理化学研究所光量子工学研究中心太赫兹光源研究团队的团队负责人南出泰亚和研究员泷田佑马等组成的研究团队宣布，成功开发出了一种手掌大小、重量不到500克、峰值输出超过10瓦的高亮度、频率可调的太赫兹波光源。这一成果有望促进便携式、高清晰度太赫兹波非破坏性检测技术的发展。该成果已在9月1日至6日于澳大利亚珀斯举行的红外线、毫米波和太赫兹波领域最大规模的国际学术会议 “IRMMW-Thz 2024” 上发表。
图1 此次开发的手掌大小的太赫兹波光源（供图：理化学研究所）
图2 太赫兹波反射成像结果（供图：理化学研究所）
由于太赫兹波具有适度的物质渗透性和良好的空间分辨率，因此作为一种能够对涂层等内部结构进行无损、非接触式测量的传感技术而备受关注。另一方面，目前已开发的以脉冲激光作为激发光源的发射方法虽然可以同时满足高亮度特性和频率可调性，但脉冲激光装置本身体积较大，且需要精确的光学调整，因此难以实现小型化。
对此，研究人员此次采用了2017年发现的一种光学波长转换方法——即不需要谐振镜等光学元件的后向太赫兹波参量振荡原理，开发出了一种将小型微芯片脉冲激光器作为非线性光学结晶用作激发光源，将包含周期极化反转晶体在内的所需最低限度的光学系统安装在设备外壳上的手掌大小的太赫兹波光源。
此次开发的太赫兹波光源的尺寸为长13.9厘米×宽5.5厘米×高3.7厘米，与智能手机大小相当，重量为453克，便于携带，且可以通过连接光纤等电缆进行简单操作。
此外，该光源还配备了使周期极化反转晶体围绕激发光的光轴旋转的自动控制装置。这样就可以从外部不断改变太赫兹波参量振荡谐振器的相位匹配条件，从而调谐太赫兹波的频率。所产生的太赫兹波可以通过安装在外壳侧面的透镜提取出来。
研究人员使用高速响应探测器测量产生的太赫兹波时发现，其脉冲宽度为0.60纳秒，峰值输出最大可达15瓦，比既往装置高出一个数量级以上。
作为无损检测的应用实例，研究人员在一块小型面包板（30×15厘米）上构筑了此次开发的光源和反射成像光学系统，并将其安装在双轴自动移动台上，模拟搭载机器人进行测量。
结果发现，被毛巾纤维布遮挡的测试目标图案的反射图像被成功地清晰显示出来。从而验证了该设备的高亮度特性、输出稳定性和实用性。
研究团队未来的目标是通过将其搭载在无人机和自行式机器人上，从而实现便携式无损检测太赫兹波设备的实际应用。
团队负责人南出表示：“我们在13年前找到了转换激光产生高功率太赫兹波的方法，并在大约5年前成功实施了小型化研究。从那时起，我们一直强烈希望能将实验室技术应用到实际环境中，并投入大量精力开展了研究。即使太赫兹波发射部分已实现小型化，但要实现包括激光器在内的整个设备的小型化，不仅需要克服小型化所带来的激光输出不稳定等问题，还要开发出分离激光和太赫兹波的滤波器等前所未有的特殊光学元件。此次开发的太赫兹波光源非常明亮，我们期待它能够照亮无损检测应用的未来”。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：The 49th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2024)
论文：All-in-one 10-W peak power backward terahertz-wave parametric oscillator
