(57)【要約】【課題】小型のテラヘルツ光発生・検出装置を提供し，プローブ型，ワンド型あるいはＸ線透視装置等と組み合わせ可能な分光装置を可能にする。【解決手段】本発明のテラヘルツ光発生，検出装置は，光導電スイッチ型のアンテナに光導波路が集積化された構造をもつ。この際に，フェムト秒パルス光のパルス波形を修正するための補償素子やフェムト秒パルス光の光源となる半導体レーザが同時に集積化されていても良い。また，発生と検出用の光導電スイッチ型のアンテナが一つの基板上に集積化されていても良く，この場合は，同時に，フェムト秒パルス光を遅延する素子が集積化されていても良い。【選択図】図1
2006024803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１００ＧＨｚ−１００ＴＨｚの周波数範囲内の電磁波を発生または検出するための装置であって，１００ＧＨｚ−１００ＴＨｚの周波数範囲内の電磁波を発生または検出するための光導電スイッチ型のアンテナと，このアンテナの光導電スイッチ部に光を照射するための光導波路を備え，これらのアンテナと光導波路が一つの基板上に形成されていることを特徴とする１００ＧＨｚ−１００ＴＨｚの周波数範囲内の電磁波を発生または検出するための光発生検出装置。
【請求項２】
該光導波路の一部に，光波形を整形するためのデバイスが集積化されていることを特徴とする請求項１記載の電磁波を発生または検出するための光発生検出装置。
【請求項３】
該光導波路の一部に，光の伝搬時間を調整するための素子が集積化されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁波を発生または検出するための光発生検出装置。
【請求項４】
該光導波路の一部に，該アンテナの光導電スイッチ部に光を照射するための光源が集積化されていることを特徴とする請求項１または２または３に記載の電磁波を発生または検出するための光発生検出装置。
【請求項５】
請求項１から４に記載の電磁波を発生または検出するための装置であって，該アンテナから１００ＧＨｚ−１００ＴＨｚの周波数範囲内の電磁波を取り出すため，あるいは，該アンテナに１００ＧＨｚ−１００ＴＨｚの周波数範囲内の電磁波を集光するためのレンズを備えていることを特徴とする請求項１から４に記載の電磁波を発生または検出するための光発生検出装置。
【請求項６】
請求項１から５に記載の電磁波を発生または検出するための装置であって，該基板上に，１００ＧＨｚ−１００ＴＨｚの周波数範囲内の電磁波を発生するアンテナと検出するアンテナの両方が形成されていることを特徴とする電磁波の発生，検出装置。
【請求項７】
請求項６に記載の電磁波の発生，検出装置であって，発生用アンテナと検出用アンテナが金属で遮蔽され干渉しないことを特徴とする電磁波の発生，検出装置。
【請求項８】
請求項１から８に記載の電磁波の発生または検出，または両方が可能な装置であって，信号処理用のプロセッサと結果を表示するための表示部およびこれらに電源を供給する電源部が一つの筐体組み込まれ分光が可能となっているテラヘルツ光発生検出装置。
【請求項９】
請求項１から８に記載の電磁波の発生または検出，または両方が可能な装置であって，これらを任意の位置に移動できる装置に載置した上でＸ線透視装置内に配置し，Ｘ線透視で検査物を観察しながら，検査物の特定の位置の分光測定が可能となっているテラヘルツ光発生検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，テラヘルツ光を発生または検出，またはその両方を実現する装置の小型装置，ならびに，これを用いた測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ光とは，一般に0.1-100テラ（10の12乗）ヘルツ程度の周波数をもつ電磁波のことを指す。波長にすると30-30000μm程度のいわゆる遠赤外からミリ波程度の領域にあたる。従来，このような波長帯は電磁波の発生と検出が難しく産業上はほとんど利用されてこなかった。近年，極超短パルスのパルスレーザ，いわゆるフェムト秒レーザと光導電スイッチ型のアンテナをテラヘルツ波の発生・検出に用いる方法が考案され，また，時間領域分光法の進展により従来に比べて著しく高感度でテラヘルツ領域の光の分光ができるようになった。これらにより一気にテラヘルツ光の産業への利用に道が拓け，例えば薬物の検査，各種透視装置などへの応用が検討されている。
【０００３】
このようなテラヘルツ光を用いた分光装置に，例えば，米国特許５，７８９，７５０がある。これは，図２に示すように，極超短パルスのパルスレーザ，いわゆるフェムト秒レーザ21から出射したパルスレーザ光20を，光導電スイッチ型のアンテナ22に照射することによって発生するテラヘルツ光23を測定試料24に照射すると，その透過または反射あるいは散乱光には試料24の物性情報が反映される。この信号光を，同じく光導電スイッチ型のアンテナ検出器25で電気信号に変換し電流増幅器28などで検出する。この検出の際，ビームスプリッタ29等で発生するテラヘルツ光23に同期させた，可変時間遅延部26により遅延されたトリガ光によって，任意の時間に検出部25に到達した信号光の強度が検出できる。したがって，可変時間遅延部26によって検出時間を連続的に変化させて信号光強度の時間変化を測定し，コンピュータ27で周波数に変換すれば試料24のテラヘルツ領域の光学スペクトルが得られることになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような，従来のテラヘルツ光発生，検出装置では，フェムト秒パルス光を，テラヘルツ光の発・受信デバイスに集光して照射することが必要であり，その際には，10μm程度の精度が必要である。従来は，自由空間に配置したミラーやレンズを用いて，フェムト秒のパルスレーザ光を発・受信デバイスに集光していた。このため，部品点数が多くなり，光学系の調整が容易でない上に小型化に限界があり，ニーズが多いと思われる可搬式の簡便な装置を実現するのが困難であった。
本発明の目的は，このような光学系をテラヘルツ光の発・受信デバイスに集積化することにより，小型で簡便なテラヘルツ分光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のテラヘルツ光発生，検出装置は，光導電スイッチ型のアンテナに光導波路が集積化された構造をもつ。この際に，フェムト秒パルス光のパルス波形を修正するための補償素子やフェムト秒パルス光の光源となる半導体レーザが同時に集積化されていても良い。また，発生と検出用の光導電スイッチ型のアンテナが一つの基板上に集積化されていても良く，この場合は，同時に，フェムト秒パルス光を遅延する素子が集積化されていても良い。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の実施例によれば，従来のテラヘルツ光分光装置に比べ飛躍的な小型化が可能となる。そのため，従来困難であったワンド型をはじめとする可搬式分光装置やプローブ型の装置が実現でき，危険物・薬物検査装置や医療用診断装置へ応用できるようになる。また，小型化により，他の装置，例えばＸ線透視装置やＸ線ＣＴ装置への組み込みも容易になり，より高度で正確な危険物検査や医療診断を可能にする。以上により，本発明は工業上重要である。
【実施例１】
【０００７】
図１は本発明のテラヘルツ光発生，検出装置の一構造例である。11は光導電スイッチ型のアンテナであり，半絶縁性のGaAs基板上に低温で形成した高抵抗GaAs上にAuを用いてダイポールアンテナが形成してある。12は，この光導電スイッチ型のアンテナに短パルスレーザ光を照射するための光導波路である。この光導波路はSiO2で形成されているが，ポリイミドなどの高分子樹脂等で形成しても良い。13は，光導波路に短パルスレーザ光を導入するための光ファイバであり，この光ファイバと12の光導波路を伝搬した短パルスレーザ光はミラー14で反射されて11の光導電スイッチ型のアンテナに照射され，テラヘルツ光が発生または検出される。15はこれらの部品を集積するためのSi基板であり，13の光ファイバを固定するためのＶ溝が形成されている。16は，11から発生したテラヘルツ光を効率よく取り出すためのレンズであり，Siで形成されている。なお，このレンズは検出器の場合は11に効率よくテラヘルツ光を導くための集光レンズとなる。また，このレンズはSi以外の半導体やテフロン（テフロンは登録商標）等の樹脂で形成されていても良い。
【実施例２】
【０００８】
図３は，本発明の別の実施例である。この場合は，図１の実施例の構造に加えてさらに3１の分散補償素子が集積化してある。この分散補償素子はInP系の化合物半導体で構成されており，導波路中を短パルス光が伝播する際に生じる伝播波形の劣化を補償し，光導電スイッチ型のアンテナ11に短パルスレーザ光を短パルスのまま照射する役目をもつ。
【実施例３】
【０００９】
図４は，本発明の別の実施例である。この場合は，テラヘルツ光の発生部と検出部が一つの基板上に集積化されている。この場合同一基板上に集積化されている41は可変光遅延素子であり，時間領域分光に必須の素子である。41の光遅延素子は，半導体光導波路を集積化したものであり，半導体に印可する電界を変化させて遅延時間を変化させる。この可変光遅延素子は，この他に，例えば光MEMS(マイクロ-エレクトロ-メカニカル-システム)でも実現できる。また，42はテラヘルツ光の発生部と検出部の干渉を防止するための金属製の遮光板であり，テラヘルツ光の発生部で発生した電磁波が直接検出部に漏れこむのを防止し，感度を向上させる役割をもつ。
【実施例４】
【００１０】
図５は，本発明の別の実施例である。この場合は図４の実施例の構成に加えて，さらに半導体レーザを元にした51のフェムト秒短パルスレーザと52の制御用集積電子回路および53の検出用集積電子回路も一つの基板上に集積化されており，この装置の入力部57に電源と制御信号を供給することにより，この装置のみでテラヘルツ光の発生・検出をともなう分光が可能である。ここで，52の制御用集積電子回路は51の半導体フェムト秒短パルスレーザの駆動，41の光遅延素子の制御，および，3１の分散補償素子の制御を行い，53の検出用集積電子回路は検出された信号の増幅および適当なインターフェースにあわせた出力56への変換を行う。なお，54は11と同じ光導電スイッチ型のアンテナであるが，テラヘルツ光の発生部であり，55は同じく11と同じ光導電スイッチ型のアンテナであるが，テラヘルツ光の検出部にあたる。また，51のフェムト秒短パルスレーザは，半導体レーザから直接フェムト秒短パルス光が発生するものでも良いし，発信波長がわずかに異なる半導体レーザ同士のビート（うなり）によってフェムト秒短パルス光を発生させる方式のものでも良い。
【００１１】
図６は，本装置を用いた分光測定の結果である。本装置を被測定物に接触させ，54から発生したテラヘルツ光が被測定物から反射または散乱されてきたものを55の検出部で受光し分光する。本装置は小型であるため被測定物に接触させての測定が可能であり，このため，大気中の水分等の吸収の影響を受けることなく，高感度な測定が可能である。
【実施例５】
【００１２】
図７は，本発明の別の実施例である。この場合は，実施例４のテラヘルツ光小型分光装置71をプローブ型の装置72に内蔵させ，これにデータ処理用のプロセッサ部73と結果の表示部76およびこれらに電源を供給するバッテリ74が装備されている。被測定物には，レンズを兼ねシリコン製またはテフロン製窓75を介してテラヘルツ光小型分光装置71を接触させる。この装置では，従来のような光学定盤あるいは大掛かりな筐体が不用であり，簡単に所望の物質，溶液，気体あるいは患部の分光測定ができる。
【実施例６】
【００１３】
図８は，本発明の別の実施例である。この場合は，いわゆるワンド型筐体81の分光装置となっており，ほぼ図７と同様の構成をもつ。ただし，ヘッドの部分に複数のテラヘルツ光小型分光装置71が装備されており，それぞれ光遅延素子は可変ではなく，それぞれ予めある一定の遅延時間に固定してある。これにより，マルチチャネル方式の測定が可能となり，一つのテラヘルツ光小型分光装置71を用いて可変光遅延素子の遅延時間を変化させて測定するよりも，はるかに短時間で分光測定が可能となるようになっている。
【実施例７】
【００１４】
図９は，本発明の別の実施例である。この場合は，本発明の小型テラヘルツ光発生検出を他の測定装置であるＸ線透過装置と組み合わせた例となっている。図９において，91はＸ線発生源であり，92はＸ線受像器であり，93はこれらを遮蔽する筐体である。従来の，テラヘルツ分光装置は大型であるため，このような装置に組み込むことは困難であるが，本発明の小型テラヘルツ光発生検出であれば容易に組み込むことが可能である。94は図３の装置を用いたテラヘルツ光発生部であり，95の移動機構によりＸ線透過装置内を移動できる構造となっている。96は同様に図３の装置を用いたテラヘルツ光検出部であり，これも95と連動する97の移動機構によりＸ線透過装置内を移動できる構造となっている。これらにより，Ｘ線透過装置でベルトコンベアなどで筐体内へ移動してきた被測定物98を観察し，測定部位を検討した後，95，97の移動機構によってテラヘルツ光発生，検出部をその位置に移動させ，被測定物の特定の部位の分光が可能となる。この場合，必要に応じて，94と96に両者の間の距離に応じて適当な焦点距離をもつテラヘルツ光用のレンズを装備しておけば，より位置精度の高い分光も可能となる。
【実施例８】
【００１５】
図１０は，本発明のさらにまた別の実施例である。この場合は，図１とほぼ同様の構成であるが，導波路101から出射したミラーを介さず直接11の光導電スイッチ型のアンテナに入射するようになっている。なお，102は11から発生したテラヘルツ光を効率よく取り出すためのレンズであり，Siで形成されている。なお，このレンズは検出器の場合は11に効率よくテラヘルツ光を導くための集光レンズとなる。また，このレンズはSi以外の半導体やテフロン等の樹脂で形成されていても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】は本発明の第一の実施例であるテラヘルツ光発生検出装置の構造図である。
【図２】は従来のテラヘルツ光発生検出装置の構造を示す概念図である。
【図３】は本発明の第二の実施例であるテラヘルツ光発生検出装置の構造図である。
【図４】は本発明の第三の実施例であるテラヘルツ光発生検出装置の構造図である。
【図５】は本発明の第四の実施例であるテラヘルツ光発生検出装置の構造図である。
【図６】は本発明の第四の実施例を用いて測定した結果を示した図である。
【図７】は本発明の第五の実施例であるテラヘルツ光発生検出装置の構造図である。
【図８】は本発明の第六の実施例であるテラヘルツ光発生検出装置の構造図である。
【図９】は本発明の第七の実施例であるテラヘルツ光発生検出装置の構造図である。
【図１０】は本発明の第八の実施例であるテラヘルツ光発生検出装置の構造図である。
【符号の説明】
【００１７】
11 ………………光導電スイッチ型アンテナ
12 ………………光導波路
13 ………………光ファイバ
14 ………………ミラー
15 ………………Si基板
16 ………………Siまたはテフロン製レンズ
20 ………………フェムト秒パルスレーザ光
21 ………………フェムト秒レーザ
22 ………………光導電スイッチ型のアンテナ
23 ………………発生したテラヘルツ光
24 ………………被検査試料
25 ………………光導電スイッチ型のアンテナ検出器
26 ………………可変時間遅延装置
27 ………………コンピュータ
28 ………………電流増幅器
29 ………………ビームスプリッタ
31…………………分散補償素子
41…………………可変光遅延素子
42…………………金属製遮光板
51…………………半導体フェムト秒短パルスレーザ
52…………………制御用集積電子回路
53…………………検出用集積電子回路
54…………………テラヘルツ光発生部
55…………………テラヘルツ光検出部
56…………………出力インターフェース
57…………………電源・制御信号入力インターフェース
71…………………実施例４のテラヘルツ光小型分光装置
72…………………プローブ型測定装置筐体
73…………………データ処理プロセッサ
74…………………バッテリ
75…………………シリコン製またはテフロン製対物レンズ
76…………………データ表示部
81…………………ワンド型装置筐体
91…………………Ｘ線発生源
92…………………Ｘ線受像器
93…………………Ｘ線透視装置筐体
94…………………図３の装置を用いたテラヘルツ光発生装置
95…………………移動機構
96…………………図３の装置を用いたテラヘルツ光検出装置
97…………………移動機構
98…………………被測定物
101…………………導波路
102…………………レンズ。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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