パルスレーザーの概要

概要パルスレーザー

最も直接的な生成方法レーザパルスを生成する最も簡単な方法は、連続レーザーの外側に変調器を追加することです。この方法はシンプルでありながら最速のピコ秒パルスを生成できますが、無駄な光エネルギーとピークパワーが連続光パワーを超えることができません。したがって、より効率的なレーザーパルス生成方法は、レーザー共振器内で変調を行い、パルス列のオフタイムにエネルギーを蓄積し、オンタイムに放出することです。レーザー共振器変調によるパルス生成に用いられる一般的な4つの手法は、ゲインスイッチング、Qスイッチング（ロススイッチング）、共振器空乏化、モード同期です。

ゲインスイッチは、ポンプパワーを変調することで短パルスを生成します。例えば、半導体ゲインスイッチレーザーは、電流変調により数ナノ秒から数百ピコ秒までのパルスを生成できます。パルスエネルギーは低いものの、この方法は繰り返し周波数やパルス幅を調整できるなど、非常に柔軟性に優れています。2018年には、東京大学の研究者らがフェムト秒ゲインスイッチ半導体レーザーを報告し、40年にわたる技術的ボトルネックを打破しました。

強力なナノ秒パルスは、一般的にQスイッチレーザーによって生成されます。Qスイッチレーザーは、共振器内を複数往復して放射され、パルスエネルギーはシステムのサイズに応じて数ミリジュールから数ジュールの範囲です。中程度のエネルギー（一般的に1μJ未満）のピコ秒およびフェムト秒パルスは、主にモード同期レーザーによって生成されます。レーザー共振器内には、連続的に周期的に変化する1つまたは複数の超短パルスがあります。各共振器内パルスは出力結合ミラーを介してパルスを伝送し、再周波数は通常10MHzから100GHzです。下の図は、完全正常分散（ANDi）の散逸性フェムト秒ソリトンを示しています。ファイバーレーザー装置そのほとんどは、Thorlabs の標準コンポーネント (ファイバー、レンズ、マウント、変位テーブル) を使用して構築できます。

空洞除去技術は、Qスイッチレーザーより短いパルスとモード同期レーザーを取得し、より低い再周波数でパルスエネルギーを増加させます。

時間領域および周波数領域パルス
パルスの時間に対する線形形状は、一般的に比較的単純で、ガウス関数とsech²関数で表すことができます。パルス時間（パルス幅とも呼ばれます）は、一般的には半値幅（FWHM）値、つまり光出力がピークパワーの少なくとも半分である幅で表されます。Qスイッチレーザーは、
モード同期レーザーは、数十ピコ秒からフェムト秒オーダーの超短パルス（USP）を生成します。高速エレクトロニクスでは数十ピコ秒までしか測定できず、それより短いパルスは、オートコリレータ、FROG、SPIDERといった純粋な光学技術でしか測定できません。ナノ秒以上のパルスは、長距離を移動してもパルス幅がほとんど変化しませんが、超短パルスは様々な要因の影響を受けます。

分散はパルスの大きな広がりを引き起こす可能性がありますが、逆の分散によって再圧縮することができます。次の図は、Thorlabsのフェムト秒パルス圧縮器が顕微鏡の分散をどのように補正するかを示しています。

非線形性は一般にパルス幅に直接影響を与えませんが、帯域幅を広げ、伝搬中にパルスが分散の影響を受けやすくなります。帯域幅が制限された他の利得媒体を含むあらゆる種類のファイバーは、帯域幅または超短パルスの形状に影響を与える可能性があり、帯域幅の減少は時間的に広がる可能性があります。また、スペクトルが狭くなると、強くチャープされたパルスのパルス幅が短くなる場合もあります。