空気中の窒素でレーザーを増幅する

山内 薫(化学専攻 教授)

徐 淮良(吉林大学 教授/化学専攻 客員)

ローツステット・エリック(化学専攻 助教)

岩崎 純史(超高速強光子場科学研究センター 准教授)

 

 

 


物質にレーザー光を照射して電子を電離(イオン化)すると,最もエネルギーの低い電子状態(電子基底状態)をもつ原子イオンや分子イオンが主に生成することが知られている。一方,強度の高いフェムト(10-15) 秒レーザーを集光して空気中の窒素分子をイオン化すると,レーザーフィラメントと呼ばれるプラズマの細い筒が生成する。レーザーフィラメントにおける様々な分子や分子イオン種からの蛍光発光や光の増幅について,数多くの報告がある。例えば,窒素分子イオンの電子状態の中で3番目にエネルギーが低い電子状態(第二励起状態)から電子基底状態へ変化する際の増幅光は,波長391ナノメートルに観測されている。このことは,生成した窒素分子イオンで第二励起状態の方が電子基底状態よりも分布数が多いこと(反転分布)を示す。しかし,その反転分布の原因は未解明であった。

本研究において我々は,4 ~6フェムト秒という極めて短い時間しか存在しない数サイクルレーザーパルスを空気中に集光してレーザーフィラメントを生成し,窒素分子を電離する実験を行った。レーザー進行方向で,窒素分子イオンの第二励起状態から電子基底状態への光の増幅が,測定したスペクトルに観測された。このことは,数フェムト秒という非常に短い時間に反転分布が達成されたことを示す。従来の電子衝突や電離した電子の再散乱による電子エネルギーの励起過程では反転分布の達成は難しいため,新しい理論による説明が必要となった。



窒素分子イオンの3つの電子状態の相互作用による空気中のレーザー増幅機構


反転分布の原因を解明するため,図に示すように窒素分子イオンの3つの電子状態について,レーザー電場により誘起される双極子遷移を考慮した理論モデルの数値シミュレーションを行った。各電子状態の分布数の時間変化とレーザー電場強度依存性を調べたところ,レーザー電場強度が大きい場合はレーザー場の存在によって電子基底状態と第一および第二励起状態が相互作用することが示された。相互作用によりレーザー増幅過程に関与する第二励起状態の分布数が増加するだけでなく,その過程に関与しない第一励起状態の分布数も増加することが示された。以上の結果から,窒素分子イオンの電子基底状態から高エネルギーの第一および第二励起状態へ分布が移動し,第二励起状態の分布数が電子基底状態の分布数を上回ることにより反転分布が起こることを明らかにした。

本研究は, H.Xu et al. , Nat.Commun. 6, 8347 (2015)に掲載された。

(2015年9月25日プレスリリース)

学部生に伝える研究最前線>

 

 

 

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