2014 Fiscal Year Research-status Report
フィードバック制御型テラヘルツ波計測システムの研究
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26390106
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
四方 潤一 日本大学, 工学部, 准教授 (50302237)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | テラヘルツ波 / 高感度計測 / フィードバック制御 / 電子回路 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は高感度なテラヘルツ波計測を実現するため、現有の周波数可変テラヘルツ波光源、テラヘルツ波検出器、テラヘルツ波集光光学系・出力調整機構等を用いて、現状のテラヘルツ波光学系におけるテラヘルツ波の検出感度（検出限界値）に対する実験的調査を行った。まず1500nm帯2波長励起光を用いた差周波テラヘルツ波光源から発生する連続テラヘルツ波の検出を行った。その際、光増幅器（EDFA）の可変減衰器に外部制御信号（矩形波電圧）を入力して2波長励起光を強度変調し、出力されるテラヘルツ波に消光比約20dBの強度変調をかけ、常温のパイロ検出器を用いたロックイン検出を行った。その結果、0.1～1.5THz領域のテラヘルツ波検出に成功し、最大で約20dBのダイナミックレンジを得た。また、パルス動作のテラヘルツ波パラメトリック光源については、テラヘルツ波取り出し方法を改善し、結晶から直接空間に放射される外部結合配置を適用した。具体的には、非線形光学結晶に台形型のニオブ酸リチウム結晶を用いて内部一面で励起光（1064nm、590ps）励起と注入光（>1065nm、CW）を全反射させ、テラヘルツ波を反射面に垂直に発生させることにより、結晶内の伝搬損失やフレネル反射損の小さい光学実験系を構成した。発生したテラヘルツ波を常温のパイロ検出器にて測定し、約1～3THz領域のテラヘルツ波検出に成功し、最大で約30dBのダイナミックレンジを得た。さらに、これらのテラヘルツ波光源－検出器系に高感度検出のための電子回路系（強制帰還型発振回路系である位相シフト回路）を導入する手法について検討を進め、フィードバック制御型テラヘルツ波光学系の設計を行った。また、研究協力者の協力を得てシステム構成のための電子回路部品・光学部品等の準備を進め、電子回路系の設計を開始した。
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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
本研究の初年度である平成26年度の研究計画では、（1）現有設備を用いた現状のテラヘルツ波光学系におけるテラヘルツ波検出感度の実験的調査（2）テラヘルツ波光学系へ電子回路系を導入する設計・準備と電子回路系の設計・製作の開始を予定した。上記の実績概要および以下の理由から、本年度はほぼ予定通り進展したと言える。まず（1）の実験的調査については、従来から用いてきたパルス動作のテラヘルツ波パラメトリック光源に加え、新たに連続波のテラヘルツ波発生器においてもロックイン検出のための電子制御系を構成し、従来のように冷却の必要なボロメータを用いることなく、常温動作で取扱いの容易なパイロ検出器を用いてテラヘルツ波の検出とその感度の測定に成功した。なお、テラヘルツ波パラメトリック光源からのテラヘルツ波測定においては、電子回路系に無関係な結晶内でのテラヘルツ波の吸収損失やフレネル損失を極力抑える光学系の工夫を行うことにより、本研究で対象とする電気信号と雑音に関連した現状の感度測定を遂行できた。（2）のテラヘルツ波光学系への電子回路系の導入法については、光源と検出器を内部に組み込んだ従来のフィードバック回路系を発展させ、外部の光源と検出器を用いた新システムが不可欠となる。そこで、熱型検出器の広い波長感度特性に注目し、テラヘルツ波出力の増減に伴って測定信号電圧に補正を加える新しい光学系および電子回路系を考案し、次年度以降に予定しているテラヘルツ波光学系への電子回路系の導入に対する見通しを得た。このフィードバック制御型テラヘルツ波検出系のキーデバイスとなる電子回路系の設計・製作については、上記のように研究協力者の協力を得てその準備を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
上述のように、本年度の計画である（1）現有設備を用いた現状のテラヘルツ波光学系におけるテラヘルツ波検出感度の実験的調査（2）テラヘルツ波光学系へ電子回路系を導入する設計・準備と電子回路系の設計・製作の開始は、ほぼ予定通り進展した。そこで、今後の研究内容として、（3）電子回路系の試作とフィードバック制御型光学測定系の構成・動作特性の調査（4）透過型および反射型光学系へのフィードバック制御の導入（5）テラヘルツ波分光実験およびイメージング実験を順次進めていく予定である。特に電子回路系の設計・製作と動作特性の研究は本研究で中心的課題であるため、研究協力者とも緊密に議論を重ねて試作・調査を進めていく予定である。具体的には、従来の光源－検出器一体型の電子回路系を設計・製作し、フィードバック制御の回路動作を実験・数値解析の両面から調査し、動作に本質的なパラメータとその制御方法を研究していく予定である。これに基づき、従来のテラヘルツ波光学系に回路系を導入した新しいフィードバック制御型テラヘルツ波光学系の構築・調査を行う予定である。そこでは、テラヘルツ波損失の小さい測定試料を用いて透過型測定配置における回路系の最適動作パラメータを研究し、さらにテラヘルツ波損失の大きい生体試料等について透過型・反射型の双方の光学測定配置における最適動作パラメータを研究していく予定である。以上から得られた高感度テラヘルツ波計測の知見をもとに、高感度テラヘルツ波分光・イメージング系の構築を進めていく予定である。
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| Causes of Carryover |
次年度に使用額が生じた理由は、主に購入した消耗品（光学部品や電子部品等）において価格推移等による端数額が生じたためである。この次年度使用額は本年度の予算全体に比して少額であり、本年度の予算は電子回路系の構成に必要な電子部品やテラヘルツ波光学実験に必要な光学部品等を中心に研究の進展に十分に活用できており、本年度の研究遂行には本質的な影響は出ていない。この少額の次年度使用額は、今後電子回路系の設計・製作が本格化して不可欠となってくる電子部品費等に活用していく予定である。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
本年度の実施内容・成果に基づき、次年度では当初計画したように、電子回路系の設計・製作および高性能化のための消耗品費として活用し、試作を重ねていく予定である。また、光学実験においては近赤外の高出力パルスレーザ光を使用するため、誘電体ミラーや波長変換用の非線形光学結晶等の光学部品の損傷等も起こり得る。その消耗度に応じて必要性が生じた近赤外光学部品を中心に、光学部品を購入する予定である。さらに、初年度および次年度で得た成果を早期に積極的に発表するため、国内での学会発表の旅費使用を予定している。さらに論文発表を積極的に行っていくため、英文校閲費や論文投稿料の使用を予定している。
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[Presentation] THz-wave parametric amplifier2014
Author(s)
K. Kawase, K. Murate, S. Hayashi, and H. Minamide
Organizer
he Fifth International Symposium on Terahertz Nanoscience (TeraNano V)
Place of Presentation
Martinique, France
Year and Date
2014-12-01 – 2014-12-05
Invited
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