超短パルスレーザーのパルス圧縮や分散補償に

超短パルスレーザーは、持続時間がピコ秒、フェムト秒、あるいはアト秒の非常に短いパルスを出射します。パルス持続時間の下限に到達したフーリエ変換限界パルスは、ハイゼンベルグの不確定性原理によって、相当の波長の拡がりをもつ広い帯域幅を有します (Figure 1)。この広い帯域幅の分散は、対物レンズ、ウィンドウ、レンズなどの光媒体を透過する際、超短パルスのパルス持続時間を拡げてしまうため、分散補償が超短パルスレーザーアプリケーションの重要なポイントになります。

Figure 1: 超短パルスレーザーのパルスが短いほど、波長の帯域幅が広くなる

超短パルスレーザー： 速度の問題

超短パルスレーザーの短いパルス持続時間と高いピークパワーは、材料加工、マイクロマシニング、バイオメディカルアプリケーションや、非線形イメージングや顕微鏡、防衛、通信を始めとする多くのアプリケーションに高い利点があります。 材料加工やマイクロマシニングでは、超短パルスレーザーがより高い寸法公差を可能にし、周辺部への損傷の低減や後処理工程を削減します。¹ 超短パルスレーザーの短いパルス持続時間は、レーシック眼科手術などの医療用レーザーアプリケーションにおいて心的外傷軽減にもつかながり、消毒や麻酔の必要性を低減します (Figure 2)。²

Figure 2: 超短パルスレーザーは、患者の安全性を高め、感染症のリスクを抑え、精度を高めるために、メスを用いないレーシック眼科手術に用いられる

分散： それはどのようなもので何故問題になるのか？

色分散とは、その光周波数や波長における光媒体中の光の位相速度 (または速度) の依存性を表すものです。光学部品に使用される多くの基板は正の分散を示します。これは、長い波長のほうが短い波長よりも高い位相速度を持つことを意味します。正のチャープとして知られるプロセスでは、超短パルスのパルス持続時間がこれによって引き伸ばされ、超短パルスアプリケーションに弊害をもたらします。

Figure 3: 分散は超短パルスレーザーのパルスの拡がりにつながる。AOMとは音響光学変調器のことで、レーザーにパルス出力を発振させる部品

しかし、これは多層膜誘電体ミラーなど、負の分散を持つ光学部品によって補償することができます。こうした部品では、短い波長は長い波長よりも高い位相速度を持ちます。これによって、システム内で先に発生する正の分散が相殺され、パルス圧縮を最適性能で行えるようになります (Figure 4)。

Figure 4: 負の分散で圧縮されたパルスは、光媒体を透過することによってもたらされる正の分散の超短パルスを相殺する

分散が超短パルスレーザーシステムにどのような影響を与えるのかを考慮する際、群遅延や群遅延分散 (GDD) を理解することが必要です。光学部品の群遅延は、その角周波数に対する放射の電界の位相変位の導関数です。 GDDは、周波数に対する群遅延の導関数、もしくはスペクトル位相の二次導関数として定義されます。 単位長さ当たりのGDDは、群速度分散 (GVD) として知られています。 GDDは、通常fs²の単位で、対するGVDはfs²/mmの単位で表されます。パルス圧縮用オプティクスは、正のチャープパルスを圧縮するために、負の大きなGDDを一般に有します。分散やGVDに関する更なる情報は分散 (Dispersion) のアプリケーションノートをご覧ください。

解決法： 高分散超短パルスミラー

超短パルスの分散補償向けのパルス圧縮用オプティクスには、回折格子やプリズムなど、いくつかの異なる種類があります。 しかしながら、高分散ミラーは、パルス圧縮に対して、コンパクトなサイズ、低損失、そして広い帯域幅における高い負の分散といった理由で優位性があります。³

高分散超短パルスミラーの機能を理解するには、ほかの2種類のミラーについても理解することが重要です。Gires-Tournois Interferometer (GTI) ミラーとチャープミラーです。GTIミラーは、共鳴を利用して角度依存の負のGDDを発生させ、超短パルスレーザーの共振器分散制御を行います。 しかしながら、GTIミラーは非常に限られた帯域幅でしか負のGDDを発生しません。また、高次分散を招きます。

一方のチャープミラーは、波長に依存したレーザーパルスの侵入深さ全体で制御された負のGDDを発生させます。このミラーの誘電体コーティング層の厚さは、光がコーティング内を進むにつれ増加します。 これは、コーティング内の短波長の侵入深さを長波長のそれに比べて短くさせ、長波長が短波長に実質的に「追いつく」ことによって、より大きな群遅延をもたらします (Figure 5)。 しかしながら、こうしたシンプルな多層膜誘電体構造では、異なる層の厚さに個々に切り替わることが、波長を関数としたGDDの変動につながります。これは、ファブリペロー共振器内で発生する変動と同様です。

Figure 5: チャープミラーの層の厚さは変化し、長波長のほうが短波長よりもコーティングにより深く侵入するため、負の分散を引き起こす

高分散超短パルスミラーは、波長依存の侵入効果 (従来のチャープミラーのそれに類似) とmulti-GTIとして知られる多重共鳴効果を組み合わせることでこの問題に対応します。³ この最適化した侵入効果と共鳴効果の組み合わせにより、多層膜コーティング構造の厚さを増加させることなく、広い帯域幅にわたってより高いGDD値と低損失が可能になります。

回折格子や分散プリズムなどの伝統的なパルス圧縮用オプティクスも、超短パルスの圧縮と分散補償に用いることができます。 しかしながら、高分散ミラーは、コンパクトなサイズ、低損失、そして広い帯域幅にわたる高次の負のGDDといった点で優位性があります (Figures 6、7)。このミラーは、GDDと三次以上の高次分散を補償する全反射型でアライメント不要のパルスコンプレッサー用に用いられます。

Figure 6: 1030nm 高分散超短パルスミラーの反射率曲線

Figure 7: 1030nm 高分散超短パルスミラーの群遅延分散 (GDD) 曲線

非線形パルスの過度な歪みや利得媒体への損傷を防ぎながら超短パルスを高い光ピークパワーに増幅するチャープパルス増幅 (CPA) レーザーは、増幅前後のパルスの伸長と圧縮に依存しています。そのため、 高分散超短パルスミラーなどの圧縮用オプティクスは、CPAレーザーにとって極めて重要です。