⑰ウォームアップ中の HeNe レーザーの出力変動(915) 一般的に目だけでは確認しにくいのですが、例外的に非常に短いか使い古された（低ゲイン）HeNe レー
ザーでは、時間による出力の準周期的変化があります。典型的な HeNe レーザーチューブは点灯直後、周波数が非常に急速（数秒間隔のサイクルで）に変動し、チューブ温度が安定状態の値に達すると次第にその変動速度を落とします（30 分かそれ以上経過後に）。
HeNe レーザーの出力変動の周期が GHz の範囲を越えて行く一方で、以下の件がフォトダイオードとマルチメーターあるいはチャートレコーダー（あるいはデータ取得モジュール付きのＰＣ）の助けがあってようやく人間の眼で確認できることに留意ください。
下のグラフは中型（おそらく約 5 mW）の HeNe レーザーチューブで計測された出力（変動）のプロット線で、点灯から 20 分の範囲を示しています。

典型的な HeNe レーザーでの出力対ウォームアップ時間変動グラフ(Ryan Haanappel からの引用プロット). (典型的とはいえ出力はずっとより高い値つまり完全なウォームアップ後の値の 75%超で始まっています。ただし例外もあります。) この節ではさらに多くのプロット線を見ることになります。
出力対時間の実際のプロット線の確認が下のグラフです。

ウォームアップ中の HeNe レーザー出力変動グラフ(（レーザー出力のメーター表示を注意深く観察すると） カーブが単純ではなく、いくつかのタイプ挙動を含んでいることを HeNe レーザーが明らかにしています。
(929) 出力の長期の傾向：良い状態にあるレーザーでは、ウォームアップ完了後に（増加傾向が）横ばいになるまで出力は一般に増加します。支配的な作用としては、レーザーチューブが加熱し、様々な部品が膨張し、レーザーが（製造中に元々調整されていた状態である）最適なアラインメントまで近づきます。ミラーアラインメン
トがそれほど正確でない場合には、出力は上昇するとしても次に下降するかあるいはただ下降し、定格出力に全く達しないようなこともあります。
（出力不足の）原因がアラインメントである場合、ミラーマウントの１つを正しい角度、正しい力（絶縁された道具で！）で穏やかに横方向に押すと、点灯直後でも最大出力に近い値を示すでしょう。通常、（熱膨張効果とは独立して）レーザーチューブの加熱による出力の増加も得られます。ただしこれはアラインメントの効果の一部に過ぎず、（チューブ）内部の温度と圧力の増加と関係があります。さらに、特にソフトシールのチューブではカソードが弱いゲッター（不要ガス吸着部品）の役を果たし、不使用期間中に蓄積しうる不純物質を（チューブ内ガス）循環から取り除くにつれて、出力の増加が見られることもあります。あ
るいは、どの程度まで行くかにも依りますが熱で様々な部品からガスが発生して出力が下がることもあります！
特定のレーザーによっては、最終出力が定格出力を超える場合でも初期出力が非常に低く始まることもあります。
印象的な例としては、1145P のような長い JDS Uniphase HeNe レーザーで見過ごせないパーセンテージ（の変動）が有りえます。こうした例では、1～2 mW の低出力（定格）のレーザーが 20 分の（ウォームアップ）後に 24mW 超の出力に達することも前代未聞ではありません。
最有力の原因はミラーアラインメントの変化です。

典型的な HeNe レーザーの構造（チューブの左側半分がカソード、中央上部にゲッターがある）

PLT 社製チューブ内のゲッター（円盤状の金属部品）(05LHR092-542)

JDS Uniphase 社製 1145P ヘッド

(941) 出力の短時間での変動：レーザーチューブが加熱して膨張するにつれてレーザーの縦モードは 1.5 GHz のネオンゲインカーブの範囲内をドリフト（モードスイープ）します。出力は縦モードがどこに存在するかによって変化し、またモードが（ゲインカーブの）片端で消えて他端からまた現われたりするために突然変化することもあります。6 インチのチューブ（C/2L=0.5 GHz）では、1 本か 2 本の活発な（縦）モードがあります。24 イ
ンチのチューブ（C/2L=125 MHz）では、8 本～10 本の活発な（縦）モードがあることもあります。短いチュー
ブは通常、このモードサイクリングのせいで出力の劇的な変動を示すでしょう。仕様としては 20%（5 インチのチューブでは）から 2%未満（長いチューブでは）まで変動します。 短いランダム偏光のチューブでは、偏向モードが 100%も変化しうるからです。（出力の）変動が一つの周期ではなく上記のプロット線で見られるように、二箇所がくびれる挙動を見せることがよくあることに留意してください。この原因はおそらく、発振しているモードの数とそれらがどのようにゲインカーブに集まっているかに依るでしょう。わずかに異なるゲインを示す隣接する（縦）モードの偏光（方向）によって、交互のサイクルにわずかな相違が生じることもあります。これらの作用はまとめて「モードスイープ」あるいは「モードサイクリング」と呼ばれています。 いろいろな条件下でさまざまなチューブでこの挙動を記録して解析することは非常に魅力的なものになりえます。詳細は次の節にて。

(953) 出力の中期の変動: (こうした変動は一般的に言って適切に設計・生産されるレーザーで比較的まれです。)
中期的作用には 2 つのよくあるタイプがあります。
赤外モード競合: これは一般に高出力のレーザーでの問題に過ぎません。それは通常高ゲイン 3.39 μm 中赤外
HeNe レーザーの発振波長で見られ、出力における付加的な変化に繋がります。 より長いチューブには一般的にに 3.39 μm 波長で高い透明性が得られるミラーコーティングを施したり、赤外波長抑圧磁石を付加するといった設計が為されますが、それらの効果が常に完璧というわけではありません。これらの出力変動は、上記の主要モードサイクリングを見せる基本周波数である（633 nm の赤色 HeNe レーザーでは）周波数 0.633/3.39 となるでしょう。この作用は、15~20mW 未満の赤色 HeNe レーザーでは無視しうるものでしょうが、比較的短い「他の色」（例えば、黄色）の HeNe レーザーでは発振波長が低ゲインであるため目立つこともあります。単純なテストとしては、チューブの近くに慎重に少数の適度な強さの磁石を数カ所に配置してみるという方法があります。
もし問題がモード競合なら変動の振幅は減少するはずで、設計波長での出力が 10~20%ほど増加することもあります。現代の HeNe レーザーはめったに赤外モード競合で苦しむことはありません。

選択する波長ごとの前後ミラーの外観色
あおりの無いミラーの基板(研磨): (966) 同様のタイムスケールでの出力変動のもう 1 つの源は、HR （高反射率）／OC（アウトプットカプラー） ミラーのガラス基板上のあおり（くさび型）の欠如です。 あおりは 2 つの表面がわずかな角度を持つように研磨されていることを意味します。あおりが無いとミラーコーティングとコーティングされていない外部表面（HR）あるいは AR コートされた外部表面（OC）がエタロンを形成し、ミラーガラス内の建設的かつ破壊的な干渉のためにウォームアップ中にガラスが膨張するにつれてエタロンの透過率が変化します。その結果として HR ミラー（高反射率ミラー）からの廃棄ビームの出力がモードスイープ仕様値をはるかに超えるような量で周期的に変化する場合があり、予想されるメインビームの出力（グラフ）を辿らなくなります。 HR ミラー（高反射率ミラー）でのあおりの欠如は特にひどいものと言え、外部表面からのフレネル反射の約 4%が HR の透過率を変えるのに十分であり、結果的に廃棄ビーム出力が最高で 2.25 倍にもなります。OC ミラーでのあおりの欠如による廃棄ビームの出力変動はそれほど深刻なものではなく、AR コーティン
グが反射の減少をもたらすものの、それでも 10%かそれ以上の反射を維持できます。たいていのアプリケーションは廃棄ビームが行うことを気にしませんが、メインビームには 1~2%のリップルが含まれてもいます。 これらは、上記の全ての出力変動に上乗せされます。金属筐体で覆われている円筒状のレーザーヘッドでは、最高で 10回程度の出力変動（グラフの上下動）が見られることもありますが、むき出しのチューブでは、温度上昇がそれほど大きくないため、より少ない数の変動数となるでしょう。これらの短時間の出力変動は短いチューブでは標準的な挙動とみなされ、モードスイープによって他の変動よりもずっと短時間のものとなります。そして誰も（少なくともほとんど誰も !）が廃棄ビームがすることを気にしません。大量生産されるバーコードスキャナーチューブは低コストで製造され、高い性能も無く、この問題を最も多く抱えていると思いますが、それらの多くはそんなにひどいものではありません。高品質のチューブでは両ミラーともあおり付きの基板で構成されているでしょう。少数の典型的なケースでのウォームアップ中の出力プロット線が以降に示されます。

AR コーティングの構造図
設計や製造での不具合品はいろいろな作用の様々な組み合わせをもっていますが、その大部分について HeNe レーザーの製造メーカーは自分たちがどんなことをしているか知っています！ただ、通常および異常な挙動のプロット線の両方が「おおっと」の場合の 1 つの劇的な例のケーススタディのリンクが以降にありますので参照くだ
さい。