(57)【要約】【課題】磁場下における半導体からテラヘルツ電磁波の放射を発生させるものであって、高強度の出力と一層の小型化が可能なテラヘルツ電磁波光源を提供すること。【解決手段】テラヘルツ電磁波光源１は、レーザ光の中心波長が１５６０ｎｍの小型ファイバーレーザー１１と、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系の半導体試料１２と、少なくとも２テスラまでの磁場を発生することができる汎用磁石１３などからなり、半導体試料１２に対して、小型ファイバーレーザー１１からのレーザー光が２ｍｍのスポットサイズで照射されるとともに、汎用磁石１３による磁場が印加されると、半導体試料１２からテラヘルツ電磁波の放射が発生する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体に対して、磁場発生手段で磁場を印加するとともに、超短パルス光生成手段でレーザー光を照射することにより、前記半導体からテラヘルツ電磁波の放射を発生させるテラヘルツ電磁波光源において、
前記半導体としてインジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系のものを使用するとともに、前記レーザー光として波長が１５６０ｎｍのものを使用し，前記磁場発生手段による磁場が１〜２テスラにあること、を特徴とするテラヘルツ電磁波光源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁場下における半導体から高強度テラヘルツ電磁波の放射を発生させるテラヘルツ電磁波光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、テラヘルツ電磁波の放射の発生やその検出方法は、センシング、イメージング又は時分割型スペクトロスコピーなどの広いアプリケーションに応用可能な重要な技術として広く研究されてきている。また、そのような応用研究を容易にするためにも、高出力で小型のテラヘルツ電磁波光源の開発が急がれている。そして、今日に至るまで、フォトコンダクティブスイッチ、超短パルス光レーザーを用いた半導体面放射、２つ異なる色のＣＷレーザー、パラメトリックオシレーターなどの様々なテラヘルツ電磁波光源が提案されており、それらの研究は化学プロセスやマイクロ製作技術を必要としない強力なテラヘルツ電磁波光源として証明されてきた。
【０００３】
特に、超短パルス光レーザーを用いた半導体面放射に関しては、Ｚｈａｎｇ氏が、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）からのテラヘルツ電磁波の放射において、テラヘルツ電磁波の放射強度が励起強度の２乗に比例して強くなることを報告してから（非特許文献１参照）、多くの研究が磁場によりテラヘルツ電磁波の放射が増強されることを確認してきた。この増強は、磁場の中でローレンツ力によって引き起こされるキャリア加速の偏向方向が変化することによって起こると説明されてきている（非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４、非特許文献５参照）。
【０００４】
また、我々は、インジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いて磁場によるテラヘルツ電磁波の放射の増強に成功しており、テラヘルツ電磁波の放射強度が磁場及び励起強度の２乗に依存して強くなることを報告した（非特許文献６参照）。更に、テラヘルツ電磁波の放射強度の強磁場での飽和、減少、および回復を示す変則的な振る舞いも観察した（非特許文献７参照）。この現象を利用し、３テスラに及ぶ小型永久磁石を開発し、これらを用いて小型のテラヘルツ電磁波光源を開発している（非特許文献８参照）。
【０００５】
一方、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）を用いてテラヘルツ電磁波の放射の発生を得ている研究もあるが、この場合には、超短パルス光レーザーから照射されるレーザー光の波長を１９００ｎｍとしている（非特許文献９参照）。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｘ．Ｃ．Ｚｈａｎｇ  ｅｔ  ａｌ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６２，２００３（１９９３）．
【非特許文献２】
Ｍ．Ｂ．Ｊｏｈｎｓｔｏｎ  ｅｔ  ａｌ：Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９１，２１０４（２００２）．
【非特許文献３】
Ｊ．Ｓｈａｎ  ｅｔ  ａｌ：Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２６，８４９（２００１）．
【非特許文献４】
Ｊ．Ｈｅｙｍａｎ  ｅｔ  ａｌ：Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｖｏｌ６４，０８５２０２（２００１）．
【非特許文献５】
Ｇ．Ｍｅｉｎｅｒｔ  ｅｔ  ａｌ：Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｖｏｌ６２，５００３（２０００）．
【非特許文献６】
Ｎ．Ｓａｒｕｋｕｒａ  ｅｔ  ａｌ：Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８４，６５４（１９９８）．
【非特許文献７】
Ｈ．Ｏｈｔａｋｅ  ｅｔ  ａｌ：ｓｕｂｍｉｔｔｅｄ  ｔｏ  Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．
【非特許文献８】
Ｓ．Ｏｎｏ  ｅｔ  ａｌ：Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．７１，５５４（２０００）
【非特許文献９】
Ｓ．Ｃ．Ｈｏｗｅｌｌｌｓ  ｅｔ  ａｌ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６５，２９４６（１９９４）．
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）を用いてテラヘルツ電磁波の放射を発生させる場合では、上述した応用研究を容易にするために十分な高強度のテラヘルツ電磁波の放射を発生させるには至っていない。また、インジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いて磁場によるテラヘルツ電磁波の放射を増強する場合では、小型のテラヘルツ電磁波光源を開発したとはいうものの、上述した応用研究を容易にするために、十分な高強度のテラヘルツ電磁波の放射を発生させようとすれば、少なくとも３テスラに及ぶ小型永久磁石として、超伝導磁石を使用する必要があるため、テラヘルツ電磁波光源の小型化にも限界があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した点を鑑みてなされたものであり、磁場下における半導体からテラヘルツ電磁波の放射を発生させるものであって、高強度の出力と一層の小型化が可能なテラヘルツ電磁波光源を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために成された請求項１に係る発明は、半導体に対して、磁場発生手段で磁場を印加するとともに、超短パルス光生成手段でレーザー光を照射することにより、前記半導体からテラヘルツ電磁波の放射を発生させるテラヘルツ電磁波光源において、前記半導体としてインジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系のものを使用するとともに、前記レーザー光として波長が１５６０ｎｍのものを使用し，前記磁場発生手段による磁場が１〜２テスラにあること、を特徴している。
【００１０】
このような特徴を有する本発明のテラヘルツ電磁波光源では、半導体に対して、磁場発生手段で磁場を印加するとともに、超短パルス光生成手段でレーザー光を照射すると、半導体からテラヘルツ電磁波の放射が発生するが、このとき、テラヘルツ電磁波の放射強度は、（１）半導体の有効質量の逆数に比例して、強くなり、（２）半導体のバンド構造のΓ谷からＬ谷への光励起キャリアの谷間散乱が少ないほど、強くなり、（３）磁場強度の２乗に比例して、強くなる。
【００１１】
この点、（１）半導体の有効質量の逆数に比例して、テラヘルツ電磁波の放射強度が強くなることに関しては、本発明のテラヘルツ電磁波光源では、半導体として、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系のものを使用しており、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系のものの有効質量は、インジウム砒素（ＩｎＡｓ）系のものの有効質量よりも小さいため、テラヘルツ電磁波の放射強度の増強効果を引き出すことができる。
【００１２】
また、（２）半導体のバンド構造のΓ谷からＬ谷への光励起キャリアの谷間散乱が少ないほど、テラヘルツ電磁波の放射強度が強くなることに関しては、本発明のテラヘルツ電磁波光源では、レーザー光として波長が１５６０ｎｍのものを使用しており、これによって、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）の光励起キャリアはΓ谷からＬ谷へ谷間散乱されることは殆どないので、テラヘルツ電磁波の放射強度の増強効果を引き出すことができる。
【００１３】
さらに、（３）磁場強度の２乗に比例して、テラヘルツ電磁波の放射強度が強くなることに関しては、本発明のテラヘルツ電磁波光源のように、半導体として、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系のものを使用した場合でも、従来技術の欄で既に指摘したように、磁場強度が上がるにつれて、テラヘルツ電磁波の放射強度は、飽和（最大値）、減少、および回復を示す変則的な振る舞いが観察される。但し、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系のものの有効質量は、インジウム砒素（ＩｎＡｓ）系のものの有効質量よりも小さいため、テラヘルツ電磁波の放射強度のこのような振る舞いは、半導体としてインジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系のものを使用した場合（本発明のテラヘルツ電磁波光源）では、半導体としてインジウム砒素（ＩｎＡｓ）系のものを使用した場合（従来技術のテラヘルツ電磁波光源）と比べて、かなり低磁場領域でみられることになり、磁場発生手段による磁場が１〜２テスラのときに、高強度のテラヘルツ電磁波の放射を発生できるようになる。
【００１４】
すなわち、本発明のテラヘルツ電磁波光源では、半導体としてインジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系のものを使用するとともに、レーザー光として波長が１５６０ｎｍのものを使用することにより、磁場発生手段による磁場が１〜２テスラでも、高強度のテラヘルツ電磁波の放射を発生することができ、そのため、超電導磁石でなく汎用磁石を磁場発生手段として使用することができるので、一層の小型化を図ることも可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照にして説明する。本実施の形態では、中心波長：１５６０ｎｍ、パルス幅：１００フェムト秒、平均出力：１６０ｍＷのレーザー光を出力する小型ファイバーレーザーを「超短パルス光生成手段」として用いた場合の、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系の半導体からのテラヘルツ電磁波の放射強度の磁場依存性について説明する。
【００１６】
すなわち、励起光として、通信帯波長のレーザー光を用いることにより、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系の半導体から著しく強いテラヘルツ電磁波の放射が観察され、その強度は、レーザー光の中心波長が７８０ｎｍの場合より２桁上がることが確認された。さらに、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系の半導体に外部磁場１．２テスラを加えることにより、テラヘルツ電磁波の放射強度は最大になり、磁場がない時に比べ１００倍以上増強される。１．２テスラという磁場は簡易な磁石で得られる磁場レベルで、小型ファイバーレザーとの組み合せにより、実用的なテラヘルツ電磁波光源が可能となる。
【００１７】
この点、従来技術の欄で述べたように、インジウム砒素（ＩｎＡｓ）系の半導体の場合、３テスラという強い磁場が必要であったのに対し、本実施の形態のように、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系の半導体の場合、１．２テスラという低磁場領域で、高出力のテラヘルツ電磁波が得られ、このことがインジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系の半導体をテラヘルツ電磁波光源に用いる利点である。
【００１８】
図４は、磁場を印加したテラヘルツ電磁波放射発生の実験装置１００の配置図である。レーザー光源として、モードロック用の小型ファイバーレーザー１１１を用い、その性能は、レーザ光の中心波長が７８０ｎｍと１５６０ｎｍ、パルス幅が１００フェムト秒、繰り返し周波数が５０ＭＨｚである。また、その出力は、１５６０ｎｍの場合で１６０ｍＷ、７８０ｎｍの場合で６０ｍＷである。サンプル照射されるレーザー光のスポットサイズは２ｍｍである。
また、半導体試料１１２は、ドープされていないバルクのインジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系のもので、ここでは（１００）面を用いた。その伝導タイプは若干ｎ型となっており、キャリア密度は４×１０１４ｃｍ−３である。
また、スプリットコイルタイプの超伝導磁石１１３は、５テスラまでの磁場を発生することができる。尚、超伝導磁石１１３による磁場は、半導体試料１１２の表面及び、小型ファイバーレーザー１１１からのレーザー光の入射面に対して、垂直に印加された。
【００１９】
そして、半導体試料１１２の（１００）面からのテラヘルツ電磁波１１４の放射強度については、液体冷却型のゲルマニウムボロメーター１１５により、全テラヘルツ放射強度を計測した。この計測方法の利点は、ビーム捕捉が容易であること、タイミング合わせが不要であることである。また、半導体試料１１２の（１００）面からのテラヘルツ電磁波１１４のフーリエースペクトラムについては、偏光マイケルソン干渉計１１６で観測した。
【００２０】
図２は、図１の実験装置１００におけるテラヘルツ電磁波１１４の放射強度の磁場依存性を示した図である。半導体試料１１２に照射されたレーザー光（励起光）は、中心波長が１５６０ｎｍの場合で１６０ｍＷ、中心波長が７８０ｎｍの場合で６０ｍＷであった。尚、図２には、定量的な比較をするため、半導体試料１１２として、インジウム砒素（ＩｎＡｓ）系の半導体の（１００）面を用いた場合のテラヘルツ電磁波１１４の放射強度を点線で併記した。
【００２１】
図２によれば、半導体試料１１２として、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系の半導体の（１００）面を用いた場合、１５６０ｎｍの励起のときは（図２の◇，◆）、テラヘルツ電磁波１１４の放射強度は、磁場の２乗に比例して強くなり、１．０〜２．０テスラで最大値を示すが、磁場が更に上がると減少に転じ最小値に到達する。その後、更に、磁場を加えると、テラヘルツ電磁波１１４の放射強度は回復していく。
【００２２】
このような磁場によるテラヘルツ電磁波１１４の放射強度の増減は、半導体試料１１２として、インジウム砒素（ＩｎＡｓ）系の半導体の（１００）面を用いた場合（図２の点線）でも観察されているが、半導体試料１１２として、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系の半導体の（１００）面を用いた場合（図２の◇，◆）では、かなり低磁場領域でみられることが特徴で、この理由は、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系の半導体が、インジウム砒素（ＩｎＡｓ）系の半導体に比べて、小さいキャリア有効質量をもつことから説明される。
【００２３】
一方、半導体試料１１２として、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系の半導体の（１００）面を用いた場合、７８０ｎｍの励起のときは（図２の○，●）、テラヘルツ電磁波１１４の放射強度の傾向は、１５６０ｎｍの励起のときと同じであるが、その出力は一桁小さい。この点、レーザー光（励起光）の波長を変化させることにより生じるテラヘルツ電磁波１１４の放射強度の増強は、長波長側励起によるキャリア数の増大という観点から説明が可能であるが、平均出力およびフォトンエネルギーを考慮しても、６倍程度にしかならないため、テラヘルツ電磁波１１４の放射強度が劇的に向上する理由は他の影響を考えなければならない。
【００２４】
その理由の一つとして、オーバーシュートがある。７８０ｎｍの励起のときは、光励起キャリアは高い運動エネルギー帯に励起され、谷間散乱により大半の電子はΓ谷近傍からＬ谷に流れていってしまう。Ｌ谷での有効質量はΓ谷よりも遙かに大きいため、結果としてテラヘルツ放射強度は弱くなってしまう。対照的に、１５６０ｎｍの励起のときは、光励起キャリアは十分高い運動エネルギー帯に励起されないため、Γ谷近傍からＬ谷への谷間散乱が抑えられ、そのため、テラヘルツ電磁波１１４の放射強度は向上することになる。
【００２５】
次に、図１の実験装置１００においては、磁場によるテラヘルツ電磁波１１４の放射強度の物理を探るため、様々な磁場におけるテラヘルツ電磁波１１４の放射スペクトラムを偏光マイケルソン干渉計１１６を用いて測定した。図３は、０．４から４．８テスラの磁場におけるテラヘルツ電磁波１１４の放射スペクトラムを示す。０．４から１．２テスラに磁場が上がるとき、低周波数帯スペクトラムが増加するが、１．２テスラを超えると低周波数帯スペクトラムは次第に弱くなり、ほとんど消える。更に、磁場を大きくすると、低周波数帯スペクトラムは最小に達した後、図２に示されると同様に回復する。１．２テスラの磁場状態でのテラヘルツ電磁波１１４の放射スペクトラムは広域帯構造を示し、全ての周波数成分を含んでいる。
【００２６】
この点、ジョンストン等によって開発された理論モデルによれば、半導体試料１１２の表面に対して双極子が回転することにより、テラヘルツ電磁波１１４の放射強度が増強することが提唱されており、この理論を裏付けるように、図２及び図３は、超伝導磁石１１３で適度の磁場をかけることにより双極子を回転させることができ、半導体試料１１２の表面よりテラヘルツ電磁波１１４の発振を効果的に行うことができると説明できる。この場合、光励起キャリアの加速方向はローレンツ力および初期拡散の方向に依存していることから、最適な磁場強度は磁場方向と励起パルスの入射方向に依存すると説明できる。磁場方向を変えた場合の違いについても図３に示す。しかしながら、詳しいメカニズムを解明するためには、更なる研究が必要である。例えば、テラヘルツ電磁波１１４の放射強度の入射角度依存性を解明することにより、上記モデルの正当性が確認できると思われる。
【００２７】
以上詳細に説明したように、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系の半導体試料１１２の（１００）面からのテラヘルツ電磁波１１４の放射強度の磁場依存性については、レーザー光（励起光）の中心波長が１５６０ｎｍ、パルス幅が１００フェムト秒の超短パルスのレーザー光を発振する小型ファイバーレーザー１１１と、超伝導磁石１１３による外部磁場との組み合せでテラヘルツ電磁波１１４の放射強度を著しく向上させることができ、その増幅率は、磁場が１．２テスラのときに、磁場を印加しないときに比べて１００倍を超える。そして、テラヘルツ電磁波１１４の高い放射強度は、磁場が１．０〜２．０テスラのときに現れ、その磁場は、超伝導磁石１１３でなくとも、汎用磁石で得られるため、非常に実用性が高い。
【００２８】
また、半導体試料１１２として、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系の半導体の（１００）面を用いた場合は、インジウム砒素（ＩｎＡｓ）系の半導体の（１００）面を用いた場合と比べて、二つの利点を有している。一つは、小型、高出力で通信帯波長のレーザーである小型ファイバーレーザー１１１を用いることができることである。もう一つは、最適磁場が１．０〜２．０テスラという低磁場で高出力テラヘルツ発振が得られる点で、２テスラ磁場であれば超伝導磁石１１３を用いる必要はなく、汎用磁石で得られる磁力であるため利用価値が大きい。
【００２９】
従って、本発明の一実施の形態としてのテラヘルツ電磁波光源１は、図１に示すように、「超短パルス光生成手段」としての小型ファイバーレーザー１１、「半導体」としての半導体試料１２、「磁場発生手段」としての汎用磁石１３などからなる。
【００３０】
この点、小型ファイバーレーザー１１は、レーザー光源として、モードロック用のものを用い、その性能は、レーザ光の中心波長が１５６０ｎｍ、パルス幅が１００フェムト秒、繰り返し周波数が５０ＭＨｚである。また、その出力は、１６０ｍＷである。サンプル照射されるレーザー光のスポットサイズは２ｍｍである。
また、半導体試料１２は、ドープされていないバルクのインジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系のもので、（１００）面を用いる。その伝導タイプは若干ｎ型となっており、キャリア密度は４×１０１４ｃｍ−３である。
また、汎用磁石１３は、少なくとも２テスラまでの磁場を発生することができるものを使用する。尚、汎用磁石１３による磁場は、半導体試料１２の表面及び、小型ファイバーレーザー１１からのレーザー光の入射面に対して、垂直に印加される。
そして、汎用磁石１３が１〜２テスラの磁場を発生させると、半導体試料１２の（１００）面からは、高強度のテラヘルツ電磁波１４の放射を発生させる。
【００３１】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものでなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、本発明の一実施の形態としてのテラヘルツ電磁波光源１において、小型ファイバーレーザー１１の性能は、レーザ光のパルス幅が１００フェムト秒、繰り返し周波数が５０ＭＨｚ、出力が１６０ｍＷであったが、この点、最適磁場が１．０〜２．０テスラという低磁場で高出力テラヘルツ発振が得られるのであれば、レーザ光のパルス幅、繰り返し周波数、出力は、それぞれの値に限るものではない。
【００３２】
また、本発明の一実施の形態としてのテラヘルツ電磁波光源１では、半導体試料１２として、ドープされていないバルクのインジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系のもので、（１００）面を用い、その伝導タイプは若干ｎ型となっており、キャリア密度は４×１０１４ｃｍ−３であったが、この点、最適磁場が１．０〜２．０テスラという低磁場で高出力テラヘルツ発振が得られるのであれば、そのものに限るものではない。
【００３３】
【発明の効果】
本発明のテラヘルツ電磁波光源では、半導体としてインジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系のものを使用するとともに、レーザー光として波長が１５６０ｎｍのものを使用することにより、磁場発生手段による磁場が１〜２テスラでも、高強度のテラヘルツ電磁波の放射を発生することができ、そのため、超電導磁石でなく汎用磁石を磁場発生手段として使用することができるので、一層の小型化を図ることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるテラヘルツ電磁波光源の模式図である。
【図２】図１の実験装置において、テラヘルツ電磁波の放射強度の磁場依存性を示した図である。
【図３】図２の実験装置において、０．４から４．８テスラの磁場におけるテラヘルツ電磁波の放射スペクトラムを示した図である。
【図４】磁場を印加したテラヘルツ電磁波放射発生の実験装置の配置図である。
【符号の説明】
１  テラヘルツ電磁波光源
１１  小型ファイバーレーザー
１２  インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）系の半導体試料
１３  汎用磁石
１４  テラヘルツ電磁波
【図１】
2004289040.tif 000003
【図２】
2004289040.tif 000004
【図３】
2004289040.tif 000005
【図４】
2004289040.tif 000006