レーザーパルスエネルギーが高いほど良いですか？

フェムト秒およびアト秒レーザーの場合、レーザーパルスエネルギーが高いほど良いと言う人もいます。 しかし、多くの研究者がこの厄介な状況に遭遇しました。レーザーパルスエネルギーが高い場合、電源は警告を発しますが、測定信号は依然として非常に弱いです。 したがって、条件が許せば、高パルスエネルギーの追求は確かに選択ですが、近年のレーザー技術の発展を考えると、高パルスエネルギーを盲目的に追求することは本当に賢明な選択ですか？

一部のアプリケーションでは、真空偏極、核融合、二次放射線生成など、実際に高いパルスエネルギーが必要です。条件が許す限り、高パルスエネルギーレーザーを購入することができます。



しかし、多くの研究分野では、単に高パルスエネルギーを追求することは、多くの場合、利益よりも害を及ぼします。しかし、エネルギーを複数のパルスに分散させ、繰り返し周波数を上げることにより、同じかそれ以上の平均電力を得ることができます。この記事では、主に、平均出力が高く、単一パルスエネルギーが中程度の高エネルギーレーザーシステムが一部のアプリケーションに選択される理由をいくつか紹介します。



理由1：高い出力安定性

過去10年または20年に登場した固体フェムト秒レーザーシステムは、前世紀の終わりに開発された最初のチャープパルス増幅（CPA）システムよりもはるかに優れています。現在のフェムト秒レーザーの出力は数十ワット、単一パルスのエネルギーは約1 mJ、繰り返し周波数は単一パルスから数MHzの範囲です。典型的なYb：KGW CPAレーザーシステムは、独創的な光学設計と相まって、半導体レーザーアレイによって励起され、優れた安定した性能を備えています。コンパクトな設計により、占有面積が小さくなると同時に、機械的振動に対する感度が低下し、水冷式のハウジング設計により、環境温度変化の影響が軽減されます。



■繰り返し周波数200kHz、最大出力20Wのフェムト秒レーザーは、高い出力とエネルギー安定性を備えています。 12時間連続して動作するレーザーの出力は、0.15％の出力二乗平均平方根誤差があるため、出力変動曲線はほぼ水平線（a）（b）になります。動作時間の10分以内のレーザーのパルスエネルギー安定性はより良く、二乗平均平方根誤差は0.07％に達する可能性があります（c）



フェムト秒レーザーの励起エネルギーは、単一の半導体レーザーではなく、数十個の半導体レーザーで構成されるアレイによって提供されるため、各半導体レーザーの安定性は、ポンプ光全体の安定性にほとんど影響を与えません。最も重要なことは、レーザー繰り返し周波数が増加するにつれて、隣接するパルス間の時間間隔が活性媒体のレーザー遷移寿命よりも短い場合（Yb：KGWゲイン媒体のレーザー遷移寿命は600µsであり、対応する繰り返し周波数は1.6 kHz）、レーザー利得媒体は、ポンプ光によって引き起こされる不安定性を排除できるローパスフィルターとして始まりました。したがって、繰り返し率の高いレーザーシステムは、高い出力とエネルギー安定性を備えています。



理由2：ほとんどの実験には複数のパルスが必要です

実験データの測定には、一般的に平均値が必要です。これらの信号光子が巨大でまれな爆発の形で現れたり、液滴の形で検出器に次々と当たったりしても、測定結果に影響はありません。たとえば、テスト時間（1秒）では、同じ数のフォトンが収集され、最終結果（他の要素は同じ）は同じです。




■Yb：繰り返し周波数100kHz、単一パルスエネルギー400µJのKGWレーザーは空気破壊を引き起こします。



もちろん、実験的な測定はそれほど単純ではないことがよくあります。信号測定にはエネルギーしきい値がある場合がありますが、信号光がしきい値を超えない限り、測定に影響があります。繰り返し率の高いフェムト秒レーザーエネルギーは1mJ以上に達することがあります。これは、20年前のTi：SapphireCPAフェムト秒レーザーシステムの典型的な出力エネルギーです。このような高エネルギーレーザーパルスは、しっかりと焦点を合わせたときに空気中にプラズマを生成するのに十分です。したがって、Yb：KGW CPAフェムト秒レーザーシステムは10-50 Ti：Sapphireレーザーシステムと同等であり、各サブレーザーシステムは古いシステムよりも10倍以上安定しています。



理由3：ほとんどの実験では、利用可能なすべてのパルスエネルギーを使用する必要はありません。

高繰り返し率のレーザーシステムを選択する最大の理由は、ほとんどの場合、実験条件では、利用可能なすべてのパルスエネルギーを使用することができないためです。