レーザーにおける線幅の定義

レーザー、特に単一周波数レーザーの線幅は、スペクトルの幅 (通常は半値全幅、FWHM) を指します。より正確には、周波数、波数、または波長で表される放射電界パワー スペクトル密度の幅です。レーザーの線幅は時間的コヒーレンスと密接に関係しており、コヒーレンス時間とコヒーレンス長によって特徴付けられます。位相が無制限にシフトすると、位相ノイズが線幅に寄与します。これはフリーオシレーターの場合に当てはまります。 (非常に小さな位相間隔に限定された位相変動は、ゼロの線幅といくらかのノイズ側波帯を生成します。)共振空洞長のシフトも線幅に寄与し、線幅を測定時間に依存させます。これは、線幅だけでは、あるいは望ましいスペクトル形状 (線形) でさえも、レーザー スペクトルに関する完全な情報を提供できないことを示しています。

II.レーザー線幅測定

レーザー線幅の測定には多くの手法を使用できます。

1. 線幅が比較的大きい場合 (複数のモードが複数のレーザー共振空洞で発振する場合、>10 GHz)、回折格子を使用する従来の分光計を使用して測定できます。しかし、この方法では高周波分解能を得ることが困難です。

2. 別の方法は、周波数弁別器を使用して周波数変動を強度変動に変換することです。弁別器には、不平衡干渉計または高精度基準キャビティを使用できます。この測定方法にも分解能には限界があります。

3. 単一周波数レーザーは通常、セルフヘテロダイン方式を使用します。これは、オフセットと遅延後のレーザー出力とそれ自体の周波数間のビートを記録します。

4. 数百ヘルツの線幅の場合、従来のセルフヘテロダイン技術は大きな遅延長を必要とするため実用的ではありません。サイクリック ファイバー ループと内蔵ファイバー アンプを使用して、この長さを延長できます。

5. 非常に高い分解能は、基準レーザーのノイズがテストレーザーのノイズよりもはるかに低い場合、またはそれらの性能仕様が類似している場合、2 つの独立したレーザーのビートを記録することによって達成できます。フェーズロックループまたは数学的記録に基づく瞬間的な周波数差の計算を使用できます。この方法は非常にシンプルで安定していますが、別のレーザー (テスト レーザーの周波数付近で動作する) が必要です。測定された線幅に広いスペクトル範囲が必要な場合、周波数コムが非常に便利です。

光周波数測定では、多くの場合、ある時点で特定の周波数 (または時間) 基準が必要になります。線幅の狭いレーザーの場合、十分に正確な基準を提供するには単一の基準ビームだけが必要です。セルフヘテロダイン技術は、テストセットアップ自体に十分に長い時間遅延を適用することで周波数基準を取得し、理想的には初期ビームとそれ自体の遅延ビーム間の時間的コヒーレンスを回避します。したがって、通常は長い光ファイバーが使用されます。ただし、安定した変動と音響効果により、長いファイバーでは追加の位相ノイズが発生します。

1/f 周波数ノイズが存在する場合、線幅だけでは位相誤差を完全に説明できません。より良いアプローチは、位相または瞬間的な周波数変動のフーリエ スペクトルを測定し、パワー スペクトル密度を使用して特性を評価することです。ノイズ性能指標を参照できます。 1/f ノイズ（または他の低周波ノイズのノイズ スペクトル）は、測定上の問題を引き起こす可能性があります。

Ⅲ．レーザー線幅の最小化

レーザーの線幅はレーザーの種類に直接関係します。レーザー設計を最適化し、外部ノイズの影響を抑制することで、この問題を最小限に抑えることができます。最初のステップは、量子ノイズと古典ノイズのどちらが支配的であるかを判断することです。これは後続の測定に影響を与えるためです。

空洞内パワーが高く、共鳴空洞損失が低く、共鳴空洞の往復時間が長い場合、レーザーの量子ノイズ（主に自然放出ノイズ）の影響は小さくなります。古典的なノイズは機械的変動によって発生する可能性がありますが、コンパクトで短いレーザー共振器を使用することで軽減できます。ただし、長さの変動は、より短い共振器でより強い影響を与える場合があります。適切な機械設計により、レーザー共振器と外部放射との間の結合を低減し、熱ドリフトの影響も最小限に抑えることができます。ポンプパワーの変動によって引き起こされる熱変動も利得媒体内に存在します。ノイズ性能を向上させるには、他のアクティブな安定化デバイスが必要ですが、最初は実用的なパッシブな方法が望ましいです。単一周波数固体レーザーおよびファイバーレーザーの線幅は 1 ～ 2 Hz の範囲にあり、場合によっては 1 kHz 未満になることもあります。アクティブ安定化方式では、1 kHz 未満の線幅を実現できます。レーザー ダイオードの線幅は通常 MHz 範囲ですが、たとえば外部空洞ダイオード レーザー、特に光フィードバックと高精度基準空洞を備えたレーザーでは kHz まで減らすことができます。

IV.狭い線幅から生じる問題

場合によっては、レーザー光源からの非常に狭いビーム幅は必要ありません。

1. コヒーレンス長が長い場合、コヒーレンス効果 (弱い寄生反射による) によりビーム形状が歪む可能性があります。 1. レーザー プロジェクション ディスプレイでは、スペックル効果が表面品質に影響を及ぼす可能性があります。

2. 光がアクティブまたはパッシブ光ファイバー内を伝播する場合、線幅が狭いと誘導ブリルアン散乱により問題が発生する可能性があります。このような場合、例えば電流変調を使用してレーザーダイオードまたは光変調器の過渡周波数を急速にディザリングすることにより、線幅を増やす必要があります。線幅は、光学遷移 (レーザー遷移や一部の吸収特性など) の幅を記述するためにも使用されます。静止した単一原子またはイオンの遷移では、線幅は上部エネルギー状態の寿命 (より正確には、上部エネルギー状態と下部エネルギー状態の間の寿命) に関係しており、固有線幅と呼ばれます。原子やイオンの運動 (ドップラー広がりを参照) または相互作用により、ガス内の圧力広がりや固体媒体内のフォノン相互作用など、線幅が広がることがあります。異なる原子またはイオンが異なる影響を受ける場合、不均一な広がりが発生する可能性があります。