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、世界初のルビーレーザーは固体レーザーであり、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性をもたらします。現在、主な実装方法としては、短共振器方式、一方向リング共振器方式、共振器内標準方式、ねじり振り子モード共振器方式、体積ブラッグ格子方式、シード注入方式などがあります。

図7は、いくつかの代表的な単一縦モード固体レーザーの構造を示している。

図7(a)は、キャビティ内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ます。すなわち、標準の狭い線幅の透過スペクトルを使用して他の縦モードの損失を増加させ、モード競合プロセスで透過率が小さい他の縦モードをフィルタリングして、単一縦モード動作を実現します。さらに、FP標準の角度と温度を制御し、縦モード間隔を変更することで、一定範囲の波長チューニング出力を得ることができます。図7(b)と(c)は、単一縦モード出力を得るために使用される非平面リング発振器(NPRO)とねじり振り子モードキャビティ方式を示しています。動作原理は、共振器内でビームを単一方向に伝搬させ、通常の定在波キャビティ内の反転粒子の数の不均一な空間分布を効果的に排除し、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す。バルクブラッググレーティング（VBG）モード選択の原理は、先に述べた半導体およびファイバー狭線幅レーザーの原理と同様であり、VBGをフィルタ素子として使用し、その優れたスペクトル選択性と角度選択性に基づいて、発振器が特定の波長または帯域で発振し、縦モード選択の役割を果たします（図7（d）参照）。
同時に、縦モード選択精度を向上させたり、線幅をさらに狭めたり、非線形周波数変換などの手段を導入してモード競合強度を高めたり、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、必要に応じて複数の縦モード選択方法を組み合わせることができます。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、狭線幅の出力を実現する技術であり、その原理は、光子と内部音響場の相互作用によってストークス光子の一定の周波数シフトを生成し、利得帯域幅内で連続的に増幅することである。

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 に過ぎず、1064 nm レーザーをポンプ光として使用した場合、生成されるストークス波長は 1064.01 nm 程度にしかならないことが多いですが、これは量子変換効率が非常に高い（理論上は最大 99.99%）ことを意味します。さらに、媒質のブリルアン利得線幅は通常 MHz〜GHz 程度（一部の固体媒質のブリルアン利得線幅は約 10 MHz 程度）であるため、100 GHz 程度のレーザー動作物質の利得線幅よりもはるかに小さく、ブリルアンレーザーで励起されたストークスは、共振器内で複数回増幅された後に明らかなスペクトル狭窄現象を示し、その出力線幅はポンプ線幅よりも数桁狭くなります。現在、ブリルアンレーザーはフォトニクス分野における研究のホットスポットとなっており、HzオーダーおよびサブHzオーダーの極めて狭い線幅の出力に関する報告が数多くなされている。

近年、導波路構造を持つブリルアン素子が、マイクロ波フォトニクス、そして、小型化、高集積化、高解像度化の方向で急速に発展しています。加えて、ダイヤモンドなどの新しい結晶材料を用いた宇宙用ブリルアンレーザーも、ここ2年で注目を集めており、導波路構造の出力とカスケードSBSのボトルネックを革新的に克服し、ブリルアンレーザーの出力を10W級にまで高め、その応用拡大の基盤を築いています。
総合交差点
最先端の知識の継続的な探求に伴い、狭線幅レーザーは優れた性能により科学研究に不可欠なツールとなっており、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1064 nmをシード光源とし、シード光の線幅は5 kHz以内である。さらに、波長可変で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（または周波数）可変性に関する波長分割多重（WDM）または周波数分割多重（FDM）のニーズを完全に満たすことができ、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る。
将来的には、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、人類が未知の世界を探求する道が開かれるだろう。