JP3241690B2 - 同位相波面制御を備えた高平均パワー固体レーザーシステム - Google Patents
同位相波面制御を備えた高平均パワー固体レーザーシステムInfo
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Description
ーザーシステムに関し、特に、モジュラー高平均パワー
レーザーシステム(すなわち、モジュール式の高平均パ
ワーレーザーシステム、換言すれば、組立ユニット式の
高平均パワーレーザーシステム)に関する。前記モジュ
ラー高平均パワーレーザーシステムは、並列に配置され
たパワー増幅器のフェーズドアレイ(整相列)と、適応
光学素子とを含む。前記パワー増幅器のフェーズドアレ
イは、変化するパワーレベルを有する合成ビームを合成
してつくるように、共通の主発振器に接続される。前記
適応光学素子は、大気収差を補償するように、レーザー
ビームの波面を共役位相で符号化する空間光変調器を含
む。
に当業者に知られている。そのような高パワーレーザー
システムの例は、本発明の承継人と同じ承継人に承継さ
れ、ここで参照することによって本願明細書にその内容
が含まれる、米国特許第5,198,607号に開示さ
れている。そのような高パワーレーザー武器システムは
通常、弾道ミサイル、巡航ミサイル、爆弾等の標的に高
パワーレーザーをロック(固定)させる、追随システム
を含む。このようなレーザー武器はこれら標的を破壊ま
たは「死滅」させるように用いられる。そのようなレー
ザー武器システムの威力は、標的におけるレーザーのパ
ワーを含めた多くの要因に左右される。多くの要因が、
標的におけるレーザーのパワーに影響することが知られ
ている。そのような要因の一つは熱焦点ぼけ(thermal
blooming:サーマルブルーミング)として知られ、米国
特許第5,198,607号に詳細に説明されている。
熱焦点ぼけ(サーマルブルーミング)を補償するため
に、例えばピーター M. リビングストン(Pete
r M. Livingston)による、LASER
ALONG BODY TRACKER(物体追跡装置
を備えたレーザー)(SABOT)と題し、1996年
10月11日に出願され、本発明の承継人と同じ承継人
に承継された米国特許願第08/729,108号に開
示されているように、一つの標的を死滅させるために複
数の高パワーレーザーを用いることが知られている。
面歪みを起こす大気収差を含めて、標的におけるレーザ
ーのパワーレベルに影響する要因が知られている。例え
ば大気収差等による、レーザービームの波面歪みを補正
するため、種々の適応光学システムが開発されている。
そのようなシステムの例は、米国特許第4,005,9
35;4,145,671;4,233,571;4,
399,356;4,500,855;4,673,2
57;4,725,138;4,734,911;4,
737,621;4,794,344;4,812,6
39;4,854,677;4,921,335;4,
996,412;5,164,578;5,349,4
32;5,396,364;5,535,049;及び
5,629,765号に開示されている。これら米国特
許は全てここで参照することにより、本願明細書にその
内容が含まれる。
きた。例えば、米国特許第4,005,935;4,7
94,344;及び5,535,049号では、歪みを
補償するため、レーザー波面の位相共役を発生させるよ
うに、ブリュアン散乱(Brillouin scat
tering)技術が用いられている。他の技術として
は、空間光変調器の使用が挙げられる。空間光変調器
は、レーザービームを複数のサブアパーチャー(sub
apertures:副鏡)で分割して照射し、分割さ
れたレーザービームは、次に、位相面歪み(同位相波面
歪み)を検出する検出器の列(アレイ)に指向させら
れ、得られた検出値は、歪みの関数として同位相波面を
補償するように用いられる。空間光変調器を用いたシス
テムの例は、米国特許第4,399,356;4,85
4,677;4,725,138;4,737,62
1;及び5,164,578号に開示されている。これ
ら米国特許は全てここで参照することにより、本願明細
書にその内容が含まれる。
ある。そのひとつは、それらレーザーシステムが、ある
一定のレーザーパワー出力レベルのための固定された構
造を有しているという事実に関する。従って、そのよう
なレーザーシステムは一般に可変(scalable:
スケーラブル)ではない。残念ながら、レーザー用途の
種類により必要なパワーレベルは異なっている。例え
ば、レーザー武器用途では、目標とされる標的の種類や
距離によって異なる出力パワーレベルが必要とされる。
そのようなレーザー武器用途では、各用途毎に別々のレ
ーザーシステムが必要とされるために、メインテナンス
に必要な交換部品の数が多くなるだけでなく、レーザー
武器システムのコストが高くなる。
ステムのもう一つの不利な点は、そのシステムを構成す
る種々の部品のパワーレベル能力が限られていることで
ある。例えばそのようなレーザー武器システムはレーザ
ー、通常、数キロワットのパワーレベルを有する高平均
パワー化学レーザーを用いていることが知られている。
そのような高パワー条件のために、空間光変調器はこれ
まで、上記した用途には不適当であった。そこで、その
ような高平均パワーレーザーの波面補償を行なう代替技
術が開発された。例えば、米国特許第4,321,55
0号は位相共役補正を備えた高平均パワーレーザーシス
テムに関する。このシステムでは、ブリュアン散乱に基
づいて同位相波面の補正が行なわれる。米国特許第3,
857,356号は、テストビームで低いパワーレベル
を供給するように回折格子を利用した別のシステムを開
示している。'636号特許に開示されているシステム
もまた、同位相波面補償高平均パワーレーザーシステム
を供給するように、一つの脚部に設けられた位相シフト
装置を有する干渉計を含む。
システムの同位相波面補償を行なうには適当であるが、
比較的嵩張り効率が低い。多くの用途において、特にレ
ーザー武器システム用に、より効率的でコンパクトなレ
ーザー武器の使用が望まれている。
は、従来技術における種々の問題点を解決することであ
る。
均パワーレベルのレーザーシステムにおける位相歪みを
補償する波面補償システムを提供することである。本発
明の更に一つの目的は、比較的コンパクトで効率的な、
同位相波面(位相面)補償を備えたレーザーシステムを
提供することである。
テムの構造が様々なパワーレベルの種々のレーザー用途
に用いられることができるように、可変出力パワーレベ
ルを供給する波面補償を備えたレーザーパワーシステム
を提供することである。
主発振器に結合される複数のパワー増幅器を含む可変高
パワーレーザーシステム(本願明細書で、可変とは、所
定の率で増減させる意味を含む)に関し、可変出力パワ
ーレベルを有するレーザーシステム、特に変化するパワ
ーレベル出力を必要とする用途に用いられるレーザー武
器システムに適したレーザーシステムを提供する。同位
相波面歪みを補償するために適応光学素子が設けられて
いる。それら適応光学素子は、パワー増幅器の入力側に
配置され、パワー増幅モジュールによる同位相波面歪み
を予め補償(換言すれば、前置補償)する。これら適応
光学素子はまた空間光変調器を含み、これら空間光変調
器は、大気収差による波面歪みを補償するように、共役
位相で波面を符号化する。
と添付の図面を参照することにより容易に理解されるで
あろう。
較的高い平均パワーのレーザーシステムに関する。本発
明によるレーザーシステムは、比較的高い平均パワーの
用途での使用に適しているので、レーザー武器システム
での使用に適している。本発明の重要な特徴は、前記レ
ーザーシステムが、異なるパワーレベル用途のために出
力パワーレベルを変化(本願明細書で、変化とは、所定
の率で増減させる意味を含む)させることができる、並
列に配置された複数のパワー増幅器を含む可変構造を備
えていることである。上記したように、レーザー武器用
途のような種々のレーザー用途では、目標とされる標的
の種類及び距離によって異なるパワー出力レベルが必要
とされる。本発明によるレーザーシステムの可変構造
は、特にレーザー武器システムに適しており、また大気
収差によって起こるレーザービームの波面歪みを補償す
る、周知の空間光変調器のパワーレベル能力と両立させ
ることができる。
ー出力レベルを有するモジュラーレーザーシステムを示
し、そのシステム全体を参照符号20で識別する。上記
したように、本発明の重要な特徴は、モジュラーレーザ
ーシステム20が比較的高い平均パワーのレーザーシス
テムの波面補償に備えることができるので、高エネルギ
ーレーザー武器システムでの使用に適しているという事
実に関する。図1において、モジュラーレーザーシステ
ム20は複数のモジュラー増幅アーム22、24、26
を含み、これらモジュラー増幅アームは共通の主発振器
28に接続されて、本発明による、波面補償を備えた可
変高平均パワー固体レーザーシステムを構成する。後に
より詳細に説明するように、モジュラーレーザーシステ
ム20は、比較的限られたパワーレベル能力を有する適
応光学素子(すなわち、適応制御光学素子、さらに換言
すれば、適応制御光学装置)を利用しながらパワー出力
レベルを変化させることができる。より具体的には、各
モジュラー増幅アーム22、24、26は、パワー増幅
器40、42、44に加えて適応光学素子28、30、
32と前置増幅器(すなわち、プリアンプ)34、3
6、38を含み、これらはすべて直列に結合されてい
る。モジュラーレーザーシステムのパワー出力は、主発
振器28に接続される並列に配置されたモジュラー増幅
アーム22、24、26の数によって変化させられる。
図1と図4には3つのモジュラー増幅アーム22、2
4、26を示すが、主発振器28のパワー能力によって
は更にモジュラー増幅アームを追加することができる。
アーム22、24、26に適応光学素子28、30、3
2を設けることによって、前記モジュラーレーザーシス
テムは、パワー能力が数キロワットに限られた空間光変
調器を含む、公知の適応光学素子を利用することができ
る。図2と図3は、(適応光学モジュールとしての)適
応光学素子28、30、32を、(パワー増幅器として
の)モジュラー増幅アーム22、24、26の下流側に
配置する場合と上流側に配置する場合との違いを示す。
図2に示すシステムと図3に示すシステムは共に波面補
償を行なう。より具体的には、まず図2において、平坦
な入力波面46に対して、出力波面48には、(増幅器
モジュールとしての)パワー増幅器40、42、44に
より歪みが発生する。パワー増幅器(増幅器モジュー
ル)40、42、44から出力された歪んだ出力波面4
8は、比較的平坦な出力波面49を供給するように、適
応光学素子28、30、32により補正される。しか
し、図2のようにパワー増幅器40、42、44の下流
側に適応光学素子28、30、32を配置すると、適応
光学素子28、30、32に大きなパワー負荷がかか
る。残念なことに、図2に示すトポロジーでは、比較的
高い平均パワーのレーザーシステムの場合、空間光変調
器を含む種々の適応光学素子のパワー能力が超えられて
しまう。例えば、12キロワット出力を有する図1に示
すようなモジュラーレーザーシステム20の場合、各モ
ジュラー増幅アーム22、24、26は、多くの既知の
空間光変調器のパワー能力を超える、4キロワットのパ
ワーを受けることになる。上記したように、既知の空間
光変調器のパワー能力はほんの数キロワットに過ぎな
い。そのため、図2に示すトポロジーは空間光変調器に
は不適当である。
ーザーシステム20は波面補償を行なう既知の空間光変
調器を利用することができる。具体的には、図3に示す
態様において、適応光学素子28、30、32はパワー
増幅器40、42、44の上流側に配置されている。こ
のようなトポロジーでは、平坦な入力波面46に対し
て、適応光学素子28、30、32は位相共役波面50
を発生させ、次にこの位相共役波面がパワー増幅器4
0、42、44に供給される。パワー増幅器40、4
2、44からは、平坦な波面52が出力される。図3の
トポロジーでは、上記の例を用いて各パワー増幅器4
0、42、44の利得が3キロワットであると仮定する
と、適応光学素子28、30、32は、既知の空間光変
調器の2キロワット範囲内に十分入る、わずか1キロワ
ットのパワーレベルを受ける。
線又は光のパルスをモジュラー増幅アーム22、24、
26に供給する。主発振器28は、ガスレーザー、色素
レーザー、固体レーザー等の従来のレーザーであってよ
い。主発振器28は、複数のビームスプリッター54、
56、58を介してモジュラー増幅アーム22、24、
26に結合されている。ビームスプリッター54、5
6、58は通常のビームスプリッターであり、主発振器
28から発生した光ビームの一部をモジュラー増幅アー
ム22、24、26の各々に指向させるように用いられ
る。上記したような典型的な12キロワット出力のレー
ザーシステムの場合、主発振器28は、約3キロワット
程度の出力パワーを有するように選択される。
供給される分散された光のパルスは適応光学素子28、
30、32に供給され、これらの適応光学素子は、後に
より詳細に説明するように、大気収差によって起こる標
的での出力レーザービームの波面歪みの、光学的パラメ
ーターの歪みを補償する。前置増幅器34、36、38
は、主発振器28から供給される分散された光ビームの
パルスを増幅し、増幅された光ビームのパルスは、次に
パワー増幅器40、42、44により更に増幅される。
パワー増幅器40、42、44はコヒーレントな出力ビ
ームを供給するように用いられ、その出力ビームは、後
により詳細に説明するが、可変高平均パワーレベル出力
光ビームを供給するように、ビーム結合器によって結合
されることができる。
は、後により詳細に説明する。典型的な前置増幅器3
4、36、38は、Nd:YAGスラブのような利得媒
質と、ダイオードレーザー列(ダイオードレーザーアレ
イ)のような光学的ポンピング手段とからなる低パワー
(1キロワットレベル)増幅モジュールであってよい。
上記の例では、前置増幅器34、36、38は、約20
程度の利得を有するように選択される。各パワー増幅器
40、42、44は、3つの1キロワットモジュール利
得セクションからなり3キロワットの増幅を行なうよう
に選択されてよい。適当なパワー増幅器40、42、4
4はダイオードポンプ高パワーNd:YAGスラブレー
ザーである。
ム70を図4に示す。図4に示す高平均パワー固体レー
ザーシステム70は、例えば固体レーザー等の主発振器
72を含み、この主発振器はそれ自身の、比較的平坦な
出力波面を供給する適応光学素子74を含む。主発振器
72の適応光学素子74は、主発振器72によって起こ
る波面位相歪みを補償する、低速空間光変調器であって
よい。典型的な主発振器72は、ほぼ回折限界(dif
fraction−limited)にあるビーム品質
を有するNd:YAGレーザーからなる。典型的な適応
光学素子74は、位相プロファイルを調整する電子的手
段を備えた液晶位相変調器列である。このような主発振
器及び適応光学素子は当業者に知られている。
発生させ、発生した光ビームは、複数のビームスプリッ
ター82、84、86を介して分散(分配)され、並列
接続された複数のモジュラー増幅アーム76、78、8
0に入射する。分散され入射したパルス化光ビームは適
応光学素子88、90、92に供給される。これら適応
光学素子は、後に詳細に説明するが、大気収差によるレ
ーザー波面の歪みに加えパワー増幅器によって起こる光
路歪みを補償し、これによって、比較的平坦な同位相波
面を有するコヒーレントな光ビームを供給することがで
きる。適応光学素子88、90、92の出力は、前置増
幅器94、96、98に供給され、これによって、主発
振器72で発生し分散された光パルスが増幅される。前
置増幅器94、96、98の出力は、イメージリレー
(image relay)100,102、104に
供給される。イメージリレー100,102、104
は、パワー抽出を最適化し、回折によって起こるビーム
流出によるポテンシャルダメージを避けるために、一つ
の利得モジュールから次の利得モジュールまでの近距離
場ビームプロファイル(すなわち、近距離場ビーム輪
郭)を維持する。そのようなイメージリレーは当業者に
知られている。各イメージリレー100、102、10
4内に設けられた開口はまた、寄生振動(寄生発振)を
起こす虞のある、望ましくない光の利得セクションの通
過を妨げる。イメージリレー100、102、104の
出力は、図示されるように3つの利得セクション11
2、114、116を備えた複数のパワー増幅器10
6、108、110に供給される。パワー増幅器10
6、108、110はコヒーレントな増幅出力ビーム1
12、114、116を供給し、これら増幅出力ビーム
は、ビーム結合器118に結合させて、これにより、高
平均パワー出力ビーム120を供給するようにしてもよ
い。上記したように、高平均パワー出力ビーム120の
パワーレベルは、高平均パワー固体レーザーシステム7
0に含まれるモジュラー増幅アーム76、78、80の
数により変化させることができる。
面センサー121により検知されるが、この波面センサ
ーは、ホログラフィック位相共役を発生させるように、
即ち、大気収差による同位相波面の歪みを補償する位相
共役波で波面を符号化するように、適応光学素子88、
90、92と共に閉じたループを形成するフィードバッ
クコントローラーを構成している。各適応光学素子8
8、90、92は、低速空間光変調器122と比較的高
速の空間光変調器124とを含んでいてもよい。低速空
間光変調器122は、パワー増幅器106、108、1
10による光ビームの比較的低速の波の歪みを予め補償
(前置補償)する。比較的高速の空間光変調器124
は、大気収差による歪みを補償するように共役波による
波面の符号化に備えて、低速空間光変調器122と直列
に結合される。比較的高速の空間光変調器124の各々
は、個々にアドレス可能なピクセルの列からなっていて
もよい。波面センサー121の制御下においてこれらの
ピクセルは、共役位相波面を生成するように、高平均パ
ワー出力ビーム120の波面の関数として変調される。
ダー干渉計(Mach-Zehnder interferometer)からな
る。この干渉計では、図5に示すように、主発振器の出
力のうち少量の部分が参照波(基準波)を供給し、これ
によって、出力ビームの少量の部分をサンプリングする
(抽出する)ことにより増幅器の出力ビームの干渉図形
像(インターフェログラム・イメージ)を形成すること
ができる。干渉図形像(インターフェログラム・イメー
ジ)は、位相誤差を、電子フォトダイオード列又はCC
Dカメラと、電子撮像装置(例えば、フレームグラッバ
ーと処理ソフトウェアとを有するコンピューター)によ
り観察、記録することができる輝度変化に変換する。サ
ンプリングされた(抽出された)ビームの各位置毎のイ
メージ輝度により示される、位相誤差の大きさについて
得られた情報は、波面データを含んでいる。適応光学素
子(AO)コントローラーは、このデータを用いて、各
増幅器路にあるAOの各ピクセル毎に波面の共役を発生
させる。
々に駆動される低速部分と高速部分からなる。低速AO
は、比較的広いダイナミックレンジ(数ウェーブ)を有
するが反応の遅い(秒)位相シフターの列を有する、液
晶(LC)空間光変調器(SLM)からなっていてもよ
い。高速AOもまた、より狭いレンジ(1ウェーブま
で)用に最適化されているがずっと反応が速い(100
0分の1秒未満、すなわち、ミリセカンド未満)、LC
−SLM列を用いて構成されていてもよい。AOコント
ローラーの各部分を駆動するように、波面データの低速
成分と高速成分とが処理装置(プロセッサー)で分離さ
れる。
テム70を用いて、波面補償を備えた高平均パワー固体
レーザーを形成するようにしてもよい。そのような高平
均パワー固体レーザーは、コンパクトで効率的であるの
に加えて、必要とされるパワーレベルが変化する用途に
おいて有用な可変パワー出力を供給する。レーザー武器
に使用される固体レーザーの破壊レベルを高めるため、
高平均パワー固体レーザーシステムは、大気収差を補償
するために同位相波面を位相共役波で符号化するのに加
えて光学部品による歪みを補償する、適応光学素子を提
供する。
くの変更、変形が可能であることは明らかである。この
ように、請求の範囲内であれば、本発明は特に上記され
ている以外の態様でも実施してもよいことが理解されよ
う。
るレーザーシステムの概要を示すブロック図である。
図であるが、適応光学素子がパワー増幅器の下流側に配
置されている。
子がパワー増幅器の上流側に配置されるように示されて
いる。
を有し、大気収差とパワー増幅器によって起こる歪みの
同位相波面補償を含むレーザーシステムのブロック図で
ある。
のブロック図である。
の主発振器 22、24、26 モジュラー増幅アーム 28、30、32 適応光学素子 34、3
6、38 前置増幅器 40、42、44 パワー増幅器 46 平坦
な入力波面 48 歪んだ出力波面 49 比較
的平坦な出力波面 50 位相共役波面 52 平坦
な波面 54、56、58 ビームスプリッター 70 高平均パワー固体レーザーシステム 72 主発振器 74 適応
光学素子 76、78、80 モジュラー増幅アーム 82、84、86 ビームスプリッター 88、90、92 適応光学素子 94、9
6、98 前置増幅器 100、102、104 イメージリレー 106、108、110 パワー増幅器 112、114、116 利得セクション 118 ビーム結合器 120 高
平均パワー出力ビーム 121 波面センサー 122 低
速空間光変調器 124 比較的高速の空間光変調器 132、134、136 増幅出力ビーム
Claims (11)
- 【請求項1】 可変出力パワーレベルを有する高平均パ
ワーレーザーシステムであって、前記レーザーシステム
は、 主発振器と、 少なくとも一つのモジュラー増幅アームと、 少なくとも一つの第1適応光学素子と、 ビーム結合器とを備え、 前記主発振器は、パルス化された光ビームを発生させ、 前記少なくとも一つのモジュラー増幅アームは、出力光
ビームを供給し、 各モジュラー増幅アームは、前記主発振器に光学的に結
合されており、前記主発振器から発生した前記パルス化
された光ビームを増幅し出力光ビームを形成するパワー
増幅器を含み、 前記少なくとも一つの第1適応光学素子は、前記出力光
ビームの波面を位相共役波で符号化することにより、大
気収差による前記出力光ビームの波面歪みを補償し、 前記ビーム結合器は、前記モジュラー増幅アームからの
前記出力光ビームを結合し可変合成出力ビームを供給
し、前記可変合成出力ビームのパワーレベルは、前記レ
ーザーシステムに接続されるモジュラー増幅アームの数
の関数である、高平均パワーレーザーシステム。 - 【請求項2】 請求項1において、更に、前記モジュラ
ー増幅アームのうちの少なくとも一つに設けられた第1
適応光学素子を含む、高平均パワーレーザーシステム。 - 【請求項3】 請求項2において、前記可変合成出力ビ
ームの前記パワーレベルが前記モジュラー増幅アームの
各々のパワー能力を超えるように、前記レーザーシステ
ムが構成されている、高平均パワーレーザーシステム。 - 【請求項4】 請求項3において、前記第1適応光学素
子が第1空間光変調器を含む、高平均パワーレーザーシ
ステム。 - 【請求項5】 請求項4において、前記第1空間光変調
器が、ホログラフィック位相共役を発生させる比較的高
速の空間光変調器である、高平均パワーレーザーシステ
ム。 - 【請求項6】 請求項5において、更に第2適応光学素
子を含む、高平均パワーレーザーシステム。 - 【請求項7】 請求項6において、前記第2適応光学素
子が前記第1適応光学素子に直列に結合されている、高
平均パワーレーザーシステム。 - 【請求項8】 請求項7において、前記第2適応光学素
子が第2空間光変調器を含む、高平均パワーレーザーシ
ステム。 - 【請求項9】 請求項8において、前記第2空間光変調
器が、前記モジュラー増幅アームによる波面歪みを補償
する低速空間光変調器である、高平均パワーレーザーシ
ステム。 - 【請求項10】 請求項1において、前記レーザーシス
テムが、前記パルス化された光ビームを前記主発振器か
ら複数のモジュラー増幅アームへ分配する少なくとも一
つのビームスプリッターを含む、高平均パワーレーザー
システム。 - 【請求項11】 請求項1において、各モジュラー増幅
アームが、前記主発振器から発生した前記パルス化され
た光ビームを増幅する前置増幅器を含む、高平均パワー
レーザーシステム。
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