バネおもちゃのような形をした超短光パルスがフォトニクスに新たなひねりをもたらす

2023 年 6 月 9 日

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テクニコ・リスボア著

誰もが一度はバネのおもちゃで遊んだことがありますが、光もバネのような形にできることをご存知ですか?

イタリア工科大学（IIT）の元研究者で、現在はリスボア工科大学物理学科の教授であり、マイクロシステム・ナノテクノロジー工学研究所（INESC MN）の主任研究員でもあるマルコ・ピカルド氏が率いる国際研究チームは、博士らは、超高速光学系と構造化光を利用して、光の泉として知られる新しい種類の時空間光線を研究室で合成しました。

この研究は、IIT、ミラノ工科大学、リスボア工科大学の共同で行われました。 この発見は、時間分解顕微鏡法（例えば、分子やウイルスの動きを描写する映画の作成に有用）、レーザープラズマ加速および自由空間（例えば、大気）光通信。

この研究は Nature Photonics に掲載されています。

超高速光学では、パルス整形として知られる技術を使用して、極度に短い光パルスの持続時間を数フェムト秒、または 10 億分の 1 秒まで短縮または延長したり、複雑なパルスを生成したりすることさえ可能です。 この原理の中心的な考え方は、短いレーザー パルスが広範囲の色で構成されているということです。

科学者はパルスをその構成色に分離し、その後個別に操作して再結合することで、新しい形状のレーザー パルスが生成されます。 パルス整形によりパルスの時間プロファイルを操作できるようになりますが、光に空間構造を与えることを可能にする波面整形として知られる別の一連の技術があります。 光の設計者は、これら 2 つの方法を組み合わせて空間と時間で光を同時に成形し、まったく新しい時空間アプリケーションのために超高速光学と構造化光の橋渡しをする方法を学びました。

Nature Photonics で現在報告されているように、ピッカルドと彼の共同研究者は、時空間光の形成にパラダイムシフトを導入しました。 カラフルなストリップに沿って異なる色を分離する従来のシェイパーとは異なり、研究者らは円対称の特別なタイプの回折格子を使用して、丸い色の虹を作成しました。

これは誰でも自宅で挑戦できる実験です。古い CD-ROM に懐中電灯を当てて携帯電話のカメラで写真を撮ると、丸い虹が撮影されます。 ここで、懐中電灯を超短レーザー パルスに置き換え、CD-ROM をナノファブリケーション クリーンルームで製造された微細構造回折デバイスに置き換えれば、実験の半分は完了です。 実験の 2 番目の部分では、高度なホログラムを使用して、多くの色の光をコルク栓抜きのような形状の異なる光の渦に構造化します。

「これにより、ツイストされた広範囲に調整可能な光構造を備えた超短いフェムト秒のタイムスケールで進化する、新しい時空間光線群が誕生します」とマルコ・ピッカルド氏は述べた。 「これにより、多くのスペクトルおよび構造コンポーネントに対処できるようになり、フォトニクスにおける前例のない設計能力が開かれます。」

これらの新しい光線の広帯域な性質は、その特性評価に新たな課題をもたらしますが、研究チームは、複雑な時空構造の完全な断層撮影を提供するハイパースペクトル ホログラフィーと呼ばれる強力な再構成技術を開発することで、この課題を克服しました。

「ホログラフィーとフーリエ変換分光法を組み合わせた我々の技術は、複雑なビームの時空間プロファイルの完全な特性評価を可能にし、光と物質の相互作用の研究における根本的に斬新な応用を可能にします」とミラノ工科大学の教授で共同研究者のジュリオ・セルッロ氏は述べた。研究の著者。

研究チームは、光のバネの多くの特性を調整することにより、時空シェイパーによって可能になる前例のない制御を実証しました。 美しいデモンストレーションでは、このような 2 つのスプリングが空間と時間の中で一緒に踊る様子が示されています。

「私たちはこれらのビームを使用して非常に興味深い物理学を発見しました。これは、まったく新世代のコンパクトな加速器とプラズマ光源につながる可能性があります。この技術は、これらの理論的概念を実験室にもたらし、大きな進歩を引き起こすことが約束されているため、非常にエキサイティングです」レーザープラズマ物理学の分野での研究です」とリスボン工科大学の教授であり、この研究の共著者であるホルヘ・ビエイラ氏は述べた。

これらの光の泉を実験室で完全に自由に合成できるようになった今、次の自然なステップは、それらをレーザープラズマ実験に持ち込むことになるでしょう。

「これは非常に挑戦的な目標ですが、リスボンのINESC MNのナノフォトニクス製造能力とテクニコの優れたプラズマ研究グループは、この野心的な研究を追求するための理想的なエコシステムを表しています」とピッカルド氏は述べた。 「これらの高度な時空ビームと強力な非線形レーザーと物質の相互作用を組み合わせると、重要な基礎的および技術的な意味が生じる可能性があります。」

詳しくは： Marco Piccardo 他、時空間ビームにおける位相スペクトル相関の広帯域制御、Nature Photonics (2023)。 DOI: 10.1038/s41566-023-01223-y

雑誌情報:自然フォトニクス

テクニコ・リスボア提供