JP2023548819A - 体積ブラッググレーティングにより広帯域レーザビームをスペクトル結合するための装置 - Google Patents

Abstract

スペクトルビーム結合器が、１．ブラッグ条件を満たす１つの中心波長において伝搬し、（＋）（－）ブラッグ角の一方において伝送体積チャープブラッグ格子（ＴＶＣＢＧ）に入射する第１の広帯域ビームを回析し、２．ブラッグ条件を満たさない第２の中心波長において伝搬する少なくとも１つの第２の広帯域ビームを伝送する少なくとも１つのＴＶＣＢＧを備える。第２の広帯域ビームは、第１の広帯域ビームの一方のブラッグ角と反対のブラッグ角においてＴＶＣＢＧに入射する。ＴＶＣＢＧは、１つのＴＶＣＢＧの分散から生じさせられる第１の広帯域ビームの、回析の平面における発散を排除するように、および、回析された第１の広帯域ビームと伝送された第２の広帯域ビームとを第１の単一の高出力平行広帯域出力ビームへと結合するように構成される。

Description

本開示は、レーザビーム結合技術に関する。詳細には、本開示は、高出力広帯域レーザビームを高出力高輝度広帯域平行ビームへとスペクトル結合する少なくとも１つの伝送体積ブラッググレーティング（ＴＶＢＧ： Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｖｏｌｕｍｅ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）を含むビーム結合システムに関する。

数多くの産業用途および軍事用途が高出力レーザビームを必要としている。典型的には、高出力の単一モード（ＳＭ： Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ）および低モード（ＬＭ： Ｌｏｗ Ｍｏｄｅ）のレーザビーム、つまり、高品質のレーザビームが、様々な用途に向けて特に求められている。しかしながら、非線形効果および熱効果が、狭い帯域幅（最大３ｎｍ）を伴う独立したＳＭレーザの出力を約１ｋＷに制限してしまっており、一方で、広い帯域幅（４～１０ｎｍ）を伴うＳＭレーザは、１０ｋＷまで出力することができる。限られた拡張性は様々な理由を有し、それらの理由には、数ある中でも、有限のポンプ輝度、限られたドーピング濃度、および非線形効果がある。ＳＭファイバレーザの導波路設計によって、ラマンおよびブリルアンの非線形効果の有害な効果をいくらか軽減することができ、これは拡張性の限界を高めるが、ファイバ芯の直径は、この限界を交渉の余地なく下げてしまう。

高出力の限界は、それぞれのファイバレーザからの２つ以上のＳＭ出力が一体に結合される場合、はるかにより高くなることができる。ビーム結合の様々な方法には、数ある中でも、コヒーレントビーム結合（ＣＢＣ： Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｂｅａｍ－Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）技術およびスペクトルビーム結合（ＳＢＣ： Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｂｅａｍ－Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）技術がある。

ＣＢＣは、相互にコヒーレントなビーム、つまり、それぞれの波の間での位相差が一定となるように同じ波長で伝搬するビームによって、実現される。この技術は、出力されたビーム同士の間に建設的な干渉を提供するように、それぞれの発生源からのＳＭビームの相対位相を制御することを必要とする。位相制御は、安定したコヒーレント付加を提供する能動的または受動的なフィードバックを含む。しかしながら、必要とされる制御は、ＣＢＣシステムの構造上の複雑さを増加させてしまう。

ＳＢＣまたは波長ビーム結合は、位相を制御する必要のないインコヒーレントビーム結合技術である。ＳＢＣの目標は、それぞれの異なる波長で伝搬する２つ以上の高出力レーザビームを、高出力を有するだけでなく、空間輝度を決定するビーム品質を保持している結合ビームへと結合することである。したがって、スペクトルが広がるため、ＶＢＧに基づくスペクトル結合システムにおけるスペクトル輝度が低下する一方で、空間輝度はビームを非共振波長で伝送し、ビームを共振（ブラッグ）波長で回析することで増加し、これは後で詳細に説明される。上記のことに基づいて、ＣＢＣに対するＳＢＣの主な利点は、個々のビームの位相を監視および調整する必要がないことによる構造上の簡潔さである。

ＣＢＳとＳＢＣとの両方が、数ある中でも、プリズム、表面回析格子、および体積ブラッググレーティング（ＶＢＧ）を含め、スペクトル分散光学要素を用いる。プリズムおよび表面回析格子は、これらの要素の角分散が屈折または回析の平面における発散の劇的な増加をもたらすため、狭帯域レーザ発生源の使用を必要とする。それでもなお、先に言及されているように、狭帯域レーザは、限られた出力のビームを出力する。例えば２～１００ｋＷといったより高い出力を得るためには、多くの数のＳＭ狭帯域レーザが同時に動作しなくてはならない。しかしながら、複数のレーザのシステムは、多くの光学的および寸法上の問題を有する。

ＶＢＧが、ｋＷレベルの出力負荷の下で良好に機能することが知られている光熱屈折性（ＰＴＲ： Ｐｈｏｔｏ－Ｔｈｅｒｍｏ－Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ）ガラスに記録され得る。これらの格子の製作は、干渉縞パターンをホログラフィックで記録することを含む。露出されたガラス試料の熱処理が、その内部に永久的で空間的な屈折率変調（ＲＩＭ： Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を作り出す。

ＶＢＧにおける光の回析は、共振（ブラッグ）波長と、「＋」および「－」のブラッグ角として知られている２つの特定の入射角とにおいてのみ起こる。これらの条件はブラッグ条件として知られている。入射角および波長に依存するＶＢＧの回析効率は、図１Ａおよび図１Ｂに示されているように、ゼロによって分けられた中心の丸い突出部分１６といくつかの側方の丸い突出部分１８とを有する。１０７５ｎｍの波長におけるビームがブラッグ角のうちの１つにおいてこの格子に入射する場合、ＶＢＧはこれを最大回析効率で回析する。スペクトルのゼロのうちの１つに対応する、例えば１０６９．３ｎｍの波長においてといった他のビームが、１０７５ｎｍの波長についての他のブラッグ角でＶＢＧを照らすとき、ＶＢＧは、このビームを、回析した１０７５ｎｍのビームと同じ方向に伝送する。

図１Ａおよび図１Ｂのそれぞれのグラフは、１．５μｍの周期Λおよび１ｍｍの厚さで設計されたＶＢＧを示している。見て取れるように、図示されているＶＢＧは、３２．６°（空気におけるブラッグ角）において放たれる１０７５ｎｍ（ブラッグ波長または共振波長）での放射について、１００％の回析効率を有する。全幅半値（ＦＷＨＭ）波長および角度選択性はそれぞれΔλ＝５．２ｎｍおよびΔθ＝１．８ｍｒａｄである。ＶＢＧ特性のモデル化は、レーザ技術における当業者にはよく知られている結合波理論に基づく。

２つの基本的な種類のＶＢＧ、すなわち、伝送ＶＢＧ（ＴＶＢＧ）および反射ＶＢＧ（ＲＶＢＧ）があり、両方ともブラッグ条件を満たす光の回析を提供する。ＴＶＢＧとＲＶＢＧとは、ビームを結合する異なる能力を有する。標準的なＲＶＢＧは、広帯域で高出力なレーザシステムについてＲＶＢＧの有用性を制限するナノメートルの小さい端数を超えない分光幅を伴う狭帯域ビームだけを効果的に結合する。

ＲＶＢＧとは対照的に、ＴＶＢＧは、２～１０ｋＷのＳＭビームを１μｍの波長範囲で出力するＳＭファイバレーザについて特に典型的である３ｎｍ超から１０ｎｍ（およびより大きい）までの範囲である広い分光幅を有する放射を効果的に回析することができる。前述のことに基づいて、高出力で広い分光幅の放射を回析するＴＶＢＧの能力は、高出力広帯域ビームを結合するために、この種類の格子を特に魅力的にさせる。ＴＶＢＧが、１つのビームを（＋）のブラッグ角などにおいて最大効率で回析し、他のビームを反対の（－）のブラッグ角で伝送する場合、回析されたビームと伝送されたビームとは、結合平行高輝度ビームへと合わさる。

図２は、λ１の波長について「＋」および「－」のブラッグ角で同じ側に入射するそれぞれ２つの異なる波長λ１、λ２での２つのレーザビーム１２および１４を結合するＴＶＢＧ１０の動作を示している。図１Ａにおける１０７５ｎｍに対応するλ１の波長におけるビーム１２は、格子と共振しており、ほとんどが回析される（ブラッグ角の２倍で偏向させられる）。１０６９．３ｎｍといった第２のλ２における第２のビーム１４は、回析効率曲線の第１の最小値（またはゼロ）にあり、最小限の損失でＴＶＢＧ１０を通過する。別の言い方をすれば、ＴＶＢＧ１０は、ビーム１４を有意に回析しないが、ビーム１４を伝送する。理想的には、回析されたビーム１２と、伝送されたビーム１４とは、重ねられ、近くの光学場と遠くの光学場との両方において共線的となり、つまり、単一の出力の平行にされた空間的に輝くビーム２０へと合わされる。しかし、回析されたビーム１２は、両矢印１５によって示され、以下において説明されているように、出力において扇形に広げられるため、現実は異なる。

広帯域ビームを結合するためにＴＶＢＧを使用することは、いくつかの問題を提起する。これらの問題のうちの少なくともいくつかの根源は、ビーム発散である。ビーム発散は、ビームの出力密度と結合ビームの空間輝度とを低下させる。下記は、ＴＶＢＧによって回析されたビームを発散させる物理的現象を説明している。

当業者が知っているように、あらゆる格子は、図３に示されている角分散を導入する。実際、角分散は、そのまさにスペクトル選択性のため、おそらくあらゆる種類の格子の最も魅力的な特徴のうちの１つである。スペクトル選択性の本質を理解するために、ブラッグ角においてＴＶＢＧ１０に入射するビーム１２など、ブラッグ波長における単一の多色平行ビームを考える。多色ビーム１２は、実線の波長λ_１Ｂ（ブラッグ波長）において中心付けられる若干ずれたスペクトル成分λ_１Ｌおよびλ_１Ｓ（それぞれ、長い／破線の波長および短い／点線の波長）から成る。入射ビームにおけるすべてのスペクトル成分は平行であるが、ＴＶＢＧ１０がビーム全体を回析し、異なる波長λ_１Ｌ、λ_１Ｓ、およびλ_１Ｂがそれぞれの異なる角度で偏向させられる。短い／点線の波長λ_１Ｓと長い／破線の波長λ_１Ｌとの両方のスペクトル成分が、それぞれ共振ブラッグ成分から発散する。異なる波長を認識するための格子のこの能力が、格子を様々な用途にとって非常に魅力的にさせている。

しかしながら、格子の上記の特徴は、格子がビーム結合器として機能するときには望ましくない。確かに、格子のスペクトル選択性はなおもビーム結合にとって重要であるが、回析されたビームが発散するという事実は、本明細書において以下で説明されているように、本発明の目的にとって非常に望ましくない。

分岐または扇形のビームは、より低い空間輝度を有する。なおも多くの産業用途が、スペクトル成分がすべて平行である大きな空間輝度のビームを必要としている。これらのビームは、平行にされたほぼ回析の制限されたビームとして知られている。角分散は、標準的な周期的なＴＶＣＢＧに限定されず、伝送体積チャープブラッグ格子（ＴＶＣＢＧ）においても起こる。しかしながら、本明細書で以下において説明されているように、ＴＶＣＢＧは、周期的なＴＶＢＧの回析されたビームと異なる手法で、回析されたビームと相互作用する。

周期的なチャープＴＶＢＧと関連付けられる他の問題は、ビームの発散に影響する熱レンズ現象である。高出力のレーザビームがＶＢＧを通じて伝搬するとき、ＶＢＧはビームを一部吸収し、それによって光エネルギーを放出してＶＢＧを加熱する。加熱は、屈折率の変化およびＰＴＲガラスの膨張をもたらす。ＶＢＧにおける温度分布は均一ではなく、これはレンズの形成をもたらす。したがって、この現象は熱レンズとして知られている。

熱レンズは、中心領域において最も高い出力密度を有し、翼状領域において低い出力密度を有する回析されたビームの発散および品質を歪める。レンズを補償するために、様々な位相マスクが成功裏に使用されている。しかしながら、知られている位相マスクはすべて単色性であり、広帯域ビームを効果的に成形することができない。

広帯域ビームを結合するために使用されるＴＶＢＧ（およびＴＶＣＢＧ）と関連付けられるなおも他の問題は、スペクトルチャンネル同士またはビーム同士の間の漏れである。図２に戻ると、伝送されたビーム１４、つまり、回析されることなく伝搬するべきであるビームが、なおも部分的に回析されるとき、漏れが生じる。それを回避するために、ＴＢＧ１０の分光幅は、広帯域ビーム１２を回析させるが、ビーム１４を回析させないだけの広さでなければならない。そのために、より広いスペクトル範囲へと広がる図１Ａの側方の丸い突出部分１８は、いくらか抑制されるべきであり、より良くは完全に除去されるべきである。側方の丸い突出部分の振幅は、ＰＴＲ媒体の体積における屈折率変調（ＲＩＭ）の均一な分布を伴うＶＢＧに固有である。スペクトルチャンネル同士の間の相当の漏れを回避するために、スペクトルチャンネル同士の間の距離は、少なくとも３Δλでなければならない。これは、多くの産業用途にとって重要であるＹｂ添加ファイバレーザについて、最大で３～４つのチャンネル／レーザ発生源が効果的なＳＢＣのために使用され得ることを意味する。しかしながら、発生源の限られた数は、ＴＶＢＧの出力の拡張性を狭めてしまう。

ＰＣＴ／ＵＳ２１／１６５８８

前述のことに基づいて、広帯域ビームを、結合高出力高輝度平行ビームへと結合するためにＳＢＣ技術を利用して、ＴＶＣＢＧおよびＴＶＢＧに基づくビーム結合器であって、
回析されたビームにおける角分散の効果を最小限にし、または好ましくは排除し、
レンズ効果を最小限にし、
複数の広帯域ビーム（またはチャンネル）同士の間の漏れを最小限にする
ように構成されるビーム結合器を有することが望まれる。

開示されている結合器は、前述の問題に対処し、既存の必要性を満たす。本発明の構造は、高出力広帯域ビームを、結合された広帯域で複数ＫＷの平行出力のビームへと合わせるビーム結合器として機能する少なくとも１つのＴＶＢＧを備える。

本発明の構造はＴＶ（Ｃ）ＢＧの角分散を排除する。角分散を取り扱う概略のいくつかは、単一のＴＶＣＢＧを含む。他の概略は、２つの同一の周期的なＴＶＢＧの対に関する。

ＴＶＣＢＧは、空間的な屈折率変調（ＲＩＭ）の徐々に変化する周期を伴う構造である。ＴＶＣＢＧは、ＴＶＣＢＧの異なる領域からの異なる波長を回析することができ、それらの回析角を制御することができる。そのため単一の適切に設計されたＴＶＣＢＧは、回析されたビームにおける角分散を補償することができる。ビーム結合器として、ＰＴＲガラスに記録されたＴＶＣＢＧは、（＋）（－）のブラッグ角の一方で入射する第１の広帯域ビームを伝送し、他方の反対のブラッグ角での第２の広帯域ビームを回析する。回析および伝送されたビームは、互いと合わさって、平行広帯域出力ビームになる。

先に開示されている概略は、３つ以上の広帯域ビームを結合するように配置される複数のＴＶＣＢＧを備え得る。この概略では、第１の上流のＴＶＣＢＧが、第１のビームと伝送された第２のビームとを含む単一の広帯域な平行広帯域ビームを出力する。第１の平行広帯域ビームは、歪みなしでこのビームを伝送する少なくとも１つの下流のＴＶＣＢＧに入射する。しかしながら、下流のＴＶＣＢＧは、上流のＴＶＣＢＧのように、入射する第３の広帯域の角分散を補償する。結果として、すべての３つのビームが、下流のＴＶＣＢＧの出力において、高輝度高出力広帯域平行ビームへと合わさる。ＴＶＣＢＧの数は限られていない。望まれる場合、１つまたは複数のＴＶＣＢＧが、周期的なＴＶＢＧの１つまたは複数の対との組み合わせで、効果的に動作することができる。

各々の対のＴＶＢＧは、光路に沿って離間され、それぞれの「＋」および「－」のブラッグ角で並べられる。上流のＴＶＢＧは、例えば「＋」のブラッグ角で入射する第１のビームを回析する。固有の角分散のため、ビームのスペクトル成分は、ＴＶＢＧの出力において発散する。回析された第１のビームを下流のＴＶＢＧへと「－」のブラッグ角で放つと、そのスペクトル成分が再び回析されるが、上流のＴＶＢＧによって提供される方向とは反対の方向で回析される。したがって、それぞれのＴＶＢＧにおける分散効果が互いを相殺することになる。これによって、下流のＴＶＢＧは、複数ＫＷの平行広帯域出力ビームを、上流のＴＶＢＧに入射するビームの入射ブラッグ角と同じ角度で出力することが可能となる。

したがって、下流のＴＶＢＧは、回析された第２の伝送された広帯域ビームのための結合ＴＶＢＧとして機能する。第２のビームは、第１のビームのブラッグ波長と異なる波長において中心付けられ、第２のビームを伝送する下流のＴＶＢＧに直接的に入射する。二度回析された第１のビームと、伝送された第２のビームとは、近くの光学場と遠くの光学場との両方において互いと重なり、出力の空間的に輝く広帯域平行ビームへと合わさる。当業者は容易に理解するように、ＴＶＢＧの並べられる対の数は、１つだけの対に限定されず、複数の広帯域ビームが最も下流のＴＶＢＧにおいて最終的に互いに重なり、単一の高輝度高出力結合ビームを出力するように位置決めされる複数の対を備えることができる。

なおも他の概略は、いくつかの標準的なＴＶＢＧを単一のガラス板において記録することを可能にするＰＴＲガラスを利用する。ＴＶＢＧは、板の中で互いと完全に重なる一方で、光学的には独立している。したがって、この概略は、互いからずれているブラッグ波長においてそれぞれのビームを回析する２つの上流の「－」および「＋」のＴＶＢＧを有する。したがって、回析されたビームは、同じガラス板に書かれたそれぞれの「＋」および「－」の下流のＴＶＢＧに入射する。二度回析されたビームは、単一の高出力広帯域平行出力ビームを形成するようにＰＴＲガラスを出る間に互いと重なる。

漏れの問題に対処する本開示の態様は、側方の丸い突出部分の抑制をもたらす格子ベクトルに対して垂直な方向において、ＲＩＭの特定の（例えば、ガウス）プロファイルを形成することを含む。具体的には、開示されているＴＶＢＧは、側方の丸い突出部分のほとんど完全な抑制を可能にする最適化されたアポディゼーション（または空間的に非均一な結合）のプロファイルで構成され、これは、チャンネル間の距離の縮小をもたらし、そのためこれらのチャンネルの数の増加をもたらすことができる。

本開示の他の態様は、ＴＶＣＢＧとＴＶＢＧとを備える先に開示されている広帯域ビーム結合器において、熱レンズ補償を取り扱っている。熱レンズ現象を最小限にする概略のうちの１つは、できるだけ最小限の厚さで構成される本発明の結合器を備える。最小限の厚さは、放射の吸収を低減することで熱の発生を制限し、表面への熱伝導を加速し、光路を短縮し、レンズの焦点距離を増加させる。

ＴＶＢＧ（およびＴＶＣＢＧ）にわたる温度勾配を最小限にする他の概略は、ガウス強度分布が平坦な上部強度分布に変換されるように、ＳＭ広帯域ビームを成形することに基づく。ＳＭビームの中心領域と翼状領域との間の出力密度勾配がより小さくなると、格子における熱発生がより均一になる。平坦な上部のビームは、ガウスビームのピーク出力の約半分であるビームの断面を通じた実質的に一定の出力密度を有する。しかしながら、平均出力は実際には同じである。

これらのビーム成形の概略のうちの１つは、結合ＴＶＢＧ（または単一ＴＶＣＢＧ）から下流において光路に沿って位置決めされる専用ＰＴＲガラス板において作り出されたホログラフィック無彩色位相マスクで構成された本発明の結合器を含む。知られている単色マスクと対照的に、ホログラフィックマスクは広帯域ビームで効果的に動作する。ＴＶＢＧまたはＴＶＣＢＧとマスクとを同じＰＴＲ板に有することが可能である。

この態様の他の概略によれば、先に検討されている態様に開示されているビーム結合器は、広帯域ＳＭビームを伝送しつつ光学渦（ラゲールガウシアンビーム）へと変換する別のホログラフィック位相マスクを追加的に備える。変換されたビームが回析されたビームと合わされるとき、結合ビームの放射強度分布は平坦な上部のプロファイルを取る。

これらの例の態様および実施形態のなおも他の態様、実施形態、および利点は、後で詳細に開示されている。さらに、上記の情報と下記の詳細な説明との両方とも、様々な態様および実施形態の単なる図示の例であり、請求された態様および実施形態の性質および特性を理解するための概要または構想を提供するように意図されている。先に開示されている態様のいずれかを示すそれぞれの概略の特徴は、２つの他の開示されている上記の態様を表す概略のいずれかに完全に組み込むことができる。

上記の特徴および他の特徴は、一定の縮尺で描かれていない添付の図を参照することでより明らかとなる。図は、様々な態様および概略の図示およびさらなる理解を提供し、本明細書の一部を構成するが、何らかの具体的な概略または態様の制限を表してはいない。図面において、様々な図において現れる各々の同一またはほとんど同一の構成要素は、同様の符号によって指示されている。明確性の目的のために、すべての構成要素が同じ符号を有しているとは限らない。

波長についての、例示の周期的なＴＶＢＧの回析効率の依存性を示す図である。 入射角についての、例示の周期的なＴＶＢＧの回析効率の依存性を示す図である。 単一の周期的なＴＶＢＧによるスペクトル結合の図である。 図２のＴＶＢＧによって回析された広帯域ビームのスペクトル構成要素の角分散の図である。 正のブラッグ角において並べられたＴＶＣＢＧによる多波長平面波回析の光線追跡の図である。 負のブラッグ角において並べられた図４のＴＶＣＢＧによる多波長平面波回析の光線追跡の図である。 図４または図５のＴＶＣＢＧによるそれぞれの異なる波長において中心付けられた３つの広帯域ビームをスペクトル的に結合するために、本発明の概念により構成された他の例示の概略を示す図である。 組み合わせで多色ビームのスペクトル成分の角分散を排除する、２つの連続して位置決めされたＴＶＢＧを含む本発明の概略の図である。 波が正のブラッグ角においてＴＶＢＧに入射している状態での多波長平面波回析の光線追跡の図である。 １０７５ｎｍの波長についてのブラッグ角における励起のための波長についての、図８のＴＶＢＧにおける回析角の依存性を示す図である。 波が負のブラッグ角においてＴＶＢＧに入射している状態での多波長平面波回析の光線追跡の図である。 ２つの連続した図８および図１０のそれぞれのＴＶＢＧにおける多波長平面波回析の光線追跡の図である。 本発明の概念による、２つの広帯域高出力ビームを単一の広帯域高出力高輝度平行出力ビームへと結合するように構成されたある例示の光学的概略の図である。 複数の広帯域高出力ビームを単一の広帯域高出力平行出力ビームへと結合するように構成された他の例示の光学的概略の図である。 多重化ＴＶＢＧで複数の広帯域高出力ビームを単一の広帯域高出力平行出力ビームへと結合するように構成されたなおも他の例示の光学的概略の図である。 図７または図１１の第１のＴＶＢＧにおける「＋」のブラッグ回析の後のスーパールミネッセントダイオードビーム（Ｍ^２＝１）の実験的に得られた発散の図である。 図７または図１１の連続した第１のＴＶＢＧにおける「＋」のブラッグ回析および第２のＴＶＢＧにおける「－」のブラッグ回析の後のスーパールミネッセントダイオードビーム（Ｍ^２＝１）の実験的に得られた発散の図である。 ガウス関数でモデル化されたＹｂ添加ファイバレーザの典型的な高出力ＳＭビームの発光スペクトルの図である。 １０６０ｎｍ、１０７０ｎｍ、および１０８０ｎｍのそれぞれの波長におけるビームを結合するように構成された図７～図１４の本発明のビーム結合器の図である。 図１７Ａの本発明の結合器のそれぞれの上流の格子および下流の格子の異なる中心波長および回析効率スペクトルによる、図１６の３つのレーザ発生源の発光スペクトルの図である。 均一なアポダイズされたＴＶＢＧについての、入射角における回析効率の依存性を示す図である。 回析の水平平面（Ｍ_ｘ）および鉛直平面（Ｍ_ｙ）におけるＴＶＢＧによって回析された１ＫＷのＳＭビームの品質の図である。 高出力広帯域ビームによってＴＶＢＧを結合するときに生成される熱レンズの望ましくない効果を補償するためのホログラフィック無彩色位相マスクで構成された図７～図１４および図１７Ａの本発明の結合器の図である。 結合ＴＶＢＧにおける誘導された熱レンズの有害な影響を最小限にするために、ガウスビーム（ＴＥＭ_００）を平行光学渦へと変換するための１つまたは複数のホログラフィック位相マスクで構成された図７～図１４および図１７Ａの本発明の結合器の図である。 回析されたガウスビームと伝送された渦ビームとを多重化する結合ＴＶＢＧにおける放射強度分布プロファイルの図である。 ＴＶＢＧの厚さについての、ＴＶＢＧの１００％の回析効率のために必要とされるＲＩＭの依存性を示す図である。

図４～図１３は、角分散、つまり、波長における回析角の依存性に対処する概略と、スペクトルビーム結合におけるその役目とをそれぞれ示している。角分散はＶＢＧの固有の特性である。物理的に、角分散は、ＶＢＧにおいて回析された多色ビームの増加した発散、延いては低下した空間輝度に関与している。ＶＢＧが複数の広帯域ビームを結合するビーム結合器として動作するとき、角分散は結合ビームの空間輝度に有害に影響を与える。広帯域ビームは、例えばファイバレーザを含め、高出力レーザと典型的には関連付けられる。それでもなお、開示されている主題は、他の種類のレーザに十分に適用可能である。ＳＭレーザがここでは特に興味のあるものであるが、本発明の概念は多モード（ＭＭ）レーザも網羅することは、留意されたい。

ＴＶＣＢＧを見ると、図４は、ＴＶＣＢＧ６２によって正のブラッグ角において回析された多波長平行入射ビーム２５についての光線追跡を示している。ビーム２５の異なるスペクトル成分が、格子線Ｐ_１、Ｐ_２、およびＰ_３がそれぞれのスペクトル成分についてのブラッグ条件に対応するＴＶＣＢＧ６２におけるそれぞれの場所で回析されている。この場合、それぞれのスペクトル成分についての回析角θ_ｄＳ、θ_ｄＢ、およびθ_ｄＬは、ブラッグ波長が格子間隔Λ
と比例するため、同一である。これは、回析されたビーム２５’は平行にされていることを意味する。異なるスペクトル成分の回析は、回析されたビームの誘導された楕円率をもたらす。

具体的には、図４は、３つのスペクトル成分、つまり、中心ブラッグ条件（λ_Ｂ，Ｋ_Ｂ）と、より長い波長（λ_Ｌ，Ｋ_Ｌ）と、より短い波長（λ_Ｓ，Ｋ_Ｓ）とについて、ＴＶＣＢＧ６２における正のブラッグ角での回析の光線追跡を示している。Ｋ_ＧＳ、Ｋ_ＧＢ、およびＫ_ＧＬは、ＴＶＣＢＧ６２の内部のそれぞれの領域Ｐ_１～Ｐ_３におけるそれぞれの格子ベクトルである。θ_ｉ－空気における入射角、θ_ｉｍ－媒体における入射角、θ_ｄＢ－媒体における共振波長についての回析角（ブラッグ角）、θ_ｄＬおよびθ_ｄＳ－より長い波長およびより短い波長についての媒体における回析角、θ_ｅ－空気における出口角、θ_ｔｍ－媒体における伝送角、θ_ｔ－空気における伝送角である。したがって、適切に設計された単一のＴＶＣＢＧ６２によって回析された広帯域平行ビームは、平行なままである。まとめると、ＰＴＲガラスに記録された単一のＴＶＣＢＧは、図示されているビーム、および、負の角度でＴＶＣＢＧ６２に入射する他のビーム（ここでは示されていない）のための分散補償器およびビーム結合器として動作する。

図５は、図４のＴＶＣＢＧと同様に構成されているが、入射ビーム２５の負のブラッグ角のために並べられたＴＶＣＢＧ６４を示している。回析機構が図４の回析機構と同じであることは、容易にわかる。当業者は、反対の角度でＴＶＣＢＧ６２、６４のいずれかに入射する第２のビームが、平行な回析されたビームと合わさって平行広帯域出力ビームになることを、容易に理解するものである。

図６は、それぞれのλ_１、λ_２、およびλ_３において中心付けられる３つの広帯域ビーム６６、６８、および７０のスペクトル結合を提供するビーム結合器５０を示している。結合器５０は、それぞれの反対のブラッグ角について並べられた連続した上流のＴＶＣＢＧ（ＣＢＧ_１）６２および下流のＴＶＣＢＧ（ＣＢＧ_２）６４を備える。上流のＴＶＣＢＧ６２は、（－）のブラッグ角で入射し、λ_１のスペクトル成分を含むビーム６６を、その伝搬の方向を変えることなく伝送する。しかしながら、ＴＶＣＢＧ６２は、これらの成分が互いと平行なままとなるように、複数のスペクトル成分λ_２を有する入力ビーム６８を回析する。結果として、単一のＴＶＣＢＧ６２は、伝送されたビーム６６と回析されたビーム６８とをそれぞれ、λ_１およびλ_２のスペクトル成分を含む第１の結合平行広帯域ビームへと結合する。

追加の第３の広帯域ビーム７０が、第１の結合ビームと結合される必要がある場合、下流のＴＶＣＢＧ６４がＴＶＣＢＧ６２の下流に設置される。ＴＶＣＢＧ６４は、負のブラッグ角で入射する第１の結合ビームを遮り、歪みなしでこのビームを伝送する。さらに、広帯域ビーム７０は、正のブラッグ角で下流のＴＶＣＢＧ６４に入射し、ＴＶＣＢＧ６４を出るこのビームのすべてのスペクトル成分λ_３が互いと平行になり、第１の結合広帯域ビームのλ_１およびλ_２のスペクトル成分と平行になるように、回析される。結果として、ビーム結合器のＴＶＣＢＧ６４は、高出力で高空間輝度の広帯域平行出力ビーム７２を出力する。

２つ以上のＴＶＣＢＧ６２、６４で構成されたビーム結合器５０は、格子の分光幅がレーザビームの分光幅以上である一方で、スペクトルのビーム／チャンネル間の距離が教示のＴＶＣＢＧの分光幅の距離より大きい場合、高い回析効率で動作する。複数の追加のＴＶＣＢＧが、光路に沿ってのどこかに配置され得る。各々のＴＶＣＢＧが分散補償器とビーム結合器との両方として機能する。また、ＴＶＣＢＧの前または後に位置付けられる周期的なＴＶＢＧの１つまたは複数の対が、それぞれの図４～図６の構造のいずれかにさらに追加されてもよい。

図７は、角分散を排除するために１つまたは複数の対で配置されている周期的なＴＶＢＧに関する概略を示している。ＴＶＢＧ２２および２４は、同一であり、平行にされた広帯域ビーム２８、つまり扇形にされていない広帯域ビーム２８を出力するように、光路に沿ってのそれぞれの「＋」および「－」のブラッグ角について連続的に並べられる。出力ビーム２８が、正のブラッグ角において上流のＴＶＢＧ２２に入射する入力多色ビーム２５と平行に伝搬することに留意されたい。

図示されている概略は、以下の手法で動作する。入射ビーム２５は、初めに回析され、上流のＴＶＢＧ２２へと結合する。ＴＶＢＧ２２の角分散は、格子の出力において、スペクトル成分２６を扇形に広げてしまう。見て取れるように、実線の中心ブラッグ波長がブラッグ角の２倍で回析され、扇形のビーム２６の長い／破線および短い／点線の波長（またはスペクトル成分）が、ブラッグ角に対してそれぞれの角度で出力される。扇形のビーム２６は、負のブラッグ角で下流のＴＶＢＧ２４にさらに入射する。結果として、下流のＴＶＢＧ２４は、それぞれの長い波長および短い波長が上流のＴＶＢＧ２２において回析された角度を反転し、平行広帯域ビーム２８を出力する。別の言い方をすれば、それぞれのＴＶＢＧ２２、２４における角分散の効果が互いを相殺する。回析の平面における平行出力ビーム２８の幅は、ＴＶＢＧにおいて異なるスペクトル成分が異なる横変位を有するため、入射ビーム２５の幅より大きい。しかしながら、幅の増加は、後で詳細に説明されるように、光出力密度がビーム２８の遠距離場において低減しないため、標的に顕著な影響を与えない。

角分散と、周期的なＴＶＢＧにおいて角分散を補償するための機構とのより詳細な説明は、図８～図１１を参照して検討される。具体的には、図８および図１０は、図７のそれぞれのＴＶＢＧ２２および２４における多波長平面波の回析について光線追跡を示している。単純とするために、ＴＶＢＧ２２、２４はそれぞれ、格子ベクトル（Ｋ_Ｇ）が面法線に対して垂直である対称的なＶＢＧである。格子ベクトルＫ_Ｇは、格子の方向および周期を表している。当業者は、格子ベクトルが表面に対して垂直でなく、無作為の角度で傾斜されてもよいことを、容易に理解するものである。ＶＢＧにおける角分散現象は、最も知られている法則の１つ、つまり、入射角が反射の角度に等しいということに従う反射の法則に、おそらくある意味では従わない。対照的に、ここでは、ＴＶＢＧに入射するビームにおけるスペクトル成分は、すべて互いと平行になる一方で、それぞれの異なる角度で発散し、出力ビームに扇形の形態を提供する。

図８は、２０５～３５００ｎｍの波長範囲から選択されたブラッグ条件（λ_Ｂ，Ｋ_Ｂ）、より長い波長（λ_Ｌ，Ｋ_Ｌ）、およびより短い波長（λ_Ｓ，Ｋ_Ｓ）における共振波長について、上流のＴＶＢＧ２２における正のブラッグ角での回析の光線追跡を示している。Ｋ_Ｇは格子ベクトルであり、θ_ｉ－空気における入射角、θ_ｉｍ－媒体における入射角、θ_ｄＢ－媒体における共振波長についての回析角（ブラッグ角）、θ_ｄＬおよびθ_ｄＳ－より長い波長およびより短い波長についての媒体における回析角、θ_ｅ－空気における出口角、θ_ｔｍ－媒体における伝送角、θ_ｔ－空気における伝送角であり、Ａ－Ａ線は一定の屈折率の平面である。

正のブラッグ回析は、Ｋ_ＧとＫ_Ｂとの間の角度が正（反時計回り）である回析である。回析角は、格子ベクトルと、具体的な波動ベクトル、つまり扇形ビームとのベクトル和として決定される。対称のＶＢＧについて、ブラッグ波長（実線）についての媒体における入射角と回析角とは等しく、つまり、θ_ｉｍ＝θ_ｄＢである。そのため、回析された中心スペクトル成分の出口角、つまりブラッグ波長の出口角は、入射角と等しく、θ_ｉ＝θ_ｅＢである。同じ平面波で伝搬するが、ブラッグ波長から離調された入射ビーム２５のスペクトル成分について、対称は、波動ベクトルの異なる長さのため破壊される。したがって、波長λ_Ｂについてのブラッグ角で励起される離調された波長（より短いλ_Ｓおよびより長いλ_Ｌ）について、それぞれの回析角は入射角と等しくない。したがって、出力ビーム２６のスペクトル成分の扇は、波長が増加するにつれてスペクトル成分の伝搬の方向が負の方向（時計回り）に広がる回析の平面において、発散を得る。

図９は、波長においての、１μの周期Λで記録されたＴＶＢＧ２２における回析角の依存性を示している。図示されているグラフでは、縦軸は、共振波長１０７５ｎｍについての回析角からの偏向（θ_ｄ，λ－θ_{ｄ，１０７５}）である。見て取れるように、数ナノメートルについての離調は、数ミリラジアンの偏向をもたらす。数ミリメートルを超える直径を伴う高品質のレーザビームについて、回析の限られた発散は１ミリラジアン未満である。グラフは、図８の広帯域ＳＭレーザビーム２５を回析するＴＶＢＧの角分散がビームの発散を相当に増加させることを明確に示している。

図１０は、ＴＶＢＧ２４における負の下流のブラッグ角における回析の光線追跡を示している。この図に示されている機構は、図５の機構と同一である。しかしながら、図８と対称的に、ここでの多色入射ＳＭビーム２５は、波長が増加するにつれてスペクトル成分２６の伝搬の方向が正の方向（反時計回り）に広がる回析の平面において、発散を得る。

図１１は、先に開示されている図８および図１０のそれぞれの教示の組み合わせに基づく本発明の構造を示している。図１１は、負のブラッグ角および正のブラッグ角にそれぞれ対応する２つの連続した同一のＶＢＧ２２および２４によって回析された多波長平面波を示している。示されている構成は角分散を排除し、したがって平行広帯域ビーム２８を形成する。図では、ブラッグ条件における共振波長について、波長および格子ベクトルはλ_ＢおよびＫ_Ｂと指示され、より長い波長についてはλ_ＬおよびＫ_Ｌと指示され、より短い波長についてはλ_ＳおよびＫ_Ｓと指示され、Ｋ_Ｇは格子ベクトルである。

先に言及されているように、本発明の概略は、二度回析されたレーザビームにおけるスペクトル成分の横ウォークオフ（横スペクトルチャープ）と、近距離場における楕円率とを引き起こす。１０ｍｍの直径のビームおよび４ｍｒａｄの角分散について、直径は、５０ｍｍについての伝搬が０．２ｍｍとなる後に増加する。この効果は、近距離場においてビームの出力密度の小さい減少をもたらす一方で、遠距離場においては出力密度を変化させない。したがって、輝度は変わらないままである。

図１２は、図８～図１１の教示に基づく本発明の２つのビーム結合器５０の基本的な概略を示している。結合器５０は、それぞれの高出力レーザ発生源ＬＳ_１およびＬＳ_２によって発せられた２つの広帯域ビーム３０、３２を、λ_１およびλ_２のそれぞれの中心波長において、平行結合ビーム３４へとスペクトル結合する。概略は、２つの同一の連続して位置決めされた上流の格子ＴＶＢＧ_１Ｂ－（２２）および下流の格子ＴＶＢＧ_１Ｂ＋（２４）をそれぞれ含む。ビーム３０は、回析の平面において発散を取得するように、ブラッグ角で上流のＴＶＢＧ_１２２に入射し、λ_１のスペクトル成分の扇形ビームとしてＴＶＢＧ２２を出る。λ_１のスペクトル成分の扇は、ビーム３０を反対の角度方向に回析し、ビーム３０が上流のＴＶＢＧ_１Ｂ－２２において取得する角分散を相殺する下流のＴＶＢＧ_１Ｂ＋２４において、さらに放たれる。

他方のビーム３２は、スペクトル成分λ_２を有し、λ_１についての「－」のブラッグ角で入射し、λ_２は、図１Ａに示された回析スペクトルにおけるゼロのうちの１つに離調される。そのため、ビーム３２は回析なしで格子を通過する。

図１２は、すべての他の同様の図のように、横ずれを伴う回析されたビーム３０および伝送されたビーム３２をそれぞれ示している。しかしながら、両方のビームが近距離場と遠距離場との両方で完全に重なる。結合出力ビーム３４（３０＋３２）は、減少したスペクトル輝度によって特徴付けられるが、空間輝度は２倍にされる。

図１３は、複数のＴＶＢＧ２２、２４、２２’、および２４’を含む３つのビーム結合器５０を示している。ＴＶＢＧはそれぞれの対で配置されている。一方の対は、上流の「－」のＴＶＢＧ２２および下流の「＋」のＴＶＢＧ２４をそれぞれ含み、一方、ＴＶＢＧ Ｂ－２２’およびＴＶＢＧ Ｂ＋２４’は他方の対を定めている。

具体的には、ビーム結合器５０は、それぞれのλ_１、λ_２、およびλ_３の波長において中心付けられる３つの広帯域ビーム４２、４０、および３６をスペクトル結合する。上流のＴＶＢＧ２２および下流のＴＶＢＧ２４は、図１２における動作と同一でそれぞれ動作し、ＴＶＢＧ２２、２４の各々における角分散に影響するビーム４０を相殺するように、ビーム４０のλ_２において中心付けられる成分を二度回析する。したがって、二度回析された出力ビーム４０’は、平行にされ、ビーム４０の入射角と同じ角度でＴＶＢＧ２４から下流に伝搬する。ビーム４２は、図１ＡにおけるＶＢＧの回析スペクトルにおいて、ゼロのうちの１つに対応するλ_１に中心付けられるスペクトル成分を有し、したがって、歪みなしでＴＶＢＧ２４を通って伝搬する。ビーム４２および４０’は、近光学場と遠光学場との両方において互いに重なり、λ_１およびλ_２の波長から成る第１の広帯域高出力平行出力ビーム３４を一緒に定める。

同一のＴＶＢＧ２２’、２４’の他方の対も、図１２の基本的な概略に従ってそれぞれ動作する。λ_３において中心付けられる第３のビーム３６が、負のブラッグ角で上流のＴＶＢＧ２２’に衝突する。一度回析された扇形のビーム３６は、下流の（＋）ＴＶＢＧ２４’において他の回析を受ける。ＴＶＢＧ２４’は、λ_３における二度回析された平行ビーム３６’と、λ_１およびλ_２における広帯域平行ビーム３４とを、高輝度で高出力な広帯域平行出力ビーム４４へと結合する。第１の対のＴＶＢＧ２２、２４と、第２の対のＴＶＢＧ２２’、２４’とは、すべて互いと同一であり得る。代替で、第２の対のＴＶＢＧは第１の対のＴＶＢＧと異なってもよい。例えば、第２の対のＴＶＢＧは、第１の対のＴＶＢＧに対して若干斜めにされてもよい、または、第１の対のＴＶＢＧと比較して異なる周期を有してもよい。

結合されたチャンネルの数、つまり広帯域ビームの数が限られていないことは、図１３の概略から明らかである。最終的に、すべてのビームが近距離場と遠距離場との両方で重なる。チャンネルの数における限定は、個々のレーザの分光幅と比較して、レーザ放出媒体の利得スペクトルの全体の幅によって決定される。

図１４は、例えば図１２に関して、説明された本発明の原理に従って動作するビーム結合器５０のなおも他の概略を示している。しかしながら、図１２（および図１３）と対照的に、この概略は奇数のＰＴＲガラス板を含む。これは、単一のＰＴＲガラス板が複数の格子を受け入れることができるためである。したがって、図示されている概略は、専用のＰＴＲ板にそれぞれ記録された２つの上流のＴＶＢＧ２２および２２’を含む。しかしながら、それぞれの上流のＴＶＢＧ２２および２２’と対にされた下流のＴＶＢＧ２４および２４’は、同じＰＴＲガラス板３５を共有している。

上流のＴＶＢＧ_２２２およびＴＶＢＧ_３２２’は、λ_３およびλ_２において中心付けられるスペクトル成分のそれぞれのグループを含むそれぞれの広帯域ビーム５４、５６を回析する。回析されると、λ_３およびλ_２において中心付けられるスペクトル成分のそれぞれの扇は、下流のＰＴＲ板３５に衝突する。ＰＴＲ板３５に記録された下流のＴＢＶＧ２４および２４’は、それぞれの上流の格子２２および２２’のブラッグ角と反対のブラッグ角において回析を提供する。結果として、λ_３およびλ_２における平行ビームは、近距離場および遠距離場においてそれぞれ重ねられる。λ_１における第３の広帯域ビーム５２は、歪みなしで多重化ホログラム３５を通って伝搬し、近距離場および遠距離場において二度回析されたビーム５４、５６と重なる。先に開示されている概略と同様に、ＴＶＢＧの数は、図示されている３つの格子に限定されない。

図１５Ａおよび図１５Ｂは、ＴＶＢＧの角分散を補償するために、空間的に均一なＴＶＢＧ（図７および図１１）の対の能力を確かにする実験データを示している。データは、図７および図１１に示されているように、本発明の構造の連続して位置決めされた（＋）上流のＴＶＢＧおよび（－）下流のＴＶＢＧを通じて伝搬した、品質パラメータＭ^２＝１（最高品質）を伴う平行ビームを出力するＳＭスーパールミネッセントダイオードを使用して得られた。ＴＶＢＧは、２．４７μｍの周期Λと、１．５ｍｍの厚さとをそれぞれ有する。

特に図１５Ａを参照すると、上流の「＋」ＴＶＢＧによってＸＺ平面における入射ビームを回析すると、ビーム品質がＭ_ｙ ^２＝１．０３およびＭ_ｘ ^２＝２．２５に悪化した。見て取れるように、回析されたビームの発散は、格子の欠陥のため、Ｙ方向においてわずかに増加した。しかしながら、回析の平面（Ｘ方向）において、回析されたビームは、ビームの品質に有害に影響する著しく大きい発散を呈した。Ｘ方向におけるこのような悪化についての理由は、ＴＶＢＧの角分散の結果である。

図１５Ｂは、一度回析されたビームにおける、下流の「－」のＴＶＢＧが有した効果を示している。具体的には、「－」のブラッグ角における回析において、単一モード（ＳＭ）イッテルビウム（Ｙｂ）ビームなどの二度回析されたビームは、当業者は容易に理解するように、このビームが高品質のものであることを指示するＭ_ｙ ^２＝１．０７およびＭ_ｘ ^２＝１．０８を有した。

ＴＶＢＧおよびＴＶＣＢＧと関連付けられる第２の問題は、チャンネル同士の間の放射の漏れ、つまり、伝送されたビームの一部の回析に起因する。先に検討されているように、ＶＢＧの分光幅は、図１６に示されているものなど、広帯域ビームを回析するのに十分な幅でなければならない。具体的には、図１６は、どちらかと言えば典型的な高出力でＳＭのＹｂファイバレーザの出力の発光スペクトルを示している。漏れは、最大の回析効率の主要な丸い突出部分１６の側方に位置する図１Ａの側方の丸い突出部分１８が、スペクトル的に広がり、伝送されるべき隣接のビームを回析するときに起こる。

図１７Ａ～図１７Ｂは、２つ以上のチャンネルを結合する図４～図６、図７、図１１～図１４のそれぞれの先に検討されたＴＶＣＢＧおよびＴＶＢＧの本発明の結合器５０における漏れ機構の図を提供する。例として、それぞれの１０６０ｎｍ、１０７０ｎｍ、および１０８０ｎｍの波長を結合する周期的なＴＶＢＧを含む３つのチャンネル構造が以下で検討されているが、当業者は、以下の記載がＴＶＣＢＧに完全に適用可能であることを容易に理解するものである。

図１７Ａを参照すると、ＴＶＢＧ２２は、１０６０ｎｍのチャンネルを回析し、１０７０ｎｍのチャンネルを伝送し、それらチャンネルは、１０６０ｎｍおよび１０７０ｎｍにおける第１の平行結合ビームへと合わさる。１０７０ｎｍのチャンネルは、すべての３つのビームが全体結合平行ビームに結合されるように、第１の結合ビームを伝送し、１０８０ｎｍのチャンネルを回析する下流のＴＶＢＧ２４に入射する。先に示されているように、結合器５０は、本発明の構造のため、角分散を最小限にする。しかし、角分散は、後で説明されるように、示されている構造で観察される唯一の現象ではない。

図１７Ｂは、図１７Ａの格子２２および２４の回析効率スペクトルを示している。明確には、格子は、ＰＴＲガラスにおいて、２．０５μｍの周期および２．３７ｍｍの厚さで記録される。赤色の曲線は、３．４ｎｍの分光幅を伴うそれぞれのＳＭのＹｂレーザの発光スペクトルである（ＦＷ１０ｄＢ）。格子は、１０６０ｎｍおよび１０８０ｎｍにおいてそれぞれのビームの効率的な回析を提供するために、それぞれの幅広いスペクトルを有する。別の言い方をすれば、１０６０ｎｍおよび１０８０ｎｍのチャンネルは、対応する格子のスペクトルの最大回析効率にそれぞれ配置される。１０６０ｎｍにおけるチャンネルと１０７０ｎｍにおけるチャンネルとの間、および、チャンネル１０８０ｎｍとチャンネル１０７０ｎｍとの間における不必要なクロストークを回避するために、１０７０ｎｍのチャンネルが、各々の格子２２または２４の回析スペクトルにおける第１のゼロに配置される。しかしながら、先に言及されているように、ＶＢＧの性質のため、各々の格子のスペクトルも、他のチャンネルの領域へと広がる側方の丸い突出部分のグループを有する。したがって、上流の格子２２と下流の格子２４との両方がそれぞれ、中心の丸い突出部分および側方の丸い突出部分の翼状部における低効率の回析によって引き起こされるいくらかの損失を伴って、１０７０ｎｍのチャンネルを伝送する。また、下流の結合ＴＶＢＧ２４は、第１の結合ビームがこのＴＶＢＧを通って伝搬するとき、あるべきではないが、それぞれの１０６０ｎｍおよび１０７０ｎｍのチャンネルの一部分を回析してしまう。同じ結果、つまり、伝送されたチャンネルの望ましくない回析は、格子２２および２４の相対的な位置が逆にされる場合に得られることになる。この場合、ＴＶＢＧ２２は、上流の格子２４において第１の出力ビームへと結合される１０８０ｎｍのチャンネルおよび１０７０ｎｍのチャンネルに影響する下流の結合格子となる。前述のことに基づいて、各々の格子２２、２４のスペクトルの側方の丸い突出部分を抑制することが必要である。

図１７Ｃは、当業者には知られているアポディゼーション技術を使用することで、図７～図１４の下流のＴＶＢＧ２４など、単一のＴＶＢＧにおける図１Ａの側方の丸い突出部分１８の抑制を示している。概して、アポディゼーションという用語は、側方の丸い突出部分１８など、スペクトルの好ましくない特徴を排除する結果となるビーム伝搬の方向におけるＲＩＭの漸進的な変化を意味する。ここで、アポディゼーションは、図４、図５、図８、図１０、および図１１の格子ベクトルＫ_Ｇに対して垂直な方向において、ＲＩＭの特定のプロファイルを形成することを含む。具体的には、ここで使用されるアポディゼーション技術は、表面層を短い波長のＵＶ放射に曝すことで、ＲＩＭを徐々に消すことを含む。図１７Ｃに示されている結果は、３μｍの周期Λを伴う４ｍｍの厚さのＴＶＢＧを使用し、０．５ｍｍの厚さの表面層においてＲＩＭを漸進的に消去することで得られている。均一なＴＶＢＧ７４と比較して、アポダイズされたＴＶＢＧ７６は、側方の丸い突出部分１８の相当の抑制を提供する。アポディゼーションプロファイルの完全な最適化は、側方の丸い突出部分１８を実用的に完全に抑制することができ、これは、隣接するチャンネル同士の間のスペクトル距離を短くすることができる。４つ以下の広帯域ビーム／チャンネルをそれぞれが結合する本発明のＴＶＢＧおよびＴＶＣＢＧと比較して、本発明のアポダイズされたＶＢＧは５つ～６つのチャンネルを結合することができ、全体で複数ｋＷの出力を相当に増加させる。

ＴＶＣＢＧとＴＶＢＧとの両方に関連し、本発明によって取り扱われる第３の問題は、本発明の結合器における高出力広帯域ビームの吸収の結果である熱によって誘導される熱レンズ効果である。熱レンズの悪影響のうちの１つは、ＴＶＢＧまたはＴＶＣＢＧを通過するビームの平行性およびビーム品質における有害な影響である。１μｍの波長範囲におけるレーザ発光の吸収は、約１０^－４ｃｍ^－１（約２５０ｐｐｍ／ｃｍ）である。これは、熱光学係数ｄｎ／ｄＴ＜１ｐｐｍ／Ｋと、熱膨張係数ＣＴＥ＝９．５ｐｐｍ／Ｋとを有する。そのため、ＰＴＲガラスホログラフィック要素における熱レンズは、１ｋＷ／ｃｍ^２未満の出力密度については懸念がないほどの小ささである。

低い出力密度とは対照的に、より高い出力密度はビーム品質に相当に影響する。例えば、１ｋＷのＳＭファイバは、ブラッグ角でＴＶＢＧに入射するビーム品質パラメータＭ^２＝１．１を伴う６ｍｍのビームを出力する。１．１７μｍの周期Λ、１ｍｍの厚さ、および２５×２５ｍｍ^２の開口で構成された格子は、約３．５ｋＷ／ｃｍ^２の平均出力密度を伴うビームを回析する。

図１８は、先に開示されている１ｋＷのファイバレーザによる実験の間に得られた回析されたビームのビーム品質を示している。見て取れるように、正方形によって描写されている、鉛直方向「ｙ」における回析されたビームのＭ^２は、熱レンズ効果のため、Ｍ^２＝１．２５へと悪化している。しかしながら、ビーム品質は、水平方向「ｘ」において、角分散および熱レンズの累積の影響のため、Ｍ^２＝１．５７へと急激に低下している。本発明の結合器は、この問題を解決する先に開示されている主要な構造へのいくつかの構造的な追加を含む。

構造的な追加のうちの１つは、位相マスクを使用することを含む。それでもなお、広帯域ビームで機能することができない単色位相マスクと対照的に、本発明の結合器は、ビーム結合器に蓄積した熱歪みを修正するホログラフィック無彩色位相マスク（ＨＡＰＭ： Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ Ｐｈａｓｅ Ｍａｓｋ）を利用する。ガウスプロファイルの出力密度を伴う高出力ビームによって、本発明の結合器の結合ＴＶＢＧ（または単一のＴＶＣＢＧ）において誘導される熱レンズは、通常は、複雑な形を伴う凹状のレンズである。したがって、誘導される発散を最小限にするために、このビームは、正の熱レンズによって引き起こされるスペクトル収差を実質的に補償する複雑な形を伴う負のレンズを通過する。したがって、ＨＡＰＭは、誘導された熱レンズによる効果と反対であり、そのため結合ＴＶＢＧにおいて誘導される熱レンズを補償する光学的効果を提供する。したがって、ＨＡＰＭが設けられた本発明の結合器は、実質的により高い品質を伴い、そのため、ＨＡＰＭなしの本発明の結合器で結合されたビームより大きい輝度を伴う結合ビームを出力する。本発明で使用されるＨＡＰＭは、本主題の出願と一緒に共同所有され、本明細書において参照によりその全体が組み込まれている同時係属中の特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２１／１６５８８において、詳細に開示されている。

図１９は、複雑な従来のレンズ、またはフレネルレンズのホログラムなど、先に検討されたＨＡＰＭを組み込む図４～図１４の本発明の結合器５０の例を示している。上流および下流のＴＶＢＧ_１２２、２４の第１の対は、それぞれの「－」および「＋」のブラッグ角において並べられる。下流のＴＶＢＧ_１２４は、λ_１の波長で中心付けられるスペクトル成分の広帯域高出力ビームを伝送する。上流のＴＶＢＧ_１２２と下流のＴＶＢＧ_１２４とは、λ_２の波長における結合平行ビームとλ_１における伝送されたビームとが第１の結合ビームを構成するように、スペクトル成分λ_２の波長を伴う他の高出力ビームを回析する。同一の上流のＴＶＢＧＳ_２２２’と下流のＴＶＢＧＳ_２２４’の第２の対は、スペクトル成分λ_３のグループを二度回析する。結合下流ＴＶＢＧ２４_２’は、第１の結合ビームを伝送し、λ_１、λ_２、およびλ_３において全体の結合ビームを出力する。結合ビームにおける出力密度放射勾配が、ビーム発散を増加させる熱レンズを誘導する。全体の結合ビームの輝度を向上させるために、全体の結合ビームは、ＴＶＢＧ２４’における熱レンズの効果を補償するように構成されたＨＡＰＭ７４を通じて案内される。他のＨＡＰＭ７４が、第１の結合ビームの輝度を増加させるために、ＴＶＢＧ２４と２４’との間にそれぞれ位置付けられ得る。代替で、ＨＡＰＭ７４は、ＴＶＢＧ２４’と同じＰＴＲガラスの中に書き込まれてもよい。先に検討されているＴＶＢＧのすべてまたは一部がチャープされてもよいことは、留意されたい。

図２０および図２１は、熱レンズを補償するための他の構造的な解決策が提供された本発明のビーム結合器５０を示している。追加された構造は、ホログラフィック位相マスク（ＨＰＭ： Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐｈａｓｅ Ｍａｓｋ）を組み込むことで、結合ビームの輝度における熱レンズの影響を最小限にする。ホログラフィック位相マスク（ＨＰＭ）は、伝送されたビームの強度プロファイルを変え、それをドーナツ形のプロファイルへと変換する。結果として、ドーナツ形ビームとガウスビームとの融合が、平坦な上部の結合ビームをもたらす。

特に図２０を参照すると、先に検討された概念を実現する結合器５０が、例えば、スペクトル成分λ_１、λ_２、およびλ_３のそれぞれのグループを有する３つの広帯域ビームを組み合わせる。「－」のＨＰＭ７６および「＋」のＨＰＭ７８の上流の対がそれぞれ、λ_１のスペクトル成分を伴うガウスビーム（ＴＥＭ_００）が、図２１においてより良く見られるドーナツ形を概して有するラゲールガウシアンビーム（ＬＧ_０１）といった平行光学渦ビームへと変換されるように、第１の広帯域ガウスビームのλ_１スペクトル成分を連続して回析する。平行光学渦ビームは、その伝搬軸に沿って回転対称を有し、したがって、ビームの経路に沿って何かに影響を与える固有の回転軌道角モーメントを持つ。主要な本発明の概念による格子の角分散を排除するＴＶＢＧ２２、２４および２２’、２４’のそれぞれの対の下流のＴＶＢＧ２４および２４’は、ＬＧ_０１ビームを伝送する。ＬＧ_０１ビームは、それぞれの下流のＴＶＢＧ２４、２４’におけるλ_２およびλ_３のスペクトル成分の回析されたビームの各々と連続して合わさり、これらの格子の各々の中の熱レンズの効果を最小限にする。ＨＰＭ７６、７８のビーム変換システムは、必要な場合、追加のＨＰＭを備えてもよく、これは、ＴＶＢＧの対の数が増加した場合であり得る。

図２１は、図１７の先に開示されている構造を使用して得られた結果を示している。見て取れるように、ドーナツ形のＬＧ_０１と回析したガウスビームＴＥＭ_００との融合が、上部の平たい強度プロファイルを伴う全体のビームをもたらしている。

図２２は、ＴＶＢＧまたはＴＶＣＢＧを最小の可能な厚さで構成することを含むなおも他の構造的な検討を示している。この手法は、放射の最小の吸収、最小の熱発生、表面への最速の熱伝達性、および最小の光路を提供し、そのためレンズの最大の焦点距離を提供する。光学厚さの決定は、屈折率変調（ＲＩＭ）および厚さへの格子の効率の依存性に基づく。

本明細書で開示されている本発明による態様は、それらの適用において、以下の記載において述べられた、または添付の図面に示された構造の詳細および構成要素の配置に限定されない。これらの態様は、他の実施形態を取ることができ、様々な方法で実施または実行されることが可能である。特定の実施の例は、本明細書において、例示の目的だけのために提供されており、限定となるように意図されていない。具体的には、いずれかの１つまたは複数の実施形態との関連で検討されている行為、構成要素、要素、および特徴は、任意の他の実施形態において同様の役目から排除されるようには意図されていない。

また、本明細書で使用されている表現および用語は、説明の目的のためであり、限定として解釈されるべきではない。単一または複数の形態での言及は、現在開示されているシステムまたは方法、それらの構成要素、行為、または要素を限定するようには意図されていない。また、本書と、参照により本明細書で組み込まれている文献との間での用語の不一致の使用がある場合、組み込まれている参照における用語の使用は、本書の用語の使用への補足であり、相容れない不一致については、本書における用語の使用が支配する。

このように少なくとも１つの例のいくつかの態様を説明してきたが、当業者は、様々な代替、変更、および改良が当業者には容易に思いつくことを、容易に理解するものである。例えば、本明細書で開示されている例は、他の文脈において適用可能である。このような代替、変更、および改良は本開示の一部である。したがって、前述の記載および図面は例のためだけである。

１６ 主要な丸い突出部分
１８ 側方の丸い突出部分
２２、２２’ 上流の伝送体積ブラッググレーティング、ＴＶＢＧ
２４、２４’ 下流の伝送体積ブラッググレーティング、ＴＶＢＧ
２５ 多波長平行入射ビーム、入力多色ビーム
２６ 扇形のビーム
２８ 広帯域ビーム、平行出力ビーム
３０、３２ 広帯域ビーム
３４ 広帯域平行ビーム
３５ ＰＴＲガラス板、多重化ホログラム
３６ 広帯域ビーム、一度回析された扇形のビーム
３６’ 二度回析された平行ビーム
４０、４２ 広帯域ビーム
４０’ 二度回折された出力ビーム
４４ 高輝度で高出力な広帯域平行出力ビーム
５２ 第３の広帯域ビーム
５４、５６ 広帯域ビーム、二度回析されたビーム
６２、６４ 伝送体積チャープブラッグ格子、ＴＶＣＢＧ
６６ 広帯域ビーム、伝送されたビーム
６８ 広帯域ビーム、回析されたビーム
７０ 広帯域ビーム
７２ 広帯域平行出力ビーム
７４ ホログラフィック無彩色位相マスク、ＨＡＰＭ
Ｋ_Ｂ ブラッグ条件の角度
Ｋ_Ｌ より長い波長の角度
Ｋ_Ｓ より短い波長の角度
Ｋ_Ｇ 格子ベクトル
Ｋ_ＧＳ 領域Ｐ１の格子ベクトル
Ｋ_ＧＢ 領域Ｐ２の格子ベクトル
Ｋ_ＧＬ 領域Ｐ３の格子ベクトル
ＬＧ_０１ ラゲールガウシアンビーム
ＬＳ_１、ＬＳ_２ 高出力レーザ発生源
Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３ 格子線、領域
ＴＥＭ_００ ガウスビーム
λ_１、λ_２、λ_３ スペクトル成分、波長
λ_Ｂ ブラッグ条件のスペクトル成分または波長
λ_Ｌ より長い波長のスペクトル成分または波長
λ_Ｓ より短い波長のスペクトル成分または波長
θ_ｉ 空気における入射角
θ_ｉｍ 媒体における入射角
θ_ｄＢ 媒体における共振波長についての回析角（ブラッグ角）
θ_ｄＬ、θ_ｄＳ より長い波長およびより短い波長についての媒体における回析角
θ_ｅ 空気における出口角
θ_ｔｍ 媒体における伝送角
θ_ｔ 空気における伝送角

Claims (19)

1. ブラッグ条件を満たす１つの中心波長において伝搬し、（＋）（－）ブラッグ角の一方において伝送体積チャープブラッグ格子（ＴＶＣＢＧ）に入射する第１の広帯域ビームを回析し、
   ブラッグ条件を満たさない第２の中心波長において伝搬し、前記第１の広帯域ビームの前記一方のブラッグ角と反対のブラッグ角において前記ＴＶＣＢＧに入射する少なくとも１つの第２の広帯域ビームを伝送する
   少なくとも１つのＴＶＣＢＧを備えるスペクトルビーム結合器であって、
   １つのＴＶＣＢＧは、
   前記１つのＴＶＣＢＧの分散から生じさせられる前記第１の広帯域ビームの、回析の平面における発散を排除するように、および、
   回析された前記第１の広帯域ビームと伝送された前記第２の広帯域ビームとを第１の単一の高出力平行広帯域出力ビームへと結合するように
   構成される、スペクトルビーム結合器。
2. 前記１つのＴＶＣＢＧから上流または下流に位置付けられる少なくとも１つまたは複数の追加のＴＶＣＢＧをさらに備え、前記追加のＴＶＣＢＧは、ブラッグ角で伝搬し、ブラッグ条件を満たす中心波長において前記追加のＴＶＣＢＧに入射する第３の広帯域ビームを回析し、第１の平行出力追加ビームを第２の高出力平行広帯域出力ビームへと合わせる、請求項１に記載のスペクトルビーム結合器。
3. 第１の熱レンズ補償器をさらに備え、熱レンズが、前記第１の広帯域ビームおよび前記第２の広帯域ビームの一方または両方によって、前記１つのＴＶＣＢＧにおいて誘導される、請求項１に記載のスペクトルビーム結合器。
4. 前記第１の熱レンズ補償器は、前記１つのＴＶＣＢＧから下流に位置付けられる指定されたＰＴＲガラス板に記録されるか、または、前記１つのＴＶＣＢＧを伴うＰＴＲガラス板に記録されるホログラフィック無彩色広帯域位相マスク（ＨＡＰＭ）を備える、請求項３に記載のスペクトルビーム結合器。
5. 前記第１の熱レンズ補償器は、前記１つのＴＶＣＢＧから上流でそれぞれの反対のブラッグ角で並べられるホログラフィック位相マスク（ＨＰＭ）の対を備え、前記ＨＰＭは、前記第２の広帯域ビームを回析する一方で、前記第２の広帯域ビームのガウス強度プロファイルをドーナツ形強度プロフィルへと変換する、請求項３に記載のスペクトルビーム結合器。
6. 前記ＴＶＣＢＧと光連通しており、光路に沿って前記ＴＶＣＢＧから離間される同一の第１および第２の伝送体積ブラッググレーティング（ＴＶＢＧ）の少なくとも１つの対をさらに備え、前記ＴＶＢＧ同士は、離間され、それぞれの反対の「＋」および「－」のブラッグ角で並べられる、請求項１に記載のスペクトルビーム結合器。
7. 前記第１および第２のＴＶＢＧは、ブラッグ条件を満たす第４の中心波長における第４の広帯域ビームを、二度回析された第４の平行広帯域ビームを提供するために連続して回析し、前記第２のＴＶＢＧは第１の広帯域出力ビームを伝送し、前記第１の広帯域出力ビームは、前記二度回析された第４の平行ビームと合わさり、単一の第３の広帯域平行出力ビームになる、請求項６に記載のスペクトルビーム結合器。
8. ブラッグ条件を満たし、前記第１、第２、および第４の中心波長と異なる第５の中心波長において、第５の広帯域ビームの連続した回析を提供するために、それぞれの反対のブラッグ角において並べられた同一の第１および第２のＴＶＢＧの少なくとも１つの追加の対をさらに備える、請求項７に記載のスペクトルビーム結合器。
9. それぞれの対の前記第１および第２のＴＶＢＧは、指定されたＰＴＲガラス板にそれぞれ記録される、請求項８に記載のスペクトルビーム結合器。
10. それぞれの対の前記第１のＴＶＢＧは、指定されたＰＴＲガラス板にそれぞれ記録され、それぞれの対の前記第２のＴＶＢＧは、両方とも単一の多重化ＰＴＲガラス板に記録される、請求項８に記載のスペクトルビーム結合器。
11. 前記第２のＴＶＢＧから下流に位置付けられる指定されたＰＴＲガラス板に記録されるか、または、前記第２のＴＶＢＧを伴うＰＴＲガラスに記録されるホログラフィック無彩色広帯域位相マスク（ＨＡＰＭ）を備える第２の熱レンズ補償器をさらに備える、請求項６に記載のスペクトルビーム結合器。
12. ホログラフィック位相マスク（ＨＰＭ）の対を備え、前記第１のＴＶＢＧから上流に位置付けられる第２の熱レンズ補償器をさらに備え、前記ＨＰＭは、第１の広帯域平行出力ビームおよび前記第２の広帯域ビームを二度回析する一方で、そのガウス強度プロファイルをドーナツ形強度プロフィルへと変換するように、それぞれの反対のブラッグ角で並べられる、請求項６に記載のスペクトルビーム結合器。
13. 前記ドーナツ形強度プロフィルを伴う前記第１の広帯域平行出力ビームは、前記第３の平行広帯域出力ビームが上部の平たい強度プロファイルを有するように、前記第２のＴＶＢＧにおいて、二度回析された前記第４の広帯域ビームと合わされる、請求項１２に記載のスペクトルビーム結合器。
14. 前記第１および第２のＴＶＢＧは、１μｍの範囲において、二度回析された第１の広帯域ビームの波長で１００％の回析効率を提供するために、最大で約１ｍｍの厚さと、約１０００ｐｐｍの屈折率変調（ＲＩＭ）とをそれぞれ有する、請求項６に記載のスペクトルビーム結合器。
15. 前記第１および第２のＴＶＢＧは、回析されたビームと伝送されたビームとの間の漏れを最小限とするためにアポダイズされ、前記アポダイズされたＴＶＢＧは、前記ＴＶＢＧの格子ベクトルに対して垂直な方向に記録されるＲＩＭの鐘形プロファイルで構成される、請求項６に記載のスペクトルビーム結合器。
16. 前記第１および第２の広帯域ビームは、３ｎｍから１０ｎｍの間の範囲にある分光幅をそれぞれ有する、請求項１に記載のスペクトルビーム結合器。
17. 前記第１および第２の広帯域ビームは、それぞれ単一横モードビームまたは多モードビームである、請求項１に記載のスペクトルビーム結合器。
18. 前記第１および第２のＴＶＢＧは、表面に対して無作為の配向を有する格子ベクトル（Ｋ_Ｇ）でそれぞれ構成される、請求項６に記載のスペクトルビーム結合器。
19. 前記第１および第２の中心波長は２０５～３５００ｎｍの波長範囲からそれぞれ選択される、請求項１に記載のスペクトルビーム結合器。

Images