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フェムト秒レーザー技術の開発と応用

2021-12-15

Mamanが最初にレーザーパルス出力を取得して以来、レーザーパルス幅の人間による圧縮のプロセスは、Qスイッチ技術段階、モードロック技術段階、およびチャープパルス増幅技術段階の3つの段階に大別できます。チャープパルス増幅（CPA）は、フェムト秒レーザー増幅中に固体レーザー材料によって生成される自己集束効果を克服するために開発された新しい技術です。最初に、モードロックレーザーによって生成された超短パルスを提供します。「正のチャープ」では、パルス幅をピコ秒またはナノ秒に拡大して増幅し、十分なエネルギー増幅を得た後、チャープ補償（負のチャープ）法を使用してパルス幅を圧縮します。フェムト秒レーザーの開発は非常に重要です。
1990年以前は、フェムト秒レーザーパルスは、広いゲイン帯域幅の色素レーザーモードロック技術を使用して取得されていました。しかし、色素レーザーの維持管理は非常に複雑であり、その用途は限られています。 Ti：Sapphire結晶の品質が向上すると、より短い結晶を使用して、短いパルス発振を実現するのに十分な高ゲインを得ることができます。 1991年に、スペンス等。セルフモードロックTi：Sapphireフェムト秒レーザーを初めて開発しました。 60fsパルス幅のTi：Sapphireフェムト秒レーザーの開発に成功したことで、フェムト秒レーザーの応用と開発が大幅に促進されました。 1994年に、チャープパルス増幅技術を使用して10fs未満のレーザーパルスを取得しました。現在、カーレンズセルフモードロック技術、光パラメトリックチャープパルス増幅技術、キャビティエンプティング技術、マルチパス増幅技術などの助けを借りています。レーザーを作ることができますパルス幅は1fs未満に圧縮されてアトセカンドドメインに入り、レーザーパルスのピークパワーもテラワット（1TW = 10 ^ 12W）からペタワット（1PW = 10 ^ 15W）に増加します。レーザー技術におけるこれらの大きな進歩は、多くの分野で広範かつ徹底的な変化を引き起こしました。
物理学の分野では、フェムト秒レーザーによって生成される超高強度の電磁場は、相対論的な中性子を生成することができ、原子や分子を直接操作することもできます。デスクトップ核融合レーザー装置では、フェムト秒レーザーパルスを使用して重水素-トリチウム分子クラスターを照射します。核融合反応を開始し、多数の中性子を生成することができます。フェムト秒レーザーが水と相互作用すると、水素同位体重水素が核融合反応を起こし、大量のエネルギーを生成する可能性があります。フェムト秒レーザーを使用して核融合を制御すると、制御可能な核融合エネルギーを得ることができます。宇宙物理学研究室では、フェムト秒レーザーの超高強度光パルスによって生成された高エネルギー密度プラズマが、天の川や地上の星の内部現象を再現することができます。フェムト秒時間分解法は、ナノスペースに配置された分子の変化とその内部電子状態をフェムト秒の時間スケールで明確に観察できます。
生物医学の分野では、フェムト秒レーザーのピークパワーとパワー密度が高いため、さまざまな材料と相互作用するときに、多光子イオン化や自己集束効果などのさまざまな非線形効果がしばしば発生します。同時に、フェムト秒レーザーと生体組織の間の相互作用時間は、生体組織の熱緩和時間（nsのオーダー）と比較して重要ではありません。生体組織の場合、数度の温度上昇は神経への圧力波になります。細胞は細胞に痛みと熱による損傷を与えるため、フェムト秒レーザーは痛みのない熱のない治療を実現できます。フェムト秒レーザーには、低エネルギー、小さな損傷、高精度、および3次元空間での厳密な位置決めという利点があり、生物医学分野の特別なニーズを最大限に満たすことができます。フェムト秒レーザーは、歯を処理してエッジの損傷のない清潔で整頓されたチャネルを取得するために使用され、長パルスレーザー（Er：YAGなど）、石灰化、亀裂、粗い表面によって引き起こされる機械的ストレスや熱的ストレスの影響を回避します。フェムトセカンドレーザーを生体組織の微細切断に適用すると、フェムトセカンドレーザーと生体組織との相互作用中のプラズマ発光をスペクトルで分析し、骨組織と軟骨組織を識別して、何を決定および制御することができます。外科的治療プロセスで必要ですパルスエネルギー。この技術は、神経と脊椎の手術にとって非常に重要です。 630〜1053 nmの波長範囲のフェムト秒レーザーは、人間の脳組織の安全でクリーンな高精度の非熱的外科的切断および切除を実行できます。波長1060nm、パルス幅800fs、パルス繰り返し周波数2kHz、パルスエネルギー40μJのフェムト秒レーザーで、クリーンで高精度な角膜切断を行うことができます。フェムト秒レーザーには熱損傷がないという特徴があり、これはレーザー心筋血管再生術やレーザー血管形成術にとって非常に重要です。 2002年、ドイツのハノーバーレーザーセンターは、フェムト秒レーザーを使用して、新しいポリマー材料上に血管ステント構造の画期的な製造を完了しました。以前のステンレス鋼ステントと比較して、この血管ステントは優れた生体適合性と生物学的適合性を備えています。分解性は、冠状動脈性心臓病の治療にとって非常に重要です。臨床試験やバイオアッセイでは、フェムト秒レーザー技術により、生物の生体組織を顕微鏡レベルで自動的に切断し、高精細な3次元画像を取得できます。この技術は、癌の診断と治療、および動物の368の遺伝子変異の研究にとって非常に重要です。
遺伝子工学の分野で。 2001年、ドイツのK.KonigはTi：Sapphireを使用しましたフェムト秒レーザーヒトDNA（染色体）に対してナノスケールの操作を実行します（最小切断幅100nm）。 2002年、U.irlapurとKoingはフェムト秒レーザー癌細胞膜に可逆的な微細孔を作り、DNAがこの穴から細胞に入るのを可能にしました。その後、細胞自身の成長が穴を塞ぎ、遺伝子導入に成功しました。この技術は、信頼性が高く、移植効果が高いという利点があり、幹細胞を含むさまざまな細胞に外来遺伝物質を移植する上で非常に重要です。細胞工学の分野では、フェムト秒レーザーを使用して、細胞膜に損傷を与えることなく、生細胞でナノ手術を行うことができます。これらのフェムト秒レーザー手術技術は、遺伝子治療、細胞動態、細胞極性、薬剤耐性、および細胞のさまざまな構成要素と細胞内不均一構造の研究にプラスの意味を持っています。
光ファイバ通信の分野では、半導体オプトエレクトロニクスデバイス材料の応答時間は、超商用速度の光ファイバ通信を制限する「ボトルネック」です。フェムト秒コヒーレント制御技術の適用により、半導体光スイッチの速度は10000Gbit / sに達し、最終的に量子力学の理論的限界に達することができます。。また、時分割多重、波長分割多重、符号分割多重アクセスなどの大容量光通信には、フェムト秒レーザーパルスのフーリエ波形整形技術を応用し、1Tbit / sのデータ伝送速度が得られます。
超微細加工の分野では、フェムト秒レーザー透明な媒体のパルスは、レーザーの焦点を回折限界よりも小さくし、透明な材料の内部で微小爆発を引き起こして、サブミクロンの直径のステレオピクセルを形成します。この方法を使用すると、高密度の3次元光ストレージを実行でき、ストレージ密度は10 ^ 12ビット/ cm3に達することができます。また、高速データの読み取り、書き込み、および並列データのランダムアクセスを実現できます。隣接するデータビット層間のクロストークは非常に小さく、3次元ストレージ技術は現在のマスストレージ技術の開発における新しい研究の方向性となっています。光導波路、ビームスプリッター、カプラーなどは、集積光学の基本的な光学部品です。コンピューター制御の処理プラットフォームでフェムト秒レーザーを使用すると、材料内の任意の位置に任意の形状の2次元および3次元光導波路を作成できます。、ビームスプリッター、カプラー、その他のフォトニックデバイス、および標準光ファイバーとの結合が可能で、フェムト秒レーザーを使用して、感光性ガラス内に45°のマイクロミラーを作成することもできます。現在、3つの内部マイクロミラーで構成される光回路が製造されています。、4mmx5mmの領域でビームを270°回転させることができます。より科学的には、米国の科学者は最近、フェムト秒レーザーを使用して、長さ1cmの光導波路を作成しました。これにより、1062nm付近で3dB / cmの信号ゲインを生成できます。
ファイバブラッググレーティングは、有効周波数選択特性を備え、ファイバ通信システムとの結合が容易で、損失が少ないです。そのため、周波数領域で豊富な伝送特性を発揮し、光ファイバーデバイスの研究ホットスポットとなっています。 2000年に、カワモラK等。 2つの赤外線フェムト秒レーザー干渉法を使用して、初めて表面レリーフホログラフィック回折格子を取得しました。その後、生産技術と技術の開発に伴い、2003年にミハイビー。 S etal。 Ti：Sapphireフェムト秒レーザーパルスをゼロ次位相板と組み合わせて使用し、通信ファイバーのコアに反射型ブラッググレーティングを取得しました。屈折率変調範囲が広く、温度安定性に優れています。
フォトニック結晶は、空間内の屈折率が周期的に変調する誘電体構造であり、その変化周期は光の波長と同じ桁です。フォトニック結晶デバイスは、フォトンの伝播を制御するまったく新しいデバイスであり、フォトニクスの分野で研究のホットスポットになっています。 2001年に、Sun H B etal。フェムト秒レーザーを使用して、ゲルマニウムをドープしたシリカガラスに任意の格子を持つフォトニック結晶を製造しました。これにより、個々の原子を個別に選択できます。 2003年に、Serbin J etal。フェムト秒レーザーを使用して、無機-有機ハイブリッド材料の2光子重合を誘発し、構造サイズが200 nm未満、周期が450nmの3次元微細構造とフォトニック結晶を取得しました。
フェムト秒レーザーは、マイクロフォトニックデバイス処理の分野で画期的な結果を達成しているため、指向性コネクタ、バンドパスフィルタ、マルチプレクサ、光スイッチ、波長変換器、および変調器を「チップ」上で処理できます。他のコンポーネントを備えた平面光波ループが可能です。電子デバイスに代わるフォトニックデバイスの基盤を築きました。
フォトマスクとリソグラフィー技術は、マイクロエレクトロニクスの分野における重要な技術であり、集積回路製品の品質と生産効率に直接関係しています。フェムト秒レーザーを使用してフォトマスクの欠陥を修復することができ、修復された線幅は100nm未満の精度に達する可能性があります。ザフェムト秒レーザーダイレクトライティング技術を使用して、高品質のフォトマスクを迅速かつ効果的に製造できます。これらの結果はマイクロにとって非常に重要です。電子技術の開発は非常に重要です。

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