物理

光ファイバーや平面導波路などの従来の光導波路は、屈折率の低いクラッドで囲まれたコアで構成されています。 光は、コアとクラッドの境界での全反射によってコア内に効率的に閉じ込められます。 光ファイバーは数百キロメートルにわたって光を伝送できますが、高出力伝送や大気監視など、ファイバーの使用が現実的ではない用途もあります。 回折効果によってビームが広がるため、空気を通して光を直接送ることはできません。 潜在的な解決策は、レーザーパルスで空気中の導波路を「彫刻」し、乱れのない空気の中心コアの周りに低密度のクラッドを生成することです。 メリーランド大学カレッジパーク校のアンドリュー・ゴフィン氏らは、ドーナツ型のビームを使った新しい方法を使って、空中に長さ45メートルの導波管を作成した[1]。空気導波管。 この成果により、高出力レーザーパルスを遠隔ターゲットに送信できるようになり、リモートセンシング、雷制御（研究ニュース：レーザーベースの「避雷針」を参照）、マイクロ波誘導などの幅広い応用が可能になる可能性がある。

空気導波路の原理は、フェムト秒レーザー パルスを発射して空気中に短命のチャネルを開き、その後の「プローブ」パルスが通過できるようにすることです [2]。 最初のパルスは、空気成分 (N2、O2、希ガスなど) を加熱することによって、コアとクラッドの間に必要な屈折率コントラストを生成します。 加熱された空気は膨張し、被覆材の密度が周囲の空気の密度よりも低くなります。 結果として生じる空気導波路は数ミリ秒持続することができ、これはプローブ信号をそこに送信するのに十分な時間です。

しかし、なぜ最初のレーザーパルスが広がらずにプローブの前に伝播できるのか疑問に思う人もいるかもしれません。 答えは、フィラメント化と呼ばれる非線形プロセスにあります。このプロセスは、空気中の 2 つの競合する効果のバランスから生じます。1 つは、いわゆるカー非線形性によって引き起こされる自己集束効果、もう 1 つはパルスによって生成されるプラズマの形成によって引き起こされるデフォーカス効果です。それ自体[3]。 フィラメント化により、線形伝播条件下での回折によって可能となる距離よりもはるかに長い距離にわたってレーザー場を狭く閉じ込めることができます。 ただし、レーザー フィラメントの幅は約 200 𝜇m 以下、ピーク強度は約 1014 W/cm2 以下であるため、最終的にはフィラメント コアの平均出力が制限されます。 このため、フェムト秒レーザー パルスによって生成されるフィラメントは、それ自体では高出力を供給するための効果的な手段ではありません。 しかし、空気導波路の生成に使用すると、フィラメントは高出力の光ビームの経路を作成できます。

Goffin らは 2014 年に空気導波路の原理を初めて実証しました。その初期の実験では、チームは赤色レーザー ビームを 4 セグメント マスクに通し、正方形のパターンで 4 本のレーザー フィラメントを作成しました。 これらのフィラメントは、そのコア内に光を閉じ込める「ライトフェンス」を形成しました。 研究者らは、この空気導波路を使用して、110 mJ の緑色光パルスを空気中で約 70 cm の長さにわたって伝送しました (「視点: 熱風で作られた導波路」を参照)。

チームは現在、この以前の研究を大幅に拡張することに成功しました。 このグループの最初の空気導波路の長さが比較的短いのは、ライト フェンス内のフィラメントの数が限られていて、導波路の幅とコアとクラッド間の密度コントラストの強さが制限されていたためです。 フィラメントの数を増やすには、より多くのセグメントを含むマスクを使用して、より多くのフィラメントをシードすることを素朴に想像できます。 ただし、実際には、セグメントが等しいエネルギーと局所的に滑らかな位相面を備えたビーム ローブを確実に生成することは困難です。 代わりに、著者らはドーナツ型のビーム、または技術的に言えば滑らかなラゲール ガウス LG01 モードを使用しています。 彼らは、レーザー光を直径数ミリメートルのリングに集中させるスパイラル位相板を使用してこのモードを生成します (図 1)。 集中した光は、ドーナツ リングの周囲に均一に分布してランダムなフィラメント化を開始します。 より大きなビームを使用すると、局所的なレーザーフルエンスが一定のままであれば、より多くのフィラメントが自動的に生成されます。これは、結果として得られるクラッドが導波路の全周を覆うことを意味します。

研究室の隣の廊下で、著者らは45メートルの距離にわたる空気の導波を実証した。 彼らの導波路発生器は、波長 800 nm、総エネルギー 120 mJ の 300 fs レーザー パルスでした。 このパルスは LG01 ドーナツ モードでインプリントされ、直径 5.6 mm のリングの周囲に約 30 個のフィラメントを形成しました。 研究者らは、得られた導波管を通して、波長532nm、総エネルギー1mJの7nsのプローブパルスを送信した。 検出器はさまざまな距離で透過光の量を記録し、導波路を使用した場合、導波路を使用しない場合よりも伝達される光の量が約 20% 多かったことが示されました (図 2)。 研究者らはまた、空気導波管の寿命が数十ミリ秒という長いことも示した。

しかしながら、この導波路方式には、比較的高い伝播損失、導波ビームの貧弱なモードプロファイル、空気導波路の形成における高いエネルギー消費など、いくつかの欠点がある。 この計画のパフォーマンスを向上させるために、研究者はより洗練された光彫刻技術を開発する必要があります。 最初のドーナツビームをより均一にすることができれば、複数のフィラメントがより決定的な方法で形成されるはずであり、これにより、より安定で再現性の高い空気導波路が得られるはずです。

著者らは、将来的には、1キロメートル以上の距離にわたって高出力の光を届けることができる空気導波路を構想している。 彼らは、キロメートル規模の伝送を達成するには、約 40 ～ 80 フィラメントのリング カバレッジをサポートする高エネルギー (最大 2 J) LG01 パルスが必要であると推定しています。 このような空気導波路は、大気中の遠隔地への効率的なレーザーエネルギーの伝達を必要とする多くの実用的な用途への扉を開きます。 一例としては、空気導波管によって大気中を運ばれる UV 光でガス汚染物質を励起することにより、ガス汚染物質を検出することが挙げられます [4、5]。 励起された汚染物質から放出される光は分光学的に分析できます。 同様のスキームにより、放射性物質を遠隔から検出できる可能性がある[6]。 最近実証されたもう 1 つの可能な用途は、雷を地面に導くプラズマ チャネルの生成による雷保護です。

Ya Cheng は、1993 年に復旦大学で学士号を取得し、1998 年に上海光学精密機械研究所で博士号を取得しました。彼は現在、華東師範大学の精密分光法国家重点研究所の所長を務めています。 彼の研究は、薄膜ニオブ酸リチウムに基づく超高速非線形光学とフォトニック統合に焦点を当てています。 彼は Optica フェローであり、英国物理学研究所のフェローでもあります。

A. ゴフィン、I. ラーキン、A. タルタロ、A. シュヴァインスベルク、A. バレンズエラ、E. W. ローゼンタール、および H. M. ミルヒベルク

物理学。 Rev. X 13、011006 (2023)

2023 年 1 月 23 日発行

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