JP7143553B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

本開示は、信号光を空間に出射するレーザ装置に関する。

従来、コヒーレント結合（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ：ＣＢＣ）技術を用い、高出力なレーザ光である信号光を空間に出射するレーザ装置が知られている（例えば特許文献１参照）。ＣＢＣ技術は、単一のレーザ光を複数のレーザ光に分割し、それらのレーザ光を増幅してからコヒーレントに結合する技術である。

特開２０００－３２３７７４号公報

一方、従来のレーザ装置において、信号光を遠方の通信局又はターゲットに伝送する場合、信号光を遠方に集光するための望遠鏡光学系が必要である。

この望遠鏡光学系としては、振動等の周囲環境変動に強いカセグレン反射光学系が挙げられる。カセグレン反射光学系は、入射されたレーザ光のビーム径を拡大する副鏡と、副鏡による拡大後のレーザ光を空間に出射する主鏡とを有する。

しかしながら、従来のレーザ装置は、カセグレン反射光学系と組合わせて使用する場合、副鏡からの高出力な戻り光による発熱を回避する目的で、環状鏡を用いてレーザ光の中心部を取除いた上で副鏡に入射させる必要がある。よって、従来のレーザ装置は、カセグレン反射光学系と組合わせて使用すると、レーザ光の中心部を取除いた分、レーザ光の利用効率が低下する。

本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、カセグレン反射光学系と組合せて使用される場合でも、従来構成に対してレーザ光の利用効率を向上可能なレーザ装置を提供することを目的としている。

本開示に係るレーザ装置は、単一のレーザ光から得られた複数の信号光をサブアレイ化するサブアレイ化部と、レーザ光から得られた局発光を、光軸中心を除く位置に光が配置された形状に変換する空間分配部と、サブアレイ化部によるサブアレイ化後の信号光及び空間分配部による変換後の局発光を合波することで干渉信号光を生成し、当該干渉信号光を空間に出射する合波部とを備えたことを特徴とする。

本開示によれば、上記のように構成したので、カセグレン反射光学系と組合せて使用される場合でも、従来構成に対してレーザ光の利用効率を向上可能となる。

実施の形態１に係るレーザ装置の構成例を示す図である。 実施の形態１における要素回路の構成例を示す図である。 実施の形態１におけるコリメータアレイの構成例を示す図である。 実施の形態１に係るレーザ装置で用いられる信号光及び局発光による干渉信号光のビーム配置例を示すイメージ図である。 実施の形態２に係るレーザ装置の構成例を示す図である。 実施の形態２に係るレーザ装置で用いられる信号光及び局発光による干渉信号光のビーム配置例を示すイメージ図である。 実施の形態３に係るレーザ装置の構成例を示す図である。 実施の形態３における円錐プリズムの駆動例を示す図である。

以下、実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係るレーザ装置の構成例を示す図である。
レーザ装置は、図１に示すように、基準光源１、光分配器２、コリメータレンズ３、Ｋ個の回路アレイ４_ｋ、信号処理部５、制御信号生成部６、空間分配部７、導入結合部８及びカセグレン反射光学系９を備えている。ここで、ｋ＝１～Ｋであり、実施の形態１ではＫ＝２である。

基準光源１は、単一周波数のレーザ光を出力する。基準光源１としては、例えば、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２は、基準光源１により出力されたレーザ光を、単一の局発光及びＫ×Ｎ個の信号光に分配する。Ｎは２以上の自然数である。

基準光源１及び光分配器２は、光ファイバ等の光路を介して接続されている。

コリメータレンズ３は、光分配器２により得られた局発光をコリメート状態にする光学レンズである。

回路アレイ４_ｋは、光分配器２により得られた信号光のうちのＮ個の信号光に対し、それぞれ可変位相変調（可変位相制御）を施す光フェーズドアレイである。回路アレイ４_ｋは、図１に示すように、並列に配置されたＮ個の要素回路４１_ｋｎにより構成されている。ここで、ｎ＝１～Ｎである。

要素回路４１_ｋｎは、図２に示すように、光位相変調器（光位相制御器）４１１_ｋｎ、光増幅器４１２_ｋｎ、光サーキュレータ４１３_ｋｎ、光電変換器（光検出器）４１４_ｋｎ及び位相同期回路４１５_ｋｎを有している。また、位相同期回路４１５_ｋｎは、図２に示すように、基準信号源４１６_ｋｎ、可変移相器４１７_ｋｎ、位相比較器４１８_ｋｎ、ループフィルタ４１９_ｋｎ及び信号生成器４２０_ｋｎを有している。

光位相変調器４１１_ｋｎは、光分配器２により得られた信号光の位相を変調する可変位相制御器である。光位相変調器４１１_ｋｎにおける変調量は、位相同期回路４１５_ｋｎが有する信号生成器４２０_ｋｎにより生成された光位相制御信号に従った変調量である。光位相変調器４１１_ｋｎとしては、例えばＬＮ（ＬｉＮｂＯ_３）位相変調器又は半導体光変調器が使用可能である。

光増幅器４１２_ｋｎは、光位相変調器４１１_ｋｎによる位相変調後の信号光を増幅する。

光サーキュレータ４１３_ｋｎは、光増幅器４１２_ｋｎによる増幅後の信号光を、導入結合部８に出力する。また、光サーキュレータ４１３_ｋｎは、導入結合部８により反射された光を、光電変換器４１４_ｋｎに出力する。

光電変換器４１４_ｋｎは、光サーキュレータ４１３_ｋｎにより出力された光を電気信号に変換する。光電変換器４１４_ｋｎとしては、例えばフォトダイオードが使用可能である。

基準信号源４１６_ｋｎは、高周波帯の基準周波数をもつ電気信号（基準信号）を出力する。

可変移相器４１７_ｋｎは、基準信号源４１６_ｋｎにより出力された電気信号の位相をシフトさせる。可変移相器４１７_ｋｎにおける位相シフト量は、制御信号生成部６により生成された外部制御信号Ａ４１_ｋｎに従った位相シフト量である。

位相比較器４１８_ｋｎは、光電変換器４１４_ｋｎにより得られた電気信号と可変移相器４１７_ｋｎによる位相シフト後の電気信号との間の位相誤差に応じた電流又は電圧をもつ位相誤差信号を生成する。

ループフィルタ４１９_ｋｎは、位相比較器４１８_ｋｎにより生成された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。

信号生成器４２０_ｋｎは、ループフィルタ４１９_ｋｎにより生成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を生成する。

なお、図２に示した位相同期回路４１５_ｋｎの構成は一例であり、これに限定されない。

なお図１では、回路アレイ４_１が有する要素回路４１_１ｎの数及び回路アレイ４_２が有する要素回路４１_２ｎの数が、同数とされている。しかしながら、各回路アレイ４_ｋが有する要素回路４１_ｋｎの数は、異なっていてもよい。

光分配器２及び回路アレイ４_ｋは、光ファイバ等の光路を介して接続されている。

信号処理部５は、レーザ装置におけるＦＦＰ（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ）、又は、所望のカセグレン反射光学系９における出力光の波面形状に基づいて、回路アレイ４_ｋにおける位相シフト量を算出する。

制御信号生成部６は、信号処理部５による算出結果に基づいて、回路アレイ４_ｋが有する可変移相器４１７_ｋｎに対する外部制御信号Ａ４１_ｋｎを生成する。

空間分配部７は、コリメータレンズ３によりコリメート状態にされた局発光（コリメート光）を、光軸中心を除く位置に光が配置された形状に変換する。図１に示す空間分配部７は、円錐プリズム７１及び円錐プリズム７２から構成される。

円錐プリズム７１は、軸方向における一方の面が円錐状に構成され、他方の面が平面状に構成されたプリズムである。円錐プリズム７１は、上記他方の面がコリメータレンズ３の出射面に対向し、コリメータレンズ３によりコリメート状態にされた局発光を屈折させて空間分配する。

円錐プリズム７２は、軸方向における一方の面が円錐状に構成され、他方の面が平面状に構成されたプリズムである。円錐プリズム７２は、上記一方の面が円錐プリズム７１の上記一方の面に対向し、円錐プリズム７１による空間分配後の局発光を円環状の局発光に変換する。なお、円錐プリズム７２は、円錐レンズ、球面レンズ又はアクロマートレンズ等のレンズでもよい。

なお上記では、円錐プリズム７１及び円錐プリズム７２から構成された空間分配部７が、局発光を円環状に変換する場合を示した。しかしながら、これに限らず、空間分配部７は、プリズム又はレンズを用い、局発光を、円環状以外の環状、例えば角環状に変換してもよい。

導入結合部８は、回路アレイ４_ｋによる可変位相変調後の信号光をＮ個ずつＫセットにサブアレイ化し、当該サブアレイ化後の信号光及び空間分配部７により得られた局発光を合波して空間に出射する。導入結合部８は、図１に示すように、反射鏡８１_ｋ、コリメータアレイ８２_ｋ、ビームコンバイナ８３_ｋから構成されている。

反射鏡８１_ｋは、空間分配部７による変換後の局発光を反射する。反射鏡８１_ｋは、直角プリズムでもよい。

コリメータアレイ８２_ｋは、図３に示すように、Ｎ個の部分反射器８２１_ｋｎ及びＮ個の光コリメータ８２２_ｋｎを有している。

部分反射器８２１_ｋｎは、回路アレイ４_ｋによる可変位相変調後の信号光のうちの一部を反射し、残りを通過させる。上記反射は、部分反射器８２１_ｋｎに代えて、部分反射光学系又はファイバ端で生じるフレネル反射を利用して実現してもよい。また、部分反射器８２１_ｋｎは、ビームコンバイナ８３_ｋを通過した局発光を通過させる。
また上記では、上記可変位相変調後の信号光のうちの一部を反射する場合を示したが、これに限らず、当該信号光のうちの一部を屈折させてもよい。

光コリメータ８２２_ｋｎは、部分反射器８２１_ｋｎを通過した信号光をコリメート状態にする。

ビームコンバイナ８３_ｋは、コリメータアレイ８２_ｋによりコリメート状態にされた信号光と、反射鏡８１_ｋにより反射された局発光とを合波してカセグレン反射光学系９側へと出射する。また、ビームコンバイナ８３_ｋは、反射鏡８１_ｋにより反射された局発光の一部を通過させ、部分反射器８２１_ｋｎへと出射する。

これらの反射鏡８１_ｋ、コリメータアレイ８２_ｋ及びビームコンバイナ８３_ｋは、図４に示すように、アキシコン光学系９１の形状に合わせて、アキシコン光学系９１の中心部を避けて、円環状に配置される。図４において符号４０１は、信号光と局発光とが合波することで生成された干渉信号光を示している。

なお、導入結合部８は、「単一のレーザ光から得られた複数の信号光をサブアレイ化するサブアレイ化部」及び「サブアレイ化部によるサブアレイ化後の信号光及び空間分配部による変換後の局発光を合波することで干渉信号光を生成し、当該干渉信号光を空間に出射する合波部」に相当する。

カセグレン反射光学系９は、導入結合部８による合波後の光のビーム径を拡大又は縮小する。カセグレン反射光学系９は、図１に示すように、副鏡であるアキシコン光学系９１及び主鏡であるアキシコン光学系９２から構成される。

アキシコン光学系９１は、凸型の略円板形状に構成され、反射面９１１を有している。反射面９１１は、入射された光のビーム径（内径及び外径）を拡大する。反射面９１１は、曲面状に突き出し、曲面の頂点がアキシコン光学系９１の中心に位置するように構成されている。アキシコン光学系９１は、反射面９１１が導入結合部８と対向するように配置されている。

アキシコン光学系９２は、凹型の略円板形状に構成され、反射面９２１及び孔９２２を有している。反射面９２１は、アキシコン光学系９１による拡大後の光を空間に出射する。反射面９２１は、曲面状に窪み、曲面の頂点がアキシコン光学系９２の中心に位置するように構成されている。反射面９２１の径は、反射面９１１の径より大きい。孔９２２は、反射面９２１の頂点を軸心に構成された貫通孔である。アキシコン光学系９２は、孔９２２の軸心が、導入結合部８からの光の光軸に沿うように配置されている。また、アキシコン光学系９２は、反射面９２１が反射面９１１に対向し、且つ、反射面９２１の軸心が反射面９１１の軸心に一致するように配置されている。

なお図１では、レーザ装置がカセグレン反射光学系９を備えた場合を示した。しかしながら、これに限らず、カセグレン反射光学系９は、レーザ装置の外部に設けられていてもよい。
また図１では、レーザ装置が、基準光源１、光分配器２、コリメータレンズ３、Ｋ個の回路アレイ４_ｋ、信号処理部５及び制御信号生成部６を備えた場合を示した。しかしながら、これに限らず、基準光源１、光分配器２、コリメータレンズ３、Ｋ個の回路アレイ４_ｋ、信号処理部５及び制御信号生成部６は、レーザ装置の外部に設けられていてもよい。

実施の形態１に係るレーザ装置は、従来構成に対し、空間分配部７及び導入結合部８及びカセグレン反射光学系９を付加している。
そして、実施の形態１に係るレーザ装置は、単一の局発光を空間分配部７にて、光軸中心を除く位置に光が配置された形状に変換し、導入結合部８にて、カセグレン反射光学系９の側面から複数のサブアレイ化した信号光を導入し、コヒーレントに合成する。
これにより、実施の形態１に係るレーザ装置は、カセグレン反射光学系９の主鏡であるアキシコン光学系９２に蹴られなくビームを配置可能となる。

実施の形態１に係るレーザ装置は、従来構成と比較し、以下のような効果を奏する。

まず、従来構成は、アキシコン光学系を構成する副鏡からの反射戻り光を回避するため、環状鏡によりレーザ光の中心部を取除く必要があり、レーザ光の利用効率が低下する。これに対し、実施の形態１に係るレーザ装置は、光軸中心を除く位置に光が配置された形状に変換した局発光と複数のサブアレイ化後の信号光とを結合させ、カセグレン反射光学系９に入射する。これにより、このレーザ装置は、レーザ光の中心部を取除くことなくビームを生成でき、レーザ光の利用効率を向上可能となる。

また、従来構成は、複数のサブアレイ化された信号光をコヒーレント結合する場合、各信号光のビーム範囲の全てをカバーするため、局発光のビーム径を拡大して均一な振幅及び位相を維持した局発光を生成する必要又はビームスプリッタを大型化する必要があった。この場合、従来構成では、サブアレイ数の増加と共に、波面歪み又は光学アライメント誤差に起因して位相雑音が生じる。これに対し、実施の形態１に係るレーザ装置は、局発光を、光軸中心を除く位置に光が配置された形状に変換する。これにより、このレーザ装置は、信号光と結合される局発光のビーム径を小さくできるため、位相雑音を抑制でき、サブアレイ数を増加可能となる。

以上のように、この実施の形態１によれば、レーザ装置は、単一のレーザ光から得られた複数の信号光をサブアレイ化するサブアレイ化部と、レーザ光から得られた局発光を、光軸中心を除く位置に光が配置された形状に変換する空間分配部７と、サブアレイ化部によるサブアレイ化後の信号光及び空間分配部７による変換後の局発光を合波することで干渉信号光を生成し、当該干渉信号光を空間に出射する合波部とを備えた。これにより、実施の形態１に係るレーザ装置は、カセグレン反射光学系９と組合せて使用される場合でも、従来構成に対し、出力スケーラビリティを確保でき且つ出力光の利用効率の向上が可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１に係るレーザ装置では、信号光のサブアレイ数が２（Ｋ＝２）である場合を示したが、これに限らない。実施の形態２に係るレーザ装置では、信号光のサブアレイ数（Ｋ）を２以上の自然数に拡張し、出力光の出射強度向上を図った構成を示す。

図５は実施の形態２に係るレーザ装置の構成例を示す図である。この図５に示す実施の形態２に係るレーザ装置の構成例は、図１に示す実施の形態１に係るレーザ装置の構成例に対し、信号光のサブアレイ数が異なる点以外は同じである。

なお、実施の形態２に係るレーザ装置では、回路アレイ４_ｋ、反射鏡８１_ｋ、コリメータアレイ８２_ｋ及びビームコンバイナ８３_ｋが、信号光のサブアレイ数分配置される。また、反射鏡８１_ｋ、コリメータアレイ８２_ｋ及びビームコンバイナ８３_ｋは、図６に示すように、アキシコン光学系９１の形状に合わせて、アキシコン光学系９１の中心部を避けて、環状に配置される。図６において符号６０１は、信号光と局発光とが合波することで生成された干渉信号光を示している。

実施の形態２に係るレーザ装置は、従来構成及び実施の形態１に係るレーザ装置と比較し、以下のような効果を奏する。

まず、従来構成では、ビームスプリッタを用いて信号光と局発光を合波しているため、加算できる信号光サブアレイ数は２に制限されていた。これに対し、実施の形態２に係るレーザ装置は、信号光のサブアレイ数を２以上で、隙間なく配置して合成させることができるため、レーザ光を高出力化することができる。更に、このレーザ装置は、レーザ光の中心部を取除くことなくビームを生成できるため、高い合成効率の光フェーズドアレイを実現できる。

また、実施の形態２に係るレーザ装置は、信号光と局発光の合波光を２以上のサブアレイ数で任意に配置することができる。更に、このレーザ装置は、各要素回路４１_ｋｎが有する可変移相器４１７_ｋｎに対して、任意の外部制御信号Ａ４１_ｋｎを印加することができる。よって、このレーザ装置は、反射鏡８１_ｋ、コリメータアレイ８２_ｋ及びビームコンバイナ８３_ｋの配置数又は可変移相器４１７_ｋｎに対する外部制御信号Ａ４１_ｋｎが適切に設計されることで、従来構成又は実施の形態１に係るレーザ装置と比較し、多様な位相分布をもつ出力光を生成することができる。

実施の形態３．
実施の形態３では、空間分配部７が有する円錐プリズム７２に対し、外部制御による駆動機構を付加し、カセグレン反射光学系９から出射される光のビーム径の可変機能を付加した構成を示す。
図７は実施の形態３に係るレーザ装置の構成例を示す図である。この図７に示す実施の形態３に係るレーザ装置は、図５に示す実施の形態２に係るレーザ装置に対し、信号処理部１０及び駆動制御部１１が追加されている。その他の構成は、実施の形態２に係るレーザ装置と同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。

信号処理部１０は、所望のビーム径に応じて、円錐プリズム７２の駆動量を算出する。

駆動制御部１１は、信号処理部１０により算出された駆動量で、円錐プリズム７２を光軸方向に駆動する。

図８は、円錐プリズム７１と円錐プリズム７２との配置例を示す図である。
円錐プリズム７１と円錐プリズム７２との間の距離が変わると、局発光のビーム径が変化する。よって、実施の形態２に係るレーザ装置は、円錐プリズム７２を光軸方向に駆動することで、カセグレン反射光学系９から出射される光のビーム径を変えることができる。図８において、符号８０１は円錐プリズム７２の駆動方向を示し、符号８０２は空間分配部７による変換後の局発光のビーム径を示している。

なお図７，８では、駆動制御部１１が円錐プリズム７２を駆動する場合を示した。しかしながら、これに限らず、駆動制御部１１は、円錐プリズム７２ではなく、円錐プリズム７１を駆動してもよいし、円錐プリズム７１及び円錐プリズム７２の両方を駆動してもよい。

また図７，８では、空間分配部７が円錐プリズム７１及び円錐プリズム７２により構成された場合を示した。しかしながら、空間分配部７がその他のプリズム又はレンズにより構成された場合についても、上記と同様に、信号処理部１０及び駆動制御部１１による制御を付加可能である。

また、信号処理部１０及び駆動制御部１１は、「光学素子のうちの少なくとも１つを軸方向に駆動することで、空間分配部による変換後の局発光のビーム径を変える調整部」に相当する。

実施の形態３に係るレーザ装置は、従来構成、実施の形態１及び実施の形態２に係るレーザ装置と比較し、カセグレン反射光学系９を構成する大型なアキシコン光学系９１及びアキシコン光学系９２を駆動することなく、カセグレン反射光学系９から出射される光のビーム径を変えることができる。

なお、各実施の形態の自由な組合わせ、或いは各実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

本開示に係るレーザ装置は、カセグレン反射光学系と組合せて使用される場合でも、従来構成に対してレーザ光の利用効率の向上が可能となり、信号光を空間に出射するレーザ装置等に用いるのに適している。

１ 基準光源、２ 光分配器、３ コリメータレンズ、４_ｋ 回路アレイ、５ 信号処理部、６ 制御信号生成部、７ 空間分配部、８ 導入結合部、９ カセグレン反射光学系、１０ 信号処理部、１１ 駆動制御部、４１_ｋｎ 要素回路、７１ 円錐プリズム、７２ 円錐プリズム、８１_ｋ 反射鏡、８２_ｋ コリメータアレイ、８３_ｋ ビームコンバイナ、９１ アキシコン光学系、９２ アキシコン光学系、４１１_ｋｎ 光位相変調器、４１２_ｋｎ 光増幅器、４１３_ｋｎ 光サーキュレータ、４１４_ｋｎ 光電変換器、４１５_ｋｎ 位相同期回路、４１６_ｋｎ 基準信号源、４１７_ｋｎ 可変移相器、４１８_ｋｎ 位相比較器、４１９_ｋｎ ループフィルタ、４２０_ｋｎ 信号生成器、８２１_ｋｎ 部分反射器、８２２_ｋｎ 光コリメータ。

Claims (6)

1. 単一のレーザ光から得られた複数の信号光をサブアレイ化するサブアレイ化部と、
   前記レーザ光から得られた局発光を、光軸中心を除く位置に光が配置された形状に変換する空間分配部と、
   前記サブアレイ化部によるサブアレイ化後の信号光及び前記空間分配部による変換後の局発光を合波することで干渉信号光を生成し、当該干渉信号光を空間に出射する合波部と
   を備えたレーザ装置。
2. 光位相制御信号に従い、前記レーザ光から得られた複数の信号光に対して可変位相制御を施す光位相制御器と、
   前記光位相制御器による可変位相制御後の信号光を部分的に反射又は屈折させ、当該部分的に反射又は屈折させた信号光及び前記レーザ光から得られた局発光の合波により生成された干渉信号光を電気信号に変換する光検出器と、
   前記光検出器により得られた電気信号と基準信号との間の位相誤差に基づいて、前記光位相制御信号を生成する位相同期回路とを備え、
   前記サブアレイ化部は、前記光位相制御器による可変位相制御後の信号光をコリメートし、当該コリメート後の信号光をサブアレイ化する
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
3. 前記空間分配部は、プリズム又はレンズを含む複数の光学素子を用いて構成された
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
4. 前記空間分配部は、円錐プリズム又は円錐レンズを含む複数の光学素子を用い、前記レーザ光から得られた局発光を円環状に変換する
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
5. 前記光学素子のうちの少なくとも１つを軸方向に駆動することで、前記空間分配部による変換後の局発光のビーム径を変える調整部を備えた
   ことを特徴とする請求項４記載のレーザ装置。
6. 前記合波部により出射された干渉信号光のビーム径を拡大又は縮小させるカセグレン反射光学系を備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のうちの何れか１項記載のレーザ装置。

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