中赤外レーザーの高出力化と環境計測応用

高功率中红外激光和环境测量应用

• 批准号: 20J15317
• 负责人: 河瀬 広樹
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: National Institute for Fusion Science (2021)The Graduate University for Advanced Studies (2020)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J15317/
• 关键词: 中赤外固体レーザー; 水の水素同位体; 中赤外吸収分光; 中赤外レーザー; レーザー分光計測; Er:YAP

地球科学や核融合分野において、水の水素同位体であるHDOやHTOの計測は、水循環過程の解明やトリチウム(T)の管理をする上で重要である。しかし、今日まで質量分析装置や液体シンチレーションカウンタが計測に用いられてきたが、これらの固定的で閉空間に限られた測定方法では、連続計測は実現できなかった。上記課題を克服する方法として、軽水(H2O)、HDO、及びHTOの水酸基伸縮振動に起因する波長3.0 um、4.0 um、及び4.4 um付近の強い吸収ピークに注目し、光の吸収量の違いを利用する。上記の波長を持つ中赤外レーザーをHDO、或いはHTO含有水に照射し、透過光の強度変化を測定することで、簡便な水の水素同位体の連続測定が可能になる。そこで、これまで困難であった水の水素同位体の連続測定を実現するべく、計測用高出力中赤外固体レーザー光源の開発とそれを用いた計測システムの開発を行った。本研究で開発した中赤外レーザー計測システムを用いて水の水素同位体の濃度比の時間変化測定を行った。昨年度までに開発した波長3 μm帯Er:YAP 連続波レーザーと波長4 μm帯量子カスケードレーザーを用いて、軽水と重水(D2O)の組成が動的に変化した際の光の透過光変化を測定した。この時、サファイア基板で構成されたマイクロ流路セル内の組成が、軽水から重水、及び重水から軽水へと変化した際、レーザー透過光の出力の増減を確認した。また、両レーザー光が同軸上にあると仮定し、測定から得られたレーザー透過光の出力時間変化と物性値であるレーザー波長における軽水と重水のモル吸光係数を用いることで、上記同位体種の濃度比の時間変化を取得することに成功した。以上から、中赤外レーザーを用いた水の水素同位体の連続計測の原理実証を行い、水の水素同位体の存在比の定量的な連続計測が可能な中赤外レーザー計測システムを実現した。

在地球科学和核融合的领域，水和HTO的测量，水的氢同位素，对于阐明氢环过程和管理tri虫（T）很重要。但是，尽管迄今已使用质谱器和液体闪烁计数器进行测量，但使用这些固定的，封闭的空间限制测量方法不可能进行连续测量。为了克服上述问题，我们关注波长3.0 UM，4.0 UM和4.4 UM周围的强吸收峰，这是由于光（H2O），HDO），HDO和HTO的羟基拉伸振动，并利用了光吸收量的差异。通过将上述波长辐射到HDO或含HTO的水上并测量透射光的强度变化，可以对水中的氢同位素进行简单的连续测量。因此，为了实现水中的氢同位素的连续测量，到目前为止一直很困难，我们已经开发了一个高功率中含量的固态激光源，用于测量和使用相同的测量系统。使用本研究中开发的中红外激光测量系统测量水中氢同位素浓度的时间变化比。使用3μM波长ER：YAP连续波激光器和4μM波长量子级联激光激光生长到去年，我们测量了轻水和重水（D2O）的组成（D2O）动态变化时的光传输光。此时，当由蓝宝石底物组成的微流通道中的组合物从浅水变为重水以及从重水到浅水，激光传输光的输出增加或减少。此外，假设两种激光束都处于同轴状态，我们通过使用从测量和摩尔灭绝的摩尔灭绝系数中获得的激光传输光的输出的时间变化来获得同位素物种浓度比的时间变化。从上面，我们证明了使用中红外激光连续测量水中氢同位素的原理，并实现了一种中型红外激光测量系统，该系统允许定量连续测量水中氢同位素的丰度比率。

项目成果

Preliminary results of H2O and D2O real-time measurement using mid-IR lasers with wavelength of 2.9 μm and 3.9 μm

使用波长为2.9μm和3.9μm的中红外激光器实时测量H2O和D2O的初步结果

• 发表时间: 2021
• 作者: H. Kawase;H. Uehara;and R. Yasuhara
• 通讯作者: and R. Yasuhara

Optical chopper based mechanically Q-switched ~3 μm Er:YAP single-crystal laser

基于光斩波的机械调Q ~3 μm Er:YAP 单晶激光器

• DOI: 10.35848/1347-4065/abcd7c
• 发表时间: 2021
• 期刊: Japanese Journal of Applied Physics
• 影响因子: 1.5
• 作者: Hiroki Kawase;Hiyori Uehara;Weichao Yao;Hengjun Chen;and Ryo Yasuhara
• 通讯作者: and Ryo Yasuhara