(57)【要約】テラヘルツ光発生素子８は、基板３１上の導電膜３２，３３間にバイアス電圧を印加した状態で励起パルス光が導電膜間の領域に照射されると、テラヘルツ光を射出する。テラヘルツ光検出部１３は、入射されるテラヘルツ光の電場強度に応じた電気信号を出力する。一対の導電膜に印加するバイアス電圧の極性を反転させてテラヘルツ光の電場の極性を変調する。一対の導電膜間に印加するバイアス電圧の極性反転に同期した参照信号により、テラヘルツ光検出部１３から得られる電気信号をロックイン増幅器２４で増幅する。
2003028173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光伝導部に所定の間隔を設けて形成された少なくとも一対の導電部を有し、前記一対の導電部間にバイアス電圧を印加した状態で励起パルス光が前記導電部間の領域に照射されるとテラヘルツ光を射出するテラヘルツ光発生素子の変調駆動方法において、
前記一対の導電部間に印加するバイアス電圧の極性を反転させて前記テラヘルツ光の電場の極性を変調する。
【請求項２】
請求項１のテラヘルツ光発生素子の変調駆動方法において、
前記テラヘルツ光発生素子は、基板の上面に形成した光伝導層の上面に前記導電部を形成して構成されている。
【請求項３】
光伝導部に所定の間隔を設けて形成された少なくとも一対の導電部を有し、前記一対の導電部間にバイアス電圧を印加した状態で励起パルス光が前記導電部間の領域に照射されるとテラヘルツ光を射出するテラヘルツ光発生素子と、
前記テラヘルツ光発生素子から出力されるテラヘルツ光が入射され、その電場強度に応じた電気信号を出力するテラヘルツ光検出素子とを用いるテラヘルツ光検出方法において、
前記一対の導電部間に印加するバイアス電圧の極性を反転させて前記テラヘルツ光の電場の極性を変調し、
前記一対の導電部間に一方の極性のバイアス電圧が印加されているときに前記テラヘルツ光検出素子から得られる第１の電気信号と、前記一対の導電部間に他方の極性のバイアス電圧が印加されているときに前記テラヘルツ光検出素子から得られる第２の電気信号とに基づいて検出信号を取得する。
【請求項４】
請求項３のテラヘルツ光検出方法において、
前記第１の電気信号と第２の電気信号の差分を演算して前記検出信号を取得する。
【請求項５】
請求項３または４のテラヘルツ光検出方法において、
前記テラヘルツ光発生素子は、基板の上面に形成した光伝導層の上面に前記導電部を形成して構成されている。
【請求項６】
光伝導部に所定の間隔を設けて形成された少なくとも一対の導電部を有し、前記一対の導電部間にバイアス電圧を印加した状態で励起パルス光が前記導電部間の領域に照射されるとテラヘルツ光を射出するテラヘルツ光発生素子と、
前記テラヘルツ光発生素子から出力されるテラヘルツ光が入射され、その電場強度に応じた電気信号を出力するテラヘルツ光検出部とを用いるテラヘルツ光検出方法において、
前記一対の導電部間に印加するバイアス電圧の極性を反転させて前記テラヘルツ光の電場の極性を変調し、
前記一対の導電部間に印加するバイアス電圧の極性反転に同期した参照信号により、前記テラヘルツ光検出部から得られる前記電気信号をロックイン増幅器で増幅する。
【請求項７】
請求項６のテラヘルツ光検出方法において、
前記テラヘルツ光発生素子は、基板の上面に形成した光伝導層の上面に前記導電部を形成して構成されている。
【請求項８】
光伝導部に所定の間隔を設けて形成された少なくとも一対の導電部を有し、前記一対の導電部間にバイアス電圧を印加した状態で励起パルス光が前記導電部間の領域に照射されるとテラヘルツ光を射出するテラヘルツ光発生素子と、
前記テラヘルツ光発生素子から出力されるテラヘルツ光が被測定物を介して２次元的に入射され、その入射各部の個々の部位の電場強度に応じた電気信号を個々の部位に対応して出力するテラヘルツ光検出部とを用い、テラヘルツ光検出部から出力される個々の部位の電気信号に基づいて前記被測定物をイメージ化するイメージ化方法において、
前記一対の導電部間に印加するバイアス電圧の極性を反転させて前記テラヘルツ光の電場の極性を変調し、
前記一対の導電部間に一方の極性のバイアス電圧が印加されているときに前記テラヘルツ光検出部から得られる第１の電気信号と、前記一対の導電部間に他方の極性のバイアス電圧が印加されているときに前記テラヘルツ光検出部から得られる第２の電気信号とに基づいてイメージ信号を取得する。
【請求項９】
請求項８のイメージ化方法において、
前記第１の電気信号と第２の電気信号の差分を演算し前記検出信号を取得する。
【請求項１０】
請求項８または９のイメージ化方法において、
前記テラヘルツ光発生素子は、基板の上面に形成した光伝導層の上面に前記導電部を形成して構成されている。
【請求項１１】
光伝導部に所定の間隔を設けて形成された少なくとも一対の導電部を有し、前記一対の導電部間にバイアス電圧を印加した状態で励起パルス光が前記導電部間の領域に照射されるとテラヘルツ光を射出するテラヘルツ光発生素子と、
前記テラヘルツ光発生素子から出力されるテラヘルツ光が入射され、その電場強度に応じた電気信号を出力するテラヘルツ光検出部と、
前記一対の導電部間に印加するバイアス電圧の極性を反転させて前記テラヘルツ光の電場の極性を変調するバイアス電圧制御部と、
前記一対の導電部間に一方の極性のバイアス電圧が印加されているときに前記テラヘルツ光検出部から得られる第１の電気信号と、前記一対の導電部間に他方の極性のバイアス電圧が印加されているときに前記テラヘルツ光検出部から得られる第２の電気信号とに基づいて検出信号を取得する信号処理部とを備えるテラヘルツ光装置。
【請求項１２】
光伝導部に所定の間隔を設けて形成された少なくとも一対の導電部を有し、前記一対の導電部間にバイアス電圧を印加した状態で励起パルス光が前記導電部間の領域に照射されるとテラヘルツ光を射出するテラヘルツ光発生素子と、
前記テラヘルツ光発生素子から出力されるテラヘルツ光が入射され、その電場強度に応じた電気信号を出力するテラヘルツ光検出部と、
前記一対の導電部間に印加するバイアス電圧の極性を反転させて前記テラヘルツ光の電場の極性を変調するバイアス電圧制御部と、
前記一対の導電部間に印加するバイアス電圧の極性反転に同期した参照信号により、前記テラヘルツ光検出部から得られる前記電気信号を増幅するロックイン増幅器とを備えるテラヘルツ光装置。
【請求項１３】
請求項１１または１２のテラヘルツ光装置において、
前記テラヘルツ光発生素子は、基板の上面に形成した光伝導層の上面に前記導電部を形成して構成されている。
【請求項１４】
光伝導部に所定の間隔を設けて形成された少なくとも一対の導電部を有し、前記一対の導電部間にバイアス電圧を印加した状態で励起パルス光が前記導電部間の領域に照射されるとテラヘルツ光を射出するテラヘルツ光発生素子と、
前記テラヘルツ光発生素子から出力されるテラヘルツ光が被測定物を介して２次元的に入射され、その入射各部の個々の部位の電場強度に応じた電気信号を個々の部位に対応して出力するテラヘルツ光検出部と、
前記一対の導電部間に印加するバイアス電圧の極性を反転させて前記テラヘルツ光の電場の極性を変調するバイアス電圧制御部と、
前記一対の導電部間に一方の極性のバイアス電圧が印加されているときに前記テラヘルツ光検出部から得られる第１の電気信号と、前記一対の導電部間に他方の極性のバイアス電圧が印加されているときに前記テラヘルツ光検出部から得られる第２の電気信号とに基づいて前記被測定物のイメージ信号を取得するイメージ取得手段とを備えるイメージ化装置。
【請求項１５】
請求項１４のイメージ化装置において、
前記テラヘルツ光発生素子は、基板の上面に形成した光伝導層の上面に前記導電部を形成して構成されている。
【請求項１６】
請求項１４のイメージ化装置において、
前記イメージ取得手段は、第１の電気信号と第２の電気信号との差分信号を前記イメージ信号として取得する。
【請求項１７】
光伝導部と、
前記光伝導部にバイアス電圧を印加し、パルス光が照射されることでテラヘルツ光を発生するテラヘルツ光発生素子を含むテラヘルツ発生部を用い、
前記テラヘルツ光発生素子から発生するテラヘルツ光の電場の極性を変調するテラヘルツ光変調方法。
【発明の詳細な説明】
本出願は以下の日本国特許出願を基礎として、その内容は引用文としてここに組み込まれる。
２００１年第２９０１８８号（２００１年９月２１日出願）
技術分野
本発明は、光スイッチ素子を用いたテラヘルツ光技術に関する。
背景技術
テラヘルツ光の検出には、光伝導アンテナ等の光スイッチ素子、非線形光学結晶などが用いられるが、いずれの手法を用いても検出される信号は非常に弱い。そこで、テラヘルツ光をある周波数で変調し、その変調周波数に同期した信号成分のみをロックイン増幅器などで増幅する方法（ロックイン検出）が広く用いられている。
一方、テラヘルツ光による２次元イメージを取得しようとする試みが数多くある。この場合、検出器としてＣＣＤカメラや光伝導アンテナアレイを使用するが、その際にロックイン検出を利用しようとすると各画素に対してロックイン増幅器が必要になり、コストやスペースの点で問題がある。これを克服するために、Ｚｈｉｐｉｎｇ  Ｊｉａｎｇらの論文（″Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｗｉｔｈ  ａ  ｄｙｎａｍｍｉｃ  ｓｕｂｔｒａｃｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ″，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．１７，ｐｐ．２９８２−２９８７，１０  Ｊｕｎｅ  ２０００）では、ソフトウエア的なロックイン検出を実現し、ＳＮ比の向上を達成した。すなわち、テラヘルツ光を発生させるポンプ光強度を一定周波数でＯＮ／ＯＦＦして、テラヘルツ光の振幅を前記一定周波数で変調する。その変調に同期してＣＣＤカメラによりテラヘルツ画像を取得し、ポンプ光のＯＮ時に取得した画像からポンプ光のＯＦＦ時に取得した画像を差し引く処理を計算機上で行う。
以上のような検出を行う場合には、まず光チョッパーなどでテラヘルツ光（もしくはテラヘルツ光を発生させるポンプ光）の強度を変調する。その後、ロックイン増幅器により、あるいは、計算機上でデータ処理することにより、変調周波数に同期した信号成分のみを増幅していた。しかし、光チョッパーなどはテラヘルツ光をＯＮ／ＯＦＦするので、ＯＦＦになっている間はテラヘルツ光が有効に活用されていない（利用効率  ５０％）という問題があった。
この点を改良するために、Ｑ．Ｃｈｅｎと  Ｘ．−Ｃ．Ｚｈａｎｇの論文（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．７４，Ｎｏ．２３，ｐｐ．３４３５−３４３７，７Ｊｕｎｅ  １９９９）では、テラヘルツ光源にＺｎＴｅ結晶を用いてロックイン検出を行う。すなわち、ポンプ光の偏光方向を変調することにより、発生するテラヘルツ光の偏光を変調してロックイン検出を行う。この手法を用いると、テラヘルツ光の利用効率を１００％にすることができる。実際、彼らは、テラヘルツ光の信号の振幅を最大２倍にすることに成功し、ＳＮ比を向上させている。
テラヘルツ光源として光伝導アンテナ等の光スイッチ素子を用いた場合には、ポンプ光の偏光方向を変化させても、発生するテラヘルツ光の偏光方向は変化しない。したがって、従来は、ロックイン検出の際には、テラヘルツ光をＯＮ／ＯＦＦするしか方法がなかった。
このため、従来は、テラヘルツ光源として光伝導アンテナ等の光スイッチ素子を用いてロックイン検出を行う場合には、テラヘルツ光の利用効率を向上させることができず、ひいては、ＳＮ比をさほど高めることはできなかった。
発明の開示
本発明は、テラヘルツ光源として光伝導アンテナ等の光スイッチ素子を用いた場合において、テラヘルツ光の利用効率を向上させることができるテラヘルツ光発生素子の変調駆動方法を提供する。
また本発明は、このような変調駆動方法でテラヘルツ光発生素子を駆動することにより、ＳＮ比を高めることができるテラヘルツ光検出方法、イメージ化方法、イメージ化装置、およびテラヘルツ光装置を提供する。
本発明の第１の態様はテラヘルツ光発生素子の変調駆動方法である。このテラヘルツ光発生素子は、光伝導部に所定の間隔を設けて形成された少なくとも一対の導電部を有し、一対の導電部間にバイアス電圧を印加した状態で励起パルス光が導電部間の領域に照射されるとテラヘルツ光を射出する。本発明の第１の態様によるテラヘルツ光発生素子の変調駆動方法は、テラヘルツ光発生素子の一対の導電部間に印加するバイアス電圧の極性を反転させてテラヘルツ光の電場の極性を変調する。
本発明の第２の態様によるテラヘルツ光検出方法は、テラヘルツ光発生素子を変調駆動してテラヘルツ光を検出する。このテラヘルツ光検出方法は、一対の導電部間に一方の極性のバイアス電圧が印加されているときにテラヘルツ光検出素子から第１の電気信号を取得する。また、一対の導電部間に他方の極性のバイアス電圧が印加されているときにテラヘルツ光検出素子から得られる第２の電気信号を取得する。これら第１および第２の電気信号に基づいて検出信号を取得する。第１の電気信号と第２の電気信号の差分を演算し検出信号を得ることができる。
本発明の第３の態様のテラヘルツ光検出方法は、上記テラヘルツ光発生素子と、上記テラヘルツ光検出部とを用いるものである。このテラヘルツ光検出方法は、上述したように、テラヘルツ光発生素子の一対の導電部間に印加するバイアス電圧の極性を反転させてテラヘルツ光の電場の極性を変調し、一対の導電部間に印加するバイアス電圧の極性反転に同期した参照信号により、テラヘルツ光検出部から得られる電気信号をロックイン増幅器で増幅する。
本発明の第４の態様によるイメージ化方法は、上記テラヘルツ光発生素子と、テラヘルツ光検出部とを用いて行われる。テラヘルツ光検出部は、テラヘルツ光発生素子から出力されるテラヘルツ光が被測定物を介して２次元的に入射され、その入射各部の個々の部位の電場強度に応じた電気信号を個々の部位に対応して出力する。テラヘルツ光検出部から出力される個々の部位の電気信号に基づいて被測定物をイメージ化する。そして、このイメージ化方法は、上記のように、一対の導電部間に印加するバイアス電圧の極性を反転させてテラヘルツ光の電場の極性を変調し、一対の導電部間に一方の極性のバイアス電圧が印加されているときにテラヘルツ光検出部から得られる第１の電気信号と、一対の導電部間に他方の極性のバイアス電圧が印加されているときにテラヘルツ光検出部から得られる第２の電気信号とに基づいてイメージ信号を取得する。第１の電気信号と第２の電気信号の差分を演算しイメージ信号を取得することができる。
本発明の第５の態様のテラヘルツ光装置は、上記テラヘルツ光発生素子と、第３の態様のテラヘルツ光検出部と、一対の導電部間に印加するバイアス電圧の極性を反転させてテラヘルツ光の電場の極性を変調するバイアス電圧制御部と、検出信号を取得する信号処理部を備える。信号処理部は、一対の導電部間に一方の極性のバイアス電圧が印加されているときにテラヘルツ光検出部から得られる第１の電気信号と、一対の導電部間に他方の極性のバイアス電圧が印加されているときにテラヘルツ光検出部から得られる第２の電気信号とに基づいて検出信号を取得する。信号処理部は、第１の電気信号と第２の電気信号の差分を演算し検出信号を取得してもよい。
本発明の第６の態様によるテラヘルツ光装置は、上記テラヘルツ光発生素子と、第３の態様のテラヘルツ光検出部と、上記バイアス電圧制御部と、一対の導電部間に印加するバイアス電圧の極性反転に同期した参照信号により、テラヘルツ光検出部から得られる電気信号を増幅するロックイン増幅器とを備える。
本発明の第７の態様によるイメージ化装置は、上記テラヘルツ光発生素子と、第４の態様のテラヘルツ光検出部と、上記バイアス電圧制御部と、イメージ信号を取得するイメージ取得手段とを備える。イメージ取得手段は、一対の導電部間に一方の極性のバイアス電圧が印加されているときにテラヘルツ光検出部から得られる第１の電気信号と、一対の導電部間に他方の極性のバイアス電圧が印加されているときにテラヘルツ光検出部から得られる第２の電気信号とに基づいてイメージ信号を取得する。すなわち、テラヘルツ光検出部から出力される個々の部位のイメージ信号に基づいて被測定物をイメージ化する。イメージ取得手段は、第１の電気信号と第２の電気信号の差分を演算しイメージ信号を取得することができる。
本発明の第７の態様によるテラヘルツ光変調方法は、光伝導部と、光伝導部にバイアス電場を印加し、パルス光が照射されることでテラヘルツ光を発生するテラヘルツ光発生素子を含むテラヘルツ発生部を用い、テラヘルツ光発生素子から発生するテラヘルツ光の電場の極性を変調する。
上記テラヘルツ光発生素子は、基板の上面に形成した光伝導層の上面に導電部を形成して構成することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明によるテラヘルツ光変調方法（テラヘルツ光発生素子の変調駆動方法）、これを用いたテラヘルツ光検出方法、イメージ化方法、イメージ化装置、および、テラヘルツ光装置について、図面を参照して説明する。
［本発明の特徴］
ここで、本発明の実施の形態の説明に先立って、本発明の特徴について簡単に説明する。
テラヘルツ時間分解計測の特徴の一つは、テラヘルツ光の強度ではなく、テラヘルツ光の電場そのものを測定しているということである。すなわち、図５（ａ）に示すように電場の正負を区別して測定することができる。
光伝導アンテナ等の光スイッチ素子をテラヘルツ光源として用いる場合には、電極間に、バイアス電圧を印加する。このバイアス電圧が、フォトカレントの流れる向きを決定し、ひいてはテラヘルツ光の電場の極性を決定する。つまり、テラヘルツ光源に印加するバイアス電圧の極性を反転させると、図５（ｂ）に示すように、発生するテラヘルツ光の極性も反転する。
本発明の特徴を明確にするために、まず従来法を説明する。従来法では、テラヘルツ光源として光伝導アンテナ等の光スイッチ素子を用いている場合、テラヘルツ光がＯＮの場合の測定結果とＯＦＦの場合の測定結果を一定周波数で交互に取得する。テラヘルツ光の情報は前者にしか含まれていないが、ノイズの影響は両方に含まれている。したがって、一定周波数に同期した測定結果のみを増幅すれば、ノイズの影響を抑えてテラヘルツ光の信号を精度良く検出することができる。このような目的には、通常ロックイン増幅器が用いられるが、計算機上等でソフトウエア的に処理することも可能である。このとき、テラヘルツ光をＯＦＦする手段としては、光チョッパー、ＥＯ（電気光学）変調器、さらに、バイアス電圧を０Ｖにすることなどが用いられている。
従来法では、このように、テラヘルツ光を外部から強制的にＯＦＦにする。すなわち、この期間は、装置にはテラヘルツ光を発生させる能力がありながら、それを有効に活用できていない。
本発明は、この点に着目してなされたものであり、テラヘルツ光をＯＦＦする代わりに、テラヘルツ光の極性を反転させる。正のバイアス電圧を印加した場合の測定結果と、負のバイアス電圧を印加した場合の測定結果を交互に取得する。ノイズの影響は両者に同じように同符号で含まれているが、テラヘルツ光の情報は両者に逆符号で含まれている。したがって、両者の差を取ることにより、ノイズの影響は従来法と同様に低減される一方で、テラヘルツ光の信号強度は従来法の２倍になる。
ロックイン増幅器を用いる場合には、バイアス電圧の極性切り替えに同期した信号を、参照信号として用いる。ロックイン増幅器は、入力信号の中から所定周波数の参照信号に同期し、かつ参照信号と所定の位相関係にある成分のみを抽出するものである。光チョッパーなどを用いた従来法では、入力信号の中で参照信号に同期し、かつ参照信号と所定の位相関係にある成分の振幅は、テラヘルツ光がＯＮ時とＯＦＦ時の測定結果の差であった。
一方、本発明の場合は、入力信号の中で参照信号に同期し、かつ参照信号と所定の位相関係にある成分の振幅は、バイアス電圧が一方極性である時と他方極性である時の測定結果の差であり、これは従来法と比較して２倍の値になる。すなわち、テラヘルツ光の利用効率を向上させることにより、信号強度を大きくすることができる。本発明によれば、従来法と比較してＳＮ比を向上させることができる。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態によるテラヘルツ光装置を模式的に示す概略構成図である。図２は図１中のテラヘルツ光発生素子８の例を示す図であり、図２（ａ）はその一例を示す概略平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った概略断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）（ｂ）に示すテラヘルツ光発生素子の変形例を示す概略断面図である。図２（ｃ）は、図２（ｂ）に対応している。
本実施の形態によるテラヘルツ光装置では、図１に示すように、フェムト秒パルス光源１から放射されたフェムト秒パルス光Ｌ１が、ビームスプリッタ２で２つのパルス光Ｌ２，Ｌ３に分割される。本実施の形態では、フェムト秒パルス光源１は、レーザ光源等からなる。このフェムト秒パルス光源１は、例えば、中心波長が近赤外領域のうちの７８０〜８００ｎｍ程度、パルス幅が１０〜１５０ｆｓ程度の、直線偏光のフェムト秒パルス光Ｌ１を発する。
ビームスプリッタ２で分割された一方のパルス光Ｌ２は、テラヘルツ光発生素子８を励起してこの素子８にテラヘルツ光を発生させる。すなわちポンプ光（パルス励起光）である。このポンプ光Ｌ２は、平面鏡４〜７を経て、テラヘルツ光発生素子８へ導かれる。その結果、テラヘルツ光発生素子８が励起されてテラヘルツ光Ｌ４を放射する。
本実施の形態では、テラヘルツ光発生素子８は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、光伝導部としての基板３１と、基板３１の一方の表面に形成された互いに分離された２つの導電部としての導電膜３２，３３とを備えている。導電膜３２，３３の少なくとも一部同士が、基板３１の上側の平面に沿った方向に所定間隔ｇをあけるように配置されている。本実施の形態では、導電膜３２，３３の全体同士が間隔ｇをあけている。この間隔ｇが２ｍｍ以上、例えば５ｍｍに設定されており、基板３１および導電膜３２，３３によっていわゆる大口径の光スイッチ素子が構成されている。なお、本実施の形態では、図２（ａ）に示すように、間隔ｇに相当する領域Ｒに、超短パルスレーザなどからフェムト秒パルスレーザ光が、励起パルス光として照射される。図面には示していないが、必要に応じて照射領域の大きさを調整するレンズ等を設けてもよい。
基板３１の材質としては、例えば、抵抗率が高い半導体（例えば、半絶縁性ＧａＡｓ）を用いることができる。導電膜３２，３３の材質としては、例えば、金などを用いることができ、蒸着等により基板３１の表面に形成することができる。
本実施の形態では、前述したように基板３１自体が光伝導部として用いられているが、例えば、図２（ｃ）に示すように、基板３１上に光伝導部として光伝導膜３４を形成し、光伝導膜３４上に導電膜３２，３３を形成してもよい。この場合、例えば、基板３１の材質としてＧａＡｓを用いるとともに、光伝導膜３４として低温成長ＧａＡｓを用いることができる。あるいは、基板３１の材質としてサファイアを用いるとともに、光伝導膜３４としてシリコンを用いてもよい。なお、図２（ｃ）において、図２（ａ）（ｂ）中の要素と同一または対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
本実施の形態では、テラヘルツ光発生素子８として、前述したように大口径の光スイッチ素子が用いられているが、これに限定されるものではなく、例えば、ＧａＡｓ等の基板上の光伝導膜上にダイポールアンテナが形成されたものを用いることができる。
テラヘルツ光発生素子８は、上記導電膜間の間隔ｇが大きく、数μｍから数十μｍ程度のテラヘルツ光発生素子（たとえば、ダイポール型素子、ストリップ線路型素子などと呼ばれる。本明細書では小口径光スイッチ素子と呼ぶ）に対して大口径光スイッチ素子と呼ばれる。ここで、大口径光スイッチ素子は、２つの導電膜間の距離ｇが数ｍｍ〜数十ｍｍ、好ましくは２ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、２つの導電膜間に照射されるレーザスポット径も同様な値である。
テラヘルツ光発生素子８の導電膜３２，３３間には、バイアス電圧制御部３により、順次極性が反転したバイアス電圧が印加される。バイアス電圧制御部３により導電膜３２，３３間に印加されるバイアス電圧の一例を、図３（ａ）に示す。図３（ａ）の横軸は時間、縦軸は導電膜３３の電位を基準（０Ｖ）とした導電膜３２の電位を示している。図３（ａ）に示す例では、導電膜３２，３３間に、一定周期Ｔ（一定周波数ｆ＝１／Ｔ）でかつデューティ５０％で、正の電圧＋Ｖ０および負の−Ｖ０が順次印加される。もっとも、デューティは必ずしも５０％でなくてもよいし、周期（周波数）は必ずしも一定である必要はない。さらに、正の電圧と負の電圧の絶対値が異なっていてもよい。
バイアス電圧制御部３により導電膜３２，３３間に順次極性が反転したバイアス電圧が印加されることによって、テラヘルツ光発生素子８から発生するテラヘルツ光Ｌ４の電場の極性が変調される。正の電圧＋Ｖ０の印加時にポンプ光Ｌ２に応答して図５（ａ）に示すようなテラヘルツ光が発生するとすれば、負の電圧−Ｖ０の印加時には、ポンプ光Ｌ２に応答して、電場の極性が図５（ａ）の場合とは反転した図５（ｂ）に示すようなテラヘルツ光が発生する。また、バイアス電圧制御部３は、バイアス電圧の極性反転に同期した同期信号を出力し、この同期信号が後述するロックイン増幅器２４に参照信号として供給される。
前述したような動作を行うバイアス電圧制御部３の回路構成自体は、公知である。テラヘルツ光発生素子８としてダイポールアンテナなどの電極間隔が数μｍのものを使用する場合には、印加電圧（バイアス電圧）は数十Ｖ程度である。この程度の電極の極性を切り替える回路は、オペアンプなどを用いて容易に作製することができる。一方、テラヘルツ光発生素子８として電極間隔が数ｍｍ〜数十ｍｍあるような大口径の光スイッチ素子を用いる場合には、数ｋＶから数十ｋＶの電圧が印加される。このような高電圧の極性を高速に切り替えるためには、例えば、松定プレシジョン株式会社製の高速高圧オペアンプ電源（ＨＥＯＰＴ−２０Ｂ１０）などを用いればよい。
フェムト秒パルス光源１から放射されるフェムト秒パルス光Ｌ１の繰り返し周期は、例えば、数ｋＨｚから１００ＭＨｚのオーダーである。導電膜３２，３３間に印加するバイアス電圧の極性の反転の周波数ｆは、例えば、数Ｈｚから１００ｋＨｚである。
本実施の形態では、前述したフェムト秒パルス光源１と、ビームスプリッタ２と、平面反射鏡４〜７と、テラヘルツ光発生素子８と、バイアス電圧制御部３によりテラヘルツ光発生部を構成している。
テラヘルツ光発生素子８で発生するテラヘルツ光Ｌ４としては、概ね０．０１×１０１２から１００×１０１２ヘルツまでの周波数領域の光が望ましい。このテラヘルツ光Ｌ４は、放物面鏡等の曲面鏡９を経て平行光に変換され、被測定物１０およびビームスプリッタ１１を透過した後、放物面鏡等の曲面鏡１２によってテラヘルツ光検出素子１３に局所的に集光される。本実施の形態では、検出素子１３として、ＺｎＴｅ等の非線形光学結晶（電気光学結晶）が用いられている。したがって、検出素子１３にテラヘルツ光が入射すると、その電場により結晶内で電気光学効果によって複屈折変化が生ずる。後述するように、この複屈折変化をプローブ光を用いて検出することにより、テラヘルツ光の電場強度が検出される。
ビームスプリッタ２で分割された他方のパルス光Ｌ３は、テラヘルツ光を検出するためのプローブ光となる。このプローブ光Ｌ３は、２枚もしくは３枚の平面反射鏡が組み合わされてなる可動鏡１４、平面反射鏡１５、および１／２波長板１６を経て、ビームスプリッタ１１に入射して反射する。その反射光は、テラヘルツ光と同一の光路を同一の向きに進行し、曲面鏡１２によって、検出素子１３にテラヘルツ光の場合と同じ箇所に局所的に集光される。このプローブ光は直線偏光光である。
曲面鏡１２によって検出素子１３に集光されたプローブ光は検出素子１３を透過する。その透過光の偏光状態は、テラヘルツ光により生じた検出素子１３の複屈折変化、すなわち、テラヘルツ光の電場強度変化に応じて、楕円偏光光に変化する。このとき、直線偏光光と楕円偏光光との偏光状態の差がテラヘルツ光の電場強度の情報である。すなわち、プローブ光の偏光状態がテラヘルツ光の電場強度の情報を担っている。検出素子１３を透過したプローブ光は、１／４波長板１７を透過する。このときテラヘルツ光の電場強度の情報は、プローブ光の偏光状態の円偏光からの差に変換される。１／４波長板１７を透過したプローブ光は、偏光ビームスプリッタ１８によりｐ偏光成分とｓ偏光成分とに分離され、これらがフォトダイオード等の光検出器１９，２０によりそれぞれ検出される。
図面には詳細には示していないが、光検出器１９，２０は、電流電圧変換回路２１の入力端子に対して逆並列接続（極性を互いに逆にした並列接続）されている。これにより、光検出器１９，２０によりそれぞれ得られる光検出電流の、差分の電流、すなわち、検出器１９，２０がそれぞれ検出した光量の差に応じた電流が、電流電圧変換回路２１に供給される。この差分の電流は電流電圧変換回路２１により電圧信号に変換され、電流電圧変換回路２１からの出力が、検出素子１３に到達するテラヘルツ光の電場強度に応じた電気信号として、ロックイン増幅器２４に入力される。
図３（ａ）に示すようにバイアス電圧が正（＋Ｖｏ）の極性時には、光検出器１９の出力レベルはレベルＢを示し（図３（ｂ））、光検出器２０の出力レベルはＣを示す（図３（ｃ））。そして、光検出器１９と光検出器２０との差分出力レベルは、レベル（Ｂ−Ｃ）を示す。同様に図３（ａ）に示すようにバイアス電圧が負（−Ｖｏ）の極性時には、光検出器１９の出力レベルはレベルＣを示し（図３（ｂ））、光検出器２０の出力レベルはレベルＢを示す（図３（ｃ））。そして、光検出器１９と光検出器２０との差分出力レベルは、レベル（Ｃ−Ｂ）を示す（図３（ｄ））。
従って、光検出器１９および２０の出力信号にノイズ信号が含まれている場合にも、図３（ｄ）に示されるように、ノイズ信号は打ち消されて信号成分のみが出力されることになり、バイアス電圧の極性反転に応じて各々の差分出力信号を得ることで約２倍の信号レベルの出力を得ることができる。
このように、１／４波長板１７、偏光ビームスプリッタ１８および２つの光検出器１９，２０を用い、光検出器１９，２０からの検出信号の差分をとると、テラヘルツ光の電場強度検出のＳＮ比がより一層向上し、好ましい。もっとも、１／４波長板１７、偏光ビームスプリッタ１８および光検出器２０を取り除き、検出素子１３と光検出器１９との間に検光子を配置し、光検出器１９からの検出信号をテラヘルツ光の検出信号としてもよい。なお、１／２波長板１６は、検出素子１３に入射する際のプローブ光の直線偏光の偏光方向を検出素子１３の結晶方位およびテラヘルツ光の偏光方向に応じて所定の関係に設定するためのものである。フェムト秒パルス光源１からのパルス光が直線偏光光でない場合は、１／２波長板１６に代えて偏光子を用いればよい。
なお、検出素子１３として、非線形光学結晶に代えて、例えば、ＧａＡｓ等の基板上の光伝導膜上にダイポールアンテナが形成された検出器を用いることができる。この場合、図１中の１／４波長板１７、偏光ビームスプリッタ１８および２つの光検出器１９，２０が取り除かれる。そして検出器で生じた電流は、電流電圧変換回路２１により電圧信号に変換されてロックイン増幅器２４に入力される。
本実施の形態では、フェムト秒パルス光源１，ビームスプリッタ２，ビームスプリッタ１１，検出素子１３、可動鏡１４、平面反射鏡１５、１／２波長板１６、１／４波長板１７、偏光ビームスプリッタ１８および２つの光検出器１９，２０が、テラヘルツ光の電場強度に応じた電気信号を出力するテラヘルツ光検出部を構成している。
本実施の形態では、ロックイン増幅器２４は、テラヘルツ光の電場強度に応じた電気信号を入力信号とし、バイアス電圧の極性反転に同期した同期信号を参照信号としている。
本実施の形態では、電流電圧変換回路２１，ロックイン増幅器２４が、テラヘルツ光検出部の出力信号の中から、バイアス電圧の極性反転に同期した参照信号と同一周波数で、かつ参照信号と所定の位相関係にある成分のみを抽出および増幅する信号処理部として機能する。
ロックイン増幅器２４の出力信号は、テラヘルツ光の電場強度の検出信号として、Ａ／Ｄ変換器２５によりＡ／Ｄ変換され、これがコンピュータ等からなる制御・演算処理部２６に供給される。
プローブ光Ｌ３の光路上に配置された可動鏡１４は、制御・演算処理部２６による制御下で、移動機構２８により矢印Ｘ方向に移動可能となっている。可動鏡１４の移動量に応じて、プローブ光Ｌ３の光路長が変わり、プローブ光Ｌ３が検出素子１３へ到達する時間が遅延する。すなわち、本実施の形態では、可動鏡１４および移動機構２８が、プローブ光Ｌ３の時間遅延装置として機能する。
前述したように、被測定物１０を透過したテラヘルツ光の電場強度は、ロックイン増幅器２４の出力信号である検出信号に変換される。
フェムト秒パルス光源１から放射されるフェムト秒パルス光Ｌ１の繰り返し周期は、前述したように、数ｋＨｚから１００ＭＨｚのオーダーである。したがって、テラヘルツ光発生素子８から放射されるテラヘルツ光Ｌ４も、数ｋＨｚから１００ＭＨｚのオーダーの繰り返しで放射される。現在は、このテラヘルツ光の波形を瞬時に、その形状のまま計測することは難しい。
したがって、本実施の形態では、同じ波形のテラヘルツ光Ｌ４が数ｋＨｚから１００ＭＨｚのオーダーの繰り返しで到来することを利用して、ポンプ光Ｌ２とプローブ光Ｌ３との間に時間遅延を設けてテラヘルツ光の波形を計測する、いわゆるポンプ−プローブ法を採用している。すなわち、テラヘルツ光発生素子８を作動させるポンプ光Ｌ２に対して、テラヘルツ光検出素子１３を作動させるタイミングを時間τだけ遅らせることにより、時間τだけ遅れた時点でのテラヘルツ光の電場強度を測定できる。言い換えれば、プローブ光Ｌ３は、テラヘルツ光検出素子１３に対してゲートをかけていることになる。また、可動鏡１４を徐々に移動させることは、遅延時間τを徐々に変えることにほかならない。時間遅延装置によってゲートをかけるタイミングをずらしながら、繰り返し到来するテラヘルツ光の各遅延時間τごとの時点の電場強度をロックイン増幅器２４から検出信号として順次得ることによって、テラヘルツ光の電場強度の時系列波形Ｅ（τ）を計測することができる。
本実施の形態では、テラヘルツ光の電場強度の時系列波形Ｅ（τ）の計測時には、制御・演算処理部２６が、移動機構２８に制御信号を与えて、遅延時間τを徐々に変化させながら、Ａ／Ｄ変換器２５からのデータを制御・演算処理部２６内の図示しないメモリに順次格納する。これによって、最終的に、テラヘルツ光の電場強度の時系列波形Ｅ（τ）を示すデータ全体をメモリに格納する。このような時系列波形Ｅ（τ）を示すデータを、被測定物１０を図１に示す位置に配置した場合と配置しない場合について取得する。制御・演算処理部２６は、これらのデータに基づいて、被測定物の所望の特性を求め、これをＣＲＴ等の表示部２７に表示させる。例えば、制御・演算処理部２６は、公知の手法（ドュヴィラレットら（Ｌｉｏｎｅｌ  Ｄｕｖｉｌｌａｒｅｔ，Ｆｒｅｄｅｒｉｃ  Ｇａｒｅｔ，ａｎｄ  Ｊｅａｎ−Ｌｏｕｉｓ  Ｃｏｕｔａｚ）の論文（″Ａ  Ｒｅｌｉａｂｌｅ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ  ｉｎ  Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ″，ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｅｌｅｃｔｅｄ  Ｔｏｐｉｃｓ  ｉｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．３，ｐｐ．７３９−７４６（１９９６））によって、被測定物１０の複素屈折率を演算し、これを表示部２７に表示させる。
本実施の形態では、被測定物１０の所定の領域に平行光のテラヘルツ光を照射し、その透過光を検出素子１３に局所的に集光しているので、被測定物１０のテラヘルツ光照射範囲の平均の複素屈折率等の特性が得られる。被測定物１０の局所的な複素屈折率等の特性を得る場合には、次のようにすればよい。例えば、曲面鏡９と被測定物１０との間に、平行光のテラヘルツ光を被測定物１０に局所的に集光させる集光レンズを設ける。そして、被測定物１０とビームスプリッタ１１との間に、被測定物１０を透過した光を再び平行光にするコリメータレンズを設ける。
本実施の形態では、前述したように、テラヘルツ光発生素子８の２つの導電膜３２，３３の間に印加するバイアス電圧の極性をバイアス電圧制御部３より順次反転させることによって、テラヘルツ光発生素子８から発生するテラヘルツ光Ｌ４の電場の極性を変調している。そして、ロックイン増幅器２４により、電流電圧変換回路２１から得られる電気信号の中から、バイアス電圧の極性反転に同期した参照信号と同一周波数で、かつ参照信号と所定の位相関係にある成分のみを抽出および増幅して検出信号として出力する。
したがって、本実施の形態によれば、前記「本発明の特徴」の説明からわかるように、テラヘルツ光発生素子８として光スイッチ素子が用いられているにもかかわらず、従来に比べて、テラヘルツ光の利用効率が向上され、ＳＮ比が大幅に向上する。
［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態によるテラヘルツ光装置を模式的に示す概略構成図である。図４において、図１中の要素と同一または対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
本実施の形態によるテラヘルツ光装置は、被測定物１０をイメージ化するイメージ化装置である。
本実施の形態によるテラヘルツ光装置では、フェムト秒パルス光源１から放射されたフェムト秒パルス光Ｌ１が、平面反射鏡４１を経て、ビームスプリッタ４２でポンプ光Ｌ２とプローブ光Ｌ３とに分割される。ポンプ光Ｌ２は、２枚もしくは３枚の平面反射鏡が組み合わされてなる可動鏡４３および平面鏡４４〜４６を経て、ビームエキスパンダ４７で拡張された後に、第１の実施の形態と同様に構成されたテラヘルツ光発生素子８へ導かれる。その結果、テラヘルツ光発生素子８が励起されてテラヘルツ光Ｌ４を放射する。第１の実施の形態と同様に、バイアス電圧制御部３により導電膜３２，３３間に順次極性が反転したバイアス電圧が印加されることによって、テラヘルツ光発生素子８から発生するテラヘルツ光Ｌ４の電場の極性が変調される。
本実施の形態では、フェムト秒パルス光源１と、バイアス電圧制御部３と、テラヘルツ光発生素子８と、平面反射鏡４１と、ビームスプリッタ４２と、可動鏡４３と、平面鏡４４〜４６と、ビームエキスパンダ４７とによりテラヘルツ光発生部を構成している。
テラヘルツ光発生素子８で発生したテラヘルツ光Ｌ４は、結像レンズ４８およびビームスプリッタ４９を介して、ＺｎＴｅ等の非線形光学結晶（電気光学結晶）からなるテラヘルツ光検出素子５０の２次元領域に到達する。結像レンズ４８は、被測定物１０の２次元領域を透過したテラヘルツ光による被測定物１０の当該領域の像を、テラヘルツ光検出素子５０の２次元領域に結像する。検出素子５０の２次元領域にテラヘルツ光が入射すると、当該領域の各部位に入射したテラヘルツ光の電場により結晶内で電気光学効果によって各部位毎に複屈折変化が生ずる。後述するように、これらの複屈折変化をプローブ光を用いて検出することにより、各部位毎にテラヘルツ光の電場強度が検出される。
ビームスプリッタ４２で分割されたプローブ光Ｌ３は、平面鏡５１〜５３を経てビームエキスパンダ５４で拡張された後に、偏光子５５に入射して直線偏光光が出射される。この直線偏光光はビームスプリッタ４９により反射され、テラヘルツ光が入射するテラヘルツ光検出素子５０の２次元領域と同じ領域に入射する。
ビームスプリッタ４９により反射された直線偏光光であるプローブ光は、検出素子５０を透過する。その透過光の偏光状態は、各部位毎に、テラヘルツ光により生じた検出素子５０の複屈折変化、すなわち、テラヘルツ光の電場強度変化に応じて、楕円偏光に変化する。このとき、直線偏光光と楕円偏光光との変更状態の差がテラヘルツ光の電場強度の情報である。すなわち、プローブ光の偏光状態がテラヘルツ光の電場強度の情報を担っている。検出素子５０を透過したプローブ光は検光子５６で検光される。その後、２次元ＣＣＤカメラ５７により光強度分布が検出される。光強度分布を示す２次元ＣＣＤカメラ５７からの画像信号は、Ａ／Ｄ変換器５３ＡでＡ／Ｄ変換された後に、制御・演算処理部２６に取り込まれる。したがって、テラヘルツ光の電場強度の分布（各部位ごとの電場強度）に応じた電気信号が、一括してデータとして制御・演算処理部２６に取り込まれる。
このとき、２次元ＣＣＤカメラ５７は、バイアス電圧制御部３から出力される、バイアス電圧の極性反転に同期した同期信号に同期して撮像する。例えば、バイアス電圧が一方極性の各期間およびバイアス電圧が他方極性の各期間において、それぞれ１フレームの画像が撮像される。
以上の説明からわかるにように、本実施の形態では、フェムト秒パルス光源１と、平面反射鏡４１と、ビームスプリッタ４２と、ビームスプリッタ４９と、検出素子５０と、平面鏡５１〜５３と、Ａ／Ｄ変換器５３Ａと、ビームエキスパンダ５４と、偏光子５５、検光子５６と、２次元ＣＣＤカメラ５７がテラヘルツ光検出部を構成している。
テラヘルツ光検出部は、被測定物１０の２次元領域を経て検出素子５０の２次元領域の個々の部位に到達するテラヘルツ光の電場強度に応じた電気信号を、個々の部位に対応するものごとにそれぞれ出力する。なお、このようなテラヘルツ光検出部は、本実施の形態のように２次元ＣＣＤカメラのような撮像手段を用いて構成することができるのみならず、例えば、光スイッチ素子を２次元状に分布させたテラヘルツ光検出器を用いて構成することができる。
本実施の形態では、制御・演算処理部２６は、バイアス電圧が一方極性の期間に撮像された画像データと、バイアス電圧が他方極性の期間に撮像された画像データとの差分を画素毎に取った画像データを、検出画像データとして得る。検出画像データの個々の画素データは、各部位毎の検出データとなっている。
本実施の形態では、制御・演算処理部２６のこの検出画像データを得る機能は次のような信号処理である。テラヘルツ光検出部から得られる電気信号のうち、バイアス電圧が一方極性である時の信号成分（符号を含む）と、テラヘルツ光検出部から得られる電気信号のうち、バイアス電圧が他方極性である時の信号成分（符号を含む）との差分に応じた検出信号または検出データを各部位毎に得る。
ポンプ光Ｌ２の光路上に配置された可動鏡４３は、制御・演算処理部２６による制御下で、移動機構４０により矢印Ｙ方向に移動可能となっている。可動鏡４３の移動量に応じて、ポンプ光Ｌ２の光路長が変わり、ポンプ光Ｌ２がテラヘルツ光発生素子８へ到達する時間が遅延する。すなわち、本実施の形態では、可動鏡４３および移動機構４０が、ポンプ光Ｌ２の時間遅延装置を構成している。このように、本実施の形態ではポンプ光Ｌ２を時間遅延可能となっているが、この点は、プローブ光Ｌ３の方を時間遅延可能とする第１の実施の形態と実質的に同じである。
制御・演算処理部２６は、移動機構４０を制御して可動鏡４３を徐々に移動させて、各遅延時間（テラヘルツ光のプローブ光に対する遅延時間）τごとの時点の検出画像データ、すなわち、テラヘルツ光の電場強度の検出データの分布を順次得ることによって、各部位ごとのテラヘルツ光の電場強度の時系列波形Ｅ（τ）を取得する。このような各部位ごとの時系列波形Ｅ（τ）を示すデータを、被測定物１０を図４に示す位置に配置した場合と配置しない場合について取得する。制御・演算処理部２６は、これらのデータに基づいて、被測定物の各部位ごとの所望の特性、すなわち、所望の特性の分布を求め、これをＣＲＴ等の表示部２７に画像として表示させる。
本実施の形態では、前述したように、テラヘルツ光発生素子８の２つの導電膜３２，３３の間に印加するバイアス電圧の極性をバイアス電圧制御部３により順次反転させることによって、テラヘルツ光発生素子８から発生するテラヘルツ光Ｌ４の電場の極性を変調している。そして、前述したように、２次元ＣＣＤカメラ５７の撮像がバイアス電圧の極性反転に同期した同期信号に同期して行われる。また、制御・演算処理部２６によって、バイアス電圧が一方極性の期間に撮像された画像データとバイアス電圧が他方極性の期間に撮像された画像データとの差分を画素毎に取った画像データを、検出画像データとして得ている。
したがって、本実施の形態によれば、「本発明の特徴」の説明からわかるように、テラヘルツ光発生素子８として光スイッチ素子が用いられているにもかかわらず、従来に比べて、テラヘルツ光の利用効率が向上され、ＳＮ比が大幅に向上する。また、本実施の形態によれば、画素毎にロックイン増幅器を設ける必要がないので、コストダウンと省スペース化を図ることができる。
ところで、検出素子５０に用いられる電気光学結晶によっては、ＣＣＤカメラ５７により検出される光強度Ｉが式（１）のようになるものがある。式（１）において、Ｉ０はプローブ光の強さ、Γはテラヘルツ光の電場により誘起された複屈折からの寄与、Γ０は電気光学結晶の残留複屈折率による寄与、ηはプローブ光の散乱の寄与である。｜Γ０＋Γ｜≪１として式を変形した。ＣＣＤカメラ５７の各画素からは、光強度Ｉに比例した信号が出力される。なお、検出素子５０に磁気光学結晶を用いた場合も同様である。
2003028173.tif 000003
Γはテラヘルツ光の電場Ｅ（符号も含む）に比例するので、式（１）からも明らかなように、図４に示すようなクロスポーラリゼーション法で検出される光強度Ｉは、次式（２）のようにテラヘルツ光の電場Ｅの二次式で記述される。なお、式（２）において、αおよびβは定数である。
Ｉ＝αＥ２＋βＥ＋γ      …（２）
前述したように、テラヘルツ光発生素子８に印加するバイアス電圧の極性を逆にすると、テラヘルツ光発生素子８から出射されるテラヘルツ光の電場が逆極性になる。すなわち、図３（ａ）において＋Ｖ０の電圧を印加した場合のテラヘルツ光の電場をＥとすれば、−Ｖ０の電圧を印加したときのテラヘルツ光の電場は（−Ｅ）となる。テラヘルツ光の電場が（−Ｅ）のときの光強度をＩ’とすると、Ｉ’は次式（３）のように表される。
2003028173.tif 000004
式（２）と式（３）とから光強度ＩとＩ’との差ΔＩを計算すると式（４）のようになり、差ΔＩは符号も含めてテラヘルツ光の振幅（電場）に比例することになる。すなわち、式（１）に示すような特性を示す電気光学結晶を検出素子５０に使用した場合でも、バイアス電圧がプラス極性のときのテラヘルツ光に関して得られた画像信号とバイアス電圧がマイナス極性のときのテラヘルツ光に関して得られた画像信号との差分信号をとると、その差分信号はテラヘルツ光の電場Ｅに符号を含めて比例することになる。
ΔＩ＝Ｉ−Ｉ’＝２βＥ        …（４）
このことは、分光計測などの定量的測定を行う際に面倒な較正処理を行う必要が無いことを意味している。一方、プラス極性またはマイナス極性のときのテラヘルツ光に関して得られた画像信号のみを用いて２次元画像を生成する場合には被測定物１０からのテラヘルツ光の電場ＥとＣＣＤカメラ５７により検出される光強度Ｉとの関係は式（２）のように比例関係ではない。そのため、各画素毎にその出力信号を式（２）を用いて較正を行わなければならない。
例えば、２つの画素の出力信号を比較したとき、それらの比が２倍であったとしても、式（２）のようにＩはＥの二次式になっているので、対応する電場Ｅ同士の比は２倍よりも小さくなる。２次元画像を生成する際には各画素の信号値が電場Ｅに比例するようにしなければならないので、出力信号を電場Ｅに対応するように較正することになる。
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。たとえば、本発明に適用するテラヘルツ光発生素子は、光伝導部と、光伝導部にバイアス電場を印加し、パルス光が照射されることでテラヘルツ光を発生するものであれば、実施例に限定されない。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１の実施の形態によるテラヘルツ光装置を模式的に示す概略構成図である。
図２（ａ）は、図１中のテラヘルツ光発生素子を示す正面図、（ｂ）はそのＩ−Ｉ線断面図、（ｃ）は（ｂ）の変形例を示す図である。
図３（ａ）は、図１中のバイアス電圧制御部によりテラヘルツ光発生素子に印加されるバイアス電圧の極性反転の一例を示す図であり、（ｂ）乃至（ｄ）は（ａ）の極性反転に応じて変化する光検出器１９，２０の信号レベルおよび両者の差分信号レベルを示す。
図４は、本発明の第２の実施の形態によるテラヘルツ光装置を模式的に示す概略構成図である。
図５（ａ）（ｂ）は、テラヘルツ光発生素子に印加されるバイアス電圧が一方極性である場合および他方極性である場合において、それぞれ発生するテラヘルツ光の電場の波形を示す波形図である。
【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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【国際調査報告】
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