千葉工業大学　プロジェクト研究年報　2015年版

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研究項目： 科学研究費（挑戦的萌芽研究） 研究期間： ２０１３／４／１ ～ ２０１５／３／３１ 研究課題名（和文）：広帯域テラヘルツ波反射分光による土器の非破壊計測 研究課題名（英文）：Non-destructive analysis of earthen wares by wide-band THz-wave reflection spectroscopy 研究者： ○水津 光司 千葉工業大学 SUIZU Koji 工学部 電気電子情報工学科 教授 近藤 啓司 千葉工業大学 大学院 KONDO Hiroshi 工学研究科 電気電子情報工学専攻 修了 村瀬 岳志 千葉工業大学 大学院 MURASE Takeshi 工学研究科 電気電子情報工学専攻 修士2年 １． はじめに テラヘルツ波とは周波数帯にして約0.3 THz～10 THzの電磁波のことを指し、電波と光波の中間領域に位置する。電波的な物質透過性を有する最短波長域にあり、紙やセラミック、半導体など様々な物質を透過する性質を持つ。かつ、多くの物質がテラヘルツ帯において分子間力等に起因する特徴的なスペクトル構造（指紋スペクトル）を有する。一方、縄文式土器、弥生式土器などの主成分はシリコン、チタン、アルミニウム等の酸化物である。原材料である粘土によって土器の主成分の構成比が変化し、焼成条件によって主成分の結晶構造が変化すると考えられる。テラヘルツ波は測定対象の結晶構造に起因した特異な指紋スペクトルを有する事から、土器の構成要素である酸化物微結晶の成分や結晶構造に違いがある場合、透過率および反射率が変化する。即ち、土器の原材料である粘土の違いや、同じ粘土を用いた場合でも焼成条件の違いを非破壊で判別出来る可能性がある。 一般的なテラヘルツ分光器である、光伝導アンテナを用いたフェムト秒レーザー励起時間領域分光装置では、出力が弱く測定周波数域も3 THz程度であり、市販の装置ではこの辺りが限界である。そこで、代表者が考案・実証して来た新規の非線形光学技術をフェムト秒レーザー励起光整流テラヘルツ波発生に適用し、時間領域分光装置の高出力化、広帯域化を実現することで、測定可能周波数領域を拡大する。かつ、反射分光可能な光学系を設計・開発し、指紋スペクトルが豊富に含まれると考えられる1THz以上の高周波領域での情報を抽出し、土器から得られる情報量の大幅な増大を図る。以上により、広範なテラヘルツ波分光結果と考古学的な知見との相関関係を検討する。 ２．研究の内容 (1) テラヘルツ波透過および反射分光 本研究で用いたTHz-TDS実験装置は、光学系を構成するミラー等をファイバーに置き換え、簡便かつ安定的にテラヘルツ波の発生、検出を行うことができる。これらは、外部レーザー光源（パルス幅:100 fs、駆動周波数:100 MHz）、光遅延によるTHz波走査制御部、THz波を発生及び検出するファイバー結合型光伝導アンテナ、制御・計測PCから構成される。本装置は送信用の光伝導アンテナが試料正面に対して30 °の角度で固定されて設置しており、受信用の光伝導アンテナは試料中心に対して0～90 °の範囲で円弧上に0.01 °の精度で制御することが出来る。更に、試料を設置するステージには回転ステージが導入されており、これも0.01 °の精度で制御することが出来る。 テラヘルツ波による土器の透過分光では、有効スペクトル帯域は0.4 THz未満の低周波領域に限られたが、吸収係数に差異が現れた。これは、粘土の構成成分の差異の可能性がある。また、土器表面の凹凸による散乱の影響は回避でき、赤外線分光では粒径が大きく散乱の影響が大きい試料でもテラヘルツ波を用いれば計測できるという優位性を実証できた。しかし、土器固有の情報は1 THz以上の高周波帯にある可能性があり、本実験では当該周波数領域の情報を得ることが出来なかった。 図1 各土器の吸収係数スペクトル 各種土器に対してテラヘルツ波反射分光を実施し、各種0.00.51.01.52.0010203040 吸収係数 [cm-1]Frequency [THz] 縄文土器 弥生土器 土師器 須恵器1272015　千葉工業大学附属研究所　プロジェクト研究年報　　　　　　　　　　Project Report of Research Institute of C.I.T 2015　　　　

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