狭線幅レーザー技術 パート2

狭線幅レーザー技術 パート2

（3）固体レーザー

1960年に世界初のルビーレーザーが固体レーザーとして実用化され、高出力エネルギーと広い波長範囲を特徴としていました。固体レーザーの独特な空間構造は、狭線幅出力の設計においてより柔軟な選択肢を提供します。現在、主な方式としては、短共振器法、片方向リング共振器法、共振器内標準法、ねじり振り子モード共振器法、体積ブラッググレーティング法、シード注入法などが採用されています。

図 7 は、いくつかの典型的な単一縦モード固体レーザーの構造を示しています。

図7(a)は、共振器内FP標準に基づく単一縦モード選択の動作原理を示している。すなわち、標準の狭線幅透過スペクトルを利用して他の縦モードの損失を増加させ、他の縦モードは透過率が小さいためモード競合プロセスでフィルタリングされ、単一縦モード動作を実現する。さらに、FP標準の角度と温度を制御し、縦モード間隔を変化させることで、一定範囲の波長可変出力を得ることができる。図7(b)と(c)は、単一縦モード出力を得るために用いられる非平面リング発振器（NPRO）とねじり振り子モード共振器法を示している。動作原理は、共振器内でビームを一方向に伝播させることで、通常の定在波共振器における反転粒子数の空間分布の不均一性を効果的に排除し、空間ホールバーニング効果の影響を回避して単一縦モード出力を実現することである。バルク ブラッグ グレーティング (VBG) モード選択の原理は、前述の半導体およびファイバー狭線幅レーザーの原理と似ています。つまり、VBG をフィルター要素として使用することで、その優れたスペクトル選択性と角度選択性に基づいて、発振器は特定の波長または帯域で発振し、図 7(d) に示すように縦モード選択の役割を果たします。
同時に、縦モード選択の精度を向上させたり、線幅をさらに狭くしたり、非線形周波数変換などの手段を導入してモード競合の強度を高めたり、従来の方法では困難であった狭い線幅で動作しながらレーザーの出力波長を拡大したりするために、必要に応じていくつかの縦モード選択方法を組み合わせることができる。半導体レーザーそしてファイバーレーザー.

（4）ブリルアンレーザー

ブリルアンレーザーは、誘導ブリルアン散乱（SBS）効果に基づいて低ノイズ、狭線幅出力技術を実現しており、その原理は光子と内部音響場の相互作用によりストークス光子の特定の周波数シフトを生成し、ゲイン帯域幅内で連続的に増幅することです。

図8はSBS変換のレベル図とブリルアンレーザーの基本構造を示しています。

音響場の振動周波数が低いため、材料のブリルアン周波数シフトは通常 0.1～2 cm-1 に過ぎないため、1064 nm レーザーをポンプ光として使用すると、生成されるストークス波長は多くの場合 1064.01 nm 程度に過ぎませんが、これはその量子変換効率が極めて高いことも意味します (理論上は最大 99.99%)。 また、媒体のブリルアン利得線幅は通常 MHZ-ghz 程度 (一部の固体媒体のブリルアン利得線幅は約 10 MHz に過ぎない) であるため、100 GHz 程度のレーザー作業物質の利得線幅よりはるかに狭く、ブリルアンレーザーで励起されたストークスは、キャビティ内で多重増幅された後に明らかなスペクトル狭窄現象を示すことがあり、その出力線幅はポンプ線幅より数桁狭くなります。現在、ブリルアンレーザーはフォトニクス分野の研究のホットスポットとなっており、HzおよびサブHzオーダーの極めて狭い線幅出力に関する報告が数多くあります。

近年、導波路構造を備えたブリルアンデバイスが、マイクロ波フォトニクス、小型化、高集積化、高解像度化の方向へ急速に発展しています。さらに、ダイヤモンドなどの新結晶材料をベースとした宇宙を走るブリルアンレーザーも、ここ2年で人々の視野に入りました。導波路構造とカスケードSBSボトルネックにおける革新的なブレークスルーにより、ブリルアンレーザーの出力は10W規模に達し、その応用拡大の基盤が築かれました。
ジェネラルジャンクション
最先端の知識の継続的な探求により、狭線幅レーザーは、その優れた性能により科学研究に欠かせないツールとなっている。例えば、重力波検出用のレーザー干渉計LIGOは、単一周波数の狭線幅レーザーを使用している。レーザ波長1064nmをシード光源とし、シード光の線幅は5kHz以内です。また、波長可変かつモードジャンプのない狭幅レーザーは、特にコヒーレント通信において大きな応用可能性を示しており、波長分割多重（WDM）や周波数分割多重（FDM）における波長（または周波数）可変性のニーズに完全に対応できるため、次世代モバイル通信技術の中核デバイスとなることが期待されています。
今後、レーザー材料と加工技術の革新により、レーザー線幅の圧縮、周波数安定性の向上、波長範囲の拡大、出力の向上がさらに促進され、人類による未知の世界の探査への道が開かれるでしょう。