(57)【要約】【課題】従来にない構成を有し、生産性に優れるとともに、形状の自由度が高いなどの様々な特長を有する新規なテラヘルツ波用光学素子と、その製造方法とを提供する。【解決手段】入射したテラヘルツ波に光学的に作用する作用部が内部に形成されたダイヤモンドの基体を備え、前記作用部は、前記ダイヤモンドの変質により形成された柱状の導電性部分が周期的に配列した構造を有するテラヘルツ波用光学素子とする。このような光学素子は、例えば、ダイヤモンドの基体にフェムト秒レーザーを照射して形成できる。【選択図】図１
2008209493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射したテラヘルツ波に光学的に作用しうる作用部が内部に形成されたダイヤモンドの基体を備え、
前記作用部は、前記ダイヤモンドの変質により形成された柱状の導電性部分が周期的に配列した構造を有するテラヘルツ波用光学素子。
【請求項２】
前記導電性部分が互いに平行に配列している請求項１に記載のテラヘルツ波用光学素子。
【請求項３】
前記導電性部分がグラファイトを含む請求項１に記載のテラヘルツ波用光学素子。
【請求項４】
前記導電性部分の平均径が、１００ｎｍ以上１０ｍｍ以下である請求項１に記載のテラヘルツ波用光学素子。
【請求項５】
前記導電性部分の配列周期が、テラヘルツ波の波長域にある請求項１に記載のテラヘルツ波用光学素子。
【請求項６】
前記作用部に、前記導電性部分の配列した面が２以上存在する請求項１に記載のテラヘルツ波用光学素子。
【請求項７】
前記基体が、平板状である請求項１に記載のテラヘルツ波用光学素子。
【請求項８】
前記導電性部分が、前記平板状の基体の主面に平行な方向に伸長している請求項７に記載のテラヘルツ波用光学素子。
【請求項９】
前記作用部が、前記平板状の基体の主面から入射されたテラヘルツ波に光学的に作用する請求項７に記載のテラヘルツ波用光学素子。
【請求項１０】
回折素子、分光素子および偏光素子から選ばれる少なくとも１つである請求項１に記載のテラヘルツ波用光学素子。
【請求項１１】
入射したテラヘルツ波に光学的に作用しうる作用部を含むテラヘルツ波用光学素子の製造方法であって、
ダイヤモンドの基体にフェムト秒レーザーを照射し、前記基体における照射したレーザーの焦点近傍の部分を変質させて、当該部分を導電性とする工程を含み、
前記工程において、前記レーザーの焦点位置を変化させることにより、柱状である２以上の前記部分を当該部分が周期的に配列するように形成して、前記基体の内部に、柱状の導電性部分が周期的に配列した構造を有する作用部を形成する、テラヘルツ波用光学素子の製造方法。
【請求項１２】
前記工程において、柱状である２以上の前記部分を、当該部分が互いに平行に配列するように形成する請求項１１に記載のテラヘルツ波用光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波に光学的に作用する作用部、例えば、テラヘルツ波を回折する回折部、あるいは、テラヘルツ波を分光する分光部など、を備えるテラヘルツ波用光学素子とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波とは、およそ毎秒一兆（１０12、即ち「Ｔ（テラ）」）回程度振動している電磁波のことである。電波の振動数（周波数）がこれほどまでに高くなると、光としての性質も帯びてくる。このため、テラヘルツ波は、電波のように物質を透過し、光のように直進する性質を有すると言われる。しかし、周波数にして１００ＧＨｚ〜１００ＴＨｚに相当するテラヘルツ波帯域は、従来、この帯域に含まれる電磁波を簡便に発生および検出する方法が存在しなかったため、未開拓電磁波、あるいは、未到光学と呼ばれてきた。ごく近年になって、レーザー技術などの革新により、初めてテラヘルツ波の光源および受光素子の普及が期待される状況になってきている。従って、テラヘルツ波の産業的な応用はこれからであるが、人類がこれまで手にしたことがない電磁波の利用は国家の基幹技術の有力候補でもある。応用を明確に意識した開発や市場規模予測などの報告も行われ始めており、その将来性が期待される。なお、テラヘルツ波帯域からは、分子の構造や運動状態について多くの情報を得ることができるため、想定される応用分野は情報通信分野以外にも、安全・防犯分野（例えば、危険物や隠匿物の検知）、バイオ・メディカル分野（例えば、悪性腫瘍のイメージング）から、農業、工業、環境、宇宙分野にまで至る。
【０００３】
テラヘルツ波を実際に産業に応用するためには、その光源だけではなく、テラヘルツ波に用いることができる、回折素子、分光素子、偏光素子などの光学素子（テラヘルツ波用光学素子）が必要となる。例えば、特許文献１には、このような光学素子として、太さ数μｍの金属ワイヤーを１０μｍ程度の間隔で多数並べたワイヤーグリッドからなる偏光素子が開示されている（段落番号［００２５］など）。
【０００４】
なお、テラヘルツ波用光学素子とは直接関係しないが、ダイヤモンドへの立体的な三次元配線構造を形成する方法が特許文献２に開示されている。
【特許文献１】特開２００３−１４６２０号公報
【特許文献２】特開２００５−２９４４１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されているようなワイヤーグリッドは、ワイヤーに対して平行な偏波成分を反射させるとともに垂直な偏波成分を透過させて、テラヘルツ波を効率よく分光することができる。しかし、その製造にあたっては、通常、接着剤を塗布したフレームにμｍオーダーの線径の金属細線を一定の間隔で張っていく方法が取られており、製造時における金属細線の破断や配置間隔の不揃いが起きやすい。このため、ワイヤーグリッドの安定した製造は非常に難しく、テラヘルツ波用光学素子の価格が非常に高価であることの要因にもなっている。また、想定されるテラヘルツ波の応用分野の拡大に伴い、より小型の光学素子が求められているが、ワイヤーグリッドでは、金属細線を安定して張るためにある程度の大きさ以上のフレームが必要であるため、現状以上のさらなる小型化は難しい。
【０００６】
そこで本発明は、従来にない構成を有し、生産性に優れるとともに、形状の自由度が高いなどの様々な特長を有する新規なテラヘルツ波用光学素子と、その製造方法とを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のテラヘルツ波用光学素子は、入射したテラヘルツ波に光学的に作用しうる作用部が内部に形成されたダイヤモンドの基体を備え、前記作用部は、前記ダイヤモンドの変質により形成された柱状の導電性部分が周期的に配列した構造を有する。
【０００８】
本発明の製造方法は、入射したテラヘルツ波に光学的に作用しうる作用部を含むテラヘルツ波用光学素子の製造方法であって、ダイヤモンドの基体にフェムト秒レーザーを照射し、前記基体における照射したレーザーの焦点近傍の部分を変質させて、当該部分を導電性とする工程を含む。本発明の製造方法では、前記工程において、前記レーザーの焦点位置を変化させることにより、柱状である２以上の前記部分を当該部分が周期的に配列するように形成して、前記基体の内部に、柱状の導電性部分が周期的に配列した構造を有する作用部を形成する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の素子は、入射したテラヘルツ波に光学的に作用する作用部をダイヤモンドの基体の内部に有し、当該作用部は、ダイヤモンドの変質により形成された柱状の導電性部分の周期的な配列により構成されている。このため、本発明の素子は、等間隔に張られた金属細線により作用部が構成され、当該作用部が空気中に露出しているワイヤーグリッドに比べて、素子としての強度および耐久性に優れる。また、ダイヤモンドは、テラヘルツ波に対して透明度が高く（高い透過率を有し）、かつ、屈折率（誘電率）の分散が小さい誘電体であるため、本発明の素子は高い効率を発現できる。
【００１０】
本発明の製造方法に示すように、本発明の素子は、ダイヤモンドの基体にフェムト秒レーザーを照射し、当該基体におけるレーザーが照射された部分、より具体的には、照射したレーザーの焦点近傍の部分、を変質させて、当該部分を導電性にできる。このとき、レーザーの焦点位置を変化させることで、柱状である２以上の上記部分（導電性部分）を当該部分が周期的に配列するように形成できる。この方法では、柱状の導電性部分の配列を容易に制御でき、また、レーザーの照射ができる限り、基体の形状およびサイズは特に制限されない。このため、本発明の素子は、ワイヤーグリッドに比べて生産性に優れるとともに、その形状およびサイズなどの自由度を高くできる。基体の形状およびサイズによっては、テラヘルツ波の光源（発振器）あるいは受光素子と一体化させることも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１、２に、本発明のテラヘルツ波用光学素子の一例を示す。光学素子１は、入射したテラヘルツ波に光学的に作用する作用部３が内部に形成されたダイヤモンド基板２からなる。作用部３は、ダイヤモンドの変質により形成された柱状の導電性部分４が互いに平行に配列した構造を有する。換言すれば、作用部３では、導電性部分４の伸長方向が互いに平行である。導電性部分４の伸長方向は基板２の主面にほぼ垂直であり、隣り合う導電性部分４の間隔、即ち、導電性部分４の配列周期は、作用部３全体にわたってほぼ一定である。図２は、図１に示す光学素子１を、導電性部分４の伸長方向に平行な方向から見た平面図である。
【００１２】
光学素子１には、作用部３の構成、例えば、導電性部分４の平均径または配列周期、あるいは、基板２に対する導電性部分４の伸長方向などを制御することにより、様々な光学的機能を賦与できる。賦与された機能に応じ、光学素子１は、例えば、入射したテラヘルツ波を回折する回折素子、入射したテラヘルツ波に含まれる特定の周波数の電磁波を選択する分光素子、および、入射したテラヘルツ波に含まれる特定の偏光（偏波）を選択する偏光（偏波）素子から選ばれる少なくとも１つとして機能する。
【００１３】
導電性部分４は、ダイヤモンドの変質により形成された部分であるが、典型的にはグラファイトを、またグラファイト以外の成分として、場合により、α−カーボン、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）などを含む。
【００１４】
柱状の導電性部分４の平均径（図２にｄで示される径の平均値）は、作用部３がテラヘルツ波に作用できる限り特に限定されないが、通常、１００ｎｍ以上１０ｍｍ以下であり、典型的には数μｍ以上（例えば１μｍ以上）、好ましくは１０μｍ以上である。平均径が過小あるいは過大になると、テラヘルツ波用光学素子としての機能が失われることがある。なお、詳細を後述する本発明の製造方法では、数μｍ以上の平均径を有する導電性部分４を精度よく、かつ、効率よく形成できる。
【００１５】
導電性部分４の配列周期（例えば、図２に示すＸあるいはＹ）は、作用部３がテラヘルツ波に作用できる限り特に限定されないが、通常、テラヘルツ波の波長域（３μｍ〜３ｍｍ：この波長は、周波数にして１００ＧＨｚ〜１００ＴＨｚに相当する）程度であればよく、典型的には、数十〜数百μｍ程度、例えば、１０〜１００μｍである。配列周期が過小あるいは過大になると、テラヘルツ波用光学素子としての機能が失われることがある。なお、本発明の光学素子１では、導電性部分４はダイヤモンドの基体中に形成されているため、テラヘルツ波の波長と、当該波長に対応する導電性部分４の配列周期とは１対１で対応しているわけではない。いずれか一方から他方を求める際には、ダイヤモンドの屈折率（約２．３８）を考慮する必要がある。
【００１６】
導電性部分４の配列は、図１、２に示す光学素子１のように、典型的にはその伸長方向が互いに平行な配列であるが、作用部３がテラヘルツ波に作用できる限り、特に限定されない。
【００１７】
導電性部分４が、その伸長方向が互いに平行である配列をとる場合、基板２に対する当該方向は、作用部３がテラヘルツ波に作用できる限り特に限定されず、例えば、基板２の主面に平行であってもよいし、基板２の主面に対して一定の角度で傾いていてもよい。
【００１８】
導電性部分４は、少なくともその一部が、作用部３において周期的に配列していればよく、テラヘルツ波用光学素子として機能できる限り、導電性部分４の配列が部分的に乱れていてもよい。
【００１９】
ダイヤモンド基板２の形状およびサイズは特に限定されない。作用部３が内部に形成され、テラヘルツ波用光学素子として機能できる限り、素子１として必要な形状およびサイズに応じて任意に設定できる。
【００２０】
図１、２に示す光学素子１の作用部３は、ダイヤモンド基板、即ち、平板状のダイヤモンドの基体、に形成されているが、基体の形状は平板状に限定されず、素子１として必要な形状に応じて任意に設定できる。
【００２１】
なお、平板状の基体を有する光学素子１は、予め平板状としたダイヤモンドの基体、即ち、ダイヤモンド基板、に作用部３を形成して作製してもよいし、作用部３を形成したダイヤモンドの基体を平板状にカッティングすることによって作製してもよい。
【００２２】
本発明の光学素子において、基体（基板）に用いるダイヤモンドには、安価な工業用ダイヤモンドを用いることができる。工業用ダイヤモンドは、内包する不純物により、肉眼では黄色みがかかって見えるが、テラヘルツ波に対しては一般に高い透過率を有するため、基体として好適に用いることができる。
【００２３】
図１、２に示す光学素子１では、ダイヤモンドの基体が平板状であり、導電性部分４が平板状の基体（基板２）の厚さ方向に伸長している。このような構造を有する素子１は、その製造が容易であり、生産性に優れる素子とすることができる。また、このような構造を有する素子１は、平板状の基体（基板）の側面から入射されたテラヘルツ波に対して光学的に作用することができる。
【００２４】
本発明の光学素子では、ダイヤモンドの基体が平板状であり、導電性部分４が平板状の基体の主面に平行な方向に伸長していてもよい。このような構造を有する素子は、例えば、後述するテラヘルツ波の発振器および受光素子に好適に用いることができる。また、このような構造を有する素子は、平板状の基体の主面から入射されたテラヘルツ波に対して光学的に作用することができる。
【００２５】
本発明の光学素子では、作用部３に、導電性部分４の配列した面（配列面）が２以上存在してもよい。例えば、図１、２に示す光学素子１の作用部３には、基板２の側面Ａを基準にして、導電性部分４の配列面が面α、βを始めとして５つ存在する。なお、作用部３における導電性部分４の配列面は、図２に示す面γ、δのように考えることもでき、この場合、図１、２に示す光学素子１の作用部３には、導電性部分４の配列面が９つ存在することになる。
【００２６】
通常、導電性部分４の配列面は、基体におけるテラヘルツ波が入射する面を基準に考えればよく、図１、２に示す光学素子１において側面Ａからテラヘルツ波を入射する場合、側面Ａが基準となるため、作用部３における導電性部分４の配列面の数は５である。
【００２７】
従来のテラヘルツ波用光学素子であるワイヤーグリッドでは、１つの素子に対して、金属細線が等間隔で配置された面、即ち、配列面、は１つのみであるため、光学素子としての効率の向上が難しい他、その機能も制限される。これに対して本発明の素子では、配列面が２以上存在してもよく、このような素子とすることにより、光学素子としての効率をより向上でき、例えば、分光素子とした場合に得られるスペクトルのピークをより鋭くすることができる。
【００２８】
なお、このような素子は、１つの配列面を１つの「グリッド」として考えると、２以上のグリッド、即ち、グリッド群、を有する光学素子ということもできる。
【００２９】
作用部３に導電性部分４の配列面が２以上存在する場合、１つの配列面における隣りあう導電性部分間の距離（例えば、図２に示す配列周期Ｘ）と、隣りあう配列面間の距離（例えば、図２に示す配列周期Ｙ）とは、同一であっても異なっていてもよい。同一である場合、より高い効率を有する光学素子とすることができる。
【００３０】
また、作用部３に導電性部分４の配列面が２以上存在する場合、配列周期ＸおよびＹから選ばれる少なくとも１つが、作用部３において部分的に変化していてもよく、その変化の形態によっては、より高い機能を素子に賦与できる。このような高い機能を有する光学素子としては、例えば、一次回折光のみを選択できる回折素子が考えられる。
【００３１】
本発明の光学素子は、その構成によっては、テラヘルツ波の光源または検知素子と組み合わせることができる。組み合わせの一例を以下に示す。
【００３２】
図３Ａ、図３Ｂに、本発明の光学素子１とテラヘルツ波の光源（発振器）との組み合わせの一例を示す。図３Ａ、図３Ｂに示すテラヘルツ波発振器１１は、素子１を除き、一般的なテラヘルツ波発振器と同様の構成、具体的には、ＳｉやＧａＡｓなどからなる基板１２上に、半導体からなる光伝導層１３および一対の電極１４、１５が積層された構成、を有する。素子１を除く、光伝導層１３などの各部材は、テラヘルツ波の発振器として一般的な材料からなればよい。本発明の素子１は、光伝導層１３上における電極１４と１５との間に配置されており、その形状は、作用部が形成されたダイヤモンド基板からなる平板状である。素子１の作用部では、導電性部分は、その伸長方向が互いに平行となり、かつ、基板の主面に平行となるように形成されている。図３Ａは、図３Ｂにおける発振器１１の断面Ａ−Ａを示す断面図である。
【００３３】
ここで、電極１４と１５との間に所定の電圧Ｖを印加しながら、光伝導層１３における電極１４、１５間に位置する領域にフェムト秒レーザーを照射すると、光伝導層１３の内部でキャリアの生成、消滅に伴う瞬間的な電場の変化が生じ、テラヘルツ波が生じる。光伝導層１３で生じたテラヘルツ波は、素子１を透過して発振器１１の外部に発振されるが、このとき、素子１の作用部により光学的に作用を受けたテラヘルツ波が発振される。作用部の構成により異なるが、発振器１１は、例えば、テラヘルツ波の偏光（偏波）、および／または、特定の周波数成分からなるテラヘルツ波、を発振できる。
【００３４】
図３Ａ、図３Ｂに示す発振器１１は、そのままテラヘルツ波の受光素子とすることができる。光伝導層１３における電極１４、１５間に位置する領域にテラヘルツ波が入射すると、電極１４、１５間に電位差が生じる。この電位差、あるいは、生じた電位差に基づいて電極１４、１５に接続された外部回路に流れる電流Ａを測定することにより、テラヘルツ波を検知することができる。このとき、光伝導層１３における上記領域には、素子１を透過したテラヘルツ波が入射するため、作用部の構成により異なるが、発振器１１は、例えば、テラヘルツ波の偏光（偏波）、および／または、特定の周波数成分からなるテラヘルツ波、を検知できる。
【００３５】
図４Ａ、図４Ｂに、本発明の素子１とテラヘルツ波の発振器との組み合わせの別の一例を示す。図４Ａ、図４Ｂに示すテラヘルツ波発振器２１は、図３Ａ、図３Ｂに示す発振器１１における光伝導層１３上に、一対の電極１６、１７をさらに加えた構成を有する。電極１６、１７は、当該電極間に電位差を加えたときに生じる電場の方向が、電極１４、１５間に電位差を加えたときに生じる電場の方向と直交するように配置されている。本発明の素子１は、光伝導層１３上における各電極間に配置されており、その形状は、作用部が形成されたダイヤモンド基板からなる平板状である。素子１の作用部では、導電性部分は、その伸長方向が互いに平行となり、かつ、基板の主面に平行、上記各電場の方向に４５°の方向となるように配置されている。なお、図４Ａは、図４Ｂにおける発振器２１の断面Ａ−Ａを示す断面図である。
【００３６】
ここで、電極１４と１５との間、および、電極１６と１７との間に、それぞれ、所定の電圧Ｖ１およびＶ２を印加しながら、光伝導層１３における電極１４、１５間および電極１６、１７間に位置する領域にフェムト秒レーザーを照射すると、光伝導層１３の内部でキャリアの生成、消滅に伴う瞬間的な電場の変化が生じ、テラヘルツ波が生じる。光伝導層１３で生じたテラヘルツ波は、素子１を透過して発振器２１の外部に発振されるが、このとき、素子１の作用部により光学的に作用を受けたテラヘルツ波が発振される。素子１の作用部における導電性部分の伸長方向は上記のようであるので、発振器２１は、例えば、同時に２つの偏光（偏波）を発振できる。また、発振器２１は、発振器１１と同様に、特定の周波数成分からなるテラヘルツ波を発振することも可能である。
【００３７】
図４Ａ、図４Ｂに示す発振器２１は、そのままテラヘルツ波の受光素子とすることができる。光伝導層１３における各電極間に位置する領域にテラヘルツ波が入射すると、電極１４、１５間、および、電極１６、１７間に電位差が生じる。この電位差、あるいは、生じた電位差に基づいて、電極１４、１５に接続された外部回路に流れる電流Ａ１、および／または、電極１６、１７に接続された外部回路に流れる電流Ａ２を測定することにより、テラヘルツ波を検知することができる。このとき、光伝導層１３における上記領域には、素子１を透過したテラヘルツ波が入射するため、発振器２１は、例えば、同時に２つの偏光（偏波）を検知することができる。また、発振器２１は、特定の周波数成分からなるテラヘルツ波を検知することも可能である。
【００３８】
図１、２に示す光学素子１は、作用部３が内部に形成された基板２からなるが、本発明の素子は、基板（基体）以外の部材を必要に応じて備えていてもよい。
【００３９】
本発明の素子は、例えば、以下に示す本発明の製造方法により作製できる。
【００４０】
本発明の製造方法によれば、ダイヤモンドの基体にフェムト秒レーザーを照射し、基体における照射したレーザーの焦点近傍の部分を変質させて、当該部分を導電性を有する部分（導電性部分）とすることができる。このとき、レーザーの焦点位置を変化させることにより、柱状である２以上の上記部分を当該部分が周期的に配列するように形成して、基体の内部に、柱状の導電性部分が周期的に配列した構造を有する作用部を形成できる。
【００４１】
この方法では、レーザーの焦点位置を変化させることにより、周期的に配列した導電性部分の平均径および配列周期を容易に制御することができる。また、レーザーの照射ができる限り、基体の形状およびサイズは特に限定されない。このため、本発明の製造方法は生産性に優れる。また、本発明の製造方法によれば、形成するテラヘルツ波用光学素子の光学的機能、形状ならびにサイズなどの自由度を高くすることができる。
【００４２】
フェムト秒レーザーは、パルス幅がフェムト秒（１０-13〜１０-15秒）のパルスレーザーである。本発明の製造方法では、その高いピーク強度により、ダイヤモンドを変質させて導電性部分を形成できると考えられる。
【００４３】
基体に照射するフェムト秒レーザーは、一般的なフェムト秒レーザーであればよく、例えば、その波長は２００〜１６００ｎｍ程度であればよい。発振源は特に限定されないが、例えば、フェムト秒レーザーとして一般的であるチタンサファイアレーザーを用いてもよい。
【００４４】
基体に対するレーザーの照射条件、例えば、レーザーの出力、繰り返し周波数などは、基体の種類、形成したい導電性部分の平均径、形成したい導電性部分の基体表面からの深さ、などに応じて適宜設定すればよい。
【００４５】
フェムト秒レーザーの照射により形成する導電性部分の構成は、上述した本発明の光学素子における導電性部分４の構成と同様であればよい。
【００４６】
レーザーの焦点位置を変化させるためには、例えば、レーザーの発振源および／またはダイヤモンドの基体を、３次元方向に移動できるステージに固定し、当該ステージを移動させればよい。
【００４７】
このとき、基体に対して、レーザーの発振源に対して遠い位置から近い位置へと、導電性部分を形成することが好ましい。レーザーの照射により変質した部分は、基体の成分であるダイヤモンドに比べてレーザーのエネルギーを吸収しやすい。このため、基体におけるレーザーの発振源から遠い位置から近い位置へと導電性部分を形成することにより、変質した部分によるレーザーの吸収を防ぐことができ、より効率よく、柱状の導電性部分を形成することができる。
【実施例】
【００４８】
以下、実施例により、本発明をより詳細に説明する。本発明は、以下に示す実施例に限定されない。
【００４９】
（実施例１）
実施例１では、ダイヤモンド基板にフェムト秒レーザーを照射して、図１、２に示すような光学素子を作製し、その特性を評価した。評価した素子サンプル（サンプル１）の作製方法を以下に示す。
【００５０】
工業用ダイヤモンドからなるダイヤモンド基板（住友電工ハードメタル社製、ＵＰ３０３０１５：サイズは３０５０μｍ×３０５０μｍ、厚さ１５００μｍ）を３次元方向に任意に移動可能なステージに固定し、当該ステージにより焦点位置を基板の内部で変化させながら、基板の主面に垂直な方向からフェムト秒レーザーを照射して、図１、２に示すような素子１（サンプル１）を形成した。サンプル１における導電性部分４の平均径は２５μｍ、隣りあう導電性部分４間の距離（配列周期）は、図２に示すＸ、Ｙともに８０μｍとした。また、サンプル１における導電性部分４は、その配列面の数が、図１、２に示す側面Ａから見て１０となるように形成した。
【００５１】
フェムト秒レーザーの照射条件は、波長８００ｎｍ、パルス幅１５０ｆｓ、繰り返し周波数１ｋＨｚ、パルスエネルギー１μＪ／パルスとし、レーザーの照射には、開口数（ＮＡ）が０．４５の対物レンズを用いた。また柱状の導電性部分４は、基板の内部におけるレーザーの焦点位置を、その光源に対して遠い位置から、スキャン速度２０μｍ／ｓで次第に近づけながら形成した。
【００５２】
サンプル１をその主面に垂直な方向から見た光学顕微鏡像を図５に示す。図５において黒く丸く見えている各々の部分が導電性部分４、白く見えている部分がダイヤモンド基板である。図５に示すように、上記レーザーの照射により、周期的に配列した導電性部分４がダイヤモンド基板に形成されたことが確認できた。
【００５３】
サンプル１をその側面Ａから見た光学顕微鏡像を図６に示す。図６に示すように、上記レーザーの照射により、基板の一方の主面から他方の主面へと続く、伸長方向が互いに平行な柱状の導電性部分４がダイヤモンド基板に形成されたことが確認できた。
【００５４】
このように作製したサンプル１に対し、以下の評価を行った。
【００５５】
［導電性部分４に含まれる物質の検証］
サンプル１およびレーザー照射前のダイヤモンド基板のラマンスペクトルを評価したところ、図７に示す結果が得られた。図７に示すように、サンプル１に対するラマンスペクトルには、レーザー照射前のダイヤモンド基板には見られなかったαカーボン、ＤＬＣおよびグラファイトに由来すると考えられるブロードなピークが出現した。このことから、レーザーの照射により、グラファイトを含む導電性部分がダイヤモンド基板中に形成されたことがわかった。
【００５６】
［透過率への偏光の影響］
サンプル１の側面Ａからテラヘルツ波の平行偏光（偏波）および垂直偏光（偏波）をその周波数を変化させながら入射して、サンプル１におけるそれぞれの偏光の透過スペクトルを評価した。サンプル１に入射するテラヘルツ波の周波数は０．５〜２．７ＴＨｚの範囲とした。なお、平行偏光とは、導電性部分４の伸長方向に平行な方向に電場が振動する電磁波であり、垂直偏光とは、導電性部分４の伸長方向に垂直な方向に電場が振動する電磁波である。
【００５７】
評価は、公知のテラヘルツ波発振器および検出装置、ならびに、サンプル１に入射する偏光を得るためのワイヤーグリッドを組み合わせた光学系により行った。
【００５８】
サンプル１の透過スペクトル（真空基準）を、レーザーを照射する前のダイヤモンド基板の透過スペクトル（真空基準）と併せて、図８に示す。また、サンプル１の透過スペクトル（ダイヤモンド基板基準）を、図９に示す。
【００５９】
図８、９に示すように、サンプル１に垂直偏光を入射した場合、テラヘルツ波の透過率は、その周波数に依ることなくダイヤモンド基板に対して減少し、その減少の度合いはテラヘルツ波の周波数が高くなるに従い大きくなった。
【００６０】
これに対して、サンプル１に平行偏光を入射した場合の透過スペクトルでは、ダイヤモンドの屈折率を約２．３８とした時の配列周期Ｘ、Ｙ（＝８０μｍ）に対応する、周波数１．５９ＴＨｚ（図８、９ではｘ軸に対して垂直に立ち上がる実線で表記）付近において、ダイヤモンド基準の透過率が０．９を超えるピークが観察された。導電性部分４の配列周期Ｘ、Ｙ（＝８０μｍ）から考えると、サンプル１におけるタイヤモンド基板を基準とした幾何学的な透過率は０．６８であるため、当該周期に対応する周波数１．５９ＴＨｚ付近の透過率が０．９を超える上記現象は、金属フォトニック結晶で見られるような異常透過現象と同様であると考えられる。また、この周波数よりも高い周波数域において、垂直偏光を入射した場合よりもテラヘルツ波の透過率が高くなった。
【００６１】
このように、サンプル１により、特定の偏光および周波数を有するテラヘルツ波を分光できることがわかった。
【００６２】
なお、詳細の解明には今後の検討が必要であるが、サンプル１に平行偏光を入射した際に観察された透過スペクトルのピークには、テラヘルツ波の入射により導電性部分４で電子が励起されて導電性部分４の伸長方向に電流が生じる効果、あるいは、テラヘルツ波の入射により導電性部分４で生じた表面プラズモンによる増強効果が関与している可能性がある。
【００６３】
図１０に、上記のように評価したサンプル１の透過スペクトル（平行偏光入射、ダイヤモンド基板基準）と、テラヘルツ波の位相変化との関係を示す。
【００６４】
ダイヤモンドは、テラヘルツ波に対して透明度が高く（高い透過率を有し）、かつ、屈折率（誘電率）の分散が小さい誘電体であるため、本来、位相変化は、テラヘルツ波の周波数に対して直線的に変化するはずである。しかし、図１０に示すように、テラヘルツ波の周波数に対する位相変化は直線的に変化せず、透過スペクトルにおけるピークの立ち上がり（およそ１．５ＴＨｚ付近）において極小となることがわかった。また、位相変化は、透過率のピーク（およそ１．５〜１．８ＴＨｚの範囲）において直線的に変化した。周波数にして２．０ＴＨｚ付近においても、上記と同様な位相変化が見られることがわかった。
【００６５】
テラヘルツ波の進行方向に対する導電性部分４が形成されている領域の長さをＬ、真空基準におけるサンプル１内を伝搬するテラヘルツ波の波数をｋs、真空基準における導電性部分４を形成していないダイヤモンド基板（参照サンプル）内を伝搬するテラヘルツ波の波数をｋr、テラヘルツ波の角周波数をωとすると、テラヘルツ波の位相変化Δφは以下の式（１）で表すことができる。
【００６６】
【数１】
2008209493.tif 000003
さらに、テラヘルツ波がサンプル１を伝搬するときの群速度と位相変化Δφとの間には以下の式（２）に示される関係が成り立つ。
【００６７】
【数２】
2008209493.tif 000004
【００６８】
式（２）において、ｖgsは、サンプル１を伝搬するテラヘルツ波の群速度、ｖgrは、参照サンプルを伝搬するテラヘルツ波の群速度である。ダイヤモンドは、テラヘルツ波に対して屈折率（誘電率）の分散がほとんどないことから、ｖgrは一定となる。したがって、テラヘルツ波がサンプル１を伝搬するときの群速度ｖgsは、周波数に対する位相変化の傾きのみに依存することになる。式（２）によれば、サンプル１の透過スペクトルにおいて、透過率が増加する周波数領域では位相変化の傾きが大きく、群速度ｖgsは小さくなることがわかる。
【００６９】
なお、詳細の解明には今後の検討が必要であるが、図１０に示すような、サンプル１に平行偏光を入射して得られた透過スペクトルにおけるピークの立ち上がり（およそ１．５ＴＨｚ付近）において、テラヘルツ波の位相変化が極小となる現象は、フォトニックバンドギャップの端が存在することに対応している可能性がある。また、透過率のピーク（およそ１．５〜１．８ＴＨｚの範囲）において位相変化が直線的に変化する現象は、フォトニック結晶で観察されるような、フォトニックバンドギャップによる位相変化の現象（多重散乱を繰り返すことによって、光が局在化する現象）と対応している可能性がある。これらの理論によれば、サンプル１における導電性部分４が周期的に配列した領域でテラヘルツ波が多重散乱することによって、テラヘルツ波と導電性部分４との相互作用を増強できるとともに、さらに、導電性部分４で生じた表面プラズモンとテラヘルツ波との相互作用も増強できるため、サンプル１において、導電性部分４の配列周期に対応した特定の偏光および周波数のテラヘルツ波を選択的に分光することが可能になると考えられる。
【００７０】
［透過率への配列周期の影響］
次に、サンプル１の作製と同様にして、配列周期Ｘ、Ｙを６０μｍとしたサンプル２、ならびに、配列周期Ｘ、Ｙを１００μｍとしたサンプル３を作製した。サンプル２、３における配列周期Ｘ、Ｙ以外の構成は、サンプル１と同様とした。
【００７１】
サンプル２、３に対し、サンプル１と同様にして、テラヘルツ波の平行偏光を周波数を変化させながら入射して、その透過スペクトルを評価した。ただし、この評価にあたっては、各サンプルにおけるテラヘルツ波が透過する面積を一定にするため、ピンホール（円形、内径１ｍｍ）を通過させたテラヘルツ波を各サンプルに入射した。評価結果を、サンプル２、３と同様に、ピンホールを用いて測定したサンプル１の結果と併せて、図１１に示す。なお、図１１に示す各サンプルの透過スペクトルは、真空基準である。
【００７２】
図１１に示すように、サンプル１〜３のいずれにおいても、透過スペクトルにおける、ダイヤモンドの屈折率を約２．３８とした時の配列周期Ｘ、Ｙに対応する周波数付近において、透過率のピークが観察された。なお、図１１においてｘ軸に垂直に立ち上がる実線が当該周波数を示しており、その具体的な数値は、サンプル１では１．５９ＴＨｚ、サンプル２では２．１１ＴＨｚ、サンプル３では１．２６ＴＨｚである。
【００７３】
また、サンプル１〜３のいずれにおいても、透過スペクトルにおける、ダイヤモンドの屈折率を約２．３８とした時の配列周期Ｘ、Ｙに対応する周波数の２倍の周波数付近においても、上述したピークよりもピーク強度は小さいものの、透過率のピークが確認された。なお、図１１においてｘ軸に垂直に立ち上がる実線が当該周波数を示しており、その具体的な数値は、サンプル１では０．７９ＴＨｚ、サンプル２では１．０５ＴＨｚ、サンプル３では０．６３ＴＨｚである。
【００７４】
図１１に示す結果から、サンプル１〜３では、導電性部分４の配列周期を制御することにより、分光するテラヘルツ波の周波数を制御できることがわかった。
【００７５】
［導電性部分４の配列面の数を増やすことによる効果］
次に、サンプル１の作製と同様にして、配列周期Ｘ、Ｙを７０μｍとし、導電性部分４を、その配列面の数が側面Ａから見て４０となるように形成したサンプル４を作製した。サンプル４における配列周期Ｘ、Ｙ、ならびに、配列面の数以外の構成は、サンプル１と同様にした。
【００７６】
サンプル４に対して、サンプル１と同様に、側面Ａからテラヘルツ波の平行偏光および垂直偏光をその周波数を変化させながら入射して、当該サンプルにおけるそれぞれの偏光の透過スペクトルを評価した。なお、サンプル４に入射するテラヘルツ波の周波数は、０．４〜１．０ＴＨｚの範囲とした。
【００７７】
サンプル４の透過スペクトル（真空基準）を、図１２に示す。
【００７８】
図１２に示すように、周波数にして０．９ＴＨｚ以下の帯域において、平行偏光を入射した場合の方が垂直偏光を入射した場合よりも透過率が小さくなり、この傾向は、周波数が小さくなるに従い大きくなった。図８に示すように、配列面の数が１０であるサンプル１ではこの傾向が得られなかったことを考えると、配列面の数を増やすことにより、素子１に新たな光学的機能が賦与できることがわかった。
【００７９】
（実施例２）
実施例２では、基体として、実施例１で用いた工業ダイヤモンドからなるダイヤモンド基板を用いた場合における、フェムト秒レーザーの好ましい照射条件を検討した。
【００８０】
［繰り返し周波数］
上記ダイヤモンド基板に対し、繰り返し周波数を２００ＫＨｚと１ｋＨｚとに変化させて、波長８００ｎｍ、パルス幅１５０ｆｓのフェムト秒レーザーを照射し、それぞれのレーザーの照射により基板がどのように変質するかを評価した。レーザーの照射には、開口数が０．９０の対物レンズを用いた。また、繰り返し周波数２００ｋＨｚのレーザーを照射する際には、そのパルスエネルギーを０．２５、０．５０、１．００および１．５０μＪ／パルス（焦点位置におけるレーザーフルエンスにして３０、６０、１２１および１８１Ｊ／ｃｍ2）の４通りに変化させて評価を行った。繰り返し周波数１ｋＨｚのレーザーを照射する際には、そのパルスエネルギーを１．１、６．３、８．８および５０μＪ／パルス（焦点位置におけるレーザーフルエンスにして１２５．３、７１１．８、９９６．５および５６９４．５Ｊ／ｃｍ2）の４通りに変化させて評価を行った。
【００８１】
評価の結果、繰り返し周波数が２００ｋＨｚの条件下では、パルスエネルギーの値によらず、基板の表面にアブレーションが生じ、基板の内部のみに変質部分、即ち、導電性部分、を形成することができなかった。即ち、上記ダイヤモンド基板では、照射するレーザーの繰り返し周波数が２００ＫＨｚの場合、基板の内部のみへの導電性部分の形成は困難であることがわかった。
【００８２】
一方、繰り返し周波数が１ｋＨｚの条件下では、パルスエネルギーが５０μＪ／パルスの場合（焦点位置におけるレーザーフルエンスにして５６９４．５Ｊ／ｃｍ2の場合）に、基板の内部のみに変質部分を形成することができた。ただし、この場合においても、焦点位置を基板の表面から１００μｍ未満としたときには、基板の表面にアブレーションが生じた。基板の表面から１００μｍ未満の位置に導電性部分を形成するためには、対物レンズの開口数を変化させるなどの、何らかの光学的な調整が必要になると考えられる。
【００８３】
［内部加工に必要なパルスエネルギー］
数学的に算出した、対物レンズの開口数（ＮＡ）が０．３０、０．４５、０．８０および０．９０のそれぞれの場合における、基板に照射するレーザーのパルスエネルギーと、レーザーの焦点位置におけるレーザーフルエンスとの関係は、図１３に示す通りである。図１３からは、例えば、開口数０．４５の対物レンズを用いた場合、レーザーフルエンスにして５６９４．５Ｊ／ｃｍ2を実現するためには、パルスエネルギーとして２００μＪ／パルスが必要であることがわかる。
【００８４】
［レーザーの照射パルス数と、導電性部分の平均径との関係］
上記ダイヤモンド基板に対し、波長８００ｎｍ、パルス幅１５０ｆｓ、繰り返し周波数１ｋＨｚ、パルスエネルギー５０μＪ／パルスのフェムト秒レーザーを、開口数０．９０の対物レンズを用い、焦点位置を基板の表面から１００μｍの位置に固定して、照射パルス数を変化させながら照射した。この照射により形成された基板の変質部分の平均径を光学顕微鏡により評価したところ、図１４に示す結果が得られた。
【００８５】
図１４に示すように、同一部分に照射するレーザーのパルス数を増大させると、レーザーの照射により形成された変質部分、即ち、導電性部分、の平均径を大きくできることがわかった。この図からは、例えば、平均径が１００μｍ以下の導電性部分を、上記基板および照射条件で形成するためには、同一の場所に照射するレーザーのパルス数を３０パルス以下とする必要があることがわかる。
【００８６】
［レーザーフルエンスと、導電性部分の導電性との関係］
上記ダイヤモンド基板に対して、波長８００ｎｍ、パルス幅１５０ｆｓ、繰り返し周波数１ｋＨｚのフェムト秒レーザーを、開口数０．４５の対物レンズを用い、パルスエネルギーを変化させながら、即ち、焦点位置におけるレーザーフルエンスを変化させながら、スキャン速度２０μｍ／ｓで照射した。照射により形成された変質部分の導電率を、ダイヤモンド基板の上下面に導電性ペーストを塗布した後、当該ペーストをテスターで挟み込んで評価したところ、図１５に示す結果が得られた。
【００８７】
図１５に示すように、レーザーフルエンスを増加させることで、レーザーの照射により形成された基板の変質部分、即ち、導電性部分、の導電性を増大できることがわかった。これは、変質部分の構造が、ダイヤモンドの結晶構造から、導電性を有するαカーボンあるいはグラファイトを含むアモルファス相に変質したためと考えられる。
【００８８】
［レーザーのスキャン速度と、導電性部分の導電性との関係］
上記ダイヤモンド基板に対して、波長８００ｎｍ、パルス幅１５０ｆｓ、繰り返し周波数１ｋＨｚ、パルスエネルギー１μＪ／パルスのフェムト秒レーザーを、開口数０．４５の対物レンズを用い、スキャン速度を変化させながら照射した。照射するレーザーは直線偏光または円偏光とし、それぞれの場合について、照射により形成された変質部分の導電率を上記のようにして評価したところ、図１６に示す結果が得られた。
【００８９】
図１６に示すように、照射するレーザーが直線偏光および円偏光のいずれの場合も、レーザーの照射により形成された基板の変質部分、即ち、導電性部分、の導電率が高くなる適切なスキャン速度が存在することがわかった。その速度は、図１６に示す例では、およそ２０μｍ／ｓであった。
【００９０】
導電性部分の導電率にとって適切なスキャン速度が存在する理由は明確ではないが、スキャン速度が小さい場合、同一の場所にレーザーが照射され続けることにより、グラファイトなど、形成された導電性物質の再結晶化が進行して、導電率の低下が生じる機構が考えられる。一方、スキャン速度が大きい場合には、レーザーの照射が不十分となり、導電性物質が十分に形成されない機構が考えられる。
【００９１】
また、図１６に示すように、照射するレーザーが直線偏光であるか円偏光であるかによって、形成された導電性部分の導電率が変化した。例えば、スキャン速度が２０μｍ／ｓの場合、直線偏光を照射したときの方が円偏光を照射したときの１．７倍の導電率となった。
【００９２】
導電性部分の導電率が、照射するレーザーの偏光の状態に影響を受ける理由は明確ではないが、照射するレーザーの偏光の状態が、αカーボンあるいはグラファイトを含むアモルファス相へのダイヤモンドの変質に寄与している可能性がある。例えば、レーザーが直線偏光である場合、当該レーザーがダイヤモンドを伝搬するときの偏光方向は一定であるため、上記アモルファス相中の微結晶がほぼ一定方向に形成されるのに対し、レーザーが円偏光である場合、当該レーザーがダイヤモンドを伝搬するときの偏光方向が回転するために、アモルファス相中の微結晶がランダムな方向に形成され、結果として微結晶間の電子の移動のしやすさに違いが生じる機構が考えられる。
【００９３】
また、この評価では、照射するレーザーの焦点位置を、ダイヤモンド基板における、レーザーの発振源に対して遠い方の表面から基板内部に徐々に移動させることによって、パルスエネルギー１μＪ／パルスのフェムト秒レーザー（繰り返し周波数１ｋＨｚ）を用いた場合においても、ダイヤモンド基板の内部に導電性部分を形成することができた。これは、基板の表面では、レーザー照射による変質のエネルギー閾値が基板の内部に比べて小さく、低パルスエネルギーのフェムト秒レーザーによっても導電性部分を形成できるためと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明によれば、従来にない構成を有し、生産性に優れるとともに、形状の自由度が高いなどの様々な特長を有する新規なテラヘルツ波用光学素子と、その製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明のテラヘルツ波用光学素子の一例を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１に示す光学素子をその上方から見た平面図である。
【図３Ａ】本発明のテラヘルツ波用光学素子を組み合わせたテラヘルツ波発振器の一例を模式的に示す断面図である。
【図３Ｂ】本発明のテラヘルツ波用光学素子を組み合わせたテラヘルツ波発振器の一例を模式的に示す断面図である。
【図４Ａ】本発明のテラヘルツ波用光学素子を組み合わせたテラヘルツ波発振器の一例を模式的に示す断面図である。
【図４Ｂ】本発明のテラヘルツ波用光学素子を組み合わせたテラヘルツ波発振器の一例を模式的に示す断面図である。
【図５】実施例で作製したサンプル１を、その主面に垂直な方向から見た光学顕微鏡像を示す図である。
【図６】実施例で作製したサンプル１を、その一つの側面から見た光学顕微鏡像を示す図である。
【図７】実施例で作製したサンプル１およびレーザー照射前のダイヤモンド基板のラマンスペクトルを示す図である。
【図８】実施例で作製したサンプル１の透過スペクトル（真空基準）を示す図である。
【図９】実施例で作製したサンプル１の透過スペクトル（ダイヤモンド基板基準）を示す図である。
【図１０】実施例で作製したサンプル１の透過スペクトル（平行偏光入射時、ダイヤモンド基板基準）と、テラヘルツ波の位相変化との関係を示す図である。
【図１１】実施例で作製したサンプル１〜３の透過スペクトル（平行偏光入射時、真空基準）を示す図である。
【図１２】実施例で作製したサンプル４の透過スペクトル（真空基準）を示す図である。
【図１３】レーザーの照射に用いる対物レンズの開口数（ＮＡ）を変化させた際における、基板に照射するレーザーのパルスエネルギーと、レーザーの焦点位置におけるレーザーフルエンスとの関係を示す図である。
【図１４】実施例２で評価した、レーザーの照射パルス数と、レーザーの照射により形成された基板の変質部分（導電性部分）の平均径との関係を示す図である。
【図１５】実施例２で評価した、レーザーフルエンスと、レーザーの照射により形成された基板の変質部分（導電性部分）の導電率との関係を示す図である。
【図１６】実施例２で評価した、レーザーのスキャン速度と、レーザーの照射により形成された基板の変質部分（導電性部分）の導電率との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００９６】
１  テラヘルツ波用光学素子
２  基板
３  作用部
４  導電性部分
１１  テラヘルツ波発振器
１２  基板
１３  光伝導層
１４、１５、１６、１７  電極
２１  テラヘルツ波発振器
【図１】
2008209493.tif 000005
【図２】
2008209493.tif 000006
【図３Ａ】
2008209493.tif 000007
【図３Ｂ】
2008209493.tif 000008
【図４Ａ】
2008209493.tif 000009
【図４Ｂ】
2008209493.tif 000010
【図７】
2008209493.tif 000011
【図８】
2008209493.tif 000012
【図９】
2008209493.tif 000013
【図１０】
2008209493.tif 000014
【図１１】
2008209493.tif 000015
【図１２】
2008209493.tif 000016
【図１３】
2008209493.tif 000017
【図１４】
2008209493.tif 000018
【図１５】
2008209493.tif 000019
【図１６】
2008209493.tif 000020
【図５】
2008209493.tif 000021
【図６】
2008209493.tif 000022