レーザーとは 応用プロジェクト I レーザ誘起化学反応の直接追跡 （担当：勝村庸介、工藤久明、石川顕一） 石川顕一.

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1 レーザーとは 応用プロジェクト I レーザ誘起化学反応の直接追跡 （担当：勝村庸介、工藤久明、石川顕一） 石川顕一

2 レーザーとは レーザー：「 20 世紀最大の発明」 テクノロジー・産業応用 ナノテク – 超微細加工（半導体回路作成等） – レーザートラップ（分子、 DNA 等） 情報 –CD, DVD, 複写機 – 光通信、光コンピューティング 生体（医療） – 手術、がん治療 – 視力矯正 (LASIK) 、あざ治療、脱毛、しみ取り – 子供の生み分け（性別） ← アメリカ、ベルギー

3 レーザーとは レーザー：「 20 世紀最大の発明」 基礎研究 レーザー関連のノーベル賞 タウンズ、バソフ、プロホロフ (1964 年物理学賞 ) ：レーザーの開発 ガボール (1971 年物理学賞 ) ：ホログラフィーの発明と開発 ブルームバーゲン、ショーロー (1981 年物理学賞 ) ：レーザー分光 クロート、カール、スモーリー (1996 年化学賞 ) ：フラーレンの合成 チュー、コーエンタノージュ、フィリップス (1997 年物理学賞 ) ：レー ザー光を用いた原子の冷却とトラップ スベイル (1999 年化学賞 ) ：フェムト秒分光を用いた化学反応の遷移状 態の研究 → 「分子内の原子の動きを見る」 ワイマン、ケトレ、コーネル (2001 年物理学賞 ) ：アルカリ元素のボー ズアインシュタイン凝縮 田中耕一 (2002 年化学賞 ) ：生体分子の質量分析のためのイオン化法 最近の話題 クラウス（ウィーン工科大学）：数サイクルレーザーパルスやアト秒 パルスを用いて、原子内の電子の動きを見る。 レーザーの応用は基礎研究から日常生活までのすみずみにまで 行き渡っている。

4 レーザーとは レーザー Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ＝ 誘導放出による光の増幅 他の光源（電球、蛍光灯など） 自然放出を利用 光の波長・位相・方向・偏光がそろっている。 光の波長・位相・方向・偏光はばらばら。

5 レーザーとは アインシュタインの A,B 係数の理論 自然放出誘導放出吸収 入射光 占位数 N 1, N 2 の時間変化 熱平衡状態（温度 T ） ボルツマン分布 プランクの黒体放射の法則

6 レーザーとは レーザーの動作原理 図：レーザーの構造 反転分布 増幅 発振

7 レーザーとは 反転分布 自然放出誘導放出吸収 入射光 誘導放出＞吸収 一方、熱平衡では 『負の温度』を実現するために 励起エネルギー源が必要 フラッシュランプ 発光ダイオード ガス放電 電流 化学反応 レーザー

8 レーザーとは 増幅 誘導放出＞自然放出 固体・液体・気体 プラズマ 自由電子 自然放出誘導放出吸収 入射光 光強度 I は活性媒質の長さ L に 関して指数関数的に増加 利得（ゲイン）： s ：作用断面積 散乱等による減衰を考慮すれば

9 レーザーとは 発振 定常的なレーザー光を発生するため に、一般に活性媒質は一組の向かい 合ったミラーからなる共振器の中に 置かれる。レーザー発振が定常的に なるためには、 この式と から 定常的なレーザー発振に必要な反転分布は

10 レーザーとは レーザー光の波長領域 電磁波は、波長によって次の表のようなスペクトル領域に分類できる。 名前波長（ナノメートル） 硬エックス線 < 1 軟エックス線 1 〜 30 極紫外（ＸＵＶ） 30 〜 100 真空紫外（ＶＵＶ） 100 〜 200 紫外（ＵＶ） 200 〜 400 可視光 400 〜 780 近赤外 780 〜 3000 中赤外 3000 〜 6000 遠赤外 6000 〜 15000 極赤外 15000 〜 1000000 代表的なレーザー の波長領域

11 レーザーとは 代表的なレーザーシステム 連続波 (CW) レーザー パルスレーザー 短パルスレーザー エキシマレ ーザー

12 レーザーとは チタンサファイアレーザー

13 レーザーとは エキシマレーザー 活性媒質 –KrF, ArF, XeF, XeCl 励起エネルギー源 – ガス放電、電子ビーム –Kr 原子は励起されると反応性 が高まり、 Kr 2, KrF 分子を形成 応用 – 半導体チップに回路を焼き付 けるリソグラフィー → KrF – 視力矯正 (LASIK) → ArF

14 レーザーとは レーザー光のエネルギー・出力・強度 名前定義単位 パルスエネルギー パルス中に含まれる電磁波のエ ネルギー J （ジュール） 出力（パワー） ( パルスエネルギー ) ÷( パルス幅 ) W （ワット） 強度 ( 出力 )÷( ビーム断面積 ) W/cm 2 or W/m 2

15 レーザーとは コヒーレンス レーザー Laser の特徴 波長・位相・方向・偏光がよくそろっている。 時間的・空間的な干渉性が高い（干渉実験で干渉縞がよく見える）。 コヒーレンス（可干渉性） 「レーザー光はコヒーレントである。」 偏光 方向 位相 振動数（ → 波長） 古典的電磁波 レーザーは理想的な古典的電磁波！