シングルサイクルレーザーをTW級のピーク出力に高強度化できるレーザー増幅法を開発理化学研究所

理化学研究所は2023年12月19日、同所光量子工学研究センターの研究チームが、シングルサイクルレーザーをテラワット（TW）級のピーク出力にまで高強度化できる、新しいレーザー増幅法を開発したと発表した。アト秒レーザー開発や、高強度光科学研究への貢献が期待される。

高次高調波発生と呼ばれる波長変換法を用いたアト秒レーザーは、電子の動きを捉えることを可能にしたことで基礎科学へ大きく貢献してきたが、次のステージとして、細胞観察や新素材開発、医療診断などさまざまな分野での利用展開が期待されている。しかし、現状のアト秒レーザーは、出力エネルギーが極めて低く、光源として幅広い分野で利用するためには、アト秒レーザーの高出力化が課題となっていた。

アト秒レーザーが低出力である理由の一つには、光電場の振動回数が1回程度しかない特殊な励起レーザーを用いて発生させる必要があることが挙げられ、アト秒レーザーの高出力化には励起光の高出力化が必須となっている。しかし、シングルサイクルレーザー光を高強度に増幅できるレーザー技術は存在しなかった。

1サイクル程度の光電場振動を持つレーザー光の出力
赤丸は各レーザー手法名とともにこれまでに実現された出力エネルギーを示した。今回開発された高出力化法（青丸）によって、従来と比較して50倍を超えるシングルサイクルレーザー光の高出力化を実現した。

研究チームは今回、DC-OPA法を基本原理としつつ、そのレーザー増幅媒質に異なる増幅波長域を持つ非線形結晶を使用する手法を考案。それぞれの非線形結晶（非線形結晶1：酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウム（MgO:LiNbO₃）、非線形結晶2：三ホウ酸ビスマス（BiB₃O₆））が担当する波長域を分け、互いに一つの結晶ではカバーできない増幅域を補い、1オクターブを大きく超える増幅帯域を実現した。

この新手法の画期的な特徴には、DC-OPAが持つレーザー出力スケーリング特性を損なわずに、その増幅帯域を超広帯域化できることが挙げられる。

シングルサイクルレーザー光増幅の概念図
微弱なシード光（種光）をパルス伸張器によりチャープシード光に変え、二種類の非線形結晶を使用して波長域（2～3μm、1.4～2μm）を分けて、チャープポンプ光により増幅する。

DC-OPA法の励起レーザーには、ジュールクラスの出力エネルギーを持つチタンサファイアレーザーを使用し、微弱シード光（種光）とDC-OPAのためのポンプ光（励起光）を1台のレーザーから作り出している。シード光とポンプ光間の分散量（チャープ量）と符号の関係は、幅効率と増幅帯域を決定する重要なパラメーターとなる。

TW級の出力を持つシングルサイクルレーザーシステムの装置図
レーザーシステムは、1kHzの繰り返しを持つチタンサファイアレーザー（フロントエンドレーザー）、マルチパス増幅器、3段のDC-OPA部により構成されている。

開発した手法により、波長1.4～3.0μmの波長帯域を持つ中赤外光シングルサイクルレーザーの増幅によって、6TWという世界最高のピーク出力を確認した。

今回、シングルサイクルレーザーをテラワット級のピーク出力にまで高強度化できる新しいレーザー増幅法を開発したが、使用する非線形結晶や励起レーザーの変更により、サブサイクルレーザーのテラワット増幅が可能なことも示唆されている。また、シングルサイクルレーザーと高次非線形光学効果を組み合わせ、単一サイクルのX線パルスや時間幅がゼプト秒の光パルス発生も可能となる。

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