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レーザーの低雑音化,出 力安定化というとき,レーザー そのものの極限性能の追求 という観点から見た場合と,応 用的観点から見た場合で内容がかな り異なる.一 方は,理 論限界から見た雑音特性であり,一方は応用可能性という 点から評価 した特性だからである.本 特集では,重力波検 出用 レーザーのような純科学応用の安定化 レーザーと,産 業的観点から見た様々なレーザーの安定化技術を特集し てある.そ の総説としては,個々のレーザーの特質に関係 のない基本的で一般的な視点を提供 したい. レーザー発振器を構成するものは,励起エネルギーを蓄 えたレーザー媒質と光共振器である.し たがって,レ ー ザーの安定化に関係するものも,大きく分けると,レーザー 媒質を介 したパワーの流れと,共振器モードの安定性の2つ の要素に分解できるように見える.前 者は,流れるパ ワー フローの安定化であり,後者は発振モー ドの選択 における 安定性である. 以下の論文に示されるように,固体 レーザーの安定化は 半導体レーザー(LD)励 起によって格段 と進歩した.ラ ン プ励起 とLD励 起では何が異なるか.LD励 起 という選択励 起は,レーザーの安定化にどのように寄与 しうるのであろ うか.少 し考えてみよう.レ ーザー発振器や増幅器はパ ワーを取 り出すことを目的とした増幅なので,基本的に飽 和増幅をする事を前提 とする.飽 和増幅では,レーザー出 力は基本的には励起パワーに比例するので,励起パワーの 調整によってレーザー出力が安定化できるはずである. LD励 起の選択励起 とランプ励起の非選択励起の場合の, 励起パワーのフローをFig.1として図式的に示 した.最 も 簡単な2準位系の選択励起では,レ ーザー出力はそのまま, 励起から脱励起に至るパワーフローの定常状態で決定さ れるので,励起光を安定に保てば,レ ーザー媒質からレー ザー光へのパワーの移行は安定で,レーザー出力 も安定化 できることが分かる.一 方,多準位系に非選択励起を行っ た場合,吸収上準位から中間準位まで多 くの準位におのお の励起入力があ り,同時に緩和過程 を通 じて,レ ーザー準 位 に励起エ ネルギーが集中されて行 く.各 々のエネル ギー準位には独立の寿命があるために,多準位系を流れる パワーに対する応答関数は複雑なものとなり,励起パワー に単純に比例するとはいえなくなる.特 に,中間状態に一 定のボ トルネック状態が生 じると,パワーの流れ自身が定 常的ではなく,互いに関連を持ったダイナミックな系 とな る.さ らに,非選択的励起が加わると,中間状態に与えら れた励起パワーが,上準位吸収から流れてくる励起パワー を阻止する役割 を果たすために,よ り一層複雑な系 とな る.こ のように,飽和増幅器のパワー安定化には,選択励 起のLD励 起が有効に働 くことが分かるだろう.さ らに 翻って考えると,LDそ のものが理想的な飽和増幅器であ り,駆動電流量を制御するだけで,電 子 ・正孔対が再結合 する割合を高速に制御できるので,出力安定化 に対する高 い能力を持っていることも理解できる. レーザー発振器では単に反転分布量を安定に保てば,そ れでレーザー出力が必ず安定になるわけではない.レ ー ザーには共振器があって,発振するモードを選択するフィ ルターの役割をしているからである.た だし,このフィル ターは単純な損失によってモー ドを選択 しているわけで はなく,選択 したモードにエネルギー集中を行わせる機構 と組合わさってレーザー発振を駆動 している.レ ーザー 共振器は,光の波長に比べてはるかに大きな共振器間隔を

Noise Reduction and Power Stabilization Technology for Lasers