高エネルギーサブ5fsパルスへのアクセスをシンプルに

Coherent Astrellaは、最新世代、ワンボックスのチタンサファイアウルトラファーストレーザ・再生増幅器の一例です。Astrellaは、パルス幅35 fs未満、波長800 nm、繰り返し周波数1 kHzでパルスあたり7 mJ以上の性能を実現しています。すべてのレーザコンポーネントはコンパクト（26 cm x 79 cm x 125 cm）なヘッドに配置されています。コンポーネントには、ワンボックスのVitaraオシレータ、パルスピッカー、ストレッチャー、Coherent Revolution QスイッチNd:YLFレーザによって励起される再生増幅器、および出力コンプレッサーが含まれます。この特別なアーキテクチャは、安定した再生増幅器キャビティ（たとえばマルチパス増幅器と比較して）で達成できるビーム品質と安定性により、ここで説明する作業などの光学的に要求の厳しい用途に最適です。安定したHFC出力を確保し、ファイバーへの損傷を避けるために、中空コアファイバーの小さな入口開口部にしっかりと集束するには、対称ガウシアンビームと安定したビームポインティングが必要です。これらの実験中に測定されたAstrellaビームの品質はM² < 1.04でした。

Astrellaの安定性、信頼性、ビーム品質は、Coherentが現在進行中のサイエンス分野におけるウルトラファーストレーザの産業革命の一環として最大化されており、当社の産業用レーザで長年実証されてきた手法、材料、手法が適用されています。これらのレーザは、高スループットの製造プロセスの、24時間365日の稼働とメンテナンスの手間がかからないという要件が絶対的に重要である用途で使用されます。これには、レーザの安定性と信頼性に対する包括的で継続的なアプローチが必要です。たとえば、当社では、どのような動作温度でも、レーザ光にさらされた場合にガス放出特性が低いAstrella材料を選択しています。

また、Astrellaの設計と製造（さらに出荷まで）、その光学メカニカルコンポーネント、およびそれぞれのサブシステムがすべて、HALT/HASSプロトコルを使用して最適化されていることも同様に重要です。他のテクノロジー分野で広く使用され、高い評価を受けているCoherentは、レーザ業界でのHALT/HASS定量的手法の使用の先駆者です（補足記事を参照）。

結果として、Astrellaは低出力ノイズ（0.5% rms）、ドリフトおよび比類のないビーム位置安定性（<10 µrad rms）を特長としています。数日間にわたる2Dおよび3D分光学研究であっても、長時間の複雑なデータ実行の影響を受けることなく動作できます。

最適化された中空ファイバーコンプレッサー

今回の実証実験では、Astrella増幅器（35 fsのパルス幅と1 kHzの繰り返し周波数）からの出力パルスをHFCに集光させました。これは、希ガスを含む中空ファイバー内の自己位相変調（SPM）によって引き起こされるスペクトルの広がりを利用しています。ファイバーは誘電体導波管として機能し、ビームを閉じ込め、高強度での長い相互作用長を可能にします。この確立されたアプローチにより、高出力（最大5 mJ）、数サイクルのレーザパルスをkHzの繰り返し率で生成できることが証明されています。

ここでは差動励起式中空ファイバーが使用されました。ティッシュ教授らによって先駆的に提案されたように、差動励起は、中空ファイバーキャピラリーの低いガスコンダクタンスを利用して、差動励起を通じてファイバーに沿った圧力勾配を維持し、入口の真空を維持します。これにより、レーザ強度が最も高くなるファイバー入口でのプラズマの形成が減少します。（静的にガスが充填された中空ファイバーでは、入力側でプラズマが形成されると、入力側の焦点のサイズと位置が最適な状態から変化するため、結合効率とショット間の安定性の両方が低下します）図1に示すように、HFCの出口にある別のガス充填（ヘリウムまたはネオン）セルにより、入口セル内の真空（<1 mbar）を維持しながら、ファイバーに沿って差圧勾配を確立できます。

これらの実験では、Astrella出力パルスは、焦点距離1 mの広帯域反射防止コーティングされたレンズによって、積極的な安定化を行わずに、排気セル内部に配置した長さ1 mの中空コア溶融石英ファイバー（内径a = 125 µm）の入口に向け、厚さ0.5 mmの溶融シリカARコーティングされた入口窓を介して集束されます。焦点でのガウスビームウェストの測定値は最大で約160 µmとなり、中空コアファイバーへの最適なエネルギー結合の条件w0 = 0.64aを満たし、結果として焦点スポット強度は1014 W/cm²程度になります。正確な強度はパルスエネルギーによって決まります。これらの実験ではAstrellaシステムのコンプレッサーの前に一時的に配置されたλ/2波長板によって0.5～7 mJの範囲で連続的に調整できます。このシステムは、Astrella増幅器からの高安定入力ビームと差動励起中空ファイバーの組み合わせにより、ユーザーによる積極的なフィードバックや再アライメントを行うことなく、実験期間中毎日継続的に稼働することができました。

ネオンの場合、このHFCセットアップのSPMにより、550～1000 nmの範囲をカバーするバンド幅が得られました。0.5 mmの溶融シリカブリュースターウィンドウを介してガスセルを出たこれらの広帯域パルスは両方とも圧縮され、d-scan blue（ポルトガル、ポルト、Sphere Ultrafast Photonics）システムを使用して完全な時間プロファイルと位相プロファイルが決定されました。 

d-scanパルスコンプレッサー/パルス時間測定

フェムト秒パルスのさまざまな側面を特徴付けることができるアプローチはいくつかありますが、このデモで使用されたd-scanブルーユニットには、世界記録的な持続時間を持つ数サイクル領域のパルス（1サイクルパルスまで）を測定し、圧縮する能力など、多くの利点があります。全体的な使いやすさとそのスピードにより、d-scanはHCFの測定と最適化に最適なツールとなっています。まず、圧縮・制御と時間測定を1台で実行できます。第二に、入力ビームの位置ずれ（±数度でも）に耐える非常に堅牢な内蔵ツールであるため、セットアップを迅速に行うことができます。第三に、高速であり、キロヘルツのパルス繰り返しレートについて1分未満で完全なパルス特性（位相と振幅）を提供します。さらに、ユーザーは特別なパルス計測の専門知識を必要とせずに、可能な限り短いパルス幅を得られるようプッシュボタンを最適化するオプションを利用できます。

さらに、d-scan方法は、より要求の厳しいユーザーに詳細なパルス特性データセットを提供できます。たとえば、ユーザーはすべての主要な波長、位相、強度パラメータのプロットを出力し、強度対波長、強度対時間、位相対波長、位相対時間のプロットを提供できます。したがって、d-scan装置は、パルスの中断があるかどうかを明らかにし、パルスの全位相、つまり3次分散（TOD）と4次分散（FOD）を含むすべての次数に対する残留分散も記録できます。

他のパルス時間測定方法と同様に、d-scanデバイスは光学効果を使用して、位相情報を光検出器アレイで感知できる振幅信号に変換します。HCFシステム用に調整されたd-scanモジュールは、移動ステージ上に一対の薄いガラスウェッジを含むチャープミラーコンプレッサーで構成され、正と負の両方の分散を提供します。パルスがコンプレッサーを通過した後、非線形結晶内で一部が第2高調波を受け、その結果生じるスペクトルが導入された分散の関数として測定されるため、パルスのオンライン監視が可能になります。最大圧縮点付近のさまざまな入力位相（ガラス挿入）の非線形信号のスペクトルを測定することにより、2次元トレース（d-scanトレース。図3「測定値」）が得られ、反復アルゴリズムによるパルスのスペクトル位相（図3「取得」）の完全な取得が可能になります。動作中、d-scanユニットは、最適な圧縮値、つまり取得可能な最短のパルス幅付近でガラスウェッジ分散を自動的にスキャンします。次に、内部アルゴリズムがSHGスペクトルを処理し、完全な位相/強度/波長/時間データセットを導き出します。

暫定データの議論

このセットアップを使用した最初の一連の実験では、研究者らは、1.5 mJの入力パルスエネルギーを使用した場合に、0.7 mJのHFC出力エネルギーでサブ6-fsパルスが得られることを実証しました。また、この出力がネオンガスのイオン化によって制限されていることが確認されました。出力の増加は、ヘリウムを非線形媒体として使用することで達成できます。ヘリウムはより大きなイオン化電位を持ちますが、より低い非線形指数、つまり、より低いSPM効率も持ちます。非線形媒体として3.4 bar（HFC出口で）のヘリウムを使用した場合、5 mJの入力パルスエネルギーを使用して2 mJのHFC出力エネルギーで6 fsパルスが達成されました。ティッシュ氏は、より大きな直径のHFCを使用することで、将来的にはより大きな出力エネルギーが可能になり、これによりファイバー内の強度を増加させることなく伝送エネルギー量を増加させることができると述べています。