これら 4 つの技術はすべてレーザー共振の出力特性に直接影響するため、一緒に説明します。
1. モード選択:
モード選択は、実際には周波数選択です。ほとんどのレーザーは、より大きな出力エネルギーを得るためにより長い共振空洞を使用しており、これによりレーザー出力がマルチモードになっています。しかし、高次モードと比較して、基本横モード（TEM00モード）は、高輝度、小さな発散角、均一な放射状光強度分布、および単一の発振周波数という特性があり、空間的および時間的干渉が最も優れています。したがって、単一の基本横モードレーザーは理想的なコヒーレント光源であり、レーザー干渉計、スペクトル分析、レーザー加工などのアプリケーションにとって非常に重要です。これらの条件を満たすには、マルチモードレーザーのほとんどの共振周波数の動作を抑制するためにレーザー発振モードを制限する対策を採用し、モード選択技術を使用してシングルモードのシングル周波数レーザー出力を取得する必要があります。
モード選択は 2 つの方法に分かれています。1 つはレーザー縦モードの選択で、もう 1 つはレーザー横モードの選択です。前者はレーザーの出力周波数に大きな影響を与え、レーザーのコヒーレンスを大幅に向上させることができます。後者は主にレーザー出力の光強度の均一性に影響を与え、レーザーの輝度を向上させます。
縦モード選択: 光線の単色性とコヒーレンス長を改善するには、レーザーを単一の縦モードで動作させる必要があります。ただし、多くのレーザーでは、同時に複数の縦モードが振動していることがよくあります。したがって、単一の縦モード レーザーを設計するには、周波数選択方法を使用する必要があります。一般的な方法には、ショート キャビティ法、ファブリ プルオフ エタロン法、3 反射器法などがあります。
2) 横モード選択: レーザー発振の条件は、利得係数が損失係数よりも大きくなければならないことです。損失は、横モードの順序に関連する回折損失と、発振モードに関係のないその他の損失に分けられます。基本横モード選択の本質は、TEM00 モードを発振条件に到達させ、高次横モードの発振を抑制することです。したがって、横モードを選択する目的は、各高次モードの透過損失を制御するだけで達成できます。一般的に言えば、基本横モードより1つ高いオーダーのTEM01モードとTEM10モードの発振を抑制できれば、他の高次モードの発振を抑制できます。一般的な方法には、開口法、集束開口法と凹凸キャビティ、Qスイッチを使用したモード選択などがあります。キャビティ内望遠鏡法、
2. 周波数安定化：
レーザーがモード選択によって単一周波数発振を獲得した後も、内部および外部条件の変化により、共振周波数は依然として全線形幅内で移動します。この現象は「周波数ドリフト」と呼ばれます。ドリフトの存在により、レーザー周波数の安定性の問題が発生します。周波数安定化の目的は、これらの制御可能な要因を制御して発振周波数への干渉を最小限に抑え、レーザー周波数の安定性を向上させることです。
周波数安定性には、周波数安定性と周波数再現性の 2 つの側面があります。周波数安定性とは、レーザーの周波数ドリフトと、準連続動作時間中の発振周波数の比率を指します。比率が小さいほど、周波数安定性は高くなります。周波数再現性は、レーザーが異なる環境で使用されたときの周波数の相対的な変化です。周波数安定化方法は、パッシブ型とアクティブ型に分けられます。具体的な周波数安定化方法は、ラムサグ法と飽和吸収法です。
3. Qスイッチング:
一般的に、固体パルスレーザーが出力する光パルスは、単一の滑らかなパルスではなく、マイクロ秒レベルで強度が異なる小さなスパイクパルスのシーケンスです。この光パルスシーケンスは、数百マイクロ秒、場合によっては数十分の1秒しか持続せず、そのピークパワーは数十キロワットに過ぎず、レーザーレーダーやレーザー測距などの実際のアプリケーションのニーズを満たすにはほど遠いものです。このため、一部の人々はQスイッチの概念を提案し、レーザーパルスの出力性能を数桁向上させ、パルス幅をナノ秒レベルに圧縮し、ピークパワーをギガワットにまで高めました。
Q はレーザー共振空洞の品質係数を指します。具体的な式は Q=2n*共振空洞に蓄えられたエネルギー/振動サイクルあたりのエネルギー損失です。
Qスイッチ原理：特定の方法を使用して、ポンピングの開始時に共振空洞を高損失、低Q値の状態にします。このとき、レーザー発振のしきい値は非常に高く、粒子密度反転数が非常に高いレベルに蓄積されても発振は発生しません。粒子反転数がピーク値に達すると、空洞のQ値が突然増加し、レーザー媒体のゲインがしきい値を大幅に超えて、非常に速く発振が発生します。このとき、準安定状態に蓄えられた粒子のエネルギーは、光子のエネルギーに急速に変換されます。光子は非常に高い速度で増加し、レーザーはピークパワーが高く幅が狭いレーザーパルスを出力できます。
共振空洞の損失には、反射損失、吸収損失、回折損失、散乱損失、透過損失が含まれるため、さまざまな方法を使用してさまざまな種類の損失を制御し、さまざまな Q スイッチング技術を形成します。現在、一般的な Q スイッチング技術は、音響光学 Q スイッチング、電気光学 Q スイッチング、および色素 Q スイッチングです。
4. モードロック:
Q スイッチングはレーザーパルス幅を圧縮し、マイクロ秒オーダーのパルス幅とギガワットオーダーのピークパワーを持つレーザーパルスを得ることができます。モード同期技術は、レーザーをさらに特殊な方法で変調し、レーザー内で振動する各縦モードの位相を固定して、各モードをコヒーレントに重ね合わせて超短パルスを得る技術です。モード同期技術を使用すると、フェムト秒オーダーのパルス幅と T ワットオーダーを超えるピークパワーを持つ超短レーザーパルスを得ることができます。モード同期技術は、レーザーエネルギーを時間的に高度に集中させ、現在、高ピークパワーレーザーを得るための最も先進的な技術です。
モードロックの原理：一般に、不均一に広がったレーザーは常に複数の縦モードを生成します。各モードの周波数と初期位相の間には明確な関係がないため、モードは互いにインコヒーレントであり、複数の縦モードによって出力される光強度は、各縦モードのインコヒーレントな加算です。出力光強度は、時間の経過とともに不規則に変動します。モードロックにより、共振空洞内に存在する可能性のある複数の縦モードが同期して振動し、各振動モードの周波数間隔が等しく保たれ、初期位相が一定に保たれるため、レーザーは時間的に規則的で等しい間隔で短いパルスシーケンスを出力します。
Mode-locking technology is divided into active mode locking and passive mode locking. Active mode locking: insert a modulator with a modulation frequency v=c/2L into the resonance to modulate the amplitude and phase of the laser output to achieve synchronous vibration of each longitudinal mode. Passive mode locking: insert a dye box with saturated absorption characteristics into the laser cavity. The absorption coefficient of the dye box with saturable absorption characteristics will decrease with the increase of light intensity. In the laser, as the optical pump excites the working material, each longitudinal mode will occur randomly, and the light field will fluctuate in intensity due to their superposition. When some longitudinal modes are coherently enhanced by chance, parts with stronger light intensity appear, while other parts are weaker. These stronger parts are less absorbed by the dye and have little loss. The weaker parts are absorbed more by the dye and become weaker. As a result of the light field passing through the dye many times, the strong and weak parts are clearly distinguished, and eventually these longitudinal mode coherently enhanced parts are selected in the form of narrow pulses. Passive mode locking has certain requirements for the optical properties of the dye box: the absorption line of the dye must be very close to the laser wavelength; the line width of the absorption line must be >= レーザー線幅。緩和時間は、パルスが 1 往復するのにかかる時間よりも短くする必要があります。
