ARPESは、導体や絶縁体などの完全な電子バンド構造をマッピングするために用いられる。時間・角度分解光電子分光法（TR-ARPES）はフェムト秒の時間分解能を追加し、電子バンド構造における素粒子レベルの散乱過程も解明する。

空間電荷問題（電子同士の反発）を回避するため、レーザー照射ごとに生成・分析される電子は1個以下であるべきである。このため、中程度のエネルギーで高発振レートの光源が必要となり、200kHzでの完全な測定には通常4時間を要する。

SatsumaXやTangor 100などのイッテルビウムレーザーの振幅範囲は、この用途に理想的な駆動光源である。COMPRESSやHHGチャンバーなどの追加モジュールをFastlite twinStarzz MIR OPAと組み合わせることで、単一サプライヤーから独自のTR-ARPESシステムを構築できる最先端デバイス群が実現する。

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X線回折による超高速構造ダイナミクス

X線回折は、原子スケールにおける物質構造の超高速ダイナミクスに関する情報を提供する技術である。試料は通常、紫外線、可視光、中赤外、あるいはテラヘルツ領域の超短レーザーパルスによって励起され、X線シンクロトロンや自由電子ビーム、あるいは「二次光源 – X線源」セクションで説明されているコンパクトなレーザー駆動X線源によって探査される。

ポンプとプローブが別々のシステムで生成される場合、スレーブレーザー（通常はポンプ）とマスター光源（通常はプローブ）の電子同期により時間走査が行われる。

ポンプとプローブの両方にレーザー光源を使用する場合、同期は本質的に超高精度であり、走査はフェムト秒精度を持つ単純な可変光遅延線によって実現される。アンプリチュード社は、光ポンピングおよびX線プローブならびにそれらの時間走査向けに幅広いソリューションを提供しています：イッテルビウムレーザーでポンピングされるOPCPA光源、レーザー駆動X線源用レーザードライバー、加速器ベースX線源用FEL/シンクロトロン向け光陰極レーザー。いずれの場合も、時間走査を保証する鍵となる技術が電子同期です。

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和周波発生の原理

この技術では、試料上で中赤外プローブと可視光ポンピングの空間的・時間的重なりが必要となる。これにより、入射する2つの電磁界の周波数の和に相当する周波数でSFG信号が生成される。これにより、観測が困難な中赤外領域にある対象分子の指紋情報を、安価で高速・簡便かつ効率的な検出法が利用可能な可視光領域へ変換する。SFGビーム特性により、気体-固体、気体-液体、液体-固体界面における分子の組成、配向分布、構造情報が得られる。

可視光ポンピング光源は十分なスペクトル分解能を得るため狭帯域である必要があり、これにより各種分子の振動指紋を識別可能とする。ただし、狭帯域中赤外パルス走査が従来主流であったのに対し、現代の装置では広帯域中赤外OPAシステムをプローブとして採用し、典型的には1000～4000cm⁻¹の広範囲な分子振動をカバーしている。

SatsumaXまたはTangorで励起されるFastlite twinStarzz中赤外OPAシステムは、高効率と高繰り返し周波数を兼ね備え、高いS/N比と短い取得時間を実現するため、この用途に理想的なツールです。twinStarzz独自のアプローチにより、これまでにない簡便性、信頼性、効率で高エネルギーかつ広帯域の中赤外パルスを生成できます。狭帯域可視光励起光は、イッテルビウム励起光を用いた革新的な二次高調波発生（SHG）によって生成されます。

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申請と要件

優れた時間分解能で超高速ダイナミクスを捉えるため、2DIRでは通常100fs未満のパルスが、2DESでは20fs未満のパルスが用いられる。

• 2DESは光合成のダイナミクスを理解する上で非常に強力なツールであり、現行の太陽エネルギー技術を向上させるための重要な手段である。
• 2DIRは医薬品研究で広く利用されている。
• 最近では、これら二つの技術の組み合わせにより、電子ダイナミクスと核ダイナミクスの相関解析（2次元電子振動分光法：2DEV）さえ可能となっている。

SatsumaX や Tangor100 などのイッテルビウムレーザーの振幅範囲は、Fastlite twinStarzz OPA と組み合わせることでこの用途に最適ですが、Fastlite Dazzler は位相ロックされたポンプパルスの生成を大幅に簡素化し、遅延と位相変動の制御を可能にするため、ほとんどのセットアップに必須です。つまり、Dazzlerは単純なポンプ/プローブ構成を即座に2次元分光法システムへと変貌させるのである。

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テラヘルツ帯TDS向けレーザーソリューション

二次光源 – テラヘルツ発生セクションで述べたように、使用するパルスエネルギーとスペクトル範囲に応じて、異なるレーザーと変換プロセスが利用可能です。Amplitudeは幅広いソリューションを提供します：

• 二色性フィラメンテーションを用いた広帯域テラヘルツ発生には、超短パルスTiSaレーザーが広く用いられてきたが、近年では後圧縮イッテルビウムレーザーへの関心が高まっている。
• 有機結晶における光整流には、通常イッテルビウムレーザーが優先的に採用される。
• 有機結晶への応用では、MIR OPCPA光源が最適な選択肢である。

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コンパクト高輝度光源のための超高速レーザー

研究室では、超高速レーザーが新たな物理プロセスによりこれらの限界を克服できることが急速に明らかになった。固体ターゲットに集束された高強度ビームは、極めて狭い空間で高温プラズマを生成する。プラズマ中の電子は、従来の管と同様にターゲットに衝突するとX線に変換されるが、適切なレーザーパラメータを選択すれば、はるかに高い強度で発生する。

このレーザー技術により、以下が可能となる：

• X線管を大幅に上回る輝度源の実現
• 空間分解能の大幅向上と照射線量の低減
• シンクロトロン光源からの信頼性の高い結果へのアクセス拡大

この新たなX線源は、今後数年間で病院における高解像度画像へのアクセスを可能にし、医療画像の世界に革命をもたらすと確信している。

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レイリー散乱およびラマン散乱技術は、レーザー光を用いて燃焼プロセスを調査する。散乱信号は分子組成、温度、流れ特性に関する情報を提供し、燃焼ダイナミクスの詳細な分析を可能にする。

プラズマ診断のためのトムソン散乱

プラズマは、イオンや電子など、あらゆる組み合わせの荷電粒子が大部分を占める物質の状態である。主に、プラズマを構成する各荷電粒子の密度、温度、空間分布によって特徴づけられる。

プラズマ診断：トムソン散乱

トムソン散乱は、プラズマをレーザーで照射し、散乱光を分析することで電子の温度と密度を推定する手法である。

構造解析：X線回折とX線吸収

物質を極限状態（高圧・高温など）に置いた際、その特性を分析するためにX線源が用いられる：

• X線回折（XRD）：物質の構造変化を明らかにする。
• X線吸収分光法：局所的な原子環境に関する情報を提供する。主な手法：
  • XANES（X線吸収近縁構造）：電子状態および化学状態の情報。
  • XAFS（X線吸収微細構造）：原子スケールでの詳細な構造情報を得る。

アンプリチュード社の高エネルギー超高速レーザー（チタンサファイア系からイッテルビウム系プラットフォームまで）は、燃焼科学、プラズマ物理学、極限物質研究における高度な診断技術を推進するために必要な安定性、パルス整形、精度を提供します。

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圧縮と点火の戦略

慣性閉じ込め核融合（ICF）は、数ナノ秒の時間スケールで高エネルギーレーザービームを球状燃料ターゲットに集束させ、ターゲットを断熱的に圧縮・加熱し、追加のレーザービームを用いて核融合プロセスを点火する技術である。究極の目標は、慣性核融合エネルギー（IFE）と呼ばれる発電プラントでのエネルギー生産である。これには、電力網へ有意義かつ収益性の高い電力供給を実現するため、十分な総平均出力と壁プラグ効率を備えたレーザービームの提供が求められる。

圧縮・点火戦略については専門家間で依然として見解が分かれるものの、kJ級レーザーに対する共通の必要性は存在する。探索研究段階では数ショット/分の動作、実用化段階では高繰り返し率（典型的には10Hz）と高壁プラグ効率での動作が求められる。

圧縮においては、圧縮プロセスを最適化するためにレーザーパルスの時間プロファイルを整形する能力が重要な技術的側面の一つである。この機能は、Amplitude社のナノ秒レーザー（Intrepid-Agilite）で日常的に使用される柔軟なシードレーザーによって保証される。

点火のための戦略の一つは、圧縮された標的を貫通して核融合プロセスを点火する陽子を生成することである。二次光源のセクションで述べたように、陽子生成はレーザードライバーの時間的コントラストの質に依存する。

アンプリチュード社は高エネルギーナノ秒レーザー分野のリーダーであり、過去10年間に高繰り返し率での高強度レーザー励起を中心に顕著な成果を上げてきた。この独自のノウハウは、慣性核融合の課題に取り組むソリューションを迅速に開発するための重要な出発点である。

さらに、高コントラストレーザーにおける長年の経験が、アンプリチュード社を核融合研究の最前線に位置づけている。

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