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Development of coherent infrared sensing technique by diamond nano-micro photonics

Research Project

Project/Area Number 20K05372
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
Research InstitutionAsahikawa National College of Technology

Principal Investigator

Matsubara Eiichi  旭川工業高等専門学校, 人文理数総合科, 准教授 (10421992)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Keywords非線形光学 / 超光速分光 / テラヘルツ / 赤外分光 / ダイヤモンド / プラズマ / 超高速分光 / マルチプレート圧縮 / 空気プラズマ / ダイヤモンド結晶 / ファイバーレーザー / 超広帯域検出 / テラヘルツ波
Outline of Research at the Start

赤外領域の分光技術は、農産物の検査、医薬品の分析などの様々な産業分野で利用されているほか、物質科学の分野でも重要となっている。特に、テラヘルツ領域を含む遠赤外から近赤外までを一度に測定できる実用的な分光技術の開発は未だなされておらず、本研究はダイヤモンドナノ粒子、またはダイヤモンド基板上の金属ナノ微細構造を使ったデバイスを作製することで、この課題の解決を図ろうとするものである。

Outline of Final Research Achievements

In the present study, we aimed the development of coherent infrared sensing technique using diamond microstructures. Especially we focused on the transformation from gas to solid in nonlinear media. First, we summarized the result of coherent detection using diamond and published it in Applied Physics Express. Second, we employed the multiplate compression to produce 20-fs driving pulses for the two-color excitation of air plasma emitting ultrabroadband coherent infrared pulses. Compared with the ordinal hollow fiber compression, the required energy of the laser was reduced by one-fourth.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

赤外分光は、化学物質の同定に有用であるばかりでなく、その制御にも使用することで、従来になかったデバイスの開発をもたらす重要な技術の一つである。
空気プラズマを使った広帯域赤外パルスによる物質の分光分析が行われているが、高強度のレーザー光が必要であることや、気体による高次の非線形性を利用しているため、安定性が不十分であるという問題点があった。
本研究では、プラズマ励起用のパルス光を発生させる過程と、電場検出を行う過程の2点において、気体でなく固体を使うことで、必要なレーザー光の強度を1/4以下に減らすことができた。本研究成果は赤外発生の媒質も固体化した全固体赤外分光技術の実現に向けて重要といえる。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (7 results)

All 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (4 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Journal Article] ローレンツ力から学ぶ電磁気学2023

    • Author(s)
      松原 英一, 篁 耕司
    • Journal Title

      Physics Education in University

      Volume: 29 Issue: 1 Pages: 32-35

    • DOI

      10.11316/peu.29.1_32

    • ISSN
      1340-993X, 2432-1710
    • Year and Date
      2023-03-15
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Coherent detection of ultrabroadband infrared pulses using a single crystal of diamond2021

    • Author(s)
      Matsubara Eiichi、Nagai Masaya、Ashida Masaaki
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 14 Issue: 3 Pages: 032005-032005

    • DOI

      10.35848/1882-0786/abdef4

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Direct Visualization and Determination of the Multiple Exciton Generation Rate2020

    • Author(s)
      Timmerman Dolf、Matsubara Eiichi、Gomez Leyre、Ashida Masaaki、Gregorkiewicz Tom、Fujiwara Yasufumi
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 5 Issue: 34 Pages: 21506-21512

    • DOI

      10.1021/acsomega.0c02067

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Ultrabroadband infrared coherent spectroscopy using solids as nonlinear media2022

    • Author(s)
      Eiichi Matsubara, Masaaki Ashida
    • Organizer
      15th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics(CLEO-PR 2022)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] マルチプレート圧縮法で生成した光パルスによる超広帯域コヒーレント赤外パルスの発生2022

    • Author(s)
      松原英一,芦田昌明
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] Generation of Ultrabroadband Coherent Infrared Pulses of the Frequency Range of 1-200 THz Using Multiplate-Compressed Driving Pulses2020

    • Author(s)
      Eiichi Matsubara, Masaya Nagai, and Masaaki Ashida
    • Organizer
      The 46th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2021)
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Gapless Sensitive Detection of Ultrabroadband Infrared Pulses in the Frequency Range of 1-150 THz Using Single Crystal of Diamond2020

    • Author(s)
      Eiichi Matsubara, Masaya Nagai, and Masaaki Ashida
    • Organizer
      The 46th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2021)
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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