2017 Fiscal Year Research-status Report
Hyper-spectral Imaging of THz Wave on a Single-shot Basis
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17K19080
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
神成 文彦 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (40204804)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2019-03-31
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| Keywords | THz電磁波 / スペクトラルイメージング / 超高速イメージング / フェムト秒レーザー / EOサンプリング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
初年度は、THz波発生および2次元EOサンプリング計測装置の構築とSTAMP計測装置との合体によるTHzパルスの2次元EOサンプリングコマ撮りイメージの原理実験を行った。
大きな屈折率差のある波長変換でTHzを発生できる位相整合条件を達成するために、波面傾斜したフェムト秒レーザーパルスをLiNbO3(LN)結晶に入射させることでTHz波を発生させた。テラヘルツ波は最大で1パルスあたり110 nJ発生し、発生効率は2.0×10-4であった。発生したテラヘルツ波は軸外し放物面鏡により厚さ1 mmの<110>ZnTe結晶に集光し、EO効果によるプローブパルスの偏光変化をバランス光検出により計測した。この出力を遅延変化させながら記録することでテラヘルツ波の電界波形を取得した。波面傾斜法によって発生するテラヘルツ波のスペクトルはポンプパルスのパルス幅に依存し、今回実験で用いたパルス幅50 fsでポンプした場合、中心周波数1 THzで2～3 THz程度まで広がるテラヘルツスペクトルが得られるはずである。しかし，今回の計測で得られたテラヘルツスペクトルは中心周波数0.5 THzで，広がりは1 THz程度までであった。
STAMP装置は、パルス幅50 fsの再生増幅器出力を用いた現有装置を転用した。テラヘルツ波の集光点にEO結晶を置いて集光点のプロファイルをSF-STAMPによって計測した。THz波ピークをプローブパルスの790 nmと812nmにしたそれぞれの場合においてマルチスペクトラルイメージを冷却CCDカメラで計測した。遅延時間の操作によってマルチスペクトラルイメージの明るいフレームが別の中心波長のフレームに移ることが確認され，それぞれの波長に対応する時間のプロファイルが得られていることが確認できた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
THz波源の構築と、THz波の時間分解2次元イメージをEOサンプリング法とSF-STAMP法を組み合わせて原理実証計測できたことにより、実験装置の重要な部分の構築が予定通りに終了した。超高速現象をTHz波でプローブ計測した場合、THz波の過渡的な透過特性を2次元で計測できる計測系が出来上がったことになる。また、THz波自体を周波数チャープさせることで、THz帯のスペクトラル2次元イメージを計測できる。当初、THz波の周波数チャープのためには新たな工夫が必要と考えていたが、THz用中空ファイバの構造分散を用いることで容易に実現できることを見いだした。
現在の課題は、THz波発生系の最適化ができていないため、EOサンプリング計測のSNが低く、シングルショットでは冷却CCでもイメージ計測ができない点にある。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の研究課題の１つであったTHz波の周波数チャープに関して目処がついたことから、THz電磁波強度を増強しEOサンプリング信号強度を増大化し、シングルショットでのSF-STAMP計測を実現することが残った研究課題である。現在、斜め波面傾斜によるTHz波発生において、予期した帯域が実現できていないように、最適化ができていない。また、イメージングのための透過型光学素子のスループットが高くはないという課題が存在している。この点からTHz波強度を1μJ/pulse近くまで増大化する必要がある。
シングルショット計測できるSNを確保し、その後は、予定通りGaAs半導体薄膜の欠陥密度に依存した光励起キャリア寿命をTHz波の過渡的吸収イメージ計測で計測する。また、1THz領域で吸収スペクトルが空間的に変化する（静的）材料について、シングルショットでのスペクトラルイメージを取得する。原理的にはすでに確認できているので、THz波強度の高強度化が鍵となる。
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