国防科学普及ガソリンスタンド（36）スーパーコンティニュームレーザー：驚異的な新光源

光学分野において、レーザーは高輝度、優れた単色性、優れた指向性といった特徴を持っています。それは「最も明るい光、最も速いナイフ、そして最も正確な定規」として知られています。その幅広い応用は、一連の変革的な革新と創造をもたらし、人類の科学的進歩と経済的・社会的発展を促進しました。

「弟子は師匠を超える」とも言えます。レーザー誕生から10年後の1970年に、新たなレーザー光源「スーパーコンティニュームレーザー」が誕生しました。このレーザー ファミリーの新しいメンバーは、一般的な単色 (狭スペクトル) の通常のレーザーとは異なります。非常に広いスペクトルを持つマルチカラーレーザーです。そのスペクトル幅は 100 ナノメートルを超え、5000 ナノメートル、さらには 10000 ナノメートルを超えることもあります。このスーパーコンティニュームレーザーは、レーザーのすべての特性を備えているだけでなく、広いスペクトル範囲や優れた空間コヒーレンスなどの光源特性も備えています。そのため、より幅広い用途と驚くべき開発の可能性を秘めています。

レーザーから生まれ、光ファイバーという「肥沃な土壌」で育った

興味深いことに、スーパーコンティニュームレーザーの誕生は、線形光学の常識と法則を実際に「違反」しています。スーパーコンティニュームレーザーの特徴は、通常の白色光と同じくらい広いスペクトル範囲を持っていることです。従来の線形光学の理論では、白色光を様々な色の単色光に分解することはできるものの、単色光のビームを直接白色光に変換することはできず、つまり、スーパーコンティニューム（広帯域スペクトル）光源を得ることはできない。

驚くべきことに、1970年にアメリカの科学者アラーノとシャピロは、準単色緑色ピコ秒パルスレーザーを固体非線形媒体（特殊な光学ガラス）に注入し、予想外に400〜700ナノメートルの白色光出力を得ました。単色の緑色光は、広く連続したスペクトルを持つ複合白色光に変わりました。この偶然の科学的発見は、すぐに光学界に衝撃を与えた。それ以来、新しいタイプの光源、スーパーコンティニウムレーザーが誕生しました。

この科学的発見は偶然のように思えますが、実際には科学の必然的な法則に従っています。スーパーコンティニュームの発生のメカニズムは、強力なレーザーと媒体の間の非線形相互作用です。つまり、1 つ以上の準単色の強力なレーザー「シード」が媒体の「土壌」（ガラス、ガスなど）内を伝播すると、光波の電界強度は媒体原子内の電界に匹敵するほど十分になります。このとき、「種」の光と媒体である「土」の相互作用により、「非線形効​​果」が生じます。この効果により、元々単色だったレーザーのスペクトルが「遺伝子変異」のように短波と長波に拡大します。新たに生成されたスペクトル成分は新たなポンプ光として機能し、両側に連続的に拡大します。最終的に、狭帯域スペクトルは超広帯域連続スペクトル、つまりスーパーコンティニュームに拡張されます。

初期のスーパーコンティニウムレーザーを生産するための「土壌」は理想的ではありませんでした。それは主に固体、気体、液体などの従来の非線形媒体に集中していました。非常に高いピークパワーの入射レーザー「シード」を必要とするだけでなく、伝送損失が大きく、ビーム品質も低いため、アプリケーションの要件を満たすことが困難でした。

1980 年代には、低損失光ファイバーの誕生と応用により、スーパーコンティニウムレーザーの生成と伝送に最適な「肥沃な土壌」が整いました。光ファイバーは、レーザー光をマイクロメートルサイズのファイバーコア内に閉じ込め、レーザー光と媒体との相互作用の非線形効果を高めることができます。同時に、伝送距離を延長し、出力ビームの品質を向上させることもできます。

1996 年、英国サウサンプトン大学の研究者らは、スーパーコンティニューム生成に非常に適したフォトニック結晶ファイバーを開発しました。非線形係数が高く、分散がより柔軟かつ調整可能であるという特徴があり、超連続体研究における画期的な意義を持っています。それ以来、スーパーコンティニウムレーザーの研究と応用は急速に発展しました。

現在、軟質ガラス光ファイバーやテーパー光ファイバーなど、ますます多くの新しい光ファイバーでスーパーコンティニュームスペクトルを生成できるだけでなく、科学者はスーパーコンティニューム生成の「土壌」をシリコン窒化物などのシリコンベースの導波路にまで縮小し、既存の相補型金属酸化物半導体 (CMOS) デバイスとオンチップ互換性を持たせることで、シリコンベースのフォトニクスの用途が広がることが期待されています。

優れたパフォーマンス、オールインワンの利点

スーパーコンティニュームレーザーが誕生すると、そのユニークな光源特性は光学界全体を驚かせました。レーザーの輝度が高く、コヒーレンスが強く、指向性が優れているという特徴があるだけでなく、太陽光に似た広いスペクトル性能も備えています。

光は鮮やかで色鮮やかです。スーパーコンティニュームレーザーは比喩的に白色光レーザーと呼ばれることが多いですが、そのカバーする波長は可視光帯域の白色光よりもはるかに広範囲です。それらは、最も初期の可視光線帯域から、紫外線、近赤外線、中赤外線、遠赤外線帯域へと拡大しました。さまざまなバンドのスーパーコンティニュームレーザーにも、応用面ではそれぞれ独自の強みがあります。スーパーコンティニュームレーザーは、白色光よりもカラフルな多色光の一種であると言えます。

スペクトル範囲が広く、輝度が高い。通常のレーザーの狭いスペクトル特性と比較すると、スーパーコンティニュームレーザーのスペクトルは極めて広く、連続的に広がります。幅は通常 100 ナノメートルを超え、10,000 ナノメートル以上に達することもあります。この広いスペクトルの利点により、多くの帯域をカバーできます。計算によれば、ピーク電力がギガワットの範囲にあり、時間領域の繰り返し率がキロヘルツの範囲にある一般的なフェムト秒スーパーコンティニューム光源を例にとると、単位面積あたりに照射されるレーザー電力は太陽放射の電力密度の 700 倍以上になります。このことからスーパーコンティニュームレーザーの高輝度が明らかになります。

時間領域は柔軟かつ制御可能です。スーパーコンティニウムレーザーのポンプオプションには、連続波レーザー、ナノ秒レーザー、ピコ秒レーザー、フェムト秒レーザーなどがあり、さまざまなアプリケーション要件に応じて、異なる繰り返し周波数とパルス幅を持つポンプソースを選択できます。例えば、光ファイバー通信では、高い繰り返し周波数を持つスーパーコンティニューム光源が必要とされ、光干渉断層撮影技術では、パルス幅がフェムト秒のスーパーコンティニューム光源が一般的に使用されています。同時に、時間領域パラメータを総合的に調整することで、特定の形状と特定のスペクトル幅を持つカスタマイズされたスーパーコンティニュームスペクトルを実現することも可能です。

驚くべき応用可能性、軍事変革を促進

20 世紀の主要な発明であるレーザーは、人類の誕生以来、人類全体を照らしてきました。スーパーコンティニュームレーザーは、通常のレーザーよりも優れた性能を持ち、より幅広い応用が期待されています。バイオメディカル分野では、スーパーコンティニューム光源に基づく光干渉断層撮影技術により、網膜や冠動脈などの生体組織の3次元画像化と臨床診断が可能になります。食品安全の分野では、超連続光源を使用して検査サンプルを照射することで、サンプルの吸収スペクトルと透過スペクトルを短時間で収集し、食品の迅速な検査を実現できます。通信分野では、超連続光源は「交通の超人」として機能し、波長分割多重通信システムに使用され、今日の情報化時代にタイムリーな雨となっている。イメージングの分野では、スーパーコンティニューム光源が臓器のような大きな物体から分子のような小さな物体までを照らし、人間が世界をより鮮明に探索するのに役立っています。

軍事分野では、スーパーコンティニウム光源はそのユニークな特性により、米国、ロシア、フランスなどの国々によって光電子対決、戦場認識、軍事通信などの分野で開発・応用されており、変革的で広範囲にわたる影響をもたらすことが期待されています。

光電気は対決で一歩先を進んでいます。現在、高輝度赤外線レーザーを使用して敵の光電子装備を抑制・破壊するアクティブ赤外線対抗方法は、航空機の安全を確保するための重要な手段となっている。出力波長が単一で調整が難しい光パラメトリック発振器や量子カスケードレーザーと比較すると、スーパーコンティニュームレーザー光源は、空間コヒーレンスが良好でスペクトル範囲が広いという固有の利点があり、狭帯域フィルタリングや光トラッピングなどの方法では保護できません。特に、中赤外線帯域（2500～5000ナノメートル）のスーパーコンティニューム光源は、一般的な赤外線熱追跡シーカーの典型的な動作帯域をカバーすることができ、敵の精密誘導兵器を効果的に妨害し、飽和させ、盲目にすることができます。米軍は大型航空機やヘリコプターの底部に中赤外線スーパーコンティニューム光源を含む指向性赤外線妨害装置（DIRCM）を​​設置し、これに回転アームを装備して航空機周辺の不審な目標をスキャンし、赤外線誘導ミサイルのシーカーを妨害して最終的に固定軌道から外れて目標から外れるようにしたとの報道がある。

戦場の認識がより正確になります。スーパーコンティニュームスペクトルの広帯域特性により、一般的なガス（二酸化炭素、メタン、アンモニアなど）の吸収ピークをカバーでき、複数のガスの同期、リアルタイム、遠隔監視を実現します。同時に、スーパーコンティニューム光源の空間コヒーレンスにより、ガス混合物との相互作用長が非常に長くなり、検出感度が大幅に向上し、極めて微量のガス分子の検出が可能になります。ドイツのイルメナウ工科大学も、光ショートパスフィルターと組み合わせたスーパーコンティニュームレーザーを使用して、大気の乱流の温度と速度場をより高い空間分解能で同時に測定しており、天気予報に役立つと期待されています。さらに、スーパーコンティニュームレーザーを光源として用いるアクティブハイパースペクトルイメージング技術は、米国などの先進国においてさまざまな検出タスクに応用されています。従来の画像照明光と比較して、広帯域スーパーコンティニウムレーザーは超長距離のターゲットを連続的かつ能動的に照射できるため、偽装されたターゲットの識別、ターゲット認識精度の向上、敵の防御の難易度の向上に役立ちます。つまり、将来のスーパーコンティニウム光源は、戦場の環境偵察であれ、リアルタイムの気象支援であれ、軍隊の作戦に新たなソリューションと技術的手段を提供することになります。

大量のデータがより速く送信されます。スーパーコンティニューム光源をスペクトルフィルタリング技術でカットすることで、理論的には任意の数の波長分割多重光源を得ることが可能です。この高繰り返し多波長コヒーレントパルス光源は、高速・大容量光通信システムを実現するための鍵となる技術です。日本はスーパーコンティニューム光源を用いて1064チャンネルの多波長光源を生成し、毎秒2.7テラビット（1テラビットは10244ビットに相当）の高速光ファイバー通信を実現した。スーパーコンティニウム光源は、数千個の通常のレーザー光源を置き換えることができ、膨大な量のデータの伝送を必要とする情報ベースの共同作戦に高速かつコンパクトな技術サポートを提供します。自由空間通信の分野では、研究チームが、スーパーコンティニューム光源を部分コヒーレント高速搬送波として使用することで、大気の乱れによる光強度のちらつきを効果的に抑制し、毎秒16ギガビット（1ギガビットは10243ビットに相当）の通信速度を実現できることを実証した。将来、スーパーコンティニューム光源に基づく宇宙通信技術が戦場の緊急通信ソリューションとして利用されれば、緊急事態や局地戦争などの状況に適用され、より便利になるでしょう。

技術の進歩とプロセスレベルの向上により、スーパーコンティニウムレーザーは将来、より高い平均出力、より広いスペクトル幅、より優れたビーム品質へと進化していきます。この驚異的な新しい光源は、イノベーションを推進し、想像を絶する成果を達成する上で大きな役割を果たすことになるでしょう。

（著者：王武文、朱希然　出典：国防大学科学技術普及中国共同建設基地）