JP6771771B2 - 測定用デバイス、及びそれを用いた測定装置 - Google Patents
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Description
図1は、実施形態1に係る測定装置1の構成を示す図である。本実施形態において、測定装置1は、テラヘルツ時間領域分光装置である。図1に示すように、測定装置1は、パルスレーザー発生源2と、λ/2板3と、偏光ビームスプリッタ4と、音響光学素子(Acoustic Optic Modulator;AOM)6と、測定用デバイス10と、一対の軸外し放物面ミラー11、12と、Siレンズ13と、検出器14と、遅延ステージ17と、第2高調波発生素子21と、集光レンズ5、7、9、20、22と、反射ミラー8、15、16、18、19と、遅延ステージ駆動機構23と、演算装置24とを備える。
続いて、実施形態2に係る測定装置1について説明する。但し、実施形態1と異なる事項を主に説明し、実施形態1と重複する説明は適宜割愛する。実施形態2に係る測定装置1は、実施形態1と異なり、液体試料に含まれる成分を電気泳動させることができる。
続いて、実施形態3に係る測定装置1について説明する。但し、実施形態1及び実施形態2と異なる事項を主に説明し、実施形態1及び実施形態2と重複する説明は適宜割愛する。実施形態3に係る測定装置1は、実施形態1と異なり、ポンプ光が走査される。
図17(a)は実施例1に係るメタマテリアル35の構成を示す平面図であり、図17(b)は実施例2に係るメタマテリアル35の構成を示す平面図であり、図17(c)は実施例3に係るメタマテリアル35の構成を示す平面図である。
図22(a)は実施例4の測定結果を示すグラフであり、図22(b)は図22(a)のグラフの一部を拡大して示す図である。実施例4では、図2を参照して説明した構成を有する測定用デバイス10を用いて、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。メタマテリアル35は、GaAs<110>基板上に直接金スパッタにより作製した。分割リング共振器36の周期には、100μmを採用した。作製した各分割リング共振器36は、縦幅及び横幅がいずれも84μmの正方形の外形を有し、一つの辺に、ギャップ幅10μmのギャップ部37を含む。また、測定対象注入流路32は、光リソグラフィー法によってGaAs基板31の表面に形成した。測定対象注入流路32の幅は20μmであり、測定対象注入流路32の深さは20μmであった。測定装置には、実施例1〜3と同じ測定装置を用いた。また、中心の分割リング共振器36のギャップ部37a及びギャップ部37cの一方にテラヘルツ波Tが照射されるように、ポンプ光をGaAs基板31に集光した。更に、実施例4では、液体試料の乾燥を防止するために、測定対象注入流路32の上方(メタマテリアル35上)に厚さ500μmの石英カバーを配置して、測定対象注入流路32を石英カバーで覆った。また、条件を合わせるために、測定対象注入流路32に液体試料を注入していない状態で測定を行う際にも、測定対象注入流路32を石英カバーで覆った。
図23は、実施例5に係るデバイスの構成を示す平面図である。実施例5に係るデバイスは、図6(a)及び図6(b)を参照して説明した測定用デバイス10と同様に、GaAs基板31の上方にメタマテリアル配置用デバイス39が配置された構成を有する。メタマテリアル配置用デバイス39は、高抵抗シリコン基板上に1個の分割リング共振器36(メタマテリアル)を形成することにより作製した。分割リング共振器36は、金スパッタにより作製した。作製した分割リング共振器36は、縦幅及び横幅がいずれも84μmの正方形の外形を有している。また、作製した分割リング共振器36は、対向する2つの辺に、ギャップ幅10μmのギャップ部37を含む。
図25は、実施例6に係る測定用デバイス10を示す平面図である。実施例6では、図25に示す測定用デバイス10を用いて、ミネラル水及び蒸留水(純水)を測定した。具体的には、測定対象注入流路32にミネラル水を注入して、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。また、測定対象注入流路32に蒸留水を注入して、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。実施例6では、更に、測定対象注入流路32に液体試料を注入していない状態で、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。
図35は、実施例7に係るメタマテリアル35の構成を示す平面図である。実施例7では、GaAs<110>基板上に直接金スパッタにより図35に示す構造を有するメタマテリアル35を形成したデバイスを用いて、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。即ち、実施例7では、121個の分割リング共振器36(11×11個の分割リング共振器36)を、縦横方向に周期的に配列させた。分割リング共振器36の周期は、120μmを採用した。各分割リング共振器36は、縦幅及び横幅がいずれも84μmの正方形の外形を有し、一つの辺に、ギャップ幅10μmのギャップ部37を含む。
図37は実施例8の測定結果を示すグラフである。図37において、縦軸は透過率を示し、横軸は周波数[THz]を示す。具体的には、実線のグラフが、実施例8の測定結果を示す。実施例8では、図25を参照して説明した構成を有する測定用デバイス10を用いて、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。測定装置には、実施例1〜7と同じ測定装置を用いた。測定時には、中心の分割リング共振器36にテラヘルツ波Tが照射されるように、ポンプ光をGaAs基板31に集光した。詳しくは、照射対象の分割リング共振器36の中心部分にテラヘルツ波Tが照射されるように、ポンプ光をGaAs基板31に集光した。
図38は、実施例9に係る測定用デバイス10を示す平面図である。図38に示すように、実施例9に係る測定用デバイス10は、GaAs基板31とメタマテリアル35とを備える。実施例9において、GaAs基板31はGaAs<110>基板であり、GaAs基板31に、図9を参照して説明した測定用デバイス10と同様に、Y字状の測定対象注入流路32と、2つの第1ポート33と、1つの第2ポート34とが形成されている。測定対象注入流路32は、幅26.5μm、深さ10μmのマイクロ流路である。メタマテリアル35は、実施例6のメタマテリアル35と同じ構成であり、測定対象注入流路32の第3流路323が、メタマテリアル35の中央に配列されている11個の分割リング共振器36に含まれるギャップ部37の下方を通過している。
10 測定用デバイス
31 GaAs基板
32 測定対象注入流路
32a 測定対象注入穴
35 メタマテリアル
35a メタマテリアル
35b メタマテリアル
35c メタマテリアル
36 分割リング共振器
37 ギャップ部
37a ギャップ部
37b ギャップ部
37c ギャップ部
T テラヘルツ波
Claims (15)
- テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生素子と、
前記テラヘルツ波が照射される測定対象注入流路又は有底の測定対象注入穴を含む測定対象注入部と、
前記テラヘルツ波を共振させる分割リング共振器を1つ又は複数有するメタマテリアルと
を備え、
前記分割リング共振器のうちの少なくとも1つは、前記測定対象注入流路の少なくとも一部、又は前記測定対象注入穴の少なくとも一部と対向するギャップ部を含み、
前記分割リング共振器のうちの前記少なくとも1つは、前記ギャップ部を含む測定対象対向部分と、前記測定対象注入流路および前記測定対象注入穴とは対向しない測定対象非対向部分とを有し、
前記測定対象注入部、及び前記ギャップ部又は前記ギャップ部付近を透過した後の前記テラヘルツ波の周波数スペクトルを、前記測定対象注入部に測定対象が注入されているか否かに応じて変化させる、測定用デバイス。 - 前記メタマテリアルは、前記テラヘルツ波発生素子上に形成されている、請求項1に記載の測定用デバイス。
- 前記測定対象注入部は、前記テラヘルツ波発生素子に形成されており、
前記メタマテリアルと前記測定対象注入部との間の距離は50μm以下である、請求項1又は請求項2に記載の測定用デバイス。 - 前記測定対象注入部が形成された測定対象配置用デバイスを更に備え、
前記メタマテリアルと前記測定対象配置用デバイスの前記測定対象注入部との間の距離は50μm以下である、請求項1又は請求項2に記載の測定用デバイス。 - 前記テラヘルツ波発生素子は、非線形光学効果によって前記テラヘルツ波を発生し、
前記分割リング共振器は、矩形状の外形を有し、
前記メタマテリアルの向きが、前記テラヘルツ波の電場及び磁場の向きに前記分割リング共振器の各辺が揃う向きから傾いている、請求項1から請求項4のうちのいずれか1項に記載の測定用デバイス。 - 前記測定対象注入部は、前記測定対象注入流路を含み、
前記測定対象注入流路は、溝からなり、
前記測定用デバイスは、前記溝を覆うカバー部を更に備える、請求項1から請求項5のうちのいずれか1項に記載の測定用デバイス。 - 前記カバー部は、前記溝に連通する排出路を含み、
前記排出路は、前記溝に注入された前記測定対象を排出する、請求項6に記載の測定用デバイス。 - 前記測定対象注入部は、前記測定対象注入流路を含み、
前記測定対象注入流路は、2つ以上に分岐する、請求項1から請求項7のうちのいずれか1項に記載の測定用デバイス。 - 複数の前記メタマテリアルと、
前記複数のメタマテリアルの各々に対して設けられた前記測定対象注入部と
を備え、
前記測定対象注入部は、それぞれ、前記測定対象注入流路又は前記測定対象注入穴を含む、請求項1から請求項8のうちのいずれか1項に記載の測定用デバイス。 - 前記複数のメタマテリアル間で、前記分割リング共振器の形状及び/又は寸法が異なる、請求項9に記載の測定用デバイス。
- 前記測定対象注入部の各々は、前記測定対象注入流路を含み、
前記測定用デバイスは、
前記測定対象注入流路のそれぞれの一方の端が接続する第1共通ポートと、
前記測定対象注入流路のそれぞれの他方の端が接続する第2共通ポートと
を更に備える、請求項9又は請求項10に記載の測定用デバイス。 - 請求項1から請求項8のうちのいずれか1項に記載の測定用デバイスと、
パルスレーザーを発生するパルスレーザー発生源と、
前記パルスレーザーを前記テラヘルツ波発生素子へ導き、前記テラヘルツ波発生素子に前記パルスレーザーを集光して、前記測定対象注入部、及び前記ギャップ部又は前記ギャップ部付近を前記テラヘルツ波が透過するように、前記テラヘルツ波発生素子から局所的に前記テラヘルツ波を発生させる光学系と、
前記測定対象注入部、及び前記ギャップ部又は前記ギャップ部付近を透過した後の前記テラヘルツ波を検出する検出器と
を備える、測定装置。 - 前記測定対象注入部は、前記測定対象注入流路を含み、
前記測定装置は、前記測定対象注入流路の両端間に電圧を印加する電源部を更に備える、請求項12に記載の測定装置。 - 請求項9から請求項11のうちのいずれか1項に記載の測定用デバイスと、
パルスレーザーを発生するパルスレーザー発生源と、
前記パルスレーザーを前記テラヘルツ波発生素子へ導き、前記テラヘルツ波発生素子に前記パルスレーザーを集光して、前記測定対象注入部の各々と、前記測定対象注入部の各々に対応する前記ギャップ部又はそのギャップ部付近とを前記テラヘルツ波が透過するように、前記テラヘルツ波発生素子から局所的に前記テラヘルツ波を発生させる光学系と、
前記測定対象注入部の各々と、前記測定対象注入部の各々に対応する前記ギャップ部又は前記ギャップ部付近とを透過した後の前記テラヘルツ波をそれぞれ検出する検出器と
を備え、
前記光学系は、前記テラヘルツ波発生素子に対して前記パルスレーザーを走査する走査機構を含み、
前記走査機構は、前記複数のメタマテリアルの各々に対して前記パルスレーザーが局所的に集光するように動作する、測定装置。 - 前記測定対象注入部の各々は、前記測定対象注入流路を含み、
前記測定装置は、前記測定対象注入流路のそれぞれの両端間に電圧を印加する電源部を更に備える、請求項14に記載の測定装置。
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