JPH03504902A - 帯域を保持するブリュアン位相共役鏡および方法 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 帯域を保持するブリユアン位相共役鏡および方法発明の背景 １、利用分野 本発明は非線形光学的位相共役の分野に関し、特に、低スペクトル光帯域を有す る高エネルギ位相共役反射を起こす際に少なくとも５０％の効率を実現するため に増幅の際に誘導ブリユアン散乱（Ｓ　Ｂ　Ｓ）と４光波混合（ＦＷＭ）との新 規で独特な結合を利用する位相共役鏡に関する。

２、従来技術 非線形光学的位相共役（ＮＯＰＣ）は、非線形光学（ＮＬＯ）テクニックを用い ている電磁場のリアルタイム空間的あるいは時間的情報処理を必要とする。その 分野は非線形レーザ分光器を有する非常に面白くまた別種な組合せの応用を発展 させてきたが、Ｎ０ＰＣの主な推進力は様々な収差媒体を通過する伝搬あるいは 伝達のために電磁場に対抗する歪曲（ディストーション）のリアルタイム補正の 領域にある。

位相共役鏡（ＰＣＭ）は、入射ビームの再帰反射を起こす。

位相共役反射の独特な特性は、第１ａ図と第１ｂ図に示されている。第１ａ図は 単色点光源１２により照射された従来の平面鏡の場合について示している。鏡１ ０は、入射角と反射角は等しいという原理に則り発散入射ビーム１４（実線図示 ）の伝搬方向を反射ビーム１６（破線図示）の方向に変えるにすぎない。

第１ｂ図は、反射ビーム１６゛は時間反転して入射ビーム１４の入射方向通りに 正確に反射するという原理に則り発散入射ビーム１４を反射する位相共役鏡１８ の場合について示している。反射ビーム１６′の波面２２−　（破線図示）は、 入射ビーム１４の波面２０に一致する（分かりやすいようにずらして記載した） 。

第１ａ図に示すように入射ビーム１４の波面２０は光源１２から見ると凹状に見 える。ところが反射ビーム１６の波面２２は光源１２から見ると凸状に現われる 。第１ｂ図において波面２０と２２−は光源１２から見ると凹状に現われる。

波面の位相のこの反転現象は、ソビエトの文献において波面反転（ＷＦＲ）と呼 ばれている。

さらに位相反転の効果は、第２ａ図と第２ｂ図に示されている。第２ａ図におい て、コヒーレント光ビームの平面波面２４は、グラスシリンダー２６を通過し伝 搬する間にビームの波面２８に“ふくらみ”２８ａを生じさせるグラスシリンダ ー２６のような収差素子を媒介して通過する。平面鏡１０からの波面２８の反射 は、位相的にずれて波面３０にふくらみ３０ａを有する波面３０になる。シリン ダー２６を再度通過した波面３０の反射は、ふくらみ２８ａと３０ａのサイズの ２倍のふくらみ３２ａを有する波面３２になる。シリンダー２６は、大気圏の大 気のような伝達媒体にあるいは増幅器に置き換えられるが、その効果は望ましく はない。介在する媒体や増幅器により生じる収差は、それらを２度通過する間に ２倍になる。

第２ｂ図に示されている位相共役鏡１８は、反転における高度な所望の特性を有 し、それによりシリンダー２６のような媒体により起こる歪曲を除去する。波面 ２４がシリンダー２６を介して伝搬すると、第２ａ図に示されているように歪め られた波面２８になる。しかし位相共役鏡１８により反射された波面３４の位相 は、入射波面２８に基づき反転し、そこでふくらみ３４ａは第２ａ図に示されて いる波面３０の位相と異なり波面３４に位相的なずれを生じる。シリンダー２６ により生せられた残っているふくらみ（図示せず）は波面３４のふくらみ３４ａ を取消すために、波面３４がシリンダー２６を通過し伝搬することにより、平面 （等位相）波面３６になる。位相共役反射の本特性は、媒体の介在による歪曲の ない伝搬と増幅を可能にする。

光学的位相共役を生じさせる２種の公用方法は、誘導ブリユアン散乱と４光波混 合（ＦＷＭ）である。誘導ブリユアン散乱による位相共役は、１９７２年モスク ワでのｒＬｅｂｅｄｅｖ　Ｐｈｙｓｔｅａｌ　１ｎｓｔｉｔｕｔｅＪにおいて研 究員により初めて認知され、ＺｅＩ　ｄｏｖｉｃｈ、Ｂ、Ｙａその他著の［ＪＥ ＴＰ　Ｌｅｔｔ、（Ｅｎｇｌ、Ｔｒａｎｓｌ）１５．１０９］の１５．１６節（ １９７２年）に記録された。Ｖｌａｄｉｍｉｒ　　Ｖ、５ｈｋｕｎ。

ＶとＢｏｒｉｓ　Ｙａ、　Ｚｅｌ　ｄｏｖｉｃｈとにより米国科学界で１９８５ 年１１月の“光学的位相共役°の中で論じられて、光学的位相共役の原理が公に なった。誘導ブリユアン散乱と４光波混合の詳細なプレゼンテーションの中の光 学的位相共役の実用化については、Ｄａｖｉｄ　Ｍ、Ｐｅｐｐｅｒ、　Ｒａ５ｅ ｒ　ｌ１ａｎｄｂｏｏｋ　Ｖｏｌ、４、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ　５ｅｉｅｎｃｅ　Ｐ ｕｂｌｉｓｈｅｒｓ　ＢＹ、　Ｎｏｒｔｈ−Ｈｏｌｌａｎｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　 Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ、Ａａｓｔｅ＋７ｄａｍ、　１９８５年による“光学的位 相共役の応用“の中で論じられている。ブリユアンエンハンス４光波混合の基礎 引用文すなわち本発明に関連した４光波混合の特定のタイプは、Ｎ、Ｆ、Ａｎｄ ｒｅｅｖその他著による。ＪＥＴＰ　Ｌｅｔｔ、Ｖｏｌ、３２．Ｎｏ、１１．１ ９８０年１１月５日の“大なる反射係数を有する微弱光信号の波面反転”ベージ ６２５乃至６２９の中で論じられている。この引用文は、４光波混合処理に必要 な相互影響ビームのすべてがビーム分離により単色コヒーレントレーザ源からい かに得られるかを教示している。

レーザレーダは、ミサイル誘導、追尾と妨害回避、グローバルな空中障害の測定 と、戦略防衛先制（ＳＤＩ）システムの部品のような多くの最近の武器への応用 に対する重要性が増している。本レーザレーダの概念は、ＣＯっレーザに専ら用 いられていて、寿命（特に宇宙基礎シナリオにおいて）には限度がある。

レーザレーダへの応用には狭帯域とハイパワーレーザ源が必要である。従来にお いては、様々な制限により、およそ１０ＫＨｚからＩＭＨｚまでの狭いソース帯 域を必要とするレーザレーダの応用に対して位相共役鏡の使用が妨げられていた 。基本的な（Ｓ　Ｂ　Ｓ）位相共役鏡により生ぜられる共役ビームのスペクトラ ル帯域は、ブリユアン利得ライン幅のおよそ１７１０以下でも可能である。この 最小のスペクトラル帯域の制限は、ブリユアンプロセスを創造し支持させること となった音響ノイズのランダム特性により起きる位相ジャンプを一因とする。通 常ブリユアンライン幅は、マイクロメーターのポンプレーザ波長に対しおよそ５ 　Ｍ　Ｈｚから３０Ｃ１ｉＨ２までの範囲にある。４光波混合は位相ジャンプを 除去し、狭ライン幅を可能にするが、共役化されかつ回折制限された光の品質を 有するビームよりパワフルでなければならない基準手段を発生させるために補助 のコヒーレント光源を必要とし、それにより装置のコストと複雑さとを益々増加 させる。

原理的には、４光波混合は、幾つかの方法で高エネルギかつ狭変調ライン幅の光 学装置を実現できる。第１に、高エネルギレーザの出力は狭ライン幅変調器で直 接に変調できる。この案は、変調器をシステムの高エネルギ出力部に位置しなけ ればならないし、レーザダメージと歪を誘発する複屈折と他の機械的熱的摂動に より弾力的でなければならないために望ましくはない。この全ての問題により、 位相収差を生じることと、出力ビームに様々な有害な非線形光学的歪曲を引き起 こすことによりシステムの性能が低下してしまう。もう１つの案は、狭幅で低エ ネルギの振動子を変調させ、レーザ増幅器チェーンを駆動させることである。こ の案も欠点を有していて、変調器はシステムの低エネルギ部に位置するが、最後 の高エネルギ出力は振幅器自身により歪まされる。歪誘発複屈折、熱的、機械的 、ビームワンダー等のような歪曲が増幅器列を横切るときにレーザビームに生じ る。

発明の概要 本発明によれば、レーザからのコヒーレント入力ビームは、ブリユアンエンハン ス４光波混合器へ送られ、人力ビームと逆伝搬する際に位相共役シード（ｓｅｅ ｄ）ビームを発生する。

ブリユアンアンプは、レーザと４光波混合器の間に介在し、入力ビームからシー ドビームにエネルギを伝達し、それによってシードビームを増幅して、入力ビー ムのエネルギのおよそ５０％を有し、かつ誘導ブリユアン散乱を引起こし維持す るのに一般的に必要である音響ノイズに関連したランダム位相ジャンプを起こさ ない狭帯域を有する位相共役出力ビームを発生する。４光波混合器に対する基準 ビームは、入力ビームと同じレーザ源から発してもよい。さらに４光波混合器に より発生された位相共役シードビームは初期入力ビームのエネルギの１乃至１０ ％だけを有する必要があるので、基準ビームは入力ビームのエネルギより１桁以 上低いエネルギを有することができる。

本発明は、狭ソース帯域を必要とするレーザレーダの応用において、より高い信 頼を有し、かつ高エネルギ測定可能な位相共役固体レーザと半導体ダイオードレ ーザの使用可能性について開示している。

本発明において、狭バンド変調が、システムの低エネルギ部になされる。さらに 、２度通過させると共に位相共役器を用いることにより、増幅器歪曲が補正され 、同時に有益な回折限定された出力として効率的に増幅器の蓄積エネルギが得ら れる。さらに、位相共役テクニックが用いられて、蓄積エネルギをコヒーレント 状態で、レーザ増幅器の直列チェーン、あるいはその結合のみならず平行のセッ トから得ることができる。

本発明は、反射率５０９６の位相共役を有し、入力探針ビ−ムのライン幅より広 くないライン幅を有する位相共役反射ビームを発生する帯域保持ブリユアン位相 共役鏡を提供することを目的とする。

本発明は、レーザレーダに適用でき、複数の平行ビームを利用してより高いエネ ルギレベルを測定できる帯域を保持するブリユアン位相共役鏡を提供することを 他の目的とする。

本発明は、自発的音響ノイズ源に影響されず、それによってランダム位相ジャン プと帯域の増加がなく、また単色コヒーレント光源と入力探針ビームより数桁微 弱でもよい基準ビームとを必要とする帯域を保持するブリユアン位相共役鏡を提 供することを他の目的とする。

本発明は、装置の低パワ一部で位相共役ビームの変調ができる帯域を保持するブ リユアン位相共役鏡を提供することをもう一つの目的とする。

本発明は、位相共役鏡がそれに使用する基準ビームの１つを傾けることにより位 相共役ビームを正確な方向に向けることができることを利点とする。

本発明のこれらと他の特徴と利点は、好ましい実施例の以下の詳細な記述から当 業者に明らかになるであろう。

図面の簡単な説明 第１ａ図と第１ｂ図は光学的位相共役の基本的な特性を示す図、第２ａ図と第２ ｂ図は位相共役により波面収差の除去を示す図、第３ａ図と第３ｂ図は基本的な 誘導ブリユアン散乱プロセスを示す図、第４図は基本的な４光波混合プロセスを 示すブロック図、第５図は従来の誘導ブリユアン散乱プロセスと４光波混合プロ セスの混成状態を示すブロック図、第６図は本発明による帯域保持ブリユアン位 相共役鏡を示すブロック図である。

実施例 第３ａ図と第３ｂ図とに示すように、誘導ブリユアン散乱に基づいた位相共役鏡 ４０は、適切な非線形媒体４４に固定されている容器４２のみからなる利点を有 している。共役反射シードビームＥｃは、媒体４４の中を局所的音速で入力ビー ムＥｐの移動方向５０に媒体４４を介して伝搬するソニック波面の形状で、格子 ４８の周期パターンから人力あるいはポンプあるいは探針ビームＥｐを散乱する ことによって発生される。格子４８は入力ビームＥｐとの相互作用により適切に 整列した熱ノイズフォノン波４６が漸進的に増すと発生する。第３ｂ図によく示 すされているように、適切に整列したフォノン波４６は、入力ビームＥｐとの相 互作用により振幅が次第に増加し、媒体４４に当然現れる全ての他のランダムノ イズフォノンを圧倒する。共役反射ビームＥｃは、ストークスあるいはブリユア ンシフトとして文献で呼ばれている周波数シフトνｂだけ入力ビームＥｐに対し てダウンシフトされ、移動格子４８により誘起されたドツプラー効果により発生 される。

しかし、プロセスは、本発明に直接に関連する主な障害に直面する。開始のため には熱ノイズが要求されるために、共役波の絶対位相は不確実であり、さらに共 役波の位相はＳＢＣプロセスの発展の間に不連続な“ジャンプを受けるかもしれ ない。絶対位相の不定は一般的に実用においては重大ではない。しかし“位相ジ ャンプの存在は一定の実用的適用において誘導ブリユアン散乱の有益性を制限す るかもしれない。この現象の詳細なプレゼンテーションは、Ｂａ５ｏｖ、Ｎ、Ｇ 、その他著、Ｚｈ、Ｅｋｓｐ、Ｔｅｏｒ、Ｆｉｚ、Ｐｉｓｍａ　３１．６ｇ５［ ＪＥＴＴ　Ｌｅｔｔ、３１．６４５］（１９８０）に見られる。

基本的な４光波混合プロセスは第４図に示され、適切な非線形物質あるいは媒体 を有するセル６０を含んでいる。第３ａ図と第３ｂ図とに示されている一方のポ ンプビームに直接に対応する探針ビームＥｐは、セル６０の方に向いている。

位相共役ストークスビームＥｃはビームＥｐが逆伝搬する際にセル６０から反射 される。

逆方向ポンプあるいは基準ビームＥ１、Ｅ２は、図示のようにセル６０の方に向 いている。基準ビームＥｌ、Ｅ２は、１個あるいは２個の外部レーザにより発生 する（図示せず）。

４光波混合器の特定のタイプによっては、３つのビームＥ１、Ｅ２、Ｅｐの周波 数は同一であってもよく、あるいは互いに異なっていてもよい。本発明において 、Ｅｌ、Ｅｐの周波数は同一であり、Ｅ２の周波数はストークスあるいはブリユ アンシフトはど低い。周波数が正確に選択されると仮定すると、３つの入力ビー ムは、セル６０で相互作用し、空間あるいは時間において干渉パターンを形成し 、位相共役ビームＥｃを発生する ４光波混合器は、前述で論じたように誘導ブリユアン散乱に固有の不利点を除去 する。干渉光ビームによりセルに発生される干渉パターンあるいは格子は、誘導 ブリユアン散乱プロセスを開始し維持する熱ノイズより強度的に強い振幅度合で ある。従って、位相ジャンプが除去される。しかし基本的な４光波混合プロセス は、更に２つのコヒーレント光源が必要となる不利点を有している。このため従 来は探針ビームＥｐより強度の高い基準ビームＥ１、Ｅ２を発生させなければ従 来の問題の部分的解決法は、本発明者の知っている細かな従来技術を組み合わせ ており、第５図に示されている。そのプロセスは、１９８６年８月Ｂａ５ｏｖ＋ Ｎ、Ｇ、その他著、Ｓｏｖ、Ｊ、Ｑｕａｎｔｔｏ＋＋　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、１Ｂ （６）のｒ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　Ｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃ　 Ｗａｖｅｆ’ｒｏｎｔ−Ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ　Ｍｉｒｒｏｒ　Ｏｐｅｒａｔｉｎ ｇ　ｉｎ　ａ　Ｍａｓｔｅｒ−Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ−Ａｌｌｐｌｉｆｉｅｒ　 Ｃｏｎｆｌｇｕｒａｔｉｏｎ　Ｊに開示されている。この装置において、２つの ＳＢＳセルフ２．７４が用いられており（それぞれはカーボン４塩化物のような 同一の非線形媒体を有している）、探針ビームＥｐの効率のよい位相共役反射は 次の３つのステップ手順により起こる。

（１）逆伝搬する基準ビームの発生。

（２）微弱共役シードの生成。

（３）共役シードのＳＢＳ増幅。

基準ビームＥ１は、Ｅｐを分割するか、分離光源（図示せず）を用いることによ り発生し、図示のようにセルフ２に方向付けられている。ビームＥ１はセルフ２ を横切り、そこから誘導ブリユアン散乱（Ｓ　Ｂ　Ｓ）セルフ４に送られ、セル フ４ではビームＥ１の共役反射として第２基準ビームＥ２を生じる。ビームＥ２ は、第１図と第２図を参照して示した効果によりビームＥ１に対して完全に逆伝 搬し、ストークスあるいはブリユアン周波数νｂだけ周波数を下にシフトさせる 。

基準ビームＥ２の生成の次に、基準ビームＥ１、Ｅ２の両方がセルフ２に共存す るという状態ができる。光学装置において探針ビームＥｐはセルフ２中で基準ビ ームＥ１、Ｅ２をオーバーラツプさせるよう調整されている。ブリユアンエンハ ンス４光波混合（ＢＥＦＷＭ）と呼ばれているプロセスにより、共役シード波Ｅ ｃは探針ビームに対して発生され、この共役シードは同じストークスあるいはブ リユアン周波数νｂだけ基準ビームＥ１に対して周波数を下にシフトさせる。Ｂ ＥＦＷＭのレビューはＡ、Ｍ、Ｓｃ、ｏｔｔとに、Ｄ、Ｉ？１ｄｌｅｙとによっ て記され、Ｑｕａｎｔｕ［ＩＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓのＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａ ｌの１９８９年３月号に載っている。

通常のＦＷＭの前述の論説におけるようにＢＥＦＷＭの従来の応用においては、 基準波は通常は信号よりエネルギが高く、結果として共役波は信号よりエネルギ が高い。本出願においては、正反対である。基準波はＢＥＦＷＭ相互作用により 生じる初期共役シード波のように、通常は探針ビームより微弱である（およそ１ ０の係数はど微弱である）。しかしＢＥＦＷＭプロセスにより共役シード上に加 えられるブリユアン周波数シフトにより、ブリユアン媒体が入射探針ビームの方 向に沿って十分遠くに延びていると、共役シード波の効率のよいブリユアン増幅 を入射探針ビームを犠牲にして発生できる（このプロセスは微弱シードビームの バックワードラマン増幅によく似ている）。

Ｂａ５ｏｖその他者により論証された一実施例において、探針ビームＥｐに対し て共役ビームＥｃの反射率は２０％程度である。しかし彼等が示しているように 、その反射率は、引用文で開示した方法で各々の相対的偏光を変えあるいはセル フ２内の４つのビームの相互作用と増幅範囲を分離することによって基準ビーム Ｅ２と探針ビームＥｐとを部分的に非結合にすると、５０％程度まで増加させる ことができる。

第５図に示されている形状では、５０％程度のオーダーの受は入れられる共役反 射効率が得られ、基準ビームを探針ビームより低いエネルギにできる。しかし基 準ビームＥ２がランダム音響ノイズ要因を伴って基本的ＳＢＳプロセスによりＳ ＢＳセルフ４に発生されるので、この従来技術は誘導ブリユアン散乱に固有の問 題、すなわちスペクトルが広がるという問題をなお有している。一般的にＳＢＳ セルの中にビームを発生させるそのプロセスは、装置の狭帯性能を破壊してしま う。

第６図を参照すると、本発明に従った帯域保持ブリユアン位相共役鏡は一般的に 参照符号８０で示されており、レーザ８２に似た特性を有する回折を制限した狭 帯域のビームを発生する源を含んでいる。レーザ８２は、ソリッド状態か半導体 ダイオードタイプであることが好ましいが、パワーと周波数とライン幅に対する 必要要件を満たすタイプであってもよい。第６図はレーザ増幅器１２１を備えて いる本発明の典型的な応用を示しており、結果として共役ビームは初期ビームに 相対して強められている。強い出力ビームはＥ　　　　とｕｔ して示されている。増幅器１２１は単構成でもよく、直列な増幅器グループでも 、平行な増幅器グループでも、あるいはそれらを組合わせてもよい。出力ビーム Ｅ　　　　をレーザｕｔ ８２から離して偏向させる方法は、技術的によく知られている。このような方法 は、偏光ビームスプリッタとＥ。ｕｔ　　　゛をＥｐに直角に偏光させる手段を 用いている。しかし本発明はレーザ増幅器を用いることに限定されない。

レーザ８２は前述した探針ビームと同等のビームＥｐを発生する。しかしビーム Ｅｐは、４光波混合プロセスに必要な基準ビームのための単色光源を構成するた めに以下に詳細に述べる方法でスプリットされ周波数シフトされる。

入力ビームを構成するビームＥｐの成分は、図示したように右方向に移動してレ ーザ８２からビーム分離鏡８４とブリユアン増幅器セル８６を介してブリユアン 増速４光波混合セル８８に至る。セル８６．８８は、従来技術を参照して前述し たものに似通っていて、光管あるいは適当なコンテナ９０゜９４からなり、それ らは非線形媒体あるいは材料９２．９６でそれぞれ充填されている。非線形媒体 ９２．９６は半導体、結晶、液体、ガス、プラズマ、液晶、エアロゾルあるいは 原子蒸気であってもよい。通常は、非線形媒体９２．９６はＮ２　、Ｘｅ、、Ｃ ＨあるいはＳＦ６　のようなガスを、含んでいてもよい。

レーザ８２からのビームＥｐの他の成分は、ビーム分１４鏡８４に反射され、平 面反射鏡９８．１００を経由して音響光学変調器（ＡＯＭ）１０２に方向付けら れる。ビームＥｐの成分は、音響光学変調器１０２を一直線に通過し、基準ビー ムＥ１となり、混合セル８８に方向付けられる。ビームＥｐの第２の成分は、平 面反射鏡１０４の方へ音響光学変調器１０２により偏向される。第２の成分は、 第２基準ビームＥ２を形成するために、セル８６．８８の材料のストークスある いはブリユアン周波数νｂと等しい量だけＡＯＭ１０２により周波数が下にシフ トされる。レーザ８２により発生するビームＥｐの出力周波数はν０であり、基 準ビームＥ１の周波数はν０であり、ストークス周波数νｂだけシフトされた基 準ビームＥ２の周波数はシ０−シｂであることに注意願いたい。

音響光学変調器１０２は、レーザ光学技術においてよく知られたあるいは慣用的 な素子であり、音響トランスデユーサ（図示せず）と結合した結晶からなる。所 望の場合、音響光学変調器１０２は、公知の同等の単色サイドバンド変調器に置 き換えてもよい。

偏向され周波数を降下されたビームＥ２は、ビームＥ１と逆伝搬するように鏡１ ０４と平面反射鏡１０６．１０８．１１０により４光波混合セル８８の方に反射 される。ビーム分離鏡８４と音響光学変調器１０２の特性は、基準ビームＥ１、 Ｅ２のエネルギがブリユアンセル８６に入射する探針ビームＥｐの成分のエネル ギより実質的に低くなるように選択される。通常は、基準ビームは探針ビームよ り振幅が１あるいは２のオーダー（１０〜１００倍）だけ弱い。この特徴は、本 発明の主な有利点の１つである。混合セル８８内の干渉パターンは低パワー基準 ビームを用いて発生できるのみならず、本プロセスに必要な全てのビームは単色 光源から引き出されてもよい。しかし本発明の他の実施例においては、多重光源 が必要な探針ビームと基準ビームを発生させるのに用いられる。この場合、多重 光源の周波数は普通の基準に固定されるべきである。

混合セル８８内で生じる４光波混合プロセスは、第４図を引用した前述のプロセ スすなわち反射出力位相共役シードビームＥｃの発生プロセスと似通っている。

ビームＥ２の周波数がビームＥｐの周波数からストークス周波数νｂだけ降下さ れる要因のために、ビームＥ１、Ｅ２の干渉により発生する格子による基準ビー ムＥ１の散乱は、基準ビームＥ１の周波数からブリユアンシフトあるいはシＯ− シｂだけ降下された周波数のＥｌを生じる。

混合セル８８から現れる共役シードビームＥｃは、入力探針ビームＥｐに対して 逆伝搬しながらブリユアン増幅器セル８６を通過する。セル８６内の共存ビーム Ｅｐ、Ｅｃとの間のストークス周波数シフトにより、それらの間のカップリング が可能となり、探針ビームＥｐを犠牲にして共役ビームＥＣのブリユアン増幅が 可能となる。共存ビームＥｃはさらにレーザ増幅器１２１で増幅され、その後、 本帯域保持ブリュスについての以下の数理的な分析により明確になるように、セ ル８６内で起こるブリユアン増幅により本帯域保持ブリユアン位相共役鏡８０は 、高度に有効なエネルギレベルすなわちレーザレーダの実用化に十分に受は入れ られる約５０％の共役反射率を達成できる。

セル８８への入射の際の基準ビームＥｌ、Ｅ２の強度をそれぞれＩＩ　　と仮定 し、ビームＥ２の周波数はＥｌに対１ゝ　２ してストークス周波数νｂだけ降下され、セル８８への入射の際の探針ビームＥ ｐの強度をＩｐと仮定する。さらに工１、Ｉｐの空乏が無いと仮定すると、スト ークスシフトされた共役ビームＥｃの強度１ｃは以下の数式（１）により与えら れる。

ここでｇはブリユアン利得係数であり、ｇは混合セル８８内の相互作用波長であ る。実用化への本コンセプトに対し、和（１１＋工２）はＩｐと比較して小さく なければならない。

その和がＩｐの１０％であると仮定し、さらに１ｌ−Ｉ２であると仮定すると、 数式（１）はＩｃ／ＩｐがｇｌｐＮ−３の約１０％となることが予想される。共 役シードに対するこ、　の値は、入射強度１ｐによりポンプされた後方のブリユ アン増幅器８６を効率的に飽和するのに十分にすべきである。ラマン増幅器に対 する本発明者の経験によると、ブリユアン増幅器８６はｇＩｐＬが約５〜６であ ることを必要すると思われる。Ｌは増幅器８６の相互作用波長である。セル８６ ．８８内のブリユアン媒体９２．９６がメタン（ｇ　−７０ｃｍ／ＧＷ、１０５ 大気圧内で）であり、相互作用波長Ωは１０ｃｒＡであり、約４．３ＭＩ＋ワｃ ｍ　　　の強度の結果としてｇｌｐＮ−３となる。

同じ強度と２０ｃｍの相互作用波長しはブリユアン増幅器８６に対し適切なｇＩ ｐＬ値となるであろう。

ビームＥ２はブリユアン周波数νｂだけＥｌに対して降下させられているので、 ２つの基準ビームは１つの方向にＩ９部を回折する音響格子を形成するために混 合セル８８内で相互に作用し合う。さらにＩ２は１１により直接にブリユアン増 幅を実施され、それによりＩ２の方へ１０部を散乱する。

これらの両プロセスは数式（１）を導く解法に含まれている。

これらの相互作用が本発明の好結果の性能を妨げるかどうかは明確ではない。し かし妨げる場合には、基準ビームＥ１、Ｅ２の間の相互作用は、混合セル８８に 入射する前に破線で示した従来のファラデー回転器１１２あるいは他の偏光回転 装置を用いてビームＥ１の偏光を９０度向回転せることにより随意に除去される ことができる。この場合破線で示された補償ファラデー回転装置１１４は、ブリ ユアン増幅器の内側で探針ビームＥｐの偏光と一致させるように共役ビームＥｃ の偏光を回転させるためにセル８６．８８の間に設けられている。４光波混合器 における探針ビームと基準ビームの非結合に関する詳細な論文は、Ｖ、Ｆ、Ｅｆ ｉＩＩｌｋｏｖその他者の１９８４年２月刊行のＳｏｖ、Ｊ、ＱｕａｎｔｕＩＩ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ第１４　（２）節の２０９−２１３ページの表題ｒＰｏｌａｒ ｉｚａｔｉｏｎ　　ａ＋ｅｔｈｏｄｓ　ｒｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆ’ 　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｖａｖｅｆ ｒｏｎｔ−ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ　ａｒｉｒｒｏｒ　Ｊに掲載されている。

本形態は、実際の応用の際に必要であるように、ブリユアン利得ライン幅の制限 内で共役ビームの変調が可能あるいは、チャープ（周波数掃引）が可能である。

変調は、音響光学変調器１０２と混合セル８８との間の光路にある分離変調器１ １６により基準ビームＥ１に供給されてもよい。さらに光学的変調器１１８を音 響光学変調器１０２と混合セル８８との間の光路に配することにより基準ビーム Ｅ２を変調することが可能である。一般的に、変調をレーザビームの光路の低パ ワ一部で実行してもよく、それによってパワーローディングに関する問題を最小 にすることができる。混合器８８を効率よく動作するには、ビームＥ２の周波数 を混合媒体９６のストークス周波数シフトと同等程度だけビームＥｐの周波数よ り低くすることが必要である。同様に、ブリユアン増幅器８６の動作を効率よく するには、ビームＥｃの周波数を増幅器媒体９２のストークス周波数シフトと同 等程度だけビームＥｐの周波数より低くすることが必要である。ビームＥｐの所 定周波数と、変調器１１６あるいは１１８を介して、共役シードビームＥｃに与 えられる任意の変調帯域及びフォーマットに対し、上述の条件は幾つかの方法の いづれか１つを用いることにより達成できる。本説明では以下の方法を例示する 。

（１）媒体９２あるいは９４の組成を調整すること。

（２）変調器１１８によって供給される周波数オフセットを補償するようＡＯＭ １０２の周波数を変化させること。

（３）変調器１１６．１１８に一定の周波数オフセ・ノドを与えること。

本形態により、探針ビームＥｐの方向に対して反対方向に共役ビームを方向付け ることができる。このようなビームの方向付けが位相共役の利点の幾つかを犠牲 にする一方、探針ビームが移動源（例えば人工衛星）により発生されるとき、共 役ビームを探針ビームの方向より前に位置させることを所望する場合には有効で ある。ビームの方向付けは、正確には逆伝搬しないような基準ビームＥ１、Ｅ２ のいづれかを少し傾けることにより達成され、る。

基準ビームＥ１に対してストークスあるいはブリユアン周波数だけ低下させた周 波数で基準ビームＥ２を発生させる音響光学変調器１０２あるいは同等の装置が 、第５図の従来技術における５ＢＳ７４とは違って、共役反射ビームＥｃの帯域 を拡大することなく所望の効果を達成することは、当業者により十分に評価され るであろう。これは、音響光学変調器１０２が結果としてＳＢＳセル内に熱ノイ ズを起こす形式の位相ジャンプを起こさないことによる。事実、代表的なＡＯ〜 １の周波数安定性は、僅かのＨｚすなわち最新のレーザレーダ装置でも無視でき るほどのＨｚはど小さくすること力（できる。従って、反射共役ビームＥｃの帯 域は、探針と基準ビームＥｐ、Ｅｌ、Ｅ２の帯域それぞれと本質的に同一であり 、本位相共役鏡の帯域はそれらに供給されるレーザビームの帯域によってのみ制 限される。よって、本発明は、非常１こ狭０帯域のレーザビームの正確な共役反 射を可能とし、レーザレーダ装置に直接に供給できるこれまで得がたかった狭帯 域構成を有するハイパワーレーザ源を可能とする。

本説明において、本発明を用いた帯域保持ブリユアン位相共役鏡は新規で独特な 方法で従来技術の欠点を克服し、高エネルギ出力で少なくとも５０％の共役反射 率を有し、レーザレーダや他の応用に対し狭帯域であって、単色レーザ光源にの み必要なデザインの単純化を可能にする。

本発明を特定の好ましい実施例を引用して詳細に述べてきたが、本発明の属する 分野の当業者は本発明の主旨から外れることなしに様々な変形例を発見すること ができるであろう。

本発明は単に記述した実施例に限定されるものではない。例えば、前述した単色 チャネルレーザとブリユアンセル配列は多重チャネルに置き換えることができ、 それによってより広い範囲のエネルギを測定することが可能である。

様々な変形例が請求項によって定義される本発明の主旨から外れることなく考え 出される。

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Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. １．狭帯域入力光学ビームの位相共役反射としての狭帯域出力光学ビームを発生 する方法において、（ａ）レーザ源からの狭帯域コヒーレント光学ビームを、前 記入力ビームからなる第１の成分と第１と第２の参照ビームをそれぞれ有する第 ２と第３の成分に分離させるステップと、 （ｂ）前記入力ビームに対して逆伝搬する位相共役光学シードビーム発生するた めに前記入力ビームを４光波混合器に供給するステップと、 （ｃ）前記４光波混合器内で非線形媒体のストークス周波数だけ前記第１と第２ の参照ビームの１つの前記狭帯域を保持しながら周波数を降下させるステップと 、（ｄ）互いに逆伝搬するように前記４光波混合器に前記第１と第２の参照ビー ムを方向付けるステップと、（ｅ）前記入力ビームから前記シードビームにエネ ルギーを伝達しそれにより前記シードビームを出力ビームとなるように増幅する ために、前記逆伝搬する入力ビームとシードビームをブリュアン増幅器に供給す るステップと、を具備することを特徴とする方法。
2. ２．前記ステップ（ａ）は、前記第１と第２の参照ビームの強度が前記入力ビー ムの強度より低くなるように、前記レーザ源からの前記コヒーレントビームを分 離させるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ３．前記ステップ（ｄ）は、平面鏡により反射するステップを含むことを特徴と する請求項１に記載の方法。
4. ４．（ｆ）前記第１と第２の参照ビームの１つの偏光を回転させるステップをさ らにステップ（ａ）からステップ（ｄ）までの間になすことを特徴とする請求項 １に記載の方法。
5. ５．（ｇ）前記入力ビームの偏光と一致するように前記シードビームの偏光を回 転させるステップをさらにステップ（ｂ）からステップ（ｅ）までの間になすこ とを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. ６．（ｈ）前記第１と第２の参照ビームの少なくとも１つを変調させるステップ をさらにステップ（ａ）からステップ（ｄ）までの間になすことを特徴とする請 求項１に記載の方法。
7. ７．（ｉ）前記入力ビームと前記シードビームの少なくとも１を変調させるステ ップをさらにステップ（ａ）からステップ（ｅ）までの間になすことを特徴とす る請求項１に記載の方法。
8. ８．狭帯域入力光学ビームの位相共役反射として狭帯域出力光学ビームを発生す る光学的位相共役鏡において、前記入力ビームとほぼ逆伝搬する位相共役光学シ ードビームを発生させる４光波混合器手段と、 前記入力ビームから前記シードビームへエネルギーを伝達しそれによって前記シ ードビームを出力ビームとなるように増幅するために、前記入力ビームと前記シ ードビームの光路に配置されたブリュアン増幅器手段と、レーザ源からの狭帯域 コヒーレント光学ビームを、前記入力ビームからなる第１の成分と前記第１と第 ２の参照ビームそれぞれからなる第２と第３の成分に分離させるビーム分離手段 と、 互いにほぼ逆伝搬状態で前記４光波混合器の方へ前記第１と第２の参照ビームを 方向付けるビーム方向手段と、を具備し、 さらに前記ブリュアン増幅器手段は非線形媒体を含み、前記ビーム分離手段は前 記第１と第２の参照ビームの１の前記狭帯域を保持しながら、非線形媒体のスト ークス周波数だけ周波数を下にシフトさせる周波数シフト手段を含むことを特徴 とする光学的位相共役鏡。
9. ９．前記第１と第２の参照ビームと前記入力ビームはそれぞれ各強度を有し、前 記ビーム分離手段は前記第１と第２の参照ビームの強度が前記入力ビームの強度 より低くなるように、前記レーザ源からの前記コヒーレントビームを分離させる ように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の光学的位相共役鏡。
10. １０．前記ビーム方向手段は少なくとも１の平面鏡を含むことを特徴とする請求 項８に記載の光学的位相共役鏡。
11. １１．前記周波数シフト手段は変調器手段を含むことを特徴とする請求項８に記 載の光学的位相共役鏡。
12. １２．前記変調器手段は音響光学変調器を含むことを特徴とする請求項１１に記 載の光学的位相共役鏡。
13. １３．前記ビーム分離手段は前記第１と第２の参照ビームの１の偏光を回転させ る偏光回転手段を含むことを特徴とする請求項８に記載の光学的位相共役鏡。
14. １４．前記偏光回転手段はさらに前記入力ビームの偏光と一致するように前記シ ードビームの偏光を回転させる手段を含むことを特徴とする請求項１３に記載の 光学的位相共役鏡。
15. １５．さらに前記入力ビームと前記シードビームと前記第１参照ビームと第２参 照ビームの内の少なくとも１を変調する変調器手段を含むことを特徴とする請求 項８に記載の光学的位相共役鏡。
16. １６．前記４光波混合手段は非線形媒体を含むことを特徴とする請求項８に記載 の光学的位相共役鏡。
17. １７．さらに前記レーザ源を含むことを特徴とする請求項８に記載の光学的位相 共役鏡。
18. １８．さらに前記レーザ源と、前記入力ビーム及び前記出力ビームを増幅する前 記ブリュアン増幅器手段との間に配置される増幅器手段を含むことを特徴とする 請求項８に記載の光学的位相共役鏡。
19. １９．前記ビーム方向手段は前記第１と第２参照ビームの他方の光軸に相対して 前記第１と第２参照ビームの１の光軸を少し傾けるビーム方向付け手段を含むこ とを特徴とする請求項８に記載の光学的位相共役鏡。