技術の進歩により、生物医学用途などの分野で、信頼性が高くコンパクトな超高速レーザーの基礎が築かれました。研究者らは最近、電磁スペクトルの可視範囲でフェムト秒パルスを生成できる最初のファイバーレーザーを開発しました。この進歩により、さまざまな生物医学および材料処理用途の可能性がもたらされます。これらのレーザーをユニークなものにしているのは、可視波長の超短明るいパルスを生成する能力であり、これはレーザー技術の大きな進歩です。
ファイバーレーザー開発の課題を克服する
歴史的に、目に見えるフェムト秒パルスを実現するには、複雑で本質的に非効率なセットアップが必要でした。ファイバーレーザーは、堅牢性/信頼性、設置面積が小さく、高効率、低コスト、高輝度であるため、非常に有望な代替品ですが、これまでのところ、このようなレーザーを直接使用してフェムト秒持続時間(10～15秒)の範囲測定を生成することはできませんでした。
カナダのラバル大学の研究チームリーダー、レアル・ヴァレ氏は、「可視スペクトルで実証したフェムト秒ファイバーレーザーは、信頼性が高く効率的でコンパクトな新しいタイプの超高速レーザーへの道を切り開くものである」と述べた。
新型ファイバーレーザーの技術詳細
研究者らは、レアアースをドープしたフッ化物ファイバーをベースにした新しいレーザーについて、Optica Publishing Group のジャーナル Optics Letters で説明しています。このレーザーは波長 635nm の赤色光を放射し、持続時間 168fs、ピーク出力 0.73kW、繰り返し率 137MHz の圧縮パルスを実現できます。市販の青色レーザー ダイオードを光源またはポンプ光源として使用すると、全体の設計が堅牢でコンパクトでコスト効率が高くなります。
このプロジェクトに携わる博士課程の学生、マリー・ピア・ロード氏は、「近い将来、より高いエネルギーと出力が達成されれば、多くの用途がこのタイプのレーザーから恩恵を受ける可能性がある。潜在的な用途には、高精度、高品質の生体組織アブレーションや二光子励起顕微鏡が含まれる。フェムト秒レーザーパルスは材料加工中のコールドアブレーションも可能で、熱影響を生じないため、（長いパルスよりも）きれいな切断が可能になる。」と述べた。
ファイバーレーザーのスペクトル範囲の拡大
ファイバーレーザーでは、希土類元素がドープされた光ファイバーがレーザー媒体として機能します。ファイバー レーザーは最もシンプルで堅牢、信頼性の高い高輝度レーザー システムの 1 つですが、シリカ ファイバーの使用により近赤外スペクトル領域に限定される傾向があります。 Vallée のチームは、シリカの代わりにフッ化物で作られた光ファイバーを使用して、これらのレーザー源のスペクトル範囲を拡大することに取り組んできました。
「私たちは以前は中赤外ファイバーレーザーの開発に注力していましたが、最近では可視ファイバーレーザーにも興味を持っています」とロード氏は語った。 「このようなレーザー用のコンパクトで効率的なポンプ光源の欠如が長い間その開発を妨げてきましたが、最近の青色スペクトル半導体レーザー光源の出現により、効率的な可視ファイバーレーザーの開発に重要な技術が提供されます。」
可視波長を継続的に放射するファイバーレーザーを実証した後、研究者らはこの進歩を超高速パルス光源にも拡張したいと考えている。フッ化物ファイバー製造プロセスの改善のおかげで、ランタニドをドープしたファイバーが利用できるようになりました。その特性は効率的な可視ファイバーレーザーの開発にとって重要です。
イノベーションと将来の方向性
Vallée のチームが開発した新しいパルスファイバーレーザーは、希土類ドープフッ化物ファイバーと市販の青色ダイオードポンプレーザーを組み合わせたものです。パルス出力を生成して維持するために、研究者はファイバー内の光の偏光を注意深く管理する方法を見つけ出す必要もありました。
「光学素子の材料特性が以前に使用されていたものとは異なる新しい波長でのレーザーの開発は、時には困難を伴う場合があります」と共著者のミシェル・オリヴィエ氏は述べた。 「しかし、私たちの実験では、レーザーの性能がシミュレーションと非常によく一致していることがわかりました。これにより、システムの性能が良好で理解しやすいこと、またシステムの重要なパラメーターが正しく特性化されており、パルスレーザー、特に使用したファイバーの特性によく適合していることが確認されました。」
次に研究者らは、デバイスを完全に統合することによって技術を改善したいと考えています。これは、個々のファイバーとピグテールの光学素子が互いに直接接着されることを意味します。これにより、デバイス内の光損失が減少し、効率が向上し、レーザーの信頼性が向上し、コンパクトで堅牢になります。彼らはまた、レーザーパルスエネルギー、パルス持続時間、平均出力を増加させるさまざまな方法を研究しています。