(57)【要約】【課題】テラヘルツ波を変調し検出するにあたって機械的振動や高電界の変調による影響を防止する。【解決手段】励起光を発生する励起光源１０と、前記励起光の偏波方向を変調する偏波制御器２０と、前記偏波変調された励起光が照射され、該励起光の偏波方向に応じた発生効率でテラヘルツ波を発生する光伝導アンテナ３０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を発生する励起光源と、
前記励起光の偏波方向を変調する偏波制御器と、
前記偏波変調された励起光が照射され、該励起光の偏波方向に応じた発生効率でテラヘルツ波を発生する光伝導アンテナと、
を備えることを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
【請求項２】
前記偏波制御器は、電気光学効果を有する結晶により構成されることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項３】
前記光伝導アンテナは、所定方向に２つの電極を配置して構成され、
前記偏波制御器は、前記励起光を、前記所定方向の偏波と前記所定方向に直交する方向の偏波に変調する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４】
励起光を発生する励起光源と、
前記励起光の偏波方向を変調する偏波制御器と、
前記偏波変調された励起光および検出対象のテラヘルツ波が照射され、該励起光の偏波方向に応じた検出効率で前記テラヘルツ波に基づく電流を発生する光伝導アンテナと、
を備えることを特徴とするテラヘルツ波検出装置。
【請求項５】
前記偏波制御器は、電気光学効果を有する結晶により構成されることを特徴とする請求項４に記載のテラヘルツ波検出装置。
【請求項６】
前記光伝導アンテナは、所定方向に２つの電極を配置して構成され、
前記偏波制御器は、前記励起光を、前記所定方向の偏波と前記所定方向に直交する方向の偏波に変調する
ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のテラヘルツ波検出装置。
【請求項７】
励起光を発生する励起光源と、
変調信号に基づき前記励起光の偏波方向を変調する偏波制御器と、
前記偏波変調された励起光が照射され、該励起光の偏波方向に応じた発生効率でテラヘルツ波を発生する第１の光伝導アンテナと、
前記偏波変調された励起光、および、前記第１の光伝導アンテナにより発生し計測対象の試料を透過したテラヘルツ波が照射され、該励起光の偏波方向に応じた検出効率で前記テラヘルツ波に基づく電流を発生する第２の光伝導アンテナと、
前記第２の光伝導アンテナからの前記電流に含まれる前記変調信号と同じ周波数成分を位相検波する位相検波器と、
を備えることを特徴とするテラヘルツ波分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波発生装置、テラヘルツ波検出装置、およびテラヘルツ波分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、テラヘルツ波（ミリ波・サブミリ波を含む周波数３０ＧＨｚ〜１２ＴＨｚの電磁波）を利用した分光計測や２次元イメージングの研究が行われている。テラヘルツ波の発生強度は数μＷ程度と非常に小さいため、テラヘルツ波による計測を感度良く行う手法として、例えば特許文献１や特許文献２のように、位相検波が用いられる。具体的には、テラヘルツ波を１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度の周波数で変調し、この周波数に同期した信号を検出（位相検波）することで、微弱なテラヘルツ波による分光計測などのＳＮ比を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−０６１４５５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】B. Sartorius他、All-fiber terahertz time-domain spectrometeroperating at 1.5 μm telecom wavelengths、“OPTICS EXPRESS”、（米国）、２００８年６月２３日、Vol.16, No.13, p.9565-9570
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、チョッパーの回転によってレーザ光を変調する構成であるため、チョッパーの回転による機械的な振動が光学系に伝わってノイズとなり、ＳＮ比が劣化するという問題がある。また、非特許文献１では、テラヘルツ波発生素子に印加するバイアス電圧を変調する構成であるが、テラヘルツ波発生素子に設けられた導電膜の間隔が数μｍと狭いため、この導電膜間における電界強度は数ＭＶ／ｍと非常に大きくなって、このような高電界を変調することはテラヘルツ波発生素子に大きな負荷を与え、故障が生じやすいという問題がある。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、テラヘルツ波を変調し検出するにあたって機械的振動や高電界の変調による影響を防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、励起光を発生する励起光源と、前記励起光の偏波方向を変調する偏波制御器と、前記偏波変調された励起光が照射され、該励起光の偏波方向に応じた発生効率でテラヘルツ波を発生する光伝導アンテナと、を備えることを特徴とするテラヘルツ波発生装置である。
【０００８】
また、本発明は、励起光を発生する励起光源と、前記励起光の偏波方向を変調する偏波制御器と、前記偏波変調された励起光および検出対象のテラヘルツ波が照射され、該励起光の偏波方向に応じた検出効率で前記テラヘルツ波に基づく電流を発生する光伝導アンテナと、を備えることを特徴とするテラヘルツ波検出装置である。
【０００９】
また、本発明は、励起光を発生する励起光源と、変調信号に基づき前記励起光の偏波方向を変調する偏波制御器と、前記偏波変調された励起光が照射され、該励起光の偏波方向に応じた発生効率でテラヘルツ波を発生する第１の光伝導アンテナと、前記偏波変調された励起光、および、前記第１の光伝導アンテナにより発生し計測対象の試料を透過したテラヘルツ波が照射され、該励起光の偏波方向に応じた検出効率で前記テラヘルツ波に基づく電流を発生する第２の光伝導アンテナと、前記第２の光伝導アンテナからの前記電流に含まれる前記変調信号と同じ周波数成分を位相検波する位相検波器と、を備えることを特徴とするテラヘルツ波分光装置である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、テラヘルツ波を変調し検出するにあたって機械的振動や高電界の変調による影響を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態によるテラヘルツ波分光光学系の構成を示す図である。
【図２】テラヘルツ波発生アンテナまたはテラヘルツ波検出アンテナに照射されるパルス光（波長１５６０ｎｍ）の偏波に対する、各アンテナのテラヘルツ波発生効率と検出効率の特性を示す図である。
【図３】パルス光の偏波角の定義を示す図である。
【図４】偏波制御器の動作例を示す図である。
【図５】テラヘルツ波発生アンテナまたはテラヘルツ波検出アンテナに照射されるパルス光（波長７８０ｎｍ）の偏波に対する、各アンテナのテラヘルツ波発生効率と検出効率の特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の実施形態によるテラヘルツ波分光光学系の構成を示す図である。テラヘルツ波分光光学系は、パルス光源１０、偏波制御器２０、テラヘルツ波発生アンテナ３０、テラヘルツ波検出アンテナ４０、位相検波器５０を含んで構成されている。
【００１３】
パルス光源１０は、テラヘルツ波発生アンテナ３０およびテラヘルツ波検出アンテナ４０を励起するためのパルス光を発生する光源であり、例えば、１．５μｍ帯（１４９０ｎｍ〜１６４０ｎｍ）のフェムト秒パルスレーザ光（パルス幅：〜１００ｆｓ）を発生するパルス光源が用いられる。
【００１４】
偏波制御器２０は、パルス光源１０からのパルス光の偏波を任意に回転することができる素子であり、例えば、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）、ＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）、水晶等の電気光学効果を有する材料から構成される。パルス光源１０から偏波制御器２０へ入射されるパルス光の偏波は、図１中において紙面に平行な偏波であるとする。偏波制御器２０に不図示の駆動電源から電圧を印加することで、印加電圧に応じた偏波の回転が透過光に付与される。
【００１５】
テラヘルツ波発生アンテナ３０およびテラヘルツ波検出アンテナ４０は、温度３００℃程度以下で膜成長させた低温成長ＧａＡｓ（ガリウム砒素）基板上にダイポールアンテナを形成した構成の光伝導アンテナである。テラヘルツ波発生アンテナ３０には、偏波制御器２０、ハーフミラーＭ１、遅延光学系Ｍ２およびＭ３、レンズＬ１を介してパルス光源１０からのパルス光が照射され、テラヘルツ波検出アンテナ４０には、偏波制御器２０、ハーフミラーＭ１、ミラーＭ４、レンズＬ２を介してパルス光源１０からのパルス光が照射される。また、テラヘルツ波検出アンテナ４０には、テラヘルツ波発生アンテナ３０で発生したテラヘルツ波ＴＷが、レンズＬ３、ミラーＭ５、試料Ｓ、ミラーＭ６、レンズＬ４を介して入射される。
【００１６】
テラヘルツ波発生アンテナ３０のダイポールアンテナにはＤＣ電源６０が接続され、ダイポールアンテナのギャップ間にバイアス電界が印加される。この状態でダイポールアンテナのギャップにパルス光源１０からのフェムト秒のパルス光が照射されると、基板内にはパルス光によって寿命が〜３００ｆｓ程度のキャリア（自由電子）が生成され、このキャリアがバイアス電界により加速されて、〜ｐｓ程度の時間幅を有するパルス状の瞬時電流が生じる。この瞬時電流によって、瞬時電流の時間微分に比例した強度分布を持つ電磁波、すなわちテラヘルツ波ＴＷが放射される。これがテラヘルツ波の発生原理である。
【００１７】
一方、テラヘルツ波検出アンテナ４０においては、パルス光源１０からのフェムト秒のパルス光をダイポールアンテナのギャップに照射するとともに、テラヘルツ波発生アンテナ３０により発生し試料Ｓを透過したテラヘルツ波ＴＷを入射させる。パルス光とテラヘルツ波がテラヘルツ波検出アンテナ４０に同時に入射するように、遅延光学系（ミラー）Ｍ２，Ｍ３により光路長が調整されている。すると、基板内にはパルス光によってキャリアが生成され、このキャリアがテラヘルツ波の振動電場により加速されて、テラヘルツ波の振動電場に比例して瞬時電流が流れる。この瞬時電流を増幅器８０で増幅後に測定することによって、テラヘルツ波を検出することができる。これがテラヘルツ波の検出原理である。
なお、増幅器８０で増幅された電流の測定には、後述するように位相検波器５０を用いる。
【００１８】
ここで、図２に、テラヘルツ波発生アンテナ３０またはテラヘルツ波検出アンテナ４０に照射されるパルス光の偏波に対する、各アンテナのテラヘルツ波発生効率と検出効率の特性を示す。同図は、パルス光の波長が１５６０ｎｍの場合の実験結果であり、横軸はパルス光の偏波角、縦軸はテラヘルツ波の規格化した発生効率または検出効率である。パルス光の偏波角は、図３に示すように、パルス光の偏波面がダイポールアンテナの各電極Ｄ１，Ｄ２の並ぶ方向（図中Ｘ方向）と一致する場合を偏波角０°（水平偏波）、パルス光の偏波面がダイポールアンテナの各電極Ｄ１，Ｄ２の並ぶ方向に対し直角（図中Ｙ方向）である場合を偏波角９０°（垂直偏波）と定義する。
【００１９】
図２から分かるように、テラヘルツ波の発生効率および検出効率は、パルス光の偏波方向に依存して周期的に変化し、パルス光が水平偏波（偏波角０°）の場合にともに最大、垂直偏波（偏波角９０°）の場合にともに最小となる。パルス光が垂直偏波の場合のテラヘルツ波の発生効率および検出効率は、パルス光が水平偏波の場合のそれぞれ３５％、２％程度である。
【００２０】
このようにテラヘルツ波の発生効率および検出効率がパルス光の偏波方向に依存して変化することから、偏波制御器２０によりテラヘルツ波発生アンテナ３０やテラヘルツ波検出アンテナ４０へ照射するパルス光の偏波を変化させることで、テラヘルツ波の発生効率や検出効率を変調することが可能である。
【００２１】
偏波制御器２０の動作例を図４に示す。この例は、テラヘルツ波発生アンテナ３０やテラヘルツ波検出アンテナ４０へ照射されるパルス光が水平偏波と垂直偏波で交互に２値的に切り替わるよう、偏波制御器２０を動作させる例である。なお、偏波制御器２０の駆動は、発振器７０からの信号を用いて行うものとする。この信号の繰り返し周期は、例えば１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ（図中に示す時間Ｔは０．１ｍｓ〜１ｍｓ）である。
【００２２】
このように偏波制御器２０を動作させた場合、テラヘルツ波発生アンテナ３０から発生するテラヘルツ波ＴＷには、図２の実験結果の数値によれば、その強度が１（パルス光が水平偏波の期間）：０．３５（パルス光が垂直偏波の期間）で交互に変化するような変調が施されることになる。さらに、テラヘルツ波検出アンテナ４０において、変調されたテラヘルツ波の強度大の部分が最大の検出効率で検出され、テラヘルツ波の強度小の部分が最小の検出効率で検出される。その結果、テラヘルツ波の発生から検出までのオーバーオールでの変調度は、図２の実験結果の数値によれば、１：０．００７（＝０．３５×０．０２）となり、実用上十分に大きな変調度を実現することができる。
【００２３】
上記のようにして、テラヘルツ波検出アンテナ４０で生じて増幅器８０で増幅される電流は、偏波制御器２０の図４に示した動作と同じ周波数の成分を持つことになる。この周波数成分を、発振器７０からの信号（偏波制御器２０の駆動信号と同じ信号）を入力した位相検波器５０によって同期検波することにより、テラヘルツ波の計測、すなわち試料Ｓの分光計測を行うことができる。
【００２４】
以上のように、本実施形態によれば、テラヘルツ波発生アンテナ３０およびテラヘルツ波検出アンテナ４０の効率がパルス光の偏波方向に依存することを利用するものであり、偏波変調したパルス光をテラヘルツ波発生アンテナ３０およびテラヘルツ波検出アンテナ４０に照射することにより、テラヘルツ波の発生効率および検出効率を変調するようにしている。したがって、パルス光を偏波変調する構成であるため、機械的振動や光伝導アンテナへの高電界変調による影響を受けることがなく、高ＳＮ比で計測を行うことが可能である。
【００２５】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
【００２６】
例えば、偏波制御器２０としては、バルクの結晶を用いてもよいし、結晶の基板上に導波路を形成して構成したものを用いてもよい。また、電気光学効果を利用するもの以外を偏波制御器２０に適用してもよい。
【００２７】
また、偏波制御器２０の駆動方法は、図４に示した矩形波状の変調信号において、水平偏波（偏波角０°）と垂直偏波（偏波角９０°）の切り替えではなく、例えば水平偏波と４５°偏波（偏波角４５°）の切り替えとしてもよい。また、矩形波状の変調信号に限らず、三角波状や正弦波状の変調信号とすることにより、パルス光の偏波角を連続的に変化させてもよい。
【００２８】
また、偏波制御器２０の配置に関して、図１のようにパルス光源１０とハーフミラーＭ１の間に配置する代わりに、ハーフミラーＭ１からレンズＬ１までの間、および／または、ハーフミラーＭ１からレンズＬ２までの間に配置してもよい。
【００２９】
また、テラヘルツ波発生アンテナ３０とテラヘルツ波検出アンテナ４０によるテラヘルツ波の発生効率および検出効率は、パルス光の波長にも依存する。図５に、パルス光の波長が７８０ｎｍの場合の実験結果を示す。なお、光伝導アンテナの材質や構成は図２の場合と同一である。同図から分かるように、波長７８０ｎｍの場合においても、テラヘルツ波の発生効率および検出効率は、パルス光の偏波方向に依存して変化することから、上述した波長１５６０ｎｍの場合と同様に偏波制御器２０を動作させることで、テラヘルツ波を変調することが可能である。ただし、波長７８０ｎｍの場合よりも波長１５６０ｎｍの場合の方が、発生効率および検出効率の最小値が小さいので、テラヘルツ波の変調度を大きくすることができる。
【符号の説明】
【００３０】
１０…パルス光源  ２０…偏波制御器  ３０…テラヘルツ波発生アンテナ  ４０…テラヘルツ波検出アンテナ  ５０…位相検波器  ６０…ＤＣ電源  ７０…発振器  ８０…位相検波器  Ｍ１…ハーフミラー  Ｍ２，Ｍ３…遅延光学系（ミラー）  Ｍ４〜Ｍ６…ミラー  Ｌ１〜Ｌ４…レンズ  Ｓ…試料  ＴＷ…テラヘルツ波
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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