株式会社 栃木ニコンテラヘルツ事業室

平成18年 電気学会 電子・情報・システム部門大会
先端技術セミナー （2006年9月6日、関東学院大学）

テラヘルツ波の特徴
・ 0.1THz (3mm) ～ 10THz (30μm)
・ X線の1/100万のエネルギー
・ 非侵襲、人体安全
・ 非破壊
・ 紙、プラスチックなどを良く透過
・ 水に吸収、水分に敏感
・ 物質の振動状態に敏感
・ 分子の弱い相互作用のエネルギーに相当（非共有結合）
・ 6THzの電磁波と15℃のエネルギーは同程度

テラヘルツ波が開く新しい
分光とイメージング技術(株) 栃木ニコン テラヘルツ事業室
福 島 一 城、 深 澤 亮 一4

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テラヘルツ技術の応用分野
材料分析
半導体,プラスチック,セラミックス,住宅建材などの非破壊検査
セキュリティ
小包内の禁止薬物,爆発物,金属の探知
バイオテクノロジー
医薬品の品質管理（結晶多形、錠剤コート）
医療、美容
皮膚癌,火傷,虫歯の診断、美肌（角質層）の診断
農業、食品農作物水分のリアルタイムモニタリング、冷凍食品検査
科学捜査
偽札識別、偽造カード識別

テラヘルツ波とは ?

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テラヘルツ波の発生・検出

テラヘルツ波広帯域テラヘルツパルス波の発生

電波と光の間に残された未開拓の電磁波→ 未発見の事実の宝庫

光伝導スイッチ素子
非線形光学結晶 （光整流）

電波の透過性を有する最短波長光の扱い易さを有する最長波長

半導体表面
波長可変単色テラヘルツ波の発生

コヒーレント検出
光伝導スイッチ素子
電気光学結晶インコヒーレント検出

光パラメトリック発生/発振 （LN）

焦電素子 （DTGS）

差周波混合 （GaP, DAST）

ボロメータ

その他の発生共鳴トンネルダイオード、QCL、 p-Geレーザ、FIRレーザ、FEL、BWO など
361

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テラヘルツパルス波の検出方法
フェムト秒レーザ

THz波

A 電流計

テラヘルツパルス波テラヘルツパルス分光

LT-GaAs

AuGe/Ni/Au

光伝導スイッチ素子

Wollastonpolarizer

ZnTe
フェムト秒レーザ

BalancedphotodiodeTHz波
1/4 波長板

電気光学結晶710

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テラヘルツパルス波の特徴

ポンプ・プローブ法

・ 電磁波の「電場」を測定
・ 電磁波の位相情報を取得可能、複素誘電率が得られる → KK変換不要
・ 広帯域な周波数の電磁波を含む → 時間領域分光・ 室温で発生検出可能 → 冷却不要
通常の光数十MHzの繰り返しで放射されるフェムト秒レーザパルスをビームスプリッタによりポンプ光とプローブ光の２つに分割。
ポンプ光（励起パルス）でテラヘルツ波を発生しプローブ光（サンプリングパルス）プローブ光（サンプリングパルス）を時間遅延させつつテラヘルツ波を検出することで電磁波の「強度」（E2）を測定

テラヘルツ電場の時間変化を測定。

∞

Edetect (τ ) = ∫ E (t ) S p (t − τ ) dt−∞

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テラヘルツパルス波の主な発生方法
フェムト秒レーザ

THz波

テラヘルツパルス分光の位置づけ

ZnTe
フェムト秒
レーザ

THz波

χ(2)

バイアス電圧LT-GaAs

11

AuGe/Ni/Au

光伝導スイッチ素子

非線形光学結晶
THz波

Semi-insulating InP
EC
Fermi level
EV

フェムト秒レーザ

半導体表面
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テラヘルツ分光の適用分野
対象材料・分野

テラヘルツパルス発生器取得が期待される情報半導体（Si, 化合物）

不純物（ドナー, アクセプター）, 局在振動モード, 格子振動, プラズマ振動（キャリヤー密度, キャリヤー散乱）

LSI

配線故障解析

有機半導体（有機EL, 有機太陽電池）

プラズマ振動（キャリヤー密度, キャリヤー散乱）

セラミックス

誘電率, 格子振動, ソフトフォノンモード超伝導体

電気伝導, 超伝導ギャップ, 局所超伝導現象

液体, 溶液, 水分

分子の運動性, 吸着

ポリマー

誘電率, 配向特性, 結晶化度, 分子鎖間相互作用

ナノコンポジット

マトリックス/ナノ微粒子相互作用

医薬品

結晶多形, 構造解析

バイオ構造解析, 分子間相互作用

セキュリティー

麻薬診断, 爆薬診断

ETHz (t ) ∝伝導帯hν∂J∂tGaAs

Eg = 1.43 eV LT-GaAs/SI-GaAs
テラヘルツ
パルス波

価電子帯

Vb ：バイアス電圧dphotoconductive switch

Vb= 20V～

Si lens

レーザパルスを光スイッチ素子に照射するとキャリアが生成され瞬時電流が流れる。
この電流の時間微分に比例した電磁波が発生する。

d = 5μmlens
NIR, < 100 fs laser pulse

永井直人, 光学 34, 465 (2005).

（光は100フェムト秒間に30μmしか進まない）
1316

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テラヘルツパルス分光装置

テラヘルツパルス検出器
発生素子と同じ物を使用 （バイアス電圧 → 電流計）

反射測定部
LT-GaAs/SI-GaAs

透過測定部
テラヘルツ
パルス波

制御部

電流計
photoconductive switchlens

真空ポンプ

レーザパルスを光スイッチ素子に照射するとキャリアが生成され、その時のテラヘルツパルス波の電場に比例した瞬時電流が流れる。

世界初
2003年6月完成

Si lens

NIR, < 100 fs laser pulse1417

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テラヘルツパルス分光装置－光学系

テラヘルツパルス分光（時間領域分光）
電場の時間波形をフーリエ変換し振幅スペクトル・位相スペクトルを得る
Time Domain

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FFT

Frequency Domain

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テラヘルツパルス分光

シスチン（アミノ酸の一種）の吸光度

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p型Siウェハの吸光度

バルビタール（催眠・沈静剤）の吸光度

自由キャリヤーの吸収

結晶多形の定量が可能

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純水（23℃）の複素誘電率

シリコンの電気伝導度測定

テラヘルツ分光により電気伝導度の測定が非接触・非破壊で可能

4点プローブ法で測定した伝導度

テラヘルツ吸収スペクトルから解析した伝導度

永井直人, レーザー研究 33, 848 (2005).
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24

4

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テラヘルツ2次元メージング光学系(130fs, 800nm, 1kHz, 1W)

テラヘルツイメージング

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テラヘルツ2次元イメージング検出原理

テラヘルツイメージング技術
走査型イメージング

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・ テラヘルツ波の電場がZnTeの複屈折を誘起 ← Pockels 効果
・ 同時にプローブ光がZnTeに照射
・ ZnTeの複屈折によりプローブ光の偏光状態が変化・ 偏光が変化した成分のみを取り出しCCDカメラで検出

２次元イメージング

検光子
偏光子
プローブ光
EprobeEprobe[110] [ 1 10]

E , Eprobe

CCDカメラ

THz

EprobeETHz

テラヘルツ波

電気光学結晶（ZnTe）
ペリクル

サンプル
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サンプルイメージ （リアルタイムイメージ）

テラヘルツパルスメージング技術
リアルタイムイメージングモード
時間遅延を固定してデータ取得し、画像化
時間分解イメージングモード
時間遅延を変化させながらデータ取得し、画像化
位相シフトイメージングモード
時間遅延を変化させながらデータ取得し、パルス遅れ情報で画像化
分光イメージングモード
時間遅延を変化させながらデータ取得し、フーリエ変換し画像化

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30

5

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画像処理

ハエ取り草の透過イメージ

サンプル有りの画像を、サンプル無しの画像で除算
各画素のCCD出力値を、サンプルが無い場合のCCD出力値で規格化

サンプル有り画像

=サンプル
無し画像

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テラヘルツ波の波面 （時間分解イメージ）

封筒内の刃の透過イメージ

電気光学結晶テラヘルツ波テラヘルツパルス波の波面が電気光学結晶に向かって進んで来る様子を0.33 ピコ秒（0.1mm）間隔のコマ送りで捉えた画像
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特殊印刷物の透過イメージ （分光イメージ）

葉の透過イメージ@ 0.59 THz
λ=0.51mm@ 0.88 THz
λ=0.34mm

水分の多い葉脈部の透過率が低い17mm@ 1.47 THz
λ=0.20mm

空間分解能は波長程度
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Siウェハの透過イメージ （走査型）

化学物質の空間分布抽出Ⅰ（1/2）
0.25 THz

ボロンイオンの注入量を変化させたSiウェハ
0.38 THz

0.54 THz

0.70 THz

0.92 THz

吸収スペクトル
マルチスペクトルイメージ

M. Yamashita et al., Applied Optics 44, 5198 (2005).

M. Herrmann et al., J. Appl. Phys. 91, 1247 (2002).
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化学物質の空間分布抽出Ⅰ（2/2）
malachite green

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トウガラシ・エビの透過イメージ （走査型）

biotin[I ] = [S ][P ][I ] : マルチスペクトルイメージ[S ] : 吸収スペクトルcystine[P ] : 化学物質の空間分布[P ] = ([S ]t [S ])-1[S ]t [I ]非負拘束付き最小二乗法を用いて[P ] を求める
吸光度@ 1THz, λ=0.3mm

化学物質の空間分布

Kodo Kawase, Optics & Photonics News, October 2004, 34

M. Yamashita et al., Applied Optics 44, 5198 (2005).
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ICカードの透過イメージ （走査型）

テラヘルツ技術の広がり@ 1.4THz, λ=0.2mm@ 0.14THz, λ=2.1mm

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