モードロックレーザー-モードロック技術に基づく超短パルスレーザーを放射

モードロックレーザーは、アクティブまたはパッシブモードロック技術を使用して周期的な超短パルスシーケンスを放射するレーザーです。 超短パルスには特定の帯域幅があるため、短パルス（特にサブピコ秒領域）に使用されるモードロックレーザーには、大きなゲイン帯域幅のゲイン媒体が必要です。 他の望ましい特性は、非線形性と分散が高すぎないこと、および（特にパッシブモードロックの場合）Qスイッチの不安定性を回避するのに十分な高さのレーザー断面積です。

モードロックレーザーの種類

次のタイプのレーザーは、モードロックに特に魅力的です。

・1970年代には、アルゴンイオンレーザーで励起された色素レーザーが日常的に使用されていました。レーザー色素はゲイン帯域幅が広いため、非常に短いパルスが可能です。ただし、固体レーザーが同等以上の性能を提供できるようになると、色素レーザーは主に固体レーザーに置き換えられました。

・イオンドープ結晶またはガラスに基づく固体バルクレーザーは、今日のモードロックレーザーの主なタイプです。それらは、非常に短いパルス、非常に高いパルスエネルギーおよび／または平均出力電力、高いまたは低いパルス繰り返し率、および高いパルス品質を可能にする。いくつかの記録的な成果を以下に示します。

・ファイバーレーザーは、モードロックして非常に短いパルスを生成することもでき、設定が安価になる可能性があります。高出力電力は通常、直接達成されるのではなく、ファイバー増幅器を使用することによって達成されます。超高速ファイバーレーザーによって達成されるパルス幅は、通常、ゲイン帯域幅ではなく、非線形性または高次分散によって制限されます。

・半導体レーザーは、主に光ファイバー通信のアプリケーションに使用されるモードロックダイオードレーザーとして構築できます。最近、光ポンピングされたパッシブモードロックVECSELは、特に比較的高い出力、数ギガヘルツのパルス繰り返し率、および可能な短いパルス持続時間（数ピコ秒）と組み合わせると、他の固体レーザーに匹敵する可能性があることが実証されました。以下）が必要です。

これらのゲイン媒体の特性は非常に異なるため、パルス持続時間、中心波長、パルス繰り返し率などの特定の範囲のパラメータ内でモードロックレーザーを動作させるために適切な媒体を選択する必要があります。



中出力および低出力の典型的なフェムト秒モード同期ソリッドステートバルクレーザーの共振器セットアップ。利得媒体は、結晶またはガラスで作ることができます。プリズムペアは、分散補償、パッシブモードロックおよびSESAMに使用されます。

設計上の問題

モードロックレーザーの設計は、特にパルスパラメータの極端なパラメータ領域を対象とする場合、通常は非常に重要なタスクです。分散やいくつかの非線形効果など、多くの効果の間には複雑な相互作用があります。1つの設計パラメーターを変更すると、通常、他のいくつかのパラメーターに影響します。 （たとえば、ソリトンモード同期レーザーでは、レーザー結晶のモードサイズやキャビティ長を変更すると、非線形性と分散のバランスが変化し、パルス幅が変化します。）したがって、極端に短いパルスを実現することは困難です。安定した動作、同時に高周波。電力効率。利得媒質の特定のパラメータについて、達成可能なパルスパラメータに特定の制限がある場合があります。比較的些細な問題は、ゲイン帯域幅が小さいゲイン媒体が非常に短いパルスの生成に適していないことです。もちろん、たとえば、モードロック固体レーザーが高いパルス繰り返し率と高い平均出力パワーを組み合わせることが困難であり、サブを生成するという追加の要件が見出されることは、より驚くべきことです。ピコ秒パルスは、このトレードオフをさらに厳しくします。この制限は、Qスイッチモードロックやその他のタイプの不安定性、パルス整形の詳細、可飽和吸収体の制限などの影響と問題の組み合わせに起因し、ビーム品質など、一見完全に無関係な問題の影響も受けます。利用可能なポンプソース。

これらの理由から、効率的な製品開発には、関連するすべての物理的詳細の確かな定量的理解と典型的な制限を伴う深い経験に基づく非常に体系的なレーザー開発プロセスが不可欠です。重要な点は、実験的研究を行う前に、詳細なレーザー設計を開発し、多くの問題を定量的にチェックすることです。そのような準備がなければ、一歩一歩簡単に解決できない問題の組み合わせに陥る可能性があります。

いくつかの特別な成果

パッシブモードロック固体レーザーのいくつかの特別な成果は次のとおりです。

・10fs未満の持続時間の最短パルス（より短い周期のパルス）は、通常、Ti：Sapphireレーザーのカーレンズモードロックによって達成されます。

・サブピコ秒パルスの高い平均出力は200Wを超え、パッシブモード同期薄型ディスクレーザーのパルスから、ピコ秒パルスで80μJでも10μJを超えるパルスエネルギーが得られています。

・パッシブモードロックミニチュアバルクレーザーとハーモニックモードロックファイバーレーザーの使用により、非常に高いパルス繰り返し率が達成されました。小さなレーザーダイオードを使用すると、1THzを超える高い値に達することもあります。

・さまざまなレーザー（通常は高いパルス繰り返し率）は、量子制限されたタイミングジッタ性能に達しているため、多くの高品質の電子発振器よりも優れています。



マイクロEr：Yb：50GHzのパルス繰り返し率のガラスレーザーセットアップ。キャビティ長はわずか3mmです（出力カプラーからSESAMまで）。変更された設定では、100GHzも許可されます。

より高いパルスエネルギーとキャビティダンピング

モードロックレーザーは、キャビティエンプターにドープされたレーザー共振器を介して、より低いパルス繰り返し率で数マイクロジュール（たとえば、100kHzまたは1MHz）などのより高いパルスエネルギーを生成できます。基本的な原理は、共振空洞内で低損失の高エネルギーパルスを共振空洞内に形成し、次に空洞ダンパーを介してエネルギーを結合することです。

モードロックレーザーの典型的なアプリケーション

次のリストは、モードロックレーザーのさまざまなアプリケーションのいくつかの印象を示しています。

・短いパルスにより、集積回路での電気光学サンプリング測定や、半導体デバイス（SESAMなど）でのポンププローブ測定などの時間分解測定が可能になります。

・さまざまな理由から、さまざまなイメージング方法、レーザー顕微鏡法、およびレーザー分光法は、短いパルスから大きな恩恵を受けてきました。たとえば、フェムト秒レーザーの高いピークパワーは、2光子吸収蛍光顕微鏡で使用でき、3次元すべてで非常に高い空間分解能を実現します。

・光学計測の分野では、モード同期レーザーは、距離測定や周波数測定（タイミング）などの分野で使用できます。周波数測定のコンテキストでは、モードロックレーザーの周波数コムが特に重要な役割を果たします。

・モードロックレーザーの高いピークパワーは、平均パワーが中程度のままであっても、多くの非線形周波数変換プロセスを大幅に促進します。

・大きな可能性を秘めている他の分野は、マイクロ波、ミリ波およびテラヘルツ光学、およびピコ秒オプトエレクトロニクスです。

モードロックレーザーは、より高い平均出力、特により高いパルスエネルギーとピーク出力を得るために、超高速増幅器と組み合わせて使用されることがよくあります。この増幅システムは、さまざまな追加アプリケーションに対応できます。

・高パルス強度は、レーザー微細加工、表面処理、穴あけ、3Dレーザープロトタイピングなどのレーザー材料加工のアプリケーションに使用されます。

・医療分野では、モードロックレーザーは、レーザーメスや眼科（視力矯正など）などの材料処理に再び使用できます。たとえば、特定の皮膚治療で使用される光化学的効果もあります。

・高出力レーザープロジェクションディスプレイは、モードロックレーザーと周波数変換ステージで実現できます。超短パルスを使用すると、通常、後者の方がはるかに簡単です。

・高強度の物理学は、非常に高いパルスエネルギーとピークパワーを備えた増幅システムに依存しているため、レーザー放射を小さなスポットに集束させると、非常に高い光強度を得ることができます。

MENHIR PHOTONICS1550nmフェムト秒レーザー

Menhir Photonicsは、波長1.5μmの超高速モードロックレーザーを提供しています。これらのレーザーは、200 fs未満のパルス幅と、250 MHz〜2.5GHzの基本的なパルス繰り返し周波数を提供します。これらのシステムは密閉され、統合されています。超低ノイズ性能と高い信頼性および堅牢性を実現するように設計されており、実験室の設定から過酷な環境まであらゆる場所で使用できるようになっています。



MPB通信パルスファイバーレーザー

MPBCのパルスファイバーレーザーシリーズは、医学および生物医学研究、半導体検査、マイクロマシニング、計測学、多光子分光法など、さまざまな市場アプリケーションに対応するように設計されています。



高出力モードロックフェムト秒ファイバーレーザーは、920nmおよび1190nmのスペクトル範囲で動作します。これは、従来、超高速Ti：サファイアレーザーと光パラメトリック発振器でカバーされていました。それらは、200 fsのパルス持続時間、80 MHzの繰り返し周波数、および1Wの平均電力で変換制限パルスに近い直線偏光を生成します。コンパクトでメンテナンスフリーのレーザーはファイバーベースで、非常に優れたビームプロファイルを備えており、光学的位置合わせを必要としません。



MPBCのモードロックファイバーレーザーは、1 µmまたは1.5 µmの範囲で動作し、ピコ秒範囲のパルスを提供します。これは、光増幅器および第二高調波発生のシードソースとして使用できます。オールファイバー設計に基づいたMLFLは、信頼性が高く（10,000時間）、メンテナンスが不要です。環境的に安定した直線偏光出力とターンキーセルフスタート動作を保証するために、すべてのコンポーネントは偏光維持ファイバーで作られています。

MPBCのナノ秒パルスファイバーレーザーは、ユーザーが選択可能な繰り返し率を提供し、全ファイバーレーザーキャビティに基づいており、優れたビーム品質と壁挿入効率を提供します。グラフィカルユーザーインターフェイスを使用すると、ユーザーは必要に応じて繰り返し率を変更して、アプリケーションをさらに改善できます。これらのコンパクトな空冷レーザーは、アプリケーションに最適です。