ナノデザイン特論1 - Kenichi Ishikawa

ナノデザイン特論2(石川顕一)学内向け講義資料
ナノデザイン特論2
レーザーの基礎
http://ishiken.free.fr/lecture.html
4/11 No. 1
ナノデザイン特論2(石川顕一)学内向け講義資料
レーザー:「20世紀最大の発明」
テクノロジー・産業応用
• IT・ナノテク
– 半導体プロセッサー(リソグラフィー)
– CD, DVD, 複写機
– 情報・通信の高速・大容量化 →
光通信、光コンピューティング
• 生体(医療)
– 腰痛の治療、歯科治療、手術(レーザーメス)、
がん治療
– 視力矯正(LASIK)、あざ・しみ治療、脱毛
– 子供の生み分け(性別)← アメリカ、ベルギー
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ナノデザイン特論2(石川顕一)学内向け講義資料
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
• グラウバー(2005年物理学賞):量子光学
• ホール、ヘンシュ(2005年物理学賞):レーザーによる精密分光学(光
周波数コム技術)
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。
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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
光の波長・位相・方向・偏光がそろっている。
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・偏光はばらばら。
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レーザー光の特性
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光の吸収と放出
アインシュタイン(1916年)
原子
ボーアの条件
h  E2  E1
エネルギー準位
E2

光
h


吸収 自然放出

振動数
h  6.6261034 J s
プランク定数
E1 
誘導放出

上の準位にある原子が下の準位に遷移する時、光を放出する。

• 自然放出:入射光がなくても起こる。
• 誘導放出:入射光につられて、光を放出する。
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レーザーと他の光源との違い
レーザー Laser
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
= 誘導放出による光の増幅
光の波長・位相・方向・偏光がそろっている。
偏光
E  E0 e
振動数(→波長)
ikxiti
方向
位相
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・偏光はばらばら。

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コヒーレンス
レーザー の特徴
指向性・単色性
•
•
レーザービームの断面の中で各部分の光の位相がよくそろっている。
時間的にも位相が変化せずそろっている。
「レーザー光はコヒーレントである。」
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)。
古典的電磁波
偏光
E  E0 e
振動数(→波長)
ikxiti
方向
位相
レーザーは理想的な古典的電磁波!
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指向性と単色性
指向性
• レーザー光は、細いビームになっていて、
反射や屈折をさせない限り、ほとんど一直
線に特定の方向のみへ進む。(平行光線)
• レンズ等を用いて小さく絞れる。
→高強度
単色性
• 各種のレーザー光は、それぞれある特定の
波長のみを含み、その波長は時間的に一定
である。
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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
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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
エキシマ
レーザー
短パルスレーザー
超短パルスレーザー
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レーザーの動作原理
参考書:William T. Silfvast, “Laser Fundamentals”
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アインシュタインのA,B係数の理論(1916年)
占位数N1, N2の時間変化
E2 ,N2
熱平衡状態(温度 T )

A
入射光
B12W

ボルツマン分布

 自然放出

吸収
W
B21W
誘導放出
E1,N1


プランクの黒体放射の法則

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レーザーが動作するための条件
• 反転分布
• 増幅
• 発振
図:レーザーの構造
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反転分布
誘導放出>吸収
N2  N1
一方、熱平衡では


N2  N1 exp   / kBT   N1
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
E2 ,N2

A
入射光
BW



 自然放出
吸収
W
BW
誘導放出
E1,N1



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3準位レーザーの反転分布
•
•
2準位原子を励起 → 上の準位増加 → 励起エネルギー源の影響
で下の準位に遷移する確率も増加 → 反転分布不可
3準位、4準位系を利用
レート方程式
N  N1  N2  N3
N3
 32

N2
レ
ー
ザ
ー
遷
移





 21


 31
dN2
  21N2   32 N 3
dt

定常状態

N1
 21 31   32 
N
 21 31   32    21   32 

 32
N2 
N
 21 31   32    21   32 


dN 3
 N1   32 N 3   31N 3
dt
N1 
反転分布の条件

dN1
 N1   21N2   31N 3
dt
  31 
   211 
  32 
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増幅
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
• 固体・液体・気体
• プラズマ
散乱等による減衰を考慮すれば
• 自由電子
E2 ,N2
G  g a

I  I0 exp GL


A
入射光
BW



 自然放出
吸収

W
BW
誘導放出
E1,N1

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拡張されたLambert-Beerの法則
dz
I(z)
十分薄い厚さdzの活性媒質層による増幅
• 強度 I(z) に比例
• dz に比例
dI(z)
 GI(z)
I(z  dz) I(z)  GI(z)dz
dz
I(z+dz)
I(z)  I0 exp(Gz)

z
z+dz


G:ゲイン(利得係数)
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発振
R1
R2
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。

フィードバック増幅器
増幅器
Ii
A
Io  AI
i


Io
Io
Ii

A

A
Io   Ii
1 A

Io
1 Io
A 1
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発振
フィードバック増幅器
Io 
Io
Ii



1 Io
入射光がなくても、黒体放
射を種にして大きな出力
が得られる(発振)。



R1
A 1 では増幅率無限大
Io
A

R2
A
Ii
1 A
定常的なレーザー発振の条件


A
から
この式と
必要な反転分布は

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