テラヘルツ時間領域分光

テラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS）

テラヘルツ時間領域分光法（Terahertz Time-Domain Spectroscopy: THz-TDS）は、テラヘルツ波の電場を時間領域で直接測定する分光法です。この手法では、テラヘルツ波の波形を直接取得し、その時間波形をフーリエ変換することで、周波数領域のスペクトル情報を得ます。THz-TDSは、物質のテラヘルツ領域における光学特性や電気的特性を詳細に解析するために広く用いられています。

原理

THz-TDSの基本的な原理は、まずテラヘルツ波を発生させ、その波を測定対象の試料に照射します。試料を透過したテラヘルツ波の時間波形を検出器で測定し、同時に試料がない状態でのテラヘルツ波の時間波形も測定します。これらの2つの時間波形を比較することで、試料がテラヘルツ波に与えた影響を解析します。

具体的には、検出された時間波形をフーリエ変換し、周波数領域の振幅スペクトルと位相スペクトルを得ます。この情報から、試料の複素屈折率や複素誘電率などの物性値を算出することができます。テラヘルツ波の振幅と位相を同時に測定できる点が、THz-TDSの大きな特徴です。

テラヘルツ波の発生と検出

テラヘルツ波の発生には、主にフェムト秒レーザーが用いられます。フェムト秒レーザーパルスを非線形光学結晶（テルル化亜鉛やDASTなど）や光伝導スイッチに照射することで、テラヘルツ波が発生します。光伝導スイッチは、テラヘルツ波の検出にも用いられることがあります。また、電気光学効果を利用した検出法も存在します。

光伝導スイッチを用いた検出では、プローブパルス光を照射した瞬間のテラヘルツ電場に比例した信号を時系列で測定します。この信号をフーリエ変換することで、テラヘルツ波の振幅と位相を同時に、かつ独立して検出することができます。

特徴と応用

THz-TDSの最大の特長は、一度の測定でテラヘルツ波の振幅情報と位相情報を同時に取得できる点です。これにより、物質の複素屈折率や複素誘電率などの値を正確に測定することが可能となります。この特性を利用して、THz-TDSは、様々な分野で応用されています。

• - 物性測定: 物質のテラヘルツ領域における吸収スペクトルや屈折率を測定することで、その物性を詳細に解析できます。
• - 非破壊検査: 試料を透過する性質を利用して、非破壊で内部構造を検査することができます。
• - セキュリティ: 爆発物や薬物などの検出にも応用されています。
• - バイオセンシング: 生体分子の検出や分析に利用されています。

近年の動向

近年、フェムト秒レーザー技術の進展に伴い、より広帯域で高強度のテラヘルツ波を発生させることが可能になってきました。また、検出技術も向上し、より高精度な測定が実現しています。THz-TDSは、これらの技術革新と共に、ますますその重要性を増しています。

関連文献

• - 大竹秀幸, 猿倉信彦、「テラヘルツ電磁波のさまざまな発生法とその応用」『応用物理』 1997年 66巻 9号 p.984-985
• - 大竹秀幸, 猿倉信彦、「テラヘルツ電磁波によるイメージング」『電気学会誌』 2000年 120巻 1号 p.27-30
• - 阪井清美, 谷正彦、「テラヘルツ光エレクトロニクス」『応用物理』 2001年 70巻 2号 p.149-155
• - 阪井清美, 萩行正憲、「テラヘルツ時間領域分光法とイメージング」『レーザー研究』 2002年 30巻 7号 p.376-384
• - 桒島史欣、「レーザーカオスを用いたTHz波の発生」『レーザー研究』 2011年 39巻 7号 p.502-507

関連項目

• - 時間領域
• - テラヘルツトモグラフィ
• - テラヘルツイメージング

もう一度検索