JP3059936B2 - 可変コヒーレンス長高輝度レーザ設計 - Google Patents

可変コヒーレンス長高輝度レーザ設計

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JP3059936B2
JP3059936B2 JP8226695A JP22669596A JP3059936B2 JP 3059936 B2 JP3059936 B2 JP 3059936B2 JP 8226695 A JP8226695 A JP 8226695A JP 22669596 A JP22669596 A JP 22669596A JP 3059936 B2 JP3059936 B2 JP 3059936B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術的背景】本発明はハイパワー高輝度レーザ、特に
高品質ビームの広帯域幅ハイパワー固体レーザーに関す
るものである。多くの場合、レーザはコヒーレントな単
色光を放射することを求められる。しかし、レーザを映
像などへ適用する場合、周波数のより広い帯域にわたる
光を放出するレーザ源が必要とされることもある。
【０００２】ビームで情報を伝えるために用いられる周
波数の側波帯が、レーザビームの位相変調によって発生
することは知られている。位相変調は単に情報をビーム
上に記号化するために用いられるのではなく、コヒーレ
ント光を減らすことが求められる適用での使用におい
て、その帯域幅を広げるために用いられることも提唱さ
れてきた。米国特許Ｎｏ．５，１３６，５９９でウィル
コックスはこの目的のため、交差位相変調技術を開示し
ている。周波数が僅かに異なる２つの光のビームが、偏
波保存光ファイバー長に結合される。ウィルコックスの
特許明細書は、電気光学的な結晶を用いた伝統的な変調
方法で広帯域幅と高変調の周波数を簡単には実現できな
いことを指摘している。それらの欠点が生じたのは、伝
統的な電気光学的な変調装置は高電圧で運転され、変調
するために切り替えることのできる高電圧においては周
波数には実際には限界があるというのがその理由の一部
である。ウィルコックスによって唱えられた交差変調の
方法はこれらの問題を回避しているとはいえ、独自の本
質的限界を持っている。特に、光ファイバーがビームの
アパーチャを制限し、そのエネルギーを数ミリジュール
に制限してしまう。それゆえ、伝統的な電気光学変調も
光ファイバーを用いた交差変調も、広帯域幅で比較的ハ
イパワー、大きいアパーチャのビームを求められる場合
は、使用できないであろう。
【０００３】広帯域レーザ源に付随するもう一つの問題
はＰＣＭＯＰＡ（位相接合マスター発振器パワー増幅
器）式機構への適応が難しいと証明されていることであ
る。より高いレーザ源出力パワーにおいて、ＰＣＭＯＰ
Ａ式機構は、しばしば使われている。マスター発振器
は、増幅器の中で２回連続して通過する時に増幅される
比較的低パワーの高品質ビームを発生する。増幅器を通
過する一回目と二回目の間に、ビームは位相結合セルか
ら反射される。よく知られている位相結合過程は、ビー
ムが増幅器を通過することによって起こる波面歪をなく
すためには便利な技術である。一般的に使われる結合セ
ルは、刺激されたブリユアン散乱（ＳＢＳ）の原理で機
能する。残念ながら完全には理解されていないために、
ＳＢＳセルはビームが広帯域幅の場合には十分に機能し
ていない。
【０００４】高出力で大きいアパーチャの、広帯域幅の
低コヒーレンス長を持ったレーザ源のニーズが今なおあ
ることは、前記より正しく認識されるであろう。理想を
言えば、レーザ源はＰＣＭＯＰＡ式機構でも機能するべ
きである。本発明は、これらのニーズをかなえるもので
ある。
【０００５】
【発明の構成】本発明は高出力で機能し、比較的大きい
アパーチャの広帯域幅レーザ源に関するものである。簡
潔に概略を言えば、本発明のレーザ源は、選択された公
称周波数で単一モードレーザビームを発するようなマス
ター発振器と、レーザビームを受けるように配置された
共振電気光学変調装置と、変調装置に結合された無線周
波数（ｒｆ）変調電圧源から成る。変調装置は、公称周
波数の両側に側波帯をもち、単一モードレーザビームよ
りも低コヒーレンス長を持つ出力ビームを作り出す。レ
ーザ源は、出力ビームの経路に配置され出力ビームのエ
ネルギーを増幅するための増幅器も含んでいる。
【０００６】ｒｆ変調電圧源は、出力ビームの側波帯の
数と総帯域幅を変えるために調整できるのが望ましい。
レーザ源は、最初に挙げた変調装置と光学的に直列に接
続された補助電気光学変調装置と、この補助電気光学変
調装置に接続され、最初に挙げたｒｆ変調電圧源よりも
少ない周波数を持つ補助ｒｆ変調電圧源を含むこともあ
る。補助電気光学変調装置は、最初に挙げた変調装置に
よって出される周波数間隔よりも小さい補助側波帯を提
供する。
【０００７】本発明は、公称周波数で最初の線状偏波方
向に単一モードレーザビームを発するようなマスター発
振器と、マスター発振器からのレーザビームを受け増幅
するように配置された増幅器と、増幅されたレーザビー
ムを受けるように配置された電気光学共振変調装置と、
変調装置に接続された無線周波数（ｒｆ）電圧源と、増
幅されたビームを受け位相接合した状態で反射する位相
接合装置から成るＰＣＭＯＰＡレーザ源として定義して
もよい。レーザ源は、変調装置と位相接合装置の間に位
置し、レーザビームが２回通過した結果として９０゜偏
波方向を回転することになる光学的な手段と、マスター
発振器と増幅器の間に位置し、レーザ源からの帰りビー
ムを外結合するための偏波器をも含む。変調装置は通過
する帰りビームだけを変調するのに効果的な方向に向い
ていて、公称周波数の両側に側波帯を持ち、単一モード
のレーザビームよりも低いコヒーレンス長を持つ出力ビ
ームを作り出す。図示した実施例では、最初の通過時に
直線的偏波レーザビームを環状偏波ビームに変換し帰り
通過時に環状偏波ビームをまた線状偏波ビームに変換す
るために、光学的手段は四分の一波長板を含んでいる。
先に述べたように、出力ビームに選択された帯域幅を提
供できるｒｆ電圧源が調整可能なのが好ましい。
【０００８】レーザ源は又、最初に挙げた変調装置と工
学的に直列に接続された補助電気光学変調装置と、この
補助電気光学変調装置に接続され、最初に挙げたｒｆ変
調電圧源よりも小さい周波数を持つｒｆ変調電圧の補助
電源を含んでいる。補助電気光学変調装置は、最初に挙
げた変調装置よりも小さな周波数間隔の補助側波帯を提
供する。
【０００９】上に述べたことから、本発明は広帯域レー
ザ源の分野において意義ある進歩を示すものであると認
識されるであろう。特に本発明は、単体で、あるいはＰ
ＣＭＯＰＡ式機構につないで使用することに適したハイ
パワーで大きいアパーチャの広帯域レーザ源を提供する
ものである。本発明の他の内容と利点は、添付図と合わ
せて以下のより詳細な記述で明らかにする。
【００１０】
【実施例】図解のための図に示されるように、本発明は
広帯域のレーザ源に関するものである。レーザを使用す
る多くの場合コヒーレントな単色光が求められる。この
他に広帯域周波数で少ないコヒーレントのビームが要求
される場合もある。光源の帯域幅は光源によって放出さ
れる周波数の範囲の全幅で測定され、しばしば△νの記
号で表現される。変換を限定されたパルスの周波数帯域
幅は、パルス△ｔの最小の時間範囲におよそ逆比例す
る。このように、△ν＝１／△ｔとなる。コヒーレンス
長△ｘは、△ｘ＝ｃ△ｔと定義され、ｃは光の速度であ
る。それ故、帯域幅とコヒーレンス長は逆に関係づけら
れ、△ｘ＝ｃ△ｔ＝ｃ／△νとなる。
【００１１】位相変調は、レーザ源の帯域幅を広げる方
法として以前から提案されてきたにもかかわらず、この
方法ではハイパワーで大きいアパーチャのレーザビーム
を出すことができなかった。本発明においては、レーザ
源は、単一モードのマスター発振器１０と、増幅器１２
と、電気光学共振変調装置１４を含んでいる。変調装置
１４はマスター発振器１０と増幅器１２の間に位置す
る。シーダー１６がマスター発振器１０に高品質のレー
ザビームを送ることにより、マスター発振器１０は、単
一モードで働きかなり狭い帯域幅のコヒーレント出力ビ
ームを生み出す。変調装置１４は比較的低いパワーと電
圧入力で大きな位相偏移を行い、レーザビームの帯域幅
を増加させる。有効な帯域幅は、電圧当たりの移相量
β、変調周波数ν、ｒｆ電圧（Ｐはパワーとし、Ｐの平
方根に比例する）に比例する。より明確に言えば、帯域
幅は△ν＝β・ν・√Ｐで求められる。
【００１２】本発明の好ましい実施例における変調装置
１４は、米国カリフォルニア州サニベイルのニュー・フ
ォーカス社製の型式番号４４２１ーＣである。
【００１３】図２は、本発明がＰＣＭＯＰＡ（位相接合
マスター発振器パワー増幅器）につながれて最適に使用
されるところを示す。マスター発振器１０、シーダ１
６、変調装置１４、増幅器１２に加えて、この形式はＳ
ＢＳ（刺激されたブリユアン散乱）セル２０と、ファラ
デーローターあるいは四分の一波（λ／４）板２２と、
レーザ源の外でエネルギーを結合させるための偏波器２
４も含む。マスター発振器１０から出る光は偏波器２４
を通り、それから変調装置１４に到着する前に増幅器１
２を通る。変調器で用いられる電気光学的効果は、偏波
によってかなり左右される。マスター発振器１０から出
る光ビームは、図３に示されるように水平に偏波され、
ビームがＳＢＳセル２０に向かって送られる場合には、
電気光学変調装置１４からは影響を受けない。それゆ
え、ＳＢＳセル２０にあたるビームはなおも高いコヒー
レント状態にある。ほぼ間違いなく、ビームが増幅器媒
体を通過するときに、増幅器１２はビームの光学的波面
で位相収差を引き起こす。しかしながら、よく知られて
いるように、それらの増幅器１２を通ってからの帰りビ
ームが位相接合した状態で通ることにより、位相接合は
収差を相殺するために用いることができる。ファラデー
ローターあるいは四分の一波板２２は、往き及び帰りビ
ームの通過により偏波方向に合計９０°の回転を引き起
こす。四分の一波板が用いられた場合、往き通過時に線
状偏波が環状偏波に変換され、帰り通過時には環状偏波
が再び線状偏波に変換されるが、それは直交偏波方向に
であるが。それゆえ、帰りビームは垂直方向に偏波され
る。ファラデーローターが用いられる場合、この例では
帰りビームも垂直方向に偏波される。往きと帰りビーム
の偏波方向の違いは、偏波装置２４と共に、ＰＣＭＯＰ
Ａ式機構からの帰りビームを外部結合させ、帰りビーム
がマスター発振器１０に再び入るのを防ぐために、利用
される。本発明の重要なところは、帰りビームの線状偏
波方向が変調装置の電界と一直線に並ぶ方向に、変調装
置１４が向いていることである。電気光学変調は帰り通
過時のみ起こり、ＰＣＭＯＰＡから出たビームは、マス
ター発振器１０に作り出された最初のビームよりもコヒ
ーレント長が短く、帯域幅が広くなっている。
【００１４】広帯域ビームにさらされた場合のＳＢＳセ
ルの機能的な問題は、レーザパルス波形の時間的な平滑
さの部分的な欠如によるものであると（「スパイキン
グ」によるものと証明された）、以前は考えられてい
た。共振電気光学変調装置を使用することによって時間
的に平滑な出力パルスがを作り出されるが、変調装置が
ＳＢＳセル２０の隣に位置する場合、それらの出力パル
スはＳＢＳセル機能に逆行する影響を与える。入力ビー
ムが広帯域幅の場合、時間的な平滑さにかかわらずいつ
も機能的な問題が生じる。帰りビームのみが変調される
ように変調装置１４を配置した場合ＳＢＳセルの機能は
変調装置の存在によって悪影響を受けない。
【００１５】便利なことに共振電気光学変調装置１４
は、希望する帯域幅とモード数を実現するように制御で
きる。変調装置１４は、駆動場と位相変調の量を高める
ための共振ｒｆ空洞に、リチウムニオブ酸塩あるいはリ
チウムタンタル酸塩のような非線形の物質を用いてい
る。搬送波からの最初の一対の側波帯の分離周波数は、
共振ｒｆと同じである。このようにして、駆動ｒｆ場が
周波数１ＧＨｚの場合、側帯波は搬送周波数から周波数
±１ＧＨｚにある。変調装置１４を徐々に電圧を高めて
運転することによって、ｒｆ周波数の倍数ごとに搬送周
波数から分離された、より高い次数の側波帯を導入でき
るであろう。１ＧＨｚのｒｆ信号の場合、側波帯は搬送
周波数に関して±１ＧＨｚ、±２ＧＨｚ、±３ＧＨｚ、
にあることになる。多重モードレーザビームとは違って
本発明のレーザ源からのレーザパルス出力が時間的に平
滑な場合を除いて、より高い運転電圧では結果としての
周波数スペクトルは、図５（ｆ）で示されるように、多
重モード広帯域レーザ源のスペクトルと同様の特性を持
つ。それゆえ、変調装置の運転電圧が増加した場合、帯
域幅とモード数は増やされるであろう。
【００１６】図５（ａ）は、変調信号（ｒｆパワー＝
0）のないレーザ出力の比較適狭い帯域幅を示す。図５
（ｂ）は、帯域幅が３ＧＨｚに増やされた２ワット変調
ｒｆ信号の効果を示す。図５（ｃ）から（ｆ）に示され
るように、変調装置ｒｆパワーが３、５、７、１０ワッ
トへと増やされた場合、帯域幅は各々５、７、９、１１
ＧＨｚに増えているのがわかる。
【００１７】作動のモード数は、変調装置１４に直列に
１つあるいはそれ以上の変調装置（図示していない）を
追加することによって、帯域幅とは独立して制御するこ
ともできる。例えば、共振ｒｆ周波数０．３ＧＨｚで作
動される第二の変調装置を使えば±０．３ＧＨｚの倍数
で側波帯を作り出すことができる。このようにして、モ
ード数は出力レーザビームの帯域幅全体に影響を与える
ことなく、さらに増やすことができる。
【００１８】
【発明の効果】今まで述べたことにより、本発明が低コ
ヒーレンス長すなわち広帯域幅出力特性を必要とする使
い方のための、ハイパワーレーザ源の分野において意義
深い進歩を示すものであることが理解されたであろう。
特に、本発明は低コヒーレンス長で広帯域幅の、ハイパ
ワー且つ大きいアパーチャで、各パルスが時間的に平滑
であるようなパルス状出力ビームを提供する。その上、
特定の適用要求に適合するように振動の帯域幅とモード
数が変更可能である。本発明説明のために特定の実施例
が述べられてきたが、本発明の目的や意図を逸脱するこ
となく、種々の修正が加えられうることも十分に理解さ
れたであろう。それゆえに、本発明は、添付された請求
項によって示されたものを除いて、限定されるものでは
ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレーザ源の簡略化されたブロック
線図である。
【図２】ＰＣＭＯＰＡ（位相接合されたマスター発振器
パワー増幅装置）式機構に連結して使用した本発明によ
るレーザ源のブロック線図である。
【図３】作動を説明するために、図２のレーザ源から選
択した構成部品についてのブロック線図である。
【図４】レーザ源の帯域幅と変調装置無線周波数（ｒ
ｆ）パワーの間の関係を示すグラフである。
【図５】（ａ）から（ｆ）は色々なｒｆパワーレベルで
のレーザ源の帯域幅を表す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ローレンス ジェイ レンボー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90503 トーランス 141 ウェスト ワ ンハンドレッドアンドナインティース ストリート 5330 (72)発明者 ランダル ジェイ セント ピエール アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90405 サンタ モニカ サード スト リート 3019 ユニット 204 (72)発明者 マーシー エム ヴァリー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90064 ロサンゼルス ウィッグタウン ロード 2827 (56)参考文献 特開 平５−75195（ＪＰ，Ａ) 米国特許5136599（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 3/10 G02F 1/03

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 公称周波数で単一モードレーザビームを
    発生するマスター発振器と、レーザビームを受けるよう
    に配置された共振電気光学変調装置と、変調装置に結合
    された無線周波数（ｒｆ）変調電圧源とから成り、公称
    周波数の両側に側波帯を配し、単一レーザモードビーム
    より低いコヒーレンス長の出力ビームを発生し、さら
    に、前記出力ビームのエネルギーを増幅するために出力
    ビームの経路に配置された増幅器を含む、比較的ハイパ
    ワーで大きいアパーチャの広帯域幅レーザ源。
  2. 【請求項２】 ｒｆ変調装置電圧源が、出力ビームの側
    波帯数と全帯域幅を変更するために調節可能であること
    を特徴とする、前記請求項１で定義されたレーザ源。
  3. 【請求項３】 最初に挙げた変調装置と光学的に直列で
    接続された少なくとも１つの補助電気光学変調装置と、
    少なくとも１つの補助電気光学変調装置に接続され、最
    初に挙げたｒｆ変調電圧源より低い周波数を持ち、そこ
    で最初に挙げた変調装置よりも小さい周波数間隔で少な
    くとも１つの補助電気光学変調装置が補助側波帯を出す
    ことを特徴とする少なくとも１つの補助ｒｆ変調電圧源
    とを付け加えて含む、前記請求項２で定義されたレーザ
    源。
  4. 【請求項４】 公称周波数で線状偏波方向の単一モード
    レーザビームを出すマスター発振器と、マスター発振器
    からのレーザビームを受け増幅するように配置された増
    幅器と、増幅されたレーザビームを受けるように配置さ
    れた共振電気光学変調装置と、変調装置に結合された無
    線周波数（ｒｆ）変調電圧源と、増幅されたレーザビー
    ムを受け位相接合状態で反射するように配置された位相
    接合装置と、２回レーザビームが通過する結果として９
    ０°偏波方向を回転するために変調装置と位相接合装置
    の間に配置された光学的手段と、レーザ源からの帰りビ
    ームを外部で結合するためマスター発振器と増幅器の間
    に配置された偏波器とから成り、変調装置が帰りビーム
    のみを効果的に変調するような方向に向けられ、公称周
    波数の両側に側波帯を持ち、単一モードレーザビームよ
    りも低いコヒーレンスの出力ビームを持っていることを
    特徴とする、広帯域ハイパワーレーザ源。
  5. 【請求項５】 光学的手段が、最初の通過時に線状偏波
    レーザビームを環状偏波ビームに変換し、帰り通過時に
    環状偏波ビームを線状偏波ビームに戻すため４分の一波
    板を含むことを特徴とする、前記請求項４で定義された
    広帯域ハイパワーレーザ源。
  6. 【請求項６】 ｒｆ変調電圧源が出力ビームのために選
    択された帯域幅になるよう調節可能であることを特徴と
    する、前記請求項５で定義された広帯域ハイパワーレー
    ザ源。
  7. 【請求項７】 最初に挙げた変調器に光学的に直列に接
    続された少なくとも１つの補助電気光学変調装置と、少
    なくとも１つの補助電気光学変調装置に接続され、最初
    に挙げたｒｆ変調電圧源よりも少ない周波数を持ち、そ
    こで少なくとも１つの補助電気光学変調装置が、最初に
    挙げた変調装置よりも小さい周波数間隔で補助側波帯を
    出すことを特徴とする少なくとも１つの補助ｒｆ変調電
    圧源とを付け加えて含む、前記請求項５で定義された広
    帯域ハイパワーレーザ源。
JP8226695A 1995-08-28 1996-08-28 可変コヒーレンス長高輝度レーザ設計 Expired - Fee Related JP3059936B2 (ja)

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