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レーザーが空気中で増幅される机构
数サイクルレーザーパルスを集光することによって誘起したフィラメントと3つの電子状態間の相互作用によってレーザーが空気中で増幅される机构を示した模式図。
© 2015 Kaoru Yamanouchi.

东京大学大学院理学系研究科化学専攻の山内薫教授らの研究グループは、空気中でレーザーが増幅される过程の一端を明らかにし、空気中に含まれる窒素分子がイオン化した际、第3の电子状态の存在が重要であることを示しました。今后、さまざまな媒质のレーザープラズマの発光やレーザー増幅机构の解明につながることが期待されます。

従来、物质にレーザーを照射してイオン化すると最もエネルギーの低い电子基底状态の原子イオンや分子イオンが主に生成することが知られていました。しかし、レーザーを用いて空気をイオン化すると、空気に含まれる窒素分子がイオン化した结果、窒素分子イオンが、エネルギーが高い电子状态から低い电子基底状态へ変化する际に391ナノメートルのレーザー発光が観测されますが、なぜ空気をイオン化した场合にそもそもエネルギーの高い电子状态の窒素分子イオンが电子基底状态よりも多く生成される反転分布が実现されるのか、その原因については未解决のままでした。

今回、この反転分布を説明するため、山内教授らは极めて短い数サイクルパルス（4词6フェムト秒）を用いて空気をイオン化する実験を行うとともに、理论モデルを用いた数値シミュレーションを行いました。その结果、レーザー発光に関わらない第3の电子励起状态が、レーザー场の存在によって窒素分子イオンの电子基底状态と强く相互作用して电子基底状态の分布を减らした结果、エネルギーが高い电子状态から电子基底状态の间に反転分布が起きることを示しました。

本成果について、「强いレーザー场の存在によって诱起される、さまざまな媒质のプラズマ発光やレーザー増幅机构の解明につながることが期待されます」と山内教授は话します。

论文情报

Huailiang Xu, Erik L?tstedt, Atsushi Iwasaki, and Kaoru Yamanouchi, "Sub-10-fs population inversion in N₂⁺ in air lasing through multiple state coupling", Nature Communications Online Edition: 2015/9/25 (Japan time), doi:10.1038/ncomms9347.
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