ディスクレーザー
図1. 光ポンピングディスクレーザー（アクティブミラー）。

ディスクレーザーまたはアクティブミラー（図1）は、ダイオード励起固体レーザーの一種で、薄い活性増幅媒体層の両側にヒートシンクとレーザー出力部が設けられた構造を特徴としています。[ 1 ]ディスクレーザーは、その名称にもかかわらず、必ずしも円形である必要はなく、他の形状も試されてきました。ディスクの厚さはレーザービームの直径よりもかなり小さくなっています。当初、このレーザー共振器構成は提案され[ 2 ]、薄片半導体レーザーで実験的に実現されました。[ 3 ]

ディスクレーザーのコンセプトでは、その大きな面積により 非常に高い平均出力とピーク出力[ 4 ]が可能になり、活性材料上の出力密度が中程度になります。

アクティブミラーとディスクレーザー

図2. 1992年にSPIE会議で発表されたディスクレーザー（アクティブミラー）構成。[ 5 ]

当初、ディスクレーザーはアクティブミラーと呼ばれていました。これは、ディスクレーザーの利得媒体が本質的に反射係数が1より大きい光学ミラーであるためです。アクティブミラーは、薄いディスク状の二重透過型光増幅器です。

最初のアクティブミラーは、レーザーエネルギー研究所 （米国）で開発されました。[ 6 ] スケーラブルなダイオード端面励起ディスクNd:YAGレーザーは、[ 7 ]タルボットアクティブミラー構成で提案されました。[ 8 ]

その後、このコンセプトは様々な研究グループで開発され、特にシュトゥットガルト大学（ドイツ）[ 9 ]ではYbドープガラスの研究が進められました。

ディスクレーザーでは、ヒートシンクは透明である必要がないため、デバイスの横方向サイズが大きくても非常に高い効率を実現できます（図1）。サイズが大きくなることで、設計に大きな変更を加えることなく、出力を数キロワットまで拡張することが可能になります。 [ 10 ] L {\displaystyle ~L~}

ディスクレーザーのパワースケーリングの限界

図3.ディスクレーザーにおけるASEの反射光線

このようなレーザーの出力は、利用可能なポンプ出力だけでなく、過熱、増幅された自然放出光 （ASE）、およびバックグラウンドの往復損失によっても制限されます。[ 11 ] 過熱を避けるためには、出力スケーリングとともにサイズを大きくする必要があります。次に、 ASEの指数関数的増加による大きな損失を避けるために、横方向の往復利得は 大きくできません。これには利得を減らす必要があります。この利得は、出力カプラの反射率と厚さによって決まります。往復利得は、往復損失よりも大きくする必要があります （この差によって、各往復でレーザーキャビティから出力される光エネルギーが決まります）。与えられた往復損失で利得を減らすには、厚さを増やす必要があります。すると、ある臨界サイズでは、ディスクが厚くなりすぎて、過熱せずにしきい値以上にポンピングできなくなります。  L {\displaystyle ~L~} あなた＝GL {\displaystyle ~u=GL~}G {\displaystyle G~} h{\displaystyle ~h} グラム＝2Gh {\displaystyle ~g=2Gh~}β {\displaystyle \beta ~}グラム−β {\displaystyle g\!-\!\beta ~}G {\displaystyle G~} β {\displaystyle ~\beta ~}h{\displaystyle h}

出力スケーリングのいくつかの特徴は、単純なモデルから明らかになる。 媒質の飽和強度[11] [12]、 周波数比、熱負荷パラメータとする。重要 なパラメータは ディスクレーザーの最大出力を決定する。対応する最適な厚さは、で推定できる 。対応する最適なサイズは、 で推定できる。おおよそ、往復損失は必要な電力の3乗根に反比例するはずである。 Q {\displaystyle Q~}η0=ωs/ωp  {\displaystyle \eta _{0}=\omega _{\rm {s}}/\omega _{\rm {p}}~~}R {\displaystyle R~}Pk=η0R2Qβ3 {\displaystyle P_{\rm {k}}=\eta _{0}{\frac {R^{2}}{Q\beta ^{3}}}~}h∼RQβ{\displaystyle h\sim {\frac {R}{Q\beta }}}L∼RQβ2{\displaystyle L\sim {\frac {R}{Q\beta ^{2}}}}

もう一つの課題は、ポンプエネルギーの効率的な供給である。往復利得が低い場合、ポンプの単一パス吸収も低くなる。したがって、効率的な動作にはポンプエネルギーの再利用が必要となる。（図2の左側にある追加のミラーMを参照。）出力スケーリングのためには、媒質は光学的に薄く、ポンプエネルギーを複数パス供給する必要がある。ポンプエネルギーの横方向供給 [ 12 ] も解決策の一つとなり得る。

自己結像によるディスクレーザーのスケーリング

薄型ディスクダイオード励起固体レーザーは、タルボット共振器における横方向モード同期によってスケーリングすることができる。[ 8 ]タルボットスケーリングの注目すべき特徴は、自己結像によって位相同期された要素レーザーアレイのフレネル数が 次のように与えられることである。[ 7 ]F{\displaystyle F}N−{\displaystyle N-}

F=(N−1)2.{\displaystyle F=(N-1)^{2}.}

位相同期エミッターの数の制限は、アクティブミラー全体にランダムに分布する位相歪みによるものである。 [ 13 ]N{\displaystyle N}λ/10÷λ/100{\displaystyle \lambda /10\div \lambda /100}

アンチASEキャップ

図4. カバーなしのディスクレーザーと非ドープキャップ付きディスクレーザー。[ 14 ]

ASE の影響を減らすため、ディスクレーザーの表面に非ドープ材料でできたアンチ ASE キャップを設けることが提案されている。[ 15 ] [ 16 ] このようなキャップは、活性層から自然放出された光子を逃がし、キャビティ内での共振を防ぐ。光線は、覆われていないディスクのように跳ね返ることはできない (図 3)。これにより、ディスクレーザーで達成可能な最大出力を 1 桁増加させることができる。[ 14 ]どちらの場合も、ディスクのエッジからの ASE の後方反射を抑制する必要がある。これは、図 4 で緑色で示されている吸収層で行うことができる。最大出力に近い動作時には、エネルギーのかなりの部分が ASE になるので、図には示されていないが、吸収層にもヒートシンクを取り付ける必要がある。

図5. 単一ディスクレーザーの出力が達成可能な損失の上限。破線はカバーされていないディスクの場合、太い実線はドープされていないキャップの場合を表す。[ 14 ]β{\displaystyle \beta }Ps{\displaystyle P_{\rm {s}}}

レーザー材料の重要なパラメータ

与えられた損失 で達成可能な最大パワーの推定値はに非常に敏感である。所望の出力パワーが達成可能なの上限の推定値はロバストである。この推定値は 図 5 に正規化されたパワーに対してプロットされている。ここで、はレーザーの出力パワー、 は パワーの次元スケールであり、重要なパラメータ と関連している 。太い破線はカバーされていないディスクの推定値を表す。太い実線はドープされていないキャップ付きのディスクの推定値を表す。細い実線は係数なしの定性的な推定値を表す。円は達成されたパワーの実験データとそれに対応する背景損失 の推定値に対応する。今後のすべての実験、数値シミュレーション、および推定値では、カバーされていないディスクの場合は図 5 の赤い破線より下、ASE 防止キャップ付きのディスクの場合は青い曲線より下の の値が与えられると予想される。これはディスクレーザー のスケーリング則として解釈できる。[ 17 ]β{\displaystyle \beta }β{\displaystyle \beta }β{\displaystyle \beta }Ps{\displaystyle P_{\rm {s}}}s=Ps/Pd{\displaystyle s=P_{\rm {s}}/P_{\rm {d}}}Ps{\displaystyle P_{\rm {s}}}Pd=R2/Q{\displaystyle P_{\rm {d}}=R^{2}/Q}Pk=Pd/β3{\displaystyle P_{\rm {k}}=P_{\rm {d}}/\beta ^{3}}β=s1/3{\displaystyle \beta =s^{1/3}}β{\displaystyle \beta }(β,s){\displaystyle (\beta ,s)}

前述の曲線付近では、ディスクレーザーの効率は低く、ポンピングパワーの大部分はASEに送られ、デバイスのエッジで吸収されます。このような場合、利用可能なポンプエネルギーを複数のディスクに分配することで、レーザーの性能を大幅に向上させることができます。実際、複数の素子を同一の共振器内に組み合わせて使用​​したレーザーがいくつか報告されています。

パルス動作

同様のスケーリング則がパルス動作にも当てはまる。準連続波モードでは、最大平均パワーは、ポンプのフィルファクタと、ポンプの持続時間と繰り返し率の積で飽和強度をスケーリングすることによって推定できる。持続時間の短いパルスでは、より詳細な分析が必要である。 [ 18 ] 繰り返し率が中程度の値（たとえば、1 Hz より高い）の場合、出力パルスの最大エネルギーは、背景損失の 3 乗にほぼ反比例する。つまり、このキャップが背景損失に寄与しないという条件下では、非ドープキャップは平均出力パワーをさらに 1 桁増加させることができる。繰り返し率が低い場合（および単一パルスモードの場合）、および十分なポンプ パワーがある場合、エネルギーの一般的な制限はないが、必要なパルス エネルギーが増加すると、デバイスの必要サイズが急速に大きくなり、エネルギーの実際的な制限が決まる。ディスク内の信号の背景内部損失のレベルに依存して、単一の能動素子からの光パルスで数ジュールから数千ジュールまで抽出できると推定されている。[ 19 ]β{\displaystyle \beta }

参照

参考文献

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