2019 Fiscal Year Annual Research Report
Research on precise measurement of microwave and terahertz wave using cesium atom
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18H01457
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
木下 基 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (00415671)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
東島 侑矢 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究員 (20805147)
飯田 仁志 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (40392584)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | セシウム / ラビ周波数 / リュードベリ状態 / マイクロ波 / ミリ波 / テラヘルツ波 / レーザー / 二重共鳴分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
原子を用いた電磁波測定について、現在幅広い応用展開が見込まれるGHz帯電磁波の可視化について大きく進展した。昨年度までに、セシウム原子の蛍光を利用してマイクロストリップライン上の１次元分布の可視化を達成している。今年度は、レーザー光の工夫と画像解析を併用することで、平面回路全体の電磁波強度分布を可視化する２次元イメージを達成した。また、周囲環境の整備やセシウム原子の量子状態を精密に制御することで信号／雑音比を大きく向上させ、可視化イメージングをリアルタイムに動画で撮影するに成功した。基盤回路を網羅する２次元イメージとリアルタイム測定は、マイクロ波アンテナや共振器回路を用いた新たなマイクロ波イメージング技術の開発や、量子センサとしての応用が期待できる。マイクロ波回路に関して、単純なマイクロストリップ回路からより複雑な構造を持つアンテナの設計に着手した。
また、原子によるテラヘルツ波検出に向けた要素技術として、フーリエ変換型テラヘルツ波スペクトラム・アナライザー(FT-THz)の開発に着手した。FT-THzはインコヒーレントブロードバンド用赤外分光器を改造し、コヒーレントなテラヘルツ波を検出可能にしたものである。開発したFT-THzを用いて、セシウム原子との共鳴を想定したテラヘルツ波光源である周波数逓倍器の出力分析を行った。光源および検出器を合わせたシステムの周波数および線形性が良好であったことから、本装置が分光システムとして機能することを確かめた。今後セシウム原子を用いたミリ波・テラヘルツ波測定を遂行する上で、本システムはセシウム原子の分光測定を担う重要な役割が期待される。
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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
セシウム原子の蛍光を利用した電磁波の可視化に関して大きく進展している。研究当初より、マイクロ波の一次元可視化、二次元可視化、リアルタム動画撮影などに成功している。これらの成果を基にいままで、特許出願、学会発表、論文発表を行っている。
テラヘルツ波計測についてテラヘルツ波スペクトラム・アナライザーを開発するなど、当初予定外の成果を収めた。この成果を基に今年度、論文発表を行っている。現在、セシウム原子のリュードベリ状態を生成する実験系の構築を進めている。
セシウム原子のラビ周波数を利用した電磁波絶対強度計測については、いままでに周波数可変に向けた実証実験に成功している。この成果を基にいままでに論文発表と国際学会発表を行っている。現在、強度測定のより高精度化を目指した測定系の構築を進めている。
以上、テーマごとに進捗は前後するものの、おおむね順調に研究を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在順調に進展している原子を用いた電磁波の可視化について、引き続き推進する。来年度は、今年度達成された二次元イメージングに偏波分離を加えて、回路基板上のマイクロ波の偏波解析を行う。また回路基板上でセシウム原子のラビ周波数測定を行うことで、絶対強度イメージングへつなげる。さらにより複雑なマイクロ波回路上の可視化イメージングを進める。例えばアンテナや共振器構造を持たせることで、セシウム原子と電磁波のより強い相互作用を実現できる。またマイクロ波レンズを用いた、画像検出も並行して推進する。
テラヘルツ波検出について、今年度開発したテラヘルツ波スペクトラム・アナライザーの様な要素技術の開発を進めるとともに、セシウム原子のリュードベリ状態の生成およびミリ波・テラヘルツ波との相互作用の観測を目指す。
ラビ周波数による絶対強度測定については、回路基板上での局所的測定を進めると共に、導波管内の伝送電力の精密測定も推進する。導波管内におけるラビ周波数の精密測定のために、セシウム原子を導入可能な真空導波管システムの構築を急ぐ。
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