天博综合app官网登录レーザ–极低ノイズかつ极狭线幅

天博综合app官网登录シリーズのレーザは、商用连続発振（ cw）（npro）アーキテクチャは、アクティブノイズ抑制と合わせて、重力波研究、原子冷却/トラッピング、 lidar 、ロングパス干渉法、光通信、その他の高性能アプリケーションに贵重な光学ツールを提供します。

はじめに

2015年9 gw）2017年年のノーベル物理学赏を受赏しました。现在、 gw gw検出が狭线幅cwレーザにとって最も要求の厳しいアプリケーションであることに异论を唱える人はほとんどいないでしょう。研究者は、10²²分の1ligo geo600 geo600，kagra，kagra）はすべて、90度の角度を付けた长さが何キロメートルもあるアームを备えています。gw を検出するには、システムで波长の1兆分の1兆分の1程度の経路差を测定できる必要があります。この精度は、光干渉法ではまったく前例のない精度です。可能な限りの低ノイズを达成するため、前述の1程度の経路差を测定できる必要があります。この精度は、光干渉法ではまったく前例のない精度です。可能な限りの低ノイズを达成するため、前述の1程度の経路差を测定できる必要があります。この精度は、光干渉法ではまったく前例のない精度です。可能な限りの低ノイズを达成するため、前述の4か所すべての^[1]。

低ノイズレーザに大きく依存しているもう1つの用途が、冷却原子のトラップです。ここでは、业界をリードする安定性と线幅の両方を提供する天博综合app官网登录 の高出力モデル（最大 55 w）が、さまざまな种类の冷却原子に対する光双极子トラップの形成に使用されています。これをさらに高度にしたものが、光格子の形成です。これは、冷却原子が分散するマイクロトラップの光学的に形成されたバージョンです。光格子は、冷却原子を使用して相転移、光原子时计、二原子分子、量子シミュレータを用いる研究で幅広く使用されています。ここで、强度と位相の両方におけるレーザの光学的安定性は、最低の原子加热速度を确保し、结果的に実験时间を最大化するために重要です。上记のアプリケーションは、线幅が狭く、安定性の高い cwレーザ光源によって実现される多くのアプリケーションのうちのほんの一部にすぎません。lidar、光周波数标准、スクイズド光の実験、レーザ注入シーディング、自由空间光通信、光计测、ナノ粒子の捕捉、その他多くの分野で、 天博综合app官网登录 制品ラインのパラメータを活用できます。このホワイトペーパーでは、业界で最も静かなレーザ制品を支える技术と机能を検证します。

npro - モノリシックな安定性

非平面リングオシレータ（ npro）は、 1984/5 byer，kane 、およびその同僚によって発明されて以来^[2]、现在でも利用可能な最も低ノイズの cwレーザアーキテクチャとして认められています。低出力ノイズの键のcw レーザアーキテクチャとして认められています。低出力ノイズの键の1つは、安定したレーザキャビティーです。典型的なシングルモードレーザには、精密机械マウントで支持された2cester振キャビティー内に存在する利得媒体とさまざまな光学系が组み込まれています。nproは、レーザキャビティーについてまったく异なるアプローチを采用しており、単结晶が利得媒体としてだけでなく、结晶ファセットによって定义されるレーザキャビティーとしても机能します。また、 npro は単方向进行波リングオシレータとして机能することも重要です。线形レーザキャビティーでは、最高利得モード（およびすべてのモード）の电场ベクトルがキャビティーに沿った定在波パターンに従い、「ホールバーニング」を発生させます。つまり、利得が枯渇するかしないかは、キャビティーに沿った正弦波パターンによります。他の縦波モードは、绝対利得が低くても、最も强いモードによって枯渇せずに残った利得を使用して発振できます。望ましくないモードの発振が排除され、レーザが进行波共の电场ベクトルがキャビティーに沿った定在波パターンに従い、「ホールバーニング」を発生させます。つまり、利得が枯渇するかしないかは、キャビティーに沿った正弦波パターンによります。他の縦波モードは、绝対利得が低くても、最も强いモードによって枯渇せずに残った利得を使用して発振できます。望ましくないモードの発振が排除され、レーザが进行波共振器として动作するように设计されています。このタイプの共振器として动作するように设计されています。このタイプのnproの设计でよく考えられている要素の

単方向npro振动の完全な理论^[3]は、このホワイトペーパーでは取り扱いませんが、これを要约すると、结晶は强い磁场の中に保持されるため、ファラデー回転子として机能し、结晶を通过するレーザ光の偏光をビームの伝播方向とは无关系に同じ量と方向で回転させます（非相反回転）bおよびd （図 d（1）（tir）が、キャビティー内のレーザ光に相互回転を与えます。最终的な效果は、キャビティー周囲の一方向では磁场と tir tir tir tir tir tir による偏光回転が加算され、反対方向では互いに打ち消し合うため、反対方向に伝播する 2つのモードに2a a の出力结合コーティングは、1つの偏光がわずかに有利になるように设计でき、その结果、一方向の発振が生じます。

図1：npro 结晶内の光学モード（青色の矢印）（npro）。npro 利得结晶はモノリシックレーザキャビティーを形成し、ファセット角度により全内部反射（ tir）（tir）（tirによる）

线幅と周波数の调整

npro の周波数特性、つまり线幅は他の种类のレーザよりも优れています。 -天博综合app官网登录 モデルは、さらなる安定化を行わなくても、レーザから直接 3 kHz 以下の线幅を得られます。现在でも、最新のファイバーレーザや外部共

もちろん、线幅の狭い共振器は、周波数ドリフトを积极的に制御できない限り、短期间の用途でなら利用できます。 天博综合app官网登录 では、2つの异なるメカニズムを使用して、放射周波数の高速で细かい制御と、より低速で粗い制御を提供します。拡张することによって、この制御で30 ghz领域全体で天博综合app官网登录の绝対周波数を调整することもできます。

结晶の大きな非光学面の1つ（つまり、図1の水平面の1つ）（PZT）（PZT）素子を使用することによって高速かつ微细な制御が可能になります。PZT素子によって结晶が圧缩される（歪む）が変化し、縦波モードの周波数が変化します。この高速ループは最大）が変化し、縦波モードの周波数が変化します。この高速ループは最大）が変化し、縦波モードの周波数が変化します。この高速ループは最大100 khzのバンド幅で动作できます。またモード周波数を100kHzのバンド幅で动作できます。またモード周波数を1MHz/v

より低速で大きな周波数変动は、 npro 温度を変化させる（温度调整）ことで対处します。nd：yagモノリシック共2个nd：yag -3 ghz/k の利得曲线に非常に小さなシフトが生じる可能性もあります。これを考虑に入れると、正味の実效変化は约 ghz/kになります。図2semphisto の温度ベースの周波数制御の测定値を示しています。モードホップは、発振モードの周波数（（setecto）振器によって决定される振器によって决定される）fsr）fsr fsry fsr）fsr）fsr）振器の自由スペクトル范囲（天博综合app官网登录）と同様の量だけシフトするときに発生します。天博综合app官网登录と同様の量だけシフトするときに発生します。天博综合app官网登录と同様の量だけシフトするときに発生します。天博综合app官网登录の完全な波长可変领域は、结晶温度が天博综合app官网登录 の完全な波长可変领域は、结晶温度が天博综合app官网登录 の完全な波长可変领域は、结晶温度が天博综合app官网登录 の完全な波长可変领域は、结晶温度が 25°C変化した场合で约30ghz ghz ghz/k k/k k/k k/k kyの値よりも低くなります。特别なの値よりも低くなります。特别なの値よりも低くなります。特别なの値よりも低くなります。特别なの値よりも低くなります。特别なの値よりも低くなります。特别なの値よりも低くなります。特别なの値よりも低くなります。特别なの値よりも低くなります。特别なの値よりも低くなります。特别なの値よりも低くなります。特别なの値よりも低くなります。特别なの値よりも低くなります。特别なの値よりも低くなります。特别なの値よりも低くなります。特别なバージョンでは、モードホップの自由范囲がより広くなります（モードホップ间の ghの値よりも低くなります。特别なバージョンでは、モードホップの自由范囲がより広くなります（モードホップ间の（ghzのチューニングを备えた拡张波长可変领域オプション）。特定のスペクトル线を扱う场合は、波长可変领域をより低い周波数（281.565 THZまで）にシフトするオプションも利用できます。図3は、温度とPZTチューニングの両方を実行した场合の天博综合app官网登录の全体的なチューニング特性をまとめたものです。

位相ノイズと周波数ロック

位相ノイズとは、レーザの周波数线幅の误差のことです。当然ですが、モノリシック 天博综合app官网登录レーザ共振器は、相互に振动したり热的にドリフトしたりする个别のキャビティー要素で构成されるレーザ共hz/√Hzpsd）统计分布の形式で表现される场合があります。

天博综合app官网登录 の周波数ノイズをこのように表现すると、1/fの挙动に准じます。周波数ノイズは1Hzで约10⁴Hz/√Hzですが、10 kHzでは1Hz/√Hzまで下がります（図4）。独自のテストでは、天博综合app官网登录が広范囲の周波数で绝対的に最も低い位相ノイズを提供することが既に示されています^[4]。このユニークな性能により、 天博综合app官网登录 シリーズのレーザは、可能な限り低い周波数ノイズが要求される用途に适していると言えます。

温度およびpzt调整メカニズムは、外部制御下でレーザをスムーズに调整するために使用でき、绝対的な固定周波数出力を必要とする用途でレーザ出力を外部基准にロックするために使用することもできます。このロックは、フリーランニングレーザと比较して、低周波数での位相ノイズを下げる役割もあります。天博综合app官网登录（1064 nmと532nmの両方の出力を提供する（Prometheusレーザ（Prometheusレーザ）₂）532 nm 付近に存在する迁移线であり、その発光周波数をそれらの线の超微细迁移の1つにロックするために使用できます。これにより、绝対周波数基准および高精度计测に理想的なレーザ光源となります。ヨウ素ロックされたPrometheusのアラン偏差测定の例を図6に示します。ここでのproperetheus レーザは、分子状ヨウ素の r（56）32-0 32-0迁移のa10 a10成分にロックされています。20时间にわたって记录されたアラン偏差测定値は、 〜10^-13だった相対安定性が（修正アラン偏差は平均1秒）は3·10-14 （平均1000秒）^[6]。

绝対周波数が必要なく、ユーザーがより高い周波数でレーザ出力の安定化を図る用途では、 天博综合app官网登录はレーザを安定化された高精细キャビティーにロックするために必要な机能を提供します。

振幅ノイズとノイズ低减

天博综合app官网登录 制品シリーズは、非常に低い振幅ノイズも特徴としています。その名前が示すように、振幅ノイズとは出力强度の小さなジッターです。振幅ノイズは通常、测定时の平均电力レベルに正规化されたノイズである相対强度ノイズ（ rin）として表されます。天博综合app官网登录のようなダイオード励起固体レーザでは、振幅ノイズの主な原因は通常、残留励起ダイオードノイズによって生成される缓和振动です。

缓和振动は、上部状态の寿命がキャビティーの减衰时间（つまり、レーザ励起出力がオフになったときにレーザ内のすべての循环出力が主に出力カプラー损失により减衰するまでの时间）npro やその他の固体レーザのノイズスペクトルにピークが生じます（図 6を参照）。このピークは、天博综合app官网登录 ではノイズイーターと呼ばれる机能を使用することで效果的に除去されます。これは、レーザヘッド内のフォトダイオードによって提供され、励起レーザダイオード电流に作用する駆动信号を备えた内蔵高速フィードバックループです。図 6 は、この机能が6 kHz ～2 MHz のスペクトル领域からの励起ダイオードノイズと缓和振动ピークの除去にどれほど效果的であるかを示しています。ノイズイーターに加えて、极めて低いノイズ放射をサポートするために、 のスペクトル领域からの励起ダイオードノイズと缓和振动ピークの除去にどれほど效果的であるかを示しています。ノイズイーターに加えて、极めて低いノイズ放射をサポートするために、天博综合app官网登录システムは主にアナログ设计に基づいた特别に设计された低ノイズ电子コントローラを使用します。

パワースケーリングと波长のオプション

一般に、励起出力がスケールアップされると、 npro は正の热レンズ效果を引き起こし、次の 2 つの悪影响をもたらします。すなわり、励起ダイオードと共振器モード间のモードマッチングが悪化し、最终的に共npro设计の详细な研究^[7]では、励起出力が増加すると、热レンズ效果によりモードのスポットサイズが减少することが示されています。最终的には、これにより励起ダイオードと共npro npro npro の主な机能が失われます。これらの考虑事项から、高出力 npro は、低出力で使用する场合の低しきい値や高效率ではなく、公称出力に対して最适化されていることは明らかです。 -天博综合app官网登录 は、通常の超狭线幅、低ノイズ、高周波数安定性を维持しながら、最大 2 w の出力を达成できます。より高い出力が必要な场合、超狭线幅を维持しながら数十ワットを达成するための最良の方法は、最大55 w の电力で利用可能なマスターオシレータ出力増幅器（ mopa（mopa）方式を使用することです（ 天博综合app官网登录 mopaモデル

npro结晶は1064nmのnd：yag 基本波长で最も一般的に利用できますが、特定の用途では异なる波长の恩恵を受けることができます。このため、天博综合app官网登录 レーザには、绿色（532 nm（532 nm）出力の周波数2Prometheusモデル

坚牢な设计

モノリシック共1 つを除くすべての表面からの内部反射を使用することで、光学コーティングの使用の必要性が最小限に抑えられます。実际、唯一コーティングされている表面は出力ファセットですが、ここでも実际のキャビティー内反射は活性媒体内で発生します。つまり、设计によってレーザキャビティー全体が污染されず、损伤や経年劣化が事実上ないことを意味します。これは、设计者（多くの场合エンドユーザー）が光学アライメントとレーザキャビティーの清净度の维持に気を配らなければならない、他の多くのレーザとはまったく対照的です。さらに、 npro と励起ダイオードが小さいため、ヘッドサイズが小さくなり、动作温度を正确に安定させることが简単になり、 OEMツールへの统合が容易になります。

参考资料

[1]p。 Kwee等人., 选择。表达20，10，pp。10617-10634（2012）
[2]T.J。凯恩（R.L. Byer），， 选择。 Lett。10，65（1985）
[3]A.C。 Nilsson，E.K。 Gustafson，R.L。Byer， IEEE J.量子电子。QE25，767（1989）
[4]k。 Numata等人， Proc。 spie 10511，固态激光XXVII：技术和设备，105111d（2018）
[5]J。是的，等等， IEEE T. INSTRUM。测量。48，2，第544-549页（1999）
[6]https：//tem-messtechnik.de/en/
[7]i。 Freitag，A。Tunnermann，H。Welling，选择。 comm。115，pp。511-515（1995）