【研究領域課題番号】18H01449 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超音波 / 光超音波 / 造影剤 / イメージング / 光音響 / レーザ / 半導体レーザ / 変調光 / 診断装置 / 強度変調

【研究成果の概要】

本研究では、医用超音波画像技術のひとつである光超音波イメージングにおいて今後の利用拡大が見込まれる専用造影剤について、その性能を定量的に評価する装置の開発を行うことを目的としている。２つの異なった評価装置の開発を進めている。
その一つとして、振幅変調した連続光を用いることで低い尖頭光パワーで評価を安定に行うことをめざし、半導体レーザ光源と音響共鳴を利用した高感度検出系を考案している。今年度は、これまでの研究期間で開発した装置について周波数掃引法を適用するなど、測定時間の短縮と使いやすさの向上のための改良を行った。
二つ目の方式として、実際のイメージング装置に近いパルス光とMHz帯超音波トランスデューサによる評価装置を検討した。これは、人体模擬ファントムに血管を想定した直径1 mm以下の透明細管を埋め込み、その中に評価する試料造影剤を充填する構造のものである。試料入り細管に光パルス照射を行い、超音波トランスデューサで受信する。半導体レーザとパルス駆動回路を用いてピーク光パワー1 W程度のパルス光を発生させ、パルス幅を15～129 nsの範囲で可変として実験を行った。受信には中心周波数5 MHzまたは10 MHzの非破壊検査用圧電トランスデューサを用いた。その結果、内径が1 mm以下のガラスキャピラリでは管内音響モードが励振されて、管径に応じて感度の高くなる光パルス幅が存在することが実験的に示された。管内音場モードの理論から、どのパルス幅でどのモードが励振されやすいのかが説明できた。また、シリコンチューブなどの柔らかい細管を用いると、周囲ファントムとの音響インピーダンスの差が小さいため音場の閉じ込めが起きにくく、はっきりした共振特性が現れにくいことを実験的に明らかにした。また、その際にはガラスキャピラリよりも光音響信号のレベルが数分の１以下になることを示した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2023-03-31

【配分額】16,510千円 (直接経費: 12,700千円、間接経費: 3,810千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】23360135 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子細線 / 半導体レーザー / 光学利得 / 多体効果 / 理論計算 / 薄膜・量子構造 / レーザー / MBE / へき開再成長

【研究成果の概要】

半導体レーザーの利得性能計算には、自由電子近似に基づくバンド理論が用いられてきた。本研究では、計算パラメータをk・p 摂動論に基づいて決定し、1 次元量子細線系と2 次元量子井戸系用のキャリア間多体クーロン相互作用を平均場近似で取り入れ、レーザーのモード利得を定量的に計算する理論を、コードとして試作した。遮蔽クーロン相互作用の波数依存性を無視した計算も行った。実験では、高品質3周期T型量子細線試料を用いて、利得スペクトルのキャリア密度依存性を精密測定した。理論により得られた定量的利得スペクトルやピーク利得値を実験と比較して、開発した理論の有用性を明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】19,760千円 (直接経費: 15,200千円、間接経費: 4,560千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】23656042 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

レーザー / 量子エレクトロニクス / 分光 / 半導体レーザー / ホローカソードランプ / ストロンチウム / 偏光分光 / ヒートパイプ

【研究成果の概要】

レーザー線幅狭窄化の伝統的な手法であるPound-Drever-Hall法と偏光分光信号を用いた線幅狭窄化が、光学密度が1より小さい範囲では数学的に等価であることを証明し、ルビジウム原子気体セルを用いて原理検証実験を行った。リチウム原子のヒートパイプ中における偏光分光を試み、ポンプ光の飽和効果によって偏光分光が可能なことが実験的に検証された。ストロンチウム原子の分光セルの候補として、ホローカソードランプを導入し、その諸特性を461nm(1S0-1P1)遷移を用いて調べ、リチウム原子気体と同様にポンプ光の飽和効果による偏光分光が可能であることが検証された。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2011 - 2012

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】固体地球物理学

【研究領域課題番号】09740350 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地震計 / レーザー / 干渉計 / 半導体レーザー

【研究成果の概要】

本研究では将来的な精密波形解析で必要になると考えられる100Hzまでの帯域で位相特性が平坦な地震計を開発することが目的である。初年度は使用する半導体レーザー(レーザーダイオード、LD)の性能評価に重点をおいて研究をおこない、モードホップにかからずしかも温度変動に対する強度変動が比較的小さい条件として、駆動電流50mA、温度15度の動作条件を決定した。また、LDのスペクトル広がりによるノイズは干渉計の対称性を0.1mm程度に合わせればショットノイズ限界の検出感度まで低減できることがわかった。
最終年度である本年度は地震計の振り子部分と制御部分の開発に重点を置き、プロトタイプの製作を行った。振り子は垂直成分を分離良く検出するために、片持ちのバネ振り子の構成を採用した。おもりの部分にプリズムを接着して振り子の動きを干渉計で精度良く計測する。数kHzまでの高周波まで制御をかけるために振り子の機械共振が十分に高くなるよう極力小型化した。また、長周期地震波も感度良く検出するために、補助バネで負のポテンシャルを作り振り子の固有周期をのばす方式を考案した。これにより振り子の共振周波数をもとの2Hzの1/10以下まで下げることができた。調整によってはさらに下げることが可能である。
制御部分については振り子の動きをレーザー干渉計で読みとり、3kHz以上の周波数帯域でフィードバックして地震計として動作させることができた。この制御帯域では100Hzでの位相遅れは0.3度以下であり、所期の位相精度が達成できる見通しが立った。
現在試験観測へ向けて実機を製作中であり、名古屋大犬山観測所において精密制御震源の信号の観測や微小地震の相関観測を行い、位相精度などの性能を評価する。

【研究種目】奨励研究(A)

【研究期間】1997 - 1998

【配分額】2,000千円 (直接経費: 2,000千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】06555100 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ナノ構造 / MOCVD / 量子細線 / 量子箱 / 微小共振器 / レーザ / 化合物半導体 / 光デバイス / 歪構造 / 半導体レーザ / 量子ドット / ステップエッジ

【研究成果の概要】

21世紀の超高速大容量光情報伝送や光情報処理の実現のためには、時間軸と空間軸の両方において高密度化が可能な光源の開発が不可欠である。しかし実現の道はそれほど近くはない。したがって、このような次世代光技術をささえるために新たな半導体レーザを開拓し、その技術を確立することは急務といわざるを得ない。
本試験研究では、上述の究極レーザのひとつとして、量子細線を活性層に有する垂直型微小共振器レーザをこれまでの本研究者の実績をふまえて試作し、その高性能性を明らかにする。これにより「量子微小レーザ」が超高密度(時間的・空間的)集積光システムの中心になり得ることを実証し、次世代の集積レーザのあり方が浮き彫りにする。
本研究計画で得られた成果は,量子ドットの作製技術としては,(1)形成の初期過程の観察(2)自然配列化(3)新しい作製法の開拓(4)微小共振器量子ドットレーザ作製(5)壁開面上への量子細線の選択成長について成果を挙げるとともに,ナノメートルスケールの光・電子相互作用の解明として(6)近接場光顕微鏡による量子ドットの光学評価(7)マイクロフォトルミネッセンスによる2次元電子ガスとポイントコンタクト構造における電子の噴出現象の可視化を進めた。さらに,(8)共振器ポラリトンにおける励起子-励起子散乱の効果の解明(9)微小共振器中の量子井戸における磁気励起子効果の観測(10)2次元フォトニック結晶における新欠陥構造の提案など,共振器効果についても重要な知見を得ることができた。
これらに加えて垂直共振器型量子細線レーザおよび垂直共振器型量子ドットレーザを試作し,光ポンピングによる低温レーザ発振に成功した。
本研究成果はナノ構造を有する半導体レーザの実用性の可能性を明らかにしたものであり,今後のデバイス技術の発展に大きく寄与するものである。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】13,200千円 (直接経費: 13,200千円)