ピーク出力6テラワット（6兆ワット）の極めて短いパルスのレーザー光は、6,000基の原子力発電所で生成される出力にほぼ等しいが、2023人の理研物理学者によって実現された。この成果は、アト秒レーザーのさらなる開発に役立ち、XNUMX 年に XNUMX 人の研究者がノーベル物理学賞を受賞しました。この研究は雑誌に掲載されています。 Nature Photonicsの.
カメラのフラッシュが急速に動く物体を「フリーズ」させ、写真の中で静止しているかのように見せるのと同じように、非常に短いレーザーパルスは超高速プロセスを照らすのに役立ち、科学者にそれらを画像化して調査する強力な方法を提供します。 。
たとえば、アト秒オーダーのレーザー パルス (10 アト秒 = XNUMX)-18 3 番目) 非常に短いため、原子や分子内の電子の動きを明らかにすることができ、化学反応や生化学反応がどのように進化するかを発見する新しい方法を提供します。光でさえ非常に短い時間スケールで移動するようで、XNUMX ナノメートルを横切るのに約 XNUMX アト秒かかります。
「アト秒レーザーは電子の動きを捉えることが可能となり、基礎科学に大きく貢献しました」と理化学研究所先端フォトニクス研究センター（RAP）の高橋英治氏は語る。 「生体細胞の観察、新素材の開発、病状の診断など幅広い分野での活用が期待されています。」
パワーとパンチ
しかし、超短レーザーパルスを生成することは可能ですが、エネルギーが低く、パンチがあまりありません。超短かつ高エネルギーのレーザーパルスを生成できれば、その用途が大幅に拡大します。 「現在のアト秒レーザーの出力エネルギーは非常に低いです」と高橋氏は言う。 「したがって、幅広い分野で光源として使用するには、出力エネルギーを増やすことが不可欠です。」
音声信号を増幅するためにオーディオアンプが使用されるのと同じように、レーザー物理学者はレーザーパルスのエネルギーを増加させるために光アンプを使用します。これらの増幅器は通常、光に対して特別な応答を示す非線形結晶を使用します。しかし、これらの結晶は、単一サイクルのレーザーパルスを増幅するために使用されると、修復不能な損傷を受ける可能性があります。単一サイクルのレーザーパルスは非常に短いため、光が全波長サイクルを通じて発振する前にパルスが終了します。
「高エネルギーの超高速赤外レーザー源の開発における最大のボトルネックは、シングルサイクルレーザーパルスを直接増幅する効果的な方法が存在しないことです」と高橋氏は説明します。 「このボトルネックにより、シングルサイクルレーザーパルスのエネルギーには1ミリジュールの障壁が生じています。」
新しい記録
さて、高橋とRAPの同僚であるLu Xuは、この壁を超えただけでなく、打ち破りました。彼らは、シングルサイクルパルスを50ミリジュールを超えて増幅しました。これは、以前のベストエフォートの50倍以上です。生成されるレーザー パルスは非常に短いため、このエネルギーは数テラワットという信じられないほど高い出力になります。
「単一サイクルのレーザーパルスを増幅する効果的な方法を確立することで、ボトルネックを克服する方法を実証しました」と高橋氏は言います。
先進デュアルチャープ光パラメトリック増幅 (DC-OPA) と呼ばれる彼らの方法は驚くほど単純で、スペクトルの相補的な領域を増幅する 2 つの結晶だけが必要です。
「シングルサイクルのレーザーパルスを増幅する高度なDC-OPAは非常にシンプルで、2種類の非線形結晶を組み合わせるだけで、誰でも思いつきそうなアイデアのように感じます」と高橋氏は言う。 「これほどシンプルなコンセプトが新たな広がりをもたらしたことに驚きました」 テクノロジー 高エネルギー超高速レーザーの開発に画期的な進歩をもたらしました。」
重要なのは、高度な DC-OPA は非常に広範囲の波長で動作することです。高橋氏と徐氏は、波長が 2 倍以上異なるパルスを増幅することに成功しました。 「この新しい方法には、出力エネルギースケーリング特性を損なうことなく増幅帯域幅を超広帯域にできるという革新的な特徴があります」と高橋氏は言う。
増幅技術
彼らの技術は、「チャープパルス増幅」と呼ばれる光パルスの別の増幅技術のバリエーションであり、この技術により、米国、フランス、カナダの 2018 人の研究者が 2018 年にノーベル物理学賞を受賞しました。そして、チャープパルス増幅がアト秒レーザーの開発を可能にした技術の2023つであるという点でXNUMX年の賞を受賞しました。
高橋氏は、彼らの技術がアト秒レーザーの開発をさらに前進させると期待している。 「私たちは、シングルサイクルレーザーパルスの強度をテラワットクラスのピークパワーまで高めることができる新しいレーザー増幅方法の開発に成功しました。」と彼は言います。 「これは間違いなく、高出力アト秒レーザーの開発における大きな進歩です。」
長期的には、アト秒レーザーを超えて、さらに短いパルスを生成することを目指しています。
「シングルサイクルレーザーと高次の非線形光学効果を組み合わせることで、ゼプト秒（10ゼプト秒 = XNUMX）の時間幅の光パルスを生成することが可能になる可能性があります。-21 2番目）」と彼は言います。 「私の長期的な目標は、ゼプト秒レーザー研究の扉をたたき、アト秒レーザーに続く次世代の超短レーザーを切り開くことです。」