JP6071202B2 - 複数ビーム結合装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数ビーム結合装置に関する。

特許文献１（ＵＳ特許第７，８８４，９９７号）及び特許文献２（特開２００５−２９４４０９号公報）には、複数のレーザ光を結合して高強度のレーザ出力を得るコヒーレント光結合装置が記載されている。

特許文献１では、複数のレーザ光間の位相差を検出するために、「光ヘテロダイン方式」が採用されている。具体的には、マスターオシレータから出力された基本レーザ光が、参照光と複数のレーザ光に分割される。参照光の周波数は、周波数シフタ（ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔｅｒ）によってシフトさせられる。周波数シフト後の参照光と各レーザ光とを重ね合わせることにより、ビート（うなり）が発生する。そのビートの観測に基づいて、複数のレーザ光間の位相差が求められる。

ＵＳ特許第７，８８４，９９７号 特開２００５−２９４４０９号公報

光ヘテロダイン方式の場合、参照光とレーザ光との間で周波数が異なっている必要があるため、上述の通り周波数シフタが不可欠である。しかし、このことは、装置の複雑化と高コスト化の原因となる。

本発明の１つの目的は、複数のレーザ光のそれぞれの位相を制御することができる複数ビーム結合装置を、簡易な構成で実現することにある。

以下に、［発明を実施するための形態］で使用される番号・符号を用いて、［課題を解決するための手段］を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための形態］との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明の１つの観点において、複数ビーム結合装置（１）が提供される。その複数ビーム結合装置（１）は、位相シフト部（５０）と、重ね合わせ部（７０）と、観測部（８０）と、位相制御部（９０）とを備える。位相シフト部（５０）は、複数のレーザ光（Ｂｂ−１，Ｂｂ−２，Ｂｂ−３）のそれぞれの位相をシフトさせることによって複数のシフトレーザ光（Ｂｃ−１，Ｂｃ−２，Ｂｃ−３）を生成する。重ね合わせ部（７０）は、複数のシフトレーザ光（Ｂｃ−１，Ｂｃ−２，Ｂｃ−３）のそれぞれと参照光（Ｂｒ）とを重ね合わせることによって複数の重ね合わせレーザ光（Ｂｓ−１，Ｂｓ−２，Ｂｓ−３）を生成する。観測部（８０）は、複数の重ね合わせレーザ光（Ｂｓ−１，Ｂｓ−２，Ｂｓ−３）の各々を観測した際に現れる空間的な干渉パターンに関する干渉パターン情報（ＰＴＮ１，ＰＴＮ２，ＰＴＮ３）を生成する。位相制御部（９０）は、複数の重ね合わせレーザ光（Ｂｓ−１，Ｂｓ−２，Ｂｓ−３）毎に得られた干渉パターン情報（ＰＴＮ１，ＰＴＮ２，ＰＴＮ３）に基づいて、位相シフト部（５０）による位相シフトをフィードバック制御し、それにより、複数のシフトレーザ光（Ｂｃ−１，Ｂｃ−２，Ｂｃ−３）を所望の状態に設定する。

観測部（８０）は、複数の重ね合わせレーザ光（Ｂｓ−１，Ｂｓ−２，Ｂｓ−３）のそれぞれを観測するように設けられた複数の観測装置（８１−１，８１−２，８１−３）を備えてもよい。また、複数の観測装置（８１−１，８１−２，８１−３）の各々（８１−ｉ）は、対応する１つの重ね合わせレーザ光（Ｂｓ−ｉ）の強度を複数の観測位置において観測する複数のセンサ（８２−ｉ１，８２−ｉ２）を備えてもよい。この場合、干渉パターン情報（ＰＴＮ１，ＰＴＮ２，ＰＴＮ３）は、複数の観測位置のそれぞれにおいて観測された強度（Ａｉ１，Ａｉ２）を含む。

干渉パターンパラメータ（Ｒｉ）は、複数の観測位置のそれぞれにおいて観測された強度（Ａｉ１，Ａｉ２）に基づいて定義される。この場合、位相制御部（９０）は、複数の重ね合わせレーザ光（Ｂｓ−１，Ｂｓ−２，Ｂｓ−３）のそれぞれに関する干渉パターンパラメータ（Ｒｉ）が目標値（Ｒｔ）に一致するように、位相シフト部（５０）による位相シフトをフィードバック制御してもよい。

複数のセンサ（８２−ｉ１，８２−ｉ２）の数は２個であってもよい。２個のセンサ（８２−ｉ１，８２−ｉ２）は、２箇所の観測位置のそれぞれにおける強度（Ａｉ１，Ａｉ２）を観測する。この場合、干渉パターンパラメータ（Ｒｉ）は、２箇所の観測位置の間の強度の比、あるいは傾き、あるいは差に依存する。

位相制御部（９０）は、２箇所の観測位置のそれぞれにおける強度（Ａｉ１，Ａｉ２）が等しくなるように、あるいは所定の値となるように、位相シフト部（５０）による位相シフトをフィードバック制御してもよい。

本発明に係る複数ビーム結合装置（１）は、更に、複数のシフトレーザ光（Ｂｃ−１，Ｂｃ−２，Ｂｃ−３）のそれぞれを増幅するビーム増幅部（６０）を備えてもよい。

本発明に係る複数ビーム結合装置（１）は、更に、基本レーザ光（Ｂａ）を生成するレーザ発振器（１０）と、基本レーザ光（Ｂａ）を複数のレーザ光（Ｂｂ−１，Ｂｂ−２，Ｂｂ−３）と参照光（Ｂｒ）とに分割するビーム分割部（２０）と、を備えてもよい。

本発明に係る複数ビーム結合装置（１）において、ビーム分割部（２０）によって生成された参照光（Ｂｒ）は、周波数シフタを通ることなく、重ね合わせ部（７０）に到達してもよい。

本発明によれば、複数のレーザ光のそれぞれの位相を制御することができる複数ビーム結合装置を、簡易な構成で実現することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係る複数ビーム結合装置の構成例を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る複数ビーム結合装置の他の構成例を示すブロック図である。 図３は、参照光とレーザ光の重ね合わせを模式的に示している。 図４は、重ね合わせレーザ光を観測したときに現れる干渉パターンを模式的に示している。 図５は、位相の変化による干渉パターンのシフトを示している。 図６は、Ｘ方向における重ね合わせレーザ光の強度分布を示している。 図７は、本発明の実施の形態における観測部の構成例を示すブロック図である。 図８は、本発明の実施の形態における位相制御を説明するための概念図である。 図９は、本発明の実施の形態における観測部及び位相制御部の構成例を示している。 図１０は、本発明の実施の形態における位相制御を説明するための概念図である。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る複数ビーム結合装置１の構成例を示すブロック図である。複数ビーム結合装置１は、レーザ発振器１０、ビーム分割部２０、ビーム拡張部３０、位相シフト部５０、ビーム増幅部６０、重ね合わせ部７０、観測部８０、及び位相制御部９０を備えている。

レーザ発振器１０は、マスターオシレータ（ｍａｓｔｅｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）として機能し、基本レーザ光Ｂａを生成、出力する。

ビーム分割部２０は、レーザ発振器１０から出力された基本レーザ光Ｂａを受け取り、その基本レーザ光Ｂａを参照光（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅａｍ）Ｂｒと複数の対象レーザ光Ｂｂとに分割する。例えば、図１に示されるように、ビーム分割部２０は、ビームスプリッタ（ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）２１、２２、２３とミラー２４を備えている。ビームスプリッタ２１は、基本レーザ光Ｂａを２つのレーザ光に分割する。そのうち一方が参照光Ｂｒとなり、他方はビームスプリッタ２２に入射する。ビームスプリッタ２２は、受け取ったレーザ光を更に２つのレーザ光に分割する。そのうち一方が対象レーザ光Ｂｂ−１となり、他方はビームスプリッタ２３に入射する。ビームスプリッタ２３は、受け取ったレーザ光を更に２つのレーザ光に分割する。そのうち一方が対象レーザ光Ｂｂ−２となり、他方はミラー２４に入射する。ミラー２４で反射されたレーザ光が、対象レーザ光Ｂｂ−３となる。尚、本例では３本の対象レーザ光Ｂｂ−１〜Ｂｂ−３が生成されるが、その数は３に限られない。また、ビームの分割はファイバを利用してもよい。

ビーム拡張部３０は、ビーム分割部２０から出力された参照光Ｂｒを受け取り、その参照光Ｂｒのビームサイズを拡張する。より詳細には、ビーム拡張部３０は、ミラー３１とビームエキスパンダ（ｂｅａｍ ｅｘｐａｎｄｅｒ）３２を備えている。参照光Ｂｒは、ミラー３１で反射され、ビームエキスパンダ３２に入射する。ビームエキスパンダ３２は、参照光Ｂｒのビームサイズを拡張する。ビームサイズ拡張後の参照光Ｂｒは、後述の重ね合わせ部７０（ビームスプリッタ７１）に供給される。尚、ビームサイズ拡張後の参照光Ｂｒは、平面波であることが好ましい。

その一方で、ビーム分割部２０から出力された対象レーザ光Ｂｂ−１、Ｂｂ−２、Ｂｂ−３は、一例として、それぞれミラー４０−１、４０−２、４０−３で反射され、位相シフト部５０に入射する。他の例としては、対象レーザ光Ｂｂ−１、Ｂｂ−２、Ｂｂ−３は、ファイバにより位相シフト部５０に入射する。また、ビーム分割部２０から位相シフト部５０の間に、ビームエキスパンダ、ポインティング補正、波面補正などが含まれていてもよい。

位相シフト部５０は、複数の対象レーザ光Ｂｂ−１〜Ｂｂ−３を受け取る。位相シフト部５０は、対象レーザ光Ｂｂ−１〜Ｂｂ−３のそれぞれの位相をシフトすることができるように構成されている。例えば、図１に示されるように、位相シフト部５０は、位相シフタ５１−１〜５１−３を備えている。各位相シフタ５１として、例えば、ピエゾ鏡（ｐｉｅｓｏ−ａｃｔｕａｔｏｒ ｍｉｒｒｏｒ ｓｙｓｔｅｍ）が用いられる。他の例としては、透過型の位相シフタが用いられる。位相シフタ５１−１、５１−２、５１−３は、それぞれ、対象レーザ光Ｂｂ−１、Ｂｂ−２、Ｂｂ−３を受け取り、それら対象レーザ光Ｂｂ−１、Ｂｂ−２、Ｂｂ−３の位相をシフト可能なように配置されている。位相シフタ５１−１、５１−２、５１−３のそれぞれによる位相シフト量は、制御信号ＣＯＮ１、ＣＯＮ２、ＣＯＮ３によって制御可能である。位相シフト後の対象レーザ光Ｂｂ−１、Ｂｂ−２、Ｂｂ−３は、それぞれ、シフトレーザ光Ｂｃ−１、Ｂｃ−２、Ｂｃ−３である。つまり、位相シフト部５０は、対象レーザ光Ｂｂ−１、Ｂｂ−２、Ｂｂ−３のそれぞれの位相シフトを行うことによって、シフトレーザ光Ｂｃ−１、Ｂｃ−２、Ｂｃ−３を生成する。その位相シフト部５０による位相シフトは、制御信号ＣＯＮ１〜ＣＯＮ３を通して制御可能である。尚、それら制御信号ＣＯＮ１〜ＣＯＮ３は、後述の位相制御部９０によって生成される。

ビーム増幅部６０は、位相シフト部５０から出力されたシフトレーザ光Ｂｃ−１〜Ｂｃ−３を受け取り、それらシフトレーザ光Ｂｃ−１〜Ｂｃ−３のそれぞれを増幅する。例えば、図１に示されるように、ビーム増幅部６０は、増幅器（ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）６１−１、６１−２、６１−３を備えている。増幅器６１−１、６１−２、６１−３は、それぞれ、シフトレーザ光Ｂｃ−１、Ｂｃ−２、Ｂｃ−３を増幅する。増幅後のシフトレーザ光Ｂｃ−１、Ｂｃ−２、Ｂｃ−３は、後述の重ね合わせ部７０（ビームスプリッタ７１）に供給される。尚、ビーム増幅部６０に、ビームエキスパンダ、ポインティング補正、波面補正などが含まれていてもよい。

重ね合わせ部７０は、ビーム拡張部３０から出力された参照光Ｂｒを受け取り、また、ビーム増幅部６０から出力された複数のシフトレーザ光Ｂｃ−１、Ｂｃ−２、Ｂｃ−３を受け取る。そして、重ね合わせ部７０は、複数のシフトレーザ光Ｂｃ−１、Ｂｃ−２、Ｂｃ−３のそれぞれと参照光Ｂｒとを重ね合わせることによって、複数の重ね合わせレーザ光Ｂｓ−１、Ｂｓ−２、Ｂｓ−３を生成する。例えば、図１に示されるように、重ね合わせ部７０は、ビームスプリッタ７１を備えている。ビームスプリッタ７１は、シフトレーザ光Ｂｃ−１、Ｂｃ−２、Ｂｃ−３のそれぞれを分割する。分割後のシフトレーザ光Ｂｃ−１、Ｂｃ−２、Ｂｃ−３と参照光Ｂｒの進行方向が一致し、それらの重ね合わせによって重ね合わせレーザ光Ｂｓ−１、Ｂｓ−２、Ｂｓ−３が生成される。

尚、本実施の形態では、ビーム分割部２０と重ね合わせ部７０との間の光路上に、周波数シフタ（ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔｅｒ）は設けられない。ビーム分割部２０によって生成された参照光Ｂｒは、周波数シフタを通ることなく、重ね合わせ部７０に到達する。また、対象レーザ光Ｂｂ−１〜Ｂｂ−３及びシフトレーザ光Ｂｃ−１〜Ｂｃ−３も、周波数シフタを通らない。よって、参照光Ｂｒとシフトレーザ光Ｂｃ−１〜Ｂｃ−３のそれぞれの周波数は、実質的に一致している。

複数の重ね合わせレーザ光Ｂｓ−１〜Ｂｓ−３は、観測部８０に入力される。ここで、図２に示されるように、重ね合わせ部７０と観測部８０との間に、ビームエキスパンダ７５−１、７５−２、７５−３が設けられていてもよい。ビームエキスパンダ７５−１、７５−２、７５−３は、重ね合わせレーザ光Ｂｓ−１、Ｂｓ−２、Ｂｓ−３のそれぞれのビームサイズを拡張する。この場合は、ビームサイズ拡張後の重ね合わせレーザ光Ｂｓ−１〜Ｂｓ−３が、観測部８０に入力される。

観測部８０は、重ね合わせレーザ光Ｂｓ−１〜Ｂｓ−３のそれぞれの観測を行う。観測面は、平面波である参照光Ｂｒの波面と平行であるとする。

ここで、参照光Ｂｒとシフトレーザ光の干渉について考える。図３は、参照光Ｂｒとシフトレーザ光Ｂｃの重ね合わせを概念的に示している。図４は、観測面における重ね合わせレーザ光Ｂｓ−ｉ（ｉ＝１、２、３）のビームスポットの例を示している。そのビームスポット内において、参照光Ｂｒの位相は一様であるが、シフトレーザ光Ｂｃ−ｉの位相は必ずしも一様ではない。従って、シフトレーザ光Ｂｃ−ｉと参照光Ｂｒの重ね合わせである重ね合わせレーザ光Ｂｓ−ｉを観測すると、干渉により、図４に示されるような「空間的な干渉パターン（干渉縞）」が現れる。干渉縞の繰り返し方向（強弱が発生する方向）は、以下「Ｘ方向」と参照される。

図５は、位相の変化による干渉パターンのシフトを示している。シフトレーザ光Ｂｃ−ｉの位相が変化すると、それに応じて、観測面上の干渉パターンがＸ方向にシフトする。逆に言えば、上述の位相シフト部５０による位相シフトを制御してシフトレーザ光Ｂｃ−ｉの位相を変化させることによって、観測面上の干渉パターンをＸ方向にシフトさせることができる。

図６は、観測面上のＸ方向における重ね合わせレーザ光Ｂｓ−ｉの強度分布を示している。横軸はＸ方向の位置を表し、縦軸はレーザ強度を表している。図６に示されるように、干渉によって、レーザ強度の強弱がＸ方向に繰り返し現れる。具体的には、シフトレーザ光Ｂｃ−ｉと参照光Ｂｒが同相となるＸ位置においてレーザ強度は最大となり、それらが逆相となるＸ位置においてレーザ強度は最小となる。このように、干渉パターン（干渉縞）に対応する空間的な強度分布が観測される。シフトレーザ光Ｂｃ−ｉの位相が変化すると、それに応じて、観測面上の強度分布がＸ方向にシフトする。逆に言えば、上述の位相シフト部５０による位相シフトを制御してシフトレーザ光Ｂｃ−ｉの位相を変化させることによって、観測面上の強度分布をＸ方向にシフトさせることができる。

観測部８０は、重ね合わせレーザ光Ｂｓ−ｉの観測を通して、その重ね合わせレーザ光Ｂｓ−ｉの空間的な干渉パターンに関する「干渉パターン情報ＰＴＮｉ」を生成する。干渉パターン情報ＰＴＮｉは、干渉パターンを反映したものならば何でもよく、図４や図５で示されたような２次元画像データであってもよいし、図６で示されたようなＸ方向の強度分布データであってもよい。尚、干渉パターン情報ＰＴＮｉは、重ね合わせレーザ光Ｂｓ−ｉ（ｉ＝１、２、３）毎に別々に得られる。つまり、観測部８０は、重ね合わせレーザ光Ｂｓ−１、Ｂｓ−２、Ｂｓ−３のそれぞれを観測することにより、干渉パターン情報ＰＴＮ１、ＰＴＮ２、ＰＴＮ３を別々に生成する。観測部８０は、それら干渉パターン情報ＰＴＮ１、ＰＴＮ２、ＰＴＮ３を位相制御部９０に出力する。

位相制御部９０は、干渉パターン情報ＰＴＮ１〜ＰＴＮ３を受け取る。それら干渉パターン情報ＰＴＮ１〜ＰＴＮ３を参照することによって、位相制御部９０は、複数のシフトレーザ光Ｂｃ−１〜Ｂｃ−３間の位相関係を把握することができる。よって、位相制御部９０は、所望の位相関係が得られるように、位相シフト部５０の位相シフタ５１−１〜５１−３のそれぞれをフィードバック制御することができる。具体的には、位相制御部９０は、シフトレーザ光Ｂｃ−１、Ｂｃ−２、Ｂｃ−３のそれぞれが所望の状態になるように制御信号ＣＯＮ１、ＣＯＮ２、ＣＯＮ３を生成し、それら制御信号ＣＯＮ１、ＣＯＮ２、ＣＯＮ３を位相シフタ５１−１、５１−２、５１−３のそれぞれに出力する。このように、位相制御部９０は、重ね合わせレーザ光Ｂｓ−１、Ｂｓ−２、Ｂｓ−３毎に得られた干渉パターン情報ＰＴＮ１、ＰＴＮ２、ＰＴＮ３に基づいて、位相シフト部５０による位相シフトをフィードバック制御し、それにより、複数のシフトレーザ光Ｂｃ−１、Ｂｃ−２、Ｂｃ−３を所望の状態に設定する。

典型的には、位相制御部９０は、干渉パターン情報ＰＴＮ１〜ＰＴＮ３に基づいてパターンマッチングを行うことにより、シフトレーザ光Ｂｃ−１〜Ｂｃ−３のそれぞれの位相を互いに一致させる。位相が揃った複数のシフトレーザ光Ｂｃ−１〜Ｂｃ−３同士を結合することによって、高強度のレーザ出力を得ることができる。

以下、観測部８０及び位相制御部９０の構成例を説明する。

図７に示されるように、観測部８０は、観測装置８１−１、８１−２、８１−３を備えている。観測装置８１−１、８１−２、８１−３は、重ね合わせレーザ光Ｂｓ−１、Ｂｓ−２、Ｂｓ−３のそれぞれを観測するように別々に設けられている。そして、観測装置８１−１、８１−２、８１−３は、干渉パターン情報ＰＴＮ１、ＰＴＮ２、ＰＴＮ３のそれぞれを生成する。

各々の観測装置８１−ｉ（ｉ＝１、２、３）は、対応する１つの重ね合わせレーザ光Ｂｓ−ｉの強度を複数の観測位置において観測する。そのために、観測装置８１−ｉは、複数のセンサ８２−ｉｊ（ｊ＝１〜ｎ；ｎは２以上の整数）を備えている。センサ８２として、例えばフォトダイオードが用いられる。複数のセンサ８２−ｉｊは、それぞれ異なるＸ位置に配置されており、且つ、Ｘ方向に沿って整列している。このような複数のセンサ８２−ｉｊを用いることにより、観測装置８１−ｉは、重ね合わせレーザ光Ｂｓ−ｉの強度を異なるＸ位置で計測することが可能となる。

図８は、複数のセンサ８２−ｉｊによる重ね合わせレーザ光Ｂｓ−ｉの強度の計測を概念的に示している。既出の図６と同様に、横軸はＸ方向の位置を表し、縦軸はレーザ強度を表している。図８に示されるように、センサ８２−ｉｊは、位置Ｘｉｊにおける重ね合わせレーザ光Ｂｓ−ｉの強度Ａｉｊを計測する。つまり、重ね合わせレーザ光Ｂｓ−ｉに関して、複数の位置Ｘｉ１〜Ｘｉｎのそれぞれにおける強度Ａｉ１〜Ａｉｎが情報として得られる。このような複数の位置Ｘｉ１〜Ｘｉｎのそれぞれにおける強度Ａｉ１〜Ａｉｎは、重ね合わせレーザ光Ｂｓ−ｉの空間的な干渉パターン（強度分布）を反映している。従って、複数の位置Ｘｉ１〜Ｘｉｎのそれぞれにおいて観測された強度Ａｉ１〜Ａｉｎが、重ね合わせレーザ光Ｂｓ−ｉに関する干渉パターン情報ＰＴＮｉとして用いられる。

ここで、「干渉パターンパラメータＲｉ」を導入する。干渉パターンパラメータＲｉは、複数の位置Ｘｉ１〜Ｘｉｎのそれぞれにおいて観測された強度Ａｉ１〜Ａｉｎに基づいて定義され、Ｒｉ＝ｆ（Ｘｉｊ，Ａｉｊ）と表される。最も単純な場合、２個のセンサ８２−ｉ１、８２−ｉ２だけが用いられ、２点Ｘｉ１，Ｘｉ２における強度Ａｉ１，Ａｉ２に基づいて干渉パターンパラメータＲｉが定義される。例えば、干渉パターンパラメータＲｉは、２点間の強度の比に依存する：Ｒｉ＝ｆ１（Ａｉ２／Ａｉ１）。あるいは、干渉パターンパラメータＲｉは、２点間の傾きに依存する：Ｒｉ＝ｆ２（（Ａｉ２−Ａｉ１）／（Ｘｉ２−Ｘｉ１））。あるいは、干渉パターンパラメータＲｉは、２点間の強度の差に依存する：Ｒｉ＝ｆ３（Ａｉ２−Ａｉ１）。

このような干渉パターンパラメータＲｉも、重ね合わせレーザ光Ｂｓ−ｉの空間的な干渉パターン（強度分布）を反映していると言える。シフトレーザ光Ｂｃ−ｉの位相が変化すると、それに応じて、干渉パターンパラメータＲｉも変化する。逆に言えば、上述の位相シフト部５０による位相シフトを制御してシフトレーザ光Ｂｃ−ｉの位相を変化させることによって、干渉パターンパラメータＲｉを変化させることができる。

位相制御部９０は、干渉パターン情報ＰＴＮ１、ＰＴＮ２、ＰＴＮ３から、重ね合わせレーザ光Ｂｓ−１、Ｂｓ−２、Ｂｓ−３のそれぞれに関する干渉パターンパラメータＲ１、Ｒ２、Ｒ３を得ることができる。それら干渉パターンパラメータＲ１、Ｒ２、Ｒ３を参照することによって、位相制御部９０は、複数のシフトレーザ光Ｂｃ−１、Ｂｃ−２、Ｂｃ−３間の位相関係を把握することができる。よって、位相制御部９０は、所望の位相関係が得られるように、位相シフト部５０の位相シフタ５１−１〜５１−３のそれぞれをフィードバック制御することができる。

典型的には、位相制御部９０は、シフトレーザ光Ｂｃ−１〜Ｂｃ−３のそれぞれの位相が互いに一致するようなフィードバック制御を行う。具体的には、ある目標値Ｒｔ１、Ｒｔ２、Ｒｔ３が設定される。そして、位相制御部９０は、干渉パターンパラメータＲ１、Ｒ２、Ｒ３がそれぞれの目標値Ｒｔ１、Ｒｔ２、Ｒｔ３に一致するように、位相シフト部５０による位相シフトをフィードバック制御する。言い換えれば、位相制御部９０は、干渉パターンパラメータＲｉを目標値Ｒｔｉに制御することにより、シフトレーザ光Ｂｃ−ｉの位相を所望の位置でロックする。

目標値Ｒｔ１、Ｒｔ２、Ｒｔ３は、レジスタ等の回路にあらかじめ設定されていてもよい。目標値Ｒｔ１、Ｒｔ２、Ｒｔ３は、外部信号により設定されてもよい。目標値Ｒｔ１、Ｒｔ２、Ｒｔ３は、共通の値であってもよい。目標値Ｒｔ１、Ｒｔ２、Ｒｔ３は、複数の値の中から選択可能であってもよい。目標値Ｒｔ１、Ｒｔ２、Ｒｔ３は、連続的に可変であってもよい。

尚、センサ８２−ｉｊは、Ｘ方向に可動に設計されていてもよい。センサ８２−ｉｊのＸ位置を物理的に移動させることにより、シフトレーザ光Ｂｃ−ｉの位相がロックされる値（ロック値）を変化させることができる。あるいは、ロック値は、干渉パターン情報を信号処理して出力することによって変更されてもよい。例えば、センサ８２の内部抵抗やバイアス電圧等を調整することにより、センサ８２の出力電圧を変更することができ、これによりロック値を変えることができる。

図９は、観測部８０及び位相制御部９０の構成の一例を示している。各観測装置８１−ｉは、２個のセンサ８２−ｉ１、８２−ｉ２だけを備えており、重ね合わせレーザ光Ｂｓ−ｉに関して２点の強度Ａｉ１、Ａｉ２を計測する。つまり、干渉パターン情報ＰＴＮｉは、強度Ａｉ１、Ａｉ２である。センサ８２の数が最小であるため、構成がシンプルで好適である。

位相制御部９０は、観測装置８１−ｉに接続された差動増幅器９１−ｉを備えている。この差動増幅器９１−ｉは、干渉パターン情報ＰＴＮｉに基づいて制御信号ＣＯＮｉを生成する。具体的には、センサ８２−ｉ１、８２−ｉ２のそれぞれから観測強度Ａｉ１、Ａｉ２に応じた２つの信号が出力され、それら２つの信号が差動増幅器９１−ｉの２つの入力端子に入力される。そして、差動増幅器９１−ｉは、強度差Ｒｉ＝Ａｉ２−Ａｉ１が所定の目標値Ｒｔｉとなるように制御信号ＣＯＮｉを生成する。

例えば、所定の目標値Ｒｔｉは“０”に設定される。これは、図１０に示されるように、２点の強度Ａｉ１、Ａｉ２が一致するようにフィードバック制御を行うことと等価である。つまり、差動増幅器９１−ｉは、強度Ａｉ１、Ａｉ２が等しくなるように制御信号ＣＯＮｉ（位相シフタ５１−ｉ）をフィードバック制御する。図１０に示されるような制御はシンプルであり、好適である。

また、図１０に示される制御の場合、強度Ａｉ１、Ａｉ２が一致したとき、強度分布のピーク（もしくはバレイ）が位置Ｘｉ１、Ｘｉ２の中間点にくる。よって、重ね合わせレーザ光Ｂｓ−１〜Ｂｓ−３間で“ピーク強度の絶対値”が異なっている場合であっても、確実な位相制御が可能となる。

尚、センサ位置もしくは強度分布を調整することで、位置Ｘｉ１、Ｘｉ２の中間点を強度分布の極大と極小の中間地点に置くようにすることもできる。例えば、位置Ｘｉ１、Ｘｉ２の間隔を強度パターン変化周期の半分に設定する。これにより、位相の変動による強度分布の変動に対して、最も感度を高くすることができ、好適である。

以上に説明されたように、本実施の形態によれば、「空間的な干渉パターン」に基づいて位相制御が行われる。従来のような光ヘテロダイン方式ではないため、周波数シフタは不要である。すなわち、従来よりも簡易な構成で位相制御を実現することが可能となる。このことは、コストの削減にもつながる。

また、増幅後の複数のシフトレーザ光Ｂｃ−１、Ｂｃ−２、Ｂｃ−３を結合することによって、高強度のレーザ出力を得ることが可能である。また、コヒーレント結合の一例としては、出力段におけるシフトレーザ光Ｂｃ−１、Ｂｃ−２、Ｂｃ−３間の位相差をゼロにするような制御を実施することが考えられる。本実施の形態は、コヒーレント光結合装置や高出力レーザシステムに適用可能である。

以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。

１ 複数ビーム結合装置
１０ レーザ発振器
２０ ビーム分割部
２１、２２、２３ ビームスプリッタ
２４ ミラー
３０ ビーム拡張部
３１ ミラー
３２ ビームエキスパンダ
４０−１、４０−２、４０−３ ミラー
５０ 位相シフト部
５１−１、５１−２、５１−３ 位相シフタ
６０ ビーム増幅部
６１−１、６１−２、６１−３ 増幅器
７０ 重ね合わせ部
７１ ビームスプリッタ
７５−１、７５−２、７５−３ ビームエキスパンダ
８０ 観測部
８１−ｉ、８１−１、８１−２、８１−３ 観測装置
８２−ｉｊ センサ
９０ 位相制御部
９１−１、９１−２、９１−３ 差動増幅器
Ｂａ 基本レーザ光
Ｂｂ−１、Ｂｂ−２、Ｂｂ−３ 対象レーザ光
Ｂｃ−１、Ｂｃ−２、Ｂｃ−３ シフトレーザ光
Ｂｒ 参照光
Ｂｓ−１、Ｂｓ−２、Ｂｓ−３ 重ね合わせレーザ光
ＣＯＮ１、ＣＯＮ２、ＣＯＮ３ 制御信号
ＰＴＮ１、ＰＴＮ２、ＰＴＮ３ 干渉パターン情報
Ｒｉ 干渉パターンパラメータ

Claims (7)

1. 複数のレーザ光のそれぞれの位相をシフトさせることによって複数のシフトレーザ光を生成する位相シフト部と、
   前記複数のシフトレーザ光のそれぞれと参照光とを重ね合わせることによって複数の重ね合わせレーザ光を生成する重ね合わせ部と、
   前記複数の重ね合わせレーザ光の各々をある１つの時刻において観測した際に現れる空間的な干渉パターンに関する干渉パターン情報を生成する観測部と、
   前記複数の重ね合わせレーザ光毎に得られた前記ある１つの時刻のみにおける前記干渉パターン情報に基づいて制御信号を生成して、前記位相シフト部による位相シフトをフィードバック制御し、それにより、前記複数のシフトレーザ光を所望の状態に設定する位相制御部と
   を備え、
   前記観測部は、前記複数の重ね合わせレーザ光のそれぞれを並列に観測するように設けられた複数の観測装置を備え、
   前記複数の観測装置の各々は、対応する１つの重ね合わせレーザ光の強度を複数の観測位置において観測する複数のセンサを備え、
   前記干渉パターン情報は、前記複数の観測位置のそれぞれにおいて観測された前記強度を含む
   複数ビーム結合装置。
2. 複数のレーザ光のそれぞれの位相をシフトさせることによって複数のシフトレーザ光を生成する位相シフト部と、
   前記複数のシフトレーザ光のそれぞれと参照光とを重ね合わせることによって複数の重ね合わせレーザ光を生成する重ね合わせ部と、
   前記複数の重ね合わせレーザ光の各々を観測した際に現れる空間的な干渉パターンに関する干渉パターン情報を生成する観測部と、
   前記複数の重ね合わせレーザ光毎に得られた前記干渉パターン情報に基づいて、前記位相シフト部による位相シフトをフィードバック制御し、それにより、前記複数のシフトレーザ光を所望の状態に設定する位相制御部と
   を備え、
   前記観測部は、前記複数の重ね合わせレーザ光のそれぞれを並列に観測するように設けられた複数の観測装置を備え、
   前記複数の観測装置の各々は、対応する１つの重ね合わせレーザ光の強度を複数の観測位置において観測する複数のセンサを備え、
   前記干渉パターン情報は、前記複数の観測位置のそれぞれにおいて観測された前記強度を含み、
   干渉パターンパラメータは、前記複数の観測位置のそれぞれにおいて観測された前記強度に基づいて定義され、
   前記位相制御部は、前記複数の重ね合わせレーザ光のそれぞれに関する前記干渉パターンパラメータが目標値に一致するように、前記位相シフト部による前記位相シフトをフィードバック制御する
   複数ビーム結合装置。
3. 請求項２に記載の複数ビーム結合装置であって、
   前記複数のセンサの数は２個であり、
   前記２個のセンサは、２箇所の観測位置のそれぞれにおける前記強度を観測し、
   前記干渉パターンパラメータは、前記２箇所の観測位置の間の前記強度の比、あるいは傾き、あるいは差に依存する
   複数ビーム結合装置。
4. 請求項３に記載の複数ビーム結合装置であって、
   前記位相制御部は、前記２箇所の観測位置のそれぞれにおける前記強度が等しくなるように、あるいは、所定の値となるように、前記位相シフト部による前記位相シフトをフィードバック制御する
   複数ビーム結合装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の複数ビーム結合装置であって、
   更に、
   前記複数のシフトレーザ光のそれぞれを増幅するビーム増幅部
   を備える
   複数ビーム結合装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の複数ビーム結合装置であって、
   更に、
   基本レーザ光を生成するレーザ発振器と、
   前記基本レーザ光を、前記複数のレーザ光と前記参照光とに分割するビーム分割部と
   を備える
   複数ビーム結合装置。
7. 請求項６に記載の複数ビーム結合装置であって、
   前記ビーム分割部によって生成された前記参照光は、周波数シフタを通ることなく、前記重ね合わせ部に到達する
   複数ビーム結合装置。