レーザー光源開発

光パラメトリックチャープパルス増幅

OPCPAは高ピーク・高平均パワーと数サイクルパルス幅を同時に実現できる現在唯一の技術である。

製品紹介

CPAからOPCPAへ

2018年のノーベル賞を受賞した高エネルギーレーザー向けチャープパルス増幅（CPA）技術は、超短パルスレーザー科学の分野全体を一変させた。CPA技術は、レーザー媒質の光学損傷を避けつつ超短パルスのパワーを引き上げるためのものである。現在では、CARBIDEおよびPHAROSレーザーのようなコンパクトなレーザーシステムであれ、ペタワット級ピークパワーの大型レーザーシステムであれ、現代の超短パルスレーザー増幅システムで広く用いられている。しかし、多くの科学応用では異なるスペクトル領域の高強度パルスが必要であり、これが光パラメトリックチャープパルス増幅（OPCPA）の開発につながった。

OPCPAの用い方

光パラメトリック増幅器（OPA）におけるチャープパルスの伸張、増幅、圧縮に関する最初の概念実証実験は、1992年にProf. A. Piskarskasが率いるVilnius Universityの研究グループによって示された。高エネルギー励起パルスを用いてOPA中でチャープし伸張した信号を増幅すれば、フェムト秒パルスのパワーをテラワット級まで引き上げられると提案された。以降、OPCPAは高パワーフェムト秒パルス発生向けの広く認知され急速に発展する増幅技術となり、現在ではペタワット級ピークパワーに達するシステムもある。OPCPA技術は超高パワーパルスだけでなく、きわめて短い（数サイクル）パルスも発生させ、可視（VIS）、近赤外（NIR）、中赤外（MIR）のスペクトル領域で実験的に得られている。現在、OPCPAは、最も要求の厳しい科学応用が必要とする高いピークパワーと平均パワー、および数サイクルのパルス幅を同時に提供する唯一のレーザー技術である。

フロントエンドとしてのORPHEUS-OPCPA

本質的に高コントラストの出力パルスであるため、OPCPAは多数の超高強度レーザーのフロントエンドとしても採用されており、他の時間コントラスト向上手法に対して一定の利点がある。光パラメトリック増幅器を経た比較的高いコントラストのパルスは、その後レーザー増幅器で超高エネルギーまでさらに増幅される。CARBIDEおよびPHAROSレーザーの安定性を活かし、ORPHEUS-OPCPAは標準的なパラメトリック増幅器と同程度にコンパクトなパッケージで、数サイクルのCEP安定パルスを供給する。ORPHEUS-OPCPAはより大型の増幅器向けシード源としても機能し、ほぼ単一サイクルの帯域幅、優れたスペクトル位相コヒーレンス、およびCEP安定性をもつバックグラウンドフリーのパルスを供給する。

ELI-ALPSにおけるSYLOS

OPCPAのもう一つの注目例は、ELI-ALPS（Extreme Light Infrastructure Attosecond Light Pulse Source）のSYLOS単一サイクルレーザーである。SYLOSレーザーシステムは、PHAROSフェムト秒レーザーおよびピコ秒レーザーによって駆動されるOPCPAに基づく。動作原理は、PHAROSレーザーが2台のフェムト秒OPAを励起することである。第1のOPAは、CEP安定な白色光連続スペクトルを発生させるため、1.3 µmで受動的にCEP安定化されたパルスを生成する。同時に、第2のOPAは700–1000 nmのスペクトル範囲で白色光連続スペクトルを増幅し、後続の光パラメトリックチャープパルス増幅段向けの高コントラストシードパルスを供給する。パルスエネルギー50 mJまで増幅され、中心波長850 nmのパルスは、ガラスブロックとチャープミラーの系列により10 fsのパルス幅まで圧縮される。その後継であるSYLOS 3レーザーシステムは、約120 mJのパルスを供給し、CEP安定性は250 mrad未満、パルスエネルギー安定性は1%未満である。