JP6353628B2 - 小型で効率的なレーザ構造のための方法及びシステム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

[0001]本発明は、参照によりすべての目的のためにその開示全体が本明細書に組み込まれた、２０１０年１０月２９日に出願された米国特許仮出願第６１／４０８２２２号の優先権を主張する。
（連邦政府の支援による研究又は開発によりなされた発明に対する権利に関する説明）

[0002]米国政府は、Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙの運営について、米国エネルギー省とＬａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ， ＬＬＣとの間で締結された契約番号第ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４号に従い、本発明における権利を有する。

[0003]エネルギー情報局及び現在の気候変動に関する政府間パネル（ＩＰＣＣ）のシナリオによれば、２０３０年までに、世界中の電力需要が、現在の約２テラワットの電力（ＴＷｅ）レベルから４ＴＷｅへと２倍になり、２１００年までには８〜１０ＴＷｅに達すると予想される。また、今後３０〜５０年間は、電力生産の需要の大部分が、化石燃料、典型的には石炭及び天然ガスにより提供されると予想される。石炭は現在の世界の電気エネルギーの４１％を提供しており、２０３０年までに４５％を提供すると予想される。加えて、ＩＰＣＣの最新レポートでは、大気中への二酸化炭素排出の人為的な原因が、地球の気候に９０％の大きな影響を与えている可能性が提起された。「現状維持」基準のシナリオでは、２０５０年まで二酸化炭素排出が現在のレベルのほぼ２．５倍になり得ることが示される。大気中の二酸化炭素濃度を安定、低下させ、付随する気候変動を軽減するよう努めつつ、先進国及び発展途上国の両方において増加するエネルギー需要を満たすために、新しい技術及び代替エネルギー源がかつてないほどに必須となっている。

[0004]非炭素排出エネルギー源である原子力エネルギーが、１９５０年代から世界のエネルギー生産の重要な要素となっており、現在は世界の電気生産の約１６％を占め、その割合は原理上は、増加し得る。しかし、複数の要因により、原子力エネルギーの長期にわたる持続可能性が困難になっている。このような問題には、核物質の拡散の危険や、核燃料サイクルによる技術、すなわち深地層処分場への埋設を必要とする長寿命放射性核廃棄物の発生、ワンススルー開放核燃料サイクルに対する現在の依存、及び低コストで二酸化炭素排出量の少ないウラン鉱の使用可能性が含まれる。米国のみで、すでに５５０００メートルトン（ＭＴ）を超える使用済み核燃料（ＳＮＦ）が原子炉から発生している。近い将来、使用済み核燃料が、ユッカマウンテン（Ｙｕｃｃａ Ｍｏｕｎｔａｉｎ）の地層廃棄物処分場を７００００ＭＴの規制限度まで満たすことになろう。

[0005]核融合は、将来の発電にとって魅力的なエネルギーの選択肢であり、核融合発電所についての２つの主な手法が現在開発されている。第１の手法では、慣性核融合（ＩＣＦ）が、レーザ、重イオンビーム、又はパルスパワーを使用して、重水素（Ｄ）及びトリチウム（Ｔ）の混合物を含むカプセルを急速に圧縮する。カプセルの半径が減少して、ＤＴガス密度及び温度が上昇すると、圧縮されたカプセル中心の小さな点でＤＴ核融合反応が始まる。このようなＤＴ核融合反応により、アルファ粒子及び１４．１ＭｅＶ中性子が発生する。核融合燃焼がその点から前方へ伝搬し、大きなエネルギー利得を生み出す。第２の手法である磁気核融合エネルギー（ＭＦＥ）は、強力な磁場を使用してＤＴプラズマを閉じ込め、燃焼するプラズマを持続させるのに必要な状態を発生させて、エネルギー利得を生み出す。

[0006]ＩＣＦのための重要な技術は、本発明の譲受人である、カリフォルニア州リバーモアのＬａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ（ＬＬＮＬ）のＮａｔｉｏｎａｌ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ Ｆａｃｉｌｉｔｙ（ＮＩＦ）で最初に開発された。ここでは、熱核融合点火及び燃焼を達成するように設計されたレーザベースＩＣＦプロジェクトが、１〜１．３ＭＪのレーザエネルギーを使用する。１０〜２０ＭＪの核融合収率が予想される。核融合技術が単独で費用効果の高い発電に使用される場合、中心のホットスポット核融合形状に２００ＭＪを超える核融合収率が必要であると予想される。したがって、純粋なＩＣＦエネルギーによる経済性を達成するという重要な技術的課題が残る。

[0007]ＩＣＦの適用に加えて、材料加工、掘削、切断及び溶接、軍事用途等のための高平均出力レーザの分野において幅広い関心が持たれている。従来の高出力レーザ設計は、設置面積が大きく関連費用の高い構造を使用している。したがって、当技術において、小型の、少ないシステム費用で高出力を提供するレーザ及び増幅器構造が必要である。

[0008]本発明は、一般に、レーザシステムに関する。より詳細には、本発明は、４パス増幅器構造を使用して高出力レーザビームを発生させるための方法及びシステムに関する。単に例として、本発明は、小型構造の増幅器の横励起又は端面励起を使用する増幅器アセンブリに適用されている。方法及びシステムを、種々の他のレーザ増幅器構造及びレーザシステムに適用することができる。

[0009]本発明の一実施形態によれば、エンクロージャを備えたレーザ増幅器モジュールが提供される。レーザ増幅器モジュールは、入力窓と、入力窓に光学的に結合され、第１の面に配置されたミラーと、エンクロージャの第１の端部に隣接した光学増幅路に沿って配置された第１の増幅器ヘッドとを備える。また、レーザ増幅器モジュールは、エンクロージャの第２の端部に隣接した光学増幅路に沿って配置された第２の増幅器ヘッドと、光学増幅路に沿って配置されたキャビティミラーとを備える。

[0010]本発明の別の実施形態によれば、レーザビームを増幅する方法が提供される。方法は、入力ビームを受けるステップと、入力ビームを第１の方向に沿って方向付けるステップと、一組の増幅器を使用して入力ビームを１回目に増幅するステップとを含む。一組の増幅器を通る増幅路が、第１の方向にほぼ直交する第２の方向に沿って配置される。方法は、第１のキャビティミラーを使用して増幅されたビームを反射するステップと、一組の増幅器を使用して増幅されたビームを２回目に増幅するステップと、２回増幅されたビームを第１の方向に沿って画像リレーするステップと、第２のキャビティミラーを使用して増幅されたビームを反射するステップとをさらに含む。方法は、一組の増幅器を使用して２回増幅されたビームを３回目に増幅するステップと、第１のキャビティミラーを使用して３回増幅されたビームを反射するステップと、一組の増幅器を使用して３回増幅されたビームを増幅するステップと、４回増幅されたビームを出力するステップとをさらに含む。

[0011]本発明の特定の実施形態によれば、エンクロージャを備えたクワッドビームレーザ増幅器モジュールが提供される。クワッドビームレーザ増幅器モジュールは、エンクロージャの上面に配置された一組の４つの入力ポートと、エンクロージャの第２の端部に配置された一組の４つの出力ポートとを備える。クワッドビームレーザ増幅器モジュールは、エンクロージャの第１の端部に配置された、４つの増幅器を備える第１の増幅器ヘッドと、エンクロージャの第２の端部に配置された、４つの増幅器を備える第２の増幅器ヘッドと、光を第２の増幅器ヘッド内へ反射するように動作可能なキャビティミラーとをさらに備える。

[0012]本発明の実施形態は、増幅器スラブにポンプ光を送る効率を高めつつ、従来の設計と比べて光学素子の数を減らした、高ピーク出力及び高平均出力の適用（例えば、横寸法が２３．３ｃｍ×２３．３ｃｍ）に適したものとすることのできる増幅器モジュールを提供する。加えて、本発明の実施形態は、従来の設計と比べて被写界深度を大きくすることにより、複数の増幅器スラブ、例えば、各増幅器ヘッドにつき１０個の増幅器スラブの使用を可能にする。本発明の実施形態は、１０個の増幅器スラブに限定されず、特定の実施において適宜、より少ない、又はより多い増幅器スラブを使用することができる。一部の実施形態は、ビーム歪みを減らして、増幅器ヘッドの中心に画像化されるダイオードアレイを使用してポンピングされるほぼ「正方形の」ビームを提供する。

[0013]本発明により、従来技術に比べて多くの利点が達成される。例えば、本発明の実施形態は、純粋なレーザ慣性核融合エンジン（ＬＩＦＥ）、パルス平均出力レーザの他の使用を含むＬＩＦＥの適用に有用で、且つ超短レーザパルスを発生させるために種々のレーザ媒質をポンピングするのに有用なレーザシステムを提供する。さらに、本発明の実施形態は、従来の設計では使用できない性能特性を有する貯蔵エネルギーの高平均出力動作モードで動作するレーザシステムのための構造を提供する。以下の文章及び添付図面に関連して、本発明のこれら及びその他の実施形態を、多くのその利点及び特徴とともにより詳細に説明する。

[0014] 本発明の一実施形態による横励起増幅器システムの簡略平面図で ある。 [0015] 図１Ａに示す横励起増幅器システムの簡略側面図である。 [0016] 本発明の一実施形態による細分化された増幅器アパーチャの簡略 横断面図である。 [0017] 発明の一実施形態による横励起４ビーム増幅器システムの簡略平 面図である。 [0018] 図２Ａに示す横励起４ビーム増幅器システムの簡略側面図である 。 [0019] 本発明の一実施形態による端面励起増幅器システムの簡略平面図 である。 [0020] 図３Ａに示す端面励起増幅器システムの簡略側面図である。 [0021] 本発明の一実施形態による端面励起４ビーム増幅器システムの簡 略平面図である。 [0022] 図４Ａに示す端面励起４ビーム増幅器システムの簡略側面図であ る。 [0023] 本発明の一実施形態によるポンプ送り構造の簡略平面図である。 [0024] 図５Ａに示すポンプ送り構造の簡略側面図である。 [0025] 本発明の一実施形態によるレーザ増幅器システムを示す図である。 [0026] 本発明の一実施形態による増幅レーザビームを供給する方法を示す 簡略フローチャートである。

[0027]本発明の実施形態は、レーザシステムに関する。より詳細には、本発明は、４パス増幅器構造を使用して高出力レーザビームを発生させるための方法及びシステムに関する。例としてのみ、本発明は、小型構造の増幅器の横励起又は端面励起を使用する増幅器アセンブリに適用されている。方法及びシステムを種々の他のレーザ増幅器構造及びレーザシステムに適用することができる。

[0028]以下により完全に説明するように、本発明の実施形態は、閉鎖結合構成で１、２、４又はそれ以上のビームを増幅して、４ビーム構成において、増幅器スラブの端面励起又は横励起を使用する「クワッド」増幅器を形成するように動作可能な増幅器モジュールを提供する。したがって、以下の表１に示すように、本発明の実施形態は、従来技術と比べて各ビームアパーチャについての体積が小さいシングル又はクワッド増幅器モジュールを提供する。本発明の実施形態は、利得プロファイルの非対称を減らすことにより、横位置に応じて均一な利得をもたらす方法及びシステムを提供する。

[0029]本発明の実施形態は、高平均出力動作に適した受動４パス構造を提供する。図１Ａは、本発明の一実施形態による横励起増幅器モジュールの簡略平面図である。本発明の実施形態を使用することにより、長さ９．５ｍ、幅１．３ｍ、高さ１．２８ｍの寸法の増幅器モジュールが提供される。本発明の実施形態はこのような特定の寸法に限定されるものではなく、この寸法は本明細書に記載する構造が提供する小型サイズを示す。図１Ａを参照すると、レーザビーム（例えば、前置増幅器モジュールにより供給されるもの）が、注入ミラー１１０を使用して増幅器システムに注入される。レーザビームを、高出力動作に適したものとして多重化することができる。注入ビームは、ミラー１１２から増幅器モジュール内へ反射した後、偏光子１１４の透過軸に位置合わせされた注入レーザビームの偏光により偏光子１１４から反射する。本発明の一実施形態によれば、注入レーザビームはｓ偏光を特徴とし、偏光子１１４はｓ偏光を反射してｐ偏光を透過するように位置合わせされるが、他の実施形態はｐ偏光状態又は他の適切な偏光状態を使用することができる。一部の実施形態では、伝送テレスコープによる角度多重化を使用してビームが注入される。

[0030]ビームは４分の１波長板１１６を通過する。４分の１波長板はｓ偏光注入レーザ光を円偏光（例えば左円偏光）に変換し、Ｂ積分を少なくする。以下でより完全に説明するように、本明細書に記載の受動４パス構造は、右偏光が、ミラーからの正常な入射反射時に左偏光になることを使用している。その後、注入光が、増幅器と後述するエンドミラーとの間で使用される画像リレーにより、２つの増幅器ヘッドを通過する。図１Ａを参照すると、ミラー１２０が、ダイオードアレイ１２６、１２８により横方向に沿ってポンピングされる光を増幅器１２４に向ける。本発明の実施形態では、増幅器１２４が、スラブレットとも呼ばれる複数の増幅器スラブを備えることができる。要素１２０、１２２、１２４、１２６、１２８を、増幅器ヘッド１２９と呼ぶことができる。レーザ増幅器の横励起に関連する更なる説明が、参照によりすべての目的のためにその開示全体が本明細書に組み込まれている、２０１０年１１月５日に出願された米国特許出願第１２／９４０８６９号「Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｐｕｍｐｅｄ Ｌａｓｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ」に記載されている。

[0031]図１に示すように、４分の１波長板１１６が構造内の特定の位置に位置決めされる。この実施に加えて、４分の１波長板１１６を図１Ａに示すバックミラー１４０の前に位置決めして、直線偏光（例えば、以下の例のｓ偏光）を伴う光の注入を可能にすることもできる。この光は、次に４分の１波長板を通過して円偏光（例えば、本例の左円偏光）になり、ミラー１４０から反射してビームの利き側を変化させ（例えば、右円偏光になり）、第２及び第３の増幅パスについて適宜ｐ偏光状態で４分の１波長板から出て、第４の増幅パスについてｓ偏光に変化する。偏光に対する同じ正味効果を得るために、キャビティミラー１４０の前の４分の１波長板を、４５°ファラデー回転子に置き換えることもできる。当業者は、多くの変更、修正、代案を認めるだろう。

[0032]増幅器１２４を通る第１の増幅パス後、光がミラー１２２から、レンズ１３０、１３２により表されるリレーテレスコープに向けて反射される。画像リレーに加えて、リレーテレスコープは空間フィルタリング機能を提供する。９０°偏光回転子１３４が、増幅器ヘッド１２９と、２つの回転ミラーと２つのダイオードアレイにより横励起される増幅器とを備えた増幅器ヘッド１３６との間に位置決めされる。９０°偏光回転子１３４は、複数の利点のうち、増幅器スラブの熱複屈折を補償する。ビームが増幅中に円偏光状態にある実施形態では、熱複屈折がビームに楕円率を導入する傾向があり、これは偏光回転子１３４を通る複数のパスにより除去される。図示した実施形態では、増幅器ヘッド１２９、１３６間で画像リレーが使用される。

[0033]熱複屈折は、熱負荷下の等方性利得媒質に関連した潜在的な消耗性損失である。
熱複屈折の悪影響により、一部のシステム設計者はブルースター角設計を使用するようになっている。増幅器ヘッド１２９、１３６を通る第１の増幅パスの後、ビームがキャビティミラー１４０に画像リレーされて、円偏光が左から右へ修正される（前述した左利きを想定）。一部の実施形態では、ミラー１４０は増幅ビームからの歪みを低減又は除去するように動作可能な変形可能ミラーである。図示したように、リレーテレスコープが、増幅器ヘッド１３６の出口回転ミラーとキャビティミラー１４０との間の光学路に沿って配置される。

[0034]増幅器ヘッド１２９、１３６を通る第１のパスの後、ビームはミラー１４０から反射して、増幅器ヘッド１３６、１２９を通る第２の増幅パスを形成する。４分の１波長板１１６を通過するときに、本実施形態では偏光が右円偏光からｐ偏光に変換されるため、偏光子１１４を通過する。その後、ビームは、レンズ１４２、１４４を含むリレーテレスコープを使用してポッケルスセル１４６に画像リレーされ、偏光子１１６を横切る偏光子１４８を通って第２のキャビティミラー１５０に到達した後に、偏光子１４８及びポッケルスセル１４６を通って戻る。

[0035]増幅器ヘッド１２９、１３６を通る第３のパスでは、２回増幅されたビームが左円偏光状態にある。変形可能ミラー１４０及びヘッド１２９、１３６を通る第４のパスからの反射後、４分の１波長板１１６が偏光をｓ偏光に変換することにより、偏光子１１４及びミラー１１２から増幅器モジュールの上レベルへの反射が生じる。ミラー１１２のレベルの、図１Ｂに関連して説明する伝送テレスコープは、光を出力窓１５２に送る。

[0036]本発明の実施形態による使用に適したポッケルスセル、特にギャップ結合電極ポッケルスセルに関連する更なる記述が、参照によりすべての目的のためにその全体が本明細書に組み込まれている、２０１０年１０月２７日に出願した米国特許出願第１２／９１３６５１号「Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ ｗｉｔｈ Ｇａｐ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ」に示されている。

[0037]図１Ａを参照すると、増幅器ヘッド１２９、１３６は横励起を使用して励起される。図３Ａ〜４Ｂに関連して説明するように、端面励起を使用して増幅器を励起することもできる。このようなポンピング設計では、低ダイオードピッチと組み合わせて非常に高いアレイ強度を生み出す、最先端の高出力ダイオードバー技術を使用することができる。一部の実施形態では、合成して有効なアレイ強度を２倍にする偏光を使用することにより、高いポンプ強度が提供される。その後、このポンプ源を増幅器の中心に画像リレーする。この構造により、ポンプ源の強度及びダイオードバーの開きが維持される。これはポンプ放射が比較的大きなレイリー範囲を有し、効率のよい平坦なポンププロファイル強度を比較的厚い増幅器（例えば、増幅器深さが増幅器幅及び高さに近い場合）に与えることを意味する。偏光合成技術及びレーザ増幅器の横励起に関連する更なる記述が、参照によりすべての目的のためにその開示全体が本明細書に組み込まれている、２０１０年１１月５日に出願した米国特許出願第１２／９４０８６９号「Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｐｕｍｐｅｄ Ｌａｓｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ」に示されている。

[0038]図１Ｂは、図１Ａに示す横励起増幅器システムの簡略側面図である。図１Ｂを参照すると、２つの増幅器ヘッド１２９、１３６間のリレーテレスコープがレンズ１３０、１３２により示され、ビームを出力窓に向けるために使用される伝送テレスコープは、レンズ１６０、１６２により示される。一部の実施形態では、長手方向空間フィルタ（図示せず）を使用して、システム性能を向上させる。リレーテレスコープ及び空間フィルタに関連する更なる記述が、参照によりすべての目的のためにその開示全体が本明細書に組み込まれている、２００９年８月２０日に出願した米国特許出願第１２／５４４９８８号「Ｓｐａｔｉａｌ Ｆｉｌｔｅｒｓ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ａｖｅｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｌａｓｅｒｓ」に示されている。

[0039]空間フィルタは、２つの高利得増幅器間の寄生光を限定する利得分離の１形態として機能する。加えて、空間フィルタリングはＢ積分をリセットし、増幅器を通る最新のパスでのビーム品質を維持しながら、より高い抽出効率を可能にする。リレー画像化は、多重化角度に関連するケラレを減らして、より大きいモードフィルを有するより高いコントラストビームが増幅器から出力を抽出できるようにすることによって、抽出効率を向上させる。加えて、リレー画像化により、高コントラストビームを維持しながら、より質の低い光学素子を使用できるようになる。本発明の一部の実施形態では、リレーテレスコープがビーム品質を向上させるために示されているが、本発明が必要とするものではなく、一部の設計では任意選択である。加えて、増幅器ヘッド間の空間フィルタの使用も、寄生の問題に拘束されにくい設計では任意選択である。したがって、リレーテレスコープ、空間フィルタ等は、本発明が必要とするものではなく、一部の実施では任意選択とすることができる。当業者は、多くの変更、修正、代案を認めるだろう。

[0040]図１Ｂに示すように、偏光合成がダイオードアレイポンプ１２６、１２８で使用されて、増幅器１２４に結合されたポンプ強度を高める。本明細書を通してより完全に説明するように、種々の偏光合成技術を本発明の実施形態とともに実施することができる。光がミラー１１２及び偏光子１１４により反射されて、増幅器ヘッド及びリレーテレスコープ１３０、１３２を含む下面に入る。図１Ｂに示す側面図では、各増幅器の増幅器スラブにヘリウムガス冷却を行うものとして、ガス冷却システムが示される。本発明の実施形態は、ガス冷却を伴う列線交換ユニット（ＬＲＵ）と、ＬＲＵ交換のための取り外し可能な電気その他の接続部とを提供する。当業者は、多くの変更、修正、代案を認めるだろう。

[0041]第１の２つの増幅パスの後に、第１のキャビティミラー及び第２のキャビティミラーへの増幅器ヘッド間のビームラインを折り畳むことにより、従来の設計では使用できない小型設計が可能になる。本明細書に記載する小型設計により高出力動作が可能になるため、このような設計は、幅広い適用、特にレーザ増幅器モジュールが輸送可能である適用に適したものとなる。

[0042]図１Ａ、１Ｂは、増幅器ヘッド内の各増幅器について単一のアパーチャを示しているが、これは本発明の実施形態が必要とするものではない。代替の実施形態では、アパーチャがより小さい隣接アパーチャに細分化されて、ビームアパーチャ寸法を小さくする。図１Ｃは、本発明の実施形態による、細分化された増幅器アパーチャの簡略横断面図である。図１Ｃに示す増幅器では、アパーチャが、横方向にわたる４つのサブアパーチャ１７０Ａ、１７０Ｂ、１７０Ｃ、１７０Ｄに細分化される。したがって、増幅中に光が増幅器を通過して画像面に入る。このような実施形態では、シングルビームではない入力ビームを、一組のほぼ平行なコヒーレント入力ビームとして供給することができる。アパーチャの細分化により、より小さい横寸法を有する光学素子を使用できるため、製造プロセスが容易になる。加えて、光学素子間の領域１７２により伝搬損失が増加し、横方向の増幅自然放出の影響が減る。４つのサブアパーチャ１７０Ａ、１７０Ｂ、１７０Ｃ、１７０Ｄが図１Ｃに示されるが、本発明はこの特定の構成に限定されず、本発明の実施形態により、他のサブアパーチャ構成を使用することができる。

[0043]増幅器に加えて、又は増幅器の代わりに、サブアパーチャ技術を使用して、偏光回転子、周波数変換器、ポッケルスセル等を含む他のシステム部品を形成することができる。増幅器がサブアパーチャシステムとして設けられる実施形態では、ダイオードアレイポンプを同様に分割して、冷却要素又は他の適切な要素を含むことのできるギャップを設けることができる。当業者は、多くの変更、修正、代案を認めるだろう。一部の実施形態では、前置増幅器モジュール（例えば、繊維振動子）を、外部源から提供する代わりに、増幅器モジュールに組み込むことができる。空間フィルタ／リレー画像化が増幅器モジュールに含まれる実施形態では、前置増幅器モジュール位置（すなわち、ビーム高さに対する増幅器コラム高さによる）について使用可能な関連空間がある。前置増幅器モジュールを増幅器モジュール内に位置決めすることにより、画像リレーテレスコープを介して増幅器モジュールに剛性接続する必要があり得る前置増幅器モジュールの外部位置に関連する問題の影響が減る。加えて、増幅器モジュールに対する前置増幅器モジュールの振動又は変位により、指向誤差、不適切な注入、及び／又は効率損失が生じるが、これらは増幅器モジュールに前置増幅器モジュールを組み込むことにより改善される問題である。

[0044]図２Ａは、本発明の一実施形態による横励起４ビーム増幅器システムの簡略平面図である。図２Ａ、２Ｂに示す実施形態では、長さ９．５ｍ、幅２．２ｍ、高さ２．３８ｍの寸法の増幅器モジュールが設けられるが、本発明の実施形態はこのような正確な寸法を有する必要はない。図２Ａ、２Ｂに示す構造は、図１Ａ、１Ｂに示す構造と一部が類似しているが、図２Ｂに示すように、２×２構成において、各増幅器ヘッドにつき４つの増幅器を使用する。したがって、このような実施形態を「クワッド」構成と呼ぶことができる。

[0045]図２Ａを参照すると、矢印２１０により示すように光がミラー２１２、２１４及び偏光子２１６、２１８に向けて注入される。これにより、図１Ａ、１Ｂに示す単一ビーム路と比べて、２つのビーム路が設けられる。各ビーム路の光は、その後、第１のクワッド増幅器ヘッド２２０へ伝搬する。増幅器ヘッド２２０は４つの増幅器を備え、各増幅器が一組の増幅器スラブを備えることができる。増幅器は、横励起構成において４つのダイオードアレイによりポンピングされ、１つのダイオードアレイが各増幅器をポンピングする。図２Ｂに２×２構成が示されているが、この特定の構成は必要ではなく、本発明の範囲内で１×２構成又は他の適切な構成を使用することができる。増幅器が一側からのみポンピングされるため、横利得プロファイルに非対称が生じ得る。図２Ａに示すように、増幅器ヘッド２２０の内側増幅器により増幅された光は、増幅器ヘッド２３０の外側増幅器により増幅され、利得の非対称を少なくする。

[0046]図２Ｂは、図２Ａに示す横励起４ビーム増幅器システムの簡略側面図である。この側面図で、増幅器ヘッドの増幅器の２×２構成が、増幅器スラブ冷却システムとともに明確に示される。この構成では、光が上下レベルで増幅器モジュールに注入された後、上下レベル間に配置された２組の増幅器の面で増幅される。したがって、クワッド構成により、図１Ａ、１Ｂに示す構成に、反射方向に変更を加えることができる。当業者は、多くの変更、修正、代案を認めるだろう。

[0047]明確にするために一部の要素を省略しているが、２つの増幅器ヘッド間のリレーテレスコープが図２Ａの下部に示され、伝送テレスコープが図２Ｂの上下部に示される。

[0048]図３Ａは、本発明の一実施形態による端面励起増幅器システムの簡略平面図である。図３Ａ、３Ｂに示す実施形態では、長さ８．３２ｍ、幅２．２ｍ、高さ１．３５ｍの寸法の増幅器モジュールが設けられるが、本発明の実施形態は、このような正確な寸法を有する必要はない。以下でより完全に説明するように、増幅器の端面励起により、横励起を使用する他の設計よりも短い増幅器モジュールが得られる。

[0049]光がミラー３１０を通して増幅器モジュールに注入され、ミラー３１２から反射されて増幅器モジュールの下部に入り、ここで偏光子３１４から増幅器ヘッド３２９へ向けて反射される。図３Ａ、３Ｂに示す実施形態では、増幅器ヘッド３２９がダイオードポンプアレイ３２６、３２８を備え、これらのダイオードポンプアレイ３２６、３２８は、ミラー３３０、３３２及び他の適切な光学素子を使用して増幅器３２４に光学的に結合される。ミラー３２０、３２２は二色性であり、ポンプ波長で光を通し、レーザ波長で光を反射する。したがって、ポンプ光は、面ポンピング構成を使用して、ミラー３２０、３２２を通過し、複数の増幅器スラブを含み得るポンプ増幅器３２４に至る。

[0050]ダイオードアレイポンプがミラー３３０、３３２を使用して増幅器に対して折り畳まれる構成のため、増幅器モジュールの長さを他の構成に比べて短くすることができる。図１Ａ、１Ｂと共通の他の部品が、当業者に明らかなように示されている。例として、レンズ３３０、３３２、９０°偏光回転子３３４、及びキャビティミラー３４０を備えたリレーテレスコープが示される。第１の２つの増幅パスの後の光学路に沿った光学素子は、ポッケルスセル３４６、偏光子３４８、及びキャビティミラー３５０を含む。

[0051]図３Ｂは、図３Ａに示す端面励起増幅器システムの簡略側面図である。図３Ｂに示すように、ダイオードアレイの偏光合成を使用してポンプ強度を高める。本実施形態では、一組のアレイの上下にあり、第１の偏光を有する２つのアレイからの光が、２倍に反射されて、一組のアレイの中央の２つのアレイからの光と共線伝搬する。各アレイに対して４５°の角度でアレイ間に配置された偏光感受反射鏡により互いに直角に向けられた２つのアレイを含む他の構成が可能である。第１のアレイパスからの光が偏光感受反射鏡を通り、第２のアレイからの光が反射して第１のアレイからの光と共線をなす。したがって、本発明の実施形態は、ダイオードポンプのための種々の偏光合成設計を使用することができる。当業者は、多くの変更、修正、代案を認めるだろう。光をキャビティから出力窓３５２を通して伝送するために使用されるレンズ３６０、３６２を含む伝送テレスコープが示される。図３Ａ、３Ｂに示す実施形態を使用して、１．３ｍ×２．２ｍ×８．３ｍの寸法の増幅器モジュールにおいて、１５Ｈｚで６．３ｋＪのビームを発生させる核融合クラスのレーザシステムが提供される。

[0052]図４Ａは、本発明の一実施形態による、端面励起４ビーム増幅器システムの簡略平面図である。図４Ａ、４Ｂに示す実施形態では、長さ８．３２ｍ、幅３．６６ｍ、高さ２．３８ｍの寸法の増幅器モジュールが設けられるが、本発明の実施形態はこのような正確な寸法を有する必要はない。図４Ａ、４Ｂに示す構造は、図３Ａ、３Ｂに示す構造と一部が類似しているが、図４Ｂに示すように、２×２構成において、各増幅器ヘッドにつき４つの増幅器を使用する。したがって、このような実施形態を「クワッド」構成と呼ぶことができる。明確にするために、シングル増幅器構成とクワッド増幅器構成との間で共通の光学素子の一部を省略する。当業者は、多くの変更、修正、代案を認めるだろう。

[0053]図４Ａを参照すると、矢印４１０で示すように光がミラー４１２、４１４及び偏光子４１６、４１８に向けて注入される。これにより、図３Ａ、３Ｂに示す単一ビーム路と比較して、２つのビーム路が設けられる。各ビーム路の光は、その後、第１のクワッド増幅器ヘッド４２０へ伝搬する。増幅器ヘッド４２０は４つの増幅器を備え、各増幅器が一組の増幅器スラブを備えることができる。増幅器は、端面励起構成において４つのダイオードアレイによりポンピングされ、１つのダイオードアレイが各増幅器をポンピングする。図４Ｂに２×２構成が示されているが、この特定の構成は必要ではなく、本発明の範囲内で１×２構成又は他の適切な構成を使用することができる。

[0054]図４Ｂは、図４Ａに示す端面励起４ビーム増幅器システムの簡略側面図である。この側面図で、増幅器ヘッドの増幅器の２×２構成が、増幅器スラブ冷却システムとともに明確に示される。この構成では、光が上下レベルで増幅器モジュールに注入された後、上下レベル間に配置された２組の増幅器の面で増幅される。したがって、クワッド構成により、図３Ａ、３Ｂに示す構成に、反射方向に変更を加えることができる。当業者は、多くの変更、修正、代案を認めるだろう。

[0055]図３Ａに関連して説明したように、ミラー４３０、４３２は、それぞれ、ポンプ光をダイオードポンプアレイ４２６、４２８から増幅器４２４へ反射する。ミラー４２０、４２２は二色性であり、ポンプ波長で光を通し、レーザ波長で光を反射する。したがって、ポンプ光は、ミラー４２０、４２２を通過して、複数の増幅器スラブを含み得るポンプ増幅器４２４に至る。ダイオードポンプアレイ、光学素子等の同様の構成を使用して、他の増幅器のポンピングが達成される。第２の増幅器ヘッド４３６は、別のクワッドの端面励起増幅器を備える。光が増幅器モジュールから出力窓４５２、４５４を通って出る。

[0056]図５Ａは、本発明の一実施形態によるポンプ送り構造の簡略平面図である。図５Ａに示すように、ダイオードポンプアレイ５１０が、ホモジナイザー５１２及びダクト５１４を通ってポンプ増幅器５２０に結合される。図５Ａに示す光学素子を、図１Ａ〜４Ｂに示す構造とともに、ダイオードポンビングシステムの要素として使用することができる。図５Ｂは、図５Ａに示すポンプ送り構造の簡略側面図である。本実施形態では、フレネルプリズム５３０を使用して、ダイオードポンプアレイ５１０からの光を集めて収束させる。一実施形態では、ダイオードポンプアレイ５１０と増幅器５２０との間の距離が５ｍであるが、他の距離を使用してもよい。当業者は、多くの変更、修正、代案を認めるだろう。

[0057]図６は、本発明の一実施形態によるレーザ増幅器システムを示す。図６に示すレーザ増幅器システム６００は、画像リレーを用いるキャビティ内の二重増幅器構造を使用することにより、システム効率を向上させる。注入ミラー６０７を使用して、入力ビーム６０５をキャビティに注入する。一実施形態では、入力ビームが、０．９Ｊのエネルギーを有するレーザパルスである。入力ビームはミラー６６２から反射する。入力ビームの偏光は所定の偏光（例えば、ｓ偏光）であるため、入力ビーム６０５の偏光状態を反映するように位置合わせされた偏光子６３０から入力ビームが反射する。入力ビームは４分の１波長板６５０を通過し、増幅器６１６、増幅器６１４を通る第１のパスを形成する。

[0058]増幅器６１６と増幅器６１４との間には、テレスコープ及びピンホール（図示せず）の形の空間フィルタ６４２が配置される。本発明の実施形態により他の空間フィルタを使用することができ、図示したピンホールフィルタは例としてのみ示される。増幅器６１６を通る第１の増幅パスの後、増幅器６１４を通る第１の増幅パスの前に、ビームが偏光回転子６３０（例えば、石英回転子）を通過する。リレーテレスコープ６２４が設けられて、増幅器６１４の中心に形成された画像をミラー６２０の反射面にリレーする。画像リレーは、増幅器６１４の中心、ミラー６２０の表面、及びシステムの他の位置に示された整列正方形の群によって示される。

[0059]増幅光がミラー６２０から反射され、リレーテレスコープ６２４を通って戻り、一組の増幅器６１４、６１６を通る第２のパスを形成する。石英回転子６３２及び４分の１波長板６５０を２度通過した後、増幅ビームの偏光が回転して、ビームが偏光子６３０を通過できるようにする。ビームはリレーテレスコープ６２６、ポッケルスセル６５２、及び偏光子６３０を横切る偏光子６６０を通過する。リレーテレスコープ６２６は、増幅器６１６の中心の画像をミラー６２２の反射面にリレーする。ポッケルスセル６５２の増幅ビームの強度は、一組の増幅器を通る２つの増幅パスにより生じる。入力ビームは各増幅器６１４、６１６の複数の増幅器スラブを通過しているかもしれないが、ポッケルスセル６５２のビームは２回増幅されたビームとも呼ばれる。ポッケルスセルを作動させて、２回増幅されたビームの偏光を半波長だけ回転させ、ビームが増幅器へ向けて伝搬するときに偏光子６３０を通過するようにする。代替の実施形態では、ポッケルスセルを４分の１波長ポッケルスセルとすることができ、偏光子６６０が４分の１波長板に置き換えられ、例えば、リレーテレスコープ６２６に隣接して位置決めされて、偏光回転を行う。

[0060]増幅器を通るさらに２つのパスの後、ビームが偏光子６３０及びミラー６６２から最終光学素子６７２へ向けて反射する。ビームは、４つの増幅パスの後、空間フィルタ６４０及び周波数変換器６７０を通って伝送される。リレーテレスコープ６４６は、周波数変換器６７０でビームの画像を最終光学素子６７２へリレーする。一部の実施形態では、中性子のピンホールを使用して、核融合事象により放出された中性子から増幅器システムを保護する。

[0061]図７は、本発明の実施形態による増幅レーザビームを供給する方法を示す簡略フローチャートである。方法７００は、入力ビームを受けるステップと、入力ビームを第１の方向に沿って方向付けるステップ（７１０）と、増幅器ヘッドとも呼ばれる一組の増幅器を使用して入力ビームを１回目に増幅するステップ（７１２）とを含む。一組の増幅器を通る増幅路が、第１の方向にほぼ直交する第２の方向に沿って配置される。図１Ａに示すように、増幅器ヘッドを通る増幅路が、増幅器モジュールの長さに直交する増幅器モジュールの幅にほぼ位置合わせされる。したがって、図示した実施形態では、第１の方向が増幅器モジュールの長手方向に沿っており、増幅器モジュールの中心部から、第１の増幅器ヘッドが位置する増幅器モジュールの第１の端部へ、ビームを方向付ける。

[0062]方法は、第１のキャビティミラーを使用して増幅ビームを反射するステップ（７１４）と、一組の増幅器を使用して増幅ビームを２回目に増幅するステップ（７１６）とをさらに含む。一部の実施形態では、第１のキャビティミラーが、ビームの歪みを補償するために使用可能な変形可能ミラーである。方法は、２回増幅されたビームを第１の方向に沿って画像リレーするステップ（７１８）と、第２のキャビティミラーを使用して増幅ビームを反射するステップ（７２０）とをさらに含む。第１の２つの増幅パスの後、方法は、増幅器モジュール外に結合される前に２回増幅されたビームをさらに２回増幅できるようにするために、ポッケルスセルを使用して２回増幅されたビームの偏光状態を回転させるステップをさらに含む。

[0063]加えて、方法は、一組の増幅器を使用して２回増幅されたビームを３回目に増幅するステップ（７２２）と、第１のキャビティミラーを使用して３回増幅されたビームを反射するステップ（７２４）と、一組の増幅器を使用して３回増幅されたビームを増幅するステップ（７２６）と、４回増幅されたビームを出力するステップとをさらに含む。一部の実施形態では、入力ビーム及び４回増幅されたビームが、直線偏光、例えば、ｓ偏光又はｐ偏光を特徴とする。さらに、図１Ａ、１Ｂに関連して説明したように、増幅ビーム、２回増幅されたビーム、及び３回増幅されたビームは、増幅器ヘッドを通る増幅パス中の円偏光を特徴とすることができる。

[0064]本発明の実施形態によれば、一組の増幅器間で画像リレーが実行され、例えば、一組の増幅器を使用して３回増幅されたビームを増幅するステップと、４回増幅されたビームを出力するステップとの間に画像リレーが実行される。

[0065]図７に示す特定のステップにより、本発明の一実施形態による、増幅レーザビームを供給する特定の方法が提供されることを理解すべきである。代替の実施形態により、他の順序のステップを実行することもできる。例えば、本発明の代替実施形態は、前述したステップを異なる順で行うことができる。さらに、図７に示す個々のステップが、個々のステップに応じた種々の順序で実行され得る複数のサブステップを含んでいてもよい。さらに、特定の用途に応じて、更なるステップを追加又は除去してもよい。当業者は、多くの変更、修正、代案を認めるだろう。

[0066]また、本明細書に記載した例及び実施形態は例示のためのものに過ぎず、これに照らした種々の修正又は変更が、当業者に提示され、本出願の精神及び範囲、並びに添付の特許請求の範囲に含まれるものであることを理解されたい。

Claims (10)

1. エンクロージャを備えたクワッドビームレーザ増幅器モジュールであって、
   前記エンクロージャの上面に配置された一組の４つの入力ポートと、
   前記エンクロージャの第１の端部に配置された、第１の組の４つの増幅器を備える第１の増幅器ヘッドであって、
   前記第１の組の４つの増幅器のそれぞれは、前記一組の４つの入力ポートのそれぞれ1つに光学的に結合され、
   前記第１の組の４つの増幅器の、第１の増幅器および第２の増幅器は、第１平面に配置され、
   前記第１の組の４つの増幅器の、第３の増幅器および第４の増幅器は、前記第１平面に対して実質的に平行な第２平面に配置され、
   前記第１の組の４つの増幅器のそれぞれを１度目に通過する第１の増幅路および前記第１の組の４つの増幅器のそれぞれを２度目に通過する第２の増幅路は同一線上に配置される、第１の増幅器ヘッドと、
   前記エンクロージャの第２の端部に配置された、第２の組の４つの増幅器を備える第２の増幅器ヘッドであって、
   前記第２の組の４つの増幅器の、第１の増幅器および第２の増幅器は、前記第１平面に配置され、
   前記第２の組の４つの増幅器の、第３の増幅器および第４の増幅器は、前記第２平面に配置され、
   前記第２の組の４つの増幅器のそれぞれを１度目に通過する第１の増幅路、および前記第２の組の４つの増幅器のそれぞれを２度目に通過する第２の増幅路は同一線上に配置される、第２の増幅器ヘッドと、
   前記第１の増幅器ヘッドおよび第２の増幅器ヘッド間に配置されるキャビティーミラーであって、光を前記第２の増幅器ヘッド内へ反射するように動作可能なキャビティミラーと、
   を備えたクワッドビームレーザ増幅器モジュール。
2. 前記第１の増幅器ヘッドと前記第２の増幅器ヘッドとの間に配置された第１の組の４つのリレーテレスコープをさらに備えた、請求項１に記載のクワッドビームレーザ増幅器モジュール。
3. 前記第１の増幅器ヘッドの前記第１の組の４つの増幅器の一組の外側増幅器を通過するビームが、前記第２の増幅器ヘッドの前記第２の組の４つの増幅器の一組の内側増幅器を通過する、請求項１に記載のクワッドビームレーザ増幅器モジュール。
4. 前記第１の増幅器ヘッドおよび前記第２の増幅器ヘッドを通る２つの増幅パスの後に、増幅されたビームを受けるように動作可能な複数のポッケルスセルをさらに備えた、請求項１に記載のクワッドビームレーザ増幅器モジュール。
5. 前記第２の増幅器ヘッドと前記キャビティミラーとの間に配置された第２の組の４つのリレーテレスコープをさらに備えた、請求項１に記載のクワッドビームレーザ増幅器モジュール。
6. 前記エンクロージャの第２の端部に配置された一組の４つの出力ポートと、
   前記一組の４つの出力ポートに光学的に接続された一組の４つの伝送テレスコープとをさらに備えた、請求項１に記載のクワッドビームレーザ増幅器モジュール。
7. 前記キャビティミラーが変形可能ミラーを含む、請求項１に記載のクワッドビームレーザ増幅器モジュール。
8. ポッケルスセルと、増幅されたビームを前記第１の増幅器ヘッド内へ反射するよう動作可能な第２のキャビティミラーとをさらに備えた、請求項１に記載のクワッドビームレーザ増幅器モジュール。
9. 前記第１の増幅器ヘッドおよび前記第２の増幅器ヘッドがダイオードアレイにより横励起される、請求項８に記載のクワッドビームレーザ増幅器モジュール。
10. 前記第１の増幅器ヘッドおよび前記第２の増幅器ヘッドがダイオードアレイにより端面励起される、請求項８に記載のクワッドビームレーザ増幅器モジュール。