レーザーパルス制御技術のパルス周波数制御

パルス周波数制御レーザーパルス制御技術

1. パルス周波数の概念、レーザーパルスレート（パルス繰り返しレート）は、単位時間あたりに放射されるレーザーパルスの数を指し、通常はヘルツ（Hz）で表されます。高周波パルスは高繰り返しレートの用途に適しており、低周波パルスは高エネルギーの単一パルスタスクに適しています。

2. 出力、パルス幅、周波数の関係 レーザー周波数を制御する前に、まず出力、パルス幅、周波数の関係について説明する必要があります。レーザー出力、周波数、パルス幅の間には複雑な相互作用があり、通常、いずれかのパラメータを調整するには、他の2つのパラメータも考慮して適用効果を最適化する必要があります。

3. 一般的なパルス周波数制御方法

a. 外部制御モードは、電源外部から周波数信号をロードし、ロード信号の周波数とデューティサイクルを制御することでレーザーパルス周波数を調整します。これにより、出力パルスをロード信号に同期させることができ、精密な制御が求められるアプリケーションに適しています。

b. 内部制御モード 周波数制御信号は駆動電源に内蔵されており、外部信号入力は不要です。ユーザーは、固定の内蔵周波数または調整可能な内部制御周波数のいずれかを選択できるため、柔軟性が向上します。

c. 共振器の長さを調整するか、電気光学変調器レーザーの周波数特性は、共振器の長さを調整するか、電気光学変調器を使用することで変化させることができます。この高周波制御方法は、レーザー微細加工や医療用画像処理など、より高い平均出力とより短いパルス幅を必要とする用途でよく使用されます。

d. 音響光学変調器(AOM 変調器) は、レーザーパルス制御技術のパルス周波数制御に重要なツールです。AOMモジュレーター音響光学効果（つまり、音波の機械的振動圧力が屈折率を変えること）を利用してレーザービームを変調および制御します。

4. 空洞内変調技術は、外部変調と比較して、空洞内変調はより効率的に高エネルギー、ピーク電力を生成することができる。パルスレーザー以下は、一般的な4つの空洞内変調技術です。

a. ポンプ光源を高速変調することで利得スイッチングを行うと、利得媒質の粒子数反転と利得係数が急速に確立され、誘導放射率を超えることで共振器内の光子数が急増し、短パルスレーザーが生成されます。この方法は特に半導体レーザーで一般的であり、ナノ秒から数十ピコ秒のパルスを数ギガヘルツの繰り返し周波数で生成できるため、高データ伝送速度の光通信分野で広く利用されています。

Qスイッチ（Qスイッチング）Qスイッチは、レーザー共振器に高い損失を導入することで光フィードバックを抑制し、ポンピングプロセスによって閾値をはるかに超える粒子分布反転を発生させ、大量のエネルギーを蓄積します。その後、共振器内の損失は急速に減少し（つまり、共振器のQ値が上昇し）、光フィードバックが再びオンになり、蓄積されたエネルギーが超短高強度パルスの形で放出されます。

c. モード同期は、レーザー共振器内の異なる縦モード間の位相関係を制御することで、ピコ秒、さらにはフェムト秒レベルの超短パルスを生成します。モード同期技術は、パッシブモード同期とアクティブモード同期に分けられます。

d. キャビティダンピング：低損失のキャビティミラーを用いて光子を効果的に結合し、共振器内の光子にエネルギーを蓄積することで、一定期間、キャビティ内の低損失状態を維持します。1往復サイクル後、音響光学変調器や電気光学シャッターなどの内部キャビティ素子を高速に切り替えることで、強いパルスがキャビティから「ダンプ」され、短パルスレーザーが放射されます。Qスイッチングと比較して、キャビティダンピングは数ナノ秒のパルス幅を高繰り返し周波数（数メガヘルツなど）で維持でき、特に高繰り返し周波数と短パルスを必要とする用途において、より高いパルスエネルギーを可能にします。他のパルス生成技術と組み合わせることで、パルスエネルギーをさらに向上させることができます。

パルス制御レーザパルス幅制御、パルス周波数制御、そして多くの変調技術を伴う複雑かつ重要なプロセスです。これらの方法を適切に選択・適用することで、レーザーの性能を様々な応用シナリオのニーズに合わせて正確に調整することができます。今後、新材料や新技術の継続的な登場により、レーザーのパルス制御技術はさらなる飛躍的な進歩をもたらし、レーザー技術より高い精度とより広い応用の方向へ。