2017 Fiscal Year Research-status Report
Highly sensitive coherent spectroscopy in condensed matters by plasma photonics with IV elements
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17K05084
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| Research Institution | Osaka Dental University |
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Principal Investigator |
松原 英一 大阪歯科大学, 歯学部, 講師 (10421992)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | プラズマ / テラへルツ / 非線形光学 / ダイヤモンド / 赤外分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
レーザー加工によって切り出される一般的な市販のダイヤモンド基板は、加工時に端面がグラファイト化して導電性が生じてしまい、高電圧を印加することができない。そこで、ダイヤモンド基板を劈開で5x2x0.5mm程度の短冊状に加工し、端面を研磨する加工を業者に依頼した。この手法での問題は、劈開面が基板の表面と垂直にならないことである。研磨によって端面を表面と垂直にすることは原理的には可能だが、ダイヤモンドは非常に硬いため、時間とコストがかかる。そのため、劈開面を簡易研磨した結晶で、テラへルツ波の検出を試すことにした。この結晶を電極間に挟んで高電圧を印加し、十分な絶縁性をもつことを確認し、これを以って導電性の問題を解決した。
空気プラズマによるコヒーレント赤外波発生・検出系で、空気を検出に使用して信号が測定できるように調整した状態で、電極間に加工した短冊状のダイヤモンドを挟んで電圧を印加した。挟み方は、基板の表面および裏面が電極に接するようにし、端面にサンプリング光を入射するようにした。空気による検出の場合、サンプリングパルスのエネルギーは数十μJ程度が必要であるが、ダイヤモンドの場合は数μJ以上の強度にすると非線形効果やダメージが起こる。そのため、それらが起こらない範囲でできるだけ高いパルスエネルギーとした。その結果、6μJのパルスエネルギーのサンプリングパルス光で、ダイヤモンドにより空気の場合の約6倍の振幅をもつ赤外電場波形を観測することができた。また、ダイヤモンドの透明性を反映して、そのフーリエ変換スペクトルは連続的であった。バルクの結晶を使ってテラへルツ検出を報告した例はなく、全赤外域で透明なダイヤモンドの優位性を考えると、これは画期的な成果といえる。
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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
ダイヤモンドによるテラへルツ電場の検出が確認できたため。今後は精密な測定・評価を行って、論文発表の準備をしていきたい。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、空気とダイヤモンドをそれぞれテラへルツ検出の媒質として使用した際の、入射サンプリングパルス強度と得られるSN比を正確に評価し、測定の感度と周波数帯域についてダイヤモンドの優位性を実証していきたい。また、レーザー加工によってダイヤモンドが炭化して導電性が生じることを逆手にとって、ダイヤモンド基板上に距離が0.5mm以下の2本の直線状の溝を作り、そこに金属を充填するなどして電極を作製し、より高い電界強度を実現することによって、テラへルツ測定の感度を図ることを検討したい。さらに、ダイヤモンド基板の表面に金属微細構造をパターニングし、局所電場増強によって検出感度の向上を図りたい。
検出である程度の目途がつけば、発生側にもダイヤモンドを利用し、2色パルス励起や電場印加下の照射によって、空気の場合より弱いパルス強度でのテラへルツ波の発生を実現したい。
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| Causes of Carryover |
備品として購入する予定だったディレパルスジェネレータについては、購入の判断をぎりぎりまで先送りしたため、執行が2018年度に繰り越されたこと、また試作・購入したダイヤモンド基板の耐久性が予想より高く、何度も購入する必要が生じなかったことなどによる。
今後の研究方策にも記したように、研究の対象とする媒質を様々な形態のダイヤモンドに展開することを計画しており、今回生じた次年度使用予算は有効に活用できると考えている。
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