高 強 度 テ ラ ヘ ル ツ 波 パ ル ス を 用 い た 実 時 間 イ メ ー ジ ン グ

高 強 度 テ ラ ヘ ル ツ 波 パ ル ス を 用 い た 実 時 間 イ メ ー ジ ン グ

筑 波 大 学 服 部 利 明

１ は じ め に

テ ラ ヘ ル ツ 波 は 波 長 が 30 m か ら 3 mm 程 度 の 電 磁 波 で あ り ， そ の 波 長 程 度 の 空 間 的 な 分 解 能 を 有 す る 。 そ の た め イ メ ー ジ ン グ ^{1 )}を 行 う こ と に よ り ， 単 な る 強 度 測 定 や 波 形 測 定 と 比 較 し て ，得 ら れ る 情 報 量 が 大 幅 に 増 加 し ， ま た そ の 結 果 ， 対 象 物 の 直 観 的 な 把 握 を 行 う こ と が で き る 。 し か し ， そ の 実 現 の た め に は 障 害 も 多 い 。 通 常 ， 十 分 に 高 出 力 の テ ラ ヘ ル ツ 波 源 や 十 分 に 高 感 度 の 検 出 器 が 簡 単 に 利 用 で き な い た め ， 画 像 の 取 得 に は 非 常 に 時 間 が か か る こ と が 多 い 。 テ ラ ヘ ル ツ イ メ ー ジ ン グ に 関 す る 論 文 等 で 報 告 さ れ て い る 多 く の テ ラ ヘ ル ツ 画 像 は 数 10 分 以 上 の 時 間 を か け て 取 得 さ れ て い る 。 本 稿 の テ ー マ で あ る 実 時 間 で の 画 像 取 得 の た め に は ， 高 出 力 の テ ラ ヘ ル ツ 波 源 を 用 い ， か つ 高 感 度 ・ 高 速 の 画 像 検 出 器 ま た は 検 出 法 を 用 い な け れ ば な ら な い 。 波 源 と 検 出 器 ま た は 検 出 法 の 組 み 合 わ せ は い く つ か あ り う る が ， こ こ で は お も に テ ラ ヘ ル ツ 波 パ ル ス と 電 気 光 学（EO）サ ン プ リ ン グ 法 の 組 み 合 わ せ に つ い て 述 べ る こ と と し ， そ の 他 の 方 法 に つ い て は ， 最 後 に 簡 単 に 触 れ る こ と と す る 。

２ 高 強 度 テ ラ ヘ ル ツ 波 パ ル ス

実 時 間 イ メ ー ジ ン グ に 用 い ら れ る 高 強 度 の テ ラ ヘ ル ツ 波 パ ル ス は ， お も に 増 幅 さ れ た フ ェ ム ト 秒 レ ー ザ ー パ ル ス を テ ラ ヘ ル ツ 波 発 生 装 置 に 照 射 す る こ と に よ っ て 得 ら れ る 。 フ ェ ム ト 秒 レ ー ザ ー パ ル ス と し て は ， モ ー ド 同 期 チ タ ン サ フ ァ イ ア レ ー ザ ー （ 中 心 波 長 約 800 nm） の 出 力 を 再 生 増 幅 し た も の が 通 常 用 い ら れ る 。 レ ー ザ ー パ ル

ス の 典 型 的 な 特 性 は ， パ ル ス 幅 が 100 か ら 200 fs， パ ル ス エ ネ ル ギ ー が 100 J か ら 1 mJ，繰 り 返 し 周 波 数 が 10 Hz か ら 数 10 kHz 程 度 で あ る 。

テ ラ ヘ ル ツ 波 発 生 装 置 と し て は ， い く つ か の タ イ プ の も の が 用 い ら れ る 。 低 出 力 の テ ラ ヘ ル ツ 波 パ ル ス の 発 生 に よ く 用 い ら れ て い る 光 伝 導 ア ン テ ナ は ， 照 射 光 パ ル ス の 強 度 に 対 し て 容 易 に 飽 和 す る の で ， 大 出 力 の テ ラ ヘ ル ツ 波 を 得 る た め に は 大 面 積 に す る 必 要 が あ る 。 半 導 体 基 板（ お も に 半 絶 縁 性 GaAs）に 3 cm 程 度 の 間 隔 で ２ つ の 電 極 を 取 り 付 け た だ け の 大 口 径 光 伝 導 ア ン テ ナ ^{2 , 3 )}が よ く 用 い ら れ る が ， 半 導 体 微 細 加 工 技 術 を 用 い て 櫛 形 電 極 構 造 を 形 成 し た 大 口 径 光 伝 導 ア ン テ ナ ^{4 )}も 報 告 さ れ て い る 。 ど ち ら の 場 合 も ， 半 導 体 に 超 短 光 パ ル ス を 照 射 す る こ と に よ り 生 成 さ れ る キ ャ リ ア が 印 加 電 場 に よ り 加 速 さ れ る こ と に よ っ て 生 じ る 電 流 か ら 電 磁 パ ル ス が 発 生 す る 。

も う 一 つ の 方 法 と し て ，ZnTe な ど の EO 結 晶 を 用 い た 光 整 流 法 ^{5 )}も 利 用 さ れ て い る 。 光 整 流 は 一 種 の 非 線 形 光 学 過 程 で あ り ， 超 短 光 パ ル ス の 広 い ス ペ ク ト ル の 中 の 周 波 数 成 分 の 間 の 差 周 波 の 電 磁 波 を 発 生 さ せ る も の で あ る

6 )。ま た 最 近 は EO 結 晶 と し て LiNbO3を 用 い た パ ル ス 面 傾 斜 型 の 光 整 流 ^{7 )}に よ り ， 格 段 に 強 力 な テ ラ ヘ ル ツ 波 パ ル ス が 得 ら れ る よ う に な っ て き た の で ， 今 後 は 広 く 用 い ら れ る よ う に な る で あ ろ う 。 上 記 の い ず れ の 方 法 に よ っ て も ，1 ピ コ 秒 程 度 の 間 に 電 場 が 半 周 期 か ら 数 周 期 の 振 動 を す る 超 短 電 磁 パ ル ス が 得 ら れ る 。

３ 実 時 間 イ メ ー ジ ン グ の 例

テ ラ ヘ ル ツ 波 パ ル ス を 用 い る と ， そ の 時 間 波 形 を 測 定 す る こ と で ， い わ ゆ る テ ラ ヘ ル ツ 時 間 領 域 分 光 法

（THz-TDS）に よ り 広 帯 域 の コ ヒ ー レ ン ト な 分 光 情 報 が 得 ら れ る 。THz-TDS で は 波 形 測 定 法 と し て 光 伝 導 ス イ ッ チ と EO サ ン プ リ ン グ が 用 い ら れ る が ， こ の う ち EO サ ン プ リ ン グ は テ ラ ヘ ル ツ 波 の 電 場 を 光 の 強 度 に 変 換 す る こ と に よ り 測 定 す る 方 法 で あ る の で ， 光 の 2 次 元 検 出 器 を 用 い て そ の ま ま 2次 元 化 す る こ と に よ り ， テ ラ ヘ ル ツ

波 の 実 時 間 イ メ ー ジ ン グ が 実 現 で き る 。 プ ロ ー ブ 光 の 遅 延 時 間 を 止 め た 測 定 で は ， あ る タ イ ミ ン グ に お け る 電 場 分 布 （ い わ ゆ る ス ナ ッ プ シ ョ ッ ト ） が 得 ら れ ， 遅 延 時 間 を ス キ ャ ン す れ ば 時 間 変 化 や ス ペ ク ト ル 情 報 も 得 ら れ る 。 た だ し ， イ メ ー ジ ン グ 測 定 で は テ ラ ヘ ル ツ 波 が 空 間 的 に 広 が る こ と に よ り 電 場 が 小 さ く な る こ と と ， 波 形 測 定 で 用 い ら れ る 高 感 度 な バ ラ ン ス 検 出 法 の 利 用 が 困 難 で あ る こ と か ら ， 上 記 の よ う な 高 強 度 の テ ラ ヘ ル ツ 波 パ ル ス が 必 要 と さ れ る 。

図 1 に EO サ ン プ リ ン グ を 用 い た 実 時 間 テ ラ ヘ ル ツ イ メ ー ジ ン グ の 装 置 配 置 の 例 を 示 す ^{8 )}。ZnTe 等 の EO 結 晶 に テ ラ ヘ ル ツ 波 パ ル ス が 入 射 す る と そ の 電 場 に よ り EO 結 晶 に 複 屈 折 性 が 生 じ る 。 そ こ に 入 射 し た プ ロ ー ブ 光 パ ル ス は ， 複 屈 折 性 に よ り 偏 光 状 態 に 変 化 を 受 け る 。 そ れ を 波 長 板 や 検 光 子 と CCD 等 の イ メ ー ジ 検 出 器 に よ り 観 測 す る 。 単 純 な ク ロ ス ニ コ ル 配 置 （ 偏 光 子 と 検 光 子 が 直 交 し た 配 置 ） で は ， テ ラ ヘ ル ツ 電 場 の 2 乗 に 比 例 し た 信 号 が 得 ら れ る の で ，電 場 に 線 形 な 検 出 を お こ な う た め に ， 何 ら か の 工 夫 が 必 要 で あ る 。 我 々 は ， 図 1 の よ う に 検 光 子 を 回 転 さ せ る 方 法 を 用 い て い る ^{8 , 9 )}。 こ の 配 置 で は ， 検 光 子 を 透 過 す る プ ロ ー ブ 光 強 度 I の 入 射 光 強 度 I0に 対 す る 比 は ，





 ²

I0

I (1)

の よ う に 表 さ れ る 。 こ こ で，，， は そ れ ぞ れ テ ラ ヘ ル ツ 電 場 に よ っ て 生 じ た 複 屈 折 性 に よ る プ ロ ー ブ 光 の 位 相 変 化 ，EO 結 晶 の 残 留 複 屈 折 性 等 に よ る 位 相 変 化 ， 検 光 子 の 回 転 角 ， 光 学 系 全 体 の 不 完 全 性 に よ る 偏 光 解 消 度 で あ る 。 こ の う ちが 観 測 し た い 量 で あ る 。 一 般 にと

は 光 学 系 に よ っ て 決 ま っ て お り ， ま た 画 像 の 中 の 各 点 ご と に 異 な る 。 テ ラ ヘ ル ツ 波 が 入 射 し て い な い と き に を 変 化 さ せ な が ら 上 記 の 量 を 測 定 す る こ と で ， 各 点 ご と の 較 正 曲 線 を 求 め る こ と が で き ， そ れ に よ り 高 精 細 な テ ラ ヘ ル ツ 画 像 を 得 る こ と が で き る 。 図 2に ， こ の 手 法 に よ る 画 像 補 正 の 効 果 を 表 す 画 像 を 示 し た 。

図 2 は 集 光 し た ハ ー フ サ イ ク ル ・ テ ラ ヘ ル ツ パ ル ス の

電 場 分 布 の ス ナ ッ プ シ ョ ッ ト で あ り ， き れ い な リ ン グ 状 の 分 布 が 観 測 さ れ て い る 。 こ れ は ハ ー フ サ イ ク ル パ ル ス を 集 光 し た と き の 特 徴 で あ り ， シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ る 再 現 も 可 能 で あ る ^{1 0 )}。ま た ，遅 延 時 間 を 変 え な が ら こ の よ う な 画 像 を 取 得 し ， 各 点 ご と に フ ー リ エ 変 換 を 施 す こ と で ， 各 周 波 数 成 分 の 空 間 分 布 を 得 る こ と が で き る ^{11 )}。 そ の よ う な テ ラ ヘ ル ツ 波 パ ル ス の 時 間 空 間 的 振 る 舞 い は ， テ ラ ヘ ル ツ 波 を ガ ウ ス ビ ー ム と 仮 定 す る こ と で ， お お よ そ の 理 解 を 得 る こ と が で き る ^{1 2 )}。次 に ，こ の よ う な 電 場 分 布 に 対 し て 空 間 的 な コ ヒ ー レ ン ト 波 面 合 成 を お こ な い ， そ の 実 時 間 観 測 を お こ な っ た 結 果 に つ い て 記 す ^{9 )}。

図 3に 示 す よ う な 7つ の ユ ニ ッ ト か ら な る テ ラ ヘ ル ツ 波 エ ミ ッ タ ー を 用 い た 。 そ れ ぞ れ の ユ ニ ッ ト は 櫛 形 電 極 構 造 を 持 つ 光 伝 導 ア ン テ ナ で あ る ^{4 )}。 各 ユ ニ ッ ト に は 独 立 に 電 圧 を 印 加 で き る 。 す べ て の ユ ニ ッ ト に 同 一 の 電 圧 を 印 加 し 全 体 に フ ェ ム ト 秒 レ ー ザ ー パ ル ス を 照 射 す れ ば ， 全 体 と し て 単 一 の 大 き な エ ミ ッ タ ー と し て 働 き ， そ の 出 力 を 集 光 す る と ， 回 折 限 界 で 決 ま る サ イ ズ の ス ポ ッ ト に 集 光 さ れ る 。そ の 結 果 が 図 4 の 上 段(a)－(c)で あ る 。そ れ に 対 し て ， 中 央 の ユ ニ ッ ト の み 印 加 電 圧 の 向 き を 反 転 さ せ る と ，図 4 下 段(d)－(f)の 結 果 が 得 ら れ る 。特 に 電 場 振 幅 が ピ ー ク に な る 時 間 0 ps に 注 目 す る と ，中 央 ユ ニ ッ ト の 電 圧 を 反 転 さ せ る こ と に よ り ， テ ラ ヘ ル ツ 波 の ス ポ ッ ト サ イ ズ が 小 さ く な っ て い る こ と が わ か る 。 こ れ は ， 回 折 限 界 を 超 え る ス ポ ッ ト サ イ ズ が 実 現 さ れ た こ と を 表 し て お り ， い わ ゆ る 超 解 像 効 果 で あ る 。 こ こ で は 示 さ な い が ， 周 波 数 分 解 し た 画 像 か ら は そ の 効 果 が よ り 明 瞭 に わ か る 。

EO サ ン プ リ ン グ に よ る テ ラ ヘ ル ツ イ メ ー ジ ン グ 法 を 用 い る と ， 原 理 的 に は フ ェ ム ト 秒 パ ル ス の 1 シ ョ ッ ト の 間 に テ ラ ヘ ル ツ 波 発 生 か ら イ メ ー ジ ン グ 検 出 ま で が す べ て 終 わ る こ と に な る 。（ も ち ろ ん イ メ ー ジ デ ー タ の 読 み 出 し な ど の エ レ ク ト ロ ニ ク ス に 時 間 が か か る の で ， フ ェ ム ト 秒 で す べ て が 終 了 す る と い う こ と で は な い 。）こ れ を 実 際 に お こ な っ た 例 に つ い て 以 下 に 述 べ る 。こ の 方 法 で は ， ま ず プ ロ ー ブ 光 パ ル ス の 遅 延 時 間 を 1か 所 に 固 定 し て 測

定 を お こ な う こ と に な る が ， テ ラ ヘ ル ツ 波 の 電 場 が ピ ー ク に な る 時 間 よ り は ， 電 場 の 時 間 変 化 が 最 大 に な る 時 間 に 固 定 し た ほ う が ， よ り 高 周 波 成 分 が 多 く 含 ま れ ， そ の 結 果 ，高 い 空 間 分 解 能 が 得 ら れ る ^{1 3 )}。ま た ，我 々 の レ ー ザ ー シ ス テ ム は 繰 り 返 し が 1 kHz で あ る の で ，レ ー ザ ー 1 シ ョ ッ ト ご と に 画 像 が 取 得 で き る よ う に ， 毎 秒 1000 コ マ の 画 像 取 得 が 可 能 な 高 速 ビ デ オ カ メ ラ を 用 い た 。 こ れ を レ ー ザ ー シ ス テ ム と 同 期 さ せ る こ と に よ り ， レ ー ザ ー1 シ ョ ッ ト ご と に 1 枚 の テ ラ ヘ ル ツ イ メ ー ジ が 取 得 で

き ^{1 4 )}，さ ら に そ れ を 連 続 し て お こ な う こ と に よ り ，毎 秒

1000 コ マ の 高 速 テ ラ ヘ ル ツ ビ デ オ を 取 得 す る こ と が で

き た ^{1 5 )}。図 5 に は ，そ の シ ス テ ム を 用 い て 金 属 棒 の 運 動

す る 様 子 を と ら え た も の を 示 す 。 こ こ で は ， 動 き が よ く わ か る よ う に ，4 ms ご と の 画 像 を 示 し て い る 。

上 に 記 さ な か っ た が ，CMOS 検 出 器 を 用 い て 画 像 デ ー タ の 実 時 間 演 算 を お こ な う こ と で ノ イ ズ を 減 尐 さ せ る こ と が で き る ^{1 6 )}。ま た テ ラ ヘ ル ツ 波 の 波 形 測 定 で 通 常 用 い ら れ て い る バ ラ ン ス 検 出 法 を 2次 元 検 出 器 の 出 力 に 対 し て デ ジ タ ル 演 算 に よ っ て 実 現 す る こ と も お こ な わ れ て い

る ^{1 7 )}。

４ そ の 他 の 高 強 度 テ ラ ヘ ル ツ 波 源 に よ る 実 時 間 イ メ ー ジ ン グ

高 強 度 テ ラ ヘ ル ツ 波 パ ル ス と EO サ ン プ リ ン グ を 用 い た 実 時 間 テ ラ ヘ ル ツ イ メ ー ジ ン グ 法 は ， テ ラ ヘ ル ツ 波 が 超 短 パ ル ス で あ る こ と の 特 徴 を う ま く 生 か し た イ メ ー ジ ン グ 法 で あ る が ， 連 続 波 の テ ラ ヘ ル ツ 波 源 と 比 較 的 高 感 度 の イ メ ー ジ 検 出 器 を 用 い た 実 時 間 イ メ ー ジ ン グ 法 も い く つ か 報 告 さ れ て い る 。 そ れ ら に つ い て ， 簡 単 に 紹 介 す る 。

量 子 カ ス ケ ー ド レ ー ザ ー に よ る テ ラ ヘ ル ツ 波 発 生 は さ か ん に 研 究 さ れ て お り ， 周 波 数 に よ っ て は 1 mW を 超 え る 連 続 波 発 振 が 可 能 で あ る 。 そ の 出 力 を ， こ ち ら も 最 近 開 発 が 進 ん で い る マ イ ク ロ ボ ロ メ ー タ ア レ ー で 検 出 す る こ と に よ り ，実 時 間 イ メ ー ジ ン グ が 行 わ れ て い る ^{1 8 )}。マ

イ ク ロ ボ ロ メ ー タ ア レ ー は ， 小 型 で あ る が 比 較 的 感 度 が 高 く ， 室 温 で 動 作 す る 。 テ ラ ヘ ル ツ ガ ス レ ー ザ ー は ， 大 出 力 の 連 続 テ ラ ヘ ル ツ 波 源 と し て 古 く か ら 使 わ れ て い る 。 焦 電 型 イ メ ー ジ 検 出 器 な ど に よ っ て イ メ ー ジ ン グ を 行 う こ と が で き る ^{1 9 )}。自 由 電 子 レ ー ザ ー は 大 型 な 装 置 で あ る が ， テ ラ ヘ ル ツ 帯 で 非 常 に 大 き な 出 力 が 得 ら れ る の で ， 各 種 の 熱 的 検 出 器 ^{2 0 )}を 用 い て イ メ ー ジ ン グ が で き る 。

５ ま と め

テ ラ ヘ ル ツ 波 を 用 い た イ メ ー ジ ン グ 技 術 は ， 今 後 ま す ま す 応 用 範 囲 が 広 が っ て い く こ と で あ ろ う 。 空 港 な ど で の セ キ ュ リ テ ィ 検 査 ， 生 産 現 場 に お け る 製 品 検 査 ， 医 療 診 断 ， 美 術 品 ・ 文 化 財 の 検 査 な ど ， い ろ い ろ な 場 面 で の 応 用 が す で に 進 ん で い る 。 今 後 ま す ま す の 発 展 が 期 待 さ れ る 。 本 稿 で お も に 述 べ た 実 時 間 テ ラ ヘ ル ツ イ メ ー ジ ン グ 手 法 は ， ど ち ら か と い う と そ の よ う な 現 場 で の 測 定 手 段 に は 不 向 き で あ り ， 今 の と こ ろ 実 験 室 で の 利 用 に と ど ま っ て お り ， 基 礎 科 学 の 幅 広 い 分 野 で 用 い ら れ て い く こ と で あ ろ う 。 た と え ば ， メ タ マ テ リ ア ル や そ の 他 の 微 細 構 造 近 傍 の 近 接 場 の 分 布 を 調 べ た り ， テ ラ ヘ ル ツ 波 発 生 器 の 特 性 を 調 べ た り す る た め に は ， 強 力 な 手 段 と な る 。 ま た ， さ ま ざ ま な 現 場 に お け る 諸 問 題 の 基 礎 づ け の た め に も 有 用 で あ り ， 広 く 用 い ら れ て い く と 期 待 さ れ る 。

参 考 文 献

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Real-Time Imaging using Intense Terahertz Pulses

Toshiaki Hattori

Institute of Applied Physics, University of Tsukuba ハ ッ ト リ ト シ ア キ

所 属 ： 筑 波 大 学 大 学 院 数 理 物 質 科 学 研 究 科 教 授

図 1 実 時 間 テ ラ ヘ ル ツ イ メ ー ジ ン グ 測 定 の 模 式 図

図 2 検 光 子 回 転 に よ る 画 像 補 正 の 効 果

図 3 櫛 形 構 造 電 極 エ ミ ッ タ ー 配 列 の 構 成

図 4 コ ヒ ー レ ン ト 波 面 合 成 の 効 果 。 上 段 が 同 位 相 ， 下 段 が ， 中 央 ユ ニ ッ ト の み 逆 位 相 の 場 合 。

図 5 毎 秒 1000 コ マ の 高 速 テ ラ ヘ ル ツ ビ デ オ に よ る 金 属 棒 の 運 動 の よ う す