テラヘルツ波

テラヘルツ波とは

テラヘルツ波は、電磁波スペクトルにおいて、光と電波の中間に位置する周波数帯の電磁波です。その周波数は1THz（テラヘルツ）前後、波長にして約300μmという領域にあります。この領域は、これまで技術的な困難さから未開拓の領域とされていましたが、近年、そのユニークな特性から注目を集めています。

テラヘルツ波の特徴

テラヘルツ波は、光波と電波の両方の性質を併せ持つため、光学的な測定と電波的な測定の両方が可能です。しかし、大気中では水蒸気による吸収が大きく、長距離伝送には課題が残ります。また、分子や結晶の固有振動数と共鳴する性質を持つため、物質の特性を調べるのに適しています。

テラヘルツ波の発生と検出

テラヘルツ波の発生と検出は、長らく困難な技術でしたが、近年、フェムト秒レーザーパルスを用いた広帯域テラヘルツパルスの発生・検出法が開発され、テラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS）として広く利用されるようになりました。この技術では、光伝導アンテナや電気光学結晶を用いて、テラヘルツ電場に比例した信号を時系列で測定し、その時間波形をフーリエ変換することで、テラヘルツ波の位相と振幅を同時に検出します。

また、コヒーレント縦光学フォノンを用いたテラヘルツ波発生素子や、室温で動作する半導体発振器（量子カスケードレーザー）の開発も進んでいます。これにより、以前は極低温環境が必要だったテラヘルツ波の利用が、より身近なものになりつつあります。

テラヘルツ波の歴史

テラヘルツ波による最初の撮像は1960年代に行われましたが、本格的な研究が進んだのは1990年代以降です。1995年にはテラヘルツ時間領域分光法による詳細な画像撮影が実現し、2005年にはテラヘルツトモグラフィーによる撮像にも成功しました。近年では、室温で動作するテラヘルツ波発振器の開発や、カシミヤの純度を識別する技術など、様々な応用分野での進展が見られます。

テラヘルツ波の応用分野

テラヘルツ波は、以下のような幅広い分野での応用が期待されています。

医療: 医薬品のスペクトル分析、腫瘍の検出など、非侵襲的な診断技術としての利用。
セキュリティ: 火薬や禁止薬物の検出など、危険物の迅速な探知。
非破壊検査: 金属以外の物質の内部構造をX線のように可視化し、品質管理などに利用。
通信: 超高速無線通信技術への応用。
* その他: 塗装膜の評価、近距離通信、テラヘルツイメージングなど。

テラヘルツ波の市場動向

テラヘルツ波技術は、現在急速に成長している市場であり、2014年の5470万ドルから2024年には12億ドル規模に達すると予測されています。各国でベンチャー企業の参入が相次ぎ、真空チャネルトランジスタの微細化が進むことで、テラヘルツ波を用いた超高速通信がスマートフォンやIoT機器で利用できるようになることが期待されています。

テラヘルツ波の発振源

テラヘルツ波は、熱放射によっても発生しますが、その強度は微弱です。そのため、様々な発振源が開発されています。主なものとしては、ジャイロトロン、後進波管、遠赤外線レーザー、量子カスケードレーザー、自由電子レーザー、シンクロトロン放射、フォトミキシングソース、タンネット/ガン・ダイオード、HBT/HEMT、ジョセフソン素子、窒化ガリウム半導体素子、共鳴トンネルダイオード、DAST有機非線形光学結晶、シングルサイクルソースなどがあります。

これらの発振源は、広帯域テラヘルツパルス光源と単色テラヘルツ光源に大別されます。単色テラヘルツ光源は、単位周波数あたりの強度が高く、測定結果が試料の形状に依存しにくいという利点があります。近年では、高温超伝導体や有機非線形光学結晶を用いた発振源の開発が進み、より実用的なテラヘルツ波技術が開発されています。

まとめ

テラヘルツ波は、電磁波スペクトルにおける未開拓の領域であり、そのユニークな特性から様々な分野での応用が期待されています。技術的な課題はまだ残されていますが、研究開発の進展により、その可能性はますます広がっていくでしょう。

もう一度検索