JP2005519458A - テラヘルツ放射線を発生するための装置並びに半導体コンポーネント - Google Patents

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Abstract

本発明は、ポンプ・ビーム（３）が供給されるモード結合式のショートパルス・レーザー（１）を備え、かつ共振器ミラー（Ｍ４）を備える半導体コンポーネントを備える、テラヘルツ（ＴＨｚ）放射線を発生するための装置に関するものである。この半導体コンポーネントは、入射レーザー・パルスに基づいてＴＨｚ放射線を誘導するのに役立つ。共振器ミラー（Ｍ４）、望ましくは共振器エンド・ミラーは、ショートパルス・レーザーのレーザー放射線に関して部分的に透過性の半導体層を備え、その吸収限界はショートパルス・レーザー（１）のレーザー放射線のエネルギーより低く、電場においてＴＨｚ放射線を発生しこれを放射するためにバイアス電圧源に接続できる電極（９、１０）が半導体層に配置される。

Description

本発明は、ポンプ・ビームが供給されるモード同期式のショートパルス・レーザー及び共振ミラーを含む半導体コンポーネントを備える、テラヘルツ（THｚ）放射線を発生するための装置に関するものであり、半導体コンポーネントは、同時に衝突レーザー・パルスに基づいてテラヘルツ放射線を誘導するために設計される。
さらに、本発明は、レーザーにおいて使用される共振ミラーを含む半導体コンポーネントに関するものであり、共振ミラーはレーザーのモード同期動作を可能にするのに適し、半導体コンポーネントは、同時に、衝突レーザー・パルスに基づいてテラヘルツ（THｚ）放射線を発生するように設計される。
テラヘルツ範囲（１０11ヘルツから１０13ヘルツまで）の電磁放射線、すなわちパルスの形など連続波の形の電磁放射線は、例えば分光学などにおいて非常に利点があるだろうが、例えば未来のコンピュータなど他の分野においても有益であろう。例えばＳａｒｕｋｕｒａ他の「フェムト秒モード同期レーザーにおいて飽和性ブラッグ反射器を使用する全固体状態テラヘルツ放射線源」（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．３６、Ｐａｒｔ ２，Ｎｏ．５Ａ，１ Ｍａｙ １９９７，ｐｐ．Ｌ５６０−Ｌ５６２）などにおいて、すでに、この種のテラヘルツ放射線の発生のために様々な提案がなされている。この論文においては、半導体ミラー、飽和性ブラッグ反射器（ＳＢＲ素子）に関連してレーザー・ショートパルスを発生するためにテラヘルツ放射線を発生するための量子井戸を備えるモード同期レーザーを使用することが説明されている。ＳＢＲ素子は、モード同期レーザーの共振器内に配置され、ここでのレーザー・ビームの衝突角度はいわゆるブルースター角にほぼ一致する。このようにして、テラヘルツ放射線のアウトカップリングが可能である。ただし、不利なことは、各レーザー・パルスが共振器における往復中ＳＢＲ素子に2回衝突し、それによって、テラヘルツ放射線が４方向に放射されることである。このように、発生した放射線の効率の良い集束及び使用が可能ではなく、非常に低いテラヘルツ放射線の出力−ｎＷの範囲−しか得られない。
Ｓａｒｕｋｕｒａ他の別の論文「磁場における共振器内飽和性ブラッグ反射器からのテラヘルツ放射線発生」（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．２Ａ，１ Ｆｅｂ．１９９８，ｐｐ．Ｌ１２５−Ｌ１２６）においては、モード同期式のショートパルス・レーザーに関連するＳＢＲ素子の多少修正された配列が開示されており、この配列において、ＳＢＲ素子は、レーザー共振器のエンド・ミラーとして使用される。この場合、ＳＢＲ素子は、永久磁石の磁場に据え付けられ、磁場はテラヘルツ放射線の主ローブの放射パターンを制御して、ＳＢＲ素子の基板内に放射線が捕捉されるのを防止する。共振器エンド・ミラーとしてＳＢＲ素子をこのように配列することによって、実際に、最高０．８μＷのテラヘルツ放射線出力の増大が得られたが、実際には磁場の設定が複雑であることに加えて、さらにもっと大きな出力が実用的には望ましいだろう。
磁場にＩｎＡｓ（砒化インジウム）ミラーを備える同様の配列が、Ｌｉｕ他「共振器内テラヘルツ放射線エミッタとしてのバルクＩｎＡｓミラーからの効率の良いテラヘルツ放射線発生」（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３９，Ｐａｒｔ２，Ｎｏ．４Ｂ，１５ Ａｐｒｉｌ ２０００，ｐｐ．Ｌ３６６−Ｌ３６７）において開示されている。この場合、ＩｎＡｓミラーにおけるレーザー・ビームの衝突角度は非常に大きく、８５°の範囲である。このミラーも、レーザー共振器内に配置されるので、各レーザー・パルスがミラーに2度ぶつかり、テラヘルツ放射線が4方向に発生するという既述の不利点が生じる。実験を行った際、レーザー共振器の平均出力は４．５Ｗで、得られたテラヘルツ放射線の平均出力は、５ｎＷの範囲であった。さらに不利なことは、ＩｎＡｓミラーを使用する場合、レーザー共振器に別個のコンポーネントがさらに導入されることである。さらに、磁場におけるＳＢＲ素子の配列は、Ｌｉｕ他の以前の論文「ひずみ飽和性ブラッグ反射器による自動起動モード同期を伴う磁場における共振器内飽和性ブラッグ反射器からのＴＨｚ放射線」（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．３８，Ｐａｒｔ ２，Ｎｏ．１１Ｂ，１５ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ １９９９，ｐｐ．Ｌ１３３３−Ｌ１３３５）から既知である。
さらに、ＳＢＲ素子を備えるモード同期レーザーについては、Ｌｉｕ他の「共振器内連続波増幅器及びひずみ飽和性ブラッグ反射器を備える高平均出力モード同期チタン-サファイア・レーザー」（Ｊｐｎ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．３８，Ｐａｒｔ ２，Ｎｏ．１０Ａ，１ Ｏｃｔｏｂｅｒ １９９９，ｐｐ．Ｌ１１０９−Ｌ１１１１）において説明されている。
さらに、ＥＰ ６０６ ７７６ Ａから、基板の上に2つの電極が重ねられる配列を持ち、2つの電極の間にＬＴ-ＧａＡｓ材が配備される、テラヘルツ放射線を送るための装置が既知である。レーザー・パルスが生じると、テラヘルツ放射線が基板の平面に発生し、その結果、技術的な不利点が生じ丈夫さに欠ける。
大きな開口を有するアンテナを使用することによってテラヘルツ放射線を発生する別の方法は、Ｆａｔｔｉｎｇｅｒ他「テラヘルツ・ビーム」（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．５４，Ｎｏ．６，６ Ｆｅｂｒｕａｒｙ １９８９，ｐｐ．４９０−４９２）において説明されている。この場合、テラヘルツ放射線の発生は、２つの電極の間の電場を移動する光学的に発生した電荷キャリアによって得られる過渡光電流に基づいている。エミッタに使用される半導体材料は一般に高抵抗であり、電荷キャリアの耐用寿命は非常に短い。対応する配列がＵＳ ５，７２９，０１７ Ａにおいても説明されている。電荷キャリアが生成される半導体材料にＧａＡｓ（砒化ガリウム）化合物、ＡｌＧａＡｓ（砒化ガリウム-アルミニウム）化合物、ＬＴ-ＧａＡｓ化合物及びＬＴ-ＡｌＧａＡｓ化合物（ＬＴ−低温）などの化合物を使用することも既知である。Ｍｉｔｒｏｆａｎｏｖ他「サファイア上における低温成長ＧａＡｓに基づく薄型テラヘルツ・ディテクタ及びエミッタ」（レーザー電気工学会議−ＣＬＥＯ ２０００，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ．Ｐｏｓｔｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ．ＴＯＰＳ Ｖｏｌ．３９；ＩＥＥＥ Ｃａｔ．Ｎｏ．００ＣＨ３７０８８．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍｅｒｉｃａ，Ｓａｌｅｍ，ＭＡ，ＵＳＡ；Ｍａｙ ２０００；ｐｐ．５２８−５２９）も参照のこと。
上記の低温半導体材料は、２００℃から５００℃程度の低温で使用され、光電荷キャリアの再結合時間が短いことを特徴とする。
特に、光誘起過渡テラヘルツ放射線にＬＴ-ＧａＡｓ材料が使用される場合、電荷キャリアの再結合時間を数ｐｓまたは１ｐｓ以下にできることも知られている。
既知の研究とは別に、それぞれモード同期ショートパルス・レーザーを使用することによってテラヘルツ放射線の発生を効率よく可能にする装置及び半導体コンポーネントを提供することが本発明の目的であり、本発明においては、テラヘルツ放射線の出力も既知の配列におけるより大幅に高くなり、また制御可能であることが望ましい。特に、ｍＷ範囲のテラヘルツ放射線出力が可能になる。
本発明に従った最初に定義されるタイプの配列は、共振器ミラー、望ましくは共振器エンド・ミラーが、ショートパルス・レーザーのレーザー放射線に対して部分的に透過性の半導体層を備え、半導体層の吸収限界が、ショートパルス・レーザーのレーザー放射線のエネルギーより低く、かつバイアス電圧源に接続可能な電極が、電場においてＴＨｚ放射線を発生しこれを放射するために既知の方法でこれに据え付けられることを特徴とする。
従って、最初に定義されるタイプの本発明の半導体コンポーネントは、共振器ミラー、望ましくは共振器エンド・ミラーに、レーザー放射線に対して部分的に透過性の半導体層が配備され、半導体層の吸収限界がレーザー放射線のエネルギーより低く、かつバイアス電圧源に接続可能な電極が、電場においてＴＨｚ放射線を発生しこれを放射するように既知の方法でこれに据え付けられることを特徴とする。
このように、本発明のコンセプトは、一般的に言って半導体層を有するショートパルス・レーザーの半導体共振器ミラーをＴＨｚ放射線用のアンテナとしても役立つ電極と結合し、レーザー・ビームによって共振器ミラーの半導体層において所期のテラヘルツ放射線を発生させることに基づいている。この際、テラヘルツ放射線の出力は、印加電圧すなわち加えられる電場によって簡単に調整または変調することができる。
より詳細に言うと、強さの豊富なレーザー・パルスは、半導体共振器ミラーに付けられる半導体材料において可動電荷キャリアを発生する。この際重要なことは、当然、レーザー・ビームのエネルギーが電荷キャリアを生成するのに充分な高さであることである。すなわち、レーザー放射線のエネルギーは半導体材料の吸収限界（電子が伝導帯に引き上げられる始点となるエネルギー・レベル）より上にあると言うことであり、従って、半導体材料は使用されるレーザーのタイプに応じて選択されなければならない。これは、入手可能な半導体材料データに基づいて何の問題もなく行うことができる。電場が加えられることによって、発生した電子及びホールは、静止ポジションから引き出され、その電荷に応じて、反対の方向に加速される。その結果生じる分極化は帰還力を引き出し、それによってプラズマ振動が得られる。その結果、例えば共振器ミラーを通じて放射される所期のテラヘルツ放射線を発生する過渡光電流が生じる。印加電圧によって、電荷キャリアの加速量、従ってテラヘルツ放射線の強さまたは出力は、それぞれ制御または調整することができる。テラヘルツ放射線を生成するために、ショートパルス・レーザーの強さの豊富な光パルスは、前に説明した通りＳａｒｕｋｕｒａ他の示唆に示されるのと同様に効率よく使用され、さらに、これとは異なるテラヘルツ放射線発生の原理が採用され、共振器ミラーに別個の半導体層が配備され、かつ例えば上述のＵＳ ５，７２９，０１７ Ａにおいて説明されるのと同様にレーザー・パルスによってこの半導体材料において可動電荷キャリアを発生する。
当然、共振器ミラーに付けられる半導体層は、レーザー放射線が実質的に共振器ミラーを貫通できるようにするが、レーザー放射線のエネルギーの一部は、電荷キャリアを発生するために半導体層において使用される。一方、テラヘルツ放射線が共振器ミラーの材料を通じて送られる場合、この材料は、発生したテラヘルツ放射線に関して実質的に透過性であるように選択されなければならない。
共振器ミラーはエンド・ミラーであることが望ましく、特にそれ自体は既知の飽和性ブラッグ反射器（すなわち、ＳＢＲ素子）によって構成されることが望ましい。望ましくない飽和効果を避けるために、自由電子の再結合時間が短い半導体材料で半導体層が作られると、有利である。半導体層の材料は、共振器ミラーの材料に合わせて適切に選択され、半導体層は砒化ガリウム（ＧａＡｓ）層、特に低温砒化ガリウム（ＬＴ-ＧａＡｓ）層であると妥当である。一方、半導体層が砒化ガリウム-アルミニウム（ＡｌＧａＡｓ）層、特に低温砒化ガリウム-アルミニウム（ＬＴ-ＡｌＧａＡｓ）層である場合も有利であろう。この種の半導体材料は、ブラッグ反射器で成長させることができる。さらにブラッグ反射器は砒化ガリウム-アルミニウム（ＡｌＧａＡｓ）/砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）の層で作られ、これらの層は砒化ガリウム（ＧａＡｓ）基板でエピタキシャル成長させる。層を生成するために分子線エピタキシーを採用することができる。
発生したテラヘルツ放射線を集束するために、さらに、例えばシリコン（Ｓｉ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）またはこれと同様の誘導体レンズを放射されるＴＨｚ放射線のビーム制御素子として電極に面しない共振器ミラーの側に設置すると有利であろう。
特に、電極はストリップ状に設計され、相互に平行に配列され、５μｍから数１０μｍまでの幅を持ち、電極間の距離は３０μｍから数ｍｍまでとすることができる。一般に、電極間の距離はレーザー・ビームの直径より大きく、少なくとも、寸法はレーザー・ビームのビーム断面の強さ「重心」が電極間に位置するように選択されなければならない。電極は、例えば金、アルミニウム、クロム、プラチナ-金層構造またはチタン-金層構造など金属で作ることができる。また、ドープ半導体材料の電極を構成することも可能であり、この場合半導体材料電極は、金属接点によって接続される。
テラヘルツ放射線を発生するためのこの種の電極またはアンテナ素子及びそれぞれ上述の寸法及び距離を使う場合、電場を発生させるために１５０ボルト程度及びそれ以上実際には４００ボルトまでものバイアス電圧を加えることができる。限界は半導体材料の降伏電圧によって与えられる。バイアス電圧源は、ＴＨｚ放射線の強さの調節のため及び（または）ＴＨｚ放射線を変調するために可変的なバイアス電圧を送るのに適することが望ましい。
次に、下記の図面において例示される望ましい実施態様例を使って本発明についてさらに説明するが、これは限定的なものではない。
図１においては、ショートパルス・レーザー１が略図的に示されている。このレーザーにおいては、例えば、ショートパルスを発生するためにそれ自体は既知のカー・レンズ・モード同期原理が使用される。
図１に従えば、ショートパルス・レーザー１は、レーザー共振器２を含み、これにポンプ・ビーム３例えばアルゴン・レーザー・ビームが送られる。単純化するために、ポンプ・レーザー（例えば、アルゴン・レーザー）自体は省略されているが、技術上既知のものである。
レンズＬ１及びダイクロイック・ミラーＭ２を通過した後、ポンプ・ビーム３はレーザー・クリスタル４、例えばチタン：サファイア固体レーザー・クリスタル（一般に文献及び以下において略してＴｉ：Ｓと呼ばれる）を励起する。ダイクロイック・ミラーＭ２はポンプ・ビーム３に対して透過性であるが、Ｔｉ：Ｓレーザー・ビームに対しては非常に高い反射性を有する。このレーザー・ビームすなわち共振器ビームはレーザー・ミラーＭ１に衝突し、このレーザー・ミラーによって、アウトカップリングのためにも役立つレーザー・ミラーＭ３に反射する。このレーザー・ミラーＭ３は、再びレーザー・ビームをミラーＭ１に反射させ、そこからレーザー・ビームは再びレーザー・クリスタル４を通り抜けてレーザー・ミラーＭ２に反射する。そこから、レーザー・ビームは、飽和性ブラッグ反射器５（以後、略してＳＢＲ素子と呼ぶ）を備える共振器エンド・ミラーＭ４に反射し、このようにして、それ自体は一般的なＸ倍レーザー共振器２が構成される。可能な補正手段が配備され、補正板６並びに図には示されないが薄膜技術のミラーが分散補正を行いかつレーザー共振器２の方向に望ましくない反射が生じないようにして、レーザー・ビームは、アウトカップリング・ミラーＭ３を通じて、アウトカップルされる。上述の方法でレーザー共振器２において得られるレーザー・ビームは図１において７として示されている。
レーザー・クリスタル４は、光学的に非直線形である面平行体であり、レーザー・ビーム７の磁場の強さが大きい場合にはより大きな有効光学的厚さを有するが、レーザー・ビーム７の磁場の強さまたは強度が小さい場合にはより小さい有効厚みを持つカー素子を形成する。このそれ自体は既知のカー効果はレーザー・ビーム７の自己集束のために使用される。すなわち、レーザー・クリスタル４はレーザー・ビーム７の集束レンズを構成する。
図に示される実施態様例においては、それ自体は従来の方法でモード同期するために飽和性ブラッグ反射器５が使用される。
ミラーＭ１、Ｍ２は、それ自体は既知の薄膜技術で作られる。すなわち、各々、大きなスペクトル帯域を有する超短レーザー・パルスを反射するときその機能を果たす多くの層を持つように設計される。レーザー・ビームの異なる波長成分は、反射する前にそれぞれのミラーの異なる深さの層まで入る。これによって、異なる波長成分はそれぞれのミラーで異なる時間量遅延する。すなわち、短い波長成分はどちらかといえば外側で反射し、長い波長成分はミラー内のより深くにおいて反射する。すなわち、長い波長成分は短い波長成分に比べて時間的に遅延する。このようにして、特に短い時間範囲（望ましくは１０フェムト秒以下の範囲）のパルスが広い周波数スペクトルを有するとき分散補正が得られる。これは、レーザー・クリスタル４におけるレーザー・ビームの異なる周波数成分が異なる屈折率を「示す」ことによる。すなわち、レーザー・クリスタル４の光学的厚みは異なる周波数成分にとって異なる大きさであり、従って、異なる周波数成分はレーザー・クリスタル４を通過するとき異なる遅延を示す。この効果は、薄膜レーザー・ミラーＭ１、Ｍ２における上記の分散補正によって中和される。
上述の通り、これはモード同期式のショートパルス・レーザーの従来の構成なので、これについての詳細な説明は必要ない。
テラヘルツ放射線１４の求められる発生にとって不可欠なことは、図２及び３を参照してより詳細に説明する通り、共振器ミラーＭ４が特殊な方法で付加的手段を備えることである。
詳細に言うと、共振器ミラーＭ４は、厳密な意味でＳＢＲ素子５の上の半導体成分として半導体層８を備え（図１の他に図２も参照のこと）、半導体層８は、自由電子の再結合時間が短い半導体材料から成る。この半導体層８には実質的にストリップ状の平行に伸びる２つの電極９、１０が付けられ、電極は、電極９、１０に電圧Ｕを加えるためにそれぞれ端子１１及び１２と接続される（図３を参照のこと）。電極ストリップ状の９、１０の間の距離は図３においてＤとして示されており、ビーム断面７’を有する衝突レーザー・ビーム（図３を参照のこと）が動作中実質的に電極９、１０の間になるように選択される。不要なロスを避けるために、少なくともレーザー・ビーム７のビーム断面７’の強さ重心は電極９、１０の間になければならない。この距離Ｄは、例えば３０μｍから数ｍｍまでとすることができる。一方、ストリップ状の電極９、１０は、例えば５μｍから数１０μｍまでの幅Ｂを持つことができる。
ミラー及び飽和性吸収体としてのＳＢＲ素子５は、複数の誘電体層から通常の方法で組み立てられるが、誘電体層は図にはそれ以上示されていない。また、誘電体層は、同様に図には詳細に示されていない基板に付けられる。基板は、ＴＨｚ範囲特に１０11Ｈｚから１０13Ｈｚの電磁放射線に関して実質的に透過性の従来の材料で作ることができ、ブラッグ反射器のキャリアとして役立つ。例えば、それぞれ砒化ガリウム基板においてエピタキシャル成長する砒化ガリウム-アルミニウムまたは砒化アルミニウムの層を支える高い抵抗を有する従来の砒化ガリウム（ＧａＡｓ）基板が使用される。ただし、もちろんブラッグ反射器を構成するために半導体材料及び誘電体材料の他の組み合わせも可能であり、他の従来の生産方法（薄膜技術）を使用することもできる。
半導体層８は、飽和性吸収体を構成し、例えば砒化ガリウム-アルミニウムまたは砒化アルミニウム層を有するブラッグ反射器の場合には、低温で生成される砒化ガリウムいわゆるＬＴ（低温）ＧａＡｓ層から成る。ＬＴ-ＧａＡｓ層は、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によって生成され、例えば約８００ｎｍの波長の飽和性吸収及びピコ秒程度の再結合時間を持つ。別の可能な方法は、もっと短いレーザー波長が使用される場合、半導体層８にＬＴ-ＡｌＧａＡｓを使用するものである。半導体層８の厚みは、求められる吸収パルス・エネルギーを考慮して選択される。この場合、ブラッグ反射器５の機能が低下してはならない。１つの具体的な実施態様例においては、ＧａＡｓ量子井戸を有するＡｌＧａＡｓ/ＡｌＡｓブラッグ反射器構造において２２０℃で３２６ｎｍの厚みを有するＬＴ-ＧａＡｓ層を半導体層８として成長させた。その後、１０分間６６０℃でそれ自体は既知の方法で半導体層８を熱処理し、その後、チタン-金の電極９、１０を半導体層８の上面に付けた。その代わりに、アルミニウム、クロム、プラチナ-金などの金属電極９、１０を使用することができる。電極９、１０に使用される金属の選択は重要ではない。
電極の幅Ｂは１０μｍとし、電極間の幅Ｄは５０μｍとした。バイアス電圧Ｕとして１５０ボルトの直流電圧が、上記の通り得られたＴＨｚエミッタに加えられた。
発生したＴＨｚ放射線１４を集束して送るために、誘導体レンズ１３の形をとるコリメータ-ビーム制御素子を、電極９、１０の反対側に位置する共振器ミラーＭ４の裏側または外側（すなわち、ＳＢＲ素子５の基板の裏側）につけることができる。これは図２において一点鎖線で示されており、この誘導体レンズ１３は、所期の方向にＴＨｚ放射線１４を集束する。このビーム制御素子１３の材料として、例えば高抵抗シリコン、半絶縁砒化ガリウムまたはサファイアを使用することができる。この種の誘導体レンズ１３は、前述の実地の実施態様例においても使われた。
上述の実地の実施態様例の場合、このようにして構成された共振器ミラーＭ４は、モード同期式のショートパルス・レーザーのレーザー共振器２においてエンド・ミラーとして取り付けられ、電極９、１０は、図２及び３には示されていないがバイアス電圧Ｕを加えるための外部電圧源に接続された。レーザー共振器２の飽和性吸収体（ＧａＡｓ量子井戸）によって、電極９、１０におけるバイアス電圧と関係なくモード同期が得られた。電極９、１０にバイアス電圧Ｕがなければ、測定可能なＴＨｚ放射線は検出できないが、電極９、１０を通じて半導体層８にバイアス電圧Ｕが加えられると、その結果ＴＨｚ放射線が生じ、その強さは、バイアス電圧の増大と共に増大した。
図４には、その結果として得られたＴＨｚ放射線のパルス振幅（単位：μＶ）と印加バイアス電圧（単位：Ｖ）との間の実質的に線形の相関関係が示されている。平均放射線出力は校正シリコン・ボロメーターを使って測定され、現在の単純な試験用実施態様でも、すでに、９００ｍＷの平均共振器出力で１．５μＷの値が得られた。この方法で共振器ミラーＭ４すなわち半導体コンポーネントにおいて生成される過渡ＴＨｚ信号の典型的な形状が図５に示されている。図から分かる通り、実質的に１つだけ狭いパルスがある。これは、広帯域信号が得られることを意味する。半導体材料における電荷キャリアの再結合時間が短いことがこの望ましい単一パルス（数個の減衰信号ではなく）を発生させる１つの原因であり、特に半導体層８が低温で生成される場合にこれが可能になる。
図５に示されるＴＨｚパルスの波形（振幅は任意の単位で示されている）は、電気光学的ディテクタによって記録されたものである。周波数範囲には、図６に示される通り対応する振幅の流れがある（この場合にも振幅は任意の単位）。周波数スペクトルは、約０．５ＴＨｚで最高値を持ち、約２．５ＴＨｚまで伸びる。このＴＨｚ放射線は、エミッタ電極９、１０においてバイアス電圧Ｕによって電圧制御されており、５０ＫＨｚまでの周波数の変調もテストされた（図７に関する下の説明を参照のこと）。
発生するＴＨｚ放射線１４は、図２においては矢印と点線で示され、図１においては矢印で示されている。
金属電極の代わりに、砒化ガリウム層などハイ・ドープの半導体材料の電極も、ＴＨｚ放射線１４を発生するために考えられる。この種の実施態様は、レーザー・ビーム７のビーム断面７’が電極９、１０間の距離より大きく、金属電極９、１０の反射がレーザー活量を減じる場合に、有利であろう。この場合、電極９、１０は、例えばエッチング工程（ウェット・エッチングまたはドライ・ケミカル・エッチング）によって作られ、図７に略図的に示される通り、このレーザー・ビーム７の衝突領域外部で、金属接点９’、１０’を修正共振器エンド・ミラーＭ４の半導体材料の電極９、１０に付けることができる。
ストリップ状の電極９、１０の幅は、上述の通り、全体的抵抗を低く抑えるために一般的には例えば５μｍから数１０μｍまでとすることができる。電極９、１０の間の距離は、１０μｍまたは数１０μｍから数ｍｍまでとすることができる。この場合、限界は、一方では所期の降伏電圧によって、また他方ではＴＨｚエミッタにおけるレーザー・ビーム７のビーム断面７’によって決定される。ほとんどの場合、電極９、１０間の距離はレーザー・ビーム７の直径より大きい。
さらに、図７においても、ＳＢＲ素子５及び半導体層８を備える共振器エンド・ミラーＭ４が示されている。さらに、図７においては、一方の電極が金属接点１０’を通じて接地されており（１５）、他方の電極９がその金属接点９’を通じて可変周波数の信号源１６に接続され、高電圧増幅器１７が間に設置されているところが示されている。このようにして、発生するＴＨｚ放射線（図１及び２における１４）の強さをバイアス電圧Ｕの周波数に従って制御することができる。もちろん、信号源すなわちバイアス電圧源１６に関連して、図７にはそれ以上示されていないが周波数変動のための既知の回路１８を使用することができる。
モード同期式のショートパルス・レーザー及び共振器エンド・ミラーとして使用される半導体コンポーネントを有する装置のダイアグラムを示しており、半導体コンポーネントはテラヘルツ放射線を発生するのに適する。 上記の半導体コンポーネントの側面図を示している。 この半導体コンポーネントの上面図を略図的に示しており、この半導体コンポーネントの電極へのバイアス電圧の印加も示されている。 印加バイアス電圧と発生したＴＨｚ放射線のパルス振幅の間の相関関係を図表にして示している。 ＴＨｚ放射線の典型的なパルス対時間を図表にして示している。 ＴＨｚ放射線の関連する周波数スペクトルを示している。 略図的にバイアス電圧を加えるための関連回路を有する修正半導体コンポーネントを示している。

Claims (33)

  1. ポンプ・ビームが供給されるモード同期式のショートパルス・レーザー、及び共振器ミラーを含む半導体コンポーネントを有する、テラヘルツ（ＴＨｚ）放射線を発生するための装置であり、前記半導体コンポーネントが、同時に衝突レーザー・パルスに基づいてＴＨｚ放射線を発生するように設計されており、前記共振器ミラー（Ｍ４）が前記ショートパルス・レーザー（１）のレーザー放射線に対して部分的に透過性である半導体層（８）を備え、前記半導体層の吸収限界が前記ショートパルス・レーザー（１）のレーザー放射線のエネルギーより低く、かつ電場においてＴＨｚ放射線を発生しこれを放射するためにバイアス電圧源に接続可能な電極（９、１０）が前記半導体層に据え付けられる、ことを特徴とする、装置。
  2. 前記共振器ミラー（Ｍ４）が共振器エンド・ミラーであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  3. 前記共振器ミラー（Ｍ４）が飽和性ブラッグ反射器（５）であることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
  4. 前記半導体層（８）が自由電子の再結合時間が短い半導体材料で作られることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
  5. 前記半導体層（８）が砒化ガリウム（ＧａＡｓ）層であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
  6. 前記半導体層（８）が低温砒化ガリウム（ＬＴ-ＧａＡｓ）層であることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
  7. 前記半導体層（８）が砒化ガリウム-アルミニウム（ＡｌＧａＡｓ）層であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
  8. 前記半導体層（８）が低温砒化ガリウム-アルミニウム（ＬＴ-ＡｌＧａＡｓ）であることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
  9. 放射されたＴＨｚ放射線のための誘導体レンズ（１３）が前記電極（９、１０）に面しない前記共振器ミラー（Ｍ４）の側に据え付けられることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
  10. 前記誘導体レンズ（１３）がシリコン、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）またはこれと同様のものから成るグループから選択される材料で作られることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
  11. 前記ストリップ状の平行の電極（９、１０）が相互に３０μｍから数ｍｍまでの距離（Ｄ）を置いて配置されることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。
  12. 前記ストリップ状の電極（９、１０）が５μｍから数１０μｍまでの幅を有することを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。
  13. 前記電極（９、１０）が金属で作られることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置。
  14. 前記電極（９、１０）が金、アルミニウム、クロム、プラチナ-金またはチタン-金層構造から成るグループから選択される金属で作られることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
  15. 前記電極（９、１０）が金属接点と接続されるドープ半導体材料電極によって構成されることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置。
  16. 少なくとも前記レーザー・ビーム（７）のビーム断面（７’）の強さ重心が前記電極（９、１０）間に位置することを特徴とする、請求項１から１５のいずれか一項に記載の装置。
  17. 前記バイアス電圧源（１６）が可変バイアス電圧を与えるのに適することを特徴とする、請求項１から１６のいずれか一項に記載の装置。
  18. レーザーに使用するための共振器ミラーを含む半導体コンポーネントであり、前記共振器ミラーがレーザーのモード同期動作を可能にするのに適し、該半導体コンポーネントにおいて、該半導体コンポーネントが同時に衝突レーザー・パルスに基づいてテラヘルツ（ＴＨｚ）放射線を発生するように設計されており、前記共振器ミラー（Ｍ４）にレーザー放射線（７）に対して部分的に透過性の半導体層（８）が配備され、前記半導体層の吸収限界が前記レーザー放射線（７）のエネルギーより低く、電場においてＴＨｚ放射線を発生しこれを放射するためにそれ自体は既知の方法でバイアス電圧源に接続可能な電極（９、１０）が前記半導体層に据え付けられることを特徴とする、半導体コンポーネント。
  19. 前記共振器ミラー（Ｍ４）が共振器エンド・ミラーであることを特徴とする、請求項１８に記載の半導体コンポーネント。
  20. 前記共振器ミラー（Ｍ４）がそれ自体は既知の飽和性ブラッグ反射器（５）であることを特徴とする、請求項１８または１９に記載の半導体コンポーネント。
  21. 前記半導体層（８）が自由電子の再結合時間が短い半導体材料で作られることを特徴とする、請求項１８から２０のいずれか一項に記載の半導体コンポーネント。
  22. 前記半導体層（８）が砒化ガリウム（ＧａＡｓ）層であることを特徴とする、請求項１８から２１のいずれか一項に記載の半導体コンポーネント。
  23. 前記半導体層（８）が低温砒化ガリウム（ＬＴ-ＧａＡｓ）層であることを特徴とする、請求項２２に記載の半導体コンポーネント。
  24. 前記半導体層（８）が砒化ガリウム-アルミニウム（ＡｌＧａＡｓ）層であることを特徴とする、請求項１８から２１のいずれか一項に記載の半導体コンポーネント。
  25. 前記半導体層（８）が低温砒化ガリウム-アルミニウム（ＬＴ-ＡｌＧａＡｓ）層であることを特徴とする、請求項２４に記載の半導体コンポーネント。
  26. 放射されたＴＨｚ放射線用の例えばシリコン、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）またはこれと同様ともので作られる誘導体レンズ（１３）が前記電極（９、１０）に面しない前記共振器ミラー（Ｍ４）の側に据え付けられることを特徴とする、請求項１８から２１のいずれか一項に記載の半導体コンポーネント。
  27. 前記誘導体レンズ（１３）がシリコン、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）またはこれと同様のものから成るグループから選択される材料で作られることを特徴とする、請求項２６に記載の半導体コンポーネント。
  28. 前記ストリップ状の平行の電極（９、１０）が相互に３０μｍから数ｍｍまでの距離を置いて配置されることを特徴とする、請求項１８から２７のいずれか一項に記載の半導体コンポーネント。
  29. 前記ストリップ状の電極（９、１０）が５μｍから数１０μｍまでの幅を有することを特徴とする、請求項１８から２８のいずれか一項に記載の装置。
  30. 前記電極（９、１０）が金属例えば金、アルミニウム、クロム、プラチナ-金またはチタン-金層構造で作られることを特徴とする、請求項１８から２９のいずれか一項に記載の装置。
  31. 前記電極（９、１０）が金、アルミニウム、クロム、プラチナ-金またはチタン-金層構造から成るグループから選択される金属で作られることを特徴とする、請求項３０に記載の装置。
  32. 前記電極（９、１０）が金属接点によって接続されるドープ半導体材料電極によって構成されることを特徴とする、請求項１８から２９のいずれか一項に記載の装置。
  33. 少なくとも前記レーザー・ビーム（７）のビーム断面（７’）の強さ重心が前記電極（９、１０）間に位置することを特徴とする、請求項１８から３２のいずれか一項に記載の装置。
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