(57)【要約】【課題】電気光学素子としてのＺｎＴｅ単結晶基板に生じている欠陥（特に、（１１１）に沿ったスリップライン等）に起因してテラヘルツ電磁波の検出感度が低下するのを回避でき、さらには、テラヘルツ電磁波を利用した測定画像の精度を向上できるテラヘルツ電磁波検出装置を提供する【解決手段】テラヘルツ電磁波を照射するテラヘルツ電磁波照射手段と、プローブ光を照射するプローブ光照射手段と、テラヘルツ電磁波照射手段からのテラヘルツ電磁波とプローブ光照射手段からのプローブ光とが入射される電気光学素子と、電気光学素子を透過したプローブ光（の強度）を検出するプローブ光検出手段と、を少なくとも備えたテラヘルツ電磁波検出装置において、電気光学素子として、｛１１０｝から{００１}の方向に１０〜４５°オフアングルしたＺｎＴｅ単結晶基板を用いるようにした。【選択図】図２
2010133704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ電磁波を照射するテラヘルツ電磁波照射手段と、
プローブ光を照射するプローブ光照射手段と、
前記テラヘルツ電磁波照射手段からのテラヘルツ電磁波と前記プローブ光照射手段からのプローブ光とが入射される電気光学素子と、
前記電気光学素子を透過したプローブ光を検出するプローブ光検出手段と、
を少なくとも備えたテラヘルツ電磁波検出装置であって、
前記電気光学素子は、｛１１０｝から{００１}の方向に１０〜４５°オフアングルしたＺｎＴｅ単結晶基板であることを特徴とするテラヘルツ電磁波検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＺｎＴｅ単結晶基板を電気光学素子として用いたテラヘルツ電磁波検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、サブミリ波から遠赤外域を含む周波数領域（０．１〜１００ＴＨｚ）はテラヘルツ電磁波領域と総称され、光波と電波の境界に位置する。近年では、酸化物単結晶や化合物半導体単結晶からなる電気光学結晶（Electro-Optic Crystal）や半導体の光伝導スイッチ素子をフェムト秒レーザで励起することによりテラヘルツ電磁波を発生する技術や、電気光学結晶の複屈折の特性を利用してテラヘルツ電磁波を検出する技術が開発される等、テラヘルツ電磁波に関する技術は著しく進歩している。
【０００３】
前記電気光学結晶として利用される酸化物単結晶は、電気光学係数が大きくテラヘルツ電磁波を効率よく検出できる特性をもつ反面、テラヘルツ電磁波の屈折率が可視光の屈折率に比較して非常に大きいため、可視光との組み合わせによるテラヘルツ電磁波の検出は難しいという欠点がある。一方、化合物半導体単結晶は、電気光学係数は酸化物単結晶に比較して小さいが、テラヘルツ電磁波の屈折率と可視光の屈折率との差は小さいため、可視光との組み合わせによるテラヘルツ電磁波の検出に適しているという利点がある。
【０００４】
特に、化合物半導体の中でもＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の一つであるＺｎＴｅ単結晶は、比較的大きな電気光学係数を持ちバンドギャップが室温において２．２６ｅＶであることから、可視光帯域のレーザを用いたテラヘルツ電磁波検出装置用の電気光学素子として最も有望な材料といえる。
【０００５】
図１は、ＺｎＴｅ単結晶を電気光学素子として用いたテラヘルツ電磁波検出装置の概略構成図である。
図１に示すテラヘルツ電磁波検出装置１００は、例えばレーザ光を発振するレーザ光源１０１と、光学遅延（時間遅延）手段１０２と、テラヘルツ電磁波を放射するエミッタ１０３と、ＺｎＴｅ単結晶からなる電気光学素子１０６と、電気光学素子を通過して入射したプローブ光の強度を測定する、例えばフォトダイオードからなる光検出器１０５と、励起光またはプローブ光を反射して所要の光路を決定する反射鏡（リフレクタ）Ｒ１〜Ｒ６と、光を分岐または結合するビームスプリッタＳ１，Ｓ２と、光の振動方向を一方向に制限する偏光子１０７，検光子１０４とで構成される。
【０００６】
上述したテラヘルツ電磁波検出装置１００では、まず、レーザ光源１０１から発振されたレーザ光は、ビームスプリッタＳ１で励起光とプローブ光に分岐される。そして、励起光は光学遅延手段１０２を通過したのち光伝導素子としてのＧａＡｓ基板１０８に入射する。このときに、例えば約５ｋＶのバイアス電圧を印加することによりテラヘルツ電磁波が発生し、発生したテラヘルツ電子波はビームスプリッタＳ２に入射する。
【０００７】
一方、プローブ光は、リフレクタＲ５，Ｒ６を介して偏光子１０７に入射して直線偏光に調えられた後、ビームスプリッタＳ２に入射する。次いで、ビームスプリッタＳ２を透過したテラヘルツ電磁波とビームスプリッタＳ２で反射されたプローブ光は、電気光学素子（ＺｎＴｅ単結晶基板）１０６に入射する。このとき、ＺｎＴｅ単結晶内部にはテラヘルツ電磁波により電界が生じる。そのため、ＺｎＴｅ単結晶に複屈折が誘起され、プローブ光は僅かに楕円偏光に変化される。
【０００８】
電気光学素子１０６を透過したプローブ光は、偏光子１０７の偏光方向から９０°回転させた偏光方向を有する検光子１０４に入射し、この検光子１０４を通過して漏れ出してくるプローブ光の強度を光検出器１０５で検出する。
【０００９】
つまり、テラヘルツ電磁波によりＺｎＴｅ単結晶１０６内に生じる電界強度が大きいほどＺｎＴｅ単結晶１０６の複屈折率の変化が大きくなるために、楕円偏光となる割合が大きくなる。したがって、漏れ出してくるプローブ光の強度が大きいほど、テラヘルツ電磁波により生じた電界の強度が大きいということになる。
【００１０】
すなわち、テラヘルツ電磁波検出装置では、テラヘルツ電磁波によりＺｎＴｅ単結晶１０６内に生じる電界の強度を、漏れ出してくるプローブ光の強度に変換して測定することにより、テラヘルツ電磁波を検出することができる。
【００１１】
また、エミッタ１０３からのテラヘルツ電磁波を試料に照射し、試料を透過したテラヘルツ電磁波を検出することで、試料の電気的特性等を測定する技術や、ＣＣＤカメラを組み合わせてイメージングする技術（いわゆるテラヘルツイメージング装置）も提案されている。
【００１２】
また、ＺｎＴｅ単結晶基板を電気光学素子として用いたテラヘルツ電磁波検出装置では、結晶基板へ入射したテラヘルツ電磁波が反対側の面（バックサイド）で少なからず反射し、テラヘルツ電磁波の検出効率が低下してしまうので、テラヘルツ電磁波の入射側の単結晶基板（第１結晶基板）と、該第１結晶基板と同じ成分組成を有し、電気光学効果の小さい面方位（閃亜鉛鉱構造を持つ化合物半導体の場合は［１００］）をもつ単結晶基板（第２結晶基板）とを接合することで、電気光学素子を構成するようにしたテラヘルツ電磁波検出装置が提案されている（例えば、特許文献１，２）。
【特許文献１】特開２００３−２７０５９８号公報
【特許文献２】特開２００６−１５４３３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、ＺｎＴｅ単結晶などの閃亜鉛構造結晶において、電界により結晶の複屈折率が変化する割合（電気光学係数）は、（１００）以外の面で有限の値を持っており、（１００）のときに０になる（複屈折率は変化しない）ことが知られている。また、（１１０）、（１１１）、またはそれらの近傍である結晶が大きな電気光学係数を有することが知られている。そのため、従来のテラヘルツ電磁波検出装置においては、（１１０）または（１１１）のＺｎＴｅ単結晶が電気光学素子用基板として用いられている。
【００１４】
また、従来のテラヘルツ電磁波検出装置では、ＺｎＴｅ単結晶に生じた電界によってプローブ光が偏光されることを利用し、その偏光のずれによりテラヘルツ電磁波を検出するため、電気光学素子であるＺｎＴｅ単結晶自身の性質によりプローブ光が偏光されないこと、すなわち、電気光学素子の前後に偏光子と検光子を直交させて配置した場合に、プローブ光が透過しない（光が漏れない）ことが重要となる。
【００１５】
しかしながら、ＺｎＴｅ単結晶は、（１１１）に沿ったスリップラインや積層欠陥などの欠陥が生じやすい。そして、このような欠陥のあるＺｎＴｅ単結晶を電気光学素子として用いると、テラヘルツ電磁波検出装置の検出精度に悪影響を与えてしまう虞がある。特に、テラヘルツイメージング装置においては、ライン状の欠陥が画像に映ることがしばしばあり、画像の精度に影響を与えてしまう。
【００１６】
本発明は、電気光学素子としてのＺｎＴｅ単結晶基板に生じている欠陥（特に、（１１１）に沿ったスリップライン等）に起因してテラヘルツ電磁波の検出感度が低下するのを回避でき、さらには、テラヘルツ電磁波を利用した測定画像の精度を向上できるテラヘルツ電磁波検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、テラヘルツ電磁波を照射するテラヘルツ電磁波照射手段（例えば、励起光源とエミッタで構成される）と、プローブ光を照射するプローブ光照射手段と、前記テラヘルツ電磁波照射手段からのテラヘルツ電磁波と前記プローブ光照射手段からのプローブ光とが入射される電気光学素子と、前記電気光学素子を透過したプローブ光（の強度）を検出するプローブ光検出手段と、を少なくとも備えたテラヘルツ電磁波検出装置であって、前記電気光学素子は、｛１１０｝から{００１}の方向に１０〜４５°オフアングルしたＺｎＴｅ単結晶基板であることを特徴とする。
【００１８】
以下、本発明を完成するに至った経緯について説明する。
本発明者等は、検出感度のよいテラヘルツ電磁波検出装置を実現するために、電気光学素子の前後に偏光子と検光子を偏光方向が直交するように配置した状態のところにプローブ光をあて、漏れてくる光を調べた（クロスニコル測定）。このクロスニコル測定では、基板に欠陥や歪があると光の漏れが大きくなることから、基板の品質を調べるのに用いられる。そして、このクロスニコル測定において、プローブ光の透過量（プローブ光の漏れ）が小さくなる条件を検討した。
【００１９】
具体的には、まず、プローブ光の進行方向と、ＺｎＴｅ単結晶基板に生じている欠陥の方向に着目し、ＺｎＴｅ単結晶基板の後段に配置された検光子からプローブ光が漏れる要因を推測した。つまり、プローブ光はＺｎＴｅ単結晶の前段に配置された偏光子により偏波されるが、ＺｎＴｅ単結晶に生じた欠陥により散乱或いは偏光され楕円偏光となるため、ＺｎＴｅ単結晶を透過後に検光子から漏れるのではないかと考えた。
【００２０】
また、プローブ光はＺｎＴｅ単結晶基板の（１１０）に直交して入射するので、上述した（１１１）に沿ったスリップライン等の欠陥は、プローブ光の進行方向に対して平行に生じていることになる。そこで、プローブ光がスリップライン等の欠陥が生じやすい（１１１）と平行に入射しないようにすれば、これらの欠陥に起因してプローブ光の漏れが大きくなるのを回避できると考え、（１１０）から（１１１）の方向にＺｎＴｅ単結晶基板を傾けることを試みた。
【００２１】
具体的には、（１１０）から（１１１）の方向、さらには（００１）の方向にオフアングルしたＺｎＴｅ単結晶基板を複数枚用意し、これらのＺｎＴｅ単結晶基板についてクロスニコル測定を行った。その結果、ＺｎＴｅ単結晶の入射面のオフアングル、すなわち入射面の面方位に関わらず、プローブ光の漏れに別段大きな差は見られなかった。
【００２２】
ところで、ＺｎＴｅ単結晶基板を電気光学素子として用いたテラヘルツ電磁波検出装置において、テラヘルツ電磁波の検出感度は、物性上、（１１０）のＺｎＴｅ単結晶基板を用いたときが最も高いとされている。しかしながら、（１１１）のＺｎＴｅ単結晶基板を用いた場合でも、（１１０）のＺｎＴｅ単結晶を用いた場合に比較して検出感度は極端に低下することはない。例えば、文献（Chen et al. J. Opt. Soc. Am. B, vol. 18(6), (2001) p. 823.）によると、（１１１）のＺｎＴｅ単結晶基板を用いたときの検出感度は、（１１０）のＺｎＴｅ単結晶基板を用いたときの検出感度に対して８０％となっている。このことからも、（１１０）のＺｎＴｅ単結晶と（１１１）のＺｎＴｅ単結晶とでは、テラヘルツ電磁波の検出感度に大きな影響を与えるほどの差はないと考えられる。
【００２３】
一方、クロスニコル測定において、検光子を透過したプローブ光に基づいてイメージングしたときの画像について検証したところ、（１１０）のＺｎＴｅ単結晶基板ではライン上に画像の乱れが生じていた。この画像の乱れは、ＺｎＴｅ単結晶の欠陥に起因すると考えられた。
【００２４】
そこで、（１１０）から（００１）の方向にオフアングルした複数枚のＺｎＴｅ単結晶基板について、クロスニコル測定による画像を観察した。図２は、（１１０）のＺｎＴｅ単結晶基板、および（１１０）から（００１）の方向に１０°、２５°、３５°、４５°オフアングルしたＺｎＴｅ単結晶基板についてクロスニコル測定を行ったときの画像例である。なお、ＺｎＴｅの結晶系は立方晶であるため、（１１０）から（００１）の方向へ約３５°オフアングルすると（１１１）となる。
【００２５】
図２より、（１１０）のＺｎＴｅ単結晶基板を用いたときにはライン上の画像の乱れが明確に視認できるが、（１１０）からのオフアングルを大きくするに従って、この画像の乱れは減少する傾向にあり、（１１１）のＺｎＴｅ単結晶基板（（１１０）から３５°オフアングル）の場合にはほとんど見られなくなることが判明した。
【００２６】
また、（１１０）と（１１１）のＺｎＴｅ単結晶基板を電気光学素子としたテラヘルツイメージング装置において、得られたテラヘルツ画像を比較したところ、（１１０）から（１１１）の方向以外にオフアングルしたＺｎＴｅ単結晶基板を用いたときの感度の低下に比べると、画像精度は特に問題となるようなレベルではなかった。
【００２７】
さらに、（１１０）から（１１１）を越えてオフアングルしたＺｎＴｅ単結晶基板を用いた場合でも、ライン上に見られる画像の乱れは減少することがわかった。しかしながら、（１１０）から（１１１）を越えてさらにオフアングルした場合、徐々に電気光学効果のない（００１）に近づくため、オフアングルさせるメリットは少なくなる。
【００２８】
そこで、高い電気光学効果を維持しつつ、テラヘルツ画像の精度を向上できる境界を調べたところ、（１１１）から（００１）の方向に１０°傾けた面、すなわち（１１０）から（００１）の方向に４５°オフアングルした面が適当であることがわかった。
【００２９】
なお、（１１０）から（００１）の方向へ約３５°オフアングルすると（１１１）となるので、(１１１)から(００１)の方向へさらに１０°オフアングルした面は（１１０）から（００１）の方向へ４５°オフアングルさせた面となる。
【００３０】
また、上述した説明では、（１１０）、（１１１）、（００１）等、特定の面を区別して表しているが、当然にこれらと等価な面について同じ効果が得られる。
【００３１】
このように、クロスニコル測定およびテラヘルツ測定により、テラヘルツ電磁波検出装置の電気光学素子として、｛１１０｝から{００１}の方向に１０〜４５°オフアングルしたＺｎＴｅ単結晶基板を用いることで、格別の効果を得られるという知見を得て、本発明を完成するに至った。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、テラヘルツ電磁波検出装置において、{１１０}から{００１}の方向に１０〜４５°オフアングルしたＺｎＴｅ単結晶基板を電気光学素子として用いるようにしたので、ＺｎＴｅ単結晶基板に生じている欠陥（特に、（１１１）に沿ったスリップライン等）に起因してテラヘルツ電磁波の検出感度が低下するのを回避でき、さらに、テラヘルツ電磁波検出装置の一つであるテラヘルツイメージング装置においては、画像の精度を向上できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、ＺｎＴｅ単結晶を電気光学素子として用いたテラヘルツ電磁波検出装置の概略構成図である。
【００３４】
図１に示すテラヘルツ電磁波検出装置１００は、例えばレーザ光を発振するレーザ光源（プローブ光照射手段）１０１と、光学遅延手段１０２と、テラヘルツ電磁波を放射するエミッタ（テラヘルツ電磁波照射手段）１０３と、ＺｎＴｅ単結晶からなる電気光学素子１０６と、電気光学素子を通過して入射したプローブ光の強度を測定する、例えばフォトダイオードからなる光検出器（プローブ光検出手段）１０５と、励起光またはプローブ光を反射して所要の光路を決定する反射鏡（リフレクタ）Ｒ１〜Ｒ６と、光を分岐または結合するビームスプリッタＳ１，Ｓ２と、光の振動方向を一方向に制限する偏光子１０７，検光子１０４とで構成される。
【００３５】
なお、図１のテラヘルツ電磁波検出装置１００は、励起光源およびプローブ光源として同一のレーザ光源１０１を用い、レーザ光源１０１から発振されたレーザ光をビームスプリッタＳ１によって分岐させ、光学遅延手段１０２等によってそれぞれの光路長を調整できるようにして、テラヘルツ電磁波およびプローブ光が電気光学結晶１０６に入射するタイミングを調整できる装置構成としている。
【００３６】
上述した構成は従来のテラヘルツ電磁波検出装置と同様である。本実施形態では、電気光学素子１０６として、{１１０}から{００１}の方向に１０〜４５°オフアングルしたＺｎＴｅ単結晶基板を用いている点が異なる。
【００３７】
テラヘルツ電磁波検出装置１００では、まず、レーザ光源１０１から発振されたレーザ光は、ビームスプリッタＳ１で励起光とプローブ光に分岐される。そして、励起光は光学遅延手段１０２を通過したのち光伝導素子としてのＧａＡｓ基板１０８に入射する。このときに、例えば約５ｋＶのバイアス電圧を印加することによりテラヘルツ電磁波が発生し、発生したテラヘルツ電子波はビームスプリッタＳ２に入射する。
【００３８】
一方、プローブ光は、リフレクタＲ５，Ｒ６を介して偏光子１０７に入射して直線偏光に調えられた後、ビームスプリッタＳ２に入射する。次いで、ビームスプリッタＳ２を透過したテラヘルツ電磁波とビームスプリッタＳ２で反射されたプローブ光は、電気光学素子（ＺｎＴｅ単結晶基板）１０６に入射する。このとき、ＺｎＴｅ単結晶内部にはテラヘルツ電磁波により電界が生じる。そのため、ＺｎＴｅ単結晶に複屈折が誘起され、プローブ光は僅かに楕円偏光に変化される。
【００３９】
電気光学素子１０６を透過したプローブ光は、偏光子１０７の偏光方向から９０°回転させた偏光方向を有する検光子１０４に入射し、この検光子１０４を通過して漏れ出してくるプローブ光の強度を光検出器１０５で検出する。
【００４０】
本実施形態のテラヘルツ電磁波検出装置１００では、{１１０}から{００１}の方向に１０〜４５°オフアングルした（約３５°オフアングルしたときに｛１１１｝となる）ＺｎＴｅ単結晶基板を電気光学素子として用いているので、ＺｎＴｅ単結晶基板に生じている欠陥（特に、（１１１）に沿ったスリップライン等）に起因してプローブ光の漏れが増大するのを回避できる。よって、光検出器１０５で検出されたプローブ光の強度は、テラヘルツ電磁波により生じた電界の強度を精度よく反映することとなるので、テラヘルツ電磁波を感度よく検出することができる。
【００４１】
また、エミッタ１０３からのテラヘルツ電磁波を試料に照射し、試料を透過したテラヘルツ電磁波を検出することで、試料の電気的特性等を測定することができる。特に、ＣＣＤカメラを組み合わせてイメージングすることにより、試料の特性を画像として捉えることができる（いわゆるテラヘルツイメージング装置）。このようなテラヘルツイメージング装置においては、ＺｎＴｅ単結晶基板の欠陥に起因するライン状の画像の乱れが生じることもなくなり、画像の精度を向上できる。
【００４２】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではない。
【００４３】
例えば、特許文献１，２に開示されているＺｎＴｅ単結晶基板を張り合わせた電気光学素子にも適用することができる。この場合、テラヘルツ電磁波の入射側の単結晶基板を｛１１０｝から{００１}の方向に１０〜４５°オフアングルしたＺｎＴｅ単結晶基板とすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】ＺｎＴｅ電気光学結晶を用いたテラヘルツ電磁波検出装置の概略構成図である。
【図２】複数枚のＺｎＴｅ単結晶基板についてクロスニコル測定を行ったときの画像例である。
【符号の説明】
【００４５】
１００  テラヘルツ電磁波検出装置
１０１  レーザ光源（プローブ光照射手段）
１０２  光学遅延手段
１０３  エミッタ（テラヘルツ電磁波照射手段）
１０４  検光子
１０５  光検出器（プローブ光検出手段）
１０６  電気光学素子（ＺｎＴｅ単結晶基板）
１０７  偏光子
Ｒ１〜Ｒ６  反射鏡（リフレクタ）
Ｓ１，Ｓ２  ビームスプリッタ
【図１】
2010133704.tif 000003
【図２】
2010133704.tif 000004