光渦の空間モードカイラリティを活用した時間分解分光の開発
| Project/Area Number |
19K22138
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
戸田 泰則 北海道大学, 工学研究院, 教授 (00313106)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2019)
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| Budget Amount *help |
¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
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| Keywords | 光渦 / 時間分解分光 / 光の軌道角運動量 / カイラリティ / 光物性 |
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| Outline of Research at the Start |
光渦は光軸上に位相特異点を有し、そのカイラリティは波面の回転方向で決定される。本研究ではこの特異的な空間モードカイラリティに着目し、モード変換を利用した光波分離にもとづく全く新しい方式の時間分解分光を開発する。カイラリティの異なる同一次数の光渦対の光波分離を実現し、空間モード以外の全光学パラメータを自由かつ高精度に利用可能な時間分解分光を開発する。半導体および超伝導体試料の動的電子相関のダイナミクス観測を通してモード選択性の向上を図るとともに提案手法の有効性を実証する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
光渦は高次の空間モード光波に対応し、その特徴である波面の回転位相勾配は勾配の方向（符号）に応じたカイラリティを持つ。したがって異なるカイラリティを持つ同一次数の光渦対を用いると、完全同軸の光励起に対してカイラリティ選択による渦対の分離が可能となる。本研究ではこの光渦カイラリティに着目し、モード変換を利用した光波分離にもとづく全く新しい方式の時間分解分光を開発することを目的としている。
提案手法を確立するため、昨年度は主にカイラリティの異なる光渦の生成分離に対する光学系の確立と最適化に取り組んだ。解決課題として、（i）光渦の空間モード純度、（ii）検出側の空間モード選択性、（iii）試料反射特性、を設定し、
（項目A）半導体面発光レーザー（VCSEL）に対する空間モード選択制御
（項目B）高温超伝導体試料（Bi2212）の完全同軸型ポンププローブ分光
を実施した。項目Aでは光波の空間モード純度（課題i）と選択性（課題ii）の向上を図り、光注入型VCSELにおけるカイラリティ選択可能な光渦発振を実現した。特に共振器の幾何学位相（グイ位相）にもとづく空間モード変換を用いることにより、非対称共振器に対しても光渦発振可能であることを明らかにし、汎用性の高い光渦レーザー実現に向けた原理実証を行った。並行して項目Bでは空間モードカイラリティを活用した時間分解分光開発に取り組み、直交偏光条件下の完全同軸型時間分解ポンププローブ分光によるカイラリティ選択型過渡応答検出を実現した（課題ii）。
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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
本研究の主要課題である、光渦の特異的な空間モードカイラリティに着目することにより、モード変換にもとづく光渦発振を半導体面発光レーザー（VCSEL）に対して実現した。光渦発振可能なVCSELは、センシングや光通信など光渦利用が有望視される実用光源として開発が望まれており、共振器精度に制限されない光渦発振の原理実証を実現できたことは重要な進展と考える。さらに直交偏光条件下の完全同軸型時間分解ポンププローブ分光によるカイラリティ選択型過渡応答検出を実現し、感度および選択性向上に向けた課題を明確にした。以上を踏まえ、本研究は順調に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度は（i）光渦の空間モード純度、（ii）検出側の空間モード選択性、（iii）試料反射特性、を解決課題として設定し、主にカイラリティの異なる光渦の生成分離に対する光学系の確立と最適化に取り組んだ。レーザー発振のような非線形な過程では、カイラリティにもとづくモード選択が比較的容易に実現できることが示された。反面、時間分解分光などの線形過程が支配的な光計測では、試料の複屈折性や表面や構造等を起源とする散乱が容易にカイラリティ変化を誘起し、測定感度やモード選択性を低下させる。この課題は直交偏光など別の選択性を併用することにより克服可能であることが示された。しかしながら、この解決策では偏光選択の自由度が制限されるため、今年度はa)バランスド検出やカイラル変調等を用いた測定手法としての感度向上（課題i, ii）、さらにｂ）試料複屈折性や構造散乱に対する補償光学系を構築し、カイラリティ選択性の向上（課題iii）を目指す。測定対象は制限されるが、試料表面での偏光回転や大域相関など、従来見過ごしてきた定常領域での課題を見直すことにより、完全同軸共鳴条件下の測定実現に向けて研究を推進する。
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Report
(1 results)
Research Products
(5 results)
