2021 Fiscal Year Research-status Report
High-resolution broadband direct comb spectroscopy
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21K04930
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
長谷川 太郎 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (80289305)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 光周波数コム / 高分解能分光 / コム直接分光 / 高速偏光変調 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光周波数コムを直接分光の光源とするレーザー分光法(以後コム直接分光)は、広帯域・高精度・高速な赤外分光法である。本研究ではこれらの特徴に加え、さらに「高分解能」の特徴を兼ね備えたコム直接分光法の確立を目指す。2021年度は以下の3つの実績が得られた。
コム直接分光で記録されるスペクトルのデータ点間隔(分解能)は通常50~200 MHz程度となる。この分解能では、非線形分光などで現れる非常に細い線幅のスペクトル(線幅1 MHz以下)を観測できない。従来の研究により、分解能を260 kHzにまで高分解能化できていたが、2021年度にさらに高分解能化し、160 kHzを到達できた。また、波長3.3 μmの中赤外レーザー光と本研究の光周波数コムを使ったメタン分子二重共鳴分光のための準備を行っている。2021年度に達成できた160 kHzの分解能があれば、二重共鳴分光のスペクトル線を観測できると期待される。
今までは、広帯域性を犠牲にした高速・高精度な測定法であるコム直接分光法(コム-CWヘテロダイン分光)を行っていた。2021年度には、広帯域コム直接分光の1つであるデュアルコム分光を行う準備を行った。2台の光周波数コムのキャリアエンベロープオフセット周波数を測定し、それを安定化した。
デュアルコム分光を高分解能にするためには、一方の光周波数コムのモード間隔は狭い方が高分解能になるが、もう一方の光周波数コムのモード間隔は広くした方が測定時間が短くなると期待される。そのため、2021年度には光周波数コムのモード間隔を広くする手法を新たに開発した。また、この手法において必要となる基礎的な技術として、高速偏光制御の手法も確立した。これらの実績により、100 MHzのモード間隔の光周波数コムを4倍の400 MHzに広げることができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
コム直接分光の分解能向上については、当初想定していた目標を達成できた。現状の160 kHzの分解能は、コム直接分光における分解能としては世界で最も高い分解能になっている。メタンの二重共鳴分光を実施するには十分な分解能である。
デュアルコム分光を目指した光周波数コムのキャリアエンベロープオフセット周波数の観測と安定化については、当初の予定通り実施することができた。研究開始直後はなかなかキャリアエンベロープオフセット周波数を安定化できなかったが、光周波数コムの光共振器における分散を精密に調整することにより、目標を達成することができた。
光周波数コムのモード間隔を広くする手法については、偏光を高速に制御することが必要であることは当初よりわかっていた。しかし、想定していた手法では高速偏光制御ができないことが判明した。この問題を解決する方法を考案・実施して、高速偏光制御ができるようになった。この実績のため、光パワーをロスすることなく、光周波数コムのモード間隔を広くする手法を開発することができた。当初の計画では1年でこの段階まで進展することは想定していなかったので、予想以上に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度より準備している波長3.3 μmの中赤外レーザー光と本研究の光周波数コムを使ったメタン分子二重共鳴分光を実施する予定である。想定する結果が得られない場合、電磁誘起透明化などの手法で高分解能分光を行う予定である。
高分解能デュアルコム分光のため、光周波数コムの周波数安定化を行う。キャリアエンベロープオフセット周波数の安定化は2021年度に行ったが、もう一方の光周波数の安定化を行う必要がある。2021年度に本研究費で購入した波長変換モジュールを使い、波長780 nmの光を発生させ、それによりルビジウム原子の共鳴周波数に光周波数コムの光周波数を安定化する。また、従来デュアルコム分光ではモード間隔がほぼ同じ2つの光周波数コムを使うことが通常であった。本研究では、それらが大きく異なっているので、そのような場合でもデュアルコムができるよう、新しいデータ解析手法を開発する必要がある。
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