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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

研究課題

研究課題/領域番号 19K22138
研究種目

挑戦的研究(萌芽)

配分区分基金
審査区分 中区分30:応用物理工学およびその関連分野
研究機関北海道大学

研究代表者

戸田 泰則  北海道大学, 工学研究院, 教授 (00313106)

研究期間 (年度) 2019-06-28 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
2021年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2020年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
2019年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
キーワード光渦 / 時間分解分光 / 光の軌道角運動量 / カイラリティ / 光物性
研究開始時の研究の概要

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。

研究成果の概要

光渦と呼ばれる空間モードに特徴をもつ光波の分離選択性を活用し、半導体面発光レーザーに対する空間位相変調分光と銅酸化物高温超伝導体に対する同軸時間分解分光を開発した。前者に対しては共振器の幾何学位相にもとづく空間モード変換を使って、らせん位相の方向(カイラリティ)を選択可能な光渦発振を実現した。後者に対しては光渦ビーム内部の強度暗点の空間走査により、暗点部に局在した過渡的超伝導の時空間制御を実現し、高温超伝導体の光学応答の空間的特徴を明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

らせん状の波面を持つ光渦は、その特異的な空間モードカイラリティにもとづいて複数光波を分離したり重ね合わせたりできる。本研究ではそのような光渦の空間特性を時間分解分光に活用し、従来は不可能であった空間位相変調や時間変調、特異点走査を半導体レーザーおよび高温超伝導体に対して実現した。得られた成果はデバイス機能開拓や物性探索に対する光波の空間モードカイラリティ利用の有効性を示しており、光源開発やイメージング、ナノデバイス応用につながる。

報告書

(5件)
  • 2022 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 2019 実施状況報告書
  • 研究成果

    (17件)

すべて 2023 2022 2021 2020 2019

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 2件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] Ultrafast beam pattern modulation by superposition of chirped optical vortex pulses2022

    • 著者名/発表者名
      Honda Asami、Yamane Keisaku、Iwasa Kohei、Oka Kazuhiko、Toda Yasunori、Morita Ryuji
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 12 号: 1

    • DOI

      10.1038/s41598-022-18145-4

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Ultrafast transient reflectivity measurements of optimally doped Bi2+xSr2-xCaCu2O8+delta with disorder2021

    • 著者名/発表者名
      Toda Y.、Tsuchiya S.、Oda M.、Kurosawa T.、Katsumata S.、Naseska M.、Mertelj T.、Mihailovic D.
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 104 号: 9 ページ: 094507-094507

    • DOI

      10.1103/physrevb.104.094507

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Laguerre-Gaussian vortex mode generation from astigmatic semiconductor microcavity2020

    • 著者名/発表者名
      K. Nakagawa, K. Yamane, R. Morita, Y. Toda
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 13 号: 4 ページ: 042001-042001

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ab7bf7

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Comprehensive quantitative analysis of vector beam states based on vector field reconstruction2019

    • 著者名/発表者名
      Suzuki Masato、Yamane Keisaku、Oka Kazuhiko、Toda Yasunori、Morita Ryuji
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 9 号: 1 ページ: 9979-9979

    • DOI

      10.1038/s41598-019-46390-7

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 光渦パルス誘起コヒーレントクエンチ超伝導の時空間特性2023

    • 著者名/発表者名
      戸田 泰則、土屋 聡、山根 啓作、森田 隆二、小田 研
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会16a-PA04-7
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ポンププローブ時間分解分光で探る有機ディラック電子系物質α-(STF)2I3の基底状態2022

    • 著者名/発表者名
      土屋聡, 金井直樹, 岡竜平, 内藤俊雄, 戸田泰則
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会14aW611-13
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 有機伝導体b-(BEDT-TTF)2I3における光誘起金属-絶縁体相分離の探査2022

    • 著者名/発表者名
      永田憲正、土屋聡、谷口弘三、 戸田 泰則
    • 学会等名
      第57回応用物理学会北海道支部/第18回日本光学会北海道地区合同学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 銅酸化物高温超伝導体Bi2201のコヒーレントクエンチ分光2022

    • 著者名/発表者名
      秋葉 俊宏、土屋 聡、戸田 泰則、黒澤 徹、小田 研
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 光渦パルスを用いた超伝導コヒーレントクエンチの実現2022

    • 著者名/発表者名
      戸田 泰則、山岡 利盛、土屋 聡、山根 啓作、森田 隆二、小田 研
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Optical vortex generation and control in rotationally symmetry-breaking microcavities2021

    • 著者名/発表者名
      Yasunori Toda
    • 学会等名
      International Conference on Quantum Liquid Crystals 2021
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 光波の空間構造を利用した物性探索2021

    • 著者名/発表者名
      戸田泰則
    • 学会等名
      第38回プラズマ・核融合学会 年会シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 空間変調光帰還型面発光レーザーの OAM モード発振制御2021

    • 著者名/発表者名
      仲川 幸輝、山根 啓作、森田 隆二、戸田 泰則
    • 学会等名
      第56回応用物理学会北海道支部/第17回日本光学会北海道地区合同学術講演会 B-11 オンライン
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] カイラル変調分光を目的とする分割型デフォーマブルミラーを用いた光渦生成2021

    • 著者名/発表者名
      下田 隆一,土屋 聡,山根 啓作,森田 隆二,戸田 泰則
    • 学会等名
      第56回応用物理学会北海道支部/第17回日本光学会北海道地区合同学術講演会 A-18 オンライン
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] 高次横モード光励起を用いた面発光レーザーの光渦発振特性2020

    • 著者名/発表者名
      仲川 幸輝、山根 啓作、森田 隆二、戸田 泰則
    • 学会等名
      第55回応用物理学会北海道支部/第16回日本光学会北海道地区合同学術講演会 A-21
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] 高次横モード光励起を用いた面発光レーザーの光渦発振特性2020

    • 著者名/発表者名
      仲川 幸輝、山根 啓作、森田 隆二、戸田 泰則
    • 学会等名
      第55回応用物理学会北海道支部学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] OAM mode property of broad-area VCSEL studied by optical injection2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Toda, K. Nakagawa, K. Yamane, R. Morita, Y. Awaji
    • 学会等名
      The 38th JSST Annual International Conference on Simulation Technology
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 空間変調光帰還型面発光レーザーのOAMモード偏光特性2019

    • 著者名/発表者名
      仲川 幸輝、山根 啓作、森田 隆二、戸田 泰則
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書

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公開日: 2019-07-04   更新日: 2024-01-30  

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