{"@context":"https://schema.org","@type":"VideoObject","name":"【短パルス発生技術の歴史その4】01 Kerr lens mode-locking,SESAM,Chirped mirror技術の発展：はじめに（他3項目）講師：植田憲一","thumbnailUrl":"/api/ogp/image?pageType=video&teamId=9XMOvovx4bXNNl6izejmLEs88sg1&contentId=7ee8eed2-5f55-4ee2-a5aa-c51f40da3cc5","uploadDate":"2024-06-01T15:01:58+00:00","description":"

【はじめに】

【KLM 技術と SESAM, Chirped Mirror 技術】

前回紹介したように Sibbett がやってのけたマジックモードロックは、その後、レーザー光によるレーザー媒質そのものの自己位相変調効果によるモードロックであり、一旦、モードロック状態になると、それは安定に位相同期パルスを発生することがわかった。

マジックモードロックと呼ばれた理由は 2 つあり、その一つは、ミラーに衝撃を与えることでモードロック状態に移行したが、当初はメカニズムが不明であったこと。そして、モードロックが共振器を不安定にして開始するということ自身、これまでのレーザー技術からすると常識外れだったことである。にも拘らず、60fs という超短パルスをレーザー共振器から直接出力するのは、素晴らしいことだった。ただ、過飽和吸収体を使ったそれまでのモードロック技術に比べて、自己スタートしないという問題点を持っていた。その後、考案されたようなミラーシェイカーのような技術は、レーザー共振器を不安定に指せる可能性があるので、当然、もっと安定に自己スタートさせる技術が必要となった。

さらに、自己スタート可能な SESAM が開発され、群速度分散を補償できる ChirpedMirror という人工的技術が開発されて、短パルスレーザーは数サイクルパルスの発生につながっていくのである。

今回はそのような努力を紹介することにする。

【短パルス発生技術の発展−能動生業と受動制御、人工原子技術へ】

これまで、レーザーの短パルス発生技術について、Q スイッチ、モードロック、色素レーザーなどについて、歴史的な発展を見てきた。それらを俯瞰的に見てみると、図に示したように、回転プリズム、電気光学スイッチ、過飽和吸収色素など、様々な技術が開発され、それらが相互刺激しながら、行ったり来たりしながら、パルス幅を短くしてきた。

Q スイッチのように溜め込んだエネルギーを短時間で放出する場合の限界はスイッチング速度で決まるので、機械的スイッチ→電気的スイッチ→さらに光スイッチへと変わってスイッチング速度は高速化し、それに応じてレーザーパルスは短パルス化していった。さらに Kerr Lens Mode-locking は光による物質定数の変化、屈折率をレーザー電界によって変化させることで光に変調をかけてきました。過飽和吸収色素と同じ機能を半導体技術で人工的に実現した SESAM や、群速度分散補償も、回折格子やプリズムのような従来の光学素子に依存するのではなく必要な分散特性を設計製作した Chirped Mirror で可能にするようになりました。

今回の講義では、自身の研究経験と同時に、そのような歴史を開発した研究者から直接得た情報を交えて伝えようと思います。

【Sibbett のマジックモードロック:分散補正なし】

最初は、Sibbett によるマジックモードロックの報告の再検討から始めましょう。それは1991 年のこの論文からでした。

Ar レーザー励起の Ti:sapphire レーザー実験で、ブリスター角ロッドを Z 配置のレーザー共振器で実験されています。後から考えると、この Z 配置は意味があるようです。直線型のレーザー共振器では、マジックモードロック発振は発生しなかったかもしれません。Z共振器なので、TiS 結晶内部における集光点にはアスティグマチズム、つまり非点収差が発生しており、光の自己位相変調の結果、よりきれいなモードで発振することで、KLM が可能になったように見えるからです。それはともかく、実験では共振器内に複屈折フィルター、または可変スリットが挿入されており、これもあとから見ると、可変スリットによって空間モードに制限を加えることで、自己位相変調効果が強調される条件に近づけたように見えます。

Z 共振器の腕を 1.5-2 m に延長して、ミラーに小さな機械的摂動を加えると、モードロック状態に移行しました。その時のパルス幅は右に示したように 20 ps 程度と従来のモードロックパルスと変わりませんでした。