低ノイズ光周波数コムの進展

光周波数コムのパルス繰り返し率を下げると、平均パワーを一定に保ったままパルスエネルギーが高くなります。この増加は非線形周波数変換をより効果的にし、極端な紫外線（XUV）などの幅広い波長に到達できるようにします。生成された高密度の周波数コムは、狭い原子や分子の遷移を精密に測定するためにも使用できます。

この研究では、40 kHzという低い繰り返し率の低ノイズ赤外線周波数コムを紹介します。これはYb:KYWモードロックレーザーを使用し、パルスピッキングと増幅を組み合わせることで達成されています。コム構造は、連続波参照レーザーとのビートノートを生成することで検証されます。このプロセスでは、コムのモードを参照レーザーに対して積極的に安定化させ、位相ノイズを測定して品質を確認します。

光周波数コムは、光周波数測定の分野に大きな変革をもたらし、高精度レーザー分光法に不可欠です。周波数コムの最初の用途は、連続波レーザーの周波数測定でしたが、その後の精密分光法に使用されました。周波数コム自体も、ターゲット遷移を励起し、幅広いスペクトル範囲を迅速かつ高感度で分析するために利用できます。

光周波数コムは、繰り返し率によって均等に間隔をあけた多くのモードから成り、通常、標準的な固体およびファイバーレーザー設計の範囲内で数十MHzの範囲に収まります。数十GHzのモード間隔を持つコムは、天文学的分光計の較正に使用されますが、繰り返し率が100 kHz未満のパルストレインは、高いパルスエネルギーを提供します。これは、非線形周波数変換などのさまざまな用途に特に役立ちます。

光周波数コムを非線形周波数変換に使用することで、連続波レーザーが利用できない波長範囲での精密分光法が改善される可能性があります。例えば、ヘリウムイオンの1S-2S遷移の精密分光法を対象とした計画実験には、60.8 nmの周波数コムが必要です。強いパルスのペアを含むラムゼー型の周波数コムは、XUV波長での遷移に対する代替手段を提供するかもしれません。

トリウム（Th）などの核遷移の精密分光法は、核光時計の作成への道を開く可能性があります。キャビティ内での高次高調波生成は、高出力のXUV周波数コムを生成し、直接的な周波数コム分光に適しています。このプロセスは、ガスまたは固体媒体がキャビティの焦点に置かれた強化キャビティ内で発生します。高い平均パワーと強度によって引き起こされる熱レンズ効果やプラズマシフト、温度変化によるアラインメントのずれ、光学的損傷などの問題を避けるために注意が必要です。

低繰り返し率でコムを動作させると、強化キャビティなしでも高いパルスエネルギーが得られます。繰り返し率を下げると、モード間隔が小さくなります。精密分光法では、調査対象の遷移の線幅よりもモード間隔が大きくあるべきで、良好に解像された分光信号を得るために重要です。例えば、60.8 nmでのヘリウムの1S-2S遷移における予想線幅は約1 MHzであり、トリウムの核遷移は自然な線幅が約20 kHzです。数kHzのモード間隔を持つコムがこれらの用途には十分です。

低い繰り返し率での高パルスエネルギー超高速度レーザーは、通常、マスターオシレーター出力増幅器（MOPA）を使用して生成され、これらはチープドパルス増幅法を採用しています。これらのシステムは、アト秒物理学、レーザー粒子加速、超高速度過渡分光など、さまざまな用途があります。オシレーターの往復位相を積極的に制御することで、各パルスは同じキャリア-エンベロープ位相（CEP）を持つことができ、数サイクルパルスに敏感な特定の現象を研究する際に重要です。

CPAレーザーシステムにおけるパルス間のタイミングジッターは、バランス型光クロスコリレーターを使用して正確に制御できます。例えば、1 MHzの繰り返し率でサブ100 fsのタイミングジッターが達成されます。パルスタイミングジッターが100 fsであると、1 MHzの繰り返し率で10 kHzの周波数不確定性を引き起こす可能性があります。これにより、光コムモードが広がり、周波数領域におけるコム構造が潜在的に混乱する可能性があります。低繰り返し率レーザーが超高速現象の研究に適していることが示されていますが、低ノイズの周波数コム構造を保証するものではありません。

この研究では、Yb:KYWモードロックオシレーターを使用して、40 kHzから40 MHzの調整可能な繰り返し率で動作する低ノイズ光周波数コムを提示します。サブMHzの繰り返し率で動作するモードロックレーザーは、実用的でないことがある長いキャビティを必要とします。そこで、従来のモードロックレーザーとパルスピッカーを使用して、低繰り返し率で光周波数コムを生成します。関連するパワーロスは、パルストレインを再増幅することで補償され、より高いパルスエネルギーが得られます。コムの1つのモードは、ウルトラステーブルな連続波（cw）参照レーザーに対して積極的に安定化されています。安定化されたモードの位相ノイズは、参照レーザーに対して評価され、狭い線幅により狭い遷移を励起するのに適しています。

#パルスピッキングプロセスのモデリング

最初のステップは、パルスピッキングプロセスをモデリングし、パルスピッカーを理想的な振幅変調器として扱います。計算を容易にするために、モードロックレーザーの出力は、定義された繰り返し率を持つガウス形状のパルスの列としてモデリングされます。レーザーのパルストレインの電場は、数学的に記述できます。

私たちのセットアップでは、n-thの各パルスが音響光変調器（AOM）によって第一回折次数に回折され、他のパルスはゼロ回折次数に残り、廃棄されます。このパルスピッキングにより、パルス間の時間間隔が増加し、周波数領域でのモード間隔が対応して減少します。AOMは、矩形パルストレインで変調されたRFキャリアに基づいて動作します。

パルスピッキング後に生成されるスペクトルは、モード間隔が減少したコムモードから成り、変調によって追加のモードが生成され、元の繰り返し率によって導入された側帯として示されます。このプロセスは、元のコムモード間の隙間を埋めながら、ガウスエンベロープ形状を維持します。

スペクトル強度は計算可能であり、コムモードのパワーがパルスエネルギーの二乗にスケールすることを示します。元のパルストレインからの位相ノイズは、パルスピッキングの前後で周波数コム構造に影響を及ぼします。重要な要件は、コムモードの線幅がパルスピッキング後のモード間隔よりも狭いことが必要であり、コム構造が保持されることを保証します。

パルスピッカーの実際の実装とその後の増幅も、低繰り返し率でコム構造を維持するために低ノイズである必要があります。この研究は、このアイデアを実験的に確認することを目指しています。

パルスピッキングは、AOMまたはエレクトロオプティック変調器（EOM）と偏光子の組み合わせを使用して達成できます。AOMベースのパルスピッカーの概念スキームが示されており、AOMが特定のキャリア周波数で駆動され、ゲーティングパルスを使用して変調されます。

#実験セットアップ

この研究で使用された40 MHzの光周波数コムには、モードロックYb:KYWオシレーター、Yb:LuAGを使用した固体増幅器、および安定化されたコムモードの周波数を迅速に調整するためのAOM周波数シフターが含まれています。Yb:KYWオシレーターの出力は、1030 nmに中心を持ち、14 nmの帯域幅があります。平均出力パワーは26 mWで測定されています。

2つのPZT駆動ミラーがレーザーキャビティ内に組み込まれ、キャビティを長くしながら周波数コムを安定化させます。レーザーは、振動遮断された温度制御のアルミニウム基板に搭載され、密閉されたハウジング内に配置されています。レーザー出力では、繰り返し率が高速フォトダイオードを使用して検出されます。

補助出力は、キャビティ内の異なる光学素子からパワーを取り出し、その信号を1033 nmの連続波参照レーザーを用いたヘテロダイン検出セットアップに送信します。ビート検出セットアップは信号を位相比較し、1つのコムモードをcw参照レーザーに安定化させるためのフィードバックを提供します。

周波数コムは、固体Yb:LuAG増幅器によってさらに増幅され、出力を大幅に増幅するための入力パワーを受け取ります。AOMを通して処理された後、コムモードと参照レーザーからのビート信号は、安定性を維持するために検出セットアップ内で位相比較を可能にします。

#結果

さまざまな繰り返し率で収集されたビートノートスペクトルは、40 kHzの低い繰り返し率でも明確なコム構造が維持されており、狭いピークが残っていることを示しています。ビート信号の線幅は、使用された測定機器の解像度帯域幅によって制限されています。

異なるパルスピッキングファクターに対するビートノートのパワーレベルは、予想通りの傾向を示し、各コムモードに含まれる光パワーと相関しています。位相ノイズパワー密度の分析は、低繰り返し率でのノイズフロアの増加を示すものの、パルスピックされた周波数コムにおいては、測定ノイズフロアを超える位相ノイズの顕著な増加は観察されませんでした。

#議論

この研究の結果は、パルスピッキング後も低ノイズの周波数コム構造が維持されており、統合された位相ノイズが低繰り返し率での強い性能を示していることを示しています。これらの低繰り返し率の周波数コムは、特異な波長での高分解能分光法に対して有望です。

XUV波長でのデュアルコム分光法は、この研究で示された周波数コムのエキサイティングな将来のアプリケーションとなる可能性があります。低繰り返し率のためにコムモード番号を決定することは課題となるかもしれませんが、さまざまなピッキングファクターでの測定を繰り返すことで、モード番号を明確にする方法が提供されます。

効率を向上させるために、今後の計画には、パワーロスを減らすためにフェムト秒ビルドアップキャビティ内でのパルスピッキングを実装することも含まれています。また、ノイズ抑制を強化するための狭帯域スペクトルフィルターとしても機能します。

#結論

要約すると、この研究はYb:KYW固体モードロックオシレーターとAOMパルスピッカーに基づく低繰り返し率の光周波数コムを提示しています。達成された繰り返し率は40 kHzから40 MHzまでで、強力な位相安定化システムが備えられています。この研究は、パルスピッキング後も狭い線幅のコム構造が維持されることを示しており、低繰り返し率での低ノイズ周波数コムの実現可能性を確認しています。

40 kHzの繰り返し率で報告されたパルスエネルギーと平均パワーは重要であり、高調波生成プロセスを駆動し、XUV周波数コムを生成する可能性を示唆しています。これらの発見は、低繰り返し率の周波数コムが高分解能分光法での効果的なツールとして機能し、将来の革新的なアプリケーションへの道を開くことを示唆しています。