JP2006071689A

JP2006071689A - 電磁波用の光学素子

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Publication number: JP2006071689A
Application number: JP2004251581A
Authority: JP
Inventors: Shintaro Kasai; 信太郎笠井; Toshihiko Onouchi; 敏彦尾内
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2024-08-31
Also published as: JP4533046B2

Abstract

【課題】半導体基板のバンドギャップエネルギーより低い光子エネルギーを持つ波長の電磁波に対して、外部からの操作によって比較的容易に光学特性、機能等を変更ないし制御できる光学素子である。
【解決手段】光学素子は、半導体基板01と、半導体基板01のバンドギャップエネルギーより高い光子エネルギーを持つ波長の電磁波08を、任意のパターンの形成されたパターン形成部材05を介して、半導体基板表面に任意のパターン07で照射する照射部04、05、06、11とを有する。照射部による照射で生じた半導体基板表面近傍のフォトキャリアの濃度高低パターンが、半導体基板01のバンドギャップエネルギーより低い光子エネルギーを持つ波長の電磁波02に対して複素屈折率が異なるパターンを生じさせることによって、このパターン上に照射される電磁波02の空間伝搬状態を制御する。
【選択図】図1

Description

本発明は、伝搬する電磁波の伝搬の状態を制御・変化させる電磁波用の光学素子に関し、特に周波数30GHz〜30THz程度のいわゆるミリ波からテラヘルツ波と呼ばれる周波数領域の電磁波に対して機能する光学素子に関する。

近年、テラヘルツ波、遠赤外線、ミリ波およびサブミリ波と呼ばれる、周波数が0.1THz〜30THzの高周波電磁波（以下、テラヘルツ波と呼ぶ）を応用した技術が注目されている。そして、テラヘルツ波を利用した分光分析やイメージングなどが、産業応用技術として期待されている。

テラヘルツ波を実用的なシステムに応用するには、伝播するテラヘルツ波の伝播状態を制御する光学素子が必要である。伝播するテラヘルツ波の伝播状態を制御する光学素子としては、回折格子やフレネル輪帯板などが例示される。

回折格子としては、一定幅のスリットを規則的に並べたものや、透明物質の表面に規則的な凸凹を刻んだものなどがあり、電磁波の回折現象を利用して入射電磁波の波長に応じて電磁波の伝搬方向を変化させる。これらの回折格子は、従来から用いられてきたルーリングエンジンにより鏡面に格子溝を刻む方法によって作製されたり、或いは、基板上に塗布されたフォトレジストにレーザの干渉露光などによって格子パターンを露光・形成して、エッチングや金属蒸着などを施す半導体プロセスの応用によって作製される（特許文献1参照）。

また、高抵抗Si基板に2つのレーザ光を照射して、前記基板上に格子状の干渉パターンを形成し、高抵抗Si基板に対し透明なテラヘルツ波の様な電磁波に対する回折格子機能を誘起する方法もある（非特許文献１参照）。高抵抗Siはテラヘルツ波に対しては透明であるが、高抵抗Siのバンドギャップエネルギー以上の光子エネルギーを持つ波長の光が照射されると、この光によって高抵抗Si基板中にフォトキャリアが発生する。そして、高抵抗Si基板上の前記光が照射された部分はテラヘルツ波に対し金属様に振舞うことが知られている。

非特許文献１では、2つのレーザ光束の干渉によって、高抵抗Si基板上にフォトキャリアが誘起された部分とフォトキャリアが誘起されていない部分の周期的な格子状のパターンを形成することで、回折格子機能を誘起させる。

また、フレネル輪帯板（フレネルゾーンプレート）は、規則的な同心円状のスリット群であり、電磁波の回折現象を利用して入射電磁波の伝搬方向を前記スリット群の中心軸方向に変化させ、レンズ作用を持つ。従来、フレネル輪帯板は、回折格子と同様にフォトリソグラフィーなどを用いて作製される。また、波長の長い電磁波に対しては、回折格子と同様に機械加工によって作製される。
特開2002-162514号公報 Applied Physics Letters 57(1), 2 July 1990, P16-18. H.Alius他

しかしながら、特許文献1などに開示されている様な上記従来技術では、加工済み光学素子は加工後に光学特性を変更させたり、或いは光学素子としての機能を任意に発現・消滅させたりすることは不可能である。

例えば回折格子では、単位長さあたりの格子の数が決定されると、入射電磁波に対してどの角度に電磁波が回折するかは入射電磁波の波長と入射角によって決定される。加工済みの回折格子は単位長さあたりの格子の数を変化させることができないため、波長と入射角が決まった入射電磁波に対し回折電磁波の方向を変化させることは出来ない。また、回折を起こさせない様にすることも出来ない。

フレネル輪帯板においても、同様の課題を抱えている。すなわち、電磁波の回折によって電磁波の伝搬方向を変化させる方法においては、その機能は、光学定数の規則的変化によって回折電磁波の位相が一致した方向の電磁波が強め合うことに由来するわけであるが、加工した物質の構造によって光学定数の規則的変化を得る以上、加工後に光学定数の規則的変化を変更することは出来ない。よって、回折を利用した光学素子の光学特性を変更させたり、光学素子の機能を任意に発現・消滅させることは出来ない。

これに対して、加工を必要とせず高抵抗Si基板にレーザを照射・干渉させ、回折格子状の光の明暗パターンを作ることで回折格子を誘起させる非特許文献1に示されている従来技術は、前記レーザの高抵抗Si基板への入射角度を変えることで格子定数を変化させ、それによって回折格子の光学特性を変化させることが可能である。また、回折格子としての機能を任意に発現・消滅させることも可能である。

しかし、非特許文献1の方法では回折格子しか誘起することが出来ず、フレネル輪帯板などの回折を利用した他の光学素子として機能する素子を誘起することは出来ない。

また、非特許文献1に示される様な光の干渉を用いて光学素子としての機能を誘起する方法では、レーザ光を干渉させるための光学調整（レーザ光の角度などの調整）が複雑であり、産業応用上不利である。また、非特許文献1に示される様な光の干渉を用いて光学素子としての機能を誘起する方法では、曲面を持った基板上に所望のパターンを形成させようとすると構成が複雑になる。

上記課題に鑑み、本発明の光学素子は、半導体基板と、半導体基板のバンドギャップエネルギーより高い光子エネルギーを持つ波長の第1の電磁波（照射光）を、任意のパターンの形成されたパターン形成部材を介して、半導体基板表面に任意のパターンで照射する照射部とを有し、照射部による照射で生じた半導体基板表面近傍のフォトキャリアの濃度高低パターンが、半導体基板のバンドギャップエネルギーより低い光子エネルギーを持つ波長の第2の電磁波（入射長波長光）に対して複素屈折率が異なるパターンを生じさせることによって、このパターン上に照射される第2の電磁波の空間伝搬状態を制御することを特徴とする。前記パターン形成部材は、第1の電磁波に対して透明もしくは吸収の小さい媒質に前記第1の電磁波に対して不透明もしくは吸収の大きい（すなわち不透明もしくは半透明）物質を任意のパターンで施した部材、第1の電磁波に対する反射率が異なるものによって任意のパターンを施した第1の電磁波を反射する部材（例えば、低反射率な物質上に照射光に対して高反射率な物質を施した部材）、第1の電磁波に対して透明な媒質上に前記第1の電磁波に対して不透明もしく吸収が大きい物質を任意のパターンで施した部材としての液晶表示装置またはガラス上に金属を施した部材などであり得る。

また、上記課題に鑑み、本発明の分光器ないしモノクロメータは、上記の光学素子を回折格子として用い、回折格子の格子定数を変更することが出来る様に構成されたことを特徴とする。さらに、本発明の光学系は、上記の光学素子をフレネル輪帯板として用い、フレネル輪帯板を1つ以上含んで第2の電磁波に対する光学系として構成されたことを特徴とする。

また、上記課題に鑑み、本発明の電磁波の空間伝搬状態制御方法は、半導体基板のバンドギャップエネルギーより高い光子エネルギーを持つ波長の第1の電磁波を、任意のパターンの形成されたパターン形成部材を介して、前記半導体基板表面に任意のパターンで照射し、前記照射で生じた前記半導体基板表面近傍のフォトキャリアの濃度高低パターンが、前記半導体基板のバンドギャップエネルギーより低い光子エネルギーを持つ波長の第2の電磁波に対して複素屈折率が異なるパターンを生じさせることによって、このパターン上に照射される前記第2の電磁波の空間伝搬状態を制御することを特徴とする。

本発明の光学素子は、光の干渉を用いて光学素子としての機能を誘起する方法ではなく、パターン形成部材を用いて、半導体基板のバンドギャップエネルギーより高い光子エネルギーを持つ波長の第1の電磁波を半導体基板表面に任意のパターンで照射するので、外部からの操作によって比較的容易に光学素子の光学特性、機能等を変更ないし制御できる。

以下に、本発明による電磁波用光学素子及び電磁波の空間伝搬状態制御方法の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で示す周波数や角度、波長など具体的な数字および具体的物質名等はあくまで一例であって、本発明の趣旨を限定するものではない。また図は模式的に描かれたものであり、正確な寸法を示すものではない。

（実施形態1）
実施形態1において、図1に示されている光源06から出射した照射光08（高抵抗の半導体基板01のバンドギャップエネルギーより高い光子エネルギーを持つ波長の光）は、結像光学系04によりフォトマスク05の像07を、高抵抗半導体基板である高抵抗Si基板01の表面上に結像する。高抵抗Si基板01上の前記像07の部分である基板表面照射光明暗パターン部分は、入射長波長光02（半導体基板01のバンドギャップエネルギーより低い光子エネルギーを持つ波長の電磁波）に対して光学素子として機能する。図1では、入射長波長光02に対して回折格子として機能させた場合を示す。

光学素子として機能する原理を以下に説明する。
前記半導体基板表面の照射光明暗パターンが照射された部分（基板表面照射光明暗パターン部分）のうち、明部分すなわち照射光08が半導体基板表面に入射した部分にはフォトキャリアが発生し、基板表面照射光明暗パターン部分のうち、暗部分すなわち照射光が陰になった部分にはフォトキャリアが発生しないか少ししか発生しない。ゆえに、照射光明暗パターンに略一致したフォトキャリアの濃度高低パターンが、前記基板表面照射光明暗パターン部分に形成される。

フォトキャリア濃度の高い部分は、長波長光02に対して金属のように振舞い、フォトキャリアが無い部分は長波長光02に対して誘電体のように振舞うことが知られている。よって基板表面照射光明暗パターン部分は、長波長光02に対して金属と誘電体のパターンのように振舞って、光学素子として機能する。

ここでは、入射長波長光02として、テラヘルツ波を用いる。高抵抗Si基板01は、テラヘルツ波に対して吸収および分散が小さい誘電体であることが知られている。この吸収および分散が充分小さくて発生キャリアの濃度高低パターンのコントラストが充分シャープになるためには、高抵抗Si基板01の抵抗率は、100Ωcm以上であることが好ましく、500Ωcm以上であることがより好ましく、1kΩcm以上であることが更に好ましい。

Siのバンドギャップエネルギーは約1.12eVであるので、対応する光子エネルギーを持った光の波長は約1110nmである。そこで、本実施形態では、1110nmより波長の短い光である波長1060nm、光強度1Wのレーザ光を、照射光08として用いる。

本実施形態において、光源06から出射した照射光08であるレーザ光は、拡大光学系11によってビーム径が縦10mm×横20mm程度に拡大される。フォトマスク05（パターン形成部材）は、1060nmの照射光08に対して透明な材質の板に、照射光08に対して不透明な物質を用いて所望のパターンを描いた物である。パターンの描画には、市販のプリンタなどを用いてもよい。図1では、細長い明暗パターンが描かれたフォトマスク05の例が模式的に示されている。

結像光学系04は、フォトマスク05の像を高抵抗Si基板01上に投影する。このとき、縮小投影光学系、等倍投影光学系、拡大投影光学系のいずれを用いてもよい。光学系の投影倍率が容易に変更できるズームレンズを用いるのもよい。

例えば、フォトマスク05のパターンとして、縦10mm、横20mmの領域に、横幅が1.0mm〜2.0mm程度で長さが10mm程度の細長い黒線を適当間隔で多数平行に並べたものを描いたとする。結像光学系04に倍率2分の1の縮小投影光学系を用いた場合、高抵抗Si基板01上には、横幅が0.5mm〜1.0mmで半分の長さの細長い明線が更に狭い間隔で多数平行に並び、これが前記フォトマスク05の像07である。

上記原理説明のところで述べたように、像07の明線部分には、照射光08によって励起されたフォトキャリアが存在し、それ以外の部分はフォトキャリアが存在しないか、或いは非常に少ない。ここにおいて、波長の充分長い電磁波の空間伝搬状態の制御を対象とするので、フォトキャリアが発生して消滅するまでに動く距離に比べて、パターンのサイズは充分大きく、基板表面照射光明暗パターン部分は、長波長光02に対して金属と誘電体のパターンのように確実に振舞って、光学素子として機能する。

ここで、前記高抵抗Si基板01上の像07部分の裏から、周波数1THzのテラヘルツ波を入射長波長光02として垂直入射させたとする。高抵抗Si基板01上の像07部分は、この入射長波長光02に対して透過型回折格子として機能し、1次の回折光は、回折格子の作用により入射長波長光02の入射光軸に対して、例えば約17.5°方向に現れる。図1において、符号03は長波長光02の透過光（0次の回折光）、符号09と符号10が長波長光02の1次の回折光である。

結像光学系04にズームレンズを用いて投影倍率を変更することで、回折格子の格子定数を変更出来、1次の回折光09と10の角度を変更することが出来る。例えば、結像光学系04の投影倍率を2.5分の1とすると、高抵抗Si基板01上には更に若干小さくなった幅、長さの細長い明線が更に若干狭くなった間隔で多数平行に並び、このときの1次の回折光は入射長波長光08の光軸に対し、例えば約22.0°となる。結像光学系04であるズームレンズの倍率を連続的に変化させることで、1次回折光09と10の回折角を連続的に変化させることができる。よって、長波長光02のビーム偏向を行うことができる。

また、前記照射光08を遮ることで高抵抗Si基板01上の像07を消失させ、回折格子としての機能をなくすことができる。よって、照射光08をオン・オフすることで長波長光02を変調させられる。

実施形態1では、回折格子の格子定数を任意に変更できることから、ここで説明した光学素子である回折格子を分光器ないしモノクロメータなどの装置に組み込むことで、分解能や観測できる波長範囲を任意に変更できるという効果がある。実施形態1で説明した光学素子である回折格子を分光器ないしモノクロメータに使用した例は、後述の実施形態6のところで詳述する。

以上の本実施形態の光学素子によれば、光の干渉を用いて光学素子としての機能を誘起する方法ではなく、パターン形成部材を用いて、半導体基板のバンドギャップエネルギーより高い光子エネルギーを持つ波長の第1の電磁波を半導体基板表面に任意のパターンで照射するので、外部からの操作によって（例えば、パターンを半導体基板に結像するための結像光学系の投影倍率を変更したり、第1の電磁波をオン・オフしたり、第1の電磁波の強度または波長を変調したり、パターン形成部材を交換したりする操作によって）、比較的容易に光学特性を変更できまた光学素子としての機能を発現・消滅させることが出来（すなわちスイッチング・変調が出来）、また別の光学素子としての機能を発揮させることが出来、かつ光学調整が比較的容易で構成が比較的簡単であるという効果が奏される。

ところで、本発明におけるパターン形成部材は任意のパターンを有し得るので、本発明の光学素子の機能は種々多様であり得る。上記機能の他に、半導体基板のバンドギャップエネルギーより低い光子エネルギーを持つ波長の電磁波に対して、例えば、絞り、シェイピング、強度変調、フィルタリング等の機能も有し得る。

（実施形態2）
本発明の第2の実施形態を、図2を参照しながら説明する。

図2に示されている構成が第1の実施形態と異なるところは、高抵抗Si基板01上の像07の部分である基板表面照射光明暗パターン部分を、入射長波長光02に対してフレネル輪帯板として機能させていることである。その他の点は、実質的に第1の実施形態と同じである。

実施形態2では、光源06から出射した照射光08であるレーザ光は、拡大光学系11によってビーム径が縦20mm×横20mm程度に拡大され、同心円状の明暗パターンが描かれたフォトマスク05に照射される。そして、結像光学系04はフォトマスク05の像を高抵抗Si基板01上に投影する。

ここにおいて、前記フォトマスク05のパターンとして、図3に模式的に描かれている様な同心円状の前記照射光を透過する部分と透過しない部分を多数交互に並べたフレネル輪帯板パターンを描けば、前記高抵抗Si基板01上の像07部分は入射長波長光02に対してフレネル輪帯板として機能する。

例えば、図3に示されるr_n(f)、r_i(f)が、次の数式で表される様なパターンを前記フォトマスク05に描き、結像光学系04の投影倍率を1倍すると、高抵抗Si基板01上の像07部分は1THzのテラヘルツ波に対し焦点距離5cmのフレネル輪帯板として機能する。図2では、高抵抗Si基板01上の像07部分に入射した長波長光02が、高抵抗Si基板01透過後に集光されている様子を示した。

また、例えば、図3に示されるr_n(f)、r_i(f)が、次の数式で表される様なパターンが描かれたフォトマスク05を用いることで、高抵抗Si基板01上の像07部分は1THzのテラヘルツ波に対し焦点距離6cmのフレネル輪帯板として機能する。

したがって本実施形態には、フォトマスク（パターン形成部材）を交換するだけで、高抵抗Si基板01上の像07部分のフレネル輪帯板としての焦点距離を変化させることが出来るという効果がある。

この様に、本実施形態ではフォトマスクを交換するだけで容易に焦点距離が変化させられるという効果がある。例えば、テラヘルツ波によって画像を得る時、テラヘルツ波結像光学系の焦点距離を容易に変えられるという効果がある。

フレネル輪帯板として機能する本実施形態の構成は、テラヘルツ波に対して複数個多段に設けることも可能である。

（実施形態3）
次に、本発明の第3の実施の形態を、図4を参照しながら以下に説明する。

図4に示されている構成が第1の実施形態と異なるところは、フォトマスク05’には液晶表示装置を用い、1060nmの照射光08に対して透明な部分と照射光08に対し不透明な部分を電気的駆動により任意に表示できるものを使用する点である。その他の点は、実質的に第1の実施形態と同じである。

ここにおいて、フォトマスクである液晶表示装置05’のパターンを電気的駆動により連続的に変化させると、テラヘルツ波02の1次回折光09と10の角度を機械的駆動なしに連続的に変化できる。よって、長波長光02のビーム偏向を行うことができる。

本実施形態でも、回折格子の格子定数を任意に変更できることから、ここで説明した光学素子である回折格子を分光器などの装置に組み込むことで、分解能や観測できる波長範囲を任意に変更できるという効果がある。

（実施形態4）
本発明の第4の実施の形態を、図5を参照しながら以下に説明する。

本実施形態は実施形態2とほぼ同じ構成を有する。図5に示されている構成が第2の実施形態と異なるところは、フォトマスク05’には液晶表示装置を用い、1060nmの照射光08に対して透明な部分と照射光08に対し不透明な部分を電気的駆動により任意に表示できるものを使用する点である。その他の点は、実質的に第2の実施形態と同じである。

ここでも、例えば前記液晶表示装置05’のパターンとして、図3に模式的に描かれている様な同心円状の照射光08を透過する部分と透過しない部分を多数交互に並べたフレネル輪帯板パターンを描けば、高抵抗Si基板01上の像07部分は入射長波長光02に対してフレネル輪帯板として機能する。

本実施形態でも、液晶表示装置05’が表示するパターンを電気的駆動により変化させるだけで、機械的駆動部分無しに容易に焦点距離が変化させられるという効果がある。そのため、ここでも、例えばテラヘルツ波で画像を得る時、テラヘルツ波結像光学系の焦点距離を容易に変更できるという効果がある。

（実施形態5）
次に、本発明の第5の実施の形態を、図6を参照しながら以下に説明する。本実施形態は、任意のパターンが描かれた反射鏡05”を用い、基板表面照射光明暗パターン部分が反射型回折格子として機能する点が特徴で、その他の点は第1の実施形態と実質的に同じである。

本実施形態では、図6に示されている光源06から出射した照射光08は、結像光学系04により任意のパターンが描かれた反射鏡05”の像07を高抵抗半導体基板である高抵抗Si基板01の表面上に結像する。高抵抗Si基板01上の像07の部分である基板表面照射光明暗パターン部分は、入射長波長光02に対して光学素子として機能する。ここでは、入射長波長光02に対して反射型回折格子として機能する。

任意のパターンが描かれた反射鏡05”は、例えば1060nmの照射光08に対して高反射率な材質の板に、照射光08に対して低反射率な物質を用いて所望のパターンを描いた物である。図6では、細長い明暗パターンが描かれたパターン形成部材の例が模式的に示されている。

本実施形態でも、結像光学系04は任意のパターンが描かれた反射鏡05”の像を高抵抗Si基板01上に投影する。このとき、縮小投影光学系、等倍投影光学系、拡大投影光学系いずれを用いてもよい。光学系の投影倍率が容易に変更できるズームレンズを用いるのもよい。

ここにおいて、例えば、高抵抗Si基板01上の像07部分に周波数1THzのテラヘルツ波を入射長波長光02として入射角（高抵抗Si基板01表面の法線と入射長波長光02のなす角）60°で入射させたとする。高抵抗Si基板01上の像07部分は入射長波長光02に対して反射型回折格子として機能し、高抵抗Si基板01表面の法線と入射長波長光02を含む面内でかつ高抵抗Si基板01表面の法線と例えば約34.5°をなす方向に、1次の反射回折光が現れる。図6において、符号12は0次の回折光（反射光）、符号13が1次の（反射）回折光である。

ここでも、結像光学系04であるズームレンズの倍率を連続的に変化させて、1次回折光13の回折角を連続的に変化させることができる。よって、長波長光のビーム偏向を行うことができる。また、照射光08を遮ることで像07を消失させ、回折格子としての機能をなくすこともできる。よって、照射光08をオン・オフすることで長波長光02を変調させることができる。

（実施形態6）
次に、本発明の第6の実施の形態を、図7を参照しながら以下に説明する。

実施形態1、3および5では、本発明の実施の形態として高抵抗Si基板01上の像07部分を回折格子として機能させた例を述べたが、本発明の効果をより明らかにするために、前記高抵抗Si基板01上の像07部分を回折格子として機能させたものを分光器ないしモノクロメータに組み込んだ例を、図7を参照にしながら以下に述べる。特に本実施形態では、実施形態5で述べた様な高抵抗Si基板01上の像07部分を反射型回折格子として機能させたものを使用した分光器について述べる。

光源（図示せず）から出射した照射光08は、結像光学系04により、フォトマスク05’の像07を高抵抗半導体基板である高抵抗Si基板01の表面上に結像する。高抵抗半導体基板である高抵抗Si基板01上の像07の部分である基板表面照射光明暗パターン部分は、入射長波長光02に対して反射型回折格子の光学素子として機能する。

入射長波長光02の波長、高抵抗Si基板01の抵抗率、照射光08の波長や光強度等については、実施形態5と同じである。

ここにおいて、結像光学系04はフォトマスクである液晶表示装置05’の像を高抵抗Si基板01上に投影する。一方、周波数1THz〜3THzのテラヘルツ波を含んだ入射長波長光02は、物体15を透過し、集光光学系16によって集光され、スリット14を透過し、拡大光学系17によって平行光線にされた後、高抵抗Si基板01上の像07部分に例えば入射角（高抵抗Si基板01表面の法線となす角）60°で入射する。

高抵抗Si基板01上の像07部分は入射長波長光02に対して反射型回折格子として機能する。そして、入射長波長光02のうち1THzの周波数を持つ成分に対しては、高抵抗Si基板01表面の法線と入射長波長光02を含む面内でかつ高抵抗Si基板01表面の法線と例えば約34.5°をなす方向に、1次の反射回折光が現れる。入射長波長光02のうち3THzの周波数を持つ成分に対しては、高抵抗Si基板01表面の法線と入射長波長光02を含む面内でかつ高抵抗Si基板01表面の法線と例えば約50.0°をなす方向に、1次の反射回折光が現れる。

こうした1次の反射回折光13は集光光学系18によって検出部19上に結像される。このとき、１次反射回折光13の検出部19上での結像位置は、周波数によって異なり、検出部19上に物体15を透過した入射長波長光02の透過スペクトルが得られる。このときの分解能は、例えば約10である（入射長波長光02の波長の約10分の1波長だけ異なる2つの揮線スペクトルを分解できる能力と同等の能力）。

ここで、フォトマスクである液晶表示装置05’のパターンを電気的駆動により変更させる。すると、前記高抵抗Si基板01上には、幅と長さの変化した細長い明線が、変化した間隔で多数平行に並ぶ。このとき、入射長波長光02のうち1THzの周波数を持つ成分に対しては、高抵抗Si基板01表面の法線と入射長波長光02を含む面内でかつ高抵抗Si基板01表面の法線と例えば約29.4°をなす方向に、1次の反射回折光が現れる。入射長波長光02のうち3THzの周波数を持つ成分に対しては、高抵抗Si基板01表面の法線と入射長波長光02を含む面内でかつ高抵抗Si基板01表面の法線と例えば約47.8°をなす方向に、1次の反射回折光が現れる。このときの分解能は、例えば約20である。

こうして、液晶表示装置05’の表示を電気的駆動により連続的に変化させると、テラヘルツ波の1次回折光の角度を機械的駆動なしに連続的に変化でき、分光器としての分解能を変化させることが出来る。たとえば、0.1GHzから10THzまでの非常に幅広い周波数成分を含んだテラヘルツ波のパルス波を測定に用いる場合、最初の測定では物体15の透過・吸収スペクトルを広い周波数範囲にわたって測定し、その後分解能を上げて、注目する狭い周波数領域の透過・吸収スペクトルを測定するといった使い方が可能である。

また、本実施形態において高抵抗Si基板01を凹面鏡状に研磨した物を用いてもよい。高抵抗Si基板01を凹面鏡状に研磨した物を用いることで、検出部19に結像されるテラヘルツ波の一次回折光の結像の収差が軽減される。このとき、結像光学系04に像面湾曲を持たせることで、凹面鏡状に研磨した前記高抵抗Si基板01上に液晶表示装置05’の像を結像させることができる。

また、本実施形態では、高抵抗Si基板01上の像07部分を反射型回折格子として機能させて分光器に使用した例を述べたが、高抵抗Si基板01上の像07部分を透過型回折格子として分光器に使用することも可能であり、この場合も同様の効果が得られる。

本発明の第1の実施形態である電磁波用光学素子及び電磁波の空間伝搬状態制御方法を説明する図である。本発明の第2の実施形態である電磁波用光学素子及び電磁波の空間伝搬状態制御方法を説明する図である。本発明の光学素子にフレネル輪帯板としての機能を持たせる場合のフォトマスクの例の模式図である。本発明の第3の実施形態である電磁波用光学素子及び電磁波の空間伝搬状態制御方法を説明する図である。本発明の第4の実施形態である電磁波用光学素子及び電磁波の空間伝搬状態制御方法を説明する図である。本発明の第5の実施形態である電磁波用光学素子及び電磁波の空間伝搬状態制御方法を説明する図である。本発明の第6の実施形態である分光器ないしモノクロメータを説明する図である。

符号の説明

01 半導体基板（高抵抗Si基板）
02 第2の電磁波（入射長波長光、入射テラヘルツ波）
04、05、05’、05”、06、11 照射部
05、05’、05” パターン形成部材（フォトマスク、液晶表示装置、任意のパターンを描いた反射鏡）
07 複素屈折率が異なるパターン（フォトマスク上のパターンの像）
08 第1の電磁波（照射光、レーザ光）

Claims

半導体基板と、前記半導体基板のバンドギャップエネルギーより高い光子エネルギーを持つ波長の第1の電磁波を、任意のパターンの形成されたパターン形成部材を介して、前記半導体基板表面に任意のパターンで照射する照射部とを有し、前記照射部による照射で生じた前記半導体基板表面近傍のフォトキャリアの濃度高低パターンが、前記半導体基板のバンドギャップエネルギーより低い光子エネルギーを持つ波長の第2の電磁波に対して複素屈折率が異なるパターンを生じさせることによって、このパターン上に照射される前記第2の電磁波の空間伝搬状態を制御することを特徴とする光学素子。
前記照射部は、前記第1の電磁波を出射する光源と、前記パターン形成部材と、前記パターン形成部材のパターンを第1の電磁波の明暗パターンとして前記半導体基板に結像する結像系とを有する請求項1記載の光学素子。
前記パターン形成部材は、前記第1の電磁波に対して透明もしくは吸収の小さい媒質に前記第1の電磁波に対して不透明もしくは吸収の大きい物質を任意のパターンで施した部材、前記第1の電磁波に対する反射率が異なるものによって任意のパターンを施した前記第1の電磁波を反射する部材、或いは前記第1の電磁波に対して透明な媒質上に前記第1の電磁波に対して不透明もしく吸収が大きい物質を任意のパターンで施した部材としての液晶表示装置またはガラス上に金属を施した部材である請求項1または2記載の光学素子。
前記照射部において、前記第1の電磁波のパターンを任意に変化させることによって、前記半導体基板の前記第2の電磁波の空間伝搬制御特性を変更できる様に構成された請求項1乃至3のいずれかに記載の光学素子。
前記パターン形成部材を介して半導体基板表面に照射される任意のパターンが、回折格子状の明暗パターンであり、前記半導体基板表面近傍の前記照射部による照射で生じた明暗パターン部分のフォトキャリアの濃度高低パターンが、前記第2の電磁波に対して、透過型の回折格子、反射型の回折格子、或いはその両方として機能する請求項1乃至4のいずれかに記載の光学素子。
前記パターン形成部材を介して半導体基板表面に照射される任意の明暗パターンが、規則的な同心円状の明暗パターンであり、前記半導体基板表面近傍の前記照射部による照射で生じた明暗パターン部分のフォトキャリアの濃度高低パターンが、前記2の電磁波に対して、フレネル輪帯板として機能する請求項1乃至4のいずれかに記載の光学素子。
請求項5記載の光学素子を回折格子として用い、前記回折格子の格子定数を変更することが出来る様に構成されたことを特徴とする分光器ないしモノクロメータ。
請求項6記載の光学素子をフレネル輪帯板として用い、前記フレネル輪帯板を1つ以上含んで前記第2の電磁波に対する光学系として構成されたことを特徴とする光学系。
半導体基板のバンドギャップエネルギーより高い光子エネルギーを持つ波長の第1の電磁波を、任意のパターンの形成されたパターン形成部材を介して、前記半導体基板表面に任意のパターンで照射し、前記照射で生じた前記半導体基板表面近傍のフォトキャリアの濃度高低パターンが、前記半導体基板のバンドギャップエネルギーより低い光子エネルギーを持つ波長の第2の電磁波に対して複素屈折率が異なるパターンを生じさせることによって、このパターン上に照射される前記第2の電磁波の空間伝搬状態を制御することを特徴とする電磁波の空間伝搬状態制御方法。