世界最強のレーザーが発動！チャープパルス増幅とは何ですか?

世界最強のレーザーが発動！チャープパルス増幅とは何ですか?

ジ・ヤン

2024年4月、ルーマニアのハイテクセンターが最近、世界で最も強力なレーザーを稼働させたと報道されました。私たちは皆、レーザーについて聞いたことがあり、それが非常に強力な光源であることを知っています。発する光はレーザーであり、強度が高く、指向性も良好で、用途も広いのが特徴です。しかし、このニュースに反映されている「世界で最も強力なもの」はどこにあるのか？それはどのように達成されるのでしょうか?みなさんこんにちは。私はJi Yangです。今日はこれらのことについてお話します。

光を発するものは光源であり、エネルギーを光に変換します。たとえば、燃えるろうそくは化学エネルギーを光に変換し、明るい太陽は原子エネルギーを光に変換し、発光ダイオードは電気エネルギーを光に変換します。これらの光の強さをどのように比較するのでしょうか?これには、光のエネルギー、照射される領域、照射時間など、いくつかの要素を考慮する必要があります。

まずエネルギーについて考えましょう。ルーマニアのレーザーはパルスレーザーを放射し、各レーザーパルスのエネルギーは約10ジュールで、これは1メートルの高さのテーブルから地面に落ちた大きなコカコーラのボトル（約1キログラム）によって得られるエネルギーに相当します。足に当たると少し痛いですが、我慢できる程度です。

次に照射エリアです。同じエネルギーを異なる領域に適用すると、効果は大きく異なります。これは、手で画鋲を押したときと同じ原理です。画鋲のキャップに作用する力は、画鋲の先端に作用する力と同じですが、指が傷つくことなく、画鋲をボードに押し込むことができます。通常の光源から発せられる光はあらゆる方向に進みますが、レーザーは指向性が優れています。光のエネルギーは非常に狭い範囲に集中できるため、強度（一般に光強度とも呼ばれる）は非常に大きくなります。 4月の正午、手のひらサイズの地面は毎秒約10ジュールの太陽光エネルギーを受け取りますが、ルーマニアのレーザーのビーム幅はわずか数ミリメートルであるため、その光の強度は数十万倍から数百万倍も異なります。

期間も考慮してください。エネルギーを時間で割ったものが、通常私たちがパワーと呼ぶものです。同じエネルギーでも、異なる期間に放出されると、そのパワーと効果は大きく異なります。例えば、シャオミンは老婦人が道路を渡るのを手伝い、警官はギャングの尻を蹴った。彼らが費やしたエネルギーの合計は同じだったかもしれないが、老婦人は無事に道路の反対側にたどり着いたのに対し、悪者は結局死んでしまった。太陽光は均一かつ連続的に照射されますが、パルスレーザーは限られたエネルギーを圧縮して非常に短い時間で放出するため、瞬間的なバースト効果はさらに驚異的です。

簡単に言えば、光線の強さを測るには、光のエネルギーを照射面積で割り、さらにそれを照射時間で割ります。同じ量のエネルギーの場合、照射面積が小さく、照射時間が短いほど、光のピークパワーは大きくなります。

ルーマニアのレーザーは、1 フェムト秒以内にレーザーパルスを 10 ペタワットのピークに到達させることができます。つまり、10 ジュールの光エネルギーを 1 フェムト秒 (1 兆分の 1 秒) の光パルスに圧縮できるのです。これを実現するのは困難です。1 フェムト秒は非常に短い時間であるだけでなく、ピーク電力が非常に大きいため、いかなる材料も耐えられず燃えてしまうからです。この驚くべき成果を達成するためには、1980年代にフランスの科学者ムルーが発明したチャープパルス増幅技術を使用して、レーザーの強度を確保しながら出力を高める必要があります。

1960 年にレーザーが発明されて以来、科学者たちはレーザーのさまざまな指標を改善するために懸命に取り組んできました。パルスレーザーの場合、2 つの重要な目標は、単一パルスのエネルギーを増加させ、パルス幅を短くすることです。 Q スイッチング、モードロック、カーレンズモードロックなどの超高速レーザー技術を通じて、科学者はレーザーパルスをミリ秒レベルからナノ秒、ピコ秒、さらにはフェムト秒レベルまで増加させることができます。しかし、単一のレーザーパルスのエネルギーを増加させるには、ゲイン媒体（つまり、レーザー結晶）内でレーザーパルスを増幅する必要があり、ここで困難が生じます。非常に高いレーザーピークパワーはゲイン媒体を損傷します。レーザービームの直径を大きくするとピークパワーを下げるのに役立ちますが、その効果は特に明らかではなく、レーザー結晶の成長に対して非現実的な要件を課します。チャープパルス増幅技術が誕生しました。

レーザーは量子現象であり、量子力学の法則にも従う必要があります。不確定性原理によれば、レーザーパルスが非常に短い場合、レーザーの波長は一定の分布範囲を持ちます。格子や光ファイバーを使用することで、異なる波長の光を分離し、異なる長さの経路を通過してから再び結合することができます。この方法により、パルスの持続時間を延長することができます。異なる波長、つまり周波数の光は、鳥の鳴き声の高低のように、異なる時間に到達するため、この現象は「さえずり」と呼ばれます。適切に設計されたシステムは、レーザーパルスの幅をフェムト秒からピコ秒​​、さらにはナノ秒まで、何十万倍、何十万倍も広げることができます。このプロセスでは、エネルギー保存の法則により、レーザーパルスのピークエネルギーも対応する倍数だけ低下します。もちろん、その逆も可能で、ナノ秒またはピコ秒のレーザーパルスをフェムト秒レベルに圧縮することもできます。

チャープパルス増幅技術の動作原理は次のとおりです。まず、エネルギーの小さい超短レーザーパルス（これがシード光）が生成され、それが時間的に引き伸ばされて広いパルスになり、レーザー結晶によって増幅されます。このときのパルス幅は大きく、ピークパワーは低いため、何倍にも増幅してもレーザー結晶が損傷することはありません。単一のパルスは非常に高いエネルギーを持つことができ、その後チャープ システムを逆に適用して、高エネルギーだが持続時間が長いこのレーザー パルスを非常に短い時間に圧縮し、高エネルギーで持続時間が短いレーザー パルスを得ることができます。

チャープレーザー増幅技術は非常に重要です。ルーマニアのレーザーは典型的な例です。そこの科学者たちは既存の技術的手段をフル活用し、おそらくこれまでで最も短く最も強力なレーザーパルスを生成するための新しい方法を発明し、10ジュールの光エネルギーを1フェムト秒という超短時間に圧縮した。現在、この分野の研究に取り組んでいる国は数多くあり、我が国でもいくつかの研究機関が優れた成果を上げています。

レーザー科学技術の進歩により、高強度超短光パルスは、素粒子物理学、原子核物理学、医学など多くの分野でその価値を実証してきました。今後さらに進歩し、より広く利用されるようになることを期待しています。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者名: ジ・ヤン

査読者: 左 玉華、中国科学院半導体研究所研究員

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司