JP2007079511A - テラヘルツ波の発生及び検出方法並びにその装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板の表面に形成されたアンテナパターンの上に、非線形素子を配置してバイアス電圧を印加した状態で、アンテナパターンにパルス光を照射することで、非線形素子の非線形効果による波長変換を行なって第2高調波を発生し、その第2高調波で光スイッチを動作させることによってテラヘルツ波を発生させる。また、光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を検出する方法において、基板の表面に形成されたアンテナパターンの上に、非線形素子を配置させた光伝導アンテナに対して、アンテナパターンのライン間に光照射し、非線形素子の非線形効果によって波長変換を行った光をゲート光として使用して、光励起によって光電流を生成することで、ゲート光の電場強度に応じて生じる光電流を電流測定回路で検出する。
【選択図】 図1
Description
そのために、従来では、低次元物質や極めて微細な構造を人工的に造形し、電子をこの中に量子的に閉じ込め、振動子強度を最低励起準位に集中させて非線形感受率を大きくするなど、電子系の量子閉じ込め効果に注目したものがあった。しかし、半導体のような原子間の相互作用の大きな物質においては、感受率と実際の応答出力の関係は単純ではなく感受率の評価だけでは非線形光学効果の大きさは評価できない。
しかしながら、無線通信における周波数帯の有効利用や超高速通信への対応、並びにこの周波数帯の電磁波の特徴を活用したイメージングや、環境計測、各種検査、バイオや医学への応用など、テラヘルツ領域の研究は今後ますます重要になることが予想される。
また、これまで光源・検出器が未発達であったために解明されていない物理現象・生命現象・物質構造の解明、更に、宇宙、大気や生体、プラズマなどの計測・診断など幅広い基礎的な応用分野の発展につながる。
微小ダイポールアンテナやスパイラル状のアンテナを一体化した PC 素子を用いて、850 nm 帯の2台の LD 出力の光混合により 0.2〜3 THz の周波数域の CW-テラヘルツ波発生が行われている。また、同様な PC 素子にフェムト秒光パルスを照射することによって、テラヘルツ波を含んだ幅広い周波数成分を有する超短電磁パルスの発生が可能である。
現在、発生源であるPC素子に用いている半導体基板であるGaAsは、800nm帯にバンドギャップがあり、1.55μm帯のレーザーではエネルギーが小さくテラヘルツ波を発生させることができない。
GaAsは、バンドギャップが1.42eで、吸収端波長が873nmであるため、バンドギャップ以下(吸収端より長波長)のエネルギーの光は吸収されずに透過してしまい、テラヘルツ波を発生させることができない。
すなわち、光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を発生する方法において、基板の表面に形成されたアンテナパターンの上に、非線形素子を配置させた光伝導アンテナに対して、アンテナパターンのライン間にバイアス電圧を印加した状態で、そのバイアス電圧の印加されるアンテナパターンのライン間にパルス光を照射することで、非線形素子の非線形効果によって波長変換を行い、発生した第2高調波で光スイッチを動作させてテラヘルツ波を発生させることを特徴とする。
非線形光学結晶としては、BBO結晶が好適に使用できる。
また、非線形素子は、入射光の吸収の小さい物質で構成されることが好ましい。
図1は、本発明によるテラヘルツ波発生装置の要部を示す斜視説明図である。
光伝導アンテナは、基板(11)と、その表面にパターニング形成された金属膜から成るアンテナパターン(12)と、その上に配置された非線形素子(13)とを有する。
このようなアンテナパターン形状によっては、テラヘルツ波の強度や周波数帯域が異なる。例えば、ボウタイ型の場合は、テラヘルツ波の放射強度は比較的大きく、ピーク周波数は0.1THz程度と低く、低周波領域の分光測定に有効である。ストリップライン型の場合は、テラヘルツ波のピーク周波数は1THz程度であり、4THz程度まで放射強度を有し、周波数帯域が比較的広い。また、複数の光スイッチを有する素子を用い、各光スイッチに印加するバイアス電圧の値と極性を切り換えることにより、テラヘルツ波の周波数スペクトルを変えることも可能である。
非線形素子(13)は、入射光の吸収の小さい物質が好ましく、例えば、BBO結晶(β-BaB2O4)などの非線形光学結晶が好適である。非線形素子(13)については、後に詳述する。
アンテナパターン(12)のライン間にバイアス電圧を印加した状態で、そのバイアス電圧の印加されるアンテナパターンのライン間に、ポンプ光としてのパルス光(21)を照射すると、非線形素子(13)の非線形効果によって波長変換が行われ第2高調波を発生する。
発生したテラヘルツ波(22)は、半球状等のレンズ(16)を透過して外部に放射される。
なお、パルス光(21)の光源としては、例えば、フェムト秒パルスレーザーが利用できる。集光レンズを介挿してパルス光(21)の光束を絞ってもよい。
非線形光学結晶であるBBO結晶は、フラックス法やチョクラルスキー法で成長させられ、3元素結晶のため高品質可が比較的容易であり、大きな有効非線形第2高調波発生係数を有し、約410 nmから3500nmまで放射可能な利点がある。
光伝導アンテナは、基板(11)と、その表面にパターニング形成された金属膜から成るアンテナパターン(12)と、その上に配置された非線形素子(13)とを有する。アンテナパターン(12)には、配線(14)を介して、そのライン間にかかる電流を測定する電流測定手段(17)が接続されている。
試料からのテラヘルツ波(23)は、レンズ(16)を介して光伝導アンテナへ入射し、アンテナパターン(12)のライン間に照射される。一方、プローブ光としてのパルス光(21)もそこに照射する。
このとき、非線形素子(13)の非線形効果によって波長変換が行われる。
そして、アンテナパターン(12)のライン間では、テラヘルツ波(23)によって電場が生じた状態になり、プローブ光としてのパルス光(21)によっては電場強度に応じた光電流が生じる。それを電流測定手段(17)で計測することで、テラヘルツ波(23)に依存する電場強度を得ることができる。
テラヘルツ波技術は、原子系の量子状態を制御する手段としての原子チップ、原子光学、BEC技術や、物質系の新しい観測手段としても有望であり、本発明はテラヘルツ波の多様な用途に寄与する。
テラヘルツ波の応用分野は、物性、分子分光、生体研究などの基礎研究から、半導体など各種材料の品質評価、高感度ガス検出、超高速通信などの応用分野まで多岐にわたる。
また、半導体、プラスチック、ビニール、紙、ゴム、木材、歯、骨、乾燥食品などを透過する電磁波の中で、テラヘルツ波が最も短波長すなわち高分解能であることから、人体に危険なX線に代わる安全な非破壊検査用光源としての実用化に期待がもたれる。
更に、DNAやタンパク質、酵素など生体高分子の骨格振動周波数が、テラヘルツ波領域に存在することが明らかになりつつあり、医療応用や生体イメージングなどの分野でも有望である。
また、皮膚癌や乳癌の早期診断、火傷深さの診断、虫歯の断層撮影、半導体シリコン基板の検査、粉ミルク等への異物混入防止、乾燥食品の水分含有量検査、材木や紙などの水分含有量検査など多分野にわたるので、産業上利用価値が高い。
12 アンテナパターン
13 非線形素子
14 配線
15 電圧印加手段
16 レンズ
17 電流測定手段
21 ポンプ光としてのパルス光
22 発生したテラヘルツ波
23 検出対象のテラヘルツ波
Claims (16)
- 光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を発生する方法であって、
基板の表面に形成されたアンテナパターンの上に、非線形素子を配置させた光伝導アンテナに対して、
アンテナパターンのライン間にバイアス電圧を印加した状態で、そのバイアス電圧の印加されるアンテナパターンのライン間にパルス光を照射することで、
非線形素子の非線形効果によって波長変換を行い、発生した第2高調波でテラヘルツ波を発生させる
ことを特徴とするテラヘルツ波の発生方法。 - 光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を発生する装置であって、
基板と、その表面に形成された金属膜から成るアンテナパターンと、その上に配置された非線形素子とを有する光伝導アンテナと、
アンテナパターンのライン間にバイアス電圧を印加する電圧印加手段と、
アンテナパターンのライン間にパルス光を照射し、非線形素子の非線形効果によって波長変換を行い、第2高調波を発生させる光照射手段を備える
ことを特徴とするテラヘルツ波の発生装置。 - 非線形素子が、非線形光学結晶である
請求項2に記載のテラヘルツ波の発生装置。 - 非線形光学結晶が、BBO結晶である
請求項3に記載のテラヘルツ波の発生装置。 - 非線形素子が、入射光の吸収の小さい物質で構成される
請求項2ないし4に記載のテラヘルツ波の発生装置。 - 基板が、低温成長GaAsである
請求項2ないし5に記載のテラヘルツ波の発生装置。 - アンテナパターンが、ダイポール型の金属膜である
請求項2ないし6に記載のテラヘルツ波の発生装置。 - 入射光のエネルギーが、基板のバンドギャップエネルギーの半分以上である
請求項2ないし7に記載のテラヘルツ波の発生装置。 - 光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を検出する方法であって、
基板の表面に形成されたアンテナパターンの上に、非線形素子を配置させた光伝導アンテナに対して、
アンテナパターンのライン間に光照射し、非線形素子の非線形効果によって波長変換を行った光をゲート光として使用して、光励起によって光電流を生成することで、
テラヘルツ波の電場強度に応じて生じる光電流を電流測定回路で検出する
ことを特徴とするテラヘルツ波の検出方法。 - 光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を検出する装置であって、
基板と、その表面に形成された金属膜から成るアンテナパターンと、その上に配置された非線形素子とを有する光伝導アンテナと、
アンテナパターンのライン間に光を照射する光照射手段と、
非線形素子の非線形効果によって波長変換を行った光をゲート光として使用して、光励起によって生成した光電流を検出する電流測定回路とを備える
ことを特徴とするテラヘルツ波の検出装置。 - 非線形素子が、非線形光学結晶である
請求項10に記載のテラヘルツ波の検出装置。 - 非線形素子が、BBO結晶である
請求項11に記載のテラヘルツ波の検出装置。 - 非線形素子が、入射光の吸収の小さい物質で構成される
請求項10ないし12に記載のテラヘルツ波の検出装置。 - 基板が、低温成長GaAsである
請求項10ないし13に記載のテラヘルツ波の検出装置。 - アンテナパターンが、ダイポール型の金属膜である
請求項10ないし14に記載のテラヘルツ波の検出装置。 - 入射光のエネルギーが、基板のバンドギャップエネルギーの半分以上である
請求項10ないし15に記載のテラヘルツ波の検出装置。
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