本日は、極限の「単色」レーザー、すなわち狭線幅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」です。
狭線幅レーザーとは何ですか?
「線幅」という用語は、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ピーク全幅（FWHM）で定量化されます。線幅は主に、励起原子またはイオンの自然放射、位相ノイズ、共振器の機械的振動、温度ジッタ、その他の外部要因の影響を受けます。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が非常に少なく、相対強度ノイズも非常に少ないです。同時に、レーザーの線幅値が小さいほど、対応するコヒーレンスが強くなり、これは非常に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
レーザーの作動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ためには、通常、フィルター、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弾性係数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、レーザー共振器内の縦モード発振を少数または1つだけにする必要があります。このプロセスでは、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必要があることがよくあります。同時に、位相または周波数ノイズスペクトル密度の分析と組み合わせてノイズの発生源を理解し、レーザーの設計を最適化して、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
半導体レーザーには、コンパクトなサイズ、高効率、長寿命、経済的メリットなどの利点があります。
従来のファブリ・ペロー（FP）光共振器は、半導体レーザー一般的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ためには光フィードバックを増やす必要があります。
分布帰還型（DFB）と分布ブラッグ反射型（DBR）は、2つの典型的な内部光帰還型半導体レーザーです。格子ピッチが狭く、波長選択性に優れているため、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散されていますが、DBRの共振器は通常、反射格子構造と端面に集積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が低い埋め込み格子を使用します。DBRレーザーは屈折率コントラストが高く反射率が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行うことができます。DBRレーザーは、DFBレーザーまた、半導体レーザーチップの出射光を外部光学素子でフィードバックして周波数を選択する外部共振器光フィードバック技術によっても、半導体レーザーの狭線幅動作を実現できる。
（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、良好なビーム品質、そして高い結合効率を特徴としており、これらはレーザー分野における注目の研究課題となっています。情報化時代において、ファイバーレーザーは市場の既存の光ファイバ通信システムとの良好な互換性を備えています。狭い線幅、低ノイズ、良好な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、その発展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構造に応じて、DFB型、DBR型、リング型に分類されます。これらのうち、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、分布ブラッググレーティングをファイバーに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の影響を受けるため、グレーティング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グレーティングによって形成され、主に狭帯域で反射率の低いファイバーブラッググレーティングによって単一の縦モードが選択されます。しかし、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、リング状の共振器はモードホッピングが発生しやすく、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