ユニークな超高速レーザーパート2

個性的超高速レーザーパート2

分散とパルス拡散：群遅延分散
超高速レーザーを使用する際に直面する最も困難な技術的課題の1つは、最初に放出される超短パルスの持続時間を維持することである。レーザ超高速パルスは時間歪みの影響を非常に受けやすく、パルス幅が長くなります。この影響は、最初のパルスの持続時間が短くなるほど悪化します。超高速レーザーは50秒の持続時間を持つパルスを放射できますが、鏡やレンズを用いてパルスを標的の場所に伝送したり、空気中を伝わらせたりすることで、時間的に増幅することができます。

この時間歪みは、群遅延分散（GDD）と呼ばれる指標を用いて定量化されます。これは2次分散とも呼ばれます。実際には、超短パルスレーザーパルスの時間分布に影響を与える可能性のある高次分散項も存在しますが、実用上はGDDの影響を調べるだけで十分です。GDDは周波数依存の値であり、特定の材料の厚さに比例します。レンズ、窓、対物レンズなどの透過光学系は、通常、正のGDD値を持ちます。これは、圧縮されたパルスが透過光学系に、外部から放出されるパルスよりも長いパルス持続時間を与えることができることを示しています。レーザーシステム低周波数（つまり長波長）の成分は、高周波数（つまり短波長）の成分よりも速く伝播します。パルスが通過する物質が増えるにつれて、パルスの波長は時間的にどんどん長くなります。パルス持続時間が短く、したがって帯域幅が広い場合、この効果はさらに大きくなり、パルス時間に大きな歪みが生じる可能性があります。

超高速レーザーアプリケーション
分光法
超高速レーザー光源の登場以来、分光法はその主要な応用分野の一つとなっています。パルス幅をフェムト秒、さらにはアト秒まで短縮することで、これまで観測不可能だった物理学、化学、生物学における動的プロセスを観測することが可能になりました。重要なプロセスの一つは原子の運動であり、原子の運動を観測することで、光合成タンパク質における分子振動、分子解離、エネルギー移動といった基礎プロセスに対する科学的理解が深まりました。

バイオイメージング
ピーク出力超高速レーザーは非線形プロセスをサポートし、多光子顕微鏡などの生物学的イメージングにおける解像度を向上させます。多光子システムにおいて、生物学的媒体または蛍光標的から非線形信号を生成するには、2つの光子が空間的および時間的に重なり合う必要があります。この非線形メカニズムは、単一光子プロセスの研究を悩ませる背景蛍光信号を大幅に低減することで、イメージング解像度を向上させます。簡略化した信号背景を図解しています。多光子顕微鏡の励起領域が狭いため、光毒性を防ぎ、サンプルへのダメージを最小限に抑えることができます。

図1: 多光子顕微鏡実験におけるビーム経路の例図

レーザー材料加工
超高速レーザー光源は、超短パルスが材料と相互作用する独特の方法により、レーザーマイクロマシニングと材料加工にも革命をもたらしました。前述のように、LDT（熱影響部）について議論した際に、超高速パルスの持続時間は材料の格子への熱拡散の時間スケールよりも高速です。超高速レーザーは、従来のものよりもはるかに小さな熱影響部を生成します。ナノ秒パルスレーザーこれにより、切開ロスが低減し、より精密な加工が可能になります。この原理は医療分野にも応用可能で、超遠心レーザーによる切断精度の向上は、周囲の組織への損傷を軽減し、レーザー手術中の患者体験を向上させます。

アト秒パルス：超高速レーザーの未来
超高速レーザーの研究が進むにつれ、より短いパルス幅を持つ新しい改良型光源が開発されています。より高速な物理プロセスへの洞察を得るため、多くの研究者がアト秒パルス（極端紫外線（XUV）波長域で約10-18秒）の生成に注目しています。アト秒パルスは電子の動きを追跡することを可能にし、電子構造と量子力学への理解を深めます。XUVアト秒レーザーの産業プロセスへの統合はまだ大きく進展していませんが、この分野における継続的な研究と進歩により、フェムト秒やピコ秒の場合と同様に、この技術は研究室から製造現場へと押し出されることはほぼ確実です。レーザー光源.