ブレークスルー手法で超短パルス高出力レーザー生成

• 科学者たちが光パラメトリック増幅器を使用し、波周期より短いパルス生成。
• 原子内電子の動き観察に使用可能。

過去数年間、高エネルギー・少サイクル・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線およびインコヒーレント硬X線生成など多数の応用により大きな関心を集めています。

最近、A*STAR（科学技術研究機関）シンガポール製造技術研究所の科学者たちが、波周期より短い赤外パルスを生成するレーザー合成装置を構築しました。

これにより研究者たちが原子内電子の動きを研究できるようになる可能性があります。これら超短パルスの波長は中赤外範囲に属するため、様々な原子と分子に容易に吸収されます。

新レーザー合成装置

原子内では、電子が1つのエネルギーバンドから別バンドへフェムト秒（10⁻¹⁵秒）甚至アト秒（10⁻¹⁸秒）で移動します。これら例外的タイムスケールのため、科学者たちはこのようなイベントを観察・分析するために高出力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極めて強烈な赤外パルスに曝露することです。しかし、チームは従来手法を単に実装しただけでなく、短中赤外パルス生成方法を改良しました。

波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。過去の研究では複数スペクトルカバレッジを持つパルスを組み合わせてこのような大帯域幅を達成しましたが、これは非常に困難で複雑なタスクです。個々パルスの相対振幅と位相を、異なるノイズ制御装置を使用して精密に制御する必要があります。

物事をかなりシンプルにするため、科学者たちは光パラメトリック増幅器というデバイスを使用しました。これは可変波長の2つのレーザーパルスを放出する光源です。これら2パルスの位相と振幅を互いに相対的に設定できます。

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

彼らが開発した増幅器は非常に短い時間遅延でパルスを放出するため、追加ノイズ制御システムを必要とせずに広帯域幅パルスに合体します。破壊的干渉がパルス端をカットし、建設的干渉が中心で起こるため、最終パルスを波周期よりさらに短くすることが可能です。

画像クレジット：Vienna University of Technology

これら超短パルスを特定固体材料に照射すると、高エネルギー光子が高紫外領域で放出されます。これら高エネルギー光子は、アト秒タイムスケールで起こる原子内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、中赤外パルスを使用して薄いシリコンシートで高エネルギー光子を生成しました。より具体的には、2.5～9.0マイクロメートル帯域幅をカバーする高エネルギー中赤外パルス合成装置を実証し、薄いシリコンサンプルで高調波生成を駆動して固体内孤立強場相互作用を示しました。合成パルス幅は約12.4フェムト秒、約4.2マイクロメートルでの0.88光学サイクルに対応することが観測されました。

今後の展望

次の研究では、チームは他材料から孤立電子パルスを生成し、原子内さらなる高速プロセス検査を可能にします。

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さらに、ポンプレーザー技術の進歩が中赤外サブサイクルソースをピークパワー方向に押し上げ、気体媒質での高場相互作用を駆動する可能性があります。