2020 Fiscal Year Research-status Report
光の量子揺らぎまで見えるホモダイン検波型フォトサーマル顕微鏡
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20K21158
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
衞藤 雄二郎 京都大学, 工学研究科, 准教授 (50600003)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| Keywords | 光量子揺らぎ / ホモダイン検出 / フォトサーマル顕微鏡 / 位相差検出 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、光量子揺らぎを活用した新しいイメージング法を探索し、生命科学分野への応用を目指している。
本年度は微弱光の直交位相振幅を測定するために用いられている“平衡型ホモダイン検出”と熱吸収性分子をイメージングするために用いられる“フォトサーマル顕微鏡”とを融合した“平衡型ホモダイン検波型フォトサーマル顕微鏡”の実証に向けた研究を実施した。平衡型ホモダイン検出は、被測定光と強度の強い局部発振光を干渉させることで、微弱な被測定光の光量子揺らぎの観測を可能にする位相敏感な測定法である。そのため、本研究提案を実施するためには、ホモダイン検出に必要な干渉計をフォトサーマル顕微鏡にうまく組み込み、被測定光と局部発振光の位相を安定に保つ必要がある。この課題に対して、本年度は被測定光と局部発振光が同軸に伝搬するイメージング光学系を提案し、光学系の設計を行った。同軸光学系の採用によって、相対位相が安定に保たれ長時間のイメージングが実現可能になる。そのため、微弱光の量子揺らぎを正確に評価できるようになると期待できる。
巨大な光量子揺らぎは、光バンチングの作用によって非線形光学効果を高める作用をもたらす。本年度のもう一つの成果は、超高速な量子揺らぎによる２光子励起蛍光の向上率を正確に評価するための方法を確立したことである。本手法は、パラメトリック生成器やスーパーコンティニューム光源などで発生している量子揺らぎが、どの程度非線形相互作用を向上させているかを正確に評価することを可能にする。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
平衡型ホモダイン検出とフォトサーマル顕微鏡とを融合した“平衡型ホモダイン検波型フォトサーマル顕微鏡”を実現するためには、被測定光と局部発振光の位相差を安定に保つことが重要である。本年度は、位相差を安定に保つことが可能な加工可能なポリカーボネート型の波長板を用いた同軸イメージング装置を提案した。そして、現在その構築を進めている。光学系の設計が完了したこと自体は重要な進捗であるが、その構築が完了していないため、全体の進捗としてはやや遅れている。
超高速量子揺らぎが作り出す光バンチングによって、非線形光学効果がどの程度向上するかを評価する方法を開発した。従来方法では、自己相関測定によってインターフェログラムを取得し、そのデータに対して事後的にローパスフィルターを適用することで、高速なバンチング性を評価していた。しかしながらこの方法では、インターフェログラムの取得の際の位相偏りが、エラーを生み出すという課題がある。本研究では、自己相関器において用いる干渉計のアームを敢えてスキャンすることで位相の偏りをなくし、エラーを抑えることが可能な方法を実現した。本成果は、当初予定していなかった成果であるといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
平衡型ホモダイン検波型フォトサーマル顕微鏡の研究に関しては、ポリカーボネート型波長板を用いた同軸イメージング装置の構築を早急に完了する予定である。そして、熱吸収性ビーズなどを用いて、イメージング性能を測定する。特に、ショット雑音限界での測定が可能かを評価する。
３光子励起や非線形ラマン散乱のような３次の非線形光学効果に対する量子揺らぎの影響を定量的評価する方法を確立する。具体的には、光源に光パラメトリック生成器を使い、コヒーレント状態よりも大きな揺らぎを作り出し、ZnSeの３光子吸収過程や非線形光学結晶の３次高調波発生過程を通して、高次の光バンチングの効果を調査する。
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| Causes of Carryover |
本年度は、位相差を安定に保つことが可能な同軸イメージング装置を提案した。現在はその構築を進めている。そのため、本年度未使用額と次年度の予算は、同軸イメージング装置の構築費用として、主に光学部品の購入に用いる。
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