(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多光子励起によりテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子であって、
入射される励起光に対して透明な基板と、
前記基板に前記励起光が入射される側とは反対側の前記基板の面上に設けられる光伝導膜と、
前記光伝導膜上に設けられ、ギャップを挟んで対向する２つの電極を有するアンテナと、
前記基板に前記励起光が入射される側に設けられ、前記励起光を前記ギャップに集光する集光部と、
前記アンテナ上に設けられ、前記ギャップにおいて発生されるテラヘルツ波を、前記基板に前記励起光が入射される側とは反対側に導くアンテナ側レンズと、
を備え、
前記アンテナは、前記光伝導膜および前記アンテナ側レンズのどちらか一方に設けられた溝に嵌合しているテラヘルツ波発生素子。
【請求項２】
前記アンテナ側レンズは、前記ギャップにおいて前記光伝導膜に接していることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生素子。
【請求項３】
前記アンテナ側レンズが、前記基板より高い誘電率を有することを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ波発生素子。
【請求項４】
前記集光部が、前記基板に前記励起光が入射される側の前記基板の面上に接している基板側レンズであることを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ波発生素子。
【請求項５】
前記集光部が、前記基板に前記励起光が入射される側の前記基板の面の一部が半球状に加工された領域であることを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ波発生素子。
【請求項６】
多光子励起によりテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出素子であって、
入射される励起光に対して透明な基板と、
前記励起光が入射される側とは反対側の前記基板の面上に設けられる光伝導膜と、
前記光伝導膜上に設けられ、ギャップを挟んで対向する２つの電極を有するアンテナと、
前記基板に前記励起光が入射される側に設けられ、前記励起光を前記ギャップに集光する集光部と、
前記アンテナ上に設けられ、前記励起光が前記基板に入射される側とは反対側から入射されるテラヘルツ波を前記ギャップに集光するアンテナ側レンズと、
を備え、
前記アンテナは、前記光伝導膜および前記アンテナ側レンズのどちらか一方に設けられた溝に嵌合しているテラヘルツ波検出素子。
【請求項７】
前記アンテナ側レンズは、前記ギャップにおいて前記光伝導膜に接していることを特徴とする請求項６に記載のテラヘルツ波検出素子。
【請求項８】
前記アンテナ側レンズが、前記基板より高い誘電率を有することを特徴とする請求項６または７に記載のテラヘルツ波検出素子。
【請求項９】
前記集光部が、前記基板に前記励起光が入射される側の前記基板の面上に接している基板側レンズであることを特徴とする請求項６または７に記載のテラヘルツ波検出素子。
【請求項１０】
前記集光部が、前記基板に前記励起光が入射される側の前記基板の面の一部が半球状に加工された領域であることを特徴とする請求項６または７に記載のテラヘルツ波検出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光の入射によりテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子及びテラヘルツ波の入射により信号を発生させるテラヘルツ波検出素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波は周波数が０．１〜１０ＴＨｚ（その周辺領域を含む）の電磁波であり、近年研究が進められている。広く知られている構成を持つテラヘルツ波発生素子１の模式図を図６に示す。テラヘルツ波発生素子１は、基板２と、基板２の表面に形成された光伝導膜３と、光伝導膜３上で所定のギャップ５を挟んで対向するアンテナ４と、基板２をはさんでアンテナ４の反対側にシリコンレンズ６とを備える。アンテナ４にバイアス電圧を印加している状態で、基板２に対してアンテナ４の側からギャップ５に向かう方向（矢印Ａの方向）で励起光が入射される時に、光伝導膜３が励起されてテラヘルツ波が発生する。このような構成では、テラヘルツ波がアンテナ４から基板２を通過する方向（矢印Ｂの方向）で出射されるため、テラヘルツ波の一部が基板２に吸収されて発生効率が低下する。例えば、基板２としてＧａＡｓ基板を用いる場合には、周波数が７〜１０ＴＨｚの領域のテラヘルツ波が基板２に吸収されることが知られている。
【０００３】
また、図６と同じ構成がテラヘルツ波検出素子として利用できる。この場合には、アンテナ４にバイアス電圧を印加していない状態で、基板２に対してアンテナ４の側からギャップ５に向かう方向（矢印Ａの方向）で励起光が入射され、同時に基板２に対してアンテナ４の反対側からギャップ５に向かう方向（矢印Ｃの方向）でテラヘルツ波が入射される時に、アンテナ４の間を流れる電流を測定することでテラヘルツ波を検出することができる。このような構成では、検出するテラヘルツ波の入射側に基板２が存在するため、入射するテラヘルツ波の一部が基板２により吸収されて検出効率が低下する。
【０００４】
特許文献１に開示されたテラヘルツ波発生素子では、テラヘルツ波の発生効率を向上させるために、基板上のテラヘルツ波出射方向に開口部を設け、該開口部を通してテラヘルツ波を出射することによって、基板によるテラヘルツ波の吸収を低減している。
【０００５】
また、特許文献２に開示されたテラヘルツ波発生素子では、レンズ上にアンテナと薄い光伝導膜とがこの順番に積層されて形成されており、基板は除去されている。そのため、発生されたテラヘルツ波に対して、基板によるテラヘルツ波の吸収は起こらない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２８１４１９号公報
【特許文献２】特開２００５−３１１３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
多光子吸収による励起を起こしてテラヘルツ波を発生、検出する際には、特にアンテナのギャップにおける励起光の光強度を高める必要がある。図６の構造においてテラヘルツ波の発生効率、検出効率を向上させるために、仮に光伝導膜３とアンテナ４とを励起光が入射する側の反対側に設けたとしても、入射する励起光が空気と基板２との界面で大きく屈折してしまうため、ギャップ５における励起光のスポット（ビーム径）が広がり、ギャップ５での光強度が低下する。その結果、多光子吸収によるテラヘルツ波発生効率、検出効率が低下してしまう。
【０００８】
特許文献１に開示された技術は、基板上に開口部を作成するための工程が必要となるため、素子の製造方法が複雑化し、製造コストが増加する。また、開口部上のアンテナ及び光伝導膜が基板に支持されないため、強度が低下する。
【０００９】
特許文献２に開示された技術は、レンズ上に薄い光伝導膜のみを残して基板を除去する工程が必要になるため、素子の製造方法が複雑化し、製造コストが増加する。また、レンズ、アンテナ及び光伝導膜を支持する基板が除去されるため、やはり強度が低下する。
【００１０】
本発明の目的は、従来のアンテナ及び基板を用いて強度を維持して構成することができ、多光子吸収による励起を効率的に起こし、かつ基板によるテラヘルツ波の吸収を低減できるテラヘルツ波発生素子及び検出素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様は、多光子励起によりテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子であって、入射される励起光に対して透明な基板と、前記基板に前記励起光が入射される側とは反対側の前記基板の面上に設けられる光伝導膜と、前記光伝導膜上に設けられ、ギャップを挟んで対向する２つの電極を有するアンテナと、前記基板に前記励起光が入射される側に設けられ、前記励起光を前記ギャップに集光する集光部と、前記アンテナ上に設けられ、前記ギャップにおいて発生されるテラヘルツ波を、前記基板に前記励起光が入射される側とは反対側に導くように構成されているアンテナ側レンズと、を備え、前記アンテナは、前記光伝導膜および前記アンテナ側レンズのどちらか一方に設けられた溝に嵌合している。
【００１２】
本発明の第２の態様は、多光子励起によりテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出素子であって、入射される励起光に対して透明な基板と、前記励起光が入射される側とは反対側の前記基板の面上に設けられる光伝導膜と、前記光伝導膜上に設けられ、ギャップを挟んで対向する２つの電極を有するアンテナと、前記基板に前記励起光が入射される側に設けられ、前記励起光を前記ギャップに集光する集光部と、前記アンテナ上に設けられ、前記励起光が前記基板に入射される側とは反対側から入射されるテラヘルツ波を前記ギャップに集光するように構成されているアンテナ側レンズと、を備え、前記アンテナは、前記光伝導膜および前記アンテナ側レンズのどちらか一方に設けられた溝に嵌合している。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るテラヘルツ波発生素子及び検出素子は、従来のアンテナ及び基板を用いて強度を低下させずに構成することができる。また、アンテナのギャップにおいて多光子吸収を効率的に起こすことができる。さらに、基板によるテラヘルツ波の吸収を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る、テラヘルツ波発生検出装置の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る、テラヘルツ波発生検出素子の平面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）本発明の一実施形態に係る、テラヘルツ波発生検出素子の断面図である。
【図４】（ａ）検出されたテラヘルツ波の時間波形を表す図である。（ｂ）検出されたテラヘルツ波のスペクトルを表す図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）本発明に係るテラヘルツ波発生検出素子の別の実施形態を表す断面図である。
【図６】従来のテラヘルツ波発生検出素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。
【００１６】
本実施形態に係るテラヘルツ波発生検出素子は、同一の構成でテラヘルツ波発生素子としてもテラヘルツ波検出素子としても機能する。すなわち、テラヘルツ波発生検出素子にバイアス電圧が印加されている状態で励起光（ポンプ光）が照射されるとテラヘルツ波発生素子としてテラヘルツ波を発生させることができ、テラヘルツ波発生検出素子にバイアス電圧が印加されていない状態で励起光（プローブ光）とテラヘルツ波とが照射されるとテラヘルツ波検出素子として該テラヘルツ波を検出することができる。
【００１７】
図１は、本実施形態に係るテラヘルツ波発生検出装置１００の概略構成図である。テラヘルツ波発生検出装置１００は、短パルス光１０２を発生させるレーザ発振器１０１と、短パルス光１０２をポンプ光１０４とプローブ光１０５とに分割するビームスプリッタ１０３と、ポンプ光１０４に遅延を与える光学遅延部１１２と、ポンプ光１０４及びプローブ光１０５をそれぞれ集光するための集光レンズ１０６、１１３と、ポンプ光１０４を受けてテラヘルツ波の発生を行うテラヘルツ波発生検出素子２０１（テラヘルツ波発生素子２０１ａという）と、プローブ光１０５を受けてテラヘルツ波の検出を行うテラヘルツ波発生検出素子２０１（テラヘルツ波検出素子２０１ｂという）と、テラヘルツ波発生素子２０１ａに変調されたバイアス電圧を印加するバイアス変調器１０７と、テラヘルツ波検出素子２０１ｂから発生される電流を増幅する電流増幅器１１４と、バイアス変調器１０７及び電流増幅器１１４に接続されてロックイン検出を行うロックインアンプ１１６と、を備える。
【００１８】
レーザ発振器１０１としては、ファイバレーザを用いる。レーザ発振器１０１が発生する短パルス光１０２に対して、テラヘルツ波発生検出素子２０１の基板が透明である必要がある。すなわち、レーザ発振器１０１は、テラヘルツ波発生検出素子２０１で使用される基板がほとんど又は全く吸収しない波長領域の短パルス光１０２を発生させる。その結果、励起光（ポンプ光、プローブ光）の基板による吸収を低減できるため、テラヘルツ波の発生及び検出を高い効率で行うことができる。本実施形態においては、テラヘルツ波発生検出素子２０１にＧａＡｓ基板を用いるため、中心波長１５６０ｎｍ、パルス幅２０ｆｓ、出力１００ｍＷの短パルス光１０２を用いている。
所望の波長の短パルス光を出射できるものであれば、ファイバレーザ以外のフェムト秒レーザ、例えば固体レーザ、色素レーザ又はパラメトリックレーザ等、任意のレーザ光源を利用することができる。
【００１９】
ビームスプリッタ１０３は、レーザ発振器１０１から短パルス光１０２が出射される方向に設置され、短パルス光１０２をテラヘルツ波発生に用いるためのポンプ光１０４と、テラヘルツ波検出に用いるためのプローブ光１０５とに分岐する。ビームスプリッタ１０３としては、偏光ビームスプリッタを用いる。レーザ発振器１０１とビームスプリッタ１０３との間にλ／２板（不図示）を設けることで、短パルス光１０２の偏光を任意に変更し、分岐比を調整することができる。分岐比は、１：１になるように調整することが一般的だが、検出感度が最大になるように調整することが望ましい。ビームスプリッタ１０３として、強度を分割するビームスプリッタを用いてもよい。
【００２０】
光学遅延部１１２は、ビームスプリッタ１０３からポンプ光１０４が出射される方向に設けられ、ポンプ光１０４の光路長を変更し、それによりポンプ光１０４に遅延を発生させることができる。光学遅延部１１２には周知の構成が用いられる。例えば、光学遅延部１１２は、駆動部と、ポンプ光１０４を反射してテラヘルツ波発生素子２０１ａに導く複数のミラーとを有し、該駆動部により該複数のミラーを移動させることによって、ポンプ光１０４の光路長を変更することができる。
本実施形態では光学遅延部はポンプ光に対して設けられているが、ポンプ光とプローブ光との間の時間差を変更できればよいので、ビームスプリッタ１０３からプローブ光１０５が出射される方向に光学遅延部を設け、プローブ光１０５に対して遅延を発生させてもよい。
【００２１】
テラヘルツ波発生素子２０１ａは、光学遅延部１１２により遅延されたポンプ光１０４が出射される方向に設けられる。光学遅延部１１２とテラヘルツ波発生素子２０１ａとの間には、ポンプ光１０４のスポットを絞るための集光レンズ１０６が設けられる。集光レンズ１０６としては任意のレンズを用いることができるが、テラヘルツ波発生素子２０１ａのアンテナにおけるスポットを小さくして多光子吸収を起こしやすくするため、単焦点でＮＡの大きなレンズを用いることが望ましい。また、テラヘルツ波発生素子２０１ａの有するアンテナにバイアス変調器１０７が接続され、テラヘルツ波発生に必要なバイアス電圧に変調を与えて印加する。バイアス変調器１０７はロックイン検出に使用する参照信号１０８をロックインアンプ１１６に出力する。変調周波数は１００ｋＨｚ程度の高周波で行うことが好ましいが、使用するロックインアンプの周波数帯域に合わせて調整を行う。テラヘルツ波発生素子２０１ａにバイアス電圧が印加されている状態で、ポンプ光１０４が入射されると、テラヘルツ波１０９が発生され、出射される。
本実施形態では、バイアス変調器１０７がバイアス電源と変調器の両方の機能を有しているが、バイアス電源と変調器とを別に設けてもよい。その場合には、変調器として音響光学変調器（ＡＯＭ）や、チョッパ等をポンプ光１０４の光路上に設けることにより、ポンプ光１０４を変調することができる。
【００２２】
テラヘルツ波発生素子２０１ａから出射されるテラヘルツ波１０９をテラヘルツ波検出素子２０１ｂに導くために、出射されたテラヘルツ波１０９をコリメート（平行光化）するための第１の軸外し放物面鏡１１０と、コリメートされたテラヘルツ波１０９をテラヘルツ波検出素子２０１ｂ上に集光するための第２の軸外し放物面鏡１１１とが設けられる。また、テラヘルツ波発生素子２０１ａおよびテラヘルツ波検出素子２０１ｂを透過する励起光を除去するために、テラヘルツ波発生素子２０１ａおよびテラヘルツ波検出素子２０１ｂの励起光の入射側とは反対側に、それぞれフィルタ１１７ａ、１１７ｂを設けるとよい。フィルタ１１７ａ、１１７ｂとしては、レーザ光を反射し、テラヘルツ波を透過させる素材、例えばブラックポリエチレンやゲルマニウム基板を用いることができる。
【００２３】
テラヘルツ波検出素子２０１ｂは、ビームスプリッタ１０３から出射されるプローブ光１０５が導かれる方向に設けられる。プローブ光１０５の光路上には、プローブ光１０５のスポットを絞るための集光レンズ１１３が設けられる。集光レンズ１１３としては任意のレンズを用いることができるが、テラヘルツ波発生素子２０１ａのアンテナにおけるスポットを小さくして多光子吸収を起こしやすくするため、単焦点でＮＡの大きなレンズを用いることが望ましい。また、テラヘルツ波検出素子２０１ｂの有するアンテナに電流増幅器１１４が接続される。テラヘルツ波検出素子２０１ｂにプローブ光１０５とテラヘルツ波１０９とが入射されると、それに応答してテラヘルツ波検出素子２０１ｂの有するアンテナに電流が流れ、該電流を電流増幅器１１４によって増幅することができる。電流増幅器１１４は増幅した電流を電流信号１１５としてロックインアンプ１１６に出力する。
【００２４】
ロックインアンプ１１６は、バイアス変調器１０７と電流増幅器１１４とに接続され、参照信号１０８と電流信号１１５とのロックイン検出（同期検波）を行い、発生されたテラヘルツ波１０９の検出を行うことができる。さらに、光学遅延部１１２を作動させてポンプ光１０４の遅延時間を変化させながらテラヘルツ波１０９の検出を行うことで、テラヘルツ波１０９の時間波形を得ることができる。
【００２５】
本実施形態では発生されるテラヘルツ波をそのまま検出しているが、発生されるテラヘルツ波を物体に照射し、該物体で反射または透過されるテラヘルツ波を検出することで、該物体の物性を計測することに利用できる。その場合には、テラヘルツ波発生素子２０１ａとテラヘルツ波検出素子２０１ｂとの間に物体を設置し、軸外し放物面鏡を組み合わせて該物体上にテラヘルツ波発生素子２０１ａからのテラヘルツ波を集光し、さらに軸外し放物面鏡を組み合わせて該物体で反射または透過されるテラヘルツ波をテラヘルツ波検出素子２０１ｂ上に集光すればよい。
【００２６】
本実施形態に係るテラヘルツ波発生検出素子２０１の構成を、図２、３を用いて説明する。図２は、テラヘルツ波発生検出素子２０１をテラヘルツ波が出射または入射される側から見た平面図を表す。図２中の破線は光伝導膜２０３に対して奥側の形状を示す。図３（ａ）は、テラヘルツ波発生検出素子２０１を、ギャップ２０５を含むＤ−Ｄ線で切断し、矢印方向に見た断面図を表す。図３（ｂ）は、テラヘルツ波発生検出素子２０１を、切り欠き部２０６ａ及び導電線２０８を含むＥ−Ｅ線で切断し、矢印方向に見た断面図を表す。
【００２７】
テラヘルツ波発生検出素子２０１は、基板２０２と、励起光（ポンプ光、プローブ光）が入射する側とは反対側の基板２０２の面上に形成された光伝導膜２０３と、光伝導膜２０３上で所定のギャップ２０５を挟んで対向するアンテナ２０４と、アンテナ２０４上に設けられている、テラヘルツ波を集光させるためのアンテナ側レンズ２０６と、励起光が入射する側の基板２０２の面に接して設けられている、励起光をギャップ２０５に集光させるための基板側レンズ２０７と、アンテナ２０４に接続されている導電線２０８と、を備える。
【００２８】
基板２０２としては、ＧａＡｓ基板を用いる。ＧａＡｓはバンドギャップが１．４２ｅＶ（温度が３００Ｋの時）であるため、８７３ｎｍ以下の波長で吸収が生じる。本実施形態においては、基板２０２による励起光の吸収を低減するために、励起光に８７３ｎｍより大きい波長の光を用い（つまり、用いる励起光に対して基板２０２が透明であるように構成し）、アンテナ２０４のギャップ２０５において多光子励起を発生させることによって、テラヘルツ波の発生及び検出を行っている。
本実施形態ではレーザ発振器１０１として中心波長１５６０ｎｍ、パルス幅２０ｆｓ、出力１００ｍＷの短パルス光を出力するものを用いている。
【００２９】
光伝導膜２０３は、基板２０２に対して励起光が入射する側とは反対側の面を覆うように設けられる。光伝導膜２０３としては、基板２０２上に低温下のエピタキシャル成長等により形成された低温成長ＧａＡｓを用いる。アンテナ２０４と組み合わせてテラヘルツ波の発生及び検出が可能であれば、低温成長ＧａＡｓ以外にも光励起キャリア移動度が高い任意の素材が利用できる。
【００３０】
アンテナ２０４は、光伝導膜２０３の表面、つまり、基板２０２について励起光の入射側とは反対側に設けられる。アンテナ２０４は一対の電極を有しており、該一対の電極の一部がギャップ２０５を挟んで近接するように構成されている。ギャップ２０５の間隔は５μｍ程度が好ましい。
【００３１】
アンテナ側レンズ２０６としてはシリコンレンズが用いられ、アンテナ２０４上に設けられる。シリコンレンズは基板２０２に用いられているＧａＡｓよりも誘電率が高いため、アンテナ２０４のギャップ２０５において発生されるテラヘルツ波を、基板２０２の方向ではなく、アンテナ側レンズ２０６の方向へ多く誘導することができる。また、テラヘルツ波を検出する場合には、アンテナ側レンズ２０６は該テラヘルツ波をギャップ２０５に集めるよう動作する。基板２０２よりも誘電率が大きければ、シリコンレンズ以外にも任意の素材が利用できる。このように構成することで、発生及び検出するテラヘルツ波が基板２０２を通らないため、基板２０２による該テラヘルツ波の吸収を抑制することができる。
光伝導膜２０３とアンテナ側レンズ２０６との間隔は、３μｍ以下にすることが好ましい。それにより、光伝導膜２０３とアンテナ側レンズ２０６との間のギャップ２０５において、テラヘルツ波が多重反射されることを防止または低減させることができる。
【００３２】
基板側レンズ２０７は、集光レンズ１０６、１１３とは別に、基板２０２上の光伝導膜２０３とは反対側（つまり、励起光の入射側）の面上に設けられる。基板側レンズ２０７は、基板２０２と同等のまたは近い誘電率を持つ平凸レンズであり、該平凸レンズの平面部を基板２０２に接して設けられる。本実施形態ではＧａＡｓの平凸レンズを用いている。基板側レンズ２０７は基板２０２に厳密に接していなくとも、近接していることで同様の作用が期待できる。基板側レンズ２０７により、基板２０２の表面で励起光が大きく屈折して励起光のスポットがアンテナ２０４のギャップ２０５において広がることを抑制できる。その結果、入射する励起光のスポットをギャップ２０５において絞ることができるため、多光子励起を効率よく起こす、つまり多光子励起の発生確率を上げることができる。このように構成することによって、基板２０２を薄く構成しなくとも多光子励起によるテラヘルツ波発生及び検出を行うことができるため、広く用いられる厚さである３００〜５００μｍの厚さの基板を用いることができ、テラヘルツ波発生検出素子２０１に十分な強度をもたせることができる。
本実施形態では基板２０２における励起光の入射側に平凸レンズを設置しているが、基板２０２の表面での励起光の屈折を抑制できればよい。そのため、レンズを設置する代わりに、基板２０２の励起光の入射側の表面形状を、屈折が低減される曲面形状、例えば半球状に加工してもよい。
本実施形態では平凸レンズを使用しているが、代わりに両凸レンズを用いてもよい。その場合には、該両凸レンズの凸面と基板２０２との間の空気による屈折を抑制するため、樹脂などの屈折率整合材で埋めることが望ましい。
【００３３】
アンテナ２０４には、導電線２０８が接続される。アンテナ側レンズ２０６の一部を切り欠いて切り欠き部２０６ａを設け、導電線２０８は切り欠き部２０６ａを通してアンテナ２０４に接続される。切り欠き部２０６ａは、テラヘルツ波の発生及び検出を阻害しないよう、アンテナ側レンズ２０６の周辺部、つまりテラヘルツ波の発生及び検出が行われるギャップ２０５から離れた場所に設けることが望ましい。テラヘルツ波の発生を行う場合には、導電線２０８にはバイアス変調器１０７（バイアス電源でもよい）が接続される。テラヘルツ波の検出を行う場合には、導電線２０８には電流増幅器１１４が接続される。
【００３４】
本実施形態に係るテラヘルツ波発生検出素子２０１によれば、基板側レンズ２０７によりギャップ２０５における励起光のスポットを絞るように構成されているため、効率的に多光子励起を起こしてテラヘルツ波の発生及び検出を行うことができ、テラヘルツ波発生検出素子２０１に十分な厚さを持つ基板２０２を用いることができる。さらに、発生及び検出されるテラヘルツ波が基板２０２を通らないように構成されているため、該テラヘルツ波が基板２０２により吸収されることを低減することができる。
【００３５】
以下に、本実施形態に係るテラヘルツ波発生検出装置１００及びテラヘルツ波発生検出素子２０１の動作を説明する。
テラヘルツ波発生素子２０１ａには、バイアス変調器１０７によりアンテナ２０４にバイアス電圧を印加する。該バイアス電圧には、ロックイン検出を行うために変調を掛けておく。
この状態で、レーザ発振器１０１から、短パルス光１０２を発生させる。短パルス光１０２は、ビームスプリッタ１０３によりポンプ光１０４とプローブ光１０５とに分岐される。ポンプ光１０４には、光学遅延部１１２により遅延が与えられる。遅延されたポンプ光１０４は集光レンズ１０６によりテラヘルツ波発生素子２０１ａに集光される。テラヘルツ波発生素子２０１ａにおいて、ポンプ光１０４は基板側レンズ２０７を通り、アンテナ２０４のギャップ２０５に集光される。その結果、光伝導膜２０３の多光子励起が起こり、テラヘルツ波１０９が発生される。発生されたテラヘルツ波１０９はアンテナ側レンズ２０６を通って出射される。
【００３６】
テラヘルツ波発生素子２０１ａから出射されたテラヘルツ波１０９は、軸外し放物面鏡１１０、１１１により、コリメートされた後にテラヘルツ波検出素子２０１ｂに集光される。テラヘルツ波１０９は、さらにアンテナ側レンズ２０６を通ってアンテナ２０４のギャップ２０５に集光される。
【００３７】
テラヘルツ波の発生と並行して、プローブ光１０５は集光レンズ１１３によりテラヘルツ波検出素子２０１ｂに集光される。テラヘルツ波検出素子２０１ｂにおいて、プローブ光１０５は基板側レンズ２０７を通り、アンテナ２０４のギャップ２０５に集光される。
【００３８】
テラヘルツ波検出素子２０１ｂのギャップ２０５にテラヘルツ波１０９とプローブ光１０５とが到達すると、ギャップ間に電流が流れる。該電流は電流増幅器１１４で増幅され、電流信号１１５としてロックインアンプ１１６に入力される。同時に、バイアス変調器１０７からの参照信号１０８がロックインアンプ１１６に入力され、テラヘルツ波検出素子２０１ｂに入射されたテラヘルツ波１０９のロックイン検出が行われる。さらに光学遅延部１１２がポンプ光１０４に与える遅延時間を変化させながら検出を行うことで、テラヘルツ波１０９の時間波形を取得する。
【００３９】
本実施形態に係るテラヘルツ波発生検出装置１００及びテラヘルツ波発生検出素子２０１を用いてテラヘルツ波発生及び検出を行った実施結果を図４（ａ）、（ｂ）に示す。図４（ａ）は、ロックインアンプ１１６により取得された、横軸に時間、縦軸に振幅をとった時間波形である。図４（ｂ）は、該時間波形にフーリエ変換を行うことにより取得された、横軸に周波数、縦軸に強度をとったスペクトルである。ＧａＡｓは７〜１０ＴＨｚの周波数領域を吸収することが知られているが、図４（ｂ）によれば該周波数領域での吸収が低減されていることがわかる。
【００４０】
本発明に係るテラヘルツ波発生検出素子２０１の別の実施形態を図５（ａ）〜（ｃ）に示す。図５（ａ）〜（ｃ）は、図２に係る実施形態とは断面形状が異なるのみであり、それ以外の構成は共通している。図５（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ図２のＤ−Ｄ線で切断した断面図に相当する。
【００４１】
図５（ａ）に係る実施形態においては、アンテナ側レンズ２０６に、アンテナ２０４が篏合できる形状の溝２０６ｂが設けられる。アンテナ２０４は溝２０６ｂに篏合している状態で光伝導膜２０３に接して設けられる。このように構成することで、アンテナ側レンズ２０６は、ギャップ２０５において光伝導膜２０３に接する又は近接することができるため、ギャップ２０５において発生または検出されるテラヘルツ波が、空気とレンズとの界面で屈折することを防止または低減することができる。
【００４２】
図５（ｂ）に係る実施形態においては、光伝導膜２０３に、アンテナ２０４が篏合できる形状の溝２０３ａが設けられる。アンテナ２０４は溝２０３ａに篏合している状態で光伝導膜２０３に接して設けられる。このように構成することで、アンテナ側レンズ２０６は、ギャップ２０５において光伝導膜２０３に接する又は近接することができるため、ギャップ２０５において発生または検出されるテラヘルツ波が、空気とレンズとの界面で屈折することを防止または低減することができる。
【００４３】
図５（ｃ）に係る実施形態においては、光伝導膜２０３の表面に配置されたアンテナ２０４は、空気より高い誘電率であって、アンテナ側レンズ２０６に近い誘電率を持つ接着層２０９（例えば、樹脂などの屈折率整合剤）で覆われ、接着層２０９上にアンテナ側レンズ２０６が設けられる。このように構成することで、ギャップ２０５が接着層２０９で充填されることによりギャップ２０５から空気が排除されるため、ギャップ２０５において発生または検出されるテラヘルツ波が、空気とレンズとの界面で屈折することを防止または低減することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１００  テラヘルツ波発生検出装置
１０１  レーザ発振器
１０２  短パルス光
１０３  スプリッタ
１０４  ポンプ光
１０５  プローブ光
１０６、１１３  集光レンズ
１０７  バイアス変調器
１０８  参照信号
１０９  テラヘルツ波
１１０、１１１  軸外し放物面鏡
１１２  光学遅延部
１１４  電流増幅器
１１５  電流信号
１１６  ロックインアンプ
１１７ａ、１１７ｂ  フィルタ
２０１  テラヘルツ波発生検出素子
２０１ａ  テラヘルツ波発生素子
２０１ｂ  テラヘルツ波検出素子
２０２  基板
２０３  光伝導膜
２０３ａ  光伝導膜の溝
２０４  アンテナ
２０５  ギャップ
２０６  アンテナ側レンズ
２０６ａ  切り欠き部
２０６ｂ  アンテナ側レンズの溝
２０７  基板側レンズ
２０８  導電線
２０９  接着層
【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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