JP2008209493A - Optical device for terahertz wave and method for producing the same - Google Patents

Optical device for terahertz wave and method for producing the same Download PDF

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Yasuhiko Shimoma
靖彦 下間
Seiki Miura
清貴 三浦
Kazuyuki Hirao
一之 平尾
Masahiro Shimizu
雅弘 清水
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new optical device for terahertz waves, which has a nonconventional constitution, is excellent in productivity and has various merits such as a high degree of freedom in shape; and to provide a method for producing the optical element. <P>SOLUTION: The optical device for terahertz waves includes a diamond base body in which a working part working optically on incident light of terahertz waves is formed inside. The working part has such a structure that columnar electrically-conductive portions formed by change of property of a diamond are arrayed cyclically. The optical element like this can be formed by irradiating the diamond base body with femtosecond laser. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、テラヘルツ波に光学的に作用する作用部、例えば、テラヘルツ波を回折する回折部、あるいは、テラヘルツ波を分光する分光部など、を備えるテラヘルツ波用光学素子とその製造方法に関する。   The present invention relates to a terahertz wave optical element including an action part that optically acts on a terahertz wave, for example, a diffraction part that diffracts a terahertz wave, or a spectroscopic part that splits a terahertz wave, and a manufacturing method thereof.

テラヘルツ波とは、およそ毎秒一兆(1012、即ち「T(テラ)」)回程度振動している電磁波のことである。電波の振動数(周波数)がこれほどまでに高くなると、光としての性質も帯びてくる。このため、テラヘルツ波は、電波のように物質を透過し、光のように直進する性質を有すると言われる。しかし、周波数にして100GHz〜100THzに相当するテラヘルツ波帯域は、従来、この帯域に含まれる電磁波を簡便に発生および検出する方法が存在しなかったため、未開拓電磁波、あるいは、未到光学と呼ばれてきた。ごく近年になって、レーザー技術などの革新により、初めてテラヘルツ波の光源および受光素子の普及が期待される状況になってきている。従って、テラヘルツ波の産業的な応用はこれからであるが、人類がこれまで手にしたことがない電磁波の利用は国家の基幹技術の有力候補でもある。応用を明確に意識した開発や市場規模予測などの報告も行われ始めており、その将来性が期待される。なお、テラヘルツ波帯域からは、分子の構造や運動状態について多くの情報を得ることができるため、想定される応用分野は情報通信分野以外にも、安全・防犯分野(例えば、危険物や隠匿物の検知)、バイオ・メディカル分野(例えば、悪性腫瘍のイメージング)から、農業、工業、環境、宇宙分野にまで至る。 The terahertz wave is an electromagnetic wave that vibrates about 1 trillion (10 12 , that is, “T (tera)”) times per second. When the frequency (frequency) of radio waves becomes so high, the property as light is also taken. For this reason, the terahertz wave is said to have a property of passing through a substance like radio waves and going straight like light. However, a terahertz wave band corresponding to a frequency of 100 GHz to 100 THz is conventionally referred to as an undeveloped electromagnetic wave or an undeveloped optical because there has been no method for easily generating and detecting an electromagnetic wave included in this band. I came. In recent years, due to innovations such as laser technology, the spread of terahertz light sources and light receiving elements is expected for the first time. Therefore, industrial applications of terahertz waves will continue, but the use of electromagnetic waves that humankind has never obtained is a promising candidate for national core technology. Reports such as development and market size prediction with a clear awareness of application are beginning to be made, and the future is expected. Since a lot of information can be obtained from the terahertz wave band about the structure and motion state of molecules, the assumed application fields are not only information and communication fields but also safety and crime prevention fields (for example, dangerous and concealed materials). Detection), biomedical fields (eg, imaging of malignant tumors), agriculture, industry, environment and space.

テラヘルツ波を実際に産業に応用するためには、その光源だけではなく、テラヘルツ波に用いることができる、回折素子、分光素子、偏光素子などの光学素子(テラヘルツ波用光学素子)が必要となる。例えば、特許文献1には、このような光学素子として、太さ数μmの金属ワイヤーを10μm程度の間隔で多数並べたワイヤーグリッドからなる偏光素子が開示されている(段落番号[0025]など)。   In order to actually apply terahertz waves to the industry, not only the light source but also optical elements (terahertz wave optical elements) that can be used for terahertz waves, such as diffraction elements, spectroscopic elements, and polarizing elements, are required. . For example, Patent Document 1 discloses, as such an optical element, a polarizing element composed of a wire grid in which a large number of metal wires having a thickness of several μm are arranged at intervals of about 10 μm (paragraph number [0025] and the like). .

なお、テラヘルツ波用光学素子とは直接関係しないが、ダイヤモンドへの立体的な三次元配線構造を形成する方法が特許文献2に開示されている。
特開2003−14620号公報 特開2005−294413号公報
Although not directly related to the terahertz wave optical element, Patent Document 2 discloses a method for forming a three-dimensional three-dimensional wiring structure on diamond.
JP 2003-14620 A JP 2005-294413 A

特許文献1に開示されているようなワイヤーグリッドは、ワイヤーに対して平行な偏波成分を反射させるとともに垂直な偏波成分を透過させて、テラヘルツ波を効率よく分光することができる。しかし、その製造にあたっては、通常、接着剤を塗布したフレームにμmオーダーの線径の金属細線を一定の間隔で張っていく方法が取られており、製造時における金属細線の破断や配置間隔の不揃いが起きやすい。このため、ワイヤーグリッドの安定した製造は非常に難しく、テラヘルツ波用光学素子の価格が非常に高価であることの要因にもなっている。また、想定されるテラヘルツ波の応用分野の拡大に伴い、より小型の光学素子が求められているが、ワイヤーグリッドでは、金属細線を安定して張るためにある程度の大きさ以上のフレームが必要であるため、現状以上のさらなる小型化は難しい。   A wire grid as disclosed in Patent Document 1 can efficiently split a terahertz wave by reflecting a polarization component parallel to the wire and transmitting a perpendicular polarization component. However, in the production, usually, a method in which fine metal wires having a diameter of μm order are stretched at a fixed interval on a frame coated with an adhesive, and the thin metal wires at the time of production and the arrangement interval of the fine wires are taken. Unevenness is likely to occur. For this reason, it is very difficult to stably manufacture the wire grid, which is a factor that the price of the optical element for terahertz waves is very expensive. In addition, with the expansion of the expected application field of terahertz waves, smaller optical elements are required. However, wire grids require a frame of a certain size or larger in order to stably stretch metal wires. For this reason, it is difficult to further reduce the size beyond the current level.

そこで本発明は、従来にない構成を有し、生産性に優れるとともに、形状の自由度が高いなどの様々な特長を有する新規なテラヘルツ波用光学素子と、その製造方法とを提供することを目的とする。   Therefore, the present invention provides a novel terahertz wave optical element having various features such as an unconventional configuration, excellent productivity, and a high degree of freedom in shape, and a method for manufacturing the same. Objective.

本発明のテラヘルツ波用光学素子は、入射したテラヘルツ波に光学的に作用しうる作用部が内部に形成されたダイヤモンドの基体を備え、前記作用部は、前記ダイヤモンドの変質により形成された柱状の導電性部分が周期的に配列した構造を有する。   An optical element for a terahertz wave according to the present invention includes a diamond base in which an action part that can optically act on an incident terahertz wave is formed, and the action part has a columnar shape formed by alteration of the diamond. It has a structure in which conductive portions are periodically arranged.

本発明の製造方法は、入射したテラヘルツ波に光学的に作用しうる作用部を含むテラヘルツ波用光学素子の製造方法であって、ダイヤモンドの基体にフェムト秒レーザーを照射し、前記基体における照射したレーザーの焦点近傍の部分を変質させて、当該部分を導電性とする工程を含む。本発明の製造方法では、前記工程において、前記レーザーの焦点位置を変化させることにより、柱状である2以上の前記部分を当該部分が周期的に配列するように形成して、前記基体の内部に、柱状の導電性部分が周期的に配列した構造を有する作用部を形成する。   The manufacturing method of the present invention is a manufacturing method of a terahertz wave optical element including an action part that can optically act on an incident terahertz wave, and irradiates a femtosecond laser to a diamond substrate and irradiates the substrate A step of altering a portion near the focal point of the laser to make the portion conductive; In the manufacturing method of the present invention, in the step, by changing the focal position of the laser, two or more portions having a columnar shape are formed so that the portions are periodically arranged, and the inside of the substrate is formed. A working portion having a structure in which columnar conductive portions are periodically arranged is formed.

本発明の素子は、入射したテラヘルツ波に光学的に作用する作用部をダイヤモンドの基体の内部に有し、当該作用部は、ダイヤモンドの変質により形成された柱状の導電性部分の周期的な配列により構成されている。このため、本発明の素子は、等間隔に張られた金属細線により作用部が構成され、当該作用部が空気中に露出しているワイヤーグリッドに比べて、素子としての強度および耐久性に優れる。また、ダイヤモンドは、テラヘルツ波に対して透明度が高く(高い透過率を有し)、かつ、屈折率(誘電率)の分散が小さい誘電体であるため、本発明の素子は高い効率を発現できる。   The element of the present invention has an action portion that optically acts on an incident terahertz wave inside a diamond base, and the action portion is a periodic arrangement of columnar conductive portions formed by the alteration of diamond. It is comprised by. For this reason, the element of the present invention is composed of fine metal wires stretched at equal intervals, and is superior in strength and durability as an element compared to a wire grid in which the action part is exposed in the air. . In addition, since diamond is a dielectric having high transparency (having high transmittance) with respect to terahertz waves and small dispersion of refractive index (dielectric constant), the element of the present invention can exhibit high efficiency. .

本発明の製造方法に示すように、本発明の素子は、ダイヤモンドの基体にフェムト秒レーザーを照射し、当該基体におけるレーザーが照射された部分、より具体的には、照射したレーザーの焦点近傍の部分、を変質させて、当該部分を導電性にできる。このとき、レーザーの焦点位置を変化させることで、柱状である2以上の上記部分(導電性部分)を当該部分が周期的に配列するように形成できる。この方法では、柱状の導電性部分の配列を容易に制御でき、また、レーザーの照射ができる限り、基体の形状およびサイズは特に制限されない。このため、本発明の素子は、ワイヤーグリッドに比べて生産性に優れるとともに、その形状およびサイズなどの自由度を高くできる。基体の形状およびサイズによっては、テラヘルツ波の光源(発振器)あるいは受光素子と一体化させることも可能である。   As shown in the manufacturing method of the present invention, the element of the present invention irradiates a diamond substrate with a femtosecond laser, and more specifically, a portion of the substrate irradiated with the laser, more specifically, near the focal point of the irradiated laser. The portion can be altered to make the portion conductive. At this time, by changing the focal position of the laser, it is possible to form two or more column-shaped portions (conductive portions) such that the portions are periodically arranged. In this method, the arrangement and the size of the substrate are not particularly limited as long as the arrangement of the columnar conductive portions can be easily controlled and laser irradiation can be performed. For this reason, the element of the present invention is excellent in productivity as compared with the wire grid, and the degree of freedom of the shape and size can be increased. Depending on the shape and size of the substrate, it may be integrated with a terahertz light source (oscillator) or a light receiving element.

図1、2に、本発明のテラヘルツ波用光学素子の一例を示す。光学素子1は、入射したテラヘルツ波に光学的に作用する作用部3が内部に形成されたダイヤモンド基板2からなる。作用部3は、ダイヤモンドの変質により形成された柱状の導電性部分4が互いに平行に配列した構造を有する。換言すれば、作用部3では、導電性部分4の伸長方向が互いに平行である。導電性部分4の伸長方向は基板2の主面にほぼ垂直であり、隣り合う導電性部分4の間隔、即ち、導電性部分4の配列周期は、作用部3全体にわたってほぼ一定である。図2は、図1に示す光学素子1を、導電性部分4の伸長方向に平行な方向から見た平面図である。   1 and 2 show an example of the optical element for terahertz waves of the present invention. The optical element 1 includes a diamond substrate 2 in which an action part 3 that optically acts on an incident terahertz wave is formed. The action part 3 has a structure in which columnar conductive parts 4 formed by alteration of diamond are arranged in parallel to each other. In other words, in the action part 3, the extending directions of the conductive portions 4 are parallel to each other. The extending direction of the conductive portions 4 is substantially perpendicular to the main surface of the substrate 2, and the interval between the adjacent conductive portions 4, that is, the arrangement period of the conductive portions 4 is substantially constant over the entire action portion 3. FIG. 2 is a plan view of the optical element 1 shown in FIG. 1 viewed from a direction parallel to the extending direction of the conductive portion 4.

光学素子1には、作用部3の構成、例えば、導電性部分4の平均径または配列周期、あるいは、基板2に対する導電性部分4の伸長方向などを制御することにより、様々な光学的機能を賦与できる。賦与された機能に応じ、光学素子1は、例えば、入射したテラヘルツ波を回折する回折素子、入射したテラヘルツ波に含まれる特定の周波数の電磁波を選択する分光素子、および、入射したテラヘルツ波に含まれる特定の偏光(偏波)を選択する偏光(偏波)素子から選ばれる少なくとも1つとして機能する。   The optical element 1 has various optical functions by controlling the configuration of the action portion 3, for example, the average diameter or arrangement period of the conductive portions 4, or the extending direction of the conductive portions 4 with respect to the substrate 2. Can be granted. The optical element 1 includes, for example, a diffraction element that diffracts an incident terahertz wave, a spectroscopic element that selects an electromagnetic wave having a specific frequency included in the incident terahertz wave, and an incident terahertz wave according to the assigned function. It functions as at least one selected from polarization (polarization) elements that select specific polarization (polarization).

導電性部分4は、ダイヤモンドの変質により形成された部分であるが、典型的にはグラファイトを、またグラファイト以外の成分として、場合により、α−カーボン、DLC(Diamond Like Carbon)などを含む。   The conductive portion 4 is a portion formed by alteration of diamond. Typically, the conductive portion 4 includes graphite, and optionally contains α-carbon, DLC (Diamond Like Carbon) or the like as a component other than graphite.

柱状の導電性部分4の平均径(図2にdで示される径の平均値)は、作用部3がテラヘルツ波に作用できる限り特に限定されないが、通常、100nm以上10mm以下であり、典型的には数μm以上(例えば1μm以上)、好ましくは10μm以上である。平均径が過小あるいは過大になると、テラヘルツ波用光学素子としての機能が失われることがある。なお、詳細を後述する本発明の製造方法では、数μm以上の平均径を有する導電性部分4を精度よく、かつ、効率よく形成できる。   The average diameter of the columnar conductive portions 4 (the average value of the diameters indicated by d in FIG. 2) is not particularly limited as long as the action portion 3 can act on the terahertz wave, but is typically 100 nm or more and 10 mm or less. Is several μm or more (for example, 1 μm or more), preferably 10 μm or more. If the average diameter is too small or too large, the function as a terahertz wave optical element may be lost. In addition, in the manufacturing method of this invention mentioned later for details, the electroconductive part 4 which has an average diameter of several micrometers or more can be formed accurately and efficiently.

導電性部分4の配列周期(例えば、図2に示すXあるいはY)は、作用部3がテラヘルツ波に作用できる限り特に限定されないが、通常、テラヘルツ波の波長域(3μm〜3mm:この波長は、周波数にして100GHz〜100THzに相当する)程度であればよく、典型的には、数十〜数百μm程度、例えば、10〜100μmである。配列周期が過小あるいは過大になると、テラヘルツ波用光学素子としての機能が失われることがある。なお、本発明の光学素子1では、導電性部分4はダイヤモンドの基体中に形成されているため、テラヘルツ波の波長と、当該波長に対応する導電性部分4の配列周期とは1対1で対応しているわけではない。いずれか一方から他方を求める際には、ダイヤモンドの屈折率(約2.38)を考慮する必要がある。   The arrangement period of the conductive portions 4 (for example, X or Y shown in FIG. 2) is not particularly limited as long as the action part 3 can act on the terahertz wave. Usually, the wavelength range of the terahertz wave (3 μm to 3 mm: this wavelength is The frequency may be about 100 GHz to 100 THz), and typically about several tens to several hundreds μm, for example, 10 to 100 μm. When the arrangement period is too small or too large, the function as a terahertz wave optical element may be lost. In the optical element 1 of the present invention, since the conductive portion 4 is formed in a diamond substrate, the wavelength of the terahertz wave and the arrangement period of the conductive portion 4 corresponding to the wavelength are 1: 1. It does not correspond. When obtaining one from the other, it is necessary to consider the refractive index of diamond (about 2.38).

導電性部分4の配列は、図1、2に示す光学素子1のように、典型的にはその伸長方向が互いに平行な配列であるが、作用部3がテラヘルツ波に作用できる限り、特に限定されない。   The arrangement of the conductive portions 4 is typically an arrangement in which the extending directions are parallel to each other as in the optical element 1 shown in FIGS. 1 and 2, but is not particularly limited as long as the action portion 3 can act on the terahertz wave. Not.

導電性部分4が、その伸長方向が互いに平行である配列をとる場合、基板2に対する当該方向は、作用部3がテラヘルツ波に作用できる限り特に限定されず、例えば、基板2の主面に平行であってもよいし、基板2の主面に対して一定の角度で傾いていてもよい。   When the conductive portions 4 are arranged such that the extending directions thereof are parallel to each other, the direction relative to the substrate 2 is not particularly limited as long as the action portion 3 can act on the terahertz wave. For example, the direction is parallel to the main surface of the substrate 2. It may be inclined at a certain angle with respect to the main surface of the substrate 2.

導電性部分4は、少なくともその一部が、作用部3において周期的に配列していればよく、テラヘルツ波用光学素子として機能できる限り、導電性部分4の配列が部分的に乱れていてもよい。   It is sufficient that at least a part of the conductive portion 4 is periodically arranged in the action portion 3. As long as the conductive portion 4 can function as a terahertz wave optical element, the arrangement of the conductive portion 4 is partially disturbed. Good.

ダイヤモンド基板2の形状およびサイズは特に限定されない。作用部3が内部に形成され、テラヘルツ波用光学素子として機能できる限り、素子1として必要な形状およびサイズに応じて任意に設定できる。   The shape and size of the diamond substrate 2 are not particularly limited. As long as the action part 3 is formed inside and can function as an optical element for terahertz waves, it can be arbitrarily set according to the shape and size required for the element 1.

図1、2に示す光学素子1の作用部3は、ダイヤモンド基板、即ち、平板状のダイヤモンドの基体、に形成されているが、基体の形状は平板状に限定されず、素子1として必要な形状に応じて任意に設定できる。   The action part 3 of the optical element 1 shown in FIGS. 1 and 2 is formed on a diamond substrate, that is, a flat diamond base. However, the shape of the base is not limited to a flat plate, and is necessary for the element 1. It can be set arbitrarily according to the shape.

なお、平板状の基体を有する光学素子1は、予め平板状としたダイヤモンドの基体、即ち、ダイヤモンド基板、に作用部3を形成して作製してもよいし、作用部3を形成したダイヤモンドの基体を平板状にカッティングすることによって作製してもよい。   The optical element 1 having a flat substrate may be manufactured by forming the action portion 3 on a diamond substrate that is flat in advance, that is, a diamond substrate, or the diamond having the action portion 3 formed thereon. You may produce by cutting a base | substrate into flat form.

本発明の光学素子において、基体(基板)に用いるダイヤモンドには、安価な工業用ダイヤモンドを用いることができる。工業用ダイヤモンドは、内包する不純物により、肉眼では黄色みがかかって見えるが、テラヘルツ波に対しては一般に高い透過率を有するため、基体として好適に用いることができる。   In the optical element of the present invention, an inexpensive industrial diamond can be used as the diamond used for the substrate (substrate). Industrial diamond appears yellowish to the naked eye due to the impurities contained therein, but generally has a high transmittance for terahertz waves, and therefore can be suitably used as a substrate.

図1、2に示す光学素子1では、ダイヤモンドの基体が平板状であり、導電性部分4が平板状の基体(基板2)の厚さ方向に伸長している。このような構造を有する素子1は、その製造が容易であり、生産性に優れる素子とすることができる。また、このような構造を有する素子1は、平板状の基体(基板)の側面から入射されたテラヘルツ波に対して光学的に作用することができる。   In the optical element 1 shown in FIGS. 1 and 2, the diamond substrate has a flat plate shape, and the conductive portion 4 extends in the thickness direction of the flat plate substrate (substrate 2). The element 1 having such a structure is easy to manufacture and can be an element having excellent productivity. The element 1 having such a structure can optically act on the terahertz wave incident from the side surface of the flat substrate (substrate).

本発明の光学素子では、ダイヤモンドの基体が平板状であり、導電性部分4が平板状の基体の主面に平行な方向に伸長していてもよい。このような構造を有する素子は、例えば、後述するテラヘルツ波の発振器および受光素子に好適に用いることができる。また、このような構造を有する素子は、平板状の基体の主面から入射されたテラヘルツ波に対して光学的に作用することができる。   In the optical element of the present invention, the diamond substrate may have a flat plate shape, and the conductive portion 4 may extend in a direction parallel to the main surface of the flat plate substrate. An element having such a structure can be suitably used for, for example, a terahertz wave oscillator and a light receiving element described later. An element having such a structure can optically act on a terahertz wave incident from the main surface of a flat substrate.

本発明の光学素子では、作用部3に、導電性部分4の配列した面(配列面)が2以上存在してもよい。例えば、図1、2に示す光学素子1の作用部3には、基板2の側面Aを基準にして、導電性部分4の配列面が面α、βを始めとして5つ存在する。なお、作用部3における導電性部分4の配列面は、図2に示す面γ、δのように考えることもでき、この場合、図1、2に示す光学素子1の作用部3には、導電性部分4の配列面が9つ存在することになる。   In the optical element of the present invention, the action part 3 may have two or more surfaces (array surfaces) on which the conductive portions 4 are arranged. For example, in the action part 3 of the optical element 1 shown in FIGS. 1 and 2, there are five arrangement surfaces of the conductive portions 4 including the surfaces α and β with respect to the side surface A of the substrate 2. The arrangement surface of the conductive portions 4 in the action portion 3 can also be considered as the surfaces γ and δ shown in FIG. 2. In this case, the action portion 3 of the optical element 1 shown in FIGS. There are nine arrangement surfaces of the conductive portions 4.

通常、導電性部分4の配列面は、基体におけるテラヘルツ波が入射する面を基準に考えればよく、図1、2に示す光学素子1において側面Aからテラヘルツ波を入射する場合、側面Aが基準となるため、作用部3における導電性部分4の配列面の数は5である。   In general, the arrangement surface of the conductive portions 4 may be considered based on the surface on which the terahertz wave is incident on the substrate. When the terahertz wave is incident from the side surface A in the optical element 1 shown in FIGS. Therefore, the number of arrangement surfaces of the conductive portions 4 in the action portion 3 is five.

従来のテラヘルツ波用光学素子であるワイヤーグリッドでは、1つの素子に対して、金属細線が等間隔で配置された面、即ち、配列面、は1つのみであるため、光学素子としての効率の向上が難しい他、その機能も制限される。これに対して本発明の素子では、配列面が2以上存在してもよく、このような素子とすることにより、光学素子としての効率をより向上でき、例えば、分光素子とした場合に得られるスペクトルのピークをより鋭くすることができる。   In a wire grid, which is a conventional optical element for terahertz waves, there is only one surface where metal thin wires are arranged at equal intervals with respect to one element, that is, an array surface. In addition to being difficult to improve, its functionality is also limited. On the other hand, in the element of the present invention, there may be two or more arrangement surfaces. By using such an element, the efficiency as an optical element can be further improved. For example, the element can be obtained as a spectroscopic element. Spectral peaks can be made sharper.

なお、このような素子は、1つの配列面を1つの「グリッド」として考えると、2以上のグリッド、即ち、グリッド群、を有する光学素子ということもできる。   Such an element can be said to be an optical element having two or more grids, that is, a grid group, when one arrangement surface is considered as one “grid”.

作用部3に導電性部分4の配列面が2以上存在する場合、1つの配列面における隣りあう導電性部分間の距離(例えば、図2に示す配列周期X)と、隣りあう配列面間の距離(例えば、図2に示す配列周期Y)とは、同一であっても異なっていてもよい。同一である場合、より高い効率を有する光学素子とすることができる。   When there are two or more array surfaces of the conductive portions 4 in the action part 3, the distance between adjacent conductive portions in one array surface (for example, the array period X shown in FIG. 2) and the adjacent array surfaces The distance (for example, the arrangement period Y shown in FIG. 2) may be the same or different. If they are the same, an optical element having higher efficiency can be obtained.

また、作用部3に導電性部分4の配列面が2以上存在する場合、配列周期XおよびYから選ばれる少なくとも1つが、作用部3において部分的に変化していてもよく、その変化の形態によっては、より高い機能を素子に賦与できる。このような高い機能を有する光学素子としては、例えば、一次回折光のみを選択できる回折素子が考えられる。   Further, when there are two or more arrangement surfaces of the conductive portions 4 in the action part 3, at least one selected from the arrangement periods X and Y may be partially changed in the action part 3, and the form of the change Depending on the case, a higher function can be given to the element. As an optical element having such a high function, for example, a diffractive element capable of selecting only the first-order diffracted light is conceivable.

本発明の光学素子は、その構成によっては、テラヘルツ波の光源または検知素子と組み合わせることができる。組み合わせの一例を以下に示す。   The optical element of the present invention can be combined with a terahertz wave light source or a detection element depending on its configuration. An example of a combination is shown below.

図3A、図3Bに、本発明の光学素子1とテラヘルツ波の光源(発振器)との組み合わせの一例を示す。図3A、図3Bに示すテラヘルツ波発振器11は、素子1を除き、一般的なテラヘルツ波発振器と同様の構成、具体的には、SiやGaAsなどからなる基板12上に、半導体からなる光伝導層13および一対の電極14、15が積層された構成、を有する。素子1を除く、光伝導層13などの各部材は、テラヘルツ波の発振器として一般的な材料からなればよい。本発明の素子1は、光伝導層13上における電極14と15との間に配置されており、その形状は、作用部が形成されたダイヤモンド基板からなる平板状である。素子1の作用部では、導電性部分は、その伸長方向が互いに平行となり、かつ、基板の主面に平行となるように形成されている。図3Aは、図3Bにおける発振器11の断面A−Aを示す断面図である。   3A and 3B show an example of a combination of the optical element 1 of the present invention and a terahertz light source (oscillator). The terahertz wave oscillator 11 shown in FIGS. 3A and 3B has the same configuration as that of a general terahertz wave oscillator except for the element 1, specifically, photoconductivity made of a semiconductor on a substrate 12 made of Si, GaAs, or the like. The layer 13 and the pair of electrodes 14 and 15 are stacked. Each member such as the photoconductive layer 13 excluding the element 1 may be made of a material common as a terahertz wave oscillator. The element 1 of the present invention is disposed between the electrodes 14 and 15 on the photoconductive layer 13 and has a flat plate shape made of a diamond substrate on which an action portion is formed. In the action portion of the element 1, the conductive portions are formed so that their extending directions are parallel to each other and parallel to the main surface of the substrate. 3A is a cross-sectional view showing a cross section AA of the oscillator 11 in FIG. 3B.

ここで、電極14と15との間に所定の電圧Vを印加しながら、光伝導層13における電極14、15間に位置する領域にフェムト秒レーザーを照射すると、光伝導層13の内部でキャリアの生成、消滅に伴う瞬間的な電場の変化が生じ、テラヘルツ波が生じる。光伝導層13で生じたテラヘルツ波は、素子1を透過して発振器11の外部に発振されるが、このとき、素子1の作用部により光学的に作用を受けたテラヘルツ波が発振される。作用部の構成により異なるが、発振器11は、例えば、テラヘルツ波の偏光(偏波)、および/または、特定の周波数成分からなるテラヘルツ波、を発振できる。   Here, when a predetermined voltage V is applied between the electrodes 14 and 15 and a region located between the electrodes 14 and 15 in the photoconductive layer 13 is irradiated with a femtosecond laser, carriers are generated inside the photoconductive layer 13. The electric field changes instantaneously with the generation and disappearance of, and a terahertz wave is generated. The terahertz wave generated in the photoconductive layer 13 passes through the element 1 and is oscillated outside the oscillator 11. At this time, the terahertz wave optically acted by the action part of the element 1 is oscillated. Although different depending on the configuration of the action unit, the oscillator 11 can oscillate, for example, a terahertz wave (polarized wave) and / or a terahertz wave including a specific frequency component.

図3A、図3Bに示す発振器11は、そのままテラヘルツ波の受光素子とすることができる。光伝導層13における電極14、15間に位置する領域にテラヘルツ波が入射すると、電極14、15間に電位差が生じる。この電位差、あるいは、生じた電位差に基づいて電極14、15に接続された外部回路に流れる電流Aを測定することにより、テラヘルツ波を検知することができる。このとき、光伝導層13における上記領域には、素子1を透過したテラヘルツ波が入射するため、作用部の構成により異なるが、発振器11は、例えば、テラヘルツ波の偏光(偏波)、および/または、特定の周波数成分からなるテラヘルツ波、を検知できる。   The oscillator 11 shown in FIGS. 3A and 3B can be a terahertz light receiving element as it is. When a terahertz wave enters a region located between the electrodes 14 and 15 in the photoconductive layer 13, a potential difference is generated between the electrodes 14 and 15. A terahertz wave can be detected by measuring the current A flowing in an external circuit connected to the electrodes 14 and 15 based on this potential difference or the generated potential difference. At this time, since the terahertz wave transmitted through the element 1 is incident on the region in the photoconductive layer 13, the oscillator 11 has, for example, polarization (polarization) of the terahertz wave and / or Alternatively, a terahertz wave composed of a specific frequency component can be detected.

図4A、図4Bに、本発明の素子1とテラヘルツ波の発振器との組み合わせの別の一例を示す。図4A、図4Bに示すテラヘルツ波発振器21は、図3A、図3Bに示す発振器11における光伝導層13上に、一対の電極16、17をさらに加えた構成を有する。電極16、17は、当該電極間に電位差を加えたときに生じる電場の方向が、電極14、15間に電位差を加えたときに生じる電場の方向と直交するように配置されている。本発明の素子1は、光伝導層13上における各電極間に配置されており、その形状は、作用部が形成されたダイヤモンド基板からなる平板状である。素子1の作用部では、導電性部分は、その伸長方向が互いに平行となり、かつ、基板の主面に平行、上記各電場の方向に45°の方向となるように配置されている。なお、図4Aは、図4Bにおける発振器21の断面A−Aを示す断面図である。   4A and 4B show another example of a combination of the element 1 of the present invention and a terahertz wave oscillator. The terahertz wave oscillator 21 shown in FIGS. 4A and 4B has a configuration in which a pair of electrodes 16 and 17 are further added on the photoconductive layer 13 in the oscillator 11 shown in FIGS. 3A and 3B. The electrodes 16 and 17 are arranged so that the direction of the electric field generated when a potential difference is applied between the electrodes is orthogonal to the direction of the electric field generated when a potential difference is applied between the electrodes 14 and 15. The element 1 of the present invention is disposed between the electrodes on the photoconductive layer 13, and the shape thereof is a flat plate made of a diamond substrate on which an action portion is formed. In the action portion of the element 1, the conductive portions are arranged so that the extending directions thereof are parallel to each other, parallel to the main surface of the substrate, and 45 ° to each electric field. 4A is a cross-sectional view showing a cross section AA of the oscillator 21 in FIG. 4B.

ここで、電極14と15との間、および、電極16と17との間に、それぞれ、所定の電圧V1およびV2を印加しながら、光伝導層13における電極14、15間および電極16、17間に位置する領域にフェムト秒レーザーを照射すると、光伝導層13の内部でキャリアの生成、消滅に伴う瞬間的な電場の変化が生じ、テラヘルツ波が生じる。光伝導層13で生じたテラヘルツ波は、素子1を透過して発振器21の外部に発振されるが、このとき、素子1の作用部により光学的に作用を受けたテラヘルツ波が発振される。素子1の作用部における導電性部分の伸長方向は上記のようであるので、発振器21は、例えば、同時に2つの偏光(偏波)を発振できる。また、発振器21は、発振器11と同様に、特定の周波数成分からなるテラヘルツ波を発振することも可能である。   Here, while applying predetermined voltages V1 and V2 between the electrodes 14 and 15 and between the electrodes 16 and 17, respectively, between the electrodes 14 and 15 and between the electrodes 16 and 17 in the photoconductive layer 13. When a femtosecond laser is irradiated to a region located between them, an instantaneous electric field change occurs due to the generation and disappearance of carriers inside the photoconductive layer 13, and a terahertz wave is generated. The terahertz wave generated in the photoconductive layer 13 passes through the element 1 and is oscillated to the outside of the oscillator 21. At this time, the terahertz wave optically acted by the action part of the element 1 is oscillated. Since the extending direction of the conductive portion in the action portion of the element 1 is as described above, the oscillator 21 can oscillate two polarized lights (polarized waves) simultaneously, for example. Similarly to the oscillator 11, the oscillator 21 can also oscillate a terahertz wave composed of a specific frequency component.

図4A、図4Bに示す発振器21は、そのままテラヘルツ波の受光素子とすることができる。光伝導層13における各電極間に位置する領域にテラヘルツ波が入射すると、電極14、15間、および、電極16、17間に電位差が生じる。この電位差、あるいは、生じた電位差に基づいて、電極14、15に接続された外部回路に流れる電流A1、および/または、電極16、17に接続された外部回路に流れる電流A2を測定することにより、テラヘルツ波を検知することができる。このとき、光伝導層13における上記領域には、素子1を透過したテラヘルツ波が入射するため、発振器21は、例えば、同時に2つの偏光(偏波)を検知することができる。また、発振器21は、特定の周波数成分からなるテラヘルツ波を検知することも可能である。   The oscillator 21 shown in FIGS. 4A and 4B can be a terahertz light receiving element as it is. When a terahertz wave enters a region located between the electrodes in the photoconductive layer 13, a potential difference is generated between the electrodes 14 and 15 and between the electrodes 16 and 17. By measuring the current A1 flowing in the external circuit connected to the electrodes 14 and 15 and / or the current A2 flowing in the external circuit connected to the electrodes 16 and 17 based on this potential difference or the generated potential difference. Terahertz waves can be detected. At this time, since the terahertz wave transmitted through the element 1 is incident on the region in the photoconductive layer 13, the oscillator 21 can detect two polarized lights (polarized waves) at the same time, for example. The oscillator 21 can also detect a terahertz wave composed of a specific frequency component.

図1、2に示す光学素子1は、作用部3が内部に形成された基板2からなるが、本発明の素子は、基板(基体)以外の部材を必要に応じて備えていてもよい。   The optical element 1 shown in FIGS. 1 and 2 includes a substrate 2 having an action portion 3 formed therein, but the element of the present invention may include a member other than the substrate (base) as necessary.

本発明の素子は、例えば、以下に示す本発明の製造方法により作製できる。   The element of the present invention can be produced, for example, by the production method of the present invention shown below.

本発明の製造方法によれば、ダイヤモンドの基体にフェムト秒レーザーを照射し、基体における照射したレーザーの焦点近傍の部分を変質させて、当該部分を導電性を有する部分(導電性部分)とすることができる。このとき、レーザーの焦点位置を変化させることにより、柱状である2以上の上記部分を当該部分が周期的に配列するように形成して、基体の内部に、柱状の導電性部分が周期的に配列した構造を有する作用部を形成できる。   According to the manufacturing method of the present invention, a diamond substrate is irradiated with a femtosecond laser, and a portion of the substrate near the focal point of the irradiated laser is altered to make the portion a conductive portion (conductive portion). be able to. At this time, by changing the focal position of the laser, two or more columnar portions are formed so that the portions are periodically arranged, and the columnar conductive portions are periodically formed inside the substrate. Action portions having an arrayed structure can be formed.

この方法では、レーザーの焦点位置を変化させることにより、周期的に配列した導電性部分の平均径および配列周期を容易に制御することができる。また、レーザーの照射ができる限り、基体の形状およびサイズは特に限定されない。このため、本発明の製造方法は生産性に優れる。また、本発明の製造方法によれば、形成するテラヘルツ波用光学素子の光学的機能、形状ならびにサイズなどの自由度を高くすることができる。   In this method, by changing the focal position of the laser, the average diameter and arrangement period of the periodically arranged conductive portions can be easily controlled. Further, the shape and size of the substrate are not particularly limited as long as laser irradiation can be performed. For this reason, the manufacturing method of this invention is excellent in productivity. Further, according to the manufacturing method of the present invention, the degree of freedom of the optical function, shape, size, etc. of the optical element for terahertz wave to be formed can be increased.

フェムト秒レーザーは、パルス幅がフェムト秒(10-13〜10-15秒)のパルスレーザーである。本発明の製造方法では、その高いピーク強度により、ダイヤモンドを変質させて導電性部分を形成できると考えられる。 The femtosecond laser is a pulse laser having a pulse width of femtosecond (10 −13 to 10 −15 seconds). In the production method of the present invention, it is considered that the high peak intensity can modify the diamond to form a conductive portion.

基体に照射するフェムト秒レーザーは、一般的なフェムト秒レーザーであればよく、例えば、その波長は200〜1600nm程度であればよい。発振源は特に限定されないが、例えば、フェムト秒レーザーとして一般的であるチタンサファイアレーザーを用いてもよい。   The femtosecond laser with which the substrate is irradiated may be a general femtosecond laser. For example, the wavelength may be about 200 to 1600 nm. The oscillation source is not particularly limited. For example, a titanium sapphire laser that is common as a femtosecond laser may be used.

基体に対するレーザーの照射条件、例えば、レーザーの出力、繰り返し周波数などは、基体の種類、形成したい導電性部分の平均径、形成したい導電性部分の基体表面からの深さ、などに応じて適宜設定すればよい。   Laser irradiation conditions for the substrate, for example, laser output, repetition frequency, etc. are appropriately set according to the type of substrate, the average diameter of the conductive portion to be formed, the depth of the conductive portion to be formed from the substrate surface, etc. do it.

フェムト秒レーザーの照射により形成する導電性部分の構成は、上述した本発明の光学素子における導電性部分4の構成と同様であればよい。   The configuration of the conductive portion formed by irradiation with the femtosecond laser may be the same as the configuration of the conductive portion 4 in the optical element of the present invention described above.

レーザーの焦点位置を変化させるためには、例えば、レーザーの発振源および/またはダイヤモンドの基体を、3次元方向に移動できるステージに固定し、当該ステージを移動させればよい。   In order to change the focal position of the laser, for example, the laser oscillation source and / or the diamond substrate may be fixed to a stage that can move in a three-dimensional direction, and the stage may be moved.

このとき、基体に対して、レーザーの発振源に対して遠い位置から近い位置へと、導電性部分を形成することが好ましい。レーザーの照射により変質した部分は、基体の成分であるダイヤモンドに比べてレーザーのエネルギーを吸収しやすい。このため、基体におけるレーザーの発振源から遠い位置から近い位置へと導電性部分を形成することにより、変質した部分によるレーザーの吸収を防ぐことができ、より効率よく、柱状の導電性部分を形成することができる。   At this time, it is preferable to form the conductive portion from a position far from the laser oscillation source to a position close to the substrate. A portion altered by laser irradiation is more likely to absorb laser energy than diamond, which is a component of the substrate. For this reason, by forming a conductive part from a position far from the laser oscillation source on the base to a position close to the laser, absorption of the laser by the altered part can be prevented, and a columnar conductive part is formed more efficiently. can do.

以下、実施例により、本発明をより詳細に説明する。本発明は、以下に示す実施例に限定されない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. The present invention is not limited to the examples shown below.

(実施例1)
実施例1では、ダイヤモンド基板にフェムト秒レーザーを照射して、図1、2に示すような光学素子を作製し、その特性を評価した。評価した素子サンプル(サンプル1)の作製方法を以下に示す。
(Example 1)
In Example 1, a diamond substrate was irradiated with a femtosecond laser to produce an optical element as shown in FIGS. 1 and 2, and its characteristics were evaluated. A manufacturing method of the evaluated element sample (sample 1) is shown below.

工業用ダイヤモンドからなるダイヤモンド基板(住友電工ハードメタル社製、UP303015:サイズは3050μm×3050μm、厚さ1500μm)を3次元方向に任意に移動可能なステージに固定し、当該ステージにより焦点位置を基板の内部で変化させながら、基板の主面に垂直な方向からフェムト秒レーザーを照射して、図1、2に示すような素子1(サンプル1)を形成した。サンプル1における導電性部分4の平均径は25μm、隣りあう導電性部分4間の距離(配列周期)は、図2に示すX、Yともに80μmとした。また、サンプル1における導電性部分4は、その配列面の数が、図1、2に示す側面Aから見て10となるように形成した。   A diamond substrate made of industrial diamond (manufactured by Sumitomo Electric Hardmetal Corp., UP303015: size is 3050 μm × 3050 μm, thickness 1500 μm) is fixed to a stage that can be arbitrarily moved in a three-dimensional direction, and the focal position of the substrate is fixed by the stage While changing inside, a femtosecond laser was irradiated from a direction perpendicular to the main surface of the substrate to form an element 1 (sample 1) as shown in FIGS. The average diameter of the conductive portions 4 in the sample 1 was 25 μm, and the distance (arrangement period) between the adjacent conductive portions 4 was 80 μm for both X and Y shown in FIG. In addition, the conductive portions 4 in the sample 1 were formed so that the number of arrangement surfaces was 10 when viewed from the side surface A shown in FIGS.

フェムト秒レーザーの照射条件は、波長800nm、パルス幅150fs、繰り返し周波数1kHz、パルスエネルギー1μJ/パルスとし、レーザーの照射には、開口数(NA)が0.45の対物レンズを用いた。また柱状の導電性部分4は、基板の内部におけるレーザーの焦点位置を、その光源に対して遠い位置から、スキャン速度20μm/sで次第に近づけながら形成した。   Femtosecond laser irradiation conditions were a wavelength of 800 nm, a pulse width of 150 fs, a repetition frequency of 1 kHz, a pulse energy of 1 μJ / pulse, and an objective lens having a numerical aperture (NA) of 0.45 was used for laser irradiation. The columnar conductive portion 4 was formed while gradually moving the focal position of the laser inside the substrate from a position far from the light source at a scanning speed of 20 μm / s.

サンプル1をその主面に垂直な方向から見た光学顕微鏡像を図5に示す。図5において黒く丸く見えている各々の部分が導電性部分4、白く見えている部分がダイヤモンド基板である。図5に示すように、上記レーザーの照射により、周期的に配列した導電性部分4がダイヤモンド基板に形成されたことが確認できた。   FIG. 5 shows an optical microscope image of the sample 1 viewed from a direction perpendicular to the main surface. In FIG. 5, each portion that appears black and round is the conductive portion 4, and a portion that appears white is the diamond substrate. As shown in FIG. 5, it was confirmed that the conductive portions 4 arranged periodically were formed on the diamond substrate by the laser irradiation.

サンプル1をその側面Aから見た光学顕微鏡像を図6に示す。図6に示すように、上記レーザーの照射により、基板の一方の主面から他方の主面へと続く、伸長方向が互いに平行な柱状の導電性部分4がダイヤモンド基板に形成されたことが確認できた。   An optical microscope image of the sample 1 viewed from the side surface A is shown in FIG. As shown in FIG. 6, it was confirmed that columnar conductive portions 4 extending in parallel with each other and extending from one main surface to the other main surface of the substrate were formed on the diamond substrate by the laser irradiation. did it.

このように作製したサンプル1に対し、以下の評価を行った。   The following evaluation was performed on the sample 1 thus manufactured.

[導電性部分4に含まれる物質の検証]
サンプル1およびレーザー照射前のダイヤモンド基板のラマンスペクトルを評価したところ、図7に示す結果が得られた。図7に示すように、サンプル1に対するラマンスペクトルには、レーザー照射前のダイヤモンド基板には見られなかったαカーボン、DLCおよびグラファイトに由来すると考えられるブロードなピークが出現した。このことから、レーザーの照射により、グラファイトを含む導電性部分がダイヤモンド基板中に形成されたことがわかった。
[Verification of substances contained in conductive part 4]
When the Raman spectrum of the sample 1 and the diamond substrate before laser irradiation was evaluated, the results shown in FIG. 7 were obtained. As shown in FIG. 7, in the Raman spectrum for Sample 1, a broad peak that was considered to be derived from α-carbon, DLC, and graphite that did not appear on the diamond substrate before laser irradiation appeared. From this, it was found that a conductive portion containing graphite was formed in the diamond substrate by laser irradiation.

[透過率への偏光の影響]
サンプル1の側面Aからテラヘルツ波の平行偏光(偏波)および垂直偏光(偏波)をその周波数を変化させながら入射して、サンプル1におけるそれぞれの偏光の透過スペクトルを評価した。サンプル1に入射するテラヘルツ波の周波数は0.5〜2.7THzの範囲とした。なお、平行偏光とは、導電性部分4の伸長方向に平行な方向に電場が振動する電磁波であり、垂直偏光とは、導電性部分4の伸長方向に垂直な方向に電場が振動する電磁波である。
[Influence of polarization on transmittance]
Terahertz parallel polarized light (polarized light) and vertical polarized light (polarized light) were incident from side A of sample 1 while changing the frequency, and the transmission spectrum of each polarized light in sample 1 was evaluated. The frequency of the terahertz wave incident on the sample 1 was in the range of 0.5 to 2.7 THz. The parallel polarized light is an electromagnetic wave whose electric field vibrates in a direction parallel to the extending direction of the conductive portion 4, and the vertical polarized light is an electromagnetic wave whose electric field vibrates in a direction perpendicular to the extending direction of the conductive portion 4. is there.

評価は、公知のテラヘルツ波発振器および検出装置、ならびに、サンプル1に入射する偏光を得るためのワイヤーグリッドを組み合わせた光学系により行った。   The evaluation was performed by an optical system in which a known terahertz wave oscillator and detection device and a wire grid for obtaining polarized light incident on the sample 1 were combined.

サンプル1の透過スペクトル(真空基準)を、レーザーを照射する前のダイヤモンド基板の透過スペクトル(真空基準)と併せて、図8に示す。また、サンプル1の透過スペクトル(ダイヤモンド基板基準)を、図9に示す。   FIG. 8 shows the transmission spectrum (vacuum reference) of sample 1 together with the transmission spectrum (vacuum reference) of the diamond substrate before laser irradiation. In addition, FIG. 9 shows the transmission spectrum of sample 1 (with reference to the diamond substrate).

図8、9に示すように、サンプル1に垂直偏光を入射した場合、テラヘルツ波の透過率は、その周波数に依ることなくダイヤモンド基板に対して減少し、その減少の度合いはテラヘルツ波の周波数が高くなるに従い大きくなった。   As shown in FIGS. 8 and 9, when vertically polarized light is incident on the sample 1, the transmittance of the terahertz wave decreases with respect to the diamond substrate without depending on the frequency, and the degree of the decrease is determined by the frequency of the terahertz wave. It became bigger as it became higher.

これに対して、サンプル1に平行偏光を入射した場合の透過スペクトルでは、ダイヤモンドの屈折率を約2.38とした時の配列周期X、Y(=80μm)に対応する、周波数1.59THz(図8、9ではx軸に対して垂直に立ち上がる実線で表記)付近において、ダイヤモンド基準の透過率が0.9を超えるピークが観察された。導電性部分4の配列周期X、Y(=80μm)から考えると、サンプル1におけるタイヤモンド基板を基準とした幾何学的な透過率は0.68であるため、当該周期に対応する周波数1.59THz付近の透過率が0.9を超える上記現象は、金属フォトニック結晶で見られるような異常透過現象と同様であると考えられる。また、この周波数よりも高い周波数域において、垂直偏光を入射した場合よりもテラヘルツ波の透過率が高くなった。   On the other hand, in the transmission spectrum when parallel polarized light is incident on the sample 1, a frequency of 1.59 THz (corresponding to the arrangement period X, Y (= 80 μm) when the refractive index of diamond is about 2.38 ( In FIGS. 8 and 9, a peak with a diamond-based transmittance exceeding 0.9 was observed in the vicinity of the solid line rising perpendicularly to the x-axis). Considering the arrangement period X, Y (= 80 μm) of the conductive portions 4, the geometric transmittance with respect to the tiremond substrate in the sample 1 is 0.68, so that the frequency 1. The above phenomenon in which the transmittance near 59 THz exceeds 0.9 is considered to be the same as the abnormal transmission phenomenon seen in the metal photonic crystal. Further, in the frequency range higher than this frequency, the transmittance of the terahertz wave was higher than that when vertically polarized light was incident.

このように、サンプル1により、特定の偏光および周波数を有するテラヘルツ波を分光できることがわかった。   Thus, it was found that the sample 1 can split a terahertz wave having a specific polarization and frequency.

なお、詳細の解明には今後の検討が必要であるが、サンプル1に平行偏光を入射した際に観察された透過スペクトルのピークには、テラヘルツ波の入射により導電性部分4で電子が励起されて導電性部分4の伸長方向に電流が生じる効果、あるいは、テラヘルツ波の入射により導電性部分4で生じた表面プラズモンによる増強効果が関与している可能性がある。   Although further investigation is necessary for elucidation of the details, electrons are excited in the conductive portion 4 by the incidence of the terahertz wave at the peak of the transmission spectrum observed when the parallel polarized light is incident on the sample 1. Thus, there is a possibility that an effect of generating a current in the extending direction of the conductive portion 4 or an enhancement effect by surface plasmon generated in the conductive portion 4 due to incidence of the terahertz wave may be involved.

図10に、上記のように評価したサンプル1の透過スペクトル(平行偏光入射、ダイヤモンド基板基準)と、テラヘルツ波の位相変化との関係を示す。   FIG. 10 shows the relationship between the transmission spectrum of sample 1 evaluated as described above (parallel polarized light incidence, diamond substrate reference) and the phase change of the terahertz wave.

ダイヤモンドは、テラヘルツ波に対して透明度が高く(高い透過率を有し)、かつ、屈折率(誘電率)の分散が小さい誘電体であるため、本来、位相変化は、テラヘルツ波の周波数に対して直線的に変化するはずである。しかし、図10に示すように、テラヘルツ波の周波数に対する位相変化は直線的に変化せず、透過スペクトルにおけるピークの立ち上がり(およそ1.5THz付近)において極小となることがわかった。また、位相変化は、透過率のピーク(およそ1.5〜1.8THzの範囲)において直線的に変化した。周波数にして2.0THz付近においても、上記と同様な位相変化が見られることがわかった。   Since diamond is a dielectric that has high transparency (having high transmittance) with respect to terahertz waves and small dispersion of refractive index (dielectric constant), the phase change is inherent to the frequency of terahertz waves. Should change linearly. However, as shown in FIG. 10, it has been found that the phase change with respect to the frequency of the terahertz wave does not change linearly and becomes a minimum at the peak rise (around 1.5 THz) in the transmission spectrum. The phase change linearly changed at the transmittance peak (approximately in the range of 1.5 to 1.8 THz). It was found that the same phase change as above was observed even in the vicinity of 2.0 THz in frequency.

テラヘルツ波の進行方向に対する導電性部分4が形成されている領域の長さをL、真空基準におけるサンプル1内を伝搬するテラヘルツ波の波数をks、真空基準における導電性部分4を形成していないダイヤモンド基板(参照サンプル)内を伝搬するテラヘルツ波の波数をkr、テラヘルツ波の角周波数をωとすると、テラヘルツ波の位相変化Δφは以下の式(1)で表すことができる。 The length of the region where the conductive portion 4 is formed with respect to the traveling direction of the terahertz wave is L, the wave number of the terahertz wave propagating through the sample 1 on the vacuum reference is k s , and the conductive portion 4 on the vacuum reference is formed. If the wave number of the terahertz wave propagating in a non-diamond substrate (reference sample) is k r and the angular frequency of the terahertz wave is ω, the phase change Δφ of the terahertz wave can be expressed by the following equation (1).

さらに、テラヘルツ波がサンプル1を伝搬するときの群速度と位相変化Δφとの間には以下の式(2)に示される関係が成り立つ。 Furthermore, the relationship shown in the following formula (2) is established between the group velocity when the terahertz wave propagates through the sample 1 and the phase change Δφ.

式(2)において、vgsは、サンプル1を伝搬するテラヘルツ波の群速度、vgrは、参照サンプルを伝搬するテラヘルツ波の群速度である。ダイヤモンドは、テラヘルツ波に対して屈折率(誘電率)の分散がほとんどないことから、vgrは一定となる。したがって、テラヘルツ波がサンプル1を伝搬するときの群速度vgsは、周波数に対する位相変化の傾きのみに依存することになる。式(2)によれば、サンプル1の透過スペクトルにおいて、透過率が増加する周波数領域では位相変化の傾きが大きく、群速度vgsは小さくなることがわかる。 In Equation (2), v gs is the group velocity of the terahertz wave propagating through the sample 1, and v gr is the group velocity of the terahertz wave propagating through the reference sample. Since diamond has almost no dispersion of refractive index (dielectric constant) with respect to terahertz waves, v gr is constant. Therefore, the group velocity v gs when the terahertz wave propagates through the sample 1 depends only on the slope of the phase change with respect to the frequency. According to Equation (2), it can be seen that in the transmission spectrum of Sample 1, the slope of the phase change is large and the group velocity v gs is small in the frequency region where the transmittance increases.

なお、詳細の解明には今後の検討が必要であるが、図10に示すような、サンプル1に平行偏光を入射して得られた透過スペクトルにおけるピークの立ち上がり(およそ1.5THz付近)において、テラヘルツ波の位相変化が極小となる現象は、フォトニックバンドギャップの端が存在することに対応している可能性がある。また、透過率のピーク(およそ1.5〜1.8THzの範囲)において位相変化が直線的に変化する現象は、フォトニック結晶で観察されるような、フォトニックバンドギャップによる位相変化の現象(多重散乱を繰り返すことによって、光が局在化する現象)と対応している可能性がある。これらの理論によれば、サンプル1における導電性部分4が周期的に配列した領域でテラヘルツ波が多重散乱することによって、テラヘルツ波と導電性部分4との相互作用を増強できるとともに、さらに、導電性部分4で生じた表面プラズモンとテラヘルツ波との相互作用も増強できるため、サンプル1において、導電性部分4の配列周期に対応した特定の偏光および周波数のテラヘルツ波を選択的に分光することが可能になると考えられる。   In addition, although future examination is necessary for elucidation of details, as shown in FIG. 10, at the rising edge of the transmission spectrum obtained by injecting parallel polarized light into Sample 1 (about 1.5 THz), The phenomenon in which the phase change of the terahertz wave is minimized may correspond to the existence of the end of the photonic band gap. Further, the phenomenon in which the phase change linearly changes at the transmittance peak (in the range of about 1.5 to 1.8 THz) is the phenomenon of the phase change due to the photonic band gap as observed in the photonic crystal ( There is a possibility that light is localized by repeating multiple scattering. According to these theories, the interaction between the terahertz wave and the conductive portion 4 can be enhanced by the multiple scattering of the terahertz wave in the region where the conductive portions 4 in the sample 1 are periodically arranged. Since the interaction between the surface plasmon and the terahertz wave generated in the conductive portion 4 can also be enhanced, in the sample 1, the terahertz wave having a specific polarization and frequency corresponding to the arrangement period of the conductive portions 4 can be selectively dispersed. It will be possible.

[透過率への配列周期の影響]
次に、サンプル1の作製と同様にして、配列周期X、Yを60μmとしたサンプル2、ならびに、配列周期X、Yを100μmとしたサンプル3を作製した。サンプル2、3における配列周期X、Y以外の構成は、サンプル1と同様とした。
[Effect of array period on transmittance]
Next, in the same manner as the preparation of Sample 1, Sample 2 in which arrangement periods X and Y were set to 60 μm and Sample 3 in which arrangement periods X and Y were set to 100 μm were prepared. The configurations of Samples 2 and 3 other than the arrangement periods X and Y were the same as those of Sample 1.

サンプル2、3に対し、サンプル1と同様にして、テラヘルツ波の平行偏光を周波数を変化させながら入射して、その透過スペクトルを評価した。ただし、この評価にあたっては、各サンプルにおけるテラヘルツ波が透過する面積を一定にするため、ピンホール(円形、内径1mm)を通過させたテラヘルツ波を各サンプルに入射した。評価結果を、サンプル2、3と同様に、ピンホールを用いて測定したサンプル1の結果と併せて、図11に示す。なお、図11に示す各サンプルの透過スペクトルは、真空基準である。   In the same manner as in Sample 1, Terahertz parallel polarization was incident on Samples 2 and 3 while changing the frequency, and the transmission spectrum was evaluated. However, in this evaluation, a terahertz wave that passed through a pinhole (circular, inner diameter 1 mm) was incident on each sample in order to make the area through which the terahertz wave transmitted in each sample constant. The evaluation results are shown in FIG. 11 together with the results of Sample 1 measured using pinholes in the same manner as Samples 2 and 3. In addition, the transmission spectrum of each sample shown in FIG. 11 is a vacuum reference | standard.

図11に示すように、サンプル1〜3のいずれにおいても、透過スペクトルにおける、ダイヤモンドの屈折率を約2.38とした時の配列周期X、Yに対応する周波数付近において、透過率のピークが観察された。なお、図11においてx軸に垂直に立ち上がる実線が当該周波数を示しており、その具体的な数値は、サンプル1では1.59THz、サンプル2では2.11THz、サンプル3では1.26THzである。   As shown in FIG. 11, in any of samples 1 to 3, a transmittance peak is observed in the vicinity of the frequency corresponding to the arrangement periods X and Y when the refractive index of diamond is about 2.38 in the transmission spectrum. Observed. In FIG. 11, a solid line rising perpendicular to the x-axis indicates the frequency, and specific values thereof are 1.59 THz for sample 1, 2.11 THz for sample 2, and 1.26 THz for sample 3.

また、サンプル1〜3のいずれにおいても、透過スペクトルにおける、ダイヤモンドの屈折率を約2.38とした時の配列周期X、Yに対応する周波数の2倍の周波数付近においても、上述したピークよりもピーク強度は小さいものの、透過率のピークが確認された。なお、図11においてx軸に垂直に立ち上がる実線が当該周波数を示しており、その具体的な数値は、サンプル1では0.79THz、サンプル2では1.05THz、サンプル3では0.63THzである。   Further, in any of samples 1 to 3, from the above-mentioned peak, even in the vicinity of twice the frequency corresponding to the arrangement periods X and Y when the refractive index of diamond is about 2.38 in the transmission spectrum. Although the peak intensity was small, the peak of transmittance was confirmed. In FIG. 11, the solid line rising perpendicular to the x-axis indicates the frequency, and the specific numerical values are 0.79 THz for sample 1, 1.05 THz for sample 2, and 0.63 THz for sample 3.

図11に示す結果から、サンプル1〜3では、導電性部分4の配列周期を制御することにより、分光するテラヘルツ波の周波数を制御できることがわかった。   From the results shown in FIG. 11, it was found that in samples 1 to 3, the frequency of the terahertz wave to be dispersed can be controlled by controlling the arrangement period of the conductive portions 4.

[導電性部分4の配列面の数を増やすことによる効果]
次に、サンプル1の作製と同様にして、配列周期X、Yを70μmとし、導電性部分4を、その配列面の数が側面Aから見て40となるように形成したサンプル4を作製した。サンプル4における配列周期X、Y、ならびに、配列面の数以外の構成は、サンプル1と同様にした。
[Effects by increasing the number of arrangement surfaces of the conductive portions 4]
Next, in the same manner as in the preparation of Sample 1, Sample 4 in which the arrangement periods X and Y were set to 70 μm and the conductive portions 4 were formed so that the number of the arrangement surfaces was 40 when viewed from the side A was produced. . The configuration other than the arrangement periods X and Y and the number of arrangement surfaces in the sample 4 was the same as that of the sample 1.

サンプル4に対して、サンプル1と同様に、側面Aからテラヘルツ波の平行偏光および垂直偏光をその周波数を変化させながら入射して、当該サンプルにおけるそれぞれの偏光の透過スペクトルを評価した。なお、サンプル4に入射するテラヘルツ波の周波数は、0.4〜1.0THzの範囲とした。   Similarly to sample 1, the terahertz parallel polarized light and vertical polarized light were incident on sample 4 while changing the frequency, and the transmission spectrum of each polarized light in the sample was evaluated. The frequency of the terahertz wave incident on the sample 4 was in the range of 0.4 to 1.0 THz.

サンプル4の透過スペクトル(真空基準)を、図12に示す。   The transmission spectrum (vacuum reference) of Sample 4 is shown in FIG.

図12に示すように、周波数にして0.9THz以下の帯域において、平行偏光を入射した場合の方が垂直偏光を入射した場合よりも透過率が小さくなり、この傾向は、周波数が小さくなるに従い大きくなった。図8に示すように、配列面の数が10であるサンプル1ではこの傾向が得られなかったことを考えると、配列面の数を増やすことにより、素子1に新たな光学的機能が賦与できることがわかった。   As shown in FIG. 12, in the frequency band of 0.9 THz or less, the transmittance is smaller when parallel polarized light is incident than when vertically polarized light is incident, and this tendency is reduced as the frequency is decreased. It became bigger. As shown in FIG. 8, considering that this tendency was not obtained in the sample 1 having 10 array surfaces, a new optical function can be imparted to the element 1 by increasing the number of array surfaces. I understood.

(実施例2)
実施例2では、基体として、実施例1で用いた工業ダイヤモンドからなるダイヤモンド基板を用いた場合における、フェムト秒レーザーの好ましい照射条件を検討した。
(Example 2)
In Example 2, the preferable irradiation conditions of the femtosecond laser in the case where the diamond substrate made of industrial diamond used in Example 1 was used as the base were examined.

[繰り返し周波数]
上記ダイヤモンド基板に対し、繰り返し周波数を200KHzと1kHzとに変化させて、波長800nm、パルス幅150fsのフェムト秒レーザーを照射し、それぞれのレーザーの照射により基板がどのように変質するかを評価した。レーザーの照射には、開口数が0.90の対物レンズを用いた。また、繰り返し周波数200kHzのレーザーを照射する際には、そのパルスエネルギーを0.25、0.50、1.00および1.50μJ/パルス(焦点位置におけるレーザーフルエンスにして30、60、121および181J/cm2)の4通りに変化させて評価を行った。繰り返し周波数1kHzのレーザーを照射する際には、そのパルスエネルギーを1.1、6.3、8.8および50μJ/パルス(焦点位置におけるレーザーフルエンスにして125.3、711.8、996.5および5694.5J/cm2)の4通りに変化させて評価を行った。
[Repetition frequency]
The diamond substrate was irradiated with a femtosecond laser having a wavelength of 800 nm and a pulse width of 150 fs while changing the repetition frequency between 200 KHz and 1 kHz, and how the substrate was altered by each laser irradiation was evaluated. An objective lens with a numerical aperture of 0.90 was used for laser irradiation. Further, when irradiating a laser having a repetition frequency of 200 kHz, the pulse energy is set to 0.25, 0.50, 1.00, and 1.50 μJ / pulse (30, 60, 121, and 181 J as the laser fluence at the focal position). / Cm 2 ) in four ways. When irradiating a laser with a repetition frequency of 1 kHz, the pulse energy is 1.1, 6.3, 8.8 and 50 μJ / pulse (125.3, 711.8, 996.5 as the laser fluence at the focal position). And 5694.5 J / cm 2 ).

評価の結果、繰り返し周波数が200kHzの条件下では、パルスエネルギーの値によらず、基板の表面にアブレーションが生じ、基板の内部のみに変質部分、即ち、導電性部分、を形成することができなかった。即ち、上記ダイヤモンド基板では、照射するレーザーの繰り返し周波数が200KHzの場合、基板の内部のみへの導電性部分の形成は困難であることがわかった。   As a result of the evaluation, under the condition where the repetition frequency is 200 kHz, ablation occurs on the surface of the substrate regardless of the value of the pulse energy, and an altered portion, that is, a conductive portion cannot be formed only inside the substrate. It was. That is, it was found that in the above diamond substrate, it is difficult to form a conductive portion only inside the substrate when the repetition frequency of the laser to be irradiated is 200 KHz.

一方、繰り返し周波数が1kHzの条件下では、パルスエネルギーが50μJ/パルスの場合(焦点位置におけるレーザーフルエンスにして5694.5J/cm2の場合)に、基板の内部のみに変質部分を形成することができた。ただし、この場合においても、焦点位置を基板の表面から100μm未満としたときには、基板の表面にアブレーションが生じた。基板の表面から100μm未満の位置に導電性部分を形成するためには、対物レンズの開口数を変化させるなどの、何らかの光学的な調整が必要になると考えられる。 On the other hand, when the repetition frequency is 1 kHz, when the pulse energy is 50 μJ / pulse (when the laser fluence at the focal position is 5694.5 J / cm 2 ), an altered portion may be formed only inside the substrate. did it. However, even in this case, ablation occurred on the surface of the substrate when the focal position was less than 100 μm from the surface of the substrate. In order to form the conductive portion at a position less than 100 μm from the surface of the substrate, it is considered that some optical adjustment such as changing the numerical aperture of the objective lens is required.

[内部加工に必要なパルスエネルギー]
数学的に算出した、対物レンズの開口数(NA)が0.30、0.45、0.80および0.90のそれぞれの場合における、基板に照射するレーザーのパルスエネルギーと、レーザーの焦点位置におけるレーザーフルエンスとの関係は、図13に示す通りである。図13からは、例えば、開口数0.45の対物レンズを用いた場合、レーザーフルエンスにして5694.5J/cm2を実現するためには、パルスエネルギーとして200μJ/パルスが必要であることがわかる。
[Pulse energy required for internal machining]
Mathematically calculated pulse energy of the laser irradiated on the substrate and the focal position of the laser when the numerical aperture (NA) of the objective lens is 0.30, 0.45, 0.80 and 0.90, respectively. The relationship with the laser fluence is as shown in FIG. FIG. 13 shows that, for example, when an objective lens having a numerical aperture of 0.45 is used, a pulse energy of 200 μJ / pulse is necessary to achieve 5694.5 J / cm 2 as a laser fluence. .

[レーザーの照射パルス数と、導電性部分の平均径との関係]
上記ダイヤモンド基板に対し、波長800nm、パルス幅150fs、繰り返し周波数1kHz、パルスエネルギー50μJ/パルスのフェムト秒レーザーを、開口数0.90の対物レンズを用い、焦点位置を基板の表面から100μmの位置に固定して、照射パルス数を変化させながら照射した。この照射により形成された基板の変質部分の平均径を光学顕微鏡により評価したところ、図14に示す結果が得られた。
[Relationship between the number of laser irradiation pulses and the average diameter of the conductive part]
A femtosecond laser with a wavelength of 800 nm, a pulse width of 150 fs, a repetition frequency of 1 kHz, a pulse energy of 50 μJ / pulse is used with the objective lens having a numerical aperture of 0.90, and the focal position is 100 μm from the surface of the substrate. Irradiation was carried out while changing the number of irradiation pulses. When the average diameter of the altered portion of the substrate formed by this irradiation was evaluated with an optical microscope, the result shown in FIG. 14 was obtained.

図14に示すように、同一部分に照射するレーザーのパルス数を増大させると、レーザーの照射により形成された変質部分、即ち、導電性部分、の平均径を大きくできることがわかった。この図からは、例えば、平均径が100μm以下の導電性部分を、上記基板および照射条件で形成するためには、同一の場所に照射するレーザーのパルス数を30パルス以下とする必要があることがわかる。   As shown in FIG. 14, it was found that the average diameter of the altered portion formed by laser irradiation, that is, the conductive portion, can be increased by increasing the number of pulses of the laser irradiated to the same portion. From this figure, for example, in order to form a conductive portion having an average diameter of 100 μm or less under the above-mentioned substrate and irradiation conditions, it is necessary that the number of laser pulses irradiated to the same place be 30 pulses or less. I understand.

[レーザーフルエンスと、導電性部分の導電性との関係]
上記ダイヤモンド基板に対して、波長800nm、パルス幅150fs、繰り返し周波数1kHzのフェムト秒レーザーを、開口数0.45の対物レンズを用い、パルスエネルギーを変化させながら、即ち、焦点位置におけるレーザーフルエンスを変化させながら、スキャン速度20μm/sで照射した。照射により形成された変質部分の導電率を、ダイヤモンド基板の上下面に導電性ペーストを塗布した後、当該ペーストをテスターで挟み込んで評価したところ、図15に示す結果が得られた。
[Relationship between laser fluence and conductivity of conductive part]
Using a femtosecond laser with a wavelength of 800 nm, a pulse width of 150 fs, and a repetition frequency of 1 kHz, and an objective lens with a numerical aperture of 0.45, changing the pulse fluence, that is, changing the laser fluence at the focal position. Then, irradiation was performed at a scanning speed of 20 μm / s. When the conductivity of the altered portion formed by irradiation was evaluated by applying a conductive paste to the upper and lower surfaces of the diamond substrate and sandwiching the paste with a tester, the results shown in FIG. 15 were obtained.

図15に示すように、レーザーフルエンスを増加させることで、レーザーの照射により形成された基板の変質部分、即ち、導電性部分、の導電性を増大できることがわかった。これは、変質部分の構造が、ダイヤモンドの結晶構造から、導電性を有するαカーボンあるいはグラファイトを含むアモルファス相に変質したためと考えられる。   As shown in FIG. 15, it was found that increasing the laser fluence can increase the conductivity of the altered portion of the substrate formed by laser irradiation, that is, the conductive portion. This is presumably because the structure of the altered portion has changed from the crystal structure of diamond to an amorphous phase containing conductive α-carbon or graphite.

[レーザーのスキャン速度と、導電性部分の導電性との関係]
上記ダイヤモンド基板に対して、波長800nm、パルス幅150fs、繰り返し周波数1kHz、パルスエネルギー1μJ/パルスのフェムト秒レーザーを、開口数0.45の対物レンズを用い、スキャン速度を変化させながら照射した。照射するレーザーは直線偏光または円偏光とし、それぞれの場合について、照射により形成された変質部分の導電率を上記のようにして評価したところ、図16に示す結果が得られた。
[Relationship between laser scanning speed and conductivity of conductive part]
The diamond substrate was irradiated with a femtosecond laser having a wavelength of 800 nm, a pulse width of 150 fs, a repetition frequency of 1 kHz, and a pulse energy of 1 μJ / pulse while changing the scanning speed using an objective lens having a numerical aperture of 0.45. The laser to be irradiated was linearly polarized light or circularly polarized light. In each case, the conductivity of the altered portion formed by irradiation was evaluated as described above, and the result shown in FIG. 16 was obtained.

図16に示すように、照射するレーザーが直線偏光および円偏光のいずれの場合も、レーザーの照射により形成された基板の変質部分、即ち、導電性部分、の導電率が高くなる適切なスキャン速度が存在することがわかった。その速度は、図16に示す例では、およそ20μm/sであった。   As shown in FIG. 16, in the case where the laser to be irradiated is either linearly polarized light or circularly polarized light, an appropriate scanning speed at which the conductivity of the altered portion of the substrate formed by laser irradiation, that is, the conductive portion is increased. Was found to exist. The speed was approximately 20 μm / s in the example shown in FIG.

導電性部分の導電率にとって適切なスキャン速度が存在する理由は明確ではないが、スキャン速度が小さい場合、同一の場所にレーザーが照射され続けることにより、グラファイトなど、形成された導電性物質の再結晶化が進行して、導電率の低下が生じる機構が考えられる。一方、スキャン速度が大きい場合には、レーザーの照射が不十分となり、導電性物質が十分に形成されない機構が考えられる。   The reason why there is an appropriate scan speed for the conductivity of the conductive part is not clear, but when the scan speed is low, the laser is continuously irradiated at the same location, so that the formed conductive material such as graphite can be regenerated. A mechanism in which the crystallization progresses and the conductivity decreases may be considered. On the other hand, when the scanning speed is high, a mechanism in which laser irradiation is insufficient and a conductive substance is not sufficiently formed is conceivable.

また、図16に示すように、照射するレーザーが直線偏光であるか円偏光であるかによって、形成された導電性部分の導電率が変化した。例えば、スキャン速度が20μm/sの場合、直線偏光を照射したときの方が円偏光を照射したときの1.7倍の導電率となった。   Further, as shown in FIG. 16, the conductivity of the formed conductive portion changed depending on whether the laser to be irradiated was linearly polarized light or circularly polarized light. For example, when the scanning speed was 20 μm / s, the conductivity when irradiated with linearly polarized light was 1.7 times that when irradiated with circularly polarized light.

導電性部分の導電率が、照射するレーザーの偏光の状態に影響を受ける理由は明確ではないが、照射するレーザーの偏光の状態が、αカーボンあるいはグラファイトを含むアモルファス相へのダイヤモンドの変質に寄与している可能性がある。例えば、レーザーが直線偏光である場合、当該レーザーがダイヤモンドを伝搬するときの偏光方向は一定であるため、上記アモルファス相中の微結晶がほぼ一定方向に形成されるのに対し、レーザーが円偏光である場合、当該レーザーがダイヤモンドを伝搬するときの偏光方向が回転するために、アモルファス相中の微結晶がランダムな方向に形成され、結果として微結晶間の電子の移動のしやすさに違いが生じる機構が考えられる。   The reason why the conductivity of the conductive part is affected by the polarization state of the irradiating laser is not clear, but the polarization state of the irradiating laser contributes to the transformation of diamond into an amorphous phase containing α-carbon or graphite. There is a possibility. For example, when the laser is linearly polarized, the polarization direction when the laser propagates through the diamond is constant, so that the crystallites in the amorphous phase are formed in a substantially constant direction, whereas the laser is circularly polarized. In this case, since the polarization direction of the laser propagating through the diamond rotates, microcrystals in the amorphous phase are formed in random directions, resulting in differences in the ease of movement of electrons between the microcrystals. A mechanism that causes this is considered.

また、この評価では、照射するレーザーの焦点位置を、ダイヤモンド基板における、レーザーの発振源に対して遠い方の表面から基板内部に徐々に移動させることによって、パルスエネルギー1μJ/パルスのフェムト秒レーザー(繰り返し周波数1kHz)を用いた場合においても、ダイヤモンド基板の内部に導電性部分を形成することができた。これは、基板の表面では、レーザー照射による変質のエネルギー閾値が基板の内部に比べて小さく、低パルスエネルギーのフェムト秒レーザーによっても導電性部分を形成できるためと考えられる。   In this evaluation, the focal position of the laser to be irradiated is gradually moved from the surface of the diamond substrate far from the laser oscillation source to the inside of the substrate, so that a femtosecond laser having a pulse energy of 1 μJ / pulse ( Even when a repetition frequency of 1 kHz was used, a conductive portion could be formed inside the diamond substrate. This is presumably because, on the surface of the substrate, the energy threshold for alteration by laser irradiation is smaller than that inside the substrate, and a conductive portion can be formed even by a femtosecond laser with low pulse energy.

本発明によれば、従来にない構成を有し、生産性に優れるとともに、形状の自由度が高いなどの様々な特長を有する新規なテラヘルツ波用光学素子と、その製造方法を提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide a novel terahertz wave optical element having various features such as an unconventional configuration, excellent productivity, and a high degree of freedom in shape, and a method for manufacturing the same.

本発明のテラヘルツ波用光学素子の一例を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically an example of the optical element for terahertz waves of this invention. 図1に示す光学素子をその上方から見た平面図である。It is the top view which looked at the optical element shown in FIG. 1 from the upper direction. 本発明のテラヘルツ波用光学素子を組み合わせたテラヘルツ波発振器の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of the terahertz wave oscillator which combined the optical element for terahertz waves of this invention. 本発明のテラヘルツ波用光学素子を組み合わせたテラヘルツ波発振器の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of the terahertz wave oscillator which combined the optical element for terahertz waves of this invention. 本発明のテラヘルツ波用光学素子を組み合わせたテラヘルツ波発振器の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of the terahertz wave oscillator which combined the optical element for terahertz waves of this invention. 本発明のテラヘルツ波用光学素子を組み合わせたテラヘルツ波発振器の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of the terahertz wave oscillator which combined the optical element for terahertz waves of this invention. 実施例で作製したサンプル1を、その主面に垂直な方向から見た光学顕微鏡像を示す図である。It is a figure which shows the optical microscope image which looked at the sample 1 produced in the Example from the direction perpendicular | vertical to the main surface. 実施例で作製したサンプル1を、その一つの側面から見た光学顕微鏡像を示す図である。It is a figure which shows the optical microscope image which looked at the sample 1 produced in the Example from the one side surface. 実施例で作製したサンプル1およびレーザー照射前のダイヤモンド基板のラマンスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the Raman spectrum of the sample 1 produced in the Example, and the diamond substrate before laser irradiation. 実施例で作製したサンプル1の透過スペクトル(真空基準)を示す図である。It is a figure which shows the transmission spectrum (vacuum reference | standard) of the sample 1 produced in the Example. 実施例で作製したサンプル1の透過スペクトル(ダイヤモンド基板基準)を示す図である。It is a figure which shows the transmission spectrum (diamond board | substrate reference | standard) of the sample 1 produced in the Example. 実施例で作製したサンプル1の透過スペクトル(平行偏光入射時、ダイヤモンド基板基準)と、テラヘルツ波の位相変化との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the transmission spectrum of the sample 1 produced in the Example (at the time of parallel polarized light incidence, a diamond substrate reference), and the phase change of a terahertz wave. 実施例で作製したサンプル1〜3の透過スペクトル(平行偏光入射時、真空基準)を示す図である。It is a figure which shows the transmission spectrum (at the time of parallel polarized light incidence, the vacuum reference | standard) of the samples 1-3 produced in the Example. 実施例で作製したサンプル4の透過スペクトル(真空基準)を示す図である。It is a figure which shows the transmission spectrum (vacuum reference | standard) of the sample 4 produced in the Example. レーザーの照射に用いる対物レンズの開口数(NA)を変化させた際における、基板に照射するレーザーのパルスエネルギーと、レーザーの焦点位置におけるレーザーフルエンスとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the pulse energy of the laser irradiated to a board | substrate when changing the numerical aperture (NA) of the objective lens used for laser irradiation, and the laser fluence in the focus position of a laser. 実施例2で評価した、レーザーの照射パルス数と、レーザーの照射により形成された基板の変質部分(導電性部分)の平均径との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the irradiation pulse number of the laser evaluated in Example 2, and the average diameter of the degenerated part (conductive part) of the board | substrate formed by laser irradiation. 実施例2で評価した、レーザーフルエンスと、レーザーの照射により形成された基板の変質部分(導電性部分)の導電率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the laser fluence evaluated in Example 2, and the electrical conductivity of the altered part (conductive part) of the board | substrate formed by laser irradiation. 実施例2で評価した、レーザーのスキャン速度と、レーザーの照射により形成された基板の変質部分(導電性部分)の導電率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the scanning speed of the laser evaluated in Example 2, and the electrical conductivity of the altered part (conductive part) of the board | substrate formed by laser irradiation.

符号の説明Explanation of symbols

1 テラヘルツ波用光学素子
2 基板
3 作用部
4 導電性部分
11 テラヘルツ波発振器
12 基板
13 光伝導層
14、15、16、17 電極
21 テラヘルツ波発振器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical element for terahertz waves 2 Substrate 3 Action part 4 Conductive part 11 Terahertz wave oscillator 12 Substrate 13 Photoconductive layer 14, 15, 16, 17 Electrode 21 Terahertz wave oscillator

Claims (12)

入射したテラヘルツ波に光学的に作用しうる作用部が内部に形成されたダイヤモンドの基体を備え、
前記作用部は、前記ダイヤモンドの変質により形成された柱状の導電性部分が周期的に配列した構造を有するテラヘルツ波用光学素子。
It has a diamond base formed inside with an action part capable of optically acting on the incident terahertz wave,
The action portion is a terahertz wave optical element having a structure in which columnar conductive portions formed by alteration of the diamond are periodically arranged.
前記導電性部分が互いに平行に配列している請求項1に記載のテラヘルツ波用光学素子。   The terahertz wave optical element according to claim 1, wherein the conductive portions are arranged in parallel to each other. 前記導電性部分がグラファイトを含む請求項1に記載のテラヘルツ波用光学素子。   The optical element for terahertz waves according to claim 1, wherein the conductive portion includes graphite. 前記導電性部分の平均径が、100nm以上10mm以下である請求項1に記載のテラヘルツ波用光学素子。   The optical element for terahertz waves according to claim 1, wherein an average diameter of the conductive portion is 100 nm or more and 10 mm or less. 前記導電性部分の配列周期が、テラヘルツ波の波長域にある請求項1に記載のテラヘルツ波用光学素子。   The optical element for terahertz waves according to claim 1, wherein the arrangement period of the conductive portions is in a wavelength region of terahertz waves. 前記作用部に、前記導電性部分の配列した面が2以上存在する請求項1に記載のテラヘルツ波用光学素子。   The optical element for terahertz waves according to claim 1, wherein the action portion has two or more surfaces on which the conductive portions are arranged. 前記基体が、平板状である請求項1に記載のテラヘルツ波用光学素子。   The terahertz wave optical element according to claim 1, wherein the substrate has a flat plate shape. 前記導電性部分が、前記平板状の基体の主面に平行な方向に伸長している請求項7に記載のテラヘルツ波用光学素子。   The terahertz wave optical element according to claim 7, wherein the conductive portion extends in a direction parallel to a main surface of the flat substrate. 前記作用部が、前記平板状の基体の主面から入射されたテラヘルツ波に光学的に作用する請求項7に記載のテラヘルツ波用光学素子。   The optical element for a terahertz wave according to claim 7, wherein the action part optically acts on a terahertz wave incident from a main surface of the flat substrate. 回折素子、分光素子および偏光素子から選ばれる少なくとも1つである請求項1に記載のテラヘルツ波用光学素子。   The terahertz wave optical element according to claim 1, which is at least one selected from a diffraction element, a spectroscopic element, and a polarizing element. 入射したテラヘルツ波に光学的に作用しうる作用部を含むテラヘルツ波用光学素子の製造方法であって、
ダイヤモンドの基体にフェムト秒レーザーを照射し、前記基体における照射したレーザーの焦点近傍の部分を変質させて、当該部分を導電性とする工程を含み、
前記工程において、前記レーザーの焦点位置を変化させることにより、柱状である2以上の前記部分を当該部分が周期的に配列するように形成して、前記基体の内部に、柱状の導電性部分が周期的に配列した構造を有する作用部を形成する、テラヘルツ波用光学素子の製造方法。
A method for manufacturing a terahertz wave optical element including an action part capable of optically acting on an incident terahertz wave,
Irradiating a diamond substrate with a femtosecond laser, altering a portion of the substrate near the focal point of the irradiated laser to make the portion conductive,
In the step, by changing the focal position of the laser, two or more columnar portions are formed so that the portions are periodically arranged, and a columnar conductive portion is formed inside the substrate. A method for manufacturing an optical element for a terahertz wave, which forms working portions having a periodically arranged structure.
前記工程において、柱状である2以上の前記部分を、当該部分が互いに平行に配列するように形成する請求項11に記載のテラヘルツ波用光学素子の製造方法。   The method for manufacturing an optical element for a terahertz wave according to claim 11, wherein in the step, the two or more portions having a columnar shape are formed such that the portions are arranged in parallel to each other.
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