(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電材料層と、
前記熱電材料層にパルス光を照射するように構成され、前記熱電材料体からテラヘルツ波を発生させる光源システムと、
を備え、
前記熱電材料層は、ある方向に沿って前記パルス光の透過率が変化する勾配部分を含み、
前記光源システムは、前記熱電材料層の前記勾配部分に前記パルス光を照射するように構成されている、テラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項２】
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に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項３】
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勾配部分に導く光学系と、
を含む請求項２に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項４】
前記光源はフェムト秒レーザ光源である、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４のいずれか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、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５に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項７】
前記熱電材料層の厚さは、１０ｎｍから１μｍまでの範囲内にある、請求項１から６のいずれかに記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項８】
前記熱電材料層の前記勾配部分における前記光透過率の勾配は、１０％／ｍから９０％／ｍ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】
パルス光の透過率に勾配を有する熱電材料層を用意する工程Ａと、
前記熱電材料層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、熱電材料層と、前記熱電材料層にパルス光を照射するように構成され、前記熱電材料体からテラヘルツ波を発生させる光源システムとを備え、前記熱電材料層は、ある方向に沿って前記パルス光の透過率が変化する勾配部分を含み、前記光源システムは、前記熱電材料層の前記勾配部分に前記パルス光を照射するように構成されている。【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、パルス光の透過率に勾配を有する熱電材料層を用意する工程Ａと、前記熱電材料層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２Ａ】本開示のテラヘルツ電磁波発生素子の断面図
【図２Ｂ】本開示のテラヘルツ電磁波発生素子の他の例の断面図
【図２Ｃ】本開示のテラヘルツ電磁波発生素子の更に他の例の断面図
【図３Ａ】本開示のテラヘルツ電磁波発生装置の模式図
【図３Ｂ】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３Ｃ】テラヘルツ電磁波の発生方法を示すフローチャート
【図４】実施例１におけるＢｉ層の透過率の二次元分布を示す図
【図５】実施例１におけるＢｉ層から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】実施例１における図５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】実施例１におけるＢｉ層から発生したテラヘルツ電磁波のピーク強度の試料回転角依存性
【図８】実施例１におけるＢｉ層の透過率勾配の試料回転角依存性を示す図
【図９】実施例２におけるＢｉ2Ｔｅ3層の透過率の二次元分布を示す図
【図１０】実施例２におけるＢｉ2Ｔｅ3層から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】実施例２における図１０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】実施例２におけるＢｉ2Ｔｅ3層から発生したテラヘルツ電磁波のピーク強度の試料回転角依存性を示す図
【図１３】実施例２におけるＢｉ2Ｔｅ3層の透過率勾配の試料回転角依存性を示す図
【図１４】比較例１における透過率勾配の異なる二種類のＢｉ層から発生したテラヘルツ電磁波の時間領域波形を示す図
【図１５】比較例２における透過率勾配の異なる二種類のＢｉ2Ｔｅ3層から発生したテラヘルツ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】
本開示のテラヘルツ電磁波発生装置は、熱電材料層と、この熱電材料層にパルス光を照射するように構成され、熱電材料層からテラヘルツ波を発生させる光源システムとを備える。この熱電材料層は、ある方向に沿ってパルス光の透過率が変化する勾配部分を含む。そして、光源システムは、熱電材料層の前記勾配部分にパルス光を照射するように構成されている。
【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１Ｂ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２Ａは、図１Ｂに示される熱電材料層２の断面の一例を模式的に示す図である。この熱電材料層２は、テラヘルツ電磁波の発生に使用するレーザ光の透過率が、ある一方向に沿って変化している勾配部分を有している。図２Ａの例では、熱電材料層２の厚さ（Ｚ軸方向サイズ）がＸ軸に沿って徐々に薄くなっている。本明細書における「透過率」とは、テラヘルツ電磁波発生素子４に入射するレーザ光の強度をＳ１とし、それを透過するレーザ光の強度をＳ２とするとき、Ｓ２／Ｓ１で表される。厳密には、基板１もレーザ光の一部を吸収し得るが、その割合は小さい。また、基板１によるレーザ光の吸収は面内で均一である。このため、Ｓ２／Ｓ１によって熱電材料層の透過率の面内分布を評価することができる。透過率の面内分布が得られれば、透過率の勾配（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｇｒａｄｉｅｎｔ）が求められる。
【００２０】
図２Ａに示すように、熱電材料層２の厚さが、面内方向（ｉｎ−ｐｌａｎｅ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）において、レーザ光のビーム径よりも大きな範囲で変化している部分が、「レーザ光の透過率がある一方向に沿って変化する勾配部分」に相当する。「勾配部分」は、透過率の勾配がゼロではない値を有する部分である。図２Ａの例では、熱電材料層２の全体が「勾配部分」である。後述する実施例を含む実験および考察から、熱電材料層の勾配部分における勾配は、１０％／ｍから９０％／ｍまでの範囲内にあればよい。このような勾配を実現するために必要な熱電材料層２の厚さの変化率は、比較的小さく、図２Ａに示されている熱電材料層２の厚さの変化率は過度に誇張して描かれている。
【００２１】
図２Ｂは、熱電材料層２の他の断面の例を示す図である。この例における熱電材料層２は、厚さがＸ軸に沿って徐々に薄くなっている第１の勾配部分２ａと、厚さがＸ軸に沿って徐々に熱くなっている第２の勾配部分２ｂとを含んでいる。このような熱電材料層２にレーザビームを照射するときは、ビームスポットが勾配の向きが反転している２種類の勾配部分の境界を跨がないようにする。
【００２２】
図２Ｃは、熱電材料層２の更に他の断面の例を示す図である。この例における熱電材料層２は、厚さがＸ軸に沿って徐々に薄くなっている勾配部分２ｃと、厚さがＸ軸に沿って一定である均一部分２ｄとを含んでいる。このような熱電材料層２にレーザビームを照射するとき、ビームスポットが勾配の向きが変化する境界部分を跨がないようにする。
【００２３】
熱電材料層２の厚さは面内の全体において一方向に単調に減少する必要は無く、その方向に減少する部分、増加する部分、および一定の部分を含んでいても良い。
【００２４】
図３Ａ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３Ａ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「勾配部分」に照射する。この「勾配部分」とは、前述したように、勾配部分では一定の方向に透過率が変化している部分である。
【００２５】
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の勾配部分で発生する。このとき、レーザが照射される「勾配部分」では、透過率が一方向に変化し、その面内分布が非対称であるため、レーザ吸収による温度上昇も非対称性になる。その結果、ゼーベック効果によるキャリアの拡散も非対称になる。したがって、巨視的には、透過率が変化している方向に沿って電流が流れる。このような電流を源として、テラヘルツ電磁波６が発生する。
【００２６】
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以内の領域に勾配部分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の勾配部分を選択的に加熱する。
【００２７】
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。本実施形態では、フェムト秒レーザビーム５のスポット半径ｒが小さすぎると、温度勾配が発生する領域が狭くなる。充分に広い範囲で温度勾配を形成するため、フェムト秒レーザビーム５のスポット半径ｒは、典型的には１０μｍ以上２０ｍｍ以下の範囲内に設定され得る。
【００２８】
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。
【００２９】
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、あるいは、ＢｉＴｅ系、ＰｂＴｅ系、ＳｉＧｅ系などの合金系熱電材料、あるいは、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
図３Ｂ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。
【００３３】
本開示によるテラヘルツ電磁波の発生方法は、図３Ｃに示すように、照射するパルス光（フェムト秒レーザビーム）の吸収率に勾配を有する熱電材料層を用意する工程Ｓ１００と、その熱電材料層にパルス光を照射する工程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の勾配部分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。
【００３４】
熱電材料層２は、必ずしも基板上に拡がった一枚の膜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。
【００３５】
以下、本開示の具体的な実施例を説明する。
【００３６】
＜実施例１＞
熱電材料としてｎ型の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。
【００３７】
まず、ＳｉＯ2基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ）の上に、平均厚さ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。Ｂｉ層の透過率の面内分布に所定方向の変化を与えるため、Ｂｉ層の厚さが一方向に沿って変化するようにＳｉＯ2基板を成膜チャンバー内に配置した。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のゼーベック係数は−７５μＶ／Ｋ、電気抵抗率は０．１ｍΩｃｍであった。
【００３８】
フェムト秒レーザ光源として、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。
【００３９】
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、フェムト秒レーザを走査して、透過率の面内分布を測定した。図４にＢｉ層の透過率の面内分布を示す。図４において、左下から右上方向に向かって透過率が一様に減少し、透過率に所定方向に沿って勾配が発生していることがわかる。すなわち、図２Ａに示されるように、熱電材料層の厚さが所定方向に沿って変化していることが示唆される。
【００４０】
このようにして作製したテラヘルツ電磁波発生素子に対して、２ｍｍ（＝２ｒ）に集光したフェムト秒レーザを照射した。このとき測定した電磁波の時間領域波形を図５に示す。電磁波の時間領域波形を見ると、２０ｐｓ（ピコ秒）付近に、ピーク構造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、実際にテラヘルツ電磁波の発生が確認できた。
【００４１】
次に、検出されるテラヘルツ電磁波の偏光を固定して、テラヘルツ電磁波発生素子をＢｉ層面内で回転させることで、ピーク強度がどのように変化するかを測定した。図７に示すように、テラヘルツ電磁波ピーク強度は、回転角２００度のときに正の最大値を示すサインカーブを描く。同様に、テラヘルツ電磁波発生素子をＢｉ層面内で回転させることで、透過率の勾配がどのように変化するかを測定した。図８に示すように、透過率の勾配（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｇｒａｄｉｅｎｔ）は、回転角１６０度のときに、正の最大値を示すサインカーブを描く。図７と図８を比較すると、テラヘルツ電磁波ピーク強度と透過率の勾配は、同位相のサインカーブを描く。これは、テラヘルツ電磁波の偏光が、透過率の勾配方向と一致している事を表している。すなわち、テラヘルツ電磁波発生が、透過率の勾配と関連性を持つことを示している。
【００４２】
＜実施例２＞
熱電材料としてｐ型のＢｉ2Ｔｅ3、基板材料としてＭｇＯを用いる素子を以下の方法で作製した。
【００４３】
ＭｇＯ基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ）の上に、平均厚さ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。Ｂｉ2Ｔｅ3層の透過率の面内分布に所定方向の変化を与えるため、Ｂｉ2Ｔｅ3層の厚さが一方向に沿って変化するようにＭｇＯ基板を成膜チャンバー内に斜めに配置した。成膜チャンバー内を１．０×１０-3Ｐａ以下まで排気した後、ＭｇＯ基板は加熱せずに蒸着を行った。Ｂｉ2Ｔｅ3のゼーベック係数は＋２１０μＶ／Ｋ、電気抵抗率は１ｍΩｃｍであった。
【００４４】
フェムト秒レーザ光源として、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、フェムト秒レーザを走査して、透過率の面内分布を測定した。図９にＢｉ2Ｔｅ3層の透過率の面内分布を示す。図９において、上から下方向に向かって透過率が一様に上昇し、透過率に所定方向に沿った勾配が発生していることがわかる。すなわち、図２Ａに示されるように、熱電材料層の厚さが所定方向に沿って変化していることが示唆される。
【００４６】
このようにして作製したテラヘルツ電磁波発生素子に対して、２ｍｍ（＝２ｒ）に集光したフェムト秒レーザを照射した。このとき測定した電磁波の時間領域波形を図１０に示す。電磁波の時間領域波形を見ると、２０ｐｓ付近に、ピーク構造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、実際にテラヘルツ電磁波の発生が確認できた。
【００４７】
次に、検出されるテラヘルツ電磁波の偏光を固定して、テラヘルツ電磁波発生素子をＢｉ2Ｔｅ3層面内で回転させることで、ピーク強度がどのように変化するかを測定した。図１２に示すように、テラヘルツ電磁波ピーク強度は、回転角２６０度のときに負の最小値（極小値）を示すサインカーブを描く。同様に、テラヘルツ電磁波発生素子をＢｉ2Ｔｅ3層面内で回転させることで、透過率の勾配がどのように変化するかを測定した。図１３に示すように、透過率の勾配は、回転角２６０度のときに、正の最大値を示すサインカーブを描く。図１２と図１３を比較すると、テラヘルツ電磁波ピーク強度と透過率の勾配は、位相が１８０度反転したサインカーブを描く。これは、テラヘルツ電磁波の偏光が、透過率の勾配方向と一致している事を表している。すなわち、テラヘルツ電磁波発生機構が、透過率の勾配と関連性を持っていることを示している。
【００４８】
実施例１と実施例２を比較すると、同じ実験配置でレーザを照射しているにも関わらず、ｎ型熱電材料であるＢｉとｐ型熱電材料であるＢｉ2Ｔｅ3とで、発生するテラヘルツ電磁波ピークの極性（正か負か）が反転している。すなわち、テラヘルツ電磁波ピーク強度の試料回転角依存性（図７および図１２）におけるサインカーブの位相と、透過率の勾配の試料回転角依存性（図８および図１３）が、ちょうど１８０度反転している。これは、本開示のテラヘルツ電磁波発生素子において発生するテラヘルツ電磁波の位相が、熱電材料層のキャリアの種類（電子かホールか）を反映していることを表している。
【００４９】
実施例１および実施例２で説明したＢｉおよびＢｉ2Ｔｅ3層とを備える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。
【００５０】
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。
【００５１】
＜比較例１＞
実施例１と同様の方法で、ＳｉＯ2基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ）の上に、平均厚さ５０ｎｍのＢｉ層を形成した。成膜チャンバー内におけるＳｉＯ2基板の配置を変えることで、厚さ勾配の面内方向が異なる二種類のＢｉ層を形成した。
【００５２】
フェムト秒レーザ光源として、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。
【００５３】
フェムト秒レーザビームをＢｉ層に走査して、透過率の勾配を測定した。その結果、一方のＢｉ層の透過率の最大勾配は５％／ｍだったのに対して、もう一方のＢｉ層の透過率の最大勾配は２２％／ｍであった。
【００５４】
この二種類のＢｉ層に２ｍｍ（＝２ｒ）に集光した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図１４に示す。透過率の勾配が大きいＢｉ層では、はっきりとテラヘルツ電磁波パルスが確認できるのに対して、透過率の勾配が小さいＢｉ層では、明確なピークが観測されず、ほぼノイズとなっており、テラヘルツ電磁波は発生していないことがわかる。
【００５５】
この結果から示されるように、熱電材料層に透過率の所定方向の変化を与えることで、テラヘルツ電磁波発生素子として機能することがわかった。
【００５６】
＜比較例２＞
実施例２と同様の方法で、ＭｇＯ基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ）の上に、平均厚さ５０ｎｍのＢｉ2Ｔｅ3層を形成した。成膜チャンバー内におけるＭｇＯ基板の配置を変えることで、厚さ勾配の異なる２種類のＢｉ2Ｔｅ3層を形成した。
【００５７】
フェムト秒レーザ光源として、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。
【００５８】
フェムト秒レーザビームをＢｉ2Ｔｅ3層に走査して、透過率の勾配を測定した。その結果、一方のＢｉ2Ｔｅ3層の透過率の最大勾配は４％／ｍだったのに対して、もう一方のＢｉ2Ｔｅ3層の透過率の最大勾配は４７％／ｍであった。
【００５９】
この二種類のＢｉ2Ｔｅ3層に２ｍｍ（＝２ｒ）に集光した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図１５に示す。透過率の勾配が大きいＢｉ2Ｔｅ3層では、はっきりとテラヘルツ電磁波パルスが確認できる。一方、透過率の勾配が小さいＢｉ2Ｔｅ3層では、明確なピークが観測されず、ほぼノイズとなっており、テラヘルツ電磁波は発生していないことがわかる。この結果から示されるように、熱電材料層に透過率の所定方向の変化を与えることで、テラヘルツ電磁波発生素子として機能することがわかった。
【００６０】
上記の各実施例では、比較の容易さから、熱電材料層の平均厚さを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。
【００６１】
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。
【００６２】
熱電材料層の光透過率に面内の所定方向に勾配を形成する方法は、上記の実施例で用いた方法に限定されない。例えば、光透過率が面内で所定方向に変化する光透過膜を熱電材料層上に堆積してもよい。また、熱電材料層の厚さに勾配を与える方法も、上記の実施例で用いた方法に限定されない。一様な厚さの熱電材料層を基板上に堆積した後、エッチングや研磨などにより、熱電材料層の厚さに勾配を形成しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本開示にかかるテラヘルツ電磁波発生方法では、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を可能とし、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】
【００６４】
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】
本開示のテラヘルツ電磁波発生装置は、熱電材料層（２）と、この熱電材料層（２）にパルス光（５）を照射するように構成され、熱電材料層（２）からテラヘルツ波（６）を発生させる光源システムとを備える。熱電材料層（２）は、ある方向に沿ってパルス光の透過率が変化する勾配部分を含む。光源システムは、熱電材料層（２）の勾配部分にパルス光（５）を照射するように構成されている。【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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