ファイバーレーザーとは何ですか?

定義: 利得媒体としてドープされたファイバーを使用するレーザー、またはレーザー共振器の大部分がファイバーで構成されるレーザー。

ファイバーレーザーは通常、利得媒体としてファイバーを使用するレーザーを指しますが、半導体利得媒体（半導体光増幅器）やファイバー共振器を使用する一部のレーザーはファイバーレーザー（または半導体光レーザー）と呼ばれることもあります。さらに、他のタイプのレーザー (ファイバー結合半導体ダイオードなど) およびファイバー増幅器もファイバー レーザー (またはファイバー レーザー システム) と呼ばれます。

ほとんどの場合、利得媒体はエルビウム (Er3+)、イッテルビウム (Yb3+)、トリウム (Tm3+)、またはプラセオジム (Pr3+) などの希土類イオンがドープされたファイバーであり、1 つ以上のファイバー結合レーザー ダイオードが必要です。ポンピング用。ファイバーレーザーの利得媒質は固体バルクレーザーの利得媒質と似ていますが、導波路効果と有効モード面積が小さいため、異なる特性を持つレーザーが得られます。たとえば、それらは通常、高いレーザー利得と高い共振器空洞損失を持っています。ファイバーレーザーとバルクレーザーの項目を参照してください。

図1

ファイバーレーザー共振器

光ファイバーを使用してレーザー共振器を得るには、多数の反射器を使用して線形共振器を形成するか、ファイバーリングレーザーを作成します。線形光レーザー共振器では、さまざまなタイプの反射板を使用できます。

図2

1. 実験室の設定では、図 1 に示すように、垂直に劈開されたファイバーの端に通常のダイクロイック ミラーを使用できます。ただし、このソリューションは大規模生産には使用できず、耐久性もありません。

2. 裸のファイバーの端でのフレネル反射は、ファイバー レーザーの出力カプラーとして機能するのに十分です。図 2 に例を示します。

3. 誘電体コーティングは、通常は蒸着によってファイバ端に直接堆積することもできます。このようなコーティングは、広範囲にわたって高い反射率を達成できます。

4. 市販の製品では、通常、ファイバ ブラッグ グレーティングが使用されます。これは、ドープされたファイバから直接、またはドープされていないファイバをアクティブ ファイバに接続することによって作成できます。図 3 は、2 つのファイバー グレーティングを含む分布ブラッグ反射レーザー (DBR レーザー) を示しています。ドープされたファイバー内にグレーティングとその間の位相シフトを備えた分布フィードバックレーザーもあります。

5. ファイバーから放射された光がレンズによってコリメートされ、ダイクロイックミラーによって反射される場合、より優れたパワーハンドリングを達成できます。ミラーが受け取る光は、ビーム領域が大きくなるため、強度が大幅に低下します。ただし、わずかな位置ずれによって重大な反射損失が発生する可能性があり、ファイバ端面での追加のフレネル反射によりフィルタ効果が生じる可能性があります。後者は、角度を付けて劈開されたファイバ端を使用することで抑制できますが、これにより波長依存の損失が発生します。

6. ファイバカプラと受動ファイバを用いて光ループ反射器を構成することも可能です。

ほとんどの光学レーザーは、1 つまたは複数のファイバー結合半導体レーザーによって励起されます。ポンプ光はファイバ コアに直接結合されるか、または高出力でポンプ クラッドに結合されます (ダブル クラッド ファイバを参照)。これについては以下で詳しく説明します。

ファイバー レーザーには多くの種類があり、そのうちのいくつかを以下に説明します。

ファイバー レーザーには多くの種類があり、そのうちのいくつかを以下に説明します。

高出力ファイバーレーザー

当初、ファイバーレーザーは数ミリワットの出力しか達成できませんでした。現在、高出力ファイバー レーザーは、シングルモード ファイバーからは数百ワット、場合によっては数キロワットの出力を達成できます。これは、アスペクト比と導波管効果を増加させることで実現され、熱光学効果を回避します。

詳細については、「高出力ファイバーレーザーと増幅器」の項目を参照してください。

アップコンバージョンファイバーレーザー

ファイバーレーザーは、通常、比較的まれなレーザー遷移で動作し、非常に高いポンプ強度を必要とするアップコンバージョンレーザーの実現に特に適しています。ファイバーレーザーでは、長距離にわたって高いポンプ強度を維持できるため、非常に低い利得の遷移でも利得効率が容易に得られます。

ほとんどの場合、シリカ ファイバはアップコンバージョン ファイバ レーザーには適していません。アップコンバージョン メカニズムには、電子エネルギー レベルでの長い中間状態の寿命が必要ですが、シリカ ファイバではフォノン エネルギーが高いため、通常、中間状態の寿命は非常に短いからです (多光子遷移を参照)。したがって、フォノンエネルギーの低い ZBLAN (フッ化ジルコン酸塩) などの一部の重金属フッ化物ファイバーが通常使用されます。

最も一般的に使用されるアップコンバージョン ファイバー レーザーは、青色光用のトリウムドープ ファイバー、赤、オレンジ、緑色、または青色光用のプラセオジム ドープ レーザー (イッテルビウムを含む場合もあります)、および三極管用のエルビウム ドープ レーザーです。

狭線幅ファイバーレーザー

ファイバーレーザーは、線幅が数 kHz または 1 kHz 未満の非常に狭い、単一縦モード (単一周波数レーザー、シングルモード動作を参照) でのみ動作します。長期にわたって安定した単一周波数動作を実現するには、温度安定性を考慮した上で追加の要件がなければ、レーザーキャビティは短くする必要があります（たとえば、5 cm）。ただし、原理的には、キャビティが長いほど、位相ノイズが低くなり、幅が狭くなります。線幅。ファイバー端には、キャビティモードを選択するための狭帯域ファイバーブラッググレーティング (分布型ブラッグ反射レーザー、DBR ファイバーレーザーを参照) が含まれています。通常、出力は数ミリワットから数十ミリワットの範囲にあり、最大 1 W の出力を持つ単一周波数ファイバー レーザーも利用できます。

極端な形態は分布フィードバック レーザー (DFB レーザー) で、レーザー キャビティ全体が、間に位相シフトを備えたファイバー ブラッグ グレーティング内に含まれています。ここではキャビティが比較的短いため、出力パワーと線幅が犠牲になりますが、単一周波数動作は非常に安定しています。

ファイバ増幅器を使用して、さらに高出力まで増幅することもできます。

Qスイッチファイバーレーザー

ファイバーレーザーは、さまざまなアクティブまたはパッシブ Q スイッチを使用して、数十から数百ナノ秒の範囲の長さのパルスを生成できます。数ミリジュールのパルスエネルギーは、大きなモードエリアのファイバで達成でき、極端な場合には、飽和エネルギー（大きなモードエリアのファイバでも）と損傷閾値（パルスが短いほど顕著）によって制限され、数十ミリジュールに達する可能性があります。すべてのファイバーデバイス (自由空間光を除く) は、通常、大きなモードエリアのファイバーと効果的な Q スイッチングを実装できないため、パルスエネルギーが制限されています。

レーザー利得が高いため、ファイバーレーザーの Q スイッチングはバルクレーザーの Q スイッチングとは本質的に異なり、より複雑です。通常、時間領域には複数のスパイクがあり、共振器の往復時間よりも短い長さの Q スイッチ パルスを生成することも可能です。

モードロック ファイバー レーザーは、より複雑な共振器 (超短ファイバー レーザー) を使用して、ピコ秒またはフェムト秒のパルスを生成します。ここで、レーザー共振器にはアクティブ変調器またはいくつかの飽和吸収体が含まれています。飽和吸収体は、非線形偏光回転効果または非線形ファイバー ループ ミラーを使用することによって実現できます。非線形ループミラーは、たとえば、図8の「8の字レーザー」で使用できます。左側には、往復の超短パルスを増幅、整形、安定化するための主共振器と非線形ファイバーリングが含まれています。特に高調波モードロックでは、光フィルターとして使用されるサブキャビティなどの追加のデバイスが必要です。