(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のレーザービーム光路の任意の２つの光路を伝搬したときの相互にコヒーレントで、かつそれぞれパルスレーザーである第一のレーザービームと第二のレーザービームの伝搬経路間の光路長差を検出するレーザー光路長差検出装置であって、
前記第一のレーザービームと前記第二のレーザービームとの間の光路長差を変化させる光路長差可変手段と、
前記第一のレーザービームと前記第二のレーザービームの少なくとも一方の波面を傾斜させる波面傾斜発生手段と、
前記波面傾斜発生手段を通過した後の前記第一のレーザービームと前記第二のレーザービームとの干渉光強度分布から得られる前記第一のレーザービームと前記第二のレーザービームとの位相差に基づいて、前記光路長差を検出するために、前記干渉光強度分布を検出する光強度分布検出手段と
を備えたレーザー光路長差検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザー光路長差検出装置において、
前記波面傾斜発生手段は、ウェッジプリズムを用いた
ことを特徴とするレーザー光路長差検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載のレーザー光路長差検出装置において、
前記第一のレーザービームと前記第二のレーザービームとの波面歪を除去するスペーシャルフィルタをさらに備えた
ことを特徴とするレーザー光路長差検出装置。
【請求項４】
請求項１に記載のレーザー光路長差検出装置において、
前記波面傾斜発生手段は、前記第一のレーザービームと前記第二のレーザービームとがそれぞれ通過するように配置された第一のピンホールと第二のピンホールとを用いた
ことを特徴とするレーザー光路長差検出装置。
【請求項５】
請求項４に記載のレーザー光路長差検出装置において、
前記第一のレーザービームと前記第二のレーザービームとを、前記第一のピンホールと前記第二のピンホールにそれぞれ集光させるレンズをさらに備えた
ことを特徴とするレーザー光路長差検出装置。
【請求項６】
請求項１に記載のレーザー光路長差検出装置において、
前記波面傾斜発生手段は、前記第一のレーザービームと前記第二のレーザービームとがそれぞれ通過するように配置された第一のスリットと第二のスリットとを用いた
ことを特徴とするレーザー光路長差検出装置。
【請求項７】
請求項６に記載のレーザー光路長差検出装置において、
前記第一のレーザービームと前記第二のレーザービームとを、前記第一のスリットと前記第二のスリットにそれぞれ集光させるレンズをさらに備えた
ことを特徴とするレーザー光路長差検出装置。
【請求項８】
それぞれパルスレーザーである複数のレーザービームの相対位相差を変化させる位相遅延可変部を介してコヒーレント光結合された複数のレーザービーム間の位相差及び光路長差の検出に基づいて前記位相遅延可変部に回帰制御信号を出力して前記複数のレーザービーム間の位相差及び光路長差を制御するレーザー位相制御装置であって、
請求項１ないし７のいずれか１項に記載のレーザー光路長差検出装置を備え、複数のレーザービーム間の光路長差を検出する
ことを特徴とするレーザー位相制御装置。
【請求項９】
レーザービームを出力するレーザー光源と、
前記レーザー光源から出力されたレーザービームをそれぞれパルスレーザーである複数のレーザービームに分配する分配部と、
前記分配部で分配されたレーザービームの相対位相を制御する位相遅延可変部と、
前記位相遅延可変部を介した複数のレーザービームの強度をそれぞれ増幅する増幅部と、
前記増幅部で増幅された複数のレーザービームをコヒーレント光結合する合成部と、
前記位相遅延可変部に回帰制御信号を出力して前記複数のレーザービーム間の位相差を制御するレーザー位相制御装置と
を備え、前記合成部でコヒーレント光結合されたレーザービームの空間強度分布を任意に制御するコヒーレント光結合装置において、
前記レーザー位相制御装置は、請求項８に記載のレーザー位相制御装置で構成され、前記合成部でコヒーレント光結合された複数のレーザービーム間の位相差及び光路長差の検出に基づいて前記位相遅延可変部に回帰制御信号を出力して前記複数のレーザービーム間の位相差を制御する
ことを特徴とするコヒーレント光結合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザー装置に係るものであり、特に、相互にコヒーレントな複数のレーザービームを統制して扱う装置全般における光計測技術、光制御技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
大出力が要求されるレーザー装置において、複数のレーザービームを同時に目標に集光させることで、所望の光強度を得る方式が一般に知られている。このようなレーザー装置において、遠距離の微小な目標にエネルギーを集中させるために、一つの主発振器で生成されたレーザービームを複数のレーザービームに分岐後個々に増幅し、増幅後の複数のレーザービームを束ねるように配列させ（以下、束ねられた複数のレーザービームを主出力ビームという）、大口径の単レーザービームと等価的な収束性能を得ようとする技術が研究されている。ここでは、このような技術をコヒーレント結合と呼ぶ。コヒーレント結合を実現する装置の先行例としては、例えば特許文献１に記載されている。【０００３】
コヒーレント結合を行うためには、主出力ビームを構成する複数のレーザービームの電磁波の等位相面がひとつの波面とみなせるように、個々のレーザービームの位相を統制制御する必要がある。このような制御において、複数のレーザービームの相対的な位相差を検出する位相同期ずれ検出装置が必要となる。特許文献１においては、複数のレーザービームの発生源である主発振器から一部の光をビームスプリッタで分岐させて参照光とし、主出力ビームと干渉させ、その干渉強度から位相差を検出する方法が示されている。【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３４０５５５号公報（図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の位相同期ずれ検出装置は以上説明したように構成されているため、位相差を検出する対象である主出力ビームと参照光とを干渉させる必要があった。しかし、主出力ビームが、コヒーレンス長の短い、例えばパルス幅がピコ秒以下の超短パルスレーザーであった場合、参照光のパルスと主出力ビームとの伝搬経路における光路長が一致せず、光路長差がある場合に、前記光路長差がある一定値を超えると、参照光と主出力ビームとが干渉しないため、相対位相差を検出できないという課題があった。【０００６】
また、前記課題を解決するためには、参照光と主出力ビームとの伝搬経路における光路長差を一致させるために、必要に応じたダイナミックレンジと精度で検出するレーザー光路長差検出装置が必要となるが、レーザー測長器のような高価でデリケートな計測装置を必要とした。【０００７】
この発明は以上述べた課題を解決するためになされたもので、小型で、かつ低コストで使い勝手のよいレーザー光路長差検出装置、及びレーザー光路長差検出装置を用いたコヒーレント光結合装置用のレーザー位相制御装置、並びにそのレーザー位相制御装置を用いたコヒーレント光結合装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るレーザー光路長差検出装置は、複数のレーザービーム光路の任意の２つの光路を伝搬したときの相互にコヒーレントで、かつそれぞれパルスレーザーである第一のレーザービーム１と第二のレーザービーム２の伝搬経路間の光路長差を検出するレーザー光路長差検出装置であって、前記第一のレーザービーム１と前記第二のレーザービーム２との間の光路長差を変化させる光路長差可変手段と、前記第一のレーザービーム１と前記第二のレーザービーム２の少なくとも一方の波面を傾斜させる波面傾斜発生手段と、前記波面傾斜発生手段を通過した後の前記第一のレーザービーム１と前記第二のレーザービーム２との干渉光強度分布から得られる前記第一のレーザービームと前記第二のレーザービームとの位相差に基づいて、前記光路長差を検出するために、前記干渉光強度分布を検出する光強度分布検出手段とを備えたものである。
【０００９】
また、この発明に係るレーザー位相制御装置は、それぞれパルスレーザーである複数のレーザービームの相対位相差を変化させる位相遅延可変部を介してコヒーレント光結合された複数のレーザービーム間の位相差及び光路長差の検出に基づいて前記位相遅延可変部に回帰制御信号を出力して前記複数のレーザービーム間の位相差及び光路長差を制御するレーザー位相制御装置であって、前述した発明に係るレーザー光路長差検出装置を備え、複数のレーザービーム間の光路長差を検出することを特徴とするものである。
【００１０】
さらに、この発明に係るコヒーレント光結合装置は、レーザービームを出力するレーザー光源と、前記レーザー光源から出力されたレーザービームをそれぞれパルスレーザーである複数のレーザービームに分配する分配部と、前記分配部で分配されたレーザービームの相対位相を制御する位相遅延可変部と、前記位相遅延可変部を介した複数のレーザービームの強度をそれぞれ増幅する増幅部と、前記増幅部で増幅された複数のレーザービームをコヒーレント光結合する合成部と、前記位相遅延可変部に回帰制御信号を出力して前記複数のレーザービーム間の位相差を制御するレーザー位相制御装置とを備え、前記合成部でコヒーレント光結合されたレーザービームの空間強度分布を任意に制御するコヒーレント光結合装置において、前記レーザー位相制御装置は、前述した発明に係るレーザー位相制御装置で構成され、前記合成部でコヒーレント光結合された複数のレーザービーム間の位相差及び光路長差の検出に基づいて前記位相遅延可変部に回帰制御信号を出力して前記複数のレーザービーム間の位相差を制御することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、簡易で安価な構成のレーザー光路長差検出装置を得ることができ、光路長差の初期ずれが大きい場合でも所望の位相制御が可能なレーザー位相制御装置並びにそのレーザー位相制御装置を用いたコヒーレント光結合装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態1に係るレーザー光路長差検出装置を示す構成図である。
【図２】図１に示す２次元検出器６の光検出面における第一のレーザービーム１及び第二のレーザービーム２の波面の位相と干渉強度を示す図である。
【図３】図２に対応して、光路長差に応じた位相差Δθがあるときの２次元検出器６で検出される干渉強度を示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係るレーザー光路長差検出装置を示す構成図である。
【図５】この発明の実施の形態３に係るレーザー光路長差検出装置を示す構成図である。
【図６】この発明の実施の形態４に係るレーザー光路長差検出装置を示す構成図である。
【図７】この発明の実施の形態５に係るレーザー位相制御装置を適用する光コヒーレント結合装置を示す構成図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について、添付の図面に従って説明する。【００１４】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態1に係るレーザー光路長差検出装置を示す構成図である。図１に示す第一のレーザービーム１と第二のレーザービーム２は、図示しない間欠的に発振を繰り返す一つのパルスレーザービーム、あるいは単発のパルスレーザービームを２本のレーザービームに振幅分岐し、続いて図示しない計測対象である複数のレーザービーム光路の任意の二つの光路を伝搬し、さらに必要に応じてビーム径を拡大または縮小し、平行に導かれたものである。【００１５】
前記第一のレーザービーム１と第二のレーザービーム２は、ミラー３を介して光路が図示方向に屈曲される。そして、第一のレーザービーム１が伝搬する光路長は、光路長可変手段４を介して変化される。図１では、光路長可変手段４を位置が可変可能なリトロレフレクターで構成した場合を示している。さらに、第一のレーザービーム１と第二のレーザービーム２は、ウェッジプリズムでなる波面傾斜発生手段５によりその波面の進行方向に所定の角度差が生じさせられ、任意距離において前記２つの波面は空間的に重ね合わせられ、干渉光が生じる。干渉光の強度の空間分布は、光強度分布検出手段としての２次元検出器６により検出され、電気信号に変換される。２次元検出器６は、第一のレーザービーム１と第二のレーザービーム２との干渉光強度を検出できる位置に配置される。【００１６】
次に、２次元検出器６で検出した干渉光強度から、第一のレーザービーム１と第二のレーザービーム２が伝搬した伝搬経路間の光路長差を検出する方法について説明する。図２は、２次元検出器６の光検出面における、第一のレーザービーム１及び第二のレーザービーム２の波面の位相と干渉強度を示す説明図である。図２に示すように、第一のレーザービーム１と第二のレーザービーム２間の位相差は、位置に依存し線形に変化する。ここで、２光束干渉における干渉光強度は、式（１）で表される。
Ｉ＝ａ１2＋ａ２2＋２・ａ１・ａ２・ｃｏｓ（θ１−θ２）      （１）
ここで、  Ｉ：干渉光強度、
ａ１：第一のレーザービーム１の振幅、
ａ２：第二のレーザービーム２の振幅、
θ１：第一のレーザービーム１の位相、
θ２：第二のレーザービーム２の位相である。【００１７】
式（１）から、干渉光強度Ｉは、位相差（θ１−θ２）に対して、正弦的に変化する。前記したように、２次元検出器６の光検出面上では、第一のレーザービーム１と第二のレーザービーム２との波面の位相差が位置に対して線形に変化する。従って、干渉強度も位置によって正弦的に変化する。さらに、第一のレーザービーム１と第二のレーザービーム２はパルスレーザーであるので、位相差（θ１−θ２）がある一定値以上を超えると干渉が生じなくなる。従って、干渉光強度は、図２のように、位相差０に相当する位置（以下、これを主極大という）を中心とした、限られた範囲にのみ現われる。【００１８】
ここで、第一のレーザービーム１と第二のレーザービーム２とが伝搬したそれぞれの伝搬経路間に光路長差があるとする。この光路長差で生じた、付加的な位相差をΔθとする。図３は、前記光路長差に応じた位相差Δθがあるときの、２次元検出器６で検出される干渉強度を示す説明図である。図３に示すように、光路長差に応じた位相差Δθにより、第一のレーザービーム１と第二のレーザービーム２との位相差が０となる位置、すなわち、干渉縞の中心である主極大の位置が変位する。従って、この主極大の位置の移動量を検知することにより、光路長差に応じた位相差Δθを知ることができる。この光路長差に応じた位相差Δθは、第一のレーザービーム１と第二のレーザービーム２の伝搬経路間の光路長差を反映しているので、位相を光路長に換算することで伝搬経路の光路長差を得ることができる。
【００１９】
なお、検出すべき２つのレーザービームの伝搬経路の光路長差が一定値以上となると、２次元検出器６の検出範囲外に干渉縞の主極大が形成され、光路長差に応じた位相差Δθが検知できなくなる。これを補うために、光路長可変手段４を用いて、第一のレーザービーム１の伝搬経路の光路長差を変化させる。光路長差を増やすか減らすかわからない場合は、２次元検出器６が主極大を検出するまで光路長差を走査する。
【００２０】
以上、任意の２つのレーザービームが伝搬した伝搬経路間の光路長差を検出する方法について説明したが、３本以上のレーザービームの伝搬経路間の光路長差を検出することも簡単にできる。すなわち、任意のひとつのレーザービームと、残る全てのレーザービームとの伝搬経路の光路長差を、前述した装置を必要数用いてそれぞれ検出すればよい。【００２１】
従って、実施の形態１に係るレーザー光路長差検出装置は、以上述べたように構成されているので、従来のレーザー路長差検出装置と比較し、以下に述べる効果を奏する。
第一に、２次元検出器６が干渉縞の主極大の移動を検出できる範囲において、第一のレーザービーム１と第二のレーザービーム２との光路長差を検出できるので、広いダイナミックレンジを実現することができる。
第二に、主極大が２次元検出器６の検出範囲外に形成される場合は、光路長可変手段４で光路長を走査しなければならないが、前記光路長の走査は連続的でなくてもよく、２次元検出器６が主極大を検出できる位相差程度の間隔で走査すればよい。従って、光路長の走査に要する時間を短縮することができる。
第三に、簡易な光学系と安価な２次元検出器６を用いて構成したため、低コスト化が可能となる。
第四に、波面傾斜発生手段としてウェッジプリズムを用いたため、温度変化による波面傾斜変動をごく僅かとすることができ、長期にわたり安定した計測が可能となる。【００２２】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２に係るレーザー光路長差検出装置を示す構成図である。図４に示す実施の形態２において、図1に示す実施の形態１と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。図４に示す実施の形態２においては、図1に示す実施の形態１の構成に対し、波面傾斜発生手段５の前に配置されて、第一のレーザービーム１と第二のレーザービーム２のそれぞれの波面の波面歪を除去するスペーシャルフィルタ１０をさらに備えている。【００２３】
この実施の形態２に係るレーザー光路長差検出装置によれば、スペーシャルフィルタ１０をさらに備えたので、第一のレーザービーム１及び第二のレーザービーム２に波面歪があっても、波面歪成分を除去できるので、長期にわたり安定した計測が可能となる。【００２４】
実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３に係るレーザー光路長差検出装置を示す構成図である。図５に示す実施の形態３において、図1に示す実施の形態１と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。図５に示す実施の形態３においては、図1に示す実施の形態１の構成に対し、波面傾斜発生手段として、ウェッジプリズムの代わりに、第一のピンホール２０ａと第二のピンホール２０ｂとを有する遮蔽板２０を用いている。【００２５】
第一のピンホール２０ａと第二のピンホール２０ｂは、波面傾斜発生手段として作用するもので、不透明の薄板でなる遮蔽板に小穴を２つ穿ったものであり、第一のレーザービーム１と第二のレーザービーム２の一部がそれぞれ相異なる第一のピンホール２０ａと第二のピンホール２０ｂを通過するように配置される。第一のピンホール２０ａと第二のピンホール２０ｂを通過したレーザービームの波面は、回折現象により小穴を中心とした球面波に変換され、２次元検出器６上で重なり干渉縞を生じる。このような２つの小開口による回折光の干渉は、ヤングの実験として一般に知られている。【００２６】
厳密には、この干渉は、２つの有限の曲率をもつ球面波による干渉なので、干渉縞の間隔は等間隔とならない。しかし、ヤングの実験で知られているように、球面波の一部は傾斜した波面に近似して考えることができるので、信号処理方法を多少変更すれば、実施の形態１及び２と同様に、２つのレーザービームの伝搬経路の光路長差を検出することができる。【００２７】
従って、実施の形態３に係るレーザー光路長差検出装置によれば、従来のレーザー路長差検出装置と比較し、次に述べる効果を奏する。
第一に、第一のレーザービーム１及び第二のレーザービーム２に波面歪があっても、波面傾斜発生手段としてピンホール２０ａ及び２０ｂを使用していることにより、波面歪成分を除去できるので、長期にわたり安定した計測が可能となる。
第二に、ピンホール２０ａ及び２０ｂを用いたことにより、レンズやプリズムを使用しなくても済むため、低コスト化が可能となる。【００２８】
なお、実施の形態３では、波面傾斜発生手段をピンホール２０ａ及び２０ｂで構成したが、ピンホールの代わりに、第一のスリットと第二のスリットのダブルスリットを使用してもよく、同様な効果を奏する。【００２９】
実施の形態４．
上述した実施の形態３において、ピンホール２０ａ及び２０ｂは、入射する２つのレーザービームのエネルギーのほとんどを捨ててしまうので、光の利用効率が悪い。この実施の形態４では、実施の形態３における光の利用効率を改善する方法について述べる。図６は、この発明の実施の形態４に係るレーザー光路長差検出装置を示す構成図である。図６に示す実施の形態４において、図５に示す実施の形態３と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。図６に示す実施の形態４においては、図５に示す実施の形態３の構成に対し、第一のレーザービーム１及び第二のレーザービーム２とをそれぞれ第一のピンホール２０ａ及び第二のピンホール２０ｂに集光させる集光レンズ２１をさらに備えている。【００３０】
集光レンズ２１は、光を１点に集光する透過型レンズであり、ピンホール２０ａ及び２０ｂのレーザーが入射する側にあり、第一のレーザービーム１及び第二のレーザービーム２をピンホール２０ａ及び２０ｂの小穴にそれぞれ集光するように配置されている。【００３１】
従って、実施の形態４に係るレーザー光路長差検出装置によれば、集光レンズ２１により、レーザービームのエネルギーの多くをピンホールに集光することができるので、従来のレーザー路長差検出装置と比較し、光の利用効率を高めることができる。【００３２】
なお、実施の形態４では、集光レンズ２１により、第一のレーザービーム１及び第二のレーザービーム２とをそれぞれ第一のピンホール２０ａ及び第二のピンホール２０ｂに集光させる例を示したが、波面傾斜発生手段として第一のスリットと第二のスリットのダブルスリットを使用する場合も同様に実施でき、実施の形態４と同様な効果を奏する。【００３３】
実施の形態５．
実施の形態５は、実施の形態１〜４のレーザー光路長差検出装置を用いて、光コヒーレント結合装置におけるレーザー位相制御装置への適用する例を示すものである。【００３４】
図７は、この発明の実施の形態５に係るレーザー位相制御装置を適用する光コヒーレント結合装置を示す構成図である。【００３５】
図７に示す実施の形態５に係る光コヒーレント結合装置は、間欠的にパルス発振するレーザー光源３０と、レーザー光源３０で作られたひとつのレーザービームを複数の相互にコヒーレントなレーザービームに分配し出力する、複数のビームスプリッタで構成された分配部３１と、コヒーレント光結合したい複数のレーザービームの相対位相差を変化させる位相遅延可変装置３２と、位相遅延可変装置３２を介して分配部３１から出力された複数のレーザービームの強度を増幅し、必要に応じてビーム系を拡大して出力する増幅部３３と、増幅部３３の出力である複数のレーザービームがコヒーレント光結合するように、複数のレーザービームの空間配置、角度を変換する、ミラーなどで構成された合成部３４と、合成部３４の出力の複数のレーザービームを計測のため分岐抽出する、ビームスプリッタなどで構成されたレーザービーム分岐手段３５と、位相遅延可変装置３２に回帰制御信号を出力して複数のレーザービーム間の位相差を制御するレーザー位相制御装置とを備え、合成部３４でコヒーレント光結合されたレーザービームの空間強度分布を任意に制御するようになされている。【００３６】
前記レーザー位相制御装置は、レーザー位相差検出装置３６と、レーザー光路長差検出装置３７と、光路長・位相差制御装置３８と、位相遅延可変装置３２とから構成され、複数のレーザービームの相対位相差を変化させる位相遅延可変装置３２を介してコヒーレント光結合された複数のレーザービーム間の位相差及び光路長差の検出に基づいて前記位相遅延可変装置３２に回帰制御信号を出力して前記複数のレーザービーム間の位相差及び光路長差を制御するものである。レーザー光路長差検出装置３７は、実施の形態１ないし４のいずれかで構成される。【００３７】
ここで、レーザー位相差検出装置３６は、複数のレーザービーム間の位相差を検出するもので、位相差を検出する方式は、例えば特許文献１に示されたマッハツェンダ型の干渉計にて実現される。また、レーザー光路長差検出装置３７は、実施の形態１ないし４のいずれかに示されたレーザー光路長差検出装置である。位相遅延可変装置３２は、コヒーレント光結合したい複数のレーザービームの相対位相差を変化させる。相対位相差を変化させる方法はなんでもよいが、図７では斜線で示したミラーの位置を変化させることで実現している。さらに、光路長・位相差制御装置３８は、レーザー光路長差検出装置３７で検出した光路長差が小さくなるように、位相遅延可変装置３２に回帰制御信号を出力し、次に、レーザー位相差検出装置３６で検出した複数のレーザービームの相対位相差と目的に応じてあらかじめ記憶されている相対位相差との差を演算し、さらにこの差から複数のレーザービームの相対位相差が目標値となるための相対位相差補正量を演算し、位相遅延可変装置３２に回帰制御信号を出力する。【００３８】
従って、図７に示す実施の形態５に係るコヒーレント光結合装置は、以上述べたように構成されているので、コヒーレント光結合したいレーザービームがパルスレーザーであり、従って、相対光路長差を高精度にあわせる必要がある場合でも、所望の位相制御が可能となる。【００３９】
また、実施の形態５に係るレーザー位相制御装置によれば、レーザー光路長差検出装置３７に、実施の形態１〜５で説明したレーザー光路長差検出装置のいずれかと同様の構成を用いているので、実施の形態１〜５で説明したレーザー光路長差検出装置のいずれかと同様の効果が得られる。
【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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【図７】
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