⑳HeNe レーザー出力のプロット線とウォームアップ中の偏光モード(その 3：安定化 HeNe レーザーとフリップの挙動)

ウォームアップ中の Coherent 社製モデル 200 安定化 HeNe レーザーヘッドのプロット(1168) 最後に能動的モード安定化機能を持つレーザーがどのように挙動するかを説明します。このレーザーは
1MHz のオーダーで周波数安定化する単一縦モード出力を提供できるように設計されています。 レーザーヘッドには直交偏光するモードを分離するための光学部品が装着されているため、偏光子を付加しなくても生のビームですでに２倍を超える出力変動を示します。そうです、これは事実上の拡張であり、縦の目盛は伸長されていません！内部にある実際の HeNe レーザーチューブは、特別に選定された Melles Griot 社製 05-LHR-120 チューブが装着されており、僅かなリップルで通常のモードスイープをもともと持っています。コールドスタートからロックまで約 20 分掛かります。

ウォームアップ終了間際の Coherent 社製モデル 200 安定化 HeNe レーザーヘッドのプロット(1176) このプロット線は最後の 2 サイクルを拡大表示しています。2 番目のサイクルの立ち上がり部分のプロット線にわずかな歪みがあることにご留意ください。これはおそらく能動的なフィードバックが掛かった瞬間です。
それまでヒーターはただチューブを動作温度に引き上げるために一定の電流で動いています。つまり、1 サイクル未満の間にロックが達成されることを示しています。その後、出力強度は非常に安定しています（プロットの上で 0.5%未満の不安定性）が、d（出力）× スロープ（周波数 / 出力）である周波数安定性は、約 750 MHz のモード間隔の 0.125%つまり 1MHz 未満(0.94MHz)となります。

ウォームアップ中の Hewlett Packard 社製モデル 5517C 安定化レーザーのプロット(1184) 上に示されているのは、もう 1 つのより高い安定化（あるいは少なくともより高価な！）レーザーがどのように振る舞うかということです。留意いただきたいのはレーザーの点灯からロックまでのウォームアップ全体の時間はほんの約 3.5 分であるということです。なぜなら、能動的なモード制御のためのヒーターはレーザーチ
ューブの中でボアの周りに直接巻きつけてあるからです。ウォームアップ中の制御アルゴリズムはもう少し洗練されていて、周期的に止まってヒーター抵抗を計測することで「ミラー間隔ロッド」温度を決定し、「精細調整」モードをおよそ半分の領域で（アルゴリズムに）入力します。 実際、赤と青のモードサイクルの相対的な形状か
ら、この特定のレーザーでは点灯（コールドスタート）からロックされるまでの時間のほとんどでチューブは加熱されます（約 75 サイクルにて）が、ロック直前に安定した冷却状態（約 6 サイクル）に切り替わります。

Hewlett Packard 社製モデル 5517C 安定化レーザーの外観

Hewlett Packard 社製モデル 5517C 安定化レーザーのウォームアップ終了間際のプロット(1190) 上のグラフは、ロックされる直前の 5 つのモードサイクルとロック状態への最終の移行を示しています。
これらのゼーマン分離モードの奇妙な形状はこの拡張された表示で明白です。上記の（2 枚の）プロット図両方
では、最後の数サイクルとロック後の範囲の実際のビート周波数を表示しています。このプロットは、 F1 モードと F2 モードとともにとらえられた実際の計測された周波数と全体の出力を示します。 (早い段階での周波数プロットはひどい状態となるでしょう。) ビート（うなり）（プロット図最上部の濃い茶色線）は、いくつかの変異を示すモードサイクルの数パーセントの時間でのみ現れます。 ウォームアップとロックするまでのアルゴリ
ズムは、加熱状態から冷却状態への周期的な停止や切り替えを行う故に、「通常の」安定化されていない HeNe

レーザーあるいは他の普通の安定化 HeNe レーザーと比較して、これらのプロットが歪められるという本質の部分的な責任を負っています。ただしモードサイクル自体の奇妙な形状はこれまで説明してきたすべてのレーザーと同様の直線偏光をされていないという事実に依るものです。むしろ、それらは磁場によってゆがめられたゼーマン分離モードであり、少なくとも数 MHz の周波数差を生み出す要素を含んでいて、この共振器長のレーザーでは 1.2 GHz が通常である縦モード間隔ではなくなっています。

ウォームアップ中の「フリッパー」タイプ Aerotech 社製 OEM1R HeNe レーザーヘッドのプロット(1201) これは非常に行儀の良くないレーザーです。ご覧のように、ウォームアップ期間中のモードサイクルのほとんどでは、2 つの直交偏光（P モードと S モード）が繰り返しながらスムーズに変化していくというよりも、モードそれぞれが明確な点に移動し、その位置を互いに瞬間的に交換（フリップ）します。 フリッパー挙動を示
すチューブは一般的に言って安定化 HeNe レーザーとしては有用ではないでしょうが、偏光光学部品無しの単なる光源としてのみ使用する場合には完全に満足がいくこともあります。ただし、ウォームアップ期間の終了間際で（時間ではなくモードサイクルで計測すると）非常に興味深い何かが生じています。そのチューブが行儀の良い状態に逆戻りしたように見えるのです！この現象が生じるのはチューブが熱平衡状態に近づいているときだ
けで、そこではそれぞれの完全なモードサイクルが 90 秒超の時間で発生しています。 おそらくプロット上には3 つから 4 つ以上のサイクルが存在しますが、チューブの温度がその最終値に非常に近いため、レーザーヘッドの近くで何かが動くような外乱は一定の連続動作を混乱させるでしょう。この挙動は実行から実行まで一貫しています。原因は不明ですし、もし安定化を試みるとチューブが同様に挙動し続けるかどうかも分かりません。しかし、動作温度が熱平衡の自然到達点よりも幾分上でしょうから、そうなるかもしれません。

ウォームアップの最初の部分での「フリッパー」タイプ Aerotech 社製 OEM1R HeNe レーザーヘッドのプロット(1213) 上のプロットは、フリップ動作中のモード変化のクローズアップです。形状は、ウォームアップの始めから標準的な挙動への移行までほぼ同一です。また留意いただきたいのは、フリッパーを起こすモードサイクルの周波数は、標準的なチューブの 2 倍となっていることです。 各モードは、通常は連続するカーブを追跡し、下のような明確に不連続なプロットを取ることはありません。

ウォームアップの最初の部分での「フリッパー」タイプ Aerotech 社製 OEM1R
HeNe レーザーヘッドの（統合された）プロット

(1219) つまり、赤→青→赤と変化します。
（緑の縦線は無視してください。
）

標準的な挙動への移行での「フリッパー」タイプの Aerotech 社製OEM1R HeNe レーザーヘッドの（統合された）プロット(1222) 上のプロットはフリップ挙動が終了するタイミングでのクローズアップです。 留意すべきは、モードプロットの「エンベロープ」はこの時点で事実上変化していませんが緑線の移行は消えているということです。 移行ポイントではモードスイープサイクル全体の時間は約 80 秒間です。さらに 10 回の完全サイクル（4 回か 5 回分だけが表示されています）が起こって、熱平衡達成までに約 1 時間ほど掛かります。

ウォームアップ中の「フリッパー」タイプ Aerotech 社製 OEM1R HeNe レーザーヘッドのプロット

(1228) 上のグラフは、安定しているフリッパー挙動の一例です。このプロットの特徴は、点灯からウォームアップ完了まで変化しない点です。 モードスイープサイクル内の同じ箇所で安定したフリップが起こります。興味深いことに、モードスイープエンベロープにわずかな非対称性（グラフ上部の青線のへこみ）があり、これはたいていの HeNe レーザーでは見られません。
これが深遠な宇宙の重要性を示しているかどうかは分かりません。
これらのチューブは、その物理的な強靭性からいくつかのバーコードスキャナーで見つかりました。それらは床に落ちるかあるいはハンマーとして使用されても、損傷を受けないでしょう！「測距用鉄-セラミック堅牢封入HeNe レーザーチューブ」の節を参照ください。

測距用鉄-セラミック堅牢封入 HeNe レーザーチューブ
これらはすべて留意点を除いて高品質 HeNe レーザーであり、比較的予測可能なモードパフォーマンスを示します。本当に行儀の悪い化け物に関する情報とプロットについては、「極東の HeNe レーザーチューブ」の節を参照してください。