モード同期

モード同期：超短パルスレーザーの技術

レーザーは、非常に純粋な光源として知られていますが、実際には単一の周波数ではなく、ある程度の周波数幅を持つ光を発します。この幅は、レーザー媒質の特性（利得帯域幅）によって決まります。例えば、ヘリウムネオンレーザーは約1.5GHz、チタンサファイアレーザーは約128THzの帯域幅を持ちます。

さらに、レーザー共振器も発振周波数を決定する重要な要素です。最も単純な共振器であるファブリ・ペロー共振器では、鏡の間で光が反射し、干渉によって定在波（縦モード）が形成されます。これらの縦モードは離散的な周波数を持つため、共振器内では特定の周波数の光のみが増幅され、発振します。モード間の周波数間隔Δνは、共振器長Lと光速cを用いて、Δν = c/(2L) で表されます。

共振器長30cmのレーザーでは、モード間隔は約0.5GHzとなり、HeNeレーザーの帯域幅内には最大3つ、Ti:サファイアレーザーの帯域幅内には約25万もの縦モードが存在することになります。複数のモードが発振する状態をマルチモード、一つのモードのみが発振する状態をシングルモードと呼びます。

モード同期と位相同期

通常のレーザーでは、これらのモードはそれぞれ独立に発振し、位相関係はランダムに変化します。しかし、モード同期（または位相同期）技術を用いると、全てのモードの位相を揃えることができます。これにより、モード間の干渉が強め合い、光の強いパルス列が発生します。パルス間隔は、光が共振器を1往復する時間τ = 2L/c と一致します。

パルス幅は、同期するモードの数に依存します。N個のモードが同期した場合、パルス幅Δtの下限は、Δt = 0.441/(NΔν) で近似できます。この式における0.441は、パルスの形状に依存する時間帯域幅積です。例えば、ガウス型パルスでは0.441、双曲線正割二乗関数形(sech²)パルスでは0.315となります。

この原理に基づき、広い帯域幅を持つTi:サファイアレーザーでは、フェムト秒オーダーの超短パルスを生成できます。

モード同期の手法

モード同期を実現する手法は大きく分けて能動モード同期と受動モード同期があります。

能動モード同期は、外部信号を用いて共振器内の光を変調することでモード同期を達成します。代表的な手法として、電気[光学]]変調器を用いた振幅変調]や[[周波数変調(FM)、そしてシンクロナスモード同期があります。AM方式では、変調器が「シャッター」として機能し、特定のタイミングで光を通過させることでパルスを形成します。FM方式では、光に周波数シフトを与え、特定の周波数の光のみを選択的に増幅することでパルスを生成します。シンクロナスモード同期は、レーザーの励起光源自体を変調することでパルスを生成する手法です。

受動モード同期は、外部信号を用いず、共振器内の光学素子を利用してモード同期を達成します。最も一般的な手法は、可飽和吸収体を利用する方法です。可飽和吸収体は、強い光は透過させ、弱い光は吸収する特性を持っています。これにより、強い光のパルスのみを選択的に増幅し、モード同期を実現します。他に、カーレンズモード同期(KLM)など非線形光学効果を利用した手法もあります。

ハイブリッドモード同期は、能動型と受動型の両方の技術を組み合わせることで、より安定したモード同期を実現する手法です。

モード同期レーザーの設計と応用

実際のモード同期レーザーの設計では、共振器の分散や非線形性を考慮する必要があります。分散が大きすぎると、広い帯域幅にわたってモードを同期することが難しくなり、短いパルスを得ることが困難になります。そのため、プリズムコンプレッサーや分散ミラーを用いて分散を制御することが重要です。

モード同期レーザーは、超高速現象の研究や、様々な産業分野で応用されています。例えば、

核融合
非線形光学
光学データストレージ
フェムト秒レーザーナノマシニング
2光子励起顕微鏡
屈折矯正手術
金属の表面黒化
フォトニックサンプリング
* レーザー発振器の同期

などがあります。

パルス幅が非常に短いフェムト秒レーザーでは、自己相関法などの間接的な測定手法が用いられます。

レーザー同期

レーザーの周波数は、様々な要因によってゆらぎます。そのため、レーザーの位相や周波数を外部から安定させる必要があります。この技術はレーザー同期と呼ばれ、ファブリ・ペロー共振器などを用いて誤差信号を生成し、レーザーの周波数を制御することで実現されます。

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