波長可変 Lyman α レーザー技術の確立と水素原子のレーザー冷却の実現

• Project/Area Number: 23K25802
• Project/Area Number (Other): 23H01105 (2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: 大饗 千彰 電気通信大学, 量子科学研究センター, 准教授 (80787664)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000); Fiscal Year 2026: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2025: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2024: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2023: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
• Keywords: 真空紫外 / 水素原子 / レーザー冷却 / 真空紫外レーザー

Outline of Research at the Start

レーザーの発明以来、短パルス化・短波長化などの様々なレーザー技術の極限化が行われてきた。その中で短波長かつ単一周波数の領域は未だにフロンティアとして残されている。真空紫外域における単一周波数・波長可変レーザー技術はその代表例と言える。真空紫外全域で波長可変な単一周波数レーザーは未だに存在せず、本研究でこれが実現できれば、光源の制約から実現が困難であった真空紫外域における新たな応用研究につながる。
本研究では、真空紫外100-200 nm全域で波長可変な単一周波数レーザー技術を確立し、Lyman-αレーザーによってはじめて可能となる水素原子のレーザー冷却を実現する。

Outline of Annual Research Achievements

非線形光学過程はその過程に関係する光の位相関係に強く依存する。媒質中の任意の相互作用長において、この位相関係を任意に制御することで、非線形光学過程自体の進行方向を自在に操作できる。本研究では、パラ水素によるラマン共鳴4波混合過程において、媒質中に発生する他波長の光の位相関係を任意に制御する機構を組み込むことで、真空紫外100-200 nmで波長可変な単一周波数レーザーを実現する。
研究代表者はこれまで、ラマン共鳴4波混合過程で発生する多波長の光のうちの特定次数を選択して発生可能であることを実証してきた。本年度はここに、ポンプレーザーの高品質化、遺伝的アルゴリズムによる位相操作量の最適化などの改善を行うことで、さらに高い効率で選択発生が可能であることを示した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は、ラマン共鳴4波混合過程で発生する多波長の光のうちの特定次数を選択して発生する技術基盤の構築する研究を進めた。特定次数の高効率な発生技術は、真空紫外レーザー発生の基盤となる技術であり、真空紫外100-200 nmで波長可変な単一周波数レーザーを発生させるうえで、本年度の成果は重要な一歩である。

Strategy for Future Research Activity

本年度に得られた高効率な選択発生の技術に加えて、より高い強度のポンプレーザーを用いることで、100%に近い選択発生効率を目指す。さらに、ここで、確立した高効率な発生の手法を真空紫外光の発生に適用することで、真空紫外域において実用的な波長可変・単一周波数レーザーを発生させることを目指す。

Research Products

• [Journal Article] Generating arbitrary polarization states by manipulating the thicknesses of a pair of uniaxial birefringent plates (2024)
  • Author(s): Tomura Akihiro、Nomura Makoto、Ohae Chiaki、Katsuragawa Masayuki
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 109 Issue: 2 Pages: 23535-23535
  • DOI: 10.1103/physreva.109.023535
• [Journal Article] Optimal design for wavelength conversion with a configuration of walk-off compensation in free space in the nanosecond pulsed regime (2023)
  • Author(s): Ohae Chiaki、Hasegawa Kenji、Nagano Masato、Tahara Soma、Katsuragawa Masayuki
  • Journal Title: Optics Express Volume: 31 Issue: 25 Pages: 41471-41471
  • DOI: 10.1364/oe.507658
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Engineerng nonlinear optical process with random exploration of the optimal phase relationships (2024)
  • Author(s): Chiaki Ohae, Weiyong Liu, Shuhei Kamakura, Shoki Tajima, Masaru Suzuki, Masayuki Katsuragawa
  • Organizer: Conference on Lasers and Electro-Optics 2024
• [Presentation] 光位相の任意制御による非先鋭光学過程の自在な操作 (2024)
  • Author(s): 大饗 千彰、劉 衛永、鄭 健、鎌倉周平、鈴木 勝、桂川 眞幸
  • Organizer: レーザー学会
  • Invited
• [Presentation] 二波⻑注⼊同期ナノ秒パルスチタンサファイアレーザーの波⻑帯域拡⼤ (2024)
  • Author(s): 橋本 彩⾹, 渡邊 哲⼈, ⼩林 蒼汰, 三好 咲也⼦, ⼤饗 千彰, 桂川 眞幸
  • Organizer: 応用物理学会
• [Presentation] 超高層大気中に分布する流星起源Ca原子・イオン同時観測用ライダーシステム (2024)
  • Author(s): 小林 蒼汰、橋本 彩香、音瀬 めぐみ、三好 咲也子、大饗 千彰、桂川 眞幸、江尻 省、西山 尚典、中村 卓司
  • Organizer: レーザー学会
• [Presentation] CW領域での任意光波生成に向けた高離散スペクトルの偏波制御法 (2024)
  • Author(s): 戸村 暁廣、野村 誠、大饗 千彰、桂川 眞幸
  • Organizer: レーザー学会
• [Presentation] Proof-of-principle experiment of engineering in nonlinear optical process by arbitrarily manipulating phase relationships of the relevant optical fields (2023)
  • Author(s): C. Ohae, W. Liu, J. Zheng, and M. Katsuragawa
  • Organizer: 53-th Winter Colloquium on the Physics of Quantum Electronics (PQE-2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 光位相の自在制御に基づく高効率・オンデマンドな光波長変換 (2023)
  • Author(s): 大饗 千彰、劉 衛永、鄭 健、鈴木 勝、桂川 眞幸
  • Organizer: 応用物理学会
• [Presentation] ナノ秒パルスレーザー光の深紫外域への高品質・高効率な波長変換 (2023)
  • Author(s): 吉野 健斗、小瀬村 輝、大久保 直幸、豊永 大貴、永野 正統、長谷川 健司、大饗 千彰、桂川 眞幸
  • Organizer: 応用物理学会
• [Presentation] 波長板の厚み制御を用いた高離散スペクトルの任意偏波状態制御法 (2023)
  • Author(s): 戸村 暁廣、野村 誠、大饗 千彰、桂川 眞幸
  • Organizer: 応用物理学会
• [Presentation] 超高層大気の観測を目的とした二波長同時発振・注入同期・ナノ秒パルスチタンサファイアレーザーの開発 (2023)
  • Author(s): 橋本 彩香、音瀬 めぐみ、小林 蒼汰、三好 咲也子、大饗 千彰、桂川 眞幸、江尻 省、西山 尚典、中村 卓司
  • Organizer: 応用物理学会