パワーvs.パルス幅のジレンマ？ 100 TWピークパワー4.3 FSサブ-双極レーザーパルスの波形の制御フィールド合成
物質の極端な状態と超高速の動的プロセスを探索するためのコアツールとして、フェムト秒のウルトラ{-短いレーザーパルステクノロジーは、最新の光学系の切断-エッジフォーカスのままです。最近、スウェーデンのウメオ大学の国際研究チームとハンガリーのELI ALPS研究センターは、強化された光パラメトリックパラメトリックパルスフィールド（OPCPA）技術を使用することにより、従来のウルトラ{-短いパルスレーザーシステムの電力-パルス幅トレード-オフを成功裏に解決しました。彼らは、100 twのピーク出力とわずか4.3 fsのパルス期間でサブ- 2 -サイクルレーザー出力を達成しました。この研究は、次の-生成アト秒科学、相対論的レーザープラズマ物理学、および極端な光学系の重要な技術的サポートを提供します。 「波形-制御されたサブ- 2つの-サイクルパルスの100 TWピーク電力レベルでのサイクルパルス」というタイトルの研究は、Nature Photonicsの最新号に掲載されました。
「最短」が「最強」を満たしている場合：パワーの解決-パルス幅取引-オフ
超高速レーザー技術は、過去数十年にわたって大きな進歩を遂げ、2つの方向に進化しました。一方では、極端な身体的状態を作成するためのより高いピークパワーを追求しています。一方、より高い時間分解能を達成するために、より短いパルス持続時間を追求します。従来のレーザーシステムの物理的な制限は、「省エネ法」のように機能します。短いパルスを達成するには、より広いスペクトル帯域幅が必要ですが、ほとんどのレーザーゲインメディアの帯域幅は限られています。より高い出力を達成するには、増幅距離が長くなり、エネルギー貯蔵が必要であり、パルス圧縮の範囲が制限されます。
従来のチタンサファイアレーザーシステムと比較して、光パラメトリックチャープパルス増幅（OPCPA）テクノロジーはより広いゲイン帯域幅をサポートし、サブ-サイクルパルスを達成することが可能になります。ただし、100 tw -レベルの出力を真に達成するために、OPCPAテクノロジーは多くの技術的課題に直面しています。超高帯域幅を維持しながら効率的なエネルギー増幅を達成する方法は？キャリアエンベロープフェーズ（CEP）の長い-用語の安定性を確保する方法は？ -パルス干渉を回避するために、十分に高い時間的コントラストを達成する方法は？
この研究作業では、著者チームは2つの方向から革新しました：コヒーレントフィールド合成とOPCPA設計の強化、パワー-パルス幅トレード-などの主要な技術的課題に体系的に対処し、位相安定性、および伝統的なウルトラが直面する時間コントラスト。
コヒーレントフィールド合成と強化されたOPCPA設計
sub -双極ウルトラ-短いパルスを生成するには、最初に十分に広いスペクトル帯域幅を生成する必要があります。チームは、シリアルコヒーレントフィールド合成技術を採用し、スペクトル範囲全体（580〜1020 nm）を別々の増幅のために2つの相補領域に分割し、続いてコヒーレント合成が続きました。図1に示すように、チームのライトウェーブシンセサイザー100（LWS100）システムは、3 -ステージ強化されたOPCPA構造を採用しています。各段階には、2つの光学パラメトリックアンプが含まれています。1つは、赤信号領域（700〜1020 nm）の増幅を担当する532 nmの第2高調波生成によって汲み上げられました。 355 nmの3番目の高調波によってポンピングされ、青色光領域（580〜700 nm）の増幅を担当します。この設計は、オーケストラのさまざまなセクションを個別にトレーニングすることに似たセグメント化された増幅を実現し、異なる周波数成分間の位相コヒーレンスを維持しながら、各スペクトルコンポーネントの効率的な増幅を確保します。
図1 LWS100の拡張OPCPAのセットアップ
システムは、- phase -マッチングボロン-ドープドープバリウムボーテ（BBO）結晶を非線形媒体として使用します。研究チームは、ブルーライト領域の-マッチング角度（θ{= 34.54程度、赤色光領域のθ= 23.73度）と非-程度を正確に制御し、異なる波長での光の同期増幅を確実にするために、-} -}角度を{= 23.73}程度に制御しました。
図2 LWS100のスペクトル測定（a）およびシミュレーション（b）進化
複数のデータメトリックは、例外的なシステムパフォーマンスを明らかにしています
極端な焦点と強度のブレークスルー
The typical spectrum of the LWS100 on a linear scale is shown in Figure 3, with a central wavelength of 780 nm. The corresponding time intensity shown in Figure 3(b) has a full width at half maximum (FWHM) duration of 4.3 fs, equivalent to 1.67 optical cycles, thus approaching the Fourier limit within a 2–3% range. This short duration confirms coherent field synthesis from two spectral ranges at the 100 TW power level, where each range alone could only support longer pulses (>7 fs）。
図3 LWS100のスペクトル、時間、および空間特性
波形の安定性とコントラスト
sub - double -サイクルレーザーパルスの場合、キャリアエンベロープ位相（CEP）の安定性が重要です。 CEPは、キャリアとエンベロープの相対相関係を説明しており、軽微な変更でさえ、レーザー-物質相互作用プロセスに大きな影響を与える可能性があります。チームは、パッシブCEP -安定したフロント-エンド設計を採用し、差分周波数生成（DFG）プロセスを通じて自然位相ロックを達成しました。図4に示すように、システムはのCEP安定性を達成します<100 mrad at the front end, and through feedback control, the overall system CEP stability reaches an excellent level of <300 mrad. During a continuous one-hour test, the system demonstrated outstanding long-term stability, with CEP drift consistently maintained within the 2π range, providing reliable assurance for attosecond science experiments requiring extremely high phase precision.
図4 LWS100の波形の安定性とコントラスト
高{-パワーレーザーシステムのもう1つの批判的メトリックは、時間的コントラスト-メインパルスとpre -パルスの強度比です。完全にOPCPAアーキテクチャと最適化されたコンポーネントレイアウトを通じて、システムは11桁を超える時間的コントラストを実現します。具体的には、最初の-ステージブルーライトアンプの後にアコースト-}光学プログラム可能な分散フィルター（dazzler）を配置することにより、パラメトリック蛍光生成は効果的に抑制され、システムのコントラストパフォーマンスが大幅に向上します。
時間的スーパー-解像度
4.3 FSのパルス時間はすでに物理的な制限に近いものの、チームは時間-解像度テクノロジーの適用の可能性も示しました。振幅をスペクトルに形作り、745〜825 nm範囲のスペクトル成分を選択的に除去することにより、パルス期間をさらに3.7 FSに減らし、真のサブ4 FSパルス出力を達成しました。その結果、ピークパワーとピーク強度は元のパルスの40％に減少しましたが、25 TWのパワーレベルは、さまざまな超高速分光法とアト秒科学実験をサポートするのに十分なままです。
図5：LWS100を使用してサブ4 FSパルスを生成する時間-解像度
この研究では、波形制御とウルトラ-相対強度を備えたサブ- double -サイクルパルスを提供する拡張光パラメトリックチャープパルスアンプを示しています。シリアルフィールド合成により、ほぼオクターブからジュール-レベルのエネルギーにわたるスペクトルの堅牢な増幅が可能になります。このようにして、4.3 FS、CEP安定性、300 MRAD未満のRMS安定性の100 tw -レベルパルスが作成されました。紙の著者であるトロムソ大学のラズロ・ベイズ教授は、「この技術のブレークスルーは、サブ-二相脈管の100 tw -レベルのパワーの最初の-の組み合わせにあります。 Attosecond Physics、極端な非線形光学、相対論的血漿物理学などのフロンティアフィールド。」
研究チームは、この技術は、繰り返し速度、帯域幅、パルス持続時間、およびエネルギーの点で潜在的なスケーラビリティを持っていることを指摘しました（より大きな横方向の寸法を持つ他の非線形結晶を使用）。将来、シリアルフィールドの合成と分散制御技術を強化することにより、ペタワットピーク電力でサブ-サイクルパルスを生成することが可能かもしれません。
