特集にあたってO plus E編集部

テラヘルツ波応用の可能性

1．特集での“テラヘツ波”の定義

本特集では，テラヘルツ波を，周波数が300GHzから30THzまでの電磁波と定義する。真空中の波長でいうと，約10μmから1mmというように，図1に示すミリ波と遠赤外光との間の領域である。この波長域は，“光と電波の境界領域”と言われている。本誌2016年4月号で特集した「赤外線イメージング」特集の場合のさらに長波長域に属している。
電波は“波”そのものを直接検出できるが，“光”は，一般に，強度としてしか検出できない。（光を波として観察できるのは，ほぼ同一周波数の光同士の干渉現象として，あるいは時間領域分光における電場振幅と位相が測定できる方式がある。）上記定義の領域の電磁波は波として直接検出できない。それ故，テラヘルツ波は“テラヘルツ光”と呼ぶほうが正確であると思われるが，一般的には“テラヘルツ波”と呼ばれているので，この特集では，それに従うことにする。

2．テラヘルツ波の特徴

光波とマイクロ波の境界に位置する電磁波領域，すなわち周波数300GHzから30THzの領域は，テラヘルツ波と呼ばれ，電波と光波の中間に位置している。この領域は，これまで電磁波の発生や検出が困難であったことから利用が進まず，未開拓電磁波領域と呼ばれていた。一方，通信分野における無線端末の大容量通信の要求などに伴って，マイクロ波帯周波数の利用が限度いっぱいに達しつつあるので，新たな周波数帯であるテラヘルツ帯を有効活用する社会的要請が急速に高まっている。
ところがこの周波数帯は大気中の水蒸気による吸収が他の周波数帯よりも格段に強く，大気中や水分の多い物質中の通信やセンシングを避ける方式を採用すれば，テラヘルツ波の持つ数々の特徴を生かせることができよう。例えば，テラヘルツ波は，可視光や赤外線ではできない「水分の無い物質を透過する性質」があるので，水分の無い場合の透過度診断ができる。さらに，この場合にもともとX線のような強いエネルギーでなくとも可能である（低エネルギーで使える）という非侵襲性があることから，橋，道路，トンネルなどの老朽化診断に応用できる。さらにテラヘルツ波帯の電磁波振動周波数は，物質における分子の回転運動モードや分子内部振動モードの周波数とほとんど同じであるので，テラヘルツ波の発振周波数をスイープさせて，透過吸収する分光スペクトルを調べることにより，物質の違いをはっきり見分けることが可能となる。
先に述べたようにテラヘルツ波の発生や検出デバイスの新たな開発によってこの分野の応用が急速に推し進められていることに鑑み，本号では「テラヘルツ波応用の可能性」とした。発生デバイスの具体例として，①光パラメトリック発振器，②量子カスケードレーザーなど，比較的強いテラヘルツ光源が開発されたことがあげられる。また，③テラヘルツ分光を可能にするフェムト秒光パルスレーザーによるテラヘルツ波の発生も応用を促した大きな要因であろう。一方，検出技術や検出デバイスとしては，主に高強度の光源開発によって信号対雑音比を上げて，①時間領域分光法を適用することにより，容易にテラヘルツ分光が行えるようになっている。それを応用した非破壊検査ならびに，薬品の成分分析など実用段階に入っていることは特記すべきと思われる。つぎに，②量子井戸型テラヘルツ検出器の開発が挙げられる。また，③超伝導デバイス技術を用いた高感度テラヘルツ帯信号検出技術も非常にすぐれている。電波技術の点では，①ミリ波車載レーダーが開発されたことと②シリコンCMOS半導体デバイス技術の高周波化の進展に伴ってデバイスの低価格化が急速に進んできたこと，という背景も忘れてはならない。このような背景のもと，国家レベルのテラヘルツ基盤技術の研究開発のために，情報通信研究機構（NICT）内に，平成24年6月1日付でテラヘルツ研究センターが発足している。本特集の最初の稿に，このテラヘルツ研究センターの概要と主な研究成果を，「テラヘルツ研究センター －テラヘルツ帯の有効利用を目指して－」として，NICTの鵜澤佳徳先生に詳しく執筆していただいた。
短いミリ波（～100GHz）からサブミリ波（～THz），すなわち，波長が数mmから数100μmくらいになると，波動的な性質だけではなく，粒子的な性質も現れてくると言われている。電磁波が，波動と粒子の両方の性質をもちながらそのどちらでもないという特異な性質が朝永振一郎著「量子力学的世界像」の中で，みごとに書き表されている。すなわち「光にしろ，電子にしろ，それは粒子でも波でもなかったのである。それらのものはまったくわれわれが今まで知らなかった性質の「あるもの」であって，したがって，それについての概念をわれわれが未だかって一度も所有しなかったような新奇なものである。」と語り，この本の表紙に「相合い傘の下に並ぶ波子と粒雄」のイラストを示され，波と粒の両方の性質をもちながらそのどちらでもない特異な性質が見事に描き表されている。O plus E読者諸兄姉がご存じのように，それまで波動の性質をもつものとされていた光に，粒子の性質つまり「光の粒子説」を主張したのがアインシュタインである。しかし，周波数が低い電波の場合，ひとつ一つの粒子のエネルギーが小さ過ぎるので，粒子的性質が非常に見えづらくなっている。例えば，数GHz以下の通常の周波数の電波では，粒子としてのエネルギーが，室温における熱擾乱（約30meV程度）よりも桁違いに小さいから，日常の生活環境では粒子的な性質が表立って見えることが，ほとんどない。すなわち，粒子的な振る舞いが見えるようなμeV程度のエネルギー障壁は，室温の熱擾乱の方がはるかに大きく，この粒子的エネルギーを楽にのり超えてしまうからである。
例えば，100MHz位の電磁波の1個の粒子あたりのエネルギーを計算してみると，E＝プランク定数×振動数＝6.62×10−34×100×106＝6.62×10−26joule＝4×10−7eV＝0.4μeV（1GHzなら4μeV，1THzなら4meV）となって，極めて小さいことがわかる。逆に考えれば，スカイツリー電波塔から放射されている電波は，粒子としてみるとものすごい数の粒子が放出されているということにもなる。このような状態では，水の分子が集まって水の波ができているわけで，波を見ても水の分子がわからないのと同じで，100MHzの粒子性をほとんど見ることはできない。一方，波長が短いほど粒子的な性質は強くなるので，光の方が観察しやすいということができる。
天文学において，赤外線観測を最も特徴づけているのは，宇宙にある固体物質からの熱放射観測であろう。星間空間には，ケイ酸塩やグラファイトなど，地球上でもなじみの深い鉱物を核とした固体微粒子（宇宙塵）が存在している。典型的な大きさは0.1μmで，温度は通常の星間空間では20K程度であるといわれている。宇宙塵観測は，塵自身の成因・変性という興味以外に，その赤外放射が天体現象のプローブとして使えるという意味が大きい。宇宙塵は可視・紫外光を散乱・吸収し，天体を観測者から隠してしまうが，逆に可視・紫外光で加熱された宇宙塵の赤外放射を観測すれば，そこで起きていることが推定できる。例えば2つの銀河が重力相互作用（衝突，合体）すると，銀河の中心核の周りをケプラー運動していたガスは，角運動量を失って中心に落ち込んだり，ガス雲同士の衝突で圧縮され，爆発的に星が生成されて宇宙塵を暖める。この時，赤外線として放射されるエネルギーは，大きいものでは太陽の放射の1012倍以上にもなる。このような赤外線銀河の発見は，銀河の誕生と進化にとって，銀河間相互作用が重要な役割を果たしていることを明らかにしている。また銀河の誕生時には，10億年程度の間に1011個もの星が作られたはずであると言われている。最初はほとんど水素ガスだけでできていた銀河は，星が生まれ，そして死んでいく過程で重い元素がばらまかれ，10億年程度で宇宙塵に汚染される。そのため可視光では見えなくなり，赤外線では明るくなっている可能性がある。ヨーロッパの赤外線天文衛星ISOを使って得られた天球の遠赤外線画像が有名で，そこには予想を越える数の銀河が写っている。その中には誕生まもない銀河が含まれているかもしれない。このような固体微粒子は，波長100μm帯テラヘルツ波を中心に熱放射を出す。しかしこのサブミリ波長帯の天文用赤外線検出器は，10THzの遠赤外波長30μm以下の領域では1024×1024ピクセル規模のアレーセンサーが実用化されているのに比べると，まだまだ開発が遅れている分野である。THzのサブミリ波長200μmまでは，日本でもNICTを中心に高性能のGe：Ga光伝導素子が開発されているが，アレー化のレベルは，今のところ数十素子程度であるという。さらに長い波長帯（ミリ波/100GHz）となると，実用化されているのは熱的なセンサーのボロメーターとなる。
天文学では，新しい観測波長帯の開拓が常に新しい発見を生んできた。その意味で，検出器開発が遅れている波長帯の一つである遠赤外・サブミリ波帯（THz～10THz）の高感度検出器開発がとても重要なテーマとなっている。

3．テラヘルツ波発生の応用

この領域での応用は，まだ研究段階のものが多い。本特集では，現在試みられているいくつかの可能性がある応用分野について5名の専門家に述べてもらうことにした。上述したテラヘルツ波による宇宙の観測が興味深い。この特集号の記事では“遠赤外線”と呼ばれているが，水分の無い宇宙空間の超遠距離からの「赤外線天文衛星「あかり」による全天イメージング」の結果を東京大学の土井靖生先生に詳述していただいたので，大変興味深い。
米国トプティカフォトニクスのM. Yahyapour等の執筆を同社斉藤太郎氏の邦訳文で「位相に依存しない自由度の高い広帯域CWテラヘルツ分光とイメージング」を記述していただいている。周波数可変テラヘルツ発生方法としては，中心波長783nmと785nmを発生する2台のDFB半導体レーザーの差の周波数を使っている。半導体レーザーの温度を変化させることにより最大2THzという広範囲な波長可変が可能となっている。テラヘルツ波出力としては，0.1THzでは1.4μW程度，1THzでは0.1μWである。測定サンプルはテラヘルツビームの焦点位置に置かれ，スポットサイズは2mmφである。XYステージを使ってビームをラスタースキャンすることにより，テラヘルツイメージング情報を得ている。ゼロバイアスショットキー検出器が用いられている。結果の一例は本誌の表紙にあるカラー写真である。これは，鍵，はさみ，プリント配線基板および紙クリップを紙の封筒に入れ，透過イメージングを示している。空間的分解能は，1mmと考えられる。
次に，超短光パルスを用いた「テラヘルツ周波数帯の分光応用～テラヘルツ伝導を例に～」を，大阪大学の永井正也先生に記述していただいた。光励起キャリアを用いた光伝導スイッチ，電気光学効果応用，さらに四光波混合過程などの非線形結晶中の光整流効果を用いるものである。これは超短光パルスによって，ピコ秒という短い時定数の電流や誘導電流を誘起させることで，テラヘルツ時間領域分光テラヘルツ波を発生させる手法である。この場合，単一サイクルの中で，瞬間的に高い最大電場振幅を持つコヒーレント電磁パルステラヘルツ波を発生できる。
検出方法としては，光伝導アンテナや非線形光学結晶，空気プラズマを用いた光サンプリング法がある。これらはある遅延時間のパルス光をゲート光としてテラヘルツ波の電場の時間変化を伝導アンテナに流れる電流，もしくはサンプリング光の偏光や周波数の変調信号として検出する。ここで得られた電場の実時間応答をフーリエ変換することで，複素電場スペクトルが得られる。一般的な光測定においては「光強度」が測定量であるが，ここの時間領域分光では「電場振幅と位相」が測定量である。したがってテラヘルツ電磁波に関するすべての情報を含んでいる。ここでは，技術者が容易に理解できるように数式を使ってわかりやすく説明されている。
本特集では，具体的な応用を2件記述していただいている。第一に，名古屋工大の裵先生らに執筆していただいた「食品異物検査用テラヘルツイメージング装置の開発」と，第二に，東京理科大学の松山 賢先生らによる「テラヘルツ波照明によるイメージング～火災時の煙霧環境下での視認性向上に向けて～」である。 前者では，愛知県が誇る“重点研究「食の安心・安全技術」開発プロジェクト”において実現された内容の報告である。従来の食品検査技術では困難とされる食品中の農薬，固形異物，微生物をそれぞれ検出可能にする新たな計測デバイスの開発を目的としており，裵先生らは本プロジェクト中の一つの研究テーマとして，周波数0.1THz帯および0.3THz帯のテラヘルツ波を用いた食品異物検査用イメージング装置の開発を終了している。本特集では，0.3THz帯イメージング装置を中心に，紹介していただいた。
各種食品を対象とする成分分析，添加物管理，残留農薬や細菌等の有毒物質検査等では，一定の時間をかけた化学分析や近赤外線等を用いた分光分析により，精度の高い測定が可能になっているが，食品工場において金属ゴミ等の混入を生産工程で発見，除去する食品異物検査では，毎分20m以上の速度でベルトコンベヤー上を高速移動する食品を実時間計測しなければならない。すなわち，瞬時に異物の有無を判定する必要がある。一般にこの種の検査用途には，金属探知器やX線透視装置が広く用いられているが，X線装置では，非金属でかつ食品に近い低誘電率の異物，すなわち虫やプラスチック，ガラス片等を検出することは困難である。このため現在，これら異物を検出可能な新たな検査装置の開発が食品業界より強く求められていた。
テラヘルツ波は前述したように，光と電波の境界領域に位置し，光が持つ高い空間分解能と電波の優れた物質透過性を合わせ持つことから，テラヘルツイメージングは上記食品異物検出での問題点を解決する有力な方法の一つである。現在まで，ピコ秒幅のテラヘルツ波のパルスを用いる時間領域分光方式によって，髪の毛，チョコレート上のガラス片や小石の検出結果が，また，連続波を用いて小麦粉中の虫を画像化した実験結果等が報告されている。これらの食品を対象とするテラヘルツイメージング装置のほとんどは，測定対象の2次元機械走査による画像取得を行っていて，実際の食品工場で要求される高速検査には適さない。そこで裵先生らは，連続テラヘルツ波を用いた実時間計測が可能な高速イメージング装置の開発に成功された方として著名である。
後者では，“テラヘルツ帯電磁波”を利用した火災時の煙霧環境下でリアルタイムに（煙や火炎の向こうにある）像を取得できる可視化システムに関して，東京理科大学の松山 賢先生とNTT先端集積デバイス研究所の清水直文先生との共著で「テラヘルツ波イメージング～火災時の煙霧環境下での視認性向上に向けて～」として紹介していただいた。これまでのテラヘルツ波を用いたイメージングの多くは，被写体からの熱放射を計測する受動的なイメージングであったが，火災現場では，被写体の周辺の高温物質や高温の煙が熱輻射源として圧倒的に強く発生しているため，これまでのような受動的なイメージングでは明瞭な被写体像を得ることが困難であった。この解決策として，火災現場で，可視光よりもはるかに長い波長，すなわち，煙などの散乱媒体からの散乱光が少なく，かつ，赤外線よりも長波長領域なので，受信側では熱源からの赤外線光をカットできるテラヘルツ波により問題解決の一助とされている。従来のような受動的な撮像ではなく，テラヘルツ波光を撮像側から照射するアクティブなイメージング方式で，発生する煙を透視することができる。そして，火災進行中の火元や付近の被害状況をいち早く視認することが可能となり，火災現場において迅速かつ円滑な消火活動や被害者検索・救助がなされるものと思われる。このように，意外なところで，テラヘルツ波の特徴を生かしたテラヘルツ波送受信とその映像が応用されている。ただ，忘れてはならないことは，消火用水やその水蒸気の中では，テラヘルツ波は減衰のために全く使えないので，消防自動車による消火活動前に，火災進行中の火元や付近の被害状況をいち早く視認する目的で画像や映像をキャッチしなければならないことである。
これら2例の応用を手始めとして，今後，テラヘルツ波イメージングが我々の身近でますます使われてゆくであろうと思われる。