CN102918456A

CN102918456A - 太赫兹波产生元件、太赫兹波检测元件和太赫兹时域分光装置

Info

Publication number: CN102918456A
Application number: CN2011800263444A
Authority: CN
Inventors: 尾内敏彦
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-06-03
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2013-02-06
Also published as: US9304373B2; US20150212388A1; JP5967867B2; EP2657759A3; EP2577393A1; US9024260B2; EP2657759A2; US20130037721A1; JP2012014155A; WO2011152542A1

Abstract

提供一种太赫兹波产生元件，该太赫兹波产生元件包括：包含电光晶体的芯部（4）的光波导；用于将当光在光波导中传播时从光波导产生的太赫兹波提取到空间的光耦合器（7）；和被设置在光耦合器关于光波导的芯部的相对侧以反射产生的太赫兹波的反射层（6）。根据该元件，能够提供这样的产生元件：该产生元件可通过光激励有效地产生较高强度的太赫兹波或产生具有较窄的脉冲宽度的太赫兹波以灵活地控制产生的太赫兹波的波形成形。

Description

太赫兹波产生元件、太赫兹波检测元件和太赫兹时域分光装置

技术领域

本发明涉及产生包含从毫米波带到太赫兹波带（30GHz～30THz）的频率范围中的电磁波成分的太赫兹波的太赫兹波产生元件、检测太赫兹波的太赫兹波检测元件、以及使用太赫兹波产生元件和太赫兹波检测元件中的至少一个的太赫兹时域分光（spectroscope）装置。特别地，本发明涉及包含通过激光束照射产生或检测上述的频带中的包含傅立叶成分的电磁波的电光元件的产生元件、以及利用使用产生元件的太赫兹时域分光（THz-TDS）的层析成像装置等。

背景技术

近年来，使用太赫兹波的非破坏性感测技术得到发展。作为具有该频带的电磁波的应用领域，存在以安全荧光透视（fluoroscopy）装置取代X射线设备的成像技术。另外，已开发了用于通过确定物质内的吸收谱和复数介电常数（complex permittivity）来研究诸如分子结合状态的物理性质的谱技术，用于研究诸如载流子浓度、迁移率和电导率的物理性质的测量技术，以及生物分子的分析技术。作为产生太赫兹波的方法，广泛利用使用非线性光学晶体的方法。典型的非线性光学晶体包含LiNbO_x（以下，也称为LN），LiTaO_x、NbTaO_x、KTP、DAST、ZnTe、GaSe、GaP和CdTe等。对于产生太赫兹波利用二次非线性现象。作为该方法，已知存在利用具有频率差的两个激光束的入射的差值频率产生（DFG）。另外，已知存在通过利用飞秒脉冲激光束的照射的光整流（optical rectification）产生太赫兹脉冲的方法和通过光学参数处理产生单色太赫兹波的方法。

作为以这种方式从非线性光学晶体产生太赫兹波的处理，近来，电光切伦科夫（Cerenkov）放射受到关注。它是这样一种现象，即，如图9所示，在作为激励源的激光束100的传播群速度比产生的太赫兹波的传播相位速度快的情况下，太赫兹波101以类似于冲击波的圆锥方式被放射。太赫兹波的放射角θc根据光与太赫兹波之间的介质（非线性光学晶体）中的折射率的比由下式确定。

cosθc＝v_THz/V_g=n_g/n_THz

这里，激光束的群速度和群折射率分别由v_g和n_g表示。太赫兹波的相位速度与折射率分别由v_THz和n_THz表示。到目前为止，已报道了通过使得具有倾斜的波前的飞秒激光束入射到LN、利用切伦科夫放射现象通过光整流产生高强度太赫兹脉冲（参见非专利文献1）。另外，已报道了为了消除波前倾斜的必要性，通过使用厚度充分地比产生的太赫兹波的波长小的板状波导（slab waveguide）通过DFG方法产生单色太赫兹波（参见专利文献1和非专利文献2）。

专利文献1、非专利文献1和非专利文献2的例子涉及这样一种提案，即，由于在这些例子中通过行进波激励产生太赫兹波，因此，通过沿放射方向用相位匹配相互增强由不同的波源产生的太赫兹波来提高提取效率。该放射方法的特征包括：作为使用非线性光学晶体的方法可以以较高的效率产生高强度太赫兹波的事实，和当在高频侧选择由于晶体特有的光子共振导致的太赫兹区域中的吸收时可加宽太赫兹波带的事实。在这些技术中，与使用光电导元件的太赫兹产生相比，产生带可被加宽，并且，在使用光整流的太赫兹脉冲产生的情况下，脉冲宽度可减小。因此，期望可在例如应用于太赫兹时域分光装置的情况下提高装置性能。

引文列表

专利文献

PTL1：日本专利申请公开No.2010-204488

非专利文献

NPL1：J.Opt.Soc.Am.B,vol.25,pp.B6-B19,2008.

NPL2：Opt.Express,vol.17,pp.6676-6681,2009.

发明内容

技术问题

但是，在非专利文献1和非专利文献2中描述的方法中，在晶体中产生的太赫兹波之中，只有沿一部分的方向产生的太赫兹波被提取到空气中。在切伦科夫放射中，沿在晶体中传播的激光束周围的每个方向产生太赫兹波。因此，在上述的方法中，从提取面获得的太赫兹波至多是总体的一半，并且，不能被提取的另一部分太赫兹波被吸收并且消失于非线性晶体中。因此，太赫兹波的提取效率受到限制。如上所述，当前，关于包含增加产生的太赫兹波的振幅的波形成形的控制，还没有获得充分的技术。

问题的解决方案

鉴于以上的问题，在本发明的一个方面中，提供一种太赫兹波产生元件，该太赫兹波产生元件包括：包含电光晶体的芯部的光波导；用于将在光在光波导中传播时从光波导产生的太赫兹波提取到空间的光耦合器；和被设置在光耦合器关于光波导的芯部的相对侧以反射产生的太赫兹波的反射层。

本发明的有利效果

根据本发明的该方面，能够提供这样的产生元件：该产生元件可通过光激励有效地产生较高强度的太赫兹波或产生具有较窄的脉冲宽度的太赫兹波，以灵活地控制产生的太赫兹波的波形成形。

在实施例的以下的描述中，本发明的其它方面将变得清楚。

参照附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。

附图说明

图1A是根据本发明的实施例1和例子1的太赫兹波产生元件的结构图。

图1B是根据本发明的实施例1和例子1的太赫兹波产生元件的结构图。

图2A是根据本发明的实施例的层析成像装置的框图。

图2B是根据本发明的实施例的层析成像装置的一部分的框图。

图3A是示出根据本发明的层析成像装置的太赫兹脉冲波形的例子的曲线图。

图3B是示出由本发明的层析成像装置成像的层析成像照片的例子的示图。

图4是根据本发明的例子2的太赫兹波产生元件的结构图。

图5是根据本发明的实施例2的太赫兹波产生元件的结构图。

图6是根据本发明的实施例3的太赫兹波产生元件的结构图。

图7是根据本发明的实施例4的太赫兹波产生元件的结构图。

图8是根据本发明的实施例5的层析成像装置的框图。

图9是电光切伦科夫放射的概念图。

图10是根据本发明的实施例6的太赫兹波产生元件的结构图。

图11A是根据本发明的实施例7的太赫兹波产生元件或太赫兹波检测元件的结构图。

图11B是示出根据本发明的实施例的太赫兹波产生元件或太赫兹波检测元件的制造方法的示图。

具体实施方式

根据本发明的包含电光晶体的太赫兹波产生元件通过设置上述的反射层或反射面或者通过采用满足布鲁斯特（Brewster）条件的结构来控制产生的太赫兹波的波形成形。基于该概念，根据本发明的太赫兹波产生元件的基本结构具有上述的结构。另外，可以在相反的处理中通过相同的结构检测太赫兹波。注意，这里对于一次光电效应使用的电光晶体具有二次非线性，并且，一般地，实际的电光晶体基本上与具有二次非线性的非线性光学晶体等同。如果具有这种结构的产生元件或检测元件被用于通过分析来自样品的反射光将样品的内部结构成像的层析成像装置或太赫兹时域分光装置，那么可提高内部渗透（permeability）厚度或深度分辨率。

以下，参照附图描述实施例和例子。

实施例1

参照图1A和图1B描述根据本发明的实施例1的由LN晶体制成的太赫兹波产生元件。图1A是根据本实施例的该元件的透视图。图1B是图1A所示的波导部分的1B-1B断面图。LN基板1是Y切割铌酸锂基板，其中，激光束的传播方向是LN晶体的X轴，并且，与Y轴和传播方向（X轴）垂直的方向是Z轴（参见图1A所示的坐标轴）。通过该结构，可通过作为二次非线性现象的电光切伦科夫放射有效地产生太赫兹波。换句话说，晶体轴被设定以实现由二次非线性处理产生的太赫兹波与传播光之间的相位匹配，使得在与二次非线性处理有关的光波（太赫兹波与传播光）的波数矢量之间满足相位匹配条件。

在LN基板1上，通过上覆层2和下覆层5以及由MgO掺杂LN晶体层制成的芯部4形成波导，该波导通过全内反射传播入射的激光束。换句话说，上覆层2和下覆层5中的每一个的折射率被设定为比芯部4的折射率低。下覆层2也可用作用于接合芯部4的粘接剂。注意，虽然在对于制造采用接合方法的情况下粘接剂2是必要的，但是，在通过扩散等形成掺杂层的情况下，它不总是必需的。在这种情况下，MgO掺杂LN层的折射率也比LN基板的折射率高。因此，基板1变为下覆层2，使得波导起作用。换句话说，下面提到的光耦合器7的相对侧的基板1也可用作下覆层，即，可以采用其中仅设置下覆层2的结构。另一方面，作为上覆层5的材料，可以适当地使用具有比LN的折射率小的折射率的树脂或无机氧化物。上覆层5也可用作用于固定光耦合器7的粘接剂。

可通过利用Ti扩散实现高折射率以设定与周边区域3的折射率差的方法或通过在周边区域3中蚀刻并填充树脂等形成脊状（ridgeshaped）波导芯部4的方法来形成波导的横向结构。这里，为了增强光捕获（light trapping），还沿波导芯部4的横向方向（Z轴方向）形成波导结构。但是，可以采用板状波导，在该板状波导中，芯部4沿横向方向均匀延伸，没有光捕获区域。在该波导上，设置用于将产生的太赫兹波提取到外部的诸如棱镜、衍射光栅或光子晶体的光耦合器7（在图1A和图1B中示出的是棱镜）。棱镜是合适的光耦合器7，原因是它可提取宽的频带的太赫兹波。

此外，在波导芯部4与下覆层2之间形成用于反射产生的太赫兹波的反射层6。作为反射层6，适当地使用光学透明的导电膜，以便正常地执行入射的激光束的光传播。这种膜由ITO（InSnO）、InO、SnO或ZnO等制成。可在接合MgO掺杂LN晶体层之前在表面上通过气相沉积容易地形成反射层6。作为替代方案，可利用使用金属细丝的网体（mesh）或线栅（wire grid）结构和树脂以用于构成反射层6。因此，能够以相同的方式有效地透射光并反射太赫兹波。除此此外，还可以使用掺杂半导体层、树脂或多孔（porous）结构。此外，可在芯部4与下覆层2之间形成中空的（bored air）间隔层，以在芯部的底部设置菲涅耳（Fresnel）反射的反射层。总之，一般可用作反射层的层也可被用作反射层6。如果使用掺杂载流子的半导体层，那么优选将由其电子浓度等确定的等离子体频率设定为比太赫兹波的最高频率高的值。仅需要考虑太赫兹波在反射层中的穿透（penetration）长度来设计反射层的厚度，以便可以实现适当的反射。

当激光束作为与Z轴平行的偏振的波（即，水平偏振波）入射到图1A所示的波导以沿X轴传播时，通过使用在背景技术中提到的非专利文献2中描述的原理或使用超短脉冲光源的光整流，从晶体的表面产生太赫兹波。产生的太赫兹波可通过光耦合器7被提取到空间。由LN中的光与太赫兹波之间的折射率差确定的切伦科夫放射角约为65度。在棱镜7的情况下，例如，作为能够在波导中在没有全内反射的情况下将太赫兹波提取到空气的棱镜的材料，具有很少的太赫兹波损失的高电阻Si是合适的。在这种情况下，太赫兹波与基板的表面之间的角度θ_clad（参见图1B）约为49度。在这种情况下，由于存在反射层6，因此，如图1B所示，向基板1放射的太赫兹波被反射并且也被提取到外部，由此可提高提取效率。

芯部4所需要的厚度小于或等于关于要被提取的太赫兹波的最高频率的产生元件中的等效波长的一半（即，不引起由于在关于产生的太赫兹波的等相位波面的反射之后与芯部4的厚度对应的相位偏移而导致的相位反转和抵消的厚度）。另一方面，上覆层5的厚度优选足够大以用作当激光束在波导层中4中传播时的包覆层，并且，优选小到一定的程度，以使得当太赫兹波通过光耦合器7被放射到外部时，可忽略损失或多重反射的影响。关于前者，在由作为芯部的波导层4和作为包覆层的低折射层2、5构成的波导中，优选厚度大于或等于这样的值：与光耦合器7的界面处的光强度为芯部区域中的光强度的1/e2或更小（e表示自然对数的底）。此外，关于后者，优选上覆层5的厚度小于或等于低折射率缓冲层5中的、要被放射到外部的最高频率处的太赫兹波的等效波长λ_eq（THz）的约1/10。这是由于，在具有波长的1/10的尺寸的结构中，具有该波长的电磁波的反射、散射或折射等的影响一般可被忽略。但是，即使在上述的希望的厚度范围之外，也能够从本发明的太赫兹波产生元件产生太赫兹波。

通过如上面描述的那样设定波导的结构、电光晶体的轴向（axialdirection）和反射层的结构等，可以通过光激励和切伦科夫放射以高强度有效地产生太赫兹波。

在图2A中示出利用使用上述的元件作为太赫兹波产生元件的太赫兹时域分光系统（THz．TDS）的层析成像装置的例子。这里，使用包含光纤的飞秒激光器20作为激励光源，并且，经由分离器21从光纤22和光纤23提取输出。一般地，中心波长为1.55μm，脉冲宽度为20fs，并且，重复频率为50MHz。但是，波长可以为1.06μm带等，并且，脉冲宽度和重复频率不限于上述的值。另外，输出级中的光纤22和23可包含末级中的用于高次孤波压缩的高度非线性的光纤或执行用于补偿因从太赫兹波产生器到检测器的光学元件导致的分散的预啁啾（prechirp）的分散光纤。优选这些光纤为偏振维持光纤。

来自太赫兹波产生侧的光纤22的输出与上述的根据本发明的切伦科夫放射型元件24的波导耦合。在这种情况下，优选在光纤的顶端（tip）上集成Selfoc透镜或者形成尾光纤（pigtail）型的顶端，使得输出小于或等于元件24的波导的数值孔径，以由此增加耦合效率。可通过使用透镜（未示出）来形成空间耦合。在这些情况下，如果在各端部处形成非反射涂层，那么可以减少菲涅耳损失和不希望的干涉噪声。作为替代方案，如果设计为使得光纤22的NA和模场直径（modefield diameter）接近元件24的波导的NA和模场直径，那么，可对于接合采用通过对接的直接耦合（对接（butt）耦合）。在这种情况下，通过适当地选择粘接剂，可以减少反射的坏的影响。注意，如果前级中的光纤22或光纤激光器20包含不是偏振维持类型的光纤部分，那么优选通过内嵌（inline）型的偏振控制器使对于切伦科夫放射型元件24的入射光的偏振稳定化。但是，激励光源不限于光纤激光器，并且，如果激励光源不是光纤激光器，那么减少用于使偏振稳定化的对策。

通过图2A所示的利用已知的THz-TDS方法的结构，检测产生的太赫兹波。换句话说，抛物面镜（parabolic mirror）26a形成准直光束，所述准直光束通过光束分离器25被分离。光束中的一个经由抛物面镜26b被施加于样品30。被样品30反射的太赫兹波通过抛物面镜26c被会聚，并且被由光电导元件构成的检测器29接收。光电导元件典型地由形成有偶极天线的低温生长GaAs制成。如果光源20为1.55μm，那么，对于通过透镜28产生双波（double wave）作为检测器29的探测束，使用SHG晶体（未示出）。在这种情况下，为了维持脉冲的形状，优选使用具有约0.1mm的厚度的周期极化的（periodically poled）铌酸锂（PPLN）。如果光源20具有1μm带，那么，在由单层的InGaAs或MQW构成的光电导元件的检测器29中，能够在不产生双波的情况下使用基波作为探测束。在本实施例的装置中，例如，光学斩波器（chopper）35被设置在探测束侧，并且，使用用于驱动斩波器的调制单元31和用于通过放大器34从检测器29获得检测信号的信号获得单元32，使得可以执行同步检测。然后，数据处理和输出单元33通过使用PC等在移动作为延迟单元的光学延迟模块27的同时获得太赫兹信号波形。只要延迟单元可调整在作为产生单元的元件24中产生太赫兹波的时间与在作为检测单元的检测器29中检测太赫兹波的时间之间的延迟时间，延迟单元可以是任意的类型。如上所述，本实施例的装置包括包含本发明的用于产生太赫兹波的太赫兹波产生元件的产生单元、用于检测从产生单元放射的太赫兹波的检测单元、以及延迟单元。此外，本实施例的装置构成为层析成像装置，其中，检测单元检测从产生单元被放射并被样品反射的太赫兹波，以便分析来自样品的反射光以用于将样品的内部结构成像。

在图2A所示的系统中，来自要被测量的样品30的反射波和照射太赫兹波是同轴的，并且，由于光束分离器25的存在，太赫兹波的功率减半。因此，可以增加镜子26的数量以构成图2B所示的非同轴结构，并且，虽然对于样品30的入射角没有变成90度，但是可以增加太赫兹波的功率。

通过使用本实施例的装置，如果在样品30内存在材料的不连续，那么，在获得的信号中，在与该不连续对应的时间位置处出现反射回声脉冲。通过以一维的方式扫描样品30，获得层析成像照片。通过以二维的方式扫描样品30，可以获得三维图像。通过本实施例的结构，可以产生高强度的太赫兹波。因此，例如，可以在层析成像中增加沿样品30的深度方向的渗透厚度。另外，由于可以获得具有30fs或更小的单脉冲的较细的太赫兹脉冲，因此，可以提高深度方向的分辨率。此外，由于使用光纤的激励激光器可被用作照射单元，因此，装置的尺寸和成本可降低。这里，虽然在此使用LN晶体作为材料，但是，作为其它的电光晶体，可以使用以上在背景技术中描述的LiTaO_x、NbTaO_x、KTP、DAST、ZnTe、CaSe、GaP和CdTe等。在这种情况下，如以上在背景技术中描述的那样，LN在太赫兹波与激励光之间具有折射率差，并且，可以以非共线（non-collinear）方式提取产生的太赫兹波。但是，由于该差在其它的晶体中不总是大的，因此，存在一些提取困难的情况。但是，在太赫兹波产生部分和棱镜在波导类型中相互接近的情况下，如果使用折射率比电光晶体的折射率高的棱镜（例如，Si），那么满足用于切伦科夫放射的条件（v_THz<v_g），使得太赫兹波可被提取到外部。

例子1

描述作为实施例1的类型的例子1。在本例子中，在图1A和图1B所示的元件结构中，通过具有2μm的厚度的光学粘接剂形成具有约1.5的折射率n的下覆层2，并且，MgO掺杂芯部4被形成为具有3.8μm的厚度和5μm的宽度。另外，通过与具有2μm的厚度的下覆层2相同的光学粘接剂形成上覆层5。在本例子中，例如，假定要支持高达7THz，自由空间中的波长约为43μm。这里，假定芯部4具有2.2的折射率（LN:MgO），并且上覆层5具有1.5的折射率，如以上在实施例1中描述的那样，芯部4的厚度被设计为等效波长λ_{eq_core}（约43/2.2＝19.5）的1/2或更小。换句话说，它被设计为约9.8μm或更小。另外，覆层的厚度被设计为小于或等于λ_{eq_clad}（约43/1.5＝28.7）的1/10或更小，即，2.9μm或更小。此外，由高电阻Si制成的具有41度的图1B的角度θ的棱镜7被接合。在这种情况下，角度θ和太赫兹波的放射角大致相互为互补角。太赫兹波基本上以正交的方式从棱镜7的斜面（出射面）射出，使得透射率变得最高。但是，θ不需要总是为90-θ_clad，并且，太赫兹波的出射角不需要是正交的。

在本例子中，使用ITO（具有100nm的厚度）作为反射层6。在这种情况下，ITO对于光的折射率约为2.2，这对于传播光的损失和折射等方面的影响不太多。另一方面，太赫兹波的反射率可以为90%或更高。以这种方式，如果反射层6被设置为接近芯部4，那么优选对于光的折射率基本上与芯部或覆层的折射率相同，或者为它们之间的折射率。图3A和图3B分别示出被施加于样品30上的太赫兹脉冲波形的例子及在图2A和图2B所示的系统中获得的层析成像照片的例子。从图3A可以理解，具有约270fs的脉冲宽度的单脉冲被获得。另外，图3B是通过沿一个方向扫描分别具有约90μm的厚度的三张层叠的纸的样品而获得的层析成像照片。由于在纸张片材之间存在空间间隙使得各纸张片材的前侧和后侧被观察为界面，因此，观察到六个层（白线）。

例子2

描述类似地为实施例1的类型的例子2。在本例子中，如图4所示，对于反射层使用包含金属网格的层。在图4中，示出直到芯部45的部分，但是，上覆层和上面部分被省略，使得可以容易地看到反射层41。另外，在本例子中，波导不是脊状类型，而是横向延伸到超出激光束照射区域43的板状波导类型。图4所示的太赫兹波产生元件包含LN基板40、要作为下覆层的具有低折射率的树脂粘接剂42、具有网格状金属图案44的反射层41和作为以上在实施例1中描述的MgO掺杂LN层的芯部45。

这里，例如，金属图案44由具有100nm的厚度、10μm的宽度和10μm的间隔的Au制成。这种网格被嵌入树脂层中以形成反射层41。在这种情况下，具有与网格平行的电场成分的太赫兹波被反射，而与在波导中传播的激光束的交互作用小。作为网格的替代，可以使用金属网体。一般地，金属网格或网体结构在从毫米波到太赫兹波的频带中具有过滤特性。上述的金属的宽度和间隔被设计为使得对于这里使用的达10THz的信号成分的反射率为90%或更大。另外，网格具有大的偏振依赖性。因此，当使用金属图案的反射层41时，可以调整产生的太赫兹波的频谱和偏振。

实施例2

以下描述实施例2。在本实施例中，如图5所示，改变由MgO掺杂LN晶体构成的芯部4的晶体轴。结构的其它部分与实施例1的相同，并且，相同的符号表示相同的部分。由于Z轴是垂直的，因此，入射的激光束的偏振也被调整为垂直的，并且，产生的太赫兹波具有垂直方向的偏振。在这种情况下，当使用棱镜作为光耦合器7时，太赫兹波的电场的偏振方向关于光耦合器7的出射面变为P偏振，由此P偏振的光入射。因此，如果棱镜7的出射面形成关于太赫兹波的放射方向具有布鲁斯特角的表面，那么当太赫兹波被提取到外部时，可以防止内反射。因此，具有可以在出射面上没有非反射涂层等的情况下增加透射率的优点。

在光耦合器7由Si制成的情况下，当对于太赫兹波的折射率为3.4时，布鲁斯特角为arctan（1/3.4）≈16度。因此，在这种情况下，图1B所示的θ的值被调整为180-θ_clad-（90-16）＝57度。从而，满足布鲁斯特条件，使得通过光耦合器7的出射面的太赫兹波的透射率变得最大。

注意，如果产生的太赫兹波的偏振方向满足本实施例的条件，那么布鲁斯特角的上述的设定在具有没有反射层6的结构的产生元件中也是有效的，由此，可以在防止内反射的同时将太赫兹波提取到外部。

实施例3

描述实施例3。在本实施例中，如图6所示，反射层（形成反射面的层）50被设置在离开芯部4的位置。在离开芯部4一个距离以使得在光波导中传播的光的振幅变为芯部4中的光的振幅的1/e²或更小的位置，该反射面被设置在光耦合器7关于光波导的芯部4的相对侧。除了不设置反射层6以外，其它的结构与实施例1的相同，并且，相同的部分由相同的数字或符号表示。

这里，在覆层2的与反射层50的界面处以相位反转（phaseinversion）被反射的成分与在没有反射的情况下被直接放射的成分之间存在时间差。因此，如图6中概念地示出的那样，成分的合成波可被调整，以具有与不合成成分的情况相比具有小的脉冲宽度的部分。因此，例如，反射之后的延迟的时间被设定约为原始脉冲宽度（这里，为250fs）的一半（例如，130fs）。在这种情况下，假定反射面的位置基本上由下覆层2的厚度d确定，则下式成立。

2×d/sinθc=130×10^-15×c/n₂

这里，下覆层2的折射率由n₂表示，由折射率差确定的太赫兹波的提取角（以上在背景技术中描述的）由θc表示，光速由c表示。对于LN，角度θc为65度。当n₂＝1.5时，d约为12μm。

反射层50可由掺杂半导体（例如，掺杂到10¹⁷cm^-3或更大的n型Si层）制成。注意，由于在光波导层中传播的光的能量几乎不到达该层，因此，不必考虑光学损失等。因此，反射层50可由TiO等的高折射率层或金属层制成。

实施例4

以上主要描述了通过使用飞秒激光束作为激励光的光整流产生太赫兹脉冲的实施例/例子。相反，在实施例4中，允许具有不同的振荡频率V₁和V₂的两个激光束入射，并且，具有与差值频率对应的单个颜色的太赫兹波被输出。作为激光束源，可以使用Nd:YAG激光激励的KTP光学参数振荡器（OPO）光源（其输出两个波长光束）或两个可变波长激光二极管。

图7是本实施例的断面图。在LN基板60上，层叠粘接剂层61、反射层65、MgO掺杂LN波导层62和低折射率缓冲层63。与实施例1类似，形成具有5μm的宽度的波导。在本实施例中，为了增大太赫兹波的输出，波导长度被设为40mm，并且，设置多个光耦合器64。光耦合器64中的每一个具有例如约1cm的长度，并且，可以设置四个光耦合器，如图7所示。通过构成多个光耦合器64的光耦合器，可以减小其总体积，并且，可以减小太赫兹波通过光耦合器的距离，使得可以减少损失。反射层65的材料与实施例1的相同。

在本实施例中，当入射光的频率差|v₁-v₂|为0.5～7THz时，放射的太赫兹波的频率可在该范围中变化。在本实施例中，能够实现可对于检查或成像使用特定的太赫兹带中的频率的应用，该检查例如为通过将频率调整到药品中包含的特定物质的吸收谱来检查该物质的含量。

实施例5

在上述的实施例或例子中，图8所示的由LN制成的太赫兹波产生元件71的光波导的终端被粗糙化或被斜切以便将光提取到外部，或者被涂有AR涂层，以由此防止从该终端的输出光变为噪声源。相反，在实施例5中，终端80被斜切或者被涂有AR涂层等，以由此将从终端80输出的光重新用作为探测束。换句话说，在本实施例中，来自太赫兹波产生元件71的光波导的终端80的光被用作对于检测单元的探测束，并且，延迟单元调整光对于太赫兹波产生元件71的波导的到达时间与探测束对于检测单元的到达时间之间的延迟时间。

图8是以与图2A和图2B相同的方式示出THz-TDS方法的层析成像装置的示图，其中，电气系统部分被省略。与图2A和图2B所示的实施例不同，没有设置光纤分离器，并且，允许包含光纤的激励激光器70的总体输出入射到太赫兹波产生元件71。与图2A和图2B所示的实施例类似，从太赫兹波产生元件71产生的太赫兹波通过抛物面镜和半透半反镜77被投射到样品78。来自样品78的反射光入射到太赫兹检测单元74，从而获得信号。另一方面，在太赫兹波产生元件71中传播的激光束的一部分从终端80被再次输出，并且通过镜子72、延迟单元73和透镜75被用作对于检测单元74的探测束。

在该结构的情况下，由于不需要激励激光束的分离器，因此，可以减少部件的数量，并且，可以有效地利用激励激光器70的功率。

实施例6

在本实施例中，使用具有相同的结构的元件来充当对于太赫兹波的检测元件。特别地，如图10所示，为了使得入射激光束以全内反射传播，波导在LN基板81上由粘接剂层82、反射层86、由MgO掺杂LN晶体层制成的波导层84和低折射率缓冲层85制成。此外，该结构包含太赫兹波入射的光耦合器87。这里，允许作为具有线性偏振的偏振光89的超短脉冲激光束以从晶体的Z轴的倾角（例如，45度）从上述的实施例的相对侧的表面入射。在这种情况下，由于电光晶体的双折射，因此，发射的激光束在电场的Z轴成分与Y轴成分之间具有相位差，以在出射之后在空间中作为椭圆偏振光传播。由自然双折射导致的该相位差根据晶体的类型、入射的偏振方向和波导长度而不同。可以将相位差设为零。

这里，如果主轴为Z轴的偏振光通过例如为Si棱镜的光耦合器87从太赫兹脉冲在实施例1等中出射的表面入射，那么，可以在与太赫兹波的产生相反的过程中在整个波导上执行在波导中传播的超短脉冲激光束与太赫兹波之间的交互作用。作为交互作用，波导的折射率由于太赫兹电磁场给予电光晶体的一次电光效应（普克尔（Pockels）效应或一种类型的二次非线性过程的效应）而沿Z轴改变，并由此传播光的偏振状态改变。特别地，激光束的电场的Z轴成分与Y轴成分之间的相位差由于诱导双折射而改变，并由此椭圆偏振的椭圆率和主轴的方向改变。可通过由外部偏振元件91及光电检测器92和93检测激光束的传播状态的这种变化来检测太赫兹波的电场的振幅。在本实施例中，两个偏振光束通过Wollaston偏振棱镜91被分离，并且，通过两个光电检测器92和93的差分放大而提高S/N比。差分放大不是绝对必要的。可以使用偏振板作为偏振元件91以仅由一个光电检测器（未示出）来检测强度。

可以在出射端部与偏振元件91之间设置用于补偿自然双折射的相位补偿板（未示出的λ/4板等）。

通过使用本发明的元件作为检测器，可以增加通过不影响传播的激光束的太赫兹波的反射层耦合的太赫兹波。作为结果，可以提高灵敏度。通过使用该元件，可以实现以上在实施例中描述的太赫兹时域分光装置和层析成像装置。这种情况下的产生元件可以是如在本发明中那样使用切伦科夫类型的相位匹配方法的元件或者诸如常规的产生元件的使用光电导元件等的任何其它元件。

虽然在本实施例中入射光从本实施例中的产生的相对侧的端部入射，但是，也可以采用入射光从与产生在同一侧的端部入射的结构。在这种情况下，由于匹配长度减小，因此，信号强度也减小。虽然光波导如在例子1中那样具有脊形状，但是，也可以如在例子2中那样采用板状波导。另外，虽然在本实施例中通过脉冲激光束检测太赫兹脉冲，但是，也可以如以上在实施例4中描述的那样允许具有不同的频率的两个激光束入射，以检测与差值频率成分对应的单个颜色的太赫兹波。在这种情况下，通过改变差值频率，可以以与滤波器相同的方式提取希望的频率的太赫兹波以便检测电场的振幅。

在这里描述的检测太赫兹波的方法中，因耦合的太赫兹波带来的一次电光效应导致的光的偏振状态的变化被检测。但是，可以采用检测作为光的传播状态的变化的在波导中传播的光的相位变化或具有作为在波导中传播的光的频率与耦合的太赫兹波的频率之间的差值的频率的光信号（即，光拍（beat）信号）的方法。

实施例7

参照图11A和图11B描述本发明的实施例7。在本实施例中，激光束在其中传播的波导层96是夹层（sandwich）型的板状波导，具有没有用于保持波导层的LN基板的结构。例如，波导的长度为5mm。注意，与图1A和图1B不同，图11A和图11B示出粘接剂层95和棱镜94处于下侧的示图。

这可被实现如下。如图11B所示，通过使用要成为低折射率缓冲层95′的粘接剂（与实施例1类似），要成为波导层的MgO掺杂LN晶体基板96′与作为棱镜94的材料的高电阻Si基板94′接合。然后，LN晶体侧被抛光到波导层的厚度以制备层叠晶片99。在抛光处理之后，优选形成要成为以上在实施例1中描述的反射层的光学透明导电膜97和还用作表面上的保护膜的由通过SiO2等制成的氧化物膜或树脂等制成的低折射率层98。由于空气的折射率低，因此，即使不形成该低折射率层98，也可以在波导层中捕获光。

应通过抛光或化学蚀刻形成Si棱镜的倾斜部分。例如，如果表面为（100）Si基板，那么通过执行已知的湿蚀刻（KOH等）形成具有55度的倾角的（111）面。虽然该值从具有41度的倾角的理想表面偏离14度，但是，表面上的反射损失（菲涅耳损失）的增加非常少。当然，可以使用倾斜基板以实现具有41度的倾角的表面。

这里，入射光可以为图4中的激光束照射区域43那样的椭圆状的光。在这种情况下，可以使用棒状透镜或圆柱透镜作为用于耦合激光束源的透镜以沿垂直方向使波导层结构变窄。

产生或检测太赫兹波的方法与实施例1～6中的相同。

在本实施例中，由于采用板状波导，因此，具有可容易地耦合探测束的优点和即使不能充分地会聚太赫兹波也可确保宽的交互作用区域的优点。当然，也可在从与Si基板的接合状态形成波导的情况下采用脊状波导。

虽然以上描述了本发明的优选实施例，但是，本发明不限于这些实施例，这些实施例可在其精神的范围内以各种方式被修改或改变。另外，在说明书或附图中示出的技术要素单独地或者以它们的各种组合表现技术有用性，不限于在提交的权利要求中描述的组合。另外，在说明书或附图中例示的技术同时实现多个目的，并且，实现它们中的一个具有技术有用性。

虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的变更方式及等同的结构和功能。

本申请要求在2010年6月3日提交的日本专利申请No.2010-127891和在2011年5月10日提交的日本专利申请No.2011-104803的权益，在此以引入方式将其全部内容并入本文。

附图标记列表

2、5覆层

4芯部

6反射层

7光耦合器

Claims

1.一种太赫兹波产生元件，包括：

包含电光晶体的芯部的光波导；

用于将当光在光波导中传播时从光波导产生的太赫兹波提取到空间的光耦合器；和

被设置在光耦合器关于光波导的芯部的相对侧以反射产生的太赫兹波的反射层。

2.根据权利要求1的太赫兹波产生元件，其中，所述反射层与光波导的芯部直接相邻。

3.根据权利要求1的太赫兹波产生元件，其中，所述反射层是透射光的光学透明的导电膜。

4.根据权利要求1的太赫兹波产生元件，其中，所述反射层具有对于光的折射率，该折射率与光波导的芯部或覆层的折射率相同，或者，该折射率具有该芯部和该覆层的折射率之间的范围内的值。

5.根据权利要求3的太赫兹波产生元件，其中，所述反射层包含ITO（InSnO）、InO、SnO和ZnO中的至少一种。

6.根据权利要求1的太赫兹波产生元件，其中，所述反射层是包含金属网体或导线网格的层，或者是包含载流子掺杂的半导体的层。

7.一种包含电光晶体的太赫兹波产生元件，包括：

包含用于传播光的电光晶体的芯部的光波导；

用于以相位反转反射当光在光波导中传播时从光波导产生的太赫兹波的反射表面，

其中，在与光波导的所述芯部离开一个距离的位置处，所述反射表面被设置在光耦合器关于所述芯部的相对侧，其中，该距离使得在光波导中传播的光的振幅变为光波导的所述芯部中的光的振幅的1/e²或更小，这里，e是自然对数的底。

8.一种包含电光晶体的太赫兹波产生元件，包括：

包含用于传播光的电光晶体的芯部的光波导；和

用于将当光在光波导中传播时从光波导产生的太赫兹波经由出射表面提取到空间的光耦合器，

其中，由在光波导中传播的光从光波导产生的太赫兹波关于光耦合器的出射表面具有作为P偏振的电场的偏振方向，并且，太赫兹波对于所述出射表面的入射角被设定为满足布鲁斯特条件。

9.根据权利要求1的太赫兹波产生元件，其中：

所述光波导包含关于光的要成为芯部的高折射率层和要成为包覆层的低折射率层，

所述低折射率层中的至少一个层被设置在所述高折射率层与光耦合器之间，以便与所述高折射率层和光耦合器接触；以及，

所述至少一个层的厚度d满足下式：

a<d<λ_eq/10，

这里，光强度变为所述芯部中的光强度的1/e²的厚度由a表示，这里e是自然对数的底，并且，要被提取到空间的太赫兹波的最高频率处的低折射率层中的等效波长由λ_eq表示。

10.一种太赫兹波检测元件，包括：

包含电光晶体的波导；

用于允许太赫兹波从空间入射到波导的光耦合器；和

被设置在光耦合器关于光波导的芯部的相对侧以反射产生的太赫兹波的反射层，

其中，所述波导的电光晶体具有晶体轴，该晶体轴被设定使得在波导中传播的光的传播状态在太赫兹波入射到波导时改变。

11.一种太赫兹时域分光装置，包括：

用于产生太赫兹波的产生单元；

用于检测从产生单元放射的太赫兹波的检测单元；和

用于调整在产生单元中产生太赫兹波的时间与在检测单元中检测太赫兹波的时间之间的延迟时间的延迟单元，

其中，所述产生单元包含根据权利要求1～9中的任一项的太赫兹波产生元件。

12.一种太赫兹时域分光装置，包括：

用于产生太赫兹波的产生单元；

用于检测从产生单元放射的太赫兹波的检测单元；和

其中，所述检测单元包含根据权利要求10的太赫兹波产生元件。

13.根据权利要求12的太赫兹时域分光装置，其中：

所述检测单元检测从所述产生单元被放射并被样品反射的太赫兹波；以及

所述太赫兹时域分光装置被构成为用于通过分析来自样品的反射光将样品的内部结构成像的层析成像装置。

14.根据权利要求11～13中的任一项的太赫兹时域分光装置，其中：

来自所述太赫兹波产生元件的光波导终端的光被用作对于所述检测单元的探测束；以及

所述延迟单元调整光到达所述太赫兹波产生元件的光波导的时间与探测束到达所述检测单元的时间之间的延迟时间。

15.一种根据权利要求1的太赫兹波产生元件或根据权利要求10的太赫兹波检测元件的制造方法，包括：

通过低折射率层的材料接合所述电光晶体与由光耦合器的材料制成的基板；和

加工与所述电光晶体接合的基板。