Thermodynamic temperature determination by thermal radiation heterodyne detection using an optical frequency comb
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21K18915
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
清水 祐公子 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, 研究グループ長 (30357222)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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)
大久保 章 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, 主任研究員 (30635800)
稲場 肇 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, 研究グループ長 (70356492)
柏木 謙 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, 主任研究員 (10509730)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
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| Keywords | 熱力学温度 / 光周波数コム / インコヒーレントヘテロダイン / デュアルコム分光 / 熱放射 / ヘテロダイン検出 |
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| Outline of Research at the Start |
放射温度計は広く社会で利用されているが、その温度指示の根拠は国際温度目盛に基づく。一方で国際単位系SIの定義が改定され、熱力学温度の単位はボツルマン定数による普遍的な定義に移行し、プランクの放射公式の重要性が極めて高くなった。本申請は熱放射の温度をプランクの放射法則から直接算出することを目的とする。正確な周波数測定が可能な光周波数コムを横軸、レーザーヘテロダイン法により高感度検出した熱放射信号を縦軸とし、プランクの放射公式から熱力学温度を算出する。
これによりSIの新定義に従った熱力学温度が現示でき、校正不要な放射温度計を構築できれば、計量標準のみならず温度測定技術の向上にも大きく貢献できる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、光周波数コム（光コム）を用いて、インコヒーレント光をヘテロダイン検出する方法を開発する。
インコヒーレント光として、黒体からの熱放射を多波長で広帯域観測し、その多数の周波数および信号強度の情報からプランクの放射公式を再現し、温度の新定義に基づいた熱力学温度を決定することである。
インコヒーレント光とレーザー光とのビート信号を得るために、令和4年度はファイバー光学系で局発光と信号光を結合させる光学設計および製作をおこなった。さらに、信号光と局発光とを結合する各光学系パートを組み上げた。また、本研究の最終目標は、黒体からの微弱な熱放射を高いSN比でヘテロダイン検出することにある。ヘテロダイン検出のための局発光としては光コムを想定しており、検証実験により、微弱光検出のためには光コムの強度安定化が必須であることがわかった。そのため、令和4年度は、偏波保持型の光コムの製作も行った。偏波保持化により、周囲の環境変化による偏光状態の変動によって広帯域化した光コムのスペクトルの長期的な変化を回避させることができ、スペクトルのSNの劣化を防ぐことが可能となった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
進捗は以下の状況である。局発光としてはLDLS光源に対応させ、コムを2台同時に照射し、インコヒーレント光とコム１、インコヒーレント光とコム２のビート検出をそれぞれ検出し、それらを掛け合わせて相関をとる、つまり両シグナルを掛け合わせそのスペクトルをフーリエ変換し、もとの光周波数軸上の信号として回復させる方式の設計を行なったが、光コムの強度のゆらぎにより信号のSNに問題があることが判明した。そのため、光コムの強度安定化を行うため、偏波保持型の光コムの設計・製作・評価を行うこととなった。そのため、各光学系パートを組み上げ、光学系を一体化させた系の構築が、当初の予定よりやや遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度は、各光学系パートの組み上げおよび、信号光とのヘテロダイン信号のSNを向上させる目的で、局発光である光コムのスペクトル強度を安定化させた偏波保持型コムの制作を行った。令和5年度は、各光学系パートを装置として一体化させる。その後、LDLS光源と偏波保持型光コムとのビート信号を観測し、LDS光源からの微弱な熱放射を高いSN比でヘテロダイン検出できるか、信号強度と波長をどれだけ正確に決定できるかについて評価を行う。
また、信号光をLDLS光源から黒体の熱放射に代え、それをシングルモードファイバーに入れるためのファイバー結合光学系を製作する。
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Report
(2 results)
Research Products
(3 results)
