ループ光学系による10ピコメートル測定への挑戦

• 研究課題/領域番号: 23K17715
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分18:材料力学、生産工学、設計工学およびその関連分野
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 松隈 啓 東北大学, 工学研究科, 准教授 (90728370)
• 研究期間 (年度): 2023-06-30 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2024年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2023年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: 光周波数コム / 光計測 / レーザー

研究開始時の研究の概要

量子物性，量子コンピューティング，材料の変形・破壊プロセスなどの科学領域に対して，ナノメートルを下回る変位量を捉える手段は新たな価値創造のポテンシャルを秘めている．一方で，精密測定機器として，エンコーダなどのいわゆる位置決め装置，静電容量センサなどの変位測定器，走査型プローブ顕微鏡などが挙げられるが，分解能の欠如や測定の遅さ，簡単に測定対象に組み込めないことが多いなど課題が多い．そこで本提案手法でループ光学系と名付けた手法を組み込むことで，10 pmクラス(約原子1個分)の測定分解能で高速・簡便な測定を可能にする新しい光干渉計を提案し，原理実証実験を行う．

研究実績の概要

量子物性，量子コンピューティング，材料の変形・破壊プロセスなどの科学領域に対して，ナノメートルを下回る変位量を捉える手段は新たな価値創造のポテンシャルを秘めている．一方で，精密測定機器として，エンコーダなどのいわゆる位置決め装置，静電容量センサなどの変位測定器，走査型プローブ顕微鏡などが挙げられるが，分解能の欠如や測定の遅さ，簡単に測定対象に組み込めないことが多いなど課題が多い．そこで本提案手法でループ光学系と名付けた手法を組み込むことで，10 pmクラス(約原子1個分)の測定分解能で高速・簡便な測定を可能にする新しい光干渉計を提案し，原理実証実験を行うことを本研究課題の目的としている．
本研究課題遂行の初年度である２０２３年度は，主として当研究課題の基盤技術である，光周波数コムの構築および，周波数制御に関する実験を行った．まず，本研究で必要となる特性について，種々の条件を計算・決定した．この条件に基づいて，光周波数コム用の共振器を構築した．次に光周波数制御のための測定器構築と実際の測定を行った．フォトダイオードと周波数カウンタを用いた繰り返し周波数測定，およびf-2f干渉計を用いたキャリアエンベロープオフセット周波数測定を行い，それぞれがmHzオーダーで制御できていることを確認した．以上から，初期に目標としていた２０２３年度達成目標をすべての項目について，終わらせることができている．さらに，研究開始時には２０２４年度以降に行う予定としていた本研究課題の要であるループ光学系について，信号の計算や設計などを行った．

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

２０２３年度に設定した年度内目標をすべて達成したため．

今後の研究の推進方策

２０２４年度は，本研究の完成に向け，ループ光学系構築および，それを用いた計測に焦点を当てて研究を行う予定である．すでに行った予備実験をもとにした計算によると，現状のシステムでは必要となる光量に足りない可能性もある．その場合には，光増幅器を加えるなどで対応が必要になると考えられる．また，２０２３年度に終了した基盤研究(B)課題「同時フィルタリングデュアル光コム非線形分光法によるトレーサブルな超精密角度計測」で用いたデュアルコム分光装置で得た知見も生かしながら場合によっては，デュアルコム分光装置の導入も視野に入れた応用研究への展開も考えていく予定である．