チェレンコフ位相整合EOサンプリングの高度化とTHz波イメージング計測への応用

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25286066
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Research Institution: University of Fukui
• Principal Investigator: 谷 正彦 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 教授 (00346181)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 栗原 一嘉 福井大学, 教育地域科学部, 教授 (20270704) ; 山本 晃司 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 准教授 (70432507) ; 川瀬 晃道 名古屋大学, エコトピア科学研究所, 教授 (00296013)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 非線形光学 / テラヘルツ

Research Abstract

申請者らが独自に開発したテラヘルツ(THz)波検出法としてのチェレンコフ位相整合電気光学サンプリング(Cherenkov-EOS)法をさらに発展させ，高度化する。本研究では (i)プラズモニクスを応用してその感度を飛躍的に増強し，また(ii)光導波路構造および波面傾斜法を用いて検出帯域を大幅に拡大し，さらに (iii) 高感度なTHz波リニアアメージング素子としての展開を図る。　H25年度は上記の目的を達成するため，以下の研究に取り組んだ。
(i)テーパー付金属平行平板導波路を用いた感度増強：　薄膜LN結晶をSiプリズムプレートとともに金属V溝に結合した金属平行平板導波路内に配置した構造を作る。導波路幅（すなわちSiプレートとLN結晶の厚さ）を数10um程度にすることで，約2桁のEOS感度増強を目指す。LN結晶は0.3mmまで機械的に研磨することに成功した。しかし0.1mmに研摩すると「割れ」が生じ，0.1mm以下に薄膜化することは通常の研磨法で難しいことが分かった。そのため他の加工法もしくは薄膜化LN結晶の製作法を検討中である。
(ii)検出帯域の拡大：　Cherenkov位相生後EOサンプリングの検出帯域を拡大するために， LN結晶にスラブ型光導波路構造を用いる方法とサンプリング光波の波面傾斜を用いる手法を試みた。厚さ40umのLN結晶にスラブ型光導波路構造を用いて，検出帯域はバルクの場合よりも広帯域化することを確認した。さらに広帯域化をすすめるために，波面傾斜法は試みた。しかし，顕著な帯域変化を確認できなかった。波面傾斜の制御性が悪いことが考えられるので，さらに波面制御性を改善して，実験を継続する。
(iii) Cherenkov位相整合EOサンプリングによるTHz波の周波数分解検出：　一方，一連の実験を通じて，Cherenkov位相整合EOサンプリングは，テラヘルツ波の周波数成分は角度分解されて検出されることを実証した。その周波数分解能，検出される周波数成分の空間分布など，その特性を詳細に調べた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

結晶研磨とサンプリング光波の波面制御に苦労しているものの，計画どおり研究を実施することができた。また一方で，非共軸なCherenkov位相整合に基づくヘテロダインEOサンプリング法は，遅延時間走査を行わずにテラヘルツ波の周波数分解検出が可能であることを実証するなどの成果もあった。以上により全体としてはおおむね計画通りに進展しているといえる。

Strategy for Future Research Activity

１．リニアイメージング素子の開発：平成25年度に発見した，ヘテロダイン電気光学サンプリング（EOS)法によるテラヘルツ波検出における周波数の空間分解特性を利用したリニアイメージング素子の開発研究を実施する。ヘテロダインEOSにおけるこのような空間的な周波数分解能検出特性を利用すれば，従来法で必要とされている時間遅延走査なしにスペクトル情報が得られる。平成25年度にその原理実証を行ったが，平成26年度はヘテロダインEOSで得られるTHz波の波形と位相不整合および空間分布との相関を理論的に明確にするするとともに，その周波数分解能などの特性を詳しく調べる。さらにリニアイメージング素子としての動作実証を行う。
２．波面傾斜法による2次元イメージング：　回折格子を用いてサンプリング用のレーザーパルスの波面を傾斜させ，傾斜した波面の各位置でのテラヘルツ波の空間的な分布情報を得る手法（波面傾斜法）を試みる。1次元リニアアレイセンサーなどで，波面傾斜法によるEOS信号の空間分布強度を測定することでテラヘルツ波の空間分布を測定することができると考えられる。その原理実証実験を実施する。
一方，以下の技術課題解決にも取り組む。
(i) 結晶の薄膜化：機械的に研摩によらない方法で厚さ0.1mm以下に非線形光学結晶を薄膜化するため加工法もしくは薄膜化LN結晶の製作法を検討する。
（ii) サンプリング光波の波面制御性の改善：Cherenkov位相整合EOサンプリングの検出帯域を拡大するため，および2次元イメージングのために，サンプリング光波の波面傾斜を行うが，波面制御性を高めるために回折格子による分散と波面傾斜後のサンプリング光波の空間分布特性を詳細に評価する。

Research Products

• [Journal Article] Non-ellipsometric detection of terahertz radiation using heterodyne EO sampling in the Cherenkov velocity matching scheme (2013)
  • Author(s): Masahiko Tani, Tetsuya Kinoshita, Tomohiro Nagase, Kazuki Horita, Christopher T. Que, Elmer Estacio, Kohji Yamamoto, and Michael I. Bakunov
  • Journal Title: Optics Express Volume: 21 Pages: 9277&-8211;9288
  • DOI: 10.1364/OE.21.009277
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Non-collinear and Non-Ellipsometric Electro-Optic Sampling for Efficient THz Wave Detection (2014)
  • Author(s): M. Tani, T. Kinoshita, T. Nagase, S. Ozawa, S. Azuma, S. Tsuzuki, D. Takeshima, T. Joja1, T. Furuya, A. Iawamae, S. Funkner, G. Niehues, E. Estacio, K. Kurihara, K. Yamamoto, and M. Bakunov
  • Organizer: The 5th International Workshop on Far-Infrared Technologies 2014 (IW-FIRT 2014)
  • Place of Presentation: University of Fukui, Fukui, Japan
  • Year and Date: 20140305-20140307
  • Invited
• [Presentation] Frequency-Resolved Detection of THz Waves with Cherenkov-Phase-Matched Heterodyne Electro-Optic Sampling (2014)
  • Author(s): Syougo Azuma, Tomohiro Nagase, Shinpei Ozawa, Stefan Funkner, Gudrun Niehues, Atsushi Iwamae, Kohji Yamamoto, Takashi Furuya, Elmer Estacio, Michael I. Bakunov, Masahiko Tani
  • Organizer: The 5th International Workshop on Far-Infrared Technologies 2014 (IW-FIRT 2014)
  • Place of Presentation: University of Fukui, Fukui, Japan
  • Year and Date: 20140305-20140307
• [Presentation] Frequency-Resolved Detection of THz Waves with Cherenkov-Phase-Matched Heterodyne Electro-Optical Sampling (2013)
  • Author(s): Tomohiro Nagase, Shinpei Ozawa, Syougo Azuma, Stefan Funkner, Gudrun Niehues, Atsushi Iwamae, Kohji Yamamoto, Takashi Furuya, Elmer Estacio, Michael I. Bakunov, Masahiko Tani
  • Organizer: Optics & Photonics Taiwan, International Conference (OPTIC2013)
  • Place of Presentation: National Central University, Zhongli, Taiwan
  • Year and Date: 20131205-20131207
• [Presentation] Non-collinear and Non-ellipsometric EO Sampling Techniques for Efficient Detection of THz Radiation (2013)
  • Author(s): M. Tani, T. Kinoshita, T. Nagase, S. Ozawa, S. Azuma, S. Tsuzuki, D. Takeshima, T. Joja, T. Furuya, A. Iawamae, S. Funkner, G. Niehues, E. Estacio K. Kurihara, K. Yamamoto, M. Bakunov
  • Organizer: Optics & Photonics Taiwan, International Conference (OPTIC2013)
  • Place of Presentation: National Central University, Zhongli, Taiwan
  • Year and Date: 20131205-20131207
  • Invited
• [Presentation] Non-collinear electro-optic sampling techniques for efficient detection of THz radiation (2013)
  • Author(s): Masahiko Tani
  • Organizer: 2013 Taiwan-Japan Internation workshop on Spectroscopy and Surface Science
  • Place of Presentation: National Tsing Hua University, Hsinchu, Taiwan
  • Year and Date: 20131204-20131204
  • Invited
• [Presentation] Cherenkov 位相整合を用いたテラヘルツ波のヘテロダインEO サンプリングII (2013)
  • Author(s): 東奨悟, 永瀬友大, 小澤慎平, シュテファン フンクナー, グドルン ニフース, 岩前 敦, 山本晃司, 古屋 岳, エルマー エスタシオ, マイケル・バクノフ, 谷正彦
  • Organizer: 2013年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
  • Place of Presentation: 富山大学
  • Year and Date: 20131123-20131123
• [Presentation] Cherenkov位相整合EOサンプリングにおけるTHz波の検出特性 (2013)
  • Author(s): 永瀬友大，小澤慎平，東奨悟，シュテファン フンクナー，グドルン ニフース，岩前敦，山本晃司，古屋岳，エルマー エスタシオ，マイケル バクノフ，谷正彦
  • Organizer: 平成25年度 日本分光学会年次講演会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス 基礎工学部国際棟Σホール
  • Year and Date: 20131119-20131121
• [Presentation] Cherenkov 位相整合EOサンプリングにおける検出技術の高度化 (2013)
  • Author(s): 永瀬友大，小澤慎平，東奨悟，シュテファン フンクナー，グドルン ニフース，岩前敦，山本晃司，古屋岳，エルマー エスタシオ，マイケル バクノフ，谷正彦
  • Organizer: 日本分光学会 テラヘルツ分光部会 シンポジウム テラヘルツ分光法の最先端 VII ～どこへ行くテラヘルツ分光～
  • Place of Presentation: 京都大学 北部総合教育研究棟 多目的ホール・セミナー室
  • Year and Date: 20131028-20131029
• [Presentation] Frequency-Resolved Detection of THz Waves with Cherenkov-Phase-Matched Heterodyne EO Sampling (2013)
  • Author(s): Tomohiro Nagase, Shinpei Ozawa, Syougo Azuma, Stefan Funkner, Gudrun Niehues, Atsushi Iwamae, Kohji Yamamoto, Takashi Furuya, Elmer Estacio, Michael I. Bakunov, Masahiko Tani
  • Organizer: 31st Samahang Pisika ng Pilipinas Physics Congress (SPP2013)
  • Place of Presentation: University of San Carlos, Cebu City, Philippines
  • Year and Date: 20131023-20131025
• [Presentation] Enhancement of EO sampling sensitivity for THz waves by using super-focusing effect in metallic parallel plate waveguide (2013)
  • Author(s): Satoshi Tsuzuki, Daiki Takeshima, Tomohiro Nagase, Shinpei Ozawa, Tatsuya Joja, Takashi Furuya, Kazuyoshi Kurihara, Kohji Yamamoto, Fumiyoshi Kuwashima, Michael I Bakunov, Masahiko Tani
  • Organizer: 31st Samahang Pisika ng Pilipinas Physics Congress (SPP2013)
  • Place of Presentation: University of San Carlos, Cebu City, Philippines
  • Year and Date: 20131023-20131025
• [Presentation] Heterodyne Electro-Optic Sampling of THz Pulsed Waves (2013)
  • Author(s): Masahiko Tani, Tetsuya Kinoshita, Tomohiro Nagase, Shinpei Ozawa, Shogo Azuma, Satoshi Tsuzuki, Daiki Takeshima, Tatsuya Joja, Atsushi Iwamae, Stefan Funkner
  • Organizer: 40th Annual Analytical Chemistry Meeting of FACSS (SciX 2013)
  • Place of Presentation: Milwaukee, WI, USA
  • Year and Date: 20130929-20131004
• [Presentation] Cherenkov 位相整合EOサンプリングにおけるTHz波の周波数分解検出 (2013)
  • Author(s): 永瀬友大，小澤慎平，東奨悟，シュテファン フンクナー，グドルン ニフース，岩前敦，山本晃司，古屋岳，エルマー エスタシオ，マイケル バクノフ，谷正彦
  • Organizer: 2013年秋季第74回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 同志社大学京田辺キャンパス
  • Year and Date: 20130916-20130920
• [Presentation] Detection Devices and Techniques for THz Pulsed Radiation (2013)
  • Author(s): Masahiko Tani
  • Organizer: 2013 International Workshop on Novel Materials and Devices
  • Place of Presentation: Saga University Synchrotron Light Application Center
  • Year and Date: 20130913-20130913
  • Invited
• [Presentation] Detection of THz radiation by using GaAs in Cherenkov-phase-matched electro-optic sampling (2013)
  • Author(s): S. Ozawa, T. Nagase, S. Tsuzuki, D. Takeshima, T. Furuya, S. Nishizawa, K. Kurihara, F. Kuwashima, R. de los Santos, A. Somintac, E. Estacio, K. Yamamoto, M. Bakunov, and M. Tani
  • Organizer: The 38th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2013)
  • Place of Presentation: Mainz, Germany
  • Year and Date: 20130901-20130906
• [Presentation] Electro-optic sampling detection of THz pulsed radiation based on Cherenkov phase-matching (2013)
  • Author(s): Masahiko Tani, T. Kinoshita, T. Nagase, S. Ozawa, S. Azuma, S. Tsuzuki, D. Takeshima, T. Joja, A. Iawamae, S. Funkner, G. Niehues, E. Estacio, K. Kurihara, K. Yamamoto, M. Bakunov
  • Organizer: VI International Symposium of“Modern Problems of Laser Physics” (MPLP ’2013)
  • Place of Presentation: Novosibirsk, Russia
  • Year and Date: 20130825-20130831
  • Invited
• [Presentation] Techniques of Non-Collinear Electro-Optics Sampling for Efficient Detection of Pulsed Terahertz Radiation (2013)
  • Author(s): M. Tani, T. Kinoshita, T. Nagase, Sh. Ozawa, S. Tsuzuki, D. Takeshima, E. Estacio, K. Kurihara, K. Yamamoto, M. Bakunov
  • Organizer: The Eight International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW'13)
  • Place of Presentation: Kharkov, Ukraine
  • Year and Date: 20130623-20130628
  • Invited
• [Presentation] Heterodyne EO Sampling of THz Pulsed Radiation in Cherenkov Phase Matching Scheme (2013)
  • Author(s): Masahiko Tani, Tetsuya Kinoshita, Tomohiro Nagase, Shinpei Ozawa, Kohji Yamamoto and Michael Bakunov
  • Organizer: International Workshop on Optical Terahertz Science and Technology 2013 (OTST 2013)
  • Place of Presentation: Kyoto Terrsa, Japan
  • Year and Date: 20130401-20130405
• [Patent(Industrial Property Rights)] 電磁波の位相速度制御方法及び位相速度制御構造 (2014)
  • Inventor(s): 谷正彦,左近知也,竹嶋大貴,都築聡,山本晃司,栗原一嘉,他2名
  • Industrial Property Rights Holder: 谷正彦,左近知也,竹嶋大貴,都築聡,山本晃司,栗原一嘉,他2名
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2013-102527
  • Filing Date: 2014-05-14