理研,赤外超短パルスレーザーの新増幅法を実証

理化学研究所(理研)の研究グループは,独自の超短パルスレーザー増幅法を実証し,波長可変でありながらテラワット級のピークパワーを持つ「赤外フェムト秒レーザー」の開発に成功した(ニュースリリース)。

研究グループは,2011年に独自のレーザー増幅法「二重チャープ光パラメトリック増幅(DC-OPA)法」を提唱。今回,DC-OPA法を用いて,高出力の波長可変赤外フェムト秒レーザーの開発を行なった。その結果,出力エネルギーが100mJと,従来より100倍以上高い出力を持つレーザーシステムを実現した。

DC-OPA法において,種光と励起光間の分散量,符号の関係は,増幅効率および増幅帯域を決定する重要なパラメーターとなる。そこで,微弱な種光には音響光学素子を用いて,励起光にはチャープ調整機を用いて一定量の分散を与える。

付加された分散によりパルス幅が伸ばされた微弱な種光は,2段のDC-OPA法により非線形結晶内において約1万倍に増幅される。増幅された赤外レーザーの出力エネルギー安定度は,30分間の測定で1.0%(rms)と,10ヘルツの増幅器としては非常に高い安定性を持つことが確かめられた。

また,DC-OPA法の長所として,非線形結晶の角度を変えることで容易に増幅中心波長を変えられることもある。この研究では,非線形結晶にベータバリウムボライト(BBO)を使用することで,1.1~2.4μmまでの範囲で広い増幅帯域を保ったまま中心波長を自由に変更できることが確かめられた。

DC-OPA法で増幅された赤外レーザーは,大型プリズム対で構成されたパルス圧縮機により,音響光学素子で与えた分散量を補償され,時間圧縮される。中心波長が1.5μmのパルス圧縮の結果では,スペクトル帯域から決まるフーリエ限界パルス幅に近い44fsのパルス幅が達成された。

DC-OPA法は波長可変性を持つことから,他の中心波長条件においてもパルス圧縮のテストを行なったところ,フーリエ限界パルス幅に近いパルス幅の赤外レーザーが得られることが確かめられた。

この研究成果により今後,赤外レーザーシステムをさらに高度化することで,光子エネルギー200~500eV域において,パルス幅50アト秒以下かつギガワット級の出力を持つ高輝度アト秒レーザーを実現することができるという。さらに今後,数keV域の光子エネルギーを持つ卓上サイズのコヒーレント光源や,円偏光コヒーレント軟X線光源開発への貢献が期待されるとしている。

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