チュートリアル：ファイバーレーザーの基礎知識

ファイバーレーザー：このチュートリアルでは、ファイバーレーザーを作るために最もよく使われる技術的アプローチの概要を説明します。 CWまたはパルスファイバーレーザーの開発で一般的に使用されるコンポーネントの選択と様々な構成について解説しています。

PDF版ファイバーレーザー

ファイバーレーザーの原理。

ファイバーレーザーは、増幅媒体が光ファイバーであるレーザーです。希土類イオンが光増幅する性質を利用した、電源が必要なアクティブモジュール（電子機器におけるアクティブ電子部品のようなもの）である。

励起媒体は、一般にファイバー結合型レーザーダイオードである。 2種類の構成を利用することができます（図1、図2）。

光ファイバー増幅媒体の中を光が両方向に進むレーザー共振器構成 。
MOPA 構成：（Master Oscillator Power Amplifier）発振媒体が小さな「seeder」信号を生成し、ファイバー増幅媒体を介して増幅させる構成。

ファイバーレーザーの主要部品。

図1、図2に示した各要素について説明します。代替となるサプライヤーのカテゴリーや選択肢の例も掲載されています。

光ファイバー増幅メディア

他のレーザーと同様に、ファイバーレーザーは誘導放出という原理を利用しています。ファイバーレーザーの大半は、ファイバーを結合した部品を連結して作られています。

各コンポーネントに関連するファイバーは「パッシブファイバー」と呼ばれます。パッシブファイバーには増幅作用がない。増幅媒体の中心にあるファイバーは「アクティブファイバー」と呼ばれる。アクティブファイバーは、希土類元素（エルビウム、イッテルビウム、ツリウムなど）が添加され、レーザーダイオードの励起パワーをレーザーパワーに変換して誘導放出を行います。

イッテルビウム（Yb³⁺）やエルビウム（Er³⁺）の励起波長は通常915nmまたは976nmであるのに対し、Er³⁺の発光波長は約1.5μm、Yb³⁺は1030-1100nmである。

一般的には、2種類のアクティブファイバーが利用されている。

シングルクラッドファイバ/シングルモードファイバで、シングルモードファイバ結合型レーザーダイオードの励起パワーに適合する場合（通常<1 W）・シングルモードファイバ結合型レーザーダイオードの励起パワーに適合する場合。
ダブルクラッドファイバー（レーザーダイオードの励起電力が1W以上の場合）

アクティブファイバーのメーカーとして高い評価を得ているのは、以下の4社です。

iX-Blue:フランスのサプライヤー
Nufern:アメリカ(CT)のサプライヤー
Coractive:カナダのサプライヤー
NKT：デンマークのサプライヤー [for very special PCFs – Photonics Crystal Fibers]

ポンプレーザーダイオード

ファイバーレーザーに使用されるポンプレーザーダイオードは、一般的にAlGaAs III-V族半導体技術を用いたファイバー結合素子で、800-1000 nmの範囲で発光する（多くの場合915または976 nm -吸収スペクトル図3参照）。

大きく2つの系列に分けることができる。

1- シングルモードのファイバー結合型レーザーダイオード。小さな端面発光のレーザーダイオードから出た光を約6μmのファイバーコアに集光する。このタイプのレーザーダイオードは、一般にTECクーラーをパッケージに組み込んだバタフライパッケージで組み立てられる（最近の傾向として、小型化が進んでいる）。これらのファイバー結合型レーザーダイオードは、一般に300mWから1.5Wの出力に達することができます。シングルクラッドアクティブファイバーの励起に使用される（図4参照）。

915/976nmシングルモードポンプレーザーダイオードの主要サプライヤーは、90年代末にテレコム市場向けファイバーアンプ（EDFA：Erbium Doped Fiber Amplifiers）でビジネスを展開してきた企業である。高い信頼性と生産量の多さによる低コストが両立している。

ファイバーレーザーに使用されるマルチモードファイバー結合型レーザーダイオードは、一般的に広面積側発光レーザーダイオードチップをベースにしています。これらも2つに分けることができます。

シングルエミッターレーザーダイオードは、最大20Wのレーザーダイオードチップを、通常105（コア）/125µm（クラッド）レーザーダイオードに結合させたものです。
マルチエミッターレーザーダイオードは、複数のレーザーダイオードチップを同様のファイバに結合したもので、数百ワットまで出力レベルを拡張することができる。

なお、図3に見られるように、Yb³⁺のような希土類イオンの976 nmでの吸収スペクトルは狭く、安定化したレーザーダイオードの吸収スペクトルが必要である。この波長安定性を確保するためには、レーザーダイオードの温度を制御する必要があり、多くの場合、レーザーダイオードに波長安定化素子を追加する必要がある。この素子は、シングルモードレーザーダイオードではFBG（Fiber Bragg Grating）、マルチモードレーザーダイオードではVBG（Volume Bragg Grating）が一般的である（レーザーダイオードから約1mの位置にある専用のファイバー片）。 VBGは本来、レーザーダイオードのパッケージに組み込まれた特殊なガラス片である。

これらのダイオードの価格は通常、シングルモードのレーザーダイオードで1500ドル、マルチモードのシングルエミッターで500ドル、マルチエミッターのレーザーダイオードで2000ドルの範囲である。

レーザーダイオードを駆動し、ファイバーレーザー特有の制約や要求をすべて考慮することは難しく、専用製品が必要です。ここでは、ファイバーレーザーダイオード駆動用に特別に設計された、研究開発用とファイバーレーザー製品のフルインテグレーションの両方に対応する2つのレーザーダイオードドライバをご紹介します。

AeroDIODE社のセントラルボード（リンク：ファイバーレーザーダイオードドライバー）は、ほぼ全てのタイプのファイバーレーザーアーキテクチャーのコントロールセンターとして機能します。本ドライバボードには、CWおよびパルス領域で動作する2つのシングルモードレーザダイオードドライバとTECコントローラ、ファイバーレーザーのパワーモニタ用フォトダイオード測定回路が6個搭載されています。
AeroDIODE社のCCM（Cool and Control Multimode）（リンク：高出力レーザーダイオードドライバー）は、高出力TECコントローラーと空冷設定を含め、1つまたは複数のマルチモード励起レーザーダイオード（単一素子または複数素子デバイス）の駆動用に完全に最適化されています。

光学式seeder

MOPAアーキテクチャのファイバーレーザーは、様々な増幅段を通して増幅される最初の光学特性を決定するシーダー部を持つ（図2）。

光seeder部は、ファイバーレーザーのアーキテクチャに大きな違いが生じる部分である。 seederアーキテクチャは数多く存在します。 CWまたはパルスモードで駆動するレーザーダイオード、外部の高速変調装置（チュートリアル：光ファイバー変調器参照）、特殊なQスイッチ共振器、モードロック共振器、マイクロチップなどの水晶ベースの発振器、その他多くのアプローチなどがあります。これらの様々なseeder依存のアーキテクチャは、§III（9ページ）でさらに説明されています。この段落では、直接レーザーダイオード部分のみを説明します。

図3のように、増幅器利得媒質に適合した波長のみがレーザーダイオードseederに関係します。下の表は、一般的にアクティブファイバーメディアに埋め込まれたドーパントによって増幅される様々な波長域を示したものです。

表1ファイバーレーザーの増幅範囲は、アクティブファイバーの希土類ドーパントに依存します。

ドーパント	レーザー増幅波長域
Yb³⁺	1030-1100 nm
Er³⁺	1530～1620 nm
Tm³⁺	1800～1900 nm
Nd³⁺	1050-1090 nm

以下に、一般的なレーザーダイオードシーダーの種類をまとめます（詳しくは、ファイバーカップルドレーザーダイオードの詳細チュートリアルをご覧ください）。

「標準的な」レーザーダイオードのseederは、一般的な部分反射型半導体共振器で、14ピンのバタフライパッケージに統合されています。波長発光スペクトルは、追加したブラッググレーティングに大きく依存します。発光帯域幅は、ブラッググレーティングがない場合は通常 3-5 nm であるのに対し、ブラッググレーティングを使用した場合は非常に狭くなります (~<0.1 nm)。波長スペクトル温度可変係数は、ブラッグ無しでは通常 0.35 nm/°C であるのに対し、ブラッググレーティングを使用した場合はそれよりもはるかに小さくなります。

DFBまたはDBRレーザーダイオードseeder装置は、seeder装置のレーザーダイオードチップ部にブラッググレーティング波長安定化部を直接組み込んでいます。これにより、DFBでは通常2MHz（～10^-5nm）という狭い発光波長が得られ、波長もすぐにロックされます。

パルス領域で使用する場合、これらのレーザーダイオードは非常に高い利得レベルまで増幅することができます。

ダイオード／ファイバーコンバイナー

ファイバ結合型レーザーダイオードからの光をアクティブファイバに結合するのは、複雑なプロセスである。特に、入力のシーダー光源とポンプ光の両方を入射させる必要があるMOPA構成（図2）では、この傾向が顕著です。

この結合処理に使用される部品は、シングルモードのファイバー結合レーザーダイオードとマルチモードのファイバー結合レーザーダイオードとでは異なります。

シングルモードレーザーダイオードの励起には、一般的に2種類の部品が使用されます。

TAP-カプラ/WDM’s。2本のファイバーを融着接続し、両ファイバーのモードを結合させ、目標とする性能に到達させる原理を持つ。ここで大きな制約となるのが、異なる2つの波長から良好な結合性能を得るために必要な最小の波長分離である。一般的には数百ナノメートルの差が必要です。

薄膜WDM（波長分割マルチプレクサ）。タップカプラが機能しない場合の解決策です。これらの部品は、薄膜ダイクロイックフィルターの技術を応用したものです。部品内部では実際に光はファイバーに入っていませんが、ファイバー入り部品とみなしています。

1台または数台のマルチモードファイバー結合レーザーダイオードの光をシングルモードseederで結合することは非常に困難な作業です。 PCF（Photonics Crystal Fibers）のような特殊なファイバーを使用する場合は、さらに難しくなります。多くの技術では、特殊なガラス管の中で複数の繊維を融合させる原理を採用している。

アジアの多くのサプライヤーがこのような部品を提供しています。評判の高い4つのサプライヤーをご紹介します。最初の2社はシングルモード用部品に特化しており、最後の2社はマルチモード用コンバイナーで知られています。

DK Photonics（中国）
ITF technologies（カナダ）
Lightcom（中国）
Alphanov（フランス）も、複雑な高出力PCFファイバーに関連するいくつかの特殊なコンポーネントを提供しています。

反射メディア／フィルターメディア

反射メディア – ブラッググレーティングミラー

ファイバーレーザーのキーコンポーネントはブラッググレーティングであり、光ファイバーのコアの屈折率を周期的または非周期的に変化させるもので、広く使用されている。一般に、ゲルマニウム珪酸塩繊維に紫外線を照射して作られる。

ブラッググレーティングは、ファイバーUV照明の製造方法によって、任意のタイプの反射/透過スペクトルを可能にします。

図1のようなレーザー共振器では、ブラッググレーティングを使用して、レーザー共振器を構築するための全反射鏡または部分反射鏡を提供します。

フィルターメディア – ブラッググレーティングフィルター

ファイバーレーザー（特にMOPA構成）には、ASE（Amplified Spontaneous Emission）と呼ばれる不要な効果があります。これは、seeder光の増幅と負に競合する低レベルの光から始まる双方向の増幅効果である。 ASEは、希土類ドーパントのゲインスペクトルと相関のあるスペクトルを持つ。そのため、非常にブロードで、強度はファイバー長に沿って非線形に増加する。

一般に、seederスペクトルはASEスペクトルよりはるかに狭いので、ファイバーレーザーの長さに沿っていくつかのフィルタリング装置を追加し、ASEスペクトルに沿った損失がこれらの波長での利得より高くなり、それでもseederの光を通すようにすることが適切です。

スイッチングメディア

歴史的には、図1（共振器）と図2（MOPA）の2つの代替構成は、それぞれCWファイバーレーザーとパルスファイバーレーザーに関連するものであった。多くの高出力CWアーキテクチャはMOPA増幅の原理を使用しており、一部のパルス構成は後に増幅器を使用しない独自の空洞で作られているため、これはもはや事実ではありません。

共振器構成でパルスファイバーレーザーを作るには、可飽和吸収体（Q スイッチやモードロックアーキテクチャの原理など）か、アクティブロス同期のためのスイッチング媒体である時間相関ロス媒体が必要です。

スイッチング媒体には、AOM（音響光学変調器）、EOM（電気光学変調器）、SOA（半導体光変調器）などがあり、パルス領域で駆動されます。これら3つの高速ファイバー変調技術については、別のチュートリアルで比較しています : “光ファイバー変調器“.

その他の部品

ファイバーレーザーは、一般に、あらゆる段階で出力レベルを恒久的に検証するために、いくつかの監視コンポーネントも含んでいます。ファイバーフォトダイオードは、そのような部品である。フォトダイオードは、時間（速度）や温度などのパラメータによってどのような挙動を示すかを理解する必要がある場合が多い。フォトダイオードの技術的なパラメータは個々に類似しているため、詳細なリファレンスデータシートがあると便利です。 InGaAsフォトダイオードの詳細なデータシートは、LumentumのEPM 6xxシリーズです。

一般に、パルスMOPA高出力ファイバーレーザーの場合、ファイバーレーザーのモニタリングや各種セキュリティ、内部インターロックに関わるフォトダイオードを少なくとも5個以上必要とします。

seederの平均出力を制御するためのフォトダイオード 1個
高速フォトダイオード 1個：seederパルスを “監視 “し、パルスが欠落したときに高速セキュリティーを開始します。
平均出力を制御する各ステージに1個のフォトダイオード、特にレーザーの一部である場合はパルスピッキングユニットの両側に設置。
1 ファイバーレーザーに戻るパワーを制御する “BRM”(Back-Reflection Monitor)
出力フォトダイオード1個または2個（ファイバー式、または電力レベルによりファイバー式が不可能な場合はファイバー式でない）。

これらのフォトダイオードは、ファイバーレーザーの損傷を防ぐために、特別な起動・停止手順で使用されます。

1段または多段のMOPA構成でうまく制御する必要がある主な破壊的効果は、seederが発光していないときに励起用レーザーダイオードがまだ点灯しているという潜在的な状況によるものです。すると、すぐに巨大なパルスが発生し、ファイバーレーザーの内部に永久的なダメージを与える。

AeroDIODEのセントラルボードには、約50の特殊な電子機能があり、上記のすべてのファイバーレーザーコンポーネントと関連して、以下に説明するほぼすべてのタイプのファイバーレーザー構成を作ることができます。

ファイバーレーザー構成。

はじめに

以下に示す様々な構成は、典型的なファイバーレーザー構成を規定する典型的な制約の概要を読者に提供することを意図しています。もちろん、多くのバリエーションが存在するので、最適な構成を決定するためには、RP-Fiber-Powerのような優れたシミュレーション・ソフトウェアが必須です。

なお、以下の図では、わかりやすくするために、アイソレータ（各段）およびモニター用フォトダイオードは示していません。

CWファイバーレーザー

CW ファイバーレーザーは，一般に光出力特性（波長など）に制約がある場合，単純なブラッググレーティングベースの共振器といくつかの増幅段でエンドポンピングして作られます。

典型的な CW ファイバーレーザーの構成を以下の図 14 に示す。マルチポンプキャビティにより、高い出力レベルを実現しています。一般に、吸収を最大にし、グレーティングの両側で、反対側のポンプから来るかもしれない残余の光を避けるために、非常に長いファイバーの長さを取ることが望ましいです。

長いファイバーを選択することで、アクティブファイバー内の全体的な反転レベルを下げることができます。図3で説明したように、吸収と発光の複合効果により、イオンの人口反転比に応じて、Yb³⁺の最も好ましい発光領域は1030～1100nmの間になります。反転レベルが低いほど、波長が長くなる。このため、KWクラスのCWファイバーレーザーの波長は、一般に1080より高い1100nmまでとなっています。

典型的な高出力ファイバーレーザーを図 15 に示す。シーダーレーザーダイオード光源を使用し、高出力に到達するためには複数の増幅段が必要です。アクティブファイバーの後に残ったポンプパワーを除去するために、モードストリッパが必要になることが多いことに注意してください。また、Amplified Spontaneous Emissionを除去し、良好なS/N比を保つために、1つまたは複数のASEフィルターが必要となることが多い。

パルスファイバーレーザー（ミリ秒/マイクロ秒領域）

高い励起パワーをかけたときのYb³⁺イオンの集団反転の時間スケールは、通常20～200μsecの範囲である（通常Yb³⁺寿命の～10%程度）。つまり、この範囲よりも長いパルスを得たい場合には、ポンプパワーを電子的にパルス化し、このパルス中にCWレーザーと同じ挙動を実現することができるのです。つまり、ミリ秒やマイクロ秒のファイバーレーザーに利用される典型的な光学アーキテクチャは、CWファイバーレーザーと同じである。全体的な熱特性のみが異なるため、低デューティサイクルのファイバーレーザーを設計する際には、異なるコンポーネントを選択する必要があるかもしれません。

パルスファイバーレーザー(ナノ秒帯)

1ナノ秒から10マイクロ秒の短パルスを発生させたい場合は、ナノ秒パルスファイバーレーザーの世界に入っていきます。

このように、Yb³⁺イオンの特性は、ポンプパワーを調整することでこのようなパルスを発生させるのに十分なものではありません。そのため、ポンプパワーを連続させながら、パルスの発生方法を工夫する必要があります。

ここでは、トイレの水洗に例えています。光ポンピングとは、水洗タンクに水が来て、ある技術で任意の周波数で流すことです（この比較では、流すのが光パルスです）。この比較によって、いくつかの重要な要素を理解することができます。

CWポンプ（連続通水）を考えた場合、最低限の洗浄回数が必要であり、そうしないと連続的に入ってくる水がオーバーフローしてしまうことが想像される。このファイバーレーザーの最低周波数は、通常5kHzです。この周波数以下では、パルスの間にファイバーからASEパワーが出始める。

また、重要なパラメータとして、アクティブファイバー中のイオンの数があることにも注目したい。この数値は、1パルスごとに得られる絶対最大エネルギーと直接的な関係がある（トイレタンクの大きさは得られる水の絶対最大量を決定するが、分離機構により便器への水の充填が停止するため、得られる水は少なくなることが多い）。
最新世代のファイバーレーザー電子回路は、MOPA（Master Oscillator Power Amplifier）ナノ秒ファイバーレーザー・構成でポンプパルスを適用するために使用されます（そのような電子回路の説明は§IVを参照してください）。ここでも、便器を満たすために流す動作とは別に、タンクの充填を開始し、停止する2つの効果を考える際に、トイレの洗浄との比較が関係します。

図1と図2に示すように，シングルファイバーレーザー共振器とMOPA（Master Oscillator Power Amplifier）という非常に異なる2種類の構成が存在する。ナノ秒ファイバーレーザーの構成は、単一キャビティQスイッチ構成を除き、ほとんどがMOPA構成をベースにしています。

Qスイッチナノ秒ファイバーレーザー

Qスイッチファイバーレーザーは、専用の高速スイッチング/変調コンポーネントをファイバーレーザー共振器に組み込んだ場合に得られる。この部品には、AOM（音響光学変調器）、EOM（電気光学変調器）、SOA（半導体光変調器）があり、パルス領域で駆動されます。このようなコンポーネントの詳細については、チュートリアル：「光ファイバ強度変調器」をご覧ください。部品を低損失レベルに切り替えると、通常数ナノ秒の高エネルギーパルスが放出されます。

Qスイッチの構成の一例を図18に示す。損失を適用するために高速AOMが使用されます。

このような構成の長所は、必要なコンポーネントが少なく、非常にシンプルであることです。しかし、モジュール化されており、光学的なパラメータを制御する能力はかなり低い。

MOPAナノ秒ファイバーレーザー

現在販売されている彫刻用ファイバーレーザーのほとんどは、この構成を採用している。例えば1064nmのSEEDレーザーダイオードは、専用の高速電流パルス電子回路でパルス化され、数段のアクティブファイバーで増幅される。一般的な増幅段では、10〜20dBの利得が発生します。それ以上のゲインでは、不要な波長を増幅するASE（Amplified Spontaneous Emission）効果があります。そのため、ある段の増幅率を最大化するのではなく、各段の間にASEフィルターを設けた多段増幅器が望まれています。

ナノ秒ファイバーレーザーの重要な効果

パルスレーザーダイオードのファイバーレーザー増幅を考える場合、4つの重要な効果を考慮する必要がある。

レーザーダイオードの利得スイッチング効果：レーザーダイオードに電流を流すと、ある程度のエネルギーが利得媒体に蓄積される。このエネルギーは、その後、パルスの初期部分（ピコ秒領域）で短パルスの形で実現されます。このパルスは、通常、100psのパルス持続時間のオーダーである。この短パルスは、非常に短いパルスを生成しようとする場合などには好都合ですし、ナノ秒領域のパルスを高エネルギーレベルまで増幅しようとする場合には問題となります（図20は、3nsの典型的なパルスで、ゲイン・スイッチ・ピークが、(1)(2)(3)のように生成されます）。 AeroDIODE パルスレーザーダイオードドライバー).

パルスレーザーダイオードの発光スペクトルの変遷。 レーザーダイオードを直接パルス化する場合、2つの好ましくないスペクトルの影響を考慮する必要があります。

- 1- 1つ目は、レーザーダイオードがブラッグロック素子に「ロック」するのに必要な時間に相関している。このロックはDFBではすぐにできるが、ブラッググレーティングを用いたレーザーダイオードでは100nsec以上かかることが多い。つまり、ブラッググレーティング安定化レーザーダイオードをパルス化した場合、最初のナノ秒はブラッググレーティングがないかのようにブロードな発光スペクトルが発生するのだ。一部のサプライヤーは、ロックに数ナノ秒しかかからない「Bragg close to chip」と呼ばれる中間的な解決策を提供している。

- 2- もう一つの避けられない影響は、周波数/位相スペクトルと強度プロファイルのカップリングに起因するものです。具体的には、発光スペクトルがパルス長で変化することが問題となる場合がある。 SOAなどの外部変調により、この影響を回避するスマートなソリューションが提供されます。チュートリアルをご覧ください。ファイバー強度変調器の基礎をご覧ください。また、レーザー光を外部で変調するために一般的に使用されている4つの技術の詳細な比較もご覧ください。

パルス形状の変形：（図 17 のような）高ゲインの多段構成による MOPA ファイバーレーザーアーキテクチャを考える場合、アクティブファイバーゲインはドーパントの反転分布レベルに依存します。これらのレベルは、パルスの持続時間と共に減少する。

そのため、パルスの変形が起こり、出力できれいな矩形のパルス形状が得られない。パルスレーザーダイオードドライバーの中には、この効果を事前に補償し、最後の増幅段の出力で所望のパルス形状に到達するように、与えられたパルスの形状を調整することができるものがあります。

ファイバー非線形効果。ファイバーアンプは、小さな直径のコアに光を集中させ、非常に高いレベルまでパワー密度を高めることができます。これは、高いパルスピーク出力を考慮した場合、多くの光学非線形効果がピークパワーとスペクトル密度があるレベル以上に現れるため、大きな問題となることがあります。 SBS（刺激ブリルアン散乱）やSRS（刺激ラマン散乱）のようなこれらの効果は、発光スペクトルとパルス幅の両方を広げる傾向がある。 SBSは、スペクトル密度に非線形に依存する効果である。ナノ秒パルスを利用する際に、より高いピークパワーに到達するためには、より広いエミッションSEEDERを選択し、狭いスペクトル幅のDFBを避けることが良い選択となり得る。また、EOM（Electro-Optic）位相変調器を使用する方法もあります。これにより、DFBの優れたスペクトル安定性を維持したまま、発光スペクトルを広げることができます。

AeroDIODE社のセントラルボードには、低ノイズCW駆動に最適化されたレーザーダイオードチャンネルと、CWとナノ秒短パルスの両方に最適化されたチャンネルが1つずつ搭載されています。また、複数のフォトダイオード入力など、ファイバーレーザーに関連する機能を多数搭載しています。中央のボードは、ファイバーレーザーの「コントロールセンター」として機能する。セントラルボードは、低反復率、高エネルギーシステムを設計する際に非常に有用なパルスポンプ機能を扱うことも可能です。ファイバーレーザーダイオードドライバーの製品ページをご参照ください。

AeroDIODEが提供するShaperボードは、上記の4つの課題のうち2つを解決することができるドライバーで、パルス形状の事前補償とゲインスイッチの特殊抑制機能を備えています。また、内蔵のAWG（Arbitrary Waveform Generator）により、500psごとに1点、48dBのダイナミックレンジを生成するため、非常に短いパルス幅まで形状を調整することが可能です。また、パルスディレイジェネレーター出力も3系統搭載しています。こちらの製品ページをご覧ください：高速レーザーダイオードドライバー

CCMモジュールは、AeroDIODEが提供する3番目のレーザーダイオードドライバーです。この高出力ドライバは、上記のすべてのファイバーレーザ構成で参照されるマルチモードのシングルおよびマルチエミッターレーザダイオードを制御するために設計されています。高出力TECコントローラーと空冷システムにより、1台または数台のマルチモードレーザーダイオード（単一素子または複数素子）を駆動するための専用機です。このクラスのレーザーを駆動するための機能を多数搭載し、最適化されたコンパクトな空冷式セットアップを実現しました。製品ページ：高出力レーザーダイオードドライバーをご覧ください。

パルスファイバーレーザー(ピコ秒領域)

ピコ秒ファイバーレーザーは、10ピコ秒から1ナノ秒のパルス幅で動作します。これらは「超高速」に分類されない。超高速というと、一般に10ピコ秒以下、多くはフェムト秒のパルス幅を発生させる特殊な構成を連想させる。

これらのピコ秒レーザーは、一般的に図 17 で説明した MOPA ナノ秒ファイバーレーザー構成と非常によく似ています。レーザーダイオードを直接パルス照射して非常に短いパルスを得ることが非常に難しくなるため、大きな違いはSEEDERからしか得られません。したがって、ピコ秒ファイバーレーザーの構成は、3つのカテゴリーに分けることができます。

ゲインスイッチ・ダイレクトダイオードSEEDER。

ピコ秒ファイバーレーザーを得るための最もシンプルな構成は、レーザーダイオードのゲインスイッチ効果（上図参照）を利用することです。この効果は、レーザーダイオードに短い電子パルスを印加したとき、光パルスの最初の100ピコ秒の間に発生する（図18参照）。この効果を増幅前に利用しているのは、Picoquant 社やNKT社（旧Onefive社）などがよく知られています。

ゲインスイッチ方式では安定したパルスを得ることは困難です。このため、レーザーダイオードの選択、レーザーダイオードの集積化（ファイバーカップリング）、ドライバーの電子性能に多くの制約が発生します。これらのレーザーダイオードが到達するエネルギーは通常10ピコジュールのオーダーであるため、1mJに到達するには80dBの利得が必要となる。一般的な増幅器の段の利得が約15dBであることを考えると、この方法でピコ秒ファイバーレーザーを作るには、各段に含まれるアイソレータ、ASEフィルタ、レーザーダイオードポンプを含めて約5段の増幅が必要となります。

外付けのモジュレーションSEEDER。

短パルスを実現するもう一つの方法は、チュートリアル “Fiber Modulator Basics “にあるように、EOM（Electro-Optics Modulators）のような非常に高速な外部ファイバー変調器を使用することである。このような部品は、光源であるレーザーダイオードをパルス化することで、ピークパワーの制限を克服することが可能である。いずれにせよ、この方法に伴う損失は、各シーダーパルスのエネルギーを非常に小さくし、増幅部のコストを非常に高くしてしまうのです。

マイクロチップSEEDER

ファイバーレーザーの短パルスSEEDERを作る第三の方法は、結晶共振器のQスイッチ効果を利用するものである。 Nd:YAGやNd:YVO4などの結晶利得媒体と可飽和吸収体を利用した素子です。

”マイクロチップSEEDER”と呼ばれるこれらの部品は、歴史的にナノ秒パルス発生（可飽和吸収体としてCr4+:YAGを使用）に使用されており、所定の繰り返し周波数で通常3～10ナノ秒のパルスを発生させています。

最近では、半導体技術を利用した非常に高速な可飽和吸収体が開発されている。これらは一般にSESAM（Semiconductor Saturable Absorber Media）と呼ばれています。 Batop提供するような部品は現在広く使われており、30ピコ秒以下のパルスを得ることができる。 Nd³⁺励起には、一般的に808nmの波長が使用されます。 100ナノ秒の範囲でポンプをパルス化することで、繰り返し周波数を制御することができます。

パルスファイバーレーザー（フェムト秒領域：「超高速」）。

このチュートリアルで取り上げるファイバーレーザーの最後のカテゴリーは、非常に複雑な超高速レーザーの世界に踏み込むことになります。超高速レーザーは、一般的に10フェムト秒から10ピコ秒のパルス幅を持つ。

これらの光源は、レーザーと物質の相互作用が「非熱的」であることから、現在、多くのレーザー物質相互作用のアプリケーションで大きな関心を集めている。固体状態から液体状態を経ずに直接プラズマ状態へと物質を変化させる。これにより、非常に高い分解能での加工が可能となり、現在では半導体、眼科、スマートフォンなどの業界で幅広く利用されています。

ここでは、典型的な増幅型MOPA構成も使用されています。しかし、2つの重要な原則があります。

モードロックの原理は、SEEDER「発振器」の基礎となるものです。

ハイゼンベルクの原理では、増幅スペクトル帯域幅とパルス持続時間の積は、ある値以下にはならないことになっています。つまり、超短パルスは広いスペクトル発光帯域を意味する。 100秒のフェムト秒パルスは、10nmのスペクトル帯域幅を意味します。超短パルスレーザーは、常に広い発光帯域を持ち、多くの共振器モードが存在します。

ある発光モードの櫛のフーリエ変換は、様々なモードがすべて同位相である場合にのみ、超短パルスを得ることができます。したがって、超短パルスレーザーを作るには、広い増幅共振器を作り、共振器内の損失を変調して共振器モードを同位相で発振させるような素子を追加すればよいことになる。 AOM（Acousto-Optic Modulator）やEOM（Electro-Optic Modulator）などのアクティブモジュレータを使用することができる。 SESAM（半導体飽和吸収媒体）のようなパッシブタイプは、一般的に産業用ファイバーレーザーを用いた超高速発振器を構築するための最適なソリューションとなります。

モードロックキャビティは、キャビティ長と超短パルス繰り返し率が直接関係する。一般的なモードロック発振器は、パルス繰り返し周波数が1〜100MHzの範囲にある。

光パラメトリックチャープパルス増幅器(OPCPA) :

モードロック発振器の信号を増幅するためには、非常に短いパルスの高周波信号を増幅する必要がある。それは、大きく3つの困難を生み出します。

1.まず、物質に影響を与えるほどのエネルギー（つまり1マイクロジュール以上）を得ようとすると、50MHzの繰り返し周波数を維持するには50Wが必要となり、物質への影響が非常に小さいため、おそらく数百Wのポンピングパワーが必要となる。そのため、発振器のパルスをいくつかピックアップして、繰り返し周波数をkHz台まで下げることが好ましいです。

ひとつ覚えておいてほしいのは、超高速発振器は一般にMHz/nJの領域であるのに対し、レーザー微細加工に有効な増幅型レーザーは一般にkHz/μJの領域であることだ。

パルスピッキングは、一般にファイバー型または非ファイバー型のAOM（Acousto Optic Modulator）で動作させる。

AeroDIODEは、パルスピッキングの同期を取るためのユニバーサルツールを開発しました。フォトダイオードからの入力クロック信号に同期して、任意の低周波でトリガーを発生させることができます。

2.次に、非常に短いパルスを増幅すると、2つの結果が生じます。水晶増幅器を考えた場合、ピークパワーはすぐにダメージスレッショルドに達してしまう。ファイバー増幅媒体を考えた場合、いくつかの非線形効果によってパルスの特性がすぐに壊れてしまうことがあります。そのため、増幅処理後に短パルスに戻ることが可能なように、パルス幅を伸ばす必要がある。このとき利用される効果が「分散」である。パルスのスペクトル特性と時間特性（パルスの始まりで1つの「色」、終わりでもう1つの「色」）をカップリングすることでパルスを伸張させるのである。増幅前にパルスを伸ばすには、特殊な「中空コア」ファイバーを用いることができる。一方、増幅されたパルスを圧縮して超高速増幅パルスの特性に到達させるには、一般に空間格子を用いる。

3.第三に、ファイバー内の超短パルス幅は非線形効果を非常に速く発生させるため、超高速増幅ファイバーレーザーはすべてファイバー部分とファイバーでない部分を組み合わせています。ここでは、Fiberdeskのような優れた非線形効果シミュレーション・ソフトウェアが明らかに必須です。

ほぼ全てのファイバーレーザーを構成するモジュール型ファイバーレーザーエレクトロニクスです。

AeroDIODEは、上記のほぼすべてのファイバーレーザー構成を構築することができる電子ドライバの全範囲を開発しました。これらのドライバは相互に通信可能であり、あらゆる種類のレーザーダイオードや多くのフォトダイオードをパルスまたはCW領域で制御することができます。コンパクトな試作機に簡単に組み込むことができるように設計されています。これにより、設計者はファイバーレーザー製品および開発期間を大幅に短縮することができます。