(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電材料層と、
前記熱電材料層の表面の一部を覆う金属層と、
前記熱電材料層の前記金属層によって覆われていない表面領域および前記金属層の端の両方にパルス光を照射するように構成され、前記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金属層の表面における端に導く光学系と、
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】
前記金属層の厚さは、１０ｎｍから１００μｍ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８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のいずれか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】
一部が金属層によって覆われた熱電材料体を用意する工程Ａと、
前記熱電材料体の前記金属層によって覆われていない表面領域および前記金属層の端の両方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、前記熱電材料層の表面の一部を覆う金属層と、前記熱電材料層の前記金属層によって覆われていない表面領域および前記金属層の端の両方にパルス光を照射するように構成され、前記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。【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、一部が金属層によって覆われた熱電材料体を用意する工程Ａと、前記熱電材料体の前記金属層によって覆われていない表面領域および前記金属層の端の両方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】開口部を有する金属層１３によって部分的に覆われた熱電材料層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２Ｉ】開口部を有する金属層１３によって部分的に覆われた熱電材料層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３Ａ】Ｂｉ層とＡｕ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｕ層の左端部とＢｉ層の一部を含むようにフェムト秒レーザを照射したときの斜視図
【図３Ｂ】Ｂｉ層とＡｕ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｕ層の左端部とＢｉ層の一部を含むように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を示す図
【図５Ａ】Ｂｉ層とＡｕ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｕ層のみを含むようにフェムト秒レーザを照射したときの斜視図
【図５Ｂ】Ｂｉ層とＡｕ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｕ層のみを含むように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６Ａ】Ｂｉ層とＡｕ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＢｉ層のみを含むようにフェムト秒レーザを照射したときの斜視図
【図６Ｂ】Ｂｉ層とＡｕ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＢｉ層のみを含むように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７Ａ】Ｂｉ2Ｔｅ3層とＡｕ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｕ層の左端部とＢｉ2Ｔｅ3層の一部を含むようにフェムト秒レーザを照射したときの斜視図
【図７Ｂ】Ｂｉ2Ｔｅ3層とＡｕ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｕ層の左端部とＢｉ2Ｔｅ3層の一部を含むように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８】図７Ｂ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９Ａ】Ｂｉ2Ｔｅ3層とＡｕ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｕ層のみを含むようにフェムト秒レーザを照射したときの斜視図
【図９Ｂ】Ｂｉ2Ｔｅ3層とＡｕ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｕ層のみを含むように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１０Ａ】Ｂｉ2Ｔｅ3層とＡｕ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＢｉ2Ｔｅ3層のみを含むようにフェムト秒レーザを照射したときの斜視図
【図１０Ｂ】Ｂｉ2Ｔｅ3層とＡｕ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＢｉ2Ｔｅ3層のみを含むように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１１Ａ】ＣａxＣｏＯ2層とＡｕ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｕ層の左端部とＣａxＣｏＯ2層の一部を含むようにフェムト秒レーザを照射したときの斜視図
【図１１Ｂ】ＣａxＣｏＯ2層とＡｕ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｕ層の左端部とＣａxＣｏＯ2層の一部を含むように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１２】図１１Ｂ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１３Ａ】ＣａxＣｏＯ2層とＡｕ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｕ層のみを含むようにフェムト秒レーザを照射したときの斜視図
【図１３Ｂ】ＣａxＣｏＯ2層とＡｕ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｕ層のみを含むように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】ＣａxＣｏＯ2層とＡｕ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＣａxＣｏＯ2層のみを含むようにフェムト秒レーザを照射したときの斜視図
【図１４Ｂ】ＣａxＣｏＯ2層とＡｕ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＣａxＣｏＯ2層のみを含むように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層とＡｌ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｌ層の左端部とＢｉ層の一部を含むようにフェムト秒レーザを照射したときの斜視図
【図１５Ｂ】Ｂｉ層とＡｌ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｌ層の左端部とＢｉ層の一部を含むように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１６】図１５Ｂ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１７Ａ】Ｂｉ層とＡｌ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｌ層のみを含むようにフェムト秒レーザを照射したときの斜視図
【図１７Ｂ】Ｂｉ層とＡｌ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｌ層のみを含むように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層とＡｌ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｌ層の左端部とＢｉ2Ｔｅ3層の一部を含むようにフェムト秒レーザを照射したときの斜視図
【図１８Ｂ】Ｂｉ2Ｔｅ3層とＡｌ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｌ層の左端部とＢｉ2Ｔｅ3層の一部を含むように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１９】図１８Ｂ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２０Ａ】Ｂｉ2Ｔｅ3層とＡｌ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｌ層のみを含むようにフェムト秒レーザを照射したときの斜視図
【図２０Ｂ】Ｂｉ2Ｔｅ3層とＡｌ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｌ層のみを含むように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】ＣａxＣｏＯ2層とＡｌ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｌ層の左端部とＣａxＣｏＯ2層の一部を含むようにフェムト秒レーザを照射したときの斜視図
【図２１Ｂ】ＣａxＣｏＯ2層とＡｌ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｌ層の左端部とＣａxＣｏＯ2層の一部を含むように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２２】図２１Ｂ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２３Ａ】ＣａxＣｏＯ2層とＡｌ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｌ層のみを含むようにフェムト秒レーザを照射したときの斜視図
【図２３Ｂ】ＣａxＣｏＯ2層とＡｌ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＡｌ層のみを含むように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２４Ａ】Ｂｉ層とＴｉ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＴｉ層の左端部とＢｉ層の一部を含むようにフェムト秒レーザを照射したときの斜視図
【図２４Ｂ】Ｂｉ層とＴｉ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＴｉ層の左端部とＢｉ層の一部を含むように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２５】図２４Ｂのテラヘルツ電磁波波形のパワースペクトル
【図２６Ａ】Ｂｉ層とＴｉ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＴｉ層のみを含むようにフェムト秒レーザを照射したときの斜視図
【図２６Ｂ】Ｂｉ層とＴｉ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＴｉ層のみを含むように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２７Ａ】Ｂｉ2Ｔｅ3層とＴｉ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＴｉ層の左端部とＢｉ2Ｔｅ3層の一部を含むようにフェムト秒レーザを照射したときの斜視図
【図２７Ｂ】Ｂｉ2Ｔｅ3層とＴｉ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＴｉ層の左端部とＢｉ2Ｔｅ3層の一部を含むように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２８】図２７Ｂ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２９Ａ】Ｂｉ2Ｔｅ3層とＴｉ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＴｉ層のみを含むようにフェムト秒レーザを照射したときの斜視図
【図２９Ｂ】Ｂｉ2Ｔｅ3層とＴｉ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＴｉ層のみを含むように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３０Ａ】ＣａxＣｏＯ2層とＴｉ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＴｉ層の左端部とＣａxＣｏＯ2層の一部を含むようにフェムト秒レーザを照射したときの斜視図
【図３０Ｂ】ＣａxＣｏＯ2層とＴｉ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＴｉ層の左端部とＣａxＣｏＯ2層の一部を含むように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３１】図３０Ｂ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３２Ａ】ＣａxＣｏＯ2層とＴｉ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＴｉ層のみを含むようにフェムト秒レーザを照射したときの斜視図
【図３２Ｂ】ＣａxＣｏＯ2層とＴｉ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子において、ビームスポット内にＴｉ層のみを含むように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
【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、熱電材料層と、前記熱電材料層の表面の一部を覆う金属層と、熱電材料層の表面のうち前記金属層によって覆われていない領域および金属層の端の両方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。
【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、熱電材料層２の表面の一部を覆う金属層１３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と、熱電材料層２上に設けられた金属層１３とを有している。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における金属層１３の端部、および熱電材料層２の表面のうち金属層１３によって覆われていない領域に同時に照射する。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における温度は短時間（レーザ照射時間程度）で上昇する。その結果、熱電材料層２では、熱拡散に伴って、周囲の熱されていない領域に向かってキャリアが拡散する。それに追従して、金属層１３の端部からは、キャリアを補償する形で、熱電材料層２の熱せられた領域に向かって電流が流れる。このような、金属層１３の端部から一方向に流れ込む電流を源として、テラヘルツ電磁波６が発生する。
【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、基板１に支持された熱電材料層２の表面のうち、金属層１３に覆われた領域と金属層１３に覆われていない領域の境界部にフェムト秒レーザビーム５が照射される。より詳細には、フェムト秒レーザビーム５のスポットが金属層１３の端２０ｅを跨ぐようにフェムト秒レーザビーム５の照射位置が調整される。こうしてフェムト秒レーザビーム５の一部は熱電材料層２を照射し、他の部分は金属層１３の端部を照射する。熱電材料層２のうち、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。
【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が照射される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の全体が熱電材料層２を照射するため、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のに対して、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以内の領域に金属層１３の端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の表面の一部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】
また、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ることが好ましい。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。
【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】
熱電材料層２上に積層する金属層１３は、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｔｉなど導電性の高い材料から形成され得るが、これらの材料に限定されない。金属層１３の厚さは、例えば１０ｎｍから１００μｍまでの範囲内に設定され得る。
【００２９】
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。
【００３０】
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、金属層１３によって表面の一部が覆われた熱電材料体を用意する工程Ｓ１００と、その熱電材料体の金属層の端を跨ぐようにパルス光（フェムト秒レーザビーム）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。
【００３１】
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。
【００３２】
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の表面のうち、金属層１３の端２０ｅを跨ぐよう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にフェムト秒レーザ５が照射されている。
【００３３】
図２Ｈは、開口部を有する金属層１３によって熱電材料層２の表面の一部が覆われた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における表面のうち金属層１３に覆われていない部分が金属層１３の端を跨ぐようにフェムト秒レーザビーム５で照射される。
【００３４】
以下、本開示の具体的な実施例を説明する。
【００３５】
＜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。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のゼーベック係数は−７５μＶ／Ｋ、電気抵抗率は０．１ｍΩｃｍであった。Ｂｉ層の表面の一部に、真空蒸着法により、１５０ｎｍの厚さを持つＡｕ層を形成した。Ａｕ層の面積は、１ｍｍ×１ｍｍ程度とした。このようにして、Ｂｉ層とＡｕ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子を作製した。
【００３６】
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。
【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、Ａｕ層の左端部とＢｉ層の一部を共にビームスポット内に含む形で１００μｍ（＝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３Ｂに示す。図３Ａには、ＢｉとＡｕ層とレーザビームの位置関係の概略図も示す。電磁波の時間領域波形を見ると、２０ｐｓ（ピコ秒）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４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。
【００３８】
次に、テラヘルツ電磁波発生素子に対して、ビームスポット内にＡｕ層のみを含む形で１００μｍ（＝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５Ｂに示す。図５Ａには、Ｂｉ層とＡｕ層とレーザビームの位置関係の概略図も示す。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。
【００３９】
次に、テラヘルツ電磁波発生素子に対して、ビームスポット内にＢｉ層のみを含む形で１００μｍ（＝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６Ｂに示す。図６Ａには、Ｂｉ層とＡｕ層とレーザビームの位置関係の概略図も示す。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。
【００４０】
このように、本開示のテラヘルツ電磁波発生方法では、金属層の端部と熱電材料層の一部を共にビームスポット内に含む形で素子にフェムト秒レーザを照射する必要があることがわかった。
【００４１】
＜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。
【００４２】
ＭｇＯ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、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。Ｂｉ2Ｔｅ3層の表面の一部に、真空蒸着法により、１５０ｎｍの厚さを持つＡｕ層を形成した。Ａｕ層の面積は、１ｍｍ×１ｍｍ程度とした。このようにして、Ｂｉ2Ｔｅ3層とＡｕ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子を作製した。
【００４３】
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。
【００４４】
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層の左端部とＢｉ2Ｔｅ3層の一部を共にビームスポット内に含む形で１００μｍ（＝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７Ｂに示す。図７Ａには、Ｂｉ2Ｔｅ3とＡｕ層とレーザビームの位置関係の概略図も示す。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８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。
【００４５】
次に、テラヘルツ電磁波発生素子に対して、ビームスポット内にＡｕ層のみを含む形で１００μｍ（＝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９Ｂに示す。図９Ａには、Ｂｉ2Ｔｅ3層とＡｕ層とレーザビームの位置関係の概略図も示す。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。
【００４６】
次に、テラヘルツ電磁波発生素子に対して、ビームスポット内にＢｉ2Ｔｅ3層のみを含む形で１００μｍ（＝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１０Ｂに示す。図１０Ａには、Ｂｉ2Ｔｅ3層とＡｕ層とレーザビームの位置関係の概略図も示す。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。
【００４７】
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）が反転していることがわかる。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。
【００４８】
実施例１および実施例２で説明したＢｉおよびＢｉ2Ｔｅ3層をベースとす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。
【００４９】
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。
【００５０】
＜実施例３＞
熱電材料としてｐ型のＣａxＣｏＯ2、金属層としてＡｕを用いて本開示のテラヘルツ電磁波発生素子を作製した。
【００５１】
Ａｌ2Ｏ3基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ）の上に、厚さが１５０ｎｍになるＣａxＣｏＯ2層を形成した。ＣａxＣｏＯ2層の形成には高周波（ＲＦ）マグネトロンスパッタを使用した。スパッタのターゲットには、Ｃａ、Ｃｏのモル比が１：１になるように混合したターゲットを使用した。成膜チャンバー内を１．０×１０-3Ｐａ以下まで排気した後、アルゴン（９６％）、酸素（４％）の混合ガスを導入してチャンバー内のガス圧を５Ｐａに固定した。この状態で抵抗加熱ヒーターによりＡｌ2Ｏ3基板を４５０℃に加熱した後、ＲＦパワー１００ＷでＡｌ2Ｏ3基板上にＣａxＣｏＯ2層をスパッタ蒸着した。層の堆積後は、前記と同様のアルゴン、酸素の混合ガスの導入下（５Ｐａ）で６０分かけて室温まで冷却した。作製したＣａxＣｏＯ2層の陽イオン組成比をエネルギー分散型Ｘ線分析装置で評価したところ、Ｃａ、Ｃｏの組成比は１：２（ｘ＝０．５に対応）であった。ＣａxＣｏＯ2のゼーベック係数は＋６０μＶ／Ｋ、電気抵抗率は１ｍΩｃｍであった。ＣａxＣｏＯ2層の表面の一部に、真空蒸着法により、１５０ｎｍの厚さを持つＡｕ層を形成した。Ａｕ層の面積は、１ｍｍ×１ｍｍ程度とした。このようにして、ＣａxＣｏＯ2層とＡｕ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子を作製した。
【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】
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層の左端部とＣａxＣｏＯ2層の一部を共にビームスポット内に含む形で１００μｍ（＝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１１Ｂに示す。図１１Ａには、Ｃａx ＣｏＯ2とＡｕ層とレーザビームの位置関係の概略図も示す。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１２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。
【００５４】
次に、テラヘルツ電磁波発生素子に対して、ビームスポット内にＡｕ層のみを含む形で１００μｍ（＝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１３Ｂに示す。図１３Ａには、ＣａxＣｏＯ2層とＡｕ層とレーザビームの位置関係の概略図も示す。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。
【００５５】
次に、テラヘルツ電磁波発生素子に対して、ビームスポット内にＣａxＣｏＯ2層のみを含む形で１００μｍ（＝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１４Ｂに示す。図１４Ａには、ＣａxＣｏＯ2層とＡｕ層とレーザビームの位置関係の概略図も示す。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。
【００５６】
実施例３の結果を、実施例１および実施例２と比較すると、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とでは、発生するテラヘルツ電磁波ピークの極性（正か負か）が反転しているものの、ｐ型熱電材料であるＢｉ2Ｔｅ3とでは、発生するテラヘルツ電磁波ピークの極性（正か負か）が一致していることがわかる。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。
【００５７】
＜実施例４＞
実施例１と同様の方法で、ＳｉＯ2基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ）の上に、厚さ５０ｎｍのＢｉ層を形成した。Ｂｉ層の表面の一部に、真空蒸着法により、１５０ｎｍの厚さを持つＡｌ層を形成した。Ａｌ層の面積は、１ｍｍ×１ｍｍ程度とした。このようにして、Ｂｉ層とＡｌ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子を作製した。
【００５８】
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。
【００５９】
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Ａｌ層の左端部とＢｉ層の一部を共にビームスポット内に含む形で１００μｍ（＝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１５Ｂに示す。図１５Ａには、ＢｉとＡｌ層とレーザビームの位置関係の概略図も示す。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１６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。
【００６０】
次に、テラヘルツ電磁波発生素子に対して、ビームスポット内にＡｌ層のみを含む形で１００μｍ（＝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１７Ｂに示す。図１７Ａには、Ｂｉ層とＡｌ層とレーザビームの位置関係の概略図も示す。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。
【００６１】
＜実施例５＞
実施例２と同様の方法で、ＭｇＯ基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ）の上に、厚さ５０ｎｍのＢｉ2Ｔｅ3層を形成したＢｉ2Ｔｅ3層の表面の一部に、真空蒸着法により、１５０ｎｍの厚さを持つＡｌ層を形成した。Ａｌ層の面積は、１ｍｍ×１ｍｍ程度とした。このようにして、Ｂｉ2Ｔｅ3層とＡｌ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子を作製した。
【００６２】
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。
【００６３】
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、Ａｌ層の左端部とＢｉ2Ｔｅ3層の一部を共にビームスポット内に含む形で１００μｍ（＝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１８Ｂに示す。図１８Ａには、Ｂｉ2Ｔｅ3層とＡｌ層とレーザビームの位置関係の概略図も示す。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１９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。
【００６４】
次に、テラヘルツ電磁波発生素子に対して、ビームスポット内にＡｌ層のみを含む形で１００μｍ（＝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２０Ｂに示す。図２０Ａには、Ｂｉ2Ｔｅ3層とＡｌ層とレーザビームの位置関係の概略図も示す。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。
【００６５】
＜実施例６＞
実施例３と同様の方法で、Ａｌ2Ｏ3基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ）の上に、厚さ１５０ｎｍのＣａxＣｏＯ2層を形成したＣａxＣｏＯ2層の表面の一部に、真空蒸着法により、１５０ｎｍの厚さを持つＡｌ層を形成した。Ａｌ層の面積は、１ｍｍ×１ｍｍ程度とした。このようにして、ＣａxＣｏＯ2層とＡｌ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子を作製した。
【００６６】
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。
【００６７】
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、Ａｌ層の左端部とＣａxＣｏＯ2層の一部を共にビームスポット内に含む形で１００μｍ（＝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２１Ｂに示す。図２１Ａには、ＣａxＣｏＯ2層とＡｌ層とレーザビームの位置関係の概略図も示す。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２２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。
【００６８】
次に、テラヘルツ電磁波発生素子に対して、ビームスポット内にＡｌ層のみを含む形で１００μｍ（＝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２３Ｂに示す。図２３Ａには、ＣａxＣｏＯ2層とＡｌ層とレーザビームの位置関係の概略図も示す。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。
【００６９】
実施例４、実施例５、実施例６から示されるように、金属層がＡｌに代わっても、同様のメカニズムでテラヘルツ電磁波を発生させることが出来る。
【００７０】
＜実施例７＞
実施例１と同様の方法で、ＳｉＯ2基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ）の上に、厚さ５０ｎｍのＢｉ層を形成した。Ｂｉ層の表面の一部に、真空蒸着法により、１５０ｎｍの厚さを持つＴｉ層を形成した。Ｔｉ層の面積は、１ｍｍ×１ｍｍ程度とした。このようにして、Ｂｉ層とＴｉ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子を作製した。
【００７１】
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。
【００７２】
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、Ｔｉ層の左端部とＢｉ層の一部を共にビームスポット内に含む形で１００μｍ（＝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２４Ｂに示す。図２４Ａには、ＢｉとＴｉ層とレーザビームの位置関係の概略図も示す。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２５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。
【００７３】
次に、テラヘルツ電磁波発生素子に対して、ビームスポット内にＴｉ層のみを覆う形で１００μｍ（＝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２６Ｂに示す。図２６Ａには、Ｂｉ層とＴｉ層とレーザビームの位置関係の概略図も示す。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。
【００７４】
＜実施例８＞
実施例２と同様の方法で、ＭｇＯ基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ）の上に、厚さ５０ｎｍのＢｉ2Ｔｅ3層を形成した。Ｂｉ2Ｔｅ3層の表面の一部に、真空蒸着法により、１５０ｎｍの厚さを持つＴｉ層を形成した。Ｔｉ層の面積は、１ｍｍ×１ｍｍ程度とした。このようにして、Ｂｉ2Ｔｅ3層とＴｉ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子を作製した。
【００７５】
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。
【００７６】
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、Ｔｉ層の左端部とＢｉ2Ｔｅ3層の一部を共にビームスポット内に含む形で１００μｍ（＝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２７Ｂに示す。図２７Ａには、Ｂｉ2Ｔｅ3層とＴｉ層とレーザビームの位置関係の概略図も示す。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２８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。
【００７７】
次に、テラヘルツ電磁波発生素子に対して、ビームスポット内にＴｉ層のみを覆う形で１００μｍ（＝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２９Ｂに示す。図２９Ａには、Ｂｉ2Ｔｅ3層とＴｉ層とレーザビームの位置関係の概略図も示す。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。
【００７８】
＜実施例９＞
実施例３と同様の方法で、Ａｌ2Ｏ3基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ）の上に、厚さ１５０ｎｍのＣａxＣｏＯ2層を形成した。ＣａxＣｏＯ2層の表面の一部に、真空蒸着法により、１５０ｎｍの厚さを持つＴｉ層を形成した。Ｔｉ層の面積は、１ｍｍ×１ｍｍ程度とした。このようにして、ＣａxＣｏＯ2層とＴｉ層とを備えるテラヘルツ電磁波発生素子を作製した。
【００７９】
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。
【００８０】
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、Ｔｉ層の左端部とＣａxＣｏＯ2層の一部を共にビームスポット内に含む形で１００μｍ（＝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３０Ｂに示す。図３０Ａには、ＣａxＣｏＯ2層とＴｉ層とレーザビームの位置関係の概略図も示す。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３１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。
【００８１】
次に、テラヘルツ電磁波発生素子に対して、ビームスポット内にＴｉ層のみを含む形で１００μｍ（＝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３２Ｂに示す。図３２Ａには、ＣａxＣｏＯ2層とＴｉ層とレーザビームの位置関係の概略図も示す。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。
【００８２】
実施例７、実施例８、実施例９から示されるように、金属層がＴｉに代わっても、同様のメカニズムでテラヘルツ電磁波を発生させることが出来る。
【００８３】
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。
【００８４】
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および１５０ｎｍに設定しているが、熱電材料層の厚さがこれらの設定例から変化しても、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。同様に、金属層の厚さも上記の実施例における値に限定されない。
【００８５】
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、金属層、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、金属材料、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】
【００８６】
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】
【００８７】
１  基板
２  熱電材料層
１３  金属層
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、その熱電材料層（２）の表面の一部を覆う金属層（１３）と、熱電材料層（２）の金属層（１３）によって覆われていない表面領域および金属層（１３）の端の両方にパルス光（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。【図１Ａ】
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【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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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１６】
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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１９】
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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２２】
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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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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２８】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３１】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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