JP2000056280A - 位相面制御を有する高平均パワ―・ファイバ・レ―ザ・システム - Google Patents

位相面制御を有する高平均パワ―・ファイバ・レ―ザ・システム

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JP2000056280A
JP2000056280A JP11226256A JP22625699A JP2000056280A JP 2000056280 A JP2000056280 A JP 2000056280A JP 11226256 A JP11226256 A JP 11226256A JP 22625699 A JP22625699 A JP 22625699A JP 2000056280 A JP2000056280 A JP 2000056280A
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Hiroshi Komine
ヒロシ・コミネ
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Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
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    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 既知のシステムより比較的複雑さが少ない光
ファイバを用いる比較的高平均パワー・ファイバ・レー
ザを提供する。 【解決手段】 並列ファイバ増幅器のフェーズド・アレ
イ30は共通マスタ発振器22に結合されている。各フ
ァイバ増幅器に対して独立に調整可能な光位相変調器2
6が設けられている。位相制御のためのフィードバック
信号を導出する波面センサ38が用いられる。任意の位
相プロフィール情報を位相変調器に印加して、所望の出
力ビームを合成することができる。したがって、位相制
御されたファイバ増幅器アレイは、光周波数での合成ア
パーチャ送信機として機能する。大気中のビーム伝搬の
ためのビーコン位相面センサと組み合わされて、位相変
調器は位相共役情報を符号化して大気収差を補償する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】関連出願に対する相互参照 本出願は、同日に出願されたH.Komineによる、
共通に所有された同時継続出願「位相共役を有する高平
均パワー・ファイバ・レーザ・システム(High A
verage Power Fiber Laser
SystemWith Phase Conjugat
ion)」および1998年4月24日に出願された米
国特許出願No.09/066063でH.Komin
eによる「位相面制御を有する高平均パワー固体レーザ
(High AveragePower Solid
State Laser With Phase Fr
ont Control)」と関連する。
【0002】本発明は、各ファイバ増幅器の独立の位相
制御を組み込みかつ共通マスタ発振器に結合されたフェ
ーズド・アレイの増幅器を用いる高平均パワー・ファイ
バ・レーザ・システムに関する。
【0003】
【従来の技術】高パワー・レーザ兵器システムは一般的
に当該技術において既知である。そのような高パワー・
レーザ・システムの例は、共通に所有されている米国特
許No.5,198,607に開示されている。そのよ
うなレーザ兵器システムは、通常、弾道ミサイル、巡航
ミサイル、爆撃機等のような、高パワー・レーザ兵器、
および高パワー・レーザを攻撃目標に自動追跡させる追
跡システムを含む。そのようなレーザ兵器は、そのよう
な攻撃目標を破壊または「殺す」ため用いられる。
【0004】そのようなレーザ兵器システムは比較的大
きな化学レーザを用いていることが知られている。しか
しながら、そのような化学レーザは幾つかの欠点を有す
る。たとえば、そのような化学レーザは、比較的かさが
大きく、かつ戦場配備に対して兵站学的困難を発生する
特別の燃料を必要とする。したがって、発電機で動作す
ることができる比較的効率的でコンパクトなレーザ兵器
を提供するニーズが生じていた。不都合にも、比較的コ
ンパクトで効率の良い既知のファイバ・レーザ・システ
ムのパワー出力レベルは、これまでレーザ兵器システム
に使用するのには不十分であった。そのようなファイバ
・レーザはデュアルクラッド光ファイバを含むことが知
られている。詳細には、そのようなファイバ・レーザは
シングルモード・デュアルクラッド光ファイバを含むこ
とが知られている。詳細には、光ファイバは、たとえば
SiO2から形成されかつYbまたはNd、Erまたは
他の希土類イオンのような希土類金属によりドープされ
たコアを含む。ドープされたコアは、異なる屈折率を有
する2つの異なるクラッディング層によりクラッディン
グされ、光の全内部反射を光ファイバ内に生じさせてシ
ングルモード・ファイバを形成する。ファイバ・レーザ
に用いられるそのような光ファイバの例は、米国特許N
o.4,815,079、No.5,087,108、
No.5,218,665、No.5,291,50
1、No.5,461,692、No.5,530,7
09およびNo.5,566,196に開示されてい
る。そのようなファイバ・レーザは、ダイオード・ポン
ピング(diode pump)され、たとえば約70
%の光対光効率で35ワットまでの比較的低い平均パワ
ー・レベルを発生することが知られている。不都合に
も、ファイバ・レーザのそのような比較的低いパワー・
レベルにより、該ファイバ・レーザは防衛用途を含む多
くの用途にとって不適切となる。
【0005】そのようなファイバ・レーザの平均パワー
出力を増大するため、種々の試みがなされてきた。その
ような試みの例は、米国特許No.5,121,460
およびNo.5,373,576に開示されている。そ
のような試みは、一般的に比較的複雑な光ファイバの使
用にかかわる。たとえば、米国特許No.5,121,
460は、溶融シリカの第1の楕円形状マルチモード・
クラッディングにより囲まれかつネオジムをドープされ
た主コアを有する光ファイバの使用を教示する。サマリ
ウムをドープされた副コアが主コアの周りで第1のクラ
ッディング層内に形成される。副コアはより高次のモー
ドを抑圧するため用いられる。
【0006】米国特許No.5,373,576はま
た、比較的高い平均パワーの光ファイバの使用を開示す
る。詳細には、米国特許No.5,373,576は、
たとえば溶融シリカから形成された第1のマルチモード
・クラッディング層により囲まれかつドープされたコア
を有する光ファイバを開示する。第2のクラッディング
層は、第1のクラッディング層の周りに形成され、液体
成分を有する架橋重合材料から形成される。米国特許N
o.5,121,460およびNo.5,373,57
6に開示された光ファイバは比較的複雑である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】したがって、既知のシ
ステムより比較的複雑さが少ない光ファイバを用いる比
較的高平均パワー・ファイバ・レーザに対するニーズが
ある。
【0008】
【課題を解決するための手段】簡単に述べると、本発明
は位相制御を有する比較的高平均パワー・ファイバ・レ
ーザ・システムに関する。レーザ・システムは、共通マ
スタ発振器に結合された並列ファイバ増幅器のフェーズ
ド・アレイを含む。本発明の重要な特徴は、各ファイバ
増幅器のために独立に調整可能な光位相変調器に関す
る。したがって、ファイバ増幅器アレイは、光の波長で
の合成アパーチャ送信機として動作する。速い空間的光
変調器(SLM)ならびにインライン・ファイバ位相変
調器のような位相変調のための種々の方法が企図されて
いる。双方のタイプの位相変調は、位相制御用のフィー
ドバック信号を導出するための波面センサを用いる。大
気中のビーム伝搬のためのビーコン位相面センサと組み
合わされて、位相変調器は、位相共役情報を符号化し
て、大気収差を補償することができる。他の高パワー・
レーザ・システムに対して、本発明によるレーザ・シス
テムは、一層低い重さ、容積およびコストをもたらすよ
り低い電源要求および冷却要件を有する。本発明による
ファイバ・レーザ・システムの使用はまた、大量生産に
向いているより少ない個別の光学機器および比較的単純
な光学システム設計によりパッケージングにより大きな
柔軟性を与えることを可能にする。
【0009】本発明のこれらのおよび他の利点は、以下
の記載及び添付の図面を参照して容易に理解されるであ
ろう。
【0010】
【発明の実施の形態】本発明は、図1に図示されかつ全
体的に参照番号20により識別される高平均パワー・フ
ァイバ・レーザ・システムに関する。既知のダイオード
・ポンピングされたデュアルクラッドのイッテルビウム
をドープされたグラス・ファイバ・レーザは、シングル
モード・ファイバにおいて約70%の光対光効率で35
ワットまでのパワーを発生することが知られている。比
較的高い平均パワーを与えるため、本発明によるファイ
バ・レーザ・システム20は、複数の並列ファイバ増幅
器、たとえば、共通マスタ発振器に接続されたダイオー
ド・ポンピングされたデュアルクラッド・ファイバ増幅
器を用いる。シングルモード・コアを有するデュアルク
ラッド・ファイバ増幅器は、解析限界のビーム出力を発
生することができる。長さが僅かに異なるファイバは、
出力ビームの光学的位相において差異をもたらす。その
ようなビームのアレイは貧弱なビーム品質を生じる。こ
の問題は、独立に制御される調整可能な位相変調器を各
増幅器に設けることにより解決される。これらの位相変
調器は、ファイバ増幅器のアレイの間の相対的な光学的
位相シフトを補償するため用いられる。位相変調器は、
ファイバ増幅器の入力側に配設され、ファイバ増幅器に
起因する位相シフトの事前補償を行う。個別の位相変調
器を有するファイバ増幅器により放射されるこの放射ア
レイは、ラジオ周波数およびマイクロ波周波数で動作す
る合成アパーチャ・レーダに類似している。本発明は光
の周波数で動作する。
【0011】図1を見ると、高平均パワー・ファイバ・
レーザ・システム20は、シングルモード・ファイバ・
レーザ、たとえば、IRE−POLUS GROUPに
よるモデルPYLシリーズのシングルモード・レーザか
ら形成されたマスタ発振器22を含む。マスタ発振器2
2は主レーザ信号を与える。マスタ発振器22からの主
レーザ光は、ビーム・スプリッタ・アレイ24に指向さ
れる。ビーム・スプリッタ・アレイ24は複数のファイ
バ・ビーム・スプリッタから構成されてよく、その複数
のファイバ・ビーム・スプリッタはマスタ発振器22か
らの主レーザ信号を複数の副レーザ信号、たとえば、図
示のようにN個の副レーザ信号に分割する。ビーム・ス
プリッタ・アレイ24の中のビーム・スプリッタの数
は、本システムの中のデュアルクラッド・ファイバ増幅
器の数に依存する。本発明の重要な特徴は、ファイバ増
幅器の数は増減されるレーザ出力ビームを与えるため変
えられることにある。
【0012】ビーム・スプリッタ・アレイ24からの副
レーザ信号は、位相変調器アレイ26に指向される。前
述したように、位相変調器アレイ26は、副レーザ信号
の事前補償を行い、ファイバ増幅器における相対的な光
学的位相シフトを補償する。以下でより詳細に説明され
るように、速い空間的光変調器(SLM)ならびにイン
ライン・ファイバ位相変調器を含む種々の方法が位相変
調器アレイ26として用いるのに適している。
【0013】本発明の重要な特徴は、ダイオード・ポン
ピングされたデュアルクラッド・シングルモード・ファ
イバ増幅器30を使用することにある。そのようなデュ
アルクラッド・シングルモード・ファイバ増幅器は、通
常のシングルモード・ファイバと比較して著しく高い出
力パワーをシングルモード・ファイバ出力に与えること
が知られている。そのようなデュアルクラッド・ファイ
バ内のポンピングされた内部クラッディング領域は、シ
ングルモード・コアより比較的大きくすることができ、
ファイバの端部でのより大きなポンプ・パワー結合を容
易にする。
【0014】位相変調器アレイ26からの事前補償され
た副レーザ信号は、レンズ・アレイ28によりコリメー
トされ得る。レンズ・アレイ28は、位相変調器アレイ
26からの事前補償された副レーザ信号をコリメートし
て複数のN個のファイバ増幅器30に中へ入れるため用
いられるN個の並列レンズから成る。各ファイバ増幅器
30は、レンズ・アレイ28からの1つのレンズと、ビ
ーム・スプリッタ・アレイ24からの個々の副レーザ・
ビームの光学的位相をコリメートするための位相変調器
アレイ26からの個々に調整可能な位相変調器とに関連
する。以下で説明されるレンズ・アレイ24およびコリ
メータ・レンズ・アレイ32は光学的機器であり、当該
光学的機器において小さい同一のレンズは、透明な基板
上に製作され、精密に整列された二次元グリッドの行及
び列に配置されている。そのような光学的機器は、たと
えば、アラバマ州HuntsvilleのMicro−
Electro−Mechanical System
sおよびコロラド州LongmontのMeadowl
ark Opticsから商業的に入手可能である。
【0015】個々のファイバ増幅器30からの出力信号
は、位相変調器アレイ26の事前補償により比較的歪の
無い波面を与える。ファイバ増幅器30からのこれらの
出力信号は、コリメータ・レンズ・アレイ32によりコ
リメートされ、比較的高い平均パワーの出力ビーム34
を与える。
【0016】出力ビーム34はビーム・サンプラー36
に指向され、そのビーム・サンプラー36は出力ビーム
の一部を波面センサ38へ反射する。波面センサ38
は、変調器ドライバ・フィードバック制御ユニット40
および位相変調器アレイ26と共に閉フィードバック・
ループを形成する。前述したように、位相変調器アレイ
は速い空間的光変調器(SLM)を用い得る。空間的光
変調器は当該技術において既知である。そのような空間
的光変調器の例は、たとえばコロラド州Lonmont
のMeadowlark Opticsから商業的に入
手可能である。そのようなSLMは、各対応するファイ
バ増幅器30の光学的位相を制御するため個々にアドレ
ス可能なエレメントまたはピクセルの二次元アレイから
作られている。位相変調器アレイ26を形成する各SL
Mにおけるピクセルは、出力ビーム34の波面の関数と
して変調され、共役位相面を生成する。詳細には、図2
に図示されるように、代表的な波面センサ38が図示さ
れている。波面センサ38はマッハ−ツェンダー干渉計
41から構成され得て、そのマッハ−ツェンダー干渉計
41では、図2に全体的に図示されているように、マス
タ発振器出力の小部分が基準信号を与える。出力ビーム
の小さい部分をサンプリングしてそれを基準信号と干渉
させることにより、その結果得られる干渉写真イメージ
は、位相エラーを強度の変動に変換し、その強度の変動
は電子的フォト・アレイまたはカメラ42および電子的
イメージ捕捉デバイス(すなわち、当該技術において周
知であるフレーム・グラッバー処理構造体を有するプロ
セッサ44)により観察されかつ記録されることができ
る。たとえば、そのような製品は、マサチューセッツ州
WalthamのImaging Technolog
y社から商業的に入手可能である。得られた位相エラー
の大きさの情報は、波面データを含むサンプル・ビーム
の各位置でのイメージ輝度により表される。第1のイメ
ージはプロセッサ・メモリに記憶され、第2のイメージ
は第1のイメージの直後に得られるが、基準ビームは四
分の一波長の位相シフトにより変調されている。2つの
イメージからの輝度値は、信号波の位相をモジューロ2
π内に独特に定める。変調器ドライバ・フィードバック
制御ユニット40は、波面センサ38からの波面データ
を用いて各増幅器パスにおいて各ピクセルに対して波面
の共役を発生するコンピュータから成り得る。次いで、
共役位相は、電気的信号に変換され、空間的光変調器を
駆動する。
【0017】前述したように、位相変調器アレイ26
は、遅い液晶型空間的光変調器(SLM)から形成され
得て、その遅い液晶型空間的光変調器は、比較的広い動
的範囲(5〜6波長)を有するが遅い応答(秒)を有し
かつファイバ増幅器30間の相対的光学的パス差を補償
する移相器のアレイにより形成される。大気収差を補償
するため、ビーコン位相面センサを設けてもよい。この
センサは、波面センサに似ているが、イメージを大気乱
流の故に非常に速く(>1KHz)獲得して処理する必
要がある。大気収差は、複数の速い液晶型SLMを位相
変調器アレイ26に組み込みかつその速いSLMをより
小さい範囲(一波長)であるが非常に速い応答(<1ミ
リ秒)に対して最適化することにより補償されることが
できる。速い位相変調を達成するための代替手段は、た
とえば、カナダのCanadianInstrumen
tation & Research Ltd.から商
業的に入手可能なピエゾ・ファイバ変調器を含み、商業
的製品はカリフォルニア州San Joseのユニフェ
ーズ電気光学製品部門(Uniphase Elect
ro−Optics Products Divisi
on)から入手可能である。これらの両方の器具はま
た、シングルモード・ファイバ用の位相変調器として働
くことができる。これらの波面データの速いおよび遅い
成分は、プロセッサ44において分離され、変調器ドラ
イバ・フィードバック制御ユニット40のそれぞれのパ
ーツを駆動し得る。
【0018】図1に示されるファイバ・レーザ・システ
ム20は、波面補償を有する高平均パワー・ファイバ・
レーザ・システムを形成する。コンパクトで効率的であ
る上に、高平均パワー・ファイバ・レーザ・システム2
0は、位相面制御により増減可能なパワー出力を与え、
パワー・レベル要件が変わる場合や、ビーム収差訂正が
システム性能を向上させる場合の用途に有用である。
【0019】本発明の多くの修正および変形が上記教示
に照らして可能であることは明らかである。したがっ
て、特許請求の範囲内で本発明は、特に前述した以外で
実施することができることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に従った高平均パワー・レーザ・システ
ムのブロック図である。
【図2】代表的な波面センサを示す図1の高平均パワー
・レーザ・システムのより詳細なブロック図である。
【符号の説明】
20 ファイバ・レーザ・システム 22 マスタ発振器 24 ビーム・スプリッタ・アレイ 26 位相変調器アレイ 28 レンズ・アレイ 30 ダイオード・ポンピングされたデュアルクラッド
・シングルモード・ファイバ増幅器 32 コリメータ・レンズ・アレイ 36 ビーム・サンプラー 38 波面センサ 40 変調器ドライバ・フィードバック制御ユニット 41 マッハ−ツェンダー干渉計 42 電子的フォト・アレイまたはカメラ 44 プロセッサ
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成11年9月10日(1999.9.1
0)
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図1】
【図2】

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 主レーザ信号を発生するマスタ発振器
    と、 前記主レーザ信号をN個の副レーザ信号に分割するビー
    ム・スプリッタ・アレイと、 前記N個の副レーザ信号の位相補償を行う位相変調器ア
    レイと、 前記N個の副レーザ信号を増幅しかつ出力ビームを発生
    するN個のシングルモード・デュアルクラッド・ファイ
    バ増幅器と、 前記出力ビームをサンプリングし、サンプリングされた
    信号を定義するビーム・サンプラーと、 前記サンプリングされた信号に応答してフィードバック
    信号を前記位相変調器アレイに与えて前記副レーザ信号
    の位相補償を行う手段とを備える高平均パワー・ファイ
    バ・レーザ・システム。
  2. 【請求項2】 前記位相変調器アレイは、各前記N個の
    副レーザ信号の個々の位相制御を行うN個の液晶型空間
    的光変調器(SLM)を含む請求項1記載の高平均パワ
    ー・ファイバ・レーザ・システム。
  3. 【請求項3】 前記位相変調器アレイは、前記増幅器の
    相対的光学的位相シフトの訂正を行う複数の遅い液晶型
    SLMを含む請求項2記載の高平均パワー・ファイバ・
    レーザ・システム。
  4. 【請求項4】 前記位相変調器アレイはさらに、大気収
    差の補償を行う複数の速い液晶型SLMを含む請求項3
    記載の高平均パワー・ファイバ・レーザ・システム。
  5. 【請求項5】 前記シングルモード・デュアルクラッド
    ・ファイバ増幅器に印加された前記副レーザ・ビームを
    コリメートする第1のレンズ・アレイをさらに含む請求
    項1記載の高平均パワー・ファイバ・レーザ・システ
    ム。
  6. 【請求項6】 前記N個の増幅器に印加される前に前記
    副レンズ信号をコリメートする第2のレンズ・アレイを
    さらに含む請求項5記載の高平均パワー・ファイバ・レ
    ーザ・システム。
  7. 【請求項7】 主レーザ信号を発生するマスタ発振器
    と、 前記主レーザ信号をN個の副レーザ信号に分割するビー
    ム・スプリッタと、 前記マスタ発振器に結合された並列ファイバ増幅器のフ
    ェーズド・アレイと、 前記並列ファイバ増幅器から生じた位相歪を補償する手
    段とを備える高平均パワー・ファイバ・レーザ・システ
    ム。
  8. 【請求項8】 (a)光学的信号を複数の副レーザ信号
    に分割するステップと、 (b)各前記副レーザ信号の位相補償を行うステップ
    と、 (c)出力ビームを発生するステップとを備える、光フ
    ァイバ・システからの光学的信号の位相補償を行う方
    法。
JP11226256A 1998-08-11 1999-08-10 位相面制御を有する高平均パワ―・ファイバ・レ―ザ・システム Pending JP2000056280A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US13217898A 1998-08-11 1998-08-11
US09/132178 1998-08-11

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JP11226256A Pending JP2000056280A (ja) 1998-08-11 1999-08-10 位相面制御を有する高平均パワ―・ファイバ・レ―ザ・システム

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