2018 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 / 空間位相変調器 |
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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。
本年度は前年度より構築している上記の任意周波数時間分解二次元イメージング装置を改良し、測定の効率化を図った。特に、狭周波数帯域の光検出器とヘテロダイン法を組み合わせていた検出部分を見直し、広周波数帯域光検出器の使用によりヘテロダイン法を廃することで、装置の安定性が大幅に向上した。この装置を利用して、ガラス基板上にミクロンサイズのシリカ球を配置した音響メタマテリアルの表面音響波伝播特性を測定し、球の振動モードと表面音響波のモードの結合による特徴的な音響分散関係を実験的に取得した。また2次元フォノニック結晶の分散関係を従来よりも10倍以上の周波数分解能で測定した。さらに高速CMOSカメラを用いて二次元イメージングの高速化の研究を進めた。カイラリティ関連の研究では、カイラルな構造に基づくプリズム構造の音響波伝播特性のシミュレーションを進めた。
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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、任意周波数音響振動の励起検出原理に基づく光学系を改良し、装置の安定性を高めた。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。前年度まではこの部分に周波数帯域の狭い光検出器を使用し、これを補うために励起・検出双方の光パルス列を変調するヘテロダイン法を用いていたが、これは構成が複雑で、外部からの電磁ノイズ混入に弱いという問題があった。今年度は、安定に動作する広周波数帯域光検出器を用いて、この問題を克服し、測定の効率と信号雑音比が大幅に改善された。また音響メタマテリアルや2次元フォノニック結晶の音響波伝播を改良された装置を用いて測定し、詳細な分散関係を得た。
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、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において、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ている。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ったが、試料の作製に手間取り、計画に若干の遅れが生じている。
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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。既に導入した広周波数帯域光検出器による測定系をもとに、制御プログラムを見直し、測定の自動化を図る。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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