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ヘリウム原子の多準位系における超放射の測定（近畿大・理工 1，分子研 2，理研 3，岡山大・極限量子 4，岡山大・自然 5，岡山大・理 6，JASRI7）○中嶋 享 1，岩山 洋士 2, 3，久間 晋 3, 4，宮本 祐樹 3, 5，永園 充 3，中野 逸夫 4，笹尾 登 3, 4，
繁政 英治 2, 3，富樫 格 7，植竹 智 5，若林 知成 1，吉見 彰洋 4，吉村 太彦 6

Measurement of superradiance from a multi-level system
in atomic helium(Faculty of Science and Engineering, Kinki University1, Institute for Molecular Science2,
RIKEN3, Research Core for Extreme Quantum World, Okayama University4,
Graduate School of Natural Science and Technology, Okayama University5,
Faculty of Science, Okayama University6, Japan Synchrotron Radiation Research Institute7)○Kyo Nakajima1, Hiroshi Iwayama2, 3, Susumu Kuma3, 4, Yuki Miyamoto3, 5,Mitsuru Nagasono3, Itsuo Nakano4, Noboru Sasao3, 4, Eiji Shigemasa2, 3, Tadashi Togashi7,
Satoshi Uetake5, Tomonari Wakabayashi1, Akihiro Yoshimi4, Motohiko Yoshimura6【序】 原子や分子などの励起状態の集団からの協同的な自然放射である超放射は、1954 年に R.
H. Dicke によって初めて理論的に提唱され、その後、様々な理論的、実験的研究が多様な原子や分子種、標的形状、そしてマイクロ波から紫外に及ぶ幅広いエネルギー領域の準位系に対して行われてきている。そのような中で、近年利用可能になった、理研播磨研究所 SCSS 試験加速器における EUV-FEL 光を励起光として、ヘリウム原子の励起状態からの超蛍光(超放射)現象の観測[1]が実現した。この実験では、中心波長 53.7 nm の FEL 光によって励起状態となる 1s3p 準位から 1s3p→1s2s 遷移に対応する 502 nm の超放射パルスを観測している。1s3p 準位からはこの他にも複数の脱励起遷移が許容であり、本研究では、多準位系における超放射発展の解明を目的として、これらの遷移に関わる超放射の同時測定実験を行った。

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図 1 に本実験に関係のあるエネルギー準位を示す。1s3p 準位からの脱励起には、1s2 および準 位 へ の 遷 移 に 加 え て 、

1s3p→1s3d→1s2p 準位 と 1s3p→1s3s→1s2p準位のカスケード遷移が E1 許容遷移として存在する。1s3p→1s3d 遷移 および 1s3p→1s3s遷移のエネルギー間隔はそれぞれ 0.013 eV1P

11s3p

1s3dS

1s3s728 nm

Energy (eV)

1s2s23

1668 nm

22502 nm

21D

1s2p

1s2s2053.7 nm(96 μm)、0.167 eV (7.4 μm) である。本実験で は 可 視 光 領 域 の 1s3p→1s2s 遷 移 (502nm)、1s3d→1s2p 遷移 (668 nm)、1s3s→1s2p遷移 (728 nm) の超放射を観測対象とした。

01s2

図 1. ヘリウム原子のエネルギー準位

【実験】 図 2 に理研播磨研究所 SCSS 試験加速器
Pulse valve

EUV-FELを用いて行った実験のセットアップ概略図を示す。

SRFEL パルス光は 2 枚の集光ミラーによって真空チ

Beam splitter

Heャンバー内のガスセル中心に集光され、そのビー
Gas cell

ルパラメーターは 1.5 mm である。FEL パルス時

502nm

668nm

728nm

Femtosecond laser

ムウエスト半径は 5 μm (FWHM)、コンフォーカ

Bandpass filter
Photo detector

Vacuum chamber

間 幅 は 100 fs 、 平 均 パ ル ス エ ネ ル ギ ー は 3.5DAQ

Timing reference

μJ/pulse であり、ガスセル中心におけるピーク強
図 2. 実験セットアップの概略図

度は 4×1013 W/cm2 となる。ガスセルへのヘリウ
ムガスの導入は、30 Hz の FEL パルスに同期したパルスバルブを用いて行った。ガスセルの FEL 光軸に沿った両端には直径 2 mm、長さ 5 mmのアパーチャーが取り付けられている。アパーチャー内面の間隔は 4 mm である。パルスバルブの背圧によりセル中のヘリウム原子数密度の調整を行い、実験条件におけるセル中のヘリウム原子のピーク圧力は 2.3 Pa〜2.5×103 Pa、数密度は 6×1014 /cm3〜6×1017 /cm3 と見積もられる。真
空チャンバー外に取り出した超放射パルス光はビームスプリッターで 3 つに分岐し、それぞれをバンドパスフィルターで波長弁別して高速フォトディテクター (Response time 30 ps) で検出し、波形を高速オシロスコープ(Sampling rate 40 GS/s)で同時記録した。
【結果と考察】 図 3 にヘリウム数密度ごとに平均化した波形を示す。数密度 2×1015 /cm3 では
1s3d→1s2p 遷移 (668 nm) の超放射のみが発達する。5×1015 /cm3 では 1s3p→1s2s 遷移 (502nm) の超放射が現れる。4×1016 /cm3 で 1s3s→1s2p 遷移 (728 nm) にも弱い超放射が現れる。
これらの数密度依存性を解釈するため、Maxwell-Bloch 方程式を用いて図 1 に示したヘリウム原子 6 準位系のポピュレーショ
502nm

ン、コヒーレンスおよび E1668nm

728nm遷移に対応する電場の時間発展の追跡を試みた。その結果、(a) 6 × 1017 /cm3超放射が優位に発展する遷移(b) 3 × 1017 /cm3

は 1s3p→1s3s→1s2p および1s3p→1s2s であり、1s3p→(c) 4 × 1016 /cm3

1s3d→1s2p のカスケード遷(d) 1 × 1016 /cm3(e) 5 × 1015 /cm3移に超放射は発展しにくいこ(f) ×20(f) ×20(f) ×20(f) 2 × 1015 /cm3とが示された。講演ではこの結果が、エネルギー間隔の接近した 1s3p→1s3d 遷移における超放射発展、あるいは大-2000 200 400
Time (ps)600-2000 200 400
Time (ps)600-2000 200 400
Time (ps)図 3. ヘリウム原子からの超放射の平均波形

強度 FEL パルス光による励起機構の扱いに起因する可能性についても議論する。
【参考文献】[1] M. Nagasono et al., Phys. Rev. Lett. 107, 193603 (2011).

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