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によって、特定のパルス幅を生成するために必要な最小帯域幅が決まります。通常、この関係は時間帯域幅積（TBP）で表され、これは不確定性原理から導き出されます。ガウスパルスのTBPは次の式で与えられます。TBPGaussian=ΔτΔν≈0.441
Δτはパルス幅、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幅の間に反比例の関係があることを示しており、つまりパルス幅が短くなるにつれて、そのパルスを生成するため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、短いパルス幅は、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、レーザーの広帯域出力です。これまで主に長パルスレーザーまたは連続波レーザーを使用してきた場合、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、従来型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、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。超高速光学では、この程度の値は実際にはほとんど見られず、LDT値は1 J/cm2未満、通常は0.3 J/cm2に近い値になることが多いです。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。ナノ秒レーザーまたはそれ以上のパルス幅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加熱です。コーティングと基板材料は、光学デバイス入射光子を吸収して加熱する。これにより、材料の結晶格子が歪む可能性がある。熱膨張、亀裂、融解、格子歪みは、これらの材料によく見られる熱損傷メカニズムである。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。代わりに、超高速レーザーのピークパワーによって、損傷メカニズムは多光子吸収やイオン​​化などの非線形プロセスへと変化します。そのため、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とって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デバイスは、システム内での同じ光学デバイスの実際の性能を代表するものではありません。

図1：異なるパルス幅におけるレーザー誘起損傷のメカニズム