光ファイバーセンシング用レーザー光源技術　パート2

光ファイバーセンシング用レーザー光源技術　パート2

2.2 単一波長掃引レーザー光源

レーザー単一波長掃引の実現は、本質的にデバイスの物理的特性を制御することである。レーザ共振器（通常は動作帯域幅の中心波長）を制御し、共振器内の振動する縦モードを制御および選択することで、出力波長を調整する目的を達成します。この原理に基づき、1980年代にはすでに、レーザーの反射端面を反射回折格子に置き換え、回折格子を手動で回転および調整してレーザー共振器モードを選択することで、可変ファイバーレーザーが実現されていました。2011年、Zhuらは可変フィルタを使用して、狭い線幅の単一波長可変レーザー出力を実現しました。2016年には、レイリー線幅圧縮機構が二波長圧縮に適用され、FBGに応力を加えて二波長レーザーの調整を実現し、同時に出力レーザーの線幅を監視して、3 nmの波長調整範囲と約700 Hzの線幅を持つ二波長安定出力を得ました。2017年、Zhuらは、グラフェンとマイクロナノファイバーブラッググレーティングを使用して全光学チューナブルフィルターを作成し、ブリルアンレーザー狭窄技術と組み合わせ、1550 nm付近のグラフェンの光熱効果を使用して、3.67 nmの波長範囲で750 Hzという低いレーザー線幅と700 MHz/msの光制御による高速かつ正確なスキャンを実現しました。図5に示すように、上記の波長制御方法は基本的に、レーザー共振器内のデバイスの通過帯域中心波長を直接的または間接的に変更することによってレーザーモードの選択を実現します。

図5（a）光制御可能な波長の実験装置波長可変ファイバーレーザーそして測定システム。

（b）制御ポンプの増強による出力２における出力スペクトル

2.3 白色レーザー光源

白色光源の開発は、ハロゲンタングステンランプ、重水素ランプ、半導体レーザーそしてスーパーコンティニューム光源。特に、スーパーコンティニューム光源は、超過渡パワーを持つフェムト秒またはピコ秒パルスの励起により、導波路内でさまざまな次数の非線形効果を生成し、スペクトルが大幅に広がり、可視光から近赤外までの帯域をカバーでき、強いコヒーレンスを持ちます。さらに、特殊なファイバーの分散と非線形性を調整することで、そのスペクトルを中赤外帯域まで拡張することもできます。この種のレーザー光源は、光コヒーレンストモグラフィー、ガス検出、生物学的イメージングなど、多くの分野で広く応用されています。光源と非線形媒体の制限により、初期のスーパーコンティニュームスペクトルは、主に固体レーザーで光学ガラスをポンピングして可視領域のスーパーコンティニュームスペクトルを生成することによって生成されていました。それ以来、光ファイバーは、その大きな非線形係数と小さな伝送モードフィールドにより、広帯域スーパーコンティニュームを生成するための優れた媒体として徐々に普及してきました。主な非線形効果には、四光波混合、変調不安定性、自己位相変調、相互位相変調、ソリトン分裂、ラマン散乱、ソリトン自己周波数シフトなどがあり、それぞれの効果の割合は励起パルスのパルス幅やファイバーの分散によって異なります。一般的に、現在のスーパーコンティニューム光源は、レーザー出力の向上とスペクトル範囲の拡大に重点が置かれており、コヒーレンス制御にも注目が集まっています。

3. まとめ

本稿では、光ファイバーセンシング技術を支えるレーザー光源、すなわち狭線幅レーザー、単一周波数可変レーザー、広帯域白色レーザーについて概説し、レビューする。光ファイバーセンシング分野におけるこれらのレーザーの応用要件と開発状況を詳細に紹介する。これらの要件と開発状況を分析した結果、光ファイバーセンシングに最適なレーザー光源は、あらゆる帯域、あらゆる時間において、超狭線幅かつ超安定なレーザー出力を実現できるものであると結論づける。そこで、狭線幅レーザー、狭線幅可変レーザー、広帯域ゲインを持つ白色レーザーに着目し、それらの開発状況を分析することで、光ファイバーセンシングに最適なレーザー光源を実現するための効果的な方法を見出す。