レーザーダイオードベースのTHz

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13476 (2023) この記事を引用

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テラヘルツ時間領域分光法 (THz-TDS) は、さまざまな科学分野で強力で多用途のツールとして登場しました。 これらには、とりわけ、イメージング、材料の特性評価、層の厚さの測定が含まれます。 THz-TDS は研究環境で大きな成功を収めていますが、ほとんどのシステムはコストが高く、かさばる性質があるため、この技術の広範な商業化が妨げられています。 これらのシステムのサイズとコストに寄与する 2 つの主な要因は、レーザーと光遅延ユニット (ODU) です。 そのため、私たちのグループは、コンパクトなモノリシックモードロックレーザーダイオード（MLLD）に基づくTHz-TDSシステムの開発に焦点を当ててきました。 MLLD の超高繰り返し率 (UHRR) には、より短い ODU を利用できるという追加の利点があり、それによってシステム全体のコストとサイズが削減されます。 ただし、正確なテラヘルツ時間領域信号を取得するために ODU で必要な精度を達成することは依然として重要な側面です。 この問題に対処するために、UHRR-THz-TDS システム用の干渉拡張機能を開発および強化しました。 この拡張機能は安価でコンパクトで、組み込みが簡単です。 この記事では、システム セットアップ、拡張自体、および干渉基準信号に基づいて遅延軸を再構築するためのアルゴリズム手順を紹介します。 10,000 個の信号トレースで構成されるデータセットを評価し、1.6 THz で測定されたテラヘルツ位相の標準偏差が 3 mrad という低さで報告されています。 さらに、残りのピークツーピーク ジッターはわずか 20 fs であり、平均化後は 100 GHz で 133 dB という記録的な最高ピーク S/N 比を示します。 この論文で紹介した方法により、THz-TDS システムの構築が簡素化され、体積とコストが削減されます。 その結果、テラヘルツ技術の実験室から現場での応用への移行がさらに促進されます。

光伝導性エミッターと検出器を使用したテラヘルツ時間領域分光法 (THz-TDS) は、1980 年代後半に Fattinger と Grischkowsky によって開始されて以来、大きな進歩を遂げてきました 1,2。 技術とシステムの進歩により、THz-TDS は実験科学のための強力で多用途なツールになりました 3,4。 THz-TDS の経済性と使いやすさの向上における注目すべきマイルストーンには、駆動フェムト秒レーザーの波長を 1.55 μm 通信帯域にシフトしたこと 5、6、7 と、フェムト秒ファイバー レーザーを使用した初のオールファイバー分光計の導入 8 が含まれます。 改良された材料と光伝導アンテナ構造の使用により、ファイバー結合システムで最大 6.5 THz の帯域幅と最大 111 dB9 のピーク ダイナミック レンジを日常的に達成することが可能になりました。 光伝導アンテナ技術の最近の進歩により、帯域幅は 10 THz に増加しました10。 さらに、非同期光サンプリング（ASOPS）11、12、13、電子制御光サンプリング（ECOPS）14、共振器同調による光サンプリング（OSCAT）15、単一レーザー偏光制御光サンプリング（SLAPCOPS）などの概念が導入されています。 )16 により、機械的な光遅延ユニット (ODU) を使用せずに THz-TDS システムを構築することが可能になりました。 このようなシステムは機械的に堅牢である傾向があり、さらに重要なことに、毎秒最大 100,000 スペクトルのスペクトル更新速度を達成します 12。

これらの改善により、産業分野でいくつかの灯台アプリケーションが可能になりました。 これらには、グラフェン 17、自動車塗装 18、および一般非破壊検査 (NDT) 19 の特性評価が含まれます。 テラヘルツセンシングの産業応用に関する包括的なレビューは、20 に示されています。 サトウキビ種子の品質管理 21、原油の分析 22、製紙産業の品質管理 23 など、さらに多くの応用例が実現可能であることが証明されていますが、実験室でのデモンストレーションから現場への移行はまだ管理されていません。 残念ながら、最先端の THz-TDS システムはコストが高いため、広範な導入が依然として妨げられており、サイズと重量が大きいため、真のモバイル アプリケーションは除外されています。 フェムト秒ファイバーレーザーは、比較的コンパクトであるにもかかわらず、依然としてシステムのサイズとコストの両方に大きく寄与しているため、代替光源、できれば半導体光源を見つけるために多くの努力が払われてきました。 今世紀が始まる直前の初期の研究で、Tani et al.24 は、マルチモード レーザー ダイオード (MMLD) で光伝導アンテナを駆動することによる広いテラヘルツ スペクトルの生成を実証しました。 その後、Morikawa et al.25 は、分光アプリケーション向けにその光源を周波数分解パワー測定と組み合わせて使用​​することを示しました。 その後間もなく、彼らは、光伝導性エミッタと光伝導性検出器を使用する従来の時間領域分光計が遅延領域で周期的な光電流を生成するという画期的な発見をしました26。 光電流の周期性はMMLDのモード間隔の逆数に等しいため、彼らは光電流の変動が光伝導検出器での光強度の変動と入射テラヘルツ信号の相互相関によるものであると考え、「テラヘルツ相互相関分光法」という用語を作りました。 」（THz-CCS）。 その後、この概念は、自由空間光からファイバー結合セットアップに切り替え 27 、また励起波長を 1550 nm 通信帯域に変更することによって改良されました 28。 断続的に、この概念は「テラヘルツ準時間領域分光法」(THz-QTDS) と改名され、改良された数学モデルが開発されました29。 最近、MMLD を低デューティ サイクル 30 およびレーザーへの光フィードバック 31 でそれぞれ動作させることにより、システム帯域幅が増加しました。 モードレス半導体光源としてスーパールミネッセント ダイオード (SLD) を使用する THz-CCS 概念のバリエーションは、Molter らによって最初に実証され 32、その後、Tybussek らによってスペクトル整形に関してより詳細に研究されました 33。 SLD のモードレスな性質により、連続的なテラヘルツ スペクトルが生成されるため、システムの周波数分解能は光遅延ユニット (ODU) の長さによってのみ制限されます。 THz-CCS の徹底的なレビューは、34 で紹介されています。