フィラメント伝播

非線形光学において、フィラメント伝搬とは、光線が媒質中を回折することなく伝搬することである。これは、カー効果によって媒質の屈折率が変化し、光線が自己集束することによって可能となる。 ^{[ 1 ]}

レーザーパルスによってガラスに生じたフィラメント状の損傷跡は、1964年にマイケル・ハーチャーによって初めて観測された。^{[ 2 ]}大気中におけるレーザーパルスのフィラメント伝播は、1994年にミシガン大学のジェラール・ムルーとそのチームによって観測された。チャープパルス増幅によって生成されたテラワット強度のレーザービームは、大気中で自己集束屈折と電離・希薄化による自己減衰回折のバランスによって「フィラメント」を形成し、これがビームの導波路として機能して発散を防ぐ。観測されたフィラメントは実際には光エネルギーの「導波」集中ではなく、軸円錐（ベッセル）または移動焦点によって作り出された錯覚であるという競合する理論は、1997年にロスアラモス国立研究所の研究者によって否定されました。 ^{[ 3 ]} フィラメント化プロセスを説明するために洗練されたモデルが開発されてきましたが、Akozbekらによって提案されたモデル^{[ 4 ]}は、空気中の強力なレーザーパルスの伝播に関する半分析的で理解しやすい解を提供します。

半導体媒体中のフィラメントの伝播は、大口径垂直共振器面発光レーザーでも観察できます。

気体媒体におけるフェムト秒レーザーフィラメント化

自己中心的

媒質を通過するレーザービームは媒質の屈折率を変調することができる。^{[ 5 ]}

${\displaystyle n={n_{0}+{\bar {n}}_{2}I}}$

ここで、、はそれぞれ線形屈折率、二次屈折率、伝播するレーザー場の強度である。自己収束は、カー効果による位相シフトがガウスビームの発散による位相シフトを補償するときに発生する。ガウスビームが長さを 通過した後に生じる回折による位相変化は、 ${\displaystyle n_{0}}$ ${\displaystyle {\bar {n}}_{2}}$ ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle \Delta z}$

${\displaystyle \phi _{diffraction}={k\Delta z \over 2\rho _{0}^{2}}r^{2}}$

カー効果による位相変化は

${\displaystyle \phi _{Kerr}={2\pi {\bar {n}}_{2}I_{0}\Delta z \over \lambda }exp({-2r^{2} \over w_{0}^{2}})\approx {2\pi {\bar {n}}_{2}I_{0}\Delta z \over \lambda }(1-{2r^{2} \over w_{0}^{2}})}$。

ここで、（レイリー範囲）であり、ガウスビームのウェストである。自己収束が起こるためには、カー位相と回折位相の両方において、項の大きさが等しいという条件を満たす必要がある。したがって、 ${\displaystyle k={2\pi n_{0} \over \lambda }}$ ${\displaystyle \rho _{0}={\pi w_{0}^{2}n_{0} \over \lambda }}$ ${\displaystyle w_{0}}$ ${\displaystyle r^{2}}$

${\displaystyle I_{0}={w_{0}^{2} \over 4\rho _{0}^{2}{\bar {n}}_{2}}}$。

一方、ガウス梁のウェスト部分の面積は であることが分かっています。したがって^{[ 6 ]} ${\displaystyle \pi w_{0}^{2} \over 2}$

${\displaystyle P_{c}={\lambda ^{2} \over 8\pi n_{0}{\bar {n}}_{2}}}$。

注記

${\displaystyle {\bar {n}}_{2}\left({cm^{2} \over W}\right)=n_{2}n_{0}\epsilon _{0}c}$

自己収束には臨界出力（空気中でギガワットオーダー^{[ 7 ]}）よりも高いレーザーピーク出力が必要であるが、臨界出力よりも高いピーク出力を持つ赤外線（IR）ナノ秒パルスでは自己収束は不可能である。多光子イオン化、逆制動放射線、電子雪崩イオン化は、ガスとレーザーの相互作用による3つの主要な結果である。後者の2つのプロセスは衝突型の相互作用であり、完了するまでに時間を要する（ピコ秒からナノ秒）。ナノ秒パルスは、出力が自己収束に必要なGWオーダーに達する前に、空気の絶縁破壊を生じさせるのに十分な長さである。ガスの絶縁破壊は吸収と反射効果を持つプラズマを生成するため、自己収束は不可能である。^{[ 7 ]} ${\displaystyle P_{c}}$

集束した短いレーザーパルスの伝播中に再集束する

フィラメント伝播に関連する興味深い現象の一つは、集束したレーザーパルスが幾何学的焦点を結んだ後に再集束する現象である。^{[ 8 ] [ 9 ]}ガウスビーム伝播では、幾何学的焦点から離れて双方向にビーム幅が増加すると予測される。しかし、レーザーフィラメント化が発生する状況では、ビームは急速に再収縮する。この発散と再集束は無期限に継続する。

光反応性システムでは

フィラメントの形成と伝播はフォトポリマー系でも観察されることがある。このような系は、光反応に基づく屈折率の増加を介してカーのような光学非線形性を示す。^{[ 10 ]}フィラメントは、個々のビームの自己トラッピング、または広域光プロファイルの変調不安定性の結果として形成される。フィラメントの伝播は、オルガノシロキサン、 ^{[ 11 ]}アクリル、^{[ 12 ]}エポキシおよびエポキシとの共重合体、^{[ 13 ]}ポリマーブレンドなど、いくつかの光重合系で観察されている。^{[ 14 ] [ 15 ]}フィラメントの形成と伝播の場所は、入力光場の空間プロファイルを変調することによって制御できる。このような光反応系は、空間的および時間的にインコヒーレントな光からフィラメントを生成することができる。これは、遅い反応が光場の時間平均強度に応答し、それによってフェムト秒の変動が打ち消されるためである。^{[ 11 ]}これは、非瞬時的な応答を持つ光屈折媒体に似ており、非干渉性または部分的に非干渉性の光によるフィラメントの伝播を可能にします。^{[ 16 ]}

潜在的な用途

フィラメントはプラズマを形成し、狭帯域レーザーパルスを全く新しい用途を持つ広帯域パルスに変換します。フィラメント誘起プラズマの興味深い点は、電子密度が制限されていることで、これにより光学的破壊が防止されます。^{[ 17 ]}この効果は、連続波レベルが低く、線幅の広がりも小さいため、高圧分光法に最適な光源となります。^{[ 18 ]}もう一つの潜在的な用途は、 LIDARによる大気モニタリングです。^{[ 19 ]}

短パルスレーザーを用いたフラットパネルダイシングは、ガラス基板が薄くなるにつれて、従来のダイヤモンドブレードダイシング技術ではプロセス歩留まりを向上させることが困難になるため、重要なアプリケーションです。50 kHz  、 5Wの高出力フェムト秒レーザーを使用して、無アルカリガラスとホウケイ酸ガラスで400 mm / sを超える短パルスダイシング速度が実証されています。鎌田ら^{[ 20 ]}によって開発された動作原理は次のとおりです。ワークが透明な波長の短パルスレーザービームを、ワークの前面から裏面に向かって照射し、集束させます。レーザービームがワーク内を伝播することによる自動集束作用によって、ビームウェストから光ビームの進行方向にフィラメントが形成されます。フィラメント内の物質はレーザービームによって分解され、裏面から排出され、チャネルに空洞が形成されます。キャビティを形成しながらレーザービームを走査し、加工面を形成し、その後は弱い曲げ応力でワークを切削することができます。

2014年7月、メリーランド大学の研究者らは、正方形に配置されたフィラメント状のフェムト秒レーザーパルスを使用して、数ミリ秒程度持続する光導波路として機能する空気中の密度勾配を生成することを報告した。初期試験では、約1メートルの距離で、誘導されていない信号に対して50%の信号利得が実証された。^{[ 21 ]} 2021年には、高さ124メートルのセンティス通信塔付近に設置されたkHz繰り返し率1030nmテラワットYb:YAGレーザーを使用して、落雷を塔のフランクリンロッドに誘導するという現場での応用が実証され、将来的なレーザー避雷針の可能性が開かれた。^{[ 22 ]}

参考文献

1. Rashidian Vaziri, MR (2013). 「ダクトモデルを用いた非線形カー媒質における高強度レーザーパルスの伝播の記述」. Laser Physics . 23 (10) 105401. Bibcode : 2013LaPhy..23j5401R . doi : 10.1088/1054-660X/23/10/105401 . S2CID  250912159 .
2. Hercher, M. (1964). 「透明媒体におけるレーザー誘起損傷」アメリカ光学会誌. 54 : 563.
3. Xhao, XM; Jones, RJ; Strauss, CEM; Funk, DJ; Roberts, JP; Taylor, AJ (1997). 「パルスの初期チャープの変化による空気中におけるフェムト秒パルスフィラメント形成の制御」CLEO '97., レーザーおよび電気光学会議発表論文集. 第11巻. IEEE. pp.  377–8 . doi : 10.1109/CLEO.1997.603294 . ISBN 0-7803-4125-2. S2CID  120016673 .
4. Aközbek, N.; Bowden, CM; Talebpour, A.; Chin, SL (2000). 「空気中におけるフェムト秒パルスの伝播：変分解析」. Phys. Rev. E. 61 ( 4): 4540–9 . Bibcode : 2000PhRvE..61.4540A . doi : 10.1103/PhysRevE.61.4540 . PMID 11088254 . 
5. ボイド、ロバート(2008).非線形光学（第3版）. 学術出版. ISBN 978-0-12-369470-6。
6. ディールス、ジャン＝クロード、ルドルフ、ヴォルフガング (2006).超短レーザーパルス現象（第2版）. ISBN 978-0-12-215493-5。
7. Chin, SL; Wang, TJ; Marceau, C. (2012). 「空気中での高強度フェムト秒レーザーフィラメンテーションの進歩」 .レーザー物理学. 22 (1): 1– 53. Bibcode : 2012LaPhy..22....1C . doi : 10.1134/S1054660X11190054 . S2CID 12993181 . 
8. Mlejnek, M.; Wright, EM; Moloney, JV (1998). 「空気中を伝播するフェムト秒パルスの動的空間補充」. Optics Letters . 23 (5): 382–4 . Bibcode : 1998OptL...23..382M . doi : 10.1364/OL.23.000382 . PMID 18084519 . 
9. Talebpour, A.; Petit, S.; Chin, SL (1999). 「集束フェムト秒チタンサファイアレーザーパルスの空気中伝播中の再集束」. Optics Communications . 171 ( 4–6 ): 285–290 . Bibcode : 1999OptCo.171..285T . doi : 10.1016/S0030-4018(99)00498-8 .
10. Kewitsch, Anthony S.; Yariv, Amnon (1996-01-01). 「光重合における光ビームの自己集束と自己トラッピング」(PDF) . Optics Letters . 21 (1): 24– 6. Bibcode : 1996OptL...21...24K . doi : 10.1364/OL.21.000024 . PMID 19865292 . 
11. バージェス, イアン B.; シメル, ホイットニー E.; サラヴァナムットゥ, カライチェルヴィ (2007). 「光重合性媒体における非コヒーレント白色光の変調不安定性による自発的パターン形成」.アメリカ化学会誌. 129 (15): 4738–46 . doi : 10.1021/ja068967b . PMID 17378567 . 
12. Biria, Saeid; Malley, Philip PA; Kahan, Tara F.; Hosein, Ian D. (2016-03-03). 「フリーラジカル重合中の架橋アクリレート系における調整可能な非線形光学パターン形成と微細構造」The Journal of Physical Chemistry C . 120 (8): 4517–28 . doi : 10.1021/acs.jpcc.5b11377 . ISSN 1932-7447 . 
13. Basker, Dinesh K.; Brook, Michael A.; Saravanamuttu, Kalaichelvi (2015-09-03). 「エポキシドのカチオン重合における非線形光波の自発的出現と自己刻印導波路微細構造」. The Journal of Physical Chemistry C. 119 ( 3​​5): 20606–17 . doi : 10.1021/acs.jpcc.5b07117 . ISSN 1932-7447 . 
14. Biria, Saeid; Malley, Phillip PA; Kahan, Tara F.; Hosein, Ian D. (2016-11-15). 「光触媒作用は光硬化中のポリマーブレンドの相分離において新たな空間ダイナミクスを確立する」. ACS Macro Letters . 5 (11): 1237–41 . doi : 10.1021/acsmacrolett.6b00659 . PMID 35614732 . 
15. Biria, Saeid; Hosein, Ian D. (2017-05-09). 「光自己トラッピングによるポリマーブレンドの形態制御：構造進化、反応速度論、相分離のin situ研究」. Macromolecules . 50 (9): 3617–26 . Bibcode : 2017MaMol..50.3617B . doi : 10.1021/acs.macromol.7b00484 . ISSN 0024-9297 . 
16. トリロ、ステファノ (2001).空間ソリトン. シュプリンガー光科学シリーズ. シュプリンガー. ISBN 978-3-540-41653-1. 2017年12月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。
17. Talebpour, A.; Abdel-Fattah, M.; Chin, SL (2000). 「高圧ガス中における高強度超高速レーザーパルスの集束限界：新たな分光光源への道」Optics Communications . 183 ( 5– 6): 479– 484. Bibcode : 2000OptCo.183..479T . doi : 10.1016/S0030-4018(00)00903-2 .
18. Talebpour, A.; Abdel-Fattah, M.; Bandrauk, AD; Chin, SL (2001). 「高強度フェムト秒レーザーパルスと相互作用する気体の分光法」. Laser Physics . 11 (1): 68– 76.
19. Wöste, Ludger; Frey, Steffen; Wolf, Jean-Pierre (2006). 「フェムト秒プラズマチャネルを用いたLIDARによる大気モニタリング」.原子・分子・光物理学の進歩. 53 : 413–441 . Bibcode : 2006AAMOP..53..413W . doi : 10.1016/S1049-250X(06)53011-3 . ISBN 978-0-12-003853-4。
20. JP WO2008126742A1、鎌田正之、住吉孝之、辻香織尚志他、「レーザー加工方法、レーザー切断方法、および多層基板を有する構造体の分割方法」、2008年公開 
21. 「薄い空気から光ケーブルを作る」。(e) Science News。2014年7月22日。 2023年9月4日閲覧。
22. オーレリアン・ウアール;ウォルチ、ピエール。プロデュイット、トーマス。他。 （2023年1月16日）。「レーザー誘導雷」。ネイチャーフォトニクス。17 (3 ) : 231–235。arXiv : 2207.03769 。Bibcode : 2023NaPho..17..231H。土井：10.1038/s41566-022-01139-z。PMID 36909208。 

外部リンク

• 実験により、強力な超短レーザーパルスが空気中を伝播する様子が詳細に明らかに
• 空気中における超短パルスレーザーのフィラメント化と伝播Archived 2008-01-10 at the Wayback Machine

^{[ 1 ]}

1. Chin, SL; Wang, T. -J.; Marceau, C.; Wu, J.; Liu, JS; Kosareva, O.; Panov, N.; Chen, YP; Daigle, J. -F.; Yuan, S.; Azarm, A.; Liu, WW; Seideman, T.; Zeng, HP; Richardson, M.; Li, R.; Xu, ZZ (2012). 「空気中での高強度フェムト秒レーザーフィラメンテーションの進歩」レーザー物理学22 : 1– 53. Bibcode : 2012LaPhy..22 ....1C . doi : 10.1134/S1054660X11190054 . S2CID 12993181 . 

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