高感度リアルタイムテラヘルツ検査装置の開発

光注入型テラヘルツ波パラメトリック発生器(is-TPG)は世界トップレベルの出力を誇り、さらには同様の原理を用いて高感度検出や増幅が可能である。しかし従来のis-TPGは波長可変光源ゆえに1パルスで１波長しか出力されず波長掃引が必要であり分光する際に測定時間が長かった。そこで本研究ではis-TPGによる多波長同時発生及び検出技術を開発することでリアルタイム測定および高速分光イメージングを目指した。さらに、近年新たに考案したテラヘルツ波高利得増幅の手法を検出にも導入することで感度向上を行った。is-TPGは、励起光と種光（注入光）を非線形光学結晶に入射し、注入光と同一波長の近赤外光（アイドラー光）、およびテラヘルツ波を強いパラメトリック相互作用により発生する装置である。本研究では、この注入光を多波長化することで多波長テラヘルツ波発生を目指した。多波長注入光として複数台のレーザーを組み合わせる方式において、7波長のテラヘルツ発生および検出に成功し、またよりシンプルな系で複数波長が得られる光増幅器内部の四光波混合を用いる方式においても4波長までのテラヘルツ発生、検出を確認できた。これら多波長テラヘルツ波を用いて試薬はリアルタイムで測定でき、分光イメージングにおいても測定時間を大幅に短縮することに成功した。一方で高利得増幅の手法を検出にも応用することで、感度向上も目指した。検出部を多段化し、空間的に信号とノイズを分離することでノイズを減らしつつ信号光強度の向上が可能となる。1THzにおいて56zJ(zJ=10の-21乗J)もの極微弱光検出に成功し、現在は困難である分厚い遮蔽物越しの測定への道を開いた。今後はこれら成果を組み合わせることで高速かつ高感度なテラヘルツ測定装置開発を行い、応用開拓を目指していきたい。

光注入型テラヘルツ波パラメトリック発生器(is-TPG)は世界トップレベルの出力を誇り、さらには同様の原理を用いて高感度検出や増幅が可能である。しかし従来のis-TPGは波長可変光源ゆえに1パルスで１波長しか出力されず波長掃引が必要であり分光する際に測定時間が長かった。そこで本研究ではis-TPGによる多波長同時発生及び検出技術を開発することでリアルタイム測定および高速分光イメージングを目指した。さらに、近年新たに考案したテラヘルツ波高利得増幅の手法を検出にも導入することで感度向上を行った。is-TPGは、励起光と種光（注入光）を非線形光学結晶に入射し、注入光と同一波長の近赤外光（アイドラー光）、およびテラヘルツ波を強いパラメトリック相互作用により発生する装置である。本研究では、この注入光を多波長化することで多波長テラヘルツ波発生を目指した。多波長注入光として複数台のレーザーを組み合わせる方式において、7波長のテラヘルツ発生および検出に成功し、またよりシンプルな系で複数波長が得られる光増幅器内部の四光波混合を用いる方式においても4波長までのテラヘルツ発生、検出を確認できた。これら多波長テラヘルツ波を用いて試薬はリアルタイムで測定でき、分光イメージングにおいても測定時間を大幅に短縮することに成功した。一方で高利得増幅の手法を検出にも応用することで、感度向上も目指した。検出部を多段化し、空間的に信号とノイズを分離することでノイズを減らしつつ信号光強度の向上が可能となる。1THzにおいて56zJ(zJ=10の-21乗J)もの極微弱光検出に成功し、現在は困難である分厚い遮蔽物越しの測定への道を開いた。今後はこれら成果を組み合わせることで高速かつ高感度なテラヘルツ測定装置開発を行い、応用開拓を目指していきたい。