これら 4 つの技術はすべてレーザー共振空洞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、および単一発振周波数という特性を持っています。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ためには、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を制限する対策を講じ、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得る必要があります。
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、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。
1)縦モード選択: ビーム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 プロイ エタロン法、3 ミラー法などがあります。
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線放出損失と、発振モードに依存しないその他の損失に分けられます。基本横モードを選択することの本質は、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を達成するには、各高次モードの線放出損失を制御するだけで済みます。一般的に言えば、基本横モードより1つ高い順序である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、集束開口法とキャビティ内望遠鏡法、凹凸キャビティ、Qスイッチモード選択の使用などがあります。
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達成した後も、内部および外部条件の変化により、共振周波数は線形幅全体内で移動します。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、連続動作時間内のレーザーの周波数ドリフトと発振周波数の比率を指します。比率が小さいほど、周波数安定性が高くなります。周波数再現とは、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、パッシブとアクティブの 2 種類に分けられます。具体的な周波数安定化方法には、ラムサグ法と飽和吸収法があります。
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、マイクロ秒の範囲で強度と幅が変化する小さなピー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、さらにはミリ秒間持続し、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=2T"共振空洞に蓄積されたエネルギー/振動サイクルあたりのエネルギー損失" です。
このとき、レーザー発振の原理はQスイッチングです。ある方法を用いて、ポンピング開始時に共振空洞を高損失、低Q値の状態にします。発振の閾値は非常に高く、粒子密度反転数が非常に高いレベルまで蓄積し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値が急激に増加し、レーザー媒体の利得が閾値を大幅に超え、発振が非常に速く発生します。このとき、準安定状態に蓄えられた粒子のエネルギーは急速に光子のエネルギーに変換され、光子は非常に高い速度で増加します。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、放射損失、散乱損失、伝送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さまざまな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、各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、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間隔の短いパルスシーケンスを出力します。
モード同期技術は、アクティブモード同期とパッシブモード同期に分けられます。アクティブモード同期：変調周波数v=c / 2Lの変調器を共振空洞に挿入して、レーザー出力の振幅と位相を変調し、各縦モードの同期振動を実現します。パッシブモード同期：飽和吸収特性を持つ染料ボックスをレーザー空洞に挿入します。飽和吸収特性を持つ染料ボックスの吸収係数は、光強度の増加とともに低下します。レーザーでは、光ポンプが作業材料を励起すると、各縦モードがランダムに発生し、それらの重ね合わせにより光場の強度が変動します。偶然にいくつかの縦モードがコヒーレントに強化されると、光強度が強い部分が現れ、他の部分は弱くなります。これらの強い部分は染料による吸収が少なく、損失は大きくありません。弱い部分は染料による吸収が多くなり、弱くなります。光場が染料を何度も通過する結果、強い部分と弱い部分が明確に区別され、最終的にこれらの縦モードのコヒーレント増強部分が狭いパルスの形で選択されます。パッシブモードロックには、染料ボックスの光学特性に関する特定の要件があります。染料の吸収線はレーザー波長に非常に近い必要があります。吸収線の線幅はレーザー線幅以上である必要があります。緩和時間は、パルスがキャビティ内を往復するのにかかる時間よりも短くなければなりません。
