实现太赫兹波信号可视化
太赫兹波在新一代通信和无损检测等多领域中有很大的潜力，近年来被广泛研究。日本理化学研究所光量子公学研究中心的太赫兹光源研究团队，终于成功开发出手掌大小太赫兹波光源。而另一方面，与光源开发并行研究的太赫兹波检测方面，决定实验成功与否的信号检测却陷入了困境。打破这个局面，为太赫兹波的检测实验取得成功而贡献力量的正是"激光光谱分析仪SPG-V500"。以下是对带领研究团队的南出泰亚团队总监、主导研究的 Deepika Yadav研究员、瀧田佑馬研究员进行的采访。
南出泰亚团队总监（右）、主导研究的 Deepika Yadav研究员（中）、瀧田佑馬研究员（左）
● 信号初现的欢呼
25年夙愿达成，成功开发手掌大小的太赫兹波光源
太赫兹波是介于无线电波与红外线之间的电磁波（100 GHz（＝0.1 THz）～10 THz程度）。容易穿透物质，直线性高，而且与 X射线不同，它具有不破坏生物组织之特性，在通信、医疗、检查等各领域的应用上都有着长期发展的潜力。但是通用光源（发生器）和检测器的开发非常困难，至今都没有实现广泛实用化。
理化研究所的南出泰亚先生以开发实用的太赫兹波光源为目标，进行长期不懈努力。从太赫兹波还是次要研究的时代开始已经着手研究超过25年。终于得偿所愿开发出手掌大小的高输出功率的太赫兹波，并于2024年公开宣布完成（图1）。南出先生如是说。
"有数种方法可以产生太赫兹波，我们进行研究的是叫做非线性光学结晶（*1），也就是照射激光，变换波长以得到太赫兹波的方法。为了让输出功率大幅提高，我们进行了长年的研究。结果发现一种一次提升10万倍的方法（*2），终于在不断钻研下开发了集约且高输出功率的太赫兹波光源。
光源和成对的太赫兹波的检测
另一方面我们对与光源成对的太赫兹波检测方法进行了开发。尽管检测方法本身有数种，但没用通用的方法可以在室温下高灵敏度检测低频太赫兹波，为了达到实验目的，在这项研究中我们使用了SPG-V500。检测方法开发的道路，正是对光源开发的研究中发现的。南出先生表示。
"我们开发的太赫兹波光源，简单来说就是将激光的光转换成太赫兹波的仪器。而检测则刚好相反，也就是将太赫兹波逆转成光，使用光源开发的技术，我认为可以实现期待的检测方法。"
检测原理如下所示（图2）。首先，泵光（=激光）和太赫兹波同时照射非线形光学晶体。然后，理论上根据波长变化，会产生泵光和加上太赫兹波频率的频率光，以及两者之差的频率光。总之，如果可以观测到SFG和DFG两种光，就可以确认有太赫兹波照射。按照这个原理，太赫兹波的检测研究得以推进。
困难重重的信号检测
进行太赫兹波检测研究的是研究员 Deepika Yadav女士。
"研究目的是用BNA有机非线形光学结晶，实现亚太赫兹波也就是低于１THz太赫兹波的检测。尽管已经实现用有机非线形光学晶体检测太赫兹波本身，但是目前只检测了１THz以上频率带。尝试检测亚太赫兹波具有非同寻常的意义。"
Deepika Yadav女士与光源开发中心成员瀧田佑馬研究员一边探讨，一边从零开始进行亚太赫兹波检测的研究，几个月后建立了检测光学系统（图3）。
使用PPLN这种非线形光学晶体产生的太赫兹波和泵光在同轴状态下照射BNA，从刚才介绍的原理可知，穿过BNA晶体的光束中应该含有SFG和DFG。如果可以检测到信号，那么就已经检测到太赫兹波。
图3 Deepika Yadav女士构建的亚太赫兹波检测实验装置概略图
提供：理化学研究所
经过无数实验，研究团队虽然已经达到SFG和DFG信号检测阶段，但检测仍然非常困难。这种困难正是导致亚太赫兹波无法检测的原因。Deepika Yadav女士如此解释。
"我们的实验中应该检测的SFG和DFG信号在强泵光和同轴上出现。也就是两者是混合的。在这种状态下，信号和泵光的波长差异只是亚太赫兹波的能量，非常少。泵光的波长约为1064nm，想检测的信号是1062nm（SFG）和1066（DFG）。再加上泵光是非常强的光，而信号非常微弱。且均为脉冲光，信号只能瞬间产生。好比在无垠的大海里寻找混进的一滴墨水一般。"
Deepika Yadav女士为此下了种种功夫。为了弱化泵光加入了滤光片，为了分离信号放置衍射光栅，反复调整重复实验，也没有检测到信号。会不会是信号本来就没有呢?理论上有，可实验可能在哪里有所不同，我连这种想法都产生了。应该怎么办--在山穷水尽的时候，一封南出先生的邮件吸引了我的目光。
信号初现的欢呼
"2023年年底，我的收件箱里有一份"激光光谱分析仪"的介绍，其中'实时检测'这个词印入我眼帘。看到这个，'难道？'我灵光闪现。"南楚先生回忆到。
2024年年初我订购了一台样机进行尝试。Deepika Yadav女士一起进行实验的瀧田先生谈起了当时的情景。
"我们对分析仪进行了初略调节，就开始检测，立刻就看到了微弱但是疑似的信号。'难道就是它！'我们当时想。但是，激光是脉冲，要踩准时间点，也要对实验设备的空间构造进行调整，为了实现正确检测耗费了一些时间。全部调整完成之后再次进行检测，信号增强了。没有错，这就是我们所要的信号（图4）。看到这个的时候，大家都欢呼起来。'太棒了，看到了！！'"。
图4 转换到近红外领域的亚太赫兹波信号光谱图
使用SPG-V500进行检测。左右两个峰为所求信号。（左为SFG，右为DFG）
中间的峰是泵光。亚太赫兹波不射入时，左右两峰不出现。
提供方：理化学研究所
现信号检测，SPG-V500的特长
为什么SPG-V500能检测出信号呢。和其它的光谱分析仪又有什么区别呢？最大的要因就是，SPG-V500具有阵列传感器实现实时检测的特点。通过多个传感器可以在一定范围内进行同时检测。而与之相对的扫描式光谱分析仪是按照波长顺序依次扫描检测，本研究中的脉冲激光，必须在脉冲光的瞬间扫描上，踩准时间点非常困难。SPG-V500的实时监测功能，可以轻松检测到转瞬即逝的信号。
另外SPG-V500是多模光纤输入能进行约0.02nm高分辨率的检测，像本研究中极弱的信号也可捕捉到。
Deepika Yadav女士对SPG-V500的使用有如下的感想。
"SPG-V500的实时监测，不仅捕捉到了信号，检测也变得非常轻松。传统扫描式是按照频率微妙调整位置以确定信号是否存在，这就花去了大量的时间。而SPG-V500的作业完全不需要这样的操作，轻松检测。另外，多模光纤通常会降低分辨率，而SPG-V500依然保持高分辨率，我们可以耦合许多信号。能够捕捉到极弱的信号，正是这台分析仪器的帮助。"
检测技术的未来，新量子研究的世界
Deepika Yadav女士在2024年9月澳大利亚举办的"红外毫米波太赫兹国际会议（IRMMW-THz 2024）上公布了此项成果，得到了很大的反响。实用化的道路绝不可能一路平坦，而太赫兹波的检测开拓了新的可能。而此项研究的未来，检测器的开发不会停滞。继续前进的话可以看见一个另外的世界。Deepika Yadav女士如是说。
"这次的研究，还留有如何从泵光更清晰地分离信号的课题。要改善这个点，也就是要提高太赫兹波的检测精度，将其提高至极限，接近在1个单位检测出太赫兹波光子的程度，太赫兹波就会带来新的量子研究的世界。我将以这个为未来发展的目标，进一步推进研究。"
*1 非线形光学结晶：入射光非线形的结晶，在激光波长转换时出现。在各种非线形光学结晶中，传统使用的是无机。南出先生的团队开发光源中用到的PPLN（periodically poled lithium niobate）是无机。另外，文中提及BNA（N-Benzyl-2-methyl-4-nitroaniline）为有机，非线形光学系数与无机相比更大，在宽幅频率的太赫兹波发生及检测时有效。
*2南出先生在2000年实现了光源开发，但是设备大，输出功率小。要实现实用化目的，必须设备小巧且输出功率高。激光照射到晶体生成的散射光（=拉曼色散）可以看到太赫兹波。实际上这种光有可能被晶体的疏密波中产生的其它的散射光阻碍，过去的实验笔记中如此记载。如果这样，去除散射光，拉曼散射变大，输出功率一下增加了10万倍。
参考资料
ⅰ 2024年9月6日 理化学研究所 新闻 《手掌大小的高亮度太赫兹波光源开发成功--实现多种无损检测的途径》
https://www.riken.jp/press/2024/20240906_1/index.html
ⅱ Deepika Yadav et al.：Sub-Terahertz Wave Detection Using Frequency Up-Conversion in Organic BNA Crystal, The 49th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves（IRMMW-THz 2024）
相关链接
岛津光谱分析仪为研究未开发的电磁波 “太赫兹波”做出贡献
