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。

上一年，我们专注于开发各种工具，例如创建小型抛物线镜和数值计算程序，但是今年，我们实际上结合了这些组件，并成功地开发了一种超紧凑型THZ光谱设备，该设备不涉及基于通过数值计算的结构优化的反射光学系统的色差。特别是，通过将立即放置在测量样本附近的冷凝镜头来实现具有高空间分辨率的光谱系统。光谱设备的尺寸为20 mm，长度为61毫米。这是一个非常小的设备，可以引入典型低温恒温器的样品罐直径。已经表明，可以使用Znte非线性晶体或GAAS BOWTIE天线进行定量THZ光谱测量，以产生Thz波的产生，并具有相同的偶极天线进行检测，并具有高空间分辨率的N_ <eff> = 0.45在0.3-2.0 thz频率范围内。此外，我们还使用带有光纤的脉冲蓝宝石激光器来证明了THZ光的产生和检测，以适应无窗的测量环境。此外，为了纠正通过光纤的激发光的分散，在引入纤维之前，请与棱镜对进行适当的补偿。这种高效的数值孔径又可以实现高测量空间分辨率，因为随着设备的尺寸降低，可以将光冷凝透镜放在测量样品附近。当在硅上以金色图案作为测试样品进行透射率测量，这表明可以执行透射成像测量值，直至terahertz波的波长大约的结构，并且可以得出该定量透射率的大约两种波长的结构。这样，由于在正常光谱系统中测量设备系统的局限性，可以实现高空间分辨率，该分辨率很难实现。该设备被认为特别适合对较小样品进行定量光谱测量。