概要
モードロックレーザとは、レーザ共振器内の複数の縦モード（共振モード）を位相同期させて、極めて短い光パルスを生成するレーザです。
通常のレーザでは連続光（CW：Continuous Wave）が得られますが、モードロックレーザではフェムト秒（10⁻¹⁵秒）～ピコ秒（10⁻¹²秒）単位の超短パルス光を作ることが可能です。
この超短パルス光は、光の強度が瞬間的に非常に高くなるため、精密加工や非線形光学、医療分野などで重要な役割を果たしています。
特徴
長所
- 超高時間分解能
フェムト秒オーダーのパルスは、化学反応や電子の運動などの超高速現象を観測可能です。 - 高ピークパワー
同じ平均出力でも、パルス幅が短いため瞬間的な光強度が非常に高くなります。 - 非線形光学効果の利用が容易
高強度パルスは、倍周波発生（SHG）、光パラメトリック発振（OPO）、高次高調波生成（HHG）などの非線形現象に利用できます。
短所
- 装置が複雑
モード同期を安定させるために、パルス形成素子や精密制御機構が必要です。 - パルス幅制御が難しい
超短パルスを得るには、共振器内の分散補償や非線形効果の管理が重要です。 - 高コスト
超短パルスレーザは、高性能光学部品や特殊材料が必要で、一般的なレーザより高価です。
他のレーザとの違い
- 連続波レーザ（CWレーザ）
→ 一定の光強度を連続して出力。瞬間的な高強度は得られない - パルスレーザ（Qスイッチレーザ）
→ ナノ秒～マイクロ秒のパルス幅。モードロックに比べると短パルス化は限定的 - モードロックレーザ
→ フェムト秒～ピコ秒単位の超短パルスを生成可能。精密計測や非線形光学向き
原理
モードロックレーザは、共振器内の複数の縦モードの位相を揃える（モード同期）ことでパルスを形成します。
パルス形成の基本
共振器内の電場 (E(t)) は複数モードの重ね合わせで表されます。
$$ E(t) = \sum_{m=1}^{N} A_m \cos(\omega_m t + \phi_m) $$
- A_m：各モードの振幅
- ω_m：モード周波数
- Φ_m：各モードの位相
すべてのモードが位相同期 (Φ_m = Φ) すると、干渉によって短い時間幅のパルスが形成されます。
モード同期の方法
- アクティブモードロック
→ 電気的または光学的に変調器で強制的に位相同期
→ 制御しやすいが装置が複雑 - パッシブモードロック
→ 吸収体（サチュラブルアブソーバ）を用いて自己同期
→ 自発的に安定パルス形成が可能。フェムト秒パルスに適する
歴史
- 1960年代：モードロックの原理が理論的に提案される
- 1970年代：ティタンサファイアレーザで初のフェムト秒パルス生成
- 1980年代：光ファイバモードロックレーザの研究開始
- 1990年代：サチュラブルアブソーバによるパッシブモードロックが実用化
- 2000年代以降：産業応用や医療用レーザ、超高速分光への利用が拡大
応用例
- 超高速分光・化学反応解析
→ フェムト秒パルスで分子運動や化学反応の経過を観測 - 精密加工
→ 半導体微細加工、ガラス切断、医療用レーザ手術など - 非線形光学
→ 高次高調波発生やオプティカルコム（周波数コム）の生成 - 医療・生命科学
→ 眼科手術（レーシック）、蛍光寿命測定、顕微鏡観察
今後の展望
- フェムト秒・アト秒パルスの安定化
→ 超高速現象の観測精度向上 - 小型化・低コスト化
→ 産業・医療現場での普及促進 - 新規材料開発への応用
→ ナノ加工や光学材料の開発に利用 - 量子情報・通信分野への応用
→ 高精度タイミング制御や量子光源への展開
まとめ
モードロックレーザは、複数のレーザモードを位相同期させて極めて短いパルスを作り出すレーザです。
ポイントは、
- フェムト秒～ピコ秒単位の超短パルス光を生成
- 高ピークパワーで非線形光学や精密加工に最適
- アクティブ・パッシブのモード同期方式で制御可能
- 医療、化学、光学研究など幅広い応用が期待される技術
現代のレーザ科学・光技術において欠かせない重要な技術です。
