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 4/11 No. 2 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。 4/11 No. 3 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。 4/11 No. 4 ナノデザイン特論２（石川顕一）学内向け講義資料 レーザー光の特性 4/11 No. 5 ナノデザイン特論２（石川顕一）学内向け講義資料 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 6.6261034 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。 4/11 No. 6 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） ikxiti 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。 4/11 No. 7 ナノデザイン特論２（石川顕一）学内向け講義資料 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） ikxiti 方向 位相 レーザーは理想的な古典的電磁波！ 4/11 No. 8 ナノデザイン特論２（石川顕一）学内向け講義資料 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。 4/11 No. 9 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 4/11 No. 10 ナノデザイン特論２（石川顕一）学内向け講義資料 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 4/11 No. 11 ナノデザイン特論２（石川顕一）学内向け講義資料 レーザーの動作原理 参考書：William T. Silfvast, “Laser Fundamentals” 4/11 No. 12 ナノデザイン特論２（石川顕一）学内向け講義資料 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 4/11 No. 13 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 4/11 No. 14 ナノデザイン特論２（石川顕一）学内向け講義資料 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 4/11 No. 15 ナノデザイン特論２（石川顕一）学内向け講義資料 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 31 211 32 4/11 No. 16 ナノデザイン特論２（石川顕一）学内向け講義資料 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 4/11 No. 17 ナノデザイン特論２（石川顕一）学内向け講義資料 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） 4/11 No. 18 ナノデザイン特論２（石川顕一）学内向け講義資料 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 4/11 No. 19 ナノデザイン特論２（石川顕一）学内向け講義資料 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 4/11 No. 20
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