(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
システムであって、
一次レーザ信号を発生させるための主発振器と、
前記一次レーザ信号を複数の二次レーザ信号に分割するためのビームスプリッタアレイと、
前記複数の二次レーザ信号を増幅して複数の増幅レーザ信号を発生させる複数の増幅器と、
前記複数の増幅レーザ信号の位置、ビーム角、光路長、および位相を調整する複数のアクチュエータと、
前記複数の増幅レーザ信号の位相を調整する前記複数のアクチュエータの一部を制御する位相制御モジュールと、
前記複数の増幅レーザ信号の光路長を調整する前記複数のアクチュエータの一部を制御する光路長制御モジュールと、
前記複数の増幅レーザ信号のビーム位置またはビーム角を調整する前記複数のアクチュエータの一部を制御する位置制御モジュールと、
前記複数のアクチュエータから前記複数の増幅レーザ信号を受信して結合レーザ出力信号を発生させる結合器と、
前記結合レーザ出力信号をサンプリングして、前記位相制御モジュールのためのフィードバックを発生させる第１の位相検出器と、
前記結合レーザ出力信号をサンプリングするスペクトルフィルタと、
前記スペクトルフィルタからサンプリングされた結合レーザ出力信号を受け取り、前記光路長制御モジュールが前記複数の増幅レーザ信号の光路長を制御するためのフィードバックとして第１位相誤差を生成する第２の位相検出器と、
前記結合レーザ出力信号をサンプリングする空間フィルタと、
前記空間フィルタからサンプリングされた結合レーザ出力信号を受け取り、前記位置制御モジュールが前記複数の増幅レーザ信号のビーム位置またはビーム角を制御するためのフィードバックとして第２位相誤差を生成する第３の位相検出器と
を備えるシステム。
【請求項２】
前記スペクトルフィルタは、前記結合レーザ出力信号に対しスペクトルフィルタリング機能を実行するファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）であり、かつ前記空間フィルタは、少なくとも２つの開口を有し前記結合レーザ出力信号に対し空間フィルタリング機能を実行するピンホール検出器である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記複数の増幅レーザ信号の光路長を調整する複数のアクチュエータの一部は、前記複数の増幅レーザ信号の光路長を制御するための多重ミラー構成と、前記複数の増幅レーザ信号の光路長を制御するために収縮または膨張するファイバとのうちの少なくとも一つを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記複数の増幅レーザ信号のビーム位置またはビーム角を調整する複数のアクチュエータの一部は、前記複数の増幅レーザ信号の位置またはビーム角を制御するための角度制御付の調整可能なミラーと、前記複数の増幅レーザ信号の位置またはビーム角を制御するための可動ファイバとのうちの少なくとも一つを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記空間フィルタは第１の空間フィルタであり、前記第３の位相検出器は、前記位置制御モジュールが前記複数の増幅レーザ信号のビーム位置を制御するためのフィードバックとして第２位相誤差を生成し、システムはさらに
前記結合レーザ出力信号を変換レーザ信号に変換するレンズと、
前記変換レーザ信号をサンプリングする第２の空間フィルタと、
前記第２の空間フィルタからサンプリングされた変換レーザ信号を受け取り、前記位置制御モジュールが前記複数の増幅レーザ信号のビーム角を制御するためのフィードバックとして第３位相誤差を生成する第４の位相検出器と
を備える、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に光学系に関し、さらに詳しくは、コヒーレントレーザアレイで複数のビームを結合するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ増幅器のコヒーレントビーム結合（ＣＢＣ）は、複数のレーザエミッタを相互に同相で同期させて高輝度ビームを形成するための確立された技術である。典型的には、低パワー主発振器からの出力は多数のビームに分割され、各ビームはそのパワーを増大するためにレーザ増幅器に通される。増幅された出力ビームは幾何学的に結合され、相互に位相同期される。結合されたビームは、あたかも単一開口レーザから出射されたかのように挙動するが、輝度は個々のレーザから得ることができるよりも高くなる。ＣＢＣは、位相同期アレイにおける各レーザ増幅器を通る光路長が、主発振器のコヒーレンス長の何分の一かの範囲内で一致しなければならないという要件を課す。いずれかの２つの素子間の光路の不一致がコヒーレンス長を超える場合、その２つの素子は相互にインコヒーレントであるように思われ、それらはうまく位相同期することができない。たとえ光路の不一致がコヒーレンス長の何分の一かにすぎない場合でも、２つのレーザ間のコヒーレンスは１００％未満となり、アレイの輝度の低下を導く。
【０００３】
コヒーレントに結合されたアレイのレーザビームは、最大限の結合効率を達成するために、相互の共整列も実行しなければならない。各々のレーザは、回折限界の何分の一かの範囲内で重なり合う、それらのビームフットプリントおよびそれらのポインティング方向を持たなければならない。これは、例えば組立公差、ビームパラメータの動的変化、迷光の吸収による機械的固定具の熱膨張、およびプラットホームの変形のため、高パワーレーザでは達成することが難しい。これらの問題は、管理された実験室環境の外に展開されるシステムの場合、特に深刻である。したがって、コヒーレントな結合効率を維持するために能動的なビームポインティングおよび位置制御システムが必要である。
【０００４】
大きいチャネルカウントアレイでは、能動的制御は、各レーザのビームパラメータを検知することの難しさゆえに手に負えなくなることがあり得る。大半の従来のシステムは、ミスアラインメントを診断するために、サンプリング光学素子のアレイおよびクワッドセルまたは他の位置感応型検出器（ＰＳＤ）を、各入力レーザにつき１つずつ使用する必要がある。大きい部品数および光学機械の複雑さは、この手法を実験室以外で展開可能なシステムにとって魅力のないものにする。多重検出器式検知の別の不利点は、ミスアラインメントがごく微小であって検出が難しくなり得ることである。例えば、＋／−１μｍの先端の変位は、２０μｍコアファイバで１％の結合損失を導き得る。この高レベルの精度要件では、異なる検出器の相対位置または応答のわずかな変化が、レーザアレイの変化として容易に誤解され得ることから、制御の忠実性が低下する。
【０００５】
これらの理由から、アレイのミスアラインメントを検知する単一検出器式方法は、検出器アレイの魅力的な代替策を提供する。単一検出器式位置センサの従来の実現は、ビームのポインティングまたは位置のディザリング（例えば小さいビームのミスアラインメントを引き起こすこと）、および結果的に生じた結合効率の損失の検知を必要としてきた。ディザリングは不可避的に制御精度を低下させ、かつ最終的な結合効率を限定するので、この方法は望ましくない。さらに、この方法は、誤差信号が減衰され、制御帯域幅が１／Ｎに落ちるので、大きいアレイ（ビーム数Ｎ〜＞１００）に対して適切にスケーリングされない。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の一態様では、レーザシステムを提供する。このシステムは、一次レーザ信号を発生させるための主発振器を含む。これは、一次レーザ信号を複数の二次レーザ信号に分割するためのビームスプリッタアレイを含む。複数の増幅器は複数の二次レーザ信号を増幅し、複数の増幅レーザ信号を発生させる。複数のアクチュエータは複数の増幅レーザ信号の位置、ビーム角、光路長、および位相を調整する。少なくとも１つの制御モジュールは、複数の増幅レーザ信号の位置、ビーム角、光路長、および位相を調整する複数のアクチュエータを制御する。結合器は複数のアクチュエータから複数の増幅レーザ信号を受信し、結合レーザ出力信号を発生させる。少なくとも１つのフィルタは結合レーザ出力信号をサンプリングし、制御モジュールが複数の増幅レーザ信号の位置、ビーム角、または光路長の少なくとも１つを制御するためのフィードバックとして複数の位相誤差を発生させる。
【０００７】
本発明の別の態様では、レーザシステムを提供する。このレーザシステムは、一次レーザ信号を発生させるための主発振器と、一次レーザ信号を複数の二次レーザ信号に分割するためのビームスプリッタアレイとを含む。複数の増幅器は複数の二次レーザ信号を増幅し、かつ複数の増幅レーザ信号を発生し複数のアクチュエータは複数の増幅レーザ信号の位置、ビーム角、光路長、および位相を調整する。位相制御モジュールは、複数の増幅レーザ信号の位相を調整する複数のアクチュエータの一部を制御する。光路長制御モジュールは、複数の増幅レーザ信号の光路長を調整する複数のアクチュエータの一部を制御する。位置制御モジュールは、複数の増幅レーザ信号のビーム位置またはビーム角を調整する複数のアクチュエータの一部を制御する。結合器は複数のアクチュエータから複数の増幅レーザ信号を受信し、結合レーザ出力信号を発生させる。スペクトルフィルタは結合レーザ出力信号をサンプリングし、光路長制御モジュールが複数の増幅レーザ信号の光路長を制御するためのフィードバックとして複数の位相誤差を発生させる。空間フィルタは結合レーザ出力信号をサンプリングし、複数の増幅レーザ信号のビーム位置またはビーム角を制御するために位置制御モジュールへのフィードバックとして複数の位相誤差を発生させる。
【０００８】
本発明のさらに別の態様では、コヒーレントビーム結合および制御のための方法を提供する。この方法は、一次レーザ信号から複数の二次レーザ信号を発生させるステップと、複数の二次レーザ信号を増幅して複数の増幅レーザ信号を発生させるステップとを含む。この方法は、複数のアクチュエータを制御して、複数の増幅レーザ信号の位置、ビーム角、光路長、および位相を調整することを含む。これは、複数のアクチュエータから受信した複数の増幅レーザ信号を結合して、結合レーザ出力信号を発生させるステップを含む。この方法は、結合レーザ出力信号をフィルタリングし、複数のアクチュエータを制御して複数の増幅レーザ信号の位置、ビーム角、または光路長を調整するために複数の位相誤差を発生させるステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一態様に係るレーザ制御システムの略ブロック図を示す。
【図２】本発明の一態様に係るレーザ制御のための空間フィルタを示す。
【図３】本発明の一態様に係るレーザ制御のためのスペクトルフィルタを示す。
【図４】本発明の一態様に係るコヒーレントビーム結合および制御のための方法論を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
コヒーレントレーザアレイの制御のためのシステムおよび方法を提供する。本書に記載するシステムおよび方法は、高価な検出回路および検出器光学系の対応するスケーリング無しで、効率的にスケーリングすることのできる複数のコヒーレントレーザビームの自動共整列を提供する。結合効率を改善するビームパラメータの自動制御（例えばディザリング無し）を提供する。これは自動的なビーム位置決め、ポインティング、および光路長マッチングを含み、こうしてコヒーレントレーザシステムの効率を最適化するための有用な制御をもたらす。
【００１１】
一態様では、レーザアレイにおける全てのビームの位置またはポインティング角度を同時に検知するために単一の検出器を含む、能動的アラインメント検出システムおよび方法を提供する。これは、従来のシステム較正に関連するビーム位置またはビームポインティングのディザリングの必要性を取り除きながら、回折限界の何分の一かのビームの動きを検出する高感度を提供することを含む。アレイにおけるビームの数は、それぞれのビームの自動アラインメント（例えば較正不要）を備えた大きいチャネルカウント（例えばレーザアレイ中のビーム数が１００より大きい）に効率的にスケーリングすることができる。そのような特徴は、個々のビームポインティング角度の誤差、ビーム位置決めの誤差、またはビーム光路のミスマッチを個々のビームのピストン位相の誤差に変換することのできる、コヒーレント結合レーザアレイからの出力ビームを、空間またはスペクトルフィルタリングすることによって可能にすることができる。ここでピストンという用語は位相誤差に類似している。続いて標準的な位相同期方法を適用することにより、フィードバック誤差信号を提供して、関連アクチュエータを制御するモジュールを制御し、各ビームのピストン位相誤差をヌルアウト（ｎｕｌｌ  ｏｕｔ）し、こうして自動的にビームを望ましい共整列状態にすることができる。
【００１２】
図１は、本発明の一態様に係るレーザ制御システム１００を示す。システム１００は、一次レーザ信号を発生させるための主発振器１１０を含む。ビームスプリッタアレイ１１４は主発振器１１０からの一次レーザ信号を複数の二次レーザ信号に分割し、複数の二次レーザ信号は複数の増幅器１２０に送られ、この増幅器は二次レーザ信号を増幅し、複数の増幅レーザ信号を発生させる。複数のアクチュエータ１２４は増幅レーザ信号の位置（Ｎは正の整数であり、Ｐ１〜ＰＮの記号で表されたアクチュエータを介して）、ビーム角（Ｐ１〜ＰＮの記号で表されたアクチュエータを介して）、光路長（Ｎは正の整数であり、Ｌ１〜ＬＮの記号で表されたアクチュエータを介して）、および位相（Ｎは正の整数であり、φ１〜φＮの記号で表されたアクチュエータを介して）のうちの少なくとも一つを調整し、少なくとも１つの制御モジュールは、増幅レーザ信号の位置、ビーム角、光路長、および位相のうちの少なくとも一つを調整するアクチュエータを制御する。
【００１３】
図示する通り、制御モジュールは、増幅レーザ信号の位相を制御する位相制御器１３０と、増幅レーザ信号の光路長を制御する光路長制御器１３４と、増幅レーザ信号のビーム位置およびビーム角のうちの少なくとも一つを制御する位置制御器１４０とを含む。結合器１４４はアクチュエータ１２４から増幅レーザ信号を受信して、１５０で結合レーザ出力信号を発生させる。少なくとも１つのフィルタは結合レーザ出力信号１５０をサンプリングして、光路長制御器１３４または位置制御器１４０が複数の増幅レーザ信号の位置、ビーム角、または光路長の少なくとも１つを制御するためのフィードバックとして、位相誤差を発生させる。
【００１４】
一実施例では、フィルタは、結合出力信号１５０をサンプリングして位置制御器１４０にフィードバックするための位相誤差を発生させる空間フィルタ１６０とすることができる。図示するように、空間フィルタ１６０の後に、傾き（例えば２つの波面の間の角度の差）誤差を、位置制御器１４０に対するフィードバックとして利用される位相誤差またはピストン誤差に変換する位相検出器１６４を置くことができる。空間フィルタ１６０は増幅レーザ信号の少なくとも１つの位置に関連する位相誤差を提供し、ここで位置は、結合器１４４に現れる増幅レーザ信号の少なくとも１つに対し、Ｘ方向またはＹ方向の少なくとも１つに関連する（ＸおよびＹは、伝搬方向に直交するレーザビームの空間座標を指す）。図示しないが、結合レーザ出力信号１５０を変換レーザ信号に変換（例えばフーリエ変換）するレンズを設けることができ、その場合、増幅レーザ信号の少なくとも１つのビーム角に関連する位相誤差を発生させるために、別の空間フィルタと検出器との対（図示せず）が変換レーザ信号をサンプリングすることができ、位置制御器１４０は同様にアクチュエータ１２４を介してビーム角を制御することができる。
【００１５】
別の実施例では、結合出力信号１５０をサンプリングするフィルタは、位相検出器１７４を介しての光路長制御器１３４へのフィードバックとして、位相誤差を発生させるスペクトルフィルタ１７０とすることができ、位相誤差は増幅レーザ信号の少なくとも１つの光路長を制御するために使用される。一実施例では、１７０で結合レーザ出力信号１５０に対しスペクトルフィルタリング機能を実行するために、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）を使用することができる。別の実施例では、位相検出器１８０によって検知される光の中心軌跡から偏位させた開口を有するピンホール検出器が、１６０で結合レーザ出力信号に対し空間フィルタリング機能を実行することができる。システム１００は、複数の増幅レーザ信号の位置剪断制御を容易にするためにピンホール検出器（空間フィルタ）の開口に適用される機械的チューニング機構を備えてもよい。システム１００はまた、ＦＢＧに適用されてスペクトルフィルタの特性を変化させ、それによって複数の増幅レーザ信号に対する精度および制御範囲を変化させる歪みまたは温度チューニング機構を含むことができる。図示するように、位相検出器１８０を使用して、位相制御器１３０を介して位相を制御するためのフィードバックを提供することができる。
【００１６】
有限数の出力フィルタおよび検出器を使用して、複数の増幅レーザ信号を制御することができ、そこでは増幅レーザ信号を小さい数（例えば１０未満）からかなり大きいアレイ（例えば１００個を超える信号）に、検出器の数の対応するスケーリング無しに、増大することができることに注目されたい。例えば、単一の位相検出器１８０を位相制御のために使用することができ、単一のスペクトルフィルタ１７０と位相検出器１７４の組合せを光路長制御のために使用することができ、位置のために４つの空間フィルタ１６０／位相検出器１６４の組合せを使用することができる（Ｘ次元に対し１つのフィルタ／検出器、Ｙ次元に対し１つのフィルタ／検出器、Ｘ次元のビーム角に対して１つのフィルタ／検出器、およびＹ次元のビーム角に対して１つのフィルタ／検出器）。
【００１７】
１２４の位置アクチュエータＰ１〜ＰＮは、位置およびビーム角のうちの少なくとも一方を制御するために角度制御付きの調整可能なミラーを含むことができる。別の実施例では、１２４のアクチュエータＰ１〜ＰＮは、増幅レーザ信号の少なくとも１つの位置およびビーム角のうちの少なくとも一方を制御するために可動ファイバを含むことができる。１２４に示された光路長アクチュエータＬ１〜ＬＮは、増幅レーザ信号の少なくとも１つの光路長を制御するために、多重ミラー構成（例えばより長いかより短い光路に沿って光を偏向させるミラー）を含むことができる。光路長アクチュエータＬ１〜ＬＮはまた、増幅レーザ信号の少なくとも１つの光路長を制御するために収縮または膨張する弾性ファイバをも含むことができる。１２４でφ１〜φＮの記号で表された位相アクチュエータは、増幅レーザ信号の少なくとも１つの位相を制御するために、例えば電気光学導波路を含むことができる。制御モジュール１３０、１３４、および１４０は、直接制御を行ってピストン位相誤差をヌルアウトする標準的位相制御技術を使用することができる。そのような技術は、増幅レーザ信号の少なくとも１つに対し位相同期を実行し、それぞれの制御モジュールの入力部で受信した位相誤差をヌルアウトするために、ヘテロダイン法、山登り法（例えば確率的並列勾配降下つまりＳＰＧＤ）、または多値ディザ法（例えば単一検出器電子周波数タギングによる光学コヒーレンスの同期つまりＬＯＣＳＥＴ）を含むことができる。
【００１８】
主発振器１１０によって発生する一次レーザ信号は、連続波（ＣＷ）信号またはパルス波（ＰＷ）信号として発生する。主発振器１１０は、例えばガスレーザ、ダイオードレーザ、または固体レーザのような従来のレーザとすることができる。ビームスプリッタアレイ１１４は、例えば自由空間型またはファイバ型のいずれかであってよい複数のビームスプリッタから構成することができる。ビーム結合器１４４は例えば、複数の増幅光信号をコリメートしかつタイリングして単一の合成高パワー出力ビームにする複数の密集レンズまたはミラーとすることができる。ビーム結合器１４４はまた例えば、先細ファイバ束または回折光学素子のような、逆方向に使用される単一または複数の自由空間型またはファイバ型ビームスプリッタとすることができる。
【００１９】
能動的位相制御を使用する高パワーレーザアレイにより、主発振器１１０は、望ましくない非線形効果を抑制するために、その線幅を拡張するようにしばしば周波数変調される。これは、実質的に完全な建設的干渉および高効率のコヒーレントビーム結合を確実にするために、レーザアレイの光路長をコヒーレンス長の何分の一かの範囲内で一致させる必要性につながる。しかし、アレイ光路が一致しない場合、結合効率は低下する。〜１０ＧＨｚの典型的な線幅の場合、結合損失を１％以内に維持するために、光路は〜１ｍｍの誤差内で一致しなければならない。しかし、ファイバチャネル長が数百メートルに達し得る高パワーファイバ増幅器チェーンで１ｍｍの光路長精度を維持するように製作することは難しい。例えば数ｋＷのファイバレーザを結合するために起こり得るような、１０ＧＨｚより広い線幅が要求される場合、光路マッチング許容差は比例して低減される。したがって、コヒーレント結合効率を維持し、かつ数ｋＷのファイバレーザの結合を可能にするために、システム１００によって提供されるような、能動的光路長制御システムが必要である。
【００２０】
大きいチャネルカウントアレイでは、相対的光路ミスマッチを検知することが難しいので、能動的光路マッチングを実現することは厄介になるおそれがある。この問題に対して提案される１つの解決策は、光路マッチングのための指標として相互視認性を使用する。しかし、視認性は小さいミスマッチには比較的鈍感であり、フィードバック制御のための誤差信号を発生させるには、光路長のディザリングが必要である。したがって、高感度を提供しかつディザリングまたは複数の検出器を必要とせず、光路ミスマッチを検知する方法が必要である。光路および位置の制御のためにスペクトルフィルタおよび空間フィルタを使用して、結合出力１５０をサンプリングすることによって、システム１００は、従来のディザリング較正および従来のシステムで使用されるような検出器の増加を行うことなく、自動的に調整することのできるスケーラブルなシステムをもたらす。したがって、システム１００は単一の検出器を使用して複数のチャネルのためのフィードバックをもたらし、かつ例えば多値ディザ（例えばＬＯＣＳＥＴ）および山登り（ＳＰＧＤ）整相方法の両方により動作することができる。これは、様々なシステムに対し必要性に応じて、高速収束時間（＜＜１秒）と共に結合効率を最大化するために、最適な共整列に自動収束することを含む。システム１００はまた、例えば１０ＧＨｚから数千ＧＨｚ超まで様々な線幅を持つレーザを同期させる能力をももたらす。これは、現在は結合できない〜１０ｋＷのファイバレーザのコヒーレント結合を可能にする。システム１００はまた、例えば１ｍｍ超のロッキングレンジで、絶対１０μｍ未満の光路長ロッキング安定性をも達成することができる。
【００２１】
位相検出器に達する光のみならず、光路長検出器に達する光をも同様にスペクトルフィルタリングすることにより、脱同期光とみなすことのできるもののコヒーレント同期を可能にすることができる。換言すると、レーザは当初、それらの自然コヒーレンス長をはるかに超えるミスアラインメントの状態であって、したがって脱同期している場合があり得るが、それでもなお、システム１００は頑健な位相同期および適切な光路整合状態への収束を達成することができる。システム１００はまた、超短光パルスのみならず連続波（ＣＷ）レーザにも適用することができる。これは、例えばピーク電界強度が望まれる溶融用のパルスレーザシステム、高エネルギー物理学研究、または指向性エネルギー応用における高電界強度へのスケーリングに有用になり得る。上述の通り、システム１００は、位相検出器１８０に達する光と位相検出器１７４に達する光との間のベキ重み付き平均波長の差、すなわち波長剪断を制御するために、ＦＢＧの歪みまたは温度チューニングを組み込むことができる。当初、光路制御が大きい範囲にわたって可能になるように、波長剪断を小さくすることができ、次いで、例えば光路が最初に調整された後、より高い精度が可能になるように、剪断をより大きい値にスイープさせることができた。
【００２２】
図２は、本発明の一態様に係るレーザ制御のための空間フィルタ２００を示す。空間フィルタ２００は、位相同期ビーム２１０および２２０のアレイ（分かり易くするために２つのビームだけが図示されている）に適用することができ、かつビームポインティング傾きの空間誤差をピストン誤差に変換することができる。底部位相検出器２３０によって検知された光は、２４０の底部空間フィルタ開口を通過する光が位相を揃えるように、全てのレーザの位相を同期させるために使用することができる。ビーム２１０および２２０の間に傾きオフセット誤差が存在する場合、これらの空間アラインメント誤差は、ビームの頂部が開口２５０を透過することにより、ピストン位相オフセットに変換することができる。ビーム２１０と２２０との間に位置オフセット誤差が存在する場合、両ビーム２１０および２２０に共通のフーリエ変換レンズ（図示せず）を挿置することによって、これらの空間アラインメント誤差を傾きオフセット誤差に変換することができ、その後で、ビームの頂部が開口２５０を透過することにより、これらの空間アラインメント誤差をピストン位相オフセットに変換することができる。検出器２６０は全てのレーザからの結合ビート信号を検知し、標準的整相技術は個々のレーザから誤差信号を分離する。相対ビーム位置を調整してこれらの誤差信号を無効化することは、ビームの望ましい共整列に対応する。
【００２３】
図３は、本発明の一態様に係るレーザ制御のためのスペクトルフィルタ３００を示す。スペクトルフィルタ３００（例えばファイバ・ブラッグ・グレーティング）を位相同期ビームのアレイに適用して、ビーム光路マッチングの誤差（飛行時間）をピストン誤差に変換することができる。この２つの検出器の実施例に示すように、検出器３２０によって検知される光を使用して、検出器３２０に達する光がフィルタリングされていない平均波長で位相を揃えるように、レーザの位相を同期させることができる。ビームの間に光路マッチング誤差が存在する場合、スペクトルフィルタ３００（例えばファイバ・ブラッグ・グレーティング）を透過することにより、これらの光路マッチング誤差は、ピストン位相オフセットに変換することができる。検出器３１０はレーザからの結合ビート信号を検知し、標準的整相技術は、個々のレーザから誤差信号を分離する。相対的ビーム光路長を調整してこれらの誤差信号を無効化することは、ビームの望ましい光路マッチングに対応する。
【００２４】
上に記載した前述の構造上および機能上の特徴に鑑みて、本発明の様々な態様に係る方法論は、図４を参照することにより、いっそうよく理解されるであろう。説明を簡潔にするために、図４の方法論は順次実行されるように示されかつ記載されているが、本発明に係る一部の態様は、本書に示しかつ記載したのとは異なる順序で、かつ／または他の態様と同時に行うことができるので、本発明は例証された順番によって限定されないことを理解かつ認識されたい。さらに、例証した全ての特徴が、本発明の態様に係る方法論を実現するために必須であるわけではない。
【００２５】
図４は、本発明の一態様に係るコヒーレントビーム結合および制御のための方法論４００を示す。４１０で、方法は一次レーザ信号から（例えば図１のビームスプリッタ１１４を介して）複数の二次レーザ信号を発生させるステップを含む。４２０で、方法４００は、（例えば図１の増幅器１２０を介して）複数の二次レーザ信号を増幅して、複数の増幅レーザ信号を発生させるステップを含む。４３０で、方法４００は、（例えば図１の制御器１３０、１３４、および１４０を介して）複数の増幅レーザ信号の位置、ビーム角、光路長、および位相を調整するように複数のアクチュエータを制御するステップを含む。４４０で、方法４００は、複数のアクチュエータから受信した複数の増幅レーザ信号を（例えば図１の結合器１４４を介して）結合して、結合レーザ出力信号を発生させるステップを含む。
【００２６】
方法４００は、４５０で、（例えば図１の空間フィルタ１６０またはスペクトルフィルタ１７０を介して）結合レーザ出力信号をフィルタリングして、複数の増幅レーザ信号の位置、ビーム角、または光路長を調整するように複数のアクチュエータを制御するために、複数の位相誤差を発生させるステップを含む。他の態様は、結合レーザ出力信号に対し空間フィルタリング機能を適用して、複数の増幅レーザ信号の位置またはビーム角を調整するように複数のアクチュエータを制御するために、複数の位相誤差を発生させるステップを含む。これは、結合レーザ出力信号に対しスペクトルフィルタリング機能を適用して、複数の増幅レーザ信号の光路長を調整するように複数のアクチュエータを制御するために、複数の位相誤差を発生させるステップを含むことができる。一次レーザ信号は連続波レーザ信号またはパルス波レーザ信号とすることができる。方法５００はまた、アクチュエータにおいて可動ファイバまたは可動ミラーを使用して、光路長、位置、またはビーム角を制御するステップを含むこともできる。
【００２７】
結合出力ビームをスペクトルフィルタリングすることにより、ビーム間の光路長ミスマッチはピストン位相誤差に変換される。同一の多色型主発振器から導出され、光路遅延Ｌｉｋを持ちコヒーレントにオーバラップする２つのビームｉおよびｋについて考慮する。例えば位相検出器への入射光のベキ重み付き平均波長に対応するあるベキ重み付き平均波長λ０で、ビームは互いに位相同期すると想定する。ビームはλ０で位相同期（モジュロ２π）するので、チャネルｉおよびｋの光路長はＬｉｋ＝ｎｉｋλ０だけずれる。ここでｎｉｋは整数である。そうすると、位相差は、いずれかのシフトベキ重み付き平均波長λ０＋Δλで（ここで波長シフトΔλはλ０に比べて小さい）、等式１のように表すことができる。
【００２８】
【数１】
0006314202.tif 000002
最後の行はモジュロ２πと受け止められた。したがって、光路長検出器に達したスペクトルフィルタリングされた光がシフトベキ重み付き平均波長λ０＋Δλを有する場合、光路マッチングオフセットＬｉｋは、光路マッチングオフセットＬｉｋに比例するピストン位相オフセットに変換することができる。これらのピストンオフセットは標準的検出方法によって検知することができ、ピストンオフセットを零にするために、誤差信号は光路制御アクチュエータにフィードバックされ、したがって経路マッチングオフセットは零になる。
【００２９】
ビームオーバラップのピストン誤差への同じ変換は、ビームの傾きに対しても有効である。例えば、図２に示すようにビームの底部に位置する検出器により位相同期される、θｉｋの相対的角度ミスアラインメントを持つ２つのビームについて考慮する。ビーム間の波面の傾きのため、それらの相対位相はビームフットプリントによって変化する。基礎的幾何学により、底部検出器からΔｘの距離に位置する図２の頂部検出器によってサンプリングされる光の位相は、等式２のように表すことができることが分かる。
【００３０】
【数２】
0006314202.tif 000003
上述したものは本発明の実施例である。本発明を説明するために、構成要素または方法論の考えられるあらゆる組合せを記載することは、いうまでも無く不可能であるが、本発明の多くのさらなる組合せおよび再配列が可能であることを、当業者は認識されるであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内に該当するそのような変形例、変更例、および変化例は全て包含することを意図している。
【図１】
0006314202.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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