テラヘルツ機器 QMC Instruments Ltd & Thomas Keating Ltd
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QMC Instruments Ltd
QMC Instruments Ltd.は、1960年代から1970年代にロンドンのクイーン・メアリー・カレッジ（現QMUL）の物理学科で開発された技術を中心に扱う技術移転組織としてスタートしました。
ウォルフソン財団が同大学に資金を提供し、QMC Industrial Research Ltd.の傘下にある事業ポートフォリオを成長させました。このグループの他の事業は、材料の火災試験、石油掘削装置用の深海アンカーの設計、初期の情報技術などに関わっていました。
QMC Instruments Ltd.の初期の中核事業は、液体ヘリウム冷却のInSbホットエレクトロンボロメーターシステムの設計・製造であった。このデバイスは以前、遠赤外線（FIR）天文学のヘテロダイン受信機として使用されていた。QMCはこの装置を、プラズマ核融合分野において、トコマック実験炉内の電子密度と温度プロファイルを測定するための重要なツールとして開発しました。初期の研究は、オックスフォードシャー（英国）のJETとプリンストン（米国）で行われた。
2001年以降、QMCはカーディフ大学の物理学・天文学部に所属している。カーディフの天文機器グループは、FIR領域の連続天文学用受信機の設計と提供において、世界的なリーダーです。カーディフの天文機器グループは、過去20年間、このスペクトル領域での天文学の成功の中心的役割を果たしてきました。特に、ハワイのジェームズ・クラーク・マックスウェル望遠鏡などの地上施設、Boomerangなどの気球実験、IRAS、ISO、Herschel、Spitzerなどの衛星プロジェクトの機器に大きく関わってきました。
◉ THz検出器システム
◉ 超電導ボロメーター
◉ InSb HEB
◉ エンハンスドInSb HEB
◉ ゲルマニウム感光体
◉ 焦電型検出器
◉ 検出器システム取扱説明書
◉ THz用光学部品
遠赤外線やミリ波・テラヘルツ波に対応した様々な光学部品を用意しています。
⦿ マルチメッシュフィルター
⦿ 反射防止膜
⦿ 偏光ワイヤーグリッド
⦿ 光学用真空窓
⦿ コーン
QMC Instruments Ltd.のマルチメッシュフィルター技術は、極めて正確な波長選択を可能にするユニークなものです。この技術は、天文学者の仲間たちによって30年以上にわたって開発され、現在では、サブミリ波や遠赤外線の領域において、地上および宇宙での主要な天文学プロジェクトで使用されている基礎技術となっています。私たちは、この素晴らしい技術をより多くの科学者たちに提供できることを誇りに思います。30GHz（10mm、1cm-1）から30THz（10μm、1,000cm-1）までの範囲の遷移周波数で、ローパス、バンドパス、およびより限定された範囲のハイパス構造が利用可能です。
THz領域では、2つの偏光板技術を提供しています。自立型のワイヤーグリッド偏光器は3THzまでの周波数に対応し、リソグラフィー偏光器はより高い周波数での効率性を追求しています。どちらの技術も常温と極低温の両方で使用することができます。
QMC Instruments Ltd.の表面コーティングは、様々な光学材料に適用することができ、THz領域で所定の透過・反射特性を得ることができます。反射防止膜は、石英やサファイヤなどの真空窓材料に適用されます。また、1/4波長板や1/2波長板へのコーティングも行っています。
広いTHz領域に対応した真空窓を提供しています。標準的な材料としては、超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）、石英、サファイア、KRS-5などがあります。
最後に、ウィンストン・コーンを提供しています。これは非イメージングの集光部品で、通常は検出器と一緒に使用されます。
◉ マルチメッシュフィルター
テラヘルツ（mm、sub-mm）領域のフィルター技術
テラヘルツ波（ミリ波、サブミリ波）の波長域に対応するフィルター技術です。当社の製品群は、天文学者の同僚によって30年以上にわたって開発され、現在では、地上および宇宙での主要なサブミリ波およびテラヘルツ波の天文学プロジェクトで使用されている基礎技術となっています。
QMC Instruments Ltd.では、以下の種類のフィルターを提供しています。
⦿ ローパス
⦿ ハイパス
⦿ バンドパス
当社のフィルターにご興味をお持ちの方は、ぜひ当社にご連絡ください。当社の豊富な経験を生かして、お客様の要件を満たす最適なソリューションを検討させていただきます。ここでは、当社のフィルターの性能の例を見ることができます。これらは当社の標準的なフィルターで、大量に生産され、しばしば在庫があります。これらは標準的なフィルターで、大量に生産され、多くの場合、在庫があります。これらは最も低コストのオプションであり、最初にこれらのフィルターを提供することをお勧めします。これらが適切でない場合は、お客様の正確な要求に合わせてフィルターをカスタム設計することができます。
標準品、カスタム品ともに、ご希望のサイズ、形状に合わせて製作することができ、最大直径は300mmです。
QMC Instruments Ltd.のフィルターの特性は以下の通りです。
◉ 高い帯域内伝送効率
⦿ 一般的なローパスフィルターで90%の透過率
⦿ バンドパスフィルターでピーク透過率80
◉ 吸収や散乱が少なく、非送信電力のほとんどが反射される
◉ 高い広帯域アウトオブバンドブロッキング
◉ 高い周波数分解能
◉ 伝送時の偏光感度が無視できるほど小さい（ほぼ垂直入射の場合
◉ 堅牢な構造
◉ 開口部の直径は6～300 mm
◉ 室温から1 K（-272 °C）以下の温度まで動作可能
◉ 1 cm-1（30 GHz、10 mm）から700 cm-1（21 THz、10 um）までの波数に対応
QMC Instruments Ltd.のフィルターの多くは、フィルターを構成するメッシュを誘電体のスペーサーで分離しており、当社ではこれを「ホットプレスフィルター」と呼んでいます。低周波用の厚めのフィルターは、独立したフィルターとして提供することができ、300mmまでの任意のサイズ、任意の形状のものが用意されている。高周波数のフィルターはかなり薄く、平らにするのが難しいので、フレームに取り付けた状態で購入することをお勧めします。外径120mmまでの標準的なフレームサイズを数種類用意しています。それ以上のサイズをご希望の場合は、ご相談ください。
韓国の天文台向けに製造された大口径の30GHzローパスフィルター（写真）は、最大で外径250mmでした。
まれに、ホットプレス品よりも誘電体スペーサーのないエアギャップ品の方が適している場合がありますが、必要に応じてご用意できますので、お客様の用途に適していると思われる場合はご相談ください。
QMC Instruments Ltd.のフィルター技術は、もともと天文学用に開発されたもので、強烈な大気中の輝線の間にある極めて低い天文学的信号レベルを選択するために、高い帯域内伝送効率と優れた帯域外除去の両方が必要とされる。さらに、冷却されたボロメーターや光検出器と組み合わせて使用するために、常温と極低温の間を確実に循環し、その性能を維持することも求められます。これらの特性は、広く科学界にも大きな価値をもたらします。
スタンダード フィルター
QMC Instruments Ltd.の標準フィルターは、生産量が多く、QMC Instruments Ltd.の標準的な検出器システムに使用されているため、標準外のフィルターに比べて安価に提供することができます。
バンドパス
QMC Instruments Ltd.の標準バンドパスフィルターは、以下の特性を持っています（ご要望に応じて他の設計も可能です）。
測定した透過スペクトルを以下に示します。
ローパス
QMC Instruments Ltd.の標準的なローパスフィルターの特性は以下の通りです（ご要望に応じて他の設計も可能です）。
この性能は、9THzのデザインの伝送スペクトルの測定値を用いて以下に示します。下のグラフは、帯域内の平均伝送効率が85%以上であることを示しています。
帯域外遮断は、下のグラフに示すように、光学領域までの非常に広い周波数範囲で0.1%より優れています。
標準外のフィルター
ローパス、ハイパス、バンドパス、バンドストップ（ノッチ）の各形式で、お客様の特定の用途に合わせた特殊なプロファイルのフィルターを設計・製造することができます。
エッジ周波数の指定が可能
例えば、標準的なローパスフィルターのエッジの下に見られる干渉縞は、お客様の透過率と除去率の要件に合わせて最適な位置に配置することができます。
帯域外のブロックレベルを調整して、望ましくない周波数を低減することができます。
◉ 反射防止膜
受信側の光学部品の表面で反射が起こると、必然的に感度が低下し、フリンジ、マルチプルイメージ、ゴーストなどの望ましくない効果が発生します。これらの影響は、効率的な反射防止コーティングによって大幅に低減することができます。コーティングは、特定の周波数における光学部品の反射係数を最大にも最小にも調整することができます。
QMC Instruments Ltd.の表面コーティングは、さまざまな光学材料に適用することができ、以下のような部品のTHz領域における所定の透過・反射特性を生成することができます。
⦿ クライオスタットの真空窓
⦿ レンズ
⦿ 1/4波および1/2波プレート
⦿ フィルター
⦿ フェライト
下図は、Zカットされた水晶にコーティング層を施した場合の効果を示しています。観測帯域（ここでは200〜300GHz）における広帯域の透過率が、コーティングなしの水晶の75％（青線）から98％（赤線）に向上しています。
200～300GHzに最適化されたZカット水晶窓のARCによる伝送改善
QMC Instruments Ltd.のコーティング技術は、他の多くの製品と同様に、もともとは遠赤外線やサブミリ波領域の天文受信機、特に真空窓や波長板用に開発されたものです。
素材
コーティングが可能な素材は以下の通りです。
⦿ ポリプロピレン(PP)
⦿ ポリエチレン
⦿ ゲルマニウム
⦿ サファイア
⦿ 石英（結晶・ガラス質
⦿ ダイヤモンド
⦿ シリコン
⦿ ガリウム砒素
⦿ KRS-5
⦿ フェライト
⦿ テルル化亜鉛
メリット
材料
QMC Instruments Ltd.のコーティング技術により、天然水晶の入手が困難で部品の大きさが制限される波長板、窓、レンズなどにおいて、安価な合成光学材料を天然水晶の代わりに使用することが可能になります。
重量
サファイアを用いた光学部品は、水晶に比べて7倍の薄さにすることができ、材料費、質量、熱負荷を大幅に削減することができます。
光学設計
水晶（n=2.1）、シリコン（n=3.4）、ゲルマニウム（n=4）など、テラヘルツ周波数で比較的高い屈折率を持つ材料にコーティングを施すことで、レンズの曲率半径を大きくすることができます。これにより、光学収差を低減し、光学系の広帯域性能を向上させることができる。
性能
下のグラフは、Yカットサファイアに表面処理を施すことで、広い周波数範囲における波板の透過率のばらつきを、無処理の場合の0.3〜1.0に対して、0.99〜1.0（周波数による）と劇的に低減できることを示しています。
QUESTのサファイア製波長板のコーティングなし（水色）とコーティングあり（濃紺）の透過率
◉ ポラライザー
偏光子は、偏光していない放射線を直交する直線偏光に変換する光学部品です。
QMC Instruments Ltd.では、ミリ波から遠赤外までのスペクトル領域、および常温と極低温の両方で動作する2つの異なるデバイスを提供しています。
ワイヤーグリッドポラライザーは、3テラヘルツ以下の周波数に適しており、ワイヤーを金属フレームに巻き付けて接着します。ワイヤーの直径は5μmまで可能で、3THzまでの周波数では比較的低コストなこのオプションをお勧めします。最大500mmまでの直径が可能です。詳細は以下を参照してください。
より高い周波数では、ワイヤーグリッドポラライザーの効率が悪くなります。このような周波数では、極薄のポリマー基板に薄い金属パターンを蒸着するリソグラフィー偏光器を提供しています。パターンの繰り返し距離は2μmと10μmが標準で、直径約200mmまで対応しています。詳細は以下の通りです。
ワイヤーグリッドポラライザー
技術概要
ワイヤーグリッドポラライザーは、ワイヤーの直径が5μm以上のものを提供しています。コンピューター制御のグリッド巻き上げ機は、重量1トン以上で、最大500mmのグリッドを巻き上げることができます。写真は、これまでに製作したワイヤーグリッドポラライザーの中でも大型のもので、1組で6km以上のワイヤーを巻いています。
ワイヤーは、金属製のフレームにはさんだ後、接着剤で固定されます。
QMC Instruments Ltd.では、直径500mmまでのお客様独自のサポートフレームの設計要件を考慮し、当社のエンジニアが取り付けや位置決め用のアタッチメントについて喜んでご相談に応じます。
この種のポラライザーは、必要に応じて常温（製品コードQWG/RT）または極低温（製品コードQWG/C）で動作させることができます。
お客様からご提供いただいたグリッドにワイヤーを巻き付けることも、既存の偏光板をクリーニングして配線を変更することも可能です。
偏光板のフレームを機械的ストレスを加えずに切断することは非常に重要であり、非接触のスパーク・エロージョン・プロセス（当社ではスイスのAGIE社製スパーク・エロージョン・マシンを使用しています）はそのための最良の方法であると考えています。その後、大型平面研磨機でフレームを平らに研磨します。
下の写真は、ホーンアンテナから放射される残留クロスポーラー信号を除去するためのワイヤーポラライザーです。
最近では、NRAO（ツーソン）のJohn Payne氏のアイデアに基づいて、交差型ワイヤーグリッドの製造が行われている。クロスしたグリッドは、偏光していないビームを直交する成分に分離し、両方のビームを90度偏向させることができる。この方法では、マーティン・ピュプレット・ダイプレクサを含むコンパクトな準光学システムを構築することができます。さらに、この新方式の利点は、不要な高周波がクロスしたグリッドを直接通過するため、検出器に向かわないことです。これは、クライオスタットのコールドプレートの負荷を軽減するのに非常に有効です。
下の写真は、マックス・プランク研究所（ボン）のために製作されたこのクロス・グリッドです。このグリッドは、米国マサチューセッツ州ケンブリッジにあるスミソニアン天体物理観測所で設計・製造された二重偏光検出器の一部を構成しています。
フォトリソグラフィーポラライザー
当社のフォトリソグラフィー偏光板は、自立型の偏光板では効率が悪くなる高周波領域（3THz以上）向けに設計されています。遠赤外領域の偏光FT分光器や、ALMAの高周波数帯のような偏光感度の高い受信機によく使用されています。また、カッシーニのような長寿命の宇宙飛行プロジェクトでも使用されている。
極薄のポリマー基板の表面に、薄い平行線のパターンが金属で作られています。この偏光板は、その構造と製造方法から、円形でなければならず、通常はステンレス製の支持フレームに取り付けられています。
支持体は通常、厚さ0.9umまたは1.5umのマイラーで、金属製の「ワイヤー」は銅または金です。
偏光板はプレス機を使って支持フレームに取り付けられ、フレームのデザインごとにプレス機が必要になります。そのため、標準的な偏光板サポートフレームのサイズを取り揃えています。下表の最大値までの特殊サイズも可能ですが、その場合は特殊なプレス工具の製作が必要となります。
以下の寸法のパターンを用意しています。
◉ 光学ウインドウ
⦿ polyethylene
⦿ quartz
⦿ KRS5
ポリエチレン
標準的な寸法の高密度ポリエチレン（HDPE）製の窓を提供することができます（これらは当社の極低温検出器システムに使用されています）。
⦿ 厚さ1.7 mm
⦿ 直径49.9mmまたは37.9mm
厚さ1.7mm 直径49.9mmまたは37.9mm HPDEウィンドウとレンズは、お客様の仕様に合わせて、反射防止／反射コーティングを施してお届けすることも可能です。ご要望をお聞かせください。
厚さ2mmのHDPEウィンドウの透過率を20cm-1から600cm-1まで測定した結果を以下に示します。73cm-1付近にポリエチレン特有の吸収の増加がはっきりと見られます。
石英
光学的には、石英は赤外やミリ波の領域で、機器の真空窓としてよく使われる。 石英には、透過率を高めるための反射防止コーティング（ARC）や、反射率を高めるための反射コーティングが施されることが多い。最近の例では、チリのアタカマ大型ミリ波アレイ用に、さまざまな周波数帯に対応した反射防止膜付きの石英窓を製造した。窓の周波数は31.3GHz(9.6mm)から950GHz(0.3mm)まで。
ALMAバンド9 602GHz(20cm-1)～720GHz(24cm-1)ARC石英真空窓の透過率を以下に示します。
二酸化ケイ素の結晶である石英という鉱物は、大陸の地殻の中で2番目に多く存在している。しかし、天然の石英は、光学グレードのものはほとんど存在せず、しかも非常に高価である。 そのため、産業界ではオートクレーブで製造された合成石英が主に使用されている。石英には複屈折性があり、z軸が石英の光軸となる。このZカットの石英は、一般的に光学用途に使用されています。
KRS5
KRS5（タリウム・ブロモ・ヨード）は、赤外領域の光学材料としてよく使われる材料です。0.7 um (14 300 cm-1) から0.03 mm (30 0 cm-1)まで、光透過率は約70%です。この窓は、より短波長（高波数）の信号が使用され、標準的なHDPEの窓では吸収が大きくなる場合に使用できます。この材料は毒性があるため、適切に取り扱う必要があります。
◉ Winston Cones
ウィンストン・コーン
ウィンストン・コーンは、一定の視野の中で放射線を最大限に集めるために設計された非結像型の集光光学部品です。
QMC Instruments Ltdは、検出器技術に合わせて特別に設計された3つの標準サイズのコーンを提供しています。
[1] 入口開口部を覆うフィルター保持キャップと取付フランジを含む全長
[2] 全長はフィルター保持キャップを含むが、取り付けフランジは含まない
この他にも、お客様のご要望に応じて、様々な規格外のコーンを設計・製造しておりますので、お気軽にご相談ください。
F2のウィンストン・コーンは、磁気的に調整されたInSb検出器の集光光学系として使用されます。
製造
では、「ウィンストン・コーン」はどのようにして作られるのでしょうか。というのも、内部の集光面の形状を表す方程式が4次、つまり4次の三角項で数学的に記述されているため、実際には非常に複雑な部品となっています。 しかし、CNC（Computer Numerical Control）フライス盤を使えば、この方程式に従って円錐を成長させるためのマンドレルを正確に加工することができます。 マンドレルが加工されると、溶液からコーンの銅ボディが、再利用可能なステンレススチール製マンドレルまたは犠牲となるアルミニウム製マンドレルの上に成長する。 コーンの成長後、ステンレススチール製マンドレルは引き抜いて除去し、アルミニウム製マンドレルは溶解します。
成長したコーンは、美しい外観に仕上げるために機械加工され、必要な入口と出口の開口部を作るために適切な長さに切断されます。 金メッキを施し、出口開口部の端には金メッキを施した銅製の取り付け用フランジを半田付けします。 完成したコーンを金メッキせずに銅のままにしておくこともできますが、銅は製造されたばかりの時はきれいですが、経年変化で変色してしまいます。 そこで、お手入れが簡単で長持ちする美しい鏡面仕上げにするために、高貴で不活性な金属である金で部品をコーティングしているのです。...金。
小型のクライオスタットTK1810には、F2の短いコーンが使用されています。 短くすることで視野が広がります。
A standard f/3.5 cone
A non-standard cone
