• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2020 年度 実績報告書

振動分光イノベーションへ向けた中赤外極短パルスコム光源の開発

研究課題

研究課題/領域番号 20H02651
研究機関東京大学

研究代表者

芦原 聡  東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10302621)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワード超短パルスレーザー / 中赤外波長域 / 光周波数コム / 振動分光
研究実績の概要

中赤外域は『分子の指紋領域』と呼ばれるように分子振動の共鳴線の宝庫である。そのため,分子の構造解析・同定・定量分析において最も重要な波長域といえる。ところが、これまで赤外分光法に用いられてきた熱光源は、広いスペクトルをもつ反面、指向性・収束性に乏しいため、微量分子の高感度検出や顕微計測など、近年高まる期待には応えられないでいる。この現状を打破すべく、本研究では、中赤外域で広いスペクトル・精密な周波数確度・短い時間幅・優れた空間コヒーレンスを有する中赤外周波数コム光源を開発する。
初年度となる本年度は、本研究の基盤となるCr:ZnSモード同期レーザーの開発を行った。レーザー共振器を設計・製作し、半導体カーボンナノチューブを可飽和吸収体とする受動モード同期発振を実現した。さらに、特殊な分散設計を施した誘電体多層膜ミラーを導入することにより、中心波長2.3ミクロンで光電場振動5サイクル以下(時間幅にして36フェムト秒)のパルス発生に成功した。その際、出力パルスエネルギー4.2ナノジュールを得た。
本研究で用いたカーボンナノチューブは、これまでファイバーレーザーなどに用いられてきたものと比べて大きな直径(約2.2ナノメートル)を有するため、波長2.3ミクロン付近に励起子に起因する共鳴吸収を示す。本研究では、Zスキャン法およびポンプ・プローブ分光法により、このカーボンナノチューブの可飽和吸収特性(飽和フルエンスおよび回復時間)を計測し、中赤外域で動作する高速かつ高感度な可飽和吸収素子としての高いポテンシャルを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当初計画では、初年度の目標として、(i)Cr:ZnSレーザーのモード同期発振、(ii)分散補償誘電体多層膜ミラーを用いた光電場振動6サイクル以下(時間幅にして48フェムト秒以下)のパルス発生、そして(iii)カーボンナノチューブの可飽和吸収特性の計測を立てた。実際には、これら3つの目標を達成してその成果を国際学術誌Optics Expressに発表した。さらには、光電場振動5サイクル以下(時間幅にして36フェムト秒)という目標を上回る短パルス化に成功した。以上の理由により、当初の計画以上に進展していると言える。

今後の研究の推進方策

開発したCr:ZnSモード同期レーザーの周波数コム化に着手する。すなわち、縦モード間隔とオフセット周波数を安定化する。具体的には、高速光検出器とスペクトルアナライザで縦モード間隔を計測するとともに、f-2f干渉と呼ばれる手法でオフセット周波数を計測し、それらの情報を励起パワーと共振器長にフィードバックする。これにより、各縦モードの周波数を安定化させる。
並行して、モード同期光源のさらなる高出力化を目指す。そのために、Crイオンの高濃度添加結晶を用いる。また、レーザー発振器の後段にレーザー増幅器を構築し、繰り返し周波数 40 MHzで平均出力3W以上、パルスエネルギー50nJ以上への高出力化を目指す。

  • 研究成果

    (25件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 1件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (18件) (うち国際学会 4件、 招待講演 4件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Aalto University/Canatu, Ltd.(フィンランド)

    • 国名
      フィンランド
    • 外国機関名
      Aalto University/Canatu, Ltd.
  • [雑誌論文] Vibrational Strong Coupling in Subwavelength Nanogap Patch Antenna at the Single Resonator Level2021

    • 著者名/発表者名
      Dayal Govind、Morichika Ikki、Ashihara Satoshi
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 12 ページ: 3171~3175

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.1c00081

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ultrafast saturable absorption of large-diameter single-walled carbon nanotubes for passive mode locking in the mid-infrared2020

    • 著者名/発表者名
      Okazaki Daiki、Morichika Ikki、Arai Hayato、Kauppinen Esko、Zhang Qiang、Anisimov Anton、Varjos Ilkka、Chiashi Shohei、Maruyama Shigeo、Ashihara Satoshi
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 28 ページ: 19997~20006

    • DOI

      10.1364/OE.395962

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Nonlinear Shift in Phonon-Polariton Dispersion on a SiC Surface2020

    • 著者名/発表者名
      Kitade Shuta、Yamada Atsushi、Morichika Ikki、Yabana Kazuhiro、Ashihara Satoshi
    • 雑誌名

      ACS Photonics

      巻: 8 ページ: 152~157

    • DOI

      10.1021/acsphotonics.0c01680

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Bond-breaking and adsorption of molecules at plasmonic hot-spots initiated by infrared vibrational excitation2020

    • 著者名/発表者名
      Morichika Ikki、Ashihara Satoshi
    • 雑誌名

      Proceedings of SPIE (Optical Manipulation and Structured Materials Conference)

      巻: 11522 ページ: 115221D-1~3

    • DOI

      10.1117/12.2573772

    • 査読あり
  • [雑誌論文] プラズモニックアンテナを用いた固体の高次高調波発生2020

    • 著者名/発表者名
      芦原聡,今坂光太郎
    • 雑誌名

      レーザー研究

      巻: 48 ページ: 174~178

    • 査読あり
  • [学会発表] 赤外超高速プラズモニクス~振動分光の新たなプラットフォーム~2021

    • 著者名/発表者名
      芦原聡
    • 学会等名
      第27回ナノオプティクス研究討論会
    • 招待講演
  • [学会発表] Background-Free Absorption Spectroscopy on Methane using Mode-Locked Cr:ZnS Laser2021

    • 著者名/発表者名
      Wenqing Song, Daiki Okazaki, Ikki Morichika, and Satoshi Ashihara
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会, 19p-Z06-9
  • [学会発表] ZBLANファイバーを用いたCr:ZnSレーザーパルスの周波数変換2021

    • 著者名/発表者名
      岡崎大樹,He Yang,Zeng Xianglong,芦原聡
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会, 19p-Z06-8
  • [学会発表] 高次高調波発生を用いた結晶方位イメージング2021

    • 著者名/発表者名
      高橋知宏,森近一貴,芦原聡
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会, 19a-Z06-5
  • [学会発表] 金ナノ構造からの電子放出を用いた光電場計測素子の開発 II2021

    • 著者名/発表者名
      新井滉,岡崎大樹,森近一貴,芦原聡
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会, 19a-Z06-4
  • [学会発表] Pulse characterization based on two-dimensional spectral shearing interferometry for Cr:ZnS oscillator pulses2021

    • 著者名/発表者名
      Tobias Kugel, Daiki Okazaki, Ko Arai, and Satoshi Ashihara
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会, 19a-Z06-3
  • [学会発表] Design and development of two-dimensional spectral shearing interferometry for mode-locked Cr:ZnS laser pulses2021

    • 著者名/発表者名
      Tobias Kugel, Daiki Okazaki, Ko Arai, Satoshi Ashihara
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会第41回年次大会, B09-20p-II-02
  • [学会発表] Molecular dissociation driven by plasmonic near-fields of shaped mid-infrared pulses: Impact of down-chirping2020

    • 著者名/発表者名
      I. Morichika and S. Ashihara
    • 学会等名
      The 22nd International Conference on Ultrafast Phenomena, M4B.25
    • 国際学会
  • [学会発表] Sub 5-cycle pulse generation from mode-locked Cr:ZnS laser using mid-IR resonant SWCNTs2020

    • 著者名/発表者名
      D. Okazaki, I. Morichika, E. Kauppinen, Z. Qiang, A. Anisimov, V. Ilkka, S. Chiashi, S. Maruyama, and S. Ashihara
    • 学会等名
      The 22nd International Conference on Ultrafast Phenomena, W3A.7
    • 国際学会
  • [学会発表] Cr:ZnS laser pulse characterization by two-dimensional spectral shearing interferometry2020

    • 著者名/発表者名
      T. Kugel, D. Okazaki, K. Arai, and S. Ashihara
    • 学会等名
      OSJ-OSA-OSK Joint Symposia in Optics & Photonics Japan 2020, 14pCJ4
    • 国際学会
  • [学会発表] Bond-breaking and adsorption of molecules at plasmonic hot-spots initiated by infrared vibrational excitation2020

    • 著者名/発表者名
      I. Morichika and S. Ashihara
    • 学会等名
      The 7th Optical Manipulation and Structured Materials Conference, OMC7-05
    • 国際学会
  • [学会発表] 赤外プラズモニクスで拓く振動分光の新たな展開2020

    • 著者名/発表者名
      芦原聡
    • 学会等名
      応用物理学会北海道支部他講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] Cr2+:ZnSを用いた中赤外モード同期レーザーの開発2020

    • 著者名/発表者名
      岡崎大樹,芦原聡
    • 学会等名
      第5回超高速光エレクトロニクス研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 赤外超高速プラズモニクス -振動分光の新たなプラットフォームー2020

    • 著者名/発表者名
      芦原聡
    • 学会等名
      第19回プラズモニック化学シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] 金ナノ構造からの電子放出を用いた光電場計測光電界電子放出を用いたキャリア・エンベロープ位相計測素子の開発2020

    • 著者名/発表者名
      新井滉,岡崎大樹,森近一貴,芦原聡
    • 学会等名
      日本光学会年次学術講演会OPJ2020, 17pC9
  • [学会発表] 高調波発生を用いた結晶方位イメージング2020

    • 著者名/発表者名
      高橋知宏,森近一貴,芦原聡
    • 学会等名
      日本光学会年次学術講演会OPJ2020, 17pC8
  • [学会発表] Cr:ZnSレーザーによる4.7サイクル中赤外パルス発生とその増幅2020

    • 著者名/発表者名
      岡崎大樹,Kaupinnen Esko,千足昇平,丸山茂夫,芦原聡
    • 学会等名
      第81回応用物理学会秋季学術講演会, 10p-Z19-14
  • [学会発表] 金ナノ構造からの電子放出を用いた光電場計測素子の開発2020

    • 著者名/発表者名
      新井滉,岡崎大樹,森近一貴,芦原聡
    • 学会等名
      第81回応用物理学会秋季学術講演会, 10a-Z19-6
  • [備考] 芦原聡研究室ホームページ

    • URL

      http://www.ashihara.iis.u-tokyo.ac.jp/wordpress/publication/

URL: 

公開日: 2021-12-27  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi