(57)【要約】【課題】テラヘルツ帯の電磁波を高感度に検出する電磁波検出器及び該検出器を用いた電磁波検出システムを提供する。【解決手段】電磁波検出器１０は、テラヘルツ光を感知しその電場強度分布に応じて複屈折分布を誘起する電気光学結晶１２と、メタル周期構造１１と、電気光学結晶１２に向けてプローブ光１５を照射する半導体レーザ１３と、電気光学結晶１２を介して偏光状態が変化したプローブ光１５を検知して光電変換を行うＣＣＤ１９と、少なくとも備える。そして、ＣＣＤ１９は、半導体レーザ１３により照射され、メタル周期構造１１の形成面とは反対面の電気光学結晶１２を反射したプローブ光１５を検知して光電変換を行う。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を感知し前記電磁波の電場強度分布に応じて複屈折分布を誘起する電気光学結晶を含む電気光学結晶層と、
前記電気光学結晶層に向けてプローブ光を照射するプローブ光照射部と、
前記電気光学結晶層を介して偏光状態が変化した前記プローブ光を検知して光電変換を行う光電変換部と、を備える電磁波検出器であって、
前記光電変換部は、前記プローブ光照射部により照射され、前記電気光学結晶層を反射した前記プローブ光を検知して光電変換を行うことを特徴とする電磁波検出器。
【請求項２】
前記電気光学結晶層は、該結晶層の厚さが電磁波の侵入長と同程度であり、
前記プローブ光照射部は、前記電磁波が入射する面とは反対の面からプローブ光を照射することを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出器。
【請求項３】
前記電気光学結晶層は、該結晶層を構成する前記電気光学結晶が有するフォノンがラマン活性であり、かつ、赤外活性であるとともに、該フォノンの周波数が検出対象の電磁波の周波数に含まれることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁波検出器。
【請求項４】
前記電気光学結晶は、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２若しくはＬｉＴａＯ３若しくはＤＡＳＴからなることを特徴とする請求項３に記載の電磁波検出器。
【請求項５】
前記電気光学結晶層は、電磁波が入射する面にメタルの周期構造を有し、前記電気光学結晶における縦光学フォノンの周波数と、前記メタル周期構造の共鳴周波数とが一致することを特徴とする請求項３又は４に記載の電磁波検出器。
【請求項６】
前記電気光学結晶層は、電気光学効果により電磁波の電界方向に屈折率を変化させる電気光学結晶を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁波検出器。
【請求項７】
前記電気光学結晶層は、電気光学効果により電磁波の電界方向に垂直方向の屈折率を変化させる電気光学結晶と、電磁波が入射する面に形成されたメタルの周期構造とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁波検出器。
【請求項８】
前記光電変換部は、前記電気光学結晶層の内部を多重反射して複数回通過した前記プローブ光を検知して光電変換を行うことを特徴とする請求項６又は７に記載の電磁波検出器。
【請求項９】
前記光電変換部は、電磁波により偏光状態の変化したプローブ光と、偏光状態の変化していないプローブ光とが混合された光ビームを検知して光電変換を行うことを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項１０】
前記電気光学結晶層は、電磁波が入射する面にメタルで形成された電磁波増強機構を有することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の電磁波検出器と、電磁波を発生させ放出する電磁波発生器と、被検出物体と、から構成される電磁波検出システムであって、
前記電磁波はテラヘルツ帯の周波数を有することを特徴とする電磁波検出システム。
【請求項１２】
前記被検出物体は人間の頭部であることを特徴とする請求項１１に記載の電磁波検出システム。
【請求項１３】
前記被検出物体は帯電が発生している部材であることを特徴とする請求項１１に記載の電磁波検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波検出器及び電磁波検出システムに関し、特に、未開拓領域の電磁波であるテラヘルツ光をとらえる検出器やその検出システムに好適に適用される技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ光は、ミリ波と赤外線の中間領域にある周波数領域の電磁波のことで、周波数帯が０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ（ＴＨｚ：テラヘルツ）のものをいう。これまでは発生や検出が困難なことから十分に研究が進んでおらず、「未開拓電磁波周波数領域」等と呼ばれていた。
【０００３】
テラヘルツ光の特徴は、この領域の電磁波が光波と電波の境界に存在し、光側から見ればレンズやミラーが使用できる最長波長、電波側から見れば物質を透過する最短波長と、光波と電波の両方の性質を併せ持つことである。つまり、光と同様の光学測定系を構築でき、半導体、プラスチック、紙等の非金属や無極性物質を透過する。このことから、新規な指紋スペクトルが期待されており、特に薬品や生体物質等には興味深いスペクトが観測されている。そして、最近では、物質の同定、分析、検査、イメージング等に関する研究、開発が盛んに行われている。
【０００４】
一般に、このようなテラヘルツ光を利用した測定装置においては、専用の発生器から発生させたテラヘルツ光で被検物を照明し、その被検物から射出したテラヘルツ光を専用の検出器で検出する。測定の種類には、被検物からの反射光を検出する反射測定と、被検物からの透過光を検出する透過測定とがあり、それらは測定の目的や被検物の種類等に応じて使い分けられる。
【０００５】
また、このような測定装置では、被検物からの透過あるいは反射するテラヘルツ光を、ＺｎＴｅ結晶等の電気光学結晶上の所定領域に結像させるとともに、その所定領域にプローブ光ビームを照射し、該透過光あるいは該反射光によってプローブ光ビームが変調される度合いを読み出すことで、テラヘルツ光を検出している。
【０００６】
ところで、例えば特許文献１では、電気光学結晶をテラヘルツ発生器及び検出器の両方に用いた分光器において、装置構成を簡単化かつ小型化できるテラヘルツ波分光器が提案されている。また、例えば特許文献２では、大口径のテレセントリックレンズ等の特殊な結像光学系を用いることなく、一度に検出可能なテラヘルツ光等の電磁波の１次元領域又は２次元領域を拡大することが可能な検出装置が開示されている。
【特許文献１】特開２０００−３５２５５８号公報
【特許文献２】特開２００５−３７２１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したような測定装置においても、テラヘルツを発生させ放射するテラヘルツ光源（発生器）は低出力のものしかなく、このため高い分解能の検出は困難なものとなっている。他方で、分光器の装置内等の狭い空間での分光に限らず、自由空間での分光及び検出イメージングを可能とすることは、幅広いアプリケーションを考え、今後の利便性を向上させるうえで重要である。そのためには、テラヘルツ光源から低く出力されたテラヘルツ光に対しても高い感度で検出を行うテラヘルツ検出器が必要といえる。
【０００８】
そこで、本発明は、テラヘルツ帯の電磁波を高感度に検出する電磁波検出器及び該検出器を用いた電磁波検出システム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】
【０００９】
かかる目的を達成するために、請求項１記載の発明は、電磁波を感知し前記電磁波の電場強度分布に応じて複屈折分布を誘起する電気光学結晶を含む電気光学結晶層と、前記電気光学結晶層に向けてプローブ光を照射するプローブ光照射部と、前記電気光学結晶層を介して偏光状態が変化した前記プローブ光を検知して光電変換を行う光電変換部と、を備える電磁波検出器であって、前記光電変換部は、前記プローブ光照射部により照射され、前記電気光学結晶層を反射した前記プローブ光を検知して光電変換を行うことを特徴とする。当該発明について以下の事情が考慮されている。従来のＺｎＴｅを用いたＥＯ（Electro-Optic）サンプリング方式の検出器では、ＺｎＴｅのＥＯ定数ｒ１４を利用しているため、偏光に寄与する成分しか望めない。そのため、一般的にはプローブ光は透過光なり、透過型であるために電磁波とプローブ光とを相互作用する作用長を長くとらなければならない。また、作用長は電磁波とプローブ光とがコヒーレントな状態を維持する状況が必要で、材料や電磁波波長、プローブ光の波長によって決まった作用長の限界が存在する。そのため、それ以上に作用を長くすることができないため、検出感度を高めることができない。
【００１０】
また、請求項２記載の発明は、請求項１に記載の電磁波検出器において、前記電気光学結晶層は、該結晶層の厚さが電磁波の侵入長と同程度であり、前記プローブ光照射部は、前記電磁波が入射する面とは反対の面からプローブ光を照射することを特徴とする。当該発明について以下の事情が考慮されている。電磁波を効率的に変換するには電磁波を効率的に集める構造が必要である。また、プローブ光との相互作用を高めるためにも構造を作る必要がある。しかし、電磁波が入射する面とプローブ光が入射する面とが同じである場合には、２つの機能を１つの面に作る必要がある。逆に、同時にこの２つの機能を作り込めない場合には検出感度が低下してしまう。
【００１１】
また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の電磁波検出器において、前記電気光学結晶層は、該結晶層を構成する前記電気光学結晶が有するフォノンがラマン活性であり、かつ、赤外活性であるとともに、該フォノンの周波数が検出対象の電磁波の周波数に含まれことを特徴とする。当該発明について請求項１と同様の事情が考慮されている。
【００１２】
また、請求項４記載の発明は、請求項３に記載の電磁波検出器において、前記電気光学結晶は、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２若しくはＬｉＴａＯ３若しくはＤＡＳＴからなることを特徴とする。当該発明について請求項１と同様の事情が考慮されている。
【００１３】
また、請求項５記載の発明は、請求項３又は４に記載の電磁波検出器において、前記電気光学結晶層は、電磁波が入射する面にメタルの周期構造を有し、前記電気光学結晶における縦光学フォノンの周波数と、前記メタル周期構造の共鳴周波数とが一致することを特徴とする。当該発明について以下の事情が考慮されている。電磁波が横波であることから、一般的には電磁波で励起されるフォノンはＴＯ（Transverse Optical Mode：横光学）フォノンである。しかし、ＴＯフォノンにくらべ、ＬＯ（Longitudinal Optical Mode：縦光学）フォノンの方がプローブ光との相互作用が強く、検出感度が高い場合がある。このときにはＬＯフォノンを励起することが望まれるが、検出したい電磁波が横波であるので難しい。
【００１４】
また、請求項６記載の発明は、請求項１又は２に記載の電磁波検出器において、前記電気光学結晶層は、電気光学効果により電磁波の電界方向に屈折率を変化させる電気光学結晶を含むことを特徴とする。当該発明について請求項１と同様の事情が考慮されている。
【００１５】
また、請求項７記載の発明は、請求項１又は２に記載の電磁波検出器において、前記電気光学結晶層は、電気光学効果により電磁波の電界方向に垂直方向の屈折率を変化させる電気光学結晶と、電磁波が入射する面に形成されたメタルの周期構造とを有することを特徴とする。当該発明について以下の事情が考慮されている。一般に、電磁波は横波であるため、電磁波の伝播方向に対して垂直に電界を生じる。逆に、電磁場の伝播方向に平行な電界はほとんど生じない。利用できる電界方向は規制され、ＥＯ定数の大きい材料といえども方向に制限される。ＥＯ材料には、電界方向に対して垂直な方向に屈折率を大きく変える材料が多く存在する。例えば、ＥＯ定数としてｒ１３やｒ１２等の大きい材料（ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等）がそれに当たる。このような材料には、ＥＯ定数の大きいものや製造コストの低いものがあり、利用価値が高い。
【００１６】
また、請求項８記載の発明は、請求項６又は７に記載の電磁波検出器において、前記光電変換部は、前記電気光学結晶層の内部を多重反射して複数回通過した前記プローブ光を検知して光電変換を行うことを特徴とする。当該発明について以下の事情が考慮されている。位相変化量を検出するには感度が十分でない。さらなる感度を向上させるために何らかの対策を講じる必要がある。
【００１７】
また、請求項９記載の発明は、請求項６から８のいずれか１項に記載の電磁波検出器において、前記光電変換部は、電磁波により偏光状態の変化したプローブ光と、偏光状態の変化していないプローブ光とが混合された光ビームを検知して光電変換を行うことを特徴とする。当該発明について以下の事情が考慮されている。電磁波をプローブ光の位相へと変換しているが、この位相を簡便に検出する方法がない。位相が微小に変化していても、強度変調していない信号は、フォトディテクタやＣＣＤ等の検知器では検知できない。
【００１８】
また、請求項１０記載の発明は、請求項１から９のいずれか１項に記載の電磁波検出器において、前記電気光学結晶層は、電磁波が入射する面にメタルで形成された電磁波増強機構を有することを特徴とする。当該発明について以下の事情が考慮されている。上述したような構成を有していても、さらなる電磁波の検出感度を上げる必要がある。
【００１９】
また、請求項１１記載の発明は、請求項１から１０のいずれか１項に記載の電磁波検出器と、電磁波を発生させ放出する電磁波発生器と、被検出物体と、から構成される電磁波検出システムであって、前記電磁波はテラヘルツ帯の周波数を有することを特徴とする。当該発明について以下の事情が考慮されている。テラヘルツ帯は、外乱光が少なく、被検出物を正確に捕らえることができる。例えば、顔面を利用した個人認証等がそれに当たる。また、テラヘルツ帯に特有のスペクトルを有する材料等があり、そのような材料の存在を検出するシステムとしても有益である。しかし、テラヘルツ帯の電磁波を発生させる光源は、その強度が小さい。そのため、光源から離れた位置での検出等が困難である。
【００２０】
また、請求項１２記載の発明は、請求項１１に記載の電磁波システムにおいて、前記被検出物体は人間の頭部であることを特徴とする。当該発明について以下の事情が考慮されている。人の頭部は、一般的にある一定の体温を保持している。しかし、頭部の体温は、その部位ごとに若干の温度差を持っており、この温度差は脳の活動状態を反映している。また、この時間変化をつぶさに観察することで、人間の脳内活動をモニタすることが可能である。しかし、一般的に赤外線センサでの体温検出ではその感度が不十分であり、かつ毛髪によって、正確な測定ができない。毛髪が存在していても正確に測定できる方が利用価値は高く、望まれている。
【００２１】
また、請求項１３記載の発明は、請求項１１に記載の電磁波システムにおいて、前記被検出物体は帯電が発生している部材であることを特徴とする。当該発明について以下の事情が考慮されている。複写機では感光体へ帯電を施すが、その帯電状態、特に微小領域の帯電電位を測定することはできない。また、トナーも帯電状態をモニタする手段がなく、湿度や気温等の環境によって変化する電位状態を複写機内で感光体の帯電電位制御へフィードバックする方法が無い。これらトナーや感光体の製造工程でも帯電電位を簡便に測る方法が求められている。トナーに限らず、粉体や液体の帯電は、塗装の際等に静電気を利用して行う静電塗装の際にその電位をモニタすることが望まれる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、テラヘルツ帯の電磁波を高感度に検出する電磁波検出器及び該検出器を用いた電磁波検出システムが実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態として、第１及び第２の実施形態について説明する。第１の実施形態は、被検出物体を透過するテラヘルツ光を検出する検出システムであり、第２の実施形態は、反射テラヘルツ光を検出する検出システムである。
【００２４】
［実施形態１］
本実施形態の概要図を図１に示す。本実施形態の電磁波検出システムは、テラヘルツ光源１、被検出物体２、及び電磁波検出器１０から構成される。テラヘルツ光源１はテラヘルツ光を照射光３として被検出物体２に照射し、被検出物体２を透過したテラヘルツ光は透過光４として電磁波検出器１０にて検出される。
【００２５】
図２は電磁波検出器１０の概略構成を示した図、図３は電磁波検出器１０における電気光学結晶層の構成を示した図である。電磁波検出器１０は、メタル周期構造１１、電気光学結晶１２、半導体レーザ１３、レンズ１４、ビームスプリッタ１６、ミラー１７及びＣＣＤ（Charge Coupled Device）１９から構成される。メタル周期構造１１はホーンアンテナ１１ａからなり、電気光学結晶１２はＤＡＳＴ（4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium-tosylate）１２ａ及び誘電体多層膜１２ｂから構成される。
【００２６】
透過光であるテラヘルツ光４は、メタル周期構造１１によって電気光学結晶１２の内部で集光される。また、電気光学結晶１２は、ＥＯ材料であるＤＡＳＴ１２ａを用いて、テラヘルツ光４をＥＯ定数ｒ１１で検知する。そして、半導体レーザ１３からレンズ１４を介して照射されたプローブ光１５はその屈折率変化を検知し、リファレンス光１８とミキシングすることで強度変調が測定される。リファレンス光とは、電磁波によって位相変調を受けていないプローブ光を意味する。ＤＡＳＴ１２ａはアレー状になっており、リファレンス光１８とのミキシング位置に検知器としてＣＣＤ１９を配置することで面内分布として検出する。本実施形態の電磁波検出器は、被検出物体からの透過するテラヘルツ光を検出し、被検出物体の帯電量を測定する。以下、構成について詳細に説明する。
【００２７】
１．メタル周期構造
図３に示すように、テラヘルツ光が伝播してくる表面側にはメタルの周期構造を有し、アンテナ構造のホーンアンテナ１１ａが形成されている。当該アンテナ構造はホーン型アンテナと同じ構造であり、この構造をテラヘルツ波長へ合わせた形状となっている。ホーンアンテナ１１ａは、四角型のアパーチャの一辺が数百μｍで、深さ数ｍｍの四角錐形状である。基板はＳｉ基板であり、ＭＥＭＳプロセスによる加工を施している。Ｓｉ基板表面にはＡＬ膜を成膜し、テラヘルツ波のカップリングを行う。アンテナの付け根には電気光学結晶１２を配置し、付け根の径を電磁波波長の２分の１程度にすることで、電磁波（テラヘルツ光）はここに閉じ込められる。計算では入射してくる電磁場の約１０倍の電磁波が閉じ込められることが判明している。約１０倍になった電磁波が変換材料内部に発生し、その電界がＥＯ材料である電気光学結晶１２の屈折率を変化させる。
【００２８】
２．電気光学結晶
電気光学結晶１２は主にＤＡＳＴ１２ａからなり、数百μｍの厚さに研磨した薄膜で形成される。メタル周期構造１１の付け根に配置されて、両面の誘電体多層膜１２ｂでコーティングされている。誘電体多層膜１２ｂはプローブ光１５を約９０％程度反射するように設計されており、ＤＡＳＴ１２ａはその誘電体多層膜１２ｂに挟まれたキャビティの内部に配置されている。キャビティ構造をとることでエタロンのような機能をし、バンドパスフィルタの機能を持っている。このキャビティ長をプローブ光１５の波長と一致するように設計することにより、プローブ光１５はこのキャビティ内を何度も反射することになり、反射回数によって時間的には遅れた信号となる。また、リファレンス光１８は同様なキャビティ構造内を多重反射してきた光を利用する。
【００２９】
プローブ光１５、リファレンス光１８はそれぞれ多重反射による電磁波が観測されるが、プローブ光１５はテラヘルツ照射によって位相が変調されているため、この２つの光を合わせると位相の大きさによって強度が変調された光となる。今回利用したＤＡＳＴ１２ａのＥＯ定数は、ｒ１１＝数十ｐｍ／Ｖ程度である。また、フェムト秒パルスレーザで発生されたテラヘルツ電磁波の電界は約数万Ｖ／ｍ程度である。これによって、屈折率変化量は約０．００１％変化することになる。ＤＡＳＴ１２ａのキャビティは数百μｍであるから、プローブ光１５の波長の約１，０００倍にあり、屈折率変化が０．００１％起きることで、プローブ光１５の位相は約１％シフトすることになる。また、誘電体多層膜１２ｂで反射を繰り返すことで、さらにその数倍のシフトが起きることとなる。
【００３０】
３．プローブ光
プローブ光１５は、半導体レーザ１３を用いレンズ１４を介して、メタル周期構造１１が形成されている面の裏面から波長を８０８ｎｍとして入射される。テラヘルツ波は電気光学結晶１２の全体に渡っているため、裏面からのプローブ光１５を入射しても十分な変調を発生させる。プローブ光１５は、トップハット型のコリメート光で、変換材料全体を均一に照射するようにアライメントされる。そのコリメート光は裏面に作りこんだマイクロレンズ（図示せず）によって電気光学結晶１２の内部に集光される。当該マイクロレンズとメタル周期構造１１は位置合わせをし、効率良く変換されるように最適化している。そして、マイクロレンズから反射してくるプローブ光１５はビームスプリッタ１６で分け、リファレンス光１８とミキシングして合わさったビームがＣＣＤ１９で検知されるように設計する。このように、リファレンス光１８とプローブ光１５の干渉によって信号を検出する。
【００３１】
４．被検出物体
被検出物体は、テラヘルツに対して透明であるプラスチック材料とした。また、この材料には帯電が施されている。テラヘルツは可視光では不透明な材料でも透明であるものが多く存在する。また、この材料が帯電することによって、複屈折率が生じる場合がある。複屈折は帯電による応力が要因だと思われるが、詳細は不明である。この複屈折を検出することで、帯電量及び帯電分布等を検出することができる。
【００３２】
［実施形態２］
本実施形態の概要図を図４に示す。本実施形態の電磁波検出システムは、テラヘルツ光源５、被検出物体６（毛髪７を含む）、及び電磁波検出器２０から構成される。テラヘルツ光源５はテラヘルツ光を照射光８として被検出物体６に照射し、被検出物体６を反射したテラヘルツ光は反射光９として電磁波検出器２０にて検出される。
【００３３】
図５は電磁波検出器２０の概略構成を示した図、図６は電磁波検出器２０におけるメタル周期構造の構成を示した図である。電磁波検出器２０は、メタル周期構造２１、電気光学結晶２２、半導体レーザ２３、レンズ２４、及びＣＣＤ２６から構成される。
【００３４】
本実施形態では、テラヘルツ光の光源として、ＬＴ（ＬｉＴａＯ３）のパラメトリック光源を利用している。当該光源はテラヘルツ帯の単一波長を放出することができる。そして、この光源で放出されたテラヘルツ光を被検出物体６に照射し、その反射したテラヘルツ波（反射光９）を電磁波検出器２０に入射させる。電磁波検出器２０においては、光源の波長に共鳴するメタル周期構造２１を形成しており、このメタル表面に共鳴された表面波によって電界は伝播方向へと変換される。そして、電気光学結晶２２には伝播方向に対し平行な電界が加えられる。この電界はＬＯフォノンを選択的に励起し、他との変換に比べ変換効率が非常に高い。
【００３５】
電気光学結晶２２はＢｉ４Ｔｉ３Ｏ１２の結晶を利用した。Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２はＬＯフォノンの共鳴を約１ＴＨｚに持っており、光源の波長及びメタル周期構造２１ともにその周波数で設計する。Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２のＬＯフォノンは赤外活性であるため、照射された電磁波により共鳴的に励起する。また、ＬＯフォノンはラマン活性でもあるため、プローブ光２５を変調する。このプローブ光２５の変調はラマン効果であるため、プローブ光２５の反射率にピコ秒オーダー（ＴＨｚオーダー）の周期性をもった時間変化をもたらす。この時間変化を受けたプローブ光２５にはプローブ光の波長以外に１ＴＨｚシフトした波長に発光が見られる。この発光をモニタすることで電磁波の強度を検知できる。この際には、プローブ光２５の光を除去するために散乱光を利用し、光学フィルタによりプローブ光の光２５を除去する。これによって、ラマン効果によって得られる発光のみをＣＣＤ２６によって検知することができる。以下、構成について詳細を述べる。
【００３６】
１．光源
テラヘルツ光源には、フェムト秒レーザを利用したパルス状のものや、半導体レーザを用いたもの等、様々なものがあるが、本実施形態ではナノ秒レベルのパルスレーザを用いており、ＬｉＮｂＯ３のフォノンポラリトンを利用した差周波をテラヘルツに合わせたものを利用した。特に、リング型のテラヘルツパラメトリック発信器として、高出力かつ単一波長のテラヘルツ光源として利用価値が高い。今回は波長を１ＴＨｚに合わせて固定した。
【００３７】
２．メタル周期構造
図４にメタル周期構造２１を示す。メタル周期構造２１は１ＴＨｚに共鳴するように設計されている。具体的には、数十ｍｍ角のプレートで厚さ数百μｍのＳＵＳ基板２１ａにパンチングによって穴２１ｂを開けている。穴２１ｂの配置は三角格子状であり、そのピッチ及び穴の径を設計することで、共鳴波長を制御することができる。三角格子の穴の直径は０．１８ｍｍ、穴のピッチは０．３０ｍｍ、基板厚さは０．１３ｍｍとした。この形状にすることで共鳴波長は１ＴＨｚとなった。
【００３８】
図５に上記メタル周期構造の形状におけるＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain）シミュレーション結果を示す。図５は、メタル周期構造２１の近傍に存在する伝播方向の電界強度を時間軸でグラフ化したものである。伝播電磁波は１ＴＨｚとし、電界強度１Ｖ／ｍの連続波を定義している。伝播してくるテラヘルツ波は横波の成分（伝播方向に垂直な電界成分）しか持たないことから、メタルの周期構造がない場合には伝播方向の電界は０である。それに対し、メタル構造が存在することで、電磁波入射後１０ｐｓｅｃ後には電界強度が３Ｖ／ｍ近く発生している様子がグラフから読み取れる。このように、該メタル周期構造により伝播方向の電界が発生していることがわかる。なお、電磁波がどのように変換されているかは解明されていないが、横波成分が周期構造の穴の部分に閉じ込められ、電界方向をメタル表面に沿う形で変換していることが予想される。
【００３９】
３．電気光学結晶
電気光学結晶としてはＢｉ４Ｔｉ３Ｏ１２を利用した。図６に、この材料のテラヘルツ帯の透過率スペクトルを示す(なお、図６は、Ｓ．Ｋｏｊｉｍａ，  Ｎ．Ｔｓｕｍｕｒａ，  Ｍ．Ｗａｄａ，  Ｔａｋｅｄａ  ａｎｄ  Ｓ．Ｎｉｓｈｉｚａｗａ，  Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．  Ｂ
６７，  ０３５１０２（２００３）からの引用）。同図からわかるように、２５ｃｍ＾−１（０．７５ＴＨｚ）〜３０ｃｍ＾−１（１．０５ＴＨｚ）の間は透過率が激減し、ほぼ透過していないことがわかる。０．７５ＴＨｚがＴＯフォノンに対応し、１．０５ＴＨｚはＬＯフォノンに対応し、その間はバンドギャップとなっている。それぞれの波長ではそれぞれのフォノンを励起している。本実施形態では、フラックス法によって作製されたＢｉ４Ｔｉ３Ｏ１２を両面研磨し、数百μｍの厚さにして、先ほどのメタルの周期構造基板に貼り付ける。テラヘルツ波の波長は約３００μｍであり、メタルの周期構造によって発生したエバネッセント波は変換材料の厚さをほぼ同等になるように設計している。このため、エバネッセント波は変換材料の全体を覆うように、伝播方向の電界を生じる。
【００４０】
４．プローブ光
プローブ光２５は、半導体レーザ２３を用いレンズ２４を介し、メタル周期構造２１が形成された面の裏面から波長を８０８ｎｍとして入射される。テラヘルツ波は電気光学結晶２２の全体に渡っているため、裏面からプローブ光を入射しても十分な変調を発生させる。また、プローブ光２５は、トップハット型のコリメート光で、電気光学結晶２２の全体を均一に照射するようにアライメントされ、電気光学結晶２２との相互作用を生じさせてラマン効果を発生させる。ラマン効果はプローブ光２５を変調し、反射光強度を変調する。また、電気光学結晶２２の共鳴フォノンがラマン活性であるため、格子振動によってイオン分極によるモーメント密度が変化し、このモーメント密度が変化することでプローブ光２５は変調を生じさせる。そして、反射されてきたプローブ光２５をＣＣＤ２６により受光する。これによって、プローブ光２５の反射強度の面内分布をモニタすることができる。面内分布はテラヘルツ波の分布を反映しており、テラヘルツイメージとして取得することできる。
【００４１】
５．被検出物体
被検出物体としてはテラヘルツに対し、透明であれ、不透明であれ、いかなるものでも構わない。たとえ、一部が透明であっても、その他の部分が不透明であれば、近隣領域のイメージングを取ることで、その構造物を高いコントラストで検出することも可能となる。特に、可視光や赤外光と異なるコントラストを示すような材料にはテラヘルツ独自のイメージングが可能であり、目には見えないものを検出することが可能となる。また、テラヘルツ帯の電磁波は自然光にはほとんど含まれていないことから、外乱光によるノイズを受けることなく検出できるというメリットもある。本実施形態では人間の頭部を被検出物体６とした。人間の頭部は、脳の機能状態により微小な体温分布が生じる。テラヘルツでは、毛髪に邪魔されることなく、この体温分布を高精度に検出することが可能となる。従来、実験レベルでは剃毛された猫の頭皮を赤外線カメラによるモニタで０．１℃レベルの検出を行うことによって、脳の活動の様子を検出する研究がなされている。しかしながら、赤外線では毛髪を透過することができないため原理的に剃毛が必要とされる。
【００４２】
本実施形態では、テラヘルツの反射スペクトルを分析することにより体温の分布を検知するシステムとしており、体温が存在していればテラヘルツを放出しているため、そのテラヘルツを検出することで体温の分布を検出することが可能となっている。また、反射を利用することでコヒーレントな光源を利用でき、検出感度は飛躍的に向上する。原理としては以下のようになる。すなわち、入射したテラヘルツは体温によってドップラー振動を受け、このドップラー振動によって、反射若しくは散乱してくるテラヘルツはスペクトルシフトを生じさせ、電磁波検出器を用いてこのドップラー振動によるシフトを検出する。上記原理は、赤血球の量と流速を検出する赤外線血流計等において実証されている。なお、本実施形態では単一テラヘルツ波を利用しているため、この波長からのシフト量によって、反射若しくは散乱にはシフトしたテラヘルツ波が含まれる。このシフトしたテラヘルツ波を検出することで体温を検出することができ、検出器の共鳴波長を光源から若干ずらすことでこの検出を行うことができる。また、この分布を測定することで、体温分布をイメージングすることが可能である。
【００４３】
上述した実施形態によれば、反射型では電気光学結晶によって電磁波が吸収されたり、反射したりする場合にも、該結晶との相互作用が起きており、また反射型のプローブ光であれば、検出感度を低下させることがない。このため、電気光学結晶として、選択する自由度が増し、電磁波と相互作用が強い材料を選ぶことで、感度の高い検出器を提供できる。また、反射型とすることで、電磁波が入射する面に直接プローブ光を照射することができ、感度が上昇する。
【００４４】
また、上述した実施形態によれば、電磁波の強度が２分の１程度になる距離を侵入長としており、電気光学結晶と電磁波の侵入長とがほぼ同程度であるために、電磁波が該結晶の表面で反射もしくは吸収されても、該結晶の裏面にまで染み込み、裏面近傍まで相互作用による変化を生じさせることができる。また、電磁波を効率的に変換する機能を表面にプローブ光との相互作用を高める機能を裏面に機能分離した形で作りこむことで、検出感度が向上した検出器が提供される。
【００４５】
また、上述した実施形態によれば、電気光学結晶のフォノンが赤外活性であることにより、検出したい電磁場によって該フォノンが励起される。このとき該フォノンの周波数と検出したい電磁場の周波数が同じであることでコヒーレントフォノンが共鳴励起される。コヒーレントのフォノンがラマン活性であれば、プローブ光を変調させる。その変調を反射光強度として検出することで、反射型の検出器が実現される。
【００４６】
また、上述した実施形態によれば、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２はフォノンの周波数が１ＴＨｚでそのフォノンはラマン活性でありかつ赤外活性であり、ＬｉＴａＯ３はフォノン周波数が４．３ＴＨｚでその周辺の波長を観測するには適当な材料であり、ＤＡＳＴのフォノン周波数は約１ＴＨｚでそのフォノンはラマン活性でありかつ赤外活性である。これらの材料は上記電気光学結晶の条件を満足し、これらのいずれかの材料を利用することで高感度の電磁波検出器を提供することが可能となる。
【００４７】
また、上述した実施形態によれば、メタル周期構造体はメタル基板に三角格子状に穴を形成したものとしており、このような周期構造に対し、横波の電磁波を入射することで、そこに電磁波の共鳴が発生する。なお、この共鳴状態をＦＤＴＤのシミュレーションによって再現し観察することで、ある周期構造の場合に横波の電磁波から伝播方向に電界が発生することがわかっている。また、この電磁波の伝播方向に生成された電界は電気光学結晶のＬＯフォノンと同じ方向であり、高い変換効率を有していることが知られている。すなわち、ＬＯフォノンが生成されることでプローブ光への変調が効率よく起き、電磁波を感度よく検出することが可能となる。
【００４８】
また、上述した実施形態によれば、ｒ３３やｒ１１と言ったＥＯ定数が大きい材料、つまり、電磁波の電界と同じ方向の屈折率が変化する材料を利用することによって、プローブ光を電磁波と平行に入射でき、プローブ光の位相は変化することになる。プローブ光は透過型でも構わないが、材料を横断し裏面で反射する反射型の方が、材料を２回は通過するため効率的に位相を変化させることが可能となる。この位相の変化を検知することで、電磁波の検出を行うことができる。なお、従来に利用されてきたＥＯ材料のＺｎＴｅはｒ１４の大きい材料で、この材料では偏光での検出が必要であった。
【００４９】
また、上述した実施形態によれば、メタルの周期構造を備えることで、入射してくる電磁波を変換することができる。メタルの周期構造と電磁波の相互作用は無線の分野で今まで研究されてきたが、最近では、テラヘルツ領域において、メタルに開けられた穴を周期的に配置することにより、ある波長にだけ共鳴してその波長だけを透過するバンドパスフィルタとして注目を浴びている。この構造を適切に設計することで、電磁波の出射方向に位相のそろったエバネッセント波が形成される。このエバネッセントはメタルの周期構造によって、入射波が伝播方向に垂直な方向の電界の横波であっても、伝播方向に電界を持つ電磁波に変換する効果を有する。これによって形成された伝播方向に平行な電界をＥＯ材料に入射させる。上記実施形態では、ＥＯ効果によって電磁波の電界方向に垂直方向の屈折率が変化させる材料としており、電磁波の伝播方向電界によって屈折率変化が電磁波の伝播方向に垂直方向に起きる。この屈折率変化をプローブ光が感知することで、プローブ光の位相が変化し、この位相を検出することで電磁波検出器としての機能を奏する。
【００５０】
また、上述した実施形態によれば、プローブ光が屈折率変化を発生させる電気光学結晶を何度も通過することで、プローブ光は位相の変化を通過するために受ける。そのため、小さな屈折率の変化でも大きな位相の変化へと変えることができる。また、該結晶自身は薄くできるため、入射してくる電磁波を狭い領域に閉じ込めることができる。このため、電磁波とプローブ光との相互作用が見かけ上強くなり、検出感度が向上する。
【００５１】
また、上述した実施形態によれば、電磁波によって位相変調されたプローブ光とリファレンス光とをプローブ検出器上で合わせるため、プローブ光とリファレンス光はほぼ同一の波長でコヒーレンスであるため干渉し、この干渉はプローブ光の位相変調によって大きな影響を受ける。つまり、位相変調を強度変調へ変換することが可能となり、強度変調された信号は、フォトディテクタ等を用いた簡便な方法で検出することができる。
【００５２】
また、上述した実施形態によれば、電磁波増強構造はホーンアンテナ等に代表されるある波長の電磁波だけを選択的に閉じ込める構造としており、この機構により電磁波は変換材料へ増強され閉じ込められる。これにより、変換材料は強い電磁場が発生し、プローブ光による検出感度が向上する。
【００５３】
また、上述した実施形態によれば、電磁波がテラヘルツ帯である電磁波検出システムとしており、上記電磁波検出器を利用することで、検出感度を向上することができる。そのため、該検出システムにおいては、光源の光強度が小さくとも、正確に被検出物を検出することが可能となる。
【００５４】
また、上述した実施形態によれば、電磁波がテラヘルツ帯である電磁波検出システムとしており、また、テラヘルツ帯での観察では毛髪を透過することで、頭部表面の体温を正確に観察することが可能である。そのため、該検出システムにおいては、当射したテラヘルツ光の光吸収スペクトルから、頭部表面の体温、ひいては脳内の活動をモニタすることが可能となる。
【００５５】
また、上述した実施形態によれば、電磁波がテラヘルツ帯、被検出物体を帯電した部材とする電磁波検出システムとしており、例えば感光体やトナーの帯電で生じる誘電率の変化をモニタすることで帯電電位を間接的に測定することが可能となる。また、テラヘルツ帯は樹脂等には透明であり、長い距離を伝播させることが可能であり、微小な変化も感度良く検出することができる。また、誘電率の変化の異方性だけに注目して、検出電磁波の偏光成分だけを検出するシステムでも、感度を上げることができる。なお、上記の誘電率変化は、局所領域に数百Vという帯電電位が掛かることによって生じる応力である考えられる。
【００５６】
なお、上述する実施形態は、本発明の好適な実施形態であり、上記実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態に係る電磁波検出システムの概略構成を示した図である。
【図２】本発明の実施形態に係る電磁波検出器の概略構成を示した図である。
【図３】本発明の実施形態における電気光学結晶層の概略構成を示した図である。
【図４】本発明の実施形態に係る電磁波検出システムの概略構成を示した図である。
【図５】本発明の実施形態に係る電磁波検出器の概略構成を示した図である。
【図６】本発明の実施形態におけるメタル周期構造の概略構成を示した図である。
【図７】本発明の実施形態におけるメタル周期構造近傍の電界強度を示した図である。
【図８】Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２の透過率スペクトルを示した図である。
【符号の説明】
【００５８】
１，５    テラヘルツ光源
２，６    被検出物体
３，８    照射光
４，９    反射光
７    毛髪
１０，２０    電磁波検出器
１１，２１    メタル周期構造
１１ａ    ホーンアンテナ
１２，２２    電気光学結晶
１２ａ    ＤＡＳＴ
１２ｂ    誘電体多層膜
１３，２３    半導体レーザ
１４，２４    レンズ
１５，２５    プローブ光
１６    ビームスプリッタ
１７    ミラー
１８    リファレンス光
１９，２６    ＣＣＤ
２１ａ    ＳＵＳ基板
２１ｂ    穴
【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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