原子内部の電子の動きの研究にお役立ち！超短レーザーパルス、高出力レーザーパルスの新しい発生法

・科学者らが、光パラメトリック増幅器を使用して、波の周期より短いパルスを生成。
・原子内で電子がどのように動くかを観察することが可能に。

ここ数年、高エネルギー、数周期の中赤外パルスは、2次元赤外分光、サブフェムト秒電子放出、化合物の時間分解イメージング、コヒーレント軟X線、インコヒーレント硬X線発生など、数多くの応用があるため、多くの関心を集めています。

最近、A*STAR（シンガポール科学技術研究庁）のシンガポール製造技術研究所の科学者たちが、波の周期よりも短い赤外パルスを発生するレーザー・シンセサイザーを製作しました。

これにより、研究者は原子内部の電子の動きを研究できるようになります。この超短パルスの波長は中赤外域にあたるため、様々な原子や分子に吸収されやすいのです。

新しいレーザー・シンセサイザー

原子内では、電子はあるエネルギー帯から別のエネルギー帯へとフェムト秒（10のマイナス15乗秒）あるいはアト秒（10のマイナス18乗秒）で移動します。このような例外的な時間スケールのため、科学者はこのような現象を観察・分析するために高出力の超短レーザーパルスを必要としています。

非線形結晶を生成する1つの方法は、非線形結晶に非常に短く、非常に強い赤外線パルスを照射することです。しかし、研究チームは従来の方法論を導入するだけでなく、短い中赤外パルスの生成方法を改良したのです。

波の周期よりも短いパルスを発生させるには、広いスペクトル帯域幅が必要です。これまでの研究では、このような広い帯域幅を実現するために、複数のスペクトルをカバーするパルスを組み合わせていましたが、これは非常に困難で複雑な作業です。様々なノイズ制御装置を使って、個々のパルスの相対的な振幅と位相を正確に制御する必要があるためです。

物事を非常にシンプルにするために、科学者たちは光パラメトリック増幅器と呼ばれる装置、つまり可変波長の2つのレーザーパルスを発する光源を使いました。この2つのパルスの位相と振幅は、互いに相対的に設定することができます。

彼らが開発したアンプは、非常に短い時間遅延でパルスを放出するため、ノイズ制御システムを追加することなく、広帯域幅のパルスに融合します。破壊的干渉はパルスのエッジで、建設的干渉はその中心でパルスを切断するため、最終的なパルスを波の周期よりもさらに短くすることが可能です。

画像出典：ウィーン工科大学

これらの超短パルスが特定の固体材料に照射されると、高紫外領域で高エネルギー光子の放出が誘発されます。これらの高エネルギー光子は、アト秒の時間スケールで起こる原子内部のプロセスを調べるためにさらに利用することができます。

今回の研究では、研究チームは中赤外パルスを用いて、シリコンの薄いシートに高エネルギー光子を発生させました。具体的には、2.5～9.0マイクロメートルの帯域幅をカバーする高エネルギー中赤外パルス合成器を実証し、固体中の孤立強磁場相互作用を示すために、薄いシリコン試料中で高調波発生を駆動しました。合成されたパルス幅は約12.4フェムト秒であり、約4.2マイクロメートルで0.88光周期に相当します。

次の課題は？

次の研究でチームは、他の物質から孤立電子パルスを発生させる予定であり、これにより原子内のさらなる高速プロセスの検査が可能になります。

さらに、ポンプ・レーザー技術の進歩により、中赤外サブサイクル光源をピーク出力へと押し上げ、気体媒体中の高磁場相互作用を駆動できる可能性があります。