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2013 Fiscal Year Annual Research Report

負誘電率領域のフォノン-プラズモン共鳴を用いたテラヘルツ波発生・検出の研究

Research Project

Project/Area Number 23560053
Research InstitutionNihon University

Principal Investigator

四方 潤一  日本大学, 工学部, 准教授 (50302237)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 南出 泰亜  独立行政法人理化学研究所, その他部局等, その他 (10322687)
Keywordsテラヘルツ波 / 表面フォノン / 表面プラズモン / 表面波発生・検出 / コヒーレンス
Research Abstract

前年度にテラヘルツ波放射動作を見出した2つのA1対称表面フォノンモード(250, 630cm-1)に対し、本年度は外部結合用の表面微細構造(周期19, 7.8um)を付したデバイス構造についてFDTD(時間領域差分)法による電磁場解析を進めた。その結果、表面波モードが現れる250~491cm-1(7.5~14.7THz)、630~758cm-1(18.9~22.7THz)の双方の周波数領域(負誘電率領域)内におけるテラヘルツ波放射を見出すとともに、下限周波数付近(7.9, 19THz)では放射が抑制されることを見出した。さらにテラヘルツ波発生に寄与する表面プラズモン伝搬現象についてもFDTD解析を進め、最適な凹凸深さが周期の約1/10となることを見出した。また、反応性イオンエッチングを用いたニオブ酸リチウム基板の表面微細加工については、基板帯電に伴う加工時間の制約の中、深さ約80nmまで高精度な凹凸構造作製に成功した。一方、テラヘルツ波検出の広帯域化のため、有機非線形結晶DASTを用いて3THz以上の周波数領域において高感度検出を実現した。光パラメトリック発振器により発生した励起光2波長をDAST結晶に照射しテラヘルツ波を発生させ、また別途構築した光パラメトリック発振器から1波長を励起光として発生させ、前記テラヘルツ波と同時にテラヘルツ波検出用DAST結晶に照射した。テラヘルツ波検出では、励起光とテラヘルツ波から新たに信号光(近赤外光)が発生し、これを高感度近赤外光検出器で検出した。結果として、27THzにおいてテラヘルツ波パルスエネルギー3fJの微弱テラヘルツ波検出に成功し、雑音等価パワーとして約20pW/Hz1/2の高感度検出を達成した。以上より、表面フォノンを介したテラヘルツ波と光波の相互周波数変換に関する光学現象・基盤技術に関する知見と応用への見通しを得た。

  • Research Products

    (39 results)

All 2014 2013 Other

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results) Presentation (33 results) (of which Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Kilowatt-peak terahertz-wave generation and sub-femtojoule terahertz-wave pulse detection based on nonlinear optical wavelength-conversion at room temperature2014

    • Author(s)
      H. Minamide, S. Hayashi, K. Nawata, T. Taira, J. Shikata, and K. Kawase
    • Journal Title

      J. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves

      Volume: vol.35 Pages: 25-37

    • DOI

      10.1007/s10762-013-0041-0

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Real-time terahertz wave imaging by nonlinear optical frequency up-conversion in a 4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium tosylate crystal2014

    • Author(s)
      S. Fan, F. Qi, T. Notake, K. Nawata, T. Matsukawa, Y. Takida, and H. Minamide
    • Journal Title

      Appl. Phys. Lett.

      Volume: Vol.104 Pages: 101106-1-4

    • DOI

      10.1063/1.4868134

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Bridging a few terahertz to tens of terahertz: inspection on a cost-effective, room-temperature operated measurement system based on frequency conversion via 4-dimethylamino-N'-methyl-4'-stilbazolium tosylate crystal2014

    • Author(s)
      F. Qi, K. Nawata, S. Hayashi, T. Notake, T. Matsukawa, and H. Minamide
    • Journal Title

      Appl. Phys. Lett.

      Volume: 104 Pages: 031110-1-4

    • DOI

      10.1063/1.4863082

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 10 aJ-level detection of ns pulse below 10 THz by frequency upconversion detection via DAST crystal: more than a 4 K bolometer2014

    • Author(s)
      F. Qi, S. Fan, T. Notake, K. Nawata, T. Matsukawa, Y. Takida, and H. Minamide
    • Journal Title

      Opt. Lett.

      Volume: 39 Pages: 1294-1297

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Terahertz-wave generation from 4-dimethylamino-N'-methyl-4'-stilbazolium p-bromobenzenesulfonate crystal: Effect of halogen substitution in a counter benzenesulfonate of stilbazolium derivatives2014

    • Author(s)
      T. Matsukawa, T. Notake, K. Nawata, S. Inada, S. Okada, and H. Minamide
    • Journal Title

      Optical Materials

      Volume: (in press) Pages: (in press)

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Pump-beam-induced optical damage depended on repetition frequency and pulse width in 4-dimethylamino-N’-methyl-4’-stilbazolium tosylate crystal2013

    • Author(s)
      T. Matsukawa, K. Nawata, T. Notake, F. Qi, H. Kawamata, and H. Minamide
    • Journal Title

      Appl. Phys. Lett.

      Volume: 103 Pages: 023302-1-4

    • DOI

      10.1063/1.4813602

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Room temperature terahertz wave imaging at 60 fps by frequency up-conversion in DAST crystal2014

    • Author(s)
      S. Fan, F. Qi, T. Notake, K. Nawata, T. Matsukawa, Y. Takida, and H. Minamide
    • Organizer
      Photonics West 2014
    • Place of Presentation
      San Francisco, USA
    • Year and Date
      20140201-20140206
  • [Presentation] 非線形光学効果によるテラヘルツ波発生検出技術開発の最先端2014

    • Author(s)
      南出泰亜
    • Organizer
      電子情報通信学会総合大会
    • Place of Presentation
      新潟
    • Year and Date
      2014-03-18
  • [Presentation] Efficient wavelength-conversion between terahertz wave and near-infrared beam using lithium niobate crystal2013

    • Author(s)
      H. Minamide
    • Organizer
      GDR-I and GDR Workshop
    • Place of Presentation
      Montpellier, France
    • Year and Date
      20131209-20131211
    • Invited
  • [Presentation] 最先端テラフォトニクス研究と将来展開2013

    • Author(s)
      南出泰亜
    • Organizer
      理研シンポジウム 第1回「光量子工学研究」
    • Place of Presentation
      和光
    • Year and Date
      20131031-20131101
  • [Presentation] 10 aJ-level detection of ns pulse below 10 THz by frequency upconversion via DAST-DFG: more than a 4K bolometer2013

    • Author(s)
      F. Qi, S. Fan, T. Notake, K. Nawata, T. Matsukawa, Y. Takida, and H. Minamide
    • Organizer
      理研シンポジウム 第1回「光量子工学研究」
    • Place of Presentation
      和光
    • Year and Date
      20131031-20131101
  • [Presentation] Room temperature terahertz wave imaging at video-rate by frequency up-conversion in DAST crystal2013

    • Author(s)
      S. Fan, F. Qi, T. Notake, K. Nawata, T. Matsukawa, Y. Takida, and H. Minamide
    • Organizer
      理研シンポジウム 第1回「光量子工学研究」
    • Place of Presentation
      和光
    • Year and Date
      20131031-20131101
  • [Presentation] 非線型波長変換による超高輝度テラヘルツ光の発生2013

    • Author(s)
      林伸一郎,縄田耕二,川瀬 晃道,南出 泰亜
    • Organizer
      理研シンポジウム 第1回「光量子工学研究」
    • Place of Presentation
      和光
    • Year and Date
      20131031-20131101
  • [Presentation] 有機非線形結晶を用いた波長変換におけるsub-THz帯位相整合条件に関する検討2013

    • Author(s)
      三宅良宜, 縄田耕二, 山下将嗣, 佐藤篤, 南出泰亜
    • Organizer
      理研シンポジウム 第1回「光量子工学研究」
    • Place of Presentation
      和光
    • Year and Date
      20131031-20131101
  • [Presentation] 高出力テラヘルツ波発生のための有機非線形光学結晶の開発2013

    • Author(s)
      松川健, 野竹孝志, 縄田耕二, 南出泰亜
    • Organizer
      理研シンポジウム 第1回「光量子工学研究」
    • Place of Presentation
      和光
    • Year and Date
      20131031-20131101
  • [Presentation] Development of a single-crystalline stilbazolium derivative with halogenated benzenesulfonate for terahertz-wave generation2013

    • Author(s)
      T. Matsukawa, S. Inada, S. Okada, and H. Minamide
    • Organizer
      6th International Symposium on Lasers, Scintillators and Non-Linear Optical Materials (ISLOM-6)
    • Place of Presentation
      Shanghai, China
    • Year and Date
      20131020-23
  • [Presentation] Terahertz‐Wave Detection using Nonlinear Optical Up‐Conversion by DAST2013

    • Author(s)
      H. Minamide, F. Qi, and S. Fan
    • Organizer
      21st International Conference on Applied Electromagnetics and Communications (ICECom 2013)
    • Place of Presentation
      Dubrovnik, Croatia
    • Year and Date
      20131014-16
  • [Presentation] 非線形光学波長変換による高感度テラヘルツ光検出2013

    • Author(s)
      林伸一郎、縄田耕二、川瀬晃道、南出泰亜
    • Organizer
      第74回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      京都
    • Year and Date
      20130916-20
  • [Presentation] Realizing of Extremely Wide Dynamic Range Measurement Using High-Brightness Terahertz-Wave2013

    • Author(s)
      S. Hayashi, K. Nawata, K. Kawase, and H. Minamide
    • Organizer
      38th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2013)
    • Place of Presentation
      Mainz, Germany
    • Year and Date
      20130901-06
  • [Presentation] High-peak-power and Tunable Terahertz-wave Generation by Using Nonlinear Parametric Conversion2013

    • Author(s)
      S. Hayashi, K. Nawata, K. Kawase, and H. Minamide
    • Organizer
      PIERS 2013 Stockholm (Progress In Electromagnetics Research Symposium)
    • Place of Presentation
      Stockholm, Sweden
    • Year and Date
      20130812-20130815
    • Invited
  • [Presentation] Efficient wavelength-conversion between terahertz wave and infrared light using nonlinear optical susceptibility χ(2)2013

    • Author(s)
      H. Minamide
    • Organizer
      Int. Symposium on Microwave/Terahertz Science and Application (MTSA 2013)
    • Place of Presentation
      Shanghai, China
    • Year and Date
      20130722-20130723
    • Invited
  • [Presentation] Terahertz-wave Parametric Generation and Detection System Covering the Range From 1 to 3 THz2013

    • Author(s)
      S. Hayashi, K. Nawata, K. Kawase, and H. Minamide
    • Organizer
      10th Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim (CLEO-PR 2013)
    • Place of Presentation
      Kyoto, Japan
    • Year and Date
      20130630-0704
  • [Presentation] Intense Terahertz-wave Generation and Sensitive Detection Using Nonlinear Optical Effect2013

    • Author(s)
      H. Minamide
    • Organizer
      10th Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim (CLEO-PR 2013)
    • Place of Presentation
      Kyoto, Japan
    • Year and Date
      20130630-0704
  • [Presentation] Study of efficient optical parametric generation in KTP crystal as pump source for DAST-DFG2013

    • Author(s)
      K. Nawata, Y. Miyake, S. Hayashi, T. Notake, Kawamata, T. Matsukawa, F. Qi, and H. Minamide
    • Organizer
      Conference on Lasers and Electro Optics (CLEO2013)
    • Place of Presentation
      San Jose, USA
    • Year and Date
      20130609-14
  • [Presentation] Highly sensitive Terahertz-wave Detection by using Nonlinear Parametric Conversion2013

    • Author(s)
      S. Hayashi, K. Nawata, K. Kawase, and H. Minamide
    • Organizer
      Conference on Lasers and Electro Optics (CLEO2013)
    • Place of Presentation
      San Jose, USA
    • Year and Date
      20130609-14
  • [Presentation] 1.1 kW peak-power terahertz-wave generation comparable to THz-FEL by nonlinear parametric conversion2013

    • Author(s)
      S. Hayashi, K. Nawata, K. Kawase and H. Minamide
    • Organizer
      Advanced Lasers & Photon Sources Conference (ALPS’13)
    • Place of Presentation
      Yokohama, Japan
    • Year and Date
      20130423-20130425
  • [Presentation] Ultra-widely tunable DFG THz-wave source using organic DAST and BNA crystals pumped by a dual-wavelength β-BaB2O4 optical parametric oscillator2013

    • Author(s)
      T. Notake , K. Nawata, T. Matsukawa, F. Qi, H. Kawamata and H. Minamide
    • Organizer
      Advanced Lasers & Photon Sources Conference (ALPS’13)
    • Place of Presentation
      Yokohama, Japan
    • Year and Date
      20130423-20130425
  • [Presentation] Frequency up-conversion detection of THz waves by DAST-DFG: approaching more than 4K bolometer2013

    • Author(s)
      F. Qi, K. Nawata, T. Notake, H. Kawamata, T. Matsukawa and H. Minamide
    • Organizer
      Int. Workshop on Optical Terahertz Science and Technology (OTST 2013)
    • Place of Presentation
      Kyoto, Japan
    • Year and Date
      20130401-20130405
  • [Presentation] Design of sub-THz-wave generation based on DAST-DFG pumped by injection-seeded OPG2013

    • Author(s)
      Y. Miyake, K. Nawata, M. Yamashita, A. Sato and H. Minamide
    • Organizer
      Int. Workshop on Optical Terahertz Science and Technology (OTST 2013)
    • Place of Presentation
      Kyoto, Japan
    • Year and Date
      20130401-05
  • [Presentation] Highly sensitive terahertz-wave up-conversion detection with dynamic range over 100dB2013

    • Author(s)
      S. Hayashi, K. Nawata, K. Kawase and H. Minamide
    • Organizer
      Int. Workshop on Optical Terahertz Science and Technology (OTST 2013)
    • Place of Presentation
      Kyoto, Japan
    • Year and Date
      20130401-05
  • [Presentation] 非線形光学波長変換による最先端テラヘルツ波発生および検出技術の開発2013

    • Author(s)
      南出泰亜
    • Organizer
      電子情報通信学会電子デバイス研究会ミリ波・テラヘルツ波デバイス・システム
    • Place of Presentation
      仙台
    • Year and Date
      2013-12-17
  • [Presentation] 表面波共鳴テラヘルツ波共振器デバイスの動作解析

    • Author(s)
      三瓶有輝, 四方潤一, 大寺康夫, 南出泰亜
    • Organizer
      平成25年度電気関係学会東北支部連合大会
    • Place of Presentation
      会津若松
  • [Presentation] 表面フォノン共鳴型テラヘルツ波発生の動作特性

    • Author(s)
      四方潤一, 南出泰亜, 林伸一郎
    • Organizer
      2013年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会
    • Place of Presentation
      福岡
  • [Presentation] 最先端テラフォトニクス研究開発と将来展開

    • Author(s)
      南出泰亜
    • Organizer
      NICT―理研合同テラヘルツ研究交流会
    • Place of Presentation
      東京
  • [Presentation] 非線型波長変換による超高輝度テラヘルツ光の発生と検出

    • Author(s)
      林 伸一郎, 縄田 耕二, 川瀬晃道, 南出泰亜
    • Organizer
      NICT―理研合同テラヘルツ研究交流会
    • Place of Presentation
      東京
  • [Presentation] 10 aJ-level sensing of ns pulse below 10 THz by frequency upconversion detection via DAST crystal: more than a 4 K bolometer

    • Author(s)
      F. Qi, S. Fan, T. Notake, K. Nawata, T. Matsukawa, Y. Takida, and H. Minamide
    • Organizer
      NICT―理研合同テラヘルツ研究交流会
    • Place of Presentation
      東京
  • [Presentation] Real-time Room-temperature terahertz wave imaging by frequency up-conversion in DAST crystal

    • Author(s)
      S. Fan, F. Qi, T. Notake, K. Nawata, T. Matsukawa, Y. Takida, and H. Minamide
    • Organizer
      NICT―理研合同テラヘルツ研究交流会
    • Place of Presentation
      東京
  • [Presentation] 表面フォノン共鳴による負誘電率領域のテラヘルツ波発生特性

    • Author(s)
      四方潤一, 南出泰亜, 林伸一郎
    • Organizer
      平成25年度日本表面科学会東北・北海道支部学術講演会
    • Place of Presentation
      仙台
  • [Presentation] 表面プラズモン共鳴を用いたテラヘルツ波制御デバイスの動作特性

    • Author(s)
      四方潤一, 三瓶有輝, 斎藤光留, 白石拓也, 田中宏樹, 南出泰亜
    • Organizer
      平成25年度日本表面科学会東北・北海道支部学術講演会
    • Place of Presentation
      仙台

URL: 

Published: 2015-05-28  

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