JP7394763B2 - 非線形スペクトル圧縮ファイバ増幅器のためのam/fmシード - Google Patents
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Description
[0001] 本発明は、エア・フォース・リサーチ・ラボラトリから付与された契約第FA9451-18-C-0101号の下で、政府の支援を受けてなされた。政府は、この発明の特定の権利を有する。
分野
[0002] 本開示は、一般に、高い出力および狭い線幅を有するファイバ・レーザ増幅器に関するものであり、より具体的には、電気光学変調器(EOM)を含むファイバ・レーザ増幅器システムに関するものであり、EOMは、シード・ビームへ周波数変調(FM)信号を印加してその線幅を拡げ、また、FM信号と同期されるシード・ビームへ振幅変調(AM)信号を印加するものであり、変調されたシード・ビームは、非線形ファイバ増幅器により増幅され、それにより、シード・ビームが増幅器を通って伝搬するときにシード・ビームを位相変調する自己位相変調が、ビームの周波数変調をキャンセルして、元のシード・ビームのスペクトルを回復させる。
[0003] 高出力レーザ増幅器には、工業、商業、軍事などを含む多くの応用がある。それら及び他の応用のために、レーザ増幅器の設計者は、レーザ増幅器のパワーを増加させる方法を継続的に研究している。1つの既知のタイプのレーザ増幅器は、ドープト・ファイバを用いるファイバ・レーザ増幅器であり、ドープト・ファイバは、シード・ビームと、シード・ビームを増幅するポンプ・ビームとを受け取り、高出力レーザ・ビームを生成するものであり、このファイバは、約10-20μmまたはそれより大きいアクティブ・コア直径を有する。
f(t)=sin(ωmt)
であり、ここにおいて、
ωmt/2π
は変調周波数であり、32GHzとすることができ、これは、溶融シリカ繊維におけるSBSに起因するストークス周波数シフトの2倍である。しかし、様々な応用において他の高周波数正弦波駆動信号を用いることも可能なことに、留意されたい。より一般的には、駆動信号f(t)は、必ずしも正弦波である必要はなく、実際には、例えば、PRBSフォーマットや整形されたノイズ・スペクトルを含めての、任意の関数形式でよい。
(1-(β/B)f(t))1/2
は、シード・ビームの線幅の僅かな拡幅を提供するであろう。式(3)の検討から明らかなように、振幅変調は周波数変調と同期され、それにより振幅のピークは位相の谷と整列させられる。EOM24は、ビームの振幅変調を直接に提供するものであり、’252特許の場合のように振幅変調を提供するために分散に依存しないので、振幅変調の項
(1-(β/B)f(t))1/2
および周波数変調の項
eiβf(t)
は、高い変調深度β且つ/又は低い増幅器の非線形性Bの場合であっても、正確に整合させることができる。
(1-(β/B)f(t))1/2
から生じる小量の線幅拡幅のみを伴うが、ほぼ完全に回復される。増幅器28の入力と出力(それぞれ、フィールドE3(t)とE4(t))の間のスペクトルにおける変化は、或る長さのファイバ増幅器28における様々な位置からの後方散乱されたSBSのスペクトルの重複を低減させる。これは、変調の無いシード・スペクトルと比較して、SBSのスレッショルドを増加させる。換言すると、シード・ビームが周波数変調されたときの、フィールドE3(t)により表される該シード・ビームのスペクトル線幅が広くされている結果として、フィールドE4(t)により表される増幅されたビームの線幅とスペクトルが重複する、光の後方散乱が低減される。ビームがファイバ増幅器28を通って伝搬するときに、光パワーが、蓄積した自己位相変調によりスペクトル圧縮されると、SBSは増加するが、それは、ビームの伝搬の初期にスペクトル輝度の低下により制限される。
(1-(β/B)f(t))1/2
に従うように調節されることができる。この調節は、振幅変調の駆動電圧の変調度を変更すること、または増幅器28の後ろにパッシブ・デリバリ・ファイバを付加することの何れかにより行うことができ、これはB積分を増加させるものであり、または、増幅器28のパワーを変化させることにより行うことができ、これはB積分を比例的に変更するものである。
f(t)=sin(ωmt)
となるように選択し、ここにおいて、ωm/2π=32GHzである。β=2.4ラジアンという周波数変調度を選択することにより、FMフィールドE2(t)のスペクトル線幅は、~2βωm/2π=150GHzへと拡幅される。EOM24は、式(3)により記述された同期振幅変調を課し、それによりAM/FMフィールドは次のようになる。
Claims (18)
- ファイバ増幅器システムであって、
光学的なシード・ビームを提供する光学的ソースと、
前記シード・ビームと第1のRF駆動信号とに応答する周波数変調(FM)電気光学変調器(EOM)であって、前記シード・ビームのスペクトル線幅を拡幅するように、前記第1の駆動信号を用いて前記シード・ビームを周波数変調するFM EOMと、
前記シード・ビームと第2のRF駆動信号とに応答する振幅変調(AM)EOMであって、前記周波数変調されたシード・ビームと同期した振幅変調されたシード・ビームを提供するように、前記第2の駆動信号を用いて前記シード・ビームを振幅変調することで、前記周波数変調および振幅変調がなされたシード・ビームの振幅のピークが前記周波数変調および振幅変調がなされたシード・ビームの位相の谷と整列する、AM EOMと、
AM変調およびFM変調された前記シード・ビーム受け取り、前記シード・ビームを増幅する非線形ファイバ増幅器であって、前記振幅変調されたシード・ビームにより前記ファイバ増幅器において自己位相変調を生じさせ、前記シード・ビームが前記ファイバ増幅器により増幅されているときに前記シード・ビームを位相変調し、FM EOMにより生じさせられるスペクトル線幅の拡幅を相殺するように働かせる、非線形ファイバ増幅器と
を含むファイバ増幅器システム。 - 請求項1に記載のシステムであって、前記FM EOMと前記AM EOMとは別個の変調デバイスである、システム。
- 請求項1に記載のシステムであって、前記FM EOMと前記AM EOMとは1つに組み合わされた変調デバイスである、システム。
- 請求項1に記載のシステムであって、前記第1の駆動信号と前記第2の駆動信号とはシングル・トーン正弦波信号である、システム。
- 請求項4に記載のシステムであって、前記第1の駆動信号の振幅は、前記FM EOMにより前記シード・ビームの0次周波数からのパワーのほとんどを除去するように、選択される、システム。
- 請求項4に記載のシステムであって、前記第1の駆動信号の振幅は、前記FM EOMにより前記シード・ビームの0次および+/-1次の周波数において等しい振幅のパワーを生成するように、選択される、システム。
- 請求項4に記載のシステムであって、前記第1の駆動信号は32GHzの周波数を有する、システム。
- 請求項1に記載のシステムであって、周波数変調拡幅を提供するように前記シード・ビームを周波数変調する補助EOMを更に含むシステム。
- 請求項1に記載のシステムであって、前記光学的なソースはマスタ発振器である、システム。
- 請求項1に記載のシステムであって、前記ファイバ増幅器システムは、コヒーレント・ビーム結合(CBC)ファイバ増幅器システムまたはスペクトル・ビーム結合(SBC)ファイバ増幅器システムの一部である、システム。
- ファイバ増幅器システムであって、
光学的なシード・ビームを提供する光学的ソースと、
周波数変調拡幅を提供するために前記シード・ビームを周波数変調する補助電気光学変調器(EOM)と、
前記シード・ビームと、第1のRF駆動信号と、第2のRF駆動信号とに応答する、組み合わせ型の周波数変調(FM)および振幅変調(AM)EOMであって、前記シード・ビームのスペクトル線幅を拡幅するように、前記第1の駆動信号を用いて前記シード・ビームを周波数変調し、前記周波数変調されたシード・ビームと同期した振幅変調されたシード・ビームを提供するように、前記第2の駆動信号を用いて前記シード・ビームを振幅変調することで、周波数変調および振幅変調がなされたシード・ビームの振幅のピークが前記周波数変調および振幅変調がなされたシード・ビームの位相の谷と整列する、FMおよびAM EOMと、
AM変調およびFM変調された前記シード・ビーム受け取り、前記シード・ビームを増幅する非線形ファイバ増幅器であって、前記振幅変調されたシード・ビームにより前記ファイバ増幅器において自己位相変調を生じさせ、前記シード・ビームが前記ファイバ増幅器により増幅されているときに前記シード・ビームを位相変調し、FMおよびAM EOMにより生じさせられるスペクトル線幅の拡幅を相殺するように働かせる、非線形ファイバ増幅器と
を含むファイバ増幅器システム。 - 請求項11に記載のシステムであって、前記第1の駆動信号と前記第2の駆動信号とはシングル・トーン正弦波信号である、システム。
- 請求項12に記載のシステムであって、
前記第1の駆動信号の振幅は、前記FMおよびAM EOMにより前記シード・ビームの0次周波数からのパワーのほとんどを除去するように、選択される、システム。 - 請求項12に記載のシステムであって、前記第1の駆動信号の振幅は、前記FMおよびAM EOMにおいて前記シード・ビームの0次および+/-1次の周波数において等しい振幅のパワーを生成するように、選択される、システム。
- 光学的なシード・ビームを増幅する方法であって、
前記シード・ビームを、そのスペクトル線幅を拡げるように、第1のRF駆動信号を用いて周波数変調するステップと、
前記周波数変調されたシード・ビームと同期した振幅変調されたシード・ビームを提供するように、前記シード・ビームを、第2のRF駆動信号を用いて振幅変調することで、周波数変調および振幅変調がなされたシード・ビームの振幅のピークが前記周波数変調および振幅変調がなされたシード・ビームの位相の谷と整列する、ステップと、
非線形ファイバ増幅器において前記周波数変調および振幅変調されたシード・ビームを増幅することにより、前記振幅変調されたシード・ビームが、前記ファイバ増幅器において生じる自己位相変調を生じさせ、前記シード・ビームが前記ファイバ増幅器により増幅されているときに前記シード・ビームを変調し、前記周波数変調による影響を受ける前記スペクトル線幅を相殺するように働くようにするステップと
を含む方法。 - 請求項15に記載の方法であって、前記第1の駆動信号と前記第2の駆動信号とはシングル・トーン正弦波信号である、方法。
- 請求項16に記載の方法であって、前記第1の駆動信号の振幅は、前記周波数変調の間に前記シード・ビームの0次周波数からのパワーのほとんどを除去するように、選択される、方法。
- 請求項16に記載の方法であって、
前記第1の駆動信号の振幅は、前記周波数変調の間に前記シード・ビームの0次および+/-1次の周波数において等しい振幅のパワーを生成するように、選択される、方法。
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