狭線幅レーザーの開発の歴史

今日に至るまでの狭線幅レーザーの開発において、レーザーフィードバック機構の進化はレーザー共振器構造の進化と同義です。以下に、狭線幅レーザー技術のさまざまな構成をレーザー共振器の進化の順序で紹介します。

シングルメインキャビティ構成

単一主共振器レーザーは、構造的に線形共振器とリング共振器に、また共振器の長さによって短共振器構造と長共振器構造に分類できます。短共振器レーザーは、大きな縦モード間隔を特徴としており、これは単一縦モード（SLM）動作を実現するのにより有利ですが、固有共振器の線幅が広く、ノイズの抑制が難しいという問題があります。長共振器構造は本質的に狭い線幅特性を示し、柔軟な構成を備えた多様な光学デバイスの統合を可能にします。ただし、縦モード間隔が小さすぎるため、SLM 動作を達成することが技術的な課題となっています。

レーザー主共振器の古典的な構成であるリニア共振器は、構造が単純で効率が高く、操作が容易であるなどの利点を誇ります。歴史的には、最初の真のレーザー ビームは FP 線形キャビティ構造を使用して生成されました。その後の科学技術の進歩に伴い、FP構造は半導体レーザー、ファイバーレーザー、固体レーザーなどに広く採用されるようになりました。

リングキャビティは古典的なリニアキャビティを改良したもので、定在波場を進行波に置き換えることでリニアキャビティの空間的ホールバーニングの欠点を克服し、光信号の周期的増幅を実現します。光ファイバーデバイスの開発により、柔軟な全ファイバー構造を備えたファイバーレーザーが大きな注目を集め、過去 20 年間で最も急速に成長したレーザーカテゴリーとなりました。

非平面リング発振器 (NPRO) レーザーは、特殊な進行波レーザー構成を表します。通常、このようなレーザーの主共振器はモノリシック結晶で構成され、単方向レーザー動作を実現するために結晶端面の反射と外部磁場によってレーザーの偏光状態を制御します。この設計は、レーザー共振器の熱負荷を大幅に軽減し、波長とパワーの優れた安定性を実現し、狭い線幅特性を備えています。

単一外部キャビティフィードバック構成

過度に短い共振器長や高い固有損失などの要因によって制約されるため、共振器内フィードバックに基づく F-P リニア共振器単共振器レーザー構成では、光子相互作用時間が制限され、利得媒質からの自然放出を排除することが困難になります。この問題に対処するために、研究者らは単一の外部共振器フィードバック構成を提案しました。外部キャビティは、光子の相互作用時間を延長し、フィルタリングされた光子を主キャビティに戻すように機能するため、レーザーの性能が最適化され、線幅が圧縮されます。リトロー構成やリットマン構成など、空間光学に基づいた初期の単純な外部共振器構造は、回折格子のスペクトル分散機能を利用して、精製されたレーザー信号をレーザー主共振器に再注入し、主共振器に周波数プルを加えて線幅圧縮を達成します。この単一外部共振器構造は、後にファイバー レーザーや半導体レーザーに拡張されました。

単一外部共振器フィードバック レーザー構成の技術的課題は、外部共振器と主共振器の間の位相整合にあります。研究によると、外部共振器フィードバック信号の空間位相は、レーザーのしきい値、周波数、および相対出力パワーを決定するために重要であり、レーザーの縦モードはフィードバック信号の強度と位相に非常に敏感であることが示されています。

DBR レーザーの構成

レーザー システムの安定性を高め、波長選択デバイスを主共振器構造に統合するために、DBR 構成が開発されました。 F-P 共振器に基づいて設計された DBR 共振器は、F-P 構造のミラーを周期的な受動ブラッグ構造に置き換えて光フィードバックを提供します。レーザー干渉モードに対するブラッグ構造の周期的櫛型フィルター効果により、DBR の主共振器は本質的にフィルター特性を備えています。ショートキャビティ構造によってもたらされる大きな縦モード間隔と組み合わせることで、SLM 動作が容易に実現されます。周期的ブラッグ構造は元々は波長選択のみを目的として設計されましたが、共振器構造の観点から見ると、フィードバック面の数が増加した単一共振器構造の進化でもあります。

DBR レーザーは利得媒体によって分類され、半導体レーザーとファイバー レーザーが含まれます。半導体レーザーには、半導体材料およびマイクロ・ナノ加工技術との製造互換性という点で当然の利点があります。二次エピタキシー、化学蒸着、ステップフォトリソグラフィー、ナノインプリンティング、電子ビームエッチング、イオンエッチングなどの多くの半導体製造プロセスは、半導体レーザーの研究と製造に直接適用できます。

DBR ファイバー レーザーは DBR 半導体レーザーよりも後に登場しましたが、主にファイバー導波路処理と高濃度マルチドーピング技術の開発によって制限を受けました。現在、一般的なファイバー導波路製造技術には、酸素欠陥位相マスキングやフェムト秒レーザー加工が含まれ、一方、高濃度ファイバードーピング技術には、修正化学気相成長法 (MCVD) や表面プラズマ化学気相成長法 (SCVD) が含まれます。

DFB レーザーの構成

ブラッグ回折格子に基づくもう 1 つの共振器構造は、DFB 構成です。 DFB レーザーの主共振器は、ブラッグ構造と活性領域を統合し、波長選択のために構造の中心に位相シフト領域を導入します。図3(b)に示すように、この構成は高度な集積度と構造の一体性を特徴とし、DBR構造における深刻な波長ドリフトやモードホッピングなどの問題を軽減し、現段階で最も安定した実用的なレーザ構成となっています。

DFB レーザーの技術的な課題は、回折格子構造の製造にあります。 DBR 半導体レーザーの回折格子の製造には、2 次エピタキシーと表面エッチングという 2 つの主な方法があります。再成長回折格子フィードバック (RGF)-DFB 半導体レーザーは、二次エピタキシーとフォトリソグラフィーを使用して、活性領域に一連の低屈折率回折格子を成長させます。この方法では、活性層構造が低損失で維持され、高 Q 共振器の製造が容易になります。表面回折格子 (SG)-DFB 半導体レーザーでは、活性領域の表面に回折格子層を直接エッチングします。このアプローチはより複雑で、活性領域の材料とドーピングイオンに応じた正確な調整が必要であり、より高い損失を示しますが、より強力な光閉じ込めとより高いモード抑制能力を提供します。

DBR ファイバー レーザーと同様に、DFB ファイバー レーザーはファイバー導波路処理と高濃度ドープ ファイバー技術の進歩に依存しています。 DBR ファイバー レーザーと比較して、DFB ファイバー レーザーは、希土類イオンの波長吸収特性により、グレーティングの製造において大きな課題を引き起こします。

複合フィードバック外部キャビティ

DFB や DBR などの短共振器の主共振器レーザーでは、共振器内の光子相互作用時間が制限されているため、深い線幅の圧縮が困難になります。線幅をさらに圧縮してノイズを抑制するために、このような短キャビティのメインキャビティ構成は、性能の最適化のために外部キャビティ構造と組み合わせられることがよくあります。一般的な外部キャビティ構造には、空間外部キャビティ、ファイバー外部キャビティ、および導波路外部キャビティが含まれます。光ファイバーデバイスと導波路構造が開発される前は、外部キャビティは主に、個別の光学コンポーネントと組み合わせられた空間光学で構成されていました。これらの中で、回折格子ベースの空間外部共振器フィードバック構造は主にリトロウ設計とリットマン設計を採用しており、通常はレーザー利得共振器、結合レンズ、回折格子で構成されます。回折格子はフィードバック要素として、波長調整、モード選択、線幅圧縮を可能にします。

さらに、空間外部共振器フィードバック構造には、F-P エタロン、音響光学/電気光学調整可能フィルター、干渉計などのさまざまな光学フィルター デバイスを組み込むことができます。これらのフィルタリングデバイスは本質的にモード選択機能を備えており、回折格子を置き換えることができます。特定の高 Q F-P エタロンは、スペクトル狭化と線幅圧縮において反射回折格子よりも優れた性能を発揮します。

光ファイバーデバイス技術の進歩に伴い、空間光学構造を高度に集積化された堅牢なファイバー導波路またはファイバーデバイスに置き換えることは、レーザーシステムの安定性を向上させるための効果的な戦略となります。ファイバの外部キャビティは、通常、ファイバ デバイスを接続して全ファイバ構造を形成することによって構築され、高度な統合、メンテナンスの容易さ、および干渉に対する強力な耐性を実現します。ファイバ外部キャビティ フィードバック構造には、単純なファイバ ループ フィードバック、または全ファイバ共振器、FBG、ファイバ F-P キャビティ、および WGM 共振器を使用できます。

一体型導波路外部共振器フィードバック構造を備えた狭線幅レーザーは、パッケージ サイズが小さく、性能がより安定しているため、広く注目を集めています。基本的に、導波管外部共振器フィードバックは、ファイバー外部共振器フィードバックと同じ技術原理に従いますが、半導体材料の多様性とマイクロナノ加工技術により、よりコンパクトで安定したレーザーシステムが可能になり、導波管外部共振器フィードバック狭線幅レーザーの実用性が高まります。一般的に使用される半導体レーザー材料には、Si、Si3N4、および III-V 化合物が含まれます。

光電子発振レーザーの構成

光電子発振レーザー構成は特別なフィードバック レーザー アーキテクチャであり、フィードバック信号は通常電気信号または同時光電子フィードバックです。レーザーに適用された最も初期の光電子フィードバック技術は、PDH 周波数安定化技術でした。これは、電気的な負のフィードバックを使用して共振器長を調整し、レーザー周波数を高 Q 共振器モードや冷原子吸収線などの基準スペクトルにロックします。負のフィードバック調整を通じて、レーザー共振器はレーザーの動作状態をリアルタイムで一致させることができ、周波数の不安定性を 10-¹7 のオーダーに低減します。ただし、電気フィードバックには、応答速度の遅さや大規模な回路を含む過度に複雑なサーボ システムなど、重大な制限があります。これらの要因により、レーザー システムの技術的難易度が高く、制御精度が厳しくなり、コストが高くなります。さらに、このシステムは基準光源に強く依存しているため、レーザー波長が特定の周波数点に厳密に制限され、実際の適用可能性がさらに制限されます。