フェムト秒光パルスの偏光伝播の顕微動画像記録・観察とその超高速現象観察への応用

• 研究課題/領域番号: 17H01062
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 光工学・光量子科学
• 研究機関: 京都工芸繊維大学
• 研究代表者: 粟辻 安浩 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 教授 (80293984)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 41,990千円 (直接経費: 32,300千円、間接経費: 9,690千円); 2020年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2019年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円); 2018年度: 31,980千円 (直接経費: 24,600千円、間接経費: 7,380千円); 2017年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: 画像工学 / 超高速科学 / 光伝播 / ホログラフィ / 高速度イメージング / 偏光 / フェムト秒技術 / 計測工学 / 光工学・光量子科学 / 可視化 / ホログラフィー / 高速度撮影 / 超高速動画 / フェムト秒テクノロジー / 応用光学・量子光工学 / 画像

研究成果の概要

本研究では，伝播する光を構成する複数の直線偏光成分が空間を伝播する様子を拡大像の動画として同時に記録・再生できる技術を創生した．
まず，Light-in-flightホログラフィで得られる再生像の計算機シミュレータを開発し，拡大光学系の倍率が高くなると動画像記録可能な範囲が狭くなることを定量的に確認した．
次に，異なる媒質の境界面にフェムト秒パルス光がブリュースタ－角で入射する際に，そのパルス光を構成する複数の直線偏光が変化する様子を拡大像の動画として同時記録と観察を実証した．このように，微小領域を伝播するフェムト秒パルス光の偏光伝播の動画像記録・観察とその超高速現象観察への応用に成功した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究成果の最大の意義は，速過ぎて通常では決して見られない光の伝播ならびにその光を構成する直線偏光成分の動きの様子を拡大して動画像観察できることである．本研究では，フェムト秒という超高速かつ微小空間で繰り広げられる現象の物質の物理・化学的情報を含有し，しかも不可視情報である偏光が微小空間を伝播する様子の偏光全成分同時動画記録・観察する技術を世界で初めて実証・創出できた．本技術は光伝播の観察手段として利用できると同時に，超高速現象の観察や未だ解明されていない超高速現象のメカニズムの解明と理解，各種の超高速計測・評価への応用が期待される．

研究成果

• [雑誌論文] Recordable-Time Extension of Digital Light-in-Flight Recording by Holography Using a Polarization-Imaging Camera (2021)
  • 著者名/発表者名: Sawashima Yu、Takamoto Itsuki、Nishio Kenzo、Awatsuji Yasuhiro
  • 雑誌名: IEEE Journal of Quantum Electronics 巻: 57 号: 1 ページ: 1-8
  • DOI: 10.1109/jqe.2020.3034592
  • 査読あり
• [雑誌論文] Influence of the lateral size of a hologram on the reconstructed image in digital light-in-flight recording by holography (2021)
  • 著者名/発表者名: Inoue Tomoyoshi、Sasaki Mika、Nishio Kenzo、Kubota Toshihiro、Awatsuji Yasuhiro
  • 雑誌名: Applied Optics 巻: 60 号: 10 ページ: B59-B59
  • DOI: 10.1364/ao.414990
  • 査読あり
• [雑誌論文] Motion-picture recording of ultrafast behavior of polarized light incident at Brewster’s angle (2020)
  • 著者名/発表者名: Sasaki Mika、Matsunaka Atsushi、Inoue Tomoyoshi、Nishio Kenzo、Awatsuji Yasuhiro
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 7638-7638
  • DOI: 10.1038/s41598-020-64714-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 超短光パルス伝播の様子と偏光情報を同時に動画像で記録する技術 (2020)
  • 著者名/発表者名: 井上智好, 粟辻安浩
  • 雑誌名: レーザ加工学会誌 巻: 27 ページ: 26-28
  • NAID: 40022289883
• [雑誌論文] 偏光伝播のスローモーション観察 (2020)
  • 著者名/発表者名: 井上智好, 松中敦志, 舟橋旦矩, 奥田達也, 西尾謙三, 粟辻安浩
  • 雑誌名: 光学 巻: 49 ページ: 224-224
• [雑誌論文] ホログラフィを用いた光伝播の超高速イメージング (2020)
  • 著者名/発表者名: 井上智好, 久保田敏弘, 粟辻安浩
  • 雑誌名: 日本色彩学会誌 巻: 44 ページ: 220-223
• [雑誌論文] Extending the recordable time in light-in-flight recording by holography (2019)
  • 著者名/発表者名: Awatsuji Yasuhiro、Yamanaka Daiki、Sawashima Yu、Takamoto Itsuki、Matsunaka Atsushi、Nishio Kenzo
  • 雑誌名: Proceedings of the SPIE 巻: 1105106 ページ: 7-7
  • DOI: 10.1117/12.2523539
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spatiotemporal observations of light propagation in multiple polarization states (2019)
  • 著者名/発表者名: Inoue Tomoyoshi、Matsunaka Atsushi、Funahashi Akinori、Okuda Tatsuya、Nishio Kenzo、Awatsuji Yasuhiro
  • 雑誌名: Optics Letters 巻: 44 号: 8 ページ: 2069-2072
  • DOI: 10.1364/ol.44.002069
  • 査読あり
• [雑誌論文] Extending recordable time of light-in-flight recording by holography with double reference light pulses (2018)
  • 著者名/発表者名: Sawashima Yu、Yamanaka Daiki、Takamoto Itsuki、Matsunaka Atsushi、Awatsuji Yasuhiro、Nishio Kenzo
  • 雑誌名: Optics Letters 巻: 43 号: 20 ページ: 5146-5149
  • DOI: 10.1364/ol.43.005146
  • 査読あり
• [学会発表] 超短パルスレーザー光伝播の超高速イメージング (2021)
  • 著者名/発表者名: 粟辻安浩, 井上智好
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第41回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] ホログラフィーを用いた超高速イメージング技術による偏光伝播の動画像記録と観察 (2021)
  • 著者名/発表者名: 井上智好, 西尾謙三, 久保田敏弘, 粟辻安浩
  • 学会等名: 2020年度レーザー学会関西支部・中国四国支部連合若手学術交流研究会(第33回研究会)
• [学会発表] ディジタルlight-in-flight ホログラフィにおける伝播距離に対する再生像の鮮鋭度の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 辻明日香, 粟辻安浩
  • 学会等名: 日本光学会 情報フォトニクス研究グループ 第19回関西学生研究論文講演会
• [学会発表] Simultaneous recording of multiple motion picture of 3D image of polarized light propagation (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Inoue, K. Nishio, Y. Awatsuji
  • 学会等名: 2020 OSA Topical Meeting, Digital Holography and Three-Dimensional Imaging (DH), OSA Imaging and Applied Optics Congress 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Evaluation of influence of rectangular size of hologram on the reconstructed images in digital light-in-flight recording by holography (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Inoue, K. Nishio, T. Kubota, Y. Awatsuji
  • 学会等名: Information Photonics 2020 (IP2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast motion picture of light propagation recorded by holography using a femtosecond pulsed laser (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Awatsuji
  • 学会等名: 2020 Optics & Photonics Taiwan International Conference, 25th Annual Meeting of MOST Photonics Program, Annual Meeting of Taiwan Photonics Society 2020 (OPTIC2020)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ホログラムの空間分離による極短時間差で伝播する2つの超短光パルスの動画像記録 (2020)
  • 著者名/発表者名: 長尾幸紀, 井上智好, 西尾謙三, 久保田敏弘, 粟辻安浩
  • 学会等名: Optics and Photonics Japan 2020
• [学会発表] ディジタルlight-in-flightホログラフィーによる拡大された光パルス伝播の動画記録可能時間の延長 (2020)
  • 著者名/発表者名: 井上智好, 青山尚正, 澤島雄祐, 西尾謙三, 久保田敏弘, 粟辻安浩
  • 学会等名: Optics and Photonics Japan 2020
• [学会発表] Light-in-flightホログラフィック顕微鏡の再生像シミュレーター (2020)
  • 著者名/発表者名: 佐々木みか, 井上智好, 西尾謙三, 久保田敏弘, 粟辻安浩
  • 学会等名: Optics and Photonics Japan 2020
• [学会発表] Light-in-flightホログラフィック顕微鏡の記録条件が再生像に与える影響の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 佐々木みか, 井上智好, 西尾謙三, 久保田敏弘, 粟辻安浩
  • 学会等名: Optics and Photonics Japan 2020
• [学会発表] ホログラフィによる超高速イメージング (2020)
  • 著者名/発表者名: 粟辻安浩
  • 学会等名: 日本色彩学会第51回全国大会 カラーポッド[京都]'20
  • 招待講演
• [学会発表] Light-in-flightホログラフィーによる連続する2つの超短光パルスの動画像記録 (2020)
  • 著者名/発表者名: 長尾幸紀, 粟辻安浩
  • 学会等名: 日本光学会 情報フォトニクス研究グループ 第18回関西学生研究論文講演会
• [学会発表] 偏光の超高速変化を捉えるイメージング技術 (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上智好, 粟辻安浩
  • 学会等名: 偏光の超高速変化を捉えるイメージング技術," 神戸大学 第2回極みプロジェクトシンポジウム/第6回イメージング数理研究会
• [学会発表] 時間差を与えて伝播させる2つの超短光パルスを利用したlight-in-flight ホログラフィによる光伝播の動画像多重記録と観察 (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上智好, 國分拓馬, 松中敦志, 西尾謙三, 粟辻安浩
  • 学会等名: 高速度イメージングとフォトニクスに関する総合シンポジウム2019
• [学会発表] ダブル参照光パルスを用いたディジタルlight-in-flightホログラフィの記録可能時間の延長 (2019)
  • 著者名/発表者名: 澤島雄祐, 高本逸貴, 西尾謙三, 粟辻安浩
  • 学会等名: Optics and Photonics Japan 2019
• [学会発表] リュースター角で入射する超短光パルスの4方向偏光成分の拡大動画像同時記録 (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐々木みか, 松中敦志, 井上智好, 西尾謙三, 粟辻安浩
  • 学会等名: Optics and Photonics Japan 2019
• [学会発表] ディジタルlight-in-flightホログラフィーにおけるホログラムの縦方向複数切り出しによるスペックル抑制 (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐々木みか, 松中敦志, 井上智好, 西尾謙三, 粟辻安浩
  • 学会等名: Optics and Photonics Japan 2019
• [学会発表] ホログラムサイズがディジタルlight-in-flightホログラフィーの再生像へ与える影響の評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上智好, 西尾謙三, 粟辻安浩
  • 学会等名: Optics and Photonics Japan 2019
• [学会発表] ブリュースター角で入射する超短光パルス伝播のディジタル動画像記録 (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐々木みか, 松中敦志, 井上智好, 西尾謙三, 粟辻安浩
  • 学会等名: Optics and Photonics Japan 2019
• [学会発表] 散乱を用いた光伝播のスローモーション観察 (2019)
  • 著者名/発表者名: 粟辻安浩
  • 学会等名: Optics and Photonics Japan 2019
  • 招待講演
• [学会発表] Simultaneous recording and observing of magnified motion pictures of polarized light propagation in three-dimensional medium by digital light-in-flight holography (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Inoue, A. Matsunaka, I. Takamoto, Y. Awatsuji, K. Nishio
  • 学会等名: Information Photonics 2019 (IP'19)
  • 国際学会
• [学会発表] Simultaneous recording and observation of motion pictures of polarized light beams incident at Brewster’s angle (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Matsunaka, M. Sasaki, T. Inoue, Y. Awatsuji, K. Nishio
  • 学会等名: Information Photonics 2019 (IP'19)
  • 国際学会
• [学会発表] 時間差を与えた2組の超短光パルスを用いた光伝播の動画像多重記録と観察 (2019)
  • 著者名/発表者名: 國分拓馬, 粟辻安浩
  • 学会等名: 日本光学会 情報フォトニクス研究グループ 第17回関西学生研究論文講演会
• [学会発表] Light-in-flight ホログラフィを用いたブリュースタ角で入射する光パルスの4方向偏光成分の拡大動画像同時記録 (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐々木みか, 粟辻安浩
  • 学会等名: 日本光学会 情報フォトニクス研究グループ 第17回関西学生研究論文講演会
• [学会発表] Extending the recordable time in light-in-flight recording by holography (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Awatsuji, D. Yamanaka, Y. Sawashima, I. Takamoto, A. Matsunaka, K. Nishio
  • 学会等名: The 32nd International Congress on High-Speed Imaging and Photonics (ICHSIP-32)
  • 国際学会
• [学会発表] Simultaneous recording of multiple and magnified motion pictures of polarized light propagation in three-dimensional medium by digital light-in-flight recording by holography (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Inoue, A. Matsunaka, I. Takamoto, Y. Awatsuji, K. Nishio
  • 学会等名: The 8th Japan-Korea Workshop on Digital Holography and Information Photonics (DHIP2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Simultaneous recording of motion pictures of polarized light beam of an ultrashort light before and after reflection by glass (2018)
  • 著者名/発表者名: A. Matsunaka, T. Inoue, Y. Awatsuji, K. Nishio
  • 学会等名: The 8th Japan-Korea Workshop on Digital Holography and Information Photonics (DHIP2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 拡大光学系とディジタルlight-in-flightホログラフィーを用いた3次元媒質中を伝播する光の4方向直線偏光の動画像記録 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井上智好, 松中敦志, 高本逸貴, 粟辻安浩, 西尾謙三
  • 学会等名: Optics and Photonics Japan 2018
• [学会発表] ブリュースター角で入射する超短光パルスの4方向動画像同時記録 (2018)
  • 著者名/発表者名: 松中敦志, 井上智好, 粟辻安浩, 西尾謙三
  • 学会等名: Optics and Photonics Japan 2018
• [学会発表] ディジタルlight-in-flightホログラフィによる3次元媒質中を伝播する偏光の動画像定量評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井上智好, 粟辻安浩
  • 学会等名: 日本光学会 情報フォトニクス研究グループ 第16回関西学生研究論文講演会
• [学会発表] ダブル参照光パルスを用いた光伝播の記録可能時間の延長 (2018)
  • 著者名/発表者名: 澤島雄祐, 粟辻安浩
  • 学会等名: 日本光学会 情報フォトニクス研究グループ 第16回関西学生研究論文講演会
• [学会発表] Light-in-flight recording by holography not using scattering light (2017)
  • 著者名/発表者名: I. Takamoto, D. Yamanaka, Y. Tsuda, Y. Awatsuji, K. Nishio,
  • 学会等名: Information Photonics 2017 (IP'17)
  • 国際学会
• [学会発表] 透過型light-in-flight ホログラフィー (2017)
  • 著者名/発表者名: 髙本逸貴, 粟辻安浩, 西尾謙三
  • 学会等名: Optics and Photonics Japan 2017
• [備考] 粟辻安浩のホームページ
  • URL: http://www.cis.kit.ac.jp/~awatsuji/index-j.html
• [備考] 約10兆分の1秒の世界をスローモーションで観察できる超高速動画像の撮影時間の倍増に世界で初めて成功
  • URL: https://www.kit.ac.jp/2020/11/news20201113/
• [備考] 光の振動方向によって異なる反射の様子を世界で初めてスローモーション動画に記録
  • URL: https://www.kit.ac.jp/category/topics/
• [備考] 高速度3次元動画像計測ならびに超高速動画像記録技術
  • URL: https://www.kit.ac.jp/2020/05/chuumokukenkyu202005/
• [備考] 京都工芸繊維大学ホームページ ニュース 2019年4月16日
  • URL: https://www.kit.ac.jp/2019/04/news190416/
• [備考] 京都工芸繊維大学ホームページ ニュース 2019年4月16日 内容詳細
  • URL: https://www.kit.ac.jp/wp/wp-content/uploads/2019/04/news190416_1.pdf
• [備考]
  • URL: http://www.cis.kit.ac.jp/~awatsuji/index-j.html