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
超高速レーザーの超短パルス持続時間は、これらのシステムに長パルスまたは連続波 (CW) レーザーとは異なる独特の特性を与えます。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。パルスの形状と中心波長によって、特定の持続時間のパルスを生成するために必要な最小帯域幅が決まります。通常、この関係は、不確定性原理から導出される時間帯域幅積 (TBP) の観点から説明されます。ガウス パルスの TBP は次の式で与えられます。TBPGaussian=ΔτΔν≈0.441
Δτ はパルス持続時間、Δv は周波数帯域幅です。本質的に、この式はスペクトル帯域幅とパルス持続時間の間に逆関係があることを示しています。これは、パルスの持続時間が減少するにつれて、そのパルスの生成に必要な帯域幅が増加することを意味します。図 1 は、いくつかの異なるパルス持続時間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: サポートするため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)、および 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、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簡単な解決策の 1 つは、レーザーの広域スペクトル出力です。これまで主に長パルスまたは連続波レーザーを使用していた場合、既存の光学コンポーネントの在庫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
また、超高速光学系のレーザー損傷閾値 (LDT) は、従来のレーザー光源と比べて大きく異なり、ナビゲートするのがより困難です。光学系が提供される場合ナノ秒パルスレーザー, LDT 値は通常 5 ～ 10 J/cm2 程度です。超高速光学系の場合、LDT 値は 1 J/cm2 未満のオーダーである可能性が高く、通常は 0.3 J/cm2 に近いため、この大きさの値は実際には前例がありません。異なるパルス幅での LDT 振幅の大きな変化は、パルス幅に基づくレーザー損傷メカニズムの結果です。ナノ秒以上のレーザーの場合パルスレーザー、損傷を引き起こす主なメカニズムは熱による加熱です。のコーティングおよび基材の材料光学デバイス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。熱膨張、亀裂、溶解、格子歪みは、これらの製品の一般的な熱損傷メカニズムです。レーザー光源.

ただし、超高速レーザーの場合、パルス持続時間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、熱の影響はレーザー誘発損傷の主な原因ではありません。その代わりに、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の吸収やイオン​​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ないのはこのためです。したがって、同じ使用条件 (波長、パルス幅、繰り返し率など) では、十分に高い LDT 定格を持つ光学デバイスが、特定の用途に最適な光学デバイスとなります。異なる条件下でテストされた光学部品は、システム内の同じ光学部品の実際の性能を表すものではありません。

図 1: 異なるパルス幅によるレーザー誘起損傷のメカニズム