COBAND実験のための遠赤外光源開発（A far-infrared light source for COBAND experiment）
福井大学 吉田拓生，古屋 岳，鈴木健吾，浅胡武志，竹下勉，若林 凛
中部大学 岡島茂樹，中山和也
筑波大学 金 信弘，武内勇司，飯田 崇史，浅野千紗，高橋光太郎，前川 群，山根 綾太
近畿大学 加藤幸弘
他、COBAND実験メンバー

筑波大学 令和2年度 第1回宇宙史センター構成員会議
2020年6月15日
1

素粒子標準模型とニュートリノ

クォーク（ e ：電気素量）

レプトン（軽粒子）

2e
3
電荷
1- e
30
電荷-e

相互作用を媒介する粒子（ゲージ粒子）
いろんな素粒子の質量の源となる粒子

第１世代 フレーバー

第２世代 フレーバー

第３世代 フレーバー

質量：小

質量：中

質量：大u （アップ）c （チャーム）t （トップ）d （ダウン）s （ストレンジ）b （ボトム）𝜈" （電子ニュートリノ）𝜈# （ミューニュートリノ）

𝜈$ （タウニュートリノ）µt - （タウ）e （電子）-（ミュー）+光子γ

グルーオン gW W－ Z0（電磁相互作用）（強い相互作用）（弱い相互作用）

ヒッグス粒子 H

0〈ニュートリノ の質量について、分かっていること （from Kamioka etc.）〉
・３つの質量固有状態がある： 𝜈! ，𝜈" ，𝜈#・質量２乗差は測定されているが、個々の質量は不明
𝑚! ! − 𝑚" ! = 7.37×10#$ eV ! ， 𝑚% ! − 𝑚! ! = 2.46×10#% eV !
・宇宙の密度揺らぎの観測から m1＋m2＋m3 < 230 meV2ニュートリノに質量があると…
質量の大きいニュートリノが光子（γ）を放出して崩壊し、質量の小さいニュートリノになる … と理論で予言（未だ観測はされていない。）
𝜈% → 𝜈! + 𝛾

ニュートリノ崩壊光子のエネルギー𝐸&

𝑚# " − 𝑚" "𝐸$ =2𝑚#W

𝜈% （質量m3）

τ，μ，e

𝜈! （質量m2）（２体崩壊なので、重心系で𝐸& は一定）

𝜸 (ニュートリノ崩壊光子)

一方、Kamiokaのニュートリノ振動の観測から：𝑚% ! − 𝑚! ! = 2.46×10#% eV !
𝑚! ! − 𝑚" ! = 7.37×10#$ eV !
〈𝐸& を推定しよう〉
ニュートリノ質量の下限：𝑚" ≥ 0
上限：m1＋m2＋m3 < 230 meV

m1

ニュートリノ崩壊光子を検出し、そのエネルギー𝐸& を測定することで、ニュートリノの質量が決定できる。

m2m3

波長 λ(μm)

(meV)

(meV)

(meV)

𝐸$(meV)0950

2450717287

1490

遠赤外！

しかし、ニュートリノの寿命tはとても長く、崩壊確率は極めて低い。
（観測で t＞ 3×1012年、理論ではモデルによって1013年（VL lepton）～ 1017年（L-R symm.）～ 1043年（SM））⇒ 観測するには大量のニュートリノが必要

3

宇宙背景ニュートリノ崩壊光子（CnB）を使おうν

ν
νγ

ν

宇宙背景ニュートリノ：
Ø ビッグバンによって宇宙が生まれたとき、光子や電子やクォークなどと共に大量に生成されたはず。
Ø 今でも大量に宇宙を飛び交っている（約300個/cm3）と考えられているが、未発見。

γγ

νγ
νγγ

COBAND実験共同研究
筑波大、 JAXA、関学大、KEK、福井大、産総研、 ν理研、近畿大、米国フェルミ研、ソウル大、韓国IBS、他

γγ

νν

ν

νγ

γ
ννγ

νγ

色んな粒子が飛び交う宇宙
光子（3K放射）：約 400個/cm3 ：ビッグバンの38万年後に晴れわたる。
ニュートリノ：約300個/cm3 （理論の予測）：ビッグバンの～1秒後に晴れわたる。

ν検出器を宇宙へ（地上では空気中の水分がν崩壊光子を吸収してしまうため。）

γγ
4

宇宙背景ニュートリノ（CnB）崩壊光子のスペクトルとバックグラウンド
宇宙マイクロ波
背景放射

黄道放射（ダスト熱放射）

輝度（MJy/sr）

黄道光（太陽光散乱）

宇宙背景ニュートリノ（CnB）は、1.9 Kの熱運動（～0.6meV）をしているだけなので、周りの空間に対して、ほぼ静止しているとみなせる。

銀河進化モデル
系外

赤方偏移

銀河から

銀河系ダスト放射n3静止系で波長l = 50µmの場合のスペクトルn3の寿命t=3×1012年と仮定（既にS.M. Kim et al によって棄却されてはいるが）-26

n3の寿命t=1×1014年と仮定

2（1Jy = 10 W/m ・Hz）
段差@波長50µm＋赤方偏移

COBAND実験では、このような段差（波長50～90µm付近にできるであろう）を探索する。
どのような検出器を使うのか。
5雛形STJ検出器

超伝導トンネル接合素子（STJ）検出器、開発中(Superconducting Tunnel Junction検出器、STJ検出器)
𝛾

ニュートリノ崩壊光子𝐸$ =14～24 meV （λ=50～90 μm，3～6 THz）
クーパー対を破壊、電子を生成（エネルギー1.7Δあたり電子を1個生成）
超伝導膜, 100～200 nm厚絶縁膜(Al2O3など)
1～2 nm厚電子（準粒子）となる

5mm角のチップの中に、いろんなサイズのSTJ

ニュートリノ崩壊光子検出器（望遠鏡）
主鏡15cmf, 視野角 0.006°×0.05°
光子
膜の面積：～100µm×100µm,15cm
超伝導膜
100～200 nm厚信号となる

トンネル効果で絶縁膜を通り抜けた電子
その数∝光子のエネルギー

反射鏡

エネルギー 超伝導
STJ検出器のエネルギー分解能(%)
超伝導体
ギャップΔ 転移温度
(𝐸$ = 24 meV, λ= 50µmのとき)
材料
(meV)
（K）
Nb
1.55
9.2
14.8%
開発順調、ただし回折格子でAl

0.172

1.194.9%

Hf

0.021

0.165

1.7%

回折格子

精度を高める必要あり
回折格子不要だが開発に時間必要

クライオスタット

Nb/Al-STJ
アレイ（ピクセル）Δ≪ 𝜈崩壊光子のエネルギー𝐸$ （14～ meV）
Δが小さいほど、電子の数が増え、統計精度（エネルギー分解能）が良くなる。

開発中の検出器のテストをしたい ⇒ 波長50～90 μm （ν：3～6 THz）の遠赤外光源が必要。
どのような光源を使うか。（この領域は「未開拓周波数帯」と言われているが…。）
6光源の選択肢は？
遠赤外分子レーザー
λ=40μm～500μm (Eγ=4～30 meV)

1THz

CO2レーザー λ=9～11μm

ジャイロトロン

半導体レーザー

UV

10μm

1μm

波長 l = 0.1μm
可視

近赤外

中
赤外

1GHz

100μm
遠赤外

103μm
104μm
Millimeter105μm

予測されるニュートリノ崩壊光子の波長50～90 μm （ν=3～6 THz、𝐸& =14～24 meV ）に対して、少し余裕を見て、波長40～120 μmの範囲の光源を用意することにした。

ニュートリノ崩壊光子検出器テスト用遠赤外光源

CO2 レー

遠赤外分子レーザー装置（福井大学遠赤センター）を利用。

分子レØ CO2レーザーを1次光源として、種々の気体分子（CH3OH ，CD3OH ，CH3OD ，…）を励起（分子振動・回転）させ、レーザー発振させる。

ZnSe出力鏡（可動式）

CO2レーザー装置

窓

元々、中部大学の岡島・中山研究室で開発された手作りのレーザー

回折格子、角度調整可
150 grooves/mm,
blazed at 10.6µm
格子に垂直な方向に偏光
共振器長2.5 m付近で微調（10.8mmf）

真空ポンプへ分子レーザー装置

Au+Cu
入力結合鏡

ザ

CO2+N2+Heガスin
高電圧(~15kV)をかけてガスを励起

CO2レーザー吘吾吚吨呎ーーØ 発振波長 ：40μm～500μmの間 （Eγ 2.5meV～31meV）の約70本の単色発振線から任意の一つを選択できる。
Ø 連続波発振 （出力：発振波長によって 数mW～百mW）

ザー

出力鏡（可動式）, 半透出力孔部12mmf
窓（ポリエチレン）
遠赤外レーザー・ビーム径～7 mmφ＠出口
・発振線によって鉛直 or 水平に偏極

共振器長2.5 m付近で微調（35mmf）

蒸気アルコール（CH3OH、 CD3OH、 CH3OD等）

8

波長40～120 µmの範囲で、これまでに利用した発振線（中部大学の岡島・中山研究室で確認されている27本中、14本）
CO2 レーザー（1次光源）
発振線

波長l（µm）(9～11µm帯)

出力（W）（D：deutron）

10R(18)10.26077CD3OH

9R(28)

9.230

7110R(18)

10.2609P(30)

媒体分子遠赤外分子レーザー
偏光Eγ波長l（µm）

出力（mW）

41.4（meV）
30.0（対CO2）
⊥

CD3OH

42.6

29.2||

2.0

79

CD3OH

43.7

28.4||

9.4

9.639

66

CH2DOH

44.0

28.2||

2.8

9R(8)

9.342

67

CH3OD

47.6

26.1

||

379R(34)

9.201

67

CD3OH

52.9

23.5

⊥

9.2

9R(8)

9.342

73

CH3OD

57.2

21.7

⊥

72

9P(34)

9.676

69

CH3OH

70.5

17.6

⊥

239R(8)

9.342

71

CH3OH

77.3

16.1

||

2.8

9R(8)

9.342

71

CH3OH

86.2

14.4||-10R(16)

10.274

77

CD3OH

86.4

14.4||

6.8

9R(10)

9.32941CH3OH

96.5

12.9||339P(30)

9.639

65

CH3OD

103.112.0⊥

229P(36)

9.695

59CH3OH

118.810.5⊥75

波長 9～10 μm帯の約90本の発振線から共振器の一端の回折格子で1本だけ選択（格子 : 水平方向、偏光 : 鉛直方向）

11

目標の波長領域40～120 μm をカバー
9

CO2 レーザーの発振線

遠赤外分子レーザー、運転の手順

9 μm帯

１．1次光源 CO2 レーザー
・波長 9～10 μm帯の94本の発振線から1本を選択（共振器の一端の回折格子を用いて）・共振器長を微調整（半波長lCO2/2の整数倍に）CO2レーザーの発振線： CO2分子の振動・回転準位間の遷移による。
発振線名の意味: 例えば、9R(34)の場合、「9 μm帯で、CO2 分子の角運動量が 35→34に転移」CO2 レーザー出力 (a. u.)

9R(34)

分子レーザー出力 (a. u.)

・共振器長を微調整（半波長l/2の整数倍に）共振器長l/2毎に共振する分子レーザー

1.50

l/20.500.00
50

10.010.5
波長 lCO2 (µm)

11.0分子の蒸気(真空引きした共振器内へ)

Example:CO2: 9P(30)分子 : CH3OD
l=103.1 μm (⊥)

1.00

0

10.0

10 μm帯２．分子レーザー
・分子の種類（CH3OH，CH3OD, CD3OH, …）を1つ選択

9.5

9.0100150

出力鏡移動距離 Dz(µm)

200

分子（メチルアルコール系）
10マクスウェル方程式の近軸近似解（１つの軸付近に強度が集中している電磁波の解：レーザービーム）'
発散角 𝜃% = ()!
ビーム出口（出力鏡）

ビーム半径𝑊 𝑧

レーザー装置

ビーム軸, z(z: 出口からの距離)

波面

ビーム軸からの距離

レーザービーム （＝ガウスビーム）の一般論
1𝑒&2s
強度(a.u.)2s

ビームウエスト
ウエスト半径𝑊%

𝜋𝑊%&（l: 波長）

遠赤外分子レーザーでプロファイル測定
CO2: 9P(36), 分子: CH3OH
l=118.8 μm (⊥)
結果：ウエスト半径 𝑊% = 3.4 mm
発散角 𝜃% = 11 mrad

ウエスト半径 𝑊"
3.4 mm

ビーム半径 𝑊 𝑧 = 𝑊% 1 +&𝜆𝑧

ビーム半径 𝑊 (mm)2σ = ビーム半径𝑊 𝑧
4σ = ビーム直径2𝑊 𝑧

ガウスビーム理論より:

𝜆発散角 𝜃% =𝜋𝑊%

ビームプロファイル𝑊!

λ=118.8 µm

3.43±0.04▲︓ビーム半径W（=2s）測定値

𝜃! =𝑊 𝑧 = 𝑊!

𝜆= 11 mrad
𝜋𝑊!

𝜆𝑧
1+𝜋𝑊!""

ビーム出⼝（出⼒鏡）からの距離 𝑧 (mm)11ロケットによる観測に向けて、この遠赤外光源で取り組んでいる課題
2m

ロケット搭載型
ニュートリノ崩壊光子検出器（望遠鏡）

集光用ミラー

ロケット・ノーズコーン

3He吸着

4He減圧

冷凍機
（0.3K）

冷凍機（1.8K）減圧

JAXA観測用ロケットS-520

真空3He

入射光
波長40µm～80µmを狙う

回折格子

⁴He

Nb/Al-STJアレイ（ピクセル）～1 m

積載重量≦100 kg

光の入射窓材の選択

課題

集光・分光用光学系のテスト～35cm

STJ検出器の改良・テスト

目標 ： 課題を解決して、検出器打ち上げへ縦、横、斜めに設置可。
12

ニュートリノ崩壊光子検出器（望遠鏡）中の集光・分光用光学系（案）
光学設計・評価用プログラムCODE Vによるシミュレーションby 筑波大 飯田、関学大 松浦研

Offset型望遠鏡案

150mmφ集光用ミラー

150mmφCassegrain Ritchy Chretien型望遠鏡案

集光用ミラー

視野角：0.029°

視野角：0.029°

回折格子回折格子

STJアレイ（ピクセル）

STJアレイ
回折格子（ピクセル）

STJのピクセル上での集光の様子
波長l = 40µm 60µm 80µm

200mmφ

色んな案を検討した後、ほぼ最終の案

STJアレイ（ピクセル）

集光用ミラー

500mm

400µm×400µm
13この光学系に要求されるスペック
間にこの 入る、がには
実際 凹面鏡用
集光

回折格子

STJアレイ（ピクセル）
クセル

回折光

（－ ）
回折角b

光角
入射)
a (＋

Blaze角qB

溝間隔d（波長l、入射角a）1次光の回折角b (°)

8ピ

n次の回折角ブレーズド回折格子

射Ø 1 ピクセルのサイズ： 400 µm以下
Ø 回折角bの範囲Db： 8°程度
（16°は超えない）

セル
クピ50向）方（分光入Ø 波長範囲： 40 µm～80 µmを 50 ピクセルで分光(波長分解能 0.8µm、2%以下)

0

入射角a =45°として-10-20溝間隔d =155µm-30-40-50

Db～16°
Db～8°

溝間隔d =365µm
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90波長l（µm）

14

COBAND実験用ブレーズド回折格子 （Designed by 筑波大学 飯田、髙橋）
アルミ合金75S（50mm×50mm×10mm）

顕微鏡写真

溝間隔d = 155μm
ブレーズ角qB =11.19°（ブレーズ波長lB =60.2µm）

溝間隔d = 365μm
ブレーズ角qB =5.12°（ブレーズ波長lB =65.1µm）

ブレーズ角qBは、回折角b には直接関係しないが、回折効率に関係してくる。
波長40 µm～80 µmの範囲で、1次回折光が強く、他の回折光（0次、2次…）が弱くなるよう設計（回折格子設計・解析用シミュレーター Diffract MOD 使用）
写真は福井大学の先端科学技術育成センター（工場）での試作品。
性能評価実験では、筑波大の飯田さんが専門業者に依頼して、作製してもらった同型の回折格子を使用。

15回折格子の回折角、回折効率の測定

1次回折角β（°）

40

波長λ ：57.2 μm（偏光：回折格子の溝に対して⊥、TM）（この測定では、福井大の回折格子（アルミ）使用）

200-20溝間隔d =155µm

理論曲線-40-60・回折光の強度・入射角α・回折角βを測定
焦電検出器（受光面9mmφ）
z = 2163mm
ビーム直径： 1～2mm程度のはず

溝間隔d =365µm
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
回折角・回折効率測定用光学系
回折格子に平行ビームを照射したい。
（できればビーム径も小さくしたいが…）
ハーフミラー（40μm厚、マイラー）z = 1515mm

入射角α偏光板
60mm

共振器11.9°～2.5m

遠赤外分子レーザー
x(水平)
y(鉛直)

アイリス（12mmφ）
z=620mm
凹面鏡(f = 750mm)
z = 845mm
ビーム直径 11 mm

z(水平、ビーム方向)z ： ビーム出口から光軸に沿った距離
赤文字で記したビーム径は波長57.2µmでのシミュレーションの結果

凸レンズ(ｆ=150mm、46mmφ)z = 2008mm

300mm

平面鏡（金コーティング）z = 1135mm

角β
回折

出力ミラー（＝ビーム出口）
z = 0mm
ビーム直径 6.8mm
結晶水晶窓155mm

入射角α（°）

凸レンズ(f=150mm、46mmφ)z = 1890mm
ビーム直径 8 mm

ビーム強度モニター
焦電検出器（受光面9mmφ）
z = 2041mm
ビーム直径 1.4 mm

回折格子（溝：鉛直(y)方向）z = 1708mm
ビーム直径 8 mm
ビームプロファイル
PVCシートを置き、温度分布を測定

16回折格子の回折角、回折効率の測定用光学系の設計
凹面鏡を用いて回折格子付近でほぼ平行ビームを実現 （ガウスビームは完全な平行ビームにはできない。）ℎ&A B ℎ7=𝑚&
C D 𝑚7ℎ :ビーム軸からの変位
𝑚: 傾き

凹面鏡（f=750mm ）

レンズ
ウエスト
半径𝑊! ′ （f=150mm ）ここの半径と角度から次のウエストの位置と半径𝑊! ′が決まる。

ウエスト
半径𝑊! =3.4mm

波長 λ ：57.2 μm

回折格子

ウエスト

ビーム出口

ビーム半径（mm）

光線行列 （ABCD行列）を用いたシミュレーション

ビーム直径
1.4 mm焦電検出器(受光面9mmφ)例：
自由空間中の直線ビーム (距離 𝑑)
A B
1 𝑑
=
C D0 1
焦点距離 f のレンズや球面鏡
10A B=− 1⁄𝑓 1
C D

ウエスト
半径𝑊! =3.4mm

波長 λ ：77.3 μm

ビーム出口

レンズ
ウエスト （f=150mm ）半径𝑊! ′ウエスト

凹面鏡（f=750mm ）ビーム出口

ビーム半径（mm）

z（伝播距離mm）

回折格子

z（伝播距離mm）

凹面鏡

ビーム直径1.5 mm

焦電検出器(受光面9mmφ)

回折格子

平面鏡

検出器

筑波大の回折格子（アルミ）で、0次光、1次光、2次光の強度の内訳（相対回折効率）を測定、Diffract MODによるシミュレーション（曲線）と比較（筑波大・前川）

回折効率の測定

偏光：回折格子の溝に対して⊥、TM
1

相対回折効率

相対回折効率

1次光0.8

溝間隔d=365 µm
波長λ=57.2 µm

0.60.4

0次光
0.2
01次光
溝間隔d=365µm
入射角45°
0次光
2次光

2次光
01020304050

入射角α（°）

6070

80

90

波長（µm）

偏光：回折格子の溝に対して//、TE1

相対回折効率

相対回折効率

1次光0.8

溝間隔d=365µm
波長λ=47.6 µm

0.60.40次光

0.201次光
溝間隔d=365µm
入射角45°
0次光
2次光

2次光
010

20

304050入射角α（°）

60708090

波長（µm）

Diffract MODに頼ってよさそうだ！

18

今後の予定Ø ニュートリノ崩壊光子検出器（望遠鏡）を完成させ、ロケットで宇宙へ・まずは、開発の進んでいるNb/Al-STJアレイ&回折格子併用で、3分間観測。
・ n3の寿命t = 1013～1014年の領域を探る。
・JAXAの規定：
ロケット打ち上げ申請は随時受け付け。
しかし、打ち上げは、検出器が完成してから2年後。
Ø 将来的には人工衛星に搭載して長期間連続観測
・Hf-STJを完成させ、回折格子なしで視野角を広げて観測・n3の寿命t = 1014～1017年の領域を探る。
19

これ以下、時間の都合で省略したスライド。

20

遠赤外分子レーザーによるSTJ検出器の性能評価実験
中空THzファイバー(1.6 m長)

真空用フィードスルー
伝送効率78% （TPX）

R=200mm

L4He減圧冷凍機（1.6 K）

遠赤外分子レーザービーム
波長 57.2 µm、50 mW
L4He

R=200mm
f=20cm凸レンズ(TPX)
レーザー装置⽤除振台
銅製
Cold Plate

床

水平磁場
コイル付き
ステージ

中空THzファイバー、Opto Knowledge Systems社製（長さ1.6 m, 内径0.75 mm, 最小曲げ半径200 mm）

アルミパイプ
長さ1200mm,内径11mm,伝送効率36%
STJ検出器（Nb/Al）

LHe

Flexibleだが、①レーザービームを内径0.75mmまで絞りきれず（～2.5mmφが限度）。
入射効率～(0.75/2.5)2 = 9%②ファイバーに入射したビームの伝送効率～1.6%（実測）結果、入射効率×伝送効率＝0.14%
21

Nb/Al - STJの性能評価実験結果

電流A ( 50 nA/div.)

遠赤外レーザー連続光
ON/OFF時の I-V曲線

200 µm角 Nb/Al - STJ

A

1.7Kで測定

電流：100 nm： 70 nm
Al2O3 ：1～5 nm

電圧 V

照射なし

100nA増加照射(57.2µm)

電圧 V (100 µV/div.)

𝐍𝐛

𝐀𝐥

転移温度 𝑇9 (K)

9.23

1.20

エネルギーギャップ∆(meV)

1.550

0.172

• 照射パワー： ～8 nW/200 µm角（波長57.2µm、Eg= 22 meVの光子2.4×1012個/sに相当）

この光子1個がSTJ内で生成する電子数• 予想される電流変化： ～30 µA（検出効率：100%として）".)*• 測定された電流変化： 100 nA
検出効率： 100 nA/30 µm ＝ 0.3％

'2=!! +,= 75個".)×/.")! +,-（エネルギー1.7Δあたり電子を1個生成）
低い！ STJ表面での反射が大きいか？
検出効率の向上を図るべし → STJの表面に反射防止膜ノイズも低減させるべし → SOI-STJ （STJとアンプを一体化）
22

改良型STJのテストに向けて：分子レーザーの連続波をパルス波に変換（STJ検出器のパルス応答を調べる必要があるため）【まずは、予備実験】

回転ミラー（平面鏡）
GaAsショットキーバリア
w=353 rad/s （56回転/s） ダイオード検出器
パルス波形
39mm×42mm×8枚 （アンテナ径d=50 µm）
L=860 mm34

入・反射角：27°0mm

連続波（l = 118.8 µm）

凹面鏡で検出器上に集光2000 mm

f = 750 mm

ウエスト

回転ミラー

凹⾯鏡
(𝑓 = 750mm)

ビーム出口

ビーム半径𝑊 𝑧 (mm)シミュレーションでは!.%$
0×! 134 23!45 678 9= 4.5 µs

L=860 mm

𝑊% = 3.4mm

5 mV5 µs𝛥𝑡 (FWHM) =ガウスビームに対する光線行列 によるシミュレーション

ウエスト半径(半値幅, FWHM)

検出器上でのビーム直径2W’＝6.6 mmf（実測値）

入・反射角：25°
遠赤外分子レーザー

Dt=5.7±0.4 µs

パルス

STJ検出器の応答速度（可視光ピコ秒パルスレーザーで測定）
ビーム軸

SBD検出器
ビーム直径2𝑊"#= 4.1mm
伝播距離 𝑧 (mm)3.2 µs
FWHM
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我々のパルス光源の時間幅を、これよりも短くしたいパルス時間幅を短くするための光学系の設計

STJ検出器の応答速度（可視光ピコ秒パルスレーザーで測定）

目標: パルス時間幅 < STJ検出器の応答速度
3.2 µs
FWHM

方針：
Ø 回転ミラーを用いる場合は、現有品を用いる。

我々のパルス光源の時間幅を、これよりも短くしたい

回転ミラー（中部大 岡島先生提供）
平面鏡、39mm×42mm×8枚
w=353 rad/s （56回転/s）

Ø 回転ミラー以外に、オプティカル・チョッパーなども試してみる。
Ø 光学部品（凹面鏡、凸面鏡etc.）は市販品から選択。
Ø レーザービームの空気中の伝播距離を4 m以内に抑える。
（空気中の水分による吸収の影響を抑えるため）

透過率 (%)

空気中の水分によるビームの減衰（波長 𝜆 = 57.2µm）
120
気温 22℃
100

相対湿度 (RH) = 20%(吸収係数𝑨 = 𝟎. 𝟐/𝐦)

80
60

RH = 40%(𝑨 = 𝟎. 𝟔/𝐦)

40200

RH = 60%(𝑨 = 𝟏. 𝟐/𝐦)
012

距離 z (m)3424パルス時間幅を短くするための光学系の設計・案（シミュレーション）
方針：下図の光学系で、（注：STJ用冷凍機の入口にスリットを置き、そこでパルス化する）⇒

Ø スリット位置でのビーム径を小さく （ビームを一旦広げてから急激に集光）
Ø 回転ミラーからスリットまでの距離 L を長く
新型SOI-STJ

偏光板
結晶水晶窓

8° 5°

凸面鏡

𝑓 = −50mm,50mmf

L=1097mm1398mm

STJ検出器の応答速度（可視光ピコ秒パルスレーザーで測定）

𝜃 2°

リッ
幅d=ス
0.1mmトビーム花径 𝑊 𝑧 (mm)200mm

600mm 32°

アッテネータSTJ

冷凍機

導波管（低熱伝導）

導波管

平⾯鏡

300mm

遠赤外分子レーザー𝑓 = 304.8mm
152.4mmf(STJとアンプを一体化 し、ノイズ低減)

STJ

反射防止膜も試す。
他、Hf-STJ なども（高エネルギー分解能）

凹面鏡
𝑓 = 304.8 mm
回転ミラー

凸面鏡
(𝑓 = −50 mm)
ビーム出口波⻑l=57.2µm

入射窓

凹面鏡

ビーム軸

ビーム直径
2𝑊"# =2.4mm

39mm

スリット
L=1097 mm
伝播距離 𝑧 (mm)

パルス時間半値幅 (シミュレーション)

3.2 µs
FWHM
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我々のパルス光源の時間幅を、これよりも短くしたい

回転ミラー
39mm×42mm
𝜔=353 rad/s（56回転/s）!.%$! 134 23
𝛥𝑡 (FWHM) = 0 × !45 678 9 = 1.9 µs(幅 𝑑 = 0.1mmのスリットを使った場合)

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