電磁波工学 XII

米田仁紀

レーザー創生、ＴＨ波、ミリ波、TDS分光

レーザー創生期

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

誘導放出

逆転分布 負の吸収

Boltzmann 分布

𝑛𝑢𝑝𝑝𝑒𝑟

𝑛𝑙𝑜𝑤𝑒𝑟= 𝑒−∆𝐸/𝑘𝑇

アンモニアメーザー λ = 1.25cm

アンモニアメーザー発振器Gordon, Zeiger, Townes (Phys.Rev.1954)

Ruby Laser was Inventedby T.H. Maiman in 1960

OUTPUT of THE FIRST LASER IN THE HISTORY (1960)

T.H. Maiman et al.

Flash Lamp Pumped Ruby Laser

The output was unexpectedly

like a random set of pulsed noises

10 ms/div

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

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 観測時間範囲

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