高強度短波長赤外サブサイクルパルス光のベクトル偏光制御

• Project/Area Number: 22K18324
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 鍋川 康夫 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, 専任研究員 (90344051)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥25,870,000 (Direct Cost: ¥19,900,000、Indirect Cost: ¥5,970,000); Fiscal Year 2026: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2025: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2024: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2023: ¥14,170,000 (Direct Cost: ¥10,900,000、Indirect Cost: ¥3,270,000); Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
• Keywords: 非線形光学 / キャリア包絡線位相 / サブサイクル光パルス / 光学パラメトリック増幅 / 赤外光 / サブサイクルパルス / 短波長赤外

Outline of Research at the Start

高強度の短波長赤外サブサイクルレーザーパルス光源の開発を行う。さらに、このレーザーシステムから出力光をベクトル偏光(径偏光・方位偏光)に変換し、新たな高強度物理現象の発現を目指す。レーザーシステムは特殊な波長にチューニングしたフェムト秒レーザーで励起するOPAをベースとしており、既に開発済みのOPAの改良する。ベクトル偏光ビームはOPAシステムの出力光の分割と合成により生成し、これをタイトフォーカスすることで生ずる焦点付近の特異な偏光状態をATI等で観測する。

Outline of Annual Research Achievements

本年度はOPAシステムの改良のためのチタンサファイア増幅器を励起する為のグリーンレーザーの空間プロファイルを実測し、その結果をもとに最終段のマルチパス増幅器の設計を行った。実測したビームプロファイルは、レーザーヘッドの出口付近ではレーザー共振器に使用しているガウシアンカップラー特有のリング状の縞が現れるが、位置を徐々に出口から後に移動するとスムーズなフラットトップに近い形状となり、やがて上下左右の四隅に高強度の分布が現れるものとなった。この結果、フラットトップに近い形状のビームプロファイルを縮小イメージ転送してチタンサファイアを励起する設計とした。
この時、励起の平均パワーとビーム径の値から算出される熱レンズの焦点距離は4~5mとなり、最終段のマルチパス増幅器ではこの熱レンズの効果を補償しながら、常にチタンサファイア上で被増幅光のビーム径が励起光のビーム径に一致するようにマルチパスの配置を設計しなければならない。本研究ではこれまでの手法の欠点(ミラー上でビーム径が最小になり、ダメージによる制限が大きい)を改善した新たな光学素子配置を考案することができた。
これらの設計と並行して、現行レーザーシステムから得られるサブサイクル光を光渦に変換する研究も行なった。光渦は径偏光・方位角偏光と同様ビーム中心に位相特異点を持ち、軌道角運動量をもつレーザー光として多岐に渡る応用が期待されている。昨年度にサブサイクルガウシアン光を光渦変換にする光学系を考案したので、これを実際に構築した。また、変換された光が光渦であることを確認し、さらにキャリア包絡線位相(CEP)の変化に対する空間位相の変化を観測するために、新たな装置(2次元f-2f干渉計)を開発した。これにより、光渦に於いては本来時間軸で定義されているCEPが空間位相にも結合しており、分かち難い関係にあることを初めて実験的に示すことができた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究の方法としては1~3年目に短波長赤外サブサイクルレーザーパルス光源開発を重点的に行なうこととしており、これに沿った進捗状況になっている。一方急激な円安と物価上昇のためチタンサファイア励起に用いるグリーンレーザーの仕様決定に時間がかかってしまったため、増幅器の構築に遅れが出ている。その一方、ベクトルビームと関連が深い光学渦ビームについて、ガウスモードのサブサイクル光を光渦に変換することに成功した。また新たに開発した2次元f-2f干渉計を用いて、光渦に於いてはキャリア包絡線位相(CEP)が時空軸の位相みならず空間位相とも結びついていることを初めて実験的に示すことに成功した。これらの成果は当初の見込みよりも大きく前進したものであるので、全体としては概ね順調な進捗状況と評価できる。

Strategy for Future Research Activity

引き続きサブサイクルOPAを励起するためのチタンサファイアレーザーシステムの改良を進める予定であるが、調達したグリーンレーザーが初期不良による出力低下で修理を行わなければならなくなった。数ヶ月の時間を要する予定であるので、この間はチタンサファイアレーザーシステムの改良は行えない。そこで、現在実現しているサブサイクル光渦を用いた応用実験を行なっていく。固体からの高調波発生実験を候補の一つとして考えている。レーザーシステム構築後はベクトル光による高次高調波発生による孤立アト秒パルス(IAP)発生等も行う予定であるので、その予行練習として既存の高次高調波ビームラインを用いた応用実験も行う。現在アト秒パルスによる分子の光イオン化に際して生ずる、分子イオンと電子の間のコヒーレンスあるいはエンタングルメントが注目を集めており、これを一つのターゲットとして考えている。

Research Products

• [Journal Article] 高次高調波の発見とアト秒科学への展開 (2023)
  • Author(s): 鍋川康夫、緑川克美
  • Journal Title: 科学（岩波書店） Volume: 93-12 Pages: 1070-1076
• [Journal Article] Wavefront control of subcycle vortex pulses via carrier-envelope-phase tailoring (2023)
  • Author(s): Yu-Chieh Lin, Katsumi Midorikawa, Yasuo Nabekawa
  • Journal Title: Light: Science & Applications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1038/s41377-023-01328-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Analysis of attosecond entanglement and coherence using feasible formulae (2023)
  • Author(s): Yasuo Nabekawa, Katsumi Midorikawa,
  • Journal Title: Physical Review Reserach Volume: 5 Issue: 3 Pages: 033083-27
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.5.033083
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Attosecond Optical and Ramsey-Type Interferometry by Postgeneration Splitting of Harmonic Pulse (2022)
  • Author(s): Takuya Matsubara , Yasuo Nabekawa, Kenichi L. Ishikawa , Kaoru Yamanouchi, and Katsumi Midorikawa
  • Journal Title: Ultrafast Science Volume: 2022 Pages: 9858739-9858739
  • DOI: 10.34133/2022/9858739
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 理化学研究所に於けるアト秒科学研究 (2024)
  • Author(s): 鍋川康夫, 高橋栄治, 緑川克美
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第44回年次大会
  • Invited
• [Presentation] 分子ダイナミクスと光学相関を記述する2 光子相互作用の一般式 (2024)
  • Author(s): 鍋川康夫, 緑川克美
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第44回年次大会
• [Presentation] 超短パルス光学相関と超高速分子ダイナミクスを記述する一般式 (2024)
  • Author(s): 鍋川康夫, 緑川克美
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Beamline Delivering XUV Attosecond Pump & XUV Attosecond Control & a Few Femtosecond DUV Probe Pulses (2023)
  • Author(s): Yasuo Nabekawa
  • Organizer: 4th International Conference on Optics, Photonics, and Lasers (OPL-2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] アト秒光イオン化によって生ずる水素分子イオンと電子のコヒーレ ンス (2023)
  • Author(s): 鍋川康夫, 緑川克美
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Two-dimensional f-2f interferometry using sub-cycle optical vortex pulses (2023)
  • Author(s): Yu-Chieh Lin, Katsumi Midorikawa, Yasuo Nabekawa
  • Organizer: The 12th Asia-Pacific Laser Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Coherence between the vibrational states in H$_{2}^{+}$ and the continuum state of e$^{-}$ via attosecond photoionization (2023)
  • Author(s): Yasuo Nabekawa, Katsumi Midorikawa
  • Organizer: The 12th Asia-Pacific Laser Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Arbitrary CEP Manipulation for Spatiotemporal Control of Sub-cycle Op- tical Vortex (2023)
  • Author(s): Yu-Chieh Lin, Katsumi Midorikawa, Yasuo Nabekawa
  • Organizer: Conference on Lasers and Electro-Optics Europe / European Quantum Electronics Conference 2023 (CLEO/Europe-EQEC2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Generation and characterization of CEP controllable, sub-cycle optical vortex pulses (2023)
  • Author(s): Yu-Chieh Lin, Katsumi Midorikawa, Yasuo Nabekawa
  • Organizer: 2023 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Generation of sub-cycle shortwave infrared optical vortex pulses (2023)
  • Author(s): Yu-Chieh Lin, Yasuo Nabekawa, and Katsumi Midorikawa
  • Organizer: The 43rd Annual Meeting of The Laser Society of Japan
• [Presentation] Development of an optical parametric amplifier laser system delivering CEP-stabilized sub-cycle pulses in SWIR region (2023)
  • Author(s): Yu-Chieh Lin, Yasuo Nabekawa, and Katsumi Midorikawa
  • Organizer: the 70th JSAP spring meeting 2023
  • Invited
• [Presentation] Optical Parametric Amplification of sub-Cycle Shortwave Infrared Pulses (2022)
  • Author(s): Yu-Chieh Lin, Yasuo Nabekawa, and Katsumi Midorikawa
  • Organizer: Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of a sub-cycle short-wave infrared laser and its application (2022)
  • Author(s): Yu-Chieh Lin, Yasuo Nabekawa, and Katsumi Midorikawa
  • Organizer: 12th Asian Symposium on Intense Laser Science, Nanyang, Singapore
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Attosecond Control of Simple Molecules and Atoms Using XUV High-harmonic Pulse Pairs (2022)
  • Author(s): Yasuo Nabekawa
  • Organizer: ANSO Symposium on Basic Science for Sustainable Development, Xi'an, China
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Arbitrary carrier-envelope phase control of over-octave-spanning synthesized waveform using multiple AOPDFs (2022)
  • Author(s): Yu-Chieh Lin, Yasuo Nabekawa, and Katsumi Midorikawa
  • Organizer: The 11th Advanced Lasers and Photon Sources
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Attosecond optical and Ramsey-type interferometry by post-generation splitting of high-order harmonic pulse (2022)
  • Author(s): Takuya Matsubara, Yasuo Nabekawa, Kenichi L Ishikawa, Kaoru Yamanouchi, and Katsumi Midorikawa
  • Organizer: 第16回分子科学討論会
• [Presentation] Attosecond optical and Ramsey-type interferometry by post-generation splitting of high-order harmonic pulses (2022)
  • Author(s): Takuya Matsubara, Yasuo Nabekawa, Kenichi L Ishikawa, Kaoru Yamanouchi, and Katsumi Midorikawa
  • Organizer: International Symposium on Ultrafast Intense Laser Science (ISUILS2022)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 極超短パルス光を「光渦」に変換 －「渦」の時空間構造の制御に成功－
  • URL: https://www.riken.jp/press/2023/20231127_1/index.html
• [Remarks] Attosecond optical interference ...
  • URL: https://www.eurekalert.org/news-releases/963632