レーザー: 基本を理解する

実際の Q スイッチ デバイスは、音響光学変調器または電気光学変調器 (EOM) です。 どちらも結晶を使用しており、印加された電場により結晶の光学特性に何らかの摂動が生じます。 音響光学変調器の場合、印加される電界は結晶内に高周波音波を生成する高周波電圧です。 この音波はレーザーからの光子を回折させ、レーザーの増幅を防ぎます。 代わりに、EOM は印加された高電圧を使用して結晶の屈折率を変更し、入射光の偏光を変更します。 偏光に敏感な光学部品を適切に組み合わせてキャビティ内に配置すると、変化した偏光の光が循環するのを防ぐことができます。エキシマ レーザーなどの他の種類のレーザーでは、ナノ秒パルスを生成するのに Q スイッチは必要なく、過渡現象に依存します。ポンプ パルス: エキシマ レーザー パルスは、希ガスとハロゲンの混合物を強力で短い放電で励起することによって生成されます。 Ti:サファイア レーザーは、周波数を 2 倍にした Q スイッチ YAG レーザーによって生成される緑色光のナノ秒パルスでポンピングされる場合、ナノ秒パルスを生成することもできます。 この方法は、共振器損失ではなく共振器利得が直接変更されるため、ゲイン切り替えと呼ばれます。Q スイッチ レーザーは、膨大な数の産業用途とは別に、科学研究において重要な用途を持っています。 1 つは、1 ～ 10 kHz の Q スイッチ Nd:YAG または Nd:YLF の周波数 2 倍 (緑色) 出力を使用した、Ti:sapphire 超高速アンプ (次のセクションで説明) のポンピングです。 もう 1 つは、YAG または YLF レーザーを使用して、1 ～ 100 Hz のジュール範囲のパルスあたりのエネルギーを生成する方法です。 これらのレーザーは、紫外、可視、赤外領域で調整可能な波長を生成できる非線形光学発生器と併用されることが多く、時間分解能と波長分解能の研究が可能になります。 現在、100 Hz 以上で動作するほとんどの YAG または YLF レーザーはダイオード励起ですが、ダイオードは高エネルギー出力パルスの生成に適していないため、高エネルギー 10 Hz システムではフラッシュランプによる励起が必要です。一部の科学用途では、狭い線幅の Q スイッチ レーザーを使用することが望ましい。 場合によっては、これは光学格子とエタロンの組み合わせを使用して実現できます。 他の場合には、高出力段よりも制御が容易な低出力 CW または Q スイッチ狭線幅レーザーをレーザーに「シード」することができます。 「インジェクション シーディング」と呼ばれるこのアプローチでは、MOPA (マスター オシレーター、パワー アンプ) を使用し、線幅の選択と高出力の生成を概念的に 2 つの目的に合わせて最適に設計された 2 つの段階に分割します。超高速レーザー超高速レーザーは一般に、5 fs ～ 100 ps (1 フェムト秒 = 10－15 秒) の範囲のパルスを生成するレーザーとして定義されます。 レーザーが多くの縦モードで発振できる場合、そのような短いパルスはいわゆるモードロック技術を使用して生成できます。 この技術では、モードが同相にロックされ (モードロック領域)、そのコヒーレント干渉によってキャビティ内の光場が崩壊して、レーザーキャビティ内を往復する単一パルスになります。 パルスが出力ミラーに到達するたびに、その一部が結合されて利用可能になります。

物理学では、干渉するモードが多いほど、パルス持続時間が短くなることが示されています (図 7)。 より大きなレーザー発振帯域幅はより多くの発振モードをサポートするため、パルス持続時間はレーザー利得材料の帯域幅に反比例します。 分散がない場合、これらのパルスは時間帯域幅が制限されます。つまり、特定の帯域幅に対して可能な限り短い長さになります。

超高速パルスは研究に非常に役立ちます。 短いパルス持続時間と高いピーク出力のおかげで、1990年代のフェムト秒レーザーの出現により、フェムト化学（ポンププローブ分光法）と光コム発生でノーベル賞につながる画期的な研究が可能になりました。 フェムト秒レーザーは、生きた組織の 3 次元イメージングを実現する多光子励起 (MPE) 技術も可能にしました。 MPE は現在、生物学研究のいくつかの分野、特に神経科学で広く使用されています。