はじめに -超短光パルスとは-
UltrashortPulse
超短光パルスとは、時間幅の非常に短い(10兆分の1秒程度)電磁波です。このような超短パルスは、多くの周波数(色)の光が位相をそろえて重ね合わされることで形成されます。そのため、「スペクトルが広い」という特徴をもちます。また、光エネルギーが一瞬に込められているため、「ピークパワーが高い」という特徴ももちます。
これらの特徴は、高速光通信、光による材料の加工、光計測などの応用において、有効に働くことが見出されています。また、基礎科学分野では、原子・分子・電子の高速な動きを観たり、コントロールしたりする能力をもっている点が魅力的です。
高安定でコンパクトなファイバーレーザーの開発
experiment
赤外域での近接場顕微分光法の開発が現在活発に行われています。赤外域には分子の共鳴線が数多く存在するため、物質の構造を見るための優れたプローブとなります。
また、一般に光学顕微鏡の空間分解能は用いた光の波長程度までとなりますが、光を金属探針に当て、その散乱光を測定するという方法で、赤外域でも探針先端が持つ数十nmという空間分解能での顕微分光が行えると期待できます。よって、例えば、細胞内の分子イメージングなどに応用することができます。
このような測定を行うためには、針先に効率良く光を当てるため、指向性、ひいては集光性の良い赤外光源が必要となります。赤外分光用の光源として一般に熱光源が広く用いられますが、これはセラミックなどの輻射を利用するため、広帯域でありながら指向性が悪いという欠点を持っています。そこで、広帯域かつ高い指向性を持つ短パルスのレーザー光源を用いることでその欠点を克服することができます。
中赤外域の短パルスレーザー光の発生法として、近赤外の短パルスを光パラメトリック発振器によって波長変換する方法があります。イッテルビウムをレーザー媒質に用いたモード同期ファイバーレーザーからの出力を、チャープパルス増幅器によって増幅し、それを光パラメトリック発振器の励起光とすることで、フェムト秒オーダーの中赤外短パルス光を得ることができます。
中赤外域超短パルスの発生・制御
MIRspectrum
中赤外光(波長2.5-25ミクロン、波数 4000-400 cm-1)は、さまざまな分子振動を共鳴励起します。そのため、赤外域の吸収スペクトルを測ると、分子種を推定できる上、周囲環境との相互作用に関する情報が得られます(赤外分光法)。一歩進んで、中赤外パルスを利用した非線形分光計測をすると、「ダイナミクスや立体構造などに関する情報」が得られます(赤外非線形分光法)。さらには、中赤外パルスは選択的かつコヒーレントな振動励起を介した分子反応制御法を生み出す可能性をもっています。
当研究室では、このような中赤外超短パルスの潜在性に着目し、広帯域な中赤外フェムト秒パルスを発生する技術[1,2]、任意波形整形システムの構築を行っています。

・関連する発表
1. S. Ashihara and Y. Kawahara, “Spectral broadening of mid-infrared femtosecond pulses in GaAs,” Opt. Lett. Vol. 34, No.24, 3839-3841 (2009).
2.S. Ashihara, T. Mochizuki, S. Yamamoto, T. Shimura, and K. Kuroda, “Broadband mid-infrared pulse generation by use of optical parametric amplification in periodically-poled lithium niobate,” Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 48, No.4, 042501 (2009).