(57)【要約】【課題】特定波長の先鋭性の高いテラヘルツ波発生手段を実現し、分解能に優れた分光装置を提供する。【解決手段】本発明は、１ＧＨｚ以上の或る特定の波長領域の電磁波（テラヘルツ波）を可変的に発振可能な光源装置１と、該光源装置１から発振された電磁波に対して共鳴条件に合った特定波長の電磁波を反射光として選択的に反射させるチューナブル波長選択フィルタ３０１とを具備した分光装置であって、前記チューナブル波長選択フィルタ３０１は、光束が入射する側に一定周期の複数の溝構造を有しており、電磁波の入射角を光源装置１からの発振波長と連動させて可変可能な駆動手段３に、チューナブル波長選択フィルタ３０１が保持されている構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１ＧＨｚ以上の或る特定の波長領域の電磁波を可変的に発振可能な光源装置と、
該光源装置から発振された電磁波に対して共鳴条件に合った特定波長の電磁波を反射光として選択的に反射させるチューナブル波長選択フィルタとを具備した分光装置であって、
前記チューナブル波長選択フィルタは、光束が入射する側に一定周期の複数の溝構造を有しており、前記電磁波の入射角を前記光源装置からの発振波長と連動させて可変可能な駆動手段に、前記チューナブル波長選択フィルタが保持されていることを特徴とする分光装置。
【請求項２】
請求項１記載の分光装置において、
前記光源装置と前記チューナブル波長選択フィルタの間に、前記光源装置から発振された電磁波を平行光に変換する光学素子が配備されていることを特徴とする分光装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の分光装置において、
前記駆動手段には、前記チューナブル波長選択フィルタとは別に前記電磁波を反射させるミラーが、前記チューナブル波長選択フィルタと有限な角度αを成して保持されていることを特徴とする分光装置。
【請求項４】
請求項３記載の分光装置において、
前記駆動手段から射出される特定波長の電磁波を集光する光学素子が配備されていることを特徴とする分光装置。
【請求項５】
請求項４記載の分光装置において、
前記光学素子で集光された電磁波を被検物に照射し、その被検物を透過した透過光／或いは反射した反射光を受光する受光部を有することを特徴とする分光装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一つに記載の分光装置において、
前記光源装置は、パラメトリック発振器であることを特徴とする分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ帯において所望の波長領域の光のみを取り出すチューナブル波長選択フィルタを用いた分光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、中赤外、遠赤外領域として知られていた周波数１ＧＨｚ以上の電磁波（近年はこの周波数帯をテラヘルツ波領域と呼ぶ）は、物質を構成している分子内の振動、回転運動、或いは分子どうしの相互作用により、特定の周波数に強い吸収を示すことから、バイオ・医療・セキュリティ分野などで未知の物質の同定を行なう分光技術に新しい知見を与えるとして、近年脚光を浴びている。特に、テラヘルツ帯の電磁波の発生／検出技術の進歩に伴い、更に幅広い分野での応用研究が進みつつある。
【０００３】
分光技術としては、例えば引用文献１、２などに開示されている、所謂「時間領域分光法」がテラヘルツ波を用いた技術としてよく知られている。これは、超短光パルス光源から発生されるパルスレーザを光分割手段で分割し、その一方がテラヘルツ波を発生する素子へ、もう一方を光学遅延手段へ導光し、被検物を照射したテラヘルツ波と光学遅延手段を通過したテラヘルツ波を同時に受光検出することで、被検物の屈折率と吸収の波長依存性を測定するというものである。
【０００４】
しかし、このような「時間領域分光法」を用いた分光測定機は大型化する傾向にあり、例えば大きな被検物や、移動のできない被検物の分光測定を行なう際に課題がある。特に分光特性は、被検物の状態（例えば錠剤なのか顆粒剤なのか）によっても大きく変わるため、むやみに破壊検査をすることができないので、分光測定機が大型で携帯できないという制約は問題である。
【０００５】
一方で、テラヘルツ波の波長を可変にできる「パラメトリック発振器」を用いた分光測定機が、引用文献３〜５に開示されている。「パラメトリック発振器」は、非線形光学効果を利用したテラヘルツ波を発生させる装置であり、入射するポンプ光をシグナル光とアイドラー光に分ける際、ポンプ光の非線形光学結晶への入射角との位相整合条件から、テラヘルツ波の発振波長を決定する。この「パラメトリック発振器」を用いた分光測定機は小型であり、また発振器と受光部が独立にレイアウトできるため、大きな被検物や移動できない被検物の分光測定に対するメリットがとても高いという特徴がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３５４２４６号公報
【特許文献２】特開２００２−９８６３４号公報
【特許文献３】特開２０００−３２１１３４号公報
【特許文献４】特開２００４−２１９９６７号公報
【特許文献５】特開２００５−２８４２３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
「パラメトリック発振器」の問題点としては、次のようなものがある。
「パラメトリック発振器」から放射したテラヘルツ波は、位相整合条件を満足する任意の特定波長λを持っているが、実際はλを中心として±Δλの幅を持ったブロードな波長特性を有する。
しかし、精度の高い分光測定を行なう場合には、できるだけΔλは小さくする必要がある。特に、被検物が気体の場合は、Δλが直接精度へ影響するため、気体を同定するような場合には、Δλの低減は重要である。また、金属メッシュを使った超微量たんぱく質の検出に照射するテラヘルツ波も、高分解能の検出を実施するためにはΔλを小さくしなければならない。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、特定波長の先鋭性の高いテラヘルツ波発生手段を実現し、分解能に優れた分光装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明の分光装置は、「１ＧＨｚ以上の或る特定の波長領域の電磁波（テラヘルツ波）を可変的に発振可能な光源装置と、該光源装置から発振された電磁波に対して共鳴条件に合った特定波長の電磁波を反射光として選択的に反射させるチューナブル波長選択フィルタとを具備」しており、「前記チューナブル波長選択フィルタは、光束が入射する側に一定周期の複数の溝構造を有しており、前記電磁波の入射角を前記光源装置からの発振波長と連動させて可変可能な駆動手段に、前記チューナブル波長選択フィルタが保持されている」ことを特徴とする（請求項１）。
【００１０】
そして、この分光装置では、「前記光源装置と前記チューナブル波長選択フィルタの間に、前記光源装置から発振された電磁波を平行光に変換する光学素子が配備されている」ことを特徴とする（請求項２）。
更に、この分光装置では、「前記駆動手段には、前記チューナブル波長選択フィルタとは別に前記電磁波を反射させるミラーが、前記チューナブル波長選択フィルタと有限な角度αを成して保持されている」ことを特徴とする（請求項３）。
更に、この分光装置では、「前記駆動手段から射出される特定波長の電磁波を集光する光学素子が配備されている」ことを特徴とする（請求項４）。
更に、この分光装置では、「前記光学素子で集光された電磁波を被検物に照射し、その被検物を透過した透過光／或いは反射した反射光を受光する受光部を有する」ことを特徴とする（請求項５）。
更にまた、この分光装置では「前記光源装置は、パラメトリック発振器である」ことを特徴とする（請求項６）。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、上記の構成により特定波長の先鋭性の高いテラヘルツ波発生手段を実現し、半値幅の狭いテラヘルツ波を得ることにより、分解能の高い分光装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の構成、動作及び作用効果を図示の実施例に基いて詳細に説明する。
【実施例】
【００１３】
図１は本発明の一実施例を示す分光装置の概略構成図である。
図１において、符号１は１ＧＨｚ以上の或る特定の波長領域の電磁波（以下、テラヘルツ波と言う）を可変的に発振可能な光源装置、２は光源装置１から発振されたテラヘルツ波を平行光に変換する光学素子（例えばシリンドリカルレンズ）、３はテラヘルツ波の入射角を光源装置１からの発振波長と連動させて可変可能な駆動手段である回転ステージ、４は駆動手段３から射出されるテラヘルツ波を集光する光学素子（例えば集光レンズ）、５は被検物、６は受光部を表わす。
【００１４】
光源装置１は、例えばパラメトリック発振器であり、不図示のパルスレーザからポンプ光が入射され、そのポンプ光が非線形光学結晶１０１を通過することでアイドラー光とシグナル光に分離して、テラヘルツ波を発振させる。尚、ミラー１０２とミラー１０３で共振器構造とすることで、シグナル光の増幅を図っている。また、符号１０４のシリコンプリズムを非線形光学結晶１０１に当設させることで、光源装置１の回転角度を変えても発振されるシグナル光の方向を変えないような工夫をしてある。このとき発振されるテラヘルツ波は、図中のｙ方向に平行でｚ方向（紙面に垂直方向）に発散の光束になるため、それを全体的に平行な光束に変換するための光学素子（シリンドリカルレンズ）２が、光源装置１の後ろに配備される。このようにシリンドリカルレンズ２を配備しておくと、テラヘルツ波を効率よく被検物に導光することが可能となる。
【００１５】
駆動手段である回転ステージ３には、チューナブル波長選択フィルタ３０１と反射ミラー３０２が角度αをなすように設置されており、シリンドリカルレンズ２を透過したテラヘルツ波は、チューナブル波長選択フィルタ３０１、反射ミラー３０２という順番に反射された後、集光レンズ４を通過して集光され被検物５に照射される。被検物５に照射されたテラヘルツ波は被検物５を透過し、その透過光が受光部６に入射される。尚、被検物５が非透過性の物質の場合は、被検物５からの反射光を受光部６に導光するようにしてもよい。受光部６は、例えばボロメータやショットキーバリアダイオード、焦電型検出器などである。
【００１６】
光源装置１から発振されるテラヘルツ波は、非線形光学結晶１０１とポンプ光の入射する角度によって、その発振波長が変化する。従って、ポンプ光の入射方向を固定し、非線形光学結晶１０１を回転させれば、或る特定の波長領域内で波長を可変的に発振可能となる。このような光源装置はパラメトリック発振器と呼ばれるが、分光装置の実体としては波長が可変的に発振可能なものであれば、光注入型パラメトリック発振器や半導体光伝導アンテナ、差周波混合テラヘルツ波発生装置などでもよい。
【００１７】
前述したように回転ステージ３には、チューナブル波長選択フィルタ３０１と反射ミラー３０２が設置されている。
チューナブル波長選択フィルタ３０１は、具体的には図２に示すような、平板の一方の面に一定の周期で等間隔に刻まれた直線状の溝（以降、「グレーティング」と呼ぶ）が形成されたものである。尚、便宜的に溝方向の偏光方向を「ＴＥ偏光方向」、ＴＥ偏光に直交する偏光方向を「ＴＭ偏光方向」と呼ぶこととする。
【００１８】
図３は図２に係るチューナブル波長選択フィルタ３０１の断面図を示す。図３において、Ｐはグレーティングの周期（ピッチ）、Ｌはグレーティングの凸部領域の幅、Ｌ／Ｐはグレーティングの「フィリングファクタ：ＦＦ」、ｔ２はグレーティングの溝深さ、ｔ１は平板のグレーティングが形成されていない部分の厚みを表す。尚、グレーティングが形成されているｔ２の部分を「グレーティング層」、ｔ１の部分を「導波層」と呼ぶこととすると、ｔ２はグレーティング層厚、ｔ１は導波層厚である。
【００１９】
図２、図３のような構造体に対し、グレーティング層側から入射した光は、グレーティング層の周期性により回折される。この回折波が、導波層内を伝搬する条件を満たすとき、再び周期構造と結合を起こして、入射光に対して鏡面反射の方向に回折波（反射波）を発生する。一方、導波条件を満足しない回折波は導波層に進入することができず、入射光に対して透過波となる。前記導波条件を満足する場合は、反射効率がほぼ１００％の高効率なフィルタになる。このフィルタはバンドパスの反射型フィルタであり、グレーティング層と導波層の構造（Ｐ、Ｌ、ｔ１、ｔ２、屈折率）を調節することで、後述するとおり反射する波長やフィルタの半値幅（反射率０．５のときの波長幅）をコントロールすることができる。
【００２０】
導波層の伝搬条件は入射光の偏光方向によって異なり、同じ構造であっても、反射波長は入射光の偏光方向によって異なる。また、一般にＴＭ偏光方向の光の方がＴＥ偏光方向の光に比べて半値幅が狭い。本実施例においては、入射光はＴＥ偏光方向の光を入射させる場合について説明する。図４は、テラヘルツ帯での屈折率が１．５２である樹脂フィルムを用いてチューナブル波長選択フィルタ３０１を以下の数値条件で作製した場合の分光反射率特性を示したものである。
・ピッチ：Ｐ＝１８０μｍ
・フィリングファクタ：ＦＦ＝０．５
・グレーティング層厚：ｔ２＝１０μｍ
・導波層厚：ｔ１＝１０μｍ
【００２１】
入射光にはＴＥ波を想定し、１８８μｍで反射するように設計を行った。半値幅は約１μｍであり、波長の１％程度と極めて狭い。また、それ以外の波長では反射率は０．１以下と小さい。この結果から、狭帯域のチューナブル波長選択フィルタとして機能すること、および、非共鳴反射光の反射率が低くできていることが分かる。
【００２２】
次に、このチューナブル波長選択フィルタ３０１の分光反射特性のピーク波長、半値幅を変える方法を示す。図５はピッチが異なる３種類のチューナブル波長選択フィルタの分光反射率特性を示す図である。ピッチの違いにより反射ピーク波長が異なる。図６は図５の反射ピーク波長のピッチ依存性を示すグラフである。図から明らかなように、ピッチを大きくすることにより反射ピーク波長を長波長側へシフトさせることができる。
【００２３】
また図７はグレーティング層厚が異なる３種類のチューナブル波長選択フィルタの分光反射率特性を示す図である。グレーティング層厚の違いにより反射ピーク波長が異なるとともに、半値幅が異なる。図８は図７の半値幅のグレーティング層厚依存性を示すグラフである。グレーティング層厚を大きくすることにより半値幅を広くすることができることがわかる。同様に導波層厚を計算すると、導波層厚が大きくなると半値幅は狭くなることがわかる。これらの作用により、フィルタの反射帯域を一定の範囲内で変えることができ、用途に応じたチューナブル波長選択フィルタを得ることができる。
【００２４】
尚、図２、図３ではグレーティング層の凸部断面形状は矩形形状であるが、矩形に限定されるものでなく、光束入射側になるほど細くなる台形形状や三角形状であってもよい。台形形状や三角形状とすることにより、光束入射時の屈折率変化が緩やかとなるため、フレネル反射がさらに低減可能であり、非反射波長の反射率をさらに抑制することが可能である。
【００２５】
このようなチューナブル波長選択フィルタ３０１の作製方法としては、例えば、原版といわれる部品を切削やフォトレジストなどで作製し、この凹凸を樹脂フィルムに転写し作製される。最も優れた転写の方法として、電鋳法でメッキにより転写金型を作製した後、この金型を樹脂で転写し部品とする方法が提案されている。また、転写ではなく、樹脂フィルムを直接的に切削加工する方法であってもよい。この実施例におけるチューナブル波長選択フィルタ３０１は樹脂フィルムにグレーティング形状を形成するだけで実現可能なため、簡素な製造プロセスで、低コストに生産可能である。
【００２６】
図９は、グレーティング層に対して垂直に光束が入射するときを０度とし、チューナブル波長選択フィルタ３０１を５度、１０度、１５度（図９では図示を省略）と回転させたときの分光反射率特性について示している。入射角θを変化させることにより０度のときのピーク波長を中心に、長波長側と短波長側それぞれに２本のピークがたつ。図１０は入射角θに対する反射ピーク波長を示すものであり、入射角θを大きくするほど線形にピーク波長が変化していくことがわかる。この作用により、半値幅一定のまま、チューナブル波長選択フィルタ３０１の反射波長を可変させることができる。
【００２７】
図１１は、以上に説明したチューナブル波長選択フィルタ３０１を実際に加工し、それを拡大して写真撮影したものの写しである。これを、図１に示した回転ステージ３に搭載し、光源装置１から放射されるテラヘルツ波の波長を可変させて、更にそれに連動するように回転ステージ３をφ方向に回転させることで、チューナブル波長選択フィルタ３０１への入射角θを可変とし、ピーク波長に対する半値幅を狭くすることが可能となる。
【００２８】
回転ステージ３には、チューナブル波長選択フィルタ３０１の他に反射ミラー３０２が設置されているが、分光装置の実体としては反射ミラー３０２はなくともよい。しかし、反射ミラー３０２を設置すると次のようなメリットが生じる。もし、反射ミラー３０２がないと、チューナブル波長選択フィルタ３０１で反射されたテラヘルツ波は、回転ステージ３の回転に伴い、その向きが変わってしまう。そのため、集光レンズ４と被検物５と受光部６を一体的に移動させる必要がある。これは、装置の大型化を招く惧れがあり好ましくない。一方、図１にあるように反射ミラー３０２を設置すると、回転ステージ３が回転しても、そこから射出するテラヘルツ波の方向は一定である。もちろん、射出する位置は変わるが、方向さえ一定であれば、その後方に配備されている集光レンズ４の作用により、被検物５を集光レンズ４の焦点位置に設定すれば、被検物５を移動させることなくその分光特性を評価することができるようになる。
【００２９】
図１２には、図１１のように加工されたチューナブル波長選択フィルタ３０１の分光透過率特性を示した。この図は、図９に対応するもので、理論的に計算された結果とよく一致していることが理解できる。尚、図１２は縦軸を透過率で示しているので、図９とはグラフの特性が逆転していることに注意する必要がある。また、加工誤差や樹脂フィルムの吸収特性などの影響で、透過率が０％（すなわち、反射率が１００％）にはなっていないが、これはチューナブル波長選択フィルタ３０１の構造を樹脂フィルムによる１層構造ではなく、異なる材料による多層構造にするなどで、解決が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施例を示す分光装置の概略構成図である。
【図２】図１に示す分光装置に用いられるチューナブル波長選択フィルタの一例を示す要部斜視図である。
【図３】図２に係るチューナブル波長選択フィルタの要部断面図である。
【図４】チューナブル波長選択フィルタの分光反射率特性の一例を示す図である。
【図５】ピッチが異なる３種類のチューナブル波長選択フィルタの分光反射率特性を示す図である。
【図６】図５の反射ピーク波長のピッチ依存性を示す図である。
【図７】グレーティング層厚が異なる３種類のチューナブル波長選択フィルタの分光反射率特性を示す図である。
【図８】図７の半値幅のグレーティング層厚依存性を示す図である。
【図９】グレーティング層に対して垂直に光束が入射するときを０度とし、チューナブル波長選択フィルタを５度、１０度と回転させたときの分光反射率特性を示す図である。
【図１０】入射角θに対する反射ピーク波長を示す図である。
【図１１】実際に加工したチューナブル波長選択フィルタを拡大して写真撮影したものの写しである。
【図１２】図１１のように加工されたチューナブル波長選択フィルタの分光透過率特性を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１：光源装置
２：光学素子（シリンドリカルレンズ）
３：回転ステージ（駆動手段）
４：集光光学素子（集光レンズ）
５：被検物
６：受光部
１０１：非線形光学結晶
１０２，１０３：ミラー
１０４：シリコンプリズム
３０１：チューナブル波長選択フィルタ
３０２：反射ミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010096729.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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