【基本】ポンデロモーティブ力

3次元空間で強度が一様でない振動電磁場下で荷電粒子に加えられる力のことです。原子や分子にレーザー光を照射すると、電子は光電界によって力を受け、励起されます。x軸方向に偏光したレーザー光の電界を

$$ E_c = E_0 sin \omega t $$

とすると、電子の振動のエネルギー(=ポンデロモーティブエネルギー、 ponderomotive energy)は、光強度\( I \)、周波数\( \omega \)、電子の素電荷 \( e \)、電子の質量 \( m \)を用いて、次のように表されます。

$$ U_p = \frac{e^2 E^2_0}{4 m \omega^2} = 9.3 \times 10^{-14} I \lambda^2 [eV] $$

この式から、光強度に比例して、周波数の2乗に反比例することが分かります。

電磁場が一様な場合には、電荷が一周期後には元の位置に戻ります。しかし一様でない場合には、電荷が振幅の大きい領域にいる間に働く力は振幅の小さい領域へと向かうことになります。振幅の小さい領域にいる半周期の間に働く力は、振幅の大きい領域へと向うが、その大きさは小さいです。結果として、一周期の間に働く力を平均すると電荷は振幅の小さい領域へと向う力を受けていることになります。

また、レーザー強度があまり大きくない場合には、電子の振動のエネルギーは光電界に戻されますが、レーザー強度が大きく(> \( 10^13 W/cm^2 \) )なると、非線形効果により、多数の光子を同時に吸収して電離する多光子電離が起こります。

このポンデロモーティブ力により荷電粒子の振る舞いは、以下の分野で応用されているようです。

  1. 四重極イオントラップ
  2. プラズマ加速
  3. プラズマ推進エンジン
  4. 高次高調波発生
  5. テラヘルツ時間領域分光

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