シングルモードファイバーレーザーの基本原理

基本原則シングルモードファイバーレーザー

レーザーを生成するには、反転分布、適切な共振器、およびレーザ閾値（共振器内の光の利得が損失よりも大きくなければならない）。シングルモードファイバーレーザーの動作原理は、まさにこれらの基本的な物理原理に基づいており、ファイバー導波路の特殊な構造によって性能最適化を実現している。

誘導放射と反転分布は、レーザー発生の物理的基礎となる原理です。励起光源（通常は半導体レーザーダイオード）から放出された光エネルギーが、希土類イオン（イッテルビウム Yb³⁺、エルビウム Er³⁺など）がドープされた利得ファイバーに注入されると、希土類イオンはエネルギーを吸収して基底状態から励起状態に遷移します。励起状態のイオン数が基底状態のイオン数を超えると、反転分布が形成されます。このとき、入射光子が励起状態のイオンの誘導放射を誘発し、入射光子と同じ周波数、位相、方向を持つ新たな光子を生成することで、光増幅が実現されます。

シングルモードのコア機能ファイバーレーザーその利点は、極めて細いコア径（通常8～14μm）にあります。波動光学理論によれば、このような細いコアでは、1つの電磁場モード（すなわち、基本モードLP₀₁またはHE₁₁モード）のみが安定して伝送され、つまりシングルモードとなります。これにより、マルチモードファイバーに存在するモード間分散問題、すなわち、異なる速度で異なるモードが伝搬することによって生じるパルス幅の広がり現象が解消されます。伝送特性の観点から見ると、シングルモード光ファイバーでは軸方向に伝搬する光の経路差が極めて小さいため、出力ビームは完全な空間コヒーレンスとガウス型のエネルギー分布を持ち、ビーム品質係数M²は1に近づきます（理想的なガウスビームの場合はM²=1）。

ファイバーレーザーは、第三世代レーザーの代表的な例である。レーザー技術希土類元素をドープしたガラスファイバーを利得媒体として使用する単一モードファイバーレーザーは、過去10年間で、独自の性能上の利点により、世界のレーザー市場でますます重要なシェアを占めるようになりました。マルチモードファイバーレーザーや従来の固体レーザーと比較して、単一モードファイバーレーザーは、ビーム品質が1に近い理想的なガウスビームを生成できます。これは、ビームが理論上の最小発散角と最小集束スポットにほぼ達することができることを意味します。この特徴により、高精度と低熱影響が求められる加工および測定分野では、代替不可能なものとなっています。