【応用】原子・分子のイオン化

レーザーの特徴を使うと、原子・分子をイオン化できます。イオン化された原子・分子は、持っている電荷を増幅しパルス電圧として検出することで、その個数をカウントする研究に利用されています。

原子・分子のイオン化は、それら自身がもつイオン化エネルギーより大きなエネルギーを与えられると実現します。例えば、レーザーの1光子あたりのエネルギーは短波長レーザーほど大きいですが、その一つ、ArFエキシマレーザーでは、1光子あたりのエネルギーは、6.0eV程度です。これに対して、われわれの身近なガスは12~16eVと大きいため、そのままではイオン化できません。

そのため、次の2つの方法があります。

一つ目は、原子が吸収しやすい波長のレーザーを照射し段階を追ってイオン化する方法です(共鳴イオン化法)。この方法では、イオン化したい原子の吸収波長にあわせてレーザー波長を選択する必要があります。このため、波長可変レーザーが使われます。代表的な波長可変レーザーは、色素レーザーやチタン・サファイヤレーザーがあります。

もう一つの方法は、格子密度が非常に高いとどんな原子でもイオン化することを利用して、複数の光子を連続的に照射する方法(非共鳴イオン化法)です。この方法は、エネルギーの大きなレーザーがあれば、どんな原子でもイオン化できるというメリットがあります。実際、イオン化エネルギーが最も高いヘリウム原子(イオン化エネルギー24eV以上)でもイオン化できています。

この方法のイオン化率Wは入射レーザーパワー(P)のべき乗に比例することが知られています。イオン化に必要な光子数をnとすると、

$$ W \propto P^n $$

となります。しかし、どこまでもイオン化率が拡大するわけではなく、ある時点で確率1となり飽和します(イオン化の飽和)。

実際の例としては、水素分子をイオン化した例があります。真空装置中に1×10-4Paで封入し、そこへ、YAGレーザー第2高調波、30psパルス,10mJの超短パルスレーザーを照射することで、2×103個の水素イオンを検出しています。

今回紹介したレーザーの応用例は、レーザーの高密度エネルギーが貢献した特徴的な例であるといえます。

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