本日は、極めて狭線幅の「単色」レーザーをご紹介します。その登場は、レーザーの多くの応用分野におけるギャップを埋め、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います。これは、レーザー出力の向上だけでは達成できない「使命」と言えるでしょう。
狭線幅レーザーとは何ですか？
「線幅」とは、周波数領域におけるレーザーのスペクトル線幅を指し、通常はスペクトルの半値全幅（FWHM）で定量化されます。線幅は主に、励起された原子やイオンの自然放射、位相ノイズ、共振器の機械的振動、温度ジッターなどの外部要因によって影響を受けます。線幅の値が小さいほど、スペクトルの純度が高くなり、つまりレーザーの単色性が高くなります。このような特性を持つレーザーは通常、位相ノイズや周波数ノイズ、相対強度ノイズが非常に小さくなります。同時に、レーザーの線幅の値が小さいほど、対応するコヒーレンスが強くなり、極めて長いコヒーレンス長として現れます。
狭線幅レーザーの実現と応用
レーザーの発振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頼って狭線幅レーザーの出力を直接実現することはほぼ不可能です。狭線幅レーザーの動作を実現するには、通常、フィルタ、グレーティングなどのデバイスを使用して利得スペクトルの縦モードの振幅を制限または選択し、縦モード間の正味利得差を大きくすることで、レーザー共振器内で縦モードの発振が少数、あるいは1つだけになるようにする必要があります。この過程では、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ことがしばしば必要となります。同時に、位相ノイズや周波数ノイズのスペクトル密度の解析と組み合わせることで、ノイズ源を理解し、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。
様々な種類のレーザーにおける狭線幅動作の実現について見ていきましょう。
（１）半導体レーザー
半導体レーザーは、小型、高効率、長寿命、そして経済的なメリットといった利点を持つ。
従来型のファブリ・ペロー（FP）光共振器半導体レーザー一般的に多縦モードで発振し、出力線幅が比較的広いため、狭い線幅の出力を得るには光フィードバックを増やす必要がある。
分布帰還型（DFB）と分布ブラッグ反射型（DBR）は、代表的な内部光帰還型半導体レーザーです。格子ピッチが小さく波長選択性が高いため、安定した単一周波数狭線幅出力を容易に実現できます。2つの構造の主な違いは格子の位置です。DFB構造では通常、ブラッグ格子の周期構造が共振器全体に分布していますが、DBRの共振器は通常、反射格子構造と端面に統合された利得領域で構成されています。さらに、DFBレーザーは屈折率コントラストが低く反射率の低い埋め込み格子を使用し、DBRレーザーは屈折率コントラストが高く反射率の高い表面格子を使用します。どちらの構造も広い自由スペクトル範囲を持ち、数ナノメートルの範囲でモードジャンプなしで波長チューニングを実行できますが、DBRレーザーの方がチューニング範囲が広くなっています。DFBレーザーさらに、外部光学素子を用いて半導体レーザーチップからの出射光をフィードバックし、周波数を選択する外部共振器光フィードバック技術も、半導体レーザー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、高い励起変換効率、優れたビーム品質、高い結合効率といった特長を持ち、レーザー分野における注目の研究テーマとなっています。情報化時代において、ファイバーレーザーは既存の光ファイバー通信システムとの互換性が高く、狭線幅、低ノイズ、高コヒーレンスといった利点を持つ単一周波数ファイバーレーザーは、その開発における重要な方向性の一つとなっています。
単一縦モード動作は、狭線幅出力を実現するためのファイバーレーザーの中核であり、通常、共振器の構造に基づいて、単一周波数ファイバーレーザーはDFB型、DBR型、リング型に分類されます。中でも、DFB型およびDBR型単一周波数ファイバーレーザーの動作原理は、DFB型およびDBR型半導体レーザーの動作原理と類似しています。
図1に示すように、DFBファイバーレーザーはファイバーに分布ブラッグ格子を書き込むことで実現されます。発振器の動作波長はファイバー周期に影響されるため、格子の分布帰還によって縦モードを選択できます。DBRレーザーのレーザー共振器は通常、一対のファイバーブラッグ格子で構成され、狭帯域で低反射率のファイバーブラッグ格子によって主に単一の縦モードが選択されます。しかし、リング型共振器は共振器が長く、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発生しやすく、長時間にわたって一定の縦モードで安定して動作させることは困難です。
図1、単一周波数の2つの典型的な線形構造ファイバーレーザー
投稿日時：2023年11月27日