20フェムト秒以下の可視光波長可変パルスレーザー光源

20フェムト秒以下の可視光波長可変パルスレーザー光源

最近、英国の研究チームが革新的な研究を発表し、メガワットレベルの20フェムト秒以下の可視光可変波長レーザーの開発に成功したと発表した。パルスレーザー光源このパルスレーザー光源は超高速です。ファイバーレーザーこのシステムは、波長調整可能で、超短時間のパルス、最大39ナノジュールのエネルギー、そして2メガワットを超えるピーク出力を持つパルスを生成することができ、超高速分光法、生物学的イメージング、工業プロセスなどの分野に全く新しい応用可能性を切り開きます。

この技術の核心は、「ゲイン管理型非線形増幅（GMNA）」と「共鳴分散波（RDW）放射」という2つの最先端手法の組み合わせにあります。従来、このような高性能で波長可変な超短パルスを得るには、高価で複雑なチタンサファイアレーザーや光パラメトリック増幅器が必要でした。これらの装置は、高価で大型でメンテナンスが困難なだけでなく、繰り返し周波数と波長可変範囲も限られていました。今回開発されたオールファイバーソリューションは、システムアーキテクチャを大幅に簡素化するだけでなく、コストと複雑さも大幅に削減します。これにより、4.8 MHzという高い繰り返し周波数で、20 フェムト秒以下のパルスを直接生成し、波長を400～700ナノメートル以上に調整し、高出力パルスを生成することが可能になります。研究チームは、精密に設計されたシステムアーキテクチャによってこの画期的な成果を達成しました。まず、シード光源として、非線形増幅リングミラー（NALM）に基づく完全偏波保持モード同期イッテルビウムファイバー発振器を使用しました。この設計は、システムの長期安定性を確保するだけでなく、物理的に飽和した吸収体の劣化問題も回避します。前置増幅とパルス圧縮の後、シードパルスはGMNAステージに導入されます。GMNAは、光ファイバーにおける自己位相変調と縦方向非対称利得分布を利用してスペクトル広帯域化を実現し、ほぼ完全な線形チャープを持つ超短パルスを生成し、最終的にグレーティングペアによって40フェムト秒未満に圧縮されます。RDW生成ステージでは、研究者らは独自に設計・製造した9共振器反共振中空コアファイバーを使用しました。この種の光ファイバーは、ポンプパルス帯域と可視光領域で極めて低い損失を持ち、ポンプから分散波へのエネルギーの効率的な変換を可能にし、高損失共振帯域による干渉を回避します。最適な条件下では、本システムから出力される分散波パルスエネルギーは39ナノジュールに達し、最短パルス幅は13フェムト秒、ピーク出力は2.2メガワット、エネルギー変換効率は13%に達します。さらに注目すべきは、ガス圧とファイバーパラメータを調整することで、システムを紫外線および赤外線帯域に容易に拡張でき、深紫外線から赤外線までの広帯域チューニングを実現できることです。

この研究は、フォトニクスの基礎分野において重要な意義を持つだけでなく、産業分野や応用分野においても新たな可能性を切り開くものです。例えば、多光子顕微鏡イメージング、超高速時間分解分光法、材料加工、精密医療、超高速非線形光学研究といった分野において、この小型で高効率かつ低コストな新型超高速光源は、ユーザーにこれまでにないツールと柔軟性を提供します。特に、高繰り返し周波数、高ピーク出力、超短パルスが求められる場面では、この技術は従来のチタンサファイアや光パラメトリック増幅システムに比べて、間違いなく競争力が高く、普及の可能性も大きいと言えます。

今後、研究チームは、複数の自由空間光コンポーネントを含む現在のアーキテクチャを光ファイバーに統合したり、現在の発振器と増幅器の組み合わせを単一のマミシェフ発振器に置き換えたりするなど、システムの小型化と集積化を実現するために、システムのさらなる最適化を計画している。さらに、異なる種類の反共振ファイバーへの対応、ラマン活性ガスや周波数倍増モジュールの導入により、このシステムはより広い帯域に拡張され、紫外線、可視光、赤外線などの複数の分野向けに、オールファイバー、広帯域、超高速レーザーソリューションを提供することが期待される。

図1．パルスレーザーのチューニングの概略図