(57)【要約】【課題】各周波数成分の相対位相を、数学的にではなく簡便に決定して位相制御部を調整又は校正して、レーザー光フーリエ合成する方法及び装置を提供する。【解決手段】各周波数成分の相対位相を制御して合成光を出力するレーザー光フーリエ合成法であって、多色レーザーの光電場の異方性により生じる、配向選択性のある分子イオン化効果に基づいて、前記相対位相を決定して制御する。また、レーザー光フーリエ合成装置は、位相制御部から出力される合成光により、非対称分子の飛行時間型質量分析を行う質量分析部と、質量分析部で測定される、非対称分子気体から生じた光解離生成物イオンの質量スペクトルの前方放出成分と後方放出成分の強度比(Ｉf／Ｉb)により、相対位相を決定し、位相制御部の位相制御装置を調整する制御装置を備える。【選択図】図４
2015064425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各周波数成分の相対位相を制御して合成光を出力するレーザー光フーリエ合成法であって、
多色レーザーの光電場の異方性により生じる、配向選択性のある分子イオン化効果に基づいて、前記相対位相を決定して制御することを特徴とするレーザー光フーリエ合成法。
【請求項２】
基本波と第ｎ次高調波(ｎは２以上の整数)の相対位相を位相制御して合成光を出力するレーザー光フーリエ合成法であって、
少なくとも基本波と第２次高調波とを含む多色レーザー光が形成する非対称光電場により、非対称分子のイオン化により生じる光解離生成物イオンの配向選択率に基づき、前記相対位相を決定して位相制御することを特徴とするレーザー光フーリエ合成法。
【請求項３】
前記非対称分子のイオン化によって生じた前記光解離生成物イオンの前方放出成分と後方放出成分の強度比が極大の位置を、相対位相０として校正することを特徴とする請求項２のレーザー光フーリエ合成法。
【請求項４】
前記非対称分子のイオン化によって生じた前記光解離生成物イオンの前方放出成分と後方放出成分の強度比が極小の位置を、相対位相０として校正することを特徴とする請求項２のレーザー光フーリエ合成法。
【請求項５】
レーザー光フーリエ合成装置であって、
レーザー光源と、
前記レーザー光源からのレーザー光を基本波とする高調波を発生する高調波発生部と、
前記高調波発生部からの高調波の位相を制御して前記基本波及び前記高調波の合成光を出力する位相制御部と、
前記位相制御部から出力される合成光により、非対称分子の飛行時間型質量分析を行う質量分析部と、
前記質量分析部で測定される、非対称分子気体から生じた光解離生成物イオンの質量スペクトルの前方放出成分と後方放出成分の強度比により、相対位相を決定し、位相制御部の位相制御装置を調整する制御装置と、
を備えることを特徴とする位相制御部から位相制御された合成光を出力するレーザー光フーリエ合成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光フーリエ合成法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、フーリエ合成の原理により任意の波形を作成することができることが知られている。フーリエ合成は、電気信号や電波の周波数領域では容易に実現できる。例えば、任意の電気信号はファンクションジェネレーターによって生成することができ、またオッシロスコープでその時間波形を測定することができる。
【０００３】
近年、任意の波形を有する光が必要とされている。光においても、フーリエ合成の原理から、任意の光電場波形Ｅ(ｔ)を合成することができる。光の基本波、第二高調波、第三高調波、第四調波、等のｎ次高調波(ｎは２以上の正の整数)を適当な振幅と相対位相で足し合わせた場合、次の式(１)のように表すことができる。
【０００４】
Ｅ(ｔ)＝Ｅ1ｃｏｓ(ωｔ)＋Ｅ2ｃｏｓ(２ωｔ＋φ12)＋Ｅ3ｃｏｓ(３ωｔ＋φ13)＋Ｅ4ｃｏｓ(４ωｔ＋φ14)＋・・・      （１）
【０００５】
光においても電気信号等と同様な波形合成ができれば、次世代の大容量光通信システムに必要不可欠な高密度パルス光の発生や、光を使った物質創成に利用することができる。しかしながら、光の場合、その周波数(数百テラヘルツ)が大きく、その時間変化が数フェムト秒領域と非常に速いため、現在の最先端の超高速エレクトロニクス(時間分解能：数百フェムト秒)を用いても非常に困難な技術課題である。
【０００６】
可視光領域の任意光電場の時間波形の観測および制御は、(１)式において光電場振幅Ｅ1、Ｅ2、Ｅ3、Ｅ4、・・・とその相対位相φ12、φ13、φ14、・・・の測定と制御に他ならない。従来技術として、レーザー光フーリエ合成法による光電場波形の合成およびその計測が報告されている(非特許文献１参照)。非特許文献１では、基本波から第五高調波まで５つの周波数のレーザー光を重ね合わせ、各周波数成分の振幅や相対位相差をそれぞれ制御することにより、極短パルス列、のこぎり波、連続三角波、連続方形波などの光電場合成が報告されている。また、非特許文献１では、プリズム対を用いてレーザー光に含まれる各高調波の周波数成分に分離し、液晶空間変調器を用いてそれぞれの各周波数成分に対して振幅や相対位相差を制御し、再びプリズム対で各周波数成分を重ね合わせフーリエ合成を行うことが示されている。
【０００７】
本発明者は、配向分子質量分析について研究開発を進めてきた。本発明者の特許文献１では、通常の物質のイオン化において一般的に観測される分子の分解とそれによって引き起こされる断片化を逆に利用し、分子の頭と尻尾を区別して配向させイオン化及び分解するか、又は頭と尻尾を区別して配向した分子だけを選択してイオン化して分解し、次に、その分解生成物の運動量分布や放出角度分布から質量だけでなく分子構造を推定することを特徴とする配向分子質量分析装置を示した。ここで、配向は、位相制御光により行うこと、イオン化及び分解は光により行うことを示した。また、分子の運動状況の分析は、分解生成物の質量スペクトル(飛行時間法)の測定又は放出角度分布の測定により行うことを示した。
【０００８】
発明者は、波長の異なる２色の高強度フェムト秒光パルスを重ね合わせその相対位相を精密に制御した位相制御レーザーパルスによる気体分子の異方性光トンネルイオン化の量子制御と、その結果として起こる分子配向操作(配向選択分子イオン化)を世界に先駆けて実現した(非特許文献２、３等参照)。さらに、本発明者は、「時空間領域における分子トンネルイオン化の量子制御」(非特許文献４参照)や、「位相制御されたレーザー場における分子トンネルイオン化の外乱に強い量子制御」(非特許文献５参照)、「位相制御された２色レーザー場によるハロゲン化メチルの位相に強く依存するイオン化」(非特許文献６参照)について報告した。
【０００９】
先行文献調査をしたところ、高エネルギー光波の任意の波形を提供する特許文献２のような技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−３３７９０３号公報
【特許文献２】特表２００７−５１４３０５号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｈａｎ−Ｓｕｎｇ  Ｃｈａｎ，ｅｔ  ａｌ．，Ｓｃｉｅｎｃｅ  ３３１，１１６５(２０１１)
【非特許文献２】Ｈ．Ｏｈｍｕｒａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９２，１１３００２(２００４)
【非特許文献３】Ｈ．Ｏｈｍｕｒａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９６，１７３００１(２００６)
【非特許文献４】Ｈ．Ｏｈｍｕｒａ，Ｎ．Ｓａｉｔｏ，ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ａ８３，０６３４０７(２０１１)
【非特許文献５】Ｈ．Ｏｈｍｕｒａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ａ７７，０２３４０８(２００８)
【非特許文献６】Ｈ．Ｏｈｍｕｒａ，ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ａ７４，０４３４１０(２００６)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の非特許文献１では、位相決定方法が数学的に難解であり手続きが複雑であるという問題がある。そこでレーザー光フーリエ合成において、ごく一般的な市販のレーザー光源で高調波を発生させ、その各周波数成分の位相を簡便に決定して制御する方法が望まれる。
【００１３】
本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、本発明は、各周波数成分の位相を簡便に決定する方法を提供することを目的とする。また、各周波数成分の位相を簡便に決定して位相制御部を調整又は校正してレーザー光フーリエ合成する方法を提供することを目的とする。また、本発明は、レーザー光フーリエ合成装置において、各周波数成分の位相を簡便に決定して調整又は校正可能な装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有する。
【００１５】
本発明の方法は、各周波数成分の相対位相を制御して合成光を出力するレーザー光フーリエ合成法であって、多色レーザーの光電場の異方性により生じる、配向選択性のある分子イオン化効果に基づいて、前記相対位相を決定して制御することを特徴とする。
【００１６】
本発明の方法は、基本波と第ｎ次高調波(ｎは２以上の整数)の相対位相を位相制御して合成光を出力するレーザー光フーリエ合成法であって、少なくとも基本波と第２次高調波とを含む多色レーザー光が形成する非対称光電場により、非対称分子のイオン化により生じる光解離生成物イオンの配向選択率に基づき、前記相対位相を決定して位相制御することを特徴とする。前記非対称分子のイオン化によって生じた前記光解離生成物イオンの前方放出成分と後方放出成分の強度比(Ｉf／Ｉb)が極大の位置を、相対位相０として校正することができる。前記非対称分子のイオン化によって生じた前記光解離生成物イオンの前方放出成分と後方放出成分の強度比(Ｉf／Ｉb)が極小の位置を、相対位相０として校正することができる。
【００１７】
本発明の装置は、レーザー光フーリエ合成装置であって、レーザー光源と、前記レーザー光源からのレーザー光を基本波とする高調波を発生する高調波発生部と、前記高調波発生部からの高調波の位相を制御して前記基本波及び前記高調波の合成光を出力する位相制御部と、前記位相制御部から出力される合成光により、非対称分子の飛行時間型質量分析を行う質量分析部と、前記質量分析部で測定される、非対称分子気体から生じた光解離生成物イオンの質量スペクトルの前方放出成分と後方放出成分の強度比(Ｉf／Ｉb)により、相対位相を決定し、位相制御部の位相制御装置を調整する制御装置と、を備えることを特徴とする位相制御部から位相制御された合成光を出力するレーザー光フーリエ合成装置である。
【００１８】
ここで、相対位相とは、基本波に対しての高調波成分の位相差をいう。
【００１９】
本発明に使用する質量分析計装置は、飛行時間型(ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ；ＴＯＦ型)が好ましい。質量によってイオンを分離することができ、イオンの放出角度分布が測定できるものでもよい。たとえば位置敏感型イオン検出器によってイオンの放出角度分布を測定することができる。光解離後の光解離生成物イオンの運動が追跡できる方法であれば、分子の配向状態を観測することができる。
【００２０】
本発明で使用する分子は、配向選択分子イオン化する分子であり、非対称分子である。ここで非対称分子とは、分子の最外殻軌道が分子軸に対して非対称な形状をもつものをいい、これらの分子は配向選択分子イオン化を示すことが予想される。本発明では質量分析計により計測するので、気体の非対称分子が好ましく、例えば、ＩＢｒ(ヨウ化臭素)、ＣＯ(一酸化炭素)、ＯＣＳ(硫化カルボニル)、ＣＨ3Ｆ(フッ化メチル)、ＣＨ3Ｃｌ(塩化メチル)、ＣＨ3Ｂｒ(臭化メチル)、ＣＨ3Ｉ(ヨウ化メチル)、Ｃ3Ｈ5Ｆ(フッ化アリル)、Ｃ3Ｈ5Ｃｌ(塩化アリル)、Ｃ3Ｈ5Ｂｒ(臭化アリル)、Ｃ3Ｈ5Ｉ(ヨウ化アリル)、Ｂｒ(ＣＨ2)2Ｃｌ(１−ブロモ−２−クロロエタン)、Ｃ6Ｈ13Ｉ(ヨウ化ヘキサン)、等が挙げられる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明では、分子のトンネルイオン化における配向選択効果を利用することにより、レーザー光フーリエ合成において、高調波の各周波数成分の相対位相を直感的に簡便に決定して制御することが可能となった。従来のような数学的に難解な解析を必要とせず、より直感的な理解に基づく位相決定が可能となった。
【００２２】
各周波数間の相対位相が決定できるので、位相制御部の位相調整機構の物差しの原点と目盛が作成され、正しく校正されることになり、その結果、任意の光電場波形合成とその制御が可能となる。
【００２３】
本発明の方法や装置を用いれば、レーザー光フーリエ合成によって高繰り返しパルス列を発生させることができる。次世代大容量光通信において、従来のモード同期レーザー技術では困難であった光パルスのさらなる高繰り返し化において、数百ＴＨｚ程度の繰り返し周波数を実現することができる。
【００２４】
また、物質中の電子はレーザーの光電場を外場として運動させることができるが、レーザー場フーリエ合成法で合成した人工的なレーザー光電場波形を与えることによって、自然界では起こらない化学反応が実現できることが理論的に指摘されている。したがって、レーザー光を用いた物質合成加工プロセスにおいて、従来の単一周波数のレーザー光照射では実現できないプロセスや、従来のプロセスの収率，選択性の向上に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】レーザー光の基本波とその第二高調波の相対位相を精密に制御し重ね合わせたレーザー光の図。
【図２】分子トンネルイオン化における配向選択効果の原理説明図。
【図３】レーザー光フーリエ合成による光電場波形の例を示す図。
【図４】本実施の形態のレーザー光フーリエ合成装置の概略図。
【図５】本実施の形態のレーザー部の概略図。
【図６】本実施の形態の位相制御部の概略図。
【図７】本実施の形態の分子トンネルイオン化による硫化カルボニル(ＯＣＳ)の測定を説明する図。(１)は質量分析計内の説明、(２)は質量分析の測定結果を示す。
【図８】本実施の形態の硫化カルボニルを用いたレーザー光フーリエ合成における各周波数の相対位相決定を説明する図。
【図９】本実施の形態の各周波数の相対位相決定方法のステップを説明する図。
【図１０】本実施の形態の各周波数の相対位相決定方法のステップを説明する図。
【図１１】本実施の形態の各周波数の相対位相決定方法のステップを説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００２７】
本発明を理解するために、まず、２色の位相制御レーザーパルスによる異方性トンネルイオン化の量子制御と配向選択分子イオン化の概略について述べる。
【００２８】
図１及び２は、分子トンネルイオン化における配向選択効果の原理を説明するための図である。レーザー光の基本波(周波数：ω)とその第二高調波(周波数：２ω)の相対位相を精密に制御し重ね合わせたレーザー光を考える。図１に、レーザー光の基本波(周波数：ω)とその第二高調波(周波数：２ω)を相対位相φで重ね合わせたレーザー光を例示する。(ａ)は相対位相φ＝０の場合、(ｂ)は相対位相φ＝πの場合である。レーザー光の基本波とその第二高調波の相対位相をゼロまたはπに固定して重ね合わせれば、その光電場波形は正負で光電場振幅の大きさが異なるために非対称な形状となり、位相差０からπにするとその非対称性を反転させることができる。基本波とその第二高調波から構成される位相制御レーザーパルス(以下、「(ω＋２ω)位相制御レーザーパルス」という。)は、正負を区別できない通常のレーザー光の光電場とは異なり、静電場的な方向性が生じるため、従来の光とは本質的に異なる性質を示す。
【００２９】
このような非対称光電場で特徴づけられる強い位相制御レーザーパルスで気体分子を非共鳴イオン化すると、分子はトンネルイオン化する。分子のトンネルイオン化を記述する理論によると、（１）トンネルイオン化確率は、トンネルイオン化する瞬間の光電場振幅が大きいほど高くなる、（２）最外殻軌道波動関数(ＨＯＭＯ)の波動関数振幅の大きい場所ほどポテンシャル障壁からの染み出しが大きくなるためトンネルイオン化確率が高くなる、ことが指摘されている。非対称なＨＯＭＯと(ω＋２ω)位相制御レーザーパルスの非対称光電場が相互作用すると、波動関数の振幅が大きい場所から非対称光電場の最大の方向に異方的なトンネルイオン化が起こる確率が高くなるため、トンネルイオン化確率に配向依存性が生じる。図２に、ＯＣＳ分子を例として、非対称なＨＯＭＯと(ω＋２ω)位相制御レーザーパルスの非対称光電場と、トンネルイオン化確率の配向依存性を、模式的に示す。図２(１)はトンネルイオン化確率が大の場合、図２(２)はトンネルイオン化確率が小の場合を示す。
【００３０】
このように、配向選択分子イオン化とは、特定の配向の分子を選択的にイオン化することをいい、配向選択性のある分子イオン化ともいう。
【００３１】
次に、多色レーザー光の光電場の異方性について図３を参照して説明する。
【００３２】
２色(ω＋２ω)位相制御レーザーパルスから多色(ω＋２ω＋３ω＋４ω＋・・・・)位相制御レーザーパルスとすることによって光電場の異方性Ａが増大することが知られている。異方性Ａは次の式で表される。異方性Ａは非対称度とも呼ぶことができる。なお、Ｅ(ｔ)maxは振幅の最大値、Ｅ(ｔ)minは振幅の最小値である。
Ａ＝(｜Ｅ(ｔ)max／Ｅ(ｔ)min｜)
【００３３】
図３に、位相制御レーザー光の光電場波形を、（１）二色(ω＋２ω)、（２）三色(ω＋２ω＋３ω)、（３）四色(ω＋２ω＋３ω＋４ω)について示す。図３に示すように、角周波数成分を適当な振幅で重ね合わせれば、基本波と各周波数成分との相対位相差がすべてゼロの場合、三色(ω＋２ω＋３ω)位相制御レーザーパルスではＡ＝３、四色(ω＋２ω＋３ω＋４ω)位相制御レーザーパルスではＡ＝４となる。なお、図中において、Ｅ(ｔ)maxはプラス側の振幅の最大値、Ｅ(ｔ)minはマイナス側の振幅の最大値で計算した。
【００３４】
以上のことから、多色の位相制御レーザーパルスで配向選択分子イオン化を行った場合、（１）分子の配向選択性の増大と、（２）配向選択分子イオン化の位相依存性とから、各周波数間の相対位相の決定が可能となる。なお、ここで分子配向選択性とは、ある分子集団の中から特定の方向に配向した一部の分子だけを選択する性能をいう。多色の例として、例えば、四色の位相制御レーザーパルスにおいて配向選択率最大の時、φ12＝０、φ13＝０、φ14＝０、(図３参照)、と決定することが可能となる。各周波数間の相対位相が決定できれば、位相制御部の位相調整機構の物差しの原点と目盛が作成されたことに対応し、任意の光電場波形合成とその制御が可能となる。
【００３５】
（第１の実施の形態）
本実施の形態を図４〜１１を参照して以下説明する。図４は、本実施の形態のレーザー光フーリエ合成装置の概略図である。本実施の形態の装置は、レーザー光源１０と、高調波発生部１１と、光干渉計等の位相制御部１２と、質量分析部１３とを備える。高調波発生部１１は１／２波長板２１と非線形光学結晶２２とを備える。位相制御部１２は、波長選択性のある誘電体多層膜ミラー２３、折り返しミラー２４、位相制御装置(位相制御機構とも呼ぶ。)２５、１／２波長板２６を、各光路に備える。図中、光路１、２、３、４を経由したレーザー光の各周波数成分は、空間的に重なり同軸となって位相制御部１２から出射される。以下に示す図でも同様である。
【００３６】
図５は、レーザー光源１０と高調波発生部１１から構成されるレーザー部を示す。高調波発生部は、λ／２波長板や、二次非線形光学結晶等の第二高調波発生器(ＳＨＧ)、第三高調波発生器(ＳＨＧ)、第四高調波発生器(ＳＨＳＨＧ、ＦＨＧ)、偏光子Ｐ等を備える。レーザー光源の波長は、２００ｎｍ〜２００００ｎｍ、パルス幅は、１０フェムト秒〜１００ナノ秒、光強度は、１０11Ｗ／ｃｍ2〜１０15Ｗ／ｃｍ2が好ましい。一実施例として、波長１０６４ｎｍ、パルス幅１０ｎｓ、光強度１.０×１０13Ｗ／ｃｍ2を採用して行った。レーザーの基本波の波長をλとすると、一部のレーザー光をλ／２、λ／３、λ／４となるように波長変換する。波長変換は、非線形光学結晶(実施例ではＢＢＯ結晶)による第二、第三、第四高調波発生によって、レーザー光(波長１０６４ｎｍ)の一部を波長λ／２(５３２ｎｍ)、λ／３(３５５ｎｍ)、λ／４(２６６ｎｍ)に変換した。偏光子Ｐで同一偏光成分だけを通過させた。
【００３７】
図６は、位相制御部１２の概略図である。位相制御部の例として光干渉計を用いることができる。レーザー部から出射された波長λ、λ／２、λ／３、λ／４の光は、位相制御部へと導かれる。図６に示される光干渉計は、マッハ・ツェンダー干渉計に手を加え、４つの周波数の相対位相を制御できるようしたものである。レーザー光の基本波は光路１、第二高調波は光路２、第三高調波は光路３、第四高調波は光路４へ導かれる。基本波の光路の光路長は固定して、光路２、３、４の光路長を制御して、光路１とその他の光路の光路長を光の波長λの１／１００以下の精度で制御する。本実施例においては、光路２、３、４に対して次のような方法で光路長を制御している。
（粗調整）光路２、３、４に１μｍの精度で粗調整することのできる並進ステージを挿入している。
（微調整）平行平板型光学媒質(例えば、石英板、厚さ：１０ｍｍ)にレーザー光を通過させる。平行平板型光学媒質を回転させることによって、レーザー光が平行平板型光学媒質を通過する長さを〜λ／１００の精度で光路長の微調整する。それぞれの光路に光路に１／２波長板(例えば、光路２、３、４に)を挿入して、基本波と高調波のレーザー光の偏光をそろえて同軸に重ね合わされる。このとき、レーザー光の各周波数成分は、空間的にも時間的にも重なり、その相対位相が制御された位相制御光となって光干渉計から出力される。
【００３８】
位相制御部において、位相制御レーザーの各周波数成分を独立に制御するために、空間的に分離する方法には次のような方法がある。（１）波長選択性のあるミラー(ビームスプリッター)でそれぞれを分離する方法(多重マッハ・ツェンダー(Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ)干渉計)。（２）プリズムを用いる方法(非特許文献１参照)。本実施の形態の例では(１)の方法を実施しているが、(２)の方法でもよい。
【００３９】
位相制御部において、多重マッハ・ツェンダー干渉計内の位相制御光学素子については次の方法が考えられる。（１）位相板(平行平板媒質)を挿入しその入射角を変化させる方法、（２）液晶変調素子などの平行平板媒質の屈折率を変化させる方法、（３）折り返しミラーの位置をピエゾステージでナノメートルの精度で制御して光路長を制御する方法。等がある。本実施の形態の例では(１)の方法を用いたが、他の方法でもよい。
【００４０】
相対位相を決定するために、位相制御光は、質量分析部１３に導かれる。図４のように、質量分析部１３は、分子線発生装置３０とイオン検出器３１を備え、位相制御光が入射される。質量分析部１３内においては、対象とする物質は、位相制御光によって配向選択分子イオン化する。イオン化によって光解離が引き起こされ、その結果生じた光解離生成物イオンの質量スペクトルを測定する。質量分析部で使用する質量分析計は、光解離の際に、光解離生成物イオンがもつ初期速度、または光分解生成物の放出角度分布が測定できる質量分析計を用いる。本実施の形態においては、飛行時間型質量分析計を用いた。
【００４１】
図７は、本実施の形態の、分子トンネルイオン化による硫化カルボニル(ＯＣＳ)の質量分析測定における原理を詳しく説明する図である。（１）は質量分析計内の説明、（２）は配向分子質量分析計による硫化カルボニル(ＯＣＳ)分子の質量スペクトルの例である。(２)の横軸は飛行時間(μｓ)、縦軸は強度を表す。ＣＯイオン、Ｓイオン、ＯＣＳイオンが観測される。それぞれの光解離生成物イオンは、２つのピークの対としてそれぞれ観測される。これは、光分解の際の初期速度を反映したものである。つまり、飛行時間の短い成分(図７表記の「速い成分」)は、光分解の際にイオン検出器の方向に飛び出したイオンによるもの(前方放出成分Ｉf)、飛行時間の長い成分(図７表記の「遅い成分」)は、イオン検出器の位置と反対の方向に飛び出したイオンによるもの(後方放出成分Ｉb)である。ランダムな配向の分子の測定結果は、時間の短い成分と長い成分の大きさが等しく対称的なスペクトル形状が観測される。図７の(１)のような配向の分子だけ分子をイオン化した場合、図７(２)(ａ)において、ＯＣイオンは、前方成分が大きく観測され、Ｓイオンは、後方放出成分が大きく観測され、非対称なスペクトル形状となる。また、図７(２)(ｂ)において、ＯＣイオンは、後方放出成分が大きく観測され、Ｓイオンは、前方放出成分が大きく観測される。これは配向選択イオン化が起こり、図７(１)とは逆向きの配向分子が選択的にイオン化されているからである。配向選択率は、光解離生成物の前方放出成分(ｆ)と後方放出成分(ｂ)の強度比(Ｉf／Ｉb)で評価できる。ところで、位相差０の時に非対称光電場の最大がどの方向を向いているかを定義すると、位相差０の時に選択される分子の配向方向が決まる。分子の配向方向が決まると位相差０の時に光解離生成物のＩf／Ｉbが最大になるか最小になるかが決まる。図７の場合、図７(１)の向きの分子が位相差０で選択的にイオン化されると、ＣとＳの間の結合が切れて、ＯＣは検出器の方向に放出され、Ｓは検出器と逆方向に放出された後、検出器に向かう。このことから、位相差が０のとき、ＯＣイオンのＩf／Ｉbが最大値をとり、ＳイオンのＩf／Ｉbが最小値をとることが理論的に説明される。このことから、図７(２)において、(ａ)は、φ＝０の場合に対応させ、(ｂ)は、φ＝πの場合に対応させることができる。
【００４２】
(ω＋２ω)位相制御レーザーパルスにおいて、基本波と第二高調波の位相差即ち相対位相の関数としたときの、光解離生成物の前方放出成分と後方放出成分の強度比(Ｉf／Ｉb)についてみると、ＯＣイオンとＳイオンは周期２πの明瞭な振動的振る舞いを示し、お互いに逆位相である。これは配向選択イオン化が起こり、０とπではお互いに逆向きの配向分子が選択的にイオン化されているからである。
【００４３】
このように、配向選択率は、具体的には、光解離生成物の前方放出成分と後方放出成分の強度比(Ｉf／Ｉb)で評価できる。
【００４４】
次に、多色の場合の位相制御レーザーパルスの各周波数間の相対位相の決定法をステップに分けて説明する。図８は、本実施の形態の硫化カルボニルを用いたレーザー光フーリエ合成における各周波数の相対位相決定を説明するための図である。図中、縦軸は配向選択率を表す光解離生成物の前方放出成分と後方放出成分の強度比(Ｉf／Ｉb)、横軸は位相制御レーザー光の位相板への入射角(θ)である。光路２における入射角をθ2、光路３における入射角をθ3、光路４における入射角をθ4とした。黒丸はＯＣイオン、白丸はＳイオンを表す。
【００４５】
また、図３の位相制御レーザー光の光電場波形で、振幅のプラス方向は、図７(１)において左方向(イオン検出器３１のある方向)であるように、装置を設定する。つまり光電場振幅最大のときの電場ベクトルが検出器の方向に向いているときが、φ12＝０、φ13＝０、φ14＝０であると、装置の設定をする。この条件の時、ＯＣイオンの前方放出成分と後方放出成分の強度比(Ｉf／Ｉb)が最大となり、ＳイオンのＩf／Ｉbが最小となる。また、これとは逆の、位相制御レーザー光の光電場波形で、振幅のプラス方向は、図７(１)において、右方向であるように装置を設定する場合は、ＯＣイオン(黒丸)のＩf／Ｉbが最小の所がφ12＝０、ＳイオンのＩf／Ｉbが最大の所がφ12＝０に対応する。
【００４６】
（ステップ１）  (ω＋２ω＋３ω＋４ω)位相制御レーザーパルスの発生
レーザー部にて(ω＋２ω＋３ω＋４ω)位相制御レーザーパルスを発生させる。
【００４７】
（ステップ２）  φ12＝０の決定(校正)のための操作１
図９に示すように、位相制御部である多重マッハ・ツェンダー干渉計において、第三高調波、第四高調波の出力を、光シャッターなど相対位相差の変化が生じない方法で遮断して、まず(ω＋２ω)位相制御レーザーパルスにて配向選択分子イオン化の測定を質量分析部で行い、図８(ａ)に示されるＩf／Ｉbのθ２依存性を測定する。
【００４８】
（ステップ３）  φ12＝０の決定(校正)のための操作２
図８(ａ)においてＯＣイオン(黒丸)のＩf／Ｉbが最大の所がφ12＝０である。多重マッハ・ツェンダー干渉計において位相板をφ12＝０の位置に調整する。具体的に説明すると、図８(ａ)から、Ｉf／Ｉbが最大の所であるθ2＝４５.０１５°が相対位相差の原点であるφ12＝０とすることができ、θ2＝４５.０２０５°がφ12＝２πとなり相対位相差φ12の目盛を作製することができる。なお、図８の横軸は簡便ために４５.０１５°からの目盛りを抜き出して表示したものであり、４５.０１５°より小さい値についても測定している。このように、図８のφ12がゼロのときの横軸のスケール(数値)(例えば位相板の入射角度θ)に基づき調整(校正)する。なお、Ｉf／Ｉbが最大の所と説明したが、図８の図から明らかなように、Ｉf／Ｉbが極大値をとる所であればよい。また、Ｉf／Ｉbが最小値をとる所とは、極大値をとる所であればよい。即ち、Ｉf／Ｉbは、周期的２πで最大があるが、実際の測定上は、図８のように、それぞれの山の高さが異なり、最大が一つしかない場合がある。そこで、極大値をとる所を特定して、原点０及び目盛り２πなど抜き出して校正することができる。
【００４９】
（ステップ４）  φ13＝０の決定(校正)のための操作１
次に、図１０に示すように、第三高調波を重ね合わせて(ω＋２ω＋３ω)位相制御レーザーパルスを合成し、(ω＋２ω＋３ω)位相制御レーザーパルスを用いた配向選択分子イオン化の測定を質量分析部で行う。相対位相φ12＝０に固定しながら、図８(ｂ)に示されるＩf／Ｉbのθ3依存性を測定する。
【００５０】
（ステップ５）  φ13＝０の決定(校正)のための操作２
図８(ｂ)においてＯＣイオン(黒丸)のＩf／Ｉbが最大の所がφ12＝０かつφ13＝０である。
多重マッハ・ツェンダー干渉計において位相板をφ13＝０の位置に調整する。具体的に説明すると、図８(ｂ)から、ＯＣイオン(黒丸)のＩf／Ｉbが最大の所であるθ3＝４５.０１６６が相対位相の原点であるφ13＝０とすることができ、また、θ3＝４５.０１９８がφ13＝２πとなり相対位相φ13の目盛を作製することができる。
【００５１】
（ステップ６）  φ14＝０の決定(校正)のための操作１
次に、図１１に示すように、第四高調波を重ね合わせて(ω＋２ω＋３ω＋４ω)位相制御レーザーパルスを合成し、(ω＋２ω＋３ω＋４ω)位相制御レーザーパルスを用いた配向選択分子イオン化の測定を質量分析部で行う。相対位相φ12＝０、φ13＝０に固定しながら、図８(ｃ)に示されるθ4依存性を測定する。
【００５２】
（ステップ７）  φ14＝０の決定(校正)のための操作２
図８(ｃ)においてＯＣイオン(黒丸)のＩf／Ｉbが最大の所がφ12＝０かつφ13＝０かつφ14＝０である。多重マッハ・ツェンダー干渉計において位相板をφ14＝０の位置に調整すれば、(ω＋２ω＋３ω＋４ω)位相制御レーザーパルスにおける各周波数間のすべての相対位相がゼロのφ12＝０、φ13＝０、φ14＝０の条件が求まる。
【００５３】
（ステップ８）  φ12、φ13、φ14の目盛の決定(校正)
図８(ａ)、(ｂ)、(ｃ)において、ＯＣイオン(黒丸)のＩf／ＩbとＳイオン(白丸)のＩf／Ｉbは、各周波数間の相対位相差φ12＝０、φ13＝０、φ14＝０に対して２πの周期で変化し、お互いに逆位相である。これは配向選択イオン化が起こり、０とπではお互いに逆向きの配向分子が選択的にイオン化されていることを示しており、分子の配向選択性が相対位相差の目盛の役割を果たすことになる。したがって、各周波数間の相対位相差のゼロ点と目盛が確定し、任意の相対位相差に調整することができる。即ち、４つの周波数の範囲において実現できる任意の光電場波形を合成できる。
【００５４】
本発明の実施の形態で使用する分子は、硫化カルボニル(ＯＣＳ)の例で説明したが、配向選択分子イオン化する分子で同様に実施できる。
【００５５】
なお、レーザーフーリエ合成において任意光電場波形を合成する場合における、光電場振幅Ｅ1、Ｅ2、Ｅ3、Ｅ4の制御は、例えば、干渉計内で、それぞれの周波数成分の光路に光学フィルターなどのアッテネーター(減衰器)等を用いて、調整することができる。
【００５６】
上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
情報技術分野において、次世代の大容量光通信システムにおいて高繰り返しのレーザーパルス光源は欠かすことのできない要素技術である。これまでにモード同期レーザーを用いてＴＨｚの繰り返し周波数をもつレーザーパルス発生が報告されているが、これらの方法では、パルスの繰り返し周波数がレーザーの共振器帳によって制限されている。本発明のレーザー光フーリエ合成を用いれば、ＴＨｚよりも高繰り返しのレーザーパルス発生が可能となり、産業上有用である。
【００５８】
化学分野において、光化学反応は、光の一周期以内(数フェムト秒以下)の電子の授受によって引き起こされる。このような超高速の電子の振る舞いを、レーザー光フーリエ合成によって整形した任意の光電場で制御すれば、思い通りの光化学合成ができる可能性があり、産業上有用である。
【符号の説明】
【００５９】
１０      レーザー光源
１１      高調波発生部
１２      位相制御部
１３      質量分析部
２１      １／２波長板
２２      非線形光学結晶
２３      誘電体多層膜ミラー
２４      折り返しミラー
２５      位相制御装置
２６      １／２波長板
３０      分子線発生装置
３１      イオン検出器
【図１】
2015064425.tif 000003
【図２】
2015064425.tif 000004
【図３】
2015064425.tif 000005
【図４】
2015064425.tif 000006
【図５】
2015064425.tif 000007
【図６】
2015064425.tif 000008
【図７】
2015064425.tif 000009
【図８】
2015064425.tif 000010
【図９】
2015064425.tif 000011
【図１０】
2015064425.tif 000012
【図１１】
2015064425.tif 000013