超強力超短パルスレーザーのパルス速度を変える

パルス速度を変更する超強力超短パルスレーザー

超極短レーザーとは、一般的にパルス幅が数十フェムト秒から数百フェムト秒、ピーク出力がテラワットからペタワット、集光強度が1018W/cm2を超えるレーザーパルスを指します。超極短レーザーとそこから発生する超放射線源、高エネルギー粒子源は、高エネルギー物理学、素粒子物理学、プラズマ物理学、原子核物理学、天体物理学など、多くの基礎研究分野において幅広い応用価値を有しており、その科学研究成果は、関連するハイテク産業、医療保健、環境エネルギー、国防安全保障などに貢献することができます。1985年にチャープパルス増幅技術が発明されて以来、世界初のビートワットレーザーが登場しました。レーザ1996年の超短パルスレーザーの発明から2017年の世界初の10ビートワットレーザーの完成まで、超短パルスレーザーのこれまでの焦点は主に「最も強い光」の実現にありました。近年の研究では、超短パルスレーザーのパルス伝送速度を制御できれば、一部の物理的応用において半分の労力で2倍の効果が得られる可能性があることが示されており、超短パルスレーザーの規模を縮小することが期待されています。レーザー装置、高場レーザー物理実験における効果が向上します。

超強力超短パルスレーザーのパルス波面の歪み
限られたエネルギー下でピークパワーを得るために、利得帯域幅を拡大してパルス幅を20～30フェムト秒に狭める。現在の10ビークワット超短パルスレーザーのパルスエネルギーは約300ジュールで、コンプレッサ格子の損傷閾値が低いため、ビーム開口は一般に300mm以上となる。20～30フェムト秒のパルス幅と300mmの開口を持つパルスビームは、時空間結合歪み、特にパルス波面の歪みを生じやすい。図1（a）は、ビーム役割分散によって引き起こされるパルス波面と位相波面の時空間分離を示しており、前者は後者に対して「時空間傾斜」を示している。もう1つは、レンズシステムによって引き起こされる、より複雑な「時空間の曲率」である。図図1（b）は、理想的なパルス波面、傾斜したパルス波面、および曲がったパルス波面が、対象物上の光照射野の空間的・時間的歪みに与える影響を示しています。その結果、集光された光強度は大幅に低下し、超短パルスレーザーの強力な照射野への応用には適していません。

図1 (a) プリズムと格子によって生じるパルス波面の傾き、および (b) パルス波面の歪みがターゲット上の空間時間光場に与える影響

超強力パルス速度制御超短レーザー
現在、平面波の円錐状重ね合わせによって生成されるベッセルビームは、高場レーザー物理学において応用価値を示している。円錐状に重ね合わせたパルスビームが軸対称のパルス波面分布を持つ場合、図2に示すように、生成されるX線波束の幾何学的中心強度は、一定超光速、一定亜光速、加速超光速、減速亜光速となる可能性がある。可変形状ミラーと位相型空間光変調器を組み合わせることで、任意の時空間形状のパルス波面を生成し、任意の制御可能な伝送速度を生み出すことができる。上記の物理的効果とその変調技術は、パルス波面の「歪み」をパルス波面の「制御」に変換し、超強力超短パルスレーザーの伝送速度を変調するという目的を実現することができる。

図2 重ね合わせによって生成された（a）一定光速超、（b）一定亜光速、（c）加速された光速超、および（d）減速された亜光速の光パルスは、重ね合わせ領域の幾何学的中心に位置する。

パルスフロント歪みの発見は超極短レーザーよりも古いものですが、超極短レーザーの発展とともに広く関心を集めてきました。しかし、長らく超極短レーザーの核心目標である超高集光強度の実現には繋がらず、研究者たちは様々なパルスフロント歪みの抑制や除去に取り組んできました。今日、「パルスフロント歪み」は「パルスフロント制御」へと発展し、超極短レーザーの伝送速度の制御を実現し、高電場レーザー物理学における超極短レーザーの応用に新たな手段と新たな機会をもたらしました。