パルスレーザー (光学)

パルスレーザー：精密制御と多様な応用

パルスレーザーは、連続的に光を出力するレーザーとは異なり、一定時間間隔で光のパルスを発生させるレーザーです。このパルス状の出力は、様々な用途において重要な役割を果たしており、その技術は多岐に渡ります。単に連続発振が技術的に困難な場合に用いられるものから、パルスエネルギーの高さが求められる高度な応用まで、幅広い用途に対応できるのが特徴です。

パルスエネルギーとピークパワーの制御

パルスレーザーの応用においては、パルスあたりのエネルギーとピークパワーの両方が重要な要素となります。

パルスあたりのエネルギーを高めたい場合、レーザーの平均出力を繰り返し周波数で割ることで計算できます。そのため、繰り返し周波数を下げてパルス間隔を広げることで、短時間に高エネルギーのパルスを生成することが可能になります。レーザーアブレーションはこの代表的な例です。短時間のパルスで照射することで、熱が材料内部に拡散する前に表面を蒸発させることができるため、精密な加工が可能です。

一方、非線形光学効果を利用する際には、ピークパワーが重要になります。一定のパルスエネルギーでピークパワーを高めるには、Qスイッチングなどの技術を用いてパルス幅を極限まで短くする必要があります。パルス幅の短縮は、光の周波数帯域の広がりを意味し、これはパルスレーザー特有の性質です。

パルス生成技術：Qスイッチングとモード同期

パルスレーザーを実現する技術として、Qスイッチングとモード同期が代表的です。

Qスイッチングは、レーザー共振器内に一時的に損失を導入することで、レーザー媒質にエネルギーを蓄積し、その後、損失を取り除くことで一気にレーザー発振させる技術です。この方法により、短パルス幅、高ピークパワーのパルスが得られます。アクティブQスイッチは外部信号で制御され、パッシブQスイッチは物理現象を利用して自動的に損失を除去します。

モード同期は、レーザー共振器内の複数の縦モードを位相的に同期させることで、非常に短いパルス列を生成する技術です。この方法で生成されるパルス幅は数ピコ秒から10フェムト秒以下と極めて短く、高ピークパワーが得られます。モード同期レーザーには、広い帯域幅で利得を持つレーザー媒質、例えばチタンサファイアレーザーが用いられます。この極めて短いパルス幅は、フェムト秒物理学や超高速科学などの研究に不可欠です。また、高ピークパワーを生かし、非線形光学効果を利用した光周波数変換などにも広く利用されています。

パルス励起

パルスレーザーを実現するもう一つの方法として、レーザー媒質をパルス状に励起する方法があります。励起源自体がパルス動作するもの、フラッシュランプのように電気的な充電機構でパルス動作するもの、別のパルスレーザーで励起するものなど、様々な方法が存在します。歴史的には、反転分布状態の寿命が短い色素レーザーにおいて、高出力のフラッシュランプを用いたパルス励起が用いられてきました。

パルスレーザーの医療応用：軟部組織手術

パルスレーザーは医療分野、特に軟部組織手術においても重要な役割を果たしています。パルス間隔を熱的緩和時間以上に設定することで、照射部周辺の組織への熱的ダメージを最小限に抑え、細胞の壊死を防ぐことができます。

まとめ

パルスレーザーは、パルス幅、繰り返し周波数、ピークパワーなどを精密に制御できるため、レーザーアブレーション、非線形光学、超高速科学、医療など、多様な分野で利用されています。Qスイッチングやモード同期といった高度な技術の進歩により、ますますその応用範囲は広がり続けています。

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