JP7456657B2 - ノイズ補正を有する光フェーズドアレイの動的ビーム成形 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
２０１７年１１月７日に出願された「ＯＰＴＩＣＡＬ ＰＨＡＳＥＤ ＡＲＲＡＹ ＤＹＮＡＭＩＣ ＢＥＡＭ ＳＨＡＰＩＮＧ ＷＩＴＨ ＮＯＩＳＥ ＣＯＲＲＥＣＴＩＯＮ」と題するイスラエル特許出願第２５５４９６号、２０１７年１２月４日に出願された「ＳＥＥＤ ＬＡＳＥＲ ＦＡＩＬＵＲＥ ＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ」と題するイスラエル特許出願第２５６１０７号、２０１７年１２月４日に出願された「ＬＡＳＥＲ ＢＡＣＫ－ＲＥＦＬＥＣＴＩＯＮ ＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ ＵＳＩＮＧ ＯＰＴＩＣＡＬ ＰＨＡＳＥＤ ＡＲＲＡＹ ＬＡＳＥＲ」と題する米国特許仮出願第６２／５９４，１６７号、２０１８年４月２５日に出願された「ＳＣＡＬＥＤ ＰＨＡＳＥ ＭＯＤＩＦＩＣＡＴＩＯＮ，ＰＨＡＳＥ ＣＡＬＩＢＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＳＥＥＤ ＬＡＳＥＲ ＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ ＩＮ ＯＰＴＩＣＡＬ ＰＨＡＳＥＤ ＡＲＲＡＹ」と題するイスラエル特許出願第２５８９３６号、２０１８年６月１３日に出願された「ＭＵＬＴＩＰＬＥ ＤＥＴＥＣＴＯＲＳ ＡＮＤ ＣＯＲＲＥＳＰＯＮＤＩＮＧ ＭＵＬＴＩＰＬＥ ＣＬＯＳＥＬＹ ＳＰＡＣＥＤ ＯＰＴＩＣＡＬ ＰＡＴＨＷＡＹＳ ＩＮ ＯＰＴＩＣＡＬ ＰＨＡＳＥＤ ＡＲＲＡＹ ＬＡＳＥＲ」と題する米国仮特許出願第６２／６８４，３４１号、および２０１８年７月２８日に出願された「ＤＥＴＥＣＴＯＲ ＭＡＳＫ ＩＮ ＯＰＴＩＣＡＬ ＰＨＡＳＥＤ ＡＲＲＡＹ ＬＡＳＥＲ」と題する米国仮特許出願第６２／７０２，９５７号が、本明細書により参照され、これらの全ての開示は、参照により本明細書に組み込まれ、これらの全ての優先権は、本明細書により３７ＣＦＲ１．７８（ａ）（４）および（５）（ｉ）に従って主張される。

米国特許第９，８９３，４９４号もまた参照され、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、概して、レーザコヒーレントビーム結合に関し、より具体的には、光フェーズドアレイに関する。

当技術分野では、様々なタイプの光フェーズドアレイが知られている。

本発明は、レーザ光フェーズドアレイによって生成された動的に成形されたビームにおけるノイズ補正および位相修正に関するシステムおよび方法を提供することを目的とする。

したがって、本発明の好ましい実施形態によれば、レーザシステムであって、シードレーザと、シードレーザからの出力を受け取り、かつノイズを有する結合されたレーザ出力を提供するレーザビーム分割および結合サブシステムと、断続的な時間でのノイズを考慮することに基づいて、ノイズキャンセル位相補正出力を提供するように動作するノイズキャンセルサブシステムと、を含み、レーザビーム分割および結合サブシステムが、断続的な時間の間の時間間隔中に、結合されたレーザ出力の位相を変更する、レーザシステムが提供される。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、レーザシステムであって、シードレーザと、シードレーザからの出力を受け取り、かつノイズを有する結合されたレーザ出力を提供するレーザビーム分割および結合サブシステムと、ノイズサンプリングレートでのノイズを考慮することに基づいて、ノイズキャンセル位相補正出力を提供するように動作するノイズキャンセルサブシステムと、を含み、レーザビーム分割および結合サブシステムが、イズサンプリングレートを超える位相変更レートで結合されたレーザ出力の位相を変更する、レーザシステムがさらに提供される。

好ましくは、ノイズサンプリングレートおよび位相変更レートのうちの少なくとも１つは、経時的に変化する。

好ましくは、ノイズサンプリングレートは、事前決定されている。

本発明の好ましい実施形態によれば、レーザビーム分割および結合サブシステムは、結合されたレーザ出力の空間変調を提供するために、結合されたレーザ出力の位相を変更する。

好ましくは、結合されたレーザ出力の空間変調は、結合されたレーザ出力の機械的空間変調と組み合わせて提供され、機械的空間変調と組み合わされた空間変調は、空間変調がない場合の機械的空間変調よりも速い。

追加的または代替的に、結合されたレーザ出力の空間変調は、結合されたレーザ出力の機械的空間変調と組み合わせて提供され、機械的空間変調と組み合わされた空間変調は、空間変調がない場合の機械的空間変調よりも正確である。

好ましくは、空間変調は、結合されたレーザ出力の形状および直径のうちの少なくとも１つの変調を含む。

好ましくは、レーザビーム分割および結合サブシステムは、分割の下流および結合の上流でレーザビーム増幅を提供する。

本発明のさらに好ましい実施形態によれば、ノイズキャンセル位相補正出力は、結合されたレーザ出力の少なくとも１つの構成ビームに少なくとも２つの位相変化を連続して適用することと、少なくとも１つの構成ビームの最大出力強度に対応する少なくとも２つの位相変化のうちの１つの位相変化を特定することと、に基づいて計算される。

好ましくは、システムは、結合されたレーザ出力の少なくとも一部分を検出するために、ノイズキャンセルサブシステムと協働するように連結された少なくとも１つの検出器も含む。

好ましくは、少なくとも１つの検出器は、検出を継続的に実施する。

本発明の追加的に好ましい実施形態によれば、ノイズキャンセル位相補正出力は、結合されたレーザ出力中の強度ノイズをキャンセルする。

好ましくは、システムは、結合されたレーザ出力の強度を変更するための少なくとも１つの強度変調器も含む。

本発明のやはり追加的に好ましい実施形態によれば、ノイズキャンセル位相補正出力は、結合されたレーザ出力中の位置ノイズをキャンセルする。

好ましくは、システムは、結合されたレーザ出力の位置を変更するための少なくとも１つの位置変調器も含む。

好ましくは、レーザ切断システムは、本発明のレーザシステムを含む。

追加的または代替的に、レーザ付加製造システムは、本発明のレーザシステムを含む。

やはり追加的または代替的に、レーザ溶接システムは、本発明のレーザシステムを含む。

さらに追加的または代替的に、自由空間光通信システムは、本発明のレーザシステムを含む。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、位相が変更されたレーザ出力にノイズ補正を実施するための方法であって、シードレーザからの出力を受け取ることと、出力を分割および結合して、ノイズを有する結合されたレーザ出力を提供することと、断続的な時間でのノイズを考慮することに基づいて、結合されたレーザ出力にノイズキャンセル位相補正出力を適用することと、断続的な時間の間の時間間隔中に、結合されたレーザ出力の位相を変更することと、を含む、方法も提供される。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、位相が変更されたレーザ出力にノイズ補正を実施するための方法であって、シードレーザからの出力を受け取ることと、出力を分割および結合して、ノイズを有する結合されたレーザ出力を提供することと、ノイズサンプリングレートでのノイズを考慮することに基づいて、結合されたレーザ出力にノイズキャンセル位相補正出力を適用することと、ノイズサンプリングレートを超える位相変更レートで結合されたレーザ出力の位相を変更することと、を含む、方法がさらに提供される。

好ましくは、ノイズサンプリングレートおよび位相変更レートのうちの少なくとも１つは、経時的に変化する。

好ましくは、ノイズサンプリングレートは、事前決定されている。

本発明の好ましい実施形態によれば、位相の変更は、結合されたレーザ出力の空間変調を提供する。

好ましくは、結合されたレーザ出力の空間変調は、結合されたレーザ出力の機械的空間変調と組み合わせて提供され、機械的空間変調と組み合わされた空間変調が、空間変調がない場合の機械的空間変調よりも速い。

追加的または代替的に、結合されたレーザ出力の空間変調は、結合されたレーザ出力の機械的空間変調と組み合わせて提供され、機械的空間変調と組み合わされた空間変調が、空間変調がない場合の機械的空間変調よりも正確である。

好ましくは、空間変調は、結合されたレーザ出力の形状および直径のうちの少なくとも１つの変調を含む。

好ましくは、方法は、分割の下流および結合の上流で、出力を増幅することも含む。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、方法は、結合されたレーザ出力の少なくとも１つの構成ビームに少なくとも２つの位相変化を連続的に適用することと、少なくとも１つの構成ビームの最大出力強度に対応する、少なくとも２つの位相変化のうちの１つの位相変化を特定することと、に基づいて、ノイズキャンセル位相補正出力を計算することも含む。

好ましくは、方法は、結合されたレーザ出力の少なくとも一部分を検出することも含む。

好ましくは、検出は、継続的に実施される。

本発明のなおも別の好ましい実施形態によれば、ノイズキャンセル位相補正出力は、結合されたレーザ出力中の強度ノイズをキャンセルする。

好ましくは、方法は、分割の下流および結合の上流で、出力の強度を変調することも含む。

本発明のやはり別の好ましい実施形態によれば、ノイズキャンセル位相補正出力は、結合されたレーザ出力中の位置ノイズをキャンセルする。

好ましくは、方法は、分割の下流および結合の上流で、出力の位置を変調することも含む。

好ましくは、レーザ切断のための方法は、本発明の方法を含む。

追加的または代替的に、付加製造のための方法は、本発明の方法を含む。

さらに追加的または代替的に、レーザ溶接のための方法は、本発明の方法を含む。

やはりさらに追加的または代替的に、自由空間光通信のための方法は、本発明の方法を含む。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、レーザシステムであって、シードレーザと、シードレーザからの出力を受け取り、結合されたレーザ出力を提供するレーザビーム分割および結合サブシステムであって、レーザビーム分割および結合サブシステムは、結合されたレーザ出力の位相を変更する、レーザビーム分割および結合サブシステムと、結合されたレーザ出力の位相の変更中に、断続的な時間で結合されたレーザ出力を検出する複数の検出器と、結合されたレーザ出力と複数の検出器との間の複数の光路であって、複数の光路は、複数の光路に沿って結合されたレーザ出力を複数の検出器に提供するためのものであり、複数の光路の空間密度が、複数の検出器の空間密度よりも大きい、複数の光路と、を含む、レーザシステムも提供される。

好ましくは、結合されたレーザ出力は、ノイズを有し、レーザシステムは、結合されたレーザ出力の位相の変更中の断続的な時間で複数の検出器によって検出された結合された、結合されたレーザ出力のノイズを考慮することに基づいて、ノイズキャンセル位相補正出力を提供するように動作するノイズキャンセルサブシステムも含む。

好ましくは、複数の光路は、複数の光ファイバを含み、光ファイバの端部は、複数の検出器の空間密度よりも大きい空間密度で配置されている。

好ましくは、複数の光路は、２０～１０００ミクロンの距離だけ離間配置されている。

好ましくは、複数の検出器のうちの検出器は、５～５０ｍｍの距離だけ離間配置されている。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、レーザ出力を検出するための方法であって、シードレーザからの出力の受け取ることと、出力を分割および結合して、結合されたレーザ出力を提供することと、結合されたレーザ出力の位相を変更することと、結合されたレーザ出力を複数の光路に沿って複数の検出器に提供することであって、複数の光路の空間密度が、複数の検出器の空間密度よりも大きい、提供することと、を含む、方法が追加的に提供される。

好ましくは、結合されたレーザ出力は、ノイズを有し、方法は、結合されたレーザ出力の位相の変更中に複数の検出器によって検出された、結合されたレーザ出力のノイズを考慮することに基づいて、ノイズキャンセル位相補正出力を提供することも含む。

好ましくは、複数の光路は、複数の光ファイバを含み、光ファイバの端部は、複数の検出器の空間密度よりも大きい空間密度で配置されている。

好ましくは、複数の光路は、２０～１０００ミクロンの距離だけ離間配置されている。

好ましくは、複数の検出器のうちの検出器は、５～５０ｍｍの距離だけ離間配置されている。

本発明のなおも別の好ましい実施形態によれば、レーザシステムであって、シードレーザと、シードレーザからの出力を受け取り、結合されたレーザ出力を提供するレーザビーム分割および結合サブシステムであって、レーザビーム分割および結合サブシステムは、結合されたレーザ出力の位相を変更する、レーザビーム分割および結合サブシステムと、結合されたレーザ出力の位相の変更中に、結合されたレーザ出力を検出する少なくとも１つの検出器と、光学マスクであって、透過領域および反射領域のうちの少なくとも１つを含み、透過領域および反射領域のうちの少なくとも１つを通してかつそこから、結合されたレーザ出力を少なくとも１つの検出器にそれぞれ提供するためのものである、光学マスクと、を含む、レーザシステムがさらに提供される。

好ましくは、透過領域および反射領域のうちの少なくとも１つは、結合されたレーザ出力の形状および軌道のうちの少なくとも１つに従って構成されている。

好ましくは、システムは、結合されたレーザ出力を少なくとも１つの検出器に集束させるために、光学マスクと少なくとも１つの検出器とをインターフェースする集束サブシステムも含む。

好ましくは、集束サブシステムは、少なくとも１つの集束レンズを含む。

好ましくは、少なくとも１つの検出器は、単一の検出器を含む。

本発明の好ましい実施形態によれば、透過領域は、不均一な透明度を有する。

好ましくは、透過領域の不均一な透明度は、結合されたレーザ出力の強度における非ノイズ関連の不均一性を補償する。

好ましくは、光学マスクは、電気的に変調されたデバイスを含み、透過領域および反射領域のうちの少なくとも１つは、電子的に修正可能である。

好ましくは、光学マスクは、ＬＣＤスクリーンを含む。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、反射領域は、不均一な反射率を有する。

好ましくは、反射領域の不均一な反射率は、結合されたレーザ出力の強度における非ノイズ関連の不均一性を補償する。

好ましくは、反射領域は、ＤＭＭを含む。

好ましくは、結合されたレーザ出力は、ノイズを有し、レーザシステムは、結合されたレーザ出力の位相の変更中に、少なくとも１つの検出器によって検出された、結合されたレーザ出力のノイズを考慮することに基づいて、ノイズキャンセル位相補正出力を提供するように動作するノイズキャンセルサブシステムも含む。

本発明のやはりさらに好ましい実施形態によれば、レーザ出力を検出するための方法であって、シードレーザからの出力を受け取ることと、出力を分割および結合して、結合されたレーザ出力を提供することと、結合されたレーザ出力の位相を変更することと、光学マスクによって、結合されたレーザ出力を少なくとも１つの検出器に提供することであって、光学マスクが、透過領域および反射領域のうちの少なくとも１つを含み、透過領域および反射領域のうちの少なくとも１つを通してかつそこから、結合されたレーザ出力を少なくとも１つの検出器にそれぞれ提供するためのものである、提供することと、少なくとも１つの検出器によって、位相の変更中に結合されたレーザ出力を検出することと、を含む方法がさらに提供される。

好ましくは、透過領域および反射領域のうちの少なくとも１つは、結合されたレーザ出力の形状および軌道のうちの少なくとも１つに従って構成されている。

好ましくは、方法は、結合されたレーザ出力を少なくとも１つの検出器に集束させることも含む。

好ましくは、方法は、集束を実施するために、光学マスクと少なくとも１つの検出器とをインターフェースする集束レンズを提供することも含む。

好ましくは、少なくとも１つの検出器は、単一の検出器を含む。

本発明の好ましい実施形態によれば、透過領域は、不均一な透明度を有する。

好ましくは、透過領域の不均一な透明度は、結合されたレーザ出力の強度における非ノイズ関連の不均一性を補償する。

好ましくは、光学マスクは、電気的に変調されたデバイスを含み、透過領域および反射領域のうちの少なくとも１つは、電子的に修正可能である。

好ましくは、光学マスクは、ＬＣＤスクリーンを含む。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、反射領域は、不均一な反射率を有する。

好ましくは、反射領域の不均一な反射率は、結合されたレーザ出力の強度における非ノイズ関連の不均一性を補償する。

好ましくは、反射領域は、ＤＭＭを含む。

好ましくは、結合されたレーザ出力は、ノイズを有し、方法は、結合されたレーザ出力の位相の変更中に少なくとも１つの検出器によって検出された、結合されたレーザ出力のノイズを考慮することに基づいて、ノイズキャンセル位相補正出力を提供することも含む。

本発明のなおも別の好ましい実施形態によれば、レーザシステムであって、シードレーザと、シードレーザからの出力を受け取り、かつ出力を結合して、結合されたレーザ出力を提供するレーザ分割および結合サブシステムと、結合されたレーザ出力の位相を変更するための位相変調サブシステムと、位相変調サブシステムに印加された電圧と、位相変調サブシステムによって生成された位相変調出力とを相関させ、かつ位相変調サブシステムを較正するのに有用な電圧対位相相関出力を提供するための電圧対位相相関サブシステムであって、相関が、位相の変更中に定期的に実施される、電圧対位相相関サブシステムと、を含む、レーザシステムも提供される。

好ましくは、位相変調サブシステムは、複数の位相変調器を含む。

好ましくは、電圧は、位相変調制御モジュールによって複数の位相変調器に印加される。

好ましくは、電圧は、２πの結合されたレーザ出力の位相シフトを生成することを意図した電圧を含む。

好ましくは、相関は、電圧の印加後の結合されたレーザ出力の遠視野強度パターンの強度の変化を測定することと、電圧と強度の変化に対応する位相シフトとの間の関係を導出することと、を含む。

好ましくは、電圧は、複数の位相変調器のうちの位相変調器に連続的に印加される。

好ましくは、相関は、位相の変更よりも遅いレートで実施される。

好ましくは、位相の変更は、毎秒１００万回のレートで実施され、相関は、毎秒１回のレートで実施される。

本発明の追加的に好ましい実施形態によれば、レーザシステムの位相較正を実施するための方法であって、シードレーザからの出力を受け取ることと、出力を分割および結合して、結合されたレーザ出力を提供することと、位相変調サブシステムによって、結合されたレーザ出力の位相を変更することと、位相の変更中に定期的に、位相変調サブシステムに電圧を印加し、かつ電圧と位相変調サブシステムによって生成された位相変調出力とを相関させることと、位相変調サブシステムを較正するのに有用な電圧対位相相関出力を提供することと、を含む、方法が追加的に提供される。

好ましくは、位相変調サブシステムは、複数の位相変調器を含む。

好ましくは、電圧の印加は、位相変調制御モジュールによって実施される。

好ましくは、電圧は、２πの結合されたレーザ出力の位相シフトを生成することを意図した電圧を含む。

好ましくは、相関は、電圧の印加後の結合されたレーザ出力の遠視野強度パターンの強度の変化を測定することと、電圧と強度の変化に対応する位相シフトとの間の関係を導出することと、を含む。

好ましくは、方法は、電圧を複数の位相変調器のうちの位相変調器に連続的に印加することも含む。

好ましくは、相関は、位相の変更よりも遅いレートで実施される。

好ましくは、位相の変更は、毎秒１００万回のレートで実施され、相関は、毎秒１回のレートで実施される。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、レーザシステムであって、シードレーザと、シードレーザからの出力を受け取り、出力を複数のサブビームに分割し、かつ複数のサブビームを含む結合されたレーザ出力を提供するレーザビーム分割および結合サブシステムと、複数のサブビームのうちの少なくともサブビームの一部分を多数のサブビームのグループにグループ化する位相変調サブシステムと、を含み、位相変調サブシステムが、各グループの位相を変更するために、多数のサブビームのグループにわたって並列に、各グループ内の各サブビームの位相をグループ内の他のサブビームの位相に対して変更し、かつ各グループの位相を、多数のグループの他のグループの位相に対して変更し、それによって、結合されたレーザ出力の位相を変更する、レーザシステムも提供される。

好ましくは、位相変調サブシステムは、グループ化を実施するための少なくとも１つの円柱レンズを含む。

代替的に、位相変調サブシステムは、グループ化を実施するためのミラーのアレイおよび対応する集束レンズを含む。

好ましくは、位相変調サブシステムは、サブビームの位相を変更するための複数の位相変調器を含む。

好ましくは、位相変調サブシステムは、複数の位相変調器の動作制御における少なくとも１つの電子制御モジュールを含む。

好ましくは、位相変調サブシステムは、多数のグループの各々の遠視野強度パターンを検出するために、多数のグループに対応する多数の検出器を含む。

本発明の好ましい実施形態によれば、システムは、多数の検出器のうちの対応する検出器をマスキングする多数の光学マスクも含み、各光学マスクが、透過領域および反射領域のうちの少なくとも１つを含み、透過領域および反射領域のうちの少なくとも１つを通してかつそこから、遠視野強度パターンを多数の検出器のうちの対応する検出器にそれぞれ提供するためのものである。

好ましくは、多数の検出器は、少なくとも部分的に相互に同時に検出を実施する。

好ましくは、位相変調サブシステムは、多数のグループの組み合わされた遠視野強度パターンを検出するための追加の補助検出器を含む。

好ましくは、位相変調サブシステムは、多数の追加の位相変調器を含み、各追加の位相変調器が、各グループの位相を多数のグループの他のグループの位相に対して変更するために、各グループ内の全てのサブビームに共通である。

好ましくは、位相変調サブシステムは、多数の追加の位相変調器の動作制御における追加の電子制御モジュールを含む。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、多数の検出器の各検出器は、複数の検出器を含む。

好ましくは、システムは、多数のグループの各々の遠視野強度パターンと各複数の検出器との間の複数の光路であって、複数の光路に沿って遠視野強度パターンを複数の検出器に提供するためのものであり、複数の光路の空間密度が、複数の検出器の空間密度よりも大きい、複数の光路も含む。

好ましくは、結合されたレーザ出力の位相の変更は、結合されたレーザ出力の強度を最大化することを含む。

好ましくは、結合されたレーザ出力の位相の変更は、結合されたレーザ出力の機械的空間変調を伴うことなく、結合されたレーザ出力の空間変調を提供する。

好ましくは、レーザビーム分割および結合サブシステムは、分割の下流および結合の上流でレーザビーム増幅を提供する。

本発明のやはり別の好ましい実施形態によれば、レーザ出力の位相変更を実施するための方法であって、シードレーザからのレーザ出力を受け取ることと、レーザ出力を複数のサブビームに分割し、かつ複数のサブビームを結合して、結合されたレーザ出力を提供することと、複数のサブビームのうちのサブビームの少なくとも一部分を多数のサブビームのグループにグループ化することと、各グループの位相を変更するために、多数のサブビームのグループにわたって並列に、各グループ内の各サブビームの位相をグループ内の他のサブビームの位相に対して変更することと、各グループの位相を多数のグループの他のグループの位相に対して変更し、それによって、結合されたレーザ出力の位相を変更することと、を含む、方法がさらに提供される。

好ましくは、グループ化は、少なくとも１つの円柱レンズによって実施される。

代替的に、グループ化は、ミラーのアレイおよび対応する集束レンズによって実施される。

好ましくは、サブビームの位相の変更は、複数の位相変調器によって実施される。

好ましくは、方法は、少なくとも１つの電子制御モジュールによって複数の位相変調器を制御することも含む。

好ましくは、方法は、対応する多数の検出器によって、多数のグループの各々の遠視野強度パターンを検出することも含む。

本発明の好ましい実施形態によれば、方法は、多数の光学マスクによって、遠視野強度パターンを多数の検出器のうちの対応する検出器に提供することを含み、各光学マスクが、透過領域および反射領域のうちの少なくとも１つを含み、透過領域および反射領域のうちの少なくとも１つを通してかつそこから、遠視野強度パターンを多数の検出器のうちの対応する検出器にそれぞれ提供するためのものである。

好ましくは、検出は、多数のグループについて少なくとも部分的に相互に同時に実施される。

好ましくは、方法は、補助検出器によって、多数のグループの組み合わされた遠視野強度パターンを検出することも含む。

好ましくは、各グループの位相の多数のグループの他のグループの位相に対する変更は、多数の追加の位相変調器によって実施され、各追加の位相変調器は、各グループ内の全てのサブビームに共通である。

好ましくは、方法は、追加の電子制御モジュールによって多数の追加の位相変調器を制御することも含む。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、多数の検出器の各検出器は、複数の検出器を含む。

好ましくは、方法は、多数のグループの各々の遠視野強度パターンを複数の光路に沿った各複数の検出器に提供することも含み、複数の光路の空間密度が、複数の検出器の空間密度よりも大きい。

好ましくは、結合されたレーザ出力の位相の変更は、結合されたレーザ出力の強度を最大化することを含む。

好ましくは、結合されたレーザ出力の位相の変更は、結合されたレーザ出力の機械的空間変調を伴うことなく、結合されたレーザ出力の空間変調を提供する。

好ましくは、この方法は、分割の下流および結合の上流で、レーザ出力を増幅することも含む。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、レーザシステムであって、光フェーズドアレイレーザであって、シードレーザと、シードレーザからの出力を受け取り、かつ結合されたレーザ出力を提供するレーザビーム分割および結合サブシステムと、を含む、光フェーズドアレイレーザを含み、レーザビーム分割および結合サブシステムが、結合されたレーザ出力の位相を変更して、結合されたレーザ出力を基板に集束させ、結合されたレーザ出力が、位相の変更がない場合に基板に集束されない、レーザシステムがやはりさらに提供される。

好ましくは、システムは、レーザビーム分割および結合サブシステムからの結合されたレーザ出力を受け取り、かつ結合されたレーザ出力を基板と一致しない焦点に集束させる光学素子も含む。

好ましくは、基板から後方散乱されたレーザビームは、光フェーズドアレイレーザに集束されない。

本発明のやはり別の好ましい実施形態によれば、レーザシステムにおいてレーザビームを集束させるための方法であって、シードレーザからのレーザ出力を受け取ることと、レーザ出力を分割および結合して、結合されたレーザ出力を提供することと、結合されたレーザ出力の位相を変更して、結合されたレーザ出力を基板に集束させることであって、結合されたレーザ出力が、位相の変更がない場合に基板に集束されない、集束させることと、を含む、方法がなおもさらに提供される。

好ましくは、方法は、光学素子によって、結合されたレーザ出力を、基板と一致しない焦点に集束させることも含む。

好ましくは、基板から後方散乱されたレーザビームは、レーザシステム上に集束されない。

本発明のやはり追加的に好ましい実施形態によれば、レーザ増幅器システムであって、レーザ出力を提供するシードレーザと、第１の光路に沿ってシードレーザからのレーザ出力を受け取り、かつ増幅されたレーザ出力を提供する増幅サブシステムと、第２の光路に沿ってシードレーザからのレーザ出力を受け取る検出器サブシステムであって、検出器サブシステムによるレーザ出力中の少なくとも１つの障害の検出時に、増幅サブシステムを非アクティブ化するように動作する、検出器サブシステムと、を含み、第１の光路に沿ったシードレーザから増幅サブシステムへのレーザ出力の第１の飛行時間が、第２の光路に沿ったシードレーザから検出器サブシステムへのレーザ出力の第２の飛行時間と、検出器サブシステムが増幅サブシステムを非アクティブ化するために要する時間との組み合わせよりも大きい、レーザ増幅器システムが追加的に提供される。

好ましくは、第１の光路は、コイル状光ファイバを含む。

好ましくは、少なくとも１つの障害は、レーザ出力の電力の減少およびレーザ出力の線幅の劣化のうちの少なくとも１つを含む。

好ましくは、増幅サブシステムは、電力増幅器を含み、レーザ増幅器システムは、ＭＯＰＡを含む。

本発明のなおも追加的に好ましい実施形態によれば、レーザシステム内の増幅サブシステムへの損傷を防止するための方法であって、第１の光路に沿ってシードレーザからのレーザ出力を受け取ることと、レーザ出力を増幅して、増幅されたレーザ出力を提供することと、第２の光路に沿ってシードレーザからのレーザ出力を受け取ることと、第２の光路に沿って受け取られたレーザ出力中の少なくとも１つの障害を検出することと、レーザ出力中の少なくとも１つの障害の検出時に増幅を停止することであって、第１の光路に沿ったレーザ出力の第１の飛行時間が、第２の光路に沿ったレーザ出力の第２の飛行時間と増幅の停止が実施されるために要する時間との組み合わせよりも大きい、停止することと、を含む方法がなおも追加的に提供される。

好ましくは、第１の光路は、コイル状光ファイバを含む。

好ましくは、少なくとも１つの障害は、レーザ出力の電力の減少およびレーザ出力の線幅の劣化のうちの少なくとも１つを含む。

好ましくは、増幅サブシステムは、電力増幅器を含み、レーザ増幅器システムは、ＭＯＰＡを含む。

本発明のやはり別の好ましい実施形態によれば、レーザ増幅器システムであって、レーザ出力を提供するシードレーザと、シードレーザからのレーザ出力を受け取るように配置された第１の増幅器であって、第１の増幅器が、シードレーザからのレーザ出力の受け取り時に、第１の増幅されたレーザ出力を提供し、かつシードレーザからのレーザ出力の受け取りの停止時に、増幅された自然放出および追加のレーザ出力のうちの１つを提供する、第１の増幅器と、第１の増幅されたレーザ出力、増幅された自然放出、および第１の増幅器からの追加のレーザ出力のうちの１つを受け取り、かつ第２の増幅されたレーザ出力を提供する第２の増幅器であって、第２の増幅器によって提供される増幅が、第１の増幅器によって提供される増幅よりも大きい、第２の増幅器と、を含む、レーザ増幅器システムも提供される。

好ましくは、システムは、シードレーザの下流および第１の増幅器の上流にフィルタ構造体も含む。

好ましくは、フィルタ構造体は、第１および第２の光路に沿ってレーザ出力を分割するビーム分割器であって、第１の光路が、第２の光路よりも長い、ビーム分割器と、第１および第２の光路からの結合されたレーザ出力を検出する検出器と、検出器からの出力を受け取るための、検出器に連結された電子制御モジュールと、第１および第２の光路のうちの１つに沿って位置付けられた位相制御モジュールであって、位相制御モジュールが、結合されたレーザ出力中の干渉の検出器による検出に応じてレーザ出力の位相を修正するように、電子制御モジュールによって動作される、位相制御モジュールと、を含む、レーザ増幅器システムを含む。

本発明のやはりさらに好ましい実施形態によれば、レーザシステム内の増幅器への損傷を防止するための方法であって、シードレーザからのレーザ出力を受け取ることと、第１の増幅器によって、シードレーザからのレーザ出力の受け取り時に第１の増幅されたレーザ出力を提供することと、第１の増幅器によって、シードレーザからのレーザ出力の受け取りの停止時に増幅された自然放出および追加のレーザ出力のうちの１つを提供することと、第２の増幅器によって、第１の増幅されたレーザ出力、増幅された自然放出、および追加のレーザ出力のうちの１つを受け取り、かつ第２の増幅されたレーザ出力を提供することであって、第２の増幅されたレーザ出力が、第１の増幅されたレーザ出力よりも大きい、受け取りかつ提供することと、を含む方法がさらに提供される。

好ましくは、方法は、シードレーザの下流および第１の増幅器の上流で、レーザ出力をフィルタリングすることも含む。

好ましくは、フィルタリングは、第１および第２の光路に沿ってレーザ出力を分割することであって、第１の光路が、第２の光路よりも長い、分割することと、検出器によって、第１および第２の光路からの結合されたレーザ出力を検出することと、電子制御モジュールによって、検出器からの出力を受け取ることと、結合されたレーザ出力中の干渉の検出器による検出に応じて、第１および第２の光路のうちの１つに沿ってレーザ出力の位相を修正することと、を含む。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、レーザ増幅器システムであって、第１の電力を有する第１のレーザ出力を提供するシードレーザと、シードレーザからの第１のレーザ出力を受け取り、かつ増幅されたレーザ出力を提供する増幅サブシステムと、少なくとも第１のレーザ出力の停止時に第２のレーザ出力を提供する補助レーザサブシステムであって、第２のレーザ出力が、第１の電力よりも低い第２の電力を有する、補助レーザサブシステムと、を含む、レーザ増幅器システムがやはりさらに提供される。

好ましくは、補助レーザサブシステムは、第１のレーザ出力の提供と少なくとも同時に、第２のレーザ出力を増幅サブシステムに提供する追加のシードレーザを含む。

代替的に、増幅サブシステムは、第１のレーザ出力が受け取られる入口と、増幅されたレーザ出力が提供される出口と、を含み、レーザ増幅器システムが、入口に位置決めされた第１の反射格子と、出口に位置決めされた第２の反射格子と、を含み、第１および第２の反射格子が、補助レーザサブシステムを含む増幅サブシステムと組み合わされている。

第１および第２の反射格子は、１０９０ｎｍ～１１００ｎｍの波長範囲で反射性である。

好ましくは、第２のレーザ出力は、第１のレーザ出力とは異なる波長を有する。

好ましくは、システムは、シードレーザの下流および増幅サブシステムの上流にフィルタも含む。

好ましくは、フィルタは、第１の光路および第２の光路に沿って第１のレーザ出力を分割するビーム分割器であって、第１の光路が、第２の光路よりも長い、ビーム分割器と、第１および第２の光路からの結合されたレーザ出力を検出する検出器と、検出器からの出力を受け取るための、検出器に連結された電子制御モジュールと、第１および第２の光路のうちの１つに沿って位置付けられた位相制御モジュールであって、位相制御モジュールが、結合されたレーザ出力中の干渉の検出器による検出に応じて第１のレーザ出力の位相を修正するように、電子制御モジュールによって動作される、位相制御モジュールと、を含む。

好ましくは、システムは、シードレーザからの第１のレーザ出力を検出するための検出器サブシステムも含む。

好ましくは、検出器サブシステムは、第１のレーザ出力を第１の部分および第２の部分に分割する分割器と、第２の部分を増幅し、かつ増幅された出力を提供する追加の増幅器と、増幅された出力を受け取る光ファイバであって、光ファイバが、第１のレーザ出力の線幅が許容できないほど狭くなると非線形効果を示すように構成されている、光ファイバと、を含む。

好ましくは、光ファイバは、２５ｍの長さおよび６ミクロンのコア直径を有する。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、レーザシステム内の増幅器への損傷を防止するための方法であって、第１の電力を有する第１のレーザ出力を提供することと、増幅器によって第１のレーザ出力を増幅して、増幅されたレーザ出力を提供することと、少なくとも第１のレーザ出力の提供の停止時に第２のレーザ出力を提供することであって、第２のレーザ出力が、第１の電力よりも低い第２の電力を有する、提供することと、を含む、方法がなおも追加的に提供される。

好ましくは、第２のレーザ出力の提供は、第１のレーザ出力の提供と少なくとも同時に実施される。

好ましくは、増幅器は、第１のレーザ出力が受け取られる入口と、増幅されたレーザ出力が提供される出口と、を含み、入口において第１の反射格子を、かつ出口において第２の反射格子を位置決めすることも含み、第１および第２の反射格子が、第２のレーザ出力を提供する増幅器と組み合わされている。

好ましくは、第１および第２の反射格子は、１０９０ｎｍ～１１００ｎｍの波長範囲で反射性である。

好ましくは、第２のレーザ出力は、第１のレーザ出力とは異なる波長を有する。

好ましくは、方法は、第１のレーザ出力の増幅の上流で第１のレーザ出力をフィルタリングすることも含む。

好ましくは、方法は、第１および第２の光路に沿って第１のレーザ出力を分割することであって、第１の光路が、第２の光路よりも長い、分割することと、検出器によって、第１および第２の光路からの結合されたレーザ出力を検出することと、電子制御モジュールによって、検出器からの出力を受け取ることと、検出器からの出力に基づいて、かつ結合されたレーザ出力中の干渉の検出器による検出に応じて、第１および第２の光路のうちの１つに沿って第１のレーザ出力の位相を修正することと、を含む。

好ましくは、方法は、第１のレーザ出力を検出することも含む。

好ましくは、検出は、第１のレーザ出力を第１の部分および第２の部分に分割することと、第２の部分を増幅し、かつ増幅された出力を提供することと、光ファイバによって増幅された出力を受け取ることであって、光ファイバが、第１のレーザ出力の線幅が許容できないほど狭くなると非線形効果を示すように構成されている、受け取ることと、を含む。

好ましくは、光ファイバは、２５ｍの長さおよび６ミクロンのコア直径を有する。

本発明は、図面と併せて以下の詳細な説明に基づいて、より完全に理解および認識されるであろう。
本発明の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、ノイズ補正された動的ビーム成形のための光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略図である。 図１Ａに示されるタイプのシステムにおける位相変更およびノイズ補正の簡略化されたグラフ表現である。 本発明の別の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、ノイズ補正された動的ビーム成形のための光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略図である。 図２Ａに示されるタイプのシステムにおける位相変更およびノイズ補正の簡略化されたグラフ表現である。 本発明のさらに好ましい実施形態に従って構築されて動作する、ノイズ補正された動的ビーム成形のための光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略図である。 図３Ａに示されるタイプのシステムにおける位相変更およびノイズ補正の簡略化されたグラフ表現である。 本発明のやはりさらに好ましい実施形態に従って構築されて動作する、ノイズ補正された動的ビーム成形のための光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略図である。 図４Ａに示されるタイプのシステムにおける位相変更およびノイズ補正の簡略化されたグラフ表現である。 図１Ａ～図４Ｃに示されるタイプのいずれかの光フェーズドアレイレーザシステムの出力の可能な遠視野運動の簡略化された概略図である。 本発明のなおも別の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、複数の検出器および対応する複数の緊密に離間された光路を含む光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略図である。 本発明のやはり別の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、複数の検出器および対応する複数の緊密に離間された光路を含む光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略図である。 本発明のやはりさらに好ましい実施形態に従って構築されて動作する、複数の検出器および対応する複数の緊密に離間された光路を含む光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略図である。 本発明の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、例示的なレーザビーム軌道に従って構成された検出器マスクを含む光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略図である。 図９に示されるタイプの検出器マスクの簡略化された概略図であり、その透明度の様々なレベルを示す。 本発明の別の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、例示的なレーザビーム形状に従って構成された検出器マスクを含む光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略図である。 図１１に示されるタイプの検出器マスクの簡略化された概略図であり、その透明度の様々なレベルを示す。 本発明の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、電圧－位相相関機能を含む光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略図である。 図１３に示されるタイプのシステムにおいて電圧－位相相関を実施するためのステップを示す簡略化されたフローチャートである。 本発明の追加の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、動的ビームのスケーリングされた位相修正を含む光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略平面図である。 本発明のやはり追加の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、動的ビームのスケーリングされた位相修正を含む光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略平面図である。 図１５または図１６に示されるタイプの動的ビームのスケーリングされた位相修正を含む光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された上面図および斜視図である。 本発明のさらに好ましい実施形態に従って構築されて動作する、動的ビームのスケーリングされた位相修正を含む光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略平面図である。 本発明のさらに好ましい実施形態に従って構築されて動作する、動的ビームのスケーリングされた位相修正を含む光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略平面図である。 図１８または図１９に示されるタイプの動的ビームのスケーリングされた位相修正を含む、光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された上面図および斜視図である。 本発明のやはりさらに好ましい実施形態に従って構築されて動作する、動的ビームのスケーリングされた位相修正を含む光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略平面図である。 本発明の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、光フェーズドアレイレーザシステムのそれぞれの第１および第２の焦点状態の簡略化された概略図である。 図２２Ａおよび図２２Ｂに示されるタイプの光フェーズドアレイレーザシステムにおける後方散乱の簡略化された表現である。 本発明の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、シードレーザ故障保護システムを含むレーザ増幅システムの簡略化された概略図である。 本発明の別の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、シードレーザ故障保護システムを含むレーザ増幅システムの簡略化された概略図である。 本発明のさらに好ましい実施形態に従って構築されて動作する、シードレーザ故障保護システムを含むレーザ増幅システムの簡略化された概略図である。 本発明のなおも別の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、シードレーザ故障保護システムを含むレーザ増幅システムの簡略化された概略図である。 本発明のやはり別の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、シードレーザ故障保護システムを含むレーザ増幅システムの簡略化された概略図である。 本発明のなおもさらに別の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、シードレーザ故障保護システムを含むレーザ増幅システムの簡略化された概略図である。 本発明のやはりさらに好ましい実施形態に従って構築されて動作する、シードレーザ故障保護システムを含むレーザ増幅システムの簡略化された概略図である。 本発明のなおも追加の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、シードレーザ故障保護システムを含むレーザ増幅システムの簡略化された概略図である。 本発明のやはり追加の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、シードレーザ故障保護システムを含むレーザ増幅システムの簡略化された概略図である。 図２４～図３２に示されているタイプのいずれかのレーザ増幅システムで有用なセンサの簡略化された概略図である。

次に、本発明の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、ノイズ補正された動的ビーム成形のための光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略図である図１Ａ、ならびに図１Ａに示されたタイプのシステムにおける位相変更およびノイズ補正の簡略化されたグラフ表現である図１Ｂおよび図１Ｃを参照する。

図１Ａに見られるように、ここでは例として、レーザ切断システム１０２内で使用されるように示される、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）レーザシステム１００が提供される。レーザ切断システム１０２は、多軸位置決めテーブル１０４に対して離間された関係で取り付けられたＯＰＡレーザシステム１００を含んでもよく、そのテーブル１０４上で、以下で詳述されるように、物品１０６などの物品をレーザシステム１００を使用して切断することができる。レーザ切断システム１０２は、本明細書ではテーブル１０４の文脈で示されているが、システム１０２は、当業者には理解されるように、任意のタイプのレーザ切断システムとして具体化され得ることが理解される。

拡大１１０で最もよく分かるように、ＯＰＡレーザ１００は、好ましくは、シードレーザ１１２およびレーザビーム分割および結合サブシステム１１４を備える。分割および結合サブシステム１１４は、好ましくは、シードレーザ１１２からの出力レーザビームを受け取り、対応する複数のチャネル１１６に沿って、出力されたレーザビームを複数のサブビームに分割する。ここで、単に例として、シードレーザ１１２からの出力は、１０個のチャネル１１６に沿って１０個のサブビームに分割されるように示されているが、分割および結合サブシステム１１４は、シードレーザ１１２の出力が分割されるチャネルに沿って、より少ない数またはより大きい数のチャネルを含んでもよく、典型的には、３２個以上のチャネルのようなはるかに大きい数のチャネルを含んでもよいことが理解される。

各サブビームの相対位相は、好ましくは、チャネル１１６の各々に沿って位置付けられている位相変調器１１８によって個々に変調されてもよい。シードレーザ１１２の出力の分割およびその後の位相変調によって生成される各位相変調されたサブビームは、好ましくは、コリメートレンズ１１９に向かって伝播する。個々にコリメートされ、位相変調されたサブビームは、その後、例えば焦点レンズ１２０において結合されて、出力ビーム１２２を形成する。

分割および結合サブシステム１１４はまた、好ましくは、シードレーザ１１２の出力ビームをサブビームに分割した後、サブビームを結合して出力ビーム１２２を形成する前に、サブビームのレーザ増幅を提供することもできる。ここでは例として、分割および結合サブシステム１１４は、各サブビームを増幅するためのチャネル１１６のうちの対応するチャネルに沿って位置付けられている複数の光増幅器１２４を含むように示されている。しかしながら、ＯＰＡレーザ１００の電力出力要件に応じて、そのような増幅は選択可能であり、省略されてもよいことが理解される。

出力ビーム１２２の位相、したがって、その遠視野強度パターンの位置および形状は、出力ビーム１２２を形成するために結合された構成サブビームの相対位相によって、少なくとも部分的に制御される。図１Ａに示されるようなレーザ切断などの多くの用途では、出力ビームの遠視野強度パターンを動的に移動および成形することが望ましい。これは、レーザシステム１００において、レーザ分割および結合サブシステム１１４が個々のサブビームの相対位相を動的に変更し、それによって、結合されたレーザ出力１２２の位相を変更して、その遠視野強度パターンの位置および形状を動的に制御するようにすることによって達成されてもよい。

サブビームの相対位相は、好ましくは、物品１０６の切断のための所望のレーザ出力パターンに従って事前決定される。特に好ましくは、変更する相対位相は、位相制御サブシステム１３０によって適用される。位相制御サブシステム１３０は、好ましくは、ＯＰＡレーザ１００内の制御電子モジュール１３２の一部を形成し、好ましくは、チャネル１１６に沿ったサブビームの相対位相を動的に変調するように各位相変調器１１８を制御する。

ＯＰＡシステム１００に固有のノイズに起因して、出力ビーム１２２はノイズを有する。出力ビーム１２２のノイズは、典型的には、熱的または機械的効果によって、および／または光増幅器１２４がＯＰＡシステム１００内にある場合の増幅プロセスによって生成される位相ノイズである。本発明の好ましい実施形態の特定の特徴は、レーザシステム１００が、以下に詳述される方法で出力ビーム１２２中のノイズをキャンセルするためにノイズキャンセル位相補正出力を提供するように動作するノイズキャンセルサブシステム１４０を含むことである。

特に好ましくは、ノイズキャンセルサブシステム１４０は、結合されたレーザ出力中の位相ノイズを検知および補正するアルゴリズムを使用する。ノイズキャンセル位相補正出力は、好ましくは、ノイズキャンセルサブシステム１４０によって位相変調器１１８に提供されて、出力ビーム１２２の位相ノイズを補正し、したがって、そうでなければノイズによって引き起こされるであろう出力ビーム１２２の遠視野強度パターンの形状および位置の歪みを回避する。ノイズキャンセルサブシステム１４０は、制御電子モジュール１３２に含まれてもよい。

出力ビーム１２２は、追加的または代替的に、強度ノイズを含む、位相ノイズ以外のタイプのノイズの影響を受ける可能性があることが理解される。強度ノイズを有する出力ビーム１２２の場合、ノイズキャンセルサブシステム１４０は、出力ビーム１２２の強度ノイズをキャンセルするために、ノイズキャンセル位相補正出力を提供するように動作することができる。そのような場合、ＯＰＡレーザシステム１００は、チャネル１１６に沿ったサブビームの各々の強度を変調するために、チャネル１１６に沿って強度変調器１４２を任意に追加的に含んでもよい。

出力ビーム１２２は、追加的または代替的に、サブビームの相対位置に影響を及ぼし得る機械的ノイズによって影響を受ける可能性があることが理解される。位置ノイズを有する出力ビーム１２２の場合、ノイズキャンセルサブシステム１４０は、出力ビーム１２２の位置ノイズをキャンセルするためにノイズキャンセル位相補正出力を提供するように動作することができる。そのような場合、ＯＰＡレーザシステム１００は、チャネル１１６に沿ったサブビームの各々の位置を変調するために、チャネル１１６に沿った位置変調器１４４を任意に追加的に含んでもよい。

出力ビーム１２２への位相変更およびノイズ補正の適用を容易にするために、ＯＰＡレーザ１００の出力の一部分は、好ましくは、抽出され、ここでは単一の検出器１５０として示される少なくとも１つの検出器に向けて方向付けられる。検出器１５０は、代替的に、図６～図８および図１５～図２１を参照して以下で詳述されるように、複数の検出器として具体化されてもよい。出力ビームの抽出された部分は、好ましくは、必要なノイズ補正および／または位相変更が計算され得る特性に基づいて、基準ビームとして機能する。図１Ａに示される実施形態では、チャネル１１６に沿った複数のサブビームは、ビーム分割器１６０に向けて方向付けられる。ビーム分割器１６０は、好ましくは、事前決定された比率に従って、各サブビームを透過部分１６２と反射部分１６４とに分割する。例えば、ビーム分割器１６０は、９９．９％の透過率：０．０１％の反射率で各サブビームを分割してもよい。

サブビームの透過部分１６２は、好ましくは、焦点レンズ１２０に向かって伝播し、焦点レンズ１２０において、サブビームが結合されて、物品１０６の表面に入射する遠視野強度パターン１６６を有する出力ビーム１２２を形成する。サブビームの反射部分１６４は、好ましくは、追加の焦点レンズ１６８に向かって反射され、追加の焦点レンズ１６８においてサブビームが結合されて、検出器１５０の表面に入射する遠視野強度パターン１７２を有する出力基準ビーム１７０を形成する。

ビーム分割器１６０ならびに焦点レンズ１２０および１６８を含む、本明細書に示されるビーム分割および再結合要素の特定の構造および構成は、単に例示であり、非常に簡略化された形で示されることが理解される。ＯＰＡレーザシステム１００は、様々なそのような要素、ならびに単に例として、追加または代替のレンズ、光ファイバ、およびコヒーレント自由空間遠視野結合器を含む追加の光学素子を含み得ることが理解される。

本明細書で上述されたように、出力ビーム１２２の遠視野強度パターン１６６の形状および位置、ならびに基準ビーム１７０の遠視野強度パターン１７２の対応する形状および位置は、サブビームの相対位相の進行中の変更に起因して常に変化している。結果として、遠視野強度パターン１７２は、検出器１５０に固定されず、むしろ、構成サブビームの結合された相対位相に応じて、検出器１５０に対して常に移動されている。しかしながら、検出器１５０が必要なノイズキャンセル位相補正出力を提供するためには、検出器が遠視野強度パターン１７２の強度を測定し、したがって、それに応じてノイズ補正を適用するために、遠距離フィールド強度パターン１７２が検出器１５０に入射しなければならず、その結果、固定された出力ビームが得られる。

遠視野強度パターン１７２の位相変更に起因するその動的性質と、ノイズ補正を導出および適用するために遠視野強度パターン１７２に要求される固定的性質との間の矛盾は、本発明では、ノイズキャンセルおよび位相変更を相互に異なる時間およびレートで提供することによって有利に解決される。

ノイズキャンセル位相補正出力は、ノイズサンプリングレートで検出器１５０で測定されたノイズを考慮することに基づいて提供される。出力ビーム１２２は、遠視野強度パターン１７２が、出力および基準遠視野強度パターン１６６、１７２の形状および位置への動的変化の過程で、要求されたノイズサンプリングレートと等しいか、またはそれ以上のレートで検出器１５０に入射するような方法で制御される。基準ビーム１７０のノイズは、遠視野強度パターン１７２が検出器１５０に戻されるこれらの断続的な時間の間に考慮に入れられる。

遠視野強度パターン１７２が検出器１５０に入射する断続的な時間の間の時間間隔において、結合された出力ビーム１２２および１７０の位相は、物品１０６のレーザ切断を実施するために必要とされるように、その位相の遠視野強度パターンの形状および位置を動的に変化させるために変更される。結合されたレーザ出力は、位相を急速に、したがって、遠視野強度パターンの形状および位置を急速に変化させるために、ノイズサンプリングレートを超える位相変化率で変更される。例として、ノイズサンプリングレートは、１０～１０００Ｈｚ程度であってもよく、一方、位相変更レートは、１０，０００Ｈｚよりも大きくてもよい。

本発明の実施形態においてノイズキャンセルおよび位相変更が好ましく実施される異なるレートおよび時間スケールは、図１Ａに見られるグラフ１８０および図１Ｂに示されるその拡大バージョンを参照して最もよく理解され得る。

図１Ｂに最も明確に見られるように、グラフ１８０は、検出器１５０で測定された遠視野強度パターン１７２の経時的な強度の変更を表示する上側部分１８２と、出力ビーム１２２および基準ビーム１７０に寄与する多数のサブビームの相対位相の同じ時間期間にわたる変更を表示する下側部分１８４と、を含む。簡単にするために、１０個のサブビームの相対位相がグラフ１８０に表示されているが、ＯＰＡシステム１００、したがって本明細書で提供される説明は、より少ない、またはより典型的には、はるかに多数のサブビームに適用可能であることが理解される。

上側部分１８２に見られるように、強度ピーク１８６は、遠視野強度パターン１７２が検出器１５０の上を通過するときの基準ビーム１７０の測定された強度を表す。下側部分１８４に見られるように、強度ピーク１８６は、各サブビームの相対位相がゼロである断続的な時間Ｔ_ｉで発生し、これは、サブビーム間の位相のシフトがないことを意味し、結合された出力ビームの位置は、したがって、変化せず、遠視野強度パターン１７２は、したがって、検出器１５０に直接入射する。検出器１５０は、代替的に、そこにあるサブビームの相対位相が非ゼロになるように位置決めされてもよいことが理解される。さらに、図６～図８および図１５～図２１を参照して以下に詳述されるように、複数の検出器を使用して、それらに沿った複数の位置で遠視野強度パターン１７２を測定できるようにしてもよい。

遠視野強度パターン１７２が検出器１５０のいずれかの側に移動され、したがって、検出器１５０に直接入射しないので、強度ピーク１８６の間で、測定された強度はゼロに近い。上側部分１８２の考察から理解されるように、強度ピーク１８６の大きさは、レーザ出力ビーム中のノイズの存在に起因して一定ではなく、そのノイズは、遠視野強度パターン１７２を劣化させる。

下側部分１８４に見られるように、サブビームの相対位相が断続的な時間Ｔ_ｉの間の時間間隔Ｔ_{ｂｅｔｗｅｅｎ}で変更される。本明細書に示される位相変更関数では、サブビームの相対位相は、正および負の方向に等しい位相シフトが適用された周期的で規則的な繰り返しパターンで変更するように示されている。そのような単純化されたパターンは単なる例示であり、位相変更は必ずしも規則的に繰り返される必要はなく、正および負の方向で必ずしも対称的でもないことが理解される。さらに、時間間隔Ｔ_{ｂｅｔｗｅｅｎ}は、断続的な時間Ｔ_ｉと重複することが好ましいが、必ずしもそうである必要はないことが理解される。追加的に、位相変更レートおよびノイズサンプリングレートのうちの少なくとも１つは、一定であり得るか、または経時的に変化し得ることが理解される。

ノイズキャンセルサブシステム１４０は、好ましくは、断続的な時間Ｔ_ｉでのノイズを考慮することによって動作し、断続的な時間Ｔ_ｉで検知されたノイズに基づいてノイズキャンセル位相補正出力を提供する。ノイズキャンセルサブシステム１４０は、好ましくは、ノイズを検知し、それに応じて検知されたノイズを補正するためにアルゴリズムを使用する。

本発明の１つの例示的な実施形態によれば、ノイズキャンセルサブシステム１４０は、検出器１５０に対する遠視野強度パターン１７２の移動の各サイクル中に、１つのチャネルの相対位相が所与の位相変化Δφによって修正されるような方法で変化されるアルゴリズムを使用する。各サイクルにわたって選択されたサブビームに異なる位相変化Δφが適用されるこのようなサイクルの数に続いて、アルゴリズムは、サイクルの全てにわたって最大出力強度を確認し、この最大強度を生成した最適な位相変化Δφを見つける。選択されたサブビームの位相変化は、次いで、その後のサイクルで最適な位相変化Δφに固定され、アルゴリズムは別のサブビームを最適化するために進行する。

グラフ１８０は、３つのサブビームまたは合計１０個のサブビームのチャネルＡ、Ｂ、およびＣにおけるこの例示的なアルゴリズムによるノイズキャンセルを示している。簡単にするために、サブビームＡ、Ｂ、およびＣは、図１Ｃに単独で表示されている。図１Ｃでは、本明細書の後述の目的のために、様々なサブビーム間の区別を支援するために、サブビームＡ、Ｂ、およびＣの位相変更およびノイズ補正を表す線のライン様式が、図１Ａおよび図１Ｂと比較して、それぞれ修正されていることが理解される。

チャネルＡの場合に最初に見られ、拡大図１９０の考慮から最も明確に理解されるように、破線は、いかなるノイズ補正もない場合に位相制御サブシステム１３０によって適用されるであろう、サブビームＡの相対位相の変更パターンを表している。この線は、Ａ_{ｕｎｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}と呼ばれることがある。点線および破線は、最適な位相ノイズ補正を見つけるために、ノイズ補正アルゴリズムによって修正されたサブビームＡの実際の相対位相を表している。この線は、Ａ_{ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}と呼ばれることがある。Ａ_{ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}の修正された相対位相は、サブビームＡの最初の５サイクルにわたって、Ａ_{ｕｎｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}の修正されていない相対位相に対して異なるΔφ_Ａだけシフトされる。検出器１５０で測定された強度１８６は、相対位相シフトの意図的な変化に起因して、サブビームＡの最適化の最初の５サイクルにわたって変更する。

サブビームＡの最初の５サイクルの後、アルゴリズムは、最大強度を確認し、最大強度を生成する位相変化Δφ_Ａを見つける。この場合、最大強度は、第２の位相シフトΔφ_Ａによって生成されるＩＡ_ｍａｘであると見られる。サブビームＡの相対位相変更に適用される位相変化は、したがって、その後のサイクルのために第２の位相シフトΔφ_Ａに固定され、アルゴリズムは、サブビームＢを最適化するために進行する。

サブビームＡの最適化の連続サイクル中に、サブビームの残りの部分の相対位相は、サブビームＡ中のノイズが考慮されるノイズサンプリングレートをはるかに超える位相変更レートで、各々、通常どおり変更されることが理解される。

サブビームＢの場合にさらに見られるように、拡大図１９２の考慮から最も明確に理解されるように、チャネルＢの最適化中のより太い線は、いかなるノイズ補正もない場合に位相制御サブシステム１３０によって適用されるであろう、サブビームＢの相対位相の変更パターンを表している。この線は、Ｂ_{ｕｎｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}と呼ばれることがある。チャネルＢの最適化中の細い線は、最適な位相ノイズ補正を見つけるためにノイズ補正アルゴリズムによって修正されたサブビームＢの実際の相対位相を表している。この線は、Ｂ_{ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}と呼ばれることがある。Ｂ_{ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}の修正された相対位相は、最適化サブビームＢの５サイクルにわたって、Ｂ_{ｕｎｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}の修正されていない相対位相に対して異なるΔφ_Ｂだけシフトされる。検出器１５０で測定された強度１８６は、相対位相シフトの意図的な変化に起因して、最適化サブビームＢのこれらの５サイクルにわたって変更する。

サブビームＢのこれらの５サイクルの後、アルゴリズムは、最大強度を確認し、最大強度を生成する位相変化Δφ_Ｂを見つける。この場合、最大強度は、第４の位相シフトΔφ_Ｂによって生成されるＩＡＢ_ｍａｘであると見られる。サブビームＢの相対位相変更に適用される位相変更は、次いで、その後のサイクルのために第４の位相シフトΔφ_Ｂに固定され、アルゴリズムは、サブビームＣを最適化するために進行する。

サブビームＢの最適化の５サイクル中に、サブビームの残りの部分の相対位相が、サブビームＢのノイズが考慮されるノイズサンプリングレートをはるかに超える位相変化レートで、各々、通常どおり変更されることが理解される。

好ましくは、サブビームＣについても同様の最適化プロセスが実施され、ここで、サブビームＣの位相ノイズに起因する出力ビーム強度の最適化およびその強度劣化を補正するために、いくつかのサイクルにわたって位相変化Δφ_Ｃが適用される。

少なくとも１つの検出器１５０は、サブビームの相対位相を継続的に最適化し、その中の位相ノイズを補正するために、継続的に動作することができる。しかしながら、検出器１５０の有限の応答時間に起因して、検出器１５０は、比較的遅いノイズサンプリングレートで、断続的な時間における基準ビーム１７０中のノイズのみを考慮する。ノイズサンプリングレートは、好ましくは事前決定されるが、必ずしもそうである必要はない。代替的に、ノイズサンプリングレートはランダムであってもよい。

当業者には理解されるように、グラフ１８０に示されているノイズ補正アルゴリズムの特定のパラメータは、単に例示であり、容易に修正され得ることが理解される。例えば、位相シフトΔφは、本明細書に示されるよりも多いまたは少ないサイクル数にわたって最適化されてもよく、各サブビームは、サブビームが検出器１５０を通過するたびに完全に最適化されてもよく、またはいくつかのサブビームもしくはサブビームの全てが、遠視野強度パターンが検出器１５０を通過する各サイクル中に最適化されてもよい。さらに、確率的並列勾配降下最適化アルゴリズムを含むがこれに限定されない、非連続ノイズ補正最適化アルゴリズムが代替的に実装されてもよい。

動的に成形され、ノイズ補正された光フェーズドアレイ出力ビームをレーザ切断に使用することは、非常に有利であり、急速なビームステアリング、高速電力変調、高速ビーム集束、およびビーム形状調整を可能にする。従来のレーザ切断方法と比較して、動的に成形され、ノイズ補正された光フェーズアレイ出力を使用することで、材料を切断できる速度と品質との両方が改善される。本発明の好ましい実施形態によるノイズ補正の提供のためであれば、光フェーズドアレイ出力ビームの形状および位置が劣化し、それによって、レーザ切断プロセスの品質、速度、および精度が劣化することが理解される。

ビームの遠視野強度パターンが移動するときに出力ビーム強度を維持するために、特定のレーザ切断用途で有利であるように、出力ビームの移動を制御して、これにより、ビームがより低い強度位置でより多くの時間を費やすようにして、そこでの電力伝達の減少を補償するようにすることができる。追加的または代替的に、ニュートラルデンシティ（ＮＤ）フィルタなどの強度プロファイルマスクは、その強度を修正するために出力ビームに適用されてもよい。

次に、本発明の別の好ましい実施形態に従って構成されて動作する、ノイズ補正された動的ビーム成形のための光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略図である図２Ａ、ならびに図２Ａに示されたタイプのシステム内の位相変更およびノイズ補正の簡略化されたグラフ表現である図２Ｂおよび図２Ｃを参照する。

図２Ａに見られるように、ここでは例として、付加製造システム２０２内で使用されるように示される、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）レーザシステム２００が提供される。付加製造システム２０２は、走査ミラー２０３および多軸位置決めテーブル２０４に対して離間された関係で取り付けられたＯＰＡレーザシステム２００を含んでもよく、テーブル２０４上で、物品２０６などの物品は、レーザシステム２００を使用して付加的に製造されてもよい。付加製造システム２０２は、本明細書では走査ミラー２０３の文脈で示されているが、システム２０２は、当業者には理解されるように、任意のタイプの付加製造システムとして具体化され得ることが理解される。

拡大図２１０で最もよく見られるように、ＯＰＡレーザ２００は、好ましくは、シードレーザ２１２と、レーザビーム分割および結合サブシステム２１４と、を備える。分割および結合サブシステム２１４は、好ましくは、シードレーザ２１２からの出力レーザビームを受け取り、対応する複数のチャネル２１６に沿って、出力されたレーザビームを複数のサブビームに分割する。ここで、単に例として、シードレーザ２１２からの出力は、１０個のチャネル２１６に沿って１０個のサブビームに分割されるように示されているが、分割および結合サブシステム２１４は、シードレーザ２１２の出力が分割されるチャネルに沿って、より少ない数またはより大きい数のチャネルを含んでもよく、典型的には、３２個以上のチャネルのようなはるかに大きい数のチャネルを含んでもよいことが理解される。

各サブビームの相対位相は、好ましくは、チャネル２１６の各々に沿って位置付けられている位相変調器２１８によって個々に変調されてもよい。シードレーザ２１２の出力の分割およびその後の位相変調によって生成される各位相変調されたサブビームは、好ましくは、コリメートレンズ２１９に向かって伝播する。個々にコリメートされ、位相変調されたサブビームは、その後、例えば焦点レンズ２２０において結合されて、出力ビーム２２２を形成する。

分割および結合サブシステム２１４はまた、好ましくは、シードレーザ２１２の出力ビームをサブビームに分割した後、サブビームを結合して出力ビーム２２２を形成する前に、サブビームのレーザ増幅を提供することもできる。ここで、例として、分割および結合サブシステム２１４は、各サブビームを増幅するためのチャネル２１６のうちの対応するチャネルに沿って位置付けられている複数の光増幅器２２４を含むように示されている。しかしながら、ＯＰＡレーザ２００の電力出力要件に応じて、そのような増幅は選択可能であり、省略されてもよいことが理解される。

出力ビーム２２２の位相、したがって、その遠視野強度パターンの位置および形状は、出力ビーム２２２を形成するために結合された構成サブビームの相対位相によって、少なくとも部分的に制御される。図２Ａに示されているようなレーザ付加製造などの多くの用途では、出力ビームの遠視野強度パターンを動的に移動および成形することが望ましい。これは、レーザシステム２００において、レーザ分割および結合サブシステム２１４が、個々のサブビームの相対位相を動的に変更させ、それによって、結合されたレーザ出力２２２の位相を変更させて、その遠視野強度パターンの位置および形状を動的に制御するようにすることによって達成することができる。

サブビームの相対位相は、好ましくは、物品２０６の３Ｄ印刷のための所望のレーザ出力パターンに従って事前決定される。特に好ましくは、変更する相対位相は、位相制御サブシステム２３０によって適用される。位相制御サブシステム２３０は、好ましくは、ＯＰＡレーザ２００内の制御電子モジュール２３２の一部を形成し、好ましくは、チャネル２１６に沿ったサブビームの相対位相を動的に変調するように各位相変調器２１８を制御する。

ＯＰＡシステム２００に固有のノイズに起因して、出力ビーム２２２はノイズを有する。出力ビーム２２２のノイズは、典型的には、熱的または機械的効果によって、および／または光増幅器２２４がＯＰＡシステム２００内にある場合の増幅プロセスによって生成される位相ノイズである。本発明の好ましい実施形態の特定の特徴は、レーザシステム２００が、以下に詳述される方法で出力ビーム２２２中のノイズをキャンセルするためにノイズキャンセル位相補正出力を提供するように動作する、ノイズキャンセルサブシステム２４０を含むことである。

特に好ましくは、ノイズキャンセルサブシステム２４０は、結合されたレーザ出力中の位相ノイズを検知および補正するアルゴリズムを使用する。ノイズキャンセル位相補正出力は、好ましくは、ノイズキャンセルサブシステム２４０によって位相変調器２１８に提供されて、出力ビーム２２２の位相ノイズを補正し、したがって、そうでなければノイズによって引き起こされるであろう出力ビーム２２２の遠視野強度パターンの形状および位置の歪みを回避する。ノイズキャンセルサブシステム２４０は、制御電子モジュール２３２に含まれてもよい。

出力ビーム２２２は、追加的または代替的に、強度ノイズを含む、位相ノイズ以外のタイプのノイズの影響を受ける可能性があることが理解される。強度ノイズを有する出力ビーム２２２の場合、ノイズキャンセルサブシステム２４０は、出力ビーム２２２の強度ノイズをキャンセルするために、ノイズキャンセル位相補正出力を提供するように動作することができる。そのような場合、ＯＰＡレーザシステム２００は、チャネル２１６に沿ったサブビームの各々の強度を変調するために、チャネル２１６に沿って強度変調器２４２を任意に追加的に含んでもよい。

出力ビーム２２２は、追加的または代替的に、サブビームの相対位置に影響を及ぼし得る機械的ノイズによって影響を受ける可能性があることが理解される。位置ノイズを有する出力ビーム２２２の場合、ノイズキャンセルサブシステム２４０は、出力ビーム２２２の位置ノイズをキャンセルするために、ノイズキャンセル位相補正出力を提供するように動作することができる。そのような場合、ＯＰＡレーザシステム２００は、チャネル２１６に沿ったサブビームの各々の位置を変調するために、チャネル２１６に沿った位置変調器２４４を任意に追加的に含んでもよい。

出力ビーム２２２への位相変更およびノイズ補正の適用を容易にするために、ＯＰＡレーザ２００の出力の一部分は、好ましくは、抽出され、ここでは単一の検出器２５０として示される少なくとも１つの検出器に向かって方向付けられる。検出器２５０は、代替的に、図６～図８および図１５～図２１を参照して以下に詳述されるように、複数の検出器として具体化されてもよい。出力ビームの抽出された部分は、好ましくは、要求されるノイズ補正および／または位相変更が計算され得る特性に基づいて、基準ビームとして機能する。図２Ａに示される実施形態では、チャネル２１６に沿った複数のサブビームは、ビーム分割器２６０に向かって方向付けられる。ビーム分割器２６０は、好ましくは、事前決定された比率に従って、各サブビームを透過部分２６２と反射部分２６４とに分割する。例えば、ビーム分割器２６０は、９９．９％の透過率：０．０１％の反射率で各サブビームを分割してもよい。

サブビームの透過部分２６２は、好ましくは、焦点レンズ２２０に向かって伝播し、焦点レンズ２２０において、サブビームが結合されて、走査ミラー２０３に入射する遠視野強度パターン２６６を有する出力ビーム２２２を形成する。サブビームの反射部分２６４は、好ましくは、追加の焦点レンズ２６８に向かって反射され、追加の焦点レンズ２６８において、サブビームが結合されて、検出器２５０の表面に入射する遠視野強度パターン２７２を有する出力基準ビーム２７０を形成する。

ビーム分割器２６０ならびに焦点レンズ２２０および２６８を含む、本明細書に示されるビーム分割および再結合要素の特定の構造および構成は、単に例示であり、非常に簡略化された形で示されることが理解される。ＯＰＡレーザシステム２００は、様々なそのような要素、ならびに単に例として、追加または代替のレンズ、光ファイバ、およびコヒーレント自由空間遠視野結合器を含む、追加の光学素子を含み得ることが理解される。

本明細書で上述されたように、出力ビーム２２２の遠視野強度パターン２６６の形状および位置、ならびに基準ビーム２７０の遠視野強度パターン２７２の対応する形状および位置は、サブビームの相対位相の進行中の変更に起因して常に変化している。結果として、遠視野強度パターン２７２は、検出器２５０に固定されず、むしろ、構成サブビームの結合された相対位相に応じて、検出器２５０に対して常に移動されている。しかしながら、検出器２５０が必要なノイズキャンセル位相補正出力を提供するためには、検出器が遠視野強度パターン２７２の強度を測定し、したがって、それに応じてノイズ補正を適用するために、遠距離フィールド強度パターン２７２が検出器２５０に入射しなければならず、その結果、固定された出力ビームが得られる。

遠視野強度パターン２７２の位相変更に起因するその動的性質と、ノイズ補正を導出および適用するために遠離野強度パターン２７２に要求される固定的性質との間の矛盾は、本発明では、ノイズキャンセルおよび位相変更を相互に異なる時間およびレートで提供することによって有利に解決される。

ノイズキャンセル位相補正出力は、ノイズサンプリングレートで検出器２５０で測定されたノイズを考慮することに基づいて提供される。出力ビーム２２２は、遠視野強度パターン２７２が、出力および基準遠視野強度パターン２６６、２７２の形状および位置への動的変化の過程で、要求されたノイズサンプリングレートと等しいか、またはそれよりも速いレートで検出器２５０に入射するような方法で制御される。基準ビーム２７０のノイズは、遠視野強度パターン２７２が検出器２５０に戻されるこれらの断続的な時間中に考慮される。

遠視野強度パターン２７２が検出器２５０に入射する断続的な時間の間の時間間隔において、結合された出力ビーム２２２、２７０の位相は、物品２０６の付加製造を実施するために必要とされるように、その遠視野強度パターンの形状および位置を動的に変化させるために変更される。結合されたレーザ出力は、位相を急速に、したがって、遠視野強度パターンの形状および位置を急速に変化させるために、ノイズサンプリングレートを超える位相変化率で変更される。例として、ノイズサンプリングレートは、１０～１０００Ｈｚ程度であってもよく、一方、位相変更レートは、１０，０００Ｈｚよりも大きくてもよい。

本発明の実施形態においてノイズキャンセルおよび位相変更が好ましく実施される異なるレートおよび時間スケールは、図２Ａに見られるグラフ２８０および図２Ｂに示されるその拡大バージョンを参照して最もよく理解することができる。

図２Ｂに最も明確に見られるように、グラフ２８０は、検出器２５０で測定された遠視野強度パターン２７２の経時的な強度の変更を表示する上側部分２８２と、出力ビーム２２２および基準ビーム２７０に寄与する多数のサブビームの相対位相の同じ時間期間にわたる変更を表示する下側部分２８４と、を含む。簡単にするために、１０個のサブビームの相対位相がグラフ２８０に表示されているが、ＯＰＡシステム２００、したがって本明細書で提供される説明は、より少ない、またはより典型的には、はるかに多数のサブビームに適用可能であることが理解される。

上側部分２８２に見られるように、強度ピーク２８６は、遠視野強度パターン２７２が検出器２５０の上を通過するときの基準ビーム２７０の測定された強度を表す。下側部分２８４に見られるように、強度ピーク２８６は、各サブビームの相対位相がゼロである断続的な時間Ｔ_ｉで発生し、これは、サブビーム間の位相のシフトがないことを意味しており、結合された出力ビームの位置は、したがって、変化せず、遠視野強度パターン２７２は、したがって、検出器２５０に直接入射する。検出器２５０は、代替的に、そこにあるサブビームの相対位相が非ゼロになるように位置決めされてもよいことが理解される。さらに、図６～図８および図１５～図２１を参照して以下に詳述されるように、複数の検出器を使用して、それらに沿った複数の位置で遠視野強度パターン２７２を測定することを可能にしてもよい。

遠視野強度パターン２７２が検出器２５０のいずれかの側に移動され、したがって、検出器２５０に直接入射しないので、強度ピーク２８６の間で、測定された強度はゼロに近い。上側部分２８２の考察から理解されるように、強度ピーク２８６の大きさは、レーザ出力ビーム中のノイズの存在に起因して一定ではなく、そのノイズは、遠視野強度パターン２７２を劣化させる。

下側部分２８４に見られるように、サブビームの相対位相が断続的な時間Ｔ_ｉの間の時間間隔Ｔ_{ｂｅｔｗｅｅｎ}で変更される。本明細書に示される位相変更関数では、サブビームの相対位相は、正および負の方向に、等しい位相シフトが適用された周期的で規則的な繰り返しパターンで変更するように示されている。そのような単純化されたパターンは単なる例示であり、位相変更は必ずしも規則的に繰り返される必要はなく、正および負の方向で必ずしも対称的である必要もないことが理解される。さらに、時間間隔Ｔ_{ｂｅｔｗｅｅｎ}は、断続的な時間Ｔ_ｉと重複することが好ましいが、必ずしも重複する必要はないことが理解される。追加的に、位相変化レートおよびノイズサンプリングレートのうちの少なくとも１つは、一定であり得るか、または経時的に変化し得ることが理解される。

ノイズキャンセルサブシステム２４０は、好ましくは、断続的な時間Ｔ_ｉでのノイズを考慮することによって動作し、断続的な時間Ｔ_ｉで検知されたノイズに基づいてノイズキャンセル位相補正出力を提供する。ノイズキャンセルサブシステム２４０は、好ましくは、ノイズを検知し、それに応じて検知されたノイズを補正するためのアルゴリズムを使用する。

本発明の１つの例示的な実施形態によれば、ノイズキャンセルサブシステム２４０は、検出器２５０に対する遠視野強度パターン２７２の移動の各サイクル中に、１つのチャネルの相対位相が、相対位相が所与の位相変化Δφによって修正されるような方法で変化されるアルゴリズムを使用する。各サイクルにわたって選択されたサブビームに異なる位相変化Δφが適用されるこのようなサイクルの数に続いて、アルゴリズムは、サイクルの全てにわたって最大出力強度を確認し、この最大強度を生成した最適な位相変化Δφを見つける。選択されたサブビームの位相変化は、次いで、その後のサイクルで最適な位相変化Δφに固定され、アルゴリズムは別のサブビームを最適化するために進行する。

グラフ２８０は、３つのサブビームまたは合計１０個のサブビームのチャネルＡ、Ｂ、およびＣにおけるこの例示的なアルゴリズムによるノイズキャンセルを示している。簡単にするために、サブビームＡ、Ｂ、およびＣは、図２Ｃに単独で表示されている。図２Ｃでは、本明細書における後述を目的として、様々なサブビーム間の区別を支援するために、サブビームＡ、Ｂ、およびＣの位相変更およびノイズ補正を表す線のライン様式が、図２Ａおよび図２Ｂと比較して、それぞれ修正されていることが理解される。

チャネルＡの場合に最初に見られ、拡大図２９０の考慮から最も明確に理解されるように、破線は、いかなるノイズ補正もない場合に位相制御サブシステム２３０によって適用されるであろう、サブビームＡの相対位相の変更パターンを表している。この線は、Ａ_{ｕｎｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}と呼ばれることがある。点線および破線は、最適な位相ノイズ補正を見つけるために、ノイズ補正アルゴリズムによって修正されたサブビームＡの実際の相対位相を表している。この線は、Ａ_{ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}と呼ばれることがある。Ａ_{ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}の修正された相対位相は、サブビームＡの最初の５サイクルにわたって、Ａ_{ｕｎｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}の修正されていない相対位相に対して異なるΔφ_Ａだけシフトされる。検出器２５０で測定された強度２８６は、相対位相シフトの意図的な変化に起因して、サブビームＡの最適化の最初の５サイクルにわたって変更する。

サブビームＡの最初の５サイクルの後、アルゴリズムは、最大強度を確認し、最大強度を生成する位相変化Δφ_Ａを見つける。この場合、最大強度は、第２の位相シフトΔφ_Ａによって生成されるＩＡ_ｍａｘであると見られる。サブビームＡの相対位相変更に適用される位相変化は、したがって、その後のサイクルのために第２の位相シフトΔφ_Ａに固定され、アルゴリズムは、サブビームＢを最適化するために進行する。

サブビームＡの最適化の連続サイクル中に、サブビームの残りの部分の相対位相は、サブビームＡ中のノイズが考慮されるノイズサンプリングレートをはるかに超える位相変化レートで、各々、通常どおり変更されることが理解される。

サブビームＢの場合にさらに見られるように、拡大図２９２の考慮から最も明確に理解されるように、チャネルＢの最適化中のより太い線は、いかなるノイズ補正もない場合に位相制御サブシステム２３０によって適用されるであろう、サブビームＢの相対位相の変更パターンを表している。この線は、Ｂ_{ｕｎｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}と呼ばれることがある。チャネルＢの最適化中の細い線は、最適な位相ノイズ補正を見つけるためにノイズ補正アルゴリズムによって修正されたサブビームＢの実際の相対位相を表している。この線は、Ｂ_{ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}と呼ばれることがある。Ｂ_{ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}の修正された相対位相は、最適化サブビームＢの５サイクルにわたって、Ｂ_{ｕｎｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}の修正されていない相対位相に対して異なるΔφ_Ｂだけシフトされる。検出器２５０で測定された強度２８６は、相対位相シフトの意図的な変化に起因して、最適化サブビームＢのこれらの５サイクルにわたって変更する。

サブビームＢのこれらの５サイクルの後、アルゴリズムは、最大強度を確認し、最大強度を生成する位相変化Δφ_Ｂを見つける。この場合、最大強度は、第４の位相シフトΔφ_Ｂによって生成されるＩＡＢ_ｍａｘであると見られる。サブビームＢの相対位相変更に適用される位相変更は、次いで、その後のサイクルのために第４の位相シフトΔφ_Ｂに固定され、アルゴリズムは、サブビームＣを最適化するために進行する。

サブビームＢの最適化の５サイクル中に、サブビームの残りの部分の相対位相が、サブビームＢのノイズが考慮されるノイズサンプリングレートをはるかに超える位相変更レートで、各々、通常どおり変更されることが理解される。

好ましくは、サブビームＣについても同様の最適化プロセスが実施され、ここで、サブビームＣの位相ノイズに起因する出力ビーム強度の最適化およびその強度劣化を補正するために、いくつかのサイクルにわたって位相変化Δφ_Ｃが適用される。

検出器２５０は、サブビームの相対位相を継続的に最適化し、その中の位相ノイズを補正するために、継続的に動作することができる。しかしながら、検出器２５０の有限の応答時間に起因して、検出器２５０は、比較的遅いノイズサンプリングレートで、断続的な時間における基準ビーム２７０中のノイズのみを考慮する。ノイズサンプリングレートは、好ましくは事前決定されるが、必ずしも事前決定される必要はない。代替的に、ノイズサンプリングレートはランダムであってもよい。

当業者には理解されるように、グラフ２８０に示されているノイズ補正アルゴリズムの特定のパラメータは、単に例示であり、容易に修正され得ることが理解される。例えば、位相シフトΔφは、本明細書に示されるよりも多いまたは少ないサイクル数にわたって最適化されてもよく、各サブビームは、サブビームが検出器２５０を通過するたびに完全に最適化されてもよく、またはいくつかのサブビームもしくはサブビームの全ては、遠視野強度パターンが検出器２５０を通過する各サイクル中に最適化されてもよい。さらに、確率的並列勾配降下最適化アルゴリズムを含むがこれに限定されない、非連続ノイズ補正最適化アルゴリズムが代替的に実装されてもよい。

動的に成形され、ノイズ補正された光フェーズドアレイ出力ビームをレーザ付加製造に使用することは、非常に有利であり、急速なビームステアリング、高速電力変調、高速ビーム集束、およびビーム形状調整を可能にする。従来のレーザ３Ｄ印刷方法と比較して、動的に成形され、ノイズ補正された光フェーズアレイ出力を使用することで、物品を製造できる速度と品質との両方が改善される。本発明の好ましい実施形態によるノイズ補正の提供がなければ、光フェーズドアレイ出力ビームの形状および位置が劣化し、それによって、レーザ付加製造プロセスの品質、速度、および精度が劣化することが理解される。

ビームの遠視野強度パターンが移動するときに出力ビーム強度を維持するために、特定の付加製造用途で有利であるように、出力ビームの移動を制御して、これにより、ビームがより低い強度位置でより多くの時間を費やすようにして、そこでの電力送達の減少を補償するようにすることができる。追加的または代替的に、ＮＤフィルタなどの強度プロファイルマスクは、その強度を修正するために出力ビームに適用されてもよい。

次に、本発明のさらに好ましい実施形態に従って構築されて動作する、ノイズ補正された動的ビーム成形のための光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略図である図３Ａ、ならびに図３Ａに示されたタイプのシステム内の位相変更およびノイズ補正の簡略化されたグラフ表現である図３Ｂおよび図３Ｃを参照する。

図３Ａに見られるように、ここでは例として、自由空間光通信システム３０２内で使用されるように示される、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）レーザシステム３００が提供される。自由空間光通信システム３０２は、ＯＰＡレーザ３００から発せられる光信号を受け取るための受信機３０３に対して離間された関係で、建物などの屋外の場所に取り付けられたＯＰＡレーザシステム３００を含んでもよい。自由空間光通信システム３０２は、本明細書では２つの固定点間の通信の文脈で示されているが、当業者には理解されるように、自由空間光通信システム３０２は、互いに対して移動する２つの位置間の通信での使用に適応され得ることが理解される。自由空間光通信システム３０２は、本明細書では地上通信の文脈で示されているが、当業者には理解されるように、自由空間光通信システム３０２は、地球外通信での使用に適応され得ることがさらに理解される。

自由空間光通信システム３０２は、単に簡単にするために、単一のＯＰＡレーザ３００および受信機３０３のみを含むものとして図３Ａに示されており、システム３０２の通信要件に応じて、より多くの数の単一のＯＰＡレーザ３００および受信機３０３を含み得ることが理解される。さらに、受信機３０３は、ＯＰＡレーザ３００に類似し、かつ受信機能を有するタイプのＯＰＡレーザであってもよいことがさらに理解される。さらに、ＯＰＡレーザ３００は、それらの間の光信号の送信および受信のために、ＯＰＡレーザ３００および３０３の二重動作を可能にするように、受信機能を含んでもよい。

拡大図３１０で最もよく見られるように、ＯＰＡレーザ３００は、好ましくは、シードレーザ３１２と、レーザビーム分割および結合サブシステム３１４と、を備える。分割および結合サブシステム３１４は、好ましくは、シードレーザ３１２からの出力レーザビームを受け取り、対応する複数のチャネル３１６に沿って、出力されたレーザビームを複数のサブビームに分割する。ここで、単に例として、シードレーザ３１２からの出力は、１０個のチャネル３１６に沿って１０個のサブビームに分割されるように示されているが、分割および結合サブシステム３１４は、シードレーザ３１２の出力が分割されるチャネルに沿って、より少ない数またはより大きい数のチャネルを含んでもよく、典型的には、３２個以上のチャネルのようなはるかに大きい数のチャネルを含んでもよいことが理解される。

各サブビームの相対位相は、好ましくは、チャネル３１６の各々に沿って位置付けられている位相変調器３１８によって個々に変調されてもよい。シードレーザ３１２の出力の分割およびその後の位相変調によって生成される各位相変調されたサブビームは、好ましくは、コリメートレンズ３１９に向かって伝播する。個々にコリメートされ、位相変調されたサブビームは、その後、例えば焦点レンズ３２０において結合されて、出力ビーム３２２を形成する。

分割および結合サブシステム３１４はまた、好ましくは、シードレーザ３１２の出力ビームをサブビームに分割した後に、サブビームを結合して出力ビーム３２２を形成する前に、サブビームのレーザ増幅を提供することもできる。ここで、例として、分割および結合サブシステム３１４は、各サブビームを増幅するためのチャネル３１６のうちの対応するチャネルに沿って位置付けられている複数の光増幅器３２４を含むように示されている。しかしながら、そのような増幅は、ＯＰＡレーザ３００の電力出力要件に応じて選択可能であり、省略されてもよいことが理解される。

出力ビーム３２２の位相、したがって、その遠視野強度パターンの位置および形状は、出力ビーム３２２を形成するために結合された構成サブビームの相対位相によって、少なくとも部分的に制御される。図３Ａに示されているような自由空間光通信などの多くの用途では、出力ビームの遠視野強度パターンを動的に移動および成形することが望ましい。これは、レーザシステム３００において、レーザ分割および結合サブシステム３１４が、個々のサブビームの相対位相を動的に変更し、それによって、結合されたレーザ出力３２２の位相を変更して、その遠視野強度パターンの位置および形状を動的に制御するようにすることによって達成することができる。

サブビームの相対位相は、好ましくは、受信機３０３への送信のための所望のレーザ出力パターンに従って事前決定される。特に好ましくは、変更する相対位相は、位相制御サブシステム３３０によって適用される。位相制御サブシステム３３０は、好ましくは、ＯＰＡレーザ３００内の制御電子モジュール３３２の一部を形成し、好ましくは、チャネル３１６に沿ったサブビームの相対位相を動的に変調するように、各位相変調器３１８を制御する。

ＯＰＡシステム３００に固有のノイズに起因して、出力ビーム３２２はノイズを有する。出力ビーム３２２のノイズは、典型的には、熱的または機械的効果によって、および／または光増幅器３２４がＯＰＡシステム３００内にある場合の増幅プロセスによって生成される位相ノイズである。本発明の好ましい実施形態の特定の特徴は、レーザシステム３００が、以下に詳述される方法で出力ビーム３２２中のノイズをキャンセルするためにノイズキャンセル位相補正出力を提供するように動作する、ノイズキャンセルサブシステム３４０を含むことである。

特に好ましくは、ノイズキャンセルサブシステム３４０は、結合されたレーザ出力中の位相ノイズを検知および補正するアルゴリズムを使用する。ノイズキャンセル位相補正出力は、好ましくは、ノイズキャンセルサブシステム３４０によって位相変調器３１８に提供されて、出力ビーム３２２の位相ノイズを補正し、したがって、そうでなければノイズによって引き起こされるであろう出力ビーム３２２の遠視野強度パターンの形状および位置の歪みを回避する。ノイズキャンセルサブシステム３４０は、制御電子モジュール３３２に含まれてもよい。

出力ビーム３２２は、追加的または代替的に、強度ノイズを含む、位相ノイズ以外のタイプのノイズの影響を受ける可能性があることが理解される。強度ノイズを有する出力ビーム３２２の場合、ノイズキャンセルサブシステム３４０は、出力ビーム３２２の強度ノイズをキャンセルするために、ノイズキャンセル位相補正出力を提供するように動作することができる。そのような場合、ＯＰＡレーザシステム３００は、チャネル３１６に沿ったサブビームの各々の強度を変調するために、チャネル３１６に沿って強度変調器３４２を任意に追加的に含んでもよい。

出力ビーム３２２は、追加的または代替的に、サブビームの相対位置に影響を及ぼし得る機械的ノイズによって影響を受ける可能性があることが理解される。位置ノイズを有する出力ビーム３２２の場合、ノイズキャンセルサブシステム３４０は、出力ビーム３２２の位置ノイズをキャンセルするために、ノイズキャンセル位相補正出力を提供するように動作することができる。そのような場合、ＯＰＡレーザシステム３００は、チャネル３１６に沿ったサブビームの各々の位置を変調するために、チャネル３１６に沿った位置変調器３４４を任意に追加的に含んでもよい。

出力ビーム３２２への位相変更およびノイズ補正の適用を容易にするために、ＯＰＡレーザ３００の出力の一部分は、好ましくは、抽出され、ここでは単一の検出器３５０として示される少なくとも１つの検出器に向かって方向付けられる。検出器３５０は、代替的に、図６～図８および図１５～図２１を参照して以下に詳述されるように、複数の検出器として具体化されてもよい。出力ビームの抽出された部分は、好ましくは、要求されるノイズ補正および／または位相変更が計算され得る特性に基づいて、基準ビームとして機能する。図３Ａに示される実施形態では、チャネル３１６に沿った複数のサブビームは、ビーム分割器３６０に向かって方向付けられる。ビーム分割器３６０は、好ましくは、事前決定された比率に従って、各サブビームを透過部分３６２と反射部分３６４とに分割する。例えば、ビーム分割器３６０は、９９．９％の透過率：０．０１％の反射率で各サブビームを分割してもよい。

サブビームの透過部分３６２は、好ましくは、焦点レンズ３２０に向かって伝播し、焦点レンズ３２０において、サブビームが結合されて、遠視野強度パターン３６６を有する出力ビーム３２２を形成する。サブビームの反射部分３６４は、好ましくは、追加の焦点レンズ３６８に向かって反射され、追加の焦点レンズ３６８において、サブビームが結合されて、検出器３５０の表面に入射する遠視野強度パターン３７２を有する出力基準ビーム３７０を形成する。

ビーム分割器３６０ならびに焦点レンズ３２０および３６８を含む、本明細書に示されるビーム分割および再結合要素の特定の構造および構成は、単に例示であり、非常に簡略化された形で示されることが理解される。ＯＰＡレーザシステム３００は、様々なそのような要素、ならびに単に例として、追加または代替のレンズ、光ファイバ、およびコヒーレント自由空間遠視野結合器を含む、追加の光学素子を含み得ることが理解される。

本明細書で上述されたように、出力ビーム３２２の遠視野強度パターン３６６の形状および位置、ならびに基準ビーム３７０の遠視野強度パターン３７２の対応する形状および位置は、サブビームの相対位相の進行中の変更に起因して一定に変化している。結果として、遠視野強度パターン３７２は、検出器３５０に固定されず、むしろ、構成サブビームの結合された相対位相に応じて、検出器３５０に対して常に移動されている。しかしながら、検出器３５０が必要なノイズキャンセル位相補正出力を提供するためには、検出器が遠視野強度パターン３７２の強度を測定し、したがって、それに応じてノイズ補正を適用するために、遠距離フィールド強度パターン３７２が検出器３５０に入射しなければならず、その結果、固定された出力ビームが得られる。

遠視野強度パターン３７２の位相変更に起因するその動的性質と、ノイズ補正を導出および適用するために遠視野強度パターン３７２に要求される固定的性質との間の矛盾は、本発明では、ノイズキャンセルおよび位相変更を相互に異なる時間およびレートで提供することによって有利に解決される。

ノイズキャンセル位相補正出力は、ノイズサンプリングレートで検出器３５０で測定されたノイズを考慮することに基づいて提供される。出力ビーム３２２は、遠視野強度パターン３７２が、出力および基準遠視野強度パターン３６６、３７２の形状および位置への動的変化の過程で、要求されたノイズサンプリングレートと等しいか、またはそれより速いレートで検出器３５０に入射するような方法で制御される。基準ビーム３７０のノイズは、遠視野強度パターン３７２が検出器３５０に戻されるこれらの断続的な時間中に考慮される。

遠視野強度パターン３７２が検出器３５０に入射する断続的な時間の間の時間間隔において、結合された出力ビーム３２２、３７０の位相は、物品２０６の付加製造を実施するために必要とされるように、その位相の遠視野強度パターンの形状および位置を動的に変化させるために変更される。結合されたレーザ出力は、位相を急速に、したがって、遠視野強度パターンの形状および位置を急速に変化させるために、ノイズサンプリングレートを超える位相変化率で変更される。例として、ノイズサンプリングレートは、１０～１０００Ｈｚ程度であってもよく、一方、位相変更レートは、１０，０００Ｈｚよりも大きくてもよい。

本発明の実施形態においてノイズキャンセルおよび位相変更が好ましく実施される異なるレートおよび時間スケールは、図３Ａに見られるグラフ３８０および図３Ｂに示されるその拡大バージョンを参照して最もよく理解することができる。

図３Ｂに最も明確に見られるように、グラフ３８０は、検出器３５０で測定された遠視野強度パターン３７２の経時的な強度の変更を表示する上側部分３８２と、出力ビーム３２２および基準ビーム３７０に寄与する多数のサブビームの相対位相の同じ時間期間にわたる変更を表示する下側部分３８４と、を含む。簡単にするために、１０個のサブビームの相対位相がグラフ３８０に表示されているが、ＯＰＡシステム３００、したがって、本明細書に提供される説明は、より少ない、またはより典型的には、はるかに多い数のサブビームに適用可能であることが理解される。

上側部分３８２に見られるように、強度ピーク３８６は、遠視野強度パターン３７２が検出器３５０の上を通過するときの基準ビーム３７０の測定された強度を表す。下側部分３８４に見られるように、強度ピーク３８６は、各サブビームの相対位相がゼロである断続的な時間Ｔ_ｉで発生し、これは、サブビーム間の位相のシフトがないことを意味しており、したがって、結合された出力ビームの位置は変化せず、したがって、遠視野強度パターン３７２は検出器３５０に直接入射する。検出器３５０は、代替的に、そこにあるサブビームの相対位相が非ゼロになるように位置決めされてもよいことが理解される。さらに、図６～図８および図１５～図２１を参照して以下に詳述されるように、複数の検出器を使用して、それらに沿った複数の位置で遠視野強度パターン３７２を測定することを可能にしてもよい。

遠視野強度パターン３７２が検出器３５０のいずれかの側に移動され、したがって、検出器３５０に直接入射しないので、強度ピーク３８６の間で、測定された強度はゼロに近い。上側部分３８２の考察から理解されるように、強度ピーク３８６の大きさは、レーザ出力ビーム中のノイズの存在に起因して一定ではなく、そのノイズは、遠視野強度パターン３７２を劣化させる。

下側部分３８４に見られるように、サブビームの相対位相が断続的な時間Ｔ_ｉの間の時間間隔Ｔ_{ｂｅｔｗｅｅｎ}で変更される。本明細書に示される位相変更関数では、サブビームの相対位相は、正および負の方向に、等しい位相シフトが適用された周期的で規則的な繰り返しパターンで変更するように示されている。そのような単純化されたパターンは、単に例示であり、位相変更は必ずしも規則的に繰り返される必要はなく、正および負の方向で必ずしも対称的である必要もないことが理解される。さらに、時間間隔Ｔ_{ｂｅｔｗｅｅｎ}は、断続的な時間Ｔ_ｉと重複することが好ましいが、必ずしも重複する必要はないことが理解される。追加的に、位相変更レートおよびノイズサンプリングレートのうちの少なくとも１つは、一定であり得るか、または経時的に変化し得ることが理解される。

ノイズキャンセルサブシステム３４０は、好ましくは、断続的な時間Ｔ_ｉでのノイズを考慮することによって動作し、断続的な時間Ｔ_ｉで検知されたノイズに基づいてノイズキャンセル位相補正出力を提供する。ノイズキャンセルサブシステム３４０は、好ましくは、ノイズを検知し、それに応じて検知されたノイズを補正するためのアルゴリズムを使用する。

本発明の１つの例示的な実施形態によれば、ノイズキャンセルサブシステム３４０は、検出器３５０に対する遠視野強度パターン３７２の移動の各サイクル中に、１つのチャネルの相対位相が、相対位相が所与の位相変化Δφによって修正されるような方法で変化されるアルゴリズムを使用する。各サイクルにわたって選択されたサブビームに異なる位相変化Δφが適用されるこのようなサイクルの数に続いて、アルゴリズムは、サイクルの全てにわたって最大出力強度を確認し、この最大強度を生成した最適な位相変化Δφを見つける。選択されたサブビームの位相変化は、次いで、その後のサイクルで最適な位相変化Δφに固定され、アルゴリズムは別のサブビームを最適化するために進行する。

グラフ３８０は、３つのサブビームまたは合計１０個のサブビームのチャネルＡ、Ｂ、およびＣにおけるこの例示的なアルゴリズムによるノイズキャンセルを示している。簡単にするために、サブビームＡ、Ｂ、およびＣは、図３Ｃに単独で表示されている。図３Ｃでは、本明細書における後述を目的として、様々なサブビーム間の区別を支援するために、サブビームＡ、Ｂ、およびＣの位相変更およびノイズ補正を表す線のライン様式が、図３Ａおよび図３Ｂと比較して、それぞれ修正されていることが理解される。

チャネルＡの場合に最初に見られ、拡大図３９０の考慮から最も明確に理解されるように、破線は、いかなるノイズ補正もない場合に位相制御サブシステム３３０によって適用されるであろう、サブビームＡの相対位相の変更のパターンを表している。この線は、Ａ_{ｕｎｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}と呼ばれることがある。点線および破線は、最適な位相ノイズ補正を見つけるために、ノイズ補正アルゴリズムによって修正されたサブビームＡの実際の相対位相を表している。この線は、Ａ_{ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}と呼ばれることがある。Ａ_{ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}の修正された相対位相は、サブビームＡの最初の５サイクルにわたって、Ａ_{ｕｎｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}の修正されていない相対位相に対して異なるΔφ_Ａだけシフトされる。検出器３５０で測定された強度３８６は、相対位相シフトの意図的な変化に起因して、サブビームＡの最適化の最初の５サイクルにわたって変更する。

サブビームＡの最初の５サイクルの後、アルゴリズムは、最大強度を確認し、最大強度を生成する位相変化Δφ_Ａを見つける。この場合、最大強度は、第２の位相シフトΔφ_Ａによって生成されるＩＡ_ｍａｘであると見られる。サブビームＡの相対位相変更に適用される位相変化は、したがって、その後のサイクルのために第２の位相シフトΔφ_Ａに固定され、アルゴリズムは、サブビームＢを最適化するために進行する。

サブビームＡの最適化の連続サイクル中に、サブビームの残りの部分の相対的な位相は、サブビームＡ中のノイズが考慮されるノイズサンプリングレートをはるかに超える位相変更レートで、各々、通常どおり変更されることが理解される。

サブビームＢの場合にさらに見られるように、拡大図３９２の考慮から最も明確に理解されるように、チャネルＢの最適化中のより太い線は、いかなるノイズ補正もない場合に位相制御サブシステム３３０によって適用されるであろう、サブビームＢの相対位相の変更のパターンを表している。この線は、Ｂ_{ｕｎｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}と呼ばれることがある。チャネルＢの最適化中の細い線は、最適な位相ノイズ補正を見つけるためにノイズ補正アルゴリズムによって修正されたサブビームＢの実際の相対位相を表している。この線は、Ｂ_{ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}と呼ばれることがある。Ｂ_{ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}の修正された相対位相は、最適化サブビームＢの５サイクルにわたって、Ｂ_{ｕｎｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}の修正されていない相対位相に対して異なるΔφ_Ｂだけシフトされる。検出器３５０で測定された強度３８６は、相対位相シフトの意図的な変化に起因して、最適化サブビームＢのこれらの５サイクルにわたって変更する。

サブビームＢのこれらの５サイクルの後、アルゴリズムは、最大強度を確認し、最大強度を生成する位相変化Δφ_Ｂを見つける。この場合、最大強度は、第４の位相シフトΔφ_Ｂによって生成されるＩＡＢ_ｍａｘであると見られる。サブビームＢの相対位相変更に適用される位相変更は、次いで、その後のサイクルのために第４の位相シフトΔφ_Ｂに固定され、アルゴリズムは、サブビームＣを最適化するために進行する。

サブビームＢの最適化の５サイクル中に、サブビームの残りの部分の相対位相が、サブビームＢ中のノイズが考慮されるノイズサンプリングレートをはるかに超える位相変更レートで、各々、通常どおり変更されることが理解される。

好ましくは、サブビームＣについても同様の最適化プロセスが実施され、ここで、サブビームＣの位相ノイズに起因する出力ビーム強度の最適化およびその強度劣化を補正するために、いくつかのサイクルにわたって位相変化Δφ_Ｃが適用される。

検出器３５０は、サブビームの相対位相を継続的に最適化し、その中の位相ノイズを補正するために、継続的に動作することができる。しかしながら、検出器３５０の有限の応答時間に起因して、検出器３５０は、比較的遅いノイズサンプリングレートで、断続的な時間における基準ビーム３７０中のノイズのみを考慮する。ノイズサンプリングレートは、好ましくは事前決定されるが、必ずしも事前決定される必要はない。代替的に、ノイズサンプリングレートはランダムであってもよい。

当業者には理解されるように、グラフ３８０に示されているノイズ補正アルゴリズムの特定のパラメータは、単に例示であり、容易に修正され得ることが理解される。例えば、位相シフトΔφは、本明細書に示されるよりも多いまたは少ないサイクル数にわたって最適化されてもよく、各サブビームは、サブビームが検出器３５０を通過するたびに完全に最適化されてもよく、またはいくつかのサブビームもしくはサブビームの全ては、遠視野強度パターンが検出器３５０を通過する各サイクル中に最適化されてもよい。さらに、確率的並列勾配降下最適化アルゴリズムを含むがこれに限定されない、非連続ノイズ補正最適化アルゴリズムが代替的に実装されてもよい。

動的に成形され、ノイズ補正された光フェーズドアレイ出力ビームを自由空間光通信に使用することは、非常に有利であり、急速なビームステアリング、高速電力変調、高速ビーム集束、およびビーム形状調整を可能にする。従来の自由空間光通信方法と比較して、動的に成形され、ノイズ補正された光フェーズアレイ出力を使用することで、通信の速度と品質との両方が向上する。本発明の好ましい実施形態によるノイズ補正の提供がなければ、光フェーズドアレイ出力ビームの形状および位置が劣化し、それによって、透過されるレーザ出力の品質、速度、および精度が劣化することが理解される。

ビームの遠視野強度パターンが移動するときに出力ビーム強度を維持するために、特定の光学通信用途で有利であるように、出力ビームの移動を制御して、これにより、ビームがより低い強度位置でより多くの時間を費やすようにして、そこでの電力送達の減少を補償するようにすることができる。追加的または代替的に、ＮＤフィルタなどの強度プロファイルマスクは、その強度を修正するために出力ビームに適用されてもよい。

次に、本発明のなおも別の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、ノイズ補正された動的ビーム成形のための光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略図である図４Ａ、ならびに図４Ａに示されたタイプのシステム内の位相変更およびノイズ補正の簡略化されたグラフ表現である図４Ｂおよび図４Ｃを参照する。

図４Ａに見られるように、ここでは例として、レーザ溶接システム４０２内で使用されるように示される、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）レーザシステム４００が提供される。レーザ溶接システム４０２は、レーザ溶接ロボット４０４の一部分の上または内部に取り付けられたＯＰＡレーザシステム４００を含んでもよい。物品４０６などの物品は、以下に詳述されるように、レーザ溶接ロボット４０４によって溶接されてもよい。レーザ溶接システム４０２は、本明細書では溶接ロボット４０４の文脈で示されているが、当業者には理解されるように、システム４０２は、任意の溶接設定での使用に適合され得ることが理解される。

拡大図４１０で最もよく見られるように、ＯＰＡレーザ４００は、好ましくは、シードレーザ４１２と、レーザビーム分割および結合サブシステム４１４と、を備える。分割および結合サブシステム４１４は、好ましくは、シードレーザ４１２からの出力レーザビームを受け取り、対応する複数のチャネル４１６に沿って、出力されたレーザビームを複数のサブビームに分割する。ここで、単に例として、シードレーザ４１２からの出力は、１０個のチャネル４１６に沿って１０個のサブビームに分割されるように示されているが、分割および結合サブシステム４１４は、シードレーザ４１２の出力が分割されるチャネルに沿って、より少ない数またはより大きい数のチャネルを含んでもよく、典型的には、３２個以上のチャネルのようなはるかに大きい数のチャネルを含んでもよいことが理解される。

各サブビームの相対位相は、好ましくは、チャネル４１６の各々に沿って位置付けられている位相変調器４１８によって個々に変調されてもよい。シードレーザ４１２の出力の分割およびその後の位相変調によって生成される各位相変調されたサブビームは、好ましくは、コリメートレンズ４１９に向かって伝播する。個々にコリメートされ、位相変調されたサブビームは、その後、例えば焦点レンズ４２０において結合されて、出力ビーム４２２を形成する。

分割および結合サブシステム４１４はまた、好ましくは、シードレーザ４１２の出力ビームをサブビームに分割した後に、サブビームを結合して出力ビーム４２２を形成する前に、サブビームのレーザ増幅を提供することもできる。ここで、例として、分割および結合サブシステム４１４は、各サブビームを増幅するためのチャネル４１６のうちの対応するチャネルに沿って位置付けられている複数の光増幅器４２４を含むように示されている。しかしながら、そのような増幅は、ＯＰＡレーザ４００の電力出力要件に応じて選択可能であり、省略されてもよいことが理解される。

出力ビーム４２２の位相、したがって、その遠視野強度パターンの位置および形状は、出力ビーム４２２を形成するために結合された構成サブビームの相対位相によって、少なくとも部分的に制御される。図４Ａに示されるようなレーザ溶接などの多くの用途では、出力ビームの遠視野強度パターンを動的に移動および成形することが望ましい。これは、レーザシステム４００において、レーザ分割および結合サブシステム４１４が、個々のサブビームの相対位相を動的に変更し、それによって、結合されたレーザ出力４２２の位相を変更して、その遠視野強度パターンの位置および形状を動的に制御するようにすることによって達成することができる。

サブビームの相対位相は、好ましくは、物品４０６の溶接のための所望のレーザ出力パターンに従って事前決定される。特に好ましくは、変更する相対位相は、位相制御サブシステム４３０によって適用される。位相制御サブシステム４３０は、好ましくは、ＯＰＡレーザ４００内の制御電子モジュール４３２の一部を形成し、好ましくは、チャネル４１６に沿ったサブビームの相対位相を動的に変調するように、各位相変調器４１８を制御する。

ＯＰＡシステム４００に固有のノイズに起因して、出力ビーム４２２はノイズを有する。出力ビーム４２２のノイズは、典型的には、熱的または機械的効果によって、および／または光増幅器４２４がＯＰＡシステム４００内にある場合の増幅プロセスによって生成される位相ノイズである。本発明の好ましい実施形態の特定の特徴は、レーザシステム４００が、以下に詳述される方法で、出力ビーム４２２中のノイズをキャンセルするためにノイズキャンセル位相補正出力を提供するように動作する、ノイズキャンセルサブシステム４４０を含むことである。

特に好ましくは、ノイズキャンセルサブシステム４４０は、結合されたレーザ出力中の位相ノイズを検知および補正するアルゴリズムを使用する。ノイズキャンセル位相補正出力は、好ましくは、ノイズキャンセルサブシステム４４０によって位相変調器４１８に提供されて、出力ビーム４２２の位相ノイズを補正し、したがって、そうでなければノイズによって引き起こされるであろう出力ビーム４２２の遠視野強度パターンの形状および位置の歪みを回避する。ノイズキャンセルサブシステム４４０は、制御電子モジュール４３２に含まれてもよい。

出力ビーム４２２は、追加的または代替的に、強度ノイズを含む、位相ノイズ以外のタイプのノイズの影響を受ける可能性があることが理解される。強度ノイズを有する出力ビーム４２２の場合、ノイズキャンセルサブシステム４４０は、出力ビーム４２２の強度ノイズをキャンセルするために、ノイズキャンセル位相補正出力を提供するように動作することができる。そのような場合、ＯＰＡレーザシステム４００は、チャネル４１６に沿ったサブビームの各々の強度を変調するために、チャネル４１６に沿って強度変調器４４２を任意に追加的に含んでもよい。

出力ビーム４２２は、追加的または代替的に、サブビームの相対位置に影響を及ぼし得る機械的ノイズによって影響を受ける可能性があることが理解される。位置ノイズを有する出力ビーム４２２の場合、ノイズキャンセルサブシステム４４０は、出力ビーム４２２の位置ノイズをキャンセルするために、ノイズキャンセル位相補正出力を提供するように動作することができる。そのような場合、ＯＰＡレーザシステム４００は、チャネル４１６に沿ったサブビームの各々の位置を変調するために、チャネル４１６に沿った位置変調器４４４を任意に追加的に含んでもよい。

出力ビーム４２２への位相変更およびノイズ補正の適用を容易にするために、ＯＰＡレーザ４００の出力の一部分は、好ましくは、抽出され、ここでは単一の検出器４５０として示される少なくとも１つの検出器に向かって方向付けられる。検出器４５０は、代替的に、図６～図８および図１５～図２１を参照して以下で詳述されるように、複数の検出器として具体化されてもよい。出力ビームの抽出された部分は、好ましくは、必要なノイズ補正および／または位相変更が計算され得る特性に基づいて、基準ビームとして機能する。図４Ａに示される実施形態では、チャネル４１６に沿った複数のサブビームは、ビーム分割器４６０に向かって方向付けられる。ビーム分割器４６０は、好ましくは、事前決定された比率に従って、各サブビームを透過部分４６２と反射部分４６４とに分割する。例えば、ビーム分割器４６０は、９９．９％の透過率：０．０１％の反射率で各サブビームを分割してもよい。

サブビームの透過部分４６２は、好ましくは、焦点レンズ４２０に向かって伝播し、焦点レンズ４２０において、サブビームが結合されて、物品４０６に入射する遠視野強度パターン４６６を有する出力ビーム４２２を形成する。サブビームの反射部分４６４は、好ましくは、追加の焦点レンズ４６８に向かって反射され、追加の焦点レンズ４６８において、サブビームが結合されて、検出器４５０の表面に入射する遠視野強度パターン４７２を有する出力基準ビーム４７０を形成する。

ビーム分割器４６０ならびに焦点レンズ４２０および４６８を含む、本明細書に示されるビーム分割および再結合要素の特定の構造および構成は、単に例示であり、非常に簡略化された形態で示されることが理解される。ＯＰＡレーザシステム４００は、様々なそのような要素、ならびに単に例として、追加または代替のレンズ、光ファイバ、およびコヒーレント自由空間遠視野結合器を含む、追加の光学素子を含み得ることが理解される。

本明細書で上述されたように、出力ビーム４２２の遠視野強度パターン４６６の形状および位置、ならびに基準ビーム４７０の遠視野強度パターン４７２の対応する形状および位置は、サブビームの相対位相の進行中の変更に起因して一定に変化している。結果として、遠視野強度パターン４７２は、検出器４５０に固定されず、むしろ、構成サブビームの結合された相対位相に応じて、検出器４５０に対して常に移動されている。しかしながら、検出器４５０が必要なノイズキャンセル位相補正出力を提供するためには、検出器が遠視野強度パターン４７２の強度を測定し、したがって、それに応じてノイズ補正を適用するために、遠距離フィールド強度パターン４７２が検出器４５０に入射しなければならず、その結果、固定された出力ビームが得られる。

遠視野強度パターン４７２の位相変更に起因するその動的性質と、ノイズ補正を導出および適用するために遠離野強度パターン４７２に要求される固定的性質との間の矛盾は、本発明では、ノイズキャンセルおよび位相変更を相互に異なる時間およびレートで提供することによって有利に解決される。

ノイズキャンセル位相補正出力は、ノイズサンプリングレートで検出器４５０で測定されたノイズを考慮することに基づいて提供される。出力ビーム４２２は、遠視野強度パターン４７２が、出力および基準遠視野強度パターン４６６、４７２の形状および位置への動的変化の過程で、要求されたノイズサンプリングレートと等しいか、またはそれより速いレートで検出器４５０に入射するような方法で制御される。基準ビーム４７０のノイズは、遠視野強度パターン４７２が検出器４５０に戻されるこれらの断続的な時間中に考慮される。

遠視野強度パターン４７２が検出器４５０に入射する断続的な時間の間の時間間隔において、結合された出力ビーム４２２、４７０の位相は、物品４０６のレーザ溶接を実施するために必要とされるように、その遠視野強度パターンの形状および位置を動的に変化させるために変更される。結合されたレーザ出力は、位相を急速に、したがって、遠視野強度パターンの形状および位置を急速に変化させるために、ノイズサンプリングレートを超える位相変化率で変更される。例として、ノイズサンプリングレートは、１０～１０００Ｈｚ程度であってもよく、一方、位相変更レートは、１０，０００Ｈｚよりも大きくてもよい。

本発明の実施形態においてノイズキャンセルおよび位相変更が好ましく実施される異なるレートおよび時間スケールは、図４Ａに見られるグラフ４８０および図４Ｂに示されるその拡大バージョンを参照して最もよく理解することができる。

図４Ｂに最も明確に見られるように、グラフ４８０は、検出器４５０で測定された遠視野強度パターン４７２の経時的な強度の変更を表示する上側部分４８２と、出力ビーム４２２および基準ビーム４７０に寄与する多数のサブビームの相対位相の同じ時間期間にわたる変更を表示する下側部分４８４と、を含む。簡単にするために、１０個のサブビームの相対位相がグラフ４８０に表示されているが、ＯＰＡシステム４００、したがって、本明細書に提供される説明は、より少ない、またはより典型的には、はるかに多い数のサブビームに適用可能であることが理解される。

上側部分４８２に見られるように、強度ピーク４８６は、遠視野強度パターン４７２が検出器４５０の上を通過するときの基準ビーム４７０の測定された強度を表す。下側部分４８４に見られるように、強度ピーク４８６は、各サブビームの相対位相がゼロである断続的な時間Ｔ_ｉで発生し、これは、サブビーム間の位相のシフトがないことを意味しており、したがって、結合された出力ビームの位置は変化せず、したがって、遠視野強度パターン４７２は検出器４５０に直接入射する。検出器４５０は、代替的に、そこにあるサブビームの相対位相が非ゼロになるように位置決めされてもよいことが理解される。さらに、図６～図８および図１５～図２１を参照して以下に詳述されるように、複数の検出器を使用して、それらに沿った複数の位置で遠視野強度パターン４７２を測定することを可能にしてもよい。

遠視野強度パターン４７２が検出器４５０のいずれかの側に移動され、したがって、検出器４５０に直接入射しないので、強度ピーク４８６の間で、測定された強度はゼロに近い。上側部分４８２の考察から理解されるように、強度ピーク４８６の大きさは、レーザ出力ビーム中のノイズの存在に起因して一定ではなく、そのノイズは、遠視野強度パターン４７２を劣化させる。

下側部分４８４に見られるように、サブビームの相対位相が断続的な時間Ｔ_ｉの間の時間間隔Ｔ_{ｂｅｔｗｅｅｎ}で変更される。本明細書に示される位相変更関数では、サブビームの相対位相は、正および負の方向に、等しい位相シフトが適用された周期的で規則的な繰り返しパターンで変更するように示されている。そのような単純化されたパターンは、単に例示であり、位相変更は必ずしも規則的に繰り返される必要はなく、正および負の方向で必ずしも対称的である必要もないことが理解される。さらに、時間間隔Ｔ_{ｂｅｔｗｅｅｎ}は、断続的な時間Ｔ_ｉと重複することが好ましいが、必ずしも重複する必要はないことが理解される。追加的に、位相変更レートおよびノイズサンプリングレートのうちの少なくとも１つは、一定であり得るか、または経時的に変化し得ることが理解される。

ノイズキャンセルサブシステム４４０は、好ましくは、断続的な時間Ｔ_ｉでのノイズを考慮することによって動作し、断続的な時間Ｔ_ｉで検知されたノイズに基づいてノイズキャンセル位相補正出力を提供する。ノイズキャンセルサブシステム４４０は、好ましくは、ノイズを検知し、それに応じて検知されたノイズを補正するためのアルゴリズムを使用する。

本発明の１つの例示的な実施形態によれば、ノイズキャンセルサブシステム４４０は、検出器１５０に対する遠視野強度パターン４７２の移動の各サイクル中に、１つのチャネルの相対位相が、相対位相が所与の位相変化Δφによって修正されるような方法で変化されるアルゴリズムを使用する。各サイクルにわたって選択されたサブビームに異なる位相変化Δφが適用されるこのようなサイクルの数に続いて、アルゴリズムは、サイクルの全てにわたって最大出力強度を確認し、この最大強度を生成した最適な位相変化Δφを見つける。選択されたサブビームの位相変化は、次いで、その後のサイクルで最適な位相変化Δφに固定され、アルゴリズムは別のサブビームを最適化するために進行する。

グラフ４８０は、３つのサブビームまたは合計１０個のサブビームのチャネルＡ、Ｂ、およびＣにおけるこの例示的なアルゴリズムによるノイズキャンセルを示している。簡単にするために、サブビームＡ、Ｂ、およびＣは、図４Ｃに単独で表示されている。図４Ｃでは、本明細書における後述を目的として、様々なサブビーム間の区別を支援するために、サブビームＡ、Ｂ、およびＣの位相変更およびノイズ補正を表す線のライン様式が、図４Ａおよび図４Ｂと比較して、それぞれ修正されていることが理解される。

チャネルＡの場合に最初に見られ、拡大図４９０の考慮から最も明確に理解されるように、破線の線は、いかなるノイズ補正もない場合に位相制御サブシステム４３０によって適用されるであろう、サブビームＡの相対位相の変更のパターンを表している。この線は、Ａ_{ｕｎｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}と呼ばれることがある。点線および破線は、最適な位相ノイズ補正を見つけるために、ノイズ補正アルゴリズムによって修正されたサブビームＡの実際の相対位相を表している。この線は、Ａ_{ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}と呼ばれることがある。Ａ_{ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}の修正された相対位相は、サブビームＡの最初の５サイクルにわたって、Ａ_{ｕｎｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}の修正されていない相対位相に対して異なるΔφ_Ａだけシフトされる。検出器４５０で測定された強度４８６は、相対位相シフトの意図的な変化に起因して、サブビームＡの最適化の最初の５サイクルにわたって変更する。

サブビームＡの最初の５サイクルの後、アルゴリズムは、最大強度を確認し、最大強度を生成する位相変化Δφ_Ａを見つける。この場合、最大強度は、第２の位相シフトΔφ_Ａによって生成されるＩＡ_ｍａｘであると見られる。サブビームＡの相対位相変更に適用される位相変化は、したがって、その後のサイクルのために第２の位相シフトΔφ_Ａに固定され、アルゴリズムは、サブビームＢを最適化するために進行する。

サブビームＡの最適化の連続サイクル中に、サブビームの残りの部分の相対的な位相は、サブビームＡ中のノイズが考慮されるノイズサンプリングレートをはるかに超える位相変更レートで、各々、通常どおり変更されることが理解される。

サブビームＢの場合にさらに見られるように、拡大図４９２の考慮から最も明確に理解されるように、チャネルＢの最適化中のより太い線は、いかなるノイズ補正もない場合に位相制御サブシステム４３０によって適用されるであろう、サブビームＢの相対位相の変更のパターンを表している。この線は、Ｂ_{ｕｎｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}と呼ばれることがある。チャネルＢの最適化中の細い線は、最適な位相ノイズ補正を見つけるためにノイズ補正アルゴリズムによって修正されたサブビームＢの実際の相対位相を表している。この線は、Ｂ_{ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}と呼ばれることがある。Ｂ_{ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}の修正された相対位相は、最適化サブビームＢの５サイクルにわたって、Ｂ_{ｕｎｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}の修正されていない相対位相に対して異なるΔφ_Ｂだけシフトされる。検出器４５０で測定された強度４８６は、相対位相シフトの意図的な変化に起因して、最適化サブビームＢのこれらの５サイクルにわたって変更する。

サブビームＢのこれらの５サイクルの後、アルゴリズムは、最大強度を確認し、最大強度を生成する位相変化Δφ_Ｂを見つける。この場合、最大強度は、第４の位相シフトΔφ_Ｂによって生成されるＩＡＢ_ｍａｘであると見られる。サブビームＢの相対位相変更に適用される位相変化は、次いで、その後のサイクルのために第４の位相シフトΔφ_Ｂに固定され、アルゴリズムは、サブビームＣを最適化するために進行する。

サブビームＢの最適化の５サイクル中に、サブビームの残りの部分の相対位相が、サブビームＢのノイズが考慮されるノイズサンプリングレートをはるかに超える位相変更レートで、各々、通常どおり変更されることが理解される。

好ましくは、サブビームＣについても同様の最適化プロセスが実施され、ここで、サブビームＣの位相ノイズに起因する出力ビーム強度の最適化およびその強度劣化を補正するために、いくつかのサイクルにわたって位相変化Δφ_Ｃが適用される。

検出器４５０は、サブビームの相対位相を継続的に最適化し、その中の位相ノイズを補正するために、継続的に動作することができる。しかしながら、検出器４５０の有限の応答時間に起因して、検出器４５０は、比較的遅いノイズサンプリングレートで、断続的な時間における基準ビーム４７０中のノイズのみを考慮する。ノイズサンプリングレートは、好ましくは事前決定されるが、必ずしも事前決定される必要はない。あるいは、ノイズサンプリングレートはランダムであってもよい。

当業者には理解されるように、グラフ４８０に示されているノイズ補正アルゴリズムの特定のパラメータは、単に例示であり、容易に修正され得ることが理解される。例えば、位相シフトΔφは、本明細書に示されるよりも多いまたは少ないサイクル数にわたって最適化されてもよく、各サブビームは、サブビームが検出器４５０を通過するたびに完全に最適化されてもよく、またはいくつかのサブビームもしくはサブビームの全ては、遠視野強度パターンが検出器４５０を通過する各サイクル中に最適化されてもよい。さらに、確率的並列勾配降下最適化アルゴリズムを含むがこれに限定されない、非連続ノイズ補正最適化アルゴリズムが代替的に実装されてもよい。

動的に成形され、ノイズ補正された光フェーズドアレイ出力ビームをレーザ溶接に使用することは、非常に有利であり、急速なビームステアリング、高速電力変調、高速ビーム集束、およびビーム形状調整を可能にする。従来のレーザ切断方法と比較して、動的に成形され、ノイズ補正された光フェーズアレイ出力を使用することで、材料を切断できる速度と品質との両方が改善される。本発明の好ましい実施形態によるノイズ補正の提供がなければ、光フェーズドアレイ出力ビームの形状および位置が劣化し、それによって、レーザ切断プロセスの品質、速度、および精度が劣化することが理解される。

ビームの遠視野強度パターンが移動するときに出力ビーム強度を維持するために、特定のレーザ切断用途で有利であるように、出力ビームの移動を制御して、これにより、ビームがより低い強度位置でより多くの時間を費やすようにして、そこでの電力送達の減少を補償するようにすることができる。追加的または代替的に、ＮＤフィルタなどの強度プロファイルマスクは、その強度を修正するために出力ビームに適用されてもよい。

次に、図５Ａ～図５Ｇを参照すると、図５Ａ～図５Ｇは、図１Ａ～図４Ｃに示されているタイプの光フェーズドアレイレーザシステムの出力の起こり得る遠視野運動の簡略化された概略図である。

上記で詳述されたように、レーザ切断、レーザ付加製造、レーザ溶接、およびレーザ自由空間光通信を含むがこれらに限定されない様々なレーザ用途で動的に成形され、ノイズ補正された光フェーズドアレイ出力ビームを使用することは、非常に有利であり、急速なビームステアリング、高速電力変調、高速ビーム集束、およびビーム形状調整を可能にする。本発明の実施形態による急速ビームステアリングを示す例示的な遠視野パターンが図５Ａおよび図５Ｂに示されている。これらのビームステアリングパターンは、機械的ビームステアリングなどのビームの機械的空間変調を補完するように組み合わせて提供されてもよい。機械的ビームステアリングは、図１Ａに示される位置決めテーブル１０４によって提供される運動に起因するか、図２Ａに示されているタイプの付加製造システムなどの鏡面走査に起因するか、図３Ａに示されるレーザシステム３００と受信機３０３との間の機械的運動に起因するか、図４Ａに示されるロボット４０４によって提供される運動に起因するか、または任意の他の機械的運動の原因に起因することがある。

機械的運動は、望ましい運動であってもよく、望ましくない運動であってもよい。好ましくは、本発明の実施形態によって提供される遠視野急速ビームステアリングは、所望の組み合わされたビーム運動を達成するように機械的運動を補完する。所望の組み合わされた運動は、機械的ビーム変調のみの結果として生成されるよりも速くかつ／またはより正確であり得る。

図５Ａに見られるように、動的に成形され、ノイズ補正された光フェーズドアレイ出力ビームは、第１のビーム経路５０２によって示されるように、急速な多点ジャンプを示し得、この急速な多点ジャンプは、第２のビーム経路５０４によって表される機械的走査に起因するビーム運動を補完する。

例として、そのような多点ジャンプは、処理される材料の各点でエネルギーが吸収されるまでに時間がかかる材料処理において有利な場合がある。多点ジャンプは、ビームが点間をジャンプし、各点に複数回戻ることを可能にし、したがって、多数の点の並列処理が容易になる。さらに例として、そのような多点ジャンプは、複数の位置への送信を並列に行うことができるため、通信システムにおいて有利であり得る。

図５Ｂに見られるように、動的に成形され、ノイズ補正された光フェーズドアレイ出力ビームの使用はまた、第３のビーム経路５０６によって示されるように、急速な走査を容易にし、この急速な走査は、第４のビーム経路５０８によって表される機械的走査に起因するビーム運動を補完する。そのような急速な走査は、継続的で滑らかな機械的ビーム運動を容易にし、その微細な特徴は、本発明の実施形態による遠視野動的成形によって提供され得る。さらに、機械的に変調されたビームパターンに存在し得る不正確さを補正するために、動的にノイズ補正された遠視野変調を機械的ビーム運動と組み合わせて提供することができる。

本発明の好ましい実施形態による電気光学ビームウォブルを示す例示的な遠視野ビームパターンが図５Ｃに示されている。図５Ｃに見られるように、動的に成形され、ノイズ補正された光フェーズドアレイ出力ビームは、ビーム運動５１２の方向に沿って急速なビームウォブル５１０を示すように制御され、例えば、図４Ａに示されるものなどのレーザ溶接システムにおいて特に有用である。

本発明の好ましい実施形態による焦点の深さの動的な修正を示す例示的な遠視野ビームパターンが、図５Ｄ～図５Ｆに示されている。図５Ｄ～図５Ｆに見られるように、ビーム焦点の深さは、本発明のシステムによって動的に変化されてもよく、走査（図５Ｅ）および深い切断（図５Ｄおよび図５Ｆ）のための可変ビーム焦点距離を可能にし、例えば、図１Ａ、図２Ａ、および図４Ａに示されるタイプの切断、付加製造および溶接システムにおいて特に有用である。

本発明の好ましい実施形態による動的ビーム成形を示す例示的な遠視野ビームパターンが図５Ｇに示されている。図５Ｇに見られるように、ビームの形状は、所望のビーム形状出力を生成するために動的に変化してもよい。これは、例えば、図１Ａ、図２Ａ、および図４Ａに示されているタイプの切断、付加製造および溶接システム、ならびに他の文脈において特に有用であり得る。当技術分野でよく知られているように、レーザ切断、溶接、および３Ｄ印刷の品質および速度は、典型的に、ビームのサイズおよび形状に影響を受ける。本発明は、任意の点でビームを最適な形状に動的に適合させることを可能にする。

図５Ａ～図５Ｇに示される様々な遠視野ビーム運動パターンは全て、好ましくは、本発明のシステムによって、デジタル電子制御を使用して、いかなる可動部品も必要とせずに生成されることが理解される。

次に、図６を参照すると、図６は、本発明の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、複数の検出器および対応する複数の緊密に離間された光路を含む光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略図である。

図６に見られるように、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）レーザ６００が提供される。ＯＰＡレーザ６００は、概して、図１Ａ～図４Ｃのいずれかに示されるタイプのものであってもよく、好ましくは、シードレーザ６１２と、レーザビーム分割および結合サブシステム６１４と、を含む。分割および結合サブシステム６１４は、好ましくは、シードレーザ６１２からの出力レーザビームを受け取り、対応する複数のチャネル６１６に沿って、出力されたレーザビームを複数のサブビームに分割する。ここで、単に例として、シードレーザ６１２からの出力は、４個のチャネル６１６に沿って４個のサブビームに分割されるように示されているが、分割および結合サブシステム６１４は、シードレーザ６１２の出力が分割されるチャネルに沿って、より少ない数またはより大きい数のチャネルを含んでもよく、典型的には、３２個以上のチャネルのようなはるかに大きい数のチャネルを含んでもよいことが理解される。

各サブビームの相対位相は、好ましくは、チャネル６１６の各々に沿って位置付けられている位相変調器６１８によって個々に変調されてもよい。シードレーザ６１２の出力の分割およびその後の位相変調によって生成される各位相変調されたサブビームは、好ましくは、コリメートレンズ６１９に向かって伝播する。個々にコリメートされ、位相変調されたサブビームは、その後、例えば焦点レンズ６２０において結合されて、出力ビーム６２２を形成する。

分割および結合サブシステム６１４はまた、好ましくは、シードレーザ６１２の出力ビームをサブビームに分割した後に、サブビームを結合して出力ビーム６２２を形成する前に、サブビームのレーザ増幅を提供することもできる。ここでは例として、分割および結合サブシステム６１４は、各サブビームを増幅するためのチャネル６１６のうちの対応するチャネルに沿って位置付けられている複数の光増幅器６２４を含むように示されている。しかしながら、そのような増幅は、ＯＰＡレーザ６００の電力出力使用に応じて選択可能であり、省略されてもよいことが理解される。

出力ビーム６２２の位相、したがって、その遠視野強度パターンの位置および形状は、出力ビーム６２２を形成するために結合された構成サブビームの相対位相によって、少なくとも部分的に制御される。図１Ａ～図５Ｇを参照して本明細書で上述されたように、レーザ切断、レーザ溶接、レーザ付加製造、および光自由空間通信などの多くの用途では、出力ビームの遠視野強度パターンを動的に移動および成形することが望ましい。これは、レーザシステム６００において、レーザ分割および結合サブシステム６１４が、個々のサブビームの相対位相を動的に変更し、それによって、結合されたレーザ出力６２２の位相を変更して、その遠視野強度パターンの位置および形状を動的に制御するようにすることによって達成することができる。

サブビームの相対位相は、好ましくは、所望のレーザ出力パターンに従って事前決定される。特に好ましくは、変更する相対位相は、位相制御サブシステム６３０によって適用される。位相制御サブシステム６３０は、好ましくは、ＯＰＡレーザ６００内の制御電子機器モジュール６３２の一部を形成し、好ましくは、図１Ａ、図２Ａ、図３Ａ、および図４Ａの位相制御サブシステム１３０、２３０、３３０、４３０をそれぞれ参照して本明細書で上述されたように、チャネル６１６に沿ったサブビームの相対位相を動的に変調するように、各位相変調器６１８を制御する。

ＯＰＡシステム６００に固有のノイズに起因して、出力ビーム６２２はノイズを有する。出力ビーム６２２のノイズは、典型的には、熱的または機械的効果によって、および／または光増幅器６２４がＯＰＡシステム６００内にある場合の増幅プロセスによって生成される位相ノイズである。ＯＰＡシステム６００は、好ましくは、以下に詳述される方法で、出力ビーム６２２中のノイズをキャンセルするために、ノイズキャンセル位相補正出力を提供するように動作するノイズキャンセルサブシステム６４０を含む。

特に好ましくは、ノイズキャンセルサブシステム６４０は、必ずしも必要ではないが、好ましくは、図１Ａ～図４Ｃを参照して本明細書で上述されたタイプの、結合されたレーザ出力中の位相ノイズを検知および補正するアルゴリズムを使用する。ノイズキャンセル位相補正出力は、好ましくは、ノイズキャンセルサブシステム６４０によって位相変調器６１８に提供されて、出力ビーム６２２の位相ノイズを補正し、したがって、そうでなければノイズによって引き起こされるであろう出力ビーム６２２の遠視野強度パターンの形状および位置の歪みを回避する。ノイズキャンセルサブシステム６４０は、制御電子機器モジュール６３２に含まれてもよい。

出力ビーム６２２への位相変更およびノイズ補正の適用を容易にするために、ＯＰＡレーザ６００の出力の一部分は、好ましくは、抽出され、複数の検出器６５０に向かって方向付けられる。出力ビームの抽出された部分は、好ましくは、必要なノイズ補正および／または位相変更が計算され得る特性に基づいて、基準ビームとして機能する。

本発明の好ましい実施形態によれば、チャネル６１６に沿った複数のサブビームは、ビーム分割器６６０に向かって方向付けられる。ビーム分割器６６０は、好ましくは、事前決定された比率に従って、各サブビームを透過部分６６２と反射部分６６４とに分割する。例えば、ビーム分割器６６０は、９９．９％の透過率：０．０１％の反射率で各サブビームを分割してもよい。

サブビームの透過部分６６２は、好ましくは、焦点レンズ６２０に向かって伝播し、焦点レンズ６２０において、サブビームが結合されて、遠視野強度パターン６６６を有する出力ビーム６２２を形成する。サブビームの反射部分６６４は、好ましくは、追加の焦点レンズ６６８に向かって反射され、追加の焦点レンズ６６８において、サブビームが結合されて、複数の検出器６５０のうちの１つ以上の表面に入射する遠視野強度パターン６７２を有する出力基準ビーム６７０を形成する。

図１Ａ～図４Ｃを参照して本明細書で上述されたように、ノイズキャンセル位相補正出力は、好ましくは、ノイズサンプリングレートで検出器６５０で測定されたノイズを考慮することに基づいて提供される。出力ビーム６２２は、遠視野強度パターン６７２が、出力および基準遠視野強度パターン６６６、６７２の形状および位置への動的変化の過程で、要求されたノイズサンプリングレートと等しいか、またはそれより速いレートで検出器６５０に入射するような方法で制御される。基準ビーム６７０のノイズは、遠視野強度パターン６７２が検出器６５０に戻されるこれらの断続的な時間中に考慮される。

遠視野強度パターン６７２が検出器６５０に入射する断続的な時間の間の時間間隔において、結合された出力ビーム６２２、６７０の位相は、その遠視野強度パターンの形状および位置を動的に変化させるために変更される。結合されたレーザ出力は、位相を急速に、したがって、遠視野強度パターンの形状および位置を急速に変化させるために、ノイズサンプリングレートを超える位相変化率で変更される。したがって、ノイズキャンセルおよび位相変更は、好ましくは、相互に異なる時間およびレートで提供される。

単一の検出器ではなく、複数の検出器６５０の使用は、本発明の特定の実施形態において非常に有利であることが見出されており、これにより、以下に詳述される様々な利点がもたらされる。しかしながら、システム６００をコンパクトに形成するために望ましいように、追加の焦点レンズ６６８の焦点距離が比較的短い場合、複数の検出器６５０のうちの検出器は、好ましくは、互いに非常に緊密に位置決めされる必要がある。望ましい検出器間の間隔は、数ミクロン程度を有し得る。検出器６５０のそのような高空間密度配置は、特に、好ましい検出器間間隔よりもはるかに大きい寸法を有する従来の検出器の場合には、典型的には非現実的である。

複数の検出器６５０による遠視野強度パターン６７２の高空間密度サンプリングを可能にするために、ＯＰＡシステム６００は、好ましくは、ここでは例として複数の光ファイバ６８０として具体化され、それに応じて、複数の検出器の６５０に連結される、複数の光路を含む。基準ビーム６７０は、好ましくは、光ファイバ６８０の複数の開放端部６８２のうちの１つ以上に入り、それに沿って検出器６５０のうちの対応する検出器に移動する。複数の光ファイバ６８０の複数の端部６８２は、好ましくは、複数の検出器６５０の空間密度よりも大きい空間密度を有するように配置され、これは、光ファイバ６８０の隣接する光ファイバの開放端部６８２間の間隔が、検出器６５０の対応する隣接する検出器間の間隔よりも小さいことを意味する。これにより、遠視野強度パターン６７２がサンプリングされる検出器６５０の緊密に離間された位置に検出器自体が物理的に位置付けられる必要なく、検出器６５０は、それらに沿って緊密に離間された遠視野強度パターン６７２を検出することが可能になる。

例として、光ファイバ６８０の端部６８２は、数ミクロンの距離だけ離間配置されてもよく、一方、光ファイバ６８０のうちの対応する光ファイバに連結された検出器６５０は、数ミリメートルの距離だけ離間配置されてもよい。そのような配置は、システム６００における従来の検出器の使用を可能にし、高価で複雑な小型化された検出システムの必要性を取り除くことが理解される。

光ファイバ６８０の端部６８２の実際の物理的に緊密な間隔によって容易にされるように効果的に緊密に離間され、複数の検出器６５０を含めることは、本発明の好ましい実施形態において非常に有利であることが見出されている。特に、図１Ａ、図２Ａ、図３Ａ、および図４Ａに示されるように、単一の検出器１５０だけではなく複数の検出器６５０を使用すると、遠視野強度パターン６７２を、単一の場所のみではなく、複数の場所でサンプリングすることが可能になる。これは、出力ビーム６２２の動的変更中のより効率的および／またはより頻繁なノイズ補正を容易にする。

緊密に離間された複数の光路は、端部６８２が非常に緊密に離間配置され、検出器６５０の検出器間の間隔よりも小さいファイバ間の端部間隔を有する、複数の光ファイバ６８０として具体化されることに限定されないことが理解される。むしろ、本発明の範囲は、任意の好適な複数の光路を含むように拡張され、複数の光路は、それらに沿って遠視野強度基準パターン６７２を複数の検出器６５０に送達することができ、十分に大きな空間密度で配置することができる。

例として、図７に示されているように、緊密に離間された複数の光路は、複数のレンズ７８０として具体化されてもよい。複数のレンズ７８０は、遠視野強度基準パターン６７２の部分を、より緊密に離間された複数の検出器６５０に向けて集束させるように、非常に緊密に離間されていてもよい。さらに例として、図８に示されるように、緊密に離間された複数の光路は、対応する複数のレンズ８８２と協働して動作する複数のミラー８８０として具体化されてもよい。複数のミラー８８０は、遠視野強度基準パターン６７２の部分を、より緊密に離間された複数の検出器６５０に向けて反射するように、非常に緊密に離間されていてもよい。

複数の検出器を含む、図６～図８のいずれかに示されるタイプのＯＰＡレーザシステムは、より効率的および／またはより頻繁なノイズ補正をその位相が変更された出力に提供するために、図１Ａ、図２Ａ、図３Ａ、および図４Ａのいずれかに示されるタイプのＯＰＡレーザシステムに組み込まれ得ることが理解される。

次に、図９を参照すると、図９は、本発明の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、例示的なレーザビーム軌道に従って構成された検出器マスクを含む光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略図である。

図９に見られるように、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）レーザ９００が提供される。ＯＰＡレーザ９００は、その中で使用される検出器配置を除いて、その関連する態様において、図６のＯＰＡレーザ６００に概ね類似し得る。ＯＰＡレーザ６００は、好ましくは、対応する緊密に離間された複数の光路を介して出力ビームを受け取る複数の検出器を使用するが、ＯＰＡレーザ９００は、必ずしも複数の検出器を使用するわけではない。

図９に示される本発明の好ましい実施形態の特定の特徴は、ＯＰＡレーザ９００が、好ましくは、少なくとも１つの検出器６５０に、透過領域９８２を通って出力される基準ビーム６７０を提供するための少なくとも１つの透過領域９８２を有する光学マスク９８０を含むことであり、ＯＰＡレーザ９００は、ここでは、単一の検出器６５０を備えるように示されている。光学マスク９８０は、好ましくは、透過領域９８２においてのみビーム６７０に対して透過性である光学的に不透明な要素である。ここで、例として、透過領域９８２は、出力の星形の軌道および基準遠視野強度パターン６６６、６７２に従って構成された星形の透過経路として形成されるように示されている。

出力基準ビーム６７０は、好ましくは、透過領域９８２を透過し、ここでは例として、集束レンズ９９０として具体化される集束サブシステムによって検出器６５０に集束される。ノイズキャンセル位相補正出力は、好ましくは、検出器６５０に集束されて入射する遠視野強度パターン６７２の強度を考慮することに基づいて、ノイズキャンセルサブシステム６３０によって提供される。

より具体的には、出力および基準ビーム６２２、６７０の位相は、好ましくは、出力および基準ビーム６２２および６７０が、星形の透過領域９８２の形状に対応する星形の軌道などの所定の軌道を横断するように、位相制御サブシステム６３０によって動的に変更される。ＯＰＡレーザ９００にノイズが存在しない場合、出力および基準ビーム６２２および６７０が横断する軌道は、少なくともほぼ正確に透過領域９８２の形状に対応することになり、その結果、検出器６５０によって検出された遠視野強度パターン６７２の強度が最大の非劣化強度となる。しかしながら、出力および基準ビーム６２２および６７０にノイズが存在することに起因して、遠視野強度パターン６７２の軌道および形状は、透過領域９８２の形状から多少逸脱し、その結果、基準ビーム６７０の一部分は、透過領域９８２上ではなくマスク９８０の不透明領域に入射し、したがって、透過領域９８２を介して検出器６５０に透過しない。このような場合、検出器６５０によって検出される遠視野強度パターン６７２の強度は、ノイズが存在しない場合に検出されるであろう最大強度よりも低い。

したがって、検出器６５０によって測定された遠視野強度パターン６７２の強度の劣化は、好ましくは、出力および基準ビーム６２２、６７０の軌道のノイズ合成歪みを示し、それによって、ノイズキャンセルサブシステム６４０によって適用される必要なノイズキャンセル位相補正出力を導出するために使用されてもよい。

マスク９８０の後ろに位置決めされた上述された検出器６５０の配置は、基準ビーム６７０の出力強度をそのビーム軌道に沿って検知するために、単一の検出器６５０のみを使用することを可能にし、それに基づいてノイズキャンセル位相補正出力を適用できることが理解される。これは、マスク９８０を含まない代替的な検出器配置、例えば、図６～図８を参照して本明細書で上述されたものなどの、出力ビーム６２２の動的変更中に十分に効率的かつ／または頻繁なノイズ補正を提供するために、複数の検出器が使用され得るものとは対照的である。

ノイズに起因するビーム軌道の歪みに起因する検出器６５０によって測定される基準ビーム６７０の強度の変更に加えて、基準ビーム６７０の強度は、典型的には、遠視野強度パターン６７２の固有の強度変更に起因して、基準ビーム６７０の軌道に沿って変更してもよい。これは、基準ビーム６７０の強度の変更は、ノイズまたはノイズに関係しない固有の強度変更に起因する可能性があるため、検出器６５０によって提供されるノイズ補正フィードバックを複雑にする可能性がある。

検出器６５０によって提供されるノイズ補正フィードバックの信頼性を改善するために、マスク９８０の透過領域９８２には、様々な透明度の領域が提供されてもよく、その透明度レベルは、基準ビーム６７０における固有の強度変更をその軌道に沿って補償するように設定される。

不均一な透明度を有するマスク９８０の透過領域９８２の非常に簡略化された表現が図１０に示されている。図１０に見られるように、透過領域９８２の第１の点Ｐ１と第２の点Ｐ２との間に画定される透過領域９８２の第１の部分は、第１の透明度Ｔ１を有してもよい。第２の点Ｐ２と第３の点Ｐ３との間に画定される透過領域９８２の第２の部分は、第１の透明度Ｔ１とは異なる第２の透明度Ｔ２を有してもよい。第３の点Ｐ３と第４の点Ｐ４との間に画定される透過領域９８２の第３の部分は、第１の透明度Ｔ１を有してもよい。第４の点Ｐ４と第５の点Ｐ５との間に画定される透過領域９８２の第４の部分は、第１および第２の透明度Ｔ１およびＴ２とは異なる第３の透明度Ｔ３を有してもよい。第５の点Ｐ５と第１の点Ｐ１との間に画定される透過領域９８２の第５の点は、第２の透明度Ｔ２を有してもよい。

透過領域９８２の様々な部分は、離散的に異なる透明度の値を有してもよく、または透過領域９８２の透明度は、その様々な部分にわたって、遠視野強度パターン６７２の強度補償要求に従って段階的に変更してもよいことが理解される。

好ましくは、必ずしも必要ではないが、マスク９８０は、ＬＣＤスクリーンまたは類似のデバイスのような電子的に変調されたデバイスである。したがって、透過領域９８２の特性は、基準ビーム６７０の出力特性に従って容易に電子的に修正されてもよい。

図９および図１０に示される透過領域９８２の特定の形状は単なる例示であり、透過領域９８２は、出力および基準遠視野強度パターン６６６および６７２の任意の軌跡に従って構成され得ることが理解される。追加的に、透過領域９８２は、複数の透過領域を含み得ることが理解される。そのような場合、単一の検出器６５０を使用して全ての透過領域から光を受け取ることができ、または対応する数の検出器を各透過領域に対して位置決めすることができる。

さらに、図１１および図１２を参照して詳述されるように、透過領域９８２は、その軌跡ではなく、出力および基準遠視野強度パターン６６６および６７２の形状に従って、追加的または代替的に構成されてもよいことが理解される。

次に、図１１を参照すると、図１１は、本発明の別の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、例示的なレーザビーム形状に従って構成された検出器マスクを含む光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略図である。

図１１に見られるように、システム９００にその関連する側面において概ね類似するシステム１１００は、図９および図１０の光学マスク９８０に代わる少なくとも１つの透過領域１１８２を有する光学マスク１１８０を含んでもよい。透過領域１１８２が基準ビーム６７０の軌道ではなくその形状に従って構成されていることを除いて、光学マスク１１８０は、光学マスク９８０にその全ての関連する態様において類似し得る。ここで、例として、透過領域１１８２は、蝶ネクタイ形状の出力および基準遠視野強度パターン６６６および６７２に従って構成された蝶ネクタイ形状の透過領域であるように示されている。

透過領域１１８２は、不均一な透明度を有してもよく、その非常に簡略化された表現が図１２に示されている。図１２に見られるように、透過領域１１８２の第１の部分は、第１の透明度Ｔ１を有してもよく、透過領域１１８２の第２の部分は、第１の透明度Ｔ１とは異なる第２の透明度Ｔ２を有してもよい。図１０を参照して本明細書で詳述されたように、出力ビーム６７０の固有の強度変更を補償し、したがって、検出器６５０で検出された強度に基づいて提供されるノイズ補正出力を改善するために、透過性領域１１８２の様々なレベルの透明度が使用されてもよい。

マスク９８０および１１８０の透過領域９８２および１１８２はそれぞれ、追加的にまたは代替的に、そこから出力基準ビーム６７０を検出器６５０に向けて反射する反射領域として具体化されてもよいことが理解される。そのような配置では、出力基準ビーム６７０を反射領域９８２、１１８２から検出器６５０の表面に方向付けるために、ここでは例として、集束レンズ９９０として具体化される集束サブシステムへの適切な修正および／または追加が必要となる。マスク９８０および１１８０の反射領域は、均一な反射率を有してもよい。代替的に、本明細書で上述されたように、マスク９８０および１１８０の反射領域は、出力基準ビーム６７０における固有の強度変更を補償するために、不均一な反射率を有してもよい。

マスク９８０および１１８０が反射領域を含む場合、マスク９８０および１１８０は、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）または他の類似のデバイスなどの電気的に変調されたデバイスとして具体化されてもよい。

透過型または反射型光学マスクを介して出力基準ビームを受け取る少なくとも１つの検出器を含む、図９～図１２のいずれかに示されるタイプのＯＰＡレーザシステムは、より効率的なノイズ補正をその位相が変更された出力に提供するために、図１Ａ、図２Ａ、図３Ａ、および図４Ａのいずれかに示されるタイプのＯＰＡレーザシステムに組み込まれ得ることが理解される。

次に、本発明の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、電圧位相相関機能を含む光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略図である図１３を参照する。

図１３に見られるように、ＯＰＡレーザシステム１３００が提供される。ＯＰＡレーザ１３００は、図１Ａ～図４Ｃを参照して本明細書で上述されたＯＰＡレーザ１００、２００、３００、４００に概ね類似するタイプを有してもよい。ＯＰＡレーザ１３００は、好ましくは、シードレーザ１３１２およびレーザビーム分割および結合サブシステム１３１４を備える。分割および結合サブシステム１３１４は、好ましくは、シードレーザ１３１２からの出力レーザビームを受け取り、対応する複数のチャネル１３１６に沿って、出力されたレーザビームを複数のサブビームに分割する。

各サブビームの相対位相は、好ましくは、チャネル１３１６の各々に沿って位置付けられている位相変調器１３１８によって個々に変調されてもよい。シードレーザ１３１２の出力の分割およびその後の位相変調によって生成される各位相変調されたサブビームは、好ましくは、コリメートレンズ１３１９に向かって伝播する。個々にコリメートされ、位相変調されたサブビームは、その後、例えばレンズ１３２０の焦点面において結合されて、出力ビーム１３２２を形成する。

分割および結合サブシステム１３１４はまた、好ましくは、シードレーザ１３１２の出力ビームをサブビームに分割した後に、サブビームを結合して出力ビーム１３２２を形成する前に、サブビームのレーザ増幅を提供することもできる。ここで、例として、分割および結合サブシステム１３１４は、各サブビームを増幅するためのチャネル１３１６のうちの対応するチャネルに沿って位置付けられている複数の光増幅器１３２４を含むように示されている。しかしながら、そのような増幅は、ＯＰＡレーザ１３００の電力出力使用に応じて選択可能であり、省略されてもよいことが理解される。

出力ビーム１３２２の位相、したがって、その遠視野強度パターンの位置および形状は、出力ビーム１３２２を形成するために結合された構成サブビームの相対位相によって、少なくとも部分的に制御される。本明細書で上述されたレーザ切断、レーザ溶接、自由空間光通信およびレーザ付加製造などの多くの用途では、出力ビームの遠視野強度パターンを動的に移動および成形することが望ましい。図１Ａ～図４Ｃを参照して本明細書で上述されたように、出力ビームのパラメータの動的変更は、チャネル１３１６に沿った個々のサブビームの相対位相を動的に変更し、それによって、結合されたレーザ出力１３２２の位相を変更して、その遠視野強度パターンの位置および形状を動的に制御することことによって達成することができる。

サブビームの相対位相は、好ましくは、所望のレーザ出力パターンに従って事前決定される。特に好ましくは、変更する相対位相は、位相変調制御モジュール１３３０によって適用される。位相変調制御モジュール１３３０は、好ましくは、位相変調器１３１８がチャネル１３１６に沿ってサブビームの所望の位相変調を生成するために、電圧を位相変調器１３１８に提供する。位相変調制御モジュール１３３０は、位相変調器１３１８と組み合わせて、位相変調サブシステム１３３２の特に好ましい実施形態を形成し、この位相変調サブシステム１３３２は、好ましくは、結合されたレーザ出力１３２２の位相を変更するように動作することが理解される。

出力ビーム１３２２への位相変更の適用を容易にするために、ＯＰＡレーザ１３００の出力の一部分は、好ましくは、抽出され、少なくとも１つの検出器１３５０に向かって方向付けられる。出力ビームの抽出された部分は、好ましくは、必要な位相変更が計算され得る特性に基づいて、基準ビームとして機能する。図１３に示される実施形態では、チャネル１３１６に沿った複数のサブビームは、ビーム分割器１３６０に向かって方向付けられる。ビーム分割器１３６０は、好ましくは、事前決定された比率に従って、各サブビームを透過部分１３６２と反射部分１３６４とに分割する。例えば、ビーム分割器１３６０は、９９．９％の透過率：０．０１％の反射率で各サブビームを分割してもよい。

サブビームの透過部分１３６２は、好ましくは、焦点レンズ１３２０に向かって伝播し、焦点レンズ１３２０において、サブビームが結合されて、遠視野強度パターン１３６６を有する出力ビーム１３２２を形成する。サブビームの反射部分１３６４は、好ましくは、追加の焦点レンズ１３６８に向かって伝播し、追加の焦点レンズ１３６８において、サブビームが結合されて、検出器１３５０の表面に入射する遠視野強度パターン１３７２を有する追加の基準ビーム１３７０を形成する。

検出器１３５０は、好ましくは、そこに入射する遠視野強度パターン１３７２をサンプリングする。検出器１３５０は、遠視野強度パターン１３７２を直接受け取る単一の検出器として具体化されるものとして図１３に示されているが、複数の検出器は、図６～図８のいずれかに示される複数の検出器配置のいずれかに従って代替的に使用されてもよいことが理解される。代替的に、検出器１３５０などの単一の検出器は、図９～図１２のいずれかに示されている配置のいずれかに従って、光学マスクと共に使用されてもよい。

検出器１３５０は、位相変調サブシステム１３３２と協働し、次いで、好ましくは、所望の遠視野強度パターン１３７２および対応する遠視野強度パターン１３６６を達成するために、サブビームの相対位相を最適化する。位相最適化に好適な様々なアルゴリズムは、図１Ａ～図４Ｃを参照して本明細書で上述された位相最適化レジームを含む、逐次または非逐次最適化アルゴリズムを含む。

位相変調サブシステム１３３２の動作において、位相変調制御モジュール１３３０は、好ましくは、位相変調器１３１８および位相変調器１３１８の各々に電圧を印加し、その結果、印加された電圧に対応する位相変調出力を生成する。位相変調器１３１８が所定のパターンに従って遠視野強度パターン１３６６を動的に成形するために必要な位相シフトを生成するために、位相変調制御モジュール１３３０は、各位相変調器１３１８によって生成される必要がある特定の位相変調出力に対応する電圧を、正確に各位相変調器１３１８に適用しなければならないことが理解される。

位相変調制御モジュール１３３０によって位相変調器１３１８に印加される電圧が、位相変調器１３１８によって必要とされ、かつ意図された位相変調出力を生成することを確実にするために、ＯＰＡレーザ１３００は、好ましくは、電圧対位相相関サブシステム１３８０を含む。電圧対位相相関サブシステム１３８０は、好ましくは、位相変調サブシステム１３３２に印加される電圧と、位相変調サブシステム１３３２によって、より具体的にはその位相変調器１３１８によって生成される位相変調出力とを相関させるように動作する。

さらに、電圧対位相相関サブシステム１３８０は、好ましくは、位相変調サブシステム１３３２を較正する際に有用な電圧対位相相関出力を提供するように動作する。好ましくは、電圧対位相相関サブシステムは、結合されたレーザ出力１３２２の位相を変更する過程で、電圧と位相変調出力との間の相関を定期的に実施する。

ＯＰＡレーザ１３００に電圧対位相相関サブシステム１３８０などの相関および較正サブシステムを含めることは、位相変調器１３１８に印加される電圧が、出力ビーム１３２２の所望の位相シフト、ひいては遠視野強度パターン１３６６の形状を生成するのに必要な電圧であることを確実にするので、非常に有利であることが理解される。本発明の好ましい実施形態で使用するのに好適な位相変調器が、典型的に、高感度のデバイスであり、それらとは異なるものは、典型的に、異なる電圧－位相関係を示すことを考えると、このことは特に重要である。さらに、個々の位相変調器の電圧－位相関係は一定ではなく、経時的に動作条件に応じて変更する可能性がある。

位相変調制御モジュール１３３０および電圧－位相相関制御モジュール１３８０によって提供される位相変調および較正はそれぞれ、必ずしも必要ではないが、好ましくは、レーザ１３００の出力がノイズを有する場合に、ＯＰＡレーザ１３００の出力へのノイズ補正の適用と協働して実施されることが理解される。この場合、位相変調制御モジュール１３３０および電圧－位相相関制御モジュール１３８０は、位相制御サブシステム１３０（図１Ａ）、２３０（図２Ａ）、３３０（図３Ａ）、および４３０（図４Ａ）などの位相制御サブシステムの特に好ましい実施形態を、組み合わせて形成すると見なすことができる。

本発明での使用に好適な例示的な電圧－位相相関および較正レジームは、図１４のフローチャート１４００に示されている。しかしながら、フローチャート１４００の特定のステップは単に例示であり、電圧－位相相関サブシステム１３８０は、出力ビーム１３２２の位相変更中に定期的に位相変調サブシステム１３３２を較正することができるＯＰＡレーザ１３００内の任意の好適なサブシステムとして実装できることが理解される。さらに、フローチャート１４００に示される様々なステップは、示され説明される順序で必ずしも実施される必要はなく、ステップの様々なものが省略されてもよく、または当業者には明らかであろうように、追加若しくは代替のステップによって補完されてもよいことが理解される。

第１のステップ１４０２に見られるように、位相変調制御モジュール１３３０は、好ましくは、チャネル１３１６に沿ったサブビームの所望の位相シフトを生成するために、位相変調器１３１８に電圧を印加する。次いで、基準出力ビーム１３７２の遠視野強度パターンは、第２のステップ１４０４で見られるように、検出器１３５０で測定される。次いで、サブビームの必要な位相シフトが確認され、電圧が再び位相変調器１３１８に印加される。第１のステップ１４０２での電圧の印加および第２のステップ１４０４での基準出力ビーム１３７２の測定は、所与の繰り返し率で定期的に多数回繰り返されてもよい。単に例として、第１および第２のステップは、毎秒１００万回のレートで２０回繰り返されてもよい。

第１および第２のステップ１４０２、１４０４の所定回数、例えば２０回の繰り返しに続いて、電圧対位相相関サブシステム１３８０が起動されてもよい。第３のステップ１４０６に見られるように、２πの位相シフトを生成するように意図された電圧は、好ましくは、１つの位相変調器１３１８に印加される。第４のステップ１４０８に見られるように、次いで、遠視野強度パターン１３７２の強度は、好ましくは、検出器１３５０で測定される。

次いで、第５のステップ１４１０で、遠視野強度パターン１３７２の位相シフトがチェックされ、位相シフトがゼロであるかどうかが確認される。第３のステップ１４０６で印加される電圧が実際に２πの位相シフトを生成する電圧である場合、ビーム１３２２の位相シフトはゼロとなり、したがって、遠視野強度パターン１３７２の強度は印加された電圧に応じて変化しないことが理解される。この場合、第３のステップ１４０６で２πの位相シフトが適用された位相変調器１３１８は、正しく較正されていることが分かり、特定の位相変調器１３１８の追加の較正は不要である。

第３のステップ１４０６で印加された電圧が２πの位相シフトを生成しない場合、ビーム１３２２の位相シフトは非ゼロとなり、したがって、第７のステップ１４１４でそうであることが分かったように、遠視野強度パターン１３７２の強度は、印加された電圧に応答して変化することが、さらに理解される。この場合、印加された電圧と結果として生じる位相シフトとの間の関係は、好ましくは、第７のステップ１４１４で導出される。次いで、位相変調器１３１８は、好ましくは、第８のステップ１４１６で見られるように、第７のステップ１４１４で導出された電圧－位相関係に従って較正される。

クエリ１４１８で見られるように、第８の較正ステップ１４１６での特定の位相変調器１３１８の較正または第５のステップ１４１０での特定の位相変調器１３１８の適切な較正の確認に続いて、電圧対位相相関サブシステム１３８０は、好ましくは、所定の第９のステップ１４２０に見られるように、所定数の位相変調器１３１８が較正されたかどうかをチェックし、必要に応じて次の位相変調器を較正するために進む。電圧対位相相関サブシステム１３８０は、システム１３００に含まれる全ての位相変調器１３１８を連続して較正してもよく、またはＮ個の位相変調器１３１８などの所定数の位相変調器１３１８を連続して較正してもよい。所定数の位相変調器１３１８が較正されると、サブシステム１３８０は、好ましくは、非アクティブ化され、出力ビーム１３２２の位相変更は、ステップ１４０２で再開される。

電圧対位相相関サブシステム１３８０が起動される周波数は、好ましくは、出力ビーム１３２２の位相変更が実施される周波数よりもかなり低いことが理解される。例として、出力ビーム１３２２の位相変更は、毎秒１００万回実施されてもよく、電圧対位相相関は、毎秒１回起動されてもよい。

さらに、フローチャート１４００はノイズ補正のためのステップを含まないが、そのようなノイズ補正は、図１Ａ～図４Ｃを参照して本明細書で上述されたように、出力ビーム１３２２に寄与するサブビームの位相シフトの過程において適用され得ることが理解される。

次に図１５を参照すると、図１５は、本発明の追加の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、動的ビームのスケーリングされた位相修正を含む光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略平面図である。

図１５に見られるように、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）レーザシステム１５００が提供され、このＯＰＡレーザ１５００は、図１Ａ～図４Ｃを参照して本明細書で概説されたタイプを有してもよい。ＯＰＡレーザ１５００は、好ましくは、シードレーザ１５１２と、レーザビーム分割および結合サブシステム１５１４と、を備える。分割および結合サブシステム１５１４は、好ましくは、シードレーザ１５１２からの出力レーザビームを受け取り、対応する複数のチャネル１５１６に沿って、出力されたレーザビームを複数のサブビームに分割する。ここで、単に例として、シードレーザ１５１２からの出力は、１６個の対応するチャネル１５１６に沿って１６個のサブビームの４×４マトリックスに分割されてもよく、そのうちの４個のサブビームおよびチャネル１５１６は、図１５のＯＰＡレーザ１５００の上面図に示されている。しかしながら、分割および結合サブシステム１５１４は、シードレーザ１５１２の出力が分割される、より少ないまたはより多い数のチャネルを含んでもよく、典型的には、３２個以上のチャネルなどのはるかに多数のチャネルを含んでもよいことが理解される。

各サブビームの相対位相は、好ましくは、チャネル１５１６の各々に沿って位置付けられている位相変調器１５１８によって個々に変調されてもよい。シードレーザ１５１２の出力の分割およびその後の位相変調によって生成される各位相変調されたサブビームは、好ましくは、コリメートレンズ１５１９に向かって伝播する。個々にコリメートされ、位相変調されたサブビームは、その後、例えばレンズ１５２０の焦点面において結合されて、出力ビーム１５２２を形成する。

分割および結合サブシステム１５１４はまた、好ましくは、シードレーザ１５１２の出力ビームをサブビームに分割した後に、サブビームを結合して出力ビーム１５２２を形成する前に、サブビームのレーザ増幅を提供することもできる。ここで、例として、分割および結合サブシステム１５１４は、各サブビームを増幅するためのチャネル１５１６のうちの対応するチャネルに沿って位置付けられている複数の光増幅器１５２４を含むように示されている。しかしながら、そのような増幅は、ＯＰＡレーザ１５００の電力出力使用に応じて選択可能であり、省略されてもよいことが理解される。

出力ビーム１５２２の位相、したがって、その遠視野強度パターンの位置および形状は、出力ビーム１５２２を形成するために結合された構成サブビームの相対位相によって、少なくとも部分的に制御される。本明細書で上述されたように、レーザ切断、レーザ溶接、自由空間光通信、およびレーザ付加製造などの多くの用途では、出力ビームの遠視野強度パターンを動的に移動して成形することが望ましい。図１Ａ～図４Ｃを参照して本明細書で上述されたように、出力ビームのパラメータの動的変更は、チャネル１５１６に沿った個々のサブビームの相対位相を動的に変更し、それによって、結合されたレーザ出力１５２２の位相を変更して、その遠視野強度パターンの位置および形状を動的に制御することことによって達成することができる。

多数の個別のサブビームを含むＯＰＡレーザ１５００の場合、サブビームの他の全てのサブビームの位相に対する各サブビームの位相測定および対応する位相修正は、関与する多数の個々のサブビームに起因して困難である場合がある。具体的には、結合された出力１５２２に寄与する多数の個々のサブビームに起因して、結合されたレーザ出力１５２２の位相を動的に制御するために、他のサブビームに対して個々の各サブビームの位相を測定して修正するのにかかる時間は、許容できないほど長くなる可能性がある。さらに、信号対雑音比は許容できないほど低くなる可能性がある。

ＯＰＡレーザ１５００が、結合されたレーザ出力の位相変調を拡張された方法で実行するための位相変調サブシステム１５３０を含むことが、本発明の好ましい実施形態の特定の特徴である。より具体的には、位相変調サブシステム１５３０は、好ましくは、レーザ分割および結合サブシステム１５１４によって提供されるサブビームの少なくとも一部分をグループにグループ化し、次いで、サブビームの各グループ内で、グループ内の他のサブビームに対してのみ位相変調を実施する。このようなグループ位相変調は、好ましくは、サブビームの様々な個々のグループにわたって並列に実施される。次いで、位相変調サブシステム１５３０は、好ましくは、以下に詳述される方法で、結合されたレーザ出力１５２２の位相を変更するために、サブビームのグループの他のグループの位相に対してサブビームの各グループの位相を最適化する。

位相変調サブシステム１５３０は、好ましくは、位相変調器１５１８の動作制御における位相制御電子モジュール１５３２を含む。位相制御電子モジュール１５３２は、好ましくは、位相変調サブシステム１５３０によって確認されるように、出力ビーム１５２２の所望の遠視野強度パターンに従って、チャネル１５１６に沿ったサブビームの相対位相を動的に変調するように、各位相変調器１５１８を制御する。

出力ビーム１５２２への位相変更の適用を容易にするために、ＯＰＡレーザ１５００の出力の一部分は、好ましくは、抽出され、複数の検出器１５５０に向かって方向付けられる。出力ビームの抽出された部分は、好ましくは、必要な位相変更が計算され得る特性に基づいて、基準ビームとして機能する。図１５に示される実施形態では、チャネル１５１６に沿った複数のサブビームは、ビーム分割器１５６０に向かって方向付けられる。ビーム分割器１５６０は、所定の比率に従って、各サブビームを透過部分１５６２と反射部分１５６４とに分割することが好ましい。例えば、ビーム分割器１５６０は、９９．９％の透過率：０．０１％の反射率で各サブビームを分割することができる。

サブビームの透過部分１５６２は、好ましくは、焦点レンズ１５２０に向かって伝播し、焦点レンズ１５２０において、サブビームが結合されて、遠視野強度パターン１５６６を有する出力ビーム１５２２を形成する。サブビームの反射部分１５６４は、好ましくは、円柱レンズ１５６８に向かって伝播する。円柱レンズ１５６８は、好ましくは、レンズ１５６８の湾曲方向に沿ってサブビームを集束させることによって、サブビームの反射部分１５６４を受け取り、サブビームを多数のグループにグループ化するように動作する。ここで、例として、サブビームは、４つのグループ１５７０に収束されるように示されており、各グループ１５７０は、４つのサブビームから構成されている。

好ましくは、円柱レンズ１５６８によってグループ化されたサブビームの各グループ１５７０は、複数の検出器１５５０のうちの対応する検出器の表面に入射する遠視野強度パターン１５７２を有するビームを形成する。各検出器１５５０は、好ましくは、そこに入射するグループ遠視野強度パターン１５７２をサンプリングする。各検出器１５５０は、制御モジュール１５３２に含まれる対応する制御電子機器サブモジュール１５７４と協働して、次いで好ましくは、それによってサンプリングされたサブビーム１５７０のグループ内のサブビームの相対位相を、グループ１５７０内の他のサブビームの位相に対して最適化する。そのようなサンプリングおよび最適化は、好ましくは、全ての検出器１５５０にわたる遠視野強度パターン１５７２のうちの遠視野強度パターンに対して、並列に、好ましくは同時に実行される。位相最適化に好適な様々なアルゴリズムは、図１Ａ～図４Ｃを参照して上述されたような、ノイズ補正アルゴリズムを含む逐次または非逐次最適化アルゴリズムを含む。

グループ１５７０の他のグループに対するグループ１５７０の各々の相対位相を最適化するために、グループ１５７０の一部分は、好ましくは、補助ビーム分割器１５８０によって、補助円柱レンズ１５８２に方向付けられる。サブビームを集束させるために、補助円柱レンズ１５８２の曲率は、好ましくは、円柱レンズ１５６８の曲率に対して直交していることが理解される。補助円柱レンズ１５８２は、好ましくは、サブビーム１５７０のグループを、補助検出器１５８８に入射する遠視野強度パターン１５８６を有する単一のビーム１５８４に集束させる。補助検出器１５８８は、そこで、サブビーム１５７０の全てのグループの組み合せのパターンに対応する遠視野強度パターン１５８６を有する単一のビームを受け取ることが好ましい。補助検出器１５８８は、好ましくは、電子制御モジュール１５３２に含まれる追加の位相制御電子機器サブモジュール１５９０と協働して、グループ１５７０の位相を互いに対してサンプリングおよび最適化する。特に好ましくは、位相制御電子モジュール１５３２の１つの機能は、補助検出器１５８８の総電力を最大化する位相シフトを適用するために、各位相変調器１５１８を制御することである。

各サブビームの位相が、そのグループ１５７０の他のサブビームのメンバーの位相に関して最適化され、グループ１５７０の位相が、結合されたレーザ出力１５２２の位相を変更するように互いに対して最適化される、上述された拡張された方法で位相変調を実行することは、ＯＰＡ１５００における他の全てのサブビームの位相に対して、個々の各サブビームの位相を最適化するよりもはるかに迅速であり、かつ複雑でないことが理解される。さらに、これにより、位相最適化は、制御電子機器の単一のセットを必要とするのではなく、各検出器１５５０にそれぞれ連結された各制御電子機器サブモジュール１５７４内の制御電子機器の個々のセットによって実行され、信号対雑音比を改善することができる。

グループ１５７０の他のグループに対して、グループ１５７０の各々の相対位相を最適化する機能は、グループ１５７０の各々の各サブビーム部材の個々の位相を変調するように動作する個々の位相変調器１５１８によってではなく、グループ１５７０の各々の集合位相を変調するように動作する追加のグループ位相変調器によって代替的に実行されてもよいことが理解されよう。そのような配置の例示的な実装は、図１６に示されており、開示が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第９，８９３，４９４号に記載されている位相変調構成に概ね類似し得る。

図１６に見られるように、システム１５００は、グループ１５７０の数に対応する一連のグループ位相変調器を追加することによって修正されてもよい。ここで、例として、図１６に見られるように、システム１５００は１６個のサブビームを含み、そのうちの４つは４つのグループ１５７０の各々に含まれ、その結果、合計４つの追加のグループ位相変調器１６１８がシステム１５００に含まれてもよい。各グループ位相変調器１６１８は、好ましくは、各グループ１５７０の一部を形成する４つのチャネル１５１６に共通であり、それに接続された４つのチャネル１５１６に沿ったサブビームの集合グループ位相を最適化する位相シフトを提供する。

好ましくは、グループ位相変調器１６１８のうちのグループ位相変調器は、好ましくは、制御モジュール１５３２に含まれる追加の制御サブモジュール１６９０によって制御される。補助検出器１５８８は、好ましくは、追加の制御サブモジュール１６９０に連結されている。個々のサブビーム位相変調器１５１８によってではなく、グループ位相変調器１６１８によってグループ１５７０の相対位相を互いに比較して最適化することは、より効率的であり、位相変調プロセスを単純化することができるが、追加の位相変調器および回路要素の使用を必要とし、したがって、システム１５００のコストおよび複雑さを増加させることが理解される。

結合されたレーザ出力１５２２の位相の変更は、好ましくは、出力１５２２の空間変調を提供する。位相変調サブシステム１５３０によって実行される位相変調の拡張された性質に起因して、結合されたレーザ出力１５２２の位相は、機械的空間変調機構によって達成可能なレートよりも速いレートで非常に急速に変更され得ることが理解される。ＯＰＡレーザ１５００によって提供される空間変調は、当技術分野で知られているように、追加の機械的空間変調メカニズムによって任意に増強されてもよく、または機械的空間変調を含まなくてもよい。

ビーム分割器１５６０、焦点レンズ１５２０、円柱レンズ１５６８、補助ビーム分割器１５８０、および補助円柱レンズ１５８２を含む、本明細書に示される光学素子の特定の構造および構成は単に例示であり、非常に簡略化された形態で示されていることが理解される。ＯＰＡレーザシステム１５００は、様々なそのような要素、ならびに単に例として、追加または代替のレンズ、光ファイバ、およびコヒーレント自由空間遠視野結合器を含む、追加の光学素子を含み得ることが理解される。

さらに、円柱レンズ１５６８は、個々のサブビームを、等しい数のサブビームを含む相互に類似または同一のグループにグループ化するような光学特性を有し得ることが理解される。代替的に、円柱レンズ１５６８は、個々のサブビームを、異なる数のサブビームを含む相互に異なるグループにグループ化するような光学特性を有し得る。

図１５または図１６に示されているタイプのＯＰＡレーザシステムの例示的な実装が、図１７Ａおよび図１７Ｂに示されている。次に図１７Ａおよび図１７Ｂを参照すると、シードレーザ１５１２などのシードレーザ（図示せず）からの出力レーザビームが、対応する複数のチャネル１７１６に沿って複数のサブビームに分割されるＯＰＡレーザシステム１７００が提供される。例として、レーザ出力は、例として、１００個の対応するチャネル１７１６に沿って１００個のサブビームの１０×１０マトリックスに分割され得る。提示を明確にするために、サブビームのうち選択されたサブビームのみが図１７Ｂに示されていることが理解される。チャネル１７１６に沿ったサブビームは、その後、コリメートおよび集束レンズ１５１９、１５２０などのコリメートおよび集束要素（図示せず）によってコリメートおよび集束されて、結合された出力ビームを生成することができる。

出力ビームへの位相変更の適用を容易にするために、ＯＰＡレーザ１７００の出力の一部分は、好ましくは、抽出され、複数の検出器１７５０に向かって方向付けられる。出力ビームの抽出された部分は、好ましくは、必要な位相変更が計算され得る特性に基づいて、基準ビームとして機能する。図１７Ａおよび図１７Ｂに示される実施形態では、チャネル１７１６に沿った複数のサブビームは、ビーム分割器１７６０に向かって方向付けられる。ビーム分割器１７６０は、所定の比率に従って、各サブビームを透過部分１７６２と反射部分１７６４とに分割することが好ましい。

サブビームの透過部分１７６２は、好ましくは、結合されて、出力ビームを形成する。サブビームの反射部分１７６４は、好ましくは、円柱レンズ１７６８に向けて反射され、この円柱レンズ１７６８は、円柱レンズ１５６８の特に好ましい実施形態である。円柱レンズ１７６８は、好ましくは、サブビームの反射部分１７６４を受け取り、サブビームを円柱レンズ１７６８の湾曲方向に沿って多数のグループに集束させるように動作する。例として、１００個のサブビームの場合、円柱レンズ１７６８は、サブビームを１０個のサブビームの１０個のグループ１７７０に集束させることができる。

好ましくは、円柱レンズ１７６８によってグループ化されたサブビームの各グループ１７７０は、複数の検出器１７５０のうちの対応する検出器の表面に入射する遠視野強度パターンを有するビームを形成する。例として、複数の検出器１７５０は１０個の検出器１７５０を含んでもよく、各々が、１０個の個々のサブビームを含むグループビームをサンプリングする。各検出器１７５０は、制御モジュール１５３２などの対応する制御電子モジュール（図示せず）と協働して、次いで、好ましくは、それによってサンプリングされるサブビームのグループ１７７０に含まれるサブビームの位相を最適化する。このようなサンプリングおよび最適化は、好ましくは、検出器１７５０の全てにわたって並列に、好ましくは、同時に実行される。

グループ１７７０の他のグループの位相に対するグループ１７７０の各々の相対位相を最適化するために、グループ１７７０の一部分は、好ましくは、補助ビーム分割器１７８０によって、補助円柱レンズ１７８２に方向付けられる。補助円柱レンズ１７８２は、補助円柱レンズ１５８２の特に好ましい実施形態であることが理解される。サブビームを集束させるために、補助円柱レンズ１７８２の曲率は、好ましくは、円柱レンズ１７６８の曲率に対して直交していることが理解される。補助円柱レンズ１７８２は、好ましくは、サブビーム１７７０のグループを、補助検出器１７８８に入射する１つの組み合わされたビーム１７８４に集束させる。

補助検出器１７８８は、好ましくは、サブビーム１７７０の全てのグループの組み合わせのパターンに対応する遠視野強度パターンを受け取り、位相制御電子機器（図示せず）と協働して、グループ１７７０の位相を互いに対してサンプリングおよび最適化する。互いに対するグループ１７７０の位相の最適化は、図１５を参照して本明細書で上述されたように、位相変調器１５１８による個々のサブビームの位相の位相変調によるものであり得るか、または図１６を参照して本明細書で上述されたように、グループ位相変調器１６１８によるサブビームのグループの位相の位相変調によるものであり得ることが理解される。

次に図１８を参照すると、図１８は、本発明の別の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、動的ビームのスケーリングされた位相修正を含む光フェーズドアレイレーザシステムの簡略化された概略平面図である。

図１８に見られるように、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）レーザシステム１８００が提供され、このＯＰＡレーザ１８００は、図１Ａ～図４Ｃを参照して本明細書で概説されたタイプを有してもよい。ＯＰＡレーザ８００は、好ましくは、シードレーザ１８１２と、レーザビーム分割および結合サブシステム１８１４と、を備える。分割および結合サブシステム１８１４は、シードレーザ１８１２から出力レーザビームを受け取り、対応する複数のチャネル１８１６に沿って出力レーザビームを複数のサブビームに分割することが好ましい。ここで、単に例として、シードレーザ１８１２からの出力は、１６個の対応するチャネル１８１６に沿って１６個のサブビームの４×４マトリックスに分割されてもよく、そのうちの４個のサブビームおよびチャネル１８１６は、図１８のＯＰＡレーザ１８００の上面図に示されている。しかしながら、分割および結合サブシステム１８１４は、シードレーザ１８１２の出力が分割される、より少ないまたはより多い数のチャネルを含んでもよく、典型的には、３２個以上のチャネルなどのはるかに多数のチャネルを含んでもよいことが理解される。

各サブビームの相対位相は、好ましくは、チャネル１８１６の各々に沿って位置付けられている位相変調器１８１８によって個々に変調されてもよい。シードレーザ４０２の出力の分割およびその後の位相変調によって生成される各位相変調されたサブビームは、好ましくは、コリメートレンズ１８１９に向かって伝播する。個々にコリメートされ、位相変調されたサブビームは、その後、例えばレンズ１８２０の焦点面において結合されて、出力ビーム１８２２を形成する。

分割および結合サブシステム１８１４はまた、好ましくは、シードレーザ１８１２の出力ビームをサブビームに分割した後に、サブビームを結合して出力ビーム１８２２を形成する前に、サブビームのレーザ増幅を提供することもできる。ここで、例として、分割および結合サブシステム１８１４は、各サブビームを増幅するためのチャネル１８１６のうちの対応するチャネルに沿って位置付けられている複数の光増幅器１８２４を含むように示されている。しかしながら、そのような増幅は、ＯＰＡレーザ１８００の電力出力要件に応じて選択可能であり、省略されてもよいことが理解される。

出力ビーム１８２２の位相、したがって、その遠視野強度パターンの位置および形状は、出力ビーム１８２２を形成するために結合された構成サブビームの相対位相によって、少なくとも部分的に制御される。本明細書で上述されたように、レーザ切断、レーザ溶接、自由空間光通信、およびレーザ付加製造などの多くの用途では、出力ビームの遠視野強度パターンを動的に移動して成形することが望ましい。図１Ａ～図４Ｃを参照して本明細書で上述されたように、出力ビームのパラメータの動的変更は、チャネル１８１６に沿った個々のサブビームの相対位相を動的に変更し、それによって、結合されたレーザ出力１８２２の位相を変更して、その遠視野強度パターンの位置および形状を動的に制御することことによって達成することができる。

多数の個々のサブビームを含むＯＰＡレーザ１８００の場合、サブビームの他の全てのサブビームの位相に対する各サブビームの位相測定および対応する位相修正は、関与する多数の個々のサブビームに起因して困難である場合がある。具体的には、結合された出力１８２２に寄与する多数の個々のサブビームに起因して、結合されたレーザ出力１８２２の位相を動的に制御するために、他のサブビームに対して個々の各サブビームの位相を測定して修正するのにかかる時間は、許容できないほど長くなる可能性がある。さらに、信号対雑音比は許容できないほど低くなる可能性がある。

ＯＰＡレーザ１８００が、結合されたレーザ出力の位相変調を拡張された方法で実行するための位相変調サブシステム１８３０を含むことが、本発明の好ましい実施形態の特定の特徴である。より具体的には、位相変調サブシステム１８３０は、好ましくは、レーザ分割および結合サブシステムによって提供されるサブビームの少なくとも一部分をグループにグループ化し、次いで、サブビームの各グループ内で、グループ内の他のサブビームの位相に対してのみ位相変調を実施する。そのようなグループ位相変調は、好ましくは、様々な個々のグループにわたって並列に実施される。次に、位相変調サブシステム１８３０は、好ましくは、以下に詳述される方法で、結合されたレーザ出力１８２２の位相を変更するために、サブビームのグループの他のグループの位相に対してサブビームの各グループの位相を最適化する。

位相変調サブシステム１８３０は、好ましくは、位相変調器１８１８の動作制御における位相制御電子モジュール１８３２を含む。位相制御電子モジュール１８３２は、好ましくは、位相変調サブシステム１８３０によって確認されるように、出力ビーム１８２２の所望の遠視野強度パターンに従って、チャネル１８１６に沿ったサブビームの相対位相を動的に変調するように、各位相変調器１８１８を制御する。

出力ビーム１８２２への位相変更の適用を容易にするために、ＯＰＡレーザ１８００の出力の一部分は、好ましくは、抽出され、複数の検出器１８５０に向かって方向付けられる。出力ビームの抽出された部分は、好ましくは、必要な位相変更が計算され得る特性に基づいて、基準ビームとして機能する。図１８に示される実施形態では、チャネル１８１６に沿った複数のサブビームは、ビーム分割器１８６０に向かって方向付けられる。ビーム分割器１８６０は、好ましくは、事前決定された比率に従って、各サブビームを透過部分１８６２と反射部分１８６４とに分割する。例えば、ビーム分割器１８６０は、９９．９％の透過率：０．０１％の反射率で各サブビームを分割してもよい。

サブビームの透過部分１８６２は、好ましくは、焦点レンズ１８２０に向かって伝播し、焦点レンズ１８２０において、サブビームが結合されて、遠視野強度パターン１８６６を有する出力ビーム１８２２を形成する。サブビームの反射部分１８６４は、ミラー１８６８のアレイに向かって反射されることが好ましく、各ミラー１８６８は、対応する集束レンズ１８６９に対して離間された関係で位置決めされる。例として、ミラーアレイ１８６８は、４つの集束レンズ１８６９に対して離間された関係で位置決めされた４つのミラー１８６８を備えてもよく、そのうちの２つが図１８のシステム１８００の上面図に見える。

ミラー１８６８は、好ましくは、そこに入射したサブビームを対応する集束レンズ１８６９に向けて反射させ、それによって、サブビームの反射部分１８６４を多数のグループにグループ化するように動作するように角度が付けられ、ここでは例として、４つのグループ１８７０として具体化され、各グループ１８７０は、４つのサブビームを含み、そのうちの２つのグループは、図１８のシステム１８１００の上面図に見られる。

好ましくは、ミラー１８６８の各々で反射されたサブビームの各グループは、対応する焦点レンズ１８６９によって集束され、サブビームのグループを備え、複数の検出器１８５０のうちの対応する検出器の表面に入射する遠視野強度パターン１８７２を有する単一のビーム１８７０を形成する。各検出器１８５０は、制御モジュール１８３２に含まれる対応する制御電子機器サブモジュール１８７４と協働して、次いで、好ましくは、それによってサンプリングされたサブビーム１８７０のグループ内のサブビームの相対位相を、グループ１８７０内の他のサブビームの位相に対して最適化する。そのようなサンプリングおよび最適化は、好ましくは、全ての検出器１８５０にわたる遠視野強度パターン１８７２のうちの遠視野強度パターンに対して、並列に、好ましくは同時に実行される。位相最適化に好適な様々なアルゴリズムは、図１Ａ～図４Ｃを参照して本明細書で上述された、ノイズ補正アルゴリズムを含む逐次または非逐次最適化アルゴリズムを含む。

グループ１８７０の他のグループに対するグループ１８７０の各々の相対位相を最適化するために、反射部分１８６４の一部分は、好ましくは、補助ビーム分割器１８８０を介して、補助レンズ１８８２に方向付けられる。補助レンズ１８８２は、好ましくは、そこに入射するサブビームを、補助検出器１８８８に入射する遠視野強度パターン１８８６を有する単一のビーム１８８４に集束させる。補助検出器１８８８は、好ましくは、そこで、サブビーム１８７０の全てのグループの組合せのパターンに対応する遠視野強度パターン１８８６を有する単一のビームを受け取る。補助検出器１８８８は、好ましくは、電子制御モジュール１８３２に含まれる位相制御電子機器サブモジュール１８９０と協働して、グループ１８７０の位相を互いに対してサンプリングおよび最適化する。特に好ましくは、位相制御電子モジュール１８３２の１つの機能は、補助検出器１８８８の総電力を最大化する位相シフトを適用するために、各位相変調器１８１８を制御することである。

各サブビームの位相が、そのグループ１８７０の他のサブビームのメンバーの位相に対して最適化され、グループ１８７０の位相が、結合されたレーザ出力１８２２の位相を変更するように互いに対して最適化される、上述された拡張された方法で位相変調を実行することは、ＯＰ１８００における他の全てのサブビームの位相に対して、個々の各サブビームの位相を最適化するよりもはるかに迅速であり、かつ複雑でないことが理解される。さらに、これにより、位相最適化は、制御電子機器の単一のセットを必要とするのではなく、各検出器１８５０に連結された各制御電子機器サブモジュール１８７４内の制御電子機器の個々のセットによって実行され、信号対雑音比を改善することができる。

グループ１８７０の他のグループに対して、グループ１８７０の各々の相対位相を最適化する機能は、グループ１８７０の各々の各サブビーム部材の個々の位相を変調するように動作する個々の位相変調器１８１８によってではなく、グループ１８７０の各々の集合位相を変調するように動作する追加のグループ位相変調器によって代替的に実行されてもよいことが理解されよう。そのような配置の例示的な実装は、図１９に示されており、そのいくつかの態様において、米国特許第９，８９３，４９４号に記載されている位相変調構成に概ね類似し得る。

図１９に見られるように、システム１８００は、グループ１８７０の数に対応する一連のグループ位相変調器を追加することによって修正されてもよい。ここで、例として、図１９に見られるように、システム１８００は１６個のサブビームを備え、そのうちの４つは４つのグループ１８７０のそれぞれに含まれ、その結果、合計４つの追加のグループ位相変調器１９１８がシステム１８００に含まれてもよい。各グループ位相変調器１９１８は、好ましくは、各グループ１８７０の一部を形成する４つのチャネル１８１６に共通であり、４つのチャネル１８１６に沿ったサブビームの集合グループ位相を最適化する位相シフトを提供する。

好ましくは、グループ位相変調器１９１８のうちのグループ位相変調器は、好ましくは、制御モジュール１８３２に含まれる追加の制御サブモジュール１９９０によって制御される。補助検出器１８８８は、好ましくは、追加の制御サブモジュール１９９０に連結されている。個々のサブビーム位相変調器１８１８によってではなく、グループ位相変調器１９１８によってグループ１８７０の相対位相を互いに比較して最適化することは、より効率的であり、位相変調プロセスを単純化することができるが、追加の位相変調器および回路要素の使用を必要とし、したがって、システム１８００のコストおよび複雑さを増加させることが理解される。

結合されたレーザ出力１８２２の位相の変更は、好ましくは、出力１８２２の空間変調を提供する。位相変調サブシステム１８３０によって実行される位相変調の拡張された性質に起因して、結合されたレーザ出力１８２２の位相は、機械的空間変調機構によって達成可能なレートよりも速いレートで非常に急速に変更され得ることが理解される。ＯＰＡレーザ１８００によって提供される空間変調は、当技術分野で知られているように、追加の機械的空間変調メカニズムによって任意に増強されてもよく、または機械的空間変調を含まなくてもよい。

ビーム分割器１８６０、焦点レンズ１８２０、ミラーアレイ１８６８、および対応する焦点レンズ１８６９を含む、本明細書に示される光学素子の特定の構造および構成は、単に例示であり、非常に簡略化された形態で示されていることが理解される。ＯＰＡレーザシステム１８００は、様々なそのような要素、ならびに単に例として、追加または代替のレンズ、光ファイバ、およびコヒーレント自由空間遠視野結合器を含む、追加の光学素子を含み得ることが理解される。

さらに、ミラー１８６８および対応する焦点レンズ１８６９は、個々のサブビームを等しい数のサブビームを含む相互に類似または同一のグループにグループ化するように、相互に類似または同一の光学特性を有し得ることが理解される。代替的に、ミラー１８６８および対応する焦点レンズ１８６９は、個々のサブビームを異なる数のサブビームを含む相互に異なるグループにグループ化するように、相互に異なる光学特性を有し得る。

図１８または図１９に示されているタイプのＯＰＡレーザシステムの例示的な実装が、図２０Ａおよび図２０Ｂに示されている。次に、図２０Ａおよび図２０Ｂを参照すると、シードレーザ１８１２などのシードレーザ（図示せず）からの出力レーザビームが、対応する複数のチャネル２０１６に沿って複数のサブビームに分割されるＯＰＡレーザシステム２０００が提供される。ここで、単に例として、レーザ出力は、対応する１００個のチャネル２０１６に沿って１００個のサブビームの１０×１０マトリックスに分割されてもよく、提示を明確にするために、サブビームのうちの選択されたサブビームのみが図２０Ｂに示されている。チャネル２０１６に沿ったサブビームは、その後、コリメートおよび集束レンズ１８１９、１８２０などのコリメートおよび集束要素（図示せず）によってコリメートおよび集束されて、結合された出力ビームを生成することができる。

出力ビームへの位相変更の適用を容易にするために、ＯＰＡレーザ２０００の出力の一部分は、好ましくは、抽出され、複数の検出器２０５０に向かって方向付けられる。出力ビームの抽出された部分は、好ましくは、必要な位相変更が計算され得る特性に基づいて、基準ビームとして機能する。図２０Ａおよび図２０Ｂに示される実施形態では、チャネル２０１６に沿った複数のサブビームは、ビーム分割器２０６０に向かって方向付けられる。ビーム分割器２０６０は、所定の比率に従って、各サブビームを透過部分２０６２と反射部分２０６４とに分割することが好ましい。

サブビームの透過部分２０６２は、好ましくは、結合されて、出力ビームを形成する。サブビームの反射部分２０６４は、ミラー２０６８のアレイに向かって反射されることが好ましく、各ミラー２０６８は、対応する集束レンズ２０６９に対して離間された関係で位置決めされる。ミラーのアレイ２０６８およびレンズ２０６９は、ミラーのアレイ１８６８および集束レンズ１８６９の特に好ましい実施形態であることが理解される。

ミラー２０６８は、好ましくは、そこに入射したサブビームを対応する集束レンズ２０６９に向けて反射させ、それによって、サブビームの反射部分２０６４を多数のグループにグループ化するように動作するように角度が付けられ、ここでは例として、４つのグループとして具体化され、各グループ２０７０は、２５個のサブビームを含む。好ましくは、ミラー２０６８の各々で反射されたサブビームの各セットは、対応する焦点レンズ２０６９によって集束されて、２５個のサブビーム２０７０のグループを含む単一のビームを形成する。サブビーム２０７０の各グループは、複数の検出器２０５０のうちの対応する検出器の表面に入射する。各検出器２０５０は、好ましくは、そこに入射する遠視野強度パターンをサンプリングする。各検出器２０５０は、制御モジュール１８３２に含まれる制御電子機器サブモジュール１８７４のような対応する制御電子機器サブモジュール（図示せず）と協働し、次いで、好ましくは、それによってサンプリングされたサブビーム２０７０のグループに含まれるサブビームの位相を最適化して、結合された位相が所望のグループ遠視野強度パターンを生成する。そのようなサンプリングおよび最適化は、好ましくは、全ての検出器２０５０にわたる遠視野強度パターンのうちの遠視野強度パターンに対して、並列に、好ましくは同時に実行される。

グループ２０７０の他のグループに対するグループ２０７０の各々の相対位相を最適化するために、反射部分２０６４の一部分は、好ましくは、補助ビーム分割器２０８０によって、補助レンズ２０８２に方向付けられる。補助レンズ２０８２は、好ましくは、反射部分２０６４の一部分を、補助検出器２０８８に入射する単一のビーム２０８４に集束させる。補助検出器２０８８は、好ましくは、そこで、サブビームの全ての組み合せのパターンに対応する遠視野強度パターンを有する単一のビームを受け取る。補助検出器２０８８は、好ましくは、電子制御モジュール１８３２に含まれる位相制御電子機器と協働して、グループ２０７０の位相を互いに対してサンプリングおよび最適化する。

互いに対するグループ２０７０の位相の最適化は、図１８を参照して本明細書で上述されたように、位相変調器１８１８による個々のサブビームの位相の位相変調によるものであり得るか、または図１９を参照して本明細書で上述されたように、グループ位相変調器１９１８によるサブビームのグループの位相の位相変調によるものであり得ることが理解される。

図１５～図２０ＢのＯＰＡレーザ１５００、１７００、１８００および２０００の上述された実施形態では、位相変調は、好ましくは、複数のグループ内のサブビームの位相測定を同時に実施するために使用される検出器１５５０、１７５０、１８５０、２０５０などの複数の検出器と、複数のグループを含む単一のビームの位相測定を実施するために使用される補助検出器１５８６、１７８６、１８８６、２０８６のような単一の検出器と、を用いて、拡張された方法で実行されることが理解される。

しかしながら、本発明の好ましい実施形態に従って構築されて動作するシステムは、関与するサブビームの数に応じて、検出器および対応する光学素子のやはり追加の階層を含むように、さらに拡張可能であり得ることが理解される。

例として、図２１に示されるように、ＯＰＡレーザシステム１５００は、サブビームのうちのグループ１５７０を、中間グループが中間検出器２１０６に入射する中間グループ２１０４に集束するための追加の集束レンズ２１０２をさらに含むように修正されてもよい。次いで、中間グループ２１０４がさらに組み合わされ、かつ単一の検出器２１０８に入射し、そこで単一の検出器２１０８中間グループ２１０４は、互いに対して位相修正されることが好ましい。

図１５～図２１を参照して本明細書で上述されたＯＰＡレーザシステムのいずれかは、図６～図８を参照して本明細書で上述された本発明の実施形態に従って、出力ビームのサンプリングを改善するために、ＯＰＡレーザシステム内の個々の検出器のうちの１つ以上を、複数の検出器および対応する複数の緊密に離間された光路に置き換えることによって、修正されてもよいことが追加的に理解される。さらに、図１５～図２１を参照して本明細書で上述されたＯＰＡレーザシステムのいずれかは、出力ビームのサンプリングをさらに改善するために、図９～図１２を参照して本明細書で上述された本発明の実施形態に従って、ＯＰＡレーザシステム内で使用される複数の検出器のうちの１つ以上の検出器をマスクする透過型または反射型の検出器マスクを含むように、代替的に修正されてもよい。

図１５～図２１を参照して本明細書で上述されたＯＰＡレーザシステムのいずれかは、そこで使用される位相変調器の正しい較正を確実にするために、図１３および図１４を参照して本明細書上述されされた本発明の好ましい実施形態に従って、電圧－位相較正機能を含むように修正されてもよいことがさらに理解される。

次に、図２２Ａおよび２２Ｂを参照すると、これらは、本発明の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、光フェーズドアレイレーザシステムのそれぞれの第１および第２の焦点状態の簡略化された概略図である。

図２２Ａおよび図２２Ｂに見られるように、好ましくは、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）レーザ２２０２を含むレーザシステム２２００が提供される。ＯＰＡレーザシステム２２００は、内容が参照により本明細書に組み入まれる、本発明と同じ譲受人に譲渡された米国特許第９，５８４，２２４号または米国特許出願第１５／４０６，０３２号に概説されているタイプを有してもよい。あるいは、ＯＰＡレーザシステム２２００は、本明細書の上記の図１Ａ～図２１のいずれかひとつまたはそれらの組み合わせを参照して記載されたタイプのレーザシステムであってもよい。

拡大図２２１０で最もよく分かるように、ＯＰＡレーザ２２０２は、好ましくは、シードレーザ２２１２と、シードレーザ２２１２からのレーザ出力を受け取り、結合されたレーザ出力を提供するレーザビーム分割および結合サブシステム２２１４と、を含む。レーザビーム分割および結合サブシステム２２１４は、好ましくは、シードレーザ２２１２からのレーザ出力の分割に続いて、分割および結合サブシステム２２１４によって実施される結合の前に、結合されたレーザ出力の位相を変更するための複数の位相変調器２２１８を含む。

シードレーザ２２１２の出力の分割およびその後の位相変調によって生成される各位相変調されたサブビームは、好ましくは、コリメートレンズ２２１９に向かって伝播する。個々にコリメートされ、位相変調されたサブビームは、その後、例えば焦点レンズ２２２０において結合されて、出力ビーム２２２２を形成する。

分割および結合サブシステム２２１４はまた、好ましくは、シードレーザ２２１２の出力ビームをサブビームに分割した後に、サブビームを結合して出力ビーム２２２２を形成する前に、サブビームのレーザ増幅を提供することもできる。ここで、例として、分割および結合サブシステム２２１４は、各サブビームを増幅するための複数の光増幅器２２２４を含むように示されている。しかしながら、そのような増幅は、ＯＰＡレーザ２２００の電力出力使用に応じて選択可能であり、省略されてもよいことが理解される。

出力ビーム２２２２の位相、したがって、その遠視野強度パターンの位置および形状は、出力ビーム２２２２を形成するために結合された構成サブビームの相対位相によって、少なくとも部分的に制御される。図１Ａ～図５Ｇを参照して本明細書で上述されたように、レーザ切断、レーザ溶接、レーザ付加製造、および光自由空間通信などの多くの用途では、出力ビーム２２２２の遠視野強度パターンを動的に移動および成形することが望ましい。これは、レーザシステム２２００において、レーザ分割および結合サブシステム２２１４が、個々のサブビームの相対位相を動的に変更し、それによって、結合されたレーザ出力２２２２の位相を変更して、その遠視野強度パターンの位置および形状を動的に制御するようにすることによって達成することができる。

サブビームの相対位相は、好ましくは、所望のレーザ出力パターンに従って事前決定される。特に好ましくは、変更する相対位相は、位相制御サブシステム２２３０によって適用される。位相制御サブシステム２２３０は、好ましくは、ＯＰＡレーザシステム２２００内の制御電子機器モジュール２２３２の一部を形成し、好ましくは、図１Ａ、図２Ａ、図３Ａ、および好ましくは、図４Ａの位相制御サブシステム１３０、２３０、３３０、４３０をそれぞれ参照して本明細書で上述されたように、サブビームの相対位相を動的に変調するように、各位相変調器２２１８を制御する。

ＯＰＡシステム２２００に固有のノイズに起因して、出力ビーム２２２２はノイズを有する場合がある。出力ビーム２２２２のノイズは、典型的には、熱的または機械的効果によって、および／または光増幅器２２２４がＯＰＡシステム２２００内にある場合の増幅プロセスによって生成される位相ノイズである。出力ビーム２２２２がノイズを有する場合、ＯＰＡシステム２２００は、以下に詳述される方法で、出力ビーム２２２２中のノイズをキャンセルするために、ノイズキャンセル位相補正出力を提供するように動作するノイズキャンセルサブシステム２２４０を含んでもよい。

特に好ましくは、ノイズキャンセルサブシステム２２４０は、必ずしも必要ではないが、好ましくは、図１Ａ～図４Ｃを参照して本明細書で上述されたタイプの、結合されたレーザ出力中の位相ノイズを検知および補正するアルゴリズムを使用する。ノイズキャンセル位相補正出力は、好ましくは、ノイズキャンセルサブシステム２２４０によって位相変調器２２１８に提供されて、出力ビーム２２２２の位相ノイズを補正し、したがって、そうでなければノイズによって引き起こされるであろう出力ビーム２２２２の遠視野強度パターンの形状および位置の歪みを回避する。ノイズキャンセルサブシステム２２４０は、制御電子機器モジュール２２３２に含まれてもよい。

代替的に、出力ビーム２２２２内のノイズが深刻ではない場合、ノイズキャンセルサブシステム２２４０は、ＯＰＡシステム２２００から取り除かれてもよく、それに対してノイズ補正は実施されない。

出力ビーム２２２２に関連する場合の位相変更およびノイズ補正の適用を容易にするために、ＯＰＡレーザ２２０２の出力の一部分は、好ましくは、抽出され、少なくとも１つのの検出器２２５０に向かって方向付けられる。ここで、例として、少なくとも１つの検出器２２５０が単一の検出器２２５０として具体化されるように示されている。しかしながら、少なくとも１つの検出器２２５０は、図６～８を参照して本明細書で上述されたように、緊密に離間された光路を介してＯＰＡレーザ２２０２の出力の一部分を受け取る複数の検出器として具体化されてもよいか、または図９～図１２を参照して本明細書で上述されたように、透過型または反射型光学マスクを介してＯＰＡレーザ２２０２の出力の一部分を受け取る少なくとも１つの検出器として具体化されてもよいことが理解される。出力ビームの抽出された部分は、好ましくは、必要なノイズ補正および／または位相変更が計算され得る特性に基づいて、基準ビームとして機能する。

本発明の好ましい実施形態によれば、チャネル２２１６に沿った複数のサブビームは、ビーム分割器２２６０に向かって方向付けられる。ビーム分割器２２６０は、所定の比率に従って、各サブビームを透過部分２２６２と反射部分２２６４とに分割することが好ましい。例えば、ビーム分割器２２６０は、９９．９％の透過率：０．０１％の反射率で各サブビームを分割することができる。

サブビームの透過部分２２６２は、好ましくは、焦点レンズ２２２０に向かって伝播し、焦点レンズ２２２０において、サブビームが結合されて、遠視野強度パターン２２６６を有する出力ビーム２２２２を形成する。サブビームの反射部分２２６４は、好ましくは、追加の焦点レンズ２２６８に向かって反射され、追加の焦点レンズ２２６８において、サブビームが結合されて、複数の検出器２２５０のうちの１つ以上の表面に入射する遠視野強度パターン２２７２を有する出力基準ビーム２２７０を形成する。

特定の用途では、出力ビーム２２２２は、好ましくは、基板２２８０の遠視野強度パターン２２６６が好ましくは入射する基板２２８０に向けて方向付けられる。基板２２８０は、ＯＰＡレーザ２２０２によって処理されているワークピースであってもよい。例えば、ＯＰＡレーザ２２０２は、ワークピース２２８０を付加的に製造、切断、溶接、焼結、または他の方法で処理するように動作してもよい。位相制御サブシステム２２３０は、好ましくは、出力ビーム２２２２を基板２２８０に集束させるために、出力ビーム２２２２の位相を変更する。位相制御サブシステム２２３０によるそのような位相変更の適用がない場合、出力ビーム２２２２は、基板２２８０に集束されないことが理解される。

本発明の好ましい実施形態の特定の特徴は、焦点レンズ２２２０が、位相変更が適用されていない場合のＯＰＡレーザ２２０２の出力ビーム２２２２が、レンズ２２２０によって基板２２８０の表面上に集束されないように設計されていることである。例として、位相変更が適用されていない出力ビーム２２２２の構成を示す図２２Ａの考察から理解されるように、焦点レンズ２２２０は、出力ビーム２２２２を含む非位相変更コリメート波面２２８２を基板２２８０の表面上の焦点２２８４に集束させるように光学的に設計されていてもよい。

出力ビーム２２２２に位相変化が適用される場合の出力ビーム２２２２の構成を示す図２２Ｂの考察から理解されるように、出力ビーム２２２２の位相変更は、好ましくは、代表的な位相修正波面２２８６の場合に見られるように、波面２２８２の形状、ひいては焦点を修正するのに役立つが、この位相修正波面２２８６は、好ましくは、焦点レンズ２２２０を介して基板２２８０上に集束される。したがって、基板２２８０上の出力ビーム２２２２の集束は、焦点レンズ２２２０だけではなく、図２２Ｂに示されるように、焦点レンズ２２２０と組み合わせたその位相変更によって達成されることが理解される。

基板２２８０上の出力ビーム２２２２の集束がその位相変更によって達成される結果として、基板２２８０から生じる後方散乱は、それに応じて、焦点レンズ２２２０によってＯＰＡレーザ２２０２上に集束されない。当技術分野でよく知られているように、レーザビームによって処理された表面からの後方散乱は、典型的に、レーザに戻り、特にレーザ増幅システムにおいて、レーザを損傷する可能性がある。本発明では、焦点レンズ２２２０は、後方散乱をＯＰＡレーザ２２０２に向けて集束せず、したがって、後方散乱は、ＯＰＡレーザ２２０２に到達および損傷しないため、このような損傷は回避される。

基板２２８０からＯＰＡレーザ２２０２に向かう後方散乱の例示的な戻り経路が図２３に示されている。図２３に見られるように、基板２２８０から発する後方散乱レーザビーム２３００は、好ましくは、焦点レンズ２２２０に到達する。しかしながら、後方散乱レーザビーム２３００は、好ましくは、焦点レンズ２２２０によってＯＰＡレーザ２２０２に集束されず、それによって、それらへの損傷を防止する。焦点レンズ２２２０が従来のレーザシステムにおける典型的な場合のように、ＯＰＡレーザ２２０２からの非位相修正レーザ出力を基板２２８０上に集束するように設計されている場合、後方散乱ビーム２３００の経路は、それに応じて、焦点レンズ２２２０によってＯＰＡレーザ２２０２上に集束され、したがって、焦点レンズ２２２０に損傷を引き起こす可能性があることが理解される。

本発明の特定の実施形態では、基板２２８０上のＯＰＡレーザ２２０２の出力の集束は、焦点レンズ２２２０が不要になるように、出力ビーム２２２２の適切な位相変更によってのみ実施され得ることが理解される。

図１Ａ～図２３を参照して本明細書で上述されたように、シードレーザからの出力は、その増幅のために増幅システムに方向付けられてもよい。当業者にはよく知られているように、増幅システムに給電するシードレーザによるレーザ出力の欠陥は、増幅システムに損傷をもたらす可能性がある。シードレーザに接続された増幅システムに損傷を引き起こす原因となるシードレーザによるレーザ出力の典型的な欠陥は、シードレーザ出力の電力の減少およびレーザ線幅の劣化を含む。結果として生じる増幅システムへの損傷は、数ナノ秒程度、増幅システムに含まれる可能性のある内部検知メカニズムの応答時間の前に、非常に急速に発生する可能性がある。

接続されたシードレーザに障害がある場合に、増幅システムへの損傷を防止するための本発明の好ましい実施形態が、次に、図２４～図３３を参照して記載される。以下に記載されるシードレーザ障害保護システムは、図１Ａ～図２３を参照して本明細書で上述されたタイプのいずれかのＯＰＡレーザに組み込むことができ、シードレーザおよびそれに接続された増幅器を含む、他の任意のレーザシステムに組み込むことができることが理解される。

次に、図２４を参照すると、図２４に見られるように、好ましくは、レーザ出力を提供するシードレーザ２４０２および増幅サブシステムを含むレーザシステム２４００が提供され、ここでは例として、増幅サブシステムは電力増幅器２４０４として具体化され、シードレーザ２４０２からのレーザ出力を受け取り、レーザ出力を増幅して増幅されたレーザ出力２４０６を提供するレーザシステム２４００は、例として、マスターオシレータ電力増幅器（ＭＯＰＡ）レーザとして具体化されてもよく、またはシードレーザおよび電力増幅器を含む他の任意のレーザシステムであってもよい。シードレーザ２４０２からのレーザ出力は、好ましくは、第１の光路２４０８を介して電力増幅器２４０４に到達し、ここでは例として、第１の光路２４０８は、コイル状光ファイバ２４１０を含むものとして具体化される。

シードレーザ２４０２のレーザ出力中の起こり得る欠陥を検出するために、システム２４００は、好ましくはシードセンサ２４２０として具体化され、シードセンサ２４０２からの出力を受け取る検出器サブシステムをさらに含むことが好ましい。シードレーザ２４０２からのレーザ出力は、好ましくは、第２の光路２４２２を介して検出器サブシステム２４２０に到達する。検出器サブシステム２４２０は、レーザ出力中の特性を検知するための、より具体的には、レーザ出力中の起こり得る障害を検出するための１つ以上のセンサを含でもよい。センササブシステム２４２０は、好ましくは、電力増幅器２４０４に動作可能に結合される。センササブシステム２４２０は、好ましくは、シードレーザ２４０２からのレーザ出力の障害を検出すると、電力増幅器２４０４を非アクティブ化するように構成される。

本発明の好ましい実施形態の特定の特徴は、シードレーザ２４０２から電力増幅器２４０４への第１の光路２４０８に沿ったレーザ出力の第１の飛行時間（ＴＯＦ＝Ｔ１）が、シードレーザ２４０２からセンササブシステム２４２０への第２の光路２４２２に沿ったレーザ出力の第２の飛行時間（ＴＯＦ＝Ｔ２）と、センササブシステム２４２０が電力増幅器２４０４を非アクティブ化するのに要する時間との組み合わせよりも大きいことである。

シードレーザ２４０２から電力増幅器２４０４へのレーザ出力の飛行時間が比較的長い結果として、センササブシステム２４２０は、受け取ったレーザ出力の障害を検出して、電力増幅器２４０４を非アクティブ化してから、電力増幅器２４０４は、欠陥のあるレーザ出力を受信し、それによって、電力増幅器２４０４への損傷を防止する。

シードレーザ２４０２から電力増幅器２４０４へのレーザ出力の飛行時間の延長は、センサ２４２０がレーザ出力の障害を検知し、電力増幅器２４０４によって欠陥のあるレーザ出力を受け取る前に、必要に応じて電力増幅器２４０４を非アクティブ化するための時間を可能にするために、図２４に示された本発明の実施形態において、第１の光路に沿ったファイバコイル２４１０を含めることによって達成される。例として、ファイバコイル２４１０は、１０ｋｍの物理的長さを有してもよく、それに沿ったレーザ出力の飛行時間は、約５０マイクロ秒であってもよい。したがって、シードレーザ２４０２からの出力に障害が発生した場合、電力増幅器２４０４は、シードレーザ２４０２からの障害のある出力信号の開始後、５０マイクロ秒の間、障害のない入力信号を受信し続ける。

シードレーザ２４０２とセンササブシステム２４２０との間の光路は、コイル２４１０を含まず、直接の、したがってはるかに短い光路であり得る。したがって、シードレーザ２４０２からセンササブシステム２４２０へのレーザ出力の飛行時間は、好ましくは、５０マイクロ秒よりもはるかに短く、例えば、３０マイクロ秒以下の程度である。したがって、シードレーザ２４０２からの出力に障害が発生した後、センササブシステム２４２０は、したがって、シードレーザ２４０２と電力増幅器２４０４との間の時間遅延が満了する前に、レーザ出力を迅速に受け取り、その中の故障を検出し、電力増幅器２４０４をオフにすることができる。結果として、電力増幅器２４０４がセンササブシステム２４２０によって検出された障害信号を受け取る前に、電力増幅器２４０４は、好ましくは、センササブシステム２４２０によってスイッチがオフにされ、それによって、電力増幅器２４０４への損傷を防止する。

シードレーザ２４０２と電力増幅器２４０４との間の光路の延長、したがって、そこに沿った飛行時間の増加は、シードレーザ２４０２とセンササブシステム２４２０との間の光路の時間および長さと比較して、シードレーザ２４０２と電力増幅器２４０４との間の光路に沿ったファイバコイルを含める方法によって達成されることに限定されないことが理解される。むしろ、シードレーザ２４０２と電力増幅器２４０４との間の光路は、例えば、図２５に示されるように、そこに沿った光遅延線２５００を含めることを含む、任意の好適な手段によって延長されてもよい。さらに、図２６に示されるように、シードレーザ２４０２と電力増幅器２４０４との間の光路は、自由空間光路２６００であってもよく、その場合、そこに沿った飛行時間は、反射ミラーなどの光学素子の使用によって延長されてもよい。しかしながら、第１の光路２４０８にコイル状ファイバ２４１０を含めることは、そのコンパクトな構成に起因して、およびコイル状ファイバ２４１０によるシードレーザ出力の光学モードの維持に起因して、特に有利であり得ることが理解される。

図２４に示されるコイル状ファイバ２４１０の特定の構成は、単に代表的かつ例示的なものであることが理解される。コイル状ファイバ２４１０は、任意の好適な形態で具体化されてもよく、コイル状ファイバ２４１０によって提供される光路の有効長さをさらに増加させるために、レーザ出力が光路のに沿って一方向または前後に移動するように適合させることができる。

ここで図２７を参照すると、図２７は、本発明のなおも別の好ましい実施形態に従って構築されて動作する、シードレーザ故障保護システムを含むレーザ増幅システムの簡略化された概略図である。

図２７に見られるように、レーザ出力を提供するシードレーザ２７０２を好ましくは含むレーザシステム２７００が提供される。シードレーザ２７０２は、好ましくは第１の増幅器２７０３に接続され、第１の増幅器２７０３は、好ましくは、ここでは例として、電力増幅器２７０４として具体化される第２の増幅器２７０４に接続され、増幅されたレーザ出力２７０６を提供する。レーザシステム２７００は、例として、マスターオシレータ電力増幅器（ＭＯＰＡ）レーザとして具体化されてもよく、またはシードレーザおよび電力増幅器を含む他の任意のレーザシステムであってもよい。

当業者にはよく知られているように、また本明細書で詳細に上述されたように、シードレーザ２７０２によるレーザ出力の欠陥は、電力増幅器２７０４に損傷をもたらす可能性がある。電力増幅器２７０４に損傷を引き起こすシードレーザ２７０２によるレーザ出力の典型的な欠陥は、シードレーザ出力の電力の停止または減少およびレーザ線幅の劣化を含み得る。電力増幅器へのそのような損傷は、電力増幅器２７０４に含まれ得る内部検知機構の応答時間の前に、数ナノ秒の程度で非常に急速に発生する可能性がある。

シードレーザ２７０２の出力の欠陥の結果としての電力増幅器２７０４への損傷を回避するために、レーザシステム２７００に追加の増幅器２７０３を含めることは、本発明の好ましい実施形態の特定の特徴である。好ましくは、追加の増幅器２７０３は、電力増幅器２７０４によって提供されるものよりもはるかに低い増幅を提供し、シードレーザ２７０２からのレーザ出力のそれ自体の増幅を目的とするよりも、シードレーザ２７０２からのレーザ出力の劣化時の電力増幅器２７０４への損傷を防止する目的のために、システム２７００に含まれている。

システム２７００の動作において、シードレーザ２７０２からのレーザ出力は、好ましくは、第１の増幅器２７０３によって受け取られる。第１の増幅器２７０３は、好ましくは、第１の増幅されたレーザ出力を提供し、その第１の増幅されたレーザ出力は、好ましくは、第２の増幅器２７０４によって受け取られて増幅される。

シードレーザ２７０２のレーザ出力が停止すると、シードレーザ２７０２の誤動作に起因して、第１の増幅器２７０３は、シードレーザ２７０２からのレーザ出力を受け取らなくなる。この場合、第１の増幅器２７０３は、増幅された自然放出を生成し、その増幅された自然放出は、第２の増幅器２７０４によって受け取られる。代替的に、第１の増幅器２７０３は、シードレーザ２７０２からのレーザ出力が停止すると、第１の増幅器２７０３がレーザとして動作し始め、追加のレーザ出力を生成するように構成されてもよい。

したがって、シードレーザ２７０２がレーザ出力の提供を停止した場合でも、第２の増幅器２７０４は、増幅された自然放出の形態または第１の増幅器２７０３からの追加のレーザ出力の形態で入力信号を受け取り続けることが理解される。第１の増幅器２７０３によって第２の増幅器２７０４に提供される増幅された自然放出は、第２増幅器２７０４への損傷を防止するのに十分であり、その損傷は、そうでなければ、第２の増幅器２７０４への信号の提供の停止に起因して発生する可能性があるものである。システム２７００は、シードレーザ２７０２に接続されたセンサを追加的に含み、シードレーザ２７０２からのレーザ出力の障害を検知し、それに応じて第２の増幅器２７０４を非アクティブ化し得ることが理解される。

シードレーザ２７０２の適切な動作中、第１の増幅器２７０３によって提供される第１の増幅は、好ましくは、第２の増幅器２７０４によって提供される第２の一次増幅と比較して、無視できる程度であることが理解される。

図２７に見られるように、シードレーザ２７０２からのレーザ出力は、第１の増幅器２７０３に直接供給されてもよい。代替的に、図２８に示されるように、シードレーザ２７０２および第１の増幅器２７０３をインターフェースする追加の要素を挿入することができる。特に、許容できないほど狭い線幅のレーザビームをフィルタリングして、そのようなレーザビームが第２の増幅器２７０４に到達してそれを損傷するのを防止するために、シードレーザ２７０２と第１の増幅器２７０３との間にフィルタを挿入することができる。

本発明での使用に好適な線幅フィルタ２８００の特に好ましい実施形態が図２８に示されている。

次に図２８を参照すると、フィルタ構造体２８００は、シードレーザ２７０２の下流および第１の増幅器２７０３の上流に実装されていると見られる。シードレーザ２７０２からのレーザ出力は、好ましくは、フィルタ２８００への入口で分割器２８０５で２つの部分に分割され、フィルタ２８００から出る前に再結合器２８０６で再結合される。シードレーザ２７０２からの分割レーザ出力の第１の部分は、好ましくは、分割器２８０５と再結合器２８０６との間のフィルタ２８００の第１のアーム２８０７に沿って進む。シードレーザ２７０２からの分割レーザ出力の第２の部分は、好ましくは、分割器２８０５と再結合器２８０６との間のフィルタ２８００の第２のアーム２８０８に沿って進む。第１および第２のアーム２８０７および２８０８の比較から理解されるように、第１のアーム２８０７は、好ましくは、第２のアーム２８０８と比較して追加の部分２８０９を含み、したがって、第２のアーム２８０８よりも長い。

シードレーザ２７０２からのレーザ出力が許容できないほど狭い線幅を有する場合、第１および第２のアーム２８０７および２８０８からのレーザ出力は、再結合器２８０６で再結合されたときに、その比較的高いコヒーレンスに起因して相互に干渉する。再結合されたビームは、好ましくは、検出器２８１０によって検出され、その検出器２８１０は、好ましくは電子制御モジュール２８１１に接続される。電子制御モジュール２８１１は、第２のアーム２８０８に沿って位置付けられた位相変調器２８１２の動作制御において、好ましくは、コヒーレントビーム結合（ＣＢＣ）カードである。位相変調器２８１２は、好ましくは、再結合器２８０６での再結合されたビームの実質的に全てが検出器２８１０に向けて方向付けられるように、第２のアーム２８０８に沿ってビームの位相を変更するために電子制御カード２８１１によって動作される。したがって、再結合されたビームは、第１の増幅器２７０３に向かって進行せず、したがって、第２の増幅器２７０４に到達してそれに損傷を引き起こすことはない。第１の増幅器２７０３によるシードレーザ２７０２からのレーザ出力の受け取りはそれによって停止され、第１の増幅器２７０３は、本明細書で詳細に上述されたように、増幅された自然放出または追加のレーザ出力のうちの１つを生成する。

シードレーザ２７０２が適切に動作していて、シードレーザ２７０２からのレーザ出力が許容できるほど広い線幅を有する場合、第１および第２のアーム２８０７および２８０８からのレーザ出力は、再結合器２８０６で再結合されたときに相互に干渉しない。これは、コヒーレンスが比較的低く、したがって、相互干渉がほとんど発生しないかまたはまったく発生しないように線幅が十分に広いためである。この場合、再結合器２８０６でのレーザ出力の一部は第１の増幅器２７０３に向かって進み、再結合器２８０６でのレーザ出力の一部は、検出器２８１０に送達される。システム２７００を参照して上で概説されたように、第１の増幅器２７０３によって受け取られたレーザ出力は、好ましくは、続いて第１の増幅器２７０３によって第２の増幅器２７０４に提供される。

追加の増幅器２７０３およびフィルタ構造体２８００を含む、図２７および図２８に示される損傷保護システムは、単独で、または図２４～図２６に示される保護システムのいずれか１つと組み合わせて使用され得ることが理解される。

次に図２９を参照すると、図２９は、本発明のなおもさらに好ましい実施形態に従って構築されて動作する、シードレーザ故障保護システムを含むレーザ増幅システムの簡略化された概略図である。

図２９に見られるように、好ましくは、第１のレーザ出力２９０３を提供するシードレーザ２９０２および増幅サブシステムを含むレーザシステム２９００が提供され、ここでは例として、増幅サブシステムは電力増幅器２９０４として具体化されており、シードレーザ２９０２からの第１のレーザ出力２９０３を受け取り、レーザ出力を増幅して増幅されたレーザ出力２９０６を提供する。レーザシステム２９００は、例として、マスターオシレータ電力増幅器（ＭＯＰＡ）レーザとして具体化されてもよく、またはシードレーザおよび電力増幅器を含む他の任意のレーザシステムであってもよい。

シードレーザ２９０２のレーザ出力中の起こり得る欠陥を検出するために、システム２９００は、好ましくはシードセンサ２９２０として具体化され、シードレーザ２９０２からの出力を受け取る検出器サブシステムをさらに含むことが好ましい。センササブシステム２９２０は、レーザ出力中の特性を検知するための、より具体的には、レーザ出力中の起こり得る障害を検出するための１つ以上のセンサを含でもよい。センササブシステム２９２０は、好ましくは、電力増幅器２９０４に動作可能に連結される。センササブシステム２９２０は、好ましくは、シードレーザ２９０２からのレーザ出力の障害を検出すると、電力増幅器２９０４を非アクティブ化するように構成される。

本発明の好ましい実施形態の特定の特徴は、レーザシステム２９００が、好ましくは補助シードレーザ２９３０として具体化される補助レーザサブシステムを含むことが好ましいことである。補助シードレーザ２９３０は、好ましくは、増幅器２９０４に第２のレーザ出力２９３２を提供し、第２のレーザ出力２９３２は、好ましくは、第１のレーザ出力２９０３の電力よりも著しく低い電力を有する。単に例として、第１のレーザ出力２９０３は、８０～１００ミリワットの範囲の第１の出力を有し得るが、第２のレーザ出力２９３２は、５０～７０ミリワットの範囲の第２の出力を有し得る。

補助シードレーザ２９３０は、好ましくは、少なくともシードレーザ２９０２の停止時に第２のレーザ出力２９３２を提供して、第１のレーザ出力２９０３を増幅器２９０４に提供する。特に好ましくは、補助シードレーザ２９３０は、好ましくは、シードレーザ２９０２が第１のレーザ出力２９０３を増幅器２９０４に提供すると同時に、またシードレーザ２９０２が第１のレーザ出力２９０３の提供を停止したときと同時に、第２のレーザ出力２９３２を増幅器２９０４に提供するように継続的に動作する。

シードレーザ２９０２の適切な動作中、増幅器２９０４は、好ましくは、シードレーザ２９０２からの第１のレーザ出力２９０３と補助シードレーザ２９３０からの第２のレーザ出力２９３２との両方を受け取る。第２のレーザ出力２９３２の電力は、第１のレーザ出力２９０３の電力よりも著しく低いことに起因して、増幅されたレーザ出力２９０６への第２のレーザ出力２９０３の寄与は、好ましくは、無視できる程度である。好ましくは、必ずしも必要ではないが、第２のレーザ出力２９３２は、増幅されたレーザ出力２９０６に対する第２のレーザ出力２９３２の影響をさらに減少するために、第１のレーザ出力２９０３とは異なる波長を有する。単に例として、第１のレーザ出力２９０３が１０６０～１０７０ｎｍの範囲の第１の波長を有し得る一方で、第２のレーザ出力２９３２は、１０７０～１０８０ｎｍの範囲の第２の波長を有し得る。

シードレーザ２９０２からのレーザ出力が停止すると、センササブシステム２９２０によって検知されたシードレーザ２９０２の誤動作に起因して、センササブシステム２９２０は、好ましくは、増幅器２９０４を非アクティブ化するように動作する。増幅器２９０４および検出器サブシステム２９２０の有限の応答時間に起因して、増幅器２９０４は、瞬間的に非アクティブ化されず、シードレーザ２９０２からのレーザ出力の停止後、限られた時間期間、動作し続ける。この間、増幅器２９０４は、シードレーザ２９０２から第１のレーザ出力２９０３をもはや受け取らないことが理解される。しかしながら、補助シードレーザ２９３０は、好ましくは、第２のレーザ出力２９３２を増幅器２９０４に提供し続ける。したがって、シードレーザ２９０２がレーザ出力の提供を停止した場合でも、増幅器２９０４は、第２のレーザ出力２９３２の形態で入力信号を受け取り続けることが理解される。補助シードレーザ２９３０によって増幅器２９０４に提供される第２のレーザ出力２９３２は、増幅器２９０４がセンサ２９２０によって非アクティブ化される前に、信号の供給の停止に起因して損傷が発生する可能性が高い増幅器２９０４の損傷を防止するのに十分である。

次に図３０を参照すると、図３０は、本発明のやはりさらに好ましい実施形態に従って構築されて動作する、シードレーザ故障保護システムを含むレーザ増幅システムの簡略化された概略図である。

図３０に見られるように、好ましくは、第１のレーザ出力３００３を提供するシードレーザ３００２および増幅サブシステムを含むレーザシステム３０００が提供され、増幅サブシステムは、ここでは例として、電力増幅器３００４として具体化されており、シードレーザ３００２からの第１のレーザ出力３００３を受け取り、レーザ出力を増幅して、増幅されたレーザ出力３００６を提供する。レーザシステム３０００は、例として、マスターオシレータ電力増幅器（ＭＯＰＡ）レーザとして具体化されてもよく、またはシードレーザおよび電力増幅器を含む他の任意のレーザシステムであってもよい。

シードレーザ３００２のレーザ出力の起こり得る欠陥を検出するために、システム３０００は、好ましくは、シードレーザ３００２からの出力を受け取る検出器サブシステム３０２０をさらに含む。検出器サブシステム３０２０は、レーザ出力中の特性を検知するための、より具体的には、レーザ出力中の起こり得る障害を検出するための１つ以上のセンサを含でもよい。センササブシステム３０２０は、好ましくは、電力増幅器３００４に動作可能に連結される。センササブシステム３０２０は、好ましくは、シードレーザ３００２からのレーザ出力の障害を検出すると、電力増幅器３００４を非アクティブ化するように構成される。

本発明の好ましい実施形態の特定の特徴は、レーザシステム３０００が好ましくは一対の格子３０３０を含むことである。一対の格子３０３０は、好ましくは、増幅器３００４の入口３０３４に位置決めされた第１の反射格子３０３２と、好ましくは、増幅器３００４の出口３０３８に位置決めされた第２の反射格子３０３６と、を含むことが好ましい。増幅器３００４と組み合わされた一対の格子３０３０は、好ましくは、補助レーザサブシステム３０４０の好ましい実施形態を形成する。

シードレーザ３００２の適切な動作中、増幅器３００４は、好ましくは、シードレーザ３００２からの第１のレーザ出力３００３を受け取り、第１のレーザ出力３００３を増幅して、増幅されたレーザ出力３００６を提供する。

シードレーザ３００２からのレーザ出力が停止すると、センササブシステム３０２０によって検知されたシードレーザ３００２の誤動作に起因して、センササブシステム３０２０は、好ましくは、増幅器３００４を非アクティブ化するように動作する。増幅器３００４およびセンササブシステム３０２０の有限の応答時間に起因して、増幅器３００４は、瞬間的に非アクティブ化されず、むしろ、典型的には、シードレーザ３００２からのレーザ出力の停止後、限られた時間期間、動作し続ける。この間、増幅器３００４は、シードレーザ３００２からレーザ出力をもはや受け取らないことが理解される。この場合、反射格子３０３０は、好ましくは、増幅器３００４に信号フィードバックを提供し、その結果、増幅器３００４は、一対の格子３０３０と組み合わせて、好ましくは、レーザとして動作し始める。反射格子３０３０は、好ましくは、反射格子３０３０によって提供される信号フィードバックがシードレーザ３００２のレーザ出力３００３の電力よりも低い電力を有するように、比較的低い反射率を有する。

特に好ましくは、必ずしも必要ではないが、一対の格子３０３０は、シードレーザ３００２の第１のレーザ出力３００３の波長とは異なる波長で反射性であり、シードレーザ３００２の適切な動作中に、格子３０３０は増幅された出力３００６に無視できるほどの影響しか与えない。単に例として、第１のレーザ出力３００３は、１０６０～１０７０ｎｍの範囲の波長を有し得るが、格子３０３０は、１０９０～１１００ｎｍの範囲の波長で反射性であり得る。

したがって、シードレーザ３００２がレーザ出力の提供を停止した場合でも、増幅器３００４は、格子３０３０からの信号フィードバックの形態で入力信号を受け取り続けることが理解される。結果として、格子３０３０と組み合わせた増幅器３００４は、シードレーザ３００２の動作の停止時にレーザとして動作し始め、それによって、増幅器３００４への損傷を防止し、その損傷は、そうでなければ、増幅器への信号の提供の停止に起因して発生する可能性があるものである。

図２９および図３０に見られるように、シードレーザ２９０２、３００２からのレーザ出力は、それぞれ増幅器２９０４、３００４に直接供給されてもよい。代替的に、図３１および図３２に示されるように、シードレーザと増幅器をインターフェースする追加の要素を挿入することができる。特に、許容できないほど狭い線幅のレーザビームをフィルタリングして、そのようなレーザビームが増幅器２９０４、３００４に到達し、したがって、それらを損傷するのを防止するために、フィルタ２８００または任意の他の好適なフィルタなどの線幅フィルタが、シードレーザ２９０２、３００２と増幅器２９０４、３００４との間にそれぞれ挿入されてもよい。

本明細書で上記で詳述されたように、図２４～図３２を参照して記載された各レーザシステムは、検出器サブシステム２４２０、２９２０および３０２０などの検出器サブシステムを含むことができる。検出器サブシステムは、好ましくは、シードレーザからの出力を検知するための少なくとも１つのセンサとして具体化される。検出器サブシステム２４２０、２９２０および３０２０などの検出器サブシステムの一部を形成するセンサの特に好ましい実施形態が図３３に示されている。しかしながら、図３３に示されるセンサは、本明細書に記載されるタイプのシステムにおける使用に限定されず、その使用から利益を得る任意のレーザシステムにおけるレーザ出力センサとして組み込まれ得ることが理解される。

図３３に見られるように、検出器サブシステム３３２０が提供される。シードレーザからのレーザ出力は、好ましくは、入力点３３３０でセンササブシステム３３２０に入り、分割器３３３４に向かって進む。分割器３３３４では、レーザ出力の１％などの小さな部分が検出器３３３６に向けて方向付けられ、レーザ出力の残りの部分がセンサ増幅器３３４０に向かって進む。センサ増幅器３３４０は、好ましくは、電力増幅器２４０４、２７０４、２９０４、または３００４よりも低い電力増幅器である。センサ増幅器３３４０は、好ましくは、増幅されたレーザ出力を出力し、この増幅されたレーザ出力は、好ましくは、細長い光ファイバ３３４４を介して追加の検出器３３４２に送達される。

検出器サブシステム３３２０の動作において、シードレーザからの出力が停止する場合、追加の検出器３３４２で検出される増幅されたレーザ出力の強度は減少する。この場合、追加の検出器３３４２および電力増幅器２４０４、２７０４、２９０４、または３００４などの電力増幅器に接続された制御モジュール（図示せず）は、電力増幅器への損傷を防止するために電力増幅器を非アクティブ化することができる。

シードレーザからの出力が劣化して許容できないほど狭い線幅になる場合、非線形効果がファイバ３３４４で開始されることになる。ファイバ３３４４は、そのような非線形効果に対して可能な限り敏感になるように有利に構成されることが理解される。この目的のために、シードレーザからのレーザ出力の線幅に対するファイバ３３４４の感度を高めるために、ファイバ３３４４は、好ましくはかなりの長さであり、好ましくは小さなコア直径を有する。単に例として、ファイバ３３４４は、約２５ｍの長さおよび約６ミクロンのコア直径を有してもよい。

シードレーザからの出力の線幅を狭めると、ファイバ３３４４で開始される非線形効果に起因して、ファイバ３３４４は、ミラーとして動作し始め、光を増幅器３３４０に向けて後方に反射する。反射光が増幅器３３４０に戻る結果、増加した信号は分割器３３３４に到達し、検出器３３３６によって検出される。検出器３３３６で増加した信号が検出されると、電力増幅器は、好ましくは、電力増幅器への損傷を防止するために非アクティブ化される。

本発明は、以下に特に請求されているものによって限定されないことが当業者には理解されよう。むしろ、本発明の範囲には、図面を参照して前述の説明を読むと、当業者が思いつくであろう、本明細書で上述された特徴の様々な組み合わせおよびサブコンビネーション、ならびにそれらの修正および変形が含まれ、これらは先行技術にはないものである。

Claims (10)

1. レーザシステムであって、
   光フェーズドアレイレーザであって、
   レーザ出力ビームを提供するシードレーザと、
   前記シードレーザからの前記レーザ出力ビームを受け取り、かつ結合されたレーザ出力を提供するレーザビーム分割および結合サブシステムであって、前記結合されたレーザ出力は基板に入射する、レーザビーム分割および結合サブシステムと、を備える、光フェーズドアレイレーザを備え、
   前記レーザビーム分割および結合サブシステムが、前記結合されたレーザ出力の位相の変更をして、前記結合されたレーザ出力の遠視野強度パターンの位置及び形状を動的に制御し、それによって前記結合されたレーザ出力を前記基板に集束させ、前記結合されたレーザ出力が、前記位相の前記変更がない場合に前記基板に集束されない、レーザシステム。
2. 前記レーザビーム分割および結合サブシステムからの前記結合されたレーザ出力を受け取る光学素子も備え、前記光学素子は、前記位相の前記変更と組み合わせて、前記結合されたレーザ出力を前記基板上に集束させるように構成される、請求項１に記載のレーザシステム。
3. 前記光学素子は、前記位相の前記変更がない場合に、前記結合されたレーザ出力を、前記基板と一致しない焦点に集束させるように構成される、請求項２に記載のレーザシステム。
4. 前記基板から後方散乱されたレーザビームが、前記光フェーズドアレイレーザに集束されず、それによって前記光フェーズドアレイレーザへの損傷を防止する、請求項１～３のいずれか一項に記載のレーザシステム。
5. 前記レーザビーム分割および結合サブシステムは、前記位相の前記変更によって、前記結合されたレーザ出力の波面の形状を修正し、それによって前記結合されたレーザ出力の焦点を修正するように動作する、請求項１～４のいずれか一項に記載のレーザシステム。
6. レーザシステムにおいてレーザビームを集束させるための方法であって、
   シードレーザからのレーザ出力ビームを受け取ることと、
   前記レーザ出力ビームを分割および結合して、結合されたレーザ出力を提供し、前記結合されたレーザ出力は基板に入射する、ことと、
   前記結合されたレーザ出力の位相の変更をすることによって、前記結合されたレーザ出力の遠視野強度パターンの位置及び形状を動的に制御し、それによって、前記結合されたレーザ出力を前記基板に集束させ、前記結合されたレーザ出力が、前記位相の前記変更がない場合に前記基板に集束されないことと、を含む、方法。
7. 光学素子によって前記結合されたレーザ出力を受け取ることをさらに含み、前記光学素子は、前記位相の前記変更と組み合わせて、前記結合されたレーザ出力を前記基板上に集束させるように構成される、請求項６に記載の方法。
8. 前記光学素子は、前記位相の前記変更がない場合に、前記結合されたレーザ出力を、前記基板と一致しない焦点に集束させるように構成される、請求項７に記載の方法。
9. 前記基板から後方散乱が、前記シードレーザに集束されず、それによって前記シードレーザへの損傷を防止する、請求項６～８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記位相の前記変更は、前記結合されたレーザ出力の波面の形状を修正することを含み、それによって前記結合されたレーザ出力の焦点を修正する、請求項６～９のいずれか一項に記載の方法。