(57)【要約】  能動的に安定したコヒーレントビームの結合（ＣＢＣ）を有するパルスファイバーアレイレーザーシステムが開示される。能動的な安定化は、ピストン位相制御およびパルス内の位相制御の両方を使用して達成され、パルスエネルギーのはるかに大きな増加を可能にする。パルス内の振幅制御を使用するさらなる安定化も開示される。チャープ特性は、具体的な適用を可能にするために出力パルスに書き込まれ得る。増幅器アレイの振幅特性は、随意に、参照の電気パルスに一致するように調整され得る。本発明を使用して、一定のパルスエネルギーを達成するために、はるかに少数の増幅器の連鎖が必要とされ、結果として、より低い複雑性、より低いコスト、より小さなサイズ、より少ない重量、およびより高い信頼性を備えるシステムがもたらされる。入力パルスの周波数が偏移された部分（５２）は、位相制御され（５４）、パルス間の漏出する光を増幅したファイバー増幅器（２４）における部分とともに、ヘテロダイン検出（５６）に使用される。並列する増幅ライン（２４）の各々における位相は、高速のエレクトロニクスを使用して、位相制御装置（２０）によって制御される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレントに位相結合したパルス光ファイバー増幅器の連鎖アレイであって、該アレイは、
位相調整信号を受信し、パルス入力信号ビームの位相を調整する、各増幅器の連鎖における位相調整器；
ファイバー増幅器の連鎖アレイから出力を受信し、ピストン位相制御信号を発生させるための、ピストン位相制御装置；
周波数が偏移された参照ビームを受信し、パルス内の位相制御信号を発生させるための、パルス内の位相制御装置；および
ピストン位相制御信号およびパルス内の位相制御信号を受信し、その入力信号ビームの位相を調整するために、位相調整信号を位相調整器に提供するための、結合要素、を含むことを特徴とする、アレイ。
【請求項２】
ピストン位相制御装置は、
パルス入力信号ビームにチャネルタグを加えるための、チャネルのタグ付けソース；
光ファイバー増幅器の連鎖アレイから増幅されたコヒーレントに位相結合した出力ビームを受信し、それを電気信号に変換するための、フォトダイオード；および
電気信号およびチャネルタグを受信し、結合要素にピストン位相制御信号を提供するための、チャネル分解エレクトロニクス、をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のアレイ。
【請求項３】
ピストン位相制御装置は、
パルス入力信号ビームにディザー信号を加えるための、ディザーソース；
光ファイバー増幅器の連鎖アレイから増幅されたコヒーレントに位相結合した出力ビームを受信し、それを電気信号に変換するための、フォトダイオード；および
電気信号およびディザー信号を受信し、結合要素にピストン位相制御信号を提供するための、山登法エレクトロニクス、をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のアレイ。
【請求項４】
パルス内の位相制御装置は、
ファイバー増幅器の連鎖アレイからの出力および周波数が偏移された参照ビームを受信し、それらを電気信号に変換するための、検出器アレイ；および
電気信号を受信し、結合要素にパルス内の位相制御信号を提供するための、高速のパルス内の位相制御エレクトロニクス、をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のアレイ。
【請求項５】
パルス入力信号ビームおよび振幅調整信号を受信し、パルス入力信号ビームの振幅を調整する、パルス入力信号ビームとそれぞれの位相調整器との間で動作可能に連結された、各増幅器の連鎖における振幅調整器；
ファイバー増幅器の連鎖アレイから出力を受信し、それらを電気信号に変換するための、検出器アレイ；
振幅調整器の振幅特性を変更するための参照の電気パルスを発生させるための、基準パルス発生回路；
電気信号および参照の電気パルスを受信するための、コンパレーター；および
コンパレーターの出力を受信し、振幅調整信号を発生させるための、パルス内の振幅制御装置、をさらに含むことを特徴とする、請求項４に記載のアレイ。
【請求項６】
パルスレーザーアレイシステムであって、該システムは、
パルス信号ビームおよび一緒に周波数がロックされる１つ以上の参照ビームを発生させるための、ビーム発生サブシステム；
パルス信号ビームを複数のファイバーのための複数の分割パルス信号ビームへと分割するための、ビームスプリッター；
各分割パルス信号ビームを増幅させるための少なくとも１つの増幅器を含む、増幅器の連鎖のアレイ；
位相調整信号を受信する、各増幅器の連鎖における位相調整器；
ピストン位相制御信号を発生させる増幅された分割パルス信号ビームを受信するための、ピストン位相制御装置；
周波数が偏移された参照ビームを受信し、パルス内の位相制御信号を発生させるための、パルス内の位相制御装置；および
ピストン位相制御信号およびパルス内の位相制御信号を受信し、分割パルス信号ビームの位相を参照ビームと同位相であるように調整するために、位相調整信号を位相調整器に提供するための、結合要素、を含むことを特徴とするシステム。
【請求項７】
ピストン位相制御装置は、
パルス信号ビームにチャネルタグを加えるための、チャネルのタグ付けソース；
増幅器の連鎖のアレイから増幅された組み合わさった出力ビームを受信し、それを電気信号に変換するための、フォトダイオード；および
電気信号およびチャネルタグを受信し、結合要素にピストン位相制御信号を提供するための、チャネル分解エレクトロニクス、をさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
ピストン位相制御装置は、
パルス信号ビームにディザー信号を加えるための、ディザーソース；
増幅器の連鎖アレイから増幅された組み合わさった出力ビームを受信し、それを電気信号に変換するための、フォトダイオード；および
電気信号およびディザー信号を受信し、結合要素にピストン位相制御信号を提供するための、山登法エレクトロニクス、をさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
パルス内の位相制御装置は、
増幅された分割パルス信号ビームおよび周波数が偏移された参照ビームを受信し、それらを電気信号に変換するための、検出器アレイ；および
電気信号を受信し、結合要素にパルス内の位相制御信号を提供するための、高速のパルス内の位相制御エレクトロニクス、をさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
周波数が偏移された参照ビームを受信し、高速のパルス内の位相制御エレクトロニクスからの制御信号に従って、位相調整を加えるための、位相調整器、をさらに含み、ここで出力パルスは、所望の位相特性が与えられることを特徴とする、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
分割パルス信号ビームおよび振幅調整信号を受信し、各分割パルスビームの振幅が参照の電気パルスの振幅と一致するように、分割パルス信号ビームの振幅を調整する、各増幅器の連鎖における振幅調整器；
増幅された分割パルス信号ビームを受信し、それらを電気信号に変換するための、検出器アレイ；および
電気信号を受信し、振幅調整信号を発生させるための、パルス内の振幅制御装置、をさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
光ファイバー増幅器の連鎖のアレイをコヒーレントに位相結合する方法であって、該方法は、
パルス信号ビームおよび一緒に周波数がロックされる１つ以上の参照ビームを発生させる工程；
パルス信号ビームを複数のファイバーのための複数の分割パルス信号ビームへと分割する工程；
各分割パルス信号ビームを増幅させるための少なくとも１つの増幅器を含む、増幅器の連鎖のアレイを介して、分割パルス信号ビームを送る工程；
位相調整信号を受信する、各増幅器の連鎖における位相調整器を提供する工程；
増幅された分割パルス信号ビームを受信し、ピストン位相制御信号を発生させる工程；
周波数が偏移された参照ビームを受信し、パルス内の位相制御信号を発生させる工程；および
ピストン位相制御信号とパルス内の位相制御信号を組み合わせ、分割パルス信号ビームの位相を参照ビームと同位相であるように調整するために、位相調整信号を位相調整器に提供する工程、を含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
ピストン位相制御信号を発生させる工程は、
パルス信号ビームにチャネルタグを加える工程；
増幅器の連鎖アレイから増幅された組み合わさった出力ビームを受信し、それを電気信号に変換する工程；および
電気信号およびチャネルタグを受信し、ピストン位相制御信号を提供する工程、をさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
ピストン位相制御信号を発生させる工程は、
パルス信号ビームにディザー信号を加える工程；
増幅器の連鎖アレイから増幅された組み合わさった出力ビームを受信し、それを電気信号に変換する工程；および
電気信号およびディザー信号を受信し、ピストン位相制御信号を提供する工程、をさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
パルス内の位相制御信号を発生させる工程は、
増幅された分割パルス信号ビームおよび周波数が偏移された参照ビームを受信し、それらを電気信号に変換する工程；および
電気信号を受信し、パルス内の位相制御信号を提供する工程、をさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
周波数が偏移された参照ビームを受信し、位相調整を加える工程をさらに含み、ここで出力パルスは、所望の位相特性が与えられることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
各分割パルスビームの振幅が、振幅調整信号に従って、参照の電気パルスの振幅と一致するように、各分割パルス信号ビームの振幅を調整する工程；
増幅された分割パルス信号ビームを受信し、それらを電気信号に変換する工程；および
電気信号を受信し、振幅調整信号を発生させる工程、をさらに含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスファイバーアレイレーザー、および特にパルス光ファイバー増幅器のアレイをコヒーレントに結合することに一般に関する。
＜政府権利の声明＞
アメリカ合衆国政府は、Ｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔ Ｃｏｎｔｒａｃｔ Ｎｏ．ＦＡ８５５０−１０−Ｃ−７０３３に準ずる本発明において権利を有している。
【背景技術】
【０００２】
高出力レーザーは、多数の産業上および軍用の適用における使用のために重要である。
適用次第で、レーザーは、出力が時間をかけて本質的に連続的である、連続波モード（ＣＷ）で操作され得るか、または出力が、様々な持続時間および繰返し率を備える光のパルスの形態をとる、パルスモードで操作され得る。レーザー用のより多くの適用が見られるため、レーザーの出力を増加させる必要性がある。これは、レーザービームの質を下げる熱効果によって限定されてきた。レーザーの出力を増加させる１つの方法は、熱効果の傾向がより少ないファイバーレーザーなどの固体レーザーを使用することである。ＣＷモードおよびパルスモードの両方で操作するファイバーレーザーが開発されたが、短パルス（＜１０ナノ秒）のファイバーアレイレーザーは、先行技術においてそれほど注目を浴びていない。
【０００３】
アクティブファイバー（レーザー活性イオンが添加されたグラスファイバー）は、最も電気的に効率的で、最高輝度のレーザー源を提供するが、非線形性によって短パルスの形態で、従来のＬａｒｇｅ Ｍｏｄｅ Ａｒｅａ（ＬＭＡ）のファイバーに対しておよそ２５０ｋＷの最大出力（１ナノ秒で２５０μＪ／パルス）に、フォトニック結晶ファイバー（ＰＣＦ）に対しておよそ１ＭＷ（１ナノ秒で１ｍＪ／パルス）に限定される。アクティブファイバーを使用するときに、最大出力の処理（ｈａｎｄｌｉｎｇ）を調整する（ｓｃａｌｅ）ために２つの手法がとられる。第１の手法は、さらに大きなシングルモードファイバーのエリアを作ることである。これは、シングルモードの導波路操作に必要な屈折率（＜１０−５）の制御が原因で困難である。第２の手法は、複数のファイバーをファイバーアレイへと組み合わせることである。複数のファイバー出力を組み合わせるための技術は、以下のものを含む：
インコヒーレント：ファイバーは、単純に並んで張られる。
スペクトル：各ファイバーは、わずかに異なる波長で操作され、出力は、波長分散方式の光学部品（ｏｐｔｉｃ）（グレーティングまたはプリズムなど）と組み合わされる。
コヒーレント：各ファイバーは、本質的に大きな干渉計のアームであり、位相面を組み合わせの光学部品で一致させるために、各アームの活動期（ａｃｔｉｖｅ ｐｈａｓｅ）の制御が必要とされる。
【０００４】
シングルコヒーレントビームへのファイバー増幅器の連鎖のアレイの能動的に安定したコヒーレントビームの結合（ＣＢＣ）は、増幅器の連鎖の数で出力またはパルスエネルギーを掛けるための有益な方法である。先行技術は、パルスファイバー増幅器のピストン相を制御するだけであり、それ故、パルス上の相変異のおよそ１／８未満の波と十分に一致した増幅器だけを組み合わせることができる。その結果、各パルスファイバー増幅器の連鎖からの出力パルスエネルギーは、ほんの少しの誘発ラマン散乱（ＳＲＳ）限定の出力に限定される。このタイプのシステムは、２００９年３月１０日に発行された、米国特許第７，５０２，３９５号に開示され、引用によって組み込まれる。
【０００５】
したがって、ＳＲＳ限定の出力でコヒーレントな結合までファイバー増幅器を恣意的に大きな相変異と合わせることができる方法および機器が必要とされている。これには、パルスエネルギーの１０倍の増加が必要となる。さらに、幾つかのＬｉｄｅｒの適用のために、極度に高いコントラスト比（＞１００ｄＢ）が必要とされ、この基準を満たす方法および機器も必要とされる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の教示に従って、改善されたコヒーレントビームの結合を備えるパルス光ファイバー増幅器の連鎖アレイが開示される。ピストン位相制御をパルス内の位相制御と組み合わせることによって、活動期の安定化が達成される。
【０００７】
１つの実施形態では、コヒーレントに位相結合したパルス光ファイバー増幅器の連鎖アレイが提供され、該アレイは、位相調整信号を受信し、パルス入力信号ビームの位相を調整する、各増幅器の連鎖における位相調整器、ファイバー増幅器の連鎖アレイから出力を受信し、ピストン位相制御信号を発生させるための、ピストン位相制御装置、周波数が偏移された参照ビームを受信し、パルス内の位相制御信号を発生させるための、パルス内の位相制御装置、およびピストン位相制御信号およびパルス内の位相制御信号を受信し、その入力信号ビームの位相を調整するために、位相調整信号を位相調整器に提供するための、結合要素を有する。
【０００８】
別の実施形態では、パルスレーザーアレイシステムが提供され、該システムは、パルス信号ビームおよび一緒に周波数がロックされる１つ以上の参照ビームを発生させるための、ビーム発生サブシステム、パルス信号ビームを複数のファイバーのための複数の分割パルス信号ビームへと分割するための、ビームスプリッター、各分割パルス信号ビームを増幅させるための少なくとも１つの増幅器を含む、増幅器の連鎖のアレイ、位相調整信号を受信する、各増幅器の連鎖における位相調整器、ピストン位相制御信号を発生させる増幅された分割パルス信号ビームを受信するための、ピストン位相制御装置、周波数が偏移された参照ビームを受信し、パルス内の位相制御信号を発生させるための、パルス内の位相制御装置、およびピストン位相制御信号およびパルス内の位相制御信号を受信し、分割パルス信号ビームの位相を参照ビームと同位相であるように調整するために、位相調整信号を位相調整器に提供するための、結合要素を含む。
【０００９】
別の実施形態では、光ファイバー増幅器の連鎖のアレイをコヒーレントに位相結合する方法が提供され、該方法は、パルス信号ビームおよび一緒に周波数がロックされる１つ以上の参照ビームを発生させる工程、パルス信号ビームを複数のファイバーのための複数の分割パルス信号ビームへと分割する工程、各分割パルス信号ビームを増幅させるための少なくとも１つの増幅器を含む、増幅器の連鎖のアレイを介して、分割パルス信号ビームを送る工程、位相調整信号を受信する、各増幅器の連鎖における位相調整器を提供する工程、増幅された分割パルス信号ビームを受信し、ピストン位相制御信号を発生させる工程、周波数が偏移された参照ビームを受信し、パルス内の位相制御信号を発生させる工程、およびピストン位相制御信号とパルス内の位相制御信号を組み合わせ、分割パルス信号ビームの位相を参照ビームと同位相であるように調整するために、位相調整信号を位相調整器に提供する工程を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明の実施例の実施の特徴は、明細書、請求項、および添付の図面から明白となる。
【００１１】
【図１】図１は、ピストン位相制御を有する先行技術のパルスファイバーアレイレーザーの概略ブロック図である。
【００１２】
【図２Ａ】図２Ａは、異なるパルスエネルギーで、２台のパルスファイバー増幅器を備える、コヒーレントな位相システムの性能を描写する。
【００１３】
【図２Ｂ】図２Ｂは、異なるパルスエネルギーで、２台のパルスファイバー増幅器を備える、コヒーレントな位相システムの性能を描写する。
【００１４】
【図３】図３は、本発明の実施形態による、パルス内の位相制御を有するパルスファイバーアレイレーザーの概略ブロック図である。
【００１５】
【図４】図４は、本発明の実施形態による、高速の一時的オーバーラップおよびパルス内の振幅制御を有するパルスファイバーアレイレーザーの概略ブロック図である。
【００１６】
【図５】図５は、パルス内の位相および振幅制御を有するコヒーレントに位相されたファイバーアレイ構造の概略ブロック図である。
【００１７】
【図６】図６は、チャネルをタグ付けする（ｃｈａｎｎｅｌ−ｔａｇｇｉｎｇ）位相のロック技術を使用する、図５の機器のさらなる実施形態の概略ブロック図である。
【００１８】
【図７】図７は、山登法の（ｈｉｌｌ−ｃｌｉｍｂｉｎｇ）位相のロック技術を使用する、図５の機器のさらなる実施形態の概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、パルスコヒーレントのファイバーアレイレーザーシステムのピストン位相制御のための先行技術の機器の概略図である。システム（１０）は、信号パルスビームを発生させるためのＱスイッチレーザーを含む。個別のシード連続波発振器（１４）は、Ｑスイッチレーザー（１２）に参照ビームおよび入射シードビームを提供する。キャビティーロッカー（Ｃａｖｉｔｙ ｌｏｃｋｅｒ）（１６）は、Ｑスイッチレーザー（１２）からのパルス信号ビームの周波数および位相を入射シードビームの周波数および位相にロックする。図１に示される組み合わせにおけるＱスイッチレーザー、入射シード発振器およびキャビティーロッカーの操作は、当業者に周知である。Ｑスイッチレーザー出力ビームは、複数のパルスファイバービームへと分割される。
【００２０】
パルス信号ビームおよび参照ビームを発生させ、周波数をロックするための異なる技術が存在することも、当業者に公知である。例えば、連続波（ＣＷ）主発振器および振幅変調器は、Ｑスイッチレーザー（１２）の代わりに使用されてもよい。
【００２１】
ピストン位相制御は、位相を決定するための、レーザーからのパルス間の少量のビーム漏出の使用に依存する。Ｑスイッチレーザーシステムでは、ビーム漏出は、シードビーム発振器から生じる。ＣＷシステムに関して、振幅変調器は、少量の信号ビームが漏出されるように制限されたコントラスト比を有する。光学的漏出および信号ビームパルスが同じ信号ビームに由来するため、光学的漏出の位相は、信号ビームパルスとの相関性が高く、実際に位相ロックされる。Ｑスイッチレーザー（１２）からのパルスは、典型的には、持続時間が、以下に記載される目的のためのパルス間の適切な時間である、およそ１−１０ナノ秒になる。Ｑスイッチレーザー（１２）からのパルス信号ビームは、複数のファイバービームチャネルへと分割され、ここで個別のチャネルが、ファイバーアレイでの各ファイバーのために提供される。以下に詳しく議論されるように、各ファイバーチャネルにおけるビームパルス間の光学的漏出は、位相調整器のアレイ（２０）において適切なフィードバックを位相調整器（１８）に適用することによって、参照ビームにロックされる。その後、各ファイバーチャネルにおけるコヒーレント信号ビームパルスは、増幅器の連鎖アレイ（２４）において増幅器の連鎖（２２）によって増幅される。その後、各チャネルからの増幅された信号ビームパルスは、システム（１０）からのシングルコヒーレントの主ビーム（２６）として放出される且つ結合される。
【００２２】
シード発振器（１４）からの参照ビームは、周波数シフター（３０）によって偏移された周波数である。周波数シフター（３０）は、ヘテロダイン信号発生のために参照ビームの周波数を偏移する。参照ビームおよび主ビームは、ビームスプリッター（２５）によって連結され、その後、光学信号を電気信号に変換するヘテロダインアレイ回路（２８）に送られる。この目的のための任意の適切な検出器アレイは、当業者によって認識されるように、ヘテロダインアレイ回路（２８）として使用され得る。
【００２３】
上に議論されるように、システム（１０）は、周波数が偏移された参照ビームと、パルス間の光学的漏出との間の位相差を測定する。しかしながら、パルスはまた、ヘテロダインアレイ回路（２８）を通って伝播し、システムエレクトロニクスを飽和する（ｓａｔｕｒａｔｅ）ように作用する。それ故、参照ビームと光学的漏出との間の位相差を測定するためには使用されないパルスは、パルスクリップ回路（３２）によってクリップされ（ｃｌｉｐｐｅｄ）、取り除かれ、その結果、信号に唯一残されたのは、パルスと参照ビームとの間の光学的漏出である。１つの実施形態では、パルス間の光学的漏出は、パルスから約４５ｄＢ減少している。ヘテロダイン検出の技術分野において周知のように、光学的漏出は、より強力な参照ビームを有することによってさらに少なくなり得る。
【００２４】
その後、組み合わさった参照ビームおよび光学的漏出は、各ファイバービームに対する光学的漏出と参照ビームとの間の位相差を測定する位相センサー回路（３４）に送られる。位相センサー回路（３４）は、各パルスファイバービームにおいて各パルスの間の光学的漏出間の位相差を暗示する位相調整信号を、参照ビームと同相であるように、パルス間の漏出の位相を調整する、各位相調整器（１８）に提供する。それ故、主ビームは、ファイバービームのすべてが同じ位相にあるだろうという点でコヒーレントになる。位相センサー回路（３４）は、連続波レーザーアレイシステムに使用される回路などの、本明細書に記載される目的に適した任意の位相センサー回路（３４）であることができる。パルスクリッパー（３２）および位相センサー回路（３４）は、位相をロックするエレクトロニクス（３６）において組み合わされる。
【００２５】
より高い出力でのファイバー増幅器間の位相差のさらなる制御が、２Ｂ等の図によって示されるように必要とされる。
【００２６】
図２Ａは、１つの増幅器の連鎖当たり４０μＪで、５０／５０ビームスプリッターにて組み合わさった、２台のパルスファイバー増幅器を備えるコヒーレントな位相システムの性能を描写する。電気的なタイミングトリガーパルスは、６１で示され、同位相出力信号パルスは、６２で示され、および異位相出力信号パルスは、６３で示される。より低い電力での異位相信号からの妨害がほとんどないことはこの図から明らかであり、これは結果的に、９９％の時間コヒーレンスのフィディリティをもたらす。挿入図は、パルス出力をＣＷ参照と混合することによって発生したファイバー増幅器の１つの対応する測定されたホモダイン信号を示す。トレ−ス（ｔｒａｃｅ）は、光パルスの立上りエッジおよび立下がりエッジ両方の上に位相偏差の約４つの波があることを示している。位相変調は、自己位相変調およびダイナミックゲイン効果から増幅器の連鎖上に蓄積される。顕著なことに、およそ４つの波の位相変調があっても、９９％の時間コヒーレンスのフィディリティを達成するために、出力位相は、光パルス上の１／８ｔｈの波よりも好適に合わせられる。図２Ａで描写される低いパルスエネルギーの場合には、ピストン位相制御だけが効率的なコヒーレントビーム結合に必要とされる。
【００２７】
図２Ｂは、図２Ａより高度なパルスエネルギー（１つの連鎖当たり２５０μＪ）での、ファイバー増幅器の連鎖の性能を描写する。同位相出力信号は６４で示され、電気的なタイミングトリガーは６５で、および異位相出力信号は６６で示される。見て分かるように、異相分は、出力信号に対してはるかに大きな効果があり、結果的に、８２％のみの時間コヒーレンスのフィディリティをもたらす。増幅器の１つのホモダインデータが、挿入図で示され、これは、光パルスの立上り側および立下がり側の両方の上の位相変調の約８つの波を示している。この高いパルスエネルギーでは、光パルス上の両方の増幅器の位相特性を、ピストン位相制御のみを有する波の１／８ｔｈ以内に合わせることはもはや不可能であった。その結果、エネルギーの１８％は、組み合わされず、６６での異位相出力信号によって示されるように、組み合わされる５０／５０ビームスプリッターの異位相ポートにおいて拒絶された。故に、１８％の組み合わせの損失を取り戻すために、パルス内の位相制御およびパルス内の振幅制御を有することが必要とされる。
【００２８】
図１のピストン制御ループは、並列するファイバー増幅器の連鎖の共有されていない光路間の経路長の差を補う。次に、パルス自体の位相特性を調整するパルス内の制御を提供する制御ループが記載される。
【００２９】
図３は、光パルス内の位相特性が、制御され、ファイバー増幅器の連鎖の中から特定されることを確かなものとするために、さらなるフィードバックループを含めることによって、図１の先行技術のシステムについて詳述する本発明の実施形態を描写する。母集団誘発の（ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｄｕｃｅｄ）位相変調と同様に高輝度の長さの製品（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ−ｌｅｎｇｔｈ ｐｒｏｄｕｃｔ）（Ｂ−積分（ｉｎｔｅｇｒａｌ））により光パルス内の高い相変異を有する増幅器に対してこれを達成するために、高速のパルス内の位相制御が必要とされる。
【００３０】
図３では、図１と同様の要素が、同じ参照数字によって特定される。連続波レーザー（１２）は、パルススライサー（５０）を通り抜ける信号ビームを発生させる。分割パルスは、位相調整器のアレイ（２０）およびファイバー増幅器の連鎖のアレイ（２４）を通り抜け、その後、コヒーレントビームコンバイナー（２７）において組み合わされ、２６で出力する。パルススライサー（５０）からの参照ビームは、周波数シフター（５２）を通って、その後、位相調整器（５４）に送られる。参照ビームは、ビームスプリッター（２５）において出力ビームと組み合わされ、その後、この実施形態のさらなるフィードバックループの部分であるヘテロダイン検波器アレイ（５６）に送られる。ヘテロダインアレイ（５２）は、相変異を光パルス内で分解するのに十分に速い速度で操作可能な光検出器のアレイであり、高速参照ビームからの及び主ビームの画分からの入力を受信する。これは、すべてのファイバー増幅器の連鎖（２４）の位相情報を収集するために使用される。
【００３１】
図３のフィードバックループはまた、高速のパルス内の位相制御エレクトロニクス（５８）を含む。エレクトロニクス（５８）は、増幅器間のパルス内の位相特性が全体のアレイにわたって同じであることを確かなものとするために、すべての位相調整器（２０）に対する適切な訂正を計算する。あらゆる位相差が、下方ビームの組み合わせの有効性につながる。アレイにわたる位相特性は、ファイバー長、ファイバーのモードフィールド径、ポンピング状態および光学コンポーネントの挿入損失を含む、増幅器の連鎖における変動によって異なり得る。パルス内の位相制御エレクトロニクス（５８）は、先のパルスからの位相情報を使用し、電流パルスの位相を訂正することによって、フィードフォワード制御を提供する。パルス内の位相制御エレクトロニクス（５８）からの出力は、Ｂｉａｓ Ｔ（６０）に送られ、それを図１の位相をロックするエレクトロニクス（３６）（図示せず）からの出力と組み合わせる。代替的な実施形態では、Ｂｉａｓ Ｔ（６０）は、２０に示されるものと直列である位相調整器のさらなるアレイと交換されてもよい。別の代替的な実施形態では、導波路の電気光学的な位相変調器に関して、電極は、２つのセクションへと分割され、１つは、図１のピストンフィードバックセクションのために、およびもう１つは、図１のパルス内の位相制御のために分割されてもよい。
【００３２】
組み合わさったビーム２６の出力位相特性は、位相調整器（５４）を使用して、所望の位相特性、Φ０（ｔ）を参照ビームに適用することによって、目標プロフィルに合わせられ得る。例えば、チャープ特性は、チャープＬＩＤＡＲ適用を可能にするために、出力パルスに書き込まれ得る。位相調整器（５４）は、パルス内の位相制御エレクトロニクス（５８）からの入力信号、Φ０（ｔ）を受信する電気光学的な位相変調器である。この入力信号は、出力位相特性を調整するための少なくとも２つの方法を提供することができる。１つの実施形態では、パルス内の位相制御エレクトロニクスは、ヘテロダイン信号からの位相情報を判読し、方程式に従って適切なフィードバックを計算する。
【００３３】
δΦ（τ）＝Φ（τ）−Φ０（ｔ）
【００３４】
式中、Φ（τ）は、以前のパルスから測定された位相である。これは、固定された位相特性を提供する。
【００３５】
代替的な実施形態では、Φ０（ｔ）は、増幅器の連鎖のすべての位相特性の平均であり得る。有効なＢ積分を有する高いパルスエネルギー増幅器に関して、大きな位相偏差は、Φ０（ｔ）内にあることが予測され、小さな位相偏差は、δΦ（τ）内にあることが予測される。この実施形態は、大きな範囲を有する１つの位相変調器だけが、基準アームにおいて必要とされ、使用されるという利点を有している。２つを超える波の大きな範囲の変調器は、現在、製造するのが難しく、比較的高価である。
【００３６】
図３のフィードバックループはまた、組み合わさったビームの出力位相特性への変更なしで操作され得る。
【００３７】
パルスファイバーアレイの性能、特に、ファイバー増幅器と組み合わせられ得る有効性を下げ得る別の効果は、ビーム間の振幅変化である。コヒーレントな結合の有効性は、直接的に、ビーム間の２０％の電力変動が有効性の１％の低下のみを結果的にもたらすことが原因で、電力変動に反応しない。しかしながら、強度は、自己位相変調によって誘発されたものなどの、相転移を誘発した。母集団誘発の位相変調は、特に、高エネルギーのパルスファイバー増幅器に関して、有効性に対するより顕著な効果を有する。
【００３８】
この理由で、本発明の別の実施形態は、さらなるフィードバックループを含み、この中で、高速の一時的オーバーラップおよびパルス内の振幅はまた、図４に描写されるように制御され得る。図１および図３と同様の要素は、同じ参照数字によって特定される。一時的な振幅フィードバックループの目的は、第一に、強度誘発の相転移の効果を減少させるために、増幅後のパルス内の振幅が増幅器間で同じであることを確かなものにすること、および第二に、経路長の差が原因の増幅器間の飛行時間の任意の差を補うことである。一時的な振幅制御ループは、図３のパルス内の位相制御ループと比べて、組み合わせの有効性に対する影響はそれほどない。
【００３９】
図４に描写されるように、本実施形態はまた、随意に、パルススライサー（５０）と位相調整器（２０）との間の振幅調整器（７０）のアレイを含む。振幅調整器（７０）のための制御信号は、高速の一時的オーバーラップおよびパルス内の振幅制御のエレクトロニクス（７４）によって提供され、これは速い検出器アレイ（７２）からの入力を受信する。速い検出器アレイ（７２）は、パルス内で一時的な変動を分解するのに十分に速い速度で操作可能な光検出器のアレイである。
【００４０】
高速のエレクトロニクス（７４）は、一時的な特性の差と同様に、ファイバー増幅器からのパルスのアレイの前縁間のタイミング差を決定する。タイミングジッターは、増幅器間の正確なタイミングを確かなものとするための、振幅調整器（７０）へのフィードバックである。特定の増幅器に対する振幅特性の差は、すべての増幅器アレイの集合平均からその具体的な増幅器に対する高速信号を引くことによって計算される。増幅器アレイの振幅特性は、最初に、速い検出器アレイ信号を、コンパレーター（７８）を通る参照の電気パルス（７６）と比較することによって、随意に、参照の電気パルス（７６）に一致するように調整され得る。
【００４１】
図５は、図１、３および４の組み合わせの図を描写する。この図では、同様の要素が、同じ参照数字を有する。上に説明されるように、ＣＷ Ｑスイッチレーザー（１２）は、パルススライサー（５０）によって複数のビームに分割される。ビームは、振幅調整器（７０）、位相調整器（２０）、ファイバー増幅器（２４）、一連のビームスプリッター（２５）を通って移動し、その後、コヒーレントビームコンバイナー（２７）と組み合わされて、出力ビーム（２６）となる。図１のものを含む、３つのフィードバックループが示され、これは、ヘテロダイン検波器アレイ（２８）およびピストン位相制御エレクトロニクス（３６）を含む。図３の第２フィードバックループは、ヘテロダイン検波器アレイ（５６）および高速のパルス内の位相制御エレクトロニクス（５８）を含む。エレクトロニクス（３６）および（５８）の出力は、バイアス（ｂｉａｓ）Ｔ（６０）を使用して組み合わされる。最後に、図４のフィードバックループは、速い検出器アレイ（７２）、基準パルス発生回路（７６）、コンパレーター（７８）および高速の一時的オーバーラップおよびパルス内の振幅制御のエレクトロニクス（７４）を含む。図５の要素に対するさらなる詳細および代替案は、図１、３および４に関して上に与えられる。
【００４２】
上に説明されるように、ピストン位相制御は、非共通光路の間の経路長の変動を補うために必要である。これらの差は、主として、局所的な温度変動および音響振動などの環境外乱が原因である。図１は、各連鎖の出力をサンプリングし、周波数が偏移されたＣＳ参照ビームによってそれを免れ（ｍｉｓｓｉｎｇ ｉｔ ｗｉｔｈ）、それによって、光ヘテロダイン検波を介してピストン位相を抽出することによって、個別チャネルを位相ロックするピストン位相制御に対する手法を描写する。この技術の１つの問題は、結果的に、受動的なファイバー経路が独力でドリフトし（ｄｒｉｆｔ）得ることである。図６は、図５の機器に対応する本発明の実施形態を描写し、ここで、ヘテロダイン検波器アレイ（２８）およびピストン位相制御エレクトロニクス（３６）は、速いフォトダイオード（８０）およびチャネル分解およびピストン位相制御のエレクトロニクス（８２）と交換される。
【００４３】
図６の機器は、ＬＯＣＳＥＴ（Ｌｏｃｋｉｎｇ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｂｙ Ｓｉｎｇｌｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｔａｇｇｉｎｇ）技術を特色とする。この技術では、（図１に関連して議論される）低レベルのコヒーレントなＣＷ漏出は、位相抽出の特定（ｐｈａｓｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）に対する異なるＲＦ周波数で、異なる増幅器の連鎖に対する正弦波ＲＦ（無線周波数）信号とともに、位相変調される。この変調は、パルス中には適用されず、そのため、ピストン位相ロックの制御ループによってもたらされるパルス内の変調効果はない。単一の速いフォトダイオードによって、ほんの少しの組み合わさったビームが検出され、これは、増幅器間の干渉信号を含んでいる。周波数領域では、速いフォトダイオードからの電気信号は、すべての変調された正弦波信号およびそれらの合計および差周波数から成る。速いフォトダイオード信号のＲＦ周波数の分解によって、増幅器間のピストン位相誤差が、チャネル分解およびピストン位相制御のエレクトロニクス（８２）において電子的に測定され得る。チャネルのタグ付け（８４）は、位相調整器アレイおよびチャネル分解エレクトロニクス（８２）に正規直交の（ｏｒｔｈｏｎｏｒｍａｌ）信号のセットを提供する。代替案として、ＣＤＭＡ（符号分割多重アクセス）およびＴＤＮＡ（時分割多重アクセス）の技術も、ＲＦ周波数のタグ付けの代わりのチャネルのタグ付けのために使用され得る。
【００４４】
さらなる実施形態は、図７に描写される。この図では、同様の要素が、同じ参照数字を有する。図７は、図５の機器に対応する本発明の実施形態を描写し、ここで、ヘテロダイン検波器アレイ（２８）およびピストン位相制御エレクトロニクス（３６）は、フォトダイオード（９０）、山登法およびピストン位相制御のエレクトロニクス（９２）、およびディザー（９４）と交換される。位相制御のための山登法の技術によって、一連の小さな位相変調ディザーに対する組み合わさったビームの測定された反応から、フィードバック信号を得る。所定の実時間の遅いディザーシーケンスが、（９４）においてプリプログラムされ、ディザーは、加算（ｓｕｍｍｉｎｇ）エレクトロニクス（９６）で位相調整器に適用される。ほんの少しの組み合わさったビームを検出するために、遅い検出器が使用され、電気信号が、山登法およびピストン位相制御のエレクトロニクス（９２）に送られ、ここで、フィードバック信号は、計算され、バイアスＴ（６０）を通って位相調整器に適用される。一連の正規直交のディザーを使用する、ＳＰＧＤ（確率的並列勾配降下法）の技術は、高速収束に最適である。
【００４５】
本発明の実施例の実施は、本明細書で詳細に描写され、記載されているが、本発明の精神から逸脱することなく、様々な変更、追加、置換などが行われ得、それ故、これらが、以下の請求項で定義されるような本発明の範囲内にあると考えられることは、当業者にとって明白だろう。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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