JP4729603B2 - テラヘルツ帯波処理装置および同方法 - Google Patents

Description

本発明は、テラヘルツ帯波処理装置および同方法に関し、たとえば、テラヘルツ光をより容易により有効に活用可能とするテラヘルツ帯波処理装置および同方法に関する。

従来、テラヘルツ帯電磁波は、通常状態において不可視光である。この様なテラヘルツ帯光は、波長３ｍｍ〜３０μｍ、周波数１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚのゾーンに存在する電磁波であり、物質の測定、検査、イメージ化及びその他の種々の分野において利用されている。

上述の通り、テラヘルツ光は人間の目で直接的に見ることはできない。図５は、超長波（ＶＬＦ）からγ線に至る波長の周波数分布を示している。この周波数帯域において、目に見える光（可視光線）は、赤外線と紫外線とに挟まれた極狭い周波数帯域の波長光であることが知れる。

図５からテラヘルツ電磁波は、ミリ波（ＥＨＦ）から遠赤外線とに挟まれた波長領域にあり、不可視光線であることが知れる。このテラヘルツ電磁波は、特に近年、実用化が進んでおり、テラヘルツ光の光軸を観察し調整し得る簡単な観察ツールの出現が要望されている。これらの要望に基き、観察ツールとして以下の技術が提案されている。
特許文献１において、テラヘルツ光学系のアライメントの調整は、ダイポールアンテナ等のテラヘルツ光源をピンホール等に置き換え、ピンホールに可視光又は近赤外光（多くの場合、ポンプ光そのもの）を通し、その透過光の様子を観察しながら行われている。即ち、ピンホールの透過光の光路がテラヘルツ光の光路と同一であると見なすことにより行われている。

なお、可視光の場合は、その照射位置等を肉眼で直接的に観察することが可能である。近赤外光等の場合は、近赤外光に感応して可視光を発光する材料をシート部材に塗布したカード式赤外センサ（例えば、シグマ光機株式会社から市販されている「ＳＩＲＣ−（１）」（商品名））等の簡便な観察ツールを用いることにより、容易に観察することができる。

特許文献２の技術は、テラヘルツ信号系と固有ジョセフソン接合位置とを確実に結合させることができる単結晶固有ジョセフソン接合テラヘルツ検出器である。その構成は、単結晶固有ジョセフソン接合テラヘルツ検出器であって、基板とこの基板上に搭載される両面加工プロセスで作製された全超伝導Ｂｉ_２Ｓｒ_２ＣａＣｕ_２Ｏ_８単結晶固有のジョセフソン接合装置と、このジョセフソン接合装置に集積化されるアンテナを具備するものである。

特許文献３には、テラヘルツ光素子と、該テラヘルツ光素子の所定個所に基材と反対側からフェムト秒パルス光を照射する照射部と、２つの導電膜間に流れる電流を検出する電流検出部とを備えたテラヘルツ光検出装置が開示されている。

テラヘルツ光素子は、基材と、この基材の平面上に形成された光伝導膜と、光伝導膜上に形成された互いに分離された２つの導電膜とを備える。導電膜の一部同士が、基材の平面に沿った方向に所定間隔ｄを開けるように配置される。基材は、基材から光伝導膜と反対側へ出射するか、あるいは基材に光伝導膜と反対側から入射するテラヘルツ光に対してレンズ作用を為すように形成される。
特開２００２−３０３５７４号公報 特開２００２−２４６６６４号公報 特開２００２−２２３０１７号公報

しかしながら、テラヘルツ帯の電磁波は、可視光領域の光線と比較して減衰率が高い。本特性は、図４からも知れる。図４において、グラフ（ｂ）は、従来の板厚２ｍｍのポリエチレンへテラヘルツ帯の電磁波を透過させた場合の波長（ＴＨｚ）に対する減衰率特性を示している。本グラフ（ｂ）から、周波数が高くなるに従い急峻に透過特性が低下することが知れる。また、テラヘルツ帯は、不可視光であり、その取り扱いが可視光と比較して困難である問題点を有する。

また、開示された上記従来技術において、特許文献１では、テラヘルツ光源をピンホールと同じ位置に正確に置き換えることは非常に困難である。このため、ピンホールの透過光を基準にしてテラヘルツ光学系のアライメントを調整した後に、ピンホールをテラヘルツ光源に置き換えるだけでは、そのアライメントを正確に調整することはできない。

そのため本テラヘルツ光学系のアライメントを調整する従来の調整方法では、実際には、ピンホールの光源に置き換えた後にテラヘルツ光の検出信号の強度を測定しつつその強度が高まるように、テラヘルツ光学系のアライメントを再調整して最適化している。 この最適化の作業には、テラヘルツ光の検出信号の強度を頼りにテラヘルツ光学系のアライメントを少しずつ変えていく、試行錯誤の繰り返しが不可欠である。よって、本従来の調整方法では、テラヘルツ光学系のアライメントを正確に行うためには、前述した試行錯誤の繰り返しが必要である。このため、著しく手数を要する問題点を伴う。

特許文献２の技術においては、超伝導材料を用いる必要があり、コストが高く、また、製造が困難である問題点を有する。

特許文献３の技術は、その製造が複雑である問題点を有する。

また、一般的にテラヘルツ波の確認には、液体ヘリウムを用いたボロメータが知られている。しかし、この技術は、大掛かりな測定系が必要になる問題点を有する。

本発明は、コストが低く、また、製造が簡単なテラヘルツ帯波処理装置および同方法を提供することを目的とする。

本発明のテラヘルツ帯波処理装置は、所定のテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置と、
前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出器と、
前記テラヘルツ波発生装置と前記テラヘルツ波検出器との間の光透過路を定めて光軸を規制する第１の光透過規制器と、
前記第１の光透過規制器と前記テラヘルツ波検出器との間の前記光軸上のテラヘルツ波を透過させ、且つ所定の入射角度を有して入射される光を反射させる、シクロオレフィンの重合体のゼオネックス（登録商標）からなる光半透過板と、
前記光半透過板と前記テラヘルツ波検出器との間の前記光軸上に設定された第２の光透過規制器とを有して構成され、
所定の可視光をパイロット光として前記光半透過板へ入射され該光半透過板により反射させ、該反射させた可視光の光軸を前記テラヘルツ波の光軸へ重畳させ、該テラヘルツ波の光軸を前記可視光により模擬的に目視可能としたことを特徴としている。

また、上記のテラヘルツ波検出器をＳｉボロメーターとし、光半透過板へ入射されるパイロット光の光軸調整用として少なくとも１個のパイロット光導入ミラーをさらに有し、パイロット光として可視光レーザを用い、光透過規制器にアパーチャーを適用するとよい。

本発明のテラヘルツ帯波処理方法は、所定のテラヘルツ波を検出する検出器の位置と方向を該テラヘルツ波の進行向きに合わせ、その間にシクロオレフィンの重合体のゼオネックス（登録商標）からなるシクロオレフィン板をテラヘルツ波透過状態に設定する検出器位置調整工程と、
前記検出器の測定値が下がらない位置に少なくとも１個のアパーチャーをセットするアパーチャーセット工程と、
パイロット光導入ミラーを用いて所定のパイロット光をシクロオレフィン板へのテラヘルツ波の軸上へ重畳し、前記アパーチャーへ通させ、該パイロット光の光軸と前記テラヘルツ波の光軸とを同軸に重ねるパイロット光軸調整工程とを有して構成され、
所定の可視光をパイロット光として該可視光の光軸を前記テラヘルツ波の光軸へ重畳させ、該テラヘルツ波の光軸を前記可視光により模擬的に目視可能としたことを特徴とする。

以下に本発明の作用を本発明をなすに際して得た知見とともに説明する。
従来、シクロオレフィンは光学系部品の材料として用いられていた。しかるに、本発明者は、シクロオレフィンからなる光学部品の特性をより詳細に調べたところ、該部品は、テラヘルツ波に対して優れた透過特性を有していることを見出した。
のみならず、該部品は可視光に対しても優れた透過性を有していることをも見出した。さらに、可視光に対するとテラヘルツ光とに対する屈折率の差が０．０１以下であるという事項をも見出した。そのため、両者の波長が非常に離れているにもかかわらず、屈折率の差が非常に小さいのでレンズなどの光学部品を通した場合でも同じ場所で集光されるため可視光をパイロット光として使用することができる。結局、例えば、テラヘルツ波の光軸と可視光の光軸とを絶えず一致させてやれば可視光を見ることによりテラヘルツ波の光軸を知ることが可能となる。
本発明は上記のようにシクロオレフィンからなる光学部品の新たな特性を発見することによりその用途の拡大を図ったものである。
ここで、シクロオレフィンとしては、高分子体が好適に用いられる。重合体（シクロオレフィンポリマー）あるいは共重合体（シクロオレフィンコポリマー）が好適に用いられる。シクロオレフィンポリマーは商品名ゼオネックス（登録商標）、シクロオレフィンコポリマーは商品名アペル（三井化学株式会社製）として入手可能である。

次に、添付図面を参照して本発明によるテラヘルツ帯波処理装置および同方法の実施の形態を詳細に説明する。図１から図４を参照すると、本発明のテラヘルツ帯波処理装置および同方法の一実施形態が示されている。
図１から図３は、テラヘルツ波の同軸にパイロットビーム（可視光）を重ねる処理手順例を示している。実施形態の処理手順は、図１〜図３に示すステップ１〜ステップ３の対応処理を基に構成される。本アライメント手順例を以下に示す。

（ステップ１）
図１は、ステップ１が適用されるテラヘルツ波用光学部品、テラヘルツ帯波処理装置および同方法の構成例を示すシステム図である。本図１において、ステップ１が適用されるテラヘルツ波用光学部品、テラヘルツ帯波処理装置および同方法は、パラメトリック発振器型のテラヘルツ波発生装置１０、アパーチャー１、シクロオレフィン板４、Ｓｉボロメーター（検出器）５を有して構成される。テラヘルツ波発生装置１０からは、テラヘルツ波１１が出力される。この出力されるテラヘルツ波１１の光軸にアパーチャー１の透過光軸を設定する。シクロオレフィン板４を、板前後においてテラヘルツ波１１を透過状態に設定する。さらに、Ｓｉボロメーター５の位置と方向を、テラヘルツ波の光軸に対し垂直方向に合わせる。

（ステップ２）
図２は、テラヘルツ波の同軸にパイロットビーム（可視光）１２を重ねる第２の処理手順例を示した図であり、ステップ２が適用されるテラヘルツ波用光学部品、テラヘルツ帯波処理装置および同方法の構成例を示すシステム図である。本図２では、図１の示すステップ１が適用されるテラヘルツ波用光学部品、テラヘルツ帯波処理装置および同方法に加え、さらに、アパーチャー２とアパーチャー３とが追加される。本ステップ２では、シクロオレフィン板４とＳｉボロメーター５との間に、新たに、アパーチャー２とアパーチャー３とを追加設定する。この追加設定において、Ｓｉボロメーター５のテラヘルツ波信号の検出測定値が下がらない位置に、アパーチャー２とアパーチャー３を設定する。本設定では、追加されるアパーチャー２とアパーチャー３の透過孔の光軸を、テラヘルツ波１１の光軸に一致させることが要件とされる。

（ステップ３）
図３は、第３の処理手順例を示し、ステップ３が適用されるテラヘルツ波用光学部品、テラヘルツ帯波処理装置および同方法の構成例を示すシステム図である。本図３では、図２の示すステップ２が適用されるテラヘルツ波用光学部品、テラヘルツ帯波処理装置および同方法に加え、さらに、パイロット光導入ミラー２１とパイロット光導入ミラー２２とが追加設定される。本ステップ３では、これらのパイロット光導入ミラー２１とパイロット光導入ミラー２２との追加処理後に、例えば、可視光レーザのパイロット光１２をテラヘルツ波１１へ重畳させる。

パイロット光導入ミラー２１とパイロット光導入ミラー２２とを追加し、可視光レーザのパイロット光１２を、パイロット光導入ミラー２１とパイロット光導入ミラー２２の設定角度調整により、テラヘルツ波１１の同軸上へ重畳させる。本処理において、シクロオレフィン板４へのテラヘルツ波１１の軸上へ、パイロット光１２の光軸が重畳するようにパイロット光導入ミラー２１とパイロット光導入ミラー２２の設定位置、設定角度等を調整する。この位置設定および角度調整により、テラヘルツ波１１の光軸上へパイロット光１２の光軸を重畳させる。

パイロット光１２の光軸調整は、Ｓｉボロメーター５の出力信号を確認しながらの他に、可視光であるため黙視で確認しながらの調整も可能である。本調整により、パイロット光１２の光軸とテラヘルツ光１１の光軸とを、同一軸とすることができる。パイロット光１２とテラヘルツ光１１とを同軸に重ねた後のテラヘルツ光の光軸は、模擬的・擬似的に可視状態となる。

上記構成のテラヘルツ波用光学部品、テラヘルツ帯波処理装置および同方法の実施の形態において、シクロオレフィン板４として、テラヘルツ光１１に対して減衰特性をより小さくし、パイロット光１２に対して反射特性をより高くする必要がある。このシクロオレフィン板４の具体例として、高機能樹脂（商品名；ＺＥＯＮＥＸ／日本ゼオン（株））がある。図４は、この商品名；ゼオネックス（ＺＥＯＮＥＸ）とポリエチレンとを比較した、光透過率の特性例を示している。

図４において、横軸を周波数［ＴＨｚ／テラヘルツ］、縦軸を透過率［Ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ］としている。図４中の二つのグラフにおいて、上方の（ａ）がゼオネックス、下方の（ｂ）がポリエチレンのそれぞれの特性グラフである。本図４によれば、ゼオネックスの方が透過特性に優れていることが知れる。なお、両測定には、同一厚の試験試料を用いている。

高機能樹脂のシクロオレフィン板４としての適用において、テラヘルツ波用のＡＲコート（無反射コート）材料に使用が可能と判定される。テラヘルツ用各種オプティクス光学面に、波長に応じた厚さを形成することにより、反射を減らすことができる。高機能樹脂の各種の適用例を以下に列挙する。

（テラヘルツ波用の各種レンズ材料）
平凸、凸凸、凹、ロッド、シリンドリカル、等光学で用いる各種レンズと同じ形態のレンズをテラヘルツ用に作ることができる。且つ、可視光とテラヘルツ波に対して同時にシクロオレフィン板４としての機能を満たすことができる。

（テラヘルツ用の各種プリズム用材料）
４５°直角、ダハ、ダブ、等光学で用いる各種レンズと同じ形態のレンズをテラヘルツ用に作ることができる。且つ、可視光とテラヘルツ波に対して同時にシクロオレフィン板４としての機能を満たすことができる。

（テラヘルツ波用のビームサプライヤー、ビームスプリッターへ適用）
板状に加工して、一つのテラヘルツ波を表面反射波と透過波に分ける、ビームサプライヤーやビームスプリッターを作ることができる。且つ、可視光とテラヘルツ波に対して、同時にシクロオレフィン板４としての機能を満たすことができる。

（テラヘルツ波用のファイバー材料）
ファイバーにすることにより、空気中を伝搬することに不利なテラヘルツ波を、容易にハンドリングできる。且つ、可視光とテラヘルツ波に対して、同時にシクロオレフィン板４としての機能を満たすことができる。

（テラヘルツ波用の導波路材料）
導波路形状にすることにより、空気中を伝搬することに不利なテラヘルツ波を高効率に伝播させることができる。且つ、可視光とテラヘルツ波に対して、同時にシクロオレフィン板４としての機能を満たすことができる。

（テラヘルツ波用の実験に用いる）
テラヘルツ波の高透過性を用いることにより、プレパラート（板状）、サンプル（柱状）入れ等に加工し、試料を載せたり入れたりし、分光等の実験に用いることができる。且つ、可視光とテラヘルツ波に対して同時にシクロオレフィン板４としての機能を満たすことができる。

（テラヘルツ波用のミラー材料その１）
テラヘルツ波を透過する特性を生かし、ダイクロイックミラーの基板材料となる。

（テラヘルツ波用のミラー材料その２）
テラヘルツ波を透過する特性を生かし、表面又は内部に線状の金属を存在させることにより、高精度で高効率なテラヘルツ波用ハーフミラーを作ることができる。

（テラヘルツ波用のポラライザー）
テラヘルツ波を透過する特性を生かし、表面又は内部に線状の金属を存在させることにより、高精度で高効率なテラヘルツ波用ポラライザーを作ることができる。

（テラヘルツ波用のウィンドウ材料）
テラヘルツ波を透過する特性を生かし、テラヘルツ波装置のウィンドウ材料となる。且つ、可視光とテラヘルツ波に対して同時に本機能を満たすことが出きる。又、テラヘルツ波に対してブリュースター角に、ウィンドウを配置することにより、本材料の持っている透過率に限りなく近い値で、テラヘルツ波を透過させることができる。

（シリコン等の低屈折率分散半導体材料の代替え材料）
テラヘルツ帯において、低屈折分散材料として一般的に使用されているシリコン、ゲルマニューム、ガリュームヒ素、等の半導体は、可視光と共に用いると可視光を吸収して、テラヘルツ波の透過率を減少させる。例として、テラヘルツ波と可視光を、同時に照射している実験系やテラヘルツ波発生装置の上記半導体部と置き換えることにより、高効率化が図れる。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例である。ただし、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
多様化の構成例およびそれに付随する効果例を以下に列挙する。
図６にシクロオレフィンとして、三井化学株式会社製の商品名アペルを用いてテラヘルツ波の透過試験を行った結果を示す。なお、該試験は、厚さ３．５ｍｍのレンズを用い、入射角０度で行った。本例のおいても良好な透過率が得られた。
なお、本発明における光学部品の厚さは特に限定されない。また、テラヘルツ波の入射角も特に限定されず広い範囲で有効である。

以上の説明より明らかなように、本発明のテラヘルツ帯波処理装置は、所定のテラヘルツ波を発生し、この発生されたテラヘルツ波の進行方向の前面に高機能樹脂により構成されたオプティクス光学面を設けられて構成している。本構成により、テラヘルツ帯波の透過特性に優れた装置を構成することができる。

本発明のテラヘルツ帯波処理装置および同方法の実施形態が適用される、第１の処理手順例を示している。 ステップ２が適用されるテラヘルツ帯波処理装置の構成例を示すシステム図である。 ステップ３が適用されるテラヘルツ帯波処理装置の構成例を示すシステム図である。 シクロオレフィンポリマーとポリエチレンとを比較した、光透過率の特性例を示したグラフである。 超長波（ＶＬＦ）からγ線に至る波長の周波数分布を示している。 シクロオレフィンコポリマーの場合における光透過率を示したグラフである。

符号の説明

１、２、３ アパーチャー
４ シクロオレフィン板
５ Ｓｉボロメーター（検出器）
１０ テラヘルツ波発生装置
１１ テラヘルツ波
１２ パイロット光
２１、２２ パイロット光導入ミラー

Claims (7)

1. 所定のテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置と、
   前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出器と、
   前記テラヘルツ波発生装置と前記テラヘルツ波検出器との間の光透過路を定めて光軸を規制する第１の光透過規制器と、
   前記第１の光透過規制器と前記テラヘルツ波検出器との間の前記光軸上のテラヘルツ波を透過させ、且つ所定の入射角度を有して入射される光を反射させる、シクロオレフィンの重合体のゼオネックス（登録商標）からなる光半透過板と、
   前記光半透過板と前記テラヘルツ波検出器との間の前記光軸上に設定された第２の光透過規制器とを有して構成され、
   所定の可視光をパイロット光として前記光半透過板へ入射され該光半透過板により反射させ、該反射させた可視光の光軸を前記テラヘルツ波の光軸へ重畳させ、該テラヘルツ波の光軸を前記可視光により模擬的に目視可能としたことを特徴とするテラヘルツ帯波処理装置。
2. 前記テラヘルツ波検出器は、Ｓｉボロメーターであることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ帯波処理装置。
3. 前記光半透過板へ入射される前記パイロット光の光軸調整用として、少なくとも１個のパイロット光導入ミラーを、さらに有したことを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ帯波処理装置。
4. 前記パイロット光として、可視光レーザを用いたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のテラヘルツ帯波処理装置。
5. 前記光透過規制器にアパーチャーを適用したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のテラヘルツ帯波処理装置。
6. 可視光をパイロット光としてシクロオレフィンの重合体のゼオネックス（登録商標）からなるシクロオレフィン板へのテラヘルツ波の軸上へ重畳し、テラヘルツ帯波を処理することを特徴とするテラヘルツ帯波処理方法。
7. 所定のテラヘルツ波を検出する検出器の位置と方向を該テラヘルツ波の進行向きに合わせ、その間にシクロオレフィンの重合体のゼオネックス（登録商標）からなるシクロオレフィン板をテラヘルツ波透過状態に設定する検出器位置調整工程と、
   前記検出器の測定値が下がらない位置に少なくとも１個のアパーチャーをセットするアパーチャーセット工程と、
   パイロット光導入ミラーを用いて所定のパイロット光をシクロオレフィン板へのテラヘルツ波の軸上へ重畳し、前記アパーチャーへ通させ、該パイロット光の光軸と前記テラヘルツ波の光軸とを同軸に重ねるパイロット光軸調整工程とを有して構成され、
   所定の可視光をパイロット光として該可視光の光軸を前記テラヘルツ波の光軸へ重畳させ、該テラヘルツ波の光軸を前記可視光により模擬的に目視可能としたことを特徴とするテラヘルツ帯波処理方法。

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