出力カプラ

レーザー科学において、 出力カップラー( OC ) は、レーザーのキャビティ内ビームから光の一部を取り出すことを可能にする光共振器のコンポーネントです。出力カップラーは、ほとんどの場合、部分反射ミラーで構成され、キャビティ内ビームの一定部分が透過できるようにします。他の方法としては、キャビティの両端にほぼ全反射ミラーを使用し、一方のミラーの中央に開けられた小さな穴にビームを焦点を合わせるか、回転ミラー、プリズム、またはその他の光学デバイスを使用して方向を変え、ビームが特定の時間に一方の端のミラーを迂回するようにしてビームを放射する方法があります。

最も一般的な形式では、出力カップラーは、部分的に反射するミラー（ビームスプリッターと呼ばれることもある）で構成されています。ミラーの反射率と透過率は通常、レーザー媒体のゲインによって決まります。一部のレーザーではゲインが非常に低いため、十分なゲインを得るためにビームは媒体を何百回も通過する必要があります。この場合、出力カップラーの反射率は 99% にも達し、使用されるキャビティのビームの 1% のみを透過します。色素レーザーは、ほとんどの固体レーザーと比較してゲインが非常に高いため、ビームは液体を数回通過するだけで最適なゲインに達するため、出力カップラーの反射率は通常約 80% です。エキシマレーザーなどの他のレーザーでは、コーティングされていないガラスの 4% の反射率が十分なミラーとなり、キャビティ内のビームのほぼ 96% を透過します。

レーザーは、2 枚以上のミラーの間で光を反射することで動作します。ミラーの間には活性レーザー媒体が配置されています。媒体は誘導放出によって光を増幅します。レーザー発振を起こすには、活性媒体のゲインが総損失よりも大きくなければなりません。総損失には、吸収、ビーム経路以外の方向への放出、出力カップラーを通した意図的なエネルギー放出などの望ましくない効果が含まれます。言い換えると、レーザーはしきい値 に到達する必要があります。

出力カプラには 3 つの重要な特性があります。

• 曲率半径

出力カプラの表面の形状と高反射鏡の形状によって、光キャビティの安定性が決まります。出力カプラは、光キャビティの設計に応じて、平面または曲面のいずれかになります。曲率半径は通常、必要なキャビティのタイプ (平面/平面、同心円、共焦点など) とキャビティの直径および長さによって決まります。出力カプラのキャビティに面する面は、部分反射コーティングが施された側です。この側によって、レーザーのモード特性が部分的に決まります。この内面が曲面の場合は、外面も曲面である必要があります。これにより、OC がレンズとして機能しなくなります。外面の曲率は、平行レーザー出力が得られるように設計できます。この外面には、出力を最大化するために、通常、反射防止コーティングが施されています。損失を最小限に抑え、ビーム プロファイルを強化し、コヒーレンスを最大化するために、表面の形状は通常、非常に高いエンジニアリング許容範囲で製造され、理想的な表面からの偏差を最小限に抑えます。これらの偏差は通常非常に小さいため、干渉計やオプティカルフラットなどのデバイスを使用して光の波長で測定されます。通常、レーザー出力カプラは、λ/10 (光の波長の 10 分の 1) 以内の許容誤差で製造されます。

• 反射率

媒体のゲインに応じて、OC が反射する必要がある光の量は大きく異なります。 ヘリウムネオン レーザーは、レーザーを発するのに約 99% の反射率のミラーが必要ですが、窒素レーザーはゲインが非常に高く (「超放射」)、OC を必要としません (反射率 0%)。OC の反射率は波長によって異なります。金属コーティングされたミラーは、通常、広い帯域幅にわたって優れた反射率を備えていますが、スペクトルの全部分をカバーできない場合があります。銀は可視範囲で最大 99.9% の反射率を備えていますが、紫外線の反射率は低くなります。アルミニウムは赤外線をあまり反射しませんが、可視範囲から近紫外線までの反射率は良好です。一方、金は赤外線の反射率は高いものの、黄色よりも短い波長の反射率は低くなります。誘電体ミラーは、特定の波長用に設計されている場合、チューニング範囲が 10 nm と狭い場合がありますが、チューナブル レーザーの場合は 100 nm に及ぶ広い範囲で設計できます。このため、レーザーキャビティを組み立てる際には、OC のスペクトル特性を考慮することが重要です。

• 透過率

ミラーの基板として使用される材料も重要な考慮事項です。ほとんどのガラスは近紫外線から近赤外線までの透過率が良好ですが、より短い波長またはより長い波長で放射するレーザーには異なる基板が必要になる場合があります。たとえば、セレン化亜鉛は赤外線波長に対する透過率が高いため、二酸化炭素レーザーでよく使用されます。

キャビティ ダンパーは、 Q スイッチの機能を果たす出力カプラです。これにより、光キャビティ内でエネルギーが蓄積され、特定の時間間隔で放出されます。これにより、ビームは高レベルにまで蓄積され、非常に短時間で放出されます。多くの場合、光波がキャビティを 1 往復するのにかかる時間内に放出されるため、この名前が付けられています。強度が蓄積されると、キャビティは突然エネルギーを「放出」します。キャビティ ダンパーは通常、キャビティの両端に高反射ミラーを使用して、ビームが媒体から最大限のゲインを得られるようにします。特定の間隔で、ポッケルス セル、音響光学変調器、または高速回転プリズムやミラーなどのデバイスを使用して、ビームの方向が変えられます。この方向が変えられたビームは、エンド ミラーをバイパスし、非常に強力なパルスを放出できます。キャビティ ダンパーは連続波動作に使用できますが、最も一般的な用途は、ピーク強度で非常に短いパルスを抽出するモード ロックレーザーです。 ^[1]

• レーザー構造