WO2019163481A1 - 透過型適応光学システム - Google Patents

Abstract

可変形鏡の限界を超える高出力レーザ光にも適用可能で、レーザ光の波面乱れに適応してこの波面乱れを補正する、透過型適応光学システムを提供する。自身の温度分布に応じて屈折率分布が変動する透過型適応光学素子を用いることで、レーザ光の波面乱れを、この波面乱れに適応して補正する。波面センサで波面乱れを検出し、検出した波面乱れに応じた加熱光を出射して透過型適応光学素子に照射する。透過型適応光学素子は、波面乱れを補正する対象となるレーザ光を透過する一方で、加熱光により温度分布を発生させ、その結果として屈折率分布を発生させる。

Description

透過型適応光学システム

　本発明は透過型適応光学システムに関し、例えば、レーザ光の波面を補正する透過型適応光学システムに好適に利用できるものである。

　レーザ光の波面が乱れることがある。波面とは、同一の光源から出射された光における光路長が同じ点の集合と定義出来る。レーザ光の場合は、同一波面においては位相が揃うことになる。レーザ光を任意の点に集光した際に得られる強度を最大化するためには、その集光点における位相が揃っていることが必要となる。また、レーザ光の波面が乱れていると、所望しない場所でレーザ光が集光する可能性が有る。レーザ光が透過するはずの光学素子において所望しない集光が発生した場合、その光学素子が破損する可能性もある。このような観点などから、レーザ光の波面乱れを補正する需要がある。なお、波面乱れは、波面歪みと呼ばれることもある。

　レーザ光の波面乱れは、例えば、レーザ光を生成するレーザ媒質の中で発生する熱や、レーザ光が伝搬する大気中の屈折率分布の乱れなどがその原因となり得る。

　レーザ光の波面乱れを、可変形鏡によって補正する技術が知られている。しかし、可変形鏡は、その構造上、冷却が困難であり、ある程度以上の高出力レーザ光には対応できない。

　上記に関連して、特許文献１（特開２０１２－１４１５１５号公報）には流体光学素子が記載されている。この流体光学素子は、第１の波長のレーザ光は吸収し、第２の波長のレーザ光は透過する波長選択性を有する液体を収容している。この液体は、屈折率に温度依存性を有する媒質である。この流体光学素子は、第１の波長のレーザ光の照射により液体に温度勾配が与えられ、温度勾配にともなう液体の屈折率勾配によるレンズ効果を呈する。この流体光学素子は、入射される第２の波長のレーザ光に対してレンズ効果を付与する。

　特許文献１では、流体光学素子に特定の波長の光を吸収させることで熱分布を変化させる。その結果として、別の波長の光に対する屈折率分布が変化し、レンズ効果などにより、この光の波面の制御を行っている。ただし、特許文献１の流体光学素子は液体で構成されているため、熱分布の制御に利用できる使用可能な温度の範囲に厳しい制限がある。また、熱分布が不均一の液体には対流が発生するので、細かな波面歪みを補正出来る程度の精度は実現困難と考えられる。

特開２０１２－１４１５１５号公報

　本発明は、可変形鏡の限界を超える高出力レーザ光にも適用可能で、レーザ光の波面乱れに適応してこの波面乱れを補正する、透過型適応光学システムを提供することを目的とする。その他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

　一実施の形態による透過型適応光学システムは、レーザ出射装置と、部分反射鏡と、波面センサと、制御装置と、加熱光源と、透過型適応光学素子と、照射光学系とを具備する。ここで、レーザ出射装置は、レーザ光を出射する。部分反射鏡は、レーザ光のうち、一部を反射光として反射し、別の一部を透過光として透過する。波面センサは、反射光の波面歪みを検出し、波面歪みを表す波面歪み信号を生成出力する。制御装置は、波面歪み信号に基づいて、波面歪みを補正するための制御信号を生成出力する。加熱光源は、制御信号に基づいて、照射された光学素子における温度分布を調整する加熱光を生成して出射する。透過型適応光学素子は、レーザ出射装置および部分反射鏡の間の光路上に、レーザ光を透過するように配置され、かつ、加熱光を照射されて生じる温度分布により屈折率分布が調整されてレーザ光の波面を補正するように構成されている。照射光学系は、部分反射鏡を透過した透過光を、所望のターゲットに向けて照射する。

　前記一実施の形態によれば、自身の温度分布に応じて屈折率分布が変動する透過型適応光学素子を用いることで、高出力レーザ光の波面乱れを、この波面乱れに適応して補正することが出来る。

図１は、関連技術による適応光学システムの一構成例を示す図である。 図２Ａは、一実施形態による透過型適応光学システムの一構成例を示す図である。 図２Ｂは、一実施形態による制御装置の一構成例を示す図である。 図３Ａは、一実施形態による加熱光源の一構成例を示す図である。 図３Ｂは、一実施形態による光強度分布調整素子の一構成例を示す図である。 図３Ｃは、一実施形態による加熱光源の動作例を示す図である。 図３Ｄは、一実施形態による透過型適応光学素子の動作例を示す図である。 図４は、一実施形態による透過型適応光学システムの一構成例を示す図である。

　添付図面を参照して、本発明による透過型適応光学システムを実施するための形態を以下に説明する。

　（関連技術）
　本発明による透過型適応光学システムのより良い理解のために、まず、図１を参照して関連技術による適応光学システム１１について説明する。図１は、関連技術による適応光学システム１１の一構成例を示す図である。

　図１の適応光学システム１１の構成要素について説明する。図１の適応光学システム１１は、レーザ出射装置１２と、可変形鏡１３と、部分反射鏡１４と、照射光学系１５と、波面センサ１６と、制御装置１７とを備える。

　図１の適応光学システム１１の構成要素の接続関係および位置関係について説明する。レーザ出射装置１２が出射するレーザ光を、便宜上、出射光１２１と呼ぶ。出射光１２１は、その光軸１２０に沿って、レーザ出射装置１２の下流側に配置されている可変形鏡１３で反射する。可変形鏡１３で反射した後の出射光１２１を、便宜上、補正光１３１と呼ぶ。

　補正光１３１の一部分は、その光軸１３０に沿って、可変形鏡１３の下流側に配置されている部分反射鏡１４で反射される。なお、図１の構成例では、光軸１２０および光軸１３０は直交しているが、この角度は可変形鏡１３の配置を適宜に調整することで変更可能である。補正光１３１のうち、部分反射鏡１４で反射された部分を、便宜上、反射光１４１と呼ぶ。反射光１４１は、波面センサ１６に到達する。なお、反射光１４１の光軸１４０は、光軸１３０とは平行でない。

　補正光１３１の他の一部分は、部分反射鏡１４を透過する。補正光１３１のうち、部分反射鏡１４を透過した部分を、便宜上、透過光１４２と呼ぶ。透過光１４２は、光軸１３０に沿って、部分反射鏡１４の下流側に配置されている照射光学系１５を透過する。照射光学系１５を透過した後の透過光１４２を、便宜上、照射光１５１と呼ぶ。

　なお、図１の構成例では、照射光１５１の光軸１５０は、光軸１３０と平行であり、所望のターゲット１９の位置で集光している。ただし、これはあくまでも一例にすぎない。特に、ターゲット１９の位置は、光軸１３０の上にあるとは限らない。反対に、照射光学系１５は、照射光１５１の光軸１５０の方向および照射光１５１の集光位置を、ターゲット１９の位置に応じて適宜に調整しても良い。

　波面センサ１６は、制御装置１７に、電気的に接続されている。より具体的には、波面センサ１６が生成出力する波面歪み信号１６１は、制御装置１７に向けて送信され、制御装置１７によって受信される。制御装置１７は、可変形鏡１３に、電気的に接続されている。より具体的には、制御装置１７が生成出力する制御信号１７１は、可変形鏡１３に向けて送信され、可変形鏡１３によって受信される。

　図１の適応光学システム１１の構成要素の動作について説明する。まず、可変形鏡１３が、初期状態に戻る。言い換えれば、可変形鏡１３が、その鏡面を平面に戻す。可変形鏡１３のこの動作は、例えば、制御装置１７の制御下で行われても良い。この状態において、レーザ出射装置１２が、出射光１２１を出射する。可変形鏡１３は、出射光１２１を、その波面を補正することなく、補正光１３１として反射する。部分反射鏡１４は、補正光１３１の一部を反射光１４１として反射し、補正光１３１の別の一部を透過光１４２として透過させる。波面センサ１６は、反射光１４１の波面歪みを検出し、検出した波面歪みを表す波面歪み信号１６１を生成して制御装置１７に向けて送信する。制御装置１７は、波面歪み信号１６１を受信すると、この波面歪み信号１６１が表す波面歪みを可変形鏡１３で補正するための制御信号１７１を生成する。ここで、制御装置１７は、いわゆるゼルニケ近似多項式を利用して、波面歪み信号１６１の解析および制御信号１７１の演算を行っても良い。制御装置１７は、生成した制御信号１７１を、可変形鏡１３に向けて送信する。

　可変形鏡１３は、制御信号１７１を受信し、制御信号１７１に応じてその鏡面を変形する。その結果、可変形鏡１３が照射された出射光１２１をその鏡面で反射するため、反射された補正光１３１の波面は補正されている。このようなフィードバック制御を繰り返すことによって、補正光１３１の波面はより精度良く補正され、その結果として照射光１５１もより精度良く集光される。

　しかしながら、可変形鏡１３を用いてレーザ光の波面を補正する技術には、以下のような限界がある。すなわち、可変形鏡１３は、その鏡面の裏側に、鏡面を変形させるための機構を備えている。そのため、鏡面の裏側に冷却機構を追加することは困難である。したがって、高出力のレーザ光を可変形鏡１３で反射することが困難である。なお、高出力のレーザ光を一旦拡散してから可変形鏡１３で反射し、その後集束することで、可変形鏡１３の単位面積当たりの発熱を抑える技術も知られている。しかしながら、その場合は全体的な光学系が大型化してしまう。

　そこで、本実施形態では、可変形鏡１３の代わりに後述する透過型適応光学素子３を用いて波面の補正を行う。この結果、光学系を大型化することなく、より高出力のレーザ光の波面を補正することを可能とする。

　（第１の実施形態）
　図２Ａを参照して、本実施形態による透過型適応光学システム１について説明する。図２Ａは、一実施形態による透過型適応光学システム１の一構成例を示す図である。

　図２Ａの透過型適応光学システム１の構成要素について説明する。図２Ａの透過型適応光学システム１は、レーザ出射装置２と、透過型適応光学素子３と、部分反射鏡４と、照射光学系５と、波面センサ６と、制御装置７と、加熱光源８とを備える。

　レーザ出射装置２は、出射光２１としてのレーザ光を出射する。このレーザ光は、例えば、Ｙｂ：ＹＡＧ（イッテルビウム・ドープ・イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザ光や、Ｎｄ：ＹＡＧ（ネオジム・ドープ・イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザ光などの、高出力レーザ光であることが好ましい。

　透過型適応光学素子３は、例えば、ガラスや、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）結晶などに、遷移金属や、希土類などのイオンをドープさせることで、適当な吸収スペクトルを持たせた板材であっても良い。このように生成された透過型適応光学素子３は、レーザ出射装置２から出射されるレーザ光を透過する一方で、外部から照射される加熱光８１を吸収することによって屈折率分布が変化することが好ましい。なお、透過型適応光学素子３は、入射光の波長によってその吸収率が異なることが好ましく、例えば励起光やガイド光など、加熱光以外の光については透過することが好ましい。言い換えれば、レーザ出射装置２が出射するレーザ光や、励起光、ガイド光などを透過型適応光学素子３が吸収する吸収率は、加熱光を透過型適応光学素子３が吸収する吸収率より、小さいことが好ましい。

　部分反射鏡４は、補正光３１としての入射光のうち、一部を反射し、別の一部を透過する。照射光学系５は、透過光４２としての入射光を所定の位置に集光する。波面センサ６は、反射光４１としての入射光の波面の歪みを検出する。制御装置７は、波面センサ６の検出結果に応じて加熱光源８を制御することによって、透過型適応光学システム１のフィードバック制御を行う。加熱光源８は、制御装置７の制御下で透過型適応光学素子３の屈折率分布を調整するための加熱光８１を出射する。

　図２Ｂを参照して、本実施形態による制御装置７の一構成例について説明する。図２Ｂは、一実施形態による制御装置７の一構成例を示すブロック回路図である。

　図２Ｂの制御装置７の構成要素について説明する。図２Ｂの制御装置７は、バス７００と、入出力インタフェース７０１と、演算装置７０２と、記憶装置７０３と、外部記憶装置７０４と、記憶媒体７０５とを備えている。

　なお、制御装置７は、その一部または全てが、波面センサ６と一体化されていても良いし、加熱光源８と一体化されていても良い。ここでは、波面センサ６と、制御装置７と、加熱光源８とが別々に構成されて、かつ、電気的に接続されていることを前提として、説明を続ける。

　図２Ａの透過型適応光学システム１の構成要素の接続関係および位置関係について説明する。レーザ出射装置２が出射するレーザ光を、便宜上、出射光２１と呼ぶ。出射光２１は、その光軸２０に沿って、レーザ出射装置２の下流側に配置されている透過型適応光学素子３を透過する。透過型適応光学素子３を透過した後の出射光２１を、便宜上、補正光３１と呼ぶ。

　補正光３１の一部分は、その光軸３０に沿って、透過型適応光学素子３の下流側に配置されている部分反射鏡４で反射される。言い換えると、透過型適応光学素子３は、部分反射鏡４およびレーザ出射装置２の間の光路上に、出射光２１が透過するように配置されている。なお、図２Ａの構成例では、光軸２０および光軸３０は平行である。補正光３１のうち、部分反射鏡４で反射した部分を、便宜上、反射光４１と呼ぶ。反射光４１は、波面センサ６に到達する。なお、反射光４１の光軸４０は、光軸２０および光軸３０とは平行でない。

　補正光３１の他の一部分は、部分反射鏡４を透過する。補正光３１のうち、部分反射鏡４を透過した部分を、便宜上、透過光４２と呼ぶ。透過光４２は、光軸３０に沿って、部分反射鏡４の下流側に配置されている照射光学系５を透過する。照射光学系５を透過した後の透過光４２を、便宜上、照射光５１と呼ぶ。

　なお、図２Ａの構成例では、照射光５１の光軸５０は、光軸２０および光軸３０と平行かつ同一であり、所望のターゲット９の位置で集光している。ただし、これはあくまでも一例にすぎず、本実施形態による透過型適応光学システム１の構成を限定しない。特に、ターゲット９の位置は、光軸２０および光軸３０の上にあるとは限らない。反対に、照射光学系５は、図示しない駆動系および制御系によって、照射光５１の光軸５０の方向および照射光５１の集光位置を、ターゲット９の位置に応じて適宜に調整出来ることが好ましい。

　波面センサ６は、制御装置７に、電気的に接続されている。より具体的には、波面センサ６が生成出力する波面歪み信号６１は、制御装置７に向けて送信され、制御装置７によって受信される。制御装置７は、加熱光源８に、電気的に接続されている。より具体的には、制御装置７が生成出力する制御信号７１は、加熱光源８に向けて送信され、加熱光源８によって受信される。

　図２Ｂの制御装置７の構成要素の接続関係について説明する。入出力インタフェース７０１、演算装置７０２、記憶装置７０３および外部記憶装置７０４は、バス７００に電気的に接続されており、バス７００を介して相互に通信可能である。入出力インタフェース７０１は、図２Ａの波面センサ６および加熱光源８と電気的に接続されている。外部記憶装置７０４は、着脱可能な記憶媒体７０５からプログラムやデータなどを読み込み、反対に書き込むことも可能である。

　加熱光源８が出射するレーザ光を、便宜上、加熱光８１と呼ぶ。加熱光８１は、その光軸８０に沿って、透過型適応光学素子３に照射される。なお、光軸８０は、光軸２０および光軸３０とは平行ではない。

　図２Ａの透過型適応光学システム１の構成要素の動作について説明する。まず、加熱光源８が、初期状態に戻る。言い換えれば、加熱光源８が、出射する加熱光８１の光強度分布を均一な状態に戻す。加熱光源８のこの動作は、例えば、制御装置７の制御下で行われても良い。透過型適応光学素子３は、この状態において、すなわち均一な光強度分布を有する加熱光８１を照射されることによって、初期状態に戻る。言い換えれば、透過型適応光学素子３の屈折率分布が均一な状態に戻る。

　なお、初期状態における透過型適応光学素子３の屈折率分布は必ずしも均一でなくても良い。このような場合については、後述する。ここでは、初期状態における透過型適応光学素子３の屈折率分布は均一である前提で説明を続ける。

　加熱光源８および透過型適応光学素子３が初期状態に戻った状態で、レーザ出射装置２が、出射光２１を出射する。初期状態にある透過型適応光学素子３は、出射光２１を、その波面を補正することなく、補正光３１として透過する。部分反射鏡４は、補正光３１の一部を反射光４１として反射し、補正光３１の別の一部を透過光４２として透過する。波面センサ６は、反射光４１の波面歪みを検出し、検出した波面歪みを表す波面歪み信号６１を生成して制御装置７に向けて送信する。制御装置７は、波面歪み信号６１を受信すると、この波面歪み信号６１が表す波面歪みを加熱光源８および透過型適応光学素子３で補正するための制御信号７１を生成する。

　図２Ｂの制御装置７の構成要素の動作について説明する。バス７００は、入出力インタフェース７０１、演算装置７０２、記憶装置７０３および外部記憶装置７０４の間の通信を仲介する。入出力インタフェース７０１は、制御装置７の外部に接続された波面センサ６および加熱光源８と、制御装置７の内部に接続された演算装置７０２、記憶装置７０３および外部記憶装置７０４との間の通信を仲介する。演算装置７０２は、記憶装置７０３に格納されているプログラムおよびデータを読み出し、プログラムを実行し、その結果を記憶装置７０３に書き込む。記憶装置７０３は、プログラムや、データなどを記憶する。外部記憶装置７０４は、記憶媒体７０５からプログラムや、データなどを読み出して記憶装置７０３に書き込み、または、反対に記憶装置７０３からプログラムや、データなどを読み出して記憶媒体７０５に書き込む。

　図３Ａ～図３Ｄを参照して、加熱光源８および透過型適応光学素子３を用いることで出射光２１の波面歪みを補正出来ることについて説明する。図３Ａは、一実施形態による加熱光源８の一構成例を示す図である。

　図３Ａの加熱光源８は、レーザ出射装置８０１と、光強度分布調整素子８０２とを備えている。光強度分布調整素子８０２は、レーザ出射装置８０１が出射するレーザ光８２の下流側に配置されている。また、光強度分布調整素子８０２は、制御装置７と電気的に接続されている。

　図３Ａのレーザ出射装置８０１は、レーザ光８２を出射する。このレーザ光８２は、光強度分布調整素子８０２を透過する。光強度分布調整素子８０２を透過した後のレーザ光８２が、図２Ａに示した加熱光８１である。加熱光８１は、前述のとおり、透過型適応光学素子３によって吸収される波長を有している。透過型適応光学素子３は、加熱光８１を吸収することによって加熱される。透過型適応光学素子３に含まれる吸収体が加熱されることによって、透過型適応光学素子３の屈折率が変化する。より具体的には、透過型適応光学素子３は、所定の光強度分布を有する加熱光８１によって加熱されることによって、透過型適応光学素子３の温度分布も光強度分布と同様の分布を持つ。その結果、透過型適応光学素子３の屈折率も光強度分布と同様の分布を持つように変化する。言い換えれば、制御装置７は、加熱光８１の光強度分布を適宜に調整することで、透過型適応光学素子３の屈折率分布を制御することが出来る。

　図３Ｂは、一実施形態による光強度分布調整素子８０２の一構成例を示す図である。図３Ｂの光強度分布調整素子８０２は、複数のレンズ８０３と、各レンズ８０３の位置を調整するアクチュエータ８０４とを備える。レーザ出射装置８０１が出射したレーザ光８２の光強度分布は、複数のレンズ８０３を透過することで、調整される。アクチュエータ８０４は、制御装置７が生成する制御信号７１に基づき、各レンズ８０３の位置を独立して移動する。例えば、アクチュエータ８０４は、レンズ８０３をレーザ光８２の光軸８０と平行な方向に移動する。また、アクチュエータ８０４は、レンズ８０３をレーザ光８２の光軸８０に直交する方向に移動させてもよい。また、アクチュエータ８０４は、レンズ８０３の光軸方向がレーザ光８２の光軸８０の方向に平行しないように、レンズ８０３を傾けてもよい。言い換えると、レンズ８０３は、レンズ８０３の光軸方向がレーザ光８２の光軸８０と交差するまたはねじれの位置になるように傾けられる。アクチュエータ８０４は、各レンズ８０３の位置が調整されることで、各レンズ８０３を透過した加熱光８１の光強度分布を調整することができる。なお、光強度分布調整素子８０２が備えるレンズ８０３は１つでもよい。

　図３Ｃは、一実施形態による加熱光源８の動作例を示す図である。図３Ｃのうち、上部は、光強度分布調整素子８０２の直径方向における透過率の分布の一例を示すグラフＧ１である。また、図３Ｃのうち、下部は、光強度分布調整素子８０２の表面における透過率の分布の一例を俯瞰で示すカラーマップＤ１である。グラフＧ１において、縦軸（グラフＧ１およびカラーマップＤ１を繋ぐ矢印）は、透過率を示している。中心８１０は、光強度分布調整素子８０２が光軸８０と交差する位置を示している。横軸における中心８１０の長さは、光強度分布調整素子８０２が光軸８０と交差する位置からの距離を示している。カラーマップＤ１において、中心８１０は、グラフＧ１と同様に、光強度分布調整素子８０２が光軸８０と交差する位置を示している。また、カラーマップＤ１のうち、第１領域８２１と、第２領域８２２と、第３領域８２３とは、所定の透過率の範囲に属する領域を示している。第１領域８２１は、透過率が高い領域を示している。第３領域８２３は、透過率が低い領域を示している。第２領域８２２は、透過率が第１領域８２１より低く、第３領域８２３よりも高い領域を示している。

　図３Ｃの例では、光強度分布調整素子８０２は、光軸８０が通る中心部分に近いほど高い透過率を有し、反対に光軸８０から遠い端部に近いほど低い透過率を有する様子を、グラフＧ１およびカラーマップＤ１は表している。なお、図３Ｃはあくまでも一例にすぎず、本実施形態による透過型適応光学システム１の構成を限定しない。

　図３Ｃの場合、レーザ光８２が光強度分布調整素子８０２を透過した後の加熱光８１は、光軸８０が通る中心部分に近いほど高い光強度を有して透過型適応光学素子３に到達する。また、その一方で、加熱光８１は、光軸８０から離れた端部に近いほど低い光強度を有して透過型適応光学素子３に到達する。その結果、透過型適応光学素子３の中心部分は、より高い光強度を有する加熱光８１の中心部分が照射され、温度が高くなる。また、透過型適応光学素子３の端部は、より低い光強度を有する加熱光８１の端部で照射され、透過型適応光学素子３の中心部分と比較して温度が低くなる。

　図３Ｄは、一実施形態による透過型適応光学素子３の動作例を示す図である。図３Ｄのうち、上部は、透過型適応光学素子３の直径方向における温度の分布の一例を示すグラフＧ２である。また、図３Ｄのうち、下部は、透過型適応光学素子３の表面における温度の分布の一例を俯瞰で示すカラーマップＤ２である。グラフＧ２において、縦軸（グラフＧ２およびカラーマップＤ２を繋ぐ矢印）は、温度を示している。中心３１０は、透過型適応光学素子３が光軸８０と交差する位置を示している。横軸における中心３１０からの長さは、透過型適応光学素子３が光軸８０と交差する位置からの距離を示している。カラーマップＤ２において、中心３１０は、グラフＧ２と同様に、透過型適応光学素子３が光軸８０と交差する位置を示している。また、カラーマップＤ２のうち、第１領域３２１と、第２領域３２２と、第３領域３２３とは、所定の温度の範囲に属する領域を示している。第１領域３２１は、温度が高い領域を示している。第３領域３２３は、温度が低い領域を示している。第２領域３２２は、温度が第１領域３２１より低く、第３領域３２３よりも高い領域を示している。

　図３Ｄの例では、透過型適応光学素子３は、光軸３０が通る中心部分に近いほど温度が高く、反対に光軸３０から遠い端部に近いほど温度が低い様子を、グラフＧ２およびカラーマップＤ２は表している。この温度分布は、図３Ｃに示した透過率の分布と、その結果として透過型適応光学素子３に照射されて吸収される加熱光８１の光強度分布とに、それぞれ対応している。なお、図３Ｄは、図３Ｃの場合と同様に、あくまでも一例にすぎず、本実施形態による透過型適応光学システム１の構成を限定しない。

　図３Ｄの場合、透過型適応光学素子３のうち、温度が相対的に高くなった中心部分は、レーザ出射装置２から出射された出射光２１に対する屈折率が相対的に高くなる。また、その一方で、透過型適応光学素子３のうち、温度が相対的に低くなった端部は、出射光２１に対する屈折率が相対的に低くなる。このような屈折率分布によって、出射光２１の波面歪みが補正される。言い換えれば、出射光２１の波面歪みが補正されるような屈折率分布を透過型適応光学素子３が有するように、透過型適応光学素子３の温度分布が制御される。

　以上の例では、透過型適応光学素子３のうち、より高温の部分がより高い屈折率を有し、反対により低温の部分がより低い屈折率を有する構成例について説明した。温度および屈折率の関係は、あくまでも一例であって、反対の関係を有する、すなわち、より高温な部分がより低い屈折率を有し、より低温な部分がより高い屈折率を有するような透過型適応光学素子３を用いても良い。

　図２Ａの構成例では、加熱光８１の光軸８０が、出射光２１の光軸２０および補正光３１の光軸３０に対して、４５度程度の角度で交わっている。この角度は、あくまでも一例であって、本実施形態による透過型適応光学システム１の構成を限定しない。例えば、光軸８０と、光軸３０との間の角度は、直角であっても良い。ただし、この場合には、透過型適応光学素子３に発生させられる温度分布の形状に事実上の制限が生じる可能性が有る。したがって、光軸８０と、光軸３０との間の角度は、透過型適応光学素子３に発生させたい温度分布に応じて、適宜に選択されることが望ましい。

　（変形例）
　本実施形態の変形例について説明する。透過型適応光学素子３に発生させたい温度分布が、レーザ出射装置２が出射光２１としてのレーザ光を出射する前から、ある程度分かっている場合がある。これは、例えば、レーザ出射装置２自体に何らかの不具合があり、この不具合が出射光２１の波面に歪みを生じさせている場合などである。このような波面歪みを、便宜上、初期歪みと呼ぶ。

　初期歪みが既知であるなら、透過型適応光学素子３は、その初期状態においてこの初期歪みを補正出来ても良い。その上で、透過型適応光学システム１は、自身の動作時間に応じて波面歪みが変動したら、フィードバック制御によってその時点における変動分を補正しても良い。このように構成することで、本実施形態による透過型適応光学素子３で波面歪みを補正できる範囲を、より効率よく拡大出来る。

　初期歪みを補正出来るような構成としては、例えば、透過型適応光学素子３の物理的な形状を、初期歪みに合わせて不均一にすることが考えられる。具体的には、透過型適応光学素子３の厚さを、初期歪みに合わせて不均一にすることが考えられる。別の例としては、透過型適応光学素子３に含まれる吸収体のドープ濃度の分布を、初期歪みに合わせて不均一にすることも考えられる。

　以上、一実施形態による透過型適応光学システム１について説明した。可変形鏡１３は、レーザ光を反射するため、可変形鏡１３の反射面に対してレーザ光を斜めに照射される必要がある。このため、高出力のレーザ光に適用するためには、可変形鏡１３は大型化してしまう。一方、透過型適応光学素子３は、レーザ光を透過するため、透過型適応光学素子３の入射面に対して直交するレーザ光を照射されてもよい。このため、本実施形態による透過型適応光学システム１では、図１の可変形鏡１３を用いた適応光学システム１１よりも、大型化することなく、高出力のレーザ光に適用してその波面歪みを補正することが出来る。

　（第２の実施形態）
　図４を参照して、本実施形態による透過型適応光学システム１について説明する。図４は、一実施形態による透過型適応光学システム１の一構成例を示す図である。

　図４の透過型適応光学システム１は、図２Ａの透過型適応光学システム１に、以下の変更を加えたものに等しい。すなわち、図４の透過型適応光学システム１では、レーザ出射装置２および透過型適応光学素子３が一体化されている。図４の透過型適応光学システム１は、このように構成することで、図２Ａの場合と比較して、レーザ出射装置２および透過型適応光学素子３の間の位置関係の精度を上げることが出来る。

　図４の構成例では、透過型適応光学素子３がレーザ出射装置２のすぐ下流側に固定されている。したがって、レーザ出射装置２および透過型適応光学素子３の間の空間を省略した分だけ、透過型適応光学システム１を全体的に小型化できる。さらに、レーザ出射装置２および透過型適応光学素子３の光軸が一致していれば、両者の間の位置関係を調整するための駆動系を省略できるので、透過型適応光学システム１をさらに小型化できる。

　図４の透過型適応光学システム１のその他の構成は、図２Ａの場合と同様であるので、さらなる詳細な説明を省略する。

　以上、発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。また、前記実施の形態に説明したそれぞれの特徴は、技術的に矛盾しない範囲で自由に組み合わせることが可能である。

　本出願は、２０１８年２月２６日に出願された日本国特許出願２０１８－３２２７７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
 

Claims (7)

1. 　レーザ光を出射するレーザ出射装置と、
   　前記レーザ光のうち、一部を反射光として反射し、別の一部を透過光として透過する部分反射鏡と、
   　前記反射光の波面歪みを検出し、前記波面歪みを表す波面歪み信号を生成出力する波面センサと、
   　前記波面歪み信号に基づいて、前記波面歪みを補正するための制御信号を生成出力する制御装置と、
   　前記制御信号に基づいて、照射された光学素子における温度分布を調整する加熱光を生成して出射する加熱光源と、
   　前記レーザ出射装置および前記部分反射鏡の間の光路上に、前記レーザ光を透過するように配置され、かつ、前記加熱光を照射されて生じる温度分布により屈折率分布が調整されて前記レーザ光の波面を補正するように構成された透過型適応光学素子と、
   　前記部分反射鏡を透過した前記透過光を、所望のターゲットに向けて照射する照射光学系と
   を具備する
   　透過型適応光学システム。
2. 　請求項１に記載の透過型適応光学システムにおいて、
   　前記加熱光は、前記レーザ光とは異なる波長を有する別のレーザ光であり、
   　前記透過型適応光学素子が前記レーザ光を吸収する第１吸収率は、前記透過型適応光学素子が前記別のレーザ光を吸収する第２吸収率よりも小さい
   　透過型適応光学システム。
3. 　請求項２に記載の透過型適応光学システムにおいて、
   　前記加熱光源は、
   　前記別のレーザ光を出射する別のレーザ出射装置と、
   　前記制御信号に応じて、前記別のレーザ光の光強度分布を、前記透過型適応光学素子に所望の前記屈折率分布を発生させるように調整する、光強度分布調整素子と
   を具備する
   　透過型適応光学システム。
4. 　請求項１～３のいずれか一項に記載の透過型適応光学システムにおいて、
   　前記透過型適応光学素子は、
   　前記加熱光を照射されていない状態において、不均一な屈折率分布
   を具備する
   　透過型適応光学システム。
5. 　請求項４に記載の透過型適応光学システムにおいて、
   　前記透過型適応光学素子は、
   　不均一なドープ濃度分布を有する吸収体
   を具備する
   　透過型適応光学システム。
6. 　請求項４又は５に記載の透過型適応光学システムにおいて、
   　前記透過型適応光学素子は、
   　不均一な厚さ
   を具備する
   　透過型適応光学システム。
7. 　請求項１～６のいずれか一項に記載の透過型適応光学システムにおいて、
   　前記透過型適応光学素子は、前記レーザ出射装置に固定されている
   　透過型適応光学システム。
    

Images