JP2023013874A - 連続波テラヘルツ分光装置、連続波テラヘルツ分光法、物質検知装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチモード光ファイバを活用した連続波テラヘルツ分光装置を提供する。【解決手段】波長が異なる２つの連続波レーザ光源と、各光源から出たレーザ光を導光するマルチモード光ファイバと、レーザ光を合波させる光ファイバカプラを備え、２つのレーザ光の偏光を制御することなく、レーザ光を合波させる。また、合波させる前の少なくとも何れかのレーザ光又は合波させたレーザ光の強度を変調する変調手段と、差周波混合によりテラヘルツ波を発生させる非線形光学素子と、変調したレーザ光を集光して非線形光学素子に入射させ、発生したテラヘルツ波を集光して試料に照射する光学系と、試料を反射又は透過するテラヘルツ波の強度を検出する検出器を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、連続波レーザの差周波混合により発生させたテラヘルツ波を用いた連続波テラヘルツ分光に関するものである。

近年、テラヘルツ波の生成、検出、応用などが盛んに研究されている。テラヘルツ波（テラヘルツ光、テラヘルツ電磁波とも呼ぶ）は、周波数が約０．１～１０ＴＨｚの電磁波であるが、自然光では、その発生効率が極めて低い。テラヘルツ波は、光波と電波の中間の周波数帯の電磁波であることから光波と電波の両方の特徴を併せ持っている。そのため、良好な物質透過性、非侵襲、安心安全などの特徴がある。応用例として、人体の非破壊検査システム、医療分野でのがん同定、および超高速で大容量の通信などが期待されている。

テラヘルツ波は物質透過性を有し、また、糖やアミノ酸などを含む有機分子は、テラヘルツ帯で固有の吸収スペクトルを有している。この２つの特徴を利用し、特定の物質を検出するのがテラヘルツ分光である。テラヘルツ分光の応用の１つとして、非破壊検査が挙げられる。非破壊検査を考える際に、梱包材などにおいて、どの周波数のテラヘルツ波が透過しやすいか、また検出したい物質のテラヘルツ帯における吸収スペクトルを把握することが必要である。これらの条件を満たすことで、有毒ガスや、ヘキソーゲン（ＲＤＸ）、トリニトロトルエン（ＴＮＴ）等の爆発物、禁止薬物などを検出することが可能である。また、ウイルスも検出可能であり、近年、世界中で猛威を振るっているコロナウイルスの検出にも有効性を示す可能性がある。

テラヘルツ波の発生方法は、多岐にわたるが、例えば、共鳴トンネルダイオードを用いる方法や量子カスケードレーザを用いて、連続波を発生させる方法が知られている。しかし、これらは、発生する周波数が限られており、連続的に周波数を自在に変えることは一般的に難しいとされており、室温動作も困難である。したがって、より多くの物質の検出を可能にする分光システムで使用するには、広い周波数範囲でテラヘルツ波をチューナブルに発生させる方法が必要である。

また、テラヘルツ波の発生方法として、２次の非線形光学効果を利用する差周波混合が知られている（例えば、非特許文献１を参照）。この差周波混合は、さまざまな周波数でテラヘルツ波を発生させるための優れた波長変換の手法であり、非線形光学結晶に周波数がω_１とω_２で表される２つのレーザ光を入射すると、その差周波に相当するω_１－ω_２またはω_２－ω_１の光が発生する現象である。この周波数差がテラヘルツオーダの場合に、テラヘルツ波が発生する。差周波混合によれば、広い周波数領域で連続波をチューナブルに発生させることも可能である。
本発明者は、非線形光学結晶としてGaAs/AlAs多重量子井戸を用いて、量子井戸中の励起子を使用することにより、強度を急激に低下させることなく、約２０ＴＨｚまでの広帯域にわたり、差周波混合によるテラヘルツ波を発生させることができることを既に示している（非特許文献２を参照）。

なお、比較的高強度なテラヘルツ波の発生方法として、超短パルスレーザ光源を用いる装置や手法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。超短パルスレーザ光源を用いると光整流効果などのため１～２ＴＨｚ付近にピークを有するブロードなテラヘルツ波を発生させることができる。しかし、超短パルスレーザ光源は、非常に高価で、かつ、大型であることが多く、さらに、強度は時間波形として測定されるため、周波数領域で分光情報を取得するにはフーリエ変換が必要であり、リアルタイムの分光計測には不向きである。また、パルスレーザを使って差周波混合によるテラヘルツ波を発生させる方法もあるが、二つのパルスを同時に非線形光学結晶に入射することは容易ではない。

特開２０１１－２４２１８０号公報

T. Kitada, et al., "Terahertz emission from a GaAs/AlAs coupled multilayer cavity with nonlinear opticalsusceptibility inversion," Appl. Phys. Lett. 102, 251118 (2013). O.Kojima, et al., "Wide Frequency Tuning of Continuous Terahertz WaveGenerated by Difference Frequency Mixing under Exciton-Excitation Conditions ina GaAs/AlAs Multiple Quantum Well," Phys. Rev.Appl. 10, 044035 (2018).

本発明者は、連続波レーザ光の差周波混合によるテラヘルツ波に関する研究を行っており、既に様々な周波数でテラヘルツ波を発生させることが可能であることを示してきた。連続波レーザ光の差周波混合によるテラヘルツ波を用いる分光法では、波長が異なる２つの連続波の半導体レーザ光源の光を非線形光学素子（例えば、量子井戸のような半導体ナノ構造）に入射することで、レーザの波長差に応じた周波数の電磁波が発生するため、半導体レーザを変えることで、様々な周波数の電磁波を発生させることができ、さらに線幅が狭いレーザ光を用いることで、線幅が狭い電磁波を発生させることができるため、高分解能なテラヘルツ分光装置を安価に実現できる。

しかしながら、従来は、２つの連続波のレーザ光の偏光を合せて、光路をハーフミラー上で重ね合わせるといった事前調整、目視で重ね合わせ状態の確認が必要であり、重ね合わせ状態の確認後、レンズで集光して非線形光学素子に照射して、テラヘルツ波を発生させていた。２つのレーザ光を効率よく重ね合わせる作業は、作業者の技術的習得度が高くないと重ね合わせが上手くできないのが実状である。このようなやり方は、目視確認の性質上、完全に重ね合わさることは不可能であり、そのため、テラヘルツ波の発生効率が低下するといった問題がある。

また、２つの連続波のレーザ光の偏光を合せて、光路をハーフミラー上で重ね合わせるための光学系において、その光路長は、ハーフミラーを使用した重ね合わせを確実にするため、長い距離が必要であり、テラヘルツ分光装置自体のサイズのコンパクト化を図るのが困難であった。テラヘルツ分光装置の光学系に、光ファイバを利用しようとした場合には、コンパクトな装置になることが期待できるが、差周波混合では２つのレーザ光の偏光を揃えることが条件であるため、光ファイバを通過後の光が、通常ランダムな偏光であり採用することができず、光ファイバの中で、偏光を保持できる偏波保持ファイバ（シングルモードの光ファイバの一種）と呼ばれる特別なタイプの光ファイバがあるが、価格が高く、耐久性（折り曲げ）の点で問題があった。

さらに、２つの連続波のレーザ光の偏光を合せるための光学系の場合、１／２波長板や偏光子などが部品として必要であり、部品点数が多く、系の安定性の問題があった。
このような事情の下、テラヘルツ分光装置の実用性を向上するためには、装置自体をコンパクト化し、かつ安定性を高め、ポータブルタイプにする必要がある。

かかる状況に鑑みて、重ね合わせに関する問題を解決し、より実用的なテラヘルツ分光装置の実現を図るべく、本発明は、マルチモード光ファイバを活用した連続波テラヘルツ分光装置および方法、並びに、それらを用いた物質検知装置および方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明の連続波テラヘルツ分光装置は、波長が異なる２つの連続波レーザ光源と、各光源から出たレーザ光を導光するマルチモード光ファイバと、レーザ光を合波させる光ファイバカプラと、合波させる前の少なくとも何れかのレーザ光又は合波させたレーザ光の強度を変調する変調手段と、差周波混合によりテラヘルツ波を発生させる非線形光学素子と、変調したレーザ光を集光して非線形光学素子に入射させ、発生したテラヘルツ波を集光して試料に照射する光学系と、試料を反射又は透過するテラヘルツ波の強度を検出する検出器を備える。

上記の構成によれば、２つのレーザ光の重ね合わせ状態が良く、再現性が高く、安定的で、テラヘルツ波の発生効率が従来と比べて同等又は向上できる。
本発明の装置では、光ファイバ内でランダムな偏光特性を有し、耐久性（折り曲げ）が高いマルチモード光ファイバと、結合光ファイバの光ファイバカプラを用いた点が特徴である。マルチモード光ファイバを用いると、光ファイバ内ではランダムな偏光となる。従来の装置のように、偏光子などを用いて、偏光の制御は行っていない。
また、非線形光学素子を用いて、２つの連続波レーザ光の差周波混合によりテラヘルツ波を発生させる。非線形光学素子は、具体的には、半導体結晶が利用できる。非線形光学素子に２つのレーザ光の結合光を入射させると、後方散乱方向（素子で反射する方向）、または、前方散乱方向（素子を透過する方向）にテラヘルツ波が発生する。後方散乱方向でテラヘルツ波を検出する場合には、シリコンのウェハを用いてレーザ光を遮断する。一方、前方散乱方向では、発生に使う非線形光学素子がレーザ光の大半を吸収するため、レーザ光を遮断する素子は殆ど使用されず、シリコンレンズを用いて遮断することになる。

本発明の装置において、レーザ光の強度を変調する変調手段としては、例えば、光チョッパを用いることができる。この他には、音響光学変調器と電気光学変調器が利用できる。レーザ光の強度を変調して、その結果、テラヘルツ波の強度が変調されるので、強度変化を捉えてテラヘルツ波を検出できる。また、テラヘルツ波の強度を光チョッパで直接変調して検出することも可能である。つまり、光チョッパは、レーザ光とテラヘルツ波のどちらでも変調でき、そのため、変調手段を光学系のどの位置に設置するかは問題ではなく、そのためテラヘルツ波を発生する非線形光学素子の前のレーザ光の光路上に変調手段を配置してもよく、また、テラヘルツ波を検出する検出器の前に、テラヘルツ波の光路上に変調手段を設置してもよい。その一方で、音響光学変調器と電気光学変調器は、光しか変調できず、すなわち、レーザ光のみ変調できるものであり、配置場所はレーザ光の光路上に限定されることになる。なお、現時点では、テラヘルツ波を直接変調できるのは光チョッパのみとなっている。なお、変調には、強度変調、位相変調、周波数変調があるが、本装置の場合、強度変調が対象になる。

本発明の装置において、テラヘルツ波の強度を検出する検出器としては、例えば、焦電型センサを用いることができる。この他、ゴーレイセル、光伝導アンテナ、ボロメータがテラヘルツ波の検出器として利用可能である。
また、上述したとおり、従来の装置の場合には、ハーフミラーを使用した重ね合わせを確実にするために長い距離が必要であったが、光ファイバを使うことで、重ね合わせが高まるとともに光学系の小型化が可能である。さらに、ポータブルタイプにして持ち運びが可能である。

ここで、従来の装置の構成であるハーフミラーではなく、光ファイバを使うことのデメリットとして当初予想したのは偏光の問題である。すなわち、差周波混合では、２つのレーザ光の偏光を揃えることが条件である一方で、光ファイバ内を通過後のレーザ光は、レーザ光の偏光がランダムになるため、効率が良くないと予想されるからである。しかしながら、本発明者による実験の結果、偏光がランダムであること自体が、大きな問題でないことが判明し、この重ね合わせに関する問題を解決するため、結合光ファイバである光ファイバカプラを用いて、２つのレーザ光を合波して、確実に、重ね合わせることに成功し、また、予想に反して、発生するテラヘルツ波の発生効率が、従来と比べて同等又はそれ以上であることが確認できたのである。

本発明の連続波テラヘルツ分光装置は、検出器の入射光の光路上に配置された、テラヘルツ波を透過する光学素子を更に備えたことが好ましい。テラヘルツ波を透過する光学素子を、検出器の入射光の光路上に配置することにより、外乱やノイズとなる光を遮断できる。
ここで、テラヘルツ波を透過する光学素子としては、Ｓｉ単結晶ウェハやＳｉレンズがある。これ以外としては、ポリメチレンペンテン（TPX）レンズや、ＧａＡｓなどの高抵抗の半導体基板も用いることが可能である。

本発明の連続波テラヘルツ分光装置において、光学系は、レーザ光の強度調整用の減光フィルタを更に備えたことが好ましい。減光フィルタを用いることにより、簡便にレーザ光の強度を調整できるからである。

本発明の連続波テラヘルツ分光装置は、変調手段が、光チョッパであり、定速回転するブレードによって連続した光を変調し、ブレードを回転に合わせて、検出器又は検出器の信号増幅器にリファレンス信号を出力することが好ましい。光チョッパを用いることにより、テラヘルツ波を直接変調できるからである。
ここで、リファレンス信号は検出器又は検出器の信号増幅器に出力される。現時点で、リファレンス信号を受け取れる検出器は、発明者の知る限りでは無く、検出器の信号を増幅器で増幅する際に、リファレンス信号に合わせて増幅されているのが実際のところである。今後、リファレンス信号を受け取れる検出器が登場するであろう。

本発明の連続波テラヘルツ分光装置において、光学系は、入射方向に対して非線形光学素子により後方散乱方向に発生するテラヘルツ波を試料又は検出器に導光する、放物面鏡又は平面鏡を更に備えたことが好ましい。非線形光学素子にレーザ光が入射し、入射方向に対して反対方向の後方散乱方向に発生するテラヘルツ波が発生する場合、そのテラヘルツ波を集光してテラヘルツ分光計測対象の試料に照射し、或いは、検出器に導き、テラヘルツ波の強度を測定するべく、放物面鏡を用いて、テラヘルツ波を反射してテラヘルツ波の進路を変更すると共に集光させることができる。また、平面鏡を用いてテラヘルツ波の進路を変更し、別にテラヘルツ集光レンズを用いて集光させることもできる。

本発明の連続波テラヘルツ分光装置において、光ファイバカプラの出射光は、２つのレーザ光の偏光を制御することなく合波した結合光である。本発明では、２つの連続波レーザ光の偏光を制御していないことが特徴である。差周波混合では、２つの連続波レーザ光の偏光を揃えることが条件である。しかしながら、偏光子などを用いて積極的に偏光を揃えずとも、光ファイバカプラで合波した結合光は、差周波混合によりテラヘルツ波の発生できること、発生効率の低下が見られないことを、本発明者は確認済みである。

本発明の連続波テラヘルツ分光装置は、光ファイバカプラと、変調手段と、非線形光学素子と、光学系と、試料を支持する試料ホルダと、検出器と、光ファイバカプラの出射端から検出器の入射端まで至る光学系、が可搬型ケースに収容されたことが好ましい。光ファイバを用いる構成によれば、ポータビリティー性、耐久性が向上する。

本発明の連続波テラヘルツ分光装置において、可搬型ケースは、連続波レーザ光源とマルチモード光ファイバを、更に収容することが好ましい。装置構成の全てを可搬型ケースに収納できることにより、テラヘルツ分光計測を広く活用できる手助けにできる。

本発明の連続波テラヘルツ分光装置において、連続波レーザ光源は、半導体レーザ素子、素子駆動回路および電源が一体化されハウジングに収容され、マルチモード光ファイバの一端と接続するコネクタを備え、該コネクタを介して、レーザ光をマルチモード光ファイバ端より出力することが好ましい。

本発明の物質検知装置は、上記の何れかの連続波テラヘルツ分光装置を備え、試料が、呼気、大気、又は溶液であり、試料を透過又は反射した特定波長のテラヘルツ波の吸収を計測し、試料に含まれるウイルス、有機化合物、有毒物質、又は爆発性物質を検知する。

本発明の連続波テラヘルツ分光法は、波長が異なる２つの連続波レーザ光源から出た２つのレーザ光を合波させ、合波させる前の少なくとも何れかのレーザ光又は合波させたレーザ光の強度を変調し、変調したレーザ光を集光して非線形光学素子に入射させ、差周波混合によりテラヘルツ波を発生させ、発生したテラヘルツ波を集光して試料に照射して反射又は試料を透過するテラヘルツ波の強度を検出するテラヘルツ分光法において、マルチモード光ファイバを用いて各光源から出たレーザ光を導光し、レーザ光の偏光を制御することなしに、光ファイバカプラで２つのレーザ光を合波させる。

本発明の物質検知方法は、試料が、呼気、大気、又は溶液であり、下記各ステップを備える。
１）本発明の連続波テラヘルツ分光法を用いて、試料を透過又は反射した特定波長のテラヘルツ波の吸収を計測する計測ステップ。
２）試料に含まれるウイルス、有機化合物、有毒物質、又は爆発性物質を検知する検知ステップ。
３）検知結果を出力する出力ステップ。

本発明によれば、装置自体のコンパクト化、安定性の向上、ポータブル化の実現が図れ、テラヘルツ分光の実用性を高めるといった効果がある。

実施例１の連続波テラヘルツ分光装置の構成模式図 実施例２の連続波テラヘルツ分光装置の構成模式図 実施例３の連続波テラヘルツ分光装置の構成模式図 実施例４の連続波テラヘルツ分光装置の構成模式図 実施例５の連続波テラヘルツ分光装置の構成模式図 実施例６の連続波テラヘルツ分光装置の構成模式図 光ファイバカプラの説明図 実施例７の連続波テラヘルツ分光装置の構成模式図 連続波テラヘルツ分光法を用いた物質検知方法の概略フロー図 従来の連続波テラヘルツ分光装置の構成模式図

以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。

図１は、本実施例の連続波テラヘルツ分光装置の構成模式図を示している。図１に示すように、連続波テラヘルツ分光装置１は、マルチモード光ファイバ（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）、光ファイバカプラ１１、レーザ光源（Ｌ１）１２ａ、レーザ光源（Ｌ２）１２ｂ、変調器１３、放物面鏡１４、テラヘルツ集光レンズ１５、非線形光学素子１６、試料１７、Ｓｉレンズ１８及び検出器１９から構成される。
レーザ光源（Ｌ１）１２ａには、マルチモード光ファイバ１０ａが接続され、レーザ光源（Ｌ２）１２ｂにはマルチモード光ファイバ１０ｂが接続されている。光ファイバカプラ１１は、マルチモード光ファイバ１０ａ及びマルチモード光ファイバ１０ｂから出たレーザ光を合波させるものである。

レーザ光源１２ａ及びレーザ光源１２ｂから出射される連続波レーザ光は、パルスレーザ光と異なり波長がブロードではないので、非線形光学素子１６のエネルギー準位を正確に励起して効率良くテラヘルツ波を発生させることができる。レーザ光源１２ａ及びレーザ光源１２ｂとしては、非線形光学素子１６のエネルギー準位に応じて、適宜選択できるが、ここでは、市販の半導体レーザを用いた。市販の半導体レーザは、パルスレーザ光源に比べ安価であり、またレーザ波長の組合せも豊富である。
連続波レーザ光のエネルギーは、一方のレーザ光源１２ａを１．５１２ｅＶに固定し、もう一方のレーザ光源１２ｂを１．５２９ｅＶ～１．５４０ｅＶの間で変化させた。また、レーザ光の強度は１．９９ｍＷ～３０．０４ｍＷの間で変化させることにした。発生したテラヘルツ電磁波の周波数は、２つのレーザ光のエネルギー差から決定されるため、予め、レーザ光源１２ａ及びレーザ光源１２ｂのレーザースペクトルの測定を行った。レーザースペクトルの測定はレーザを分光器（StellarNet社製EPP2000-HR-NIR3,分解能 0.05 nm）を用いて行った。

合波されたレーザ光はマルチモード光ファイバ１０ｃにより変調器１３へ導かれ、変調器１３において、レーザ光の強度が変調される。変調器１３としては、テラヘルツ波を直接変調できる光チョッパを用いている。光チョッパは、レーザ光とテラヘルツ波のどちらでも変調でき、そのため、光学系における設置位置を自由に選択可能である。すなわち、そのためテラヘルツ波を発生する非線形光学素子の前のレーザ光の光路上に光チョッパを配置してもよく、また、テラヘルツを検出する検出器の前に、テラヘルツ波の光路上にチョッパを設置してもよい。現在のところ、テラヘルツ波を直接変調できるのは光チョッパのみとなっている。
なお、光チョッパの他に、変調器として、音響光学変調器や電気光学変調器を用いることも可能であるがよいが、音響光学変調器と電気光学変調器は、レーザ光しか変調できないため、配置場所はレーザ光の光路上に限定される。

変調器１３により、レーザ光の強度が変調されたレーザ光７は、放物面鏡１４に設けられた貫通孔（図示せず）を通り、テラヘルツ集光用TPXレンズ１５によって集光され、非線形光学素子１６に入射する。非線形光学素子１６では、差周波混合によりテラヘルツ波が発生する。図１の場合、非線形光学素子１６では、後方散乱方向（入射方向に対して反対方向）に発生する。
放物面鏡１４は、後方散乱方向に発生するテラヘルツ波８を集光して、平行化し、試料１７又は検出器１９に導光させるものである。Ｓｉレンズ１８は、検出器１９の入射光の光路上に配置され、テラヘルツ波８を透過する一方で、外乱やノイズとなる光を遮断するものである。
図示しないが、検出器１９からの出力信号をプリアンプで増幅し、ロックインアンプに入力し、デジタルマルチメータの値を読み取っている。デジタルマルチメータの出力値に対して、１７０μＶを１ｎＷと変換することで、テラヘルツ電磁波強度を求めている。
また、検出器１９としては、焦電型検出器（THz Detectors、Gentec-EO 社製 THZ2I-BL-BNC）を用いている。焦電型検出器以外に、ゴーレイセル、光伝導アンテナ、ボロメータなどを用いてもよい。

ここで、従来技術の連続波テラヘルツ分光装置について、図１０を参照して説明図する。図１０は、従来技術の連続波テラヘルツ分光装置の構成イメージ図を示している。図１０に示すように、従来技術の連続波テラヘルツ分光装置５０では、１／２波長板５１ａ及び偏光子５２ａを用いて、連続レーザ光源１２ａから出射される連続波レーザ光Ｌ１を偏光し、また、１／２波長板５１ｂ及び偏光子５２ｂを用いて、連続レーザ光源１２ｂから出射される連続波レーザ光Ｌ２を偏光し、２つの連続波レーザ光の偏光を合せて、ミラー５３及びハーフミラー５４を用いて光を重ね合わせている。重ね合わせた偏光が同一のレーザ光を集光レンズ１５で集光して非線形光学素子１６に照射し、テラヘルツ波８を効率よく発生させている。前述したとおり、従来技術の分光装置の構成では、２つの連続波レーザ光を効率よく重ね合わせる作業の難易度、部品点数の多さ、安定性、コンパクト化に不向きといった問題があった。

これに対して、実施例１の連続波テラヘルツ分光装置１は、部品点数を減らし、装置自体をコンパクト化し、かつ安定性を高めることを可能としている。また、２つのレーザ光の重ね合わせを容易に実現できるようにしている。ここで、光ファイバカプラ１１について図７を参照して説明図する。
図７は、光ファイバカプラの説明図を示している。光ファイバカプラ１１は、複数本の光ファイバを加熱溶融、融着延伸して作製されたものである。図７に示すマルチモード光ファイバ（１０ａ，１０ｄ）又はマルチモード光ファイバ（１０ｂ，１０ｃ）は元々一本の光ファイバである。マルチモード光ファイバ（１０ａ，１０ｄ）は、屈折率の高い中心部であるコア１０１ａを、屈折率の低い層であるクラッド１０２ａで覆った同心円状になっており、レーザ光Ｌ１はコア１０１ａの中に閉じ込められて伝わっていく。マルチモード光ファイバ（１０ｂ，１０ｃ）についても同様に、コア１０１ｂがクラッド１０２ｂで覆われており、レーザ光Ｌ２はコア１０１ｂの中に閉じ込められて伝わっていく。
このようなマルチモード光ファイバ（１０ａ，１０ｄ）とマルチモード光ファイバ（１０ｂ，１０ｃ）を融着延伸した箇所が、光ファイバカプラ１１である。光ファイバカプラ１１では、光が進むにつれて、隣接する光ファイバへ光が移動していく。光ファイバカプラ１１の融着延伸部は、光ファイバのコア径が小さいのでレーザ光はクラッド中に広がり、コア同士が接近しているので伝搬してきた光は隣のファイバに結合できるようになっている。図７に示すように、合波されたレーザ光は、マルチモード光ファイバ１０ｃに導かれる。

このように、光ファイバカプラ１１の出射光は、２つのレーザ光の偏光を制御することなく合波した結合光である。また、従来技術の連続波テラヘルツ分光装置５０では、ハーフミラー５４を使用した重ね合わせを確実にするために長い距離が必要であったが、光ファイバを使うことで、重ね合わせが高まるとともに光学系の小型化が可能で、その結果として、装置自体のコンパクト化を実現できる。
また、２つのレーザ光の偏光は特に制御する必要がない。すなわち、偏光子などの部品を不要とするため、部品点数の削減が図れ、安定性も向上する。

図２は、実施例２の連続波テラヘルツ分光装置の構成イメージ図を示している。連続波テラヘルツ分光装置２は、実施例１の連続波テラヘルツ分光装置１の構成に、減光フィルタ２１とシリコン（Ｓｉ）ウェハ２２が追加されている。
減光フィルタ２１は、非線形光学素子１６に入射するレーザ光の強度を調整し、それにより発生するテラヘルツ波の強度を調整するものである。
また、検出器１９の前段に配置されるシリコン（Ｓｉ）ウェハ２２は、外乱やノイズの原因となるレーザ光を遮断するためのものである。

図３は、実施例３の連続波テラヘルツ分光装置の構成イメージ図を示している。連続波テラヘルツ分光装置３は、実施例１の連続波テラヘルツ分光装置１と異なり、非線形光学素子１６に入射したレーザ光の差周波混合により発生するテラヘルツ波のうち、レーザ光７の入射方向、すなわち、レーザ光７の進行方向の透過方向に前方散乱するテラヘルツ波を用いる系である。実施例１の連続波テラヘルツ分光装置１の場合は、レーザ光７の進行方向と反対の反射方向に後方散乱するテラヘルツ波を用いていたため、放物面鏡１４が必要であったが、本実施例の装置構成では不要である。非線形光学素子１６で前方散乱するテラヘルツ波８は、テラヘルツ集光レンズ１５により集光され、試料１７を透過して（一部、特定波長のテラヘルツ波が試料１７に吸収され）、Siレンズ１８を通り、検出器１９に到達する。
なお、検出器１９の前段に、シリコン（Ｓｉ）ウェハ２２を配置することは特に不要である。非線形光学素子１６により、外乱やノイズの原因となるレーザ光は殆ど遮断されるからである。

図４は、実施例４の連続波テラヘルツ分光装置の構成イメージ図を示している。連続波テラヘルツ分光装置４では、実施例３の連続波テラヘルツ分光装置３と異なり、減光フィルタ２１が設けられ、非線形光学素子１６に入射するレーザ光の強度を調整し、それにより発生するテラヘルツ波の強度を調整できる。

図５は、実施例５の連続波テラヘルツ分光装置の構成イメージ図を示している。連続波テラヘルツ分光装置５は、実施例２の連続波テラヘルツ分光装置２と異なり、変調器１３が、試料１７とＳｉレンズ１８の間に設けられている。

図６は、実施例６の連続波テラヘルツ分光装置の構成イメージ図を示している。図６に示すように、連続波テラヘルツ分光装置６は、実施例４の連続波テラヘルツ分光装置４と異なり、変調器１３が、試料１７とＳｉレンズ１８の間に設けられている。

図８は、ポータブルタイプの連続波テラヘルツ分光装置の構成イメージ図であり、（１）は一部の構成要素を可搬型ケースに収容し、連続波レーザを別置きとする実施態様の一例であり、（２）は全ての構成要素を可搬型ケースに収容する実施態様の一例を示している。図８（１）に示す連続波テラヘルツ分光装置は、実施例２の連続波テラヘルツ分光装置２と同様に、マルチモード光ファイバ（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）、光ファイバカプラ１１、レーザ光源１２ａ、レーザ光源１２ｂ、変調器１３、放物面鏡１４、テラヘルツ集光レンズ１５、非線形光学素子１６、試料１７、Ｓｉレンズ１８、検出器１９、減光フィルタ２１及びシリコン（Ｓｉ）ウェハ２２を備える。
しかしながら、図８（１）に示す連続波テラヘルツ分光装置は、実施例２の連続波テラヘルツ分光装置２とは異なり、レーザ光源１２ａ、レーザ光源１２ｂ及びマルチモード光ファイバ（１０ａ，１０ｂ）の一部を除く装置全体が、可搬型ケース３０に収容されている。可搬型ケース３０には持ち手３０ａが設けられたバッグ形状を呈しており、コンパクトであるだけでなく、持ち運びが容易な構造である。図示しないが、可搬型ケース３０はファスナ等により開閉が可能な構造である。

また、可搬型ケース３０には、光ファイバ用コネクタ（３１ａ，３１ｂ）、信号データ線３２、外部出力用コネクタ３３及び試料ホルダ３４が設けられており、かかる点でも実施例２の連続波テラヘルツ分光装置２とは異なる。
光ファイバ用コネクタ３１ａには、レーザ光源１２ａと接続されたマルチモード光ファイバ１０ａを取り付け、光ファイバ用コネクタ３１ｂには、レーザ光源１２ｂと接続されたマルチモード光ファイバ１０ｂを取り付けることができる。検出器１９には信号データ線３２の一端が接続されており、信号データ線３２の他端には、外部出力用コネクタ３３が設けられている。外部出力用コネクタ３３には、公知の外部デバイス（図示せず）を接続可能である。
光ファイバ用コネクタ（３１ａ，３１ｂ）及び外部出力用コネクタ３３は、可搬型ケース３０の外周面上に配設されているため、可搬型ケース３０を閉じた状態のままで、マルチモード光ファイバ（１０ａ，１０ｂ）や外部デバイスを接続でき、利便性の高い仕様となっている。
また、可搬型ケース３０の側部には開口部が設けられ、可搬型ケース３０の内部には試料ホルダ３４が形成されている。かかる仕様とされることにより、可搬型ケース３０を閉じた状態で、試料の出し入れが可能である。

これに対して、図８（２）に示す連続波テラヘルツ分光装置は、図８（１）に示す連続波テラヘルツ分光装置と異なり、レーザ光源１２ａ、レーザ光源１２ｂ及びマルチモード光ファイバ（１０ａ，１０ｂ）を含む装置全体が、可搬型ケース３０に収容されている。装置全体が、可搬型ケース３０に収容される構成とすることにより、持ち運びが容易になる。

図９は、連続波テラヘルツ分光法を用いた物質検知方法の概略フロー図を示している。連続波テラヘルツ分光法では、まず、波長が異なる２つの連続波レーザ光源から出たレーザ光をマルチモード光ファイバで導光する（ステップＳ０１）。レーザ光の偏光を制御すること無く、光ファイバカプラでレーザ光を合波する（ステップＳ０２）。合波させたレーザ光の強度を変調する（ステップＳ０３）。変調したレーザ光を集光して非線形光学素子に入射する（ステップＳ０４）。差周波混合によりテラヘルツ波を発生させる（ステップＳ０５）。テラヘルツ波を集光して試料に照射する（ステップＳ０６）。試料を透過するテラヘルツ波の強度を検出する（ステップＳ０７）。なお、ステップＳ０７で、試料を反射するテラヘルツ波の強度を検出することも可能である。その後、特定波長のテラヘルツ波の吸収を計測して（ステップＳ０８）、試料に含まれるウイルス等の物質を検知し（ステップＳ０９）、検知結果を出力する（ステップＳ１０）。

本発明は、呼気中のウイルス検出や、大気中、特に災害現場などにおける有毒ガス検出に有用である。

１～６ 連続波テラヘルツ分光装置
７ レーザ光
８ テラヘルツ波
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ マルチモード光ファイバ
１１ 光ファイバカプラ
１２ａ 連続レーザ光源（Ｌ１）
１２ｂ 連続レーザ光源（Ｌ２）
１３ 変調器（チョッパ）
１４ 放物面鏡
１５ テラヘルツ集光レンズ
１６ 非線形光学素子
１７ 試料
１８ Ｓｉレンズ
１９ 検出器
２１ 減光フィルタ（ＮＤフィルタ）
２２ シリコン（Ｓｉ）ウェハ
３０ 可搬型ケース
３０ａ 持ち手
３１ａ，３１ｂ 光ファイバ用コネクタ
３２ 信号データ線
３３ 外部出力用コネクタ
３４ 試料ホルダ
５０ 従来の連続波テラヘルツ分光装置（偏光を揃えるもの）
５１ａ，５１ｂ １／２波長板
５２ａ，５２ｂ 偏光子
５３ ミラー
５４ ハーフミラー
１０１ａ，１０１ｂ コア
１０２ａ，１０２ｂ クラッド

Claims (12)

1. 波長が異なる２つの連続波レーザ光源と、
   各光源から出たレーザ光を導光するマルチモード光ファイバと、
   レーザ光を合波させる光ファイバカプラと、
   合波させる前の少なくとも何れかのレーザ光又は合波させたレーザ光の強度を変調する変調手段と、
   差周波混合によりテラヘルツ波を発生させる非線形光学素子と、
   変調したレーザ光を集光して前記非線形光学素子に入射させ、発生したテラヘルツ波を集光して試料に照射する光学系と、
   前記試料を反射又は透過するテラヘルツ波の強度を検出する検出器、
   を備えたことを特徴とする連続波テラヘルツ分光装置。
2. 前記検出器の入射光の光路上に配置された、テラヘルツ波を透過する光学素子を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の連続波テラヘルツ分光装置。
3. 前記光学系は、前記レーザ光の強度調整用の減光フィルタを更に備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の連続波テラヘルツ分光装置。
4. 前記変調手段が、光チョッパであり、定速回転するブレードによって連続した光を変調し、ブレードを回転に合わせて、前記検出器又は前記検出器の信号増幅器にリファレンス信号を出力することを特徴とする請求項１～３の何れかに記載の連続波テラヘルツ分光装置。
5. 前記光学系は、入射方向に対して前記非線形光学素子により後方散乱方向に発生するテラヘルツ波を前記試料又は前記検出器に導光する、放物面鏡又は平面鏡を更に備えたことを特徴とする請求項１～４の何れかに記載の連続波テラヘルツ分光装置。
6. 前記光ファイバカプラの出射光は、２つの前記レーザ光の偏光を制御することなく合波した結合光であることを特徴とする請求項１～５の何れかに記載の連続波テラヘルツ分光装置。
7. 前記光ファイバカプラと、前記変調手段と、前記非線形光学素子と、前記光学系と、
   前記試料を支持する試料ホルダと、前記検出器と、前記光ファイバカプラの出射端から前記検出器の入射端まで至る光学系、が可搬型ケースに収容されたことを特徴とする請求項１～６の何れかに記載の連続波テラヘルツ分光装置。
8. 前記可搬型ケースは、前記連続波レーザ光源と前記マルチモード光ファイバを、更に収容することを特徴とする請求項７に記載の連続波テラヘルツ分光装置。
9. 前記連続波レーザ光源は、半導体レーザ素子、素子駆動回路および電源が一体化されハウジングに収容され、前記マルチモード光ファイバの一端と接続するコネクタを備え、該コネクタを介して、レーザ光を前記マルチモード光ファイバ端より出力することを特徴とする請求項７又は８に記載の連続波テラヘルツ分光装置。
10. 請求項１～９の何れかの連続波テラヘルツ分光装置を備え、
    前記試料が、呼気、大気、又は溶液であり、前記試料を透過又は反射した特定波長のテラヘルツ波の吸収を計測し、
    前記試料に含まれるウイルス、有機化合物、有毒物質、又は爆発性物質を検知することを特徴とする物質検知装置。
11. 波長が異なる２つの連続波レーザ光源から出た２つのレーザ光を合波させ、合波させる前の少なくとも何れかのレーザ光又は合波させたレーザ光の強度を変調し、変調したレーザ光を集光して非線形光学素子に入射させ、差周波混合によりテラヘルツ波を発生させ、発生したテラヘルツ波を集光して試料に照射して、前記試料を反射又は透過するテラヘルツ波の強度を検出するテラヘルツ分光法において、
    マルチモード光ファイバを用いて各光源から出たレーザ光を導光し、レーザ光の偏光を制御することなしに、光ファイバカプラで２つのレーザ光を合波させることを特徴とする連続波テラヘルツ分光法。
12. 試料が、呼気、大気、又は溶液であり、
    請求項１１の連続波テラヘルツ分光法を用いて、前記試料を透過又は反射した特定波長のテラヘルツ波の吸収を計測する計測ステップと、
    前記試料に含まれるウイルス、有機化合物、有毒物質、又は爆発性物質を検知する検知ステップと、
    検知結果を出力する出力ステップ、
    を備えたことを特徴とする物質検知方法。
    
    
    

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