| 研究課題/領域番号 |
19K04510
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分21060:電子デバイスおよび電子機器関連
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| 研究機関 | 福井大学 |
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研究代表者 |
古屋 岳 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 助教 (20401953)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2021年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円)
2020年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2019年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
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| キーワード | 広帯域パルス / 自由誘導減衰 / 低出力励起 / ガス分子 / 高分解能分光 / 広帯域分光 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
時間領域分光法(THz-TDS)を用いたガスセンシングの分解能向上に関して，広帯域テラヘルツパルスで励起されたガス分子から放射される自由誘導減衰（FID）と基準周波数との中間周波を測定することにより，現状のTHz-TDSで報告されている数MHzの分解能に比べ1桁以上の分解能向上を行うとともに，一般的なCW光源では数MHzにとどまる1測定における測定周波数範囲を数GHzまで広帯域化することで，数百kHzの周波数分解能を有する広帯域分光装置の開発を行う．
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| 研究実績の概要 |
一昨年度までの研究において、単色光源であるジャイロトロンを用いたFID検出を試みてきたが、条件の最適化の問題などにより、信号検出には至らなかった。そこで、低出力・単色の光源であるアクティブマルチプライヤーチェーンを用いてガス分子を励起した場合のFID強度の最適条件について見積もりを行い、ジャイロトロンを励起光源とした場合のFID検出の可能性について検討を行った。その結果、30 ns程度に短パルス化したジャイロトロンを光源としてガス分子を励起した際の励起可能周波数幅及び出力がガス分子を飽和可能であるとの見積もりを得た。
この結果を踏まえ、昨年度はジャイロトロンを光源とした励起によるFID計測を試みたが、結果として、FID信号検出には至らなかった。本原因としてはガス分子から観測可能な100-1000 ns程度のFIDを得るためにはガスの圧力を数Pa程度まで下げる必要があるが、その結果、分子の存在量が低下することにより、発生するFID強度に比べ周囲のジャイロトロンの運転に伴う雑音が大きすぎたこと、ジャイロトロン発振パルス毎の位相がそろわないため、積算が困難で、雑音低減が難しいことが挙げられる。そこで、高強度・広帯域光源であるフェムト秒レーザーと非線形光学結晶を用いた波面傾斜法によりテラヘルツ波を発信させ、ガス分子励起を行い、ショットキーバリアダイオードによるFIDのエンベロープ検出を試みた。本実験では、検出器に到達する励起パルスの強度が強く、検出器の破壊閾値の関係から到達する信号を大きく減衰させる必要が生じ、FID取得に十分な信号強度が得られず、FIDのエンベロープ計測には至らなかった。しかし、信号全体の強度を大きく減衰させた後に、信号検出を行っていることから、励起パルスのみを半導体シャッターなどで減衰させ、信号検出を行うことでFID検出の可能性があると考えている。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
一昨年度までの実験において、ガスの励起効率に関する知見を得るため、低出力・単色の光源を用いたFID信号の最適条件の取得を行った。
昨年度は、その結果を受けたジャイロトロンを励起光源とした信号検出を試みたが、大きな外部雑音およびシステム構成条件による積算の困難さにより、FIDの検出には至らなかった。
昨年度計画していた広帯域テラへルツパルスによるガス励起の積算による感度向上に関しては、レーザーの繰り返しに同期が可能な徳島大学所有のレーザーによる実験を予定していたが、訪問のタイミングなどが合わなかったため、実施できなかった。一方で、広帯域のテラヘルツ波励起に関する実験において、一昨年度までに波面傾斜法及び、有機光学結晶による高強度THz波を励起光源としたFID計測を試みたが、こちらについても信号検出には至らなかった。そこで、昨年度は波面傾斜法において、光学系の調整を行うとともに、長光路セルと組み合わせることによる信号検出に取り組んだ。
光軸調整においてはテラヘルツ波の信号強度をミリ波帯の狭帯域アッテネータの減衰率を基準とした検出器の信号ベースではあるが、有機光学結晶使用時の１００倍以上の信号強度を得た。得られた高強度・広帯域テラヘルツ波を励起光源として、折り返しセル内のガス励起を行い、ショットキーバリアダイオードにて、FIDのエンベロープの観測を試みたが、信号検出には至らなかった。これらのことから、研究の進捗はやや遅れている。しかし、昨年度の実験において検出器前に設置した減衰器は検出器の破壊閾値の関係から、130 dBの減衰量に設定しており、FID信号も同時に減衰したことにより、信号が検出できていないと考えられる。そこで、ジャイロトロンの実験において電磁波をnsパルスに短パルス化するために使用している半導体シャッターの導入による信号の増大を計画している。
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度は、昨年度得られた高強度・広帯域テラヘルツパルス励起によるFID計測において、半導体シャッター機構を組み込むことにより、励起パルスの検出器到達強度を低減することによる、FID信号検出を目指す。ジャイロトロンの実験においては使用するパルスの切り出し幅が数十～数百nsであることから、半導体シャッターにはそれほどシャープなキャリアの立ち上がりは要求されず、パルス幅を100 nsのスケールと比較的長い時間幅でで切り出すために半導体のキャリア寿命が長い必要があることから、高抵抗のシリコンが使用されている。一方で、本実験で使用する励起パルス幅は1 ns以下であり、その直後からFIDが発生することから、用いる半導体にはキャリアのシャープな立ち上がりと数ns程度の短いキャリア寿命が求められる。そのため、本研究ではシリコンに比べキャリア寿命の短いSI-GaAsや1 ns以下のキャリア寿命を持つ低温成長のGaAsなどをシャッター材料に使用することで、励起パルスのみを反射することが可能となると考える。半導体を励起するためのレーザー光源にはテラヘルツパルス発生手法である波面傾斜法において、非線形光学結晶を励起するためのフェムト秒レーザーを回折格子に入射した際に発生する0次光を用いることで、テラヘルツパルスとの同期を可能とする。半導体のシャッター性能を確認した後、FID計測系にシャッターを組み込み、励起パルスの減衰量を確認する。その後、ショットキーバリアダイオードによるFIDのエンベロープの観測及び、ミキサーによるFIDの中間周波取得を試みる。
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