このノーベル賞受賞者が高強度レーザーへの道を切り開いた

ドナ・ストリックランドは子供の頃、1 つの目標を念頭に置いていました。それは、博士号を取得することです。 しかし、カナダのオンタリオ州ハミルトンにあるマクマスター大学で物理学の学部課程を始めるまで、彼女は自分がどの科目を追求したいのかわかりませんでした。 そこで彼女は、レーザーに関するコースを受講した後、レーザーの研究に興味を持ちました。

このテーマは「SF小説の何かのようで、とてもクールだった」とストリックランド氏は言う。 新たに見つけた情熱が、いつの日かノーベル物理学賞を受賞することになるとは、彼女はほとんど知りませんでした。

ストリックランドは、ニューヨークのロチェスター大学で博士号を取得するために光学の研究を行っている間、レーザーのパイオニアでありノーベル賞受賞者であるフランスの物理学者ジェラール・ムルと協力しました。 モルー氏は、強力なレーザー光を生成して研究するために構築された物理学研究所のエクストリーム ライト インフラストラクチャ ネットワークの開発を主導しました。 一緒に、レーザーのピーク出力を損傷することなく増加させる方法を実験しながら、彼らはチャープパルス増幅技術を発明しました。 高強度に達する短いレーザーパルスを生成する CPA は、現在、眼科矯正手術、医療画像処理、スマートフォンの製造など、多くの用途に使用されています。

Strickland と Mourou は、2018 年のノーベル物理学賞を IEEE Life Fellow の Arthur Ashkin と共有しました。Arthur Ashkin は、別の技術である「光ピンセット」を発明しました。この技術は、低出力のレーザー ビームを使用して生きた細胞やその他の小さな物体を操作します。

ノーベル賞受賞は「人生を変えた」とストリックランド氏は言い、「準備ができていなくても、人生は一日で変わってしまう可能性がある」と付け加えた。

彼女の発明は、IEEE が後援する今年の IEEE 名誉会員の資格も獲得しました。 彼女は、同僚が彼女をその賞に推薦してくれたので、この賞は特別なものだと語った。

「ドナの仕事は変革をもたらしました。 チャープパルス増幅に関する彼女の独創的な研究は、研究のゴールドスタンダードです」と彼女の受賞推薦者の一人は述べた。 「さらに、彼女は世界中の多くのエンジニアにとって真の模範です。 彼女は非常に貢献的な人物であり、IEEE 名誉会員のあるべき姿を示す輝かしい模範となっています。」

Strickland は、オンタリオ州のウォータールー大学の物理学教授であり、差周波混合による中赤外パルスの生成や多周波ラマン生成技術の研究など、非線形光学研究用の高強度レーザー システムを開発している研究者グループを率いています。

ドナ・ストリックランドがストックホルムのコンサートホールでスウェーデンのカール・グスタフ国王から2018年ノーベル物理学賞を受賞した。ヘンリック・モンゴメリー/TTニュースエージェンシー/ゲッティイメージズ

高強度レーザーへの道を開く

1981 年に McMaster で物理工学の学士号を取得して卒業した後、Strickland はニューヨークに移り、当時レーザー光学を研究する最高の学校の 1 つと見なされていたロチェスター大学で光学の博士号を取得しました。 彼女は、大学のレーザー エネルギー学研究所で Mourou に加わりました。Mourou は、デバイスを損傷することなくレーザーの強度 (光パワー) を高める方法を探していました。

パルスレーザーは、短時間、小さな領域に光を集中させて電力を生成します。 1960年に物理学者セオドア・マイマンが最初のレーザーを実証してから数年間、ピーク強度は急速に増加しました。しかし、特定のポイントを超えて光を増幅するとレーザーが損傷したため、強度は1970年以降10年以上にわたって横ばいになりました。

光が物質とどのように相互作用するかに関する彼の研究で、Mourou は 1983 年に、パルスを元に戻す前に間隔をあけてパルスを増強すると、損傷のない高強度のレーザー パルスが得られるという仮説を立てました。 しかし、それを達成する方法がわからなかった、とストリックランド氏は言う。 そこで、博士課程の研究のために、彼女はさまざまなレーザー システムを使用して彼の仮説をテストしました。 しかし、彼女の実験はどれもうまくいきませんでした。

「ドナは世界中の大勢のエンジニアにとって真の模範です。 彼女は非常に貢献的な人物であり、IEEE 名誉会員のあるべき姿を示す輝かしい模範となっています。」

ストリックランドとモルーが解決策を見つけたのは、1984 年の超高速現象に関する国際会議に出席したときでした。 年に 2 回開催されるこのイベントには、10 億分の 1 秒またはそれよりも速い速度で発生する原子、分子、または材料のプロセスを研究するために使用されるツール、方法論、および技術を開発している科学者が集まります。

Strickland と Mourou は、ネオジムをドープしたイットリウム アルミニウム ガーネット (Nd:YAG) レーザーの新しく開発された光ファイバー パルス圧縮に関する会議でのプレゼンテーションに出席しました。 この技術により、100 ピコ秒のパルスを、光ファイバー内の非線形光学系を使用して 1 ps に圧縮し、レーザーのスペクトル帯域幅を拡大することができます。 パルスがファイバ内で分散しながら伸びることができる場合に、圧縮が最も成功することがわかりました。

「私は実験に同じレーザーを使用していました」とストリックランド氏は思い出します。

彼女と Mourou は、高強度パルスを安全に作成する方法を考え出しました。パルスは、増幅後ではなく、増幅前に引き伸ばされる必要がありました。 パルスを伸ばすということは、パルスを再圧縮して必要な強度を生成できることを意味します。

彼女の理論をテストするために、Stickland と Mourou は、2 ワットの Nd:YAG レーザー、1.4 km の光ファイバー、増幅器、および 1 組の平行グレーティングで構成されるシステムをレーザー エネルギー学研究所で構築しました。

Nd:YAG レーザーは、100 ps の短パルスを光ファイバーに送り込みました。 光の速度は波長に依存するため、光の赤色成分はファイバー内を青色成分よりも速く伝播します。

ストリックランド氏によれば、鳥のさえずりは同様の周波数構造を持っているため、これは「チャープパルス」と呼ばれます。

チャープ パルスによりパルスの持続時間が長くなり、レーザーに損傷を与えないように強度が分散されます。 引き伸ばされた低エネルギー密度パルスは増幅され、一対の平行な回折格子を通過しました。これにより、後続の青色成分が赤色に追いつくことができました。 どちらも格子に反射して再組み立てされました。 スティックランド氏によると、再構成されたパルスは元のパルスよりも3倍強力だったという。

チャープパルスにちなんで名付けられたこの技術は、これまでに作成された中で最も短く、最も強力なレーザーパルスへの道を開き、よりコンパクトで正確なレーザーシステムを構築することを可能にしました.

Strickland と Mourou の 1985 年の論文「増幅チャープ光パルスの圧縮」は、 光通信. これはストリックランド氏が初めて発表した研究論文でした。

プリンストンからウォータールーまで

CPA の開発を支援した後も、Strickland 氏はどのようなキャリアパスを追求すべきかまだわかりませんでした。 彼女は同僚にアドバイスを求めたところ、その同僚の一人が、カナダ国立研究評議会の超高速現象部門で働いていた物理学者のポール・コーカム氏がその年に最初の博士研究員を獲得する予定であると教えてくれた。 コルカムはレーザー科学を専門とし、アト秒物理学の開発の先駆者でした。 ストリックランドはその音が気に入った。

「コークムはまだ私の名前を知らないかもしれないが、私は彼の 2 番目のポスドクになるだろうと、研究室の他の博士候補に話したのを覚えています」と彼女は言います。 彼女は 1988 年に夢の仕事に就き、彼の下で 3 年間働きました。

1991 年に彼女は、カリフォルニアにある米国エネルギー省の施設であるローレンス リバモア国立研究所の物理学者になりました。

彼女は西海岸に住んでいましたが、物理学者である夫は東海岸に住み、ニュージャージー州マレーヒルのベル研究所で働いていました。

1 年間離れて過ごした後、ストリックランド氏はニュージャージー州に移り、プリンストンのフォトニクスおよび光電子材料先端技術センターの技術スタッフに加わりました。 彼女はそこで電気技術者、機械技術者、化学者と協力し、「彼らがレーザーを持っていたら、私は彼らを助けました」と彼女は言います。 彼女は教授が CPA レーザーを構築するのを手伝い、新しいパルス増幅材料の非線形光学特性評価を実施する研究グループを支援しました。

ストリックランドさんは、退職するまでプリンストン大学で働くつもりだったが、夫が 1996 年にベル研究所を退職した後、カナダに戻ったと語った。 ストリックランド氏はウォータールー大学の物理学科に助教授として着任した。 彼女は 2002 年に准教授に昇進し、2007 年から 2013 年まで同学科の准教授を務めました。

「若い頃は、ただ博士号を取得したいと思っていました。 そして学校に残りなさい」とストリックランドは言う。 「教授になることは、学生であることの次に良いことだ。」

彼女は、5 月 5 日にヒルトン アトランタで開催された IEEE Vision、Innovation、および Challenges Summit and Honors Ceremony で IEEE 名誉会員の称号を授与されました。