【解説】アト秒パルス発生原理による光制御がもたらす応用とは

日本電信電話（NTT）は，強いレーザー光を使って光の波長を変換する過程である高次高調波発生において，これまで制御が困難であった偏光，波面形状の同時制御に世界で初めて成功した（ニュースリリース）。

同社ではこれまで高調波の短パルス化，短波長化，高出力化により，光の周波数，強度，位相といった光のパラメータの制御を実現してきた。さらに偏光や波面形状を制御を目指しているが，高次高調波発生においてこれらがどう変換されるのかについて統一的な指針となる理解はなく，その制御が課題だった。

そこで同社は，固体結晶の対称性をうまく利用して円偏光から光渦を作成することで，高次高調波発生で変換される偏光と波面形状の同時制御に成功した。そして，それらの変換ルールが固体の対称性を反映して決まる汎用的な法則の上に成り立っていることを明らかにした。

波長2500nmの強い赤外フェムト秒レーザー光の円偏光ガウシアンビームを発生し，1軸性結晶である2mm厚のセレン化ガリウム（GaSe）結晶に6mmの焦点距離のレンズを用いて集光することで高次高調波発生を起こした。

集光したレーザー光の周波数の何倍も高い周波数に対応する，赤や橙や青の光を偏光成分ごとに分解した後，発生した光をカメラで撮影することで高調波のビームの空間形状を確認した。その結果，赤，橙，青などの様々な波長の高調波が得られ，その波長，偏光成分に依存したビームの空間形状が観測された。

タイトフォーカスをするとき，しないときを比較すると固体結晶と相互作用する赤外光の偏光の空間分布に違いがあるために，現れる高調波の空間形状が大きく異なる。タイトフォーカスしない際には次数と偏光に対する従来から知られた法則に従って高調波が発生しており，そこには通常のビームの断面形状しか現れない。

一方でタイトフォーカスした際にはドーナツ状やかざぐるま状のビームの断面形状が観測された。ドーナツ形状（3次）は1つの光渦の状態，風車（4次）は異なる複数の光渦が同時に発生していることを示している。これらの観測結果は今回導いた1つの変換法則に従って同時制御された選択的な円偏光，光渦状態であることが明らかになった。

同社は，通常のレーザー技術では得るのが難しい紫外領域の波長をもつ光渦を高次高調波発生によって得ることで，波長の短さに起因する微小空間への高い集光性能を利用した微小物体の光操作（光ピンセット）や顕微分光技術，レーザー加工，光通信の高度化などへの新しい応用が期待されるとしている。

【解説】NTTが発表したこの研究発表は，2023年のノーベル物理学賞を受賞したアト秒パルス発生の原理に基づいたものです。

従来は気体に赤外パルス光を照射して波長変換，いわゆる高調波を発生させていたのですが，今回は気体ではなく固体結晶に置き換えたとのことです。

同社によると，今回の研究で新たなデバイスを開発したというのではなく，波長変換を行ない，かつ偏光（電場と磁場の規則性）やビームの形状，光の運動といった制御を，光学系の最適化によって同時に実現したとしています。

上記の三つの制御のうち，光の運動とは，具体的には光渦です。レーザーは，一般的に光子が同じ方向に進んでいき，等位相面は平面となります。

このため，強度分布は円形となりますが、光渦レーザーは，光子がそれぞれ異なる方向に進み，等位相面がらせん状になり，強度分布がドーナツ形状になります。これが公転運動をしながら発振されます。

レーザーは制御を極めることで，様々な応用が広がります。同社では高次高調波発生によるような制御技術では，光ピンセット，顕微分光技術，微細加工，光通信への展開が期待できるとしています。（月刊OPTRONICS編集長 三島滋弘）