プリズムコンプレッサー

プリズムコンプレッサー：超短パルスの時間幅制御

プリズムコンプレッサーは、超短パルスレーザーの持続時間を短縮するための光学デバイスです。一般的に、2つのプリズムと1つの鏡から構成され、レーザーパルスの波長成分ごとの時間差を利用して、パルス幅を圧縮します。

プリズムコンプレッサーの動作原理

プリズムコンプレッサーは、光の分散現象を利用しています。可視光を含む多くの物質は、波長によって屈折率が異なる正の分散性を示します。つまり、波長の長い光ほど屈折率が小さく、プリズムを通過する速度が速くなります。

プリズムコンプレッサーでは、まずレーザーパルスが最初のプリズムに入射します。このとき、波長の長い光は短波長の光よりも先にプリズムを通過します。その後、鏡で反射され、2つ目のプリズムを通過します。2つ目のプリズムでは、光の経路が調整されることで、波長の長い光は短波長の光よりも長い距離を移動します。この結果、時間的に遅れていた長波長成分が短波長成分に追いつき、パルス幅が圧縮されます。

プリズムの位置を調整することで、コンプレッサーの分散特性を制御できます。これにより、正の分散（パルスを広げる）から負の分散（パルスを圧縮する）まで、幅広い分散特性を実現できます。しかしながら、負の分散の調整範囲は、光線がプリズムから外れない範囲に制限されます。

使用材料と分散補償

プリズム材料としては、BK7などの一般的な光学ガラスから、SF10、SF11などの高屈折率ガラスまで、様々な材料が使用されます。高屈折率の材料を使用することで、より大きな分散補償が可能になります。これは、フェムト秒レーザーにおけるチタンサファイア結晶による分散補償などに有効です。

プリズムコンプレッサーは、単に分散を補償するだけでなく、積極的に大きな分散を作り出すことも可能です。これにより、超短パルスの精密な時間制御や位相歪みの補正などが行われます。MIIPSなどの高度なパルス整形技術と組み合わせることで、さらに高度なパルス制御が可能になります。

その他のパルスコンプレッサーとの比較

プリズムコンプレッサー以外のパルス圧縮技術として、回折格子コンプレッサーやチャープミラーが挙げられます。

回折格子コンプレッサーは、プリズムコンプレッサーよりも容易に大きな負分散を実現できますが、金属コーティングによる損失が大きいため、レーザー共振器内での使用には不利です。一方、プリズムコンプレッサーは損失が少なく、レーザー共振器内での使用に適しています。

チャープミラーは、特定の分散特性を持つミラーで、設計が複雑で、分散量が小さいことがデメリットです。同等の分散を得るには、複数回の反射が必要となり、調整も困難です。しかし、特定の分散特性を持つパルスを生成するのに適しており、広い帯域幅を持つパルス圧縮にも用いられます。

まとめ

プリズムコンプレッサーは、その簡素な構造、低損失、そして調整の容易さから、超短パルスレーザーシステムにおいて重要な役割を果たしています。特に、チタンサファイアレーザーなどのモード同期レーザーにおける分散補償に広く利用されています。様々な材料や高度なパルス整形技術との組み合わせにより、超短パルスの精密な制御を可能にする、重要な光学機器です。

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