2017 Fiscal Year Research-status Report
Monochromatic thermal radiation from a dielectric microparticle
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17K05603
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| Research Institution | Meiji University |
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Principal Investigator |
立川 真樹 明治大学, 理工学部, 専任教授 (60201612)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
金本 理奈 明治大学, 理工学部, 専任准教授 (00382028)
小田島 仁司 明治大学, 理工学部, 専任教授 (50233557)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 熱放射 / 微粒子 / 光トラップ / 共振器QED |
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| Outline of Annual Research Achievements |
白熱球などマクロな物体からの熱放射は、Planck の放射法則でよく記述できる。一方、ミクロな原子からの発光は原子固有の線スペクトルである。物体が小さくなるにつれて熱放射のスペクトルはどのように放射体の個性を獲得していくのか？我々は、光トラップで捕捉した単一の誘電体微粒子の熱放射スペクトルを計測し、ミクロンレベルの微粒子の熱放射特性を解明してきた。本研究では、微粒子がナノレベルまで縮小したときに、熱放射が放射体の内部自由度に固有の共鳴線に単色化していく最終段階を検証し、サイズ効果の理解を完結させる。
Mie散乱の理論に基づく計算によると、ミクロンサイズの球形微粒子の熱放射スペクトルには、球状共振器の固有モードであるwhispering gallery mode (WGM)のピークが現れる。粒子径が小さくなるにつれてWGMの共鳴構造は長波長側から順に消失していく。WGMが消えた赤外域には物質に固有の鋭い共鳴線が現れ、粒径が1ミクロン以下になると、その放射強度は可視域の放射強度を大きく凌駕するようになる。この赤外共鳴は、有限サイズのイオン結晶の表面フォノンポラリトンであることが分かっており、ナノレベルまで縮小した微小結晶は、表面モードで振動する巨大分子として振る舞い、熱放射がこの共鳴周波数に単色化することを示唆している。
2017年度行った検証実験では、8ミクロンから14ミクロンをカバーする回転フィルターを導入し、光トラップされたジルコニア微粒子からの熱放射スペクトルの測定を試みた。検出器には赤外サーモカメラを用い、空間に浮かぶ微粒子の赤外光学像をとらえることに成功した。微粒子が発する赤外線のスペクトルはほぼ10ミクロン帯の単色であり、トラップ光である炭酸ガスレーザー光が散乱されたものであった。熱放射の信号レベルはさらに低く、サーモカメラの感度では検出できないことが判明した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2017年度は、赤外熱放射スペクトルにおける表面フォノンポラリトンによる共鳴構造を初めてとらえることを目標に進めてきたが、検出感度の問題でスペクトルを測定するには至らなかった。微粒子からの微弱な赤外放射を分光するためには、検出器の感度不足と点光源からの赤外線を検出器に導く光路調整の困難を克服しなければならない。2017年度に用いたサーモカメラの利点は、光学像をモニターできるためアラインメントがほぼ不要であることにあったが、撮像面を構成するマイクロボロメータの検出感度は、単眼の半導体検出器には大きく劣る。2018年度は方針を転換し、検出感度に優れるHgCdTe半導体検出器を導入する予定である。サーモカメラで微粒子の像点の位置を把握することで、検出に適した光学配置を取ることができると期待する。
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| Strategy for Future Research Activity |
2018年度以降は、引き続き空中捕捉された単一微粒子からの赤外熱放射スペクトルの計測を目指すとともに、その補完的な方策として、以下の計画を新たに追加する。光トラップを用いた単一微粒子からの熱放射測定は、集団平均でならされてしまう微細なスペクトル構造を確実に捉えるのに有効である反面、上述のように検出感度の面では不利である。粒径がサブミクロンになると、熱放射スペクトルは形状に敏感に依存するものの、サイズ依存性は失われると予測される。そこで、シリカやアルミナの球形微粒子を放射率の小さい白金のステージ上に分散させ、赤外熱放射をFTIR分光計に導入してスペクトルを測定する。微粒子同士の凝集を防ぐことができれば、粒径分布をもつ集団からの熱放射スペクトルに、表面フォノンポラリトンの共鳴ピークを見出すことができるかもしれない。
一方、当初の研究計画にはなかったが、熱放射における共振器QED効果を検証する新たなテーマを進行させたい。量子電磁気学によると、原子の自然放出確率は、量子状態に固有の量ではなく、周囲の環境：電磁場モードに影響される。不純物イオンがドープされたルビーなどの微粒子の可視域の熱放射スペクトルから、Q値の高い有限可算個のWGMによって、不純物イオンの放射確率が増強されるPurcell効果が現れるかを検証する。
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| Causes of Carryover |
（理由）
当初、微粒子からの赤外光の検出には高感度の半導体検出器を想定していたが、光路調整の困難が予想されたため、サーモカメラでの検出法に切り替えて実験を行った。そのため、半導体検出器用の光学部品に充てる費用が余ることになった。
（使用計画）
主として赤外分光計測に必要な光学素子の費用に使用する。
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Research Products
(3 results)
