(57)【要約】【課題】装置の小型化、および、空気中の水分を気にする必要無く、装置間の窒素充填作業が不要なセンサの実現。【解決手段】本発明のセンサ１は、２つの周波数ｆ１およびｆ２の電磁波を入力する入力部１１と、前記電磁波が入力される２次の非線形光学結晶１２と、前記非線形光学結晶１２の周波数ｆ３＝｜ｆ１−ｆ２｜のエバネッセント成分の染み出し長の範囲内に設けられる検知対象設置領域１３と、前記検知対象設置領域１３とは異なる領域で、且つ、前記非線形光学結晶１２の表面近傍に設けられる検出部１４とを有している。【選択図】図１
2013235204.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの周波数ｆ１およびｆ２の電磁波が入力される２次の非線形光学結晶と、
前記非線形光学結晶の表面近傍の一部領域に設けられる検知対象設置領域と、
前記検知対象設置領域とは異なる領域で、且つ、前記非線形光学結晶の表面近傍の領域の一部または全部に設けられる検出部とを備え、
前記非線形光学結晶の屈折率は、前記周波数ｆ１、ｆ２における屈折率と比べ、周波数ｆ３＝｜ｆ１−ｆ２｜における屈折率が高くなることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記検知対象設置領域における前記非線形光学結晶の表面には保護膜が設けられており、前記保護膜は差周波｜ｆ１−ｆ２｜のエバネッセント成分の染み出し長よりも薄く、２つの周波数ｆ１およびｆ２のエバネッセント成分の染み出し長よりも厚いことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記検知対象設置領域とは異なる領域で、且つ、前記非線形光学結晶の表面近傍の領域の一部または全部に、前記周波数ｆ１、ｆ２における屈折率よりも低い屈折率を有し、前記差周波ｆ３＝｜ｆ１−ｆ２｜のエバネッセント成分の染み出し長よりも厚い膜厚に設定された全反射膜を設けることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばテラヘルツ波等を使った全反射測定法に用いるセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今、電波と光波の境目といわれているテラヘルツ波帯を使ったセンサの開発が進められている。たとえば、この波長帯には分子の振動励起が存在することから、テラヘルツ波をある対象物へ反射・透過させ、その吸収量を測定することで、非破壊で当該対象物の組成を調べることができる。
【０００３】
このようなセンサを実現するためには、テラヘルツ波の発生回路が重要となる。これまでにたくさんの発生回路が提案されており、その中でも経済的で、かつ、容易にテラヘルツ波を生成できるということで、特許文献１に示される差周波数発生法を用いる技術が期待されている。
【０００４】
この技術は、図４に示すとおり、非線形光学結晶２６に２つのコヒーレント光である第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２とを入射させることで、その差周波数に対応したテラヘルツ波Ｌ３を発生させるものである。差周波数を生成するために必要となる位相整合は、チェレンコフ位相整合が利用されている。この整合方法は、差周波非線形光学結晶２６の厚みが入射された２つのコヒーレント光の波長に対して半分以下の場合に適用される。それは、非線形光学結晶２６内に入射された光は光子（荷電粒子）とみなすことができるためである。光子の結晶内伝搬速度が差周波数のそれよりも遅くなるような屈折率分散を持つ非線形光学結晶２６を用いることで、位相整合が成立する。この非線形光学結晶２６に差周波数よりも十分厚い光学素子を設置することでテラヘルツ波が放射される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２０４４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このテラヘルツ波を発生させる方法をセンサに適用する場合、テラヘルツ波発生回路と測定対象設置領域と検出部とをそれぞれ別個に用意する必要があり、装置が大型化してしまうという課題を有していた。また、テラヘルツ波帯は液体への吸収率が非常に高いため、テラヘルツ波発生回路から測定対象設置領域までを窒素で充填しなければ、空気中の水分で減衰してしまうという課題も有していた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的を達成するために、本発明のセンサは、２つの周波数ｆ１およびｆ２の電磁波が入力される２次の非線形光学結晶と、非線形光学結晶の表面近傍の一部領域に設けられる検知対象設置領域と、検知対象設置領域とは異なる領域で、且つ、非線形光学結晶の表面近傍の領域の一部または全部に設けられる検出部とを備え、非線形光学結晶の屈折率は、周波数ｆ１、ｆ２における屈折率と比べ、周波数ｆ３＝｜ｆ１−ｆ２｜における屈折率が高くなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のセンサは、テラヘルツ波発生回路と測定対象設置領域と検出部が一体化する事により、装置を小型にできると共に、テラヘルツ波は非線形光学結晶内部だけで取り扱うので、空気中の水分を気にする必要が無く、結果、装置間の窒素充填作業が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（ａ）本発明のセンサの斜視展開図、（ｂ）本発明のセンサの断面図
【図２】本発明のセンサの断面図
【図３】（ａ）本発明のセンサの斜視展開図、（ｂ）本発明のセンサの断面図
【図４】従来のセンサの断面図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１に係る本発明のセンサついて、図１（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。本発明のセンサ１は、２つの周波数ｆ１およびｆ２の電磁波を入力する入力部１１と、電磁波が入力される２次の非線形光学結晶１２と、非線形光学結晶１２の表面近傍の一部領域に設けられる検知対象設置領域１３と、検知対象設置領域１３とは異なる領域で、且つ、非線形光学結晶１２の表面近傍の領域の一部または全部に設けられる検出部１４とを有している。さらに、非線形光学結晶１２の屈折率は、周波数ｆ１、ｆ２における屈折率に比べ、周波数ｆ３＝｜ｆ１−ｆ２｜における屈折率が高くなる特性を有している。
【００１１】
ここで、表面近傍とは、周波数ｆ３＝｜ｆ１−ｆ２｜のエバネッセント成分の染み出し長の範囲内を指す。
【００１２】
次に、図１に示した実施の形態１に係る本発明のセンサの動作を説明する。センサ１は、２つの周波数ｆ１およびｆ２の電磁波が入力部１１から２次の非線形光学結晶１２へ入力される。ここで、入力部１１へ照射される２つの周波数ｆ１およびｆ２の電磁波は、互いにコヒーレント（一般用語です）である電磁波を指している。なお、２つの周波数ｆ１およびｆ２の周波数差｜ｆ１−ｆ２｜が１ＴＨｚ以上となるように、２つの周波数ｆ１およびｆ２を選択される。
【００１３】
ここで、２つの周波数ｆ１、ｆ２の電磁波は同一光軸に沿って、すなわちコリニアにセンサ１の入力部１１へ入射することが望ましい。そのために、例えば２つの周波数ｆ１、ｆ２の電磁波は、レンズを介してコリニアになるよう調整されてセンサ１の入力部１１へ入射される（図示せず）。
【００１４】
入力された２つの周波数ｆ１およびｆ２は互いにコヒーレントを有するため、非線形光学理論に基づいて２次の非線形光学結晶１２の内部で差周波である周波数ｆ３＝｜ｆ１−ｆ２｜を生成する。
【００１５】
詳しくは、２つの周波数ｆ１およびｆ２の電磁波の振幅をＥ１，Ｅ２とすると、その電磁波の時間変化は、（数１）で表される。
【００１６】
【数１】
2013235204.tif 000003
【００１７】
ここで、ｔは時間変化を示している。
【００１８】
図１（ｂ）において、非線形光学結晶１２の分極率Ｐ（ｔ）は、１次の電気感受率、２次の電気感受率をそれぞれχ１、χ２とすると、（数２）で表される。
【００１９】
【数２】
2013235204.tif 000004
【００２０】
（数２）の２次の項に注目し、（数１）を代入すると、（数２）の２次の項は、（数３）のように展開される。
【００２１】
【数３】
2013235204.tif 000005
【００２２】
（数３）において、（ω１−ω２）の項、すなわち、ｆ１とｆ２の差周波ｆ３が生成されることがわかる。今、ｆ１、ｆ２はどちらが大きくてもよいので、ｆ３＝｜ｆ１−ｆ２｜と表現される。
【００２３】
図１（ｂ）において、非線形光学結晶１２内で生成された差周波｜ｆ１−ｆ２｜は、角度θ３で検知対象設置領域１３に入射される。
【００２４】
詳しくは、非線形光学結晶１２の屈折率を、周波数ｆ１、ｆ２における屈折率ｎ１、ｎ２、周波数｜ｆ１−ｆ２｜における屈折率ｎ３とすると、周波数ｆ３の電磁波は、（数４）を満たすθ３方向へ放射される。なお、以下は、説明を簡単にするため、ｆ１とｆ２の周波数差が小さい、すなわち、屈折率の差が無視できると仮定し、周波数ｆ１、ｆ２帯における屈折率ｎ１２を用いる。
【００２５】
【数４】
2013235204.tif 000006
【００２６】
（数４）を満たすために、非線形光学結晶１２は、周波数ｆ１、ｆ２における屈折率ｎ１２に比べ、周波数｜ｆ１−ｆ２｜における屈折率ｎ３が高い特性を有する材料が用いられる。例えば、ＬｉＮｂＯ3が挙げられる。
【００２７】
検知対象設置領域１３に入射された差周波である周波数ｆ３＝｜ｆ１−ｆ２｜の電磁波は、非線形光学結晶１２と検知対象設置領域１３の界面で全反射を起こす。
【００２８】
図１（ｂ）において、差周波｜ｆ１−ｆ２｜の電磁波の検知対象設置領域１３への入射角θ４は、（数５）で導出される。
【００２９】
【数５】
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【００３０】
一方で、検知対象設置領域１３の屈折率をｎ１３とすると、全反射条件θ５は、（数６）で表される。
【００３１】
【数６】
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【００３２】
（数５）、（数６）より、（数７）が導出される。
【００３３】
【数７】
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【００３４】
ここで、検知対象設置領域１３とは、検出したい対象物、もしくはそれを含んだ液体や固体などの検体を設置する領域を指し、一般的に検知対象設置領域１３は空気で満たされているので、（数７）の条件は常に満足されることになる。
【００３５】
また、検知対象設置領域１３に、実際に検出したい対象物、もしくはそれを含んだ液体や固体などの検体を設置する場合は、それらの周波数ｆ３＝｜ｆ１−ｆ２｜における屈折率が（数７）の条件を満たすとき、非線形光学結晶１２内を進行する差周波｜ｆ１−ｆ２｜の電磁波は、非線形光学結晶１２と検知対象設置領域１３との界面で全反射することになる。
【００３６】
非線形光学結晶１２と検知対象設置領域１３との界面で全反射した差周波｜ｆ１−ｆ２｜の電磁波によって、検知対象設置領域１３の非線形光学結晶１２との界面近傍にエバネッセント成分が生じる。このエバネッセント成分の一部は検知対象によって吸収されるが、その吸収量に応じて全反射される差周波｜ｆ１−ｆ２｜の電磁波の振幅は減少する。この電磁波の振幅の減少量を基に検知対象の情報を取得することが出来る。
【００３７】
なお、検知対象設置領域１３に、例えば、汚れや経年劣化等から保護するために、保護膜を施しても良い。この場合、差周波｜ｆ１−ｆ２｜のエバネッセント成分の染み出し長よりも薄く、２つの周波数ｆ１およびｆ２のエバネッセント成分の染み出し長よりも厚くなる膜厚に設定することが好ましい。そうすることで、保護膜の屈折率の影響を受けることなく、差周波｜ｆ１−ｆ２｜のエバネッセント成分が検知対象へ到達することができ、また２つの周波数ｆ１およびｆ２は前記非線形光学結晶１２内に閉じ込めることができる。
【００３８】
全反射した差周波｜ｆ１−ｆ２｜の電磁波は、検出部１４に入射され、その振幅の変化量が検出される。結果、その変化量に応じた検知対象物が特定される。
【００３９】
また、非線形光学結晶１２の厚みをｄとして、（数８）の関係にある場合を考えてみる。
【００４０】
【数８】
2013235204.tif 000010
【００４１】
（数８）の条件を満たす場合、図１（ｂ）におけるθ３方向に放射された差周波ｆ３＝｜ｆ１−ｆ２｜の電磁波が、直接、検出部１４に到達する場合と、検知対象設置領域１３近傍の非線形光学結晶１２の界面で全反射して検出部１４に到達する場合とにおける位相差が逆相となり、結果、周波数ｆ３の電磁波の振幅の差分を検出部１４で検出できることになる。よって、検知対象設置領域１３近傍の非線形光学結晶１２の界面で全反射した周波数ｆ３の電磁波の振幅の微小な変化量を検出できるので高感度な検出が行える。
【００４２】
なお、この場合、図２に示すように、検知対象設置領域１３とは異なる領域に前記非線形光学結晶１２の周波数ｆ１、ｆ２における屈折率ｎ１、ｎ２よりも低い屈折率を持ち、前記差周波｜ｆ１−ｆ２｜のエバネッセント成分の染み出し長よりも厚くなる膜厚を持つ全反射膜１５を設けることで、振幅の差分を大きくすることが出来る。それは、全反射膜１５が（数７）を満たすので、差周波ｆ３＝｜ｆ１−ｆ２｜の電磁波は非線形光学結晶１２の界面で多重反射を行いながら、非線形光学結晶１２内部を伝搬するためである。これにより、検知対象設置領域１３におけるエバネッセント成分の吸収を増加させることが出来る。
【００４３】
次に、（数９）の条件を満たす場合を考えてみる。
【００４４】
【数９】
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【００４５】
（数９）の条件を満たす場合、図１（ｂ）におけるθ３方向に放射された差周波ｆ３＝｜ｆ１−ｆ２｜の電磁波が、直接、検出部１４に到達する場合と、検知対象設置領域１３近傍の非線形光学結晶１２の界面で全反射して検出部１４に到達する場合とにおける位相差が同相となるので、振幅の和分を検出することになり、反射量を増強できるので高感度な検出が行える。
【００４６】
尚、検出部１４は、例えば、マイクロボロメータ膜や焦電体から構成されてもよい。この場合、検出部１４は、差周波ｆ３＝｜ｆ１−ｆ２｜の電磁波の振幅変化に応じた熱量の変化を検出して、それを電気信号へ変換する。
【００４７】
また、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、検出部１４は、例えば、電気光学結晶１６で実現されてもよい。この場合、差周波ｆ３＝｜ｆ１−ｆ２｜の電磁波の振幅変化に応じて電気光学結晶１６の複屈折率が変化し、電気光学結晶１６に入射した２つの周波数ｆ１およびｆ２の電磁波の偏波面が変わる。この偏波面が変わった２つの周波数ｆ１およびｆ２の電磁波をｓ波、ｐ波に分離して検出（図示せず）し、電気信号へ変換することで、差周波ｆ３＝｜ｆ１−ｆ２｜の電磁波の振幅変化を検出できる。なお、図３に示すように検出部１４が電気光学結晶１６からなる場合、非線形光学結晶１２の入力部１１と対となる一端に電気光学結晶１６を配置することで検出部１４を実現してもよい。これにより感度の高いセンサを実現できる。なお、この場合、検知対象設置領域１３とは異なる領域で、且つ、非線形光学結晶１２の表面に全反射膜１７を設けることで、多重反射構造を実現できる。これにより高感度なセンサを実現できる。ここで、前記全反射膜１７の屈折率は、前記非線形光学結晶１２の周波数ｆ１、ｆ２における屈折率ｎ１、ｎ２よりも低く、また、その厚みは、差周波ｆ３＝｜ｆ１−ｆ２｜のエバネッセント成分の染み出し長よりも厚くなる膜厚に設定することが好ましい。
【００４８】
図１、図３に示したように、本発明のセンサは、テラヘルツ波発生回路と測定対象設置領域と検出部とが一体化された構造を有している事により、センサを小型にできると共に、テラヘルツ波は非線形光学結晶内部だけで取り扱うことができるので、空気中の水分を気にする必要が無く、結果、装置間の窒素充填作業が不要となる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
以上のように、本発明のセンサは、テラヘルツ波発生回路と測定対象設置領域と検出部が一体化する事により、装置を小型にできると共に、テラヘルツ波は非線形光学結晶内部だけで取り扱うので、空気中の水分を気にする必要が無く、結果、装置間の窒素充填作業が不要となるため、小型で扱い易いバイオセンサ等に有用である。
【符号の説明】
【００５０】
１  センサ
１１  入力部
１２  ２次の非線形光学結晶
１３  検知対象設置領域
１４  検出部
１５、１７  全反射膜
１６  電気光学結晶
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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