JP6705610B1 - レーザ装置 - Google Patents

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Abstract

レーザ装置（１）は、要素回路（２１１〜２１Ｎ）、前置光学系（３０）及び反射光学系（４０）を備える。前置光学系（３０）は、要素回路（２１１〜２１Ｎ）から入力された複数の位相変調光信号をコリメートして複数の光ビームを形成するとともに、当該複数の位相変調光信号を部分的に反射させて複数の部分反射光信号を生成する。反射光学系（４０）は、入力された局発光を前置光学系（３０）の方向に反射させることにより局発光を複数の部分反射光信号と合波させる。要素回路（２１１〜２１Ｎ）は、複数の部分反射光信号と局発光との合波により発生した複数の干渉光信号をそれぞれ複数の電気信号に変換し、当該複数の電気信号と基準信号との間の位相誤差を検出することができる。

Description

本発明は、複数のレーザ出力をコヒーレントに結合して高出力レーザ光を生成するレーザ技術に関するものである。
高出力レーザシステムの実現方法としては、単一のレーザ光ビームを種光として利用し、そのレーザ光ビームを複数経路の光ビームに分割し、それら光ビームを増幅してからコヒーレントに結合するコヒーレントビーム結合（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ，ＣＢＣ）技術が知られている。高出力かつ高輝度なレーザを実現するためには、当該複数経路の光ビームの位相を揃えることが必要である。コヒーレントビーム結合技術を用いたレーザシステムは、たとえば、特許文献１（特開２０００−３２３７７４号公報）及び特許文献２（特開２０１４−２１６４１８号公報）に開示されている。
特許文献１に開示されているレーザシステムは、一次レーザ信号及び局発光を出力するマスタ発振器と、一次レーザ信号をＮ個の二次レーザ信号（Ｎは正整数）に分割するビーム・スプリッタ・アレイと、当該Ｎ個の二次レーザ信号の位相を個別に変調してＮ個の位相変調信号を出力する位相変調器アレイと、当該Ｎ個の位相変調信号を増幅してＮ個の増幅光信号を生成する複数のファイバ増幅器と、当該Ｎ個の増幅光信号をコリメートして出力光ビームを形成するコリメータ（レンズ・アレイ）と、当該出力光ビームの光を部分的に分離するビーム・スプリッタと、前記局発光の周波数をシフトして周波数シフト光を出力する周波数シフタと、ビーム・スプリッタで分離された光と周波数シフト光とを合波してヘテロダイン光を発生させる干渉計と、当該ヘテロダイン光を検出してＲＦビート周波数信号を生成する光検出器と、当該ＲＦビート周波数信号に基づいて位相変調器アレイにおける個々の位相シフト量を制御する位相制御用回路群とを備えている。
特許文献１に開示されているレーザシステムでは、信号数Ｎが多いと、局発光との合波に必要な光学部品の構成が巨大になるという課題がある。また、信号数Ｎが多いと、コリメータ（レンズ・アレイ）及び干渉計それぞれのアライメントの高精度な調整が要求されるという課題もある。
特許文献２には、そのような課題の解決を目的とする位相同期レーザ装置が開示されている。この位相同期レーザ装置は、単一のレーザ光ビームをＮ個の信号光ビームと局発光とに分割する２個のスプリッタと、当該Ｎ個の信号光ビームをそれぞれ周波数シフトするＮ個の周波数シフタと、当該Ｎ個の周波数シフタの光出力をそれぞれ位相変調するＮ個の位相変調器と、当該Ｎ個の位相変調器の光出力をそれぞれ増幅するＮ個の光増幅器と、当該Ｎ個の光増幅器の光出力をコリメートしてＮ個の出力光ビームを生成する光コンポーネントアレイとを備えている。光コンポーネントアレイは、前記局発光をコリメートするコリメータと、当該コリメートされた局発光とＮ個の出力光ビームとを合波して合波光を発生させるＮ個のタップミラーと、当該合波光を電気信号に変換する光検出器とを含む。この位相同期レーザ装置は、さらに、光検出器の出力信号から位相変調制御用のＮ個のディザリング信号を分離するＮ個の周波数弁別回路を備えている。
特開２０００−３２３７７４号公報（たとえば、図１参照） 特開２０１４−２１６４１８号公報（たとえば、図１及び図２参照）
特許文献２の位相同期レーザ装置では、局発光との合波に必要な光学部品の構成を小規模化することが可能である。しかしながら、上述のとおり、光検出器が合波光を電気信号に変換し、Ｎ個の周波数弁別回路がその光検出器の出力信号から位相変調制御用のＮ個のディザリング信号を分離しているので、信号数Ｎは、光検出器の帯域特性とＮ個の周波数弁別回路の帯域特性とにより制限されるという課題がある。
上記に鑑みて本発明の目的は、信号数を多くすることができ、コヒーレントビーム結合に必要な装置構成を小規模化することもできるレーザ装置を提供する点にある。
本発明の一態様によるレーザ装置は、基準レーザ光を局発光と複数の光信号とに分配する光分配器と、入力された複数の光位相制御信号に従って前記複数の光信号にそれぞれ可変位相制御を施して複数の位相制御光信号を生成する複数の光位相制御器と、前記複数の位相制御光信号を増幅して複数の増幅光信号を生成する複数の光増幅器と、前記複数の増幅光信号をコリメートして複数の光ビームを形成するとともに、前記複数の増幅光信号を部分的に反射させて前記複数の光ビームの伝搬方向とは逆方向に伝搬する複数の部分反射光信号を生成する前置光学系と、前記光分配器から入力された前記局発光を前記前置光学系の方向に反射させることにより前記局発光を前記複数の部分反射光信号と合波させる反射光学系と、前記複数の部分反射光信号と前記局発光との合波により発生した複数の干渉光信号をそれぞれ複数の電気信号に変換する複数の光検出器と、前記複数の電気信号と基準信号との間の位相誤差を前記複数の光位相制御器により補償させるための複数の制御信号を前記複数の光位相制御信号として生成する複数の位相同期回路とを備えることを特徴とする。
本発明の一態様によれば、複数の光検出器は、前置光学系から逆方向に伝搬する複数の部分反射光信号と局発光との合波により発生した複数の干渉光信号をそれぞれ複数の電気信号に変換する。複数の位相同期回路は、複数の電気信号に基づいて位相誤差補償用の複数の光位相制御信号を生成することができる。よって、光信号の信号数が光検出器の帯域特性に制限される度合いが低いことから、信号数を多くすることができ、コヒーレントビーム結合に必要な装置構成を小規模化することができる。
本発明に係る実施の形態１のレーザ装置の概略構成を示す図である。 実施の形態１の要素回路の構成例を概略的に示す図である。 本発明に係る実施の形態２のレーザ装置の概略構成を示す図である。 実施の形態２の光コリメータの構成例を概略的に示す図である。 本発明に係る実施の形態３のレーザ装置の概略構成を示す図である。 実施の形態３の要素回路の構成例を概略的に示す図である。 本発明に係る実施の形態４のレーザ装置の概略構成を示す図である。 図８Ａ〜図８Ｃは、実施の形態４に係る出力光のビームパターンの例を示す図である。 本発明に係る実施の形態５のレーザ装置の概略構成を示す図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る種々の実施の形態について詳細に説明する。なお、図面全体において同一符号を付された構成要素は、同一構成及び同一機能を有するものとする。
実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１のレーザ装置１の概略構成を示す図である。図１に示されるようにレーザ装置１は、単一周波数の基準レーザ光を出力する基準光源１０と、基準レーザ光を局発光とＮ個の光信号（Ｎは２以上の正整数）とに分配する光分配器１１と、局発光の光周波数をシフトさせる光周波数シフタ１４と、当該Ｎ個の光信号にそれぞれ可変位相変調（可変位相制御）を施してＮ個の位相変調光信号（位相制御光信号）を生成する光フェーズドアレイとして機能する回路アレイ２０と、要素回路２１１〜２１Ｎから入力されたＮ個の位相変調光信号をコリメートする前置光学系３０と、前置光学系３０から入力されたＮ個のコリメート光ビームの束ＯＬを空間に出力するビーム結合光学系（反射光学系）４０と、光位相制御に必要な信号処理を行う信号処理部５０と、要素回路２１１〜２１Ｎに供給すべき位相制御信号を生成する制御信号生成部５３とを備えている。
基準光源１０と光分配器１１とは、光ファイバなどの光路を介して互いに接続されている。基準光源１０としては、たとえば、シングルモードで発振する狭線幅レーザ光源が使用可能である。
光分配器１１は、２個の光スプリッタ１２，１３により構成されている。光スプリッタ１２は、基準光源１０から入力された基準レーザ光を局発光（局部発振光）と信号光とに分割し、局発光を光路を介して光周波数シフタ１４に供給し、信号光を光スプリッタ１３に供給する。光スプリッタ１３は、入力された信号光をＮ個の光信号に分割し、当該Ｎ個の光信号を、それぞれ、光ファイバなどの光路Ａ１，Ａ２，…，ＡＮを介して回路アレイ２０に供給する。
回路アレイ２０は、図１に示されるように並列に配置されたＮ個の要素回路２１１，２１２，…，２１Ｎにより構成されている。要素回路２１１，２１２，…，２１Ｎの一端は、それぞれ、光路Ａ１，Ａ２，…，ＡＮの光出力端と光学的に結合されている。また、要素回路２１１，２１２，…，２１Ｎの他端は、光ファイバなどの光路Ｂ１，Ｂ２，…，ＢＮとそれぞれ光学的に結合されている。要素回路２１１〜２１Ｎは、同一構成を有し、光路Ａ１〜ＡＮから入力された光信号に可変位相変調（可変位相制御）を施してＮ個の位相変調光信号（位相制御光信号）を生成する機能と、Ｎ個の位相変調光信号を増幅する機能とを有している。
図２は、要素回路２１１〜２１Ｎのうちのｎ番目の要素回路２１ｎの概略構成の一例を示す図である。ここで、添え字ｎは１〜Ｎの範囲内の整数である。図２に示されるように要素回路２１ｎは、光位相変調器６１ｎ、光増幅器６２ｎ、光サーキュレータ６３ｎ、光電変換器６４ｎ及び位相同期回路６５ｎを備えて構成されている。
光位相変調器６１ｎは、位相同期回路６５ｎから供給された光位相制御信号ＭＣｎに従って動作する可変位相制御器である。光位相変調器６１ｎは、光路Ａｎから入力された光信号の位相を変調して位相変調光信号を生成する。このような光位相変調器６１ｎとしては、たとえば、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）位相変調器または半導体光変調器が使用可能である。光増幅器６２ｎは、光位相変調器６１ｎの光出力を増幅し、その結果得られた増幅光信号（増幅された位相変調光信号）を光サーキュレータ６３ｎを介して光路Ｂｎに出力する。
光サーキュレータ６３ｎは、光増幅器６２ｎから入力された増幅光信号を光路Ｂｎにのみ出力し、光路Ｂｎから入力された光信号を光電変換器６４ｎにのみ出力する光非相反素子である。言い換えれば、光サーキュレータ６３ｎは、光増幅器６２ｎから入力された増幅光信号と、光路Ｂｎから入力された光信号と分離する機能を有している。光電変換器６４ｎは、当該光信号を電気信号ＢＳｎに変換し、電気信号ＢＳｎを位相同期回路６５ｎに出力する。光電変換器６４ｎとしては、たとえばフォトダイオードが使用可能である。
位相同期回路６５ｎは、基準信号源７１ｎ、可変移相器７２ｎ、位相比較器７３ｎ、ループフィルタ７４ｎ及び信号生成器７５ｎを有している。基準信号源７１ｎは、制御信号生成部５３から供給された同期信号ＳＳｎに従って動作し、高周波帯の基準周波数をもつ基準信号（基準発振波）ＲＳｎを可変移相器７２ｎに出力する。同期信号ＳＳｎは、要素回路２１１〜２１Ｎ間の同期をとるための信号である。
可変移相器７２ｎは、制御信号生成部５３から供給された位相制御信号ＰＣｎに従って動作し、基準信号ＲＳｎの位相をシフトさせて移相信号ＰＳＳｎを生成する。位相シフト量は、位相制御信号ＰＣｎにより制御される。位相比較器７３ｎは、光電変換器６４ｎから入力された電気信号ＢＳｎと移相信号ＰＳＳｎとの間の位相誤差に応じた電流または電圧をもつ位相誤差信号をループフィルタ７４ｎに出力する。ループフィルタ７４ｎは、位相比較器７３ｎの出力をフィルタリングして制御電圧を生成する。そして、信号生成器７５ｎは、ループフィルタ７４ｎから入力された制御電圧に応じた発振周波数をもつ光位相制御信号ＭＣｎを光位相変調器６１ｎに供給することができる。なお、図２に示した位相同期回路６５ｎの構成は一例であり、これに限定されるものではない。
図１を参照すると、前置光学系３０は、Ｎ個の光コリメータ３１１，３１２，…，３１Ｎと、部分反射器３４とを有している。光コリメータ３１１，３１２，…，３１Ｎは、光路Ｂ１，Ｂ２，…，ＢＮから入力された増幅光信号（増幅された位相変調光信号）をコリメートしてＮ個の光ビームをそれぞれ形成し、Ｎ個の光ビームを部分反射器３４に空間出力する。光コリメータ３１１，３１２，…，３１Ｎとしては、光コリメートレンズが使用されればよい。
部分反射器３４は、入力されたＮ個の光ビームの大部分を透過させると同時に、当該Ｎ個の光ビームを部分的に反射させて逆方向に伝搬するＮ個の部分反射光信号を生成する。Ｎ個の部分反射光信号は、それぞれ、光コリメータ３１１〜３１Ｎを介して光路Ｂ１〜ＢＮに戻る。部分反射器３４としては部分反射ミラーが使用されればよい。
ビーム結合光学系４０は、部分反射器３４から入力されたＮ個の光ビームの束ＯＬを空間に出力する光ビームスプリッタ４１と、光周波数シフタ１４から入力された周波数変調光（周波数変調された局発光）をコリメートする光コリメータ４２とを有する。光ビームスプリッタ４１は、コリメートされた周波数変調光を前置光学系３０の方向に反射させる。これにより、Ｎ個の部分反射光信号と周波数変調光との合波によってＮ個の干渉光信号（光ビート信号）が発生する。
図２を参照すると、光サーキュレータ６３ｎは、光増幅器６２ｎから入力された増幅光信号と光路Ｂｎから入力された干渉光信号とを分離し、干渉光信号を光電変換器６４ｎに出力する。光電変換器６４ｎは、干渉光信号を電気信号（ビート信号）ＢＳｎに変換し、電気信号ＢＳｎを位相同期回路６５ｎの位相比較器７３ｎのスレイブポートに出力する。位相比較器７３ｎは、自己の基準ポートに入力された移相信号ＰＳＳｎと電気信号ＢＳｎとの間の位相誤差を検出し、その結果得られた位相誤差信号をループフィルタ７４ｎに出力する。ループフィルタ７４ｎは、位相誤差信号をフィルタリングして制御電圧を生成する。そして、信号生成器７５ｎは、ループフィルタ７４ｎから入力された制御電圧に応じた発振周波数をもつ光位相制御信号ＭＣｎを光位相変調器６１ｎに供給する。これにより、位相同期が確立する。
図１に示される信号処理部５０は、所望のＦＦＰ（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ）に基づいて要素回路２１１〜２１Ｎそれぞれについて位相を算出する。制御信号生成部５３は、その算出結果に応じた位相制御信号ＰＣ１〜ＰＣＮを、要素回路２１１〜２１Ｎの可変移相器７２１〜７２Ｎに供給することができる。
以上に説明したように実施の形態１では、前置光学系３０において逆方向に伝搬するＮ個の部分反射光信号が生成される。要素回路２２１〜２２Ｎの光電変換器（光検出器）６４１〜６４Ｎは、Ｎ個の部分反射光信号と局発光との合波により発生したＮ個の干渉光信号をそれぞれ電気信号（ビート信号）ＢＳ１〜ＢＳＮに変換し、位相同期回路６６１〜６６Ｎは、電気信号ＢＳ１〜ＢＳＮに基づいて位相誤差補償用の光位相制御信号ＭＣ１〜ＭＣＮを生成することができる。信号数Ｎが光電変換器（光検出器）６４１〜６４Ｎの帯域特性に制限される度合いが低いことから、信号数Ｎを多くすることができ、コヒーレントビーム結合に必要な装置構成を小規模化することができる。
また、干渉光信号は同軸光路Ｂ１〜ＢＮを伝搬するので、光電変換器６４１〜６４Ｎのアラインメントに起因する受光効率の劣化をなくすことができる。信号数Ｎが多い場合でも、受光効率の劣化なく位相誤差の検出が可能である。したがって、容易に製造可能で、小型かつ耐環境性に優れたレーザ装置１を提供することができる。
なお、実施の形態１では、光位相制御に光位相変調器６１１〜６１Ｎが使用されているが、これに限定されるものではない。実施の形態１及び下記の実施の形態２〜５において、光位相変調器６１１〜６１Ｎに代えて光周波数シフタが使用されてもよい。
また、実施の形態１では、ヘテロダイン検波による位相誤差検出のために光周波数シフタ１４が使用されているが、これに限定されるものではない。実施の形態１及び下記の実施の形態２〜５において、ホモダイン検波による位相誤差検出が行われる場合には、光周波数シフタ１４は不要である。
実施の形態２．
次に、本発明に係る実施の形態２について説明する。図３は、本発明に係る実施の形態２のレーザ装置２の概略構成を示す図である。上記のとおり、実施の形態１では、部分反射光信号の生成のために部分反射器３４が使用されている。これに対し、本実施の形態では、部分反射器３４を使用せずに部分反射光信号が生成される。
図３に示されるレーザ装置２の構成は、実施の形態１の前置光学系３０に代えて前置光学系３０Ａを有する点を除いて、実施の形態１のレーザ装置１の構成と同じである。
図３に示される前置光学系３０Ａは、光路Ｂ１，Ｂ２，…，ＢＮの端部に接続されたＮ個の光コリメータ３２１，３２２，…，３２Ｎを有している。図４は、光コリメータ３２１〜３２Ｎのうちのｎ番目の光コリメータ３２ｎの概略構成を示す図である。
図４に示される光コリメータ３２ｎは、光ファイバなどの光路Ｂｎの端部と光学的に結合された光接続器３５ｎと、光接続器３５ｎの出射光をコリメートして光ビームを形成するコリメートレンズ３６ｎとを有している。光接続器３５ｎは、光路Ｂｎを伝搬した位相変調光信号ＳＬを空間出力する。コリメートレンズ３６ｎは、光接続器３５ｎの光出射端から焦点距離だけ離れた位置に設置されており、光接続器３５ｎの出射光をコリメート光ビームに変換する。
光接続器３５ｎは、光路Ｂｎから入力された位相変調光信号（位相制御光信号）ＳＬの大部分を透過させると同時に、当該位相変調光信号ＳＬのフレネル反射を生じさせて部分反射光信号（フレネル反射光）ＲＬを生成する。
光接続器３５ｎの端では、光ファイバなどの光路Ｂｎの伝搬媒質と空気との屈折率の差によりフレネル反射が生ずる。一般的に用いられる光ファイバコネクタの端面としては、たとえば、フラット研磨された端面、及び斜め研磨された端面が挙げられる。フラット研磨された端面では約２０ｄＢの反射光が生じ、斜め研磨された端面では約６０ｄＢの反射光が生じる。端面の研磨方法は、光増幅器６２ｎの性能に応じて決定することができる。たとえば、光増幅器６２ｎの出力光パワーが２０ｄＢｍ程であれば、フラット研磨の端面を選択することで一定の受光パワーを得ることができる。光増幅器６２ｎの出力光パワーが４０ｄＢｍ以上の場合には、斜め研磨あるいはＳＰＣ（Ｓｕｐｅｒ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｏｎｔａｃｔ）研磨を選択することで一定の受光パワーを得ることが可能である。
実施の形態１の場合と同様に、当該部分反射光信号ＲＬと周波数変調光（周波数変調された局発光）ＬＬとの合波によって干渉光信号（光ビート信号）が発生する。要素回路２１ｎは、干渉光信号に基づいて位相誤差を補償することができる。
以上に説明したように実施の形態２では、部分反射光信号を得るための空間光学系の部品が不要となるので、堅牢性が高く、アライメントフリーなレーザ装置２を提供することができる。また、回路アレイ２０すなわち光フェーズドアレイにおいて隣接する光信号間の漏れ光による干渉の影響も排除することができるので、要素回路２１１〜２１Ｎの間隔を密にすることができる。さらに光フェーズドアレイの光合成効率は当該間隔とビーム径の比とによって求まるので、本実施の形態の構成を用いることで高い合成効率の光フェーズドアレイを実現することが可能となる。
実施の形態３．
次に、本発明に係る実施の形態３について説明する。図５は、本発明に係る実施の形態３のレーザ装置３の概略構成を示す図である。本実施の形態のレーザ装置３の構成は、実施の形態２のビーム結合光学系４０に代えてビーム結合光学系４０Ａを有し、信号処理部５０及び制御信号生成部５３の組に代えて信号処理部５１及び制御信号生成部５４の組を有し、回路アレイ２０に代えて回路アレイ２０Ａを有する点を除いて、実施の形態２のレーザ装置２の構成と同じである。
図５に示されるビーム結合光学系４０Ａの構成は、光コリメータ４２と光ビームスプリッタ４１との間の空間に空間光変調器４３が介在する点を除いて、実施の形態２のビーム結合光学系４０の構成と同じである。空間光変調器４３は、光コリメータ４２から入力されたコリメート光を空間的に変調して空間変調光を生成する。この空間変調光を使用することにより、光フェーズドアレイとして機能する回路アレイ２０の出力波面の位相を一括変換することが可能となる。
信号処理部５１は、所望のＦＦＰに基づいて出力波面の位相を算出する。制御信号生成部５４は、その算出結果に応じた変調制御信号ＰＣを空間光変調器４３に供給する。これにより、実施の形態１，２の位相同期回路６５１〜６５Ｎの内部の可変移相器７２１〜７２Ｎ（図２）が不要となる。
本実施の形態の回路アレイ２０Ａは、図５に示されるように、並列に配置されたＮ個の要素回路２２１，２２２，…，２２Ｎにより構成されている。要素回路２２１，２２２，…，２２Ｎの一端は、それぞれ、光路Ａ１，Ａ２，…，ＡＮの光出力端と光学的に結合されている。また、要素回路２２１，２２２，…，２２Ｎの他端は、光ファイバなどの光路Ｂ１，Ｂ２，…，ＢＮとそれぞれ光学的に結合される。
図６は、要素回路２２１〜２２Ｎのうちのｎ番目の要素回路２２ｎ（ｎは１〜Ｎの範囲内の整数）の概略構成の一例を示す図である。要素回路２２ｎは、光位相変調器６１ｎ、光増幅器６２ｎ、光サーキュレータ６３ｎ、光電変換器６４ｎ及び位相同期回路６６ｎを備えて構成されている。図６に示した要素回路２２ｎの構成は、実施の形態１，２の要素回路２１ｎから可変移相器７２ｎを除外して得られる構成と同じである。
図５を参照すると、光ビームスプリッタ４１は、空間光変調器４３から入力された空間変調光を前置光学系３０Ａの方向に反射させる。これにより、当該空間変調光は、前置光学系３０Ａに入力される。この結果、Ｎ個の部分反射光信号と空間変調光との合波によってＮ個の干渉光信号（光ビート信号）が発生する。このときに生ずる位相誤差は、合波が発生する位置での位相誤差である。本実施の形態における合波が発生する位置は、光接続器３５１〜３５Ｎの端（フレネル反射が発生する端）となる。
空間変調光の位相面は、位相同期回路６６１〜６６Ｎの位相比較器７３１〜７３Ｎにおいて当該要素回路２２１〜２２Ｎのオフセット位相誤差として認識される。したがって、基準信号源７１１〜７１Ｎに対して位相同期を確立した場合、空間変調光の位相面に対する逆位相面が、光フェーズドアレイの出力波面となる。
以上に説明したように実施の形態３のレーザ装置３は、空間変調光とＮ個の部分反射光信号との合波により生じたＮ個の干渉光信号（光ビート信号）に基づいて位相誤差を補償することができるので、回路アレイ２０Ａすなわち光フェーズドアレイのオフセット位相制御（波面制御）を一括して行うことができる。これにより、部品点数の削減及び装置構成の小型化が可能となる。
また、実施の形態３のレーザ装置３は、光フェーズドアレイの出力光ビームの束ＯＬの大気伝播後に生じた散乱光または受信光から、大気揺らぎによって生じる波面揺らぎを計測し補正するシステムに組み込まれることも可能である。たとえば、実施の形態３のレーザ装置３は、大気揺らぎに起因する波面の揺らぎを空間的な位相分布として検出する波面センサを備えた補償光学系（図示せず）に組み込まれることができる。この場合、本実施の形態の信号処理部５１は、当該波面センサの検出出力に基づき、制御信号生成部５４を制御して、当該位相分布に対応するオフセット位相を示す信号を変調制御信号ＰＣに加算させることができる。空間光変調器４３は、変調制御信号ＰＣに応じて、大気揺らぎに起因する波面揺らぎを補償することができる。従来、大気揺らぎの影響により当該散乱光または当該受信光の光強度の変動及び伝搬方向の変動が生ずることがあったが、本実施の形態は、大気揺らぎに起因する波面揺らぎを補償することにより、そのような光強度の変動及び伝搬方向の変動を抑制することができる。補償光学系の例としては、レーザガイドスターを生成しこれを利用するレーザガイド補償光学系が挙げられる。レーザガイドスターとは、高度約９０ｋｍの大気中にあるナトリウム層に高出力レーザ光を照射することにより生成される人工的なガイド星である。
実施の形態４．
次に、本発明に係る実施の形態４について説明する。上記した実施の形態１〜３では、回路アレイの個数が１つであったが、この個数に限定されるものではない。回路アレイ（サブアレイ）を複数備えた実施の形態もありうる。図７は、本発明に係る実施の形態４のレーザ装置４の概略構成を示す図である。
図７に示されるようにレーザ装置４は、２個の回路アレイ２０Ａ，２０Ｂと、基準光源１０と、基準レーザ光を局発光と２×Ｎ個の光信号（Ｎは２以上の正整数）とに分配する光分配器１１Ｃと、局発光の光周波数をシフトさせる光周波数シフタ１４と、前置光学系３０Ａ，３０Ｂと、ビーム結合光学系４０とを備える。また、レーザ装置４は、信号処理部５２及び制御信号生成部５５を備えている。
光分配器１１Ｃは、２個の光スプリッタ１２，１３Ｃにより構成されている。光スプリッタ１２は、基準光源１０から入力された基準レーザ光を局発光（局部発振光）と信号光とに分割し、局発光を光路を介して光周波数シフタ１４に供給し、信号光を光スプリッタ１３Ｃに供給する。光スプリッタ１３Ｃは、入力された信号光を２×Ｎ個の光信号に分割し、Ｎ個の光信号を光ファイバなどの光路Ａ１，Ａ２，…，ＡＮを介して回路アレイ２０Ａに供給し、残るＮ個の光信号を光ファイバなどの光路Ｃ１，Ｃ２，…，ＣＮを介して回路アレイ２０Ｂに供給する。
回路アレイ２０Ａは、光路Ｂ１，Ｂ２，…，ＢＮを介して前置光学系３０Ａと接続されており、回路アレイ２０Ｂは、光路Ｄ１，Ｄ２，…，ＤＮを介して前置光学系３０Ｂと接続されている。回路アレイ２０Ａ，２０Ｂの各構成は、実施の形態１の回路アレイ２０の構成と同一であり、前置光学系３０Ａ，３０Ｂの各構成は、実施の形態２の前置光学系３０Ａの構成と同じである。ここで、前置光学系３０Ａ，３０Ｂの各構成が実施の形態１の前置光学系３０の構成に変更されてもよい。
ビーム結合光学系４０の光ビームスプリッタ４１は、前置光学系３０Ａから入力されたＮ個の光ビームと前置光学系３０Ｂから入力されたＮ個の光ビームとを合波して出力光ビームの束ＯＬを生成することができる。本実施の形態では、実施形態１〜３で未使用であった、光ビームスプリッタ４１の透過光路が使用されるので、信号光パワーの劣化は生じないという利点がある。
図８Ａ〜図８Ｃは、出力光のビームパターンの例を示す図である。図８Ａは、７個の要素回路２１１〜２１７からなる回路アレイ２０Ａ及び前置光学系３０Ａにより生成された出力光のビームパターンＢＰ１を示し、図８Ｂは、７個の要素回路２１１〜２１７からなる回路アレイ２０Ｂ及び前置光学系３０Ｂにより生成された出力光のビームパターンＢＰ２を示している。図８Ｃは、光ビームスプリッタ４１の出力光のビームパターンを示している。図８Ｃに示されるようにビームパターンＢＰ１，ＢＰ２を互いに重なり合うように配置するうことができる。光フェーズドアレイの合成効率は要素回路間の距離とビーム径の比とによって求まる。本実施の形態を用いることで、コリメートレンズによる機械的制約を受けずにビーム間隔距離を近接させることができる。これにより、８０％以上の合成効率をもつ光フェーズドアレイを実現することが可能となる。
以上に説明したように実施の形態４では、低サイドローブと高い合成効率とをもつ光フェーズドアレイを実現することが可能となる。
以上、図面を参照して本発明に係る種々の実施の形態について説明した。上記実施の形態は本発明の例示であり、上記実施の形態以外の様々な実施の形態及びこれらの変形例がありうる。本発明の範囲内において、上記実施の形態の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
上記実施の形態は、光位相変調器６１ ｎ の光出力を増幅する光増幅器６２ ｎ を備えているが、この光増幅器６２ ｎ に代えて、光路Ａ ｎ から入力された光信号を増幅する光増幅器を備えていてもよい。
たとえば、実施の形態４のビーム結合光学系４０に代えて実施の形態３のビーム結合光学系４０Ａが使用される実施の形態もありうる。図９は、このような実施の形態のレーザ装置５の概略構成を示す図である。
また、上記した前置光学系３０，３０Ａ，３０Ｂでは、一般的なファイバコリメータが使用可能であるが、これに限定されるものではない。部分反射光信号を生成する反射端面を有するレンズであれば、任意のレンズが使用可能である。たとえば、屈折率分布型のグリンレンズ（ＧＲＩＮ ｌｅｎｓ：ＧＲａｄｉｅｎｔ ＩＮｄｅｘ ｌｅｎｓ）が使用されてもよい。
本発明に係るレーザ装置は、空間中にレーザ光を伝搬させることを必要とする様々な技術分野に利用可能である。たとえば、本発明に係るレーザ装置は、光空間通信技術、レーザ加工技術、レーザ計測技術、レーザ照明技術、レーザ顕微鏡技術及び大型望遠鏡の波面補償用のレーザガイドスター生成技術に利用することが可能である。
１〜５ レーザ装置、１０ 基準光源、１１，１１Ｃ 光分配器、１２，１３，１３Ｃ 光スプリッタ、１４ 光周波数シフタ、２０，２０Ａ〜２０Ｅ 回路アレイ、２１１〜２１Ｎ，２２１〜２２Ｎ 要素回路、３０ 前置光学系、３０Ａ，３０Ｂ 前置光学系、３１１〜３１Ｎ，３２１〜３２Ｎ 光コリメータ、３４ 部分反射器、３５ｎ 光接続器、３６ｎ コリメートレンズ、４０，４０Ａ ビーム結合光学系、４１ 光ビームスプリッタ、４２ 光コリメータ、４３ 空間光変調器、５０〜５２ 信号処理部、５３〜５５ 制御信号生成部、６１ｎ 光位相変調器、６２ｎ 光増幅器、６３ｎ 光サーキュレータ、６４ｎ 光電変換器（光検出器）、６５ｎ，６６ｎ 位相同期回路、７１ｎ 基準信号源、７２ｎ 可変移相器、７３ｎ 位相比較器、７４ｎ ループフィルタ、７５ｎ 信号生成器。

Claims (18)

  1. 基準レーザ光を局発光と複数の光信号とに分配する光分配器と、
    入力された複数の光位相制御信号に従って前記複数の光信号にそれぞれ可変位相制御を施して複数の位相制御光信号を生成する複数の光位相制御器と、
    前記複数の位相制御光信号を増幅して複数の増幅光信号を生成する複数の光増幅器と、
    前記複数の増幅光信号をコリメートして複数の光ビームを形成するとともに、前記複数の増幅光信号を部分的に反射させて前記複数の光ビームの伝搬方向とは逆方向に伝搬する複数の部分反射光信号を生成する前置光学系と、
    前記光分配器から入力された前記局発光を前記前置光学系の方向に反射させることにより前記局発光を前記複数の部分反射光信号と合波させる反射光学系と、
    前記複数の部分反射光信号と前記局発光との合波により発生した複数の干渉光信号をそれぞれ複数の電気信号に変換する複数の光検出器と、
    前記複数の電気信号と基準信号との間の位相誤差を前記複数の光位相制御器により補償させるための複数の制御信号を前記複数の光位相制御信号として生成する複数の位相同期回路と
    を備えることを特徴とするレーザ装置。
  2. 基準レーザ光を局発光と複数の光信号とに分配する光分配器と、
    前記複数の光信号を増幅して複数の増幅光信号を生成する複数の光増幅器と、
    入力された複数の光位相制御信号に従って前記複数の増幅光信号にそれぞれ可変位相制御を施して複数の位相制御光信号を生成する複数の光位相制御器と、
    前記複数の位相制御光信号をコリメートして複数の光ビームを形成するとともに、前記複数の位相制御光信号を部分的に反射させて前記複数の光ビームの伝搬方向とは逆方向に伝搬する複数の部分反射光信号を生成する前置光学系と、
    前記光分配器から入力された前記局発光を前記前置光学系の方向に反射させることにより前記局発光を前記複数の部分反射光信号と合波させる反射光学系と、
    前記複数の部分反射光信号と前記局発光との合波により発生した複数の干渉光信号をそれぞれ複数の電気信号に変換する複数の光検出器と、
    前記複数の電気信号と基準信号との間の位相誤差を前記複数の光位相制御器により補償させるための複数の制御信号を前記複数の光位相制御信号として生成する複数の位相同期回路と
    を備えることを特徴とするレーザ装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載のレーザ装置であって、前記前置光学系は、前記複数の部分反射光信号を生成する部分反射器を含むことを特徴とするレーザ装置。
  4. 請求項３に記載のレーザ装置であって、
    前記前置光学系は、前記複数の位相制御光信号をコリメートする複数の光コリメータを含み、
    前記部分反射器は、前記複数の光コリメータの光出力を部分的に反射させて前記複数の部分反射光信号を生成することを特徴とするレーザ装置。
  5. 請求項１または請求項２に記載のレーザ装置であって、前記前置光学系は、前記複数の位相制御光信号のフレネル反射を生じさせて前記複数の部分反射光信号を生成する複数の光接続器を含むことを特徴とするレーザ装置。
  6. 請求項５に記載のレーザ装置であって、前記前置光学系は、前記複数の光接続器の光出力をコリメートして前記複数の光ビームを形成する複数のコリメートレンズをさらに含むことを特徴とするレーザ装置。
  7. 請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載のレーザ装置であって、
    前記光分配器から入力された前記局発光を空間的に変調して空間変調光を生成する空間光変調器をさらに備え、
    前記反射光学系は、前記空間変調光を前記前置光学系の方向に反射させることにより前記空間変調光を前記複数の部分反射光信号と合波させる
    ことを特徴とするレーザ装置。
  8. 請求項１から請求項７のうちのいずれか１項に記載のレーザ装置であって、
    前記複数の位相制御光信号を前記前置光学系へ伝搬させるとともに、前記複数の干渉光信号を前記複数の位相制御光信号の伝搬方向とは逆方向へ伝搬させる複数の光ファイバと、
    前記複数の位相制御光信号と前記複数の干渉光信号とを分離する複数の光サーキュレータと
    をさらに備えることを特徴とするレーザ装置。
  9. 請求項１から請求項８のうちのいずれか１項に記載のレーザ装置であって、前記反射光学系は、光ビームスプリッタを含み、前記光ビームスプリッタは、前記局発光を前記前置光学系の方向に反射させることを特徴とするレーザ装置。
  10. 各々が複数の光位相制御器、複数の光増幅器、複数の光検出器及び複数の位相同期回路を含む複数の回路アレイと、
    基準レーザ光を、局発光と、前記複数の回路アレイの各々に供給すべき複数の光信号とに分配する光分配器と、
    前記複数の回路アレイにそれぞれ対応して設けられた複数の前置光学系と、
    反射光学系と
    を備え、
    前記複数の光位相制御器は、入力された複数の光位相制御信号に従って前記複数の光信号にそれぞれ可変位相制御を施して複数の位相制御光信号を生成し、
    前記複数の光増幅器は、前記複数の位相制御光信号を増幅して複数の増幅光信号を生成し、
    前記複数の前置光学系の各前置光学系は、前記複数の増幅光信号をコリメートして複数の光ビームを形成するとともに、前記複数の増幅光信号を部分的に反射させて前記複数の光ビームの伝搬方向とは逆方向に伝搬する複数の部分反射光信号を生成し、
    前記反射光学系は、前記光分配器から入力された前記局発光を前記各前置光学系の方向に反射させることにより前記局発光を前記複数の部分反射光信号と合波させ、
    前記複数の光検出器は、前記複数の部分反射光信号と前記局発光との合波により発生した複数の干渉光信号をそれぞれ複数の電気信号に変換し、
    前記複数の位相同期回路は、前記複数の電気信号と基準信号との間の位相誤差を前記複数の光位相制御器により補償させるための複数の制御信号を前記複数の光位相制御信号として生成する、
    ことを特徴とするレーザ装置。
  11. 各々が複数の光増幅器、複数の光位相制御器、複数の光検出器及び複数の位相同期回路を含む複数の回路アレイと、
    基準レーザ光を、局発光と、前記複数の回路アレイの各々に供給すべき複数の光信号とに分配する光分配器と、
    前記複数の回路アレイにそれぞれ対応して設けられた複数の前置光学系と、
    反射光学系と
    を備え、
    前記複数の光増幅器は、前記複数の光信号を増幅して複数の増幅光信号を生成し、
    前記複数の光位相制御器は、入力された複数の光位相制御信号に従って前記複数の増幅光信号にそれぞれ可変位相制御を施して複数の位相制御光信号を生成し、
    前記複数の前置光学系の各前置光学系は、前記複数の位相制御光信号をコリメートして複数の光ビームを形成するとともに、前記複数の位相制御光信号を部分的に反射させて前記複数の光ビームの伝搬方向とは逆方向に伝搬する複数の部分反射光信号を生成し、
    前記反射光学系は、前記光分配器から入力された前記局発光を前記各前置光学系の方向に反射させることにより前記局発光を前記複数の部分反射光信号と合波させ、
    前記複数の光検出器は、前記複数の部分反射光信号と前記局発光との合波により発生した複数の干渉光信号をそれぞれ複数の電気信号に変換し、
    前記複数の位相同期回路は、前記複数の電気信号と基準信号との間の位相誤差を前記複数の光位相制御器により補償させるための複数の制御信号を前記複数の光位相制御信号として生成する、
    ことを特徴とするレーザ装置。
  12. 請求項１０または請求項１１に記載のレーザ装置であって、前記各前置光学系は、前記複数の部分反射光信号を生成する部分反射器を含むことを特徴とするレーザ装置。
  13. 請求項１２に記載のレーザ装置であって、
    前記各前置光学系は、前記複数の位相制御光信号をコリメートする複数の光コリメータを含み、
    前記部分反射器は、前記複数の光コリメータの光出力を部分的に反射させて前記複数の部分反射光信号を生成することを特徴とするレーザ装置。
  14. 請求項１０または請求項１１に記載のレーザ装置であって、前記各前置光学系は、前記複数の位相制御光信号のフレネル反射を生じさせて前記複数の部分反射光信号を生成する複数の光接続器を含むことを特徴とするレーザ装置。
  15. 請求項１４に記載のレーザ装置であって、前記各前置光学系は、前記複数の光接続器の光出力をコリメートして前記複数の光ビームを形成する複数のコリメートレンズをさらに含むことを特徴とするレーザ装置。
  16. 請求項１０から請求項１５のうちのいずれか１項に記載のレーザ装置であって、
    前記光分配器から入力された前記局発光を空間的に変調して空間変調光を生成する空間光変調器をさらに備え、
    前記反射光学系は、前記空間変調光を前記各前置光学系の方向に反射させることにより前記空間変調光を前記複数の部分反射光信号と合波させる
    ことを特徴とするレーザ装置。
  17. 請求項１０から請求項１６のうちのいずれか１項に記載のレーザ装置であって、
    前記複数の位相制御光信号を前記各前置光学系へ伝搬させるとともに、前記複数の干渉光信号を前記複数の位相制御光信号の伝搬方向とは逆方向へ伝搬させる複数の光ファイバと、
    前記複数の位相制御光信号と前記複数の干渉光信号とを分離する複数の光サーキュレータと
    をさらに備えることを特徴とするレーザ装置。
  18. 請求項１０から請求項１７のうちのいずれか１項に記載のレーザ装置であって、前記反射光学系は、光ビームスプリッタを含み、前記光ビームスプリッタは、前記局発光を前記各前置光学系の方向に反射させることを特徴とするレーザ装置。
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