2021 Fiscal Year Research-status Report
Measurement of deactivation cross sections in diode-pumped alkali lasers and cross-check of them by a numerical simulation
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20K05366
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| Research Institution | Tokai University |
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Principal Investigator |
遠藤 雅守 東海大学, 理学部, 教授 (60317758)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | アルカリレーザー / DPAL / セシウム / 反応レート / レート方程式 / Cs / ガスレーザー / レーザー誘起蛍光法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は半導体励起アルカリレーザー(Diode Pumped Alkali Lase=DPAL)の最も基本的な反応である，アルカリ原子とバッファガスの衝突緩和反応および失活反応の反応断面積を計測，DPALの物理の理解に役立てるとともに，研究代表者が開発したDPALの数値シミュレーションの入力データとして活用することで，DPALの性能予測の高精度化に資するものである．本研究ではアルカリ原子にCsを，バッファガスにメタン(CH4)，エタン(C2H6)およびプロパン(C3H8)を選定した．
2021年度は，CH4，C2H6，C3H8の3種類のガスの失活反応断面積σQ，混合反応断面積σMの6種類の定数を計測する実験を実施した．研究手法で特筆すべきは，比較的安価に入手可能なナノ秒パルスレーザーを光源としながら，ナノ秒で減衰する蛍光の減衰定数を計測する手法を開発した点である．これは，同種の他の研究にも活用しうる．
CH4，C2H6，C3H8の混合反応断面積σMは(13.9±1.6)，(56.7±8.5)，(79.1±9.3)A2であった．失活反応断面積σQはそれぞれ(0.015±0.0025)，(0.10±0.020)，(0.25±0.053)A2であった(at 298K)．
先行研究ではCH4のσM，σQが高い精度で知られており，本研究の結果はそれらと誤差の範囲で一致した．C2H6のσM，σQはいくつかの値が知られているが，互いの一致は良くない．本研究の計測値がそれを補う形である．C3H8のσQは本研究が初の報告となる．計測結果をOptics Express誌に投稿，採択された[1]．
[1] M. Endo et al., Opt. Express 26, 42887-42899 (2021).
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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
2年目の目標である，6種類の反応速度定数の計測を完了した．高IF(3.894)の論文誌であるOptics Expressに採択されたことで本研究の手法の正当性，および得られた結果の重要性は認められたと考えている．
研究3年目は代表者が持つCs DPAL装置を上述の3種類のバッファガスで運転し，バッファガス圧力を変え，レーザー出力を測定し，同条件でシミュレーション計算を行い，それらが互いに一致することを確認する．既に，今年度に既にDPAL装置の予備実験に着手している．今年度は，光共振器の構成およびポンプ光の集光パラメータを最適化して，吸収ポンプ光に対する光-光変換効率80%というレコードクラスの性能を得た．これはこれで貴重な知見であるので，別途論文化を計画している．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度得られた光-光変換効率80%という値は，吸収されたポンプ光を分母としたものである．物理的には意味のある数値だが，「レーザの効率」という観点からは，吸収されなかったポンプ光に対する厳しい評価は避けられない．原因はポンプ光の性能が低く，Csの吸収帯域幅より広いからで，これはポンプ光の交換でしか改善しない．幸い，共同研究を行っている川崎重工業より狭帯域のポンプ光源提供の申し出があるので，3年目はまずポンプ光の交換を実施し，その後，上述の，本研究の実施に着手する予定である．
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| Causes of Carryover |
価格変動等により次年度使用が生じたが、概ね計画通りの執行であった。物品費に加算して使用予定である。
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Research Products
(4 results)
