(57)【要約】【課題】  構成が簡素で高感度にＴＨｚ光等の電磁波の検出ができる電磁波の検出方法及び検出装置を提供する。【解決手段】  電気光学効果を用いたＥＯサンプリング法により電磁波を検出する電磁波検出方法において、サンプリング光照射手段から照射されたサンプリング光を非線形光学結晶に入射させ、電磁波照射手段から照射された検出対象の電磁波を、前記非線形光学結晶に前記サンプリング光の光軸に対してチェレンコフ位相整合角で入射させ、位相整合された前記電磁波と前記サンプリング光とを結合させて出力される和周波成分又は差周波成分をヘテロダイン検波法又はホモダイン検波法で検出するようにした。【選択図】  図１
2013174513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を用いたＥＯサンプリング法により電磁波を検出する電磁波検出方法において、
サンプリング光照射手段から照射されたサンプリング光を非線形光学結晶に入射させ、
電磁波照射手段から照射された検出対象の電磁波を、前記非線形光学結晶に前記サンプリング光の光軸に対してチェレンコフ位相整合角で入射させ、
位相整合された前記電磁波と前記サンプリング光とを結合させて出力される和周波成分又は差周波成分をヘテロダイン検波法又はホモダイン検波法で検出すること、
を特徴とする電磁波検出方法。
【請求項２】
一方の面に前記非線形光学結晶を備えたプリズムを準備し、前記プリズムの他方の面に前記電磁波を入射させたことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出方法。
【請求項３】
前記非線形光学結晶で導波路を形成し、この導波路に前記サンプリング光を入射させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電磁波検出方法。
【請求項４】
電気光学効果を用いたＥＯサンプリング法により電磁波を検出する電磁波検出装置において、
サンプリング光を照射するサンプリング光照射手段と、
検出対象の電磁波を照射する電磁波照射手段と、
前記電磁波を前記サンプリング光の光軸に対してチェレンコフ位相整合角で入射させる位相整合手段と、
非線形光学結晶で形成され、位相整合された前記電磁波と前記サンプリング光とを結合させて和周波成分又は差周波成分を発生させる和差周波発生手段と、
この和差周波発生器から出力された和周波成分又は差周波成分をヘテロダイン検波法又はホモダイン検波法で検出する検出手段と、
を有することを特徴とする電磁波検出装置。
【請求項５】
前記位相整合手段及び前記和差周波発生手段が、一方の傾斜面から入射した前記電磁波をチェレンコフ位相整合角で他方の傾斜面に出力されるように形成されたプリズムと、前記他方の傾斜面に形成された非線形光学結晶との結合体であることを特徴とする請求項４に記載の電磁波検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波の検出方法及びその装置に関し、特に、周波数３０GHz〜３０ＴＨｚ光長１０ｍｍ〜１０μｍの周波数領域の電磁波を検出するのに適した電磁波検出方法及び電磁波検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の周波数領域の中では、特にテラヘルツ光帯の電界強度を検出することで非破壊的に検査等を行う技術が近年開発され、例えば、Ｘ線装置に代わる安全な透視検査装置を構成してイメージングを行う技術などへの利用が進んでいる。また、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて分子の結合状態などの物性を調べる分光技術、キャリア濃度や移動度、導電率などの物性を調べる計測技術、生体分子の解析技術などへの利用も進められている（例えば、特許文献１，２，３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−３３７００号公報
【特許文献２】特開２０１０−２０４４８８号公報
【特許文献３】特開２０１１−２０３７１８号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】IQEC/CLEO Pacific Rim 2011 「Efficient electro-optic sampling detection and generation of intenseTHz radiation via Cherenkov-type phase matching in a LiNbO3 crystalcoupled to a Si prisｍ」
【非特許文献２】S. P. Kovalev and G. Kh.Kitaeva, JETP Lett. Vol.94,No.2, pp.91-96 (2011).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、テラヘルツ光のような電磁波の電界強度を検出する方法としては、電気光学（ＥＯ）効果を用いて電場を検出するＥＯサンプリング法を用いることができるが、このＥＯサンプリング法において電気光学結晶として非線形光学係数の大きな非線形光学結晶を用いる場合は、検出を高効率に行うためにサンプリングするテラヘルツ光の位相速度とサンプリング光として用いるフェムト秒レーザーパルスの群速度との速度が一致している（位相整合が成立している）こと、複屈折特性を有する結晶に対してはその複屈折による位相遅延を補償することが必要条件となる。
【０００６】
前者はチェレンコフ位相整合法を用いることで、どのような結晶及びサンプリング光長でも位相整合条件を得ることができる技術が本願出願人によって提案されている（非特許文献１参照）。しかし、後者の固有複屈折の問題については、偏光板を９０度回転させて同じ結晶光路を２度伝搬させるという手法が特許出願人により提案されている（非特許文献１参照）ものの、装置構成が複雑になるという欠点があった。
さらに、非特許文献２では、”Energy sensitive electro optical detection”と称する手法によるＴＨｚ光のＥＯサンプリング検出法を提案しているが、この検出法では従来法よりも感度がωTHz／ω0（ωTHz：ＴＨｚ光の周波数、ω0：サンプリング光の周波数）だけ小さくなるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、固有複屈折のある結晶に対しても位相遅延補償なしに電磁波の検出ができ、波長板や偏光素子、光検出器による差分検出が不要で構成を簡素化できるとともに、高感度かつ高効率で電磁波の検出が可能な電磁波の検出方法及び電磁波の検出装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、電気光学効果を用いたＥＯサンプリング法により電磁波を検出する電磁波検出方法において、サンプリング光照射手段から照射されたサンプリング光を非線形光学結晶に入射させ、電磁波照射手段から照射された検出対象の電磁波を、前記非線形光学結晶に前記サンプリング光の光軸に対してチェレンコフ位相整合角で入射させ、位相整合された前記電磁波と前記サンプリング光とを結合させて出力される和周波成分又は差周波成分をヘテロダイン検波法又はホモダイン検波法で検出する方法としてある。
【０００９】
この場合、請求項２に記載するように、一方の面に前記導波路を形成したプリズムを準備し、前記プリズムの他方の面に前記電磁波を入射させるとよい。
前記非線形光学結晶は単結晶であってもよいが、請求項３に記載するように、前記非線形光学結晶から形成された導波路であってもよい。
【００１０】
上記方法の発明を実施するための本発明の装置は、請求項４に記載するように、電気光学効果を用いたＥＯサンプリング法により電磁波を検出する電磁波検出装置において、サンプリング光を照射するサンプリング光照射手段と、検出対象の電磁波を照射する電磁波照射手段と、前記電磁波を前記サンプリング光の光軸に対してチェレンコフ位相整合角で入射させる位相整合手段と、非線形光学結晶で形成され、位相整合された前記電磁波と前記サンプリング光とを結合させて和周波成分又は差周波成分を発生させる和差周波発生手段と、この和差周波発生器から出力された和周波成分又は差周波成分をヘテロダイン検波法又はホモダイン検波法で検出する検出手段とを有する構成としてある。
【００１１】
前記位相整合手段及び前記和差周波発生手段は、請求項５に記載するように、一方の傾斜面から入射した前記電磁波をチェレンコフ位相整合角で他方の傾斜面に出力されるように形成されたプリズムと、前記他方の傾斜面に形成された非線形光学結晶との結合体である構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は上記のように構成されているので、固有複屈折のある結晶に対しても位相遅延補償なしに検出対象の電磁波のＥＯサンプリングを可能にするとともに、波長板，偏光素子，２つの光検出器による差分検出法を用いる必要がなく、簡素な構成で、かつ、高感度かつ高効率でＥＯサンプリング検出ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
［装置構成］
図１に本発明の装置構成をブロック図で示す。
図１の装置は、サンプリング光を照射するサンプリング光照射部１と、検出対象の電磁波であるテラヘルツ（以下、「ＴＨｚ」と記載する）波を照射するＴＨｚ光照射部２と、ＴＨｚ光の位相調整を行う位相整合部３と、位相調整されたＴＨｚ光とサンプリング光とを光結合して和周波を発生させる和差周波発生器４と、この和差周波発生器４からの出力から和周波成分を検出する検出器５とを有する。
【００１４】
［サンプリング光照射部１及びＴＨｚ光照射部２］
サンプリング光照射部１やＴＨｚ光照射部２としてはフェムト秒レーザー装置を用いることができる。なお、これらレーザー装置から照射されるレーザー光を公知の２倍波発生器に通すことで、半分の波長のレーザー光に変換してもよい。また、サンプリング光照射部１から照射されたサンプリング光は、次に説明する位相整合部３でＴＨｚ光と光結合できるように、公知の遅延手段によって位相整合部３に入射されるタイミングが調整される。
【００１５】
［位相整合部３］
サンプリング光とＴＨｚ光の二つの光を光結合する場合は、結合しようとする二つの光を位相整合する必要があり、二つの光の媒質中の位相速度が一致していることが条件となる。位相整合部３は、入射されたＴＨｚ光の位相速度がサンプリング光の群速度と同じになるように調整する。本発明では、サンプリング光の光軸に対して斜めにＴＨｚ光を入射させるチェレンコフ（Cherenkov）位相整合法を利用したものを用いる。
なお、ＴＨｚ光の位相速度がサンプリング光の群速度と同じになるように調整するための材料としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：略称ＬＮ）や四ほう酸リチウム（Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7：略称ＬＢＯ）、βバリウムボレイト（略称ＢＢＯ）など、二次の非線形光学効果を有する結晶を用いることができるが、電気光学係数の高いＬＮ結晶を用いるのが好ましい。
【００１６】
ＬＮ結晶や導波路に入射されたサンプリング光に対してＴＨｚ光をチェレンコフ位相整合角（θｃ）で入射させるには、例えば傾斜角（９０°−θｃ）のSiプリズムを用いるとよい。このときチェレンコフ位相整合角θcはSiプリズム中のＴＨｚ光の位相屈折率nTHzとＬＮ結晶中のサンプリングパルス光の群屈折率ngの比で決まる。すなわち、cosθc＝ｎｇ／ｎTHzでチェレンコフ位相整合角θｃが決まる。ＬＮ結晶としては、バルク結晶を用いるよりも導波路構造を持った結晶を用いるほうが、ＬＮ結晶内での吸収をさけ、検出帯域を広くとるために望ましい。
【００１７】
［和差周波発生器４］
和差周波発生器４は、位相調整された二つの光の和周波又は差周波を発生させる。
前記した非線形光学効果を有する材料の単結晶や、この材料で形成された導波路は和差周波発生器４として利用することができる。
【００１８】
ここで、サンプリング光の周波数をω0，ＴＨｚ光の周波数をωTHzとすると、導波路を構成する非線形光学結晶内ではこれら２つの波の和周波ωSFG（＝ω0+ωTHz）が発生する。有効非線形光学係数（サンプリング光とテラヘルツ光の偏光方向，および非線形光学結晶の結晶方位に依存して決まる）をdeffとすると和周波発生（Sum Frequency
Generation, 略してSFG)による非線形分極は以下の式で与えられる。和周波Ｐ（２）は、
【００１９】
【数１】
2013174513.tif 000003
ε０は真空の誘電率である。この非線形分極により和周波が発生する。サンプリング光が十分強く，その非線形相互作用による減衰を無視できるとし、ＳＦＧにより発生した光波の電界振幅をＥSFGとすると、
【００２０】
【数２】
2013174513.tif 000004
である。ここでμ０は真空の透磁率，cは真空中の光速度，Ｌはサンプリング光が電気光学結晶中を伝搬する距離，ｎω0＋ωTHzは周波数ω0＋ωTHzにおける屈折率，ｇ（ΔkL）は次で定義される位相不整合因子である。
【００２１】
【数３】
2013174513.tif 000005
ここで波数不整合Δkは次で与えられる。
【００２２】
【数４】
2013174513.tif 000006
k0はサンプリング光の波数，ｋSFGはSFGによる光波の波数，kTHzはＴＨｚ光の波数である。光波の周波数はＴＨｚ光の周波数に比べて２桁以上大きい（ω0>>ωTHz）ので、ω0＋ωTHzはω0，ｎω0＋ωTHzはｎω0で近似してよい。すると(2)式は、
【００２３】
【数５】
2013174513.tif 000007
と書き換えられる。
【００２４】
もともとのサンプリング光と和周波発生によって発生した光は重ね合わさって検出される。和周波発生の効率が小さく、もとのサンプリング光がほとんど減衰しないと仮定すると、光強度の変化率（もともとのサンプリング光の強度Ｉ0で規格化した全光強度）は次式で与えられる。
【００２５】
【数６】
2013174513.tif 000008
最後の式では発生した和周波発生の電界振幅ＥSFGは、サンプリング光の電界振幅Ｅ0よりずっと小さいとしているので、ＥSFGの自乗に対応する項は無視した。
【００２６】
［検出器５］
検出器５は、和差周波発生器４からの出力から和周波成分を検出する。
サンプリング光強度の変化量だけをロックイン検出法で検出する場合は、信号強度は次式で与えられる。
（6）式においては、和周波発生による発生した光波の電界振幅ＥTHzはもとのサンプリング光の波長とほとんど同じであり、このため干渉により、ＥTHzはＥ0との積（（6）式２行目の真ん中の項）として検出されることが示されている。これはヘテロダイン検波と同じであり、信号はＥ0だけ増強される。
(6)式を書き直すと、
【００２７】
【数７】
2013174513.tif 000009
となり、これに(5)式を用いると、(7)式は次式で与えられる。
【００２８】
【数８】
2013174513.tif 000010
ＬＮ結晶の場合，非線形感受率テンソル成分のなかでｄ33が一番大きい。
また、
【００２９】
【数９】
2013174513.tif 000011
の関係を用いて(8)式を書き換えると、
【００３０】
【数１０】
2013174513.tif 000012
を得る。ここでｎeはＬＮ結晶の異常光の屈折率で、ｒ33はｄ33に対応した電気光学係数である。
さらにＩｍ［g（ΔkL）］はΔkL=2.216 のとき最大値ｇmax=0.723をとる。チェレンコフ位相整合では波数不整合Δkを結晶の角度で任意に調整できるので、ΔkL =2.216となるように調整することで容易にｇmax=0.723を得る（結晶の伝搬長Ｌは一定とする）ことができる。
すなわち、波数不整合Δkを最適化することでヘテロダイン方式による信号の最大値を得ることができ、このときのヘテロダイン方式による信号強度は、
【００３１】
【数１１】
2013174513.tif 000013
で与えられる。
【００３２】
［比較］
本発明の方法を、ＬＮ結晶を用いた従来のＥＯサンプリング法と比較する。
従来のＥＯサンプリング法における信号変調度は次式で与えられる（完全位相整合条件を仮定）。
【００３３】
【数１２】
2013174513.tif 000014
ここで、DGはＴＨｚ光によって引き起こされた位相遅延である。ｎoはＬＮ結晶の正常光の屈折率である。
例えば、ｒ13 =9.6 [pm/V], ｒ33 =30.9 [pm/V], ｎo= 2.255、ｎe=2.176（800 nm）を用いてそれぞれの性能指数を計算すると従来のＥＯサンプリング法では、
【００３４】
【数１３】
2013174513.tif 000015
となり、本発明のＥＯサンプリング法では、
【００３５】
【数１４】
2013174513.tif 000016
となる。
以上から、本発明のＥＯサンプリング法は従来のＥＯサンプリング法よりも高効率（ＬＮ結晶の場合で約２倍）であることがわかる。
【００３６】
［他の実施形態］
上記では和周波の検出を行っているが、本発明では差周波の検出を行ってもよい。結晶中では和周波だけではなく差周波も同時に発生している。この場合、差周波発生による光波のヘテロダイン信号は、和周波の場合に対して符号が反転する。どちらの信号が優勢になるかはＴＨｚ光のサンプリング光波に対する位相で決まる。
また、上記ではサンプリング光とＴＨｚ光は単一周波数としているが、実際にはそれぞれパルス波であるので、有限の周波数スペクトル分布を持つ。差周波発生と有限の周波数スペクトルを考慮した(10)式に対応する表式は次式で与えられる。
【００３７】
【数１５】
2013174513.tif 000017
ここでＣ（ωTHz ）は次で定義されるサンプリング光の相互相関関数である。
【００３８】
【数１６】
2013174513.tif 000018
ωTHz =０のとき
【００３９】
【数１７】
2013174513.tif 000019
はサンプリング光の自己相関関数であり、サンプリング光強度に比例した量である。サンプリング光のスペクトル分布がＴＨｚ光のそれよりも十分広い（サンプリング光のパルス幅がＴＨｚ光に対して十分狭い場合に相当）とすると
【００４０】
【数１８】
2013174513.tif 000020
と近似でき，(15)式は
【００４１】
【数１９】
2013174513.tif 000021
とあらわされる。(19)式の導出においてはΔkはωTHzに依存しないと仮定した。この仮定はチェレンコフ位相整合では妥当な仮定である。
(19)式は(10)式と類似しているが，周波数ωTHzに対するＴＨｚ光の振幅ＥTHz（ωTHz）の代わりに、ＴＨｚ光の時間波形ＥTHz（τ）が用いられている。ここでτはＴＨｚ光とサンプリング光の相対遅延時間である。したがって(19)式はＴＨｚ光の時間波形に依存したＥＯ信号が検出されることを示している。
【００４２】
［具体的装置構成］
本発明の具体的な装置構成の一例を図２に示す。
図２に示すように、このテラヘルツ光検出装置は、フェムト秒レーザー装置１１とレンズ１２とを備えたサンプリング光照射部１と、フェムト秒レーザー装置２１とＴＨｚエミッタ２２とを備えたＴＨｚ光照射部２と有する。
図２の例では、位相整合部３及び和差周波発生器４は、プリズム３１とこのプリズム３１の一面に形成された導波路４１とを有する構成としてある。
プリズム３１としては、テラヘルツ帯での吸収と分散が小さいシリコン（Si）プリズムを用いるのが好ましい。
図３に、図２の装置に用いられる位相整合部３及び和差周波発生器４の一例を示す。
【００４３】
プリズム３１は、傾斜面がＴＨｚ光の入射面として形成された直角三角形状をなしていて、前記傾斜面から入射したＴＨｚ光が斜めに入射する面にＬＮ結晶の薄膜からなる導波路４１が形成されている。
前記傾斜面の傾斜角は、前記傾斜面から入射したＴＨｚ光がチェレンコフ位相整合に適した角度θになるように形成されている。チェレンコフ位相整合角はプリズム３１中のＴＨｚ光の位相屈折率ｎTHzとＬＮ結晶中のサンプリングパルス光の群屈折率ｎgの比で決まる。すなわち、cosθc＝ｎｇ／ｎTHzでチェレンコフ位相整合角θが決定される。
上記構成のプリズム３１は支持基板６上に載置される。
【００４４】
サンプリング光照射部１に対向して反射鏡８が設置され、ＴＨｚ光照射部２に対向して凹面鏡７ａが設置されている。また、凹面鏡７ａに対向して凹面鏡７ｂが設置されている。
反射鏡８は、サンプリング光が導波路４１に入射するように配置され、凹面鏡７ａ，７ｂは、ＴＨｚ光がプリズム３１の傾斜面に入射するように配置される。
以上の構成より、サンプリング光照射部１から照射されたサンプリング光は、反射鏡８によってその進行方向を変換されて導波路４１の側面から入射する。また、ＴＨｚ光照射部２から照射されたＴＨｚ光は、凹面鏡７ａ，７ｂによってその進行方向を変換されるとともに収束されて、プリズム３１の傾斜面に入射する。
ＴＨｚ光とサンプリング光は導波路４１内で結合され、和周波出力又は差周波出力として導波路４１から出力される。出力された和周波は、ヘテロダイン方式の検出器によって検出される。    
【００４５】
［実施例］
以下の条件で本発明の効果の試験を行った。
レーザー光源：波長780nm，パルス幅＜100fs，繰り返し50MHz
ＴＨｚ光発生素子：ボウタイ型光伝導アンテナ，バイアス+/-50 Vp-p @95kHz (Sin波)，ポンプパワー約6mW
EO素子：Siプリズム結合LiNbO3結晶（厚さ 2mm， １% Mol. MgO-doped stoichiometric ＬＮ），プローブパワー約1mW
この実施例のＴＨｚ光の検出結果を図４に示す。
図４は、本発明によるＥＯサンプリング方式で検出したTHzパルス波の時間領域波形を，従来のＥＯサンプリングで検出した場合の波形とともに示したものである。本発明の検出方法によれば、波長板や偏光素子等を用いなくても、従来方法と同等にＴＨｚ光の検出ができることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、ミリ波帯、マイクロ波帯及びテラヘルツ光帯を含む領域（周波数３０ＭＨｚ〜３０ＴＨｚ：１０ｍ〜１０μｍ）の電磁波の検出に好適に適用が可能である。
また、本発明は各種センシング装置やイメージング装置などに適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の装置構成を説明するブロック図である。
【図２】具体的な装置構成を示す概略図である。
【図３】図２の装置に用いられる位相整合部及び和差周波発生器の一例を示す概略図である。
【図４】本発明の実施例にかかり、ＴＨｚ光の検出結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４８】
１        サンプリング光照射部
２        テラヘルツ光照射部
３        位相整合部
４        和差周波発生器
５        検出器
【図１】
2013174513.tif 000022
【図２】
2013174513.tif 000023
【図３】
2013174513.tif 000024
【図４】
2013174513.tif 000025