JP2017044641A - 偏光可変エミッタ、これを用いたテラヘルツ時間領域分光装置、および偏光可変エミッタのバイアス分布を決定する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】データ収集時間を改善し、光学セットアップを簡素化できるテラヘルツ時間領域分光分析用の偏光可変エミッタを提供すること。
【解決手段】基板２０と、基板２０上に形成された二以上の対を有する対向電極（２１ａ、２１ｂ）であって、当該対向電極は対をなす対向電極の電極先端部に対して光伝導ギャップ２５を設けた状態で対向する電極先端部（２１ａ１、２１ｂ１）を有する前記対向電極と、前記対をなす対向電極の電極先端部に光伝導ギャップ２５を横切ってバイアス電圧を印加するための電極パッド２３と、光伝導ギャップ２５を保持する基板２０の光伝導性材料からなる領域とを備え、電極パッド２３の各々に対して、光伝導ギャップ２５を透過する光の偏光状態を変化させるバイアス電圧を印加するように構成される。
【選択図】図４

Description

本発明は、偏光可変エミッタに関し、特に特定の中心周波数における広帯域ＴＨｚ放射を生成するために適切な、偏光可変エミッタに関する。
また、本発明は、テラヘルツ時間領域分光方法（Terahertz time-domain spectroscopy：ＴＨｚ−ＴＤＳ）に関する。
また、本発明は、直線偏光発光を生成し、検出するための偏光可変エミッタのバイアス分布を決定する方法に関する。

材料特性の非破壊検査（ＮＤＴ）は、信頼性の重要な課題である。他の非破壊検査方法と比較しても、偏光に敏感なテラヘルツ時間領域分光装置は、以下の独自のユニークな利点がある。
１）非イオン化と損傷を与えない性質;
２）周囲条件での操作;
３）誘電特性の情報への到達性;
４）プラスチック、セラミックス、複合材料、有機材料への高い透過性;これらは紫外線、可視光及び赤外光について不透明である。
５）空間光学的分解能がサブミリメートルであること;並びに、
６）高い信号対雑音（ＳＮＲ）比。

このため、製造、破損、または応力誘起光学異方性（複屈折および二色性）を検出するために、テラヘルツ時間領域分光装置は追加のＮＤＴツールになる可能性がある。これは、テラヘルツ範囲の光磁気（カーとファラデー回転）と、偏光解析研究用と同様である。このように、偏光可変テラヘルツエミッタは、テラヘルツ時間領域光学系を改善するのに非常に重要である。

最近、様々な方法を用いて様々な試料を測定するために、テラヘルツ放射線を使用することに非常に関心が持たれている。例えば、テラヘルツ放射線は、画像サンプルと画像内の各画素でのテラヘルツ波形やスペクトルを得ることの両方に使用できる。したがって、テラヘルツ放射線は製品や材料の内部を見るためにＸ線の代わりに使用できる。テラヘルツ電磁波はまた、医療及び医薬分野向けのアプリケーションを有する。

そこで、本発明者は、特許文献１で、テラヘルツ波の波長半分以下の大きさの微小な開口を利用し、従来素子の透過率に対して格段に高い透過率を有するテラヘルツ波光学素子を提案している。また、特許文献２で、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、二組以上の電極を利用したテラヘルツ用アンテナを用いた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案している。

ＷＯ２０１３−００８７１３号公報 特開２０１５−４９０９６号公報

しかし、従来装置によると、さまざまなアプリケーションで、課題を残す結果となっている。例えば、テラヘルツ波を対象物に透過させ、透過波の強度変化を利用してイメージングを行う場合を考える。これは、物質内の組織の違いから、透過率や吸光率の差を、測定しそれを可視化しようとしていることになる。
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、上記の課題を解決するもので、データ収集時間を改善し、光学セットアップを簡素化できるテラヘルツ時間領域分光分析用の偏光可変エミッタを提供することを目的とする。当該偏光可変エミッタは、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に用いて好適である。

本発明の偏光可変エミッタは、例えば図２〜図４に示すように、基板２０と、基板２０上に形成された二以上の対を有する対向電極（２１ａ、２１ｂ）であって、当該対向電極は対をなす対向電極の電極先端部（２１ｂ１、２１ａ１）に対して光伝導ギャップ２５を設けた状態で対向する電極先端部（２１ａ１、２１ｂ１）を有すると共に、この電極先端部は電極尾端部（２１ａ２、２１ｂ２）の幅と比較して狭い幅を有する前記対向電極と、前記対をなす対向電極の電極先端部に光伝導ギャップ２５を横切ってバイアス電圧を印加するための電極パッド２３と、光伝導ギャップ２５を保持する基板２０の光伝導性材料からなる領域とを備え、０．０１ＴＨｚから１００ＴＨｚまでの周波数範囲の少なくとも一部の範囲にある周波数帯域の光を放射すると共に、電極パッド２３の各々に対して、光伝導ギャップ２５を透過する光の偏光状態を変化させるバイアス電圧を印加するように構成されたことを特徴とする。

本発明の偏光可変エミッタにおいて、好ましくは、前記光伝導性材料は、シリコン、ゲルマニウム、ＧａＡｓ、Ａｓ注入したＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、イオン注入したＳｉ、イオン注入したＧｅ、ＧａＡｓ・ＩｎＡｓを除くＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＩＩ−ＶＩ族半導体、任意のイオン注入半導体、ＬＴ−ＧａＡｓ、ＬＴ−ＩｎＧａＡｓ、ＬＴ−ＡｌＧａＡｓのような任意の低温で成長させたエピタキシャル層又はエピタキシャル半導体からなる群から選ばれた少なくとも一つを含むとよい。
本発明の偏光可変エミッタにおいて、好ましくは、前記対向電極と電極パッドは、金、銅、銀またはその合金、チタン−パラジウム−金、チタン−白金−金、チタン−ニッケル−銀、アルミニウム、モリブデンシリサイド及びポリドープシリコンからなる群から選ばれた少なくとも一つを含むとよい。
本発明の偏光可変エミッタにおいて、好ましくは、テラヘルツ周波数帯域の光は、０．０１ＴＨｚから１００ＴＨｚまでの周波数範囲の少なくとも一部の範囲として、０．０５ＴＨｚから１ＴＨｚの範囲、さらに好ましくは０．２５ＴＨｚから０．８ＴＨｚの範囲であるとよい。

本発明の偏光可変エミッタにおいて、好ましくは、さらに、前記対向電極は、隣接する電極先端部を含む電極間に溝部２４を有するとよい。
本発明の偏光可変エミッタにおいて、好ましくは、前記対をなす対向電極の電極先端部は、前記光導電ギャップ側の縁部が丸みを帯びているとよい。
本発明の偏光可変エミッタにおいて、好ましくは、前記対をなす対向電極の電極先端部は最小偏光ステップ角度を決定するものであって、
当該最小偏光ステップ角度は前記電極先端部の総数（

）に依存し、
前記電極先端部の総数は、先端半径（

）と光伝導ギャップの大きさ（

μm）を用いた次式で定められるとよい。

ここで、前記対をなす対向電極の電極先端部の数を増加させると、最小偏光ステップ角度は減少する関係にある。例えば、電極先端部の数が４であれば、最小偏光ステップ角度は９０°であり、電極先端部の数が８であれば、最小偏光ステップ角度は４５°である。

本発明の偏光可変エミッタにおいて、好ましくは、さらに、前記光伝導ギャップを含む前記対向電極を少なくとも一部を覆う誘電体膜を有するとよい。
本発明の偏光可変エミッタにおいて、好ましくは、前記誘電体膜は、窒化ケイ素、ポリイミド、窒化ガリウム、アクリル樹脂あるいは二酸化ケイ素の少なくとも1つを含むとよい。
本発明の偏光可変エミッタにおいて、好ましくは、前記バイアス電圧は、直流電流または交流電流を出力するように構成された前記偏光可変エミッタ用バイアス源より供給されるとよい。
本発明の偏光可変エミッタにおいて、好ましくは、前記バイアス電圧は、１Ｖから１００Ｖまでの範囲で直流電圧を有する信号であるように構成されるとよい。また、本発明の偏光可変エミッタにおいて、好ましくは、前記バイアス電圧は、±１００Ｖの範囲での交流電圧を有する信号であるように構成されるとよい。

本発明の偏光可変エミッタのバイアス分布を決定する方法は、例えば図１に示すように、上記の偏光可変エミッタに設けられた前記対をなす対向電極とバイアス回転間のバイアス分布を決定する方法であって、前記光伝導ギャップの中央でのポンプレーザのビームスポットよりも大きい領域における、大きな直流または交流での静電場分布の直交する電界ベクトルのＥｘ成分とＥｙ成分の比の値（Ｅｘ／Ｅｙ）を計算することを特徴とする。

本発明のテラヘルツ時間領域光学装置は、例えば図１に示すように、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１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２と、測定対象サンプル０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（５ａ、５ｂ）であって、前記アンテナ電極の一方（５ａ、ＤＥ）は照射されたポンプ光に対して広帯域テラヘルツ波を放射して測定対象サンプル０に向かわせるものであり、前記アンテナ電極の他方（５ｂ、ＤＤ）は測定対象サンプル０を透過するテラヘルツ波を受信すると共に、プローブ光を受信するものであり、前記アンテナ電極の一方５ａは上記の偏光可変エミッタを備えることを特徴とする。

本発明のテラヘルツ時間領域光学装置において、好ましくは、さらに、前記測定対象サンプルを透過する広帯域テラヘルツ波を入力して、前記測定対象サンプルの化学的情報または誘電情報の少なくとも一方を演算する手段を有するとよい。本発明のテラヘルツ時間領域光学装置において、好ましくは、さらに、テラヘルツ偏光に敏感なアンテナテラヘルツ検出器を備えるとよい。

本発明の偏光可変エミッタによれば、直線偏光成分を回転させることができるテラヘルツエミッタを採用しているので、従来装置で設けられていた第２の回転偏光子／アナライザを設ける必要がなくなり、光学セットアップを簡素化できる。
また、本発明のテラヘルツ時間領域光学装置によれば、本発明の偏光可変エミッタと共に偏光に敏感なテラヘルツ検出器を使用することで、データ収集時間を改善し、光学セットアップを簡素化できるという効果がある。

図１は、本発明の一実施例を示すテラヘルツ時間領域分光装置の全体概略図である。 図２は、本発明の一実施例を示す偏光可変エミッタの全体図である。 図３は、本発明の一実施例を示す偏光可変エミッタの詳細を説明する中心部付近の拡大図で、ｍｍ単位で設計してある。 図４は、本発明の一実施例を示す偏光可変エミッタの中心部を示す拡大図である。 図５は、ワイヤグリッド偏光子、双極子検出器と共にエミッタを試験する光学方式を示す図である。 図６は、最適化されたＤＣバイアス用の８電極エミッタ電極間の静電場（Ｅ）分布のＦＥＭモデルの一例を示すもので、（Ａ）は電界ベクトルのＥｘ成分、（Ｂ）は電界ベクトルのＥｙ成分を示している。 図７は、有限差分時間領域シミュレーションと実験結果との比較図で、横軸は周波数、縦軸は強度（原子単位系：ａ．ｕ．）である。 図８は、８電極エミッタ内の２つの対向する電極間のテラヘルツＥｘ磁界分布の有限差分時間領域シミュレーションで、log（|Ｅｘ|^2/|Ｅｏ|^2）を濃淡で表している。

本明細書において、「テラヘルツ放射」は周波数が０．０１ＴＨｚから１００ＴＨｚの範囲にある電磁波をいい、好ましくは０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚの範囲にある電磁波をいう。１ＴＨｚは１０^１２（＝１０の１２乗）Ｈｚである。
本明細書では、「リード線」とは、アンテナの中心におけるエミッタ電極につながっているバイアス印加用の任意の電気線である。
本明細書では、「電極」とは、リード線に接続されたエミッタの中央部に位置する任意の導電性構造体である。

以下、図面を用いて本発明を説明する。
図１は、本発明の一実施例である偏光可変エミッタを組み込むのに好適な、テラヘルツ時間領域分光装置の全体構成図である。テラヘルツ時間領域分光装置は、例えば株式会社先端赤外製の型式名ＩＲＳ−２０００として入手できる。図１の装置において、数字０は二つの表面０ａ、０ｂを有する測定対象サンプル、１はフェムト秒パルスレーザー、２はビームスプリッター、３はポンプ光、４ａ、４ｂはレンズ、５ａ、５ｂは光伝導性アンテナ、６は電圧計、７は軸外パラボラミラー、８ａ、８ｂはシリコンレンズ、９は電流計、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅはミラー、１１はプローブ光、１３はコーナー反射体、１４は高速フーリエ変換器、１５はロックインアンプを示す。偏光可変エミッタＤＥは、光伝導性アンテナ５ａとして装着される。これに対して、光伝導性アンテナ５ｂは検出器ＤＤである。

このように構成された装置において、図１中の記号０で示される位置に、測定対象サンプルを設置し、それを透過するテラヘルツ波を測定する。即ち、この光学装置においては、フェムト秒パルスレーザー１で変調されたフェムト秒レーザパルスは、ポンプ光３とプローブ光１１に２分割される。ポンプ光３は、バイアスされた発振用の光伝導アンテ５ａに照射され、アンテナナ電極間の隙間を励起キャリアが移動することに伴い、広帯域テラヘルツ波が放射される。放射されたテラヘルツ波は、スペクトル整形され，測定対象サンプル０と検出用光伝導アンテナ５ｂに向かって光学要素によって空間的に方向を変更する。最後に、テラヘルツ放射は、レーザープローブ光１１と同時に光伝導アンテナ５ｂ（ＰＣＡ）に到着する。

結果として、変調電流がアンテナ電極５ｂに位置するＰＣＡ検出器のギャップで生成され、ロックインアンプ１５におけるロックによって記録される。プローブ光１１の遅延ラインの長さをコーナー反射体１３の変位によって調整する。これにより、テラヘルツ波形を細かい時間間隔でデジタル化することができ、周波数領域テラヘルツスペクトルと高速フーリエ変換（ＦＦＴ）による位相遅延データに変換される。

次に、図２から図４を参照して、本発明の出力偏光を回転させることができることが確認された特定のエミッタの幾何学的形状を記述する。
図２は、ＬＴ−ＧａＡｓのウェハ上に設けられた偏光可変エミッタの全体構造図である。図において、偏光可変エミッタは、光伝導性材料よりなる基板２０、微細加工された蝶ネクタイ電極２１、リード線２２、及び電極パッド２３を有している。基板２０は、一辺が６ｍｍの矩形形状をしている。
基板２０に用いられる光伝導性材料は、以下の少なくとも一つを含む任意の適切な材料を含む。即ち、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ａｓ注入したＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、イオン注入したＳｉ、イオン注入したＧｅ、他のＩＩＩ−Ｖ族半導体、他のＩＩ−ＶＩ族半導体、任意のイオン注入した半導体、ＬＴ−ＧａＡｓ、ＬＴ−ＩｎＧａＡｓ、ＬＴ−ＡｌＧａＡｓのように任意の低温でエピタキシャル層/半導体を成長させたもの。最も好ましくは、光伝導装置は短い寿命の光伝導材料、例えば、ＬＴ−ＧａＡｓ、Ａｓ注入したＧａＡｓ、デバイスの絶縁破壊電圧が最大化されるような放射線損傷を受けたシリコンなどから製造される。テラヘルツ放射は、光伝導デバイスの電流の流れの非常に速い立上り時間中（すなわち最初のピコ秒程度）に発生する。

ここで、ＩＩＩ−Ｖ族半導体とは、ＩＩＩ族元素とＶ族元素を用いた半導体である。代表的なＩＩＩ族元素としてはアルミニウム（Ａｌ）・ガリウム（Ｇａ）・インジウム（Ｉｎ）、Ｖ族元素としては窒素（Ｎ）・リン（Ｐ）・ヒ素（Ａｓ）・アンチモン（Ｓｂ）である。この他、ボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）、ビスマス（Ｂｉ）もそのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を構成する元素である。
また、ＩＩ−ＶＩ族半導体とは、ＩＩ族元素とＶＩ族元素を用いた半導体である。ＩＩ族元素としてはマグネシウム・亜鉛・カドミウム・水銀が、ＶＩ族元素としては酸素・硫黄・セレン・テルルがよく用いられている。典型的なＩＩ−ＶＩ族半導体には、ＺｎＯ（酸化亜鉛）やＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）、ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）などがある。

次に、金Ａｕの電極パッド２３は、一辺が１ｍｍの矩形形状をしており、ウェハに８箇所設けられている。リード線２２は、Ａｕの電極パッド２３と８電極エミッタの蝶ネクタイ電極２１の端子を其々接続している。そして、偏光可変テラヘルツ時間領域分光方法用８電極エミッタ（８−ＥＥ）は、液体フォトリソグラフィ法とＴｉ（５ｎｍ）とＡｕ（１５０ｎｍ）層の連続真空電子ビーム堆積した基板の金属化により、ＬＴ−ＧａＡｓ表面に微細加工される。

図３は、エミッタ形状の詳細を説明する拡大図で、ｍｍ単位で設計してある。図において、蝶ネクタイ型フレアの長さ３０１は、８電極エミッタの蝶ネクタイ電極２１の中心部から各フレアの尾端側端部までの距離で０．０５ｍｍである。蝶ネクタイ型フレアの先端側端部の幅３０２は、０．００５ｍｍである。蝶ネクタイ型フレア角度３０３は３０°である。蝶ネクタイ型フレアの先端相互の間隔３０４は、０．０２５ｍｍである。リード線幅３０５は０．００５ｍｍである。蝶ネクタイ型フレアの先端側端部のコーナー半径３０６は０．０００５ｍｍである。

図４は、蝶ネクタイ型（bowie-tie）アンテナフレアの直交対を示す検出器中央部の拡大図である。ここでは、４対の直交対を有しており、一対の電極にはプラス側とマイナス側の電極が設けられるため、素子全体では８電極エミッタとなっている。図において、検出器中央部には、蝶ネクタイ電極フレア部２１、リード線２２、及び溝部としてのトレンチ２４が設けられている。蝶ネクタイ電極フレア部２１は５０ミクロン程度の微細加工されたものである。

ここで蝶ネクタイ電極フレア部２１について、一対の直交対をなす電極２１ａ、２１ｂに注目する。対向電極２１ａは、対をなす対向電極２１ｂの電極先端部２１ｂ１に対して光伝導ギャップ２５を設けた状態で対向する電極先端部２１ａ１を有すると共に、この電極先端部２１ａ１は電極尾端部２１ａ２の幅と比較して狭い幅を有する。対向電極２１ａは、大略等脚台形に類似した形状を有しており、電極先端部２１ａ１、電極尾端部２１ａ２、及び二辺の電極側縁部２１ａ３を有する。対向電極２１ｂも、対向電極２１ａと対称な形状をしており、対をなす対向電極２１ａの電極先端部２１ａ１に対して光伝導ギャップ２５を設けた状態で対向する電極先端部２１ｂ１を有すると共に、この電極先端部２１ｂ１は電極尾端部２１ｂ２の幅と比較して狭い幅を有する。対向電極２１ｂは、大略等脚台形に類似した形状を有しており、電極先端部２１ｂ１、電極尾端部２１ｂ２、及び二辺の電極側縁部２１ｂ３を有する。

トレンチ２４は、ＬＴ−ＧａＡｓ基板上に集束イオンビームリソグラフィ（ＦＩＢ）を用いて微細加工され、エッチングされたもので、その形状は、例えば０．５μｍ幅で１．５μｍ深さで、隣接する電極間のアンテナの降伏電圧を増加させる。光伝導ギャップ２５は、蝶ネクタイ電極フレア部２１の各直交対をなす電極２１ａ、２１ｂの間に設けられたもので、基板２０の光伝導材料からなる領域に位置している。蝶ネクタイ電極フレア部２１の直交対をなす電極２１ａ、２１ｂは、光伝導ギャップ２５とトレンチ２４を挟んで互いに分離された状態で、星状に配置された電極先端部２１ａ１、２１ｂ１を有する。光伝導ギャップ２５は、１μｍから１００μｍの範囲が好ましく、さらに好ましくは１０μｍから３０μｍの範囲である。
光伝導ギャップ２５は、図３に示す蝶ネクタイ型フレアの先端相互の間隔３０４に相当しており、例えば直径として２５μｍ程度が使用される。フェムト秒パルスレーザー１のレーザスポット径は、１〜２μｍ程度である。例えばｎａ＝０．６８のソーラボＣ３３０ＴＭＥ−Ｂの対物レンズが有する、８００ｎｍのプローブレーザー波長でのゼロ次回折スポット径は１．２μｍであることが知られている。光伝導ギャップ２５は、レーザスポット径程度の精度で位置合わせの必要があるため、作業性の観点からレーザスポット径の１０倍程度確保できることが望ましい。他方で、偏光可変エミッタ用バイアス源より電極パッド２３に供給されるバイアス電圧が、一対の直交対をなす電極２１ａ、２１ｂの絶縁破壊電圧を超えることは望ましくないため、過度に大きな光伝導ギャップ２５の存在は好ましくなく、例えば１００μｍを超えないことが望ましい。

このように構成された偏光可変エミッタは、例えば通常の半導体製造プロセスで使用される微細加工技術を用いて製造される。
（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。

図２−図４に示すように、ＤＣ出力のマルチチャンネル光伝導インターフェイスボードは、８電極エミッタに対して適切なバイアス印加と回転のために使用される。バイアス印加は、偏光可変エミッタ用バイアス源（図示せず）より供給される直流電流または交流電流により行うとよい。当該バイアス電圧は、１Ｖから１００Ｖまでの範囲で直流電圧を有する信号であってもよく、また±１００Ｖの範囲での交流電圧を有する信号でもよい。

図５は、ワイヤグリッド偏光子、双極子検出器と共にエミッタを試験する光学方式を示す図である。テラヘルツ範囲の光学異方性を研究するための典型的なテラヘルツ時間領域分光方法では、直線偏光特性を有する双極子エミッタ（ＤＥ）と双極子検出器（ＤＤ）のように動作するテラヘルツ光伝導（ＰＣ）アンテナのペアを含み、少なくとも２つのワイヤ・グリッド偏光子を有する。測定対象サンプルの前で、第１の偏光子（Ｐ）は、テラヘルツ光伝導アンテナ、双極子エミッタおよびテラヘルツ光学系の大部分の直線偏光出力から寄生角度成分を除去する。第２の回転偏光子／アナライザ（Ａ）は、測定対象サンプルの後に配置される。その役割は、透過または反射したテラヘルツビームの偏光状態のサンプル誘導変化に双極子検出器の応答を調べることである。

このように構成された装置においては、エミッタ動作時に、複数の電極が偏光可変エミッタ用バイアス源としての外部ＤＣバイアス回路に接続されている（図示せず）。エミッタに印加できる最大電圧は、本質的に、エミッタの破壊耐性に依存する。また、複数の電極の間に適当なバイアス分布を適用することにより、出力テラヘルツ放射は直線偏光成分を有することになる。エミッタ後に１つのワイヤグリッドＰを使用することにより、このような直線偏光成分の質を良好にできる。
さらに、適当なバイアス分布のバイアスの回転を適用することにより、テラヘルツ放射出力の線型的な偏光成分が、回転する。角度αのようなバイアス分布とワイヤグリッドＰの同期回転することにより、テラヘルツ放射出力の精製された直線偏光成分もまた回転する。

ここで、図５の装置に対する比較例として、従来広く用いられていた検査装置について説明する。まず、前提条件として、その最も単純な形態では、光伝導性のエミッタは、半導体材料のような光伝導性材料の表面に設けられた２つの電極を備える。例えばＧａＡｓ及びＳｉのような多くの半導体材料は、光伝導性である。エミッタを動作させるために、ＤＣバイアスで変調されたレーザビーム、または変調ＡＣバイアス電圧によって変調された非変調レーザビームが、電極間に印加される。どちらの場合も、光伝導性材料は、適切な波長のレーザ源に暴露される。電流は、バイアス電界の存在のために、電極間の材料を通って流れるので、これは、かなりの程度まで、半導体の導電率を増加させる。バイアス磁界が維持される場合には、電流が、材料中で作成された光電荷キャリアの寿命に相当する時間だけ持続する。

テラヘルツ時間領域分光方法のための典型的なエミッタは、エミッタ中心における電極の幾何学的構造としてダイポール、蝶ネクタイ、螺旋状のものを有し、これらは一定の線状または楕円偏光出力を生成する。エミッタ後にワイヤグリッド第１の偏光子を用いて直線偏光を精製／抽出できる。そして、ワイヤグリッド第２の回転偏光子／アナライザで回転することができる。αは、第１の偏光子と第２の回転偏光子／アナライザのワイヤグリッド間の角度であるが、この方式で送信された強度は、ｃｏｓ^２（α）として変化している。それらが交差した場合、送信はゼロである。

図６は、最適化されたＤＣバイアス用の８電極エミッタ電極間の静電場（Ｅ）分布のＦＥＭモデルの一例を示すもので、（Ａ）は電界ベクトルのＥｘ成分、（Ｂ）は電界ベクトルのＥｙ成分を示している。図６では、有限要素メッシュ（ＦＥＭ）と有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法が、アンテナ電極と８−ＣＥスペクトル出力との間に適切なＤＣバイアス分布をモデル化するために適用されている。最良の結果は、アンテナの中心部でのＥｘ≫Ｅｙ領域が最も大きく、より対称的な場合に得られる。ここでは、各アンテナ電極１〜８は、次のバイアス電圧でバイアスされたときに、アンテナの中心部で最も大きくなった。第１電極では２．９Ｖ；第２電極と第８電極で２．０５Ｖ；第３電極と第７電極で１．４５Ｖ；第４電極、第５電極、および第６電極で０Ｖ（すなわち、x軸に関して０バイアス回転）。

実際、アンテナの中心部での成分比（Ｅｘ／Ｅｙ）は、図６のバイアス分布を用いて、大面積内に１０^２〜１０^３である可能性がある。図６の実施例では、アンテナの中心部を示す白抜き丸円の領域において、Ｅｘ＝１０^４．８程度であるのに対して、Ｅｙ＝１０^２．２程度であり、３００倍程度になっている。
従って、ＬＴ−ＧａＡｓ中の光生成キャリアは、主に、アンテナの中心（白丸）にポンプレーザビームを集束させることによって第１及び第５の電極の間に流れることになる。この電流の方向とアンテナ電極の形状は、放射されたテラヘルツ波の偏光の性質を決定する。そして、４５°の角度で示された複数のバイアス設定を回転させることにより、８電極エミッタ出力偏光はまた、それに応じて回転させることができる。

ここにおいて、図６によれば、レーザビームスポットの大きさは、Ｅｘ／Ｅｙ≒１０^２〜１０^３を有するエリアよりも小さくする必要がある。
エミッタ構造体の中心部にある集束電極間のレーザビームスポットの位置は、顕微鏡レンズを有する光学観察を用いて、および／または対向電極のいくつかの対の間に等しい抵抗値を調整することによって、調整できる。
また、図６によれば、隣接する電極と対向電極との間の最大静止Ｅが、ＬＴ−ＧａＡｓに対しての破壊電圧Ｅ＝４ｘ１０^５Ｖ／ｃｍよりも低い。

図７は、有限差分時間領域シミュレーションと実験結果との比較図で、横軸は周波数、縦軸は強度（原子単位系：ａ．ｕ．）である。モデリングは、８電極エミッタのスペクトルシグネチャを表示する。実験スペクトルは、偏光子／アナライザのセットアップにおいてα＝０°のバイアス印加で収集される。図中、０．１〜０．３テラヘルツ程度のピークは、リード線による共鳴によるものである。また、０．５〜０．８テラヘルツ程度のピークは、蝶ネクタイ型フレアによる共鳴によるものである。図７に示すスペクトル特性からは、偏光検出のための使用可能なスペクトル範囲は、０．２５から０．８ＴＨｚである。一般的には、当該範囲は、エミッタと検出器の分光畳み込み特性に依存する。なお、図７でも、図６と同様に、有限要素メッシュ（ＦＥＭ）と有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法が、アンテナ電極と８−ＣＥスペクトル出力との間に適切なＤＣバイアス分布をモデル化するために適用されている。

図７では、８電極エミッタの周波数応答が、印加されるバイアス電圧の角度により、大きく変動することを示している。すなわち、０°、−４５°、−９０°の場合、並びに双極子検出器（ＤＤ）と双極子エミッタ（ＤＥ）の比、有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法によるＥｘを示してある。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７でβは、印加されるバイアス角度、すなわち、エミッタセンターギャップでの静電場ベクトルの角度である。
図７から、図６に示す８電極エミッタの最も敏感なスペクトル範囲は、０．１〜１．２５テラヘルツ程度までである。このスペクトル範囲は、８電極エミッタ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。

次に、双極子検出器ＤＤの最大感度を一致させるために（図５参照）、図７中の全てのスペクトルは、ＰとＡに対する角度（Ｘ偏光成分の最大透過率）に対してα＝０°で収集した。そして、８電極エミッタ放射線から二つの直交成分は、図７中で０°と−９０°のバイアスを比較して、得られる。

図８では、８電極エミッタの共振テラヘルツ放射の詳細を説明する図で、（Ａ）は周波数０．１６ＴＨｚ、（Ｂ）は周波数０．７７ＴＨｚの場合を示してある。図８は、共振テラヘルツ放射を達成するのに好適な、本発明の一実施例を示すエミッタリード線の適切な幾何学的形状を示している。

ところで、偏光可変エミッタ用バイアス源より電極パッド２３に供給されるバイアス電圧において、適用することができる最大電圧は、当該材料の「絶縁破壊」電界値によって制限される。過度の電力消費または過剰な電流密度に起因するデバイスの障害は、より狭いギャップ電極の設計において最も問題となる。放出点までの導電接点内を流れる電流密度が十分に高い場合には、電流の流れによって誘起される原子運動は、装置の故障をもたらす可能性がある期間にわたって、導体に発生する（この現象は、「エレクトロマイグレーション」として知られている）。この現象の発現は、典型的には、１０万Ａｃｍ^２の領域内であると考えられる。現在の技術では、光伝導装置に適用される金属の厚さは、典型的には約３００ｎｍである。典型的に１ｍＡの桁の電流が流れるとこの形状は、エレクトロマイグレーションの発現に近づく電流密度となる。そのため、指定されたバイアス電圧によっては、デバイス障害が想定よりも早く発生することがある。

従来のアンテナの設計では、単一の直線偏光発光成分を観察しなかった。しかし、８−ＣＥの前のワイヤグリッドＰは０．０５乃至１テラヘルツの範囲で、そのような成分を抽出するために使用することができる。そして、同期バイアスとＰ回転によって、直線偏光を伴うテラヘルツ放射の回転が達成できる。この方式がαの増加を伴うＳＮＲの劣化を回避するが、このＳＮＲの劣化はマリュスの法則により典型的なＤＥとワイヤグリッド偏光子のセットアップを使用して避けられない。

なお、本発明の実施形態として、偏光可変エミッタが８電極エミッタの場合を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、双極子エミッタのペアからなる８接触検出器に代えて、４電極検出器、６電極検出器や１０以上の電極検出器でもよい。
また、本発明の実施形態として、エミッタ分光的特徴へのリード線の共鳴の寄与を考慮して、その幾何学的形状を変化させて最適化することもできる。このような幾何学的形状は、ＦＤＴＤとＦＥＭシミュレーションで再設計できる。
さらに、本発明の実施形態として、電極構造の共鳴放射のスペクトル位置は、その幾何学的形状を変化させて最適化することもできる。このような幾何学的形状は、ＦＤＴＤとＦＥＭシミュレーションで再設計できる。

本発明のテラヘルツ波用の偏光可変エミッタは、現在、実用化されているテラヘルツ分光装置全てにおいて、利用可能である。また、具体的な測定対象として、高分子の異方性の評価や、ガラス繊維強化プラスチック複合材料の繊維配向評価など、テラヘルツ波が透過する材料の異方性評価にきわめて有用と考えられる。さらに、本発明のテラヘルツ時間領域分光器は、テラヘルツ波を用いたイメージング装置や分光分析装置に適用でき、人体などの生体検査や、化学物質の同定や損傷検出といった材料検査の分野で極めて有用な装置となる。

０ 測定対象サンプル
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 ロックインアンプ
２０ 偏光可変エミッタ用基板
２１ 蝶ネクタイ電極
２１ａ、２１ｂ 対向電極
２１ａ１、２１ｂ１ 電極先端部
２１ａ２、２１ｂ２ 電極尾端部
２１ａ３、２１ｂ３ 電極側縁部
２２ リード線
２３ 電極パッド
２４ トレンチ
２５ 光伝導ギャップ
ＤＤ 双極子検出器
ＤＥ 双極子エミッタ

Claims (13)

1. 前記基板上に形成された二以上の対を有する対向電極であって、当該対向電極は対をなす対向電極の電極先端部に対して光伝導ギャップを設けた状態で対向する電極先端部を有すると共に、この電極先端部は電極尾端部の幅と比較して狭い幅を有する前記対向電極と、
   前記対をなす対向電極の電極先端部に前記光伝導ギャップを横切ってバイアス電圧を印加するための電極パッドと、
   前記光伝導ギャップを保持する前記基板の光伝導性材料からなる領域と、
   を備え、０．０１ＴＨｚから１００ＴＨｚまでの周波数範囲の少なくとも一部の範囲にある周波数帯域の光を放射すると共に、前記電極パッドの各々に対して、前記光伝導ギャップを透過する光の偏光状態を変化させるバイアス電圧を印加するように構成されたことを特徴とする偏光可変エミッタ。
2. 前記光伝導性材料は、シリコン、ゲルマニウム、ＧａＡｓ、Ａｓ注入したＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、イオン注入したＳｉ、イオン注入したＧｅ、ＧａＡｓ・ＩｎＡｓを除くＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＩＩ−ＶＩ族半導体、任意のイオン注入半導体、ＬＴ−ＧａＡｓ、ＬＴ−ＩｎＧａＡｓ、ＬＴ−ＡｌＧａＡｓのような任意の低温で成長させたエピタキシャル層又はエピタキシャル半導体からなる群から選ばれた少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の偏光可変エミッタ。
3. 前記対向電極と電極パッドは、金、銅、銀またはその合金、チタン−パラジウム−金、チタン−白金−金、チタン−ニッケル−銀、アルミニウム、モリブデンシリサイド及びポリドープシリコンからなる群から選ばれた少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の偏光可変エミッタ。
4. さらに、前記対向電極は、隣接する電極先端部を含む電極間に溝部を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の偏光可変エミッタ。
5. 前記対をなす対向電極の電極先端部は、前記光導電ギャップ側の縁部が丸みを帯びていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の偏光可変エミッタ。
6. 前記対をなす対向電極の電極先端部は最小偏光ステップ角度を決定するものであって、
   当該最小偏光ステップ角度は前記電極先端部の総数（
   ）に依存し、
   前記電極先端部の総数は、先端半径（
   ）と光伝導ギャップの大きさ（
   μm）を用いた次式で定められることを特徴とする請求項1乃至５の何れか１項に記載のエミッタ。
   
7. さらに、前記光伝導ギャップを含む前記対向電極を少なくとも一部を覆う誘電体膜を有することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の偏光可変エミッタ。
8. 前記誘電体膜は、窒化ケイ素、ポリイミド、窒化ガリウム、アクリル樹脂あるいは二酸化ケイ素の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項７に記載の偏光可変エミッタ。
9. 前記バイアス電圧は、直流電流または交流電流を出力するように構成された前記偏光可変エミッタ用バイアス源より供給されることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の偏光可変エミッタ。
10. 請求項１乃至９の何れか１項に記載の偏光可変エミッタに設けられた前記対をなす対向電極とバイアス回転間のバイアス分布を決定する方法であって、
    前記光伝導ギャップの中央でのポンプレーザのビームスポットよりも大きい領域における、大きな直流または交流での静電場分布の直交する電界ベクトルのＥｘ成分とＥｙ成分の比の値（Ｅｘ／Ｅｙ）を計算することを特徴とする偏光可変エミッタのバイアス分布を決定する方法。
11. 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、前記アンテナ電極の一方は照射された前記ポンプ光に対して広帯域テラヘルツ波を放射して前記測定対象サンプルに向かわせるものであり、前記アンテナ電極の他方は前記測定対象サンプルを透過する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ものであり、
    前記アンテナ電極の一方は請求項１乃至８の何れか１項に記載の偏光可変エミッタを備えることを特徴とするテラヘルツ時間領域分光器。
12. さらに、前記測定対象サンプルを透過するテラヘルツ波を入力して、前記測定対象サンプルの化学的情報または誘電情報の少なくとも一方を演算する手段を有することを特徴とする請求項１１に記載のテラヘルツ時間領域分光装置。
13. さらに、前記アンテナ電極の他方はテラヘルツ偏光に敏感なアンテナテラヘルツ検出器を備えることを特徴とする請求項１１に記載のテラヘルツ時間領域分光装置。