超強力超短パルスレーザーのパルス速度を変更する

パルス速度を変更する超強力超短パルスレーザー

超短パルスレーザーとは、一般的にパルス幅が数十～数百フェムト秒、ピーク出力がテラワット～ペタワット、集束光強度が10¹⁸ W/cm²を超えるレーザーパルスを指します。超短パルスレーザーとその生成される超放射源および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で幅広い応用価値を持ち、その研究成果は関連するハイテク産業、医療、環境エネルギー、国防安全保障に役立てることができます。1985年のチャープパルス増幅技術の発明以来、世界初のビートワットレーザーの登場がレーザ1996年に超短パルスレーザーが開発され、2017年には世界初の10ビートワットレーザーが完成するなど、超短パルスレーザーの研究はこれまで主に「最も強い光」を実現することに焦点を当ててきました。近年、超短パルスレーザーのパルス伝送速度を制御できれば、超短パルスレーザーのパルス幅を維持したまま、いくつかの物理アプリケーションにおいて半分の労力で2倍の成果が得られる可能性があることが研究で示されており、超短パルスレーザーの規模縮小が期待されています。レーザー装置しかし、高電場レーザー物理実験におけるその効果を向上させる。

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でピークパワーを得るために、ゲイン帯域幅を拡大することでパルス幅を20～30フェムト秒に短縮します。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ジュールであり、コンプレッサグレーティングの低い損傷閾値により、ビーム開口は一般的に300 mmより大きくなります。パルス幅20～30フェムト秒、開口300 mmのパルスビームは、特にパルスフロントの歪みなど、時空間結合歪みを帯びやすいです。図1(a)は、ビームロール分散によって生じるパルスフロントと位相フロント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」を示します。もう1つは、レンズシステムによって生じるより複雑な「時空間の曲率」です。図1(b)は、理想的なパルスフロント、傾斜したパルスフロント、および曲がったパルスフロントがターゲット上の光場の時空間歪みに及ぼす影響を示しています。その結果、集光された光の強度が大幅に低下し、超短パルスレーザーの強力な電界応用には適さない。

図1（a）プリズムと回折格子によって生じるパルスフロントの傾き、および（b）パルスフロントの歪みがターゲット上の時空間光場に及ぼす影響

超強力なパルス速度制御超短パルスレーザー
現在、平面波の円錐重ね合わせによって生成されるベッセルビームは、高電界レーザー物理学において応用価値を示しています。円錐重ね合わせパルスビームが軸対称パルスフロント分布を持つ場合、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、減速亜光速となります。変形ミラーと位相型空間光変調器を組み合わせることで、パルスフロントの任意の時空間形状を生成し、それによって任意の制御可能な伝送速度を実現することも可能です。上記の物理効果とその変調技術により、パルスフロントの「歪み」をパルスフロントの「制御」に変換し、超強力超短パルスレーザーの伝送速度変調という目的を達成することができます。

図2 重ね合わせによって生成された(a)一定の超光速、(b)一定の亜光速、(c)加速された超光速、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。

パルス波面歪みの発見は超短パルスレーザーよりも早い時期から行われていましたが、超短パルスレーザーの開発とともに広く注目されるようになりました。長らく、この歪みは超短パルスレーザーの核心的な目標である超高集光光強度の実現を阻害し、研究者たちは様々なパルス波面歪みの抑制や除去に取り組んできました。今日、「パルス波面歪み」が「パルス波面制御」へと発展したことで、超短パルスレーザーの伝送速度の制御が可能になり、高場レーザー物理学における超短パルスレーザーの応用に向けて新たな手段と可能性が開かれました。