Ti:Sapphireレーザー（チタンドープサファイアレーザー）は、チタンイオン（Ti³⁺）をドープした合成サファイア結晶を利得媒質として使用する、汎用性が高く波長可変の固体レーザーです。超短（フェムト秒）パルスの生成と、広範囲に波長可変な連続波（CW）光の出力において、現代光学の代表的なレーザーとして広く認められています。
動作原理
その動作は、サファイア母体結晶格子内のチタンイオンのエネルギー準位遷移に基づいています。
- 励起： Ti:Sapphire結晶は、別の光源で光励起する必要があります。通常は、緑色レーザー（アルゴンイオンレーザーや、532 nmで動作する周波数倍増Nd:YAGレーザーなど）を使用します。
- 吸収と発光： 結晶は緑色光を強く吸収し、チタンイオンをより高いエネルギー状態に励起します。イオンが基底状態に戻る際に、光子を放出します。
- 振電遷移： チタンイオンのエネルギー準位はサファイア結晶格子の振動モードと結合しているため（振電遷移）、このレーザーは非常に広い発光帯域を示し、単一の固定色ではなく広範囲の波長を生成できます。
物理構造
標準的なTi:Sapphireレーザーシステムは、精密にアライメントされた共振器内に配置された複数の主要光学部品で構成されます。
- 利得媒質： 円筒形または長方形に切り出したTi:Sapphire結晶。
- 励起レーザー：エネルギーを供給するために利得媒質へ入射させる外部の緑色レーザー。
- 光共振器： 高反射エンドミラーと部分透過型の出力結合ミラーによって共振器が形成されます。
- 波長選択素子: 波長可変CWシステムでは、複屈折フィルターやエタロンなどの部品を光路に挿入し、特定の出力波長を選択します。
- 分散補償：パルスシステムでは、対になったプリズムまたは特殊コーティングを施した「チャープ」ミラーを共振器内に配置し、異なる波長の分散を制御してパルス幅を短く保ちます。
主要な光学指標
- 波長調整範囲: 非常に広く、通常は660 nmから1180 nmまで調整可能です。
- ピーク波長: 最大効率は約800 nmで得られます。
- パルス幅: 通常は100フェムト秒未満、高度に最適化されたシステムでは10フェムト秒未満の超短パルスを生成できます。
- 繰り返し周波数: モード同期発振器は通常、約80 MHz（毎秒約80百万パルス）で動作します。
- 平均出力: 発振器は通常、数百ミリワットから数ワットの出力を生成します。
分類と種類
- 連続波（CW）Ti:Sapphire： 連続出力ビームで動作します。高分解能分光法など、非常に特定された狭線幅の波長可変光が必要な場合に主に使用されます。
- モード同期（超高速）Ti:Sapphire： 最も一般的な構成です。カー・レンズ・モード同期と呼ばれる技術を使用し、レーザーから連続ビームではなく、高強度の超短光パルス列を放出させます。
- 増幅Ti:サファイアシステム: チャープパルス増幅（CPA）を使用し、発振器からの微弱な短パルスを時間的に伸長して大幅に増幅した後、再び圧縮します。これにより、高強度物理研究向けの極めて高エネルギーなパルスを生成します。
用途
- 多光子顕微鏡法: ~800 nmの近赤外光は組織への透過性が高く、細胞への損傷が最小限に抑えられるため、生物学分野で深部組織のイメージングに広く使用されています。
- 時間分解分光： 化学者や物理学者は、フェムト秒の時間スケールで発生する化学反応や電子ダイナミクスを観測できます。
- テラヘルツ波の生成： セキュリティ検査や材料分析に使用するテラヘルツ放射の生成および検出に用いられます。
- 精密計測: 世界最高精度の光時計を支える技術である光周波数コムの生成に不可欠です。
実用例：二光子蛍光顕微鏡法
実際の研究室では、神経科学者がモード同期Ti:Sapphireレーザーを使用して、生体脳組織を観察することがあります。レーザーを900 nmに調整し、顕微鏡の対物レンズを通して照射します。光は超短パルスかつ高強度のフェムト秒パルスであるため、2個の900 nm光子が脳組織内の蛍光分子に同時に当たることがあります。分子は両方の光子を吸収してそのエネルギーを合わせ、より高エネルギーの可視光子を1個放出します（例：450 nmの緑色光）。この「二光子」効果は、レーザーの厳密かつ微小な焦点でのみ発生します。これにより、組織を切断することなく、脳深部のニューロンを鮮明な3Dマップとして構築できます。
