2021 Fiscal Year Annual Research Report
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
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20H02651
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
芦原 聡 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10302621)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
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。
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| Strategy for Future Research Activity |
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。
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