電磁波工学 XII

米田仁紀

ＴＨ波、ミリ波、TDS分光

テラヘルツ波

周波数 [Hz]101810151012109

電子励起 内殻電子励起

回転振動励起

量子超格子サブレベル

室温遠赤外線ストーブ

太陽表面太陽表面

核融合プラズマ温度

対応する過程

自然放出確率

𝐴𝑚→𝑛 =8𝜋2𝜈𝑚𝑛

3

3휀0ℏ𝑐3𝜇𝑚𝑛

2

周波数の３乗に比例可視光(～500nm)とTHｚ（～300μm）では、

5 × 109もちがう。 発光しずらい

1916 誘導放出 Einstein1924 逆転分布 Tolman

負の吸収 van Vleck1940 吸収観測の可能性 Fabrikant1946 NMRで自然放出確率がQ倍に Purcell1951 負の吸収観測 Ladenburg1954 Maser Gordon, Zeiger, Townes1956 ３準位Maser Bloembergen1957 Ruby Maser Kikuchi1960 Ruby Laser Maiman1961 He-Ne laser(1.15mm) Javan1961 Nd:Ca-tungstate laser Johnson, Nassau1962 He-Ne laser (632.8nm) Rigden, White1962 Diode laser Hall, Fenner, Kingsley1964 Nd: YAG laser Geusic, Uitert1965 CO2 laser KuGordon, Labuda1971 FEL Madey1975 Excimer laser, Searles, Ewing, Ault, Tisone,..

Lasersの誕生前後

霜田、矢島、量子エレクトロニクス 裳華房

アンモニアメーザー λ = 1.25cm

THｚ放射源電子系

• 電子回路（超高速発振器）

• BWO（後進波管）

• クライストロン

• 自由電子レーザー

レーザー駆動

• 光伝導アンテナ

• 光整流

• パラメトリック発振

Graphene transistorsIllustration of the high-speed graphene transistor designed by UCLA researchers led by Xiangfeng Duan. The cylinder across the middle of the transistor is the self-aligning nanowire gate.

BWO： backward-wave oscillator

Free Electron Laser

Matthias C. Hoffmann et al., Journal of Physics D: Applied Physics 44, 8 (2011) 83001

発生方法

光伝導スイッチ

E r, 𝑡 = −1

4𝜋휀0 𝑉′

−∞

𝑡 3 J ∙ R R

𝑅5−

J

𝑅3𝑑𝑡′𝑑𝑣′

+1

4𝜋휀0 𝑉′

3 J ∙ R R

𝑅4−

J

𝑐𝑅2𝑑𝑣′

+1

4𝜋휀0

1

𝑐2 𝑉′

𝜕𝜕𝑡

J × R × R

𝑅3𝑑𝑣′

Auston switch

THz pulse generation by optical rectification

𝑃𝑡 =

𝑗𝑘

𝜒𝑗𝑘𝐸𝑗𝐸𝑘

𝛻 × 𝛻 × 𝐸 +1

𝑐2

𝛿2

𝛿𝑡2휀𝐸 = −

4𝜋

𝑐2

𝛿2𝑃

𝛿𝑡2

𝐸1 = 𝐸0cos𝜔1𝑡, 𝐸2 = 𝐸0cos𝜔2𝑡

𝑃2𝑛𝑙 = 𝜒2𝐸1𝐸2 = 𝜒2

𝐸02

2cos 𝜔1 − 𝜔2 𝑡 + cos 𝜔1 + 𝜔2 𝑡

Terahertz-wave parametric generator

位相整合

力学： エネルギー保存則 ＆ 運動量保存則波： 角周波数 ＆ 波数

ω

k

wave 0

wave 1

wave 2

ℏ𝜔 & ℏ𝑘

+V

-V

Large aperture antenna

3cm

2.5cm

回折格子を使った分光器

n

E(n)

t

E(t)phase

0

∞

𝐸(𝜔)𝑒𝑖𝜔𝑡𝑑𝜔 = 𝐸(𝑡)

n

E(n)

t

E(t)phase

0

∞

𝐸(𝜔)𝑒𝑖𝜔𝑡+𝜙(𝜔)𝑑𝜔 = 𝐸′(𝑡)

f(n)

f(n)

Δ𝜈Δ𝑡~1

𝐹 𝜔 =1

2𝜋 −∞

∞

𝑓(𝑡)𝑒−𝑖𝜔𝑡𝑑𝑡 =𝜏

𝜋

sin𝜔𝜏

𝜔𝜏2t幅の矩形波形のフーリエ変換

Time bandwidth product

T 観測時間Δt 観測時間分解能

ωmax - ωminスペクトル範囲Δω スペクトル分解能

L/c = T

フーリエ変換

Temporal domain spectrometry

ΔL/c = Δt

例えば、L=1m, 観測ステップ0.01mmで行えば

Δω ～ 300MHzωmax - ωmin ～ 30THz