ETH-Zurich、記録破りのレーザパルス

November, 11, 2024, Northbrook--ETH-Zurichの研究者は、これまでで最も強力な超短レーザパルスを生成するレーザを開発した。将来的には、このような高出力パルスを精密測定や材料加工に利用できるようになる可能性がある。

レーザという言葉は、通常、強く集中した連続的な光線のイメージを思い浮かべる。実際、このような光を発するレーザは非常に一般的で有用である。しかし、科学や産業では、非常に短くて強いレーザ光のパルスも必要とされることがよくある。これらのパルスは、材料を加工したり、X線までの高調波周波数を作成したりするために使用できるため、アト秒範囲(10億分の1秒)の非常に高速なプロセスを可視化するのに役立つ。

量子エレクトロニクス研究所の教授、Ursula Kellerが率いるETH-Zurichの研究者チームは、このようなレーザパルスの新記録を樹立した:平均出力550Wで、以前の最大値を50%以上上回り、レーザ発振器によってこれまでに作成された中で最強のパルスになる。同時に、それらは非常に短く、ピコ秒未満、または100万分の1秒未満であり、毎秒500万パルスという高い速度で規則的なシーケンスでレーザから出る。短パルスは100MWのピーク電力に達する(理論的には、これは短時間で100.000台の掃除機に電力を供給するのに十分である)。研究チームは最近、科学雑誌Opticaに結果を発表した。

過去25年間、Kellerの研究グループは、イッテルビウム原子を含む結晶の厚さわずか100µmの薄い円盤をレーザ材料とする、いわゆるショートパルスディスクレーザの継続的な改良に取り組んできた。

Kellerと同教授の同僚たちは、当初はさらなるパワーの増大を妨げる新たな問題に何度も遭遇した。多くの場合、レーザ内部の様々な部品が破壊されるという壮大な事件が発生した。この問題を解決することで、産業用途でも人気のあるショートパルスレーザの信頼性を高める新たな知見が得られた。

「われわれが現在達成した、さらに高い出力と5.5MHzのパルスレートの組み合わせは、2つのイノベーションに基づいている」と、Kellerの研究室のPh.D学生、Moritz Seidelは説明している。一つには、同氏とチームは、レーザ内部の光をディスクに数回送り、レーザがアウトカップリングミラーを介してレーザから出る前に、ミラーの特別な配置を使用した。「この配置により、レーザが不安定になることなく、光を極端に増幅することができる」とSeidelは話している。

2つ目のイノベーションは、パルスレーザの目玉である半導体材料で作られた特殊なミラーで、すでに30年前にKellerによって発明され、記憶に残る略語SESAM(Semiconductor Saturable Absorber Mirror)で呼ばれている。通常の鏡とは異なり、SESAMの反射率は、SESAMに当たる光の強さに依存する。

SESAMによるパルス
SESAMを使用して、研究者はレーザを誘導して、連続的なビームではなく短パルスを送出するようにする。パルスは、光エネルギーが短時間に集中するため、強度が高くなる。レーザがレーザ光を送出するには、レーザ内部の光強度が一定の閾値を超えている必要がある。ここでSESAMの出番である:SESAMは、増幅ディスクを数回通過した光を反射し、特に光の強度が高い場合に特に効率的に反射する。その結果、レーザは自動的にパルスモードになる。

「われわれが現在達成しているのと同等の出力を持つパルスは、これまで、レーザの外側にあるいくつかの別々の増幅器を介して弱いレーザパルスを送ることによってのみ達成できた」(Seidel)。これの欠点は、増幅によって電力の変動に対応するノイズも増え、特に精密測定で問題が発生することである。レーザ発振器を直接使用して高出力を生成するために、研究チームは、SESAMミラーの半導体層に薄いサファイアウィンドウを取り付けてミラーの特性を大幅に向上させる方法など、いくつかの難しい技術的問題を解決する必要があった。「ついにそれが機能し、レーザがパルスを生成する様子を見たとき、それは実にクールだった」とSeidelはコメントしている。

アンプの代替品
Ursula Kellerもこれらの結果に感激しており、「ETH-Zurichの長年にわたる支援と、スイス国立基金による私の研究への信頼できる資金提供が、私と私の共同研究者がこの素晴らしい結果に到達するのに役立っている」と強調している。また、「これらのパルスを数サイクルの領域まで非常に効率的に短縮できると期待しており、これはアト秒パルスを生成するために非常に重要である」と続けている。

Kellerによると、新しいレーザによって可能になった高速で強力なパルスは、紫外線からX線領域の新しいいわゆる周波数コムにも応用できる可能性があり、これによりさらに正確なクロックにつながる可能性がある。「夢は、いつの日か、自然定数は結局一定ではないことを示すことだ」(Keller)。また、可視光や赤外光よりもはるかに長い波長を持つテラヘルツ放射をレーザで生成すると、たとえば材料の試験に使用できる。「全体として、われわれのパルスレーザにより、レーザ発振器が増幅器ベースのレーザシステムの優れた代替手段であり、新しくより優れた測定が可能になることを示したと言える」とKellerはまとめている。