チャープパルス増幅

チャープパルス増幅（CPA ）は、超短 レーザーパルスをペタワットレベルまで増幅する技術であり、レーザーパルスは時間的およびスペクトル的に引き伸ばされ、増幅され、そして再び圧縮される。^[1]引き伸ばしと圧縮には、パルスの異なる色成分が異なる距離を移動することを保証するデバイスが使用されます。

レーザーのCPAは、1980年代半ばにロチェスター大学のドナ・ストリックランドとジェラール・ムルーによって導入され、 ^[2]その研究により2018年にノーベル物理学賞を受賞しました。 ^[3]

CPA は、世界中のほとんどの高出力レーザーで使用されている技術です。

1980 年代半ばに CPA が導入される前は、平方センチメートルあたりギガワットの強度のレーザーパルスが自己収束などの非線形プロセスによってゲイン媒体に重大な損傷を与えるため、レーザーパルスのピーク出力は制限されていました。たとえば、最も強力な圧縮 CPA レーザービームの一部は、焦点が合っていない大きな開口部内であっても (圧縮格子を出た後) 700 GW/cm ^{2の強度を超えることがあり、これが}空気中やレーザーゲイン媒体中を伝搬すると、瞬時に自己収束してプラズマを形成するか、フィラメント伝搬を引き起こします。どちらも元のビームの望ましい品質を損ない、レーザーのコンポーネントを損傷する可能性のある後方反射を引き起こす可能性があります。レーザーパルスの強度を非線形効果のしきい値未満に保つために、レーザーシステムは大きくて高価でなければならず、レーザーパルスのピーク出力は、非常に大規模なマルチビーム施設ではギガワットレベルまたはテラワットレベルに制限されていました。

一方、CPAでは、超短レーザーパルスは、レーザーパルスの低周波成分が高周波成分よりも短い経路を進むように配置した一対の格子を使用して、ゲイン媒体に導入される前に時間的に引き伸ばされます。格子ペアを通過した後、レーザーパルスは正のチャープになります。つまり、高周波成分は低周波成分より遅れ、元のパルスよりも1000倍長いパルス持続時間を持ちます。100 000。

次に、平方センチメートルあたりギガワットの強度限界に比べて強度が十分に低い伸張パルスが、ゲイン媒体に安全に導入され、百万倍以上に増幅されます。最後に、増幅されたレーザーパルスは伸張のプロセスを逆にして元のパルス幅に再圧縮され、CPA が発明される前のレーザーシステムで生成できたものよりも桁違いに高いピークパワーを実現します。

CPAは、より高いピークパワーに加えて、レーザーシステムの小型化も可能にします（コンプレッサーが最大の部分です）。小型の高出力レーザーは、卓上テラワットレーザー（T ³レーザー、通常は1 ジュールのエネルギーCPA技術に基づいて、1 ピコ秒（1ナノ秒^{）の超高速光を生成することができる。 [4]}

コンプレッサーとストレッチャーの構築方法はいくつかあります。ただし、一般的な Ti:サファイアベースのチャープパルス増幅器では、パルスを数百ピコ秒に引き伸ばす必要があるため、異なる波長成分の経路長に約 10 cm の差が生じます。これを実現する最も実用的な方法は、グレーティングベースのストレッチャーとコンプレッサーを使用することです。ストレッチャーとコンプレッサーは、分散によって特徴付けられます。負の分散では、高周波数 (短波長) の光は、低周波数 (長波長) の光よりもデバイスを通過する時間が短くなります。正の分散では、その逆になります。CPA では、ストレッチャーとコンプレッサーの分散が打ち消される必要があります。実用的な考慮により、(高出力) コンプレッサーは通常、負の分散で設計され、(低出力) ストレッチャーは正の分散で設計されます。

原理的には、光学デバイスの分散は関数 で、 は周波数成分 が受ける時間遅延です。(位相が使用される場合もあります。ここでcは光速、 は波長です。) シード レーザーからコンプレッサーの出力までのチェーン全体の各コンポーネントが分散に寄与します。結果として得られるパルスが約 100 フェムト秒よりも短くなるように、ストレッチャーとコンプレッサーの分散を調整することは困難であることが判明しています。このためには、追加の分散要素が必要になる場合があります。 ${\displaystyle \tau (\omega )}$${\displaystyle \tau }$${\displaystyle \omega }$${\displaystyle \phi (\omega )=2\pi \tau (\omega )c/\lambda (\omega )}$${\displaystyle \lambda }$

図 1 は最も単純な格子構成を示しており、長波長成分は短波長成分よりも長い距離を移動します (負の分散)。多くの場合、格子は 1 つだけ使用され、追加のミラーによってビームが格子に当たる回数が図に示すように 2 回ではなく 4 回になります。

このセットアップは、高強度パルスを扱う際に望ましくない副作用を引き起こす可能性のある透過コンポーネントを含まないため、通常はコンプレッサとして使用されます。分散は、2 つのグレーティング間の距離を変更することで簡単に調整できます。このようなコンプレッサによって導入される分散は、グループ遅延分散 (GGD)、3 次分散 (TOD) などの分散オーダーで説明されることがよくあります。図 2 は、溝密度、入射角、および法線グレーティング間隔 のグレーティング コンプレッサの分散オーダーを示しています。これは、 Donna StricklandとGérard Mourou (1985)による元の設計で説明されており、 ^[2] Lah-Laguerre 光学形式(高次の分散の一般化された定式化)を使用して評価されています 。 ^{[5] [6]}${\displaystyle \sigma =1700\;\mathrm {lines/mm} }$${\displaystyle \theta _{in}=65^{\circ }}$${\displaystyle L=25\;\mathrm {cm} }$

図 3 は、ここではレンズとして示されている集束要素を含む、より複雑な格子構成を示しています。レンズは、互いに距離を置いて配置され (1:1 望遠鏡として機能します)、格子から距離を置いて配置されます。 の場合、セットアップは正分散ストレッチャーとして機能し、 の場合は負分散ストレッチャーとして機能します。このケースは、フェムト秒パルス成形で使用されます。通常、集束要素は、レンズではなく、球面ミラーまたは円筒ミラーです。図 1 の構成と同様に、追加のミラーを使用し、2 つの別々の格子ではなく 1 つの格子を使用することも可能です。このセットアップでは、ビーム径が望遠鏡の長さに比べて非常に小さい必要があります。そうでない場合、望ましくない収差が発生します。このため、低強度のシード パルスを小径のビームにコリメートできるため、通常は増幅ステージの前のストレッチャーとして使用されます。 ${\displaystyle 2f}$${\displaystyle L}$${\displaystyle L<f}$${\displaystyle L>f}$${\displaystyle L=f}$

図 4 に示すように、分散要素として格子ではなくプリズムを使用することもできます。このような単純な変更にもかかわらず、セットアップの動作はまったく異なり、第 1 オーダーではグループ遅延分散は導入されません。このようなストレッチャ/コンプレッサーは、プリズムの形状と材料特性に応じて、正または負の分散を持つことができます。レンズを使用すると、図 3 と同様に、分散の符号を反転できます。分散要素間の距離が一定であれば、プリズムは格子よりもはるかに少ない分散を生成します。プリズムと格子を組み合わせて高次の分散 (「グリズム」) を補正することもあります。この場合、プリズム間の距離は格子コンプレッサーの場合の 50 cm ではなく、10 m 程度になります。格子は他のオーダーでパワーを失いますが、プリズムはレイリー散乱によりパワーを失います。一例として、図 5 に、第 1 プリズムの可変挿入深度 に対する石英ガラスプリズムペアコンプレッサの分散オーダーを示します。分散は、高次分散の一般化された定式化であるLah-Laguerre 光学形式を使用して、 スペクトル帯域幅 の におけるレーザーパルスに対して評価されます。 ^{[5] [6]}ブリュースター入射角付近でのコンプレッサパラメータは、プリズム間の法線距離、第 2 プリズムの挿入深度、 および石英ガラスプリズムの頂角 です。特定の値は、プリズムの材質、対象の波長、およびコンプレッサパラメータによって異なります。 ${\displaystyle \ell _{1}}$${\displaystyle 780{\text{ nm}}}$${\displaystyle \Delta \lambda =30{\text{ nm}}}$${\displaystyle L=30{\text{ cm}}}$${\displaystyle \ell _{2}={\text{1 mm}}}$${\displaystyle \lambda _{min}}$${\displaystyle \alpha =69.06^{\circ }}$

レーザー増幅器からのチャープパルスは位相共役鏡^[7]からの反射によって位相同期され 、輝度を増加させることができる。この目的のためには縮退四波混合カー位相共役が関連している。^[8]${\displaystyle N}$${\displaystyle N^{2}}$

パルスの伸張と圧縮には他の技術も使用できますが、分散量が限られていることと、高強度パルスを処理できないことから、CPA の主な伸張器/圧縮器としては適していません。

• パルスは、200 mm ガラスなどの透明な材料の厚い板を伝搬するだけで引き伸ばすことができます。プリズムと同様に、物理的に実用的な寸法内では限られた量の分散しか実現できません。可視光スペクトル外では、正の分散と負の分散の両方の材料が存在します。可視および近赤外線の波長では、ほぼすべての透明材料が正の分散を持っています。ただし、ガラス ファイバーは、ニーズに合わせて分散を調整できます。
• 一対のチャープミラーまたは類似のデバイス間の 1 つまたは複数の反射により、あらゆる形態のチャープが可能になります。これは、高次の補正を行うために他の技術と組み合わせて使用​​されることがよくあります。
• Dazzlerは、光が音波から回折される商用パルス シェーパーです。音波のタイミング、周波数、振幅を調整することで、最大数ピコ秒の遅延で任意の分散関数を導入できます。
• 図 3 のストレッチャーの焦点面に位相シフト マスクを配置すると、追加の分散が導入されます。このようなマスクはLCDアレイにすることができ、ピクセルの電圧を変更することで位相シフトを調整できます。これにより、最大数十ピコ秒の遅延で任意の分散関数を生成できます。このようなセットアップはパルス シェーパーと呼ばれます。

CPA は、約 500 TW の国立点火施設を除く、世界の最高出力レーザー (約 100テラワット以上 ) のすべてで使用されています。これらのレーザーの例としては、ラザフォード・アップルトン研究所中央レーザー施設のバルカン レーザー、ネブラスカ大学リンカーン校のディオクレス レーザー、大阪大学レーザー科学研究所の GEKKO XII 施設のGEKKO XIIレーザー、ロチェスター大学レーザーエネルギー研究所のOMEGAおよびOMEGA EPレーザー、ローレンス・リバモア国立研究所の旧ノヴァ レーザーの現在は解体されたペタワット ラインなどがあります。ジェラール・ムルは、 CPA を使用して高エネルギーで持続時間の短いレーザー パルスを生成し、ターゲットに含まれる高放射性物質を変換して、その半減期を数千年から数分に大幅に短縮することを提案しました。^{[9] [10]}

これらの最先端の研究システムとは別に、ピーク出力が 10 ～ 100 ギガワットの Ti:サファイアベースの CPA を販売している商業メーカーも数多くあります。

• フェムトテクノロジー
• 群速度
• モードロック
• ラマン増幅
• 再生増幅