光共振器とは 

光共振器とは、光が何度も往復するように鏡を配置し、一定領域に特定の波長の光を閉じ込め、光の定在波を作り出すための光学素子のことをいいます。 本記事では、光共振器の原理と構造、種類について解説します。 

光共振器の原理と構造 

光共振器は、図1のように、対面させた鏡の間に光を閉じ込める構造をしています。ここで鏡に光が垂直に入射する場合を考えます。鏡の反射率が高い場合、光は反射を繰り返し鏡の間を何度も往復します。 

図1. 光共振器の原理

図2のように、*1共振器長 が光の半波長の整数倍である場合、入射波と反射波の位相が一致します。そのため、光共振器中に *2定在波 が立ち、波長の同じ光が重なりあうことで強め合います。 

対して、共振器長が光の半波長の整数倍でない場合、入射波と反射波の位相が一致せず、減衰します。 この光共振器中に存在する定在波は干渉によって特定の波長の光のみ透過します。 

図2. 光共振器と定在波 

モード 

定在波が立つための条件は、以下の式になります。 

つまり、光共振器中には、上式を満たす波長(周波数)の電界強度分布が形成され、この離散的な分布形態を縦モードと呼んでいます。一方、鏡の形状などの共振器構造によって決まるビーム断面方向の分布形態を横モードと呼んで区別しています。 

光共振器の種類や特性と主な使われ方 

光共振器には主にファブリ・ペロー共振器、リング共振器に大別されます。 これらの光共振器の特性と主な使われ方について説明します。 ちなみに、光共振器のみがピックアップされることはほとんどありません。なぜなら、レーザー(発振器)＝光共振器＋光増幅器という構成になっており、既に組み込まれているからです。

ファブリ・ペロー共振器 

ファブリ・ペロー共振器は、対向する2つの平面鏡から構成された共振器です(図1)。 
気体レーザー、固体レーザー、半導体レーザー、ファイバレーザーなどのレーザー共振器として幅広く用いられています。
レーザーの構成部品としての光共振器は、定在波を形成させ、光共振器内を光が往復している間に誘導放出された光が重なっていくことで、増幅させています。 

▼ レーザーに関する関連記事

• ・レーザーの種類と活用例に関してはコチラ：レーザーの種類と活用例について
• ・レーザー発振原理に関してはコチラ：レーザーの発振原理 – レーザーはどのように作られるのか？
• ・レーザー仕組みに関してはコチラ：レーザーの仕組み― 発光原理や特徴について

対向する2つの平面鏡が厳密に平行でない場合、共振器内で反射を繰り返すにつれて、共振器の側面から回折としてエネルギーが失われます。ここで、平面鏡の代わりに、凹面鏡を用いることによって光が共振器外に逃げてしまうという回折損失を抑えることができ、気体レーザーなどに用いられます。 

そのほかに、平面鏡の代わりに、凸面鏡で構成されたものもあります。凸面鏡で構成された共振器は、不安定共振器と呼ばれ、損失が大きいが光の広がりが大きくなるといった特徴があります。そのため、固体レーザーや気体レーザーなどの大出力を得るのに用いられます。 半導体レーザーは半導体の *3へき開面 が光共振器の反射鏡として使われています。 

ファイバレーザーに関して詳しくはコチラの記事をご参照ください。 

リング共振器 

図3にリング共振器の自由空間型と導波路型の構成を示しました。 

リング共振器は、光を環状にループさせることによって光を閉じ込める構造をしている共振器です。ファブリ・ペロー共振器は定在波を形成して光を閉じ込めるのに対して、リング共振器は進行波を形成して光を閉じ込めています。 

リング共振器へ光を時計方向、反時計方向に入射し、共振器全体を回転させたとき、*4サニャック効果 による光の時間差が生じ、光の周波数や干渉の出力を検出することで、回転の角速度を求めることができます。

このことから、光ファイバジャイロ(FOG)や、リングレーザージャイロ(RLG)などに用いられます。 

図3. リング共振器

微小光共振器 

実際の共振器において反射率が100%となることはなく、光を閉じ込めることができる時間は有限です。この性能の指標を示すのがQ値(Quality factor)と呼ばれる無次元量です。 

また、共振器内に光を閉じ込めることができる体積をモード体積と呼び、微小光共振器はQ値とモード体積の2つの性能指標で評価されます。Q値は高いほど、光を長時間閉じ込めることができ、モード体積は小さいほど、微小な領域に閉じ込めることを意味します。そのため、Q値をモード体積で割った値が大きいほど微小光共振器は高性能な光共振器とされています。 

微小共振器は、高感度センシングや *5非線形光学効果 など様々な応用がなされています。 

まとめ 

• ● 光共振器は、光を閉じ込める構造をしていて、定在波を形成させる光学素子のことです。 
• ● 光共振器は、ファブリ・ペロー共振器とリング共振器に大別され、ファブリ・ペロー共振器はレーザーを構成する一部として用いられています。
• ● リング共振器は光ファイバジャイロ(FOG)やリングレーザージャイロ(RLG)として用いられます。 
• ● 微細加工技術の発展により作製が可能となった非常に小さな微小光共振器は高感度センシングや非線形光学効果などに応用されています。

用語集 

用語	意味
*1 共振器長	対向する2枚の反射鏡の間隔
*2 定在波	進行せず、その場で振動する波(⇔進行波)
*3 へき開面	結晶が特定の結晶面に沿って割れる現象
*4 サニャック効果	回転する円形の光路を考えたときに、時計回りと反時計回りに伝搬する光の間で時間差が生じる効果のこと。
*5 非線形光学効果	入射光の強度が大きい場合、入射光の電場振幅の高次の効果が表れる現象。