アト秒科学と強場物理学のための少サイクルYbドープレーザー源
背景紹介
アト秒科学（attosecond science）は、原子、分子、固体中の電子の超高速ダイナミクスを研究する最先端の分野です。高次高調波発生（High-Order Harmonic Generation, HHG）とアト秒パルスの実験的実現以来、アト秒科学は急速に発展し、電子ダイナミクスを研究する強力なツールとなっています。しかし、従来のチタンサファイア（Ti:Sapphire, Ti:Sa）レーザーは、高次高調波発生とアト秒パルス生成において優れた性能を発揮するものの、その高い量子欠陥と熱負荷により、高繰り返し周波数と高平均出力での応用が制限されています。近年、イッテルビウム（Ytterbium, Yb）ドープレーザーは、その低量子欠陥、高繰り返し周波数、高平均出力の特性により、アト秒科学における新たなツールとして注目を集めています。本稿では、イッテルビウムドープレーザーのアト秒科学への応用を探り、非線形圧縮、アト秒パルス生成、電界測定における最新の進展をレビューします。
論文の出典
本稿は、Tran-Chau Truong、Dipendra Khatri、Christopher Lantigua、Chelsea Kincaid、Michael Chiniによって共同執筆され、著者らは米国オハイオ州立大学（The Ohio State University）と中フロリダ大学（University of Central Florida）に所属しています。論文は2025年4月16日にAPL Photonics誌に掲載され、タイトルは「Few-cycle Yb-doped laser sources for attosecond science and strong-field physics」で、「Advances Enabled by Ytterbium: From Advanced Laser Technology to Breakthrough Applications」特集に属しています。
論文の主な内容
1. イッテルビウムドープレーザーの利点と応用
イッテルビウムドープレーザーは、その低量子欠陥と高効率性により、高繰り返し周波数と高平均出力での動作が可能で、産業応用やアト秒科学に適しています。チタンサファイアレーザーと比較して、イッテルビウムドープレーザーは、薄ディスクおよびファイバーレーザー構造において、より高い安定性と低いメンテナンス要件を示します。しかし、イッテルビウムドープレーザーの利得帯域幅は狭く、パルス持続時間が長い（>100 fsから>1 ps）ため、直接アト秒パルスを生成することはできません。そのため、イッテルビウムドープレーザーは、当初、少周期光学パラメトリック増幅器（OPA）および光学パラメトリックチャープパルス増幅器（OPCPA）システムのポンプ源として使用されていました。
2. 非線形圧縮技術
少周期パルスを生成するために、研究者たちは、中空キャピラリーファイバー（Hollow-Core Capillary Fiber, HCF）やマルチパスセル（Multi-Pass Cell, MPC）など、さまざまな非線形圧縮技術を開発しました。HCFは、レーザーパルスをガス充填キャピラリー中で伝播させ、自己位相変調（Self-Phase Modulation, SPM）を利用してスペクトルを広げ、その後、分散補償によりパルスを圧縮します。MPCは、非線形媒質中でビームを繰り返し焦点化することによりスペクトルを広げ、より高いエネルギー効率と短いパルス持続時間を実現します。近年、MPC技術は、高平均出力および高エネルギーパルスの圧縮において顕著な進展を遂げ、圧縮効率は98％に達し、パルス持続時間は数フェムト秒まで短縮されています。
3. アト秒パルス生成
アト秒パルス生成は、主に高次高調波発生（HHG）によって実現されます。イッテルビウムドープレーザーの高繰り返し周波数と高平均出力は、HHGに高い光子フラックスと短いデータ取得時間を提供し、特に低光子数を必要とする実験、例えば電子とイオンの同時検出（coincidence electron and ion detection）や表面光電子分光（surface photoemission spectroscopy）に適しています。非線形圧縮技術により、イッテルビウムドープレーザーは少周期パルスを生成し、HHGを駆動して広い連続スペクトルのアト秒パルスを生成することができます。実験では、イッテルビウムドープレーザーがヘリウムガス中で生成する高調波エネルギーは350 eVに達し、光子フラックスは10^5 photons/sに達することが示されています。
4. 電界測定技術
アト秒パルスを生成するだけでなく、超短レーザーパルスの電界波形を直接測定することも、アト秒科学に新たな研究手段を提供します。光学場サンプリング（optical field sampling）技術は、高速時間ゲートを使用して電界のサブサイクルダイナミクスを直接測定し、複雑な再構成アルゴリズムを必要としません。近年、強界応答に基づく電界測定技術（例えば、トンネルイオン化や固体中の多光子励起）は、ピコ秒から近赤外周波数範囲で環境条件下での電界測定を実現しました。これらの技術は、電子ダイナミクスや量子真空揺らぎなどの超高速現象を探るための新たな研究ツールを提供します。
論文の意義と価値
本稿は、イッテルビウムドープレーザーのアト秒科学への応用をレビューし、非線形圧縮、アト秒パルス生成、電界測定における最新の進展を紹介しています。イッテルビウムドープレーザーの高繰り返し周波数と高平均出力は、アト秒科学に新たな実験プラットフォームを提供し、高い光子フラックスと短いデータ取得時間を実現し、特に複雑な分光技術や多次元分光測定に適しています。さらに、イッテルビウムドープレーザーの安定性と効率性は、実験室規模のアト秒源として理想的な選択肢であり、アト秒技術が物理、化学、生物学などの幅広い分野で応用されることを期待されています。
研究のハイライト
- 高繰り返し周波数と高平均出力：イッテルビウムドープレーザーは、高繰り返し周波数（kHzからMHz）と高平均出力（kW級）で動作可能であり、アト秒科学に高い光子フラックスと短いデータ取得時間を提供します。
- 非線形圧縮技術：HCFおよびMPC技術により、イッテルビウムドープレーザーは少周期パルスを生成し、HHGを駆動して広い連続スペクトルのアト秒パルスを生成します。
- 電界測定技術：強界応答に基づく電界測定技術は、アト秒科学に新たな研究手段を提供し、電界のサブサイクルダイナミクスを直接測定します。
- 応用の展望：イッテルビウムドープレーザーの安定性と効率性は、実験室規模のアト秒源として理想的な選択肢であり、アト秒技術が複数の分野で広く応用されることが期待されています。
結論
イッテルビウムドープレーザーのアト秒科学への応用は、非線形圧縮、アト秒パルス生成、電界測定における大きな可能性を示しています。イッテルビウムドープレーザー技術の継続的な進化により、アト秒科学は新たな発展の機会を迎え、電子ダイナミクスの深い理解と複雑なシステムの研究を推進することでしょう。