二重共振光学パラメトリック発振器から得られる2060 nmで位相ロックされた高出力超短パルスレーザー

この超高速レーザーが重要な理由

レーザーはGPSの高精度時刻やインターネットのデータ伝送から、医療画像や気候監視に至るまで、現代技術の基盤となっています。本研究は約2マイクロメートルの波長域で動作する、新しいタイプの高安定レーザー源を報告します。この赤外の「色」は気体や組織の調査、極限的な光–物質相互作用の研究に特に有用です。非常に短いパルス、高出力、そしてこのスペクトル領域での優れた安定性を組み合わせることで、より鋭いセンシング手法や精密に光波を制御する新しい実験への道が開かれます。

世界を測る尺としての光コム

ここ数十年で、いわゆる光周波数コムは時間と周波数をどれだけ正確に測れるかを一変させ、2005年のノーベル物理学賞にもつながりました。周波数コムは色が櫛の歯のように等間隔に並び互いに位相ロックされたレーザーです。こうしたコムが2マイクロメートル付近で動作すると、長距離での温室効果ガスの測定や低侵襲手術、超高速医用イメージングなどに強力なツールになります。また、中赤外やテラヘルツといったさらに長い波長域の光を作り出す理想的な駆動源にもなり、分子や電子運動に関する独自の情報を引き出せます。

一つの色を二つの完全に結び付いた色に変える

チームは二重共振光学パラメトリック発振器と呼ばれる装置を中心にソースを構築しました。簡単に言えば、これは共振キャビティに入ったレーザー光を二つの新しい色に変換する特殊な結晶を備えた共振器です。ここではポンプレーザーが自作の薄ディスク励起系で、1030ナノメートルで約270フェムト秒の非常に短いパルスを発します。キャビティ内のベータバリウムボレート（BBO）結晶はこの光を変換し、出力の一つがちょうど2060ナノメートル、すなわち波長が二倍になる位置に現れます。この特別な“縮退”点では、生成される二つの色が一つに重なり、ポンプと出力を含む三つの場の位相が厳密に結び付けられます。その結果、1マイクロメートル域と2マイクロメートル域の、本質的に位相ロックされた二色が得られ、ブルネル放射として知られるテラヘルツの短パルスを生成するなど、正確な時刻合わせが必要な実験に理想的です。

繊細な光の機械を安定化する

こうした挙動を長い高出力キャビティで実現することは技術的に困難です。光学経路は約9メートルに及び、振動や温度変化、気流などによるわずかな長さ変化に非常に敏感です。意図的にシステムを揺らして雑音を導入する従来の「ディザ」方式を使う代わりに、著者らは巧妙な変調のない方式に頼っています。ポンプ光と生成光が混ざることで、キャビティ内に少量の不要な赤色光が自然発生します。この“寄生”信号を狭帯域フィルターで選択し、フォトダイオードで検出することで、キャビティ長がわずかに長すぎるか短すぎるかを示す誤差信号を得ます。単純な電子コントローラが圧電マウント上のミラーを微調整してキャビティを最適点にロックし、この戦略により余計な変調音なくシステムを安定化し、非常に低雑音を維持できます。

出力、パルス形状、静かな動作

安定化を入れ、薄い硫化亜鉛板でキャビティの分散を慎重に調整すると、発振器は2060ナノメートルで平均約5.6ワットの出力を、200フェムト秒強のパルス幅で供給します。これはポンプからの変換効率がおよそ35パーセントに相当し、この種の2マイクロメートル帯で能動的に安定化されたシステムとしては記録的な数値です。強度雑音の測定は、フィードバックループが遅い時間スケールの揺らぎを劇的に抑え、フリーランニング状態と比べて総雑音を30倍以上低減することを示しています。90分にわたる長期モニタリングでは出力変動が1パーセント未満にとどまり、干渉計測はポンプと出力が長時間にわたり位相ロックを維持することを確認しました。

今後の展望

非専門家向けに要点を言えば、著者らは高精度で二色を正確に同期させる、明るく非常に安定した赤外の“光コム”を構築したということです。騒がしい安定化手法に頼らずに動作するこのソースは、フェムト秒時間スケールで電場を形作る実験や、気体や固体での強相互作用の駆動、大気中の分子のリモートセンシング改善など、将来の実験の堅牢なエンジンとなり得ます。実用面では、高度なイメージングや環境モニタリングなど現実世界の用途に研究室レベルの精度を近づける、強力で信頼できるレーザーツールをこの有用なスペクトル領域にもたらします。

引用: Rao, H., Mevert, R., Geesmann, F.J. et al. High power ultrafast phase-locked laser at 2060 nm from a doubly resonant optical parametric oscillator. Sci Rep 16, 7169 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40002-x

キーワード: 光周波数コム, 超高速レーザー, 赤外分光法, 光学パラメトリック発振器, レーザー安定化