2014 Fiscal Year Annual Research Report
時間反転対称性に基づく量子相関の制御と光計測への応用
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25287101
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
北野 正雄 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70115830)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中西 俊博 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30362461)
小林 弘和 高知工科大学, 工学部, 講師 (60622446)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 量子光学 / 時間反転対称性 / 光計測 / 量子相関 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまで、幾何位相に関する研究は2状態系を対象として行われてきたが、我々の以前の研究で、より一般的な3状態系の幾何位相に関して、2状態系では起こらない現象が起こりうることを予測していた。これを実験的に検証するために、量子力学の時間反転対称性に基づいた時間反転型の干渉計を利用した。縮退した光子対の偏光状態を測定対象とし、和周波発生を利用することで特定の偏光状態の光子対のみを検出した。昨年度の実験系をより改良することで実験の誤差を減らし、3状態以上の系に特有な幾何学的位相の2段階変化を観測した。
時間反転対称性の量子断層撮影(量子OCT)への応用に関しても研究を行った。通常の量子OCTの実験では、光子対を利用するが生成効率や検出速度の点で問題がある。これに対して、我々は通常のパルス光を干渉計に導入し、和周波発生で相関した光子対を検出するという方法をとることで高効率に分散の影響を受けない干渉信号を得ることができる。実験では、単純なミラーでの反射点の測定だけでなく、ガラスの両面での反射の断層撮影にも成功した。加えて、上記の分散消去の原理を基にして、波長掃引光源を用いた従来のOCT技術（SS-OCT）で取得したデータに対して計算処理を施すことで分散の影響を除去する手法を考案し、単一の反射面に対して分散の影響が除去できることを実験的に確認した。空間相関の研究については、レンズ収差のうち偶数次の収差である像面湾曲、非点収差、球面収差については空間的なHOM干渉によりその影響を消去できることが理論的に明らかとなった。さらに時間及び空間相関に関する理論研究では、時間対称な測定理論である弱測定において、古典的な空間相関を持った光渦ビームを含む一般的な伝搬光を用いた場合の定式化を行ない、光波の伝播に伴う位相であるGouy位相が重要な役割を担うことを理論的に示した。
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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
時間相関の検出による高次元幾何学的位相の観測は当初の研究計画の大きなテーマの一つであり、実験での検証という最終的な目標を達成できたことは大きな成果である。そして、時間反転対称性の量子断層撮影(量子OCT)への応用に関しては、当初の計画より大幅に研究が発展したといえる。今年度は、単純な1つの反射点の推定だけではなく、ガラスの両面での反射というより応用に近い測定対象について分散によらない形で断層撮影が実現できた。また、さらにこの研究を発展させることで、複屈折性媒質においても利用できる量子OCT法を考案している。この方法では、偏光の自由度ではなく光の時間モードを利用しており、当初計画にもなかった新たな方法といえる。
さらに時間反転対称性を利用した量子OCTの実験で得た知見を活かして、計算処理による分散消去を実現することに成功した。量子OCTにおける分散消去の理論部分を古典的な計算処理を用いて実装することで達成した成果である。
空間相関の研究については、これまでに古典的な空間相関を持つ光渦ビームの弱測定における有用性を示してきた。本年度はそれを発展させて、光の伝搬方程式に従う一般的な光波を用いた弱測定を考えることで、伝播に伴うGouy位相が弱測定においてどのような役割を担っているか明らかにすることができた。また、偶数次のレンズ収差である像面湾曲などを空間的なHOM干渉により除去できることを理論的に示すことができたため、その実験的な検証について議論を進めていくことができる。
以上を総合すると、本研究はおおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでタイプ2の和周波発生を利用した分散の影響を受けない断層撮影法(量子OCT)を研究してきたが、この方法は、偏光の自由度を利用していることから複屈折性のある媒質内の断層撮影には応用できない。この問題を解決するため、光パルスの時間モードの自由度を利用することで、偏光の自由度を用いることなく、分散の影響を受けない量子OCTを実現する方法を考案した。干渉計を工夫することで、必要となる相互相関信号のみを取り出すように設計されている。本年度は、波長の精度で安定化された干渉計の開発の後、複屈折性と分散の影響を受けない量子OCTの実証実験を行う。これ以外にも、共軸の和周波発生を用いた量子OCTの研究も行う。共軸の和周波発生は一般に効率が高く、光路の横モードのずれに関しても安定に動作することが期待される。
計算処理によるSS-OCTの分散消去については、単一の反射面ではなく複数の反射面に対する分散の影響の除去について実証実験を行なう。このとき、量子OCTと同様に、計算処理の過程で二つの反射点のちょうど中間に余分な信号が発生することが理論的に明らかとなっているため、これを除去する手法について検討する。また、計算処理と量子OCTのそれぞれによる分散の除去後の深さ分解能の違いについてより詳細な理論的検討を行なう。空間相関については、レンズにおける偶数次の収差の消去が、和周波混合を用いた時間反転光学系で実験的に確認できるかどうかの検討を行なっていく。時間及び空間相関に関する理論研究に関しては、弱測定における古典的な空間相関やGouy位相の役割を利用して、Gouy位相自体の観測や計測技術への応用可能性を探っていく。
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