(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板に支持され、表面を有する熱電材料層と、
前記熱電材料層の前記表面の端にパルス光を照射して前記熱電材料層を局所的に加熱し、それによって前記熱電材料層からテラヘルツ電磁波を発生させるパルスレーザ光源システムと、
を備えるテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項２】
前記パルスレーザ光源システムは、前記熱電材料層の前記表面の前記端を跨ぐ光スポットを形成するように構成されている請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項３】
前記テラヘルツ電磁波の周波数は０．１ＴＨｚから１００ＴＨｚまでの範囲内にある請求項１または２に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項４】
前記パルスレーザ光源システムは、パルス幅が１フェムト秒から１ナノ秒までの範囲内にある前記パルス光を出射する光源と、
前記光源から出射された前記パルス光を前記熱電材料層の前記表面における端に導く光学系と、
を含む請求項３に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項５】
前記光源はフェムト秒レーザ光源である、請求項４に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項６】
前記熱電材料層は、単元素からなる熱電材料、合金系熱電材料、および酸化物系熱電材料のいずれかから形成されている、請求項１から５のいずれかに記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項７】
前記熱電材料層は、Ｂｉ、Ｓｂ、ＢｉＴｅ系合金、ＰｂＴｅ系合金、ＳｉＧｅ系合金、ＣａxＣｏＯ2、ＮａxＣｏＯ2、ＳｒＴｉＯ3からなる群から選択された少なくとも１つから形成されている、請求項６に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項８】
前記熱電材料層の厚さは、１０ｎｍから１μｍまでの範囲内にある、請求項１から７のいずれかに記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項９】
前記基板は、前記テラヘルツ波を透過するように構成されている、請求項１から８のいずれかに記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項１０】
請求項１から９に記載のテラヘルツ電磁波発生装置と、
前記テラヘルツ電磁波発生装置から発生したテラヘルツ電磁波を物体に照射する光学系と、
前記物体を透過または反射したテラヘルツ電磁波を検出する検出器と、
を備えるテラヘルツ分光装置。
【請求項１１】
前記検出器からの出力に基づいて特定波長のテラヘルツ電磁波の画像を生成する処理装置を更に含む請求項１０に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項１２】
熱電材料体を用意する工程Ａと、
前記熱電材料体の一部にパルス光を照射して前記熱電材料体を局所的に加熱する工程Ｂと、
を含み、
前記工程Ｂは、
前記熱電材料体内に非対称な熱分布を形成するように前記熱電材料体を局所的に加熱する工程と、
前記熱電材料体の前記局所的に加熱された部分に熱拡散電流を生成し、それによってテラヘルツ電磁波を発生させる工程と、
を含む、テラヘルツ電磁波の発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、テラヘルツ電磁波発生装置、テラヘルツ分光装置、およびテラヘルツ電磁波の発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ電磁波とは、本明細書において、０．１ＴＨｚから１００ＴＨｚまでの範囲内にある周波数を有する電磁波を指すものとする。１ＴＨｚ（１テラヘルツ）は、１×１０12（＝１０の１２乗）Ｈｚである。テラヘルツ電磁波は、セキュリティ、医療分野、電子部品の非破壊検査など様々な分野において応用されている。テラヘルツ電磁波の周波数帯には、様々な電子材料、有機分子および気体分子の励起モード、振動モードまたは回転モードが存在するため、材料識別のための「指紋」としてテラヘルツ電磁波を用いることが検討されている。また、テラヘルツ電磁波は、Ｘ線などに比べて安全な電磁波であるため、人体に影響を及ぼさずに医学的な診断に用いることも可能である。【０００３】
従来のテラヘルツ電磁波発生素子としては、非特許文献１に記載されているように、光伝導素子や非線形光学結晶が用いられている。いずれの素子においても、数フェムト秒〜数１００フェムト秒のパルス幅を持つレーザ（以下ではフェムト秒レーザと表現）を素子に照射することでテラヘルツ電磁波が発生する。１フェムト秒は、１×１０-15（＝１０の−１５乗）秒である。真空中の電磁波は１フェムト秒で約３００ｎｍ進行する。【０００４】
このようなテラヘルツ電磁波の発生は、古典電磁気学における双極子放射と呼ばれる現象を利用している。すなわち、加速度運動する電気分極、あるいは電流の時間変化は、その変化の速さに応じた周波数の電磁波を発生させる。フェムト秒レーザ照射によって誘起される分極あるいは電流の変化は、レーザのパルス幅に応じて数フェムト秒〜数１００フェムト秒で起きるので、双極子放射によって発生する電磁波はテラヘルツ帯の周波数を持つ。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒ．  １，２６，（２００２）．
【非特許文献２】Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ７３，１５５３３０，（２００６）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光伝導素子を用いたテラヘルツ電磁波発生方法では、光伝導素子にバイアス電圧を印加する必要がある。したがって、テラヘルツ電磁波の発生には、フェムト秒レーザに加え、外部電圧源が必要となる。しかしながら、テラヘルツ電磁波を用いた技術の実用化には、様々な環境下で使用できるように、外部電圧源を必要としないテラヘルツ電磁波発生方法が求められる。【０００７】
一方、非線形光学結晶を利用したテラヘルツ電磁波発生方法では、外部電圧源は必要ない。しかしながら、二次の非線形光学効果を利用するため、フェムト秒レーザを非線形光学結晶の定められた結晶方位に向けて精度よく照射しなければならない。また、位相整合条件を満たす必要があり、非線形光学結晶には精密な設計、加工、制御が求められる。【０００８】
本開示は、より簡単な構成で実現し得るテラヘルツ電磁波発生技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示のテラヘルツ電磁波発生装置は、基板と、前記基板に支持され、表面を有する熱電材料層と、前記熱電材料層の前記表面の端にパルス光を照射して前記熱電材料層を局所的に加熱し、それによって前記熱電材料層からテラヘルツ電磁波を発生させるパルスレーザ光源システムと、を備える。【００１０】
本開示のテラヘルツ分光装置は、上記のテラヘルツ電磁波発生装置と、前記テラヘルツ電磁波発生装置から発生したテラヘルツ電磁波を物体に照射する光学系と、前記物体を透過または反射したテラヘルツ電磁波を検出する検出器とを備える。【００１１】
本開示のテラヘルツ電磁波の発生方法は、熱電材料体を用意する工程Ａと、前記熱電材料体の一部にパルス光を照射して前記熱電材料体を局所的に加熱する工程Ｂとを含み、前記工程Ｂは、前記熱電材料体内に非対称な熱分布を形成するように前記熱電材料体を局所的に加熱する工程と、前記熱電材料体の前記局所的に加熱された部分に熱拡散電流を生成し、それによってテラヘルツ電磁波を発生させる工程とを含む。
【発明の効果】
【００１２】
本開示によれば、熱電材料層にフェムト秒レーザを照射することにより、巨視的な電流を誘起することができる。この電流を起源として、テラヘルツ電磁波を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】ゼーベック効果を示す図
【図１Ｂ】本開示のテラヘルツ電磁波発生素子の斜視図
【図１Ｃ】本開示のテラヘルツ電磁波発生装置の模式図
【図２Ａ】フェムト秒レーザビーム５が入射したときのテラヘルツ電磁波発生素子４を模式的に示す断面図
【図２Ｂ】フェムト秒レーザビーム５が入射したときのテラヘルツ電磁波発生素子４を模式的に示す上面図
【図２Ｃ】熱電材料層２における表面２０の中央部にフェムト秒レーザビーム５が照射されたときの様子を模式的に示す上面図
【図２Ｄ】本開示の実施形態におけるテラヘルツ分光装置の構成例を示す図
【図２Ｅ】テラヘルツ電磁波の発生方法を示すフローチャート
【図２Ｆ】ライン状にパターニングされた熱電材料層２を有するテラヘルツ電磁波発生素子４を模式的に示す断面図
【図２Ｇ】ライン状にパターニングされた熱電材料層２を有するテラヘルツ電磁波発生素子４を模式的に示す上面図
【図２Ｈ】開口部を有する熱電材料層２を有するテラヘルツ電磁波発生素子４を模式的に示す断面図
【図２Ｉ】開口部を有する熱電材料層２を有するテラヘルツ電磁波発生素子４を模式的に示す上面図である。
【図３Ａ】ＢｉとＳｉＯ2から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｂｉ、左側：ＳｉＯ2」となる配置を示す斜視図
【図３Ｂ】ＢｉとＳｉＯ2から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｂｉ、左側：ＳｉＯ2」となる配置で、フェムト秒レーザを照射したときに発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を示す図
【図４】図３Ｂのテラヘルツ電磁波波形のパワースペクトル
【図５Ａ】ＢｉとＳｉＯ2から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「左側：Ｂｉ、右側：ＳｉＯ2」となる配置を示す斜視図
【図５Ｂ】ＢｉとＳｉＯ2から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「左側：Ｂｉ、右側：ＳｉＯ2」となる配置で、フェムト秒レーザを照射したときに発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を示す図
【図６】図５Ｂのテラヘルツ電磁波波形のパワースペクトルを示す図
【図７】ＢｉとＳｉＯ2から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、フェムト秒レーザの照射位置を一次元に走査したときに発生したテラヘルツ電磁波のピーク強度の変化を示す図
【図８Ａ】Ｂｉ2Ｔｅ3とＳｉＯ2から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｂｉ2Ｔｅ3、左側：ＳｉＯ2」となる配置を示す斜視図
【図８Ｂ】Ｂｉ2Ｔｅ3とＳｉＯ2から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｂｉ2Ｔｅ3、左側：ＳｉＯ2」となる配置で、フェムト秒レーザを照射したときに発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を示す図
【図９】図８Ｂのテラヘルツ電磁波波形のパワースペクトルを示す図
【図１０Ａ】Ｂｉ2Ｔｅ3とＳｉＯ2から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「左側：Ｂｉ2Ｔｅ3、右側：ＳｉＯ2」となる配置を示す斜視図
【図１０Ｂ】Ｂｉ2Ｔｅ3とＳｉＯ2から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「左側：Ｂｉ2Ｔｅ3、右側：ＳｉＯ2」となる配置で、フェムト秒レーザを照射したときに発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を示す図
【図１１】図１０Ｂのテラヘルツ電磁波波形のパワースペクトルを示す図
【図１２】Ｂｉ2Ｔｅ3とＳｉＯ2から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、フェムト秒レーザの照射位置を一次元に走査したときに発生したテラヘルツ電磁波のピーク強度の変化を示す図
【図１３Ａ】ＢｉとＡｌ2Ｏ3から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｂｉ、左側：Ａｌ2Ｏ3」となる配置を示す斜視図
【図１３Ｂ】ＢｉとＡｌ2Ｏ3から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｂｉ、左側：Ａｌ2Ｏ3」となる配置で、フェムト秒レーザを照射したときに発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を示す図
【図１４Ａ】ＢｉとＡｌ2Ｏ3から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「左側：Ｂｉ、右側：Ａｌ2Ｏ3」となる配置を示す斜視図
【図１４Ｂ】ＢｉとＡｌ2Ｏ3から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「左側：Ｂｉ、右側：Ａｌ2Ｏ3」となる配置で、フェムト秒レーザを照射したときに発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を示す図
【図１５Ａ】ＢｉとＭｇＯから構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｂｉ、左側：ＭｇＯ」となる配置を示す斜視図
【図１５Ｂ】ＢｉとＭｇＯから構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｂｉ、左側：ＭｇＯ」となる配置で、フェムト秒レーザを照射したときに発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を示す図
【図１６Ａ】ＢｉとＭｇＯから構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「左側：Ｂｉ、右側：ＭｇＯ」となる配置を示す斜視図
【図１６Ｂ】ＢｉとＭｇＯから構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「左側：Ｂｉ、右側：ＭｇＯ」となる配置で、フェムト秒レーザを照射したときに発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を示す図
【図１７Ａ】Ｂｉ2Ｔｅ3とＡｌ2Ｏ3から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｂｉ2Ｔｅ3、左側：Ａｌ2Ｏ3」となる配置を示す斜視図
【図１７Ｂ】Ｂｉ2Ｔｅ3とＡｌ2Ｏ3から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｂｉ2Ｔｅ3、左側：Ａｌ2Ｏ3」となる配置で、フェムト秒レーザを照射したときに発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を示す図
【図１８Ａ】Ｂｉ2Ｔｅ3とＡｌ2Ｏ3から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「左側：Ｂｉ2Ｔｅ3、右側：Ａｌ2Ｏ3」となる配置を示す斜視図
【図１８Ｂ】Ｂｉ2Ｔｅ3とＡｌ2Ｏ3から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「左側：Ｂｉ2Ｔｅ3、右側：Ａｌ2Ｏ3」となる配置で、フェムト秒レーザを照射したときに発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を示す図
【図１９Ａ】Ｂｉ2Ｔｅ3とＭｇＯから構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｂｉ2Ｔｅ3、左側：ＭｇＯ」となる配置を示す斜視図
【図１９Ｂ】Ｂｉ2Ｔｅ3とＭｇＯから構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｂｉ2Ｔｅ3、左側：ＭｇＯ」となる配置で、フェムト秒レーザを照射したときに発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を示す図
【図２０Ａ】Ｂｉ2Ｔｅ3とＭｇＯから構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「左側：Ｂｉ2Ｔｅ3、右側：ＭｇＯ」となる配置を示す斜視図
【図２０Ｂ】Ｂｉ2Ｔｅ3とＭｇＯから構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「左側：Ｂｉ2Ｔｅ3、右側：ＭｇＯ」となる配置で、フェムト秒レーザを照射したときに発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を示す図
【図２１Ａ】ＡｕとＳｉＯ2から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ａｕ、左側：ＳｉＯ2」となる配置を示す斜視図
【図２１Ｂ】ＡｕとＳｉＯ2から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ａｕ、左側：ＳｉＯ2」となる配置で、フェムト秒レーザを照射したときに測定した電磁波の時間領域波形を示す図
【図２２Ａ】ＡｕとＳｉＯ2から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「左側：Ａｕ、右側：ＳｉＯ2」となる配置を示す斜視図
【図２２Ｂ】ＡｕとＳｉＯ2から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「左側：Ａｕ、右側：ＳｉＯ2」となる配置で、フェムト秒レーザを照射したときに測定した電磁波の時間領域波形を示す図
【図２３Ａ】Ｆｅ2Ｏ3とＡｌ2Ｏ3から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｆｅ2Ｏ3、左側：Ａｌ2Ｏ3」となる配置を示す斜視図
【図２３Ｂ】Ｆｅ2Ｏ3とＡｌ2Ｏ3から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｆｅ2Ｏ3、左側：Ａｌ2Ｏ3」となる配置で、フェムト秒レーザを照射したときに測定した電磁波の時間領域波形を示す図
【図２４Ａ】Ｆｅ2Ｏ3とＡｌ2Ｏ3から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「左側：Ｆｅ2Ｏ3、右側：Ａｌ2Ｏ3」となる配置を示す斜視図
【図２４Ｂ】Ｆｅ2Ｏ3とＡｌ2Ｏ3から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子において、レーザビームによって照射される領域が、「左側：Ｆｅ2Ｏ3、右側：Ａｌ2Ｏ3」となる配置で、フェムト秒レーザを照射したときに測定した電磁波の時間領域波形を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本開示のテラヘルツ電磁波発生装置では、熱電材料に発現するゼーベック効果を利用する。ゼーベック効果とは、物体の温度差が電圧に直接変換される現象であり、熱電効果の一種である。図１Ａは、ゼーベック効果を模式的に示す図である。図１Ａには、ｎ型熱電材料とｐ型熱電材料とが示されている。それぞれ、図の左側端の温度が右側端の温度よりも高い状態にある。このとき、ｎ型熱電材料では、相対的に高い温度の左側から相対的に低い温度の右側に向かって多数キャリアである電子が移動（熱拡散）し、電圧が発生する。一方、ｐ型熱電材料では、相対的に高い温度の左側から相対的に低い温度の右側に向かって多数キャリアであるホールが移動（熱拡散）し、電圧が発生する。多数キャリアの移動する方向は、いずれも高温部から低温部であり、共通している。しかし、ｎ型熱電材料とｐ型熱電材料とでは、多数キャリアの極性が異なるため、電流の向きは反対になる。
【００１５】
一般に、熱電材料は物質内部に温度勾配を与えることによって電圧および電流が発生する材料である。本開示では、フェムト秒レーザによって熱電材料の内部に温度勾配を導入し、その結果、熱拡散に伴って生じる電流を利用して、双極子放射によりテラヘルツ電磁波を発生させる。ただし、電流が空間において対称に誘起された場合、巨視的に電流は生じていないため、テラヘルツ電磁波は発生しない。それに対して、非対称な電流を誘起できれば、電流は巨視的に一方向に流れる結果、双極子放射によりテラヘルツ電磁波を発生させることができる。
【００１６】
本開示によるテラヘルツ電磁波発生装置は、基板と、この基板に支持され、表面を有する熱電材料層と、熱電材料層の表面の端にパルス光を照射して熱電材料層を局所的に加熱し、それによって熱電材料層からテラヘルツ電磁波を発生させるパルスレーザ光源システムとを備える。
【００１７】
以下、本開示の実施形態を説明する。
【００１８】
（実施形態）
図１Ｂは、本開示の実施形態におけるテラヘルツ電磁波発生素子４の斜視図である。図１Ｂに示すように、本実施形態で使用するテラヘルツ電磁波発生素子４は、基板１と、基板１に支持された熱電材料層２とを備える。参考のため、図には、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなるＸＹＺ座標が記載されている。例示されている基板１は平板状である。基板１の主面はＸＹ面に平行であり、Ｚ軸に直交している。
【００１９】
図１Ｃは、本開示の実施形態におけるテラヘルツ電磁波発生装置の構成例を模式的に示す斜視図である。図１Ｃに示されるように、本実施形態のテラヘルツ電磁波発生装置は、フェムト秒レーザ光源３と、テラヘルツ電磁波発生素子４とを備える。テラヘルツ電磁波発生素子４は、前述したように、基板１に支持された熱電材料層２を有している。本実施形態におけるフェムト秒レーザ光源３は、パルス状のフェムト秒レーザビーム５をテラヘルツ電磁波発生素子４における熱電材料層２の端部に照射する。フェムト秒レーザのパルス幅は１フェムト秒から１ナノ秒までの範囲内、典型的には１０フェムト秒から１００フェムト秒までの範囲内の値に設定され得る。このようなパルス状のフェムト秒レーザは、１秒間に例えば１〜１０8回照射可能である。パルス状のフェムト秒レーザビーム５が照射された熱電材料層２の端部における温度は短時間（レーザ照射時間程度）で上昇し、ゼーベック効果による熱拡散に伴った電流が熱電材料層２の端部から内側に向かって発生する。この電流を源として熱電材料層２の端部付近から周りの空間に向けてテラヘルツ電磁波６が放射される。
【００２０】
図２Ａは、フェムト秒レーザビーム５が入射したときのテラヘルツ電磁波発生素子４を模式的に示す断面図であり、図２Ｂは、その模式的上面図である。図示されているテラヘルツ電磁波発生素子４において、フェムト秒レーザビーム５が照射された部分の温度は短時間に急上昇し、概略的には図２Ａの白い矢印３０で示す方向に温度勾配が発生する。温度勾配は、図２ＢのＸ軸方向に平行な成分以外に、Ｙ軸方向の成分も有し得る。しかし、温度勾配において、＋Ｙ軸方向の成分と−Ｙ軸方向とは対称的であり得るのに対して、＋Ｘ軸方向の成分と−Ｘ軸方向の成分とは非対称である。これは、熱電材料層２の端部を選択的に昇温することの結果である。
【００２１】
図２Ｃは、熱電材料層２における表面２０の中央部にフェムト秒レーザビーム５が照射されたときの様子を模式的に示す上面図である。この場合、フェムト秒レーザビーム５のスポットは熱電材料層２の表面２０の端２０ｅを跨いでおらず、フェムト秒レーザビーム５の全体が熱電材料層２を照射する。この場合に発生する温度勾配は、図２Ｃの矢印３０で模式的に示すように、ＸＹ面内で等方的である。
【００２２】
本発明者の実験によると、後述するように、温度勾配がＸＹ面内で等方的であるとき、テラヘルツ電磁波は発生しない。一方、本開示の実施形態によれば、テラヘルツ電磁波が発生し、それは例えば図２Ｂに示すようにＸＹ面内で非対称的な熱拡散電流が生じるためであると考えられる。
【００２３】
本明細書では、フェムト秒レーザビーム５のスポット半径をｒとすると、そのレーザビームの中心位置から距離ｒ以内の領域に熱電材料層２の表面２０の端２０ｅが位置するようにフェムト秒レーザの照射位置を調整し、パルス的なレーザ照射によって熱電材料層２の表面の端を選択的に加熱する。フェムト秒レーザビーム５のスポット半径ｒは、ビーム強度がビーム中心強度の１／ｅ以上となる領域の半径として定義される。ここで、ｅは自然対数の底であり、２．７の近似値で表すこととする。
【００２４】
本実施形態で使用するフェムト秒レーザは熱電材料層２の温度をパルス的に上昇させるため、レーザの波長は、レーザ光が熱電材料層２によって吸収される範囲内の値に設定される。レーザ光が熱電材料層２に吸収される波長範囲は、熱電材料層２を構成する熱電材料の種類によって異なり得る。
【００２５】
本開示のテラヘルツ電磁波発生素子では、ゼーベック効果によって生じる熱拡散電流がテラヘルツ電磁波の源となるので、熱電材料層２の素材は、ｎ型、ｐ型どちらの材料でもよい。熱電材料層２は、ゼーベック係数および電気伝導度が高い材料から形成され得る。熱電材料層２に使用され得る熱電材料の例は、Ｂｉ、Ｓｂなどの単元素からなる熱電材料、ＢｉＴｅ系、ＰｂＴｅ系、ＳｉＧｅ系などの合金系熱電材料、ＣａxＣｏＯ2、ＮａxＣｏＯ2、ＳｒＴｉＯ3などの酸化物系熱電材料を含む。本明細書における「熱電材料」とは、絶対値が３０μＶ／Ｋ以上のゼーベック係数を有し、かつ、電気抵抗率が１０ｍΩｃｍ以下の材料を意味する。このような熱電材料は、結晶でも、非晶質でもよい。
【００２６】
本実施形態における基板１は、発生したテラヘルツ電磁波を透過できる材料、例えば誘電体から形成され得る。基板１に使用され得る誘電体は、例えばＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＬＳＡＴを含み得る。基板１の全体は、同一の材料から形成されている必要はないし、基板１の厚さが均一である必要もない。基板１の主面は、典型的には平坦であるが、凹凸が存在してもよい。基板１に求められる機能は、熱電材料層２を支持することにあり、その機能が実現される限り、多様な形態をとり得る。
【００２７】
本開示のテラヘルツ電磁波発生素子４における熱電材料層２の厚さは、発生するテラヘルツ電磁波を５０％以上透過できる厚さに設定され得る。テラヘルツ電磁波が発生する領域における熱電材料層２の厚さは、例えば１０ｎｍから１０００ｎｍ（１μｍ）までの範囲内に設定され得る。熱電材料層２の製造方法は特に限定されない。スパッタ法、蒸着法、レーザアブレーション法、化学的気相成長法などの気相成長法、または液相成長法などの種々の方法が適用可能である。熱電材料層２は、直接に基板１の主面上に成長させられる必要はなく、他の基板上に成長させられた後、基板１の主面に移動させられてもよい。
【００２８】
図２Ｄは、本開示の実施形態におけるテラヘルツ分光装置の構成例を示す図である。この分光装置は、フェムト秒レーザ５を出射する光源システム１００と、本開示によるテラヘルツ電磁波発生素子４と、テラヘルツ電磁波発生素子４から発生したテラヘルツ電磁波６を物体（サンプル３００）に照射するための光学系（ミラー２００ａ、２００ｂ）と、サンプル３００を透過したテラヘルツ電磁波１６を検出する検出器４００とを備えている。このテラヘルツ分光装置は、検出器４００からの出力に基づいて特定波長のテラヘルツ電磁波の画像を生成する処理装置５００を更に含んでいてもよい。
【００２９】
本開示によるテラヘルツ電磁波の発生方法は、図２Ｅに示すように、熱電材料体を用意する工程Ｓ１００と、その熱電材料体の端にパルス光（フェムト秒レーザビーム）を照射して熱電材料体の端を局所的に加熱する工程Ｓ２００とを含む。そして、この工程Ｓ２００は、熱電材料体内に非対称な熱分布を形成するように熱電材料体を局所的に加熱する工程Ｓ２１０と、熱電材料体の局所的に加熱された部分に熱拡散電流を生成し、それによってテラヘルツ電磁波を発生させる工程Ｓ２２０とを含む。
【００３０】
本実施形態で使用する熱電材料層２は、図２Ａおよび図２Ｂに例示される形状を有している必要はない。熱電材料層２は、公知の方法により、他の形状を有するようにパターニングされていてもよい。熱電材料層２は、例えば直線、屈曲線、または曲線のパターンを有していてもよいし、単数または複数の開口部を有していてもよい。熱電材料層２は、１つの基板１上で複数の領域に分割されていてもよいし、基板１の主面の全体を覆っていてもよい。また、基板１の主面の外側に熱電材料層２の一部が延長されていてもよい。熱電材料層２は、ナノワイヤの層であってもよい。熱電材料層２の表面は平坦である必要はないし、熱電材料層２の厚さが面内で均一である必要もない。
【００３１】
図２Ｆは、ライン状にパターニングされた熱電材料層２を有するテラヘルツ電磁波発生素子４を模式的に示す断面図であり、図２Ｇは、その模式的上面図である。図示されているテラヘルツ電磁波発生素子４においても、基板１に支持された熱電材料層２の表面２０における端２０ｅにフェムト秒レーザビーム５が照射される。この図の例では、３本のラインにパターニングされた熱電材料層２のうちの１つのラインを構成する部分の一端にフェムト秒レーザ５が照射されている。
【００３２】
図２Ｈは、開口部を有する熱電材料層２を有するテラヘルツ電磁波発生素子４を模式的に示す断面図であり、図２Ｉは、その模式的上面図である。図示されているテラヘルツ電磁波発生素子４においても、熱電材料層２における表面２０の端２０ｅにフェムト秒レーザビーム５が照射される。この例における表面２０の端２０ｅは、開口部の外縁の一部である。
【００３３】
以下、本開示の具体的な実施例を説明する。
【００３４】
＜実施例１＞
熱電材料としてＢｉ、基板材料としてＳｉＯ2を用いる素子を以下の方法で作製した。Ｂｉはｎ型の熱電材料であり、ゼーベック係数は−７５μＶ／Ｋ、電気抵抗率は０．１ｍΩｃｍであった。一方、ＳｉＯ2は絶縁体であり、熱電材料ではない。
【００３５】
ＳｉＯ2基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ）の上に、厚さ５０ｎｍのＢｉ層を形成した。Ｂｉ層の形成には真空蒸着法を使用した。成膜チャンバー内を１．０×１０-3Ｐａ以下まで排気した後、ＳｉＯ2基板は加熱せずに蒸着を行った。Ｂｉ層の形成時には、ＳｉＯ2基板の主面にメタルマスクを被せてあり、ＳｉＯ2基板の主面の一部だけがＢｉ層で覆われるようにした。このようにして、図１Ｂに示すような構造の、熱電材料（Ｂｉ）と絶縁体（ＳｉＯ2）から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子を作製した。なおＳｉＯ2基板の面積１０ｍｍ×１０ｍｍに対して、その上に積層したＢｉ層の面積は１ｍｍ×１ｍｍとした。
【００３６】
テラヘルツ電磁波発生素子を加熱するためのフェムト秒レーザとして、波長８００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ、繰り返し周波数８０ＭＨｚのＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザを利用した。
【００３７】
上記方法で作製したテラヘルツ電磁波発生素子に対して、Ｂｉ層の片方の端部に、１００μｍ（＝２ｒ）に集光したフェムト秒レーザを照射し、テラヘルツ電磁波の時間領域波形を測定した。このとき、レーザビームの中心は、Ｂｉ層の片方の端部に位置するように調整した。まずは、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｂｉ、左側：ＳｉＯ2」となる配置（図３Ａ）で、フェムト秒レーザをテラヘルツ電磁波発生素子に照射した。このとき発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を図３Ｂに示す。テラヘルツ電磁波の時間領域波形を見ると、２０ｐｓ（ピコ秒）付近に、負のピーク強度を持つパルス波が発生していることがわかる。この時間領域波形をフーリエ変換することによって得られるパワースペクトルを図４に示す。発生した電磁波は、０．１ＴＨｚ−１ＴＨｚ程度の周波数帯域を持っており、テラヘルツ電磁波の発生が確認できた。
【００３８】
次に、レーザビームによって照射される領域が、「右側：ＳｉＯ2、左側：Ｂｉ」となる配置（図５Ａ）で、フェムト秒レーザをテラヘルツ電磁波発生素子に照射した。このとき発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を図５Ｂに示す。テラヘルツ電磁波の時間領域波形を見ると、２０ｐｓ付近に、正のピーク強度を持つパルス波が発生していることがわかる。この時間領域波形をフーリエ変換することによって得られるパワースペクトルを図６に示す。発生した電磁波は、０．１−１ＴＨｚ程度の周波数帯域を持っており、テラヘルツ電磁波の発生が確認できた。
【００３９】
このように、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｂｉ、左側：ＳｉＯ2」となる配置（図３Ａ）でテラヘルツ電磁波を発生させた場合と、「右側：ＳｉＯ2、左側：Ｂｉ」となる配置（図５Ａ）でテラヘルツ電磁波を発生させた場合とで、テラヘルツ電磁波の電場の極性（時間波形における最大ピークが正か負か）が反転していることがわかる。テラヘルツ電磁波の電場の極性は、その源となる電流の向きによって決まる。したがって、図３Ｂと図５Ｂで観測されたテラヘルツ電磁波の電場の極性が反転していることは、レーザビームによって照射される領域において、左右どちら側にＢｉが配置されているかで、誘起される電流の向きが変わることを意味している。実際、レーザビームによって照射される領域において、「左側：Ｂｉ、右側：ＳｉＯ2」となる配置（図３Ａ）では、Ｂｉ内において熱せられた電子は、左側に向かって拡散するため、電流は右側に流れる。一方、レーザビームに覆われている領域内において、「左側：ＳｉＯ2、右側：Ｂｉ」となる配置（図５Ａ）では、Ｂｉ内において熱せられた電子は、右側に向かって拡散するため、電流は左側に流れる。なお、ＳｉＯ2は絶縁体であるので、熱拡散に伴って電流は流れない。
【００４０】
このように、図３Ｂと図５Ｂで観測されたテラヘルツ電磁波の極性の反転は理解でき、熱電材料であるＢｉ内において発生する電流がテラヘルツ電磁波の源となっていることを表している。
【００４１】
次に、フェムト秒レーザの照射位置を、ＳｉＯ2側からＢｉ側に向かって走査し、発生するテラヘルツ電磁波のピーク強度の変化を測定した。この時のフェムト秒レーザのビーム径（＝２ｒ）は１００μｍである。結果を図７に示す。レーザビームが完全にＳｉＯ2側にあるときには、テラヘルツ電磁波は発生しない。しかしながら、Ｂｉ層の端部にレーザビームが入射すると、テラヘルツ電磁波のピーク強度は上昇し始め、Ｂｉ層の端部付近に中心が来たときに最大値を示した。レーザビーム位置をさらにＢｉ側に移動させると、テラヘルツ電磁波のピーク強度は減少し始め、レーザビームが完全にＢｉの領域に入ると、テラヘルツ電磁波は観測されなくなる。さらにレーザビーム位置を移動し、反対側のＢｉ層の端部に達すると、再度テラヘルツ電磁波が観測される。この結果は、テラヘルツ電磁波の発生には、レーザビームに覆われる領域内に、熱電材料層の端部が含まれることが重要であることを表している。
【００４２】
＜実施例２＞
熱電材料としてｐ型のＢｉ2Ｔｅ3、基板材料としてＳｉＯ2を用いる素子を以下の方法で作製した。Ｂｉ2Ｔｅ3のゼーベック係数は＋２１０μＶ／Ｋ、電気抵抗率は１ｍΩｃｍであった。一方、ＳｉＯ2は絶縁体であり、熱電材料ではない。
【００４３】
ＳｉＯ2基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ）の上に、厚さ５０ｎｍのＢｉ2Ｔｅ3層を形成した。Ｂｉ2Ｔｅ3層の形成には真空蒸着法を使用した。成膜チャンバー内を１．０×１０-3Ｐａ以下まで排気した後、ＳｉＯ2基板は加熱せずに蒸着を行った。Ｂｉ2Ｔｅ3層の形成時には、ＳｉＯ2基板の主面にメタルマスクを被せてあり、ＳｉＯ2基板の主面の一部だけがＢｉ2Ｔｅ3層で覆われるようにした。このようにして、図１Ｂに示すような構造の、熱電材料（Ｂｉ2Ｔｅ3）と絶縁体（ＳｉＯ2）から構成されたテラヘルツ電磁波発生素子を作製した。なおＳｉＯ2基板の面積１０ｍｍ×１０ｍｍに対して、その上に積層したＢｉ2Ｔｅ3層の面積は１ｍｍ×１ｍｍとした。
【００４４】
テラヘルツ電磁波発生素子を加熱するためのフェムト秒レーザとして、波長８００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ、繰り返し周波数８０ＭＨｚのＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザを利用した。
【００４５】
上記方法で作製したテラヘルツ電磁波発生素子に対して、Ｂｉ2Ｔｅ3の片方の端部に、１００μｍ（＝２ｒ）に集光したフェムト秒レーザを照射し、テラヘルツ電磁波の時間領域波形を測定した。このとき、レーザビームの中心は、Ｂｉ2Ｔｅ3層の片方の端部に位置するように調整した。
【００４６】
まずは、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｂｉ2Ｔｅ3、左側：ＳｉＯ2」となる配置（図８Ａ）で、フェムト秒レーザをテラヘルツ電磁波発生素子に照射した。このとき発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を図８Ｂに示す。テラヘルツ電磁波の時間領域波形を見ると、２０ｐｓ付近に、正のピーク強度を持つパルス波が発生していることがわかる。この時間領域波形をフーリエ変換することによって得られるパワースペクトルを図９に示す。発生した電磁波は、０．１−１ＴＨｚ程度の周波数帯域を持っており、テラヘルツ電磁波の発生が確認できた。
【００４７】
次に、レーザビームによって照射される領域が、「右側：ＳｉＯ2、左側：Ｂｉ2Ｔｅ3」となる配置（図１０Ａ）で、フェムト秒レーザをテラヘルツ電磁波発生素子に照射した。このとき発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を図１０Ｂに示す。テラヘルツ電磁波の時間領域波形を見ると、２０ｐｓ付近に、負のピーク強度を持つパルス波が発生していることがわかる。この時間領域波形をフーリエ変換することによって得られるパワースペクトルを図１１に示す。発生した電磁波は、０．１−１ＴＨｚ程度の周波数帯域を持っており、テラヘルツ電磁波の発生が確認できた。
【００４８】
このように、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｂｉ2Ｔｅ3、左側：ＳｉＯ2」となる配置（図８Ａ）でテラヘルツ電磁波を発生させた場合と、「右側：ＳｉＯ2、左側：Ｂｉ2Ｔｅ3」となる配置（図１０Ａ）でテラヘルツ電磁波を発生させた場合とで、テラヘルツ電磁波の電場の極性（時間波形における最大ピークが正か負か）が反転していることがわかる。テラヘルツ電磁波の電場の極性は、その源となる電流の向きによって決まる。したがって、図８Ｂと図１０Ｂで観測されたテラヘルツ電磁波の電場の極性が反転していることは、レーザビームによって照射される領域が、左右どちら側にＢｉ2Ｔｅ3が配置されているかで、誘起される電流の向きが変わることを意味している。実際、レーザビームによって照射される領域が、「左側：Ｂｉ2Ｔｅ3、右側：ＳｉＯ2」となる配置（図１０Ａ）では、Ｂｉ2Ｔｅ3内において熱せられたホールは、左側に向かって拡散するため、電流は左側に流れる。一方、レーザビームによって照射される領域が、「左側：ＳｉＯ2、右側：Ｂｉ2Ｔｅ3」となる配置（図８Ａ）では、Ｂｉ2Ｔｅ3内において熱せられたホールは、右側に向かって拡散するため、電流は右側に流れる。この結果は、実施例１で示したｎ型熱電材料であるＢｉの場合とは反対の挙動となっており、両者のキャリアの種類（電子であるかホールであるか）の違いを反映している。なお、ＳｉＯ2は絶縁体であるので、熱拡散に伴って電流は流れない。
【００４９】
このように、図８Ｂと図１０Ｂで観測されたテラヘルツ電磁波の極性の反転は理解でき、熱電材料であるＢｉ2Ｔｅ3内において発生する電流がテラヘルツ電磁波の源となっていることを表している。
【００５０】
次に、フェムト秒レーザの照射位置を、ＳｉＯ2側からＢｉ2Ｔｅ3側に向かって走査し、発生するテラヘルツ電磁波のピーク強度の変化を測定した。なお、この時のフェムト秒レーザのビーム径は１００μｍである。結果を図１２に示す。レーザビームが完全にＳｉＯ2側にあるときには、テラヘルツ電磁波は発生しない。しかしながら、Ｂｉ2Ｔｅ3層の端部にレーザビームが入射すると、テラヘルツ電磁波のピーク強度は上昇し始め、Ｂｉ2Ｔｅ3層の端部付近に中心が来たときに最大値を示した。レーザビーム位置をさらにＢｉ2Ｔｅ3側に移動させると、テラヘルツ電磁波のピーク強度は減少し始め、レーザビームが完全にＢｉ2Ｔｅ3の領域に入ると、テラヘルツ電磁波は観測されなくなる。さらにレーザビーム位置を移動し、反対側のＢｉ2Ｔｅ3層の端部に達すると、再度テラヘルツ電磁波が観測される。この結果は、テラヘルツ電磁波の発生には、レーザビームに覆われる領域内に、熱電材料層の端部が含まれることが重要であることを表している。
【００５１】
実施例１および実施例２で説明したＢｉおよびＢｉ2Ｔｅ3のテラヘルツ電磁波放射特性は、フェムト秒レーザの偏光に対して依存性を示さなかった。これは、テラヘルツ電磁波発生メカニズムが二次の非線形効果ではないことを示している。一方、半導体や絶縁体において、ｐｈｏｔｏ−Ｄｅｍｂｅｒ効果と呼ばれる、光励起されたキャリアの拡散が関係するテラヘルツ電磁波発生メカニズムもこれまでに報告されている。しかしｐｈｏｔｏ−Ｄｅｍｂｅｒ効果によって発生するテラヘルツ電磁波の極性は、多数キャリアの種類（電子かホールか）に依存しない（非特許文献２）。これは、実施例１と実施例２で示すテラヘルツ電磁波放射特性と異なる。したがって、本開示のテラヘルツ電磁波発生メカニズムはｐｈｏｔｏ−Ｄｅｍｂｅｒ効果に起因するものでもない。
【００５２】
このように、本開示のテラヘルツ電磁波発生方法は、新規メカニズムに基づいたものであり、外部電圧源を必要としない簡易なテラヘルツ電磁波源を提供する。
【００５３】
＜実施例３＞
熱電材料としてＢｉ、基板材料としてＡｌ2Ｏ3を用いる素子を以下の方法で作製した。Ｂｉはｎ型の熱電材料であり、ゼーベック係数は−７５μＶ／Ｋ、電気抵抗率は０．１ｍΩｃｍであった。一方、Ａｌ2Ｏ3は絶縁体であり、熱電材料ではない。
【００５４】
実施例１と同じ条件で、同様の測定を行った。
【００５５】
まずは、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｂｉ、左側：Ａｌ2Ｏ3」となる配置（図１３Ａ）で、フェムト秒レーザをテラヘルツ電磁波発生素子に照射した。このとき発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を図１３Ｂに示す。テラヘルツ電磁波の時間領域波形を見ると、２０ｐｓ付近に、負のピーク強度を持つパルス波が発生していることがわかる。
【００５６】
次に、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ａｌ2Ｏ3、左側：Ｂｉ」となる配置（図１４Ａ）で、フェムト秒レーザをテラヘルツ電磁波発生素子に照射した。このとき発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を図１４Ｂに示す。テラヘルツ電磁波の時間領域波形を見ると、２０ｐｓ付近に、正のピーク強度を持つパルス波が発生していることがわかる。
【００５７】
実施例１の場合と同様、図１３Ｂと図１４Ｂで観測されたテラヘルツ電磁波の極性の反転は理解でき、基板にＡｌ2Ｏ3を用いた場合でも同様の原理でテラヘルツ電磁波が発生していることを表している。
【００５８】
＜実施例４＞
熱電材料としてＢｉ、基板材料としてＭｇＯを用いる素子を以下の方法で作製した。Ｂｉはｎ型の熱電材料であり、ゼーベック係数は−７５μＶ／Ｋ、電気抵抗率は０．１ｍΩｃｍであった。一方、ＭｇＯは絶縁体であり、熱電材料ではない。
【００５９】
実施例１と同じ条件で、同様の測定を行った。
【００６０】
まずは、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｂｉ、左側：ＭｇＯ」となる配置（図１５Ａ）で、フェムト秒レーザをテラヘルツ電磁波発生素子に照射した。このとき発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を図１５Ｂに示す。テラヘルツ電磁波の時間領域波形を見ると、２０ｐｓ付近に、負のピーク強度を持つパルス波が発生していることがわかる。
【００６１】
次に、レーザビームによって照射される領域が、「右側：ＭｇＯ、左側：Ｂｉ」となる配置（図１６Ａ）で、フェムト秒レーザをテラヘルツ電磁波発生素子に照射した。このとき発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を図１６Ｂに示す。テラヘルツ電磁波の時間領域波形を見ると、２０ｐｓ付近に、正のピーク強度を持つパルス波が発生していることがわかる。
【００６２】
実施例１の場合と同様、図１５Ｂと図１６Ｂで観測されたテラヘルツ電磁波の極性の反転は理解でき、基板にＭｇＯを用いた場合でも同様の原理でテラヘルツ電磁波が発生していることを表している。
【００６３】
＜実施例５＞
熱電材料としてｐ型のＢｉ2Ｔｅ3、基板材料としてＡｌ2Ｏ3を用いる素子を以下の方法で作製した。Ｂｉ2Ｔｅ3のゼーベック係数は＋２１０μＶ／Ｋ、電気抵抗率は１ｍΩｃｍであった。一方、Ａｌ2Ｏ3は絶縁体であり、熱電材料ではない。実施例１と同じ条件で、同様の測定を行った。
【００６４】
まずは、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｂｉ2Ｔｅ3、左側：Ａｌ2Ｏ3」となる配置（図１７Ａ）で、フェムト秒レーザをテラヘルツ電磁波発生素子に照射した。このとき発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を図１７Ｂに示す。テラヘルツ電磁波の時間領域波形を見ると、２０ｐｓ付近に、正のピーク強度を持つパルス波が発生していることがわかる。
【００６５】
次に、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ａｌ2Ｏ3、左側：Ｂｉ2Ｔｅ3」となる配置（図１８Ａ）で、フェムト秒レーザをテラヘルツ電磁波発生素子に照射した。このとき発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を図１８Ｂに示す。テラヘルツ電磁波の時間領域波形を見ると、２０ｐｓ付近に、負のピーク強度を持つパルス波が発生していることがわかる。
【００６６】
実施例４の場合と同様、図１７Ｂと図１８Ｂで観測されたテラヘルツ電磁波の極性の反転は理解でき、基板にＡｌ2Ｏ3を用いた場合でも同様の原理でテラヘルツ電磁波が発生していることを表している。
【００６７】
＜実施例６＞
熱電材料としてｐ型のＢｉ2Ｔｅ3、基板材料としてＭｇＯを用いる素子を以下の方法で作製した。Ｂｉ2Ｔｅ3のゼーベック係数は＋２１０μＶ／Ｋ、電気抵抗率は１ｍΩｃｍであった。一方、ＭｇＯは絶縁体であり、熱電材料ではない。実施例１と同じ条件で、同様の測定を行った。
【００６８】
まずは、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｂｉ2Ｔｅ3、左側：ＭｇＯ」となる配置（図１９Ａ）で、フェムト秒レーザをテラヘルツ電磁波発生素子に照射した。このとき発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を図１９Ｂに示す。テラヘルツ電磁波の時間領域波形を見ると、２０ｐｓ付近に、正のピーク強度を持つパルス波が発生していることがわかる。
【００６９】
次に、レーザビームによって照射される領域が、「右側：ＭｇＯ、左側：Ｂｉ2Ｔｅ3」となる配置（図２０Ａ）で、フェムト秒レーザをテラヘルツ電磁波発生素子に照射した。このとき発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を図２０Ｂに示す。テラヘルツ電磁波の時間領域波形を見ると、２０ｐｓ付近に、負のピーク強度を持つパルス波が発生していることがわかる。
【００７０】
実施例４の場合と同様、図１９Ｂと図２０Ｂで観測されたテラヘルツ電磁波の極性の反転は理解でき、基板にＭｇＯを用いた場合でも同様の原理でテラヘルツ電磁波が発生していることを表している。
【００７１】
＜比較例１＞
比較例として、熱電材料ではないＡｕ（ゼーベック係数が＋２μＶ／Ｋ、電気抵抗率が０．００２ｍΩｃｍ）を用いて同様の実験を行った。
【００７２】
ＳｉＯ2基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ）の上に、厚さ５０ｎｍのＡｕ層を形成した。Ａｕ層の形成には真空蒸着法を使用した。成膜チャンバー内を１．０×１０-3Ｐａ以下まで排気した後、ＳｉＯ2基板は加熱せずに蒸着を行った。Ａｕ層の形成時には、ＳｉＯ2基板の主面にメタルマスクを被せてあり、ＳｉＯ2基板の主面の一部だけがＡｕ層で覆われるようにした。なおＳｉＯ2基板の面積１０ｍｍ×１０ｍｍに対して、その上に積層したＡｕ層の面積は１ｍｍ×１ｍｍとした。
【００７３】
テラヘルツ電磁波発生素子を加熱するためのフェムト秒レーザとして、波長８００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ、繰り返し周波数８０ＭＨｚのＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザを利用した。
【００７４】
上記方法で作製したテラヘルツ電磁波発生素子に対して、Ａｕ層の片方の端部に、１００μｍ（＝２ｒ）に集光したフェムト秒レーザを照射し、テラヘルツ電磁波の時間領域波形を測定した。このとき、レーザビームの中心は、Ａｕ層の片方の端部に位置するように調整した。
【００７５】
まずは、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ａｕ、左側：ＳｉＯ2」となる配置（図２１Ａ）で、フェムト秒レーザをテラヘルツ電磁波発生素子に照射した。このとき測定した電磁波の時間領域波形を図２１Ｂに示す。時間領域波形を見ると明確なピークが観測されず、ノイズのみとなっており、テラヘルツ電磁波は発生していないことがわかる。
【００７６】
次に、レーザビームによって照射される領域が、「右側：ＳｉＯ2、左側：Ａｕ」となる配置（図２２Ａ）で、フェムト秒レーザをテラヘルツ電磁波発生素子に照射した。このとき測定した電磁波の時間領域波形を図２２Ｂに示す。時間領域波形を見ると明確なピークが観測されず、ノイズのみとなっており、テラヘルツ電磁波は発生していないことがわかる。
【００７７】
このように、電気抵抗率は低いが、ゼーベック係数も低いゆえ、ここで定義する熱電材料ではないＡｕで本開示の素子を構成しても、テラヘルツ電磁波は発生しないことがわかった。
【００７８】
＜比較例２＞
比較例として、熱電材料ではないＦｅ2Ｏ3（ゼーベック係数が−３００μＶ／Ｋ、電気抵抗率が１０5ｍΩｃｍ）を用いて同様の実験を行った。
【００７９】
Ａｌ2Ｏ3基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ）の上に、厚さ５０ｎｍのＦｅ2Ｏ3層を形成した。Ｆｅ2Ｏ3層の形成には真空蒸着法を使用した。成膜チャンバー内を１．０×１０-3Ｐａ以下まで排気した後、Ａｌ2Ｏ3基板は加熱せずに蒸着を行った。Ｆｅ2Ｏ3層の形成時には、Ａｌ2Ｏ3基板の主面にメタルマスクを被せてあり、Ａｌ2Ｏ3基板の主面の一部だけがＦｅ2Ｏ3層で覆われるようにした。なおＡｌ2Ｏ3基板の面積１０ｍｍ×１０ｍｍに対して、その上に積層したＦｅ2Ｏ3層の面積は１ｍｍ×１ｍｍとした。
【００８０】
テラヘルツ電磁波発生素子を加熱するためのフェムト秒レーザとして、波長８００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ、繰り返し周波数８０ＭＨｚのＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザを利用した。
【００８１】
上記方法で作製したテラヘルツ電磁波発生素子に対して、Ｆｅ2Ｏ3層の片方の端部に、１００μｍ（＝２ｒ）に集光したフェムト秒レーザを照射し、テラヘルツ電磁波の時間領域波形を測定した。このとき、レーザビームの中心は、Ｆｅ2Ｏ3とＡｌ2Ｏ3の層の片方の端部に位置するように調整した。
【００８２】
まずは、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ｆｅ2Ｏ3、左側：Ａｌ2Ｏ3」となる配置（図２３Ａ）で、フェムト秒レーザをテラヘルツ電磁波発生素子に照射した。このとき測定した電磁波の時間領域波形を図２３Ｂに示す。時間領域波形を見ると明確なピークが観測されず、ノイズのみとなっており、テラヘルツ電磁波は発生していないことがわかる。
【００８３】
次に、レーザビームによって照射される領域が、「右側：Ａｌ2Ｏ3、左側：Ｆｅ2Ｏ3」となる配置（図２４Ａ）で、フェムト秒レーザをテラヘルツ電磁波発生素子に照射した。このとき測定した電磁波の時間領域波形を図２４Ｂに示す。時間領域波形を見ると明確なピークが観測されず、ノイズのみとなっており、テラヘルツ電磁波は発生していないことがわかる。
【００８４】
このように、ゼーベック係数は高いが、電気抵抗率も高いゆえ、ここで定義する熱電材料ではないＦｅ2Ｏ3で本開示の素子を構成しても、テラヘルツ電磁波は発生しないことがわかった。
【００８５】
なお、上記の各実施例では、熱電材料層の表面の左右の端（ＸＹ面内のＹ軸に平行な方向に延びる端Ｘ）をビームスポットが跨ぐようにフェムト秒レーザを照射したが、レーザ照射位置は、これらの例に限定されない。例えば、熱電材料層の表面の上下の端（ＸＹ面内のＸ軸に平行な方向に延びる端）であってもよい。また、熱電材料層は任意の形状にパターニングされ得るため、端の位置や方向も上記の実施例に限定されない。
【００８６】
上記の各実施例では、比較の容易さから、熱電材料層の厚さを５０ｎｍに設定しているが、熱電材料層の厚さが５０ｎｍから変化しても、例えば１０ｎｍから１０００ｎｍ（１μｍ）までの範囲内にあれば、同様の効果が得られることは本願の開示内容全体から当業者に自明である。
【００８７】
また、本開示におけるテラヘルツ発生原理の上記説明から明らかなように、本開示における熱電材料層および基板の各材料は、上記の各実施例で使用した材料に限定されず、広範な熱電材料および基板材料から任意の材料が選択可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本開示にかかるテラヘルツ電磁波発生技術によれば、従来よりも単純な構成で、外部電圧源を必要としないテラヘルツ電磁波の発生が可能になるため、テラヘルツ電磁波を利用した各種材料評価、セキュリティ、ヘルスケアなどでの利用が可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１    基板
２    熱電材料層
３    フェムト秒レーザ光源
４    テラヘルツ電磁波発生素子
５    フェムト秒レーザビーム
６    テラヘルツ電磁波
【要約】
本開示によるテラヘルツ電磁波発生装置は、基板（１）と、この基板（１）に支持され、表面を有する熱電材料層（２）と、熱電材料層（２）の表面の端にパルス光（５）を照射して熱電材料層（２）を局所的に加熱し、それによって熱電材料層（２）からテラヘルツ電磁波（６）を発生させるパルスレーザ光源システムとを備える。【図１Ａ】
0005607280.tif 000002
【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図２Ｈ】
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【図２Ｉ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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