[論文レビュー] Multilongitudinal mode emission in ring cavity class B lasers

Eugenio Roldán, Germán J. de Valcárcel+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2004

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 85被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、特にイッテルビウムドープファイバーレーザー（EDFLs）におけるリングキャビティ型Bレーザーのマルチリニアモード発振を調査し、観測されたマルチモードパルス生成がRisken-Nummedal-Graham-Haken（RNGH）不安定性の現れ方であるという理論的・実験的証拠を提示する。研究では、非一様な幅広化、分散損失、およびイッテルビウムイオンの三準位構造が不安定性を著しく変化させ、マルチモード動作の発生と間欠的パルス生成を説明する「ドレスド」形のRNGH不安定性をもたらすことを示している。

ABSTRACT

In this article we review recent theoretical and experimental developments on multilongitudinal-mode emission in ring cavity lasers, paying special attention to class B lasers. We consider both homogeneously and inhomogeneously broadened amplifying media as well as the limits of small and large cavity losses (i.e., we treat cases within and outside the uniform field limit approximation). In particular we discuss up to what extent the experimental observations of self-mode locking in erbium-doped fiber lasers carried out in recent years are a manifestation of the Risken-Nummedal-Graham-Haken instability.

研究の動機と目的

• リングキャビティ型Bレーザー、特にイッテルビウムドープファイバーレーザー（EDFLs）におけるマルチリニアモード発光が発生する条件を調査すること。
• EDFLsで実験的に観測されたマルチモードパルス生成が、Risken-Nummedal-Graham-Haken（RNGH）不安定性の現れ方であるかどうかを特定すること。
• 非一様な幅広化、分散損失、およびイッテルビウムイオンの三準位構造がRNGH不安定性メカニズムに与える影響を分析すること。
• 教科書的な理想化とは異なる実験的観察とRNGH不安定性の理論的予測を調和させること。
• EDFLsにおける間欠的マルチモード発光およびパルス生成のメカニズムを明確化すること、特にノイズと亜臨界分岐の役割を特定すること。

提案手法

• リングキャビティの均一場極限を厳密に導出するように拡張された二準位レーザーモデルを用いた理論的モデリング、三準位および四準位系への応用。
• 均一または非一様に幅広い増幅媒体と複数のリニアモードが結合された系のダイナミクスを記述するためのマクスウェル＝ブロッホ方程式の適用。
• ポンプパワーとキャビティ損失を変化させた条件でのレーザーシステムの数値シミュレーションを実施し、マルチモード不安定性の発生をマップすること。
• 理論的予測とEDFLからの実験データの比較、特にマルチモード発光の閾値的発生に注目すること。
• レーザーキャビティの記述を簡略化しながらも、本質的な非線形ダイナミクスを保持するための均一場極限近似の使用。
• 非一様な幅広化、分散損失、およびイッテルビウムイオンの三準位エネルギー構造といった現実的効果を理論枠組みに組み込むこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EDFLsにおける自己モードロックの実験的観察は、どの程度Risken-Nummedal-Graham-Haken（RNGH）不安定性の現れ方として解釈できるか？
• RQ2 非一様な幅広化と分散損失は、リングキャビティレーザーにおけるマルチリニアモード発光の発生および特性にどのように影響するか？
• RQ3 なぜEDFLsにおけるマルチモード発光の実験的観察では定常状態のパルス生成ではなく、間欠的なパルスが観測されるのか？ノイズはその要因としてどのような役割を果たすか？
• RQ4 観測された不安定性は亜臨界分岐と分類できるか？その場合、実験的閾値の解釈にどのような影響を与えるか？
• RQ5 イッテルビウムイオンの三準位構造およびそれによって生じるラビサイドバンド増幅が、RNGH不安定性のダイナミクスにどの程度影響を及えるか？

主な発見

• 理論的予測のRNGH不安定性と実験的マルチモード発光の発生には、理想化モデルとは異なるが、定性的および準定量的整合性が確認された。
• 観測された不安定性は教科書的なRNGH分岐ではなく、非一様な幅広化、分散損失、およびイッテルビウムイオンの三準位構造によって著しく修正された「ドレスド」バージョンである。
• ノイズはマルチモード発光の間欠的出現において中心的な役割を果たしており、実験で定常状態のパルス生成が観測されない理由を説明している。
• 非一様に幅広いレーザーにおいて、RNGHメカニズムはマルチモード発光の閾値を理解する上で不可欠であり、比較的短いキャビティに対しても同様に成立する。
• 研究は、ラビサイドバンド増幅が観測された不安定性の主因であることを確認し、現象がRNGH不安定性の現れ方として同定されることを支持している。
• 理論的および実験的結果から、RNGHメカニズムが、式（196）およびその議論によって示されるように、アクセス可能なコherences長を持つレーザーにおけるモードロックを規定している可能性があると示唆している。