テラヘルツ電磁波時間波形計測システム

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"LabVIEW のシンプルで自由なプログラミングシステムを利用し、実験条件の設定及び、時間波形だけでなくその周波数スペクトルなど、実験結果として必要なデータを実験終了後に即座に、容易に得ることができる簡便なシステムを構築することができた。 "

- 清水 広平 氏, 大阪市立大学大学院工学研究科 電子情報系専攻 電子物理工学研究分

The Challenge:
ナショナルインスツルメンツ社製信号集録ボード(NI PCI-4474)と LabVIEW プログラムソフトを使って、他の計測機器を必要とせずコンピュータ一台で行える簡便な THz 波の時間波形計測システムの開発が必要だった。

The Solution:
今回はロックイン検出に対応するプログラムを組み込んだ THz 波時間波形計測システムを LabVIEW を用いて作成した。その結果、ロックイン検出器を用いることなく、それと同程度の S/N 比での THz 電磁波時間波形の計測に成功した。このことは計測機器の簡素化にもつながった。

Author(s):
清水 広平 氏 - 大阪市立大学大学院工学研究科 電子情報系専攻 電子物理工学研究分

【背景】
現在テラヘルツ(1 THz=1012 Hz、以後 THz 波と記す)電磁波に関する研究は多くの注目を集めている。1980年代後半に提案された計測手法により、「波」として伝播する THz 波の様子が時間的に観測出来る様になった。このことにより、波の振幅情報に加え、新たに位相情報が同時に得られるというメリットが加わることとなり、より詳細な知見が得られることとなった。この二つの情報を存分に用いて様々な物質の分光や、物質の透視イメージングが行われており、空港における所持品の非破壊検査や皮膚癌診断などの応用を目指した取り組みが始まっている。この様な応用を目指す上で、簡便な THz 波の計測システムが求められている。

そこで、我々の研究室では、ナショナルインスツルメンツ社製信号集録ボード(NI PCI-4474)と LabVIEW プログラムソフトを使って、他の計測機器を必要とせずコンピュータ一台で行える簡便な THz 波の時間波形計測システムを開発した。


課題】
今回 THz 電磁波時間波形計測システムを構築するにあたり、以下の二点に重点を置いた。

  1. コストパフォーマンス
  2. 簡便さ

今回計測するTHz電磁波信号は、その検出機構上ノイズに埋もれているため、通常は光チョッパーにより変調を与え、ロックイン検出器を用いて検出される。我々はコストパフォーマンスの面でアドバンテージを得るため、市販のロックイン検出器を使うことなく、従来どおり THz 波時間波形を位相情報も含めて検出できるようなプログラムを作成した。その際、ロックイン検出に対応する部分、つまり変調周波数及び位相のロックを行う機構について工夫を加えた。

以上に加えて、PCI-4474及び LabVIEW を組み合わせて用いることで、システム構築者以外の THz 波ユーザーの誰もが簡単に扱える、複雑さを排除した、できるだけシンプルなシステムとなるように考慮して開発を進めた。


ソリューション】
3-1システム構成
THz 波の時間波形計測システムの概略は図1のようになる。超短パルスフェムト秒レーザーを THz 波放射素子に照射しTHz 波を発生させる。発生した THz 波は、レーザーによってゲートをかけられた検出素子にて電流信号として検出される。この nA オーダーの微弱な電流信号を電流電圧変換増幅回路を用いてmV程度の電圧に変換する。信号に変調を与えている光チョッパーに同期した TTL 信号をトリガーとして、NI PCI-4474によりサンプリングを行う。この一連の動作を光学遅延器(移動ステージ)を操作し THz 波とゲートのタイミングをずらし、各々の地点で行うことで全時間波形を得る。


各々の地点でのサンプリング動作により得られる電圧信号値は、その成分として、光チョッパーによりある一定周波数での変調を受けた THz 波信号成分と、一定の周期を持たないノイズ成分に分けることができる。よってこの電圧信号をフーリエ変換(FFT)し、変調周波数成分のみをデータとして選択することで THz 波信号成分のみを取り出すことが可能となる(ただし変調周波数と同じ周波数成分のノイズは除去できない。このため変調周波数を可変とし、システムにおける最適な、つまりノイズの最小となる周波数の選択を可能にした)。

THz 波の時間波形計測においての測定量は、強度ではなく振幅である。従って信号は正負両方の値を持つことができるため、符号の判定(位相のロック)が必要となる。これに関しては、プリスキャンを行うことで対応した。つまり時間波形計測開始前に移動ステージを THz 波波形のピーク位置に合わせておき、そこでの信号測定を行う。この信号の FFT により導出される、変調周波数での位相を求めておく。このプリスキャンでの位相の値と、本測定における各地点での位相値の差をとることで各信号の符号を決定する。

今回はサンプリング周波数、及びサンプリング数に加え、光学遅延器(移動ステージ)の移動間隔、全移動距離、積算回数を自由に設定できるようにした。プログラムは LabVIEW 6を用いて作成し、測定条件を入力しスタートボタンを押すだけで、あとは自動的に THz 波時間波形が得られるようできるだけシンプルな形にした。測定終了後には THz 波の時間波形をデータとして得るだけでなく、そのフーリエ変換を行い周波数スペクトルを表示させることで、どのような THz 波を検出したのかが瞬時に判定できるように設定した。

3-2結果
今回構築したシステムにより、ロックイン検出器を使用することなく、THz 電磁波時間波形の計測をより簡便に行うことができた。その S/N 比はロックイン検出器を用いたものとほぼ同程度を達成できている。

以下に本システムの LabVIEW フロントパネルを示す(図2)。


上述した測定条件設定に加えて、位相ロックのためのプリスキャン時の信号及びその周波数スペクトルを表示した。これにより測定前にエラーが起こっていないか確認できる。測定結果である THz 波の時間波形は各々の地点での測定繰り返し毎に、さらに測定終了後に得られた THz 波時間波形全体の周波数スペクトルが、フロントパネル中央部分に表示される。

このシステムを用い測定した実験結果の一例を示す。図3は得られた THz 波時間波形である。サンプリング周波数:92966 Hz、サンプリング数:5000点、変調周波数:2250 Hz、積算回数:4回、以上の条件で時間波形の1点1点を測定し、時間間隔(移動ステージの移動間隔):40 fs、測定点数(移動ステージ移動回数):1024点で THz 波の全時間波形を測定した。図4は得られた THz 波時間波形をフーリエ変換した周波数スペクトルである。数百対一の S/N 比が得られていることがわかる。

   


まとめ】
THz 電磁波の時間波形計測を行う場合、その信号の微小さに対して何らかの対応をしなければならない。通常はここにロックイン検出を適応するわけだが、コストパフォーマンスの面では、ロックイン検出器が超短パルスフェムト秒レーザーの次にネックとなっている。
そこで今回はロックイン検出に対応するプログラムを組み込んだ THz 波時間波形計測システムを LabVIEW を用いて作成した。その結果、ロックイン検出器を用いることなく、それと同程度の S/N 比での THz 電磁波時間波形の計測に成功した。このことは計測機器の簡素化にもつながった。
さらに、LabVIEW のシンプルで自由なプログラミングシステムを利用し、実験条件の設定及び、時間波形だけでなくその周波数スペクトルなど、実験結果として必要なデータを実験終了後に即座に、容易に得ることができる簡便なシステムを構築することができた。
現在我々の研究室では、このシステムにより、THz 波放射、検出素子の評価実験や、THz 波に対する物質の物性測定実験、さらには物質の透過イメージング等、THz 波帯における様々な実験を行っている。

Author Information:
清水 広平 氏
大阪市立大学大学院工学研究科 電子情報系専攻 電子物理工学研究分

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