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ファイバレーザで高エネルギー超短パルス発生

March, 2, 2017, Warsaw--ワルシャワ大学物理学部とポーランド科学アカデミーの物理化学研究所、レーザセンタ(Warsaw Laser Centre of the Institute of Physical Chemistry of the Polish Academy of Sciences and the Faculty of Physics of the University of Warsaw)の研究チームは、以前は物理的に達成不可能と言われていた方法を利用して、光ファイバで超短レーザパルスを発生させた。このソリューションは有用であるばかりか、極めてシンプルである。
 独創的で実装容易なソリューションを使い、ワルシャワの光学研究者たちは光ファイバレーザで高エネルギー超短パルスを生成させた。その新しいレーザは、機械的に敏感な外部部品を持っていない。この点は、特に今後のアプリケーションにとって興味深い。特許申請中の発明は、産業用レーザ加工機による材料加工を著しく短縮するものである。
 ファイバ内のレーザ動作は、連続光ビームの生成となる。しかし、可能なかぎり最短のパルスでエネルギーを放出することは、パワーの増強を意味するので、非常に好都合である。パルスは、可飽和吸収体(サチュラブル・アブソーバ)によってファイバ内で生成される。光強度が低い時は、アブソーバは光をブロックするが、光強度が高いと光を透過させる。フェムト秒パルスでは光強度は、連続ビームの場合と比べて著しく高いのでアブソーバのパラメータを調整して、パルスが透過のみとなるようにすることができる。
 光ファイバで、生成されるフェムト秒パルスがさらに高エネルギーとなるように、研究チームは様々なタイプの可飽和吸収体を改善することにした。材料固有の特性だけでなく、ガラスの屈折率に変化を起こす非線形効果など、光学的現象を上手に利用することで機能させる。
 非線形の人工可飽和吸収体は次のように機能する。入力で直線偏向光は、低強度ビームと高強度ビームに分けられる。両方の光ビームがわずかに異なる屈折率になるようにアブソーバの媒体を選択することができる、つまりそれらがわずかに異なる(位相)速度となるように進む。その速度差の結果、偏向面が回転し始める。アブソーバの出力段に偏向フィルタがあり、これが入力光の偏向面に対して垂直に振動する波だけを透過させる。レーザが連続モードで動作している時、ビームの光は相対的に低強度であり、光パスの違いは起こらず、偏向は変わらず、出力フィルタは光をブロックする。強度が十分に高い時、一般にフェムト秒パルスでは、偏向の回転によりパルスは偏光子を通過する。
 可飽和吸収体が偏向回転で機能するには、ファイバが異なる方向で屈折率が違って (つまり複屈折) いなければならないが、両方の屈折率とも安定的でなければならない。問題は、通常の光ファイバでは複屈折が偶然に起こる、例えば指で触れることによる応力で生ずることである。このような方法で作製されたレーザは、外的要因に極めて敏感である。偏波保存ファイバの複屈折は非常に大きく、光はその中を一方向にだけ伝搬し、人工の可飽和吸収体作製は物理的に不可能となる。
 「入力光の偏波状態を維持する複屈折光ファイバは、すでに世界中で製造されている。可飽和吸収体作製にそれらがどのように利用できるかを実証したのはわれわれが初めてである。われわれは光ファイバを適切な長さに切断し、次にそれらを再結合して、先行部分と関連して個々の連続セグメントを90°回転させた」とワルシャワ大学物理学部PhD学生、Jan Szczepanekは説明している。
「回転の意味は、1つのセグメントで垂直偏向パルスがゆっくりと進むと、次のセグメントでそれはスピードが速くなって第2パルスに追いつき、垂直偏向になる。したがって、単純な手順でわれわれはエネルギーを強める過程での主要な障害を除去できる、つまり異なる偏向のパルス間の速度の大きな違い、すべての偏波保存ファイバで極一般的な障害を除去できる」とDr. Stepanenkoは説明している。
 回転セグメントが多ければ多いほど、ファイバで生成されるパルス品質はますます良くなる。研究室で作製したレーザでは、可飽和吸収体は、3セグメントに分割された約3m長のファイバとフィルタリング偏光子で構成されている。回転セグメントの可能な数は、12程度まで増やせる。
 新しいレーザは、高品質のフェムト秒パルスを生成する。そのエネルギーは、物質的アブソーバをもつレーザの典型値よりも1000倍大きくできる。人工的アブソーバを持つデバイスとの比較では、ワルシャワの研究チームが作製したレーザは、構成が遥かにシンプルであり、信頼性は著しく高い。
(詳細は、www.eurekalert.org)