超短パルスレーザー（フェムト秒レーザー、ピコ秒レーザー）とは

超短パルスレーザーは、数フェムト秒〜数ピコ秒のパルス幅をもつパルスレーザーである。そのためフェムト秒レーザー（フェムトセカンドレーザー）やピコ秒レーザーと呼ばれる。
1フェムト秒は1fsと記載し、1×10^-15秒、つまり1000兆分の1秒のことであり、
1ピコ秒は1psと記載し、1×10^-12秒、つまり1兆分の1秒のことである。
光は1秒間に約30万km（地球7周半の距離）も進むほどの速さであるが、1フェムト秒の間に光が進む距離は約0.3μm程度である。

超短パルスレーザー（フェムト秒レーザー・ピコ秒レーザー）の特徴は、下記が挙げられる。

1. 超短パルス性
2. 超高速性
3. 超高強度性
4. 超広帯域性

それぞれの特徴について述べる。

1. 2. 超短パルス性、超高速性

超短パルスレーザー（フェムト秒レーザー・ピコ秒レーザー）は、その極めて短い時間にパルスが発生している超短パルス性と、フェムト秒という超高速性という特徴を兼ね備えている。 超短パルスの時間は、電気信号では到達できない時間領域である。この特性により、対象物の熱損傷を低減することが可能となる。超高速性では、高速な分子振動、化学反応の過程を計測することができる。

3. 超高強度性

パルスレーザー光の1パルスのピーク強度は下記の式で表される。

上式からわかるとおり、ピーク強度はパルス幅に反比例する。したがって、フェムト秒レーザーでは、平均出力が小さくても、ピーク強度が極めて大きいことが分かる。フェムト秒レーザーのピーク出力は、ペタワット（PW: 1×10¹⁵ W）級の領域にまで到達している。 超高強度性は、レーザーのみが達成できる領域である。そして、この領域では、物質との相互作用に非線形性が顕著となる。 下図に高強度領域への展開を図示した。

4. 超広帯域性

パルス幅Δtとスペクトル幅Δν (周波数領域) の間にある不確定性関係、Δt・Δν ≧kより、超短パルス(Δt:fs)の場合、スペクトル分布幅(Δν)は超広帯域であることになる。 この超広帯域性により、広帯域なコヒーレント光を生成することが可能である。

まとめ

超短パルスレーザー（フェムト秒レーザー・ピコ秒レーザー）の特徴を下記の表でまとめた。

超短パルス性	電気信号では到達できない領域 ・対象物の熱損傷を低減可能
超高速性	高速な分子振動を計測可能 ・化学反応の過程を計測可能
超高強度性	レーザーのみ到達できる領域 ・ガラスの内部加工が可能
超広帯域性	広帯域なコヒーレント光を生成可能

References and Links

• ニコン, 最速のストロボ写真を撮る　～フェムト秒からアト秒へ～
• 光資源を活用し、創造する科学技術の振興－持続可能な「光の世紀」に向けて、第4章 経済・社会の高度化に寄与する光、2 光による粒子の加速、文部科学省