コヒーレントビーム結合とは何ですか?
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。1 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。2 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。3
研究者はなぜコヒーレントビーム結合を使用するのでしょうか?
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。4 例えば、 星間探査のための指向性推進 (DEEP IN)図 1 に示す 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 XNUMX 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。5
図1: DEEP INプローブのグラフィック表現。 NASA.gov
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。6 これにより、図 2 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。7
図 2: 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機器です。デジタルで実装された Moku位相計 最大 6 つの入力信号の位相を、基準クロックを基準として XNUMX µradian 以上の精度で測定します。ライブ グラフが組み込まれているため、この汎用性の高い FPGA ベースの計測器を使用して、入力チャネルのコヒーレンスを測定し、データをリアルタイムで表示できます。ビーム間の位相コヒーレンスを実現する XNUMX つの方法は、光位相ロックを使用することです。これは、周波数と位相特性を XNUMX つのビームから別のビームに転送する技術です。
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、フィードバック システムを導入してレーザーの 3 つの周波数を変更し、安定した位相差を維持します。図 XNUMX は、参照レーザーと制御レーザーの詳細を示す、簡略化された光オフセット位相ロック システムです。レーザーが結合され、光検出器を照射します。その結果、XNUMX つのレーザーの差周波数で振動する信号 (ビート音) が生成されます。
図 3: 簡略化された光オフセット位相ロック システム。8
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。
結論
レーザー性能の実際的な限界に達すると、私たちは進歩を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、つまり指向性エネルギーにより、明るさと出力の点で単一のレーザーの性能を上回ることができます。位相計を使用することで、科学者はレーザー ソースの位相を測定し、効果的にロックして位相コヒーレンスを実現し、ビームを建設的に干渉させることができます。
の詳細については Moku位相計、スケジュール デモ エンジニアと一緒に。
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参考情報
【1]
R. Paschotta、「コヒーレントビーム結合」、2007 年 10.61835 月、doi: https://doi.org/89/XNUMXt。入手可能: https://www.rp-photonics.com/coherent_beam_combining.html[アクセス日: 21年2024月XNUMX日]
【2]
B. He 他「14 つのファイバーレーザーからの高出力コヒーレントビームの組み合わせ」、Optics express、vol. 7、no. 2721、pp. 2721–2006、XNUMX 年 XNUMX 月、doi: https://doi.org/10.1364/oe.14.002721
【3]
A. Klenke 他、「超高速ファイバーレーザーのコヒーレントビーム結合」、IEEE 量子エレクトロニクス選択トピックスジャーナル、第 24 巻、第 5 号、pp. 1–9、2018 年 XNUMX 月、doi: https://doi.org/10.1109/jstqe.2018.2808540
【4]
「コヒーレントビーム結合 – PowerPhotonic」、25年2023月XNUMX日。入手可能: https://www.powerphotonic.com/coherent-beam-combining/. [アクセス日: 22年2024月XNUMX日]
【5]
J. ベネット、「光子推進で宇宙船を3日で火星に送れる」、ポピュラーメカニクス、24年2016月XNUMX日。入手先: https://www.popularmechanics.com/space/deep-space/a19604/nasa-physicists-say-photonic-propulsion-could-send-a-spacecraft-to-mars-in-3-days/
【6]
TL GmbH、「レーザービームのコヒーレンスまたは位相バランス」、Trotec Laser GmbH。入手可能: https://www.troteclaser.com/en-us/learn-support/helpcenter/coherence-or-phase-balance-laser-beam[アクセス日: 21年2024月XNUMX日]
【7]
コヒーレントビーム結合の説明。Qinetiq。入手可能: https://www.qinetiq.com/-/media/1a948172dcd9419e9976e2f246a0e7fa.ashx?ver=7e99a5c1492549cb92190b5e67ea134f
【8]
「レーザー周波数オフセットロック」Liquid Instruments、02年2021月XNUMX日。入手可能: https://liquidinstruments.com/laser-frequency-offset-locking/. [アクセス日: 11年2024月XNUMX日]