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石英ガラスを用いた熱放射型コヒーレントテラヘルツ源
(Coherent Terahertz Emission from Heated Quartz Glass)

小林 鉱石

(指導教員:篠田 裕之 教授/システム情報第四研究室

研究概要

電波と光の中間的な周波数であるテラヘルツ波が近年注目を集めている.電波の透過性と光の直進性の2つの性質を併せ持つ特殊な領域であるテラヘルツは,指紋スペクトルを用いたタンパク質の同定,1000GBpsを超える高速無線通信,サブmmに及ぶイメージング技術等への応用が期待されている.しかし,安価で高出力,連続発振するエネルギー効率の高いコヒーレントなテラヘルツ源や,高感度で安価な検出源が未だ存在せず,テラヘルツ技術の普及を阻んでいた.そこで本論文では,特にイメージング用の安価で高出力,連続発振可能でエネルギー効率の高いコヒーレントテラヘルツ源の実現に向けて,極めて容易に利用できる熱放射を利用したコヒーレントテラヘルツ源を提案する.論文でははじめに,エネルギー効率や工学的な扱いやすさから石英ガラスを利用することにメリットがあることを論じ,さらにそこに波長程度の一次元的なグレーティングを導入することでコヒーレントな熱放射を起こせることを電磁界シミュレーションを通して示す.また,放射エネルギーを算出し,室温で連続発振可能な既存のテラヘルツ源に並ぶ,あるいは上回る出力が出せることを示す.次に熱放射型光源の課題であるエネルギー効率をさらに高めるべく,熱源からの所望のテラヘルツを通し,それ以外の不要放射を反射して熱源に戻してリサイクルするようなフィルターで系を被覆し,エネルギー効率を高める方法を提案する.さらに,実在するフィルターを用いてエネルギー効率が既存のものと同程度になることを示す.本論文で提案する熱放射型テラヘルツ源がサイズやコストの面からも総合的に有利である可能性があることから,イメージング用のテラヘルツ源として有用であることを述べる.

Abstract

Terahertz waves, the intermediate freqency of radio waves and light, is receiving more and more attention in the recent years. Terahertz waves show unique properties as it possess the permeability of radio waves and the straighness of light. It can be used for identifying proteins by acquiring fingerprint spectrums, for high-speed wireless communication exceeding 1000GBps, and for sub-millimeter imaging. However, the absence of inexpensive, energy efficient and continuous terahertz sources and sensitive detectors hindered the popularization of terahertz technology. In this paper, a coherent terahertz source that is inexpensive, continuous and energy efficient targeted for terahertz imaging is proposed by employing thermal radiation. First, it is shown that quartz glass is advantageous in that it is energy efficient and shows many desirable physical and chemical characteristics as a thermal radiator. Further, it is shown by EM wave simulation that a coherent thermal radiation is induced when a one-dimensional grating of wavelength interval is introduced to the quartz glass. The total radiant energy is calculated and is shown to match or exceed that of the existing continuous terahertz sources operated under room temperature. Next, a filter that passes the desired terahertz radiation and reflects unnecessary radiation back to the thermal radiator is employed to further improve the energy efficiency. The energy efficiency is calculated and is shown to be comparable to the existing terahertz sources. Overall, the paper shows the possibility of thermal terahertz sources with advantages in its cost and size for imaging applications.
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