狭線幅レーザー技術パート 1

今日は、極限の「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、これは決して果たせない「使命」です。レーザーパワーの向上のみで完成しました。

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値全幅 (FWHM) で定量化されます。線幅は主に、励起された原子またはイオンの自然放射、位相ノイズ、共振器の機械振動、温度ジッター、およびその他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、つまりレーザーの単色性が優れています。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、および相対強度ノイズが非常にわずかです。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、コヒーレンス長が非常に長くなります。

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させる必要があります。レーザー共振器内の縦モード発振はほとんどないか、あるいは 1 つだけです。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ることで、ノイズの原因を理解し、レーザーの設計を最適化し、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、コンパクトなサイズ、高効率、長寿命、および経済的利点を備えています。

従来の技術で使用されているファブリペロー (FP) 光共振器半導体レーザー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大きくする必要があります。

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。グレーティングピッチが小さく、波長選択性が優れているため、安定した単一周波数の狭い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を行わずに波長調整を実行できます。DBR レーザーの調整範囲は、DBR レーザーの方が広い調整範囲を持っています。DFBレーザー。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、レーザー分野での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。

図1に示すように、DFBファイバーレーザーはファイバー内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、グレーティングの分布フィードバックを通じて縦モードを選択できます。 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形成され、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、有効な周波数弁別機構が無いため、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。

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