JP2022551113A - 小型タイルを伴う光学モノリシックビーム整形器アレイを含むスペクトル結合されたファイバレーザ増幅器システム - Google Patents

Abstract

ビーム整形器アレイアセンブリ、および低フィルファクタプロファイルを有する複数のビームを提供するビーム源を含むスペクトルビーム結合（ＳＢＣ）ファイバレーザ増幅器システム。本アセンブリは、ビームを、低フィルファクタプロファイルから高フィルファクタプロファイルへ変換されるように、ビームが入力アレイから離れる方へ伝搬する際に拡大させ、各入力アレイセルの周囲においてより低い値へ漸減させるように整形される、互いに隣接して位置付けられる複数の入力セルを有する入力ビーム整形器アレイを含む。本アセンブリは、出力アレイが、複数の隣接ビームをビーム間に最小の重複および最小の空隙を伴って提供するように、ビームに拡大を停止させるように整形される、互いに隣接して位置付けられる複数の出力セルを有する出力ビーム整形器アレイをさらに含む。【選択図】図１５

Description

[0001]本開示は、概して、スペクトル結合されたファイバレーザ増幅器システム、より詳細には、離間したビーム整形器アレイを有するビーム整形器アセンブリを含むスペクトル結合されたファイバレーザ増幅器システムに関し、ビーム整形器アレイのうちの１つは、各々が円形ガウスまたは他の低フィルファクタビームを高フィルファクタビームへ変換する、密充填されたタイル状のビーム整形器セルを含み、他のビーム整形器アレイもまた、クリッピングに起因する損失パワーを最小限にしながら、各々が高フィルファクタビームのうちの１つの拡大を停止する、密充填されたタイル状のビーム整形器セルを含む。

[0002]高パワーレーザ増幅器は、工業、商業、軍用などを含む多くの用途を有する。レーザ増幅器の設計者は、これらの用途および他の用途のためにレーザ増幅器のパワーを増大させる方法を継続して調査している。レーザ増幅器の１つの知られているタイプは、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信するドープファイバを採用し、高パワーレーザビームを生成するファイバレーザ増幅器であり、ファイバは、約１０～２０μｍ以上の活性コア直径を有する。ファイバレーザ増幅器は、それらの高い効率、高いパワー拡張性、および優れたビーム品質が理由で、指向性エネルギー兵器のエネルギー源として有用である。

[0003]ファイバレーザ増幅器設計における改善は、その実用パワーおよびビーム品質限界に近づくためにファイバ増幅器の出力パワーを増大させている。出力パワーをさらに増大させるため、いくつかのファイバレーザシステムは、より高いパワーを生成するために何らかの方式で増幅ビームを結合する複数のファイバレーザ増幅器を採用する。このタイプのファイバレーザ増幅器システム、特に、高エネルギービームをターゲットに向ける指向性エネルギー兵器に採用されるものの設計課題は、ビームがビーム直径にわたって均一相を有する単一ビーム出力を提供し、その結果として、ビームが小焦点に集束され得るように、複数のファイバ増幅器からのビームを結合することである。長距離（遠方場）における小さい点に結合ビームを集束させることが、ビームの品質を画定する。

[0004]ビームコンバイナレーザ兵器システムをより高いパワーへとスケーリングするのには２つの手法が存在する。１つの手法は、スペクトルビーム結合（ＳＢＣ）として知られており、この場合、異なる波長の複数のレーザが、回折格子または他の分散光学素子上で単一ビームへと結合される。他方の手法は、コヒーレントビーム結合（ＣＢＣ）として知られており、この場合、複数の相互にコヒーレントなレーザが、互いと位相ロックされ、ビームスプリッタを使用して近接場内で重複すること、または合成ビーム、俗に「フェーズドアレイ」と称される構成、を形成するために並んでタイリングすること、のいずれかによって、単一ビームへと結合される。

[0005]異なるビーム結合手法のうち、フェーズドアレイ手法は、良好なビーム品質を有する単により高いパワーを超えた追加の有用性を提供するという点で唯一無二である。並んだレーザタイル間の相対位相（「ピストン」）を変えることにより、タイル状ビームにわたる複合波面が合成され得る。この合成された波面は、アレイ素子にわたって線形位相ランプを適用することによって高速ビーム操作を提供し得るか、またはより一般的には、複合タイル状ビームに共役波面を押し付けることによって任意の下流波面収差を補償し得るか、のいずれかである。これは、高プラットフォームジッタにもかかわらず、高速移動するターゲットに対する照準点維持を可能にし得、また大きな介在大気乱流および空中光学収差にもかかわらず、遠隔ターゲットに対する近回折限界点の形成を可能にし得る。この点に関して、能力は、本質的に、従来の可変鏡（ＤＭ）を使用したビーム制御システムのものと同様であるが、ＤＭハードウェアの必要性はなく、桁違いに高速の作動能力を伴う。ＤＭは、典型的には、鏡面を物理的に変形させる必要性に起因して、それらの作動速度が音響クラス（ｍｕｌｔｉ－ｋＨｚ）の速度に制限される一方、フェーズドアレイピストンは、商業的にファイバ結合された導波電気光学変調器を使用してＧＨｚクラスの速度で作動され得る。これらの高速度は、迅速に変化する波面障害、特に、移動する空気プラットフォームに対する空中光学効果から生じるもの、の能動的補償のために望ましい場合がある。

[0006]これらのタイプのファイバアレイ増幅器においては、フラットトップビームの場合、高パワービームによって占有される結合ビームエリアの一部と規定される、高い空間フィルファクタを有するファイバビームのアレイを提供することが望ましい。非フラットトッププロファイルを有するビームの場合、フィルファクタは、より一般的には、１－σｐ^２／（４Ｐ^２）と規定され得、式中、Ｐは、平均レーザ強度であり、σｐ^２は、結合ビームエリアにわたるレーザ強度の分散である。これらのシステム内のファイバビームエミッタは、典型的には円形の近ガウスプロファイルを有するビームを放出するが、他の非ガウスプロファイルが可能であり、ビームは、互いに隣り合ってアレイ内に配置される。次いで、ファイバビームは、コリメーティング光学素子によってコリメートされ、ビーム間の空間が、遠方場においてはオフターゲットである可能性が高い空間サイドローブ内に光パワーを発生させる。したがって、遠方場において可能な限り小さい点を獲得するためにフィルファクタを増加させることによって、ターゲットに結合ビームを投影する望遠鏡の開口全体を充填することが望ましい。知られているファイバ増幅器システムは、典型的には、フィルファクタを増加させるために円形ガウスビームをコリメートするレンズを採用する。しかしながら、その素子が近ガウスプロファイルを有する高フィルファクタビームアレイは、ビームのウイングが近隣素子によってブロックされるため、高いクリッピング損失を呈する。故に、単レンズおよび近ガウスビームを使用して可能であるものより高いフィルファクタおよびより低いクリッピング損失を有するビーム整形器アレイが必要とされる。

ビーム整形器アレイアセンブリを含むＣＢＣファイバレーザ増幅器システムの概略ブロック図である。 図１に示されるファイバレーザ増幅器システムから分離されたビーム整形器アレイアセンブリの等角図である。 図２に示されるビーム整形器アレイアセンブリ内のビーム整形器アレイの前面図である。 図２に示されるビーム整形器アレイアセンブリを通じて伝搬するファイバビームのうちの１つについてのビームプロファイルであり、どのようにしてビームプロファイルが、円形ガウスプロファイルから正方形フラットトッププロファイルへ進むために、１つのビーム整形器アレイから他のビーム整形器アレイへ伝搬する際に展開および拡大するかを示す図である。 図２に示されるビーム整形器アレイアセンブリを通じて伝搬するファイバビームのうちの１つについてのビームプロファイルであり、どのようにしてビームプロファイルが、円形ガウスプロファイルから正方形フラットトッププロファイルへ進むために、１つのビーム整形器アレイから他のビーム整形器アレイへ伝搬する際に展開および拡大するかを示す図である。 図２に示されるビーム整形器アレイアセンブリを通じて伝搬するファイバビームのうちの１つについてのビームプロファイルであり、どのようにしてビームプロファイルが、円形ガウスプロファイルから正方形フラットトッププロファイルへ進むために、１つのビーム整形器アレイから他のビーム整形器アレイへ伝搬する際に展開および拡大するかを示す図である。 図２に示されるビーム整形器アレイアセンブリを通じて伝搬するファイバビームのうちの１つについてのビームプロファイルであり、どのようにしてビームプロファイルが、円形ガウスプロファイルから正方形フラットトッププロファイルへ進むために、１つのビーム整形器アレイから他のビーム整形器アレイへ伝搬する際に展開および拡大するかを示す図である。 図２に示されるビーム整形器アレイアセンブリを通じて伝搬するファイバビームのうちの１つについてのビームプロファイルであり、どのようにしてビームプロファイルが、円形ガウスプロファイルから正方形フラットトッププロファイルへ進むために、１つのビーム整形器アレイから他のビーム整形器アレイへ伝搬する際に展開および拡大するかを示す図である。 図２に示されるビーム整形器アレイアセンブリを通じて伝搬するファイバビームのうちの１つについてのビームプロファイルであり、どのようにしてビームプロファイルが、円形ガウスプロファイルから正方形フラットトッププロファイルへ進むために、１つのビーム整形器アレイから他のビーム整形器アレイへ伝搬する際に展開および拡大するかを示す図である。 Ｘ方向およびＹ方向の両方に整形される、図３に示されるビーム整形器アレイ内のビーム整形器のうちの１つの模式図である。 Ｘ方向に整形される、図３に示されるビーム整形器アレイ内のビーム整形器のうちの１つの模式図である。 Ｙ方向に整形される、図３に示されるビーム整形器アレイ内のビーム整形器のうちの１つの模式図である。 トリムビーム整形器アレイを含む、図２に示されるビーム整形器アレイアセンブリの等角図である。 ブロックの対向する側にビーム整形器アレイを含む、図２に示されるタイプのビーム整形器アレイアセンブリの等角図である。 ビーム整形器アレイの外縁が円形開口により密接に適合するようにセルがタイル状にされている、いくつかの別個の正方形ビームセルを有するビーム整形器アレイの前面図である。 異なる形状のビームセルを有するビーム整形器アレイの前面図である。 異なるサイズのビームセルを有するビーム整形器アレイの前面図である。 円形開口のための異なるサイズおよび形状のビームセルを有するビーム整形器アレイの前面図である。 ダイオードレーザバービーム源を含む、図２に示されるタイプのビーム整形器アレイアセンブリの等角図である。 図２に示されるビーム整形器アレイアセンブリと同様の一次元ビーム整形器アレイアセンブリを含むＳＢＣファイバレーザ増幅器システムの概略ブロック図である。 図１５に示される増幅器システムから分離された一次元ビーム整形器アレイアセンブリの等尺図である。 図２に示されるタイプのビーム整形器アレイアセンブリを含み、マルチディザーサンプルビーム位相ロックを含む、ハイブリッドＣＢＣおよびＳＢＣファイバレーザ増幅器システムの概略ブロック図である。 図１７に示されるビーム整形器アレイアセンブリのためのエンドキャップの等角図である。 図２に示されるタイプのビーム整形器アレイアセンブリを含み、光ヘテロダイン検出位相ロックを含む、別のハイブリッドＣＢＣおよびＳＢＣファイバレーザ増幅器システムの概略ブロック図である。 ビーム整形器アレイアセンブリを製造するためのプロセスのためのプロセスを示すフローチャート図である。 ファイバをエンドキャップに溶接し、望遠鏡および顕微鏡を使用してビーム角度および位置誤差を測定するためのプロセスを示す１Ｄ光学アセンブリの模式図である。 ビーム位置誤差を示す近接場画像の前面図である。 ビーム角度誤差を示す遠方場画像の前面図である。 遠方場および近接場においてビームを撮像するために光学素子を使用してビーム整形器アレイアセンブリについてのビーム角度および位置誤差を測定するためのプロセスを示す１Ｄ光学アセンブリの模式図である。 干渉計を使用してビーム整形器アレイアセンブリについてのビーム角度および位置誤差を測定するためのプロセスを示す１Ｄ光学アセンブリの模式図である。 図２５の干渉計における画像の前面図である。 アレイ内のファイバの角度を補正するためのプロセスを示すエミッタアレイの側面図である。 アレイ内のファイバの角度を補正するためのプロセスを示すエミッタアレイの側面図である。 アレイ内のファイバの角度を補正するためのプロセスを示すエミッタアレイの側面図である。 アレイ内のファイバの角度を補正するためのプロセスを示すエミッタアレイの側面図である。 図２８Ａは、アレイ内のファイバの位置を補正するためのプロセスを示すエミッタアレイの側面図である。 図２８Ｂは、アレイ内のファイバの位置を補正するためのプロセスを示すエミッタアレイの側面図である。 図２８Ｃは、アレイ内のファイバの位置を補正するためのプロセスを示すエミッタアレイの側面図である。 対向するサイドブリッジによって光学素子に結合されているエンドキャップを示す光学アセンブリの模式図である。 トップブリッジによって光学素子に結合されているエンドキャップを示す光学アセンブリの模式図である。 複数の１Ｄ光学アセンブリおよび光学素子を含む２Ｄ光学アセンブリの模式図である。 複数の１Ｄ光学アセンブリおよび単一の光学素子を含む２Ｄ光学アセンブリの模式図である。

[0039]離間したタイル状のビーム整形器アレイを有するビーム整形器アレイアセンブリを含むスペクトル結合されたファイバレーザ増幅器システムを対象とした本開示の実施形態の以下の議論は、本質的に例示にすぎず、本開示またはその応用もしくは使用を限定することはいかようにも意図されない。

[0040]図１は、ファイバ１４上に中心波長λを有する連続波周波数変調シードビームを生成するシードビーム源１２を含むＣＢＣファイバレーザ増幅器システム１０の概略ブロック図である。源１２は、単一縦モード分散フィードバック（ＤＦＢ）ダイオードレーザ発振器などの主発振器（ＭＯ）、および電気光学変調器（ＥＯＭ）などの周波数変調器を含み得る。ＥＯＭは、変調されたシードビームが、下流の高パワーファイバ増幅器内の誘導ブリルアン散乱を抑える実質的に広がった線幅を有するように、ホワイトノイズまたは擬似乱数ビットシーケンス（ＰＲＢＳ）などの周波数変調広がりを提供するＲＦ源（図示せず）からの増幅無線周波数（ＲＦ）電気駆動信号によって提供される印加電圧を受信し得る。ファイバ１４上の変調されたシードビームは、同じ波長λを有するファイバ１８上の複数のスプリットシードビームを作成するために、光スプリッタ１６によって分割され、各スプリットシードビームは、位相ロック目的のためにシードビームのサーボ位相制御を提供する別個のＥＯＭ２０へ送られる。

[0041]ファイバ２２上の変調されたシードビームの各々は、Ｙｂドープファイバ増幅器などのファイバ増幅器２４へ送られ、増幅器２４は、典型的には、光ポンプビーム（図示せず）を受信するファイバ２２のドープ増幅部分である。増幅ビームのすべては、ファイバ２６上へ向けられ、システムエミッタとして動作する、以下に詳細に論じられるビーム整形器アレイアセンブリ４０に送られる。ビーム整形器アレイアセンブリ４０からの放出された増幅ビームは、結合ビーム内の別個のビームの各々のサンプル部分をサンプリングする位相感知アセンブリ３８内のビームスプリッタ２８を通って、結合増幅ビームとして向けられる。光スプリッタ１６はまた、参照ビーム５８を生成するように構成され、この参照ビーム５８は、参照ビーム５８を変調する参照ビーム変調器１７８へ送られる。参照ビーム変調器１７８は、例えば、参照ビーム５８の中心周波数をシフトする音響光学変調器、または参照ビーム５８にデジタル位相シフトを付与するＥＯＭを含み得る。変調された参照ビーム５８は、平坦波面を提供し、またビームスプリッタ２８上の結合増幅ビームと重複するように、ビーム拡大器７８によって拡大される。重複した参照およびサンプルビームの強度は、光検出器３２のアレイ３０によって検出される。結合増幅ビームの主部分は、出力ビーム５４をターゲット（図示せず）へ向けるビームディレクタ望遠鏡３４へ送られる。

[0042]光検出器３２からの電気信号は、例えば、当業者によく知られている光ヘテロダイン検出（ＯＨＤ）などの位相ロック技術を使用して、シードビームの位相を補正するようにＥＯＭ２０を制御するために位相ロック制御器３６によって使用される。しかしながら、周波数シフトされた参照ビームを必要としない場合があるか、または代わりに、ビームアレイ全体を単一の検出器に集束させる遠方場生成レンズを使用する他の位相ロック技術（図示せず）が採用され得、この場合、各チャネルのための誤差信号が、当業者によく知られている、例えば、確率的並列勾配下降（ＳＰＧＤ）アルゴリズムなどの様々なマルチディザー手法を使用して電気的に抽出される。制御器３６は、波面収差データまたはビーム操作設定点などの位相設定点を決定するために、ボックス５８によって提供される他のデータおよび情報を受信し得る。より詳細には、制御器３６は、サンプリングされたビーム間の位相差の誤差信号を受信し、それらの誤差信号をＥＯＭ２０に提供して、シードビームのすべてが位相をロックされるように個々のシードビームの位相を制御する。言い換えると、ＥＯＭ２０は、結合増幅ビームの「ピストン」位相がビーム波面にわたって空間的に均一であるようにシードビーム位相制御を提供する。これはまた、シードビームの位相が電子ビーム操作目的で互いに対して変更されることを可能にする。制御器３６はまた、測定された大気異常を補正するためにビームの位相制御を付与することができ、出力ビーム５４は、大気収差を通じて伝搬した結果として補正される波面収差を有し得、その結果として、ビーム５４が、それがターゲットに衝突するときに所望の品質のものである。

[0043]図２は、ファイバレーザ増幅器システム１０から分離されたビーム整形器アレイアセンブリ４０の等角図である。論じられるように、アレイアセンブリ４０は、１００％近くのフィルファクタに、均一のまたは調整された位相または位相面を伴う望遠鏡３４の放出開口にわたって均一のまたは調整されたビーム強度を提供する。位相は、上に説明されるような収差のビーム操作または補償のために調整され得る。アレイアセンブリ４０は、光学ガラスのモノリシックブロック、またはモノリシックブロックのグループである光エンドキャップ４２を含み、ファイバ２６の端部が、表面４６内に機械加工される好適なステム４４によってエンドキャップ４２の入力表面４６に光学的に溶接され、結果として、増幅ビームは、最小の反射を伴ってエンドキャップ４２内へ放出され、マイクロメートル級の精度で正確に離間される。アレイアセンブリ４０はまた、一対の離間したタイル状のビーム整形器アレイ４８および５０を含み、ビーム整形器アレイ４８および５０の各々は、ビームが所望の様式で整形されるようにビームの空間位相分布または波面を変化させるビーム整形器を各ビームにつき１つ有する密充填されたタイル状のセルのアレイを含む。

[0044]図３は、ビームが本明細書に論じられる様式で集束されるように整形される表面を伴うビーム整形器５２を各々が有する正方形タイル状の副開口ビーム整形器セル５６のアレイを示すビーム整形器アレイ４８の前面図であり、ビーム整形器アレイ４８からビーム整形器アレイ５０への伝搬後、ビームは、円形ガウスプロファイルから、セル５６のサイズを有する正方形フラットトッププロファイルへ変更される。言い換えると、ビーム整形器アレイ４８は、ビームが伝搬する際にビームが平坦になり、ビーム間の空間を光で充填するように、ビームの位相を変化させる。ビーム整形器アレイ５０は、ビーム整形器アレイ４８と同じ構成のセルおよびビーム整形器を含むが、ビーム整形器は、ビームを拡大する代わりに、それらが、ビームがさらに伝搬する際にビームをフラットトッププロファイルに維持するためにビームの位相面を変化させるように、異なって整形される。この非限定的な実施形態において、セル５６のうちの１つによって提供される副開口サイズは、２×２ｍｍ^２である。

[0045]述べられたように、ビーム整形器アレイ４８は、円形ガウス状の増幅ビームの形状を正方形フラットトップビームへと変化させるように動作し、正方形フラットトップビームは、所望される１００％近くのフィルファクタを提供するためにビーム間に最小空隙が存在するように、ある特定の既定の伝搬距離にわたって互いに非常に密接して位置付けられ、すなわち、タイル状にされ、密充填される。言い換えると、ファイバ２６からのガウス状のビームは、エンドキャップ４２によって二次元アレイ内に互いに隣り合って位置付けられ、次いでガウスピーク間の低い強度エリアは、ビームのアレイにわたるビーム強度がビーム間の最小重複および最小空隙を伴って一定であるように、ビーム整形器アレイ４８からビーム整形器アレイ５０への伝搬時にビーム整形器アレイ４８によって充填される。ビーム整形器アレイ５０は、ビーム整形器アレイ４８から既定の距離に位置付けられ、ビーム整形器アレイ５０からの出力ビームが平坦な位相面を有するようにビームの形状変化を停止するように動作する。

[0046]図４Ａ～図４Ｆは、増幅ビームのうちの１つについてのビームプロファイルであり、どのようにしてビームプロファイルが、円形ガウスプロファイルから正方形フラットトッププロファイルへ進むために、ビーム整形器アレイ４８からビーム整形器アレイ５０へ伝搬する際に展開および拡大するかを示す。具体的には、図４Ａは、ビーム整形器アレイ４８の出力におけるビームのプロファイルを、ガウスプロファイルを有するものとして示し、図４Ｂは、アレイ４８から１０ｍｍにおけるビームのプロファイルを示し、図４Ｃは、アレイ４８から２０ｍｍにおけるビームのプロファイルを示し、図４Ｄは、アレイ４８から３０ｍｍにおけるビームのプロファイルを示し、図４Ｅは、アレイ４８から３０ｍｍにおけるビームのプロファイルを示し、図４Ｆは、ビーム整形器アレイ５０の場所でアレイ４８から５０ｍｍにおけるビームのプロファイルを示す。ビーム整形器アレイ５０は、次いで、残留位相およびビームの発散を除去するために、広がったビームをコンジュゲートまたはコリメートして、正方形平坦波面ビームを提供する。連続的な副開口内にビームの重複が存在しないか、最小の重複が存在することから、電子ビーム操作は、様々なビームの位相を変化させることによって利用可能である。言い換えると、別個のビームフットプリントが、ファイバレーザ増幅器システム１０の完全適応の光学素子能力を保護する。

[0047]ビーム整形器５２は、アレイ４８からアレイ５０への伝搬時にビームプロファイルを平坦にし、また正方形にするために必要な形状を獲得するために、ビームのＺ伝搬方向に対してＸ方向およびＹ方向の両方に整形される。ビーム整形器５２の１つの好適な形状は、図５に示され、この形状は、１つの表面に形成される。この実施形態において、ビーム整形器５２の基板材料は、溶融シリカであり、ＸおよびＹ軸は各々２ｍｍに及び、Ｚ軸は、表面起伏をマイクロメートルで示す。代替的に、別個の表面が、ビーム整形器の形状のＸおよびＹ方向について整形され得る。例えば、図６は、Ｘ方向についての好適な形状を示し、図７は、Ｙ方向についての好適な形状を示す。別個のＸおよびＹ方向形状は、同じビーム整形器アレイの対向する側に形成され得るか、または２つの隣接するビーム整形器アレイの片側にあり得る。分けられたＸおよびＹ方向形状を用いたこれらの実施形態は、ビーム整形器アレイ４８および５０の最大表面起伏を低減し、故にそれらを高い正確性で製造するのをより簡単にすることから、組み合わされたＸおよびＹ方向形状と比較して有利である。

[0048]この非限定的な実施形態において、ビーム整形器アレイ４８は、エンドキャップ４２の出力表面から離間して示される。しかしながら、ビーム整形器アレイ４８は、エンドキャップ４２の出力表面に光学的に取り付けられ得るか、またはエンドキャップ４２の出力表面上に直接整形され得る。何らかのビーム拡大を可能にするために入力表面４６に溶接されるファイバ２６の先端とビーム整形器アレイ４８との間にいくらかの効果的な自由空間距離を提供することが必要である。図１に示されるように、この効果的な自由空間は、ガラス媒体内の伝搬から、媒体の屈折率を適切に考慮して、部分的または全体的になり得る。ファイバ先端とビーム整形器アレイ４８との間の効果的な自由空間の量は、ファイバ２６間の副開口ピッチ（間隔）、各ファイバ２６から放出されるガウスビームの、開口数、すなわち発散、および望遠鏡３４の開口に依存し、目標は、目に見えるわずかなピッチであるが、クリッピング損失なしに副開口内に完全に含まれるように、ビーム整形器アレイ４８におけるビームフットプリントサイズを獲得することである。故に、０．０３ラジアンの開口数、すなわち半角発散を有する典型的な大モードエリアファイバの場合、および２ｍｍのピッチの場合、ファイバ先端とビーム整形器アレイ４８との間の効果的な自由空間距離は、約１０ｍｍとなる。

[0049]一対のビーム整形器アレイ４８および５０は、理論上、説明されるような所望のビーム整形を提供することができるものとするが、実際には、アセンブリ４０の製造公差によって引き起こされる、ビーム整形器アレイ５０の出力におけるビーム強度プロファイルに様々な波面収差および誤差が存在する可能性が高く、そしてアセンブリ４０の製造公差は、アレイ４８および５０ならびにエンドキャップ４２の製造公差と、構成要素の特定の組立セットについて測定されることができる、それらの相対的整列とによって部分的に決定され得る。

[0050]図８は、ファイバレーザ増幅器システム１０から分離されたビーム整形器アレイアセンブリ４０の等角図であり、収差の逆を提供するために測定値に基づいて波面補正を提供するように整形されるトリムビーム整形器素子６４のアレイを含むトリムビーム整形器アレイ６２が、ビーム整形器アレイ５０に隣接して提供される。アレイ６２内のトリムビーム整形器アレイ素子６４の各々は、測定された誤差に基づいて他とは異なり得る。アセンブリ４０はまた、ビーム整形器アレイ４８からビーム整形器アレイ５０へのビームの伝搬後、ビーム整形器アレイ５０の出力において測定される強度分布におけるいかなる不均一性も補正されるように、整形されるトリムビーム整形器素子６８のアレイを含む、ビーム整形器アレイ４８に隣接して提供されるトリムビーム整形器アレイ６６を含む。アレイ６６内の素子６８の各々は、測定された誤差に基づいて他とは異なり得る。代替的に、または加えて、個々の構成要素、例えば、アレイ４８および５０、またはファイバ２６、コネクタ４４、およびエンドキャップ４２を備える組み立てられたファイバエンドキャップアレイなど、の波面収差が、別個に測定され得、トリムビーム整形器アレイ６２および６６はまた、それぞれアレイ４８および５０に隣接して提供され得る。

[0051]上で論じた実施形態において、ビーム整形器アレイ４８および５０は、離散素子である。代替の実施形態において、２つのビーム整形器アレイが、単一の光学ブロックの対向面に提供され得、この単一の光学ブロックは、ビームがブロックを通って伝搬する際に低フィルファクタビームがフラットトップ高フィルファクタビームに変換されるように必要な厚さを有する。この実施形態は、光学ブロック７２、ブロック７２の入力表面に光学的に取り付けられるか、またはそこに直接整形される入力ビーム整形器アレイ７４、およびブロック７２の出力表面に光学的に取り付けられるか、またはそこに直接整形される出力ビーム整形器アレイ７６を含むビーム整形器アレイアセンブリ７０の側面図を示す図９に例示され、ビーム整形器アレイ７４は、入力表面４６に溶接されるファイバ２６の先端とビーム整形器アレイ７４との間の効果的な自由空間距離を提供するために、エンドキャップ４２から離間されるか、またはこれに取り付けられる。同様に、ビーム整形器アレイ４８は、エンドキャップ４２の表面上に直接整形され得る。これらの実施形態は、高パワービームが通過する表面の数を低減し、故に、望ましくない散乱または後方反射からの光パワー損失を低減することから、有利である。

[0052]上の実施形態において、ビーム整形器アレイ４８および５０は、正方形である。他の実施形態において、個々のビーム整形器およびビームの正方形タイリングは維持するが、結合ビームの外形を望遠鏡３４の開口の形状により密接に適合させることが望ましい場合がある。図１０は、アレイ４８および５０として使用され得、ビーム整形器を含むいくつかの正方形ビーム整形器セル８２を有するビーム整形器アレイ８０の前面図であり、セル８２は、ビーム整形器アレイ８０の外縁８６が円形開口により密接に適合するようにタイリングされる。さらに、本明細書に説明されるタイプの特定のファイバ増幅器システムにおいて、望遠鏡３４の主開口は、副鏡を受け入れるためなど、中心オブスキュレーションを有し得る。この問題を解決するため、ビーム整形器アレイ８０は、ビームが伝搬しない中心開口部８８を有し、これにより、さもなければオブスキュレーションに衝突するビームパワーを無駄にしないようにする。

[0053]セル５６のすべてが同じ正方形状を有することが上で提案されているが、他の設計においては、中心など、異なるエリア内の結合ビームのパワーまたは強度を制御することが望ましい場合があり、この場合、ビームパワーを相応に調節するために、一部のセルが正方形であり他のセルが長方形であるなど、外側セルは内側セルとは異なる形状を有し得る。この実施形態は、アレイ４８および５０として使用され得、ビーム整形器９４を有するいくつかの正方形内側ビーム整形器セル９２およびビーム整形器９８を有するいくつかの長方形外側ビーム整形器セル９６を有するビーム整形器アレイ９０の前面図を示す図１１に例示される。

[0054]また、セル５６は、すべて同じサイズである必要はなく、異なるサイズのセルは、図１０に示されるものなど、外周または内周形状をより良好に受け入れ得る。この実施形態は、アレイ４８および５０として使用され得、１つのサイズのビーム整形器１０４を有するいくつかの正方形ビーム整形器セル１０２および別のサイズのビーム整形器１０８を有するいくつかの正方形ビーム整形器セル１０６を有するビーム整形器アレイ１００の前面図を示す図１２に例示される。

[0055]セル５６のすべてが直線アレイ内に配置されることも上に提案されているが、他の設計では非直線状のアレイ内にセルを配置することが望ましい場合がある。例えば、六角形形状のセルの密充填された六角形アレイは、直線形状のセルよりも円形ビームディレクタ開口をより良好に充填するのに有利であり得る。さらには、様々なセル形状のより一般的な応用は、開口境界をより良好に受け入れるのに望ましい場合がある。
[0056]図１３は、これらの特徴を例示する円形開口１１８に一致するように外側の略円形の周囲を有する、アレイ４８および５０として同じく使用され得る、ビーム整形器アレイ１１６の前面図である。アレイ１１６は、円形形状を提供するために、六角形セル１４６、長方形セル１４８、台形セル１９０、三角形セル１９２、およびダイアモンド形状セル１９４を含む様々な特別な形状のビーム整形器セルを含む。

[0057]上の実施形態は、ファイバエミッタのアレイを使用するが、別の実施形態は、ダイオードレーザエミッタなどの他のタイプのレーザエミッタを使用し得、エミッタの数は、著しく増加され得るということに留意されたい。より詳細には、ダイオードレーザは、多くの場合、レーザが密接に配置され得る半導体内にリソグラフィで製造される。図１４は、採用され得るレーザのタイプを一般化するレーザシステム１１０の例示であり、エミッタアレイ１１２は、ビーム整形器アレイ４８の入力側に提供され、ダイオードレーザ１１４を含む。

[0058]ビーム整形器アレイ５０の後の所望の出力強度分布がアレイセルの各々についてフラットトップを有することも上で提案されているが、いくつかの応用では、これは望ましくない場合がある。例えば、ビーム整形器アレイ９０および１００の構成を使用する場合のように、例えば、タイル状のアレイの中心セルが周囲セルよりも高い強度を呈する状態で、遠方場サイドローブを最小にするように周囲付近では低い値へ漸減する強度分布でタイル状のアレイを合成することが望ましい場合、それらの強度がアレイの中心に最も近いセルの縁近くではより大きく、アレイ９０などのアレイの外側境界におけるセルの外縁近く、または中心開口部８８などの環状リングの内縁近くではより小さくなるように、アレイ内のセルのいくつかまたはすべてに対して内側に強度分布を漸減させることも有利であり得る。これは、アレイの各素子に固有であり得る所望の漸減強度分布をもたらすように２つのビーム整形器アレイ内のビーム整形器の設計を調整することによって達成され得る。

[0059]ビーム整形器アレイアセンブリ４０と同様であるが、位相ロックによるコヒーレント結合を採用しないビーム整形器アレイアセンブリもまた、ＳＢＣファイバレーザ増幅器アーキテクチャにおいて採用され得る。図１５は、Ｎ個の波長チャネル１２２を含むそのようなアーキテクチャであって、Ｎ個の波長チャネル１２２の各々が、特定のチャネル１２２のためのファイバ１２８上に中心波長λを有する連続波周波数変調シードビームを生成するシードビーム源１２４を有し、各シードビーム源１２４が異なるビーム波長λ_１－λ_Ｎを生成する、アーキテクチャを例示する、ＳＢＣファイバレーザ増幅器システム１２０の概略ブロック図である。ファイバ１２８上のシードビームの各々は、Ｙｂドープファイバ増幅器などのファイバ増幅器１３０へ送られ、増幅器１３０は、典型的には、光ポンプビーム（図示せず）を受信するファイバ１２８のドープ増幅部分である。増幅ビームのすべては、ビーム整形器アレイアセンブリ４０と同様であるが、ビームのすべてが異なる波長を有することから上で論じられるように位相ロックを提供しない、一次元ビーム整形器アレイアセンブリ１３２に向けられる。

[0060]図１６は、増幅器システム１２０から分離された一次元ビーム整形器アレイアセンブリの等尺図である。ビーム整形器アレイアセンブリ１３２は、結合分散軸および直交する非結合非分散軸では異なり得るビーム整形を提供する、結合軸に沿った１列のファイバを有する一次元アレイである。結合軸に沿って、ビーム整形は、完全に充填された長方形開口を提供することは必ずしも意図されず、むしろハイパーガウス、または入力ビーム形状よりも高いフィルファクタを伴う同様の形状のものであり得、スムーズに漸減した強度プロファイルを伴い得る。ビーム整形器アレイアセンブリ１３２は、フィルファクタを増加させるために、各ファイバ１２８からのビームの強度分布を平坦にする。より詳細には、ビーム整形器アレイアセンブリ１３２は、ファイバ１２８が結合されるエンドキャップ１３４、図４Ａ～図４Ｆに示されるようなアレイ４８と同様の様式でビーム強度を広げるビーム整形器を含むビーム整形器アレイ１３６、および、ビーム整形器アレイアセンブリ１３２が、波長多様の増幅した高フィルファクタビームのセットを自由空間内に出力するように、アレイ５０と同じ様式でビーム広がりを停止するビーム整形器を含むビーム整形器アレイ１３８を含み、個々のビーム波長λ_１－λ_Ｎは、わずかに異なるエミッタ位置から伝搬している。

[0061]高フィルファクタビームは、多様なビームをコリメートし、それらをＳＢＣ格子１４２上へ、個々のビームのすべてが格子１４２に衝突し、同じフットプリントに重複するように、向けるコリメーティング光学素子１４０のセットから反射される。格子１４２は、個々のビーム波長λ_１－λ_Ｎを空間的に回折し、個々の増幅ビームを結合した出力ビーム１４４と同じ方向に向ける。

[0062]ＳＢＣビーム品質は、回折格子１４２からの角度分散により制限される。個々のファイバ増幅器が、周波数変調に起因して有限光学線幅を有するため、パワーは、回折格子１４２からの回折の後に異なる方向に広がる。これらの異なる方向の広がりが、回折限界角度と比較して著しい場合、ビーム品質は劣化する。ビーム品質の劣化は、回折限界角度を増加させる、結合分散軸に沿って格子１４２上のビームフットプリントのサイズを減少させることによって最小限にされ得る。格子１４２はアレイ１３８のフーリエ面にあるため、これは、アレイ１３８における個々のビームサイズの増加に対応する。故に、アレイ１３８の結合軸に沿った高空間フィルファクタは、改善されたビーム品質を提供する。ガウスビームのアレイでは、アレイ１３８におけるフィルファクタは、損失パワーをもたらすガウスビームのウイングのクリッピングなしに増加することはできない。整形された高フィルファクタビームのアレイ、例えば、ハイパーガウス状のビームのアレイでは、アレイ１３８の空間フィルファクタは、クリッピング損失を招くことなく増大され得、故に、パワーの損失なしに改善されたビーム品質をもたらす。

[0063]レーザシステム１２０のＳＢＣ構成の場合、アレイ１３８から出力されるビームの形状は、最適には、ビームのすべてについて同一である。しかしながら、ビームの形状は、結合軸および非結合軸に沿って異なり得る。結合軸に沿って、ビームは、角度分散に起因するビーム品質損失を最小限にするためにより高いフィルファクタに提供するように、上で論じられるように整形され得る。非結合軸に沿って、ビームは、例えば、格子１４２上に近ガウスビームプロファイルを生成するために未整形のままであり得る。これは、２×回折限界よりも大きい角度で遠方場サイドローブ内に回折されるパワーを最小限にすることから、サイズが１×～２×回折限界（ＤＬ）である遠方場ターゲットに対するパワーを最大限にするのに有利であり得る。代替的に、ビームは、格子１４２上に高フィルファクタプロファイルを生成するために非結合軸に沿って整形され得、強度は、望遠鏡開口においてはゼロ近くへと漸減する。これは、望遠鏡開口におけるクリッピング損失を最小限にしながら、サイズが１×回折限界未満であるターゲットに対する遠方場ピーク強度を最大限にするために、ビームディレクタ望遠鏡を完全に充填するのに有利であり得る。格子１４２の分散的影響は、格子１４２に入射する整形ビームが分散方向においては狭いが、直交する非分散方向においては広くなるように、ビーム整形器アレイ１３６および１３８ならびにコリメーティング光学素子１４０のセットを選択することによって、出力ビーム品質に対して最小限にされ得る。この非対称構成が、結合ビーム品質の劣化を最小限にしながら、格子１４２におけるピーク放射輝度を下げる。

[0064]エンドキャップ４２に結合されるファイバの数は、一般的に、密集したファイバをエンドキャップ４２に結合する能力の機械的制限によって制限される。ＳＢＣおよびＣＢＣアーキテクチャの両方において結合され得るビームの数は、他の理由で制限される。特に、ＳＢＣに必要とされる一次元線形ファイバアレイは、非現実的に大きい場合がある。しかしながら、ＣＢＣおよびＳＢＣ結合ビームを提供する制限は、ＣＢＣアーキテクチャおよびＳＢＣアーキテクチャの両方を組み合わせるハイブリッドファイバレーザ増幅器アーキテクチャによって増加され得る。これは、ＣＢＣ結合ビームを一方向に、およびＳＢＣ結合ビームを直交方向に提供することによって達成され得る。この組み合わされたＣＢＣおよびＳＢＣアーキテクチャは、次いで、上で論じられるビーム整形器アレイアセンブリ４０またはビーム整形器アレイアセンブリ１３２によって提供されるビームフィルファクタにより改善され得る。

[0065]いくつかのアーキテクチャが、ハイブリッドＣＢＣおよびＳＢＣファイバレーザ増幅器システムにおいてビーム位相を測定するために採用され得る。図１７は、１つのそのようなアーキテクチャを例示するハイブリッドＣＢＣおよびＳＢＣファイバレーザ増幅器システム１５０の概略ブロック図であり、システム１０と同じ素子は、同じ参照番号により識別される。システム１５０は、Ｎ個のＳＢＣチャネル１５２であって、各チャネル１５２が、波長λ_ｉを有するシードビーム源１２の別個のグループを含み、式中、ｉは、範囲１≦ｉ≧Ｎにある、Ｎ個のＳＢＣチャネル１５２、スプリッタ１６、ＥＯＭ２０、およびシステム１０内に示されるような増幅器２４を含む。そのようなものとして、第ｉのチャネル１５２は、別個に増幅され、同じ波長λ_ｉのものであるＭ個の複数シードビームへと分割される単一の波長λ_ｉシードビームを含み、Ｍ個のＥＯＭ２０のＮ個のグループが存在し、チャネル１５２のすべてが一緒に、異なるビーム波長λ_１－λ_Ｎの各々において増幅されるＭ×Ｎシードビームを生成する。Ｍ×Ｎファイバ２６のすべては、Ｍ×Ｎ出力ビーム１６２を出力する、図２に示されるタイプの入力ビーム整形器アレイ１５８および出力ビーム整形器アレイ１６０を含むビーム整形器アレイアセンブリ１５６の部分であるエンドキャップ１５４に結合される。

[0066]図１８は、システム１５０から分離されたエンドキャップ１５４の等角図である。エンドキャップ１５４は、入力側１６６および出力側１６８を有する光学ブロック１６４を含み、矢印１７２によって識別される非分散ＣＢＣ軸は、ブロック１６４の片側に沿って規定され、図１７における紙面に垂直であり、矢印１７０によって識別される分散ＳＢＣ軸は、ブロック１６４の垂直側に沿って規定され、図１７における紙面内にある。ファイバ２６は、ブロック１６４の入力側１６６に光学結合され、各ファイバ２６からのビーム１７４は、ブロック１６４の出力側１６８に示され、ＣＢＣ軸１７２に沿った各列内のビーム１７４は、同じ波長λ_ｉを有し、チャネル１５２のうちの１つによって提供され、ＳＢＣ軸１７０に沿った各行内のビーム１７４は、複数の波長λ_１－λ_Ｎを含み、チャネル１５２のうちの異なるものによって提供される。ビームを受信するビーム整形器アレイ１５８および１６０は、ビームの位相ロックがＣＢＣ軸１７２に沿って発生し、ビーム強度平坦化がＳＢＣ軸１７０に沿ってフィルファクタを増加させるために発生するように、上に論じられる様式で構成されるセルおよびビーム整形器を有する。

[0067]ビーム整形器アレイ１６０からのＭ×Ｎビーム１６２は、円筒状の光学系１９６によってコリメートされ、回折格子１４２と同様の様式で動作する回折格子１９８上へ向けられる。光学系１９６は、紙面内で分散ＳＢＣ軸１７０に沿って湾曲を有する。光学系１９６の焦点距離は、格子１９８からの回折した出力ビームのすべてが、できる限り高い精度で同じ方向に共同伝搬するように、Ｎ個の異なる波長λ_ｉのすべてが正しい角度で格子１９８に入射することを確実にするように選択される。結果として、格子１９８からの結合した出力ビーム１７６は、ページに直交するＣＢＣ軸１７２に沿ってタイリングされるＭ個の平行ビームを含み、１つの軸に沿った個々のビーム、および垂直軸に沿った空間的に回折されたビームの位相制御を有する。

[0068]さらに格子１９８から反射されるのは、個々の検出器１８６を有する検出器アレイ１８４上へレンズ１８２によって集束される弱鏡面反射０次ビーム１８０である。ビーム１８０を含む波長グループは線形アレイ内を異なる角度で伝搬することから、各波長グループのためのレンズ１８２からの集束ビームは、線に沿って分離され、検出器１８６の線形アレイへ向けられ得る。Ｎ個の検出器１８６の各々は、各波長グループを含むＭ個の集束ＣＢＣビームの重複を受信する。各検出器１８６における強度は、位相ロック制御信号と重ね合わされるディザー信号を、例えば、ＳＰＧＤアルゴリズムを使用して、各波長グループのための対応するＥＯＭ２０に提供するマルチディザープロセッサ１８８によって最大限にされる。

[0069]図１９は、位相感知および制御特徴を除いて増幅器システム１５０と同様である別のハイブリッドＣＢＣおよびＳＢＣファイバレーザ増幅器システム２００の概略ブロック図であり、システム１５０と同じ素子は、同じ参照番号により識別される。この実施形態では、スプリッタ１６は、各波長グループのための参照として使用されることになる参照ビーム２０２を提供する。各参照ビーム２０２は、変調器２０４によって変調され、変調された参照ビーム２０２のすべてが、波長分割多重化装置（ＷＤＭ）２０６によって単一のファイバ２０８上へ結合され、次いで、レンズ２１０によってコリメートされて、大きな多色平面参照ビーム２１２を形成する。平面参照ビーム２１２は、サンプル光学素子２１６によって、ビーム整形器アレイ１６０から伝送されるＭ×Ｎビーム１６２の小サンプルと結合される。

[0070]結合された参照ビーム２１２およびサンプリングされたＭ×Ｎビーム１６２は、個々の検出器２２０を含む２Ｄ Ｍ×Ｎ検出器アレイ２１８によって受信され、波長フィルタ（図示せず）が、所与の検出器２２０に意図される正しい波長λ_ｉ以外の波長を有する参照ビーム２１２からノイズを除去するためにアレイ２１８において採用され得る。代替的に、検出器アレイ２１８は、所与の検出器２２０に意図される正しい波長以外の波長を有する参照ビームから生じるＤＣ光電流を拒否するためにＡＣ結合され得る。アレイ２１８内の各検出器２２０からのヘテロダイン干渉信号は、Ｍ個のビームの各グループを各波長λ_ｉに位相ロックするために位相補正信号をＥＯＭ２０に提供するＯＨＤプロセッサ２２２に伝送される。

[0071]増幅器システム１５０および２００は特定の位相制御手法を提供するが、これは、他の手法が好適な場合があるという点で非限定的であることに留意されたい。ハイブリッドファイバレーザ増幅器システム１５０および２００における本質的な要素は、ＣＢＣビームが、システム１０と同様の所望の位相プロファイルと一緒に位相ロックされる必要がある、ということである。ハイブリッドシステム１５０および２００における本質的な差は、ＣＢＣビームが一方向のみであり、これは、他の次元におけるビームがスペクトル結合されるためである、ということである。

[0072]上で論じられる様々な実施形態においてビーム整形器アレイアセンブリ４０のための必要な光学整列精度を獲得することが非常に困難であることから、ビーム整形器アレイアセンブリ４０は、著しいおよび様々な波面収差および誤差がビーム内で発生するのを防ぐのに十分な正確性で製造されない場合があるということが上で述べられた。例えば、ファイバ２６をステム４４に溶接するための知られている製造プロセスは、一般的に、ビーム偏向をもたらす位置誤差および角度誤差の両方を完全に防ぐには十分に正確ではない。レンズ製造および機械公差からの統合において発生し得るさらなる誤差もまた、発射機アレイビーム偏向をもたらす。誤差は、一般的に、光路に沿った３つの異なる場所において補正され得、具体的には、ファイバ２６とステム４４との間の溶接継手を変えること、ビーム整形器アレイアセンブリ４０を変えること、ならびにトリムビーム整形器アレイ６２および６６などのトリム板を提供することである。これらの波面収差を補正するための１つのやり方は、上で論じられるように、収差を測定し、トリムビーム整形器アレイ６２および６６を提供することである。しかしながら、他の技術もまた、収差を補正するために採用され得る。これらの技術のうちのいくつかの詳細な議論は、以下で論じられる。

[0073]図２０は、光学素子、および特にビーム整形器アレイアセンブリ４０を製造および補正するための一般的なプロセスを概説するフローチャート図２３０である。ボックス２３２で、光学素子、例えば、アセンブリ４０は、著しい製造誤差がアセンブリ４０内に存在する可能性の高い、安価で低精度の製造プロセスを使用して製造される。アセンブリ４０を製造するためのこのプロセスステップの間、ステム４４を伴うエンドキャップ４２が提供され、ファイバ２６は、１Ｄエミッタアレイなどのエミッタアレイを形成するためにステム４４に光学的に溶接される。いくつかの１Ｄエミッタアレイが、例えば２Ｄエミッタアレイを形成するために、一緒に組み立てられ得る。１Ｄまたは２Ｄエミッタアレイは、次いで、例えば、ビーム整形器アレイ４８および５０と統合される。ボックス２３４で、例えばアセンブリ４０によって引き起こされる波面誤差は、ビーム整形器アレイ４８の平面、ビーム整形器アレイ５０の平面、および遠方場平面から、例えば、分布のセンサ上に画像中継を作成する光学系を使用して、測定され、センサは、放射照度分布を測定するためのカメラまたは波面分布を測定するための干渉計であり得る。ボックス２３６で、誤差を補正するために使用される指示および解決策のために計算が行われる。ボックス２３８で、好適なプロセスが、ビーム整形器アレイアセンブリ４０を再製造すること、スタンドアロン光学トリム板を提供すること、ファイバエミッタ位置および角度トリミングを変化させることなど、指示に基づいて誤差を補正するために実施される。さらなる補正が必要とされる場合、プロセスは、ボックス２３４へ戻って波面誤差を再度測定する。補正が成功した場合、ビーム整形器アレイアセンブリ４０は、正確であり、ボックス２４０で動作可能である。

[0074]光学素子を製造するための上で論じた様々なステップは、いくつかの好適な方法およびプロセスによって実施され得る。これらのプロセスのうちのいくつかは、以下に論じられ、それらのうちの一部は、Ｆｉｂｅｒ Ｌａｕｎｃｈｅｒ（ファイバ発射機）という表題の、Ｇｏｏｄｎｏらに対する、２０１９年４月２３日に発行された米国特許第１０，２６７，９９２号に関連し得、これは、本出願の譲受人に委譲され、参照により本明細書に組み込まれる。

[0075]図２１は、機械加工ステム２５４を有するエンドキャップ２５２を含む１Ｄ光学アセンブリ２５０の例示であり、機械加工ステム２５４には、４つが代表として示されるファイバ２５６が、高電圧電極からのプラズマアーク、ＣＯ_２レーザビーム、Ｈ_２＋Ｏ_２フレーム、グラファイトフィラメント、タングステンフィラメントなどの任意の好適な溶接プロセスを使用して光学的に溶接されて、エミッタアレイ２４８を形成する。アセンブリ２５０は、矢印２６８によって表されるグローバル座標に対して較正される、マイクロメートルレベルの解像が可能である定置型光学撮像システム２６６を含む。エンドキャップ２５２は、エンドキャップ２５２と関連付けられた光学基準の精密な並進および撮像によってエンドキャップ座標をグローバル座標２６８に一致させて、ファイバ２５６が溶接される各ステム２５４の端部において撮像点２７０を規定するために、矢印２６２によって表される並進ステージ上に位置付けられる。ファイバ２５６がステム２５４に溶接される前に、ファイバ２５６は、矢印２６０によって表される並進ステージ上に装着され、ファイバ２５６は、ファイバ２５６がステム２５４に溶接されると、並進ステージ２６０から離脱される。光源２５８は、撮像システム２６６および撮像点２７０を使用してファイバ２５６をステム２５４に整列させるために使用されるファイバ２５６の芯に沿って伝搬する光学モードを有する光ビーム２６４を提供する。ある特定のステム２５４に取り付けられるある特定のファイバ２５６は、ビーム２６４によって照明され、エンドキャップ座標２６２に対する光ビームモードの場所を撮像することによって誘導されるその特定のステム２５４へとステージ２６０上で移動される。ファイバ先端およびステム先端は、局所的に溶融され、自動化ジグ（図示せず）によって接合される。溶融接合部が冷却された後、ファイバ２５６の機械的保持が解放される。これらのステップは、ファイバ２５６のすべてがエンドキャップ２５２に接続されるまで、各ファイバ２５６について繰り返される。

[0076]ファイバ２５６がステム２５４に溶接されると、次のステップは、ファイバ２５６から放出されているビーム２６４の各々の場所、配向、および角度を測定することによって、グローバル座標２６８に対するファイバ２５６の位置および角度誤差を決定することであり得る。エミッタアレイ２４８は、精密エンコーダにより所望の場所へ移動され得る。これらの測定値を獲得するために、顕微鏡２７４が、ビーム２６４の近接場画像２７６を提供して、ビーム２６４の位置誤差を決定するために使用され、望遠鏡２７８が、ビーム２６４の遠方場画像２８０を提供して、ビーム２６４の指向方向（角度）誤差を決定するために使用される。

[0077]図２２は、ビーム２６４の近接場画像２７６の前面図であり、ビーム２６４は、ファイバ２５６から放出されており、ビーム２６４の中心点２８２と理想のｘ、ｙ位置２８４との間のｘおよびｙ方向における誤差を示している。図２３は、ターゲット中心点２８６に対するビーム２６４の中心点２８２のｘ、ｙ方向における誤差を示す遠方場画像２８０の前面図である。レンズ（図示せず）は、これらの誤差を補正するために使用され得る。

[0078]図２４は、光学アセンブリ２５０と同様である１Ｄ光学アセンブリ２９０の例示であり、同じ素子は、同じ参照番号により識別される。アセンブリ２９０は、例えば、アレイ４８または５０のうちの１つを表す、レンズ２９４を有する光ビーム整形器素子２９２がエンドキャップ２５２の隣に位置付けられるとき、近接場および遠方場におけるビーム２６４の位置および角度誤差を決定する。この設計では、素子２９２は、矢印２９６によって表される並進ステージに装着される。ビーム２６４は、一般的に、コリメートされたビーム２９８として素子２９２から出力される。コリメートされたビーム２９８は、ビームスプリッタ３００によって分割され、一方のスプリットビームは、近接場画像２７６を生成するために画像中継光学素子３０２へ送られ、他方のビームは、遠方場画像２８０を生成するためにレンズ３０４によって遠方場内に集束され、近接場画像２７６および遠方場画像２８０は、素子２９２の画像平面にあり、ファイバ２５６の先端にはなく、画像平面は、ビーム整形器アレイ５０にあり得る。

[0079]ビーム２６４の位置および角度誤差は、干渉法を使用して測定され得る。図２５は、これを例示する１Ｄ光学アセンブリ３１０の例示であり、アセンブリ２９０と同じ素子は、同じ参照番号により識別される。この設計では、干渉計３１２が、ビームスプリッタ３００の下流に提供される。干渉計３１２において生成される画像３１６の前面図は、図２６に示され、コリメートされたビーム２９８の各々の干渉パターン３１８を示す。干渉パターン３１８の中心と所望の位置との間のオフセット誤差が、ビーム位置および角度を補正するために使用され得る。

[0080]図２７Ａ～図２７Ｄは、ファイバ２５６のビーム指向偏差角を補正するためのプロセスを示す、エミッタアレイ３２０の例示であり、アセンブリ２９０と同じ素子は、同じ参照番号により示される。ビーム２６４の指向角度誤差は、図２７Ａに示されるように、上で論じられるものなどの任意の好適なプロセスを使用して測定されて、指向補正を行うためにファイバ２５６を屈曲する方向および大きさを決定する。測定値は、図２７Ｂに示されるように、角度誤差と反対の方向にファイバ２５６を屈曲および保持するために、ファイバ２５６とステム２５４との間で、数十ミリメートルなど、溶接接合点３２２から何らかの距離だけ離れたファイバ２５６に印加されるべき静的力３２４を決定するために使用され、ビーム２６４の角度誤差は、ファイバ２５６が屈曲されるとき変化しない。局所加熱３２６が、図２７Ｃに示されるように、ガラスを軟化するのに十分であるがガラスを溶融しない任意の好適な技術によって、ファイバ２５６およびステム２５４の溶接接合点３２２近くのステム２５４に印加される。軟化の際、ガラスは、力３２４に応答して変形し、力３２４によって作成される内部応力が緩和されるまでビーム指向角度を変化させる。加熱が停止され、溶接接合点３２２が冷め、その後、力３２４が除去される。ガラス変形は、図２７Ｄに示されるように、溶接接合点３２２におけるファイバ角度変化が理由でビーム指向角度を変化させる。本プロセスは、ビーム指向方向が特定の公差内になるまで繰り返される。

[0081]図２８Ａ～図２８Ｃは、ファイバ２５６の位置誤差を補正するためのプロセスを示す、エミッタアレイ３３０の例示であり、アセンブリ２９０および３２０と同じ素子は、同じ参照番号により識別される。ビーム２６４のビーム位置誤差３３２は、ステム形状が変化する方向および大きさを決定するために、図２８Ａに示されるように、上で論じられるものなどの任意の好適なプロセスを使用して測定される。例えば、非常に高い溶融点を有し、高電圧に対応するサファイア棒による静的力３３４が、溶接接合点３２２において、ビーム位置偏差と反対の方向にステム２５４に印加される。高温ガラスおよび熱源の近接が理由で、ステム２５４に物理的に接触して力を印加するデバイスは、周囲ガラスに汚染をもたらすことなく、高温および高電圧局所環境に対応している必要がある。図２８Ｂに示されるような局所加熱３２６は、ガラスを軟化するには十分であるが溶融に到達せずに、ステム２５４に印加され、こうしてステム２５４が静的力によって変形することを可能にする。加熱が停止され、溶接接合点３２２が冷め、その後、力３３４が除去される。ガラス変形は、図２８Ｃに示されるように、ステム２５４の形状が理由でビーム位置偏差に変化を引き起こす。本プロセスは、ビーム位置偏差が所望の公差内になるまで繰り返される。

[0082]素子２９２の適切な位置がエンドキャップ２５２に対して設定され、固定具（図示せず）によって保持されると、素子２９２は、例えばアセンブリ４０の部分として、エンドキャップ２５２に接続される必要がある。図２９は、対向するサイドブリッジ３４２および３４４によって、エンドキャップ２５２および素子２９２の側面においてエンドキャップ２５２に接続される素子２９２を示す１Ｄ光学アセンブリ３４０の例示であり、アセンブリ２９０と同じ素子は、同じ参照番号により識別される。図３０は、トップブリッジ３５２によって、エンドキャップ２５２および素子２９２の上面においてエンドキャップ２５２に接続される素子２９２を示す１Ｄ光学アセンブリ３５０の例示であり、アセンブリ２９０と同じ素子は、同じ参照番号により識別される。ブリッジ３４２、３４４、および３５２は、糊、溶接、拡散接合、光学接触などの任意の好適な様式によって、エンドキャップ２５２および素子２９２に固定され得る。

[0083]上で論じられるいくつかの１Ｄ光学アセンブリが、上で論じられる技術のいずれかによって構成および整列されていると、１Ｄ光学アセンブリのうちの２つ以上は、互いに積層されて２Ｄ光学アセンブリを形成し得る。図３１は、示されるように、第１列１Ｄ光学アセンブリ３６２、光学アセンブリ３６２に積層される第２列１Ｄ光学アセンブリ３６４、および光学アセンブリ３６４に積層される第３列１Ｄ光学アセンブリ３６６を含む、積層された２Ｄ光学アセンブリ３６０の例示であり、アセンブリ３４０と同じ素子は、同じ参照番号により識別される。好適な精密並進テーブル（図示せず）が、光学アセンブリ３６２、３６４、および３６６を、それらが組み立てられるときに、整列させるために採用され得、これらの光学アセンブリは、任意の好適な技術によって適切な場所に一緒に固定され得る。トリムビーム整形器アレイ６２および６６などの補正器レンズアセンブリ（図示せず）が、次いで、さらなるビーム整列補正を提供するために採用され得る。

[0084]代替的に、ファイバ２５６は、２Ｄ光学アセンブリの部分である１Ｄ光学アセンブリの各々においてエンドキャップ２５２に整列され、次いで、一緒に積層され得、その後、単一片の２Ｄ光学素子がスタックに整列され得る。図３２は、互いと積層および整列され、次いで単一の２Ｄ素子３７２と整列される光学アセンブリ３６２、３６４、および３６６を含む光学アセンブリ３７０を例示し、アセンブリ３６０と同じ素子は、同じ参照番号により識別される。

[0085]前述の議論は、本開示の例示的な実施形態を開示および説明するにすぎない。当業者は、そのような議論から、ならびに添付の図面および特許請求の範囲から、様々な変更、修正、および変形が、以下の特許請求の範囲に規定されるような本開示の趣旨および範囲から逸脱することなくなされ得ることを容易に認識するものとする。

Claims (22)

1. スペクトルビーム結合（ＳＢＣ）ファイバレーザ増幅器システムであって、
   複数のシードビーム源であって、各々が、中心波長および低フィルファクタプロファイルを有する連続波周波数変調シードビームを生成し、前記シードビームのすべての波長が異なる、複数のシードビーム源と、
   複数のファイバ増幅器であって、各々が、前記シードビームのうちの１つを受信し、各増幅器が、前記シードビームを増幅し、前記増幅ビームをファイバ上に置く、複数のファイバ増幅器と、
   入力面を有するエンドキャップを含むビーム整形器アレイアセンブリであって、前記入力面に、前記ファイバのすべてが光学結合され、前記アセンブリが、タイル状に互いに隣接しかつ互いと接触して位置付けられる複数の入力アレイセルを有する入力ビーム整形器アレイをさらに含み、各入力アレイセルは、前記増幅ビームのうちの１つを受信し、前記ビームを、前記低フィルファクタプロファイルから高フィルファクタプロファイルへ変換されるように、前記ビームが前記入力ビーム整形器アレイから離れる方へ伝搬する際に、結合分散軸に沿って拡大させ、前記高フィルファクタプロファイルを、各入力アレイセルの周囲において、等価のフィルファクタガウスビームに可能なものよりも低い値へと漸減させるように、整形される入力ビーム整形器を含み、前記アセンブリは、複数の出力アレイセルを有する出力ビーム整形器アレイをさらに含み、前記複数の出力アレイセルは、各出力アレイセルが入力アレイセルに適合するようにタイル状に互いに隣接しかつ互いと接触して位置付けられ、各出力アレイセルは、前記変換されたビームのうちの１つを受信し、前記出力ビーム整形器アレイが、異なる波長を有する複数の隣接ビームを前記ビーム間に最小の重複および最小の空隙を伴って含むＳＢＣビームを提供するように、前記変換されたビームの波面を平坦にするように整形する出力ビーム整形器を含む、ビーム整形器アレイアセンブリと、
   前記ＳＢＣビームを受信し、前記隣接ビームをコリメートするコリメーティング光学素子と、
   前記コリメーティング光学素子から前記コリメートされたＳＢＣビームを受信するＳＢＣ格子であって、前記格子が、個々のビーム波長を空間的に回折させ、前記ビームを結合した出力ビームと同じ方向に向ける、ＳＢＣ格子と
   を備える、スペクトルビーム結合（ＳＢＣ）ファイバレーザ増幅器システム。
2. 前記複数の入力アレイセルおよび前記複数の出力アレイセルは、すべて正方形セルである、請求項１に記載のファイバレーザ増幅器システム。
3. 前記複数の入力アレイセルおよび前記複数の出力アレイセルは、すべて同じサイズの正方形セルである、請求項２に記載のファイバレーザ増幅器システム。
4. 前記複数の入力アレイセルおよび前記複数の出力アレイセルは、すべて２ｍｍ×２ｍｍの正方形セルである、請求項３に記載のファイバレーザ増幅器システム。
5. 前記入力ビーム整形器アレイおよび前記出力ビーム整形器アレイは、直線アレイである、請求項１に記載のファイバレーザ増幅器システム。
6. 各入力ビーム整形器は、前記ビームに、非結合非分散軸に沿ってガウスプロファイルを維持させるように整形する、請求項１に記載のファイバレーザ増幅器システム。
7. 各入力ビーム整形器は、前記ビームを、それが前記入力ビーム整形器アレイから離れる方へ伝搬する際に非結合非分散軸に沿って拡大させるように整形する、請求項１に記載のファイバレーザ増幅器システム。
8. 各入力ビーム整形器は、前記ビームを、結合分散軸に沿ってよりも非結合非分散軸に沿って拡大させるように整形する、請求項７に記載のファイバレーザ増幅器システム。
9. 前記入力ビーム整形器および前記出力ビーム整形器は、前記ビームの伝搬方向に対して垂直にＸ方向およびＹ方向の両方に整形し、前記Ｘ方向およびＹ方向形状は、同じ表面に提供される、請求項１に記載のファイバレーザ増幅器システム。
10. 前記入力ビーム整形器および前記出力ビーム整形器は、前記ビームの伝搬方向に対して垂直にＸ方向およびＹ方向の両方に整形し、前記Ｘ方向およびＹ方向形状は、異なる表面に提供される、請求項１に記載のファイバレーザ増幅器システム。
11. 前記ビーム整形器アレイアセンブリは、前記入力ビーム整形器アレイに隣接して位置付けられ、前記複数の拡大ビームを受信するトリムビーム整形器アレイをさらに含み、前記トリムビーム整形器アレイは、タイル状に互いに隣接して位置付けられる複数のトリムビーム整形器アレイセルを含み、各トリムビーム整形器アレイセルは、前記拡大ビームのうちの１つを受信し、ビーム補正を提供するように整形するビーム整形器を含む、請求項１に記載のファイバレーザ増幅器システム。
12. 前記ビーム整形器アレイアセンブリは、前記出力ビーム整形器アレイに隣接して位置付けられ、そこから前記ビームを受信するトリムビーム整形器アレイをさらに含み、前記トリムビーム整形器アレイは、タイル状に互いに隣接して位置付けられる複数のトリムビーム整形器アレイセルを含み、各トリムビーム整形器アレイセルは、前記ビームのうちの１つを受信し、ビーム補正を提供するように整形するビーム整形器を含む、請求項１に記載のファイバレーザ増幅器システム。
13. 前記入力ビーム整形器アレイは、セルの一次元アレイである、請求項１に記載のファイバレーザ増幅器。
14. スペクトルビーム結合（ＳＢＣ）ファイバレーザ増幅器システムであって、
    複数のシードビーム源であって、各々が、中心波長および円形ガウスプロファイルを有する連続波周波数変調シードビームを生成し、前記シードビームのすべての波長が異なる、複数のシードビーム源と、
    複数のファイバ増幅器であって、各々が、前記シードビームのうちの１つを受信し、各増幅器が、前記シードビームを増幅し、前記増幅ビームをファイバ上に置く、複数のファイバ増幅器と、
    入力面を有するエンドキャップを含むビーム整形器アレイアセンブリであって、前記入力面に、前記ファイバのすべてが光学結合され、前記アセンブリが、タイル状に互いに隣接しかつ互いと接触して位置付けられ、一次元セルアレイとして配置される複数の直線入力アレイセルを有する入力ビーム整形器アレイをさらに含み、各入力アレイセルは、前記増幅ビームのうちの１つを受信し、前記ビームを、前記円形ガウスプロファイルからフラットトッププロファイルを有する直線状ビームへ変換されるように、前記ビームが前記入力ビーム整形器アレイから離れる方へ伝搬する際に、結合分散軸に沿って拡大させ、前記フラットトッププロファイルを、各入力アレイセルの周囲においてより低い値へと漸減させるように、整形させる入力ビーム整形器を含み、前記アセンブリは、複数の直線出力アレイセルを含む出力ビーム整形器アレイをさらに含み、前記複数の直線出力アレイセルは、各出力アレイセルが入力アレイセルに適合するように、タイル状に互いに隣接しかつ互いと接触して位置付けられ、一次元セルアレイとして配置され、各出力アレイセルは、前記変換されたビームのうちの１つを受信し、前記出力ビーム整形器アレイが、異なる波長を有する複数の隣接ビームを前記ビーム間に最小の重複および最小の空隙を伴って含むＳＢＣビームを提供するように、前記変換されたビームの波面を平坦にするように整形する出力ビーム整形器を含む、ビーム整形器アレイアセンブリと、
    前記ＳＢＣビームを受信し、前記隣接ビームをコリメートするコリメーティング光学素子と、
    前記コリメーティング光学素子から前記コリメートされたＳＢＣビームを受信するＳＢＣ格子であって、前記格子が、個々のビーム波長を空間的に回折させ、前記ビームを結合した出力ビームと同じ方向に向ける、ＳＢＣ格子と
    を備える、スペクトルビーム結合（ＳＢＣ）ファイバレーザ増幅器システム。
15. 各入力ビーム整形器は、前記ビームに、非結合非分散軸に沿ってガウスプロファイルを維持させるように整形する、請求項１４に記載のファイバレーザ増幅器システム。
16. 各入力ビーム整形器は、前記ビームを、それが前記入力ビーム整形器アレイから離れる方へ伝搬する際に非結合非分散軸に沿って拡大させるように整形する、請求項１４に記載のファイバレーザ増幅器システム。
17. 各入力ビーム整形器は、前記ビームを、結合分散軸に沿ってよりも非結合非分散軸に沿って拡大させるように整形する、請求項１６に記載のファイバレーザ増幅器システム。
18. スペクトルビーム結合（ＳＢＣ）ファイバレーザ増幅器システムであって、
    複数のシードビーム源であって、各々が、中心波長および低フィルファクタプロファイルを有するシードビームを生成し、前記シードビームのすべての波長が異なる、複数のシードビーム源と、
    複数のファイバレーザ増幅器であって、各々が、前記シードビームのうちの１つを受信し、各増幅器が、前記シードビームを増幅し、前記増幅ビームをファイバ上に置く、複数のファイバレーザ増幅器と、
    入力面を有するエンドキャップを含むビーム整形器アレイアセンブリであって、前記入力面に、前記ファイバのすべてが光学結合され、前記アセンブリが、タイル状に互いに隣接しかつ互いと接触して位置付けられる複数の入力アレイセルを有する入力ビーム整形器アレイをさらに含み、各入力アレイセルは、前記増幅ビームのうちの１つを受信し、前記ビームを、前記低フィルファクタプロファイルから高フィルファクタプロファイルへ変換されるように、前記ビームが前記入力ビーム整形器アレイから離れる方へ伝搬する際に、結合分散軸に沿って拡大させ、前記高フィルファクタプロファイルを、各入力アレイセルの周囲において、等価のフィルファクタガウスビームに可能なものよりも低い値へと漸減させるように、整形する入力ビーム整形器を含み、前記アセンブリは、複数の出力アレイセルを有する出力ビーム整形器アレイをさらに含み、前記複数の出力アレイセルは、各出力アレイセルが入力アレイセルに適合するようにタイル状に互いに隣接しかつ互いと接触して位置付けられ、各出力アレイセルは、前記変換されたビームのうちの１つを受信し、前記出力ビーム整形器アレイが、異なる波長を有する複数の隣接ビームを前記ビーム間に最小の重複および最小の空隙を伴って含むＳＢＣビームを提供するように、前記変換されたビームの波面を平坦にするように整形する出力ビーム整形器を含む、ビーム整形器アレイアセンブリと、
    前記ＳＢＣビームを受信し、前記隣接ビームをコリメートするコリメーティング光学素子と、
    前記コリメーティング光学素子から前記コリメートされたＳＢＣビームを受信するＳＢＣ格子であって、前記格子が、個々のビーム波長を空間的に回折させ、前記ビームを結合した出力ビームと同じ方向に向ける、ＳＢＣ格子と
    を備える、スペクトルビーム結合（ＳＢＣ）ファイバレーザ増幅器システム。
19. 前記複数のレーザ増幅器は、ダイオードレーザである、請求項１８に記載のファイバレーザ増幅器システム。
20. スペクトルビーム結合（ＳＢＣ）を提供するための方法であって、
    各々が中心波長および低フィルファクタプロファイルを有する複数の連続波周波数変調シードビームを生成するステップであって、前記シードビームのすべての波長が異なる、ステップと、
    前記シードビームを増幅するステップと、
    前記増幅ビームを、前記低フィルファクタプロファイルから高フィルファクタプロファイルへ変換されるように、それらが伝搬する際に結合分散軸に沿って拡大させるステップであって、前記高フィルファクタプロファイルは、各ビームの周辺において、等価のフィルファクタガウスビームに可能であるものよりも低い値へ漸減する、ステップと、
    異なる波長を有する複数の隣接ＳＢＣビームを前記ビーム間に最小の重複および最小の空隙を伴って提供するために、前記変換されたビームの波面を平坦にさせるステップと、
    前記ＳＢＣビームをコリメートするステップと、
    前記コリメートされたＳＢＣビームを、個々のビーム波長を空間的に回折させ、前記ビームを結合した出力ビームと同じ方向に向けるＳＢＣ格子上へ向けるステップと
    を含む、方法。
21. 前記増幅ビームを結合分散軸に沿って拡大させるステップは、前記ビームに、非結合非分散軸に沿ってガウスプロファイルを維持させる、請求項２０に記載の方法。
22. 前記増幅ビームを結合分散軸に沿って拡大させるステップは、前記ビームを、それが前記入力ビーム整形器アレイから離れる方へ伝搬する際に、非結合非分散軸に沿って拡大させる、請求項２０に記載の方法。
    

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