ファイバに結合されたアレイから伝播されるターゲット強度分布を最適化する方法および装置
エンサークルド遠距離場エネルギーが、放出するアレイの各ファイバからの放射の近接場エネルギー分布を修正することにより、著しく増加される。ファイバからの各ビームレット出力は、ほぼ均一な断面エネルギー分布を有するように修正され、この際その目的のために選択された非球面光学素子の対を用いる。光学素子は、屈折性または反射性のものとすることができる。修正されたビームレットは、組み合わさってほぼ均一なエネルギー分布を有する複合出力ビームを形成する。好ましくは、複合ビームは、ガウシアンに近い分布へのアレイ幅の逆変換を受けて、エンサークルド遠距離場エネルギーがさらに増加され、より効率的な高出力レーザ源を提供する。効率のさらなる獲得は、高いフィル・ファクタをもたらすファイババンドルパターン、レンズアレイパターン、及びレンズ形状を選択することにより、達成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバのアレイを用いた高出力レーザビームの発生に一般的に関し、より詳細には、ファイバ素子のアレイから放射する複数のビームをより効率的に組み合わせる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ファイバアレイは、個別のファイバからの比較的低い出力を組み合わせて、より高い出力の複合ビーム（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｂｅａｍ）を発生するために用いられてきた。そのようなアレイには、軍用および商用の両方の数多くの指向性エネルギー（ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｅｎｅｒｇｙ）用途があることがよく知られている。
【０００３】
アレイの個々のファイバからの複数のサブビーム又は「ビームレット」が単一の複合ビームを形成するように組み合わされるとき、複合ビームにわたるエネルギー分布は、ビームの効率の基準を与える重要なファクタである。放射線を放射するファイバの端部付近の近接場（ｎｅａｒ ｆｉｅｌｄ）では、個別のビームレットは個々の放射源としての特徴を保持しており、ビームレットの間にはっきりとした空間が必然的に存在する。ファイバのアレイからさらに遠くの距離では、ビームレットは、それらのビームレットが重なり合って融合する程度に回折および発散する。高出力レーザの多くの用途では、結果として得られる複合ビームの、「遠距離場（ｆａｒ ｆｉｅｌｄ）」に同等の距離での性質が最も関心のあるものである。遠距離場は一般に、角度に関する界分布（ａｎｇｕｌａｒ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）が放射源からの距離に依存しない距離またはそれを超えた距離にあるものとして定義される。遠距離場距離は、源の直径の平方に比例し、源波長に逆比例する。
【０００４】
残念ながら、個別のファイバからのビームレットがコリメートされていても、結果として得られる遠距離場エネルギー分布パターンは、中心ローブ（ｌｏｂｅ）と中心ローブを囲むいくつかの小さい副ローブ（ｓｉｄｅ ｌｏｂｅ）により特徴付けられる。遠距離場エンサークルド（ｅｎｃｉｒｃｌｅｄ）エネルギーは、全エネルギーのうちの遠距離場において予め定めた円内に含まれる割合として定義することができる。一般にその円は、中心ローブのエネルギーは包含するが副ローブのエネルギーは排除するように定義される。遠距離場エンサークルドエネルギーは、ファイバアレイにより放出された全エネルギーの割合として表現される場合、予め定めた円から外れるエネルギーは利用されないという仮定の下で、複合ビームを発生する光学システムの効率の基準を与える。
【０００５】
遠距離場エンサークルドエネルギーは、ファイバアレイパターンおよび特にその「フィル」ファクタ、各ファイバの放出プロファイル、並びに複合ビームの総放出プロファイルを含む、アレイのいくつかの物理的および光学的パラメータに依存する。本発明以前では、複数のファイバからのビームレットを組み合わせることでより高出力にしようとすると、コリメートレンズを使用する場合であっても、中心ローブから外れる出力パワーの割合が著しくなってしまっていた。この現象は、部分的にはアレイにわたる近接場強度変調に起因する。約６０％の遠距離場エンサークルドエネルギーが、本発明以前では通常と考えられていた。エンサークルドエネルギーの増加は、複合ビームのターゲットにおけるエネルギーの増加、副ローブにおける迷光の最小化、および総効率の向上をもたらす。総効率の向上は、当然、使用するパワーが小さくより軽量であるシステム又はシステムのパワー及び重量を増加することなくより高いエネルギーのビームの発生を可能にするシステムで予め定めたエネルギービームを発生する能力を意味する。
【０００６】
【非特許文献１】John A. Hofnagle et al., “Design and performance of a refractive optical system that converts a Gaussian to a flattop beam,” Applied Optics, Vol. 39, No. 30, pp. 5488-5499, 20 Oct. 2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
エネルギー分布を最適化する技術、より詳細には、ファイバのアレイから放出されたビームレットを組み合わせるビームにおいて遠距離場エンサークルドエネルギーを増加させて、それにより高出力レーザ源の総効率を向上させる技術に対する大きな必要性があることが理解されるだろう。本発明は、この必要性を満たす。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ファイバアレイから放出された放射を組み合わせて、ファイバアレイからの所与の範囲において最適なエネルギー分布を実現する、より詳細には、著しく改善された遠距離場エンサークルドエネルギー効率を実現する装置および関連する方法にある。本発明の範囲に属する可能な実装は数多く存在するが、それらは一般に、平坦な位相（ｆｌａｔ ｐｈａｓｅ）を有するほぼ均一な強度分布を有するものに各ファイバの光学出力モードを修正するように屈折性または反射性である光学素子の対の使用と、好ましくはアレイ幅の（ａｒｒａｙ−ｗｉｄｅ）複合ビームを所望の強度分布を有するものに変換する同様の光学素子の使用とにより特徴付けられる。
【０００９】
簡潔に、そして一般的な用語で述べると、本発明の装置は、光ファイバアレイであって、それぞれは、特徴的な断面エネルギー分布を有する電磁放射を放出する光ファイバアレイと、光ファイバアレイからの放射を受け取るように整列された第１の光学素子アレイ及び第２の光学素子アレイとを備える。第１の光学素子アレイの各光学素子は、完全なビームコリメーションを考慮することなく（ｗｉｔｈｏｕｔ ｒｅｇａｒｄ ｔｏ ｐｅｒｆｅｃｔ ｂｅａｍ ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ）、均一な断面エネルギー分布を発生するように設計された非球面素子であり、第２の光学素子アレイの各光学素子は、第１の光学素子アレイの対応する光学素子から伝播した放射をコリメートするように設計された非球面素子である。第１の光学素子アレイと第２の光学素子アレイとの組み合わせは、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加をもたらすほぼ均一な断面エネルギー分布を有する複合出力ビームを形成するビームレットのアレイ出力（ａｒｒａｙ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｂｅａｍｌｅｔｓ）を発生する。第１の光学素子アレイ及び第２の光学素子アレイは、反射性素子もしくは屈折性素子のいずれか、またはこれらの組み合わせを備えることができる。
【００１０】
好ましくは、装置は、第１のアレイ幅の（ａｒｒａｙ−ｗｉｄｅ）光学素子および第２のアレイ幅の光学素子を備え、これらは、複合出力ビームを、ほぼ均一なエネルギー分布から、アレイから所与の範囲で最適なエネルギー分布をもたらすより望ましいエネルギー分布に逆変換させるように複合出力ビーム中に配置される。より詳細には、最適なエネルギー分布は、遠距離場の範囲において又はビームの用途に応じてより短い中間場（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｆｉｅｌｄ）範囲において、エンサークルドエネルギーを増加させる。
【００１１】
遠距離場エンサークルドエネルギーのさらなる増加のために、本発明の素子は高いフィル・ファクタをもたらすように構成されている。例えば、ファイバアレイは、均一に間隔を設けられたマトリックスパターンに中心が置かれた個別のファイバを有し、対応する第１の光学素子アレイ及び第２の光学素子アレイは、同様のマトリックスパターンに中心が置かれた光学素子を有して、ファイバからの放射を受け取る。例えば、ファイバを中心が正方形マトリックスに置かれるように構成し、かつ第１の光学素子アレイ及び第２の光学素子アレイの光学素子も正方形の断面形状として、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加に貢献する大きなフィル・ファクタをもたらすことができる。あるいは、ファイバを六角形マトリックスパターンに構成し、かつ光学素子アレイも同様に構成して、高いフィル・ファクタをもたらすことができる。
【００１２】
高出力レーザにおいて遠距離場エンサークルドエネルギーの増加をもたらす新規な方法に関しては、本発明は、光学素子アレイの各素子から電磁放射を放出するステップと、ファイバのアレイからの放射を受け取るように第１の光学素子アレイ及び第２の光学素子アレイを整列するステップとを含む。第１の光学素子アレイの各光学素子は、完全なビームコリメーションを考慮することなく均一な断面エネルギー分布を発生するように設計された非球面素子であり、第２の光学素子アレイの各光学素子は、第１の光学素子アレイの対応する光学素子から伝播した放射をコリメートするように設計された非球面素子である。それゆえ、本方法はまた、第１の光学素子アレイと第２の光学素子アレイとの組み合わせにおいて、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加をもたらす一般に均一な断面エネルギー分布を有する複合出力ビームを形成する出力ビームレットのアレイ（ａｒｒａｙ ｏｆ ｏｕｔｐｕｔ ｂｅａｍｌｅｔｓ）を発生することを含む。
【００１３】
好ましくは、本方法は、複合出力ビームを、ほぼ均一なエネルギー分布から、遠距離場エンサークルドエネルギーをさらに増加させるより望ましいエネルギー分布に逆変換させるように、第１のアレイ幅の（ａｒｒａｙ−ｗｉｄｅ）光学素子および第２のアレイ幅の光学素子を複合出力ビーム中に配置するステップを含む。
【００１４】
本方法は、ファイバアレイの個別のファイバの中心を、正方形または六角形のマトリックスパターンに配置するステップと、第１の光学素子アレイの個別の光学素子および第２の光学素子アレイの個別の光学素子の中心を、ファイバからの放射を受け取るように、同様の正方形または六角形のマトリックスパターンに配置するステップとを含む。第１の光学素子アレイ及び第２の光学素子アレイの光学素子は、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加に貢献する大きなフィル・ファクタをもたらすように、正方形または六角形の断面形状である。
【００１５】
先述の要約から、本発明は、高出力レーザビームの発生のためのシステムにおいて著しい進展を示すことが理解されるだろう。詳細には、本発明は、効率として表現される、向上された遠距離場エンサークルドエネルギーを有するレーザビームを提供する。より詳細には、本発明は、近接場の位相および振幅を制御して、アレイからの所与の範囲において最適なエネルギー分布を発生するための技術を提供する。本発明の他の態様は、添付図面と共に参照することで以下のより詳細な説明から明らかになるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
説明のために図面に示されているように、本発明は、ファイバアレイから放出された複数のビームレットを組み合わせて、アレイ全体からの放射から得られるエンサークルド遠距離場エネルギーを著しく増加させる技術に関する。回折効果のため、ファイバアレイからの放射は、単一のより強力なビームに効率的に組み合わせることができない。理想的には、そのような複合ビームは、好ましくはガウシアン状の中心ピークにそのエネルギーのすべてが実質的に閉じ込められているべきであるが、アレイは一般に、エネルギーのかなりの割合が中心ピークから外れる遠距離場エネルギー分布を発生する。それゆえ、遠距離場でのエンサークルドエネルギーは、６０％以下である場合がある。図１は、六角形パターンの６つの他のファイバに囲まれた１つの中心ファイバを備える７つのファイバのアレイからの放射から得られる遠距離場エネルギー分布を示している。遠距離場エネルギー分布は、すべてのファイバが貢献する中心ローブにより支配されているが、中心のエネルギーローブに何ら貢献しない周囲の副ローブが６つ残っている。
【００１７】
本発明によると、遠距離場エンサークルドエネルギーは、近接場でのエネルギー分布を修正する反射性または屈折性光学素子を使用して、アレイの各ビームレットのエネルギー分布をより均一な分布へ変換することにより、そして好ましくは、アレイ幅のビームのエネルギー分布を例えばガウシアン分布等のより望ましいものに変換することにより、著しく増加される。遠距離場でのエンサークルドエネルギーは、アレイ素子および関連する変換レンズを高いフィル・ファクタが実現されるように設計することによりさらに増加される。アレイのフィル・ファクタは、ファイバから放出されたビームレットの組み合わされた断面積の、不完全な充填配置に起因するファイバ間のギャップを含むアレイの総面積に対する比である。以下でさらに論じるように、エンサークルド遠距離場エネルギーは、１に近いフィル・ファクタをもたらすファイバアレイ及び光学素子アレイを使用することによりさらに向上される。
【００１８】
図２に示されているように、本発明は、曲線１２で示されたベッセル関数により特徴付けられるモードでファイバ１０により放出された光を、曲線１４で示されたより均一で「フラット・トップ（ｆｌａｔ ｔｏｐ）」のエネルギー分布に変換する既知の光学的技術を活用する。入力ビームがガウシアンプロファイルを有している場合、同様の変換を生じさせることができる。変換は、２つのレンズ１６及び１８によりもたらされる。第１のレンズ１６は、ビームのエネルギー分布をビームにわたりほぼ均一なものに変化させる。しかしながら、第１のレンズ１６の中心付近から出てくる光線は依然として発散している。一方、同一のレンズから出てくる外側の光線はおおよそ平行である。第２のレンズ１８は、より中心の光線のためのコリメータとして機能し、１４で示された均一なエネルギー分布を有する完全にコリメートされた出力ビームを発生する。図３は、比較のために、ガウシアン入力ビーム分布と、図２の装置により発生されたより均一な出力ビームプロファイルとを示している。
【００１９】
図２に示された種類の変換は、非特許文献１で開示された。しかしながら、非特許文献１では、ファイバ又はその他の源のアレイには関心が持たれておらず、単一のコヒーレント源からのビームにわたるエネルギー分布を改善することにのみ関心が持たれている。
【００２０】
図４は、ファイバアレイ２０から放出された光ビームレットに同一の変換原理を適用したものを示している。ここでは、変換が第１のレンズアレイ２２及び第２のレンズアレイ２４によりもたらされる。レンズの各対は、図２のレンズ１６および１８と同一の仕方で機能して、フラット・トップ出力エネルギー分布を発生する。理想的には、ファイバアレイ２０並びにレンズアレイ２２及び２４は、ほぼ１００％のフィル・ファクタをもたらすような配置で設計される。これを達成する方法は数多くある。円形に対称なファイバ及びレンズでは、ファイバ及びレンズをぎっしり詰めることにより、やや改善されたフィル・ファクタが得られる。しかしながら、放出するファイバ２０の中心が正方形マトリックスパターンに置かれ、レンズ２２及び２４が円形に対称ではなく代わりに正方形の対称性を有し、何らギャップを伴わずに長方形のグリッドに積み重ねることが可能である場合は、理論的な１００％のフィル・ファクタが得られる。あるいは、六角形の対称性は、よく知られているハニカムパターンを用いて１００％のフィル・ファクタで充填することを可能にする。これらの最密充填構成のいずれかが用いられるとき、個別のファイバ及びレンズの対のフラット・トップ出力分布は組み合わさって、曲線２６で示されるような、均一なアレイ幅の分布をもたらす。
【００２１】
また、図４に示されるように、曲線２６のフラット・トップアレイ幅エネルギー分布から、曲線２８により示され１００％に近い遠距離場効率につながる、より望ましいガウシアンアレイ幅エネルギー分布への最後の変換が行われる。この最後の変換は、実質的にレンズアレイ２２及び２４により実行された最初の変換の逆であり、２つのアレイ幅のレンズ３０及び３２によりもたらされる。レンズ３０及び３２は、逆変換を実行しビームレットのアレイ全体を包含するのに十分なほどの幅を有するという点を除いて、アレイ２２及び２４のレンズの各対と同様の原理で動作する。レンズ３０及び３２は、レンズアレイ２２及び２４がほぼ円形である場合、円形に対称とすることができ、またレンズアレイの対称性と合致する異なる対称性を有することができる。例えば、アレイ２２及び２４のレンズ素子は、正方形の対称性を有し、ほぼ正方形のアレイを形成するように積み重ねられ、その場合、アレイ幅の逆変換レンズ３０及び３２も、理想的には正方形の対称性を有する。
【００２２】
レンズの対称性に関する先述の検討は、ファイバアレイ２０の対称性およびパターンの話題につながる。アレイ２０のファイバは、異なる幾何学的パターンで積み重ねることができ、その選択は、遠距離場効率に影響を与える。特に、アレイ２０のファイバは、それらの中心を正方形マトリックス又はパターンに置いて、すなわち真四角のグリッドパターンに中心を置いて積み重ねることができる。ファイバ等の円筒状の物体を積み重ねる別の一般的なやり方は、隣接する各列または層のファイバ間の空間の中間点に中心が位置するものである。この結果、ファイバの中心が接触する正三角形の頂点に位置する。あるいは、６個のそのような三角形は六角形を定義するため、このファイバ積み重ねパターンは通常、六角形パターンと呼ばれる。六角形パターンは正方形パターンよりも大きなフィル・ファクタを与えるので、前者のパターンを使用することで遠距離場効率の改善がもたらされる。
【００２３】
レンズアレイ２２及び２４のレンズ形状または対称性を選択することも、遠距離場効率に著しい影響を与える。アレイ２２及び２４において円形のレンズを使用すると、ガウシアンエネルギー分布への逆変換を用いることなく、正方形ファイバパターンでは約６５％、六角形ファイバパターンでは約７５％の遠距離場効率となる。レンズアレイ２２及び２４の正方形レンズ形状では、正方形ファイバパターンの対応する効率は約８１．５％である。六角形レンズ形状および六角形ファイバパターンでは、効率は約８２％である。最後のアレイ幅の変換が追加される場合、これらの効率はさらに増加する。正方形レンズの正方形アレイでは、１００％に近い遠距離場効率が達成可能であるが、六角形の中心に配置された円形レンズなどのより低いフィル・ファクタのレンズアレイでは効率が低くなる。
【００２４】
アレイ２２及び２４のレンズ（又はミラー）の設計は、非特許文献１に記載された一般的な原理に従う。非特許文献１では、円形対称のレンズが扱われているので、対応する正方形対称のレンズの設計は、円形対称のガウシアンプロファイルを正方形のフラット・トッププロファイルに変換するといういくらか困難な課題をレンズ設計者に課す。基本的に、設計プロセスは、入力プロファイルの各円形環（ａｎｎｕｌｕｓ）を出力プロファイルの対応する正方形帯（ｂａｎｄ）に変換することを含む。結果として得られるレンズ対は、任意の断面に沿って見たときに非球面プロファイルを有するだけでなく、光軸に沿って見たときに、レンズ上の角度位置とともに変化する表面曲率半径（ｓｕｒｆａｃｅ ｒａｄｉｉ ｏｆ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ）を有する。レンズは、その正方形形状の頂点の位置に対応する角度位置において表面不連続を必然的に有する。しかしながら、結果として得られるのは、入力、すなわち円形対称なガウシアン入力ビームプロファイルから、正方形フラット・トップエネルギープロファイルを発生するレンズ対である。アレイ２２及び２４のこれらの正方形レンズは、実質的に１００％のフィル・ファクタで正方形マトリックスパターンに好都合に配置することができる。同様の原理を、アレイ２２及び２４内に六角形レンズ素子を設計するのに用いることができ、これらも１００％のフィル・ファクタで（六角形）パターンに配置することができる。
【００２５】
図４の最後の変換レンズ３０及び３２を使用することの代わりに、発光アレイ２０の素子の強度を個別に制御して、フラット・トップアレイ幅分布２６を、ガウシアン分布２８を近似する分布に修正することができる。
【００２６】
図５は、上述した本発明の原理を、レンズではなくミラーを使用しても実装できることを示している。ファイバのアレイ４０が、２つの主レンズアレイ４２及び４４の中に放射を放出し、次いで２つのミラーアレイ４６及び４８でガウシアンからフラット・トップへの変換が達成される。最後のアレイ幅のガウシアンエネルギー分布への逆変換は、２つのアレイ幅のミラー５０及び５２によりもたらされる。ミラーはレンズよりも冷却が容易であるため、いくつかの高出力用途ではミラーが好ましい。ミラーの主な欠点は、図５に示したような折り畳み構造（ｆｏｌｄｅｄ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）を用いてオフアクシスビームを発生するために角度を考慮して配置（ａｎｇｕｌａｒｌｙ ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄ）されなければならないことである。図５は、説明のために強調した角度を使用するが、光学技術分野の当業者であれば、傾斜したミラーの使用によりビームの一端と他端との間に望ましくない位相ひずみが生じる可能性があり、そしてそのような歪みはミラーの設計の中で補償されるべきであることが理解されるだろう。図６は、ファイバ６０からの単一のビームの変換へのミラーの使用を示している。ファイバは、エンド・キャップ（ｅｎｄ ｃａｐ）を有し、６２で示したように、ガウシアンエネルギー分布のビームを発生する。第１のミラー６４は、ガウシアンビームのために最適化され、６８で示されるフラット・トップ又は「トップ・ハット（ｔｏｐ−ｈａｔ）」エネルギー分布を発生するように最適化された第２のミラー６６に光を反射する。ミラー６４及び６６は、非球面表面を用い、図示のようなｚ折り（ｚ−ｆｏｌｄ）ビーム経路を発生するように傾斜されている。
【００２７】
遠距離場効率を向上することに関連して説明した本発明の原理は、特定の用途に適したビーム伝播の役に立つ任意の所望の振幅および位相構造（ｄｅｓｉｒｅｄ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を提供することという、追加のより一般的な用途を有する。例えば、近接場において予め定めた振幅および位相構造を有するベッセルビームは、それが（近接場と遠距離場との間の）中間場を伝播するときに比較的密接な（ｔｉｇｈｔ）中心ローブ（高エンサークルドエネルギー）を維持するという点で、有用な回折特性を有する。そのようなビームは、ビームターゲットが遠距離場の距離よりも近い有向ビーム（ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｂｅａｍ）用途に理想的であろう。別の例として、（ガウシアン）遠距離場エネルギー分布が様々な中間の距離で望まれる用途では、ファイバアレイにより提供されるビームをフォーカスするように電子位相制御手段を用いて近接場位相構造（ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｐｈａｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を調節することができる。さらに別の例には、レーザ出力の近接場振幅および位相構造をターゲットで生じた回折限界のビーコン光の位相共役（ｐｈａｓｅ ｃｏｎｊｕｇａｔｅ）として制御することにより、ビーム伝播経路（例えば、大気）内での光学収差を補償することができる種類の用途が含まれる。
【００２８】
先述の内容から、本発明は、ファイバのバンドル又はアレイから発生する高出力レーザビームの分野において著しい進歩を示すことが理解されるだろう。特に本発明は、ベッセル又はガウシアン分布からの各アレイビームレットをより均一なフラット・トップ分布に変換して、次いで好ましくは、得られた複合ビームを、フラット・トップ分布から例えばガウシアンなどのより望ましいものに変換することにより、著しい遠距離場エンサークルドエネルギー、すなわち総効率の増加をもたらす。また、本発明の特定の実施形態について説明のために詳細に述べてきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができることが理解されるだろう。例えば、先の段落で論じたように、本発明は、遠距離場の距離未満の距離において振幅および位相構造の望ましい分布を有するビームを発生することに適用することができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲以外により限定されるべきでない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】７つのファイバのアレイからの放射から得られる遠距離場エネルギー分布を示す３次元図である。
【図２】単一ファイバの光学モードを、ベッセル分布から平坦な位相を有する均一（フラット・トップ）な強度の分布に変換することを示す図である。
【図３】図２に示した変換に関連する一般的な入力および出力ビームプロファイルを示すグラフである。
【図４】図２と同一の変換をレンズアレイを用いてファイバのアレイに適用し、正方形トップ・ハットアレイ出力からより望ましいガウシアン分布への最後の変換を続いて行うことを描いた図である。
【図５】主変換および最後の変換のいずれかをレンズの代わりにミラーを用いて行うことを描いた図である。
【図６】各ビームレットプロファイルのミラーを用いた主変換の原理を説明するための図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバのアレイを用いた高出力レーザビームの発生に一般的に関し、より詳細には、ファイバ素子のアレイから放射する複数のビームをより効率的に組み合わせる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ファイバアレイは、個別のファイバからの比較的低い出力を組み合わせて、より高い出力の複合ビーム（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｂｅａｍ）を発生するために用いられてきた。そのようなアレイには、軍用および商用の両方の数多くの指向性エネルギー（ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｅｎｅｒｇｙ）用途があることがよく知られている。
【０００３】
アレイの個々のファイバからの複数のサブビーム又は「ビームレット」が単一の複合ビームを形成するように組み合わされるとき、複合ビームにわたるエネルギー分布は、ビームの効率の基準を与える重要なファクタである。放射線を放射するファイバの端部付近の近接場（ｎｅａｒ ｆｉｅｌｄ）では、個別のビームレットは個々の放射源としての特徴を保持しており、ビームレットの間にはっきりとした空間が必然的に存在する。ファイバのアレイからさらに遠くの距離では、ビームレットは、それらのビームレットが重なり合って融合する程度に回折および発散する。高出力レーザの多くの用途では、結果として得られる複合ビームの、「遠距離場（ｆａｒ ｆｉｅｌｄ）」に同等の距離での性質が最も関心のあるものである。遠距離場は一般に、角度に関する界分布（ａｎｇｕｌａｒ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）が放射源からの距離に依存しない距離またはそれを超えた距離にあるものとして定義される。遠距離場距離は、源の直径の平方に比例し、源波長に逆比例する。
【０００４】
残念ながら、個別のファイバからのビームレットがコリメートされていても、結果として得られる遠距離場エネルギー分布パターンは、中心ローブ（ｌｏｂｅ）と中心ローブを囲むいくつかの小さい副ローブ（ｓｉｄｅ ｌｏｂｅ）により特徴付けられる。遠距離場エンサークルド（ｅｎｃｉｒｃｌｅｄ）エネルギーは、全エネルギーのうちの遠距離場において予め定めた円内に含まれる割合として定義することができる。一般にその円は、中心ローブのエネルギーは包含するが副ローブのエネルギーは排除するように定義される。遠距離場エンサークルドエネルギーは、ファイバアレイにより放出された全エネルギーの割合として表現される場合、予め定めた円から外れるエネルギーは利用されないという仮定の下で、複合ビームを発生する光学システムの効率の基準を与える。
【０００５】
遠距離場エンサークルドエネルギーは、ファイバアレイパターンおよび特にその「フィル」ファクタ、各ファイバの放出プロファイル、並びに複合ビームの総放出プロファイルを含む、アレイのいくつかの物理的および光学的パラメータに依存する。本発明以前では、複数のファイバからのビームレットを組み合わせることでより高出力にしようとすると、コリメートレンズを使用する場合であっても、中心ローブから外れる出力パワーの割合が著しくなってしまっていた。この現象は、部分的にはアレイにわたる近接場強度変調に起因する。約６０％の遠距離場エンサークルドエネルギーが、本発明以前では通常と考えられていた。エンサークルドエネルギーの増加は、複合ビームのターゲットにおけるエネルギーの増加、副ローブにおける迷光の最小化、および総効率の向上をもたらす。総効率の向上は、当然、使用するパワーが小さくより軽量であるシステム又はシステムのパワー及び重量を増加することなくより高いエネルギーのビームの発生を可能にするシステムで予め定めたエネルギービームを発生する能力を意味する。
【０００６】
【非特許文献１】John A. Hofnagle et al., “Design and performance of a refractive optical system that converts a Gaussian to a flattop beam,” Applied Optics, Vol. 39, No. 30, pp. 5488-5499, 20 Oct. 2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
エネルギー分布を最適化する技術、より詳細には、ファイバのアレイから放出されたビームレットを組み合わせるビームにおいて遠距離場エンサークルドエネルギーを増加させて、それにより高出力レーザ源の総効率を向上させる技術に対する大きな必要性があることが理解されるだろう。本発明は、この必要性を満たす。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ファイバアレイから放出された放射を組み合わせて、ファイバアレイからの所与の範囲において最適なエネルギー分布を実現する、より詳細には、著しく改善された遠距離場エンサークルドエネルギー効率を実現する装置および関連する方法にある。本発明の範囲に属する可能な実装は数多く存在するが、それらは一般に、平坦な位相（ｆｌａｔ ｐｈａｓｅ）を有するほぼ均一な強度分布を有するものに各ファイバの光学出力モードを修正するように屈折性または反射性である光学素子の対の使用と、好ましくはアレイ幅の（ａｒｒａｙ−ｗｉｄｅ）複合ビームを所望の強度分布を有するものに変換する同様の光学素子の使用とにより特徴付けられる。
【０００９】
簡潔に、そして一般的な用語で述べると、本発明の装置は、光ファイバアレイであって、それぞれは、特徴的な断面エネルギー分布を有する電磁放射を放出する光ファイバアレイと、光ファイバアレイからの放射を受け取るように整列された第１の光学素子アレイ及び第２の光学素子アレイとを備える。第１の光学素子アレイの各光学素子は、完全なビームコリメーションを考慮することなく（ｗｉｔｈｏｕｔ ｒｅｇａｒｄ ｔｏ ｐｅｒｆｅｃｔ ｂｅａｍ ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ）、均一な断面エネルギー分布を発生するように設計された非球面素子であり、第２の光学素子アレイの各光学素子は、第１の光学素子アレイの対応する光学素子から伝播した放射をコリメートするように設計された非球面素子である。第１の光学素子アレイと第２の光学素子アレイとの組み合わせは、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加をもたらすほぼ均一な断面エネルギー分布を有する複合出力ビームを形成するビームレットのアレイ出力（ａｒｒａｙ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｂｅａｍｌｅｔｓ）を発生する。第１の光学素子アレイ及び第２の光学素子アレイは、反射性素子もしくは屈折性素子のいずれか、またはこれらの組み合わせを備えることができる。
【００１０】
好ましくは、装置は、第１のアレイ幅の（ａｒｒａｙ−ｗｉｄｅ）光学素子および第２のアレイ幅の光学素子を備え、これらは、複合出力ビームを、ほぼ均一なエネルギー分布から、アレイから所与の範囲で最適なエネルギー分布をもたらすより望ましいエネルギー分布に逆変換させるように複合出力ビーム中に配置される。より詳細には、最適なエネルギー分布は、遠距離場の範囲において又はビームの用途に応じてより短い中間場（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｆｉｅｌｄ）範囲において、エンサークルドエネルギーを増加させる。
【００１１】
遠距離場エンサークルドエネルギーのさらなる増加のために、本発明の素子は高いフィル・ファクタをもたらすように構成されている。例えば、ファイバアレイは、均一に間隔を設けられたマトリックスパターンに中心が置かれた個別のファイバを有し、対応する第１の光学素子アレイ及び第２の光学素子アレイは、同様のマトリックスパターンに中心が置かれた光学素子を有して、ファイバからの放射を受け取る。例えば、ファイバを中心が正方形マトリックスに置かれるように構成し、かつ第１の光学素子アレイ及び第２の光学素子アレイの光学素子も正方形の断面形状として、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加に貢献する大きなフィル・ファクタをもたらすことができる。あるいは、ファイバを六角形マトリックスパターンに構成し、かつ光学素子アレイも同様に構成して、高いフィル・ファクタをもたらすことができる。
【００１２】
高出力レーザにおいて遠距離場エンサークルドエネルギーの増加をもたらす新規な方法に関しては、本発明は、光学素子アレイの各素子から電磁放射を放出するステップと、ファイバのアレイからの放射を受け取るように第１の光学素子アレイ及び第２の光学素子アレイを整列するステップとを含む。第１の光学素子アレイの各光学素子は、完全なビームコリメーションを考慮することなく均一な断面エネルギー分布を発生するように設計された非球面素子であり、第２の光学素子アレイの各光学素子は、第１の光学素子アレイの対応する光学素子から伝播した放射をコリメートするように設計された非球面素子である。それゆえ、本方法はまた、第１の光学素子アレイと第２の光学素子アレイとの組み合わせにおいて、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加をもたらす一般に均一な断面エネルギー分布を有する複合出力ビームを形成する出力ビームレットのアレイ（ａｒｒａｙ ｏｆ ｏｕｔｐｕｔ ｂｅａｍｌｅｔｓ）を発生することを含む。
【００１３】
好ましくは、本方法は、複合出力ビームを、ほぼ均一なエネルギー分布から、遠距離場エンサークルドエネルギーをさらに増加させるより望ましいエネルギー分布に逆変換させるように、第１のアレイ幅の（ａｒｒａｙ−ｗｉｄｅ）光学素子および第２のアレイ幅の光学素子を複合出力ビーム中に配置するステップを含む。
【００１４】
本方法は、ファイバアレイの個別のファイバの中心を、正方形または六角形のマトリックスパターンに配置するステップと、第１の光学素子アレイの個別の光学素子および第２の光学素子アレイの個別の光学素子の中心を、ファイバからの放射を受け取るように、同様の正方形または六角形のマトリックスパターンに配置するステップとを含む。第１の光学素子アレイ及び第２の光学素子アレイの光学素子は、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加に貢献する大きなフィル・ファクタをもたらすように、正方形または六角形の断面形状である。
【００１５】
先述の要約から、本発明は、高出力レーザビームの発生のためのシステムにおいて著しい進展を示すことが理解されるだろう。詳細には、本発明は、効率として表現される、向上された遠距離場エンサークルドエネルギーを有するレーザビームを提供する。より詳細には、本発明は、近接場の位相および振幅を制御して、アレイからの所与の範囲において最適なエネルギー分布を発生するための技術を提供する。本発明の他の態様は、添付図面と共に参照することで以下のより詳細な説明から明らかになるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
説明のために図面に示されているように、本発明は、ファイバアレイから放出された複数のビームレットを組み合わせて、アレイ全体からの放射から得られるエンサークルド遠距離場エネルギーを著しく増加させる技術に関する。回折効果のため、ファイバアレイからの放射は、単一のより強力なビームに効率的に組み合わせることができない。理想的には、そのような複合ビームは、好ましくはガウシアン状の中心ピークにそのエネルギーのすべてが実質的に閉じ込められているべきであるが、アレイは一般に、エネルギーのかなりの割合が中心ピークから外れる遠距離場エネルギー分布を発生する。それゆえ、遠距離場でのエンサークルドエネルギーは、６０％以下である場合がある。図１は、六角形パターンの６つの他のファイバに囲まれた１つの中心ファイバを備える７つのファイバのアレイからの放射から得られる遠距離場エネルギー分布を示している。遠距離場エネルギー分布は、すべてのファイバが貢献する中心ローブにより支配されているが、中心のエネルギーローブに何ら貢献しない周囲の副ローブが６つ残っている。
【００１７】
本発明によると、遠距離場エンサークルドエネルギーは、近接場でのエネルギー分布を修正する反射性または屈折性光学素子を使用して、アレイの各ビームレットのエネルギー分布をより均一な分布へ変換することにより、そして好ましくは、アレイ幅のビームのエネルギー分布を例えばガウシアン分布等のより望ましいものに変換することにより、著しく増加される。遠距離場でのエンサークルドエネルギーは、アレイ素子および関連する変換レンズを高いフィル・ファクタが実現されるように設計することによりさらに増加される。アレイのフィル・ファクタは、ファイバから放出されたビームレットの組み合わされた断面積の、不完全な充填配置に起因するファイバ間のギャップを含むアレイの総面積に対する比である。以下でさらに論じるように、エンサークルド遠距離場エネルギーは、１に近いフィル・ファクタをもたらすファイバアレイ及び光学素子アレイを使用することによりさらに向上される。
【００１８】
図２に示されているように、本発明は、曲線１２で示されたベッセル関数により特徴付けられるモードでファイバ１０により放出された光を、曲線１４で示されたより均一で「フラット・トップ（ｆｌａｔ ｔｏｐ）」のエネルギー分布に変換する既知の光学的技術を活用する。入力ビームがガウシアンプロファイルを有している場合、同様の変換を生じさせることができる。変換は、２つのレンズ１６及び１８によりもたらされる。第１のレンズ１６は、ビームのエネルギー分布をビームにわたりほぼ均一なものに変化させる。しかしながら、第１のレンズ１６の中心付近から出てくる光線は依然として発散している。一方、同一のレンズから出てくる外側の光線はおおよそ平行である。第２のレンズ１８は、より中心の光線のためのコリメータとして機能し、１４で示された均一なエネルギー分布を有する完全にコリメートされた出力ビームを発生する。図３は、比較のために、ガウシアン入力ビーム分布と、図２の装置により発生されたより均一な出力ビームプロファイルとを示している。
【００１９】
図２に示された種類の変換は、非特許文献１で開示された。しかしながら、非特許文献１では、ファイバ又はその他の源のアレイには関心が持たれておらず、単一のコヒーレント源からのビームにわたるエネルギー分布を改善することにのみ関心が持たれている。
【００２０】
図４は、ファイバアレイ２０から放出された光ビームレットに同一の変換原理を適用したものを示している。ここでは、変換が第１のレンズアレイ２２及び第２のレンズアレイ２４によりもたらされる。レンズの各対は、図２のレンズ１６および１８と同一の仕方で機能して、フラット・トップ出力エネルギー分布を発生する。理想的には、ファイバアレイ２０並びにレンズアレイ２２及び２４は、ほぼ１００％のフィル・ファクタをもたらすような配置で設計される。これを達成する方法は数多くある。円形に対称なファイバ及びレンズでは、ファイバ及びレンズをぎっしり詰めることにより、やや改善されたフィル・ファクタが得られる。しかしながら、放出するファイバ２０の中心が正方形マトリックスパターンに置かれ、レンズ２２及び２４が円形に対称ではなく代わりに正方形の対称性を有し、何らギャップを伴わずに長方形のグリッドに積み重ねることが可能である場合は、理論的な１００％のフィル・ファクタが得られる。あるいは、六角形の対称性は、よく知られているハニカムパターンを用いて１００％のフィル・ファクタで充填することを可能にする。これらの最密充填構成のいずれかが用いられるとき、個別のファイバ及びレンズの対のフラット・トップ出力分布は組み合わさって、曲線２６で示されるような、均一なアレイ幅の分布をもたらす。
【００２１】
また、図４に示されるように、曲線２６のフラット・トップアレイ幅エネルギー分布から、曲線２８により示され１００％に近い遠距離場効率につながる、より望ましいガウシアンアレイ幅エネルギー分布への最後の変換が行われる。この最後の変換は、実質的にレンズアレイ２２及び２４により実行された最初の変換の逆であり、２つのアレイ幅のレンズ３０及び３２によりもたらされる。レンズ３０及び３２は、逆変換を実行しビームレットのアレイ全体を包含するのに十分なほどの幅を有するという点を除いて、アレイ２２及び２４のレンズの各対と同様の原理で動作する。レンズ３０及び３２は、レンズアレイ２２及び２４がほぼ円形である場合、円形に対称とすることができ、またレンズアレイの対称性と合致する異なる対称性を有することができる。例えば、アレイ２２及び２４のレンズ素子は、正方形の対称性を有し、ほぼ正方形のアレイを形成するように積み重ねられ、その場合、アレイ幅の逆変換レンズ３０及び３２も、理想的には正方形の対称性を有する。
【００２２】
レンズの対称性に関する先述の検討は、ファイバアレイ２０の対称性およびパターンの話題につながる。アレイ２０のファイバは、異なる幾何学的パターンで積み重ねることができ、その選択は、遠距離場効率に影響を与える。特に、アレイ２０のファイバは、それらの中心を正方形マトリックス又はパターンに置いて、すなわち真四角のグリッドパターンに中心を置いて積み重ねることができる。ファイバ等の円筒状の物体を積み重ねる別の一般的なやり方は、隣接する各列または層のファイバ間の空間の中間点に中心が位置するものである。この結果、ファイバの中心が接触する正三角形の頂点に位置する。あるいは、６個のそのような三角形は六角形を定義するため、このファイバ積み重ねパターンは通常、六角形パターンと呼ばれる。六角形パターンは正方形パターンよりも大きなフィル・ファクタを与えるので、前者のパターンを使用することで遠距離場効率の改善がもたらされる。
【００２３】
レンズアレイ２２及び２４のレンズ形状または対称性を選択することも、遠距離場効率に著しい影響を与える。アレイ２２及び２４において円形のレンズを使用すると、ガウシアンエネルギー分布への逆変換を用いることなく、正方形ファイバパターンでは約６５％、六角形ファイバパターンでは約７５％の遠距離場効率となる。レンズアレイ２２及び２４の正方形レンズ形状では、正方形ファイバパターンの対応する効率は約８１．５％である。六角形レンズ形状および六角形ファイバパターンでは、効率は約８２％である。最後のアレイ幅の変換が追加される場合、これらの効率はさらに増加する。正方形レンズの正方形アレイでは、１００％に近い遠距離場効率が達成可能であるが、六角形の中心に配置された円形レンズなどのより低いフィル・ファクタのレンズアレイでは効率が低くなる。
【００２４】
アレイ２２及び２４のレンズ（又はミラー）の設計は、非特許文献１に記載された一般的な原理に従う。非特許文献１では、円形対称のレンズが扱われているので、対応する正方形対称のレンズの設計は、円形対称のガウシアンプロファイルを正方形のフラット・トッププロファイルに変換するといういくらか困難な課題をレンズ設計者に課す。基本的に、設計プロセスは、入力プロファイルの各円形環（ａｎｎｕｌｕｓ）を出力プロファイルの対応する正方形帯（ｂａｎｄ）に変換することを含む。結果として得られるレンズ対は、任意の断面に沿って見たときに非球面プロファイルを有するだけでなく、光軸に沿って見たときに、レンズ上の角度位置とともに変化する表面曲率半径（ｓｕｒｆａｃｅ ｒａｄｉｉ ｏｆ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ）を有する。レンズは、その正方形形状の頂点の位置に対応する角度位置において表面不連続を必然的に有する。しかしながら、結果として得られるのは、入力、すなわち円形対称なガウシアン入力ビームプロファイルから、正方形フラット・トップエネルギープロファイルを発生するレンズ対である。アレイ２２及び２４のこれらの正方形レンズは、実質的に１００％のフィル・ファクタで正方形マトリックスパターンに好都合に配置することができる。同様の原理を、アレイ２２及び２４内に六角形レンズ素子を設計するのに用いることができ、これらも１００％のフィル・ファクタで（六角形）パターンに配置することができる。
【００２５】
図４の最後の変換レンズ３０及び３２を使用することの代わりに、発光アレイ２０の素子の強度を個別に制御して、フラット・トップアレイ幅分布２６を、ガウシアン分布２８を近似する分布に修正することができる。
【００２６】
図５は、上述した本発明の原理を、レンズではなくミラーを使用しても実装できることを示している。ファイバのアレイ４０が、２つの主レンズアレイ４２及び４４の中に放射を放出し、次いで２つのミラーアレイ４６及び４８でガウシアンからフラット・トップへの変換が達成される。最後のアレイ幅のガウシアンエネルギー分布への逆変換は、２つのアレイ幅のミラー５０及び５２によりもたらされる。ミラーはレンズよりも冷却が容易であるため、いくつかの高出力用途ではミラーが好ましい。ミラーの主な欠点は、図５に示したような折り畳み構造（ｆｏｌｄｅｄ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）を用いてオフアクシスビームを発生するために角度を考慮して配置（ａｎｇｕｌａｒｌｙ ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄ）されなければならないことである。図５は、説明のために強調した角度を使用するが、光学技術分野の当業者であれば、傾斜したミラーの使用によりビームの一端と他端との間に望ましくない位相ひずみが生じる可能性があり、そしてそのような歪みはミラーの設計の中で補償されるべきであることが理解されるだろう。図６は、ファイバ６０からの単一のビームの変換へのミラーの使用を示している。ファイバは、エンド・キャップ（ｅｎｄ ｃａｐ）を有し、６２で示したように、ガウシアンエネルギー分布のビームを発生する。第１のミラー６４は、ガウシアンビームのために最適化され、６８で示されるフラット・トップ又は「トップ・ハット（ｔｏｐ−ｈａｔ）」エネルギー分布を発生するように最適化された第２のミラー６６に光を反射する。ミラー６４及び６６は、非球面表面を用い、図示のようなｚ折り（ｚ−ｆｏｌｄ）ビーム経路を発生するように傾斜されている。
【００２７】
遠距離場効率を向上することに関連して説明した本発明の原理は、特定の用途に適したビーム伝播の役に立つ任意の所望の振幅および位相構造（ｄｅｓｉｒｅｄ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を提供することという、追加のより一般的な用途を有する。例えば、近接場において予め定めた振幅および位相構造を有するベッセルビームは、それが（近接場と遠距離場との間の）中間場を伝播するときに比較的密接な（ｔｉｇｈｔ）中心ローブ（高エンサークルドエネルギー）を維持するという点で、有用な回折特性を有する。そのようなビームは、ビームターゲットが遠距離場の距離よりも近い有向ビーム（ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｂｅａｍ）用途に理想的であろう。別の例として、（ガウシアン）遠距離場エネルギー分布が様々な中間の距離で望まれる用途では、ファイバアレイにより提供されるビームをフォーカスするように電子位相制御手段を用いて近接場位相構造（ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｐｈａｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を調節することができる。さらに別の例には、レーザ出力の近接場振幅および位相構造をターゲットで生じた回折限界のビーコン光の位相共役（ｐｈａｓｅ ｃｏｎｊｕｇａｔｅ）として制御することにより、ビーム伝播経路（例えば、大気）内での光学収差を補償することができる種類の用途が含まれる。
【００２８】
先述の内容から、本発明は、ファイバのバンドル又はアレイから発生する高出力レーザビームの分野において著しい進歩を示すことが理解されるだろう。特に本発明は、ベッセル又はガウシアン分布からの各アレイビームレットをより均一なフラット・トップ分布に変換して、次いで好ましくは、得られた複合ビームを、フラット・トップ分布から例えばガウシアンなどのより望ましいものに変換することにより、著しい遠距離場エンサークルドエネルギー、すなわち総効率の増加をもたらす。また、本発明の特定の実施形態について説明のために詳細に述べてきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができることが理解されるだろう。例えば、先の段落で論じたように、本発明は、遠距離場の距離未満の距離において振幅および位相構造の望ましい分布を有するビームを発生することに適用することができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲以外により限定されるべきでない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】７つのファイバのアレイからの放射から得られる遠距離場エネルギー分布を示す３次元図である。
【図２】単一ファイバの光学モードを、ベッセル分布から平坦な位相を有する均一（フラット・トップ）な強度の分布に変換することを示す図である。
【図３】図２に示した変換に関連する一般的な入力および出力ビームプロファイルを示すグラフである。
【図４】図２と同一の変換をレンズアレイを用いてファイバのアレイに適用し、正方形トップ・ハットアレイ出力からより望ましいガウシアン分布への最後の変換を続いて行うことを描いた図である。
【図５】主変換および最後の変換のいずれかをレンズの代わりにミラーを用いて行うことを描いた図である。
【図６】各ビームレットプロファイルのミラーを用いた主変換の原理を説明するための図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高出力レーザにおいて遠距離場エンサークルドエネルギーを増加する装置であって、
光ファイバアレイであって、前記光ファイバアレイのそれぞれは、特徴的な断面エネルギー分布を有する電磁放射を放出する光ファイバアレイと、
前記光ファイバアレイからの放射を受け取るように整列された第１の光学素子アレイ及び第２の光学素子アレイと
を備え、
前記第１の光学素子アレイの各光学素子は、完全なビームコリメーションを考慮することなく均一な断面エネルギー分布を発生するように設計された非球面素子であり、
前記第２の光学素子アレイの各光学素子は、前記第１の光学素子アレイの対応する光学素子から伝播した放射をコリメートするように設計された非球面素子であり、
前記第１の光学素子アレイと前記第２の光学素子アレイとの組み合わせは、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加をもたらすほぼ均一な断面エネルギー分布を有する複合出力ビームを形成するビームレットのアレイ出力を発生することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記複合出力ビーム中に配置されて、前記複合出力ビームを、ほぼ均一なエネルギー分布から、遠距離場エンサークルドエネルギーをさらに増加するより望ましいエネルギー分布に逆変換する第１のアレイ幅光学素子および第２のアレイ幅光学素子をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイ並びに前記第１のアレイ幅光学素子および前記第２のアレイ幅光学素子は、屈折性光学素子および反射性光学素子から選択されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、非球面レンズであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、非球面ミラーであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記光ファイバアレイの個別の光ファイバは、正方形パターンに中心が配置され、
前記１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、前記光ファイバからの放射を受け取るように、正方形パターンに中心が配置され、
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、正方形の断面形状であり、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加に貢献する大きなフィル・ファクタをもたらすことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記光ファイバアレイの個別のファイバは、六角形パターンに中心が配置され、
前記１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、前記光ファイバからの放射を受け取るように、六角形パターンに中心が配置され、
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、六角形の断面形状であり、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加に貢献する大きなフィル・ファクタをもたらすことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記光ファイバアレイの個別の光ファイバは、正方形パターンに中心が配置され、
前記１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、前記光ファイバからの放射を受け取るように、正方形パターンに中心が配置され、
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子、並びに前記第１のアレイ幅光学素子および前記第２のアレイ幅光学素子は、正方形の断面形状であり、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加に貢献する大きなフィル・ファクタをもたらすことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項９】
前記光ファイバアレイの個別のファイバは、六角形パターンに中心が配置され、
前記１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、前記光ファイバからの放射を受け取るように、六角形パターンに中心が配置され、
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子、並びに前記第１のアレイ幅光学素子および前記第２のアレイ幅光学素子は、六角形の断面形状であり、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加に貢献する大きなフィル・ファクタをもたらすことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項１０】
高出力レーザにおいて遠距離場エンサークルドエネルギーを増加する方法であって、
光ファイバアレイの各素子から電磁放射を放出するステップであって、前記光ファイバアレイのそれぞれは、特徴的な断面エネルギー分布を有する電磁放射を放出するステップと、
前記光ファイバアレイからの放射を受け取るように第１の光学素子アレイ及び第２の光学素子アレイを整列するステップであって、前記第１の光学素子アレイの各光学素子は、完全なビームコリメーションを考慮することなく均一な断面エネルギー分布を発生するように設計された非球面素子であり、前記第２の光学素子アレイの各光学素子は、前記第１の光学素子アレイの対応する光学素子から伝播した放射をコリメートするように設計された非球面素子であるステップと、
前記第１の光学素子アレイと前記第２の光学素子アレイとの組み合わせにおいて、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加をもたらすほぼ均一な断面エネルギー分布を有する複合出力ビームを形成する出力ビームレットのアレイを発生するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記複合出力ビームを、ほぼ均一なエネルギー分布から、遠距離場エンサークルドエネルギーをさらに増加するより望ましいエネルギー分布に逆変換する第１のアレイ幅光学素子および第２のアレイ幅光学素子を、前記複合出力ビーム中に配置するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記より望ましいエネルギー分布は、ガウシアン分布であることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイ並びに前記第１のアレイ幅光学素子および前記第２のアレイ幅光学素子は、屈折性光学素子および反射性光学素子から選択されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、非球面レンズであることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、非球面ミラーであることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記光ファイバアレイの個別の光ファイバの中心を、正方形パターンに配置するステップと、
前記１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの個別の光学素子の中心を、前記光ファイバからの放射を受け取るように、正方形パターンに配置するステップと
をさらに含み、
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、正方形の断面形状であり、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加に貢献する大きなフィル・ファクタをもたらすことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記光ファイバアレイの個別のファイバの中心を、六角形パターンに配置するステップと、
前記１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの個別の光学素子の中心を、前記光ファイバからの放射を受け取るように、六角形パターンに配置するステップと
を含み、
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、六角形の断面形状であり、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加に貢献する大きなフィル・ファクタをもたらすことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記光ファイバアレイの個別の光ファイバの中心を、正方形パターンに配置するステップと、
前記１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの個別の光学素子の中心を、前記光ファイバからの放射を受け取るように、正方形パターンに配置するステップと
を含み、
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子、並びに前記第１のアレイ幅光学素子および前記第２のアレイ幅光学素子は、正方形の断面形状であり、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加に貢献する大きなフィル・ファクタをもたらすことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
前記光ファイバアレイの個別のファイバの中心を、六角形パターンに配置するステップと、
前記１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの個別の光学素子の中心を、前記光ファイバからの放射を受け取るように、六角形パターンに配置するステップと、
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子、並びに前記第１のアレイ幅光学素子および前記第２のアレイ幅光学素子は、六角形の断面形状であり、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加に貢献する大きなフィル・ファクタをもたらすことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項２０】
前記複合出力ビームのほぼ均一な断面エネルギー分布を、遠距離場エンサークルドエネルギーをさらに増加するより望ましいエネルギー分布に修正するように、前記光ファイバアレイの個別の素子の出力強度を調節するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項２１】
高出力レーザにおいて振幅および位相構造の所望の分布を実現する方法であって、
光ファイバアレイの各素子から電磁放射を放出するステップであって、前記光ファイバアレイのそれぞれは、特徴的な断面エネルギー分布を有する電磁放射を放出するステップと、
前記光ファイバアレイからの放射を受け取るように第１の光学素子アレイ及び第２の光学素子アレイを整列するステップであって、前記第１の光学素子アレイの各光学素子は、完全なビームコリメーションを考慮することなく均一な断面エネルギー分布を発生するように設計された非球面素子であり、前記第２の光学素子アレイの各光学素子は、前記第１の光学素子アレイの対応する光学素子から伝播した放射をコリメートするように設計された非球面素子であるステップと、
前記第１の光学素子アレイと前記第２の光学素子アレイとの組み合わせにおいて、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加をもたらすほぼ均一な断面エネルギー分布を有する複合出力ビームを形成する出力ビームレットのアレイを発生するステップと、
前記複合出力ビームを、ほぼ均一なエネルギー分布から、近接場において所望の振幅および位相構造を有し、前記アレイから所望の範囲で最適なエネルギー分布を発生するより望ましいエネルギー分布にさらに変換するように、第１のアレイ幅光学素子および第２のアレイ幅光学素子を前記複合出力ビーム中に配置するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記より望ましいエネルギー分布は、ベッセル分布であることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項１】
高出力レーザにおいて遠距離場エンサークルドエネルギーを増加する装置であって、
光ファイバアレイであって、前記光ファイバアレイのそれぞれは、特徴的な断面エネルギー分布を有する電磁放射を放出する光ファイバアレイと、
前記光ファイバアレイからの放射を受け取るように整列された第１の光学素子アレイ及び第２の光学素子アレイと
を備え、
前記第１の光学素子アレイの各光学素子は、完全なビームコリメーションを考慮することなく均一な断面エネルギー分布を発生するように設計された非球面素子であり、
前記第２の光学素子アレイの各光学素子は、前記第１の光学素子アレイの対応する光学素子から伝播した放射をコリメートするように設計された非球面素子であり、
前記第１の光学素子アレイと前記第２の光学素子アレイとの組み合わせは、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加をもたらすほぼ均一な断面エネルギー分布を有する複合出力ビームを形成するビームレットのアレイ出力を発生することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記複合出力ビーム中に配置されて、前記複合出力ビームを、ほぼ均一なエネルギー分布から、遠距離場エンサークルドエネルギーをさらに増加するより望ましいエネルギー分布に逆変換する第１のアレイ幅光学素子および第２のアレイ幅光学素子をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイ並びに前記第１のアレイ幅光学素子および前記第２のアレイ幅光学素子は、屈折性光学素子および反射性光学素子から選択されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、非球面レンズであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、非球面ミラーであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記光ファイバアレイの個別の光ファイバは、正方形パターンに中心が配置され、
前記１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、前記光ファイバからの放射を受け取るように、正方形パターンに中心が配置され、
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、正方形の断面形状であり、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加に貢献する大きなフィル・ファクタをもたらすことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記光ファイバアレイの個別のファイバは、六角形パターンに中心が配置され、
前記１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、前記光ファイバからの放射を受け取るように、六角形パターンに中心が配置され、
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、六角形の断面形状であり、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加に貢献する大きなフィル・ファクタをもたらすことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記光ファイバアレイの個別の光ファイバは、正方形パターンに中心が配置され、
前記１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、前記光ファイバからの放射を受け取るように、正方形パターンに中心が配置され、
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子、並びに前記第１のアレイ幅光学素子および前記第２のアレイ幅光学素子は、正方形の断面形状であり、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加に貢献する大きなフィル・ファクタをもたらすことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項９】
前記光ファイバアレイの個別のファイバは、六角形パターンに中心が配置され、
前記１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、前記光ファイバからの放射を受け取るように、六角形パターンに中心が配置され、
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子、並びに前記第１のアレイ幅光学素子および前記第２のアレイ幅光学素子は、六角形の断面形状であり、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加に貢献する大きなフィル・ファクタをもたらすことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項１０】
高出力レーザにおいて遠距離場エンサークルドエネルギーを増加する方法であって、
光ファイバアレイの各素子から電磁放射を放出するステップであって、前記光ファイバアレイのそれぞれは、特徴的な断面エネルギー分布を有する電磁放射を放出するステップと、
前記光ファイバアレイからの放射を受け取るように第１の光学素子アレイ及び第２の光学素子アレイを整列するステップであって、前記第１の光学素子アレイの各光学素子は、完全なビームコリメーションを考慮することなく均一な断面エネルギー分布を発生するように設計された非球面素子であり、前記第２の光学素子アレイの各光学素子は、前記第１の光学素子アレイの対応する光学素子から伝播した放射をコリメートするように設計された非球面素子であるステップと、
前記第１の光学素子アレイと前記第２の光学素子アレイとの組み合わせにおいて、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加をもたらすほぼ均一な断面エネルギー分布を有する複合出力ビームを形成する出力ビームレットのアレイを発生するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記複合出力ビームを、ほぼ均一なエネルギー分布から、遠距離場エンサークルドエネルギーをさらに増加するより望ましいエネルギー分布に逆変換する第１のアレイ幅光学素子および第２のアレイ幅光学素子を、前記複合出力ビーム中に配置するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記より望ましいエネルギー分布は、ガウシアン分布であることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイ並びに前記第１のアレイ幅光学素子および前記第２のアレイ幅光学素子は、屈折性光学素子および反射性光学素子から選択されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、非球面レンズであることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、非球面ミラーであることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記光ファイバアレイの個別の光ファイバの中心を、正方形パターンに配置するステップと、
前記１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの個別の光学素子の中心を、前記光ファイバからの放射を受け取るように、正方形パターンに配置するステップと
をさらに含み、
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、正方形の断面形状であり、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加に貢献する大きなフィル・ファクタをもたらすことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記光ファイバアレイの個別のファイバの中心を、六角形パターンに配置するステップと、
前記１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの個別の光学素子の中心を、前記光ファイバからの放射を受け取るように、六角形パターンに配置するステップと
を含み、
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子は、六角形の断面形状であり、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加に貢献する大きなフィル・ファクタをもたらすことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記光ファイバアレイの個別の光ファイバの中心を、正方形パターンに配置するステップと、
前記１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの個別の光学素子の中心を、前記光ファイバからの放射を受け取るように、正方形パターンに配置するステップと
を含み、
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子、並びに前記第１のアレイ幅光学素子および前記第２のアレイ幅光学素子は、正方形の断面形状であり、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加に貢献する大きなフィル・ファクタをもたらすことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
前記光ファイバアレイの個別のファイバの中心を、六角形パターンに配置するステップと、
前記１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの個別の光学素子の中心を、前記光ファイバからの放射を受け取るように、六角形パターンに配置するステップと、
前記第１の光学素子アレイ及び前記第２の光学素子アレイの光学素子、並びに前記第１のアレイ幅光学素子および前記第２のアレイ幅光学素子は、六角形の断面形状であり、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加に貢献する大きなフィル・ファクタをもたらすことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項２０】
前記複合出力ビームのほぼ均一な断面エネルギー分布を、遠距離場エンサークルドエネルギーをさらに増加するより望ましいエネルギー分布に修正するように、前記光ファイバアレイの個別の素子の出力強度を調節するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項２１】
高出力レーザにおいて振幅および位相構造の所望の分布を実現する方法であって、
光ファイバアレイの各素子から電磁放射を放出するステップであって、前記光ファイバアレイのそれぞれは、特徴的な断面エネルギー分布を有する電磁放射を放出するステップと、
前記光ファイバアレイからの放射を受け取るように第１の光学素子アレイ及び第２の光学素子アレイを整列するステップであって、前記第１の光学素子アレイの各光学素子は、完全なビームコリメーションを考慮することなく均一な断面エネルギー分布を発生するように設計された非球面素子であり、前記第２の光学素子アレイの各光学素子は、前記第１の光学素子アレイの対応する光学素子から伝播した放射をコリメートするように設計された非球面素子であるステップと、
前記第１の光学素子アレイと前記第２の光学素子アレイとの組み合わせにおいて、遠距離場エンサークルドエネルギーの増加をもたらすほぼ均一な断面エネルギー分布を有する複合出力ビームを形成する出力ビームレットのアレイを発生するステップと、
前記複合出力ビームを、ほぼ均一なエネルギー分布から、近接場において所望の振幅および位相構造を有し、前記アレイから所望の範囲で最適なエネルギー分布を発生するより望ましいエネルギー分布にさらに変換するように、第１のアレイ幅光学素子および第２のアレイ幅光学素子を前記複合出力ビーム中に配置するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記より望ましいエネルギー分布は、ベッセル分布であることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２００９−５２３２５３（Ｐ２００９−５２３２５３Ａ）
【公表日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５４２３０４（Ｐ２００８−５４２３０４）
【出願日】平成１８年８月３０日（２００６．８．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０３３８６４
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０５４３６１
【国際公開日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【出願人】（５０２２７０４５３）ノースロップ グラマン コーポレイション (31)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月３０日（２００６．８．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０３３８６４
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０５４３６１
【国際公開日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【出願人】（５０２２７０４５３）ノースロップ グラマン コーポレイション (31)
【Ｆターム（参考）】
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