JP2011216552A - 各段がモジュール化された多段増幅式レーザーシステムの自動最適化システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】レーザーシステムにおいて、光軸調整個所51,52より後段のモジュールからの出力光の強度を検出し、強度の変化に応じて該光軸調整個所51,52を調整するフィードバックを設ける。さらにこれらのフィードバック制御をファジイ推論またはメタヒューリスティックなアルゴリズムを用いた制御で行う。レーザーシステムにおいて、複数の光軸調整個所51,52があって2つの光軸調整が独立に行えない場合は、フィードバックループの伝達関数が明確に求められないので、ファジイ推論等を用いた制御により、各光軸調整を独立に実施する。
【選択図】図3
Description
それらの目的のために、さまざまなレーザー機器および電子機器などの構成要素(モジュール)が組み合わせられている。また、モジュール間は、光路を有する。安定動作を実現するためには、それぞれのモジュールだけでなく、モジュール間光路におけるレーザーの光軸を最適な状態に設定および保持する必要がある。
(1)フォトカソード電子銃駆動用のレーザーパルス光源の3次元形状最適化(パルス幅10ps程度でビーム直径は1mm程度)およびパルスエネルギーの長期安定化。
(2)Z偏極電子源へ入射するレーザーパルス光源である、フェムト秒超短パルス(パルス幅1ps以下のパルス)であり、かつ円環ラジアル偏光を有するレーザービームの実現。
(3)電子ビームのパルス形状を計測するためのEOサンプリング用途とするプローブレーザー光に要求される200psのパルス幅かつ、20nmのスペクトル幅を有し、さらに線形チャープを示す円環ビームの電気光学結晶への照射。
複数のモジュールから構成されたレーザーシステムであって、各モジュールの間は光路で接続され、
少なくとも2つの光路のそれぞれに光軸調整手段を有し、該光軸調整手段はフィードバック制御により光軸調整を行い、該フィードバック制御をファジイ推論またはメタヒューリスティックな制御で行うことを特徴とする。
第1のモジュールに入力する光路上に第1の光軸調整手段を有し、第2のモジュールに入力する光路上に第2の光軸調整手段を有し、第1の光軸調整手段のフィードバック制御を第3のモジュールの出力光を利用して行い、第2の光軸調整手段のフィードバック制御を第2のモジュールの出力光を利用して行う、ことを特徴とする。
または、前記複数のモジュールは、レーザー光の入力及び出力を有する第1及び第2のモジュールを含み、第1のモジュールとの出力と第2のモジュールの入力とは、直接または少なくとも1つの他のモジュールを介して、光路が接続されており、
第1のモジュールに入力する光路上に第1の光軸調整手段を有し、第2のモジュールに入力する光路上に第2の光軸調整手段を有し、第1の光軸調整手段のフィードバック制御を第1のモジュールの出力光を利用して行い、第2の光軸調整手段のフィードバック制御を第2のモジュールの出力光を利用して行う、
ことを特徴とする。
該回転体のプリズムは、回転の中心軸を含む平面による断面形状が直角な頂角を形成する第1および第2の面と、前記直角な頂角と対向する第3の面とを有する直角三角形に対して、前記直角な頂角部分を、前記第3の面と平行なかつ所定広さの第4の面となるように加工した構造に相当する構造の第1の形状および、該第1の形状と同様な構造の第2の形状であって、該中心軸を挟んで対称に、しかも、それぞれの前記第1の面が、該中心軸と直交する平面に対し平行になるように、かつ、第1の面および第3の面がなす稜が該中心軸の側に位置するように、配置された第1および第2の形状からなる断面形状を有し、
該受光素子は、該回転体プリズムに関わる第1及び第2の形状における前記第2の面が該回転の中心軸のまわりに回転することによって得られる曲面のまわりに、受光面が該中心軸に向けて配置されたことを特徴とする。
この図において第1のモジュール201、第2のモジュール202及び(その他の)モジュール200は、図1におけるパルス幅伸張器103、再生増幅器111等のモジュールである。レーザー発生源は第1のモジュール201より前にある場合もあり、また第1のモジュールがレーザー発振源そのものである場合もある。なお、後者の場合、第1のモジュール201の入力のレーザービームはかならずしも必要ない。
第2のモジュール202からの出力レーザービームが、ビームサンプラー205により、その一部が光検出器207に入力し、レーザー光の強度に依存して電気信号である検出信号61に変えられる。検出信号61は、制御手段211に入力し、制御手段211は制御信号62を出力する。制御信号62は、モータードライバー209に入力し、駆動信号63によってモーター対58を回転させる。これにより、リスレープリズム対57が回転し、第1のモジュール201と第2のモジュール203間の光軸の最適化を図ることができる。モーター対58は、M1とM2からなり、それぞれリスレープリズムR1とR2を回転させるものとする。
すなわち、複数のモジュール200〜203から構成されたレーザーシステムであって、各モジュールの間は光路で接続され、少なくとも2つの光路のそれぞれに光軸調整手段50〜52を有し、該光軸調整手段はフィードバック制御により光軸調整を行うレーザーシステムである。例えば、前述のフォトカソードRF電子銃のほか、多段増幅式レーザーシステムにこのような構成が採用される。
(a)は、このようなシステムにおいて、レーザー光の入力及び出力を有する第1のモジュール201及び第2のモジュール202を含み、第1のモジュール201の出力と第2のモジュール202の入力とは、光路が接続されている。この図の例では直接光路が接続されているが、それらの間に少なくとも1つの他のモジュールが入る場合もある。
第1のモジュール201に入力する光路上に第1の光軸調整手段51を有し、第2のモジュールに入力する光路上に第2の光軸調整手段52を有し、第1の光軸調整手段のフィードバック制御を第1のモジュール201の出力光を利用して行い、第2の光軸調整手段52のフィードバック制御を第2のモジュール202の出力光を利用して行う。
(b)は、このようなシステムにおいて、レーザー光の入力及び出力を有する第1のモジュール201、第2のモジュール202及び第3のモジュール203を含み、第1のモジュール201の出力と第2のモジュール202の入力及び第2のモジュール202の出力と第3のモジュール203の入力とはそれぞれにおいて光路が接続されている。この図の例では直接光路が接続されているが、それぞれにおいてそれらの間に少なくとも1つの他のモジュールが入る場合もある。
第1のモジュール201に入力する光路上に第1の光軸調整手段51を有し、第2のモジュールに入力する光路上に第2の光軸調整手段52を有し、第1の光軸調整手段のフィードバック制御を第3のモジュール203の出力光を利用して行い、第2の光軸調整手段52のフィードバック制御を第2のモジュール202の出力光を利用して行う。
すなわち、(a)では、2つのフィードバックが、シーケンシャルに配置されているが、(b)では、2つのフィードバックループが入れ子構造になっている。(c)はそれらの複合形態である。
レーザービームの断面の強度分布(レーザープロファイル)を観察する方法には、大きく分けて、(1)レーザービームを直接、カメラ263で観察する方法(図)5(a)と、(2)レーザービームをターゲット265に当てて、ターゲット265から来る光をカメラ263で観察する方法(図5(b))の2つである。
(2−2)の場合のターゲット材は、つぎの材料が好適である。
(a)蛍光カソード材(紫外レーザー確認用)
(b)ウランガラス(紫外レーザー確認用)
(c)アップコンバージョンプレート(赤外レーザー確認用)
(a)は、真空中でもモニター可能という特徴がある。(b)は入射レーザービームが紫外領域のとき可視領域の蛍光に変換される。(c)は、入射レーザービームが赤外領域のとき可視領域の蛍光に変換される。
一方、レーザープロファイラーは細かい構造まで見るので、ダイナミックレンジを取るためにはND(neutral density)フィルターを切り替えてアッテネートしながら、計測する。
画像解析にはつぎのような方法がある。
(1)重心と中心との差をフィードバックする方法
(2)眞円との差をフィードバックする方法
(3)トップハットファクター(THF)を利用する方法
(4)円環解析を利用する方法
(1)レーザープロファイルから、その重心511を求める(図7における○)。
(2)一方で、レーザープロファイルにおいて特定の輝度の値を示す点(x、y)の外形形状513を求める。(図7における□の集合)。
(3)該外形形状に対して、最も一致する円であるフィッティング円515をもとめる。
(4)フィッティング円515の中心517と前記重心511との距離がもっとも小さくなるようにアラインメントする。
(1)レーザープロファイルから、輝度を指定し、その外形形状513を求める。これは前述の(2)と同じ処理である。
(2)該外形形状に対して、フィッティング円515をもとめる。これは前述の(3)と同じ処理である。
(3)該外形形状513と該フィッティング円515との差を求める。具体的には、Ri、r及びDiをつぎのように定義したとき、距離の差の自乗の総和ΣDiを求める。
Ri:中心と外形形状の位置の差
r:フィッティング円の半径
Di:これらの差の自乗、すなわち、Di=(Ri−r)^2
(4)ΣDiが最小となるようにアライメントする
ビームプロファイルの形状は、図9(a)に示す、トップハットの形、すなわち円柱形の強度分布となることが理想的である。すなわち、x及びyの所定の領域で一定の輝度を示し、それ以外の領域で輝度ゼロになるビームプロファイルである。
トップハット形状にどのくらい近いかを示す数値がTHFであり、つぎの方法で計算する。
(1)輝度と頻度の関係を輝度が横軸に、頻度が縦軸になるようにグラフに表す(図9(d))。このときの頻度とは、特定の輝度よりも高い輝度を呈する画素の総数である。例えば、特定の輝度を0とおけばすべての画素が該当するので、頻度はカメラの画素数に等しくなる。特定の輝度が増加するにつれて、頻度が減少し、最大輝度の位置で頻度はゼロになる。
(2)次に、当該グラフにおいて、輝度の最大値を1に、頻度の最大値を1に規格化する(図9(e))。
(3)このときの軸と曲線で囲まれる面積SがTHFを与える。
図9(a)に示された理想的プロファイルの場合の輝度と頻度との関係は図9(b)で与えられる。したがって、理想的プロファイルに対しては、図9(c)で示すようにTHF=1となる。
このTHFが1となるように、あるいはできるだけ1に近づくように、アラインメントする。
(1)特定の輝度を指定して、2つの外形形状を求める。すなわち、ドーナツの内円に対する輪郭521と外円に対する輪郭523を抽出する。
(2)それぞれの輪郭に、円のフィッティングを施し、フィッティングされた円のそれぞれに対して中心をもとめる。内円の中心(図示せず)と外円の中心(図示せず)とが求まる。
(3)内円の中心と外円の中心とのずれ、あるいは、それぞれの中心と重心(前述のように、レーザープロファイルの輝度の分布の重心である)とのずれを、できるだけ小さくなるようにアライメントする。
次に、図12に示すフローチャートを参照して光軸調整の制御方法をより詳細に説明する。光軸調整手段は、リスレープリズム対が利用されており、かつ図2に示すようなフィードバックループが構成されているものとする。ここでは、光検出器207は、光パワーメーターなどとし、この測定結果である、出力電圧値を制御手段211への入力信号とする場合を取り上げる。
ステップS−18:このステップは、光検出器207によって、変換光の強度に比例する信号を取得するステップである。
(ファジー推論)
(遮蔽板)
図18(b)に示すようにドーナッツ状の遮断板603をモジュール間の光路に導入する。この際、正しく光軸を制御されたときに、レーザービーム40がドーナツの穴に相当する内円613の中心を通るように、ドーナッツ形遮断板を配置する。
内円の直径は、ここを通過できるレーザービーム40が後段モジュールや人体に悪影響(損傷や破壊)を与えない大きさとするのが好適である。遮断板603の材質は、レーザーを遮断できる材質でたとえば、レーザーの波長を遮断できる有機材料や無機材料(金属、ガラス、セラミックス)が好ましい。
何らかの原因(モーターの誤動作、コンピューターの誤動作などなど)により、光軸調整を誤った場合でも、後段モジュールに悪影響を与えるような光がこの遮断板で遮断されるため、後段モジュールや人体を守ることができる。
また、ドーナッツ形遮断板の遮断部をカメラ263で観察することにより、遮断されたレーザーの散乱光を観察することができる。この際、画像処理を行い、自動アラインメントシステムの制御のための入力信号とすることにより、光軸を正規の位置へ戻すことが可能となる。
これは、現在、自動アラインメントシステムの制御のための入力信号は、たいていの場合、物理的な性質上、後段モジュール以降にあることが多い。しかし、その構成では、もし、遮蔽板にあたるほどずれてしまった場合は、検出器で検出できない。すなわち、制御できなくなってしまう。本ドーナッツ形遮蔽板603を用いると、ずれた光軸を正規の位置へ戻すことが可能であるので、制御不能を回避することができる。
該光軸状態検出装置の構造及び光軸状態検出方法を下記に説明する。
(2)次に、これら第1および第2のプリズムを、所望の光路の中心軸710を挟んで対称に、しかも、それぞれの前記第1の面711が、前記光路の中心軸710と直交する平面に対し平行になるように、かつ、前記第1の面711および第3の面715がなす稜714が前記所望の光路の中心軸710の側に位置するように、配置する。
(3)次に、このように配置した第1および第2のプリズムの間隙を含む領域にレーザービーム40を第1の面711の側から入射する。
そして、このようにビーム40が入射された状態の第1および第2のプリズム701及び703それぞれの第2の面713の、第4の面717に近接する部分と第3の面に近接する部分とからの光出力をそれぞれ測定する。そして、これら光出力の状態に基づいて前記ビームの中心軸が前記光路の中心軸に対しどのような状態かを検出する。
なお、ここで直角な頂角とか、第3の面に平行な第4の面とか、光路の中心軸と直交する等の記述での直角、平行、直交という意味は、それぞれ、この発明の目的を達成出来る範囲で、ほぼ直角、ほぼ平行、ほぼ直交を含む意味である。
さらに、図18に示したドーナッツ状の遮断板を追加すると、一層効果的である。
(メタヒューリスティックな最適化制御)
従来のアラインメント方法では、ピークの位置のみを探すようになっていた。図21に示すように、ピーク位置がP1とP2の2つある場合、従来方法では、それらの一方のみを探索することになる。しかし、本方法では、ピーク位置P1とP2との間にある、サドルの位置S1を探索する。点S1に保つようなアラインメント方法により、一層安定なシステムあるいはモジュールを実現する。サドルポイントアラインメントは、チャープパルスの和混合で生成するTHGパルスで矩形波を目指す場合は、有効な手段である。
図22において、現在、ノブの回転角がX1からX2へと変化させ、光強度がP1からP2へと増加したとき、さらに、光強度を増加させる回転角を探索するために、従来のアラインメント方法では、次のノブの回転はX1からX2への方向と同じ方向にあるX3となるようにする。
従来のアラインメント方法では、複数のモーターを切り替え、目的の光量などになるようにパラメーターを設定できるようになっていた。
これに対して、状況に応じてパラメーターを変更できるようにし、シーケンスを組めるようにしたのが特徴である。すなわち、あるパラメーターのセットで調整し、条件を満たせば、次のパラメーターを次のセットに変更して調整できるようにした。
さらに、このパラメーターのなかで、モーターがまったく動かない「休止」状態も導入した。これは、実際の調整において、調整後、微動装置の回転ノブはまったく調整せず、ただ、故意に待つ、そして、ある程度待った後に、再度調整を開始する。こうしたほうがよりよい調整が行えることを経験的に知られており、これらを「休止」という形で、シーケンス内で設定できるようにした。
1つのアライメントシステムが、1人の熟練者に相当するので、複数のアライメントシステムの導入は、複数の熟練者が同時に存在することに相当する。したがって並列かつ多目的同時対応が可能になる。いままで以上に安定なシステムとなる。また、自動化が可能となる。より複雑となっても、実現が可能となる。さらに、メンテナンスが容易になる。
(1)モジュールAとモジュールBがあったとする。モジュールAとモジュールBの間の光軸を安定化させると、モジュールBから出射されるレーザーの強度や光軸が安定する。よって、これらモジュールを組み合わせた結果の最終段の出力ビームも強度や光軸が安定化する。さらに、モジュールA−B間の光軸を最適状態にアライメントした場合、モジュールBから出射するレーザーなどの出力強度が増加する。
(2)強度に余裕がでるため、制御が行いやすくなる。十分な強度がある場合は、減少させて利用することが可能で、次のモジュールへ一定の強度で入射させることが可能となる
レーザーを用いたシステムにおける光軸調整は大変面倒な作業であり、かつ熟練した技術者による職人芸的な方法に依存していた。
また、光軸調整個所が複数ある場合、従来技術では、上流側からの順次調整しかできなかった。
一般的なフィードバック制御は、その伝達関数が解析的に明確になっている。しかし、大規模レーザーシステムにおいて、複数の光軸調整個所がある場合、そのときの伝達関数を現実的に求めることができない。これは、複数の光軸調整個所が独立に動作しないからである。例えば、2つの光軸調整個所に対応して、上流側のフィードバックループ#1と下流側のフィードバックループ#2があり、フィードバックループ#1の結果が、#2に影響を与えるので、#1の状態が変われば、#2の伝達関数が変化することが通常であるということである。つまり、フィードバックループ#1及び#2を同時並行して調整を行う場合、#1の状態に合わせて#2の制御のパラメーターを変化させる必要があった。よって、同時並行で調整にするためには、#1の状態を十分に解析し、そのそれぞれの状態での#2の伝達関数をさらに解析し、制御パラメーターを割り出さなければならず、これは、現実的にはできない。光軸調整個所が3つ以上となるとますます難しくなる。それ故、上流から下流へというシリアルな調整方法が行われていた。
これにより、本願発明では複数のフィードバックループを同時並行に制御しても、光軸調整が自動的に実施可能になるという顕著な作用効果を有する。
本発明により、レーザーシステムにおける光軸調整と言う、熟練性を有し、かつ面倒な作業を自動的にできることが可能になった。
44:基本波のレーザーパルス
46:電子ビーム
47:高調波
48:3倍高調波のレーザーパルス
50:光軸調整手段
51:第1の光軸調整手段
52:第2の光軸調整手段
57:リスレープリズム対
58:モーター対
61:検出信号
62:制御信号
63:駆動信号
100:フォトカソードRF電子銃
101:モード同期チタンサファイアレーザー
103:パルス幅伸張器
111:再生増幅器
113:マルチパス増幅器
121:パルス幅圧縮器
123:第3高調波発生手段及びパルス幅伸張器
125:3次元形状整形手段
133:フォトカソード電子銃
131:EOSバンチモニター
200:モジュール
201:第1のモジュール
202:第2のモジュール
203:第3のモジュール
205:ビームサンプラー
207:光検出器
211:制御手段
209:モータードライバー
261:4象限センサーまたは2次元PSD
263:カメラ
265:ターゲット
299:フィードバックループ
311:第1のピンホール
313:第2のピンホール
315:非線形光学結晶
511:レーザープロファイルの重心
513:外形形状
515:フィッティング円
517:フィッティング円の中心
521:内円に対する輪郭
523:外円に対する輪郭
601:遮断板
603:ドーナツ状の遮断板
701:第1のプリズム
703:第2のプリズム
710:光路の中心軸
711:直角な頂角を形成する第1の面
713:直角な頂角を形成する第2の面
714:第1の面及び第3の面がなす稜
715:第3の面
717:第4の面
730:受光素子
731:第1の受光素子
732:第2の受光素子
733:第3の受光素子
734:第4の受光素子
740:ドーナツ形プリズム
742:回転の中心軸
Claims (13)
- 複数のモジュールから構成されたレーザーシステムであって、各モジュールの間は光路で接続され、
少なくとも2つの光路のそれぞれに光軸調整手段を有し、該光軸調整手段はフィードバック制御により光軸調整を行い、該フィードバック制御をファジイ推論またはメタヒューリスティックな制御で行うレーザーシステム。 - 前記フィードバック制御とは、フィードバック制御の対象となる光軸調整手段を通過した後のレーザー光を直接または他のモジュールを介しその出力レーザー光を光検出手段で検出し、検出結果に応じて該光軸調整手段を調整する制御を行う請求項1に記載のレーザーシステム。
- 前記複数のモジュールの少なくとも1つは、レーザー増幅器、パルス幅伸張器、パルス幅圧縮器、プロファイル整形器もしくは高調波発生手段、またはこれらの組み合わせからなる、請求項1または2に記載のレーザーシステム。
- 前記複数のモジュールは、レーザー光の入力及び出力を有する第1、第2及び第3のモジュールを含み、第1のモジュールとの出力と第2のモジュールの入力及び第2のモジュールの出力と第3のモジュールの入力とはそれぞれにおいて直接または少なくとも1つの他のモジュールを介して、光路が接続されており、
第1のモジュールに入力する光路上に第1の光軸調整手段を有し、第2のモジュールに入力する光路上に第2の光軸調整手段を有し、第1の光軸調整手段のフィードバック制御を第3のモジュールの出力光を利用して行い、第2の光軸調整手段のフィードバック制御を第2のモジュールの出力光を利用して行う、
請求項1ないし3のいずれか1項に記載のレーザーシステム。 - 前記複数のモジュールは、レーザー光の入力及び出力を有する第1及び第2のモジュールを含み、第1のモジュールとの出力と第2のモジュールの入力とは、直接または少なくとも1つの他のモジュールを介して、光路が接続されており、
第1のモジュールに入力する光路上に第1の光軸調整手段を有し、第2のモジュールに入力する光路上に第2の光軸調整手段を有し、第1の光軸調整手段のフィードバック制御を第1のモジュールの出力光を利用して行い、第2の光軸調整手段のフィードバック制御を第2のモジュールの出力光を利用して行う、
請求項1ないし3のいずれか1項に記載のレーザーシステム。 - 前記レーザーシステムは多段増幅式レーザーシステムである、請求項1ないし5のいずれか1項に記載のレーザーシステム。
- 前記光軸調整手段が、リスレープリズムの回転を用いたことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載のレーザーシステム。
- 前記光軸調整手段が、ミラーの角度変化を用いた、請求項1ないし6のいずれか1項に記載のレーザーシステム
- 前記光検出手段が、入力するレーザー光の光強度に対応した信号を出力し、前記制御手段に入力する、請求項2に記載のレーザーシステム。
- 前記光検出手段が、入力するレーザー光のプロファイルを出力し、前記制御手段に入力する、請求項2に記載のレーザーシステム。
- 前記モジュール間の少なくとも1つの光路に、所望とする光路の中心軸に対しどのような状態かを検出する装置が挿入され、該検出装置が、回転体のプリズムと複数の受光素子とを備え、
該回転体のプリズムは、回転の中心軸を含む平面による断面形状が直角な頂角を形成する第1および第2の面と、前記直角な頂角と対向する第3の面とを有する直角三角形に対して、前記直角な頂角部分を、前記第3の面と平行なかつ所定広さの第4の面となるように加工した構造に相当する構造の第1の形状および、該第1の形状と同様な構造の第2の形状であって、該中心軸を挟んで対称に、しかも、それぞれの前記第1の面が、該中心軸と直交する平面に対し平行になるように、かつ、第1の面および第3の面がなす稜が該中心軸の側に位置するように、配置された第1および第2の形状からなる断面形状を有し、
該受光素子は、該回転体プリズムに関わる第1及び第2の形状における前記第2の面が該回転の中心軸のまわりに回転することによって得られる曲面のまわりに、受光面が該中心軸に向けて配置された、請求項1ないし10のいずれか1項に記載のレーザーシステム。 - 前記モジュール間の少なくとも1つの光路に、ドーナッツ状の遮断板を挿入した、請求項1ないし11のいずれか1項に記載のレーザーシステム。
- 前記メタヒューリスティックな制御とは、遺伝的アルゴリズム、シミュレーティド・エボリューション、焼きなまし法、タブー探索、蟻コロニー最適化、粒子群最適化、進化戦略、進化的プログラミング、人工免疫システム及びニューラルネットワークのいずれかを用いた制御である、請求項1ないし12のいずれか1項に記載のレーザーシステム。
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