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利得スイッチ半導体レーザーのマルチタイムスケール・シングルショット分光への応用

研究課題

研究課題/領域番号 23K13039
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分13020:半導体、光物性および原子物理関連
研究機関東京大学

研究代表者

小林 真隆  東京大学, 物性研究所, 助教 (30911838)

研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2028-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
2027年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2026年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2025年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2024年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
キーワード利得スイッチ / シングルショット / 半導体レーザー
研究開始時の研究の概要

従来のシングルショット分光法では、プローブ光の時間窓を調整するには、光学素子の配置をその都度調整する必要があり、一つの分光システムで観測できるダイナミクスの時間スケールに制限があった。本研究の目的は、利得スイッチ半導体レーザーとシングルショット分光法とを組み合わせることで、電気的なトリガー信号の制御のみでフェムト秒~マイクロ秒の広範な時間スケールで時間窓を任意に設定可能な分光システムを開発し、レーザー加工時に発生する不可逆過程の全てを一つのシングルショット分光装置で観測し、超高速なキャリアダイナミクスと構造変化との因果関係を明らかにすることである。

研究実績の概要

申請者は、駆動エレクトロニクスを工夫することでパルス整形や繰り返し速度に柔軟な選択性を有する利得スイッチ半導体レーザーと、レーザー加工をはじめとする不可逆現象を観測可能なシングルショット分光手法とを組み合わせることで、電気的なトリガー信号を制御することで幅広い時間スケールで発生する不可逆変化ダイナミクスを一つの分光システムで全て観測することが可能な「マルチタイムスケール・シングルショット分光システム」を開発することを目的とした本研究を進めている。
本年度はシングルショット分光システムのシード光源に用いる半導体レーザーのパルス発生特性の理解に取り組んだ。市販されている変調帯域 30 GHzの1270 nm DFB半導体レーザーを光源とし、85ピコ秒の電気パルス励起による利得スイッチ光パルスを発生させたところ、最短で5.3ピコ秒の光パルスを計測した。この測定では、シングルモードファイバーによるチャープ補正を行うのみであり、スペクトルフィルタリングや非線形パルス圧縮など付加的な手法を用いていない。加えてスペクトル幅とパルス幅の積から、この5.3ピコ秒の光パルスがフーリエ限界パルスに近いものであることがわかった。この結果からこれまでの1500nm帯や1000nm帯の波長帯に加え、1300nm帯のLDでも10ps以下の短パルスを発生することが可能となり、本研究の目指すシングルショット分光システムの活用の幅が広がった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本年度は分光システムのシード光源に用いる半導体レーザーの短パルス発生特性の理解に取り組み、変調帯域 30 GHzの1270 nm DFB半導体レーザーから最短で5.3ピコ秒の利得スイッチ光パルスを計測した。この研究結果を踏まえ、現在までの進捗状況を鑑みると、開発したキャリア注入用のパルス電源装置を用いた電気パルス励起により発振させた利得スイッチ半導体レーザーの波長帯を、これまでの1500nm帯や1000nm帯の波長帯に加え、1300nm帯のLDでも10ps以下の短パルスを発生することが可能であると確認でき、「マルチタイムスケール・シングルショット分光システム」の開発において進捗があったと考える。以上の見解から、本研究課題の進捗状況として概ね順調に進展していると評価する。

今後の研究の推進方策

市販の高速変調が可能なDFB半導体レーザーにおいても、利得スイッチ駆動と適切なチャープ補正を行うことで、数ピコ秒の短パルスを発生できることがわかった。この成果により、本研究で開発するシングルショット分光システムで用いることができるプローブ光の波長帯の選択肢が広がった。そのため今後の研究の推進方策として、当研究室で開発している1030nm半導体レーザーに加えて、1300nm帯半導体レーザーでも同様のシングルショット分光システムが構築できるかどうかを検証する計画でいる。

報告書

(1件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 研究成果

    (13件)

すべて 2023 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (9件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Photo-cleaving and photo-bleaching quantum yields of coumarin-caged luciferin2023

    • 著者名/発表者名
      Kumagai Ryo、Ono Ryohei、Sakimoto Shu、Suzuki Chiharu、Kanno Ken-ichiro、Aoyama Hiroshi、Usukura Junko、Kobayashi Masataka、Akiyama Hidefumi、Itabashi Hideyuki、Hiyama Miyabi
    • 雑誌名

      Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry

      巻: 434 ページ: 114230-114230

    • DOI

      10.1016/j.jphotochem.2022.114230

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Pulse-to-pulse ultrafast dynamics of highly photoexcited Ge<sub>2</sub>Sb<sub>2</sub>Te<sub>5</sub> thin films2023

    • 著者名/発表者名
      Kobayashi Masataka、Arashida Yusuke、Asakawa Kanta、Kaneshima Keisuke、Kuwahara Masashi、Konishi Kuniaki、Yumoto Junji、Kuwata-Gonokami Makoto、Takeda Jun、Katayama Ikufumi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 62 号: 2 ページ: 022001-022001

    • DOI

      10.35848/1347-4065/acb476

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Gain-switched pulse generation of 5.3 ps from 30 GHz-modulation-bandwidth 1270 nm DFB laser diode2023

    • 著者名/発表者名
      Kobayashi Masataka、Nakamura Takahiro、Nakamae Hidekazu、Kim Changsu、Akiyama Hidefumi
    • 雑誌名

      Optics Letters

      巻: 48 号: 23 ページ: 6344-6344

    • DOI

      10.1364/ol.510237

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 変調帯域30GHzDFB 半導体レーザーによる5.3ps 利得スイッチパルス発生2023

    • 著者名/発表者名
      小林真隆,中村考宏,曹伏毅,中前秀一,金昌秀,陳少強,秋山英文
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会(2023年)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] ルミノール化学発光の精密定量計測2023

    • 著者名/発表者名
      倉田洋佑,小野稜平,小林真隆,秋山英文,板橋英之,樋山みやび
    • 学会等名
      第17回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 北米産ホタルルシフェラーゼと人工基質AkaLumineによる発光反応のin situ吸収測定2023

    • 著者名/発表者名
      大澤敬太,小野稜平,野口良史,山本典史,北田昇雄,森屋亮平,平野誉,牧昌次郎,小林真隆,秋山英文,板橋英之,樋山みやび
    • 学会等名
      第17回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] キラルHPLCを用いたDEACMケージドルシフェリンの光解離定量計測2023

    • 著者名/発表者名
      中野智哉,小野稜平,菅野研一郎,青山洋史,薄倉淳子,小林真隆,秋山英文,板橋英之,樋山みやび
    • 学会等名
      第17回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] クマリンケージドルシフェリンの光開裂過程2023

    • 著者名/発表者名
      熊谷遼,小野稜平,菅野研一郎,青山洋史,薄倉淳子,小林真隆,秋山英文,板橋英之,樋山みやび
    • 学会等名
      第17回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] レーザー及びLED光源を用いたケージドルシフェリンの光開裂2023

    • 著者名/発表者名
      今西勇輔,小野稜平,中野智哉,松永大輝,小林真隆,秋山英文,板橋英之,樋山みやび
    • 学会等名
      第17回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] レーザー及びLED光源によるD-Luciferin破壊条件2023

    • 著者名/発表者名
      松永大輝,小野稜平,小林真隆,秋山英文,板橋英之,樋山みやび
    • 学会等名
      第17回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] レーザー及びLED 光源によるクマリンケージドルシフェリンの破壊条件2023

    • 著者名/発表者名
      今西勇輔,小野稜平,中野智哉,松永大輝,小林真隆,秋山英文,板橋英之,樋山みやび
    • 学会等名
      第8回フォトニクスワークショップ
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] レーザー及びLED 光源によるD-Luciferin 光破壊条件2023

    • 著者名/発表者名
      松永大輝,小野稜平,小林真隆,秋山英文,板橋英之,樋山みやび
    • 学会等名
      第8回フォトニクスワークショップ
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [備考] researchmap(小林真隆)

    • URL

      https://researchmap.jp/kobayashi-masataka

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2023-04-13   更新日: 2024-12-25  

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