JP4759770B2 - Terahertz electromagnetic wave generating element - Google Patents
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Description
本発明は、テラヘルツ電磁波を効率的に発生するテラヘルツ電磁波発生素子に関する。 The present invention relates to a terahertz electromagnetic wave generating element that efficiently generates a terahertz electromagnetic wave.
テラヘルツ電磁波の周波数は、0.1THzから10THzにわたり、波長は30μmから3mmである。すなわち、テラヘルツ電磁波の周波数領域は、光波と電波の境界に当たる周波数領域である。このため、テラヘルツ電磁波は、電波のように物質を透過し、光のように直進する性質を有する。テラヘルツ電磁波の周波数帯域からは、分子構造や運動状態についての情報を得ることができるため、情報通信、非破壊検査、危険物や隠匿物の検出といったセキュリティ分野、悪性腫瘍のイメージングなどのバイオ・メディカル分野、さらには農業、工業、環境および宇宙分野など広い分野の応用が期待されている。 The frequency of the terahertz electromagnetic wave ranges from 0.1 THz to 10 THz, and the wavelength is from 30 μm to 3 mm. That is, the frequency region of the terahertz electromagnetic wave is a frequency region that hits the boundary between the light wave and the radio wave. For this reason, terahertz electromagnetic waves have a property of transmitting a substance like radio waves and going straight like light. Information on molecular structure and motion state can be obtained from the frequency band of terahertz electromagnetic waves. Therefore, biomedical such as information communication, non-destructive inspection, security field such as detection of dangerous and concealed objects, and imaging of malignant tumors. Applications in a wide range of fields such as agriculture, industry, environment and space are expected.
テラヘルツ電磁波の発生方法として、たとえばフェムト秒パルスレーザーを非線形光学結晶に照射させて発生させる方法が知られている(たとえば、特許文献1)。フェムト秒パルスレーザーによるレーザー光などの強い光を非線形光学結晶に照射すると、非線形光学結晶に分極が発生・消滅し、実効的にパルス電流が生じたことと等価となる。その結果、非線形光学結晶は、テラヘルツ電磁波を放射する。 As a method for generating a terahertz electromagnetic wave, for example, a method in which a nonlinear optical crystal is irradiated with a femtosecond pulse laser to generate the terahertz electromagnetic wave is known (for example, Patent Document 1). When the nonlinear optical crystal is irradiated with strong light such as laser light by a femtosecond pulse laser, polarization is generated and disappears in the nonlinear optical crystal, which is equivalent to effectively generating a pulse current. As a result, the nonlinear optical crystal emits terahertz electromagnetic waves.
しかし、テラヘルツ電磁波の周波数領域において、分散により物質の屈折率が高くなる。このため、テラヘルツ電磁波が発生素子を通過する際に、反射または吸収される成分が大きくなり、テラヘルツ電磁波の出力が低下する。テラヘルツ電磁波の出力の低下を防止するために、非線形光学結晶の表面に薄膜層を設けて表面における反射を減少させることも試みられている。しかし、テラヘルツ電磁波の周波数領域において有効な薄膜材料が存在せず、また薄膜自身にも分散性が存在するため、テラヘルツ電磁波へのエネルギ変換効率を大幅に向上させることは実現されていない。 However, in the frequency region of the terahertz electromagnetic wave, the refractive index of the substance increases due to dispersion. For this reason, when the terahertz electromagnetic wave passes through the generating element, a component that is reflected or absorbed increases, and the output of the terahertz electromagnetic wave decreases. In order to prevent a decrease in output of the terahertz electromagnetic wave, an attempt has been made to reduce reflection on the surface by providing a thin film layer on the surface of the nonlinear optical crystal. However, since there is no thin film material effective in the frequency region of the terahertz electromagnetic wave and the thin film itself has dispersibility, it has not been realized that the energy conversion efficiency to the terahertz electromagnetic wave is greatly improved.
また、ある種の物質が特定の周波数帯域のテラヘルツ電磁波を透過しやすいことが知られている。この性質を利用して、テラヘルツ電磁波によって禁止薬物や爆発物など特定の物質を検出する検査システムが検討されている。このように特定の物質を検出するためには、特定の物質によって定まる所定の周波数帯域のテラヘルツ電磁波をできるだけ高いエネルギ変換効率で発生させる必要がある。 In addition, it is known that certain substances easily transmit terahertz electromagnetic waves in a specific frequency band. Utilizing this property, inspection systems that detect specific substances such as prohibited drugs and explosives using terahertz electromagnetic waves have been studied. In order to detect a specific substance as described above, it is necessary to generate a terahertz electromagnetic wave having a predetermined frequency band determined by the specific substance with the highest possible energy conversion efficiency.
したがって、所定の周波数帯域のテラヘルツ電磁波をできるだけ高いエネルギ効率で発生させることのできるテラヘルツ電磁波発生素子に対するニーズがある。 Therefore, there is a need for a terahertz electromagnetic wave generating element that can generate terahertz electromagnetic waves in a predetermined frequency band with as high energy efficiency as possible.
本発明によるテラヘルツ電磁波発生素子は、一方の面に光を照射したときに他方の面からテラヘルツ電磁波を射出する非線形光学物質からなる発生層と、前記発生層の両側に設けた複数対の層構造と、を備えている。前記複数対の層構造のそれぞれは、第1の層と、 前記第1の層の、前記発生層と反対側に設けた第2の層と、前記第2の層の、前記発生層の側の面に設けた、使用されるテラヘルツ電磁波の波長より小さい第1の周期及び第1の高さを有する第1の格子と、前記第2の層の、前記発生層と反対側の面に設けた、第1の周期及び第1の高さを有する第2の格子と、を備えている。前記第1の層の媒質の屈折率(第1の屈折率)は、前記第2の層の媒質の屈折率(第2の屈折率)よりも低い。前記第1及び第2の格子は、前記第1の層と前記第2の層との間の屈折率が、前記第1及び第2の屈折率の間で徐々に変化するように構成されている。前記発生層が発生するテラヘルツ電磁波の中心波長に対して、所望の帯域幅を有するテラヘルツ電磁波を発生するように、前記第1及び第2の層の厚さ、ならびに前記第1の周期及び前記第1の高さを定めている。 A terahertz electromagnetic wave generating element according to the present invention includes a generation layer made of a nonlinear optical material that emits a terahertz electromagnetic wave from the other surface when light is irradiated on one surface, and a plurality of pairs of layer structures provided on both sides of the generation layer And. Each of the plurality of pairs of layer structures includes a first layer, a second layer provided on a side of the first layer opposite to the generation layer, and a side of the generation layer of the second layer. A first grating having a first period and a first height smaller than the wavelength of the terahertz electromagnetic wave to be used, and a surface of the second layer opposite to the generation layer. And a second grating having a first period and a first height. The refractive index (first refractive index) of the medium of the first layer is lower than the refractive index (second refractive index) of the medium of the second layer. The first and second gratings are configured such that a refractive index between the first layer and the second layer gradually changes between the first and second refractive indexes. Yes. The thicknesses of the first and second layers, the first period, and the first frequency so as to generate a terahertz electromagnetic wave having a desired bandwidth with respect to the center wavelength of the terahertz electromagnetic wave generated by the generation layer. 1 height is defined.
本発明によるテラヘルツ電磁波発生素子によれば、テラヘルツ電磁波のエネルギを所望の帯域幅に集中させることができる。したがって、所望の帯域幅のテラヘルツ電磁波を高いエネルギ効率で発生させることができる。 According to the terahertz electromagnetic wave generating element according to the present invention, the energy of the terahertz electromagnetic wave can be concentrated in a desired bandwidth. Therefore, a terahertz electromagnetic wave having a desired bandwidth can be generated with high energy efficiency.
本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、所望の帯域幅の上限値以上の周波数のテラヘルツ電磁波をできるだけ除去するように、第1の周期を定めている。 In the terahertz electromagnetic wave generating element according to the embodiment of the present invention, the first period is determined so as to remove as much as possible the terahertz electromagnetic wave having a frequency equal to or higher than the upper limit value of the desired bandwidth.
本実施形態によれば、第2の層の両側に設けた第1及び第2の格子により、所望の帯域幅の上限値以上の周波数のテラヘルツ電磁波は回折されて除去される。 According to this embodiment, the terahertz electromagnetic wave having a frequency equal to or higher than the upper limit value of the desired bandwidth is diffracted and removed by the first and second gratings provided on both sides of the second layer.
本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、前記第1及び第2の格子の凸部の形状が錐状である。 In the terahertz electromagnetic wave generating element according to the embodiment of the present invention, the convex portions of the first and second gratings are conical.
本実施形態によれば、前記第1及び第2の格子の凸部の形状が錐状であるので、第1の層と第2の層との間で屈折率を徐々に変化させることができる。 According to this embodiment, since the convex portions of the first and second gratings are conical, the refractive index can be gradually changed between the first layer and the second layer. .
本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、前記第1及び第2の格子の凸部の形状が円錐状である。 In the terahertz electromagnetic wave generating element according to the embodiment of the present invention, the convex portions of the first and second gratings are conical.
本実施形態によれば、前記第1及び第2の格子の凸部の形状が円錐状であるので、第1の層と第2の層との間で屈折率を徐々に変化させることができる。 According to this embodiment, since the convex portions of the first and second gratings are conical, the refractive index can be gradually changed between the first layer and the second layer. .
本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、前記第1及び第2の格子の凸部の形状が角錐状である。 In the terahertz electromagnetic wave generating element according to the embodiment of the present invention, the convex portions of the first and second gratings have a pyramid shape.
本実施形態によれば、前記第1及び第2の格子の凸部の形状が角錐状であるので、第1の層と第2の層との間で屈折率を徐々に変化させることができる。 According to this embodiment, since the convex portions of the first and second gratings are pyramidal, the refractive index can be gradually changed between the first layer and the second layer. .
本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、前記第1及び第2の格子の凸部が前記第2の層の材質と同じ材質からなる。 In the terahertz electromagnetic wave generating element according to the embodiment of the present invention, the convex portions of the first and second gratings are made of the same material as that of the second layer.
本実施形態によれば、前記第1及び第2の格子の凸部が前記第2の層の材質と同じ材質からなるので、第1の層と第2の層との間で屈折率を連続的に変化させることができる。 According to the present embodiment, since the convex portions of the first and second gratings are made of the same material as that of the second layer, the refractive index is continuously maintained between the first layer and the second layer. Can be changed.
本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、前記第1及び第2の格子が、1次元に配列されている。 In the terahertz electromagnetic wave generating element according to the embodiment of the present invention, the first and second gratings are arranged one-dimensionally.
本実施形態によれば、1次元に配列された格子により、所定の偏光面を有するテラヘルツ電磁波の出力を増大させることができる。具体的には、1次元に配列された格子の突起部の長手方向に直交する偏光面を有するテラヘルツ電磁波の減衰を防止することができる。 According to this embodiment, the output of the terahertz electromagnetic wave having a predetermined polarization plane can be increased by the one-dimensionally arranged grating. Specifically, it is possible to prevent the attenuation of the terahertz electromagnetic wave having a polarization plane orthogonal to the longitudinal direction of the protrusions of the lattice arranged in one dimension.
本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、前記第1及び第2の格子が、2次元に配列されている。 In the terahertz electromagnetic wave generating element according to the embodiment of the present invention, the first and second gratings are two-dimensionally arranged.
本実施形態によれば、2次元に配列された格子により、偏光面に関わらず、テラヘルツ電磁波の出力を増大させることができる。 According to this embodiment, the output of the terahertz electromagnetic wave can be increased by the two-dimensionally arranged grating regardless of the polarization plane.
本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、前記第1の層の媒質が空気である。 In the terahertz electromagnetic wave generating element according to the embodiment of the present invention, the medium of the first layer is air.
本実施形態によれば、媒質として空気を使用するので、前記第1の層を容易に形成することができる。 According to this embodiment, since air is used as a medium, the first layer can be easily formed.
本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、前記第1の層を形成するように枠状のサポート構造を備えている。 The terahertz electromagnetic wave generating element according to the embodiment of the present invention includes a frame-shaped support structure so as to form the first layer.
本実施形態によれば、枠状のサポート構造を備えることによって、媒質が空気である前記第1の層を形成することができる。 According to this embodiment, the first layer whose medium is air can be formed by providing the frame-shaped support structure.
本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、前記第2の層と前記枠状のサポート構造とを一体的に形成している。 In the terahertz electromagnetic wave generating element according to the embodiment of the present invention, the second layer and the frame-shaped support structure are integrally formed.
本実施形態によれば、前記第2の層と前記枠状のサポート構造とを一体的に形成するので、製造プロセスが簡単となる。 According to this embodiment, since the second layer and the frame-shaped support structure are integrally formed, the manufacturing process is simplified.
本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、前記第2の層の媒質がポリプロピレンである。 In the terahertz electromagnetic wave generating element according to the embodiment of the present invention, the medium of the second layer is polypropylene.
本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、前記非線形光学物質がテルル化亜鉛(ZnTe)の結晶である。 In the terahertz electromagnetic wave generating element according to the embodiment of the present invention, the nonlinear optical material is a crystal of zinc telluride (ZnTe).
本発明の態様による物体検査システムは、本発明によるテラヘルツ電磁波発生素子を備えている。 An object inspection system according to an aspect of the present invention includes a terahertz electromagnetic wave generating element according to the present invention.
本態様による物体検査システムにおいては、テラヘルツ電磁波発生素子の出力が大きいので、物体の検査をより高精度で行うことができる。 In the object inspection system according to this aspect, since the output of the terahertz electromagnetic wave generating element is large, the object can be inspected with higher accuracy.
図1は、テラヘルツ電磁波発生素子を含む物体検査システムの構成を示す図である。図1においてフェムト秒レーザー201によって放出されたレーザー・ビームは、反射鏡203によって反射され、ビーム・スプリッター205に到達する。レーザー・ビーム・パルスは、ビーム・スプリッター205によって二つに分岐し、一方は、テラヘルツ電磁波発生素子100に入射する。レーザー・ビーム・パルスを受け取ったテラヘルツ電磁波発生素子100は、テラヘルツ電磁波を発生し、放出する。テラヘルツ電磁波は、凹面反射鏡207に到達し、反射されるとともに平面波に変換される。平面波に変換されたテラヘルツ電磁波は、反射鏡207a及び凹面反射鏡207bによって、検査対象物体301で十分な強度が得られるように集光される。テラヘルツ電磁波は、検査対象物体301を透過した後、凹面反射鏡209bと反射鏡209aを通して凹面反射鏡209に到達し、反射された後、テラヘルツ検出器211に集光される。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an object inspection system including a terahertz electromagnetic wave generating element. In FIG. 1, the laser beam emitted by the
フェムト秒レーザーの仕様は、たとえば、中心波長800nm、パルス幅60乃至100 fs(フェムト秒)、繰り返し周波数 70乃至80 MHz、出力パワー 1 Wである。フェムト秒レーザーの代わりに、チタン・サファイアレーザーを使用してもよい。 The specifications of the femtosecond laser are, for example, a center wavelength of 800 nm, a pulse width of 60 to 100 fs (femtosecond), a repetition frequency of 70 to 80 MHz, and an output power of 1 W. A titanium / sapphire laser may be used instead of the femtosecond laser.
ビーム・スプリッター205によって分岐された他方のレーザー・ビーム・パルスは、光学遅延ステージ213を通過した後、反射鏡215によって反射され、テラヘルツ検出器211に到達する。テラヘルツ検出器211は、該他方のレーザー・ビーム・パルスが照射された時点で、テラヘルツ検出器211に入射しているテラヘルツ電磁波の電場強度を検出する。光学遅延ステージ213は、鏡を移動させることにより光路長を調整し、該他方のレーザー・ビーム・パルスがテラヘルツ検出器211に到達する時間を調整する。該他方のレーザー・ビーム・パルスがテラヘルツ検出器211に到達する時間を調整しながら、テラヘルツ電磁波の電場強度の時間変化を測定する。最後に電場強度の時間変化をフーリエ変換すれば、周波数に対する電場強度の推移を求めることができる。
The other laser beam pulse branched by the
図2Aは、本発明の一実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子100の構成を説明するための図である。
FIG. 2A is a diagram for explaining the configuration of the terahertz electromagnetic
テラヘルツ電磁波発生素子100の一方の面には、レーザー・ビームが入射され、他方の面からテラヘルツ電磁波が放出される。以下において、レーザー・ビームが入射される面を入射面、テラヘルツ電磁波が放出される面を放出面と呼称する。テラヘルツ電磁波発生素子100は、非線形光学結晶101と、非線形光学結晶101の入射面側に備わる層構造103Aと、非線形光学結晶101の放出面側に備わる層構造103Bとからなる。層構造103Aは、第1の層105と、第1の層105の、非線形光学結晶101と反対側に設けた第2の層1073と、第2の層1073の、第1の層105の側の面に設けた格子1071と、第2の層1073の、第1の層105と反対側の面に設けた格子1075とからなる。層構造103Bも、層構造103Aと同様の構造を有する。層構造103A及び層構造103Bを対の層構造と呼称する。
A laser beam is incident on one surface of the terahertz electromagnetic
非線形光学結晶101は、一例としてテルル化亜鉛(ZnTe)の結晶である。他に、無機非線形光学結晶であるニオブ酸リチウム(LiNbO3)、リン化ガリウム(GaP)及びセレン化ガリウム(GaSe)などの結晶を使用してもよい。さらに、有機非線形結晶として,DAST(4−ジメチルアミノ−N−メチル−4−スチルバゾリウムトシレート,4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium tosylate)結晶を使用してもよい。The nonlinear
第1の層105の媒質の屈折率は、第2の層1073の媒質の屈折率よりも低い。すなわち、第1の層105は低屈折率の物質から成る層であり、第2の層1073は高屈折率の物質から成る層である。低屈折率の物質から成る適切な厚さの層と高屈折率の物質から成る適切な厚さの層とを設けることにより、非線形光学結晶101内で発生したテラヘルツ電磁波の、非線形光学結晶101と第1の層105との境界面における反射波と、第2の層1073と周囲との境界面における反射波とが打ち消しあって、テラヘルツ電磁波の反射による出力の低下を防止することができる。
The refractive index of the medium of the
ここで、第1の層105の媒質として空気を選択する。非線形光学結晶101の表面における反射による放射強度の低下を防止するには、第2の層1073の媒質として、適切な屈折率を有する媒質を選択する必要がある。しかし、テラヘルツ電磁波の周波数領域で物質の屈折率は高くなる傾向がある。たとえば、可視光で代表的な薄膜である酸化アルミニウム(Al2O3)、二酸化チタン(TiO2)の屈折率は、可視光に対して、それぞれ、1.7及び2.0であるが、周波数 0.45THz(波長 670μm)に対して、それぞれ3.3および10.5である。したがって、テラヘルツ電磁波帯で適切な屈折率を有する媒質を探し出すのは容易ではない。このように、第1の層105の屈折率と第2の層1073の屈折率とが大きく異なると、第1の層105と第2の層1073との境界面における反射が大きくなり、テラヘルツ電磁波の出力が低下する。Here, air is selected as the medium of the
そこで、本実施形態においては、第2の層1073の、非線形光学結晶101の側の面に第1の格子1071を設け、第2の層1073の、非線形光学結晶101と反対側の面に第2の格子1075を設ける。ここで、第1の格子1071および第2の格子1075の格子周期は、使用されるテラヘルツ電磁波の波長よりも小さくする。このように構成することにより、反射回折光及び透過回折光の発生が抑制され、0次光のみを発生させることができる。
Therefore, in the present embodiment, the
図2Aに示すように、第1の格子1071の突起部分と突起部分との間は、第1の層の媒質である空気で満たされる。第1の格子1071または第2の層1073の突起部分と空気からなる部分の平均屈折率は、近似的に以下の式で与えられる。
図3は、デューティー比を説明するための図である。h=0のとき、すなわち、第2の層1073の格子突起部が配置される面上において、デューティー比は1である。また、格子突起部の頂点の高さにおいて、デューティー比は0である。hが、突起部の頂点の高さ(H)から0まで変化する間に、デューティー比は0から1に連続的に変化する。図3において、格子突起部の、頂点を含み、第2の層1073の、格子突起部が配置される面に垂直な断面における格子突起部の形状は三角形である。一般的に、上記断面における格子突起部の形状は、hが、突起部の頂点の高さ(H)から0まで変化する間に、デューティー比は0から1に連続的に変化する任意の形状であってよい。 FIG. 3 is a diagram for explaining the duty ratio. When h = 0, that is, on the surface on which the lattice projections of the second layer 1073 are arranged, the duty ratio is 1. The duty ratio is 0 at the height of the apex of the lattice projection. While h changes from the height (H) of the apex of the protrusion to 0, the duty ratio continuously changes from 0 to 1. In FIG. 3, the shape of the lattice protrusion in the cross section perpendicular to the surface of the second layer 1073 on which the lattice protrusion is arranged, including the apex, is a triangle. In general, the shape of the lattice protrusion in the cross section is an arbitrary shape in which the duty ratio continuously changes from 0 to 1 while h changes from the height (H) of the vertex of the protrusion to 0. It may be.
式(1)によれば、デューティー比が0から1に連続的に変化する間に、TE偏光に対する平均屈折率nTEは、n1(H)からn2(0)に変化する。また、式(2)によれば、デューティー比が0から1に連続的に変化する間に、TM偏光に対する平均屈折率nTMは、n1(H)からn2(0)に連続的に変化する。According to Equation (1), while the duty ratio continuously changes from 0 to 1, the average refractive index n TE for TE polarized light changes from n 1 (H) to n 2 (0). Further, according to the equation (2), the average refractive index n TM for TM polarized light is continuously changed from n 1 (H) to n 2 (0) while the duty ratio continuously changes from 0 to 1. Change.
このように、格子を設けることにより、平均屈折率が、第1の層105の媒質の屈折率から第2の層1073の媒質の屈折率へ連続的に変化する。したがって、第1の層105と第2の層1073との境界面における反射を防止することができる。
Thus, by providing the grating, the average refractive index continuously changes from the refractive index of the medium of the
上記の説明において、格子の突起部分の材質は、第2の層1073の材質と同じとした。代替的に、格子の突起部分の材質は、第2の層1073の材質と異なるものであってもよい。その場合に、格子の突起部分の材質の屈折率が、第2の層1073の材質の屈折率に近く、第1の層から105から第2の層1073まで屈折率が徐々に変化するように、すなわち、急激に変化しないように構成される。
In the above description, the material of the protruding portion of the lattice is the same as the material of the second layer 1073. Alternatively, the material of the protruding portion of the lattice may be different from the material of the second layer 1073. In that case, the refractive index of the material of the protrusion of the grating is close to the refractive index of the material of the second layer 1073, and the refractive index gradually changes from the
一例として、第2の層1073としてポリプロピレンを使用する。第2の層1073としてポリプロピレンを使用するのは、吸湿性が小さく、大面積の薄型フィルムの製作が容易であり、テラヘルツ電磁波帯における屈折率が他のプラスチックに比べて比較的小さいからである。ポリプロピレンの周波数 1.5 THz(波長 200μm)の電磁波に対する屈折率は1.48である。他に、加工が容易で、テラヘルツ電磁波帯域で比較的屈折率が低いプラスチックとして、ポリメチルメタクリレート(上記周波数の電磁波に対する屈折率は約2.5)、ポリエチレン(上記周波数の電磁波に対する屈折率は約2.4)、ポリカーボネート(上記周波数の電磁波に対する屈折率は約2.6)、ポリスチレン(上記周波数の電磁波に対する屈折率は約2.6)などを使用してもよい。 As an example, polypropylene is used for the second layer 1073. The reason why polypropylene is used for the second layer 1073 is that the hygroscopic property is small, a large-area thin film can be easily manufactured, and the refractive index in the terahertz electromagnetic wave band is relatively small compared to other plastics. The refractive index of polypropylene with an electromagnetic wave having a frequency of 1.5 THz (wavelength 200 μm) is 1.48. In addition, as a plastic that is easy to process and has a relatively low refractive index in the terahertz electromagnetic wave band, polymethylmethacrylate (refractive index for electromagnetic waves of the above frequency is about 2.5), polyethylene (refractive index for electromagnetic waves of the above frequency is about 2.4), polycarbonate (refractive index for electromagnetic waves of the above frequency is about 2.6), polystyrene (refractive index for electromagnetic waves of the above frequency is about 2.6), and the like may be used.
格子は、第2の層1073の面において1次元または2次元に配列されている。 The lattice is arranged in one or two dimensions on the surface of the second layer 1073.
図4は、1次元に配列された格子の構成を示す図である。1次元に配列された格子により、所定の偏光面を有するテラヘルツ電磁波の出力を増大させることができる。具体的には、1次元に配列された格子の突起部の長手方向に直交する偏光面を有するテラヘルツ電磁波の減衰を防止することができる。 FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a lattice arranged in one dimension. The output of the terahertz electromagnetic wave having a predetermined polarization plane can be increased by the one-dimensionally arranged grating. Specifically, it is possible to prevent the attenuation of the terahertz electromagnetic wave having a polarization plane orthogonal to the longitudinal direction of the protrusions of the lattice arranged in one dimension.
図5A乃至図5Dは、2次元に配列された格子の構成を示す図である。2次元に配列された格子により、偏光面に関わらず、テラヘルツ電磁波の出力を増大させることができる。図5Aは、四角錐の突起部が正方格子状に配列された2次元配列格子を示す図である。図5Bは、円錐の突起部が正方格子状に配列された2次元配列格子を示す図である。図5Cは、四角錐の突起部が正六角形格子状に配列された2次元配列格子を示す図である。図5Dは、円錐の突起部が正六角形格子状に配列された2次元配列格子を示す図である。 5A to 5D are diagrams showing the configuration of a lattice arranged in two dimensions. Regardless of the plane of polarization, the output of terahertz electromagnetic waves can be increased by the two-dimensionally arranged grating. FIG. 5A is a diagram showing a two-dimensional array lattice in which quadrangular pyramid protrusions are arrayed in a square lattice pattern. FIG. 5B is a diagram showing a two-dimensional array lattice in which conical protrusions are arrayed in a square lattice pattern. FIG. 5C is a diagram showing a two-dimensional array lattice in which the projections of the quadrangular pyramids are arrayed in a regular hexagonal lattice shape. FIG. 5D is a diagram showing a two-dimensional array lattice in which conical protrusions are arrayed in a regular hexagonal lattice shape.
上記において説明を簡単にするために、テラヘルツ電磁波発生素子100が備える層構造は1対であるとした。実際には、テラヘルツ電磁波発生素子100は、複数対の層構造を備える。
In order to simplify the description above, it is assumed that the terahertz electromagnetic
図2Bは、本発明の一実施形態による5対の層構造を備えるテラヘルツ電磁波発生素子100の構成を示す図である。
FIG. 2B is a diagram illustrating a configuration of the terahertz electromagnetic
つぎに、本発明によるテラヘルツ電磁波発生素子の設計方法について説明する。最初に、所望の中心波長のテラヘルツ電磁波を発生させる非線形光学結晶の設計方法を説明し、つぎに該中心波長を中心とした所望の帯域幅のテラヘルツ電磁波を発生させるテラヘルツ電磁波発生素子の設計方法を説明する。 Next, a method for designing a terahertz electromagnetic wave generating element according to the present invention will be described. First, a method for designing a nonlinear optical crystal that generates a terahertz electromagnetic wave having a desired center wavelength is described. Next, a method for designing a terahertz electromagnetic wave generating element that generates a terahertz electromagnetic wave having a desired bandwidth around the center wavelength is described. explain.
図6は、所望の中心波長のテラヘルツ電磁波を発生させる非線形光学結晶の設計方法を説明するための流れ図である。 FIG. 6 is a flowchart for explaining a design method of a nonlinear optical crystal that generates a terahertz electromagnetic wave having a desired center wavelength.
図6のステップS1010において、テラヘルツ電磁波発生素子によって発生させたいテラヘルツ電磁波の中心波長を定める。 In step S1010 of FIG. 6, the center wavelength of the terahertz electromagnetic wave desired to be generated by the terahertz electromagnetic wave generating element is determined.
図6のステップS1020において、テラヘルツ電磁波の中心波長における非線形光学結晶の屈折率及び励起パルスレーザーの波長における非線形光学結晶の群屈折率を求める。 In step S1020 of FIG. 6, the refractive index of the nonlinear optical crystal at the center wavelength of the terahertz electromagnetic wave and the group refractive index of the nonlinear optical crystal at the wavelength of the excitation pulse laser are obtained.
図6のステップS1030において、中心波長、屈折率及び群屈折率の値から以下の式によって、非線形光学結晶の厚さを定める。
図7は、テラヘルツ電磁波の中心波長をλTHzに対して、所望の帯域幅のテラヘルツ電磁波を発生させるテラヘルツ電磁波発生素子の設計方法を説明するための流れ図である。FIG. 7 is a flowchart for explaining a design method of a terahertz electromagnetic wave generating element that generates a terahertz electromagnetic wave having a desired bandwidth with respect to the center wavelength of the terahertz electromagnetic wave as λ THz .
図7のステップS2010において、第1の層105の厚さH1及び第2の層1073の厚さH2を以下の式にしたがって定める。ここで、第1の層105の屈折率をn105とし、第2の層1073の屈折率をn1073とする。
図7のステップS2020において、以下の式にしたがって第1の層及び第2の層の平均屈折率を求める。
図7のステップS2030において、テラヘルツ電磁波の中心波長をλTHzに対して、所望の帯域幅WTHzのテラヘルツ電磁波を発生させる格子高さh及び周期Λを以下の式にしたがって定める。
ここで、格子高さh及び周期Λは、以下の式を満たす必要がある。
式(8)は、格子周期Λが、帯域幅の周波数の下限値よりも小さいことを意味する。格子周期Λが、帯域幅の周波数の下限値以上となると、回折光が発生し、透過率の減少が引き起こされる。 Equation (8) means that the grating period Λ is smaller than the lower limit of the bandwidth frequency. When the grating period Λ is equal to or greater than the lower limit of the bandwidth frequency, diffracted light is generated, causing a decrease in transmittance.
式(9)は、式(7)を使用して式(8)から格子周期Λを消去することによって得られる。式(9)が満たされないと、式(8)が満たされない場合と同様に、高次の回折光が発生し、透過率の減少が引き起こされる。 Equation (9) is obtained by eliminating the grating period Λ from equation (8) using equation (7). If the expression (9) is not satisfied, high-order diffracted light is generated as in the case where the expression (8) is not satisfied, and the transmittance is reduced.
発明者は、図2Bの複数対の層構造を備えたテラヘルツ電磁波発生素子が、式(7)によって与えられる帯域幅を備えたテラヘルツ電磁波を発生し、たとえば、後で説明するように、周波数と利用効率との関係を示すグラフ(周波数スペクトル)において、帯域の両側が急峻な矩形形状が得られるとの新たな知見を得た。周波数スペクトルにおいて、帯域の両側が急峻な矩形形状が得られる理由は以下のとおりである。 The inventor has shown that the terahertz electromagnetic wave generating element having a plurality of pairs of layer structures in FIG. 2B generates a terahertz electromagnetic wave having a bandwidth given by the equation (7). In the graph (frequency spectrum) showing the relationship with the utilization efficiency, new knowledge has been obtained that a rectangular shape with sharp both sides of the band can be obtained. In the frequency spectrum, the reason why a rectangular shape with sharp both sides of the band is obtained is as follows.
図2Aにおいて第2の層1073が格子を備えないとする。たとえば赤外域、可視領域などの高い周波数の電磁波であれば、式(4)及び式(5)を満たすように第1の層及び第2の層の厚さを定めると、中心波長(周波数)をピークとする狭帯域の透過スペクトルを得ることができる。しかし、テラヘルツ電磁波では波長が極めて長いので、位相制御を行うには層の厚さを大きくする必要がある。その結果、テラヘルツ電磁波が媒質内を通過する距離も長くなる。媒質内の通過距離の増加は、従来の可視光や赤外光と同様に、透過損失や反射損失を引き起こし、またテラヘルツ電磁波の媒質内の通過に伴う吸収効果の増加などによって位相のずれが生じる。その影響でピーク周波数もずれてゆく。その結果、発生層の両側の層構造を互いに行き来するたびに徐々に干渉可能な周波数帯がずれるため、得られる周波数スペクトルの概形は矩形分布とならず、周波数に対し緩やかに利用効率が変化するガウシアン分布となる。 In FIG. 2A, it is assumed that the second layer 1073 does not include a lattice. For example, in the case of an electromagnetic wave having a high frequency such as an infrared region or a visible region, the center wavelength (frequency) is determined by determining the thicknesses of the first layer and the second layer so as to satisfy the equations (4) and (5). A narrow-band transmission spectrum having a peak at can be obtained. However, since the wavelength of terahertz electromagnetic waves is extremely long, it is necessary to increase the layer thickness in order to perform phase control. As a result, the distance that the terahertz electromagnetic wave passes through the medium also increases. The increase in the passing distance in the medium causes transmission loss and reflection loss as in the case of conventional visible light and infrared light, and a phase shift occurs due to an increase in the absorption effect associated with the passage of the terahertz electromagnetic wave in the medium. . As a result, the peak frequency shifts. As a result, every time the layer structure on both sides of the generation layer goes back and forth, the frequency band that can interfere gradually shifts, so the approximate shape of the obtained frequency spectrum does not have a rectangular distribution, and the utilization efficiency changes gradually with respect to the frequency. Gaussian distribution.
そこで、本発明においては、第2層1073の両側に格子1071及び1075を設ける。第2層1073の両側に格子1071及び1075を設けると、格子単体では式(7)の光路長
この系においてピーク周波数のシフト量は各層を通過するごとに変調され、そのシフト量に応じた狭帯域のスペクトルが発生している。しかしながら、各層の通過はランダムに行われているため、得られるスペクトルは任意のシフト量をもつ狭帯域スペクトルがランダムに重なり合った状態で放射される。このときランダムに与えられるピーク周波数の変調量は、格子構造による位相変調で制限されており、式(7)に示した帯域幅WTHzを超えることはない。In this system, the shift amount of the peak frequency is modulated every time it passes through each layer, and a narrow-band spectrum corresponding to the shift amount is generated. However, since each layer passes through at random, the obtained spectrum is radiated in a state where narrowband spectra having an arbitrary shift amount are randomly overlapped. At this time, the modulation amount of the peak frequency given at random is limited by the phase modulation by the lattice structure, and does not exceed the bandwidth W THz shown in the equation (7).
以上の現象により、最終的に狭帯域のスペクトルが重なり合った矩形分布を有する周波数スペクトルが得られる。 As a result of the above phenomenon, a frequency spectrum having a rectangular distribution in which narrow-band spectra are finally overlapped is obtained.
以下において、シミュレーションにより本願発明の効果を検証する。シミュレーションには、厳密結合波解析(Rigorous Coupled Wave Analysis, RCWA)法を用いた。シミュレーションにおいて、電磁波の偏光方向はTE偏光とし、1次元に配列された格子を使用した。TM偏光または2次元に配列された格子であっても同様の結果が得られる。 In the following, the effect of the present invention is verified by simulation. For the simulation, the Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA) method was used. In the simulation, the polarization direction of the electromagnetic wave was TE polarization, and a lattice arranged in one dimension was used. Similar results are obtained with TM polarized light or a two-dimensionally arranged grating.
第1の実施例
第1の実施例は、5対の層構造を備えるテラヘルツ電磁波発生素子である。テラヘルツ電磁波の中心波長は、136μm、中心周波数は、2.2THzと定める(図6のステップS1010)。 First Embodiment The first embodiment is a terahertz electromagnetic wave generating element having five pairs of layer structures. The center wavelength of the terahertz electromagnetic wave is determined to be 136 μm and the center frequency is determined to be 2.2 THz (step S1010 in FIG. 6).
非線形光学結晶の中心周波数における屈折率nTHz及び励起パルスレーザーの波長における群屈折率ngは、以下のとおりである(図6のステップS1020)。
nTHz = 2.92
ng = 5.876
したがって、式(3)から、非線形光学結晶の厚さは以下のとおりである(図6のステップS1030)。
n THz = 2.92
n g = 5.876
Therefore, from the equation (3), the thickness of the nonlinear optical crystal is as follows (step S1030 in FIG. 6).
第1の層105の屈折率をn105=1であり、第2の層1073の屈折率はn105=1.48であるので、式(4)及び式(5)から第1の層105の厚さH1及び第2の層1073の厚さH2は、それぞれ34μm及び23μmである。Since the refractive index of the
ここで、帯域幅(波長幅)を仮に38μmとする。この場合に、設計上の帯域は、以下のようになる。
波長帯域 117μm - 155μm
周波数帯域 1.94THz - 2.56THz
格子周期Λは、式(6)を満たすように90μmと定める。Here, the bandwidth (wavelength width) is assumed to be 38 μm. In this case, the design bandwidth is as follows.
Wavelength band 117μm-155μm
Frequency band 1.94THz-2.56THz
The grating period Λ is determined to be 90 μm so as to satisfy Expression (6).
式(4)に第1の層の屈折率(空気の屈折率1.0)及び第2の層の屈折率(ポリプロピレンの屈折率1.48)を代入すると、以下の式が得られる(図7のステップS2010)。
また、式(5)に、格子周期、中心波長及び平均屈折率を代入すると、以下のように、格子高さが37μmのときに帯域波長幅が38μmとなる(図7のステップS2020)。
表1は、本実施例のテラヘルツ発生素子の仕様を示す表である。
図8は、RCWAによって求めた、本実施例のテラヘルツ発生素子の、周波数と利用効率との関係を示す図である。ここで、利用効率とは、非線形光学結晶から放射されるテラヘルツ電磁波の理論上の最大出射強度に対するテラヘルツ電磁波の出射強度の比率すなわち、テラヘルツ電磁波発生の利用効率を表す。ここで、理論上の最大出射強度は,フェムト秒レーザーから周波数ω1とω2のレーザー光が非線形光学結晶に入射したとき、テラヘルツ電磁波の周波数ω3における2次非線形分極P(2)(ω3)で表され、
図8において、1.94THzから2.45THzの周波数帯域(122μmから155μmの波長帯域)で利用効率がほぼ1となり、上記の帯域幅の設計値に近い値が得られる。 In FIG. 8, the utilization efficiency is almost 1 in the frequency band from 1.94 THz to 2.45 THz (the wavelength band from 122 μm to 155 μm), and a value close to the design value of the above bandwidth is obtained.
このように、図7に示した設計方法によって、第1及び第2の層の厚さ、ならびに格子周期(第1の周期)及び格子高さ(第1の高さ)の値を定めた後に、RCWA法によるシミュレーションを行いながら、所望の帯域幅が得られるように上記の値を調整してもよい。 As described above, after determining the thicknesses of the first and second layers, the grating period (first period), and the grating height (first height) by the design method shown in FIG. While performing a simulation by the RCWA method, the above value may be adjusted so as to obtain a desired bandwidth.
本実施例によれば、テラヘルツ波のエネルギを所望の帯域幅に集中させることができる。したがって、たとえば、図1に示したテラヘルツ波発生素子を利用した物体検査システムの検出精度を向上させることができる。具体的に、禁止薬物のコカインは、2.3THz付近で約50%の透過率を有し、禁止薬物のエクゴニンは、2.1THz付近で約30%の透過率を有する。また、爆発物のTNT火薬は、2.2THz付近で約70%の透過率を有する。したがって、テラヘルツ波のエネルギを本実施例の帯域幅に集中させることにより物体検査システムによって高い精度でこれらの物質を検出することができる。 According to the present embodiment, the energy of the terahertz wave can be concentrated on a desired bandwidth. Therefore, for example, the detection accuracy of the object inspection system using the terahertz wave generating element shown in FIG. 1 can be improved. Specifically, the prohibited drug cocaine has a transmittance of about 50% near 2.3 THz, and the prohibited drug ecgonine has a transmittance of about 30% near 2.1 THz. The explosive TNT explosive has a transmittance of about 70% at around 2.2 THz. Therefore, these substances can be detected with high accuracy by the object inspection system by concentrating the energy of the terahertz wave in the bandwidth of the present embodiment.
図8において、所望の帯域幅の他に1.75THz以下の周波数領域においても、ある程度のテラヘルツ波が発生している。このような所望の帯域幅より低い周波数領域のテラヘルツ電磁波は、回折格子を使用して回折光として進行方向を変えることにより光学系から除去することができる。 In FIG. 8, some terahertz waves are generated in a frequency region of 1.75 THz or less in addition to a desired bandwidth. Such a terahertz electromagnetic wave in a frequency region lower than the desired bandwidth can be removed from the optical system by changing the traveling direction as diffracted light using a diffraction grating.
除去すべき帯域は、周波数で1.75THz以下の帯域であり、波長で171.5μm以上の帯域である。他方、所望の帯域は、周波数で1.94THz以上の帯域であり、波長で155μm以下の帯域である。したがって、回折格子の周期Λdを以下の範囲とする。
第2の実施例
第2の実施例は、9対の層構造を備えるテラヘルツ電磁波発生素子である。第1の実施例と同様に、テラヘルツ電磁波の中心波長は136μm、中心周波数は、2.2THz、第1の層105の厚さは34μm、第2の層1073の厚さは23μmと定める。 Second Embodiment A second embodiment is a terahertz electromagnetic wave generating element having nine pairs of layer structures. As in the first embodiment, the center wavelength of the terahertz electromagnetic wave is 136 μm, the center frequency is 2.2 THz, the thickness of the
表2は、本実施例のテラヘルツ発生素子の仕様を示す表である。対の数の他は、第1の実施例の仕様と同じである。
図9は、RCWAによって求めた、本実施例のテラヘルツ発生素子の、周波数と利用効率との関係を示す図である。 FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the frequency and the utilization efficiency of the terahertz generator of the present example obtained by RCWA.
図9において、1.94THzから2.45THzの周波数帯域(122μmから155μmの波長帯域)で利用効率がほぼ1となり、設計上の周波数帯域(1.94THz - 2.56THz)に近い値が得られる。このように、複数の対の層構造を備えるテラヘルツ発生素子によって、所望の帯域幅のテラヘルツ波を発生させることができる。一般的に対の数が大きくなるほど、周波数と利用効率との関係を示すグラフにおいて、帯域の両側が急峻な矩形形状が得られる。 In FIG. 9, the utilization efficiency is almost 1 in the frequency band of 1.94 THz to 2.45 THz (the wavelength band of 122 μm to 155 μm), and a value close to the designed frequency band (1.94 THz−2.56 THz) is obtained. Thus, a terahertz wave having a desired bandwidth can be generated by a terahertz generating element having a plurality of pairs of layer structures. In general, as the number of pairs increases, a rectangular shape with steep sides on the both sides of the band is obtained in a graph showing the relationship between frequency and utilization efficiency.
第3の実施例
第3の実施例は、3対の層構造を備えるテラヘルツ電磁波発生素子である。第1の実施例と同様に、テラヘルツ電磁波の中心波長は136μm、中心周波数は、2.2THz、第1の層105の厚さは34μm、第2の層1073の厚さは23μmと定める。 Third Embodiment A third embodiment is a terahertz electromagnetic wave generating element having three pairs of layer structures. As in the first embodiment, the center wavelength of the terahertz electromagnetic wave is 136 μm, the center frequency is 2.2 THz, the thickness of the
表3は、本実施例のテラヘルツ発生素子の仕様を示す表である。対の数の他は、第1の実施例の仕様と同じである。
図10は、RCWAによって求めた、本実施例のテラヘルツ発生素子の、周波数と利用効率との関係を示す図である。 FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the frequency and the utilization efficiency of the terahertz generating element of this example obtained by RCWA.
図10において、1.95THzから2.45THzの周波数帯域(122μmから154μmの波長帯域)で利用効率がほぼ1となり、設計上の周波数帯域(1.94THz - 2.56THz)に近い値が得られる。このように、複数の対の層構造を備えるテラヘルツ発生素子によって、所望の帯域幅のテラヘルツ波を発生させることができる。 In FIG. 10, the utilization efficiency is almost 1 in the frequency band of 1.95 THz to 2.45 THz (the wavelength band of 122 μm to 154 μm), and a value close to the designed frequency band (1.94 THz−2.56 THz) is obtained. Thus, a terahertz wave having a desired bandwidth can be generated by a terahertz generating element having a plurality of pairs of layer structures.
第4の実施例
第4の実施例は、5対の層構造を備えるテラヘルツ電磁波発生素子である。第1の実施例と同様に、テラヘルツ電磁波の中心波長は136μm、中心周波数は、2.2THz、第1の層105の厚さは34μm、第2の層1073の厚さは23μmと定める。 Fourth Embodiment The fourth embodiment is a terahertz electromagnetic wave generating element having five pairs of layer structures. As in the first embodiment, the center wavelength of the terahertz electromagnetic wave is 136 μm, the center frequency is 2.2 THz, the thickness of the
ここで、帯域幅(波長幅)を仮に6μmとする。この場合に、設計上の帯域は、以下のようになる。
波長帯域 133μm - 139μm
周波数帯域 2.16THz - 2.25THz
格子周期Λは、式(6)を満たすように90μmと定める。Here, the bandwidth (wavelength width) is assumed to be 6 μm. In this case, the design bandwidth is as follows.
Wavelength band 133μm-139μm
Frequency band 2.16 THz-2.25 THz
The grating period Λ is determined to be 90 μm so as to satisfy Expression (6).
式(4)に第1の層の屈折率(空気の屈折率1.0)及び第2の層の屈折率(ポリプロピレンの屈折率1.48)を代入すると、以下の式が得られる(図7のステップS2010)。
また、式(5)に、格子周期、中心波長及び平均屈折率を代入すると、以下のように、格子高さが6μmのときに帯域波長幅が6.18μmとなる(図7のステップS2020)。
表4は、本実施例のテラヘルツ発生素子の仕様を示す表である。
図11は、RCWAによって求めた、本実施例のテラヘルツ発生素子の、周波数と利用効率との関係を示す図である。 FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the frequency and the utilization efficiency of the terahertz generating element of this example obtained by RCWA.
図11において、2.13THzから2.25THzの周波数帯域(133μmから141μmの波長帯域)で利用効率がほぼ1となり、設計上の周波数帯域(2.16THz - 2.25THz)に近い値が得られる。 In FIG. 11, the utilization efficiency is almost 1 in the frequency band of 2.13 THz to 2.25 THz (the wavelength band of 133 μm to 141 μm), and a value close to the designed frequency band (2.16 THz−2.25 THz) can be obtained.
実施例1と本実施例とを比較すると、格子高さを変えることにより、所望の帯域幅を変えることができることが理解される。 Comparing Example 1 with this example, it can be seen that the desired bandwidth can be changed by changing the grating height.
テラヘルツ電磁波発生素子の製造方法
最初に格子の製造方法について説明する。格子を製造する際には、切削加工またはリソグラフィーにより格子の金型を製造する。切削加工により格子の金型を製造する場合には、ダイヤモンドバイトを使って、金属またはガラスによる金型用基板を所定の凹凸形状に切削加工する。テラヘルツ電磁波に適用される回折格子の周期は30μmから3mmの間であるので、十分、切削加工より対応できる。リソグラフィーにより格子の金型を製造する場合には、金型用基板上にレジストを塗布し、所定の凹凸形状にしたがって露光量を変調させながら電子線や光を使ってレジスト上に照射する。照射されたレジストを現像すると露光量変調に応じてレジストが除去され、レジストによる凹凸形状が形成される。最後にエッチングを行うことにより、レジストによる凹凸形状が金型用基板に転写され、金型用基板に所定の凹凸形状を得ることができる。 Method for Manufacturing Terahertz Electromagnetic Wave Generator First, a method for manufacturing a grating will be described. When the grating is manufactured, a grating mold is manufactured by cutting or lithography. When a lattice mold is manufactured by cutting, a metal mold or glass mold substrate is cut into a predetermined concavo-convex shape using a diamond tool. Since the period of the diffraction grating applied to the terahertz electromagnetic wave is between 30 μm and 3 mm, it can be sufficiently handled by cutting. When a grating mold is manufactured by lithography, a resist is applied on a mold substrate, and the resist is irradiated with an electron beam or light while the exposure amount is modulated according to a predetermined uneven shape. When the irradiated resist is developed, the resist is removed according to the exposure amount modulation, and an uneven shape is formed by the resist. Finally, by performing etching, the uneven shape due to the resist is transferred to the mold substrate, and a predetermined uneven shape can be obtained on the mold substrate.
図12A及び図12Bは、上記のようにして製造された金型を用いてテラヘルツ電磁波発生素子に組み込まれる格子を製造する方法を説明するための図である。 12A and 12B are views for explaining a method of manufacturing a grating incorporated in a terahertz electromagnetic wave generating element using the mold manufactured as described above.
図11Aは、インプリント法により格子を備えた第2の層を製造する方法を説明する図である。インプリント法により格子を備えた第2の層を製造する場合には、金型4011及び4013を、ポリプロピレンなどの高屈折率媒質からなる基板1070上に押し込み、金型に熱を与え(熱インプリント法)、または光を照射する(光インプリント法)ことで、該基板1070上に格子を転写させて、格子を供えた第2の層107を製造する。インプリント法において、該基板1070をフィルム状にすることにより、大面積の回折格子構造を製作することもできる。さらに、金型4011及び4013をロール状に配置し、フィルム状の該基板1070を押し込みながら金型を回転させるロールインプリント法と呼ばれる方法を用いることにより、大量に製作することも可能である。
FIG. 11A is a diagram for explaining a method of manufacturing a second layer having a lattice by an imprint method. In the case of manufacturing the second layer having the grating by the imprint method, the
図11Bは、射出成形により格子を備えた第2の層を製造する方法を説明する図である。射出成形により回折格子を製造する場合には、金型501に樹脂を射出し離型することにより、格子を供えた第2の層107を製造することができる。
FIG. 11B is a diagram for explaining a method of manufacturing a second layer having a lattice by injection molding. In the case of manufacturing a diffraction grating by injection molding, the
図13は、上記のようにして製造された第2の層107を使用してテラヘルツ電磁波発生素子を製造する方法を説明するための図である。
FIG. 13 is a diagram for explaining a method of manufacturing a terahertz electromagnetic wave generating element using the
非線形光学結晶板101の面に空気を媒質とする第1の層105を形成するための枠109を貼り付ける。さらに、枠109の、非線形光学結晶板101が貼り付けられた面と反対側の面に第2の層107を貼り付ける。図11に示すような複数の層構造を有するテラヘルツ電磁波発生素子は、枠109と第2の層107とからなる層構造を重ねて貼り合わせることによって製造することができる。
A
図14は、インプリント法により格子を備えた第2の層と、第1の層を形成するための枠とを一体的に製造する方法を説明する図である。格子及び枠の形状を備えた金型5011及び5013を、ポリプロピレンなどの高屈折率媒質からなる基板1070上に押し込み、金型に熱を与え(熱インプリント法)、または光を照射する(光インプリント法)ことで、該基板1070上に格子を転写させて、格子を備えた第2の層107と、第1の層105を形成するための枠とを一体的に製造する。
FIG. 14 is a diagram for explaining a method of integrally manufacturing the second layer provided with the lattice and the frame for forming the first layer by the imprint method.
図15は、上記のように一体として形成された第2の層及び枠111を使用してテラヘルツ電磁波発生素子を製造する方法を説明するための図である。
FIG. 15 is a diagram for explaining a method of manufacturing a terahertz electromagnetic wave generating element using the second layer and the
非線形光学結晶板101の面に、一体として形成された第2の層及び枠111の枠の部分を貼り付ける。図11に示すような複数の層構造を有するテラヘルツ電磁波発生素子は、層構造に相当する、一体として形成された第2の層及び枠111を重ねて貼り合わせることによって製造することができる。
The second layer formed integrally and the frame portion of the
Claims (10)
前記発生層の両側に設けた複数対の層構造と、を備えたテラヘルツ電磁波発生素子であって、前記複数対の層構造のそれぞれは、
第1の層と、
前記第1の層の、前記発生層と反対側に設けた第2の層と、
前記第2の層の、前記発生層の側の面に設けた、使用されるテラヘルツ電磁波の波長より小さい第1の周期及び第1の高さを有する第1の格子と、
前記第2の層の、前記発生層と反対側の面に設けた、第1の周期及び第1の高さを有する第2の格子と、を備え、
前記第1の層の媒質の屈折率(第1の屈折率)は、前記第2の層の媒質の屈折率(第2の屈折率)よりも低く、前記第1及び第2の格子は、前記第1の層と前記第2の層との間の屈折率が、前記第1及び第2の屈折率の間で徐々に変化するように構成され、前記発生層が発生するテラヘルツ電磁波の中心波長に対して、所望の帯域幅を有するテラヘルツ電磁波を発生するように、前記第1及び第2の層の厚さ、ならびに前記第1の高さを定めた、テラヘルツ電磁波発生素子。A generation layer made of a nonlinear optical material that emits terahertz electromagnetic waves from the other surface when light is irradiated on one surface;
A terahertz electromagnetic wave generating element provided with a plurality of pairs of layer structures provided on both sides of the generation layer, each of the plurality of pairs of layer structures,
A first layer;
A second layer provided on the opposite side of the first layer from the generation layer;
A first grating having a first period and a first height smaller than the wavelength of the terahertz electromagnetic wave to be used, provided on a surface of the second layer on the generation layer side;
A second grating having a first period and a first height provided on a surface of the second layer opposite to the generation layer,
The refractive index of the medium of the first layer (first refractive index) is lower than the refractive index of the medium of the second layer (second refractive index), and the first and second gratings are The refractive index between the first layer and the second layer is configured to gradually change between the first and second refractive indexes, and the center of the terahertz electromagnetic wave generated by the generation layer A terahertz electromagnetic wave generating element in which the thicknesses of the first and second layers and the first height are determined so as to generate a terahertz electromagnetic wave having a desired bandwidth with respect to a wavelength.
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