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2021 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モード動機光源を開発することを目的とした。
計画初年度において、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い、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。
計画二年目となる本年度は、本モード同期レーザーのスペクトル広帯域化と短パルス化、そして出力安定化に取り組んだ。二次分散に加えて三次分散を補償する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ミクロンでバンド幅20テラヘルツ、光電場振動4サイクル以下(時間幅にして30フェムト秒)のパルス発生に成功した[Applied Optics Vol. 61(4), pp. 1076-1081 (2022)]。また、本モード同期レーザーにおいて、強度ノイズを抑制する新たな機構を提案し、原理実証に成功した。具体的には、多結晶状のレーザー媒質中で生じる第2高調波発生を積極的に活用することにより、固体レーザーでしばしば問題なとなる強度揺らぎを顕著に抑制できることを示した[Optics Express Vol. 30(6), pp. 8517-8525 (2022)]。
さらには、計画最終年度へ向けて、開発したモード同期レーザーの振動分光への適用へ向けた検討を行った。特に、高い指向性と高い周波数確度を活用して微量分子の高感度計測を行うための手法を検討した。

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

当初計画では、二年目目標として、(i)Cr:ZnSモード同期レーザーのスペクトル広帯域化・短パルス化、(ii)出力パワー安定化、そして(iii)振動分光応用の検討を立てた。実際には、3つの目標を達成し、前者2つに関してはその成果をそれぞれ国際学術誌Applied OpticsおよびOptics Expressに発表した。以上の理由により、おおむね順調に進展したと言える。

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構造の精密制御、および、高感度振動分光への応用に取り組む。前者に関しては、従来の周波数コム生成法に囚われず、中赤外波長域ならではの、分子振動の共鳴吸収を活用してモード同期発振のスペクトル構造を精密に制御する手法を考案し、原理実証する。後者に関しては、開発した中赤外モード同期レーザーの広帯域性と高い空間コヒーレンス(あるいは高い輝度)を生かした吸収分光システムを構築し、高感度計測の原理実証に取り組む。

  • 研究成果

    (29件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (23件) (うち国際学会 2件、 招待講演 7件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Inherent intensity noise suppression in a mode-locked polycrystalline Cr:ZnS oscillator2022

    • 著者名/発表者名
      X. Bu, D. Okazaki, S. Ashihara
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 30(6) ページ: 8517~8525

    • DOI

      10.1364/oe.453382

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Direct electric-field reconstruction of few-cycle mid-infrared pulses in the nanojoule energy range2022

    • 著者名/発表者名
      T. Kugel, D. Okazaki, K. Arai, S. Ashihara
    • 雑誌名

      Applied Optics

      巻: 61(4) ページ: 1076~1081

    • DOI

      10.1364/ao.446473

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 赤外フェムト秒レーザーとプラズモニクスの融合がもたらす振動分光の新たな展開2021

    • 著者名/発表者名
      森近 一貴,芦原 聡
    • 雑誌名

      フォトニクスニュース

      巻: 7(3) ページ: 129~133

  • [雑誌論文] Cr:ZnSを用いた中赤外モード同期レーザーの開発2021

    • 著者名/発表者名
      岡崎大樹,芦原聡
    • 雑誌名

      レーザー研究「新材料による中赤外レーザー」

      巻: 49(7) ページ: 390~395

  • [学会発表] 赤外フェムト秒パルスによる気相CO2分子の振動回転励起2022

    • 著者名/発表者名
      津坂 裕己,森近 一貴,芦原 聡
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 赤外フェムト秒パルスによる液相CO2分子の振動励起2022

    • 著者名/発表者名
      森近 一貴,津坂 裕己,芦原 聡
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 金属-誘電体ハイブリッド構造を用いた光電場計測素子の開発2022

    • 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69回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 分子の指紋を重畳したモード同期固体レーザーの発振動作解析2022

    • 著者名/発表者名
      岡崎 大樹,宋 文清,森近 一貴,芦原 聡
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] スペクトル変調赤外レーザーを用いたバックグラウンドフリー相関分光2022

    • 著者名/発表者名
      藤原 心,宋 文清,岡崎 大樹,森近 一貴,芦原 聡
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Interferometer-Based Background-Free Vibrational Spectroscopy using a Cr: ZnS Mode-Locked Laser2022

    • 著者名/発表者名
      Wenqing Song, Daiki Okazaki, Ikki Morichika, and Satoshi Ashihara
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Plasmon-Enhanced Nonlinear Vibrational Spectroscopy and Beyond2021

    • 著者名/発表者名
      S. Ashihara
    • 学会等名
      International Symposium on “Frontiers of nonlinear optics and nonlinear optical spectroscopy
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Two-dimensional spectral shearing interferometry (2DSI) designed for mode-locked Cr:ZnS lasers2021

    • 著者名/発表者名
      T. Kugel, D. Okazaki, K. Arai, S. Ashihara
    • 学会等名
      CLEO/Europe-EQEC 2021, CF-P.5
    • 国際学会
  • [学会発表] プラズモニクスを活用した超高速赤外分光と化学反応制御2021

    • 著者名/発表者名
      芦原聡
    • 学会等名
      日本分光学会 赤外・ラマン分光部会シンポジウム『超高感度振動分光の最前線』
    • 招待講演
  • [学会発表] 新規赤外レーザーの開発と振動分光への展開2021

    • 著者名/発表者名
      芦原 聡
    • 学会等名
      第1回超高速光エレクトロニクス研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] クロム添加カルコゲナイドを用いた中赤外フェムト秒レーザー2021

    • 著者名/発表者名
      芦原 聡
    • 学会等名
      第1回Q-LEAP次世代レーザー領域シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] 中赤外フェムト秒プラズモニクスを利用した超高速分光・分子反応制御2021

    • 著者名/発表者名
      森近 一貴
    • 学会等名
      第15回若手研究者による先端的レーザー分光シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] クロム系赤外フェムト秒レーザーとその応用(Chromium-doped infrared femtosecond laser and its applications)2021

    • 著者名/発表者名
      芦原 聡
    • 学会等名
      原子・分子・光科学(AMO)討論会
    • 招待講演
  • [学会発表] Infrared Ultrashort Pulses Shine Metal Nanoantennas for Renewed Ground-State Chemistry2021

    • 著者名/発表者名
      S. Ashihara
    • 学会等名
      第36回化学反応討論会
    • 招待講演
  • [学会発表] 気相分子の振動ラダークライミングのための赤外電場波形の設計2021

    • 著者名/発表者名
      津坂 裕己,森近 一貴,芦原 聡
    • 学会等名
      日本光学会年次学術講演会OPJ2021
  • [学会発表] Direct diode-pumping of a mode-locked Cr:ZnS oscillator2021

    • 著者名/発表者名
      Xiangbao Bu, Daiki Okazaki, and Satoshi Ashihara
    • 学会等名
      日本光学会年次学術講演会OPJ2021
  • [学会発表] MIMプラズモン構造を用いた光電場計測素子の開発2021

    • 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OPJ2021
  • [学会発表] 分子の指紋を重畳したモード同期Cr:ZnSレーザー2021

    • 著者名/発表者名
      岡崎 大樹,Song Wenqing,森近 一貴,芦原 聡
    • 学会等名
      日本光学会年次学術講演会OPJ2021
  • [学会発表] Limit of Detection Analysis on the Background-free Vibrational Spectroscopy2021

    • 著者名/発表者名
      Wenqing Song, Daiki Okazaki, Ikki Morichika, and Satoshi Ashihara
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 波形整形した赤外パルスによる気相分子の振動ラダークライミング2021

    • 著者名/発表者名
      津坂 裕己,森近 一貴,芦原 聡
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 直線偏光電場に対する高調波の角度依存性の時空間対称性による記述2021

    • 著者名/発表者名
      篠原 康,今坂 光太郎,芦原 聡,石川 顕一
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Relative intensity noise properties of a diode-pumped Cr:ZnS femtosecond oscillator2021

    • 著者名/発表者名
      Xiangbao Bu, Daiki Okazaki, and Satoshi Ashihara
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] モード同期Cr:ZnSレーザーを用いた共振器内ガス分光2021

    • 著者名/発表者名
      岡崎 大樹,Wenqing Song,森近 一貴,芦原 聡
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [図書] Progress in Nanophotonics 6 (Ed. T. Yatsui)2021

    • 著者名/発表者名
      S. Ashihara, I. Morichika
    • 総ページ数
      169
    • 出版者
      Springer
  • [備考] 芦原聡研究室ホームページ

    • URL

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

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公開日: 2023-12-25  

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