JP4405684B2

JP4405684B2 - ブリュアン散乱相共役ミラーを用いた光学アイソレータおよびその光学増幅器系への適用

Info

Publication number: JP4405684B2
Application number: JP2000593982A
Authority: JP
Inventors: コン，ホン−ジン
Original assignee: コン，ホン−ジン
Priority date: 1999-01-16
Filing date: 2000-01-17
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2020-01-17
Also published as: KR100318520B1; KR20000050976A; CN1178086C; CN1310806A; JP2002535696A; WO2000042465A1

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は光学デバイス、より詳しくは誘発ブリュアン散乱相共役ミラーを使用する光学アイソレータに関する。本発明はまた光学増幅器系内のこの種の光学アイソレータに関する。
【０００２】
（背景技術）
デバイスがレーザと併用される場合、デバイスから反射されたビームは、ビームがレーザに戻ると、レーザを妨害する。特に、パルス・タイプのレーザにとっては、反射されたビームは予期せぬように増幅され、またレーザの光学要素に損傷を与えることがある。従って、光学アイソレータが損傷を阻止するのに使用される。
【０００３】
従来の光学アイソレータの例は、１／４波長プレート（クオータ・ウエーブ・プレート；以後「ＱＷ」という）またはファラディ・ローテータ（以後「ＦＲ」という）を使用する受動光学アイソレータおよびポッケル・セル（以後「ＰＣ」という）を使用する能動光学アイソレータである。しかし、これらの光学アイソレータの絶縁（遮断）効果は、ポラライザの他の直交偏光要素に対する除去率が完全でないために、完全でない。例えば、非線形クリスタル偏光子の除去率は約１０００で、多層偏光子のそれは約１００である。すなわち、従来の光学アイソレータの除去率は、１００と１０００の間であり、レーザ中の反射ビームの増幅を誘導するか、あるいは反射ビームが次のステージ内の増幅器で合成されれば、レーザに厳しい損傷を与えることになる。
【０００４】
従来の光学アイソレータの動作例については添付図面で説明し、その問題を検討する。
【０００５】
図１Ａは従来の受動光学アイソレータのブロック図である。この受動光学アイソレータ１００は偏光ビーム・スプリッタ（以後「ＰＢＳ」という）１１０と、偏光変換器１２０とからなる。ＰＢＳ１１０は偏光セパレタであって、水平偏光ビームを通過させるが、垂直偏光ビームは反射させる。偏光変換器１２０は１／４波長だけ相を遅らせるＱＷであるか、または４５°だけ偏光平面を回転するＦＲのいずれかである。すなわち、ビームがＱＷを通過する度に、直線偏光ビームが円形偏光ビームに交換されるか、またはこれと逆に交換される。従って、ＱＷを介するビームの二重（度）通過は前回偏光状態に対して直交する偏光状態にある結果となる。同様にして、ＦＲを介するビームの二重通過は上述の結果と同じことになる。受動光学アイソレータ１００の動作を理解するために、水平偏光パルス入力ビーム１０５が、図１Ａに示したようにＰＢＳ１１０を通過すると仮定してみよう。ＰＢＳ１１０からのビームが偏光変換器１２０を通過するとき、４５°だけ回転される偏光平面で円形偏光ビームまたは線形偏光ビームに変換される。従って、ビームが反射され、また偏光変換器１２０を再度通過するとき、水平偏光ビームと直交する垂直偏光ビームに変換され、ＰＢＳ１１０から反射ビーム１３０として放出される。これが光学アイソレーション（絶縁）効果となる。
【０００６】
図１Ｂは従来の能動光学アイソレータのブロック図である。能動光学アイソレータ１５０は二つのＰＢＳ１６０と１６５及びＰＣ１７０からなる。第１ＰＢＳ１６０が水平偏光ビームを通過し、また第２ＰＢＳ１６５が垂直偏光ビームを通過する。高電圧が所定時間間隔でＰＣ１７０に印加されると、偏光方向が時間間隔中のみ垂直方向に回転することができる。能動光学アイソレータ１５０の動作を理解するために、水平偏光パルス入力ビーム１４５が図１Ｂに示したように第１ＰＢＳ１６０を通過するを仮定してみよう。
【０００７】
第１ＰＢＳ１６０からの水平偏光ビームが、ＰＣ１７０を通過するとき、通過ビームのパルス幅に対応する時間間隔で高電圧がＰＣ１７０に印加されると、水平偏光ビームがＰＣ１７０を通過するにつれて垂直偏光ビームに変換される。従って、垂直偏光ビームが、変化なしに第２ＰＢＳ１６５を通過する。その後、垂直偏光ビームがどこからか反射した後戻ってきたときに、垂直偏光ビームが第１ＰＢＳ１６０から通過される代わりに反射される。これは高電圧がＰＣ１７０に印加されないからである。これも光学アイソレーションという結果になる。
【０００８】
しかし、ＰＢＳ、ＰＣ、ＱＷまたはＦＲのような光学アイソレータ要素に普通欠陥がある。例えば、ＰＢＳ中の垂直偏光ビームと水平偏光ビームの分離率がわずか約数１０ないし数１００である。ＰＣ、ＱＷまたはＦＲの偏光回転はいずれにしても完全ではなく、また除去率はまったく完全ではない。反射ビームの不完全光学アイソレータを介しての入力端への漏洩が、近接増幅器間の増幅結合となって、光学デバイスに損傷を与えることになり、あるいはレーザ・オッシレータの出力モード中の不安定な発振につながる。
【０００９】
従って、ジャッケル他は、誘発ブリュアン散乱相共役ミラー（以後「ＳＢＳ−ＰＣＭ」という）を使用する光学アイソレータを示唆している。しかし、この構造においてさえも、ＳＢＳ−ＰＣＭの反射率は１００％未満であり、また増幅器はレーザ・オッシレータへ反射するビームを完全に遮断することはできない。従って、完全な除去率を有する光学アイソレータがハイ・パワ・レーザ増幅器を形成するのに必要である。
【００１０】
本発明の発明者は、米国特許第５，８３２，０２０号において高い反復率とハイ・パワを備えた固体レーザを提示した。固体レーザの反復率は、冷却速度に依存し、従来技術において増幅器システム用に使用されたレーザ・ロッドの直径は所望のレーザ出力の増大に応じて増大させなければならず、これが反復率を低下させている。米国特許第５，８３２，０２０号に開示された技術は、問題を解決しているが、この種のレーザ構造の下においてさえも、不完全波長プレートまたはＰＢＳは帰還ビームを完全に遮断せず、光学系が増幅ビームによって損傷を受けることになる。
【００１１】
（発明の開示）
従って、本発明の目的は、完全なビーム・アイソレーション効果によって光学系に対する損傷を阻止する光学アイソレータを提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、この種のレーザのような光学系を損傷することなしに出力を増大できる光学増幅器系を提供することである。
【００１３】
目的を達成する本発明の光学アイソレータは、偏光ビーム・スプリッタと偏光変換器を使用することにおいては従来技術と同様であるが、偏光変換器を通過するビームを反射させる誘発ブリュアン散乱相共役ミラーによって特徴付けることができる。偏光変換のために、１／４波長だけビームの相を遅らせる１／４波長プレートまたは４５°だけ偏光プレートを回転させるファラディ・ローテータを使用できる。
【００１４】
他の目的を達成する本発明の光学増幅器系は、少なくとも二つの増幅器ステージからなり、また各光学増幅器ステージは本発明の光学アイソレータを含んでいる。すなわち、各増幅器ステージは光学アイソレータと、光学アイソレータからの増幅ビームを反射させるが、偏光は変換され、変換ビームが光学アイソレータ内に含まれた偏光ビーム・スプリッタを通るビームと、偏光ビーム・スプリッタで反射されることによって合成される。増幅器ステージはチェーン・タイプに構成されるので、前段増幅器ステージからのビームが次の増幅器ステージ内に含まれた偏光ビーム・スプリッタに導入される。誘発ブリュアン散乱相共役ミラーが光学アイソレータからのビームを反射させるのに使用でき、また１／４波長プレートあるいはファラディ・ローテータのいずれかがビームの偏光を変換するのに使用できる。
【００１５】
光学増幅器系がレーザ・オッシレータからのビームを、光学増幅器ステージの第１番目内に導入されれば、ハイパワ・ビームを得ることができる。光学増幅器系はさらに、ビームのサイズを拡大するために近接光学増幅器ステージ間に配備されたビーム・サイズ拡大手段を備えているのが好ましい。
【００１６】
光学増幅器系はレーザのタイプに依存してロッド−タイプあるいはスラブ−タイプとすることができる。さらに、光学アイソレータと光学増幅器の少なくとも一つがアレイ・タイプに構成でき、この場合において、ウエッジ・タイプ・ビーム・スプリッタが光路内に付加され、ビームがアレイのそれぞれに伝送される。
【００１７】
【発明を実施するための最良の形態】
パルス・タイプ・レーザ・ビームが、本発明の光学アイソレータと光学増幅器系両方のために使用されるときに、反射対入力エネルギーは図２のグラフに示すように非線形である。図２において、ＳＢＳ−ＰＣＭの非線形反射がゼロから突然増大する臨界値はＩ_thとして規定され、また反射率の９０％を有する入射ビームのエネルギーはＩ_0.9として規定される。
【００１８】
図３Ａと図３Ｂは本発明の実施例に基づく光学アイソレータのブロック図である。
【００１９】
図３Ａを参照して、光学アイソレータ３００がＰＢＳ３１０とＱＷ３２０とＳＢＳ−ＰＣＭ３４０からなる。図２のＩ_thより高いエネルギーを有するレーザ・オッシレータから垂直偏光ビーム３０５がＰＢＳ３１０に入射されると、ＰＢＳ３１０によって反射され、ＱＷ３２０を通過後、ＳＢＳ−ＰＣＭ３４０に入射される。この時点で、ＳＢＳ−ＰＣＭ３４０に入射されたビームのエネルギーがＩ_thより高ければ、ビームはＳＢＳ−ＰＣＭ３４０の反射率がゼロでないので反射される。特に、Ｉ_0.9よりも高いエネルギーを有するビームがＳＢＳ−ＰＣＭ３４０に入射されたときに、ＳＢＳ−ＰＣＭ３４０の反射率が約９０％であり、また従来のミラーの反射率を有する。一般的に、ＳＢＳ−ＰＣＭによって反射されたビームは相共役波で、入射ビームに関する相共役を有している。ビームの相は、光学系がこれを歪ませたときに、補正されることを意味している。付加的に、相共役波は、波が反射されたときに、入射経路にトレース・バックする特徴を有している。
【００２０】
さらに、ＳＢＳ−ＰＣＭの反射が図２に示すように非線形でないので、空間的周波数フィルタ効果を示す。すなわち、弱いビーム強度を有する空間的周波数成分がＳＢＳ−ＰＣＭによる低い反射率を有し、また、強いビーム強度を有する空間的周波数成分がＳＢＳ−ＰＣＭによる高い反射率を有し、従って、強いビーム強度を有する空間的周波数成分のみが増幅されるとともに、空間的フィルタ効果を呈する。従って、ＳＢＳ−ＰＣＭによって反射されたビームの質は従来のミラーのものよりも優れている。
【００２１】
ＳＢＳ−ＰＣＭ３４０によって反射されたビームが再度ＱＷ３２０を通過するとき、入射ビームと直交する水平偏光ビームに変換され、ＰＢＳ３１０を通過する。他方において、ＰＢＳ３１０からの出力ビームが次の光学系によって反射されるとき、ほとんどの反射ビームＩ_backがＰＢＳ３１０によって反射される。ＰＢＳ３１０を通過するビームＩ_leakが再度ＳＢＳ−ＰＣＭ３４０に入射されるが、このビームは非常に弱く、その強度はＳＢＳ−ＰＣＭの反射臨界値Ｉ_th未満である。これはビームがまったくレーザ・オッシレータに戻るように反射されないということである。
【００２２】
図３Ｂに示したように、ＰＢＳ３６０を通過するビーム３４５が水平方向に偏光されたときに、ＱＷ３７０とＳＢＳ−ＰＣＭ３９０を通って戻るビームがＰＢＳ３６０によって反射され、また図３Ａに示すような同じ結果となる。
【００２３】
図４は本発明の他の実施例に基づく光学増幅器系のブロック図であり、またＳＢＳ−ＰＣＭ光学アイソレータが汎用多段増幅器系に適用される。図４を参照して、光学増幅器系が複数の光学増幅器ステージ４００、４５０、．．．からなる。
【００２４】
光学増幅器系の機能を第１光学増幅器ステージ４００につき説明する。垂直偏光レーザ・パルス・ビーム３９５が、第１光学アイソレータ４１０に含まれたＰＢＳ４１２に入射されると、ＰＢＳ１４１２によって反射され、ＱＷ１４１４を通過するときに円形偏光ビームに変換される。この円形偏光ビームが、ＳＢＳ−ＰＣＭ４１６によって反射された後、ＱＷ１４１４を通過されると、水平偏光ビームに変換され、ＰＢＳ１４１２を通過できる。ビームがＳＢＳ光学増幅器４２０に含まれているマルチパス増幅器１４２２を通過されることによって増幅されるとき、ＱＷ４２４を通過するビームがＳＢＳ−ＰＣＭ２４２６によって反射され、ＱＷ２４２４を再度通過し、これで垂直偏光ビームに変換される。ＱＷ２４２４は４５°だけ偏光平面を回転するファラディ・ローテータと置換することができる。従って、ビームはマルチパス増幅器１４２２を通過することによって再度増幅され、ＰＢＳ１４１２によって反射され、第２増幅器ステージ４５０の第２光学アイソレータ４６０内に含まれたＰＢＳ２４６２に入射される。第２増幅器ステージ４５０が第１増幅器ステージ４００と同じ要素を有しており、第２光学アイソレータ４６０と第２ＳＢＳ光学増幅器４７０からなる。全体として、光学増幅器ステージ４００、４５０、．．．は各々同じ構造をなし、またチェーン・タイプに構成されているので、前段増幅器ステージからのビームが次の増幅器ステージ中に含まれるＰＢＳに導入される。このようになっている光学増幅器系の形態がレーザ・ビームのエンハンスト増幅を提供するとともに、反射ビームによるレーザへの損傷を除去する。
【００２５】
図５は本発明の光学増幅器系のロッド・タイプ・レーザへの適用例を示す。図５を参照して、レーザ・オッシレータ５００からのビーム５０５は、第１増幅器ステージ５１０を通過するときに、第１ＳＢＳ光学増幅器５３０によって増幅され、帰還ビームが第１光学アイソレータ５２０によって遮断される。図４の光学増幅器系のステージと各増幅器ステージ間の差異は、ＳＢＳ−ＰＣＭの前方にレンズがあって、ビームの焦点を調整していることである。他の差異は第２増幅器ステージ５４０内の第２ＳＢＳ光学増幅器５６０が２Ｘ２アレイ・タイプであり、また、ウエッジ・タイプ・ビーム・スプリッタ５６２がビームを各アレイに伝送するのに使用されていることである。第３増幅器ステージ５７０において、第３ＳＢＳ光学増幅器５９０は４ｘ４アレイ・タイプであり、また第３光学アイソレータ５８０が２ｘ２アレイ・タイプである。ウエッジ・タイプ・ビーム・スプリッタ５８２と５９２もビームを各アレイに伝送するのに使用される。さらに、光学増幅器ステージ５１０、５４０、５７０、．．．間にビーム拡大装置５３５、５６５、．．．があって、ビームのサイズを調整している。このようにしてレーザ増幅器系を構成することによって、増幅器ステージを所望のように付加することができ、また出力エネルギーを、同じ反復率を維持しながら光学系に損傷を与えることなく高めることができる。
【００２６】
図６は本発明の光学増幅器系のスラブ・タイプ・レーザへの適用例を示す。図５の光学増幅器系と比較すると、第２ＳＢＳ光学増幅器６６０と異なる点は、２ｘ１アレイ・タイプであり、第３光学増幅器６９０が４ｘ１アレイ・タイプであって、第３光学アイソレータ６８０が、スラブ・タイプ・レーザに適した２ｘ１アレイ・タイプである。
【００２７】
本発明の光学系は数個の光学系を示す図７Ａから図７Ｃに説明されたアライメントに対して不感覚である。図７Ａから図７Ｃ中の同様の要素には同じ参照符号を付している。
【００２８】
図７Ａは二つの対称配備ＳＢＳ−ＰＣＭを使用する本発明の光学増幅系のアライメント感度を示す。この形態において、レーザ・オッシレータ７００からのビームがアライメントからΔθだけ変位したＰＢＳ７１０に入射しているが、対称配置されたＳＢＳ−ＰＣＭ７２０からの出力ビームの位置と方向は入射ビームの方向と一致している。
【００２９】
図７Ｂはただ一つのＳＢＳ−ＰＣＭを使用する光学系のアライメント感度を示す。この場合において、ＰＢＳ７１０はアライメントからΔθだけ変位しておれば、出力ビームはアライメントからΔψ（＝２Δθ）だけ変位する。
【００３０】
図７Ｃは両端に従来のミラー７２２を使用する光学系のアライメント感度を示す。この場合において、出力ビームはアライメントからδだけ変位する。
【００３１】
一方、本発明の光学増幅器系において、レーザ・ロッドの熱誘導複屈折が問題となる。この複屈折効果は図８Ａから図８Ｃに示した光学増幅器ステージを構築することによって補正できる。
【００３２】
図８Ａは２パス光学ステージを示し、二つの増幅器手段８２０と８２２を含んでいる。両者間に、９０°の偏光ローテータ８３０がある。増幅器ステージ８００の両端において、４５°のファラディ・ローテータか、あるいは１／４波長プレート８３２がある。ＳＢＳ−ＰＣＭ８１０によって反射されたビームが、増幅器ステージ８００の一端に再入射される。
【００３３】
図８Ｂは４パス増幅器ステージを示す。増幅器ステージ８５０は増幅器手段８７０を含み、ＰＢＳ８９０と４５°ファラディ・ローテータまたは１／４波長プレート８３２が増幅器ステージ８００の両端にある。ＰＢＳ８９０によるスプリット・ビームがミラー８９２とＳＢＳ−ＰＣＭ８６０それぞれによって反射され、増幅器手段８７０からのビームがＰＣ８８２を通過する。
【００３４】
図８Ｃは内部に複屈折非線形クリスタルを配備された光学増幅器ステージを示す。ＳＢＳ−ＰＣＭ８９６によって反射されたビームの一部は９０°偏光ローテータ８３４を通過することが許容され、残りの部分は複屈折非線形クリスタル８９４を通過することを許容される。その後、ビームは増幅器手段８７２と４５°偏光ローテータまたは１／４波長プレート８３２を連続して通過する。
【００３５】
本発明の光学増幅器系は、光学増幅器系に含まれた誘発ブリュアン散乱相共役ミラーで反射されたビームの相ロッキングによってビームを視準する手段をさらに備えることができる。この視準手段は、自己発生バック・シーディング法または音響−光学誘導相ロッキング法のいずれかを利用できる。
【００３６】
（産業上の利用の可能性）
本発明の光学アイソレータが使用されるとき、反射ビームによる光学系への損傷が完全に阻止できる。さらに、本発明の光学増幅器系によれば、同じ反復率を維持しながら出力エネルギーが増大できる。また光学系がアライメントに対して不感覚であるため、取扱が便利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１Ａは従来の受動光学アイソレータのブロック図、図１Ｂは従来の能動光学アイソレータのブロック図。
【図２】誘発ブリュアン散乱相共役ミラー対入力パルス・エネルギーの反射率を示す図。
【図３】図３Ａは本発明の実施例による光学アイソレータのブロック図、３Ｂは発明の実施例による光学アイソレータのブロック図。
【図４】本発明の他の実施例による光学増幅器系のブロック図。
【図５】本発明の光学増幅器系のロッド・タイプ・レーザへの適用例を示す図。
【図６】本発明の光学増幅器系のスラブ・タイプ・レーザへの他の適用例を示す図。
【図７】図７Ａは光学系のアライメント感度を説明する図、図７Ｂは光学系のアライメント感度を説明する図、図７Ｃは光学系のアライメント感度を説明する図。
【図８】図８Ａはレーザ・ロッドの熱誘導複屈折を補正するための補正手段からなる本発明の光学増幅器系の増幅ステージを示す図、図８Ｂはレーザ・ロッドの熱誘導複屈折を補正するための補正手段からなる本発明の光学増幅器系の増幅ステージを示す図、図８Ｃはレーザ・ロッドの熱誘導複屈折を補正するための補正手段からなる本発明の光学増幅器系の増幅ステージを示す図。

Claims

少なくとも二つの光学増幅器ステージを有する光学増幅器系であって、各増幅器ステージが、
水平偏光ビームと垂直偏光ビームからなる入射ビームが入射し、水平偏光ビームを通過させるが、垂直偏光ビームを反射させる偏光ビーム・スプリッタと；
前記偏光ビーム・スプリッタを通過した前記水平偏光ビームと、前記偏光ビーム・スプリッタで反射した前記垂直偏光ビームのいずれか一つを、前記偏光ビーム・スプリッタの方へ反射させるための第1誘導ブリルアン散乱位相共役鏡と；
前記偏光ビーム・スプリッタと前記第1誘導ブリルアン散乱位相共役鏡の間に設置され、前記偏光ビーム・スプリッタを通過又は反射したビームを往復で二度通過させる場合、前記ビームの偏光を直交偏光に変換する第１偏光変換手段と；
前記第1誘導ブリルアン散乱位相共役鏡で反射し、前記第１偏光変換手段を二度目に通過した後、前記偏光ビーム・スプリッタを再度通過又は反射したビームの経路に設置され、前記偏光ビーム・スプリッタを前記再度通過又は反射したビームを、前記偏光ビーム・スプリッタの方へ再度反射させるための第２誘導ブリルアン散乱位相共役鏡と；
前記偏光ビーム・スプリッタと前記第２誘導ブリルアン散乱位相共役鏡の間に設置され、
前記偏光ビーム・スプリッタを再度通過又は反射したビームを往復で二度通過させる場合、前記ビームの偏光を直交偏光に変換する第２偏光変換手段と；
前記第２偏光変換手段と前記偏光ビーム・スプリッタの間に設置され、通過するビームを往復で二度増幅するための増幅手段と；を具備し、
前記増幅器ステージがチェーン・タイプに配備され、これにより前段の増幅器ステージからのビームが次段の増幅器ステージに含まれる偏光ビーム・スプリッタに導入されることを特徴とする光学増幅器系。
前記第１および第２偏光変換手段が、各々１／４波長だけビームの位相を遅らせる１／４波長プレートか、または４５°だけ偏光を回転させるファラデー・ローテータである請求項１に記載の光学増幅器系。
レーザ・オッシレータからのビームが、前記光学増幅器ステージの第１段に含まれる偏光ビーム・スプリッタに入射される請求項１に記載の光学増幅器系。
ビームのサイズを拡大するために、隣接する光学増幅器ステージ間に配備されるビーム・サイズ拡大手段をさらに含んでいる請求項３に記載の光学増幅器系。
前記光学増幅器系が、ロッド・タイプかスラブ・タイプのいずれかである請求項３に記載の光学増幅器系。
前記光学増幅器ステージがアレイ・タイプに構成され、ウェッジ・タイプ・ビーム・スプリッタが光路に付加され、ビームを前記アレイの各々に伝送する請求項３に記載の光学増幅器系。