理研の2人の物理学者は、ピーク出力6テラワット（6兆ワット）の極めて短いレーザーパルスを実現した。これは、原子力発電所6基で生成される出力にほぼ等しい。 アト秒レーザーのさらなる発展に貢献するこの成果により、3人の研究者は2023年のノーベル物理学賞を受賞した。 この研究はNature Photonics誌に掲載された。
カメラのフラッシュが高速で動く物体を「フリーズ」させて、写真の中で静止しているかのように見せることができるのと同じように、非常に短いレーザーパルスは超高速プロセスを照射するのに役立ち、科学者にそれらを画像化して検出する強力な方法を提供します。
たとえば、アト秒オーダー (1 アト秒=10-18 秒) のレーザー パルスは非常に短いため、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の進化を発見する新しい方法を提供します。 光ですら、ナノメートルを通過するのに約 3 アル秒かかり、非常に短い時間スケールで這うことができるようです。
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「アト秒レーザーは電子の動きを捉えることで基礎科学に大きく貢献しており、観測など幅広い分野での応用が期待されている」と話した。生体細胞の研究、新素材の開発、病状の診断などです。」
よりインパクトのある
ただし、超短レーザーパルスを生成することは可能ですが、衝撃に欠け、エネルギーが低くなります。 超短、高エネルギーのレーザーパルスを生成できれば、その用途が大幅に広がるだろう、と高橋英治氏は言う。「アト秒レーザーの現在の出力エネルギーは非常に低い。したがって、アト秒レーザーを光源として使用するには、出力エネルギーを増加させることが極めて重要である。」幅広い分野。」
音声信号を強化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、光に特異的に反応する非線形結晶を使用します。 ただし、これらの結晶をシングルサイクルレーザーパルスの増幅に使用すると、修復不可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、光が波長サイクル全体にわたって発振する前にパルスが終了します。
高エネルギー超高速赤外線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ないことです」と高橋英治氏は述べています。このボトルネックが単一サイクルのレーザーパルスに対して1-ミリジュールの壁をもたらします。 -サイクルレーザーパルスエネルギー。」
新記録の樹立
しかし、このボトルネックは現在では解消されています。 彼らは、シングルサイクルパルスを 50 ミリジュール以上に増幅しました。これは、以前の最良の結果の 50 倍以上です。 得ら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。
高橋氏は「シングルサイクルレーザーパルスを増幅する効率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た」と述べた。
高度な二重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非常に単純で、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。
高橋氏は、「シングルサイクルレーザーパルスを増幅する高度なDC-OPAは、2つの非線形結晶の組み合わせに基づいているだけなので非常にシンプルで、誰でも思いつきそうなアイデアのように感じます。このようなシンプルなコンセプトで提供できることに驚きました」と述べました。新しい増幅技術と高エネルギー超高速レーザーの開発における画期的な進歩です。」
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。 研究チームは、波長の2倍以上の波長差を持つパルスを増幅することに成功した。高橋氏は「この新しい手法は、出力エネルギーのスケーリング特性に影響を与えることなく、増幅帯域幅により超広帯域の周波数出力が可能になるという画期的な特徴を持っている」と述べた。
斬新な増幅技術
彼らの技術は、「チャープパルス増幅」と呼ばれる別の光パルス増幅技術の変形であり、米国、フランス、カナダの3人の研究者が2018年にノーベル物理学賞を受賞した。レーザーは開発を推進する技術の1つである。レーザーの。
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」と彼は言いました。これは高出力アト秒レーザーの開発における大きな前進であると考えています。」
長期的には、彼の目標はアト秒レーザーを超えて、さらに短いパルスを作成することです。
