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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

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• 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


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


CEAS


• 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

...


CEASの感度


• 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


計測対象のガス吸収線


• 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)


取り組むこと


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


FFCの狭線幅化


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


モード同期FFC


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


共振器外観


• 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


課題に対しての対策


• 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


モード同期FFC開発の問題について


• 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


まとめ


• 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

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