CN104169777B - 多光束耦合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多光束耦合装置。多光束耦合装置具备相移部、叠加部、观测部及相位控制部。相移部通过使多个激光各自的相位位移，生成多个位移激光。叠加部通过将多个位移激光的每一个和参照光叠加，生成多个叠加激光。观测部生成与观测叠加激光的每一个时出现的空间的干涉图形相关的干涉图形信息。相位控制部基于对叠加激光的每一个得到的干涉图形信息，反馈控制相移部进行的相移，由此，将多个位移激光设定为希望的状态。

Description

多光束耦合装置
技术领域
本发明涉及多光束耦合装置。
背景技术
在专利文献1(US专利第7,884,997号)及专利文献2(日本特开2005－294409号公报)中记载有将多个激光耦合而得到高强度的激光输出的相干光耦合装置。
在专利文献1中，为了检测多个激光间的相位差，采用“光外差方式”。具体而言，将由主振荡器输出的基本激光分束为参照光和多个激光。参照光的频率通过移频器(optical frequency shifter)位移。通过将移频后的参照光和各激光叠加，产生差拍(拍频)。基于该差拍的观测，求多个激光间的相位差。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:US专利第7,884,997号
专利文献2:(日本)特开2005－294409号公报
在采用光外差方式的情况下，要求在参照光和激光之间频率不同，因此，如上述，移频器是不可缺少的。但是，这成为装置复杂和高成本的原因。
发明内容
本发明的一个目的在于，以简易的结构实现可以控制多个激光各自的相位的多光束耦合装置。
下面，使用在“用于实施发明的方式”中所使用的序号、符号说明“用于解决课题的技术方案”。这些序号、符号是为了明确“权利要求书”的记述和“用于实施发明的方式”的对应关系而以带括弧的方式附加。但是，在“权利要求书”所记述的发明的技术范围的解释中没有使用这些序号、符号。
在本发明一方面提供多光束耦合装置(1)。该多光束耦合装置(1)具备相移部(50)、叠加部(70)、观测部(80)、相位控制部(90)。相移部(50)通过使多个激光(Bb－1、Bb－2、Bb－3)各自的相位位移，生成多个位移激光(Bc－1、Bc－2、Bc－3)。叠加部(70)通过将多个位移激光(Bc－1、Bc－2、Bc－3)的每一个和参照光(Br)叠加，生成多个叠加激光(Bs－1、Bs－2、Bs－3)。观测部(80)生成与观测多个叠加激光(Bs－1、Bs－2、Bs－3)的每一个时出现的空间的干涉图形的干涉图形信息(PTN1、PTN2、PTN3)。相位控制部(90)基于对多个叠加激光(Bs－1、Bs－2、Bs－3)的每一个得到的干涉图形信息(PTN1、PTN2、PTN3)，反馈控制相移部(50)的相移，由此，将多个位移激光(Bc－1、Bc－2、Bc－3)设定为希望的状态。
观测部(80)还可以具备以观测多个叠加激光(Bs－1、Bs－2、Bs－3)的每一个的方式设置的多个观测装置(81－1、81－2、81－3)。另外，多个观测装置(81－1、81－2、81－3)各自的(81－i)还可以具备在多个观测位置观测对应的一个叠加激光(Bs－i)的强度的多个传感器(82－i1、82－i2)。该情况下，干涉图形信息(PTN1、PTN2、PTN3)包含在多个观测位置分别观测的强度(Ai1、Ai2)。
干涉图形参数(Ri)基于在多个观测位置分别观测的强度(Ai1、Ai2)定义。该情况下，相位控制部(90)还可以以与多个叠加激光(Bs－1、Bs－2、Bs－3)分别相关的干涉图形参数(Ri)与目标值(Rt)一致的方式反馈控制相移部(50)进行的相移。
多个传感器(82－i1、82－i2)的数量还可以为2个。2个传感器(82－i1、82－i2)观测两处观测位置各自的的强度(Ai1、Ai2)。该情况下，干涉图形参数(Ri)取决于两处观测位置之间的强度之比、或梯度、或差。
相位控制部(90)还可以以两处观测位置各自的强度(Ai1、Ai2)相等或为规定的值的方式反馈控制相移部(50)。
本发明的多光束耦合装置(1)还可以具备放大多个位移激光(Bc－1、Bc－2、Bc－3)的每一个的光束放大部(60)。
本发明的多光束耦合装置(1)还可以具备生成基本激光(Ba)的激光振荡器(10)、和将基本激光(Ba)分束为多个激光(Bb－1、Bb－2、Bb－3)和参照光(Br)的分束部(20)。
在本发明的多光束耦合装置(1)中，由分束部(20)生成的参照光(Br)也可以不通过移频器而达到叠加部(70)。
根据本发明，能够以简易的结构实现能够控制多个激光各自的相位的多光束耦合装置。
附图说明
图1是表示本发明实施方式的多光束耦合装置的构成例的方框图；
图2是表示本发明实施方式的多光束耦合装置的其它构成例的方框图；
图3示意性表示参照光和激光的叠加；
图4示意性表示观测叠加激光时出现的干涉图形；
图5表示相位的变化带来的干涉图形的位移；
图6表示X方向上的叠加激光的强度分布；
图7是表示本发明实施方式的观测部的构成例的方框图；
图8是用于说明本发明实施方式的相位控制的概念图；
图9表示本发明实施方式的观测部及相位控制部的构成例；
图10是用于说明本发明实施方式的相位控制的概念图。
具体实施方式
参照附图面，说明本发明的实施方式。
图1是表示本发明实施方式的多光束耦合装置1的构成例的方框图。多光束耦合装置1具备激光振荡器10、分束部20、光束扩展部30、相移部50、光束放大部60、叠加部70、观测部80、及相位控制部90。
激光振荡器10作为主振荡器(master oscillator)发挥功能，生成、输出基本激光Ba。
分束部20接收由激光振荡器10输出的基本激光Ba并将该基本激光Ba分束为参照光(reference beam)Br和多个对象激光Bb。例如，如图1所示，分束部20具备光束分离器(beam splitter)21、22、23和反射镜24。光束分离器21将基本激光Ba分束为两个激光。其中一方为参照光Br，另一方入射到光束分离器22。光束分离器22再将接收到的激光分束为两个激光。其中一方为对象激光Bb－1，另一方入射到光束分离器23。光束分离器23再将接收到的激光分束为两个激光。其中一方为对象激光Bb－2，另一方入射到反射镜24。由反射镜24反射的激光为对象激光Bb－3。另外，在本例中，生成三条对象激光Bb－1～Bb－3，但其数量不限于三条。另外，光束的分束也可以使用光纤。
光束扩展部30接收由分束部20输出的参照光Br，并扩展该参照光Br的光束尺寸。更详细而言，光束扩展部30具备反射镜31和光束扩展器(beamexpander)32。参照光Br通过反射镜31反射，入射到光束扩展器32。光束扩展器32扩展参照光Br的光束尺寸。光束尺寸扩展后的参照光Br被供给向后述的叠加部70(光束分离器71)。另外，优选光束尺寸扩展后的参照光Br为平面波。
另一方面，由分束部20输出的对象激光Bb－1、Bb－2、Bb－3作为一例，分别通过反射镜40－1、40－2、40－3反射，入射到相移部50。作为其它例，对象激光Bb－1、Bb－2、Bb－3利用纤维入射到相移部50。另外，从分束部20至相移部50之间还可以包含光束扩展器、指向修正、波前修正等。
相移部50接收多个对象激光Bb－1～Bb－3。相移部50以可以对对象激光Bb－1～Bb－3各自的相位进行位移的方式构成。例如，如图1所示，相移部50具备相移器51－1～51－3。作为各相移器51，例如使用压电镜(pieso－actuator mirror system)。作为其它例，使用透射型的相移器。相移器51－1、51－2、51－3分别接收对象激光Bb－1、Bb－2、Bb－3，以可对这些对象激光Bb－1、Bb－2、Bb－3的相位进行位移的方式配置。相移器51－1、51－2、51－3各自的相移量可通过控制信号CON1、CON2、CON3控制。相移后的对象激光Bb－1、Bb－2、Bb－3分别是位移激光Bc－1、Bc－2、Bc－3。即相移部50通过进行对象激光Bb－1、Bb－2、Bb－3各自的相移，生成位移激光Bc－1、Bc－2、Bc－3。该相移部50的相移可通过控制信号CON1～CON3来控制。此外，这些控制信号CON1～CON3由后述的位控制部90生成。
光束放大部60接收由相移部50输出的位移激光Bc－1～Bc－3，并对这些位移激光Bc－1～Bc－3的分别进行放大。例如，如图1所示，光束放大部60具备放大器(power amplifier)61－1、61－2、61－3。放大器61－1、61－2、61－3分别放大位移激光Bc－1、Bc－2、Bc－3。放大后的位移激光Bc－1、Bc－2、Bc－3向后述的叠加部70(光束分离器71)供给。另外，光束放大部60还包含光束扩展器、指向修正、波前修正等。
叠加部70接收由光束扩展部30输出的参照光Br，另外，接收由光束放大部60输出的多个位移激光Bc－1、Bc－2、Bc－3。而且，叠加部70通过将多个位移激光Bc－1、Bc－2、Bc－3的每一个和参照光Br叠加，生成多个叠加激光Bs－1、Bs－2、Bs－3。例如，如图1所示，叠加部70具备光束分离器71。光束分离器71对位移激光Bc－1、Bc－2、Bc－3的每一个进行分束。分束后的位移激光Bc－1、Bc－2、Bc－3和参照光Br的行进方向一致，通过这些的叠加而生成叠加激光Bs－1、Bs－2、Bs－3。
另外，在本实施方式中，在分束部20和叠加部70之间的光路上未设置移频器(optical frequency shifter)。由分束部20生成的参照光Br不通过移频器而达到叠加部70。另外，对象激光Bb－1～Bb－3及位移激光Bc－1～Bc－3也不通过移频器。因此，参照光Br和位移激光Bc－1～Bc－3各自的频率实质上一致。
多个叠加激光Bs－1～Bs－3被输入观测部80。在此，如图2所示，在叠加部70和观测部80之间还可以设置光束扩展器75－1、75－2、75－3。光束扩展器75－1、75－2、75－3扩展叠加激光Bs－1、Bs－2、Bs－3各自的光束尺寸。该情况的光束尺寸扩展后的叠加激光Bs－1～Bs－3被输入观测部80。
观测部80进行叠加激光Bs－1～Bs－3各自的观测。观测面与平面波即参照光Br的波面平行。
在此，考虑参照光Br和位移激光的干涉。图3概念性表示参照光Br和位移激光Bc的叠加。图4表示观测面的叠加激光Bs－i(i＝1、2、3)的光斑的例子。在该光斑内，参照光Br的相位一样，但位移激光Bc－i的相位未必一样。因此，若观测位移激光Bc－i和参照光Br的叠加即叠加激光Bs－i，则因干涉而出现图4所示的“空间的干涉图形(干涉条纹)”。干涉条纹的重复方向(发生强弱的方向)参照下面“X方向”。
图5表示相位的变化带来的干涉图形的位移。若位移激光Bc－i的相位变化，则与此对应，观测面上的干涉图形向X方向位移。反而言之，通过控制由上述的相移部50进行的相移，使位移激光Bc－i的相位变化，由此可以使观测面上的干涉图形向X方向位移。
图6表示观测面上的X方向的叠加激光Bs－i的强度分布。横轴表示X方向的位置，纵轴表示激光强度。如图6所示，激光强度的强弱因干涉而在X方向重复出现。具体而言，在位移激光Bc－i和参照光Br为同相的X位置，激光强度为最大，在它们为逆相的X位置，激光强度为最小。这样，观测与干涉图形(干涉条纹)对应的空间的强度分布。若位移激光Bc－i的相位变化，则与此对应，观测面上的强度分布在X方向位移。反而言之，通过控制上述的相移部50进行的相移，使位移激光Bc－i的相位变化，可以使观测面上的强度分布在X方向位移。
观测部80通过叠加激光Bs－i的观测，生成与该叠加激光Bs－i的空间的干涉图形相关的“干涉图形信息PTNi”。干涉图形信息PTNi只要反映干涉图形即可，即可以是如图4及图5所示的二维图像数据，也可以是图6所示的X方向的强度分布数据。另外，分别对叠加激光Bs－i(i＝1、2、3)的每一个获得干涉图形信息PTNi。即，观测部80通过观测各叠加激光Bs－1、Bs－2、Bs－3，分别生成干涉图形信息PTN1、PTN2、PTN3。观测部80将这些干涉图形信息PTN1、PTN2、PTN3向相位控制部90输出。
相位控制部90接收干涉图形信息PTN1～PTN3。通过参照这些干涉图形信息PTN1～PTN3，相位控制部90可以掌握多个位移激光Bc－1～Bc－3间的相位关系。因此，相位控制部90可以以得到希望的相位关系的方式反馈控制相移部50的各相移器51－1～51－3。具体而言，相位控制部90以位移激光Bc－1、Bc－2、Bc－3分别成为希望的状态的方式生成控制信号CON1、CON2、CON3，将这些控制信号CON1、CON2、CON3向各相移器51－1、51－2、51－3输出。这样，相位控制部90基于对叠加激光Bs－1、Bs－2、Bs－3的每一个获得的干涉图形信息PTN1、PTN2、PTN3，反馈控制由相移部50进行的相移，由此，将多个位移激光Bc－1、Bc－2、Bc－3设定为希望的状态。
典型而言，相位控制部90基于干涉图形信息PTN1～PTN3进行模式匹配，由此使位移激光Bc－1～Bc－3各自的相位相互一致。通过将相位一致的多个位移激光Bc－1～Bc－3彼此耦合，可以得到高强度的激光输出。
下面，说明观测部80及相位控制部90的构成例。
如图7所示，观测部80具备观测装置81－1、81－2、81－3。观测装置81－1、81－2、81－3分别以观测各叠加激光Bs－1、Bs－2、Bs－3的方式设置。而且，观测装置81－1、81－2、81－3生成各干涉图形信息PTN1、PTN2、PTN3。
各观测装置81－i(i＝1、2、3)在多个观测位置观测对应的一个叠加激光Bs－i的强度。因此，观测装置81－i具备多个传感器82－ij(j＝1～n；n为2以上的整数)。作为传感器82，例如使用光电二极管。多个传感器82－ij配置于各不同相的X位置，且沿着X方向整齐排列。通过使用这样的多个传感器82－ij，观测装置81－i可在不同的X位置测量叠加激光Bs－i的强度。
图8概念性表示多个传感器82－ij进行的叠加激光Bs－i的强度的测量。与已有的图6相同，横轴表示X方向的位置，纵轴表示激光强度。如图8所示，传感器82－ij测量位置Xij的叠加激光Bs－i的强度Aij。即，对于叠加激光Bs－i，作为信息获得多个位置Xi1～Xin各自的强度Ai1～Ain。这样的多个位置Xi1～Xin各自的强度Ai1～Ain反映叠加激光Bs－i的空间的干涉图形(强度分布)。因此，在多个位置Xi1～Xin的每一位置观测到的强度Ai1～Ain作为与叠加激光Bs－i相关的干涉图形信息PTNi使用。
在此，导入“干涉图形参数Ri”。干涉图形参数Ri基于在多个位置Xi1～Xin的每一位置观测到的强度Ai1～Ain定义，表示为Ri＝f(Xij，Aij)。最简单的情况下，仅使用两个传感器82－i1、82－i2，基于2点Xi1，Xi2的强度Ai1，Ai2定义干涉图形参数Ri。例如，干涉图形参数Ri取决于2点间的强度之比：Ri＝f1(Ai2/Ai1)。或干涉图形参数Ri取决于2点间的梯度：Ri＝f2((Ai2－Ai1)/(Xi2－Xi1))。或干涉图形参数Ri取决于2点间的强度之差：Ri＝f3(Ai2－Ai1)。
可以说这样的干涉图形参数Ri也反映叠加激光Bs－i的空间的干涉图形(强度分布)。若位移激光Bc－i的相位变化，则与它相应地，干涉图形参数Ri也变化。反而言之，通过控制由上述相移部50进行的相移，使位移激光Bc－i的相位变化，由此可以使干涉图形参数Ri变化。
相位控制部90根据干涉图形信息PTN1、PTN2、PTN3可以得到与叠加激光Bs－1、Bs－2、Bs－3分别相关的干涉图形参数R1、R2、R3。通过参照这些干涉图形参数R1、R2、R3，相位控制部90可以掌握多个位移激光Bc－1、Bc－2、Bc－3间的相位关系。因此，相位控制部90可以以得到希望的相位关系的方式反馈控制相移部50的各相移器51－1～51－3。
典型而言，相位控制部90进行位移激光Bc－1～Bc－3各自的相位相互一致的反馈控制。具体而言，设定某一目标值Rt1、Rt2、Rt3。而且，相位控制部90以干涉图形参数R1、R2、R3与各目标值Rt1、Rt2、Rt3一致的方式反馈控制由相移部50进行的相移。换言之，相位控制部90通过将干涉图形参数Ri控制在目标值Rti，在希望的位置锁定位移激光Bc－i的相位。
目标值Rt1、Rt2、Rt3也可以预先设定在寄存器等电路中。目标值Rt1、Rt2、Rt3也可以根据外部信号设定。目标值Rt1、Rt2、Rt3也可以是共通的值。目标值Rt1、Rt2、Rt3也可以从多个值中选择。目标值Rt1、Rt2、Rt3也可以是连续可变的。
另外，传感器82－ij可以沿X方向可动地设计。通过使传感器82－ij的X位置物理地移动，可以使锁定位移激光Bc－i的相位的值(锁定值)变化。或锁定值也可以通过对干涉图形信息进行信号处理并输入来变更。例如，通过调节传感器82的内部电阻及偏压等，可以变更传感器82的输出电压，由此，可以改变锁定值。
图9表示观测部80及相位控制部90的构成之一例。各观测装置81－i仅具备两个传感器82－i1、82－i2，对叠加激光Bs－i测量2点强度Ai1、Ai2。即，干涉图形信息PTNi为强度Ai1、Ai2。由于传感器82的数量最小，所以构成简单而优选。
相位控制部90具备连接于观测装置81－i的差动放大器91－i。该差动放大器91－i基于干涉图形信息PTNi生成控制信号CONi。具体而言，从各传感器82－i1、82－i2输出与观测强度Ai1、Ai2对应的两个信号，且将这两个信号输入差动放大器91－i的两个输入端子。而且，差动放大器91－i以强度差Ri＝Ai2－Ai1为规定的目标值Rti的方式生成控制信号CONi。
例如，规定的目标值Rti被设定为“0”。这与如图10所示，以2点强度Ai1、Ai2一致的方式进行反馈控制的情况等效。即，差动放大器91－i以强度Ai1、Ai2相等的方式反馈控制控制信号CONi(相移器51－i)。图10所示的控制简单，优选。
另外，在图10所示的控制的情况下，在强度Ai1、Ai2一致时，强度分布的波峰(或波谷)来到位置Xi1、Xi2的中间点。因此，即使在叠加激光Bs－1～Bs－3间“最大值强度的绝对值”不同的情况下，也能够进行可靠的相位控制。
另外，通过调节传感器位置或强度分布，也可以将位置Xi1、Xi2的中间点设在强度分布的极大和极小的中间地点。例如，将位置Xi1、Xi2的间隔设定在强度图形变化周期的一半。由此，对相位的变动带来的强度分布的变动可以更加提高灵敏度，优选。
如以上说明，根据本实施方式，基于“空间的干涉图形”进行相位控制。由于不是现有的光外差方式，所以不需要移频器。即，与目前相比以简单的结构可实现相位控制。这也带来成本的降低。
另外，通过耦合放大后的多个位移激光Bc－1、Bc－2、Bc－3，可得到高强度的激光输出。另外，作为相干耦合的一例，考虑实施使输出段的位移激光Bc－1、Bc－2、Bc－3间的相位差为零的控制。本实施方式可适用于相干光耦合装置及高输出激光系统。
以上，本发明的实施方式通过参照附图进行了说明。但本发明不限定于上述的实施方式，在不脱离宗旨的范围内可以由从业者适当变更。
本申请基于2012年1月20日申请的日本专利出愿2012－009972主张优先权，在此引用其全部的公开。

Claims (8)

1.一种多光束耦合装置，其具备：
相移部，其通过使多个激光各自的相位位移，生成多个位移激光；
叠加部，其通过将所述多个位移激光的每一个和参照光叠加，生成多个叠加激光；
观测部，其生成与观测所述多个叠加激光的每一个时出现的空间的干涉图形相关的干涉图形信息；
相位控制部，其基于对所述多个叠加激光的每一个得到的所述干涉图形信息，反馈控制由所述相移部进行的相移，由此，将所述多个位移激光设定为希望的状态，
所述观测部具备以观测所述多个叠加激光的每一个的方式设置的多个观测装置，
所述多个观测装置分别具备在多个观测位置观测对应的一个叠加激光的强度的多个传感器，
所述干涉图形信息包含在所述多个观测位置分别观测的所述强度，
基于在所述多个观测位置分别观测的所述强度定义干涉图形参数，
所述相位控制部以与所述多个叠加激光分别相关的所述干涉图形参数与目标值一致的方式反馈控制所述相移部进行的所述相移，
所述干涉图形参数取决于所述多个观测位置之间的所述强度之比、或梯度、或差。
2.如权利要求1所述的多光束耦合装置，其中，
所述多个传感器的数量为2个，
所述2个传感器观测两处观测位置各自的所述强度，
所述干涉图形参数取决于所述两处观测位置之间的所述强度之比、或梯度、或差。
3.如权利要求2所述的多光束耦合装置，其中，
所述相位控制部以所述两处观测位置各自的所述强度相等或为规定的值的方式反馈控制所述相移部进行的所述相移。
4.如权利要求2或3所述的多光束耦合装置，其中，
还具备放大所述多个位移激光的每一个的光束放大部。
5.如权利要求2或3所述的多光束耦合装置，其中，还具备：
激光振荡器，其生成基本激光；
分束部，其将所述基本激光分束为所述多个激光和所述参照光。
6.如权利要求5所述的多光束耦合装置，其中，
通过所述分束部生成的所述参照光不通过移频器而达到所述叠加部。
7.如权利要求4所述的多光束耦合装置，其中，还包括：
产生基本激光的激光振荡器和光束分束部，所述光束分束部将所述基本激光分束为所述多个激光和所述参考光。
8.如权利要求7所述的多光束耦合装置，其中，还包括：
由所述光束分束部生成的所述参考光不通过移频器到达所述叠加部。
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