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公開番号2025016673
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-04
出願番号2024192757,2023160126
出願日2024-11-01,2018-11-20
発明の名称非線形スペクトル圧縮ファイバ増幅器のためのAM/FMシード
出願人ノースロップグラマンシステムズコーポレーション
代理人個人,個人
主分類H01S 3/10 20060101AFI20250128BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】ビームパワーを増加し且つビーム幅を低減するためのシードビームの周波数変調および振幅変調を提供するファイバ増幅器を提供する。
【解決手段】ファイバ増幅器システムは、光学的なシードビームを提供する光学的ソースと、シードビームを、そのスペクトル線幅を拡幅するように周波数変調するFM電気光学変調器(EOM)とを含む。システムはまた、周波数変調されたシードビームと同期の振幅変調されたシードビームを提供するように、シードビームを振幅変調するAM EOMを含む。システムはまた、AM変調およびFM変調された前記シードビーム受け取る非線形ファイバ増幅器を含み、振幅変調されたシードビームによりファイバ増幅器において自己位相変調が生じ、これは、シードビームを、それがファイバ増幅器により増幅されているときに位相変調し、これは、周波数変調により生じさせられるスペクトル線幅の拡幅を相殺するように働く。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
ファイバ増幅器システムであって、
光学的なシード・ビームを提供する光学的ソースと、
前記シード・ビームと第１のＲＦ駆動信号とに応答する周波数変調（ＦＭ）電気光学変調器（ＥＯＭ）であって、前記シード・ビームのスペクトル線幅を拡幅するように、前記第１の駆動信号を用いて前記シード・ビームを周波数変調するＦＭＥＯＭと、
前記シード・ビームと第２のＲＦ駆動信号とに応答する振幅変調（ＡＭ）ＥＯＭであって、前記周波数変調されたシード・ビームと同期の振幅変調されたシード・ビームを提供するように、前記第２の駆動信号を用いて前記シード・ビームを振幅変調するＡＭＥＯＭと、
ＡＭ変調およびＦＭ変調された前記シード・ビーム受け取り、前記シード・ビームを増幅する非線形ファイバ増幅器であって、前記振幅変調されたシード・ビームにより前記ファイバ増幅器において自己位相変調が生じさせ、前記シード・ビームが前記ファイバ増幅器により増幅されているときに前記シード・ビームを位相変調し、ＦＭＥＯＭにより生じさせられるスペクトル線幅の拡幅を相殺するように働かせる、非線形ファイバ増幅器とを含むファイバ増幅器システム。
続きを表示（約 760 文字）【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、前記ＦＭＥＯＭと前記ＡＭＥＯＭとは別個の変調デバイスである、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムであって、前記ＦＭＥＯＭと前記ＡＭＥＯＭとは１つに組み合わされた変調デバイスである、システム。
【請求項４】
請求項３に記載のシステムであって、前記第２の駆動信号は、前記振幅変調のために位相シフトされ増幅された前記第１の駆動信号の変化したものである、システム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムであって、前記第１の駆動信号と前記第２の駆動信号とはシングル・トーン正弦波信号である、システム。
【請求項６】
請求項５に記載のシステムであって、前記第１の駆動信号の振幅は、前記ＦＭＥＯＭにより前記シード・ビームの０次周波数からのパワーのほとんどを除去するように、選択される、システム。
【請求項７】
請求項５に記載のシステムであって、前記第１の駆動信号の振幅は、前記ＦＭＥＯＭにより前記シード・ビームの０次および＋／－１次の周波数において等しい振幅のパワーを生成するように、選択される、システム。
【請求項８】
請求項５に記載のシステムであって、前記第１の駆動信号は３２ＧＨｚの周波数を有する、システム。
【請求項９】
請求項１に記載のシステムであって、周波数変調拡幅を提供するように前記シード・ビームを周波数変調する補助ＥＯＭを更に含むシステム。
【請求項１０】
請求項１に記載のシステムであって、前記光学的なソースはマスタ発振器である、システム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
政府条項
[0001] 本発明は、エア・フォース・リサーチ・ラボラトリから付与された契約第ＦＡ９４５１－１８－Ｃ－０１０１号の下で、政府の支援を受けてなされた。政府は、この発明の特定の権利を有する。
続きを表示（約 3,200 文字）【０００２】
背景
分野
[0002] 本開示は、一般に、高い出力および狭い線幅を有するファイバ・レーザ増幅器に関するものであり、より具体的には、電気光学変調器（ＥＯＭ）を含むファイバ・レーザ増幅器システムに関するものであり、ＥＯＭは、シード・ビームへ周波数変調（ＦＭ）信号を印加してその線幅を拡げ、また、ＦＭ信号と同期されるシード・ビームへ振幅変調（ＡＭ）信号を印加するものであり、変調されたシード・ビームは、非線形ファイバ増幅器により増幅され、それにより、シード・ビームが増幅器を通って伝搬するときにシード・ビームを位相変調する自己位相変調が、ビームの周波数変調をキャンセルして、元のシード・ビームのスペクトルを回復させる。
【背景技術】
【０００３】
検討
[0003] 高出力レーザ増幅器には、工業、商業、軍事などを含む多くの応用がある。それら及び他の応用のために、レーザ増幅器の設計者は、レーザ増幅器のパワーを増加させる方法を継続的に研究している。１つの既知のタイプのレーザ増幅器は、ドープト・ファイバを用いるファイバ・レーザ増幅器であり、ドープト・ファイバは、シード・ビームと、シード・ビームを増幅するポンプ・ビームとを受け取り、高出力レーザ・ビームを生成するものであり、このファイバは、約１０－２０μｍまたはそれより大きいアクティブ・コア直径を有する。
【０００４】
[0004] ファイバ・レーザ増幅器の設計における改善は、その実用的パワーおよびビーム品質限度に近づくように、ファイバの出力パワーを増加させた。ファイバ増幅器の出力パワーを更に増加させるために、幾つかのファイバ・レーザ・システムは複数のファイバ・レーザ増幅器を用い、それらは、複数の増幅されたビームを或る様式で結合（combine
）して高パワーを生じさせる。このタイプのファイバ・レーザ増幅器システムに関する設計での挑戦は、複数のファイバ増幅器からの複数のビームを、それら複数のビームが１つのビーム出力を提供するような形で結合して、そのビームを小さい焦点へ焦点合わせできるようにすることである。長距離（ファーフィールド）での小さいスポットへの結合ビームの焦点合わせは、ビームの品質を限定する。
【０００５】
[0005] １つの既知の多ファイバ増幅器の設計では、マスタ発振器（ＭＯ）がシード・ビームを生成し、そのシード・ビームは複数のファイバ・シード・ビームへと分割され、それらビームのそれぞれは共通波長を有するものであり、各ファイバ・ビームは増幅される。増幅されたファイバ・シード・ビームは、次に、コリメートされ、回折光学素子（ＤＯＥ）へ送られ、これは、複数のコヒーレントのファイバ・ビームを１つの出力ビームに結合する。ＤＯＥは、素子内へ形成された周期的構造を有するので、それぞれが少し異なる角度方向を有する個別のファイバ・ビームが周期的構造により向きを変えられたときに、それらのビームの全てがＤＯＥから同じ方向に回折する。各ファイバ・ビームは位相変調器へ提供され、位相変調器は、ビームの位相を制御して、全てのファイバ・ビームの位相がコヒーレントに維持されるようにする。しかし、帯域についての制限および位相合わ
せのエラーにより、コヒーレントに組み合わすことができるファイバ・ビームの数が制限され、従って、レーザの出力パワーが制限される。
【０００６】
[0006] 別の既知の多ファイバ増幅器の設計では、複数のマスタ発振器（ＭＯ）が複数の波長で複数のファイバ・シード・ビームを生成し、各ファイバ・シード・ビームは増幅される。増幅されたファイバ・シード・ビームは、次に、コリメートされ、回折格子または他の波長選択的素子へ送られ、これは、複数の異なる波長のファイバ・ビームを１つの出力ビームに結合する。回折格子は、素子内へ形成された周期的構造を有するので、それぞれが少し異なる波長および角度方向を有する個別のファイバ・ビームが周期的構造により向きを変えられたきに、それらのビームの全てが回折格子から同じ方向に回折する。しかし、帯域についての制限により、波長結合できるファイバ・ビームの数が制限され、従って、レーザの出力パワーが制限される。
【０００７】
[0007] これらの制限を克服し、レーザ・ビームのパワーを更に増加させるために、複数のマスタ発振器を提供して様々な波長の複数のシード・ビームを生成することができ、その場合において、個々の波長のシード・ビームのそれぞれは、複数のファイバ・シード・ビームへと分割され、各グループのファイバ・シード・ビームは、同じ波長を有し、相互にコヒーレントである。各グループの各波長の複数のコヒーレントなファイバ・シード・ビームは、最初に、ＤＯＥによりコヒーレントに結合され、次に、各グループのコヒーレントに結合されたビームは、少し異なる角度でスペクトル・ビーム結合（ＳＢＣ）格子へ送られ、これは、それらのビームを同じ方向に回折して、複数波長の１つの結合されたビームとする。ＳＢＣ格子はまた、異なる波長の複数のビームを結合するための周期的構造を含む。
【０００８】
[0008] ビームの品質を向上させるために、ファイバ増幅器からの出力ビームが狭い線幅であること、即ち、狭い周波数範囲を有することが望ましいことが多い。しかし、高い出力には広いビーム線幅が必要であるため、典型的には、高い出力と狭い線幅とは両立し難いので、従来、高い出力と狭い線幅との双方を提供することは技術における挑戦であった。より具体的には、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）、即ち、ビームがファイバ増幅器に沿って伝搬するときのビームの非線形後方散乱は、小さい周波数範囲の狭い線幅で増加し、これは、ビームのパワーを低減するように働く。しかし、ビーム線幅が広いほど、既知のビーム結合技術を通じて複数のファイバからの複数のビームを１つのビームへと、コヒーレントに結合またはスペクトル的に結合することが、難しくなる。特に、ＳＢＣ格子からの分散効果は、増幅されているビームの線幅が狭いことを必要とし、そこでは、スペクトル分散により、ビームのスペクトル成分が様々な角度で回折される。換言すると、ＳＢＣに関して、シード・ビームのスペクトル輝度が、結合ビーム出力の理論的輝度を直接的に制限する。
【０００９】
[0009] 増幅器間での群遅延および分散が完全に整合しないので、コヒーレント・ビーム結合（ＣＢＣ）に関して、シード・ビームのスペクトル輝度は結合の効率を制限する。典型的には、ソース・スペクトル輝度はＳＢＳにより制限され、そして、ピークＳＢＳゲインを低減し、望まれる出力パワーを達成するために、ファイバ増幅器へのシード・ビーム・ソースは周波数変調されなければならない。周波数変調スペクトル拡幅は、１つのファイバ増幅器から達成可能なスペクトル輝度を制限し、したがって、システム出力を制限する。
【００１０】
[0010] これらの制限を克服するために、ファイバ増幅器の設計者は、典型的には、周波数変調を通じて線幅を低減するために、ファイバ増幅器の増幅段の前に１以上の位相変調器を用いる。しかし、ビームがファイバ増幅器により増幅される前に、ビームへ周波数変調が適用されると、そのビームのスペクトル成分の拡幅が増幅器を通して保たれ、その
結果として、低スペクトル輝度の増幅されたビームとなる。
（【００１１】以降は省略されています）

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