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ホーム高強度テラヘルツ光源の開発
SDGsの分類
研究テーマ
ナノ・材料
学科の分類
工学部電気電子システム工学科

高強度テラヘルツ光源の開発

工学部

電気電子システム工学科

ナノデバイス研究室

佐々誠彦 教授

テラヘルツ安全・安心

非破壊測定,ガン検査などへの応用が期待されるテラヘルツ時間領域分光測定用の安価で取り扱いが容易な光源の開発を行っています.半導体薄膜やヘテロ構造を利用し,性能向上を図っています.従来,光源励起用に使われていた大型で高価なチタンサファイアレーザーに替え,小型で安価なファイバーレーザーを使用できる素子を開発しています.

テラヘルツ時間領域分光法

 周波数が 100 GHz から 10 THz の領域はテラヘルツ領域とよばれ,未開拓な電磁波領域として近年盛んに研究が進められています。その中でもテラヘルツ時間領域分光法と呼ばれる超短光パルスを用いた測定が,ガン検査などの医療応用や美術品などの非破壊検査への応用に期待されています。そのパルス光源には,光スイッチと呼ばれる素子が使われていますが,活性部分がミクロンサイズと小さく,使用には正確な位置合わせが必要となります。

 我々は,光スイッチに代わり,取扱の容易な光パルス光源の開発を行っています。このような光源として従来は InAs (インジウムヒ素)や InSb (インジウムアンチモン)と呼ばれる,希少元素からなる半導体基板が使われてきましたが,基板自身が高価であるという問題がありました。我々の目指すところは,このような光源を安価な半導体基板上に薄膜として形成し,安価で取扱の容易なパルス光源を開発することです。

試料作製方法

資料の作製には,分子線結晶成長法とよばれる方法を使用し,GaAs(ガリウムヒ素)など比較的安価な基板の上に InAs やそれをベースにしたヘテロ構造という人工的な構造を付加して高強度な光源の開発を目指しています。

開発した光源

 最初に開発した光源はGaAs基板上に InAs 薄膜を作製したもので,従来の基板が0.5 mm であったものを 1 µm の薄膜にして作製しました。薄膜の品質は基板におとるものの,放射されるテラヘルツ波の強度が基板を上まわるということを世界で初めて明らかにしました。

 その後,放射強度増強のメカニズムを明らかにし,放射強度を増強する新しい構造を提案し続けています。

高強度化の流れ,左から InAs基板(従来技術),InAs薄膜,プラズマ反射層の組み込み,ヘテロ構造の順に高強度化を達成

論文

「Intense Terahertz Radiation from InAs Thin Films」(2011)SasaShigehiko『J Infrared Milli Terahz Waves』32p.646.

「Reflection Layer Mediated Enhancement of Terahertz Radiation Utilizing Heavily-Doped InAs Thin Films」(2015)KozubMichał『J Infrared Milli Terahz Waves』36p.423.

研究者INFO: 工学部 電気電子システム工学科 ナノデバイス研究室 佐々誠彦 教授

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大森 英樹

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近年、変動形再生可能エネルギーによる系統の不安定化が問題となっている。電力の平準化を実現する分散システムとしてスマートハウスが注目されているが、蓄電池が高価であることが普及の妨げとなっている。この問題を解決する方法として電気自動車のバッテリーを家庭内配電に双方向に接続して利用するV2H(Vehicle to Home)システムが期待されている。しかし、従来の充電ケーブルを用いる接続方式では手間がかかるために、接続の頻度が低下してしまう。そこで著者らはスマートハウスの利用率と利便性の向上を図るため、電気自動車を家庭のカーポートに駐車するだけで、自動的に双方向の電力融通を行うことができるワイヤレスV2Hシステムの開発を行っている。 本研究では、国際規格SAEJ2954に準拠した許容周波数帯での動作で、家一軒分丸ごとの電力をカバーするハイパワー6kWの電力伝送を双方向で行うシステムの実現を目指している。効率と伝送電力を確保するため高周波の磁界を用いるが、高周波電力を発生する双方向コンバータとして、従来は4つのパワー半導体を用いたフルブリッジコンバータを用いた研究がなされてきた。本研究では、図1のようにわずか1つのパワー半導体で高効率に高周波電力を発生するシングルエンデッドコンバータを用い、従来のブリッジコンバータに比して圧倒的な小形軽量かつ低コストを実現するワイヤレスV2Hシステムを実現し、幅広い普及を目指す。 先に開発したシングルエンデッド式ワイヤレスV2Hシステムでは、(1)コンバータの構成部品である共振回路定数のわずかなばらつきによって伝送電力が大幅に変化してしまうというロバスト性の課題がある。(2)また、過去の技術ではスイッチの導通時間TONを変えて電力を制御するため、動作周波数が国際規格の85kHz帯から離脱するという課題がある。そこで、この問題を解決する新しい方式として周波数を可変しない位相シフト制御式電力制御を提案している。本提案方式を用いたワイヤレスV2Hシステムが高ロバスト性及び位相シフト方式を実現できることを確認できたので報告する。

見市 知昭

コロナ放電を用いた新規な活性酸素種供給法

液面にコロナ放電を照射すると生成した活性酸素種がイオン風によって液中まで輸送されます。現在、我々はこの現象を利用して液中に含まれる有害有機物の分解を行っており、その結果、従来の技術では困難な難分解性物質が分解できることを明らかにしています。また、従来法では利用できてない新たな活性酸素種が本方式では利用できている可能性が実験結果から示唆されました。このユニークな手法を用いて難分解性有機物の分解や溶液の殺菌・消毒を行います。

松本 政秀

OpenFOAMを用いた混相流解析

PCB(ポリ塩化ビフェニル)分解処理反応器内壁における腐食減肉発生メカニズムを解明するための初期検討として,異種二流体が化学反応を伴わずに混合する過程の熱流体解析を実施している.解析ツールとして,OpenFOAMの混相流解析ソルバー群より,非等温で圧縮性が考慮できる二相/二流体の非定常解析ソルバーtwoPhaseEulerFoam を用いた.腐食性を仮定した高密度流体が反応器隔壁の数mmの隙間から鉛直下方へ流れ落ち,減肉の生じた底部内壁へ到達することが確認できた.

吉田 準史

音を下げる。そして、音を活かす。

我々の周りには声や楽器、飛行機の音など様々な音があります。同じ音でも心地よい音もあれば騒音もあります。製品音は騒音と捉えられやすい音ですが時には、製品の状態を知る有効な手がかりになります。このことを踏まえ我々は製品音に着目し、その音全てを低減対象とせず、必要な成分と下げるべき成分に分別しようとしています。下げる音には、そのメカニズムを的確に把握する技術を構築しています。そして必要な音に対しては、その音を選び出し状態認知を手助けする方法も検討する等、音が持つ可能性を踏まえた技術開発を進めています。

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