2018 Fiscal Year Research-status Report
光波のハイパースペクトラル制御を用いた超短光パルス時空間制御装置の開発
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17K05069
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
山根 啓作 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (50447075)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 超高速時空間制御 / チャープ / 超短光パルス / 空間光変調器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2017年度に引き続きEr添加ファイバーを利用した高繰り返し超短光パルスファイバーレーザーの開発を行なった。2018年度、モード同期を達成するために1.共振器内の群速度分散値をほぼ0にするようにファイバーの種類及び長さを最適化し、2.共振器内の損失を低下させるため、共振器内のマイケルソン干渉計の強度分岐比を非対称にする、などの改良を行なった。その結果、掃引型ファブリペローエタロンを用いた計測を用いることによって、共振器の基本繰り返し周波数である17MHzの成分の他にGHzオーダーの繰り返し周波数成分が存在することが明らかになった。また、本手法の特色である繰り返し周波数の可変化についても、マイケルソン干渉計の片方の光路長を変化させるだけで1.4 - 6.1 GHzの範囲で繰り返し周波数を変化させることにも成功した。
時空間制御光学系については、回折格子(1200 lines/mm)及び凹面鏡(f=1 m)を用いて光周波数コムスペクトルを1次元的に空間分離することを試みた。その結果、フーリエ面上において周期的な輝点を確認することができ、周波数スペクトルの離散化(コムスペクトル化)が実現されていることがわかった。またその間隔から換算された周波数間隔は、掃引型ファブリペローエタロンで測定した結果に一致することがわかった。
また、光周波数コムを利用しない系を用いた時空間制御光波発生についても開発を行い、2018年度は偏光ビームスプリッターを用いたサニャック干渉計を利用するなど安定性、柔軟性、効率の点で多数の改良を行った。その結果、sub‐THz域でビーム断面の強度分布を 1.方位方向、2.動径方向、3. それらの複合に加え、4. 1次元方向において超高速制御することにも成功しており、今後離散化された周波数成分に対する空間モード制御を行う際の技術基盤の確立を進めることができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初の予定では2017年度に構築が完了してい予定であった高繰り返しパルスレーザーの開発に遅延が発生し、2018年度も引き続き開発を行う必要が生じたため、光周波数コム制御による時空間制御光波の生成の実証には未だ至っていない状態にある。しかしながら、【研究実績の概要】の項で述べたように光源の高繰り返し化には大きな進展があり、光周波数コム成分毎の空間分離にある程度成功している。現時点で、コム成分が空間分離されたフーリエ面に空間光変調器を設置することで、ごく初歩の時空間制御を実行できる段階には到達している。さらに、より単純な空間多重系を利用した時空間制御についても多彩な強度分布の超高速制御に成功しており、基盤技術の確立は着実に進んでいると考えている。
しかしながら、現時点では光周波数コム成分間の空間的な分離が十分ではないという問題点が存在することも判明している。コム成分毎の空間的な分離を向上させるための最も簡便な方法は繰り返し周波数を増大させることであるが、過剰な高繰り返し化を行うと所持している測定装置では測定が困難になるなどの問題が生じる。この空間的な分離における問題は、第一に光周波数コム成分自体の幅の狭窄化が十分でないことから生じており、共振器内の高次分散の補償が不十分であることに起因していると考えている。この点については複数の種類のファイバーを使用するなどして共振器内分散の補償の高精度化を行うなどの改善を引き続き進めていく予定である。また、第二に回折格子による角度分散量が不足していることが挙げられるが、回折格子を多段で使用することによって角度分散を増大させることで解消できる目処付ができている。今後まずコム成分の空間的な分離度が比較的良好な～6 GHzの繰り返し周波数光波を用いて時空間制御光波の生成を進めていくが、上記の施策によるコム毎の空間的な分離度の向上も同時に進める。
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| Strategy for Future Research Activity |
【研究実績の概要】の項で述べたように2018年度の時点で光周波数コム成分の１次元的な空間的な分離に成功している。当初の研究計画では光周波数コムの各成分を初期段階から２次元的に配置する予定であったが、計画の進捗に遅れが見られ、より確実に研究を遂行するため2019年度ではまず単純な１次元的な配置で光周波数コム成分の空間分離を行うものとする。１次元的な配置では光波の周波数成分の利用効率が低下するため、次の段階としてシリンドリカルレンズなどを利用することで各光周波数コム成分を空間的に2列あるいはそれ以上の数の列に分割して配置する新規光学系に移行する。各光周波数コム成分の制御には空間光変調器を用いるが、各々の成分に対してまず100 x 100 程度のピクセル数を割り当てる光学設計を行う。2018年度に購入した空間光変調器は計画時に想定していた1440x1024よりもピクセル数の多い1920x1200のピクセル数を有しており、2列のコム成分配置でも単純には40本程度のコム成分を独立に空間制御可能である。数十本程度のコム数は光周波数コムを用いた時空間制御の初歩的な原理実証を行うにあたって十分であると考えており、さらなるコム成分配置の多列化を行うことで100本以上の数のコム成分の制御へと展開する。
構築した装置を用いた原理実証の内容としては、計画書に挙げた1.回折格子などを用いて予め角度分散を与えた光波の補正や、2.空間強度分布の超高速制御などを想定しているが、よりインパクトの強い2.の項目を優先させる。上記の通り各コム成分の空間制御にはそれぞれ100x100ずつ程度のピクセル数を想定しているが、こうしたコム成分毎に割り当てるピクセル数の最適化については原理実証実験の中で検証していくこととする。
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| Causes of Carryover |
817円と少額な残金となり、研究に必要な消耗品を購入できる額に達しなかったため。今年度予算と合わせて消耗品の購入のために使用する計画である。
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