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Research on precise measurement of microwave and terahertz wave using cesium atom

Research Project

Project/Area Number 18H01457
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 21030:Measurement engineering-related
Research InstitutionNational Institute of Advanced Industrial Science and Technology

Principal Investigator

木下 基  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (00415671)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 東島 侑矢  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究員 (20805147)
山本 真大  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究員 (20909874)
飯田 仁志  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (40392584)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2018: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000)
Keywordsテラヘルツ波 / マイクロ波 / セシウム原子 / 可視化 / ラビ周波数 / セシウム / リュードベリ状態 / ミリ波 / レーザー / 二重共鳴分光 / 二重共鳴
Outline of Annual Research Achievements

マイクロ波と近赤外レーザーによるセシウム原子の二重共鳴分光を利用して、マイクロ波を近赤外蛍光に変換する「マイクロ波の可視化」実験を進めた。昨年度までに実現した二次元イメージングを高度化し、セシウム原子に印加する静磁場を制御することで偏波分離イメージングを取得し、偏波成分ごとの電磁界シミュレーションとの比較や、各偏波成分の合成波イメージングの解析などを行った。本実験により、マイクロ波イメージングの実用化に関する知見が得られた。また、パッチアンテナ、ホーンアンテナ、導波管プローブ等の放射パターンイメージングについて予備測定を開始している。さらに試作したマイクロ波レンズを用いてガラスセルへのマイクロ波結像実験も開始した。本実験は、マイクロ波カメラ開発への足がかりとなる。
ラビ周波数によるマイクロ波強度測定に関して、2本のレーザーの交点においてラビ周波数を測定する実証実験に成功した。本実験はプローブ光およびポンプ光を用い、ポンプ光にAM変調を加えることで、AM変調とラビ振動の励振によってラビ周波数を測定するものである。本測定によって2本のレーザーの任意の交点においてラビ周波数を測定できることから、マイクロ波強度の局所的な測定が可能になる。本手法は理論解析をはじめ、実験装置の設計とと構築、実証実験などすべて新規かつ独自に行ったものである。本成果と上述のイメージングを組み合わせることでマイクロ波の絶対強度イメージングなども可能になる。今年度は本手法の特許化がなされた。
原子によるマイクロ波強度測定の応答直線性の評価、または新たなマイクロ波線形性測定方法の開発に向けた研究を立ち上げた。本年度は実験系の設計と構築を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

セシウム原子の二重共鳴分光を用いたマイクロ波の可視化に関する研究は大きく進展している。マイクロ波回路上のマイクロ波に関する二次元偏波分離イメージングをはじめ、様々なアンテナやプローブの放射イメージング、さらにマイクロ波カメラの開発に向けた検討にも着手している。本開発はすでに特許化し、マイクロ波イメージングによる非破壊検査等の応用に向けた連携について検討を進めている。
ラビ周波数測定によるマイクロ波の精密測定についても新たな手法を考案し、理論構築から実証実験までを独自に行なった。さらに、原子の応答を利用したマイクロ波強度の線形性に関する研究を新たに立ち上げた。

Strategy for Future Research Activity

二重共鳴分光によるセシウム原子の蛍光を利用したマイクロ波イメージングはうまく進展しているため、これをさらに発展させる。例えば、この新たなマイクロ波イメージングを基にした非破壊検査や分析技術の開発、マイクロ波カメラの開発などを実施する。
ラビ周波数を用いたマイクロ波強度の精密測定については、光学スキャンによる高分解能測定を実施する。さらに、マイクロ波の減衰量測定と組み合わせた線形性測定にも注力する。
セシウム原子のリュードベリ状態を用いたミリ波・テラヘルツ波測定について、ミリ波・テラヘルツ波計測に関するコア技術開発を進めるとともに、利用可能なリュードベリ状態の特定や、リュードベリ状態生成用の光源開発なども進める。

Report

(4 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(24 results)

All 2022 2021 2020 2019 2018 Other

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (2 results)

  • [Journal Article] Photoacoustic Substitution Method for Calibrating Subterahertz Attenuation in Free Space2021

    • Author(s)
      Hitoshi Iida and Moto Kinoshita
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement

      Volume: 70 Pages: 1-6

    • DOI

      10.1109/tim.2021.3060577

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 2-D Polarimetry of Visualized Radio Frequency Waves Using Cesium Vapor Atoms2021

    • Author(s)
      M. Kinoshita, Y. Tojima, H. Iida
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement

      Volume: 70, 1502407 Pages: 1-7

    • DOI

      10.1109/tim.2021.3052543

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A feasibility study of a real‐time visualization method for electromagnetic fields2020

    • Author(s)
      Masanori Ishii, Moto Kinoshita
    • Journal Title

      MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS

      Volume: 63 Pages: 399-403

    • DOI

      10.1002/mop.32608

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Terahertz Spectrum Analyzer Based on Fourier Transform Interferometry2019

    • Author(s)
      Hitoshi Iida, Moto Kinoshita and Yuya Tojima
    • Journal Title

      Journal of Infrared Millimeter and Terahertz Waves

      Volume: 40 Pages: 952-961

    • DOI

      10.1007/s10762-019-00620-1

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Visualization of radio-frequency waves via double resonance spectroscopy of cesium atoms2019

    • Author(s)
      Kinoshita Moto、Ishii Masanori
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 58 Issue: 5 Pages: 052004-052004

    • DOI

      10.7567/1347-4065/ab10aa

    • NAID

      210000155652

    • ISSN
      0021-4922, 1347-4065
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Frequency Extension of Atomic Measurement of Microwave Strength Using Zeeman Effect2019

    • Author(s)
      Kinoshita Moto、Tojima Yuya、Iida Hitoshi
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement

      Volume: 68 Pages: 2274-2279

    • DOI

      10.1109/tim.2018.2886869

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] セシウム原子の蛍光による電磁波の二次元偏波分離イメージング2022

    • Author(s)
      木下 基、東島 侑矢
    • Organizer
      NMIJ成果発表会
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  • [Presentation] セシウム原子気体を用いた電磁波の二次元偏波分離イメージング2021

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      木下 基、東島 侑矢、飯田仁志
    • Organizer
      電気学会・計測研究会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] テラヘルツ波空間ビームの高信頼定量計測技術の開発2021

    • Author(s)
      飯田 仁志, 木下 基
    • Organizer
      2020年度NMIJ成果発表会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] セシウム原子の蛍光を利用したマイクロ波の二次元可視化イメージング2021

    • Author(s)
      木下 基, 東島 侑矢, 飯田 仁志
    • Organizer
      2020年度NMIJ成果発表会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 原子の共鳴現象を用いたパッチアンテナの放射磁界分布リアルタイムイメージング2021

    • Author(s)
      東島 侑矢
    • Organizer
      2020年度NMIJ成果発表会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] セシウム蒸気セルを用いたパッチアンテナからの放射磁界分布のリアルタイムイメージング2021

    • Author(s)
      東島 侑矢, 木下 基, 飯田 仁志
    • Organizer
      2021年電子情報通信学会総合大会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Measurement of Terahertz Attenuation using a Photo-Acoustic Substitution Method2020

    • Author(s)
      H. Iida, M. Kinoshita
    • Organizer
      Conference on Precision Electromagnetic Measurements 2020
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      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Two-Dimensional Visualization of Radio-Frequency Waves using Cesium Vapor Atoms2020

    • Author(s)
      M. Kinoshita, Y. Tojima, H. Iida
    • Organizer
      Conference on Precision Electromagnetic Measurements 2020
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      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Two-Dimensional Visualization of Radio-Frequency Waves using Cesium Vapor Atoms2020

    • Author(s)
      Moto Kinoshita, Yuya Tojima, Hitoshi Iida
    • Organizer
      Conference on Precision Electromagnetic Measurements 2020
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Measurement of Terahertz Attenuation using a Photo-Acoustic Substitution Method2020

    • Author(s)
      Hitoshi Iida, Moto Kinoshita
    • Organizer
      Conference on Precision Electromagnetic Measurements 2020
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 二重共鳴分光のマイクロ波リアルタイムイメージングとしての応用2019

    • Author(s)
      木下基、東島侑矢、飯田仁志
    • Organizer
      日本物理学会2019年秋季大会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] セシウム原子による電磁波計測の任意周波数化に向けた研究2018

    • Author(s)
      木下 基、東島 侑矢、飯田 仁志
    • Organizer
      2018年度計量標準総合センター成果発表会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] リュードベリ原子を使ったテラヘルツ計測技術の開発2018

    • Author(s)
      木下 基
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      産総研・NEDO合同フォーラム
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Feasibility Study for Atomic Measurement of Microwave Strength at Arbitrary Frequencies within the Full X-Band2018

    • Author(s)
      Moto Kinoshita
    • Organizer
      2018 CONFERENCE ON PRECISION ELECTROMAGNETIC MEASUREMENTS
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      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 量子効果を使った電磁波の可視化に関する検討2018

    • Author(s)
      木下 基
    • Organizer
      テクノブリッジフェア2018 in つくば
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      2018 Annual Research Report
  • [Remarks] 任意の振動方向のマイクロ波をイメージングする技術を開発

    • URL

      https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2021/pr20210121/pr20210121.html

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 電磁波測定装置2018

    • Inventor(s)
      木下 基、石居 正典、飯田 仁志、東島 侑矢
    • Industrial Property Rights Holder
      国立研究開発法人産業技術総合研究所
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2018
    • Acquisition Date
      2022
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      2021 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 電磁波測定装置2018

    • Inventor(s)
      木下 基、石居 正典、飯田 仁志、東島 侑矢
    • Industrial Property Rights Holder
      産業技術総合研究所
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2018-184784
    • Filing Date
      2018
    • Related Report
      2018 Annual Research Report

URL: 

Published: 2018-04-23   Modified: 2022-12-28  

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