超短パルスレーザー励起による広帯域過渡吸収の研究
米田研究室
１．はじめに

近藤大介
どのような原因で起きているのだろうか。

1995 年に発表された「Absorption of高強度の超短パルスレーザーを照射しUltrashort Pulses by Solid Targetsても、石英が壊れたりしているわけでは

Heated Rapidly to Temperatures 1 ～ない。そうすると、この吸収率が上がる

1000eV」の論文の中で、石英に関する興原因として考えられるのは、石英内のバ味深い現象が観測された。この論文の内ンド構造に変化が生じて吸収しやすいバ容は、いろいろな固体物質（Ta、Au、Cu、ンド構造になっていると考えられる。

Al、Quartz）に超短パルスレーザーを照1995 年に発表された論文ではレーザーの射した時に、照射された固体物質の吸収波長でしか観測されていないため、広帯率の変化を観測したということである。

域での観測が必要である。

図 1 に照射した際の超短パルスレーザー

石英内のバンド構造が変化する可能性がの強度に関する吸収率の変化を示した。

考えられるが、図 2 に示しめした石英のバンド構造を用いて説明できる。

図 1 レーザー強度による吸収率変化

図 2 石英のバンド構造

図 1 では 1013～1014W/cm３のレーザー強超短パルスレーザーでは、石英のエネル度では、Quartz（石英）が飛びぬけて高ギーギャップ（9eV 程度）のエネルギーい吸収率を示している。常温では石英のを２光子吸収や多光子吸収を起こすこと吸収率はとても低いのに対して、超短パによって補える。そうすると、電子がエルスレーザーを照射することにより温度ネルギーを受け取り、エネルギーギャッを上げた状態では吸収率が高くなるのはプを超えて遷移する。すると遷移した電子の場所に空きが生じる。その空きを目実験方法としては、745nm と 322nm のがけて下のところから電子が遷移してく光をコア径 100μm のマルチモードファる。3s から 3p に電子が遷移するのに必イバーに入れ、出力側にプリズム分光器

要なエネルギーは 2～3eV と低いので可を設置し波形をオシロスコープで観測し視光の波長帯でもその分のエネルギーをた。照射系としては、側面から超短パル補うことが可能である。
（3s-3p バンド間スレーザーである KrF レーザーを照射し遷移）このようなバンド構造の変化があた。オシロスコープで観測した波形を図 4ると考えられるため、超短パルスレーザに示した。また、時間に対する照射前とーを照射した石英には吸収率の変化が顕照射後の強度比をとったものを図 5 に示著に現れると考えられる。

した。

このようなバンド構造の変化があるのなら広い波長帯で吸収が生じるのか、生じるのであればどの波長で強く吸収が生じているのか。また、超短パルスレーザ
ー照射により屈折率の変化が起きて反射しているのではないかを調べなければならない。
本研究では、紫外と赤外ではどちらの方が吸収しやすいかをというのを調べ、屈折率変化を調べた。
図 42

吸収率に関する実験

超短パルスレーザー照射前と照射後の波形変化（上：322nm 下：745nm）

チタンサファイアの光（745nm）とそれを BBO クリスタルに照射することによって生じる光（322nm）の二種類の光をプローブ光として実験をした。以下の図 3に 実 験 装 置 図 を 示 し た 。

図5

時間に対する 2 波長の光ごとの強度比

図 3 吸収に関する実験装置図

このグラフから、322nm の波長の光では吸収があったことが確認できた。745nm壊されるなどの障害があったので、白色の波長の光では吸収がほんのわずかしか光ではなく 745nm の特定の波長で調べて起こってないことが分かった。また、から広帯域での屈折率変化を調べるとい322nm の波長で吸収が生じて基に戻るまうようにした。

でに 100ns 程度の時間がかかったことがチタンサファイアの光を干渉させ KrF レ分かった。吸収が止む原因としては、励ーザーを片方のファイバーに照射して干起状態にある原子が緩和して基の状態に渉縞の変化を観測する際の実験系を加え戻るためであるからだと考えられた。

図 7 に示した。

3屈折率に関する実験
次に、干渉計をつくり超短パルスレーザーを照射することによる屈折率変化を求める実験を行った。以下の図 6 に干渉計の実験装置を示した。

図7

照射系を加えた実験装置

干渉縞を作り、片方のファイバーを超短パルスレーザーで照射した際の干渉縞の変化を図 8、9 に示した。

図6干渉計の実験装置

チタンサファイア（745nm）の光をビームスプリッターで分け２本のシングルモードファイバーに入れた。そして２本のファイバーから出てくる光を分光器を通して干渉させた。つぎに、チタンサファイアの光を PCF（フォトニッククリスタルファイバー）に入れて白色光を出し干渉させ、広い波長範囲での干渉縞の変化を見ようとした。しかし、チタンサファイアの光強度が強すぎるため PCF の端面が破図 8 超短パルスレーザー照射前の干渉縞じていることが分かった。残念なことに数値化することが出来なかったが、目で確認できたことでも大きな前進である。
5

今後の課題吸収に関する実験はアメリカなどで研究されているので、屈折率に関する実験データが必要である。したがって、
図 9 超短パルスレーザー照射後の干渉縞745nm の波長での屈折率変化を正確に求めて、PCF を用いて広帯域での屈折率変化

超短パルスレーザーを照射する前と、照を求めなければならない。そのためにも、射した後では干渉縞に変化が観測出来た。 うまく進んでいない現状の原因の見つけ
干渉縞の明るさの強度が減少し、干渉縞打破することを早急にしなければならなにズレが生じた。このことは、超短パル

い。

スレーザーを照射した方のファイバーに屈折率変化が生じ、２本のファイバーに6

参考文献

光路差が生じたことを示している。しか1. O.L.Landen , S.H.Glenzer , G.Gregori

し、これは目で観測することは出来たが「Final Report LDRD 02-ERD-013 Dense

干渉縞が動的であったため数値的など干Plasma Characterization by X-ray

渉縞の詳しいことを調べることは出来な

Thomson Scattering」

かった。この原因は空気の揺らぎでファイバーに影響を及ぼしていると考えられ

2. R.ichard.W.Lee , Stephen J.Moor ,る。

and Hyun-kyung Chung「 Finite temperature dense matter

4

結論

studies

吸収に関する実験では、赤外に比べ紫sources」

外の波長帯に吸収があった。アメリカやフランスでは吸収に関する実験が行われonnext-generation

J.Opt.Soc.Am.B/Vol20,No

light4/April

2003ており 400nm の波長域に吸収のピークがあると発表されている。したがって、今3. Kozaburo Tamura and Masanori Inui

回の実験で出た結果は 400nm で吸収のピ「 Structuralークがあるという結果に貢献できるデー

metal–non-metalタであることが分かった。

supercritical fluids」

屈折率に関する実験では、745nm という特定の範囲ではあるが、超短パルスレーザーを照射した部分の屈折率に変化が生

changesandthetransitioninJ. Phys.: Condens. Matter 13 (2001)