(57)【要約】本発明は、改善されたテラヘルツ放射線源およびその提供方法に関する。テラヘルツ放射線源は、半導体材料（12）を有するエミッタ（202）；前記半導体の面に隣接する1組の電極（204a、b）であって、前記電極間の隙間を定める1組の電極；前記半導体に光を照射して、前記半導体内の光キャリアを励起させ、テラヘルツ放射線を発生させるパルス光源入力；および、前記テラヘルツ放射線を収集する放射線捕集器（212）；を備え、前記放射線捕集器は、前記半導体の前記電極と同じ側に設置される。テラヘルツ放射線を提供する関連方法についても示した。
2006526887.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
2つの側を有する半導体材料を有するエミッタと、
前記半導体の片側の1組の電極と、
光を前記半導体に照射して、前記半導体内の光キャリアを励起させ、テラヘルツ放射線を発生させる、パルス光源入力と、
前記テラヘルツ放射線を収集する放射線捕集器と、
を備えるテラヘルツ放射線源であって、
前記放射線捕集器は、前記半導体の前記電極と同じ側に設置されることを特徴とするテラヘルツ放射線源。
【請求項２】
対向する第1および第2の面を有する半導体と、
前記半導体の前記面の一方に隣接する1組の電極と、
光を前記半導体に照射して、前記半導体内の光キャリアを励起させ、テラヘルツ放射線を発生させる、パルス光源入力と、
前記テラヘルツ放射線を収集する放射線捕集器と、
を備えるテラヘルツ放射線源であって、
前記放射線捕集器は、前記半導体の前記面の前記一方からの前記テラヘルツ放射線を収集するように配置され、前記収集された放射線は、前記面の他方には透過しないことを特徴とするテラヘルツ放射線源。
【請求項３】
前記放射線捕集器は、ミラーを有することを特徴とする請求項1または2に記載のテラヘルツ放射線源。
【請求項４】
前記放射線捕集器は、レンズを有することを特徴とする請求項1または2に記載のテラヘルツ放射線源。
【請求項５】
前記放射線捕集器は、光が前記放射線捕集器を通って、前記半導体を照射するための開口を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載のテラヘルツ放射線源。
【請求項６】
さらに、前記半導体と前記放射線捕集器の間に設置され、光を前記半導体に照射する対角ミラーを備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載のテラヘルツ放射線源。
【請求項７】
さらに、前記半導体材料の前記電極とは反対の側に設置され、前記エミッタと熱的に接触する冷却装置を備えることを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載のテラヘルツ放射線源。
【請求項８】
前記1組の電極は、前記電極間の隙間を定め、前記冷却装置は、前記隙間の反対側に設置されることを特徴とする請求項7に記載のテラヘルツ放射線源。
【請求項９】
さらに、前記パルス光源入力に光を提供するパルスレーザーを備えることを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載のテラヘルツ放射線源。
【請求項１０】
半導体を支持するハウジングであって、前記半導体は、該半導体の1表面に隣接する1組の電極を支持する、ハウジングと、
パルスレーザーを前記半導体に誘導する手段であって、これによりテラヘルツ放射線が発生する手段と、
当該放射線源から、前記テラヘルツ放射線を提供する手段と、
を備えるテラヘルツ放射線源であって、
前記提供する手段は、前記電極を支持する半導体の表面に面するように設置されることを特徴とするテラヘルツ放射線源。
【請求項１１】
前記テラヘルツ放射線を提供する手段は、前記ハウジング内に開口を有することを特徴とする請求項10に記載のテラヘルツ放射線源。
【請求項１２】
前記テラヘルツ放射線を提供する手段は、テラヘルツ放射線を集束させる装置を有することを特徴とする請求項10または11に記載のテラヘルツ放射線源。
【請求項１３】
前記パルスレーザーを前記半導体に誘導する前記手段は、前記集束させる装置に開口を有することを特徴とする請求項12に記載のテラヘルツ放射線源。
【請求項１４】
前記パルスレーザーを前記半導体に誘導する前記手段は、前記ハウジングに開口を有することを特徴とする請求項10乃至13のいずれか一つに記載のテラヘルツ放射線源。
【請求項１５】
さらに、前記半導体を冷却する熱伝達装置を有し、該熱伝達装置は、前記電極を支持する半導体の表面とは反対の表面に設置されることを特徴とする請求項10乃至14のいずれか一つに記載のテラヘルツ放射線源。
【請求項１６】
0.1THzから100THzの周波数範囲の一部に属するテラヘルツ放射線を提供し、より好ましくは、0.1THzから30THzの周波数範囲の一部に属するテラヘルツ放射線を提供することを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載のテラヘルツ放射線源。
【請求項１７】
第1および第2の電極を有する半導体であって、前記第1および第2の電極は、前記半導体の第1の面に隣接して前記半導体に電場を印加し、前記第1および第2の電極間の隙間を定める、半導体と、
実質的に前記第1の面とは反対側の、前記半導体の第2の面に隣接して設置された熱伝達装置と、
を備えるテラヘルツエミッタであって、
前記熱伝達装置の少なくとも一部は、実質的に前記隙間の反対面に設置されることを特徴とするテラヘルツエミッタ。
【請求項１８】
前記熱伝達装置は、アクティブ冷却装置を備えることを特徴とする請求項17に記載のテラヘルツエミッタ。
【請求項１９】
前記熱伝達装置は、ペルティエ効果式冷却装置を備えることを特徴とする請求項18に記載のテラヘルツエミッタ。
【請求項２０】
前記半導体は、化合物半導体を有することを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載のテラヘルツ放射線源またはエミッタ。
【請求項２１】
前記半導体は、ガリウム砒素を有することを特徴とする請求項20に記載のテラヘルツ放射線源またはエミッタ。
【請求項２２】
光伝導性テラヘルツ放射線源からテラヘルツ放射線を提供する方法であって、
前記放射線源は、半導体を有し、該半導体は、該半導体の励起表面に隣接する電極を有し、当該方法は、
前記電極に電場を印加するステップと、
パルスレーザービームを前記励起表面に誘導するステップと、
前記励起表面から放射されたテラヘルツ放射線を用いて、前記テラヘルツ放射線を提供するステップと、
を有する方法。
【請求項２３】
光伝導性テラヘルツ放射線源からテラヘルツ放射線を提供する方法であって、
前記放射線源は、半導体を有し、該半導体は、該半導体の表面に隣接する電極を有し、当該方法は、
前記電極に電場を印加するステップと、
パルスレーザービームを前記半導体表面に誘導するステップと、
を有し、
前記レーザービームの進行方向成分のうち、前記半導体表面に対して垂直な成分が、前方方向を定め、
当該方法は、前記前方方向とは実質的に反対の、反転方向に前記テラヘルツ放射線を収集するステップを有することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改善されたテラヘルツ放射源およびそれに関する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁スペクトルのテラヘルツ（THz）領域は、中赤外とミリメートル／マイクロ波の間のスペクトル周波数領域に属する。この規定では、テラヘルツ放射線は、0.1THzから100THzの周波数領域に属することになる。
【０００３】
テラヘルツ放射線については、多くの潜在的な需要が見込まれる。例えば、時間領域分光技術および結像技術である（例えば、M.  C.  NussおよびJ.  Orensteinの、固体のミリメートルおよびサブミリメートル波分光法、G  Gruner編（ベルリン、スプリンガー、1998年）、また本願の参照文献である、M.  C.  Beard、G.  M.  TurnerおよびC.  A.  Schmuttenmaer、J.  Phys.  Chem.  B106、p7146（2002年）、X.  -C.  Zhang、Phys.  Med.  Biol、47巻、p3667（2002年）参照）。しかしながら、テラヘルツのスペクトル領域、特にテラヘルツ領域の高周波数位置に属する放射線を発生させることは容易ではない。
【０００４】
テラヘルツ放射線を発生させるいくつかの既知の技術の一つに、磁場を加える、あるいは加えない、表面場発生がある（例えば、X.  -C.  ZhangおよびD.  H.  Auston、J.  Appl.  Phys、71巻、p326（1992年）、T.  Dekorsy、H.  Auer、H.  J.  Bakker、H.  G.  RoskosおよびH.  Kurz、Phys.  Rev、B53、p4005（1996年）、S.  Kono、P.  Gu、M.  TaniおよびK.  Sakai、Appl.  Phys、B71、p901（2000年）、A.  G.  Davies、E.  H.  LinfieldおよびM.  B.  Johnston、Phy.  Med.  Biol、47巻、p3679（2002年）、光学検波または差分周波数ミキシング等の電気−光系技術（例えば、X.  F.  MaおよびX.  -C.  Zhang、J.  Opt.  Soc.  Am、B10、p1175（1993年）、P.  N.  Seeta、B.  I.  GreeneおよびS.  L.  Chuang、Apll.  Phys.  Lett、63巻、p3482（1993年）；M.  Joffre、A.  Bonvalet、A.  MigusおよびJ.  -L  Martin、Opt.  Lett、21巻、p964（1996年）；Q.  WuおよびX.  -C  Zhang、Appl.  Phys.  Lett、71（1997年）；米国特許出願第2001／0038074号明細書；米国特許第4,972,069号明細書参照）参照）。
【０００５】
テラヘルツ放射線を発生させる非線形光技術は、興味深いテーマである。この技術には、37THzまでの比較的高周波数のテラヘルツパワーを発生させることができる可能性があるからである。しかしながら、これらの装置は、低繰返し率で極めて小さなエネルギーしか得ることができない。例えば、機械的なチョッパを用いた場合、1KHzオーダーのエネルギーしか得ることができない。同様に、60THz程度の周波数成分は、GaAs  p−i−nダイオードによっても形成することができる（A.  Leitenstorfer、S.  Hunsche、J.  Shah、M.  C.  NussおよびW.  H.  Knox、Phys.  Rev.  Lett、82巻、p5140（1990年）；Phys.  Rev.  B、61巻、16642（2000年））が、これらは複雑で製作が難しく、パワー出力が極めて小さい。これに対して、光伝導性エミッタは、高出力で効率的であり、より大きな繰返し率で作動するように構成することができる。この特性は、データ収集時間を短縮化できるため、分光用または結像用等の用途においては重要である。しかしながら、これらの光伝導性テラヘルツエミッタには、通常の周波数上限が約5THzであり、比較的低いという問題がある。
【０００６】
光伝導性テラヘルツエミッタのいくつかの例は、D.  H.  Auston、K.  P.  CheungおよびP.  R.  Smith、Apll.  Phys.  Lett、45巻、p284（1984年）、D.  R.  Grischkowsky、IEEE  J.  Sel.  量子電子トピックス、6巻、p1122（2000年）；J.  F.  Holzman、F.  E.  VermeulenおよびA.  Y.  Elezzabi、Appl.  Phys.  Lett、76巻、p134（2000年）；IEEE  J.  量子電子、36巻、p130（2000年）；D.  Krokel、D.  GrischkowskyおよびM.  B.  Ketchen、Appl.  Phys.  Lett、54巻、p1046（1989年）に示されている。
【０００７】
大まかには、現在公知となっているもののうち最適な光伝導性エミッタは、ベル研究所で考案されたものであり、これは例えば、欧州特許出願第EP-A-0  828  143号明細書（ルーセントテクノロジー社）に記載されている。従って当業者には、本発明を装置構成に利用することが容易に想到できる（例えば、国際出願WO01／38929号）。図1aには、そのような装置の主な特徴部を示す。
【０００８】
図1aの装置10は、電極組14a、bを支持する半導体12を有し、この半導体は、必要に応じて、基板に取り付けられる。パルスレーザー線16は、電極間の隙間18に照射され、以下に詳細を示すように、テラヘルツの放射線が発生する。この放射線は、半導体材料12内を通って進行し、シリコンレンズ20によって集光、平行化され、平行なテラヘルツ放射線出力ビーム22が得られる。半導体12は、テラヘルツ放射線が放射される前表面12aと、パルスレーザーが照射される後表面12bと、を有する。シリコンレンズ20は、実用上、前表面12aに隣接して設置され（半導体の別の側に設置した場合、レーザービームを妨害するため）、半導体からシリコンレンズへのテラヘルツ放射線の結合を補助し、特に基板／レンズ界面での反射を抑制する。
【０００９】
図1bには、図1aの装置の詳細を示すが、この図には、装置の動作が示されている。電圧が電極14a、bに印加されると、図に示すように、半導体12に電場Eが生じる。パルスレーザー16が半導体表面にスポット17として焦点化されると、半導体表面12bと隣接する領域19に光キャリアが生じ、その後テラヘルツ放射線21は、面12aの方向に進行し、レンズ（図1bには示されていない）によって集光される。必要であれば、半導体12は、面12aとレンズ（図1bには示されていない）の間に置かれた基板に設置しても良い。
【００１０】
放射されるテラヘルツ放射線の周波数は、レーザービーム16のパルス幅（または少なくともエッジ上昇時間）に依存するため、サブピコ秒のパルス幅を提供することの可能なレーザーを用いることが好ましく、これにより1THz以上の放射線周波数が得られる。レーザー波長は、半導体材料12でのキャリアの光励起に適するように選定され、例えば、Ti：サファイヤレーザーまたはエルビウムドープ繊維レーザーとしても良い。半導体材料は、例えば、ガリウム砒素またはその変異形であって、LT−GaAs（低温成長ガリウム砒素）もしくはSI−GaAs（半絶縁性GaAs）、または放射線損傷シリコンオンサファイヤ（RD−SOS）、またはインジウムガリウム砒素もしくはInGaAs／InAlAs量子井戸（前述の本願の参照文献EP‘143号参照）であっても良い。電極材料の詳細および寸法は、以降に示す。さらに電極の例は、本願の参照文献として取り入れられている、前述のEP‘143号に示されている。
【００１１】
作動時にレーザーパルス16は、電子−ホール対を発生し、これらの光励起キャリアは、バイアス電場Eによって加速される。従って装置を流れる電流は、光パルス印加後に急激に増大し、その後半導体のキャリア寿命によって定まる時定数で減衰する。ホールと電子の物理的分離によって、バイアス電場とは反対方向の巨視的な空間電場が形成され、これにより外部印加バイアス電場が打ち消される。マクスウェルの式により、急速な過渡的電場の変化によって、置換電流パルスが生じ、これによりテラヘルツスペクトル領域のパルス電磁放射線が形成される。シミュレーションでは、理論上サブ100フェムト秒（fs）の電気パルスが得られるが、実際にはガリウム砒素エミッタを使用した場合に、最も短い350fsのテラヘルツ放射線パルスが得られる。
【特許文献１】欧州特許出願第EP-A-0  828  143号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、テラヘルツ放射線源およびその方法の改良への要望がある。本発明者は、従来から用いられている従来型光伝導性テラヘルツエミッタ構造を反転させることで、（概略的に）有意な効果が得られることに着眼したものである。
【００１３】
本発明は、テラヘルツ放射線源およびその提供方法を改良することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第1の態様では、2つの側を有する半導体材料を有するエミッタと、前記半導体の片側の1組の電極と、光を前記半導体に照射して、前記半導体内の光キャリアを励起させ、テラヘルツ放射線を発生させる、パルス光源入力と、前記テラヘルツ放射線を収集する放射線捕集器と、を備えるテラヘルツ放射線源であって、前記放射線捕集器は、前記半導体の前記電極と同じ側に設置されることを特徴とするテラヘルツ放射線源が提供される。
【００１５】
また本発明の関連する態様では、対向する第1および第2の面を有する半導体と、前記半導体の前記面の一方に隣接する1組の電極と、光を前記半導体に照射して、前記半導体内の光キャリアを励起させ、テラヘルツ放射線を発生させる、パルス光源入力と、前記テラヘルツ放射線を収集する放射線捕集器と、を備えるテラヘルツ放射線源であって、前記放射線捕集器は、前記半導体の前記面の前記一方からの前記テラヘルツ放射線を収集するように配置され、前記収集された放射線は、前記面の他方には透過しないことを特徴とするテラヘルツ放射線源が提供される。
【００１６】
大まかには、前方方向に放射されるテラヘルツ放射線を収集する方式の代わりに、後方収集方式が採用される。従って、ある実施例では、電極を支持するエミッタ表面から放射される放射線が収集され、これにより、半導体材料内での散乱および吸収の影響が抑制される。以降に詳細を示すように、ある実施例では、これは、従来の光伝導方式のエミッタに比べて、有意に高い周波数成分を含むテラヘルツ放射線の発生を容易にする。
【００１７】
エミッタは、III-V族半導体の厚板またはウェハを有することが好ましく、必要に応じて基板に支持される。エミッタは、電極非支持表面からの冷却が容易となるように、比較的薄くすることが好ましい。ただし、テラヘルツ放射線は、「後方」方向に収集されるため、半導体および／または基板の正確な厚さもしくは配置は、重要ではないことに留意する必要がある。電極は、従来の公知の加工法により、半導体表面に形成され、あるいは表面内に埋設される。
【００１８】
パルス光源は、少なくとも、好ましくは1ピコ秒未満であって、より好ましくは0.1ピコ秒未満の、急激な上昇エッジを持つパルスレーザーを有することが好ましい。レーザーは、電極間の隙間を照射するように配置されることが好ましく(ただし、透明または極めて薄い電極を用いても良い)、レーザー光は、電極間の隙間内に、非対称に設置されたスポットに集束されることが好ましい。
【００１９】
放射線捕集器は、シリコンレンズ等のレンズで構成されても良く、あるいは放物面ミラーで構成されても良い。金属は、テラヘルツ放射線を反射するため、金属ミラーを用いても良い。ある実施例では、例えばミラーのような放射線捕集器には、開口が設けられ、レーザービームは、この開口を通り半導体に照射される。別の実施例では、半導体と放射線捕集器の間には、レーザーからの光を半導体に誘導する小型対角ミラーが設置されても良い。さらに別の実施例では、ある傾斜角を有するレーザーが照射される。
【００２０】
ある実施例では、テラヘルツ放射線は、「後方」方向に収集され、エミッタの「前」面には、冷却装置が設置される。この冷却装置は、放熱板もしくは放熱管のようなパッシブ冷却装置であっても良く、あるいは循環冷媒を用いた装置もしくはペルティエ効果式装置のようなアクティブ装置であっても良い。
【００２１】
また、本発明のさらに別の態様では、第1および第2の電極を有する半導体であって、前記第1および第2の電極は、前記半導体の第1の面に隣接して前記半導体に電場を印加し、前記第1および第2の電極間の隙間を定める、半導体と、実質的に前記第1の面とは反対側の、前記半導体の第2の面に隣接して設置された熱伝達装置と、を備えるテラヘルツエミッタであって、前記熱伝達装置の少なくとも一部は、実質的に前記隙間の反対面に設置されることを特徴とするテラヘルツエミッタが提供される。
【００２２】
本発明ではさらに、半導体を支持するハウジングであって、前記半導体は、該半導体の1表面に隣接する1組の電極を支持する、ハウジングと、パルスレーザーを前記半導体に誘導する手段であって、これによりテラヘルツ放射線が発生する手段と、当該放射線源から、前記テラヘルツ放射線を提供する手段と、を備えるテラヘルツ放射線源であって、前記提供する手段は、前記電極を支持する半導体の表面に面するように設置されることを特徴とするテラヘルツ放射線源が提供される。
【００２３】
ある実施例では、ハウジングに開口を有するテラヘルツ放射線が提供され、必要に応じて、この開口は、半導体の照射に用いられる。これに加えてまたはこれとは別に、パルスレーザービームを半導体に誘導する、光ファイバー等のいくつかの他の手段が用いられても良い。
【００２４】
また本発明の関連する態様では、光伝導性テラヘルツ放射線源からテラヘルツ放射線を提供する方法であって、前記放射線源は、半導体を有し、該半導体は、該半導体の励起表面に隣接する電極を有し、当該方法は、前記電極に電場を印加するステップと、パルスレーザービームを前記励起表面に誘導するステップと、前記励起表面から放射されたテラヘルツ放射線を用いて、前記テラヘルツ放射線を提供するステップと、を有する方法が提供される。
【００２５】
さらに本発明では、光伝導性テラヘルツ放射線源からテラヘルツ放射線を提供する方法であって、前記放射線源は、半導体を有し、該半導体は、該半導体の表面に隣接する電極を有し、当該方法は、前記電極に電場を印加するステップと、パルスレーザービームを前記半導体表面に誘導するステップと、を有し、前記レーザービームの進行方向成分のうち、前記半導体表面に対して垂直な成分が、前方方向を定め、当該方法は、前記前方方向とは実質的に反対の、反転方向に前記テラヘルツ放射線を収集するステップを有することを特徴とする方法が提供される。
【００２６】
テラヘルツ放射線は、0.1THzから100THzの周波数範囲の一部に属する放射線であって、より好ましくは、0.1THzから30THzの周波数範囲の一部に属する放射線である。一般には光励起によって、周波数バンド全域にわたるテラヘルツ放射線が生じ、以降に示すように、このバンドは、ある程度まではレーザー光源のパルス幅に依存して変化する。さらに本願の「光」という言葉は、可視光に限定されるものではなく、赤外およびx線までの紫外線（近年ｘ線領域において、1×10-18秒のパルスが実現されている）を含み、「照射」という言葉は、これに従って解釈されることは、当業者には明らかである。
【００２７】
当業者には、本発明の前述の態様および実施例の特徴を組み合わせて、本発明の別の態様が得られることは明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の前述のおよび他の態様を、一例として示されるに過ぎない添付図面を参照して以下に示す。
【００２９】
図2aおよび2bに示すように、光伝導体エミッタ202は、低温成長（LT）ガリウム砒素（GaAs）基板を有し、ある実施例では、この厚さは0.53mmである。ある実施例では、LT−GaAsウェハは、英国ケンブリッジ大学（A2696）のカベンディッシュ（Cavendish）研究所で成長形成され、時間分解反射率測定によってキャリア寿命は0.4ピコ秒と推算されている。2つのNiCr／Au電極204a、204bは、真空蒸着法を用いて、この基板上に形成される。ポンプレーザービーム208は、GaAsエミッタ202の電極側に照射され、放射されたテラヘルツ放射線210は、放物面ミラー212によって「後方」に集光される。好適実施例では、放物面ミラーは、金コーティングミラーであり、ある実験配置では、径が約5cmである。テラヘルツ放射領域19は、実質的に放物面ミラー212（あるいは等価レンズ）の焦点に設置されることが好ましい。ミラー212には、例えば径が1乃至2mmの小さな孔214が開いており、ポンプビーム208は、その孔を通ってエミッタ202に照射される（図2c参照）。孔214は十分に小さく、テラヘルツ放射線を集光するミラー212の効率には、ほとんど影響を及ぼさない。
【００３０】
ミラー212は、実質的に平行となったテラヘルツ放射線ビームを、第2の放物面ミラー215に提供し、第2の放物面ミラー215は、この放射線を、実験的配置例として示されている試料216に焦点化する。ただし、当業者には、テラヘルツ放射線の平行ビームが、結像技術および分光技術等の多くの方法に用いられることは明らかである。
【００３１】
試料216を通過した放射線は、第3の放物面ミラー217によって集光され、第4の放物面ミラー218によってテラヘルツ放射線検出器に誘導される。各種の好適な検出器が、従来から知られている；例えば、前述のEP  0  823  143Aには、いくつかの例が示されている。図の配置では、リン化ガリウム（GaP）検出器220が用いられ、これは1／4波長板222、およびウォラストンプリズム224と協働して用いられる。このプリズムは、1組の光ダイオード226a、bに差分信号を提供する。次にこれらは、差分出力を、例えばロックインアンプに提供し、エミッタ202の駆動電圧が固定される。
【００３２】
図2aおよび2bから明らかなように、テラヘルツ放射線は、従来の配置とは異なり「後方」に集光される。これにより多くの利点が得られ、例えばGaAs基板での散乱および吸収が抑制される。光結合／位置合わせのため、従来の形状に比べて、パワー出力が僅かに低下する可能性がある。しかしながら、後述する実験結果からわかるように、これパワー出力損失は、高テラヘルツ周波数でのパワー出力の増大分によって十分に補償することができる。
【００３３】
GaAsエミッタの非対称励起のため、ポンプレーザービーム208が用いられることが好ましい。これは、図2bの電極204a、b間のポンプレーザービームの照射スポット206が、非対称位置にあることから明らかである。そのような非対称励起は、見かけ上エミッタ202の固有バンド幅に影響を及ぼさないように見えるが、この非対称励起は、（テラヘルツ）出力パワーを増大させ、発生テラヘルツ信号の使用可能バンド幅を間接的に広げる。
【００３４】
図2cには、図2aおよび2bのテラヘルツ放射線源を詳しく示す。ただし、この図および以降の図では、明確化のため非対称励起は示されていない（ただし非対称励起の方が好ましい）。
【００３５】
図2cにおいて、図1bと同様の部品には、同じ参照符号が付されている。ただし、明確化のため、ポンプレーザービームは、この配置では、符号208で示されており、照射スポットは206、電極は204a、bで示されている。図2cでは、ポンプレーザービーム208は、ミラー212の孔214を通ってエミッタ202に到達する。
【００３６】
基板半導体材料は、ポンプレーザーと協働して、キャリアの光励起に好適なバンドギャップが得られるように選定される；通常は、バンドギャップの狭いものが好ましい。また、半導体は、比較的大きな光キャリア移動度および比較的大きな抵抗率を有することが好ましい（すなわち、未ドープであることが好ましい）。例えば、放射線損傷シリコンオンサファイヤ（RD−SoS）またはGaAsもしくはGaP等のIII-V半導体が使用される。特定のテラヘルツ周波数に関心がある場合は、さらに半導体材料を、この周波数またはこの周波数近傍においてフォノン吸収が生じないように選定しても良い。
【００３７】
レーザー波長は、キャリアの光励起が生じるように選定され、特に数十μm径のスポットに、数百mWのパワーが集束されることが好ましい。ある実施例では、ピーク間電圧が200Vの駆動電圧が用いられ、数mAの電流が得られ、すなわちエミッタにおいて数Wの損失が生じる。この駆動周波数には、臨界値はないが、高周波数では、ロックインアンプを用いることで、より多くのデータを同時に効率的に収集することができ、より良い信号対ノイズ比が得られる。100KHzオーダーの周波数が適しているが、他の配置では直流駆動電圧が用いられても良い。電極間隙間は、0.5mmのオーダーであって、例えば0.1mmから1mm（または未満）の範囲にある；一例として、0.2mm乃至0.4mmの電極間隙間が用いられることが好ましい。基板厚さは、特に定める必要はなく、実用上の都合により選定される；一例として、約0.5mmの厚さのGaAsウェハが用いられる。エミッタの昇温を抑制するため、より厚い基板を用いても良い。
【００３８】
図2dには、第1の代替実施例を示す。この例では、ポンプレーザービーム208は、ミラー212の開口を介してではなく、傾斜角を有する状態でエミッタ202に照射される。図2eには、さらに別の代替実施例を示す。この例では、例えば1乃至2mmの金属膜の、小さな対角ミラー209を用いて、ポンプレーザーがエミッタ202に誘導される。通常の場合、図2dの非軸配置よりも、図2cおよび2eのような同軸ポンプレーザー配置が好ましく、この場合、位置合わせがより簡単になる。
【００３９】
図2dおよび2eの実施例において、放物面ミラー212は、例えば1THz以下の場合は、石英シリカレンズ、また1THz以上の場合は、シリコンレンズに置換されても良い。ある高分子、例えばポリエチレンまたはポリ−4−メチルペンテン−1を、レンズ材料に用いても良い。ただし、ミラーには、レンズよりも優れるいくつかの利点があり、広いテラヘルツ周波数領域、特に高テラヘルツ周波数の領域では、ミラーの使用により、高反射率および色収差のない作動が可能となる。
【００４０】
図2fには、さらに別の実施例を示す。この場合、ミラー212に孔は設けられておらず、半導体12へのポンプレーザーの伝送には、光ファイバ207が使用される。
【００４１】
図2gには、図2a乃至2cに示したものと同様の、テラヘルツ放射線源の実施例を示す。ただしこの例では、放射線源は、ハウジング230内に収容されている。ハウジングには、開口232が設置され、この開口を介して、ポンプレーザービーム208の侵入およびテラヘルツ放射線210の放射が可能である。電極204a、204bには、それぞれ絶縁された接続部234a、234bが提供される。ハウジング230は、例えば金属で製作され、必要に応じて、放物面ミラー212、あるいは別の実施例ではテラヘルツレンズ、を収容しても良い。（例えばレンズ材料を用いて）ポンプレーザービーム用の窓、および必要であれば、テラヘルツ放射線用の別の窓を設けても良く、その周囲はシールされる。
【００４２】
図3aおよび3bには、エミッタ202の電極配置の別の実施例を示す。これらは、前述の図2bの実施例の配置と置換することができる。図3cには、電極に印加される駆動電圧の一例を示す。本例では、この波形は、約0Vに対して対称の100KHzの矩形波である。駆動波形は、対称であることが好ましいが、非対称電圧および直流電圧を用いても良い。
【００４３】
前述のように、作動時には、テラヘルツ源は、電力の最大数Wを消費する。これは、半導体材料12に、局部的に極めて大きな温度上昇を生じさせ、電子の移動度が低下する結果となる。より実際的な状況では、局部昇温によってエミッタが歪み、半導体表面に設置された電極204に損傷が生じる。従って、半導体は冷却することが好ましく、図4aおよび4bには、いくつかの冷却配置の例を示す。
【００４４】
図4aでは、水240がダクト242（図4aには概略的に示す）から供給され、この水は、半導体12と熱的に接する。テラヘルツ放射線源を冷却することによって、テラヘルツパワーを増大させることができることは知られている（G.  Zhao、R.  N.  Schouten、N.  van  der  Valk、W.  Th.  WenckebachおよびP.  C.  M.  Planken、Rev.  Sci.  Instrum、73巻、p1715（2002年）；Phys.  Med.  Biol、47巻、p3699（2002年）参照）。しかし、図1aおよび1bに示す従来の構造では、テラヘルツ放射線の放射の妨害にならないようにする必要があるため、そのような冷却の効果には限界があった。従って、冷却の効果は限定的なものであった。なお当業者には、前述の本発明の実施例の記載から、半導体の面12aと、放熱板またはダクト242等の熱伝導体との間に、良好な熱接触が得られることは明らかである。ダクト242または他の熱伝達機構が、エミッタの電極204a、b間の隙間の後面12aを覆うように広がることが特に好ましい。
【００４５】
図4bには、テラヘルツ放射線源の第2の例を示す。この例では、半導体12は、基板203に設置され、この基板は、テラヘルツエミッタを冷却するように電気的に駆動される、ペルティエ効果式冷却装置244と熱的に接触する。ペルティエ効果式装置は、テラヘルツエミッタの全体に広がり、特に、エミッタの電極とは反対側に、電極間の隙間全体を覆うように広がることが好ましい。当業者には、例えば図2gのハウジング230を用いて、フィンまたは放熱板のようなパッシブ冷却等の、多くの他の種類の同様の冷却構造が利用できることは明らかである。
【００４６】
図2a乃至2cと同様の配置を用いて実施された、いくつかの実験について以下説明する。
【００４７】
ある実験では、図2aに示す配置において、31KHzに変調された200Vp-pのバイアス電圧が、エミッタ202に印加された。Ti：サファイヤからの平均パワー250mWのレーザー（時間14fs、中心波長800nm、繰返し率76MHz）を、GaAsエミッタ202の2つのNiCr／Au電極204a、bの一方の端部に、焦点化した。焦点化レーザービームのスポット径は、40μmであり、最大自由キャリア濃度は、約3×1018cm-3であった（量子効率50％で、平均吸収深さ1μmと仮定）。パワーを増大するため、レーザー励起スポット径を大きくしても良い（G.  Zhao、R.  N.  Schouten、N.  van  der  Valk、W.  Th.  WenckebachおよびP.  C.  M.  Planken、Rev.  Sci.  Instrum、73巻、p1715（2002年）；Phys.  Med.  Biol、47巻、p3699、（2002年）参照）。
【００４８】
電場内のキャリアの超高速加速および減速によって、自由空間にTHz電磁放射線信号が生じる。THz放射線は、非軸放物面ミラー212を用いて、後方（ポンプレーザービームが反射する方向）に集光される。後方集光方式では、GaAs基板におけるTHzパルスの吸収および散乱を最小限に抑制できる。
【００４９】
THzパルスは、4つの非軸放物面ミラー212、215、217、218での反射後、最終的に、0.2mm厚さのGaP結晶（英国、オックスフォードのフォトックス（Photox）光システムから入手）220に集束され、ここで、同じレーザー源からの、同期化、時間遅延水平偏向プローブビームと重なり合う。THzの一時的電場は、GaP結晶に複屈折を生じさせ、プローブビームの偏向が変化する。プローブビームは、検出の後、1／4波長板222とウォラストンプリズム224を通過する。ウォラストンプリズム224は、プローブビームの2つの直交偏向成分を分離し、その成分の強度が、1組のバランス化光ダイオード226a、bで測定される。電気−光信号（ΔI）は、2つの光ダイオードからの全光電流（I）に対して規格化され、強度差ΔI／Iは、電気−光結晶内に存在するTHz電場に比例する（Q.  WuおよびX.  -C.  Zhang、Appl.  Phys.  Lett、67巻、p3523（1995年）参照）。
【００５０】
図2aの配置では、THz放射線に関する一時的（時間領域）情報は、キャリアの励起時間と電場の探知時間の差を変化させることによって、例えばある実験では、可変式光遅延ステージ（図示されていない）を用いて、0.1μmの精度で得ることができる。図2aの機器は、真空気密ボックスに収容されることが好ましく、このボックスは、乾燥窒素ガスでパージされて、水蒸気吸着の影響が抑制される。この実験では、室温で実施された。
【００５１】
図5aには、遅延時間の関数として、0.2mm厚さのGaP結晶を用いて測定された、LT−GaAsエミッタから後方集光されたTHz放射線信号を示す。時定数20msのロックインアンプを用いることにより、信号対ノイズ比は、容易に1000を越える。当業者には、図5aのテラヘルツパルスが狭小幅（140fsおよび150fs）であることは明らかである。
【００５２】
図5bには、従来の前方集光方式を用いた、同条件下での同じエミッタからのTHz信号を示す。図5bに示すように、THz過渡応答の形状は、GaAs基板での散乱または吸収のため歪んでいる。また、GaAs基板内でのテラヘルツ放射線の散乱または吸収のため、共鳴が認められる。さらに、主テラヘルツピークから約10ピコ秒後に、空気／GaAs界面でのテラヘルツ放射線の多重反射による、第2のテラヘルツピークが観測されている。厚さｄの厚板の場合、パルス間隔は、約2d／cである。ここでcは、基板中の放射線速度である。図2の実施例では、比較的厚い基板を用いることができるため、従来の前方集光配置に見られるような減衰および歪みを増大させずに、この共鳴を抑制することが可能である。図5cには、対数軸での、図2aおよび2bの過渡応答のスペクトル強度を示す。曲線500は、図5aに対応し、曲線502は、図5bに対応する。図から、曲線502は、約6THz以上でノイズが顕著となるのに対して、本発明の実施例の曲線500では、少なくとも10THzまでテラヘルツ放射線が得られる（GaAsへのフォノン吸収のため、約8THzで低下が生じる）。
【００５３】
図5cに示すように、スペクトル500は、約2THzでピークを示し、8THzまで連続的に分布する。その後、約9THzの周波数まで数回の振幅を繰り返す。特に8.7THzでは、この周波数範囲においては、GaP検出器の感度が低いにも関わらず、スペクトルは、明確なピークを示している。これに対してスペクトル502では、高周波成分は、GaAs基板で減衰されている。このように「後方」集光方式は、GaAs基板でのTHzの散乱および吸収の影響を抑制する。
【００５４】
GaAsのTO（水平光）フォノンでのスペクトル低下（8THz）およびGaAsのLO（垂直光）フォノンでの放射線増加（8.7THz）は、TOとLOのフォノン周波数近傍での、それぞれ小さなおよび大きな複素誘電率の絶対値によって、放射線の空気との結合効率が、それぞれ増大および低下することで説明できる（M.  Tani、R.  Fukasawa、H.  Abe、K.  SakaiおよびS.  Nakashima、J.  Appl.  Phys、83巻、ｐ2473（1988年）参照）。また、GaP結晶の第1のTOフォノンは、11THzまで出現しないが、GaP検出器の周波数応答は、格子共振によるGaP結晶の電気−光係数γ4Iの強散乱のため、約8THzで最小となる。またこれは、テラヘルツスペクトル500で観測された、8THzでのスペクトル低下にも寄与する。
【００５５】
0.2mm厚さのGaPセンサの振幅と位相応答は、反射と吸収の損失、光回折格子パルスとTHz位相の間の速度のミスマッチ、および電気−光係数のばらつきを考慮して算出しても良い（例えば、A.  Leitenstorfer、S.  Hunsche、J.  Shah、M.  C.  NussおよびW.  H.  Knox、Appl.  Phys.  Lett、74巻、p1516（1999年）参照）。そのような計算では、本願で使用されるGaP検出器は、8THz以上の周波数では感度に限界がある。従って、GaAsエミッタの高周波数特性を検討するため、別の検出器が用いられる。この検出器は、（100）ZnTe結晶上に成長させた、20μmの厚さの（110）ZnTe結晶を有する。
【００５６】
図6aには、20μmの厚さのZnTe検出器を用いて測定されたTHz放射線を、時間の関数として示す。また6bには、対応するTHz放射線スペクトルを対数軸で示す。図6bの曲線600および602は、それぞれZnTe検出器およびGaP検出器を用いて得られたものである。
【００５７】
図6aのTHz過渡応答の、第1の主要な正および負のピークは、それぞれ、76fsおよび44fsのパルス幅を有し、これらは、出願人が知る限り、GaAs光伝導体エミッタにおいて、これまでに報告されたものの中で最小のTHzパルスである。図6bのTHzスペクトルは、多数の明確な下降およびピークを示す。図5cのスペクトルとこれらを比べると、曲線600の約5.2THzでの下落は、ZnTe検出器（5.3THzでのTOフォノン）によって生じており、また8.0THzでの下落は、GaAsエミッタ（8.0THzでのTOフォノン）によって生じていることは明らかである。6.1および8.7THzでの2つのピークは、それぞれ、ZnTeのLOフォノン（6.2THz）およびGaAs（8.7THz）に対応する。図6bには、18THzまでの周波数成分が、LT−GaAs系エミッタを用いて形成されることが示されており、これは、出願人の知る限り、バイアス化光伝導性エミッタから得られる周波数成分としては、これまで報告されたものの中で最も高い周波数成分である。
【００５８】
図7aには、前述の機器を用いて得られる、時間領域テラヘルツ信号を示す。また図7bおよび7cには、対応する周波数スペクトルを示す。図7bは、直線強度軸であり、図7cは、対数軸で示されている。特に、図7a乃至7cには、同じ位置に半導体を備える前述の機器を用いて測定された、異なる半導体材料によるテラヘルツ放射線の吸収が示されている。図7bおよび7cは、HR（高抵抗率）シリコンウェハを通過して進行するテラヘルツ放射線に関するものであり、曲線702は、SI（半絶縁性）GaAsウェハを通過して進行するテラヘルツ放射線に関するものである。放射線は、いずれの場合も、LT（低温成長）GaAs光伝導体エミッタから放射される。これらの曲線は、高周波数側での信号対ノイズ比が低下しているものの、周波数が30THzを越えても分布することがわかる。この特性は、例えば内部分子振動の検出（および評価）技術等の、多くの用途にとって、有益である。
【００５９】
図8aおよび8bには、前述のテラヘルツ放射線源の利用例を示す。図8aには、前述のテラヘルツ放射線源を用いて、0.2乃至7.8THzの周波数範囲で測定された、ポリ−L−トリプトファン（必須アミノ酸ホモポリマー）のTHzスペクトルを示す。5KHz近傍にブロードなピーク、および7THz近傍に比較的幅狭のピークが得られ、これらは、非弾性中性子散乱法によって得られた観測結果と良い一致を示す。図8bには、振動吸収バンドを示すソーススペクトル802（HR-Si）とともに、PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）の吸収スペクトル800を示す。この図においても、吸収スペクトルは、矢印で示した15.1、19.2、21.2、23.7、29.4および32.3THzでの従来の吸収バンドと良い一致を示している（振動分光法、26、215-25（2001年）参照）。本発明の実施例によって提供される拡張された周波数範囲は、例えば、フーリエ変換を利用した時間および周波数領域の分光法、ラマン分光法および非弾性中性子散乱分光法等の分野において、多くの利点を有し、内部−および中間−分子の相互作用の理解に役立つ。
【００６０】
記載された実施例に対して、多くの他の有効な代替例があり得ることは、当業者には明らかである。従って本発明は、記載された実施例に限定されるものではなく、当業者にとって、添付の特許請求の範囲の観念および範囲内に属することが明らかな変更例を含む。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１ａ】従来の光伝導性テラヘルツ放射線源を示す図である。
【図１ｂ】図1aの放射線源の動作を詳細に示す図である。
【図２ａ】本発明の第1の実施例による、テラヘルツ放射線源および検出システムを示す図である。
【図２ｂ】図2aの機器の電極配置図である。
【図２ｃ】図2aのテラヘルツ放射線源の詳細概略図である。
【図２ｄ】本発明の第2の実施例による、テラヘルツ放射線源を示す図である。
【図２ｅ】本発明の第3の実施例による、テラヘルツ放射線源を示す図である。
【図２ｆ】本発明の第4の実施例による、テラヘルツ放射線源を示す図である。
【図２ｇ】本発明の第5の実施例による、テラヘルツ放射線源を示す図である。
【図３ａ】第1の代替電極配置を示す図である。
【図３ｂ】第2の代替電極配置を示す図である。
【図３ｃ】電極駆動電圧波形である。
【図４ａ】第1の放射線源冷却配置を示す図である。
【図４ｂ】第2の放射線源冷却配置を示す図である。
【図５ａ】後方に放射された放射線の、時間領域テラヘルツ放射線信号を示す図である。
【図５ｂ】前方に放射された放射線の、時間領域テラヘルツ放射線信号を示す図である。
【図５ｃ】図5aおよび5bの放射線信号の周波数スペクトルを示す図である。
【図６ａ】第2の時間領域テラヘルツ放射線信号を示す図である。
【図６ｂ】図6aに対応する周波数スペクトルを示す図である。
【図７ａ】時間領域テラヘルツ放射線信号を示す図である。
【図７ｂ】図7aに対応する周波数スペクトルを直線軸で示す図である。
【図７ｃ】図7aに対応する周波数スペクトルを対数軸で示す図である。
【図８ａ】アミノ酸のテラヘルツ吸収スペクトルの一例を示す図である。
【図８ｂ】PTFEのテラヘルツ吸収スペクトルの一例を示す図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ｃ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
2006526887.tif 000020
【図８ｂ】
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【国際調査報告】
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2006526887.tif 000023
2006526887.tif 000024