ファイバーレーザー技術：主な原理と用途

1.はじめに

利得媒質を利用したドープファイバーレーザーの研究は、1963年にスニッツァーがネオジムイオン（Nd³⁺)をガラスマトリックスにドープした。

1970年代以降、ファイバー前処理技術や、ファイバーレーザーのポンプ構造および共振器構造の探求において大きな進歩があった。

1980年代半ば、ドープファイバー（Er³⁺英国サウサンプトン大学）は、ファイバーレーザーの実用性を大幅に向上させ、非常に有望な応用の可能性を示した。

従来の固体レーザーやガスレーザーと比較して、ファイバーレーザーは、高いビーム品質、小型、軽量、メンテナンスフリー、空冷、操作の容易さ、低い運用コスト、産業環境での長期使用など、多くのユニークな利点があります。

また、高い加工精度、高速性、長寿命、省エネルギー、インテリジェンスと自動化のための優れた柔軟性を提供する。そのため、多くの分野で従来のYAGレーザーやCO2レーザーに取って代わって使用されている。

ファイバーレーザーの出力波長範囲は400-3400nmで、光データストレージ、光通信、センサー技術、分光学、医療用途など様々な分野に応用できる。

現在、ドープファイバーレーザー、ファイバーブラッググレーティングレーザー、チューナブル狭線幅ファイバーレーザー、高出力ダブルクラッドファイバーレーザーなどの急速な発展が見られる。

2.ファイバーレーザーの基本構造と動作原理

2.1 ファイバーレーザーの基本構造

ファイバー・レーザーは主に、光子を発生させる利得媒質、利得媒質内での光子フィードバックと共振増幅を可能にする光共振共振器、レーザー媒質を励起するポンプ光源の3つの部分から構成されている。

ファイバー・レーザーの基本構造を図2.1に示す。

利得媒体は、希土類イオンでドープされたファイバーコアである。ドープされたファイバーは、反射率を選択した2枚のミラーの間に配置される。ポンプ光はファイバーレーザーの左ミラーからファイバーに結合され、コリメート光学系とフィルターを通してレーザー光を出力する。

理論的には、ポンプ光源と利得ファイバーがファイバーレーザーの本質的な構成要素であり、共振共振器は不可欠ではない。共振共振器のモード選択と利得媒質の長さは、ファイバー・レーザーでは必要ありません。なぜなら、ファイバー自体を非常に長くすることができ、それによって非常に高いシングルパス利得を得ることができ、ファイバーの導波路効果がモード選択の役割を果たすことができるからです。

しかし、実用的なアプリケーションでは、一般的に短いファイバーを使用することが好まれるため、ほとんどの場合、共振空洞を使用してフィードバックを導入する。

ファイバーレーザーの導波路構造により、強力な励起に対応でき、高い利得を持つ（シングルパス利得は最大50dB）。ガラスマトリックス中の希土類元素は、広い線幅とチューニングレンジを持つ（Yb³⁺ は125nm、Tm³⁺ >300nm）。

具体的な特徴は以下の通り：

1) ファイバーは導波路媒体として機能し、高い結合効率、小さなコア径、ファイバー内の高出力密度形成の容易さを提供する。現在の光ファイバー通信システムとの接続が容易である。得られるレーザーは、高い変換効率、低いレーザーしきい値、優れたビーム品質、狭い線幅を持つ。

2) 繊維の「表面積／体積」比が高いため、熱放散が良い。環境温度は-20℃から70℃まで可能で、大型の水冷システムは必要なく、単純な空冷で済む。

3）ファイバーレーザーは、強い衝撃、高い振動、高温、粉塵の多い条件などの過酷な条件下でも動作可能です。

4) ファイバーの優れた柔軟性により、レーザーは非常に小型で柔軟な設計が可能であり、コンパクトな形状で体積が小さいため、システム統合が容易であり、高い性能対価格比を提供する。

5）ファイバーレーザーは、非常に多くの調整可能なパラメータと選択性を持っているため、広い調整範囲、優れた単色性、高い安定性をカバーすることができます。ポンプ寿命が長く、平均無故障動作時間は10kh、あるいは100khを超える。

2.2 ファイバーレーザーの動作原理

現在開発されているファイバーレーザーは、主に希土類元素をドープしたファイバーを利得媒質として使用している。

ファイバーレーザーの動作原理は、ポンプ光が前面反射鏡（または前面回折格子）を通してドープファイバーに入射し、光子エネルギーを吸収した希土類イオンがエネルギー準位遷移を起こし、「粒子数反転」を達成することである。

反転した粒子は緩和後、放射という形で基底状態に戻り、同時に光子という形でエネルギーを放出し、後部反射鏡（リアグレーティング）を通してレーザーを出力する。

希土類元素をドープしたファイバーアンプは、適切なフィードバック機構によってファイバーレーザーを形成できるため、ファイバーレーザーの開発を促進した。

ポンプ光がファイバー内の希土類イオンを通過すると、希土類イオンに吸収される。このとき、光子エネルギーを吸収した希土類原子は、より高い発振エネルギー準位に励起され、それによってイオン数の反転が達成される。

逆イオン番号は、放射線の形で高エネルギー準位から基底状態に遷移し、エネルギーを放出し、誘導放射線が完成する。励起状態から基底状態への放射モードには、自発放射と誘導放射の2種類がある。

その中でも、誘導放射は同じ周波数と位相の放射であり、非常にコヒーレントなレーザーを形成することができる。レーザー発光は、刺激放射が自然放射をはるかに上回る物理的プロセスである。

このプロセスを継続するためには、イオン数の反転が形成されなければならない。したがって、このプロセスに関与するエネルギー準位は2以上でなければならず、エネルギーを供給するポンプ源も必要である。

ファイバー・レーザーは実際には波長変換器と呼ぶことができ、ポンプ波長光を必要な発振波長光に変換する。

例えば、エルビウム添加ファイバー・レーザーは、980nmの光を励起し、1550nmのレーザーを出力する。レーザーの出力は連続またはパルスです。

ファイバー・レーザーには、3準位と4準位という2つの発振状態がある。3準位と4準位のレーザー原理を図2.2に示す。

ポンプ（短波長の高エネルギー光子）によって、電子は基底状態から高エネルギー状態E4に遷移する。⁴ またはE3³その後、上部レーザー準位E4に遷移する。³ またはE3² 非放射性遷移を通じて

電子がさらに上のレーザー準位から下のエネルギー準位に遷移するとき E4² またはE3¹その レーザー加工 が発生する。

3.光ファイバーレーザーの種類

光ファイバー・レーザーには様々な種類があり、表3.1に示すように様々なカテゴリに分けられます。以下のセクションでは、これらのレーザーのいくつかのタイプについて紹介します。

表3.1 光ファイバー・レーザーの分類

3.1 希土類ドープファイバーレーザー

希土類元素は15種類の元素を含み、周期表の5行目に位置している。

現在、活性繊維に組み込まれる希土類イオンとしては、Er³⁺Nd³⁺ープ³⁺Tm³⁺とYb³⁺.

近年、クラッド励起技術を利用したダブル・クラッド・ドープファイバーレーザーが出力を大幅に向上させ、レーザー分野のもう一つのホットスポットとなっている。

このタイプのファイバー構造は、図3.1に示すように、外側クラッド、内側クラッド、およびドープされたコアで構成される。

外側のクラッドの屈折率は内側のクラッドの屈折率よりも小さく、さらにファイバーコアの屈折率よりも小さいため、二重層導波路構造を形成する。

ドープダブルクラッドファイバーは、ファイバーレーザーを構成する重要なコンポーネントです。ファイバーレーザーの主な役割は以下の通りです：

1) ポンプ光のパワーをレーザーの作動媒質に変換する；

2）他のデバイスと協働してレーザー共振器を形成する。

その主な動作原理は、ポンプ光をファイバーの横方向または端面から入射させることである。外側のクラッドの屈折率はファイバーの内側のクラッドよりもはるかに低いため、内側のクラッドはマルチモードのポンプ光を伝送することができる。

内側クラッドの断面寸法はコアより大きい。従って、発生するレーザー波長に対して、内側クラッドと希土類ドープコアは完全なシングルモード導波路を形成し、外側クラッドとはポンプ光パワーを伝送するためのマルチモード導波路を形成する。

これにより、大出力のマルチモードポンプ光を内部クラッドに結合することができる。マルチモードポンプ光は、ファイバーに沿ってコアを横切る間に複数回吸収されます。コア内の希土類イオンの励起により、高出力のシグナルレーザー出力が生成される。

動作原理を図3.1に示す。

3.2 ファイバーブラッググレーティングレーザー

1990年代にUV書き込みファイバーブラッググレーティング技術が成熟してきたことで、ファイバーブラッググレーティングレーザー、主に分布ブラッグ反射（DBR）ファイバーグレーティングレーザーと分布帰還（DFB）ファイバーグレーティングレーザーへの注目が高まりました。

この2つの主な違いは、DFBファイバー・レーザーは、光フィードバックと波長選択を実現するために1つのグレーティングのみを使用することで、より優れた安定性を提供し、Erドープファイバーとグレーティング間の融合損失を回避する。

しかし、グレーティングはUVを用いてErドープファイバーに直接書き込むことができるが、DEBファイバーレーザーの実用的な製造は、ファイバーコア中のGe含有量が低く、光感度が低いため容易ではない。

これに対してDBRファイバー・レーザーは、Erドープ・ファイバーの両端にGeドープ・ファイバー・グレーティングを融着して共振共振器を形成することで、より簡単に作製できる。

DBRやDFBファイバーグレーティングレーザーは、共振キャビティが短いために励起光の吸収効率が低い、リングレーザーよりもスペクトル線が広い、モードホッピングがある、などの問題を抱えています。

これらの問題を解決するために、継続的な努力が続けられている。Er:Yb共添加ファイバを利得媒質として使用すること、共振器内励起方式を採用すること、発振器と電力増幅器を一体化することなどが改善案として提案されている。

3.3 超短パルスファイバーレーザー

超短パルスレーザーは、主に受動モード同期技術を利用した、ファイバーレーザーにおける現在ホットな研究テーマである。

固体レーザーと同様に、ファイバーレーザーはモードロッキングの原理に基づいて短パルスレーザー出力を生成します。ファイバー・レーザーが利得帯域幅内の多数の縦モードで動作する場合、各縦モードの位相が同期し、隣接する2つの縦モード間の位相差が一定になるとモード同期が達成されます。

共振器内を循環する単一パルスは、出力カップラーを通してエネルギーを出力する。ファイバーレーザーは、アクティブモード同期ファイバーレーザーとパッシブモード同期ファイバーレーザーに分けられます。

アクティブ・モード同期変調機能により、モード同期パルスのパルス幅は制限され、一般的にピコ秒オーダーとなる。パッシブ・モードロック・ファイバー・レーザーは、モード同期を実現するためにファイバーやその他の光学部品の非線形光学効果を利用します。

レーザーの構造はシンプルで、特定の条件下であれば変調成分なしで自己モード同期を実現できる。受動モード同期ファイバーレーザーを使えば、フェムト秒オーダーの超短パルスを出力できる。

超短パルスレーザーは超高速光源として利用され、様々な時間分解分光や励起技術を生み出してきた。超短パルス発生技術は、超高速光時分割多重（OTDM）を実現する鍵である。超短パルスファイバーレーザーは、材料、生物学、医学、化学、軍事など様々な分野で普及している。

4.将来の展望

レーザーはレーザー技術の核心であり、ファイバーレーザーの今後の発展方向は、さらなる高出力化、ビーム品質の向上、新しいレーザー波長の拡大、レーザーの波長可変範囲の拡大、レーザースペクトルの狭帯域化、超短パルス（ps、fsレベル）の高輝度レーザーの開発、全体的な小型化、実用化、インテリジェント化の研究など、ファイバーレーザーの性能をさらに向上させることである。

近年、開発は主に3つの側面に焦点を当てている：

(1) ファイバー・ブラッグ・グレーティングの性能を向上させ、ファイバー・レーザーへの応用を可能にする；

(2)パルス幅やスペクトル線幅が狭く、出力パワーが高く、チューニングレンジが広いファイバーレーザーなど；

(3) ファイバーレーザーをより実用的なものにする。

産業用途：ファイバーの最も注目すべき用途 産業用レーザー は材料加工である。ファイバーレーザーの出力は増加の一途をたどっており、工業用切断に大規模に使用され始めている。

ファイバーレーザーは、切断、加工、および金属と非金属の両方を扱うのに理想的です。 非金属材料.レーザー製品の校正、精密切断、レーザー彫刻に使用できる、 レーザー溶接精密穴あけ、レーザー検出、マイクロ曲げ、レーザー測定、その他の技術的側面。

通信アプリケーション：大容量通信に対する現在の要求を満たすため、ファイバーレーザーの応用は通信における新たな技術となっている。

将来の通信技術は、電気通信から光通信へと徐々に移行していくだろう。ファイバー・レーザーは、連続的なレーザー出力を発生させるだけでなく、ピコ秒（ps）あるいはフェムト秒（fs）の超短レーザー・パルスを発生させることもできる。

ファイバーレーザーは、閾値の低減、波長帯域の拡大、波長可変性において大きな進歩を遂げた。実用的な技術であるソリトン通信は、伝送距離数百万キロメートル、伝送速度20Gb/s、ビット誤り率10-13以下に達し、高速かつ高品質な信号伝送を実現する。

軍事用途ファイバーレーザーの継続的な出力向上により、軍事への応用はますます広がっている。

指向性エネルギー兵器の目的を達成するために、複数のファイバー・レーザーをコヒーレント・アレイ構造に組み合わせる。

アメリカの空軍研究所では、現在、軍事的な応用目標を達成するために、100kWのファイバーレーザーの研究が行われている。