超短パルスレーザの基礎：パート 1
オリビア・ホイーラー
本稿は、超短パルスレーザについて解説する 2 部構成記事の前編である。
よく晴れた春の日の午後、窓の外を眺めている状況を思い浮かべてほしい。緑の木々や咲き始めた花々を愛で異なるパルス幅に対するパルス帯域幅異なるパルス幅に対するパルス帯域幅ていると、輪郭のぼやけた小さなダー1ツが横切るのが見えた。その動きを目0.9

美しいハチドリであることに気づく。

0.8

見るのは今年初めてだ。そこでスマー

0.7

トフォンを取り出し、暖かい季節の到0.6

来を知らせるこの使者を、写真に収め0.5てソーシャルメディアにアップしようと思ったが、ハチドリは撮影ボタンの音に驚いて飛び去った。多くの「いいね」が付くに違いなかった写真には、画面を横切る大きなぼやけた物体しか写っていなかった。
これに似た失望感が、科学コミュニ

相対強度で追うと、やがてその物体が停止し、

50 fs
500 fs
10 ps

0.4
0.3
0.2
0.1
01020 1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090 1100 1110
波長〔nm〕

ティ内における超短パルスレーザの開発の動機付けとなった。羽ばたくハチドリを捉える代わりに、パルス幅がフェムト秒～ピコ秒（ 10 -15 ～ 10 -12 秒）レ

図１ 10ps（緑色）、500fs（青色）、50fs（赤色）のレーザパルスを生成するために必要な最小スペクトル帯域幅

ベルのこれらのレーザは、分子振動（ 1 ）や電子運動（ 2 ）、さらには量子現象（ 3 ）異なる、主要な特長を備えている。そここで、Δτはパルスの時間幅、Δνなどの事象を捉えるために使用されれだけの短いパルスを生成するには、は周波数帯域幅である（ 4 ）。基本的にこる。超短パルスレーザは 1 秒の 1000 兆広いスペクトル帯域幅が必要である。の式は、スペクトル帯域幅とパルス幅分の 1 のタイムスケールで、基礎的な特定幅のパルスを生成するための最小の間に相互関係があるに違いないこと

物理現象に対する私たちのアクセスを帯域幅は、パルスの形状と中心波長にを示している。つまり、パルスが短く拡大するとともに、産業プロセスに革よって異なる。一般的にこの関係は、なるほど、それを生成するために必要新をもたらし続けている。

不確定性原理に基づく時間帯域幅積な帯域幅は広くなる。図 1 は、さまざ（ Time Bandwidth Product：TBP ）にまなパルス幅を実現するために必要なよって表される。ガウシアンパルスの最小帯域幅を示している。

超短パルスレーザ固有の特長
超短パルスレーザは、その非常に短場合、TBP は次の式で表される。

ルス幅のパルスレーザや連続波広いスペクトル帯域幅に加えて、驚くほど高いピーク出力も、非常に短いいパルス幅により、それよりも長いパ
TBPGGaussian＝ΔτΔν ≈ 0.441（ Continuous Wave：CW ）レーザとは16 Industrial Laser Solutions Japan October 2023

パルス幅がもたらす結果の 1 つである。
これを示すために、10W の CW レーザ

図２ パルス幅 t と特定の繰り返し周波数を備えるレーザの平均出力 Pavgとピーク出力 Ppeak を示した図
P〔W〕
Ppeak

1/繰り返し周波数Pavg

時間〔s〕と 10W の超短パルスレーザのピーク出がわずか 150fs の時間に凝集されるこス幅のパルスレーザを扱っていたとい力の違いを調べてみよう。超短パルスとを考慮すると、このレーザは 80 万う場合は、手持ちの光学部品では、超レーザのパルス幅は 150fs、繰り返しW 以上という莫大なピーク出力を持つ短パルスレーザパルスの帯域幅全体を周波数は 80MHz とする。これは、多ことになり、その大きさは平均出力の反射または透過できない可能性があくの市販の超短パルスレーザ源の一般1 万倍を超えている。このような非常る。朗報は、多くのサプライヤーがそ的な属性である。に高いピーク出力と広いスペクトル帯うしたニーズを念頭に置いて、超短パ

CW レーザの場合、平均出力とピー域幅によって、超短パルスレーザは幅ルスレーザの光学系を設計しているたク出力は等しい。このレーザは、常に広い種類の応用分野で有効に活用されめ、超短パルスレーザの帯域幅を十分10W、すなわち 10J/s を出力する。超ているが、これらの特長は、同レーザにカバーするミラーやレンズなどの光短パルスレーザの場合、平均出力はやに固有の技術的課題の一部の要因にも学部品は、かなり簡単に調達可能だとはり 10W で、CW レーザと同じである。

なっている。

いうことである。

2 つのレーザ源の違いは、超短パルスレーザはほんの短 い時 間 の出 力 で、10W の平均出力を達成することである。図 2 は、平均出力とピーク出力の光 学 部 品 の レーザ 損 傷 し きい 値

超短パルスレーザの技術的課題（ Laser Damage Threshold：LDT ）も、超短パルスレーザとその他のレーザの重独自のプロジェクトまたはプロセス要な相違点であり、超短パルスレーザのに超短パルスレーザを適用する際にユーザーに課題をもたらす可能性がある超短パルスレーザの場合、10W は 1は、その広いスペクトル帯域幅、驚く（図 3 ）。ナノ秒レーザの光学部品を調達

秒あたりに出力される 8000 万個のパほど高いピーク出力、非常に短いパルする場合、LDTは 5 ～ 10J/cm2 程度でルス（この数は繰り返し周波数に基づス幅について考察し、それらを適切にあるのが一般的である。超短パルスレく）に分散される。一見すると、この管理する必要がある。一般的に、そのーザの光学部品の場合は、そのようなレーザのマイクロジュール未満のパル中で最も単純な作業は、レーザの広い大きな値は実際にはあり得ず、LDT はスエネルギーは、ごく少量に思えるかスペクトル出力の管理である。これま高 い確 率 で 1J/cm2 未 満 で、0.3J/cm2もしれない。しかし、このエネルギー

では主に CW レーザや、より長いパルに近い値が一般的である。レーザのパ違いを示している。

October 2023 Industrial Laser Solutions Japan17ルス幅によって LDT 値にこれだけ大きな違いがあることは、生じるレーザ損傷のメカニズムの違いを反映している。
ナノ秒レーザやさらに長いパルスの場合、主要な損傷メカニズムは本質的に熱的なものである。入射光子を吸収した材料が加熱して、格子の変形につながる恐れがある。熱膨張、格子ひずみ、亀裂、溶融といった影響は、レーザ損傷の熱的経路による一般的な結果である（ 5 ）。超短パルスレーザの場合、パルスそのものの持続時間は、周辺材料の格子に熱が伝導する時間よりも短い。
その代わりに、超短パルスレーザの高いピーク出力によって損傷メカニズムは、多光子吸収やイオン化といった、より非線形の経路へとシフトする（ 6 ）。
同じ理由に基づき、ナノ秒パルスを対図３ 光学面に対するレーザ誘起損傷は、レーザシステムの性能を低下させ、その効果を無効にし、さらにはレーザシステムを危険なものにする恐れさえある。超短パルスレーザはパルス幅が短いため、その損傷メカニズムは従来のレーザとは大きく異なる象に規定された LDT 定格値を、超短パルスにそのまま適用することはできない。従って、特定の用途に対して最も適切な光学系は、その用途と同じ条件下（レーザ波長、パルス幅、繰り返し周波数など）で測定した LDT 定格値が十分に高いものということになる。
超短パルスレーザに伴う最も難しい技術的課題の 1 つは、レーザによって2光子からの励起領域提供される非常に短いパルス幅を維持することである。非常に短いパルスは、時間歪みの影響を非常に受けやすく、パルス幅が短いほどその傾向は高まる。レーザが 50fs のパルスを出力した1光子からの励起領域としても、ミラーやレンズを使用するか、あるいは単に空気を介して、このパルスを目的位置まで伝達する間に、超短パルスパルスの幅は時間的に拡大する可能性がある。
超短パルスコミュニティでは、この時間歪みを群遅延分散（ Group Delay

図４ 2 光子（上）と単一光子（下）の顕微鏡法による信号位置を示した図。単一光子信号は焦点面の外側からの背景信号によって妨害されるのに対し、2 光子を重ね合わせると、より小さな焦点体積から信号が生成される。これには、光毒性を防ぎ、試料に対する損傷を最小限に抑える効果がある

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Dispersion：GDD ）として定量化する。
GDD は周波数に依存する値で、与えられた材料の厚みに線形比例する。ウィンドウ、レンズ、対物レンズなどの形プロセスに対応する。これらの研究上させるために、日常的に用いられて透過型光学部品の GDD は一般的に正では、2 つの光子を空間と時間の両方いる（ 11 ）。

であるため、一旦は圧縮されたパルスで重ね合わせて、生体媒質または蛍光が透過型光学部品を通ると、パルス幅ターゲットからの非線形信号を生成すはレーザから最初に出力されたときよることが必要である。この非線形メカりも長くなる可能性がある。

ニズムは、単一光子プロセスによって超短パルスレーザの応用分野に関すナノ秒やピコ秒など、より長いパル行われる研究で問題となっている、背る研究が続けられるのに伴って、新しスの場合、GDDは大きな問題ではない。

景信号を大幅に低減することによっく改良された超短パルスレーザ源の開しかし、フェムト秒パルスの場合は、て、イメージング分解能を改善する 。

発も続けられている。さらに高速な物

レーザビームの経路にある 10mm の N-

図 4 は、この背景信号の低下によって、理過程に関する洞察を得るために、多BK7 で さ え も、 中 心 波 長 800nm のより高い分解能が得られることを示し

くの研究者らがアト秒パルスの生成に50fs パルスの幅を 12% 以上広げる可能ている。

目を向けている。アト秒パルスとは、（9）

超短パルスレーザの未来：
パルス幅はさらに短く性がある。これは、ビームの経路に 2レーザ材料加工。超短パルスレーザ

極 紫 外 線 域（ extremeultraviolet：X

つのウィンドウまたはフィルタが配置

は、その非常に短いパルス幅によって、UV ）における 10 -18 秒レベルのパルスでされている状態とほぼ等価である。時レーザ微細加工と材料加工の分野に革ある。

間歪みに対するこの傾向から、GDD

新をもたらしている。LDT に関する部

電子運動を追跡する研究は既に、この追加が最小限または皆無で、パルス分で説明したように、超短パルスレー

れらのさらに短い超短パルスを使用し幅が拡大する確率を抑える超短パルス

ザのパルスそのものは、材料の格子にて行われており、アト秒科学の分野にレーザ用の特殊な光学系を使用するこ熱が拡散する時間よりも短い。これは、よって、電子構造と量子力学に関するとが推奨される。

超短パルスレーザによって生成される理解はますます深まっていくだろう（12）。

熱影響部（ Heat Affected Zone：HAZ ）XUV アト秒パルスを産業プロセスに取がナノ秒パルスレーザと比べてはるかり入れる動きは、まだ大きく支持されに小さいために、カーフ損失は低くなる状態にはないが、フェムト秒やピコり、より精密な加工が可能になること秒のレーザ源がそうだったように、こス幅と高いピーク出力は、幅広い種類を意味する。この原理は、医療分の分野の継続的な研究と進歩によっの応用分野にメリットをもたらす。応野にも適用されており、超短パルスレて、この技術がいずれは研究室から製用分野の例を以下に示す。

ーザによる高精度な切断が、周辺組織造フロアへと押し出されるであろうこに対する損傷を低減し、患者体験を向とは、ほぼ間違いない。

超短パルスレーザの応用分野
超短パルスレーザの非常に短いパル分光法。超短パルスレーザはその登（ 10 ）場以来、分光法に対して普遍的に適用されている。パルス幅をフェムト秒レベルに短縮することにより、物理学、化学、生物学における動的過程が突如として観測可能となった（ 7 ）。超短パルスレーザの出現によって、原子運動の観測が可能となり、分子振動や解離から光合成タンパク質におけるエネルギー伝達に至るまでの基本過程に対する理解が深まっている（ 8 ）。
生体イメージング。超短パルスレー
ザの非常に高いピーク出力は、多光子励起顕微鏡法などの生体イメージングの分解能を高めることが可能な、非線参考文献（ 1 ）J. Bredenbeck et al., J. Am. Chem. Soc., 126, 5, 990-991（ 2004 ）.
（ 2 ）F. V. A. Camargo et al., Nano Lett., 21, 3, 1461-1468（ 2021 ）.
（ 3 ）M. Maiuri et al., J. Am. Chem. Soc., 142, 3-15（ 2020 ）.
（ 4 ）P. Lazaridis et al., Opt. Lett., 20, 10, 1160-1162（ 1995 ）.
（ 5 ）R. Wood, Laser-Induced Damage in Optical Materials, 9-24（ 2014 ）.
（ 6 ）X. Jing et al., Opt. Express, 17, 26, 24137-24152（ 2009 ）.
（ 7 ）O. Gesner et al., Sci. Rep., 311, 219-222（ 2006 ）.
（ 8 ）D. Zigmantas et al., Chem. Phys. Rev., 3, 041303（ 2022 ）.
（ 9 ）C. J. R. Sheppard, J. Biomed. Opt., 1, 014511（ 2020 ）.
（ 10 ）K. C. Phillips et al., Adv. Opt. Photon., 7, 4, 684-712（ 2015 ）.
（ 11 ）C. L. Hoy et al., IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., 20, 7100814（ 2014 ）.
（ 12 ）J. Li et al., Nat. Commun., 11, 2748（ 2020 ）.
著者紹介
オリビア・ホイーラー（ Olivia Wheeler ）は、米エドモンド・オプティクス社（ Edmund Optics ）の超短パルスレーザ光学エンジニア。
e-mail：owheeler@edmundoptics.com URL：www.edmundoptics.com
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