(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光に対して、透明で均質な直角プリズムと、該直角プリズムの入射光が入射する辺と出射光が出射する辺の間の前記入射光が入射し、該入射光を全反射する辺に均質に蒸着、または成長した前記直角プリズムの屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率誘電体膜と、該低屈折率誘電体膜上に金属または半導体の薄膜を有する光検出部を備え、前記全反射面の近傍では近接光場が発生し、前記金属または半導体の薄膜にて散乱され、前記金属または半導体の薄膜面に吸収された光は、前記金属または半導体の薄膜面内で電子に変換され、電気信号として取り出すことを特徴とする光検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の光検出装置において、入射する光の空間的形状とその偏光状態を制御する手段を有する光検出装置。
【請求項３】
請求項２記載の光検出装置において、入射波長に依存して、偏光状態を制御する制御手段を有する光検出装置。
【請求項４】
請求項３記載の光検出装置において、入射光により誘起された金属または半導体の薄膜内の電子を引き出し、その背後に設置した電子増倍機構または電子偏向機構に導くような電界を印加する手段を有する光検出装置。
【請求項５】
請求項４記載の光検出装置において、前記窓材と前記低屈折率誘電体膜面との間にて反射して光電子変換されない成分の偏光面を回転してから、再びこの変換面に入射させる手段を有する光検出装置。
【請求項６】
請求項１から５のうちいずれか１項記載の光検出装置において、入射光に対して、偏光による光分波器を通して、それぞれ直交成分に分解した後、それぞれの偏光に対して、検出装置を一つずつ配置して、検出した後、再び電気的に信号を結合した光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非古典的光源の計測や、その他の高い信号／雑音比を必要とする計測において重要な、高い検出効率と高い増倍率を有する非検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光検出装置としては、大きく分けて下記に示す３つの種類があると考えられる。
【０００３】
（１）半導体を検出面とし、これに吸収された光が電子とホールのペアを作り、これらが電流のキャリアとなる内部光電効果からなるもの。
【０００４】
（２）アルカリ金属などをさまざまに成長させて作製する所謂光電面は、その表面から電子を抜き出すことにより、検出に有効な電流を発生させるもので、外部光電効果といわれるもの。
【０００５】
（３）光を薄膜に吸収させることにより、薄膜の温度が上昇することを用いてその光計測を行うパイロメータの３つがある。
【０００６】
従来の光検出装置のうち、光電子増倍管の使われていた装置全てを置き換えることが可能となるだけでなく、これまで、大変困難であった非古典的光（スクイーズド光、ナンバー状態やサブポアソン状態にある光）の検出を、その状態のもつ信号／雑音比を壊すことなく計測することができるようになるため、従来では雑音に埋もれてしまって計測することができなかった弱い信号の計測を可能とする。
【０００７】
それらの特徴的な例として、重力波の検出がある。これは、ブラックホールの生成や超新星の爆発などによる大変大きな質量の変化の過程などで発する重力の波を、光を用いて検出する際には、重力波により光の場が受ける変調は大変小さいので、これを検出するには、従来の光（レーザー光など）では不可能であった。しかし、非常に高いスクイーズド状態にある光を用いて計測すると、検出したい光の位相遅れの情報を高い精度にて検出することができるために、周期的にやってくる重力波との相関から、ブラックホールや超新星の爆発や二重星の計測などが可能となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、精度や検出の応答速度などを考慮して、上記（１）、（２）が適応の範囲となる。
【０００９】
高い検出精度、効率、雑音特性、そして増幅のゲインが光検出器としての重要な要素となるが、半導体検出素子と光電面は上記した従来の技術（１）、（２）ともに善し悪しがある。すなわち、半導体検出素子は、その比較的高い量子効率があるのに、観測できるまでの信号とする際の増倍過程に、多くの電子部品を使用し、これらの個々の素子全てがノイズの原因となり、増幅ゆらぎと熱雑音を系に導入してしまう。
【００１０】
これに対して、光電面は、入射した光を電子に変換していく過程のなかで、光電面の厚みが数１０００Åと厚いために、内部の電子のトラップに落ち込む光電子が多いことや、表面と真空のポテンシャルを抜け出るための確率が低いことのために、最高でも３０％程度の量子効率しか達成されていない。しかし、一旦、電子に変換されて、真空中に取り出すことができてしまうと、外部からの電圧印加により、その電子にエネルギーを送り込み、これが金属面などと衝突した際に発生する二次電子にそのエネルギーを配分するために、ここで効率の良い増倍を達成する。さらに、多段にこれを連続的に行うことで、さらに高い信号／雑音比を達成することが可能となる。
【００１１】
ところが、現在は、両者の良い点を合わせ持つ光検出器が存在していない。
【００１２】
そこで、本発明は、上記した両者の良い点を合わせ持つ、つまり、比較的高い量子効率を有し、しかも効率の良い増倍を達成可能な光検出装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕光検出装置において、入射光に対して、透明で均質な直角プリズムと、この直角プリズムの入射光が入射する辺と出射光が出射する辺の間の前記入射光が入射し、この入射光を全反射する辺に均質に蒸着、または成長した前記直角プリズムの屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率誘電体膜と、この低屈折率誘電体膜上に金属または半導体の薄膜を有する光検出部を備え、前記全反射面の近傍では近接光場が発生し、前記金属または半導体の薄膜にて散乱され、前記金属または半導体の薄膜面に吸収された光は、前記金属または半導体の薄膜面内で電子に変換され、電気信号として取り出すことを特徴とする。
【００１４】
〔２〕上記〔１〕記載の光検出装置において、入射する光の空間的形状とその偏光状態を制御する手段を有する。
【００１５】
〔３〕上記〔２〕記載の光検出装置において、入射波長に依存して、偏光状態を制御する制御手段を有する。
【００１６】
〔４〕上記〔３〕記載の光検出装置において、入射光により誘起された金属または半導体の薄膜内の電子を引き出し、その背後に設置した電子増倍機構または電子偏向機構に導くような電界を印加する手段を有する。
【００１７】
〔５〕上記〔４〕記載の光検出装置において、前記窓材と前記低屈折率誘電体膜面との間にて反射して光電子変換されない成分の偏光面を回転してから、再びこの変換面に入射させる手段を有する。
【００１８】
〔６〕上記〔１〕から〔５〕のうちいずれか１項記載の光検出装置において、入射光に対して、偏光による光分波器を通して、それぞれ直交成分に分解した後、それぞれの偏光に対して、検出装置を一つずつ配置して、検出した後、再び電気的に信号を結合した。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明の基本構造を示す高効率光検出装置の構成図である。
【００２１】
この図に示すように、入射光１は、直角プリズム２に斜めから入射させることで、窓材としての直角プリズム２と、このプリズム２の屈折率よりも低い屈折率を有する誘電体（低屈折率誘電体）膜３の間で、１００％の反射をさせることができる。この状態を、全反射（Ｔｏｔａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｉｏｎ）という。ここで、例えば直角プリズム２の入射光の入射する辺及び出射する辺の寸法Ｌは１０ｍｍである。
【００２２】
この際の全反射の条件は、面の法線に対する入射角度を図２に示すようにθにすると、ｓｉｎθ＝ｎ2 ／ｎ1 である。ここで、ｎ1 とｎ2 は、直角プリズム２と誘電体膜３の屈折率である。この角度θ以上で入射した場合には、全反射の条件を満たすことになる。この反射面の近傍では、図２に模式的に示すような近接光場４が発生し、この到達領域は入射光１の波長程度である。この領域に、金属（金、アルミニウム）や半導体の薄膜５を挿入すると反射光の一部または全てが、散乱またはその膜内部に吸収されて、電子−ホール対または電子−イオン対を生成する。このような状態を減衰された全反射（Ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ  Ｔｏｔａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）という。この条件では、入射した光のうち、偏光方向が反対面の法線と平行な成分のみ（所謂ＴＭ成分）が近接光場４を介して、金属または半導体の薄膜５にて散乱される。法線に垂直な残りのＴＥ成分は直角プリズム２と誘電体膜３面に反射されてしまう。
【００２３】
一方、金属または半導体の薄膜５面に吸収された光は、金属または半導体の薄膜５面内で電子に変換されるが、その膜厚が十分薄い場合は、電子が高いエネルギー状態にあり、容易に真空との間のポテンシャルの壁とトンネル効果にて等価して、真空中に放出されるために、入射光１に起因したほとんどの電子を真空中に追い出すことができる。さらに、この真空場に取り出した電子を加速した後、二次光電子増倍機構や光電子偏向機構６を通過させて、さまざまな電子光学的手法を達成できる。さらに、その結果を金属板にて捕捉して電気信号として取り出すことができる。
【００２４】
さて、ここで用いられる低屈折率誘電体膜は、ＭｇＦ2 などの光学的に透明であり、かつ、屈折率がプリズム材料である光学ガラス（屈折率１．５程度）に比べて１．３程度と低く、その厚みも、近接光場の到達距離が精々波長程度であることを考えると、およそ、５００Å程度であると考えられる。ただし、その厚さの最適化を行うことは、実験的に可能である。
【００２５】
一方、誘電体膜３上に蒸着する金属または半導体の薄膜５としては、金またはアルミニウムなどの金属の薄膜や、シリコンやガリウム砒素などの半導体薄膜が考えられる。その際の、金属薄膜である場合の厚さは、５０〜２００Å程度となるものと推測されるが、これも、基本的に実験的に最適化するパラメーターであると考えられる。また、半導体としてのシリコンなどの薄膜も、さまざまな結晶成長の手法を用いて均一に作製することができるが、その厚さとしては、金属の場合と同様な厚みであると考えられる。
【００２６】
窓材として、図１では直角プリズム２を用いた例を示したが、誘電体膜３の間に発生する近接光場４と、この近接光場４を介して、光学的に結合する金属または半導体面といった構造が重要であるため、ガラスの底が十分平坦であれば、特に、プリズム構造とする必要がなく、レンズ状であったり、楔状であっても構わない。
【００２７】
次に、前記のように、近接光場４によって金属や半導体の薄膜５に結合する成分は、ＴＭ成分である。通常の光源や発光現象は、その偏光はランダムであることが多く、よって、検出面に入射する前に、予めその偏光面を制御することは、効率の良い計測法を提供することになる。
【００２８】
図３は本発明の第１実施例を示す高効率光検出装置の構成図である。
【００２９】
まず、入射光の空間的形状や、その偏光特性を制御するために、光源１１からの光を、一旦、コリメータレンズ１２などによりコリメートし、空間フィルターとしてのアパーチャー１３などを通過させる。これにより、前述の、入射光が全反射になるような空間成分のみを、図１に示した光検出構造に導く。さらに、そのうちで、偏光成分のうち一方の偏光成分（例えばＴＭ成分）のみを偏光板１４により選択して、光検出部１９に導くが、その際の光検出部１９の配置による微妙な偏光からのずれを補正するために、波長板１５などを用いることが必要となる。なお、図３において、１６は直角プリズム、１７は誘電体膜、１８は金属や半導体の薄膜である。
【００３０】
図４は本発明の第２実施例を示す高効率光検出装置の構成図である。
【００３１】
この実施例では、図４に示すように、光源２１からの光を可能な限り有効に検出するために、光源２１からの入射光の検出効率が最も高くなるように偏光を波長板２４にて設定し、さらに、全反射により検出されずにいるＴＥ成分の光を、もう一度光検出部３０に向かって反射鏡２９により反射させる。
【００３２】
その際、反射光が再び光検出部３０のＴＭ成分に整合するように、波長板２８を用いて、微妙にその偏光成分を補正しておく。これにより、アパーチャー２３を通過した光源２１からの光を効率よく検出することができる。なお、図４において、２２はコリメータレンズ、２５は直角プリズム、２６は低屈折率誘電体膜、２７は金属や半導体の薄膜である。
【００３３】
図５は本発明の第３実施例を示す高効率光検出装置の構成図である。
【００３４】
この図に示すように、この実施例では、光源３１からの光を空間的に制御した後に、偏光ビームスプリッター３４により、直交する偏光成分に分割し、それぞれの成分を検出する独立した光検出部３８、４４を設けるようにする。
【００３５】
それぞれの偏光成分の検出電気信号は、電気的ミキサー４５を介して結合され、最終的には解析装置に導かれる。この際、第２実施例と同等の高い検出効率が得られるだけでなく、一旦、外部に取り出された偏光成分を反射させて光検出部に導くために、時間遅延が生じ、時間分解計測に制限を与える可能性がある。
【００３６】
そこで、図５に示すような２つの光検出部３８、４４を用いて、これらの光学的、あるいは電気的な遅延時間差をなくすことは容易であるため、時間応答に優れた高効率光検出装置を提供することができる。図５において、３２はコリメータレンズ、３３はアパーチャー、３５は第１の直角プリズム、３６、４２は低屈折率誘電体膜、３７、４３は金属や半導体の薄膜、４１は第２の直角プリズムである。
【００３７】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、比較的高い量子効率を有し、しかも効率の良い増倍を達成可能な高効率光検出装置を提供することができる。特に、高い信号／雑音比を必要とする計測において重要な、高い検出効率と高い増倍率を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の基本構造を示す高効率光検出装置の構成図である。
【図２】  図１の高効率光検出装置の光検出部の模式図である。
【図３】  本発明の第１実施例を示す高効率光検出装置の構成図である。
【図４】  本発明の第２実施例を示す高効率光検出装置の構成図である。
【図５】  本発明の第３実施例を示す高効率光検出装置の構成図である。
【符号の説明】
１    入射光
２，１６，２５，３５，４１    直角プリズム
３，１７，２６，３６，４２    誘電体（低屈折率誘電体）膜
４    近接光場
５，１８，２７，３７，４３    金属（金、アルミニウム）や半導体の薄膜
６    光電子増倍機構又は光電子偏向機構
１１，２１，３１    光源
１２，２２，３２    レンズ
１３，２３，３３    アパーチャー
１４    偏光板
１５，２４，２８    波長板
１９，３０，３８，４４    光検出部
２９    反射鏡
３４    偏光ビームスプリッター
４５    電気的ミキサー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0003770976.tif 000005
【図５】
0003770976.tif 000006