JP3388319B2 - 自由空間の電磁放射を特徴づけるための電気光学及び磁気光学感知装置及び方法 - Google Patents

自由空間の電磁放射を特徴づけるための電気光学及び磁気光学感知装置及び方法

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、自由空間の電磁場をコヒーレントで特徴づ
けるための装置と方法に関し、特に、リアルタイム２次
元遠赤外画像の用途に適した装置と方法に関する。
背景技術 超高速電子装置と光電子装置の集合体、特に、投光さ
れたテラヘルツ光線の部分電場において、自由に伝搬す
るピコ秒のマイクロ波とミリ波の信号の検出は、主に、
光導電アンテナと遠赤外コヒーレント計測法により行わ
れる。例えば、ヒューとヌス著による題名“テラヘルツ
波による画像”、光学レター、20巻、16号、1995年８月
（"Imaging With Terahertz Waves,"Optics Letters,Vo
l.20,No.16,Augaust 1995）を参照のこと。
光導電アンテナは、良好な検出応答性を有し、その信
号ノイズ比は、一般に、液体ヘリウム冷却のボロメータ
ーより遥かに優れている。その上、ダイポール距離が短
い光導電アンテナの検出帯域幅は、５テラヘルツを超え
る。しかし、これらのアンテナ方式の検出器の問題点
は、ヘルツのダイポール構造の共振作用である。このタ
イプの構造は、ダイポール距離の２倍の共振波長を有
し、そのため、共振検出器の応答関数からなる信号波形
は、入ってくるテラヘルツと光学的ゲートパルスの単純
な相互相関ではない。光学的ゲートとアンテナの幾何学
的配置における光キャリアの有限な寿命により制約され
る光導電アンテナの時間的分解が、100フェトム秒より
低下しても、測定された信号は、実際のテラヘルツ波形
を正確に表示しない。
比較において、遠赤外コヒーレント計測法が、テラヘ
ルツパルスの自己相関をもたらすけれども、重要な位相
情報は失われている。ほとんどの場というものに相互に
関連する用途において、振幅と位相を含む、全テラヘル
ツの波形の知識は、重要である。従って、多様な進歩し
た科学技術での用途を支えるために、引き続き、さらに
適切な感知装置の発展の必要性がある。
電気光学サンプリングは、ピコ秒の過渡的信号の測定
に特に適している。この様なサンプリングは、“局所電
場”測定の技術に適用されており、この技術は、フォト
ダイオード、集積回路、及び電気的刺激と電気的出力、
または、光学的刺激と電気的出力により発生した信号の
測定からなっている。これらの“局所電場”電気光学サ
ンプリング装置は、例えば、米国特許No.4,618,819、4,
910,458及び5,406,194に記載されており、一般に、ポッ
ケルス効果を利用している。ポッケルスデバイスは、加
えられた電場の関数として変化する複屈折の性質を有す
る電気光学結晶と言われているものである。
電気光学結晶は、以下のような“局所電場”コンテク
ストにおいて使用されている。一連の光学的パルスが発
生源から送られ、サンプリングビームと刺激ビームの２
つの経路へに分割される。この様な発生源の１つは、可
視波長ピコ秒のレーザーである。第１の経路の光学的パ
ルスは、測定される電気的信号の発生を誘発する。第２
の経路の光学的サンプリングパルスが、伝搬されること
により、この電気的信号は、電気光学結晶に影響するよ
うに接続される。この結晶は、第１と第２の交差した偏
光子の間の光路にある。電場に発生した複屈折は、サン
プリングビームの偏光を変える。偏光分析後のサンプリ
ングビームの光度は、検出器、例えば、速度の遅いフォ
トダイオードにより測定され、それは、個々のパルスを
分解する必要はない。
検出器の出力は、それを利用する手段へ送られる。刺
激ビームのパルスの変調を表す電気的出力と同様に、検
出器からの電気的出力は、サンプリングされた電気的信
号の振幅に比例するDC出力を刺激ビームの変調と同一位
相で発生するロックイン増幅器へ、最初に接続される。
表示は、表示器と同期した可変遅延線路の出力に対する
連続的なパルス周期の間のロックイン増幅器の出力をプ
ロットすることにより、形成される。電気光学サンプリ
ングの基本理論は、バラドマニス（Vladmanis）ムーロ
ー（Mourou）著の“電気光学サンプリング：テストピコ
秒電子装置”、レーザー焦点／電気光学誌、84頁、1986
年２月（"Electro−Optic Sampling:Testing Picosecon
d Electronics,"Laser Focus/Electro−Optics,p.84.Fe
bruary,1986）と、バラドマニス（Vladmanis）、ムーロ
ー（Mourou）、及びガベル（Gabel）著、量子電子工学
のIEEE誌、QE−19、４巻、664頁、1983年４月（IEEE Jo
urnal of Quantum Electronics,Vol.QE−19,4,p.664,Ap
ril 1983）に説明されている。時間的要素をピコ秒程度
で有する信号を測定する有効な電気光学サンプリング
は、バラドマニス、ムーローに付与された米国特許No.
4,446,425に開示されている。
電気光学サンプリングの一般的実施例において、電気
光学サンプリングは、３つの部分からなる試験設備に具
体化されている。これらは、金属またはセラミックの支
持体、光導電スイッチ、及び電気光学結晶である。支持
体は、能動デバイスの機械的支持を行う。能動デバイス
はそれ自体が電気光学結晶、光導電スイッチ、及び試験
中のデバイスからなっている。電気的接続は、試験中の
デバイスからバイアス回路網へなされているのと同様
に、スイッチと結晶の導波路へ典型的な金結線でなされ
ている。
動作モードにおいて、光導電スイッチはそれへ加えら
れた適切なバイアスを有する。スイッチが前述の刺激ビ
ームにより刺激されると、電気的パルスが、ピコ秒の立
ち上がりで導波路へ送り出される。これは、試験中のデ
バイスを刺激、つまり起動する刺激信号である。試験中
のデバイスは、電気的出力パルスを発生し、続いて、結
晶面上の導波路へ送り出され、そこで、電場が電気光学
結晶の複屈折を発生し、光学的パルスの第２の連続によ
りサンプリングされる。
“局所電場”特徴を定量化する良い性能を有するとし
ても、技術的周知の、そして、ここで要約されている電
気光学サンプリングは、これまで、自由空間放射の特徴
づけを行なうことが出来なかった。これは基本的に、局
所電場と自由空間の電磁波の性質が異なるためである。
従って、自由空間放射をサンプリングできる、実用的
な電気光学サンプリング装置と方法の技術の必要性、特
に、リアルタイムの２次元遠赤外画像用途のために適す
るものの必要性がある。
発明の開示 簡単に要約すると、本発明は、１つの態様において、
自由空間の電磁場を特徴づける電気光学センサーからな
る。このセンサーは、自由空間の電磁場が通り、結晶の
屈折率を変化するように位置付けられた電気光学結晶を
有する。光学プローブ信号が発生して、通過する自由空
間電磁場と同期して電気光学結晶に突き当たり、これに
より、光学プローブ信号は、結晶を通過する電磁エネル
ギーを表す情報を集める。感知手段が、光学プローブ信
号の楕円変調を決定して、結晶を通った後の光学プロー
ブ信号を検出するために備えられている。次に、処理手
段が、光学プローブ信号のこの楕円変調を評価すること
により、自由空間の電磁エネルギーを特徴づける。
１つの実施形態において、逆方向伝搬システムが提示
されており、この装置では、光学プローブ信号が、結晶
を通過する自由空間の電磁場の方向と反対の方向へ入っ
た後、結晶内で全反射を行う。別の実施形態では、光学
プローブ信号は、２つの信号の間の相互作用距離を高め
るために、結晶を通る自由空間の電磁エネルギーと共線
的に向けられる。画像の用途は、光学プローブ信号と結
晶を通過する自由空間の電磁エネルギーのこの共線的配
置を採用することにより提供される。
本発明は、別の態様において、自由空間の磁場を特徴
づけるための磁気光学センサーからなる。このセンサー
は、自由空間の磁場が通過して、結晶の屈折を変化する
ように配置された磁気光学結晶を有する。光学プローブ
信号が発生し、結晶を通過する自由空間の磁場と同期し
て、磁気光学結晶に突き当たり、これにより、光学プロ
ーブ信号は、結晶を通過する磁場を表す情報を集める。
感知手段が、光学プローブ信号の楕円変調を決定して、
結晶を通過した後の光学プローブ信号を検出するために
備えられている。次に、処理手段が、光学プローブ信号
のこの楕円変調を評価することにより、自由空間の磁気
エネルギーを特徴づける。
自由空間の電磁場を特徴づけるために、電気光学的感
知法として主に述べているが、本発明は、また、自由空
間の磁場を特徴づけるために、前に要約した磁気光学的
感知法を含んでいることを理解されるであろう。
多くの利点が、これまでのすべての感知法と比較し
て、ここに呈示された斬新な装置と方法に内在してい
る。テルル化亜鉛（ZnTe）プローブによる予備データ
は、回折が限定された空間分解、フェトム秒の時間的分
解（177−フェトム秒パルス持続）を示しており、５テ
ラヘルツ帯域幅が達成される。検出幾何学的配置の単純
化、空間的な並列処理の可能性、及び達成される優れた
信号ノイズ比（≧10,000）は、本発明による装置／方法
をリアルタイムの２次元サブピコ秒遠赤外画像用途に適
したものにしている。
電場センサーの領域は、結晶の面積により設定され、
従って、本技術は、並列光学処理を本来行うことができ
る。本方法は、CCD及びDSPの技術と併用可能である。電
場センサー装置は、光導電ダイポールアンテナの共振構
造により現在の技術に内在するこれまでの制約を排除す
る。DCから第１の音響共振周波数（一般に数テラヘル
ツ）への一様な周波数応答性が達成可能であり、これに
より、極端に広い帯域周波数応答を発生する。
本発明によるセンサーは、広い温度変化、例えば、−
250℃〜＋200℃で使用できる。電磁場センサーは、セッ
トアップが容易であり、焦点合わせ部材を必要としな
い。実質的に、電磁場の摂動は、感知装置により発生し
ない。このセンサーは、100,000,000パワーダイナミッ
クレンジを有する。電極または配線は必要なく、そし
て、デバイスはテラヘルツ電場画像に使用できる。
検出器の領域は、センサー結晶の領域であり、これ
は、GaAsセンサー結晶が使用されるならば、４インチの
大きさであるか、または、単一のビーム用途の場合は、
50μｍ程度に小さい。重ねて言えば、より大きいサイズ
は、遠赤外画像に適している。電気光学センサー板は、
DC〜数テラヘルツの範囲の帯域幅内の自由伝搬する電磁
波の振幅と位相の両方を測定する。
電場センサー装置の感度は、電気光学係数及び光学ビ
ームと電磁ビームとの間の相互作用距離により設定され
る。電場センサーは、強いプローブビーム出力を必要と
せず、そして、光学プローブビームのための従来のフォ
トダイオード検出器を用いることにより、プローブビー
ム出力は、10nW〜10mWの間で変化し、これは、すべての
現存する光学電子技術より顕著に低い。最後に、有機材
料を、検出感度を高めるためにセンサーヘッドに使用し
てもよい。
図面の簡単な説明 本発明に係る課題は、明細書の最後の部分で、詳細に
指摘され、明確にクレームされている。しかし、本発明
は、さらに別の目的と利点と共に、実際の構成と方法の
両方に関し、添付図面との関連で、以降の詳細な説明を
参照することにより十分に理解されるであろう。
図１は、自由空間放射をサンプリングする、本発明に
よる電気光学サンプリング装置の１つの実施態様の図を
示しており、光学プローブパルスが、自由空間放射に対
し逆方向伝搬している。
図２は、図１の放射ビーム、焦点合わせレンズ、電気
光学結晶、及びサンプリングパルス成分の拡大図であ
る。
図３は、電気光学信号強度に対するタイムディレイの
プロットからなる、非バイアスGaAs放出体からの過渡波
形のブラフである。
図４は、本発明による自由空間サンプリング装置の別
の実施形態を示しており、放射が電気光学結晶を通過す
るとき、光学プローブパルスは、自由空間放射と共線的
である。
図５は、光導電アンテナからの時間的電気光学信号の
グラフである。
図６は、電気光学アンテナからの電気光学信号の周波
数スペクトルのグラフであり、スペクトルは、20ギガヘ
ルツの中心周波数と6.3ギガヘルツの3dB帯域幅を有す
る。
図７は、GaPセンサーにより測定された光整流からの
時間的電気光学信号のグラフである。
図８は、図７に示された時間的信号の周波数スペクト
ルのグラフである。
図９は、電気光学信号（ピーク〜ピーク）に対する光
学的ポンピング出力のプロットである。
図10は、電気光学信号（ピーク〜ピーク）に対する光
学プローブ出力（平均）のグラフである。
図11は、ZnTeセンサーにより測定された代表的な時間
的波形のグラフである。
図12は、電気光学信号強度に対する光学的励起出力の
グラフである。
図13は、本発明による電気光学サンプリング装置の別
の実施形態を示しており、放射が電気光学結晶を通過す
るとき、光学プローブパルスは、同様に、自由空間放射
と共線的である。
図14は、本発明による、厚さ1.5mm≦110≧の配向され
たテルル化亜鉛（ZnTe）結晶により測定された代表的放
射波形のグラフである。
図15は、本発明による２次元遠赤外画像適用の１つの
実施形態の詳細図である。
図16は、本発明による２次元遠赤外画像適用の別の実
施形態を示す。
図17は、図１に示されているなどの電気光学サンプリ
ング装置に使用される電気光学結晶の別の実施形態を示
す。
図18は、図17の石英ガラスとLiTaO内で反射している
光学ビームの拡大透視図である。
図19は、図17の電気光学結晶に使用されているような
石英ガラスプリズムの一実施形態の拡大図である。
図20は、電気光学信号強度に対するタイムディレイプ
ロットからなる過渡波形を示しており、図17の結晶を採
用している。
図21は、石英ガラスハンドルに配置された図17の電気
光学結晶を示しており、結晶の光軸の方向を示してい
る。
図22は、20μmZnTeセンサーにより測定されたテラヘ
ルツ放射の時間的波形を示しており、最短共振時間は31
フェトム秒である。
図23は、図22の波形の周波数スペクトルを示してお
り、５テラヘルツ〜10テラヘルツの吸収は、放出体（Ga
As）とセンサー（ZnTe）による。
図24は、高繰返し率最盛増幅レーザーを使用してい
る、本発明による自由空間電気光学サンプリングの一実
施形態の図である。
図25は、図24の1/4波長光学バイアスで平衡化された
検出器により測定されたテラヘルツ放射の時間的波形か
らなる。
図26は、図25の時間的波形に対応する周波数スペクト
ル（FFT）及びノイズのグラフである。
図27は、本発明によるテラヘルツ画像の一実施形態の
図であり、遠赤外（テラヘルツ）電場の２次元分布が、
光学的画像へ変換されて、ZnTe結晶内でゲートされ、CC
Dカメラにより測定される。
図28は、図27のCCDの１つの画素により測定された図2
8aの時間的波形の周波数スペクトルのグラフである。
図29は、バイアスされた中心電極と接地された２つの
側部電極を有するクアドロポール放出体の一実施形態を
示す。
図29aは、図29のクアドロポールからのテラヘルツ電
場のフォーカルプレーン画像の２次元グラフと三次元グ
ラフからなる。
図30と30aは、フォーカルプレーン内のテラヘルツビ
ーム路を横断して掃引するロッドのないフォーカルプレ
ーン画像を示す。
図31と31aは、図27の画像装置を使用しているフォー
カルプレーンにおけるテラヘルツビーム路を通って掃引
されたロッドの２次元と三次元の画像を示す。
図32は、本発明の別の態様による超高速自由空間磁気
光学サンプリング装置の一実施形態の図である。
図33は、センサーとしてトリビウム−ガリウム−ガー
ネットによる磁気光学信号（単一走査）の時間的波形の
グラフである。
図34は、アモルファスガラス（SF−59）センサーによ
る磁気光学信号の時間的波形のグラフである。
発明を実施するための最良の形態 テラヘルツ画像は、電磁スペクトルのミリ波以下の領
域において動作する斬新な技術である。高速光電子工学
とフェトム秒レーザー技術の最近の進歩は、テラヘルツ
放射の短いバーストの発生と検出を活用しており、これ
は、ミリ波以下の範囲における分光測定に非常に有用で
あることが明らかにされた。テラヘルツ画像は、これら
の分光測定をリアルタイム画像、及び進歩した信号の処
理と反復を組み合わせており、従って、画像の各画素
は、対象物に付いての分光情報を含んでいる。多くの場
合、分光情報は、調査対象物の化学的組成に関する有力
な手がかりを提供する。テラヘルツ放射は、エム・ナス
（M.Nuss）著による論説“化学はＴ−光線画像に適して
いる”、回路と装置、IEEE誌、1996年３月（“Chemistr
y is Right for T−Ray Imaging,"Circuits ＆ Device
s,IEEE,March 1996）にかなり詳細に述べられている。
一般的に言えば、伝搬するテラヘルツビームの自由空
間電気光学的な特徴づけの装置と方法がここに述べられ
ている。これまでの技術と異なり、本発明による自由空
間電気光学サンプリングは、振幅と位相の両方を含む、
全テラヘルツ波形の有用な知識を提供することができ
る。ここに使用されているように、用語“自由空間”
は、電気光学センサーが、マイクロ波または電場放出体
から離れて配置されている。すなわち、“離れた電場”
に配置されている。１メーター程離れた距離が実験的に
確証されている。感知技術は、低周波電場（テラヘルツ
パルス）とテルル化亜鉛（ZnTe）結晶などの電気光学結
晶内のレーザービーム（光学的パルス）との間の非線型
接続に基づいている。偏光された電場を印加することに
より結晶の複屈折を変調することは、結晶を通る光学プ
ローブビームの楕円の偏光を変調する。次に、光学ビー
ムの楕円変調は、偏光分析されて、印加された電場の振
幅と位相の両方についての情報を提供する。
ZnTeプローブの予備データは、波長以下の空間的分
解、フェトム秒の時間的分解（177−フェトム秒パルス
の持続時間）、及び５テラヘルツの帯域幅が得られるこ
とを示している。恐らく最も明確には、検出の幾何学的
配置の簡素化、光学的並列処理の能力、そして達成可能
な優れた信号ノイズ比（≧100,000）は、本発明による
装置／方法を、リアルタイム２次元サブピコ秒遠赤外画
像用途に適したものにしている。
図面に関し、同一参照番号が、同一または類似の構成
要素を示すために、多くの図面について使用されてお
り、本発明による自由空間電気光学サンプリングの一実
施形態が図１に示されている。この検出の幾何学的配置
は、逆方向伝搬法からなっており、光学プローブ信号
は、結晶を通過する電磁場の方向と逆方向に、電気光学
結晶へ入射する。信号が結晶を通過する電磁エネルギー
と同じ方向の速度成分を有するように、結晶が光学的パ
ルス信号を屈折するように構成されている。
操作上、電磁場の感知は、次のように作動する。電磁
場信号は、電気光学結晶内で低周波偏光での変化を起こ
す電気光学結晶へ送られる。この低周波偏光での変化
は、結晶内の屈折率の変化を発生する。屈折率の変化
は、電気光学結晶に照射される光学プローブ信号により
感知される。偏光アナライザーは、光学プローブ信号の
光の偏光の変化を光の強度変化へ変換する。最後に、こ
の光の強度変化が分析される。この変化は、電磁場信号
に比例し、そして電磁場信号の特徴であることは、当業
者には周知である。この信号分析は、“局所電場”コン
テクストにおいて現在行われているものと似ている。
図１において、パルスの電磁放射（THzパルス）12
が、電気光学結晶14を照明すると、その屈折率はポッケ
ルス効果により変調される。フェトム秒光学的パルス16
が、結晶を通過することにより、電場により発生した屈
折率の変化をプローブする。電場により発生した楕円変
調を強度変調へ変換するため、プローブパルスは、補償
板（Ｃ）と偏光子（Ｐ）により分析され、次に、光検出
器により検出される。検出効率を改善するため、テラヘ
ルツビームが高感度シリコンレンズ20により焦点が合わ
され、これにより、センサーの結晶の過渡バイアスを大
きく増加する。さらに、光学的チョッパーが使用され
て、レーザーポンピングビームを変調し、ロックイン増
幅器がノイズ低減のために使用される。これらは必須の
ものでなく、その使用は実施法に依存する。例えば、平
行な光学プローブ入力により画像するならば、光学的チ
ョッパーとロックイン増幅器は使用されない。
一般に10で示されているサンプリング装置は、本発明
による概念を検討するのに有用な構成からなる。詳細な
実施例として、ポンピングされたcwAr+レーザー、モー
ド固定Ti、すなわちサファイアレーザー22（コヒーレン
トMIRA）は、150フェトム秒光学的パルスを、820nmで、
76Mヘルツの繰返し率で送る。レーザー信号は、24にお
いて分割され、プローブパルス16とトリガーを適切なデ
ィレイステージ28を経て放出体26へ送る。フェトム秒レ
ーザーパルスにより再び誘発された放出体26は、テラヘ
ルツパルス12を放射するGaAs光導電放出体を有する。平
板状の放出体は、2mmの光導電間隙を電極の間に有す
る。バイアス電場は、1.5KV/cmで、放出体への平均光学
的出力は、400mWである。ディレイステージ28は、本発
明により得られた位相と振幅の情報を制御する波形の形
成を行う。それ自身の応答機能ではあるが、コヒーレン
トの測定を行う従来のアンテナと異なり、ここでは、
“直接”または“絶対”測定からなるコヒーレントの測
定が述べられている。本発明は、電場強度の決定のため
に振幅と位相の両方の直接測定を可能にする斬新な技術
からなっていると確信される。さらに、電場振動の較正
とマッピングが行われる。
テラヘルツ（THz）パルス12などのパルス電磁放射
が、電気光学結晶14に放射されると、結晶の屈折率がポ
ッケルス効果により変調される。電気光学結晶は、“局
所電場”感知技術として知られている方法で、電場セン
サーとして使用される結晶に対し、正確に配向されなけ
ればならない光軸を有する。検出効率を改善するため、
放射ビーム12は、シリコンレンズなどのレンズ20により
好適に焦点が結晶へ合わされる。逆方向伝搬するフェト
ム秒の光学的パルスは、電場により発生した結晶の屈折
率変化を、例えば、10μｍのフォーカススポットなどで
の結晶内の反射により探る。一実施形態として、500μ
ｍ厚さのLiTao3結晶が、入射する放射の電場偏光に平行
なＣ軸を有するポッケルスセルとして採用されている。
この感知配列は、所望の位相整合状態を満足し、LiTao3
内のこの状態は、図２によく示されているように、テラ
ヘルツパルス12と光学的パルス16の間に71度の角度を必
要とする（注．“逆方向伝搬”センサー10の他の結晶構
成は図17〜21に示されており、後に検討する）。
引き続いて図１に関し、電場により発生された楕円変
調を強度変調へ変換するため、プローブパルス16は、光
検出器18により検出される前に、補償板（Ｃ）と偏光子
（Ｐ）を通る。プローブパルス16は、印加された電場、
すなわち、テラヘルツパルス12の振幅と位相の両方の情
報を提供する。脇道にそれた特定の実施例ではあるが、
補償板（Ｃ）は、ベレク補償板、部品番号5540、販売元
サンベイル、カリフォルニアのニューフォーカス社（Be
rek compensator,Part No.5540,New Focus Inc.of Sunn
yvale,California）から成り、一方、偏光子（Ｐ）は、
グレン・レーザーポラライザー、部品番号GLD−M10−85
0、販売元ロングモント、コロラドのメドーラーク・オ
ブティックス社（Glen Laser Polarizer,Part No.GLD−
M10−850,Meadowlark Optics of Longmont,Colorado）
からなっている。さらに、光検出器18は、シリコンフォ
トダイオード、例えば部品番号S2386−18K、販売元ハマ
マツ社、ブリッジウォータ、ニュージャージ（Part No.
S2386−18K,Hamamatsu Corp.of Bridgewater,New Jerse
y）からなっている。
さらに脇道にそれた説明であるが、1/4波長板（補償
板（Ｃ））が、光学バイアスをプローブパルスへ加える
ために使用されており、これは、装置が線形的に作動す
るのを可能にする。ウォラストン偏光子（WP）が、プロ
ーブビームの発生した位相遅延を、２つの相互に直交し
た線形偏光ビームの強度変調へ変換するために使用され
るのが好ましい。２つの非バイアスのハママツ社特別注
文の平衡フォトダイオード部品番号S1446に似ているフ
ォトダイオード（部品番号S5533、販売元ハママツ社、
ブリッジウォーター、ニュージャージ）が、平衡モード
で接続されている。これらのフォトダイオードは、光学
的強度変調を検出するために使用される。電気光学セン
サーが複屈折ならば、補償板が使用されなければならな
いことを付記しておく。しかし、GaAs及びZnTeのような
すべての亜鉛混合結晶の結晶センサーが、複屈折でない
ならば、1/4波長板が、補償板の代わりに使用される。
必要ならば、ファイバー光学的リンクが、電気光学セン
サーの出力を検出機構へ接続するために使用することが
できる。これは、ここに呈示されたサンプリング法のす
べてに対して選択できる。
再び説明すると、テラヘルツビームが、結晶軸に平行
な偏光を有する、電気光学LiTao3結晶に放射されると、
屈折率は、ポッケルス効果により変調される。結晶のＣ
軸にその偏光45度のフェトム秒光学的パルスは、電場に
より誘発された屈折率の変化を探る。
図３は、良い速度整合状態を得るために注意深く配列
されたプローブビーム路を有する非バイアスGaAs放出体
からの過渡波形をプロットしている。良好な速度整合状
態により、優れた信号ノイズ比が得られている。主ピー
クの半波高全幅値（FWHM）は、450フェトム秒である。
電気光学センサーの電場測定は、純粋に、電気光学法で
あり、位相が整合されており、そして、システムの帯域
幅は、テラヘルツ信号の分散と結晶内のレーザーパルス
の持続時間により制限される。得られる広い帯域幅、最
小電場摂動、及び自由空間電気光学システムの実際の時
間的相互相関は、本発明にかかる実施例に特有の特徴で
ある。本来のテラヘルツ波形を自由空間電気光学サンプ
リングにより得られた相互相関信号から抽出することが
可能である。この方法は、センサー結晶との電気的接触
の必要を排除している。その上、電気光学結晶板とCCD
カメラによるリアルタイムテラヘルツ画像は、ここに示
された概念により、科学的、商業的に実現可能である。
図１〜３の実施例において、テラヘルツビーム伝搬方
向に投射された、結晶から反射された逆方向に伝搬して
いる光学ビームの速度は、移動するテラヘルツの電場の
速度と一致する。結晶内における光学プローブビームと
テラヘルツビームとの相互作用距離は、約200μｍであ
る。ほぼ速度整合した状態は、ウオークオフ効果を低減
し、時間応答性を高め、良好な信号ノイズ比を生成す
る。しかし、テラヘルツビームと光学ビームは、逆方向
へ伝搬するので、光学ビームの配列が単一ビームの代わ
りに使用されるならば、画像用途の場合、この構成は、
最適条件以下になる。
これを克服するため、図４は、光学ビームとテラヘル
ツビームが、電気光学結晶内において共線的に伝搬する
別の実施形態を示している。一般に30で示されたこの感
知装置は、前述の逆方向伝搬法の特有の変形例である。
示されたこの実施形態において、電気光学結晶32は、テ
ルル化亜鉛（ZnTe）からなっており、そして、これは、
固有の複屈折に関連した限界及び熱的変動に対する低下
した感度を除いて、LiTao3良度指数と比較される電気光
学良度指数（n3r/ε）を有する。
有利なことに、この共線的伝搬の実施形態は、光学プ
ローブビームと電磁場信号との間の長い相互作用を、結
晶内で行い、これは、示された自由空間幾何学的配置に
おいて、優れた信号ノイズ比を備えている。この比は、
従来の電気光学サンプリング幾何学的配置より得られる
すべてのものより遥かに大きい。図４は、レーザー22
が、24において分割されて、ディレイステージ28を通っ
た後、プローブパルス16とトリガー信号を放出体へ送る
光学的パルスを発生する点で、図１の構成と似ている。
しかし、この幾何学的配置は、ビームスプリッター31、
例えば、１インチの薄膜ビームスプリッターが、電磁場
12が伝搬している方向に光学プローブビームを整列する
ように使用されている点で図１と異なる。例えば、焦点
が合わせられていないテラヘルツビーム12と、電気光学
結晶32の事前に焦点合わせられた光学プローブビーム16
の直径は、それぞれ、約10mmと0.2mmである。この構成
は、後に述べるように、テラヘルツ画像装置に使用され
ているものと似ており、プローブビームのスポット（画
素の大きさ）はテラヘルツ波長に相当する。
1.5mm厚さの≦110≧配向されたZnTe結晶は、電気光学
的感知ヘッドとして使用されている。この配向は、亜鉛
混合結晶構造体に最大の電気光学遅延を発生し、本来隔
離された≦110≧面への光学的入射も、ZnTeで最良のビ
ームを生成する。光学プローブとテラヘルツビームの両
方の偏光は、最適電気光学位相変調のために、ZnTe結晶
の≦110≧エッジに平行でなければならないと言われて
いる。このプローブビームは、前述のように、補償板に
より一定遅延（＝BC/2）に光学的にバイアスされ、ウォ
ラストン偏光子により分析され、平衡光検出器により測
定される。測定中における光学的ポンピング／プローブ
ビームの出力比は、約10,000:1である。
幾つかの電気光学的にゲートされたパルスのマイクロ
波放出体が試験された。放出体は、センチメーター程度
の大きさの電気光学的タップドアンテナ（過渡電流
源）、ブルースター入射角の非バイアス≦100≧GaAsウ
ェーハ（過渡電気光学的源）、及び直角入射≦111≧亜
鉛混合ウェーハ（光整流源）からなっている。これらの
放出体は、マイクロ波パルスを約150フェトム秒〜65ピ
コ秒のパルス持続時間で発生する。最短マイクロ波パル
スは、テラヘルツ光整流源（≦111≧亜鉛混合結晶）か
ら発生し、最長パルスは、大きな末端の光導電タップド
アンテナから発生する。付記しておくことは、従来の電
気光学サンプリングの時間的分解が、レーザーパルスの
持続時間または光学的音響共振により制約されることで
ある。71フェトム秒ほど短い分解は、実験的に確立さ
れ、これは明らかに、電気光学的サンプリングの記録で
ある。
第１組のテストされた放出体は、光導電の一対の回
線、中心フィードのアンテナであった。このアンテナは
２つの銅製導体を有し、導体のそれぞれはアルパインタ
イプのホーンに似ている。間隙が約1mmmpGaAs光導電体
は、一様な伝導回線部へ電気的に接触されていた。これ
らの放出体の開放された端部の長さは、センチメーター
程度であり、これは数百ギガヘルツの低周波共振に相当
する。150Vの静的バイアスが、光導電スイッチに加えら
れた。一般に、放出体への光学的トリガーの平均出力
は、50mWであった。センサー位置におけるパルスマイク
ロ放射と光学プローブビームの測定されたビームの半径
（電場への1/eポイント）は、それぞれ、約4cmと0.02cm
である。これは、センサーにおけるマイクロ波ビームと
光学プローブビームとの予期された断面比40,000:1を得
る。
図５は、光導電アンテナの１つからの時間的電気光学
信号のグラフをプロットしている。１ナノ秒以下の信号
レーザー及び最初の450ピコ秒だけが示されている。限
界は、7.5cmの移動距離を有するタイムディレイステー
ジから発生し、測定を500ピコ秒または対応する２ギガ
ヘルツへ制限する。長いディレイステージまたは電子的
走査により、低周波の限界が、レーザー反復周波数の近
くに低下され、これはここで検討される装置の一実施形
態において82メガヘルツである。主振動以前の小さな特
徴が、表示走査に再生される。信号ノイズ比は、マイク
ロ波と光学ビームの断面比が40,000:1であっても、100,
000:1より良い。
図６は、20ギガヘルツにおける中心周波数と、6.3ギ
ガヘルツの3dB帯域幅の周波数スペクトルを示してい
る。大きいアンテナホーンからの増加した低周波成分
は、他のアンテナの測定により確認された。
再度説明すると、自由伝搬するパルス電磁放射の特徴
づけに付いての、共伝搬する電気光学テルル化亜鉛結晶
の広域検出能力がここに示されている。現在の電気光学
サンプリング装置においては、測定された高周波応答
は、テルル化亜鉛センサー結晶の最初のTO音響共振（5.
3テラヘルツ）であり、低周波の限界は、レーザー繰返
し率（82ギガヘルツ）である。センサー周波数応答の上
限は、結晶の光学的音響が音響周波数における電磁放射
を強く吸収するので、最初の側方光学的音響周波数であ
る。異なる電気光学結晶により高い周波数応答を得るこ
とは可能である。例えば、InPとGaAsのTO音響周波数
は、それぞれ、9.12テラと8.06テラヘルツであるので、
InPは、修正された放出体として、GaAsは、ポッケルス
結晶として使用される。レーザー繰返し率より低い測定
能力に近づくために、電子的に制御されたタイムディレ
イ走査のcwレーザーダイオードが、むしろ、ここで説明
した機械的遅延回線を有するフェトム秒レーザーよりも
使用される。
異なる音響周波数を有する幾つかの電気光学結晶が、
試験された。結果は、GaPは、高い周波数の使用に良い
候補であることを示している。図７は、≦111≧GaPセン
サー結晶により測定された時間的波形のグラフである。
レーザーは45フェトム秒のパルス持続時間を有し、現
在、その帯域幅はGaAs放出体により制限されている（８
テラヘルツにおける音響）。図８は周波数スペクトルで
あり、８テラヘルツに近いカットオフ周波数を示してい
る。水蒸気と他の気体の吸収線ははっきりしている。Ga
Pは、GaPを放出体とセンサーの両方に使用することによ
り、11テラヘルツで、その最初の音響周波数を有するの
で、10テラヘルツより大きい帯域幅が期待される。時間
分解された10％〜90％の過渡状態は、50フェトム秒であ
る。これは、コヒーレントを測定する最も短い電気的過
渡状態である。
パルス電磁波放射のための自由空間電気光学場センサ
ーのダイナミックレンジも、研究されてきている。線形
の６ディケードでスパンする光学プローブ出力と優れた
信号ノイズ比により、遠赤外２次元画像を光学的２次元
画像へ変換することに適している。図９は、電気光学信
号（ピーク〜ピーク）に対する0.66mW〜700mWの光学的
ポンピング出力のプロットである。光学プローブの出力
は、2mWであった。自由空間電気光学サンプリングシス
テムは、線形範囲で作動されるので（π/2で光学的にバ
イアスされた）、放射された電場は低出力における光学
的強度に比例しており、そして、測定された電気光学信
号は、テラヘルツ電場光学的ポンピング出力に比例す
る。図９の直線部の傾斜は、約200nA/Wである。図10
は、電気光学信号（ピーク〜ピーク）に対する8nW〜9.8
3mWの光学プローブ出力（平均）のグラフである。非バ
イアスのGaAs放出体への光学的ポンピング出力は、500m
Wであった。42μA/Wの傾斜の電気光学信号の直線性は、
プローブ出力の６桁にわたって観察される。8nWプロー
ブ出力で測定された波形の形状は、9.8mWにおいて測定
されたものと同一である。プローブ出力として残された
数千の信号ノイズ比は、50μＷより低い光学プローブ出
力を除いて、変化していた。
中位の強度における光学的ポンピングとプローブ出力
の両方の直線性が、期待される。増幅されたレーザー装
置は、また、テラヘルツビームを発生し、検出する光学
的源として使用された。光学的源は、再生的Ti、すなわ
ちサファイアレーザー増幅器（Coherent Rega−9000）
である。パルス持続時間は約200フェトム秒、その繰返
し率は250KHzである。平均の光学的励起出力は0.75W
で、これは３μＪのパルスエネルギーに相当する。一般
に、放出体へ入射する平均の光学的ポンピング出力は、
250mWで、光学プローブ出力は約100μＷである。検出器
は、低光学的出力装置に使用されたものと似ている。図
11は、ZnTeセンサー（1.44mmの厚さ）により測定された
一般的な波形のグラフである。信号ノイズ比は10,000よ
り大きい。主信号ピーク（25ピコ秒時間位置で）の前の
小さいピークは、センサー内の反射された光学プローブ
ビームとテラヘルツビームのサンプリング効果による。
比較として、光学プローブビームと反射されたテラヘル
ツビームのサンプリングは、主信号ピークの後に始ま
る。1/4波長光学バイアス点での最大光変調深さは、８
％より大きく、コントラスト比は、ゼロ波の光学バイア
ス点において80％より良い。センサーに焦点が合わせら
れた、予期された放射電場は、3.4mmのGaAs光導電放出
体にかかる900Vの一定電圧により、1.8KV/cmである。テ
ラヘルツビームの焦点は、約1mmである。一般的測定に
おいて、信号ノイズ比は、100,000より良い。16ビット
ダイナミックレンジを有するロックイン増幅器を使用す
るため、非常に低い光学プローブ出力が、ロックインに
おける過負荷問題を防止するために使用される。１つの
測定として、約１〜50μＷのプローブ出力が使用され
た。図12は、ポンピングビームの信号／ピーク出力のグ
ラフであり、これはキャリア・スクリーニング効果によ
る。
図13は、本発明による、一般に50で示された共伝搬電
気光学サンプリング装置の別の実施形態を示す。この単
純化されたセンサー構成において、フェトム秒光学源
は、アルゴンイオンレーザーによりポンピングされたT
i、すなわちサファイアレーザーからなっているとす
る。テラヘルツ電場は、ブルースター角において入射し
た非バイアスGaAsウェーハから形成される。１インチの
薄膜ビームスプリッター52は、左から右へ伝搬するテラ
ヘルツパルス51に対し透明であり、同期した光学プロー
ブビーム53をテラヘルツパルスに沿って共線形状に配向
する。レンズ（Ｌ）（ｆ＝1m）がプローブビーム路に配
置されているが、レンズはポンピングまたはテラヘルツ
パルスには使用されない。電気光学結晶54の非焦点合わ
せのテラヘルツパルスと事前焦点合わせの光学プローブ
ビームの直径は、それぞれ、10mmと0.2mmである。プロ
ーブビーム光点（0.2mm）は、テラヘルツ波長に相当す
る。すなわち、１テラヘルツの波長は、空気中において
約0.3mmである。
1/4波長板（λ/4）56が、システムが線形的に作動で
きることを可能にするプローブビームへ、光学バイアス
を加える。ウォラストン偏光子（WP）58が、プローブビ
ームの誘起された位相遅延を２つの相互に直交した線形
偏光ビームの強度変調へ変換するために使用されてい
る。非バイアスモード（例えば、ハママツ社特別注文平
衡フォトダイオードタイプS1446）において接続された
２つのフォトダイオード（例えば、モデル番号S5533、
販売元ハママツ社、ブリッジウォター、ニュージャー
ジ）が、光学的強度変調を検出するために使用されてい
る。検出器の暗電流は、非バイアス状態で0.1pAより小
さい。
幾つかの材料がテストされた。これらの材料には、Zn
Te,CdTe,ZnTe,GaAs,CdZnTe,LiTao3,LiNbo3,BGO,GaP,BaT
ao3,及び有機DASTなどの結晶である。複屈折結晶（LiTa
o3,LiNbo3,及びDAST）は、２つの屈折率の異なる、温度
依存による大きい偏光変動を有する。この偏光変動は、
ウォラストン偏光子の後に強度ノイズに変換される。テ
スト結果は、ZnTeが、本発明に関して、最良の感度、帯
域幅及び安定性の特徴を有することを示した。
図14は、厚さ1.5mmの≦110≧配向ZnTe結晶により測定
された代表的放射波形を示す。GaAs放出体への入射され
た、平均の光学的ポンピング出力は、2mWの光学プロー
ブ出力で535mWであった。0.3秒の時定数のロックイン増
幅器（例えば、タイプSRS850）を使用して、波形は、信
号ノイズ比（SNR）≧3000を有する。光検出器が、ロッ
クイン増幅器と平均化とを使用せずに、オシロスコープ
へ直接に接続されるならば、ディジタルオシロスコープ
に表示されたSNR≧50と10ピコ秒の時間的ウィンドウ
（タイムディレイ）による、秒当たり40波形におけるリ
アルタイム測定を行うことができる。
テラヘルツ電場測定に電気光学センサーを使用するに
は、現存の文献に述べられた光導電アンテナよりも遥か
に小さい光学プローブ出力を必要とする。この理由は、
PIN（ｎタイプ半導体上に固有の半導体上にｐタイプ半
導体）フォトダイオードが自由空間電気光学サンプリン
グに使用することができるからである。一般に、フォト
ダイオードの光感度は、従来の超高速光導電アンテナよ
り遥かに高い。制限されたキャリアの移動性、接続効
率、及び薄い光学的吸収層は、一緒に作動して、超高速
光導電アンテナの応答性を制約する。
重ねて言うと、検出構成の単純化、光学的並列処理の
能力、及び優れた信号ノイズ比は、本発明を、リアルタ
イム、２次元コヒーレント遠赤外画像用途に魅力あるも
のにする。例えば、システムは、電気光学結晶板とフォ
トダイオードの列またはCCDカメラにより、空間的、時
間的電場分布（遠赤外画像）を光学的画像へ変換するよ
うに構成されている。
一般に100で示されているこの様な装置の一実施形態
が、図15に示されている。このシステムは、コンピュー
タモニター102に、葉からなるサンプルの対象物により
伝達された２次元電場分布を表示する。サンプル対象物
から送られた信号の周波数範囲は、テラヘルツからギガ
ヘルツである。サンプル対象物を通過した後、電場ビー
ムは比較的大きい電気光学結晶106へ入射し、これによ
り、前述のように、結晶の屈折率を変える。１つの適切
な結晶106は、≦110≧ZnTe結晶である。
光学ビーム110は、図１と４に関連して説明したよう
に処理するためのに、偏光子112と補償板114を通るレー
ザービームからなる。光学プローブビームは、電場の分
布が大きい電気光学結晶106を通過するとき、電場分布
と共線形状であるように反射される。再度説明すると、
共線形を形成することにより、長く放射された電場での
光学ビームの相互作用の長さは、幾何学的配置が人間の
組織などの対象物を画像するために使用することができ
るように得られる。
逆方向伝搬の幾何学的配置による検出の一般的概念
は、時間分解された遠赤外分光に広く使用されているこ
とを付記して置く。しかし、テラヘルツビームと光学ビ
ームは、逆方向から入射するので、画像用途の場合のよ
うに、光学ビームの配列が単一ビームの代わりに使用さ
れるならば、その輪郭は実際には役に立たない。再び、
この制約を克服するため、光学プローブとテラヘルツビ
ームが共線的に電気光学結晶を通り伝搬する画像の用途
がここに説明されている。光学プローブビームは、結晶
内における電場の空間的、時間的分布を探る。100mWの
平均プローブ出力は、SNR≧200により画素当たり50pAの
信号電流（42μA/Wの傾斜で、80％の光充填係数により
1.5μW/画素として）において、256×256画像を生成す
る。光学プローブビームの偏光回転を点検する偏光子11
6を通った後、信号は、CCDカメラ118により平行に集光
され、信号処理のため、すなわち、データ分析（例え
ば、データの平均化）、周波数分析、カラーコーディン
グ及び情報表示のために、ディジタルでコンピュータ10
2へ送られる。空間分解がテラヘルツの波長（300μｍ）
により制限されるならば、この画像は7.6×7.6の大きさ
を有する。送られた電磁放射（テラヘルツパルス）がウ
ェーハにゆるく焦点が合わされているならば、３インチ
のGaAsウェーハが電気光学センサーとして適している。
センサー結晶は、比較的大きく、多くの単一画素波形を
瞬間的に受信する検出器の配列があるので、２次元また
は空間的画像が可能である。
図16は、連続電磁波がgunnダイオード122により形成
され、レーザーダイオード124が光学プローブビームを
発生することを除けば、図15の画像システムと似てい
る。この構成において、gunn発振器は、テスト中のサン
プルを感知する固有の周波数に調整される。サンプルを
通る放射は、電気光学結晶を通る放射と共線形に、再び
配置された光学プローブビームがセンサー内の電場強度
を測定する範囲内で電気光学センサー100へ入射する。
放射電場強度情報をセンサーから送る光学プローブビー
ムは、CCDまたはダイオードの列118により検出される。
簡単に前述したように、別の結晶の幾何学的配置が図
17に示されており、図１などの感知装置に使用される。
この構成において、光学プローブ信号は、結晶を通る電
磁場の方向と逆方向に、電気光学結晶へ入射する。一般
に200で示されているこの結晶は、２つの石英ガラスプ
リズム204の間に挟まれた薄いリチウム・タンタル酸塩
板202からなっている。図18は、結晶200を通る光学プロ
ーブ信号16の部分拡大図であり、図19は、電気光学結晶
アッセンブリ200に使用されたシリカプリズム204の一実
施形態を拡大図で示している。一具体的実施形態とし
て、薄いリチウム・タンタル酸塩板202は、厚さが100ミ
クロンであり、プリズム部分204の大きさは、Ｘ＝2mm、
Ｙ＝3mm、W1＝0.1mm、W2＝1.17mmから形成されている。
速度の整合を得るために、光学プローブビームとテラヘ
ルツビームは、70.8゜の角度で交差しなければならな
い。リチウム・タンタル酸塩に関しては、ｎ（800nm）
＝2.16、ε＝43、テラへルツ波と光学波との間の速度整
合は、それらの間の角度が次式であることが必要であ
る。
石英ガラスとリチウム・タンタル酸塩が接する境界面の
入射角は、 であり、石英ガラスプリズムの角θｐは、次式により決
定される。
石英ガラスの臨海角は43.6゜であり、従って、光学プロ
ーブビームは、プリズムアッセンブリ200内において全
反射モードで誘導される。石英ガラスとリチウム・タン
タル酸塩の境界面における反射は、ほぼ６％である。
導波効果とテラへルツ型のリチウム・タンタル酸塩の
分散とにより、歪のない検出が、３テラヘルツまで可能
である。この利点は、リチウム・タンタル酸塩がGaAsよ
り高い電気光学係数10×を有し、光学ビームとの相互作
用の後、テラへルツの分散が光学ビームより３倍短い移
動距離に制限されるので、結晶内を伝搬するテラヘルツ
ビームは、もはや、電気光学信号に寄与せず、テラへル
ツビームの移動距離の短い効果は、シリコンレンズの緻
密な焦点合わせに関連して有利であり、結晶の大きさに
依存して、反射のないタイムウインドウが800ピコ秒よ
り長く、これはほかのサンプリングの幾何学的配置を用
いても整合されず、光学ビームはテラへルツビームを横
切って走査するので、シリコンレンズの焦点合わせによ
り生成された周波数依存のテラヘルツのスポットの大き
さは、平均化され、良い周波数応答を与えることであ
る。
図20は、図17に示されているような結晶アッセンブリ
を使用している。電気光学信号強度に対するタイムディ
レイのブロットからなる過渡波形のグラフである。最後
に、結晶アッセンブリ200の増強された実施形態が図21
に示されており、ここでは、結晶の基盤に取り付けられ
た石英ガラスハンドル210が、その操作を容易にするた
め設けられている。結晶のｃ軸の方向は、矢印205によ
り示されている。具体的サンプルとして、ハンドル210
の大きさは、x'＝3.4mm、y'＝10mm、及びＴ＝0.5mmから
なっている。
テラへルツビームの特徴に関する自由空間電気光学
（EO）センサーの主要な利点の１つは、使用可能な極端
に広い周波数帯域幅である。一実施形態において、出願
者は、37テラへルツ以下の中間遠赤外テラへルツビーム
のコヒーレントの検出を考案した。これは重要な改善を
示している。
大抵のEOセンサーに関し、音響吸収は10テラへルツよ
り小さい上限を課する。しかし、残留線帯域を超えて、
大抵の半導体EOの材料は、近赤外線までずっと透明であ
る。これは、中間赤外線領域における自由空間EOサンプ
リングの可能性を大きくする。ボンバレット他（Bonval
et et al.）は、15フェトム秒レーザーによる光整流に
よって中間赤外線テラへルツビームが発生することを示
した。参照は、“アプライド フィジックス レター"6
7巻2907頁（1995年）（“Applied Physics Letter,"vol
ume 67,pp2907,1995）。これは、参考として、ここにそ
のまま取り入れられている。このテラへルツ源と組み合
わされて、EOセンサーが多様なコヒーレント分光に使用
される。
EOセンサーの周波数応答は、主に、光学群の速度の不
整合と周波数依存のテラヘルツ位相の速度とにより決定
される。ZnTeセンサーの最適な厚さは、中間赤外線検出
について約20μｍである。
実験装置は、約500mWの平均出力で12フェトム秒レー
ザーパルスを発生する固定モードのTi、すなわち、サフ
ァイアレーザーからなる。レーザー出力350mWは、有効
焦点距離5cmの軸外し放物面鏡により、＜110＞配向GaAs
放出体に焦点が合わされた。広い帯域のテラへルツ放射
が集光され、一組のf/0.6の放物面鏡によりEOセンサー
に焦点が合わされた。レーザープローブビームが、厚さ
２μｍの薄膜と共線形に移動するように組み合わせら
れ、それは、レーザーパルスの幅とテラヘルツビームへ
の影響をほとんど無視できるものである。超高速ポッケ
ルス効果により誘起されたEO変調は、一組の平衡フォト
ダイオードにより検出された。２×10-8Hz−1/2程度に
小さい光変調（△I/I）の検出感度が、定常的に得られ
た。ポンピングとプローブパルスの間の遅延を変化する
ことにより、中間赤外線過渡の時間変域の波形が詳しく
記されている。
図22は、300ミリ秒のロックイン時定数で単一走査に
おいて得られた代表的波形を示す。厚さ0.45mmの＜111
＞GaAsが、放出体として使用され、厚さ20μｍの＜110
＞ZnTeがEOセンサーとして使用された。テラヘルツパル
スは、低周波数成分より速く移動する高周波数成分によ
り、はっきりとかん高い音を発生する。GaAsの前面に発
生したテラヘルツパルスがその材料の残りを伝搬すると
きに、この音の発生が起こる。振動の最短時間は31フェ
トム秒である。波形のフーリエ変換が図23に示されてお
り、最高の周波数応答は、37.3テラヘルツに達する。５
テラヘルツ〜10テラヘルツの間の間隙は、ZnTeとGaAsの
残留線末端によるもので、18テラヘルツ付近の周波数の
低下は、分析中である。予備的結果は、超高速遠赤外測
定の線形電気光学効果（ポッケルス効果）を中間赤外線
のパルス電磁放射へ使用することの利点を示している。
自由空間テラヘルツ（THz）ビームの電気光学システ
ムにおけるμＪパルスエネルギーによる、高速繰返し率
（250キロヘルツ）の再生増幅されたレーザーは、信号
ノイズ比（＞105）と絶対単ビーム光変調深さ（＞８
％）の両方の著しい改善を行った。ダイポールとクアド
ロポールの一様な光導電放出体内の電場分布のフォーカ
ルプレーン画像（強度と極性）を次に示す。移動対象物
のリアルタイム２次元テラHz画像の予備的結果が得られ
た。
LiTao3結晶内の位相遅延による高出力テラHz検出の１
キロヘルツの繰返し率におけるかん高い音のパルス再生
増幅器（Clark MXR）の使用が示された。しかし、信号
ノイズ比（SNR）は、低い繰返し率、センサー結晶、及
び偏光子配列の幾何学的配置により制限された。本発明
者は、ZnTeセンサー結晶による、自由空間電気光学サン
プリング（FS−EOS）システムにおける自由空間テラHz
放射の発生と検出についての高繰返し率再生増幅された
レーザーの使用を報告する。普通の低いピーク出力のレ
ーザー発振器または低い繰返し率の再生増幅器の代わり
に、高いパルス繰返し率のμＪパルスレーザーエネルギ
ーを使用することは、特に、移動対象物のリアルタイム
テラHz画像用途において、前述のFS−EOSシステム全体
にわたるかなりの改善を行う。ダイポールとクアドロポ
ールのテラHz光導電放出体の遠赤外放射画像が、この能
力の証拠として示されている。
改善された時間分解テラHz画像システムの核心部は、
増幅された光学源とFS−EOSとからなっている。前者
は、250キロヘルツ繰返し率、３μＪパルスエネルギ
ー、及び800nmで200フェトム秒パルス持続時間のTi、す
なわちサファイア再生増幅システム（Coherent RegA
9000）である。図24は、平衡光検出器を使用しているサ
ンプリングユニットを示す。このシステムは、前に報告
したシステムに似ており、そのシステムは、非増幅源、
すなわち、コーヒレントエムアイアールエー900（Coher
ent MIRA 900）及びスペクトラ・フィジックス・ツナ
ミ（Spectra−Physics Tsunami）に基づいていた。厚
さ２μｍの薄膜ビームスプリッターは、テラヘルツビー
ムに対し透明であり、同期された光学プローブビームの
50％をテラHzビームに沿って共線形に反射するために使
用される。テラHzと光学プローブビームの偏光は、厚さ
1.1mmの＜110＞配向ZnTeセンサー結晶の［1,−1,0］の
方向に平行に配列されている。センサーに続いて、1/4
波長板が、π/4光学バイアスをプローブビームに与える
ために使用され、これにより、システムは、線形範囲で
作動することができる。ウォラストン偏光子が、プロー
ブビームのテラHz電場で誘起された位相遅延を、２つの
相互に直角な線形偏光ビームの間の強度変調へ変換する
ために使用される。平衡モードで接続された一組のシリ
コンPINフォトダイオード（EG＆Ｇ C30808E）が、光学
的強度変調を検出するために使用される。ディジタルロ
ックイン増幅器（SRS850）により測定された、平衡フォ
トダイオードからの代表的ノイズ電流は、数pA（300ミ
リ秒の時定数）であり、焦点が合わされたテラHzビーム
からの信号電流は、数μＡを超える。30μＡより大きい
最大信号電流に対応する10,000,000（23ビット）に近い
ダイナミクスを測定するために、２μＡのフルスケール
読み出し電流により、ディジタルロックイン増幅器のダ
イナミックレンジが16ビットだけであるので、ロックイ
ン増幅器に並列に接続された100KΩ抵抗体が、入力イン
ピーダンスを減少するために使用される。
2.7KV/cmのバイアス電場と、厚さ1.4mmの＜110＞ZnTe
センサーとを有する2mmのGaAsの光導電放出体を使用し
て、平衡フォトダイオードにより測定された、分析器の
後のプローブビームの最大変調深さは、7.7％である。
これらの値は、ZnTeセンサーにおける1.6kv/cmのピーク
テラHz電場に相当する。図25は、平衡検出器により測定
されたテラHz放射の代表的時間的信号（光電流）のグラ
フを描いている。GaAs光導電体への平均ポンピング出力
は、垂直入射において240mWであり、平均プローブ出力
（ZnTe結晶の後の）は約36μＷである。焦点合わせされ
たテラHzビームとZnTe結晶への光学プローブビームとの
直径は、それぞれ、約1.5mmと0.6mmである。ピーク〜ピ
ークの信号電流は、1.6μＡのそのRMSノイズに対して45
0μＡより小さい。システムの信号ノイズ比をより良く
特徴づけるために、信号とノイズの周波数スペクトルが
図26にプロットされている。0.1テラHzから1.2テラHzま
で、SNR（テラHz電場オン／オフ光電流の比として定義
される）は、50,000〜100,000の間である。厚い結晶、
高い放出体バイアス電場、及びZnTeセンサー内のテラヘ
ルツビームの緻密な焦点は、SNRと絶対変調の深さの両
方をさらに増加する。
優れたSNRとより一様な光学的検出により、テラHz結
像を行うことができる。図27は、テラHz画像設備を示
す。遠赤外テラHz電場の２次元分布は、ZnTe結晶内でサ
ンプリングされた光学的画像へ変換され、CCDカメラに
より測定される。一般に、テラヘルツビーム源は、大き
い開口のある平面のGaAs光導電体であり、２インチシリ
コンレンズまたは一組の２インチの軸外し放物面鏡が、
テラHz放射を集光して、焦点を結ばせるために使用され
ている。画像実験に関して、普通のCCD画素の小さく十
分に高い能力により、CCDは、背景の光により容易に飽
和する。従って、前述の1/4波長板は、背景の光を減少
するために取り除かれる。この配列（ゼロ光学バイアス
に近い）からの焦点が合わされたテラHzビームによる最
大関連の光変調の深さは、50％より良い。しかし、一般
的な光変調深さを有する大きい断面のテラHzビームは、
10％〜30％で、そして、ZnTe結晶内の検出から散乱され
た光は、電気光学検出をほぼ線形に維持するに十分であ
る。
図28は、テラHzの焦点の１つからの周波数スペクトル
のグラフであり、図28aは、単一のCCD画素から記録され
た時間的テラHzの信号であり、データは、66.6フェトム
秒の時間ステップで100個の連続フレームから取り出さ
れた。時間分解された画素（288×384画素）は、それら
の連続フレームを記録することにより得られる。平衡検
出と異なり、ロックイン増幅器はCCD配列と共に使用す
ることが出来ない。
本発明者は、平面のクアドロポールテラHz放出体から
電場分布の画像を描いた。図29は、中心電極がバイアス
され、２つの側部電極が接地されているクアドロポール
放出体を示している。中心電極は幅が1mmであり、1cm以
上の長さを有する。側部電極の間隙は、それぞれ、1.5m
mと2mmである。このクアドロポールの幾何学的配置は、
逆の極性を有する２つの非平衡なダイポールを生成す
る。ピーク電場分布は、図29aに２次元と３次元のグラ
フで描かれている。図29aは、放射パターンと２つの相
対するダイポールの極性をはっきりと示している。
この自由空間電気光学テラHz画像法の最も重要な用途
の１つは、移動しているか、または生きている対象物を
結像する能力である。フォーカルプレーンにある移動対
象物の画像は、ビデオ速度（38フレーム／秒）で見るこ
とができる。この能力を証明するため、ダイポール放出
体（２×5mm2光導電体）が、フォーカルプレーンから約
1cm離れて配置された。図30と30aは、画像路に対象物の
無いオリジナルのテラHz画像パターンを示しており、図
31と31aは、対象物（直径2mmの木製のロッド）が、フォ
ーカルプレーンでテラHzビーム路を通って掃引されてい
る時の画像を捕らえている。
このシステムは、また、破損するまでバイアス電場を
変化するダイナミック放射プロセスを記録するためにも
使用できる。5,000,000画素／秒の読み出し速度によ
る、我々の現在のCCD（Princeton Instrument,PentaMa
x）の最大フレーム送り速度は、38フレーム／秒であ
り、４×４保管で152フレーム／秒まで保持することが
できる。数個のCCDからの最も速い送り速度は、2000フ
レーム／秒以上に達しており、急激な増加によるテラHz
放射パターンを含むリアルタイム２次元過渡プロセスを
結像するのを可能にしている。
結論として、本発明者は、速い繰返し率と高いパルス
エネルギーの両方を組み合わせた再生増幅レーザーによ
り、自由空間電気光学画像を証明した。この点で、画像
システムのかなりの改善が得られた。移動対象物のリア
ルタイム画像を含むフォーカルプレーンでの２次元画像
（1cm2）の成果が得られた。
別の面において、本発明は、さらに、自由空間超高速
磁気光学サンプリング技術からなっている。特に、自由
に伝搬する過渡的磁気パルスを特徴づける超高速磁気光
学サンプリングシステムが以降に示されている。テラヘ
ルツビームに関連した、時間分解された磁場の直接の実
験的な測定値が示されている。
図32は、本発明による超高速磁気光学的サンプリング
のための装置を示している。装備は、Ti、すなわちサフ
ァイアレーザー再生増幅器（Coherent RegA）を含み、
４μJ/パルスをあたえることで、この増幅器は250KHzに
おいて220フェトム秒の持続時間と800nmの波長を発生す
る。ピークパワーは、18MWである。ビームは、95/5ビー
ムスプリッターによりタイムディレイポンプへ分割さ
れ、テラHz放射と弱いプローブビームを発生するのに、
ポンプがバイアスされたGaAs放出体であり、これは過渡
的磁場により生成された磁気光学センサー結晶内のファ
ラデー回転を測定する。磁気光学サンプリングの幾何学
的配置は、電気光学サンプリングの幾何学的配置と異な
る。この実験において、テラHz放出体は、センサーから
数センチメートル（1.5cm〜5cm）離れ、プローブビーム
の伝搬方向に対し直角な位置に配置されている。この手
法はファラデー効果に支配されるので、テラHz波形の磁
気成分は、次式により複屈折率を生成するようにプロー
ブ波形と共線形に伝搬しなければならない。
θVBLcosγ Ｖはヴェルデ定数であり、Ｂは磁場の大きさ、Ｌは結晶
の長さ、γは磁場の方向とプローブビームの方向との間
の角（この場合、γ＝０）である。プローブビームの検
出システムは、電気光学サンプリング信号の検出システ
ムに似ており、一組の平衡検出器とロックイン増幅器を
含んでいる。磁気信号の時間波形は、コンピュータ駆動
の変換ステージのタイムディレイを走査することにより
記録される。
自由空間のサブミリメートル波の放射において、磁気
成分のパルス幅は、電気成分と同様に短く、そして、平
面波近似における電気成分の磁気成分への増幅率は、真
空中の光の速度である。
数個の磁気光学センサーがテストされた。選択された
センサーの１つは、ガビウム−ガリウム−ガーネット
（TGG）であり、これは、高いヴエルデ定数（すなわ
ち、Ｖ＝61ラジアン/T・ｍ）、小さい光学吸収率（0.
0015/cm）、高い熱伝導率（Ｋ7.4W/K・ｍ）を有す
る。小さい光学的吸収率と高い熱伝導率は、結晶内の等
質なファラデー回転を生成する。図33は、センサーとし
てのTGGによる磁気光学信号の時間的波形（単一走査）
のグラフを示している。現在の幾何学的配置は、図33の
33ピコ秒の測定された立ち上がり時間（10％〜90％）の
速度整合された状態を満足しない。速度整合された幾何
学的配置により、時間的分解は大きく改善される。
アルモファスガラスSF−59は、TGGのガラスと似た挙
動を示す。図34は、５スキャンの平均応答を示す。最初
のピーク（FWHM）の持続時間は、22ピコ秒の立ち上がり
時間（10％〜90％）で21ピコ秒である。小さいΔI/I
5.8×10-5は、この材料の小さいヴェルデ定数と短い相
互作用距離とによる。SF−59センサーの長さは、TGGセ
ンサーよりほぼ４倍短い。波形のリングは、主に、前述
の同じ基準に起因する。TGGの全体的応答磁場の感度
は、SF−59よりほぼ３倍大きい。
超高速磁気光学サンプリングは、自由に伝搬する磁気
の過渡的信号を測定する斬新な手法を備えている。自由
空間磁気光学サンプリングが、超高速サンプリングの世
界に新しい分野を開くことは明白である。感度と帯域幅
の増大により、自由空間磁気光学サンプリングは、テラ
Hz磁気分光学のための理想的道具からなる。この手法
は、磁気の過渡的電場のコヒーレントの測定を行い、増
強された時間的、空間的分解により、磁気信号の位相と
振幅の正確な情報を与える。また、この手法は、磁気の
緩和と共振の研究、磁化転移とスピンダイナミクスの時
間分解された研究、磁束誘導超伝導体の固有ダイナミク
スの調査の他に、材料の透磁率と磁化率の調査の磁気の
時間領域の分光学、及び前述の電気光学画像に対応する
斬新な磁気画像に有用であると確信される。
要約すると、電気光学的電場センサーのダイナミック
レンジが、パルスの電磁波放射のコヒーレントの検出に
ついてここに示されている。現存する光導電アンテナ法
に比較して、本発明による自由空間電気光学サンプリン
グは、説明した電気光学結晶と光検出器を用いることに
より、振幅検出から時間的検出を分離している。この分
離により、時間的分解と信号感度の両方の最適性能が達
成される。自由空間電気光学の電場センサーにより、遠
赤外の空間的、時間的画像を光学空間的そして時間的画
像へ変換することが実現可能である。
本発明は、幾つかの好適な実施形態により、ここに詳
細に述べられたが、多くの変形と変更が、当業者により
行うことができる。従って、本発明の本来の精神に含ま
れるような包括的な変形と変更が、添付の請求の範囲に
より意図される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ０８／８５９，４７８ (32)優先日 平成９年５月20日(1997．5．20) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (72)発明者 ウー，チー アメリカ合衆国，12180 ニューヨーク 州，トロイ，コングレス ストリート 523 (72)発明者 リオーダン，ジェニファー，アン アメリカ合衆国，11758 ニューヨーク 州，マッサピークア，オンタリオ アベ ニュー 117 (72)発明者 スン，フェングオ アメリカ合衆国，12180 ニューヨーク 州，トロイ，オーチャード アベニュー ６ (56)参考文献 米国特許4446425（ＵＳ，Ａ) Ｂ．Ｂ．Ｈｕ ａｎｄ Ｍ．Ｃ．Ｎｕ ｓｓ，Ｉｍａｇｉｎｇ Ｗｉｔｈ Ｔｅ ｒａｈｅｒｔｚ Ｗａｖｅｓ，Ｏｐｔｉ ｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，米国，1995年, Ｖｏｌ．20，Ｎｏ．16 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 33/032 G01J 4/00 G01N 21/21 G01R 29/08

Claims (45)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】自由空間電磁場を特徴づける電気光学セン
    サーであり、 電磁場が通過し、それにより、その屈折率を変化するよ
    うに、位置付けられた電気光学結晶と、 通過する自由空間電磁場と同期して前記電気光学結晶に
    当たるような光学プローブ信号の発生手段と、 前記光学プローブ信号が前記電気光学結晶に当たった後
    に該光学プローブ信号の楕円変調を決定する感知手段
    と、 前記光学プローブ信号の楕円変調を評価することによ
    り、自由空間電磁場を特徴づける手段とを備え、 前記光学プローブ信号の速度が、前記電気光学結晶内で
    前記自由空間電磁場の速度に整合されてなる電気光学セ
    ンサー。
  2. 【請求項２】前記特徴づける手段が、前記光学プローブ
    信号の楕円変調を分析することにより、前記電気光学結
    晶の屈折率の変化を決定する手段を含んでなることを特
    徴とする請求項１に記載の電気光学センサー。
  3. 【請求項３】前記発生手段により発生した前記光学プロ
    ーブ信号が、偏光した光学プローブ信号からなることを
    特徴とする請求項１または２に記載の電気光学センサ
    ー。
  4. 【請求項４】自由空間電磁場が自由空間電磁放射からな
    り、そして、前記発生手段が、前記光学プローブ信号を
    前記電気光学結晶へ、該電気光学結晶を同期して通過す
    る前記自由空間電磁放射の方向と反対の伝搬方向へ当て
    る手段を有することを特徴とする請求項１乃至３のいず
    れか１項に記載の電気光学センサー。
  5. 【請求項５】前記光学プローブ信号が、前記電気光学結
    晶内で全反射を受け、そして、前記電気光学結晶を通過
    する前記自由空間電磁放射の伝搬の方向と平行な結晶内
    の速度成分を有し、該速度成分が、前記電気光学結晶を
    通過する前記自由空間電磁放射の速度にほぼ等しいこと
    を特徴とする請求項４に記載の電気光学センサー。
  6. 【請求項６】前記自由空間電磁放射がテラヘルツビーム
    からなり、そして、前記光学プローブ信号が光学的パル
    スからなることを特徴とする請求項５に記載の電気光学
    センサー。
  7. 【請求項７】前記電気光学結晶がZnTe結晶、GaAs結晶、
    CdTe結晶、CdZnTe結晶、及び有機DAST結晶の１つからな
    ることを特徴とする請求項６に記載の電気光学センサ
    ー。
  8. 【請求項８】自由空間電磁場が自由空間電磁放射からな
    り、そして、前記特徴づける手段が、前記自由空間電磁
    放射の振幅と位相の両方を前記光学プローブ信号の楕円
    変調から決定する手段を含んでなることを特徴とする請
    求項１乃至７のいずれか１項に記載の電気光学センサ
    ー。
  9. 【請求項９】自由空間電磁場を特徴づける電気光学セン
    サーであり、 電磁場が通過し、それにより、その屈折率を変化するよ
    うに、位置付けられた電気光学結晶と、 通過する自由空間電磁場と同期して前記電気光学結晶に
    当たるような光学プローブ信号の発生手段と、 前記電気光学結晶に当たった後、前記光学プローブ信号
    の楕円変調を決定する感知手段と、 前記光学プローブ信号の楕円変調を評価することによ
    り、自由空間電磁場を特徴づける手段とを備え、 前記発生手段が、通過する自由空間電磁場と共線形に前
    記電気光学結晶に当たるような前記光学プローブ信号の
    送出手段を含んでなることを特徴とする電気光学センサ
    ー。
  10. 【請求項１０】自由空間電磁場がテラヘルツビームから
    なり、そして、前記発生手段により発生した前記光学プ
    ローブ信号が、偏光された光学プローブ信号からなるこ
    とを特徴とする請求項９に記載の電気光学センサー。
  11. 【請求項１１】前記電気光学結晶が、ZnTe結晶、GaAs結
    晶、CdTe結晶、CdZnTe結晶、及び有機DAST結晶の１つか
    らなることを特徴とする請求項10に記載の電気光学セン
    サー。
  12. 【請求項１２】自由空間電磁場を特徴づける電気光学セ
    ンサーであり、 電磁場が通過し、それにより、その屈折率を変化するよ
    うに、位置付けられた電気光学結晶と、 通過する自由空間電磁場と同期して前記電気光学結晶に
    当たるような光学プローブ信号の発生手段と、 前記電気光学結晶に当たった後、前記光学プローブ信号
    の楕円変調を決定する感知手段と、 前記光学プローブ信号の楕円変調を評価することによ
    り、自由空間電磁場を特徴づける手段とを備え、 自由空間電磁場が、10ギガヘルツ〜５テラヘルツの範囲
    の帯域幅からなるサブピコ秒の自由空間電磁放射からな
    ることを特徴とする電気光学センサー。
  13. 【請求項１３】自由空間放射を特徴づける装置であり、 自由空間放射の少なくとも一部が通過するように位置付
    けられた電気光学結晶で、ポッケルス効果により、通過
    する自由空間放射によって屈折率が変化する前記電気光
    学結晶と、 通過する自由空間放射と同期した前記電気光学結晶によ
    り屈折するように配向された偏光光学プローブ信号の発
    生手段で、前記光学プローブ信号が、前記電気光学結晶
    の屈折率の前記変化をサンプリングする前記発生手段
    と、 前記電気光学結晶の屈折率の変化により自由空間放射の
    特徴の情報を提供するような前記サンプリングによって
    得られる光学的サンプルの処理手段とを備え、 前記電気光学結晶を通過する前記光学プローブ信号が、
    前記電気光学結晶を通過する自由空間放射の伝搬方向と
    ほぼ平行な方向に速度成分を有し、そして、該速度成分
    が、前記電気光学結晶を通過する自由空間放射の速度に
    ほぼ等しいことを特徴とする装置。
  14. 【請求項１４】前記処理手段が、前記電気光学結晶の屈
    折率の変化を用い、自由空間放射の位相と自由空間放射
    の振幅とをコヒーレントで定量化する手段を有すること
    を特徴とする請求項13に記載の装置。
  15. 【請求項１５】自由空間放射を特徴づける装置であり、 自由空間放射の少なくとも一部が通過するように位置付
    けられた電気光学結晶で、ポッケルス効果により通過す
    る自由空間放射によって変化した屈折率を有する前記電
    気光学結晶と、 通過する自由空間放射と同期した前記電気光学結晶によ
    り屈折するように配向された偏光光学プローブ信号の発
    生手段で、前記光学プローブ信号が、前記電気光学結晶
    の屈折率の前記変化をサンプリングする前記発生手段
    と、 前記電気光学結晶の屈折率の変化により自由空間放射の
    特徴の情報を提供するような前記光学的サンプルの処理
    手段とを備え、 前記発生手段が、通過する自由空間放射と共線形に前記
    電気光学結晶に当てるような前記光学プローブ信号の送
    出手段を有することを特徴とする装置。
  16. 【請求項１６】さらに、前記電気光学結晶と自由空間放
    射源との間に位置付けられたレンズを有し、該レンズ
    が、前記自由空間放射を前記電気光学結晶内に焦点を合
    わせることを特徴とする請求項13乃至15のいずれか１項
    に記載の装置。
  17. 【請求項１７】自由空間放射が与えられた方向へ伝搬
    し、前記電気光学結晶が自由空間放射の前記与えられた
    方向と垂直な少なくとも1cm2の表面積を有してなること
    を特徴とする請求項13乃至16のいずれか１項に記載の装
    置。
  18. 【請求項１８】対象物を結像する画像システムであり、 電磁放射ビームの発生手段で、電磁放射ビームが結像さ
    れる対象物を通過するように位置付けられている前記発
    生手段と、 電磁放射ビームが、対象物を通過して後、電気光学結晶
    を通過するように位置付けられた電気光学結晶で、前記
    電磁放射ビームが前記電気光学結晶の屈折率を変化する
    前記電気光学結晶と、 通過する電磁放射と同期して前記電気光学結晶に当たる
    ような光学プローブ信号の発生手段と、 前記電気光学結晶に当たった後、前記光学プローブ信号
    の楕円変調を決定する感知手段と、 電磁放射ビームを特徴づけるための前記光学プローブ信
    号の楕円変調の評価手段と、 前記電磁放射ビームの前記特徴づけにより、前記対象物
    の画像を表示する手段とを備えてなる画像システム。
  19. 【請求項１９】前記電磁放射ビームが自由空間テラヘル
    ツビームからなることを特徴とする請求項18に記載の画
    像システム。
  20. 【請求項２０】前記テラヘルツビームが前記電気光学結
    晶の幅に少なくとも等しい幅を有することを特徴とする
    請求項19に記載の画像システム。
  21. 【請求項２１】前記テラヘルツビームの幅が前記電気光
    学結晶の幅より大きく、そして、画像システムが、さら
    に、前記テラヘルツビームを前記電気光学結晶へ焦点を
    合わせるレンズデバイスを有することを特徴とする請求
    項20に記載の画像システム。
  22. 【請求項２２】前記評価手段が、さらに、前記電気光学
    結晶を通過する電磁放射ビームの位相と振幅の両方をコ
    ヒーレントで定量化する手段を含むことを特徴とする請
    求項18乃至21のいずれか１項に記載の画像システム。
  23. 【請求項２３】前記電気光学結晶に当たる前記光学プロ
    ーブ信号が、前記電気光学結晶を通過する電磁放射ビー
    ムの伝搬方向とほぼ平行な方向に速度成分を有し、そし
    て、該速度成分が、前記電気光学結晶を通過する電磁放
    射ビームの速度にほぼ等しいことを特徴とする請求項18
    乃至22のいずれか１項に記載の画像システム。
  24. 【請求項２４】前記光学プローブ信号の前記発生手段
    が、通過する電磁放射ビームと共線形に前記電気光学結
    晶に当たるような前記光学プローブ信号の送出手段を有
    することを特徴とする請求項18乃至23のいずれか１項に
    記載の画像システム。
  25. 【請求項２５】電磁放射ビームが、テラヘルツビームか
    らなり、そして、前記電気光学結晶が、ZnTe結晶、GaAs
    結晶、CdTe結晶、CdZnTe結晶、及び有機DAST結晶の１つ
    からなることを特徴とする請求項18乃至24のいずれか１
    項に記載の画像システム。
  26. 【請求項２６】自由空間磁場を特徴づける電気光学セン
    サーであり、 自由空間磁場が通過し、その屈折率を変化するように位
    置付けられた磁気光学結晶と、 通過する自由空間電磁場と同期して前記磁気光学結晶に
    当たるような光学的パルスからなる光学プローブ信号の
    発生手段と、 前記磁気光学結晶に当たった後、前記光学プローブ信号
    の楕円変調を決定する感知手段と、 前記光学プローブ信号の楕円変調を評価することにより
    自由空間磁場を特徴づける手段とからなる磁気光学セン
    サー。
  27. 【請求項２７】前記特徴づける手段が、前記光学プロー
    ブ信号の楕円変調を分析することにより前記磁気光学結
    晶の屈折率の変化を決定する手段を含んでなることを特
    徴とする請求項26に記載の磁気光学センサー。
  28. 【請求項２８】前記発生手段により発生された前記光学
    プローブ信号が偏光された光学プローブ信号からなるこ
    とを特徴とする請求項26または27に記載の磁気光学セン
    サー。
  29. 【請求項２９】前記自由空間磁場がテラヘルツビームか
    らなることを特徴とする請求項26乃至28のいずれか１項
    に記載の磁気光学センサー。
  30. 【請求項３０】前記磁気光学結晶が、テルビウム−ガリ
    ウム−ガーネットの結晶からなることを特徴とする請求
    項26乃至29のいずれか１項に記載の磁気光学センサー。
  31. 【請求項３１】自由空間磁場が自由空間電磁放射からな
    り、そして、前記特徴づける手段が、自由空間電磁放射
    の振幅と位相の両方を前記光学プローブ信号の楕円変調
    から決定する手段を含んでなることを特徴とする請求項
    26乃至30のいずれか１項に記載の磁気光学センサー。
  32. 【請求項３２】前記発生手段が、通過する磁場の配向と
    平行に前記磁気光学結晶に当たるような前記光学プロー
    ブ信号の送出手段を含んでなることを特徴とする請求項
    26乃至31のいずれか１項に記載の磁気光学センサー。
  33. 【請求項３３】自由空間磁場がテラヘルツビームからな
    り、そして、前記発生手段により発生された前記光学プ
    ローブ信号が、偏光された光学プローブ信号からなるこ
    とを特徴とする請求項32に記載の磁気光学センサー。
  34. 【請求項３４】自由空間放射の磁気成分を特徴づける装
    置であり、 自由空間放射の少なくとも一部が通過するように位置付
    けられた磁気光学結晶で、ファラデー効果により、通過
    する自由空間放射のために変化した屈折率を有する前記
    磁気光学結晶と、 該磁気光学結晶により屈折するように配向されたパルス
    からなる偏光プローブ信号を、通過する自由空間放射と
    同期して発生する発生手段で、前記光学プローブ信号
    が、磁気光学結晶の屈折率の変化を光学的にサンプリン
    グする前記発生手段と、 自由空間放射の磁気成分を、磁気光学結晶の屈折率の変
    化により特徴づけるための前記光学的サンプルの処理手
    段とを備えてなる装置。
  35. 【請求項３５】前記処理手段が、前記磁気光学結晶の屈
    折率の変化により、自由空間放射の位相と自由空間放射
    の振幅の両方をコヒーレントで定量化する手段を有する
    ことを特徴とする請求項34に記載の装置。
  36. 【請求項３６】前記磁気光学結晶を通過する前記偏光プ
    ローブ信号が、前記磁気光学結晶を通過する自由空間放
    射の伝搬方向とほぼ垂直であることを特徴とする請求項
    34または35に記載の装置。
  37. 【請求項３７】前記発生手段が、通過する自由空間放射
    の磁気成分と平行に前記磁気光学結晶に当たるような前
    記光学プローブ信号の送出手段を有することを特徴とす
    る請求項34または35に記載の装置。
  38. 【請求項３８】さらに、磁気光学結晶と自由空間放射源
    との間に位置づけられたレンズを有してなり、そして、
    前記レンズが、前記自由空間放射を前記磁気光学結晶内
    に焦点を合わせることを特徴とする請求項34乃至37のい
    ずれか１項に記載の装置。
  39. 【請求項３９】対象物を結像する画像システムであり、 磁気成分を有する放射ビームの発生手段で、前記放射ビ
    ームが結像される対象物を通過するように位置付けられ
    ている前記発生手段と、 放射ビームが、対象物を通過した後、磁気光学結晶を通
    過するように位置付けられた結晶で、前記放射ビームが
    前記磁気光学結晶の屈折率を変化する前記磁気光学結晶
    と、 通過する放射ビームと同期して前記磁気光学結晶に当た
    るような光学プローブ信号の発生手段と、 前記磁気光学結晶に当たった後、前記光学プローブ信号
    の楕円変調を決定する感知手段と、 放射ビームの磁気成分を特徴づけるための前記光学プロ
    ーブ信号の楕円変調の評価手段と、 放射ビームの前記磁気成分の前記特徴づけにより前記対
    象物の画像を表示する手段とを備えてなるシステム。
  40. 【請求項４０】前記磁気放射ビームが自由空間テラヘル
    ツビームからなることを特徴とする請求項39に記載の画
    像システム。
  41. 【請求項４１】前記テラヘルツビームが前記磁気光学結
    晶の幅と少なくとも等しい幅を有することを特徴とする
    請求項40に記載の画像システム。
  42. 【請求項４２】前記テラヘルツビームの幅が、前記磁気
    光学結晶の幅より大きく、そして、画像システムが、さ
    らに、テラヘルツビームを磁気光学結晶へ焦点を合わせ
    るレンズデバイスを備えてなることを特徴とする請求項
    41に記載の画像システム。
  43. 【請求項４３】前記評価手段が、さらに、前記磁気光学
    結晶を通過する放射ビームの位相と振幅の両方をコヒー
    レントで定量化する手段を有することを特徴とする請求
    項39乃至42のいずれか１項に記載の画像システム。
  44. 【請求項４４】前記磁気光学結晶に当たる前記光学プロ
    ーブ信号が、前記磁気光学結晶を通過する放射ビームの
    伝搬方向とほぼ垂直であることを特徴とする請求項39乃
    至43のいずれか１項に記載の画像システム。
  45. 【請求項４５】前記光学プローブ信号の前記発生手段
    が、通過する放射ビームの磁気成分と平行に前記磁気光
    学結晶に当たるような光学プローブ信号の送出手段を有
    することを特徴とする請求項39乃至44のいずれか１項に
    記載の画像システム。
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