JP2014029478A - テラヘルツ波発生素子、テラヘルツ波検出素子、及びテラヘルツ時間領域分光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発生するテラヘルツ波の利用効率を向上させたテラヘルツ波発生素子等を提供する。
【解決手段】テラヘルツ波発生素子は、光導波路３の光伝播方向に垂直な面において、次の構成上の特徴を有する。光導波路３から基板１の面の法線方向に伸びる線が結合部材４のテラヘルツ波出射面１１と交わる点Ａでの結合部材４のテラヘルツ波出射面１１の曲率半径をｒ１とし、同じ点Ａにおけるテラヘルツ波５の波面６の曲率半径をｒ２とする。このとき、０＜ｒ１＜ｒ２となっている。ここで、テラヘルツ波の伝播方向に凸な場合を正の値としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ミリ波帯からテラヘルツ波帯まで（３０GHz〜３０THz）の周波数領域の電磁波成分を含むテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生素子、テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出素子に関する。また、テラヘルツ波発生素子と検出素子のうち少なくとも一方を用いたテラヘルツ時間領域分光装置に関する。特には、レーザ光照射により前記周波数帯のフーリエ成分を含む電磁波の発生又は検出を行う電気光学結晶を含む発生又は検出素子、及びそれを用いたテラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS）によるトモグラフィ装置などに関する。

近年、テラヘルツ波を用いた非破壊なセンシング技術が開発されている。この周波数帯の電磁波の応用分野として、X線装置に代わる安全な透視検査装置を構成してイメージングを行う技術分野がある。また、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて分子の結合状態などの物性を調べる分光技術、キャリア濃度や移動度、導電率などの物性を調べる計測技術、生体分子の解析技術などが開発されている。テラヘルツ波の発生方法としては、非線形光学結晶を用いる方法が広く用いられている。非線形光学結晶の代表的なものとしては、LiNbO_x（以後、ＬＮとも言う）、LiTaO_x、NbTaO_x、KTP、DAST、ZnTe、GaSe、GaP、CdTeなどがある。テラヘルツ波の発生には２次の非線形現象を用いている。方式としては、周波数差を持つ２レーザ光の入射による差周波発生（Difference-Frequency-Generation: DFG）が知られている。ここでは、周波数の異なる２レーザ光を入射した場合、その２レーザ光の差周波数に応じた周期を有する非線形分極が生じる。また、非線形光学結晶では、レーザ光の入射によりエネルギー状態が励起し、元のエネルギー状態に戻る際に電磁波が放射される。非線形光学結晶が非線形分極している場合、その分極の周波数に対応する電磁波が放射され、テラヘルツ波の周波数を有して分極しているとき、非線形光学結晶からテラヘルツ波が放射される。また、光パラメトリック過程による単色テラヘルツ波発生、フェムト秒パルスレーザ光の照射で光整流によりテラヘルツ波パルスを発生する方式が知られている。

この様な非線形光学結晶からテラヘルツ波を発生する過程として、電気光学的チェレンコフ放射が最近注目されている。これは、図１０に示す様に、励起源であるレーザ光１００の伝播群速度が、発生するテラヘルツ波の伝播位相速度よりも速い場合に、衝撃波の様にテラヘルツ波１０１が円錐状に放出される現象である。光とテラヘルツ波の媒質（非線形光学結晶）中の屈折率の比により、テラヘルツ波の放射角θ_c（チェレンコフ角）は次式で決まる。
cosθ_c=v_THz/v_g=n_g/n_THz
ここで、v_g、n_gは夫々励起光の群速度、群屈折率、v_THz、n_THzは夫々テラヘルツ波の位相速度、屈折率を表す。これまでに、このチェレンコフ放射現象を用いて、波面を傾斜させたフェムト秒レーザ光をＬＮに入射させ光整流により高強度のテラヘルツ波パルスを発生させるという報告がある（非特許文献１参照）。また、波面傾斜の必要をなくすために、発生するテラヘルツ波の波長よりも十分小さい厚さを持つスラブ導波路を用いて、DFG方式により単色テラヘルツ波を発生させるという報告がある（特許文献１、非特許文献２参照）。また、電極を用いて光の導波路に電界を印加することで、発生するテラヘルツ波を比較的高いスピードで変調することが可能な電気光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子、検出素子などの提案がある（特許文献２参照）。

こうした特許文献、非特許文献の例は、進行波励起によるテラヘルツ波発生であるため、異なる波源から発生したテラヘルツ波が放射方向で位相整合して強め合うことで取り出し効率を向上させるという提案に係る。この放射方式の特徴としては、非線形光学結晶を用いたものは比較的高強度のテラヘルツ波を発生できる事、高効率である事、結晶特有のフォノン共鳴によるテラヘルツ領域の吸収を高周波側に選ぶことでテラヘルツ波の帯域を広くできる事などが挙げられる。これらの技術は、光伝導素子によるテラヘルツ波発生に比べて発生帯域を広くでき、さらに光整流を用いるテラヘルツ波パルス発生の場合にはパルス幅を狭くできる。そのため、例えばテラヘルツ時間領域分光装置に利用する場合に装置性能を向上できることが期待されている。チェレンコフ放射現象を利用した装置として、特許文献３には、非線形光学結晶からなる光導波路に光を伝搬させて、この光の２倍の周波数を有する第２次高調波をチェレンコフ放射により発生させる装置が開示されている。特許文献３においてチェレンコフ放射された第２次高調波は円錐状であるが、この波面を高い平面度でコリメートする機能を導波路基板が有する。

特開２０１０−２０４４８８号公報 特開２０１１−２０３７１８号公報 特開平０２−０８１０３５号公報

Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ，ｖｏｌ．２５，ｐｐ．Ｂ６−Ｂ１９，２００８． Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．１７，ｐｐ．６６７６−６６８１，２００９．

前述したようにテラヘルツ波は非線形効果により発生する。従って、光導波路における光のパワー密度が大きいほど、発生するテラヘルツ波のパワーが大きくなると考えられる。このような状況は、例えば、前述のスラブ導波路の幅を小さくしてリッジ導波路にすることで同じレーザ出力で実現可能である。このように光導波路の幅がテラヘルツ波の波長に比べて小さいと、発生するテラヘルツ波の放射角は大きくなる。しかしながら、特許文献１、２に記載された方式では、光導波路の光伝播方向に垂直な面内において、放射角の大きい領域に放射されるテラヘルツ波を利用することが容易ではなかった。また、特許文献３に記載された方式では、発生したチェレンコフビームの発散を抑えて平行光にして装置外に出射する構成が開示されており、平行光を得るために屈折や反射を利用している。しかしながら、屈折を利用する場合はテラヘルツ波のフレネル損が大きく、一方、反射を利用する場合にはテラヘルツ波が２面の光学面を介して外部に放射される。そのために、光学面が１面である場合に比して、光学面の粗さによっては散乱損失の影響が大きくなる場合があった。そのため、テラヘルツ波の利用効率が抑制される場合があった。

上記課題に鑑み、本発明の一側面としてのテラヘルツ波発生素子は、電気光学結晶のコア層を含み基板に形成された光導波路と、光導波路を光が伝播することで光導波路から発生するテラヘルツ波を空間に取り出す結合部材と、を備える。そして、光導波路の光伝播方向に垂直な面において、光導波路から基板の面の法線方向に伸びる線が結合部材のテラヘルツ波出射面と交わる点Ａでの結合部材のテラヘルツ波出射面の曲率半径を、テラヘルツ波の伝播方向に凸な場合を正の値として、ｒ１とし、同じ点Ａにおけるテラヘルツ波の波面の曲率半径をｒ２として、０＜ｒ１＜ｒ２となっている。

本発明の一側面としてのテラヘルツ波発生素子では、ほぼ円錐状に放射されるテラヘルツ波に対して、光導波路の光伝播方向に垂直な面における発散を、上記の如きテラヘルツ波出射面を有する結合部材によって抑えることができる。従って、テラヘルツ波の利用効率を改善することができる。本発明のその他の側面については、以下で説明する実施の形態で明らかにする。

本発明によるテラヘルツ波発生素子の実施形態１の構造図。 本発明によるテラヘルツ波発生素子の光導波路部分の構造図。 結合部材によるテラヘルツ波の波面の変換機能の説明図。 本発明によるテラヘルツ波発生素子の他の構造の説明図。 本発明によるテラヘルツ波発生素子の実施形態２の構造図。 本発明によるテラヘルツ波発生素子の実施形態３の構造図。 本発明によるトモグラフィ装置の実施形態５の構成図。 本発明によるテラヘルツ波検出素子の実施形態６の構造図。 実施形態１を別の観点から説明する構造図。 電気光学的チェレンコフ放射の概念図。

本発明の一側面としてのテラヘルツ波発生素子は、光導波路の光伝播方向に垂直な面において、結合部材のテラヘルツ波出射面の曲率半径をテラヘルツ波の波面の曲率半径よりも大きくすることを特徴とする。これにより、光導波路から発散して放射されるテラヘルツ波の発散を結合部材のテラヘルツ波出射面を通過する際に抑えてテラヘルツ波の利用効率を改善しようとするものである。また、同じ構成で、逆過程により入射するテラヘルツ波を集束させて検出することもできる。より広く言えば、本発明の素子の結合部材の形状は、光導波路の光伝播方向に垂直な面において、結合部材から出射するテラヘルツ波の波面の曲率半径を出射後に出射前より増加させるように構成されている。こうした結合部材を出射後のテラヘルツ波は略平面波などとなる。結合部材の形状の例としては、次の如きものがある。光導波路の光伝播方向に垂直な面で断面が楕円又は円形状を有する形状、円錐形状又は楕円錐形状の少なくとも一部を含んだ形状、斜め円錐形状又は斜め楕円錐形状の少なくとも一部を含んだ形状、放物面形状の少なくとも一部を含んだ形状等である。また、結合部材のテラヘルツ波出射面の前記点Ａと光導波路との距離が、結合部材のテラヘルツ波出射面の前記点Ａと結合部材の円錐形状又は楕円錐形状の軸との距離より大きいオフセット形状とした構成とすることができる。また、テラヘルツ波発生素子の場合、結合部材の形状を、半球面形状の少なくとも一部を含んだ形状等にもできる。なお、本発明で用いる１次電気光学効果のための電気光学結晶は、２次の非線形性を持つものであり、一般に実用的な電気光学結晶と２次の非線形性を持つ非線形光学結晶はほぼ等価である。また、本明細書において、光導波路の光伝播方向とは、光導波路に入射したレーザ光が実質的に伝播（多少の漏れがあって伝播してもよいことを意味する）する方向である。こうした構成の発生素子又は検出素子を、テラヘルツ時間領域分光装置や、サンプルからの反射光を分析することでサンプルの内部構造をイメージングするトモグラフィ装置に用いることで、内部浸透厚さの向上や奥行き分解能などを向上させることができる。上記テラヘルツ波の利用効率の改善に関して、特許文献１、２の方式では、テラヘルツ波が伝播するプリズム等の結合部材の表面が半球面等の曲面ではないので、上記垂直な面内で放射角の大きい領域に放射されるテラヘルツ波の有効な利用が困難であった。

以下、図を用いて本発明の実施形態及び実施例を説明する。
（実施形態１）
本発明による実施形態１であるＬＮ結晶を用いるテラヘルツ波発生素子について、図１等を用いて説明する。図１において、（ａ）は斜視図、（ｂ）は光導波路３のｚ方向の中心において光導波路３の光伝播方向（ｘ軸）と基板法線(ｙ軸)を含む面での断面図、（ｃ）は光導波路３の光伝播方向（ｘ軸）と垂直な面での断面図である。テラヘルツ波発生素子は、基板１と、基板１に形成される光導波路３と、発生したテラヘルツ波５を外部空間へ取り出すための結合部材４からなる。基板１はＹカットニオブ酸リチウム（ＬＮ）である。

光導波路３にはレーザ光２が端面から入射し、光導波路３に沿って伝播する。座標軸は図１に示したように、光導波路３の光伝播方向をｘ軸、基板法線方向をｙ軸とし、ｘ軸及びｙ軸と直交する方向をｚ軸とする。光導波路３を形成するＬＮ結晶のｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は、これらの座標系の表現と一致させている。また、レーザ光２はｚ軸方向の直線偏波としている。この様な構成にすることによって、２次非線形現象である電気光学的チェレンコフ放射を効率良く起こすことができる。すなわち、ＬＮの結晶軸は、２次非線形過程により発生するテラヘルツ波とレーザ光との位相整合が取れる様に設定され、２次非線形過程に関与する電磁波（テラヘルツ波とレーザ光）の波数ベクトルの間に位相整合条件が成り立っている。図１の光導波路３にｚ軸に平行な偏波でレーザ光２を入射させて光伝播方向（ｘ軸）に沿って伝播させると、背景技術で示した非特許文献１に記載の原理或いは超短パルス光源を用いた光整流により結晶表面からテラヘルツ波５が発生する。なお、光導波路３を形成するＬＮ結晶の結晶方位やレーザ光２の偏波状態は必ずしも上記の形態に限らないことは一般に知られる通りである。

光導波路３の構造について説明する。
基板１上の光導波路３は、ＭｇＯドープＬＮ結晶層から成るコア層８と、上下のクラッド層９、１０とによって構成されている。この構成が、光導波路３のｚ方向の中心において光導波路３の光伝播方向（ｘ軸）と基板法線(ｙ軸)を含む面での断面図である図２に示されている。上下のクラッド層９、１０の屈折率はコア層８の屈折率よりも低くしている。このような構成により、光導波路３に入射するレーザ光２を全反射で伝播させることができる。コア層８として必要な厚さは、外部に放射させる最も周波数の高いテラヘルツ波５（最大周波数の成分）のコア層８における等価波長の半分以下である。すなわち、コア層８の厚さに相当する位相ずれが、発生したテラヘルツ波５の等位相面において反転して打ち消し合いを生じさせない程度の厚さ以下である。下部クラッド層１０は、コア層８と基板１を張り合わせるための接着剤を兼ねていてもよい。なお、接着剤は、張り合わせ法で作製した場合に必要であって、拡散などでドープ層を形成する場合には必ずしも必要でない。接着剤がない場合でも、ＬＮ基板よりはＭｇＯドープＬＮ層の屈折率が高いため、基板１が下部クラッド層１０となって光導波路として機能する。すなわち、結合部材４のある側と反対側の基板１が下部クラッド層１０を兼ねる形態、言い換えれば、接着剤なしで下部クラッド層１０のみを有する形態でもよい。

一方、上部クラッド層９は、ＬＮよりも屈折率が小さい樹脂や無機酸化物などが好適に用いられる。上部クラッド層９は、結合部材４（説明は後述）を固定するための接着剤を兼ねていてもよい。この上部クラッド層９の厚さは、コア層８をレーザ光２が伝播する際のクラッドとして機能するのに十分厚く、かつ結合部材４でテラヘルツ波５を外部に放射する際に多重反射や損失の影響が無視できる程度に薄いことが望ましい。前者に関しては、光導波路３において、結合部材４との界面での光強度がコア層８における光強度の１／ｅ^２以下になるような厚さであることが望ましい（eは自然対数の底）。また後者については、外部に放射させる最も周波数の高いテラヘルツ波５（最大周波数の成分）の上部クラッド層９における等価波長λ_eqに対して、１/１０程度の厚さ以下になっていることが望ましい。なぜなら、波長の１/１０のサイズの構造体は一般的にその波長の電磁波に対して反射、散乱、屈折などの影響が無視できるとみなされるからである。つまり、こうした構成では、光導波路は、光に対してコアとなるコア層と、光に対してクラッドとなるクラッド層と、を有し、クラッド層は、結合部材とコア層に挟まれている。そして、クラッド層の厚さｄは、光の光強度がコア層における光強度の１／ｅ^２になる厚みをａ、テラヘルツ波の最大周波数に相当する波長のクラッド層における等価波長をλ_ｅｑとしたとき、ａ＜ｄ＜λ_ｅｑ／１０を満たす。ただし、前記望ましい厚さの範囲外でも、本発明のテラヘルツ波発生素子からのテラヘルツ波発生は可能である。

非線形効果による発生方式であることを考慮すると、光導波路３の横方向（z方向）の幅は小さいことが望ましい。なぜならば、テラヘルツ波５のパワー密度はレーザ光２のパワー密度（パルスの場合はピークパワー密度）の２乗に比例した依存性を原理的には有するからである。ただし、光導波路３の幅が小さすぎるとデメリットも現れる。例えば、レーザ光２から光導波路３への結合効率が低減したり、導波損失が大きくなったりすることがある。これらの事情を勘案すると、例えば、光導波路の光伝播方向と基板の面の法線方向の両方向に垂直な方向である光導波路３の横方向（z方向）の幅をレーザ光２に含まれる主要な波長の１倍から１０倍の範囲の程度に設定することが望ましい。その他、レーザ光２のパワーによっては光損傷などの現象によりテラヘルツ波５のパワーが飽和してしまうことにも留意する必要がある。

光導波路３の横方向（z方向）の幅は、さらに望ましくは、光導波路３に入射したレーザ光２がシングルモードで伝播しうる程度であることが望ましい。なぜなら、レーザ光２が光導波路１３をマルチモードで伝播した場合、光導波路を伝播するにつれてモード分散によってレーザ光２のピーク強度が減少してしまうからである。レーザ光２のピーク強度が減少すると、テラヘルツ波５への変換効率が下がってしまうので望ましくない。ステップインデックス型光ファイバの式を援用した簡易的な計算によると（「光導波路の基礎」、Ｐ６５、コロナ社を参照）、例えばレーザ光２の主要な波長を１．６μｍとしたときに光導波路３の横方向（z方向）の幅は約６μｍ以下であることが望ましい。

ただし、これは、ＭｇドープＬＮからなるコア層の周囲にＬＮからなるクラッド層があるモデルで計算した場合のものである。また、シングルモードで伝播するかはレーザ光２の入射状態（ＮＡ、入射角度、スポットサイズなど）にも依ることは一般に知られる通りである。光導波路３の横方向（図１のｚ方向）の構造の作製方法としては、Ｔｉ拡散によりコア層８を高屈折率化して周囲の領域と屈折率差を設ける方法や、エッチングによりコア層８をリッジ形状に形成して樹脂等で周囲の領域を埋め込む方法などがある。また、基板の面の法線方向の光導波路の高さは、テラヘルツ波に含まれる主要な波長の１/１０以下であることが好ましい。

光導波路３の数は１個だけではなく、複数個あってもよい。例えば、１個の光導波路３にレーザ光２の全パワーを投入すると光損傷が起きてしまう場合に、パワー密度を下げる目的でレーザ光２を分割して複数個の光導波路３に入射させることがある。構造や材料が異なる複数個の光導波路３を用意し、その時々の目的に応じて、得たい特性のテラヘルツ波５を発生させる光導波路３にレーザ光２を入射させるような使い方もある。また、複数個の光導波路３から発生するテラヘルツ波５を干渉させて、テラヘルツ波５のビーム形状やビーム方向を調整することも可能である。もちろん、取り出したい方向のテラヘルツ波５が干渉によって打ち消し合ってしまわないような構造にすることは言うまでもない。複数個の光導波路３の並べ方は、ｚ方向に複数並べる、ｙ方向に複数並べる、さらには非平行に並べるなど種々の方法がある。

光導波路３は図１では直線状であるが、曲線でも構わない。光導波路３に入射するレーザ光２の断面は円形状でも楕円形状であってもよい。楕円形状のレーザ光２は、例えば光導波路３の断面形状が長方形である場合などに利用される。レーザ光２の断面を楕円形状にする場合には、レーザ光２を棒状のロッドレンズを用いて集光するなどの方法がある。

結合部材４の構造について説明する。
発生したテラヘルツ波５は、結合部材４を介して外部（ここでは空間）に取り出せる。ＬＮでのレーザ光２／テラヘルツ波５の屈折率差で決まるチェレンコフ放射角は凡そ６５度である。結合部材４の材料の要件としては、光導波路３との界面でテラヘルツ波５が全反射せずに結合部材４内に進行波として取り出せること、テラヘルツ波５の損失が少ないことが挙げられる。これらの条件を満たすものとして、例えば高抵抗シリコン（Ｓｉ）が好適に用いられる。この場合、結合部材４の内部を進行するテラヘルツ波５の進行方向が光導波路３の光伝播方向（ｘ軸）となす角θ_clad（図１（ｂ）のθ参照）は凡そ４９度である。

前述したような光導波路３の横方向（z方向）の幅（これは、レーザ光２の主要な波長１．６μｍに対して、前述のように、典型的には約１６μｍ以下、望ましくは約６μｍ以下）は、テラヘルツ波５の波長と比べて小さい。例えば、結合部材４の上記材料のＳｉ（屈折率３．４２）中でのテラヘルツ波５の等価波長は、１ＴＨｚ（ピーク周波数付近に対応）で約８８μｍである。そのため、光導波路３の光伝播方向（ｘ軸）と垂直な面内において、テラヘルツ波５は、近似的ではあるが点光源から発生したとみなしてもよい。従って、ｚ方向（図１（ｃ）の左右方向）に近い角度まで、テラヘルツ波５が放射される。

以上の説明を踏まえて、テラヘルツ波５の利用効率を向上するための構造について、図３を用いて説明する。図３は光導波路３の光伝播方向（ｘ軸）と垂直な面での断面図であり、テラヘルツ波５の屈折と波面６、６’の変換の様子を示している。この断面において、結合部材４のテラヘルツ波出射面１１の曲率半径をｒ１（ここでは説明を簡易にするために一定とする）とする。また、結合部材４のテラヘルツ波出射面１１に達する箇所でのテラヘルツ波５の波面６の曲率半径をｒ２（これも説明を簡易にするために一定とする）とする。点Ａは、光導波路３から基板１の面の法線方向に伸びる線が結合部材４のテラヘルツ波出射面１１と交わる点を示す。図３（ａ）はｒ１＜ｒ２の場合、図３（ｂ）はｒ１＝ｒ２の場合、図３（ｃ）はｒ１＞ｒ２の場合に対応する。

図３（ａ）の場合、結合部材４のテラヘルツ波出射面１１から出射後のテラヘルツ波５の波面６’の曲率半径は、出射前の波面６の曲率半径よりも大きくなる。すなわち、テラヘルツ波５の発散具合は減少する。図３（ｂ）の場合、テラヘルツ波５は結合部材４のテラヘルツ波出射面１１において屈折せずに出射する。図３（ｃ）の場合、出射後のテラヘルツ波５の波面６’の曲率半径は、出射前の波面６の曲率半径よりも小さくなる。すなわち、テラヘルツ波５の発散具合が増大してしまう。図３（ａ）のような構成の採用により、ｚ軸に近い方向に放射される放射角度の大きいテラヘルツ波５をも利用することができる。これらをまとめると、点Ａでの結合部材４のテラヘルツ波出射面１１の曲率半径をｒ１、同じ点Ａにおける前記テラヘルツ波の曲率半径をｒ２として、０＜ｒ１＜ｒ２となることが必要である。さらに望ましくは、テラヘルツ波出射面１１のその他のテラヘルツ波５のパワーが大きい箇所においても、０＜ｒ１＜ｒ２となっていることが望ましい。ここで、テラヘルツ波５のパワーが大きい箇所とは、例えば、図３（ａ）の断面において、光導波路３から点Ａに向かう方向を基準として±４５度の放射角度範囲である。この値は、テラヘルツ波５の放射パターンがｚ軸方向に軸を持つ双極子放射により生成されたと考えた場合に、パワー密度が最大の放射角度と比較して半分になる放射角度に相当する。すなわち、好ましくは、光導波路の光伝播方向に垂直な面で、点Ａを通るテラヘルツ波の進行方向からの傾きが４５度より小さい範囲に伝播するテラヘルツ波に関し、テラヘルツ波出射面でテラヘルツ波の波面の曲率半径より該出射面の曲率半径が小さい。以上に説明した本実施形態の構造によって、テラヘルツ波５の利用効率を向上させることが可能となる。

前記曲率半径を定義する面として、前記光導波路の光伝播方向に垂直な方向（ｚ軸方向）と、前記光導波路の光伝播方向とのなす角がチェレンコフ角となる方向と、を含む面Ｃ（図９参照）を考えてもよい。図９において、（ａ）は光導波路３のｚ方向の中心において光導波路３の光伝播方向（ｘ軸）と基板法線方向(ｙ軸)を含む面での断面図、（ｂ）は面Ｃにおける断面図である。面Ｃにおいて、光導波路３を含み基板１の法線方向と光導波路３の光伝播方向を含む面にあるテラヘルツ波出射面上の点を点Ｂとする（図９（ｂ）参照）。このとき、面Ｃにおける結合部材４のテラヘルツ波出射面の形状は、少なくとも一部に半径rL１の円弧を含んでおり、光導波路３から該円弧までの最も長い距離をrL２としたときに、０＜rL１＜rL２となるように構成されている。つまり、前記面Ｃにおいて、結合部材のテラヘルツ波出射面は基板と接していない部分に少なくとも半径rL１の円弧部を含んでおり、光導波路から円弧部までの最も長い距離をrL２としたときに、０＜rL１＜rL２となっている。rL２は、面Ｃにおける結合部材４のテラヘルツ波出射面１１の点Ｂに達する箇所でのテラヘルツ波５の波面６の曲率半径（説明を簡易にするために一定とする）と考えることができる。ここで、前記点Ｂを通るテラヘルツ波の進行方向からの傾きが４５度より小さい範囲を前記円弧部が含む構成にすることができる。

また、結合部材の内部においてテラヘルツ波の実質的にパワーの大きい部分が伝播する距離を、テラヘルツ波の最大周波数に相当する波長の結合部材における等価波長の大きさ以上とすることができる。また、光導波路の光伝播方向に垂直な面において、次の様にできる。光導波路から基板面法線方向に伸びる線が結合部材のテラヘルツ波出射面と交わる点Ａでの該出射面の曲率半径を、テラヘルツ波伝播方向に凸な場合を正の値として、ｒ１とし、同点Ａに到達するテラヘルツ波の発生点からの伝播距離をｒM２とする。このとき、０＜ｒ１＜ｒM２とすることができる。

結合部材４や基板１の主要な部分以外の形状等に関しては、光導波路３と結合部材４の位置関係（サイズも含む）を前述のように構成して、効果を発揮できる範囲内において、種々の形態が可能である。例えば、結合部材４の形状は、テラヘルツ波５のパワーが小さい箇所についてはどのような形状でもよい。例えば、光導波路３からみてｚ軸に近い方向の面の一部分（図４の領域１０２の近傍）、レーザ光２のテラヘルツ波生成能力が光導波路５を伝播中に十分弱まってしまった箇所（図４の領域１０３の近傍）などはカットされていてもよい。レーザ光２が入射する側の結合部材４の面は、基板１の面と垂直ではなく傾いていることが望ましい。なぜならば、この面でテラヘルツ波５が反射すると、その反射角度によっては迷光となってしまうからである。例えば、この面が基板１の面の垂直方向から光導波路３の光伝播方向に１０度以上傾いていると、この面で反射するテラヘルツ波がＳｉからなる結合部材４から出射する際に全反射するので影響がないと考えられる。ただし、この面で反射せずにテラヘルツ波出射面１１に到達するテラヘルツ波５が、入射角度０度で出射する構造の場合を考える。

基板１のサイズは、光導波路３のサイズを保持できる範囲で小さくしても構わない。また、裏面（光導波路３が形成されているのと反対の面）の形状も自由である。例えば、裏面反射光が迷光となるのを防ぐために斜めカットしたり、裏面放射テラヘルツ波５を利用するためにプリズム形状、レンズ形状などを有していたりしても構わない。材料も、Ｓｉや樹脂など種々の物質を使用することが可能である。特許文献３に記載された方式では、発生した第２次高調波チェレンコフビームの発散を抑えて平行光にして装置外に出射する構成が開示されており、平行光を得るために屈折や反射を利用している。ここで、本実施形態と比較するために、本実施形態のような光導波路から発生するテラヘルツ波を結合部材であるシリコン（屈折率３.４２）から放射させるとする。特許文献３に記載された屈折を利用する場合は、出射する際にフレネル損のためパワー透過率が４０%となり垂直透過の場合の７０%より抑制されてしまう。一方、特許文献３に記載された反射を利用する場合にはテラヘルツ波が光学面２面を介して外部に放射されるために、光学面が１面だけの場合に比して、光学面の面粗さや面精度によっては散乱損失の影響が大きくなる場合があった。例として、反射面が１面増えた場合を考える。テラヘルツ波の波長が３００μm(周波数１THz)とすると、Si内部での実効波長は８７.７μm（＝３００μm/３.４２）である。一般に反射面においてλ/２０（＝４.４μm）より大きい面粗さや面精度の領域では散乱や波面歪みを考慮しなければならないことが多いが、難削材であるシリコンを円錐状に数μmの面粗さ・面精度で加工するとコストが大きくなる場合があった。テラヘルツ波の波長が６０μm（周波数５THz）ではλ/２０＝０.９μmとなり、より顕著な課題となっていた。本実施形態では、テラヘルツ波をシリコンから外部へ放射するのに透過面１面だけを介するので、散乱や波面歪みの大きさを低減することができる。

以上の様に、光導波路の構成、電気光学結晶の軸方向、結合部材の構成などを設定することで、光励起及びチェレンコフ放射によるテラヘルツ波の利用効率を向上することができる。

（実施例１）
上記実施形態１に対応するより具体的な実施例１を説明する。本実施例では、ＭｇＯドープＬＮの層（コア層）が厚さ３.８μｍ、幅５μｍで形成されている。また、幅５μｍの緩衝層（低屈折率バッファ）である上部クラッド層９が、厚さ２μｍで光学接着剤により形成されている。本実施例では、例えば７THzまで対応するとして、自由空間でのテラヘルツ波の波長はおよそ４３μｍになる。等価波長を緩衝層の屈折率１．５で除した値と仮定すると、実施形態１の所で説明したようにλ_eq/１０（＝４３/１.５/１０）の厚さ以下になるように上部クラッド層９の厚さを２μｍとしている。

更に、緩衝層上には高抵抗Ｓｉからなる結合部材４が密着している。ここでは、光導波路の光伝播方向に垂直な面において結合部材の断面形状が楕円又は円形状である。結合部材４の形状は、例えば、半頂角を３３度とする円錐形状の一部からなる。また、前記点Ａと光導波路との距離が、光導波路の伝播方向に沿って徐々に小さくなっている。光導波路３は、結合部材４の円錐の頂点と仮想的に角度７度で交わるように配置されている。すなわち、結合部材４の円錐形状の頂点において図１に示す円錐形状の軸７と光導波路３との角度が７度となっている。ここで仮想的と述べたのは、この個所で結合部材が欠けている場合もあるからである。このような結合部材４の構造は図１に模式的に示されている。ただし、上記円錐形状の軸と光導波路３とが一致していてもよい。また、上記円錐形状は、一般的には、底面が円形状である錐であり、頂点と底面の中心を結ぶ軸は底面に対して垂直であっても傾いていてもよい（この場合、斜め円錐形状）。

光導波路３の光伝播方向の長さは１０ｍｍである。レーザ光２はピーク波長１．６μｍ、パルス幅２０ｆｓ、平均パワー６０ｍＷのパルスレーザ光であり、断面直径約６μｍ（最大強度に対して１/e^２以上の強度部分の径）で光導波路３の端面に入射する。入射したレーザ光２は光導波路３をシングルモードで伝播する。レーザ光２の入射端を含み光導波路３の光伝播方向（ｘ軸）に垂直な面（ｙ−ｚ面：レーザ光２の入射面とする）において、結合部材４の断面は円となっており、その直径は２０ｍｍである。レーザ光２の入射面において光導波路３は円錐の軸７から１．９ｍｍ離れた位置にある。

このような構造にすることで、ｒ１＜ｒ２とすることができる。前述のように、ｒ１は、結合部材４のテラヘルツ波出射面１１の曲率半径である。また、ｒ２は、結合部材４のテラヘルツ波出射面１１に達する箇所でのテラヘルツ波５の波面６の曲率半径である。このようなテラヘルツ波発生素子により、テラヘルツ波の発散度を低減して、テラヘルツ波の利用効率を向上することができる。上記実施形態１の記載によると、結合部材４の形状は超半球レンズの一部をカットした形状も考えられるが、超半球レンズでは、その焦点を数１００μｍ以上外れる領域において発生するテラヘルツ波５は収差の影響で利用できなくなる。一方、本実施例の円錐状の構成では、光導波路３の光伝播方向に数ｍｍに亘って発生するテラヘルツ波５をも利用することが可能である。

（実施例２）
上記実施形態１に対応するより具体的な実施例２を説明する。本実施例では光導波路の構成は実施例１と同様である。本実施例において光導波路の光伝播方向に垂直な面において結合部材の断面形状は円形状である。結合部材４の形状は、半頂角を３１度とする円錐形状の一部からなる。また、前記点Ａと光導波路との距離が、光導波路の伝播方向に沿って徐々に小さくなっている。光導波路３は、結合部材４の円錐の頂点と仮想的に角度９度で交わるように配置されている。すなわち、結合部材４の円錐形状の頂点において円錐形状の軸７と光導波路３との角度が９度となっている。ここで仮想的と述べたのは、この個所で結合部材が欠けている場合もあるからである。レーザ光２の入射端を含み光導波路３の光伝播方向（ｘ軸）に垂直な面（ｙ−ｚ面：レーザ光２の入射面とする）において、結合部材４の断面は円となっており、その直径は１８．５ｍｍである。レーザ光２の入射面において光導波路３は円錐の軸７から２．５ｍｍ離れた位置にある。このような構造にすることで、ｒ１＜ｒ２とすることができる。前述のように、ｒ１は、結合部材４のテラヘルツ波出射面１１の曲率半径である。また、ｒ２は、結合部材４のテラヘルツ波出射面１１に達する箇所でのテラヘルツ波５の波面６の曲率半径である。このようなテラヘルツ波発生素子により、テラヘルツ波の発散度を低減して、平行光に近いテラヘルツ波を放射することができる。このような条件は、光導波路３から前記基板の面の法線方向に伸びる線において、光導波路３から円錐（結合部材４）の軸までの距離をa、円錐の軸から結合部材４のテラヘルツ波出射面１１までの距離をｂとして、a/b=０.１９と表すことができる。上記構造において、テラヘルツ波の波長（たとえば４００μm）程度の位置のずれは許容できるとすると、０.１６≦a/b≦０.２２が望ましい。テラヘルツ波の波長を３００μmとすると、０.１７≦a/b≦０.２１が望ましい。なお、実施例１の構造ではa/b=０.１５である。

（実施形態２）――楕円形状――
本発明の実施形態２を図５を用いて説明する。本実施形態では、上記実施形態１と異なり、結合部材４の形状が楕円錐の少なくとも一部を含むことが構造上の特徴である。発生したテラヘルツ波５を結合部材４のテラヘルツ波出射面１１で屈折させ、テラヘルツ波５の利用効率を向上させる思想は実施形態１と同じである。ここで、楕円錐形状は、一般的には、底面が楕円形状である錐であり、頂点と底面の中心を結ぶ軸は底面に対して垂直であっても傾いていてもよい（この場合、斜め楕円錐形状）が、ここでの楕円錐は、錐の軸に垂直な断面が楕円形状である形態である。図５はその楕円面におけるテラヘルツ波発生素子の断面図である。

楕円レンズの焦点位置（２つある楕円の焦点のうち、出射面から遠い側の焦点）にある点光源から放射される電磁波は楕円レンズによって平行光になることが一般に知られている。本実施形態の状況はその場合と異なり、チェレンコフ放射のためテラヘルツ波５は光導波路３から円錐状に放射されている。しかしながら、実施形態１で示したように光導波路３の光伝播方向に垂直な面を考えることで、楕円形状の有効性を見出すことができた。すなわち、この面において、結合部材４のテラヘルツ波の形状を楕円にし、かつ、光導波路３を楕円形状の焦点１２に置くことで、楕円形状による平行光生成が近似的に成り立つ（図５参照）。

本実施形態においては、結合部材４の楕円錐の軸に垂直な各切り口における楕円の焦点１２は直線上にあるので、その直線に一致するように光導波路３を配置するとよい。上記したようなテラヘルツ波発生素子から放射されたテラヘルツ波５の波面６’は略平面であり、特に実施例１の形状と比べて、波面の直交２方向（図５の紙面内の左右方向と紙面に垂直な方向）における曲率の差異が小さくなっている。一般的に、波面が平面であると光学的に扱いやすい。従って、本実施形態によると、テラヘルツ波の利用効率を向上するとともに、ビーム取り廻しが容易なテラヘルツ波発生素子を実現できる。

（実施形態３）
本発明の実施形態３を図６を用いて説明する。本実施形態では、光導波路３の光伝播方向（ｘ軸）と基板法線（ｙ軸）からなる面（ｘ−ｙ面）における結合部材４の形状を規定する。この面において、結合部材４の出射面１１に到達するテラヘルツ波５の波面６の曲率半径をｒ_Ａ２、結合部材４の出射面１１の曲率半径をｒ_Ａ１としたときに、ｒ_Ａ１＜ｒ_Ａ２とすることが構造上の特徴である。これにより、ｘ−ｙ面においてもテラヘルツ波５の発散具合を低減させて出射させることができる。このような構造は、光導波路３の光伝播方向（ｘ方向）におけるテラヘルツ波５の発生領域の実質的なサイズ１３（図６参照）が小さく、伝播するにつれて発散光とみなせるようになる場合に有効である。

このような状況に該当するケースとして、例えば、非常に短パルスなレーザ光２（例えば、＜１０ｆｓ）を入射させる場合がある。光導波路３を伝播するにつれてＬＮの材料分散などによりレーザ光２のピーク値が減少するが、短パルス（広スペクトル幅）の場合には特にその減少度合いが大きい。発生するテラヘルツ波５のパワーは非線形効果により原理的にはレーザ光２のピーク値の２乗に比例すると考えられるため、レーザ光２が光導波路３を伝播するにつれ、テラヘルツ波５の発生パワーは減少する。このような効果により、ｘ−ｙ面におけるテラヘルツ波５の実質的な発生領域のサイズが小さくなることがある。また、テラヘルツ波５の発生に関与しない非線形効果が強く起こり、エネルギーがテラヘルツ波５に関連する周波数以外の電磁波に変換されてしまうことがある。こうした場合や、光導波路３におけるレーザ光２の閉じ込めが良くない場合などにおいても、テラヘルツ波５の実質的な発生領域が小さくなることも考えられる。

以上ではテラヘルツ波５の発生領域のサイズについて説明したが、テラヘルツ波５の発生箇所と結合部材４のテラヘルツ波出射面１１との距離によっては十分発散光となる前に該出射面に到達することも考え得る。これらの関係は、テラヘルツ波５がガウシアン分布の平行光で発生すると仮定してテラヘルツ波５のレイリーレンジを考えることにより、或る程度整理して表すことができる。ここで、レイリーレンジとは、曲率半径無限大で発生したガウシアンビームのビーム径が発生箇所での値から√２倍までに広がる距離とする。例えば、テラヘルツ波５の発生領域のサイズを０．５ｍｍ（パワー１/e^２全幅）、波長を３００μｍ、伝播媒体をＳｉ（屈折率３．４２）とすると、レイリーレンジは約２ｍｍになる。この値と比べてテラヘルツ波５の発生箇所と結合部材４のテラヘルツ波出射面１１との距離が大きい場合、例えば１０ｍｍの場合、テラヘルツ波５はテラヘルツ波出射面１１付近において発散光に近いと考えてよい。このケースでは、１０ｍｍ伝播後のテラヘルツ波５の曲率半径は約１１ｍｍである。従って、ｘ−ｙ面における結合部材４の曲率半径を１１ｍｍより小さく設定すると良い。

なお、光導波路３の光伝播方向（ｘ方向）におけるテラヘルツ波５の発生領域の実質的なサイズ１３は、光導波路３の横方向（ｚ方向）におけるテラヘルツ波５の発生領域のサイズより大きいケースが多いと考えられる。この場合、本実施形態で説明したｘ−ｙ面における結合部材４の出射面の曲率半径は、ｙ−ｚ面における曲率半径より一般的には大きい値となる。すなわち、結合部材４の曲率はｘ−ｙ面とｙ−ｚ面で異なることになる。

本実施形態によると、ｘ−ｙ面におけるテラヘルツ波が発散光とみなすことができる場合、テラヘルツ波の利用効率を向上させることができる。

（実施形態４）――差周波方式――
これまでは、主に、レーザ光にフェムト秒レーザを用いてテラヘルツ波発生素子の光導波路に入射させ、光導波路において光整流によりテラヘルツ波パルスを発生させる例を説明してきた。これに対して、実施形態４では、２つの異なる発振周波数ν１、ν２を持つレーザ光を入射させ、差周波に相当する単色のテラヘルツ波を出射する。レーザ光源としては、Nd:YAGレーザ励起のKTP-OPO（Optical-Parametric-Oscillator）光源（これは２波長の光を出力する）や、２台の波長可変レーザダイオードを用いることができる。構造としては、上記実施形態１の図１のようなものを用いることができるが、実施形態４では、テラヘルツ波の出力を大きくするために導波路長（ｘ方向）をより長くしてもよい。例えば、導波路長を４０ｍｍとすることができる。この場合、発生するテラヘルツ波５を多く利用できるように、結合部材４のサイズも導波路長に合わせて大きくすると良い。

本実施形態において、入射する光の周波数差を例えば０.５THzから７THzとしたとき、その範囲で放射テラヘルツ波の周波数を可変にできる。本実施形態では、特定のテラヘルツ帯の周波数で検査やイメージングを行う応用、例えば、医薬品の特定物質の吸収スペクトルに周波数を合わせてその物質の含有量を調べるなどの検査が可能となる。

（実施形態５）――トモグラフィ装置――
上記素子をテラヘルツ波発生手段として用いて構成したテラヘルツ時間領域分光システム（THz-TDS）によるトモグラフィ装置の例を図７（a）に示す。ここでは、励起光源として光ファイバを含むフェムト秒レーザ２０を用い、分岐器２１を介してファイバ２２及びファイバ２３から出力を取り出す。典型的には、中心波長１.５５μｍでパルス幅２０ｆｓ、繰り返し周波数５０MHzのものを用いたが、波長は１.０６μｍ帯などでもよく、パルス幅、繰り返し周波数はこれらの値に限らない。また、出力段のファイバ２２、２３は、最終段の高次ソリトン圧縮のための高非線形ファイバや、テラヘルツ波発生器及び検出器までに至る光学素子等による分散を補償するためのプリチャープを行う分散ファイバを含んでいてもよい。これらは偏波保持ファイバであることが望ましい。

テラヘルツ波発生側のファイバ２２からの出力は、前述した本発明によるテラヘルツ波発生素子２４（チェレンコフ型の位相整合方式の素子２４）の光導波路３に結合させる。その際、ファイバ先端にはセルフォック（登録商標）レンズを集積化させたり、先端を加工したピッグテール型としたりして、出力が素子２４の光導波路の開口数（ＮＡ）以下になる様に構成して結合効率を上げることが望ましい。勿論、レンズ（不図示）を用いて空間結合にしてもよい。これらの場合に、それぞれの端部に無反射コーティングを施せば、フレネルロスの低減、不要な干渉ノイズの低減につながる。若しくは、ファイバ２２と素子２４の光導波路のＮＡ及びモードフィールド径が近くなる様に設計すれば、突き当てによる直接結合（バットカップリング）として接着してもよい。この場合は、接着剤を適切に選ぶことで、反射による悪影響を低減することができる。なお、前段のファイバ２２やファイバレーザ２０で、偏波保持でないファイバ部分が含まれる場合、インライン型の偏波コントローラによりチェレンコフ放射型素子２４への入射光の偏波を安定化させることが望ましい。ただし、励起光源はファイバレーザに限るものではなく、その場合には偏波の安定化などのための対策は軽減される。

発生したテラヘルツ波は、周知のTHz-TDS法による構成によって検出される。即ち、放物面鏡２６aによって平行ビームにしてビームスプリッタ２５で分岐し、一方は、放物面鏡２６ｂを介してサンプル３０に照射する。サンプル３０から反射されたテラヘルツ波は放物面鏡２６ｃで集光され、光伝導素子による検出器２９に到達し受信される。光伝導素子は、典型的には低温成長GaAsにダイポールアンテナを形成したものを用い、光源２０が１.５５μｍであれば、不図示のSHG結晶を用いて倍波を生成して検出器２９のプローブ光とする。このとき、SHG結晶としては、パルス形状を維持するために、０.１ｍｍ程度の厚さのPPLN（周期的極性反転リチウムナイオベイト）を用いることが望ましい。光源２０が１μｍ帯の場合には、InGaAs単層或いはMQWで構成した光伝導素子の検出器２９において、倍波を生成することなく、基本波をプローブ光に利用することが可能である。本装置では、プローブ光側には例えばオプティカルチョッパー３５を入れて変調し、チョッパーを駆動する変調部３１と検出器２９から増幅器３４を介して検出信号を取得する信号取得部３２とを用いて同期検波できる様に組まれている。そして、データ処理・出力部３３では、PCなどを用いて遅延部である光学遅延器２７を移動させながらテラヘルツ信号波形を取得する様になっている。遅延部２７は、発生手段（発生部）である素子２４におけるテラヘルツ波発生時と検出手段（検出部）である検出器２９におけるテラヘルツ波検出時との間の遅延時間を調整できれば、どの様なものでもよい。以上に述べた様に、本装置は、テラヘルツ波を発生するための本発明のテラヘルツ波発生素子を含む発生手段と、発生手段から放射されたテラヘルツ波を検出するための検出手段と、遅延部を備える。そして、この装置は、検出手段が、発生手段から放射されサンプルで反射されて来たテラヘルツ波を検出し、サンプルからの反射光を分析することでサンプルの内部構造をイメージングするトモグラフィ装置として構成されている。

図７に図示の系では、測定対象であるサンプル３０からの反射波と照射テラヘルツ波は同軸であり、ビームスプリッタ２５の存在でテラヘルツ波のパワーは半減する。よって、ミラー２６の数を増やして非同軸の構成にし、サンプル３０への入射角が９０度でなくなるものの、テラヘルツ波のパワーを増やす様にしてもよい（図７（ｂ）参照）。

サンプル３０の内部に材料の不連続部があれば、取得する信号において、不連続部に相当する時間位置に反射エコーパルスが現れ、サンプル３０を１次元でスキャンすれば断層像が得られ、２次元スキャンすれば３次元像を得ることができる。本実施形態において、前述したような発生部２４を用いてパワーの大きいテラヘルツ波ビームを使用することで、トモグラフィ測定においてＳＮ比を向上することができる。また、モノパルスで３００ｆｓ以下の比較的細いテラヘルツ波パルスを得ることができるので、奥行き分解能を向上させられる。更に、ファイバを用いた励起レーザを照射手段とできるので、装置の小型、低コスト化が可能となる。ここでは、材料としてＬＮ結晶を用いたが、その他の電気光学結晶として、背景技術のところで述べたLiTaO_x、NbTaO_x、KTP、DAST、ZnTe、GaSe、GaP、CdTeなどを用いることもできる。このとき、ＬＮではテラヘルツ波と励起光に対して背景技術で説明した屈折率差がありノンコリニアで発生するテラヘルツ波が取り出せるが、他の結晶では必ずしも差が大きくないので、取り出しが難しい場合がある。しかし、電気光学結晶よりも大きい屈折率を持つプリズム（たとえばＳｉ）を用いればチェレンコフ放射の条件（v_THz＜v_g）を満たし、テラヘルツ波を外部に取り出すことができる。

（実施形態６）――検出素子――
実施形態６では、実施形態１から４に記載の素子と同様の素子をテラヘルツ波の検出素子として機能させるものである。本実施形態のテラヘルツ波検出素子について、図８を用いて説明する。図８において、（ａ）は光導波路３の光伝播方向（ｘ軸）と基板法線(ｙ軸)を含む面での断面図、（ｂ）は光導波路３の光伝播方向（ｘ軸）と垂直な面での断面図である。光導波路３や結合部材４の構成については実施形態１から４と同様の構成とすることができる。ここでは、レーザ光２をこれまでの実施形態や実施例とは反対側の光導波路３の端面から入射させる。その際、レーザ光２の偏波は直線偏光で、光導波路３を構成するＬＮ結晶のZ軸からY軸方向に或る角度で傾けて（例えば４５度）入射させる。その場合、光導波路３から出射されたレーザ光２の電界のZ軸成分とY軸成分には電気光学結晶の複屈折性によって位相差が生じ、楕円偏波となって伝播する。このような自然複屈折による位相差は結晶の種類や入射偏波方向、光導波路長さによって異なり、位相差ゼロの構成にすることもできる。

図８（ａ）に示すように、テラヘルツ波５が結合部材４のテラヘルツ波入射面１２（実施形態１などにおけるテラヘルツ波出射面１１に相当）から入射すると、次の様にできる。すなわち、テラヘルツ波発生の逆過程で、光導波路３を伝播するレーザ光２とテラヘルツ波５の相互作用を光導波路全体に亘って行わせることが可能となる。相互作用としては、テラヘルツ波５の電磁界が電気光学結晶に与える１次電気光学効果（ポッケルス効果、即ち２次非線形過程の一種の効果）により、光導波路３のZ軸の屈折率が変化して伝播光の偏波状態が変化することである。具体的にはレーザ光２の電界のZ軸成分とY軸成分の位相差が誘導複屈折により変化し、光導波路３から出射するレーザ光２の楕円偏波の楕円率や主軸の方向が変化する。このレーザ光２の伝播状態の変化を外部の偏光素子及び光検出器（不図示）で検出すれば、テラヘルツ波５の電界振幅の大きさを検出できることになる。例えば、ウォラストンプリズムで２つの偏光を分離して、２つの光検出器の差動増幅によりS/N比を向上しつつ検出してもよい。差動増幅は必須のものではなく、偏光板を利用して１つの光検出器のみで強度を検出してもよい。前記自然複屈折の補償のために位相補償板（λ/４板など）を光導波路３の出射端と偏光素子との間に追加してもよい。

図８（ｂ）に示す光導波路３の光伝播方向（ｘ軸）と垂直な断面では、テラヘルツ波５は結合部材４のテラヘルツ波入射面１２において屈折し、波面６’より曲率半径が小さい波面６となる。これにより、テラヘルツ波５が光導波路３に集光され、テラヘルツ波５の受光効率を向上させることができる。結合部材４のテラヘルツ波入射面１２の形状は、実施形態１から４で説明したように種々の形状が可能である。検出素子に入射するテラヘルツ波５の形状に合わせてテラヘルツ波入射面１２の形状を設計してもよい。テラヘルツ波入射面１２の形状を、例えば、加工しやすい形に決めてしまい、その形状により、効率良く受光できるように、入射させるテラヘルツ波５の形状のほうを外部の光学素子により調整することも考えられる。

以上に述べた様に、本実施形態のテラヘルツ波検出素子では、次の様になっている。前記点Ａでの結合部材のテラヘルツ波入射面の曲率半径を、テラヘルツ波の伝播方向に凸な場合を負の値として、ｒ１とし、同じ点Ａにおけるテラヘルツ波の波面の曲率半径をｒ２として、０＜ｒ１＜ｒ２となっている。そして、光導波路の光伝播方向に垂直な面において結合部材の断面形状が楕円又は円形状であったりする。また、結合部材の形状が円錐形状又は楕円錐形状の少なくとも一部を含んだり、結合部材の形状が斜め円錐形状又は斜め楕円錐形状の少なくとも一部を含んだり、結合部材の形状が放物面形状の少なくとも一部を含んだりする。

このように検出器として本発明の素子を用いることで、テラヘルツ波５の受光効率を向上して検出を行うことができる。本検出素子を光検出手段として用いて、これまでの実施形態で説明したようなテラヘルツ時間領域分光装置及びトモグラフィ装置を構築することも可能である。その際の発生素子は、本発明の発生素子のようなチェレンコフ型の位相整合方式を使用した素子でもよいし、従来の光伝導素子等を用いた発生素子などでもよい。

本実施形態では、光導波路３へのレーザ光２の入射を、発生素子の場合とは逆側の端部より行ったが、発生素子の場合と同じ側から入射してもよい。その場合は、整合する長さが小さくなるため信号強度が小さくなる。また、レーザ光２はパルスでも、実施形態４のように２つの周波数のレーザ光でもよい。２つの周波数のレーザ光を入射させる場合、それらの差周波成分の単色のテラヘルツ波を検出することができる。２つのレーザ光の周波数差を変化させれば、所望の周波数のテラヘルツ波の電界振幅を検出することができる。テラヘルツ波の検出の仕方としては、結合したテラヘルツ波による１次電気光学効果で光の偏波状態が変化する現象を検出する方式について述べた。しかし、光の伝播状態の変化として光導波路を伝播する光の位相変化や、光導波路を伝播する光の周波数と結合したテラヘルツ波の周波数の差周波の光信号を検出する、すなわち光のビート信号を検出する方式でもよい。

以上、本発明の実施形態と実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態や実施例に限定されない。その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。また、本明細書と図面に説明した技術要素は、単独で或いは各種の組合せによって技術的な有用性を有し、本発明の範囲は下記の請求項に記載の組合せに限定されない。また、本明細書と図面に例示した技術は、複数目的を同時に達成できるものであり、そのうちの一つの目的を達成するのみでも技術的な有用性を有する。

１・・基板、２・・光、３・・光導波路、４・・結合部材、５・・テラヘルツ波、６、６’・・テラヘルツ波の波面、８・・コア層、９、１０・・クラッド層、１１・・結合部材のテラヘルツ波出射面、１２・・テラヘルツ波入射面

Claims (29)

1. 電気光学結晶のコア層を含み基板に形成された光導波路と、前記光導波路を光が伝播することで前記光導波路から発生するテラヘルツ波を空間に取り出す結合部材と、を備えるテラヘルツ波発生素子であって、
   前記光導波路の光伝播方向に垂直な面において、前記光導波路から前記基板の面の法線方向に伸びる線が前記結合部材のテラヘルツ波出射面と交わる点Ａでの前記結合部材のテラヘルツ波出射面の曲率半径を、前記テラヘルツ波の伝播方向に凸な場合を正の値として、ｒ１とし、同じ点Ａにおける前記テラヘルツ波の波面の曲率半径をｒ２として、０＜ｒ１＜ｒ２となっていることを特徴とするテラヘルツ波発生素子。
2. 前記光導波路の光伝播方向に垂直な面において、前記点Ａを通るテラヘルツ波の進行方向からの傾きが４５度より小さい範囲に伝播するテラヘルツ波に関し、前記結合部材のテラヘルツ波出射面において前記テラヘルツ波の波面の曲率半径より前記結合部材のテラヘルツ波出射面の曲率半径が小さいことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生素子。
3. 前記光導波路の光伝播方向に垂直な面において前記結合部材の断面形状が円形又は楕円形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のテラヘルツ波発生素子。
4. 前記光導波路の光伝播方向に垂直な面において前記結合部材の断面形状が楕円であり、前記光導波路が前記楕円の焦点に位置することを特徴とする請求項３に記載のテラヘルツ波発生素子。
5. 前記結合部材の形状は円錐形状又は楕円錐形状の少なくとも一部を含むことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。
6. 前記結合部材のテラヘルツ波出射面の前記点Ａと前記光導波路との距離が、前記結合部材のテラヘルツ波出射面の前記点Ａと前記結合部材の円錐形状又は楕円錐形状の軸との距離より大きいことを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ波発生素子。
7. 前記結合部材の形状が円錐形状の少なくとも一部を含み、
   前記光導波路から前記基板の面の法線方向に伸びる線において、前記光導波路から前記結合部材の円錐形状の軸までの距離をa、前記結合部材の円錐形状の軸から前記結合部材の前記テラヘルツ波出射面までの距離をｂとして、０.１６≦a/b≦０.２２となることを特徴とする請求項６に記載のテラヘルツ波発生素子。
8. 前記結合部材の形状は、斜め円錐形状又は斜め楕円錐形状の少なくとも一部を含むことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。
9. 前記結合部材の形状は放物面形状の少なくとも一部を含むことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。
10. 前記光導波路の光伝播方向と前記基板の面の法線方向を含む面の前記点Ａにおける前記結合部材のテラヘルツ波出射面の曲率半径をｒ_Ａ１とし、前記点Ａへ到達するテラヘルツ波の波面の曲率半径をｒ_Ａ２として、ｒ_Ａ１＜ｒ_Ａ２であることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。
11. 前記点Ａと前記光導波路との距離が、前記光導波路の光伝播方向に沿って徐々に小さくなることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。
12. 前記光導波路の光伝播方向と前記基板の面の法線方向の両方向に垂直な方向における前記光導波路の幅が、前記光に含まれる主要な波長の１倍から１０倍の範囲にあることを特徴とする請求項１から１１の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。
13. 前記基板の面の法線方向の前記光導波路の高さが、前記テラヘルツ波に含まれる主要な波長の１/１０以下であることを特徴とする請求項１から１２の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。
14. 前記光導波路を伝播する前記光はシングルモードであることを特徴とする請求項１から１３の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。
15. 前記光導波路は、前記光に対してコアとなるコア層と、前記光に対してクラッドとなるクラッド層と、を有し、
    前記クラッド層は、前記結合部材と前記コア層に挟まれており、
    前記クラッド層の厚さｄは、前記光の光強度が前記コア層における光強度の１／ｅ^２（ｅは自然対数の底）になる厚みをａ、前記テラヘルツ波の最大周波数に相当する波長の前記クラッド層における等価波長をλ_ｅｑとしたとき、
    ａ＜ｄ＜λ_ｅｑ／１０
    を満たすことを特徴とする請求項１から１４の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。
16. 前記光導波路のコア層の厚さは、前記テラヘルツ波の最大周波数に相当する波長の前記コア層における等価波長の半分以下であることを特徴とする請求項１から１５の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。
17. 前記結合部材の内部において前記テラヘルツ波のパワーの大きい部分が伝播する距離は、前記テラヘルツ波の最大周波数に相当する波長の前記結合部材における等価波長の大きさ以上であることを特徴とする請求項１から１６の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。
18. 電気光学結晶のコア層を含み基板に形成された光導波路と、前記光導波路を光が伝播することで前記光導波路から発生するテラヘルツ波を空間に取り出す結合部材と、を備えるテラヘルツ波発生素子であって、
    前記光導波路の光伝播方向に垂直な面において、前記光導波路から前記基板の面の法線方向に伸びる線が前記結合部材のテラヘルツ波出射面と交わる点Ａでの前記結合部材のテラヘルツ波出射面の曲率半径を、前記テラヘルツ波の伝播方向に凸な場合を正の値として、ｒ１とし、同じ点Ａに到達する前記テラヘルツ波の発生点からの伝播距離をｒM２として、０＜ｒ１＜ｒM２となっていることを特徴とするテラヘルツ波発生素子。
19. 電気光学結晶のコア層を含み基板に形成された光導波路と、前記光導波路を光が伝播することで前記光導波路から発生するテラヘルツ波を空間に取り出す結合部材と、を備えるテラヘルツ波発生素子であって、
    前記光導波路の光伝播方向に垂直な方向と、前記光導波路の光伝播方向とのなす角がチェレンコフ角となる方向と、を含む面Ｃにおいて、前記結合部材のテラヘルツ波出射面は前記基板と接していない部分に少なくとも半径rL１の円弧部を含んでおり、前記光導波路から前記円弧部までの最も長い距離をrL２としたときに、０＜rL１＜rL２となっていることを特徴とするテラヘルツ波発生素子。
20. 前記光導波路から前記基板の面の法線方向に伸びる線が、前記面Ｃにおいて、前記結合部材のテラヘルツ波出射面と交わる点を点Ｂとし、前記点Ｂを通るテラヘルツ波の進行方向からの傾きが４５度より小さい範囲を前記円弧部が含むことを特徴とする請求項１９に記載のテラヘルツ波発生素子。
21. 電気光学結晶のコア層を含み基板に形成された光導波路と、前記光導波路を光が伝播することで前記光導波路から発生するテラヘルツ波を空間に取り出す結合部材と、を備えるテラヘルツ波発生素子であって、
    前記結合部材の形状は、前記光導波路の光伝播方向に垂直な面において、前記結合部材から出射するテラヘルツ波の波面の曲率半径を出射後に出射前より増加させるように構成されていることを特徴とするテラヘルツ波発生素子。
22. 前記結合部材を出射後の前記テラヘルツ波は略平面波であることを特徴とする請求項２１に記載のテラヘルツ波発生素子。
23. 電気光学結晶のコア層を含み基板に形成された光導波路と、入射したテラヘルツ波を前記光導波路に結合させる結合部材と、を備え、前記光導波路の電気光学結晶の結晶軸は、該光導波路に前記テラヘルツ波が入射することで、前記光導波路を伝播する光の伝播状態が変化する様に設定されているテラヘルツ波検出素子であって、
    前記光導波路の光伝播方向に垂直な面において、前記光導波路から前記基板の面の法線方向に伸びる線が前記結合部材のテラヘルツ波出射面と交わる点Ａでの前記結合部材のテラヘルツ波入射面の曲率半径を、前記テラヘルツ波の伝播方向に凸な場合を負の値として、ｒ１とし、同じ点Ａにおける前記テラヘルツ波の波面の曲率半径をｒ２として、０＜ｒ１＜ｒ２となっていて、
    前記光導波路の光伝播方向に垂直な面において前記結合部材の断面形状が円形又は楕円形状であることを特徴とするテラヘルツ波検出素子。
24. 電気光学結晶のコア層を含み基板に形成された光導波路と、入射したテラヘルツ波を前記光導波路に結合させる結合部材と、を備え、前記光導波路の電気光学結晶の結晶軸は、該光導波路に前記テラヘルツ波が入射することで、前記光導波路を伝播する光の伝播状態が変化する様に設定されているテラヘルツ波検出素子であって、
    前記光導波路の光伝播方向に垂直な面において、前記光導波路から前記基板の面の法線方向に伸びる線が前記結合部材のテラヘルツ波出射面と交わる点Ａでの前記結合部材のテラヘルツ波入射面の曲率半径を、前記テラヘルツ波の伝播方向に凸な場合を負の値として、ｒ１とし、同じ点Ａにおける前記テラヘルツ波の波面の曲率半径をｒ２として、０＜ｒ１＜ｒ２となっていて、
    前記結合部材の形状は円錐形状又は楕円錐形状の少なくとも一部を含むことを特徴とするテラヘルツ波検出素子。
25. 電気光学結晶のコア層を含み基板に形成された光導波路と、入射したテラヘルツ波を前記光導波路に結合させる結合部材と、を備え、前記光導波路の電気光学結晶の結晶軸は、該光導波路に前記テラヘルツ波が入射することで、前記光導波路を伝播する光の伝播状態が変化する様に設定されているテラヘルツ波検出素子であって、
    前記光導波路の光伝播方向に垂直な面において、前記光導波路から前記基板の面の法線方向に伸びる線が前記結合部材のテラヘルツ波出射面と交わる点Ａでの前記結合部材のテラヘルツ波入射面の曲率半径を、前記テラヘルツ波の伝播方向に凸な場合を負の値として、ｒ１とし、同じ点Ａにおける前記テラヘルツ波の波面の曲率半径をｒ２として、０＜ｒ１＜ｒ２となっていて、
    前記結合部材の形状は、斜め円錐形状又は斜め楕円錐形状の少なくとも一部を含むことを特徴とするテラヘルツ波検出素子。
26. 電気光学結晶のコア層を含み基板に形成された光導波路と、入射したテラヘルツ波を前記光導波路に結合させる結合部材と、を備え、前記光導波路の電気光学結晶の結晶軸は、該光導波路に前記テラヘルツ波が入射することで、前記光導波路を伝播する光の伝播状態が変化する様に設定されているテラヘルツ波検出素子であって、
    前記光導波路の光伝播方向に垂直な面において、前記光導波路から前記基板の面の法線方向に伸びる線が前記結合部材のテラヘルツ波出射面と交わる点Ａでの前記結合部材のテラヘルツ波入射面の曲率半径を、前記テラヘルツ波の伝播方向に凸な場合を負の値として、ｒ１とし、同じ点Ａにおける前記テラヘルツ波の波面の曲率半径をｒ２として、０＜ｒ１＜ｒ２となっていて、
    前記結合部材の形状は放物面形状の少なくとも一部を含むことを特徴とするテラヘルツ波検出素子。
27. テラヘルツ波を発生するための発生手段と、
    前記発生手段から放射されたテラヘルツ波を検出するための検出手段と、
    前記発生手段におけるテラヘルツ波発生時と前記検出手段におけるテラヘルツ波検出時との間の遅延時間を調整するための遅延部と、
    を備えたテラヘルツ時間領域分光装置であって、
    前記発生手段が、請求項１〜２２の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生素子を含むことを特徴とする装置。
28. テラヘルツ波を発生するための発生手段と、
    前記発生手段から放射されたテラヘルツ波を検出するための検出手段と、
    前記発生手段におけるテラヘルツ波発生時と前記検出手段におけるテラヘルツ波検出時との間の遅延時間を調整するための遅延部と、
    を備えたテラヘルツ時間領域分光装置であって、
    前記検出手段が、請求項２３〜２６の何れか１項に記載のテラヘルツ波検出素子を含むことを特徴とする装置。
29. 前記検出手段は、前記発生手段から放射されサンプルで反射されて来たテラヘルツ波を検出し、
    前記サンプルからの反射光を分析することでサンプルの内部構造をイメージングするトモグラフィ装置として構成されていることを特徴とする請求項２７又は２８に記載の装置。

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