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、適切な共鳴空洞、そしてレーザしきい値（共振空洞内の光利得は損失よりも大きくなければならない）に基づいて動作し、シングルモードファイバーレーザーの動作メカニズムは、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の最適化を実現します。

誘導放射と反転分布は、レーザー生成の物理的な基礎です。ポンプ光源（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）をドープしたゲイン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、基底状態から励起状態へと遷移します。励起状態のイオンの数が基底状態のイオンの数を超えると、反転分布状態が形成されます。この時点で、入射光子は励起状態イオンの誘導放射を誘発し、入射光子と同じ周波数、位相、方向を持つ新しい光子を生成し、光増幅を実現します。

シングルモードのコア機能ファイバーレーザーシングルモード光ファイバーの優れた点は、コア径が極めて細いこと（通常8～14μm）にあります。波動光学理論によれば、このような微細コアでは、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）のみを安定的に伝送でき、つまりシングルモードとなります。これにより、マルチモード光ファイバーに存在するモード間分散問題、つまり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分布を持ち、ビーム品質係数M²は1に近づくことができます（理想的なガウスビームの場合、M²=1）。

ファイバーレーザーは第三世代の代表的なものであるレーザー技術は、希土類元素添加ガラスファイバーを利得媒体として用いるレーザーです。過去10年間、シングルモードファイバーレーザーは、その独自の性能上の利点により、世界のレーザー市場においてますます重要なシェアを占めてきました。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、シングル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光点にほぼ到達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・計測分野において、シングルモードファイバーレーザーは不可欠な存在となっています。