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フェムト秒非同期光サンプリング法を用いた高速・超高分
解テラヘルツ時間領域分光法の開発
Rapid,
ultrahigh-resolution
terahertz
time-domain
spectrometer based on femtosecond asynchronous opticalsampling method○安井武史，實吉永典，荒木勉○

Takeshi Yasui, Eisuke Saneyoshi and Tsutomu Araki

大阪大学大学院基礎工学研究科
Graduate School of Engineering Science, Osaka University
E-mail: t-yasui@me.es.osaka-u.ac.jp, http://sml.me.es.osaka-u.ac.jp/

We propose a rapid, ultrahigh-resolution terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS)
based on asynchronous optical sampling (AOS) method.
Using two
asynchronously-controlled femtosecond lasers, the theoretical limit of frequency resolution(=82.8 MHz) in THz-TDS is achieved at a measurement time of 10 sec.
１．はじめにテラヘルツ（THz）時間領域分光法（THz-TDS）は，THz 電磁波パルスを用いた代表的な周波数分光計測法である．従来の THz-TDS では，機械式ステージを用いた時間遅延走査を行うことにより、まず THz パルス電場の時間波形を取得し，得られた時間波形をフーリエ変換することにより強度と位相のスペクトル波形を得る．THz-TDS の周波数分解能は測定時間窓の逆数によって決定されるため，機械式ステージを用いた手法では測定時間短縮と周波数分解能向上の間にはトレードオフの関係があった．我々は、このようなトレードオフを解消する手段として，非機械式時間遅延走査が可能な非同期光サンプリング法（AOS 法）に着目した[1]．前回は AOS 法を実現するためのフェムト秒光サンプリング光源に関して報告した[2]．今回は，AOS 法を THz-TDS に適用した AOS-THz-TDS [3]について報告する．
２．AOS-THz-TDS 法
AOS-THz-TDS 法では、２台のモード同期レーザーを用いることにより時間遅延走査用機械式ステージを省略できるため，機械式時間遅延走査に起因するトレードオフがなくなり、THz-TDS の理論限界周波数分解能（＝モード同期周波数）と高速測定を同時に実現できる．測定原理を Fig.1 に示す。THz パルス，プローブパルスのモード同期周波数を f1，f2，両者のモード同期周波数の差をDとおく．両者のモード同期周波数がわずかに異なるため、両者の時間的重なりはパルス毎にサンプリング間隔（S）だけシフトしていくことになり、時間的にスケール拡大された THz パルス信号をオシロスコープで直接観測できる［拡大率M=(1/D)/(1/f1)=f1/D］。ここで S=(1/f2)-(1/f1)=D/(f1f2)であるので、THz-TDS の周波数レンジはその逆数
1/S=(f1f2)/Dとなる．またサンプリング周期はモード同期周波数差の逆数（1/D）となり、周波数分解能はDによらず常に理論限界値であるモード同期周波数（f1）を達成できる．

Fig.1

Fig.2

Principle of AOS-THz-TDS method.

Experimental setup of AOS-THz-TDS.

３．実験装置Fig.2 に AOS-THz-TDS のセットアップを示す．AOS-THz-TDS は、AOS 光源、SFG（和周波発生光）相互相関計、THz-TDS システムという三つの要素から構成されている． AOS 光源は，モード同期周波数差がある値で一定となるように高精度制御された二台のモード同期チタン・サファイアレーザー（f1≈f2≈82.874238MHz、D=97.6±0.1Hz）からなる． SFG 相互相関計では，二台のレーザー出力光の一部を非線形光学結晶（NLC）に入射し、発生した SFG 光を時間原点トリガー信号として使用する．THz-TDS では，AOS 光源からの２つのレーザー光を THz パルス発生用とプローブパルスとしてそれぞれ利用する．THz パルスの発生および検出-108-

には、狭帯域・高効率のボウタイ型光伝導アンテナを使用した． AOS 法の原理に基づき時間的に拡大された THz パルスは，SFG 信号をトリガーとしたデジタル・オシロスコープによって直接測定される．従来のTHz-TDS に対して，機械式ステージとロックインアンプが省略されている．
４．実験結果Fig.3(a)は、デジタル・オシロスコープ内で 10 回，100 回，1000 回の積算化処理を施した THz パルス電場の時間波形（時間窓 300ps）を示しており、それぞれの測定時間は 100ms，1s，10s である．水平軸の上部はオシロスコープ上での時間軸であり，下部は時間拡大率 M（=848,360）を用いて実際の時間軸に換算されている．積算回数を増やすことによって SN 比が向上している様子が確認できる．Fig.3(b)は単一スイープ（測定時間 10ms）での時間波形にスムージング処理を施したもので，単一スイープでの測定も十分に可能であることが分かる．Fig.4(a)はパルス周期（=12.1ns）の時間窓で測定された THz パルスの時間波形である（1000 回積算、測定時間 10 秒）．
この時間波形をフーリエ変換して得られた振幅スペクトルが Fig.4(b)である．比較のため、従来の機械ステージ式 THz-TDS により得られたスペクトル（時間窓 100ps，測定時間約 5 分，周波数分解能 10GHz）を Fig.4(c)に示す．両者の比較から、AOS-THz-TDS によって THz 振幅スペクトルが正確に測定できていることが確認できる．しかしながら AOS-THz-TDS では、従来法に比べて大幅に短い測定時間で理論限界周波数分解能（=モード同期周波数=82.8MHz）を達成できている．

Fig.3 Temporal waveform with temporal window of 300ps.
(a)10-sweep,100-sweep,1000-sweep (b)Single sweep with signal smoothing

(a)

(b)

(c)

Fig.4 (a)Temporal waveform with temporal window of pulse period(=12.1ns). (b)Amplitude spectra
measured by AOS-THz-TDS. (c) Amplitude spectra measured by stage-scanning THz-TDS.
５．まとめ
従来の THz-TDS における周波数分解能向上と測定時間短縮のトレードオフを解消する手段として、フェムト秒非同期光サンプリング法を用いた高速・超高分解テラヘルツ時間領域分光法に関して報告した。本手法は、超高分解 THz 分光や THz 周波数標準として有用と考えられる。
本研究は総務省 SCOPE（戦略的情報通信研究開発推進制度）より援助を受けた．
文献[1] Y. Takagi and S. Adachi, “Subpicosecond optical sampling spectrometer using asynchronous tunable
mode-locked lasers”, Rev. Sci. Instrum., Vol. 70, No.5, p2218-2224 (1999).
[2] 實吉永典，安田敬史，安井武史，荒木勉,”非同期光サンプリング式テラヘルツ時間領域分光法のためのフェムト秒光サンプリング光源の開発”, Optics Japan 2004 講演予稿集, 5aP6，pp.372[3] T. Yasui, E. Saneyoshi and T. Araki, "Asynchronous optical sampling terahertz time-domain spectroscopy for
ultrahigh spectral resolution and rapid data acquisition", Appl. Phys. Lett., Vol. 87, 061101 (2005).

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