｅｌｌ，Ｔ．Ｈ．他、「マルチモードファイバにおける誘導ブリルアン散乱を用いたインコヒーレントビーム結合」、ＯＰＴＩＣＳ  ＥＸＰＲＥＳＳ、２００１年２月１２日／第８巻、第２号（Russell, T.H., et al.; “Incoherent beam combining using stimulated Brillouin scattering in multimode fibers;” OPTICS EXPRESS; 12 February 2001 / Vol. 8, No. 2）
−  Ｒｕｓｓｅｌｌ，Ｔ．Ｈ．他、「光ファイバーにおける誘導散乱を通じたレーザー強度のスケーリング」、Ａｉｒ  Ｆｏｒｃｅ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ、２００１年１２月（Russell, T.H.; Laser Intensity Scaling Through Stimulated Scattering in Optical Fibers; Air Force Institute of Technology Dissertation, December 2001）
−  Ｖａｎ  Ｄｅｅｌｅｎ，Ｒｕｔｇｅｒ、「地球大気における回転ラマン散乱−後方散乱日光の衛星測定へのモデル化及び応用」、ＳＲＯＮのための論文−Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｆｏｒ  Ｓｐａｃｅ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ、２００７年１１月２７日（Van Deelen, Rutger “Rotational Raman scattering in the Earth’s atmosphere - Modeling and application to satellite measurements of backscattered sunlight,” Thesis for SRON - Netherlands Institute for Space Research, 27 November 2007）
−  Ｖｏｇｔ，Ｆｒｅｄｅｒｉｃ  Ｐ．Ａ．他、「天文台におけるレーザー誘起ラマン散乱の検出及び推測」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｘ７，０２１０４４（２０１７）（Vogt, Frederic P.A., et al.; “Detection and Implications of Laser-Induced Raman Scattering at Astronomical Observatories,” Phys. Rev. X 7, 021044 (2017)）
−  Ｙｕ，Ｃｈａｒｌｅｓ  Ｘ．、Ｏｌｅｇ  Ｓｈａｔｒｏｖｏｙ、Ｔ．Ｙ．Ｆａｎ、「超高輝度ポンプによって励起される全ガラスファイバー増幅器」、ＳＰＩＥ９７２８議事録、ファイバーレーザーＸＩＩＩ：技術、システム及び応用、９７２８０６（２０１６年３月９日）；ｄｏｉ：１０．１１１７／１２．２２１１１３４（harles X., Oleg Shatrovoy, T. Y. Fan, "All-glass fiber amplifier pumped by ultrahigh brightness pump," Proc. SPIE 9728, Fiber Lasers XIII: Technology, Systems, and Applications, 972806 (9 March 2016); doi: 10.1117/12.2211134）
【課題を解決するための手段】
【０００５】
光学システムの実施形態が、第１の出力を有する第１の光ビームを生成するように構成された第１の光源と、第１の出力よりも大きな第２の出力を有する少なくとも１つの第２の光ビームを生成するように構成された第２の光源と、第２の出力の少なくとも１つの第２の光ビームを第１の出力の第１の光ビームと平行又は近平行パターンで大気空間領域内で少なくとも部分的に相互位置合わせして、大気空間領域内でＳＲＳを介して第２の出力の少なくとも１つの第２の光ビームの光子から第１の出力の第１の光ビームの光子にエネルギーを移動させる手段と、を含む。
【０００６】
光ビームの伝送方法の実施形態が、第１の出力を有する第１の光ビームを生成するステップと、第１の出力よりも大きな第２の出力を有する少なくとも１つの第２の光ビームを伝送するステップと、第２の出力の少なくとも１つの第２の光ビームを第１の出力の第１の光ビームと平行又は近平行パターンで大気空間領域内で少なくとも部分的に相互位置合わせして、大気空間領域内でラマン増幅を介して第２の出力の少なくとも１つの第２の光ビームの光子から第１の出力の第１の光ビームの光子にエネルギーを移動させるステップと、を含む。
【０００７】
光学システムの実施形態が、第１のビーム出射部分及び第１のビーム帰還部分を含む第１の光ビームを光路に沿って生成するように構成された第１の光源と、第１のビーム出射部分に検出された光学収差の反転を課すことによって第１のビーム帰還部分を位相共役して、位相共役された第１のビーム出射部分を生成するように構成された手段であって、位相共役された第１のビーム出射部分からのストロークシフト光子が、信号ビーム波長及び信号ビーム位相を有する信号ビームを形成するようにする手段と、光路に沿って少なくとも１つの第２の光ビームを生成することによって、少なくとも１つの第２の光ビームからのポンプ光子にポンプビームを形成させるように構成された第２の光源と、大気空間領域において、誘導量子エネルギーの吸収及び放出を容易にするガス及び／又はプラズマの含有に基づいて選択されたラマンインタラクションゾーン（ＲＩＺ）として指定された光路に沿って、ポンプビームを信号ビームと少なくとも部分的に相互位置合わせする手段と、を含み、信号ビームのストロークシフト光子が、ガス及び／又はプラズマによる誘導量子エネルギーの吸収及び放出を容易にするようにストロークシフトされ、量子エネルギー吸収が、信号ビーム波長及び信号ビーム位相を有するさらなるストロークシフト光子を生成し、さらなるストロークシフト光子が信号ビームを増幅する。
【０００８】
同じ要素を同じ番号によって示す添付図面と併せて以下の詳細な説明を読めば、本開示のその他の特徴及び利点がさらに明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】光学システムの実施形態と共に使用できる例示的な光学的アーキテクチャである。
【図２】光学システムの実施形態によって生成できる、光路に沿って伝播するラマン信号及び複数のポンプ光ビームの例示的な側面図である。
【図３】光学システムの実施形態によって生成できるラマン信号と複数のポンプ光ビームとの共伝播パターンを示す図である。
【図４】光学システムの実施形態によって生成できるラマン信号と複数のポンプ光ビームとの別の共伝播パターンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１を参照すると、光学システム１００が、第１の出力又は第１の強度（強度は単位面積当たりの出力である）を有する第１の光ビーム１０４を生成するように構成された第１の光源１０２を含むことができる。本明細書では、第１の光ビーム１０４を信号光ビーム又はラマン信号と呼ぶことができる。第１の光源１０２は、ラマン信号源レーザーなどのレーザーポンプ光源とすることができる。例示的なレーザー光源は、以下であることができる。
・〜５００ｎｍ〜１１００ｎｍの様々な波長の半導体ダイオードレーザーアレイ、
・イッテルビウム（Ｙｂ）、ネオジム（Ｎｄ）、エルビウム（Ｅｒ）などの希土類ドーパントを使用するファイバーレーザーなど、
・Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＹＬＦなどの結晶レーザー、希土類元素でドープされた結晶など、
・バルクガラスレーザー、希土類元素でドープされた様々なガラス材料など、
・アルカリ蒸気原子を狭線ダイオード光源で光学的に励起するダイオード励起アルカリレーザー（ＤＰＡＬ）、ナトリウム−Ｎａ、カリウム−Ｋ、ルビジウム−Ｒｂ及びセシウム−Ｃｓを含む様々なアルカリ元素の使用など、
・化学反応を使用して光増幅を生みだす化学レーザー、及び、
・波動磁場（ｕｎｄｕｌａｔｉｎｇ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｉｅｌｄ）を通じて高速電子ビームを伝播して様々な波長の「シンクロトロン放射光」を生成することによって光を生成する自由電子レーザー。
【００１１】
第１の光源１０２は、紫外線（例えば、２４０ｎｍ又はその付近）から近赤外線（例えば、１６００ｎｍ又はその付近）までの範囲内の波長を有する第１の光ビーム１０４を生成するように構成することができる。第１の光ビーム１０４は、光路１０６に沿って導くことができる。光路１０６は、標的１０８に至る経路とすることができる。例示的な実施形態では、ビームディレクタ１１０が、光路１０６に沿って第１の光ビーム１０４を導くことができ、この動作は、第１の光ビーム１０４を標的１０８に入射するように導くことを含むことができる。ビームディレクタ１１０は、ミラー、レンズ、プリズム、回折格子、ビームスプリッタなどのうちのいずれか１つ又はこれらの組み合わせとすることができる。ビームディレクタ１１０のいくつかの実施形態は、機械的ミラーベースのジンバル、ビームディレクタユニット、回転ミラーガルバノメータ機構、リズレー（Ｒｉｓｌｅｙ）プリズムアセンブリ、位相配列光学アセンブリ、マイクロミラーベースの微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）などの使用を含むことができる。
【００１２】
光学システム１００は、第２の出力又は第２の強度（強度は単位面積当たりの出力である）を有する少なくとも１つの第２の光ビーム１１４を生成するように構成された第２の光源１１２を含むことができる。第２の出力又は第２の強度は、第１の出力又は第１の強度を上回ることができる。本明細書では、第２の光ビーム１１４をポンプ光ビームと呼ぶことができる。第２の光源１１２は、高効率レーザーなどのレーザーポンプ光源とすることができる。第２の光源１１２は、高出力ダイオードアレイ、ダイオード励起固体レーザー、ダイオード励起ファイバーレーザー、ダイオード励起アルカリレーザーなどのうちのいずれか１つ又はこれらの組み合わせとすることができる。例示的なレーザー光源は、以下であることができる。
・３６０ｎｍのより短い波長を形成するＴＨＧを伴うＹｂ：ガラスファイバー又はバルクディスク、
・３８５ｎｍのＳＨＧを伴うＫ-ＤＰＡＬ、
・３９７ｎｍのＳＨＧを伴うＲｂ−ＤＰＡＬ、
・４４７ｎｍのＳＨＧを伴うＣＳ-ＤＰＡＬ、
・５１５ｎｍのＳＨＧを伴うＹｂ：ＹＡＧ、
・５３２ｎｍのＳＨＧを伴うＮｄ：ＹＡＧ、及び、
・５２０ｎｍ〜５４０ｎｍのＳＨＧを伴うＹｂファイバー。
【００１３】
第２の光源１１２は、紫外線（例えば、２４０ｎｍ又はその付近）から近赤外線（例えば、１６００ｎｍ又はその付近）までの範囲内の波長を有する第２の光ビーム１１４を生成することができる。例示的な実施形態では、第２の光ビーム１１４の波長を第１の光ビーム１０４の波長よりも短くすることができる。例えば、第２の光ビーム１１４の波長は、赤外線の範囲内ではあるが可視光スペクトル又はその付近（例えば、約７００ｎｍ〜８００ｎｍ）とすることができ、第１の光ビーム１０４の波長は、赤外線又は近赤外線スペクトル（例えば、約７５０ｎｍ〜１０６５ｎｍ）の範囲内とすることができる。第２の光ビーム１１４は、光路１０６に沿って導くことができる。例えば、ビームディレクタ１１０は、光路１０６に沿って第２の光ビーム１１４を導くことができ、この動作は、第２の光ビーム１１４を標的１０８に入射するように導くことを含むことができる。例示的な実施形態では、ビームディレクタ１１０を、第１の光ビーム１０４及び第２の光ビーム１１４の両方を光路１０６に沿って導くように構成することができ、この動作は、第１の光ビーム１０４及び第２の光ビーム１１４の両方が標的１０８に入射するようにこれらの光ビームを導くことを含むことができる。
【００１４】
光学システム１００は、第２の出力の少なくとも１つの第２の光ビーム１１４を第１の出力の第１の光ビーム１０４と平行又は近平行パターンで大気空間領域１１６内で少なくとも部分的に相互位置合わせして、大気空間領域１１６内で（ＳＲＳ）又はラマン増幅を介して第２の出力の少なくとも１つの第２の光ビーム１１４の光子から第１の出力の第１の光ビーム１０４の光子にエネルギーを移動させる手段１１０を含むことができる。平行パターンは、少なくとも１つの第２の光ビーム１１４が第１の光ビーム１０４と同軸であることを含むことができる。少なくとも１つの第２の光ビーム１１４が第１の光ビーム１０４と近平行であることは、第１の光ビームの伝播方向に対して＞０度〜４５度の範囲内（例えば、＞０度〜１０度の範囲内）の角度で伝播することを含むことができる。例示的な実施形態では、手段１１０をビームディレクタ１１０とすることができる。ＳＲＳは、第２の光ビーム１１４から第１の光ビーム１０４へのエネルギー変換を容易にする。換言すれば、システム１００は、高出力、短波長の第２の光ビーム１１４から、低出力、長コヒーレンスの第１の光ビーム１０４にエネルギーが移動するように、大気空間領域１１６内で第１の光ビーム１０４及び第２の光ビーム１１４を伝播させることができる。大気空間領域１１６は、光路１０６内又は少なくとも部分的に光路１０６内に存在することができる。
【００１５】
大気空間領域１１６内では、ＳＲＳを介して量子エネルギー交換が行われることにより、第２の光ビーム１１４の波長がストークスシフトにおいて赤方偏移（例えば、長波長側に偏移）し、或いは反ストークスシフトにおいて青方偏移（例えば、短波長側に偏移）するようになる。量子偏移の大きさは、ＳＲＳプロセスに関与する大気空間領域１１６内の（単複の）分子及び／又は（単複の）原子の量子状態の変化に依存することができる。
【００１６】
第１の光ビーム１０４は、適応光学法（ａｄａｐｔｉｖｅ  ｏｐｔｉｃｓ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）又はコヒーレントな位相配列法（ｃｏｈｅｒｅｎｔ，ｐｈａｓｅｄ  ａｒｒａｙ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）を使用して位相共役することができる。この動作は、第１の光ビーム１０４及び第２の光ビーム１１４が大気空間領域１１６内で相互位置合わせされる前に行うことができる。低出力、長コヒーレンス光ビームの位相共役は、高出力光ビームの位相共役よりもエネルギー、リソース及び精巧な設備が少なくて済む。なお、既知の光学システムは１種類のビーム（高出力光ビーム）しか使用せず、この高出力光ビームを位相共役する。これには、より多くのエネルギー、リソース及び精巧な設備が必要であるだけでなく、既知のシステムが（例えば、近赤外線スペクトルの）波長の長いビーム品質に優れた高出力光ビームを使用することも制限されてしまう。開示するシステム１００及び方法では、第１の光ビーム１０４（良好なビーム品質の低出力光ビーム）を位相共役した後に、第２の光ビーム１１４（ビーム品質に劣る高出力光ビーム）からのエネルギー移動によって増幅することができる。また、開示するシステム１００は、波長の長い高出力光ビームの使用に限定されない。例えば、システム１００は、カリウムアルカリダイオードポンプレーザーを第２の光源１１２として使用して、７６６ｎｍ又はその付近の波長を有する第２の光ビーム１１４を生成するように構成することができる。既知の光学システムは、７６６ｎｍ又はその付近の高出力光ビームを使用して、開示するシステム１００と同じビーム品質で光ビームを標的１０８に伝播することができない。
【００１７】
短波長の第２の光ビーム１１４が望ましいものとなり得るが、第２の光ビーム１１４がその伝播する媒体によって急速に吸収されるような波長は使用しないように注意すべきである。例えば、地球大気、エアロゾル、二酸化炭素、水などを含む媒体を通じて伝播する場合、これらは第２の光ビーム１１４を吸収するいくつかの成分であると考えられ、従って第２の光ビーム１１４の波長の選択はこのことを考慮すべきである。また、より短い紫外線波長は、高出力レーザービームにおける光エネルギーを急速に吸収して減衰させる大気中のガスの解離及びイオン化を引き起こすこともある。
【００１８】
例示的な実施形態では、第１の光ビーム１０４及び第２の光ビーム１１４の各々を単一波長に同調させることができる。或いは、波長帯域を使用することもできる。帯域幅が狭ければ狭いほど、ＳＲＳプロセス中のラマン変換は効率的になると想定される。例えば、ファイバーレーザーシステムでは、約１０ＧＨｚの帯域幅を使用することができる。この線幅を１０ＧＨｚよりも狭くすると、ガラスファイバー自体の望ましくない非線形挙動が引き起こされる恐れがある。
【００１９】
また、第１の光ビーム１０４及び第２の光ビーム１１４の各々の偏波は、ラマン変換プロセスの効率を最大化するように同調されるべきであるとも考えられる。偏波純度又は偏光消光比（ＰＥＲ）は、好ましい直線偏波状態にあるエネルギーと、この好ましい状態にないエネルギーとの比率である。（９０％が正しい偏波状態である）１０ｄＢ〜（９９％が正しい偏波状態である）２０ｄＢの間のＰＥＲを使用することができる。ファイバーレーザーシステムでは、これが１５ｄＢ  ＰＥＲに対応することができる。
【００２０】
例示的な実施形態では、大気空間領域１１６が、誘導量子エネルギーの吸収及び放出を容易にすることができる所定量のガス及び／又はプラズマを含むことができる。大気という用語は、地球又はその付近のガス及び／又はプラズマに限定されるものと解釈すべきではない。あらゆる空間領域（例えば、他の惑星の大気、空間内の浮遊性ガス及び／又はプラズマ形成など）は、誘導量子エネルギーの吸収及び放出を容易にすることができるガス及び／又はプラズマを含むことができる。ガス及び／又はプラズマは、所定量の窒素、酸素、水素、メタン、二酸化炭素などを含むことができる。所定量のガス及び／又はプラズマは、第１の光ビーム１０４の所望の増幅を達成するのに十分なＳＲＳを生成するガス又はプラズマの閾値密度として定義することができる。例えば、海面の空気では、分子数密度は２．６９×１０19分子／ｃｍ3である。空気の７８％を窒素が構成して〜２．１×１０19分子／ｃｍ3をもたらし、空気の２１％の酸素は０．５６５×１０19分子／ｃｍ3である。空気密度は高度と共に急速に低下し、６．６５ｋｍ（〜２２，０００フィート）の高度では半分に落ち込む。窒素の閾値範囲は、１〜２．１５×１０19分子／ｃｍ3とすることができ、酸素の閾値範囲は、２．５〜５．６×１０18分子／ｃｍ3とすることができる。好ましい窒素の範囲は、０．２〜２．１×１０19分子／ｃｍ3とすることができ、好ましい酸素の範囲は、０．０５〜０．５６５×１０19分子／ｃｍ3とすることができる。
【００２１】
誘導量子エネルギーの吸収及び放出は、第１の光ビーム１０４及び第２の光ビーム１１４を相互位置合わせする距離の調整によって低密度で機能することができると理解されるであろう。例えば、ガス及び／又はプラズマの密度が低下すると、より長い距離内での第１及び第２の光ビーム１０４、１１４の相互位置合わせを使用して所望の誘導量子エネルギーの吸収及び放出を行わせることができる。本明細書では、ＳＲＳが第１の光ビーム１０４を増幅するのに十分なエネルギー移動をもたらす大気空間領域１１６の部分をラマンインタラクションゾーン（ＲＩＺ）と呼ぶことができる。
【００２２】
ＲＩＺ内のＳＲＳプロセスは以下のように説明することができる。第１の光ビーム１０４のストロークシフト光子を（相互位置合わせによって）第２の光ビーム１１４に注入することにより、ポンプ光子（第２の光ビーム１１４の光子）のエネルギーを吸収させてストロークシフト光子に変換させる。第１のビーム１０４の光子の存在によってストロークシフト光子の放出が誘導され、従って新たに生成されたストロークシフト光子は、第１のビーム１０４の光子の元々の光位相で伝播するようになる。閾値密度のガス及び／又はプラズマが存在する状態では、総ラマン散乱率が自発ラマン散乱のラマン散乱率を越えて増加する結果、第２の光ビーム１１４の光子がさらなるストロークシフト光子へとさらに急速に変換されてＳＲＳに至る。この結果、第２の光ビーム１１４の存在下で第１の光ビーム１０４が増幅されるようになる。
【００２３】
例示的な実施形態では、大気空間領域１１６を地球大気の領域とすることができる。例えば、光路１０６は、地球大気の一部を通過することを含むことができ、システム１００は、この部分を大気空間領域１１６として使用する。地球大気では、酸素及び窒素が最も豊富なガス分子である。通常、酸素及び窒素のＳＲＳシフトは、（分子の回転エネルギーの量子変化を伴う）回転的なもの又は（分子の振動状態の量子変化を伴う）振動的なもののいずれかである。地球大気における最も強いラマン利得は、窒素のＳ（８）線上で発生するｖ＝０の状態からｖ＝１の状態への量子振動変化である。この窒素分子による量子エネルギー吸収をストロークシフトした信号光子（例えば、ストロークシフトした第１の光ビーム１０４の光子）によって誘導して、同じ波長及び光位相の第２の信号光子を生成することができる。このプロセスでは、元々のポンプ光子（例えば、第２の光ビーム１１４の光子）の位相は保持されない。同じ波長及び光位相の第２の信号光子を生成すると、信号光ビームが増幅されて（すなわち、第１の光ビーム１０４を増幅されて）、第１の光ビーム１０４の光子の光位相が保持される。
【００２４】
例示的な実施形態では、第２の光ビーム１１４の第２の出力が、第１の光ビーム１０４の第１の出力を少なくとも１桁分上回ることができる。第１の光ビーム１０４の第１の出力は、第２の光ビーム１１４の第２の出力のワット数よりも低いいずれかのワット数とすることができるが、第１の光ビーム１０４の出力は、１，０００ワット〜５，０００ワットの範囲内であり、第２の光ビーム１１４の第２の出力は、１０，０００ワット〜２，０００，０００ワットの範囲内であると想定される。
【００２５】
例示的な実施形態では、第１の光源１０２を、第１のビーム品質を有する第１の光ビーム１０４を生成するように構成することができる。第２の光源は、第２のビーム品質を有する少なくとも１つの第２の光ビーム１１４を生成するように構成することができる。例えば、第１のビーム品質は、第２のビーム品質のものよりも強化されたスポットサイズ、ビーム広がり、ビーム伝搬及びビーム変換のうちの少なくとも１つを有することができる。ビーム品質は、以下に限定するわけではないが、ビームパラメータ積（ＢＰＰ）、Ｍ2、バケツ内パワー（ｐｏｗｅｒ−ｉｎ−ｔｈｅ−ｂｕｃｋｅｔ）、ストレールレシオ（Ｓｔｒｅｈｌ  ｒａｔｉｏ）、ビーム幅、Ｅフィールドビームプロファイル（Ｅ−ｆｉｅｌｄ  ｂｅａｍ  ｐｒｏｆｉｌｅ）などを含む尺度及び因子のうちのいずれか１つ又はこれらの組み合わせを含むことができる。ビーム品質は、光学システム１００のコンポーネントのジッタに影響されることもある（例えば、ジッタが大きければ大きいほどビーム品質は低下する）。低いビーム品質とは対照的に何を良好なビーム品質とみなすかは、光ビームの用途に依存することができる。例えば、良好なビーム幅からより多くの恩恵を受ける用途もあれば、Ｍ2が１に近いことからより多くの恩恵を受ける用途もある。例示的な実施形態では、第１の光ビーム１０４のビーム品質を１．０≦Ｍ2≦１．５とすることができる。第２の光ビーム１１４のビーム品質は、１．５≦Ｍ2≦１５．０とすることができる。
【００２６】
システム１００は、より少ないエネルギー及びリソースしか必要としない（出力が低く、波長が長く、ビーム品質が良好な）第１の光ビーム１０４を位相共役するように構成することができる。その後、システム１００は、（出力が高く、波長が短く、ビーム品質が低い）第２の光ビーム１１４からエネルギーを移動させるＳＲＳプロセスを介して、位相共役した第１の光ビーム１０４を増幅することができる。既知のシステムでは、より高出力のビームがより良好なビーム品質を有していなければならず、これによって光学システムの困難さ及び複雑さが高まる。開示するシステム１００では、第２の光ビーム１１４が、光路１０６に沿って大気空間領域１１６内に伝播できるビーム品質さえ有していればよく、これはＲＩＺ内への伝播を含むことができる。
【００２７】
例示的な実施形態では、第１の光源１０２を、第１の光ビーム１０４の一部として位相共役された光ビームを生成して送信するように構成することができる。例えば、適応光学法を使用して第１の光ビーム１０４を位相共役することができる。この動作は、第１の光ビーム１０４及び第２の光ビーム１１４が大気空間領域１１６内で相互位置合わせされる前に行うことができる。例示的な実施形態では、この動作を、第１の光ビーム１０４が光路１０６に沿って導かれる前に行うことができる。非限定的で例示的な実施形態では、適応光学法を使用して第１の光ビーム１０４の波面の歪みを測定し、光学素子を作動させて（例えば、ミラーを変形させて）歪みを補償することによって、第１の光ビーム１０４の（例えば、光ビームが媒体内を伝播することによって生じる）波面歪みの影響を抑えることができる。光学収差は、標的１０８によって反射される光の一部、標的１０８の近傍の後方散乱光、又はこれらの間のいずれかの所望の位置をサンプリングすることによって測定することができる。この光は、介在する大気乱流及び光学的歪みに関する情報を有することができる。この帰還光学ビームを第１の光ビーム源１０２において再び収集して測定し、光学マトリックスの数学的反転によって位相共役を計算し、又は別の非線形プロセスによって位相共役を生成することができる。その後、この位相共役を位相共役器１１８に与えて第１の光ビームの出射部分を修正する。或いは、第１の光ビーム１０４が複数の光ビームである実施形態では、位相共役を使用して、電気光学手段によってコヒーレントに結合された「ビームレット」の位相配列の光学パラメータを制御することもできる。
【００２８】
実施形態では、第１の光ビーム１０４を単一の光ビームとして開示及び図示している場合もあるが、第１の光源１０２が単一の第１の光ビーム１０４又は複数の第１の光ビーム１０４を生成するように構成されることも想定される。第１の光ビーム１０４が単一の光ビームである場合には、可変形状ミラー又は他の非線形位相共役プロセスによって第１の光ビーム１０４を位相共役することができる。第１の光ビーム１０４が複数の光ビームである場合には、個々の「ビームレット」の位相を調整することによってコヒーレントに結合されて位相共役されたより小さなビームの位相配列を使用して、乱流補償及びビーム品質の改善を達成することができる。
【００２９】
例示的な実施形態では、光学素子を、歪んだ波面の傾きに変換されるチップチルト補正の動き（ｔｉｐ−ｔｉｌｔ  ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ  ｍｏｖｅｍｅｎｔｓ）を生成するように構成することができる。この動作は、位相共役された第１の光ビーム１０４を形成するために第１の光ビーム１０４に課すことができる第１の光ビーム１０４の位相共役を生成するように行うことができる。その後、この位相共役された第１の光ビーム１０４を光路１０６に沿って伝播させ（位相共役は、光路１０６に沿った光学収差の反転である）、ラマン増幅のために第２の光ビーム１１４と相互位置合わせすることができる。本明細書に開示する位相共役された光ビームの増幅方法は、（既知のシステムに比べて）たとえ広い範囲であっても標的１０８に対する光ビームの放射照度を改善することができる。
【００３０】
例示的な実施形態では、光学システム１００が、センサと動作可能に関連するプロセッサを含むことができる。例えば、このプロセッサは、第１の光ビーム１０４が伝播する媒体によって生じる光学収差を検出するように構成することができる。プロセッサは、第１の光ビーム１０４に共役を課して位相共役された光ビームを生成するように構成することができる。この点においては、プロセッサ−センサ構成を位相共役器１１８として使用することができる。
【００３１】
例示的な実施形態では、プロセッサを、第１の光ビーム１０４の一部をサンプリングして光学収差を検出するように構成することができる。例えば、第１の光ビーム１０４は、（本明細書ではラマン信号と呼ぶこともできる）第１のビーム出射部分１０４ａと、（本明細書ではラマンビーコンと呼ぶこともできる）第１のビーム帰還部分１０４ｂとを含むことができる。第１のビーム出射部分１０４ａは、媒体を通じて伝播して、標的１０８、他の何らかの介在物又は空間領域に入射し、反射されて第１のビーム帰還部分１０４ｂを生成するように導くことができる。例示的な実施形態では、媒体を通じて伝播することが、光路１０６に沿って導かれることを含むことができる。センサは、第１の光ビーム１０４の波面を検出することができ、プロセッサは、これらを分析して、媒体によって生じる光学収差に起因する波面歪みを検出することができる。例えば、センサは、波面摂動（ｗａｖｅｆｒｏｎｔ  ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ）を捕捉して波面マップを生成できる画素化アレイ（ｐｉｘｅｌａｔｅｄ  ａｒｒａｙ）とすることができる。プロセッサは、共役を計算し、検出された媒体の光学収差の反転を第１のビーム出射部分１０４ａに課して、位相共役された第１のビーム出射部分１０４ａを生成することができる。この動作は、プロセッサが収差を補正するのに最適なミラー形状を計算する（例えば、波面マップを使用してどのミラーをどれほど移動又は変形させるべきかを決定する）ことによって行うことができる。第１の光ビーム１０４は低出力を有しており、従って位相共役は、第１のビーム帰還部分１０４ｂをサンプリングすることによって超低出力で行うことができる。
【００３２】
介在物又は空間領域は、１）標的１０８にぶつかった増幅ラマン信号の後方散乱、２）標的１０８によって反射された後に（例えば、プリズム又は光回折格子などの光学素子又は分散素子上のダイクロイックコーティングによって）スペクトル的に分離された独立ラマンビーコン照射レーザー（ｓｅｐａｒａｔｅ  Ｒａｍａｎ  ｂｅａｃｏｎ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｏｒ  ｌａｓｅｒ）、３）レイリー又はラマンプロセスによるガス及び／又はプラズマの後方散乱、４）上層大気におけるナトリウムなどのアルカリ原子のＤ１及びＤ２線に対応するものなどの量子状態を選択することによる光子の共鳴吸収及び再放出（いわゆる、ナトリウムガイドスター適応光学システム（ｓｏｄｉｕｍ  ｇｕｉｄｅｓｔａｒ  ａｄａｐｔｉｖｅ  ｏｐｔｉｃｓ））のうちのいずれか１つ又はこれらの組み合わせとすることができる。例示的な実施形態では、ビームディレクタ１１０が望遠鏡の使用を含むことができ、望遠鏡の出力瞳又は射出瞳を第１のビーム出射部分１０４ａ及び一群の第１のビーム帰還部分１０４ｂの投影に使用することができる。第１の光源１０２及び／又は第２の光源１１２は、パルス状の第１の光ビーム１０４及び／又はパルス状の第２の光ビーム１１４を生成するように構成することができる。出力瞳を有する光学素子のパルス動作及び使用では、波面センサ上の「シャッター」を出力瞳からサンプル平面に至って出力瞳に戻る光子飛行時間と一致するように時間調整する距離ゲーティングプロセス（ｒａｎｇｅ−ｇａｔｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）によってサンプル範囲（位相共役のサンプリング）を設定することができる。
【００３３】
本明細書に開示する適応光学法は例示目的にすぎず、他の適応光学システム及び方法を使用することもできると理解されたい。
【００３４】
例示的な実施形態では、少なくとも部分的に相互位置合わせする手段１１０を、少なくとも１つの第２の光ビーム１１４を位相共役された光ビームと相互位置合わせするように構成することができる。この相互位置合わせは、ＳＲＳプロセスを介して第１の光ビーム１０４を増幅するように行うことができる。このことは、高出力光ビームを位相共役する既知のシステムとは対照的である。開示するシステム１００では、第２の光ビーム１１４（より高出力のビーム）を位相共役することなく光路１０６に沿って導くことができる。この第２の光ビーム１１４から、第２の光ビーム１１４の収差を第１の光ビーム１０４にインプリントすることなく、位相共役された第１のビーム（より低出力のビーム）にエネルギーを移動させることができる。従って、出力の低い光ビームに対して低費用かつ高信頼度で位相共役を実行した後に、出力の高い（品質の低い）第２の光ビーム１１４からのエネルギーを第１の光ビーム１０４に移動させて第１の光ビーム１０４を増幅することができる。（ＲＩＺにおいて増幅された後の）第１の光ビーム１０４は、標的１０８における平らな位相面及び高い放射照度で標的１０８に入射させることができる。システム１００は、既知の光学システムのコストの一部であるにもかかわらず高い信頼性及び少ないエネルギー消費量で伝播効率の低下を抑え、ビームクリーンアップを実行し、大気乱流を補償することができる。
【００３５】
例示的な実施形態では、大気空間領域を、第１の光ビーム１０４及び第２の光ビーム１１４の光路１０６に沿った１キロメートル〜１０キロメートルの範囲の空間の体積とすることができる。ＳＲＳが第１の光ビーム１０４を増幅するのに十分なエネルギー移動をもたらす大気空間領域１１６の部分はＲＩＺと呼ばれる。ＲＩＺは、意図する光学システム１００の用途の１キロメートル〜１０キロメートルの範囲内の空間の体積であると想定される。或いは、この範囲は、０．５キロメートル〜１００キロメートルとすることもできる。この範囲は、光学システム１００を使用する用途、光ビームの波長及び強度、ガス及び／又はプラズマのタイプ及び化学的性質（例えば、温度、圧力、密度など）、その他のラマン利得などを含む複数の要因に依存することができる。例えば、ＲＩＺは、ガス及び／又はプラズマの密度が減少するにつれて増加する必要があり、従って大気空間１１６の範囲が増加する必要があると想定される。地球大気が大気空間領域１１６である例を参照すると、大気空間領域１１６が存在する高度が高くなればなるほど酸素及び窒素の各密度は減少する。従って、大気空間領域１１６が存在する高度が増加するにつれて、大気空間領域１１６の範囲は増加する必要があると考えることができる。
【００３６】
図２を参照すると、大気空間領域１１６の範囲は、ガス及び／又はプラズマの物理的体積又は広がりだけでなく、ＲＩＺ内の第１の光ビーム１０４及び第２の光ビーム１１４の相互位置合わせにも依存する。ガス及び／又はプラズマの物理的体積又は広がりは、システム１００のユーザが制御することはできない。しかしながら、第１の光ビーム１０４と第２の光ビーム１１４との相互位置合わせ、具体的にはこれらを相互位置合わせする範囲又は距離は、システム１００のユーザが制御することができる。相互位置合わせは、第２の光ビーム１１４を第１の光ビーム１０４と同軸にすること、又は近平行パターンを形成させることとして定義することができる。
【００３７】
例示的な実施形態では、第２の光源を、複数の第２の光ビーム１１４を生成するように構成することができる。例えば、第２の光源１１２は、複数の第２の光ビーム１１４を生成するように構成された多重フォトダイオードアレイとすることができる。システム１００は、第１の光ビーム１０４と第２の光ビーム１１４（又は複数の第２の光ビーム１１４）との相互位置合わせ、具体的にはこれらを相互位置合わせする範囲又は距離を制御することができる。例えば、ビームディレクタ１１０は、第１の光ビーム１０４及び／又は第２の光ビーム１１４の照準合わせを容易にすることができる光ビーム誘導素子（ｌｉｇｈｔ  ｂｅａｍ  ｄｉｒｅｃｔｉｎｇ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ）（例えば、ミラー、レンズなど）を含むことができる。第２の光ビーム１１４が複数の第２の光ビーム１１４である場合には、複数の第２の光ビーム１１４を光路１０６と平行又は近平行に光路１０６に沿って、或いは経路を横切る（すなわち、一定距離にわたって光路１０６内に存在した後に光路１０６から出るように角度を成して光路１０６に進入する）形で伝播するように導くことができる。経路を横切る伝播では、各第２の光ビーム１１４が光路１０６に進入する角度を調整して、各第２の光ビーム１１４が光路１０６内に存在する距離を調整することができ、従って第１の光ビーム１０４及び第２の光ビーム１１４が相互位置合わせされる大気空間領域１１６の範囲を調整することができる。この進入角を光路１０６の方向に対して垂直に近づければ近づけるほど、第２の光ビーム１１４が光路１０６内に存在する範囲又は距離が短くなり、従って第１の光ビーム１０４及び第２の光ビーム１１４が相互位置合わせされる範囲又は距離が短くなる。
【００３８】
図１を参照すると、例示的な実施形態では、光学システム１００が、少なくとも１つの第２の光ビーム１１４を短波長に変換するように構成された高調波発生器１２０を含むことができる。高調波発生器１２０は、第二高調波発生器又は第三高調波発生器のいずれか一方又はこれらの組み合わせを含むことができる。例えば、光学パラメータ式発振器を使用して、非線形光学的相互作用を通じて光ビームをその元々の波長の１／２又は１／３の波長の第２の光ビーム１１４に変換することができる。例えば、１，２００ｎｍの波長の光ビームは、第二高調波発生（ＳＨＧ）プロセスによって６００ｎｍの第２の波長に、又は第三高調波発生（ＴＨＧ）プロセスによって４００ｎｍの第２の波長に変換することができる。例示的な実施形態では、非線形利得を誘発する媒体（例えば、光ファイバ）を通じ第２の光ビーム１１４を伝播させることによって非線形光学的相互作用を達成することができる。高調波発生器１２０の使用は、システム１００の効率を調整するように行うことができる。例えば、ラマン利得はλ-4に比例するため、第２の光ビーム１１４は、ラマン変換プロセスにとってより有益となり得る短波長に変換することができる。
【００３９】
例示的な実施形態では、第２の光源１０４を、パルス状光ビーム発生器として構成することができる。また、第１の光源１１２も、パルス状光ビーム発生器として構成することができる。ラマン利得は、システム１００の動作パラメータの多くに影響し得る係数である。ラマン利得は、第１の光ビーム１０４及び／又は第２の光ビーム１１４の強度を調整することによって調整することができる。強度は、単位面積当たりの出力であるため、光ビームの直径を調整することによって、及び／又はパルスフォーマットの光ビームを生成することによって調整することができる。直径が小さければ小さいほど強度は高くなる。また、パルスフォーマットを使用すると、エネルギーを短期間パルスに詰め込むこともできる。パルスが短ければ短いほど強度は高くなる。
【００４０】
例示的な実施形態では、第１の光源１０２を、その光路１０６に沿った第１の回折拡散（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  ｓｐｒｅａｄ）を示す第１の光ビーム１０４を生成するように構成することができる。第２の光源１１２は、その光路１０６に沿った第２の回折拡散を示す少なくとも１つの第２の光ビーム１１４を生成するように構成することができる。例示的な実施形態では、第２の回折拡散が第１の回折拡散を上回ることができる。回折拡散は、ビーム品質の関数とすることができる。例えば、ビーム品質が良好な光ビームは低い回折拡散を示すことができるのに対し、ビーム品質が低い光ビームは高い回折拡散を示すことができる。第２の光ビーム１１４のビーム品質は、第１の光ビーム１０４のビーム品質を下回ることができ、従ってシステム１００は、第２の光ビーム１１４の回折拡散よりも低い回折拡散を有する第１の光ビーム１０４を生成するように構成することができる。回折拡散を低下させる１つの方法は、出力瞳１１０における光ビーム直径を増加させることである。
【００４１】
例示的な実施形態では、第１の光源１０２を、第１の直径Ｄ１を有する第１の光ビーム１０４を生成するように構成することができる。第２の光源は、第２の直径Ｄ２を有する少なくとも１つの第２の光ビーム１１４を生成するように構成することができる。例示的な実施形態では、第１の直径が第２の直径を上回ることができる。相対的に大きな直径を有する第１の光ビーム１０４は、光路１０６に沿って標的１０８に至る低い回折拡散を達成することができる。第２の光ビーム１１４は優れたビーム品質である必要がないため、高出力の第２の光ビーム１１４の回折拡散は、低出力の第１の光ビーム１０４の回折拡散ほどシステム１００の効率的な動作の要因にはならない。従って、第２の光ビーム１１４の回折拡散を過度に抑えることに不必要なエネルギー及びリソースを費やす必要はない。
【００４２】
図３〜図４を参照すると、第２の光源は、複数の第２の光ビーム１１４を生成するように構成することができる。相互位置合わせ手段１１０は、複数の第２の光ビーム１１４を第１の光ビーム１０４の第１の直径の周囲又はその内部に群がるように導くよう構成することができる。いずれか２つ又は３つ以上の第２の光ビーム１１４を、あらゆる数の共伝播パターンで第１の光ビーム１０４と相互位置合わせすることができる。伝播パターンは、第２の光ビーム１１４が光路１０６に沿って又は少なくともＲＩＺ内で伝播する際の互いに対する及び第１の光ビーム１０４に対する第２の光ビーム１１４の位置として定義することができる。本明細書では、光ビームプロファイルを、光路１０６と同軸的な視点から見た時の光路１０６内の光ビームの直径及び位置として定義することができる。例えば、図３〜図４は、光路１０６に沿って進む第１の光ビーム１０４及び第２の光ビーム１１４を含む、光路１０６の断面に垂直な角度でのビューである。第１の光ビーム１０４は直径Ｄ1を有し、光路１０６に沿って導くことができる。各第２の光ビーム１１４は直径Ｄ2を有し、それぞれ光路１０６に沿って導くことができ、Ｄ2＜Ｄ1である。
【００４３】
図３には、各第２の光ビーム１１４がＤ1内に、ただしＤ1の周辺に位置するクラスター共伝播パターンを示す。例示的な実施形態では、複数の第２の光ビーム１１４が、Ｄ1の周辺ではあるが依然としてＤ1内に同心円を形成することができる。換言すれば、各第２の光ビーム１１４は互いに隣接することができ、複数の第２の光ビーム１１４は、第１の光ビーム１０４の外径Ｄ1の円弧をたどることができる。図４には、各第２の光ビーム１１４がＤ1内に、ただし第１の光ビーム１０４の中心又はその付近に位置するクラスター共伝播パターンを示す。例示的な実施形態では、複数の第２の光ビーム１１４が互いに隣接するが、第１の光ビーム１０４の中心軸に沿って及び／又はその周囲を進むように群がることができる。
【００４４】
なお、本明細書で説明し図示する共伝播パターンは例示目的にすぎず、他の共伝播パターンを使用することもできると理解されたい。
【００４５】
光ビームの伝送方法は、第１の出力を有する第１の光ビーム１０４を生成するステップを含むことができる。
【００４６】
この方法は、第２の出力を有する少なくとも１つの第２の光ビーム１１４を伝送するステップを含むことができる。第２の出力は、第１の出力を上回ることができる。
【００４７】
方法は、第２の出力の少なくとも１つの第２の光ビーム１１４を第１の出力の第１の光ビーム１０４と平行又は近平行パターンで大気空間領域１１６内で少なくとも部分的に相互位置合わせするように導いて、大気空間領域１１６内でＳＲＳ又はラマン増幅を介して第２の出力の少なくとも１つの第２の光ビーム１１４の光子から第１の出力の第１の光ビーム１０４の光子にエネルギーを移動させるステップを含むことができる。
【００４８】
例示的な実施形態では、大気空間領域１１６が、誘導量子エネルギーの吸収及び放出を容易にすることができる所定量のガス及び／又はプラズマを含むことができる。
【００４９】
例示的な実施形態では、第２の出力が第１の出力を少なくとも１桁分上回ることができる。
【００５０】
方法は、第１のビーム品質を有する第１の光ビーム１０４を生成するステップを含むことができる。方法は、第２のビーム品質を有する少なくとも１つの第２の光ビーム１１４を生成するステップを含むことができる。例えば、第１のビーム品質は、第２のビーム品質のものよりも強化されたスポットサイズ、ビーム広がり、ビーム伝搬及びビーム変換のうちの少なくとも１つを有することができる。
【００５１】
図１を参照すると、光学システム１００の例示的で非限定的な実施形態は、光路１０６に沿って第１の光ビーム１０４を生成するように構成された第１の光源１０２を含むことができる。第１の光ビーム１０４は、第１のビーム出射部分１０４ａ及び第１のビーム帰還部分１０４ｂを含むことができる。
【００５２】
光学システム１００は、検出された光学収差の反転を第１のビーム出射部分１０４ａに課すことによって第１のビーム帰還部分１０４ｂを位相共役して、位相共役された第１のビーム出射部分１０４ａを生成するように構成された手段１１０を含むことができる。検出される光学収差は、第１のビーム出射部分１０４ａが伝播する媒体によって生成されるものとすることができる。手段１１０は、位相共役器１１８とすることができ、第１の光源１０２と電気光学的に接続することができる。少なくとも１つの実施形態では、第１の光ビーム１０４を、位相共役器１１８を通じて送られる前に少なくとも１つの光増幅器１０３を通じて導くことができる。
【００５３】
例示的な実施形態では、位相共役された第１のビーム出射部分からのストロークシフト光子が信号ビームを形成することができる。この信号ビームは、信号ビーム波長及び信号ビーム位相を有することができる。
【００５４】
光学システム１００は、光路１０６に沿って少なくとも１つの第２の光ビーム１１４を生成して、少なくとも１つの第２の光ビーム１１４からのポンプ光子にポンプビームを形成させるように構成された第２の光源１１２を含むことができる。第２の光源１１２は、電源１０１に接続されて電源１０１からの電力を複数の第２の光ビーム１１４の形態の光出力に変換するように構成されたダイオードレーザーアレイ１１３とすることができる。ダイオードレーザーアレイは、複数のパルス状の第２の光ビーム１１４を生成するように構成することもできる。この動作は、主発振器１２４の使用を通じて達成することができる。主発振器１２４は、少なくとも１つの光ポンプ１２２及びビームスプリッタ１２６を含むことができる。各第２の光ビーム１１４は、ファイバーレーザー増幅器１２８を通じて導くことができる。例えば、システム１００は、第１の第２の光ビーム１１４ａ、第２の第２の光ビーム１１４ｂ及び第３の第２の光ビーム１１４ｃを生成するように構成することができる。第１の第２の光ビーム１１４ａは、第１のファイバーレーザー増幅器１２８ａを通じて導くことができ、第２の第２の光ビーム１１４ｂは、第２のファイバーレーザー増幅器１２８ｂを通じて導くことができ、第３の第２の光ビーム１１４ｃは、第３のファイバーレーザー増幅器１２８ｃを通じて導くことができる。例示的な実施形態では、第１の第２の光ビーム１１４ａ、第２の第２の光ビーム１１４ｂ及び第３の第２の光ビーム１１４ｃの各々を、それぞれの増幅器１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃを通じて送られる前又は後に、個別に光ポンプ１２２を通じて導くことができる。例示的な実施形態では、第１の第２の光ビーム１１４ａ、第２の第２の光ビーム１１４ｂ及び第３の第２の光ビーム１１４ｃの各々を、高調波発生器１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃを通じて個別に導くことができる。
【００５５】
光学システムは、光路１０６に沿った大気空間領域１１６内でポンプビームを信号ビームと少なくとも部分的に相互位置合わせする手段１１０を含むことができる。大気空間領域１１６は、ラマンインタラクションゾーン（ＲＩＺ）として指定することができる。ＲＩＺは、誘導量子エネルギーの吸収及び放出を容易にするガス及び／又はプラズマの含有に基づいて選択することができる。
【００５６】
例示的な実施形態では、信号ビームのストロークシフト光子が、ガス又はプラズマによる誘導量子エネルギーの吸収及び放出を容易にするようにストロークシフトされる。
【００５７】
例示的な実施形態では、量子エネルギー吸収によって、信号ビーム波長及び信号ビーム位相を有するさらなるストロークシフト光子が生成される。
【００５８】
例示的な実施形態では、このさらなるストロークシフト光子が信号ビームを増幅する。
【００５９】
本明細書に開示した実施形態には、特定の設計基準の組を満たすように修正を行うことができると理解されるであろう。例えば、光源１０２、１０４のいずれか、相互位置合わせ手段１１０、高調波発生器１２０、位相共役器１１８、光ポンプ１２２、ファイバー増幅器１２８、又はシステム１００の他のいずれかのコンポーネントは、それぞれ特定の目的を達成するあらゆる好適な数又はタイプとすることができる。従って、本明細書に開示したシステム１００及びその使用方法のいくつかの実施形態例を説明し図示したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲内で別様に様々に具体化して実施することができると明確に理解されたい。
【００６０】
いくつかのコンポーネント、特徴及び／又は構成を１つの特定の実施形態のみに関連して説明している場合もあるが、別途述べていない限り、或いはこのようなコンポーネント、特徴及び／又は構成を他の実施形態と共に使用することが技術的に可能である限り、これらのコンポーネント、特徴及び／又は構成は、他の多くの実施形態と共に適用又は使用することもでき、他の実施形態にも適用できると考えるべきであると理解されるであろう。従って、様々な実施形態のコンポーネント、特徴及び／又は構成はあらゆる形で組み合わせることができ、このような組み合わせは、この記述によって明確に企図され開示される。
【００６１】
当業者であれば、本発明は、その趣旨又は基本的特徴から逸脱することなく他の特定の形態で具体化することもできると理解するであろう。従って、本明細書に開示した実施形態は、あらゆる点で例示的なものであって限定的なものではないとみなされる。本発明の範囲は、上記の説明ではなく添付の特許請求の範囲によって示され、その目的、範囲及び同等物の範囲内で行われる全ての変更は本発明に含まれるように意図される。また、値の範囲の開示は、端点を含むその範囲内の全ての数値の開示である。
【符号の説明】
【００６２】
１００  光学システム
１０１  電源
１０２  第１の光源
１０３  光増幅器
１０４  第１の光ビーム
１０４ａ  第１のビーム出射部分
１０４ｂ  第１のビーム帰還部分
１０６  光路
１０８  標的
１１０  ビームディレクタ
１１２  第２の光源
１１３  ダイオードレーザーアレイ
１１４  第２の光ビーム
１１４ａ  第１の第２の光ビーム
１１４ｂ  第２の第２の光ビーム
１１４ｃ  第３の第２の光ビーム
１１６  大気空間領域
１１８  位相共役器
１２０  高調波発生器
１２０ａ  高調波発生器
１２０ｂ  高調波発生器
１２０ｃ  高調波発生器
１２２  光ポンプ
１２４  主発振器
１２６  ビームスプリッタ
１２８  ファイバーレーザー増幅器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2021532421.tif 000007