ファイバレーザとは
リリース:ボコスオプトエレクトロニクス  時間:2024-07-20  ブラウズ:47
定義:利得媒質としてドープファイバを使用するレーザ、またはそのレーザ共振器が主にファイバからなるレーザ。
光ファイバレーザとは、一般に、半導体利得媒体(半導体光増幅器)と光ファイバ共振器を用いたレーザの一部が光ファイバレーザ(または半導体光レーザ)と呼ばれることもあるが、利得媒体として光ファイバを用いたレーザを指す。さらに、いくつかの他のタイプのレーザ(例えば、光ファイバ結合半導体ダイオード)と光ファイバ増幅器も光ファイバレーザ(または光ファイバレーザシステム)と呼ばれる。
ほとんどの場合、利得媒体は、エルビウム(Er 3+)、イッテルビウム(Yb 3+)、トリウム(Tm 3+)、またはプラセオジム(Pr 3+)などの希土類イオンドープ光ファイバであり、ポンプには1つ以上の光ファイバ結合レーザダイオードが必要である。ファイバレーザの利得媒質は固体体体レーザと似ているが、導波路効果と小さな有効モード面積はレーザの異なる特性をもたらす.例えば、それらは通常、高いレーザ利得と高い共振器損失を有する。エントリファイバレーザとボディレーザを参照してください。

ファイバレーザ共振器
光ファイバを用いてレーザ共振器を得るためには、複数の反射器を用いて線形共振器を形成したり、光ファイバリングレーザを作成したりすることができる。線形光レーザ共振器には、異なるタイプの反射器を使用できます。

1.実験室の設置において、図1に示すように、垂直分割光ファイバの端部に通常のダイクロイックミラーを使用することができる。しかし、このソリューションは大規模な生産には使用できず、耐久性もありません。
2.光ファイバレーザの出力結合器として使用するのに十分な裸光ファイバ端のフレネル反射。【図2】一例を示す図である。
3.誘電体コーティングはまた、通常は蒸発によって光ファイバ端部に直接堆積することができる。このコーティングは広い範囲で高い反射率を実現することができる。
4.商業製品では、通常、光ファイバBragg格子が使用され、これは直接、ドープ光ファイバによって、または非ドープ光ファイバを能動光ファイバに結合することによって製造することができる。図3は、2つのファイバ格子を含む分散型Bragg反射レーザ(DBRレーザ)を示している。ドープファイバには格子があり、その間に位相シフトがある分散帰還レーザもある。
5.光ファイバから放出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て戻ってくると、より良い電力処理を実現することができる。ビーム面積が大きいため、ミラーが受信する光の強度は大幅に低下します。しかし、わずかなずれは顕著な反射損失をもたらし、ファイバ端面の追加のフレネル反射はフィルタ効果をもたらす。後者は角度をなすスプリット光ファイバ端を用いることで抑制できるが、これにより波長依存損失が導入される。
6.光ファイバ結合器及び受動光ファイバを用いて光ループ反射器を形成することもできる。
ほとんどの光レーザは、1つまたは複数の光ファイバ結合半導体レーザによってポンプされる。ポンプ光は直接光ファイバコアに結合されるか、高出力でポンプクラッドに結合される(二重クラッドファイバを参照)。これは以下で詳細に説明する。
ファイバレーザにはいろいろな種類がありますが、その中のいくつかを紹介します。
高出力ファイバレーザ
最初は、ファイバレーザは数mWの出力電力しか達成できませんでした。現在、高出力ファイバレーザは数百ワットの出力電力を実現することができ、場合によっては単一モードファイバから数千ワットの出力を実現することもできる。これはアスペクト比と導波路効果を増加させることによって実現され、熱光学効果を回避した。
詳細については、エントリ「高出力ファイバレーザと増幅器」を参照してください。
アップコンバートファイバレーザ
ファイバレーザは特にアップコンバージョンレーザを実現するのに適しており、アップコンバージョンレーザは通常、比較的頻繁ではないレーザ遷移で動作し、非常に高いポンプ強度が必要である。ファイバレーザでは、長距離にわたって高いポンプ強度を保持することができるので、利得が非常に低い遷移では、利得効率を容易に実現することができる。
ほとんどの場合、シリカファイバはアップコンバート機構が電子エネルギー準位の長い中間状態寿命を必要とするため、アップコンバートファイバレーザには適していないが、高フォノンエネルギーのため、シリカファイバのこの寿命は通常小さい(多光子遷移を参照)。したがって、低フォノンエネルギーを有するZBLAN(フッ化ジルコニウム酸塩)などの重金属フッ化物繊維が一般的に使用される。
最も一般的なアップコンバートファイバレーザは、青色光用のトリウムドープファイバ、赤色光、オレンジ光、緑色光、または青色光用のプラセオジムドープレーザ(イッテルビウムを含む場合がある)、および三極管用のエルビウムドープレーザである。
狭線幅ファイバレーザ
ファイバレーザは、数千ヘルツまたは1 kHz未満の非常に狭い線幅で単一縦モード(単一周波数レーザ、単一モード動作を参照)でのみ動作することができます。長期にわたって安定した単一周波数動作のために、そして温度安定性を考慮した後に追加の要求はなく、レーザキャビティは、原則としてキャビティが長いほど、位相雑音が低いほど、線幅が狭いにもかかわらず、非常に短い(例えば5 cm)べきである。光ファイバ端部には、キャビティモードを選択するための狭帯域光ファイバBragg格子(分散型Bragg反射器レーザ、DBR光ファイバレーザを参照)が含まれている。出力電力は通常、数ミリワットから数十ミリワットの範囲であり、出力電力が1 Wまでの単一周波数ファイバレーザも利用可能である。
1つの極端な形態は、レーザキャビティ全体がファイバBragg格子内に含まれ、両者の間に位相シフトが存在する分散帰還レーザ(DFBレーザ)である。ここでのキャビティは比較的短く、出力電力と線幅を犠牲にしているが、単周波数動作は非常に安定している。
光ファイバ増幅器を使用して、より高い電力にさらに増幅することもできます。
変調Qファイバレーザ
ファイバレーザは、数十ナノ秒から数百ナノ秒の長さのパルスを生成するために、様々な能動的または受動的Qスイッチを使用することができる。大モード面積ファイバは数ミリジュールのパルスエネルギーを実現することができ、極端な場合、飽和エネルギー(大モード面積ファイバであっても)と損傷閾値(短いパルスに対してより顕著)の制限により、数十ミリジュールに達することができる。すべての光ファイバデバイス(自由空間光学デバイスを除く)のパルスエネルギーは、一般的に大モード面積光ファイバと有効なQスイッチを実現することができないため、限られている。
レーザ利得が高いため、ファイバレーザにおけるQスイッチはバルクレーザとは非常に性質が異なり、より複雑である。時間領域には通常複数のスパイクがあり、共振器往復時間よりも長いQパルスを生成することもできる。
モード同期ファイバレーザは、ピコ秒またはフェムト秒パルスを生成するために、より複雑な共振器(超短ファイバレーザ)を使用する。ここで、レーザ共振器は能動変調器またはいくつかの飽和吸収体を含む。飽和吸収体は、非線形偏光回転効果または非線形光ファイバループミラーを用いて実現することができる。例えば、非線形ループミラーは、図8の「8ワードレーザ」に使用することができ、左側に1つの主共振器と1つの非線形ファイバリングを含み、増幅、整形、および安定往復超短パルスのために使用することができる。特に高調波モード同期では、光学フィルタとして使用されるサブキャビティなどの追加の装置が必要である。
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