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
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20H02651
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
芦原 聡 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10302621)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| 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)
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| 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 |
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| 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。
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| 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。
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| 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。
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| 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。
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Report
(1 results)
Research Products
(25 results)
