JP4838111B2 - 電磁波検出器及び電磁波検出システム - Google Patents
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本発明にかかる電磁波検出器は、電磁波を感知し前記電磁波の電場強度分布に応じて複屈折分布を誘起する電気光学結晶を含む電気光学結晶層と、前記電気光学結晶層に向けてプローブ光を照射するプローブ光照射部と、前記電気光学結晶層を介して偏光状態が変化した前記プローブ光を検知して光電変換を行う光電変換部と、を備える電磁波検出器であって、前記電気光学結晶層は、電磁波が入射する面にメタルの周期構造を有し、前記電気光学結晶における縦光学フォノンの周波数と、前記メタルの周期構造の共鳴周波数と、が一致しており、前記光電変換部は、前記プローブ光照射部により照射され、前記電気光学結晶層を反射した前記プローブ光を検知して光電変換を行うことを特徴とする。
本発明にかかる電磁波検出器は、電磁波を感知し前記電磁波の電場強度分布に応じて複屈折分布を誘起する電気光学結晶を含む電気光学結晶層と、前記電気光学結晶層に向けてプローブ光を照射するプローブ光照射部と、前記電気光学結晶層を介して偏光状態が変化した前記プローブ光を検知して光電変換を行う光電変換部と、を備える電磁波検出器であって、前記電気光学結晶層は、電気光学効果により電磁波の電界方向に垂直方向の屈折率を変化させる電気光学結晶と、電磁波が入射する面に形成されたメタルの周期構造と、を有し、前記光電変換部は、前記プローブ光照射部により照射され、前記電気光学結晶層を反射した前記プローブ光を検知して光電変換を行うことを特徴とする。
本実施形態の概要図を図1に示す。本実施形態の電磁波検出システムは、テラヘルツ光源1、被検出物体2、及び電磁波検出器10から構成される。テラヘルツ光源1はテラヘルツ光を照射光3として被検出物体2に照射し、被検出物体2を透過したテラヘルツ光は透過光4として電磁波検出器10にて検出される。
図3に示すように、テラヘルツ光が伝播してくる表面側にはメタルの周期構造を有し、アンテナ構造のホーンアンテナ11aが形成されている。当該アンテナ構造はホーン型アンテナと同じ構造であり、この構造をテラヘルツ波長へ合わせた形状となっている。ホーンアンテナ11aは、四角型のアパーチャの一辺が数百μmで、深さ数mmの四角錐形状である。基板はSi基板であり、MEMSプロセスによる加工を施している。Si基板表面にはAL膜を成膜し、テラヘルツ波のカップリングを行う。アンテナの付け根には電気光学結晶12を配置し、付け根の径を電磁波波長の2分の1程度にすることで、電磁波(テラヘルツ光)はここに閉じ込められる。計算では入射してくる電磁場の約10倍の電磁波が閉じ込められることが判明している。約10倍になった電磁波が変換材料内部に発生し、その電界がEO材料である電気光学結晶12の屈折率を変化させる。
電気光学結晶12は主にDAST12aからなり、数百μmの厚さに研磨した薄膜で形成される。メタル周期構造11の付け根に配置されて、両面の誘電体多層膜12bでコーティングされている。誘電体多層膜12bはプローブ光15を約90%程度反射するように設計されており、DAST12aはその誘電体多層膜12bに挟まれたキャビティの内部に配置されている。キャビティ構造をとることでエタロンのような機能をし、バンドパスフィルタの機能を持っている。このキャビティ長をプローブ光15の波長と一致するように設計することにより、プローブ光15はこのキャビティ内を何度も反射することになり、反射回数によって時間的には遅れた信号となる。また、リファレンス光18は同様なキャビティ構造内を多重反射してきた光を利用する。
プローブ光15は、半導体レーザ13を用いレンズ14を介して、メタル周期構造11が形成されている面の裏面から波長を808nmとして入射される。テラヘルツ波は電気光学結晶12の全体に渡っているため、裏面からのプローブ光15を入射しても十分な変調を発生させる。プローブ光15は、トップハット型のコリメート光で、変換材料全体を均一に照射するようにアライメントされる。そのコリメート光は裏面に作りこんだマイクロレンズ(図示せず)によって電気光学結晶12の内部に集光される。当該マイクロレンズとメタル周期構造11は位置合わせをし、効率良く変換されるように最適化している。そして、マイクロレンズから反射してくるプローブ光15はビームスプリッタ16で分け、リファレンス光18とミキシングして合わさったビームがCCD19で検知されるように設計する。このように、リファレンス光18とプローブ光15の干渉によって信号を検出する。
被検出物体は、テラヘルツに対して透明であるプラスチック材料とした。また、この材料には帯電が施されている。テラヘルツは可視光では不透明な材料でも透明であるものが多く存在する。また、この材料が帯電することによって、複屈折率が生じる場合がある。複屈折は帯電による応力が要因だと思われるが、詳細は不明である。この複屈折を検出することで、帯電量及び帯電分布等を検出することができる。
本実施形態の概要図を図4に示す。本実施形態の電磁波検出システムは、テラヘルツ光源5、被検出物体6(毛髪7を含む)、及び電磁波検出器20から構成される。テラヘルツ光源5はテラヘルツ光を照射光8として被検出物体6に照射し、被検出物体6を反射したテラヘルツ光は反射光9として電磁波検出器20にて検出される。
テラヘルツ光源には、フェムト秒レーザを利用したパルス状のものや、半導体レーザを用いたもの等、様々なものがあるが、本実施形態ではナノ秒レベルのパルスレーザを用いており、LiNbO3のフォノンポラリトンを利用した差周波をテラヘルツに合わせたものを利用した。特に、リング型のテラヘルツパラメトリック発信器として、高出力かつ単一波長のテラヘルツ光源として利用価値が高い。今回は波長を1THzに合わせて固定した。
図4にメタル周期構造21を示す。メタル周期構造21は1THzに共鳴するように設計されている。具体的には、数十mm角のプレートで厚さ数百μmのSUS基板21aにパンチングによって穴21bを開けている。穴21bの配置は三角格子状であり、そのピッチ及び穴の径を設計することで、共鳴波長を制御することができる。三角格子の穴の直径は0.18mm、穴のピッチは0.30mm、基板厚さは0.13mmとした。この形状にすることで共鳴波長は1THzとなった。
電気光学結晶としてはBi4Ti3O12を利用した。図6に、この材料のテラヘルツ帯の透過率スペクトルを示す(なお、図6は、S.Kojima, N.Tsumura, M.Wada, Takeda and S.Nishizawa, Phys.Rev. B
67, 035102(2003)からの引用)。同図からわかるように、25cm^−1(0.75THz)〜30cm^−1(1.05THz)の間は透過率が激減し、ほぼ透過していないことがわかる。0.75THzがTOフォノンに対応し、1.05THzはLOフォノンに対応し、その間はバンドギャップとなっている。それぞれの波長ではそれぞれのフォノンを励起している。本実施形態では、フラックス法によって作製されたBi4Ti3O12を両面研磨し、数百μmの厚さにして、先ほどのメタルの周期構造基板に貼り付ける。テラヘルツ波の波長は約300μmであり、メタルの周期構造によって発生したエバネッセント波は変換材料の厚さをほぼ同等になるように設計している。このため、エバネッセント波は変換材料の全体を覆うように、伝播方向の電界を生じる。
プローブ光25は、半導体レーザ23を用いレンズ24を介し、メタル周期構造21が形成された面の裏面から波長を808nmとして入射される。テラヘルツ波は電気光学結晶22の全体に渡っているため、裏面からプローブ光を入射しても十分な変調を発生させる。また、プローブ光25は、トップハット型のコリメート光で、電気光学結晶22の全体を均一に照射するようにアライメントされ、電気光学結晶22との相互作用を生じさせてラマン効果を発生させる。ラマン効果はプローブ光25を変調し、反射光強度を変調する。また、電気光学結晶22の共鳴フォノンがラマン活性であるため、格子振動によってイオン分極によるモーメント密度が変化し、このモーメント密度が変化することでプローブ光25は変調を生じさせる。そして、反射されてきたプローブ光25をCCD26により受光する。これによって、プローブ光25の反射強度の面内分布をモニタすることができる。面内分布はテラヘルツ波の分布を反映しており、テラヘルツイメージとして取得することできる。
被検出物体としてはテラヘルツに対し、透明であれ、不透明であれ、いかなるものでも構わない。たとえ、一部が透明であっても、その他の部分が不透明であれば、近隣領域のイメージングを取ることで、その構造物を高いコントラストで検出することも可能となる。特に、可視光や赤外光と異なるコントラストを示すような材料にはテラヘルツ独自のイメージングが可能であり、目には見えないものを検出することが可能となる。また、テラヘルツ帯の電磁波は自然光にはほとんど含まれていないことから、外乱光によるノイズを受けることなく検出できるというメリットもある。本実施形態では人間の頭部を被検出物体6とした。人間の頭部は、脳の機能状態により微小な体温分布が生じる。テラヘルツでは、毛髪に邪魔されることなく、この体温分布を高精度に検出することが可能となる。従来、実験レベルでは剃毛された猫の頭皮を赤外線カメラによるモニタで0.1℃レベルの検出を行うことによって、脳の活動の様子を検出する研究がなされている。しかしながら、赤外線では毛髪を透過することができないため原理的に剃毛が必要とされる。
2,6 被検出物体
3,8 照射光
4,9 反射光
7 毛髪
10,20 電磁波検出器
11,21 メタル周期構造
11a ホーンアンテナ
12,22 電気光学結晶
12a DAST
12b 誘電体多層膜
13,23 半導体レーザ
14,24 レンズ
15,25 プローブ光
16 ビームスプリッタ
17 ミラー
18 リファレンス光
19,26 CCD
21a SUS基板
21b 穴
Claims (5)
- 電磁波を感知し前記電磁波の電場強度分布に応じて複屈折分布を誘起する電気光学結晶を含む電気光学結晶層と、
前記電気光学結晶層に向けてプローブ光を照射するプローブ光照射部と、
前記電気光学結晶層を介して偏光状態が変化した前記プローブ光を検知して光電変換を行う光電変換部と、を備える電磁波検出器であって、
前記電気光学結晶層は、電磁波が入射する面にメタルの周期構造を有し、前記電気光学結晶における縦光学フォノンの周波数と、前記メタルの周期構造の共鳴周波数と、が一致しており、
前記光電変換部は、前記プローブ光照射部により照射され、前記電気光学結晶層を反射した前記プローブ光を検知して光電変換を行うことを特徴とする電磁波検出器。 - 電磁波を感知し前記電磁波の電場強度分布に応じて複屈折分布を誘起する電気光学結晶を含む電気光学結晶層と、
前記電気光学結晶層に向けてプローブ光を照射するプローブ光照射部と、
前記電気光学結晶層を介して偏光状態が変化した前記プローブ光を検知して光電変換を行う光電変換部と、を備える電磁波検出器であって、
前記電気光学結晶層は、電気光学効果により電磁波の電界方向に垂直方向の屈折率を変化させる電気光学結晶と、電磁波が入射する面に形成されたメタルの周期構造と、を有し、
前記光電変換部は、前記プローブ光照射部により照射され、前記電気光学結晶層を反射した前記プローブ光を検知して光電変換を行うことを特徴とする電磁波検出器。 - 前記電気光学結晶層は、該結晶層を構成する前記電気光学結晶が有するフォノンがラマン活性であり、かつ、赤外活性であるとともに、該フォノンの周波数が検出対象の電磁波の周波数に含まれることを特徴とする請求項1記載の電磁波検出器。
- 前記電気光学結晶は、Bi4Ti3O12若しくはLiTaO3若しくはDASTからなることを特徴とする請求項3に記載の電磁波検出器。
- 請求項1から4のいずれか1項に記載の電磁波検出器と、電磁波を発生させ放出する電磁波発生器と、被検出物体と、から構成される電磁波検出システムであって、
前記電磁波はテラヘルツ帯の周波数を有することを特徴とする電磁波検出システム。
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