図 1: パルス持続時間スケールで大きく異なるレーザー誘発損傷メカニズム。ナノ秒の持続時間を持つパルスを含むより長いパルスは、主に熱効果によって損傷を引き起こします。パルス持続時間がフェムト秒の時間スケールに短くなるにつれて、キャリア吸収と非線形効果が主な損傷メカニズムになります。
レーザー技術が進化し続けるにつれて、光学系も高精度アプリケーションに必要な厳しい仕様を満たす必要があります。超高速レーザーのパワーは、医療処置、微細加工、基礎科学研究、その他多くの分野に革命をもたらしました。これまでナノ秒レーザーが主流だった産業やアプリケーションにとって、超高速レーザーの採用は、光学コンポーネントのレーザー損傷閾値が大幅に異なるなど、多くの課題をもたらします。レーザー システムの効率と寿命を確保するには、ナノ秒とフェムト秒のパルス持続時間にわたるレーザー損傷閾値の違いとその理由を理解することが重要です。
レーザー損傷しきい値 (LDT) は、レーザー誘起損傷しきい値 (LIDT) とも呼ばれ、レーザー システムの光学系を選択する際に評価すべき重要なパラメーターです。ISO 21254 では、LDT を「レーザー放射の最大量」と定義しています。光学素子に損傷を与える可能性がゼロであると推定される光学素子に入射した場合...」。 この定義は非常に簡単に思えますが、実際の LDT 値は光学素子自体の性質以外のさまざまな要因に依存します。特に、光学素子の LDT は、ナノ秒 (10-9 秒) とフェムト秒 (10-15 秒) のパルス持続時間で評価すると、数桁変動する可能性があります。この大きな違いは、これらの異なる時間スケールで発生する非常に異なるレーザー損傷メカニズムに起因します (図 1 を参照)。
ナノ秒レーザーによる損傷メカニズム
フェムト秒パルスとは対照的に、ナノ秒レーザーの長いパルスは、主に熱メカニズムを通じて光学コンポーネントに損傷を与えます。レーザーは光学素子の材料に大量のエネルギーを与え、レーザーの入射部位内で局所的な加熱を引き起こします。この加熱は直接溶融につながる可能性があり、あるいは熱膨張とその結果として生じる機械的応力によって何らかの構造変化を引き起こす可能性があります。この応力は継続して亀裂を引き起こしたり、基板からコーティングが完全に剥離したりする可能性があります。
コーティング材料の直接加熱に加えて、ナノ秒レーザー照射下の光学系はコーティング内の欠陥に特に敏感です。これらの欠陥は周囲よりも吸収率がはるかに高いため、光学コーティング内で小さな避雷針のように機能します。その結果、これらの欠陥領域はより急速に加熱され、壊滅的なレーザー損傷が発生した場合、これらの欠陥がコーティングから爆発する可能性があります。この劇的な損傷メカニズムにより、通常、光学部品の表面にクレーターが残り、損傷イベントの直後に表面に再堆積する粒子状物質が残ります (図 2 を参照)。
図 2: 532nm ナノ秒パルスレーザーによって生成されるレーザー損傷。この損傷は光学素子のコーティング内の欠陥によって引き起こされ、その結果、素子の表面にクレーターや粒子状物質が再堆積しました。
これらの欠陥サイトはレーザー損傷を引き起こすため、欠陥の存在が多いほど、特定の光学素子の LDT は通常低くなります。したがって、ナノ秒レーザーで使用される光学系では、光学系の表面品質に焦点が当てられます。さらに、ナノ秒の時間スケールでの LDT テストは高度に統計的なプロセスです。光学面上の任意の位置での損傷の確率は、入射ビームのサイズ、欠陥位置の分布と密度、固有の材料特性など、多くの関連要因によって決まります。これらの複数の影響は、同じコーティングのバッチ間でナノ秒 LDT 値が大きく異なる理由も説明しています。LDT は、基板の研磨と準備の不一致、実際のコーティング堆積プロセスの変動、さらにはコーティング後の保管条件の変化によって影響を受ける可能性があります。
ナノ秒 LDT に対するさまざまな影響は、主に適用されるコーティング材料に関連するフェムト秒レーザー損傷の原因となる主なメカニズムと対照的です。
フェムト秒レーザーの損傷メカニズム
フェムト秒レーザーの超高速パルスは、生成するピーク出力が非常に高いため、さまざまなメカニズムを通じて損傷を引き起こします。ナノ秒レーザーとフェムト秒レーザーのパルスエネルギーは同じですが、フェムト秒レーザーのパルス持続時間は短いため、フェムト秒レーザーパルスのピークパワーはナノ秒レーザーのピークパワーの約100万倍も高くなる可能性があります。これらの高強度レーザーパルスは、価電子帯から伝導帯まで電子を直接励起することができます。入射レーザーパルスの光子エネルギーがこのジャンプ（材料バンドギャップとして知られる）より低い場合でも、超高速レーザーパルスのピークフルエンスは非常に高いため、電子は一度に複数の光子を吸収できます。この非線形メカニズムは多光子イオン化として知られており、超高速レーザー光学における一般的な損傷経路です。
トンネルイオン化もフェムト秒レーザー照射における損傷経路となる可能性があります。この現象は、超高速レーザーパルスが非常に強い電場を生成するときに発生します。その電場が非常に強いため、入射電場が実際に伝導帯のエネルギーを歪め、電子が価電子帯をトンネルできるようになります。十分な電子が伝導帯に励起されると、入射放射線はエネルギーを自由電子に直接結合し始め、その結果、コーティング材料が破壊されます。
これらの損傷経路により、フェムト秒 LDT はナノ秒 LDT よりも決定的です。レーザー損傷は本質的に、フェムト秒レーザーの特定の入力フルエンスで「オン」になります。これは、コーティングされた誘電体コーティング材料のバンドギャップに比例します。これは、ナノ秒レーザー損傷の確率的な性質とは対照的です (図 3 を参照)。
画像 図 3: 4ns (左) および 48fs (右) パルス条件で得られた LDT テスト結果。ナノ秒損傷曲線の平坦な傾きは測定値の確率的な性質を反映しており、損傷確率 100% に向かう急激な変化はフェムト秒レーザー損傷の決定論的メカニズムを反映しています。
ナノ秒レーザーの損傷経路とは対照的に、熱効果はフェムト秒の時間スケールでは光学素子の LDT に影響を与えないことに注意することが重要です。これは、実際、超高速レーザー パルスの持続時間はパルスの持続時間よりも速いためです。材料構造内の熱拡散の時間スケール。その結果、フェムト秒パルスはコーティング材料に熱としてエネルギーを蓄積しないため、ナノ秒レーザーパルスのように熱膨張や機械的応力を生成しません。これらのまさに理由により、超高速レーザーは、心臓血管ステントの製造など、高精度の切断とマーキングを必要とする多くの用途で非常に有利です。
適切な光学系の選択
パルス持続時間と同様に、ナノ秒パルスとフェムト秒パルスの一般的な LDT 値は数桁異なる場合があります。 100 fs パルスで測定した場合、通常のレーザーミラーの LDT 値は約 0.2 J/cm2 です。ただし、5 ns のパルスで測定すると、光学素子の LDT は 10 J/cm2 に近づく可能性があります。これらの異なる値は最初は心配になるかもしれませんが、これらの時間スケールでの非常に異なる損傷メカニズムを示しているだけです。
同じ理由で、LDT 計算機を大きな時間スケールで使用する場合には、特別な注意を払う必要があります。一般に、LDT はパルス持続時間が増加するにつれて大きくなります。ただし、LDT 値を適応フェムト秒パルスから適応ナノ秒パルスに、または適応ナノ秒パルスから適応フェムト秒パルスに調整すると、光学系に損傷が生じる可能性があります。実際のアプリケーション条件 (波長、繰り返し周波数、パルス幅など) にできるだけ近い適切な LDT 定格を持つ光学部品を選択することがベスト プラクティスです。
まとめ
レーザー技術は、より高い精度のニーズを満たすために進化し続けます。これらの新しいテクノロジーが具体化されるにつれて、レーザー損傷メカニズムの違い（および特定の時間スケールでどの損傷が支配的になるか）を理解することは、現実のアプリケーションに適切な光学系を選択する上でますます重要になります。これらの違いを理解することで、使用中のレーザー システムの効率と寿命が向上するだけでなく、将来のより高度なレーザー システムにシームレスに適応できるようになります。
