新しいレーザー構造で物質を制御する

・研究者は、ユニバーサル・ライト・モジュレーターと名付けた新しいレーザー構造を開発し、物質の探査と制御を可能にしました。

・高出力を必要とするあらゆる主要な光通信アプリケーションにとって、ターニングポイントとなる可能性があります。

レーザーは、資料の位置合わせ、プレゼンテーション中に対象物を指す、医師による美容整形や外科手術など、様々な用途に使用されています。バーコードスキャナ、光ディスクドライブ、光ファイバー、材料の切断や溶接、エンターテイメントでのレーザー照明ディスプレイなど、日常生活で目にする数多くのものがレーザー技術を基本に作られています。

レーザーには、さまざまな方法で物質を正確に駆動、制御、探査する驚くべき力があります。ほとんどが隠れたところで機能していますが、レーザーは先端科学技術の基礎を支えています。2018年、2本のレーザー光の間にナノ粒子を閉じ込める画期的なレーザー技術「光ピンセット」は、ノーベル物理学賞を受賞しました。

最近、SLAC国立加速器研究所とスタンフォード大学の研究者たちは、物質を探査し制御するための新しいレーザー構造を開発しました。これを「ユニバーサル・ライト・モジュレーター」と呼んでいます。

レーザーで構造を洗練させる

レーザーは、まとまった光を発するので、強度や電磁波分布を他の光源よりもはるかに複雑な構造にするすることができます。例えば、独特の三次元的な強度分布（光ストレーナーやワッフルコーン）や、円筒形のベクトルビームを組み込むことができます。

そのため、汎用光変調器は先進的な光通信への応用につながる可能性を持っているのです。現在、複雑な光構造を作る信頼性の高い方法はあまりなく、光構造のプログラミングやエンジニアリングの能力を発揮することは非常に困難です。

これは、プロジェクターに使われる空間光変調器などの外部機器によってのみ使われています。しかし、これらの機器にはピークパワーと平均パワーの制限があり、大きなパワーレベルを必要とするアプリケーションを利用しようとすると、簡単にバーストしてしまいます。

今回開発したレーザーは、光構造を生成する能力に影響を与えることなく、出力制限を回避することができます。研究者らは、レーザーの構造自体にビームを設計する革新的な機能を開発しました。これは、軽量構造とパワースケーリングという2つの主要な要件を満たしています。

新しいレーザーアーキテクチャによるビーム成形 | Greg Stewart / SLAC

研究者は、実用的な光パルスを構築するために、複合ビームレットを使用しています。これは、ハニカム状の短いビームレットをいくつか組み合わせたレーザービームと考えることができ、それぞれのビームレットは、互いに干渉し合いますが、独立して制御することもできます。

ビームレットは、お互いの状態や関係などの情報を「開示」することができます。すべてのビームレットが同期していれば、どんな構造でも作ることができます。

アプリケーション

ユニバーサル・ライト・モジュレーターは、超短パルスシステム（フェムト秒やそれ以下）において非常に有用であり、洗練された構造を持つ光を技術的努力のためにどのように使用できるかについて新しい考えを生み出すことができます。高出力、マイクロ・ナノ加工、光トラッピング、光ファイバー通信、超高速陽子科学などを必要とするすべての主要なフォトニック・アプリケーションの転換点となる可能性があります。

現在、この光源を利用して、光速で進む電子ビームを制御しようとしています。これによって、新しいタイプのX線や電子の光源を作ったり、X線や電子に光の構造を転写したりすることが可能です。

また、他の取り組みも並行して実験する予定です。まず、より多くのビームレットを集積し、変調器をより高出力にアップグレードします。次に、非線形変換法を用いてフェムト秒ビームレットを他の波長に変換する方法を検討し、ハイパースペクトル組成や自然な自己共振性、マルチカラーを持つ構造化された光を生成する予定です。