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。この方法は単純ではありますが、最速のピコ秒パルスを生成できますが、光エネルギーの損失が大きく、ピークパワーは連続光パワーを超えることができません。そのため、レーザーパルスを生成するより効率的な方法は、レーザー共振器内で変調を行い、パルス列のオフ時にエネルギーを蓄積し、オン時に放出することです。レーザー共振器変調によってパルスを生成するために一般的に用いられる4つの技術は、ゲインスイッチング、Qスイッチング（損失スイッチング）、キャビティ空洞化、およびモード同期です。

ゲインスイッチは、ポンプパワーを変調することで短い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、電流変調によって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、非常に柔軟性があります。2018年、東京大学の研究者らは、40年にわたる技術的ボトルネックを打破する画期的な成果として、フェムト秒ゲインスイッチ半導体レーザーを発表しました。

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、共振器内を複数回往復して放出されます。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1つ以上の超短パルスがあり、連続的にサイクルします。各共振器内パルスは出力結合ミラーを通してパルスを伝送し、その周波数は一般的に10MHzから100GHzの間です。下の図は、完全正常分散（ANDi）散逸ソリトンフェムト秒パルスを示しています。ファイバーレーザー装置それらのほとんどは、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を得るため、また、モード同期レーザーを用いることで、より低い周波数でパルスエネルギーを増加させることができる。

時間領域パルスと周波数領域パルス
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る）は、半値幅（FWHM）値、つまり光パワーがピークパワーの少なくとも半分になる幅で最も一般的に表されます。Q スイッチ レーザーは、ナノ秒の短いパルスを生成します。
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。高速電子機器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などの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、長距離を伝搬してもパルス幅がほとんど変化しませんが、超短パルスはさまざまな要因の影響を受ける可能性があります。

分散によってパルス幅が大きく広がる可能性がありますが、逆の分散を利用することで再圧縮できます。以下の図は、Thorlabs社のフェムト秒パルス圧縮機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。

非線形性は一般的にパルス幅に直接影響を与えることはありませんが、帯域幅を広げ、伝搬中のパルスの分散を抑制します。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光ファイバーは、帯域幅や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な広がりにつな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。