JP4459961B2 - レーザ位相差検出装置およびレーザ位相制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、レーザ位相差検出装置およびレーザ位相制御装置に関するものである。

大出力が要求されるレーザ装置では、複数のレーザビームを同時に目標に集光させることで、所望の光強度を得る方法が一般に知られている。このようなレーザ装置において、遠距離の微小な目標にエネルギーを集中させるために、１つの主発振器から発振されたレーザビームを複数のレーザビームに分岐後、それらを個々に増幅し、増幅後の複数のレーザビームを束ねるように配列させたもの（これを主出力ビームという。）を目標に集光させる。このように、複数のレーザビームの束から大口径の単レーザビームと等価な出力ビームを得るためのレーザビームの収束技術（これを、コヒーレント結合という。）が研究されている。

コヒーレント結合を実現するためには、主出力ビームを構成する複数のレーザビームの電磁波の等位相面がひとつの波面とみなせるように、個々のレーザビームの位相を統制制御する必要がある。このため、個々のレーザビームの相対的な位相差を検出するレーザ位相差検出装置が必要となる。
特許文献１の図５に示された波面センサは、このようなレーザ位相差検出装置の例であり、複数のレーザビームの発生源である主発振器から発振されたレーザビームの一部をビームスプリッタで分岐させた光を参照光とし、参照光と主出力ビームとの干渉強度を観測し、個々のレーザビームの相対的な位相差を検出している。

特開平１１−３４０５５５号公報（第５図）

従来のレーザ位相差検出装置は以上のように構成されているため、主発振器から発振された光の一部を抽出して参照光とする必要があった。このため、主出力ビームを得る位置と主発振器との距離が大きい場合には、参照光を長距離伝播させる必要があり、装置が大型化し、コストが増大するという問題があった。
さらに、参照光を伝播させる光路において、大気の密度変化や振動などにより光路長の時間ゆらぎが生じると、その光路長の時間ゆらぎが位相差の検出に影響する。この場合、検出した位相差を用いて位相差の補正を行うためには、参照光の光路長の時間ゆらぎ成分も考慮して補正しなければならないため、補正量が増大し、系が安定しない場合もあるという問題があった。また、参照光の光路長の時間ゆらぎ成分を検出して補正をかける手段が別途必要であり、コストが増大するという問題があった。
さらに、超短パルスレーザのようにコヒーレンス長が数１０μｍ程の短い主出力ビームのコヒーレント結合に適用するためには、参照光と主出力ビームとが干渉するために許容される光路長差範囲が小さいため調整に手間がかかるなどの問題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、小型かつ低コストで、使いやすいレーザ位相差検出装置を得ることを目的とする。
また、そのようなレーザ位相差検出装置を用いた、レーザ位相制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係るレーザ位相差検出装置は、レーザビーム群を、第１の光路を進行する反射成分となる第１のレーザビーム群と、第２の光路を進行する透過成分となる第２のレーザビーム群に振幅分割させる光路分岐部と、第１のレーザビーム群の中から、１つのレーザビームを参照光として選択通過させるビーム選択抽出部と、第１の光路の光路長を可変とする光路長可変部と、参照光と第２のレーザビーム群を構成する個々のレーザビームを合成し、干渉光を生じさせる光路合成部と、干渉光の強度を検出する光検知器を備え、光路長可変部によって第１の光路の光路長を変化させることにより、第２のレーザビーム群を構成する個々のレーザビーム毎に干渉光の強度が最大となる光路長を検出し、その光路長に基づいて、個々のレーザビーム間の位相差を求めるものである。

このことによって、別途参照光を抽出してレーザ位相差検出装置に導入する必要がないため、従来の技術と比べ、装置を小型化、低コスト化することができる。

この発明の実施の形態１による、レーザ位相差検出装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２による、レーザ位相差検出装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３による、レーザ位相差検出装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態４による、レーザ位相差検出装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態５による、レーザ位相差検出装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態６による、レーザ位相制御装置の構成を示す図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について、添付の図面にしたがって説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるレーザ位相差検出装置１００の構成を示す図である。図に示すように、レーザ位相差検出装置１００は、ビームスプリッタ（光路分岐部）２、ビームスプリッタ（光路合成部）３、ビーム選択抽出部４、反射鏡５、反射鏡６、光路長可変部７、２次元光検知器（光検知器）１０を備えている。レーザ位相差検出装置１００は、一般的なマッハツェンダ型干渉計を応用したものである。

次に動作について説明する。
レーザ発振器から発振されたレーザビームは、分岐抽出手段（図示せず）によって分岐抽出され、拡大縮小手段（図示せず）により、必要に応じてビーム径が拡大または縮小される。これを被計測ビーム（レーザビーム群、主出力ビーム）１とする。被計測ビーム１は、分岐された２本以上のレーザビームを束ねるように配列したものであり、図１に示すように、ここでは４本の矩形ビーム（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）が田の字型に配列されている。
ビームスプリッタ２は、被計測ビーム１を振幅分割し、図１で下方向（第１の光路）に向かう反射成分（第１のレーザビーム群）と、図１で右方向（第２の光路）に向かう透過成分（第２のレーザビーム群）に分岐させる。被計測ビーム１の透過成分は、反射鏡６で反射されて進行方向を９０度変え、被計測光９としてビームスプリッタ３に至る。
一方、被計測ビーム１の反射成分は、ビーム選択抽出部４においてビームａのみが選択的に抽出されて伝搬し、ビームｂ，ｃ，ｄは遮断される。ビーム選択抽出部４で選択抽出されたビームａは、反射鏡５で反射されて進行方向を９０度変えた後、光路長可変部７によって進行方向を変え、参照光８としてビームスプリッタ３に至る。

光路長可変部７は、入射したビームを入射方向に非常に近い方向へ戻す機能を持ち、光路長可変部７を設けることにより、被計測ビーム１の透過成分がビームスプリッタ２からビームスプリッタ３へ至る光路長と、反射成分がビームスプリッタ２からビームスプリッタ３へ至る光路長を変化させることができる。実施の形態１では、光路長可変部７を位置調整可能なリトロレフレクターで構成している。

ビームスプリッタ３で参照光８と被計測光９が合成されることにより、干渉が生じる。干渉光は２次元光検知器１０に入射し、干渉光の強度が電気信号に変換される。

次に、被計測ビーム１を構成するビームａ，ｂ，ｃ，ｄ間の相対位相差を検出するための基本動作について説明する。
２次元光検知器１０で観測される干渉光の強度は式（１）で表される。
Ｉ＝ａ１^２＋ａ２^２＋２ａ１・ａ２ｃｏｓ（θ１−θ２） （１）
ここで、Ｉは干渉光強度、ａ１は参照光８の振幅、ａ２は被計測光９の振幅、θ１は参照光８の位相、θ２は被計測光９の位相である。

式（１）に示すように、干渉光強度Ｉは参照光８と被計測光９の位相差（θ１−θ２）に依存して正弦的に変化し、（θ１−θ２）が０のとき、干渉光強度Ｉは最大となる。光路長可変部７によって参照光８の光路長を１波長以下のストロークでスキャンし、干渉光強度が最大となる光路長をビームａ，ｂ，ｃ，ｄ個別に検出する。この、干渉光強度が最大となる光路長がビームａ，ｂ，ｃ，ｄそれぞれで異なるとき、各ビームの位相はずれており、また、干渉光強度が最大となる光路長差からそれぞれの位相差を知ることができる。

以上のように、実施の形態１によれば、被計測ビーム１の一部を参照光８としているので、レーザ主発振器から別途参照光を抽出してレーザ位相差検出装置１００に導入する必要がなく、従来の技術と比べ、装置を小型化、低コスト化することができる。
また、光路長可変部７を用いて参照光８と被計測光９の光路長を変えるようにしたので、干渉光路を小型の装置内に収めることが可能である。また、ビームスプリッタ２によって光束を分岐した後、ビームスプリッタ３へ至るまでの光路長が短く、光路長ゆらぎを小さくすることができる。
また、干渉光路が小型の装置内に収まるように構成されているため、被計測ビーム１がパルスレーザのようにコヒーレンス長が短い光であっても、参照光と被計測光との光路長を必要な精度で一致させることが比較的容易である。
このように、装置の小型化が可能であり、可搬性を高めることができる。また、測定のための調整が容易である。

なお、実施の形態１では、レーザ位相差検出装置１００はマッハツェンダ型干渉計を応用した構成としたが、他の方式の２光束干渉計を用いて構成してもよい。また、光路長可変部７としてリトロレフレクターを利用しているが、例えば空間位相変調器を用いても良い。また、２次元光検知器１０は、被計測ビーム１を構成する複数のレーザビームについて干渉光強度を検出できるものであればよく、例えば、単素子のフォトダイオードを必要数並べたものを使用してもよい。

実施の形態２．
実施の形態１では、被計測ビーム１を構成する個々のレーザビームの位相差を検出するために光路長可変部７によって光路長をスキャンする際、光路長の変化量を高精度に把握する必要がある。しかし、ビームスプリッタ２からビームスプリッタ３までの光路長は、温度変化や振動による影響で随時変動する可能性がある。実施の形態２は、この光路長変動の補正のための手段を設けたものである。

図２は、実施の形態２による、レーザ位相差検出装置２００の構成を示すブロック図である。図１と同一の符号は、同等の構成要素を表している。図に示すように、レーザ位相差検出装置２００は、光路長差変動検出部１１を備えている。

次に、動作について説明する。
光路長差変動検出部１１は、ビームスプリッタ２からビームスプリッタ３までの光路中における光路長変動による計測誤差を検出するため、参照光８と、被計測光９のうちのビームａに対応する部分の干渉光の強度を計測する。
参照光８はビームスプリッタ２で分岐した被計測ビーム１の一方から、ビームａを選択抽出したものであるから、参照光８と被計測光９のうちビームａに対応する部分との干渉光強度は、ビームスプリッタ２からビームスプリッタ３までの光路長の差のみを反映している。従って、参照光８と被計測光９のビームａに対応する部分の干渉光強度に基づいて、ビームスプリッタ２からビームスプリッタ３までの光路長変動を正確に知ることができる。
光路長差変動検出部１１により検出した干渉計内での参照光８と被計測光９の光路長差の変動に基づいて、２次元光検知器１０の出力信号を信号処理することにより、光路長差の変動を補正することができる。

以上のように、実施の形態２によれば、光路長差変動検出部１１によってビームスプリッタ２からビームスプリッタ３へ至る参照光８と被計測光９の光路長差の変動を検出し、２次元光検知器１０の出力信号を信号処理することによって光路長差の変動を補正するようにしたので、光路長差の変動の影響を排除し、位相ずれ検出の信頼性、安定性を高めることができる。

なお、出力信号の信号処理によって光路長差の変動を補正する代わりに、光路長可変部７あるいは光路長可変部７とは別の光路長制御手段に、光路長差変動検出部１１の出力信号を回帰させ、光路長差を補正するように制御してもよい。

実施の形態３．
実施の形態１では、光路長可変部７により光路長をスキャンしている。しかし、被計測ビーム１がシングルショットパルスの場合には、光路長をスキャンすることができないため、実施の形態１を適用することができない。実施の形態３では、実施の形態１をシングルショットパルスに対応できるように拡張したものである。

図３は、実施の形態３による、レーザ位相差検出装置３００の構成を示すブロック図である。図１と同一の符号は、同等の構成要素を表している。図に示すように、レーザ位相差検出装置３００は、空間位相差付与部２０を備えている。空間位相差付与部２０は、参照光８の断面において位相差を生じさせるように作用し、例えば、厚みに段差が存在する平板ガラスによって構成される。

次に、動作について説明する。
参照光８の振幅ａ１と被計測光９の振幅ａ２が既知であれば、式（１）を用いて位相差（θ１−θ２）を求めることが可能である。従って、光路長可変部７によって光路長をスキャンせず、一回の受光による干渉光強度から位相差を推定することが可能である。しかし、干渉光強度は位相差（θ１−θ２）に対し正弦的に変化するものであるから、任意の干渉光強度となる位相差（θ１−θ２）には、２つの解が存在し、１つに特定することができない。
空間位相差付与部２０を設けたことによって、参照光８の断面内に位相差が発生する。この参照光８の断面内に発生する光路長差をΔθ１とすると、式（１）で表される干渉光強度の他に、式（２）で示す干渉光強度が同時に観測できる。
Ｉ＝ａ１^２＋ａ２^２＋２ａ１・ａ２ｃｏｓ（θ１−θ２＋Δθ１） （２）
式（１）と式（２）とを同時に満足する位相差（θ１−θ２）は唯一しか存在しないため、Δθ１が既知であれば、２つの干渉光強度から、位相差（θ１−θ２）を得ることが可能となる。

以上のように、被計測ビーム１が単パルスレーザであっても、１回の受光で相対位相差を検出することが可能である。
なお、空間位相差付与部２０は、１つの位相差のみを空間的に生じさせるものであるが、２つ以上の相異なる位相差を生じさせるものであってよい。
また、式（１）、式（２）において、振幅ａ１、ａ２は事前に計測してもよいし、被計測光９を分岐計測する計測手段を別途設け、位相ずれ検出と同時に計測するようにしてもよい。

実施の形態４．
実施の形態４は、実施の形態１のＳ／Ｎ比を向上させるものである。
図４は、実施の形態４による、レーザ位相差検出装置４００の構成を示すブロック図である。図１と同一の符号は、同等の構成要素を表している。図に示すように、レーザ位相差検出装置４００は、ビーム径拡大部３０を備えている。ビーム径拡大部３０は、参照光８を被計測光９と等しい径に拡大し、例えば、ガリレオ型テレスコープを用いることができる。

次に、動作について説明する。
実施の形態４では、ビーム径拡大部３０によって参照光８のビーム径と被計測光９のビーム径が等しくなる。このため、干渉光に利用される被計測光９の割合が多くなり、光の利用効率が向上する。そのため、被計測ビーム１の強度を小さくすることができる。
さらに、ビーム径拡大部３０にスペーシャルフィルタ機能を兼ねさせれば、参照光８を高精度な平面波とすることも可能である。これにより、被計測ビーム１を構成するビームａ，ｂ，ｃ，ｄ間の位相ずれだけでなく、ビーム断面内の位相分布を干渉光強度から検出することも可能となる。

なお、実施の形態４では、参照光８の光路上にビーム径拡大部３０を設置したが、被計測光９の光路上にビーム径縮小部を設け、被計測光９のビーム径を縮小することにより、参照光８のビーム径と被計測光９のビーム径が等しくなるようにしても同様の効果が得られる。

実施の形態５．
実施の形態５は、実施の形態１のＳ／Ｎ比を向上させるものである。
図５は、実施の形態５による、レーザ位相差検出装置５００の構成を示すブロック図である。図１と同一の符号は、同等の構成要素を表している。図に示すように、レーザ位相差検出装置５００は、光路長制御部４１、信号処理部４２を備えている。

次に、動作について説明する。
レーザ位相差検出装置５００では、光路長制御部４１によって光路長可変部７を駆動することにより、参照光８の光路長を一定周波数、振幅で変調する。変調は、例えばボイスコイルによる振動発生素子を用いて実現する。信号処理部４２は、２次元光検知器１０の出力である干渉光強度信号の時系列変化を記憶し、フーリエ変換を行う。

式（１）で示したように、干渉光強度Ｉは位相差（θ１−θ２）に依存して正弦的に変化する。従って、光路長制御部４１により参照光８の光路長に変調を加えたときの干渉光強度Ｉの振幅ΔＩも位相差（θ１−θ２）に依存してほぼ正弦的に変化し、次の関係がある。
（θ１−θ２）＝０→ΔＩ最小 （３）
（θ１−θ２）＝π／２，−π／２→ΔＩ最大 （４）
すなわち、干渉光強度Ｉの振幅ΔＩが得られれば、位相差（θ１−θ２）を知ることができる。干渉光強度Ｉの振幅ΔＩは、信号処理部４２の出力であるフーリエ変換結果から、変調周波数のパワースペクトルを抽出することにより得られる。ただし、パワースペクトルからは位相差（θ１−θ２）の正負が判定できないため、位相の正負を判定するために、例えば、光路長制御部４１から変調信号を抽出して干渉光強度の波形のロックイン検波を行う。

以上のように、実施の形態５によれば、干渉光強度の変調周波数のみを検出することにより雑音の影響を受けにくくなり、高精度に位相差を検出することが可能である。

実施の形態６．
実施の形態６は、実施の形態１〜５のレーザ位相差検出装置を用いた、レーザ位相制御装置を示すものである。
図６は、実施の形態６による、レーザ位相制御装置６００の構成を示す図である。
図に示すように、レーザ位相制御装置６００は、レーザ光源５０、分配部５１、位相遅延可変装置（位相遅延可変部）５２、増幅部５３、合成部５４、レーザビーム抽出部５５、位相差検出装置（位相差検出部）５６、位相差制御装置（位相差制御部）５７を備えている。

次に、動作について説明する。
レーザ光源５０から発振されたレーザビームは、分配部５１によって複数の相互にコヒーレントなレーザビームに分配される。分配部５１は、複数のビームスプリッタで構成されている。位相遅延可変装置５２は、コヒーレント結合させたいレーザビームの相対位相差を変化させる。相対位相差を変化させる方法は、ここではミラー５２１の位置を変化させることで実現している。増幅部５３は、分配部５１から出力され、位相遅延可変装置５２によって相対位相差を変化させた複数のレーザビームの強度を増幅すると共に、必要に応じてビーム系を拡大し、出力する。合成部５４は、ミラーなどで構成され、増幅部５３の出力であるレーザビームがコヒーレント結合するように、各々のレーザビームの空間配置、角度を変換する。レーザビーム抽出部５５は、ビームスプリッタなどで構成され、合成部５４が出力した複数のレーザビームを位相差検出装置５６に供給するために抽出する。
位相差検出装置５６は、実施の形態１〜５のいずれかのレーザ位相差検出装置であり、レーザビーム抽出部５５によって抽出された複数のレーザビームを被計測ビーム１として、位相差を検出し、出力する。
位相差制御装置５７は、位相差検出装置５６で検出された複数のレーザビームの相対位相差と、目的に応じてあらかじめ記憶されている相対位相差との差を演算し、この差から複数のレーザビームの相対誤差と、目的に応じてあらかじめ記憶されている相対位相差との差を演算し、さらにこの差から複数のレーザビームの相対位相差が目標値となるための相対位相差補正量を演算し、位相遅延可変装置５２に回帰制御信号を出力する。

以上のように、実施の形態６によれば、位相差検出装置５６に、実施の形態１〜５のレーザ位相差検出装置のいずれかを用いているので、実施の形態１〜５と同様の効果が得られ、コヒーレント結合させたい複数のレーザビームの相対位相差を所定の状態に維持することができる。

Claims (7)

1. レーザビーム群を、第１の光路を進行する反射成分となる第１のレーザビーム群と、第２の光路を進行する透過成分となる第２のレーザビーム群に振幅分割させる光路分岐部と、
   上記第１のレーザビーム群の中から、１つのレーザビームを参照光として選択通過させるビーム選択抽出部と、
   上記第１の光路の光路長を可変とする光路長可変部と、
   上記参照光と上記第２のレーザビーム群を構成する個々のレーザビームを合成し、干渉光を生じさせる光路合成部と、
   上記干渉光の強度を検出する光検知器を備え、
   上記光路長可変部によって上記第１の光路の光路長を変化させることにより、上記第２のレーザビーム群を構成する個々のレーザビーム毎に上記干渉光の強度が最大となる光路長を検出し、その光路長に基づいて、個々のレーザビーム間の位相差を求めることを特徴とするレーザ位相差検出装置。
2. 第２のレーザビーム群を構成するレーザビームのうち参照光に対応するレーザビームと参照光との干渉光の強度に基づいて、第１の光路と第２の光路の光路長差の変動量を算出する光路長差変動検出部を備え、
   算出された上記変動量に基づいて、光検知器の出力信号を信号処理することにより、上記光路長差の変動を補正することを特徴とする請求項１記載のレーザ位相差検出装置。
3. 光路長差変動検出部によって算出された光路長差の変動量に基づいて、光路長可変部を駆動することにより光路長差を補正することを特徴とする請求項２記載のレーザ位相差検出装置。
4. 第１の光路上に、透過する参照光の断面内に位相差を生じさせる空間位相差付与部を備えたことを特徴とする請求項１記載のレーザ位相差検出装置。
5. 第１の光路上に、参照光の径を拡大して第２のレーザビーム群の径と等しくするビーム径拡大部を設けるか、または、第２の光路上に、第２のレーザビーム群の径を縮小して参照光の径と等しくするビーム径縮小部を設けたことを特徴とする請求項１記載のレーザ位相差検出装置。
6. 光検知器が検出した干渉光強度の時系列変化をフーリエ変換する信号処理部と、
   第１の光路の光路長をある周波数で、微小振幅で変化させるように、光路長可変部を駆動する光路長制御部を備えたことを特徴とする請求項１記載のレーザ位相差検出装置。
7. レーザ光源と、
   上記レーザ光源から出力されたレーザビームを複数のレーザビームに分配する分配部と、
   上記分配部で分配された複数のレーザビームの強度をそれぞれ増幅する増幅部と、
   上記増幅部で増幅された複数のレーザビームをコヒーレント結合する合成部と、
   上記分配部で分配されたレーザビームの位相を制御する位相遅延可変部と、
   上記増幅部で増幅された複数のレーザビーム間の位相差を検出する位相差検出部と、
   上記位相差検出装置で検出された複数のレーザビーム間の位相差に基づいて、上記合成部でコヒーレント結合されたレーザビームの空間強度分布を任意に制御する位相差制御部を備え、
   上記位相差検出部は、請求項１記載のレーザ位相差検出装置のビーム選択抽出部により、上記合成部が出力した複数のレーザビームを抽出して、位相差検出部に供給されていることを特徴とするレーザ位相制御装置。

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