2015 Fiscal Year Research-status Report
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15K05547
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
長谷川 太郎 慶應義塾大学, 理工学部, 講師 (80289305)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐々田 博之 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (30146576)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 光周波数コム / 赤外線分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、近赤外波長域に振動回転遷移を持つ分子の、狭線幅かつ広帯域のスペクトル線を、短時間に記録する分光方法を開発することが目的である。波長1.5マイクロメートル帯域において、光周波数コムを分光の光源として直接使用した飽和吸収レーザー分光を行う。
周波数コムは繰り返し周波数が正確に制御された超短パルス発振モードロックレーザーであり、広帯域にわたって等間隔に離れた多数の周波数で同時に発振するレーザーである。即ち、約数10万個のレーザーを同時に発振させていることと同等である。この特徴を狭線幅レーザー分光用の光源として直接利用することが本研究の骨子である。光周波数コムの出力光を分子気体が封入されたセルに透過させ、その後透過光の強度を各周波数成分ごとに測定し、吸収スペクトルを得る。
本研究の問題点は、この光強度を各周波数成分ごとに測定する方法にある。当初の予定では、セルを透過した光を回折格子やVIPAと呼ばれる分散素子に入射させ、各周波数モードを空間的に分解し、それを赤外線CMOSカメラで観測する方法を取る予定であった。しかし、この方法には問題点があった。それは、必要としているだけの高分解能を得ることが難しいこと、必要なデバイス(赤外線CMOSカメラ)を購入するだけの研究費が得られなかったことである。そこで、別の連続発振レーザーを準備し、透過光と連続発振レーザーのうなり信号を得ることで、透過光の強度を各周波数成分ごとに測定する方法を考案し、実施した。その結果、波長1650nmにあるメタン分子の吸収スペクトルを測定し、本研究の方法が有効であることを実証できた。
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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
本研究を遂行する上で必要な主要な装置を、ほぼすべてそろえることができた。光周波数コム発振器については既に所持していたものを使用した。このほかに重要な装置は、連続発振レーザーである。これには、1650nmで発振する分布帰還型(DFB)レーザーを購入して使用した。DFBレーザーは比較的狭線幅で、かつ、駆動電流で発振周波数を変調できる特徴がある。一方で、使用できる波長範囲が狭い欠点があるが、簡便に使用でき、開発段階では充分に使用できる。平成27年度で、DFBレーザーとその駆動用電源、温度コントローラーを整備した。
次に、メタンを封入したガラスセルに光周波数コムからの光を透過させ、透過光をDFBレーザーの光と混合し、高速光検出器に導入した。高速光検出器の出力をスペクトラムアナライザーで測定すると、2種類の信号が検出される。1つは光周波数コムの繰り返し周波数とその整数倍の周波数に現れる信号、もう1つはDFBレーザーと光周波数コムからの光の差の周波数(うなり周波数)に現れる信号である。このうなり周波数の信号は、光周波数コムの各モードの強度に比例しており、もし吸収により強度が減少していれば、うなり周波数の信号も減少する。
当初、このメタンの光吸収によるうなり信号の減少を観測できなかった。この原因は、DFBレーザーの発振周波数が少しずつ測定中に変化することである。そこで、DFBレーザーと光周波数コムのうなり周波数を、光位相同期法により安定化した。その結果、メタン分子の吸収スペクトルを本手法によってクリアーに検出することができた。この成果は、本研究の方法が有効であることを実証するとともに、今後狭線幅分光をするための基礎となる成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究は順調に進んでいるが、以下に記述する問題点も明らかになっている。今後はこの問題点の解決を図るとともに、飽和吸収分光による狭線幅分光を実施する予定である。
現在所有している光周波数コムでは、スペクトルを取得できるサンプル点が少なく、充分に狭線幅な分光が実施できているとは言えない。飽和吸収分光を実施するにはより細かいサンプル点が必要である。この問題点を解決するには2通りの方法が考えられる。1つは光周波数コムの光周波数を掃引する方法、もう1つはサンプル点を増やす方法である。本研究では、制御が簡単にでき、高速な測定が可能であると考えられる後者の方法を採用する予定である。このためには、光周波数コムの繰り返し周波数を小さくする必要がある。本研究では、振幅変調器を利用して、既存の装置からの光を低繰り返しの光周波数コムに変換することを試みる。そのうえで、より狭線幅な分光を行う。
他の問題点として、本実験で得られる信号のうち、不要な成分が多く含まれていることが挙げられる。この不要な成分とは、光周波数コムの繰り返し周波数とその整数倍の周波数成分の信号である。この信号があるため、スペクトルの情報を含んだ信号を充分に増幅することができない。今後、不要な信号を取り除く工夫を試みる。
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| Causes of Carryover |
光周波数コムの繰り返し周波数を小さくするために必要な光強度変調器を購入する予定であったが、メーカー在庫がなく、購入するのが年度内には不可能であったため。メーカーによると、4月以降には購入が可能になるとのことであった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
光強度変調器を購入し、光周波数コムの繰り返し周波数を小さくする。
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