JP6361908B2 - 電磁波検出器及び電磁波検出方法 - Google Patents
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Description
また、シリコンレンズのような光学レンズによる集光効果には限界があり、例えばシリコンレンズでは波長の半分程度が限界であると言われている。そのため、検出効果をさらに向上させるために、アンテナの感度を高めたり、レーザー発振器の種類を代えたり出力を高めたりするなどの工夫がなされているが、装置が大型化したりコスト高になったりするなどの問題がある。
本発明はこのような問題を解決するためになされたものである。
シリコンレンズを他の導波部材に置き換える場合、どのようにして電磁波を効率良く基板(図9の符号41参照)の反対側に位置するアンテナ(同符号42b参照)に集光させるか及び基板からの反射をいかにして抑制するかが大きな課題となる。
ところで、テラヘルツ光等の電磁波の増強には、金属との表面プラズモン共鳴を利用したものが知られており、内面が金属で形成されたV溝に電磁波を導入し、その頂部に集光させることで電磁波を増強できることが知られている(例えば非特許文献1,2参照)。
を基板に密着させ、前記V溝に電磁波を導入することで、シリコンレンズよりも高い電磁
波の集光効果を確認することができた。出口の幅は電磁波の波長よりも小さくすればよい
こともわかった。
具体的に本願発明の電磁波検出器は、導波部材に電磁波を入射し、この導波部材によって基板に設けられた電磁波検出部に電磁波を集光させて電磁波の検出を行う電磁波検出器において、前記導波部材が、本体と、この本体に形成され少なくとも表面が電磁波を伝搬して前記電磁波との間で表面プラズモン結合を生じさせる金属で形成されたV溝と、このV溝の頂部に形成され前記電磁波の波長以下の幅寸法を有する出口とを備え、前記本体は、前記出口で前記金属を前記基板に接触させた状態で前記基板い密接させて設けられ、前記出口から出射される電磁波の電場の振動方向を前記電磁波検出部によって検出できる電磁波の電場の振動方向に一致させた構成としてある。前記V溝による集光率は、前記V溝の頂部の角度、前記V溝に入射される電磁波の集光位置、焦点距離及び前記出口の幅の組み合わせにより調整することが可能である。
前記V溝による集光率は、前記V溝の頂部の角度、前記V溝に入射される電磁波の集光
位置、焦点距離及び前記出口の幅の組み合わせにより調整が可能である。
図1に、本発明の電磁波検出器及び電磁波検出方法に用いられる導波部材の一実施形態を概略平面図で示す。
この実施形態において電磁波を集光させて基板に導入する導波部材は、図1に示すように、ブロック状の本体1とこの本体1に形成されたV形の溝(以下、「V溝」と記載する)2とを有する。
表面プラズモン結合を生じさせるものであれば、金属の種類は特に問わないが、金(Au)や銀(Ag)を好適に用いることができる。アルミニウムや鉄などで形成された金属製の本体1にV溝2を形成し、V溝2の表面に金(Au)や銀(Ag)等の金属をメッキ又は蒸着等してもよいし、樹脂やセラミック等の非金属材料の本体1にV溝2を形成し、V溝2の内面に金(Au)や銀(Ag)等の金属層を形成してもよい。本体1を金(Au)や銀(Ag)等で形成してV溝2を形成するようにしてもよい。
上記構成の導波部材は、図1に示すように、V溝2の出口から射出されるTHz光の電場の振動方向が導電膜42,42によって構成されるダイポールアンテナやボウタイアンテナの電場の受信方向と一致するように、本体1のV溝2頂部側(出口側)を基板41に密着させた状態で取り付けられる。
(a) シリコンレンズ: 1249pA(=727.8pA+|-521.1pA|)
(b) V溝θ=18°:1034pA(=497.6pA+|-536.3pA|)
(c) V溝θ=36°:147.0pA(=74.40pA+|-72.60pA|)
(d) 非装着: 91.4pA(=44.1pA+|-47.3pA|)
という結果を得た。
このグラフから、V溝2によってシリコンレンズとほぼ同等の集光効果が得られることがわかる。また、V溝2の角度θが集光効果に影響を与えることがわかる。
なお、図3の導波部材には、本体1のV溝2の頂部側に、出口の幅Dと同一幅の平行部21を設けている。この平行部21は、切削加工や研磨加工等によって、精密かつ微細な幅寸法の出口を有する導波部材(本体1)を金属ブロックから削成する際などに必要とされるものである。図3の装置の例では、平行部21の長さは5mmとしてある。
楕円ミラー36は本体1に対して軸線方向(電磁波の進行方向C、図9参照)に進退移動自在で、楕円ミラー36の中心からV溝2の頂部までの距離Lを軸線方向に調整できるようになっている。
図3の実験装置を使って行った実験結果を以下に示す。
I= 130mA, T=25.0℃, R3(eff) = 5.00%, L1=20cm, L2=30cm(図8参照), Roundtrip Frequency = 300MHz、バイアス電圧:正弦波 Vp-p = 100V(40kHz),レーザー光の周波数(42.2GHzの整数倍)、 出口の幅D: 72μm, 楕円ミラーの焦点距離=15cm、THz光のビーム集束角=18.6°、V溝2の頂部の角度θ=18°、基板の肉厚:0.4mmの条件で、楕円ミラー36を本体1に対して進退移動させて集光位置Fを+5mm〜−95mmまで変化させ、集光位置ごとにTHz時間波形を計測した。なお、集光位置Fは、V溝2の頂部を基点(0)として、楕円ミラー36に向かう方向を「+」、楕円ミラー36から遠ざかる方向を「−」とした。その結果を図4,図5及び以下の表に示す。
図4は、集光位置Fを+5mm〜−95mmまで変化させたときのTHz光の時間波形、図5は、集光位置Fとアンテナからの出力信号のピーク値との関係を示すシリコンレンズとの比較グラフ、以下の表1は集光位置Fとアンテナからの出力信号のピーク値との関係を示すシリコンレンズとの比較表である。
次に、実施例1と同じ条件で、焦点距離が10cmの楕円ミラー36を用いて同様の実験を行った。本体1に対して楕円ミラー36を軸線方向に進退移動させて集光位置Fを+5mm〜−45mmまで変化させ、THz時間波形を計測した。
図6は、集光位置Fを+5mm〜−45mmまで変化させたときのTHz光の時間波形、図7は、集光位置Fとアンテナからの出力信号のピーク値との関係を示すシリコンレンズとの比較グラフ、以下の表2は集光位置Fとアンテナからの出力信号のピーク値との関係を示すシリコンレンズとの比較表である。
上記の実施例1,2から、本発明の電磁波検出器において導波部材は、V溝2の頂部の角度θ及び集光位置Fとによって集光効率が大きく変化するが、実験等によって最適の角度θ及び集光位置Fを選択すれば、シリコンレンズの少なくとも2倍以上の集光効率を得られることがわかる。
図8の電磁波検出器では、全長H(図1参照)=35mmのアルミ製の本体1を有する導波部材を用いた。また、THz光発生用励起光源としてフェムト秒レーザー装置を用いた。
レーザー装置3から照射されたレーザー光は、ビームスプリッター31によって直進方向と90度に屈曲する方向に分割され、直進方向のポンプ光はミラー32a,ビームスプリッター32b,ミラー32c,レンズ33を経てダイポール型光伝導アンテナ34に入射されTHz光として出力される。このTHz光は、対向配置された一対の楕円ミラー35,36を経て本体1のV溝2へ導入されて検出側ダイポール型光伝導アンテナ4に入射される。
一方、ビームスプリッター32bで分割されたレーザー光のうち直進方向のレーザー光は、遅延ステージ38のミラー38a,38bを経た後、ミラー38c,38d及びレンズ39を経てダイポール型光伝導アンテナ4に入射される。入射されたTHz光はロックインアンプで増幅された後、PCによって検出される。
2 V溝
21 平行部
3 レーザー装置
4 アンテナ
41 基板
41a 光伝導膜
42 導電膜
42a 凸部
42b 間隙
43 シリコンレンズ
D 出口の幅寸法
F 集光位置
L 楕円ミラーの中心と本体との距離
Claims (4)
- 導波部材に電磁波を入射し、この導波部材によって基板に設けられた電磁波検出部に電磁波を集光させて電磁波の検出を行う電磁波検出器において、
前記導波部材が、本体と、この本体に形成され少なくとも表面が電磁波を伝搬して前記電磁波との間で表面プラズモン結合を生じさせる金属で形成されたV溝と、このV溝の頂部に形成され前記電磁波の波長以下の幅寸法を有する出口とを備え、
前記本体は、前記出口で前記金属を前記基板に接触させた状態で前記基板に密接させて設けられ、
前記出口から出射される電磁波の電場の振動方向を前記電磁波検出部によって検出できる電磁波の電場の振動方向に一致させたこと、
を特徴とする電磁波検出器。 - 前記V溝による集光率を、前記V溝の頂部の角度、前記V溝に入射される電磁波の集光位置、焦点距離及び前記出口の幅の組み合わせにより調整したことを特徴とする請求項1に記載の電磁波検出器。
- 電磁波発生手段から照射された電磁波を基板に設けられた電磁波検出部に集光させて検出を行う電磁波検出方法において、
表面が電磁波を伝搬して前記電磁波との間で表面プラズモン結合を生じさせる金属で形成されたV溝と、このV溝の頂部に形成され前記電磁波の波長以下の幅寸法を有する出口とを有する導波部材を準備し、
前記導波部材の前記出口で前記金属を前記基板に密接させ、
前記電磁波発生手段から照射された電磁波を前記V溝に入射させ、
前記出口から出射される電磁波の電場の振動方向を前記電磁波検出部によって検出できる電磁波の電場の振動方向に一致させたこと、
を特徴とする電磁波検出方法。 - 前記V溝による集光率を、前記V溝の頂部の角度、前記V溝に入射される電磁波の集光位置、焦点距離及び前記出口の幅の組み合わせにより調整したことを特徴とする請求項3に記載の電磁波検出方法。
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