【高出力レーザーアプリケーション】Mokuを使用してのコヒーレントビーム結合
コヒーレントビーム結合は、高出力レーザービームを組み合わせて、ビーム品質を維持し、明るさと出力を高めた単一のビームを生成する便利な技術です。
本記事ではコヒーレントビーム結合の原理をわかりやすく解説します。
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コヒーレントビーム結合とは？
コヒーレントビーム結合は、高出力レーザービームを組み合わせて、ビーム品質を維持し、明るさと出力を高めた単一のビームを生成する便利な技術です。
科学者がレーザービームを結合するのは、単一のレーザーの出力が、ファイバーレーザーの場合の誘導ラマン散乱 (SRS) を含むがこれに限定されない非線形効果によって制限されるためです。
この技術により、研究者はこれらの制限を回避し、複数のビームを空間的または時間的に組み合わせて、ビームの品質を維持しながら、連続レーザーの平均出力とパルスレーザーシステムのピーク出力を高めることができます。
研究者がコヒーレントビーム結合を使用する理由は？
コヒーレントビームの組み合わせは、レーザーベースの防衛、地上から衛星への通信、電力ビーミング、クリーン エネルギーの生成、材料処理など、さまざまなアプリケーションに使用されます。例えば、下図で示すDEEP IN (Directed Propulsion for Interstellar Exploration)と呼ばれるプロジェクトでは、指向性エネルギー推進を使用して他の惑星を探索することを提案しており、宇宙船が光速の最大 30% で移動できるようになる可能性があります。
これにより、220 ポンド (100 kg) の探査機が光子推進によってわずか３日で火星に到達できるようになります。光子推進は、コヒーレントビームの組み合わせを使用して、ソーラーセイルとして機能する反射面にレーザーを照射し、反射時に少量の運動エネルギーを表面に伝達します。
NASAのDEEP IN探査機のグラフィック表現
位相コヒーレンスの理解
一貫性とは何ですか？
コヒーレンスは、固定された位相関係を持ち、「同位相」である 2 つの電磁波を表します。たとえば、2 つのコヒーレントレーザービームは、この位相関係により、互いに建設的に干渉する可能性があります。これにより、下図に示すように、レーザーチャネルのピーク電力は、従来の単一レーザーソースまたは非コヒーレント ソースで可能だった電力を超えることができます。
レーザーチャネルがコヒーレント（すべて同位相）または非コヒーレント（位相がずれている）の場合のピーク電力の比較
コヒーレントなビーム結合をどのように実現するのでしょうか？
科学者は、位相計などの機器を使用して複数のレーザービームを相互に位相ロックすることで、複数のレーザービーム間の位相コヒーレンスを実現できます。このデバイスは、信号の位相をマイクロサイクルまで正確に測定し、極めて高精度のロックを可能にします。その後、ユーザーは入力に位相ロックされた信号を出力することを選択できます。位相計などの機器は、科学者が正確な光位相制御を実現するのに役立ちます。
位相計による位相の測定とロック
位相計は位相を測定する装置です。デジタル実装されたMoku 位相計は、最大4つの入力信号の基準クロックに対する位相を、6 µラジアン以上の精度で測定します。ライブ・グラフを内蔵し、Mokuを使用して、入力チャンネルのコヒーレンスを測定し、リアルタイムでデータを表示できます。ビーム間の位相コヒーレンスを実現する1つの方法として、周波数と位相の特性を1つのビームから別のビームに転送する技術である光位相同期を使用することができます。
ビーム間の位相コヒーレンスを実現するには、まずレーザー間の位相差を測定します。次に、安定した位相差を維持するために、一方のレーザーの周波数を変更するフィードバックシステムを導入します。単純化した光オフセット位相ロックシステムを下図に示します。両レーザーは組み合わされ、光検出器を照射します。その結果、2つのレーザーの差周波数（ビート音）で発振する信号が得られます。
簡略化された光オフセット位相ロックシステム
この例では、Moku 位相計はビートノートから位相情報を抽出し、それを制御されたレーザーにフィードバックしてレーザー間の差を除去し、ビーム間の安定した位相ロックを実現します。
まとめ
レーザーの性能が実用的な限界に達するにつれ、私たちは進歩し続ける方法を見つけなければなりません。コヒーレント・ビームの組み合わせ（指向性エネルギー）により、単一レーザーの性能（輝度と出力）を上回ることができます。また位相計を使用することで、科学者はレーザー光源の位相を測定し、それらを効果的にロックすることができます。
多機能測定器Mokuを導入する際は、ぜひお気軽にご相談ください。
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＊本記事はリキッドインスツルメンツ社が公開している下記記事を和訳したものです。
Coherent beam combination in high-power laser applications（外部リンク）