レーザー出力スケーリング

レーザーのパワー スケーリングとは、形状や動作原理を変えずに出力を増大させることです。パワー スケーラビリティはレーザー設計の重要な利点と考えられています。つまり、外部機能を変えずにパワーを増大できるということです。

通常、出力のスケーリングには、より強力なポンプ源、より強力な冷却、およびサイズの増大が必要です。また、レーザー共振器、特にゲイン媒体におけるバックグラウンド損失の低減も必要になる場合があります。

電力スケーラビリティを実現する最も一般的な方法^[要出典]は、「MOPA」（マスター発振器電力増幅器）アプローチです。マスター発振器は、非常にコヒーレントなビームを生成し、光増幅器は、ビームの主な特性を維持しながらビームの電力を増大させるために使用されます。効率は主に電力増幅器によって決定されるため、マスター発振器は強力である必要はなく、高効率で動作する必要もありません。共通のマスター発振器によってシードされる複数のレーザー増幅器の組み合わせは、高出力レーザーエネルギー研究施設の基本的な概念です 。

優れた出力スケーリングのために設計された固体レーザーの1つは、ディスクレーザー（または「アクティブミラー」^{[1] ）です。このようなレーザーは、}連続波動作で単一のアクティブ要素から数キロワットの出力まで拡張可能であると考えられています。^[2]

ディスクレーザーの出力を制限する最も重要なプロセスは、増幅された自然放出光、過熱、往復損失であると思われる。^{[3]将来の出力スケーリングには、}往復損失の低減 や複数の能動素子の組み合わせが必要である。

ファイバーレーザーは、優れた出力スケーリングを備えた別のタイプの固体レーザーです。ファイバーレーザーの出力スケーリングは、ラマン散乱とブリルアン散乱によって制限され、また、そのようなレーザーはそれほど長くすることができないという事実によって制限されます。二重クラッドファイバーの長さが制限されているため、ポンプがファイバーのアクティブコアで効率的に吸収されないため、マルチモードポンプの使用可能な電力が制限されます。クラッドの形状を最適化すると、出力スケーリングの限界を広げることができます。^{[4] [5] [6] [7]}

ファイバーレーザーのパワースケーリングの限界は、ポンプの横方向の供給によって拡張できます。これは、いわゆるファイバーディスクレーザーで実現されています。^{[8] [9] [10] [11]} このようなレーザーのポンプは、ドープされたコアを持つコイル状のファイバーで作られたディスクの側面から供給されます。このようなディスクを複数枚（間に冷却剤を挟んで）組み合わせてスタックにすることができます。

パワースケーリングは、熱を放散する能力によって制限されます。通常、効率的なレーザー動作用に設計された材料の熱伝導率は、熱伝達に最適な材料 (金属、ダイヤモンド) の熱伝導率に比べて小さくなります。小型デバイスから熱を効率的に排出するには、アクティブ媒体を狭いスラブにする必要があります。ASEよりも必要な方向への光の増幅に利点を与えるには、図に示すように、エネルギーとヘッドを直交方向に引き出す必要があります。バックグラウンド損失が低い場合 (通常、0.01 または 0.001 のレベル)、熱と光を反対方向に引き出すことができるため、アクティブ要素の開口部を広くすることができます。この場合、複数のアクティブ要素を組み合わせてパワースケーリングを行います。

スケーラビリティは、個別のレーザー ビームを組み合わせることによっても実現できます。通常、完全に独立したビームを組み合わせて、各ビーム単独よりも高い放射輝度を持つビームを生成することはできません。ビームは、互いに コヒーレントである場合にのみ組み合わせることができます。このようなビームは、アクティブまたはパッシブに組み合わせることができます。

レーザーの受動的な結合（またはコヒーレントな加算）では、結合されたすべてのレーザーに共通する少数のモードのみが、レーザー発振閾値を超えることができます。8 つのレーザーの効率的な受動的な結合が報告されています。さらにパワーをスケーリングするには、個々のレーザーのゲイン帯域幅および/または長さの 指数関数的な増加が必要です。

アクティブ結合とは、個々のレーザー出力の位相をリアルタイムで測定し、すべてのレーザー出力の位相を同位相に保つための迅速な調整を意味します。このような調整は、音響周波数での位相ノイズの抑制に効果的な適応光学によって行うことができます。全光スイッチングに基づくより高速な方式が研究されています。