自然放射増幅光

自然放射増幅光（ASE）とは

自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission, ASE）は、自然放出によって生じた光が、利得媒質中で誘導放出によって増幅される現象です。スーパールミネッセンスとも呼ばれます。この現象は、レーザーの原理と密接に関連しており、レーザー発振の妨げになる場合もあれば、特定の用途で有用な光源となることもあります。

ASEの発生原理

ASEは、レーザー利得媒質が外部からのエネルギー供給（ポンピング）によって反転分布状態になった際に発生します。反転分布とは、基底状態よりも励起状態にある原子の数が多い状態を指します。この状態で、自然放出によって放出された光子が、他の励起状態にある原子を刺激し、誘導放出を誘発します。この連鎖反応によって、光は指数関数的に増幅されます。

レーザー発振は、このASEを共振器内で何度も反射させることで、光を特定の波長に集中させ、コヒーレントな光を生成するプロセスです。ASEのフィードバックがレーザー発振の閾値に達すると、レーザーが動作します。しかし、ASEは本質的にコヒーレントではないため、過剰なASEはレーザーの性能を低下させる要因となります。特に、利得が大きい、またはサイズが大きいレーザーでは、ASEが深刻な問題となることがあります。この場合、インコヒーレントなASEを取り除く、または吸収する機構が必要になります。もし対策を講じなければ、利得媒質の励起エネルギーが、コヒーレントな放射を生成することなく、インコヒーレントなASEによって消費されてしまいます。

ASEの応用

ASEは、必ずしも問題ばかりではありません。共振器によるフィードバックがない場合、レーザー発振は起こらず、利得媒質の帯域幅に起因して、帯域の広い光が発生します。この特性を利用して、ASEは広帯域光源として利用されています。この種の光源は、時間コヒーレンスが低く、スペックル雑音が少ないという特徴を持ちます。一方で、空間コヒーレンスは高くすることができ、放射の焦点を絞ることができます。これらの特性から、光ファイバーシステムや光干渉断層像などの応用分野で利用されています。スーパールミネッセントダイオードやドープトファイバー増幅器などが、この原理を利用した代表的な光源です。

各種レーザーシステムにおけるASEの問題

有機色素レーザー

パルス色素レーザーでは、ASEのスペクトル幅が非常に広く（40-50 nm程度）、狭い線幅の調整可能なレーザーとして設計・運用する上で大きな課題となります。そのため、レーザー共振器の設計最適化など、様々な研究によってASEの抑制が試みられています。

ディスクレーザー

ディスクレーザーでは、高出力化のためには往復利得を下げる必要があり、背景ロスに対する要求が厳しくなります。このため、従来のディスクレーザーは制約条件から大きく外れた状態で動作しているという指摘があります。しかし、既存のレーザー材料を変更することなく、高出力化が可能であるとする研究もあり、議論が続いています。

自己修復性色素添加ポリマー

ワシントン州立大学の研究者たちは、自己修復機能を持つ色素添加ポリマーの開発において、ASEをプローブ光として利用しました。この研究では、光照射によって劣化するポリマーが、自己修復する様子が観察されました。

短パルス高出力レーザーシステム

ピーク出力が数テラワットからペタワットに及ぶ高出力CPAレーザーシステムでは、ASEが時間的出力コントラストを制限する要因となります。レーザーパルスを増幅後に圧縮すると、ASEの一部が圧縮パルスの前に準連続的なペデスタルを形成してしまいます。これにより、焦点における出力が1022 W/cm2にも達すると、実験が大きく妨害され、レーザーと標的との間の相互作用が困難になることがあります。

まとめ

自然放射増幅光（ASE）は、レーザーの動作において重要な役割を果たす現象です。レーザー発振の妨げになる場合もあれば、広帯域光源として利用されることもあります。ASEの特性を理解し、適切に制御することは、レーザー技術の発展に不可欠です。

関連項目

メーザー
ディスクレーザー

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