ゼプト秒のエクストリームライト
数十ジュールのペタワットレーザパルス、それ以上のレーザパルスをシングルサイクルレベルに圧縮すると、アト秒やゼプト秒アプリケーションへの扉が開く。センチメートル当たりで巨大なテラ電子ボルトのエネルギー勾配、コンパクトで効率的なレーザイオン加速器、真空中の光の物質化がこれに含まれる。
伝統的に、パルス圧縮は低エネルギーレーザパルスに関係している。しかし最近、数十ジュールのペタワットレーザパルス、それ以上のレーザパルスを圧縮できることが実証された。このようなパルスと相対論的プラズマミラーとの相互作用は、一段と圧縮されてサブアト秒時間領域に達し、シングルサイクルX線領域のマルチエクサワットパルスへの道が開ける。
このような高エネルギーパルス圧縮技術は、コンパクトで効率的なレーザイオン加速器、オンチップテラ電子ボルト粒子加速器、真空光物質化などの新しいアプリケーションの扉を開く。さらに、アト秒・ゼプト秒幅のパルスは当然、X線領域（1－10keV）にあり、テラ電子ボルトおよびそれ以上のエネルギーにおける基礎物理学研究を可能にする。この他に、宇宙加速器、真空非線形性、ダークマターやダークエナジーなどの光と物質の弱い結合領域、シュウィンガー（Schwinger）フィールド付近の放射線物理学、真空におけるゼプト秒動的分光法、および陽子線治療向けの安価なプロトン光源などの研究も可能になる。
エクストリームレーザパルスと量子真空との相互作用は、仮想粒子対を破壊し、それらを実粒子に変換する（提供：フィル・ザウダーズ/フィル・ザウダーズグラフィックス社）。
パルスが短いほど高エネルギーに
長年にわたる高エネルギーレーザの研究を活用した結果、10PWを超えるピークエネルギーに到達する道はパルスエネルギーを増やすことではなく、つまりコストのかかることてはなく、パルス幅をアト秒・ゼプト秒のスケールに圧縮することであることが分かった（1）。このような方法で、エクサワットパワーは簡単なエネルギージュールで達成可能になる。
チャープパルス増幅（CPA）、後の光パラメトリックCPA（OPCPA）が発見されたことで、レーザパルスのピークパワーは6～8ケタ増と著しく飛躍し、ピークは1015から1022W/cm2、つまり電子振動エネルギーと静止質量エネルギー（電子の1018W/cm2）が等しくなるレベルより4ケタ増加した。これは相対論的レーザプラズマ相互作用、サブアトミック領域の到来を告げるものである。これには、原子核物理学や粒子物理学が含まれる（2）、（3）。
次の強度レベルは、プロトン静止質量、つまり1025W/cm2に等しい振動エネルギーになる。ELI（Extreme Light Infrastructure:イーライ）、LMJ、アポロン（Apollon）と言った大規模欧州レーザインフラストラクチャー、そのほか、ロシア、中国、韓国のインフラストラクチャーが競って実現しようとしているのが、この途方もない強度である。とは言え、非線形量子力学領域に入るためには、はるかに高い1029W/cm2領域に到達しなければならない。
光・真空物質化
戦略は、ELI-NP（http://www.eli-np.ro）と協力してわれわれが採用したエネルギー >1025W/cm2の高エネルギーサブアト秒パルスの効率的生成に向けたもので、簡素、ローコストであり、既存のペタワットもしくはペタワットが見込めるファシリティを使用する。圧縮技術は2段階で行われる。まず代表的な20fs、20J近赤外（NIR）パルスシングルサイクルに圧縮し同時に15Jのエネルギーを維持する。次に相対論的プラズマミラーを用いてパルスを2.5fsからアト秒・ゼプト秒（10－21s）レジームに圧縮する。
現在の圧縮技術は、溶融シリカファイバもしくは中空キャピラリに依存する。必要なスペクトル広がりが得られるように、これらには希ガスが充填されている（4）～（6）。しかし収容できるのはナノジュールからミリジュールの低エネルギーのパルスにすぎないので、1つの技術からもう1つの技術に移行することで圧縮できるエネルギーが鋭く上昇する（図 1）。
パルスエネルギーを一層増やすために、コークム（Corkum）とロランド（Rolland）は体積圧縮を行った（7）。ところが、材料の非線形性は、ビームのガウシアン強度プロファイルの影響を強く受け、ピーク強度付近の中央部分を除いて、パルスの均一圧縮ができない。非均一圧縮は、体積圧縮の魅力を著しく弱める。
均一性の問題を解決するために、われわれは最新のペタワットレーザの使用を提案している。そのレーザは、薄い（サブミリメートル）バルクフィルムで振幅と位相がトップフラットプロファイルのパルスとなり、数十ジュールパワーレベルでシングルサイクルパルスを生成する（図2）。薄膜圧縮（TFC）技術は安価なプラスチックプレート、あるいは厚さが均一な、しかし必ずしも平たんではない、サブミリメートルのガラス板に依存している。プレートは、ペタワットパルスビーム輸送内に置かれ、エネルギー損失を最小化しながらビーム全体にほほ一定の自己位相変調（SPM）を起こす。大口径材料は、壊れることな高強度レーザショットに耐えることができなければならない、簡単に取り換えられないからである。
図1 シングルサイクルレジームにおけるパルス圧縮は、まずシングルモードファイバ、次に中空コアキャピラリ内の希ガス内の高強度パルスに対する非線形応答に依存している。個々の方法が実証していることは、20fsパルスは、実用的なエネルギー範囲内でさらにサブ5-fsパルスまで圧縮できるということである。近赤外パルス圧縮に向けてエネルギーでさらに飛躍するために薄膜技術が提案されている（出典: ジュラール・ムル et al）。
図 2 圧縮には2段階ある。まず、薄膜圧縮は自己位相変調（SPM）によって生ずるスペクトル広がりと群速度分散（GVD）との間の相互作用に依存している。GVDは、大口径膜でパルスを広げるのに必要。最初のパルスと比較して増加したスペクトル成分を持つ線形周波数チャープパルスは、チャープミラーのような分散素子を用いて、圧縮することができる。圧縮の第2段階は、適切に合焦調整したシングルサイクルパルスを必要とする。相対論的強度フィールドを適用して固体標的プラズマをX線パルスにアップコンバートするためである。
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出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2016/07/LFWJ_Jul16_P014_016_feature01.pdf