【基本】フォトリフラクティブ効果

光強度の空間分布があると、ポッケルス効果(1次の電気光学効果)によって、局所的な媒質の屈折率が変化する現象のことです。これは、光強度の勾配の大きさによって発生する光学特性で、光カー効果(2次の電気光学効果)の高強度の光によって発生する非線形光学特性ではなく、非常に小さな光強度(~mW/cm2)でも発生します。

この効果を発生させる材料としては、半導体のCdTe, GaAs, InP, 強誘電体のLiNbO3, LiTaO3, BaTiO3などがあります。電気光学系数は、BaTiO3が大きく1.64×10-9m/Vあります。材料により電気光学系数が大きくなる波長が異なり、半導体では1µm近傍、強誘電体では633nm近傍となります。

この効果は、媒質中の不純物が重要な役割を果たしています。積極的なドーピングをしなくても、製造工程で、例えば炉から溶出した金属のように、故意ではない不純物も影響を与えます。添加不純物としては、Fe, Co, Rhなどがあり、それぞれのエネルギー順位に依存して応答する波長が異なります。また、ドープ量によっても、その性質はことなります。

例えば、不純物のないBaTiO3結晶では、紫外領域に大きな光の吸収が見られますが、Coをドープすると可視光領域での吸収が大きくなります。まだ、ドープ量を増やすことでより吸収率が高くなることが実験により確かめられています。Coがドープされていない結晶での実験を行う際には波長488nmや514.5nmのArレーザーが使われるそうです。一方で、よりHe-Neレーザー(632.8nm)など長波長のレーザーで実験を行うときには、Coをドープした結晶を用いるそうです。

この現象を応用して、二波を混合して光の増幅が行われます。また、光の伝搬により屈折率が変化するために凸レンズ効果が起き、レーザー光の回折による広がりを打ち消し、一定のビーム径で伝搬する空間ソリトンという現象もみられます。

この効果は、1966年にアシュキンによて、LiNbO3, LiTaO3結晶中で発見されました。

【応用】レーザー非線形顕微鏡

フェムト秒レーザーは、その特異な能力で微細加工の領域に革命をもたらしました。非熱加工を高速に実施でき、高品質な加工をより身近なものとなりました。

一方で、計測の分野にも新たなブレークスルーをもたらしました。

微小な物体を正確に3次元計測する顕微鏡に、レーザー走査型顕微鏡があります。これは、共焦点顕微鏡の原理で焦点のあった高さ情報を取得します。高さ方向に焦点位置を変化させることで、3次元的な画像を高精度で取得できます。

この光源は、赤色や青色のLDが用いられる場合が多いのですが、フェムト秒レーザーw用いることで高いピークパワーで励起される非線形効果で、結像限界を超える分解能を達成することができます。

これは、多光子吸収などの非線形過程が、レーザーの強度の2乗、3乗に比例して発生するためです。これにより、ガウス分布したレーザースポットの強度分布が空間的に\(1/\sqrt{2}\)や\(1/\sqrt{3}\)というように小さくなります。すなわち、より細いプローブで物体を観察できることになります。これにより、結像限界を超えた分解能で観察が可能となります。

この顕微鏡は、光の照射面積が小さく非常に短時間の照射であるため、被測定物に影響をあまり与えないというメリットを活かして生きた生物や細胞等の観察につかわれます。また、波長の長い光を使うことも可能ですので、より深い位置の観察も可能となります。

フェムト秒レーザーは、技術開発が進み、手軽に利用できるファイバーレーザーなどが入手できるようになってきています。今後、さらなる活躍が期待されます。

【基本】マイクロチップレーザー

従来の発振器とレーザー媒質を一体化し、小型化・低コスト化・高安定化を図ったモノリシックレーザーはマイクロチップレーザーと呼ばれます。

1990年ごろにコンセプトが提唱され、政府の革新的研究開発推進プログラム(ImPACT)にも採択され技術開発が進み、現在では製品化もされています。

構成は、励起光を発するLDに、レーザー媒質を直接取り付けたような構成となっています。結晶としては、Nd:YAG、Nd:YVO4結晶などが用いられ端面は高い平坦性を有し、一方の面に高反射誘電体多層膜を、その反対に部分反射ミラーを構成します。レーザー媒質を積極的に温度制御することで、発振波長を可変にできるレーザーもあります。

媒質にCr:YAG等の過飽和吸収材料を挿入しておくと、過飽和吸収の原理により受動Qスイッチとして動作して、パルス発振が行われます。波長1064nm、サブナノ秒のパルスをミリジュールレベルで発振できるレーザーも製品化されているようです。

マイクロチップレーザーは、ヘッド自体が小型であるため、ロボットハンドに搭載しての作業も容易になると期待されます。

用途としては、材料加工、ホログラム、バイオ・メディカル観察・測定用光源があげられます。

【基本】絞り

レーザーなど光が通る光学系には、光を絞って明るさ、光量を調整する絞り(アイリス)が入っていることがあります。これにより、明るさやピント、分解能、コントラストなどを変化、改善することができます。

レーザーでは、光軸の調整時に、正しい位置・方向に光が伝搬しているかの確認と調整のために使用されます。

絞りは、多くのメーカーより市販されており、絞り単体やマウントについたもの、寸法が正確に加工され校正されたものもあります。また、絞りの大きさを変更できる可変タイプもあります。さらには、電動式もあり他の機器と同期させながら使用できるタイプもあります。