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、レーザーによって最初に放射される超短パルスの持続時間を維持することです。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いため、パルスが長くなります。この影響は、最初のパルスの持続時間が短くなるにつれて悪化します。超高速レーザーは持続時間 50 秒のパルスを放射できますが、ミラーやレンズを使用してパルスを時間内に増幅してターゲット位置にパルスを送信したり、単に空気を通してパルスを送信したりすることもできます。

この時間歪みは、二次分散としても知られる群遅延分散 (GDD) と呼ばれる尺度を使用して定量化されます。実際には、ウルトラファート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の分散項もありますが、実際には、通常は GDD の効果を調べるだけで十分です。 GDD は周波数に依存する値で、特定の材料の厚さに直線的に比例します。レンズ、窓、対物レンズコンポーネントなどの透過光学系は通常、正の GDD 値を持ちます。これは、一度圧縮されたパルスが、透過光学系に発せられるパルス持続時間よりも長いパルス幅を与える可能性があることを示しています。レーザーシステム。より低い周波数 (つまり、より長い波長) のコンポーネントは、より高い周波数 (つまり、より短い波長) のコンポーネントよりも速く伝播します。パルスがより多くの物質を通過するにつれて、パルスの波長は時間の経過とともにますます長くなり続けます。パルス持続時間が短く、したがって帯域幅が広い場合、この効果はさらに誇張され、重大なパルス時間歪みが生じる可能性があります。

超高速レーザーのアプリケーション
分光法
超高速レーザー光源の出現以来、分光法はその主な応用分野の 1 つとなっています。パルス持続時間をフェムト秒、さらにはアト秒まで短縮することで、歴史的に観察することが不可能だった物理学、化学、生物学における動的なプロセスを実現できるようになりました。重要なプロセスの 1 つは原子の運動であり、原子の運動の観察により、光合成タンパク質における分子振動、分子解離、エネルギー移動などの基本的なプロセスの科学的理解が深まりました。

バイオイメージング
ピークパワーの超高速レーザーは、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の解像度を向上させます。多光子システムでは、生物学的媒体または蛍光ターゲットから非線形信号を生成するには、2 つの光子が空間と時間でオーバーラップする必要があります。この非線形メカニズムにより、単一光子プロセスの研究の妨げとなるバックグラウンドの蛍光シグナルが大幅に減少するため、イメージングの解像度が向上します。簡略化された信号の背景が示されています。多光子顕微鏡の励起領域が狭いため、光毒性も防止され、サンプルへのダメージが最小限に抑えられます。

図 1: 多光子顕微鏡実験におけるビーム経路の図例

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自の方法により、レーザー微細加工や材料加工にも革命をもたらしました。前述したように、LDT について説明するとき、超高速パルスの持続時間は材料の格子内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、レーザーよりもはるかに小さな熱影響ゾーンを生成します。ナノ秒パルスレーザー結果として、切開損失が減り、より正確な加工が可能になります。この原理は医療用途にも適用でき、超遠方レーザー切断の精度が向上することで周囲の組織への損傷が軽減され、レーザー手術中の患者のエクスペリエンスが向上します。

アト秒パルス: 超高速レーザーの未来
研究が超高速レーザーの進歩を続けるにつれて、より短いパルス持続時間を備えた新しく改良された光源が開発されています。より高速な物理プロセスについての洞察を得るために、多くの研究者は、極紫外線 (XUV) 波長範囲で約 10 ～ 18 秒のアト秒パルスの生成に焦点を当てています。アト秒パルスにより電子の動きを追跡できるようになり、電子構造と量子力学の理解が深まります。 XUV アト秒レーザーの産業プロセスへの統合はまだ大きな進歩を遂げていませんが、この分野で進行中の研究と進歩により、フェムト秒やピコ秒の場合と同様に、この技術が研究室から製造現場に押し出されるのはほぼ確実です。レーザー光源.