時間伸張分光法に基づく超高速温度測定システムの開発

• Project/Area Number: 21K14558
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 入松川 知也 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究員 (00828056)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2022: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000); Fiscal Year 2021: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
• Keywords: 時間伸張分光 / 高速温度計測 / 光周波数コム / 温度計測 / 光コム

Outline of Research at the Start

本研究では、時間伸張フーリエ分光法(TS-DFTS)を利用した高速な温度測定システムの開発を目指す。
分光に基づく温度測定は、非接触・高空間分解能など接触式温度計にはない優れた特性を有する。TS-DFTSは超短パルスレーザーを分散性媒質に通過させることにより周波数軸を時間軸に変換する分光手法であり、原理的に超短パルスレーザーの繰返し周波数と同等の時間分解能を有する。よって、この分光手法を温度測定に応用すれば飛躍的な高速化が期待できる。分光を用いた高速な温度測定が実現すれば、内燃機関中の気体分子温度の直接測定など、高速な現象が起こる場への適用が可能でありエネルギー効率の改善等に資すると考えられる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は時間伸張分散フーリエ分光法(Time Stretch Dispersive Fourier Transform Spectroscopy,TS-DFTS)によるシングルショット分光測定に基づく高速な温度計測システムの開発を目指す。TS-DFTSは、超短パルスレーザーを分散性媒質に透過させることにより、周波数軸情報を時間軸へ変換できることを利用したシングルショット分光法である。これによって原理的に超短パルスレーザーの繰返し周波数(frep)の時間分解能で測定が行え、高速な温度測定が可能となる。本研究では超短パルスレーザーとしてファイバー型の光コムを利用し、1 MHz程度の高速測定を目指す。また,光コムを二台利用することで広帯域なスペクトルを高分解能に測定可能なデュアルコム分光法と同時測定可能な測定系を構築し、TS-DFTS・デュアルコムの両手法で測定されたスペクトルから高精度に温度を決定する手法を開発する。
本研究では、まず偏波保持型光コムを２台開発しデュアルコム分光計として動作させ室温におけるアセチレン分子の吸収スペクトルを測定した。デュアルコム分光によるスペクトルからは、測定時間30秒程度でフィッティングエラー0.5 ℃程度の精度が得られた。次に、光コムの片方を光源とし、約25 kmのシングルモードファイバ(SMF)を分散媒質としてTS-DFTSの測定系の構築を行った。得られたTS-DFTSスペクトルは、予め光スペアナによって測定されたスペクトル形状と一致していることを実証した。しかし、frep(約70 MHz)と、SMFの長さの関係により、周波数分解能が十分でななく、アセチレン分子の吸収線の観察には至らなかった。そこで、SMF長の最適化と強度変調器を用いてfrepの低減を行い、frep~1 MHzでの測定が可能であることを確認した。