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　テラヘルツ波は、電波のような高い透過性と、光のような適度な空間分解能を持つユニークな電磁波であり、これらの特徴を活かして、物体の透視イメージングによる非破壊検査や成分分析など様々な応用が期待されています。しかし、従来のイメージング技術では、テラヘルツ波のビームを対象物に集光して、焦点を機械的に走査しながら透過強度を計測し、全体のイメージを取得しているため、計測に長時間を要するという問題がありました。

　そこで本研究では、テラヘルツ波の高速ビーム走査技術の確立を目的としています。当チームでは、機械的動作を伴わない“電気的走査”手法を独自に考案しました。この最大の特徴は、一見関連性が薄い光と電波の技術を融合して、新しい技術を作り出している点です。

　具体的には、光の波長変換技術である差周波混合でテラヘルツ波を発生する際、電波のフェーズドアレーアンテナの原理を導入して、励起光の位相差分布を調整することで、テラヘルツ波の波面を間接的に制御します。この手法は、走査角度が従来の光走査と比較して数百倍も増大される効果をもたらし、実験で証明されました。さらには、一秒間に１００億往復という驚異的な高速走査も期待されます。

　この技術は、高速イメージングだけでなく、テラヘルツ波を利用した超高速無線通信における自動追尾アンテナにも応用できると考えています。


この研究に関する発表論文が、アメリカのレーザー・光技術関連情報雑誌「Laser Focus World」のなかで紹介されました。




図１．テラヘルツ波ビーム走査原理。
(手順１) フェムト秒光パルスを空間的に分散させる。
(手順２) その分散光を２分割し、片方をシフトさせ再び合成する。こうすることで、ビームの重複領域で一定の差周波成分が得られる。これをストリップライン型光伝導素子に入射して、単一周波数のテラヘルツ波を発生させる。
(手順３) 片方の分散光の入射角を調整することで、局所的な位相差分布が連続的に変調される結果、テラヘルツ波の波面方向が変化し、ビームが走査できる。最大の効果は、テラヘルツ波の走査角度が、分散光の入射角の数百倍に増大される点である。



図２．(a) 従来のフェーズドアレーアンテナと、(b) 提案するテラヘルツ波ビーム走査手法との比較。(a)で示すような多数の可変移相器やアレーアンテナを必要せず、光偏向器一つで位相分布を高速制御できるという特長を持つ。



図３．テラヘルツ波ビーム走査実験光学システム



図４．励起光の入射角に対するテラヘルツ波ビームパターンの変化。入射角を調整することで、テラヘルツ波のビーム伝搬方向がシフトしている。



図５．励起光入射角とテラヘルツ波走査角度の関係。差周波混合の性質により、走査角度は入射角度の数百倍に増大される。この倍率はテラヘルツ波と励起光の波長の比で決まる。つまり、入射角をわずかに変化させるだけで、広い角度範囲でテラヘルツ波ビームを走査できることになる。



図６．提案するビーム走査型テラヘルツイメージングの基本構成。差周波混合のための励起光を調整して、テラヘルツ波ビームを間接的に制御する



図７．高速ビーム走査の応用例。イメージングが高速化されることにより、大量物体の全数検査が可能となる。例えば、製品、食品に含まれる異物、危険物の非破壊検査が挙げられる。



図８．テラヘルツ帯無線通信用アンテナへの応用例。移動体端末にテラヘルツ波ビームを集中し、通信品質を向上させる。端末の移動に応じてビームを自動で追尾させ、また、他の端末に高速で切り替える。

参考文献

1. K. Maki, and C. Otani, "Terahertz beam steering and frequency tuning by using the spatial dispersion of ultrafast laser pulses," Opt. Express 16, 10158 (2008).
   
2. K. Maki, T. Shibuya, C. Otani, K. Suizu, and K. Kawase, "Terahertz Beam Steering via Tilted-Phase Difference-Frequency Mixing," Appl. Phys. Express 2, 022301 (2009)
   
3. K. Maki, T. Shibuya, C. Otani, K. Suizu, and K. Kawase, “Beam steering of terahertz radiation generated from periodically poled lithium niobate," Proceedings of 34rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2009), p.364 (2009)
   
4. K. Maki, T. Shibuya, C. Otani, and K. Kawase, “Terahertz beam steering and frequency tuning by using difference frequency mixing,” Proceedings of 33rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2008), p.1511 (2008)
   

特許出願

1. 牧　謙一郎、澁谷　孝幸、大谷　知行、川瀬　晃道，“テラヘルツ波ビーム走査装置の方法”， 特開2009-265361
2. 牧　謙一郎、澁谷　孝幸、大谷　知行、川瀬　晃道、“テラヘルツ波ビーム走査装置と方法”、PCT/JP2009/57909

IRMMW-THz2009国際会議でのポスター発表にて。