狭線幅レーザー

一部のレーザー用途では、レーザーの線幅が非常に狭い、つまりスペクトルが狭いことが必要です。狭線幅レーザーは単一周波数レーザーを指します。つまり、レーザー値に共振空洞モードがあり、位相ノイズが非常に低いため、スペクトル純度が非常に高くなります。通常、このようなレーザーの強度ノイズは非常に低いです。

狭線幅レーザーの最も重要なタイプは次のとおりです。

1. 半導体レーザー、分布帰還レーザー ダイオード (DFB レーザー) および分布ブラッグ反射レーザー (DBR レーザー) は、1500 または 1000 nm 領域で最も一般的に使用されます。一般的な動作パラメータは、出力電力が数十ミリワット（場合によっては 100 ミリワットを超える）、線幅が数 MHz です。

2. 半導体レーザーでは、例えば狭帯域ファイバーブラッググレーティングを含むシングルモードファイバーで共振器を拡張するか、外部共振器ダイオードレーザーを使用することで、より狭い線幅を得ることができます。この方法を使用すると、数kHz、さらには1kHz未満の超狭線幅を実現できます。

3. 小型の分布帰還型ファイバー レーザー (特殊なファイバー ブラッグ グレーティングで作られた共振器) は、kHz 範囲の線幅で数十ミリワットの出力を生成できます。

4. 非平面リング共振器を備えたダイオード励起固体ボディレーザーでも、数 kHz の線幅を得ることができ、出力パワーは 1W 程度と比較的高くなります。典型的な波長は 1064nm ですが、1300 または 1500nm などの他の波長領域も可能です。

レーザーの線幅が狭いことに影響を与える主な要因

非常に狭い放射帯域幅 (線幅) のレーザーを実現するには、レーザー設計で次の要素を考慮する必要があります。

まず、単一周波数動作を実現する必要があります。これは、利得帯域幅が小さく、レーザーキャビティが短い（その結果、広い自由スペクトル範囲が得られる）利得媒体を使用することによって容易に達成されます。目標は、モードホッピングのない長期安定した単一周波数動作である必要があります。

第二に、外部ノイズの影響を最小限に抑える必要があります。これには、安定した共振器セットアップ (モノクロ)、または機械的振動に対する特別な保護が必要です。電気的にポンピングされるレーザーは、低ノイズの電流源または電圧源を使用する必要がありますが、光ポンピングされるレーザーは、ポンプ光源として低強度のノイズを持つ必要があります。さらに、ファラデーアイソレータを使用するなどして、すべてのフィードバック光波を回避する必要があります。理論的には、外部ノイズは、利得媒体の自然放出などの内部ノイズよりも影響が小さくなります。ノイズ周波数が高い場合、これは簡単に達成できますが、ノイズ周波数が低い場合、線幅への影響が最も重要になります。

第三に、レーザーノイズ、特に位相ノイズを最小限に抑えるためにレーザー設計を最適化する必要があります。高いキャビティ内電力と長い共振器が好ましいが、この場合、安定した単一周波数動作を達成することはより困難である。

主要なノイズ源に応じて異なる測定が必要となるため、システムの最適化にはさまざまなノイズ源の重要性を理解する必要があります。たとえば、実際の線幅が機械的ノイズによって決定される場合、シャロー・タウンズ方程式に従って最小化された線幅は、必ずしも実際の線幅を最小化するとは限りません。

騒音特性と性能仕様。

狭線幅レーザーのノイズ特性と性能測定基準はどちらも些細な問題です。さまざまな測定技術については、「線幅」の項目で説明しますが、特に数 kHz 以下の線幅は要求が厳しくなります。さらに、線幅の値のみを考慮しても、すべてのノイズ特性を把握できるわけではありません。相対的な強度ノイズ情報だけでなく、完全な位相ノイズ スペクトルも与える必要があります。線幅の値は、少なくとも測定時間、または長期の周波数ドリフトを考慮した他の情報と組み合わせる必要があります。

もちろん、アプリケーションが異なれば要件も異なり、異なる実際の状況ではどのレベルのノイズ性能指数を考慮する必要があるかが異なります。

狭線幅レーザーの応用

1. 非常に重要な用途は、圧力または温度の光ファイバーセンサー、さまざまな干渉計センシング、ガスの検出と追跡のためのさまざまな吸収 LIDAR の使用、風速測定のためのドップラー LIDAR の使用などのセンシング分野です。一部の光ファイバーセンサーは数 kHz のレーザー線幅を必要としますが、LIDAT 測定では 100kHz の線幅で十分です。

2. 光周波数測定には非常に狭いソース線幅が必要であり、これを達成するには安定化技術が必要です。

3. 光ファイバー通信システムは、線幅に関する要件が比較的緩く、主に送信機または検出または測定に使用されます。