2017 Fiscal Year Annual Research Report
Time-resolved imaging of GHz surface acoustic waves and controlling acoustic chirality
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17H02807
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
松田 理 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (30239024)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
友田 基信 北海道大学, 工学研究院, 助教 (30344485)
O・B Wright 北海道大学, 工学研究院, 教授 (90281790)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 表面音響波 / 時間分解イメージング / カイラリティ / 任意周波数 / 空間位相変調器 / ウィスパリングギャラリーモード |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の第一の目的は、表面弾性波を活用する材料・デバイスの研究・開発において強力なツールである表面弾性波の時間分解イメージング法において、従来の方法で弱点とされた周波数分解能の不足を解決することである。この問題に対して、我々は測定に用いる繰り返しレーザーパルス列の強度を適切な周波数で変調することで任意周波数音響波成分を励起し、これを時間分解測定する手法を確立・発展させる。また、この手法を用いてフォノニック結晶・メタマテリアルの音響特性を調べる。本研究の第二の目的は、カイラリティを有する音響場とカイラリティを有する構造との相互作用を明らかにすることである。カイラル物質と光との相互作用については広く研 究されているが、音響場との相互作用は未開拓の分野である。しかしながら、音響カイラリティはカイラル物質の選択的励起や音響波の単一方向伝播などの新しい応用が見込まれ、その基本的理解は重要である。
本年度は上述の任意周波数音響振動成分の励起・検出原理に基づく光学測定系を、既存の時間分解二次元イメージング装置を改良することで構築した。さらに、２次元空間位相変調機とコンピュータ生成ホログラムを用いてポンプ光の空間照射パターンにカイラリティを持たせ、これと先述の任意周波数成分励起検出技術を組み合わせることにより、円盤状構造において右回りまたは左回りのウィスパリングギャラリー音響モードを選択的に励起観測することに成功した[S. Mezil, et al., APL 111 144103 (2017)]。また新たに購入した高速CMOSカメラを用いて二次元イメージングの高速化の研究に着手した。カイラリティ逝去に関連しては、またカイラルな単位構造からなる２次元フォノニック結晶における音響波伝播のシミュレーションを行い、カイラリティに起因すると見られる特異な音響波伝播を見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究の第一の目的は任意周波数音響振動成分の励起・検出原理に基づく効率的な測定・解析方法を確立することである。今年度は、この任意周波数音響振動の励起検出原理を実際の光学系に実装し、またこれとコンピュータホログラムを用いたカイラルな空間パターンを持つ励起光照射によって、銅円板構造における右回り、左回り音響ウィスパリングギャラリーモードの選択励起に成功するなど一定の成果が得られた。しかしながらこれらの実験において、測定の安定性に関する若干の問題が明らかになった。本手法では80MHz程度の繰り返し周波数を持つ光パルス列を40MHzまでの周波数で変調し、検出信号中においてこの変調信号に同期した微小な振動成分をロックインアンプを用いて計測する必要がある。このために用いる高速の光検出器は同時に高安定、高感度であることが要求されるが、この部分に変調のための電子回路からの電磁妨害が入り、検出の安定性を悪化させている。また、この方法ではひとつの変調周波数ごとに1セットの時間分解イメージング測定を行わなければならない。現状では1セットの測定に数時間を要するので、多数の変調周波数で測定するためには、測定の高速化が喫緊の課題である。
本研究の第二の目的は、カイラリティを有する音響場とカイラリティを有する構造との相互作用を明らかにすることである。これに関する事項として、カイラルな構造を持つ音響メタマテリアルのシミュレーションについては、かなりの進展が見られた。特にカイラル構造を基本構造とするメタマテリアルを用いて構成したプリズム構造では、カイラリティによって負屈折現象の発現が大きく変化する現象がシミュレーションで確かめられた。今年度はシミュレーションで用いた試料を実際に作製し、これに関する諸現象を検証する予定である。この部分については順調に進捗していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は前年度に構築した任意周波数音響振動成分励起・検出の原理に基づく光学測定系を改良し、効率と定量性に優れた測定・ 解析方法を確立する。特に、数10MHz程度の変調の際に問題となっている電磁妨害を低減させ、信号雑音比を改善する。このために、電磁シールドの強化、検出回路の周波数応答の最適化、ヘテロダイン法の導入などを実施する。既に予備実験で相当の効果を実証しており、H30年度にはこの問題の完全解決を目指す。また前年度に構築を開始した高速CMOSカメラを用いた二次元イメージング装置を完成させ、測定時間の短縮を図る。また、シミュレーションに基づいて設計したカイラルフォノニックメタマテリアル等の試料を実際に製作し、上記装置による時間分解イメージングによりその特異な音響伝播特性を検証・解明する。
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