狭線幅レーザー技術をご存知ですか?

レーザーというと何を思い浮かべますか? あ  レーザーソードを装備 スター・ウォーズのグリーバス将軍？ それとも『バイオハザード』に出てくる危険なレーザーチャンネルの一つでしょうか？ それとも、X-MEN のスコットのレーザーの目で、すべてを焼き尽くすことができるのでしょうか？ これらの「レーザー」は、よく知られているように、高出力および高エネルギーの形で SF 作品に登場し、大きな威力を示します (図 1 を参照)。

実生活においても、レーザーは、レーザー美容や近視治療などの医療分野から、レーザーマーキング、切断、溶接などの工業製造分野、レーダー探知、顕微鏡などの最先端の科学分野に至るまで、多くの産業に浸透しています。近年登場したイメージングや量子通信など。 現在、レーザー技術は、国防安全保障、生物医学、インテリジェント製造、および情報の発展促進に顕著な貢献を行っています。

しかし、私たちが必要とするレーザーはすべて、映画で示されているように、高出力と優れた「致死性」を備えている必要があるのでしょうか?

まず第一に、従来の光源とは異なるレーザーの基本特性を確認する必要があります。図 2 に示すように、映画やテレビの作品で前述したように、レーザーは強力な特性を備えており、通常は明るさ (出力) に比例します。 ）レーザーの反射だけでなく、レーザーも良好な指向特性を持っています。

また、単色性や密着性も重視されています。 通常の光源が発する光は周波数が異なるため様々な色が含まれていますが、レーザーが発する様々な光子の周波数は同じであるため、非常に優れた単色光源です。 それだけでなく、レーザーの励起放射光子の位相は一貫しているため、共振器の作用下でレーザービームの断面上の点間には一定の位相関係が存在し、通常の光源と比較してコヒーレンスが高くなります。レーザーの効きも抜群です。 レーザーの優れた単色性とコヒーレンス特性を組み合わせると、たとえキロワットや 10,{2} ワットの高出力「ハロー」がなくても、レーザーはスペクトル技術、光学測定、その他の分野で広く使用できます。

従来の光源と異なるレーザーの特徴

今日は、究極の「単色」レーザー、つまり線幅の狭いレーザーを紹介します。 その登場はレーザーの多くの応用分野の隙間を埋め、近年では重力波検出、LiDAR、分散センシング、高速コヒーレント光通信などの分野で広く利用されており、これまででは実現できない「使命」となっています。レーザー出力の向上のみで完成します。

狭線幅レーザーの実現と応用

レーザーの動作物質の固有の利得線幅によって制限されるため、従来の発振器自体に依存して狭線幅レーザーの出力を直接実現することはほとんど不可能です。 狭線幅レーザーの動作を実現するには、通常、フィルター、回折格子、その他のデバイスを使用して利得スペクトルの縦弾性率を制限または選択し、縦モード間の正味利得差を増加する必要があります。レーザー共振器内での縦モード発振が数回、または 1 回だけ発生することもあります。 このプロセスでは、多くの場合、レーザー出力に対するノイズの影響を制御し、外部環境の振動や温度変化によって引き起こされるスペクトル線の広がりを最小限に抑える必要があります。 同時に、位相または周波数ノイズのスペクトル密度の分析と組み合わせて、ノイズの原因を理解し、レーザーの設計を最適化することで、狭線幅レーザーの安定した出力を実現することもできます。

いくつかの異なるカテゴリーのレーザーの狭線幅動作の実現を見てみましょう。

1) 半導体レーザー

半導体レーザーは、小型、高効率、長寿命、経済的という利点があります。

従来の半導体レーザーに用いられているファブリペロー（FP）光共振器は一般に多重縦モードで発振し、出力線幅が比較的広いため、狭い線幅の出力を得るには帰還光を増やす必要があります。

分布帰還 (DFB) と分布ブラッグ反射 (DBR) は、2 つの典型的な内部光帰還半導体レーザーです。 それらの構造と出力スペクトルを図１に示す。 5. グレーティングピッチが小さく、波長選択性が良いため、安定した単一周波数の狭い線幅出力を容易に達成できます。 2 つの構造の主な違いは回折格子の位置です。DFB 構造は通常、ブラッグ回折格子の周期構造を共振器全体に分散させますが、DBR の共振器は通常、反射回折格子構造とその共振器に統合された利得領域で構成されます。端面。 さらに、DFB レーザーは、屈折率コントラストと反射率が低い埋め込み回折格子を使用します。 DBR レーザーは、高屈折率コントラストと高反射率を備えた表面回折格子を使用します。 どちらの構造も広い自由スペクトル範囲を備えており、数ナノメートルの範囲でモードジャンプなしで波長調整を実行できます。DBR レーザーは DFB レーザーよりも広い調整範囲を持っています。

また、外部の光学素子を用いて半導体レーザチップの出射光を帰還させて周波数を選択する外部共振器光帰還技術も、半導体レーザの狭線幅動作を実現することができる。

2) ファイバーレーザー

ファイバーレーザーは、高いポンプ変換効率、優れたビーム品質、高い結合効率を備えており、レーザー分野で注目の研究テーマとなっています。 情報化時代の文脈において、ファイバーレーザーは、市場にある現在の光ファイバー通信システムと良好な互換性を持っています。 狭い線幅、低ノイズ、良好なコヒーレンスという利点を持つ単一周波数ファイバーレーザーは、その開発の重要な方向性の 1 つとなっています。

単一縦モード動作は、狭い線幅出力を達成するためのファイバーレーザーの核心であり、通常、単一周波数ファイバーレーザーの共振器の構造に従って、DFBタイプ、DBRタイプ、およびリングタイプに分けることができます。 このうち、DFB および DBR 単一周波数ファイバー レーザーの動作原理は、DFB および DBR 半導体レーザーの動作原理と似ています。

DFB ファイバー レーザーは、ファイバーに分布ブラッグ グレーティングを書き込むものです。 発振器の動作波長はファイバー周期の影響を受けるため、縦モードはグレーティングの分布帰還によって選択できます。 DBRレーザのレーザ共振器は通常、一対のファイバブラッググレーティングで構成され、主に狭帯域かつ低反射率のファイバブラッググレーティングによって単一縦モードが選択されます。 しかし、リング状空洞は共振器が長く、構造が複雑で、効果的な周波数弁別機構がないため、モードホッピングが起こりやすく、一定の縦モードで長時間安定して動作することが困難である。

3) 固体レーザー

1960 年に世界初のルビー レーザーは、高出力エネルギーとより広い波長範囲を特徴とする固体レーザーでした。 固体レーザーの独特な空間構造により、狭い線幅出力の設計がより柔軟になります。 現在実装されている主な方式としては、ショートキャビティ法、一方向リングキャビティ法、キャビティ内標準法、ねじり振り子モードキャビティ法、体積ブラッググレーティング法、シード注入法などがある。

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