強磁場・極低温下でのテラヘルツ計測のための、組み込み一体型分光装置の開発

开发用于强磁场和极低温下太赫兹测量的内置集成光谱仪

基本信息

批准号：
17760006
负责人：
渡邉紳一
金额：
$ 2.24万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17760006/
关键词：
テラヘルツ光分光装置回折限界時間領域差分法

项目摘要

前年度は小型放物面鏡の作成や数値計算プログラム等、各種ツールの開発に力を注いだが、本年度は実際にそれらのコンポーネンツを組み合わせ、数値計算による構造最適化のもと、反射光学系による色収差の無い超小型THz分光装置の開発に成功した。特に測定試料の直近に集光レンズを配置することで空間分解能の高い分光系が実現できたところに特徴がある。作成した分光装置のサイズは直径20mm、長さ61mmである。これは一般的なクライオスタットのサンプル槽径25mmに導入できる非常に小さな装置である。THz波発生にはZnTe非線形結晶あるいはGaAsボウタイアンテナ、検出には同ダイポールアンテナを使用し、0.3-2.0THz周波数範囲内で有効開口数N_<eff>=0.45の高い空間分解能で定量的なTHz分光測定が行えることを示した。また、窓のない測定環境にも対応できるように光ファイバーで導いたパルス状チタンサファイアレーザーによるTHz光発生・検出のデモンストレーションも行った。なお、光ファイバー通過中の励起光の分散を補正するため、ファイバー導入前にプリズムペアで適切に補償を行っている。このように高い有効開口数、ひいては高い測定空間分解能を実現できたのは、装置を小型化するに伴い測定試料の直近に集光レンズを配置できたことによる。テストサンプルとしてシリコンに金を線上にパターニングした基板の透過率測定を行ったところ、テラヘルツ波の波長程度の構造まで透過率イメージング測定が行え、2倍の波長程度以上の構造では定量的な透過率を導き出すことも可能であることを示した。このように装置外部からTHz光を導く通常の分光系では測定装置系の制限から達成することが難しい高い空間分解能が達成できた。この装置はより小さいサンプルの定量的な分光測定を行うのに特に適していると考えられる。

去年，我们专注于创建小型抛物面镜并开发数值计算程序等各种工具，但今年我们将实际结合这些组件，并开发基于使用数值计算的结构优化的反射光学系统。 - 紧凑型太赫兹光谱仪，无色差。一个特别的特征是，通过将聚光透镜靠近测量样品放置，可以实现具有高空间分辨率的分光系统。所创建的光谱装置的尺寸为直径20毫米、长度61毫米。这是一个非常小的设备，可以安装在典型低温恒温器直径为 25 毫米的样品罐中。使用 ZnTe 非线性晶体或 GaAs 领结天线来产生太赫兹波，并使用相同的偶极子天线进行检测，在 0.3-2.0 THz 频率范围内以高空间分辨率和有效数值孔径 N_<eff>=0.45 进行定量太赫兹光谱。表明可以进行测量。我们还演示了使用光纤引导的脉冲钛蓝宝石激光器产生太赫兹光并进行检测，使其可以在没有窗户的测量环境中使用。另外，为了校正激发光在通过光纤时的色散，在引入光纤之前使用棱镜对进行适当的补偿。我们之所以能够实现如此高的有效数值孔径，进而实现高测量空间分辨率，是因为随着设备变得更加紧凑，我们能够将聚光镜放置在靠近测量样品的位置。当我们测量硅上金线性图案基板作为测试样品的透射率时，我们发现我们可以对太赫兹波波长的结构进行透射率成像测量，并对波长约为两倍的结构进行定量透射率我们证明了也可以推导出来。通过这种方式，我们能够实现高空间分辨率，而由于测量系统的限制，从设备外部引入太赫兹光的普通光谱系统很难实现这一点。该装置被认为特别适合对较小样品进行定量光谱测量。