JP2011103321A - 電磁波検出装置、電磁波発生装置およびこれらを用いた時間領域分光装置 - Google Patents

電磁波検出装置、電磁波発生装置およびこれらを用いた時間領域分光装置 Download PDF

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Abstract

【課題】検出または発生する電磁波を有効に増倍(増強)させる電磁波検出装置、電磁波発生装置およびこれらを用いた時間領域分光装置を提供する。
【解決手段】屈折率の異なる2つの光学層を、電磁波が入射する入射軸方向に1組以上積層した第1電磁波増幅部2と、屈折率の異なる2つの光学層を、入射軸方向に1組以上積層した第2電磁波増幅部3と、入射軸方向において、第1電磁波増幅部2と第2電磁波増幅部3との間に介設した電磁波検出部4と、を備え、第1電磁波増幅部2における2つの光学層間の屈折率比と、第2電磁波増幅部3おける2つの光学層間の屈折率比と、が異なることを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、入射した電磁波を検出または電磁波を発生する電磁波検出装置、電磁波発生装置およびこれらを用いた時間領域分光装置に関する。
従来、テラヘルツ光(波)を発生し得る部材によって形成された欠陥部(電磁波検出部,電磁波発生部)と、欠陥部を挟むように配設された一対のミラー部(電磁波増強部)と、を備えた一次元フォトニック結晶からなるテラヘルツ光源が知られている(特許文献1参照)。各ミラー部は、屈折率の異なる層(MgO層と空気層)を交互に配設して、欠陥部を中心として対称的に設けられている。
このようなテラヘルツ光源では、軸方向から照射された励起光(波)が、ミラー部を透過し、欠陥部に到達して増幅され、欠陥部がテラヘルツ光を発生する。逆に、軸方向から光(電磁波)を入射すると、ミラー部を透過し、欠陥部において増幅され、テラヘルツ波を検出することができる。
特開2009−080448号公報
上記したテラヘルツ光源およびテラヘルツ波の検出では、各ミラー部(電磁波増幅部)の屈折率の周期構造が同一で、欠陥部(電磁波検出部,電磁波発生部)を中心として対称に配設されている。このような構成では、原則として、各電磁波増幅部を構成する各層の数(繰り返し数)を増やした場合や各層の屈折率比を大きくした場合に、テラヘルツ波の増幅率も高くなる。しかし、電磁波検出部等におけるテラヘルツ波の吸収が大きい場合には、当該繰り返し数または(および)屈折率比を増加させても当該増幅率は頭打ちとなる問題が生じていた。
また、各電磁波増幅部は、励起波およびテラヘルツ波の両波長帯を透過する材料(当該波長帯で透明な材料)で形成する必要があるため、使用できる材料が制限されるという問題が生じていた。
本発明では、検出または発生する電磁波を有効に増倍(増強)させる電磁波検出装置、電磁波発生装置およびこれらを用いた時間領域分光装置を提供することを課題とする。
本発明の電磁波検出装置は、屈折率の異なる2つの光学層を、電磁波が入射する入射軸方向に1組以上積層した第1電磁波増幅部と、屈折率の異なる2つの光学層を、入射軸方向に1組以上積層した第2電磁波増幅部と、入射軸方向において、第1電磁波増幅部と第2電磁波増幅部との間に介設した電磁波検出部と、を備え、第1電磁波増幅部における2つの光学層間の屈折率比と、第2電磁波増幅部おける2つの光学層間の屈折率比と、が異なることを特徴とする。
この場合、第1電磁波増幅部は、電磁波の入射側に位置しており、第1電磁波増幅部の屈折率比に対し、第2電磁波増幅部の屈折率比が高いことが好ましい。
これらの構成によれば、第1電磁波増幅部および第2電磁波増幅部を、それぞれ電磁波検出部を中心に対称に配設した従来のものと比較して、検出する電磁波の強度が、大幅に増幅されることを確認することができた。特に、第1電磁波増幅部の屈折率比よりも、第2電磁波増幅部の屈折率比が高い場合に、電磁波検出部においての電磁波の増幅効果が高いことが確認された。また、第1電磁波増幅または第2電磁波増幅部のどちらかは、励起波(励起光)に対する透過率の高低を問わず、増幅された電磁波に対して第1電磁波増幅部および第2電磁波増幅部の透過率が高い(透明な)ものであればよいため、各増幅部を構成する材質の選択の自由度が向上する。なお、検出または発生する「電磁波」とは、電波、光波若しくは電波と光波の中間の性質を有するテラヘルツ波を意味している。また、第1電磁波増幅部および第2電磁波増幅部は、一次元フォトニック結晶であることが好ましい。
また、本発明の電磁波発生装置は、屈折率の異なる2つの光学層を、励起波が入射する入射軸方向に1組以上積層した第1電磁波増幅部と、屈折率の異なる2つの光学層を、入射軸方向に1組以上積層した第2電磁波増幅部と、入射軸方向において、第1電磁波増幅部と第2電磁波増幅部との間に介設した電磁波発生部と、を備え、第1電磁波増幅部における2つの光学層間の屈折率比と、第2電磁波増幅部おける2つの光学層間の屈折率比と、が異なることを特徴とする。
この場合、第1電磁波増幅部は、電磁波の発生側に位置しており、第1電磁波増幅部の屈折率比に対し、第2電磁波増幅部の屈折率比が高いことが好ましい。
これらの構成によれば、第1電磁波増幅部および第2電磁波増幅部を、それぞれ電磁波発生部を中心に対称に配設した従来のものと比較して、発生する電磁波の強度が、大幅に増幅されることを確認することができた。また、第1電磁波増幅または第2電磁波増幅部のどちらかは、励起波(励起光)に対する透過率の高低を問わず、増幅された電磁波に対して第1電磁波増幅部および第2電磁波増幅部の透過率が高い(透明な)ものであればよいため、各増幅部を構成する材質の選択の自由度が向上する。特に、第1電磁波増幅部の屈折率比よりも、第2電磁波増幅部の屈折率比が高い場合に、電磁波発生部においての電磁波の増幅効果が高いことが確認された。
この場合、電磁波検出部は、光伝導アンテナおよび非線形光学結晶のいずれかであることが好ましい。
また、この場合、電磁波発生部は、光伝導アンテナおよび非線形光学結晶のいずれかであることが好ましい。
これらの構成によれば、電磁波の吸収を最小限に抑えることができると共に、入射する光(電磁波,励起波)の波長等の特性に応じて、最適な電磁波の検出および発生を行うことができる。
この場合、電磁波検出部は、基板と、基板上に形成したアンテナを有する光伝導素子とから成る光伝導アンテナであり、第1電磁波増幅部および第2電磁波増幅部の一方は、アンテナに向って基板に形成した穿孔部に配設されていることが好ましい。
また、この場合、電磁波発生部は、基板と、基板上に形成したアンテナを有する光伝導素子とから成る光伝導アンテナであり、第1電磁波増幅部および第2電磁波増幅部の一方は、アンテナに向って基板に形成した穿孔部に配設されていることが好ましい。
このような電磁波検出(発生)装置における電磁波検出(発生)部の基板は、アンテナを保持するために設けられ、アンテナから発生した電磁波の透過率を低下させ、基板の裏側から放射される電磁波の発生効率を低下させていた。
しかし、これらの構成によれば、電磁波検出(発生)部の基板は、穿孔部を設けることで、発生した電磁波の透過を妨げる基板を除去(または薄く)することができる。これにより、発生する電磁波の発生効率を低下させることがない。また、アンテナにおいて増幅する電磁波の電界(テラヘルツ電界)が強くなるため、電磁波の検出感度が向上する。
本発明の時間領域分光装置は、電磁波検出側に設けた上記した電磁波検出装置と、電磁波発生側に設けた上記した電磁波発生装置と、を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、増幅された電磁波(主にテラヘルツ波)を用いることにより、物質の複素屈折率や複素誘電率などの細かな物質の物性測定等を、より精度良く行うことができる。
第1実施形態に係る電磁波検出装置を模式的に示した断面図(a)および第1(第2)電磁波増幅部における第1(第2)光透過性部材と中空部材とを模式的に示した斜視図(b)である。 第1電磁波増幅部および第2電磁波増幅部の各屈折率比が異なる電磁波検出装置において、第1(第2)固体層および第1(第2)中空層の積層周期と、増倍値との関係を示した図(グラフ)である。 電磁波検出部の正面図,断面図(a)、基板に穿孔部を形成した電磁波検出部の断面図(b)および基板が「あり」の状態と「なし」の状態において、第1(第2)固体層および第1(第2)中空層の積層周期と、ゲイン(増倍値)との関係を示した図(グラフ)(c)である。 電磁波検出装置を模式的に示した断面図(a),(b)および電磁波検出装置における、第1電磁波増幅部および第2電磁波増幅部の各積層周期数と、テラヘルツ波の増倍効果との関係を示した図(グラフ)(c)である。 穿孔部を形成した基板と、第1電磁波増幅部との接続部分の形態の変形例を模式的に示した断面図である。 電磁波検出部の基板を完全に除去する方法の一例を示した説明図である。 第1実施形態に係る時間領域分光装置を模式的に示した概略図である。 第2実施形態に係る電磁波検出装置を模式的に示した断面図である。 第3実施形態に係る電磁波検出装置の第1電磁波増幅部の一部を模式的に示した正面図,断面図(a)および第1電磁波増幅部における屈折率の変化を示した図(グラフ)(c)である。
以下、添付の図面を参照して、本発明の第1実施形態に係る電磁波検出装置およびこれを用いた時間領域分光装置について説明する。この時間領域分光装置は、電磁波発生装置により発生したテラヘルツ波(光)を、電磁波検出装置により検出し、テラヘルツ波の振幅と位相を同時に検出することで、物質の複素屈折率や複素誘電率等の詳細な物性を測定するものである。時間領域分光装置の説明に先立ち、電磁波検出装置(電磁波発生装置)の説明をする。
(第1実施形態)
第1実施形態に係る電磁波検出装置1は、励起波IRを入射することで生じる光電効果に利用して、入射されたテラヘルツ波THzを増幅して検出するものである。また、第1実施形態に係る電磁波発生装置5は、励起波IRを入射することで生じる光電効果に利用して、増幅したテラヘルツ波THzを発生するものである。電磁波検出装置1と電磁波発生装置5とは、同一の構造であるため、以下、電磁波検出装置1を例に挙げて説明する。なお、励起波IRとしては、赤外線(800nm)を用いている。
図1に示すように、電磁波検出装置1は、屈折率の異なる2つの光学層を、電磁波が入射する入射軸方向に1組以上積層した第1電磁波増幅部2と、屈折率の異なる2つの光学層を、入射軸方向に1組以上積層した第2電磁波増幅部3と、入射軸方向において、第1電磁波増幅部2と第2電磁波増幅部3との間に介設した電磁波検出部4と、を備えている。なお、本実施形態では、第1電磁波増幅部2および第2電磁波増幅部3の屈折率の周期的な分布が入射軸方向に沿って形成された一次元の電磁波検出装置1について説明する。また、第1電磁波増幅部2は、電磁波の入射側に配設されている。
ここで、電磁波検出部4において検出する「電磁波」としては、電波、光波若しくは電波と光波の中間の性質を有するテラヘルツ波THzを含むものであるが、本実施形態では、「テラヘルツ波THz」を対象とする。「テラヘルツ波THz」とは、0.1〜10THz程度の周波数を有するものを意味している。
第1電磁波増幅部2および第2電磁波増幅部3は、その内部に周期的な屈折率分布を有するフォトニック結晶であり、その屈折率分布に沿った方向(入射軸方向)では、特定の周波数の電磁波の透過率が極端に低くなる特性を有している(透過可能な波長の範囲を「フォトニックバンドギャップ」という。)。
第1電磁波増幅部2は、テラヘルツ波THz、励起波IRおよびテラヘルツ波THzが透過しうる板状の第1光透過性部材21と、入射軸方向に貫通する貫通孔Hが形成された枠状の第1中空部材22と、を入射軸方向に沿って複数枚重ねて形成されている(図1(b)参照)。つまり、第1電磁波増幅部2の光学層は、第1光透過性部材21からなる第1固体層2a(屈折率:N1a)と、第1中空部材22の貫通孔Hの部分からなる第1中空層2b(屈折率:N1b(<N1a))とが、交互に配設されている。第1電磁波増幅部2では、屈折率の異なる2つの光学層のうち、一方を第1中空層2bとしているので、2つの光学層間の屈折率比(N1a/N1b)を大きくすることができ、少ない層数(周期数)でも高い反射率を得ることができる。なお、原則として、第1光透過性部材21および第1中空部材22を設ける数(積層周期)が多くなるほど、電磁波検出部4内にテラヘルツ波THzを閉じ込めて増強する効果が高くなる。図1(a)では、一例として積層周期が3周期の第1電磁波増幅部2を示したが、少なくとも、1つの第1光透過性部材21と、1つの第1中空部材22とから構成されていればよく、これらを設ける数はとくに限定されない。なお、「透過しうる」とは、透過率が高いという意味であり、透過率80%以上が好ましい。
第1光透過性部材21には、テラヘルツ波THzを透過しうる材料、または励起波IRおよびテラヘルツ波THzを透過しうる材料が用いられる。具体的には、テラヘルツ波THzを透過しうる材料(テラヘルツ波THzで透明)で、且つ励起波IRを透過し難い材料(励起波IRで不透明)としては、Si,Geが挙げられる。また、テラヘルツ波THzで透明、且つ励起波IRで透明な材料としては、SiO2,MgOが挙げられる。これらの材料を適宜選択して用いることができる。
上記したように、第2電磁波増幅部3は、第1電磁波増幅部2と同一の構造を有しており、第2光透過性部材31と、第2中空部材32と、が入射軸方向に沿って複数枚重なり、第2電磁波増幅部3の光学層は、第2固体層3a(屈折率:N2a)と、第2中空層3b(屈折率:N2b(<N2a))とが、交互に配設されている。第2電磁波増幅部3おける第2固体層3aと第2中空層3bとの屈折率比(N2a/N2b)は、第1電磁波増幅部2における第1固体層2aと第1中空層2bとの屈折率比(N1a/N1b)よりも、大きく((N1a/N1b)<(N2a/N2b))なるように形成されている。つまり、電磁波検出装置1は、電磁波検出部4を中心として、光学的に非対称な構造を有している。なお、第2光透過性部材31の材料は、上記した第1光透過性部材21に用いられる材料から適宜選択して用いられる。
図2に示すように、第2電磁波増幅部3における屈折率比(N2a/N2b)が、第1電磁波増幅部2における屈折率比(N1a/N1b)よりも大きくなると、検出されるテラヘルツ波THzの増倍効果が飛躍的に向上することが確認されている。特に、各固体層2a,3aと各中空層2b,3bとを、それぞれ3周期配設した場合に、その増倍効果を最も有効に得ることができる。具体的には、N1a/N1b=3.4,N2a/N2b=3.0の場合と比べて、N1a/N1b=3.0,N2a/N2b=3.4の場合の方が、増倍効果が飛躍的に向上している。また、屈折率比(N2a/N2b)を更に大きくした場合(N1a/N1b=3.0,N2a/N2b=4.0)には、更に増倍効果が向上している。
図3を参照して、電磁波検出部4について説明する。図3(a)に示すように、電磁波検出部4は、半絶縁性のガリウム砒素(SI−GaAs)から構成された基板41と、基板41上に成膜された光伝導膜42と、光伝導膜42上に、電極を兼ねて配設されたアンテナ43と、を備えた光伝導アンテナとなっている。光伝導膜42は、基板41上に低温で成長させたLT−GaAsが用いられ、厚さμmオーダーで形成(成膜)されている(本実施形態では2μm)。アンテナ43は、一対の電極部43aと、一対のアンテナ本体43bと、からなるダイポールアンテナである。入射した電磁波(テラヘルツ波THz)は、一対のアンテナ本体43bのギャップ43cに集光される。一対の電極部43aに接続された電流増幅器等が、光電流を検出することで、テラヘルツ波THzの検出を行うことができる。
なお、電磁波発生装置5においては、間隙間に電圧が印加された状態で、励起波IRを入射させることで、テラヘルツ波THzを発生させることができる。
図3(b)に示すように、基板41には、裏側からアンテナ43(および光伝導膜42)に向って形成した穿孔部41aが形成されている。この穿孔部41aは、基板41に成膜した光伝導膜42上に、電極を兼ねたアンテナ43を配設した後、基板41の裏側から光伝導膜42が露出するようにエッチング除去することで形成される。そして、この穿孔部41aに第1電磁波増幅部2を挿入し、露出させた光伝導膜42に対して、第1電磁波増幅部2を積層する。このような構成とすることで、基板41によるテラヘルツ波THzの吸収がなくなり、光伝導膜42(アンテナ43)での増倍効果が向上する。つまり、テラヘルツ波THzの検出感度が向上する。
なお、この様なエッチングを行うためには、光伝導膜42を形成前に、基板41上に予めエッチストップ層(図示省略)を形成しておき、基板41を除去した後に、エッチストップ層を除去する。また、エッチングストップ層は、除去せず残してもよい。さらに、穿孔部41aと第1電磁波増幅部2との隙間に、テラヘルツ波THzに対して吸収の少ない樹脂等(基板41とは異なる材料、例えばポリプロピレン等)を充填して、補強する形態としてもよい。
図3(c)は、基板41が「あり」の状態と「なし」の状態において、第1固体層2a(第2固体層3a)および第1中空層2b(第2中空層3b)の積層周期と、ゲイン(増倍値)との関係を示したものである。図3(c)に示すように、基板41が「あり」の状態では、積層周期が2周期を超えるとゲインが下がり始めるが、基板41が「なし」の状態では、積層周期の増加と共にゲインが増加することが確認されている。これは、基板41がテラヘルツ波THzを吸収するために生じるものと考えられる。
次に、図4を参照して、第1電磁波増幅部2および第2電磁波増幅部3を構成する材料の具体的な組合せについて説明する。
(1)第1電磁波増幅部2側から、テラヘルツ波THzおよび励起波IRを入射させて検出を行う場合(図4(a)参照)には、(1−1)第1光透過性部材21(第1固体層2a)にMgOを使用し、第2光透過性部材31(第2固体層3a)にSiを使用する構成、または(1−2)第1光透過性部材21にMgOを使用し、第2光透過性部材31にGeを使用する構成、とすることが考えられる。この場合、第2光透過性部材31は、励起波IRに対して透過率が高い必要がない、つまりテラヘルツ波THzに対してのみ透過率が高ければよいため、第2光透過性部材31を構成する材料(材質)の選択の自由度が向上する。
(2)第1電磁波増幅部2側から、テラヘルツ波THzおよび励起波IRを入射させて検出を行う場合(図4(a)参照)、および第1電磁波増幅部2側からテラヘルツ波THzを入射させ、第2電磁波増幅部3側から励起波IRを入射させて検出を行う場合(図4(b)参照)には、第1光透過性部材21(第1固体層2a)にSiO2を使用し、第2光透過性部材31(第2固体層3a)にMgOを使用する構成が考えられる。第1電磁波増幅部2側からテラヘルツ波THzを、第2電磁波増幅部3側から励起波IRを、それぞれ入射させる場合、第1電磁波増幅部2は、テラヘルツ波THzに対してのみ透過率が高ければよいため、第1光透過性部材21を構成する材料(材質)の選択の自由度が向上する。
なお、いずれの場合も、第1中空層2bおよび第2中空層3bには、空気が充填されている。しかし、各中空層2b,3bに水分(水蒸気)が存在するとテラヘルツ波THzの吸収が起こるため、各中空層2b,3bを真空状態とするか、窒素ガス等で置換することが好ましい。
図4(c)は、上記した(1)および(2)に掲げた構成に係る電磁波検出装置1における、第1電磁波増幅部2および第2電磁波増幅部3の積層周期数と、テラヘルツ波THzの増倍効果との関係を示したものである。図4(c)に示すように、(1−1)および(1−2)に係る構成の場合、第1固体層2a(第2固体層3a)と第1中空層2b(第2中空層3b)とを各3層(積層周期:3)を形成したときに、検出されるテラヘルツ波THzの増倍効果が最大((1−1)が251倍,(1−2)が309倍)となることが確認された。一方、(2)に係る構成の場合には、積層周期を4周期としたときに、当該増倍効果が最大(325倍)となることが確認された。なお、各中空層2b,3bを、1波長(300μm)分長くした場合の当該増倍効果は、(1−1)が227倍,(1−2)が274倍,(2)が311倍となった。
また、参考として、第1電磁波増幅部2側からテラヘルツ波THzを入射させ、第2電磁波増幅部3側から励起波IRを入射させて検出を行う場合において、第1光透過性部材21(第1固体層2a)にGe/Siを使用し、第2光透過性部材31(第2固体層3a)にMgOを使用する構成とした場合には、第1電磁波増幅部2の積層周期を17周期としたときに、約200倍となることが確認された。
続いて、図5を参照して、穿孔部41aを形成した基板41と、第1電磁波増幅部2との接続部分の形態の変形例について説明する。
(変形例(1))
変形例(1)では、第1電磁波増幅部2を穿孔部41aに挿入せず、第1電磁波増幅部2を、穿孔部41aを形成した基板41上に設けている(図5(a)参照)。
(変形例(2))
変形例(2)では、光伝導膜42を露出させず基板41を僅かに残すように穿孔部41aを形成する。そして、第1電磁波増幅部2を穿孔部41aに挿入する(図5(b)上段参照)、または穿孔部41aを形成した基板41上に設けている(図5(b)下段参照)。これにより、基板41の剛性が失われないため、光伝導膜42およびアンテナ43を適切に保持しつつ、基板41によるテラヘルツ波THzの吸収を抑制することができる。なお、変形例(2)の場合、基板41を、SI−GaAsに代えてSiを用いてもよい。
(変形例(3))
変形例(3)では、光伝導膜42のみを残して基板41を完全に除去している(図5(c)参照)。このように基板41を完全に除去する方法の一例を、図6を参照して説明する。
基板41上に光伝導膜42を形成(図6(a)参照)した後に、光伝導膜42上に第1電磁波増幅部2を積層する(図6(b)参照)。その後、基板41を研磨(研削)することで除去し、光伝導膜42を露出させ(図6(c)参照)、そこにアンテナ43を配設する(図6(d)参照)。そして、その上に第2電磁波増幅部3を積層する(図6(e)参照)。他にも、エッチングにより基板41を除去してもよい。
(変形例(4))
ここでは、一対のアンテナ本体43bに接する部分にのみ第2電磁波増幅部3を配設している(図5(d)参照)。すなわち、第2電磁波増幅部3が一対の電極部43aにかからないように配設されている。
これらの各変形例に示す電磁波検出部4であっても、基板41によるテラヘルツ波THzの吸収を抑制することができ、テラヘルツ波THzの検出感度を向上させることができる。なお、上記した電磁波検出部4においては、穿孔部41a側からテラヘルツ波THzが入射するようになっているが、テラヘルツ波THzの入射(照射)面は、光伝導膜42の側でもよい。この場合、第1電磁波増幅部2はテラヘルツ波THzの入射側に設けるようにする。
次に、電磁波発生装置5について説明する。電磁波発生装置5は、上記した通り、電磁波検出装置1と同一の構造であり、第1電磁波増幅部2と、第2電磁波増幅部3と、入射軸方向において、第1電磁波増幅部2と第2電磁波増幅部3との間に介設した電磁波発生部6と、を備えている。なお、電磁波発生部6は、電磁波検出部4と同一の構造であり、その他の構造も同一であるため、詳細な説明は省略する。
電磁波発生装置5は、第2電磁波増幅部3側から励起波IRを入射すると、励起波IRは、第2固体層3aと第2中空層3bとを通過して、電磁波発生部6に到達する。すると、光電効果により電磁波発生部6がテラヘルツ波THzを発生する。この電磁波発生装置5では、上記した電磁波検出装置1と同様に、テラヘルツ波THzの増倍効果が高いため、より高強度なテラヘルツ波THzを出力させることができる。
続いて、図7を参照して、上記した電磁波検出装置1および電磁波発生装置5を用いた時間領域分光装置7について説明する。時間領域分光装置7は、テラヘルツ波THzが伝播する経路中に測定したい測定試料Sを置き、透過したテラヘルツ波THzの時間波形と、測定試料Sの無い状態でのテラヘルツ波THzの時間波形と、をフーリエ変換して、テラヘルツ波THzの振幅と位相の情報を得る。これにより、測定試料Sの複素屈折率や複素誘電率などの細かい物性測定を行うものである。
時間領域分光装置7は、数十フェムト秒の超短パルス光(励起波IR)を発生するフェムト秒レーザー71と、励起波IRをポンプ光とプローブ光とに分離するビームスプリッター72と、上述した、電磁波検出装置1および電磁波発生装置5と、電磁波検出装置1に入射させる励起波IRを遅延させる遅延光学系73と、超短パルス光を反射または集光する各種光学系(各種鏡や各種レンズ)と、アンプ、ロックインアンプ及びコンピューター等を有する信号処理装置74と、を備えている。また、その他、時間領域分光装置7として一般的な構成を有している。
まず、フェムト秒レーザー71から発せられた励起波IR(赤外線:波長800nm)は、ビームスプリッター72により、ポンプ光とプローブ光とに分けられる。そして、ポンプ光は、振幅変調を掛けた状態で電磁波発生装置5の第2電磁波増幅部3に入射する。このときアンテナ本体43bのギャップ43cに電圧を印加しておくことで、電磁波発生装置5からテラヘルツ波THzが発生する。このテラヘルツ波THzは、第1放物面鏡75で反射され、第1レンズ76により集光されて測定試料Sに照射される。測定試料Sを透過したテラヘルツ波THzは、第2レンズ77、第2放物面鏡78を介して電磁波検出装置1の第1電磁波増幅部2に入射する。
一方、ビームスプリッター72により分けられたプローブ光は、複数の反射鏡79によって、遅延光学系73に照射される。そして、遅延光学系73によって時間遅延を与えられたプローブ光は、電磁波検出装置1の第2電磁波増幅部3に入射する。電磁波検出装置1の電磁波検出部4で検出された信号は、信号処理装置74に入力され、信号処理装置74により信号処理が行われる。測定試料Sからの透過したテラヘルツ波THzの時間波形および測定試料Sの無い状態でのテラヘルツ波THzの時間波形は、各々時系列データとして記憶され、これらをPC77でフーリエ変換処理して周波数空間に変換する。こうして、測定試料Sからのテラヘルツ波THzの強度振幅や位相の分光スペクトルが得られ、測定試料Sの物性などの情報を調べることができる。
以上の構成によれば、増幅された電磁波(主にテラヘルツ波THz)を用いることにより、物質(測定試料S)の複素屈折率や複素誘電率などの細かな物質の物性測定等を、より明確に行うことができる。
(第2実施形態)
図8を参照して、第2実施形態に係る電磁波検出装置1(または電磁波発生装置5)について説明する。第1実施形態における電磁波検出装置1の電磁波検出部4および電磁波発生装置5の電磁波発生部6は、それぞれ、いわゆる光伝導アンテナから構成されていたが、第2実施形態に係る電磁波検出装置1および電磁波発生装置5では、電磁波検出部4および電磁波発生部6を非線形光学結晶8で構成している。第2実施形態に係る電磁波検出装置1および電磁波発生装置5は、非線形光学結晶8に励起波IRを入射することで生じる光整流効果を利用して、入射されたテラヘルツ波THzを増幅して検出、または増幅したテラヘルツ波THzを発生するものである。具体的な非線形光学結晶8としては、例えば、ZnTe(ジンクテルル)やLiTaO3、LiNbO3などの無機非線形光学結晶、有機非線形光学結晶、GaAs、ZnTe、CdTe、GaSeなどの半導体、ポリマー等によって形成されている。
(第3実施形態)
図9を参照して、第3実施形態に係る電磁波検出装置1(または電磁波発生装置5)について説明する。以下、電磁波検出装置1の第1電磁波増幅部2を例に挙げて説明する。
図9(a)に示すように、第3実施形態における第1電磁波増幅部2では、第1中空部材22に代えて、第1光透過性部材21との接合面に複数の凸部24をマトリクス状に形成した第1凹凸部材23によって形成されている。この第1凹凸部材23の各凸部24の高さ、および各凸部24同士のピッチは、テラヘルツ波THzの波長よりも小さくなるように形成されている。また、第1凹凸部材23は、テラヘルツ波THzおよび励起波IRの吸収の少ない樹脂等で形成することが好ましい。そして、第1光透過性部材21からなる第1固体層2a(屈折率:N1a)と、第1凹凸部材23からなる凹凸固体層2c(屈折率:N1c(<N1a))とが、交互に配設された第1電磁波増幅部2は、光学的には第1固体層2aの屈折率(N1a)と等価になる。これは、図9(b)に示すように、テラヘルツ波THzの波長以下の大きさの凹凸をつけることで、第1光透過性部材21(第1固体層2a)と第1凹凸部材23(凹凸固体層2c)との境界面で、屈折率が滑らかに変化することにより、この境界面での反射が略無くなるからであると考えられる。なお、第2電磁波増幅部3についても同様である。また、上記した複数の凸部24は、第1光透過性部材21側に設けてもよい。
以上のような構成によれば、屈折率が高く、テラヘルツ波THzの吸収が小さい第1電磁波増幅部2を構成することができる。これにより、良好な増幅率をもってテラヘルツ波THzを検出することができる。
1:電磁波検出装置、2:第1電磁波増幅部、2a:第1固体層、2b:第1中空層、3:第2電磁波増幅部、3a:第2固体層、3b:第2中空層、4:電磁波検出部、5:電磁波発生装置、6:電磁波発生部、7:時間領域分光装置、8:非線形光学結晶、41:基板、41a:穿孔部、42:光伝導膜、43:アンテナ

Claims (9)

  1. 屈折率の異なる2つの光学層を、電磁波が入射する入射軸方向に1組以上積層した第1電磁波増幅部と、
    屈折率の異なる2つの光学層を、前記入射軸方向に1組以上積層した第2電磁波増幅部と、
    前記入射軸方向において、前記第1電磁波増幅部と前記第2電磁波増幅部との間に介設した電磁波検出部と、を備え、
    前記第1電磁波増幅部における前記2つの光学層間の屈折率比と、前記第2電磁波増幅部おける前記2つの光学層間の屈折率比と、が異なることを特徴とする電磁波検出装置。
  2. 前記第1電磁波増幅部は、電磁波の入射側に位置しており、
    前記第1電磁波増幅部の前記屈折率比に対し、前記第2電磁波増幅部の前記屈折率比が高いことを特徴とする請求項1に記載の電磁波検出装置。
  3. 前記電磁波検出部は、光伝導アンテナおよび非線形光学結晶のいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の電磁波検出装置。
  4. 前記電磁波検出部は、基板と、前記基板上に形成したアンテナを有する光伝導素子とから成る光伝導アンテナであり、
    前記第1電磁波増幅部および前記第2電磁波増幅部の一方は、前記アンテナに向って前記基板に形成した穿孔部に配設されていることを特徴とする請求項1に記載の電磁波検出装置。
  5. 屈折率の異なる2つの光学層を、励起波が入射する入射軸方向に1組以上積層した第1電磁波増幅部と、
    屈折率の異なる2つの光学層を、前記入射軸方向に1組以上積層した第2電磁波増幅部と、
    前記入射軸方向において、前記第1電磁波増幅部と前記第2電磁波増幅部との間に介設した電磁波発生部と、を備え、
    前記第1電磁波増幅部における前記2つの光学層間の屈折率比と、前記第2電磁波増幅部おける前記2つの光学層間の屈折率比と、が異なることを特徴とする電磁波発生装置。
  6. 前記第1電磁波増幅部は、電磁波の発生側に位置しており、
    前記第1電磁波増幅部の前記屈折率比に対し、前記第2電磁波増幅部の前記屈折率比が高いことを特徴とする請求項5に記載の電磁波発生装置。
  7. 前記電磁波発生部は、光伝導アンテナおよび非線形光学結晶のいずれかであることを特徴とする請求項5に記載の電磁波発生装置。
  8. 前記電磁波発生部は、基板と、前記基板上に形成したアンテナを有する光伝導素子とから成る光伝導アンテナであり、
    前記第1電磁波増幅部および前記第2電磁波増幅部の一方は、前記アンテナに向って前記基板に形成した穿孔部に配設されていることを特徴とする請求項5に記載の電磁波発生装置。
  9. 電磁波検出側に設けた請求項1の電磁波検出装置と、
    電磁波発生側に設けた請求項5の電磁波発生装置と、を備えたことを特徴とする時間領域分光装置。
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