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中赤外波長域 / 超短パルスレーザー / 多段階振動励起 / 化学反応制御 / レーザー加工 / 赤外レーザー / 振動分光

中赤外超短パルスレーザーを用いると，特定の分子振動モードを選択して強い振動励起を実現できる。これは、特定の化学結合にエネルギーを供給できることを意味する。本研究では、この「モード選択的な励起」を通して化学反応制御や有機材料加工を達成する手法およびその基礎をなす学術を開拓する。これは、これまで振動分光計測に重宝されてきた中赤外光の、『物質操作ツール』としての価値を顕在化させる挑戦でもある。
初年度は、中赤外波形整形パルスによる多段階振動励起の理論解析に取り組んだ。分子の量子状態に関する密度行列の時間発展を数値的に計算するコードを開発し、赤外パルスの電場波形およびフルエンスに応じた振動励起ダイナミクスの予測を行った。また、中赤外パルスによる多段階振動励起実験のためのポンプ・プローブ分光測定系を開発した。具体的には、対象分子を封入する試料セルを設計・製作するとともに、中赤外パルスによって試料を励起し、その後の透過率変化を100フェムト秒の時間分解能で計測するシステムを開発した。
当該年度は、実際に赤外ポンプ・プローブ分光法による気相分子の振動・回転励起ダイナミクスの観測に取り組み、振動励起に伴う吸収スペクトル変化の観測に成功した。その様子は、理論計算による結果とも良い一致を示した。
並行して、電極反応における中間体・生成物の分子レベルでの理解を目指し、金属ナノ構造の表面プラズモンを利用した、電極表面を高感度かつ高い時間分解能で計測できる新規赤外分光法の開発に着手した。

超短パルスレーザー / 中赤外波長域 / 光周波数コム / 振動分光

中赤外域は『分子の指紋領域』と呼ばれるように分子振動の共鳴線の宝庫である。そのため，分子の構造解析・同定・定量分析において最も重要な波長域といえる。ところが、これまで赤外分光法に用いられてきた熱光源は、広いスペクトルをもつ反面、指向性・収束性に乏しいため、微量分子の高感度検出や顕微計測など、近年高まる期待には応えられないでいる。この現状を打破すべく、本研究では、中赤外域で広いスペクトル・精密な周波数確度・短い時間幅・優れた空間コヒーレンスを有する中赤外周波数コム光源を開発する。
初年度となる本年度は、本研究の基盤となるCr:ZnSモード同期レーザーの開発を行った。レーザー共振器を設計・製作し、半導体カーボンナノチューブを可飽和吸収体とする受動モード同期発振を実現した。さらに、特殊な分散設計を施した誘電体多層膜ミラーを導入することにより、中心波長2.3ミクロンで光電場振動5サイクル以下（時間幅にして36フェムト秒）のパルス発生に成功した。その際、出力パルスエネルギー4.2ナノジュールを得た。
本研究で用いたカーボンナノチューブは、これまでファイバーレーザーなどに用いられてきたものと比べて大きな直径（約2.2ナノメートル）を有するため、波長2.3ミクロン付近に励起子に起因する共鳴吸収を示す。本研究では、Zスキャン法およびポンプ・プローブ分光法により、このカーボンナノチューブの可飽和吸収特性（飽和フルエンスおよび回復時間）を計測し、中赤外域で動作する高速かつ高感度な可飽和吸収素子としての高いポテンシャルを明らかにした。