2020 Fiscal Year Annual Research Report
Cr:ZnSを用いた中赤外超短パルス光源の開発とアプリケーションの新規開拓
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20J22067
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
岡崎 大樹 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | 超短パルス / 中赤外 / フェムト秒 / レーザー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではCr:ZnSをレーザー媒質として用いた中赤外領域でフェムト秒発振するレーザーの開発を目的とする．Cr:ZnSは中赤外領域に広がる蛍光を有しているため，複雑な周波数変換法を必要としない優れた新規光源システムの実現に有望視される材料であり，ユーザビリティ・設備コスト・エネルギー利用効率の優れた中赤外超短パルス光源を実現することから，超高速光科学の研究プラットフォームを拡大することが期待される．
本研究では，まず中赤外域で共鳴する単層カーボンナノチューブ(SWCNT)の可飽和吸収特性の計測を行い，この知見を用いて時間幅36 fs，中心波長2.3 umにおいてCr:ZnSレーザーのモード同期発振を実現し，増幅によって100 nJへの高出力化に成功した．さらに2DSI法に基づく光強度時間波形の計測を行い，自己参照型の直接的な周波数位相計測に成功した．
続いて，開発した光源を用いて光電界電子放出を行った．SiO2基板上に作製した金ナノアンテナへレーザーを照射することで電子放出を発生させ，電流値の入射強度依存性からトンネルイオン化をメカニズムとした現象であることを確認した．この結果から，Cr:ZnSレーザーと金ナノ構造によって形成される近接場を用いることで強電場駆動現象の観測が可能であることがわかる．
また，開発した光源をZBLAN光ファイバーへ入射することで，Cr:ZnSレーザーパルスのスペクトル拡大及び赤方周波数変換を行った．３オクターブ幅のスペクトル拡大や3-4 umにおいて波長可変な時間幅100 fs程度の超短パルス発生に成功した．生成された光源は，高繰返しな分子振動分光用フェムト秒パルス光源として有用性が高いと考えられる．
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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
研究全体の目標である高品質な中赤外超短パルス光源の開発，強電場駆動現象への応用，分子振動分光を目的とした周波数変換に関して着実な進展が得られた．一方で非線形振動分光や周波数コム分光など，より高機能な応用に向けては，タイミングジッターの抑制や周波数の高精度な制御が必要であることが判明し，今後の新たな課題となった．
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| Strategy for Future Research Activity |
さらなる高機能化を目的として，今後もCr:ZnSレーザーを主体とする光源開発を行う．
具体的には，Cr:ZnSレーザーを用いた光周波数コムの作成とCEP安定化光源の開発を行う. Cr:ZnSレーザーのオフセット周波数と繰返し周波数をRb周波数標準へ同期させることで光周波数の安定化を行う．周波数安定化されたCr:ZnSレーザーを用いることで，周波数コム分光に代表される高度な精密周波数計測が中赤外領域において可能となる．
さらに，繰返し周波数の制御に40 MHz，オフセット周波数の制御に1 MHzの参照周波数を用いることで，キャリアエンベロープ位相が周期1 MHzで変化する40 MHzの中赤外パルス列が得られる．電気光学変調素子を用いて1 MHzのパルスピックを行うことで，キャリアエンベロープ位相が一定の1 MHz中赤外パルス列を抽出できる．この方法によって出力電場波形の安定したCr:ZnSレーザーを実現できるため，強電場駆動現象を舞台とした応用において非常に有用な光源となる．
また昨年度に引き続き，分子の指紋領域へのアクセスを目的とした，ZBLAN光ファイバーを用いたCr:ZnSレーザーパルスの周波数変換を行う．これまでのラマン効果を用いた手法から自己位相変調を用いた手法へ変更し，計算・実験の双方から光源の安定性に着目して研究を進める．
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Research Products
(13 results)
