JPH02503617A

JPH02503617A - ４通路位相共役光増幅システム及び方法

Info

Publication number: JPH02503617A
Application number: JP89502870A
Authority: JP
Inventors: ステェフェンズ，ロナルド・アール; グレイグ，リチャード・アール; エン，ヒュアン・ダブユ; リンド，リチャード・シー
Original assignee: ヒューズ・エアクラフト・カンパニー
Priority date: 1988-03-21
Filing date: 1989-02-06
Publication date: 1990-10-25
Anticipated expiration: 2010-06-28
Also published as: WO1989009505A1; EP0383841B1; NO894629D0; ES2010899A6; EP0383841A1; US4943782A; NO180799C; IL89224A; JPH0760911B2; GR1001296B; NO894629L; GR890100114A; DE68912762T2; NO180799B; DE68912762D1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】４通路位相共投光増幅システム及び方法関連出願この出願は米国特許出願７３６８７７号（出願臼１９８５年５月２２日、発明者アブラムス等、名称“エネルギー計測可能なレーザ増幅器″、譲受人は本出願の譲受人でもあるヒユーズエアクラフトカンパニー）と関連している。

発明の背景発明の技術分野この発明はレーザビームのような光ビームのパワーを増幅するための装置及び方法、特に増幅するビームを増幅装置を通して４通路で処理する増幅技術に関する。

関連技術の説明光ビーム、特にコヒーレントなレーザビームのパワーを増幅するための研究及び調査は数多く行われてきた。増幅ビームは、自由空間通信、高調波生成あるいはラーマン変換による可視光の生成、レーザターゲット指定及び距離計測などに利用される。

シュテフエン、リント及びギリアノの文献“ＢａＴｉＯ３及びＡＧａＡｓの半導体ダイオードレーザを用いた位相共役マスター発振器パワー増幅器”　（アプライドフィジックスレター、５０　（１１）　、１９８７年３月１６日、第６４７ −４９頁）には最近のレーザ増幅法が記載されている。このシステムはビームを増幅に使用されるダイオードレーザ構造を通して２回伝達して増幅するため、２通路増幅と言うこともできる。増幅するレーザビームはダイオードレーザ増幅器を通して一方向に伝達され、パワー増幅器の反対側にある位相共役ミラー（ＰＣＭ）にあたる。位相洪役ビームはＰＣＭにより逆反射してパワー増幅器に戻り、そこで２回目の増幅を受ける。元のビームは線形偏光され、偏光ビーム分割器のような光学要素と半波長板はビームバス上に設けられて、２回増幅ビームがシステムから出力として偏向して取出される。

このシステムでは顕著な増幅が行われるが、ビームをパワー増幅器を通して２回以上処理できるならばさらに大きな増幅の可能性がある。これはシュテフエン等のシステムの能力を越えているが、４通路増幅を達成している数多くの他のシステムが文献に開示されている。

第１図には４通路システムの１つが示されており、ナタロフ及びシュコロフスキーによる“刺激ブリユアン分散ミラーによる４通路レーザ増幅器の特定構成″　（ソビエト雑誌カンタム・エレクトロニクス　１４　（６）　、１９８４年６月、８７１−７２頁）に記載されているものである。マスター発振器（ＭＯ）２からのコリメートされた線形偏光レーザビームは偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）４と４分の１波長板６を通過してビームに円偏光が与えられ、またバルク刺激ブリローイン分散（Ｓ　Ｂ　Ｓ）位相共役ミラー８及びＮｄ：ＹＡＧレーザの形態のパワー増幅器１０を通過する。第１のビーム通路ではパワーレベル及びビーム直径は、ＰＣＭ８内部の強度が５ＢＳＬきい値より低いようなものであり、位相共役は生じない。第１の通路の後ビームは凹型ミラー１２から反射して増幅器１０を通りＰＣＭ８内部の焦点に戻った。焦点を結んだビームの強度は５ＢＳＬきい値より上であり、位相共役逆ビームはＰＣＭから反射して増幅器を通り第３の通路へと進む。

逆ビームは元の焦点ビームの位相共役であったため、コリメートビームとして第４の通路の後パワー増幅器を出て第１及び第２の増幅通路の正確なバスを逆に戻った。このＰＣＭを通る最後の通路において、ビーム直径は再びＳＢＳが起こらない程度に十分な大きさとなり、ビームは反射されずにＰＳＢによりシステムから結合して取出される。ＭＯ入カパワー及びＰＣＭ内部のビームの大きさは、第２の通路の後に焦点を結んだビームにおいてＳＢＳのみが起こるように、またパワー増幅の大部分が第３及び第４の通路で抽出されるように注意深く選択された。この後者の特徴は、共役処理における損失が比較的低いパワーレベルで起こり、パワー増幅器からのパワー抽出が最大限となるように使用されたものである。

第１図に示されたシステムには２つの原則的な欠点がある。

第１に前記のシニテフエン等の２通路システムで用いられたＢ　ａ　Ｔ　ｉ　０３のような自己ポンプ式のＰＣＭを用いることが望ましい。しかしナタロフとシュコロフスキーの方法ではビームば種々の通路によって異なる共役しきい値でＰＣＭを４回通過しＰＣＭに入ることが必要である。共役器としてＢａＴｉＯ３を用いたこの方法の実現は、ＢａＴｉＯ３にスレスホールドがあるとしてもそれが十分に限定されていないため、困難である。光ファイバＰＣＭを用いることもまた望ましいが、光ファイバにおいてＳＢＳを用いることは、光パワーがすべての通路においてファイバ内に含まれ、幾何学的な手段によって強度の調整が予め排除されてしまうため、困難である。ＳＢＳはファイバの第４の通路上で非常に高い効率で起こるため、システムからパワーを結合して取出すことが阻止される。

第１図に示されたシステムの第２の欠点は、ダイオードレーザパワー増幅器と両立できないことである。増幅装置としてダイオードレーザを用いることは、高い効率が得られるために大変望ましいことである。しかし第１図に示されたシステムではパワー増幅器内に円偏光が用いられており、これはダイオード導波体利得及び位相シフト特性と両立できないものである。レーザダイオードのＴＥモード及びＴＭモード（それぞれ接合面に平行および垂直に偏光している）の間の利得及び位相シフト差のために、ナタロフ及びシュコロフスキーのパワー増幅器に結合された円偏光ビームを用いると、いくつかの通路を経た後に偏光状態に大きな変化が生じてしまう。一般的に、振幅が等しくないＥフィールドベクトルから成る楕円偏光ビームが生成され、これを操作してシステムから結合して取出すことは困難である。

第２図には４通路ＰＣＭかあるいはパワー増幅器内の円偏光を用いない４通路構成が示されている。アンドループ等による“活性要素開口部を完全に用いたマルチパス増幅器。

（ソビエトジャーナル・オブ・カンタムエレクトロニクス、１３　（５）　、１９８３年５月、６４１−４３頁）にはソビエト連邦のパワー増幅器としてＮｄ：ＹＡＧ（ネオジミウムドーピングされたイツトリウムアルミニウムガーネット）固体レーザが開示されていた。レーザＭＯ１４は水平偏光ビームを生成し、このビームは第１の偏光ビーム分割器１６を通り、水平面からの偏光４５度で回転するファラデイ回転子１８を通る。

次に半波長板２０が偏光を回転させてこの面に戻し、その後にビームは第２の偏光ビーム分割器２２及びパワー増幅器２４を通過する。４分の１波長板２Ｂ及び反射ミラー２８はパワー増幅器の後ろに設けられてビームの偏光を垂直に回転させ、それを反射させてパワー増幅器を通してＮ２の通路に戻す。Ｎ２の増幅通路の後、第２のＰＢＳ２２によりビームはＰＣＭ３０に向けられた。ここでビームは共役され、反射されて垂直偏光でパワー増幅器２４を通って第３の通路を通り、また水平偏光で第４の増幅通路を通る。第４の通路からこのように水平偏光で、ビームは第２のＰ　Ｂ　Ｓ　２２を通って第１の半波長板２０及びファラデイ回転子１８へ伝達され、再び回転されて垂直偏光を受けた。この偏光によりビームは第１のＰＢＳｌＢにより増幅出力ビームとしてシステムから偏向される。

アンドループ等によるシステムの変形はカー及びハンチによる文献、“刺激ブリユアン分散による位相共役のＮｄ：ＹＡＧ発振器／増幅器の性能′　（アプライド・フィジックスＢ３６，１９８５、ｐｐ、８３−９２）に記載されている。

このシステムではビームを反射しその偏光を回転させるためにＰＣＭからパワー増幅器の反対側にループが構成されている。第３図を見ると、第３の偏光ビーム分割器３２、半波長板３４及び一対の反射器３６及び３８が、アンドループの４分の１波長板２６及びミラー２８の代わりに用いられた。

アンドループ等及びカーとハンチに′よるシステムでは、パワー増幅器では線形偏光を用いまたＰＣＭがビームと出会うのはただ１回なので、ダイオードレーザパワー増幅器を用いることもできる。しかし開示されている固体状態レーザではなくダイオードレーザを用いることで、重大なパワー損失が生じてしまう。これはパワー増幅器を通ってビームがパワー増幅チャネルに戻されなければならない第２の通路の開始点で起こる。パワー増幅器に強力な収差がある場合は、５−７ｄＢ、或いはそれ以上の可成の挿入損失が予想される。

このためパワー抽出が減少し電気効率が低下してしまう。従ってダイオードレーザをパワー増幅要素として用いることができる４通路ビーム増幅システムがなお必要とされている。

レーザ増幅による別の限定は、個々のパワー増幅器に望ましい出力ビームパワーよりも小さいかもしれないパワー限定があることである。より大きな出力パワーを達成するために別の方法では、ＡｌＧａＡｓあるいはＩ　ｎＧａＡｓＰウェＡｓ上部表面上の形成されるレーザのモノリシックアレイから集合出力を形成する可能性について研究が行われてきた。分配ブラッグ反射体を用いるために（エバンス等、“ダイナミック波長安定及び０．　５度の遠電界角度による格子表面発光レーザ２、アプライド・フィジックス・レター、Ｖｏｌ。

４９、ｐｐ、３１４−１５．１９８６年）、発光された光が発光面に近い表面にエツチングされた傾斜ミラーによって、あるいは表面に対して直角の薄いレーザを通って導かれるレーザ光空洞を有することによって、ウェハ表面に垂直に方向付けられるシステムが考慮された（リアウ及びワルポール、′スレスホールド電流が低く効率の高い表面発光ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰレーザ２、アプライド・フィジックス・レター４６　（２）　、１９８５年１月１５日、１１５−１７頁）。

上記の装置はヒートシンクからは遠い基板上部表面に形成されているため、熱放散は低（、継続波（ＣＷ）動作は実行可能とは思われない。このようなアレイにおけるレーザは、外部レーザに対するインジェクションロッキングにより、あるいはウェハ上の導波体配置を通りレーザを結合させることによって、同じ波長で動作させるようにすることができる。

しかしレーザ出力を位相ロックさせる具体的な方法は開発されておらず、この型のアレイで出力位相ロッキングが実行できるかどうかは明確でない。出力位相ロッキングがもし可能であるとしても、エミッタ間の不活性領域が大きいために非常に薄いアレイが生じ、出力ビームがその側面ローブにおいて非常に大きな部分的なパワーを有するようになる。

発明の概要当該分野の上記のような限界に鑑みて、本発明では光ビーム増幅システムが提供され、パワー増幅器を通って４つの通路で光ビームを案内する方法では増幅器としてダイオードレ−ザを用いることと両立性があり、効率が高く、光学収差が低レベルとなる。

本発明のさらに別の目的は、ビームを複数のサブビームに分割し、各サブビームを別々に増幅し、増幅されたサブビームをサブビームが同位相及び共通平面で整列している強度の大きな出力ビームに再結合することにより付加的なビーム増幅のための機構を提供することである。本発明ではまた非常に改善された熱放散機構を提供し、高い増幅レベルの増幅アレイを実現することを目的としている。

本発明によれば、光ビーム、望ましくは線形偏光レーザビームが光学システムによって光源から第１及び第２の増幅通路を通して二方向パワー増幅器によって方向付けられる。第１の２つの増幅通路の後、ビームはＰＣＭに方向転換され、そこで位相共役を受けた後、パワー増幅器を通って第３及び第４の通路に戻される。光学システムはビームの偏光が第１及び第２の増幅通路では実質的に同一に、また第３及び第４の増幅通路でも実質的に同一に維持される。このようにしてパワー増幅器のためにレーザダイオードを効果的に用いることができる。

望ましいダイオードレーザ増幅器は、いずれの反射においても偏光を変えることなく、その第１の通路から第２の通路へのビームを反射し、第３の通路から第４の通路へのビームを反射する側に反射コーティングが施されている。ダイオードレーザ構造の反対側にはレーザ作用を回避するために反射防止コーティングが設けられている。光学システムはビームの偏光を第１及び第２のビーム通路に対してダイオードレーザの７Ｍモードに実質的に平行に、また第３及び第４の通路に対してダイオードレーザのＴＥモードに実質的に平行にな時にこのレベルを比較的低くし、それによって共役損失で消散するパワーを制御することができる。光学システムは偏光感受性であり、光源から最終出力バスへの移行中にビームの偏光面を回転する。このためにビームを、実質的にビームの最終出力バスと共通の平面のバスでＰＣＭに方向を転換することができ、それによってシステムを簡略化することができる。

元のビームを複数のサブビームに分割することにより非常に拡大された大きなパワー増幅が達成され、各ビームは二方向増幅器の全体的なアレイの範囲内でそれぞれの光学増幅器を通して第１及び第２の増幅通路に向けられる。サブビームは位相共役を受けて第３及び第４の増幅通路のそれぞれのパワー増幅器に戻される。最後に増幅されたサブビームは集合出力ビームに再結合される。位相格子は元のビームをサブビームに分割し、増幅されたサブビームを出力ビームに再結合するために用いることが望ましい。光学バスの中央点においてＰＣＭを用いることにより、共役の前後にサブビームが光学対称バスに続く全体的な可逆的システム動作が行われ、それによって効果的な再結合が行われて単一出力ビームが実現する。

サブビームを増幅するために用いられるダイオードレーザ構造は共通のヒートシンク上の二次元アレイで配置され、効率的な動作が長期間提供される。ヒートシンクは熱導伝性材料体から成り、このヒートシンク体からほぼ平行に配置された複数の棚が突出し、ダイオードレーザ構造が棚フに沿って分配されこれと熱導伝性接触をしている。チャンネルは個々のダイオードレーザ構造から熱の放散を促進する冷却液体のためにヒートシンク体内に設けられることが望ましい。実質的にすべてのサブビームがそれぞれのダイオードレーザ増幅器を通して方向付けられ、サブビームが増幅器の外部に失われることはほとんどないか、あるいは全くないため、出力ビームの近フィールドで大きな強度変化はない。従って遠フィールドバッターンは、出力パワーの大部分を含む単一優勢ローブの望ましい特性が保持される。

本発明の色々な特性及び利点は、添付図面を参照して望ましい実施例の以下の詳細な記載から当該分野の当業者には、明かであろう。

図面の説明第１図乃至第３図は上記の関連４通路位相共投光増幅システムのブロック図である。

第４図は単一ビームのための本発明の光増幅システムの望ましい実施例のブロック図であり、システム内の色々な位置におけるビーム偏光は図面の上部に沿って示されている。

第５図は本発明の増幅要素として用いることができる典型的なダイオードレーザ構造を示す斜視図である。

第６図は第５図に示されるダイオードレーザの内部構成を示す一部切断斜視図である。

第７図は元のビームがサブビームに分割され、これらサブビームが個々に増幅されて集合出力ビームに再結合される本発明の別の実施例を示すブロック図である。

第８図は増幅のためにビームをサブビームのアレイに分割し、サブビームを増幅された単一ビーム出力に再結合させるのに用いられる光学要素の斜視図である。

第９図はパワー増幅器のラインを保持するのに用いられるヒートシンク体の一部を示す部分的切断斜視図である。

第１０図は冷却チャネルを含むヒートシンク体の大きい方の部分を示す部分的切断斜視図である。

第１１図はヒートシンク用の別の構成を示す切断断面図である。

第１２図は第２の増幅通路の後に多数のサブビームに対する第１１図に示された光学装置の作用を示す説明図である。

望ましい実施例の詳細な説明第４図には単一ビームを増幅する本発明の望ましい実施例が示されている。マスク発振器ＭＯ４０は増幅する光ビームを生成する。“光°という言葉は広い意味で用いられ、電磁波スペクトルの可視部分に限定されるわけではない。Ｍ０４０は単一長軸モードの回折限定出力ビームの単−周波数長ダイオードレーザであることが望ましい、。１５ｍＷ連続波出力で動作する日立（株）のＨＬＰ１４００ＡＩＧａＡｓダイオードレーザは適切な光ビーム源である。あるいは前段のビーム増幅段の出力によってＭＯ機能が与えられる。ＭＯからは第４図の上部の“バス１′ラインの水平偏光ベクトル矢印４２　　によって示されるように水平偏光レーザビームが発光される。

この図では偏光ベクトルが、観察者の目の位置がこの頁の面上にあり光パワー増幅器６２にビームの方向に見るようにＭＯ４０の位置に位置している観察者から見て計測されるものとして示されている。従って偏光ベクトル４２はこの頁と同じ面にあり、ビームの伝播する方向とは垂直になりでいる。

このビームは第１の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）４４を通って伝播される。これは通常の装置であり、ビームの偏光に応じてビームが妨害を受けないように変更されるか伝播されるかする。ＣＶＩレーザ社では部品番号ＰＢＳ５−８２で適切な偏光ビーム分割器が製造されている。ＰＢＳ４４はＭＯ４０から偏向されずにビームを伝達できるように方向付けられている。ＰＢＳ４４から放射されるビームの偏光は偏光ベクトル４６が示すようになお水平である。次にビームはベクトル５０が示す角度に４５度の偏光で回転する４５度ファラデイ回転子４８を通って導かれ、ベクトル５４が示す水平に偏光回転する半波長板５２を通過する。半波長板５２は水平面から２２．５度の位置に軸がある。ファラデイ回転子４８と半波長板５２の純粋な効果は左から右に伝達されるビームをもとの水平偏光に残し、右から左に伝達する水平偏光ビームの純粋の効果はその偏光を９０度垂直に回転させることである。これはファラデイ回転子４８が非可逆装置であって、ビームの方向に関係なくビームの偏光を同じ角方向に回転させ、一方半波長板５２は両方向性装置であってビームの方向が逆になる時に角偏光の回転方向を逆にするからである。このような特徴はＰＢＳ４４をエネーブルにするのに使用され、妨害を受けない入力ビームを伝達するが、反対方向の出力ビームは偏向してシステムから排除する。また半波長板を用いることにより、残りのシステム要素を３次元に分配せずに基本的に単一面に保持し、システムを簡略化できる。

半波長板５２はビームを第２の偏光ビーム分割器５６に送り、さらにビームは第２の４５度ファラデイ回転子５８及び第２の半波長板６０を通って光パワー増幅器６２に伝達されるように導かれる。Ｐ　Ｂ　Ｓ　５６は偏光ベクトル６４が示すようにビームの偏光には影響を与えない。ファラデイ回転子５８はベクトル６Ｂによって示されるようにビーム偏光を４５度回転させ、一方半波長板６０の軸は垂直より２２．５度傾斜し、ビーム偏光を垂直ベクトル６８に回転させる。

パワー増幅器６２は上記の種々の装置で構成することができるが、通常の型のダイオードレーザから構成されていることが望ましい。レーザの反対側の端部にある一般的なミラーではなく、高反射率コーティング７０が残りの光学システムから遠端部であるパワー増幅器の端部に形成され、前面には反射防止コーティング７２が施されている。この構成によりレーザ動作が阻止され、増幅器としての装置の機能が保証される。

増幅器は通常数ボルトＤＣ及び約１アンペアの電流で動作する。

垂直偏光ビームは増幅器６２を通る第１の通路を形成し、バックコーティング７０で反射し、速やかに反対方向に増幅器を通る第２の通路を形成し、各通路で増幅を受けることができる。増幅器６２は大きな光空洞構成であ”ることが望ましく、活性領域の両側に２つの特別な層がある通常の構造のダイオードであり、光が増幅器により良い結合を行うことを可能にしている。

第２の増幅通路の後に増幅器から出るビームはベクトル７４によフて示されるように垂直に偏光する。半波長板６０と再び出会い、偏光はベクトル７θで示すように４５度回転する一方、ファラデイ回転子５８はベクトル７８が示すように偏光を回転させて垂直に戻す。この偏光によりＰＢＳ５Ｂはビームをもとのバスから外れさせて焦点レンズ８０を通って位相共役ミラー（ＰＣＭ）８２に向ける。

ＰＣＭ８２は自己ポンプ式装置であることが望ましく、２波あるいは４波ＰＣＭのような別の型の装置を用いることもできるが、システムがかなり複雑になってしまう。光ファイバは、Ｍ、クロニン・ゴロンブ、Ｋ、Ｙ。

ロー及びＡ、ヤリフが開示している（アプライド・フィジックス・レター　４７．１９８５．５６７頁）のと同様の自己ポンプ式リング構成のＢａＴｉＯ３の立方体か、あるいはＪ。

ファインベルクが開示している（オブチクス・レター　７．１９８２．４８６頁）のと同様の内部自己ポンプ式に構成されているＢａＴｉＯ３の立方体のいずれかを、ＰＣＭに用いることができる。

ＰＣＭ８２はビームを結像段して反射させてシステムに戻し、ビームはＰ　Ｂ　３５Ｂで偏向されてファラデイ回転子５８、半波長板６０及びパワー増幅器６２を通って第３の通路で進行する。

ＰＣＭ８２によって反射された垂直偏光ビームは、偏光ベクトル８４．　８６　、８８によって示されるように増幅器６２に入る前に水平偏光に段階的に回転する。次に水平偏光ビームはパワー増幅器を通って第３及び第４の通路を形成する。その偏光は、偏光ベクトル９０，９２．９４によって示されるように第４の増幅通路の後に半波長板６０及びファラデイ回転子５８によって逆方向に進行するとき水平に維持される。この水平偏光によってＰ　Ｂ　３５Ｂを通ってビームを偏向されないで通過させることができる。偏光は第１の半波長板５２及びファラデイ回転子４８によって、偏光ベクトル９６９８１００が示すように垂直に回転する。第１のＰＢＳ４４はビームの垂直偏光に応答して、出力ビーム１０２としてビームをシステムから外部へ偏向する。

第４図ではパワー増幅器６２のダイオード接合面はこの頁の面と同じ平面である。従って第１通路及び第２通路ではビーム偏光が垂直であり、低い方の利得７Ｍモードを生成し、一方で通路３及び４では水平偏光ビームがダイオード接合面に平行であり、それ故より高い利得のＴＥモードが生成される。

ビームパワーのより大きな部分は７ＭモードよりもＴＥモー数は通路３及び４でより高くなっている。この効果は通路１の開始点にあるビーム強度よりも通路３の開始点にあるビーム強度の方が高くなっていることと組み合わせて大部分の増幅パワーを共役の後に第３及び第４の増幅通路上で抽出することができる。ビームパワーがなお比較的低い場合、第２の通路の後に結像を行うことにより、共役損失でのパワーの消散が最小化され、それによってシステムからの全体的なパワー抽出が最大となることが見出されている。

第５図にはパワー増幅器に用いられる通常のダイオードレーザ構造の外部的な特徴が示されている。光チャネルはｐ型及びｎ型ドープＧ　ａ　Ａ　ｓ　１０４及び１０６のような半導体材料の反対のドープブロックの間の接合１０２の周囲に形成される。

全体的なレーザ体は熱を消散する基板１０７上に形成される。

リードワイヤ１０ｇを通して構造の上部にある金属接触層１１０に接続している装置にはＤＣ電圧が供給され、この構造の下側は基板１０７によフて接地される。

第６図にはダイオードレーザパワー増幅器の典型的な内部構成が示されており、ストライブ状の構成となっている。活性層１１２はビームを限定するバンドキャップのより高い材料から成る２つの層１１４の間に挟まれている。亜鉛表層拡散層１１Ｂは二重へテロ構造層１１４の間にある活性領域の上にストライブ状に延在し、絶縁酸化層１１８は亜鉛拡散層の各端部から横方向に延在する。亜鉛拡散層上にはストライブコンタクト１２０が形成されて外部の電気接続とアクセスしている。

これまで記載した光増幅システムでは関連システムよりも効率的な単一ビームの増幅が与えられる。しかしこの増幅は゛第７図に示された多重ビームシステムによって非常に増大させることができる。このシステムの要素の多くは第４図に示された単一ビームシステムと同じであり、参照番号も同じである。基本的な相違は、もとのビームを全体として増幅する代わりに、ビームを多数のサブビームに分割する点にある。

このサブビームは各々別々に増幅され、サブビームパスの長さ及び光学処理が異なるにも拘らず、同相、同一線に、また相互に整列する特徴的な方法で、集合出力ビームに再結合される。

この多重ビームの方法により、接合の厚みが１ミクロン程度と非常に小さく、また接合面もせいぜい百ミクロン単位の大きさの現在の単一ダイオードレーザに固有のパワー限度の問題が解決される。このような装置の大きさは熱放散問題があるため大きく増加させることが困難である。

第７図に示された多重ビームシステムは、ＭＯ４０から第２のＰＢＳ５６まで第４図に示された単一ビームシステムと実質的に同一である。ＭＯ４０からの低パワー、単一周波数の回折限定ビームはＰ　Ｂ　Ｓ　５６を通して１対の交差２進位相格子１２２に伝達され、ここでＮＸＭのマトリックスのサブビーム１２４にビームが分割される。サブビームはレンズ１２６によって相互に平行に導かれ、第２のファラデイ回転子５８及び第２の半波長板６０を通して処理される（図面を簡単にするためにファラデイ回転子５８より先の第７図の下部部分を第７図の上部と同じ面に示しであるが、実際にはこの部分はファラデイ回転子５８　　によって与えられる回転量で回転される）。次に別のレンズ１２８によりサブビームが相互に発散され、全体的なサブビームアレイの大きさが拡大する。アレイが適切な大きさになると、レンズ１３０によりサブビームは再び相互に平行にされる。そして個々のサブビーム１２４がそれぞれのレンズ１３２によって共通のヒートシンク背面板１３８の各々の棚１３６に設けられたダイオードレーザパワー増幅器１３４のアレイに焦点が結ばれる。各サブビームに対しては別々のパワー増幅器１３４が設けられ、第４図に示された単一ビームシステムのパワー増幅器６２と基本的には同じである。パワー増幅器アレイの個々の棚を示すために、第７図の下部は上部に関して９０度回転させている。

サブビームの各々はそれぞれのパワー増幅器を通って二重増幅通路を形成し、次に光学システムを通ってＰ　Ｂ　Ｓ　５６　　に戻り、ここでＰＣＭ８２に偏向される。サブビームは共役の後に光学システムを通ってパワー増幅器の第３及び第４の増幅通路のそれぞれに戻される。次にビームは光学システムを通って最終的に伝播し、位相格子１２２によって単一出力ビームに結合される。このビームは第１のＰＢＳ４４によってシステムから偏向され、システム内の色々な光学要素は第４図に示されたシステムの単一ビームと同じ方法で個々のサブビームの偏光が回転させる。

以上説明したシステムでは、各パワー増幅器１３４が増幅器間の空間でビームパワーがほとんど、或いは全く損失しないで分割サブビームによって探索される。

増幅器自体が均一であると仮定すると、出力ビームの近フィールドでは大きな強度変化はない。従って遠フィールドパターンは出力パワーの大部分を含む単一優性ローブから成る。それによって、薄いアレイの増幅器が用いられるにも関わらず、遠フィールドには通常の薄いアレイの多重ローブ出力の特徴はない。このようにして２次元アレイのダイオードレーザ増幅器を用いる主な問題点は解決される。

第１および第２と第３および第４の増幅通路の間の光学中間点で位相共役が起こるために、サブビームの光学処理は基本的にＰＣＭの前後で対称的となることが発見された。従って種々のサブビームの個々の光学パスの長さの相違は補償され、サブビームは出力ビームに再結合する時に実質的に相互に同相となる。、種々のパワー増幅器の範囲内で位相共役段階が個々の位相収差に対して補正される。

それは、これらの収差が共役の前後の両方でサブビームに与えられるためであり、従って実質的に相互の収差はキャンセルされる。

光学システムにおいては位相回折格子を用いるのが非常に望ましい。通常の光学部材が用いられることができるが、システムの性能は非常に低下する。例えばビーム分割器を位相格子の代わりに用いて入力ビームを色々なサブビームに分割することができる。しかしながら大きなアレイではシステムが非常に複雑になり、多数のビーム分割器が必要であるために大きな損失である。このためパワー抽出が小さくなり、電気／光学効率が低下する。簡単な２レンズビーム拡大器もまた位相格子の代わりに用いられて単一の大きなビームにより増幅器アレイをフラッド照射する。しかしこのようなシステムでは光がなお増幅器に焦点が集められる一方で、増幅器間のデッド領域で実質的な部分が失われる。さらに２レンズビーム拡大器によって、出力ビームは近フィールドにおいて１００％強度変化（増幅器間のデッド領域によって起こる）が起こる。このため多数のサイドローブの薄いアレイの遠フィールドパターンが形成され、それによって主ローブでのパワーが低下する。

第８図は交差位相格子１２２及びレンズ１２６の拡大図である。

位相回折格子は背中合わせの水平回折格子１４０及び垂直回折格子１４２から成る。これらによって入力ビームが発散アレイのサブビーム１２４に分割され、このサブビームがはレンズ１２６によって相互に水平に方向を変えられる。たった３×２のアレイのサブビームが図示されているが、実際には数百、数千のサブビームが用いられる。交差位相回折格子の構成は既知であり１、Ｊ、レーガー等の文献（“バイナリ位相回折格子によるＧａＡｌＡｓレーザへのコヒーレントビーム添加′、アプライド・フィジックス・レター、Ｖｏｌ、４８．８８８−９０頁（１９８６））に記載されている。

第７図に示された光学システムには色々な変形が可能である。例えばレンズ１１０及び１３２は単一ホログラフィ−素子で代替することができ、或いはレンズ１３０を各サブビームにそれぞれ一つのプリズムのセットで代替することができる。同じ光学処理機能を達成するための別の多数の構成も考えられる。

第９図はパワー増幅器１３４の行を支持する＠１３Ｂの１つの拡大図である。各欄及び背面板１３８は熱導伝性材料で形成され、この材料は金属でも良い。望ましい実施例ではＡｌＧａＡｓバー１４４の下面にはパワー増幅器１３４が形成され、連続波動作のために接合面が下になるように棚１３６の上面に固着されている。各増幅器におけるバー１４４の反対側の面上にはワイヤポンディングパッド１４６が設けられている。

光パワーは前面男開面を通って各増幅器に結合され、この面にはレーザ動作を阻止するために反射防止コーティングが施されており、一方でヒートシンク体に面している後部男開面には高反射コーティングが施されている。

第１０図に示されているように、ヒートシンク体１３８の後方に離間して壁１４８が設けられ、その間に冷却剤通路が形成されており、冷却液体１５０がこの通路を通って個々のパワー増幅器からの熱放散率を増加させている。

第１１図には別のヒートシンク体が示されている。この構成では一連の水平チャンネル１５２が棚１３４に一致してヒートシンク体の背部から切込まれ、冷却液体をパワー増幅器により近接させる。

本発明の特徴的な面の１つは、サブビーム１２４が４つの増幅通路の後に単一出力ビームに再結合される方法である。第２の増幅通路から戻るサブビームに作用する位相回折格子１２２の動作は第１２図に示されている。この図では戻って来る３つのサブビームＡ、Ｂ、Ｃが示されている。位相回折格子１２２を通って処理されると、各サブビームはさらにそれぞれのセットのサブビームＡ’　、Ｂ’ 　、Ｃ’　に分割される。種々のサブビームからのサブビームは第１２図に別々に簡略化して示されているが、実際にはビームはある程度オーバーラツプする傾向にある。サブ−サブビームは、第３及び第４の増幅通路に続いて位相回折格子によりさらに２回伝送される際に、さらに分割されることが予想される。しかしビームは共役されるため、サブ−サブビームは第２の増幅通路の後のサブビームに続いて、同じ３つのバスＡ％Ｂ、Ｃに沿って第３の通路の初めおいてに位相回折構成１２２から出力することが見出された。そしてサブビームが第３及び第４回目に増幅されて位相回折格子１２２に再び戻った後、基本的に単一のコヒーレントな出力ビームに再結合されることが観察される。

本発明で用いられる冷却背面板ヒートシンクによって増幅素子からの熱の除去が良好に行われるため、効率的な長期間の動作が保証される。この型のヒートシンクはここに記載されている４通路光学構成に特有である。シュテファン氏等によって上記のアプライド・フィジックス・レターに記載された２通路ダイオードレーザ増幅システムにこの型のヒートシンクを用い、光が増幅器の両方の面中へまたはそれから外へ結合されると、ヒートシンク／ダイオードアレイを構成するのはかなり困難である。この空間は２通路システムにおいてＰＣＭによって占有されているため、冷却共通背面板は用いることができない。従って各増幅器には増幅器自体の冷却チャネルが備えられていなければならない。さらに各増幅器は襞間して増幅器の前端部及び後端部の両方が棚の端部に正確に整合するようにしなければならない。増幅器が短すぎると、正確に結合されず、一方増幅器が長すぎる場合は過熱の問題が生じる。上記の４通路システムでは、増幅器の前端部のみが棚の前端部と適合しなければならず、実行はより容易でなければならない。４通路方法ではまた、増幅器を２通路システムで必要とされる長さの半分にすることができ、その一方ではパワー抽出では同じ利得が得られ、さらに熱除去が促進従ってここでは光ビームのパワーを非常に増大させる新規あシステム及び方法が記載されている。当該分野の当業者には多数の変形例が可能であるため、本発明は添付請求の範囲によってのみ限定される。

国際調査報告一一齢・ＭＩ　ＡｓＮｃｓ＋１１１１１＋６．　　　　ＰＣＴ／’ｊＳ　　ε９１００４２４国際調査報告ＵＳ　８９００４２４ＳＡ　　　　２７１７４

Claims

【特許請求の範囲】

（１）偏光光ビーム源と、光ビーム源から放射した光ビームのための二方向パワー増幅器と、位相共役ミラー（ＰＣＭ）と、パワー増幅器を通る第１及び第２の通路を通って位相共役のために位相共役ミラーに導き、さらにパワー増幅器を通る第３及び第４の通路を通ってビーム源からの偏光光ビームを順次に導き、前記第１及び第２の増幅通路中で実質的に同一にビームの偏光を維持し、また前記第３及び第４の増幅通路中で実質的に同一にビームの偏光を維持する光学手段とを具備する４通路位相共役光増幅システム。
（２）前記パワー増幅器はダイオードレーザ構造を具備している請求の範囲第１項記載のシステム。
（３）前記光学手段はビームを第１から第２の増幅通路に、および第３から第４の増幅通路に反射させるためにダイオードレーザ構造の片側上に反射コーティングが施され、ダイオードレーザ構造の反対側にはレーザ作用を阻止するために反射防止コーティングが施されている請求の範囲第２項記載のシステム。
（４）前記光学手段がビームの偏光を、前記第１及び第２のビーム通路に対してはダイオードレーザのＴＭモードに実質的に平行に、および前記第３及び第４のビーム通路に対してはクイオードレーザのＴＥモードに実質的に平行に方向付ける請求の範囲第３項記載のシステム。
（５）前記ビーム源がマスター発振器を具備する請求の範囲第１項記載のシステム。
（６）前記ビームが前記ビーム源から前記パワー増幅器への通路で導かれ、前記光学手段がパワー増幅器を通って前記通路の部分に沿って第１及び第３の通路を通った後にビームを反射させて戻し、第２のパワー増幅通路の通過後に前記通路からＰＣＭにビームを方向転換させ、前記第３及び第４のパワー増幅通路のためにＰＣＭにより処理した後に前記通路上にビームを再度方向付けて戻し、前記通路からのビームを第４の通路の後に出力通路に沿って方向転換させる請求の範囲第１項記載のシステム。
（７）光ビーム源が実質的に線形偏光ビームを生成し、前記光学手段が偏光感受性であり、ビーム源から前記出力通路への伝送の間に前記偏光感受性と協働してビーム偏光を回転させ、前記４つの通路を通ってビームを導く請求の範囲第６項記載のシステム。
（８）前記光学手段が前記ＰＣＭ及び実質的に共通の面にある前記出力通路にビームを方向転換させる請求の範囲第７項記載のシステム。
（９）前記光学手段は、パワー増幅器を通る第１の通路の前に前記光源からのビームを複数のサブビームに分割し、パワー増幅器を通る第４の通路の後に前記サブビームを単一出力ビームを再結合させるための手段を備え、前記パワー増幅器は各々のサブビームを増幅するように位置づけられたダイオードレーザ構造のアレイを具備している請求の範囲第１項記載のシステム。
（１０）４通路位相共役光パワー増幅システムにおいて、実質的に線形偏光ビームを放射するレーザ源と、光源ビーム通路内に位置し、光源ビームを伝送するが、出力通路に沿って光源ビームに垂直な偏光を有するビームを偏向する第１の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）と、第１のＰＢＳより下流の光源ビーム通路に位置し、光源ビームを伝送するが第２のＰＢＳの位置において光源ビームに垂直な偏光のビームを偏向する第２のＰＢＳと、第１及び第２のＰＢＳの間に位置し、第１のＰＢＳから受けた光源ビームを第２のＰＢＳによる伝送に適した偏光で第２のＰＢＳに伝送し、第２のＰＢＳから受けた反対方向のビームを第１のＰＢＳにより偏向するのに適した偏光で第１のＰＢＳに伝送する第１の偏光回転手段と、第２のＰＢＳの偏向通路に位置する位相共役ミラー（ＰＣＭ）と、第２のＰＢＳより下流の光源ビーム通路に位置するレーザ光増幅器と、レーザ光増幅器を通る第１の増幅通路中を伝送されたビームを第２の増幅通路でレーザ光増幅器を通って反射させて戻す手段と、第２のＰＢＳとレーザ光増幅器の間の光源ビーム通路に位置し、レーザ光増幅器に伝送されたビームとレーザ光増幅器から戻されて受信されたビームの間で実質的に９０度の偏光回転を行い、それによって第２のＰＢＳを通して伝送されるレーザビームが第２の増幅通路の後に第２のＰＢＳによってＰＣＭに偏向され、ＰＣＭにより処理の後に第２のＰＢＳによって再び第３及び第４の増幅通路のためにレーザ光増幅器に戻され、また前記第４の増幅通路の後に第１の偏光回転手段を通って第２のＰＢＳにより第１のＰＢＳに伝送されるように構成されている第２の偏光回転手段とを具備し、前記第１の偏光回転手段は前記第２のＰＢＳから受けたビームを第４の増幅通路の後に前記出力通路に沿って第１のＰＢＳによるビームの偏向に適切な偏光で第１のＰＢＳに伝送することを特徴とする光増幅システム。
（１１）前記第１及び第２の偏光回転手段はそれぞれ４５度のフアラデイ回転子と半波長板を組み合わせたものを備え、この組合せは第１及び第２のＰＢＳの偏向通路が実質的に共通平面にあるように方向が定められている請求の範囲第１０項記載のシステム。
（１２）前記レーザ光増幅器がダイオードレーザ構造を具備している請求の範囲第１０項記載のシステム。
（１３）前記反射手段はレーザ作用を阻止するためにダイオードレーザ構造上に反射コーティングを施されている請求の範囲第１２項記載のシステム。
（１４）前記第２の偏光回転手段がレーザビームを、前記第１及び第２の増幅通路のためのダイオードレーザ構造のＴＭモードに実質的に平行に、また前記第３及び第４の増幅通路のためのダイオードレーザ構造のＴＥモードに実質的に平行に偏光する請求の範囲第１３項記載のシステム。
（１５）前記第２のＰＢＳと前記第２の偏光回転手段の間に位置し、前記第１の増幅通路の前に前記第２のＰＢＳからのビームを複数のサブビームに分割し、また前記第４の増幅通路の後にこのサブビームを単一出力ビームに再結合させるビーム分割手段を具備し、前記増幅器は各サブビームを増幅するように配置されているダイオードレーザ構造のアレイを具備している請求の範囲第１０項記載のシステム。
（１６）４通路位相共役光パワー増幅システムにおいて、実質的に線形偏光レーザビーム源と、光増幅チヤンネルを備え、チャンネルの一端部には反射コーテイングが、また他端部には反射防止コーティングが施されているダイオードレーザ構造と、位相共役ミラー（ＰＣＭ）と、ビーム源からの偏光レーザビームを、ダイオードレーザ構造を通る第１及び第２の反対方向増幅通路を通って位相共役のためのＰＣＭに、さらにダイオードレーザ構造を通る第３及び第４の反対方向の増幅通路を通って連続的に導く光学手段とを具備し、前記第１の増幅通路から第２の増幅通路へ、および前記第３の増幅通路から第４の増幅通路へビームを方向付けるためにダイオードレーザ構造に反射コーティングが施されている４通路位相共役光パワー増幅システム。
（１７）前記光学手段がビームの偏光を前記第１及び第２の通路に対してはダイオードレーザ構造のＴＭモードに実質的に平行に、また前記第３及び第４の通路に対してはダイオードレーザ構造のＴＥモードに実質的に平行に方向を定める請求の範囲第１６項記載のシステム。
（１８）前記光学手段が第２及び第３の増幅通路の間でビーム偏光を実質的に９０度回転させる請求の範囲第１６項記載のシステム。
（１９）偏光されたレーザビームを増幅させるための方法において、二方向光パワー増幅器を通って第１の増幅通路でビームを伝送し、このビームを第１の増幅通路とは反対方向の第２の増幅通路で光パワー増幅器を通って実質的に第１の通路と同一の偏光方向で戻し、このビームを位相共役させ、第１の増幅通路と同一の方向で第３の増幅通路で光パワー増幅器に戻し、ビームを第２の増幅通路と同一の方向で光パワー増幅器を通る第４の増幅通路において、第３の通路と実質的に同一の偏光方向で導き、このビームを出力路に導くステップを有する方法。
（２０）前記光増幅器がダイオードレーザ構造を具備する請求の範囲第１９項記載の方法。
（２１）ビームが前記第２及び第４の増幅通路のためダイオードレーザ構造を通ってダイオードレーザ構造上の反射コーティングにより戻される請求の範囲第２０項記載の方法。
（２２）ビームの偏光が前記第１及び第２の増幅通路のためのダイオードレーザ構造のＴＭモードに実質的に平行で、また前記第３及び第４の増幅通路のためのダイオードレーザ構造のＴＥモードに実質的に平行に回転する請求の範囲第２１項記載の方法。
（２３）ビーム偏光が第２及び第３の増幅通路の間で実質的に９０度回転される請求の範囲第２２項記載の方法。
（２４）ビームを光パワー増幅器を通るその第１の通路の前に複数のサブビームに分割し、この各サブビームをそれぞれ光パワー増幅器を通って伝送することによって前記第１乃至第４の増幅通路を形成し、第４の増幅通路の後にこのサブビームを単一出力ビームに再結合させる請求の範囲第１６項記載の方法。
（２５）サブビームにビームを分割するのとその位相共役ミラーとの間のそれぞれの通路に沿って各サブビームを方向付け、この通路は位相共役ミラーと前記出力ビームヘの再結合の間で前記サブビームが続く通路の実質的な光学的相反になっている請求の範囲第２４項記載の方法。
（２６）４通路光パワー増幅システムにおいて、光ビーム源と、二方向光増幅器のアレイと、前記光源からのビームを複数のサブビームに分割し、前記アレイ内の各々の光増幅器を通り第１及び第２の増幅通路を通って前記サブビームを連続的に方向付ける手段と、第３及び第４の増幅通路を通ってその各々の光増幅器により前記第１及び第２の通路の後にサブビームを再度方向付ける手段と、前記第４の増幅通路の後に前記サブビームを実質的に共通な位相集合出力ビームに再結合させる手段とを具備するシステム。
（２７）前記再度方向付ける手段が、第２及び第３の増幅通路の間で前記サブビームを逆反射及び位相共役するように位置づけられた位相共役ミラー（ＰＣＭ）を具備し、前記ＰＣＭがサブビーム間の位相及び光パスの長さの差を実質的に補償する請求の範囲第２６項記載のシステム。
（２８）前記ビーム分割手段は交差位相格子のセットを備え、前記ビーム再結合手段は前記ＰＣＭと協働して作用する前記交差位相格子を具備している請求の範囲第２７項記載のシステム。
（２９）前記光増幅器はダイオードレーザ構造を具備している請求の範囲第２６項記載のシステム。
（３０）前記ダイオードレーザ構造が共通のヒートシンク上の実質的に２次元アレイで設けられている請求の範囲第２９項記載のシステム。
（３１）前記ヒートシンクは複数のほぼ平行に延在する棚を有する熱導伝性材料体を備え、前記ダイオードレーザ構造がこの棚に熱導伝性接触を行うように分布されている請求の範囲第３０項記載のシステム。
（３２）前記ヒートシンク体は冷却チャネルを具備し、これによって熱を放散する冷却液体が前記ダイオードレーザ構造からヒートシンク体を通って伝達される請求の範囲第３１項記載のシステム。
（３３）４通路位相共役光パワー増幅システムにおいて、偏光光ビーム源と、前記光ビーム源からのビームを複数の偏光サブビームに分割し、反対方向の複数のサブビームを単一ビームに再結合するための可逆的ビーム分割手段と、それぞれサブビームに対応している二方向パワー増幅器のアレイと、位相共役ミラー（ＰＣＭ）と、前記光ビーム源からの偏光ビームを前記可逆的ビーム分割手段に導き、前記可逆的ビーム分割手段からのサブビームをそれぞれパワー増幅器を通る第１及び第２の通路を通って位相共役のためのＰＣＭに順次導き、またそれぞれパワー増幅器を通る第３及び第４の通路を通り順次導いて前記可逆的ビーム分割手段に戻して単一ビームに再結合し、前記単一再結合ビームを出力パスに向けるための光学手段であって、前記第１及び第２の増幅通路中で実質的に同一であり、また前記第３及び第４の増幅通路中で実質的に同一のサブビーム偏光を維持する光学手段とを具備するシステム。
（３４）前記パワー増幅器はそれぞれダイオードレーザ構造を具備している請求の範囲第３３項記載のシステム。
（３５）前記光学手段は、第１から第２および第３から第４の増幅通路にそのそれぞれのサブビームを反射させるための各ダイオードレーザ構造上の反射コーティングと、各ダイオードレーザ構造の反対側の反射防止コーティングを具備している請求の範囲第３４項記載のシステム。
（３６）前記光学手段が、前記第１及び第２の増幅通路のためのそれぞれのダイオードレーザ構造のＴＭモードに実質的に平行に、また前記第３及び第４の増幅通路のためのそれぞれのダイオードレーザ構造のＴＥモードに実質的に平行に各サブビームの偏光方向を定める請求の範囲第３５項記載のシステム。
（３７）前記ダイオードレーザ構造が共通のヒートシンク上の実質的に二次元アレイで設けられている請求の範囲第３４項記載のシステム。
（３８）前記ヒートシンクは、複数のほぼ平行に延在する棚を有する熱導伝性材料体を具備し、前記ダイオードレーザ構造が前記棚に沿ってこの棚と熱導線性接触するように分布されている請求の範囲第３７項記載のシステム。
（３９）前記ヒートシンク体は冷却通路を具備し、これにより前記ダイオードレーザ構造からヒートシンク体を通って熱を放散させるための冷却液体が伝送される請求の範囲第３８項記載のシステム。
（４０）前記可逆的ビーム分割手段は１対の交差位相格子を具備し、前記ＰＣＭがサブビーム間の位相及び光パスの長さの差を実質的に補償し、交差位相格子が前記第４の増幅通路の後にサブビームを単一出力ビームに再結合するようにサブビーム波面を方向付けている請求の範囲第３３項記載のシステム。
（４１）前記光学手段が前記第２の増幅通路の後に前記可逆的ビーム分割手段を通って前記ＰＣＭに前記サブビームを方向付け、また前記可逆的ビーム分割手段を通って前記ＰＣＭから前記第３の増幅通路のために前記パワー増幅器に戻し、前記可逆的ビーム分割手段は前記ＰＣＭへの通路中に各サブビームをそれぞれ複数のサブビームに分割し、また前記複数のサブビームの再分割された各々を前記ＰＣＭによる位相共役の後に元の数のサブビームに回復させる感受性の波面である請求の範囲第３３項記載のシステム。