(57)【要約】  テラヘルツ光学ゲート。本発明は、テラヘルツ領域（遠赤外線波長）の広帯域光学ゲートに関する。それは、上記テラヘルツ領域で第１光線（ＦＴＨｚ）を放射する第１光学ソース（２）と、上記テラヘルツ光線により照射される半導体材料を素材とする第１プレート（１）と、半導体材料を素材とする第１プレート（１）を飽和させることを可能とし、それをテラヘルツ波長で反射させることを可能とする波長で第２光線（ＦＩＲ）を放射する第２光学ソース（３）を備える。本発明は、またテラヘルツ信号測定のためのシステム、及びテラヘルツ発生器に関する。それは、特に、テラヘルツ信号測定のためのシステム、及びテラヘルツ発生器に適用できる。
2008516438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ領域（遠赤外線波長）で第１光線（ＦＴＨｚ）を放射する第１光学ソース（２）と、
上記テラヘルツ光線により照射される半導体材料を素材とする第１プレート（１）と、  半導体材料を素材とする第１プレート（１）を飽和させることを可能とし、それをテラヘルツ波長で反射させることを可能とする波長で第２光線（ＦＩＲ）を放射する第２光学ソース（３）とを備えることを特徴とするテラヘルツ領域の広帯域光学ゲート。
【請求項２】
上記第２光線のパルス（ＦＩＲ１，ＦＩＲ２）は、上記第１光線のパルス（ＴＨｚ１，ＴＨｚ２，ＴＨｚ３）に関して調節可能な時間まで遅延されることを特徴とする上記請求項１に記載の光学ゲート。
【請求項３】
上記第２光線（ＦＩＲ）のパルスは、上記第１光線のパルスと同じ繰り返し率で発生することを特徴とする上記請求項２に記載の光学ゲート。
【請求項４】
所定の時間内の上記第２光線と異なるパルス（ＦＩＲ１，ＦＩＲ２）の遅延は、これらの異なるパルスが、上記パルス（ＴＨｚ１，ＴＨｚ２，ＴＨｚ３）の異なる時間位置を調査することを特徴とする上記請求項３に記載の光学ゲート。
【請求項５】
第２プレート（１´）を飽和させることを可能とし、それをテラヘルツ波長で反射させることを可能とする波長を有する第３光線（ＦＩＲ´）により照射される半導体材料を素材とする第２プレート（１´）を備え、この第２プレートが上記第１プレート（１）により送出されるテラヘルツ光線の方向に沿って配置されることを特徴とする上記請求項４に記載の光学ゲート。
【請求項６】
上記第３光線の上記パルス（ＦＩＲ´１，ＦＩＲ´２，ＦＩＲ´３）は、上記第２光線のパルス（ＦＩＲ１，ＦＩＲ２）に対して、一定時間遅延されることを特徴とする上記請求項５に記載の光学ゲート。
【請求項７】
上記第２および上記第３光線（ＦＩＲ，ＦＩＲ´）の波長は、赤外線に決定されることを特徴とする上記請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学ゲート。
【請求項８】
上記第１および上記第２プレートは、シリコンを素材とすることを特徴とする上記請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学ゲート。
【請求項９】
上記第１光線および／あるいは上記第２光線（ＦＴＨｚ，ＦＩＲ）は、半導体材料を素材とする上記プレート（１）の異なる領域（１．０〜１．ｎ）を選択的に照射し、上記それぞれの領域は光学ゲートを形成することを特徴とする上記請求項１乃至８のいずれか１項に記載の上記光学ゲートに適用する光学ゲートのマトリックスあるいは並び。
【請求項１０】
上記第１プレートにより反射されるテラヘルツ光線の方向に沿って配置される光学検出器および信号測定装置（４，５）を備えることを特徴とする上記請求項１乃至８のいずれか１項に記載の上記ゲートに適用する測定システム。
【請求項１１】
上記第２プレート（１´）により送出されるテラヘルツ光線（Ｔ´）の方向に沿って配置される光学検出器及び信号測定装置（６，７）を備えることを特徴とする上記請求項５乃至９のいずれか１項に記載の上記ゲートに適用する測定システム。
【請求項１２】
前記発生器は、第２レーザーキャビティに配置され、この第２キャビティの信号により励起される増幅手段（８）を備える第１テラヘルツキャビティを備え、また上記第１キャビティは、第１キャビティにより供給される光学パルスによる飽和のときに、照射されることを可能とする半導体材料（９）を素材とするプレートを備えることを特徴とする上記請求項１乃至８に記載の光学ゲートに適用するテラヘルツ発生器。
【請求項１３】
上記第１キャビティと上記第２キャビティは、等価光学長を有することを特徴とする上記請求項１２に記載の発生器。
【請求項１４】
上記第２レーザーキャビティは、赤外線帯で機能することを特徴とする上記請求項１２に記載のテラヘルツ発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠赤外線の、またはサブミリ波の、またはテラヘルツ領域の広帯域光学ゲートに関する。また、光学ゲートのマトリックスに関する。特にテラヘルツパルス検出器と、この信号の測定に適用できる。またテラヘルツ発生器に適用できる。
【背景技術】
【０００２】
広帯域テラヘルツパルスは、通常以下に示すいわゆるＴＤＳ（時間領域分光学）構造で検出される。
超短波レーザーパルスによる光伝導体の刺激により誘導される電流を測定する。
超短波参照レーザーパルス上の、非線形半導体結晶中の、テラヘルツ放射による、電気光学作用により誘導される光学複屈折を測定する。
【０００３】
以下の２つの異なる過程は、広帯域テラヘルツパルスの発生で知られる。
超短波レーザーパルスにより光伝導体を刺激する。伝導スパイク間に放射されるスペクトルは、数テラヘルツに簡単に拡大される。
強力なテラヘルツフィールドの発生のために透過性材料の光学順変換（optical rectification）を行い、その強度は光学刺激と比例する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
強力なテラヘルツフィールドを獲得するために、電磁流動は、中間帯吸収の飽和のために光伝導の場合、厳しく制限される。光伝導体照明の調節は、有用なエリアの寸法により厳しく制約される。
【０００５】
光学順変換の場合、テラヘルツ放射の生成効率は、さらにより強力なレーザーソースの使用を必要とする。それゆえ、通常低周波で、高価で、使用が難しいとされる超短波増幅レーザーパルスが、通常使用されなければならない。さらにまた、重大な検出調整が欠かせない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、これらの問題点を解決できる。
従って、本発明はテラヘルツ領域（遠赤外線波長）の広帯域光学ゲートに関するものである。それは、上記テラヘルツ領域の第１光線を放射する第１光学ソースと、
上記テラヘルツ光線により照射される半導体材料を素材とする第１プレートと、
半導体材料を素材とする第１プレートを飽和させることを可能とし、それをテラヘルツ波長で反射させることを可能とする波長で第２光線を放射する第２光学ソースとを備える。
【０００７】
好ましくは、上記第２光線のパルスは、上記第１光線のテラヘルツパルスに関して調節されることを可能とする時間までに遅延される。
【０００８】
原則として、上記第２光線のパルスは、上記第１光線のテラヘルツパルスと同じ繰り返し率で発生する。
【０００９】
本発明の一実施形態によれば、所定の時間内の上記第２光線と異なるパルスの遅延は、これらの異なるパルスが、上記第１光線のテラヘルツパルスの異なる時間位置を調査するように、異なる。
【００１０】
別の実施形態によれば、本発明によるゲートは、第２プレートを飽和させることを可能とし、それをテラヘルツ波長で反射させることを可能とする波長を有する第３光線により照射される半導体材料を素材とする第２プレートを備える。この第２プレートは、好ましくは、上記第１プレートにより送出されるテラヘルツ光線の方向に沿って配置される。
【００１１】
上記第３光線の上記パルスは、上記第２光線のパルスに関して、一定時間遅延されるように定められることを可能とする。
【００１２】
有利なことに、上記第２および上記第３光線（ＦＩＲ，ＦＩＲ′）の波長は、赤外線に配置される。
【００１３】
また、有利なことに、上記第１および上記第２プレートは、シリコンを素材とする。
【００１４】
本発明は、また、このように記述される光学ゲートに適用する光学ゲートのマトリックスあるいは並びに関する。上記第１および／あるいは上記第２光線は、次いで選択的に半導体材料を素材とするプレートの異なる領域を照射し、それぞれの上記領域は光学ゲートを形成する。
【００１５】
本発明は、また、このように記述されるゲートに適用する測定システムに関する。この測定システムは、上記第１プレートにより反射されるテラヘルツ光線の方向に沿って配置される光学検出器および信号測定装置を備える。
【００１６】
一変形実施形態によれば、この測定システムは、上記第２プレートにより送出されるテラヘルツ光線の方向に沿って配置される光学検出器と信号測定装置を備える。
【００１７】
本発明は、また上述の光学ゲートに適用するテラヘルツ発生器に関する。この発生器は、第２レーザーキャビティ（cavity）に配置され、この第２キャビティの信号によりポンプで励起される増幅手段を備える第１テラヘルツキャビティを備える。上記第１キャビティはまた、第１キャビティにより供給される光学パルスによる飽和のときに、照射されることを可能とする半導体材料を素材とするプレートを備える。
【００１８】
上記第１キャビティと上記第２キャビティは、２つのキャビティの励起の同期を獲得するため、等価光学長を有するように定められる。
【００１９】
さらにまた、上記第２レーザーキャビティは、赤外線帯で機能するキャビティであるよう有利に決定されることを可能とする。
【００２０】
本発明の異なる目的と特徴は、添付の図面を参照し、以下の発明の詳細な説明を読み終えた後、明白になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、サブミリ波の放射を操作する半導体材料の光伝導の使用に基づいている。
【００２２】
図１ａと図１ｂとを参照し、我々は、テラヘルツ光線が半導体プレートにより遮断される外部キャビティ（extra-cavity）構造を説明することから開始する。
【００２３】
光学ソース２は、半導体材料を素材とするプレート１を照射する遠赤外線フィールド（テラヘルツ波長帯域）の光学光線ＦＴＨｚを放射する。さらに、プレート１は、赤外線ソース３により放射される赤外線光線ＦＩＲにより照射される可能性がある。半導体材料を素材とするプレートは、この赤外線ＦＩＲにより飽和される可能性があり、飽和されると
、それはテラヘルツ光線ＦＴＨｚからの光を反射するようになる。赤外線がない場合、プレート１は、テラヘルツ光線ＦＴＨｚに対し透過（あるいはほとんど透過）である。
【００２４】
装置４は、プレート１により送出された光を収集し、検出する。この装置４は、測定装置５に対応する電気信号を送出する。
【００２５】
図１ｂは、図１ａのシステムの動作時間図を示す。
【００２６】
第１時間図は、半導体材料を素材とするプレート１に送出されるテラヘルツパルスを表す。
【００２７】
第２時間図は、プレート１を反射させるように設定された赤外線パルスＦＩＲを示す。これらのＦＩＲパルスは、テラヘルツパルスＦＴＨｚから可変遅延ｔ０．１，ｔ０．２等の時間内にオフセットされる。
【００２８】
プレート１が生成される半導体材料の反射応答時間（第３図により示される）は、テラヘルツフィールドの立ち上り時間と比較してより短い。さらに、プレート１が生成される半導体材料は、テラヘルツパルスの持続期間と比較して、長い反射立ち下り時間を有し、テラヘルツパルス繰り返し期間より短い。
【００２９】
プレート１は、広帯域金属鏡（あるいは広帯域光学ゲート）の機能を果たし、その結果大きな時定数の広帯域スペクトル検出器（おそらくボロメーター）に向けて、非常に高い効率（８０％以上）で、エネルギーを反射する。
【００３０】
第４時間図は、プレート１により送出されるテラヘルツ信号Ｔを表す。
【００３１】
第５時間図は、プレート１により反射されるテラヘルツ信号Ｒを表す。
【００３２】
好ましくは、パルス信号ＦＩＲは、パルス信号ＦＴＨｚと同じ繰り返し率を有し、この信号から有利に引き出される。ＦＩＲ１のようなパルスは、上述した遅延を有するＴＨｚ１のようなパルスに同期する。
【００３３】
本発明によれば、ｔ０．１のような遅れは、可変である。それゆえ、時間ｔ０．１，ｔ０．２は互いに異なり、好ましくは、連続的に進行する。テラヘルツ光線ＦＴＨｚの多数のパルス（ＴＨｚｌ）の測定装置５によりなされる反射光線Ｒの測定は、このように、テラヘルツ信号の全体を獲得するために使用される。単純な派生物は、次いで分解されるエネルギーで、遅れずに信号を再構築する。
【００３４】
図２ａは、半導体材料を素材とする２つのプレート１と１´が、ソース２により放射されるテラヘルツ光線の方向に沿って連続して配置されるシステムの変形を表す。それぞれのゲートは、ソース３と３´により放射される赤外線パルスにより独立して照射される。
【００３５】
上述のように、ソース３により放射されるパルスＦＩＲは、テラヘルツパルスＦＴＨｚと比較して、遅れずにオフセットされる。この遅延は可変である。図２ｂは、上記パルスＦＩＲ１，ＦＩＲ２が、テラヘルツパルスに対して、ｔ０．１，ｔ０．２によりそれぞれ遅延されることを示す。
【００３６】
例えばＦＩＲ´１，ＦＩＲ´２のような、ソース３´により放射されるパルスは、ソース３により放射されるパルスに対して、一定の遅延を有する。これらのパルスＦＩＲ´１，ＦＩＲ´２は、テラヘルツパルスに対して、ｔ１．１，ｔ１．２によりそれぞれ遅延される。
【００３７】
パルスＦＩＲによりプレート１が照明される間、プレート１はパルスＲ１，Ｒ２，Ｒ３の形態（図２ｂ参照）でテラヘルツパルスを反射する。プレート１は、このようにテラヘルツパルスを切断することができ、テラヘルツパルスの前方エッジとＦＩＲパルスの前方エッジとの間、言い換えると遅延ｔ０．１とｔ０．２の間（図２ｂの第２および第３時間図参照）の部分だけを第２プレート１´に送出することができる。
【００３８】
それゆえ、プレート１´は、プレート１により送出されるテラヘルツパルスだけを受信する。プレート１´は、パルスＦＩＲ´により反射するようにされる（図２ｂの第４図参照）。それは、パルスＦＩＲ´の持続期間を越える時間の間、反射しているままである。それゆえ、プレート１により送出されるテラヘルツパルスにおいて、パルスＦＩＲ１´，ＦＩＲ２´の前方エッジは、送出されるパルスＴ´と反射されるパルスＲ´に切断する（図２ｂの第６および第７図参照）。
【００３９】
それゆえ、図２ｂの第７図は、プレート１´により反射されるテラヘルツパルスの持続期間が、パルスＦＩＲとＦＩＲ´の前方エッジにより定義されることを示す。
【００４０】
パルスＦＩＲ１，ＦＩＲ２とＦＩＲ１´，ＦＩＲ２´のシリーズは、一定の遅延により、遅れずにオフセットされる（上記参照）。この結果、第２プレート１´により反射されるパルスＲ´持続期間が一定であることになる。
【００４１】
それぞれのプレート１と１´がゲートを形成するので、プレート１が反射していないときで、かつプレート１´が反射しているときに、それぞれのテラヘルツパルスの一部分がＲ´に反射される。
【００４２】
システムは、テラヘルツパルスの一部分にそれぞれ対応するテラヘルツパルスＲ´を反射する。これらの異なるテラヘルツパルスＲ´は、第１に遅延ｔ０．１，ｔ０．２により、第２に遅延ｔ１．１，ｔ１．２による変化のために連続した入力テラヘルツパルスＦＴＨｚの異なる瞬間に位置される。
【００４３】
パルスＴ´１，Ｔ´２，Ｔ´３は、収集され、処理回路７に対応する電気パルスを送出する装置６により検出される
【００４４】
これらの条件では、以下に示す情報の２つの項目が、テラヘルツフィールドにおいて入手される。
時間内のフィールドの正方形、および遅延。
【００４５】
これらの情報の２つの項目は、フィールドの完全な説明（振幅と位相）を導くこともできる。
【００４６】
遅延ｔを変化させることにより、信号は直接検出器で、ノイズの概念を制限するのに十分に短い開始により、再構築される。
【００４７】
それゆえ、非常に感度のよいインテグレータ検出器（ボロメータ）の前に位置される本発明による光学ゲートが、放射検出に使用されることが理解される。
【００４８】
上述の本発明によるテラヘルツパルス検出システムは、光伝導体または電気光学効果を利用するシステムとちょうど同じくらいに感度がよい。また本発明によるシステムは、それが光学ゲートの後方に位置される検出器のどんな特別の設定も必要としないという特徴を有する。
【００４９】
図３を参照し、我々は本発明のテラヘルツ発生器への応用を説明する。
【００５０】
強力な流れは、光伝導素子、あるいはより一般的には、高周波パルス範囲（理想的には、赤外線のフェムト秒範囲のブロックされたモードのレーザー）で作動するキャビティ（cavity）の内部のテラヘルツ発生器を挿入することにより、レーザー増幅システムを使用することなしに、テラヘルツ領域で獲得される。テラヘルツ領域の放射されたフィールドのエネルギーは少なめであるが、高周波であり、それは発振器のエネルギーと一致する。キャビティの長さが互換性を有するならば、キャビティは発振器と同期（またはやや同期して）したこの波を収集し、蓄積するように構築される。
【００５１】
好ましくは、この同期を達成するように、キャビティの長さはレーザーキャビティと、テラヘルツキャビティと等しくする。
【００５２】
このスーパーキャビティ（super-cavity）の技術的な問題は、テラヘルツ領域の比較的長い波長と数ピコ秒に等しいテラヘルツパルス期間とを考慮すると、比較的少な目である。事実、テラヘルツ領域の同期ＯＰＯ（光パラメトリック発振器）を生成する問題を有する。
【００５３】
高品質な出力を有するこのキャビティは、補助内部キャビティ焦点を備えられることを可能とし、半導体材料を素材とするプレートは、損失を制限するためにブルースター角で傾斜する。これらの条件下では、正確に時間内に遅延し、かつ関連手段により選択される（光学の）主レーザーキャビティからのパルスは、半導体材料を素材とするプレート９上に送られる。これは、もし応答時間が、それぞれの抽出（および、このような魅力的なテラヘルツ放射発生の再発生率の維持）の後、休止状態に戻るのに十分に短い場合に、プレートがキャビティ抽出器として機能する反射する鏡に状態を変化させる結果となる。このような小型構造は、赤外線レーザー増幅器を具備するシステムで獲得される出力に相当するテラヘルツ出力を与えることができる。
【００５４】
それゆえ、本発明によるゲートが貯蔵キャビティからパルス制御されるソース（キャビティ抽出器機能）のほとんど全ての広いスペクトル放射を抽出するのに使用されることが可能であることが分かる。
【００５５】
このテラヘルツ発生器は、増幅された超短波レーザーパルスの使用に代替するものを形成し、強力なテラヘルツ波を発生するために低周波数で作動する。
【００５６】
本発明は、また光学ゲートマトリックスに適用可能である。図４に示されるように、これを達成するために、半導体材料を素材とするプレート１が領域１．０，１．１，…，１．ｎのマトリックスを備えるものと想定する。それぞれの領域は、１以上のテラヘルツ光線により、及び１以上の赤外線ビームにより選択的に照射される。プレート１上のそれぞれの領域は、光学ゲートを形成し、テラヘルツ光線による及び赤外線光線によるこの領域の同時の証明は、この領域に対応するゲートを起動させる。
【００５７】
例えば、図４は、プレート１の全ての表面を照射し、かつ全てのゲートの作動を準備する光線ＦＩＲを提供する光学ソース３を示す。光学ソース２は、プレート１の領域１．０からｌ．ｎを選択的に照射し、かつそれぞれのゲートの個別の作動を引き起こす光線ＦＴＨｚを提供する。
【００５８】
他の機能モードは、本発明の範囲から逸脱することなく想定される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１ａ】テラヘルツ信号のエネルギーを測定するために使用される光学ゲートを示す図である。
【図１ｂ】図１ａに示すゲートの動作時間図を示す図である。
【図２ａ】テラヘルツ信号のエネルギーと遅延を測定するために使用される二重光学ゲートを示す図である。
【図２ｂ】図２ａに示すシステムの動作時間図を示す図である。
【図３】本発明のテラヘルツ発生器の例への応用を示す図である。
【図４】光学ゲートマトリックスシステムを示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１，１´  プレート
２  光学ソース
３，３´  赤外線ソース
４  装置
５  測定装置
６  装置
７  処理回路
【図１ａ】
2008516438.tif 000003
【図１ｂ】
2008516438.tif 000004
【図２ａ】
2008516438.tif 000005
【図２ｂ】
2008516438.tif 000006
【図３】
2008516438.tif 000007
【図４】
2008516438.tif 000008
【国際調査報告】
2008516438.tif 000009
2008516438.tif 000010
2008516438.tif 000011
2008516438.tif 000012
2008516438.tif 000013
2008516438.tif 000014