光周波数コムを用いた磁気共鳴測定法の開発とバイオイメージングへの応用

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K19099
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 平松 光太郎 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (60783561)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2019-03-31
• Keywords: 光周波数コム / 高分解能分光 / 磁気共鳴

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、光を用いた磁気共鳴分光測定法を開発することを目標とする。それにより従来のマイクロ波を用いた磁気共鳴分光法に比べ数桁程度高い空間分解能をもたせ、最終的には細胞内分子動態や材料中の物性評価へ応用することを目指す。
本年度は，非線形光学過程を用いた磁気共鳴測定に向けた装置開発を行った．まず，光源として用いる繰り返し周波数1GHz,中心波長800 nmの2台のチタンサファイアレーザー（OFC1, OFC2）の周波数制御機構の開発を行った．CWレーザーを参照光として用い，CWレーザーとOFC1及びCWレーザーとOFC2間のビート信号を測定することで，CWレーザーを基準とするOFC1及びOFC2の発振周波数の測定を行う光学系を構築した．更に，2つのビート信号間の差周波を周波数混合回路を用いて生成することで，OFC1とOFC2間の発振周波数差（Δf）を測定した．
次に，Δfを外部周波数標準に対して安定化するためにPhase-lock loop回路を作成した．測定したΔfが基準周波数と等しくなるようにOFCの励起光強度をフィードバック制御し，OFC1とOFC2の発振周波数を相対的に安定化した．光周波数コムの周波数安定性を見積もるために，2台の周波数コム間の干渉信号をフォトディテクターで検出し，デジタイザーで取得した．干渉信号のフーリエ変換によって見積もられた周波数コムの相対的な線幅は10 Hz以下であり，将来的に周波数コムを用いて磁気共鳴遷移を測定するのに十分な線幅を有していることが分かった．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の予定通り、平成２９年度には光磁気共鳴測定の為の光源及び光学系の開発を行った．2台のチタンサファイアレーザーを光源とし、それぞれの繰り返し周波数および相対的なCarrier envelop offset(CEO)周波数を、外部周波数標準を基準に安定化した．CWレーザーを参照光としてcomb1およびcomb2とのビート信号を測定し、その差周波信号を測定することで、CWレーザー周波数付近でのcomb1-comb2間の相対的な周波数を測定し、参照周波数と同じ周波数となるようにPhase-lock loop回路を用いてフィードバック制御を行った．
光周波数コムの周波数安定性を見積もるために，2台の周波数コム間の干渉信号をフォトディテクターで検出し，デジタイザーで取得した．干渉信号のフーリエ変換によって見積もられた周波数コムの相対的な線幅は10 Hz以下であり，将来的に周波数コムを用いて磁気共鳴遷移を測定するのに十分な線幅を有していることが分かった．

Strategy for Future Research Activity

次年度以降、今年度までに開発した光源を用いて光磁気共鳴測定へと挑戦する。まずは開発した光源を用いてデュアルコム分光測定が可能であることを、ルビジウム等の800 nm付近に吸収を有する原子、分子をサンプルとして実証する。得られたスペクトルの感度、分解能などを評価し、磁場印加によって誘起されるエネルギー準位の変化を測定するのに十分であるかを評価する。
次に、サンプルに磁場を印加することで誘起される準位のエネルギー変化（磁気共鳴）をデュアルコム分光法によって精密測定することを目指す。サンプルを均一磁場中に保持するためにhalbach arrayを用いたサンプルホルダーの作製にも取り掛かる。