近年、光と電波の性質を兼ね備えたテラヘルツ領域電磁波（テラヘルツ波）が、さまざまな分野で役立つことから注目を集めています。テラヘルツ波は超短光パルスを半導体結晶に照射すると発生させることができます。その発生特性は、電子や原子の状態の超高速な時間変化を反映します。よって、それらの時間変化を制御することができれば、発生するテラヘルツ波を制御できるようになります。本研究室では、独自の計測システムを駆使して電子・原子の超高速現象を調査し、テラヘルツ波放射機構の解明と放射特性の制御を目指しています。
テラヘルツ波は、周波数が1テラヘルツ（波長0.3ミリ）前後の電磁波の呼称であり、光科学、センシング、バイオなどへの応用が注目を集めています。テラヘルツ波の発生には様々な方法がありますが、半導体結晶の光励起過渡現象を利用する方法は、簡便さという点で高いアドバンテージがあります。光励起過渡現象は、超短光パルス照射による電子や原子の超高速応答であり、応答の多様性から様々な種類が存在します。このことを反映して、半導体中には異種の過渡現象が同時に発生することがあり、その場合にはテラヘルツ波成分が重畳して観測されます。一方、これまでなされてきた研究では、多成分が重畳して観測された場合でも、各成分を個別に議論していました。本研究室では、テラヘルツ波成分の重畳（過渡現象の共存）のメカニズムを解明し、得られた知見に基づいてテラヘルツ波放射を制御することを研究目的の１つとしています。
光励起過渡現象は、電子系および格子系の様々な相互作用により生じるものであり、その解明には多面的な調査が必要不可欠です。そこで、光励起過渡現象の時間発展を追跡可能な2種類の超高速分光法（テラヘルツ波時間波形計測, 時間分解ポンプ・プローブ計測）を併用し、それぞれの利点を活かして調査を進めています。また、半導体試料の基礎物性を評価するために、高感度な光変調分光法を用いています。
上記の分光法は皆一般的なものですが、本研究活動では調査対象に合わせた装置を作製し、それを計測システムに組み込むことを積極的に行っています。
右図はテラヘルツ波時間波形計測システムの主要部分を撮影したものです。半導体試料から放射されるテラヘルツ波を放物面鏡を用いて集め、もう一方の放物面鏡によって電気光学結晶に照射させます。そして、テラヘルツ電場によって生じる電気光学結晶の屈折率変化を、近赤外光を用いて検出します（挿入図は電気光学結晶を通る近赤外光の様子）。本計測システムに組み込んた手作りの装置を2つご紹介します。
1. 窒素パージボックス
テラヘルツ波は水分子に強く吸収される性質があるため、精密な調査を行うためにはテラヘルツ波の経路中の水蒸気を低減させる必要があります。下左図は、手作りの窒素パージボックスです。必要な光学実験部品をボックス内に設置し、レーザー光は側面に取り付けた光学窓から入射させます。調整の度にボックスを開けることは実験の足枷になるため、調節が必要な部品を外部制御できる機構を組み込んでいます。
2. 試料温度制御ステージ
半導体の物性は、その温度に依存して大きく変化します。テラヘルツ波放射特性の温度依存性の調査を可能にするために、コンパクト、無振動、及び位置調整機構を有する温度制御ステージを作製しました。本ステージにより、試料温度が-10℃~50℃の範囲でテラヘルツ波放射特性を調査することが可能です。
上図：テラヘルツ波時間波形計測システムの主要部分. 挿入図は電気光学結晶.
左図：窒素バージボックス
テラヘルツ波時間波形計測システムの主要な光学実験部品を収容することができます.
右図：試料温度制御ステージ
試料の上下・左右・傾きを調節することができます. 温度制御はペルチェ素子を用いて行います.
なお、これらの装置は研究テーマに従事した学生が主体となって作製したものです。
本研究が達成すれば、テラヘルツ波放射の周波数や強度を幅広く制御することができると考えています。この知見は、身の回りの道具として即座に実装されるものではありませんが、テラヘルツ波光源として様々なテラヘルツ波研究に貢献するものと期待されます。
また、本研究活動から創出された装置は、半導体に限らずさまざまな物質のテラヘルツ波研究に適用できるものです。他分野の研究者との共同研究を通じて、計測システムを広く役立たせることが可能です。
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