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光共振器、または 光共振器は、マイクロ波を閉じ込める共振器と同様に光波を閉じ込めるミラーやその他の光学素子の配置です。光共振器はレーザーの主要構成要素であり、利得媒体を取り囲み、レーザー光のフィードバックを提供します。また、光パラメトリック発振器や一部の干渉計にも使用されます。共振器内に閉じ込められた光は複数回反射し、特定の共振周波数を持つモードを生成します。モードは、周波数のみが異なる縦モードと、ビームの断面全体で強度パターンが異なる横モードに分解できます。多くの種類の光共振器は定在波モードを生成します。
共振器の種類は、2枚のミラーの焦点距離とミラー間の距離によって区別されます。平面ミラーは、必要な精度で位置合わせするのが難しいため、あまり使用されません。ビームが安定するように、つまり多重反射によってビームのサイズが継続的に拡大しないように、形状（共振器の種類）を選択する必要があります。共振器の種類は、ビームウエストを最小限に抑える、またはキャビティ内に焦点がない（したがって、一点に強い光が集まらない）など、他の基準を満たすようにも設計されています。
光共振器は大きなQ値を持つように設計されており、これはビームがほとんど減衰せずに多くの振動サイクルを経ることを意味します。[ 1 ]高Q値の領域では、これは周波数線幅が共振器の共振周波数に比べて小さいことと同等です。
共振器内に閉じ込められた光は鏡で複数回反射し、干渉効果により、特定の放射パターンと周波数のみが共振器内に維持され、他のパターンと周波数は破壊的干渉によって抑制されます。一般に、光が共振器内を往復するたびに再現される放射パターンが最も安定しています。これらは共振器のモードとして知られています。 [ 2 ]
共振器のモードは、周波数が異なる縦モードと、周波数と光の強度パターンが異なる横モードの2種類に分けられます。共振器の基本的、または基本的な横モードはガウスビームです。
最も一般的なタイプの光共振器は、向かい合った 2 つの平面 (フラット) ミラーまたは球面ミラーで構成されています。これらのうち最も単純なのは、対向する 2 つの平面ミラーで構成される平面平行共振器またはファブリ・ペロー共振器です。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]この構成は単純ですが、アライメントが難しいため、大規模レーザーではほとんど使用されません。ミラーは数秒角以内に平行にアライメントする必要があり、そうでないと共振器内のビームが「ウォークオフ」して、共振器の側面から漏れてしまいます。ただし、ミラー間の距離が小さい ( L < 1 cm) 非常に短い共振器では、この問題は大幅に軽減されます。そのため、平面平行共振器は、マイクロチップレーザー、マイクロキャビティレーザー、半導体レーザー で一般的に使用されています。これらの場合、個別のミラーを使用する代わりに、反射光学コーティングがレーザー媒質自体に直接適用されることがあります。平面平行共振器は、ファブリ・ペロー干渉計の基礎でもある。
曲率半径がR 1とR 2の2 つのミラーを備えた共振器には、いくつかの一般的なキャビティ構成があります。2 つの半径がキャビティの長さの半分に等しい場合 ( R 1 = R 2 = L / 2)、同心円状または球状の共振器が得られます。このタイプのキャビティは、キャビティの中心で回折限界のビームウエストを生成し、ミラーでは大きなビーム径となり、ミラー開口部全体を満たします。これに類似しているのが半球状キャビティで、1 つの平面ミラーと、キャビティの長さに等しい半径のミラーが 1 つあります。
一般的で重要な設計は、共振器の長さに等しい半径のミラー（R 1 = R 2 = L）を持つ共焦点共振器です。[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]この設計は、所定の共振器の長さに対して共振器ミラーで可能な限り最小のビーム径を生成し、横モードパターンの純度が重要なレーザーでよく使用されます。
凹面凸型共振器は、曲率半径が負の凸面鏡を1枚備えています。この設計では、共振器内でビームが集束しないため、光の強度が高すぎて共振器内の媒質に損傷を与える可能性があるような、非常に高出力のレーザーにおいて有効です。
あまり一般的ではない共振器の種類としては、光リング共振器やウィスパリングギャラリーモード共振器などがあり、これらは2枚の鏡の間で反射するのではなく、閉じたループ内を伝わる波によって共振が形成される。
R 1、R 2、Lの値が特定の範囲にある場合のみ、共振器内のビームが周期的に再集束される安定した共振器が生成されます。共振器が不安定な場合、ビームサイズは際限なく大きくなり、最終的には共振器ミラーのサイズよりも大きくなり、失われます。光線伝達行列解析などの方法を使用することで、安定性基準を計算することができます。[ 16 ]
不等式を満たす値は、安定共振器に対応する。
各ミラーの安定性パラメータgを定義することで、安定性をグラフで示すことができる。
図に示すように、 g 1 をg 2に対してプロットします。線g 1 g 2 = 1 と軸で囲まれた領域は安定しています。線上の点にある共振器はぎりぎり安定しています。共振器の長さがわずかに変化すると、共振器が不安定になる可能性があるため、これらの共振器を使用するレーザーは、実際には安定線のすぐ内側で動作することがよくあります。
単純な幾何学的表現で安定領域を説明すると、鏡とそれらの曲率中心を結ぶ線分が重なり合うが、一方の線分が他方の線分の中に完全に含まれていない場合、その空洞は安定していると言える。
共焦点共振器では、光線が共振器の中央で元の方向から逸れた場合、ミラーで反射した後の変位は、他のどの共振器設計よりも大きくなります。これにより、増幅自発放出が抑制され、ビーム品質の良い高出力増幅器の設計において重要となります。
光共振器が空でない場合（例えば、利得媒体を含むレーザー共振器など）、媒体の屈折率を考慮してLの値を調整する必要があります。共振器内に配置されたレンズなどの光学素子は、安定性やモードサイズを変化させます。さらに、ほとんどの利得媒体では、熱的不均一性やその他の不均一性によって媒体内に可変レンズ効果が生じるため、レーザー共振器の設計においてこれを考慮する必要があります。
実用的なレーザー共振器には、2 枚以上のミラーが含まれる場合があります。3 枚または 4 枚のミラー配置が一般的で、「折り畳み型キャビティ」を形成します。通常、一対の湾曲ミラーが 1 つ以上の共焦点セクションを形成し、キャビティの残りの部分は準平行で、平面ミラーを使用します。レーザービームの形状は共振器の種類に依存します。安定した近軸共振器によって生成されるビームは、ガウスビームでよくモデル化できます。特殊な場合、ビームは単一の横モードとして記述でき、空間特性はガウスビーム自体でよく記述できます。より一般的には、このビームは横モードの重ね合わせとして記述できます。このようなビームを正確に記述するには、エルミート多項式やインス多項式などの完全な直交関数セット (2 次元) による展開が必要です。一方、不安定なレーザー共振器は、フラクタル形状のビームを生成することが示されています。[ 17 ]
共振器内部の素子の中には、折り畳まれた部分の間のビームウエストに配置されるものがあります。例えば、共振器ダンピング用の音響光学変調器や、横モード制御用の真空空間フィルタなどが挙げられます。低出力レーザーの中には、レーザー利得媒体自体をビームウエストに配置するものもあります。フィルタ、プリズム、回折格子などの他の素子は、多くの場合、大きな準平行ビームを必要とします。
これらの設計により、キャビティ内のブリュースターカット素子によって生じるキャビティビームの非点収差を補正することが可能になります。Z字型のキャビティ配置はコマ収差も補正しますが、「デルタ型」またはX字型のキャビティでは補正できません。
面外共振器はビームプロファイルの回転と安定性の向上をもたらします。利得媒体で発生する熱は共振器の周波数ドリフトを引き起こすため、無給電共振器に周波数をロックすることで周波数を能動的に安定化できます。同様に、光ファイバーによる空間フィルタリングによってレーザーの指向安定性をさらに向上させることができます。
光共振器を組み立てる際には、正確な位置合わせが重要です。最高の出力とビーム品質を得るためには、光路が各光学素子の中心を通るように、光学素子の位置を調整する必要があります。
単純な共振器は、多くの場合、アライメントレーザー（共振器の軸に沿って照射できる、よく平行化された可視光レーザー）を用いて位置合わせされます。ビームの経路と、様々な光学素子からの反射を観察することで、素子の位置と傾きを調整することができます。
より複雑な空洞は、電子式オートコリメータやレーザービームプロファイラーなどの装置を用いて位置合わせすることができる。
光共振器は、マルチパス光遅延線としても使用でき、光ビームを折り返すことで、狭い空間で長い光路長を実現できます。平面ミラーを用いた平面平行共振器は、平面ジグザグ光路を生成しますが、前述のように、これらの設計は機械的な擾乱やウォークオフに非常に敏感です。曲面ミラーをほぼ共焦点構成で使用すると、ビームは円形のジグザグ光路を進みます。後者はヘリオット型遅延線と呼ばれます。固定挿入ミラーは、一方の曲面ミラーの近くにオフアクシスに配置され、可動ピックアップミラーは、もう一方の曲面ミラーの近くに同様に配置されます。平面ミラーの場合は、ピックアップミラーが1つ付いた平面リニアステージが使用され、ヘリオット型遅延線の場合は、ミラーが2つ付いた回転ステージが使用されます。
共振器内でのビームの回転は、ビームの偏光状態を変化させます。これを補正するために、リニアステージ上に3枚または2枚のミラーをそれぞれ3次元または2次元の逆反射構成で配置した、シングルパス遅延線も必要となります。ビームの発散を調整するには、リニアステージ上に2枚のレンズを備えた2台目のカーを使用できます。この2枚のレンズは望遠鏡として機能し、仮想エンドミラー上にガウスビームの平坦な位相面を生成します。
