パルスレーザー

レーザーのパルス動作とは、連続波として分類されないレーザーを指し、光出力は、ある繰り返し率で、ある持続時間のパルスとして現れます。^[1]これには、さまざまな目的に対応する幅広い技術が含まれます。一部のレーザーは、連続モードで動作できないという理由だけでパルス化されています。

他のケースでは、アプリケーションは可能な限り大きなエネルギーを持つパルスを生成する必要があります。パルスエネルギーは平均電力を繰り返し率で割った値に等しいため、この目標は、パルス率を下げてパルス間により多くのエネルギーを蓄積することで達成できる場合があります。たとえば、レーザーアブレーションでは、ワークピースの表面にある少量の材料を非常に短時間で加熱すると蒸発させることができますが、エネルギーを徐々に供給すると、熱がワークピースの大部分に吸収され、特定のポイントで十分な高温に達することはありません。

その他のアプリケーションでは、特に非線形光学効果を得るために、パルスのエネルギーではなくピークパルス電力に依存します。与えられたパルスエネルギーに対して、 Q スイッチングなどの技術を使用して、可能な限り短い持続時間のパルスを生成する必要があります。

パルスの光帯域幅は、パルス幅の逆数よりも狭くすることはできません。非常に短いパルスの場合、これは、連続波(CW) レーザーに典型的な非常に狭い帯域幅とはまったく逆に、かなりの帯域幅にわたってレーザーを発振することを意味します。一部の色素レーザーや振動固体レーザーのレーザー媒体は、広い帯域幅にわたって光学ゲインを生成するため、数フェムト秒という短い光パルスを生成できるレーザーが可能になります。

Qスイッチ

Q スイッチレーザーでは、共振器内に媒体のゲインを超える損失を導入することで反転分布が構築されます。これは、キャビティの品質係数または「Q」の低下とも呼ばれます。次に、レーザー媒体に蓄積されたポンプエネルギーが最大可能レベルに近づいた後、導入された損失メカニズム (多くの場合、電気光学要素または音響光学要素) が急速に除去され (または受動デバイスで自動的に発生)、レーザー発振が開始され、ゲイン媒体に蓄積されたエネルギーが急速に得られます。その結果、そのエネルギーを組み込んだ短いパルスが生成され、ピークパワーが高くなります。

モードロック

モード同期レーザーは、数十ピコ秒から 10フェムト秒未満のオーダーの極めて短いパルスを放射することができます。これらのパルスは往復時間、つまり光が共振器を構成するミラー間を 1 往復するのにかかる時間で繰り返されます。フーリエ限界(エネルギー時間不確定性とも呼ばれる) により、このように短い時間長のパルスは、かなりの帯域幅にわたってスペクトルが広がります。したがって、このようなゲイン媒体は、それらの周波数を増幅するのに十分な広いゲイン帯域幅を持っている必要があります。適切な材料の例としては、チタンをドープした人工サファイア( Ti:サファイア) があります。これはゲイン帯域幅が非常に広く、わずか数フェムト秒の持続時間のパルスしか生成できません。

このようなモード同期レーザーは、非常に短い時間スケールで発生するプロセス（フェムト秒物理学、フェムト秒化学、超高速科学として知られている）の研究、大きなピークパワーによる光学材料の非線形性の効果の最大化（例えば、第二高調波発生、パラメトリックダウンコンバージョン、光パラメトリック発振器など）、およびアブレーションアプリケーションのための最も用途の広いツールです。^[2]また、パルス持続時間が極めて短いため、このようなレーザーは非常に高いピークパワーを達成するパルスを生成します。

パルスポンピング

パルスレーザー動作を実現する別の方法は、フラッシュランプの場合は電子充電、またはすでにパルス化されている別のレーザーのいずれかによって、それ自体がパルス化されているソースでレーザー材料をポンピングすることです。パルスポンピングは歴史的に、色素分子の反転分布寿命が非常に短いため、高エネルギーで高速なポンピングが必要な色素レーザーで使用されていました。この問題を解決する方法は、大きなコンデンサを充電し、次にフラッシュランプを介して放電するように切り替えて、強力なフラッシュを生成することでした。パルスポンピングは、低エネルギーレベルの人口が急速に高くなり、それらの原子が基底状態に緩和するまでそれ以上のレーザー発振を防止する3レベルレーザーにも必要です。エキシマレーザーや銅蒸気レーザーなどのこれらのレーザーは、CWモードで動作させることはできません。

アプリケーション

パルスNd:YAG レーザーとEr:YAG レーザーは、レーザータトゥー除去やレーザー距離計などの用途に使用されます。

パルスレーザーは軟部組織手術にも使用されます。レーザービームが軟部組織に接触する場合、壊死を防ぐために周囲の組織を過熱しないようにすることが重要な要素の1つです。^[3]レーザーパルスは、パルス間の組織冷却（熱緩和時間）を効率的に行うために間隔をあける必要があります。^[3]

参照

文献

ジーグマン、アンソニー E. (1986)。レーザー、大学の科学書。ISBN 0-935702-11-3
スベルト、オラジオ (1998)。レーザーの原理、第 4 版（デビッド・ハンナ訳）、スプリンガー。ISBN 0-306-45748-2

参考文献

^ シルフヴァスト、ウィリアム T. (1996)。レーザーの基礎、ケンブリッジ大学出版局。ISBN 0-521-55617-1
^ Paschotta, Dr Rüdiger. 「Qスイッチレーザー」www.rp-photonics.com . doi :10.61835/our . 2024年5月1日閲覧。
^ ab Choi, B.; Welch, AJ (2001-01-01). 「組織へのレーザー照射中の熱緩和の分析」.外科および医学におけるレーザー. 29 (4): 351–359. ISSN 0196-8092. PMID 11746113.

[1] シルフヴァスト、ウィリアム T. (1996)。レーザーの基礎、ケンブリッジ大学出版局。ISBN 0-521-55617-1

[2] Paschotta, Dr Rüdiger. 「Qスイッチレーザー」www.rp-photonics.com . doi :10.61835/our . 2024年5月1日閲覧。

[:1-3] Choi, B.; Welch, AJ (2001-01-01). 「組織へのレーザー照射中の熱緩和の分析」.外科および医学におけるレーザー. 29 (4): 351–359. ISSN 0196-8092. PMID 11746113.