(57)【要約】【課題】  本発明は、電子部品、カード内部の金属部分などの像を得るため、テラヘルツ電磁波透過あるいは反射強度を測定する解像度の高い装置及び方法を提供するものである。【解決手段】  ポンプレーザによって励起されて発振する固体ラマンレーザとポンプレーザのビームを周波数混合用結晶に照射し、周波数の高いテラヘルツ電磁波を発生させ、テーパ状金属導波管によって微細なビームに絞り、ｘｙ移動ステージ上に置かれた検体を透過あるいは反射させて像を得る。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ光源によって励起されて固体のラマン効果によって発振するラマンレーザと前記ラマンレーザ内部、あるいは外部に配置された周波数混合用固体によってポンプ光源周波数とラマン発振周波数の差に等しい５ＴＨｚ以上の高い周波数を持つテラヘルツ電磁波を発生するテラヘルツ電磁波発生部と、前記テラヘルツ電磁波ビームをビーム断面の少なくとも一つの方向においてテラヘルツ波の波長の数倍程度またはそれ以下に絞るためのビーム形成部とにより、前記テラヘルツ電磁波を電子部品、カード類などの検体に照射し、前記検体中の金属やテラヘルツ電磁波を透過しない材料の存在及び形状を検知するテラヘルツ電磁波照射方法及び装置。
【請求項２】
前記ビーム形成部が、前記検体に近接して配置されるテーパ型金属導波管であることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ電磁波照射方法及び装置。
【請求項３】
前記ラマンレーザ用の固体がＧａＰ結晶であり、前記テラヘルツ波周波数が１２ＴＨｚであることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ電磁波照射方法及び装置。
【請求項４】
前記周波数混合用固体がＧａＡｓ，ＧａＳｅ，ＣｄＳｅ，ＺｎＧｅＰ２，ＤＡＳＴのいずれかであることを特徴とする請求項１、乃至は２記載のテラヘルツ電磁波照射方法及び装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明はテラヘルツ電磁波発生装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  情報端末用カードや各種カード内にはＩＣチップや金属配線が埋め込まれているが外部から目視することができない。また、実装された各種電子部品はケースやコート材料で覆われていて、内部の金属配線の断線等の不良チェックや工程検査、偽造変造されたかどうかなど、各種検体の内部状態を知ることは目視では困難である。これらの検体中の金属配線などの状況を検知するにはｘ線装置により透視する方法が一般的である。しかしｘ線装置は高価であり、かつ、ｘ線が人体に有害なためどこでも使えるというわけには行かない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  テラヘルツ波電磁波は人体に比較的安全であり、カード材料などを透過するがカード中に埋め込まれた金属部分では強く反射するので上記目的に使える。しかし、テラヘルツ波の波長は１ＴＨｚでは空気中で３００μｍである。一方、カード内の金属配線や磁気金属は１５μｍ程度の幅を有しているので形状を知るには１５μｍ程度あるいは大きくても３０μｍ程度の解像度を要求される。また、カード内のアンテナ配線、電子部品の接続配線などは１００μｍ程度の幅を有している。しかし電磁波ビームを絞ることのできる限界は波長の１／２程度が回折限界である。従って、従来の１ＴＨｚ程度のテラヘルツ波周波数ではこの様な微細な金属配線構造などを高い解像度の画像として検知することができない。また、従来の差周波法によるテラヘルツ波発生装置は２台のレーザ光源を必要としたので高価とならざるを得なかった。【０００４】  本発明はこの様な欠点を除き、３０μｍ以下、すくなくとも１００μｍ以下、の高い解像度で金属配線部分などのイメージを得る高解像度テラヘルツ電磁波照射方法及び装置を提供する。本発明の、他の一つの特徴として、２台のレーザ光源を必要とせず１台のポンプレーザを使用する安価なテラヘルツ電磁波照射方法及び装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  ＹＡＧレーザなどの簡便な近赤外光レーザをポンプ光として、半導体や誘電体結晶のラマンレーザを構成し、ラマンレーザ共振器の内部又は外部において、周波数混合用結晶にポンプ光とラマン発振したストークス光を導入し、差周波混合により、二つの光の周波数差に等しいテラヘルツ電磁波を発生させる。発生したテラヘルツ電磁波を金属導波管などを用いてｘｙステージ上の検体へと導き、テラヘルツ電磁波を照射する。金属導波管の先端は波長の数倍以下まで絞られており、細いテラヘルツビームが検体を透過または反射する。これを一個又は複数個の検知器で検出する。ｘｙステージを移動することにより、検体に埋め込まれた金属配線部分などのテラヘルツ画像を得ることができる。
【発明の効果】
【０００６】  本発明によれば、電子部品、カード類などの検体にテラヘルツ電磁波を照射し、検体中の金属やテラヘルツ電磁波を透過しない材料の存在及び形状を検知するテラヘルツ電磁波照射方法及び装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】  ラマン発振を行う固体としてＧａＰ半導体結晶を利用し、また、周波数混合用の固体としてはＧａＡｓを用いる構成によるテラヘルツ波発生法については本発明者が１９８３年に論文（ＩＥＥＥ．ＱＥ−１９，ｐ．１２５１，１９８３））に発表した。ＹＡＧレーザをポンプ光源とし、光共振器内でＧａＰ結晶の光学フォノンを励起するとラマン発振にいたる。ＧａＰの縦型光学フォノン（ＬＯフォノン）は特にラマン散乱効率が極めて高いため容易に低閾値で発振するので本発明のラマンレーザ用固体として最適である。【０００８】  ＧａＰの場合、ＬＯフォノンの周波数は１２ＴＨｚと、一定の値をもっている。ポンプ光波長１．０６４ｍｍは２８２ＴＨｚに相当する。従ってＬＯフォノンラマン散乱により２７０ＴＨｚのストークス光が発振する。ポンプ光２８２ＴＨｚとストークス光２７０ＴＨｚは共振器内に配置されたＧａＡｓ、ＧａＳｅ、ＣｄＳｅなどの差周波混合用固体を透過するときに周波数混合され、差周波数１２ＴＨｚの電磁波を発生する。ラマンレーザ用ＧａＰ中のＬＯフォノン自体ではＴＨｚ電磁波を発生しないが、混合用結晶によってＴＨｚ電磁波発生が可能となる。本方法は１台のポンプレーザでテラヘルツ波を発生できるので安価である。【０００９】  ＬＯフォノンはＴＯフォノンやポラリトンモードのフォノンより高い周波数を有しているので、波長が短く従って高い解像度を可能にする。ＧａＰ結晶ではＬＯフォノンの周波数は１２ＴＨｚであるから波長は２５μｍであり、回折限界で決まる分解能は１３μｍと計算されるから本発明の目的に合致する。【００１０】  発生するテラヘツ電磁波ビーム径は１ｍｍから数ｍｍであるからこれを数十μｍ以下に絞るためにテーパ状金属導波管やシリコンで作られたテーパ状導波路を利用する。テーパ状金属動波管の出力端を可動ステージ上のカードなどの検体に接近させカードの反対側に近接したテラヘルツ波検知器で透過を検知する。【００１１】  テーパ状金属導波管としてはマイクロ波領域では円形または矩形断面あるいは、矩形断面の一方向にのみテーパを形成したものが知られているが、本発明では、この様な構造で、テラヘルツ波出力断面が１００μｍから３０μｍ程度まで極めて寸法を小さくしたものを用いる。ラマンレーザ内部又は外部に混合用結晶を配置してなるテラヘルツ波発生部から発生する高周波数テラヘルツ電磁波を可動ｘｙステージ上に配置したカードなどの薄い平板上に接近して照射し、カード面の反対側に検知器または検知器用導波路を接近させて検知する。ステージを微小に移動させることにより高い解像度で検体中の金属配線などのテラヘルツイメージを得ることができる。
【実施例１】
【００１２】  図１には本発明のテラヘルツ電磁波照射装置の代表的な構成を示す。テラヘルツ電磁波発生部のラマンレーザはＧａＰ単結晶１によってＬＯフォノンラマン散乱を生じさせる。ミラ２，３はストークス光に対して共振器を構成している。偏光子４を通して導入されたＹＡＧレーザからのポンプ光はＧａＰ結晶をラマン励起する。共振器内部に配置された周波数混合用，ＧａＡｓ，ＣｄＳｅ、あるいはＧａＳｅ結晶５により、ポンプ光とラマン発振したストークス光を差周波混合させ、発生する１２ＴＨｚのテラヘルツ波を集光ミラ６，７を介して、入射部直径１ｍｍの円形断面を有する金属導波管８に入射させる。【００１３】  金属導波管は代表的には長さ２０ｃｍで一様な断面で検体９近くまで導かれ、検体近くのテーパ状部分で細いビームに絞られる。金属導波管はテーパ部は、長さ５０ｍｍ，入射側径１ｍｍ，出口側径５０μｍに絞られる。検知器１１は一個の焦電検知器をサンプルの裏側に配置する。サンプルを乗せたステージ１０をｘ、ｙ方向に移動させつつ検知器１１で透過テラヘルツ強度を測定することによりサンプル内の金属部分のイメージを得ることができる。この場合、照射出口断面部でのテラヘルツ強度は一様ではなく中央ほど強度が大であるので、５０μｍ径の開口部を有していても、１５μｍ程度のピッチでサンプルステージをｘ、ｙ方向に移動させることにより１５μｍの解像度をえることができる。つまり金属配線のエッジが１５μｍより鋭いため金属端に対して開口部が移動したとき径の右端、中央、左端ではそれぞれ異なった透過強度となり少なくとも開口部径の１／３程度の解像度は充分得られるのである。【００１４】  必要な解像度が３０μｍ程度である場合はテーパ導波管の出口側径を１００μｍに広げることができるので導波管内での多重反射損失が減り、テラヘルツ波の透過強度を高めることができる。ＧａＰ以外の固体をラマンレーザ用に用いることができるが、固体の光学フォノンの周波数は最小、５ＴＨｚである。このときテラヘルツ波の空気中波長は６０μｍであるから得らる解像度の限界は３０μｍとなる。
【実施例２】
【００１５】  実施例１ではｘ方向、ｙ方向にそれぞれ１５μｍのピッチでステージを移動させるので平面上をスキャンするにはスポットの数に比例した測定時間を要する。本実施例は実施例１の１／１０以下の測定時間で同じ画像を得ることができる。テラヘルツ波発生部は実施例１と同じであるが、導波管は矩形であり、テーパ部分１２が図５のように長さ５０ｍｍ，入射側１ｍｍ×１ｍｍ，出力側５００μｍ×５０μｍのスリット状に絞られる。検知器１３は５０μｍ×５０μｍの焦電検知器ＤＴＧＳを１０個アレー上に並べたものである。これによってｘ方向に一回のステージの移動によって幅５００μｍの帯状領域のテラヘルツイメージが得られる。【００１６】  順次ｙ方向に５００μｍずつ移動させてこれを繰り返すことにより全面にわたって５０μｍ×５０μｍ以下の解像度でテラヘルツイメージを得ることができる。ステージをｘ方向１５μｍピッチで移動すると、実施例１に述べたとおりｘ方向に１５μｍの解像度が得られる。ｙ方向に１５μｍの解像度を得るには、ＤＴＧＳ検知器が断面５０μｍ×５０μｍ、１０個からなるアレーで構成されているので、一回ｘ方向にステージを掃引する代わりに１５μｍづつｙ方向移動して３回掃引すればｙ方向にも１５μｍ程度の分解能を得ることができる。
【実施例３】
【００１７】  検体カードなどが１２ＴＨｚ近傍の周波数において電磁波を強く吸収する材料で作られている場合は、透過測定は不可能である。この場合は反射法を使う。図３はその例であり、テラヘルツ波発生部は実施例１と同じであるから図示していない。テラヘルツ波導波管１４の一部に反射波用ビームスプリッタ１５としてシリコン薄板を４５度の角度で配置する。検体カード１６の金属部分ではサンプル表面で強く反射した反射テラヘルツ電磁波１７がビームスプリッタ１５によって反射され集光用シリコンレンズ１８によりテラヘルツ波検知器１９に導かれる。テーパ導波管の、入射側、出口側寸法については反射の場合も実施例１と同じ原理で設計すればよい。
【実施例４】
【００１８】  実施例１のように周波数混合用結晶をラマンレーザ共振器の内部に配置する場合は共振器内部に配置する場合は吸収損失１０％以下が望まれる。混合用結晶の差周波発生効率が高いにもかかわらず、近赤外光に対する透過度が充分高くない場合、すなわちＧａＳｅ、ＺｎＧｅＰ２、ＣｄＳｅあるいはＤＡＳＴ（４−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−Ｎ−ｍｅｔｈｙｌ−４−ｓｔｉｌｂａｚｏｌｉｕｍ  ｔｏｓｙｌａｔｅ）などを用いる場合は、共振器内部に入れるとラマン発振のしきい値を高める場合がある。【００１９】  したがって、図４のように差周波数混合用結晶２２はラマンレーザ共振器の外部に配置し、ラマンレーザの共振器出力光２０を周波数混合用結晶これに導入する。一方、ポンプ光の光は一部ビームスプリッタで分割されてポンプ光２１となり混合用結晶２２に導入される。ラマンレーザ共振器内部に比べて、共振器外部に取り出されるストークス光の強度は低いが、混合用結晶の差周波発生効率が高いので高強度のテラヘルツ波出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】  実施例１の構成を示す図である。
【図２】  実施例２における金属導波管のテーパ部と検知器を示す図である。
【図３】  実施例３における金属導波管のテーパ部と検知器を示す図である。
【図４】  実施例４の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２１】      １…ＧａＰ結晶
２，３…共振器ミラー
４…偏光ビームスプリッタ
５…周波数混合用結晶
６，７…テラヘルツ電磁波集光ミラ
８…金属導波管
９…検体
１０…ステージ
１１…検知器
８…金属導波管テーパ部
９…アレー状検知器
１４…金属導波管
１５…反射波用ビームスプリッタ
１６…検体
１７…反射テラヘルツビーム
１８…シリコンレンズ
１９…検知器
２０…ラマンレーザ出力光
２１…分割されたポンプ光
２２…差周波混合用結晶
２３…テラヘルツ電磁波
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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