超短パルスレーザーシステムで熱レンズ効果を最小化する

超短パルスレーザーは,その短いパルス持続時間と高いピークパワーから,材料加工から医療用レーザー,そして非線形イメージングや顕微鏡学まで,広範なアプリケーションに最適だ。しかしながら,超短パルスレーザーはとりわけ熱レンズ効果に敏感であり,熱が利得媒体または共振器内のオプティクスを変形させたり,屈折率勾配を招いたりする。このことは超短パルスシステムに弊害をもたらし,パルスビームを生成するモード同期を妨げることすらある。エドモンド・オプティクスのパートナー企業であるUltraFast Innovations(UFI)社が,高分散な共振器ミラーを進化させたことで,この熱効果が無視できる程度のオプティクスが開発可能になった(詳細を見る)。

● 熱レンズ効果はなぜ「熱い話題」なのか?
熱レンズ効果は,活性利得媒体のビーム軸近傍が媒体の他の部分に比較して高温になると発生し,横方向に対して屈折率勾配を生じさせる。その結果,レーザー共振器に位置ズレが起き,異なるレーザーモード分布の発生やビームポインティングのドリフトの原因となり得える。共振器内ミラーも超短パルス発振器の極めて重要な部分であり,熱効果によってそれが歪んでしまうこともある。レーザー結晶内にビームを一点集光させる場合,ミラーの曲率半径の変化が焦点位置を変化させ,超短パルスレーザーのモード同期を妨げて,使用不能にすることさえある。利得媒体固有の熱特性を変化させるためにできることはさほど多くないものの,注意深く適切な共振器ミラーを選択することで熱レンズ効果を防げる可能性がある。

● 解決法:特殊な高分散ミラー

Figure 1: 熱レンズ効果が無視できる程度の1030nm高分散ミラー#17-070(UFI社部番 HD64)の分光およびGDD性能

近年のコーティングデザインの進歩は,熱効果の少ない低損失な高分散ミラーの開発を可能にした。これは,光学コーティングのさまざまなパラメーターを慎重に操作することで実現する。熱的安定性に加えて,ほとんどの光学媒体に存在する正の群遅延分散(GDD)を補償するために,ミラーは高い反射率と負のGDDを提供しなければならない。Figure 1は,1030nmの超短パルスレーザーで使用するためにデザインされた,熱レンズ効果の無視できる高分散ミラー #17-070(またはUFI社部番 HD64)の反射率とGDD特性である。このミラーは,Yb:YAG,Nd:YAG,ホルミウム,ツリウムなどの高出力固体レーザーに非常に有益である(詳細を見る)。



熱性能試験
この新たな高分散ミラーの熱レンズ効果のレベルを特性化するために試験を行なった。連続波(CW)動作でYb:YAG 薄型ディスクレーザー内にある共振器ミラーの温度を監視するのに,赤外線カメラ(FLIR SC305)が用いられた。新たな熱レンズ効果減少技術を採用しない,-3,000fs2のGDD特性をもつ代表的な高反射ミラーは,50Kを超える温度上昇があった(Figure 2)。

その結果,レーザーモードと発振器の安定性が低下した。しかしながら,-1,000fs2および-3,000fs2のGDD特性をもつ高分散ミラーを同じセットアップ内で試したところ,それぞれ10Kおよび20Kの温度変化しかなかった(Figure 3 および4)。これらのミラーは,モードや発振器の安定性において熱に誘導される顕著な効果は見受けられず,レーザーは目的どおりに機能した。

UV-NIR用NDフィルター
Figure 2:新たな低熱レンズ効果用コーティングを採用しない高反射ミラーは,温度が57K変化し,システム性能の低下に繋がった
UV-NIR用NDフィルター
Figure 3:-1,000fs2のGDD特性をもつ低熱レンズ効果のミラーは,10Kの温度変化があったものの,検知可能な熱による性能の低下は見られなかった
UV-NIR 用NDフィルター
Figure 4:-3,000fs2のGDD特性をもつ低熱レンズ効果のミラーは,20Kの温度変化があったものの,検知可能な熱による性能の低下は見られなかった


●エドモンド・オプティクスの低熱レンズ効果の超短パルスレーザー用ミラー
・エドモンド・オプティクスでは,以下の特性をもつUltraFast Innovations(UFI)1030nm 熱レンズ効果低減 高分散超短パルス用ミラーを標準品として在庫販売している。また,波長やGDDの特注にも対応している。
・熱レンズ効果を低減した超短パルス用高分散コーティング
・5°入射で-1000fs2までの高い負GDD
・50nmのバンド幅にわたり99.5%超の最小反射率(p偏光)
・ハイパワー超短レーザーパルスの生成に最適

*なお,UFI社のすべての製品情報はこちらから確認できる。