光イオン化の物理的メカニズムと応用

光イオン化（ひかりイオンか、英: photoionization）または光電離（ひかりでんり）は、原子、イオン、または分子に光子が入射することで、束縛されていた電子が放出される物理過程です。この現象は金属における光電効果と本質的に同一の物理的基礎を持ちますが、気体中の原子や分子の過程を指す場合に特に「光イオン化」という用語が用いられます。

物理的原理

光イオン化において放出された電子は光電子と呼ばれます。放出される光電子の運動エネルギー（E_kin）は、入射光子のエネルギー（E_photon）から、その電子が原子内で保持していた束縛エネルギー（E_bind）を差し引いた値に等しくなります。この関係は以下の式で表されます。

E_kin = E_photon - E_bind

入射光子のエネルギーが電子の束縛エネルギーに満たない場合、光子は原子に吸収または散乱されることはあっても、イオン化を引き起こすことはありません。例えば、水素原子のイオン化エネルギーは約13.6 eVであり、これをイオン化するためには91.2 nmより短い波長の光子が必要です。

高強度場におけるイオン化現象

レーザー技術の発展により、極めて高い光子流束密度を持つパルスレーザーを用いた実験が可能となり、従来の摂動論では説明できない非線形なイオン化現象が観測されています。

多光子イオン化

多光子イオン化（Multi-photon ionization; MPI）は、個々の光子エネルギーがイオン化閾値に達していない場合でも、複数の光子を同時に吸収することでイオン化が起こる現象です。摂動領域（概ね10¹⁴ W/cm²以下）では、イオン化確率 P はレーザー強度 I の N 乗（P ∝ I^N）に比例します。

超閾イオン化

超閾イオン化（Above-threshold ionization; ATI）は、多光子イオン化の拡張版です。原子のイオン化に必要な最小光子数よりも多くの光子を吸収することで、放出された光電子がより高い運動エネルギーを持つ現象です。光電子スペクトル上では、光子エネルギーの間隔で複数のピークが観測されるのが特徴です。

さらに高強度な領域（10¹⁵ - 10¹⁶ W/cm²前後）では、障壁抑制イオン化（BSI）や再散乱イオン化といった、原子のポテンシャル障壁が光電場によって歪められることで生じる現象も観測されています。