20フェムト秒未満の可視光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、調整可能なメガワットレベルの20フェムト秒以下の可視光調整可能な光子の開発に成功したと発表した。パルスレーザー光源この超高速パルスレーザー光源はファイバーレーザーこのシステムは、調整可能な波長、超短時間、39ナノジュールものエネルギー、2メガワットを超えるピーク電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、産業処理などの分野でまったく新しい応用の可能性を切り開きます。
この技術の核心は、「利得管理非線形増幅（GMNA）」と「共鳴分散波（RDW）放出」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、通常、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かさばり、保守が難しいだけでなく、繰り返し周波数と波長範囲が低いという制約もありました。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、コストと複雑さを大幅に削減します。これにより、4.8MHzという高い繰り返し周波数で、20フェムト秒未満、400～700ナノメートル以上に波長可変な高出力パルスを直接生成できます。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、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光ファイバ発振器をシード光源として用いた。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、物理的飽和吸収体による劣化の問題も回避する。前置増幅とパルス圧縮の後、シードパルスはGMNA段に導入される。GMNAは、光ファイバにおける自己位相変調と縦非対称利得分布を利用することでスペクトル広がりを実現し、ほぼ完全な線形チャープを持つ超短パルスを生成する。この超短パルスは、最終的にグレーティングペアを通して40フェムト秒未満に圧縮される。RDW生成段では、研究者らが独自に設計・製造した9共振器反共鳴中空コア光ファイバを用いた。この種の光ファイバは、ポンプパルス帯域および可視光領域における損失が極めて低く、ポンプ光から分散光へのエネルギー変換を効率的に行うことができ、高損失共振帯域による干渉を回避できる。最適条件下では、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、最短パルス幅は13フェムト秒、ピークパワーは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まで容易に拡張でき、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も新たな局面を切り開きます。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、このコンパクトで高効率、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、高い繰り返し周波数、ピークパワー、超短パルスが求められる用途において、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と比較して、間違いなく競争力が高く、大きな普及の可能性を秘めています。
今後、研究チームは、複数の自由空間光学部品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、システムをさらに最適化し、システムの小型化と集積化を実現する予定です。さらに、さまざまな種類の反共鳴ファイバーへの適応、ラマン活性ガス、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、赤外線など複数の分野に対応するオールファイバー、広帯域、超高速レーザーソリューションを提供できると期待されています。
図1. パルスレーザーの調整の模式図
投稿日時: 2025年5月28日