チタンサファイアレーザー

チタンサファイアレーザー：超短パルス発生と精密加工技術

チタンサファイアレーザーは、サファイア結晶にチタンイオンを添加した固体レーザーの一種です。赤外から近赤外領域（650～1100 nm）の波長で発振可能であり、特に800 nm付近で高い発振効率を示します。このレーザーの最大の特徴は、フェムト秒からピコ秒オーダーの超短パルス光を発生できる点にあります。この特性を活かし、超短パルス現象の研究や、熱影響の少ない精密な材料加工に広く利用されています。

励起と発振

チタンサファイアレーザーは、アルゴンイオンレーザーや、Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YVO4レーザーの第2高調波など、様々なレーザー光を励起光源として用いることができます。励起光を吸収したチタンイオンは励起状態になり、その後、エネルギーを光として放出することでレーザー発振が起こります。

モード同期発振と超短パルス生成

モード同期技術を用いることで、チタンサファイアレーザーは10フェムト秒から数ピコ秒の超短パルス光を発生できます。一般的には、アルゴンイオンレーザーやNd:YVO4レーザーの第2高調波が励起光源として用いられ、繰り返し周波数は70～90 MHz、出力エネルギーは0.5～1.5 W程度となります。これにより、極めて短い時間スケールでの現象を観測・制御することが可能になります。

チャープパルス増幅

モード同期により生成された超短パルスは、チャープパルス増幅技術によって、単パルスあたりのエネルギーを増大させることができます。複数の増幅器を用いて、パルスエネルギーを5 mJ程度まで高めることが可能です。この過程では、Nd:YLFレーザーの第2高調波などがポンプ光源として用いられます。増幅器は、光学スイッチを用いる代わりにミラーの反射を利用してレーザー光の誘導制御を行い、段階的にパルスエネルギーを増幅していきます。この増幅は、光学結晶のアブレーション閾値に達するまで行われます。パルス幅は通常20～100 fs、繰り返し周波数は1 kHz程度となり、ピークパワーは50 GWに達します。

超短パルスアブレーションと精密加工

超短パルスレーザーは、材料加工においても大きな利点を持ちます。従来のエキシマレーザーなどの短波長レーザーは、フォトンエネルギーによって物質の化学結合を直接切断する光化学反応を起こします。しかし、この方法では、熱による影響が避けられません。一方、チタンサファイアレーザーのような超短パルスレーザーは、熱拡散よりも速い速度でアブレーション（物質の除去）を起こすため、熱影響を極めて小さく抑えることができます。さらに、集光した超短パルスレーザー光は非線形多光子吸収を引き起こし、物質との相互作用を精密に制御することを可能にします。これらの特性により、チタンサファイアレーザーは、微細加工や精密な材料改質に最適な光源として利用されています。

まとめ

チタンサファイアレーザーは、その超短パルス発生能力と高出力特性により、基礎科学研究から産業応用まで幅広い分野で活用されています。特に、超高速現象の解明、精密な材料加工、医療分野などへの応用が期待されています。今後の技術革新によって、さらに高性能なチタンサファイアレーザーが開発され、新たな可能性を切り開いていくことが予想されます。

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