[論文レビュー] A 1 W injection locked cw titanium:sapphire laser

E. A. Cummings, M. Hicken+1 more|ArXiv.org|Dec 5, 2001

Solid State Laser Technologies参考文献 23被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、高出力Ti:サファイア発振器を低出力で周波数安定化された半導体レーザーにロックすることで、846 nmで連続波、単一モード、1 W出力の注入ロック型Ti:サファイアリングレーザーを実現した。わずか数ミリワットの注入パワーで単一モード動作を達成し、高出力で周波数可変かつ非常に狭線幅の出力が得られ、優れた周波数安定性と低ノイズを実現した。

ABSTRACT

We report an injection-locked cw titanium:sapphire ring laser at 846 nm. It produces 1.00 W in a single frequency when pumped with 5.5 W. Single frequency operation requires only a few milliwatts of injected power.

研究の動機と目的

• バイレフレンジントフィルターや光イソレータのような複雑な周波数安定化部品を回避する高出力・単一モードTi:サファイアレーザーの開発。
• 特定波長帯で高価かつ希少な高出力単一モード半導体レーザーの増加するコストと不足を補うために、注入ロックを用いたコスト効率の高い代替策の提供。
• 連続波Ti:サファイアレーザーにおいて、注入ロックが安定した高出力・単一モード動作を達成できることを実証し、これはこれまで報告のない構成である。
• 市販の可変波長半導体レーザーをマスターオシレーターとして用いることで、Ti:サファイアの増幅帯域全体にわたる周波数可変で非常に狭帯域の出力を可能にする。

提案手法

• 5.5 Wまで出力可能な532 nmのポンプレーザーを、10 mmのBrewsterカットTi:サファイア結晶に焦点合わせ、4ミラー折りたたみリングキャビティを構成した。
• Ti:サファイアキャビティには、出力カップラーが96.6%の反射率で、ミラーが99.5%以上の反射率を有し、短いアームが114 mm、長いアームが1020 mmで、結晶に起因するエイストロマチズムを補償した。
• 846 nmの拡張キャビティ半導体レーザー（ECDL）がマスターオシレーターとして機能し、37.15 MHzの変調を用いたPound-Drever-Hall技術により周波数安定化された。
• マスターレーザー出力（最大30 mW）を単モードファイバーに結合し、TEM₀₀モードに75%の結合効率でモードマッチングしてTi:サファイアキャビティに注入した。
• キャビティの1つのミラーにピエゾエレクトリックトランスデューサーを設置し、約8 GHzの連続的な周波数チューニングが可能となり、注入ロック後の精密な波長制御が可能になった。
• ロックのフィードバックは、出力ビーム内の未コーティングの石英フラットからの微弱な反射を検出するフォトダイオードを用いた2段階の積分器回路によって実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続波Ti:サファイアリングレーザーにおいて、注入ロックを用いて単一モードで高出力動作を達成できるか？
• RQ2 このようなシステムで単一モード動作を維持するために必要な最小注入パワーはどの程度か？
• RQ3 自由運転時と比較して、注入ロック時の閾値ポンプパワーとスロープ効率はどのように異なるか？
• RQ4 注入ロックされたレーザーは、マスターレーザーのスペクトル純度と周波数安定性をどの程度保持しているか？
• RQ5 キャビティ設計（例：ミラーの曲率とキャビティ長）は、安定したロックに必要な最小注入パワーにどのような影響を与えるか？

主な発見

• 注入ロック型Ti:サファイアレーザーは、846 nmで最大1.00 Wの出力を達成し、スロープ効率は23%に達し、理論的予測とよく一致した。
• 注入ロック動作の閾値ポンプパワーは約1.2 Wであり、理論的推定値の0.3 Wよりも高いが、これは熱レンズ効果とビームウエストの不一致によるものと推定される。
• 低ポンプ出力時では3 mWの注入パワーで単一モード動作が維持され、全出力時では15 mWまで増加した。
• スキャン型ファブリ・ペロー干渉計（FSR = 2 GHz、ファインネス = 400）を用いた増幅レーザーの光学スペクトルは、顕著なサイドバンドを示さず、高いスペクトル純度を示した。
• ファブリ・ペローキャビティとTi:サファイアレーザー間の相対周波数のパワースペクトルは、マスターレーザーのそれと区別がつかず、優れた周波数安定性を確認した。
• より小さなキャビティ（往復長360 mm、曲率半径50 mm）は、元の大きなキャビティと比較して最小注入パワーを3倍小さくし、ロック効率の向上を示した。