画期的な手法で超短高出力レーザーパルスを生成

• 科学者は、光パラメトリック増幅器を使用して、波の周期より短いパルスを生成します。 
• 電子が原子内でどのように移動するかを観察するために使用できます。 

過去数年にわたり、高エネルギー、数サイクルの中赤外パルスは、2D 赤外分光法、サブフェムト秒電子放出、化合物の時間分解イメージング、コヒーレント軟 X 線、インコヒーレント硬 X 線生成など、数多くの応用例があるため、多くの関心を集めてきました。

最近、A*STAR (科学技術研究庁) シンガポール製造技術研究所の科学者たちは、波の周期よりも短い赤外線パルスを生成するレーザー シンセサイザーを構築しました。

これにより、研究者は原子内の電子の動きを研究できる可能性がある。この超短パルスの波長は中赤外線の範囲にあるため、さまざまな原子や分子に容易に吸収されます。

新しいレーザー シンセサイザー

原子内では、電子はフェムト秒 (10-15 秒) またはアト秒 (10-18 秒) で、あるエネルギー帯から別のエネルギー帯に移動します。このような並外れた時間スケールのため、科学者はそのような現象を観察し分析するには高出力の超短レーザー パルスを必要とします。

それらを生成する 1 つの方法は、非線形結晶を非常に短く、非常に強力な赤外線パルスにさらすことです。ただし、チームは従来の方法論を実装するだけでなく、短い中赤外線パルスを作成する方法を改善しました。

波の周期より短いパルスを生成するには、広いスペクトル帯域幅が必要です。これまでの研究では、プラスと複数のスペクトル範囲を組み合わせて、このような広い帯域幅を実現していましたが、これは非常に困難で複雑な作業でした。さまざまなノイズ制御機器を使用して、個々のプラスの相対的な振幅と位相を正確に制御する必要があります。

物事を非常に単純にするために、科学者たちは光パラメトリック増幅器と呼ばれるデバイス、つまり可変波長の 2 つのレーザー パルスを放射する光源を使用しました。これら 2 つのパルスの位相と振幅は、相互に相対的に設定できます。

参照:Nature Communications |土井:10.1038/s41467-017-00193-4

彼らが開発したアンプは、非常に短い時間遅延でパルスを放射するため、追加のノイズ制御システムを必要とせずに、パルスが広帯域幅のパルスに結合されます。弱め合う干渉はパルスの端でカットし、強め合う干渉は中心で発生するため、最終パルスを波の周期よりもさらに短くすることも可能です。

画像クレジット:ウィーン工科大学

これらの超短パルスが特定の固体材料に照射されると、高紫外領域で高エネルギー光子の放出が引き起こされます。これらの高エネルギー光子は、アト秒の時間スケールで起こる原子内で進行しているプロセスを調査するためにさらに使用できます。

この研究では、研究者らは中赤外パルスを使用して、シリコンの薄いシート内に高エネルギー光子を生成しました。より具体的には、彼らは2.5から9.0マイクロメートルの帯域幅をカバーする高エネルギーの中赤外パルスシンセサイザーを実証し、薄いシリコンサンプルで高調波の生成を駆動して固体内の孤立した強磁場相互作用を示しました。合成されたパルス幅は約 12.4 フェムト秒として観測され、これは約 4.2 マイクロメートルでの 0.88 光周期に相当します。

次は何ですか?

次の研究では、チームは他の材料から孤立した電子パルスを作成し、これにより原子内のさらに高速なプロセスの検査が可能になる予定です。

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さらに、ポンプ レーザー技術の進歩により、中赤外サブサイクル ソースがピーク出力に向かって押し上げられ、気体媒体中での高磁場相互作用が促進される可能性があります。