共振器として使用される中空コアファイバー

レーザー共振器として使用される中空コア ファイバー (HCF) は、基本的に「キャビティ」と「導波路」を 1 つに統合します。光は石英ガラス内ではなく、空気または真空中で前後に振動します。以下では、その利点、対応するパフォーマンス データ、および境界条件を明確に説明します。

初め。 「中空コアファイバーを共振器として使用する」には 2 つの意味があることを明確にしてください。

1 つは、中空コア ファイバ自体がキャビティを形成することです。ミラー、ファイバ ブラッグ グレーティング、またはリング構造をファイバの両端に追加することによって、ファブリ ペロー (FP) キャビティまたはリング キャビティが形成され、ファイバはキャビティと利得/光ガイド媒体として同時に機能します。薄いガラスのクラッド壁自体が自然な FP 共振構造のように機能するため、反共振中空コア ファイバは本質的にキャビティ用途に適しています。

もう 1 つは、中空コア ファイバ キャビティを基準キャビティまたはフィードバック要素として使用する方法です。たとえば、自己注入ロック、周波数安定化、またはモード フィルタリングのために中空コア ファイバ FP キャビティのセクションをレーザーに接続します。

どちらの場合も重要な特徴を共有しています。それは、光学モードフィールドとガラス間の重なりが非常に低く、10-5 程度であり、非線形性、熱効果、損傷、吸収などのガラスの問題特性を効果的に回避します。この 1 つの要素が、以下のほぼすべての利点の基礎となっています。

2番。主な利点の項目別

1. 極めて低い非線形性 - 最も基本的な利点

反共振中空コアファイバのカー非線形係数は、モードフィールドがガラスとほとんど相互作用しないため、ソリッドコア石英ファイバのカー非線形係数よりも 3 ～ 4 桁低くなります。

これは、次の 3 つの利点に直接つながります。自己位相変調、四光波混合、または誘導散乱によって引き起こされるパルス歪みやスペクトルの広がりを発生させることなく、キャビティ内で高いパワー/エネルギー レベルを維持できます。高出力でも狭い線幅を維持できます。超短パルスは送信中に広がりがほとんどありません。 (たとえば、西安光学精密機械研究所は、16 MW を超えるピーク出力に耐える、赤外線中空コア ファイバーを介した 5 ～ 11 μm フェムト秒パルスの高忠実度伝送を実証しました。)

分散も大幅に減少し（1550 nm で約 2 ～ 5 ps/(nm・km)）、その結果、パルスがよりクリーンになり、モードロックキャビティでの分散管理が容易になります。

2. 高い損傷閾値と強力な電力処理能力

石英は薄いクラッド層にのみ存在するため、熱負荷と光損傷のリスクが最小限に抑えられます。キャビティ媒体が気体の場合、気体自体の損傷閾値は非常に高くなります。

これは、キャビティがどれだけの電力に耐えられるかを直接決定します。たとえば、サウサンプトン大学の研究者らは、キャビティの高い出力耐性と低損失に正確に依存して、自己注入ロックに中空コア ファイバ FP キャビティを使用して、-15 dB の強力な自己注入比を達成しました。

3. 極めて低い熱感度 - 周波数安定化と超安定キャビティの鍵

これは、ソリッドコアキャビティに対する中空コアキャビティの最も貴重な利点です。

光は熱光学係数が低い空気中を伝播するため、FP キャビティの温度感度は約 0.27 pm/°C まで低くなります。

測定された長期周波数安定性: 50 時間にわたるレーザー周波数変動は ±600 kHz 以内。 1 秒の分数周波数安定性は 4×10-13; 0.2 Hz のローレンツ線幅成分 - 市販の小型低ノイズ レーザーを 1 桁上回ります。

中空コアファイバーに標準ガラスの代わりに超低膨張 (ULE) ガラスを使用すると、熱感度をさらに 3 桁以上低減できます。

重要性は？超安定レーザーには、大規模な防振真空チャンバーや精密な温度制御はもはや必要ありません。代わりに、コンパクトな中空コアファイバーキャビティが、自由空間の超安定キャビティに匹敵する性能を達成できる可能性があります。

4. 低損失 + 超広誘導帯域幅 - 幅広い使用可能な波長範囲を実現

1550 nm での反共振中空コア ファイバの損失は 0.1 dB/km 以下 (0.091 dB/km、0.08 dB/km、2026 年長江光ファイバの報告では 0.032 dB/km) に低減され、固有の空洞損失が低く、高い特性のおかげでソリッドコア石英ファイバの理論的限界である 0.14 dB/km を下回っています。達成可能なフィネス。

反共振機構によって実現される導波帯域幅は約 1000 nm (フォトニックバンドギャップファイバーの一般的な数十ナノメートルよりもはるかに広い) に達することができ、マルチバンドの再利用が可能なキャビティを備えた紫外、可視、近赤外、中赤外の領域にわたる透過窓が可能になります。

5. 中空コアによりガス充填または真空ポンピングが可能になり、ゲイン媒体を自由に選択できます

C₂H₂、CO、H₂、CH₄、N₂O などのガスを中空コアに導入することができ、分子エネルギーレベルの遷移やラマンゲインによる直接レーザー生成が可能になります。波長は、希土類イオンの発光スペクトルに束縛されず、ガス分子自体によって決定されます。

この技術により、従来のドープファイバーでは到達できないスペクトル帯域（3.1 μm アセチレン）までレーザー動作が可能になります。

中空コア ファイバー レーザー (リニア キャビティ、連続出力 8.23 W) および 4.8 μm CO 中空コア ファイバー レーザーでは、バルク石英の吸収が最大 13,000 dB/m に達し、従来のファイバーが完全に使用できなくなりますが、中空コア ファイバーは機能し続けます。

調整可能なガス圧力により、分散、利得、線幅を調整できます。高圧ガス充填中空コアファイバーの刺激ブリルアン利得は、ソリッドコア石英ファイバーよりも約 6 倍高く、低しきい値のガスブリルアンレーザーや高感度センシングアプリケーションが可能になります。

6. 真空に近い光速度と低遅延

光は中空コアを通って中実コアファイバーよりも約 45% 速く伝播し、その結果、待ち時間が約 30% 短縮されます。これは、正確なキャビティ長、光周波数コム、および長キャビティ遅延構造を必要とするモードロックキャビティにとって特に有利です。

7. モード品質とエンジニアリングフォーム

シングルモードまたは少数モード動作は、制御可能なモードフィールド領域と優れたビーム品質（実験的 M² ≈ 1.15 ～ 1.18）で実現できます。リングキャビティでは、自然な一方向発振により空間的なホールバーニングが抑制され、モードが安定します。

全ファイバー構成により、コンパクトさ、電磁干渉耐性、および UV 放射耐性が実現します (中空コアファイバーは UV 範囲で最小限のソラリゼーションを示します)。ファイバーカプラ、フィルター、変調器と簡単に統合できるため、自由空間キャビティと比較してアライメントとメンテナンスが向上します。

最後。 HCF共振器の作り方

中空光ファイバーを共振空洞としてFBG、通常のシングルモード光ファイバー、その他のデバイスに接続する際の核心的な難しさは、一文で要約できます。「深刻なモードフィールドの不一致」、「直接接続すると内部の空孔が焼けて潰れてしまう」、「空気とガラスの界面での非常に高いフレネル反射」という 3 つの問題を同時に解決する必要があります。

直接接続 - 中空コア光ファイバと通常のソリッドコア光ファイバ/FBGSを直接溶接します。

現在、産業分野で最も広く使用されている方法です。重要なのは、溶融するかどうかではなく、放電エネルギーパラメータをトレードオフに正確に設定する必要があることです。つまり、中空コア内の微細構造/空孔が焼けることなく、溶接界面がしっかりと接合されていることを確認する必要があります。

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