超 短 パ ル ス レ ー ザ ー は 超 高 速 分 光 1 – 3、極 紫 外 領 域 に お け る ア ト 秒 光 パ ル ス 発 生 4 ,5、分 析 化 学 な ど に 広 く 利 用 さ れ て い る 6 ,7。こ れ ま で も 、様 々 な 超 短 光 パ ル ス の 発 生 例 が 報 告 さ れ て い る 。 超 短 光 パ ル ス の 発 生 に は 連 続 的 な 広 帯 域 ス ペ ク ト ル の 発 生 が 必 要 で あ り 、 適 切 な 分 散 補 償 を 行 う 必 要 が あ る 。 例 え ば 、非 線 形 光 パ ラ メ ト リ ッ ク 増 幅 に よ る 広 帯 域 ア イ ド ラ ー 光 の 第 2 高 調 波 の 分 散 を 制 御 し て 、 パ ル ス 幅 2.4 fs の 超 短 光 パ ル ス を 計 測 し た 例 が 報 告 さ れ て い る 。し か し 、こ の 光 パ ル ス の エ ネ ル ギ ー は 1 nJ程 度 で あ る の で 、 用 途 は 極 め て 限 ら れ て い る 8。 中 赤 外 領 域 に お い て も 超 短 光 パ ル ス の 発 生 が 行 わ れ て い る 。 こ の 時 、3 オ ク タ ー ブ 以 上 の 広 帯 域 光 の 分 散 制 御 を 行 い パ ル ス 幅 が 6.9 fs の 超 短 光 パ ル ス の 発 生 が 報 告 さ れ て い る 9。 可 視-近 赤 外 領 域 に お い て は 3.2 fs の 超 短 光 パ ル ス の 発 生 例 が 報 告 さ れ て い る 1 0。 本 手 法 は 中 空 導 波 路 を 用 い て 広 帯 域 光 を 発 生 さ せ て 、 そ の 後 負 分 散 鏡 を 用 い て 分 散 を 補 償 す る 手 法 で あ る 。 今 後 さ ら に パ ル ス 幅 の 短 い 光 パ ル ス を 発 生 さ せ る に あ た っ て は 、よ り 難 度 の 高 い 3 次 以 降 の 分 散 制 御 の シ ス テ ム が 必 要 と な り 、 よ り パ ル ス 幅 の 短 い 超 短 パ ル ス 発 生 方 法 と し て は 難 し い 。 超 短 光 パ ル ス 発 生 と し て は パ ル ス 幅 2.2 fs の 超 短 光 パ ル ス 11、 更 に 最 も 短 い 光 パ
図 5.1.1 他 の 研 究 グ ル ー プ 超 短 光 パ ル ス 発 生 報 告 例
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ル ス の 発 生 例 を 報 告 さ れ て い る の は 、380 as の 極 限 超 短 光 パ ル ス 発 生 例 で あ る が 、 エ ネ ル ギ ー の 大 部 分 が 可 視 領 域 に 限 定 さ れ て い る 1 2。
前 章 ま で の 研 究 に お い て は 、 水 素 の 四 光 波 ラ マ ン 混 合 に よ り 広 帯 域 光 を 発 生 さ せ て い た の で 、 離 散 的 な ス ペ ク ト ル 成 分 し か 得 る こ と が で き な か っ た 。 こ の 場 合 に は 、 適 切 に 分 散 補 償 を 行 っ て も 複 数 の 光 パ ル ス が 連 な る 超 短 光 パ ル ス 列 が 発 生 す る 。こ の た め 単 一 の 超 短 光 パ ル ス と 比 較 し て 応 用 範 囲 が 極 め て 限 ら れ て し ま う 。
そ こ で 、 本 研 究 で は 自 己 位 相 変 調 を 用 い る こ と に よ り ス ペ ク ト ル を 拡 大 す る 方 法 に 着 目 し た 。 本 方 法 は レ ー ザ ー 光 を 媒 質 内 に 集 光 さ せ る こ と に よ っ て 引 き 起 こ さ れ る 光 カ ー 効 果 に よ っ て ス ペ ク ト ル 帯 域 を 拡 張 さ せ る 方 法 で あ る 1 3。 高 強 度 レ ー ザ ー が 媒 質 中 に 集 光 さ れ た 場 合 、 媒 質 に お け る 光 の 屈 折 率 n は 以 下 の 式 に よ っ て 記 述 で き る 。
𝑛 = 𝑛0+ 𝑛2𝐼(𝑡)2 (5-1) こ の 時 、n0 は 微 弱 光 に 対 す る 媒 質 の 屈 折 率 で あ り 、n2は 媒 質 の 2 次 の 非 線 形 屈 折 率 で あ り 、I は レ ー ザ ー の 強 度 で あ る 。 上 記 の 屈 折 率 変 化 に よ っ て 光 パ ル ス の 時 間 位 相 に 変 化 が 生 じ る 。 こ の 位 相 変 化n l(t)は 以 下 の 式 に よ っ て 記 述 で き る
𝜙𝑛𝑙(𝑡) = −2𝜋
𝜆 𝐼(𝑡)𝑛2𝐿
上 記 の 位 相 変 化 に よ っ て 、 周 波 数 シ フ ト が 発 生 す る 。 こ の こ と は 以 下 の 式 に よ っ て 記 述 で き る 。
𝛥𝜔(𝑡) = 𝑑
𝑑𝑡𝜙𝑛𝑙(𝑡) = −2𝜋
𝜆 𝐼(𝑡)𝑛2𝐿 𝑑 𝑑𝑡𝐼(𝑡)
上 記 式 に よ っ て 、 周 波 数 の 上 方 、 下 方 移 動 が 発 生 し 、 そ の 結 果 新 し い 周
図 5.1.2 自 己 位 相 変 調 に よ る 周 波 数 拡 大
(5-2)
(5-3)
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波 数 成 分 が 発 生 す る 。 こ の こ と か ら 、 連 続 的 な 広 帯 域 光 発 生 に 応 用 が 可 能 と な る 方 法 で あ る 。 自 己 位 相 変 調 に よ る ス ペ ク ト ル の 広 が り は 、 図 5.1.2 の よ う に 示 さ れ る 。 よ り 大 き な 自 己 位 相 変 調 を 引 き 起 こ す こ と に よ っ て 大 き な ス ペ ク ト ル の 広 が り を 引 き 起 こ す こ と が で き る 1 4。 し か し 、 現 実 の 実 験 環 境 下 に お い て は 本 計 算 に お い て は 無 視 し て い る 媒 質 の 分 散 や 、 時 間 波 形 が ガ ウ シ ア ン 型 か ら 離 れ て い る 。 こ の た め 、 実 際 の 周 波 数 の ひ ろ が り は 図 5.1.2 の よ う に 中 心 周 波 数 か ら 均 等 に 広 が る 事 は 無 い 。
本 現 象 は 初 期 に は 固 体 媒 質 を 利 用 し た 例 が 多 く み ら れ た が 、 最 近 で は 損 傷 閾 値 が 存 在 し な い 気 体 を 用 い た 例 が 報 告 さ れ て い る 。 こ の 方 法 で は 、 高 強 度 広 帯 域 光 発 生 が 可 能 と な る 。 更 に 、 中 空 導 波 路 や フ ィ ラ メ ン テ ー シ ョ ン を 用 い る こ と に よ っ て 気 体 と の 相 互 作 用 長 を 伸 ば し て 、 自 己 位 相 変 調 の 効 果 を 増 大 さ せ る こ と が 可 能 と な る 1 5 ,1 6。 こ の 方 法 で は 連 続 的 な 広 帯 域 光 を 発 生 で き る の で 、 気 体 の 種 類 や 圧 力 、 中 空 導 波 路 の 長 さ を 変 え る 事 に よ り 帯 域 を 調 整 で き る こ と が 複 数 の グ ル ー プ に よ り 報 告 さ れ て い る 。 こ の 時 、 気 体 を 用 い る 場 合 は 主 に 希 ガ ス が 用 い ら れ て い る 。 理 由 と し て 、 水 素 や 窒 素 等 の 分 子 を 用 い る こ と に よ る ラ マ ン 効 果 等 に よ っ て 、高 次 の 分 散 が 付 与 さ れ て し ま う た め 、後 に パ ル ス 幅 を 短 く す る こ と が 困 難 に な る 1 7。よ っ て 、 分 散 補 償 に は 希 ガ ス を 用 い る こ と が 好 ま し い 。 発 生 し た 広 帯 域 光 は 、 プ リ ズ ム や 回 折 格 子 1 8 ,1 9、負 分 散 鏡 2 0等 を 用 い て 、分 散 補 償 す る こ と に よ り 10 fs 以 下 の 単 一 超 短 光 パ ル ス を 発 生 で き る 2 1 ,2 2。 こ の 方 法 に お い て 出 力 160
J、3.2 fs の 超 短 光 パ ル ス を 発 生 が 報 告 さ れ た 1 0。こ の 方 法 を 用 い る こ と に よ っ て 広 帯 域 光 を 発 生 と 分 散 制 御 に よ っ て 単 一 の 超 短 光 パ ル ス の 発 生 が 可 能 で あ る 。 こ の た め 、 こ の 自 己 位 相 変 調 は 多 く の 論 文 で 基 本 光 か ら 短 波 長 領 域 が 主 と な っ て 帯 域 が 広 が っ て い る 。こ れ は 自 己 急 峻 化 2 3と 呼 ば れ る 現 象 に 起 因 す る 。 し か し 、 こ の 方 法 の み で は 長 波 長 域 に ス ペ ク ト ル 領 域 を 拡 大 し て 超 短 光 パ ル ス の 発 生 さ せ る こ と は 難 し い 2 4。 更 に 、 広 帯 域 光 の 分 散 補 償 に 利 用 さ れ る 負 分 散 鏡 で あ る が 使 用 で き る 波 長 領 域 に は 限 り が あ る た め 、 無 尽 蔵 に 広 が っ た 光 パ ル ス に 対 し て 分 散 を 調 整 で き な い 。 決 め ら れ た 波 長 の 外 で は 、 負 分 散 鏡 に よ っ て 複 雑 な 分 散 が 付 与 さ れ て し ま い 、 よ り 超 短 光 パ ル ス の 発 生 を 困 難 と す る 。
そ こ で 、 本 研 究 で は 光 パ ラ メ ト リ ッ ク 増 幅 器(OPA)か ら 発 生 さ せ た 1200 nm の 光 パ ル ス と 基 本 光 の 波 長 800 nm の 光 パ ル ス の 両 方 の 光 パ ル ス の ス ペ ク ト ル 帯 域 を 拡 大 さ せ た 後 に 分 散 を 補 償 し て 重 ね 合 わ せ た 。 こ の 方 法 を 用 い る と 、 波 長 毎 に 最 適 な ス ペ ク ト ル の 拡 大 方 法 を 採 用 す る こ と が で き る 。 ま た 、 広 帯 域 に 対 応 し た 負 分 散 鏡 を 利 用 す る 必 要 は な い 。 本 方 法 を 用 い て
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1 オ ク タ ー ブ 程 度 の 広 帯 域 光 の 発 生 、 及 び 各 光 パ ル ス か ら 数 サ イ ク ル 光 パ ル ス の 発 生 と 計 測 、更 に 2 つ の 超 短 光 パ ル ス 成 分 を 重 ね 合 わ せ る こ と に よ っ て モ ノ サ イ ク ル 光 パ ル ス を 発 生 さ せ た 。
発 生 し た 赤 外 領 域 の 超 短 光 パ ル ス を 深 紫 外 領 域 へ 変 換 し た 。波 長 300 nm 以 下 の 深 紫 外 領 域 の 光 パ ル ス は 分 子 の 多 光 子 吸 収 2 5、 光 異 性 化 へ の 応 用 2 6 に 関 し て 重 要 な 波 長 領 域 で あ る 。 し か し 、 こ の 領 域 で の 超 短 光 パ ル ス の 発 生 例 は 多 く な い 。 理 由 と し て は 、 深 紫 外 領 域 超 短 光 パ ル ス の 発 生 方 法 は 、 近 赤 外 光 の 波 長 変 換 が 有 力 で あ る 。 し か し 、 波 長 変 換 時 に 媒 質 由 来 の 分 散 が 付 与 さ れ て し ま い 、 そ の 分 散 補 償 を 行 う 方 法 が 限 ら れ て い る 。 近 赤 外 領 域 で は 負 分 散 鏡 の 利 用 が 効 果 的 で あ っ た が 、深 紫 外 領 域 に は 対 応 す る 負 分 散 鏡 は 存 在 し な い 。 プ リ ズ ム や 回 折 格 子 は 対 応 す る 材 質 は 限 定 的 で あ り 、 こ れ ら を 利 用 し た 場 合 3 次 の 分 散 が 付 与 さ れ て し ま う 。こ の 場 合 付 与 さ れ た 高 次 の 分 散 が 、 超 短 光 パ ル ス の 時 間 波 形 に 大 き く 影 響 を 与 え 、 複 数 の サ ブ パ ル ス の 発 生 と 最 終 的 な 超 短 光 パ ル ス の パ ル ス 幅 を 拡 大 さ せ て し ま う 。 こ の た め 、 パ ル ス 幅 10 fs 以 下 の 深 紫 外 超 短 光 パ ル ス 発 生 に は 利 用 で き な い 。 波 長 変 換 時 に 予 め 分 散 量 を 調 整 し 、 負 分 散 を 有 し た 深 紫 外 超 短 光 パ ル ス の 発 生 例 2 7が 存 在 す る が 、波 長 変 換 効 率 は 高 く な い 。も し 、気 体 を 用 い て 深 紫 外 領 域 の 光 パ ル ス を 発 生 さ せ る こ と が 可 能 で あ れ ば 、 手 軽 か つ 小 さ な 分 散 環 境 下 に て 発 生 さ せ る こ と が 可 能 と な る 。 実 際 に 希 ガ ス を 用 い て 第 3 高 調 波 の 発 生 を 行 っ て お り 、 深 紫 外 光 発 生 以 降 一 切 分 散 量 の 調 整 を 行 う こ と な く パ ル ス 幅 2.8 fs の 深 紫 外 光 パ ル ス の 発 生 と 計 測 を 報 告 し て い る
2 8 ,2 9。
本 超 短 光 パ ル ス を 質 量 分 析 装 置 の イ オ ン 化 光 源 と し て 応 用 し た 。可 視-近 赤 外 領 域 に お け る 超 短 光 パ ル ス を イ オ ン 化 光 源 と し て 利 用 す る 質 量 分 析 手 法 に 関 し て 記 述 す る 。