A research of a novel active phase control technique called “Cascaded Multi-Dithering (CMD) technique” used in coherent beam combination for achieving high power is presented. In conventional active phase control methods, the maximum number of beam elements to be combined is limited up to 100~200 because of the physical bandwidth limit of modulators. Moreover, control bandwidth, having trade off relationship with the number of beam elements to be combined, is another cause of the limit of the maximum number of beam elements. In this thesis, the modified-LOCSET is proposed, which is a method to improve the control bandwidth by determining integration time as the least common multiple of modulating frequencies. The modified-LOCSET was demonstrated by four fiber beam combination with amplifier-like noises generated with computer, showed λ/24 of residual phase error and control bandwidth higher than 100 Hz.
Based on the study, Cascaded Multi-Dithering (CMD) technique is proposed. In LOCSET, the maximum number of beam elements to be combined is restricted to 100~200 because of the limit of the number of modulating frequencies. However, in Cascaded Multi-Dithering technique, modulating frequencies used in LOCSET can be repeatedly used, allowing the maximum number of beam elements to be extended up to 2,500~10,000 in two dimensional Cascaded Multi-Dithering technique. It is firstly proved by simulations, comparing an error from 100 beam combination using conventional LOCSET with an error from 2,500 beam combination using Cascaded Multi-Dithering technique. As a result of simulations, the error from Cascaded Multi-Dithering technique is small enough to be controlled and is a similar degree of the error from conventional LOCSET. The feasibility of Cascaded Multi-Dithering technique was also shown by demonstrating sixteen beam combination. Sixteen beam combination using Cascaded Multi-Dithering technique was successfully performed with λ/31 of residual phase error, being in agreement the result of simulations.
이 논문에서는 고출력 고빔품질 레이저를 얻기 위해 결맞는 빔 결합에서 사용되는 새로운 능동적 위상 제어 연구가 소개된다. 기존에 쓰이던 Heterodyne Detection (HD), Stochastic Parallel Gradient Descent (SPGD), 그리고 Locking of Optical Coherence by Single Detector Electronic-frequency Tagging (LOCSET) 기술은 얼마나 빠른 노이즈 성분을 제어할 수 있는지를 결정하는 지표인 control bandwidth와 결합하는 빔의 최대 개수 N이 trade off 관계에 있으며, 고출력 레이저에서는 최소 수 kHz의 control bandwidth가 보장되어야 하는 이유로, 결합할 수 있는 빔의 개수인 N이 최대 200개로 제한되어 있었다. 본 연구에서는 먼저 LOCSET의 이론을 수정하여 modified-LOCSET이라는 새로운 능동적 위상 제어 방법을 제안하였다. Modified-LOCSET은 변조 주파수(modulating frequency)들의 최소공배수로 복조(demodulation)에서의 integration time을 결정함으로써, PZT tube와 같은 낮은 bandwidth의 modulator를 사용할 때에도 높은 control bandwidth를 얻는 방법을 고안하였다. Modified-LOCSET을 통해 4개의 fiber 빔 결합이 수행되었으며, 이 때 고출력 레이저에 사용되는 증폭기에서 얻어지는 높은 주파수의 noise 성분들을 생성하여 고출력 증폭기를 사용하는 것과 같은 환경을 조성하였다. 그 결과, 심한 noise에서도 λ/24의 위상 error를 가지고 100 Hz이상의 control bandwidth를 가지며 빔 결합이 성공적으로 수행됨을 확인할 수 있었다. 또한 이를 바탕으로 Cascaded Multi-Dithering (CMD)이라는 새로운 능동적 위상 제어 기술을 제안하였다. 기존의 LOCSET은 사용할 수 있는 변조 주파수의 개수가 최대 100~200개로 제한되어 있으며, 이것은 결합할 수 있는 빔의 최대 개수를 100~200개로 제한하는 결과를 가져온다. 그러나 새로 제안된 Cascaded Multi-Dithering 기술은 빔을 MxN의 배열로 연쇄적으로 변조하여 결합시키는 기술로써, LOCSET에서 사용되는 200개의 변조 주파수를 반복적으로 사용할 수 있기 때문에 제한되었던 최대 빔 결합 개수가 대폭적으로 늘어나게 된다. 물론 Cascaded Multi-Dithering 또한 연쇄적으로 변조할 때의 변조 주파수가 기존에 사용되던 주파수인 200개 내에서 선택되어야 한다는 제한을 가지고 있다. 그 결과 결합시킬 수 있는 빔의 최대 개수는 2차원 Cascaded Multi-Dithering 기술의 경우 2,500~10,000개에 이르게 된다. 이러한 Cascaded Multi-Dithering의 실행 가능성을 보기 위해 먼저 LOCSET을 이용한 100개의 빔 결합과 Cascaded Multi-Dithering 기술을 이용한 50x50(2500)개의 빔 결합에서 나타나는 error를 simulation하였다. 그 결과 LOCSET을 이용한 100개의 빔 결합에서의 error와 Cascaded Multi-Dithering 기술을 이용한 2500개의 빔 결합에서 나타나는 error가 모두 2%대의 낮은 값을 보이면서 Cascaded Multi-Dithering의 다중 빔 결합에 대한 가능성이 확증되었다. 이 결과는 또한 16개의 광섬유 빔 결합 실험을 통해서 다시 한번 검증되었다. 16개의 광섬유 빔을 Cascaded Multi-Dithering을 통해 결합시킨 결과, 약 λ/31의 위상 에러를 기록하며 안정적으로 빔 결합이 수행됨이 확인되었다.
