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システムの温度維持をサポート

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で最適となります。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します。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ります。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、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りました。

 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に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ます。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ます。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ります。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ります。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、熱レンズ効果を防ぐために、共振器ミラーの適切な選択機会があります。

 解決法：特殊な高分散ミラー

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ました。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します。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 GDD を補償するために、ミラーは高い反射率と負の群遅延分散 (GDD) を提供しなければなりません。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特性です。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す。

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 またはUFI社品番 HD64の分光およびGDD性能

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いました。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) が用いられました。新たな熱レンズ効果減少技術を採用しない、 -3,000 fs² 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りました (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ました。しかしながら、-1,000 fs² および -3,000 fs² 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 の温度変化しかありませんでした (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ました。

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

Figure 3:-1,000 fs² 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

Figure 4:-3,000 fs² 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