JPH0760911B2 - ４通路位相共役光増幅システム及び方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 関連出願 この出願は米国特許出願736877号（出願日1985年５月22
日、発明者アブラムス等、名称“エネルギー計測可能な
レーザ増幅器”、譲受人は本出願の譲受人でもあるヒュ
ーズエアクラフトカンパニー）と関連している。

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

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

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

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

第１図には４通路システムの１つが示されており、ナタ
ロフ及びシュコロフスキーによる“刺激ブリュアン分散
ミラーによる４通路レーザ増幅器の特定構成”（ソビエ
ト雑誌カンタム・エレクトロニクス 14（６）、1984年
６月、871−72頁）に記載されているものである。マス
ター発振器（MO）２からのコリメートされた線形偏光レ
ーザビームは偏光ビーム分割器（PBS）４と４分の１波
長板６を通過してビームに円偏光が与えられ、またバル
ク刺激ブリローイン分散（SBS）位相共役ミラー８及びN
d:YAGレーザの形態のパワー増幅器10を通過する。第１
のビーム通路ではパワーレベル及びビーム直径は、PCM8
内部の強度がSBSしきい値より低いようなものであり、
位相共役は生じない。第１の通路の後ビームは凹型ミラ
ー12から反射して増幅器10を通りPCM8内部の焦点に戻っ
た。焦点を結んだビームの強度はSBSしきい値より上で
あり、位相共役逆ビームはPCMから反射して増幅器を通
り第３の通路へと進む。逆ビームは元の焦点ビームの位
相共役であったため、コリメートビームとして第４の通
路の後パワー増幅器を出て第１及び第２の増幅通路の正
確なパスを逆に戻った。このPCMを通る最後の通路にお
いて、ビーム直径は再びSBSが起こらない程度に十分な
大きさとなり、ビームは反射されずにPSBによりシステ
ムから結合して取出される。MO入力パワー及びPCM内部
のビームの大きさは、第２の通路の後に焦点を結んだビ
ームにおいてSBSのみが起こるように、またパワー増幅
の大部分が第３及び第４の通路で抽出されるように注意
深く選択された。この後者の特徴は、共役処理における
損失が比較的低いパワーレベルで起こり、パワー増幅器
からのパワー抽出が最大限となるように使用されたもの
である。

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

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

第２図には４通路PCMかあるいはパワー増幅器内の円偏
光を用いない４通路構成が示されている。アンドレーフ
等による“活性要素開口部を完全に用いたマルチパス増
幅器”（ソビエトジャーナル・オブ・カンタムエレクト
ロニクス、13（５）、1983年５月、641−43頁）にはソ
ビエト連邦のパワー増幅器としてNd:YAG（ネオジミウム
ドーピングされたイットリウムアルミニウムガーネッ
ト）固体レーザが開示されていた。レーザMO14は水平偏
光ビームを生成し、このビームは第１の偏光ビーム分割
器16を通り、水平面からの偏光45度で回転するフアラデ
イ回転子18を通る。次に半波長板20が偏光を回転させて
この面に戻し、その後にビームは第２の偏光ビーム分割
器22及びパワー増幅器24を通過する。４分の１波長26及
び反射ミラー28はパワー増幅器の後ろに設けられてビー
ムの偏光を垂直に回転させ、それを反射させてパワー増
幅器を通して第２の通路に戻す。第２の増幅通路の後、
第２のPBS22によりビームはPCM30に向けられた。ここで
ビームは共役され、反射されて垂直偏光でパワー増幅器
24を通って第３の通路を通り、また水平偏光で第４の増
幅通路を通る。第４の通路からこのように水平偏光で、
ビームは第２のPBS22を通って第１の半波長板20及びフ
アラデイ回転子18へ伝達され、再び回転されて垂直偏光
を受けた。この偏光によりビームは第１のPBS16により
増幅出力ビームとしてシステムから偏向される。

アンドレーフ等によるシステムの変形はカー及びハンナ
による文献、“刺激ブリュアン分散による位相共役のN
d:YAG発振器／増幅器の性能”（アプライド・フィジッ
クスB36,1985、pp.83−92）に記載されている。このシ
ステムではビームを反射しその偏光を回転させるために
PCMからパワー増幅器の反射側にループが構成されてい
る。第３図を見ると、第３の偏光ビーム分割器32、半波
長板34及び一対の反射器36及び38が、アンドレーフの４
分の１波長板26及びミラー28の代わりに用いられた。

アンドレーフ等及びカーとハンナによるシステムでは、
パワー増幅器では線形偏光を用いまたPCMがビームと出
会うのはただ１回なので、ダイオードレーザパワー増幅
器を用いることもできる。しかし開示されている固体状
態レーザではなくダイオードレーザを用いることで、重
大なパワー損失が生じてしまう。これはパワー増幅器を
通ってビームがパワー増幅チャネルに戻されなければな
らない第２の通路の開始点で起こる。パワー増幅器に強
力な収差がある場合は、５−7dB、或いはそれ以上の可
成の挿入損失が予想される。このためパワー抽出が減少
し電気効率が低下してしまう。従ってダイオードレーザ
をパワー増幅要素として用いることができる４通路ビー
ム増幅システムがなお必要とされている。

レーザ増幅による別の限定は、個々のパワー増幅器に望
ましい出力ビームパワーよりも小さいかもしれないパワ
ー限定があることである。より大きな出力パワーを達成
するために別の方法では、AlGaAsあるいはInGaAsPウエ
ハの上部表面上の形成されるレーザのモノリシックアレ
イから集合出力を形成する可能性について研究が行われ
てきた。分配ブラッグ反射体を用いるために（エバンス
等、“ダイナミック波長安定及び0.5度の遠電界角度に
よる格子表面発光レーザ”、アプライド・フィジックス
・レター、Vol.49、pp.314−15,1986年）、発光された
光が発光面に近い表面にエッチングされた傾斜ミラーに
よって、あるいは表面に対して直角の薄いレーザを通っ
て導かれるレージ光空洞を有することによって、ウエハ
表面に垂直に方向付けられるシステムが考慮された（リ
アウ及びワルポール、“スレスホールド電流が低く効率
の高い表面発光GaInAsP/InPレーザ”、アプライド・フ
ィジックス・レター46（２）、1985年１月15日、115−
１頁）。

上記の装置はヒートシンクからは遠い基板上部表面に形
成されているため、熱放散は低く、継続波（CW）動作は
実行可能とは思われない。このようなアレイにおけるレ
ーザは、外部レーザに対するインジェクションロッキン
グにより、あるいはウエハ上の導波体配置を通りレーザ
を結合させることによって、同じ波長で動作させるよう
にすることができる。しかしレーザ出力を位相ロックさ
せる具体的な方法は開発されておらず、この型のアレイ
で出力位相ロッキングが実行できるかどうかは明確でな
い。出力位相ロッキングがもし可能であるとしても、エ
ミッタ間の不活性領域が大きいために非常に薄いアレイ
が生じ、出力ビームがその側面ローブにおいて非常に大
きな部分的なパワーを有するようになる。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

第11図はヒートシンク用の別の構成を示す切断断面図で
ある。

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

望ましい実施例の詳細な説明 第４図には単一ビームを増幅する本発明の望ましい実施
例が示されている。マスタ発振器MO40は増幅する光ビー
ムを生成する。“光”という言葉は広い意味で用いら
れ、電磁波スペクトルの可視部分に限定されるわけでは
ない。MO40は単一長軸モードの回折限定出力ビームの単
一周波数長ダイオードレーザであることが望ましい。1m
W連続波出力で動作する日立（株）のHLP1400AlGaAsダイ
オードレーザは適切な光ビーム源である。あるいは前段
のビーム増幅段の出力によってMO機能が与えられる。MO
からは第４図の上部の“パス1"ラインの水平偏光ベクト
ル矢印42によって示されるように水平偏光レーザビーム
が発光される。この図では偏光ベクトルが、観察者の目
の位置がこの頁の面上にあり光パワー増幅器62にビーム
の方向に見るようにMO40の位置に位置している観察者か
ら見て計測されるものとして示されている。従って偏光
ベクトル42はこの頁と同じ面にあり、ビームの伝播する
方向とは垂直になっている。

このビームは第１の偏光ビーム分割器（PBS）44を通っ
て伝播される。これは通常の装置であり、ビームの偏光
に応じてビームが妨害を受けないように変更されるか伝
播されるかする。CVIレーザ社では部品番号PBS5−82で
適切な偏光ビーム分割器が製造されている。PBS44はMO4
0から偏光されずにビームを伝達できるように方向付け
られている。PBS44から放射されるビームの偏光は偏光
ベクトル46が示すようになお水平である。次にビームは
ベクトル50が示す角度に45度の偏光で回転する45度フア
ラデイ回転子48を通って導かれ、ベクトル54が示す水平
に偏光回転する半波長板52を通過する。半波長板52は水
平面から22.5度の位置に軸がある。フアラデイ回転子48
と半波長板52の純粋な効果は左から右に伝達されるビー
ムをもとの水平偏光に残し、右から左に伝達する水平偏
光ビームの純粋の効果はその偏光を90度垂直に回転させ
ることである。これはフアラデイ回転子48が非可逆装置
であって、ビームの方向に関係なくビームの偏光を同じ
角方向に回転させ、一方半波長板52は両方向性装置であ
ってビームの方向が逆になる時に角偏光の回転方向を逆
にするからである。このような特徴はPBS44をエネーブ
ルにするのに使用され、妨害を受けない入力ビームを伝
達するが、反対方向の出力ビームは偏向してシステムか
ら排除する。また半波長板を用いることにより、残りの
システム要素を３次元に分配せずに基本的に単一面に保
持し、システムを簡略化できる。

半波長板52はビームを第２の偏光ビーム分割器56に送
り、さらにビームは第２の45度フアラデイ回転子58及び
第２の半波長板60を通って光パワー増幅器62に伝達され
るように導かれる。PBS56は偏光ベクトル64が示すよう
にビームの偏光には影響を与えない。フアラデイ回転子
58はベクトル66によって示されるようにビーム偏光を45
度回転させ、一方半波長板60の軸は垂直より22、５度傾
斜し、ビーム偏光を垂直ベクトル68に回転させる。

パワー増幅器62は上記の種々の装置で構成することがで
きるが、通常の型のダイオードレーザから構成されてい
ることが望ましい。レーザの反対側の端部にある一般的
なミラーではなく、高反射率コーテイング70が残りの光
学システムから遠端部であるパワー増幅器の端部に形成
され、前面には反射防止コーテイング72が施されてい
る。この構成によりレーザ動作が阻止され、増幅器とし
ての装置の機能が保証される。増幅器は通常数ボルトDC
及び約１アンペアの電流で動作する。

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

第２の増幅通路の後に増幅器から出るビームはベクトル
74によって示されるように垂直に偏光する。半波長板60
と再び出会い、偏光はベクトル76で示すように45度回転
する一方、フアラデイ回転子58はベクトル78が示すよう
に偏光を回転させて垂直に戻す。この偏光によりPBS56
はビームをもとのパスから外れさせて焦点レンズ80を通
って位相共役ミラー（PCM）82に向ける。PCM82は自己ポ
ンプ式装置であることが望ましく、２波あるいは４波PC
Mのような別の型の装置を用いることもできるが、シス
テムがかなり複雑になってしまう。光フアイバは、M.ク
ロニン・ゴロンブ、K.Y.ロー及びA.ヤリフが開示してい
る（アプライド・フィジックス・レター 47、1985、56
7頁）のと同様の自己ポンプ式リング構成のBaTiO3の立
方体か、あるいはJ.ファインベルクが開示している（オ
プチクス・レター ７、1982、486頁）のと同様の内部
自己ポンプ式に構成されているBaTiO3の立方体のいずれ
かを、PCMに用いることができる。

PCM82はビームを結像役して反射させてシステムに戻
し、ビームはPBS56で偏向されてフアラデイ回転子58、
半波長板60及びパワー増幅器62を通って第３の通路で進
行する。PCM82によって反射された垂直偏光ビームは、
偏光ベクトル84,86,88によって示されるように増幅器62
に入る前に水平偏光に段階的に回転する。次に水平偏光
ビームはパワー増幅器を通って第３及び第４の通路を形
成する。その偏光は、偏光ベクトル90,92,94によって示
されるように第４の増幅通路の後に半波長板60及びフア
ラデイ回転子58によって逆方向に進行するとき水平に維
持される。この水平偏光によってPBS56を通ってビーム
を偏向されないで通過させることができる。偏光は第１
の半波長板52及びフアラデイ回転子48によって、偏光ベ
クトル96 98 100が示すように垂直に回転する。第１のP
BS44はビームの垂直偏光に応答して、出力ビーム102と
してビームをシステムから外部へ偏向する。

第４図ではパワー増幅器62のダイドード接合面はこの頁
の面と同じ平面である。従って第１通路及び第２通路で
はビーム偏光が垂直であり、低い方の利得TMモードを生
成し、一方で通路３及び４では水平偏光ビームがダイオ
ード接合面に平行であり、それ故より高い利得のTMモー
ドが生成される。ビームパワーのより大きな部分はTMモ
ードよりもTEモードで活性レーザ領域に位置しているた
め、効果的なレーザ係数は通路３及び４でより高くなっ
ている。この効果は通路１の開始点にあるビーム強度よ
りも通路３の開始点にあるビーム強度の方が高くなって
いることと組み合わせて大部分の増幅パワーを共役の後
に第３及び第４の増幅通路上で抽出することができる。
ビームパワーがなお比較的低い場合、第２の通路の後に
結像を行うことにより、共役損失でのパワーの消散が最
小化され、それによってシステムからの全体的なパワー
抽出が最大となることが見出されている。

第５にはパワー増幅器に用いられる通常のダイオードレ
ーザ構造の外部的な特徴が示されている。光チャネルは
ｐ型及びｎ型ドープGaAs104及び106のような半導体材料
の反対のドープブロックの間の接合102の周囲に形成さ
れる。全体的なレーザ体は熱を消散する基板107上に形
成される。リードワイヤ108を通して構造の上部にある
金属接触層110に接続している装置にはDC電圧が供給さ
れ、この構造の下側は基板107によって接地される。

第６図にはダイオードレーザパワー増幅器の典型的な内
部構成が示されており、ストライプ状の構成となってい
る。活性層112はビームを限定するバンドキャップのよ
り高い材料から成る２つの層114の間に挟まれている。
亜鉛表層拡散層116は二重ヘテロ構造層114の間にある活
性領域の上にストライプ状に延在し、絶縁酸化層118は
亜鉛拡散層の各端部から横方向に延在する。亜鉛拡散層
上にはストライプコンタクト120が形成されて外部の電
気接続とアクセスしている。

これまで記載した光増幅システムでは関連システムより
も効率的な単一ビームの増幅が与えられる。しかしこの
増幅は第７図に示された多重ビームシステムによって非
常に増大させることができる。このシステムの要素の多
くは第４図に示された単一ビームシステムと同じであ
り、参照番号も同じである。基本的な相違は、もとのビ
ームを全体として増幅する代わりに、ビームを多数のサ
ブビームに分割する点にある。このサブビームは各々別
々に増幅され、サブビームパスの長さ及び光学処理が異
なるにも拘らず、同相、同一線に、また相互に整列する
特徴的な方法で、集合出力ビームに再結合される。

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

第７図に示された多重ビームシステムは、MO40から第２
のPBS56まで第４図に示された単一ビームシステムと実
質に同一ある。MO40からの低パワー、単一周波数の回折
限定ビームはPBS56を通して１対の交差２進位相格子122
に伝達され、ここでＮ×Ｍのマトリックスのサブビーム
124にヒームが分割される。サブビームはレンズ126によ
って相互に平行に導かれ、第２のフアラデイ回転子56及
び第２の半波長板60を通して処理される（図面を簡単に
するためにフアラデイ回転子58より先の第７図の下部部
分を第７図の上部と同じ面に示してあるが、実際にはこ
の部分はフアラデイ回転子58によって与えられる回転量
で回転される）。次に別のレンズ128によりサブビーム
が相互に発散され、全体的なサブビームアレイの大きさ
が拡大する。アレイが適切な大きさになると、レンズ13
0によりサブビームは再び相互に平行にされる。そして
個々のサブビーム124がそれぞれのレンズ132によって共
通のヒートシンク背面板138の各々の棚136に設けらたダ
イオードレーザパワー増幅器134アレイに焦点が結ばれ
る。各サブビームに対しては別々のパワー増幅器134が
設けられ、第４図に示された単一ビームシステムのパワ
ー増幅器62と基本的には同じである。パワー増幅器アレ
イの個々の棚を示すために、第７図の下部は上部に関し
て90度回転させている。

サブビームの各々はそれぞれのパワー増幅器を通って二
重増幅通路を形成し、次に光学システムを通ってPBS56
に戻り、ここでPCM82に偏向される。サブビームは共役
の後に共学システムを通ってパワー増幅器の第３及び第
４の増幅通路のそれぞれに戻される。次にビームは光学
システムを通って最終的に伝播し、位相格子122によっ
て単一出力ビームに結合される。このビームは第１のPB
S44によってシステムから偏向され、システム内の色々
な光学要素は第４図に示されたシステムの単一ビームと
同じ方向で個々のサブビームの偏光が回転させる。

以上説明したシステムでは、各パワー増幅器134が増幅
器間の空間でビームパワーがほとんど、或いは全く損失
しないで分割サブビームによって探索される。増幅器自
体が均一であると仮定すると、出力ビームの近フイール
ドでは大きな強度変化はない。従って遠フイールドパタ
ーンは出力パワーの大部分を含む単一優性ロープから成
る。それによって、薄いアレイの増幅器が用いられるに
も関わらず、遠フイールドには通常の薄いアレイの多重
ローブ出力の特徴はない。このようにして２次元アレイ
のダイオードレーザ増幅器を用いる主な問題点は解決さ
れる。

第１および第２と第３および第４の増幅通路の間の光学
中間点で位相共役が起こるために、サブビームの光学処
理は基本的にPCMの前後で対称的となることが発見され
た。従って種々のサブビームの個々の光学パスの長さの
相違は補償され、サブビームは出力ビームに再結合する
時に実質的に相互に同相となる。、種々のパワー増幅器
の範囲内で位相共役段階が個々の位相収差に対して補正
される。それは、これらの収差が共役の前後の両方でサ
ブビームに与えられるためであり、従って実質的に相互
の収差はキャンセルされる。

光学システムにおいては位相回折格子を用いるのが非常
に望ましい。通常の光学部材が用いられることができる
が、システムの性能は非常に低下する。例えばビーム分
割器を位相格子の代わりに用いて入力ビームを色々なサ
ブビームに分割することができる。しかしながら大きな
アレイではシステムが非常に複雑になり、多数のビーム
分割器が必要であるために大きな損失である。このため
パワー抽出が小さくなり、電気／光学効率が低下する。
簡単な２レンズビーム拡大器もまた位相格子の代わりに
用いられて単一の大きなビームにより増幅器アレイをフ
ラッド照射する。しかしこのようなシステムでは光がな
お増幅器に焦点が集められる一方で、増幅器間のデッド
領域で実質的な部分が失われる。さらに２レンズビーム
拡大器によって、出力ビームは近フイールドにおいて10
0％強度変化（増幅器間のデッド領域によって起こる）
が起こる。このため多数のサイドローブの薄いアレイの
遠フイールドパターンが形成され、それによって主ロー
ブでのパワーが低下する。

第８図は交差位相格子122及びレンズ126の拡大図であ
る。位相回折格子は背中合わせの水平回折格子140及び
垂直回折格子142から成る。これらによって入力ヒーム
が発散アレイのサブビーム124に分割され、このサブビ
ームがはレンズ126によって相互に水平に方向を変えら
れる。たった３×２のアレイのサブビームが図示されて
いるが、実際には数百、数千のサブビームが用いられ
る。交差位相回折格子の構成は既知であり、J.レーガー
等の文献（“バイナリ位相回折格子によるGaAlAsレーザ
へのコヒーレントビーム添加”、アプライド・フィジッ
クス・レター、Vol.48、888−90頁（1986））に記載さ
れている。

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

第９図はパワー増幅器134の行を支持する棚136の１つの
拡大図である。各棚及び背面板138は熱導伝性材料で形
成され、この材料は金属でも良い。望ましい実施例では
AlGaAsバー144の下面にはパワー増幅器134が形成され、
連続波動作のために接合面が下になるように棚136の上
面に固着されている。各増幅器におけるバー144の反対
側の面上にはワイヤボンデイングパッド146が設けられ
ている。光パワーは前面劈開面を通って各増幅器に結合
され、この面にはレーザ動作を阻止するために反対防止
コーテイングが施されており、一方でヒートシンク体に
面して後部劈開面には高反射コーテイングが施されてい
る。

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

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

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

本発明で用いられる冷却背面板ヒートシンクによって増
幅素子からの熱の除去が良好に行われるため、効率的な
長期間の動作が保証される。この型のヒートシンクはこ
こに記載されている４通路光学構成に特有である。シュ
テンフアン氏等によって上記のアプライド・フィジック
ス・レターに記載された２通路ダイオードレーザ増幅シ
ステムにこの型のヒートシンクを用い、光が増幅器の両
方の面中へまたはそれから外へ結合されると、ヒートシ
ンク／ダイオードアレイを構成するのはかなり困難であ
る。この空間は２通路システムにおいてPCMによって占
有されているため、冷却共通背面板は用いることができ
ない。従って各増幅器には増幅器自体の冷却チャネルが
備えられていなければならない。さらに各増幅器は劈開
して増幅器の前端部及び後端部の両方が棚の端部に正確
に整合するようにしなければならない。増幅器が短すぎ
ると、ビームはヒートシンクによって部分的に妨害され
て増幅器に正確に結合されず、一方増幅器が長すぎる場
合は過熱の問題が生じる。上記の４通路システムでは、
増幅器の前端部のみが棚の前端部と適合しなければなら
ず、実行はより容易でなければならない。４通路方法で
はまた、増幅器を２通路システムで必要とされる長さの
半分にすることができ、その一方ではパワー抽出では同
じ利得が得られ、さらに熱除去が促進される。

従ってここでは光ビームのパワーを非常に増大させる新
規のシステム及び方法が記載されている。当該分野の当
業者には多数の変形例が可能であるため、本発明は添付
請求の範囲によってのみ限定される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エン，ヒュアン・ダブユ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 91361 ウエストレイク，グラストンブリ イ・ロード 2027 (72)発明者 リンド，リチャード・シー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 91364 ウッドランド・ヒルズ，デュモン ト・ストリート 20537

Claims (29)

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