(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光伝導アンテナを用いた電磁波形状検出装置であって、
基板と、その表面に形成された金属膜から成る光伝導アンテナ電極と、その各電極に接続された配線と、その配線に接続され電極間にかかる電流を測定する電流測定手段と、電極間の間隙にサンプリング光を照射するサンプリング光照射手段と、検出対象の電磁波を電極間の間隙に照射する被検出波照射手段とを備えた構成において、
光伝導アンテナ電極が、複数組設けられ、
それら複数組の光伝導アンテナ電極が、電極間の間隙を共有する位置に配置され、
複数組の光伝導アンテナのアンテナパターンまたは形状が異なり、
被検出波照射手段による検出対象の電磁波の偏波方位が、各電極組が向き合う方位とずらして設定され、
サンプリング光照射手段によるサンプリング光の照射タイミングが、光学遅延によって徐々に変えられ、各光伝導アンテナ電極間に発生する電流が、電流測定手段により計測され、電流値として電磁波形状が検出される
ことを特徴とする電磁波形状検出装置。
【請求項２】
光伝導アンテナ電極が、２組設けられ、
その各電極組が向き合う方位のなす角が９０°であり、
被検出波照射手段による検出対象の電磁波の偏波方位が、各電極組が向き合う方位に対して４５°をなす
請求項１に記載の電磁波形状検出装置。
【請求項３】
複数組の光伝導アンテナのアンテナパターンが異なり、
一つの光伝導アンテナが、ダイポール型であり、
他の光伝導アンテナが、ボウタイ型、ストリップライン型、スパイラル型、フレア型のいずれかである
請求項１または２に記載の電磁波形状検出装置。
【請求項４】
複数組の光伝導アンテナのアンテナパターンが異なり、
一つの光伝導アンテナが、ボウタイ型であり、
他の光伝導アンテナが、ダイポール型、ストリップライン型、スパイラル型、フレア型のいずれかである
請求項１または２に記載の電磁波形状検出装置。
【請求項５】
複数組の光伝導アンテナのアンテナパターンが異なり、
一つの光伝導アンテナが、ストリップライン型であり、
他の光伝導アンテナが、ダイポール型、ボウタイ型、スパイラル型、フレア型のいずれかである
請求項１または２に記載の電磁波形状検出装置。
【請求項６】
複数組の光伝導アンテナのアンテナパターンが異なり、
一つの光伝導アンテナが、スパイラル型であり、
他の光伝導アンテナが、ダイポール型、ボウタイ型、ストリップライン型、フレア型のいずれかである
請求項１または２に記載の電磁波形状検出装置。
【請求項７】
複数組の光伝導アンテナのアンテナパターンが異なり、
一つの光伝導アンテナが、フレア型であり、
他の光伝導アンテナが、ダイポール型、ボウタイ型、ストリップライン型、スパイラル型のいずれかである
請求項１または２に記載の電磁波形状検出装置。
【請求項８】
複数組の光伝導アンテナのアンテナパターンが等しく、
形状が異なる
請求項１または２に記載の電磁波形状検出装置。
【請求項９】
光伝導アンテナの電極が高伝導度特性を有する非金属である
請求項１ないし８のいずれかに記載の電磁波形状検出装置。
【請求項１０】
被検出波照射手段による検出対象の電磁波が、テラヘルツ波を中心とした帯域である
請求項１ないし９のいずれかに記載の電磁波形状検出装置。
【請求項１１】
光伝導アンテナを用いた電磁波形状検出方法であって、
基板と、その表面に形成された金属膜から成る光伝導アンテナ電極と、その各電極に接続された配線と、その配線に接続され電極間にかかる電流を測定する電流測定手段と、電極間の間隙にサンプリング光を照射するサンプリング光照射手段と、検出対象の電磁波を電極間の間隙に照射する被検出波照射手段とを備えた構成を用い、
光伝導アンテナ電極を、複数組設け、
それら複数組の光伝導アンテナ電極を、電極間の間隙を共有する位置に配置し、
複数組の光伝導アンテナのアンテナパターンまたは形状を異ならせ、
被検出波照射手段による検出対象の電磁波の偏波方位を、各電極組が向き合う方位とずらして設定し、
サンプリング光照射手段によるサンプリング光の照射を、光学遅延によってタイミングを徐々に変えながら行い、
各光伝導アンテナ電極間に発生する電流を、電流測定手段により計測し、
得られた電磁波の電場波形をフーリエ変換することで、振幅と位相の情報を同時かつ独立に得る
ことを特徴とする電磁波形状検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光伝導アンテナを用いた電磁波形状検出方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、遠赤外線やサブミリ波の領域において新しい発生及び検出方式の研究が急速に進展しつつあり、テラヘルツ波が注目されている。この領域は、赤外とミリ波の間、換言すれば光波と電波の境界に位置する。光と電波のそれぞれの領域が重要な応用技術と共に発展してきたのとは対照的に、技術面でも応用面でも未だ開拓途上にある領域である。
【０００３】
テラヘルツ波帯は、古くから適当な光源と検出素子が無かったために、あまり研究が進んでいなかった。２０世紀後半になって半導体工学やレーザー工学が発達すると、半導体で作製したアンテナ素子をフェムト秒パルスレーザーで励起することでテラヘルツ波が放射される現象が見い出された。
非特許文献１は、従来方法に比べて小さな装置で簡単にテラヘルツ波を放射できるだけでなく、放射されたテラヘルツ波を時間領域で測定できるので、その振幅情報と位相情報とを同時に得られることを開示している。
【０００４】
この研究成果を契機としてテラヘルツ波に関する研究は急速に発展しつつあり、無線通信における周波数帯の有効利用や超高速通信への対応、並びにこの周波数帯の電磁波の特徴を活用したイメージングや、環境計測、各種検査、バイオや医学への応用など、テラヘルツ領域の研究は今後ますます重要になる。
また、これまで光源・検出器が未発達であったために解明されていない物理現象・生命現象・物質構造の解明、更に、宇宙、大気や生体、プラズマなどの計測・診断など幅広い基礎的な応用分野の発展につながる。
【０００５】
光技術を用いてテラヘルツ波を発生させる従来の方式には、次のようなものがある。すなわち、非線形光学結晶を用いた差周波光発生（DFG）、非線形光学結晶を用いたパラメトリック発振、光伝導（PC）素子を用いた光混合、PC素子を用いたフェムト秒光パルスによる超短電磁パルス発生が挙げられる。
【０００６】
非線形光学結晶を用いたDFGと非線形光学結晶を用いたパラメトリック発振は、２次の非線形光学効果を有する結晶に光波を入射し、位相整合条件下でテラヘルツ波を発生させる構成である。DFGでは、二つの入射光の波長間隔を変化させることによって、発生させるテラヘルツ波の波長を制御する。一方、パラメトリック発振を用いる方式では、入射光は１波長でよく、またその入射角を変化させるのみで、発生させるテラヘルツ波の波長を制御できる特長がある。
【０００７】
PC素子を用いた光混合とPC素子を用いたフェムト秒光パルスによる超短電磁パルス発生は、非線形光学効果ではなくピコ秒以下のキャリア寿命を有する低温成長 GaAs 薄膜における光伝導効果を用いて光混合を行うものであり、バイアス電界が必要になる点が上記方式と異なる。
微小ダイポールアンテナやスパイラル状のアンテナを一体化した PC 素子を用いて、850 nm 帯の２台の LD 出力の光混合により 0.2〜3
THz の周波数域の CW-テラヘルツ波発生が行われている。また、同様な PC 素子にフェムト秒光パルスを照射することによって、テラヘルツ波を含んだ幅広い周波数成分を有する超短電磁パルスの発生が可能である。
【０００８】
テラヘルツ波を検出する従来の方式には、次のようなものがある。すなわち、光伝導アンテナやEO結晶、MO結晶、自己相関分光法を用いた時間領域検出器、不純物半導体光伝導型検出器や量子井戸検出器を用いた半導体量子型検出器、冷却半導体ボロメータやアンテナ結合マイクロボロメータを用いた熱的検出器、SISミキサーやHEBミキサー、STJ検出器、TES検出器を用いた超伝導検出器が挙げられる。
【０００９】
テラヘルツ波時間領域分光法では、光源として、フェムト秒光パルスを光伝導アンテナや非線形光学結晶に照射することによって発生するテラヘルツ波を用い、サンプリング光が光伝導アンテナなどに照射された時のテラヘルツ電場に比例した信号を時系列で測定し、電場強度の時間波形をフーリエ変換することにより、テラヘルツ波の振幅と位相を同時に独立して検出することができる。
そのため、物質の複素屈折率や複素誘電率などを簡便に検出でき、また、液体ヘリウム冷却が不要な利点もある。
【００１０】
従来の光伝導アンテナによるテラヘルツ波の時間形状検出装置は、ダイポール型に制作した二つの電極間にテラヘルツ波とサンプリング光を照射し、サンプリング光の照射タイミングを徐々に変えながら電極間に発生する電流を検出することによってテラヘルツ波形状を検出する構成である。
しかし、ここで検出できるテラヘルツ波は、低周波領域では集光密度が下がるために、原理的に低周波側の検出感度が低くなってしまう。この現象は非線形結晶によるEO効果を用いた検出においても同様である。特に、約0.5THzより低周波側では急速に検出感度が低下し、0.1THz以下のミリ波帯では十分な強度で時間形状を得ることができなかった。
【００１１】
非特許文献２及び３は、三端子アンテナを用いることで偏光方向に敏感な光伝導アンテナを開示しているが、検出帯域を拡張する手段については触れられていない。
同様に、光伝導アンテナに関連する特許文献１〜４などでも、検出帯域を拡張する手段については開示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−２７７３９３  「測定方法及び装置、並びに、イメージ化方法及び装置」
【特許文献２】特開２００４−５５６２６  「パルス幅制御装置並びにそれを用いたＴＨｚ電磁波発生装置及び発生方法」
【特許文献３】特開２００５−１２９７３２  「テラヘルツ光発生装置およびテラヘルツ光測定装置」
【特許文献４】特開２００７−７８６６６  「電磁波形状検出方法及び装置」
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】D.H. Auston, K.P. Cheung, and P.R. Smith,Appl.Phys. Lett. 45, 284 (1984)
【非特許文献２】Appl. Phys. Lett. 86, 254102-4 (2005)
【非特許文献３】OPTICSEXPRESS, 15,11650-57 (2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで、本発明は、簡便な手段によって有効に、テラヘルツ波帯を中心とする検出帯域を拡張すると共に、高感度で検出できる電磁波形状検出方法及び装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の電磁波形状検出装置は、次の構成を備える。
すなわち、光伝導アンテナを用いた電磁波形状検出装置であって、基板と、その表面に形成された金属膜から成る光伝導アンテナ電極と、その各電極に接続された配線と、その配線に接続され電極間にかかる電流を測定する電流測定手段と、電極間の間隙にサンプリング光を照射するサンプリング光照射手段と、検出対象の電磁波を電極間の間隙に照射する被検出波照射手段とを備えた構成において、光伝導アンテナ電極が、複数組設けられ、それら複数組の光伝導アンテナ電極が、電極間の間隙を共有する位置に配置され、被検出波照射手段による検出対象の電磁波の偏波方位が、各電極組が向き合う方位とずらして設定され、サンプリング光照射手段によるサンプリング光の照射タイミングが、光学遅延によって徐々に変えられ、各光伝導アンテナ電極間に発生する電流が、電流測定手段により計測され、電流値として電磁波形状が検出されることを特徴とする。
【００１６】
ここで、光伝導アンテナ電極を、２組設け、その各電極組が向き合う方位のなす角を９０°にし、被検出波照射手段による検出対象の電磁波の偏波方位を、各電極組が向き合う方位に対して４５°をなすように配向してもよい。
【００１７】
複数組の光伝導アンテナのアンテナパターンを異ならせ、一つの光伝導アンテナを、ダイポール型とし、他の光伝導アンテナを、ボウタイ型、ストリップライン型、スパイラル型、フレア型のいずれかとしてもよい。
【００１８】
複数組の光伝導アンテナのアンテナパターンを異ならせ、一つの光伝導アンテナを、ボウタイ型でとし、他の光伝導アンテナを、ダイポール型、ストリップライン型、スパイラル型、フレア型のいずれかとしてもよい。
【００１９】
複数組の光伝導アンテナのアンテナパターンを異ならせ、一つの光伝導アンテナを、ストリップライン型とし、他の光伝導アンテナを、ダイポール型、ボウタイ型、スパイラル型、フレア型のいずれかとしてもよい。
【００２０】
複数組の光伝導アンテナのアンテナパターンを異ならせ、一つの光伝導アンテナを、スパイラル型とし、他の光伝導アンテナを、ダイポール型、ボウタイ型、ストリップライン型、フレア型のいずれかとしてもよい。
【００２１】
複数組の光伝導アンテナのアンテナパターンを異ならせ、一つの光伝導アンテナを、フレア型とし、他の光伝導アンテナを、ダイポール型、ボウタイ型、ストリップライン型、スパイラル型のいずれかとしてもよい。
【００２２】
複数組の光伝導アンテナのアンテナパターンを等しくし、形状を異ならせてもよい。
【００２３】
光伝導アンテナの電極は、従来公知の金属でもよいが、高伝導度特性を有する半導体などの非金属で構成してもよい。
【００２４】
被検出波照射手段による検出対象の電磁波としては、テラヘルツ波を中心とした帯域のものが好適である。
【００２５】
本発明の電磁波形状検出方法は、次の構成を備える。
すなわち、光伝導アンテナを用いた電磁波形状検出方法であって、基板と、その表面に形成された金属膜から成る光伝導アンテナ電極と、その各電極に接続された配線と、その配線に接続され電極間にかかる電流を測定する電流測定手段と、電極間の間隙にサンプリング光を照射するサンプリング光照射手段と、検出対象の電磁波を電極間の間隙に照射する被検出波照射手段とを備えた構成を用い、光伝導アンテナ電極を、複数組設け、それら複数組の光伝導アンテナ電極を、電極間の間隙を共有する位置に配置し、被検出波照射手段による検出対象の電磁波の偏波方位を、各電極組が向き合う方位とずらして設定し、サンプリング光照射手段によるサンプリング光の照射を、光学遅延によってタイミングを徐々に変えながら行い、各光伝導アンテナ電極間に発生する電流を、電流測定手段により計測し、得られた電磁波の電場波形をフーリエ変換することで、振幅と位相の情報を同時かつ独立に得ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によると、ダイポール型とボウタイ型など、複数の光伝導アンテナを用いる簡便な手段でありながらも、各アンテナに応じた検出帯域を得られることによって、広帯域化と高感度化とが図られる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明装置の一実施例を示す要部説明図
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に、図面を基に本発明の実施形態を説明する。ここでは、光伝導アンテナの組の一例を挙げるが、他のアンテナパターンについても同様に実施でき、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜設計変更可能である。また、発明の要部以外については、前記特許文献など従来公知の技術を適宜援用可能である。
【００２９】
図１は、本発明装置の一実施例を示す要部説明図である。
低温成長ＧａＡｓなどで構成される基板（１１）の表面に、パターニング形成された金属膜から成る光伝導アンテナ（１２）（１３）を有する。図示の例では、ダイポール型（１２）とボウタイ型（１３）の２つのアンテナパターンが用いられている。各端子電極（１２ａ）（１２ｂ）（１３ａ）（１３ｂ）には、それぞれ配線（１４）（１５）を介して、電極間にかかる電流を測定する電流測定手段（１６）（１７）が接続されている。
【００３０】
ここで、ダイポール型光伝導アンテナ（１２）とボウタイ型光伝導アンテナ（１３）とは、それぞれの電極間の間隙（１８）を共有する位置に配置する。
また、各電極組が向き合う方位のなす角を９０°に設定する。すなわち、ダイポール型光伝導アンテナ（１２）の２つの端子電極（１２ａ）（１２ｂ）を結ぶ線と、ボウタイ型光伝導アンテナ（１３）の２つの端子電極（１３ａ）（１３ｂ）を結ぶ線とを直交させる。
【００３１】
被検出波照射手段による検出対象の電磁波（２１）の偏波方位は、各端子電極組（１２ａ）（１２ｂ）（１３ａ）（１３ｂ）が向き合う方位とずらして設定する。図示の例では、４５°をなすように配向されている。すなわち、検出対象の電磁波の偏波面と、ダイポール型光伝導アンテナ（１２）の２つの端子電極（１２ａ）（１２ｂ）を結ぶ線とのなす角も、ボウタイ型光伝導アンテナ（１３）の２つの端子電極（１３ａ）（１３ｂ）を結ぶ線とのなす角も、等しく４５°である。
【００３２】
テラヘルツ波検出装置としては、約0.01〜100×1012Hzの帯域のパルス光を試料に照射して、試料からの透過光または反射光を検出することにより、試料の電気的特性や成分濃度などを測定する装置として利用できる。
試料を透過または反射したテラヘルツ波（２１）は、半球状等のレンズやミラーを介して入射し、電極間の間隙（１８）に照射される。一方、サンプリング光照射手段によって、サンプリング光としてのパルス光（２２）も、同じく照射される。なお、パルス光（２２）の光源としては、例えばフェムト秒パルスレーザーが利用できる。集光レンズを介挿してパルス光（２２）の光束を絞ってもよい。
【００３３】
サンプリング光としてのパルス光（２２）が照射されると、光キャリアが生じて各アンテナ（１２）（１３）は導通し、光キャリアはテラヘルツ波（２１）の電場によって加速されるので、その電流を電流測定手段（１６）（１７）で計測することで、テラヘルツ波（２１）に依存する電場強度を求めることができる。
サンプリング光としてのパルス光（２２）が各アンテナ（１２）（１３）に到達するタイミングを光学遅延によって細かく変えながら電流測定を行うと、それぞれ向き合う２つの端子電極組（１２ａ）（１２ｂ）（１３ａ）（１３ｂ）の方向と平行な偏波方向のテラヘルツ波の電場波形が得られる。
得られた電磁波の電場波形をＰＣ等によりフーリエ変換することで、テラヘルツ波（２１）のスペクトルを得られ、その振幅と位相の情報を同時かつ独立に求められる。
【００３４】
ここで、ダイポール型光伝導アンテナ（１２）とボウタイ型光伝導アンテナ（１３）との双方によって検出されるので、各アンテナに応じた検出帯域を得られることによって、広帯域化と高感度化が行える。
【００３５】
上記実施例は、ダイポール型とボウタイ型の光伝導アンテナを１つずつ用いた例であるが、アンテナパターンとしては、ダイポール型、ボウタイ型、ストリップライン型、スパイラル型、フレア型の中から異なる２つを組み合わせても同様に利用可能である。
また、上記実施例では、ダイポール型とボウタイ型の光伝導アンテナの配向を、両者を直交配置させたが、平行以外の配向にしても同様に利用可能である。
また、上記実施例では、２つの光伝導アンテナを用いたが、３以上の光伝導アンテナを用いても同様に利用可能である。
【００３６】
更に、上記実施例では、異なるアンテナパターンの光伝導アンテナを組み合わせたが、同じアンテナパターンの光伝導アンテナを用い、それら光伝導アンテナの形状など異らせて特性を変えても同様に利用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明によると、容易に広帯域化と高感度化が行えるので、例えばテラヘルツ波帯の検出装置に適用して、精度の高く維持される通信用の電磁波受信アンテナや、センシングシステム分野における検出装置や、分光装置のための検出装置などに活用できる。
【００３８】
テラヘルツ波技術は、原子系の量子状態を制御する手段としての原子チップ、原子光学、BEC技術や、物質系の新しい観測手段としても有望であり、本発明はテラヘルツ波の多様な用途に寄与する。
テラヘルツ波の応用分野は、物性、分子分光、生体研究などの基礎研究から、半導体など各種材料の品質評価、高感度ガス検出、超高速通信などの応用分野まで多岐にわたる。
また、半導体、プラスチック、ビニール、紙、ゴム、木材、歯、骨、乾燥食品などを透過する電磁波の中で、テラヘルツ波が最も短波長すなわち高分解能であることから、人体に危険なX線に代わる安全な非破壊検査用光源としての実用化に期待がもたれる。
更に、DNAやタンパク質、酵素など生体高分子の骨格振動周波数が、テラヘルツ波領域に存在することが明らかになりつつあり、医療応用や生体イメージングなどの分野でも有望である。
また、皮膚癌や乳癌の早期診断、火傷深さの診断、虫歯の断層撮影、半導体シリコン基板の検査、粉ミルク等への異物混入防止、乾燥食品の水分含有量検査、材木や紙などの水分含有量検査など多分野にわたるので、産業上利用価値が高い。
【符号の説明】
【００３９】
１１    基板
１２    ダイポール型光伝導アンテナ
１２ａ、１２ｂ    ダイポール型光伝導アンテナの端子電極
１３    ボウタイ型光伝導アンテナ
１３ａ、１３ｂ    ボウタイ型光伝導アンテナの端子電極
１４、１５    配線
１６、１７    電流測定手段
１８    電極間の間隙
２１    検出対象の電磁波
２２    サンプリング光
【図１】
0005413899.tif 000002