フィラメントの伝播

非線形光学において、フィラメント伝播とは、光線が回折することなく媒体を伝播することである。これは、カー効果によって媒体の屈折率が変化し、光線が自己収束するため可能である。 ^[1]

レーザーパルスによってガラスに生じたフィラメント状の損傷跡は、1964 年に Michael Hercher 氏によって初めて観察されました。 ^[2]大気中のレーザーパルスのフィラメント伝播は、1994 年にミシガン大学のGérard Mourou氏と彼のチームによって観察されました。チャープパルス増幅によって生成されたテラワット強度のレーザービームの大気中でのイオン化と希薄化による自己収束屈折と自己減衰回折のバランスによって「フィラメント」が生成され、これがビームの導波路として機能して発散を防止します。観測されたフィラメントは実際には光エネルギーの「導波」集中ではなく軸円 (ベッセル) または移動焦点によって作成された錯覚であるという競合する理論は、1997 年にロスアラモス国立研究所の研究者によって否定されました。^[3] フィラメント化プロセスを説明する洗練されたモデルが開発されていますが、Akozbek 氏らによって提案されたモデルは、このプロセスをより正確に表現しています。^[4]は、空気中の強いレーザーパルスの伝播について、半解析的でわかりやすい解を提供している。

半導体媒体中のフィラメントの伝播は、大口径垂直共振器面発光レーザーでも観察できます。

媒体を通過するレーザービームは、媒体の屈折率を変調することができる^[5]

${\displaystyle n={n_{0}+{\bar {n}}_{2}I}}$

ここで、、はそれぞれ線形屈折率、二次屈折率、伝播するレーザー場の強度である。自己集束は、カー効果による位相シフトがガウスビームの発散による位相シフトを補償するときに発生する。長さを横断した後のガウスビームの回折による位相変化は、 ${\displaystyle n_{0}}$${\displaystyle {\bar {n}}_{2}}$${\displaystyle I}$${\displaystyle \Delta z}$

${\displaystyle \phi _{回折}={k\Delta z \over 2\rho _{0}^{2}}r^{2}}$

カー効果による位相変化は

${\displaystyle \phi _{Kerr}={2\pi {\bar {n}}_{2}I_{0}\Delta z \over \lambda }exp({-2r^{2} \over w_{0}^{2}})\approx {2\pi {\bar {n}}_{2}I_{0}\Delta z \over \lambda }(1-{2r^{2} \over w_{0}^{2}})}$。

ここで、（レイリー範囲）であり、はガウスビームのウエストです。自己収束が起こるためには、カー位相と回折位相の両方で項の大きさが等しい という条件を満たす必要があります。したがって${\displaystyle k={2\pi n_{0} \over \lambda }}$${\displaystyle \rho _{0}={\pi w_{0}^{2}n_{0} \over \lambda }}$${\displaystyle w_{0}}$${\displaystyle r^{2}}$

${\displaystyle I_{0}={w_{0}^{2} \over 4\rho _{0}^{2}{\bar {n}}_{2}}}$。

一方、ガウス梁のウェスト部分の面積は であることが分かっています。したがって^[6]${\displaystyle \pi w_{0}^{2} \over 2}$

${\displaystyle P_{c}={\lambda ^{2} \over 8\pi n_{0}{\bar {n}}_{2}}}$。

注記

${\displaystyle {\bar {n}}_{2}\left({cm^{2} \over W}\right)=n_{2}n_{0}\epsilon _{0}c}$

自己収束には臨界出力（空気中でギガワットのオーダー^[7]）よりも高いレーザーピーク出力が必要であるが、ピーク出力が臨界出力よりも高い赤外線（IR）ナノ秒パルスでは自己収束は不可能である。多光子イオン化、逆制動放射線、電子なだれイオン化は、ガスとレーザーの相互作用による3つの主要な結果である。最後の2つのプロセスは衝突型の相互作用であり、完了するまでに時間がかかる（ピコ秒からナノ秒）。ナノ秒パルスは、出力が自己収束に必要なGWオーダーに達する前に空気のブレークダウンを発達させるのに十分な長さである。ガスのブレークダウンは吸​​収および反射効果を持つプラズマを生成するため、自己収束は禁止される。^[7]${\displaystyle P_{c}}$

フィラメントの伝播に関連する興味深い現象は、幾何学的焦点の後に焦点を合わせたレーザーパルスが再焦点を合わせることです。 ^{[8] [9]} ガウスビームの伝播では、幾何学的焦点から離れて双方向にビーム幅が増加すると予測されます。ただし、レーザーフィラメント化の状況では、ビームはすぐに再崩壊します。この発散と再焦点合わせは無期限に続きます。

フィラメントの形成と伝播は、フォトポリマーシステムでも観察されることがあります。このようなシステムは、光反応に基づく屈折率の増加を介して、カーのような光学非線形性を示します。^[10]フィラメントは、個々のビームの自己トラッピング、または広域光プロファイルの変調不安定性の結果として形成されます。フィラメントの伝播は、オルガノシロキサン、 ^[11]アクリル、^[12]エポキシおよびエポキシとの共重合体、^[13]およびポリマーブレンドを含むいくつかの光重合性システムで観察されています。^{[14] [15]}フィラメントの形成と伝播の場所は、入力光場の空間プロファイルを変調することによって制御できます。このような光反応性システムは、空間的および時間的にインコヒーレントな光からフィラメントを生成できます。これは、遅い反応が光場の時間平均強度に反応し、フェムト秒の変動が洗い流されるためです。^[11]これは非瞬時応答の光屈折媒体に似ており、非干渉性または部分的に非干渉性の光によるフィラメント伝播を可能にします。^[16]

フィラメントはプラズマを作り、狭帯域レーザーパルスを広帯域パルスに変換し、全く新しい用途が広がります。フィラメント化誘導プラズマの興味深い点は、電子密度が制限されていることで、このプロセスにより光学的破壊が防止されます。^[17]この効果は、連続波のレベルが低く、線の広がりも小さい高圧分光法の優れた光源となります。^{[18] [説明が必要]もう一つの潜在的な用途は、空気の}LIDAR監視です。^[19]

短パルスレーザーを用いたフラットパネルダイシングは、ガラス基板が薄くなるにつれて、従来のダイヤモンドブレードダイシング技術ではプロセス歩留まりを向上させることが困難になるため、重要なアプリケーションです。短パルスを使用すると、50 kHz、5Wの高出力フェムト秒レーザーを使用して、非アルカリガラスとホウケイ酸ガラスで400 mm / sを超えるダイシング速度が実証されています。鎌田ら^[20]によって開発された動作原理は次のとおりです。ワークが透明な波長の短パルスレーザービームをワークの前面から背面に向かって照射し、焦点を合わせます。レーザービームがワーク内を伝播することによる自動フォーカス動作により、ビームウェストから光ビームの進行方向にフィラメントが形成されます。フィラメント内の物質はレーザービームによって分解され、背面から排出され、チャネルに空洞が形成されます。キャビティを形成しながらレーザービームを走査し、加工面を形成し、その後は弱い曲げ応力でワークを切断することができる。^[要出典]

2014年7月、メリーランド大学の研究者らは、正方形に並べたフィラメント状のフェムト秒レーザーパルスを使用して、空気中に密度勾配を発生させ、数ミリ秒程度持続する光導波路として機能させたと報告した。初期テストでは、約1メートルの距離で、誘導されていない信号に対して50％の信号ゲインが実証された。^[21] 2021年には、高さ124メートルのセンティス通信塔の近くに設置されたkHz繰り返し率1030nmテラワットYb:YAGレーザーを使用して、落雷を塔のフランクリンロッドに誘導し、将来のレーザー避雷針の可能性を切り開いた現場での応用が実証された。^[22]

• 実験により、強力な超短レーザーパルスが空気中を伝播する仕組みが詳細に解明される
• 空気中の超短パルスレーザーのフィラメント化と伝播 2008-01-10ウェイバックマシンにアーカイブ

^[1]