✿ 中赤外量子もつれ光源の開発（MIR Quantum entanglement）

本研究室では、広帯域の中赤外量子もつれ光子対の生成・計測およびそれを用いた応用に関する研究を行っています。中赤外帯域における量子もつれを用いた量子光学の探究は、光と物質の相互作用を革新的に明らかにする上で重要な分野です。このアプローチにより、分子やナノ構造体のダイナミクスやエネルギー準位を高精度で解析し、新たな光応答現象や量子制御の可能性を切り拓くことが可能となります。さらに、中赤外量子もつれ光子の応用は、高感度センシングや高分解能イメージングなど、多岐にわたる分野での技術革新につながると期待されます。たとえば、分子スペクトロスコピーの感度向上、化学反応の可視化・制御、さらには医療用画像技術の高度化などが挙げられます。中赤外帯域の量子もつれを活用することで、光学技術の新たな地平を拓き、多様な応用展開が可能になります。

1. 超広帯域中赤外量子もつれ光源の開発

中赤外領域における量子光学研究では、広帯域かつ高品質な量子もつれ光源の開発が不可欠です。このような光源を実現することで、分子スケール・ナノスケールにおける相互作用の精密な観測や、量子制御手法の確立に貢献できます。また、これらの成果は、医療診断・材料科学・エネルギー変換技術といった実用的分野にも波及効果をもたらすと考えられます。超広帯域中赤外量子もつれ光源の開発は、量子光学の基礎と応用を橋渡しする重要なステップです。

2. 超広帯域中赤外量子もつれ光子の計測技術の開発

中赤外光の計測は、可視光や近赤外光に比べて技術的に困難であり、高感度かつ高精度な計測手法の確立が求められています。一方で、可視領域にはすでに成熟した計測技術が存在しています。そこで、本研究では、非線形光学効果（たとえば和周波発生や差周波発生）を利用して中赤外光を可視光へと変換し、既存の高感度検出器で計測するアプローチに取り組んでいます。これにより、中赤外領域での量子光子の検出や時間相関測定などを効率的に行うことが可能となり、従来の技術的制約を克服する道が開かれます。

✿ ハイパースペクトルイメージング（Hyperspectral Imaging）

1. 可視 − 近赤外 − 短波長赤外帯域

1.1 高速広帯域のハイパースペクトルカメラの開発

ハイパースペクトルイメージングは、従来のRGBカメラのように3つの色成分のみを取得するのではなく、数十〜数百の細かい波長ごとの画像を同時に取得できる先進的な計測技術です。この技術では、1画素ごとにスペクトル情報を持つ高次元画像を生成できるため、対象物の化学的・物理的な特徴を分光的に識別し、視覚的に捉えることが可能になります。従来の手法では見分けにくい微細な差異も、分光的な特徴に基づいて高精度に識別・評価できます。

本研究室では、可視光（約400 nm）から短波長赤外（SWIR、約2000 nm）までの広帯域をカバーしながら、1台のカメラでこの全域を一括して計測できる革新的なハイパースペクトルイメージングシステムの開発に取り組んでいます。従来、このような広帯域スペクトルの取得には、波長帯ごとに異なる装置を用いる必要がありましたが、私たちは装置の簡素化・測定の高速化・高空間分光精度の同時実現を目指し、単一装置による統合的なセンシング技術を開発しています。さらに本技術は、ビデオレート（24キューブ／秒以上）でのリアルタイム取得を実現しており、時間変化を伴う現象の可視化やその場での状態解析にも対応可能です。

一般的な動画では「1秒間に何枚の画像を撮れるか」を示す「フレーム／秒（fps）」という指標が使われます。一方、ハイパースペクトルイメージングでは、1枚の画像に多数の波長成分を持たせた「ハイパースペクトルキューブ」を取得します。このため、計測速度は一般的な「フレーム/秒」ではなく、「キューブ/秒」で表されます。さらに正確な性能評価を行うには、「1秒間にどれだけの空間・波長情報を取得できるか」という視点が重要です。そのための指標として、次のような表現が有効です：

フレーム数 × バンド数 ／ 秒

たとえば、毎秒10キューブを取得し、1キューブに200バンドの波長情報が含まれていれば、10 × 200 = 2000 バンド付きフレーム／秒という計測能力となります。この値は、フレームレート（動画のスピード）と波長分解能（分光の精度）を両立しながら、どれだけ高速に多情報な観測が可能かを定量的に示す指標として、装置性能や応用展開の評価に非常に有用です。波長間隔が細かくなるほど1キューブに含まれる情報量が増える一方で、それだけ取得に時間がかかるため、キューブ/秒の速度は低下する傾向にあります。そのため、高速かつ高分解能な計測を両立するためには、光学設計・センサ技術・データ処理の最適化が不可欠です。当研究室では、波長帯域の広さ・分解能・取得速度のすべてを高次元で両立するシステムの実現に取り組んでいます。

2. 中赤外帯域（ケミカルイメージング）

ケミカルイメージングは、赤外吸収分光法を応用して、画像の各ピクセルにおける化学成分を特定する革新的なマッピング手法であり、中赤外帯域における分光イメージング、あるいはハイパースペクトルイメージングとも呼ばれます。この手法で取得された画像データは、二次元の空間情報に加え、一つの波長スペクトルの次元を持ち、赤外吸収スペクトルの特徴から対象物の化学組成を識別し、マッピングできます。本研究では、サブサイクルの中赤外超短パルスは、サンプルを全面照射し、透過した後にサンプルの結像面に設置した結晶に転送されます。同時に、チャープパルスも結晶に照射され、中赤外パルスとチャープパルスにおける和周波発生の信号は、波長スペクトルと二次元の位置情報をデータキューブとして記録されます。中赤外超短パルスを可視光に高効率で波長変換することで、シリコンベースの可視光用検出器で検出できるため、赤外検出器に比べてはるかに高性能なイメージングが可能となります。この技術は、食品工業、農業、医療、環境モニタリング、材料科学など、さまざまな分野への応用が期待されます。

✿ 第二高調波顕微鏡（Second harmonic generation microscopy）

第二高調波（Second harmonic generation, SHG）は非線形光学現象の一つです。物質に光を照射すると、非対称な分子や構成単位において、元の光の周波数が2倍（第二高調波）に変換されます。この特性を利用した分光法やイメージング法では、非対称な部分が選択的に観察できます。この技術は、物質の構造解析に応用されます。

第二高調波顕微鏡を開発するにあたり、巨大分子や糖類、タンパク質、プラスチックなどのさまざまなサンプルを観察し、これまで知られていなかった材料における非線形光物性の研究が行われています。その結果、超巨大多糖類分子の巨視的な非対称な構造を追跡し、自己組織化のメカニズムを解明することができました。また、高度に分散した貴金属ナノ粒子を含むポリプロピレンの薄膜を観察・分析し、貴金属ナノ粒子をドープされたポリプロピレン薄膜やプラスチックの素材における非線形光物性を解明しました。また、米種子の観察では、種子中のグルコース分布情報を可視化し、発芽開始時のメカニズムの解釈に貢献しました。さらに、蜘蛛の糸を観察することで、糸を切断する際のメカニズムを直接観察しました。そして、長距離顕微鏡を用いて、静電場の強度と方向の二次元空間分布を先駆的に計測することにも成功しました。

✿ 和周波発生振動分光法（Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy）

✿ クモの巣における光物性（Optical properties of spider orb-webs）

円網（orb-web）を張るクモは、腹部に最大7種類の糸腺（分泌腺）を備えており、それぞれから性質や機能の異なるシルクタンパク質を分泌します。これによりクモは、巣の構造的要請や行動の目的に応じて、複数種の糸を選択的かつ巧みに使い分けています。これらの分泌腺は、円網の構築・獲物の捕獲・卵の保護といった行動の段階ごとに精密に制御されており、クモは必要な場面で最適な糸を選択的に分泌する高度な制御能力を持っています。

本研究室では、クモ糸および粘着物質の構造や組成を、ナノ〜分子スケールで高精度に解析することで、それらが持つ優れた機能性の分子基盤を解明する研究に取り組んでいます。最先端の分光技術やイメージング技術を用いた、多角的なアプローチを展開しています。

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