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振動分光イノベーションへ向けた中赤外極短パルスコム光源の開発

Research Project

Project/Area Number 20H02651
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

芦原 聡  東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10302621)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2021: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000)
Fiscal Year 2020: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000)
Keywords超短パルスレーザー / 中赤外波長域 / 光周波数コム / 振動分光
Outline of Research at the Start

中赤外域は『分子の指紋領域』と呼ばれるように分子振動の共鳴線の宝庫である。そのため,分子の構造解析・同定・定量分析において最も重要な波長域といえる。ところが、これまで赤外分光法に用いられてきた熱光源は、広いスペクトルをもつ反面、指向性・収束性に乏しい。そのため、微量分子の高感度検出や顕微計測など、近年高まる期待には応えられないでいる。本研究では、この現状を打破する新たな中赤外光源を創出する。すなわち、中赤外域で広いスペクトル・精密な周波数確度・短い時間幅・優れた空間コヒーレンスを有する光源を開発する。この新たな中赤外光源の創出を通して、振動分光法の進展に貢献する。

Outline of Annual Research Achievements

中赤外域は『分子の指紋領域』と呼ばれるように分子振動の共鳴線の宝庫である。そのため,分子の構造解析・同定・定量分析において最も重要な波長域といえる。ところが、これまで赤外分光法に用いられてきた熱光源は、広いスペクトルをもつ反面、指向性・収束性に乏しいため、微量分子の高感度検出や顕微計測など、近年高まる期待には応えられないでいる。この現状を打破すべく、本研究では、中赤外域で広いスペクトル・精密な周波数確度・短い時間幅・優れた空間コヒーレンスを有する中赤外周波数コム光源を開発する。
初年度となる本年度は、本研究の基盤となるCr:ZnSモード同期レーザーの開発を行った。レーザー共振器を設計・製作し、半導体カーボンナノチューブを可飽和吸収体とする受動モード同期発振を実現した。さらに、特殊な分散設計を施した誘電体多層膜ミラーを導入することにより、中心波長2.3ミクロンで光電場振動5サイクル以下(時間幅にして36フェムト秒)のパルス発生に成功した。その際、出力パルスエネルギー4.2ナノジュールを得た。
本研究で用いたカーボンナノチューブは、これまでファイバーレーザーなどに用いられてきたものと比べて大きな直径(約2.2ナノメートル)を有するため、波長2.3ミクロン付近に励起子に起因する共鳴吸収を示す。本研究では、Zスキャン法およびポンプ・プローブ分光法により、このカーボンナノチューブの可飽和吸収特性(飽和フルエンスおよび回復時間)を計測し、中赤外域で動作する高速かつ高感度な可飽和吸収素子としての高いポテンシャルを明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初計画では、初年度の目標として、(i)Cr:ZnSレーザーのモード同期発振、(ii)分散補償誘電体多層膜ミラーを用いた光電場振動6サイクル以下(時間幅にして48フェムト秒以下)のパルス発生、そして(iii)カーボンナノチューブの可飽和吸収特性の計測を立てた。実際には、これら3つの目標を達成してその成果を国際学術誌Optics Expressに発表した。さらには、光電場振動5サイクル以下(時間幅にして36フェムト秒)という目標を上回る短パルス化に成功した。以上の理由により、当初の計画以上に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

開発したCr:ZnSモード同期レーザーの周波数コム化に着手する。すなわち、縦モード間隔とオフセット周波数を安定化する。具体的には、高速光検出器とスペクトルアナライザで縦モード間隔を計測するとともに、f-2f干渉と呼ばれる手法でオフセット周波数を計測し、それらの情報を励起パワーと共振器長にフィードバックする。これにより、各縦モードの周波数を安定化させる。
並行して、モード同期光源のさらなる高出力化を目指す。そのために、Crイオンの高濃度添加結晶を用いる。また、レーザー発振器の後段にレーザー増幅器を構築し、繰り返し周波数 40 MHzで平均出力3W以上、パルスエネルギー50nJ以上への高出力化を目指す。

Report

(1 results)
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(25 results)

All 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 1 results) Presentation (18 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 4 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] Aalto University/Canatu, Ltd.(フィンランド)

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    • Author(s)
      Dayal Govind、Morichika Ikki、Ashihara Satoshi
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      Volume: 12 Pages: 3171-3175

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.1c00081

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    • Author(s)
      Okazaki Daiki、Morichika Ikki、Arai Hayato、Kauppinen Esko、Zhang Qiang、Anisimov Anton、Varjos Ilkka、Chiashi Shohei、Maruyama Shigeo、Ashihara Satoshi
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 28 Pages: 19997-19997

    • DOI

      10.1364/oe.395962

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    • Author(s)
      Kitade Shuta、Yamada Atsushi、Morichika Ikki、Yabana Kazuhiro、Ashihara Satoshi
    • Journal Title

      ACS Photonics

      Volume: 8 Pages: 152-157

    • DOI

      10.1021/acsphotonics.0c01680

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      Morichika Ikki、Ashihara Satoshi
    • Journal Title

      Proceedings of SPIE (Optical Manipulation and Structured Materials Conference)

      Volume: 11522

    • DOI

      10.1117/12.2573772

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      芦原聡,今坂光太郎
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      レーザー研究

      Volume: 48 Pages: 174-178

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      芦原聡
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      Wenqing Song, Daiki Okazaki, Ikki Morichika, and Satoshi Ashihara
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      Tobias Kugel, Daiki Okazaki, Ko Arai, and Satoshi Ashihara
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      第68回応用物理学会春季学術講演会, 19a-Z06-3
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  • [Presentation] Design and development of two-dimensional spectral shearing interferometry for mode-locked Cr:ZnS laser pulses2021

    • Author(s)
      Tobias Kugel, Daiki Okazaki, Ko Arai, Satoshi Ashihara
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      レーザー学会学術講演会第41回年次大会, B09-20p-II-02
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      I. Morichika and S. Ashihara
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      D. Okazaki, I. Morichika, E. Kauppinen, Z. Qiang, A. Anisimov, V. Ilkka, S. Chiashi, S. Maruyama, and S. Ashihara
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      The 22nd International Conference on Ultrafast Phenomena, W3A.7
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  • [Presentation] Cr:ZnS laser pulse characterization by two-dimensional spectral shearing interferometry2020

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      T. Kugel, D. Okazaki, K. Arai, and S. Ashihara
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      OSJ-OSA-OSK Joint Symposia in Optics & Photonics Japan 2020, 14pCJ4
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  • [Presentation] Bond-breaking and adsorption of molecules at plasmonic hot-spots initiated by infrared vibrational excitation2020

    • Author(s)
      I. Morichika and S. Ashihara
    • Organizer
      The 7th Optical Manipulation and Structured Materials Conference, OMC7-05
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  • [Presentation] 赤外プラズモニクスで拓く振動分光の新たな展開2020

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      芦原聡
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    • Author(s)
      新井滉,岡崎大樹,森近一貴,芦原聡
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      日本光学会年次学術講演会OPJ2020, 17pC9
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      高橋知宏,森近一貴,芦原聡
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      日本光学会年次学術講演会OPJ2020, 17pC8
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      岡崎大樹,Kaupinnen Esko,千足昇平,丸山茂夫,芦原聡
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      第81回応用物理学会秋季学術講演会, 10p-Z19-14
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  • [Presentation] 金ナノ構造からの電子放出を用いた光電場計測素子の開発2020

    • Author(s)
      新井滉,岡崎大樹,森近一貴,芦原聡
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      第81回応用物理学会秋季学術講演会, 10a-Z19-6
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  • [Remarks] 芦原聡研究室ホームページ

    • URL

      http://www.ashihara.iis.u-tokyo.ac.jp/wordpress/publication/

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Published: 2020-04-28   Modified: 2022-04-19  

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