WO2020100371A1 - 光学システムおよび光学補正方法 - Google Patents

光学システムおよび光学補正方法 Download PDF

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WO2020100371A1
WO2020100371A1 PCT/JP2019/033044 JP2019033044W WO2020100371A1 WO 2020100371 A1 WO2020100371 A1 WO 2020100371A1 JP 2019033044 W JP2019033044 W JP 2019033044W WO 2020100371 A1 WO2020100371 A1 WO 2020100371A1
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light
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atmospheric
atmosphere
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優 岩清水
浩之 醍醐
伸吾 西方
一範 益川
敦司 落合
戎崎　俊一
和田　智之
滝澤　慶之
真幸 丸山
伸二 本越
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三菱重工業株式会社
国立研究開発法人理化学研究所
公益財団法人レーザー技術総合研究所
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Definitions

  • the present invention relates to an optical system and an optical correction method.
  • the thermal blooming effect is a phenomenon in which the energy of light propagating through a medium is absorbed by the medium itself and the medium is heated to change the characteristics of the optical transmission path.
  • the thermal blooming effect hinders the practical use of long-distance propagation of high-power laser light represented by energy transmission.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-1012273 discloses an invention relating to a high-power laser amplifier.
  • This high-power laser amplifier includes a solid-state laser medium, a housing, and a pump source.
  • the solid laser medium amplifies laser light.
  • the housing houses the solid-state laser medium.
  • the excitation source excites the solid-state laser medium with excitation light.
  • This high-power laser amplifier is characterized in that a phase conjugate mirror that compensates for wavefront distortion is provided in the laser optical path, and the cooling medium of the solid-state laser medium is a liquid.
  • the high-power laser amplifier described in Patent Document 1 cancels the wavefront disturbance by inverting the wavefront of the laser light disturbed by the change in the characteristics of the transmission line with a phase conjugate mirror and passing it again to the transmission line.
  • This high-power laser amplifier can correct the wavefront disturbance generated in the laser system, but cannot correct the laser light wavefront disturbance propagating in the external atmosphere.
  • Non-Patent Document 1 Jonathan F. Schonfeld, "The Theory of Compensated Laser Propagation through Width, 19th, 19th, 19th, 92nd, 19th, 92nd, 19th, 19th, 19th, 19th, 19th, 19th, and 19th"
  • the Theory of Compensated Laser Propagation through Bloam, Lobber, Closing "Thermal Temporal Brooming”
  • the Lincoln LaboRNAl 5th, 19th, 19th, 19th, 19th, 19th, 19th, 19th, 19th, 19th, 19th, 19th, 19th, and 19th. It is disclosed that the correction for the thermal blooming effect cannot be focused.
  • the atmosphere when the atmosphere is heated by the propagation of light, the atmosphere expands and its refractive index decreases, and the light that passes through such areas diffuses.
  • control is performed such that light is condensed in a region where light is diffused, light is condensed in an overheated region, and heating of this region further proceeds. As a result, the control system diverges.
  • Non-Patent Document 2 (B. Hafizzi, "Determination of absorptive coefficient based on laser beam thermal bloom in gas-pills, 50-50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50,
  • the optical system includes an irradiation device and an atmospheric characteristic acquisition system.
  • the irradiation device irradiates light to an external target via the first optical path.
  • the atmospheric characteristic acquisition system is arranged in the second optical path that is distant from the first optical path, and acquires the characteristic of the atmospheric environment of the first optical path with respect to the emitted light.
  • the irradiation device includes a wavefront correction optical system.
  • the wavefront correction optical system corrects the wavefront of the emitted light based on the acquired characteristics.
  • the optical correction method determines the characteristics of the atmospheric environment of the first optical path through which the light radiated toward the external target passes, in the second optical path away from the first optical path. Acquiring and controlling the wavefront correction optical system so as to correct the wavefront of the light based on the acquired characteristics, and irradiating the light toward the target through the wavefront correction optical system and the first optical path. Including doing.
  • the wavefront of the laser light can be optically corrected based on the characteristics of the atmospheric environment in the transmission line.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an optical system according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of the atmospheric characteristic acquisition device according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a configuration example of the irradiation method according to the embodiment.
  • FIG. 4A is a diagram showing an example of a state of laser light for obtaining atmospheric characteristics according to the embodiment.
  • FIG. 4B is a diagram illustrating an example of a state of the atmospheric characteristic acquisition laser light according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of an optical system according to an embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of an optical system according to an embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an optical system 1A according to an embodiment.
  • the optical system 1A includes an atmospheric characteristic acquisition system 2 and an irradiation device 3.
  • the irradiation device 3 is configured to emit light toward an external target 4.
  • the atmospheric characteristic acquisition system 2 is configured to acquire the characteristic of the atmospheric environment in the first optical path 51 through which this light passes, in the second optical path 52 distant from the first optical path 51, before being irradiated with this light. ing.
  • the first optical path 51 includes at least a part of the optical path until the light emitted from the irradiation device 3 reaches the target 4.
  • the irradiation device 3 includes a high-power laser light source 31, mirrors 32A and 32B, a wavefront correction optical system 33, a control device 34, a meteorometer 35, and an irradiation optical system 36.
  • the mirrors 32A and 32B may be collectively referred to as the mirror 32 without distinction.
  • the high power laser light source 31 generates high power laser light for reaching the target 4.
  • the mirror 32 is arranged so as to guide the generated high-power laser light to the wavefront correction optical system 33.
  • the wavefront correction optical system 33 is configured to correct the wavefront of the high power laser light under the control of the control device 34 when the high power laser light is reflected toward the irradiation optical system 36.
  • the wavefront correction optics 33 is a deformable mirror.
  • the control device 34 is configured to control the wavefront correction optical system 33 based on the characteristics of the atmospheric environment acquired by the atmospheric characteristics acquisition system 2 and the weather information acquired by the meteorometer 35.
  • the meteorometer 35 is configured to acquire meteorological information in the first optical path 51, the second optical path 52, or in the vicinity thereof and transmit the meteorological information to the control device 34.
  • the irradiation optical system 36 is arranged in the first optical path 51, and is configured to guide the high-power laser light reflected by the wavefront correction optical system 33 to the target 4.
  • the atmospheric characteristic acquisition system 2 includes a laser light source 21 for atmospheric characteristic acquisition and an atmospheric characteristic acquisition device 22.
  • the atmospheric characteristic acquisition laser light source 21 is configured to generate the atmospheric characteristic acquisition laser light 210.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of the atmospheric characteristic acquisition device 22 according to the embodiment.
  • the atmospheric characteristic acquisition device 22 includes an atmospheric model chamber 61, an atmospheric environment reproduction device 62, a beam diameter adjusting mechanism 63, a measuring device 64, and a vacuum pump 65.
  • the atmosphere model chamber 61 is a container that is airtight and is configured so that the atmospheric characteristic acquisition laser beam 210 can enter, pass through, and exit.
  • the atmospheric environment reproducing device 62 is connected to the atmospheric model chamber 61, and is configured so that the atmospheric environment in the first optical path 51 can be reproduced in the second optical path 52 apart from the first optical path 51.
  • the beam diameter adjusting mechanism 63 adjusts the intensity distribution of the atmospheric characteristic acquiring laser beam 210 by adjusting the beam diameter of the atmospheric characteristic acquiring laser beam 210.
  • the measuring device 64 is configured to be able to measure the characteristics of the atmospheric environment in the second optical path 52 using the light passing through the atmospheric model chamber 61.
  • the vacuum pump 65 is connected to the atmosphere model chamber 61, and is configured so that the inside of the atmosphere model chamber 61 can be evacuated.
  • the atmospheric environment reproduction device 62 includes a gas mixer 621, an atmospheric intake port 622, a standard atmospheric container 623, an aerosol generator 624, a gas flow meter 625, a particle counter 626, and a gas flow rate control valve 627. There is.
  • the gas mixer 621 is configured to mix the gas and / or aerosol and the like sent from the air intake port 622, the standard atmosphere container 623, and the aerosol generator 624 and send them toward the atmosphere model chamber 61.
  • the air intake port 622 is configured to take in the surrounding atmosphere and send it to the gas mixer 621.
  • the air intake port 622 may be arranged so as to take in the air from the first optical path 51, in particular.
  • the atmosphere taken from the first optical path 51 is called the optical path atmosphere.
  • the standard atmosphere container 623 is a container filled with standard atmosphere, and is configured to be able to send this standard atmosphere to the gas mixer 621.
  • the standard atmosphere is a gas configured to have a composition, temperature, density and the like based on a predetermined standard.
  • the aerosol generator 624 is a device for supplying and mixing solid particles, liquid particles, and / or various particles having similar characteristics, which cause a light scattering phenomenon, to generate an aerosol, and the generated aerosol is gas mixer. It is configured so that it can be sent toward 621.
  • the gas flow meter 625 is arranged between the gas mixer 621 and the atmosphere model chamber 61, and measures the amount of gas flowing from the gas mixer 621 to the atmosphere model chamber 61.
  • the particle counter 626 is arranged between the gas mixer 621 and the atmosphere model chamber 61, and counts the number of aerosol particles contained in the gas flowing from the gas mixer 621 to the atmosphere model chamber 61.
  • the gas flow rate adjusting valve 627 is arranged between the gas mixer 621 and the atmosphere model chamber 61, and can adjust the flow velocity of the gas flowing from the gas mixer 621 to the atmosphere model chamber 61 or stop the flow of the airframe. It is configured to be able to.
  • the gas mixer 621, the gas flow meter 625, the particle counter 626, the gas flow rate control valve 627, and the atmosphere model chamber 61 are the same as the gas flowing from the gas mixer 621 to the atmosphere model chamber 61 in this order. It is connected to pass through.
  • the measuring device 64 includes an intensity distribution observation camera 642, a scattered light observation camera 643, a screen 644, and a monitor device 645.
  • the screen 644 is configured to visualize the intensity distribution of the atmospheric characteristic acquisition laser beam 210 by generating the beam spot 71 by being irradiated with the atmospheric characteristic acquisition laser beam 210 that has passed through the atmospheric model chamber 61.
  • the intensity distribution observation camera 642 is configured to acquire the intensity distribution of the atmospheric characteristic acquisition laser beam 210 by observing the beam spot 71 generated on the screen 644.
  • the scattered light observation camera 643 can acquire the intensity of scattered light scattered by the atmospheric characteristic acquisition laser light 210 in a vacuum state or a state in which a predetermined atmospheric model is reproduced. Is configured.
  • the monitor device 645 is configured so that the results of observation by the intensity distribution observation camera 642 and the scattered light observation camera 643 or various kinds of acquired information can be input and displayed to the outside.
  • optical system 1A An operation example of the optical system 1A according to the embodiment, that is, an optical correction method according to the embodiment will be described.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a configuration example of an irradiation method according to an embodiment.
  • the flowchart of FIG. 3 includes a total of five steps, namely the first step S01 to the fifth step S05.
  • the first step S01 is executed.
  • the optical system 1A uses the atmospheric model chamber 61 in a vacuum state to measure the intensity distribution of the atmospheric characteristic acquisition laser beam 210 that has passed through the atmospheric model chamber 61.
  • a vacuum state is created inside the atmosphere model chamber 61 using the vacuum pump 65.
  • This vacuum state means that the atmospheric pressure is 10 kilopascals or less, for example.
  • FIG. 4A is a diagram showing an example of a state of the atmospheric characteristic acquisition laser beam 210 according to the embodiment.
  • the atmosphere model chamber 61 includes a main body 611, a first window 612, and a second window 613.
  • the main body 611 is airtight and isolates the internal space of the atmosphere model chamber 61 from the outside.
  • the main body 611 has durability against vacuum.
  • the first window 612 is configured so that the atmospheric characteristic acquisition laser light 210 can enter from the outside to the inside of the main body 611.
  • the second window 613 is configured so that the atmospheric characteristic acquisition laser beam 210 can be emitted from the inside of the main body 611 to the outside.
  • the first window 612 and the second window 613 allow the atmospheric characteristic acquisition laser beam 210 incident from the first window 612 to pass through the inside of the main body 611 along the second optical path 52 and be emitted from the second window 613. It is arranged. It should be noted that even if the atmospheric characteristic acquisition laser light 210 is reflected by the first window 612 and / or the second window 613, the reflected light does not return to the atmospheric characteristic acquisition laser light source 21 with respect to the optical axis. Therefore, it is preferable to have an appropriate angle. Further, the first window 612 and the second window 613 may be similarly configured, or may be capable of exchanging their roles.
  • the atmospheric characteristic acquisition laser light source 21 generates the atmospheric characteristic acquisition laser light 210.
  • the beam diameter of the atmospheric characteristic acquisition laser beam 210 is adjusted by passing through the beam diameter adjusting mechanism 63.
  • the intensity distribution of the atmospheric characteristic acquisition laser beam 210 is adjusted by passing through the beam diameter adjusting mechanism 63.
  • the atmospheric characteristic acquisition laser beam 210 that has passed through the beam diameter adjusting mechanism 63 is incident on the inside of the atmospheric model chamber 61 through the first window 612.
  • the atmospheric characteristic acquisition laser beam 210 that has entered through the first window 612 passes through the inside of the atmospheric model chamber 61 in a vacuum state, exits outside through the second window 613, and is irradiated onto the screen 644.
  • the atmospheric characteristic acquisition laser beam 210 before being incident through the first window 612 is also referred to as a pre-incident laser beam 210A for distinction. Further, the atmospheric characteristic acquisition laser beam 210 emitted from the second window 613 is also referred to as an emitted laser beam 210B for distinction.
  • the laser light 210A before incidence and the laser light 210B after emission are collectively referred to as the atmospheric characteristic acquisition laser light 210.
  • a beam spot 71 is generated on the surface of the screen 644, which is irradiated with the laser beam 210B after emission.
  • the intensity distribution observation camera 642 measures the intensity distribution of the laser beam 210B after emission by observing the beam spot 71.
  • the intensity distribution observation camera 642 may store the measurement result in a storage device (not shown) or may transmit the measurement result to the control device 34.
  • the scattered light observation camera 643 observes how the atmospheric characteristic acquisition laser light 210 is scattered inside the atmospheric model chamber 61.
  • the scattered light observation camera 643 may store the observation result in a storage device (not shown) or may transmit it to the control device 34. After the first step S01, the second step S02 is executed.
  • the optical system 1A uses the atmospheric model chamber 61 in which the atmospheric environment in the first optical path 51 is reproduced, and the intensity of the atmospheric characteristic acquisition laser beam 210 that has passed through the atmospheric model chamber 61. Measure the distribution.
  • the atmospheric environment reproducing device 62 is used to reproduce the atmospheric environment in the first optical path 51 inside the atmospheric model chamber 61.
  • the optical path atmosphere is fed into the atmosphere model chamber 61 via the atmosphere intake port 622 and the gas flow rate control valve 627.
  • the atmosphere around the first optical path 51 will be stored in the atmosphere model chamber 61 only by opening the gas flow rate control valve 627.
  • a gas flow meter 625 and a particle counter 626 may be arranged between the air intake port 622 and the gas flow rate control valve 627.
  • a gas mixer 621 may be further arranged between the air intake port 622 and the gas flow rate control valve 627.
  • the optical path atmosphere taken in from the atmosphere intake port 622 is mixed with the standard atmosphere stored in the standard atmosphere container 623, various particles generated by the aerosol generator 624, etc. in the gas mixer 621, and The mixed gas generated by mixing may flow into the atmosphere model chamber 61.
  • the mixed gas is used to generate the standard atmosphere, particles, etc. It is obtained by mixing with the atmosphere around the one optical path 51.
  • the mixed gas to be sent toward the atmosphere model chamber 61 may be generated by simply mixing the standard atmosphere and various particles without using the atmosphere intake port 622.
  • the atmosphere around the first optical path 51 and / or the mixed gas existing inside the atmosphere model chamber 61 will be collectively referred to as an atmospheric environment reproduction gas.
  • the atmospheric characteristic acquisition laser light 210 generated by the atmospheric characteristic acquisition laser light source 21 and having the beam diameter and intensity distribution adjusted by the beam diameter adjusting mechanism 63 is The light enters the atmosphere model chamber 61 through the window 612.
  • the atmospheric characteristic acquisition laser beam 210 that has entered through the first window 612 passes through the atmospheric environment reproducing gas existing inside the atmospheric model chamber 61, exits through the second window 613, and is irradiated onto the screen 644.
  • the atmospheric characteristic acquisition laser beam 210 emitted from the second window 613 is referred to as an emitted laser beam 210C for distinction.
  • the atmospheric characteristic acquisition laser beam 210 before entering through the first window 612 is referred to as a pre-incident laser beam 210A, as in the case of the first step S01.
  • the pre-incident laser light 210A and the post-excitation laser light 210C are collectively referred to as the atmospheric characteristic acquisition laser light 210.
  • FIG. 4B is a diagram showing an example of a state of the atmospheric characteristic acquisition laser beam 210 according to the embodiment.
  • the beam spot 72 appears on the portion of the surface of the screen 644 irradiated with the laser beam 210C after emission.
  • FIG. 4B shows an example in which the shape of the beam spot 72 is disturbed by the thermal blooming effect due to the atmospheric environment reproducing gas, etc., as compared with the beam spot 71 shown in FIG. 4A.
  • the intensity distribution observation camera 642 measures the intensity distribution of the emitted laser beam 210C by observing the beam spot 72.
  • the intensity distribution observation camera 642 may store the measurement result in a storage device (not shown) or may transmit the measurement result to the control device 34.
  • the scattered light observation camera 643 observes how the atmospheric characteristic acquisition laser light 210 is scattered by the atmospheric environment reproducing gas inside the atmospheric model chamber 61.
  • the scattered light observation camera 643 may store the observation result in a storage device (not shown) or may transmit it to the control device 34. After the second step S02, the third step S03 is executed.
  • the two measurement results obtained in the first step S01 and the second step S02 are compared. That is, on the other hand, the intensity distributions of the post-emission laser beams 210B and 210C, which are the measurement results of the intensity distribution observation camera 642, are compared. On the other hand, the scattering of the atmospheric characteristic acquisition laser light 210, which is the measurement result of the scattered light observation camera 643, is compared. These comparisons may be performed by a storage device and an arithmetic device (not shown), or may be performed by the control device 34.
  • the influence of the atmospheric environment of the first optical path 51 on the high-power laser light from the influence of the atmospheric model chamber 61 arranged on the second optical path 52 on the atmospheric characteristic acquisition laser light 210. It's relatively easy. These calculations are performed on the basis of known information such as a difference in length of the first optical path 51 and the second optical path 52, a difference in intensity and intensity distribution between the atmospheric characteristic acquisition laser light 210 and the high power laser light. You can The result calculated in this way is stored in the control device 34. After the third step S03, the fourth step S04 is executed.
  • the control device 34 controls the wavefront correction optical system 33 based on the comparison result in the third step S03.
  • the control device 34 controls the wavefront correction optical system 33 so as to approach the normal state.
  • the control device 34 controls the wavefront correction optical system 33 so as to cancel the thermal blooming effect generated by the high-power laser light propagating in the atmosphere existing in the first optical path 51.
  • the controller 34 controls the wavefront correction optical system 33 using a Zernike approximation polynomial.
  • the control device 34 controls the wavefront correction optical system 33 after converting the calculation result obtained in the third step S03 into a format that can be treated as a Zernike approximation polynomial.
  • the control device 34 may control the wavefront correction optical system 33 based on the meteorological information acquired by the meteorometer 35 in addition to the comparison result of the third step S03.
  • the meteorological information used to control the wavefront correction optical system 33 may include, for example, a part or all of the temperature, humidity, atmospheric pressure, wind speed, and the like.
  • the high power laser light source 31 outputs high power laser light.
  • the output high-power laser light first goes to the wavefront correction optical system 33 via the mirror 32.
  • the wavefront of the high-power laser light immediately before being reflected by the wavefront correction optical system 33 is shown as a wavefront 37A.
  • the shape of the wavefront 37A is known because it is determined by the characteristics of the high-power laser light source 31 and the mirror 32.
  • the high-power laser light is then reflected by the wavefront correction optical system 33.
  • the wavefront correction optical system 33 is controlled by the controller 34 in advance in the fourth step S04. Therefore, the wavefront 37B of the high-power laser light immediately after being reflected by the wavefront correction optical system 33 is expected to change from the wavefront 37A immediately before reflection.
  • the high-power laser light then travels toward the target 4 via the irradiation optical system 36 and the first optical path 51.
  • the wavefront correction optical system 33 is controlled by the control device 34 so that the wavefront 37C of the high-power laser light immediately before reaching the target 4 has an ideal shape from the viewpoint of energy propagation to the target 4. Controlled.
  • the ideal shape of the wavefront 37C is, for example, a shape that converges on one point on the surface of the target 4, and may have a spherical surface centering on this focusing point.
  • the ideal shape of the wavefront 37C is such that a plane that is a part of the surface of the target 4 is irradiated, and may have a plane shape parallel to this partial plane.
  • the flowchart of FIG. 3 ends.
  • the first step S01 to the fifth step S05 may be repeated after the fifth step S05.
  • the second step S02 to the fifth step S05 may be repeated after the fifth step S05. Even in such a case, it is preferable to use the vacuum pump 65 to discharge the atmospheric environment reproduction gas existing inside the atmospheric model chamber 61 to the outside before starting the second step S02.
  • High-power laser light may be output in pulses or continuously.
  • the fifth step S05 may be executed multiple times, or may be executed at once for a long time.
  • the atmospheric environment in the first optical path 51 may change with time. Therefore, the first step S01 to the fourth step S04 may be repeatedly executed at a frequency irrelevant to the frequency of executing the fifth step S05 or the length of time. By doing so, it is possible to continue controlling the wavefront correction optical system 33 in response to fluctuations in the thermal blooming effect due to fluctuations in the atmospheric environment.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of the optical system 1B according to the embodiment.
  • the optical system 1B shown in FIG. 5 is different from the optical system 1A shown in FIG. 1 in the following points.
  • the optical system 1B of FIG. 5 includes a dual-purpose laser light source 31A instead of the atmospheric characteristic acquisition laser light source 21 and the high-power laser light source 31 included in the optical system 1A of FIG.
  • the dual-purpose laser light source 31A is configured to be switchable between the operation as the atmospheric characteristic acquisition laser light source 21 and the operation as the high-power laser light source 31.
  • the dual-purpose laser light source 31A has a function of outputting a high-output laser light and a function of outputting the atmospheric characteristic acquisition laser light 210 in a switchable manner.
  • the dual-purpose laser light source 31A is configured so that the intensity of the laser light to be output can be switched.
  • the switching of the intensity of the laser light output from the dual-purpose laser light source 31A may be performed under the control of the control device 34, or may be performed under the control of another control system (not shown). May be done by.
  • the optical system 1B shown in FIG. 5 includes a switching mirror 32C instead of the mirror 32B shown in FIG.
  • the switching mirror 32C has a first state in which the atmospheric characteristic acquisition laser light 210 output from the dual-purpose laser light source 31A is reflected toward the atmospheric characteristic acquisition device 22, and the high-power laser light output from the dual-purpose laser light source 31A has a wavefront.
  • the second state of being reflected toward the correction optical system 33 can be switched.
  • the optical system 1B of FIG. 5 further includes a switching device (not shown) configured to switch the switching mirror 32C between the first state and the second state.
  • the operation of the optical system 1B according to this embodiment differs from the operation of the optical system 1A shown in FIG. 1 in the following points.
  • the first difference is that the switching mirror 32C is switched to the first state before starting the first step S01 of the flowchart shown in FIG. Further, when the first step S01 is executed, instead of the atmospheric characteristic acquisition laser light source 21 of FIG. 1 outputting the atmospheric characteristic acquisition laser light 210, the dual purpose laser light source 31A of FIG. 210 is output.
  • the second difference is that the switching mirror 32C is switched to the second state before the second step S02 of the flowchart shown in FIG. 3 is started. Further, when executing the second step S02, the dual-purpose laser light source 31A in FIG. 5 outputs the high-output laser light, instead of the high-output laser light source 31 in FIG. 1 outputting the high-output laser light.
  • one laser light source can be omitted while maintaining the same effect.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of the optical system 1C according to the embodiment.
  • the optical system 1C shown in FIG. 6 is different from the optical system 1B shown in FIG. 5 in the following points.
  • the optical system 1C of FIG. 6 is provided with a mirror 32B included in the optical system 1A of FIG. 1 at the same place as that of FIG.
  • the atmospheric characteristic acquisition device 22 is arranged between the mirror 32B and the wavefront correction optical system 33. Also at this time, it should be noted that the second optical path 52 in which the atmospheric characteristic acquisition device 22 is arranged is separated from the first optical path 51 existing between the irradiation optical system 36 and the target 4.
  • the operation of the optical system 1C according to the present embodiment differs from the operation of the optical system 1B shown in FIG. 5 in the following points.
  • the first difference is that it is not necessary to perform the switching operation of the switching mirror 32C before starting the first step S01 and the second step S02 of the flowchart shown in FIG.
  • the second difference is that the high-power laser light passes through the atmospheric characteristic acquisition device 22 when the fifth step S05 of the flowchart shown in FIG. 3 is executed.
  • the high power laser light passes through the inside of the atmosphere model chamber 61.
  • the first window 612 and the second window 613 are configured to have durability against the high-output laser light. There is.
  • the inside of the atmosphere model chamber 61 is vacuum in order to minimize the influence of the atmosphere model chamber 61 on the high-power laser light.
  • the length of the atmosphere model chamber 61 included in the second optical path 52 in the direction of the second optical path 52 is so short as to be negligible with respect to the length of the first optical path 51 from the irradiation optical system 36 to the target 4. In this case, the influence of the atmosphere model chamber 61 on the high power laser light can be ignored.
  • the optical system 1C may further include a mechanism (not shown) for moving the screen 644 between the first step S01 and the second step S02 and the fifth step S05.
  • a sampler capable of sampling a part of the atmospheric characteristic acquisition laser beam 210 may be provided instead of the screen 644.
  • the intensity distribution observation camera 642 measures the intensity distribution of the post-emission laser beam 210B by observing the light sampled from the sampler.
  • the switching mirror 32C can be omitted while maintaining the same effect.

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Abstract

レーザ光を大気中の伝送路に伝搬させるときに、この伝送路の特性を、この伝送路から離れた場所で、伝搬の前に取得し、取得された特性に基づいてレーザ光の波面を補正する光学システムを提供する。光学システムは、照射装置と、大気特性取得システムとを備える。照射装置は、第１光路を介して外部のターゲットに向けて光を照射する。大気特性取得システムは、第１光路から離れた第２光路に配置され、第１光路の大気環境の、照射される光に対する特性を取得する。照射装置は、波面補正光学系を備える。波面補正光学系は、取得された特性に基づいて、照射される光の波面を補正する。

Description

光学システムおよび光学補正方法
　本発明は光学システムおよび光学補正方法に関する。
　高出力レーザ光が大気中を伝搬すると、サーマルブルーミング効果が発生する場合がある。サーマルブルーミング効果とは、媒体を伝搬する光のエネルギーが媒体自体によって吸収されることによって、この媒体が加熱されて光の伝送路特性が変化する現象である。サーマルブルーミング効果は、エネルギー伝送などに代表される高出力レーザ光の長距離伝搬の実用化を妨げている。
　上記に関連して、特許文献１（特開２００５－１０１２２３号公報）には、高出力レーザー増幅器に係る発明が開示されている。この高出力レーザー増幅器は、固体レーザー媒質と、ハウジングと、励起源とを備える。固体レーザー媒質は、レーザー光を増幅する。ハウジングは、固体レーザー媒質を格納する。励起源は、固体レーザー媒質を励起光で励起する。この高出力レーザー増幅器は、レーザー光路に波面歪みを補償する位相共役鏡を備え、固体レーザー媒質の冷却媒質が液体であることを特徴とする。
　特許文献１に記載の高出力レーザー増幅器は、伝送路の特性変化により乱れたレーザ光の波面を位相共役鏡で反転させて再度伝送路に通過させることによって、波面乱れを相殺する。この高出力レーザー増幅器は、レーザシステム内で発生する波面乱れの補正は出来るが、外部の大気中を伝搬するレーザ光波面乱れの補正は出来ない。
　また、非特許文献１（Ｊｏｎａｔｈａｎ　Ｆ．　Ｓｃｈｏｎｆｅｌｄ、「Ｔｈｅ　Ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ　Ｌａｓｅｒ　Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｓｔｒｏｎｇ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｂｌｏｏｍｉｎｇ」、ＴＨＥ　ＬＩＮＣＯＬＮ　ＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹ　ＪＯＵＲＮＡＬ、Ｖｏｌｕｍｅ　５、Ｎｕｍｂｅｒ　１、ｐｐ．１３１－１５０、１９９２）には、クローズドループではサーマルブルーミング効果に対する補正を集束させられないことが開示されている。
　例えば、光の伝搬により大気が加熱されると、この大気は膨張してその屈折率が低下し、このような領域を通過する光は拡散する。光が拡散する領域で集光するような制御を行うと、過熱された領域に光が集光され、この領域の加熱がさらに進む。結果として、制御系は発散する。
　また、非特許文献２（Ｂ．　Ｈａｆｉｚｉ、「Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｌａｓｅｒ　ｂｅａｍ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｂｌｏｏｍｉｎｇ　ｉｎ　ｇａｓ－ｆｉｌｌｅｄ　ｔｕｂｅ」、Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．５３、Ｉｓｓｕｅ　２２、ｐｐ．５０１６－５０２３、２０１４）には、直径４ｃｍ、長さ５．５ｍのチューブ内にレーザを通すことで引き起こされるサーマルブルーミング効果からチューブ内の気体の吸収特性が取得可能であることが開示されている。
特開２００５－１０１２２３号公報
Ｊｏｎａｔｈａｎ　Ｆ．　Ｓｃｈｏｎｆｅｌｄ、「Ｔｈｅ　Ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ　Ｌａｓｅｒ　Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｓｔｒｏｎｇ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｂｌｏｏｍｉｎｇ」、ＴＨＥ　ＬＩＮＣＯＬＮ　ＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹ　ＪＯＵＲＮＡＬ、Ｖｏｌｕｍｅ　５、Ｎｕｍｂｅｒ　１、ｐｐ．１３１－１５０、１９９２ Ｂ．　Ｈａｆｉｚｉ、「Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｌａｓｅｒ　ｂｅａｍ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｂｌｏｏｍｉｎｇ　ｉｎ　ｇａｓ－ｆｉｌｌｅｄ　ｔｕｂｅ」、Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．５３、Ｉｓｓｕｅ　２２、ｐｐ．５０１６－５０２３、２０１４
　レーザ光を大気中の伝送路に伝搬させるときに、この伝送路の特性を、この伝送路から離れた場所で、伝搬の前に取得し、取得された特性に基づいてレーザ光の波面を補正する光学システムを提供する。その他の課題と新規な特徴は、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。
　一実施の形態によれば、光学システムは、照射装置と、大気特性取得システムとを備える。照射装置は、第１光路を介して外部のターゲットに向けて光を照射する。大気特性取得システムは、第１光路から離れた第２光路に配置され、第１光路の大気環境の、照射される光に対する特性を取得する。照射装置は、波面補正光学系を備える。波面補正光学系は、取得された特性に基づいて、照射される光の波面を補正する。
　一実施の形態によれば、光学補正方法は、外部のターゲットに向けて照射される光が通過する第１光路の大気環境の、この光に対する特性を、第１光路から離れた第２光路において取得することと、取得された特性に基づいて、光の波面を補正するように、波面補正光学系を制御することと、波面補正光学系および第１光路を介してターゲットに向けて光を照射することとを含む。
　前記一実施の形態によれば、レーザ光を大気中の伝送路に伝搬させるときに、この伝送路における大気環境の特性に基づいて、レーザ光の波面を光学的に補正することが出来る。
図１は、一実施形態による光学システムの一構成例を示す図である。 図２は、一実施形態による大気特性取得装置の一構成例を示す図である。 図３は、一実施形態による照射方法の一構成例を示すフローチャートである。 図４Ａは、一実施形態による大気特性取得用レーザ光の一状態例を示す図である。 図４Ｂは、一実施形態による大気特性取得用レーザ光の一状態例を示す図である。 図５は、一実施形態による光学システムの一構成例を示す図である。 図６は、一実施形態による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、本発明による光学システムを実施するための形態を以下に説明する。
　（第１の実施形態）
　図１は、一実施形態による光学システム１Ａの一構成例を示す図である。光学システム１Ａは、大気特性取得システム２と、照射装置３とを備えている。
　照射装置３は、外部のターゲット４に向けて光を照射するように構成されている。大気特性取得システム２は、この光が通過する第１光路５１における大気環境の特性を、第１光路５１から離れた第２光路５２で、この光が照射される前に取得するように構成されている。第１光路５１は、少なくも照射装置３から照射された光がターゲット４に到達するまでの光路の一部を含む。
　照射装置３は、高出力レーザ光源３１と、ミラー３２Ａ、３２Ｂと、波面補正光学系３３と、制御装置３４と、気象計３５と、照射光学系３６とを備える。以降、ミラー３２Ａ、３２Ｂを区別せずにミラー３２と総称する場合がある。
　高出力レーザ光源３１は、ターゲット４に到達させるための高出力レーザ光を生成する。ミラー３２は、生成された高出力レーザ光を波面補正光学系３３に導くように配置されている。波面補正光学系３３は、高出力レーザ光を照射光学系３６に向けて反射する際に、高出力レーザ光の波面を、制御装置３４の制御下で補正するように構成されている。一実施形態において、波面補正光学系３３は、可変形鏡である。制御装置３４は、大気特性取得システム２によって取得された大気環境の特性と、気象計３５によって取得された気象情報とに基づいて、波面補正光学系３３を制御するように構成されている。気象計３５は、第１光路５１、第２光路５２またはこれらの近傍における気象情報を取得して制御装置３４に送信するように構成されている。照射光学系３６は、第１光路５１に配置されており、波面補正光学系３３によって反射された高出力レーザ光をターゲット４へ導くように構成されている。
　大気特性取得システム２は、大気特性取得用レーザ光源２１と、大気特性取得装置２２とを備える。
　大気特性取得用レーザ光源２１は、大気特性取得用レーザ光２１０を生成するように構成されている。
　図２は、一実施形態による大気特性取得装置２２の一構成例を示す図である。大気特性取得装置２２は、大気モデルチャンバー６１と、大気環境再現装置６２と、ビーム径調整機構６３と、測定装置６４と、真空ポンプ６５とを備えている。
　大気モデルチャンバー６１は、気密性を有し、かつ、大気特性取得用レーザ光２１０が入射、通過および出射できるように構成された容器である。大気環境再現装置６２は、大気モデルチャンバー６１に接続されており、その内部に第１光路５１における大気環境を、第１光路５１から離れた第２光路５２で再現出来るように構成されている。ビーム径調整機構６３は、大気特性取得用レーザ光２１０のビーム径を調整することによって、大気特性取得用レーザ光２１０の強度分布を調整する。測定装置６４は、大気モデルチャンバー６１を通過する光を用いて、第２光路５２における大気環境の特性を測定出来るように構成されている。真空ポンプ６５は、大気モデルチャンバー６１に接続されており、大気モデルチャンバー６１の内部を真空にすることが出来るように構成されている。
　大気環境再現装置６２は、ガスミキサー６２１と、大気取り込み口６２２と、標準大気容器６２３と、エアロゾル生成器６２４と、ガス流量計６２５と、パーティクルカウンター６２６と、ガス流量調節バルブ６２７とを備えている。
　ガスミキサー６２１は、大気取り込み口６２２、標準大気容器６２３およびエアロゾル生成器６２４から送られる気体および／またはエアロゾルなどを混合して大気モデルチャンバー６１に向けて送り出すように構成されている。大気取り込み口６２２は、周辺の大気を取り込んでガスミキサー６２１へ送り出せるように構成されている。大気取り込み口６２２は、特に、第１光路５１から大気を取り込むように配置されてもよい。第１光路５１から取り込まれた大気を、光路大気と呼ぶ。標準大気容器６２３は、標準大気が充填された容器であり、この標準大気をガスミキサー６２１へ送り出せるように構成されている。なお、標準大気とは、所定の標準に基づく組成、温度、密度などを有するように構成された気体である。エアロゾル生成器６２４は、光の散乱現象の原因となる固体粒子、液体粒子および／または同様の特性を有する種々の粒子を供給、混合したエアロゾルを生成する装置であって、生成したエアロゾルをガスミキサー６２１に向けて送り出せるように構成されている。ガス流量計６２５は、ガスミキサー６２１および大気モデルチャンバー６１の間に配置されており、ガスミキサー６２１から大気モデルチャンバー６１へ流れる気体の量を測定する。パーティクルカウンター６２６は、ガスミキサー６２１および大気モデルチャンバー６１の間に配置されており、ガスミキサー６２１から大気モデルチャンバー６１へ流れる気体に含まれるエアロゾルの粒子数を数える。ガス流量調節バルブ６２７は、ガスミキサー６２１および大気モデルチャンバー６１の間に配置されており、ガスミキサー６２１から大気モデルチャンバー６１へ流れる気体の流速を調節したり、機体の流れを止めたりすることが出来るように構成されている。一実施形態では、ガスミキサー６２１と、ガス流量計６２５と、パーティクルカウンター６２６と、ガス流量調節バルブ６２７と、大気モデルチャンバー６１とは、ガスミキサー６２１から大気モデルチャンバー６１へ流れる気体がこの順番に通るように接続されている。
　測定装置６４は、強度分布観測用カメラ６４２と、散乱光観測用カメラ６４３と、スクリーン６４４と、モニタ装置６４５とを備えている。
　スクリーン６４４は、大気モデルチャンバー６１を通過した大気特性取得用レーザ光２１０が照射されることでビームスポット７１が生じることによって、大気特性取得用レーザ光２１０の強度分布を可視化出来るように構成されている。強度分布観測用カメラ６４２は、スクリーン６４４に生じたビームスポット７１を観測することによって、大気特性取得用レーザ光２１０の強度分布を取得できるように構成されている。散乱光観測用カメラ６４３は、大気モデルチャンバー６１の内部を観測することによって、真空状態または所定の大気モデルが再現された状態において大気特性取得用レーザ光２１０が散乱した散乱光の強度を取得できるように構成されている。モニタ装置６４５は、強度分布観測用カメラ６４２および散乱光観測用カメラ６４３が観測した結果または取得した各種情報を入力して外部に向けて表示できるように構成されている。
　一実施形態による光学システム１Ａの一動作例、すなわち一実施形態による光学補正方法について説明する。
　図３は、一実施形態による照射方法の一構成例を示すフローチャートである。図３のフローチャートには、第１ステップＳ０１～第５ステップＳ０５の合計５つのステップが含まれている。図３のフローチャートが開始すると、第１ステップＳ０１が実行される。
　第１ステップＳ０１では、光学システム１Ａは、真空状態の大気モデルチャンバー６１を用いて、この大気モデルチャンバー６１を通過した大気特性取得用レーザ光２１０の強度分布を測定する。
　まず、真空ポンプ６５を用いて大気モデルチャンバー６１の内部に真空状態が作られる。この真空状態は、例えば、気圧が１０キロパスカル以下であることを意味する。
　図４Ａは、一実施形態による大気特性取得用レーザ光２１０の一状態例を示す図である。大気モデルチャンバー６１は、本体６１１と、第１窓６１２と、第２窓６１３とを備える。本体６１１は、気密性を有しており、大気モデルチャンバー６１の内部空間を外部から隔離する。本体６１１は、真空に対する耐久性を有する。
　第１窓６１２は、本体６１１の外部から内部へ大気特性取得用レーザ光２１０が入射できるように構成されている。第２窓６１３は、本体６１１の内部から外部へ大気特性取得用レーザ光２１０が出射できるように構成されている。第１窓６１２および第２窓６１３は、第１窓６１２から入射した大気特性取得用レーザ光２１０が、第２光路５２に沿って本体６１１の内部を通り、第２窓６１３から出射できるように配置されている。なお、大気特性取得用レーザ光２１０のうち、第１窓６１２および／または第２窓６１３によって反射しても、この反射光が大気特性取得用レーザ光源２１に戻らないように、光軸に対して適宜な角度を有していることが好ましい。また、第１窓６１２および第２窓６１３は、同様に構成されていてもよいし、互いの役割を交換出来てもよい。
　次に、大気特性取得用レーザ光源２１が大気特性取得用レーザ光２１０を生成する。大気特性取得用レーザ光２１０は、ビーム径調整機構６３を通過することによって、ビーム径が調整される。言い換えれば、大気特性取得用レーザ光２１０は、ビーム径調整機構６３を通過することによって、強度分布が調整される。ビーム径調整機構６３を通過した大気特性取得用レーザ光２１０は、第１窓６１２を介して大気モデルチャンバー６１の内部に入射する。第１窓６１２から入射した大気特性取得用レーザ光２１０は、真空状態の大気モデルチャンバー６１の内部を通過し、第２窓６１３を介して外側に出射し、スクリーン６４４に照射される。
　第１窓６１２から入射する前の大気特性取得用レーザ光２１０を、区別のために入射前レーザ光２１０Ａとも呼ぶ。また、第２窓６１３から出射した後の大気特性取得用レーザ光２１０を、区別のために出射後レーザ光２１０Ｂとも呼ぶ。入射前レーザ光２１０Ａおよび出射後レーザ光２１０Ｂを大気特性取得用レーザ光２１０と総称する。
　スクリーン６４４の表面のうち、出射後レーザ光２１０Ｂが照射された部分には、ビームスポット７１が生じる。強度分布観測用カメラ６４２は、ビームスポット７１を観測することによって、出射後レーザ光２１０Ｂの強度分布を測定する。強度分布観測用カメラ６４２は、測定結果を図示しない記憶装置に格納しても良いし、制御装置３４に向けて送信しても良い。
　散乱光観測用カメラ６４３は、大気特性取得用レーザ光２１０が大気モデルチャンバー６１の内部で散乱する様子を観測する。散乱光観測用カメラ６４３は、観測結果を図示しない記憶装置に格納しても良いし、制御装置３４に向けて送信しても良い。第１ステップＳ０１の次には、第２ステップＳ０２が実行される。
　第２ステップＳ０２では、光学システム１Ａは、第１光路５１における大気環境を内部に再現した状態の大気モデルチャンバー６１を用いて、この大気モデルチャンバー６１を通過した大気特性取得用レーザ光２１０の強度分布を測定する。
　まず、大気環境再現装置６２を用いて、大気モデルチャンバー６１の内部に、第１光路５１における大気環境が再現される。一実施形態では、大気取り込み口６２２およびガス流量調節バルブ６２７を介して、光路大気が大気モデルチャンバー６１の内部に送り込まれる。ここで、大気モデルチャンバー６１の内部が、直前の第１ステップＳ０１の真空状態に保たれていれば、ガス流量調節バルブ６２７を開くだけで第１光路５１の周囲の大気が大気モデルチャンバー６１の内部に流入する。なお、大気取り込み口６２２およびガス流量調節バルブ６２７の間には、ガス流量計６２５およびパーティクルカウンター６２６が配置されていても良い。大気取り込み口６２２およびガス流量調節バルブ６２７の間には、ガスミキサー６２１がさらに配置されていても良い。一実施形態では、大気取り込み口６２２から取り込んだ光路大気が、標準大気容器６２３に格納されている標準大気や、エアロゾル生成器６２４で生成される各種粒子などと、ガスミキサー６２１で混合され、この混合によって生成された混合気体を大気モデルチャンバー６１の内部に流入しても良い。言い換えれば、混合気体は、第１光路５１における大気環境を、第２光路５２に配置された大気モデルチャンバー６１の内部で、より高い精度で再現するために、標準大気や、粒子などを、第１光路５１の周囲の大気に混合することで得られる。一実施形態では、大気取り込み口６２２を使用せずに、標準大気および各種粒子を混合するだけで、大気モデルチャンバー６１に向けて送り込む混合気体を生成しても良い。以降、大気モデルチャンバー６１の内部に存在する、第１光路５１の周囲の大気および／または混合気体を、大気環境再現気体と総称する。
　次に、第１ステップＳ０１の場合と同様に、大気特性取得用レーザ光源２１によって生成され、ビーム径調整機構６３によってビーム径および強度分布が調整された大気特性取得用レーザ光２１０が、第１窓６１２から大気モデルチャンバー６１の内部に入射する。第１窓６１２から入射した大気特性取得用レーザ光２１０は、大気モデルチャンバー６１の内部に存在する大気環境再現気体を通過し、第２窓６１３から出射し、スクリーン６４４に照射される。ここで、第２窓６１３から出射した後の大気特性取得用レーザ光２１０を、区別のために出射後レーザ光２１０Ｃと呼ぶ。なお、第１窓６１２から入射する前の大気特性取得用レーザ光２１０は、第１ステップＳ０１の場合と同様に、入射前レーザ光２１０Ａと呼ぶ。言い換えれば、入射前レーザ光２１０Ａおよび出射後レーザ光２１０Ｃを大気特性取得用レーザ光２１０と総称する。
　図４Ｂは、一実施形態による大気特性取得用レーザ光２１０の一状態例を示す図である。スクリーン６４４の表面のうち、出射後レーザ光２１０Ｃが照射された部分には、ビームスポット７２が現れる。図４Ｂでは、ビームスポット７２の形状が、図４Ａに示したビームスポット７１と比較して、大気環境再現気体によるサーマルブルーミング効果などによって乱れている場合の一例を示している。強度分布観測用カメラ６４２は、ビームスポット７２を観測することによって、出射後レーザ光２１０Ｃの強度分布を測定する。強度分布観測用カメラ６４２は、測定結果を図示しない記憶装置に格納しても良いし、制御装置３４に向けて送信しても良い。
　散乱光観測用カメラ６４３は、大気特性取得用レーザ光２１０が大気モデルチャンバー６１の内部の大気環境再現気体によって散乱する様子を観測する。散乱光観測用カメラ６４３は、観測結果を図示しない記憶装置に格納しても良いし、制御装置３４に向けて送信しても良い。第２ステップＳ０２の次には、第３ステップＳ０３が実行される。
　第３ステップＳ０３では、第１ステップＳ０１および第２ステップＳ０２で得られた２つの測定結果を比較する。すなわち、一方では、強度分布観測用カメラ６４２の測定結果である、出射後レーザ光２１０Ｂ、２１０Ｃの強度分布を比較する。また、他方では、散乱光観測用カメラ６４３の測定結果である、大気特性取得用レーザ光２１０の散乱を比較する。これらの比較は、図示しない記憶装置および演算装置が行っても良いし、制御装置３４が行っても良い。
　これらの比較を行うことで、大気環境再現気体によるレーザ光への影響を、大気モデルチャンバー６１を含む大気特性取得システム２による影響を除外して算出することが出来る。言い換えれば、真空状態と、大気環境再現状態とにおける測定結果を比較することによって、大気環境再現気体によるサーマルブルーミング効果の影響のみを抽出することが可能となる。
　また、第２光路５２に配置された大気モデルチャンバー６１による、大気特性取得用レーザ光２１０への影響から、第１光路５１の大気環境による、高出力レーザ光への影響を算出することも、比較的容易に出来る。これらの算出は、第１光路５１および第２光路５２の長さの違い、大気特性取得用レーザ光２１０および高出力レーザ光の間の強度および強度分布の違いなどの既知の情報に基づいて行うことが出来る。このようにして算出された結果は、制御装置３４に格納される。第３ステップＳ０３の次には、第４ステップＳ０４が実行される。
　第４ステップＳ０４では、制御装置３４が、第３ステップＳ０３の比較結果に基づいて、波面補正光学系３３を制御する。言い換えれば、高出力レーザ光が波面補正光学系３３で反射し、照射光学系３６を通過し、第１光路５１を伝搬し、ターゲット４に到達するときに、この高出力レーザ光の波面が理想的な状態に近づくように、制御装置３４は波面補正光学系３３を制御する。さらに言い換えれば、高出力レーザ光が第１光路５１に存在する大気を伝搬することによって発生するサーマルブルーミング効果を打ち消すように、制御装置３４は波面補正光学系３３を制御する。
　一実施形態では、制御装置３４は、波面補正光学系３３を、ゼルニケ近似多項式を用いて制御する。言い換えれば、制御装置３４は、第３ステップＳ０３で得られた算出結果を、ゼルニケ近似多項式として扱える形式に変換した上で、波面補正光学系３３を制御する。
　制御装置３４は、第３ステップＳ０３の比較結果の他に、気象計３５で取得された気象情報にさらに基づいて、波面補正光学系３３を制御してもよい。波面補正光学系３３の制御に用いられる気象情報には、例えば、気温、湿度、気圧、風速などのうち、一部または全てが含まれてもよい。第４ステップＳ０４の次には、第５ステップＳ０５が実行される。
　第５ステップＳ０５では、高出力レーザ光源３１が高出力レーザ光を出力する。出力された高出力レーザ光は、まず、ミラー３２を介して波面補正光学系３３に向かう。図１に示した実施形態では、波面補正光学系３３で反射される直前の高出力レーザ光の波面を、波面３７Ａとして示している。波面３７Ａの形状は、高出力レーザ光源３１およびミラー３２の特性によって決定されるので、既知である。
　高出力レーザ光は、次に、波面補正光学系３３で反射される。このとき、波面補正光学系３３は、第４ステップＳ０４において予め、制御装置３４によって制御されている。したがって、波面補正光学系３３で反射された直後における高出力レーザ光の波面３７Ｂは、反射直前の波面３７Ａから変化することが予想される。
　高出力レーザ光は、次に、照射光学系３６および第１光路５１を介してターゲット４に向かう。高出力レーザ光は、第１光路５１を伝搬する際に、この第１光路５１に存在する大気などによるサーマルブルーミング効果によって、その波面の形状が変化する。この変化の結果として、ターゲット４に到達する直前の高出力レーザ光の波面３７Ｃが、ターゲット４へのエネルギー伝搬の観点から理想的な形状を有するように、波面補正光学系３３は制御装置３４によって制御されている。波面３７Ｃの理想的な形状とは、例えば、ターゲット４の表面上の一点に収束するような形状であり、この集束点を中心とした球面を有していても良い。または、例えば、波面３７Ｃの理想的な形状は、ターゲット４の表面の一部である平面に照射されるような形状であり、この部分平面に平行な平面形状を有していても良い。
　第５ステップＳ０５が完了すると、図３のフローチャートは終了する。なお、第５ステップＳ０５の後に第１ステップＳ０１～第５ステップＳ０５を繰り返しても良い。ただし、第１ステップＳ０１で得られた測定結果に変化が無いと考えられる場合には、第５ステップＳ０５の後に第２ステップＳ０２～第５ステップＳ０５を繰り返しても良い。このような場合でも、第２ステップＳ０２を開始する前に、真空ポンプ６５を用いて、大気モデルチャンバー６１の内部に存在する大気環境再現気体を外部に排出することが好ましい。
　高出力レーザ光は、パルス状に出力されても良いし、連続的に出力されても良い。言い換えれば、第５ステップＳ０５は、複数回実行されても良いし、一度に長時間に渡って実行されても良い。いずれの場合も、第１光路５１における大気環境は、時間と共に変動することが考えられる。そこで、第５ステップＳ０５を実行する頻度や時間の長さなどとは無関係な頻度で、第１ステップＳ０１～第４ステップＳ０４を繰り返し実行しても良い。こうすることによって、大気環境の変動に伴うサーマルブルーミング効果の変動に対応して波面補正光学系３３を制御し続けることが出来る。
　（第２実施形態）
　図５は、一実施形態による光学システム１Ｂの一構成例を示す図である。図５に示した光学システム１Ｂは、図１に示した光学システム１Ａと比較して、以下の点が異なる。
　第１の相違点として、図５の光学システム１Ｂは、図１の光学システム１Ａが備える大気特性取得用レーザ光源２１および高出力レーザ光源３１の代わりに、兼用レーザ光源３１Ａを備えている。兼用レーザ光源３１Ａは、大気特性取得用レーザ光源２１としての動作と、高出力レーザ光源３１としての動作とを、切り替え可能に構成されている。言い換えれば、兼用レーザ光源３１Ａは、高出力レーザ光を出力する機能と、大気特性取得用レーザ光２１０を出力する機能とを、切り替え可能に有している。さらに言い換えれば、兼用レーザ光源３１Ａは、出力するレーザ光の強度を切り替えられるように構成されている。兼用レーザ光源３１Ａが出力するレーザ光の強度の切り替えは、制御装置３４の制御下で行われても良いし、図示しない他の制御系の制御下で行われても良いし、利用者の操作によって行われても良い。
　第２の相違点として、図５に示した光学システム１Ｂは、図１に示したミラー３２Ｂの代わりに、切替ミラー３２Ｃを備えている。切替ミラー３２Ｃは、兼用レーザ光源３１Ａから出力される大気特性取得用レーザ光２１０を大気特性取得装置２２に向けて反射する第１状態と、兼用レーザ光源３１Ａから出力される高出力レーザ光を波面補正光学系３３に向けて反射する第２状態とを、切り替え可能に構成されている。なお、図５の光学システム１Ｂは、切替ミラー３２Ｃの第１状態および第２状態を切り替えるように構成された、図示しない切替装置をさらに備えている。
　本実施形態による光学システム１Ｂの動作は、図１に示した光学システム１Ａの動作と比較して、以下の点が異なる。
　第１の相違点として、図３に示したフローチャートの第１ステップＳ０１を開始する前に、切替ミラー３２Ｃを第１状態に切り替える動作を行う。また、第１ステップＳ０１を実行する際に、図１の大気特性取得用レーザ光源２１が大気特性取得用レーザ光２１０を出力する代わりに、図５の兼用レーザ光源３１Ａが大気特性取得用レーザ光２１０を出力する。
　第２の相違点として、図３に示したフローチャートの第２ステップＳ０２を開始する前に、切替ミラー３２Ｃを第２状態に切り替える動作を行う。また、第２ステップＳ０２を実行する際に、図１の高出力レーザ光源３１が高出力レーザ光を出力する代わりに、図５の兼用レーザ光源３１Ａが高出力レーザ光を出力する。
　本実施形態の他の構成および他の動作は、図１に示した実施形態と同様であるので、さらなる詳細な説明を省略する。
　本実施形態では、図１に示した実施形態と比較して、同じ作用効果を保ちながら、レーザ光源を１つ省略することが出来る。
　（第３実施形態）
　図６は、一実施形態による光学システム１Ｃの一構成例を示す図である。図６に示した光学システム１Ｃは、図５に示した光学システム１Ｂと比較して、以下の点が異なる。
　第１の相違点として、図６の光学システム１Ｃは、切替ミラー３２Ｃの代わりに、図１の光学システム１Ａが備えるミラー３２Ｂを、図１と同じ場所に備えている。
　第２の相違点として、図６の光学システム１Ｃでは、大気特性取得装置２２が、ミラー３２Ｂおよび波面補正光学系３３の間に配置されている。このときも、大気特性取得装置２２が配置されている第２光路５２が、照射光学系３６およびターゲット４の間に存在する第１光路５１から離れていることに注目されたい。
　本実施形態による光学システム１Ｃの動作は、図５に示した光学システム１Ｂの動作と比較して、以下の点が異なる。
　第１の相違点として、図３に示したフローチャートの第１ステップＳ０１および第２ステップＳ０２を開始する前に、切替ミラー３２Ｃの切り替え動作を行う必要が無い。
　第２の相違点として、図３に示したフローチャートの第５ステップＳ０５を実行する際に、高出力レーザ光は、大気特性取得装置２２を通過する。特に、高出力レーザ光は、大気モデルチャンバー６１の内部を通過する。このとき、高出力レーザ光は第１窓６１２から入射して第２窓６１３から出射するので、第１窓６１２および第２窓６１３は、高出力レーザ光に対する耐久性を有するように構成されている。
　また、第５ステップＳ０５を実行する際に、大気モデルチャンバー６１による高出力レーザ光への影響を最小化するために、大気モデルチャンバー６１の内部は真空であることが好ましい。言い換えれば、第５ステップＳ０５を実行する前に、真空ポンプ６５を用いて大気モデルチャンバー６１の内部を真空にすることが好ましい。ただし、第２光路５２に含まれる大気モデルチャンバー６１の、第２光路５２の方向の長さが、照射光学系３６からターゲット４に到る第１光路５１の長さに対して無視出来るほど短い場合は、大気モデルチャンバー６１による高出力レーザ光への影響を無視出来る。さらに、この影響は、大気モデルチャンバー６１の内部に、第１光路５１の大気環境が再現されていることからも、無視してよい。したがって、このような場合は、第５ステップＳ０５を実行する前に、真空ポンプ６５を用いて大気モデルチャンバー６１の内部を真空にする動作は省略可能である。
　さらに、第５ステップＳ０５を実行する際に、大気特性取得装置２２に含まれるスクリーン６４４が、高出力レーザ光の伝搬を遮ったり、反対に高出力レーザ光によって破損したりすることが考えられる。そこで、光学システム１Ｃは、第１ステップＳ０１および第２ステップＳ０２と、第５ステップＳ０５との間で、スクリーン６４４を移動するための図示しない機構を、さらに備えても良い。
　または、大気特性取得用レーザ光２１０の一部をサンプリングできるサンプラーを、スクリーン６４４の代わりに設けても良い。この場合は、第２ステップＳ０２において、強度分布観測用カメラ６４２は、サンプラーからサンプリングされた光を観測することで、出射後レーザ光２１０Ｂの強度分布を測定する。
　本実施形態の他の構成および他の動作は、図５に示した実施形態と同様であるので、さらなる詳細な説明を省略する。
　本実施形態では、図５に示した実施形態と比較して、同じ作用効果を保ちながら、切替ミラー３２Ｃを省略することが出来る。
　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１１月１３日に出願された日本国特許出願２０１８－２１２８４２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 (14)

  1. 　第１光路を介して外部のターゲットに向けて光を照射する照射装置と、
    　前記第１光路から離れた第２光路に配置され、前記第１光路の大気環境の、前記光に対する特性を取得する大気特性取得システムと、
    を具備し、
    　前記照射装置は、
    　前記特性に基づいて、前記光の波面を補正する波面補正光学系
    を具備する
    　光学システム。
  2. 　請求項１に記載の光学システムにおいて、
    　前記大気特性取得システムは、
    　内部に前記第１光路の前記大気環境を再現出来るように構成された大気モデルチャンバーと、
    　前記大気モデルチャンバーを通過した光を用いて前記特性を測定する測定装置と、
    を具備する
    　光学システム。
  3. 　請求項２に記載の光学システムにおいて、
    　前記大気モデルチャンバーの内部を真空にする真空ポンプと、
    　前記大気モデルチャンバーの内部に、前記第１光路の大気を再現した大気環境再現気体を流入する大気環境再現装置
    をさらに具備する
    　光学システム。
  4. 　請求項３に記載の光学システムにおいて、
    　前記大気環境再現装置は、
    　前記第１光路から光路大気を取り込む大気取り込み口と、
    　標準大気を供給する標準大気容器と、
    　エアロゾルを供給するエアロゾル生成器と、
    　前記光路大気、前記標準大気および前記エアロゾルを混合して前記大気環境再現気体を生成するガスミキサーと、
    　前記ガスミキサーから前記大気モデルチャンバーに流入する前記大気環境再現気体の流量を測定するガス流量計と、
    　前記ガスミキサーから前記大気モデルチャンバーに流入する前記エアロゾルの粒子数を数えるパーティクルカウンターと、
    　前記ガスミキサーから前記大気モデルチャンバーに流入する前記大気環境再現気体の前記流量を調節するガス流量調節バルブと
    を具備する
    　光学システム。
  5. 　請求項４に記載の光学システムにおいて、
    　前記測定装置は、前記内部が真空である第１状態の前記大気モデルチャンバーを通過した光を用いて測定する第１特性と、前記内部に前記大気環境を再現している第２状態の前記大気モデルチャンバーを通過した光を用いて測定する第２特性とを比較して、前記特性を取得する
    　光学システム。
  6. 　請求項５に記載の光学システムにおいて、
    　前記大気モデルチャンバーは、
    　光が外部から前記内部に入射する第１窓と、
    　前記光が前記内部から外部へ出射する第２窓と
    を具備し、
    　前記測定装置は、
    　前記光が前記第１窓から入射する前の入射光の強度分布を調整するビーム径調整機構と、
    　前記光が前記第２窓から出射した出射光を照射されてビームスポットが生じるスクリーンと、
    　前記ビームスポットを観測して、前記出射光の強度分布を測定する強度分布観測用カメラと
    を具備する
    　光学システム。
  7. 　請求項６に記載の光学システムにおいて、
    　前記第１状態の前記大気モデルチャンバーから出射した前記出射光によって生じる第１ビームスポットに基づく第１測定結果と、前記第２状態の前記大気モデルチャンバーから出射した前記出射光によって生じる第２ビームスポットに基づく第２測定結果とを比較した結果に基づいて、前記第１光路におけるサーマルブルーミング効果による光への影響を打ち消すように前記波面補正光学系を制御する制御装置
    をさらに具備する
    　光学システム。
  8. 　請求項７に記載の光学システムにおいて、
    　前記制御装置は、前記比較した結果に基づいて、前記第２光路におけるサーマルブルーミング効果による光への影響を算出し、前記第２光路の前記影響に基づいて前記第１光路におけるサーマルブルーミング効果による光への影響を算出する
    　光学システム。
  9. 　請求項１～８のいずれか一項に記載の光学システムにおいて、
    　前記波面補正光学系および前記第１光路を介して前記ターゲットに向かう第１光を生成する第１光源と、
    　前記大気環境の前記特性を取得するために前記大気特性取得システムの内部を通過する第２光を生成する、前記第１光源とは異なる第２光源と
    をさらに備える
    　光学システム。
  10. 　請求項１～８のいずれか一項に記載の光学システムにおいて、
    　前記波面補正光学系および前記第１光路を介して前記ターゲットに向かう第１光と、前記大気環境の前記特性を取得するために前記大気特性取得システムの内部を通過する第２光とを生成する兼用光源と、
    　前記兼用光源が生成する光の光路を、前記第１光路および前記第２光路のいずれかに切り替える切替ミラーと、
    をさらに具備する
    　光学システム。
  11. 　請求項１～８のいずれか一項に記載の光学システムにおいて、
    　前記波面補正光学系および前記第１光路を介して前記ターゲットに向かう第１光と、前記大気環境の前記特性を取得するために前記大気特性取得システムの内部を通過する第２光とを生成する兼用光源
    をさらに具備し、
    　前記第２光路は、前記第１光が、前記第２光路、前記波面補正光学系および前記第１光路を介して前記ターゲットに向かうように配置されている
    　光学システム。
  12. 　請求項１～１１のいずれか一項に記載の光学システムにおいて、
    　前記第２光路を通過する光の散乱を観測する散乱光観測用カメラ
    をさらに具備し、
    　前記照射装置は、前記散乱の観測結果に基づいて前記波面補正光学系を制御する
    　光学システム。
  13. 　請求項１～１２のいずれか一項に記載の光学システムにおいて、
    　前記第１光路における気象情報を取得する気象計
    をさらに具備し、
    　前記照射装置、前記気象情報の観測結果に基づいて前記波面補正光学系を制御する
    　光学システム。
  14. 　外部のターゲットに向けて照射される光が通過する第１光路の大気環境の、前記光に対する特性を、前記第１光路から離れた第２光路において取得することと、
    　前記特性に基づいて、前記光の波面を補正するように、波面補正光学系を制御することと、
    　前記波面補正光学系および前記第１光路を介して前記ターゲットに向けて光を照射することとを含む
    　光学補正方法。
     
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