理化學研究所光量子工學研究中心太赫茲光源研究團隊的團隊負責人南出泰亞和研究員瀧田佑馬等組成的研究團隊宣佈，成功開發出了一種手掌大小、重量不到500克、峰值輸出超過10瓦的高輝度、頻率可調的太赫茲波光源。這一成果有望促進攜帶型、高畫質晰度太赫茲波非破壞性檢測技術的隊形變換。該成果已在9月1日至6日於澳大利亞珀斯舉行的紅外線、毫米波和太赫茲波領域最大規模的國際學術會議「IRMMW-Thz 2024」上發表。
圖1 此次開發的手掌大小的太赫茲波光源（供圖：理化學研究所）
圖2 太赫茲波反射成像結果（供圖：理化學研究所）
由於太赫茲波具有適度的物質滲透性和良好的空間解析度，因此作爲一種能夠對塗層等内部結構進行無損、非接觸式測量的感測技術而備受關注。另一方面，目前已開發的以脈衝雷射作爲激發光源的發射方法雖然可以同時滿足高輝度特性和頻率可調性，但脈衝雷射裝置本身體積較大，且需要精確的光學調整，因此難以實施小型化。
對此，研究人員此次採用了2017年發現的一種光學波長轉換方法——即不需要諧振鏡等光學元件的後向太赫茲波參量振盪原理，開發出了一種將小型微晶片脈衝雷射作爲非線性光學結晶用作激發光源，將包含週期極化反轉晶體在内的所需最低限度的光學系安裝在設備外殼上的手掌大小的太赫茲波光源。
此次開發的太赫茲波光源的尺寸爲長13.9釐米×寬5.5釐米×高3.7釐米，與智慧型手機大小相當，重量爲453克，便於攜帶，且可以透過連接光纖等電纜進行簡單操作。
此外，該光源還配備了使週期極化反轉晶體圍繞激發光的光軸旋轉的自動控制設備。這樣就可以從外部不斷改變太赫茲波參量振盪諧振器的相配對分組條件，從而調諧太赫茲波的頻率。所產生的太赫茲波可以透過安裝在外殼側面的透鏡提取出來。
研究人員使用高速響應偵檢器測量產生的太赫茲波時發現，其脈寬爲0.60奈秒，峰值輸出最大可達15瓦，比既往裝置高出一個數規模以上。
作爲NDI的應用實例，研究人員在一塊小型麪包板（30×15釐米）上構築了此次開發的光源和反射成像光學系，並將其安裝在雙軸自動行程臺上，類比搭載機器人進行測量。
結果發現，被毛巾纖維布遮擋的測試目標圖案的反射影像被成功地清晰顯示出來。從而驗證了該設備的高輝度特性、輸出穩定性和實用性。
研究團隊未來的目標是透過將其搭載在無人航空載具和自行式機器人上，從而實施攜帶型NDI太赫茲波設備的實際應用。
團隊負責人南出表示：「我們在13年前找到了轉換雷射產生高功率太赫茲波的方法，並在大約5年前成功實施了小型化研究。從那時起，我們一直強烈希望能將實驗室技術應用到實際環境中，並投入大量精力開展了研究。即使太赫茲波發射部分已實施小型化，但要實施包括雷射在内的整個設備的小型化，不僅需要克服小型化所帶來的雷射輸出不穩定等問題，還要開發出分離雷射和太赫茲波的濾波器等前所未有的特殊光學元件。此次開發的太赫茲波光源非常明亮，我們期待它能夠照亮NDI應用的未來」。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：The 49th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2024)
論文：All-in-one 10-W peak power backward terahertz-wave parametric oscillator
