⑱HeNe 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１：偏光モードの採取方法とプロットグラフ)(982) ここに出力対時間のいくつかのプロット線があります。これらはほぼ入手可能な最も短いものから中くらいのサイズまでのいろいろな HeNe レーザーチューブとヘッドからのデータです。 (より長いチューブでは外観は極めて類似していますが、出力面でより短期の変動が見られるでしょう。) プロット線の形状はレーザーキャ
ビティの熱膨張のためにネオンゲインカーブに沿って縦モードが動くという「モードスイープ」あるいは「モードサイクリング」と呼ばれるものの主たる結果です。ただしプロット線が長い時間（例えば、ウォームアップ時間の大部分）をカバーすると、上記の他の要因により出力が増加していく傾向を一般的に示すでしょう。

これらのプロット線の大部分は Melles Griot 社製レーザーからですが、他のメーカー製のレーザーの挙動も比較的同様でしょう。しかし個々の偏光モード（下記参照）の詳細な形状はかなり異なります。大多数は状態の良いサンプルですが、少数はいくらか劇的な特殊性を示しています。点灯からロックまでの Coherent 社製モデル
200 と Hewlett Packard 社製モデル 5517A 周波数安定化 HeNe レーザーのプロット線も掲載されています。

Coherent 社製 200 レーザーヘッド

Coherent 社製 200 レーザーヘッドのプロット

Hewlett Packard 社製 5517A 周波数安定化 HeNe レーザー

Hewlett Packard 社製 5517A 周波数安定化 HeNe レーザーのプロット

こうしたプロット線は HeNe レーザーにとってほぼ指紋のようなものです。レーザーの物理的特性の多くをそれら（指紋）の外観によって決定することが可能で、いくつかの特徴が特定のモデルや製造メーカー毎に独自のものとなっています。
プロット線の殆どは私の「装置」で採取しました。この「装置」は、2 ドルのフォトダイオード 1 対から 2 つのアナログインプットで DATAQ RS232 チャートレコーダースターターキットに供給し、このキットは Win95 で走る旧式な 486DX-75 Kiwi ラップトップにつながっています。このフォトダイオードには、目盛り測定を設定するための可変負荷抵抗器付きの±15VDC 電源から 30VDC での逆バイアスを持たせてあります。出力は抵抗器の接合点とフォトダイオード、および電源コモン（0 VDC）の間で採取されます。1 つのチャンネルは下のようになっています。

Sam 手製の二重偏光フォトダイオードプリアンプビームサンプラー

Sam 手製の二重偏光フォトダイオードプリアンプビームサンプラーの回路図(995) 表示される値は、最大出力が約 1 mW のレーザー用に選択されました。高出力のレーザーでは、R2+R3 を削減出来ますし、あるいは減衰フィルターをビーム中に設置することもできます。後者の策は 0mW の参考レベ
ルをシフトする必要が無くなるので好ましいのと、プロット（採取）の大部分で私が行ったことです。
インプット全体に亘るコンデンサーはノイズの拾い上げを最小化するためです。結果として生じるフィルターは約 0.1Hz でロールオフします。適度に行儀が良い HeNe レーザーでは最初のウォームアップ中でもそのバンド幅は適切以上（に良い値）を示します。A/D コンバータが約 2LSBs の不確実を持つようなので、平均化できるようすべてのプロット線のサンプリングレートは少なくとも 10 Hz とします。
ほとんどの場合、2 つのフォトダイオードは偏光ビームスプリッタ(PBS)キューブの出力部に設置し、レーザーチューブはその本来の偏光軸に合致するように軸合わせをします。

(1003) （ずっと低い出力の）廃棄ビームから出力をモニターするには、専用のビームサンプラー組立品を用意しました。それはフォトダイオードプリアンプを備え、出力レベルを数 μW まで低くして、A/D コンバータの 20Vpp レンジを完全に利用できます。

フォトダイオードを偏光ビームスプリッタの出力側に設置した例
プロット線のいくつかが同じフォトダイオードで採取されましたが、二重チャンネルプリアンプを援用し、別のフォトダイオードチャンネル無しで集計ソフトが全体の出力を計算します。(もちろん、これが意味を為すためには 2 つのチャンネルが等しいゲインを持つようにフォトダイオードとプリアンプを準備しておく必要があります。) プリアンプは低出力のレーザーでは特にプロット線上でより低いノイズに抑えます。
そして 2011 年に私は DATAQ 装置（DI-158U と DI-145）とほんの 10 年物のラップトップを USB バージョンに「アップグレード」しました。オリジナルの DATAQ RS232 モジュールは機能しなくなり、Kiwi ラップトッ
プは USB を持たず、ばらばらになっています（しかし今でも使用可能です）。PD（フォトダイオード） は今それぞれ単純なバイアス回路ではなく、汎用の相互インピーダンス増幅器に接続されています。
（Sam のフォトダ
イオード プリアンプ 1（SG - PP1）の節を参照してください。
）(1011) そしてチャンネル 1 と 2 に加えて、出力端に 1 対の抵抗とポットを加えてチャンネル 3 とバランスを取れるようにすると、それらの合計（通常全体の出力であろう）が常に読めるようになります。
これらのプロット線の一部はこれまでのようにうまく説明はできていませんが、ゼロ出力がプロット線の底近辺にあって相対的な出力変動を容易に見られますし（誰が絶対出力値などを気にするでしょう！）、time/div も表示されます。プロット線はレーザーチューブの長さの増加順に並べてあります。
以下では「全体」はビーム中の全出力を意味し、「偏光」が意味するのは偏光ビームスプリッターを使用して 2 つの直交偏光モードを分離し、片方あるいは両方のプロットを取っているということです。 (このプロット方法はランダム偏光のレーザーのみに行っています。) グラフを見やすくするため、ピーク強度が「全体の」プロット線とおよそ同じになるように「偏光」プロット線の目盛係数を調整してあります。ただしご理解いただきたいのは、２つの直交偏光の合計出力が「全体」出力となっていることです。別途記載がない限り赤色（632.8 nm）のHeNe レーザーの採取データです。

注意：私はプロット線の一部を「編集し」（手直しし）、低い出力レベルでの過度の電気ノイズを主な原因とする体裁の悪いランダム性とその他の欠点をきれいにしました。ただし重要な特徴は変更しておりません。

短チューブのいろいろ

ウォームアップ中の Melles Griot 社製 05-LHR-007
HeNe レーザーチューブの全体出力プロット（モードスイープ率 10％）(1022) これは私が知っているうちで最も短い商用の HeNe レーザーであり、約 4.66 インチ（11.8ｃｍ）の全体長です。定格出力は 0.5 mW ですが、このサンプルは約 0.8 mW の出力があります。2 本だけの縦モードが約10%のモードスイープで発振します。
（グラフ内の）大きいピークはゲインカーブの中心に位置する 1 本の（縦）モードに対応します。 もしミラー間の距離がもっと短いと、2 本のモードさえ共存することはできず、出力はモードサイクルの一部で消失（モードが全く無い状態で）するでしょう。留意すべきは、採取した実際のチューブは Siemens 社製 007 でしたが、それは Melles Griot 社製 05-LHR-007 と同一の仕様を持っているため、私は一貫しているほうが良いと思い Melles Griot 社製 05-LHR-007 としました。必要だったのは、これらむき出しのチューブの上にテントを張ってランダムな気流が温度にあまり影響を与えないようにすることでした。 (このチューブと次のチューブの採取が終わった 20 分以降のピークは識別できませんでした！) （アルミニウム筐体に）封入されたレーザーヘッドが安定するまでにはより長い時間が掛かりますが、周囲の環境変化に対してはより強い耐性を示します。

ウォームアップ中の Melles Griot 社製 05-LHR-007

HeNe レーザーチューブの（偏光モード）プロット(1034) これは同じチューブですが非偏光ビームスプリッターとそれに続く直交偏光フィルターがビーム内に挿入されています。偏光フィルターの方向はモードが存在していない時でも見えるように最小透過率に合わせて調整されており、出力はそれぞれの偏光モード時間の半分ほど（上の赤色モードのグラフ右端で 6 目盛りのうち 2目盛り少しが 0 mW 状態）は実際に 0 mW まで下がります。全体の出力プロット線上で交互に現れる同じ高さのピークは（それぞれ）同じモード偏光（赤色か青色のピーク位置）に対応します（05-LHR-007 HeNe レーザーチューブの全体出力プロットを参照）。注意深く確認すると偏光の機能としてゲインが僅かに変動するためプロット上の山はその強度が交互に少しずつ変動することがわかります。 (プロット線の見かけが同じになるように目盛係数を調整しました。) 2 つのプロット線上のピークの間隔がなぜ異なるかの理由は、それぞれの採取点灯が開始されたときのチューブ温度が全く同じではなかったからと思われます。.

ウォームアップ中の Melles Griot 社製 05-LHR-640
HeNe レーザーチューブの全体出力プロット（モードスイープ率 5～6%）
下の写真のように、05-LHR-640 は商用の HeNe レーザーチューブのなかでほぼ 2 番目に短いものです。

Melles Griot 社製 05-LHR-640

HeNe レーザーチューブ

これは全長がほんの５インチ（13.3mm）で、05-LHR-007 と同じように縦モードが 2 本だけ発振します。定格
出力は 0.5 mW ですが、このサンプルは約 1.2 mW もの出力を示します。このプロット線で見られるように、「モードスイープ率」はどちらかと言うと穏やかで、約 5~7%を示します。このチューブの仕様では最高 20%まで許容しています。このむき出しの HeNe レーザーチューブは 20 分未満でほぼ完全に安定しました。

ウォームアップ中の Melles Griot 社製 05-LHR-640

HeNe レーザーチューブの（偏光モード）プロット

このグラフは同じチューブの偏光モードをそれぞれプロットしたものです。上記の 05-LHR-007 と同様のコメン
トをこのチューブにも付けられます。

ウォームアップ中の Melles Griot 社製 05-LHR-911

HeNe レーザーチューブのモードスイーププロット

Melles Griot 社製 05-LHR-911 HeNe レーザー(1056) 上のグラフは、約 7 インチ（18.6mm）のキャビティ長のレーザーでの２本の偏光モードと全体出力のプロットです。このレーザーはまれに３本のモードが発振することがあり、そのときは中央の 1 本がネオンゲインカーブの中央に位置するときです。

ウォームアップ中の Melles Griot 社製 05-LHP-131
直線偏光 HeNe レーザーチューブのプロット（モードスイープ率 2%）

Melles Griot 社製 05-LHP-131 直線偏光 HeNe レーザーチューブ(1060) これは少し長いチューブ（約 8 インチ ）で、 3 本の同時発振モードを持ちます。定格出力は 1.5 mW ですが、このサンプルは約 2.0 mW で発振します。05-LHP-131 は直線偏光レーザーなので、出射ビーム中のすべてのモードの偏光面は同一です。レーザーチューブの長さが増加するにつれて、短時間の出力変動の強度は減少する傾向を持ち、このレーザーヘッドの場合、2%未満となります。 これは実際に非常に良い値で、仕様の 10%をかなり下まわっています。 筐体に収納されているレーザーヘッドでは、30 分経っても出力は完全には安定しません。

ウォームアップ中の Spectra-Physics 社製 088 HeNe レーザーチューブのプロット

Spectra-Physics 社製 088 HeNe レーザーチューブ(1068) この Spectra-Physics 社製 088 HeNe レーザーチューブはミラー間隔が約 8.5 インチの少し長いランダム偏光のチューブです。1980 年代にピークに達したバーコードスキャナー用にレーザーが何十万本も使われた
ことに加え、こうしたチューブは Spectra-Physics 社製 117 や SP-117A（そして同様の Melles Griot 社製 05STP-901）安定化 HeNe レーザーで使用されました。留意すべきは、スムーズに変化する偏光要素によるとても行儀の良いモードスイープとモードフリップ無しという点です。そのクローズアップが下図です。

ウォームアップ中の Spectra-Physics 社製 088 HeNe レーザーチューブのプロット（詳細）