共振器を用いたテラヘルツ時間領域分光システムの開発

利用谐振器开发太赫兹时域光谱系统

基本信息

批准号：
22K05157
负责人：
菜嶋茂喜
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Osaka Metropolitan University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K05157/
关键词：
テラヘルツ波テラヘルツ時間領域分光法エンハンスメント共振器共振器分光キャビティエンハンスト吸収分光法(CAS)キャビティリングダウン分光法（CRD）分光センシングフェムト秒レーザー共振器時間領域分光法キャビティリングダウン分光法

项目摘要

低エネルギーで，かつ，物質固有のスペクトル（指紋スペクトル）が存在するテラヘルツ波（THz波）領域は貴重な分光情報を有しており，基礎物性の研究だけでなく，それを活かしたセンシングなどの様々な分光応用も期待されている．従来のテラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS）測定はシングルパスが殆どであり，微量な物質や吸収率の小さい物質の応答を得るのが困難であった．この技術課題に対し本研究では，キャビティリングダウン分光法（CRD）などに代表される共振器分光技術を導入してTHz波と物質の相互作用を増大増強する手法を提案し，高感度な分光を目指している．1年目のR04年度では，従来のTHz-全反射減衰（ATR）分光の系にTHz波用のウィスパリングギャラリーモード（WGM）共振器を導入に取り組んだ．ATRプリズム（全反射領域）を外部結合器に採用し，最大周回数が観測できるWGM共振器用小球のサイズ依存性を調査した結果，回折損失と伝搬損失のトレードオフが存在し，最大周回数が観測できる最適な小球サイズがあることが明らかになった．また，結合部では，独自に作製した専用の非球面レンズでTHz波ビームの集光することでモード結合の効率向上に成功した．これらの取り組みにより，時間領域で観測できるTHz波パルスの最大周回数が29周回付近に達し是迄よりも約40%の向上を達成した．その結果，分光感度として約27倍の向上，700倍超の測定時間の短縮に成功した．一方で，更なる感度向上を目指してファイバーを用いた新たな結合方法として，THz波用の非球面レンズとファイバーから成る外部結合器を検討し，その試作品を作製した．

Terahertz Wave（THZ波）区域是低能的，具有材料特异性的光谱（指纹光谱），具有有价值的光谱信息，并且不仅可以研究基本的物理特性，而且还研究了各种光谱应用，例如感应使用此功能。常规的Terahertz时域光谱（THZ-TDS）测量大多是单个通道，因此很难从少量吸收率的物质或物质中获得反应。为了应对这一技术问题，这项研究提出了一种通过引入谐振器光谱（例如腔响铃光谱法（CRD））来增加和增强THZ波和材料之间相互作用的方法，旨在以高度敏感的光谱法。在R04时代的第一年，我们致力于引入Whispering Gallery模式（WGM）THZ波的谐振器中的传统THZ-TOTAL返回损失（ATR）光谱系统。我们使用ATR PRISM（总反射区）作为外耦合器，我们研究了WGM谐振球体的尺寸依赖性，这允许观察到最大的圆周数量，并且揭示了衍射损失和传播损失之间的权衡，并且有最佳的球体大小可以使最大数量的范围差异。此外，在耦合部分，通过使用独立生产的专用非球形透镜将THZ波梁聚焦，从而成功提高了模式耦合的效率。通过这些努力，可以在时间域中观察到的THZ波脉冲的最大循环数量达到了29个周期左右，与此速率相比增加了约40％。结果，光谱灵敏度提高了大约27倍，并将测量时间缩短了700次。另一方面，作为一种使用纤维的新耦合方法，我们研究了由非球形透镜和纤维制成的外部耦合器，用于THZ波，并创建了该耦合的原型。