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社会実装に向けたテラヘルツ波長変換技術の新時代

理化学研究所 光量子工学研究センターテラヘルツ光源研究チーム

チームリーダー 南出 泰亜

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進むテラヘルツ波による非破壊検査利用の提案

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応用にはテラヘルツ波出力強度が重要

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06

1995 2000 2005 2010 2015

Peak p

ow

er

of m

onochro

matic t

era

hert

z-w

ave [

W]

Year

1 mW = 10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

104

105

1 MW = 106

TPOs

is-TPGs

is-TPO

TPOsTPO

is-TPG

TPG is-TPG

is-TPO

TPOs

TPO

is-TPG

TPO

is-TPGs

GaSe

GaPGaP

GaSe

GaP

DAST

GaSe

PP-GaP

ZGP

GaAs

DSTMS

GaSe

DAST

DAST BNA

GaP

(is-)TPO: (injection-seeded) Terahertz-wave Parametric Oscillator

(is-)TPG: (is) TP Generator

: reported data from

TU/RIKEN G

~ 55 kW

S. Hayashi, K. Nawata, T. Taira, J. Shikata, K. Kawase, and H. Minamide, Scientific Reports 4, 05045 (2014).

4

Acoustic phonon

lifetime (t0)

LN:150ps

*1

*2

Energy conversion efficiency of is-TPG

SBS gain

Rising up

10-3

10-2

10-1

100

101

102

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

Experimental data

Reference data

Conver

sion e

ffic

iency

Pump pulse width (ns)

SBS started：>10×t0

*1, S. Hayashi, K. Nawata, et. al.,

Sci. Rep. 4, 5045 (2014).

*2, K. Kawase, et. al., Appl.

Phys. Lett. 80, 195–197

(2002).

独自技術による発生効率の各段向上

テラヘルツ波発生効率4桁向上

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SPI-A-65 THz

(Spectrum Detector Inc)

高出力・光注入型テラヘルツ波パラメトリック発生器

Microchip

Nd:YAG laser

Pumping beam

MgO:LiNbO3

Terahertz wave

Pyroelectric detector

Si-prism

output coupler

700 µJ/pulse,

420 ps, 100 Hz

ECDL + Amp.Seeding beam

CW, 800 mW

/ 4

Double-pass Nd:YAG amplifier

PBS

x

y

z

Grating

3f = 600

mm

f = 200

mm

Collaboration research with Prof. Taira and Prof. Kawase

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ピーク強度１００ｋWに達成

Max. output ~100 kW (peak)

1 2 30.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

TH

z-w

ave

pe

ak-p

ow

er

[kW

]

Frequency [THz]

7

広大なテラヘルツ波領域をカバー

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

0.01

0.1

1

TH

z-w

ave p

eak p

ow

er

(kW

)

Frequency (THz)

HITRAN2012

周波数範囲0.5～4.7THz

スペクトル分解能4GHz

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従来技術と技術革新

高度なテラヘルツ応用のためには、広帯域な周波数可変性が装置に要求されるため、シンプルかつ小型のデバイスが必要。

開発した技術は、光波を独自の疑似位相整合デバイスへと入射するだけでテラヘルツ波発振を実現した。

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擬似位相整合による高効率化・小型化・実用化

位相整合が取れる条件（Δk = 0）では最もよい効率が得られる。Reported experiment: PPGaAs: K. L. Vodopyanov, CLEO2014, STh4F.7.

人工的に位相整合条件をデザインし、テラヘルツ波ー光波の変換効率を向上。

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周期分極反転ニオブ酸リチウム結晶を用いたテラヘルツ波発生（過去の例）

差周波数発生低効率

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周期分極反転ニオブ酸リチウム結晶を用いたテラヘルツ波検出（当チーム成果）

Exceeding cryogenically

cooled bolometer

Min. THz energy: 100

aJPump

source

is-TPG

Up-conversion signal

PPLN

Experimental

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光ファイバ技術と組合わせたプロトタイプ

30cm 45cmFiber for THz-wave

Top view

THz-wave

Pump

up-conversion sitngal

Fiber connectedPD

励起光は、光ファイバ経由で非線形結晶に照射、発生した信号光は光ファイバ経由でフォトディテクタに接続。

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1 µm 10 µm 100 µm 1000 µm

300 THz 30 THz 3 THz 0.3 THz

(wavelength)

(frequency)

(Year)テラヘルツ波領域における発振を世界で初めて成功

1966

2000

2010

2020

Canalias et. al., KTH group, Nature Photonics, 2007

Phys. Rev. A, 84, (2011).

J. Opt. Soc. Am. B 29, 1194 (2012).Opt. Mater. 34, 513–523 (2012).

Wavelength of counter-propagating wave

This work

First

demonstration

技術革新：後進波テラヘルツ波パラメトリック発振

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Configuration

✓ モノリシック発振器✓ 安定・共振器構造なし✓ 狭線幅域発振・分光応用✓ 高い変換効率

利点

QPM-NLC

Pump

Forward signal

Backward idler

Phase matching condition

Grating vector

Phase matching condition

Pump

Forward signal

Backward idler

Momentum mismatch

✓ 波長レベルの周期分極反転素子

✓ 近赤外領域以外では実現していない

✓ コリニア位相整合以外で実現していない

✓ 波長可変性は実現していない

一方…

NLC

Pump

Forward signalBackward idler

波長の長いテラヘルツ波領域で報告例無し

後進波光パラメトリック発振の特徴

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PPLN

Pump

Idler

THz-wave

Advantages✓ No cavity, compact, stable

✓ Narrowband generation

✓ High Conversion efficiency

後進波テラヘルツ波パラメトリック発振の概略図

テラヘルツ波領域で初めてバックワード発振を実現相互作用する3光波による位相整合条件の解明テラヘルツ波波長可変発振を実現

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想定される用途

• 本技術の特徴は、疑似位相整合デバイスと励起光源のみでテラヘルツ波発振可能である。

• 従来技術と比べてはるかに簡便・小型化可能である。

• 従来技術では困難であった箇所に搭載するなど、装置利用の自由度は高い。

スタンドオフセンシング:

遠隔操作可能(有線or無線)

安全に対象物を検査ロボットアームへの取り付け：検査箇所の自由度UP……塗装膜境界面の検査・全方向検査

THz-wavePump

ミラーレステラヘルツ波発振器のプロトタイプ

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実用化に向けた課題

• 現在、擬似位相結晶を用いてテラヘルツ波発振が可能な（実証）ところまで開発済み。しかし、励起時間幅の原理的影響や簡便な励起光源の開発、高効率出力結合方式の開発などの課題がある。

• テラヘルツ波の利用（要望）に応じた結晶デザインを設計し、実際の利用に適用する最適化条件の導出を共同して実施する必要がある。

• 実用化に向けて、光源との組み合わせの技術を確立する必要もある。

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企業への期待

• 未解決の簡便な励起光源については、半導体レーザーおよび固体光増幅器など光技術により克服できると考えている。

• 光デバイス開発／製作の技術を持つ、企業との共同研究を希望。

• また、テラヘルツ波光源を開発中の企業、セキュリティ応用やセンシング分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。

本技術に関する知的財産権

•発明の名称 ：テラヘルツ波生成装置、光パラメトリック増幅器、テラヘルツ波検出器、および非線形光学素子

•公開番号 ：2016-192374•出願人 ：理化学研究所•発明者 ：縄田耕二, 時実悠, 南出泰亜

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問い合わせ先

理化学研究所

実用化コーディネーター 半田 敬信

ＴＥＬ ０４８－４６７ － ９７２９

ＦＡＸ ０４８－４６２ － ４７１８

e-mail keishin.handa@riken.jp

南出：minamide@riken.jp

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