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Yuuki Uesugi, Tohoku University
Feedback-free Cavity (FFC)を使ったCavity Enhanced Absorption Spectroscopy
(CEAS)ガス分析装置開発Yuuki Uesugi
October 10, 2017Cavity Compton meeting
1
• FFCの光パワー蓄積以外の⽤途への応⽤• 若⼿Bの予算で取り掛かり始めたところ(H29~H31)• モード同期FFCの開発も研究計画に含めてある• まずはモード同期FFCを⾼フィネス共振器で実証することを⽬指す
Yuuki Uesugi, Tohoku University
⼀般的な吸収分光装置
Oct 4, 2017 / Cavity Compton meeting 2
• 吸収分光では⼀般的にガスセルを利⽤する• コリメートしたレーザーを⼊射するだけ
Tunable LDGas cell
Detector
Tunable LDGas cell
Detector
Single-pass
Multi-pass
Mirror
Mirror
Yuuki Uesugi, Tohoku University
CEAS
Oct 4, 2017 / Cavity Compton meeting 3
• 共振器モードに結合する⼿間はかかるが,共振器を使えばセル⻑× 1 − 𝑅 $%倍の相互作⽤⻑が得られる
Tunable LD
Detector
Enhancement factor:1
1 − 𝑅
Equivalent lens guide model
Optical resonant cavity
Matching lens
...
Yuuki Uesugi, Tohoku University
CEASの感度
Oct 4, 2017 / Cavity Compton meeting 4
• 線吸収係数𝛼 cm$%を測定したい
𝐼* 𝐼
ln𝐼*𝐼 =𝛼𝐿
σ ν :吸収の断⾯積C:試料の濃度L:相互作⽤⻑
𝛼 = 𝜎 𝜈 𝐶
𝐹 =𝜋
1 − 𝑅
• CEASでは強度⽐𝐼*/𝐼ではなくフィネス𝐹から𝛼を得ることができる
𝐹 =𝜋
1 − 𝑅 + 𝛼𝐿
吸収なし 吸収あり
• フィネスの測り⽅は⾊々とある• F=数1,000の単純なCavity Ring-down(CRD)法で 𝛼 = 10$;~10$=cm$% の感度• Cavity-enhanced Frequency-modulation Spectroscopyという⼿法では,
F=100,000で, < 10$%? cm$%の感度が報告されている
Yuuki Uesugi, Tohoku University
計測対象のガス吸収線
Oct 4, 2017 / Cavity Compton meeting 5
• 申請書には1920nmで⽔の吸収線を⾒ると書いた• 光学部品の調達に問題はなかったのだが,2um帯⽤のカメラとスペアナが無い
Ø 2um帯は諦めて1um帯での開発に変更Ø H2Oもいったん諦めて1050±20nmに吸収線のあるCO2に
• 1064nm近傍には同位体13CO2の吸収線があり,応⽤上の需要がある
by HIRTANonline
1036nm1070nm 1053nm
スペ
クト
ル線
強度
cm-1
/(m
olec
·cm
-2)
Yuuki Uesugi, Tohoku University
取り組むこと
Oct 4, 2017 / Cavity Compton meeting 6
⾼フィネスFFCの挟線幅化• いま実現している⾼フィネスFFCの発振線幅は⊿λ=1.4nm(数100GHz)• CO2などの吸収線を1本1本区別するには数10MHzの線幅が欲しい• また,波⻑可変なシングルモード発振であって欲しい• 上記が実現すればCEAS装置の実現まであと⼀歩
モード同期FFCの⾼フィネス化と実証• Cavity Enhancedディアルコム分光をFFCで実現するのが究極の⽬標• 実際は,それが可能かどうかの検討• そのためのモード同期FFCの実証• 研究計画書に「機会があればFFCでモード同期発振を実現して光コムCEAS
に挑戦する」と書いたので,内容に⽭盾はない
Yuuki Uesugi, Tohoku University
FFCの狭線幅化
Oct 4, 2017 / Cavity Compton meeting 7
AO_
Analyzer
LO
Yb添加ファイバー
励起LD
合波器
バンドパスフィルター
光アイソレーター
光共振器 波長板
ガス容器
圧電素子
Driver
強度変調器
共振器応答関数中心波長制御
• 発振波⻑1064nm• 透過幅0.1nm(26GHz)のFBG• ⻑さ1cmの共振器(FSR 15GHz)
• これでシングルモード発振⽬指す
• F=30,000で共振器線幅⊿ν=500kHz• AM法でフィネスを測定できるか?
• 資⾦難についき来年度以降に持ち越し
Yuuki Uesugi, Tohoku University
モード同期FFC
Oct 4, 2017 / Cavity Compton meeting 8
Yb添加ファイバー
励起LD
合波器
光アイソレーター
波長板光共振器
波長板
回折格子対
光学遅延
• 300mW pump LD• 設計発振波⻑1035nm• R=99.994% (Layertec製)• F=52,000• L=500mm• FSR=300MHz• fcav/floop~10
• セットアップは保坂さんの構成をコピー• 部品は⼀通り揃った
課題• 共振器アライメント⽤の狭線幅光源がない• FSRを精密に測る⼿段がない• ファイバー融着器がない
_
Driver
Yuuki Uesugi, Tohoku University
共振器外観
Oct 4, 2017 / Cavity Compton meeting 9
• アルミの筐体にスーパーインバーの棒スペーサー• 共振器⻑ 50 cm• アライメント⽤にPZT付き• ミラーマウントは市販品を使う• 鏡はFlat + Concave R 500 mm• ウエストはFlat鏡の位置,サイズはw0=380um
リニアステージ+PZT
50 cm
Yuuki Uesugi, Tohoku University
課題に対しての対策
Oct 4, 2017 / Cavity Compton meeting 10
• 共振器アライメント⽤の狭線幅光源がないØ Layertec製:R=99.994%@1030-1060nm,R=98%@633nmの鏡を使⽤Ø 線幅
Yuuki Uesugi, Tohoku University
モード同期FFC開発の問題について
Oct 4, 2017 / Cavity Compton meeting 11
• FSRを精密に測る⼿段がないØ ハイパワーの1040nmのfsレーザーを共振器に突っ込んでRing-down信号か
らFSRを測定するØ 透過光を時間領域で⾒るとFSRの間隔でパルス列が並んでいるはず
• ファイバー融着器がないØ FC/APC端⼦を融着したYDFを確保,接続はすべてFCコネクタ接続で⾏うØ どうしても融着が必要な場合は無料レンタル品(by光響)を借りる予定
パルス列の間隔がFSR
Yuuki Uesugi, Tohoku University
まとめ
Oct 4, 2017 / Cavity Compton meeting 12
• 1um帯でFFCの開発を⾏うことにした• ⾼フィネス(F=52,000)共振器でモード同期FFCの実証を⽬指す
• モード同期FFCが終わったらシングルモード発振FFCに挑戦• 開発の中で何か良いアイデアが⾒つかれば,シングルモード発振FFCではなく,
光コムFFCを使ったガス分析に挑戦したい
• ファイバ融着器や,EO/AOなどの能動光学素⼦,共振器ミラーなど,⾊々と物が⾜りない状況
• お貸しいただけるものがあれば嬉しい(特にミラー)• ガス分析の装置作り,解析⽅法など,強い⽅がいれば⾊々と御教⽰を賜りたい