2020 Fiscal Year Annual Research Report
Single-shot ultrafast burst imaging in infrared band by quantum illumination scheme
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19H02632
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
神成 文彦 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (40204804)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 量子光学 / 量子イメージング / フェムト秒レーザー光学 / 超高速コマ撮りイメージング / 注赤外イメージング / 光パラメトリック非線形効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，量子イルミネーション法に単一ショットコマ撮り超高速イメージング法(LA-STAMP)を組み合わせることで、CCDカメラでは計測できない中赤外域における超高速イメージング（量子STAMP）の実現をめざすものである。装置は，2段の光パラメトリック変換(SPDC)とシグナル光間の干渉計測、およびSF-STAMP光学系から成る。SPDCの励起にはいずれも線形周波数チャープした400nmフェムト秒レーザパルスを用いる。励起パルスの線形周波数チャープ特性をシグナル光のみに転写するには疑似位相整合KTP結晶(PPKTP)のtype-II位相整合を利用する。
初年度に行った、非線形結晶PPLNを用いた2段の光パラメトリック変換による中赤外プローブ計測の原理実証を基に、2年次は、当初の400nm励起でのtype-II PPKTP結晶を用いた光パラメトリック周波数下方変換に実験を戻し、提案法のための実験系を順次構築した。励起には波長800 nmのフェムト秒レーザー再生増幅器からの繰り返し周波数1kHzのレーザーパルスを2倍高調波変換して用いることで，波長480nmのシグナル光と波長2.4μmのアイドラ光発生を行い，EM-CCDカメラを用いてシグナル光発生を確認した。仮に280μm×280μmのサイズで試料をイメージ計測した場合、EM-CCDカメラの1ピクセルあたり100photons/pulseの光子を利用できることを確認した。この結果から、我々の単一ショットコマ撮りイメージング法（LA-STAMP）において、フレーム数4枚の撮影(1枚あたり50 photons/pixel)程度であれば現実的であることを明らかにした。この性能評価の上に、400nmチャープパルスを励起光に用い2段の光パラメトリック変換光学系を構築し、3年次における量子イメージ計測実験への準備をほぼ完了した。
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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
初年度に行った、非線形結晶PPLNを用いた2段の光パラメトリック変換による量子イメージング計測の原理実証を基に、2年次は、当初の400nm励起でのtype-II PPKTP結晶を用いた光パラメトリック周波数下方変換に実験を戻し、提案法のための実験系を順次構築した。チャープパルス増幅器の2次高調波である400nmチャープパルスを励起光に用い、480nmシグナル光と2400nmアイドラ光の発生実験から、撮像能力を評価した。実際には2番目の光パラメトリック過程で中赤外プローブ光はシグナル光にイメージ情報を転送するが、ここでの出力増強は基本的にはない。そこで初段での光強度特性が重要となる。仮に280μm×280μmのサイズで試料をイメージ計測した場合、CCDカメラの1ピクセルあたり100photons/pulseの光子を利用できることを確認した。この結果から、我々の単一ショットコマ撮りイメージング法（LA-STAMP）において、フレーム数4枚の撮影(1枚あたり50photons/pixel)程度であれば現実的であることを明らかにした。この性能評価の上に、400nmチャープパルスを励起光に用い2段の光パラメトリック変換光学系を構築し、3年次における量子イメージ計測実験への準備をほぼ完了した。
一方、２つの光パラメトリック変換器で発生した可視シグナル光の干渉による量子イメージングは、単一光子を用いたいわゆる光の量子性を用いたイメージングとして提案されたのが始まりであった。我々は、2段のパラメトリック利得の比率がある条件を満たした場合には、光パラメトリック過程が低利得・高利得であるかに関わらず強度・位相イメージングが可能であることを理論的に明らかにした。その際、入力状態の共分散行列にシンプレクティック行列を乗算するだけで出力状態の共分散行列を取得できる手法を新たに導入して解析を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
3年目の最終年度では、すでに構築済みの光学系を用いて以下の原理実証実験を行う。すでにtype-0 PPLNでの予備実験はできているので、方法論的には問題はない。
（１）フーリエ限界の400nm励起レーザーパルスを用い、PPKTPを用いたパラメトリック下方変換による光子対パルス発生を行う。赤外アイドラ光をプローブとしたポンプープローブ過渡吸収計測を行い，2段目のパラメトリック増幅器で信号光パルスに情報を受け渡し，1段目の信号光との干渉イメージ計測から原理実証を行う．
（２）理論モデル解析によって明らかにした、励起光強度毎に最適化することで得られる干渉検出に必要な強度比条件を確かめる．
（３）励起パルスを周波数チャープさせ，（１）の実験を時間遅延走査なしで実現する．
（４）2次元イメージ計測に移行して，STAMP系でのハイパースペクトルイメージングにより赤外域バーストイメージングをデモンストレーションする.
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