東大,広帯域THzパルスのギャップレス検出法を開発

東京大学と筑波大学は,空気分子から発生するTHz電場誘起の第二高調波(TFISH)光と金属表面からの第二高調波発生(SHG)光を干渉させヘテロダイン検出することによりTHzパルスの時間領域電場波形を測定し,広帯域の周波数スペクトルを得るair-metal coherent detection(AMCD)法を新たに開発した(ニュースリリース)。

テラヘルツ(THz)時間領域分光法は,THzパルスのエネルギーが固体や分子の様々な素励起をカバーしていることから,多くの研究分野で注目を集めている。

電気光学(EO)サンプリングや光伝導アンテナに代表されるように,THzパルスの時間波形を検出する様々な方法が提案されてきた。これらの多くは固体(誘電体・絶縁体)結晶を用いた検出方法であるため,結晶の格子振動に由来する吸収や位相整合条件が時間領域波形に影響を与えてしまう。

特に,周波数成分が0.2–20THzに渡る広帯域THzパルスの時間波形を評価するときは,この格子振動の影響によってTHzパルスを検出できない周波数帯がギャップとして現れてしまう。

今回開発したAMCDは,Ti:Sapphireレーザーの出力を二つに分け,一方を広帯域THzパルス発生に用い,もう一方をSHGの基本波光として用いる。それら二つのパルスを大気中に配置された金属表面に集光し,その過程で発生したSHG光を検出する。

Pt表面を用いたAMCDにより評価した結果,AMCDは,20THzまでギャップレス検出可能であることが示された。この結果は空気分子から発生したTFISH光と金属表面からのSHG光の干渉として理解できることを提案し,この解釈は波動方程式を用いた数値シミュレーションからもよく説明することができた。

重要なのは金属表面の反射を使うということで,金属では格子振動が遮蔽されるためギャップレスな検出が可能になるという。

広帯域THzパルスをギャップレスに評価する方法として,これまでair-biased coherent detection(ABCD)が用いられてきた。ABCDでは,空気分子からのTFISH光と電極構造により高電圧が印加された空気分子から発生する電場誘起第二高調波(EFISH)光の干渉を利用している。このため,ABCDは電極構造,高電圧電源を必要とする。

これに対して,今回開発したAMCDは,高電圧電源によるバイアスなしで金属ミラーさえあれば0.2–20THz領域の周波数成分をギャップレス検出できることから,研究グループは,簡便に広帯域THzパルスの時間波形検出できる方法として普及することが期待されるとしている。

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