新技術説明会 様式例

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1 1 金属導波路を用いたテラヘルツ波の 高感度電気光学サンプリング検出 ( 特願 , 特願 ) 1 福井大学 遠赤外領域開発研究センター 2 福井大学 教育地域科学部 3 福井工業大学 谷正彦, 栗原一嘉, 山本晃司, 桑島史欣

2 FIR FU テラヘルツ電磁波とは? テラヘルツ (THz) 帯 = 遠赤外領域 ( 未開拓周波数帯 ) 長波 ~ラシ オ テレヒ 電波 ~ マイクロ波 ~ ミリ波 ~ 赤外 / 可視 / 紫外 ~ X 線 ~ γ 線 周波数 波長 (Hz) (m) 1 THz = 1 ps = 300 µm = 33 cm -1 = 4.1 mev = 48K 電波と光の中間領域の電磁波 これまであまり利用されてこなかった未開拓な周波数帯 電波 テラヘルツ電磁波 0.1~10THz 波長が長い エネルギーが低い 回折効果が大きい ( 電波の回り込み ) 光 波長が短い (<1µm) エネルギーが大きい 直進性が強い 2

3 FIR FU 封筒のなかのプラスチック爆薬 C-4 イメージング 非破壊計測 ( 遅延時間固定 ) 上側の紙の端 C-4 7 mm Envelope 3.5 mm Delay (ps) 1 ラスタースキャンイメージ 3.5 mm 7 mm

4 4 FIR FU 最近の新聞記事から 平成 18 年 6 月 1 日読売新聞朝刊

5 5 FIR FU テラヘルツ波イメージング : 封筒のなかの物体の透視 ) X 線と違いテラヘルツ波は安全 イメージエリア : 縦 30mm 横 24mm

6 6 FIR FU 染色イメージとテラヘルツイメージの比較 癌組織 ( 肝臓癌 ) 壊死した割合が比較的大きい領域 正常組織 2THz 2THz 屈折率 : n 消衰係数 : κ 染色による光学イメージとの比較から, 壊死した割合が大きい領域で屈折率と消衰係数が大きくなっていることがわかる

7 テラヘルツ波による薬の錠剤の全数検査 テラヘルツ波を用いた薬の錠剤の全数検査を製造現場 ( インライン ) において実現する そのための超高速テラヘルツ波品質管理用センサーシステムを開発する 1 独自サンプリング技術で超高速化 22 桁以上の高感度化 3 多チャネル化 (10 ラインに対応 ) 4 スペクトルデータベース & 判別ソフトウエア ファイバ分岐モジュール & アンプモジュール 錠剤 6,000 錠 / 分を実現! 発信モジュール ファイバカプラー 受信モジュール 製造ライン移動方向 周波数連続可変フェムト秒パルスレーザー プロトタイプ装置イメージ図 7

8 福井大学で開発中の薬の錠剤検査装置 ファイバー結合型光伝導アンテナ ( 検出器 ) 薬剤搬送機 ( エーザイ ) 信号検出系 検出器 Sweep generator フェムト秒ファイバレーザー 発振器 8

9 9 FIR FU 電気光学 (EO) 効果を用いた THz 電磁波検出 テラヘルツ電磁波を光パルス ( 偏光変化 ) を用いて検出 テラヘルツ波と光パルスの速度整合が重要

10 10 従来の EO サンプリング技術の問題点 使える波長,EO 結晶が限られている 光学系が複雑 感度が十分ではない 本特許の適用により どのような波長,EO 結晶にも使用可能 簡便な光学系 高感度

11 11 コリニア ( 共軸 ) EO サンプリング Optical sampling pulse 速度整合条件 n THz n g = 0 n THz : THz 帯屈折率 n g : 光領域の群速度屈折率 速度整合条件を欲しい波長 ( 例えば通信波長帯の 1550nm) で満たす非線形光学結晶を見つけることは難しい THz pulse

12 12 Cherenkov 位相整合によるノンコリ ニア ( 非共軸 )EO サンプリング THz pulse 速度整合条件 n THz cos θ n = 0 C g n THz : THz 帯屈折率 n g : 光領域の群速度屈折率 どのような EO 結晶に対しても交差角 θ C を調製することで速度位相整合条件を満たすことができる Optical sampling pulse θ C

13 I/I x チェレンコフ位相整合 EO サンプリングによる THz 波検出波長 780nm および 1.55µm by LN/Si-prism ωopt 3 3 δϕ() τ = ( nr e 33 nr o 13) ETHz () τ L 1 ( 3 3 ) 2c FOM = LN nr e 33 nr o pm/v ωopt 3 δϕ() τ = noptr41ethz () τ L FOM c ZnTe = noptr41 96 pm/v Tani, et al, Opt. Express Vol. 19, No. 21, pp (2011). LN/Si (a) EO 信号 : I/I ~ 位相遅延 δφ THz 発生素子 : ボウタイ型光伝導アンテナ Si/LN(t=2mm) 780 nm Si/LN(t=2mm) 1.55 µm ZnTe(L=4mm) 780 nm Time (ps) ZnTe 3 FFT amplitude [arb. unit] (b) Si/LN(t=2mm) 780 nm Si/LN(t=2mm) 1.55 µm ZnTe(L=4mm) 780 nm Frequency [THz] 13

14 FIR FU Cherenkov 位相整合による EO サンプリング パラボリックミラー THz 波 S 偏光, 画面に垂直 Si プリズム 複雑な光学系 PC アンテナ ( ボウタイ ) 光学素子を用いるバランス検出 λ/4 板 λ/2 板 レンズ f = 200mm LN 結晶 位相補償用の光学系 A c-axis バランス検出器ポンプ光 (780nm,100fs,50MHz,7.5 mw) Tani et al, Opt. Expr. 19, (2011). ワラストンプリズム プローブ光 (45 o 偏光, λ~1.55μm, 780nm(2 nd )) λ/4 板 レンズ f =100mm 14

15 15 ヘテロダイン EO サンプリングの原理 サンプリング光 E 0 (ω 0 ) 非線形光学結晶 χ (2) 和周波 (SFG) or 差周波 (DFG) 波光 E SFG/DFG E 0 (ω 0 ) E 相互作用後の光強度 0 倍に信号は増強 tot [ E E ] ESFG = E Re 0 SFG ESFG I = E + ヘテロダインEOサンプリング信号 I hetero 2 Re[ ESFG ] 4deff ω0l = ETHz ( ω I0 E0 cn0 exp( i kl) 1 g kl) = k = k + i kl 0 THz 2 ) Im[ g( kl)] k THz k ( SFG

16 FIR FU ヘテロダイン EO サンプリング 放物面鏡 S 偏光 THz 波 lens f=200mm Si プリズム THz 波発生素子 ポンプ光パルス (780 nm, 50 MHz, 100 fs, ~6 mw) Tani, et al Opt. Express, 21, 9277 (2013). 1/2 波長板 プローブ光パルス (1.55 μm or SHG780 nm, S-pol. 50 MHz, 100 fs, ~1 mw on PD) EO(LN) 結晶 c-axis PC A PD Lock-in Amp 16

17 17 金属導波路による EOS の感度増強 金属 V 溝構造 LN 結晶 導波路先端で電磁波の超集束効果が起きて, 電場が増強される 導波路幅 (Si プレートの厚さ )100μm

18 EO サンプリング信号の増強 x I/I 5 0 x19.7 x12.1 x Si prism + LN 2mm Si prism + LN 40µm V-groove Si plate 0.3mm + LN 40µm V-groove Si plate 0.1mm + LN 40µm Time[ps] 金属導波路構造により信号強度が 19.7 倍に増強された! 18

19 19 実用化に向けた課題 現在 すでに 20 倍までの感度増強に成功 さらに 5 倍, 合計 100 倍感度増強を目指し た研究開発を実施中 光ファイバーと結合したモジュールを開発 予定 検出帯域を現在の 2THz から 10THz へ

20 20 本技術に関する知的財産権 発明の名称 : 電磁波検出方法及び電磁波検出装置 発明者 : 谷正彦, 山本晃司, エスタシオエルマー, ケクリストファー 特許出願人 : 国立大学法人福井大学 特許出願番号 : 特願 特許出願年月日 :2012 年 2 月 25 日 発明の名称 : 電磁波検出方法及び電磁波検出装置 発明者 : 谷正彦, 栗原一嘉, 山本晃司, 桑島史欣 特許出願人 : 国立大学法人福井大学, 学校法人金井学園 特許出願番号 : 特願 特許出願年月日 :2012 年 7 月 11 日

21 21 産学連携の経歴 2008 年 年 JST 先端計測分析技術 機器開発事業に採択 2012 年 年 JST A-STEP 事業に採択 2013 年 4 月 - 上記事業成果をコア技術として福井大学発ベンチャー ( 株 ) アイスペック インスツルメンツを設立

22 22 お問い合わせ先 福井大学発ベンチャー企業 ispec Instruments 株式会社アイスペック インスツルメンツカスタムメイドの高性能テラヘルツ分光器, センサーをお届けします 代表取締役谷正彦 福井市新田塚一丁目 80 番 15 号電話 : , FAX: aii-information@mbr.nifty.com

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