フェムト秒レーザー励起テラヘルツ波発生を利用した電気磁気ドメインの観測

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K15159
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 木下 雄斗 東京大学, 物性研究所, 特任助教 (90825340)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: テラヘルツ科学

Outline of Annual Research Achievements

昨年度、再構築したフェムト秒レーザーのYbファイバーモード同期レーザーを光源として用いてテラヘルツ波発生の光学系の作成を試みた。本レーザーはオシレータ、アンプ、コンプレッサーで構成されており、オシレータで発生させたレーザー光の出力をアンプで増幅し、コンプレッサーにおいてレーザーのパルス幅を～100 fs程度まで圧縮する。オシレータから発生するレーザー光は、繰り返し周波数100 MHz、パルス幅~200 fs、パワー50 mW、中心波長1040 nmである。オシレータから出力されたレーザー光はアンプにおいてパワー1 W程度まで増幅され、コンプレッサーにおいて120 fs程度までパルス幅を圧縮し出力される。シングルショットの光学系の前段階として通常のステップバイステップによるテラヘルツ波発生光学系の構築を試みた。発生方法は非線形光学結晶GaPにレーザーを照射することによる光整流を用いた。また検出には同じくGaPを用いたEOサンプリングによって試みた。GaPに測定するテラヘルツ波を照射した際に、同時に直線偏光のプローブ光を照射することでテラヘルツ電場に比例してプローブ光の偏光面が回転する。この回転角を偏光子によって光強度に変換して測定することでテラヘルツ波の電場振幅を測定する。現段階ではテラヘルツ波発生およびその検出には至っていないが、今後光学系の改善を行い検出を確認した後シングルショットによる光学系構築を行う予定である。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

本研究では、フェムト秒レーザー励起によるテラヘルツ波発生を利用した、磁性と強誘電性を併せ持つマルチフェロイクス系における電気磁気ドメインの可視化、ならびにパルス磁場や電場といった外場下におけるドメインダイナミクスの観測を目的としている。この目的のためにはシングルパルスを用いたテラヘルツ波発生光学系の構築が求められる。そこで本研究では典型的に数ミリ秒のパルス幅を有するパルス磁場中でのドメイン変化を測定するため、約100MHzの高繰り返しのレーザーを用いた光学系構築を目指している。しかしながら、先行研究でのシングルショットテラヘルツ発生光学系においては1kHz程度の低繰り返し、かつ高出力のレーザーを用いている。一方で本研究のような高繰り返し、かつ先行研究に比べパルス当たり数桁程度出力の低いレーザーを用いた例はない。本年度までに本光学系の構築を完了している予定であったが、いまだ構築には至っていないため、区分を遅れているとした。

Strategy for Future Research Activity

シングルパルスでのテラヘルツ波発生光学系構築に向けて、現在構築中である通常のテラヘルツ発生で用いられるステップバイステップによる光学系の完成を目指す。本手法では可動ステージによりテラヘルツ波と、テラヘルツ検出に用いるプローブ光の光路長を走査することでテラヘルツ波の時間波形を取得する。検出にはEOサンプリングを用い、EO結晶としてGaPを用いる。テラヘルツ波発生には同じくGaP単結晶を用いたフェムト秒レーザー励起光整流効果を利用する。
つづいてシングルパルスによるテラヘルツ波発生光学系の構築作業に移行する。シングルパルスでのテラヘルツ波測定では、時間波形検出に用いるプローブ光をステップ状のナノ構造を有するエシェロン板に反射させることで、プローブパルス内に数十ps秒に及ぶ時間遅延を生じさせる。これによりシングルパルスでのテラヘルツ波の時間波形検出が可能となる。検出にはGaP結晶を用いたEOサンプリング法を用いる。非本研究では検出器としてCCDカメラを用い、エシェロン板によって時間遅延を施されたプローブ光の偏光回転角を、光強度として空間分解して測定し、テラヘルツ波の時間波形を得る。その後は電気磁気ドメイン可視化に向けたテストとして、典型的な強誘電体（BaTiO3 等）において強誘電ドメインを構築した光学系によってイメージングする。イメージングは自動ステージによってレーザーの照射位置を試料上でスキャンすることで行う。イメージングのテストが完了したのち、種々の磁性強誘電体を対象にドメインイメージングを行う。

Causes of Carryover

使用後の端数としてわずかに残ってしまったため。