徳島大など、テラヘルツ・コムを用いた高精度かつ汎用的なガス分光装置を開発

発表日:2020年5月27日

テラヘルツ・コムを用いた高精度かつ汎用的なガス分光装置を開発

～大気汚染を発生させる揮発性有機化合物ガスの分析に期待～

■ポイント

・大気汚染の要因である揮発性有機化合物ガスを迅速に分析することが重要

・極めて正確で精緻なテラヘルツ・コムを用いた分光法（デュアル・テラヘルツ・コム分光法）は、揮発性有機化合物ガスの高精度分析に有用であるが、利用するレーザーが複雑で高価なため、汎用性を損ねていた

・デュアル光コムファイバーレーザーは光源部の簡素化・低価格化を可能にするが、デュアル・テラヘルツ・コム分光法の高精度性を犠牲にしなければならなかった

・デュアル光コムファイバーレーザーとアダプティブ・サンプリング法の併用により、高精度性と汎用性を兼ね備えたデュアル・テラヘルツ・コム分光法を実現した

・これまで複雑・高価な特殊レーザーを利用しないと観測できなかった揮発性有機化合物ガス吸収の圧力依存性を、簡素・低価格なレーザーを用いた装置で明らかにした

徳島大学ポストLEDフォトニクス研究所の安井武史教授、南川丈夫准教授、水野孝彦特任助教、● 杰（チェン ジェ）元特別研究生（◇1）、新田一樹元博士前期課程学生らと、北京航空航天大学（中国）の●●（ヂォン ヂォン）教授（◇2）、リトラル・コート・ド・パール大学（フランス）のフランシス・ヒンデル教授の国際共同研究グループは、テラヘルツ・コム（注1）に基づいたガス分光で高精度性と汎用性を両立する技術の開発に成功しました。

テラヘルツ波（注2）は極性ガス分子の回転運動による吸収が現れる周波数領域に位置し、各種の揮発性有機化合物ガス（注3）がこの周波数領域で特徴的な吸収スペクトルを示すことから、揮発性有機化合物ガスの分光分析手段として期待されています。特に、極めて正確で精緻な櫛の歯状スペクトルを持つテラヘルツ・コムを用いた分光法（デュアル・テラヘルツ・コム分光法（注4））は、高い分光精度（高確度、高分解能、広帯域）を備えていますが、テラヘルツ・コムの発生及び検出のためには周波数安定化制御された特殊なレーザーを2台利用する必要があり、光源部が複雑・高価格であるために汎用性を損ねていました。一方、デュアル光コムファイバーレーザー（注5）は、1台のレーザーで2つの光コムを発生させることが可能である上、周波数安定化制御が不要であるため、光源部の簡素化・低価格化を可能にしますが、レーザー非制御による周波数揺らぎのため、デュアル・テラヘルツ・コム分光法の高い分光精度を犠牲にしなければなりませんでした。

上記の課題を解決するため、本研究グループは、デュアル光コムファイバーレーザーとアダプティブ・サンプリング法（注6）を融合したデュアル・テラヘルツ・コム分光装置を開発しました。この分光装置では、デュアル光コムファイバーレーザーの周波数揺らぎを検出し、その揺らぎに基づいてスペクトル波形の歪みを補正することにより、分光精度の低下を防ぎます。本手法により、高い分光精度と汎用性を兼ね備えたデュアル・テラヘルツ・コム分光法が可能になり、大気環境汚染のモニタリングに役立つと期待されます。

本研究は、JST戦略的創造研究推進事業（グラント番号:JPMJER1304、詳細は以下参照）と内閣府 地方大学・地域産業創生交付金事業（徳島県「次世代"光"創出・応用による産業振興・若者雇用創出計画」、詳細は以下参照）の他、文部科学省 科学研究費補助金 基盤研究(A)（課題番号:26246031）の一部支援を受けて行われました。

本研究成果は、2020年5月27日（日本時間）に国際光工学会（International Society for Optics and Photonics）の電子ジャーナル「Advanced Photonics」で公開されます。

◇1:「● 杰（チェン ジェ）元特別研究生」の正式表記は添付の関連資料を参照

◇2:「●●（ヂォン ヂォン）教授」の正式表記は添付の関連資料を参照

本成果は、以下の事業・研究プロジェクトの支援によって得られました。

【科学技術振興機構（JST） 戦略的創造研究推進事業 総括実施型研究（ERATO）】

　・研究プロジェクト:「美濃島知的光シンセサイザプロジェクト」

　・研究総括:美濃島 薫（電気通信大学 情報理工学研究科 教授）

　・研究期間:平成25年10月～平成31年3月

本プロジェクトは、光波の時間、空間、周波数、位相、強度、偏光など全てのパラメーターを自在に操作でき、さまざまな応用に使えるところまで進化した知的光源を開発し、その未踏な応用分野を開拓することを目指して実施されました。

【内閣府 地方大学・地域産業創生交付金事業】

　・事業名:徳島県「次世代"光"創出・応用による産業振興・若者雇用創出計画」

　・中心研究者:安井 武史（徳島大学ポストLEDフォトニクス研究所 所長/教授）

　・研究期間:平成30年10月～令和5年3月

本事業は、目に見えない次世代の光「深紫外光」「赤外光」「テラヘルツ波」に関する実用光源の開発と応用展開（ポストLEDフォトニクス研究）を通して、創造的超高齢社会と地域産業振興に貢献していくことを目標としています。

※以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

「● 杰（チェン ジェ）元特別研究生」の正式表記

https://release.nikkei.co.jp/attach_file/0534670_01.pdf

「●●（ヂォン ヂォン）教授」の正式表記

https://release.nikkei.co.jp/attach_file/0534670_02.pdf

添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach_file/0534670_03.pdf