【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

光技術を用いた超広帯域テラヘルツオシロスコープの開発
研究代表者：横浜国立大学

片山郁文【基本構想】
テラヘルツ領域はエレクトロニクスとフォトニクスのそれぞれ得意とする周波数領域のちょうど中間に位置しており、大容量高速通信を担う周波数として注目を集めている。しかしながらこの領域の電磁波は非常に速い速度で変化するために、その電場波形を計測することはこれまでは難しかった。電場波形計測は、材料の誘電率計測などの物性評価に有用なだけではなく、様々なテラヘルツデバイスの位相雑音評価や、テラヘルツ領域のダイナミクスの評価、高速なイメージング等に必要である。そこで本プロジェクトでは、このようなテラヘルツ領域の電磁波の波形を、超短パルスレーザーを用いた光技術を活用することによってリアルタイムに計測する技術を確立し、それをファイバー技術と融合することによって、堅牢で高精度・広帯域・高感度なテラヘルツ波形検出技術を開発することを目指している。本稿では、令和 3 年度の成果として、高精度・広帯域なテラヘルツ波形検出の実証に成功したので報告する。

1.

研究目的することである。そのために、著者らを含めて様々な研

テラヘルツ領域とは、周波数 1012 Hz 程度の電磁波の総称であり、近年科学技術振興機構の戦略プロポーザル[1]究グループが開発してきたシングルショット分光法を改良することによって、高精度・広帯域なテラヘルツ電場や、総務省の戦略文書[2]などで取り上げられる等、注目を集めている。例えば、光通信分野では、次世代大容量波形計測を実現することを目的とした。さらに、開発した光学系をファイバー化することによって、堅牢なリア通信に用いる周波数として、100 GHz (0.1 THz)や、300GHz (0.3 THz)などの利用が検討されており、様々なデバ

ルタイムテラヘルツ時間領域分光計を開発し、様々な応用が可能なテラヘルツ領域のリアルタイムオシロスコー

イス技術の開発や、材料特性の評価、応用などが研究されている。また、テラヘルツ領域の電磁波は多くの材質プを実現することを目指す。本稿ではこれらの取組のうち、令和３年度に実証実験に成功した高帯域・高精度なを透過することから、新たなイメージング周波数領域としても期待されている[3,4]。

シングルショットテラヘルツ検出技術について報告する。

一方で、デバイス開発や分光応用には、電場波形の計測できるオシロスコープのようなシステムが極めて有効

2.

であるが、テラヘルツ領域は極めて高周波数であるた
め、汎用のオシロスコープが存在しないのが現状であレーザーパルス 1 パルスでテラヘルツ領域の時間領域信号を計測する技術は、図 1 に示したように、主に三つリアルタイム波形検出技術る。一方で超短パルスレーザーを用いた分光技術はテラヘルツ領域の電磁波計測を容易にし、現在では、テラヘルツ分光測定技術として、計測器が市販される状況になっている[4]。しかしながら、通常のテラヘルツ時間領域分光技術では、電場波形の計測に繰り返し測定が必要となるため、不可逆な現象や、突発的な現象をリアルタイムに計測することはできなかった。
本プロジェクトの目的は、このような超短パルスレーザーを用いた時間領域テラヘルツ分光法を高度化し、レーザーパルス１パルスで、テラヘルツ電場波形を計測できるシステムを開発

図 1：シングルショット波形検出技術：(a) 斜め交差型。(b) 階段状光学素子を利用する技術。
(c) チャープパルスを利用する技術。

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KISTEC研究報告2022

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図 2：歪み補正チャープパルスシングルショット波形検出技術：チャープパルスに変調波形を書き込んだ後、位相補償を行ったうえでチャープパルスとの和周波発生によってスペクトルを読み出すことで、元の変調波形に対応した波形を得ることができる。の種類が存在する。一つは、図 1(a)のようにテラヘルツペクトルに書き込んだ時間波形が実際の波形から大きく領域の電磁波に対して、斜め、もしくは垂直にプローブ光を交差させ、テラヘルツの電場によって電気光学結晶ゆがんでしまう点があった[9]。
そこで本研究では、チャープパルス検出法においても内に生じる屈折率の変化を空間的に検出するものである[5]。この場合、テラヘルツ波とプローブ光との時間差は波形ゆがみなくテラヘルツ波形を書き込める手法を開発し、さらに、ファイバベースの技術の組み合わせを進め場所ごとに異なることになるので、生じた屈折率変化をカメラに結像させれば、結晶上の位置が時間情報を与えることによって、リアルタイムのテラヘルツ波形検出技術を実証することを目指した。

ることになる。この手法は、結晶の大きさが時間窓の長さに対応することになるため、あまり長い時間の情報を3.

得ることができない点と、テラヘルツ波を広げたまま電磁波の波形を計測するため、電場強度をかせぐことが難チャープパルス検出法における波形歪みを解消するた
めに、今回提案するチャープパルス検出法の原理を図 2しい点が問題であった。
次に図 1(b)のような、階段状の光学素子を用いる手法にまとめた。通常のチャープパルス検出法では、チャープパルスに直接波形を書き込むため、書き込み過程で生が提案された[6,7]。この手法では、階段状のプリズム、もしくはミラーを透過したプローブ光を電気光学結晶にじたチャープパルスと信号の和周波成分、差周波成分が元のチャープパルスと同じ周波数領域に発生する。この集光し、生じた屈折率変化を検出する。この手法では、プローブ光を比較的小さく集光することができるため、ため、信号と元のチャープパルスとの干渉が発生し、これによってスペクトルに干渉パターンがのるのが問題で計測したいテラヘルツ波を集光することが可能であり、比較的大きな信号を計測することが可能である。しかしあった。これを解消するために、我々は波形の書き込み過程と読み出し過程を分離し、信号の書き込み直後に位この場合も階段状光学素子の画像をカメラに結像させ、フーリエ面に電気光学結晶を置く必要があることから、相補正を行い、その後、プローブ光と同様のチャープパルスとの和周波発生スペクトルを検出することで波形歪光学系の精密な調整が必要な点が課題であった。
一方で本研究では、図 1(c)にあるような、チャープパみのない変調波形を得ることができる技術[10]をテラヘルツ測定に適用することを提案した。このように二段階ルスを用いる手法を研究している[8]。この手法では、波長ごとに到達時間の異なるチャープパルスと呼ばれるパの変調過程を利用することによって、もともと周波数領域に広がっていた変調成分が、時間領域に広がる形にマルスを用いて、時間情報を波長にマッピングする。これによって、プローブ光のスペクトルを観測すれば、時間ッピングされており、実際に観測される波形も歪みのないものとなる。

情報をシングルショットで計測することができるようになる。この手法の特徴は、波長という光の内部自由度で

図 3 に今回構築した実験系の概略図を示す。光源としては、パルス幅 150 fs、繰り返し周波数 1 kHz、出力 1.9

時間情報を検出することから、回折限界まで集光可能であること、時間窓幅を、チャープ量を変えることで可変W、波長 800 nm の Ti: sapphire 再生増幅レーザーを用いた。用いたレーザーの出力は、ポンプ光とプローブ光ににできること、また、ファイバー技術などと融合することにより、高速なスペクトル読み出しが可能であること分けられ、ポンプ光はテラヘルツ波発生用の有機非線形結晶 BNA に照射し、テラヘルツを発生させた。プローなどがある。一方で本手法の重大な問題点としては、スブ光は、回折格子対を用いたパルス幅伸長器を通し、正190

テラヘルツ波形検出の原理

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図 3：歪み補正チャープパルスシングルショット波形検出実験系：分散補償には、回折格子対を用いた位相制御技術を用いた。の分散を付与し、試料位置で光やテラヘルツ波による変測したテラヘルツ波形と、シングルショットではなく通調を可能とした。書き込み（変調）後に波形歪みが生じないように負分散を持つ回折格子対で位相を制御したう

常のステージ掃引を用いる手法で測定したテラヘルツ波形の測定結果についても示した。図 4 を見ると明らかなえで、読み出し用のチャープパルスとの和周波発生を行い、得られたスペクトルから波形を検出した。和周波発ように、従来の手法では大きな波形歪みが観測されており、通常のステージスキャン法と全く異なる波形が得ら

生には、BBO を用いた。スペクトルは 50 cm の分光器で波長を分散させ高速リニアセンサで検出した。

れてしまっている。一方で、我々の提案した書き込み過程と読み出し過程を分離し、位相補正を行う手法においまた、今回の測定では、検出感度を高めるために、EO結晶の前後に偏光子を設置し、クロスニコル配置とし、ては、観測されるテラヘルツ波形は、ステージ掃引を用いる方法とほぼ同等であることがわかる。このように、その間に挟んだλ/4 を微小に回転させることで、検出感度を最大限向上させる試みも行った。このような手法は本提案技術は、テラヘルツ領域の電磁波の可視化に極めて有望な技術であると言える。

位相オフセット法と呼ばれているが、これによって、テラヘルツ波形検出系を高感度化することができる。

4.

図 4 に典型的に得られた、テラヘルツ電場波形計測結果を示す。参考までに従来の波形補正をしない手法で計3 章で述べたように、位相オフセット法を用いることによって、高感度なテラヘルツ波形検出が可能となっ窓幅可変性・検出帯域

図 4：位相補正シングルショット波形検出技術実証結果：(a) 位相補正を行ったテラヘルツは検出波形。四半波長板(QWP)の角度を±3°に設定した際の波形を示した。(b) 位相補正を行わない、従来のテラヘルツ検出波形。(c) 正負の波形の差分を取った波形。(d) 通常のステージ掃引法で得られた波形との比較。(e) 検出された波形のフーリエスペクトル。

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【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業するポンプ光・プローブ光の偏光配置によって、3THz から 4 THz 程度のポラリトン振動が観測されることが分かっている。
図 5(c), (d)は、観測された、ポラリトン振動の振動波形とスペクトルを示している。まず振動波形を見るとわかるように、ポンプパルスが入射すると、偏光の変化が誘起され、その時間波形には振動する成分が観測されることがわかった。
この時間波形から、時間原点近傍の成分を差し引きフーリエ変換したところ、偏光配置によって観測された信号は 3 THz、4 THz のフォノンポラリトンであることが分かった。このこと
図 5：LiNbO3 単結晶における光誘起偏光回転の測定結果：(a) 窓幅 8 ps の場合の時間波形。位相補正を行った場合と行わなかった場合の波形を示した。(b) 窓幅 20 ps の場合の測定結果。位相補正することで、窓幅に関わらず歪みのない波形が得られている。斜め交差型。(c) 結晶軸に対して偏光配置を変えて測定した結果。偏光によって波形が異なることがわかる。(d) (c)で得られた結果のフーリエスペクトル。

は、今回構築した波形補正の技術が少なくとも数 THzの周波数領域にまで適用可能であることを示唆している。したがって、本提案技術は、高感度かつ広帯域にた。一方で、シングルショットのテラヘルツ分光技術が実応用を見出すためには、その特徴である、窓幅可変性テラヘルツ領域の波形検出を実現できることがわかる。

やファイバー技術との融合についても調べていく必要がある。そのためにまず、書き込み・読み出し用のチャー5.

プパルスと位相補正用の回折格子対、などの分散を変えながら、変調信号の現れ方を調べた。

ングルショットテラヘルツ検出技術（図 1(b)）を用いたリアルタイム波形検出の応用について紹介する。実験で

図 5(a), (b)にその結果を示す。ここでは、光励起によって生じる偏光回転を測定する実験配置を取った。この実は、反射型エシェロンと呼ばれる階段状の光学素子を用いた図 6(a)のような光学系を用いた。この実験では、レ

験では、チャープパルスのチャープ量、すなわち窓幅を変更した場合、位相補正においてもチャープ量を変化さーザー加工の初期過程において重要な寄与をもたらすと考えられる電荷分離過程から生じるテラヘルツ波の検出せる必要があるため、これらの調整に時間がかかり、二つの実験で完全に同じ実験条件とすることが難しい。こを試みた。レーザー加工では、光パルスの照射と共に、表面の形状が変化していくため、レーザー1 パルスごとのため、これらの観測される波形には微妙に違いが見られるが、おおむね同様の信号が異なる窓幅でも観測できの波形を検出することが極めて重要となる。一方で、レーザー加工初期過程からのテラヘルツ波は電場強度が小ていることがわかる。これはチャープパルスを用いた検出法が広い窓幅範囲を連続的に調べることのできる手法

さいため、感度を向上させるために、前節でも用いた位相オフセット法を採用した。

であることを示している。
次に、今回提案しているシングルショット検出手法のフェムト秒レーザー加工は、フェムト秒レーザーの応用として最も重要なものの一つであり、非接触に高い精広帯域性の実証を目指した。現状のテラヘルツ検出では、検出帯域が電気光学結晶として用いている ZnTe で度で加工することが可能であり、加工対象を選ばず、高精度な加工が実現できることから、筐体などの加工か制限されてしまうため、図 5(a), (b)と同様に、光パルスを照射した際に生じる偏光回転を検出する実験系を用い、ら、インフラの塗装や錆の除去、表面改質による機能性の付与や性能改善など、様々な応用が盛んに研究され、その時間波形を計測することを試みた。試料としては高周波数にポラリトン分枝を持つことが知られている有効性が実証されている。これらの応用には高精度かつ高効率な加工が重要であるが、現状のレーザー加工でLiNiO3 単結晶を用いた[11]。この結晶においては、入射は、加工深さの制御や、加工効率（スループット）の向リアルタイム波形検出の応用
最後に、今回開発した技術ではないが、一世代前のシ

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図 6：LiNbO3 単結晶における光誘起偏光回転の測定結果：(a) 窓幅 8 ps の場合の時間波形。位相補正を行った場合と行わなかった場合の波形を示した。(b) 窓幅 20 ps の場合の測定結果。位相補正することで、窓幅に関わらず歪みのない波形が得られている。斜め交差型。(c) 結晶軸に対して偏光配置を変えて測定した結果。偏光によって波形が異なることがわかる。(d) (c)で得られた結果のフーリ
エスペクトル。[12] Copyright 2022, Optica Publishing Group. All right reserved.

上が課題であった。これらを実現するためには、加工プ度でテラヘルツ波形を得ることができることを示した。

ロセスをモニタリングし、かつメカニズムを理解した上で、パルスごとに加工を制御する必要がある。そこでまた、リアルタイムテラヘルツ波形計測が、レーザー加工の初期過程のモニタリングに応用可能であることが分

我々は、テラヘルツ波の検出がフェムト秒レーザー加工の初期過程の理解に重要であるとの観点から、レーザーかった。今後は、本技術の高度化を進めるとともに、シングルショット技術の応用展開をさらに進め、テラヘル加工時のテラヘルツ波をパルスごとに検出することを試みた[12]。

ツオシロスコープ技術の確立を目指したい。

フェムト秒レーザー加工時に発生するテラヘルツ波については、すでに報告があるが[13]、パルスごとの計測【参考文献】

はこれまでに実現されていない。図 6(b)は実際に今回の測定系で計測したテラヘルツパルスの電場波形である。

度化に向けた無線・光融合基盤技術」、2022 年 3 月。
2. 総務省、「Beyond 5G 推進戦略 －6G へのロードマップ

これはレーザー１パルスで測定したものであるが、高い信号雑音比で波形検出が行えていることがわかる。(c)は－」、2020 年 6 月。
3. E. Castro-Camus et al., Appl. Phys. B 128, 12 (2022).

この信号をフーリエ変換したものであるが、数 THz までの帯域の信号が得られている。さらに、このテラヘルツ4. 斗内政吉編、「テラヘルツ波産業創成の課題と展望」、シーエムシー出版、2022。

波形の励起密度依存性やパルス数依存性を測定することで、放射テラヘルツ波の電場波形が徐々に変化してお5. M. Bonn et al., Opt. Lett. 25, 426 (2000).
6. G. P. Wakeham et al., Opt. Lett. 25 505 (2000).

り、その形状がレーザー加工量との相関を持つことも分かった。これらのことは、リアルタイムのテラヘルツ計

7. Y. Minami et al., Appl. Phys. Lett. 103, 051103 (2007).
8. Z. Jiang et al., Opt. Lett. 23, 1114 (1998).

測がレーザー加工のモニタリングに有効であることを示す結果である[12]。

9. I. A. Shkrob, et al., J. Appl. Phys. 96, 25 (2004).
10.P. Suret et al., Nat. Commun. 7, 13136 (2016).

6.

11.T. Kuribayashi et al., J. Appl. Phys. 123, 174103 (2018).
12.R. Tamaki et al., Opt. Exp. 30, 23622 (2022).

1. JST CRDS、戦略プロポーザル「次世代通信技術の高まとめ

13.S. Tani et al., Proc. SPIE 10252, 102520H (2017).

以上のように、位相補正も加えた新たなシングルショットテラヘルツ時間領域分技術の開発に成功し、高い精193

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業 績【口頭発表】
1. 笠井 達基、玉置 亮、浅井 岳、秦 大樹、久保 肇、
片山 郁文、「光加工プロセスにおけるテラヘルツ放射のシングルショット計測」、応用物理学会秋季学術講演会（2021 年 9 月、オンライン）
2. 玉置 亮、笠井 達基、浅井 岳、秦 大樹、久保 肇、
片山 郁文、「フェムト秒レーザー加工におけるテラヘルツ放射計測」、OPJ 日本光学会年次学術講演会（2021 年 10 月、東京）
3. 玉置 亮、笠井 達基、浅井 岳、秦 大樹、久保 肇、瀧川 雄一、片山 郁文、「フェムト秒レーザー加工におけるテラヘルツ放射の CEP 解析」、日本物理学会年次大会（2022 年 3 月、オンライン）
4. 笠井 達基、玉置 亮、浅井 岳、秦 大樹、久保 肇、瀧川 雄一、武田 淳、片山 郁文、「テラヘルツ波放射を用いたレーザーアブレーション初期過程における電荷分離ダイナミクスの可視化」、応用物理学会春季学術講演会（2022 年 3 月、相模原）
5. 玉置 亮、鈴木 雅史、武田 淳、片山 郁文、「分散補償チャープパルス分光法によるシングルショット超高速応答計測」、応用物理学会春季学術講演会（2022 年3 月、相模原）
6. 鈴木 雅史、玉置 亮、武田 淳、片山 郁文、「分散補償チャープパルス分光法による強誘電体フォノンポラ
リトンの観測」、応用物理学会春季学術講演会（2022年 3 月、相模原）
7. 片山 郁文（招待講演）、「フェムト秒レーザー加工初期過程におけるテラヘルツ放射」、多元技術融合光プ
ロセス研究会（2022 年 3 月、オンライン）【特許】(1)国内特許出願

１件(2)国際特許出願

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