Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

超短光パルス / 波長変換 / 擬似位相整合 / カスケード非線形効果 / ソリトン / パルス圧縮

2次元的擬似位相整合素子を用いた第2高調波発生:2次非線形媒質中の時間ソリトンは、基本波と第2高調波が互いに捕捉しあいながら伝搬する。この時間ソリトンを小さな光強度で実現するためには、非線形媒質中での基本波と第2高調波の群速度を等しくする必要がある(群速度整合)。これはすなわち、超短光パルスの第2高調波発生効率を向上させるために必要な条件と同一である。そこで、非平行な擬似位相整合配置を利用して群速度整合を達成する手法について実験と理論解析を行った。ニオブ酸リチウムの周期分極反転素子を作製し、それを用いてフェムト秒光パルスの第2高調波発生を行い、効率50%以上を達成した。
擬似位相整合素子中の断熱的なソリトン生成に関する理論解析:擬似位相整合かつ群速度整合配置における断熱的ソリトン生成の理論検討を行った。擬似位相整合素子では、素子の分極反転周期を変化させることで容易に位相不整合量を制御できるが、この位相不整合量の空間分布を設計することにより、思惑の時間ソリトンを断熱的に生成できることが明らかになった。特に、分極反転周期に線形チャープをもつMgO:LiNbO_3素子の第2高調波発生配置を利用すれば、パルス幅100fsの入射基本波から、約20mmの伝搬長でともに約30fsに圧縮された基本波・第2高調波のソリトンパルスを励起できることがわかった。

超短光パルス / 波長変換 / 擬似位相整合 / 非線形フォトニック結晶 / カスケード非線形効果 / パルス圧縮

背景と目的:近年の超短光パルスの短パルス化・高エネルギー化は、基礎・応用問わず諸分野に大きな波及効果をもたらした。現在ではその波長変換・波形制御という高機能化が光源技術に求められている。現在の波長変換技術は、「薄い結晶を用いてバンド幅を保つ」という単純なもので未熟と言わざるをえない。本研究では、2次非線形フォトニック結晶構造を用いて第2高調波発生(Second harmonic generation:SHG)の群速度一致を実現する新しいスキームを提案し、それに基づいてフェムト秒SHGとカスケード非線形パルス圧縮を実現することを目的とした。
成果:群速度一致条件を利用し、カスケード非線形効果によるフェムト秒光パルス圧縮を行った。まず、周期分極反転ニオブ酸リチウム素子におけるタイプI擬似位相整合を用いて通信波長で群速度整合SHGを実現した。この配置でのカスケード非線形効果を利用することで、パルス幅110fsの基本波入射から、ともに35fsに圧縮された基本波・第2高調波の発生に成功した。これは、擬似位相整合素子を利用したパルス圧縮としては世界初である。次に、非線形感受率の対角成分を用いた群速度一致法を実現するため、ニオブ酸リチウム2次元擬似位相整合素子の設計と作製を行った。1560nmを基本波とする条件に合わせ周期8.9μmの傾斜周期分極反転パターンを設計し、電子線リソグラフィーと電圧印加法により素子作製を行った。この素子を用いてフェムト秒SHG実験を行い、50%という高い変換効率や約100fsのSHパルス発生に成功した。次にこの2次元擬似位相整合による群速度整合法を用いた光ソリトン生成に関する理論研究を行った。そして従来の方法では現実的に不可能であった断熱的ソリトン生成法が、本手法では約20mmのデバイス長で実現できることを明らかにした。

カスケード非線形光学効果 / 超高速光制御 / 超短光パルス圧縮 / 疑似位相整合 / 波長変換 / 超短光パルス / 光スイッチング

次世代の毎秒テラビット光通信・情報処理や超短光パルス発生・制御においては、全光制御が必須の技術である。本研究では、カスケード2次非線形光学効果を用いた全光スイッチングの基礎特性解明およびその実現を目的とした。特にこれまで行われなかった、フェムト秒光パルスでの動作に焦点を絞った。
まず、BBO非線形結晶におけるタイプ1角度位相整合配置で、フェムト秒光パルスに誘起されるカスケード非線形位相シフトの時間プロファイル等を数値計算および実験により明らかにした。また、カスケード非線形効果を利用した新しい超短光パルス圧縮システムを提案し実現した。カスケード非線形効果特有の負性位相シフトと媒質の正常分散をバランスさせると可能となる、ソリトン的パルス圧縮システムである。計30ミリ程度のBBO結晶を用いて、チタンサファイアレーザーの再生増幅パルス(中心波長800nm)を135fsから45fsへと約3分の1への圧縮を実現した。このシステムのメリットは非常にシンプルであることとエネルギーロスが10%程度と極めて少ないことである。圧縮された光パルスは、Frequency-Resolved Optical Gating法により振幅・位相特性まで特定した。数値計算により、原理的には25fs程度までの圧縮が可能であることを示した。
次に、より高機能なカスケード素子実現へ向け、強誘電体タンタル酸リチウム結晶の分極反転素子を作製し、そのカスケード非線形効果のフェムト秒応答特性を測定した。結晶基板に周期電極をパターニングした後(周期3ミクロン)、電圧印加法によりポーリングを行った。大きな非線形光学定数(15pm/V)と真性非線形屈折率の協力的効果により、大きな正の非線形位相シフトが発生することを確認した。またその大きさと時間プロファイルが位相不整合量により変化する特性も明らかにし、光スイッチング動作への指針を示した。