JP2005294409A - コヒーレント光結合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ装置において、レーザビームの高強度化を目的としている。
【解決手段】 コヒーレント光結合装置において、レーザ光源から出力されたレーザビームを複数のレーザビームに分配する分配部と、前記分配部で分配された複数のレーザビーム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ビームを集光する集光部と、前記集光部で集光された複数のレーザビームにおける光強度分布の観測結果に基づいて、前記集光部で集光される複数のレーザビームにおける光強度分布を制御する光強度分布制御部と、を備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、レーザ装置に係るものであり、特に複数のレーザビームを光結合させることによる高強度化技術に関するものである。

近年、高強度短パルスレーザ光を用いて超高密度プラズマ（固体あるいはそれ以上の密度のプラズマ）を瞬間に加熱することにより核融合反応を生ぜしめることに関する研究開発が盛んに行われるようになってきている。
従来、このような高強度のレーザビームを得るために、レーザ光源から発せられたレーザ光をレンズ系や集光鏡を用いて集光するようにしている（例えば特許文献１参照）。

特開２００４−５５８１９号公報

特許文献１に開示された従来のレーザ装置においては、レーザ光源から発せられた１本のレーザビームをレンズ系や集光鏡を用いて集光するようにしているので、レーザ光源の高出力化の限界や、レンズ系や集光鏡の光耐性等により、レーザビームの高強度化が制限されるという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、レーザ装置において、レーザビームの高強度化を目的としている。

この発明に係るコヒーレント光結合装置は、レーザ光源から出力されたレーザビームを複数のレーザビームに分配する分配部と、前記分配部で分配された複数のレーザビーム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ビームを集光する集光部と、前記集光部で集光された複数のレーザビームにおける光強度分布の観測結果に基づいて、前記集光部で集光される複数のレーザビームにおける光強度分布を制御する光強度分布制御部と、を備えるものである。

この発明は、コヒーレント光結合装置において、レーザ光源から出力されたレーザ光を複数のレーザビームに分配してからそれぞれ増幅した後、所望の光強度分布が得られるように複数のレーザビームを集光し，レーザビームの高強度化を実現することができる。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１によるコヒーレント光結合装置は、レーザ光源から出力されたレーザ光を複数のレーザビームに分配してからそれぞれ増幅した後、各レーザビーム間の位相差の時間変動が低減されるように位相差を制御し、さらに、所望の光強度分布が得られるように位相差を制御して集光することにより、レーザビームの高強度化を実現することができるものである。

図１は、この発明の実施の形態１によるコヒーレント光結合装置を示す構成図である。
図１において、１はレーザ光源、２は分配部、３は第１の位相制御器、４は増幅部、５は第１の分離部、６は第２の位相制御器、７は集光部、８は第２の分離部、９は位相観測部、１０は光強度分布観測部である。
なお、第１の位相制御器３と第１の分離部５と位相観測部９とで位相制御部を構成する
。第２の位相制御器６と第２の分離部８と光強度分布観測部１０とで光強度分布制御部を構成する。
図１においては、一例として分配部２が４つのレーザビームに分配する場合について示しているが、分配数はこれに限られるものではない。
なお、第１の位相制御器３および第２の位相制御器６は、図中分配部２と集光部７の間であれば、それぞれどこに設置されても良い。

次に動作について説明する。
図１において、レーザ光源１から出力されたパルスレーザビームは、分配部２において４つのレーザビームに分配され、増幅部４においてそれぞれ増幅され、集光部７により所定の集光点に集光されてコヒーレント光結合される。なお、コヒーレント光結合とは、複数のコヒーレント光が位相整合されて結合されることを言う。
ここで、レーザビームを分配してそれぞれ増幅してから集光しているので、レーザ光源１の高出力化の限界や、集光部７のレンズ系や集光鏡を初めとする光路における光学部品の光耐性等による制限を超え、分配数に応じて高強度化できるのである。この実施の形態１においては、４分配しているので電界において約４倍、すなわち光強度において約１６倍の高強度化が可能となる。
なお、レーザビームがパルスの場合を示すが連続波であっても同様の効果を奏する。

次に位相整合の動作について説明する。
第１の分離部５においては、４つのレーザビームの一部がそれぞれ分離され、位相観測部９において、この分離された各レーザビーム間の位相差が観測される。そして、第１の位相制御器３は、この観測された位相差の時間変動が低減されるように、４つのレーザビーム間の位相差をそれぞれ制御する。
なお、各レーザビームの位相差の時間変動は、それぞれの光路における光部品の機械的振動や周囲温度変動等に起因して常に発生しているので、この場合の位相差制御は時間変動よりも高速に常に行う必要がある。ただし、光部品の機械的振動や周囲温度変動の低減対策等により位相差の時間変動を問題としない場合には、前記位相制御部を省略する構成も考えられる。

第２の分離部８においては、集光部７により所定の集光点に集光される４つのレーザビームの一部が集光される途中でそれぞれ分離され、光強度分布観測部１０において、この分離され、所定の集光点の共役点に集光された各レーザビームの一部の光強度分布が観測される。そして、第２の位相制御器６は、この観測される光強度分布が所望の光強度分布となるように、４つのレーザビーム間の位相差をそれぞれ制御することにより光強度分布を制御する。
なお、各レーザビーム間の位相差の時間変動が第１の位相制御器３により低減されているので、この場合の位相差制御は、通常は初期設定時等に必要に応じて行えば良い。
これにより、分配され、それぞれ増幅された各レーザビーム間に残っている静的な位相差を低減し、この位相差に起因する光強度分布の変形を修正して、例えば単峰でピーク強度が高いといった所望の光強度分布をもつ高強度レーザビームとして集光することができるのである。

また、位相観測部９による各レーザビーム間に残っている静的な位相差の観測結果と、光強度分布観測部１０による光強度分布の観測結果の両方を利用して、所望の光強度分布が得られるように、第２の位相制御器６を用いて４つのレーザビーム間の位相差をそれぞれ制御するようにしても良い。これにより、位相差制御の収束性を高め、位相差制御の高精度化が可能となる。

次に各部における動作について説明する。
レーザ光源１は、例えばネオジウムイオンの添加された固体レーザまたは光ファイバレーザであり、レーザ波長は、約１μｍである。
同様に、増幅部４は、ネオジウムイオンの添加された固体レーザ増幅器または光ファイバレーザ増幅器であり、増幅波長は、約１μｍである。
なお、レーザおよび増幅器の種別や、動作波長が上記に限られるものでないことは言うまでもない。

分配部２、第１の分離部５および第２の分離部８においては、光路中に斜め４５度に設置された部分反射型の光学ミラーが、反射光と透過光をそれぞれ異なる光路に分離する。

集光部７においては、光路中に配置された集光光学系により各レーザビームが所定の集光点に集光される。なお、集光光学系としては例えばレンズやミラーを用いて構成する。また、レンズやミラーは各ビームに一個でも、全ビームに対して１個でも良い。

第１の位相制御器３および第２の位相制御器６においては、位相差制御器が、光路中に平行に設置された光学ミラーの間隔をアクチュエータで動かすことにより、通過するレーザビームの光路長を変えることで位相差制御を行う。なお、アクチュエータとしては例えばピエゾアクチュエータを用いる。
また、光路中に電気光学結晶を設置し、結晶に印加する電圧で屈折率を変化させることにより、通過するレーザビームの光路長を変えることで位相差制御を行うようにしても良い。

位相観測部９においては、４つのレーザビーム間の位相差を検出する位相差センサが、 ４つのレーザビームのうち１つを基準として、基準ビームレーザとそれ以外の３つのレーザビームとのそれぞれの干渉光強度差から位相差検出を行う。なお、位相差センサは、基準ビームレーザとそれ以外の３つのレーザビームとをそれぞれ干渉させるための光学系と、干渉光強度を検出するための光センサ、例えばシリコン光センサからなる。

なお、レーザ光源１とは別に、参照レーザビームを出力する参照レーザ光源を追加して構成し、位相観測部９においては、分配部２によってレーザ光源１からのレーザビームとともに４つに分配された参照レーザビームを基準として、各基準ビームとレーザ光源１からの各レーザビームとのそれぞれの干渉光強度差から位相差検出を行うようにしても良い。参照レーザビームをパルスではなく連続波とすれば、レーザ光源１からのレーザビームとのパルス位置の調整について考慮する必要がなく、検出が容易である。

また、位相の状態としては、位相差（等位相面の位置ずれ）、等位相面の傾き、等位相面の形状（の平面からの歪み）がある。この実施の形態１では、位相観測部９として位相差センサを構成して位相差を検出し、第１の位相制御器３として位相差制御器を構成して位相差を制御するようにしているが、必要に応じて、等位相面の傾きセンサ、等位相面の傾き制御器を追加して構成し、等位相面の傾きも検出して制御するようにしても良い。なお、等位相面の形状の歪みは、主にレンズやミラーの歪に起因するので、通常は、その時間変動は問題とならず、第１の位相制御器３で制御するには及ばない。
等位相面の傾きセンサは、例えば、レーザビームをマイクロレンズアレーで分割して集光し、その集光位置から等位相面の傾きを検出するシャックハルトマンセンサや、４象限のシリコン光センサである。
等位相面の傾き制御器は、光路中に設置された光学ミラーの傾きをアクチュエータで動かすことにより等位相面の傾き制御を行う。

光強度分布観測部１０においては、集光されたレーザビームの光強度分布を、例えば２次元シリコン光センサを用いて検出する。

以上のように、この発明の実施の形態１によるコヒーレント光結合装置においては、レーザ光源から出力されたレーザ光を複数のレーザビームに分配してからそれぞれ増幅した後、各レーザビーム間の位相差の時間変動が低減されるように位相差を制御し，さらに、所望の光強度分布が得られるように位相差を制御して集光することにより、レーザビームの高強度化を実現することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、光強度分布観測部１０によって光強度分布を観測し、第２の位相制御器６によって所望の光強度分布が得られるように４つのレーザビーム間の位相差を制御するようにしたが、実施の形態２は、第２の位相制御器６の代わりに、位相差制御器、等位相面の傾き制御器、等位相面の形状制御器、集光位置制御器、偏光回転制御器の少なくとも１つを配置し、所望の光強度分布が得られるように４つのレーザビームの位相差、等位相面の傾き、等位相面の形状、集光位置、偏光状態の少なくとも１つを制御するようにしたものである。

実施の形態２の構成は図１に示した実施の形態１のものと同様である。
ただし、例えば第２の位相制御器６に、等位相面の傾き制御器が配置された場合には、光路中に設置された光学ミラーの傾きをアクチュエータで動かすことにより等位相面の傾き制御を行う。
等位相面の形状制御器は、光学ミラーの背面に複数のアクチュエータを設置し、アクチュエータでミラーを押す事でミラーの形状を変形させる能動支持機構により等位相面の形状制御を行う。
集光位置制御器は、集光部７と前記所定の集光点の間の距離をかえることで集光位置制御を行う。
偏光回転制御器は、光路中に配置された偏光回転子により４つのレーザビームの偏光面が揃うように偏光状態制御を行う。なお、偏光回転子としては例えば光学ミラー等を用いて構成する。

なお、光強度分布観測部１０に加えて、位相差センサ、等位相面の傾きおよび等位相面の形状センサ、偏光計測センサの少なくとも１つを構成し、これらの観測結果により対応する制御器で制御するようにしても良い。
ここで、等位相面の傾きおよび等位相面の形状センサは、レーザビームをマイクロレンズアレーで分割して集光し、その集光位置から等位相面の傾きを検出するシャックハルトマンセンサである。

以上のように、この発明の実施の形態２によるコヒーレント光結合装置においては、レーザ光源から出力されたレーザ光を複数のレーザビームに分配してからそれぞれ増幅した後、各レーザビーム間の位相差の時間変動が低減されるように位相差を制御し，さらに、所望の光強度分布が得られるように位相差、等位相面の傾き、等位相面の形状、集光位置、偏光状態の少なくとも１つを制御して集光することにより、レーザビームの高強度化を実現することができる。

なお、この発明の実施の形態１、実施の形態２において、レーザ光源１から出力されたパルスレーザビームの周波数をチャープさせ、増幅部４と集光部７の間に配置したパルス圧縮器により、周波数がチャープされて増幅もされているパルスレーザビームをパルス圧縮するようにしても良い。これにより、ピーク強度の高いパルスレーザビームを得ることが可能である。なお、周波数のチャープやパルス圧縮は、例えばグレーティングを用いて行うことができる。また、光強度分布観測部１０の位置に配置したパルス遅延計測センサにより、４つに分配した各パルスの到達時間計測を行い、パルス位置の確認を行うようにしても良い。

この発明の実施の形態１によるコヒーレント光結合装置を示す構成図

符号の説明

１ レーザ光源
２ 分配部
３ 第１の位相制御器
４ 増幅部
５ 第１の分離部
６ 第２の位相制御器
７ 集光部
８ 第２の分離部
９ 位相観測部
１０ 光強度分布観測部

Claims (8)

1. レーザ光源から出力されたレーザビームを複数のレーザビームに分配する分配部と、
   前記分配部で分配された複数のレーザビーム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ビームを集光する集光部と、
   前記集光部で集光された複数のレーザビームにおける光強度分布の観測結果に基づいて、前記集光部で集光される複数のレーザビームにおける光強度分布を制御する光強度分布制御部と、
   を備えることを特徴とするコヒーレント光結合装置。
2. 前記増幅部で増幅された複数のレーザビームにおける位相の観測結果に基づいて、前記増幅部で増幅される複数のレーザビームにおける位相の時間変動を低減する位相制御部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のコヒーレント光結合装置。
3. 前記位相制御部は、前記増幅部で増幅された複数のレーザビームにおける位相差の観測結果に基づいて、前記増幅部で増幅される複数のレーザビームにおける位相差の時間変動を低減し、前記増幅部で増幅された複数のレーザビームにおける等位相面の傾きの観測結果に基づいて、前記増幅部で増幅される複数のレーザビームにおける等位相面の傾きの時間変動を低減することを特徴とする請求項２に記載のコヒーレント光結合装置。
4. 参照レーザビームを出力する参照レーザ光源を備え、
   前記位相制御部は、前記分配部で分配され、かつ前記増幅部で増幅された各レーザビームと各参照レーザビームにおける位相の観測結果の比較に基づいて、前記増幅部で増幅される複数のレーザビームにおける位相の時間変動を低減することを特徴とする請求項２に記載のコヒーレント光結合装置。
5. 前記光強度分布制御部は、前記集光部で集光された複数のレーザビームにおける光強度分布の観測結果に基づいて、所望の光強度分布が得られるように、前記集光部で集光される複数のレーザビームにおける光強度分布を制御することを特徴とする請求項１、請求項２に記載のコヒーレント光結合装置。
6. 前記光強度分布制御部は、前記集光部で集光される複数のレーザビームの一部を、集光される途中で分離し、この分離され、集光された複数のレーザビームの一部における光強度分布の観測結果に基づいて、前記集光部で集光される複数のレーザビームにおける光強度分布を制御することを特徴とする請求項１、請求項２に記載のコヒーレント光結合装置。
7. 前記光強度分布制御部は、前記集光部で集光された複数のレーザビームにおける光強度分布の観測結果に基づいて、位相差、等位相面の傾き、等位相面の形状、集光位置、偏光状態の少なくとも１つを制御することにより、前記集光部で集光される複数のレーザビームにおける光強度分布を制御することを特徴とする請求項１、請求項２に記載のコヒーレント光結合装置。
8. 前記光強度分布制御部は、前記増幅部で増幅された複数のレーザビームにおける位相の観測結果および前記集光部で集光された複数のレーザビームにおける光強度分布の観測結果に基づいて、前記集光部で集光される複数のレーザビームにおける光強度分布を制御することを特徴とする請求項２に記載のコヒーレント光結合装置。

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