JP6345348B2 - 高ピークパワーのパルスバースト又は他の時間変化するレーザー出力波形の生成をサポートするようポンプパワーを時間的に凝縮する方法及び装置 - Google Patents

Description

本開示は、レーザーシステムを概して対象とする。より具体的には、本開示は、高ピークパワーのパルスバースト又は他の時間変化するレーザー出力波形の生成をサポートするようポンプパワーを時間的に凝縮する方法及び装置を対象とする。

様々なシステムは、連続的なレーザーパルス列を生成するためにレーザーを使用する。そのような連続的なレーザーパルス列は、“パルスバースト”波形を有しているとしばしば呼ばれる。一例として、いくつかの従来型の高性能なレーザー検出及び測距（ＬＡＤＡＲ；laser detection and ranging）システムは、短い高ピークパワー・レーザーパルスの連続を生成することができ、その後に、パルスを有さない期間が続く。このオン−オフ・パターンは周期的に繰り返される。そのような送信器は、レーザーダイオードのような低平均出力の光源を用いて、しばしばポンピングされる。このバーストモードを実現するよう、レーザーは、パルスバーストの間に、非常に高いポンプパワーレベルを通常は必要とする。代表的なパルスバーストフォーマットの大体の推定は、バーストの間のポンプパワーが容易に２０ｋＷ以上に達しうることを示す。これは、ローエンドの高エネルギレーザー（ＨＥＬ；high-energy laser）システムによって生成され得る電力レベルに匹敵する。あいにく、ローエンドのＨＥＬシステムでさえ、様々な用途においてサイズ、重さ、出力、及び費用（ＳＷａＰ−Ｃ；size, weight, power and cost）の要件をしばしば満足することができない。

本開示は、高ピークパワーのパルスバースト又は他のレーザー出力波形の生成をサポートするよう、連続波（ＣＷ；continuous wave）又は準連続波（ＱＣＷ；quasi-continuous wave）ポンプパワーのようなレーザーポンプパワーを、より一層高いピークパワーのポンプパルスへと時間的に凝縮する方法及び装置を提供する。

第１の実施形態において、方法は、第１の期間中に、共振器内に光学的に位置している第１のレーザー利得媒体において、光ポンプパワーを蓄積することを含む。当該方法は、前記第１の期間よりも実質的に短い第２の期間中に、前記第１のレーザー利得媒体から第２のレーザー利得媒体へ、フィードバック制御された波形により、前記蓄積された光ポンプパワーの少なくともいくらかを第１のレーザー出力として供給することを更に含む。当該方法は、電力増幅器として前記第２のレーザー利得媒体を用いて、レーザーパルスのバーストを有する第２のレーザー出力を生成することを更に含む。前記第１のレーザー出力及び前記第２のレーザー出力は、前記第１の期間中の前記光ポンプパワーの電力レベルと比較して高い電力レベルを前記第２の期間中に有している。

第２の実施形態において、装置は、共振器内に光学的に位置している第１のレーザー利得媒体を有するポンプ時間コンセントレータを含む。前記第１のレーザー利得媒体は、第１の期間中に光ポンプパワーを蓄積するよう構成される。当該装置は、第２のレーザー利得媒体を有する電力増幅器を更に含む。前記ポンプ時間コンセントレータは、前記第１の期間よりも実質的に短い第２の期間中に、前記第１のレーザー利得媒体から前記第２のレーザー利得媒体へ、フィードバック制御された波形により、前記蓄積された光ポンプパワーの少なくともいくらかを第１のレーザー出力として供給するよう構成される。前記電力増幅器は、レーザーパルスのバーストを有する第２のレーザー出力を生成するよう構成される。前記第１のレーザー出力及び前記第２のレーザー出力は、前記第１の期間中の前記光ポンプパワーの電力レベルと比較して高い電力レベルを前記第２の期間中に有している。

第３の実施形態において、システムは、光ポンプ、ポンプ時間コンセントレータ、及び電力増幅器を備えたレーザー送信器を含む。前記光ポンプは、光ポンプパワーを生成するよう構成される。前記ポンプ時間コンセントレータは、共振器内に光学的に位置している第１のレーザー利得媒体を含む。該第１のレーザー利得媒体は、第１の期間中に光ポンプパワーを蓄積するよう構成される。前記電力増幅器は、第２のレーザー利得媒体を含む。前記ポンプ時間コンセントレータは、前記第１の期間よりも実質的に短い第２の期間中に、前記第１のレーザー利得媒体から前記第２のレーザー利得媒体へ、フィードバック制御された波形により、前記蓄積された光ポンプパワーの少なくともいくらかを第１のレーザー出力として供給するよう構成される。前記電力増幅器は、レーザーパルスのバーストを有する第２のレーザー出力を生成するよう構成される。前記第１のレーザー出力及び前記第２のレーザー出力は、前記第１の期間中の前記光ポンプパワーの電力レベルと比較して高い電力レベルを前記第２の期間中に有している。

他の技術的特徴は、以下の図面、明細書、及び特許請求の範囲から、当業者に容易に明らかであり得る。

本開示及びその特徴のより完全な理解のために、これより、以下の説明が参照され、添付の図面に関連して理解される。

本開示に従うレーザーシステムのためのパルスバースト波形の例を表す。

本開示に従う、高ピークパワーのレーザーパルスのバースト又は他のレーザー出力を生成するためのレーザーシステムの例を表す。 本開示に従う、高ピークパワーのレーザーパルスのバースト又は他のレーザー出力を生成するためのレーザーシステムの例を表す。 本開示に従う、高ピークパワーのレーザーパルスのバースト又は他のレーザー出力を生成するためのレーザーシステムの例を表す。 本開示に従う、高ピークパワーのレーザーパルスのバースト又は他のレーザー出力を生成するためのレーザーシステムの例を表す。

本開示に従う、高ピークパワーのレーザーパルスのバースト又は他のレーザー出力を生成するためのレーザーシステムを使用するデバイスの例を表す。

本開示に従う、高ピークパワーのレーザーパルスのバーストを生成する方法の例を表す。

本開示に従う、蓄積された光ポンプパワーを用いてレーザー出力を生成する方法の例を表す。

以下で説明される図１乃至７、及び本特許明細書において本発明の原理を説明するために使用される様々な実施形態は、単なる実例としてであり、本発明の適用範囲を制限するよう決して解釈されるべきではない。当業者は、本発明の原理が如何なるタイプの適切に配置されたデバイス又はシステムにおいても実装され得ると理解するだろう。

図１は、本開示に従うレーザーシステムのための、例となるパルスバースト波形１００を表す。図１に示されるように、パルスバースト波形１００は複数のバースト１０２を含み、夫々のバースト１０２は複数のレーザーパルス１０４を含む。夫々のバースト１０２内で、いくつでもレーザーパルス１０４は現れてよく、レーザーパルス１０４は、如何なる適切なエネルギレベルも有し得る。いくつかの実施形態において、夫々のバースト１０２におけるレーザーパルス１０４は、実質的に同じエネルギレベルを有し得る。この例では、夫々のバースト１０２内のパルス１０４は、特定の期間Ｔ_Ｐの間に現れる。また、波形１００内のバースト１０２は、特定の期間Ｔ_Ｉに現れる。

以下で記載されるように、レーザーシステムは、１つ以上の低出力ポンプ源を用いて高ピークパワーレベルを有するレーザーパルス１０４のバースト１０２の生成を（特に）サポートすることができるポンプ時間コンセントレータ（pump temporal concentrator）を使用する。ポンプ時間コンセントレータは、より長い期間にわたって光学キャパシタにおいてポンプパワーを保持し、保持されたポンプパワーを、より短い期間にわたって、例えば、バースト１０２の間に、光学キャパシタから解放する。光学キャパシタは、レーザー共振器におけるレーザー利得媒体に相当する。光学キャパシタを用いてポンプパワーを保持及び解放することによって、レーザーシステムは、様々な用途における適用可能なサイズ、重さ、出力、及び費用（ＳＷａＰ−Ｃ）の要件を満足しながら、且つ、低出力ポンプ源を使用しながら、図１に示されたパルスバースト波形１００を実現することができる。

高度なレーザー検出及び測距（ＬＡＤＡＲ）システムのようないくつかの用途において、送信器は、高ピークパワーのレーザーパルスの連続を生成し、波形ダイバーシティ（waveform diversity）を供給して、システムが広範囲の用途及び動作条件のために最適化され得ることを確かにする必要があり得る。特定の例として、送信器は、夫々のバースト１０２において、約５ｋＷ乃至１０ｋＷの複合電力を有する高ピークパワーのレーザーパルス１０４の連続を生成する必要があり得る。これを実現するよう、パルスバースト波形１００は、レーザーパルス１０４が、約１ｎｓの存続時間、パルスごとの約５ｍＪ乃至約１０ｍＪのエネルギレベル、及び約１ＭＨｚのパルス繰り返し周波数を有する場合に、バースト１０２ごとに約３０のレーザーパルス１０４を有してよい。この特定の実施では、夫々のバースト１０２の期間Ｔ_Ｐは約３０μｓとなる。バースト１０２はまた、約５００Ｈｚの繰り返し率を有してよく、それにより、連続するバースト１０２どうしの間の時間インターバルＴ_Ｉは約２ｍｓになる。このような用途における１つの課題は、所望の複合電力及びパルスエネルギレベルに達するためにポンプレーザーを用いて適切な電力を生成することに係る。例えば、５０％の光学効率を仮定すれば、約１０ｋＷのポンプパワーは、１μｓごとに１０ｍＪを蓄えるために必要とされ、これにより、１μｓだけ間隔をあけられた５ｍＪパルスが得られる。以下で記載されるレーザーシステムは、パルスバースト波形１００のためのそのような特定の仕様を満足することが可能である。

先に与えられた具体的な値は単なる例にすぎない点に留意されたい。概して、以下で記載されるレーザーシステムは、より長い期間の間にポンプパワーを凝縮し、凝縮されたポンプパワーを、より短い期間の間に解放することによって、レーザー出力の生成をサポートし得る。いくつかの実施形態において、以下で記載されるレーザーシステムは、約１．５μｍ又は約２．０μｍといった、目に安全な波長で作動し得る。

図１は、レーザーシステムのためのパルスバースト波形１００の一例を表すが、様々な変更が図１に対して行われてよい。例えば、バースト１０２ごとのパルス１０４の数、夫々のバースト１０２の全持続時間、及びバースト１０２間のインターバルは、特定のニーズに応じて様々でありうる。また、それらの値は、同じパルスバースト波形１００内で一定である必要はない。

図２乃至４は、本開示に従う、高ピークパワーのレーザーパルスのバースト又は他のレーザー出力を生成するレーザーシステムの例を表す。図２に示されるように、レーザーシステム２００は主発振器電力増幅器（ＭＯＰＡ；master oscillator power amplifier）構成を使用する。この構成は、高ピークパワーのレーザーパルスの生成をサポートする。この構成はフロントエンド２０２を含む。フロントエンド２０２は、所望の出力波形の低出力バージョンを生成するコンポーネントを含む。低出力バージョンは、“シード信号”と呼ばれ、電力増幅器（ＰＡ）２０４へ供給される。電力増幅器２０４は、光ポンプ２０６とともに作動する。光ポンプ２０６は、高ピークパワーのレーザーパルスを生成するよう、レーザーエネルギを電力増幅器２０４にポンピングする。

この例におけるフロントエンド２０２はドライバ２０８を含む。ドライバ２０８は、主発振器（ＭＯ）２１０を駆動及び制御する。主発振器２１０は、ドライバ２０８からの入力に基づき出力信号を生成する。いくつかの実施形態において、主発振器２１０は、少なくとも１つの半導体ダイオードレーザーを用いて実装され、主発振器２１０は、その出力波形を、ドライバ２０８から受け取られた入力に応じて決定する。主発振器２１０の出力は、連続パルス列（ＣＰＴ；continuous pulse train）、パルスバースト、又は様々な他の波形のいずれかを形成し得る。主発振器２１０の出力は、１つ以上の前置増幅器２１２へ供給される。前置増幅器２１２は、電力増幅器２０４へ送出されるシード信号を生成するよう、信号を増幅する。連続パルス列が主発振器２１０によって生成される場合には、光学スイッチ２１４は、前置増幅器２１２への出力ために、連続パルス列からパルスのバーストを選択するために使用され得、一方、連続パルス列の残りのパルスは、前置増幅器２１２に届かないようにされる。代替案として、ドライバ２０８が主発振器２１０にパルスのバーストを直接に生成させるように、ドライバ２０８の時間波形を変化させることができる。その場合に、光学スイッチ２１４は不要である。いくつかの実施形態において、前置増幅器２１２の出力は、図１に示されるパルスバースト波形１００の同じ形状（しかし、所望の電力レベルでない。）を有し得る。

ドライバ２０８は、シード信号発生器の出力を駆動及び制御する如何なる適切な構造も含む。主発振器２１０は、１つ以上のレーザーダイオードのような、光信号を生成する如何なる適切な構造も含む。夫々の前置増幅器２１２は、光信号を増幅する如何なる適切な構造も含む。光学スイッチ２１４は、光信号を選択的に出力又は遮断する如何なる適切な構造も含む。

電力増幅器２０４は、フロントエンド２０２から受信されたシード信号と、光ポンプ２０６から受け取られたポンプエネルギとに基づき、増幅されたレーザー出力を生成する。増幅されたレーザー出力は、シード信号と比較して振幅が高いパルスを有する。電力増幅器２０４は、半導波型高アスペクト比コア（ＳＨＡＲＣ；semi-guiding high-aspect-ratio core）ファイバ電力増幅器又は平面導波路（ＰＷＧ；planar waveguide）増幅器のような、光信号を増幅する如何なる適切な構造も含む。様々なタイプの電力増幅器２０４がこのアーキテクチャにおいて用いられ得る。どんなタイプの電力増幅器２０４が使用されるとしても、電力増幅器２０４は、関心のある特定の用途によって必要とされるピーク及び平均電力を生成する能力を備える。特定の例として、電力増幅器２０４は、高い効率、優れたビーム品質、並びに望ましいサイズ、重さ、及び出力（ＳＷａＰ）特性を有するファイバ増幅器を用いて実装され得る。

電力増幅器２０４の設計を選択するとき、増幅器２０４の様々な起こり得る非線形な光学的効果は、増幅器２０４の性質、及び用途に応じて、考えられ得る。電力増幅器２０４が所要のピークパワーを有する単一のパルスを生成することができると仮定すると、その非線形な光学的効果は、一般に、同じパルスの連続的なパルス列についてほどパルスバーストについて悪くない。この仮定は、バースト内のパルス間期間がレーザー媒体におけるブリルアン（Brilluouin）寿命よりもずっと長い限り、通常は有効である。この条件が満足されない場合には、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ；stimulated Brillouim scattering）は、孤立パルスについてよりもバーストパルスについて実際上問題となりうる。ファイバレーザーに関して、ブリルアン寿命はむしろ短いので（例えば、何らかのファイバレーザーについて、約２０ｎｓ）、仮定は、有意味なマージンをもって有効である。

高ピークパワーパルスを生成するためにレーザーシステム２００を使用するときに起こる１つの課題は、時間Ｔ_Ｐに対応する短時間インターバル内でパルスを生成するために電力増幅器２０４へ十分なパルス電力を供給する能力である。図１に関して先に与えられた例では、例えば、レーザーシステム２００は、夫々のパルス１０４が、約１ｎｓの存続時間及び約５ｍＪ乃至約１０ｍＪのエネルギレベルを有する場合に、３０μｓのバースト１０２内で３０のレーザーパルス１０４を生成する必要がある。これは、例えば、ＣＰＴ波形のための５０乃至１００μｓのより長い時間インターバル内で単パルスを生成することよりも、実現することがずっと困難である。起こる他の課題は、レーザーシステム２００を組み込む送信器のためのサイズ、重さ、出力、及び費用（ＳＷａＰ−Ｃ）要件を満足することである。例えば、ＬＡＤＡＲシステムは、ＬＡＤＡＲシステムが配備されるプラットフォームに対して非常に厳しいサイズ／重さ／出力制約をしばしば有する。

それらの課題を解決する１つの可能なアプローチは、単一の電力増幅器２０４において完全なパルスバースト１０２の総エネルギを保持し、次いで、個々のパルス１０４について、保持されているエネルギを電力増幅器２０４から順次抽出（及び消耗）するよう配置することに係る。しかし、そのような高濃度のエネルギ保持は、増幅誘導放射（ＡＳＥ；amplified stimulated emission）に付随した光学的損失を不可避的に生じさせる。その上、電力増幅器２０４における保持エネルギの量の増大は、増幅器の全体のサイズ／容量の対応する増大を通常は余儀なくさせる。これは、様々な状況において、例えば、レーザーの効率的な動作が小さい断面積を必要とする場合、増幅器の長さが（ＡＳＥ又は非線形効果に起因して）任意に長くできない場合、又は増幅器が優れたビーム品質を生じる必要がある場合に、問題となりうる。更には、保持エネルギはバースト１０２の間に消耗されるので、バースト１０２における夫々の連続したパルス１０４は、先行するパルス１０４よりも低い利得を有し、累積的な利得低下は、極めて大きくなりうる。シード信号が電力増幅器２０４に投入される前に、フロントエンド２０２によってシード信号を“プリワーピング（pre-warp）”することが可能である。それにより、夫々の連続したパルス１０４は、バースト１０２において、先行するパルス１０４よりも大きいエネルギを有する。シードエネルギにおけるこの体系的変化が最適化される場合には、パルス１０４の連続の間に体系的な利得低下の影響を無効にすることが原理上可能である。しかし、バースト１０２の全体にわたって優れた抽出効率を維持しながら、このようにして利得低下を補償することは困難である。

それらの課題を解決するための他の可能なアプローチは、電力増幅器２０４がパルスバースト１０２の全体にわたって一定の反転（及び保持エネルギ）を本質的に維持するように、十分なポンプパワーを供給することに係る。これは、１つのパルス１０４によって抽出されるエネルギが、バースト１０２におけるパルス１０４どうしの間の時間中に光ポンプ１０６によって置換されることを意味する。この場合に、電力増幅器２０４は、単一のパルス１０４のための十分なエネルギを保持することしか必要でない。このアプローチの強引な例は、光ポンプ２０６におけるポンプダイオードの総数を増やすことである。しかし、適切なポンプパワーを得るために、多数のレーザーダイオードが光ポンプ２０６において必要とされ、これはＳＷａＰ−Ｃ問題を生じさせる。

本開示に従って、光学キャパシタ２１８を含むポンプ時間コンセントレータ２１６は、光ポンプ２０６と電力増幅器２０４との間に挿入される。以下で更に詳細に記載されるように、光ポンプ２０６によって生成されるパワーは、より長い時間の間、光学キャパシタ２１８において保持され、光学キャパシタ２１８は、より短い時間の間（パルスバースト１０２の間）、保持されたパワーを電力増幅器２０４へと発する。有効に、光学キャパシタ２１８は、光ポンプ２０６からのパワーを、電力増幅器２０４のためのより高い出力レベルへと凝縮するのを助ける。更には、光学キャパシタ２１８及びポンプ時間コンセントレータ２１６は、次のパルス１０４の生成より前に、電力増幅器２０４によって抽出されるエネルギを単一のパルス１０４によって置換するよう、電力増幅器２０４をポンピングする。光学キャパシタ２１８におけるこのエネルギ保持は、例えば、比較的少ない数のレーザーダイオードを含む光ポンプ２０６のような、比較的低出力の光ポンプ２０６が使用されることを可能にする。これはまた、レーザーシステム２００のＳＷａＰを有意に増大させず、全体の増幅器効率は、仮にあったとしてもわずかにしか低減されない。ポンプ時間コンセントレータ２１６からの出力の総持続時間は、パルスバースト１０２の全長と実質的に一致し、これは、シード信号が存在しないときに、電力増幅器２０４のためにポンプビームを供給することに起因した如何なる効率損失も最小限とするのを助ける。

光ポンプ２０６は、１つ以上のポンプレーザーダイオードのような、レーザー出力をポンピングする如何なる適切な構造も含む。特定の例として、光ポンプ２０６は、約１４７０ｎｍの公称波長で作動する１つ以上のリン化インジウム（ＩｎＰ；Indium phosphide）に基づくレーザーダイオードのような、１つ以上の準連続波（ＣＷ）ポンプダイオードを含んでよい。光学キャパシタ２１８は、高アスペクト比コア（ＨＡＲＣ；high-aspect-ratio core）ファイバのような、光エネルギを保持及び解放する如何なる適切なレーザー媒体も含む。特定の例として、光学キャパシタ２１８は、エルビウム添加利得媒体に相当してよい。

ポンプ時間コンセントレータ２１６の例となる実施は、図３Ａで示される。この例では、電力増幅器２０４及び光学キャパシタ２１８は、コイル状光ファイバを用いて実装されると仮定される。なお、他の形状因子又は設計を有している電力増幅器及び光学キャパシタも使用され得る点に留意されたい。

図３Ａに示されるように、光ポンプ２０６は、光パワーを光学キャパシタ２１８へとポンピングする。光ポンプ２０６からの出力は、１つ以上の“目に安全な”波長のような、如何なる適切な波長も有し得る。光学キャパシタ２１８は、光パワーを蓄積し、保持する。これは、電気キャパシタにおいて電荷を保持することと大体同じであることができる。光学キャパシタ２１８は、共振器ミラー３０２及びプログラム可能なアウトカプラー（out-coupler）３０４を含む光学共振器内にある。光学共振器については、以下で説明される。プログラム可能なアウトカプラー３０４は、共振器のレージング・ダイナミクスを制御し、保持された光パワーを電力増幅器２０４へ選択的にアウトカップリングする。

コントローラ３０６は、光学キャパシタ２１８へ又は電力増幅器２０４へポンプパワーを向けるために、プログラム可能なアウトカプラー３０４の反射率を制御する。例えば、以下で記載されるように、プログラム可能なアウトカプラー３０４は、ビームスプリッタ及び第２の共振器ミラーを含んでよい。第１の動作モードにおいて、プログラム可能なアウトカプラー３０４は、光信号の事実上いずれもが、第１の共振器ミラー３０２とプログラム可能なアウトカプラー３０４における第２の共振器ミラーとの間で行ったり来たり反射しないようにする。この第１のモードにおいて、共振器は、非常に低いＱを有し、事実上誘導放射を有さない。第２の動作モードにおいて、例えば、パルス１０４の各バースト１０２について、コントローラ３０６は、プログラム可能なアウトカプラー３０４におけるビームスプリッタに、光信号が第１の共振器ミラー３０２とプログラム可能なアウトカプラー３０４における第２の共振器ミラーとの間で行ったり来たり反射することを可能にさせるプログラム可能なアウトカプラー３０４へのコマンドを発することができる。この第２のモードにおいて、共振器は、より高いＱを有し、例えば約１５３２ｎｍといった１つ以上の特定の波長でのレージングを開始する。これは、コントローラ３０６が、プログラム可能なアウトカプラー０４を介して、ポンプパワーがいつ光学キャパシタ２１８において保持されるか、及び保持されたポンプパワーが電力増幅器２０４へいつ解放されるかを制御することを可能にする。

電力増幅器２０４へ供給される出力のサンプルは、ミラー３０８乃至３１０を介してコントローラ３０６にフィードバックされる。コントローラ３０６は、例えば、必要に応じて又は望まれるように、電力増幅器２０４の方へ伝播する実質的に一定の出力パワーを維持するために、電力増幅器２０４を出る実質的に一定の出力パワーを維持するために、又は電力増幅器２０４へ若しくはそれから何らかの一定でない出力パワーを得るために、共振器を能動的に調整するようフィードバックを使用することができる。従って、光学キャパシタ２１８の出力は、レーザーシステムの所望の出力パワーを達成する如何なる適切なフィードバック制御された波形も表すことができる。光学キャパシタ２１８の出力は、特定のプロトコルに従って、例えば、バーストにおけるパルス間のインターバル又はパルスのエネルギレベルを変更することによって、情報を送信するよう変調されてさえよい。コントローラ３０６はまた、バースト１０２内のパルス間期間又はパルス１０４の個々の振幅を特定の時間パターンにおいて変えるよう、ポンプ時間コンセントレータ２１６からの出力パワーも変えることができる。コントローラ３０６は、特定の期間（例えば、約３０μｓ）に共振器がレーザー光を発することを可能にし得る。その期間中に、レーザーシステム２００はパルス１０４のバースト１０２を生成する。その期間が完了すると、コントローラ３０６はプログラム可能なアウトカプラー３０４へコマンドを発することができ、それにより、ポンプパワーは光学キャパシタ２１８において再び保持される。

レンズ３１２乃至３１４又は他の光学カップリングメカニズムは、光学キャパシタ２１８の内外へのポンプ信号の投入及び受信を容易にするために使用され得る。例えば、ダイクロイックミラー３１６は、ポンプ時間コンセントレータ２１６の出力及びフロントエンド２０２からのシード信号を電力増幅器２０４へ向けるために使用され得る。レンズ３１８は、電力増幅器２０４へのそれらの信号の投入を容易にするために使用され得、レンズ３２０は、電力増幅器２０４の出力の焦点を合わせ又はその出力を別なふうに光学的に変更するために使用され得る。電力増幅器２０４の出力は、例えば約１５７０ｎｍといった、如何なる適切な波長も有し得る。

第１の共振器ミラー３０２は、一方向において進むレーザーエネルギを受け、レーザーエネルギを、それが他の方向において進むように反射する如何なる適切な構造も含む。プログラム可能なアウトカプラー３０４は、プログラム可能又は制御可能な反射率を有している如何なる適切な構造も含む。プログラム可能なアウトカプラー３０４の例は、図４において示される。図４については、以下で記載される。コントローラ３０６は、レーザーシステムの少なくとも部分の動作を制御する如何なる適切な構造も含む。例えば、コントローラ３０６は、少なくとも１つのマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル・シグナル・プロセッサ、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ；field programmable gate array）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ；application specific integrated circuit）、又はディスクリート回路構成に相当してよい。ミラー３０８、３１０、３１６は、少なくとも部分的に反射する如何なる適切な構造も含む。例えば、ミラー３０８及び３１６はダイクロイックミラーに相当してよく、ミラー３１０は正規のミラーに相当してよい。レンズ３１２乃至３１４、３１８乃至３２０は、光エネルギの焦点を合わせる又は別なふうにそれを変更する如何なる適切な構造も含む。

レーザーシステム２００の例となる動作は、図３Ｂに示される。図３Ｂにおいて、波形３５２は、ポンプ時間コンセントレータ２１６の出力を表し、波形３５４は、光ポンプ２０６の出力を表す。ここで明らかなように、繰り返す時間インターバルＴ_Ｉの少なくとも一部の間、光ポンプ２０６は、期間Ｔ_Ｓの間にレーザー出力をポンプ時間コンセントレータ２１６にポンピングする。ポンプ時間コンセントレータ２１６は、より短い期間Ｔ_Ｐの間、例えば、パルス１０４のバースト１０２が起こるときに、このレーザー出力を凝縮し出力する。また、期間Ｔ_Ｐ及びＴ_Ｓはここでは重なり合う。これは、保持されるパワーが光学キャパシタ２１８から取り除かれるにもかかわらず、光ポンプ２０６がパワーを光学キャパシタ２１８へ供給していることを示す。特定の例として、期間Ｔ_Ｐは約３０μｓを表すことができ、期間Ｔ_Ｓは約０．６ｍｓを表すことができ、時間インターバルＴ_Ｉは約２ｍｓを表すことができる。“時間凝縮係数（temporal concentration factor）”はＴ_Ｓ／Ｔ_Ｐとして定義され得る。これは、特定の例において、（０．６ｍｓ／３０μｓ）、すなわち２０、の値を有する。

動作中に、ポンプ時間コンセントレータ２１６によって出力されるビームは、フロントエンド２０２からのシード信号と結合し、両ビームは電力増幅器２０４に送出される。ポンプ及びシードビームは、シードビームにおける各パルスが所望のピーク出力レベルに増幅されるように時間的に同期し、電力増幅器２０４からの抽出エネルギは、バースト１０２における連続するパルス１０４の間の時間インターバルにおいて光学キャパシタ２１８によって少なくとも部分的に回復される。

この機能の特定の例として、光ポンプ２０６は、約６００μｓのＴ_Ｓ期間に約１４７０ｎｍで約５００Ｗのレーザー出力を供給するとする。ポンプ時間コンセントレータ２１６は、このレーザー出力を凝縮し、約３０μｓのＴ_Ｐ期間に約１５３０ｎｍで約１０ｋＷのレーザー出力を出力し得る。これは、約２０の凝縮係数を提供し、入力された５００Ｗレーザー出力を約１０ｋＷのポンプパワー出力へ上昇させる。Ｔ_Ｐ期間ごとに約３０のパルスを含むシード信号は、電力増幅器２０４によって増幅され得る。電力増幅器２０４は、約１５７０ｎｍで、高いピーク出力パルスを有するビームを出力することができる。いくつかの実施形態において、光学キャパシタ２１８は、約１５０μｍ×約２ｍｍの（約０．３ｍｍ^２の面積を有している）コア及び約２ｍの長さを有している高アスペクト比コア（ＨＡＲＣ）Ｅｒ添加ファイバを用いて実装されてよい。これは、約１４７０ｎｍで約５００Ｗの出力パワーを生成するポンプダイオードアレイの出力を約１５３２ｎｍでの約３０μｓのパルスのシーケンスへと凝縮するために十分である。解析は、それら又は他のファイバの寸法が、光学キャパシタ２１８におけるファイバの面積及び長さが小信号利得を低レベル（約３００未満）に減じ、且つ、ＡＳＥを光学キャパシタ２１８における最大エネルギ保持の時点で低レベルに減じるように、選択され得る。これは、光学キャパシタ２１８の効率を著しく低下させるレベルにＡＳＥが到達しないことを確かにするのを助ける。

光学キャパシタ２１８によって放射されるレーザービームは高いビーム品質を有する必要がない点に留意されたい。よって、光学キャパシタ２１８を有する光ファイバは、高いビーム品質の出力のために通常必要とされる半導波（semi-guiding）である必要がない。光学キャパシタ２１８を有する光ファイバは、製造するのが比較的容易であり得る完全導波型（fully-guiding）矩形コアＨＡＲＣファイバを用いて代わりに形成されてよい。また、光学キャパシタ２１８を有する光ファイバは、光ポンプ２０６のそれと匹敵するビーム品質を提供することしか必要としないので、ファイバは、非常に大きいボリュームを有して且つ緩和された仕様により作成可能であり、非常に高いピーク出力の１ｎｓパルスを生成することに付随する同じ非線形な光学長さ制限によって縛られない。ファイバコアは、電力増幅器２０４内のポンプクラッディング（pump cladding）と同じアスペクト比及びエテンデュ（etendue）を有するように設計され得る。それにより、ポンプパワーは、アスペクト比の変化なしに簡単なイメージングレンズを用いて電力増幅器２０４のＳＨＡＲＣファイバに容易に送出され得る。光学キャパシタ２１８のファイバは、電力増幅器２０４のポンピング開口面積及び受入立体角と実質的に一致する空間断面積及び広がり立体角を有している光ビームを単に放つことができる。それにより、光学キャパシタ２１８から電力増幅器２０４への光のカップリングは、球形オプティクスにより達成され得る。最終的に、光学キャパシタ２１８を有する光ファイバは、送信器パッケージにおける電力増幅器２０４のファイバの隣でコイル状にされ得る。

図４は、プログラム可能なアウトカプラー３０４の例となる実施を表す。プログラム可能なアウトカプラー３０４は、偏光ビームスプリッタ４０２、ポッケルス（Pockels）セル４０４、及び第２の共振器ミラー４０６を含む。偏光ビームスプリッタ４０２は、レーザーエネルギの偏光に応じて異なった経路に沿ってレーザーエネルギを向ける。ポッケルスセル４０４は、レーザーエネルギの偏光を変更する電圧制御型波長板（wave plate）を表し、レーザーエネルギが偏光ビームスプリッタ４０２を通過するのか、あるいは、偏光ビームスプリッタ４０２によって反射されるのかに対する制御を提供する。なお、如何なる他のメカニズムも、レーザーエネルギの偏光を変えるために使用されてよい点に留意されたい。偏光の変化に依存しない他の光学スイッチングメカニズム（例えば、音響光学変調器）がポッケルスセルの代わりに使用されてよい点にも留意されたい。共振器ミラー４０６は、偏光ビームスプリッタ４０２を介してアウトカップリングされない限りレーザーエネルギがポンプ時間コンセントレータ２１６内に留まるように、レーザーエネルギを反射する。

レーザーエネルギの一部又は全ては、ポッケルスセル４０４の動作に基づき偏光ビームスプリッタ４０２によってアウトカップリングされる点に留意されたい。図４に示される配置において、光学キャパシタ２１８における光は、Ｐ偏光において（図の面において）動作することができる。この光は、ビームスプリッタ４０２の有限消光（finite extinction）及びわずかの反射損失を無視して、事実上損失なしで偏光ビームスプリッタ４０２を通過する。次いで、光はポッケルスセル４０４を通過し、第２の共振器ミラー４０６によって反射される。如何にしてポッケルスセル４０４が光の偏光に作用するかに応じて、偏光ビームスプリッタ４０２は、（経路＃１に沿って）ポンプ時間コンセントレータ２１６から結合されるＳ偏光部分と、（経路＃２に沿って）共振器において保持されるＰ偏光部分とへとレーザーエネルギを分割し得る。

この機能の特定の例として、ポッケルスセル４０４が４分の１波長電圧によりバイアスをかけられる場合には、ポッケルスセル４０４を通るビームの往復（図４において、左から右へ、次いで右から左へ）は、９０度の偏光回転を生じさせ、実質的に全てのビームが経路＃１に沿って方向付けられ、共振器へのフィードバックは実質的に零である。ポッケルスセル４０４が零バイアス又は半波電圧の何らの整数倍を有している場合には、偏光状態は往復後に不変であり、実質的に全てのビームが経路＃２に沿って方向付けられ、共振器へのフィードバックは実質的に１００％である。ポッケルスセル４０４に印加される電圧を制御することによって、プログラム可能なアウトカプラー３０４は、任意のアウトカップリング部分を供給するようプログラムされ得（経路＃２）、如何なる残りの光も共振器内に有効に留められる（経路＃２）。

従って、ポッケルスセル４０４は、共振器損失を制御し、且つ、凝縮されたポンプパルスの生成を制御する。例えば、“蓄積”段階において、ポッケルスセル４０４は、高い共振器損失のために設定され得、共振器は閾下であり、光学キャパシタ２１８は光ポンプパワーを積分する。“アクティブ”段階において、ポッケルスセル４０４は、制御されたレージングを開始するよう損失を減らし、フィードバックループは共振器損失を制御し、所望のポンプ波形が生成される。アクティブ段階の間、エネルギは、夫々のパルス１０４について、次のパルス１０４の到来より前に、電力増幅器２０４から抽出される。

偏光ビームスプリッタ４０２は、偏光に基づきビーム分割をサポートする如何なる適切な構造も含む。ポッケルスセル４０４は、光の偏光を変える如何なる適切な構造も含む。いくつかの実施形態において、ポッケルスセル４０４は、電気光学（ＥＯ；electro-optical）結晶と、“ファイア（fire）”コマンドより前のレージングを妨げるよう十分な消光を提供する偏光器とを含む。ＥＯ結晶に印加される電圧は、アウトカプラー３０４内で光の少なくともいくらかの偏光を変更するために使用され得る。スイッチング時間は、市販のデバイスの能力内に十分にあり、時間デューティサイクル及びバースト繰り返しは、音響共振が問題でないほど十分に低くなり得る。他の実施形態では、ポッケルスセル４０４は音響光学（ＡＯ；acousto-optical）変調器を含む。第２の共振器ミラー４０６は、正規のミラーのような、レーザーエネルギを反射する如何なる適切な構造も含む。ここで示されているレーザーシステムの構造は、ポンプ時間コンセントレータ２１６に結合される全ての又は実質的に全ての光が使用され失われないように、設計され得る。

いくつかの実施形態において、２つの異なる制御モードが光学キャパシタ２１８に適用される。第１の制御モードは、バースト１０２どうしの間のポンピングインターバルの間に適用され、光学キャパシタ２１８が所定レベルの保持エネルギと、夫々のバースト１０２の開始時に過剰なポンピング又は不十分なポンピングを防ぐ結果として現れる増幅利得とを実現することを確かにするのを助けるために、使用される。第２の制御モードはバースト時間インターバルの間に動作し、光学キャパシタ２１８によって発せられる長いレーザーパルスについて所定の時間波形を生成するために使用される。システム全体の同期化に関与するシステムコントローラ（ここでは図示せず。）は、夫々のバースト１０２の開始及び終了時に２つのモードを切り替えるよう適切な制御信号を適用することができる。異なる制御モードは、利用可能なモニタリングデバイスの異なる組を使用しても又は使用しなくてもよい。

両制御モードについて、制御は、光学キャパシタ共振器の自励発振を回避するよう“ソフト”であってよく、レージング閾の近くで作動する。いくつかの実施形態において、例えば、光学キャパシタ共振器内に位置するアウトカプラー３０４に給電する単一のエレクトロニクス・ループは、蓄積及びアクティブの両段階において用いられる。そのような実施形態では、制御ループは、アウトカプラー３０４の送信を調整する種々のアルゴリズムを使用することができ、光学キャパシタ２１８における如何なる過度の保持エネルギもアウトカプラー３０４を通じて漏れ出すことを可能にされるレートを定める。他の実施形態では、別の制御ループが、蓄積段階のために設けられ得、アクティブ段階の間の制御は、上述されたように行われてよい。蓄積段階の間に作動する制御ループは、バースト１０２の最初のパルス１０４の到来より前に利得を所定値で安定させるために光学キャパシタ２１８がポンピングされるレートを変えるよう、ポッケルスセル電圧を制御することに代えて、ポンプダイオードに対する電気負荷を制御することができる。

様々な利点が、上述されたようにレーザーシステムにおいてポンプ時間コンセントレータ２１６を使用することによって得られる。なお、得られる特定の利点は、実施に応じて様々であってよい。例えば、ポンプ時間コンセントレータ２１６は、低出力光ポンプの使用が高出力レーザーパルスを生成することを可能にしながら、非常に高い平均電力レベルに調整可能であり得る。また、ポンプ時間コンセントレータ２１６は、電力増幅器２０４と実質的に同じアスペクト比及びエテンデュを有するポンプビームを生成することができるので、円筒形又は他のオプティクスがポンプパワーを増幅器２０４に送出する必要はない。更には、光ポンプ２０６の瞬時ポンプパワーは、可変なパルス間期間を提供するよう変調可能であり、パルスバースト・アーキテクチャは増幅器アーキテクチャにとらわれない。

その上、プログラム可能なアウトカプラー３０４及びコントローラ３０６は、パルスバースト全体にわたって実質的に一定の振幅を有するパルスを生じるレベルにポンプ時間コンセントレータ２１６の出力を保つよう動作することができる。プログラム可能なアウトカプラー３０４は、過度の損失なしでポンプ時間コンセントレータのアウトカップリングの連続的な実時間制御を可能にする。複数のセンスポイントが利用可能であり、ポンプ時間コンセントレータ２１６の性能をモニタするためにコントローラ３０６によって使用される点に留意されたい。例えば、光学キャパシタ２１８におけるＡＳＥ又は蛍光発光は、保持エネルギをモニタするために測定され使用されてよい。ポンプ時間コンセントレータ２１６の瞬時出力又は出力パルスエネルギも、コントローラ３０６によって測定され使用されてよい。

更には、ポンプ時間コンセントレータ２１６の使用に付随した全体的効率に対する不利益は、たとえあったとしても、ほんの少ししかない。蛍光損失は光学キャパシタ２１８においてしか起こり得ず、一方、電力増幅器２０４（例えば、ＳＨＡＲＣ増幅器）は、ほぼ量子限界の効率損失（例えば、１５３２ｎｍのポンプ波長及び１５７０ｎｍの信号波長について２％）を有し、従って、非常に電力効率が良い。

この設計における効率低下は、光ポンプ２０６と電力増幅器２０４との間にポンプ時間コンセントレータ２１６の光学部品を挿入することに由来する。しかし、他の設計態様が、効率低下の部分又は全てを相殺する。例えば、光学キャパシタ２１８及び電力増幅器２０４におけるカスケード接続されたレーザー媒体は、利得が比較的低いので、ＡＳＥ損失はほとんど又は全くない。また、光学キャパシタ２１８における蛍光損失は、ポンプ時間（時間Ｔ_Ｓ）がレーザー利得媒体の蛍光寿命よりも短いことを確かにすることによって、制御され得る。特定の例として、ポンプ時間が全バーストインターバルからバーストインターバルの３分の１まで短縮されるとき、蛍光損失は少なくとも３倍だけ低下しうる（これは、同じ総保持エネルギを達成するようポンプパワーの増大をもたらし、そのことはより多くのレーザーダイオードに転じうる点に留意されたい。）。ＳＨＡＲＣ電力増幅器２０４は高速で（例えば、１μｓのインターバルで）パルス駆動され得るので、電力増幅器２０４には本質的に蛍光又はＡＳＥ損失が存在しない。

ＳＨＡＲＣ電力増幅器２０４のためのジオメトリ及びドーピング濃度は、蛍光又はＡＳＥ損失を低減するよう制御され得、一方、共振ポンピング並びにポンプ吸収の飽和の欠如は、９０％を超える抽出効率を可能にし得る点に留意されたい。よって、例えば、約５００Ｗの１４７０ｎｍポンプパワーを０．６ｍｓの間ＨＡＲＣファイバ（光学キャパシタ２１８）に向けることは、１５３２ｎｍで約６ｋＷの出力パワーを生成して、１０よりも大きいポンプ時間凝縮をもたらすことができる。上記のスキームは、少なくとも約５０％の全体的なエンド・ツー・エンド光学効率をもたらす。

加えて、２つの独立した利得媒体（電力増幅器２０４におけるレーザー媒体及び光学キャパシタ２１８におけるレーザー媒体）をそれらの夫々の機能のために十分に最適化することが可能である。上述されたように、パルスバースト波形に付随した課題を解決するための１つの可能なアプローチは、単一の電力増幅器２０４において完全なパルスバースト１０２の総エネルギを保持することに係る。しかし、このアプローチでは、単一の利得媒体は、調和することが困難であるいくつかの独立した機能を実行する。単一の利得媒体は、実質的に一定のエネルギレベル及びピーク出力レベルにより全ての出力パルスを維持しながら、シードバースト波形を高ピーク出力に増幅する必要がある。この要件は満足することが非常に難しい。それは、夫々のシードパルスが、利得媒体における保持エネルギの一貫した減少（従って、利得の一貫した低下）に起因して、先行パルスよりも低い利得を受けるからである。原理上、この課題は、最初のシードパルスが比較的低いパルスエネルギを有するように配置して、そのパルスのために利用可能な高い利得がピーク出力を所要レベルに上げるようにすることによって、対処され得る。夫々の連続したパルスは、より低い残りの利得が同じピーク出力を生じるのに十分であるように、よりエネルギッシュであってよい。あいにく、シード信号のこの“プリワーピング”は、大いに困難であり得る。プリワーピングされたシード信号における最後と最初のパルスエネルギの比は、ほぼ６０ｄＢまで上昇しうる。たとえプリワーピングが達成されるとしても、利得媒体も、所要の利得をもたらし、優れた出力ビーム品質を生じることが必要である。ビーム品質要件は、一般的に、増幅器設計を小断面積へと押し進め、一方、全てのシードパルスを増幅するための高い保持エネルギの要件は、設計を大面積へと押し進める。同様のコンフリクトは、利得に関連して現れる。高エネルギ保持は、増幅器利得が低レベルに保たれない限り困難であるが、様々な用途（例えば、ＬＡＤＡＲシステム）は、送信器の全体のサイズを最小限とするよう高い増幅器利得を必要とする。

ポンプ時間コンセントレータ２１６及び電力増幅器２０４の使用によれば、２つの独立した利得媒体が設けられ、それらの夫々は、独立した機能を実行し、従って、その機能のために十分に最適化され得る。光学キャパシタ２１８は、ＡＳＥ又は寄生振動に起因した有意な損失なしで、必要とされるエネルギを保持するよう最適化され得るより大きい断面積を有することができる。これは、電力増幅器２０４の利得に影響を及ぼすことなしに行われ得る。対照的に、電力増幅器２０４のより小さい断面積は、必要とされる信号利得、優れたビーム品質、高い抽出効率を得るよう最適化され得る。結果として、光学キャパシタ２１８は、増幅されたシードビームの出力ビーム品質に影響を及ぼすことなしに、大きい断面積を有することができる。それは、電力増幅器２０４が、光学キャパシタ２１８から独立して必要な利得及びビーム品質を提供するからである。独立した利得媒体にわたって機能を割り当てることによって、夫々の利得媒体は、その各自の機能ために十分に最適化され得、システムは、最良の全体性能をもたらすことができる。最適化のためのこの固有の潜在能力は、ポンプ時間コンセントレータ２１６を備えるレーザーシステムが、連続パルス列を生成するシステムで得られるのと同じ効率で、又はおおよそ同じ効率で作動することを可能にする。

パルスバーストの生成をサポートするとして上述されたが、ポンプ時間コンセントレータ２１６は、他の適切なレーザー出力の生成をサポートするために使用され得る点に留意されたい。例えば、高度なＬＡＤＡＲシステム及び他のシステムは、パルスバーストフォーマットと同じくらい（又はそれ以上に）困難でありうる他の高度な波形を考えている。特定の例として、システムは、約２００Ｗの平均電力を有して１０％のデューティサイクルで作動する連続波（ＣＷ）波形を必要としうる。低い１０％デューティサイクルにより、“オン”状態の間の波形パワーは約２ｋＷである必要がある。この波形は、パルスバースト波形と同様の難問を引き起こす。それは、ポンプパワーが桁ひとつ時間的に変調されるからである。ポンプ時間コンセントレータ２１６は、上述されたパルス波形と同様に、この波形とともに使用され得る。これは、多機能送信器が、低い時間デューティサイクルでの動作に起因して特に困難であるパルス又は連続波波形でさえ、重要な機能を維持することができることを意味する。

キャビティ内フィードバックループが内蔵されたポンプ時間コンセントレータ２１６は、図３Ｂに示される所望の一様な矩形ポンプパルス（又は他の出力波形）を歪ませ得る不安定な性質を持ちやすいかどうかが検討されてきた。そのような不安定な性質は、フィードバックの符号が負であるので、ありそうもないことが決定された。例えば、光学キャパシタ２１８から抽出される瞬時ポンプパワーがある理由のために図らずも増大する場合に、その増大は残りの利得を低下させ、それは次の時間インターバルに抽出を低減する傾向がある。この安定性は、光学キャパシタ２１８へのポンプレートがレーザー出力の抽出率と比較して無視できるほどであることから現れ、ダイナミクスは、主として又はもっぱら抽出プロセスによって駆動される。ある程度の安定が必要でありうる場合に、自動フィードバック制御が使用可能であり、それは、不安定な性質を抑制することにおいて有効である。

ポンプ時間コンセントレータ２１６は、電力増幅器２０４のポンプ波長が、例えば約１５３２ｎｍから約１４７０ｎｍへ、低減され得るように、適応され得ることも決定された。これは、電力増幅器２０４が約１５５０ｎｍにより近い波長でより高い利得を有して動作することを可能にする。この場合に、光学キャパシタ２１８のためにＥｒ添加ＨＡＲＣファイバを使用することに代えて、同様のビスマス（Ｂｉ；Bismuth）添加ファイバが使用され得る。この場合に、Ｂｉ添加ファイバ増幅器は、成熟した１３１０ｎｍポンプダイオードによってポンピングされ得る。このようなレーザーは、１４７０ｎｍで出力を容易に生成することができ、このレーザーは、ゲルマノけい酸塩（germano-silicate）ファイバホストにおいて約６０％のまずまずの光学効率を達成することができる。

図２乃至４は、高ピーク出力レーザーパルスのバースト又は他のレーザー出力を生成するためのレーザーシステム２００の一例を表すが、様々な変更が図２乃至４に対して行われてよい。例えば、レーザーシステム２００の電力増幅器、光学キャパシタ、及び他のコンポーネントは、如何なる他の適切な様態でも実装され得る。また、レーザーシステム２００は、図１に示されるパルスバースト波形１００を使用する必要はない。先に述べられたように、ポンプ時間コンセントレータ２１６は、ポンプパワーがより長い期間にわたって受け取られ、保持され、そして、より短い期間にわたって解放される様々なシステムで使用され得る。

ポンプ時間コンセントレータを有するレーザーシステムは、多種多様な用途において使用され得る。図５は、本開示に従って、高ピーク出力レーザーパルスのバースト又は他のレーザー出力を生成するレーザーシステムを使用する、例となるシステム５００を表す。図５に示されるように、デバイス５００はレーザー送信器５０２を含む。レーザー送信器５０２は、少なくとも１つのポンプ時間コンセントレータを有する如何なる適切なレーザーシステムにも相当する。レーザー送信器５０２は、例えば、図２乃至４に示されるレーザーシステム２００を組み込んでよい。

送信器５０２からの出力レーザービーム（高速高ピーク出力パルスのバーストを含むことができる。）はポインタ／スキャンユニット５０４へ供給される。ポインタ／スキャンユニット５０４は、所望の方向において出力レーザービームを方向付けることができる。例えば、ポインタ／スキャンユニット５０４は、航空機又は他の標的／関心のある対象物を識別するために、ビームにより所与のエリアをスイープし得る。送信器エレクトロニクス及び電源ユニット５０６は、出力レーザービームの生成及びステアリングを制御するために、電力及び制御信号をレーザー送信器５０２及びポインタ／スキャンユニット５０４へ供給する。

関心のある少なくとも１つの対象物から反射されたレーザー照射は、テレスコープ５０８によってデバイス５００で受け取られ得る。テレスコープ５０８は、レーザー照射をスプリッタ又はステアリングミラー５１０へ向ける。スプリッタ又はステアリングミラー５１０は、レーザー照射の一部又は全てを受動受信器５１２へ、且つ、レーザー照射の一部又は全てを受信器オプティクス５１４へ供給することができる。受信器オプティクス５１４は、受信器／検出器アレイ５１６上にレーザー照射の焦点を合わせる。受動受信器５１２は、受動的な標的／対象物検出に従事することができ、一方、受信器／検出器アレイ５１６は、能動的な又は準能動的な標的／オブジェクト検出をサポートすることができる。

受信器／検出器アレイ５１６からのデータは、データフォーマッタ及びフレームバッファ５１８へ供給され得る。データフォーマッタ及びフレームバッファ５１８は、適切な様態においてデータをフォーマットする。表示又は自動標的認識（ＡＴＲ；automatic target recognition）ユニット５２０は、レーザー照射を用いてデバイスによって識別された、可能性がある又は捕捉された標的のような、情報を表示する。プラットフォーム・コンピュータ５２２は、データ処理、標的捕捉、及びデバイス５００を対象物の方へ向けるためのガイダンスコマンドのような、様々な機能をサポートすることができる。センサコントローラ５２４は、受動受信器５１２又は受信器／検出器アレイ５１６の動作のような、デバイス５００の様々な動作を制御することができる。

図５は、高ピーク出力レーザーパルスのバースト又は他のレーザー出力を生成するレーザーシステムを使用するデバイス５００の一例を表すが、様々な変更が図５に対して行われてよい。例えば、標的捕捉のためにレーザー照射を使用するとしてしばしば記載されるが、様々な他の用途は、レーザー照射の送信及び反射されたレーザー照射の検出を使用することができる。更には、ポンプ時間コンセントレータを備えたレーザーシステムは、如何なる他の適切な様態でも使用され得る。

図６は、本開示に従う、高ピーク出力レーザーパルスのバーストを生成する、例となる方法６００を表す。説明の簡単のために、方法６００は、ポンプ時間コンセントレータ２１６を含むレーザーシステム２００に関して記載される。方法６００は、如何なる適切なポンプ時間コンセントレータも備える如何なる適切なレーザーシステムによっても使用され得る。

図６に示されるように、レーザーポンプパワーはステップ６０２で生成される。これは、例えば、光ポンプ２０６が１つ以上の波長で（例えば、約１４７０ｎｍの公称波長で）ポンプパワーを生成することを含んでよい。ポンプパワーはステップ６０４で光学キャパシタにおいて保持される。これは、例えば、ポンプパワーが光学キャパシタ２１８と、ミラー３０２及び４０６を用いて形成される共振器とへ供給されることを含んでよい。ポッケルスセル４０４は、偏光ビームスプリッタ４０２がミラー３０２及び４０６の間のレーザー出力の通過を可能にするようにこの時点では構成され得る。ポンプパワーの保持は、如何なる時間長さでも（例えば、各２ｍｓインターバルのうちの約０．６ｍｓの間に）起こってよい。

パルスのバーストを含むシード信号はステップ６０６で生成される。これは、例えば、フロントエンド２０２が低出力パルスを含むシード信号を生成することを含んでよい。低出力パルスは、例えば、約１ｎｓの存続時間及び約１μｓのインターバルを有するパルスに相当し得る。

保持されたレーザーポンプパワー及びシード信号は、ステップ６０８で電力増幅器へ供給される。これは、例えば、ポンプ時間コンセントレータ２１６が、保持されているレーザー出力を電力増幅器２０４に対してアウトカップリングすることを含んでよい。これは、偏光ビームスプリッタ４０２がレーザー出力を電力増幅器２０４に対してアウトカップリングするように光の偏光を変えるようポッケルスセル４０４を構成することによって、起こり得る。高ピーク出力パルスのバーストを有する出力レーザービームはステップ６１０で生成される。これは、例えば、電力増幅器２０４が約１ｎｓの存続時間、パルスごとに約５ｍＪ乃至約１０ｍＪの出力レベル、及び約１ＭＨｚのパルス繰り返し周波数を有しているパルスを生成することを含んでよい。ポンプ及びシードは、シード信号における各パルスが所望のピーク出力レベルへ増幅されるように、電力増幅器２０４において時間的に同期される。この時間の間、光学キャパシタ２１８及びポンプ時間コンセントレータ２１６は、次のパルス１０４より前に電力増幅器２０４から抽出されるエネルギを単一のパルス１０４によって置換するために、電力増幅器２０４をポンピングする。結果として、バースト１０２における各パルス１０４は、実質的に等しい電力レベルを有し得る。方法６００は、出力レーザービームにおいてパルスの複数のバーストを生成するよう何度でも繰り返され得る。

図６は、高ピーク出力レーザーパルスのバーストを生成する方法６００の一例を表すが、様々な変更が図６に対して行われてよい。例えば、一連のステップとして示されているが、各図における様々なステップは重なり合っても、並行して起こっても、異なる順序で起こっても、あるいは、何度起こってもよい。

図６は、高ピーク出力パルスのバーストの生成を表すが、ポンプ時間コンセントレータ２１６は、先に述べられたように、他の波形を生成するために使用されてよい点に留意されたい。図７は、本開示に従って、保持されている光ポンプパワーを用いてレーザー出力を生成する、例となる方法７００を表す。方法７００は、高ピーク出力パルスのバーストの生成に関わることができる（が、必要としない）点で、より一般化されている。

図７に示されるように、レーザーポンプパワーはステップ７０２で生成され、ポンプパワーは、ステップ７０４で、第１の期間中に光学キャパシタにおいて保持される。これは、例えば、光ポンプ２０６が１つ以上の波長で（例えば、約１４７０ｎｍの公称波長で）ポンプパワーを生成することを含んでよい。これはまた、ポンプパワーが光学キャパシタ２１８と、ミラー３０２及び４０６を用いて形成される共振器とへ供給されることを含んでよい。ポッケルスセル４０４は、偏光ビームスプリッタ４０２がミラー３０２及び４０６の間のレーザー出力の通過を可能にするようにこの時点では構成され得る。ポンプパワーの保持は、如何なる時間長さでも（例えば、各２ｍｓインターバルのうちの約０．６ｍｓの間に）起こってよい。

保持されたポンプパワーは、ステップ７０６で、第２の期間中に電力増幅器へ供給される。これは、例えば、ポンプ時間コンセントレータ２１６が、保持されているレーザー出力を電力増幅器２０４に対してアウトカップリングすることを含んでよい。これは、偏光ビームスプリッタ４０２が、光学キャパシタ２１８によって発せられた最初の光の一部を光学キャパシタ２１８へ戻して、それによって、ミラー３０２及び４０６によって構築された共振器において発振を起こすように光の偏光を変えるようポッケルスセル４０４を構成することによって、起こり得る。共振器へ返されない、共振器において生成されたレーザー出力は、ビームスプリッタを偏光することによって共振器から偏向され、レーザー出力の少なくともいくらかは電力増幅器２０４へ結合する。出力レーザービームはステップ７０８で生成される。これは、例えば、電力増幅器２０４が、ポンプ時間コンセントレータ２１６から受け取られたポンプパワーを用いて如何なる適切な出力レーザービームも生成することを含んでよい。

方法７００は、連続的な又は断続的なレーザー出力を生成するよう連続的に又は断続的に繰り返され得る点に留意されたい。また、第２の期間は、ここでは、第１の期間よりも短いので、電力増幅器２０４へ供給される電力は、光ポンプ２０６によって出力される電力レベルと比べてずっと高いレベルにあることができる点に留意されたい。先に述べられたように、例えば、光ポンプ２０６からの５００Ｗ出力は、ポンプ時間コンセントレータ２１６からの１０ｋＷ又は２０ｋＷ出力に変換され得る。加えて、第１及び第２の期間は重なり合っても又は重なり合わなくてもよい点に留意されたい。

図７は、保持されている光ポンプパワーを用いてレーザー出力を生成する方法７００の一例を表すが、様々な偏向が図７に対して行われてよい。例えば、一連のステップとして示されているが、各図における様々なステップは重なり合っても、並行して起こっても、異なる順序で起こっても、あるいは、何度起こってもよい。

本特許明細書の全体を通して使用されている特定の語及び語句の定義を説明することが有利でありうる。語「含む（include）」及び「有する（comprise）」並びにそれらの派生語は、制限なしの包含を意味する。語「又は、若しくは、あるいは（or）」は包括的であり、及び／又は（and/or）を意味する。語句「〜に関連する、付随する（associated with）」及びその派生語は、含むこと（include）、〜に含まれること（be included within）、〜と相互接続すること（interconnect with）、包含すること（contain）、〜の中に含まれること（be contained within）、〜と接続すること（connect to又はwith）、〜と結合すること（couple to又はwith）、〜と通信可能であること（be communicable with）、〜と協調すること（cooperate with）、インターリーブすること（interleave）、並列すること（juxtapose）、〜と近いこと（be proximate to）、〜と結び付けられること（be bound to又はwith）、有していること（have）、〜の性質を持つこと（have a property of）、〜と関係を持つこと（have a relationship to又はwith）、又は同様のことを意味し得る。語句「〜のうちの少なくとも１つ（at least one of）」は、アイテムのリストとともに使用されるときに、リストアップされているアイテムのうちの１つ以上の異なる組み合わせが使用されてよく、且つ、リスト内のただ１つのアイテムが必要とされてよいことを意味する。例えば、「Ａ、Ｂ及びＣのうちの少なくとも１つ」は、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡとＣ、ＢとＣ、ＡとＢとＣの組み合わせのいずれかを含む。

本開示は、特定の実施形態及び一般的に関連する方法を記載してきたが、それらの実施形態及び方法の変更及び置換は、当業者に明らかだろう。然るに、例となる実施形態の前述の記載は、本開示を定義又は制限しない。他の変更、置換、及び代替も、特許請求の範囲によって定義されている本開示の主旨及び適用範囲から逸脱することなしに、可能である。

Claims (23)

1. 第１の期間中に、共振器内に光学的に位置している第１のレーザー利得媒体において、光ポンプパワーを蓄積することと、
   前記第１の期間よりも実質的に短い第２の期間中に、前記第１のレーザー利得媒体から第２のレーザー利得媒体へ、フィードバック制御された波形により、前記蓄積された光ポンプパワーの少なくともいくらかを第１のレーザー出力として供給することと、
   電力増幅器として前記第２のレーザー利得媒体を用いて、レーザーパルスのバーストを有する第２のレーザー出力を生成することと
   を有し、
   前記第１のレーザー出力及び前記第２のレーザー出力は、前記第１の期間中の前記光ポンプパワーの電力レベルと比較して高い電力レベルを前記第２の期間中に有している、
   方法。
2. 前記第１のレーザー利得媒体において前記光ポンプパワーを蓄積すること、及び前記第１のレーザー利得媒体から前記第２のレーザー利得媒体へ前記蓄積された光ポンプパワーの少なくともいくらかを供給することは、
   前記共振器内の光の偏光を制御して、第１の偏光を有する前記光の少なくともいくらかが前記共振器内を行きつ戻りつし、第２の偏光を有する前記光の少なくともいくらかが前記第２のレーザー利得媒体へアウトカップリングされるようにすることを有する、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記光の偏光を制御することは、該光の偏光を変えるよう構成される前記共振器内の電気光学（ＥＯ）結晶へ印加される電圧を変えることを有する、
   請求項２に記載の方法。
4. 前記第１のレーザー利得媒体は、フィードバック制御ループによって配置されるように、予め定義された量の光ポンプパワーを蓄積するよう設計され、
   前記第２のレーザー利得媒体は、予め定義された信号利得、予め定義されたビーム品質、及び予め定義された電力増幅器抽出効率を有する前記第２のレーザー出力を生成するよう設計される、
   請求項１に記載の方法。
5. 前記第１のレーザー利得媒体は、前記光ポンプパワーのより低い電力レベルを前記第１のレーザー出力のより高い電力レベルへの変換のために最適化され、
   前記第１のレーザー利得媒体の面積及び長さは、前記第１のレーザー利得媒体の小信号利得及び自然放射増幅光（ＡＳＥ）を低減するよう選択され、
   前記第１の期間の持続時間は、前記第２のレーザー出力におけるレーザーパルスの連続的なバーストを分離する時間インターバルよりも短い、
   請求項１に記載の方法。
6. 前記第２のレーザー出力は、レーザーパルスの複数のバーストを有し、
   前記蓄積する動作、前記供給する動作、及び前記生成する動作は、夫々のバーストについて行われ、
   レーザーパルスの各バーストの間の前記第１のレーザー利得媒体からの前記第１のレーザー出力の全持続時間は、レーザーパルスの各バーストの全持続時間と実質的に一致する、
   請求項１に記載の方法。
7. 前記第１のレーザー利得媒体から前記第２のレーザー利得媒体へ前記蓄積された光ポンプパワーの少なくともいくらかを供給することは、
   前記バーストにおける２つの連続したレーザーパルスの間のパルス間期間中に、前記２つの連続したレーザーパルスのうちの第２のレーザーパルスの生成よりも前に、前記２つの連続したレーザーパルスのうちの第１のレーザーパルスによって、前記第２のレーザー利得媒体から抽出された少なくともいくらかのエネルギを置換することを有する、
   請求項１に記載の方法。
8. 前記第２のレーザー出力は、レーザーパルスの複数のバーストを有し、
   当該方法は、前記第２のレーザー出力の低電力バージョンを有するシード信号を生成し、該シード信号を前記第２のレーザー利得媒体へ供給することを更に有し、
   前記第２のレーザー出力におけるレーザーパルスのバーストは、前記シード信号におけるパルスのバーストに対応する、
   請求項１に記載の方法。
9. 前記第２のレーザー出力は、レーザーパルスの複数のバーストを有し、
   前記第１のレーザー出力の前記波形は、フィードバック制御ループを用いて、前記複数のバーストの間、実質的に一定に保たれ、
   前記複数のバーストにおけるレーザーパルスは、実質的に一定の振幅を有する、
   請求項１に記載の方法。
10. 前記第２のレーザー出力は、レーザーパルスの複数のバーストを有し、
    前記第１のレーザー出力の前記波形は、前記複数のバーストにおける個々のパルスの間のインターバル又は該個々のパルスのエネルギレベルを変更するようフィードバック制御ループを用いて制御され、
    前記複数のバーストにおけるレーザーパルスは、所定のプロトコルに従って符号化される、
    請求項１に記載の方法。
11. 共振器内に光学的に位置し、第１の期間中に光ポンプパワーを蓄積するよう構成される第１のレーザー利得媒体を有するポンプ時間コンセントレータと、
    第２のレーザー利得媒体を有する電力増幅器と
    を有し、
    前記ポンプ時間コンセントレータは、前記第１の期間よりも実質的に短い第２の期間中に、前記第１のレーザー利得媒体から前記第２のレーザー利得媒体へ、フィードバック制御された波形により、前記蓄積された光ポンプパワーの少なくともいくらかを第１のレーザー出力として供給するよう構成され、
    前記電力増幅器は、レーザーパルスのバーストを有する第２のレーザー出力を生成するよう構成され、
    前記第１のレーザー出力及び前記第２のレーザー出力は、前記第１の期間中の前記光ポンプパワーの電力レベルと比較して高い電力レベルを前記第２の期間中に有している、
    装置。
12. 前記ポンプ時間コンセントレータは、
    前記蓄積された光ポンプパワーを前記第１のレーザー利得媒体から前記第２のレーザー利得媒体へ選択的に供給するよう構成されるプログラム可能なアウトカプラーと、
    予め定義された量の光ポンプパワーを前記第１のレーザー利得媒体において蓄積するために前記ポンプ時間コンセントレータを制御するよう構成されるフィードバックループと
    を更に有する、
    請求項１１に記載の装置。
13. 前記プログラム可能なアウトカプラーは、偏光に基づき光を方向付けるよう構成される偏光ビームスプリッタと、前記光の偏光を調整するよう構成されるポッケルスセルとを有し、
    前記プログラム可能なアウトカプラーは、第１の偏光を有する前記光の少なくともいくらかが前記共振器内を行きつ戻りつすることを可能にするよう、且つ、第２の偏光を有する前記光の少なくともいくらかを前記第２のレーザー利得媒体へアウトカップリングするよう構成される、
    請求項１２に記載の装置。
14. 前記第１のレーザー利得媒体及び前記第２のレーザー利得媒体のうちの少なくとも一方から特定の出力電力波形を得るために当該装置の動作を制御するよう構成されるコントローラ
    を更に有する請求項１１に記載の装置。
15. 前記第２のレーザー利得媒体は、レーザーパルスの複数のバーストを有する前記第２のレーザー出力を生成するよう構成され、
    当該装置は、前記複数のバーストにおけるパルスの特定の時間パターンを得るために当該装置の動作を制御するよう構成されるコントローラを更に有する、
    請求項１１に記載の装置。
16. 前記第２のレーザー利得媒体は、連続的なバーストが時間インターバルによって分離された状態でレーザーパルスの複数のバーストを有する前記第２のレーザー出力を生成するよう構成され、
    前記ポンプ時間コンセントレータ及び前記第２のレーザー利得媒体は、夫々のバーストについて前記蓄積する動作、前記供給する動作、及び前記生成する動作を行うよう構成され、
    前記第１の期間は、前記時間インターバルよりも短い、
    請求項１１に記載の装置。
17. 前記ポンプ時間コンセントレータは、前記バーストにおける２つの連続したレーザーパルスの間のパルス間期間中に、前記２つの連続したレーザーパルスのうちの第２のレーザーパルスの生成よりも前に、前記２つの連続したレーザーパルスのうちの第１のレーザーパルスによって、前記第２のレーザー利得媒体から抽出された少なくともいくらかのエネルギを置換するよう構成される、
    請求項１１に記載の装置。
18. 前記第１のレーザー利得媒体は、前記第２のレーザー利得媒体のポンピング開口面積及び受入立体角と実質的に一致する空間断面積及び広がり立体角を有している光ビームを放つよう構成される、
    請求項１１に記載の装置。
19. 前記第２のレーザー出力の低電力バージョンを有するシード信号を生成し、該シード信号を前記第２のレーザー利得媒体へ供給するよう構成されるフロントエンド
    を更に有する請求項１１に記載の装置。
20. レーザー送信器を有し、該レーザー送信器は、
    光ポンプパワーを生成するよう構成される光ポンプと、
    共振器内に光学的に位置し、第１の期間中に光ポンプパワーを蓄積するよう構成される第１のレーザー利得媒体を有するポンプ時間コンセントレータと、
    第２のレーザー利得媒体を有する電力増幅器と
    を有し、
    前記ポンプ時間コンセントレータは、前記第１の期間よりも実質的に短い第２の期間中に、前記第１のレーザー利得媒体から前記第２のレーザー利得媒体へ、フィードバック制御された波形により、前記蓄積された光ポンプパワーの少なくともいくらかを第１のレーザー出力として供給するよう構成され、
    前記電力増幅器は、レーザーパルスのバーストを有する第２のレーザー出力を生成するよう構成され、
    前記第１のレーザー出力及び前記第２のレーザー出力は、前記第１の期間中の前記光ポンプパワーの電力レベルと比較して高い電力レベルを前記第２の期間中に有している、
    システム。
21. １つ以上の方向において前記第２のレーザー出力を方向付けるよう構成されるポインタ又はスキャナ
    を更に有する請求項２０に記載のシステム。
22. 少なくとも１つの物体から反射された前記第２のレーザー出力の一部を受けるよう構成される受信器
    を更に有する請求項２１に記載のシステム。
23. 前記ポンプ時間コンセントレータは、前記バーストにおける２つの連続したレーザーパルスの間のパルス間期間中に、前記２つの連続したレーザーパルスのうちの第２のレーザーパルスの生成よりも前に、前記２つの連続したレーザーパルスのうちの第１のレーザーパルスによって、前記第２のレーザー利得媒体から抽出された少なくともいくらかのエネルギを置換するよう構成される、
    請求項２０に記載のシステム。

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