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2019 年度 実施状況報告書

LD直接励起レーザーを用いた高強度高周波テラヘルツ波発生とその応用

研究課題

研究課題/領域番号 19K15462
研究機関東京大学

研究代表者

神田 夏輝  東京大学, 物性研究所, 助教 (60631778)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
キーワードテラヘルツ・中赤外光
研究実績の概要

周波数が数十テラヘルツの高周波テラヘルツ波領域では、高強度光源を用いた高速な物性制御への応用が注目を集めており、位相安定な高強度光源が求められている。本研究では、近年利用可能となってきたレーザーダイオード直接励起の高安定なYbレーザーをベースとして、高い安定性と高繰返し性を活用しつつバンド幅の狭さを克服した、新たな高強度高周波テラヘルツ光源の実現を目指している。
当該年度には、まず高強度高周波テラヘルツ光の時間領域分光を行うために超短光パルスの圧縮方法を確立した。パルス幅255 fsのレーザーダイオード直接励起Yb:KGW再生増幅器の出力の一部を2段階のマルチプレートブロードニングと分散補償により11 fsまで圧縮した。非線形光学結晶GaSeによるパルス差周波発生により50 THzにまで及ぶ広帯域な高周波テラヘルツパルスの発生・検出を実現し、数時間にわたって積算可能な位相安定性を有していることを確認した。
さらに、高強度高周波テラヘルツ光源の実現に向けて要素技術として、光パラメトリック増幅過程のシグナル光としての増幅を高周波テラヘルツ領域で実証した。1段のパラメトリック増幅で100倍以上のパルスエネルギーの増幅が見られ、GaSe結晶への入射角により位相整合条件を制御することで17.5~43.6THzの間で周波数を選択できることを示した。本手法ではシード光にはパルス内差周波過程を用いているため、従来手法の2波長の2本のビームの差周波の場合に問題となる光路長揺らぎに起因する位相揺らぎが生じにくいという利点を持つ。さらに、この安定なシード光をシグナル光として増幅を行っているため、増幅後においても6時間にわたって揺らぎが44mradという非常に高い位相安定性を実現した。
当該年度の成果により、本研究で目標とする高強度高安定な高周波テラヘルツ光源の実現への道が開かれたと考える。

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

本研究の目標である高強度高安定な高周波テラヘルツ光源の実現のために、要素技術である光パラメトリック増幅を実証することができた。

今後の研究の推進方策

2019年度には光パラメトリック増幅により高周波テラヘルツ波の増幅に成功した。今後はこの増幅過程を詳細に調べることで高強度化への指針を得る。また、光パラメトリック増幅を複数段構築することで、さらに高強度な光源を実現する予定である。非線形結晶についても、GaSe結晶だけでなくLGS結晶など他の結晶も用いることで光パラメトリック増幅の周波数範囲をさらなる高周波へ拡張できると考えている。

次年度使用額が生じた理由

年度末に参加予定の国内会議が中止になり、交通費が不要となり使用予定額に誤差が生じた。繰越金額は次年度に計画している光源の高強度化に必要な光学素子の購入に充てる。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] The Johns Hopkins University/University of California(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      The Johns Hopkins University/University of California
  • [雑誌論文] Efficient Terahertz Harmonic Generation with Coherent Acceleration of Electrons in the Dirac Semimetal Cd3As22020

    • 著者名/発表者名
      Bing Cheng, Natsuki Kanda, Tatsuhiko N. Ikeda, Takuya Matsuda, Peiyu Xia, Timo Schumann, Susanne Stemmer, Jiro Itatani, N. P. Armitage, and Ryusuke Matsunaga
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 124 ページ: 117402

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.117402

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Time-domain spectroscopy of optical parametric amplification for phase-stable terahertz-to-midinfrared pulses2020

    • 著者名/発表者名
      Natsuki Kanda, Nobuhisa Ishii, Jiro Itatani, and Ryusuke Matsunaga
    • 雑誌名

      arXiv (Optics)

      巻: arXiv:2005.03538 ページ: -

    • オープンアクセス
  • [学会発表] ディラック半金属Cd3As2薄膜における超高効率テラヘルツ高調波発生2020

    • 著者名/発表者名
      神田夏輝,Bing Cheng,池田達彦,松田拓也,夏沛宇,Timo Schumann,Susanne Stemmer,板谷治郎,N. P. Armitage,松永隆佑
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会第40回年次大会
  • [学会発表] Yb系レーザーによるテラヘルツポンプ-テラヘルツプローブ分光系開発とディラック半金属のサブサイクル分光2020

    • 著者名/発表者名
      松永隆佑,神田夏輝,松田拓也
    • 学会等名
      日本物理学会第75回年次大会
  • [学会発表] ディラック半金属におけるテラヘルツ高次高調波発生の理論2020

    • 著者名/発表者名
      池田達彦,神田夏輝,Bing Cheng,松田拓也,夏沛宇,Timo Schumann,Susanne Stemmer,板谷治郎,N. P. Armitage,松永隆佑
    • 学会等名
      日本物理学会第75回年次大会
  • [学会発表] ディラック半金属Cd3As2薄膜における高効率テラヘルツ高調波発生の観測とサブサイクル分光2020

    • 著者名/発表者名
      神田夏輝,Bing Cheng,池田達彦,松田拓也,夏沛宇,Timo Schumann,Susanne Stemmer,板谷治郎,N. P. Armitage,松永隆佑
    • 学会等名
      日本物理学会第75回年次大会
  • [学会発表] Subcycle time-resolved study for efficient terahertz high harmonic generation in Dirac semimetal Cd3As22020

    • 著者名/発表者名
      Natsuki Kanda, Bing Cheng, Tatsuhiko N. Ikeda, Takuya Matsuda, Peiyu Xia, Timo Schumann, Susanne Stemmer, Jiro Itatani, N. P. Armitage, and Ryusuke Matsunaga
    • 学会等名
      SPIE OPTO Ultrafast Phenomena and Nanophotonics XXIV
    • 国際学会
  • [学会発表] マルチプレートブロードニングによる高周波テラヘルツ時間領域分光2019

    • 著者名/発表者名
      神田夏輝, 石井順久, 板谷治郎, 松永隆佑
    • 学会等名
      日本物理学会2019年秋季大会
  • [学会発表] 高周波テラヘルツ帯における光パラメトリック増幅2019

    • 著者名/発表者名
      神田夏輝, 石井順久, 板谷治郎, 松永隆佑
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] ディラック半金属における高効率テラヘルツ高調波発生2019

    • 著者名/発表者名
      神田夏輝,Bing Cheng,池田達彦,松田拓也,夏沛宇,Timo Schumann,Susanne Stemmer,板谷治郎,N. P. Armitage,松永隆佑
    • 学会等名
      シンポジウム テラヘルツ科学の最先端Ⅵ
  • [備考] 東京大学物性研究所松永研究室

    • URL

      https://matsunaga.issp.u-tokyo.ac.jp/publications.html

URL: 

公開日: 2021-01-27  

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