Masayuki KATSURAGAWA (桂川 眞幸)

Offer Organization: 日本学術振興会, System Name: 科学研究費助成事業 挑戦的研究(開拓), Category: 挑戦的研究(開拓), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 20000000, indirect: 6000000)
地球と宇宙の境界領域（高度80-150 km）は、大気が中性大気から電離大気（プラズマ）に変化する地球大気の遷移領域である。しかし、中性大気とプラズマ共に観測手段が限られており、同時観測が困難であるため、化学変化を伴うこの領域の物質輸送は本質的に未解明である。本研究では、この遷移領域において同一空間の中性原子とイオンの密度高度分布を同時に観測可能な世界初の原子・イオン共鳴散乱ライダーを開発し、地球と宇宙をつなぐ物質の鉛直輸送過程を解明することを目的としている。初年度である令和3年度は、送信レーザー開発班とライダーシステム開発班の二班体制で並行して装置開発を行った。送信レーザー開発では、チタンサファイア（Ti:s）レーザーをベースにした二波長同時発振・注入同期固体レーザーを設計・製作して、まずカルシウムイオン（Ca＋）の共鳴散乱線（393.5 nm）での発振を確認した。共振器の調整により、発振の安定化を進めている。ライダーシステム開発としては、レーザーの発振波長の確認に用いている波長計の絶対精度を担保するために、カリウム原子を封入したセルを加熱してレーザー光を通過させたときに得られる蛍光スペクトルをモニターし、Doppler-freeと呼ばれる特定の波長で見られる飽和スペクトルを測定する絶対波長校正システムを構築した。また、受信分光系の設計を行い、製作を進めている。

Offer Organization: 日本学術振興会, System Name: 科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型), Category: 新学術領域研究(研究領域提案型), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 8500000, indirect: 2550000)
光量子科学はレーザーの極限化技術とともに互いに表裏一体をなし発展してきた。ほぼ全ての領域が開拓されてきたように見える一方で、レーザーの発明から60年を経た現代でも、全く手つかずのまま残されたレーザー技術の領域がある。真空紫外域（< 200 nm）における単一周波数・波長可変レーザー技術はまさにその一つである。
研究代表者は、非線形光学過程に人為的な制御を組み込むことで、この真空紫外域におい、現実に高分解能レーザー分光をおこないうる性能をもつ単一周波数・波長可変レーザーを実現することが可能なことを示してきた。これまでに原理実証実験もおこない、予測に一致する波長変換が可能なことも実証されている。
この公募研究では、ミューオニウムのレーザー冷却に焦点を当て、この技術をその目的にカスタマイズした真空紫外域単一周波数波長可変レーザーを実際に実現すること、さらに、それを用いたレーザー分光実験をおこなうことを目指している。
公募研究の初年度に当たる2021年度は、パラ水素分子気体を非線形光学媒質とする高次誘導ラマン散乱光発生過程を典型例として原理実証された結果を、高次過程に拡張する研究を進め、実際に数十％の効率で特定次数の誘導ラマン散乱光にエネルギー集中できることを実験的に示した。
また、並行してこの技術を真空紫外域に拡張するための様々な準備を進めた。技術的に鍵になるのは、励起レーザーに用いる注入同期単一周波数波長可変 Ti:sレーザーの周波数純度やビーム品質を良質な状態（端的には単一縦・横モード）に保ったまま、如何に高出力化するかという点にあった。実際にその開発を進め、従来に比べて、4倍近い出力が可能なレーザーを実現する目途が立つところまで到達できた。

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 13600000, indirect: 4080000)
本研究では、連続波光源の光コムを合成することによって生成される超高繰り返し、位相制御アト秒パルスと走査型トンネル顕微鏡とを組み合わせ、アト秒時間領域の電子トンネル現象を誘起し制御することを目指し、研究を行ってきた。これまで、光電場を用いた電子トンネリング現象はテラヘルツ波や高強度のレーザーを用いて実証されてきているが、光領域での実証結果については議論のあるところである。これを可視光領域にスペクトルを持つ、位相制御アト秒レーザーで実現することにより、トンネル分光の超高速化を可能にすることを目指した。昨年度は、これまでに構築したアト秒STM装置を中心に光電場駆動のトンネル現象を明らかにする研究を推進した。特に、CWレーザーの合成波のみならず、パルスレーザーの合成波による電子トンネリング実験を試み、光電場によってもアト秒オーダーのトンネリングが誘起できることを実証することを目指した。このために、パルスレーザーと光第二高調波との合成波を照射し、誘起されるトンネル電流を観測する実験系を構築した。また、CWレーザー合成波の実験においては、熱の影響を取り除きつつ、光電場の影響を取り出すために、位相を高速で変調することによるトンネル電流の変化をロックインアンプを用いて検出する系を構築した。しかしながら、本研究により、位相制御によるトンネル電流の誘起効果を明確に観測することができなかった。特に熱によるトンネル電流の増加との切り分けが難しく、位相に依存した効果であることの実証が難しい状況であった。一方でシミュレーションを通して、トンネル電流がどの程度現れるかの計算を行い、ナノギャップの幅を小さくすれば、トンネル電流が観測可能となると考えられることが分かった。

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (A), Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 34700000, indirect: 10410000)
We showed a conceptually novel idea that nonlinear optical process could be manipulated in a variety of ways by controlling the relative phases among the electromagnetic fields relevant to its nonlinear optical process. We established such basis theoretically and experimentally. We also opened a way to build a new laser technology, that is, single-frequency widely tunable laser in the vacuum ultraviolet region.

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (A), Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 36300000, indirect: 10890000)
We aimed to realize a novel coherent light source, namely, a broadly-tunable vacuum ultraviolet (vuv) laser with an optical-frequency-standard precision. First, we developed the injection-locked continuous wave Ti:s laser which can emit a variety combinations of two frequencies. Next, to transfer an optical-frequency-standard precision to these two frequencies, we also developed the new optical technology which accurately divide an optical frequency into three. Furthermore, we have numerically shown that by employing such laser radiations, high-order stimulated Raman scattering process can be artificially controlled and a frequency conversion to a specific high-order Raman mode in the vuv region can be realized with near unity quantum conversion efficiency.

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area), Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 316800000, indirect: 95040000)
"Macro-coherent amplification mechanism" is the crucial principle for success of the neutrino mass spectroscopy with atoms. The most important result of the present research was an experimental proof of the principle with a two photon process from the vibrationally excited state of para-hydrogen molecules. Actually, the initial coherent states were prepared by an adiabatic Raman process, and two photon emissions were observed. As a result, a gigantic enhancement factor of the photon yields greater than 15 orders of magnitude was confirmed compared to its natural emission rate; it was found consistent with the theoretical prediction. Thus a big step has been made forward towards the neutrino mass spectroscopy with atoms. In addition, detailed studies on super-radiance and phase relaxation etc. were conducted as basic studies using various atoms and molecules.

Offer Organization: 日本学術振興会, System Name: 科学研究費助成事業, Category: 特別研究員奨励費, Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 2100000, indirect: -)
これまで自由空間中でおこなわれてきたラマンサイドバンド光発生を、中空コアフォトニッククリスタルファイバー媒質中でおこなうことによって、格段に高い効率(およそ三桁)で実現できることを明らかにした(論文準備中)。効率が格段に上がったことで、これまで、液体窒素温度下(77K)でおこなわれていたこの動作を室温でおこなっても、従来に比べてほとんど遜色無い結果を得ることができるようになった.これは、開発した光源を他の様々な非線形光学物性研究に利用していくという視点でも極めて重要な進展である。ファイバーはカゴメ格子状の断面をもち、従来のフォトニッククリスタルファイバーに比べて、一桁以上広い透過帯域(400mm～2μm)を持っている。帯域は2オクターブ以上に渡るが、全ての波長に対して単一モード伝播特性が満たされるという極めて優れた特徴を有している。これは、このファイバー中で効率よく広帯域にわたる非線形波長変換を実現できることを意味しており、それによって、実際に、上記の結果を得ることができた。その後、これらの成果をアト秒域に達しうる極限的な超短パルス光発生に向けて発展させることを目的に、理論的な検討を開始した。アト秒域に至る超短パルス光発生が可能なことを、膨大かつ系統的な数値計算を実施して明らかにした(論文準備中)。残念ながら、研究期間の制限でこれを実験的に実証する段階にまでは到達できなかったが、理論の骨組みを構築し、かつ、それらをもとに実施した詳細な数値計算実験は、実際にこれを実験で実証するための準備として、充分なものとなった。

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 15000000, indirect: 4500000)
The aim of this research project is to extend the new technique of ultrahigh-rep.-rate ultashort-pulse generation to the continuous regime, the basis of which was established in the nanosecond pulsed regime. We have build up all the required elements for this purpose ;"Dual-freq.-oscillation injection-locked Ti : Sapphire cw laser","Intracavity Raman generation system", and"Theory of Raman sideband generation in the cw regime". Furthermore, we combined all of these elements established here and carried out the Raman sideband generation in the cw regime. We have clarified the excitation power and the confinement condition necessary for realizing a broad Raman generation in the cw regime based on the experiment.

Offer Organization: -, System Name: 産学が連携した研究開発成果の展開 研究成果展開事業 地域事業 地域イノベーション創出総合支援事業 シーズ発掘試験, Category: -, Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: -, indirect: -)
注入同期の手法を用いて単一周波数化したナノ秒パルスレーザーは、狭いスペクトル幅(~MHz)と高い光強度(~MW)を併せ持つユニークなレーザーシステムである。産業用には、オゾン、CO2、エアロゾル等の環境関連計測や単一周波数波長可変テラヘルツ光発生などのキーテクノロジーとして利用されている。これらは多くの場合、異なる波長で発振する二台以上のシステムが組み合わされて用いられる。そのような用途においては、上記の利点の他方、それぞれのパルス間の時間・空間の不一致やその揺らぎが大きいことが測定精度上の深刻な障害であった。我々はこの問題を解決するために、二波長を同時に発振する注入同期レーザーシステムを考案し、“無調整”で異なる二波長のパルス間の完全な時間・空間のオーバーラップが実現されることを実証した。本試験研究の課題は、このシステムを実用化する上で鍵となる“二波長の広帯域連続周波数挿引化”を実施することにある。システム全体としては、ノートPC制御による いわゆる“ターンキー動作”が可能な完成度を目指す。