JP2007514305A - 高エネルギーの任意波形ソース - Google Patents

Abstract

所望されるアウトプット波形を提供する高エネルギー光ビーム生成器である。その生成器は、インプットビームを生成するための、モードロックレーザ（４０）のようなマスター発振器（１０）、周波数成分にインプットビームを分解するための第１の分散要素（１４）、周波数成分を個別に変調するための位相振幅変調器のセット（１６）、周波数成分を個別に増幅するためのパワー増幅器のセット（１８）、および単一のアウトプットビーム（２２）に、増幅され、変調された周波数成分を再結合するための第２の分散要素（２０）を含む。位相コントロールエレクトロニクス（６０）は、意図されるアプリケーション、および、インプットビームとアウトプットビームの感知された特性に基き、アウトプットビーム（２２）の所望される波形を提供するために変調器（１６）をコントロールする。

Description

本発明は一般的には、光放射源に関し、より詳細には、任意の波形または所望の波形を有する高エネルギー光放射源に関する。

多数のアプリケーションにおいて、任意または所望の波形を有する光放射が必要とされる。しかし、この趣旨の効果の典型的なソースは、パルスの抑制によって光出力波形を制御し、比較的、電気効率が低い。従来において利用可能であった光源はまた、任意の所望の波形を提供する性能においても十分ではない。高エネルギー光源の波形コントロール性能は、レーザ溶接、ライダー（ｌｉｄａｒ：ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｎｇｉｎｇ、レーダと類似する）、および赤外線対抗手段（ｉｎｆｒａｒｅｄ ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅ：ＩＲＣＭ）において、有用なアプリケーションをもたらす。ＩＲＣＭのケースにおいて、低電気効率を有する光源の使用は重量の増加を結果としてもたらし、それは、空中ＩＲＣＭアプリケーションにおいては容認され得ない。

従って、アプリケーションの特定要求を満たすように波形を選択可能な光放射源の必要性がある。本発明は、この必要性を満たす。

本発明は、任意の所望される波形を生成可能な高エネルギー光源に関する。簡潔に、また一般的に、その光源は、インプットレーザパルス源と、複数の光路に沿って向かう複数の周波数成分にインプットレーザパルスを分解するための第１の分散要素と、光路の各々において接続される複数の位相および振幅変調器と、光路の各々において接続される複数のパワー増幅器と、複数のパワー増幅器からの増幅された光信号を受信するように結合され、単一のアウトプット光軸に沿う複数の光路からの光を単一の増幅された合成アウトプットビームとして分散するように配置された第２の分散要素と、増幅された合成アウトプットビームにおいて、所望の特性を生成ために複数の位相および振幅変調器をコントロールするための手段とを備える。

本発明はまた、任意の所望される波形の高エネルギー光ビームを生成するための方法としても規定され得る。その方法は、一連のパルスを備えるインプットビームを生成するステップと、複数の光路に沿って向かう複数の周波数成分にインプットビームを分解するステップと、インプットビームの複数の周波数成分の位相および振幅を変調するステップと、光路の各々に接続される複数のパワー増幅器のそれぞれにおいて、複数の周波数成分を増幅するステップと、単一のアウトプット光軸に沿う複数の光路からの光を単一の増幅された合成アウトプットビームとして分散するように配置された分散要素において、複数の周波数成分を再結合（ｒｅｃｏｍｂｉｎｅ）するステップと、増幅された合成アウトプットビームにおいて、所望の特性を有するために、変調することをコントロールするステップとを包含する。

本発明が、高エネルギー光源において格別な発展を提示することは、前述された手段より理解されるであろう。特に、本発明は、異なった周波数の増幅された成分からの所望なアウトプット波形を合成する性能を提供する。特定のアプリケーションにおいて、アウトプットは、「オン」と「オフ」との間において切り換えられ得る。本発明の他の局面および利点は、添付の図面と共に、後述の記載より明確になるであろう。

例証目的の図面に示されるように、本発明は、所望の波形を有する高エネルギー光放射の生成に関り、その性質はアプリケーションに依存する。例えば、赤外線／光学対抗手段のような光遠隔感知およびアプリケーションは、一連の光パルスの波形の変更を必要とする。従来の技術は、レーザビームの強度が所望の波形を達成するために時間を経て変化する振幅変調の形態を用いる。電気光学変調（ＥＯＭ）および音響光学変調（ＡＯＭ）はこれらの技術の例である。ＥＯＭは、数十ギガヘルツ（ＧＨｚ）までの変調レートを提供し、ＡＯＭは通常、数十メガヘルツ（ＭＨｚ）の範囲において動作する。材料およびデバイスの大きさの選択は、これらのデバイスの使用を特定の周波数領域およびパワーレベルに限定する。また、これらの高エネルギーの任意波形源はまた、潜在的に、低電気効率にみまわれる。

本発明に従い、高エネルギー光波形および一連のパルスは、現在利用可能な技術および材料によって課された限界を超える変調レート、周波数領域、およびパワーレベルにおいて生成される。簡潔に、本発明の方法は、断続的な光周波数のセットを有する複数の連続波（ＣＷ）レーザビームをコヒーレントに組み合わせることによって、一連の光パルスおよび波形を合成することに基く。特定の周波数成分を有する各レーザビームのそれぞれの位相の調整は、フーリエシリーズ合成によって数学的に規定されるように、任意の光パルスおよび波形の選択を与える。例えば、同じ基準位相にセットされた全位相、およびくし状に等間隔に周波数が空けられた周波数のセット、を有する複数のビームの組み合わせは、一連の短パルス、つまり、モードロックされた一連のパルスを生成する。位相が他の数値にセットされる場合、組み合わされたレーザビームにおける放射場のコヒーレントな総和の結果、異なった波形が発生する。この処理は、光学変調エンベロープのフーリエ合成による生成およびコントロールを可能にし、このような性能を有するデバイスは、フーリエ光学変調器（ＦＯＭ）とされ得る。

図１は、本発明の主要な要素を表す本発明の単純化された実施形態を示す。参照番号１０によって示される、モードロックレーザ（ＭＬＬ）のような短パルス光源は、１２で示される一連の入力パルスを生成する。その一連の入力パルスは、複数の連続波（ＣＷ）波長またはモードに一連のパルスを分解する第１の分散要素１４へ入る。第１の分散要素１４からの複数のアウトプットは、そのアウトプットの数と同数個の位相変調器１６と結合する。ここにおいて、位相変調器１６は、所望の合成されたアウトプット信号を提供するために、本発明に従いコントロールされる。変調器１６のアウトプットは、それら変調器１６の個数と同数個のファイバ増幅器１８に結合する。ここにおいて、そのファイバ増幅器１８は、各モードのＣＷパワーを強める。ファイバ増幅器１８のアウトプットは、第２の分散要素２０において再結合され、光学線２２上に合成アウトプット信号が出される。２４における波形によって示されるように、各モードの位相は、１２にて示される一連のオリジナルパルスの増幅されたバージョンであるアウトプット波形を提供するように選択され得る。代替的に、位相変調器１６は、格別に増幅されたピークを有さない２６にて示される所望の任意の波形を生成するように調整され得る。

２４にて示されるようなモードロックアウトプット波形、または２６にて示されるようなピークを有さない任意の波形のいずれかの波形を生成する性能は、理想的には、高エネルギーのピークと実質上にゼロのアウトプットとの間にて、オンとオフとの切り換えが可能なアウトプットを必要とする赤外線対抗手段のようなアプリケーションにおいて非常に重要である。本発明の装置が提供されると、この目的は、図２において示されるように達成される。ブロック３０は、図１において示されるタイプである、コヒーレントに同調され、くし状の周波数のファイバレーザデバイスを示す。光学線２２上のアウトプットは、大きく増幅されたモードロック波形、またはピークを有さない任意の波形のいずれかの波形である。ここにおけるピークを有さない任意の波形は、準連続波（ＱＷＣ）アウトプットとして示される。アウトプット信号のこれら２つのタイプの間の所望な対照はさらに、そのアウトプット信号を非線形光学変換器３２に結合することによって強められ、それは、例えば、光パラメトリック発振器の手段によって周波数変換に影響し得る。いずれの場合においても、光学変換器３２はしきい値デバイスとして機能し、選択されたしきい値レベル以下のエネルギーの伝達をブロックする。

図３は、線２２上のアウトプット信号が、どのように時間と共に変化し、モードロックオペレーションとＱＣＷオペレーションとの間において交互するかを示すグラフである。モードロックオペレーションにおいて、線２２上のアウトプットは、明確に定められたピークの連続を有する一連のパルスである。ＱＣＷオペレーションにおいて、線２２上のアウトプットは、格別なピークを有さず、モードロックオペレーション中に生成されたピークの何倍も低いピーク値を有する任意の波形を含む。非線形光学変換器３２は、図３において点線によって示されるしきい値を挿入する。従って、ＱＣＷオペレーションの波形がしきい値以下に完全に当てはまるため、非線形光学変換器３２は、図４のグラフにおいて示されるように、モードロックオペレーションの際は高エネルギーピークを含み、モードロックオペレーションがオフの際は実質的にゼロの信号を含むアウトプットを線３４上において生成する。それゆえに、本発明は、必要に従いターンオンまたはターンオフにされ得る高エネルギーアウトプット信号を提供する。

図５は、赤外線対抗手段（ＩＲＣＭ）に使用され得るような、より一般的な望ましいオン／オフ調節された高エネルギー源を示すグラフである。このグラフは、一連の個々のパルス（縦線）および一連のパルスのエンベロープを示す。一連のパルスは、選択された「オフ」インターバルによって隔てられ、ほぼ一定で低レベルの光パワーを生成するように選択された位相セットを以って生成され、次に、非線形光学変換器３２によってさらに抑制される（図２）。

論理上、モードロックモードにおいて生成されたパルスの幅は、δｔ＝ΔＴ／Ｍによって与えられる。ここにおいて、ΔＴはパルスの周期であり、Ｍはモードの数である。モードロックオペレーションのピーク強度は、Ｍ掛ける平均強度である。従って、時間ΔＴ間における平均パワーは、オフ状態（ＱＣＭ）の間よりもオン状態（モードロック）の間の方がＭ倍強い。

図６は、本発明の光源のより詳細な図である。短パルス源１０、第１の分散要素１４、位相変調器１６、ファイバ増幅器１８、および第２の分散要素２０を含むこの図の下の部分は、光学線２２において合成アウトプットを生成する、図１において示された対応する要素と実質的に同一である。短パルス源１０は、モードロックマスター発振器４０、アイソレータ４２、ビームスプリッタ４４、および位相ロックループ４６を含むものとして示される。短パルス源１０のアウトプットの一部は、さらに詳細に後述されるように、第２のビームスプリッタ４８において分割される。アウトプット信号の残りは、第１の分散要素１４に突き当たる前に、アナモフィックビーム拡大器５０を通過する。ここにおいて、第１の分散要素１４は、光学格子の形を取り得、その作用は、異なった周波数の複数のビームの線型アレイを生成することである。これらの複数のビームは、レンズ５２によってファイバアレイ５４に集束され（ここにおいてファイバアレイ５４の各ファイバ要素は、位相／振幅変調器１６を介して結合されている）、その位相および振幅が調整されたビームは、パワー増幅器１８を通過する。増幅器のアウトプットは、アウトプットファイバアレイ５６に結合される。アウトプットファイバアレイ５６のアウトプットはレンズ５８によって、別の光学格子の形を取る第２の分散要素２０に集束される。この第２の格子は、個別に調整可能な位相を有する周波数成分のセットから成るアウトプットビーム２２を提供するために、単一の共通な光軸に沿って各周波数成分を回折する。

図６の上の部分は、位相コントロールエレクトロニクス６０、および位相／振幅変調器１６に対して適切なコントロール信号を生成するために用いられる様々な他の光学および電気光学要素を含む。短パルス源１０からの一連のオリジナルパルスのビームの一部は、基準ビームを提供するために、ビームスプリッタ４８によって分割され、その基準ビームは、時間遅延器６２、周波数偏移器６４、およびアナモフィック拡大器６６を通過する。基準ビームは、別の格子６８に実質的に突き当たり、位相センサアレイ７４に結合されるファイバのアレイ７２にレンズ７０によって集束される。位相センサアレイ７４は、位相コントロールエレクトロニクス６０へ線７６上において信号をアウトプットする。鏡７８の配置は、基準ビームを格子６８へ向ける。ビームスプリッタ７６はアウトプットビームからサンプルを摘出し、鏡７８はこのサンプルアウトプットビーム２２を同一の格子６８へ向ける。

合成ビームの各位相のコントロールおよび調整は、各周波数成分のそれぞれの位相のヘテロダイン光学測定を用いる。マスター発振器４０からの基準ビームは、周波数偏移器６４を用いてヘテロビート周波数によって周波数偏移される。偏移された基準ビームは、格子６８に突き当たり、そこにおいて、対応する周波数成分が光検出器７４のアレイに干渉信号を生成するように、サンプルされたアウトプットビームおよび周波数偏移基準ビームを分散する。各検出器のアウトプット信号は、基準ビート周波数信号と混合され、電気位相偏移信号を生成する。位相コントロールエレクトロニクス６０は、位相変調器１６の各自に適合されるドライブシグナルを生成するために、それらの位相偏移信号を処理する。この工程が位相コントロールエレクトロニクスセッティングによって決定された値の特定のセットを為すまで、工程は、フィードバックコントロールによって各周波数成分に対する位相セットを生成する。従って、適合方法は、任意の光学波形をコントロールおよび合成するために電気手段を提供する。

本発明のデバイスのインプットとアウトプットとの間における位相偏移を感知するための、前述段落において記載された配置は、Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｊ．Ｂｒｏｓｎａｎと他によって発明された、米国特許第６，２２９，６１６号の題目「Ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｓｅｎｓｏｒ」、および、「Ｈｉｇｈ Ａｖｅｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ，Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｓｅｎｓｏｒ」と題された米国特許第６，３６６，３５６号の教示から一部において得られる。本質的には、構成要素の配置は、合成ビームの周波数成分の各々のための、インプットからアウトプットへの位相偏移の測定を提供する。モードロックオペレーションが望まれる場合、位相コントロールエレクトロニクス６０は、ビーム成分のそれぞれの位相関係を保つように機能し、それによって、アウトプットされるビーム波形が、オリジナル波形の増幅されたバージョンになる。準連続波（ＱＣＷ）モードにおけるオペレーションにおいて、位相コントロールエレクトロニクス６０は、成分が格別なピークを生成するために組み合わされないように、周波数成分のオリジナル位相関係を故意に乱すように機能する。

本発明は、大部分において、２つの異なったアウトプット波形（このうちの１つはオリジナルが増幅された形である、もう一方は比較的に低振幅の一定波）を形成するように記載されるが、当業者は、位相コントロールエレクトロニクス６０が、フーリエ合成の原則を利用し、任意の所望されるアウトプット波形を生成するように構成されることを理解するだろう。本発明の全体的な信念に従い、オリジナル波形は、再結合される前に位相および振幅を別々にコントロールすることが可能な周波数成分に分割される。従って、その周波数成分の位相および振幅の適切なコントロールによって、任意の所望される波形の増幅された光信号が、フーリエ合成の制限内において生成され得る。

図６において示される、パルス長診断器およびそれに関連する光学要素を含む他の構成要素が、実験目的および診断目的のために使用され、本発明の全体的な信念に重要ではない。

本発明が、高エネルギー光源の分野において格別な発達を提示することは、前述された記載より理解されるであろう。特に、本発明は、所望される波形を有する増幅された光学アウトプットの生成のためのより効率性の高い技術を提供する。特定に記載された実施形態において、光学アウトプットは、アウトプットが一連の狭いピークを含む「オン」状態と、アウトプットが光学しきい値デバイスの使用と共に実質的にゼロに低減される低レベル放射を備える「オフ」状態との間において切り換えられ得る。本発明が、特定に図示され、また、記載されたものではない実施形態を含むように容易に修正され得ることもまた理解されるであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲以外のものによって限定はされない。

本発明の原則的な構成要素を示す単純化されたブロック図である。 非線形光学変換器と組み合わされた特定のアプリケーションにおいて使用される本発明を示すブロック図である。 モードロックオペレーションと準連続波（ＱＣＷ）オペレーションとの間において切り換わる、本発明のデバイスのアウトプットを示すグラフである。 図３において示されるアウトプットが、図２の非線形光学変換器において処理されることによってどのように影響されるかを示すグラフである。 赤外線対抗対策（ＩＲＣＭ）のアプリケーションのための、光源のオン／オフ調節において適用される本発明のデバイスからの典型的な一連のアウトプットパルスを示す図である。 本発明のデバイスの概略的な図である。

Claims (12)

1. 任意の所望される波形を生成可能な高エネルギー光源であって、該高エネルギー光源は、
   インプットレーザパルス源と、
   複数の光路に沿って向かう複数の周波数成分に該インプットレーザパルスを分解するための第１の分散要素と、
   該光路の各々において接続される複数の位相および振幅変調器と、
   該光路の各々において接続される複数のパワー増幅器と、
   複数のパワー増幅器からの増幅された光信号を受信するように結合され、単一のアウトプット光軸に沿う該複数の光路からの光を単一の増幅された合成アウトプットビームとして分散するように配置された第２の分散要素と、
   該増幅された合成アウトプットビームにおいて、所望の特性を生成するために該複数の位相および振幅変調器をコントロールするための手段と
   を備える、高エネルギー光源。
2. 前記インプットレーザパルス源が、モードロックマスター発振器を備える、請求項１に記載の高エネルギー光源。
3. 前記第１および第２の分散要素が光学格子を備える、請求項１に記載の高エネルギー光源。
4. 前記複数の位相および振幅変調器をコントロールするための前記手段が、
   前記インプットレーザパルスからの第１のサンプルを得るための第１のビームサンプラーと、
   前記増幅された合成アウトプットビームからの第２のサンプルを得るための第２のビームサンプラーと、
   該第１および第２のサンプルのいずれか１つを周波数偏移するための手段と、
   複数の周波数成分に該第１および第２のサンプルを分解するための第３の分散要素と、
   両方の周波数分解されたサンプルビームを受取るように結合され、該周波数分解されたサンプルビームのそれぞれの位相を示す電気的アウトプット信号を最終的に生成するように結合されるセンサアレイと、
   該センサアレイからの前記アウトプット信号を処理し、該位相および振幅変調器に結合されるコントロール信号のセットを生成するコントロールエレクトロニクスと
   を備える、請求項１に記載の高エネルギー光源。
5. 前記コントロールエレクトロニクスが、第１および第２のタイプの位相コントロール信号を生成するように切り換え可能であり、該第１のタイプの該位相コントロール信号が、前記インプット信号の波形状と同一の波形状の増幅されたアウトプット信号を生成するために、前記インプット信号成分において存在する位相関係と同一の位相関係を、前記アウトプット成分において維持することに対して有効であり、該第２のタイプの該位相コントロール信号が、該インプット信号成分において存在する該位相関係を乱すことに対して有効であり、比較的に低振幅を有するアウトプット信号を生成する、請求項４に記載の高エネルギー光源。
6. 前記アウトプット信号を受信するように結合される非線形光変換器をさらに含み、該変換器は、前記位相コントロール信号が前記第２のタイプの場合、該アウトプット信号を実質的に抑制する、請求項５に記載の高エネルギー光源。
7. 一連の高エネルギーパルスを生成する「オン」モードと該高エネルギーパルスが抑制される「オフ」モードとにおいて交互に動作するようにコントロール可能な高エネルギー光学デバイスであって、該高エネルギー光学デバイスが、
   インプットビームにおいて連続した一連の光パルスを生成するためのモードロックレーザと、
   複数の光路に沿って結合される複数の周波数成分に該インプットビームを分解するための第１の分散要素と、
   該光路の各々において接続される複数の位相変調器と、
   該光路の各々において接続される複数のパワー増幅器と、
   該複数のパワー増幅器からの増幅された光信号を受信するように結合され、単一のアウトプット光軸に沿う該複数の光路からの光を増幅された合成アウトプットビームとして分散するように配置された第２の分散要素と、
   該モードロックレーザの一連のパルスが増幅され、該アウトプットビームにおいて再生成される「オン」モードと、該モードロックの一連のパルスが、該インプットビームの該周波数成分において存在する各々の位相関係を、該アウトプットビームにおいて適切に乱すことによって、実質的に抑制される「オフ」モードとの間においてのモードの切り換えをするための該複数の位相変調器をコントロールするための手段と
   を備える、高エネルギー光学デバイス。
8. 前記アウトプットビームを受取るように結合され、オペレーションの前記「オフ」モードにおいて任意の信号アウトプットをしきい値によって抑制するように結合される非線形光学変換器をさらに備える、請求項７に記載の高エネルギー光学デバイス。
9. 任意の所望される波形の高エネルギー光ビームを生成するための方法であって、該方法は、
   一連のパルスを備えるインプットビームを生成することと、
   複数の光路に沿って向かう複数の周波数成分に該インプットビームを分解することと、
   該インプットビームの該複数の周波数成分の位相および振幅を変調することと、
   該光路の各々に接続される複数のパワー増幅器のそれぞれにおいて、該複数の周波数成分を増幅することと、
   単一のアウトプット光軸に沿う該複数の光路からの光を単一の増幅された合成アウトプットビームとして分散するように配置された分散要素において、該複数の周波数成分を再結合することと、
   該増幅された合成アウトプットビームにおいて、所望の特性を有するために、該変調するステップをコントロールすることと
   を包含する、方法。
10. 前記複数の位相および振幅変調器をコントロールするステップが、
    前記インプットレーザパルスからの第１のサンプルを得るための第１のビームサンプラーを使用することと、
    前記増幅された合成アウトプットビームからの第２のサンプルを得るための第２のビームサンプラーを使用することと、
    該第１および第２のサンプルのいずれか１つを周波数偏移することと、
    複数の周波数成分に該第１および第２のサンプルを分解することと、
    両方の周波数分解されたサンプルビームをセンサアレイ上に集束することと、
    該センサアレイにおいて、該周波数分解されたサンプルビームのそれぞれの位相を示す電気的アウトプット信号を生成することと、
    コントロールエレクトロニクスにおいて、該センサアレイからのアウトプット信号を処理し、変調するステップをコントロールするために、コントロール信号のセットを生成することと
    を包含する、請求項９に記載の方法。
11. 位相コントロール信号の第１および第２のタイプを生成するために、前記コントロールエレクトロニクスを切り換えすることをさらに包含し、該位相コントロール信号の該第１のタイプが、前記インプット信号の波形状と同一の波形状の増幅されたアウトプット信号を生成するために、前記インプット信号成分において存在する位相関係と同一の位相関係を、前記アウトプット成分において維持することに対して有効であり、該位相コントロール信号の該第２のタイプが、該インプット信号成分において存在する該位相関係を乱し、比較的に低振幅を有するアウトプット信号を生成することに対して有効である、請求項４に記載の方法。
12. 前記アウトプット信号を非線形光変換器に適用することをさらに包含し、該変換器は、前記位相コントロール信号が前記第２のタイプの場合、該アウトプット信号を実質的に抑制する、請求項１１に記載の方法。

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