高出力の超短パルスレーザからの強襲に耐える光学材料

ローラン・ガレ

近IRからUV領域までのレーザ誘起損傷しきい値の測定によって、高出力の超高速レーザの厳しさに耐える光学材料—バルクまたは薄膜形態の金属、半導体または誘電体を選択することができる。

短パルスレーザ（いわゆる超高速レーザ）は、チャープパルス増幅の出現以来、機能とアプリケーションの両面で急速な成長を遂げている。当初は最先端の基礎研究が原動力であったが、現在のフェムト秒（fs）レーザの開発は多数の産業的手法、調査、医療応用と深く結びついている。さらに、制御方法の実現によりナノメートルスケールで物質に作用して、フェムト秒分解能で事象を監視する道を開き、超高速レーザは予想を超えるパワーの研究ツールとして物理学、化学、生物学を開拓している。
　そのようなフェムト秒レーザパルスの発生と操作には、例えば、パルス伸長やスペクトル歪みを抑制する能力をもつ具体的な光学部品が必要になる。現状では、これらの光学部品のピークパワー操作能力が高出力、高性能の超高速レーザシステムの発展を妨げかねない（図1）（１）。
　光学材料のレーザ誘起損傷閾値（LIDT）の実験的測定は、基礎的な超高速レーザ研究に適した光学材料の識別に関連が深い。このLIDT情報は、光学部品の設計または理論モデルとの比較にも利用できる。
　残念ながら、公表されているLIDTデータは、一般に、レーザ損傷測定が様々な条件で行われ、それが食い違いの原因になるので、比較が困難である。このため、仏フレネル研究所でのわれわれの研究目的は、①類似条件で評価され、損傷試験された光学材料（バルクと薄膜）のレーザ損傷抵抗を比較し、②最先端の測定技術に基づいて、LIDTの波長、パルス持続時間、パルス数などのレーザ動作条件依存性を議論することである。

誘電体バルクとコーティング材料

誘電体材料の場合、材料の損傷は時間的に分離可能な一連の事象の結果である。まず、誘電体材料に非常に高いピークパワー（例えば、10TW/cm2の最大強度に相当する100フェムト秒で1J/cm2）のパルスを照射すると、材料の物理的な光イオン化（PI）と衝突イオン化（II）過程によってアバランシェ過程が引き起こされる。照射条件（波長、パルス持続時間）に応じて、PIまたはII過程のいずれかが優勢になりうる。しかしながら、フェムト秒パルスの終端では、材料内に高エネルギー自由電子が超高密度で発生するであろう。
　これらのイオン化プロセスの一環として、ホットエレクトロンガス（強い非平衡状態にある）のエネルギーは、第2ステップの数ピコ秒の時間スケールで起こる過程で格子内に移動する。次いで、照射条件と材料特性に依存する材料の局所的な物理的破壊がナノ秒ないしマイクロ秒の時間スケールの熱または機械的効果によって起きるであろう。
　エネルギー付与の物理的機構（IIとPI）は、材料とバンドギャップに直接依存する効率をもつ。したがって、そのLIDTは材料のバンドギャップ値に直接依存する（図2）。
　バルク材料の場合、フッ化物は酸化物よりも優れたレーザ損傷抵抗をもつ。もちろん、半導体材料は損傷しきい値が極めて低い。薄膜材料の場合、絶縁破壊フルエンスのバンドギャップエネルギーに対する明瞭な線形スケーリングが広範囲の材料で観察されている。しかしながら、そのLIDTは堆積技術とは関係がない。例えば、酸化ハフニウム（HfO2）試料の結果は、それらが蒸着やスパッタリングなどの異なる技術で作製された試料であるにもかかわらず、低分散である。
　材料混合物（いくつかの酸化物または酸化物とフッ化物の共蒸着）の場合には、より複雑な依存関係が観察された（2）。これらの条件下での光学材料の選択は損傷抵抗が関心事である限り明瞭であるように見えるが、次章で詳述するように、「インキュベーション」または「疲労」効果など、他にも検討すべき材料が存在する。

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出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2014/10/apl-_LFWJ201409-7.pdf