有機非線形結晶を用いた電気光学効果による超高速電界計測

2013 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 24560535
• 研究機関: 独立行政法人理化学研究所
• 研究代表者: 南出 泰亜 独立行政法人理化学研究所, 光量子工学研究領域, チームリーダー (10322687)
• 研究分担者: 冨澤 宏光 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 加速器部門, 副主幹研究員 (40344395)
• キーワード: 有機非線形光学結晶 / 電気光学サンプリング / 高速応答 / 単結晶成長 / テラヘルツ

研究概要

巨大な非線形性・電気光学特性を有する有機非線形光学結晶4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium tosylate (DAST)は、２次非線形光学効果である差周波発生や光整流により高出力・広帯域にテラヘルツ(THz)波発生可能という他を圧倒する素子である。
電気光学サンプリング(EOS)は外部電場による結晶の複屈折率変化の応答をプローブ光にて検出し、そして信号の時間分解能は光のパルス幅と光が結晶内で電場領域中を通過する時間とで決定される。本来DASTのようなπ共役系有機材料の場合、一般に分子内のπ電子が電場応答に寄与するため、フェムト秒レベルの応答速度が得られ、数十 fsの時間分解能が期待できる。それゆえ、センサーとなる大結晶面積において、従来よりも高速に計測することが予想できる。
平成25年度は主にDAST結晶品質の更なる最適化と、それを用いたEO計測をSpring8の冨澤氏グループと共同でSCSS試験加速器を用いて実施した。高濃度DAST飽和溶液中でDAST種結晶を浸漬させ、徐冷速度0.5 ℃/dayで溶液の温度降下を行った結果、サイズ1-2 cm角、厚み0.5-1 mmの大型結晶を約2-3週間で得た。またその結晶の品質は40-100 arcsecであり、従来(150 arcsec以上)以上の高品質DAST結晶作製に成功した。また、SCSS試験加速器において、DAST結晶を用いたフェムト秒電子バンチの計測に世界で初めて成功した。

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

DAST結晶の高品質化・大型化に成功し、DAST結晶を用いてSCSS試験加速器において、実際に電子ビームバンチング計測に成功しているため、概ね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

本研究の目的は、DAST結晶を用いてフェムト秒レベルのEO計測を実現することである。
DAST結晶を用いたSCSS試験加速器におけるEO計測において、計測を重ねるに連れてEO信号の劣化が観測された。この原因を究明するために、今後は理研においてマイクロチップレーザーを用いたEO計測システムを立ち上げ、DAST結晶のEO特性の詳細評価を行う。
その後、高輝度電子源（X線自由電子レーザー：XFEL）から放射される極短パルス(30 fs以下)を用いた実験を行い、高時間分解能計測の実現を目指す。

研究成果

• [雑誌論文] 10 aJ-level detection of ns pulse below 10 THz by frequency upconversion detection via DAST crystal: more than a 4 K bolometer (2014)
  • 著者名/発表者名: Feng Qi, Shuzhen Fan, Takashi Notake, Koji Nawata, Takeshi Matsukawa, Yuma Takida, and Hiroaki Minamide
  • 雑誌名: Optics Letters 巻: 39 ページ: 1294-1297
  • DOI: 10.1364/OL.39.001294
  • 査読あり
• [雑誌論文] Terahertz-wave generation from 4-dimethylamino-N'-methyl-4'-stilbazolium p-bromobenzenesulfonate crystal: Effect of halogen substitution in a counter benzenesulfonate of stilbazolium derivatives Optical Materials (2014)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Matsukawa, Takashi Notake, Kouji Nawata, Shunsuke Inada, Shuji Okada, Hiroaki Minamide
  • 雑誌名: Optical Materials 巻: - ページ: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] Real-time terahertz wave imaging by nonlinear optical frequency up-conversion in a 4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium tosylate crystal (2014)
  • 著者名/発表者名: Shuzhen Fan, Feng Qi, Takashi Notake, Kouji Nawata, Takeshi Matsukawa, Yuma Takida, and Hiroaki Minamide
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 104 ページ: 101106-1-4
  • DOI: 10.1063/1.4868134
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pump-beam-induced optical damage depended on repetition frequency and pulse width in 4-dimethylamino-N’-methyl-4’-stilbazolium tosylate crystal (2013)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Matsukawa, Kouji Nawata, Takashi Notake, Feng Qi, Hiroshi Kawamata, and Hiroaki Minamide
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 103 ページ: 023302-1-4
  • DOI: 10.1063/1.4813602
  • 査読あり
• [雑誌論文] Kilowatt-peak Terahertz-wave Generation and Sub-femtojoule Terahertz-wave Pulse Detection Based on Nonlinear Optical Wavelength-conversion at Room Temperature (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Minamide, Shin’ichiro Hayashi, Koji Nawata, Takunori Taira, Jun-ichi Shikata, and Kodo Kawase
  • 雑誌名: Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 巻: 35 ページ: 25-37
  • DOI: 10.1007/s10762-013-0041-0
  • 査読あり
• [学会発表] 非線形光学効果によるテラヘルツ波発生検出技術開発の最先端 (2014)
  • 著者名/発表者名: 南出泰亜
  • 学会等名: 電子情報通信学会総合大会
  • 発表場所: 新潟県新潟市
  • 年月日: 20140318-20140321
  • 招待講演
• [学会発表] Room temperature terahertz wave imaging at 60 fps by frequency up-conversion in DAST crystal (2014)
  • 著者名/発表者名: Shuzhen Fan, Feng Qi, Takashi Notake, Kouji Nawata, Takeshi Matsukawa, Yuma Takida, and Hiroaki Minamide
  • 学会等名: Photonics West 2014
  • 発表場所: San Francisco, USA
  • 年月日: 20140201-20140206
• [学会発表] 非線形光学波長変換による最先端テラヘルツ波発生および検出技術の開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 南出泰亜
  • 学会等名: 電子情報通信学会電子デバイス研究会
  • 発表場所: 宮城県仙台市
  • 年月日: 20131216-20131217
  • 招待講演
• [学会発表] 高出力テラヘルツ波発生に向けたスチルバゾリウム誘導体単結晶の開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 松川健
  • 学会等名: 電子情報通信学会 POC研究会
  • 発表場所: 宮城県仙台市
  • 年月日: 20131118-20131118
• [学会発表] The operation status and future plans of SACLA accelerator (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Tomizawa
  • 学会等名: The 6th Workshop on FEL Science, “New Horizon of XFEL science”
  • 発表場所: Tainan, Taiwan
  • 年月日: 20131103-20131107
  • 招待講演
• [学会発表] Development of a single-crystalline stilbazolium derivative with halogenated benzenesulfonate for terahertz-wave generation (2013)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Matsukawa, Shunsuke Inada, Shuji Okada, and Hiroaki Minamide
  • 学会等名: The 6th International Symposium on Lasers, Scintillators and Non-Linear Optical Materials (ISLOM-6)
  • 発表場所: Shanghai, China
  • 年月日: 20131020-20131023
• [学会発表] Terahertz‐Wave Detection using Nonlinear Optical Up‐Conversion by DAST (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Minamide, Feng Qi, Shuzhen Fan
  • 学会等名: 21st International Conference on Applied Electromagnetics and Communications (ICECom 2013)
  • 発表場所: Dubrovnik, Croatia
  • 年月日: 20131014-20131016
  • 招待講演
• [学会発表] The First Demonstration of EOS 3D-BCD Monitor to Maximize 3D-Overlapping for HHG-Seeded FEL (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Tomizawa, T. Togashi, K. Ogawa, H. Tanaka, M. Yabashi, S. Matsubara, Y. Okayasu, and T. Ishikawa
  • 学会等名: the 2nd International Beam Instrumentation Conference (IBIC2013)
  • 発表場所: Oxford, UK
  • 年月日: 20130916-20130919
  • 招待講演
• [学会発表] Stable Operation of HHG-Seeded EUV-FEL at the SCSS Test Accelerator (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Tomizawa, T. Hara, T. Ishikawa, K. Ogawa, H. Tanaka, T. Tanaka, T. Togashi, K. Togawa, M. Yabashi, M. Aoyama, K. Yamakawa, A. Iwasaki, S. Owada, T. Sato, K. Yamanouchi, S. Matsubara, Y. Okayasu, T. Watanabe, E. J. Takahashi, M. Aoyama, A. Iwasaki, S. Owada, H. Minamide, T. Matsukaw
  • 学会等名: the 35th International Free Electron Laser Conference
  • 発表場所: Manhattan, USA
  • 年月日: 20130826-20130830
• [学会発表] Efficient wavelength-conversion between terahertz wave and infrared light using nonlinear optical susceptibility (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Minamide
  • 学会等名: International Symposium on Microwave/Terahertz Science and Application (MTSA 2013)
  • 発表場所: Shanghai, China
  • 年月日: 20130722-20130723
  • 招待講演
• [学会発表] Intense Terahertz-wave Generation and Sensitive Detection Using Nonlinear Optical Effect (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Minamide
  • 学会等名: The 10th Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim (CLEO-PR 2013)
  • 発表場所: kyoto, Japan
  • 年月日: 20130630-20130704
  • 招待講演
• [学会発表] Study of efficient optical parametric generation in KTP crystal as pump source for DAST-DFG (2013)
  • 著者名/発表者名: Kouji Nawata, Yoshiki Miyake, Shin’ichiro HAYASHI, Takashi Notake, Hiroshi Kawamata, Takeshi Matsukawa, Feng Qi, Hiroaki Minamide
  • 学会等名: The Conference on Lasers and Electro Optics (CLEO:2013)
  • 発表場所: San Jose, USA
  • 年月日: 20130609-20130614
• [学会発表] Ultra-widely tunable DFG THz-wave source using organic DAST and BNA crystals pumped by a dual-wavelength β-BaB2O4 optical parametric oscillator (2013)
  • 著者名/発表者名: Takashi Notake , Koji Nawata, Takeshi Matsukawa, Feng Qi, Hiroshi Kawamata and Hiroaki Minamide
  • 学会等名: The Advanced Lasers & Photon Sources Conference (ALPS'13)
  • 発表場所: Yokohama, Japan
  • 年月日: 20130423-20130425
• [学会発表] Design of sub-THz-wave generation based on DAST-DFG pumped by injection-seeded OPG (2013)
  • 著者名/発表者名: Yoshiki Miyake, Kouji Nawata, Masatsugu Yamashita, Atsushi Sato and Hiroaki Minamide
  • 学会等名: International workshop on Optical Terahertz Science and Technology (OTST 2013)
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 20130401-20130405
• [学会発表] Frequency up-conversion detection of THz waves by DAST-DFG: approaching more than 4K bolometer (2013)
  • 著者名/発表者名: Feng Qi, Koji Nawata, Takashi Notake, Hiroshi Kawamata, Takeshi Matsukawa and Hiroaki Minamide
  • 学会等名: International workshop on Optical Terahertz Science and Technology (OTST 2013)
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 20130401-20130401
• [学会発表] EOS-locked seeding system toward FT-limited XFEL pulses (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Tomizawa
  • 学会等名: The High Brightness Electron Beams 2013: Toward to a fifth generation light source (HBEB 2013)
  • 発表場所: San Juan, Puerto Rico
  • 年月日: 20130325-20130328
  • 招待講演