フェムト秒レーザー: 超短と超強力が出会うとき

画像の説明: フェムト秒レーザーによって生成される超強力なレーザー ビームの表現。画像出典:astronoo.com

物質の中心での光の爆発

ザフェムト秒レーザーの光パルスの生成を可能にする光学技術です。極めて短い期間、フェムト秒オーダー (1 fs = 10^-15秒）。これらのパルスは、持続時間が非常に短いにもかかわらず、材料物理学、医学、工業生産などの分野で高精度の実験を実行するための膨大な量のエネルギーを含むことができます。

フェムト秒レーザーはどのように機能するのでしょうか?

フェムト秒レーザーの動作原理は、超短パルスからの連続レーザービーム。などのテクニックのおかげで、チャープパルス増幅 (CPA)、レーザーパルスを再び圧縮する前に（破壊されないように）一時的にレーザーパルスを引き伸ばすことが可能であり、これにより出力を劇的に増加させることができます。主な考え方は、各パルスの持続時間は短いにもかかわらず、この時間枠内に供給される総エネルギーは非常に高いということです。

フェムト秒レーザーのパワー

フェムト秒レーザーは、驚異的な値に達する光強度を生成できます。たとえば、数フェムト秒のパルスは 1 パルスあたり 1 ～ 10 ジュールのエネルギーを放出できますが、そのエネルギーは数分の一に集中します。 言い換えれば、1パルスあたり1ジュールを数分の1秒で放出するフェムト秒レーザーは、小規模な爆発と同じくらい強い局所的な影響を与える可能性がありますが、その規模ははるかに小さく、期間ははるかに短くなります。

フェムト秒レーザーのピークパワー（または瞬間最大パワー）も非常に高いです。ピーク電力は、数テラワット (TW) 程度の驚異的な値に達する可能性があります (1 TW = 10)¹²ワット）は、わずか数フェムト秒のパルスに対して発生します。たとえば、100 フェムト秒にわたって 1 ジュールのパルスを照射するレーザーのピーク出力は 10 TW になります。

力の定義

電力は、単位時間あたりのエネルギー伝達率として定義されます。$$P = \frac{E}{t}$$

したがって、E (総エネルギー) を増やすか、t (このエネルギーが放出される時間) を減らすことで、大きな電力を得ることができます。非常に短時間であれば、中程度のエネルギーでも非常に高い出力に相当することがあります。

\( 1 \, \text{mJ} \) (\( 1 \times 10^{-3} \, \text{J} \)) のエネルギーを \( 1 \times 10^{-15} \, \text{s} \) のパルスで照射するフェムト秒レーザーの例です。瞬時電力は次の式で求められます。

$$P = \frac{E}{t} = \frac{1 \times 10^{-3}}{1 \times 10^{-15}} = 10^{12} \, \text{W} \, (1 \, \text{TW})$$

これは、原子力発電所の総出力、しかし非常に短期間でリリースされました。

フェムト秒レーザーの応用例

フェムト秒パルスが物質に当たると、物質の構造を原子スケールで変更したり、高温プラズマを生成したり、超高速化学反応を研究したりするなど、極端な影響を引き起こす可能性があります。これらの現象は、高解像度顕微鏡、眼科手術、精密機械加工などのさまざまな分野で活用されています。

• 顕微鏡検査:フェムト秒レーザーは生物学的イメージングに使用され、前例のない精度で細胞内構造を視覚化することができます。
• 手術 ：これらは、視力矯正など、極めて高い精度と組織破壊の少なさが重要な高精度の外科手術に使用されます。
• 製造:非常に硬い材料や薄い材料の加工は超短パルスによって容易になり、ナノスケール構造の作成が可能になります。