世界初、アト秒光パルスの発生原理である高次高調波発生において偏光、波面形状の同時制御に成功 ～分光、レーザー加工、光ピンセット、情報通信などに広く関わる光の制御法則の解明～

発表のポイント：

強いレーザー光を使った波長変換である「高次高調波発生」において、固体結晶の特徴を利用することで従来困難であった偏光と波面形状の同時制御に成功しました。
どのような固体結晶を使えばどのような特徴の偏光や波面形状をもつ光が発生できるのかを決める法則を明らかにしました。
高調波発生を用いた光技術の今後の発展のために必要な指針となる結果であり、例えば波面形状の制御された光は分光、レーザー加工、光ピンセットや光通信での新たな応用につながります。

　日本電信電話株式会社（本社：東京都千代田区、代表取締役社長：島田　明、以下「NTT」）は、強いレーザー光を使って光の波長（※１）を変換する過程である「高次高調波発生（※２）」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ました(図１)。今回、波長変換を起こす固体結晶中の「対称性(※３)」と呼ばれる原子配列の規則性を活かすことでこれを可能にし、さらに発生する光の偏光と波面形状を制御するための基本的な指針である光の変換法則を発見しました。本成果は、将来の分光、レーザー加工、光ピンセット、光通信など様々な分野の光技術での新たな応用につながると期待されます。
　本研究成果は、2024年8月2日に米国科学誌「Science Advances」のオンライン版に掲載されました。本研究の一部は独立行政法人 日本学術振興会 科学研究費助成金の助成を受けて行われました。


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図１ 強い赤外レーザー光（図左）から固体結晶（図中央）中での波長変換を通して、様々な波長において選択的な偏光、波面形状を持った光（図右）が同時に発生される様子

1．背景
　レーザー光のもつ色(波長、周波数)、強度、位相、偏光、波面形状といった重要なパラメータ(※１)の制御は、光通信をはじめとして科学、産業、医療の非常に広い分野への応用を生んできました。近年は強いレーザー光を照射した際の物質の光応答の研究が進み、レーザー加工や波長変換の技術につながっています。波長変換は目的に応じた波長のレーザー光を作り出すために重要な技術であり、そうした研究の最先端で注目されているのが、「高次高調波発生」という、2023年にノーベル賞を受賞したアト秒光パルス発生(※４)の原理にもなっている波長変換過程です。
　NTT物性科学基礎研究所(以下、NTT物性研)では高次高調波発生の研究に長年取り組み、発生する高調波を制御することで、将来の精密な光計測や高速な光デバイスなどにつながるような新しい光技術を模索してきました。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ましたが、さらに残りの重要な光のパラメータである偏光や波面形状を制御することで高次高調波のすべてのパラメータの制御をめざしています。しかし、高次高調波発生においてレーザー光の偏光、波面形状がどのように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、それらの制御が課題でした。