共振器を用いたテラヘルツ時間領域分光システムの開発

利用谐振器开发太赫兹时域光谱系统

基本信息

批准号：
22K05157
负责人：
菜嶋茂喜
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Osaka Metropolitan University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K05157/
关键词：
テラヘルツ波テラヘルツ時間領域分光法エンハンスメント共振器共振器分光キャビティエンハンスト吸収分光法(CAS)キャビティリングダウン分光法（CRD）分光センシングフェムト秒レーザー共振器時間領域分光法キャビティリングダウン分光法

项目摘要

低エネルギーで，かつ，物質固有のスペクトル（指紋スペクトル）が存在するテラヘルツ波（THz波）領域は貴重な分光情報を有しており，基礎物性の研究だけでなく，それを活かしたセンシングなどの様々な分光応用も期待されている．従来のテラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS）測定はシングルパスが殆どであり，微量な物質や吸収率の小さい物質の応答を得るのが困難であった．この技術課題に対し本研究では，キャビティリングダウン分光法（CRD）などに代表される共振器分光技術を導入してTHz波と物質の相互作用を増大増強する手法を提案し，高感度な分光を目指している．1年目のR04年度では，従来のTHz-全反射減衰（ATR）分光の系にTHz波用のウィスパリングギャラリーモード（WGM）共振器を導入に取り組んだ．ATRプリズム（全反射領域）を外部結合器に採用し，最大周回数が観測できるWGM共振器用小球のサイズ依存性を調査した結果，回折損失と伝搬損失のトレードオフが存在し，最大周回数が観測できる最適な小球サイズがあることが明らかになった．また，結合部では，独自に作製した専用の非球面レンズでTHz波ビームの集光することでモード結合の効率向上に成功した．これらの取り組みにより，時間領域で観測できるTHz波パルスの最大周回数が29周回付近に達し是迄よりも約40%の向上を達成した．その結果，分光感度として約27倍の向上，700倍超の測定時間の短縮に成功した．一方で，更なる感度向上を目指してファイバーを用いた新たな結合方法として，THz波用の非球面レンズとファイバーから成る外部結合器を検討し，その試作品を作製した．

太赫兹波（THz波）区域能量低，具有物质特定的光谱（指纹光谱），包含有价值的光谱信息，不仅对基本物理性质的研究有用，而且对利用它的传感也很有用。光谱应用也有望实现。大多数传统的太赫兹时域光谱（THz-TDS）测量都是单程测量，因此很难获得痕量物质或低吸收率物质的响应。为了解决这一技术问题，本研究提出了一种通过引入腔衰荡光谱（CRD）等谐振器光谱技术来增加和增强太赫兹波与材料之间的相互作用的方法，从而实现高灵敏度光谱。在第一年，R04，我们致力于将太赫兹波的回音壁模式 (WGM) 谐振器引入传统的太赫兹衰减全反射 (ATR) 光谱系统。使用 ATR 棱镜（全反射区域）作为外部耦合器，并研究了可观察到最大匝数的 WGM 谐振器球体的尺寸依赖性，结果发现，衍射损耗和衍射损耗之间存在权衡和传播损耗，以及可以观察到的最大匝数，很明显存在允许观察的最佳球体尺寸。此外，在耦合部分，我们通过使用专有的非球面透镜会聚太赫兹波束，成功地提高了模式耦合的效率。通过这些努力，时域可观测到的太赫兹波脉冲最大数量达到了29个左右，比之前提高了约40%。结果，我们成功地将光谱灵敏度提高了约 27 倍，并将测量时间缩短了 700 倍以上。另一方面，作为一种以进一步提高灵敏度为目的的使用光纤的新耦合方法，我们研究了由非球面透镜和太赫兹波光纤组成的外部耦合器，并制作了其原型。