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波長可変レーザーとは、動作波長を制御可能な方法で変更できるレーザーのことである。すべてのレーザー利得媒体は出力波長のわずかな変化を可能にするが、広い波長範囲にわたって連続的に波長を調整できるレーザーは一部の種類に限られる。
波長可変レーザーには多くの種類とカテゴリーがあります。これらは気体、液体、固体の状態で存在します。波長可変レーザーの種類には、エキシマレーザー、ガスレーザー（ CO2レーザーやヘリウムネオンレーザーなど）、色素レーザー（液体および固体）、遷移金属固体レーザー、半導体結晶およびダイオードレーザー、自由電子レーザーなどがあります。[ 1 ]波長可変レーザーは、分光法[ 2 ] 、光化学、原子蒸気レーザー同位体分離[ 3 ] [ 4 ] 、光通信などの分野で応用されています。
真の意味での単色レーザーは存在せず、すべてのレーザーは、レーザー遷移の線幅として知られる周波数範囲で光を放出することができます。ほとんどのレーザーでは、この線幅は非常に狭くなっています（例えば、 Nd:YAGレーザーの1,064 nm波長遷移の線幅は約120 GHz、つまり0.45 nmです[ 5 ]）。この範囲でレーザー出力を調整するには、波長選択光学素子（エタロンなど）をレーザーの光共振器内に配置して、共振器の特定の縦モードを選択できるようにします。
ほとんどのレーザー利得媒体には、レーザー動作が可能な遷移波長が複数存在します。例えば、Nd:YAGは、主出力である1,064 nmの他に、 1,052 nm、1,074 nm、1,112 nm、1,319 nmなどの波長で弱い遷移を起こします。[ 6 ]通常、これらの波長は、波長選択性誘電体ミラーなどを用いて最も強い遷移の利得を抑制しない限り動作しません。プリズムなどの分散素子を光共振器内に導入すると、共振器のミラーを傾けることで、異なるレーザー波長間を「ホッピング」しながらレーザーの波長を調整できます。このような方式はアルゴンイオンレーザーでよく用いられ、紫外線や青色から緑色までの波長範囲でレーザーの波長を調整できます。
一部のレーザーでは、共振器長を変更できるため、広い波長範囲で連続的に波長を調整できます。分布帰還型（DFB）半導体レーザーや垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）は、周期的な分布ブラッグ反射器（DBR）構造を用いて光共振器のミラーを形成します。レーザーの温度が変化すると、DBR構造の屈折率の変化によってピーク反射波長がシフトし、結果としてレーザーの波長も変化します。このようなレーザーの波長調整範囲は、通常数ナノメートルで、レーザー温度が約50 K 変化すると最大で約6 nmまで調整可能です。経験則として、1,550 nmの波長領域で動作するDFBレーザーの場合、波長は0.08 nm/Kで調整されます。このようなレーザーは、信号波長の調整を可能にするため、 DWDMシステムなどの光通信アプリケーションで一般的に使用されています。この技術を用いて広帯域チューニングを実現するために、サントゥール株式会社や日本電信電話株式会社（NTT）[ 7 ]などの一部の企業は、このようなレーザーのアレイを単一のチップ上に搭載し、チューニング範囲を連結している。
サンプルグレーティング分布ブラッグ反射器レーザー（SG-DBR）は、はるかに広い波長可変範囲を持ち、バーニア可変ブラッグミラーと位相セクションを使用することで、50 nmを超える単一モード出力範囲を選択できます。DWDMシステム向け に広い波長可変範囲を実現するための他の技術[ 8 ]は次のとおりです。
共振器ミラーをデバイスの端に配置するのではなく、VCSEL のミラーは半導体材料の上下に配置されます。やや紛らわしいことに、これらのミラーは通常 DBR デバイスです。この配置により、光はレーザー チップ内で垂直に「反射」し、光は端からではなくデバイスの上部から出射されます。その結果、VCSEL は同種のものよりも円形に近いビームを生成し、ビームの発散もそれほど速くありません。[ 10 ]
2008年12月現在 DWDMシステム用途向けに、広範囲に波長可変なVCSELはもはや市販されていません。
1オクターブ以上の波長可変性を持つ最初の赤外線レーザーはゲルマニウム結晶レーザーであったと主張されている。[ 11 ]
波長可変レーザーの応用範囲は非常に広い。適切なフィルターと組み合わせると、波長可変光源は数百ナノメートルにわたって調整でき[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]、スペクトル分解能は波長範囲に応じて4 nmから0.3 nmまで変化する。十分なアイソレーション（>OD4）があれば、波長可変光源は基本的な吸収とフォトルミネッセンスの研究に使用できる。光ビーム誘起電流（LBIC）実験で太陽電池の特性評価に使用でき、そこからデバイスの外部量子効率（EQE）をマッピングできる[ 15 ] 。また、金ナノ粒子[ 16 ]や単層カーボンナノチューブサーモパイル[ 17 ]の特性評価にも使用でき、 400 nmから1,000 nmまでの広い波長可変範囲が不可欠である。波長可変光源は、網膜疾患の早期発見のためのハイパースペクトルイメージングの開発に最近使用されており、網膜全体を効率的に照明するためには、広範囲の波長、狭い帯域幅、および優れた分離が必要となります。[ 18 ] [ 19 ]波長可変光源は、反射分光法、透過分光法、光生物学、検出器の校正、ハイパースペクトルイメージング、定常状態ポンププローブ実験など、多くの用途で強力なツールとなり得ます。
真に広帯域に波長可変な最初のレーザーは、1966 年の色素レーザーでした。 [ 20 ] [ 21 ]ヘンシュは1972 年に最初の狭線幅波長可変レーザーを発表しました。[ 22 ]色素レーザーと一部の振動電子固体レーザーは非常に広い帯域幅を持ち、数十から数百ナノメートルの範囲で波長を可変できます。[ 23 ]チタン添加サファイアは最も一般的な波長可変固体レーザーで、670 nmから1,100 nm の波長でレーザー動作が可能です。[ 24 ]通常、これらのレーザーシステムには、レーザー共振器内にリオットフィルターが組み込まれており、これを回転させてレーザーを可変します。その他の波長可変技術には、回折格子、プリズム、エタロン、およびこれらの組み合わせが含まれます。 [ 25 ]デュアルテによって説明されているように、いくつかの構成の多重プリズム格子配置は、ダイオード、色素、ガス、およびその他の波長可変レーザーで使用されています。[ 26 ]