ユニバーサル光変調器：物質を精密制御するブレイクスルーレーザーアーキテクチャ

• 研究者たちが物質を探査・制御する新レーザーアーキテクチャ「ユニバーサル光変調器」を開発
• 高出力を必要とするすべての主要フォトニック応用の転換点になる可能性

レーザーは、材料の位置合わせ、プレゼンテーション中のオブジェクト指示、医師による美容・手術処置など、いくつかの目的で使用されます。日常生活で目にする多くのものがレーザー技術に基づいています。バーコードスキャナー、光ディスクドライブ、光ファイバー、材料の切断・溶接、エンターテインメントでのレーザー照明ディスプレイなどです。

レーザーは、さまざまな方法論を用いて物質を精密に駆動、制御、探査する驚異的な能力を持っています。これらは主に舞台裏で機能しますが、レーザーは先端科学技術のバックボーンです。2018年、ノーベル物理学賞が画期的なレーザー技術「光学ツイーザー」（2つのレーザービーム間にナノ粒子をトラップする技術）に授与されました。

最近、SLAC国立加速器研究所とスタンフォード大学の研究者たちが、物質を探査・制御する新しいレーザーアーキテクチャを開発しました。これをユニバーサル光変調器と呼んでいます。

レーザーは高度な構造を組み込める

レーザーは光をコヒーレントに放出するため、強度と電磁分布の観点から、他のあらゆる光源よりもはるかに複雑な構造を具現化できます。たとえば、独自の三次元強度分布（光学ストレーナーやワッフルコーン）、円筒ベクトルビームなどを持つことができます。

これらの能力により、ユニバーサル光変調器はフォトニクスの高度な応用へ新たな扉を開く可能性があります。現在、複雑な光構造を生成する信頼性の高い方法は多くなく、このような構造のプログラミングやエンジニアリングの能力を活用するのは非常に困難です。

参照: The Optical Society

これは、プロジェクタで使用される空間光変調器のような外部機器によってのみ行われてきました。しかし、これらの機器にはピーク電力と平均電力の制限があり、大きな電力レベルを必要とする応用に到達することなくバーストしてしまう可能性があります。

新しいレーザーアーキテクチャは、任意の光構造を生成する能力を損なうことなく、この電力制限を回避します。研究者たちは、ビームをレーザーアーキテクチャ自体にエンジニアリングする革新的な機能を開発しました。これにより、光構造と電力スケーリングという2つの主要要件を満たします。

新レーザーアーキテクチャによるビーム整形 | Greg Stewart / SLAC

彼らは複合ビームレットを用いて、これらのプログラマブル光パルスを構築しました。いくつかのハニカム状の短いビームレットで構成されたレーザービームと考えることができます。各ビームレットは互いにコヒーレントでありながら、独立して制御可能です。

それらは互いに状態と相対的関係を含む情報を「開示」できます。すべてのビームレットが同期されれば、一緒にあらゆる構造を生成できます。

応用

ユニバーサル光変調器は、超短時間系（フェムト秒タイムスケールおよびそれ以下）において極めて価値があります：高度な構造を持つ光が技術的取り組みを推進するためにどのように使用できるかについて、全く新しい考え方を生み出せます。高出力を必要とするすべての主要フォトニック応用、微細・ナノ加工、光学トラッピング、光ファイバー通信、超高速陽子科学の転換点になる可能性があります。

研究者たちは現在、これらの光源を用いて光速で移動する電子ビームを制御しようとしています。これにより新種類のX線と電子源を作成し、光構造をX線と電子に刻印できるようになります。

また、多数の並行的取り組みを探求する計画です。最初は、より多くのビームレットを統合し、変調器をはるかに高出力にアップグレードすること。第二に、非線形変換法を用いてフェムト秒ビームレットを他の波長に変換する方法を調査し、超スペクトル構成と自然な自己同期性、または多色を持つ構造化光を生成することです。