超高速ファイバーレーザー技術No.14マイクロレンズアレイに基づく新しいコヒーレントビーム結合技術

高出力レーザーは科学や産業で多くの用途がありますが、非線形効果やラマン散乱など、レーザーの平均出力をさらに上げるには多くの制限要因があり、レーザーの平均出力のさらなる増加を妨げます。 Coherent Combining Technology（CBC）は、レーザーの平均出力とパルスエネルギーをさらに高めるための最も有望な方法です。 基本的な原理を図1に示します。簡単に言えば、コヒーレント結合技術は、複数の並列増幅器を備えた干渉計と見なすことができます。 このシステムでは、シード光源レーザーが複数のビームに分割され、干渉計の異なる光学アームに送信されます。各アームには増幅器があり、分離されたレーザーが増幅され、最終的に単一の出力ビームに結合されます。

超高速レーザーの場合、小さな外乱によってパルス間の位相差が発生し、合成効率が大幅に低下する可能性があるため、位相差を積極的に補償する技術が必要です。たとえば、直接検出技術ではHC検出器を使用でき、間接検出技術には単一の検出器が含まれます。検出器電子周波数マーキング技術（LOCSET）や確率的平行勾配降下技術（SPGD）などは、圧電セラミックに取り付けられたミラー、ファイバーストレッチャー、または空間光変調を使用して補正を行うことができます。 既存のコヒーレント合成方法には、タイル状のアパーチャと塗りつぶされたアパーチャの2つの主要なタイプがあります。幾何学的構造を図2に示します。 タイルアパーチャ方式の場合、ビームは近距離場に並べて配置され、遠距離場で結合されますが、この構造の理論的な結合効率は76％にしか達しません。 充填アパーチャシステムでは、要素（部分ミラー、偏光依存ビームスプリッタ、またはセグメント化ビームミラーなど）を組み合わせることにより、ビームを近距離場と遠距離場の両方でコヒーレントに組み合わせることができるため、組み合わせ効率は90％を超える可能性があります。

2020年、アレクサンダー・キリの研究グループは、ハイブリッド構造と呼ばれる新しい合成方法を提案しました。合成要素は、1対のマイクロレンズアレイ（MLA）とフーリエレンズで構成されています。 提案された新しいコンセプトは、タイリングとフィリングアパーチャ法の利点を組み合わせたものです。 この方法は、タイルアパーチャコヒーレント合成、マルチチャネル同時合成のようなものであると同時に、アパーチャの充填のようなものであり、合成効率の上限が90％以上に大幅に向上します。

空間コヒーレンスのある光ビームは、マイクロレンズアレイシステムを通過した後、離散的な回折次数を生成します。マイクロレンズアレイとフーリエレンズを通過した後、等しいエネルギーのレーザービームを生成できます。 デバイスを逆に使用することにより、コヒーレントビームの結合に使用できます
マイクロレンズアレイ（MLA）の特性は、切片aと曲率半径（ROC）であり、どちらもマイクロレンズアレイの有効焦点距離を定義できます。入射ビームは最初のマイクロレンズアレイに入り、一連のビームに分割されます。アレイ間の距離は焦点距離に近くなります。第２のＭＬＡは、フーリエレンズと組み合わされて対物レンズアレイを形成し、第１のＭＬＡによって生成された画像は、均一な光強度プロファイルを得るためにフーリエレンズの焦点面に重ね合わされる。つまり、レンズの瞳孔が回折を引き起こし、その結果、アレイの周期性が干渉を引き起こします。

この記事では、1次元および2次元の原理実証実験を実施しました。中心波長1030 nm、帯域幅10 nmの光源を望遠鏡システムでコリメートし、半波長板を使用して空間光変調器に適した偏光方向を選択します。 2次元実験装置と各部品のスポットパターンを図4に示します。一次元実験では、ガウスビームはマイクロレンズグループシステムによって5つのビームに均等に分割されます。ビームの位相は空間光変調器によって制御され、ビームは同じシステムと組み合わされます。プロセス全体でのビーム分割効率は98％と高く、合成効率は91％であり、93％のシミュレーションで得られた最大合成効率に近い値です。 2次元実験では、ガウスビームはマイクロレンズシステムによって5×5アレイに均等に分割され、ビーム位相制御メカニズムは1次元のものと同じです。プロセス全体でのビーム分割効率は96％と高く、合成効率は90％であり、シミュレーションで得られた最大値の93％に近い値です。マイクロレンズアレイのプロセスの問題により、各マイクロレンズの焦点距離が完全に同じであるとは保証できません。そのため、合成効率に一定の悪影響を及ぼします。複数の増幅器を使用するシステムの場合、より高い合成効率を確保するために、アクティブな位相制御デバイスを追加する必要もあります。