自然放射増幅光

自然放射増幅光（しぜんほうしゃぞうふくこう、英: amplified spontaneous emission, ASE）またはスーパールミネッセンス (superluminescence) とは、自然放出により発した光が、利得媒質中で誘導放出によって光増幅されたものである。ランダムレーザー（英語版）に利用される。

起源[編集]

ASE はレーザー利得媒質がポンピング（英語版）により反転分布にあるときに生じる。レーザー光共振器による ASE のフィードバックがレーザー発振閾値（英語版）に達すればレーザーが動作する。ASE はコヒーレントでないため、過剰な ASE はレーザーに望ましくない影響を及ぼし、利得媒質で達成可能な最大利得（英語版）を制限する。ASE は利得の大きい、もしくはサイズの大きいレーザーに対して深刻な問題を生じさせうる。この場合、インコヒーレントな ASE を取り出すもしくは吸収する機構を設ける必要があり、さもなくば利得媒質の励起がコヒーレント放射を生むことなくインコヒーレントな ASE により消費されてしまうことになる。ASE は特にディスクレーザー（英語版）などの光共振器が短く幅広な場合に問題となる^[1]。

ASE は望ましい影響を与えることもあり、広帯域光源として用いられる。共振器によるフィードバックが無い場合、レーザー発振は起こらず、利得媒質の帯域幅に起因して帯域の広い光が生じる。これにより時間コヒーレンス（英語版）が低くなり、レーザーに比べてスペックル雑音（英語版）が低減される。これに対して空間コヒーレンスは高くすることができ、放射の焦点を狭く絞ることができる。この特性によりこれらの光源は光ファイバーシステムや光干渉断層像などに有用となる。このような光源の例としては、スーパールミネッセントダイオード（英語版）やドープトファイバー増幅器などが挙げられる。

有機色素レーザー[編集]

パルス色素レーザー中の ASE はスペクトル特性が非常に広く（幅 40-50 nm に及ぶ）、したがって色素レーザーを調整可能な狭線幅レーザーとして設計・運用するには深刻な課題となる。純粋レーザーが望ましく、ASE を抑制したい場合のため、レーザー共振器の設計の最適化など様々な研究が行なわれている^[2]。

ディスクレーザー[編集]

いくつかの発表によれば、ディスクレーザー（英語版）のパワースケーリング（英語版）に際し、往復利得（英語版）を下げる必要があり^[3]、したがって背景ロスに関する要求が厳しく^[要説明]なるという。現存するディスクレーザーはそのような制限から大きく外れた条件で動作しているとし、既存のレーザー材料を変更することなくパワースケーリングが可能だとする研究者もおり^[4]、論争となっている。

自己修復性色素添加ポリマー[編集]

2008年、ワシントン州立大学の研究者らは Disperse orange 11^[5] などの有機色素を添加したポリマーに可逆な光劣化、単純に言い換えれば自己修復を観測した。この自己修復機能の研究に際し、ASE がプローブ光として用いられた^[6]。

短パルス高出力レーザーシステム[編集]

POLARIS レーザーなどのピーク出力が数テラワットからペタワットに及ぶ高出力 CPA レーザーシステムにおいては、ASE が時間的出力コントラストの制限要因となる。増幅中は時間的に広がっていたレーザーパルスを圧縮すると、ASE は一部が圧縮レーザーパルスの前に位置する準連続的ペデスタルを生じさせる^[7]。焦点における出力が 10²² W/cm² に及ぶほど強いため、ASE はしばしば実験を大きく乱すこととなり、レーザーと標的との所望の相互作用が不可能になる場合さえある。

出典[編集]

^ D. Kouznetsov; J.F. Bisson; K. Takaichi; K. Ueda (2005). “Single-mode solid-state laser with short wide unstable cavity”. JOSAB 22 (8): 1605–1619. Bibcode: 2005JOSAB..22.1605K. doi:10.1364/JOSAB.22.001605.
^ F. J. Duarte (1990). “Narrow-linewidth pulsed dye laser oscillators”. In F. J. Duarte ; L. W. Hillman. Dye Laser Principles. Boston: Academic Press. pp. 133–183 and 254–259. ISBN 0-12-222700-X
^ D. Kouznetsov (2006). “Surface loss limit of the power scaling of a thin-disk laser”. JOSAB 23 (6): 1074–1082. Bibcode: 2006JOSAB..23.1074K. doi:10.1364/JOSAB.23.001074 2007年1月26日閲覧。.
^ A. Giesen (1994). “Scalable concept for diode-pumped high-power solid-state lasers”. Applied Physics B 58 (5): 365–372. Bibcode: 1994ApPhB..58..365G. doi:10.1007/BF01081875.
^ Sigma Aldrich: Disperse Orange 11
^ Embaye, Natnael B.; Ramini, Shiva K.; Kuzyk, Mark G. (2008). “Mechanisms of reversible photodegradation in disperse orange 11 dye doped in PMMA polymer”. The Journal of Chemical Physics 129 (5): 054504. arXiv:0808.3346. doi:10.1063/1.2963502.
^ Keppler, Sebastian (2016-03-01). “The generation of amplified spontaneous emission in high-power CPA laser systems” (英語). Laser & Photonics Reviews 10 (2): 264–277. doi:10.1002/lpor.201500186. ISSN 1863-8899. PMC 4845653. PMID 27134684.