ユニークな超高速レーザーパート1

個性的超高速レーザーパート1

超高速のユニークな特性レーザー
超高速レーザーの極めて短いパルス幅は、これらのシステムに、長パルスレーザーや連続波（CW）レーザーとは異なる独自の特性を与えます。このような短いパルスを生成するには、広いスペクトル帯域幅が必要です。パルス形状と中心波長は、特定のパルス幅のパルスを生成するために必要な最小帯域幅を決定します。通常、この関係は不確定性原理から導かれる時間帯域幅積（TBP）で表されます。ガウスパルスのTBPは、次の式で表されます：TBPGaussian=ΔτΔν≈0.441
Δτはパルス幅、Δvは周波数帯域幅です。本質的には、この式はスペクトル帯域幅とパルス幅の間に反比例関係があることを示しています。つまり、パルス幅が短くなると、そのパルスを生成するために必要な帯域幅は増加します。図1は、いくつかの異なるパルス幅をサポートするために必要な最小帯域幅を示しています。

図1: サポートに必要な最小スペクトル帯域幅レーザーパルス10 ps（緑）、500 fs（青）、50 fs（赤）

超高速レーザーの技術的課題
超高速レーザーの広いスペクトル帯域幅、ピークパワー、そして短いパルス持続時間は、システム内で適切に管理する必要があります。多くの場合、これらの課題に対する最もシンプルな解決策の一つは、レーザーの広帯域出力です。これまで主に長パルスレーザーや連続波レーザーを使用していた場合、既存の光学部品では超高速パルスの全帯域幅を反射または透過できない可能性があります。

レーザー損傷閾値
超高速光学系は、従来のレーザー光源と比較して、レーザー損傷閾値（LDT）が大きく異なり、その制御がより困難です。ナノ秒パルスレーザーLDT値は通常5～10 J/cm2程度です。超高速光学系では、この大きさのLDT値は事実上ほとんど知られていません。LDT値は1 J/cm2未満、通常は0.3 J/cm2程度になることが多いからです。異なるパルス幅におけるLDT振幅の大きな変動は、パルス幅に基づくレーザー損傷メカニズムの結果です。ナノ秒レーザーやそれ以上の波長のレーザーでは、パルスレーザー損傷を引き起こす主なメカニズムは熱による加熱です。コーティングと基材の材質は、光学機器入射光子を吸収して加熱します。これにより、材料の結晶格子が歪む可能性があります。これらの材料の一般的な熱損傷メカニズムとしては、熱膨張、ひび割れ、溶融、格子ひずみなどがあります。レーザー光源.

しかし、超高速レーザーの場合、パルス幅自体がレーザーから材料格子への熱伝達の時間スケールよりも速いため、熱効果はレーザー誘起損傷の主な原因ではありません。むしろ、超高速レーザーのピークパワーは、損傷メカニズムを多光子吸収やイオン​​化などの非線形プロセスに変換します。損傷の物理的メカニズムが異なるため、ナノ秒パルスのLDT定格を超高速パルスのLDT定格に単純に絞り込むことはできません。したがって、同じ使用条件（波長、パルス幅、繰り返し周波数など）では、十分に高いLDT定格を持つ光学デバイスが、特定のアプリケーションに最適な光学デバイスになります。異なる条件下でテストされた光学系は、システム内の同じ光学系の実際の性能を代表するものではありません。

図1:異なるパルス持続時間におけるレーザー誘起損傷のメカニズム