2018 Fiscal Year Annual Research Report
Research on precise measurement of microwave and terahertz wave using cesium atom
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18H01457
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
木下 基 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (00415671)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
東島 侑矢 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究員 (20805147)
飯田 仁志 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (40392584)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | セシウム / ラビ周波数 / リュードベリ状態 / マイクロ波 / ミリ波 / テラヘルツ波 / レーザー / 二重共鳴分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年原子を用いて電磁波を測定する技術が注目されている。例えば、原子と電磁波の相互作用は比較的単純な量子論で記述できるため新たな計測標準として応用する、または原子を高感度、高速、高分解能、高安定な新たなセンサに応用することなどが挙げられる。本研究は、原子と電磁波の相互作用を利用した新たな電磁波測定方法の開発を目標とし、当面は大分して、「ミリ波・テラヘルツ波の検出」、「電磁波の可視化」、「電磁波の精密測定」を主題とする。
「ミリ波・テラヘルツ波の検出」は上記の中で最も挑戦的な課題である。今年度は利用するリュードベリ状態の選定と、レーザーおよびテラヘルツ波光源の準備を進めた。
「電磁波の可視化」について、9.2 GHzのマイクロ波と852 nmの近赤外レーザーによる二重共鳴を用いて、マイクロ波を可視化する技術を開発した。本技術をマイクロ波回路であるマイクロストリップラインを伝送するマイクロ波に適用し、その定在波の明暗や、インピーダンスの変化に対する位相シフト等をリアルタイムかつ高解像度に可視化することに成功した。
「電磁波の精密測定」について、現行のカロリーメータ方式を凌駕するマイクロ波電力標準を目指し、原子のラビ周波数を基準とした導波管内のパワー測定技術の開発を進めた。今年度は、原子を用いる方法における課題であった任意周波数化に取り組んだ。電磁石による静磁場を導波管内の原子に印加することで生じるゼーマン効果を用いて、測定可能なマイクロ波の周波数を9.2 GHzから±1 GHz以上掃引可能であることを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
原子を用いた「電磁波の可視化」に関して、計画以上の成果が得られた。今年度は単純な回路基板であるマイクロストリップライン上のマイクロ波に対して一次元的な可視化に成功した。この成果に基づいて適宜、特許出願、学会・論文発表を行った。これは我々独自のアイデアを実用するための原理実証実験を位置づけられている。従って今後、二次元以上の領域における可視化や、より複雑な回路への応用が期待される。
また、原子との共鳴により電磁波測定を行う方法の原理的な課題である周波数の任意化についても大きく前進した。今年度は、原子に印加する静磁場を制御することで、ゼーマン効果による周波数拡張に成功した。本結果も、今後、本研究の応用性を高める上での重要な成果である。本結果に基づいて、学会発表を行い、論文についても掲載が決まっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
原子を用いた「ミリ波・テラヘルツ波の検出」にはセシウム原子のリュードベリ状態を用いる。室温で基底状態にあるセシウム原子をリュードベリ状態に遷移させるためにいくつかのレーザーが必要であるが、まずその中で、波長852 nmおよび510 nmのレーザーについて、波長と出力の安定化を進める。
「電磁波の可視化」について、まず二次元領域の可視化技術を確立する。その後、原子に印加する静磁場を制御することで、マイクロ波の偏波解析を試みる。また、マイクロ波の理論的な解析を行うことで、本可視化技術の基礎を整える。その後、より複雑な回路やアンテナ、可視化技術を用いたセンサやカメラなど、新たな応用技術の開発を行う。
「電磁波の精密測定」に関して、導波管の中の伝送パワー測定を推進する。導波管の中にセシウム原子を導入する場合、ガラスセルもしくは真空系の窓や排気口などの電磁波波への影響が懸念される。これらを解消するための真空導波管の開発と実装を行い、原子を用いた導波管の中の精密な伝送パワー測定を目標とする。
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