KR20220072843A - 높은 필 팩터 광학 어레이 제조 방법 - Google Patents

높은 필 팩터 광학 어레이 제조 방법 Download PDF

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그레고리 디. 굿노
조슈아 이. 로텐베르크
제임스 지. 호
더스틴 귄터
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노스롭 그루먼 시스템즈 코포레이션
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Abstract

복수의 빔의 형상을 변경하는 빔 성형기 어레이 어셈블리를 제조하기 위한 방법. 방법은 복수의 커넥터 스템(connector stem)을 갖는 광학 단부 캡을 제공하는 단계, 광섬유를 스템의 각각에 용접하여 방사체(emitter) 어레이를 형성하는 단계 및 스템 반대편의 단부 캡에 인접하게 빔 성형기 어레이를 위치 설정하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은 각각의 광섬유의 각도 오차 및 위치 오차를 측정하는 단계, 각도 오차 및 위치 오차에 대하여 각각의 광섬유에 대한 보정을 계산하는 단계 및 계산된 보정을 사용하여 각각의 광섬유의 각도 및 위치를 보정하는 단계를 포함한다.

Description

높은 필 팩터 광학 어레이 제조 방법
본 개시 내용은 일반적으로 빔 성형기 어레이를 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 단부 캡 및 이에 용접된 복수의 광섬유를 갖는 방사체(emitter) 어레이와 빔 성형기 어레이를 포함하는 낮은 정밀도의 빔 성형기를 제조하는 단계, 광섬유 각도 및 위치 에러를 측정하는 단계 및 측정에 기초하여 광섬유 각도 및 위치 에러 보정을 제공하는 단계를 포함하는 빔 성형기 어레이 어셈블리를 제조하는 방법에 관한 것이다.
고출력 레이저 증폭기는 산업용, 상업용, 군용 등을 포함하는 많은 애플리케이션을 가지고 있다. 레이저 증폭기 설계자는 이러한 애플리케이션 및 기타 애플리케이션을 위하여 레이저 증폭기의 출력을 증가시키는 방법을 지속적으로 조사하고 있다. 하나의 알려진 유형의 레이저 증폭기는 시드 빔 및 시드 빔을 증폭하는 펌프 빔을 수신하고 고출력 레이저 빔을 생성하는 도핑된 광섬유(fiber)를 사용하는 광섬유 레이저 증폭기이고, 여기서 광섬유는 약 10 내지 20 μm 이상의 활성 코어 직경을 가진다. 광섬유 레이저 증폭기는 고효율, 고출력 확장성 및 우수한 빔 품질로 인해 지향성 에너지 무기의 에너지원으로서 유용하다.
광섬유 레이저 증폭기 설계에서의 개선은 이의 실제 출력 및 빔 품질 한계에 접근하기 위해 광섬유 증폭기의 출력 파워를 증가시켜 왔다. 출력 파워를 더욱 증가시키기 위해, 일부 광섬유 레이저 시스템은 증폭된 빔들을 소정의 방식으로 결합하여 더 높은 출력을 생성하는 다중 광섬유 레이저 증폭기를 사용한다. 이러한 유형의 광섬유 레이저 증폭기 시스템, 특히 목표물에 고에너지 빔을 지향시키는 지향성 에너지 무기에 사용되는 것에 대한 설계 과제는 빔이 작은 초점에 포커싱될 수 있도록 빔이 빔 직경에 걸쳐 균일한 위상을 갖는 단일 빔 출력 제공하는 방식으로 복수의 광섬유 증폭기로부터의 빔들을 결합하는 것이다. 결합된 빔을 긴 거리(원거리 필드(far-field))에 있는 작은 스폿에 포커싱하는 것은 빔의 품질을 정의한다.
빔 결합기 레이저 무기 시스템을 더 높은 출력으로 확장하는 두 가지 접근 방식이 있다. 한 가지 접근 방식은 스펙트럼 빔 결합(spectral beam combining(SBC))으로 알려져 있으며, 여기서 서로 다른 파장의 다중 레이저가 회절 격자 또는 기타 분산 광학 기기에서 단일 빔으로 결합된다. 다른 접근 방식은 코히어런트 빔 결합(coherent beam combining(CBC))으로 알려져 있으며, 여기서 다중 상호 코히어런트 레이저는 통속적인 말로 "위상 어레이(phased array)"라고 하는 구성인 서로 위상이 고정되고 빔 스플리터를 사용하여 근거리 필드에서 중첩하는 것 또는 합성 빔을 형성하도록 나란히 타일링하는 것에 의해 단일 빔으로 결합된다.
서로 다른 빔 결합 접근 방식 중에서, 위상 어레이 접근 방식은 우수한 빔 품질과 함께 단순히 더 높은 출력 이상의 부가된 효용을 제공한다는 점에서 독특하다. 나란히 있는 레이저 타일 사이의 상대 위상("피스톤(piston)")을 변경함으로써, 타일형 빔을 가로지르는 복합 파면이 합성될 수 있다. 이 합성된 파면은 어레이 요소에 걸쳐 선형 위상 램프를 적용하여 고속 빔 조종을 제공할 수 있거나, 더 일반적으로는 복합 타일형 빔에 접합한 파면(conjugate wavefront)을 부과함으로써 하류 파면 수차를 보상할 수 있다. 이것은 높은 플랫폼 지터에도 불구하고 고속으로 움직이는 목표물에서의 조준점 유지를 가능하게 할 수 있으며, 또한 대형 간섭 대기 난류 및 공기 광학 수차에도 불구하고 먼 목표물에서의 근거리 회절 제한 스폿의 형성을 가능하게 할 수 있다. 이와 관련하여, 능력은 본질적으로 전통적인 변형 가능한 거울(deformable mirror(DM))을 사용하는 빔 제어 시스템의 능력과 유사하지만, DM 하드웨어가 필요 없고 훨씬 더 빠른 작동 능력을 가진다. DM은 통상적으로 거울 표면을 물리적으로 변형해야 하기 때문에 작동 속도에 있어서 음향 등급(수 kHz) 속도로 제한되는 반면, 위상 어레이 피스톤은 상용 광섬유 결합 도파관 전기 광학 변조기를 사용하여 GHz 등급 속도로 작동될 수 있다. 이러한 빠른 속도는 빠르게 변화하는 파면 교란, 특히 움직이는 공기 플랫폼에 대한 공기 광학 효과로 인해 발생하는 파면 교란을 능동적으로 보상하는 데 바람직할 수 있다.
이러한 유형의 광섬유 어레이 증폭기에서는 플랫 탑(flat-top) 빔의 경우 고출력 빔에 의해 차지되는 결합된 빔 영역의 비율로 정의되는 높은 공간 필 팩터(fill factor)를 갖는 광섬유 빔 어레이를 제공하는 것이 바람직하다. 플랫 탑이 아닌 프로파일을 갖는 빔의 경우, 필 팩터는 1-σp2/(4P2)로 더 일반적으로 정의될 수 있고, 여기서 P는 평균 레이저 강도이고, σp2는 결합된 빔 영역에 걸친 레이저 강도의 변화이다. 이러한 시스템에서의 광섬유 빔 방사체(emitter)는 통상적으로 원형 근접 가우시안 프로파일을 갖는 빔을 방출하지만, 다른 비 가우시안 프로파일도 가능하며, 빔은 서로 바로 옆에 어레이로 배열된다. 그 다음, 광섬유 빔은 시준(collimating) 광학 기기에 의해 시준되며, 여기서 빔 사이의 공간은 원거리 필드에서 목표물을 벗어날 가능성이 있는 공간 사이드로브에서 광학 출력이 생성되도록 한다. 따라서, 원거리 필드에서 가장 작은 가능한 스폿을 얻기 위해 필 팩터를 증가시켜 목표물에 결합된 빔을 투사하는 망원경의 전체 개구(aperture)를 채우는 것이 바람직하다. 알려진 광섬유 증폭기 시스템은 통상적으로 필 팩터를 증가시키기 위하여 원형 가우시안 빔을 시준하는 렌즈를 사용한다. 그러나, 요소가 근접 가우시안 프로파일을 갖는 높은 필 팩터 빔 어레이는 빔의 날개 부분이 이웃하는 요소에 의해 차단되기 때문에 높은 클리핑 손실을 나타낸다. 따라서, 단순한 렌즈와 근접 가우시안 빔을 사용하여 가능한 것보다 더 높은 필 팩터와 더 낮은 클리핑 손실을 갖는 빔 성형기 어레이에 대한 요구가 있다.
도 1은 빔 성형기 어레이 어셈블리를 포함하는 CBC 광섬유 레이저 증폭기 시스템의 개략적인 블록도이고;
도 2는 도 1에 도시된 광섬유 레이저 증폭기 시스템으로부터 분리된 빔 성형기 어레이 어셈블리의 등축도이고;
도 3은 도 2에 도시된 빔 성형기 어레이 어셈블리에서의 빔 성형기 어레이의 정면도이고;
도 4a 내지 도 4f는 도 2에 도시된 빔 성형기 어레이 어셈블리를 통해 전파되는 광섬유 빔 중 하나에 대한 빔 프로파일이며, 빔이 하나의 빔 성형기 어레이로부터 다른 빔 성형기 어레이로 전파되어 원형 가우시안 프로파일로부터 정사각형 플랫 탑 프로파일로 진행함에 따라 빔 프로파일이 어떻게 진화하고 확장하는지를 도시하고;
도 5는 X 및 Y 방향 모두로 성형된 도 3에 도시된 빔 성형기 어레이에서의 빔 성형기 중 하나의 예시이고;
도 6은 X 방향으로 성형된 도 3에 도시된 빔 성형기 어레이에서의 빔 성형기들 중 하나의 예시이고;
도 7은 Y 방향으로 성형된 도 3에 도시된 빔 성형기 어레이에서의 빔 성형기 중 하나의 예시이고;
도 8은 도 2에 도시되고 트림 빔 성형기 어레이를 포함하는 빔 성형기 어레이 어셈블리의 등축도이고;
도 9는 블록의 대향하는 측들 상의 빔 성형기 어레이를 포함하는 도 2에 도시된 유형의 빔 성형기 어레이 어셈블리의 등축도이고;
도 10은 빔 성형기 어레이의 외부 에지가 원형 개구와 더 밀접하게 일치하도록 셀이 타일링된 다수의 개별 정사각형 빔 셀을 갖는 빔 성형기 어레이의 정면도이고;
도 11은 상이한 형상의 빔 셀을 갖는 빔 성형기 어레이의 정면도이고;
도 12는 상이한 크기의 빔 셀을 갖는 빔 성형기 어레이의 정면도이고;
도 13은 원형 개구에 대해 상이한 크기 및 형상의 빔 셀을 갖는 빔 성형기 어레이의 정면도이고;
도 14는 다이오드 레이저 바 빔 소스를 포함하는 도 2에 도시된 유형의 빔 성형기 어레이 어셈블리의 등축도이고;
도 15는 도 2에 도시된 빔 성형기 어레이 어셈블리와 유사한 1차원 빔 성형기 어레이 어셈블리를 포함하는 SBC 광섬유 레이저 증폭기 시스템의 개략적인 블록도이고;
도 16은 도 15에 도시된 증폭기 시스템으로부터 분리된 1차원 빔 성형기 어레이 어셈블리의 등축도이고;
도 17은 도 2에 도시된 유형의 빔 성형기 어레이 어셈블리를 포함하고 다중 디더링된 샘플 빔 위상 고정을 포함하는 하이브리드 CBC 및 SBC 광섬유 레이저 증폭기 시스템의 개략적인 블록도이고;
도 18은 도 17에 도시된 빔 성형기 어레이 어셈블리를 위한 단부 캡의 등축도이고;
도 19는 도 2에 도시된 유형의 빔 성형기 어레이 어셈블리를 포함하고 광학 헤테로다인 검출 위상 고정을 포함하는 다른 하이브리드 CBC 및 SBC 광섬유 레이저 증폭기 시스템의 개략적인 블록도이고;
도 20은 빔 성형기 어레이 어셈블리를 제조하기 위한 프로세스를 위한 프로세스를 도시하는 흐름도이고;
도 21은 단부 캡에 광섬유를 용접하고 망원경과 현미경을 사용하여 빔 각도 및 위치 에러를 측정하는 프로세스를 도시하는 1D 광학 어셈블리의 예시이고;
도 22는 빔 위치 에러를 나타내는 근거리 필드 이미지의 정면도이고;
도 23은 빔 각도 에러를 보여주는 원거리 필드 이미지의 정면도이고;
도 24는 원거리 필드 및 근거리 필드에서 빔을 이미징하기 위해 광학 요소를 사용하여 빔 성형기 어레이 어셈블리에 대한 빔 각도 및 위치 에러를 측정하는 프로세스를 도시하는 1D 광학 어셈블리의 예시이고;
도 25는 간섭계를 사용하여 빔 성형기 어레이 어셈블리에 대한 빔 각도 및 위치 에러를 측정하기 위한 프로세스를 도시하는 1D 광학 어셈블리의 예시이고;
도 26은 도 25의 간섭계에서의 이미지의 정면도이고;
도 27a 내지 27d는 어레이에서 광섬유의 각도를 보정하기 위한 프로세스를 도시하는 방사체 어레이의 측면도이고;
도 28a 내지 28c는 어레이에서 광섬유의 위치를 보정하기 위한 프로세스를 도시하는 방사체 어레이의 측면도이고;
도 29는 대향하는 사이드 브리지에 의해 광학 요소에 결합되는 단부 캡을 보여주는 광학 어셈블리의 예시이고;
도 30은 상부 브리지에 의해 광학 요소에 결합되는 단부 캡을 보여주는 광학 어셈블리의 예시이고;
도 31은 복수의 1D 광학 어셈블리 및 광학 요소를 포함하는 2D 광학 어셈블리의 예시이고; 그리고
도 32는 복수의 1D 광학 어셈블리 및 단일 광학 요소를 포함하는 2D 광학 어셈블리의 예시이다.
복수의 광섬유를 포함하는 빔 성형기 어레이 어셈블리를 제조하기 위한 방법에 관한 본 개시 내용의 실시예에 대한 다음의 논의는 본질적으로 예시일 뿐이며, 어떠한 방식으로도 본 개시 내용 또는 이의 적용 분야나 용도를 제한하려고 의도되지 않는다. 예를 들어, 제조된 빔 성형기 어레이 어셈블리는 CBC 또는 SBC 광섬유 레이저 증폭기 시스템에서의 방사체로서 특정 애플리케이션을 가진다. 그러나, 당해 업계에서의 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이, 빔 성형기 어레이 어셈블리는 다른 광학 시스템에 대한 애플리케이션을 가질 수 있다.
도 1은 광섬유(14) 상에서 중심 파장 λ를 갖는 연속파 주파수 변조 시드 빔을 생성하는 시드 빔 소스(12)를 포함하는 CBC 광섬유 레이저 증폭기 시스템(10)의 개략적인 블록도이다. 소스(12)는 단일 길이 방향 모드 분산 피드백(distributed feedback(DFB)) 다이오드 레이저 발진기와 같은 마스터 발진기(master oscillator(MO))와, 전기 광학 변조기(electro-optical modulator(EOM))와 같은 주파수 변조기를 포함할 수 있다. 변조된 시드 빔이 하류 고출력 광섬유 증폭기에서 시뮬레이션된 브릴루앙 산란(Brillouin scattering)을 억제하는 실질적으로 확장된 선폭을 갖도록, EOM은 화이트 노이즈 또는 PRBS(pseudo-random bit sequence)와 같은 주파수 변조 확장을 제공하는 RF 소스(도시되지 않음)로부터 증폭된 무선 주파수(RF) 전기 구동 신호에 의해 제공되는 인가 전압을 수신할 수 있다. 광섬유(14) 상의 변조된 시드 빔은 광 스플리터(16)에 의해 분할되어 동일한 파장 λ를 갖는 광섬유(18) 상의 복수의 분할된 시드 빔을 생성하며, 여기서 각각의 분할된 시드 빔은 위상 고정을 위하여 시드 빔의 서보 위상 제어를 제공하는 별도의 EOM(20)으로 전송된다.
광섬유(22) 상의 변조된 시드 빔의 각각은 Yb-도핑된 광섬유 증폭기와 같은 광섬유 증폭기(24)로 전송되며, 여기서 증폭기(24)는 통상적으로 광학 펌프 빔(도시되지 않음)을 수신하는 광섬유(22)의 도핑된 증폭 부분일 것이다. 모든 증폭된 빔은 광섬유(26) 상으로 지향되고 시스템 방사체로서 동작하는 아래에서 상세히 논의되는 빔 성형기 어레이 어셈블리(40)로 전송된다. 빔 성형기 어레이 어셈블리(40)로부터 방출된 증폭된 빔은 결합된 빔에서의 각각의 개별 빔의 샘플 부분을 샘플링하는 위상 감지 어셈블리(38)에서의 빔 스플리터(28)를 통해 결합된 증폭된 빔으로서 지향된다. 또한, 광 스플리터(16)는 기준 빔(58)을 변조하는 기준 빔 변조기(178)로 전송되는 기준 빔(58)을 생성하도록 구성된다. 기준 빔 변조기(178)는, 예를 들어, 기준 빔(58)의 중심 주파수를 시프트하는 음향 광학 변조기 또는 디지털 위상을 기준 빔(58)에 부여하는 EOM을 포함할 수 있다. 변조된 기준 빔(58)은 빔 확장기(78)에 의해 확장되어 평평한 파면을 제공하고 빔 스플리터(28) 상의 결합된 증폭된 빔과 중첩된다. 중첩된 기준 빔 및 샘플 빔의 강도는 광 검출기(32)의 어레이(30)에 의해 검출된다. 결합된 증폭된 빔의 주요 부분은 출력 빔(54)을 목표물(도시되지 않음)로 향하게 하는 빔 디렉터 망원경(beam director telescope)(34)으로 전송된다.
광 검출기(32)로부터의 전기 신호는 예를 들어 광학 헤테로다인 검출(optical heterodyne detection(OHD))과 같은 당해 업계에서의 통상의 기술자에게 잘 알려져 있는 위상 고정 기술을 사용하여 시드 빔의 위상을 보정하도록 EOM(20)을 제어하기 위해 위상 고정 컨트롤러(36)에 의해 사용된다. 그러나, 주파수 시프트된 기준 빔을 필요로 하지 않거나 대신 전체 빔 어레이를 단일 검출기 상으로 포커싱하는 원거리 필드 생성 렌즈를 사용할 수 있는 다른 위상 고정 기술(도시되지 않음)이 사용될 수 있고, 여기에서 각각의 채널에 대한 에러 신호는, 예를 들어, SPGD(stochastic Parallel Gradient Decent) 알고리즘과 같은 당해 업계에서의 통상의 기술자에게 잘 알려져 있는 다양한 다중 디더(multi-dither) 접근 방식을 이용하여 전기적으로 추출된다. 컨트롤러(36)는 파면 수차 데이터 또는 빔 조종 설정점과 같은 위상 설정점을 결정하기 위해 박스(58)에 의해 제공된 다른 데이터 및 정보를 수신할 수 있다. 더욱 구체적으로, 컨트롤러(36)는 샘플링된 빔들 사이의 위상차의 에러 신호를 제공하고, 이러한 에러 신호를 EOM(20)에 제공하여 모든 시드 빔이 위상 고정되도록 개별 시드 빔의 위상을 제어한다. 다시 말해서, EOM(20)은 결합된 증폭된 빔의 "피스톤(piston)" 위상이 빔 파면에 걸쳐 공간적으로 균일하도록 시드 빔 위상 제어를 제공한다. 또한, 이것은 전자 빔 조종을 위해 시드 빔의 위상이 서로에 대해 변경되도록 한다. 또한, 컨트롤러(36)는 측정된 대기 이상(atmospheric anomaly)를 보정하기 위하여 빔의 위상 제어를 부여할 수 있으며, 여기서, 빔(54)이 목표물에 충돌할 때 원하는 품질을 가지도록, 출력 빔(54)은 대기 수차를 통해 전파된 결과로서 보정된 파면 수차를 가질 수 있다.
도 2는 광섬유 레이저 증폭기 시스템(10)으로부터 분리된 빔 성형기 어레이 어셈블리(40)의 등축도이다. 논의될 바와 같이, 어레이 어셈블리(40)는 균일하거나 맞춤화된 위상 또는 동위상면(phase front)를 갖는 망원경(34)의 방출 개구에 걸쳐 균일하거나 맞춤화된 빔 강도로 거의 100%의 필 팩터를 제공한다. 위상은 위에서 설명된 바와 같이 빔 조종 또는 수차 보상을 위해 맞춤화될 수 있다. 어레이 어셈블리(40)는 광학 유리의 모놀리식 블록인 광학 단부 캡(42) 또는 모놀리식 블록의 그룹을 포함하며, 여기서, 증폭된 빔이 최소 반사를 가지면서 단부 캡(42) 내로 방출되고 마이크로미터 등급의 정밀도로 정밀하게 이격되도록, 광섬유(26)의 단부는 표면(46) 내로 기계 가공된 적합한 스템(stem)(44)에 의해 단부 캡(42)의 입력 표면(46)에 광학적으로 용접된다. 또한, 어레이 어셈블리(40)는 한 쌍의 이격된 타일형 빔 성형기 어레이(48, 50)를 포함하며, 여기서 각각의 빔 성형기 어레이(48, 50)는 각각의 빔에 대해 하나씩 빔 성형기를 갖는 밀집된 타일형 셀의 어레이를 포함하며, 이는 빔의 공간 위상 분포 또는 파면을 원하는 방식으로 성형되도록 변경한다.
도 3은 빔이 본 명세서에서 논의된 방식으로 포커싱되도록 성형된 표면을 갖는 빔 성형기(52)를 각각 갖는 정사각형 타일형 서브-개구 빔 성형기 셀(56)의 어레이를 도시하는 빔 성형기 어레이(48)의 정면도이고, 여기서 빔 성형기 어레이(48)로부터 빔 성형기 어레이(50)로의 전파 후에 빔은 원형 가우시안 프로파일로부터 셀(56)의 크기를 갖는 정사각형 플랫 탑(flat-op) 프로파일로 변경된다. 다시 말해서, 빔 성형기 어레이(48)는 빔이 전파될 때 빔이 평평해지고 빔 사이의 공간을 빛으로 채우도록 빔의 위상을 변경한다. 빔 성형기 어레이(50)는 빔 성형기 어레이(48)와 동일한 구성의 셀 및 빔 성형기를 포함하지만, 빔 성형기는 빔을 확장하는 대신 빔의 동위상면을 변경하여 빔이 더 전파될 때 빔을 플랫 탑 프로파일로 유지하도록 상이하게 성형된다. 이러한 비제한적인 실시예에서, 셀(56) 중 하나에 의해 제공되는 서브-개구 크기는 2×2 mm2이다.
언급된 바와 같이, 빔 성형기 어레이(48)는 원형 가우시안 형상의 증폭된 빔의 형상을 정사각형 플랫 탑 빔으로 변경하도록 동작하며, 여기서 정사각형 플랫 탑 빔은, 원하는 거의 100%인 필 팩터를 제공하기 위하여 빔 사이에 최소 갭이 있도록, 특정의 미리 정해진 전파 거리에 걸쳐 함께 매우 가까이 위치 설정된다(즉, 타일형으로 밀접한다). 다시 말해서, 광섬유(26)로부터의 가우시안 형상의 빔은 단부 캡(42)에 의해 2차원 어레이로 서로 옆에 위치 설정되며, 그 다음 가우시안 피크 사이의 저강도 영역은 빔 어레이에 걸친 빔 강도가 빔 사이의 최소 중첩과 최소 갭을 가지면서 일정하도록 빔 성형기 어레이(48)로부터 빔 성형기 어레이(50)로의 전파에 따라 빔 성형기 어레이(48)에 의해 채워진다. 빔 성형기 어레이(50)는 빔 성형기 어레이(48)로부터 미리 정해진 거리에 위치 설정되며, 빔 성형기 어레이(50)로부터의 출력 빔이 평평한 동위상면을 갖게 빔의 형상 변화를 멈추도록 동작한다.
도 4a 내지 도 4f는 증폭된 빔 중 하나에 대한 빔 프로파일로서, 빔이 빔 성형기 어레이(48)로부터 빔 성형기 어레이(50)로 전파하여 원형 가우시안 프로파일에서 정사각형 평면으로 이동함에 따라 빔 프로파일이 어떻게 진화하여 확장하는지를 도시한다. 특히, 도 4a는 가우시안 프로파일을 갖는 것으로서 빔 성형기 어레이(48)의 출력에서의 빔의 프로파일을 도시하고, 도 4b는 어레이(48)로부터 10 mm에서의 빔의 프로파일을 도시하고, 도 4c는 어레이(48)로부터 20 mm에서의 빔의 프로파일을 도시하고, 도 4d는 어레이(48)로부터 30 mm에서의 빔의 프로파일을 도시하고, 도 4e는 어레이(48)로부터 40 mm에서의 빔의 프로파일을 도시하고, 도 4f는 빔 성형기 어레이(50)로부터의 위치에 있는 어레이(48)로부터 50 mm에서의 빔의 프로파일을 도시한다. 그 다음, 빔 성형기 어레이(50)는 직사각형의 평평한 파면 빔을 제공하도록 빔의 잔류 위상 및 발산을 제거하기 위하여 확산된 빔을 접합하거나 시준한다. 인접한 서브 개구에서 빔의 중첩이 없거나 최소 중첩이 있기 때문에, 전자 빔 조종은 다양한 빔의 위상을 변경함으로써 사용 가능하다. 다시 말해서, 별도의 빔 풋프린트는 광섬유 레이저 증폭기 시스템(10)의 완전한 적응적 광학 기능을 보존한다.
빔 성형기(52)는 어레이(48)로부터 어레이(50)로의 전파 시에 빔 프로파일을 평평하게 하고 정사각형을 만들기 위해 필요한 형상을 얻기 위해 빔의 Z 전파 방향에 대해 X 및 Y 방향 모두로 성형된다. 빔 성형기(52)의 하나의 적합한 형상은 도 5에 도시되며, 여기서 형상은 하나의 표면 상에 형성된다. 이 실시예에서, 빔 성형기(52)의 기판 재료는 용융 실리카이고, X 및 Y 축은 각각 2 mm에 걸쳐 있고, Z 축은 마이크로미터 단위의 표면 릴리프(relief)를 나타낸다. 대안적으로, 별개의 표면이 빔 성형기의 형상의 X 및 Y 방향에 대하여 성형될 수 있다. 예를 들어, 도 6은 X 방향에 대하여 적합한 형상을 도시하고 도 7은 Y 방향에 대하여 적합한 형상을 도시한다. 별개의 X 및 Y 방향 형상이 동일한 빔 성형기 어레이의 대향하는 측들에 형성되거나 2개의 인접한 빔 성형기 어레이의 일측에 형성될 수 있다. 별개의 X 및 Y 방향 형상을 갖는 이러한 실시예는 빔 성형기 어레이(48, 50)의 최대 표면 릴리프를 감소시켜 이에 따라 높은 정확도로 더 쉽게 제조할 수 있도록 하기 때문에 결합된 X 및 Y 방향 형상에 비해 유리하다.
이 비제한적인 실시예에서, 빔 성형기 어레이(48)는 단부 캡(42)의 출력 표면으로부터 이격되어 도시된다. 그러나, 빔 성형기 어레이(48)는 단부 캡(42)의 출력 표면에 광학적으로 부착되거나 직접적으로 성형될 수 있다. 입력 표면(46)에 용접된 광섬유(26)의 팁(tip) 과 빔 성형기 어레이(48) 사이에 약간의 유효 자유 공간 거리를 제공하여 약간의 빔 확장을 허용하는 것이 필요하다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이 유효 자유 공간은 매체의 굴절률을 적절히 고려하여 유리 매체 내의 전파로 부분적으로 또는 전체적으로 구성될 수 있다. 광섬유 팁과 빔 성형기 어레이(48) 사이의 유효 자유 공간의 양은 광섬유(26) 사이의 서브-개구 피치(간격), 각각의 광섬유(26)로부터 방출된 가우시안 빔의 개구수(numerical aperture), 즉 발산(divergence), 및 망원경(34)의 개구에 따라 달라지며, 피치의 상당한 부분이 되는 빔 성형기 어레이(48)에서 빔 풋프린트 크기를 얻지만, 클리핑 손실 없이 서브-개구 내에서 완전히 포함되도록 하는 것이 목표이다. 따라서, 0.03의 개구수, 즉 반각 발산(half-angle divergence)을 갖는 전형적인 대형 모드 영역 광섬유와 2 mm의 피치에 대하여, 광섬유 팁과 빔 성형기 사이의 유효 자유 공간 거리는 약 10 mm가 될 것이다.
한 쌍의 빔 성형기 어레이(48, 50)가 이론상으로는 설명된 바와 같이 원하는 바에 따라 빔 성형을 제공할 수 있어야 하지만, 실제로는, 어레이(48. 50)와 단부 캡(42)의 제조 공차에 의해 부분적으로 유발될 수 있는 어셈블리(40)의 제조 공차와, 특정의 조립된 컴포넌트 세트에 대하여 측정될 수 있는 이들의 상대적 정렬에 의해 발생되는 빔 성형기 어레이(50)의 출력에서의 빔 강도 프로파일에 다양한 파면 수차 및 에러가 있을 가능성이 있다.
도 8은 광섬유 레이저 증폭기 시스템(10)으로부터 분리된 빔 성형기 어레이 어셈블리(40)의 등축도로서, 역수차를 제공하기 위하여 측정에 기초하는 파면 보정을 제공하도록 성형된 트림(trim) 빔 성형기 어레이를 포함하는 트림 빔 성형기 어레이(62)가 빔 성형기 어레이(50)에 인접하게 제공된다. 어레이(62) 내의 각각의 트림 빔 성형기 어레이 요소(64)는 측정된 에러에 기초하여 다른 것과 상이할 수 있다. 또한, 어셈블리(40)는 빔 성형기 어레이(48)에 인접하게 제공되고, 빔 성형기 어레이(48)로부터 빔 성형기 어레이(50)로의 빔의 전파 후에 빔 성형기 어레이(50)의 출력에서 측정된 강도 분포에서의 임의의 불균일성이 보정되도록 성형된 트림 빔 성형기 요소(68)의 어레이를 포함하는 트림 빔 성형기 어레이(66)를 포함한다. 어레이(66) 내의 각각의 요소(68)는 측정된 에러에 기초하여 다른 것들과 상이할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 예를 들어, 어레이(48, 50)와 같은 개별 컴포넌트 또는 광섬유(26), 커넥터(44) 및 단부 캡(42)을 포함하는 조립된 광섬유 단부 캡 어레이의 파면 수차는 개별적으로 측정될 수 있고, 트림 빔 성형기 어레이(62, 66)는 또한 각각 어레이(48, 50)에 인접하게 제공될 수 있다.
위에서 논의된 실시예에서, 빔 성형기 어레이(48, 50)는 별개의 요소이다. 대안적인 실시예에서, 2개의 빔 성형기 어레이는 빔이 블록을 통해 전파됨에 따라 낮은 필 팩터 빔이 플랫 탑의 높은 필 팩터 빔으로 변환되는데 필요한 두께를 갖는 단일 광학 블록의 대향하는 면(face)들에 제공될 수 있다. 이 실시예는 광학 블록(72), 블록(72)의 입력 표면에 광학적으로 부착되거나 직접 성형된 입력 빔 성형기 어레이(74) 및 블록(72)의 출력 표면에 광학적으로 부착되거나 직접 성형된 출력 빔 성형기 어레이(76)를 포함하는 빔 성형기 어레이 어셈블리(70)의 측면도를 도시하는 도 9에 예시되고, 여기서 빔 성형기 어레이(74)는 입력 표면(46)에 용접된 광섬유(26)의 팁과 빔 성형기 어레이(74) 사이에 유효 자유 공간 거리를 제공하기 위해 단부 캡(42)으로부터 이격되거나 부착될 것이다. 유사하게, 빔 성형기 어레이(48)는 단부 캡(42)의 표면에 직접 성형될 수 있다. 이러한 실시예는 고출력 빔이 통과하는 표면의 수를 줄여, 이에 따라 원치 않는 산란 또는 역반사로 인한 광출력 손실을 감소시키기 때문에 유리하다.
상기 실시예에서, 빔 성형기 어레이(48, 50)는 정사각형이다. 다른 실시예에서, 개별 빔 성형기 및 빔의 정사각형 타일링을 유지하지만, 결합된 빔의 외부 형상이 망원경(34)의 개구 형상과 더 밀접하게 일치하도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 도 10은 어레이(48, 50)로 사용될 수 있고 빔 성형기를 포함하는 다수의 정사각형 빔 성형기 셀(82)을 갖는 빔 성형기 어레이(80)의 정면도이고, 여기서 셀(82)은 빔 성형기 어레이(80)의 외부 에지(86)가 더 밀접하게 원형 조리개와 일치하도록 타일링된다. 또한, 본 명세서에 설명된 유형의 특정 광섬유 증폭기 시스템에서, 망원경(34)의 주 개구는, 예를 들어, 보조(secondary) 거울을 수용하기 위하여, 중앙 엄폐부(obscuration)를 가질 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해, 빔 성형기 어레이(80)는 엄폐부에 부딪힐 빔 출력을 낭비하지 않도록 빔이 전파되지 않는 중심 개구부(88)를 가질 수 있다.
모든 셀(56)이 동일한 정사각형 형상을 갖는다는 것이 위에서 제안되었지만, 다른 설계에서는 중앙과 같은 다른 영역에서 결합된 빔의 출력 또는 강도를 제어하는 것이 바람직할 수 있고, 여기서 외부 셀은 정사각형인 일부 셀 및 직사각형인 다른 셀과 같이 내부 셀과 상이한 형상을 가질 수 있어, 이에 따라 출력을 조정한다. 이 실시예는 어레이(48, 50)로서 사용될 수 있고 빔 성형기(94)를 갖는 다수의 정사각형 내부 성형기 셀(92)과 빔 성형기(98)를 갖는 다수의 직사각형 외부 빔 성형기 셀(96)을 갖는 빔 성형기 어레이(90)의 정면도를 도시하는 도 11에 예시된다.
또한, 셀(56)은 모두 동일한 크기를 가질 필요는 없으며, 도 10에 도시된 바와 같이, 다른 크기의 셀이 외부 또는 내부 둘레 형상을 더 잘 수용할 수 있다. 이 실시예는 어레이(48, 50)로서 사용될 수 있고 한 크기의 빔 성형기(104)를 구비한 다수의 정사각형 빔 성형기 셀(102) 및 다른 크기의 빔 성형기(108)를 구비한 다수의 정사각형 빔 성형기 셀(106)을 갖는 빔 성형기 어레이(100)의 정면도를 도시하는 도 12에 예시된다.
모든 셀(56)이 직선 어레이로 배열되는 것이 또한 위에서 제안되었지만, 다른 설계에서는 셀을 비직선 형상을 갖는 어레이로 배열하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 육각형 형상의 셀이 밀집된 육각형 어레이는 직선 형상의 셀보다 원형 빔 디렉터(director) 개구를 더 잘 채우는 데 유리할 수 있다. 또한, 개구 경계를 더 잘 수용하기 위해 다양한 셀 형상의 더욱 일반적인 적용이 바람직할 수 있다.
도 13은 이러한 특징을 예시하는 원형 개구(118)에 일치하도록 실질적으로 원형인 외부 둘레를 갖는 어레이(48, 50)로서 또한 사용될 수 있는 빔 성형기 어레이(116)의 정면도이다. 어레이(116)는 원형 형성을 제공하기 위해 육각형 셀(146), 직사각형 셀(148), 사다리꼴 셀(190), 삼각형 셀(192) 및 다이아몬드형 셀(194)을 포함하는 다양한 특수 형상의 빔 성형기 셀을 포함한다.
위의 실시예들이 광섬유 방사체의 어레이를 사용하지만, 대안적인 실시예는 다이오드 레이저 방사체와 같은 다른 유형의 레이저 방사체를 사용할 수 있으며, 여기서 방사체의 수는 상당히 증가될 수 있다. 더욱 구체적으로, 다이오드 레이저는 반도체에서 리소그래피 방식으로 제조되고, 여기서 종종 레이저가 밀접하게 배열될 수 있다. 도 14는 방사체 어레이(112)가 빔 성형기 어레이(48)의 입력 측에 제공되고 다이오드 레이저(114)를 포함하는, 채용될 수 있는 레이저의 유형을 일반화하는 레이저 시스템(110)의 예시이다.
빔 성형기 어레이(50) 후의 원하는 출력 강도 분포가 어레이 셀 각각에 대해 플랫 탑을 가지는 것이 위에서 제안되었지만, 일부 애플리케이션의 경우 이것이 바람직하지 않을 수 있다. 예를 들어, 빔 성형기 어레이(90, 100)의 구성을 이용하는 경우와 같이, 타일형 어레이의 중앙 셀이 주변 셀보다 높은 강도를 나타내는 원거리 필드 사이드로브를 최소화하기 위해 주변부 근처에서 낮은 값으로 테이퍼링되는 강도 분포를 갖는 타일형 어레이를 합성하려고 한다면, 강도가 어레이의 중심에 가장 가까운 셀의 에지 근처에서 더 크고 어레이(90)와 같은 어레이의 외부 경계에 있는 셀의 외부 에지 근처나 중심 개구부(88)와 같은 환형 링의 내부 에지 근처에서 더 작도록 어레이 내에서 셀의 일부 또는 전부 내부의 강도 분포를 테이퍼링하는 것이 또한 유리할 것이다. 이것은 어레이의 각각의 요소에 대해 고유할 수 있는 원하는 테이퍼링된 강도 분포를 생성하기 위해 2개의 빔 성형기 어레이에서 빔 성형기의 디자인을 맞춤화함으로써 달성될 수 있다.
빔 성형기 어레이 어셈블리(40)와 유사하지만 위상 고정에 의한 코히어런트(coherent) 결합을 사용하지 않는 빔 성형기 어레이 어셈블리가 또한 SBC 광섬유 레이저 증폭기 아키텍처에서 사용될 수 있다. 도 15는 특정 채널(122)에 대하여 광섬유(128)에서 중심 파장 λ를 갖는 연속파 주파수 변조 시드 빔을 생성하는 시드 빔 소스(124)를 각각 갖는 N개의 파장 채널(122)을 포함하는 아키텍처를 예시하는 SBC 광섬유 레이저 증폭기 시스템(120)의 개략적인 블록도이고, 각각의 시드 빔 소스(124)는 상이한 빔 파장 λ1 내지 λN을 생성한다. 광섬유(128) 상의 각각의 시드 빔은 Yb-도핑된 광섬유 증폭기와 같은 광섬유 증폭기(130)로 전송되며, 여기서 증폭기(130)는 통상적으로 광학 펌프 빔(도시되지 않음)을 수신하는 광섬유(128)의 도핑된 증폭 부분일 것이다. 모든 증폭된 빔은 빔 성형기 어레이 어셈블리(40)와 유사한 1차원 빔 성형기 어레이 어셈블리(132)로 지향되지만, 모든 빔이 상이한 파장을 갖기 때문에 위에서 논의된 바와 같은 위상 고정을 제공하지 않는다.
도 16은 증폭기 시스템(120)으로부터 분리된 1차원 빔 성형기 어레이 어셈블리(132)의 등축도이다. 빔 성형기 어레이 어셈블리(132)는 결합 축을 따라 하나의 광섬유 행(row)을 갖고, 결합 분산 축 및 직교하는 비결합 비분산 축 사이에 상이할 수 있는 빔 성형을 제공하는 1차원 어레이이다. 결합 축을 따라, 빔 성형은 완전히 채워진 직사각형 개구를 제공하도록 반드시 의도된 것은 아니지만, 오히려 입력 빔 형상보다 더 높은 필 팩터와 완만하게 테이퍼링된 강도 프로파일을 갖는 하이퍼 가우시안 형상 또는 유사한 형상일 수 있다. 빔 성형기 어레이 어셈블리(132)는 필 팩터를 증가시키기 위해 각각의 광섬유(128)로부터의 빔의 강도 분포를 평평하게 한다. 더욱 구체적으로, 빔 성형기 어레이 어셈블리(132)는 광섬유(128)가 결합되는 단부 캡(134)과, 도 4a 내지 도 4ㄹ에 도시된 어레이(48)와 유사한 방식으로 빔 강도를 확산시키는 빔 성형기를 포함하는 빔 성형기 어레이(136)와, 빔 성형기 어레이 어셈블리(132)가 파장이 다양한 증폭된 높은 필 팩터 빔의 세트를 자유 공간 내로 출력하도록 어레이(50)와 동일한 방식으로 빔 확산을 중지시키는 빔 성형기를 포함하는 빔 성형기 어레이(138)를 포함하고, 여기서 개별 빔 파장 λ1 내지 λN은 약간 다른 방사체 위치로부터 전파된다.
높은 필 팩터 빔은 다양한 빔을 시준하고 이를 SBC 격자(142) 상으로 지향시켜 모든 개별 빔이 격자(142)에 영향을 미치고 동일한 풋프린트에서 중첩되도록 하는 시준 광학 기기(140)의 세트로부터 반사된다. 격자(142)는 개별 빔 파장 λ1 내지 λN을 공간적으로 회절시키고, 결합된 출력 빔(144)과 동일한 방향으로 개별 증폭 빔을 지향시킨다.
SBC 빔 품질은 회절 격자(142)로부터의 각도 분산에 의해 제한된다. 개별 광섬유 증폭기가 주파수 변조로 인해 유한한 광학 선폭을 가지기 때문에, 출력은 회절 격자(142)로부터의 회절에 따라 상이한 방향으로 확산될 것이다. 이러한 상이한 방향의 폭이 회절 제한 각도에 비하여 상당하다면, 빔 품질은 저하될 것이다. 빔 품질에서의 저하는 회절 제한 각도를 증가시키는 결합 분산 축을 따르는 격자(142) 상의 빔 풋프린트의 크기를 감소시킴으로써 최소화될 수 있다. 격자(142)가 어레이(138)의 푸리에 평면에 있기 때문에, 이는 어레이(138)에서의 개별 빔 크기에서의 증가에 대응한다. 따라서, 어레이(138)의 결합 축을 따른 높은 공간 필 팩터는 개선된 빔 품질을 제공한다. 가우시안 빔의 어레이의 경우, 어레이(138)에서의 필 팩터는 손실된 출력으로 이어지는 가우시안 빔의 날개를 자르지 않고 증가될 수 없다. 성형된 높은 필 팩터 빔의 어레이, 예를 들어, 하이퍼-가우시안 성형된 빔의 어레이의 경우, 어레이(138)의 공간 필 팩터는 클리핑 손실 없이 증가될 수 있고, 따라서 출력 손실 없이 개선된 빔 품질로 이어진다.
레이저 시스템(120)의 SBC 구성에 대해, 어레이(138)로부터 출력된 빔의 형상은 모든 빔에 대해 최적으로 동일할 것이다. 그러나, 빔 형상은 결합 축과 비결합축을 따라 다를 수 있다. 결합 축을 따라, 빔은 각도 분산으로 인한 빔 품질 손실을 최소화하도록 더 높은 필 팩터를 제공하기 위해 위에서 논의된 바와 같이 성형될 수 있다. 비결합 축을 따라, 빔은, 예를 들어, 격자(142)에서 근접 가우시안 빔 프로파일을 생성하기 위해 성형되지 않은 채로 남을 수 있다. 이는 크기가 1× 내지 2× 회절 제한(DL)인 원거리 필드 목표물 상에 출력을 최대화하는 데 유리할 수 있으며, 이것이 2x 회절 제한보다 더 큰 각도로 원거리 필드 사이드로브 내로 회절되는 출력을 최소화하기 때문이다. 대안적으로, 빔은, 망원경 개구에서 강도가 거의 0으로 테이퍼링되면서, 격자(142)에서 높은 필 팩터 프로파일을 생성하도록 비결합 축을 따라 성형될 수 있다. 이것은 망원경 개구에서의 클리핑 손실을 최소화하면서 크기가 1× 회절 제한 미만인 목표물에서 원거리 필드 피크 강도를 최대화하기 위해 빔 디렉터 망원경을 완전히 채우는 데 유리할 수 있다. 출력 빔 품질에 대한 격자(142)의 분산 영향은 격자(142)에 입사하는 성형된 빔이 분산 방향으로는 좁지만 직교 비분산 방향으로는 더 넓도록 빔 성형기 어레이(136, 138)와 시준 광학 기기(140) 세트를 선택함으로써 최소화될 수 있다. 이러한 비대칭 구성은 격자(142)에서의 피크 복사 조도(irradiance)를 낮추면서 결합된 빔 품질의 저하를 최소화한다.
단부 캡(42)에 결합되는 광섬유의 수는 일반적으로 밀접하게 이격된 광섬유를 단부 캡(42)에 결합하는 능력의 기계적 제한에 의해 제한된다. SBC 및 CBC 아키텍처 모두에서 결합될 수 있는 빔의 수 다른 이유로 제한된다. 특히, SBC에 필요한 1차원 선형 광섬유 어레이는 비현실적으로 클 수 있다. 그러나 CBC 및 SBC 결합 빔 제공의 한계는 CBC 및 SBC 아키텍처를 모두 결합하는 하이브리드 광섬유 레이저 증폭기 아키텍처에 의해 증가될 수 있다. 이것은 한 방향으로 CBC 결합 빔을 제공하고 직교 방향으로 SBC 결합 빔을 제공함으로써 달성될 수 있다. 이러한 결합된 CBC 및 SBC 아키텍처는 위에서 논의된 빔 성형기 어레이 어셈블리(40) 또는 빔 성형기 어레이 어셈블리(132)에 의해 제공되는 빔 필 팩터로 개선될 수 있다.
여러 아키텍처가 하이브리드 CBC 및 SBC 광섬유 레이저 증폭기 시스템에서 빔 위상을 측정하기 위해 사용될 수 있다. 도 17은 하나의 이러한 아키텍처를 예시하는 하이브리드 CBC 및 SBC 광섬유 레이저 증폭기 시스템(150)의 개략적인 블록도이고, 시스템(10)과 유사한 요소는 동일한 참조 번호로 식별된다. 시스템(150)은 N개의 SBC 채널(152)을 포함하고, 여기서 각각의 채널(152)은 시스템(10)에 도시된 바와 같이, 파장 λi를 갖는 시드 빔 소스(12)(i는 1 ≤ i ≥ N의 범위에 있음), 스플리터(16), EOM(20) 및 증폭기(24)의 개별 그루핑을 포함한다. 이와 같이, i번째 채널(152)은 개별적으로 증폭되고 동일한 파장 λi을 갖는 M개의 다중 시드 빔으로 분할되는 단일 파장 λi 시드 빔을 포함하며. 여기서 M개의 EOM(20)의 N개 그룹이 있으며, 모든 채널(152)은 상이한 빔 파장 λ1 내지 λN 의 각각에서 증폭되는 M×N 시드 빔을 함께 생성한다. M×N 광섬유(26) 모두는 M×N 출력 빔(162)을 출력하는 도 2에 도시된 유형의 입력 빔 성형기 어레이(158) 및 출력 빔 성형기 어레이(160)를 포함하는 빔 성형기 어레이 어셈블리(156)의 일부인 단부 캡(154)에 결합된다.
도 18은 시스템(150)으로부터 분리된 단부 캡(154)의 등축도이다. 단부 캡(154)은 입력 측(166) 및 출력 측(168)을 갖는 광학 블록(164)을 포함하며, 여기서 화살표(172)로 식별되는 비분산 CBC 축은 블록(164)의 일측을 따라 정의되고, 도 17에서 지면(paper)의 평면에 수직이며, 화살표(170)로 식별되는 분산 SBC 축은 블록(164)의 수직 측을 따라 정의되고, 도 17에서 지면의 평면 내로 있다. 광섬유(26)는 블록(164)의 입력 측(166)에 광학적으로 결합되고 각각의 광섬유(26)로부터의 빔(174)은 블록(164)의 출력 측(168)에 도시되며, 여기서 CBC 축(172)을 따른 각각의 행의 빔(174)은 동일한 파장 λi를 갖고 채널(152) 중 하나에 의해 제공되며, SBC 축(170)을 따른 각각의 열(column)의 빔(174)은 다중 파장 λ1 내지 λN을 포함하고 채널(152) 중 다른 채널들에 의해 제공된다. 빔의 위상 고정이 CBC 축(172)을 따라 발생하고 빔 강도 평탄화가 발생하여 SBC 축(170)을 따라 필 팩터를 증가시키도록, 빔을 수신하는 빔 성형기 어레이(158, 160)는 위에서 논의된 방식으로 구성된 셀 및 빔 성형기를 가질 것이다.
빔 성형기 어레이(160)로부터의 M×N 빔(162)은 원통형 광학 시스템(196)에 의해 시준되고 회절 격자(142)와 유사한 방식으로 동작하는 회절 격자(198) 상으로 지향된다. 광학 시스템(196)은 지면의 평면에서 분산 SBC 축(170)을 따라 곡률을 가진다. 광학 시스템(196)의 초점 거리는 N개의 서로 다른 파장 λi 모두가 격자(198)에 정확한 각도로 입사하여 격자(198)로부터의 모든 회절된 출력 빔이 가능한 최고의 정밀도로 동일한 방향으로 함께 전파되는 것을 보장하도록 선택된다. 그 결과, 격자(198)로부터의 결합된 출력 빔(176)은 지면에 직교하는 CBC 축(172)을 따라 타일링된 M개의 평행한 빔을 포함하고, 하나의 축을 따른 개별 빔의 위상 제어와 수직 축을 따른 공간적으로 회절된 빔을 가질 것이다.
또한, 개별 검출기(186)를 갖는 검출기 어레이(184) 상으로 렌즈(182)에 의해 포커싱되는 약한 정반사성(specular) 0차 빔(180)이 격자(198)로부터 반사된다. 빔(180)을 포함하는 파장 그룹이 선형 어레이에서 상이한 각도로 전파되기 때문에, 각각의 파장 그룹에 대하여 렌즈(182)로부터의 포커싱된 빔은 라인을 따라 분리되어 검출기(186)의 선형 어레이로 지향될 수 있다. N개의 검출기(186) 각각은 각각의 파장 그룹을 포함하는 M개의 포커싱된 CBC 빔의 중첩을 수신한다. 각각의 검출기(186)에서의 강도는, 예를 들어, SPGD 알고리즘을 사용하여 각각의 파장 그룹에 대해 대응하는 EOM(20)에 위상 고정 제어 신호와 중첩된 디더(dither) 신호를 제공하는 다중 디더 프로세서(188)에 의해 최대화된다.
도 19는 위상 감지 및 제어 특징을 제외하고 증폭기 시스템(150)과 유사한 다른 하이브리드 CBC 및 SBC 광섬유 레이저 증폭기 시스템(200)의 개략적인 블록도이며, 여기서 시스템(150)과 유사한 요소는 동일한 참조 번호로 식별된다. 이 실시예에서, 스플리터(16)는 각각의 파장 그룹에 대한 기준으로서 사용될 기준 빔(202)을 제공한다. 각각의 기준 빔(202)은 변조기(204)에 의해 변조되고, 변조된 모든 기준 빔(202)은 파장 분할 멀티플렉서(wavelength division multiplexer(WDM))(206)에 의해 단일 광섬유(208) 상으로 결합된 다음, 렌즈(210)에 의해 시준되어 대형 다색 평면 기준 빔(212)을 형성한다. 샘플 광학 기기(216)에 의해, 평면 기준 빔(212)은 빔 성형기 어레이(160)로부터 전송된 M×N 빔(162)의 작은 샘플과 결합된다.
결합된 기준 빔(212) 및 샘플링된 M×N 빔(162)은 개별 검출기(220)를 포함하는 2D M×N 검출기 어레이(218)에 의해 수신되며, 여기서 파장 필터(도시되지 않음)가 주어진 검출기(220)에 대하여 의도된 정확한 파장 λi 이외의 파장을 갖는 기준 빔(212)으로부터 노이즈를 제거하기 위하여 어레이(218)에 사용될 수 있다. 대안적으로, 검출기 어레이(218)는 주어진 검출기(220)에 대해 의도된 정확한 파장 이외의 파장을 갖는 기준 빔으로부터 발생하는 DC 광전류를 거부하도록 AC 결합될 수 있다. 어레이(218)에서의 각각의 검출기(220)로부터의 헤테로다인 간섭 신호 신호는 각각의 파장 λi에서 M개의 빔의 각각의 그룹을 위상 고정하기 위하여 EOM(20)에 위상 보정 신호를 제공하는 OHD 프로세서(222)로 전송된다.
증폭기 시스템(150, 200)이 특정 위상 제어 접근 방식을 제공하지만, 다른 접근 방식이 적합할 수 있다는 점에서 이것은 비제한적이라는 점에 유의하라. 하이브리드 광섬유 레이저 증폭기 시스템(150, 200)에서의 필수 요소는 CBC 빔이 시스템(10)과 유사하게 원하는 위상 프로파일을 가지면서 함께 위상 고정되어야 한다는 것이다. 하이브리드 시스템(150, 200)에서의 본질적인 차이점은, 다른 차원에서의 빔이 스펙트럼으로 결합되기 때문에, CBC 빔이 한 차원에만 있다는 것이다.
위에서 논의된 다양한 실시예에서 빔 성형기 어레이 어셈블리(40)에 대하여 필요한 광학 정렬 정밀도를 획득하는 것이 매우 어렵기 때문에 빔 성형기 어레이 어셈블리(40)가 빔에서 발생하는 상당하고 다양한 파면 수차와 에러를 방지하기에 충분한 정확성으로 제조되지 않을 수 있다고 위에서 언급되었다. 예를 들어, 광섬유(26)를 스템(44)에 용접하기 위한 알려진 제조 공정은 일반적으로 위치 및 각도 에러 모두를 완전히 방지하기에는 충분히 정확하지 않으며, 이는 빔 편차를 초래한다. 또한, 기계적 공차로 인한 렌즈 제조 및 통합에서 발생할 수 있는 추가 에러는 런처(launcher) 어레이 빔 편차를 초래한다. 에러는 일반적으로 광 경로를 따라 3개의 상이한 위치에서 보정될 수 있으며, 다시 말하면, 광섬유(26)와 스템(44) 사이의 용접 조인트를 변경하고, 빔 성형기 어레이 어셈블리(40)를 변경하고, 트림 빔 성형기 어레이(62, 66)과 같은 트림 플레이트를 제공함으로써 보정될 수 있다. 이러한 파면 수차를 보정하는 한 가지 방법은, 위에서 논의된 바와 같이, 수차를 측정하고 트림 빔 성형기 어레이(62, 66)를 제공하는 것이다. 그러나, 다른 기술이 수차를 보정하기 위하여 사용될 수도 있다. 이러한 기술 중 일부에 대한 자세한 설명은 아래에서 논의된다.
도 20은 광학 요소, 특히 빔 성형기 어레이 어셈블리(40)를 제조하고 보정하는 일반적인 프로세스를 설명하는 흐름도(230)이다. 박스(232)에서, 광학 요소, 예를 들어, 상당한 제조 에러가 어셈블리(40)에서 존재할 가능성이 있는 저가이고 낮은 정밀도의 제조 프로세스를 이용하여 어셈블리(40)가 제조된다. 어셈블리(40)를 제조하기 위한 이 프로세스 단계 동안, 스템(44)을 갖는 단부 캡(42)이 제공되고 광섬유(26)가 스템(44)에 광학적으로 용접되어 1D 방사체 어레이와 같은 방사체 어레이를 형성한다. 다수의 1D 방사체 어레이가 함께 조립되어, 예를 들어, 2D 방사체 어레이를 형성할 수 있다. 그 다음, 1D 또는 2D 방사체 어레이는, 예를 들어, 빔 성형기 어레이(48, 50)와 통합된다. 박스(234)에서, 예를 들어, 어셈블리(40)에 의해 발생된 파면 에러는 분포 센서 상으로 이미지 릴레이를 생성하는 광학 시스템을 이용하여 빔 성형기 어레이(48)의 평면, 빔 성형기 어레이(50)의 평면 및 원거리 필드 평면으로부터 측정되며, 여기서 센서는 방사 조도 분포를 측정하기 위한 카메라 또는 파면을 분포를 측정하기 위한 간섭계(interferometer)일 수 있다. 상자(236)에서 에러를 수정하는 데 사용되는 처방 및 구제책에 대한 계산이 수행된다. 박스(238)에서, 예를 들어 빔 성형기 어레이 어셈블리(40)를 재제조하고, 독립형 광학 트림 플레이트를 제공하고, 광섬유 방출기 위치 및 각도 트리밍을 변경하는 등의 처방(prescription)에 기초하여 에러를 보정하기 위해 적절한 프로세스가 수행된다. 추가 보정이 필요하다면. 프로세스는 파면 에러를 다시 측정하기 위해 박스(234)로 되돌아간다. 보정이 성공적이면 빔, 박스(240)에서 빔 성형기 어레이 어셈블리(40)는 정확하고 사용할 준비가 갖추어 진다.
광학 요소를 제조하기 위해 위에서 논의된 다양한 단계는 다수의 적합한 방법 및 프로세스에 의해 수행될 수 있다. 이러한 프로세스 중 일부가 아래에서 논의되며, 그 중 일부는 2019년 4월 23일 Goodno 등에게 허여되고, Fiber Launcher라는 제목을 가지며, 본 출원의 양수인에게 양도되고 본 명세서에 참조로 포함되는 미국 특허 번호 제10,267,992호와 관련될 수 있다.
도 21은 방사체 어레이(248)를 형성하기 위하여 고전압 전극, CO2 레이저 빔, H2+O2 화염, 그래파이트 필라멘트, 텅스텐 필라멘트 등으로부터의 플라즈마 아크와 같은 임의의 적합한 광학적인 용접 프로세스를 이용하여 광섬유(256)(대목표물`인 것으로 이의 4개가 도시됨)가 광학적으로 용접될 기계 가공된 스템(254)을 갖는 단부 캡(252)을 포함하는 1D 광학 어셈블리(250)의 예시이다. 어셈블리(250)는 화살표(268)로 표시된 전역 좌표에 대해 캘리브레이션된 마이크로미터 레벨의 해상도가 가능한 고정 광학 이미징 시스템(266)을 포함한다. 단부 캡(252)은 화살표(262)로 표시되는 병진 운동 스테이지에 위치 설정되어, 광섬유(256)가 용접될 각각의 스템(254)의 단부에서 이미징 포인트(270)를 정의하기 위하여 단부 캡(252)과 연관된 광학적 기점(fiducial)의 이미징 및 정밀한 병진 운동에 의해 단부 좌표를 전역 좌표(268)에 일치시킨다. 광섬유(256)가 스템(254)에 용접되기 전에, 광섬유(256)는 화살표(260)로 표시된 병진 운동 스테이지에 장착되며, 여기서 광섬유(256)는 일단 광섬유(256)가 스템(254)에 용접되면 병진 스테이지(260)로부터 분리된다. 광학 소스(258)는 이미징 시스템(266) 및 이미징 포인트(270)를 사용하여 스템(254)에 광섬유(256)를 정렬하는 데 사용될 광섬유(256)의 코어를 따라 전파되는 광학 모드를 갖는 광학 빔(264)을 제공한다. 특정 스템(254)에 부착되는 특정 광섬유(256)는 빔(264)에 의해 조명되고 단부 캡 좌표(262)에 대한 광학 빔 모드 위치를 이미징함으로써 안내되는 특정 스템(254)으로 스테이지(260)에서 이동된다. 광섬유 팁과 스템 팁은 국부적으로 용융되고 자동화된 지그(도시되지 않음)에 의해 결합된다. 용융된 조인트가 냉각된 후, 광섬유(256)의 기계적 고정이 해제된다. 이러한 단계들은 모든 광섬유(256)가 단부 캡(252)에 연결될 때까지 각각의 광섬유(256)에 대해 반복된다.
광섬유(256)가 스템(254)에 용접되면, 다음 단계는 광섬유(256)로부터 방출되는 각각의 빔(264)의 위치, 배향 및 각도를 측정함으로써 전역 좌표(268)에 대한 광섬유(256)의 위치 및 각도 에러를 결정하는 것일 수 있다. 방사체 어레이(248)는 정밀 인코더를 사용하여 원하는 위치로 이동될 수 있다. 이러한 측정을 획득하기 위해서, 현미경(274)이 빔(264)의 위치 에러를 결정하기 위해 빔(264)의 근거리 필드 이미지(276)를 제공하는 데 사용되고, 망원경(278)이 빔(264)의 포인팅 방향(각도) 에러를 결정하기 위해 빔(264)의 원거리 필드 이미지(280)를 제공하는 데 사용된다.
도 22는 빔(264)이 광섬유(256)로부터 방출되고 있고 빔(264)의 중심점(282)과 이상적인 x, y 위치(285) 사이의 x 및 y 방향으로의 에러를 도시하는 빔의 근거리 필드 이미지(276)의 정면도이다. 도 23은 타겟 중심점(286)에 대한 빔(264)의 중심점(282)의 x, y 방향으로의 에러를 도시하는 원거리 필드 이미지(280)의 정면도이다. 렌즈(도시되지 않음)가 이러한 에러를 보정하는 데 사용될 수 있다.
도 24는 광학 어셈블리(250)와 유사한 1D 광학 어셈블리(290)의 예시이며, 여기서 유사한 요소는 동일한 참조 번호로 식별된다. 어셈블리(290)는 예를 들어 어레이(48, 50) 중 하나를 나타내는 렌즈(294)를 갖는 광학 빔 성형기 요소(292)가 단부 캡(252) 옆에 위치 설정될 때 근거리 필드 및 원거리 필드에서 빔(264)의 위치 및 각도 에러를 결정한다. 이 설계에서, 요소(292)는 화살표(296)로 표시된 병진 운동 스테이지에 장착된다. 빔(264)은 일반적으로 요소(292)로부터 시준된 빔(298)으로서 출력된다. 시준된 빔(298)은 빔 스플리터(300)에 의해 분할되고 하나의 분할된 빔이 근거리 필드 이미지(276)를 생성하기 위해 릴레이 광학 기기(302)로 전송되고, 다른 분할된 빔이 원거리 필드 이미지(280)를 생성하기 위하여 원거리 필드에서 렌즈(304)에 의해 포커싱되며, 여기서 근거리 필드 이미지(276)와 원거리 필드 이미지(280)는 요소(292)의 이미지 평면에 있고 광섬유(256)의 팁에는 없으며, 이미지 평면은 빔 성형기 어레이(50)에 있을 수 있다.
또한, 빔(264)의 위치 및 각도 에러는 간섭계를 사용하여 측정될 수 있다. 도 25는 이를 예시하는 1D 광학 어셈블리(310)의 예시이며, 여기서 어셈블리(290)와 유사한 요소는 동일한 참조 번호로 식별된다. 이 설계에서, 간섭계(312)는 빔 스플리터(300)의 하류에 제공된다. 간섭계(312)에서 생성된 이미지(316)의 정면도가 도 26에 도시되고, 각각의 시준된 빔(298)의 간섭 패턴(318)을 도시한다. 간섭 패턴(318)의 중심과 원하는 위치 사이의 오프셋 에러가 빔 위치 및 각도를 보정하는 데 사용될 수 있다.
도 27a 내지 27d는 광섬유(256)의 빔 포인팅 편차 각도를 보정하기 위한 프로세스를 도시하는 방출기 어레이(320)의 예시이고, 어셈블리(290)와 유사한 요소는 동일한 참조 번호로 식별된다. 포인팅 보정을 하도록 광섬유(256)를 구부리기 위한 방향 및 크기를 결정하기 위해, 도 27a에 도시된 바와 같이, 위에서 논의된 것과 같은 임의의 적절한 프로세스를 사용하여 빔(264)의 포인팅 각도 에러가 측정된다. 측정은, 도 27b에 도시된 바와 같이, 각도 에러에 반대하는 방향으로 광섬유(256)를 구부리고 유지하기 위해 광섬유(256)와 스템(254) 사이에서 용접 조인트(322)로부터 약간 떨어진 거리(예를 들어, 수십 밀리미터)에서 광섬유(256)에 가해질 정적 힘(324)을 결정하는 데 사용되고, 여기서, 빔의 각도 에러는 광섬유(256)가 구부러질 때 변경되지 않는다. 도 27c에 도시된 바와 같이, 유리를 연화시키기에 충분하지만 용융시키지 않는 임의의 적절한 기술에 의해 국부적 가열(326)이 광섬유(256)와 스템(254) 사이의 용접 조인트(322) 근처의 스템(254)에 가해진다. 연화 시, 유리는 힘(324)에 의해 생성된 내부 응력이 완화될 때까지 빔 포인팅 각도가 변경되도록 하는 힘(324)에 응답하여 변형될 것이다. 가열이 중지되고, 용접 조인트(322)가 냉각된 후, 힘(324)이 제거된다. 도 27d에 도시된 바와 같이, 유리 변형은 용접 조인트(322)에서의 광섬유 각도 변화로 인해 빔 포인팅 각도가 변경되도록 한다. 빔 포인팅 방향이 특정 허용 공차 이내가 될 때까지 프로세스가 반복된다.
도 28a 내지 28c는 광섬유(256)의 위치 에러를 보정하기 위한 프로세스를 도시하는 방출기 어레이(330)의 예시이고, 어셈블리(290, 320)와 유사한 요소는 동일한 참조 번호로 식별된다. 스템 형상 변경 방향 및 크기를 결정하기 위하여, 도 28a에 도시된 바와 같이, 빔(264)의 빔 위치 오차(332)가 위에서 논의된 것과 같은 임의의 적절한 프로세스를 사용하여 측정된다. 예를 들어, 매우 놀은 용융점을 갖고 고전압에 양립될 수 있는 사파이어 롯드(rod)에 의한 정적인 힘(334)이 빔 위치 편차와 반대 방향으로 가해진다. 고온 유리 및 열원에 대한 근접성 때문에, 스템(254)에 물리적으로 접촉하는 힘을 가하는 장치는 주변 유리에 오염을 유발하지 않으면서 고온 및 고전압 국부 환경과 양립할 수 있어야 한다. 도 28b에 도시된 바와 같이, 유리를 연화시키기에 충분하지만 용융에 도달하지 않는 국부적 가열(326)이 스템(254)에 적용되어, 이에 따라 스템(254)이 정적인 힘에 의해 변형될 수 있게 한다. 가열이 중지되고, 용접 조인트(322)가 냉각된 후, 힘(334)이 제거된다. 도 28c에 도시된 바와 같이, 유리 변형은 스템(254)의 형상으로 인해 빔 위치 편차가 변경되도록 한다. 빔 위치 편차가 특정 허용 공차 이내가 될 때까지 이 프로세스가 반복된다.
요소(292)의 적절한 위치가 단부 캡(252)에 대해 설정되고 거기에서 고정 장치(fixture)(도시되지 않음)에 의해 유지되면, 요소(292)는 예를 들어 어셈블리의 일부로서 단부 캡(252)에 연결될 필요가 있다. 도 29는 단부 캡(252)과 요소(292)의 측부 표면에서 대향하는 측부 브리지(342, 344)에 의해 단부 캡(252)에 연결된 요소(292)를 도시하는 1D 광학 어셈블리(340)의 예시로서, 어셈블리(290)와 유사한 요소는 동일한 참조 번호로 식별된다. 단부 캡(252)과 요소(292)의 상부 표면에서 대향하는 상부 브리지(352)에 의해 단부 캡(252)에 연결된 요소(292)를 도시하는 1D 광학 어셈블리(350)의 예시로서, 어셈블리(290)와 유사한 요소는 동일한 참조 번호로 식별된다. 브릿지(342, 344, 352)는 접착제, 용접, 확산 접합, 광학 접촉 등과 같은 임의의 적절한 방식에 의해 단부 캡(252) 및 요소(292)에 고정될 수 있다.
위에서 논의된 다수의 1D 광학 어셈블리가 위에서 논의된 임의의 기술에 의해 구성 및 정렬되면, 2개 이상의 1D 광학 어셈블리가 서로 적층되어 2D 광학 어셈블리를 형성할 수 있다. 도 31은, 도시된 바와 같이, 제1 행 1D 광학 어셈블리(362), 광학 어셈블리(362) 상에 적층된 제2 행 1D 광학 어셈블리(364) 및 광학 어셈블리(364) 상에 적층된 제3 행 1D 광학 어셈블리(366)를 포함하는 적층된 2D 광학 어셈블리(360)의 예시이고, 어셈블리(340)와 유사한 요소는 동일한 참조 번호로 식별된다. 광학 어셈블리(362, 364, 366)가 조립될 때 광학 어셈블리(362, 364, 366)를 정렬하기 위해 적절한 정밀 병진 테이블(도시되지 않음)이 사용될 수 있고, 이는 임의의 적절한 기술에 의해 적절한 위치에서 함께 고정될 수 있다. 트림 빔 성형기 어레이(62, 66)와 같은 보정기 렌즈 어셈블리(도시되지 않음)가 추가 빔 정렬 보정을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
대안적으로, 광섬유(256)는 2D 광학 어셈블리의 일부가 될 각각의 1D 광학 어셈블리에서 단부 캡(252)에 정렬될 수 있고, 그 다음 함께 적층된 후, 단일 조각 2D 광학 요소가 스택에 정렬될 수 있다. 도 32는 서로 적층되고 정렬된 후 단일 2D 요소(372)와 정렬된 광학 어셈블리(362, 364, 366)를 포함하는 광학 어셈블리(370)를 도시하며, 어셈블리(360)와 유사한 요소는 동일한 참조 번호로 식별된다.
전술한 논의는 단지 본 발명의 예시적인 실시예들을 개시하고 설명한다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이러한 논의로부터 그리고 첨부된 도면과 청구범위로부터 다양한 변경, 수정 및 변동이 이어지는 청구범위에서 정의된 본 개시 내용의 사상과 범위로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다는 것을 쉽게 인식할 것이다.

Claims (20)

  1. 복수의 빔의 형상을 변경하는 빔 성형기 어레이 어셈블리를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    복수의 커넥터 스템(connector stem)을 포함하는 광학 단부 캡을 제공하는 단계;
    광섬유를 상기 스템의 각각에 용접하여 방사체(emitter) 어레이를 형성하는 단계;
    상기 스템 반대편의 상기 단부 캡에 인접하게 메인 빔 성형기 어레이를 위치 설정하는 단계;
    각각의 광섬유의 각도 오차 및 위치 오차를 측정하는 단계;
    상기 각도 오차 및 상기 위치 오차에 대하여 각각의 광섬유에 대한 보정을 계산하는 단계; 및
    계산된 상기 보정을 사용하여 각각의 광섬유의 각도 및 위치를 보정하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 광섬유의 상기 각도 오차 및 상기 위치 오차를 측정하는 단계는, 상기 광섬유 아래로 전파하는 광학 빔을 제공하는 단계와, 각각의 광섬유의 팁(tip)이 상기 스템과 접촉하는 이미지 포인트를 정의하는 단계와, 원거리 필드 평면 및 근거리 필드 평면에서의 상기 이미지 포인트에서 각각의 광학 빔을 이미징하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    각각의 광학 빔을 이미징하는 단계는, 원거리 필드에서 상기 이미지 포인트를 이미징하기 위하여 망원경을 사용하는 단계와, 근거리 필드에서 상기 이미지 포인트를 이미징하기 위하여 현미경을 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    각각의 광학 빔을 이미징하는 단계는 간섭계를 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    각각의 광섬유의 각도를 보정하는 단계는, 상기 광섬유를 구부리기 위해 계산된 상기 보정에 의해 결정된 방향으로 상기 광섬유에 힘을 가하는 단계와, 상기 광섬유와 상기 스템 사이의 용접 조인트를 가열하는 단계와, 상기 광섬유 및 상기 스템이 냉각되게 하는 단계와, 그 다음에 상기 광섬유가 부러진 상태를 유지하도록 상기 힘을 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    힘을 가하는 단계는 사파이어 롯드(rod)로 힘을 가하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    각각의 광섬유의 위치를 보정하는 단계는, 계산된 상기 보정에 의해 결정된 방향으로 상기 광섬유와 상기 스템 사이의 용접 조인트에 힘을 가하는 단계와, 상기 용접 조인트로부터 약간의 거리를 두고 상기 스템을 가열하는 단계와, 상기 광섬유 및 상기 스템이 냉각되게 하는 단계와, 그 다음에 상기 상기 스템이 구부러지도록 상기 힘을 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    힘을 가하는 단계는 사파이어 롯드로 힘을 가하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    각각의 광섬유의 상기 각도 및 상기 위치를 보정하는 단계는, 상기 메인 빔 성형기 어레이에 인접하게 트림(trim) 빔 성형기 어레이를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 방사체 어레이는 1D 방사체 어레이이고, 상기 방법은, 복수의 1D 방사체 어레이를 광학적으로 정렬하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 빔 성형기 어레이는 1D 빔 성형기 어레이이고, 상기 방법은, 복수의 상기 1D 빔 성형기 어레이를 상기 1D 방사체 어레이에 광학적으로 정렬하는 단계를 더 포함하는 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    빔 성형기 어레이는 2D 빔 성형기 어레이이고, 상기 방법은, 상기 2D 빔 성형기 어레이를 상기 복수의 1D 방사체 어레이에 광학적으로 정렬하는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 빔 성형기 어레이 어셈블리는,
    타일 방식으로 서로 인접하고 서로 접촉하도록 위치 설정된 복수의 직선 입력 어레이 셀을 갖는 입력 빔 성형기 어레이 - 각각의 입력 어레이 셀은 복수의 빔 중 하나를 수신하고 상기 빔이 상기 입력 빔 성형기 어레이로부터 멀리 전파됨에 따라 확장하여 상기 원형 가우시안 프로파일로부터 높은 필 팩터의 플랫 탑 프로파일로 변환되게 하고, 상기 높은 필 팩터 플랫 탑 프로파일이 각각의 빔의 주변부에서 더 낮은 값으로 테이퍼링(taper)하게 하게 하도록 성형됨 -; 및
    각각의 출력 어레이 셀이 입력 어레이 셀에 매칭되도록 타일 방식으로 서로 인접하고 서로 접촉하도록 위치 설정된 복수의 직선 출력 어레이 셀을 포함하는 출력 빔 성형기 어레이 - 각각의 출력 어레이 셀은 변환된 상기 빔 중 하나를 수신하고, 상기 출력 빔 성형기 어레이가 빔들 사이에 최소 중첩 및 최소 갭을 갖는 복수의 인접한 빔을 제공하도록, 변환된 상기 빔의 파면을 평탄화하도록 성형되는 출력 빔 성형기를 포함함 -
    를 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 입력 어레이 셀 및 상기 복수의 출력 어레이 셀은 모두 정사각형 셀인, 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 빔 성형기 어레이 어셈블리는 코히어런트 빔 결합(coherent beam combining(CBC)) 광섬유 레이저 증폭기 시스템의 일부인, 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 빔 성형기 어레이 어셈블리는 스펙트럼 빔 결합(spectral beam combining(SBC)) 광섬유 레이저 증폭기 시스템의 일부인, 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 빔 성형기 어레이 어셈블리는 하이브리드 코히어런트 빔 결합(CBC) 및 스펙트럼 빔 결합(SBC) 광섬유 레이저 증폭기 시스템의 일부인, 방법.
  18. 복수의 빔의 형상을 변경하는 빔 성형기 어레이 어셈블리를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    복수의 커넥터 스템(connector stem)을 포함하는 광학 단부 캡을 제공하는 단계;
    광섬유를 상기 스템의 각각에 용접하여 방사체(emitter) 어레이를 형성하는 단계;
    상기 스템 반대편의 상기 단부 캡에 인접하고 서로 이격된 입력 빔 성형기 어레이 및 출력 빔 성형기를 위치 설정하는 단계;
    각각의 광섬유의 각도 오차 및 위치 오차를 측정하는 단계;
    상기 각도 오차 및 상기 위치 오차에 대하여 각각의 광섬유에 대한 보정을 계산하는 단계; 및
    계산된 상기 보정을 이용하여 빔 성형 보정을 제공하는 상기 입력 및 출력 빔 성형기 어레이 중 하나 또는 모두에 인접한 트림(trim) 빔 성형기 어레이를 위치 설정하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 입력 빔 성형기 어레이는 타일 방식으로 서로 인접하고 서로 접촉하도록 위치 설정된 복수의 직선 입력 어레이 셀을 포함하고, 각각의 입력 어레이 셀은 복수의 빔 중 하나를 수신하고 상기 빔이 상기 입력 빔 성형기 어레이로부터 멀리 전파됨에 따라 확장하여 상기 원형 가우시안 프로파일로부터 높은 필 팩터의 플랫 탑 프로파일로 변환되게 하고, 상기 높은 필 팩터 플랫 탑 프로파일이 각각의 빔의 주변부에서 더 낮은 값으로 테이퍼링(taper)하게 하게 하도록 성형되고, 상기 출력 빔 성형기 어레이는 각각의 출력 어레이 셀이 입력 어레이 셀에 매칭되도록 타일 방식으로 서로 인접하고 서로 접촉하도록 위치 설정된 복수의 직선 출력 어레이 셀을 포함하고, 각각의 출력 어레이 셀은 변환된 상기 빔 중 하나를 수신하고, 상기 출력 빔 성형기 어레이가 빔들 사이에 최소 중첩 및 최소 갭을 갖는 복수의 인접한 빔을 제공하도록, 변환된 상기 빔의 파면을 평탄화하도록 성형되는 출력 빔 성형기를 포함하는, 방법.
  20. 복수의 빔의 형상을 변경하는 빔 성형기 어레이 어셈블리를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    각각의 빔이 복수의 입력 어레이 셀 중 하나를 통해 지향되도록 타일 방식으로 서로 인접하고 서로 접촉하도록 위치 설정된 상기 복수의 입력 어레이 셀을 포함하는 입력 빔 성형기 어레이 상으로 상기 복수의 빔을 지향시키는 단계;
    각각의 빔이 상기 입력 빔 성형기 어레이로부터 멀리 전파됨에 따라 확장하여 상기 낮은 필 팩터 프로파일로부터 높은 필 팩터 프로파일로 변환되게 하고, 상기 높은 필 팩터 프로파일이 각각의 빔의 주변부에서 동등한 필 팩터 가우시안 빔에 대하여 가능한 것보다 더 낮은 값으로 테이퍼링(taper)하게 하도록 하는 단계;
    각각의 출력 어레이 셀이 입력 어레이 셀에 매칭되고, 출력 빔 성형기 어레이가 빔들 사이에 최소 중첩 및 최소 갭을 갖는 복수의 인접한 빔을 제공하도록, 변환된 상기 빔의 파면을 평탄화하기 위하여 각각의 빔이 상기 출력 어레이 셀 중 하나를 통해 지향되도록 타일 방식으로 서로 인접하고 서로 접촉하도록 위치 설정된 복수의 출력 어레이 셀을 포함하는 상기 출력 빔 성형기 어레이 상으로 상기 입력 빔 성형기 어레이로부터의 상기 복수의 빔을 지향시키는 단계;
    상기 입력 빔 성형기 어레이 및/또는 상기 출력 빔 성형기 어레이의 출력 측에서 각각의 빔의 빔 강도 프로파일에서의 파면 수차 및 에러를 측정하는 단계; 및
    타일 방식으로 서로 인접하게 위치 설정된 복수의 트림(trim) 어레이 셀을 포함하는 상기 입력 빔 성형기 어레이 및/또는 상기 출력 빔 성형기 어레이에 인접하게 위치 설정된 트림 빔 성형기 어레이를 제공하고, 각각의 트림 어레이 셀이 확장한 상기 빔 중 하나를 수신하고 상기 빔 강도 프로파일에서의 측정된 상기 파면 수차 및 상기 에러에 기초하여 빔 보정을 제공하도록, 복수의 확장한 상기 빔을 수신하는 단계
    를 포함하는, 방법.
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