JP2009529235A

JP2009529235A - 誘導ブリルアン散乱位相共役鏡の位相安定化装置及びそれを用いた光増幅装置

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Publication number: JP2009529235A
Application number: JP2008558205A
Authority: JP
Inventors: ホ−ジンコング，; ボン−ジュイ，
Original assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Current assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Priority date: 2006-03-08
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2009-08-13
Anticipated expiration: 2027-03-07
Also published as: KR20070091900A; EP2005227A4; US8035890B2; US20090153950A1; EP2005227A1; KR100784838B1; WO2007102706A1; CN101416087A; CN101416087B; JP4861439B2

Abstract

【課題】長期間安定的に位相を固定させることができ、高反復率及び高出力を要する産業及び学問的な研究などに多様に利用することのできる誘導ブリルアン散乱位相共役鏡の位相安定化装置及びそれを用いた光増幅装置を提供する。
【解決手段】複数の誘導ブリルアン散乱位相共役鏡の位相安定化装置において、複数の誘導ブリルアン散乱位相共役鏡からの反射ビームを偏光させて干渉させるための偏光器と、偏光器の干渉結果による干渉ビームを獲得して出力する検出器と、検出器で検出された干渉ビームを利用して位相を制御するための位相制御器とを備える。
【選択図】図８

Description

本発明は、位相安定化装置及びそれを備える光増幅装置に係り、さらに詳細には、誘導ブリルアン散乱位相共役鏡（Stimulated Brillouin Scattering Phase Conjugate Mirror：以下、ＳＢＳ−ＰＣＭ）を使用する光増幅システムで使用する位相安定化装置及びそれを用いた光増幅装置に関する。

一般的に、誘導ブリルアン散乱位相共役鏡は、位相共役波を反射させるため、レーザーの増幅過程で発生するレーザービームの歪曲を補償することができる。したがって、光線再結合高出力レーザーに適用することが非常に容易である。図１及び図２を参考して、誘導ブリルアン散乱位相共役鏡を用いた光線分割増幅システムの一例を説明する。

図１は、従来の誘導ブリルアン散乱位相共役鏡を適用した波面分割方式の増幅システムを示す図である。
図１に示すように、レーザー発振器５００から出射される光５０５は、第１光増幅段５１０、第２光増幅段５４０、及び第３光増幅段５７０を経て、次第に多数のレーザー光に増幅される。すなわち、光５０５は、偏光ビームスプリッター（Polarizing Beam Splitter：以下、ＰＢＳ）で反射されて、第１遮断器５２０に入射されてＳＢＳ−ＰＣＭで反射した後、再びＰＢＳを透過して第１光増幅器５３０に入射される。その後、第１光増幅器５３０に入射される光は、増幅器を透過して増幅され、ＳＢＳ−ＰＣＭで反射されてＰＢＳに入射される。ＰＢＳは、入射される光を反射させて光拡大器５３５側に出射し、光拡大器５３５は、入射光のサイズを拡大して第２光増幅段５４０に出射する。第２光増幅段５４０は、第１光増幅段５１０の第１光遮断器５２０と同様の構造を有する第２光遮断器５５０を備えて、同じ機能を行う。ただし、第２光増幅段５４０は、第２光増幅器５６０の前側に波面分割型光分割器５６２をさらに備え、このとき、第２光増幅器５６０は、２×２アレイ状になっている。ここで、第２光増幅器５６０の２×２アレイのそれぞれに光を送るための波面分割型光分割器５６２が使用される。すなわち、第２光増幅器５６０に入射される前に、波面分割型光分割器５６２で光が波面分割されて、光軸に沿って配列されているそれぞれの増幅器で増幅された後、ＳＢＳ−ＰＣＭで反射されて再結合されてＰＢＳに入射される。ＰＢＳは、入射される光を反射して光拡大器５６５に出射する。光拡大器５６５は、入射光のサイズを拡大して第３光増幅段５７０に出射する。第３光増幅段５７０で第３光増幅器５９０は４×４アレイ状に、第３光遮断器５８０は２×２アレイ状にそれぞれ構成される。ここで、各アレイに光を送るために波面分割型光分割器５８２及び５９２が使用される。

このような光増幅システムを構成すれば、増幅段を所望の通りに連続して連結することによって、光学系を損傷させずに出力エネルギーをいくらでも増大させるだけでなく、反復率を一定の状態に維持することができる。すなわち、継続的な増幅によってレーザー光のエネルギー密度が上昇する場合、エネルギー密度を低下させなければ、光学系及びレーザー利得媒質の損傷をもたらす。したがって、レーザー光の拡大と同時にレーザー利得媒質のサイズの拡大も必要である。それは、レーザー利得媒質の冷却速度の低下につながり、高反復率のレーザー光を形成することが事実上不可能になるためである。したがって、レーザー光のサイズは拡大する一方、利得媒質のサイズはそのまま維持させる方式である前述の図１に示すような光線再結合増幅装置が使用されている。

図２は、従来の誘導ブリルアン散乱位相共役鏡を適用した振幅分割方式の増幅システムを示す図である。
図２に示すように、レーザー光を発生させるレーザー発振器１００と、レーザー光のサイズを拡大するＢＥ（beam expander：ビーム拡大器）１０１と、拡大した光を反射するためのＰＢＳ１０２と、反射した光を増幅するための第１増幅段２００と、第１増幅段２００から増幅された光のサイズを拡大するＢＥ１０３と、第１増幅段２００で増幅された光をもう一度増幅する第２増幅段３００と、第２増幅段３００で増幅された光のサイズを拡大するＢＥ１０４と、を備え、第２増幅段３００で増幅された光は第３増幅段（図示せず）に出射されるように構成される。

第１増幅段２００には、光を増幅するための素子である１／４波長板２０１、ＰＢＳ２０２、ＢＥ２０３、ＦＲ（Faraday Rotator：ファラデー回転子）２０４、増幅器２０５、ＦＲ２０６、及びＰＬ（Phase Locker：位相固定器）２０７が光路に沿って配置されている。また、第２増幅段３００には、光を増幅するための素子であるＰＢＳ３０１、１／４波長板３０２、ＰＢＳ３０３、４５°回転器３０４、ＰＢＳ３０５、ＢＥ３０６、ＦＲ３０７、増幅器３０８、ＦＲ３０９、及びＦＲ３１０が光路に沿って配置されている。

レーザー発振器１００からのＳ偏光を有するレーザー光は、ＢＥ１０１で拡大されてＰＢＳ１０２で反射され、第１増幅段２００に入射される。第１増幅段２００に入射された光は、１／４波長板２０１を透過して円偏光になり、ＰＢＳ２０２によって振幅分割されて、一部（Ｐ偏光）は反射され、一部（Ｓ偏光）は透過される。Ｐ偏光を有するレーザー光とＳ偏光を有するレーザー光は、それぞれＢＥ２０３、ＦＲ２０４、増幅器２０５、ＦＲ２０６、及びＰＬ２０７の光路を通過しつつ増幅されて、ＰＢＳ２０２を同じ偏光状態に透過または反射する。そして、１／４波長板２０１の前側で再結合されて分割される前の円偏光を有するため、１／４波長板２０１を透過してＰ偏光を有するレーザー光になる。そして、このように増幅されたレーザー光は、ＰＢＳ１０２を透過してＢＥ１０３によって拡大される。

次いで、ＢＥ１０３で拡大された光は第２増幅段３００に入射する。第２増幅段３００は、四つの光に振幅分割されて増幅された光を再結合して、その次の第３増幅段（図示せず）に出射する。第２増幅段３００のＰＢＳ３０１は、入射される光を１／４波長板３０２に出力する。ＰＢＳ３０３は、１／４波長板３０２からの光を振幅分割して、Ｐ偏光のレーザー光は透過し、Ｓ偏光のレーザー光は反射して４５°回転器３０４にそれぞれ出射する。このとき、一つの光を二つに振幅分割するために、一つの４５°回転器３０４に二つのＰＢＳ３０５を組み合わせて２×２アレイ状に構成する。Ｐ偏光及びＳ偏光を有する光は、それぞれ４５°回転器３０４を透過すれば、偏光が４５°回転する。したがって、その次の光学素子であるＰＢＳ３０５によって二つの光に振幅分割される。以後の過程では、前述の第１増幅段２００と同じ構成について同じ機能を行うため、その詳細な説明を省略する。このような４５°回転器３０４を往復する場合、偏光は４５°回転及び−４５°回転するため、偏光の変化がない。したがって、このような４５°回転器及びＰＢＳを用いた振幅分割はいくらでも可能であるため、第２増幅段３００の後に増幅段を追加すれば、無限なエネルギーの増幅が可能となる。

図１の光線再結合光増幅装置に使用された光分割器は波面分割方式であり、これを図３（Ａ）に示す。
図３（Ａ）に示すように、波面分割方式の光分割器は、入射される光ａを二つの出射光ｂに分割する。すなわち、波面分割方式は、レーザー光を二つの小さいレーザー光に分割する。

一方、光分割器には、このような波面分割方式以外に、図２で使用された振幅分割方式があるが、これを図３（Ｂ）に示す。
図３（Ｂ）に示すように、振幅分割方式の光分割器は、入射される光ａを二つの出射光ｂに分割するが、その一つは透過され、他の一つは反射されるように分割する。すなわち、振幅分割方式は、レーザー光のサイズを変化させずに、二つの光がエネルギーのみを分割して有する。このような振幅分割方式に比べて従来の光増幅装置に適用された波面分割方式は、レーザー光の形状が主共振器の光の形状と異なるため、増幅器の利得媒質の断面をレーザー光の形状に加工せねばならないという困難さがあった。それは、利得媒質の断面が入射光の形状と異なる場合、増幅の効率が低下するためである。また、レーザー光の空間的な分布に高周波空間の周波数が含まれて、ＳＢＳ−ＰＣＭによって反射するときに位相共役現象が破壊する。そして、増幅後の光線再結合時に、光と光が出合う部分で二つの光の位相が異なる場合も強度スパイクが発生して、光の空間分布が悪化する。

ところで、誘導ブリルアン散乱は、ランダムノイズによって発生するため、反射されたビームは、ランダム位相を有する。したがって、再結合されたレーザービームは、空間的に異なる位相分布を有する。図１（波面分割）の場合、境界でスパイクが発生し、図２（振幅分割）の場合、エネルギーの損失が発生する。したがって、光線再結合レーザーシステムにＳＢＳ−ＰＣＭを適用するためには、反射ビームそれぞれの位相を固定させ、また位相差をゼロにせねばならない。

ＳＢＳ−ＰＣＭ反射ビームの位相を制御するための従来の方法は次の通りである。
図４は、従来のＳＢＳ−ＰＣＭを用いた焦点重複方式による位相固定方式の系統図である。

図４に示すように、この方式は、一つのＳＢＳ−ＰＣＭの散乱媒質に複数のビームを集中させることによって焦点を重畳させる方式である。すなわち、進行するビームを集光のためのレンズに通過させることによって、複数のビームが重畳してＳＢＳ−ＰＣＭに焦点を合わせる。

図５は、従来の誘導ブリルアン散乱位相共役鏡を用いたストークス波（Stokes wave）バックシーディング方式による位相固定方式の系統図である。
図５に示すように、ここでストークス波は、誘導ブリルアン散乱によって反射される反射波と同じ周波数を有するレーザービームを言う。この方式は、バックシーディング・レーザービームが焦点を通過させてバックシーディング・レーザービームを増幅させる方式である。すなわち、シーディングビームが入射して光学素子を通過する光路を経てＳＢＳ−ＰＣＭに入射され、その後、反射されて、バックシーディング・レーザービームを生成して増幅される。

図６は、従来の誘導ブリルアン散乱及び自己ビーム・フィードバックを用いたレーザービームの位相を固定する第１方法の系統図であり、図７は、従来の誘導ブリルアン散乱及び自己ビーム・フィードバックを用いたレーザービームの位相を固定する第２方法の系統図である。すなわち、図６及び図７は、入射されるレーザービームをＳＢＳ−ＰＣＭに透過させて、凹面鏡及びＰＺＴ（Piezoelectric Transducers：圧電変換器）を用いて誘導ブリルアン散乱媒質にレーザービームをフィードバックすることによって音響ノイズを制御する自己位相制御方式の系統図である。特に、自己位相制御方式は、ビーム数に関係なくストークスビームの位相を制御することができるという長所を有する。

ところが、光線再結合レーザーシステムでは、誘導ブリルアン散乱そのもののランダム位相だけでなく、光路上の媒質の熱効果による密度の変化や対流による密度の不均質性、光学素子の振動及び熱膨脹による光路長の変化などによる短期間・長期間の位相ドリフトも問題になる。しかし、既存の位相固定方式は、ストークス波の位相を制御するときにそのような問題を考慮しなかったため、位相を効果的に制御することができない。

このため、ＳＢＳ−ＰＣＭの反射ビームの位相を十分に固定するためには、既存の位相制御方式だけでなく、新たな位相安定化方式がさらに必要である。

したがって、本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであって、フィードバック回路を用いた位相安定化方式を適用することによって完璧な位相制御を可能にして、高反復率及び高出力のレーザーシステムを製作することができる安定化装置及びそれを用いた光増幅装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するための本発明に係る複数の誘導ブリルアン散乱位相共役鏡の位相安定化装置において、前記複数の誘導ブリルアン散乱位相共役鏡からの反射ビームを偏光させて干渉させるための偏光器と、前記偏光器の干渉結果による干渉ビームを獲得して出力する検出器と、前記検出器で検出された干渉ビームを利用して位相を制御するための位相制御器と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る位相制御器は、誘導ブリルアン散乱位相共役鏡の後方の特定の光学素子（鏡）の位置を制御するか、または誘導ブリルアン散乱位相共役鏡までの光路上に特定の光学素子（ガラス板）の傾斜角を制御することによって光路長を調節することを特徴とする。

本発明に係る光増幅装置は、複数の誘導ブリルアン散乱位相共役鏡を用いた光増幅装置において、入射光線の偏光によって、一部は反射させ、一部は透過させる偏光ビームスプリッターと、前記ＰＢＳから反射及び透過された光を増幅するための増幅部と、前記増幅された光の位相を制御するための位相制御部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る位相制御部は、前記増幅部からの反射ビームを偏光させて干渉させるための偏光器と、前記偏光器の干渉結果による干渉ビームを獲得して出力する検出器と、前記検出器で検出された干渉ビームを利用して位相を制御するための位相制御器と、を備えることを特徴とする。

以下、図８及び図９を参照して、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
図８は、本発明の一実施形態に係る誘導ブリルアン散乱位相共役鏡の安定化装置を適用した増幅システムである。

図８に示すように、本増幅システムでは、振幅分割方式を適用してビームを分離し、偏光器７０、検出器８０、及び位相制御器９０を備える位相制御ブロックを用いて反射ビームをフィードバックさせてＰＺＴ５６を制御することによって焦点の位置を調節する。

図８のシステムは、レーザー光を発生させるレーザー発振器１０と、レーザー光のサイズを拡大するＢＥ２０と、拡大した光を反射するための第１のＰＢＳ３０と、を備える。また、第１のＰＢＳ３０から反射された光を増幅するための増幅ブロックとして、第２及び第３のＰＢＳ５０，６０、第１から第４のＦＲ５１，６１，５３，６４、第１及び第２のアンプ５２，６２、第１及び第２のＳＢＳ−ＰＣＭ５４，６４、第１及び第２の鏡５５，６５、及びＰＺＴ５６を備える。さらに、増幅された光の位相を制御するための位相制御ブロックとして、偏光器７０、検出器８０、及び第１の鏡５５の位置を制御して位相を制御する位相制御器９０を備える。

図８に示すシステムでは、二つの光路増幅ブロック５０〜５６と６０〜６５とから構成されている。このとき、ビームは、第１のＰＢＳ３０によって振幅分割された後に再結合される。Ｓ偏光を有するレーザー発振器１０のビームは、ＢＥ２０によって拡大された後、第１のＰＢＳ３０によって反射される。その後、レーザービームが１／４波長板４０を透過しつつ円偏光になり、第２のＰＢＳ５０によって一部（Ｐ偏光）は透過し、一部（Ｓ偏光）は反射される。第２のＰＢＳ５０で透過されたＰ偏光を有するレーザービームは、第１のＦＲ５１、第１のアンプ５２、第２のＦＲ５３、第１のＳＢＳ−ＰＣＭ５４、第１の鏡５５、及びＰＺＴ５６を経て、再び第１のＦＲ５１に戻る光路長を経て増幅され、戻った光の偏光は、入射される前と同じようなＰ偏光を有する。第２のＰＢＳ５０で反射されたＳ偏光を有するレーザービームは、第３のＰＢＳ６０で反射されて、第３のＦＲ６１、第２のアンプ６２、第４のＦＲ６３、第２のＳＢＳ−ＰＣＭ６４、及び第２の鏡６５を経て第３のＦＲ６１に戻る。戻った反射光は、第３のＰＢＳ６０で反射され、このときの偏光は、入射される前と同じようなＳ偏光を有する。

このとき、増幅されたＰ偏光を有するレーザービームは、第２のＰＢＳ５０を透過し、Ｓ偏光を有するレーザービームは、第２のＰＢＳ５０によって反射されて、１／４波長板４０の前で再結合される。再結合された二つのビームの位相が一致する場合、再結合されたビームは、分割される前と同じような円偏光を有するため、１／４波長板４０を透過してＰ偏光を有するレーザービームになる。したがって、再結合されたレーザービームは、第１のＰＢＳ３０によって透過してビーム拡大器によって拡大された後、次の増幅段に入射される。

このとき、それぞれのＳＢＳ−ＰＣＭ５４及び６４で反射される波の位相を固定させる位相固定器として自己位相制御方式を使用するが、位相ドリフトまで除去するために別途の位相制御ブロックであるフィードバック部を追加する。ここで、位相制御ブロックは、第２のＰＢＳ５０の上側に一部のビームが流出するため、このような反射ビーム（図８で点線で表示される）を偏光器７０に通過させて干渉させる。ここで、反射ビームは、第１及び第２のＳＢＳ−ＰＣＭ５４，６４から反射された二つの反射ビームである。偏光器７０は、このような二つの反射ビームを偏光させて干渉ビームを獲得する。したがって、検出器８０は、偏光器７０で偏光によって得られた干渉ビームを獲得して位相制御器９０に出力する。位相制御器９０は、このような干渉ビームを用いて第１の鏡５５の位置を制御することによって位相を制御する。すなわち、干渉ビームのエネルギーを一定にするために、ＰＺＴ５６が付着した第１の鏡５５の位置を調節することによって光路長を調節する。

図９は、本発明の他の実施形態に係る誘導ブリルアン散乱位相共役鏡の安定化装置を適用した基本増幅システムを示す図である。
図９では、位相制御ブロックを利用してガラス板５７の傾斜角を調節することによって光路長を調節する。図９は、図８と同じ参照符号については同じように動作し、位相制御ブロックを利用して光路長を調節することによって第１及び第２のＳＢＳ−ＰＣＭ５４，６４からの反射ビームの位相ドリフトを補償する装置を示す。図８との相違点は、第１のＳＢＳ−ＰＣＭ５４の後にある鏡の位置を調節する代わりに、光路上にあるガラス板５７の傾斜角を調節することによって光路長を調節するという点である。このとき、ガラス板５７の位置は、第１のＳＢＳ−ＰＣＭ５４の前後どちらでもよい。

前述のように、本発明は、位相制御ブロックを利用してＳＢＳ−ＰＣＭの反射波の位相ドリフトを補償するすべての方式を含み、図８及び図９は、そのうち一例を示す。
図８と図９の両方ともに、位相制御ブロックを通じて反射ビームをフィードバックさせて光路長を調節することによって媒質の熱効果による密度の変化、対流による密度の不均質性、光学素子の振動及び熱膨脹による光路長の変化などによる短時間・長時間の位相ドリフトを補償する方式を示す。本発明は、このようにフィードバック方式を用いてＳＢＳ−ＰＣＭ反射波の位相ドリフトを補償するすべての方式を含む。したがって、本発明に係るＳＢＳ−ＰＣＭビームの位相安定化装置を光線分割レーザー増幅器に適用すれば、エネルギー増幅の限界のない、高反復率及び高出力のレーザーシステムの製作が可能である。

前述のように、本発明のシステムは、長期間安定的に位相を固定させることができるため、高反復率及び高出力を要する産業及び学問的な研究などに多様に利用されることができる。

図１は、従来の誘導ブリルアン散乱位相共役鏡を適用した波面分割方式の増幅システムを示す図である。図２は、従来の誘導ブリルアン散乱位相共役鏡を適用した振幅分割方式の増幅システムを示す図である。図３は、振幅分割方式及び波面分割方式の比較図である。図４は、従来の誘導ブリルアン散乱位相共役鏡を用いた焦点重複方式による位相固定方式の系統図である。図５は、従来の誘導ブリルアン散乱位相共役鏡を用いたストークス波バックシーディング方式による位相固定方式の系統図である。図６は、従来の誘導ブリルアン散乱及び自己ビーム・フィードバックを用いたレーザービームの位相を固定する第１の方法の系統図である。図７は、従来の誘導ブリルアン散乱及び自己ビーム・フィードバックを用いたレーザービームの位相を固定する第２の方法の系統図である。図８は、本発明の一実施形態に係る誘導ブリルアン散乱位相共役鏡の安定化装置を適用した増幅システムを示す図である。図９は、本発明の他の実施形態に係る誘導ブリルアン散乱位相共役鏡の安定化装置を適用した基本増幅システムを示す図である。

Claims

複数の誘導ブリルアン散乱位相共役鏡の位相安定化装置において、
前記複数の誘導ブリルアン散乱位相共役鏡からの反射ビームを偏光させて干渉させるための偏光器と、
前記偏光器の干渉結果による干渉ビームを獲得して出力する検出器と、
前記検出器で検出された干渉ビームを利用して位相を制御するための位相制御器と、を備えることを特徴とする誘導ブリルアン散乱位相共役鏡の位相安定化装置。
前記位相制御器は、
前記誘導ブリルアン散乱位相共役鏡の後方の特定の光学素子の位置を制御することによって光路長を調節することを特徴とする請求項１に記載の誘導ブリルアン散乱位相共役鏡の位相安定化装置。
前記光学素子は、鏡であることを特徴とする請求項２に記載の誘導ブリルアン散乱位相共役鏡の位相安定化装置。
前記位相制御器は、
前記誘導ブリルアン散乱位相共役鏡までの光路上に特定の光学素子の角度を制御することによって光路長を調節することを特徴とする請求項１に記載の誘導ブリルアン散乱位相共役鏡の位相安定化装置。
前記光学素子は、ガラス板であることを特徴とする請求項４に記載の誘導ブリルアン散乱位相共役鏡の位相安定化装置。
複数の誘導ブリルアン散乱位相共役鏡を用いた光増幅装置において、
入射光線の偏光によって、一部は反射させ、一部は透過させる偏光ビームスプリッターと、
前記偏光ビームスプリッターから反射及び透過された光を増幅するための増幅部と、
前記増幅された光の位相を制御するための位相制御部と、を備えることを特徴とする光増幅装置。
前記位相制御部は、
前記増幅部からの反射ビームを偏光させて干渉させるための偏光器と、
前記偏光器の干渉結果による干渉ビームを獲得して出力する検出器と、
前記検出器で検出された干渉ビームを利用して位相を制御するための位相制御器と、を備えることを特徴とする請求項６に記載の光増幅装置。
前記位相制御器は、
前記誘導ブリルアン散乱位相共役鏡の後方の特定の光学素子の位置を第御することによって光路長を調節することを特徴とする請求項７に記載の光増幅装置。
前記光学素子は、鏡であることを特徴とする請求項８に記載の光増幅装置。
前記位相制御器は、
前記誘導ブリルアン散乱位相共役鏡までの光路上に特定の光学素子の角度を制御することによって光路長を調節することを特徴とする請求項７に記載の光増幅装置。
前記光学素子は、ガラス板であることを特徴とする請求項１０に記載の光増幅装置。