最近、東北大学の趙勇教授、四川大学の呉漢准研究員、深圳大学の馬睿准研究員、中国電子科技大学の王子南教授らのチームが協力し、ランダムファイバーレーザーのスペクトル制御のメカニズム、特徴、応用における最先端の進歩を概説しました。彼らは、高スペクトル純度、狭帯域出力、柔軟な波長調整、多波長出力を備えたランダムファイバーレーザーの研究進歩を包括的に紹介し、スペクトル制御に基づくランダムファイバーレーザーの応用を簡単にまとめ、スペクトル制御に基づくランダムファイバーレーザーの発展の見通し、研究の道筋、直面する課題を展望しました。
新しいタイプのランダムレーザーとして、ランダムファイバーレーザーは過去10年間に開発された研究のホットスポットです。固定された共振空洞構造を持つ従来のファイバーレーザーと比較して、ランダムファイバーレーザーは精密な共振空洞構造を必要とせず、構造設計の自由度が高いです。ランダムファイバーレーザーは、変換効率、指向性、コストなどの利点があり、さまざまな形態の高性能レーザーを構築するための優れたプラットフォームを提供できます。特に、異なるゲイン媒体に基づくランダムファイバーレーザーは、優れた波長柔軟性を備えており、1〜2.1µm帯域で任意波長のレーザー発振を実現できます。近年、研究者はランダムファイバーレーザーのスペクトル特性に関する詳細な理論的および実験的研究を行ってきました。スペクトル制御を通じて、ランダムファイバーレーザーは、高いスペクトル純度、狭い帯域幅、および多波長出力の能力を発揮します。 さらに、ランダムファイバーレーザーは、そのユニークなスペクトル特性により、光ファイバー通信、光ファイバーセンシング、スペックルフリーイメージング、スーパーコンティニューム生成、非線形周波数変換、中赤外レーザーポンプ光源、レーザー駆動慣性閉じ込め核融合など、幅広い応用が期待されています（図1）。
ランダムファイバーレーザーのスペクトル特性に関する基礎研究
ランダムファイバーレーザーのスペクトル特性を理論的に記述・分析し、その物理法則を探るために、研究者らはスペクトル依存のパワー定常平衡モデル、非線形シュレーディンガーモデル、波動力学モデルを提案し、ランダムファイバーレーザーの出力パワーとスペクトル変化プロセスを正確に評価してきました。近年、研究者らはランダムファイバーレーザーのスペクトル統計特性を実験的に探究し、ランダムファイバーレーザーにレプリカ対称性の破れを導入し、スピングラス理論に基づく統計分析法を用いてランダムファイバーレーザーの無秩序性と非線形相互作用を探究してきました。
優れた波長柔軟性を備えたランダムファイバーレーザー
ランダム ファイバー レーザーは、3 次非線形効果ゲイン (誘導ラマン散乱や誘導ブリルアン散乱など) や希土類イオン ドーピング アクティブ ゲイン (イッテルビウム、エルビウム、エルビウム/イッテルビウム、ビスマス、ツリウムをドープしたアクティブ ファイバーなど) などのさまざまなゲイン メカニズムの恩恵を受け、1-2.1µm 帯域で動作できます。固定ポンプを使用するランダム ファイバー レーザーでは、チューナブル フィルターまたは波長依存ポイント ミラーを組み合わせ、フィルターまたはポイント ミラーの中心波長を変更することで、広範囲にわたって平坦で効率的な波長チューニングを実現できます。さらに、波長プログラム可能なポイント ミラーを導入することで、ランダム ファイバー レーザーのスペクトルをプログラムし、設計されたスペクトル形状に従って連続的にチューニングできます。 特に、広帯域ポイントミラーと後方散乱フィードバックに基づくカスケードランダムラマンファイバーレーザーの場合、ポンプ波長とポンプパワーを直接変更することで、レーザー波長を広い範囲で連続的に調整できます。
ランダムファイバーレーザーのスペクトル制御
カスケードランダムラマンファイバーレーザーは、優れた波長柔軟性を備えています。しかし、カスケード変換プロセス中に、残留低次ストークス光により、レーザーのスペクトル純度が低下します。研究者は、新しいタイプの時間領域安定ポンプソース（非コヒーレント広帯域増幅自然放出ポンピング、イッテルビウムドープランダムファイバーレーザーポンピング、線幅拡大単一周波数レーザーポンピングなど）を採用することで、スペクトル純度の高いさまざまなカスケードランダムラマンファイバーレーザーを実現しました。一方、高ポンプパワー下では、ファイバー内の四光波混合や相互位相変調などの非線形効果の影響を受け、完全にオープンキャビティのランダムファイバーレーザーの出力スペクトル帯域幅は、通常、数ナノメートルのオーダーになります。 高効率レーザー周波数倍増、高精度測定、コヒーレントファイバー通信などのシナリオで狭線幅光源のニーズを満たすために、半開放型ランダムファイバーレーザー構造にスペクトル形状と帯域幅を調整できるさまざまなポイントリフレクターを追加するか、異なるゲイン媒体（誘導ブリルアン散乱など）と異なるパッシブファイバー（偏光保持ファイバー、高散乱ファイバーなど）を使用し、ポンピング方式を最適化することで、狭帯域ランダムファイバーレーザーを実現できます。さらに、レーザーにスペクトルフィルタリング要素を追加するか、カスケード誘導ブリルアン散乱ゲインを使用することで、ランダムファイバーレーザーの多波長出力を実現できます。
スペクトル制御に基づくランダムファイバーレーザーの応用
ランダムファイバーレーザーの構造設計と柔軟な波長変換により、分散信号増幅、高信号対雑音比ファイバーセンシング、非線形周波数変換、中赤外線ポンピングなどのアプリケーションのニーズを満たすために、特殊帯域でのレーザー発振の実現に適しています。同時に、共振空洞構造に基づくファイバーレーザーと比較して、スペクトルモードレスランダムファイバーレーザーは時間領域安定性が優れていることが証明されています。したがって、ランダムファイバーレーザーは、レーザーソースの安定性に対する要件が高いアプリケーションシナリオで大きな利点があります。さらに、ランダムファイバーレーザーの低コヒーレンスとスペクトル制御性により、高性能イメージングやレーザー駆動慣性閉じ込め核融合で独自のアプリケーションの可能性を発揮できます。
