JP5618119B2 - Terahertz light detection element and optical equipment - Google Patents
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Description
本発明は、テラヘルツ光検出素子および光学設備に関する。光と電波の中間に位置するテラヘルツ光は、紙やプラスチック、ビニール、繊維、半導体、脂肪、粉体など様々な物質を透過する特性を持っていることから、分光やイメージング用途への適用が期待される。
本発明は、かかるテラヘルツ光の検出に適したテラヘルツ光検出素子および、かかるテラヘルツ光検出素子を有する光検出手段を備えた光学設備に関する。
The present invention relates to a terahertz light detection element and optical equipment. Terahertz light, which is located between light and radio waves, has the property of transmitting various substances such as paper, plastic, vinyl, fiber, semiconductor, fat, and powder, so it is expected to be applied to spectroscopic and imaging applications. Is done.
The present invention relates to a terahertz light detection element suitable for detection of such terahertz light, and an optical facility including a light detection means having such a terahertz light detection element.
現在、テラヘルツ光を発生させる装置としてフェムト秒レーザがあるが、フェムト秒レーザは非常に高価であり、また、装置自体が大型であるしその取り扱いに非常に注意を要する。このため、フェムト秒レーザは、企業や大学等の研究室における実験等には使用されているが、生産現場や医療機器、セキュリティ設備等におけるテラヘルツ光の光源として使用することは事実上困難である。 Currently, there is a femtosecond laser as a device that generates terahertz light. However, the femtosecond laser is very expensive, and the device itself is large in size and requires very careful handling. For this reason, femtosecond lasers are used for experiments in laboratories of companies and universities, but it is practically difficult to use as a terahertz light source in production sites, medical equipment, security facilities, etc. .
現在、生産現場等においても使用できるテラヘルツ光源の開発が進められており、非線形光学結晶等に対して励起光を照射したときに生じる光整流効果を利用した技術が開発されている（特許文献１〜３）。 Currently, a terahertz light source that can be used at production sites is being developed, and a technique that utilizes an optical rectification effect that is generated when a nonlinear optical crystal or the like is irradiated with excitation light has been developed (Patent Document 1). ~ 3).
特許文献１の技術は、ウェッジ構造を有するZnTe（ジンクテルル）などの非線形光学結晶に対して、励起光として極短レーザーパルス光（波長：〜15fs）を照射することによってテラヘルツ電磁波を発生させるものである。この技術では非線形結晶がウェッジ構造となっており厚さが位置によって異なるので、レーザ光を照射する位置を変えることによって発生するテラヘルツ光の波長を変えることができる。 The technology of Patent Document 1 generates a terahertz electromagnetic wave by irradiating a nonlinear optical crystal such as ZnTe (zinc tellurium) having a wedge structure with an ultrashort laser pulse light (wavelength: ˜15 fs) as excitation light. is there. In this technique, since the nonlinear crystal has a wedge structure and the thickness varies depending on the position, the wavelength of the terahertz light generated can be changed by changing the position where the laser light is irradiated.
また、特許文献２には、複数のスラブを組み合わせて形成された第１、第２フォトニック結晶を備え、この第１、第２フォトニック結晶間に非線形結晶等の不純物構造を設けた光デバイスが開示されている。この光デバイスでは、不純物構造としてZnTeを用い、このZnTeにスラブ間の空間を通してポンプレーザ光を照射することによって、ZnTeからテラヘルツ光を出力させることができる。そして、光デバイスにおけるZnTeの厚みやフォトニック結晶を構成するスラブの層数を変えれば、出力光のスペクトルや強度を調整できる旨の記載もある。 Further, Patent Document 2 includes an optical device including first and second photonic crystals formed by combining a plurality of slabs, and an impurity structure such as a nonlinear crystal provided between the first and second photonic crystals. Is disclosed. In this optical device, ZnTe is used as an impurity structure, and terahertz light can be output from ZnTe by irradiating the ZnTe with pump laser light through a space between slabs. There is also a statement that the spectrum and intensity of the output light can be adjusted by changing the thickness of ZnTe in the optical device and the number of slabs constituting the photonic crystal.
さらに、特許文献３には、第１のフォトニック結晶と、この第１のフォトニック結晶の周囲に第２のフォトニック結晶を設けた波長変換装置が開示されており、第２のフォトニック結晶を通して第１のフォトニック結晶に異なる周波数を有する２つの光を入射してテラヘルツ光を発生させる方法が記載されている。この波長変換装置では、第１のフォトニック結晶の周囲に第２のフォトニック結晶を設けることによって、２つの光の差周波を有効に取り出すことができる旨の記載がある。 Furthermore, Patent Document 3 discloses a first photonic crystal and a wavelength conversion device in which a second photonic crystal is provided around the first photonic crystal, and the second photonic crystal is disclosed. A method for generating terahertz light by entering two lights having different frequencies to the first photonic crystal through the first through the first photonic crystal is described. In this wavelength conversion device, there is a description that a difference frequency between two lights can be effectively extracted by providing a second photonic crystal around the first photonic crystal.
しかるに、生産現場等においてテラヘルツ光を利用するには、光源から出力されたテラヘルツ光を精度良く検出できなければならない。
しかし、特許文献１〜３の技術では、ZnTeや第１のフォトニック結晶からテラヘルツ光を発生させることはできるものの、発生するテラヘルツ光の強度が弱いため、その検出が困難である。そして、かかる強度が弱いテラヘルツ光を精度良く検出できる検出素子は開発されておらず、生産現場等においてテラヘルツ光源を実用化する上でも、高感度の検出素子が求められている。
However, in order to use terahertz light at a production site or the like, it is necessary to detect terahertz light output from a light source with high accuracy.
However, in the techniques of Patent Documents 1 to 3, although terahertz light can be generated from ZnTe or the first photonic crystal, the intensity of the generated terahertz light is weak, so that detection is difficult. A detection element that can detect terahertz light with low intensity with high accuracy has not been developed, and a high-sensitivity detection element is required for practical use of a terahertz light source at a production site or the like.
本発明は上記事情に鑑み、高感度で所定の周波数のテラヘルツ光を検出できるテラヘルツ光検出素子および、かかるテラヘルツ光検出素子を備えたテラヘルツ検出手段を有する光学設備を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, it is an object of the present invention to provide a terahertz light detecting element capable of detecting terahertz light having a predetermined frequency with high sensitivity, and an optical facility having terahertz detecting means including the terahertz light detecting element.
（テラヘルツ光検出素子）
第１発明のテラヘルツ光検出素子は、屈折率の異なる層を交互に配設することによって形成された１次元フォトニック結晶から形成されており、該１次元フォトニック結晶は、テラヘルツ光が入射されると電気光学効果が生じる部材によって形成された欠陥部と、該欠陥部を挟む一対のミラー部とを備えており、該一対のミラー部は、入射された前記テラヘルツ光に含まれる特定の波長の被検出テラヘルツ光を、前記欠陥部内で共振させ得る構造に形成されていることを特徴とする。
なお、本明細書において、「テラヘルツ光」とは、電波と光波の間の周波数を有する電磁波であって、0.1〜10ＴＨｚの周波数を有するものを意味している。
第２発明のテラヘルツ光検出素子は、第１発明において、前記欠陥部が、ZnTeによって形成されていることを特徴とする。
第３発明のテラヘルツ光検出素子は、第１または第２発明において、前記一対のミラー部は、その軸方向に沿って空気層と固体層とが交互に配設されたものであることを特徴とする。
（光学設備）
第４発明の光学設備は、テラヘルツ光を物体に照射して該物体を透過した透過光に基づいて検査を行うための光学設備であって、テラヘルツ光を出力し得るテラヘルツ光源と、該テラヘルツ光源が出力したテラヘルツ光を受光する受光手段と、を備えており、該受光手段は、請求項１、２または３記載のテラヘルツ光検出素子と、該テラヘルツ光検出素子における前記欠陥部の複屈折性の変化を検出する検出部と、を備えていることを特徴とする。
第５発明の光学設備は、第４発明において、前記テラヘルツ光源が、１次元フォトニック結晶からなる発光素子を備えており、該テラヘルツ光源の発光素子は、前記受光手段のテラヘルツ光検出素子と同じ共振周波数を有するものであることを特徴とする。
(Terahertz light detector)
The terahertz light detecting element of the first invention is formed of a one-dimensional photonic crystal formed by alternately arranging layers having different refractive indexes, and the one-dimensional photonic crystal is incident with terahertz light. Then, a defect portion formed by a member that generates an electro-optic effect, and a pair of mirror portions sandwiching the defect portion, the pair of mirror portions having a specific wavelength included in the incident terahertz light The terahertz light to be detected is formed in a structure capable of resonating in the defect portion.
In the present specification, “terahertz light” means an electromagnetic wave having a frequency between radio waves and light waves and having a frequency of 0.1 to 10 THz.
A terahertz light detection element according to a second aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, the defect portion is formed of ZnTe.
The terahertz light detection element according to a third aspect of the present invention is the first or second aspect of the invention, wherein the pair of mirror portions are formed by alternately arranging an air layer and a solid layer along an axial direction thereof. And
(Optical equipment)
An optical installation according to a fourth aspect of the invention is an optical installation for performing inspection based on transmitted light that has been transmitted through the object by irradiating the object with terahertz light, the terahertz light source capable of outputting terahertz light, and the terahertz light source There includes a light receiving means for receiving terahertz light output, the light receiving means includes a terahertz light detecting element according to claim 1, wherein the birefringence of said defect in said terahertz light detecting element characterized in that it and a detector for detecting a change in the.
An optical equipment of a fifth invention is the optical equipment according to the fourth invention, wherein the terahertz light source includes a light emitting element made of a one-dimensional photonic crystal, and the light emitting element of the terahertz light source is the same as the terahertz light detecting element of the light receiving means. It has a resonance frequency.
（テラヘルツ光検出素子）
第１発明によれば、テラヘルツ光が入射されると、電気光学効果によって欠陥部内に複屈折性を誘起させることができる。よって、欠陥部の複屈折性の変化を検出すれば、テラヘルツ光が入射したか否かを検出することができる。しかも、欠陥部を挟むように一対のミラー部が設けられているので、入射したテラヘルツ光を欠陥部内で共振させることができる。すると、入射するテラヘルツ光の強度が弱くても、欠陥部内に発生する誘起される複屈折性が増大することができるから、入射するテラヘルツ光に含まれる特定の波長の被検出テラヘルツ光を検出する感度を高くすることができる。
第２発明によれば、ZnTeは結晶の損傷閾値も高いので、テラヘルツ光が入射されたときに欠陥部内に誘起される複屈折性を増大させることができる。
第３発明によれば、両層の屈折率比が大きくなるので、少ない層数でも高い反射率を得ることができる。
（光学設備）
第４発明によれば、テラヘルツ光源から出射され、物体を透過したテラヘルツ光がテラヘルツ光検出素子に入射すれば、テラヘルツ光検出素子の欠陥部内に複屈折性を誘起させることができる。すると、検出部が欠陥部の複屈折性の時間変動を検出するので、複屈折性の時間変動に基づいて、入射したテラヘルツ光の時間変動を求めることができる。すると、テラヘルツ光の時間変動に基づいて、テラヘルツ光が透過した物体の性質や、テラヘルツ光が透過した物質が何であるかを特定することができる。しかも、テラヘルツ光検出素子は、テラヘルツ光が入射されると電気光学効果が生じる部材によって形成された欠陥部と、欠陥部を挟む一対のミラー部とを備えた１次元フォトニック結晶であるので、テラヘルツ光を検出する感度を高くすることができる。よって、物体の性質や物質自体を特定する精度を高くすることができる。
第５発明によれば、発光素子が１次元フォトニック結晶であるので、その共振周波数に対応するテラヘルツ光（出射光）の強度を強くすることができる。しかも、テラヘルツ光検出素子が出射光の周波数において共振周波数を有するので、テラヘルツ光検出素子に入射したテラヘルツ光の強度が弱くても、欠陥部内に誘起される複屈折性が大きくなる。よって、テラヘルツ光による検査が行いにくい物体であっても、その性質等を特定する精度を高くすることができる。
(Terahertz light detector)
According to the first invention, when terahertz light is incident, birefringence can be induced in the defect portion by the electro-optic effect. Therefore, if a change in the birefringence of the defective portion is detected, it is possible to detect whether or not the terahertz light is incident. In addition, since the pair of mirror portions are provided so as to sandwich the defect portion, the incident terahertz light can be resonated in the defect portion. Then, even if the intensity of the incident terahertz light is weak, the induced birefringence generated in the defect portion can be increased, so that the detected terahertz light having a specific wavelength included in the incident terahertz light is detected. Sensitivity can be increased.
According to the second invention, since ZnTe also has a high damage threshold for crystals, it is possible to increase the birefringence induced in the defect when terahertz light is incident.
According to the third aspect of the invention, since the refractive index ratio of both layers is increased, a high reflectance can be obtained even with a small number of layers.
(Optical equipment)
According to the fourth aspect of the invention, birefringence can be induced in the defect portion of the terahertz light detecting element when the terahertz light emitted from the terahertz light source and transmitted through the object is incident on the terahertz light detecting element. Then, since the detection unit detects the birefringence time variation of the defect portion, the time variation of the incident terahertz light can be obtained based on the birefringence time variation. Then, based on the temporal variation of the terahertz light, it is possible to specify the nature of the object through which the terahertz light is transmitted and the substance through which the terahertz light is transmitted. Moreover, since the terahertz light detection element is a one-dimensional photonic crystal including a defect portion formed by a member that generates an electro-optic effect when terahertz light is incident, and a pair of mirror portions sandwiching the defect portion, Sensitivity for detecting terahertz light can be increased. Therefore, it is possible to increase the accuracy of specifying the property of the object and the substance itself.
According to the fifth invention, since the light emitting element is a one-dimensional photonic crystal, the intensity of terahertz light (emitted light) corresponding to the resonance frequency can be increased. In addition, since the terahertz light detecting element has a resonance frequency at the frequency of the emitted light, even if the intensity of the terahertz light incident on the terahertz light detecting element is weak, the birefringence induced in the defect portion is increased. Therefore, even if the object is difficult to inspect with terahertz light, the accuracy of specifying the property or the like can be increased.
本発明のテラヘルツ光検出素子は、欠陥部を備えた一次元フォトニック結晶からなる部材であって、テラヘルツ光が入射されたときに電気光学効果を生じる部材によって欠陥部を形成したこと、および、欠陥部を挟むように一対のミラー部を配設したことに特徴を有している。 The terahertz light detection element of the present invention is a member made of a one-dimensional photonic crystal provided with a defect portion, and the defect portion is formed by a member that generates an electro-optic effect when terahertz light is incident, and It is characterized in that a pair of mirror portions are arranged so as to sandwich the defective portion.
（一次元フォトニック結晶の説明）
まず、本発明のテラヘルツ光検出素子を説明する前に、一次元フォトニック結晶について説明する。
(Description of one-dimensional photonic crystal)
First, before describing the terahertz light detection element of the present invention, a one-dimensional photonic crystal will be described.
フォトニック結晶とは、内部に周期的な屈折率分布を有する材料であり、屈折率が一次元的に分布しているものが一次元フォトニック結晶である。一次元フォトニック結晶としては、例えば、図３に示すように、屈折率の異なる２つ物質からなる２層（Ａ層、Ｂ層）が一次元的に交互に配設された結晶を挙げることができる。 A photonic crystal is a material having a periodic refractive index distribution inside, and one having a refractive index distributed one-dimensionally is a one-dimensional photonic crystal. As the one-dimensional photonic crystal, for example, as shown in FIG. 3, a crystal in which two layers (A layer and B layer) made of two substances having different refractive indexes are alternately arranged one-dimensionally is cited. Can do.
一次元フォトニック結晶は、屈折率分布に沿った方向（以下、軸方向という）では、特定の周波数における電磁波の透過率が極端に低くなる性質を有しており、この透過率が極端に低い周波数領域はフォトニックバンドギャップと呼ばれる。 One-dimensional photonic crystals have the property that the transmittance of electromagnetic waves at a specific frequency is extremely low in the direction along the refractive index distribution (hereinafter referred to as the axial direction), and this transmittance is extremely low. The frequency domain is called the photonic band gap.
図３に示すように、Ａ層、Ｂ層が、以下（１）式の関係にあるときには、フォトニックバンドギャップは、ｃ／λを中心周波数として形成される。
なお、ｎＡ、ｎＢ各層を形成する物質の屈折率、ｄＡ、ｄＢは各層の厚み、λは電磁波の波長、ｃは光速を示している。
In addition, the refractive index of the substance which forms each layer of n A and n B , d A and d B are the thickness of each layer, λ is the wavelength of the electromagnetic wave, and c is the speed of light.
そして、一次元フォトニック結晶の一部に周期配列を乱す部分（以下、欠陥部という）を設け、この欠陥部が以下（２）式を満たすときには、ｃ／λの周波数を有する電磁波が欠陥部内に生じた場合、ｃ／λの周波数を有する電磁波の定在波が欠陥部に形成される。これは、ｃ／λの周波数の電磁波に対して、一次元フォトニック結晶における欠陥部を挟む部分が共振器として機能するからであり、かかる定在波が欠陥部に形成されると、ｃ／λの周波数の電磁波は欠陥部内において増幅されるのである。
なお、ｎｘは欠陥部を形成する物質の屈折率、ｄＸは欠陥部の厚み、λは電磁波の波長を示している。
The refractive index of n x a substance for forming a defective portion, d X is the thickness of the defect, lambda represents the wavelength of the electromagnetic wave.
以上のごとく、欠陥部を備えた一次元フォトニック結晶では、その屈折率分布に応じた周波数の電磁波を欠陥部内で増強することができるのである。 As described above, in a one-dimensional photonic crystal having a defect portion, an electromagnetic wave having a frequency corresponding to the refractive index distribution can be enhanced in the defect portion.
（テラヘルツ光検出素子１０の説明）
つぎに、本実施形態のテラヘルツ光検出素子１０を図面に基づき説明する。
本実施形態のテラヘルツ光検出素子１０は、特定の波長（言い換えれば、特定の周波数）を有するテラヘルツ光（以下、被検出テラヘルツ光という）を感度良く検出できるものであり、図１に示すように、一次元フォトニック結晶構造を有するものである。
(Description of the terahertz light detection element 10)
Next, the terahertz light detection element 10 of the present embodiment will be described with reference to the drawings.
The terahertz light detecting element 10 of the present embodiment can detect terahertz light having a specific wavelength (in other words, specific frequency) (hereinafter referred to as detected terahertz light) with high sensitivity, as shown in FIG. , Having a one-dimensional photonic crystal structure.
図１に示すように、本実施形態のテラヘルツ光検出素子１０は、欠陥部１２と、欠陥部１２を挟むように配設された一対のミラー部１３，１３と備えている。つまり、欠陥部１２と一対のミラー部１３，１３は、テラヘルツ光検出素子１０の軸方向（図１（Ｂ）では左右方向）に沿って、ミラー部１３、欠陥部１２、ミラー部１３の順で積層されているのである。 As shown in FIG. 1, the terahertz light detection element 10 according to the present embodiment includes a defect portion 12 and a pair of mirror portions 13 and 13 disposed so as to sandwich the defect portion 12. That is, the defect portion 12 and the pair of mirror portions 13 and 13 are arranged in the order of the mirror portion 13, the defect portion 12, and the mirror portion 13 along the axial direction of the terahertz light detection element 10 (left and right direction in FIG. 1B). It is laminated with.
（欠陥部１２について）
欠陥部１２は、電気光学効果（ポッケルス効果）により、被検出テラヘルツ光の電場によって複屈折性が誘起される部材によって形成されている。しかも、この欠陥部１２は、共振効果によって被検出テラヘルツ光が入射されたときに電場が増強され、複屈折性が増大する性質も有しているものである。
(About the defective part 12)
The defect portion 12 is formed of a member whose birefringence is induced by the electric field of the detected terahertz light due to the electro-optic effect (Pockels effect). In addition, the defect portion 12 has a property that the electric field is enhanced and birefringence increases when the detected terahertz light is incident due to the resonance effect.
かかる欠陥部１２の素材には、例えば、ジンクテルル（ZnTe）やLiTaO３、BBOなどの無機非線形光学結晶、有機非線形光学結晶、GaAs、ZnTe、CdTe、GaSeなどの半導体、ポリマー等の電気光学効果が生じる材料が適している。
とくに、無機非線形光学結晶であるジンクテルル（ＺｎＴｅ）を欠陥部２に使用すれば、結晶の損傷閾値も高いので、被検出テラヘルツ光が入射されたときに欠陥部２内に発生する電場を増大させることができ、誘起される複屈折性も大きくできるので、好適である。
Examples of the material of the defect portion 12 include electro-optical effects such as inorganic nonlinear optical crystals such as zinc tellurium (ZnTe), LiTaO 3 , and BBO, organic nonlinear optical crystals, semiconductors such as GaAs, ZnTe, CdTe, and GaSe, and polymers. The resulting material is suitable.
In particular, if zinc tellurium (ZnTe), which is an inorganic nonlinear optical crystal, is used for the defect part 2, the damage threshold of the crystal is also high, so that the electric field generated in the defect part 2 when the detected terahertz light is incident is increased. And the induced birefringence can be increased, which is preferable.
（ミラー部１３について）
図１に示すように、一対のミラー部１３，１３は、欠陥部１２を、テラヘルツ光検出素子１０の軸方向から挟むように配設されている。
各ミラー部１３は、テラヘルツ光源１の軸方向に沿って屈折率の異なる層が交互に配設されている。具体的には、図２に示すように、各ミラー部１３は、被検出テラヘルツ光を透過しうる光透過性部材13aと、中空な部材13bとを複数枚重ねて形成されている。中空な部材13bとは、板状の部材であってその表裏を貫通する貫通孔13hが形成された部材である。つまり、各ミラー部１３では、テラヘルツ光源１の軸方向に沿って、光透過性部材13aの層（固体層）と、中空な部材13bの貫通孔13hの部分（空気層）とが交互に配設されているのである。
なお、光透過性部材13aの素材はとくに限定されないが、可視光とテラヘルツ光に対して透明であり、空気層に比べて屈性率が大きいものが好ましく、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）やポリプロピレン等を使用することができる。
(About the mirror unit 13)
As shown in FIG. 1, the pair of mirror portions 13 and 13 are disposed so as to sandwich the defect portion 12 from the axial direction of the terahertz light detection element 10.
In each mirror unit 13, layers having different refractive indexes are alternately arranged along the axial direction of the terahertz light source 1. Specifically, as shown in FIG. 2, each mirror section 13 is formed by stacking a plurality of light transmissive members 13 a that can transmit the detected terahertz light and a hollow member 13 b. The hollow member 13b is a plate-like member in which a through hole 13h penetrating the front and back is formed. That is, in each mirror part 13, along the axial direction of the terahertz light source 1, the layer of the light transmissive member 13a (solid layer) and the part of the through hole 13h of the hollow member 13b (air layer) are alternately arranged. It is established.
The material of the light transmissive member 13a is not particularly limited, but is preferably transparent to visible light and terahertz light and has a higher refractive index than the air layer. For example, magnesium oxide (MgO) or polypropylene is preferable. Etc. can be used.
（テラヘルツ光検出素子１０の全体構成）
そして、前記欠陥部１２は、テラヘルツ光検出素子１０の軸方向長さｄｘと、欠陥部１２を構成する材料の屈折率ｎｘの積が、被検出テラヘルツ光の波長λの１／２の長さとなるように形成されている。
また、前記一対のミラー部１３，１３を構成する光透過性部材13aは、その軸方向長さｄＡと、光透過性部材13aを構成する材料の屈折率ｎＡの積が、被検出テラヘルツ光の波長λの１／４の長さとなるように形成されている
そして、中空な部材13bは、テラヘルツ光検出素子１０の軸方向長さｄＢと、空気の屈折率ｎＢの積が、被検出テラヘルツ光の波長λの１／４の長さとなるように形成されている。
(Overall configuration of the terahertz light detection element 10)
Then, the defect portion 12, the axial length d x of the terahertz wave detecting element 10, the product of the refractive indices n x of the material of the defect portion 12, a half of the wavelength λ of the detected terahertz light It is formed to be a length.
Further, the light transmissive member 13a constituting the pair of mirror portions 13 and 13 has a product of the axial length d A and the refractive index n A of the material constituting the light transmissive member 13a, to be detected terahertz. The hollow member 13b is formed so that the product of the axial length d B of the terahertz light detection element 10 and the refractive index n B of air is as follows: It is formed to have a length that is ¼ of the wavelength λ of the detected terahertz light.
上記のごとき構成であるから、テラヘルツ光検出素子１０に対して、テラヘルツ光源１の軸方向から被検出テラヘルツ光が入射されれば、ミラー部１３の光透過性部材13aを透過し、中空な部材13bの貫通孔３ｈを通過して、欠陥部１２に到達する。すると、電気光学効果により欠陥部１２には、入射された被検出テラヘルツ光の強度に対応した複屈折性が誘起される。 Since it is configured as described above, if the detected terahertz light is incident on the terahertz light detection element 10 from the axial direction of the terahertz light source 1, it is transmitted through the light transmissive member 13a of the mirror portion 13 and is a hollow member. It passes through the through hole 3h of 13b and reaches the defect portion 12. Then, birefringence corresponding to the intensity of the incident terahertz light to be detected is induced in the defect portion 12 by the electro-optic effect.
したがって、欠陥部１２の複屈折性の変化を検出すれば、テラヘルツ光検出素子１０に対して、被検出テラヘルツ光が入射されたか否か、また、入射された被検出テラヘルツ光の強度がどの程度であるかも検出することができる。 Therefore, if the change in the birefringence of the defect portion 12 is detected, whether or not the detected terahertz light is incident on the terahertz light detecting element 10 and the intensity of the incident detected terahertz light. It can also be detected.
また、被検出テラヘルツ光は、その波長λの光に対して一対のミラー部１３，１３が共振器として機能することにより欠陥部１２内でその強度が増強されるから、被検出テラヘルツ光の強度の増大にともなって、欠陥部１２に誘起される複屈折性も増大する。
すると、テラヘルツ光検出素子１０に入射された被検出テラヘルツ光の強度が弱くても、欠陥部１２に誘起される複屈折性は大きくできるから、被検出テラヘルツ光を検出する感度を高くすることができる。よって、テラヘルツ光検出素子１０に入射される入射光に波長λのテラヘルツ光が含まれているか否かを選択的に検出することもできる。
In addition, the intensity of the detected terahertz light is enhanced in the defect portion 12 when the pair of mirror portions 13 and 13 function as a resonator with respect to the light of the wavelength λ. As this increases, the birefringence induced in the defect portion 12 also increases.
Then, even if the intensity of the detected terahertz light incident on the terahertz light detecting element 10 is weak, the birefringence induced in the defect portion 12 can be increased, so that the sensitivity for detecting the detected terahertz light can be increased. it can. Therefore, it is possible to selectively detect whether or not the incident light incident on the terahertz light detecting element 10 includes the terahertz light having the wavelength λ.
とくに、欠陥部１２の軸方向長さｄｘを薄くした場合、欠陥部１２内で共振する共振モードを少なくできる。すると、共振モードに被検出テラヘルツ光の周波数が入るように調整すれば、被検出テラヘルツ光に対する閉じ込め増強効果をより高くできるので、被検出テラヘルツ光を検出する感度をより高くすることができる。 In particular, when the thickness of the axial length d x of the defect portion 12, can be reduced resonance mode resonating in the defect portion 12. Then, if the resonance mode is adjusted so that the frequency of the detected terahertz light enters, the confinement enhancing effect on the detected terahertz light can be further increased, and therefore the sensitivity for detecting the detected terahertz light can be further increased.
さらに、本実施形態のテラヘルツ光検出素子１０では、各ミラー部１３に、光透過性部材13aの層（固体層）と空気層とが交互に配設された構造を採用しているので、少ない層数でも高い反射率を得ることができる。なぜなら、屈折率の異なる層のうち、一方を空気層としているので、両層の屈折率比が大きくなるからである。そして、少ない層数でも高い反射率が得られれば、テラヘルツ光検出素子１０をコンパクトにしつつも被検出テラヘルツ光の閉じ込め増強効果を高くできる。つまり、テラヘルツ光検出素子１０をコンパクトにしても、被検出テラヘルツ光を検出する感度を高く維持することができるのである。 Further, in the terahertz light detecting element 10 of the present embodiment, since each mirror portion 13 employs a structure in which layers (solid layers) of light transmissive members 13a and air layers are alternately arranged, the number is small. High reflectivity can be obtained even with the number of layers. This is because one of the layers having different refractive indexes is an air layer, so that the refractive index ratio between the two layers is increased. If a high reflectance can be obtained even with a small number of layers, it is possible to increase the confinement enhancement effect of the detected terahertz light while making the terahertz light detection element 10 compact. That is, even if the terahertz light detecting element 10 is made compact, the sensitivity for detecting the detected terahertz light can be maintained high.
なお、ミラー部１３は、少なくとも光透過性部材13aが２層と、中空な部材13bが１層必要であるが、光透過性部材13aおよび中空な部材13bを設ける数はとくに限定されない。つまり、欠陥部１２から交互に中空な部材13bと光透過性部材13aとが配設されていればよい。原則として、中空な部材13bおよび光透過性部材13aを設ける数が多くなるほど、欠陥部１２内に被検出テラヘルツ光を閉じ込めて増強する効果が高くなるので、欠陥部１２に誘起される複屈折性を増大させることができる。 The mirror section 13 requires at least two light transmissive members 13a and one hollow member 13b. However, the number of the light transmissive members 13a and the hollow members 13b is not particularly limited. That is, it is only necessary that the hollow member 13b and the light transmissive member 13a are alternately arranged from the defective portion 12. In principle, as the number of hollow members 13b and light transmissive members 13a increases, the effect of confining and enhancing the detected terahertz light in the defect portion 12 increases, so that the birefringence induced in the defect portion 12 is increased. Can be increased.
具体的には、テラヘルツ光検出素子１０に入射された、波長λの被検出テラヘルツ光の増強度Ｇは、以下の（３）式で表される。
例えば、図１のテラヘルツ光検出素子１０は、周期がＮ＝２のミラー部１３を有するテラヘルツ光検出素子１０である。
Specifically, the enhancement G of the detected terahertz light having the wavelength λ incident on the terahertz light detecting element 10 is expressed by the following equation (3).
For example, the terahertz light detection element 10 in FIG. 1 is a terahertz light detection element 10 having a mirror unit 13 with a period of N = 2.
また、式（３）からも分かるように、光透過性部材13aの屈折率と空気の屈折率との差が大きいほど、テラヘルツ光を増幅させる効果が大きくなるので、光透過性部材13aは大きい屈折率を有するものが好ましい。
さらに、ミラー部１３において、中空な部材13bに代えて、貫通孔を有しない板状部材を設けてもよい。この場合、板状部材には、可視光とテラヘルツ光に対して透明なもの、つまり、可視光とテラヘルツ光の透過性は高いが吸収性は低いものが好ましいのはいうまでもない。
Further, as can be seen from Equation (3), the greater the difference between the refractive index of the light transmissive member 13a and the refractive index of air, the greater the effect of amplifying the terahertz light, so the light transmissive member 13a is larger. Those having a refractive index are preferred.
Furthermore, in the mirror part 13, it may replace with the hollow member 13b and may provide the plate-shaped member which does not have a through-hole. In this case, it is needless to say that the plate-like member is preferably transparent to visible light and terahertz light, that is, has high transparency to visible light and terahertz light but low absorption.
（光学設備の説明）
つぎに、上記のごときテラヘルツ光検出素子１０を採用した光学設備１を説明する。
上記のごときテラヘルツ光検出素子１０を採用した光学設備は、例えば、テラヘルツ光の透過率測定や反射率測定、イメージング等の方法によって， 危険物質や物質中の水分，半導体素子内欠陥等を検査する場合にも使用することができる。
以下では、代表として、テラヘルツ光を物質Ｍに照射してその透過光を検出することによって、既知の物質Ｍの性質を測定したり不明な物質Ｍを特定したりする光学設備１を説明する。
(Description of optical equipment)
Next, the optical equipment 1 employing the terahertz light detection element 10 as described above will be described.
The optical equipment employing the terahertz light detection element 10 as described above inspects dangerous substances, moisture in the substances, defects in the semiconductor element, etc. by methods such as terahertz light transmittance measurement, reflectance measurement, and imaging. Can also be used in cases.
Below, the optical equipment 1 which measures the property of the known substance M or specifies the unknown substance M by irradiating the substance M with terahertz light and detecting the transmitted light will be described as a representative.
図４に示すように、本実施形態の光学設備１は、テラヘルツ光ＴＬを出力し得るテラヘルツ光源２と、このテラヘルツ光源２が出力したテラヘルツ光ＴＬを受光する受光手段３とを備えている。 As shown in FIG. 4, the optical equipment 1 of this embodiment includes a terahertz light source 2 that can output terahertz light TL, and a light receiving unit 3 that receives the terahertz light TL output from the terahertz light source 2.
まず、テラヘルツ光源２は、例えば、非線形光学結晶等に対して励起光を照射したときに生じる光整流効果を利用してテラヘルツ光ＴＬを発生することができるものなどをあげることができるが、とくに限定されない。 First, examples of the terahertz light source 2 include those that can generate the terahertz light TL using the optical rectification effect that occurs when the nonlinear optical crystal or the like is irradiated with excitation light. It is not limited.
また、受光手段３は、前記テラヘルツ光源２が発生したテラヘルツ光ＴＬを受光する、上述したテラヘルツ光検出素子１０と、このテラヘルツ光検出素子１０の欠陥部１２に誘起される複屈折性を検出する検出部２０とを備えている。 The light receiving means 3 detects the terahertz light detecting element 10 that receives the terahertz light TL generated by the terahertz light source 2 and the birefringence induced in the defect portion 12 of the terahertz light detecting element 10. And a detection unit 20.
受光手段３のテラヘルツ光検出素子１０は、前記テラヘルツ光源２が出力し検査すべき物質Ｍを透過したテラヘルツ光ＴＬがその軸方向から入射するように配設されている。 The terahertz light detecting element 10 of the light receiving means 3 is arranged so that the terahertz light TL output from the terahertz light source 2 and transmitted through the substance M to be inspected enters from the axial direction.
（検出部２０の説明）
検出部２０は、テラヘルツ光検出素子１０の欠陥部１２に誘起される複屈折性を検出して、テラヘルツ光ＴＬの強度を求めることができるものであれば特に限定されない。例えば、欠陥部１２に誘起される複屈折性を、欠陥部１２におけるテラヘルツ光ＴＬの偏光方向の屈折率変化として検出する場合には、図４に示すような構成を採用することができる。
(Description of the detection unit 20)
The detection unit 20 is not particularly limited as long as it can detect the birefringence induced in the defect portion 12 of the terahertz light detection element 10 and obtain the intensity of the terahertz light TL. For example, when the birefringence induced in the defect portion 12 is detected as a change in refractive index in the polarization direction of the terahertz light TL in the defect portion 12, a configuration as shown in FIG. 4 can be adopted.
図４において、符号２１は、プローブ光源を示している。このプローブ光源は、直線偏光に調整された光を出力できるものであり、連続光を出力できるものや、パルス光を所定の周期で出力できるもの等である。例えば、プローブ光源２１として、フェトム秒レーザなどの光源と、この光源から出力された出力光を直線偏光の光（以下、プローブ光Ｐ１という）に調整する調整手段とを備えたものを採用することができる。
そして、プローブ光源２１は、ペリクリムビームスプリッタ20a等を介して、プローブ光Ｐ１がテラヘルツ光ＴＬと同軸な状態でテラヘルツ光検出素子１０に入射するように配設されている。
In FIG. 4, the code | symbol 21 has shown the probe light source. This probe light source can output light adjusted to linearly polarized light, and can output continuous light, or can output pulsed light with a predetermined period. For example, as the probe light source 21, a probe light source such as a femtosecond laser and an adjustment unit that adjusts output light output from the light source to linearly polarized light (hereinafter referred to as probe light P <b> 1) are adopted. Can do.
The probe light source 21 is arranged so that the probe light P1 is incident on the terahertz light detection element 10 in a state coaxial with the terahertz light TL via the periclim beam splitter 20a and the like.
プローブ光Ｐ１およびテラヘルツ光ＴＬがテラヘルツ光検出素子１０に入射する方向の前方、つまり、テラヘルツ光源２に対してテラヘルツ光検出素子１０の後方には、λ/4板２２、ウォラストンプリズム２３、バランス検出器２４がこの順で並んで配設されている。
λ/4板２２は、テラヘルツ光検出素子１０を透過したプローブ光（以下、透過プローブ光Ｐ２という）が入射する位置に配置されている。このλ/4板２２は、透過プローブ光Ｐ２の偏光を変換し、偏光プローブ光Ｐ３とするものである。例えば、透過プローブ光Ｐ２が直線偏光であれば円偏光に、また、透過プローブ光Ｐ２が円偏光であれば直線偏光に、そして、透過プローブ光Ｐ２が楕円偏光であればその長軸短軸の比率が変化するように、λ/4板２２は透過プローブ光Ｐ２の偏光を変換し、偏光プローブ光Ｐ３とする。
ウォラストンプリズム２３は、テラヘルツ光検出素子１０によって偏光された偏光プローブ光Ｐ３を、偏光方向が互いに直交した二つの直線偏光成分に分割するものである。
また、バランス検出器２４は、分割された二つの直線偏光成分の強度をそれぞれ検出するものである。
A λ / 4 plate 22, a Wollaston prism 23, a balance are provided in front of the direction in which the probe light P <b> 1 and the terahertz light TL are incident on the terahertz light detection element 10, i. The detectors 24 are arranged in this order.
The λ / 4 plate 22 is disposed at a position where probe light transmitted through the terahertz light detection element 10 (hereinafter referred to as transmitted probe light P2) is incident. The λ / 4 plate 22 converts the polarization of the transmitted probe light P2 into a polarized probe light P3. For example, if the transmitted probe light P2 is linearly polarized light, it is circularly polarized light, if the transmitted probe light P2 is circularly polarized light, it is linearly polarized light, and if the transmitted probe light P2 is elliptically polarized light, its long axis and short axis The λ / 4 plate 22 converts the polarization of the transmitted probe light P2 so as to change the ratio into the polarized probe light P3 so that the ratio changes.
The Wollaston prism 23 divides the polarization probe light P3 polarized by the terahertz light detection element 10 into two linearly polarized light components whose polarization directions are orthogonal to each other.
Moreover, the balance detector 24 detects the intensity | strength of two divided | segmented linearly polarized light components, respectively.
そして、バランス検出器２４には、解析部２５が接続されている。この解析部２５は、バランス検出器２４が検出した二つの直線偏光成分の強度に基づいて、テラヘルツ光検出素子１０の欠陥部１２のテラヘルツ光ＴＬの偏光方向における屈折率の変化を算出し、この屈折率の変化に基づいてテラヘルツ光ＴＬの強度を検出するものである。
なお、解析部２５は、テラヘルツ光ＴＬの強度を絶対値として求めてもよいし、基準となるテラヘルツ光の強度に対する測定したテラヘルツ光ＴＬの相対的な値として求めてもよい。
An analysis unit 25 is connected to the balance detector 24. The analysis unit 25 calculates a change in refractive index in the polarization direction of the terahertz light TL of the defect portion 12 of the terahertz light detection element 10 based on the intensities of the two linearly polarized light components detected by the balance detector 24. The intensity of the terahertz light TL is detected based on the change in refractive index.
The analysis unit 25 may obtain the intensity of the terahertz light TL as an absolute value, or may obtain the relative value of the measured terahertz light TL with respect to the reference terahertz light intensity.
（検出原理の説明）
上記検出部２０によって テラヘルツ光検出素子１０の欠陥部１２に発生している複屈折性の大きさ、つまり、テラヘルツ光ＴＬの強度が検出できる原理は以下のとおりである。
まず、テラヘルツ光検出素子１０に入射されたプローブ光Ｐ１は、テラヘルツ光検出素子１０を透過する。このとき、テラヘルツ光検出素子１０にプローブ光Ｐ１のみが入射されている場合、つまり、テラヘルツ光ＴＬがテラヘルツ光検出素子１０に入射されていない場合には、テラヘルツ光検出素子１０の欠陥部１２には電場が形成されていない。このため、プローブ光Ｐ１の偏光が直線偏光のまま維持された透過プローブ光Ｐ２がテラヘルツ光検出素子１０から出力される。この透過プローブ光Ｐ２は、λ/4板に入射するが、直線偏光であるから、円偏光の偏光プローブ光Ｐ３に偏光される。
円偏光に偏光された偏光プローブ光Ｐ３は、ウォラストンプリズム２３によって偏光方向が互いに直交した２本の直線偏光成分に分割され、その強度がバランス検出器２４によって検出される。
しかし、偏光プローブ光Ｐ３が円偏光であるため、分割された２本の直線偏光成分の強度は同じ強度となる。すると、解析部２５は、２本の直線偏光成分の強度から、テラヘルツ光検出素子１０の欠陥部１２には電場が形成されていないと判断し、テラヘルツ光検出素子１０にテラヘルツ光ＴＬが入射されていないと判断できる。
(Explanation of detection principle)
The principle that the detection unit 20 can detect the magnitude of the birefringence generated in the defect portion 12 of the terahertz light detecting element 10, that is, the intensity of the terahertz light TL is as follows.
First, the probe light P <b> 1 incident on the terahertz light detection element 10 passes through the terahertz light detection element 10. At this time, when only the probe light P <b> 1 is incident on the terahertz light detection element 10, that is, when the terahertz light TL is not incident on the terahertz light detection element 10, the defect portion 12 of the terahertz light detection element 10 is detected. There is no electric field formed. Therefore, the transmitted probe light P2 in which the polarization of the probe light P1 is maintained as linearly polarized light is output from the terahertz light detection element 10. The transmitted probe light P2 is incident on the λ / 4 plate, but is linearly polarized light, and thus is polarized into the circularly polarized polarized probe light P3.
The polarized probe light P3 polarized into circularly polarized light is divided into two linearly polarized light components whose polarization directions are orthogonal to each other by the Wollaston prism 23, and the intensity thereof is detected by the balance detector 24.
However, since the polarized probe light P3 is circularly polarized light, the intensity of the two linearly polarized light components divided becomes the same intensity. Then, the analysis unit 25 determines that an electric field is not formed on the defect portion 12 of the terahertz light detection element 10 from the intensity of the two linearly polarized light components, and the terahertz light TL is incident on the terahertz light detection element 10. It can be judged that it is not.
一方、テラヘルツ光検出素子１０にプローブ光Ｐ１だけでなくテラヘルツ光ＴＬも入射されている場合には、テラヘルツ光検出素子１０の欠陥部１２には、電気光学効果により入射したテラヘルツ光ＴＬの強度に対応する電場が形成される。すると、この電場の影響により、欠陥部１２では複屈折が誘起される（欠陥部１２の屈折率が変化する）ので、プローブ光Ｐ１の直線偏光が楕円偏光に変換され、変換された透過プローブ光Ｐ２がテラヘルツ光検出素子１０から出力される。
楕円偏光となった透過プローブ光Ｐ２は、λ/4板に入射すると、長軸短軸の比率が変化するように偏光される。このため、偏光プローブ光Ｐ３がウォラストンプリズム２３によって２本の直線偏光成分に分割されると、分割された直交する二つの偏光成分間には強度差が生じる。
すると、二つの偏光成分の強度がバランス検出器２４によって検出されれば、両偏光成分間の強度差に応じて、テラヘルツ光検出素子１０の欠陥部１２の屈折率が検出できるから、欠陥部１２に誘起された複屈折性の程度を把握することができる。よって、かかる複屈折性を誘起したテラヘルツ光ＴＬ、つまり、テラヘルツ光検出素子１０に入射したテラヘルツ光ＴＬの強度を算出することができるのである。
On the other hand, when not only the probe light P1 but also the terahertz light TL is incident on the terahertz light detecting element 10, the defect portion 12 of the terahertz light detecting element 10 has an intensity of the terahertz light TL incident due to the electrooptic effect. A corresponding electric field is formed. Then, due to the influence of this electric field, birefringence is induced in the defect portion 12 (the refractive index of the defect portion 12 changes), so that the linearly polarized light of the probe light P1 is converted into elliptically polarized light, and the converted transmitted probe light P2 is output from the terahertz light detection element 10.
When the transmitted probe light P2 that has become elliptically polarized light is incident on the λ / 4 plate, it is polarized so that the ratio of the major axis to the minor axis changes. For this reason, when the polarized probe light P3 is divided into two linearly polarized light components by the Wollaston prism 23, an intensity difference is generated between the two orthogonally polarized light components.
Then, if the intensity of the two polarization components is detected by the balance detector 24, the refractive index of the defect portion 12 of the terahertz light detection element 10 can be detected according to the intensity difference between both polarization components. It is possible to grasp the degree of birefringence induced by. Therefore, the intensity of the terahertz light TL that induces the birefringence, that is, the intensity of the terahertz light TL incident on the terahertz light detection element 10 can be calculated.
（具体的なテラヘルツ光の強度算出方法）
バランス検出器２４によって検出される二つの偏光成分の強度差は、二つの偏光成分の位相差に比例しており、この位相差と欠陥部１２の電場の強度との間には、以下の式（４）の関係が成立する。よって、この解析部２５に、必要な公知のパラメータを記憶させておけば、式（４）に基づいて得られる位相差から、式（５）に基づいて、テラヘルツ光検出素子１０に入射したテラヘルツ光ＴＬの強度Ｉを得ることができる。
なお、式（４）、（５）において、ΔΓは入射するテラヘルツ光に対する位相遅れ、λは入射するテラヘルツ光の波長、ｄは欠陥部１２の厚さ、ｎoptは入射するテラヘルツ光の屈折率、ｒ４１は電気光学定数、ＥTHzは欠陥部１２の電場の強度、ｃは光速、ε０は真空の誘電率を表している。
The intensity difference between the two polarization components detected by the balance detector 24 is proportional to the phase difference between the two polarization components, and between this phase difference and the intensity of the electric field of the defect portion 12, The relationship (4) is established. Therefore, if the necessary known parameters are stored in the analysis unit 25, the terahertz light incident on the terahertz light detection element 10 based on the equation (5) is obtained from the phase difference obtained based on the equation (4). The intensity I of the light TL can be obtained.
In equations (4) and (5), ΔΓ is the phase lag with respect to the incident terahertz light, λ is the wavelength of the incident terahertz light, d is the thickness of the defect 12, and n opt is the refractive index of the incident terahertz light. R 41 is the electro-optic constant, E THz is the electric field strength of the defect 12, c is the speed of light, and ε 0 is the vacuum dielectric constant.
以上のごとき構成であるから、本実施形態の光学設備１は、テラヘルツ光源２から出射されたテラヘルツ光ＴＬがテラヘルツ光検出素子１０に入射すれば、入射したテラヘルツ光ＴＬの時間変動を求めることができる。 With the configuration as described above, when the terahertz light TL emitted from the terahertz light source 2 is incident on the terahertz light detection element 10, the optical equipment 1 according to the present embodiment can obtain time variation of the incident terahertz light TL. it can.
よって、テラヘルツ光源２から出射されたテラヘルツ光ＴＬを物質Ｍに照射して、その物質Ｍを透過したテラヘルツ光ＴＬをテラヘルツ光検出素子１０に入射させれば、物質Ｍの影響を受けたテラヘルツ光ＴＬの時間変動を把握することができる。
すると、このときのテラヘルツ光ＴＬの時間変動を、物質Ｍが存在しない場合におけるテラヘルツ光ＴＬの時間変動と比較すれば、テラヘルツ光ＴＬが透過した物質Ｍの性質や、テラヘルツ光ＴＬが透過した物質Ｍを特定することができる。
しかも、本実施形態の光学設備１では、テラヘルツ光検出素子１０に、テラヘルツ光ＴＬが入射されると電気光学効果が生じる部材によって形成された欠陥部１２と、欠陥部１２を挟む一対のミラー部１３，１３とを備えた１次元フォトニック結晶を採用している。よって、テラヘルツ光ＴＬを検出する感度を高くすることができるから、物質Ｍを透過するテラヘルツ光ＴＬの強度が弱い場合などでも、物質Ｍの性質や物質を特定する精度を高くすることができる。
Therefore, when the substance M is irradiated with the terahertz light TL emitted from the terahertz light source 2 and the terahertz light TL transmitted through the substance M is incident on the terahertz light detection element 10, the terahertz light affected by the substance M is obtained. The time fluctuation of TL can be grasped.
Then, if the time fluctuation of the terahertz light TL at this time is compared with the time fluctuation of the terahertz light TL in the case where the substance M is not present, the property of the substance M that the terahertz light TL has transmitted and the substance that the terahertz light TL has transmitted are compared. M can be specified.
Moreover, in the optical equipment 1 according to the present embodiment, when the terahertz light TL is incident on the terahertz light detection element 10, the defect portion 12 is formed by a member that generates an electrooptic effect, and a pair of mirror portions sandwiching the defect portion 12. A one-dimensional photonic crystal having 13 and 13 is employed. Therefore, since the sensitivity for detecting the terahertz light TL can be increased, even when the intensity of the terahertz light TL that transmits the substance M is weak, the property of the substance M and the accuracy of specifying the substance can be increased.
例えば、周波数ωのテラヘルツ光に対する物質Ｍの複素透過係数がｔ（ω）とすると、物質Ｍが存在しない場合に検出されるテラヘルツ光ＴＬの時間波形と、物質Ｍが存在する場合に検出されるテラヘルツ光ＴＬの時間波形とから、以下の式（６）により物質Ｍの複素透過係数ｔ（ω）を求めることができる。
なお、式（６）において、Ｅ（ω）は振幅であり、θ（ω）は位相であり、添え字のsamが物質Ｍが存在する場合を示しており、添え字のrefが物質Ｍが存在する場合を示している。
In Equation (6), E (ω) is the amplitude, θ (ω) is the phase, and the subscript sam indicates the presence of the substance M, and the subscript ref is the substance M. The case where it exists is shown.
（フォトニック結晶の発光素子）
とくに、テラヘルツ光源２における発光素子として、テラヘルツ光検出素子１０と同様の構造を有するフォトニック結晶を採用することが好ましい。つまり、発光素子として、一次元フォトニック結晶からなる部材であって、テラヘルツ光ＴＬを発生し得る部材によって形成された欠陥部と、欠陥部を挟むように配設された一対のミラー部とから構成されたものを採用することが好ましい。
かかる構造の発光素子の場合、発光素子の軸方向から励起光を照射すれば、励起光によって欠陥部（例えば、ZnTe結晶等）が光整流効果によりテラヘルツ光ＴＬを発生する。すると、発生したテラヘルツ光ＴＬに対し一対のミラー部が共振器として機能するので、励起光が照射されたときに発生したテラヘルツ光ＴＬよりも高強度のテラヘルツ光ＴＬをテラヘルツ光源２から出力させることができる
(Photonic crystal light-emitting device)
In particular, it is preferable to employ a photonic crystal having a structure similar to that of the terahertz light detection element 10 as the light emitting element in the terahertz light source 2. That is, as a light emitting element, a member made of a one-dimensional photonic crystal, which is formed by a member capable of generating terahertz light TL, and a pair of mirror portions disposed so as to sandwich the defect portion. It is preferable to adopt a configured one.
In the case of a light-emitting element having such a structure, when excitation light is irradiated from the axial direction of the light-emitting element, a defect portion (for example, a ZnTe crystal) generates terahertz light TL due to the optical rectification effect. Then, since the pair of mirror portions function as a resonator with respect to the generated terahertz light TL, the terahertz light source 2 outputs the terahertz light TL having higher intensity than the terahertz light TL generated when the excitation light is irradiated. Can
すると、物質Ｍに照射されるテラヘルツ光ＴＬ（出射光）の強度が強いので、テラヘルツ光検出素子１０が検出するテラヘルツ光ＴＬの時間変動を精度良く検出することができる。よって、テラヘルツ光ＴＬによる検査が行いにくい物質Ｍであっても、その性質等を特定する精度を高くすることができる。
とくに、発光素子として、テラヘルツ光検出素子１０と同じ共振周波数を有するものを使用すれば、テラヘルツ光検出素子１０に入射したテラヘルツ光ＴＬの強度が弱くても、テラヘルツ光検出素子１０の欠陥部１２内に形成される電場らに大きくできる。つまり、欠陥部１２に誘起される複屈折性をさらに大きくできるから、より一層検査精度を高くすることができる。かかる効果を得る上では、発光素子に、テラヘルツ光検出素子１０と同一の素子を使用することが最も好ましい。
Then, since the intensity of the terahertz light TL (emitted light) irradiated to the substance M is strong, it is possible to accurately detect the time variation of the terahertz light TL detected by the terahertz light detection element 10. Therefore, even if the substance M is difficult to be inspected by the terahertz light TL, it is possible to increase the accuracy of specifying the property and the like.
In particular, if a light emitting element having the same resonance frequency as that of the terahertz light detecting element 10 is used, even if the intensity of the terahertz light TL incident on the terahertz light detecting element 10 is weak, the defect portion 12 of the terahertz light detecting element 10 is used. The electric field formed inside can be increased. That is, since the birefringence induced in the defect portion 12 can be further increased, the inspection accuracy can be further increased. In order to obtain such an effect, it is most preferable to use the same element as the terahertz light detection element 10 as the light emitting element.
また、テラヘルツ光源２における発光素子に、上記のごときフォトニック結晶を採用した場合、この発光素子に対して励起光（例えば、フェムト秒パルス光等）を照射する光源として、例えば、モード同期レーザー等を使用することができる。この様な励起光源を使用する場合には、励起光源から発光素子に照射された照射光の一部を分光して、この光をプローブ光としてテラヘルツ光検出素子１０に入射してもよい（図５参照）。つまり、テラヘルツ光源２の励起光源を、検出部２０のプローブ光源として使用してもよく、この場合には、検出部２０をコンパクトに構成できる。 Further, when the photonic crystal as described above is adopted as the light emitting element in the terahertz light source 2, as a light source for irradiating the light emitting element with excitation light (for example, femtosecond pulsed light), for example, a mode-locked laser or the like Can be used. When such an excitation light source is used, a part of the irradiation light irradiated to the light emitting element from the excitation light source may be dispersed and incident on the terahertz light detection element 10 as probe light (see FIG. 5). That is, the excitation light source of the terahertz light source 2 may be used as the probe light source of the detection unit 20, and in this case, the detection unit 20 can be configured compactly.
本発明のテラヘルツ光検出素子によるテラヘルツ光の強度の検出感度を、一般的な検出素子であるZnTe結晶の検出感度と比較した。 The detection sensitivity of the intensity of terahertz light by the terahertz light detection element of the present invention was compared with the detection sensitivity of a ZnTe crystal that is a general detection element.
（検出素子の説明）
本実施例において使用した本発明のテラヘルツ光検出素子の欠陥部、ミラー部の固体層および空気層は、以下のとおりである。
なお、各ミラー部の周期は、Ｎ＝１（固体層が１層、空気層が１層）である。
欠陥部： ZnTe結晶（屈折率ｎ＝2.92）、厚さ120μｍ
固体層：酸化マグネシウム（ＭｇＯ）（屈折率ｎ＝3.12）、厚さ78μｍ
空気層：空気（屈折率ｎ＝1）、厚さ265μｍ
また、比較対象のZnTe結晶は、厚さ120μｍである。
(Description of detection element)
The defect part of the terahertz light detection element of the present invention used in this example, the solid layer of the mirror part, and the air layer are as follows.
In addition, the period of each mirror part is N = 1 (one solid layer and one air layer).
Defect: ZnTe crystal (refractive index n = 2.92), thickness 120μm
Solid layer: Magnesium oxide (MgO) (refractive index n = 3.12), thickness 78 μm
Air layer: Air (refractive index n = 1), thickness 265μm
The comparison target ZnTe crystal has a thickness of 120 μm.
（光源の説明）
検出するテラヘルツ光は、ZnTe結晶（テラヘルツ光源）に励起光を照射することにより発生させた。使用した励起光は、モード同期Ti:Sapphireレーザーから発振されたフェムト秒パルス光である。
(Description of light source)
The terahertz light to be detected was generated by irradiating a ZnTe crystal (terahertz light source) with excitation light. The pumping light used is femtosecond pulsed light oscillated from a mode-locked Ti: Sapphire laser.
（実験装置およびテラヘルツ光検出方法の説明）
また、本実施例では、検出したテラヘルツ光の強度は電気光学（ElectroOptic：EO）サンプリング法を利用して評価した。EOサンプリング法は、外部電界によって屈折率が変化するEO結晶の性質（電気光学効果）を利用して、フェムト秒レーザーパルスの偏光制御により超高速過渡応答信号を検出する方法である。
(Explanation of experimental apparatus and terahertz light detection method)
In this example, the intensity of the detected terahertz light was evaluated using an electro-optic (EO) sampling method. The EO sampling method is a method of detecting an ultra-fast transient response signal by controlling the polarization of a femtosecond laser pulse by utilizing the property (electro-optic effect) of an EO crystal whose refractive index changes with an external electric field.
以下、図５に基づいて、本実施例の実験装置および、この実験装置によるEOサンプリング法を利用したテラヘルツ光強度の検出について説明する。
なお、本実施例では、図５および以下の説明におけるテラヘルツ光検出素子ＬＤに、本発明のテララヘルツ光検出素子またはZnTe結晶を使用してテラヘルツ光強度を検出した。
Hereinafter, based on FIG. 5, the experimental apparatus of the present embodiment and the detection of the terahertz light intensity using the EO sampling method by this experimental apparatus will be described.
In the present example, the terahertz light intensity was detected using the terahertz light detecting element or the ZnTe crystal of the present invention in the terahertz light detecting element LD in FIG. 5 and the following description.
まず、モード同期Ti:Sapphireレーザーからフェムト秒パルスを発振する。発振されたフェムト秒パルスは、ペリクルビームスプリッターによりポンプ光とプローブ光の二つに分けられ、ポンプ光は光チョッパーを用い約3kHzの周波数で振幅変調を掛けた状態で、テラヘルツ光源ＬＳに照射される。すると、テラヘルツ光源ＬＳにおいてテラヘルツ光が発生し、発生したテラヘルツ光は、ポンプ光と同軸かつ入射側と反対側に出力される。 First, a femtosecond pulse is oscillated from a mode-locked Ti: Sapphire laser. The oscillated femtosecond pulse is divided into a pump light and a probe light by a pellicle beam splitter, and the pump light is irradiated to the terahertz light source LS with an amplitude modulation at a frequency of about 3 kHz using an optical chopper. The Then, terahertz light is generated in the terahertz light source LS, and the generated terahertz light is output coaxially with the pump light and on the side opposite to the incident side.
なお、レーザーのスポットには広がりがあるので、ポンプ光をレンズにより集光させた状態でテラヘルツ光源ＬＳに照射している。
さらになお、テラヘルツ光源の出力側には黒い紙を置いている。テラヘルツ光源ＬＳに照射されたポンプ光は、テラヘルツ光源ＬＳにおけるテラヘルツ光の発生に寄与するとともにテラヘルツ光源ＬＳを通過する。このテラヘルツ光源ＬＳを通過したポンプ光がテラヘルツ光を検出するテラヘルツ光検出素子に入射すると、テラヘルツ光強度の検出精度に影響を与える。上述したように、テラヘルツ光源ＬＳの直後に黒い紙を置いておけば、黒い紙は可視光に対しては不透明だが、テラヘルツ光に対しては透明であるので、ポンプ光を黒い紙で遮断することができ、検出精度に影響を与えることを防ぐことができる。
Since the laser spot is wide, the terahertz light source LS is irradiated with the pump light condensed by the lens.
Furthermore, black paper is placed on the output side of the terahertz light source. The pump light applied to the terahertz light source LS contributes to the generation of terahertz light in the terahertz light source LS and passes through the terahertz light source LS. When the pump light that has passed through the terahertz light source LS is incident on a terahertz light detection element that detects terahertz light, the detection accuracy of the terahertz light intensity is affected. As described above, if black paper is placed immediately after the terahertz light source LS, the black paper is opaque to visible light but transparent to terahertz light, so the pump light is blocked by black paper. It is possible to prevent the detection accuracy from being affected.
テラヘルツ光源から発生したテラヘルツ光は、軸はずし放物面鏡（焦点距離約15cm）で平行光線にした後、もう一つの軸はずし放物面鏡（焦点距離約15cm）でテラヘルツ光検出素子に入射される。
なお、軸はずし放物面鏡とテラヘルツ光検出素子との間には、ペリクルビームスプリッターが設けられている。しかし、ペリクルビームスプリッターはその厚みが2μmとテラヘルツ光の波長に対して非常に薄いため、テラヘルツ光はペリクルビームスプリッターを透過して、テラヘルツ光検出素子に入射される。
The terahertz light generated from the terahertz light source is collimated by an off-axis parabolic mirror (focal length of about 15 cm) and then incident on the terahertz light detection element by another off-axis parabolic mirror (focal length of about 15 cm). Is done.
A pellicle beam splitter is provided between the off-axis parabolic mirror and the terahertz light detection element. However, since the thickness of the pellicle beam splitter is 2 μm, which is very thin with respect to the wavelength of the terahertz light, the terahertz light passes through the pellicle beam splitter and enters the terahertz light detection element.
一方、ペリクルビームスプリッターによりポンプ光と分離されたプローブ光は、回転NDフィルターでその強度を調整される。強度が調整されたプローブ光は、偏光板で完全な直線偏光にした後、光学ステージでポンプ光に対して時間遅延を与えてから、テラヘルツ光検出素子ＬＤに入射される。なお、プローブ光は、軸はずし放物面鏡とテラヘルツ光検出素子ＬＤとの間に位置するペリクルビームスプリッターで反射されてからテラヘルツ光検出素子ＬＤに入射する。 On the other hand, the intensity of the probe light separated from the pump light by the pellicle beam splitter is adjusted by the rotating ND filter. The probe light whose intensity has been adjusted is made to be completely linearly polarized light by a polarizing plate, and then a time delay is given to the pump light by an optical stage, and then incident on the terahertz light detection element LD. The probe light is reflected by a pellicle beam splitter positioned between the off-axis parabolic mirror and the terahertz light detection element LD, and then enters the terahertz light detection element LD.
テラヘルツ光検出素子ＬＤに入射されたプローブ光はテラヘルツ光検出素子ＬＤを通過し、λ/4板を通された後、ウォラストンプリズムで互いに直交する二つの偏光成分に分けられる。
そして、二つの偏光成分に分けられた光を、バランス検出器によってロックイン検出すれば、テラヘルツ光検出素子ＬＤが検出したテラヘルツ光の強度を検出することができる。
The probe light incident on the terahertz light detecting element LD passes through the terahertz light detecting element LD, passes through the λ / 4 plate, and is divided into two polarization components orthogonal to each other by the Wollaston prism.
If the light divided into the two polarization components is lock-in detected by the balance detector, the intensity of the terahertz light detected by the terahertz light detection element LD can be detected.
なお、プローブ光を時間遅延させれば、プローブ光がテラヘルツ光検出素子ＬＤに到達するタイミングをずらすことができ、異なるタイミングにおけるテラヘルツ光の強度を検出できるから、テラヘルツ光の時間波形を計測することができる。すると、テラヘルツ光の時間波形をフーリエ変換することにより周波数領域における振幅と位相情報の両方を一度に得ることができる。 If the probe light is delayed in time, the timing at which the probe light reaches the terahertz light detecting element LD can be shifted, and the intensity of the terahertz light at different timings can be detected, so that the time waveform of the terahertz light is measured. Can do. Then, both amplitude and phase information in the frequency domain can be obtained at a time by performing Fourier transform on the time waveform of the terahertz light.
また、バランス検出器において検出されるテラヘルツ光の検出精度を高くするために、プローブ光は、バランス検出器に入射する二つの光のパワーが0.1〜1mWとなるように、回転NDフィルターで調整されており、また、テラヘルツ光（信号光）とプローブ光の強度比が約1：2となるように、λ/4板で調整した。バランス検出器の特性上、このような条件にするとS/Nが良くTHz波を検出できる。 In addition, in order to increase the detection accuracy of terahertz light detected by the balance detector, the probe light is adjusted by a rotating ND filter so that the power of the two lights incident on the balance detector is 0.1 to 1 mW. In addition, adjustment was made with a λ / 4 plate so that the intensity ratio of terahertz light (signal light) to probe light was about 1: 2. Due to the characteristics of the balance detector, T / S waves can be detected with good S / N under such conditions.
以下に実験結果を示す。
図６（Ａ）に示すように、ZnTe結晶によって検出されたテラヘルツ光は、全体的に滑らかな山形となっている。ZnTe結晶内部の干渉効果により、こぶのように強度の強い部分も存在するが、近接する周波数の強度と比べてもそれほど大きなさは見られない。
一方、本発明のテラヘルツ光検出素子では、共振モードにおいてその強度が大きく立ち上がっており、逆に、共振モードの周辺の周波数の強度が非常に小さくなっていることが確認できる。
The experimental results are shown below.
As shown in FIG. 6A, the terahertz light detected by the ZnTe crystal has a generally smooth mountain shape. Due to the interference effect inside the ZnTe crystal, there is a strong part like a hump, but it is not so large compared to the intensity of the adjacent frequency.
On the other hand, in the terahertz light detecting element of the present invention, the strength rises greatly in the resonance mode, and conversely, it can be confirmed that the strength of the frequency around the resonance mode is very small.
また、図６（Ｂ）に示すように、本発明のテラヘルツ光検出素子によって検出された強度と、ZnTe結晶によって検出されたテラヘルツ光強度の比を取ると、本発明のテラヘルツ光検出素子では、0.67THz付近において、ZnTe結晶の2.5倍以上の強度でテラヘルツ光を検出できている。一方、0.67THzから少し離れた周波数では、１／１０程度まで強度が低下している。その他の共振モードの周波数でも、同様の傾向が見られる。 Further, as shown in FIG. 6B, when the ratio of the intensity detected by the terahertz light detecting element of the present invention and the terahertz light intensity detected by the ZnTe crystal is taken, in the terahertz light detecting element of the present invention, Near 0.67 THz, terahertz light can be detected with an intensity 2.5 times higher than that of ZnTe crystals. On the other hand, at a frequency slightly apart from 0.67 THz, the intensity decreases to about 1/10. The same tendency is also observed at other resonance mode frequencies.
以上の結果より、本発明のテラヘルツ光検出素子を用いれば、共振モードのテラヘルツ光を選択的に高感度で検出できることが確認できる。 From the above results, it can be confirmed that terahertz light in a resonance mode can be selectively detected with high sensitivity by using the terahertz light detecting element of the present invention.
図５の実験装置において、テラヘルツ光検出素子ＬＤとしてZnTe結晶を用い、テラヘルツ光源ＬＳとして、本発明のテラヘルツ光検出素子と同等のテラヘルツ光源（以下、フォトニック結晶光源という）を使用した場合と、ZnTe結晶を使用した場合とにおいて、テラヘルツ光検出素子ＬＤによって検出される発光強度を比較した。 In the experimental apparatus of FIG. 5, a ZnTe crystal is used as the terahertz light detection element LD, and a terahertz light source (hereinafter referred to as a photonic crystal light source) equivalent to the terahertz light detection element of the present invention is used as the terahertz light source LS. The light emission intensity detected by the terahertz light detection element LD was compared with the case where a ZnTe crystal was used.
図７（Ａ）に示すように、テラヘルツ光源ＬＳをZnTe結晶とした場合、検出されるテラヘルツ光は全体的に滑らから山形となっている。ZnTe結晶内部の干渉効果により、こぶのように強度の強い部分も存在するが、近接する周波数の強度と比べてもそれほど大きな差は見られない。
一方、テラヘルツ光源ＬＳをフォトニック結晶光源とした場合には、検出されるテラヘルツ光は、共振モードにおいてその強度が鋭くかつ大きく立ち上がっており、逆に、共振モード周辺の周波数では強度が非常に小さくなっていることが確認できる。
As shown in FIG. 7A, when the terahertz light source LS is a ZnTe crystal, the detected terahertz light has a smooth and mountain shape as a whole. Due to the interference effect inside the ZnTe crystal, there is a strong part like a hump, but there is no significant difference compared to the intensity of the adjacent frequency.
On the other hand, when the terahertz light source LS is a photonic crystal light source, the detected terahertz light has a sharp and large intensity in the resonance mode, and conversely, the intensity is very small at frequencies around the resonance mode. It can be confirmed that
また、図７（Ｂ）に示すように、両強度の比を取ると、フォトニック結晶光源は、ZnTe結晶の場合と比べて、0.67THz付近において2.5倍以上の強度のテラヘルツ光が検出されている。一方、0.67THzから少し離れた周波数では、フォトニック結晶光源は、ZnTe結晶の場合と比べて、１／１０程度の強度のテラヘルツ光しか検出されない。そして、その他の共振モードの周波数でも、同様の傾向が見られる。 Further, as shown in FIG. 7B, when the ratio of both intensities is taken, the photonic crystal light source detects terahertz light that is 2.5 times or more in the vicinity of 0.67 THz as compared with the case of the ZnTe crystal. Yes. On the other hand, at a frequency slightly apart from 0.67 THz, the photonic crystal light source detects only terahertz light having an intensity of about 1/10 compared to the case of ZnTe crystal. And the same tendency is seen also in the frequency of other resonance modes.
以上の結果より、テラヘルツ光源ＬＳとして、フォトニック結晶光源を用いれば、共振モードのテラヘルツ光を選択的強く発生させることが確認できる。 From the above results, it can be confirmed that if a photonic crystal light source is used as the terahertz light source LS, resonance mode terahertz light is selectively and strongly generated.
そして、図５の実験装置において、テラヘルツ光検出素子ＬＤに本発明のテラヘルツ光検出素子を用い、かつ、テラヘルツ光源ＬＳにフォトニック結晶光源を用いた場合に検出されるテラヘルツ光の強度を、上記実施例１、２の結果を用いて推定すると、両方にZnTe結晶を用いる場合に比べて、最大１０倍程度、検出感度を向上できると推測される（図８）。 In the experimental apparatus of FIG. 5, the intensity of the terahertz light detected when the terahertz light detecting element of the present invention is used for the terahertz light detecting element LD and the photonic crystal light source is used for the terahertz light source LS When estimated using the results of Examples 1 and 2, it is estimated that the detection sensitivity can be improved up to about 10 times as compared with the case where ZnTe crystal is used for both (FIG. 8).
本発明のテラヘルツ光検出素子は、生産現場や医療機器やセキュリティ設備等において、テラヘルツ光を検査用光源とした場合における検出素子に適している。 The terahertz light detection element of the present invention is suitable as a detection element when terahertz light is used as an inspection light source in production sites, medical equipment, security facilities, and the like.
１ 光学設備
２ テラヘルツ光源
３ 受光手段
１０ テラヘルツ光検出素子
１２ 欠陥部
１３ ミラー部
２０ 検出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical equipment 2 Terahertz light source 3 Light-receiving means 10 Terahertz light detection element 12 Defect part 13 Mirror part 20 Detection part
Claims (5)
該１次元フォトニック結晶は、
テラヘルツ光が入射されると電気光学効果が生じる部材によって形成された欠陥部と、
該欠陥部を挟む一対のミラー部と、を備えており、
該一対のミラー部は、
入射された前記テラヘルツ光に含まれる特定の波長の被検出テラヘルツ光を、前記欠陥部内で共振させ得る構造に形成されている
ことを特徴とするテラヘルツ光検出素子。 It is formed from a one-dimensional photonic crystal formed by alternately arranging layers having different refractive indexes,
The one-dimensional photonic crystal is
A defect formed by a member that generates an electro-optic effect when terahertz light is incident;
Includes a pair of mirror portions sandwiching the defective portion,
The pair of mirror parts is
A terahertz light detecting element, wherein the terahertz light detecting element is formed in a structure capable of resonating detected terahertz light having a specific wavelength included in the incident terahertz light in the defect portion.
ことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ光検出素子。 The terahertz light detection element according to claim 1, wherein the defect portion is made of ZnTe.
その軸方向に沿って空気層と固体層とが交互に配設されたものである
ことを特徴とする請求項１または２記載のテラヘルツ光検出素子。 The pair of mirror parts is
3. The terahertz light detecting element according to claim 1, wherein air layers and solid layers are alternately arranged along the axial direction.
テラヘルツ光を出力し得るテラヘルツ光源と、
該テラヘルツ光源が出力したテラヘルツ光を受光する受光手段と、を備えており、
該受光手段は、
請求項１、２または３記載のテラヘルツ光検出素子と、
該テラヘルツ光検出素子における前記欠陥部の複屈折性の変化を検出する検出部と、を備えている
ことを特徴とする光学設備。 An optical facility for inspecting an object based on transmitted light transmitted through the object by irradiating the object with terahertz light,
A terahertz light source capable of outputting terahertz light;
Includes a light receiving means for receiving terahertz light which the terahertz light source is output,
The light receiving means
The terahertz light detection element according to claim 1, 2, or 3,
Optical equipment, characterized by comprising a detection unit for detecting a birefringent change in the defect portion in the terahertz wave detecting element.
１次元フォトニック結晶からなる発光素子を備えており、
該テラヘルツ光源の発光素子は、
前記受光手段のテラヘルツ光検出素子が同じ共振周波数を有するものである
ことを特徴とする請求項４記載の光学設備。
The terahertz light source is
It has a light-emitting element made of one-dimensional photonic crystal,
The light emitting element of the terahertz light source is
5. The optical equipment according to claim 4, wherein the terahertz light detecting elements of the light receiving means have the same resonance frequency.
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