2015 Fiscal Year Annual Research Report
超高感度テラヘルツヘテロダインＣＴおよび分光イメージングの実現
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25220606
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
川瀬 晃道 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (00296013)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
南出 泰亜 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究領域, チームリーダー (10322687)
林 伸一郎 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究領域, 上級研究員 (70360188)
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| Project Period (FY) |
2013-05-31 – 2018-03-31
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| Keywords | テラヘルツ / イメージング / 非線形光学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
我々の独自方式である光注入型テラヘルツ波パラメトリック発生器（is-TPG）は波長可変の単色テラヘルツ波光源であり、フーリエ変換を介さずに直接的に周波数スペクトルを得ることが出来る。近年の技術革新によりその出力はピークパワーで50kWを超えており、世界トップレベルの高出力光源である。また、本方式において、同様の原理を用いることで超高感度なテラヘルツ波検出も可能であり、is-TPGを発生、検出に用いることでダイナミックレンジ10桁を有するテラヘルツ波分光器を実現した。検出エリアもTHz-TDSに比べて大きいことや、フーリエ変換を介さないことからターゲット中のテラヘルツ波の散乱、多重反射、回折などに強いシステムの構築に成功し、遮蔽物下の禁止薬物や試薬類の検査に適した分光イメージングを実現した。
超高感度テラヘルツ分光システムに特化した光注入型テラヘルツパラメトリック発生検出システムを立ち上げ、励起光強度および光注入光強度を増大し、高出力、高感度化を図った。また、遮蔽物越しの薬物分光検出技術を確立し、厚いターゲットの分光等を行った。特に、関税中央研究所、科学警察研究所、国際郵便局、などからの要請の大きい、厚手のEMS（Express Mail System）封筒に隠された禁止薬物の透過分光イメージングの性能を確立した。 次いで、ヘテロダインCTの光学設計および基本動作確認、特に、コヒーレント成分の検出性能の確認を進めた。
また、本方式の課題として高いレーザーエネルギーが必要であるといった点が挙げられるが、産業応用を考えた場合、レーザー増幅器などを必要としない簡便な装置が望まれ、テラヘルツ波発生の高効率化が必須である。名大と理研との共同研究により、数十ピコ秒程度の超短パルスレーザーを用いてテラヘルツ波発生効率を向上させることにも成功した。
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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
光注入型THz波パラメトリック発生及び検出を用いたテラヘルツ分光イメージングシステムの高出力化と高感度化を達成し、10桁（100 dB）のダイナミックレンジを得ることができた。そのシステムを用いた分光イメージングシステムを構築し、分厚い遮蔽物越しでの試薬の識別に世界に先駆けて成功し、実用レベルを達成した。実際に分光イメージングで用いたサンプルは、3種類の試薬粉末をプラスチック製の袋に封入し、厚紙のEMS封筒2枚、段ボール2枚、気泡緩衝材4枚で遮蔽した（名古屋税関職員監修の下、遮蔽物およびサンプルを準備した）。この際の遮蔽物の厚みは約23 mmもあり、2003年の報告で用いた約0.1 mmの薄い封筒よりも格段に分厚い。次に、テラヘルツ波の周波数を1.4～1.9 THzの範囲で変化させ、12枚のマルチスペクトル画像を測定し、予め測定した各試薬の指紋スペクトルを用いて、主成分分析法により、各試薬の空間分布と濃度の抽出に成功した。
次に、3D-CTに関して、1.5 THzといった比較的高周波に中心周波数を持つ高出力波長可変光源である光注入型THz波パラメトリック発生器(is-TPG)を用いて3D-CTシステムの構築及び、プラスチックなどソフトマテリアルサンプルの3D-CT計測を行い、内部欠陥の観察等が可能であることを確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
テラヘルツ分光イメージングシステムの構築を行い、厚さ20mm強の遮蔽物越しの試薬の画像抽出に成功したが、実用性を考えるとさらに高いダイナミックレンジが望ましい。 また、波長可変光源ゆえに波長掃引する必要があり、測定時間が長く、高速化が課題である。
ダイナミックレンジ向上のため、分光イメージングシステムの検出部のノイズ除去、及び高感度赤外光検出器の導入によりさらなる高感度化を目指す。 測定時間の問題に関しては、テラヘルツ波の多波長同時発振化により波長掃引の時間を無くし、1パルスで広帯域分光を実現することにより測定時間の大幅な短縮を目指す。
テラヘルツ3D-CTシステムに関する問題点は、現在使用しているテラヘルツ波の周波数(1.5 THz)では、サンプルの透過率が比較的低い点であり、分厚い硬質プラスチック製品ではテラヘルツ波の吸収ロスが大きく、ダイナミックレンジの高いイメージングを行うことが困難である。特に構造が複雑な製品サンプルに対しては、画像が鮮明でない部分が見られる。この問題に対する解決策は、is-TPGの低周波化である。これまでis-TPGのゲインが高い1.5 THz付近を利用していたが、透過性を考え、理化学研究所が開発した低周波数域をカバーするis-TPGを導入する。 さらに、画像処理として、現在使用している通常のラドン変換ではなく、テラヘルツ波の特徴(屈折や回折)を織り込んだ処理を導入する。以上2つの解決策を推進することにより、より複雑かつ透過率の低いサンプル内部の僅かな欠陥の画像を取得可能な、より実用的な3D-CTシステムを実現する。
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[Presentation] THz-wave parametric amplifier using LiNbO3 crystal (招待講演)2015
Author(s)
K. Kawase, K. Murate, K. Imayama, S. Hayashi, "THz-wave parametric amplifier using LiNbO3 crystal (招待講演)," SPIE DSS Conference on Terahertz Physics Devices and Systems (ST104), 9483-7, Baltimore, USA (April 20-25, 2015)
Organizer
SPIE DSS Conference on Terahertz Physics Devices and Systems
Place of Presentation
Baltimore convention center, Baltimore, USA
Year and Date
2015-04-20 – 2015-04-25
Int'l Joint Research / Invited
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