ディスクレーザー（）またはアクティブミラー（）は、固体レーザーの一種で、熱放散用のヒートシンクとレーザー出力部が、活性利得媒質の薄層の表裏に配置されている構造を特徴とする。名称に「ディスク」と付いているものの、必ずしも円形である必要はなく、他の形状も試みられている。ディスクの厚さはレーザービームの直径に比べてかなり小さい。このレーザー共振器の構成方式は、薄片状半導体レーザーの向けに提案および実験的に実現されたものが最初である。
ディスクレーザーの概念設計では、その大面積特性により、非常に高い平均出力およびピーク出力を実現可能である。これにより、活性材料に対する電力密度は適度なレベルに抑えられる。
アクティブミラーとディスクレーザー
当初、ディスクレーザーは「アクティブミラー」と呼ばれていた。これはディスクレーザーの利得媒質が、実質的に反射係数が1を超える鏡として機能するためである。アクティブミラーとは、薄い円盤形状をした二重通過型光増幅器を指す。
最初のアクティブミラーはで開発された。スケーラブルなダイオード端ポンプディスクNd:YAGレーザーはでTalbotアクティブミラー構成で提案された。
その後、このコンセプトは様々な研究グループによって発展させられたが、ドイツのシュトゥットガルト大学は特にYbドープガラスを用いる技術を発展させた。
ディスクレーザーの構造上、ヒートシンクが透明である必要がなく、装置の横サイズが大きい場合(図1)に極めて効率を高めることができる。サイズ向上により、特段の設計変更なく数キロワットまでパワーをスケールさせることが可能である。
ディスクレーザーのパワースケーリングの限界
ディスクレーザーの出力を制限する要因には、励起入力の大きさだけではなく、オーバーヒートや自然放射増幅光(ASE)、背景などがあげられる。オーバーヒートを避けるためにはパワースケーリングと共にサイズを増加させる必要がある。そして、ASEの指数関数的増加による大きな損失をさけるため、横往復利得は大きくできない。この制約により利得は低減せざるをえない。ディスクレーザーの利得は出力カプラの反射率と厚さにより決定される。往復利得は往復損失よりも大きく保つ必要がある(レーザー共振器から往復ごとに出力される光学エネルギーはにより決定される)。一定の往復損失のもとで利得を減らす必要がある場合、媒質の厚さを増やす必要がある。しかし、ある臨界厚みにおいて、オーバーヒートを起こさずにを超える励起が不可能になる。
パワースケーリングの特性は、単純なモデルからもある程度予測可能である。ここでをレーザー媒質の飽和強度; 、を媒質の周波数比、をパラメータとすると、キーパラメータ によりディスクレーザーの最大出力が決定できる。対応する最適厚さはと推定できる。対応する最適サイズも と推定できる。大まかに言えば、往復損失は必要な出力の立方根に反比例して減少するという傾向がある。
励起エネルギーの輸送にも問題が生じうる。往復利得が低いとき、ポンプ光の単路吸収も低くなる。そのため、効率的な動作のためには励起エネルギーのリサイクルがもとめられる(図2の鏡M)。パワースケールのためにはレーザー媒質は光学的に薄い必要があり、励起エネルギーの輸送のために何往復もする必要がある。横から励起エネルギーを輸送するのも1つの手段である。
自己像形成によるディスクレーザーのスケーリング ダイオード励起薄膜ディスク固体レーザーは、Talbot共振器における横モードロック技術によってスケールすることが可能である。 Talbotスケーリングの顕著な特徴として、自己像形成によって位相同期された素子レーザーアレイのが次式で与えられることがあげられる。
位相同期された発光素子数の上限は、アクティブミラー面における位相歪みがオーダーのランダム分布に起因する。
ASE抑制キャップ
ASEの影響を低減するための部材として、ディスクレーザー表面に未ドープ材料でつくられたASE抑制キャップが提案されている。このキャップにより、自然放出された光子が活性層から外部へ脱出できるようになり、共振器内での再放射が防止される。すなわち、未ドープキャップなしの場合ASEは図3に示すように反射を繰り返すが、キャップによりこれが低減される。これにより、ディスクレーザーが達成可能な最大出力のオーダーを1つ向上させることが可能となる。キャップがある場合もない場合も、ディスク端面からのASEの後方反射を抑制する必要があるが、これは図4に緑色で示す吸収層によって実現できる。最大出力付近での動作時には、 エネルギーのかなりの部分がASEに変換されるため、これらの吸収層には熱放散機構も必要となるが、図にはこれらの機構は明示されていない。
レーザー材料のキーパラメータ 所与の往復損失において達成可能な最大出力の推定値は、の値に対して非常に鋭敏に変化する。一方、所望の出力パワーが達成可能なの上限は安定して推定可能である。図5に正規化された出力の関数としての上限をプロットしたものを示す。ここではレーザーの出力電力、はdimensional scale of powerであり、キーパラメータとの関係がある。太い点線は未ドープキャップなしの場合の推定値を、太い実線は未ドープキャップ付きの場合を表す。細い実線は係数を含まない定性的推定値を示す。丸印は、達成された出力電力とそれに対応する背景損失の推定値に関する実験データに対応している。今後実施されるすべての実験および数値シミュレーション、ならびに推定値は、未ドープキャップ付きディスクの場合は図5の赤色点線以下、ASE抑制キャップ付きディスクの場合は青色曲線以下の値を与えると予想される。 これは、ディスクレーザーにおけるスケーリング則として解釈できる。
前述の曲線近傍では、ディスクレーザーの効率は低く、ポンプ電力の大部分がASEに変換されて装置端部で吸収されてしまう。このような場合、利用可能な励起エネルギーを複数のディスクに適切に分配することで、レーザーの性能を大幅に向上させることが可能である。実際、同一共振器内に複数の素子を組み合わせたレーザーシステムが報告されている。
パルス動作 同様のスケーリング則はパルス動作においても成立する。準連続波動作領域では、最大平均出力はポンプのフィルファクターとポンプパルスの持続時間、繰り返し速度の積によってスケーリングを推定できる。短時間パルスの場合、より詳細な解析が必要となる。繰り返し速度が比較的高い値（例えば以上）の場合、出力パルスの最大エネルギーは背景損失の三乗におおよそ反比例する。未ドープキャップを装着することにより、このキャップが背景損失に寄与しないならば、平均出力電力を1桁程度向上させる可能性がある。低繰り返し速度領域および単一パルス動作領域で、かつ十分な励起パワーがある場合、一般的なエネルギー制限は存在しないが、必要なパルスエネルギーの増加に伴なって必要な装置サイズは急速に増大するため、実用上の限界はある。ディスク内の内部背景損失レベルに応じて、単一の活性素子からは数ジュールから数千ジュールのエネルギーを有する光パルスを抽出可能であると推定されている。
出典
関連項目
VCSEL
レーザーパワースケーリング レーザー媒質