Traceable ultra-precision angle measurement by simultaneous-filtering dual-comb nonlinear spectroscopy

• Project/Area Number: 21H01222
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 18020:Manufacturing and production engineering-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Matsukuma Hiraku 東北大学, 工学研究科, 准教授 (90728370)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2023: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2022: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2021: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
• Keywords: 光周波数コム / デュアルコム分光 / 角度計測 / 自律校正

Outline of Research at the Start

サブ１００ピコメートルクラスの加工精度が視野に入りつつある現代のものづくりにおいて，測定の信頼性を保証する体系(トレーサブリティ体系)が求められている．角度は運動や物体の形状を決定する基本的な要素であるが，トレーサブルな光学測定がなされていない現状がある．近年，国家標準と遠隔地で用いられる長さの基準を精密に繋ぎ，トレーサブルな測定を可能とするために，協定世界時に同期した光周波数コム装置が用いられている．そこで本申請課題では，2本の光周波数コムを用いたデュアルコム分光によってトレーサビリティ体系に則った角度計測を提案する．

Outline of Final Research Achievements

FY2021: Design and fabrication of optical frequency comb. An optical frequency comb with a variable repetition rate was newly fabricated. This is because it is easier to conduct experiments in dual comb spectroscopy when the repetition rate can be freely set. Furthermore, the optical frequency was stabilized by phase-locked loop control.
FY2022: Angle measurement by dual comb spectroscopy. Dual comb spectroscopy was applied to the optical angle measurement method.
FY2023: Establishment of autonomous calibration method.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

角度は長さとともに物体の形状，運動を記述する基本的な幾何の要素である．精密加工システムの角度誤差測定，機械部品・光学部品等の形状計測，プローブ顕微鏡のたわみ角度測定など様々な生産・加工分野において角度の精密計測が必要となる．また，サブ100ピコメートル精度が求められる次世代生産においては，測定の信頼性を国家標準に照らして保証する体系(トレーサビリティ体系)の確立が求められる．本研究は，デュアルコム分光を用いて，長さの国家標準に対して，トレーサブルな角度計測を実現し，精密なものづくりに対して利用できる手法を提案した．ナノテクノロジーを支える手法を考案したことは十分に社会的意義があると考えている．

Research Products

• [Presentation] デュアルコム分光オートコリメーション による精密角度変位計測 (2023)
  • Author(s): 松隈 啓，池田 翔，佐藤 遼，高 偉
  • Organizer: 2023年度精密工学会春季大会学術講演会
• [Presentation] Measurement of the angle of a small prism by a mode-locked femtosecond laser autocollimator (2021)
  • Author(s): Kakeru Ikeda, Hiraku Matsukuma, Yuki Shimizu, Wei Gao
  • Organizer: The 7th International Conference on Nanomanufacturing
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マイクロ光学素子の角度計測に関する研究 (2021)
  • Author(s): 池田 翔，松隈 啓，清水 裕樹，高 偉
  • Organizer: 2021年度精密工学会東北支部学術講演会