高出力レーザ装置
【課題】ｋＨｚオーダー以上の波面揺らぎに対しても補償可能な、安定で小型な高出力レーザ装置を得る。
【解決手段】光増幅後の各アレイ間の位相誤差を検出する第１の位相誤差検出手段（１１）と、空間伝播後の波面検波を行うことで波面の角度に応じた位置情報を生成する波面センサ（１２）と、位置情報に基づいて空間伝播後の位相誤差を検出する第２の位相誤差検出手段（１３）と、それぞれの位相誤差を補償する第１および第２のフィードバック信号を算出し、いずれか一方を選択して出力する位相制御手段（１４）と、選択後のフィードバック信号に応答し位相誤差の補償を行う光位相変調手段（４）とを有する。
【解決手段】光増幅後の各アレイ間の位相誤差を検出する第１の位相誤差検出手段（１１）と、空間伝播後の波面検波を行うことで波面の角度に応じた位置情報を生成する波面センサ（１２）と、位置情報に基づいて空間伝播後の位相誤差を検出する第２の位相誤差検出手段（１３）と、それぞれの位相誤差を補償する第１および第２のフィードバック信号を算出し、いずれか一方を選択して出力する位相制御手段（１４）と、選択後のフィードバック信号に応答し位相誤差の補償を行う光位相変調手段（４）とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速な波面揺らぎを補償可能とする、安定で小型な高出力レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力レーザ装置の実現方法としては、単一のレーザ光を光増幅の種光として、分岐後に光増幅してから合成を行うコヒーレントビーム結合（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｂｉｎｅ：ＣＢＣ）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ＣＢＣベースの高出力レーザでは、各光路の位相を揃え、ビームを出力している。また、出力時の位相を揃える位相制御フィードバックループとは別に、空間伝播中での波面揺らぎを補償するために、波面センサで波面誤差を検出している。そして、波面センサにより検出された波面誤差を補償することで、単一のローブを持った集光パターンを形成している。
【０００４】
従来は、波面誤差を検出する手段としてカメラなどの波面センサを用い、補償する手段としてアダプティブミラーを用いていた。しかしながら、波面センサの位相誤差検出速度やアダプティブミラーの応答速度が、ｋＨｚオーダーよりも低く、ｋＨｚオーダー以上の応答ができないという問題がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
このような問題に対して、特許文献１では、出力時の位相制御フィードバックループの基準信号にＲＦ信号を用いて、さらに、波面揺らぎを各光路に対応するＲＦ信号（基準信号）のオフセット位相として与えることで、ｋＨｚオーダー以上の高速で制御可能とする方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３２３７７４号公報
【特許文献２】特開２００９−２４４０３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
上記した特許文献１、２による従来方法では、波面揺らぎ補正の応答速度が、波面センサ（カメラなど）や補正方法の帯域（アダプティブミラー：＜１［ｋＨｚ］）により制限される。この結果、ｋＨｚオーダー以上の高速な波面揺らぎを補償できないという問題点があった。
【０００８】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、ｋＨｚオーダー以上の波面揺らぎに対しても補償可能な、安定で小型な高出力レーザ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る高出力レーザ装置は、単一周波数の基準光をサブアレイに分岐しアレイごとに光増幅後、アレイ間の光位相誤差を検出帰還して出力をコヒーレント加算する高出力レーザ装置において、光増幅後の各アレイ間の位相誤差を第１の位相誤差として検出する第１の位相誤差検出手段と、空間伝播後の波面検波を行うことで波面の角度に応じた位置情報を生成する波面センサと、波面センサにより生成された位置情報に基づいて空間伝播後の位相誤差を第２の位相誤差として検出する第２の位相誤差検出手段と、第１の位相誤差および第２の位相誤差を入力し、第１の位相誤差を補償する第１のフィードバック信号、および第２の位相誤差を補償する第２のフィードバック信号を算出するとともに、第１の位相誤差および第２の位相誤差の値と、所定閾値との比較結果に基づいて第１のフィードバック信号と第２のフィードバック信号とを切り替え選択し、選択後のフィードバック信号を出力する位相制御手段と、位相制御手段から出力される選択後のフィードバック信号に応答し位相誤差の補償を行う光位相変調手段とを有するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る高出力レーザ装置によれば、伝播後の波面検波にカメラではなくフォトディテクタを用い、位相制御にアダプティブミラーではなく光位相変調器を用いることにより、ｋＨｚオーダー以上の波面揺らぎに対しても補償可能な、安定で小型な高出力レーザ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１における高出力レーザ装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１で用いられる波面センサの例示図である。
【図３】本発明の実施の形態２における高出力レーザ装置の構成図である。
【図４】本発明の実施の形態３における高出力レーザ装置の構成図である。
【図５】本発明の実施の形態４における高出力レーザ装置の構成図である。
【図６】本発明の実施の形態５における高出力レーザ装置の構成図である。
【図７】本発明の実施の形態６における高出力レーザ装置の構成図である。
【図８】本発明の実施の形態７における高出力レーザ装置の構成図である。
【図９】本発明の高出力レーザ装置における位相制御回路による位相同期ループの切り換え処理の一連の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の高出力レーザ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における高出力レーザ装置の構成図である。この図１に示す高出力レーザ装置は、レーザ光源１、光分岐スプリッタ２、光分岐スプリッタアレイ（Ｎ分岐）３、光位相変調器（Ｎ個）４、光増幅器（Ｎ個）５、ＲＦ信号発振器６、光周波数シフタ７、光合波分岐素子８、コリメータレンズ９、光合波分岐素子１０、位相誤差検出回路１１、波面センサ（角度検出器）１２、位相誤差検出回路１３、および位相制御回路１４を備えて構成されている。また、図１中のＲ１、Ｒ２は、それぞれ、光分岐スプリッタ２により分岐された信号光路、参照光路を示している。
【００１４】
本発明の係る高出力レーザ装置は、光分岐後の光増幅器５などによる位相変動をフィードバックすることで位相誤差を制御する位相同期ループ１と、波面センサ１２により検出された波面情報から得た伝播による位相変動情報をフィードバックすることで波面制御を行う位相同期ループ２の２つの制御ループを有している。
【００１５】
さらに、本発明の係る高出力レーザ装置は、これら２つの制御ループによる制御信号（図１中の位相同期ループ１による位相誤差信号Ｓ１、位相同期ループ２による位相誤差信号Ｓ２に相当）を位相制御回路１４により選択的に切り替え、光位相変調器４でこれら２つの制御ループの位相制御を行う。
【００１６】
次に、本実施の形態１における高出力レーザ装置の動作について説明する。
はじめに、レーザ光源１の出力が、光分岐スプリッタ２により、信号光路Ｒ１と、参照光路Ｒ２とに２分岐される。信号光路Ｒ１は、光分岐スプリッタアレイ３を用いてＮ分岐された後、光位相変調器４に入力される。なお、図１では、簡単化のため、１光路のみを示している。
【００１７】
光位相変調器４による変調後の出力は、光増幅器５により増幅される。光位相変調器４では、光増幅器５および本装置から出力された後の伝播に伴う波面揺らぎを補償する。
【００１８】
一方、参照光路Ｒ２は、光周波数シフタ７により、ＲＦ信号に対応する周波数の量だけ周波数シフトされる。ここで、光周波数シフタ７は、ＲＦ信号発振器６から固定周波数の電気信号が印加され、これにより、ＲＦ信号に対応する周波数の量だけ周波数シフトされる。周波数シフトされた光は、コリメータレンズ９によりビーム径が調整され、後段の光合波分岐素子８（例えば、ビームスプリッタ８）により、信号光（Ｎ個）と合波、分岐される。
【００１９】
合波後の光路（図１において、ビームスプリッタ８を通過した後、上方に向かう光路）において、位相誤差検出回路１１は、各信号光路のビート信号を検出し、各光路の位相誤差情報（図１における位相誤差信号Ｓ１に相当）を取得する。そして、位相誤差検出回路１１により検出された位相誤差情報に基づいて、位相制御回路１４は、各光信号の相対位相をロックする制御信号を生成し、検出されたそれぞれの位相誤差に対応する光路の光位相変調器４にフィードバックする。
【００２０】
このように、位相誤差信号Ｓ１に基づく位相制御フィードバックループを閉じることで、位相同期ループ１が同期確立される。この位相同期ループ１は、出力直後の各アレイ間の相対位相を補償する。
【００２１】
一方、光合波分岐素子８を透過したＮ個の信号光（図１において、ビームスプリッタ８を通過した後、右に向かう光路）は、光合波分岐素子１０を透過後、目標物へと集光される。そして、目標物までの伝播の際に生じる波面揺らぎが、目標物からの反射光により、光合波分岐素子１０、および波面センサ１２を用いて検出される。
【００２２】
図２は、本発明の実施の形態１で用いられる波面センサ１２の例示図である。波面センサ１２は、例えば、この図２に示すようなレンズアレイとフォトディテクタアレイを用いた角度検出器として構成することで、波面情報を取得することができる。
【００２３】
波面が乱れた場合には、それに伴う角度のずれにより、図２に示すように、検出される位置が異なることとなる。そこで、例えば、４分割光検出器などを用いて位置検出する。これにより、後段の位相誤差検出回路１３は、波面センサ１２により検出された位置情報から位相誤差を検出することができる。
【００２４】
位相誤差検出回路１３は、波面センサ１２により得られた位置情報に基づいて位相誤差信号Ｓ２を出力する。位相制御回路１４は、上述したように、はじめは、位相同期ループ１により、光増幅器５による出力直後の各光路の位相を揃える。その後、位相制御回路１４は、空間伝播することによる位相揺らぎを補償し、空間伝播後の目標物上での各光路位相を揃えるために、位相誤差信号Ｓ２に基づく位相制御フィードバックループを閉じる。これにより、位相同期ループ２が同期確立される。
【００２５】
以上のように、実施の形態１によれば、伝播後の波面検波には、カメラではなくフォトディテクタを使用し、位相制御には、アダプティブミラーではなく光位相変調器を使用している。このような構成を備えることで、ＭＨｚオーダー以上の高速位相制御を実現することができる。
【００２６】
実施の形態２．
先の実施の形態１では、伝播後の波面情報を角度検出器１２により検出する方式とした場合について説明した。これに対して、本実施の形態２では、ヘテロダイン検波方式とした場合について説明する。図３は、本発明の実施の形態２における高出力レーザ装置の構成図である。この図３において、図１と同一あるいは類似の要素は、同一の符号を付している。
【００２７】
本実施の形態２における図３の構成は、先の実施の形態１における図１の構成と比較すると、コリメータレンズ１５をさらに備えている点が異なっている。そして、コリメータレンズ１５を備えることで、ヘテロダイン検波方式を実現している。そこで、この相違点を中心に、本実施の形態２における高出力レーザ装置の動作について説明する。
【００２８】
波面センサ検波用の参照光路を光路Ｒ２から分岐し、コリメータレンズ１５によりコリメートする。そして、コリメータレンズ１５によりコリメートされた出力光と、目標物からの反射光とを、光合波分岐素子１０により合波することで、波面センサ１２での検波方式をヘテロダイン検波方式としている。
【００２９】
このような構成とすることで、十分な出力を持った参照光を用いてヘテロダイン検波を行うことができる。この結果、ショット雑音限界での検波が可能となり、微弱な目標物からの反射光を高感度に検出することができる。
【００３０】
さらに、本実施の形態２では、波面センサ１２において、位相同期ループ１内の位相誤差検出回路１１と同様に、ＲＦ信号発振器６から出力される固定周波数のビート信号を検出することができる。したがって、位相同期ループ２内の位相誤差検出回路１３により、位相同期ループ１内の位相誤差検出回路１１と同様に、各光路の相対位相情報をビート信号から取得することができる。
【００３１】
位相誤差検出回路１３で検出された位相誤差情報に基づいて、位相制御回路１４は、各光信号の相対位相をロックする制御信号を生成し、検出されたそれぞれの位相誤差に対応する光路の光位相変調器４にフィードバックする。このように、位相誤差信号Ｓ２に基づく位相制御フィードバックループを閉じることで、位相同期ループ２が同期確立される。
【００３２】
以上のように、実施の形態２によれば、伝播後の波面検波には、カメラではなくフォトディテクタを使用し、位相制御には、アダプティブミラーではなく光位相変調器を使用している。このような構成を備えることで、ＭＨｚオーダー以上の高速位相制御を実現することができる。
【００３３】
さらに、十分な出力を持った参照光を用いて伝播後の波面情報をヘテロダイン検波することができる構成を備えている。この結果、ショット雑音限界での検波が可能となり、微弱な目標物からの反射光を高感度に検出することができるという、さらなる効果を得ることができる。
【００３４】
実施の形態３．
先の実施の形態２では、伝播後の波面情報の検出方式をヘテロダイン方式とした場合について説明した。これに対して、本実施の形態３では、ホモダイン検波方式とした場合について説明する。図４は、本発明の実施の形態３における高出力レーザ装置の構成図である。この図４において、図３と同一あるいは類似の要素は、同一の符号を付している。
【００３５】
本実施の形態３における図４の構成は、先の実施の形態２における図３の構成と基本的には同じであるが、光周波数シフタ７の後ろで分岐された参照光を用いる代わりに、光周波数シフタ７の前で分岐された参照光を用いてコリメータレンズ１５によりコリメートしている点が異なっている。このような構成により、光合波分岐素子１０で合波する際の目標物からの反射光と、参照光との周波数が一致することになり、ホモダイン検波方式を実現できる。
【００３６】
従って、十分な出力を持った参照光を用いてホモダイン検波を行うことができる。この結果、先の実施の形態２と同様に、ショット雑音限界での検波が可能となり、微弱な目標物からの反射光を高感度に検出を行うことができる。
【００３７】
以上のように、実施の形態３によれば、伝播後の波面検波には、カメラではなくフォトディテクタを使用し、位相制御には、アダプティブミラーではなく光位相変調器を使用している。このような構成を備えることで、ＭＨｚオーダー以上の高速位相制御を実現することができる。
【００３８】
さらに、十分な出力を持った参照光を用いて伝播後の波面情報をヘテロダイン検波することができる構成を備えている。この結果、ショット雑音限界での検波が可能となり、微弱な目標物からの反射光を高感度に検出することができるという、先の実施の形態２と同様のさらなる効果を得ることができる。
【００３９】
実施の形態４．
先の実施の形態２、３では、波面揺らぎの検波方式をヘテロダイン、またはホモダイン検波方式とした場合について説明した。これに対して、本実施の形態４では、検波時における送信光自身の漏れ光、内部反射光、または背景光の影響を抑圧可能な手段（後述する周波数分離回路１６に相当）をさらに備えた場合について説明する。
【００４０】
図５は、本発明の実施の形態４における高出力レーザ装置の構成図である。この図５において、図４と同一あるいは類似の要素は、同一の符号を付している。
【００４１】
本実施の形態４における図５の構成は、先の実施の形態３における図４の構成と比較すると、角度検出器１２と位相誤差検出回路１３との間に周波数分離回路１６をさらに備えている点が異なっている。そして、周波数分離回路１６を備えることで、目標物が移動している場合など、目標物から反射される光の周波数を、ドップラ周波数シフトにより周波数シフトして検波している。そこで、この相違点を中心に、本実施の形態４における高出力レーザ装置の動作について説明する。
【００４２】
なお、図５の構成は、ホモダイン検波方式を用いた図４に対して周波数分離回路１６を付加した場合を示しているが、ヘテロダイン検波方式を用いた図３に対して周波数分離回路１６を付加することも、同様に可能である。
【００４３】
送信光自身の漏れ光、内部反射光、または背景光は、直流成分の信号として検波される。一方、目標物からの反射光は、ドップラ周波数シフト分、周波数シフトされた信号として検波される。そこで、本実施の形態４では、周波数分離回路１６において、例えば、ＤＣカットを用いて信号の直流成分を除去している。この結果、目標物からの反射光のみを抽出し、送信光自身の漏れ光、内部反射光、または背景光の影響を抑圧することができる。
【００４４】
以上のように、実施の形態４によれば、位相同期ループ２内に周波数分離回路を備えている。この結果、先の実施の形態２、３の効果に加え、送信光自身の漏れ光、内部反射光、または背景光の影響を抑圧する効果をさらに得ることができる。
【００４５】
実施の形態５．
先の実施の形態１〜４では、光増幅後の各アレイ間の相対位相、または目標物での相対位相を同期する位相補償を行う場合について説明した。これに対して、本実施の形態５では、目標物上において任意の波面を生成する手段（後述するオフセット位相出力回路１７に相当）を備えた場合について説明する。
【００４６】
図６は、本発明の実施の形態５における高出力レーザ装置の構成図である。この図６において、図１と同一あるいは類似の要素は、同一の符号を付している。
【００４７】
本実施の形態５における図６の構成は、先の実施の形態１における図１の構成と比較すると、位相制御回路１４の前段にオフセット位相出力回路１７をさらに備えている点が異なっている。そして、オフセット位相出力回路１７を備えることで、位相補償後の目標物における各アレイ間の位相に対してオフセット位相を印加して、目標物上における波面を任意に制御することを実現している。
【００４８】
なお、図６の構成は、先の実施の形態１における図１に対してオフセット位相出力回路１７を付加した場合を示しているが、先の実施の形態２〜４における図３〜図５に対してオフセット位相出力回路１７を付加することも、同様に可能である。
【００４９】
以上のように、実施の形態５によれば、オフセット位相出力回路を備えている。この結果、先の実施の形態１〜４の効果に加え、目標物上における波面を任意に制御することができるという効果をさらに得ることができる。
【００５０】
実施の形態６．
先の実施の形態１〜５では、位相補償の際の基準信号として検出した光信号の１つを使用する場合について説明した。これに対して、本実施の形態６では、ＲＦ信号発振器６から出力された信号を基準信号Ｓ３としてさらに考慮し、波面制御を行う場合について説明する。
【００５１】
図７は、本発明の実施の形態６における高出力レーザ装置の構成図である。この図７において、図１と同一あるいは類似の要素は、同一の符号を付している。
【００５２】
本実施の形態６における図７の構成は、先の実施の形態１における図１の構成と比較すると、位相誤差検出回路１３と位相制御回路１４との間に移相器１８をさらに備えている点が異なっている。そこで、この相違点を中心に、本実施の形態６における高出力レーザ装置の動作について説明する。
【００５３】
なお、図７の構成は、先の実施の形態１における図１に対して移相器１８を付加した場合を示しているが、先の実施の形態２〜４における図３〜図５に対して移相器１８を付加することも、同様に可能である。
【００５４】
本実施の形態６における高出力レーザ装置は、位相同期ループ２において、ＲＦ信号発振器６から出力した信号を分岐し、基準信号Ｓ３として用いている。そして、移相器１８は、波面センサ１２、位相誤差検出回路１３を介して検出された位相誤差信号Ｓ２をオフセット位相として、基準信号Ｓ３をオフセットする。このような構成とすることで、位相同期ループ２で補償している空間伝播による波面揺らぎを、各ＲＦ信号（基準信号）のオフセット位相として制御することができる。
【００５５】
以上のように、実施の形態６によれば、移相器を備えて構成されている。この結果、先の実施の形態１〜５の効果に加え、位相同期ループ２で補償している空間伝播による波面揺らぎを、各ＲＦ信号（基準信号）のオフセット位相として制御することができるというさらなる効果を得ることができる。
【００５６】
実施の形態７．
先の実施の形態１〜６では、位相同期ループ１において、位相誤差信号を検出する際に、参照光をコリメータレンズ９によりコリメートし、各光路全てが光合波分岐素子８で合波されるように、ビーム径を調整するものについて説明した。これに対して、本実施の形態７では、コリメータレンズ９の代わりに光分岐スプリッタアレイ１９を用いることで、参照光を、送信光と同様、アレイ状にする場合について説明する。
【００５７】
図８は、本発明の実施の形態７における高出力レーザ装置の構成図である。この図８において、図４と同一あるいは類似の要素は、同一の符号を付している。
【００５８】
本実施の形態７における図８の構成は、先の実施の形態３における図４の構成と比較すると、コリメータレンズ９の代わりに光分岐スプリッタアレイ１９を備えている点が異なっている。そこで、この相違点を中心に、本実施の形態７における高出力レーザ装置の動作について説明する。
【００５９】
なお、図８の構成は、先の実施の形態３における図４に対してコリメータレンズ９の代わりに光分岐スプリッタアレイ１９を用いる場合を示しているが、先の実施の形態１、２、４〜６における図１、３、５〜７に対してコリメータレンズ９の代わりに光分岐スプリッタアレイ１９を用いることも、同様に可能である。
【００６０】
本実施の形態７における高出力レーザ装置は、位相同期ループ１における参照光路に、光分岐スプリッタアレイ１９を挿入し、信号光と同様、アレイ状にしている。これにより、ビームを空間的に広げずに光路毎に合波を行うことができ、参照光の損失を少なくすることができる。
【００６１】
以上のように、実施の形態７によれば、位相同期ループ１における参照光路に、光分岐スプリッタアレイを適用した構成を備えている。この結果、他の実施の形態１〜６と比較して、少ない参照光パワーで位相誤差検出回路における検波を行うことができる。さらに、光路ごとに合波を行うため、それぞれをモジュール化することができ、出力ビームを自由に空間配置することができる。さらに、送信光のアレイ数を他のシステムを変えずに変更することができる。
【００６２】
実施の形態８．
本実施の形態８では、位相同期ループ１と位相同期ループ２との切り替えを行う位相制御回路１４の動作について、フローチャートを用いて詳細に説明する。なお、この位相制御回路１４の動作は、先の実施の形態１〜７に共通の内容である。
【００６３】
図９は、本発明の高出力レーザ装置における位相制御回路１４による位相同期ループの切り換え処理の一連の流れを示すフローチャートである。位相制御回路１４は、光増幅器５などによる位相変動を補償するためのフィードバック信号（位相誤差検出回路１１から出力される位相誤差信号Ｓ１に基づくフィードバック信号）と、波面センサ１２により検出された波面情報から得た空間伝播による位相変動を補償するためのフィードバック信号（位相誤差検出回路１３から出力される位相誤差信号Ｓ２に基づくフィードバック信号）とを、図９に示すフローチャートに従って、切り替え制御する。
【００６４】
まず始めに、ステップＳ９０１において、位相制御回路１４は、位相誤差検出回路１１および位相誤差検出回路１３により検出された位相誤差信号Ｓ１、Ｓ２から、それぞれに対応するフィードバック信号を算出する。
【００６５】
次に、ステップＳ９０２において、位相制御回路１４は、位相誤差信号Ｓ１があらかじめ設定されている位相同期確立レベル（位相同期確立時における残存位相誤差）以内に収まったか否かを判断する。そして、位相制御回路１４は、位相誤差信号Ｓ１が位相同期確立レベル以内ではないと判断した場合には、ステップＳ９０３に進み、位相同期ループ１に対応して算出したフィードバック信号を光位相変調器４に対して出力し、ステップＳ９０１の処理に戻る。
【００６６】
一方、先のステップＳ９０２において、位相誤差信号Ｓ１が位相同期確立レベル以内であると判断した場合には、ステップＳ９０４に進み、位相制御回路１４は、位相同期ループ１が同期確立したものと判断する。そして、ステップＳ９０５において、位相制御回路１４は、位相誤差信号Ｓ２が検出されているか否かを判断する。
【００６７】
すなわち、目標物からの反射光は、微弱信号であり、検波されない場合も考えられる。そこで、位相制御回路１４は、このステップＳ９０５において、位相誤差信号Ｓ２が検出されているか否かを判断している。
【００６８】
そして、ステップＳ９０５において、位相誤差信号Ｓ２が検出されていないと判断した場合には、ステップＳ９０３に進む。そして、位相制御回路１４は、位相同期ループ１が同期確立していない場合と同様に、位相同期ループ１に対応して算出したフィードバック信号を光位相変調器４に対して出力し、ステップＳ９０１の処理に戻る。
【００６９】
一方、先のステップＳ９０５において、位相誤差信号Ｓ２が検出されていると判断した場合には、ステップＳ９０６に進み、位相制御回路１４は、位相同期ループ２に対応して算出したフィードバック信号を光位相変調器４に対して出力する。
【００７０】
次に、ステップＳ９０７において、位相制御回路１４は、位相誤差信号Ｓ２があらかじめ設定されている位相同期確立レベル（位相同期確立時における残存位相誤差）以内に収まったか否かを判断する。そして、位相制御回路１４は、位相誤差信号Ｓ２が位相同期確立レベル以内ではないと判断した場合には、ステップＳ９０１の処理に戻る。
【００７１】
一方、先のステップＳ９０７において、位相誤差信号Ｓ２が位相同期確立レベル以内であると判断した場合には、ステップＳ９０８に進み、位相制御回路１４は、位相同期ループ２が同期確立したものと判断し、一連の処理を終了する。
【００７２】
以上のように、実施の形態８によれば、位相同期ループ１と位相同期ループ２との切り替えを、それぞれのループで検出された位相誤差の値に基づいて行うことで、位相制御を行う構成を有している。この結果、位相同期ループ１、２の順で位相同期を確立することができる。さらに、目標物からの反射光を検波できなかった場合、あるいは、位相同期が外れた場合においても、位相同期を繰り返し行うことができる。
【符号の説明】
【００７３】
１ レーザ光源、２ 光分岐スプリッタ、３ 光分岐スプリッタアレイ、４ 光位相変調器、５ 光増幅器、６ ＲＦ信号発振器、７ 光周波数シフタ、８ 光合波分岐素子（ビームスプリッタ）、９ コリメータレンズ、１０ 光合波分岐素子、１１ 位相誤差検出回路、１２ 波面センサ（角度検出器）、１３ 位相誤差検出回路、１４ 位相制御回路、１５ コリメータレンズ、１６ 周波数分離回路、１７ オフセット位相出力回路、１８ 移相器、１９ 光分岐スプリッタアレイ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速な波面揺らぎを補償可能とする、安定で小型な高出力レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力レーザ装置の実現方法としては、単一のレーザ光を光増幅の種光として、分岐後に光増幅してから合成を行うコヒーレントビーム結合（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｂｉｎｅ：ＣＢＣ）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ＣＢＣベースの高出力レーザでは、各光路の位相を揃え、ビームを出力している。また、出力時の位相を揃える位相制御フィードバックループとは別に、空間伝播中での波面揺らぎを補償するために、波面センサで波面誤差を検出している。そして、波面センサにより検出された波面誤差を補償することで、単一のローブを持った集光パターンを形成している。
【０００４】
従来は、波面誤差を検出する手段としてカメラなどの波面センサを用い、補償する手段としてアダプティブミラーを用いていた。しかしながら、波面センサの位相誤差検出速度やアダプティブミラーの応答速度が、ｋＨｚオーダーよりも低く、ｋＨｚオーダー以上の応答ができないという問題がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
このような問題に対して、特許文献１では、出力時の位相制御フィードバックループの基準信号にＲＦ信号を用いて、さらに、波面揺らぎを各光路に対応するＲＦ信号（基準信号）のオフセット位相として与えることで、ｋＨｚオーダー以上の高速で制御可能とする方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３２３７７４号公報
【特許文献２】特開２００９−２４４０３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
上記した特許文献１、２による従来方法では、波面揺らぎ補正の応答速度が、波面センサ（カメラなど）や補正方法の帯域（アダプティブミラー：＜１［ｋＨｚ］）により制限される。この結果、ｋＨｚオーダー以上の高速な波面揺らぎを補償できないという問題点があった。
【０００８】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、ｋＨｚオーダー以上の波面揺らぎに対しても補償可能な、安定で小型な高出力レーザ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る高出力レーザ装置は、単一周波数の基準光をサブアレイに分岐しアレイごとに光増幅後、アレイ間の光位相誤差を検出帰還して出力をコヒーレント加算する高出力レーザ装置において、光増幅後の各アレイ間の位相誤差を第１の位相誤差として検出する第１の位相誤差検出手段と、空間伝播後の波面検波を行うことで波面の角度に応じた位置情報を生成する波面センサと、波面センサにより生成された位置情報に基づいて空間伝播後の位相誤差を第２の位相誤差として検出する第２の位相誤差検出手段と、第１の位相誤差および第２の位相誤差を入力し、第１の位相誤差を補償する第１のフィードバック信号、および第２の位相誤差を補償する第２のフィードバック信号を算出するとともに、第１の位相誤差および第２の位相誤差の値と、所定閾値との比較結果に基づいて第１のフィードバック信号と第２のフィードバック信号とを切り替え選択し、選択後のフィードバック信号を出力する位相制御手段と、位相制御手段から出力される選択後のフィードバック信号に応答し位相誤差の補償を行う光位相変調手段とを有するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る高出力レーザ装置によれば、伝播後の波面検波にカメラではなくフォトディテクタを用い、位相制御にアダプティブミラーではなく光位相変調器を用いることにより、ｋＨｚオーダー以上の波面揺らぎに対しても補償可能な、安定で小型な高出力レーザ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１における高出力レーザ装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１で用いられる波面センサの例示図である。
【図３】本発明の実施の形態２における高出力レーザ装置の構成図である。
【図４】本発明の実施の形態３における高出力レーザ装置の構成図である。
【図５】本発明の実施の形態４における高出力レーザ装置の構成図である。
【図６】本発明の実施の形態５における高出力レーザ装置の構成図である。
【図７】本発明の実施の形態６における高出力レーザ装置の構成図である。
【図８】本発明の実施の形態７における高出力レーザ装置の構成図である。
【図９】本発明の高出力レーザ装置における位相制御回路による位相同期ループの切り換え処理の一連の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の高出力レーザ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における高出力レーザ装置の構成図である。この図１に示す高出力レーザ装置は、レーザ光源１、光分岐スプリッタ２、光分岐スプリッタアレイ（Ｎ分岐）３、光位相変調器（Ｎ個）４、光増幅器（Ｎ個）５、ＲＦ信号発振器６、光周波数シフタ７、光合波分岐素子８、コリメータレンズ９、光合波分岐素子１０、位相誤差検出回路１１、波面センサ（角度検出器）１２、位相誤差検出回路１３、および位相制御回路１４を備えて構成されている。また、図１中のＲ１、Ｒ２は、それぞれ、光分岐スプリッタ２により分岐された信号光路、参照光路を示している。
【００１４】
本発明の係る高出力レーザ装置は、光分岐後の光増幅器５などによる位相変動をフィードバックすることで位相誤差を制御する位相同期ループ１と、波面センサ１２により検出された波面情報から得た伝播による位相変動情報をフィードバックすることで波面制御を行う位相同期ループ２の２つの制御ループを有している。
【００１５】
さらに、本発明の係る高出力レーザ装置は、これら２つの制御ループによる制御信号（図１中の位相同期ループ１による位相誤差信号Ｓ１、位相同期ループ２による位相誤差信号Ｓ２に相当）を位相制御回路１４により選択的に切り替え、光位相変調器４でこれら２つの制御ループの位相制御を行う。
【００１６】
次に、本実施の形態１における高出力レーザ装置の動作について説明する。
はじめに、レーザ光源１の出力が、光分岐スプリッタ２により、信号光路Ｒ１と、参照光路Ｒ２とに２分岐される。信号光路Ｒ１は、光分岐スプリッタアレイ３を用いてＮ分岐された後、光位相変調器４に入力される。なお、図１では、簡単化のため、１光路のみを示している。
【００１７】
光位相変調器４による変調後の出力は、光増幅器５により増幅される。光位相変調器４では、光増幅器５および本装置から出力された後の伝播に伴う波面揺らぎを補償する。
【００１８】
一方、参照光路Ｒ２は、光周波数シフタ７により、ＲＦ信号に対応する周波数の量だけ周波数シフトされる。ここで、光周波数シフタ７は、ＲＦ信号発振器６から固定周波数の電気信号が印加され、これにより、ＲＦ信号に対応する周波数の量だけ周波数シフトされる。周波数シフトされた光は、コリメータレンズ９によりビーム径が調整され、後段の光合波分岐素子８（例えば、ビームスプリッタ８）により、信号光（Ｎ個）と合波、分岐される。
【００１９】
合波後の光路（図１において、ビームスプリッタ８を通過した後、上方に向かう光路）において、位相誤差検出回路１１は、各信号光路のビート信号を検出し、各光路の位相誤差情報（図１における位相誤差信号Ｓ１に相当）を取得する。そして、位相誤差検出回路１１により検出された位相誤差情報に基づいて、位相制御回路１４は、各光信号の相対位相をロックする制御信号を生成し、検出されたそれぞれの位相誤差に対応する光路の光位相変調器４にフィードバックする。
【００２０】
このように、位相誤差信号Ｓ１に基づく位相制御フィードバックループを閉じることで、位相同期ループ１が同期確立される。この位相同期ループ１は、出力直後の各アレイ間の相対位相を補償する。
【００２１】
一方、光合波分岐素子８を透過したＮ個の信号光（図１において、ビームスプリッタ８を通過した後、右に向かう光路）は、光合波分岐素子１０を透過後、目標物へと集光される。そして、目標物までの伝播の際に生じる波面揺らぎが、目標物からの反射光により、光合波分岐素子１０、および波面センサ１２を用いて検出される。
【００２２】
図２は、本発明の実施の形態１で用いられる波面センサ１２の例示図である。波面センサ１２は、例えば、この図２に示すようなレンズアレイとフォトディテクタアレイを用いた角度検出器として構成することで、波面情報を取得することができる。
【００２３】
波面が乱れた場合には、それに伴う角度のずれにより、図２に示すように、検出される位置が異なることとなる。そこで、例えば、４分割光検出器などを用いて位置検出する。これにより、後段の位相誤差検出回路１３は、波面センサ１２により検出された位置情報から位相誤差を検出することができる。
【００２４】
位相誤差検出回路１３は、波面センサ１２により得られた位置情報に基づいて位相誤差信号Ｓ２を出力する。位相制御回路１４は、上述したように、はじめは、位相同期ループ１により、光増幅器５による出力直後の各光路の位相を揃える。その後、位相制御回路１４は、空間伝播することによる位相揺らぎを補償し、空間伝播後の目標物上での各光路位相を揃えるために、位相誤差信号Ｓ２に基づく位相制御フィードバックループを閉じる。これにより、位相同期ループ２が同期確立される。
【００２５】
以上のように、実施の形態１によれば、伝播後の波面検波には、カメラではなくフォトディテクタを使用し、位相制御には、アダプティブミラーではなく光位相変調器を使用している。このような構成を備えることで、ＭＨｚオーダー以上の高速位相制御を実現することができる。
【００２６】
実施の形態２．
先の実施の形態１では、伝播後の波面情報を角度検出器１２により検出する方式とした場合について説明した。これに対して、本実施の形態２では、ヘテロダイン検波方式とした場合について説明する。図３は、本発明の実施の形態２における高出力レーザ装置の構成図である。この図３において、図１と同一あるいは類似の要素は、同一の符号を付している。
【００２７】
本実施の形態２における図３の構成は、先の実施の形態１における図１の構成と比較すると、コリメータレンズ１５をさらに備えている点が異なっている。そして、コリメータレンズ１５を備えることで、ヘテロダイン検波方式を実現している。そこで、この相違点を中心に、本実施の形態２における高出力レーザ装置の動作について説明する。
【００２８】
波面センサ検波用の参照光路を光路Ｒ２から分岐し、コリメータレンズ１５によりコリメートする。そして、コリメータレンズ１５によりコリメートされた出力光と、目標物からの反射光とを、光合波分岐素子１０により合波することで、波面センサ１２での検波方式をヘテロダイン検波方式としている。
【００２９】
このような構成とすることで、十分な出力を持った参照光を用いてヘテロダイン検波を行うことができる。この結果、ショット雑音限界での検波が可能となり、微弱な目標物からの反射光を高感度に検出することができる。
【００３０】
さらに、本実施の形態２では、波面センサ１２において、位相同期ループ１内の位相誤差検出回路１１と同様に、ＲＦ信号発振器６から出力される固定周波数のビート信号を検出することができる。したがって、位相同期ループ２内の位相誤差検出回路１３により、位相同期ループ１内の位相誤差検出回路１１と同様に、各光路の相対位相情報をビート信号から取得することができる。
【００３１】
位相誤差検出回路１３で検出された位相誤差情報に基づいて、位相制御回路１４は、各光信号の相対位相をロックする制御信号を生成し、検出されたそれぞれの位相誤差に対応する光路の光位相変調器４にフィードバックする。このように、位相誤差信号Ｓ２に基づく位相制御フィードバックループを閉じることで、位相同期ループ２が同期確立される。
【００３２】
以上のように、実施の形態２によれば、伝播後の波面検波には、カメラではなくフォトディテクタを使用し、位相制御には、アダプティブミラーではなく光位相変調器を使用している。このような構成を備えることで、ＭＨｚオーダー以上の高速位相制御を実現することができる。
【００３３】
さらに、十分な出力を持った参照光を用いて伝播後の波面情報をヘテロダイン検波することができる構成を備えている。この結果、ショット雑音限界での検波が可能となり、微弱な目標物からの反射光を高感度に検出することができるという、さらなる効果を得ることができる。
【００３４】
実施の形態３．
先の実施の形態２では、伝播後の波面情報の検出方式をヘテロダイン方式とした場合について説明した。これに対して、本実施の形態３では、ホモダイン検波方式とした場合について説明する。図４は、本発明の実施の形態３における高出力レーザ装置の構成図である。この図４において、図３と同一あるいは類似の要素は、同一の符号を付している。
【００３５】
本実施の形態３における図４の構成は、先の実施の形態２における図３の構成と基本的には同じであるが、光周波数シフタ７の後ろで分岐された参照光を用いる代わりに、光周波数シフタ７の前で分岐された参照光を用いてコリメータレンズ１５によりコリメートしている点が異なっている。このような構成により、光合波分岐素子１０で合波する際の目標物からの反射光と、参照光との周波数が一致することになり、ホモダイン検波方式を実現できる。
【００３６】
従って、十分な出力を持った参照光を用いてホモダイン検波を行うことができる。この結果、先の実施の形態２と同様に、ショット雑音限界での検波が可能となり、微弱な目標物からの反射光を高感度に検出を行うことができる。
【００３７】
以上のように、実施の形態３によれば、伝播後の波面検波には、カメラではなくフォトディテクタを使用し、位相制御には、アダプティブミラーではなく光位相変調器を使用している。このような構成を備えることで、ＭＨｚオーダー以上の高速位相制御を実現することができる。
【００３８】
さらに、十分な出力を持った参照光を用いて伝播後の波面情報をヘテロダイン検波することができる構成を備えている。この結果、ショット雑音限界での検波が可能となり、微弱な目標物からの反射光を高感度に検出することができるという、先の実施の形態２と同様のさらなる効果を得ることができる。
【００３９】
実施の形態４．
先の実施の形態２、３では、波面揺らぎの検波方式をヘテロダイン、またはホモダイン検波方式とした場合について説明した。これに対して、本実施の形態４では、検波時における送信光自身の漏れ光、内部反射光、または背景光の影響を抑圧可能な手段（後述する周波数分離回路１６に相当）をさらに備えた場合について説明する。
【００４０】
図５は、本発明の実施の形態４における高出力レーザ装置の構成図である。この図５において、図４と同一あるいは類似の要素は、同一の符号を付している。
【００４１】
本実施の形態４における図５の構成は、先の実施の形態３における図４の構成と比較すると、角度検出器１２と位相誤差検出回路１３との間に周波数分離回路１６をさらに備えている点が異なっている。そして、周波数分離回路１６を備えることで、目標物が移動している場合など、目標物から反射される光の周波数を、ドップラ周波数シフトにより周波数シフトして検波している。そこで、この相違点を中心に、本実施の形態４における高出力レーザ装置の動作について説明する。
【００４２】
なお、図５の構成は、ホモダイン検波方式を用いた図４に対して周波数分離回路１６を付加した場合を示しているが、ヘテロダイン検波方式を用いた図３に対して周波数分離回路１６を付加することも、同様に可能である。
【００４３】
送信光自身の漏れ光、内部反射光、または背景光は、直流成分の信号として検波される。一方、目標物からの反射光は、ドップラ周波数シフト分、周波数シフトされた信号として検波される。そこで、本実施の形態４では、周波数分離回路１６において、例えば、ＤＣカットを用いて信号の直流成分を除去している。この結果、目標物からの反射光のみを抽出し、送信光自身の漏れ光、内部反射光、または背景光の影響を抑圧することができる。
【００４４】
以上のように、実施の形態４によれば、位相同期ループ２内に周波数分離回路を備えている。この結果、先の実施の形態２、３の効果に加え、送信光自身の漏れ光、内部反射光、または背景光の影響を抑圧する効果をさらに得ることができる。
【００４５】
実施の形態５．
先の実施の形態１〜４では、光増幅後の各アレイ間の相対位相、または目標物での相対位相を同期する位相補償を行う場合について説明した。これに対して、本実施の形態５では、目標物上において任意の波面を生成する手段（後述するオフセット位相出力回路１７に相当）を備えた場合について説明する。
【００４６】
図６は、本発明の実施の形態５における高出力レーザ装置の構成図である。この図６において、図１と同一あるいは類似の要素は、同一の符号を付している。
【００４７】
本実施の形態５における図６の構成は、先の実施の形態１における図１の構成と比較すると、位相制御回路１４の前段にオフセット位相出力回路１７をさらに備えている点が異なっている。そして、オフセット位相出力回路１７を備えることで、位相補償後の目標物における各アレイ間の位相に対してオフセット位相を印加して、目標物上における波面を任意に制御することを実現している。
【００４８】
なお、図６の構成は、先の実施の形態１における図１に対してオフセット位相出力回路１７を付加した場合を示しているが、先の実施の形態２〜４における図３〜図５に対してオフセット位相出力回路１７を付加することも、同様に可能である。
【００４９】
以上のように、実施の形態５によれば、オフセット位相出力回路を備えている。この結果、先の実施の形態１〜４の効果に加え、目標物上における波面を任意に制御することができるという効果をさらに得ることができる。
【００５０】
実施の形態６．
先の実施の形態１〜５では、位相補償の際の基準信号として検出した光信号の１つを使用する場合について説明した。これに対して、本実施の形態６では、ＲＦ信号発振器６から出力された信号を基準信号Ｓ３としてさらに考慮し、波面制御を行う場合について説明する。
【００５１】
図７は、本発明の実施の形態６における高出力レーザ装置の構成図である。この図７において、図１と同一あるいは類似の要素は、同一の符号を付している。
【００５２】
本実施の形態６における図７の構成は、先の実施の形態１における図１の構成と比較すると、位相誤差検出回路１３と位相制御回路１４との間に移相器１８をさらに備えている点が異なっている。そこで、この相違点を中心に、本実施の形態６における高出力レーザ装置の動作について説明する。
【００５３】
なお、図７の構成は、先の実施の形態１における図１に対して移相器１８を付加した場合を示しているが、先の実施の形態２〜４における図３〜図５に対して移相器１８を付加することも、同様に可能である。
【００５４】
本実施の形態６における高出力レーザ装置は、位相同期ループ２において、ＲＦ信号発振器６から出力した信号を分岐し、基準信号Ｓ３として用いている。そして、移相器１８は、波面センサ１２、位相誤差検出回路１３を介して検出された位相誤差信号Ｓ２をオフセット位相として、基準信号Ｓ３をオフセットする。このような構成とすることで、位相同期ループ２で補償している空間伝播による波面揺らぎを、各ＲＦ信号（基準信号）のオフセット位相として制御することができる。
【００５５】
以上のように、実施の形態６によれば、移相器を備えて構成されている。この結果、先の実施の形態１〜５の効果に加え、位相同期ループ２で補償している空間伝播による波面揺らぎを、各ＲＦ信号（基準信号）のオフセット位相として制御することができるというさらなる効果を得ることができる。
【００５６】
実施の形態７．
先の実施の形態１〜６では、位相同期ループ１において、位相誤差信号を検出する際に、参照光をコリメータレンズ９によりコリメートし、各光路全てが光合波分岐素子８で合波されるように、ビーム径を調整するものについて説明した。これに対して、本実施の形態７では、コリメータレンズ９の代わりに光分岐スプリッタアレイ１９を用いることで、参照光を、送信光と同様、アレイ状にする場合について説明する。
【００５７】
図８は、本発明の実施の形態７における高出力レーザ装置の構成図である。この図８において、図４と同一あるいは類似の要素は、同一の符号を付している。
【００５８】
本実施の形態７における図８の構成は、先の実施の形態３における図４の構成と比較すると、コリメータレンズ９の代わりに光分岐スプリッタアレイ１９を備えている点が異なっている。そこで、この相違点を中心に、本実施の形態７における高出力レーザ装置の動作について説明する。
【００５９】
なお、図８の構成は、先の実施の形態３における図４に対してコリメータレンズ９の代わりに光分岐スプリッタアレイ１９を用いる場合を示しているが、先の実施の形態１、２、４〜６における図１、３、５〜７に対してコリメータレンズ９の代わりに光分岐スプリッタアレイ１９を用いることも、同様に可能である。
【００６０】
本実施の形態７における高出力レーザ装置は、位相同期ループ１における参照光路に、光分岐スプリッタアレイ１９を挿入し、信号光と同様、アレイ状にしている。これにより、ビームを空間的に広げずに光路毎に合波を行うことができ、参照光の損失を少なくすることができる。
【００６１】
以上のように、実施の形態７によれば、位相同期ループ１における参照光路に、光分岐スプリッタアレイを適用した構成を備えている。この結果、他の実施の形態１〜６と比較して、少ない参照光パワーで位相誤差検出回路における検波を行うことができる。さらに、光路ごとに合波を行うため、それぞれをモジュール化することができ、出力ビームを自由に空間配置することができる。さらに、送信光のアレイ数を他のシステムを変えずに変更することができる。
【００６２】
実施の形態８．
本実施の形態８では、位相同期ループ１と位相同期ループ２との切り替えを行う位相制御回路１４の動作について、フローチャートを用いて詳細に説明する。なお、この位相制御回路１４の動作は、先の実施の形態１〜７に共通の内容である。
【００６３】
図９は、本発明の高出力レーザ装置における位相制御回路１４による位相同期ループの切り換え処理の一連の流れを示すフローチャートである。位相制御回路１４は、光増幅器５などによる位相変動を補償するためのフィードバック信号（位相誤差検出回路１１から出力される位相誤差信号Ｓ１に基づくフィードバック信号）と、波面センサ１２により検出された波面情報から得た空間伝播による位相変動を補償するためのフィードバック信号（位相誤差検出回路１３から出力される位相誤差信号Ｓ２に基づくフィードバック信号）とを、図９に示すフローチャートに従って、切り替え制御する。
【００６４】
まず始めに、ステップＳ９０１において、位相制御回路１４は、位相誤差検出回路１１および位相誤差検出回路１３により検出された位相誤差信号Ｓ１、Ｓ２から、それぞれに対応するフィードバック信号を算出する。
【００６５】
次に、ステップＳ９０２において、位相制御回路１４は、位相誤差信号Ｓ１があらかじめ設定されている位相同期確立レベル（位相同期確立時における残存位相誤差）以内に収まったか否かを判断する。そして、位相制御回路１４は、位相誤差信号Ｓ１が位相同期確立レベル以内ではないと判断した場合には、ステップＳ９０３に進み、位相同期ループ１に対応して算出したフィードバック信号を光位相変調器４に対して出力し、ステップＳ９０１の処理に戻る。
【００６６】
一方、先のステップＳ９０２において、位相誤差信号Ｓ１が位相同期確立レベル以内であると判断した場合には、ステップＳ９０４に進み、位相制御回路１４は、位相同期ループ１が同期確立したものと判断する。そして、ステップＳ９０５において、位相制御回路１４は、位相誤差信号Ｓ２が検出されているか否かを判断する。
【００６７】
すなわち、目標物からの反射光は、微弱信号であり、検波されない場合も考えられる。そこで、位相制御回路１４は、このステップＳ９０５において、位相誤差信号Ｓ２が検出されているか否かを判断している。
【００６８】
そして、ステップＳ９０５において、位相誤差信号Ｓ２が検出されていないと判断した場合には、ステップＳ９０３に進む。そして、位相制御回路１４は、位相同期ループ１が同期確立していない場合と同様に、位相同期ループ１に対応して算出したフィードバック信号を光位相変調器４に対して出力し、ステップＳ９０１の処理に戻る。
【００６９】
一方、先のステップＳ９０５において、位相誤差信号Ｓ２が検出されていると判断した場合には、ステップＳ９０６に進み、位相制御回路１４は、位相同期ループ２に対応して算出したフィードバック信号を光位相変調器４に対して出力する。
【００７０】
次に、ステップＳ９０７において、位相制御回路１４は、位相誤差信号Ｓ２があらかじめ設定されている位相同期確立レベル（位相同期確立時における残存位相誤差）以内に収まったか否かを判断する。そして、位相制御回路１４は、位相誤差信号Ｓ２が位相同期確立レベル以内ではないと判断した場合には、ステップＳ９０１の処理に戻る。
【００７１】
一方、先のステップＳ９０７において、位相誤差信号Ｓ２が位相同期確立レベル以内であると判断した場合には、ステップＳ９０８に進み、位相制御回路１４は、位相同期ループ２が同期確立したものと判断し、一連の処理を終了する。
【００７２】
以上のように、実施の形態８によれば、位相同期ループ１と位相同期ループ２との切り替えを、それぞれのループで検出された位相誤差の値に基づいて行うことで、位相制御を行う構成を有している。この結果、位相同期ループ１、２の順で位相同期を確立することができる。さらに、目標物からの反射光を検波できなかった場合、あるいは、位相同期が外れた場合においても、位相同期を繰り返し行うことができる。
【符号の説明】
【００７３】
１ レーザ光源、２ 光分岐スプリッタ、３ 光分岐スプリッタアレイ、４ 光位相変調器、５ 光増幅器、６ ＲＦ信号発振器、７ 光周波数シフタ、８ 光合波分岐素子（ビームスプリッタ）、９ コリメータレンズ、１０ 光合波分岐素子、１１ 位相誤差検出回路、１２ 波面センサ（角度検出器）、１３ 位相誤差検出回路、１４ 位相制御回路、１５ コリメータレンズ、１６ 周波数分離回路、１７ オフセット位相出力回路、１８ 移相器、１９ 光分岐スプリッタアレイ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一周波数の基準光をサブアレイに分岐しアレイごとに光増幅後、アレイ間の光位相誤差を検出帰還して出力をコヒーレント加算する高出力レーザ装置において、
光増幅後の各アレイ間の位相誤差を第１の位相誤差として検出する第１の位相誤差検出手段と、
空間伝播後の波面検波を行うことで波面の角度に応じた位置情報を生成する波面センサと、
前記波面センサにより生成された前記位置情報に基づいて空間伝播後の位相誤差を第２の位相誤差として検出する第２の位相誤差検出手段と、
前記第１の位相誤差および前記第２の位相誤差を入力し、前記第１の位相誤差を補償する第１のフィードバック信号、および前記第２の位相誤差を補償する第２のフィードバック信号を算出するとともに、前記第１の位相誤差および前記第２の位相誤差の値と、所定閾値との比較結果に基づいて前記第１のフィードバック信号と前記第２のフィードバック信号とを切り替え選択し、選択後のフィードバック信号を出力する位相制御手段と、
前記位相制御手段から出力される前記選択後のフィードバック信号に応答し位相誤差の補償を行う光位相変調手段と
を有することを特徴とする高出力レーザ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の高出力レーザ装置において、
前記波面センサによる波面検波用として、前記基準光をコリメートした平行光を出力するコリメート手段をさらに有し、
前記波面センサは、前記コリメート手段から出力された前記平行光を用いて、ヘテロダイン検波またはホモダイン検波を行うことで、前記位置情報を生成する
ことを特徴とする高出力レーザ装置。
【請求項３】
請求項２に記載の高出力レーザ装置において、
前記波面センサにより前記ヘテロダイン検波または前記ホモダイン検波を行うことで生成された前記位置情報の中から、目標物からの反射光による位置情報を抽出し、抽出した位置情報を前記第２の位相誤差検出手段に対して出力する周波数分離手段をさらに有する
ことを特徴とする高出力レーザ装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の高出力レーザ装置において、
位相補償後の目標物における各アレイ間の位相に対する任意のオフセット位相を前記位相制御手段に対して出力するオフセット位相出力手段をさらに有し、
前記位相制御手段は、前記オフセット位相出力手段から出力された前記オフセット位相を考慮して、前記第１のフィードバック信号および前記第２のフィードバック信号を算出し、目標物上における波面を制御する
ことを特徴とする高出力レーザ装置。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の高出力レーザ装置において、
前記第２の位相誤差信号と基準信号を入力し、前記前記第２の位相誤差信号をオフセット位相として前記基準信号をオフセットし、オフセット後の基準信号を前記位相制御回路に対して出力する移相手段をさらに有し、
前記位相制御手段は、前記移相手段から出力された前記オフセット後の基準信号を補償するように前記第２のフィードバック信号を算出する
ことを特徴とする高出力レーザ装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の高出力レーザ装置において、
前記基準光をアレイ状の参照光に分岐する光分岐手段をさらに有し、
前記第１の位相誤差検出手段は、前記光分岐手段により分岐された前記アレイ状の参照光に基づいて、前記第１の位相誤差を検出する
ことを特徴とする高出力レーザ装置。
【請求項１】
単一周波数の基準光をサブアレイに分岐しアレイごとに光増幅後、アレイ間の光位相誤差を検出帰還して出力をコヒーレント加算する高出力レーザ装置において、
光増幅後の各アレイ間の位相誤差を第１の位相誤差として検出する第１の位相誤差検出手段と、
空間伝播後の波面検波を行うことで波面の角度に応じた位置情報を生成する波面センサと、
前記波面センサにより生成された前記位置情報に基づいて空間伝播後の位相誤差を第２の位相誤差として検出する第２の位相誤差検出手段と、
前記第１の位相誤差および前記第２の位相誤差を入力し、前記第１の位相誤差を補償する第１のフィードバック信号、および前記第２の位相誤差を補償する第２のフィードバック信号を算出するとともに、前記第１の位相誤差および前記第２の位相誤差の値と、所定閾値との比較結果に基づいて前記第１のフィードバック信号と前記第２のフィードバック信号とを切り替え選択し、選択後のフィードバック信号を出力する位相制御手段と、
前記位相制御手段から出力される前記選択後のフィードバック信号に応答し位相誤差の補償を行う光位相変調手段と
を有することを特徴とする高出力レーザ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の高出力レーザ装置において、
前記波面センサによる波面検波用として、前記基準光をコリメートした平行光を出力するコリメート手段をさらに有し、
前記波面センサは、前記コリメート手段から出力された前記平行光を用いて、ヘテロダイン検波またはホモダイン検波を行うことで、前記位置情報を生成する
ことを特徴とする高出力レーザ装置。
【請求項３】
請求項２に記載の高出力レーザ装置において、
前記波面センサにより前記ヘテロダイン検波または前記ホモダイン検波を行うことで生成された前記位置情報の中から、目標物からの反射光による位置情報を抽出し、抽出した位置情報を前記第２の位相誤差検出手段に対して出力する周波数分離手段をさらに有する
ことを特徴とする高出力レーザ装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の高出力レーザ装置において、
位相補償後の目標物における各アレイ間の位相に対する任意のオフセット位相を前記位相制御手段に対して出力するオフセット位相出力手段をさらに有し、
前記位相制御手段は、前記オフセット位相出力手段から出力された前記オフセット位相を考慮して、前記第１のフィードバック信号および前記第２のフィードバック信号を算出し、目標物上における波面を制御する
ことを特徴とする高出力レーザ装置。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の高出力レーザ装置において、
前記第２の位相誤差信号と基準信号を入力し、前記前記第２の位相誤差信号をオフセット位相として前記基準信号をオフセットし、オフセット後の基準信号を前記位相制御回路に対して出力する移相手段をさらに有し、
前記位相制御手段は、前記移相手段から出力された前記オフセット後の基準信号を補償するように前記第２のフィードバック信号を算出する
ことを特徴とする高出力レーザ装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の高出力レーザ装置において、
前記基準光をアレイ状の参照光に分岐する光分岐手段をさらに有し、
前記第１の位相誤差検出手段は、前記光分岐手段により分岐された前記アレイ状の参照光に基づいて、前記第１の位相誤差を検出する
ことを特徴とする高出力レーザ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−４３１１（Ｐ２０１２−４３１１Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３７５３８（Ｐ２０１０−１３７５３８）
【出願日】平成２２年６月１６日（２０１０．６．１６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１６日（２０１０．６．１６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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