JP2015049096A - 偏光感受性テラヘルツ波検出器 - Google Patents
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現在利用されているテラヘルツ波用の検出器はダイポール型であり、入射光の偏光状態を1回で測定することはできない。そこで、偏光状態を測定するには、機械的に検出器を回転させ、複数回の計測を行う必要がある。
ところが、実際の材料では組織の異方性などにより、透過波は偏光してしまうことが多い。従来のダイポール型検出器では、この偏光状態の変化について知ることが出来ず、単に透過波の強度低下という解釈になってしまう。そこで、従来のダイポール型検出器では、組織としては同じで、結晶や繊維の方向が異なっているだけである類型を区別できないという課題がある。なお、ダイポール型であっても、検出器を少しずつ回転させて、同じサンプルに対し、何度もスキャンすることで、そのような情報を得ることは可能ではあるが、スキャンにも時間がかかるため現実的ではない。
本発明は、物質内の組織の違いから、透過率や吸光率の差を測定し、これらを可視化する場合等に好適な、テラヘルツ時間領域分光分析用の偏光感受性テラヘルツ波検出器を提供することを目的とする。
テラヘルツ放射を伴う4電極検出器の照射によって、2つの独立した電流計のAチャネルとBチャネルからの信号の測定値が電界偏光角aに依存することになる。例えば、時間領域差分法(Finite-difference time-domain method; FDTD法)シミュレーションによると、直線偏光平面波入射に対する検出器の中心の周りの電界強化のマップを示している(a=0°と瞬間的充電のE0ベクトル方向を参照)。検出器の性能とそのスペクトル応答は、特定の電極形状に決定的に依存する。
周波数領域モニタは電極チップの間にある検出器中心に配置してある(図2参照)。図3では、4電極検出器の周波数応答が、任意の入射偏光角で同じことを示している。これは、検出器の中心の場合にのみ真である。したがって、検出器の設置には、レーザープローブフォーカスがタイトで、光学アライメントも厳密に一致していることが必要とされる。図3から、図2に示す4電極検出器の最も敏感なスペクトル範囲は、0.1〜1.5テラヘルツまでである。このスペクトル範囲は、4電極検出器の幾何学的形状を変えて、FDTDを再設計することで、適宜に調整できる。
検出器のテストでは、テラヘルツ波エミッタからの初期テラヘルツ放射Ioの偏光特性がP1ワイヤグリッド偏光板と線形偏光に設定されている。そして、第2の同一の偏光P2は、マルスの法則によって定義された角度に放射線透過I1の偏光を回転させるために使用される。最後に、入射放射線I2の偏光角aは4接点テラヘルツ検出器で検出される。実際の用途では、試料Sの代わりに透過または反射の照射/検出ジオメトリでP2を用いている。
(i)フォトリソグラフィによって、LT−GaAsの表面上にマスクパターンに応じた積層パターンを形成する。
(ii)電極材料を、例えば金属電子ビーム蒸着を用いて、ウェハ上に積層する。
(iii)リフトオフプロセスにより、余剰となる層を除去して、所望の配線パターンをえる。
電極は5/150nm厚さのチタン/Auの非アニール層である。LT−GaAsの表面には、成長欠陥として、楕円形の欠陥が生じることがある。GaAs層の電気光学特性について、これらの成長欠陥の影響はほとんど無視できる。
そして、ベクトルプロットの中心に、タイトなレーザスポットを配置することによって、このスポットの内部で生成されたキャリアが主に対向電極間の電界ベクトルに沿って駆動され、その結果、隣り合う電極間のクロストークが最小限になる。したがって、これらのFDTDシミュレーションによると、最高の検出器の性能のためにレーザープローブビームがしっかり検出器中心に正確に焦点をあわせる必要があること、すなわちボケによってその性能が低下することを、直近の実験観察で確認した。
1:本発明の検出器は、適切に調整することで、任意の市販THz−TDSシステムで使用できる。
2:AとBの検出器回路の読み取りに同時に2台のロックインを使用し、またはAとBチャネルの記録を単一のロックイン増幅器を用いて、偏光測定の簡単な実験的決定ができる。
3:適切な光学的アライメントを使用すると、検出器の応答は、A/Bチャンネル間のクロストークが低いと共に線形である。
4:偏角の測定における電流誤差は約0.4°であるが、さらなる精度向上が可能である。
5:FDTDモデリングから、よく使用する特定のテラヘルツ放射のスペクトルシグネチャと一致するように検出器の幾何学的形状を適宜に再設計できる。
7:初期セットアップ時における、レーザ光照射による燃焼と静電放電に対する検出器のロバスト性は、トレンチをあけることによって改善することができる。
また、偏光感受性テラヘルツ波検出器のアンテナ形状として蝶ネクタイ型を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、受信する周波数帯域が広帯域であれば任意の形状を選択することができる。
1 フェムト秒パルスレーザー
2 ビームスプリッター
3 ポンプ光
4a、4b レンズ
5a、5b 光伝導性アンテナ
7 軸外パラボラミラー
8a、8b シリコンレンズ
11 プローブ光
15 電流アンプ
601 蝶ネクタイ型フレアの長さ
602 蝶ネクタイ型フレアの先端鋭さ
603 蝶ネクタイ型フレア角度
604 蝶ネクタイ型フレアの分離距離
605 導線幅
606 蝶ネクタイ型フレアの先端コーナー半径
Claims (2)
- 蝶ネクタイ型(bowie-tie)アンテナフレア対を複数有する偏光感受性テラヘルツ波検出器であって、
前記蝶ネクタイ型フレアの長さは、0.03〜0.150mmであり、
前記蝶ネクタイ型フレアの先端鋭さは、0.001〜0.006mmであり、
前記蝶ネクタイ型フレア角度は10〜45°であり、
前記蝶ネクタイ型フレアの分離距離は、0.006〜0.01mmであることを特徴とする偏光感受性テラヘルツ波検出器。 - フェムト秒レーザパルスを発生するフェムト秒パルスレーザーと、
当該フェムト秒レーザパルスをポンプ光とプローブ光に分割するビームスプリッターと、
測定対象サンプルを挟んで設けられると共に、所定電圧でバイアスされた一対のアンテナ電極であって、前記測定対象サンプルに当該ポンプ光が入射されて、当該測定対象サンプルを透過するテラヘルツ波を前記アンテナ電極の一方が受信するものであり、
前記一対のアンテナ電極の隙間から放射された広帯域テラヘルツ波を受信すると共に、前記プローブ光を受信する光伝導アンテナであって、当該光伝導アンテナは前記アンテナ電極の一方であるテラヘルツ時間領域分光器であって、
前記光伝導アンテナは受信する周波数帯域が広帯域であると共に偏光角度の感度が高いアンテナ形状を有することを特徴とするテラヘルツ時間領域分光器。
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