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

2020-05-272021-09-14

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

2020-05-27 徳島大学,科学技術振興機構

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、陈杰（チェン・ジェ）　元特別研究生、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）の郑铮（ヂォン・ヂォン）　教授、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）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・コムの発生およ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）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」）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（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＯｐｔｉｃｓａｎｄＰｈｏｔｏｎｉｃｓ）の電子ジャーナル「ＡｄｖａｎｃｅｄＰｈｏｔｏｎｉｃｓ」で公開されます。

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。