ファイバーレーザーの概要

1. コアの定義と構造:

  · ファイバーレーザーは、ドープされた光ファイバー自体が利得媒体として機能するレーザーとして定義され、レーザーが単にファイバーに結合されているシステムとは区別されます。

  · コアコンポーネントは、ドープされたファイバー (一般的に Yb、Er、Tm イオンを含む) と統合された光共振器です。

2. コアテクノロジーと利点:

  · 励起方法: レーザー ダイオードまたはその他のファイバー レーザーによって光励起されます。

  · 主要コンポーネント: ポンプ光を効率的に結合するためにダブルクラッド ファイバーが使用されています。

  · 共振器の実装: エンド ミラー、ファイバー ループ ミラー、ファイバー ブラッグ グレーティング (FBG) などのさまざまな方法。

  · 主な利点: 光ファイバーの導波路特性の恩恵を受け、高いビーム品質、高出力能力 (CW/パルス)、高効率、優れた熱管理、およびコンパクトな設計を提供します。

3. 動作波長とアプリケーション:

  · 一次スペクトル範囲: 近赤外 (NIR) から中赤外 (MIR) 領域をカバーします。

  · 幅広い用途: 光ファイバー通信、レーザー医学 (手術、治療など)、LiDAR、レーザー測距、高出力レーザーのシードソースとして機能し、高出力連続波材料加工市場 (切断、溶接、積層造形など) を支配しています。

2. レーザーの主な出力特性

コヒーレント増幅プロセスにより、レーザー光に、さまざまな用途への適合性を決定する相互に関連する固有の特性が与えられます。

1. 波長:

  · 利得媒質のエネルギー準位遷移によって決定されます。

  · 既存のレーザーは、軟 X 線に特化したシステムを含め、紫外 (UV) から遠赤外 (FIR) までの広いスペクトルをカバーしています。

  · 周波数変換技術による波長の柔軟性により、短波長 (リソグラフィ) から長波長 (分光) アプリケーションまでをカバーできます。

2. ゲイン帯域幅:

  · 利得媒体が増幅を提供する波長 (周波数) の範囲。

  · 大きく異なります: ガスレーザー (例: HeNe) の帯域幅は非常に狭い (~GHz) のに対し、固体レーザー (例: Ti:サファイア) は非常に広い帯域幅 (>100 THz) を持っています。

  · 実際に使用可能な帯域幅は、システム損失とキャビティ設計にも影響されます。

3. 単色性 (スペクトル帯域幅):

  · レーザー出力のスペクトル純度または線幅を指します。

  · 利得帯域幅と共振器のモード選択特性によって決定されます。

  · 縦モード間隔は Δν = c/(2nL) です。利得帯域幅内で複数の縦モードが発振する可能性があります。

  · 単一縦モード動作 (高い単色性) の達成: キャビティを短くする (Δν を増加させる)、またはキャビティ内に周波数選択素子 (エタロンなど) を挿入します。

  · リモート センシング、分光法、周波数標準などのアプリケーションに不可欠です。

4. 空間的および時間的プロファイル:

  · 空間プロファイル (横モード): レーザーキャビティによって決定されます。 TEM??基本モード (ガウス ビーム) は理想的であり、最小の発散と最高の集束性を提供します。

  · 時間的プロファイル:

    ・連続波（CW）：安定した出力電力。

    · パルス動作: 出力はパルス幅 (μs、ns、ps、fs) と繰り返し率 (Hz) によって特徴付けられるパルス列です。高いピーク電力を必要とするアプリケーションに不可欠です。

5. コリメーション (低発散):

  · レーザー ビームは指向性が高く、発散が非常に低く、特に TEM??モード。

  · この高度なコリメーションにより、長距離伝送 (例: 月測距) が可能になり、ビームを回折限界のスポットに集中させることができ、顕微鏡、微細加工、非線形光学、リソグラフィー用に非常に高い出力密度を生成できます。

6.出力電力:

  · 平均パワー: CW レーザーに対して直接与えられます。パルスレーザーの場合は、(パルスエネルギー × 繰り返し率) となります。

  · ピークパワー: パルスレーザーにとって非常に重要で、(パルスエネルギー/パルス持続時間)に等しい。平均パワーが中程度であっても、超短パルスは非常に高いピークパワー (GW レベルなど) を生み出す可能性があります。

  · レーザーの主な強みは、高出力/エネルギーを非常に小さな空間領域 (小さなスポット) および/または短時間 (パルス) に集中させ、並外れた強度または放射をもたらすことです。

7. 一貫性:

  · 誘導放出光子のクローン化された性質に由来し、固定位相関係を持っています。

  · 時間的コヒーレンス: 単色性 (線幅) に直接関係します。線幅が狭いほど、コヒーレンス長が長くなります。干渉法やホログラフィーには必須です。

  · 空間コヒーレンス: ビームの波面全体の異なる点間の位相関係を指します。高品質レーザーは高い空間コヒーレンスを示します。

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