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

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25286066
• 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): 川瀬 晃道 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00296013) ; 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)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 非線形光学 / テラヘルツ波 / 電気光学サンプリング

Outline of Annual Research Achievements

本研究は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Cherenkov位相整合電気光学（EO）サンプリング法をさらに発展させ，高度化することを目的としている。本年度の具体的な研究実績は以下のとおりである。
(i)テーパー付金属平行平板導波路におけるTHz波の伝搬特性と電場増強効果：昨年度，テーパー付金属平行平板導波路を用いることで，THz波をサブ波長以下の導波路幅に閉じ込め，EOサンプリングの感度を大幅に改善できることを実証した（この成果はApplied Physics Express Vol. 7, 112401(2014)に発表）。金属導波路を用いてさらに感度増強を図るため， THz時間領域分光法を用いて実験的にTHz波の伝搬特性を詳細に調べるとともに，解析モデルやFDTD計算等を用いて理論的な研究を実施した。
(ii) 光位置センサーによる検出帯域の拡大：昨年度，スラブ型光導波路構造を持つLN結晶を用いて，検出帯域を改善することに成功した。さらに検出帯域を改善するため，光検出器に光位置センサー（Position Sensitive Detector, PSD)を用いて，広帯域化することを試み，検出帯域を改善することに成功した。
(iii) LN結晶以外の電気光学結晶によるEOサンプリング：GaAsは比較的大きな電気光学係数を持ち，光領域とTHz領域の屈折率差が小さく，Siプリズムなどの空間結合素子が不要である。このため，GaAs結晶をテーパー付金属平行平板導波路内に挿入し，プローブ光波長1.55umを用いてCherenkov位相整合EOサンプリングを試み，GaAs結晶によるCherenkov位相整合EOサンプリングを実証した。また，非常に大きな電気光学係数を持つBaTiO3結晶をCherenkov位相整合EOサンプリングに用い，有望な結果を得た。

Current Status of Research Progress

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

Reason

初年度の平成25年度にテーパー付金属平行平板導波路を用いてEOサンプリングの検出感度を約20倍増強することに成功している。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見出し，THz分光イメージング用のリニアセンサーの原理実証を行っている。平成26年度は，(i) テーパー付金属平行平板導波路におけるTHz波の伝搬特性と電場増強効果について実験的，理論的研究を実施し，(ii)PSDを光検出器として用いて広帯域化に成功した。また (iii) LN結晶以外の電気光学結晶として，GaAsとBaTiO3を用いたEOサンプリングを試み，有望な結果を得た。これらの実績から研究はおおむね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

今後， Cherenkov位相整合EOサンプリングのさらなる高感度化のために，空間結合素子としてのテーパー付金属平行平板導波路の形状最適化を行うとともに，EO結晶の薄膜化を行う。またBaTiO3結晶中のTHz波吸収を低減するために，光導波路構造を結晶中に導入することなどを試みる。

Research Products

• [Journal Article] Highly sensitive electro-optic sampling of terahertz waves using field enhancement in a tapered waveguide structure (2014)
  • Author(s): Satoshi Tsuzuki, Daiki Takeshima, Tomoya Sakon, Tetsuya Kinoshita, Tomohiro Nagase, Kazuyoshi Kurihara, Kohji Yamamoto,Fumiyoshi Kuwashima,Takashi Furuya, Elmer Estacio, Kodo Kawase, Michael I. Bakunov, Masahiko Tani
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 7 Pages: 112401(3pages)
  • DOI: 10.7567/APEX.7.112401
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Identification of Plasmonic Modes in Parabolic Cylinder Geometry by Quasi-Separation of Variables (2014)
  • Author(s): Kazuyoshi Kurihara, Akira Otomo, Kazuhiro Yamamoto, Junichi Takahara, Masahiko Tani, Fumiyoshi Kuwashima
  • Journal Title: Plasmonics Volume: 10 Pages: 165-182
  • DOI: 10.1007/s11468-014-9791-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 非共軸な位相整合を用いたテラヘルツ波の電気光学サンプリング検出技術 (2014)
  • Author(s): 谷正彦，山本晃司，マイケル バクノフ
  • Journal Title: 応用物理 Volume: 83 Pages: 917-922
  • Peer Reviewed
• [Presentation] BaTiO3結晶を用いたTHz波のヘテロダインEOサンプリング (2015)
  • Author(s): 東奨悟,小澤慎平,堀貴陽,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: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大学湘南キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [Presentation] GaAs と金属導波路を用いたCherenkov 位相整合によるテラヘルツ波の電気光学サンプリング (2014)
  • Author(s): 堀貴陽, 小澤慎平, 東奨悟, 都築聡, 古屋岳, 栗原一嘉, 桑島史欣, マイケル バクノブ, ラモン デ ロス サントス,アルマンド ソミンタック,エルマー エスタシオ, 山本晃司，谷正彦
  • Organizer: 2014年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
  • Place of Presentation: 福井大学文京キャンパス
  • Year and Date: 2014-12-13 – 2014-12-13
• [Presentation] Terahertz Wave Detection by Heterodyne EO Sampling Using Position Sensitive Detector (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: Samahang Pisika ng Pilipinas (Physics Society of the Philippines) 32nd Physics Congress (SPP 2014)
  • Place of Presentation: National Institute of Physics, University of the Philippines Diliman, Quezon City, Philippines
  • Year and Date: 2014-10-17 – 2014-10-20
• [Presentation] THz-EO Sampling using GaAs in Cherenkov-phase-matching scheme at 1.55-μm sampling wavelength (2014)
  • Author(s): Shinpei Ozawa, Syogo Azuma, Satoshi Tsuzuki, Kohji Yamamoto, Takashi Furuya, Kazuyoshi Kurihara, Fumiyoshi Kuwashima, Ramon de los Santos, Armando Somintac, Elmer Estacio, Michael I. Bakunov, Masahiko Tani
  • Organizer: Samahang Pisika ng Philippines (Physics Society of the Philippines) 32nd Physics Congress (SPP 2014)
  • Place of Presentation: National Institute of Physics, University of the Philippines Diliman, Quezon City, Philippines
  • Year and Date: 2014-10-17 – 2014-10-20
• [Presentation] Electro-optic sampling of terahertz pulses based on non-collinear Cherenkov phase-matching (2014)
  • Author(s): Masahiko Tani, Shinpei Ozawa, Shogo Azuma, Satoshi Tsuzuki, Takashi Furuya, Stefan Funkner, Gudrun Niehues, Elmer S. Estacio, Kazuyoshi Kurihara, Kohji Yamamoto, Michael I. Bakunov
  • Organizer: Infrared, Millimeter-Wave, and Terahertz Technologies III, SPIE Photonics Asia 2014
  • Place of Presentation: Beijing International Convention Center, Beijing, China
  • Year and Date: 2014-10-09 – 2014-10-11
  • Invited
• [Presentation] Frequency-Resolved Detection Of Broad-band THz Waves With Cherenkov-Phase-Matched Heterodyne EO Sampling (2014)
  • Author(s): Masahiko Tani, Syougo Azuma, Tomohiro Nagase, Shinpei Ozawa, Stefan Funkner, Gudrun Niehues, Atsushi Iwamae, Kohji Yamamoto, Takashi Furuya, Elmer Estacio, Michael Bakunov
  • Organizer: The 39th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2014)
  • Place of Presentation: The University of Arizona, Tucson, AZ, USA
  • Year and Date: 2014-09-14 – 2014-09-19
• [Presentation] GaAsを用いた1.55μm波長帯Cherenkov位相整合THz-EOサンプリング (2014)
  • Author(s): 小澤 慎平，東 奨悟，都築 聡，古屋 岳，栗原 一嘉，桑島 史欣，マイケル バクノフ， エルマー エスタシオ，山本 晃司，谷 正彦
  • Organizer: 平成26年度レーザー学会中部支部講演会
  • Place of Presentation: 福井工業大学 FUTタワー6階 601教室
  • Year and Date: 2014-08-12 – 2014-08-12
• [Presentation] 光位置センサーを用いたテラヘルツ波のヘテロダインEOサンプリング (2014)
  • 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: 平成26年度レーザー学会中部支部講演会
  • Place of Presentation: 福井工業大学 FUTタワー6階 601教室
  • Year and Date: 2014-08-12 – 2014-08-12
• [Presentation] THz-EO Sampling using GaAs in Cherenkov-phase-matching scheme at 1.55-μm sampling wavelength (2014)
  • Author(s): Shinpei Ozawa, Syogo Azuma, Satoshi Tsuzuki, Takashi Furuya, Kohji Yamamoto, Kazuyoshi Kurihara, Fumiyoshi Kuwashima, R. de los Santos, A. Somintac, Elmer Estacio, Michael I. Bakunov, Masahiko Tani
  • Organizer: International Symposium on Frontier of Terahertz Science 2014
  • Place of Presentation: The Okinawa Institute of Science and Technology, Okinawa, Japan
  • Year and Date: 2014-08-04 – 2014-08-06
• [Presentation] テラヘルツ波領域におけるプラズモン超集束の理論と実験 (2014)
  • Author(s): 栗原一嘉，谷正彦，山本晃司，桒島史欣
  • Organizer: 応用物理学会北陸・信越支部シンポジウム「第２回有機・無機エレクトロニクスシンポジウム」
  • Place of Presentation: 信州大学工学部 信州大学科学技術総合振興センター
  • Year and Date: 2014-07-11 – 2014-07-12
  • Invited
• [Presentation] 光位置センサーを用いたテラヘルツ波のヘテロダインEOサンプリング (2014)
  • 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: 平成26年度日本分光学会 年次講演会
  • Place of Presentation: 理化学研究所 和光キャンパス 鈴木梅太郎記念ホール
  • Year and Date: 2014-05-26 – 2014-05-28
• [Presentation] THz Electro-optic Sampling Based on Non-collinear Cherenkov Phase-matching (2014)
  • 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, and M. Bakunov
  • Organizer: 7th Global Symposium on Millimeter-Waves (GSMM) 2014
  • Place of Presentation: The-K Seoul Hotel, Seoul, Korea
  • Year and Date: 2014-05-21 – 2014-05-23
  • Invited