Qスイッチレーザーで短パルス幅を実現するには、設計において2つの基本的な物理パラメータを優先する必要があります。それは、短いレーザー共振器長と高いレーザー利得です。キャビティ内で光が移動する距離を最小限に抑え、媒質の増幅パワーを最大化することで、レーザーは蓄積されたエネルギーをより迅速に抽出し、よりタイトで短いパルスを実現できます。
Qスイッチの物理法則は、パルス幅がフォトンキャビティ寿命に直接関連していることを規定しています。したがって、最も短いパルスは、可能な限り最小の物理的フットプリントと可能な限り高い信号増幅を組み合わせたシステムによって生成されます。
パルス短縮の原理
共振器長の最小化
レーザーキャビティの物理的な長さは、パルス幅の主要なボトルネックです。共振器が短いほど、キャビティ内のフォトンの往復時間が短くなります。
マイクロチップレーザーはこの原理を体現しています。非常に短い共振器を使用することで、Qスイッチ発振器で利用可能な最も短いパルス幅を実現します。ただし、物理的なサイズ制限により、利得媒質の体積が制限され、通常、これらのレーザーは中程度のパルスエネルギーに制限されます。
レーザー利得の最大化
高いレーザー利得により、光パルスは迅速に構築され、蓄積されたエネルギーを枯渇させることができます。エネルギーが抽出されるのが速いほど、結果として得られるパルスは短くなります。
コンパクトな端面励起固体レーザーはこの点で説得力のあるバランスを提供します。高い利得を維持しているため、数ナノ秒の範囲のパルス幅を実現しながら、ミリジュールレベルのパルスエネルギーを供給できます。
低利得アーキテクチャの問題
逆に、熱管理や表面積を優先する設計は、利得を犠牲にすることが多く、パルスが長くなります。
薄膜ディスクレーザーはこの制限の典型的な例です。効率的な冷却と大きな表面積により非常に高いパルスエネルギーを生成するのに優れていますが、比較的利得が小さいという欠点があります。その結果、非常に短いパルス幅を必要とするアプリケーションには一般的に適していません。
パルス最適化のための運用調整
パルス繰り返し率の低減
物理的な形状を超えて、運用設定も役割を果たします。最も短いパルス幅（および最も高いエネルギー）は、パルス繰り返し率を下げることによって達成されます。
具体的には、利得媒質の上準位寿命の逆数よりも低いレートに保つ必要があります。これにより個々のパルスの強度は最大化されますが、レーザーの平均出力電力は低下します。
トレードオフの理解
利得 vs エネルギー貯蔵
短いパルスを実現することと、大量のエネルギーを貯蔵することの間には、しばしば対立があります。
高エネルギー貯蔵には、Yb:YAGのような上準位寿命の長い材料が望ましいです。しかし、これらの材料は、Nd:YAGのような代替材料と比較して、利得が低いことがよくあります。その結果、より多くのエネルギーを貯蔵できるが、よりゆっくりと放出するため、パルス幅が長くなるシステムになります。
発振器 vs 増幅器（MOPA）
単一の発振器では、短いパルスと高い平均電力の両方の要求を満たすことができないことがよくあります。
パルス幅を犠牲にすることなく大幅に大きなパルスエネルギーを目指す場合は、マスター発振器パワー増幅器（MOPA）アーキテクチャが必要です。高い平均電力と中程度のエネルギーを組み合わせる場合、ファイバーベースのMOPA（MOFA）が標準的なソリューションです。
目標に合わせた適切な選択
レーザーアーキテクチャの選択には、どのパラメータ（パルス幅、エネルギー、または電力）がクリティカルパスであるかを決定する必要があります。
- 最も短いパルス幅が最優先事項の場合：マイクロチップレーザー設計を選択して、共振器長の最小化を活用し、中程度のエネルギーレベルを受け入れます。
- 短いパルスとミリジュールエネルギーのバランスが最優先事項の場合：コンパクトな端面励起固体レーザーを選択して、高い利得特性を利用します。
- パルス幅に関係なく最大のパルスエネルギーが最優先事項の場合：薄膜ディスクレーザーまたはYbドープ媒質を検討しますが、利得が低いとパルス幅が長くなることを理解してください。
- パルス幅を広げることなくエネルギーをスケーリングすることが最優先事項の場合：MOPAシステムを実装して、短パルス発振器の出力を増幅します。
最終的に、物理法則は、利得、エネルギー貯蔵、および共振器のコンパクトさを同時に最大化することはできないことを規定しています。特定のアプリケーションを推進する2つを最適化する必要があります。
概要表：
| 設計原理 | コア戦略 | 主な利点 | 一般的なトレードオフ |
|---|---|---|---|
| 共振器長 | キャビティ距離を最小化 | フォトン往復時間を短縮 | パルスエネルギー容量を制限 |
| レーザー利得 | 増幅を最大化 | 迅速なエネルギー抽出 | 高ポンプ密度が必要 |
| アーキテクチャ（MOPA） | 発振器 + 増幅器 | 短パルスでエネルギーをスケーリング | システム複雑性が高い |
| 媒質選択 | 高利得材料（Nd:YAG） | タイトなナノ秒パルス | エネルギー貯蔵容量が低い |
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