2023年10月3日夜の重要な発表で、アト秒レーザー技術の分野で先駆者として中心的な役割を果たした3人の科学者の傑出した貢献が表彰され、2023年のノーベル物理学賞が発表された。

「アト秒レーザー」という用語は、その動作が信じられないほど短い時間スケール、具体的には 10^-18 秒に相当するアト秒オーダーに由来しています。このテクノロジーの深い意味を理解するには、アト秒が何を意味するのかを根本的に理解することが最も重要です。アト秒は非常に微細な時間の単位であり、1 秒というより広範な文脈の中で 10 億分の 1 秒を構成します。これを大局的に考えると、1 秒をそびえ立つ山に例えると、アト秒は山の麓に佇む一粒の砂に似ています。この一瞬の時間間隔では、光ですら、かろうじて個々の原子の大きさに相当する距離を通過することができます。アト秒レーザーの利用により、科学者は原子構造内の電子の複雑なダイナミクスを精査および操作する前例のない能力を獲得し、映画のようなシーケンスのフレームごとのスローモーション再生に似ており、それによってそれらの相互作用を掘り下げます。

アト秒レーザーこれらは、非線形光学の原理を利用して超高速レーザーを作成した科学者による広範な研究と協調的な努力の集大成です。彼らの出現は、固体材料内の原子、分子、さらには電子内で起こる動的プロセスの観察と探索のための革新的な視点を私たちに提供してくれました。

アト秒レーザーの性質を解明し、従来のレーザーと比較してその型破りな特性を理解するには、より広範な「レーザーファミリー」内での分類を検討することが不可欠です。波長による分類では、アト秒レーザーは主に紫外線から軟 X 線の周波数の範囲内にあり、従来のレーザーと比べて波長が著しく短いことを意味します。出力モードの観点から見ると、アト秒レーザーはパルスレーザーのカテゴリーに分類され、パルス持続時間が非常に短いことが特徴です。わかりやすくするために例えると、連続波レーザーは連続光線を放射する懐中電灯に似ているのに対し、パルスレーザーは照明と暗闇が急速に切り替わるストロボ光に似ていると考えることができます。本質的に、アト秒レーザーは照明と暗闇の中で脈動動作を示しますが、2 つの状態間の遷移は驚くべき周波数で起こり、アト秒の領域に達します。

出力ごとにさらに分類すると、レーザーは低出力、中出力、および高出力のブラケットに分類されます。アト秒レーザーは、パルス持続時間が極めて短いため、高いピークパワーを実現し、その結果、単位時間当たりのエネルギー強度 (P=W/t) として定義される顕著なピークパワー (P) が得られます。個々のアト秒レーザー パルスは、例外的に大きなエネルギー (W) を持たない可能性がありますが、短縮された時間範囲 (t) により、高いピーク パワーが与えられます。

応用分野に関して言えば、レーザーは産業、医療、科学の応用を含む幅広い範囲に広がっています。アト秒レーザーは主に科学研究の分野、特に物理学と化学の領域内で急速に進化する現象の探査にそのニッチな分野を見出し、小宇宙の世界の急速な動的プロセスへの窓を提供します。

レーザー媒体による分類では、レーザーは気体レーザー、固体レーザー、液体レーザー、半導体レーザーに分類されます。アト秒レーザーの生成は通常、ガスレーザー媒体に依存し、非線形光学効果を利用して高次高調波を生成します。

要約すると、アト秒レーザーは、通常アト秒単位で測定される非常に短いパルス持続時間によって区別される、独特の種類の短パルス レーザーを構成します。その結果、それらは、原子、分子、固体材料内の電子の超高速動的プロセスを観察および制御するために不可欠なツールとなっています。

アト秒レーザー生成の精緻なプロセス

アト秒レーザー技術は科学革新の最前線にあり、その生成には興味深い一連の条件が整っています。アト秒レーザー生成の複雑さを解明するために、まずその基礎となる原理を簡潔に説明し、続いて日常の経験から導き出された鮮やかな比喩を示します。関連する物理学の複雑さに精通していない読者でも絶望する必要はありません。これ以降の比喩は、アト秒レーザーの基礎的な物理学を理解しやすくすることを目的としています。

アト秒レーザーの生成プロセスは、主に高調波生成 (HHG) として知られる技術に依存しています。まず、高強度のフェムト秒 (10^-15 秒) レーザー パルスのビームがガス状のターゲット材料にしっかりと集束されます。フェムト秒レーザーは、アト秒レーザーと同様に、短いパルス持続時間と高いピーク出力を有するという特徴を共有していることは注目に値します。強力なレーザー場の影響下で、ガス原子内の電子は原子核から瞬間的に解放され、一時的に自由電子の状態に入ります。これらの電子はレーザー場に応じて振動するため、最終的には親原子核に戻って再結合し、新しい高エネルギー状態を作り出します。

このプロセス中、電子は非常に高速で移動し、原子核と再結合すると、高調波放射の形で追加のエネルギーを放出し、高エネルギー光子として現れます。

これらの新しく生成された高エネルギー光子の周波数は元のレーザー周波数の整数倍であり、高次高調波と呼ばれるものを形成します。「高調波」とは元の周波数の整数倍の周波数を指します。アト秒レーザーを実現するには、これらの高次高調波をフィルタリングして集束し、特定の高調波を選択して焦点に集中させる必要があります。必要に応じて、パルス圧縮技術によりパルス持続時間をさらに短縮し、アト秒範囲の超短パルスを生成することができます。明らかに、アト秒レーザーの生成は高度で多面的なプロセスを構成しており、高度な技術力と特殊な装置が必要です。

この複雑なプロセスを分かりやすくするために、日常のシナリオに基づいた比喩的な類似点を示します。

高強度フェムト秒レーザーパルス:

高強度のフェムト秒レーザー パルスが果たす役割に似た、驚異的な速度で石を瞬時に投げることができる非常に強力なカタパルトを所有していることを想像してください。

気体ターゲット物質:

ガス状のターゲット物質を象徴する静かな水域を想像してください。水滴のそれぞれが無数のガス原子を表しています。この水域に石を発射する行為は、ガス状のターゲット物質に対する高強度のフェムト秒レーザー パルスの影響を同様に反映しています。

電子の運動と再結合 (物理的に遷移と呼ばれる):

フェムト秒レーザーパルスがガス状ターゲット物質内のガス原子に衝突すると、相当数の外側電子が瞬間的に励起されてそれぞれの原子核から離脱し、プラズマのような状態を形成します。その後システムのエネルギーが減少すると（レーザーパルスは本質的にパルス状であり、停止の間隔があるため）、これらの外側の電子は原子核の近くに戻り、高エネルギーの光子を放出します。

高調波発生:

水滴が湖の表面に落ちるたびに、アト秒レーザーの高調波と同じように波紋が生じることを想像してください。これらのリップルは、一次フェムト秒レーザー パルスによって引き起こされる元のリップルよりも高い周波数と振幅を持っています。HHG プロセス中、石を投げ続けるような強力なレーザー ビームが、湖の表面に似たガス ターゲットを照らします。この強力なレーザー場は、波紋に似てガス中の電子を親原子から遠ざけ、その後引き戻します。電子が原子に戻るたびに、より複雑な波紋パターンに似た、より高い周波数の新しいレーザー ビームが放射されます。

フィルタリングとフォーカス:

これらの新しく生成されたレーザー ビームをすべて組み合わせると、さまざまな色のスペクトル (周波数または波長) が生成され、その一部がアト秒レーザーを構成します。特定のリップルのサイズと周波数を分離するには、目的のリップルを選択するのと同じように、特殊なフィルターを使用し、虫眼鏡を使用して特定の領域にリップルの焦点を合わせることができます。

パルス圧縮 (必要な場合):

波紋をより速く、より短く伝播させたい場合は、専用のデバイスを使用して波紋の伝播を加速し、各波紋の持続時間を短縮できます。アト秒レーザーの生成には、プロセスの複雑な相互作用が関係します。しかし、分解して視覚化すると、さらにわかりやすくなります。