チタンサファイアレーザー

チタンサファイアレーザー（ Ti:サファイアレーザー、Ti:Al ₂ O ₃レーザー、Ti:sapphsとも呼ばれる）は、 650～1100ナノメートルの範囲の赤色光および近赤外光を放射する波長可変レーザーです。これらのレーザーは、波長可変であることと、幅広い発光スペクトルにより超短パルスを生成できることから、主に科学研究に使用されています。Ti:サファイアをベースにしたレーザーは、1982年6月にMITリンカーン研究所のピーター・モールトンによって初めて構築され、発明されました。^[1]

チタンサファイアとは、レーザー媒体、つまりTi ³⁺イオンがドープされたサファイア(Al ₂ O ₃ )の結晶を指します。Ti:サファイアレーザーは通常、波長 514 ～ 532 nm の別のレーザーで励起され、アルゴンイオンレーザー(514.5 nm) や周波数 2 倍のNd:YAG、Nd:YLF、Nd:YVOレーザー (527～532 nm) が使用されます。これらは670 nm ～ 1,100 nm の波長でレーザー動作が可能です。^[2] Ti:サファイアレーザーは 800 nm 付近の波長で最も効率的に動作します。^[3]

モードロック発振器は、通常、数ピコ秒から 10フェムト秒の持続時間を持つ超短パルスを生成しますが、特殊なケースでは約 5 フェムト秒 (各レーザーパルスの搬送波サイクルが数個) になることもあります。パルス繰り返し周波数は、ほとんどの場合、発振器の往復光路 (通常数メートル) から決まる約 70 ～ 90 MHz です。Ti:サファイア発振器は通常、アルゴンまたは周波数倍増Nd:YVO4レーザーからの連続波レーザービームで励起されます。通常、このような発振器の平均出力は 0.4 ～ 2.5ワット(70 MHz 繰り返し率で各レーザーパルスで 5.7 ～ 35 nJ) です。

これらのデバイスは、持続時間が 20 ～ 100 フェムト秒の超短パルス、超高強度パルスを生成します。一般的な 1 段増幅器は、繰り返し周波数 1000ヘルツで最大 5ミリジュールのエネルギーのパルスを生成できますが、より大規模な多段設備では、繰り返し周波数が最大 10 Hz で最大数ジュールのパルスを生成できます。通常、増幅器結晶は 527 nm のパルス周波数倍増Nd:YLFレーザーで励起され、800 nm で動作します。増幅器には、再生増幅器とマルチパス増幅器の 2 つの異なる設計があります。

再生増幅器は、発振器からの単一パルスを増幅することによって動作します (上記参照)。部分反射ミラーを備えた通常のキャビティの代わりに、再生増幅器には、キャビティにパルスを挿入し、高強度に増幅された正確なタイミングでキャビティからパルスを取り出す高速光スイッチが含まれています。

「チャープパルス」という用語は、パルスがレーザーのコンポーネントに損傷を与えないようにするために必要な特別な構造を指します。パルスは時間的に引き伸ばされるため、エネルギーがすべて時間と空間の同じポイントに配置されることはありません。これにより、増幅器の光学系が損傷するのを防ぎます。次に、パルスは光学的に増幅され、時間的に再圧縮されて、短い局所的なパルスを形成します。この時点以降のすべての光学系は、高エネルギー密度を考慮して選択する必要があります。

マルチパス増幅器には、光スイッチはありません。代わりに、ミラーがビームを一定回数（2回以上）Ti:サファイア結晶に少しずつ方向を変えて通します。パルスポンプビームも結晶をマルチパスできるため、パスの回数が増えるごとに結晶がポンプされます。最初にポンプビームがゲイン媒体内のスポットをポンプします。次に、信号ビームが最初に中心を通過して最大増幅が行われますが、後のパスでは直径が拡大されて損傷しきい値を下回り、ビームの外側部分が増幅されるのを防ぎます。これにより、ビーム品質が向上し、増幅された自然放出が一部カットされ、ゲイン媒体の反転が完全になくなります。

チャープパルス増幅器からのパルスは、さまざまな非線形光学プロセス によって他の波長に変換されることがよくあります。

100フェムト秒あたり5mJの場合、このようなレーザーのピーク出力は50ギガワットです。^[4]レンズで焦点を合わせると、これらのレーザーパルスは焦点内に置かれた空気分子を含むあらゆる物質をイオン化し、短いフィラメントの伝播と強力な非線形光学効果をもたらし、幅広い波長スペクトルを生成します。

チタンサファイアは、超短パルスが本質的に幅広い周波数成分のスペクトルを含むため、パルスレーザーに特に適しています。これは、パルスの周波数帯域幅とその持続時間の間には共役変数であるため、逆相関関係があるためです。ただし、適切な設計により、チタンサファイアは、広範囲にわたって調整可能な 非常に狭い線幅を持つ連続波レーザーにも使用できます。

Ti:サファイアレーザーは、1982年6月にMITリンカーン研究所でピーター・モールトンによって連続波バージョンが発明されました。その後、これらのレーザーはカーレンズモード同期によって超短パルスを生成できることが示されました。^[5] ロチェスター大学のストリックランドとムルは、他の研究者とともに、数年のうちにこのレーザーのチャープパルス増幅を示しました。^[6]この功績により、この2人は2018年のノーベル物理学賞を共同受賞しました^{[7] （光ピンセットの}アーサー・アシュキンとともに）。Ti:サファイアレーザーの累計製品販売額は6億ドルを超え、30年以上にわたって固体レーザー産業を支えてきた大きな商業的成功となっています。^{[8] [9]}

時間領域で Ti:サファイア レーザーによって生成される超短パルスは、スペクトル領域でのモード同期光周波数コムに相当します。これらのレーザーは、時間的特性とスペクトル特性の両方から、周波数計測、分光法、または非線形光学プロセスのポンピングに非常に適しています。2005 年のノーベル物理学賞の半分は、Ti:サファイア レーザーとその自己モード同期特性に大きく依存した光周波数コム技術の開発に授与されました。^{[10] [11] [12]}これらのレーザーの連続波バージョンは、ほぼ量子限界の性能を持つように設計できるため、ノイズが低く線幅が狭く、量子光学実験に適しています。^[13] Ti:サファイア レーザーの放射における増幅された自然放出ノイズが低減されているため、最先端の原子時計を動作させるための光格子としての用途に大きな強みがあります。このレーザーは、実験室での基礎科学用途のほか、深部組織多光子イメージングなどの生物学的用途や、コールドマイクロマシニングなどの産業用途にも使用されています。チャープパルス増幅モードで動作させると、テラワット範囲の極めて高いピークパワーを生成することができ、核融合研究に利用されています。

• Ti:サファイアレーザーに関するレーザー物理と技術の百科事典