(57)【要約】【課題】より長い使用時間に渡って、高強度のテラヘルツ光を発生させる。【解決手段】テラヘルツ光発生素子１１は、光伝導部としての基板１４と、基板１４の所定の面上に形成され互いに分離された２つの導電膜１５，１６とを有する。２つの導電膜１５，１６の少なくとも一部同士が、前記所定の面に沿った方向に所定間隔ｇ’をあけるように配置される。照射部１２は、テラヘルツ光発生素子１１の所定の領域Ｒ’に超短パルスレーザ光を照射する。電圧印加部１３は、２つの導電部１５，１６間にバイアス電圧を印加する。送風機１７は、風を当てることにより、基板１４を直接的又は間接的に冷却する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光伝導部と、該光伝導部の所定の面上に形成され互いに分離された２つの導電部とを有し、前記２つの導電部の少なくとも一部同士が前記所定の面に沿った方向に所定間隔をあけるように配置されたテラヘルツ光発生素子と、
前記テラヘルツ光発生素子の所定箇所に励起パルス光を照射する照射部と、
前記２つの導電部間にバイアス電圧を印加する電圧印加部と、
前記光伝導部を直接的又は間接的に冷却する冷却手段と、
を備えたことを特徴とするテラヘルツ光発生装置。
【請求項２】
前記冷却手段による冷却効率を促進する放熱構造を備えたことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ光発生装置。
【請求項３】
光伝導部と、該光伝導部の所定の面上に形成され互いに分離された２つの導電部とを有し、前記２つの導電部の少なくとも一部同士が前記所定の面に沿った方向に所定間隔をあけるように配置されたテラヘルツ光発生素子と、
前記テラヘルツ光発生素子の所定箇所に励起パルス光を照射する照射部と、
前記２つの導電部間にバイアス電圧を印加する電圧印加部と、
前記光伝導部の熱の放熱を促進する放熱構造と、
を備えたことを特徴とするテラヘルツ光発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、テラヘルツ光を発生するテラヘルツ光発生装置に関し、特に、テラヘルツ光発生素子として光スイッチ素子を用いたテラヘルツ光発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、テラヘルツ光発生装置を構成するテラヘルツ光発生素子の１つとして、光スイッチ素子が使用されている。光スイッチ素子は、光伝導部の表面に所定間隔離して互いに分離された２つの導電部を設けた素子である。
【０００３】
テラヘルツ光発生素子として光スイッチ素子を使用した従来のテラヘルツ光発生装置を、図７に示す。図７は、従来のテラヘルツ光発生装置の一例を模式的に示す概略構成図である。
【０００４】
図７に示す従来のテラヘルツ光発生装置は、光スイッチ素子からなるテラヘルツ光発生素子１と、照射部２と、電圧印加部３とから構成されている。テラヘルツ光発生素子１は、光伝導部としての半絶縁性ＧａＡｓ基板４と、該基板４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金などからなる導電膜５，６とを備えている。導電膜５，６は、基板４の図７中の手前側（照射部２側）の表面に沿った左右方向に所定間隔ｇをあけて配置されている。この間隔ｇが２ｍｍ以上、例えば５ｍｍに設定されており、基板４及び導電膜５，６によって大口径の光スイッチ素子が構成されている。なお、光スイッチ素子には、前記電極間の間隔を例えば数ｍｍ乃至数ｃｍ程度にした「大口径」と呼ばれるものもある。
【０００５】
前記照射部２は、テラヘルツ光発生素子１の導電膜５，６間に、フェムト秒パルスレーザ光等の超短パルスレーザ光などを、励起パルス光として照射する。通常、テラヘルツ光発生装置を使用している際には、励起パルス光は、所定の繰り返し周波数で継続して照射される。照射部２は、レーザ光源と、必要に応じて照射領域の大きさを調整するレンズ等とから構成されている。電圧印加部３は、導電膜５，６間にバイアス電圧を印加している。
【０００６】
このテラヘルツ光発生装置では、導電膜５，６間に電圧印加部３によりバイアス電圧を印加し、照射部２から発せられた超短パルスレーザ光を導電膜５，６間の領域Ｒに照射することにより、テラヘルツ光が発生する。超短パルスレーザ光の照射により励起された光励起キャリアがバイアス電圧による印加電場によって加速されることで、テラヘルツ光が発生する。このときに発生するテラヘルツ光の遠方での電場強度ＥＴＨｚは、光励起されたキャリアの移動度μ、キャリアの密度ｎ、ギャップｇの部分に印加されている電場の大きさＥｂｉａｓに依存しており、下記の数１のように書ける。
【０００７】
【数１】
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【０００８】
数１からわかるように、ギャップ部分に印加されている電場の大きさＥｂｉａｓが大きいほど、発生するテラヘルツ光の電場強度ＥＴＨｚが大きくなる。したがって、電圧印加部３が印加するバイアス電圧が高いほど、発生するテラヘルツ光の強度が高まることがわかる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
発生するテラヘルツ光は、一般的には、ギャップｇの部分に印加されている電場強度が大きいほど強くなる。しかしながら、前記従来のテラヘルツ光発生装置を使用している際に高い電場を印加し、比較的長い時間継続して使用すると、導電膜５，６間の電流が急激に増加するという現象が見られる。この結果、電圧印加部３の装置として流すことができる電流の限界を超えるため、導電膜５，６間に高いバイアス電圧を印加することが不可能となる。したがって、前記従来のテラヘルツ光発生装置では、比較的長い時間継続して使用すると、高強度のテラヘルツ光を発生させることができなかった。
【００１０】
図７に示す従来のテラヘルツ光発生装置において導電膜５，６間に高い電圧を印加した場合（このとき、超短パルスレーザ光は所定の繰り返し周波数で領域Ｒに照射させた。）について、当該電圧を印加してからの電流の時間変化を測定した測定結果の一例を図８に示す。この例では、２４分（１４４０秒）程度の使用により電流が増加し、高いバイアス電圧を印加し続けることができなくなることが読み取れる。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、より長い使用時間に渡って高強度のテラヘルツ光を発生することができるテラヘルツ光発生装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者の研究において、前記従来のテラヘルツ光発生装置において、導電膜５，６間の電流が急激に増加し始めた時に超短パルスレーザ光を遮断したところ、電流は一瞬減少した後にそのまま増加を続け、バイアス電圧印加部としての装置の性能の限界を超えた。このことから、電流が急激に増加していく時に主に関与するキャリアは、超短パルスレーザ光により励起された光励起キャリアではなく、別の原因で励起されたキャリアであると考えられる。そして、バイアス電圧として数ｋＶの電圧を印加しながら、電流の増加が見られ始めたときに、テラヘルツ光発生素子に風を当てて冷却したところ、電流が減少することを確認することができた。すなわち、電流の増加は熱的に励起されたキャリアが電気伝導に関与したために起きていたのである。そのため、光スイッチ素子からなるテラヘルツ光発生素子の光伝導部を冷却したり、光伝導部の放熱を促進することにより、長時間の使用に伴う導電部間の電流の増加を抑えることができ、これにより、導電部間により長い使用時間に渡って、導電部間に高いバイアス電圧を印加して高強度のテラヘルツ光を発生させることができる。
【００１３】
従って、本発明の第１の態様によるテラヘルツ光発生装置は、光伝導部の表面に２つの導電部を設けたテラヘルツ光発生素子と、前記テラヘルツ光発生素子の所定箇所に励起パルス光を照射する照射部と、前記２つの導電部間にバイアス電圧を印加する電圧印加部と、前記光伝導部を直接的又は間接的に冷却する冷却手段と、を備えたものである。
【００１４】
前記冷却手段は、光伝導部自体を直接的に冷却するものであってもよいし、前記光伝導部に熱的に結合された部位や部材等を冷却することにより前記光伝導部を間接的に冷却するものであってもよい。前記冷却手段としては、具体的には、種々のタイプのものを採用し得るが、例えば、風冷を行う送風機や、ペルチェ素子や、水や油等の冷媒を介して冷却を行うものなどを、採用することができる。
【００１５】
本発明の第２の態様によるテラヘルツ光発生装置は、前記第１の態様において、前記冷却手段による冷却効率を促進する放熱構造を備えたものである。前記放熱構造としては、例えば、フィンやヒートシンクなどを採用することができる。
【００１６】
本発明の第３の態様によるテラヘルツ光発生装置は、光伝導部の表面に２つの導電部を設けたテラヘルツ光発生素子と、前記テラヘルツ光発生素子の所定箇所に励起パルス光を照射する照射部と、前記２つの導電部間にバイアス電圧を印加する電圧印加部と、前記光伝導部の熱の放熱を促進する放熱構造と、を備えたものである。前記放熱構造としては、例えば、フィンやヒートシンクなどを採用することができる。なお、前記第３の態様では、前記第２の態様と異なり、冷却手段は必ずしも必要ではない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるテラヘルツ光発生装置について、図面を参照して説明する。
【００１８】
［第１の実施の形態］
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施の形態によるテラヘルツ光発生装置を模式的に示す概略構成図である。
【００２０】
本実施の形態によるテラヘルツ光発生装置は、図１に示すように、光スイッチ素子からなるテラヘルツ光発生素子１１と、照射部１２と、電圧印加部１３と、テラヘルツ光発生素子１１の光伝導部としての基板１４を直接的又は間接的に冷却する冷却手段としての、送風機１７と、を備えている。
【００２１】
テラヘルツ光発生素子１１は、光伝導部としての基板１４と、該基板１４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１５，１６とを備えている。導電膜１５，１６は、基板１４の図１中の手前側（照射部１２側）の表面に沿った方向に所定間隔ｇ’をあけて配置されている。本実施の形態では、導電膜１５，１６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１４及び導電膜１５，１６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。
【００２２】
基板１４の材質としては、例えば、抵抗率が高くバンドギャップエネルギーがフェルト秒パルスレーザ光のフォトン１個のエネルギー以下である半導体（例えば、半絶縁性ＧａＡｓ）を用いることができる。導電膜１５，１６の材質としては、例えば、金などの金属を用いることができ、例えば蒸着等により基板１４の表面に形成することができる。導電膜１５，１６に代えて、金属薄板等を用いてもよい。
【００２３】
本実施の形態では、前述したように基板１４自体が光伝導部として用いられているが、例えば、基板１４上に光伝導部として光伝導膜を形成し、この光伝導膜上に導電膜１５，１６を形成してもよい。この場合、例えば、基板１４の材質として半絶縁性ＧａＡｓを用いるとともに、光伝導膜として低温成長ＧａＡｓを用いることができる。
【００２４】
前記照射部１２は、図１に示すように、テラヘルツ光発生素子１１の導電膜５，６間に、フェムト秒パルスレーザ光等の超短パルスレーザ光などを、励起パルス光として照射する。通常、テラヘルツ光発生装置を使用している際には、励起パルス光は、所定の繰り返し周波数で継続して照射される。照射部１２は、例えば、レーザ光源と、必要に応じて照射領域の大きさを調整するレンズ等とから構成される。
【００２５】
前記電圧印加部１３としては、例えば直流電源を用いることができ、その２つの出力端子にそれぞれ接続された電線を介して、導電膜１５，１６間にバイアス電圧を印加する。このような直流電源としては、例えば、商用電源からの交流を直流に変換する電源回路で構成することができる。
【００２６】
本実施の形態では、前記送風機１７は、主に光伝導部としての基板１４に風を当てる位置に配置され、これにより、基板１４を直接的に冷却するようになっている。送風機１７は、図示しない制御部によって、当該テラヘルツ光発生装置の使用時（例えば、電圧印加部１３の作動時）に、作動される。もっとも、例えば、当該テラヘルツ光発生装置の使用を開始してから所定時間経過した後に、送風機１７の作動を開始してもよい。なお、送風機１７が、照射部１２からの領域Ｒ’に照射される超短パルスレーザ光や、テラヘルツ光発生素子１１から発生されて有効に使用されるテラヘルツ光を、妨げない位置に配置されることは、言うまでもない。
【００２７】
本実施の形態では、前述した従来のテラヘルツ光発生装置と同様に、導電膜１５，１６間に電圧印加部１３によりバイアス電圧が印加され、照射部１２から発せられた超短パルスレーザ光が導電膜１５，１６間の領域Ｒ’に照射されることにより、テラヘルツ光が発生する。超短パルスレーザ光の照射により励起された光励起キャリアがバイアス電圧による印加電場によって加速されることで、テラヘルツ光が発生する。
【００２８】
そして、本実施の形態によれば、当該テラヘルツ光発生装置の使用時に、送風機１７により光伝導部としての基板１４が冷却されるので、長時間の使用に伴う導電膜１５，１６間の電流の増加が抑えられ、これにより、より長い使用時間に渡って、導電膜１５，１６間に高いバイアス電圧を印加して高強度のテラヘルツ光を発生させることができる。
【００２９】
このように、本実施の形態によれば、より長い使用時間に渡って高強度のテラヘルツ光を発生させることができる。このため、例えば、テラヘルツ光を利用した分光装置、半導体・医用・食品などの検査装置、イメージング装置などにおいて、本実施の形態によるテラヘルツ光発生装置を用いれば、長時間に渡って安定性の良い測定が可能となり、測定精度の向上、測定範囲の拡大、測定時間の短縮などの種々の利点が得られる。
【００３０】
［第２の実施の形態］
【００３１】
図２は、本発明の第２の実施の形態によるテラヘルツ光発生装置の要部を模式的に示す概略構成図である。図２において、図１中の要素と同一又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。また、図２において、照射部１２及び電圧印加部１３の図示は省略している（この点は、後述する図３乃至図６についても同様である。）。
【００３２】
本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なる所は、本実施の形態では、送風機１７が、主として、テラヘルツ光発生素子１１の適当な大きさに形成された導電膜１５に風を当て、光伝導部としての基板１４を間接的に冷却するようになっている点のみである。本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。
【００３３】
［第３の実施の形態］
【００３４】
図３は、本発明の第３の実施の形態によるテラヘルツ光発生装置の要部を模式的に示す概略構成図である。図３において、図１中の要素と同一又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。
【００３５】
本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なる所は、本実施の形態では、送風機１７が、主として、テラヘルツ光発生素子１１の基板１４の背面に密接されて熱的に結合した金属板等の部材１８に風を当て、光伝導部としての基板１４を間接的に冷却するようになっている点のみである。部材１８は、テラヘルツ光発生素子１１を装置の所定箇所に固定するための固定部材であってもよいし、この固定部材とは別に設けた部材であってもよい。本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。
【００３６】
［第４の実施の形態］
【００３７】
図４は、本発明の第４の実施の形態によるテラヘルツ光発生装置の要部を模式的に示す概略構成図である。図４において、図１中の要素と同一又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。
【００３８】
本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なる所は、本実施の形態では、送風機１７による冷却効率を高めるための放熱構造としてのフィン１９が、導電膜１５に密接して熱的に結合するように設けられ、送風機１７が、主として、フィン１９に風を当て、光伝導部としての基板１４を間接的に冷却するようになっている点のみである。例えば、導電部として導電膜１５に代えて金属薄板等用いれば、この金属薄板等を利用してフィン１９を作製することもできる。この場合、導電部とフィン１９とが一体構造をなすことになる。なお、前記放熱構造として、フィン１９に代えて、例えばヒートシンクを用いてもよい。
【００３９】
本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。
【００４０】
［第５の実施の形態］
【００４１】
図５は、本発明の第５の実施の形態によるテラヘルツ光発生装置の要部を模式的に示す概略構成図である。図５において、図１中の要素と同一又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。
【００４２】
本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なる所は、本実施の形態では、送風機１７による冷却効率を高めるための放熱構造としてのヒートシンク２０が、テラヘルツ光発生素子１１の基板１４の背面に密接されて熱的に結合した金属板等の部材２１に設けられ、送風機１７が、主として、ヒートシンク２０に風を当て、光伝導部としての基板１４を間接的に冷却するようになっている点のみである。部材２１及びヒートシンク２０は発生したテラヘルツ光の放熱を妨げないことが必要であり、例えば部材２１が金属であれば、電極間１５，１６に相当する部分は切り抜いておく。部材２１がテラヘルツ光を透過させる材質であれば、このような切り抜きは不要である。なお、前記放熱構造として、ヒートシンク２０に代えて、例えばフィンを用いてもよい。
【００４３】
本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。
【００４４】
［第６の実施の形態］
【００４５】
図６は、本発明の第６の実施の形態によるテラヘルツ光発生装置の要部を模式的に示す概略構成図である。図６において、図１中の要素と同一又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。
【００４６】
本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なる所は、本実施の形態では、送風機１７による冷却効率を高めるための放熱構造としてのヒートシンク２２が、テラヘルツ光発生素子１１の基板１４の背面に密接されて熱的に結合され、送風機１７が、主として、ヒートシンク２２に風を当て、光伝導部としての基板１４を間接的に冷却するようになっている点のみである。本実施の形態では、ヒートシンク２２が、テラヘルツ光発生素子１１から発生されて有効に使用されるテラヘルツ光を妨げないように、導電膜１６と相対する領域付近に配置されている。なお、前記放熱構造として、ヒートシンク２２に代えて、例えばフィンを用いてもよい。
【００４７】
本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。
【００４８】
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。
【００４９】
例えば、前述した各実施の形態では、光伝導部としての基板１４を直接的又は間接的に冷却する冷却手段として、送風機１７を用いた例であるが、本発明では、その代わりに、ペルチェ素子や、水や油等の冷媒を介して冷却を行う冷却機構などを用いることができる。
【００５０】
また、前述した第４乃至第６の実施の形態のように、光伝導部としての基板１４に熱的に結合した放熱構造を有する場合には、必ずしも、送風機１７などの冷却手段を設けなくてもよい。これは、放熱構造を有することにより、光伝導部としての基板１４の温度上昇が抑制されるためである。勿論、冷却手段と併用することが好ましいことは、言うまでもない。
【００５１】
さらに、前述した各実施の形態では、テラヘルツ光発生素子１１が大口径の光スイッチ素子で構成されているが、本発明では、必ずしもこれに限定されるものではなく、テラヘルツ光発生素子１１は、例えば、いわゆるダイポールアンテナと呼ばれる光スイッチ素子で構成してもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来技術に比べて、より長い使用時間に渡って高強度のテラヘルツ光を発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるテラヘルツ光発生装置を模式的に示す概略構成図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態によるテラヘルツ光発生装置の要部を模式的に示す概略構成図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態によるテラヘルツ光発生装置の要部を模式的に示す概略構成図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態によるテラヘルツ光発生装置の要部を模式的に示す概略構成図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態によるテラヘルツ光発生装置の要部を模式的に示す概略構成図である。
【図６】本発明の第６の実施の形態によるテラヘルツ光発生装置の要部を模式的に示す概略構成図である。
【図７】従来のテラヘルツ光発生装置の一例を模式的に示す概略構成図である。
【図８】図７に示すテラヘルツ光発生装置において、バイアス電圧を印加してからの電流の時間変化を測定した測定結果の一例を示す図である。
【符号の説明】
１１　テラヘルツ光発生素子
１２　照射部
１３　電圧印加部
１４　基板（光伝導部）
１５，１６　導電膜
１７　送風機
１９　フィン
２０，２２　ヒートシンク
【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】
2004022766.tif 000008
【図６】
2004022766.tif 000009
【図７】
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【図８】
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