2018 Fiscal Year Research-status Report
ヨーク超蛍光の空間ビーム形状を用いた新規非線形分光法の開拓
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18K04984
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| Research Institution | Aoyama Gakuin University |
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Principal Investigator |
北野 健太 青山学院大学, 理工学部, 助教 (90586900)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 超蛍光 / 四光波混合 / 超高速現象 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ヨーク超蛍光とはレーザーパルスによって系に与えられたコヒーレンスと超蛍光によって自発的に生成したコヒーレンスとが織り成す非線形現象の一種である。本研究の目的は、ヨーク超蛍光という物理系に関する理解を深め、さらにその現象を用いて、新規非線形分光法、あるいはパルス計測法を開発することである。本年度は、前者に関して重点的に研究を推進した。具体的には、ヨーク超蛍光で発生する青色光の空間ビーム形状、および時間波形を計測する実験セットアップを構築し、系統的なデータを取得した。青色光のビーム形状が励起光の強度およびチャープ量に大きく依存することは既知の実験事実であり、励起光照射下における原子の非線形励起ダイナミクスの観点から説明することが可能である。このモデルによると、励起光強度の増加に対して、青色光のビーム形状は、中心の輝点からリング形状へと周期的に変化する。この特性は、本年度取得されたデータによって実証された。また実験で取得された青色光の時間波形を解析するために、単一原子の正確な励起ダイナミクスを取り込んだMaxwell-Schrodinger方程式の数値解によるシミュレーションを実施し、実験結果を定量的に再現することに成功した。さらに、得られたシミュレーション結果を解析することによって、強励起条件下では、ヨーク超蛍光で発生する青色光は同じく発生する赤外光に対して十分に遅れているのに対して、弱励起条件下では、二色の光は同期していることを見出した。計測した青色光のビーム形状は、その強度分布を測定しているため、空間コヒーレンスに関する情報が欠落している。そこで、発生した青色光の干渉縞を計測するための実験セットアップを構築し、青色光の波面計測に関する予備的な実験を実施した。現在、系統的なデータを取得し、解析することを試みている。
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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
現在までに、青色光の空間ビーム形状および時間波形を取得するための実験セットアップを構築し、系統的なデータ取得した。得られた実験データに関しては、Maxwell-Schrodinger方程式の数値解によるシミュレーション結果を用いて定量的に再現した。これによって、ヨーク超蛍光の二光子輻射過程に関して、詳細かつ新しい知見が得られた。この点は、ヨーク超蛍光の物理を解明する、という当初の研究目的に対する一つの成果である。また、当初の研究計画で言及していた、青色光の波面計測に関する実験を推進するために、青色光の干渉縞を測定するためのマイケルソン干渉計を実験セットアップに導入し、既に予備的な実験データを取得した。青色光の光電場には原子の非線形励起ダイナミクスによって原子に与えられた非線形位相が転写され、これによって波面が湾曲すると予測される。本実験を通して、ヨーク超蛍光の発生メカニズムに関する詳細な知見が得られると期待される。上記の通り、当初の研究目的に対して、実験計画に基づいて新たな知見が得られたことを鑑みて、おおむね順調に進展している、と評価した。一方、本研究では、ヨーク超蛍光に関する基礎的な知見を得ることに加えて、この現象を応用した新規非線形分光法やパルス計測法の開発を研究目的として挙げている。この目的に対しては、現在までに得られた基礎的な知見を基軸として、より定量的かつ詳細な実験データを取得することによって、その実現可能性を追求する。特に、現在は未測定である中赤外光のビーム形状に加えて、青色光のビーム形状をシングルショットで計測するための実験セットアップを構築する予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、青色光の波面計測に関して系統的なデータを取得して、ヨーク超蛍光の発生メカニズムに関する詳細な知見を得る。さらに、中赤外光のビーム形状に加えて、青色光のビーム形状をシングルショットで計測するための実験セットアップを構築し、新規非線形分光法の開発へと研究を拡張する。これらの内容は、当初の計画通り、Rb（ルビジウム）原子のヨーク超蛍光を研究対象としたものである。今後の研究方針として、当初の研究提案に加えて、新たな物理系へと研究対象を展開することを計画している。従来、ヨーク超蛍光に関しては、超蛍光によって誘発されたコヒーレントな二光子脱励起過程に限定して議論されてきた。しかしながら、これを、超蛍光によって誘発されたコヒーレントな非線形現象という広い視点で捉えることによって、超蛍光は多種多様なコヒーレントな輻射過程で本質的に重要、かつ未解明な役割を果たしていると推察される。すなわち、超蛍光という観点で、原子や分子のコヒーレントな輻射過程を定量的に理解することは新しく、意義がある。そこで、新たな物理系の一例として、一光子励起三光子脱励起で実現される四光波混合過程に着目した。現在までに、Cs（セシウム）原子を用いて実験するためのセットアップを構築し、予備的な実験を実施した。Rb原子、Cs原子の実験結果を合わせることによって、超蛍光が絡んだコヒーレントな輻射過程に関する包括的なモデルを構築することを目指す。
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| Causes of Carryover |
2018年度はヨーク超蛍光の時間、空間プロファイルを測定するための実験セットアップを構築した。特に、時間プロファイルの測定に関しては、数ピコから数十ピコ秒程度の時間分解能が必要であり、高速な応答速度を持つフォトディテクタ、およびオシロスコープを購入することが必須と考え、物品費として計上していた。適用波長が少々異なるが、研究室で保有していたフォトディテクタ、およびサンプリングオシロスコープを使用して実験を行ったところ、極めて良好な実験データを得ることができた。これらは、研究計画を遂行する上で十分な性能を保有していると判断したため、新規にフォトディテクタ、オシロスコープを購入することを見送った。これらで計上していた物品費に関しては、次年度以降、空間プロファイルをシングルショットで撮影するためのカメラ等に使用することを計画している。なお、物品費として使用した主な内容は、フェムト秒レーザーパルスのチャープ量を制御するための精密ステージである。その他、各種光学部品を購入した。
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