モードロック – 日本語百科事典辞書

Mode-locking

その他の用法については、アーノルドの舌とInharmonicity § Mode-lockingを参照して
モード同期は、ピコ秒 (10 -12 秒) またはフェムト秒 (10 -15秒) のオーダーの非常に短い持続時間の光パルスを生成するようにレーザーを作成できる光学技術です。このように操作されるレーザーは、例えば現代の屈折矯正手術ではフェムト秒レーザーと呼ばれることがこの技術の基本は、レーザーの共振空洞の縦モード間に一定の位相関係を誘導することです。建設的干渉これらのモードの間では、レーザー光が一連のパルスとして生成される可能性がその場合、レーザーは「フェーズロック」または「モードロック」と呼ばれます。
コンテンツ
1 レーザーキャビティモード
2 モードロック理論
2.1 位相ロックとモードロックの原理。
3 モードロック方法
3.1 アクティブモードロック 3.2 パッシブモードロック 3.3 ハイブリッドモードロック 3.4 残留空洞場によるモードロック 3.5 フーリエドメインモードロック
4 実用的なモード同期レーザー
5 アプリケーション
6 レーザーキャビティのロック機構
6.1 エラー信号の生成
7 こちらもご覧ください
8 参考文献
9 参考文献
10 外部リンク

レーザーキャビティモード
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レーザーモード構造

最初の 30 モードをサポートする、モードロックされた完全反射キャビティ。上のプロットは、キャビティ内の最初の 8 つのモード (線) と、キャビティ内のさまざまな位置での全電界 (点) を示しています。下のプロットは、キャビティ内の全電界を示しています。
レーザー光はおそらく最も純粋な形の光ですが、単一の純粋な周波数または波長ではありません。すべてのレーザーは、自然な帯域幅または周波数範囲で光を生成します。レーザーの動作帯域幅は、主にレーザーを構成するゲイン媒体によって決まり、レーザーが動作する周波数範囲はゲイン帯域幅として知られています。たとえば、典型的なヘリウムネオンレーザーのゲイン帯域幅は約 1.5 GHz (中心波長 633 nm で約 0.002 nmの波長範囲) ですが、チタンドープサファイア ( Ti:sapphire ) 固体レーザーのゲイン帯域幅は約 128 THz の帯域幅 (800 nm を中心とした 300 nm の波長範囲)。
レーザーの発光周波数を決定する 2 番目の要因は、レーザーの光キャビティ(または共振キャビティ) です。最も単純なケースでは、これは互いに向き合った 2 つの平面 (平面)ミラーで構成され、レーザーのゲイン媒体を取り囲んでいます (この配置はファブリペローキャビティとして知られています)。光は波であるため、キャビティのミラー間で反射すると、光は建設的および破壊的に干渉し、ミラー間に定在波またはモードが形成されます。これらの定在波は、キャビティの縦モードとして知られる離散的な周波数のセットを形成します。これらのモードは、自己再生し、共振空洞によって発振できる光の唯一の周波数です。光の他のすべての周波数は、破壊的な干渉によって抑制されます。単純な平面ミラーキャビティの場合、許容されるモードは、ミラーの分離距離Lが光の波長λの半分の正確な倍数であるモードで、L = qλ /2となります。ここで、qは次の整数です。モード順。
実際には、Lは通常λよりもはるかに大きいため、関連するqの値は大きくなります (約 10 5から 10 6 )。さらに興味深いのは、隣接する 2 つのモードqとq + 1 の間の周波数分離です。これは、(長さLの空の線形共振器の場合) Δ νによって与えられます。△ ν = c 2 L { Delta nu ={frac {c}{2L}}，}

ここで、cは光速(≈ 3×10 8 m/s) です。
上記の式を使用すると、ミラー間隔が 30 cm の小型レーザーの縦モード間の周波数間隔は 0.5 GHz になります。したがって、上記で参照した 2 つのレーザーの場合、30 cm キャビティを備えた場合、HeNe レーザーの 1.5 GHz 帯域幅は最大 3 つの縦モードをサポートしますが、Ti:sapphire レーザーの 128 THz 帯域幅は約 250，000 モードをサポートできます。複数の縦モードが励起される場合、レーザーは「マルチモード」動作であると言われます。1 つの縦モードのみが励起される場合、レーザーは「シングルモード」動作であると言われます。
個々の縦モードには、動作する帯域幅または狭い周波数範囲がありますが、通常、この帯域幅は、キャビティのQファクターによって決まります (ファブリペロー干渉計を参照)。

モードロック理論
単純なレーザーでは、これらのモードのそれぞれが独立して発振し、互いに固定された関係はありません。本質的には、一連の独立したレーザーのように、すべてがわずかに異なる周波数で光を放出します。各モードの光波の個々の位相は固定されておらず、レーザーの材料の熱変化などによりランダムに変化する場合が発振モードが少ないレーザーでは、モード間の干渉によってレーザー出力にビート効果が生じ、強度が変動する可能性が何千ものモードを持つレーザーでは、これらの干渉効果は平均してほぼ一定の出力強度になる傾向が
独立して発振する代わりに、各モードが他のモードとの間の固定位相で動作する場合、レーザー出力はまったく異なる動作をします。ランダムまたは一定の出力強度の代わりに、レーザーのモードはすべて周期的に互いに建設的に干渉し、光の強いバーストまたはパルスを生成します。このようなレーザーは、「モードロック」または「フェーズロック」と呼ばれます。これらのパルスは、τ = 2 L / cの時間間隔で発生します。ここで、τは、光がレーザーキャビティを正確に 1 往復するのにかかる時間です。この時間は、レーザーのモード間隔Δ ν = 1/ τに正確に等しい周波数に対応します。
光の各パルスの持続時間は、同相で振動するモードの数によって決まります (実際のレーザーでは、レーザーのモードのすべてが位相ロックされているとは限りません)。周波数分離 Δν でロックされたN個のモードがある場合、全体的なモードロック帯域幅はN Δνであり、この帯域幅が広いほど、レーザーからのパルス持続時間は短くなります。実際には、実際のパルス持続時間は各パルスの形状によって決定され、各パルスの形状は、各縦モードの正確な振幅と位相の関係によって決定されます。たとえば、ガウス時間形状のパルスを生成するレーザーの場合、可能な最小パルス持続時間 Δ tは次の式で与えられます。△ t = 0.441
N△ ν .
{ Delta t={frac {0.441}{N，Delta nu }}.}

値 0.441 は、パルスの「時間帯域幅積」として知られており、パルスの形状によって異なります。超短パルスレーザーの場合、双曲線正割二乗 (sech 2 ) パルス形状がしばしば想定され、0.315 の時間帯域幅積が得られます。
この式を使用すると、測定されたレーザースペクトル幅と一致する最小パルス持続時間を計算できます。スペクトル幅が 1.5 GHz の HeNe レーザーの場合、このスペクトル幅と一致する最短のガウスパルスは約 300 ピコ秒になります。128 THz 帯域幅の Ti:sapphire レーザーの場合、このスペクトル幅はわずか 3.4 フェムト秒になります。これらの値は、レーザーの線幅と一致する最短のガウスパルスを表します。実際のモードロックレーザーでは、実際のパルス持続時間は、実際のパルス形状やキャビティの全体的な分散など、他の多くの要因に依存します。
その後の変調は、原則として、そのようなレーザーのパルス幅をさらに短くすることができます。ただし、測定されたスペクトル幅はそれに応じて増加します。

位相ロックとモードロックの原理。
周波数をロックするには多くの方法がありますが、基本原理は同じで、レーザーシステムのフィードバックループに基づいています。フィードバックループの開始点は、安定させるために必要な量、つまり周波数または位相です。周波数が時間とともに変化するかどうかを確認するには、リファレンスが必要です。レーザー周波数を測定することは、それを光共振器の幾何学的特性と関連付けることです。Fabory-Perot キャビティは、この目的で最も一般的に使用されます。一定の距離を隔てた 2 つの平行ミラーで構成されています。この方法は、1回の往復の光路長が光の波長の整数倍である場合にのみ、光が共振して伝送できるという事実に基づいています。この状態からのレーザー周波数の逸脱は、周波数伝送を減少させます。透過率と周波数偏移の関係は、線幅の半値全幅を持つローレンツ関数によって与えられます。
Δν C =Δν FSR /ℱ
ここで、Δν FSR =C/2L は隣接する共振間の周波数差、ℱ はフィネス、ℱ = πR ½ /1-R です。R はミラーの反射率です。式から明らかなように、共振器の線幅を小さくするには、ミラーの反射率を高くする必要がしたがって、レーザーの線幅を最小限に抑えるには、高フィネスのキャビティが必要です。

モードロック方法
レーザーでモードロックを生成する方法は、「アクティブ」または「パッシブ」のいずれかに分類できます。アクティブな方法では、通常、外部信号を使用してキャビティ内光の変調を誘導します。受動的な方法は外部信号を使用しませんが、光の自己変調を引き起こすレーザーキャビティに何らかの要素を配置することに依存しています。

アクティブモードロック
最も一般的なアクティブモードロック技術は、定在波電気光学変調器をレーザーキャビティに配置します。電気信号で駆動すると、キャビティ内の光の正弦波振幅変調が生成されます。これを周波数領域で考えると、モードに光周波数νがあり、周波数fで振幅変調されている場合、結果の信号は光周波数ν − fおよびν + fに側波帯を持ちます。変調器がキャビティモード間隔 Δ νと同じ周波数で駆動される場合、これらの側波帯は、元のモードに隣接する 2 つのキャビティモードに対応します。側波帯は同相で駆動されるため、中央モードと隣接モードは互いに位相ロックされます。側波帯で変調器をさらに動作させると、 ν − 2 fモードとν + 2 fモードの位相ロックが生成され、ゲイン帯域幅内のすべてのモードがロックされるまで続きます。上記のように、典型的なレーザーはマルチモードであり、ルートモードによってシードされません。そのため、複数のモードで、どのフェーズを使用するかを決定する必要がこのロックが適用されたパッシブキャビティでは、元の独立した位相によって与えられたエントロピーをダンプする方法はありません。このロックはカップリングとしてより適切に説明され、複雑な動作につながり、きれいなパルスにはなりません。結合は、振幅変調の散逸性のため、散逸性のみです。そうしないと、位相変調が機能しません。
このプロセスは、時間領域でも考えることができます。振幅変調器は、キャビティのミラー間を跳ね返る光に対して弱い「シャッター」として機能し、「閉じている」ときは光を減衰させ、「開いている」ときは通過させます。変調率fがキャビティの往復時間τに同期している場合、単一の光パルスがキャビティ内で前後に跳ね返ります。モジュレーションの実際の強さは、大きくする必要はありません。「閉じた」ときに光の 1% を減衰する変調器は、レーザーをモードロックします。これは、光の同じ部分がキャビティを通過するときに繰り返し減衰するためです。
この振幅変調 (AM) に関連して、アクティブモードロックは周波数変調(FM) モードロックであり、音響光学効果に基づく変調デバイスを使用します。このデバイスをレーザーキャビティ内に配置し、電気信号で駆動すると、デバイスを通過する光に正弦波状に変化する小さな周波数シフトが発生します。変調の周波数がキャビティの往復時間に一致する場合、キャビティ内の一部の光は、周波数のアップシフトが繰り返され、ダウンシフトが繰り返されます。何度も繰り返した後、アップシフトおよびダウンシフトされた光は、レーザーのゲイン帯域幅から一掃されます。影響を受けない唯一の光は、誘導された周波数シフトがゼロのときに変調器を通過する光であり、光の狭いパルスを形成します。
アクティブモードロックの 3 番目の方法は、同期モードロック、または同期ポンピングです。これでは、レーザーのポンプソース (エネルギー源) 自体が変調され、効果的にレーザーをオン/オフしてパルスを生成します。通常、ポンプ光源自体は別のモードロックレーザーです。この手法では、ポンプレーザーと駆動レーザーのキャビティ長を正確に一致させる必要が

パッシブモードロック
パッシブモード同期技術は、パルスを生成するためにレーザーの外部信号 (変調器の駆動信号など) を必要としない技術です。むしろ、キャビティ内の光を使用して、キャビティ内の要素に変化を引き起こし、それ自体がキャビティ内の光に変化をもたらします。これを達成するために一般的に使用されるデバイスは、可飽和吸収体です。
可飽和吸収体は、強度依存の透過率を示す光学デバイスです。つまり、デバイスは、通過する光の強度に応じて異なる動作をします。パッシブモードロックの場合、理想的には、可飽和吸収体が低強度の光を選択的に吸収しますが、十分に高強度の光を透過します。レーザーキャビティ内に配置すると、可飽和吸収体が低強度の定波光 (パルスウィング) を減衰させます。ただし、モードロックされていないレーザーでは多少ランダムな強度変動が発生するため、ランダムで強いスパイクは、可飽和吸収体によって優先的に透過されます。キャビティ内の光が振動すると、このプロセスが繰り返され、高強度のスパイクが選択的に増幅され、低強度の光が吸収されます。多くの往復の後、これは一連のパルスとレーザーのモードロックにつながります。
これを周波数領域で考えると、モードが光周波数νを持ち、周波数nfで振幅変調されている場合、結果の信号は光周波数ν − nfおよびν + nfに側波帯を持ち、より短いパルスなどに対してより強力なモードロックを有効にします。アクティブモードロックよりも安定性に優れていますが、起動に問題が
可飽和吸収体は一般に液体の有機色素ですが、ドープされた結晶や半導体から作ることもできます。半導体吸収体は非常に速い応答時間 (~100 fs) を示す傾向があり、これはパッシブモードロックレーザーのパルスの最終的な持続時間を決定する要因の 1 つです。衝突パルスモードロックレーザーでは、吸収体が前縁を急勾配にし、レーザー媒質がパルスの後縁を急勾配にします。
強度依存の吸収を直接表示する材料に依存しないパッシブモードロック方式もこれらの方法では、キャビティ内コンポーネントの非線形光学効果を使用して、キャビティ内の高強度光を選択的に増幅し、低強度光を減衰させる方法を提供します。最も成功したスキームの 1 つは、カーレンズモードロック(KLM) と呼ばれ、「セルフモードロック」とも呼ばれます。これは、非線形光学プロセスである光カー効果を使用し、高強度の光が低強度の光とは異なる方法で集束されます。レーザーキャビティの開口部を注意深く配置することにより、この効果を利用して、超高速応答時間の可飽和吸収体と同等のものを生成できます。

ハイブリッドモードロック
一部の半導体レーザーでは、上記の 2 つの技術の組み合わせを使用できます。可飽和吸収体を備えたレーザーを使用し、レーザーがロックされるのと同じ周波数で電気注入を変調すると、電気注入によってレーザーを安定させることができます。これには、レーザーの位相ノイズが安定するという利点があり、レーザーからのパルスのタイミングジッターを減らすことができます。

残留空洞場によるモードロック
後続のレーザーパルス間のコヒーレントな位相情報の転送も、ナノワイヤレーザーから観察されています。ここで、位相情報は、キャビティ内のコヒーレントラビ振動の残留光子場に格納されています。このような発見は、チップスケールのフォトニック回路に統合された光源の位相ロックと、オンチップラムゼーコム分光法などのアプリケーションへの道を開きます。

フーリエドメインモードロック
フーリエドメインモードロック
フーリエドメインモードロック (FDML) は、連続波の波長掃引光出力を生成するレーザーモードロック技術です。 FDML レーザーの主な用途は、光コヒーレンストモグラフィーです。

実用的なモード同期レーザー
実際には、多くの設計上の考慮事項がモードロックレーザーの性能に影響します。最も重要なのは、レーザーの光共振器の全体的な分散です。これは、プリズムコンプレッサーまたはキャビティ内に配置されたいくつかの分散ミラーで制御できます。また、光の非線形性もレーザーキャビティの正味群遅延分散(GDD) が過剰な場合、キャビティモードの位相を広い帯域幅でロックできず、非常に短いパルスを取得することが困難になります。負の（異常な）正味GDDとカー非線形性の適切な組み合わせの場合、ソリトンのような相互作用がモードロックを安定させ、より短いパルスの生成に役立ちます。通常、可能な限り短いパルス持続時間は、ゼロ分散 (非線形性なし) またはわずかに負の (異常な) 分散 (ソリトンメカニズムを利用) のいずれかで達成されます。
直接生成される最短の光パルスは、一般にカーレンズモードロックTi サファイアレーザーによって生成され、長さは約 5 フェムト秒です。あるいは、同様の持続時間の増幅パルスは、中空コアファイバ内またはフィラメント形成中の自己位相変調によって、より長い (たとえば 30 fs) パルスを圧縮することによって生成されます。ただし、最小パルス持続時間はキャリア周波数の周期 (Ti: サファイアシステムの場合は約 2.7 fs) によって制限されるため、短いパルスは短い波長に移動する必要がいくつかの高度な技術 (増幅されたフェムト秒レーザーパルスによる高調波生成を含む) を使用して、極紫外スペクトル領域 (つまり <30 nm)で 100アト秒という短い持続時間の光学的特徴を生成できます。特にレーザーアプリケーションにとって重要なその他の成果は、レーザーダイオードでポンピングできるモードロックレーザーの開発に関するもので、サブピコ秒パルスで非常に高い平均出力 (数十ワット) を生成したり、非常に高いパルス列を生成したりできます。数 GHz の繰り返し率。
約 100 fs 未満のパルス持続時間は、光電子技術 (つまり、フォトダイオード) を使用して直接測定するには短すぎるため、自己相関、周波数分解光ゲーティング、直接電場再構成のためのスペクトル位相干渉法、または多光子パルス内干渉などの間接的な方法を使用します。フェーズスキャンが使用されます。

アプリケーション
核融合（慣性閉じ込め核融合）。
第 2 高調波発生、パラメトリックダウンコンバージョン、光パラメトリック発振器、テラヘルツ放射の生成などの非線形光学。
光データストレージはレーザーを使用し、 3D 光データストレージの新技術は一般に非線形光化学に依存しています。このため、多くの例では、超短パルスの非常に高い繰り返し率を提供できるモードロックレーザーを使用しています。
フェムト秒レーザーナノマシニング – 短パルスは、さまざまな種類の材料のナノマシニングに使用できます。
ピコ秒およびフェムト秒の微細加工の例は、インクジェットプリンターのシリコンジェット表面の穴あけです。
二光子顕微鏡。
角膜手術（屈折矯正手術を参照）。フェムト秒レーザーは、角膜に泡を作るために使用できます。マイクロケラトームの代わりに気泡のラインを使用して角膜に切り込みを入れることができます。たとえば、レーシック手術 (これはイントラレーシックまたは全レーザー手術と呼ばれることがあります) でのフラップの作成に使用されます。気泡を複数の層で作成して、これらの層の間の角膜組織の一部を除去することもできます (小切開レンチクル抽出として知られる手順)。
金属の表面を真っ黒にするレーザー技術が開発されました。フェムト秒レーザーパルスが金属の表面を変形させ、ナノ構造を形成します。表面積が非常に大きくなったため、実際に当たるすべての光を吸収できるため、真っ黒になります。こちらはブラックゴールドの一種です
フォトニックサンプリング。電子クロック上でレーザーの高精度を使用して、電子 ADC のサンプリングエラーを減らします。

レーザーキャビティのロック機構
単色光は、周波数選択要素を含むレーザーの基本的な動作原理に依存するレーザーの特性です。たとえば、ダイオードレーザーでは、外部ミラー共振器とグレーティングがこれらの要素です。これらの要素の助けを借りて、周波数の選択により、非常に狭いスペクトルの光が放出されます。しかし、よく観察すると、異なる時間スケールで発生する周波数変動が入力電圧の変動、音響振動、周囲の圧力と温度の変化など、さまざまな原因が考えられます。したがって、これらの周波数変動を絞り込むには、レーザーの位相または周波数を外部的に安定させる必要が外部ソースまたは外部基準を使用してレーザー特性を安定化することは、一般に「レーザーロッキング」または単に「ロッキング」と呼ばれます。

エラー信号の生成
エラー信号を生成する理由は、「ロックポイント」と呼ばれる特定の設定周波数または位相からのレーザーの偏差に比例する電子信号を生成するためです。レーザー周波数が大きい場合、信号は正であり、周波数が非常に小さい場合、信号は負です。信号がゼロになるポイントをロックポイントと呼びます。周波数の関数であるエラー信号に基づくレーザーのロックは、周波数ロックと呼ばれ、エラー信号がレーザーの位相偏差の関数である場合、このロックはレーザーの位相ロックと呼ばれます。信号が、周波数基準などの基準を含む光学セットアップを使用して作成されている場合。基準を使用して、光信号は、直接検出できる周波数で直接変換されます。もう 1 つの方法は、フォトダイオードまたはカメラを使用して信号を記録し、さらにこの信号を電子的に変更することです。

こちらもご覧ください
ファイバーレーザー
ディスクレーザー
レーザー構造
ソリトン
ベクトルソリトン
散逸ソリトン
可飽和吸収
固体レーザー
フェムトテクノロジー
周波数コム
超高速光学
Qスイッチング

参考文献
^ メイヤー、B.、他。「半導体ナノワイヤレーザーによって生成されたピコ秒パルスペアの長期相互位相同期」 . ネイチャー・コミュニケーションズ 8 （2017): 15521. ^ R. Huber、M. Wojtkowski、JG Fujimoto、「フーリエドメインモードロック (FDML): 光コヒーレンストモグラフィーのための新しいレーザー動作体制とアプリケーション」、Opt. Express 14、3225–3237 （2006)。
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参考文献
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外部リンク
モード同期およびモード同期レーザーに関するレーザー物理学および技術の百科事典”