2021 Fiscal Year Research-status Report
地球とジオスペースをつなぐ鉛直物質輸送観測の新手法
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21K18315
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| Research Institution | National Institute of Polar Research |
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Principal Investigator |
江尻 省 国立極地研究所, 研究教育系, 准教授 (80391077)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
桂川 眞幸 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (10251711)
中村 卓司 国立極地研究所, 研究教育系, 教授 (40217857)
津田 卓雄 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (90444421)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2025-03-31
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| Keywords | 原子・イオン共鳴散乱ライダー観測 / 大気圏・電離圏結合 / 鉛直輸送 / 二波長同時発振レーザー / カルシウム原子・イオン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
地球と宇宙の境界領域（高度80-150 km）は、大気が中性大気から電離大気（プラズマ）に変化する地球大気の遷移領域である。しかし、中性大気とプラズマ共に観測手段が限られており、同時観測が困難であるため、化学変化を伴うこの領域の物質輸送は本質的に未解明である。本研究では、この遷移領域において同一空間の中性原子とイオンの密度高度分布を同時に観測可能な世界初の原子・イオン共鳴散乱ライダーを開発し、地球と宇宙をつなぐ物質の鉛直輸送過程を解明することを目的としている。初年度である令和3年度は、送信レーザー開発班とライダーシステム開発班の二班体制で並行して装置開発を行った。送信レーザー開発では、チタンサファイア（Ti:s）レーザーをベースにした二波長同時発振・注入同期固体レーザーを設計・製作して、まずカルシウムイオン（Ca＋）の共鳴散乱線（393.5 nm）での発振を確認した。共振器の調整により、発振の安定化を進めている。ライダーシステム開発としては、レーザーの発振波長の確認に用いている波長計の絶対精度を担保するために、カリウム原子を封入したセルを加熱してレーザー光を通過させたときに得られる蛍光スペクトルをモニターし、Doppler-freeと呼ばれる特定の波長で見られる飽和スペクトルを測定する絶対波長校正システムを構築した。また、受信分光系の設計を行い、製作を進めている。
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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
初年度である令和3年度は、送信レーザー開発班とライダーシステム開発班の二班体制で並行して装置開発を行った。本研究で提案する「原子・イオン共鳴散乱ライダー」は、送信レーザーに最近開拓されたレーザー技術である二波長同時発振・注入同期固体レーザーを取り入れることで実現する世界初の革新的なライダーシステムである。送信レーザー開発では、共同研究者で、この最新レーザー技術の開拓者でもある電気通信大学の桂川眞幸教授と大学院生（研究協力者）が主体となって、チタンサファイア（Ti:s）レーザーをベースにした二波長同時発振・注入同期固体レーザーを設計・製作した。当初は、カルシウム原子（Ca）とカルシウムイオン（Ca＋）のうち、Ti:sレーザーでの発振効率が相対的に高いCaの共鳴散乱線（422.8 nm）に同調させたレーザーパルスの発振から確認する予定であったが、検討の結果、最終的に二波長同時発振を実現するためには、発振効率が低い方にあたるCa＋の共鳴散乱線（393.5 nm）での発振を先に実現する必要があると判断し、まずはCa＋の共鳴散乱線に同調させたレーザーパルスが安定して発振するように共振器の調整を行った。共鳴散乱ライダー観測では、送信レーザーの波長が正確に共鳴散乱波長と一致している必要があるため、発振波長を正確に測定し調整する必要がある。レーザーの発振波長の確認には波長計を用いているが、この波長計の絶対精度を担保するための校正は、ライダーシステム開発班である研究代表者と中村卓司教授、津田卓雄准教授の方で行った。具体的にはカリウム原子を封入したセルを加熱してレーザー光を通過させたときに得られる蛍光スペクトルをモニターし、Doppler-freeと呼ばれる特定の波長で見られる飽和スペクトルを測定することで、波長計の絶対波長を校正した。また、受信分光系の設計を行い、製作に着手した。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度も送信レーザー開発班とライダーシステム開発班の二班体制で並行して装置開発を行う。ライダーシステム開発班では、初年度に行った波長計の絶対波長校正実験の手法を踏襲して、絶対波長校正システムを構築、改良を進めると共に、二波長同時受信に向けた受信光学系の改良も行う。また受信信号を積算するトランジェントレコーダーの制御ソフトウェアの開発を進め、受信光学系とトランジェントレコーダーを含む信号記録系を組み合わせた運用試験を行う。送信レーザー開発班は、初年度に行ったCa+共鳴散乱線（393.5 nm）での単独発振に続き、Caの共鳴散乱線（422.8 nm）一波長での安定発振を実現する。Ti:sレーザーで二つの波長の発振効率が異なることを考慮し、最終的にCaとCa+の共鳴散乱波長で同時発振させることを念頭に入れて、レーザー共振器内光学素子を交換、調整、最適化を進める。
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| Causes of Carryover |
学会・研究会がオンライン開催となり現地に赴く旅費が不要になったことと、波長計の絶対波長校正に使用する金属蒸気セル、および消耗品である光学部品の一部を国立極地研究所および電気通信大学の実験室で所有していた物品で代用することが出来たため、初年度予算の一部を繰り越した。
今年度は、金属蒸気セル（カリウム蒸気セル）を用いた波長計の絶対波長校正システムの改良を予定しており、このための波長制御モジュールの購入を計画している。また、送信レーザーについては、出力の向上を目指して、レーザー共振器の再設計も視野に入れた改良を計画しており、試作に必要な光学部品を購入する予定である。
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[Presentation] A long lived mesospheric Ca+ ion layer observed by a resonance scattering lidar at Syowa2021
Author(s)
Ejiri, Mitsumu K., Takanori Nishiyama, Takuo T. Tsuda, Masaki Tsutsumi, Takuji Nakamura, Makoto Abo, Katsuhiko Tsuno, Takuya D. Kawahara, Takayo Ogawa, Satoshi Wada
Organizer
The 12th Symposium on Polar Science
Int'l Joint Research
