パワーレーザーの新パラダイム創成を目指した時空間分割受動コヒーレント結合法の確立

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コヒーレント光であるレーザーの最大の特徴は、パワースケーリングは原理上無限にできることである。光を電界位相まで揃えたコヒーレント結合ができるため、独立の増幅器から出たレーザーを結合できるからである。2018年ノーベル物理学賞を受賞したチャープパルス増幅（CPA）法で可能となったペタワット(PW=10の15乗W)よりも3桁高いエキサワット(EW=10の18乗W)レーザーを実現できる基盤技術を確立するため、ハイパワーレーザーのコヒーレント結合技術を開発する。最も困難な課題は空間波面の整合性であり、時間領域の周波数や位相をいくら整合させても結合はうまくいかない。本研究では、技術的に未開拓な独立の固体レーザー増幅器から出た全てのレーザーが全て同じ光路を伝搬することで受動的に波面が一致する新たなアイデアに挑む。今年度は、2つのサニャック型干渉計を応用し、それぞれのサニャック干渉計でフェムト秒レーザーパルスを時間分割、空間分割し、合計4つのビームが受動コヒーレント結合できるか試験を実施した。結合効率を分光器によりスペクトル強度・形状とともに評価した。並行して、理論限界の結合効率を得るために、自作の光線追跡コードや3次元波面解析コードによるレーザー伝搬特性の数値解析を実施し、実験結果と比較して、実験パラメータにフィードバックした。これらによりフェムト秒極短パルスを制御することなく、位相ずれゼロで受動結合（自動空間波面整合）できる調整手法を確立し、理論限界（位相ずれゼロ）の結合効率を達成した。