JP2021507524A - 非線形スペクトル圧縮ファイバ増幅器のためのａｍ／ｆｍシード - Google Patents

Abstract

ファイバ増幅器システムは、光学的なシード・ビームを提供する光学的ソースと、シード・ビームを、そのスペクトル線幅を拡幅するように周波数変調するＦＭ電気光学変調器（ＥＯＭ）とを含む。システムはまた、周波数変調されたシード・ビームと同期の振幅変調されたシード・ビームを提供するように、シード・ビームを振幅変調するＡＭ ＥＯＭを含む。システムはまた、ＡＭ変調およびＦＭ変調された前記シード・ビーム受け取る非線形ファイバ増幅器を含み、振幅変調されたシード・ビームによりファイバ増幅器において自己位相変調が生じ、これは、シード・ビームを、それがファイバ増幅器により増幅されているときに位相変調し、これは、周波数変調により生じさせられるスペクトル線幅の拡幅を相殺するように働く。【選択図】なし

Description

政府条項
[0001] 本発明は、エア・フォース・リサーチ・ラボラトリから付与された契約第ＦＡ９４５１−１８−Ｃ−０１０１号の下で、政府の支援を受けてなされた。政府は、この発明の特定の権利を有する。

背景
分野
[0002] 本開示は、一般に、高い出力および狭い線幅を有するファイバ・レーザ増幅器に関するものであり、より具体的には、電気光学変調器（ＥＯＭ）を含むファイバ・レーザ増幅器システムに関するものであり、ＥＯＭは、シード・ビームへ周波数変調（ＦＭ）信号を印加してその線幅を拡げ、また、ＦＭ信号と同期されるシード・ビームへ振幅変調（ＡＭ）信号を印加するものであり、変調されたシード・ビームは、非線形ファイバ増幅器により増幅され、それにより、シード・ビームが増幅器を通って伝搬するときにシード・ビームを位相変調する自己位相変調が、ビームの周波数変調をキャンセルして、元のシード・ビームのスペクトルを回復させる。

検討
[0003] 高出力レーザ増幅器には、工業、商業、軍事などを含む多くの応用がある。それら及び他の応用のために、レーザ増幅器の設計者は、レーザ増幅器のパワーを増加させる方法を継続的に研究している。１つの既知のタイプのレーザ増幅器は、ドープト・ファイバを用いるファイバ・レーザ増幅器であり、ドープト・ファイバは、シード・ビームと、シード・ビームを増幅するポンプ・ビームとを受け取り、高出力レーザ・ビームを生成するものであり、このファイバは、約１０−２０μｍまたはそれより大きいアクティブ・コア直径を有する。

[0004] ファイバ・レーザ増幅器の設計における改善は、その実用的パワーおよびビーム品質限度に近づくように、ファイバの出力パワーを増加させた。ファイバ増幅器の出力パワーを更に増加させるために、幾つかのファイバ・レーザ・システムは複数のファイバ・レーザ増幅器を用い、それらは、複数の増幅されたビームを或る様式で結合（combine）して高パワーを生じさせる。このタイプのファイバ・レーザ増幅器システムに関する設計での挑戦は、複数のファイバ増幅器からの複数のビームを、それら複数のビームが１つのビーム出力を提供するような形で結合して、そのビームを小さい焦点へ焦点合わせできるようにすることである。長距離（ファーフィールド）での小さいスポットへの結合ビームの焦点合わせは、ビームの品質を限定する。

[0005] １つの既知の多ファイバ増幅器の設計では、マスタ発振器（ＭＯ）がシード・ビームを生成し、そのシード・ビームは複数のファイバ・シード・ビームへと分割され、それらビームのそれぞれは共通波長を有するものであり、各ファイバ・ビームは増幅される。増幅されたファイバ・シード・ビームは、次に、コリメートされ、回折光学素子（ＤＯＥ）へ送られ、これは、複数のコヒーレントのファイバ・ビームを１つの出力ビームに結合する。ＤＯＥは、素子内へ形成された周期的構造を有するので、それぞれが少し異なる角度方向を有する個別のファイバ・ビームが周期的構造により向きを変えられたときに、それらのビームの全てがＤＯＥから同じ方向に回折する。各ファイバ・ビームは位相変調器へ提供され、位相変調器は、ビームの位相を制御して、全てのファイバ・ビームの位相がコヒーレントに維持されるようにする。しかし、帯域についての制限および位相合わせのエラーにより、コヒーレントに組み合わすことができるファイバ・ビームの数が制限され、従って、レーザの出力パワーが制限される。

[0006] 別の既知の多ファイバ増幅器の設計では、複数のマスタ発振器（ＭＯ）が複数の波長で複数のファイバ・シード・ビームを生成し、各ファイバ・シード・ビームは増幅される。増幅されたファイバ・シード・ビームは、次に、コリメートされ、回折格子または他の波長選択的素子へ送られ、これは、複数の異なる波長のファイバ・ビームを１つの出力ビームに結合する。回折格子は、素子内へ形成された周期的構造を有するので、それぞれが少し異なる波長および角度方向を有する個別のファイバ・ビームが周期的構造により向きを変えられたきに、それらのビームの全てが回折格子から同じ方向に回折する。しかし、帯域についての制限により、波長結合できるファイバ・ビームの数が制限され、従って、レーザの出力パワーが制限される。

[0007] これらの制限を克服し、レーザ・ビームのパワーを更に増加させるために、複数のマスタ発振器を提供して様々な波長の複数のシード・ビームを生成することができ、その場合において、個々の波長のシード・ビームのそれぞれは、複数のファイバ・シード・ビームへと分割され、各グループのファイバ・シード・ビームは、同じ波長を有し、相互にコヒーレントである。各グループの各波長の複数のコヒーレントなファイバ・シード・ビームは、最初に、ＤＯＥによりコヒーレントに結合され、次に、各グループのコヒーレントに結合されたビームは、少し異なる角度でスペクトル・ビーム結合（ＳＢＣ）格子へ送られ、これは、それらのビームを同じ方向に回折して、複数波長の１つの結合されたビームとする。ＳＢＣ格子はまた、異なる波長の複数のビームを結合するための周期的構造を含む。

[0008] ビームの品質を向上させるために、ファイバ増幅器からの出力ビームが狭い線幅であること、即ち、狭い周波数範囲を有することが望ましいことが多い。しかし、高い出力には広いビーム線幅が必要であるため、典型的には、高い出力と狭い線幅とは両立し難いので、従来、高い出力と狭い線幅との双方を提供することは技術における挑戦であった。より具体的には、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）、即ち、ビームがファイバ増幅器に沿って伝搬するときのビームの非線形後方散乱は、小さい周波数範囲の狭い線幅で増加し、これは、ビームのパワーを低減するように働く。しかし、ビーム線幅が広いほど、既知のビーム結合技術を通じて複数のファイバからの複数のビームを１つのビームへと、コヒーレントに結合またはスペクトル的に結合することが、難しくなる。特に、ＳＢＣ格子からの分散効果は、増幅されているビームの線幅が狭いことを必要とし、そこでは、スペクトル分散により、ビームのスペクトル成分が様々な角度で回折される。換言すると、ＳＢＣに関して、シード・ビームのスペクトル輝度が、結合ビーム出力の理論的輝度を直接的に制限する。

[0009] 増幅器間での群遅延および分散が完全に整合しないので、コヒーレント・ビーム結合（ＣＢＣ）に関して、シード・ビームのスペクトル輝度は結合の効率を制限する。典型的には、ソース・スペクトル輝度はＳＢＳにより制限され、そして、ピークＳＢＳゲインを低減し、望まれる出力パワーを達成するために、ファイバ増幅器へのシード・ビーム・ソースは周波数変調されなければならない。周波数変調スペクトル拡幅は、１つのファイバ増幅器から達成可能なスペクトル輝度を制限し、したがって、システム出力を制限する。

[0010] これらの制限を克服するために、ファイバ増幅器の設計者は、典型的には、周波数変調を通じて線幅を低減するために、ファイバ増幅器の増幅段の前に１以上の位相変調器を用いる。しかし、ビームがファイバ増幅器により増幅される前に、ビームへ周波数変調が適用されると、そのビームのスペクトル成分の拡幅が増幅器を通して保たれ、その結果として、低スペクトル輝度の増幅されたビームとなる。

[0011] Ｇｏｏｄｎｏその他に対しての２０１５年５月１９日に発行された「Nonlinear Spectrally Narrowed Fiber Amplifier」という表題の米国特許第９０３６２５２号は、スペクトル輝度を向上させるための高い出力および狭い線幅を有するファイバ・レーザ増幅器システムを開示し、この文献は、この参照によりここに組み込まれる。この’２５２特許に開示されているファイバ増幅器システムは、光学的シード・ビームを提供するシード・ソースと、調波位相変調器とを含み、調波位相変調器は、シード・ビームとＲＦ駆動信号とを受け取り、駆動信号を用いてシード・ビームを周波数変調して、シード・ビームの主帯域または０次周波数からの光パワーを除去し、そのパワーを、駆動信号の周波数により区切られる側波帯周波数へ入れる。分散素子は、周波数変調されたシード・ビームを受け取り、そのシード・ビームの時間的振幅変調を提供する。非線形ファイバ増幅器は、周波数および振幅が変調されたシード・ビームを分散素子から受け取り、そのシード・ビームを増幅するものであり、周波数変調およびファイバ増幅器の非線形性により生じる自己位相変調（ＳＰＭ）は、結合して側波帯周波数から光パワーを除去し、それを０次周波数へと戻す。

[0012] 上記で一般的に説明したように、’２５２のファイバ増幅器システムは、シード・ビームを周波数変調し、次に、周波数変調されたシード・ビームを、分散を用いて振幅変調するものであり、振幅変調は、ファイバ増幅器の非線形性により生じる自己位相変調を駆動し、ビームが増幅されているときのビームのスペクトルが低減されるようにして、狭い線幅を有する高パワー出力ビームを生成する。この技術は、上記のように、高い出力且つ狭い線幅のビームを有効に提供することができるが、振幅変調は周波数変調と正確に整合しないので、シード・ビームの振幅変調を提供するために分散に依存することは制限され、これは、高い変調度でのファイバ増幅器における非線形スペクトル圧縮の効率を制限する。より具体的には、低い変調度および高い非線形のファイバ増幅器に関して、ファイバ増幅器でのスペクトル圧縮は有効である。しかし、ファイバ増幅器での非線形性が低い場合、ビームの振幅変調度をより高くするためには、より多くの分散が必要とされる。しかし、分散が大きい場合、振幅変調のときの形状は周波数変調線幅拡幅のときの形状と正確に一致しない、即ち、振幅変調の波形は完全な正弦波ではないので、非線形スペクトル圧縮は非効率的であり、多くのパワーが側波帯に残り、これにより低減できる線幅の量が制限される。従って、スペクトル圧縮の効率と高いＳＢＳの抑制との間でのトレードオフがある。

図１は、シード・ビームの周波数変調と振幅変調とを提供するための個別のＥＯＭを含むファイバ・レーザ増幅器システムの入力部の概略的ブロック図である。 図２は、シード・ビームの周波数変調と振幅変調との双方を提供するための１つのＥＯＭを含むファイバ・レーザ増幅器システムの入力部の概略的ブロック図である。 図３は、シード・ビームの周波数変調と振幅変調との双方を提供するための１つのＥＯＭを含み、複数のファイバ増幅器間の整合するＢ積分を有するＣＢＣを用いるファイバ・レーザ増幅器システムの入力部の概略的ブロック図である。 図４は、シード・ビームの周波数変調と振幅変調との双方を提供するための１つのＥＯＭを含み、複数のファイバ増幅器間の整合しないＢ積分を有するＣＢＣを用いるファイバ・レーザ増幅器システムの入力部の概略的ブロック図である。 図５は、複数のチャンネルを有するファイバ・レーザ増幅器システムの概略的ブロック図であり、各チャンネルは、シード・ビームの周波数変調と振幅変調との双方を提供するための１つのＥＯＭを含み、ＳＢＣを用いる。

[0018] ビーム・パワーを増加し且つビーム幅を低減するためのシード・ビームの周波数変調および振幅変調を提供するファイバ・レーザ増幅器に関しての本開示の実施形態の下記の説明は、本質的に単なる例示であり、本開示やその応用や使用を限定することを意図していない。

[0019] 上述のように、ファイバ・レーザ増幅器では、高いパワーと狭い線幅とは両立しないので、スペクトル輝度が制限される。この両立しないということを克服するために、本開示は、周波数変調と振幅変調との双方を用いることにより、シード・ビームの線幅を拡幅し、次に、高出力ファイバ増幅器の非線形性により生じる自己位相変調を用いて、増幅されたビームの線幅を元の拡幅されていないシード・ビームの線幅近くにスペクトル圧縮することを、提案する。

[0020] 図１は、ファイバ・レーザ増幅器システム１０の一部の概略的なブロック図であり、このシステムは、ライン１４で特定の波長を有するシード・ビームを生成するマスタ発振器１２を含む。シード・ビームは補助ＲＦ電気光学変調器（ＥＯＭ）１６へ提供され、このＥＯＭは補助ＲＦドライバ１８により制御されて周波数変調を提供する。ＥＯＭ１６により提供される周波数変調は、ホワイト・ノイズまたは擬似乱数ビット・シーケンス（ＰＲＢＳ）などのような周波数変調拡幅を提供するための従来の技術を呈するものであり、幾つかの増幅器システムでは、必要とされない場合や望まれない場合がある。ＥＯＭ１６は、システム１０のシード・ビームが増幅される前の任意の適切な位置に配せばよいことに、留意されたい。補助ＥＯＭ１６に続くレーザ・フィールドＥ_１（ｔ）は、下記の形となる。

[0021] 式（１）から理解できるように、レーザ・フィールドの増幅は、時間において一定であり、その位相は、ＥＯＭ１６により課せられる関数φ（ｔ）で時間的に変化する。

[0022] ＥＯＭ１６からの変調されたシード・ビームは、次に、ＦＭ ＥＯＭ２０へ送られ、ＦＭ ＥＯＭ２０はまた、ＲＦドライバ２２からＲＦ駆動信号ｆ（ｔ）を受け取る。ＥＯＭ２０は、光学シード・ビームの位相へＲＦ駆動信号を課して、時間においてシード・ビームの周波数を変化させて、周波数変調を提供する。ＥＯＭ２０からの周波数変調されたフィールド出力は下記の形である。

上記において、駆動信号ｆ（ｔ）は、ゼロ平均（時間平均）であり、１に正規化され、βは、ラジアンでの周波数変調度であると仮定する。

[0023] 周波数変調は、シード・ビームの位相における時間依存型の変化を提供し、これはビームの線幅を拡幅するものであり、広い線幅はＳＰＳ抑制を提供する。ここでの説明を目的とする１つの非限定的な例では、ドライバ２２により提供されるＲＦ駆動信号は、シングル・トーン正弦波信号
ｆ（ｔ）＝ｓｉｎ（ω_ｍｔ）
であり、ここにおいて、
ω_ｍｔ／２π
は変調周波数であり、３２ＧＨｚとすることができ、これは、溶融シリカ繊維におけるＳＢＳに起因するストークス周波数シフトの２倍である。しかし、様々な応用において他の高周波数正弦波駆動信号を用いることも可能なことに、留意されたい。より一般的には、駆動信号ｆ（ｔ）は、必ずしも正弦波である必要はなく、実際には、例えば、ＰＲＢＳフォーマットや整形されたノイズ・スペクトルを含めての、任意の関数形式でよい。

[0024] ＥＯＭ２０により提供される周波数変調は、光学シード・ビームを生成し、これは、駆動信号の関数形式ｆ（ｔ）および変調度βにより定められる拡幅されたスペクトル幅を含る。ここで説明する非限定的な例では、シード・ビームのスペクトルの内容は、３２ＧＨｚで区分される周波数側波帯を含む。ドライバ２２からのＲＦ駆動信号の変調度βは、望まれるスペクトル幅に応じて選択されるものであり、変調度の高い信号は広い線幅を生じさせる。例えば、ここで説明する非限定的な例では、駆動信号の変調度βは、ＥＯＭ２０においてシード・ビームの０次周波数からのパワーの全てを除去するように、選択され得る。代替的には、駆動信号の変調度βは、ＥＯＭ２０においてシード・ビームの０次および＋／−１次の側波帯周波数において等しい振幅パワーを作り出すように、選択され得る。代替的には、駆動信号の変調度βは、ＥＯＭ２０においてシード・ビームの多数の側波帯を作り出すように、選択され得る。

[0025] 周波数変調されたシード・ビームは、次に、ＡＭ ＥＯＭ２４へ送られ、これは、ＲＦドライバ２６からＲＦ駆動信号を受け取り、ＲＦ駆動信号は、シード・ビームの振幅変調を提供するもの、即ち、時間においてシード・ビームのパワーを変化させるものであり、ＥＯＭ２は、光学シード・ビームの振幅へ駆動信号を課して、振幅変調を提供する。ＲＦドライバ２６は、共通の基礎となる駆動信号ｆ（ｔ）を介してＲＦドライバ２２と同期して、ＥＯＭ２４から下記の形式のＡＭ／ＦＭフィールド出力を提供するようにされる。

上記において、パラメータＢは、ＡＭ／ＦＭソースによりシードがなされるファイバ増幅器２８と関連する自己位相変調に起因する非線形位相シフト（単位はラジアン）であり、換言すれば、ファイバ増幅器２８から出される増幅された高パワー・ビームは、パラメータＢの非線形位相シフトを経験する。

[0026] 周波数変調が無い場合、シード・ビームの振幅変調
（１−（β／Ｂ）ｆ（ｔ））^１／２
は、シード・ビームの線幅の僅かな拡幅を提供するであろう。式（３）の検討から明らかなように、振幅変調は周波数変調と同期され、それにより振幅のピークは位相の谷と整列させられる。ＥＯＭ２４は、ビームの振幅変調を直接に提供するものであり、’２５２特許の場合のように振幅変調を提供するために分散に依存しないので、振幅変調の項
（１−（β／Ｂ）ｆ（ｔ））^１／２
および周波数変調の項
ｅ^{ｉβｆ（ｔ）}
は、高い変調深度β且つ／又は低い増幅器の非線形性Ｂの場合であっても、正確に整合させることができる。

[0027] また、ＥＯＭ２０とＥＯＭ２４との順を変えることができる場合には、シード・ビームの周波数変調を、シード・ビームの振幅変調の前に行うことが必要ではないことが、式（３）から明らかである。更に、ＦＭ ＥＯＭ２０とＡＭ ＥＯＭ２４とを１つのデバイスとして組み合わせることができる。その実施形態は、図２のファイバ増幅器システム４０により例示しており、その実施形態では、システム１０と同様の構成要素は、同じ参照番号で示されている。システム４０では、ＥＯＭ２０とＥＯＭ２４とは組み合わされて１つのＡＭ／ＦＭ ＥＯＭ４１とされ、これは、ＲＦドライバ４４から同期した駆動信号を受け取り、シード・ビームへ振幅変調と周波数変調とを同時に課す。ＥＯＭ４２は、ここで説明する目的に適する任意のデバイスとすることができ、それは、ＥＯｓｐａｃｅ（トレードマーク）から商業的に入手可能なブロードバンドの低損失のＬｉＮｂＯ_３の電気光学デュアルドライブ・マッハツェンダ干渉強度変調器（Mach-Zehnder interferometric intensity modulator）などである。

[0028] 振幅および周波数が変調されたシード・ビームは、次に、非線形ファイバ増幅器２８へ送られ、これは、複数のファイバ増幅段とすることができ、各段は、ポンプ・ビームと、イッテルビウム（Ｙｂ）がドープされ、１０−２０μｍのコアを有するファイバなどのような、或る長さのドープト・ファイバとを含み、増幅された出力ビームはファイバ３０へ提供される。振幅変調および周波数変調は式（３）により同期するようにされ、それにより、ファイバ増幅器２８の所与の非線形パラメータＢに関して、高いパワーおよび狭い線幅に対しての、増幅されたビームの最適なスペクトル圧縮を提供することができる。振幅変調と周波数変調とを組み合わせて行われたシード・ビームは、ファイバ増幅器２８の非線形性に合うようにされているので、シード・ビームが増幅器２８へ送られたときにスペクトル線幅が拡幅される。ファイバ増幅器２８では非線形のカー効果があるため、ファイバのパワー依存型の屈折率が、高いパワーで光学ビームにおける位相シフトを大きくする原因となるので、シード・ビームにおける振幅変調されたパワー変動の相互作用により、ファイバ増幅器２８においてビームの同期位相シフトを生じさせる。この自己位相変調が原因で生じる時間依存型の非線形の位相は下記のようになる。

[0029] 従って、ファイバ増幅器２８から出される増幅されたフィールドは下記のようになる。

[0030] 式（５）は、非線形の自己位相変調に起因して生じる位相シフトＳＰＭ（ｔ）が、ＥＯＭ２０から先に提供された周波数変調βｆ（ｔ）を相殺することを、示す。唯一残る位相の項は、光学スペクトルに影響しない一定のグローバル位相シフト（constant global phase shift）Ｂである。シード・ビームが、ファイバ増幅器２８を通って伝搬して増幅されると、非線形のカー効果により増幅器２８での自己位相変調が生じ、それにより、ビームのパワーは、フィールドＥ_１（ｔ）と関連する元の線幅へ戻るようにシフトされ、ファイバ増幅器の出力で狭い線幅を持つ高パワー・ビームが提供される。

[0031] この効果を通じて光信号の周波数変調を相殺することにより、元のビームＥ_１（ｔ）のスペクトルは、増幅器２８の出力で、剰余振幅変調項
（１−（β／Ｂ）ｆ（ｔ））^１／２
から生じる小量の線幅拡幅のみを伴うが、ほぼ完全に回復される。増幅器２８の入力と出力（それぞれ、フィールドＥ_３（ｔ）とＥ_４（ｔ））の間のスペクトルにおける変化は、或る長さのファイバ増幅器２８における様々な位置からの後方散乱されたＳＢＳのスペクトルの重複を低減させる。これは、変調の無いシード・スペクトルと比較して、ＳＢＳのスレッショルドを増加させる。換言すると、シード・ビームが周波数変調されたときの、フィールドＥ_３（ｔ）により表される該シード・ビームのスペクトル線幅が広くされている結果として、フィールドＥ_４（ｔ）により表される増幅されたビームの線幅とスペクトルが重複する、光の後方散乱が低減される。ビームがファイバ増幅器２８を通って伝搬するときに、光パワーが、蓄積した自己位相変調によりスペクトル圧縮されると、ＳＢＳは増加するが、それは、ビームの伝搬の初期にスペクトル輝度の低下により制限される。

[0032] 前述のように、シード・ビームは、最初に、そのスペクトル線幅を拡げるために変調され、そして、シード・ビームが増幅され非線形位相が蓄積すると、パワーは、フィールドＥ_１（ｔ）と関連する元の線幅へとスペクトル圧縮される。ファイバ増幅器２８における任意の点からの後方散乱されたＳＢＳストークス光は、その点でのローカル・スペクトルを表す。ファイバ増幅器２８の大部分を通る前方へ伝搬するビームは、ファイバ増幅器２８の出力端の近くで後方散乱された戻る波とのスペクトルの重複が非常に少ないので、ＳＢＳ利得は、ＡＭ／ＦＭ変調が無い場合よりもかなり低くなる。これは、ＳＢＳに関するスレッショルドを増加させるものであり、自己位相変調圧縮の無い周波数変調に関する従来技術よりも高いスペクトル輝度出力を可能にする。更に、正弦波変調の非限定的ケースに関して、変調周波数をＳＢＳストークス・シフトの２倍とする、即ち、３２ＧＨｚとする賢明な選択は、ＳＢＳのスレッショルドを低減することから、自己シーディング効果（self-seeding effect）の多くを取り除くことができる。

[0033] 入力フィールドＥ_１（ｔ）と関連する元のスペクトル線幅への最大の圧縮効率を保証するために、振幅変調の大きさは、式（３）により記述された最適な値
（１−（β／Ｂ）ｆ（ｔ））^１／２
に従うように調節されることができる。この調節は、振幅変調の駆動電圧の変調度を変更すること、または増幅器２８の後ろにパッシブ・デリバリ・ファイバを付加することの何れかにより行うことができ、これはＢ積分を増加させるものであり、または、増幅器２８のパワーを変化させることにより行うことができ、これはＢ積分を比例的に変更するものである。

[0034] ＳＢＳの抑制を例示するために有用な変調パラメータのセットの例を、下記で説明する。ファイバ増幅器２８は、２ｋＷファイバ増幅器とすることができ、これに伴う典型的なＢ積分はＢ＝１０ラジアンである。変調ＲＦ駆動信号は、
ｆ（ｔ）＝ｓｉｎ（ω_ｍｔ）
となるように選択し、ここにおいて、ω_ｍ／２π＝３２ＧＨｚである。β＝２．４ラジアンという周波数変調度を選択することにより、ＦＭフィールドＥ_２（ｔ）のスペクトル線幅は、〜２βω_ｍ／２π＝１５０ＧＨｚへと拡幅される。ＥＯＭ２４は、式（３）により記述された同期振幅変調を課し、それによりＡＭ／ＦＭフィールドは次のようになる。

[0035] 結果的なパワーの変動は、変調されていない連続波パワー・レベルに対して〜４８％のピーク・トゥ・ピーク変調度を伴う正弦波である。非線形ファイバ増幅器２８において増幅がなされると、蓄積されたＳＰＭは、課せられた周波数変調を相殺し、それにより出力フィールドは単に次のようになる。

[0036] 増幅された出力フィールドのスペクトル線幅は、元の入力フィールドＥ_１（ｔ）のものと非常に似ている。ファイバ増幅器２８の長さの大部分にわたってシード・ビームのスペクトル輝度が低減されることにより、このＡＭ／ＦＭ構成に関しての期待されるＳＢＳのスレッショルドが、変調されない場合と比較して〜２ｘ倍に増加されるであろうことを、計算は示す。これは、他の場合に達成でき得るよりも〜２ｘ高いスペクトル輝度の出力パワーを可能にする。

[0037] 上述のファイバ・レーザ増幅器システム１０および４０は、任意の適切なファイバ増幅器システムの一部とすることができ、当業者は、ここでの説明に沿った様々な構成要素の配置の方法を理解するであろう。例えば、ファイバ増幅器システム１０または４０が、同じ（整合した）Ｂ積分を持つ複数の並列のファイバ増幅器２８を含むコヒーレント・ビーム結合（ＣＢＣ）ファイバ増幅器システムの一部とされる場合、周波数変調されたシード・ビームは、ＥＯＭ２４または４２の後に複数のチャンネルへと分割される。各チャンネルはまた、相アクチュエータを含む。各チャンネルのファイバ増幅器２８が、Ｂ積分に関して一致していない場合、シード・ビームは、ＥＯＭ１６とＥＯＭ２０または４２との間で分割され、ＥＯＭ１６の下流の成分は、各チャンネルに対して複製される。ファイバ増幅器システム１０または４０がスペクトル・ビーム結合（ＣＢＣ）ファイバ増幅器システムの一部とされる場合、幾つかのファイバ増幅器システム１０または４０があることになり、それぞれは、異なる波長で動作し、共通の構成要素を有さない。それらのファイバ増幅器システムは、以下で更に説明される。

[0038] 図３は、ファイバ・レーザ増幅器システム５０の概略的なブロック図であり、ファイバ・レーザ増幅器システム５０は、システム４０と同様のシード・ビームの周波数変調と振幅変調との双方を提供するための１つのＥＯＭを含み、ここでは、同様の構成要素は同じ参照番号で識別しており、また、ファイバ増幅器２８間で整合したＢ積分を有するＣＢＣを用いている。システム５０は、ＥＯＭ４２の後ろにビーム分波器５２を含み、ビーム分波器５２は、変調されたシード・ビームを複数のチャンネル５４へと分割する。それぞれのチャンネル５４の変調されたシード・ビームは、相アクチュエータ５６へ送られ、相アクチュエータ５６は、それぞれのチャンネル５４の変調されたシード・ビームの位相を制御し、それにより、それらは互いに同相となる。位相制御され変調されたシード・ビームは、次に、各チャンネル５４の増幅器２８により増幅され、複数の増幅されたビームはビーム結合光学系５８により結合され、ビーム結合光学系５８は、共通の波長を有するビームのＣＢＣのための適切な光学系およびグレーティングを含むものであり、結合されたビームがそこから出力される。

[0039] 図４は、ファイバ・レーザ増幅器システム６０の概略的なブロック図であり、ファイバ・レーザ増幅器システム６０は、システム４０および５０と同様のシード・ビームの周波数変調と振幅変調との双方を提供するための１つのＥＯＭを含み、ここでは、同様の構成要素は同じ参照番号で識別しており、また、ファイバ増幅器２８間で整合していないＢ積分を有するＣＢＣを用いている。システム６０はビーム分波器５２を含み、ビーム分波器５２は、シード・ビームを、それがＥＯＭ４２により変調される前に分割し、分割されたシード・ビームは複数のチャンネル６２へ送られる。それぞれのチャンネル６２の分割されたビームは、そのチャンネル６２のＥＯＭ４２へ送られ、変調されたシード・ビームは、相アクチュエータ５６へ送られ、相アクチュエータ５６は、それぞれのチャンネル５４の変調されたシード・ビームの位相を制御し、それにより、それらは互いに同相となる。位相制御され変調されたシード・ビームは、次に、各チャンネル５４の増幅器２８により増幅され、次に、複数の増幅されたビームはビーム結合光学系５８により結合され、結合されたビームとしてそこから出力される。

[0040] 図５は、複数のチャンネル７２を含むファイバ・レーザ増幅器システム７０の概略的なブロック図であり、各チャンネル７２は、レーザ増幅器システム４０および５０のうちの１つを有し、ここでは、同様の構成要素は同じ参照番号で識別しており、また、各チャンネル７２の各ＭＯ１２は、ＳＢＣに適した個別の波長で動作する。各チャンネル７２の増幅器２８からの増幅されたビームは、ビーム結合光学系７４により結合され、ビーム結合光学系７４は、様々な波長を有するビームのＳＢＣに対しての適切なグレーティングおよび光学系を用いて、結合されたビームを生成する。

[0041] 上記の説明は、単に、本開示の例としての実施形態を開示し記述したものである。当業者は、このような説明から、および添付の図面および請求の範囲から、以下の請求の範囲に定めた本開示の精神および範囲から離れることなく様々な変更、改造、および変形がなされ得ることを、容易に認識するであろう。

Claims (20)

1. ファイバ増幅器システムであって、
   光学的なシード・ビームを提供する光学的ソースと、
   前記シード・ビームと第１のＲＦ駆動信号とに応答する周波数変調（ＦＭ）電気光学変調器（ＥＯＭ）であって、前記シード・ビームのスペクトル線幅を拡幅するように、前記第１の駆動信号を用いて前記シード・ビームを周波数変調するＦＭ ＥＯＭと、
   前記シード・ビームと第２のＲＦ駆動信号とに応答する振幅変調（ＡＭ）ＥＯＭであって、前記周波数変調されたシード・ビームと同期の振幅変調されたシード・ビームを提供するように、前記第２の駆動信号を用いて前記シード・ビームを振幅変調するＡＭ ＥＯＭと、
   ＡＭ変調およびＦＭ変調された前記シード・ビーム受け取り、前記シード・ビームを増幅する非線形ファイバ増幅器であって、前記振幅変調されたシード・ビームにより前記ファイバ増幅器において自己位相変調が生じさせ、前記シード・ビームが前記ファイバ増幅器により増幅されているときに前記シード・ビームを位相変調し、ＦＭ ＥＯＭにより生じさせられるスペクトル線幅の拡幅を相殺するように働かせる、非線形ファイバ増幅器と
   を含むファイバ増幅器システム。
2. 請求項１に記載のシステムであって、前記ＦＭ ＥＯＭと前記ＡＭ ＥＯＭとは別個の変調デバイスである、システム。
3. 請求項１に記載のシステムであって、前記ＦＭ ＥＯＭと前記ＡＭ ＥＯＭとは１つに組み合わされた変調デバイスである、システム。
4. 請求項３に記載のシステムであって、前記第２の駆動信号は、前記振幅変調のために位相シフトされ増幅された前記第１の駆動信号の変化したものである、システム。
5. 請求項１に記載のシステムであって、前記第１の駆動信号と前記第２の駆動信号とはシングル・トーン正弦波信号である、システム。
6. 請求項５に記載のシステムであって、前記第１の駆動信号の振幅は、前記ＦＭ ＥＯＭにより前記シード・ビームの０次周波数からのパワーのほとんどを除去するように、選択される、システム。
7. 請求項５に記載のシステムであって、前記第１の駆動信号の振幅は、前記ＦＭ ＥＯＭにより前記シード・ビームの０次および＋／−１次の周波数において等しい振幅のパワーを生成するように、選択される、システム。
8. 請求項５に記載のシステムであって、前記第１の駆動信号は３２ＧＨｚの周波数を有する、システム。
9. 請求項１に記載のシステムであって、周波数変調拡幅を提供するように前記シード・ビームを周波数変調する補助ＥＯＭを更に含むシステム。
10. 請求項１に記載のシステムであって、前記光学的なソースはマスタ発振器である、システム。
11. 請求項１に記載のシステムであって、前記ファイバ増幅器システムは、コヒーレント・ビーム結合（ＣＢＣ）ファイバ増幅器システムまたはスペクトル・ビーム結合（ＳＢＣ）ファイバ増幅器システムの一部である、システム。
12. ファイバ増幅器システムであって、
    光学的なシード・ビームを提供する光学的ソースと、
    周波数変調拡幅を提供するために前記シード・ビームを周波数変調する補助電気光学変調器（ＥＯＭ）と、
    前記シード・ビームと、第１のＲＦ駆動信号と、第２のＲＦ駆動信号とに応答する、組み合わせ型の周波数変調（ＦＭ）および振幅変調（ＡＭ）ＥＯＭであって、前記シード・ビームのスペクトル線幅を拡幅するように、前記第１の駆動信号を用いて前記シード・ビームを周波数変調し、前記周波数変調されたシード・ビームと同期の振幅変調されたシード・ビームを提供するように、前記第２の駆動信号を用いて前記シード・ビームを振幅変調するＦＭおよびＡＭ ＥＯＭと、
    ＡＭ変調およびＦＭ変調された前記シード・ビーム受け取り、前記シード・ビームを増幅する非線形ファイバ増幅器であって、前記振幅変調されたシード・ビームにより前記ファイバ増幅器において自己位相変調が生じさせ、前記シード・ビームが前記ファイバ増幅器により増幅されているときに前記シード・ビームを位相変調し、ＦＭおよびＡＭ ＥＯＭにより生じさせられるスペクトル線幅の拡幅を相殺するように働かせる、非線形ファイバ増幅器と
    を含むファイバ増幅器システム。
13. 請求項１２に記載のシステムであって、前記第２の駆動信号は、前記振幅変調のために位相シフトされ増幅された前記第１の駆動信号の変化したものであるシステム。
14. 請求項１２に記載のシステムであって、前記第１の駆動信号と前記第２の駆動信号とはシングル・トーン正弦波信号である、システム。
15. 請求項１４に記載のシステムであって、
    前記第１の駆動信号の振幅は、前記ＦＭおよびＡＭ ＥＯＭにより前記シード・ビームの０次周波数からのパワーのほとんどを除去するように、選択される、システム。
16. 請求項１４に記載のシステムであって、前記第１の駆動信号の振幅は、前記ＦＭおよびＡＭ ＥＯＭにおいて前記シード・ビームの０次および＋／−１次の周波数において等しい振幅のパワーを生成するように、選択される、システム。
17. 光学的なシード・ビームを増幅する方法であって、
    前記シード・ビームを、そのスペクトル線幅を拡げるように、第１のＲＦ駆動信号を用いて周波数変調するステップと、
    前記周波数変調されたシード・ビームと同期の振幅変調されたシード・ビームを提供するように、前記シード・ビームを、第２のＲＦ駆動信号を用いて周波数変調するステップと、
    非線形ファイバ増幅器において前記周波数変調および振幅変調されたシード・ビームを増幅することにより、前記振幅変調されたシード・ビームが、前記ファイバ増幅器において生じる自己位相変調を生じさせ、前記シード・ビームが前記ファイバ増幅器により増幅されているときに前記シード・ビームを変調し、前記周波数変調による影響を受ける前記スペクトル線幅を相殺するように働くようにするステップと
    を含む方法。
18. 請求項１７に記載の方法であって、前記第１の駆動信号と前記第２の駆動信号とはシングル・トーン正弦波信号である、方法。
19. 請求項１８に記載の方法であって、前記第１の駆動信号の振幅は、前記周波数変調の間に前記シード・ビームの０次周波数からのパワーのほとんどを除去するように、選択される、方法。
20. 請求項１８に記載の方法であって、
    
    前記第１の駆動信号の振幅は、前記周波数変調の間に前記シード・ビームの０次および＋／−１次の周波数において等しい振幅のパワーを生成するように、選択される、方法。
    

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