ポンププローブ過渡透過分光

6.2.1 測定原理

ポンプ・プローブ過渡透過分光は高強度のポンプ光と低強度のプローブ光を用いること で行う．プローブ光のみでは光子数の少ない低強度の光の透過スペクトルを観ている状態 となる．しかし，ポンプ光とプローブ光を入射することでポンプ光によって変化した試料 の透過スペクトルをプローブ光によって測定することが可能である．

ポンプ光とプローブ光に時間遅延をかけることによって，ポンプ光によって変化してか らある時間が経過した後の物質の状態を観測することが出来る．ポンプ・プローブ分光法 ではポンプ光とプローブ光の光路長を変化させることによって時間遅延を与えることが出 来る．例えば光路長を3µm変化させることによって100fsの時間遅延を与えることがで きる．通常，PINフォトディテクターを用いた場合の時間分解能は数ns程度であり，比 較的高速な時間応答をもつストリークカメラを用いた場合も数ps程度の時間分解能であ る．電気的な方法で透過スペクトルの時間分解分光を行うと，時間分解能はその程度と なる．しかしこのポンプ・プローブ分光を用いることで，精密稼働ステージの移動分解ま たは，超短パルスの時間幅程度までの時間分解能を得ることが出来る．これは電気的な 方法と比べて約2桁から3桁程度高い時間分解能になり，我々の用いた系では約10から

100fs秒程度の時間分解能を持つ．

本測定では，ポンプ光が入射する前にプローブ光が試料に入射する場合，共振器内部で の光子数が少ないためJaynes-Cummingsのモデルにおける低い準位間での遷移を観測す ることとなるため通常の共振器ポラリトンと同様に2 つに分裂した透過ピークが観測で きる．一方，ポンプ光とプローブ光が同時に試料に入射した場合，共振器内部の光子数が 多くなるためJaynes-Cummingsのモデルの高い準位間での遷移を観測することになるた め，ACシュタルク三重項による3本の透過ピークが観測される．更にポンプ光とプロー ブ光の遅延時間を変化させることによってACシュタルク三重項状態の緩和時間を観測す ることが出来る．

6.2 ポンププローブ過渡透過分光 87

6.2.2 光学系

測定に用いたポンプ・プローブ過渡透過分光系を図6.1に示す．ポンプ光とプローブ 光はモードロックドTi:^{サファイアレーザー}(Mantis : Coherent inc.)^{から出射した光を} Ti:サファイア再生増幅器(Legend Elite : Coherent inc.)により増幅し，オプティカルパ ラメトリック増幅器(TOPAS : Coherent inc.)によって波長変換を行い，出射したシグ ナル光の第二高調波を用いた．シグナル光の波長を1160nmとした場合，その第二高調波

の波長は580nmとなる．これはPIC J会合体の吸収を共鳴励起する波長である．再生増

幅器からの出力は約3.2W，OPAからの出力はシグナル光とアイドラー光を合わせて約

150mWであった．また，出力光の繰り返し周波数は1kHzであった．これはパルスとパ

ルスの時間間隔が 1msという事を意味しており，色素が励起して緩和するまでの時間に 比べ十分長く，励起状態が蓄積して色素が損傷することは無い．

OPA から出力した光をBBO 結晶で第二高調波を発生させ熱線カットフィルターに よってシグナル光をカットした．その後第二高調波をBK7のウェッジ基板で2つに分岐 して強度の強い透過光をポンプ光とした．ポンプ光側に，ステッピングモーターで駆動 する超精密ステージにリトロリフレクターを載せ時間遅延をかけた．またポンプ光に可 変金属 NDフィルターを入れ強度の調整を行うことが出来るようにした．プローブ光は NDフィルターで強度を下げ，集光レンズでポンプ光とプローブ光をサンプル上で集光し た．この時スポットサイズは約100µmであった．サンプルを透過した光はコリメーショ ンレンズで平行光線にした後，ポンプ光を遮光して，プローブ光を光ファイバーを通して CCDカメラを接続した分光器に入射した．サンプルはクライオスタットで10Kまで冷却 している．ステッピングモーターでステージを移動させ時間遅延をかけながら各遅延時間 におけるスペクトルの測定を行った．

88 第6章 共振器ポラリトンの超高速分光

Mode locked Ti:sapphire laser Ti:sapphire

regenerative amplifier OPA

Spectroscope CCD

Driver PC

M

M

M

M

M

M

M M

F2 F1

SHG BS

L L

A Cryostat

Sample

Motorized stage

R

図6.1 ポンプ・プローブ過渡透過分光系

• M : 金属ミラー

• R : リトロリフレクター

• BS : ビームスプリッター(BK7-ウェッジ基板)

• SHG : BBO結晶

• L : レンズ

• A : アパーチャー

• F1 : ^{熱線カットフィルター}

• F2 : 可変NDフィルター