技術紹介

テラヘルツ分光分析技術の紹介
伝

昌明 *1

福冨

Den Masaaki

誠二 *2

Fukutomi Seiji

0.1 ～ 10THz 程度の周波数領域であるテラヘルツ波は、X 線のような物質を透過する力を持つとともに物質の成分や種類を見分ける能力を秘めていながら、その発生と検出が困難なため利用が進んでいなかった。
しかし超短パルスレーザーを活用したテラヘルツ分光分析技術が開発されたことにより、テラヘルツ波の利用の道が開かれようとしている。
テラヘルツ分光分析装置の試作機が完成し試験的運用が始まってきた今、テラヘルツ分光分析技術の原理とその動向を紹介する。
キーワード：テラヘルツ波、時間領域分光法、超短パルスレーザー

磁場と呼ばれる空間の磁気的状態の強さとが決

1. はじめにまった周期で強くなったり弱くなったりして進行

テレビやラジオ、携帯電話・スマートフォン、する波である。

GPS・カーナビゲーションなどで利用されている

強弱する周期が 1s なら周波数 1Hz の電磁波で、電波、防犯や自動ドアセンサで活躍する見えないsなら周波数 1THz（=1012Hz、周期が 1×10-12（ピコ秒）光である赤外線、生活空間を明るく照らす可視光、テラヘルツ）の電磁波となる。

医療でおなじみの X 線、これらは皆同じ電磁波の電波、赤外線、可視光、X 線は、それぞれ周波仲間である。

数が異なっている。電波は周波数が kHz ～ THz

電磁波は電波的側面と光波的側面を持ち、そのの電磁波である。赤外線や可視光の周波数は電波

性質は各々の周波数で変わってくるが、近年、今より高く、X 線はさらに高い。電波は目に見えなまで利用されてこなかったテラヘルツ（THz）領いが、建物の中で携帯電話が通じることからもわ域の電磁波の利用技術が開発されてきている。

かるように電波には透過性がある。一方、太陽の光や照明などの目に見える光や、赤外線・紫外線2. テラヘルツ波とは何かなどの目に見えない光は光波とも呼ばれる。物にサッカーの試合などでスタジアムに描かれる影ができることを見ればわかるように、光には直ウェーブは、一人ひとりはその場で上下している

進性はあるが透過性はあまりない。

だけであるが、上下動のタイミングが隣人と少しこれらの電波と光波の境界領域に分類されるずつずれていることで波となる。同じように電磁0.1 ～ 10THz 程度の電磁波は、目に見えない電磁波は、電場と呼ばれる空間の電気的状態の強さと、波で、電波の透過性と光波の直進性の特徴を併せ*1：制御システム事業部 宇宙システム部 課長*2：株式会社 IHI 基盤技術研究所 応用理学研究部

主査—

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もっているが、技術的な課題が多く利用されずにこのように、従来の技術ではテラヘルツ波の発いた。そのため、この“テラヘルツ波”と呼ばれ生と検出は困難であった。

る周波数帯は最後の未開拓の電磁波と言われてき

4. テラヘルツ時間領域分光法

た（図 1 参照）。

このテラヘルツ波を常温において利用可能とし3. テラヘルツ波の特徴た方法が、テラヘルツ時間領域分光法である。

テラヘルツ波の一般的な特徴として、

超短パルスレーザーから発光されたレーザー光（1）物質を破壊せず、人体を傷つけないので安をビームスプリッタによりポンプ光とプローブ光全性が高い。に分け、1 組の光伝導アンテナと呼ばれる特殊な（2）紙や布、プラスチックは透過する。

半導体素子に照射する。このことにより、ポンプ（3）水に強く吸収される。

光側のアンテナからテラヘルツ波が発生する。発（4）物質ごとに固有の吸収領域をもつ。

生したテラヘルツ波は、空間を伝搬した後にプなどがあげられる。

ローブ光側のアンテナにより検出される。しかしテラヘルツ波は電波の一種とみなすこともできテラヘルツ波は非常に短い時間しか存在できない

るが、周波数が高すぎて電波と同様の方法では発ため、そのままでは波形を観測することができな生させることができない。

い。そこでテラヘルツ波を繰り返し発生させると一方、光波の一種とみなした場合、周波数が低ともに、プローブ光側に機械ステージを配置し光すぎてレーザー光と同様の方法では発生させるこ

路長を変化させることで、プローブ光を時間遅延とが困難である。またテラヘルツ波を光波としてさせ検出するタイミングを少しずつずらしていく検出するには、液体ヘリウムで冷却した検出器をことにより波形を観測する方法が用いられる。こ使用する特殊な実験装置が必要であり、一部の研れが時間領域分光法と呼ばれる（図 2 および図 3

究者が利用するにとどまっていた。

参照）。

図1

電磁波の種類とテラヘルツ波の位置—

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図2

分光分析装置によるテラヘルツ波形検出

超短パルスレーザーとは非常に短い時間（フェムト秒 =10-15 秒のオーダー）のレーザー発光が得られるレーザー装置であり、この超短パルスレーザーの安定性と入手性が向上したことにより時間領域分光法によるテラヘルツ波検出が実現可能となった。
ステージを 1 回走査することで一つのテラヘルツ波形が取得され、この波形をフーリエ変換することでテラヘルツ帯域（光でいえば色の広がり）における周波数スペクトルを得ることができる（図 4 参照）。
テラヘルツ波を発生するアンテナと検知するアンテナの間にサンプルを置くと、テラヘルツ波はサンプルに吸収されて減衰する。サンプルを置いた場合と置かない場合との信号強度の比から、吸収率の周波数分布を計算することで、サンプルの吸収スペクトルを知ることができる。
たとえばショ糖や麦芽糖の名でなじみ深いスクロースやマルトースなどの二糖類は、一般的には似たような外見の白い粉末状である。これらをテラヘルツ分光分析装置にかけるとテラヘルツ領域にそれぞれ特有の吸収スペクトルがあることがわ
図3—

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かる（図 5 参照）。

時間領域分光法によるテラヘルツ波の検出

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15:12:26図4検出されたテラヘルツ波（左）とそれをフーリエ変換して得られた周波数特性（右）5. テラヘルツ分光分析装置の構成
図 6 に IHI のテラヘルツ分光分析装置（試作機）の全体像を示す。
テラヘルツ分光分析装置は、以下の各部分に分類される。
（1）レーザーと光学系および時間遅延機構を持ちテラヘルツ波を発生・検出する部分。
（2）電源や制御基板などの電気部品から構成されるコントロールラック。
図5（3）上記（1）、（2）の制御とテラヘルツ波形のIHI のテラヘルツ分光分析装置で得られた7 種類の二糖類の吸収スペクトル演算処置を行うコンピュータ（コントロールラックに内蔵）。

物質に固有なスペクトルは、物質を特定できることから指紋スペクトルと呼ばれ、テラヘルツ波の領域にこの指紋スペクトルが存在する物質をテラヘルツ分光分析装置は識別することができる。

図6—

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IHI のテラヘルツ分光分析装置

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分光分析装置はテラヘルツ発生・検出部や遅延

6. IHI のテラヘルツ分光分析技術の特徴機構などを階層的に配置しスペース効率を上げている（図 7 参照）。

観測される周波数スペクトルはアンテナ素子とテラヘルツ波は雰囲気中の水分で減衰される。

フェムト秒レーザーの性能に強く依存することかこの影響を排除するため、テラヘルツ発生・検出

ら、テラヘルツ時間領域分光法をベースにしなが部は真空チャンバとし真空引きを可能としている

ら IHI のテラヘルツ分光分析装置においては以下（図 8 参照）。のような工夫を施している。
・ 独自レシピのアンテナにより高感度を実現
・ 高性能フェムト秒レーザーにより広帯域なテラヘルツ波の発生を実現
また光学遅延機構には精密作動する可動ステージを使用し、周波数が安定した He-Ne（ヘリウム- ネオン）レーザーを使用した干渉計を構築する
ことにより数十ナノメートル（nm=10-9m）という高い計測分解能を実現し、正確なテラヘルツ波形の取得が可能になっている。
このような技術に基づいたテラヘルツ分光分析装置は以下のような特徴、性能を備えている。

図7

3D モデル（透視図）（1）ソフトウェアは装置作動制御プログラム、および測光検出信号取得、高速フーリエ変換処理、スペクトル変換処理、演算処理の各プログラムから成る。
（2）測定光学配置は透過測定光学配置を標準としているが、各種アタッチメントを接続す

図8ることにより、反射測定、液セル、気体用

テラヘルツ発生・検出部（真空チャンバ内に配置する）

長光路セル、減衰全反射（ATR：AttenuatedTotal Reflection）などさまざまな測定光学配置に拡張可能である。
（3）試料の形態もベースの固体以外に、気体、液体への拡張が可能である。
、（4）測定波数帯域は 1.3 ～ 230cm-1（0.04 ～ 7THz）
最小波数分解能 0.03cm-1（0.9GHz）、測定時間は波数分解能 1cm-1 において 4s/scan である。固体測定光束断面は、長波長（10cm-1帯 域 ） で 5.0mm 径 以 下、 短 波 長（100cm-1帯域）で 0.7mm 径以下となっている。

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7. 適用とこれからの展開

参考文献

テラヘルツ分光分析装置は、これまでに半導体・（1） 福冨誠二：「テラヘルツを知ってテラヘルツ

強誘電体・光学結晶といった産業製品の試験的なを使う」、IHI 技報、2014、Vol.54 No.1

計測、医薬品・錠剤などの分析、また気体分子の分析などに試験的に適用している。
今後はライフサイエンス、セキュリティー方面にも展開が期待されており、さらなる性能の向上と利用技術の開発により適用先の開拓を進めていく。
8. まとめテラヘルツ分光分析装置試作機は、IHI 基盤技術研究所からの委託を受けて IIC 制御システム事業部が電気・制御・機構の装置全体の詳細設計に携わり、光学系・電気系の調整を含めた製造・組立と、制御系との組合せ試験を通して試作機の完成に協力してきた。
テラヘルツ分光分析技術、ならびにテラヘルツ波の本格的な利用拡大はこれからの課題であり、IHI と IIC はこの新技術分野の利用拡大を目指していきたい。

制御システム事業部
宇宙システム部課長

株式会社 IHI
基盤技術研究所 応用理学研究部
主査

伝

福冨 誠二

昌明

TEL. 042-523-8319
FAX. 042-523-8320

TEL. 045-759-2819
FAX. 045-759-2207—

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