レーザーの新たな革命「フェムト秒技術」

　超短パルスレーザーは1960年代半ばに開発され，その後，飛躍的に改良が進んだ。特に，過去10年間では，10フェムト秒より短いパルスを放つレーザーが開発され，小型で用途が広い新世代の超短パルスレーザーも登場した。旧世代の極短パルスレーザーは大型で，動作が不安定で，出力不足だったのに比べると，まさに革命的な変化だ。

　こうした新世代レーザーは高度な非線形光学現象や，同時に開発が進んだ半導体レーザーの成果を取り入れている。レーザーを産業や医療分野に応用するには厳しい仕様や信頼性が求められ，その要求は一段と厳しくなっている。新型レーザーはこうした要求を満たせる水準になってきた。

　21世紀になると，超短パルスレーザーはより広い分野に応用され，その重要性も高まるだろう。レーザーの波長はエックス線からT線（赤外線よりも波長の長いテラヘルツ放射）まで幅広く及び，レーザー光のピーク出力もペタ（1ペタは1兆）ワットというとてつもない大きさになるだろう。これを利用して，物理学や化学，生物学，デジタル光技術などの分野で新しい応用技術が数多く生まれ，科学界や産業界で世界的な関心を引きつけるに違いない。

　超短パルスレーザーの多くは，パルス1つ1つが瞬間的に放つきわめて高い出力を利用している。レーザーの平均出力はかなり小さく，1つのパルスがもつエネルギーの総量も小さいが，それぞれのパルスの持続時間が非常に短いため，瞬間的なピーク出力はきわめて高くなる。

　典型的な超短パルスレーザーの場合，パルス同士の間隔はパルス自体の持続時間の10万倍も長い。この結果，ピーク出力も平均出力の10万倍になる。例えば，100フェムト秒のパルスが3マイクロジュールのエネルギーをもっていたとする。このエネルギーでは1滴の水を100万分の１℃暖めるのさえ難しい。しかし，このパルスのピーク出力は30メガワットにも達する。

　これだけ高い出力をごく小さい領域に集中して照射すると，ほとんどの物質は溶けてしまう。このため，超短パルスは，機械の微細加工やせん孔，切削の有力な道具になる。パルス強度を適切に決め，ビームの最も明るい中央部分のエネルギーが物質の蒸発限界をわずかに超えるようにすれば，ビームの太さより狭い範囲を精密に加工できる。

　パルスによるこうした精密加工技術は，ダイヤモンドやチタンカーバイド，歯科用エナメルの加工などで裏付けられた。驚いたことに，パルスレーザーは高性能爆薬を安全に薄く切断できる。パルスを照射した部分の物質だけが蒸発し，その周囲の材料は爆発しないですむからだ。この手法を兵器の破棄などに応用すれば，実用的な技術になるだろう。

再録：別冊日経サイエンス202「光技術　その軌跡と挑戦」