JPWO2012124829A1 - 電磁波放射素子およびその製造方法 - Google Patents
電磁波放射素子およびその製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2012124829A1 JPWO2012124829A1 JP2013504794A JP2013504794A JPWO2012124829A1 JP WO2012124829 A1 JPWO2012124829 A1 JP WO2012124829A1 JP 2013504794 A JP2013504794 A JP 2013504794A JP 2013504794 A JP2013504794 A JP 2013504794A JP WO2012124829 A1 JPWO2012124829 A1 JP WO2012124829A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- wave
- main body
- crystal
- thz
- sub
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
- G02F1/3534—Three-wave interaction, e.g. sum-difference frequency generation
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F2201/00—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00
- G02F2201/30—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 grating
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F2203/00—Function characteristic
- G02F2203/13—Function characteristic involving THZ radiation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
電磁波放射素子は、０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの範囲内にある目的周波数の電磁波を結晶の外部へと放射する。本素子は、非線形光学結晶からなる本体７と、この本体７の表面に形成されたサブ波長格子構造５とを備える。サブ波長格子構造５が、本体７の表面７ａに規則的に配列された柱状体６からなる。各柱状体６が、一定幅を有する定幅部６ｄと、表面から定幅部６ｄへと向かって設けられている基部６ｇとを備える。基部６ｇの表面６ｂが、柱状体の配列方向Ｘ、Ｙに切った横断面で見たときに、基部６外に曲率中心を有する弧状をなしている。
Description
本発明は、いわゆるテラヘルツ波の放射素子およびその製造方法に関するものである。
テラヘルツ波は、一般的に０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚまでの周波数の電磁波であり、物性、電子分光、生命科学、化学、薬品科学の基礎分野から大気環境計測、セキュリティ、材料検査、食品検査、通信などの応用分野への展開が期待されている。
テラヘルツ波発生素子として、これまで数１００ＧＨｚ帯では後進波管（Ｂａｃｋｗａｒｄ ｗａｖｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：ＢＷＯ）、フォトミキシシング、１ＴＨｚ以上で自由電子レーザ、ｐ−Ｇｅレーザ、量子カスケードレーザ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃａｓｃａｄｅ Ｌａｓｅｒ：ＱＣＬ）などが開発されているが、小型化、高出力化に課題があった。
一方、最近ではフェムト秒レーザを光源とした光スイッチあるいは光整流により広帯域のテラヘルツ波を発生し、時間領域分光（ＴＤＳ：Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）などに応用されている。
これに対して、ＬｉＮｂＯ３などの非線形光学結晶を用いたテラヘルツ波発生は、擬似位相整合（Ｑｕａｓｉ Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ：ＱＰＭ）を利用した方法とフォノンポラリトンを利用した方法があり、時間的、空間的コヒーレントの高い発生源として応用が期待されている。
さらに、上記のフェムト秒光パルスを用いた光電流による広帯域テラヘルツ発生も可能であり、適用範囲が広い発生方式となっている。
特許文献１（特開平９−１４６１３１）には、ｙ板、あるいはｚ板ＬｉＮｂＯ３基板を使用したテラヘルツ波発振素子が記載されている。すなわち、光源からポンプ波を基板に照射すると共に、別の光源からアイドラー波を基板に照射する。ポンプ波（周波数ω１）とアイドラー波（周波数ω２）、およびポラリトン（テラヘルツ波：周波数ωＴ）の間にエネルギー保存則（ω１＝ω２＋ωＴ）および運動量保存則（ノンコリニア位相整合条件：ｋ１＝ｋ２＋ｋｔｈ）が成立し、ポラリトン誘導散乱が観測される。この場合、分散特性のために、ポンプ波の光軸からの角度α、θに応じて、アイドラー波およびテラヘルツ波の周波数が定まる。
本法では、典型的には、ポンプ波３の波動ベクトルｋ１とアイドラー波動ベクトルｋ２との角度αが０．５°〜１°のときに位相整合条件が満足され、高効率なテラヘルツ波７（波長１００μｍ〜３００μｍ：周波数３ＴＨｚ〜１ＴＨｚ）が発生する。また、テラヘルツ波は、アイドラー波に対して６５°〜６６°で発生するとしている。ｙ板を用いる場合には、結晶方位が異なる関係でポンプ波とアイドラー波は基板の垂直平面上で角度αで伝搬し、ポンプ波に対してθとなる角度でテラヘルツ波が発生する。
しかし、（１）結晶のサブミリ波（テラヘルツ波）に対する屈折率値は５．２と大きく、空気との間に全反射が生じるので、ｙ板、ｚ板ＬｉＮｂＯ３基板のいずれの場合も、そのままでは空気中に取り出すことができない。（２）結晶中は光損失が大きく、テラヘルツ波の伝搬距離が３ｍｍとすると、０．１％程度に減衰する。これに対して、特許文献１（特開平９−１４６１３１）では、基板の側面にグレーティングを設けて、高効率に空気中に出射させることを試みている。
特許文献２（特開２００２−７２２６９）では、単一周波数の励起光源（レーザ）を照射し、かつ単一周波数のアイドラー波で光注入することによって、スペクトル線幅の狭線化が可能でかつ高出力のテラヘルツ波発生方法が開示されている。しかし、テラヘルツ波の取り出しにはシリコンプリズムを使用している。
また、本出願人は、特許文献３（特願２００９−１８５７６８）において、厚さ２０μｍ以下の基板においてテラヘルツ波がカットオフとなることから、高効率に空気中に放射することを開示した。
フェムト秒光パルスによる光整流では、フェムト秒光パルス自体が持つ広いスペクトルの中の二つの周波数成分の差周波発生によりテラヘルツ波が発生する。このとき、入射光のスペクトルの中から様々な差周波が同時に発生するので、結果として、テラヘルツ波のスペクトルはフェムト秒光パルスのパルス時間幅の逆数程度の周波数幅を持った広帯域のものになる。
フェムト秒光パルスを利用したテラヘルツ波発生は、基本的には上記のようにパラメトリック的な過程と同じであるが、非特許文献４（「パルス面傾斜法による高強度テラヘルツパルス発生」レーザー研究３７（５），３４５−３４９（２００９））記載のように、最近、光パルス面を傾斜させることにより高強度でかつ平面波的なテラヘルツ波発生が可能になり、イメージング用途での応用が期待されている。
以上述べてきたように、従来の素子では、テラヘルツ波がパラメトリック発振しても、その大部分は結晶内部で吸収されてしまう。しかも、結晶の屈折率が空気の屈折率に比べて著しく高いため、結晶表面にプリズムやグレーティングを取り付けないと、テラヘルツ波を外部へと取り出すことができない。従って、素子から発振させ得るテラヘルツ波の強度が低くて実用に適さない上、プリズムやクレーティングを結晶表面に取り付ける工程が必要である。また、厳密にはプリズムやグレーティングによる伝搬損失や反射損失が発生してしまう。
一方、可視光や赤外光においては、光学部品の表面に光の波長よりも小さな間隔を置いて規則的な３次元構造を微細加工することにより、光学部品の表面に反射防止機能を与える試みがなされている（特許文献４、５、６、７：非特許文献１、２、３）。
特開平９−１４６１３１
特開２００２−７２２６９
特願２００９−１８５７６８
特開２００２−２８７３７０号公報）
特表２００４−５２１３２９号公報
特開２００３−１７７２１０号公報
特開２０１０−２０１２０号公報
「ＯＰＴＩＣＳ Ｌ ＥＴＴＥＲＳ，」Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．２０，Ｏｃｔｏｂｅｒ １５，ｐ１４２２（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ）
「ＫＯＮＩＣＡ ＭＩＮＯＬＴＡ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＲＥＰＯＲＴ」Ｖｏｌ．２（２００５）９７〜１００頁「ナノインプリント技術を利用したサブ波長構造広帯域波長板の製作」
「Ｓｙｎｔｈｅｓｉｏｌｏｇｙ」Ｖｏｌ．１，Ｎｏ．１（２００８）２４〜３０頁「高機能光学素子の低コスト製造へのチャレンジ―ガラスインプリント法によるサブ波長周期構造の実現」
「パルス面傾斜法による高強度テラヘルツパルス発生」レーザー研究３７（５），３４５−３４９（２００９）．
テラヘルツ波発生素子として、これまで数１００ＧＨｚ帯では後進波管（Ｂａｃｋｗａｒｄ ｗａｖｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：ＢＷＯ）、フォトミキシシング、１ＴＨｚ以上で自由電子レーザ、ｐ−Ｇｅレーザ、量子カスケードレーザ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃａｓｃａｄｅ Ｌａｓｅｒ：ＱＣＬ）などが開発されているが、小型化、高出力化に課題があった。
一方、最近ではフェムト秒レーザを光源とした光スイッチあるいは光整流により広帯域のテラヘルツ波を発生し、時間領域分光（ＴＤＳ：Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）などに応用されている。
これに対して、ＬｉＮｂＯ３などの非線形光学結晶を用いたテラヘルツ波発生は、擬似位相整合（Ｑｕａｓｉ Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ：ＱＰＭ）を利用した方法とフォノンポラリトンを利用した方法があり、時間的、空間的コヒーレントの高い発生源として応用が期待されている。
さらに、上記のフェムト秒光パルスを用いた光電流による広帯域テラヘルツ発生も可能であり、適用範囲が広い発生方式となっている。
特許文献１（特開平９−１４６１３１）には、ｙ板、あるいはｚ板ＬｉＮｂＯ３基板を使用したテラヘルツ波発振素子が記載されている。すなわち、光源からポンプ波を基板に照射すると共に、別の光源からアイドラー波を基板に照射する。ポンプ波（周波数ω１）とアイドラー波（周波数ω２）、およびポラリトン（テラヘルツ波：周波数ωＴ）の間にエネルギー保存則（ω１＝ω２＋ωＴ）および運動量保存則（ノンコリニア位相整合条件：ｋ１＝ｋ２＋ｋｔｈ）が成立し、ポラリトン誘導散乱が観測される。この場合、分散特性のために、ポンプ波の光軸からの角度α、θに応じて、アイドラー波およびテラヘルツ波の周波数が定まる。
本法では、典型的には、ポンプ波３の波動ベクトルｋ１とアイドラー波動ベクトルｋ２との角度αが０．５°〜１°のときに位相整合条件が満足され、高効率なテラヘルツ波７（波長１００μｍ〜３００μｍ：周波数３ＴＨｚ〜１ＴＨｚ）が発生する。また、テラヘルツ波は、アイドラー波に対して６５°〜６６°で発生するとしている。ｙ板を用いる場合には、結晶方位が異なる関係でポンプ波とアイドラー波は基板の垂直平面上で角度αで伝搬し、ポンプ波に対してθとなる角度でテラヘルツ波が発生する。
しかし、（１）結晶のサブミリ波（テラヘルツ波）に対する屈折率値は５．２と大きく、空気との間に全反射が生じるので、ｙ板、ｚ板ＬｉＮｂＯ３基板のいずれの場合も、そのままでは空気中に取り出すことができない。（２）結晶中は光損失が大きく、テラヘルツ波の伝搬距離が３ｍｍとすると、０．１％程度に減衰する。これに対して、特許文献１（特開平９−１４６１３１）では、基板の側面にグレーティングを設けて、高効率に空気中に出射させることを試みている。
特許文献２（特開２００２−７２２６９）では、単一周波数の励起光源（レーザ）を照射し、かつ単一周波数のアイドラー波で光注入することによって、スペクトル線幅の狭線化が可能でかつ高出力のテラヘルツ波発生方法が開示されている。しかし、テラヘルツ波の取り出しにはシリコンプリズムを使用している。
また、本出願人は、特許文献３（特願２００９−１８５７６８）において、厚さ２０μｍ以下の基板においてテラヘルツ波がカットオフとなることから、高効率に空気中に放射することを開示した。
フェムト秒光パルスによる光整流では、フェムト秒光パルス自体が持つ広いスペクトルの中の二つの周波数成分の差周波発生によりテラヘルツ波が発生する。このとき、入射光のスペクトルの中から様々な差周波が同時に発生するので、結果として、テラヘルツ波のスペクトルはフェムト秒光パルスのパルス時間幅の逆数程度の周波数幅を持った広帯域のものになる。
フェムト秒光パルスを利用したテラヘルツ波発生は、基本的には上記のようにパラメトリック的な過程と同じであるが、非特許文献４（「パルス面傾斜法による高強度テラヘルツパルス発生」レーザー研究３７（５），３４５−３４９（２００９））記載のように、最近、光パルス面を傾斜させることにより高強度でかつ平面波的なテラヘルツ波発生が可能になり、イメージング用途での応用が期待されている。
以上述べてきたように、従来の素子では、テラヘルツ波がパラメトリック発振しても、その大部分は結晶内部で吸収されてしまう。しかも、結晶の屈折率が空気の屈折率に比べて著しく高いため、結晶表面にプリズムやグレーティングを取り付けないと、テラヘルツ波を外部へと取り出すことができない。従って、素子から発振させ得るテラヘルツ波の強度が低くて実用に適さない上、プリズムやクレーティングを結晶表面に取り付ける工程が必要である。また、厳密にはプリズムやグレーティングによる伝搬損失や反射損失が発生してしまう。
一方、可視光や赤外光においては、光学部品の表面に光の波長よりも小さな間隔を置いて規則的な３次元構造を微細加工することにより、光学部品の表面に反射防止機能を与える試みがなされている（特許文献４、５、６、７：非特許文献１、２、３）。
本発明者は、前記文献記載のようなサブ波長格子構造に着目し、これをテラヘルツ波の反射防止に利用することを検討した。このような検討はこれまでなされていない。しかし、実際に検討し、試作を行ってみると、種々の問題点があり、適用困難であることが判明してきた。
すなわち、例えば特許文献７の記載によると、素子表面の凹凸の深さｄは下式のように表される。
ｄ＝λ／（４√ｎ×ｎ０）
（λは光の波長、ｎは素子を構成する結晶の屈折率、ｎ０は空気の屈折率＝１）
したがって、例えば光の周波数を１ＴＨｚとし、λ＝３００μｍ、ｎをニオブ酸リチウム単結晶の屈折率５．２とすると、３２．８μｍの深さが必要になる。前記文献では、こうした３次元格子は、ナノインプリントや半導体製造プロセスによる反応性イオンエッチング、ウェットエッチング（ＬＮ系の場合フッ硝酸）で形成されている。しかし、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶は、難加工材料であるので、３０μｍ以上の深さの微細な凹凸を形成することは困難である。
本発明の課題は、サブ波長格子構造を利用することで、テラヘルツ波をニオブ酸リチウム単結晶等の高屈折率の結晶から外部へと高効率で放射可能な素子を提供することである。
本発明は、０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの範囲内にある目的周波数の電磁波を結晶の外部へと放射する電磁波放射素子であって、
非線形光学結晶からなる本体と、この本体の表面に形成されたサブ波長格子構造とを備えており、サブ波長格子構造が、本体の表面に規則的に配列された柱状体からなり、各柱状体が、一定幅を有する定幅部と、表面から定幅部へと向かって設けられている基部とを備えており、柱状体の配列方向に切った横断面で見たときに、基部の表面が、前記基部外に曲率中心を有する弧状をなしていることを特徴とする。
また、本発明は、０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの範囲内にある目的周波数の電磁波を結晶の外部へと放射する電磁波放射素子であって、
非線形光学結晶からなる本体と、この本体の表面に形成されたサブ波長格子構造とを備えており、サブ波長格子構造が、本体の表面に規則的に配列された柱状体からなり、各柱状体が、外周刃を利用した切削加工により形成されていることを特徴とする。
また、本発明は、０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの範囲内にある目的周波数の電磁波を結晶の外部へと放射する電磁波放射素子を製造する方法であって、
非線形光学結晶からなる本体の表面を、外周刃を利用して切削加工することによって、前記本体の前記表面に，規則的に配列された柱状体からなるサブ波長格子構造を形成することを特徴とする。
本発明の素子によれば、サブ波長格子構造を利用することで、テラヘルツ波をニオブ酸リチウム単結晶等の高屈折率の結晶から外部へと高効率で放射可能な素子を提供できる。とくに、各柱状体が、先端側の一定幅を有する定幅部と、表面から定幅部へと向かって設けられている基部とを備えており、基部の側面が、基部外に曲率中心を有する弧状をなしているような形態であると、他の形態を有する柱状体によってサブ波長格子構造を形成した場合に比べて、高いピーク透過率を得ることができる。
また，本発明者は、結晶本体の表面を、外周刃を利用した切削加工に供することによって、テラヘルツ波の反射を抑制するのに十分な深さと形状のサブ波長格子構造を本体表面に形成可能なことを見いだし、本発明に到達した。
すなわち、例えば特許文献７の記載によると、素子表面の凹凸の深さｄは下式のように表される。
ｄ＝λ／（４√ｎ×ｎ０）
（λは光の波長、ｎは素子を構成する結晶の屈折率、ｎ０は空気の屈折率＝１）
したがって、例えば光の周波数を１ＴＨｚとし、λ＝３００μｍ、ｎをニオブ酸リチウム単結晶の屈折率５．２とすると、３２．８μｍの深さが必要になる。前記文献では、こうした３次元格子は、ナノインプリントや半導体製造プロセスによる反応性イオンエッチング、ウェットエッチング（ＬＮ系の場合フッ硝酸）で形成されている。しかし、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶は、難加工材料であるので、３０μｍ以上の深さの微細な凹凸を形成することは困難である。
本発明の課題は、サブ波長格子構造を利用することで、テラヘルツ波をニオブ酸リチウム単結晶等の高屈折率の結晶から外部へと高効率で放射可能な素子を提供することである。
本発明は、０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの範囲内にある目的周波数の電磁波を結晶の外部へと放射する電磁波放射素子であって、
非線形光学結晶からなる本体と、この本体の表面に形成されたサブ波長格子構造とを備えており、サブ波長格子構造が、本体の表面に規則的に配列された柱状体からなり、各柱状体が、一定幅を有する定幅部と、表面から定幅部へと向かって設けられている基部とを備えており、柱状体の配列方向に切った横断面で見たときに、基部の表面が、前記基部外に曲率中心を有する弧状をなしていることを特徴とする。
また、本発明は、０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの範囲内にある目的周波数の電磁波を結晶の外部へと放射する電磁波放射素子であって、
非線形光学結晶からなる本体と、この本体の表面に形成されたサブ波長格子構造とを備えており、サブ波長格子構造が、本体の表面に規則的に配列された柱状体からなり、各柱状体が、外周刃を利用した切削加工により形成されていることを特徴とする。
また、本発明は、０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの範囲内にある目的周波数の電磁波を結晶の外部へと放射する電磁波放射素子を製造する方法であって、
非線形光学結晶からなる本体の表面を、外周刃を利用して切削加工することによって、前記本体の前記表面に，規則的に配列された柱状体からなるサブ波長格子構造を形成することを特徴とする。
本発明の素子によれば、サブ波長格子構造を利用することで、テラヘルツ波をニオブ酸リチウム単結晶等の高屈折率の結晶から外部へと高効率で放射可能な素子を提供できる。とくに、各柱状体が、先端側の一定幅を有する定幅部と、表面から定幅部へと向かって設けられている基部とを備えており、基部の側面が、基部外に曲率中心を有する弧状をなしているような形態であると、他の形態を有する柱状体によってサブ波長格子構造を形成した場合に比べて、高いピーク透過率を得ることができる。
また，本発明者は、結晶本体の表面を、外周刃を利用した切削加工に供することによって、テラヘルツ波の反射を抑制するのに十分な深さと形状のサブ波長格子構造を本体表面に形成可能なことを見いだし、本発明に到達した。
図１は、比較例の素子１１を模式的に示す斜視図である。
図２は、本発明例の素子１を模式的に示す斜視図である。
図３は、図２の素子１の部分拡大図である。
図４は、図２の素子の柱状部を示す拡大図である。
図５は、榾の形態の柱状部を示す拡大図である。
図６は、本発明実施例の素子の形態を示す拡大図である。
図７は、他の比較例に係る素子の柱状部の形態を示す拡大図である。
図８は、更に他の比較例に係る素子の柱状部の形態を示す拡大図である。
図２は、本発明例の素子１を模式的に示す斜視図である。
図３は、図２の素子１の部分拡大図である。
図４は、図２の素子の柱状部を示す拡大図である。
図５は、榾の形態の柱状部を示す拡大図である。
図６は、本発明実施例の素子の形態を示す拡大図である。
図７は、他の比較例に係る素子の柱状部の形態を示す拡大図である。
図８は、更に他の比較例に係る素子の柱状部の形態を示す拡大図である。
サブ波長格子構造とは、所定の光に対して回折限界以下の微細な周期構造（ＳＷＧ：ｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｇｒａｔｉｎｇ）である。光がこの構造に入射した場合、構造の詳細を認識できず、屈折率についてもその平均値を持った媒質が存在するものとして振舞う性質がある。特に、「ｍｏｔｈ−ｅｙｅ」構造と呼ばれる反射防止効果を持つ構造が知られている。
例えば、比較形態に係る図１の素子１１では、非線形光学結晶からなる本体１７の表面にサブ波長格子構造１５が形成されている。このサブ波長格子構造１５は、縦横に規則的に形成された多数の柱状体１６からなる。隣接する柱状体の間には隙間が形成されており、隙間下では本体１７の表面が平坦面として露出している。各柱状体は四角柱形状を有している。
しかし、本発明者の検討では、非線形光学結晶にこうした柱状体を深く形成することは困難であり、このためテラヘルツ波の反射を抑制するサブ波長格子構造を量産することが困難である。また、こうした形態の柱状体では、目的周波数の光の透過率をある程度以上向上させることが難しいことが判明してきた。
図２、図３、図４は、本発明の一実施形態に係る素子を示すものである。
本例では、支持基板２上に接着層３を介して、非線形光学結晶からなる本体７の底面７ｂが接着されている。本体７の上面が電磁波放射面７ａとして働く。本体７の放射面７ａ側にはサブ波長格子構造５が形成されており、結晶内部から外への電磁波の放射を促進し、結晶表面における電磁波の反射を抑制している。サブ波長格子構造５は、縦横に規則的に配列された柱状体６からなる。柱状体６は、互いに交差する（好ましくは直交する）２方向Ｘ、Ｙに向かって配列されている。
図４に示すように、各柱状体６は、先端側の定幅部６ｄと、本体表面８から定幅部６ｄへと向かって延びる基部６ｇとからなる。定幅部６ｄの上端には平坦面６ａが形成されている。定幅部６ｄは全体として四角柱形状をなしており、また定幅部６ｄの幅Ｗｒは略一定である。定幅部６ｄの壁面６ｂは平面である。
定幅部６ｆ下に基部６ｇが形成されている。柱状体をその配列方向Ｘ、Ｙに切ってみた横断面で見たときに、基部６ｇの壁面６ｅは、曲率中心Ｏを中心とする弧状をなしている。曲率中心Ｏは、柱状体６外にある。本例では、更に、隣接する基部６間に平坦面８が形成されている。
図５の例では、各柱状体６は、先端側の定幅部６ｄと、本体表面８から定幅部６ｄへと向かって延びる基部６ｇとからなる。定幅部６ｄの上端には平坦面６ａが形成されている。定幅部６ｄは全体として四角柱形状をなしており、また定幅部６ｄの幅Ｗｒは略一定である。定幅部６ｄの壁面６ｂは平面である。
定幅部６ｆ下に基部６ｇが形成されており、基部６ｇの壁面６ｅは、曲率中心Ｏを中心とする弧状をなっている。曲率中心Ｏは、柱状体６外にある。本例では、隣接する基部６間に平坦面がなく、隣接する柱状体の基部６の壁面６ｅが連続している。
本発明の素子は、０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚ範囲内の目的周波数の電磁波を結晶の外部へと透過できるものである。本発明のサブ波長格子の寸法は、目的周波数に対して透過率が最大となるように調整されるものであり、０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの周波数の全範囲にわたって高い透過性を有している必要はない。
本体を構成する非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ＫＴＰ、ＫＮなどの誘電体である。また、光損傷を抑制するために酸化マグネシウムなどのドーピングをしていてもよい。さらに、ニオブ酸リチウムについては、コングルエント組成のほかストイキオメトリ組成であってもよい。また、基板方位についても依存性がなく、どの方位の面であってもよい。
柱状体を平面的に見て規則的に配列することによってサブ波長格子を形成する。この配列パターンは、格子形成の一般的な手法による。好ましくは、柱状体を縦横の二方向に向かって配列する。この２方向は交差するが、交差角度は８５〜９５度であることが好ましく、直交していることが最も好ましい。
また、本発明では、柱状体を配列方向に切った横断面で見たときに、基部表面が弧状をなしている。ここで、基部表面の曲率中心は一つであることが好ましいが、複数点あってもよい。
好適な実施形態においては、隣接する柱状体の間で基部の側面が連続するように形成されている。また、好適な実施形態においては、隣接する柱状体の基部の間に平坦面が形成されている。
本発明においては、素子の外側に電磁波発振源を設置し、この電磁波発振源から発振した電磁波を素子内に入射させ、次いで素子本体の電磁波放射面から放射させることができる。あるいは、素子の内部において電磁波をパラメトリック発振させることもできる。
パラメットリック発振の場合には、パラメトリック発振可能な非線形光学結晶からなる素子本体内にポンプ波を入射し、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にアイドラー波とテラヘルツ波を発生させる。このとき、ポンプ波として単一周波数の第１レーザー光を使用し、かつ、アイドラー波の発生方向に単一周波数の別の第２レーザー光を光注入することが好ましい。
例えば光源からポンプ波を素子本体に照射すると共に、光源からアイドラー波を素子本体に照射する。このとき、ポンプ波（周波数ω１）、アイドラー波（周波数ω２）、およびポラリトン（テラヘルツ波：周波数ωＴ）の間にエネルギー保存則（ω１＝ω２＋ωＴ）および運動量保存則（ノンコリニア位相整合条件：ｋ１＝ｋ２＋ｋｔｈ）が成立し、ポラリトン誘導散乱が観測される。この場合、分散特性のために、ポンプ波の光軸からの角度α、θに応じて、アイドラー波およびテラヘルツ波の波長が定まる。
ポンプ波、アイドラー波、テラヘルツ波の周波数、α、θは、パラメトリック発振条件によって定まるものである。典型的には、ポンプ波の波長は８００ｎｍ〜１６００ｎｍが好ましく、αは０．０４°〜４°が好ましい。この場合、θは６５°〜６２°の範囲となる。
支持基板の材質は特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ＫＴＰ、ＫＮなどの誘電体や、ＧａＰ、ＺｎＳｅなどの半導体、石英ガラスなどのガラスを例示できる。また、信頼性上、熱膨張を素子本体と合わせるという観点では、支持基板は素子本体と同じ材質であることが望ましい。
素子本体と支持基体とを接着する接着剤は、発振基板よりも低誘電率である材料からなることが好ましい。具体的には、接着層の屈折率が２以下であることが好ましい。接着層の具体例は特に限定されないが、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤、カルドポリマー系接着剤、室温硬化型接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、アロンセラミックスＣ（商品名、東亜合成社製）（熱膨張係数１３×１０−６／Ｋ）を例示できる。
接着層の厚さは特に限定されないが、テラヘルツ波の漏れを防止するという観点からは、０．５μｍ以上が好ましい。
ポンプ波やアイドラー波の光源は、半導体レーザや半導体レーザ励起の固体レーザ（ＹＡＧ、ＹＶＯ４、ＹＬＦなど）を直接バットジョイント、あるいはレンズ結合させる。またこれらの光源をファイバでガイドし、そのファイバ端面を結晶に直接バットジョイントさせることができるし、レンズ結合させてもよい。
本発明においては、定幅部６ｄの幅Ｗｒは、目的周波数に合わせて設計するが、テラヘルツ帯にピーク透過率を得るには３０μｍ以下が好ましく、柱状体の機械的強度を保持するためには１μｍ以上が好ましい。
また、定幅部６ｄの高さＴｓｔは、目的周波数に合わせて設計するが、テラヘルツ帯にピーク透過率を得るという観点からは、１０〜１９０μｍであることが好ましく、さらには、１５〜９０μｍであることがいっそう好ましい。曲率半径Ｒに対して、Ｔｓｔは０．５×Ｒ以上、５×Ｒ以下であることが好ましい。
また、柱状体６の高さＴは、目的周波数に合わせて設計するが、ピーク透過率を高くするという観点からは、２０〜２００μｍであることが好ましい。
各柱状体６の幅は、（Ｗｒ＋Ｗｐ）で表される。Ｗｐ／２は、柱状体６の側面６ｂからの水平方向の突出寸法である。このとき、Ｗｐは、目的周波数での光の透過率を向上させるという観点から、２０μｍ以上であることが好ましい。また、Ｗｐが大きくなると、隣接する柱状体の間隔も大きくなり、設計が難しくなるので、Ｗｐは１００μｍ以下であることが好ましい。
隣接する柱状体間に平坦面８を設けることによって、隣接する柱状体のピッチを調節することができる。したがって、平坦面８の幅Ｗｂは０でも良い。しかし、平坦面８の幅Ｗｂが大きくなり過ぎると加工が困難になるので、この観点からは、２０μｍ以下が好ましい。
外周刃を利用した切削加工は、好ましくは以下の手順で行う。まず、前記した所望の形状を得るための外周刃（ブレード）を選定する。次いで、ブレード形状を整形する（ドレス加工）。次いで、ブレードの高さ位置を基板の表面に一致させる（ブレード高さ零点調整）。次いで、所望の溝深さ、柱状体幅、定幅部幅となるブレードの高さと送りピッチを設定する。次いで、ブレード回転数、送り速度、カットウォータ量を設定する。次いでｘ、ｙ方向に向かってそれぞれ溝入れ加工を行う。
例えば、比較形態に係る図１の素子１１では、非線形光学結晶からなる本体１７の表面にサブ波長格子構造１５が形成されている。このサブ波長格子構造１５は、縦横に規則的に形成された多数の柱状体１６からなる。隣接する柱状体の間には隙間が形成されており、隙間下では本体１７の表面が平坦面として露出している。各柱状体は四角柱形状を有している。
しかし、本発明者の検討では、非線形光学結晶にこうした柱状体を深く形成することは困難であり、このためテラヘルツ波の反射を抑制するサブ波長格子構造を量産することが困難である。また、こうした形態の柱状体では、目的周波数の光の透過率をある程度以上向上させることが難しいことが判明してきた。
図２、図３、図４は、本発明の一実施形態に係る素子を示すものである。
本例では、支持基板２上に接着層３を介して、非線形光学結晶からなる本体７の底面７ｂが接着されている。本体７の上面が電磁波放射面７ａとして働く。本体７の放射面７ａ側にはサブ波長格子構造５が形成されており、結晶内部から外への電磁波の放射を促進し、結晶表面における電磁波の反射を抑制している。サブ波長格子構造５は、縦横に規則的に配列された柱状体６からなる。柱状体６は、互いに交差する（好ましくは直交する）２方向Ｘ、Ｙに向かって配列されている。
図４に示すように、各柱状体６は、先端側の定幅部６ｄと、本体表面８から定幅部６ｄへと向かって延びる基部６ｇとからなる。定幅部６ｄの上端には平坦面６ａが形成されている。定幅部６ｄは全体として四角柱形状をなしており、また定幅部６ｄの幅Ｗｒは略一定である。定幅部６ｄの壁面６ｂは平面である。
定幅部６ｆ下に基部６ｇが形成されている。柱状体をその配列方向Ｘ、Ｙに切ってみた横断面で見たときに、基部６ｇの壁面６ｅは、曲率中心Ｏを中心とする弧状をなしている。曲率中心Ｏは、柱状体６外にある。本例では、更に、隣接する基部６間に平坦面８が形成されている。
図５の例では、各柱状体６は、先端側の定幅部６ｄと、本体表面８から定幅部６ｄへと向かって延びる基部６ｇとからなる。定幅部６ｄの上端には平坦面６ａが形成されている。定幅部６ｄは全体として四角柱形状をなしており、また定幅部６ｄの幅Ｗｒは略一定である。定幅部６ｄの壁面６ｂは平面である。
定幅部６ｆ下に基部６ｇが形成されており、基部６ｇの壁面６ｅは、曲率中心Ｏを中心とする弧状をなっている。曲率中心Ｏは、柱状体６外にある。本例では、隣接する基部６間に平坦面がなく、隣接する柱状体の基部６の壁面６ｅが連続している。
本発明の素子は、０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚ範囲内の目的周波数の電磁波を結晶の外部へと透過できるものである。本発明のサブ波長格子の寸法は、目的周波数に対して透過率が最大となるように調整されるものであり、０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの周波数の全範囲にわたって高い透過性を有している必要はない。
本体を構成する非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ＫＴＰ、ＫＮなどの誘電体である。また、光損傷を抑制するために酸化マグネシウムなどのドーピングをしていてもよい。さらに、ニオブ酸リチウムについては、コングルエント組成のほかストイキオメトリ組成であってもよい。また、基板方位についても依存性がなく、どの方位の面であってもよい。
柱状体を平面的に見て規則的に配列することによってサブ波長格子を形成する。この配列パターンは、格子形成の一般的な手法による。好ましくは、柱状体を縦横の二方向に向かって配列する。この２方向は交差するが、交差角度は８５〜９５度であることが好ましく、直交していることが最も好ましい。
また、本発明では、柱状体を配列方向に切った横断面で見たときに、基部表面が弧状をなしている。ここで、基部表面の曲率中心は一つであることが好ましいが、複数点あってもよい。
好適な実施形態においては、隣接する柱状体の間で基部の側面が連続するように形成されている。また、好適な実施形態においては、隣接する柱状体の基部の間に平坦面が形成されている。
本発明においては、素子の外側に電磁波発振源を設置し、この電磁波発振源から発振した電磁波を素子内に入射させ、次いで素子本体の電磁波放射面から放射させることができる。あるいは、素子の内部において電磁波をパラメトリック発振させることもできる。
パラメットリック発振の場合には、パラメトリック発振可能な非線形光学結晶からなる素子本体内にポンプ波を入射し、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にアイドラー波とテラヘルツ波を発生させる。このとき、ポンプ波として単一周波数の第１レーザー光を使用し、かつ、アイドラー波の発生方向に単一周波数の別の第２レーザー光を光注入することが好ましい。
例えば光源からポンプ波を素子本体に照射すると共に、光源からアイドラー波を素子本体に照射する。このとき、ポンプ波（周波数ω１）、アイドラー波（周波数ω２）、およびポラリトン（テラヘルツ波：周波数ωＴ）の間にエネルギー保存則（ω１＝ω２＋ωＴ）および運動量保存則（ノンコリニア位相整合条件：ｋ１＝ｋ２＋ｋｔｈ）が成立し、ポラリトン誘導散乱が観測される。この場合、分散特性のために、ポンプ波の光軸からの角度α、θに応じて、アイドラー波およびテラヘルツ波の波長が定まる。
ポンプ波、アイドラー波、テラヘルツ波の周波数、α、θは、パラメトリック発振条件によって定まるものである。典型的には、ポンプ波の波長は８００ｎｍ〜１６００ｎｍが好ましく、αは０．０４°〜４°が好ましい。この場合、θは６５°〜６２°の範囲となる。
支持基板の材質は特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ＫＴＰ、ＫＮなどの誘電体や、ＧａＰ、ＺｎＳｅなどの半導体、石英ガラスなどのガラスを例示できる。また、信頼性上、熱膨張を素子本体と合わせるという観点では、支持基板は素子本体と同じ材質であることが望ましい。
素子本体と支持基体とを接着する接着剤は、発振基板よりも低誘電率である材料からなることが好ましい。具体的には、接着層の屈折率が２以下であることが好ましい。接着層の具体例は特に限定されないが、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤、カルドポリマー系接着剤、室温硬化型接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、アロンセラミックスＣ（商品名、東亜合成社製）（熱膨張係数１３×１０−６／Ｋ）を例示できる。
接着層の厚さは特に限定されないが、テラヘルツ波の漏れを防止するという観点からは、０．５μｍ以上が好ましい。
ポンプ波やアイドラー波の光源は、半導体レーザや半導体レーザ励起の固体レーザ（ＹＡＧ、ＹＶＯ４、ＹＬＦなど）を直接バットジョイント、あるいはレンズ結合させる。またこれらの光源をファイバでガイドし、そのファイバ端面を結晶に直接バットジョイントさせることができるし、レンズ結合させてもよい。
本発明においては、定幅部６ｄの幅Ｗｒは、目的周波数に合わせて設計するが、テラヘルツ帯にピーク透過率を得るには３０μｍ以下が好ましく、柱状体の機械的強度を保持するためには１μｍ以上が好ましい。
また、定幅部６ｄの高さＴｓｔは、目的周波数に合わせて設計するが、テラヘルツ帯にピーク透過率を得るという観点からは、１０〜１９０μｍであることが好ましく、さらには、１５〜９０μｍであることがいっそう好ましい。曲率半径Ｒに対して、Ｔｓｔは０．５×Ｒ以上、５×Ｒ以下であることが好ましい。
また、柱状体６の高さＴは、目的周波数に合わせて設計するが、ピーク透過率を高くするという観点からは、２０〜２００μｍであることが好ましい。
各柱状体６の幅は、（Ｗｒ＋Ｗｐ）で表される。Ｗｐ／２は、柱状体６の側面６ｂからの水平方向の突出寸法である。このとき、Ｗｐは、目的周波数での光の透過率を向上させるという観点から、２０μｍ以上であることが好ましい。また、Ｗｐが大きくなると、隣接する柱状体の間隔も大きくなり、設計が難しくなるので、Ｗｐは１００μｍ以下であることが好ましい。
隣接する柱状体間に平坦面８を設けることによって、隣接する柱状体のピッチを調節することができる。したがって、平坦面８の幅Ｗｂは０でも良い。しかし、平坦面８の幅Ｗｂが大きくなり過ぎると加工が困難になるので、この観点からは、２０μｍ以下が好ましい。
外周刃を利用した切削加工は、好ましくは以下の手順で行う。まず、前記した所望の形状を得るための外周刃（ブレード）を選定する。次いで、ブレード形状を整形する（ドレス加工）。次いで、ブレードの高さ位置を基板の表面に一致させる（ブレード高さ零点調整）。次いで、所望の溝深さ、柱状体幅、定幅部幅となるブレードの高さと送りピッチを設定する。次いで、ブレード回転数、送り速度、カットウォータ量を設定する。次いでｘ、ｙ方向に向かってそれぞれ溝入れ加工を行う。
（実施例１）
図６に示す形態の電磁波放射素子を製造した。ただし、このサブ波長格子構造５は、図５を参照しつつ説明したものであり、支持基板と接着層とを設けていないものである。
具体的には、ｙカットＭｇドープニオブ酸リチウム単結晶からなる本体７を用意した。本体７の寸法は、縦３０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍである。ダイシングソーを利用し、ブレードを縦横に移動させて研削加工することで、柱状体６を形成した。ブレードは、電鋳ボンドタイプ、幅３５μｍであり、砥粒＃２０００を使用した。加工条件は、回転数３００００ｒｐｍ、スピード０．５ｍｍ／ｓとし、深さ３０〜２００μｍまで溝加工を行い、ピッチが４０μｍとなるようにブレード送り調整した。
以下、各部分の寸法を示す。
Ｗｒ： ５μｍ
Ｗｐ： ３５μｍ
Ｗｂ： ０μｍ
Ｔ： ３０〜２００μｍ
Ｔｓｔ： １２．５〜１８２．５μｍ
Ｒ： １７．５μｍ
テラヘルツ波による透過特性を測定するためにＴＤＳ測定を実施した。すなわち、素子本体７の底面７ｂ上にテラヘルツ波光源２０を取り付け、素子本体内部へと向かって矢印Ａのようにテラヘルツ波を入射させた。そして、サブ波長格子構造５上の空気中に受信素子２１を設置し、受光強度を測定した。受光強度／発振強度を透過率とする。この結果、高さＴ＝３５μｍ、Ｔｓｔ＝１７．５μｍのとき、ピーク透過率は９９％であった（周波数１ＴＨｚ）。また、Ｔｓｔが更に大きくなるとピーク周波数が低周波側にシフトすることもわかった。
（比較例１）
実施例１と同じ素子本体７を使用し、電磁波透過率を測定した。ただし、素子表面にサブ波長格子構造を形成しなかった。この場合、ピーク透過率は周波数にほとんど依存なく、５５％であった。これはニオブ酸リチウム単結晶の屈折率が本周波数では５になることに起因する。
（比較例２）
従来、サブ波長格子は、図７に示す四角錘形状が利用される。しかしながら、ニオブ酸リチウムは難加工材料であるので四角錘形状を形成することは困難であり、実施例１の構造と比較するためにＦＤＴＤ法によるシミュレーションによる２次元解析を行った。シミュレーションのモデルとして、実施例１の構造のモデルとし、寸法は上記の実施例１に記載のモデルとした。ただし、四角錘形状については四角錘底面幅４０μｍ、ピッチＰ：４０μｍと固定し、Ｈ：３０μｍ〜２００μｍの領域において透過率を計算した。
この結果、実施例１と同じ高さＨ：３５μｍではピーク透過率は７６％であった（周波数１ＴＨｚ）。この場合、ピーク透過率を９０％以上とするためには、高さＨを１００μｍ以上にする必要があることがわかった。このことから、本願構造では溝深さが浅くても高いピーク透過率が得られることがわかった。
（比較例３）
実施例１と同じ素子本体を使用し、電磁波透過率を測定した。ただし、素子本体の表面に、図８に示す形態のサブ波長格子構造を形成した。ここで、各柱状体２３は四角柱形状をしている。各柱状体２３の高さＨは３５μｍであり、柱状体のピッチＰは４０μｍであり、柱状体２３の幅Ｗは２０μｍである。
なお、本構造は、エキシマレーザを用いた疑似レーザアブレーション法で作製し、レーザのショット回数を調整して深さおよびピッチを調整した。
この結果、ピーク透過率は７７％であった（周波数は０．６ＴＨｚ）。この構造において今回検証した高さＴ（３０μｍ〜２００μｍ）の範囲ではＴを大きくしてもピーク透過率は９０％以上にはならなかった。
本発明の特定の実施形態を説明してきたけれども、本発明はこれら特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の範囲から離れることなく、種々の変更や改変を行いながら実施できる。
図６に示す形態の電磁波放射素子を製造した。ただし、このサブ波長格子構造５は、図５を参照しつつ説明したものであり、支持基板と接着層とを設けていないものである。
具体的には、ｙカットＭｇドープニオブ酸リチウム単結晶からなる本体７を用意した。本体７の寸法は、縦３０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍである。ダイシングソーを利用し、ブレードを縦横に移動させて研削加工することで、柱状体６を形成した。ブレードは、電鋳ボンドタイプ、幅３５μｍであり、砥粒＃２０００を使用した。加工条件は、回転数３００００ｒｐｍ、スピード０．５ｍｍ／ｓとし、深さ３０〜２００μｍまで溝加工を行い、ピッチが４０μｍとなるようにブレード送り調整した。
以下、各部分の寸法を示す。
Ｗｒ： ５μｍ
Ｗｐ： ３５μｍ
Ｗｂ： ０μｍ
Ｔ： ３０〜２００μｍ
Ｔｓｔ： １２．５〜１８２．５μｍ
Ｒ： １７．５μｍ
テラヘルツ波による透過特性を測定するためにＴＤＳ測定を実施した。すなわち、素子本体７の底面７ｂ上にテラヘルツ波光源２０を取り付け、素子本体内部へと向かって矢印Ａのようにテラヘルツ波を入射させた。そして、サブ波長格子構造５上の空気中に受信素子２１を設置し、受光強度を測定した。受光強度／発振強度を透過率とする。この結果、高さＴ＝３５μｍ、Ｔｓｔ＝１７．５μｍのとき、ピーク透過率は９９％であった（周波数１ＴＨｚ）。また、Ｔｓｔが更に大きくなるとピーク周波数が低周波側にシフトすることもわかった。
（比較例１）
実施例１と同じ素子本体７を使用し、電磁波透過率を測定した。ただし、素子表面にサブ波長格子構造を形成しなかった。この場合、ピーク透過率は周波数にほとんど依存なく、５５％であった。これはニオブ酸リチウム単結晶の屈折率が本周波数では５になることに起因する。
（比較例２）
従来、サブ波長格子は、図７に示す四角錘形状が利用される。しかしながら、ニオブ酸リチウムは難加工材料であるので四角錘形状を形成することは困難であり、実施例１の構造と比較するためにＦＤＴＤ法によるシミュレーションによる２次元解析を行った。シミュレーションのモデルとして、実施例１の構造のモデルとし、寸法は上記の実施例１に記載のモデルとした。ただし、四角錘形状については四角錘底面幅４０μｍ、ピッチＰ：４０μｍと固定し、Ｈ：３０μｍ〜２００μｍの領域において透過率を計算した。
この結果、実施例１と同じ高さＨ：３５μｍではピーク透過率は７６％であった（周波数１ＴＨｚ）。この場合、ピーク透過率を９０％以上とするためには、高さＨを１００μｍ以上にする必要があることがわかった。このことから、本願構造では溝深さが浅くても高いピーク透過率が得られることがわかった。
（比較例３）
実施例１と同じ素子本体を使用し、電磁波透過率を測定した。ただし、素子本体の表面に、図８に示す形態のサブ波長格子構造を形成した。ここで、各柱状体２３は四角柱形状をしている。各柱状体２３の高さＨは３５μｍであり、柱状体のピッチＰは４０μｍであり、柱状体２３の幅Ｗは２０μｍである。
なお、本構造は、エキシマレーザを用いた疑似レーザアブレーション法で作製し、レーザのショット回数を調整して深さおよびピッチを調整した。
この結果、ピーク透過率は７７％であった（周波数は０．６ＴＨｚ）。この構造において今回検証した高さＴ（３０μｍ〜２００μｍ）の範囲ではＴを大きくしてもピーク透過率は９０％以上にはならなかった。
本発明の特定の実施形態を説明してきたけれども、本発明はこれら特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の範囲から離れることなく、種々の変更や改変を行いながら実施できる。
本発明は、いわゆるテラヘルツ波の放射素子およびその製造方法に関するものである。
テラヘルツ波は、一般的に０．１THｚ〜１０THｚまでの周波数の電磁波であり、物性、電子分光、生命科学、化学、薬品科学の基礎分野から大気環境計測、セキュリティ、材料検査、食品検査、通信などの応用分野への展開が期待されている。
テラヘルツ波発生素子として、これまで数１００GHｚ帯では後進波管（Backward wave oscillator:BWO）、フォトミキシシング、１THｚ以上で自由電子レーザ、p-Geレーザ、量子カスケードレーザ（Quantum Cascade Laser:QCL）などが開発されているが、小型化、高出力化に課題があった。
一方、最近ではフェムト秒レーザを光源とした光スイッチあるいは光整流により広帯域のテラヘルツ波を発生し、時間領域分光（TDS：Time Domain Spectroscopy）などに応用されている。
これに対して、LiNbO３などの非線形光学結晶を用いたテラヘルツ波発生は、擬似位相整合（Quasi Phase Matching:QPM）を利用した方法とフォノンポラリトンを利用した方法があり、時間的、空間的コヒーレントの高い発生源として応用が期待されている。
これに対して、LiNbO３などの非線形光学結晶を用いたテラヘルツ波発生は、擬似位相整合（Quasi Phase Matching:QPM）を利用した方法とフォノンポラリトンを利用した方法があり、時間的、空間的コヒーレントの高い発生源として応用が期待されている。
さらに、上記のフェムト秒光パルスを用いた光電流による広帯域テラヘルツ発生も可能であり、適用範囲が広い発生方式となっている。
特許文献１（特開平9-146131）には、y板、あるいはｚ板LiNbO３基板を使用したテラヘルツ波発振素子が記載されている。すなわち、光源からポンプ波を基板に照射すると共に、別の光源からアイドラー波を基板に照射する。ポンプ波（周波数ω１）とアイドラー波（周波数ω２）、およびポラリトン（テラヘルツ波：周波数ωT）の間にエネルギー保存則（ω１＝ω２＋ωＴ）および運動量保存則（ノンコリニア位相整合条件：ｋ１＝ｋ２＋ｋｔｈ）が成立し、ポラリトン誘導散乱が観測される。この場合、分散特性のために、ポンプ波の光軸からの角度α、θに応じて、アイドラー波およびテラヘルツ波の周波数が定まる。
本法では、典型的には、ポンプ波３の波動ベクトルｋ１とアイドラー波動ベクトルｋ２との角度αが0.5°〜1°のときに位相整合条件が満足され、高効率なテラヘルツ波７（波長100μｍ〜300μｍ：周波数3THz〜1THz）が発生する。また、テラヘルツ波は、アイドラー波に対して65°〜66°で発生するとしている。ｙ板を用いる場合には、結晶方位が異なる関係でポンプ波とアイドラー波は基板の垂直平面上で角度αで伝搬し、ポンプ波に対してθとなる角度でテラヘルツ波が発生する。
しかし、（１）結晶のサブミリ波（テラヘルツ波）に対する屈折率値は5.2と大きく、空気との間に全反射が生じるので、ｙ板、ｚ板LiNbO３基板のいずれの場合も、そのままでは空気中に取り出すことができない。（２）結晶中は光損失が大きく、テラヘルツ波の伝搬距離が3mmとすると、0.1％程度に減衰する。これに対して、特許文献１（特開平9-146131）では、基板の側面にグレーティングを設けて、高効率に空気中に出射させることを試みている。
特許文献２（特開2002-72269）では、単一周波数の励起光源（レーザ）を照射し、かつ単一周波数のアイドラー波で光注入することによって、スペクトル線幅の狭線化が可能でかつ高出力のテラヘルツ波発生方法が開示されている。しかし、テラヘルツ波の取り出しにはシリコンプリズムを使用している。
また、本出願人は、特許文献３（特願2009-185768）において、厚さ２０μｍ以下の基板においてテラヘルツ波がカットオフとなることから、高効率に空気中に放射することを開示した。
フェムト秒光パルスによる光整流では、フェムト秒光パルス自体が持つ広いスペクトルの中の二つの周波数成分の差周波発生によりテラヘルツ波が発生する。このとき、入射光のスペクトルの中から様々な差周波が同時に発生するので、結果として、テラヘルツ波のスペクトルはフェムト秒光パルスのパルス時間幅の逆数程度の周波数幅を持った広帯域のものになる。
フェムト秒光パルスを利用したテラヘルツ波発生は、基本的には上記のようにパラメトリック的な過程と同じであるが、非特許文献４（「パルス面傾斜法による高強度テラヘルツパルス発生」レーザー研究 37(5), 345-349 (2009)）記載のように、最近、光パルス面を傾斜させることにより高強度でかつ平面波的なテラヘルツ波発生が可能になり、イメージング用途での応用が期待されている。
以上述べてきたように、従来の素子では、テラヘルツ波がパラメトリック発振しても、その大部分は結晶内部で吸収されてしまう。しかも、結晶の屈折率が空気の屈折率に比べて著しく高いため、結晶表面にプリズムやグレーティングを取り付けないと、テラヘルツ波を外部へと取り出すことができない。従って、素子から発振させ得るテラヘルツ波の強度が低くて実用に適さない上、プリズムやクレーティングを結晶表面に取り付ける工程が必要である。また、厳密にはプリズムやグレーティングによる伝搬損失や反射損失が発生してしまう。
一方、可視光や赤外光においては、光学部品の表面に光の波長よりも小さな間隔を置いて規則的な3次元構造を微細加工することにより、光学部品の表面に反射防止機能を与える試みがなされている（特許文献４、５、６、７：非特許文献１、２、３）。
「OPTICS Ｌ ETTERS,」 Vol. 24, No.20, October 15,p1422(Optical Society of America)
「KONICA MINOLTATECHNOLOGYREPORT」 Vol. 2(2005) 97〜100頁「ナノインプリント技術を利用したサブ波長構造広帯域波長板の製作」
「Synthesiology」 Vol. 1, No. 1 (2008） 24〜30頁「高機能光学素子の低コスト製造へのチャレンジ―ガラスインプリント法によるサブ波長周期構造の実現」
「パルス面傾斜法による高強度テラヘルツパルス発生」レーザー研究 37(5), 345-349 (2009).
本発明者は、前記文献記載のようなサブ波長格子構造に着目し、これをテラヘルツ波の反射防止に利用することを検討した。このような検討はこれまでなされていない。しかし、実際に検討し、試作を行ってみると、種々の問題点があり、適用困難であることが判明してきた。
すなわち、例えば特許文献７の記載によると、素子表面の凹凸の深さｄは下式のように表される。
ｄ＝λ／（４√ｎ×ｎ0）
（λは光の波長、ｎは素子を構成する結晶の屈折率、ｎ0は空気の屈折率＝１）
ｄ＝λ／（４√ｎ×ｎ0）
（λは光の波長、ｎは素子を構成する結晶の屈折率、ｎ0は空気の屈折率＝１）
したがって、例えば光の周波数を１ＴＨｚとし、λ＝300μｍ、ｎをニオブ酸リチウム単結晶の屈折率5.2とすると、32.8μｍの深さが必要になる。前記文献では、こうした3次元格子は、ナノインプリントや半導体製造プロセスによる反応性イオンエッチング、ウェットエッチング（ＬＮ系の場合フッ硝酸）で形成されている。しかし、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶は、難加工材料であるので、３０μｍ以上の深さの微細な凹凸を形成することは困難である。
本発明の課題は、サブ波長格子構造を利用することで、テラヘルツ波をニオブ酸リチウム単結晶等の高屈折率の結晶から外部へと高効率で放射可能な素子を提供することである。
本発明は、０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの範囲内にある目的周波数の電磁波を結晶の外部へと放射する電磁波放射素子であって、
非線形光学結晶からなる本体と、この本体の表面に形成されたサブ波長格子構造とを備えており、サブ波長格子構造が、本体の表面に規則的に配列された柱状体からなり、各柱状体が、一定幅を有する定幅部と、表面から定幅部へと向かって設けられている基部とを備えており、柱状体の配列方向に切った横断面で見たときに、基部の表面が、前記基部外に曲率中心を有する弧状をなしていることを特徴とする。
非線形光学結晶からなる本体と、この本体の表面に形成されたサブ波長格子構造とを備えており、サブ波長格子構造が、本体の表面に規則的に配列された柱状体からなり、各柱状体が、一定幅を有する定幅部と、表面から定幅部へと向かって設けられている基部とを備えており、柱状体の配列方向に切った横断面で見たときに、基部の表面が、前記基部外に曲率中心を有する弧状をなしていることを特徴とする。
また、本発明は、０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの範囲内にある目的周波数の電磁波を結晶の外部へと放射する電磁波放射素子であって、
非線形光学結晶からなる本体と、この本体の表面に形成されたサブ波長格子構造とを備えており、サブ波長格子構造が、本体の表面に規則的に配列された柱状体からなり、各柱状体が、外周刃を利用した切削加工により形成されていることを特徴とする。
非線形光学結晶からなる本体と、この本体の表面に形成されたサブ波長格子構造とを備えており、サブ波長格子構造が、本体の表面に規則的に配列された柱状体からなり、各柱状体が、外周刃を利用した切削加工により形成されていることを特徴とする。
また、本発明は、０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの範囲内にある目的周波数の電磁波を結晶の外部へと放射する電磁波放射素子を製造する方法であって、
非線形光学結晶からなる本体の表面を、外周刃を利用して切削加工することによって、前記本体の前記表面に，規則的に配列された柱状体からなるサブ波長格子構造を形成することを特徴とする。
非線形光学結晶からなる本体の表面を、外周刃を利用して切削加工することによって、前記本体の前記表面に，規則的に配列された柱状体からなるサブ波長格子構造を形成することを特徴とする。
本発明の素子によれば、サブ波長格子構造を利用することで、テラヘルツ波をニオブ酸リチウム単結晶等の高屈折率の結晶から外部へと高効率で放射可能な素子を提供できる。とくに、各柱状体が、先端側の一定幅を有する定幅部と、表面から定幅部へと向かって設けられている基部とを備えており、基部の側面が、基部外に曲率中心を有する弧状をなしているような形態であると、他の形態を有する柱状体によってサブ波長格子構造を形成した場合に比べて、高いピーク透過率を得ることができる。
また，本発明者は、結晶本体の表面を、外周刃を利用した切削加工に供することによって、テラヘルツ波の反射を抑制するのに十分な深さと形状のサブ波長格子構造を本体表面に形成可能なことを見いだし、本発明に到達した。
サブ波長格子構造とは、所定の光に対して回折限界以下の微細な周期構造（SWG:
sub-wavelength grating）である。光がこの構造に入射した場合、構造の詳細を認識できず、屈折率についてもその平均値を持った媒質が存在するものとして振舞う性質がある。特に、「moth-eye」構造と呼ばれる反射防止効果を持つ構造が知られている。
sub-wavelength grating）である。光がこの構造に入射した場合、構造の詳細を認識できず、屈折率についてもその平均値を持った媒質が存在するものとして振舞う性質がある。特に、「moth-eye」構造と呼ばれる反射防止効果を持つ構造が知られている。
例えば、比較形態に係る図１の素子１１では、非線形光学結晶からなる本体１７の表面にサブ波長格子構造１５が形成されている。このサブ波長格子構造１5は、縦横に規則的に形成された多数の柱状体16からなる。隣接する柱状体の間には隙間が形成されており、隙間下では本体１７の表面が平坦面として露出している。各柱状体は四角柱形状を有している。
しかし、本発明者の検討では、非線形光学結晶にこうした柱状体を深く形成することは困難であり、このためテラヘルツ波の反射を抑制するサブ波長格子構造を量産することが困難である。また、こうした形態の柱状体では、目的周波数の光の透過率をある程度以上向上させることが難しいことが判明してきた。
図２、図３、図４は、本発明の一実施形態に係る素子を示すものである。
本例では、支持基板２上に接着層３を介して、非線形光学結晶からなる本体７の底面７ｂが接着されている。本体７の上面が電磁波放射面７ａとして働く。本体７の放射面７ａ側にはサブ波長格子構造５が形成されており、結晶内部から外への電磁波の放射を促進し、結晶表面における電磁波の反射を抑制している。サブ波長格子構造５は、縦横に規則的に配列された柱状体６からなる。柱状体６は、互いに交差する（好ましくは直交する）２方向Ｘ、Ｙに向かって配列されている。
図４に示すように、各柱状体６は、先端側の定幅部６ｄと、本体表面８から定幅部６ｄへと向かって延びる基部６ｇとからなる。定幅部６ｄの上端には平坦面６ａが形成されている。定幅部６ｄは全体として四角柱形状をなしており、また定幅部６ｄの幅Ｗｒは略一定である。定幅部６ｄの壁面６ｂは平面である。
定幅部６ｆ下に基部６ｇが形成されている。柱状体をその配列方向Ｘ、Ｙに切ってみた横断面で見たときに、基部６ｇの壁面６ｅは、曲率中心Ｏを中心とする弧状をなしている。曲率中心Ｏは、柱状体６外にある。本例では、更に、隣接する基部６間に平坦面８が形成されている。
図５の例では、各柱状体６は、先端側の定幅部６ｄと、本体表面８から定幅部６ｄへと向かって延びる基部６ｇとからなる。定幅部６ｄの上端には平坦面６ａが形成されている。定幅部６ｄは全体として四角柱形状をなしており、また定幅部６ｄの幅Ｗｒは略一定である。定幅部６ｄの壁面６ｂは平面である。
定幅部６ｆ下に基部６ｇが形成されており、基部６ｇの壁面６ｅは、曲率中心Ｏを中心とする弧状をなっている。曲率中心Ｏは、柱状体６外にある。本例では、隣接する基部６間に平坦面がなく、隣接する柱状体の基部６の壁面６ｅが連続している。
本発明の素子は、０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚ範囲内の目的周波数の電磁波を結晶の外部へと透過できるものである。本発明のサブ波長格子の寸法は、目的周波数に対して透過率が最大となるように調整されるものであり、０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの周波数の全範囲にわたって高い透過性を有している必要はない。
本体を構成する非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、KTP、KNなどの誘電体である。また、光損傷を抑制するために酸化マグネシウムなどのドーピングをしていてもよい。さらに、ニオブ酸リチウムについては、コングルエント組成のほかストイキオメトリ組成であってもよい。また、基板方位についても依存性がなく、どの方位の面であってもよい。
柱状体を平面的に見て規則的に配列することによってサブ波長格子を形成する。この配列パターンは、格子形成の一般的な手法による。好ましくは、柱状体を縦横の二方向に向かって配列する。この２方向は交差するが、交差角度は８５〜９５度であることが好ましく、直交していることが最も好ましい。
また、本発明では、柱状体を配列方向に切った横断面で見たときに、基部表面が弧状をなしている。ここで、基部表面の曲率中心は一つであることが好ましいが、複数点あってもよい。
好適な実施形態においては、隣接する柱状体の間で基部の側面が連続するように形成されている。また、好適な実施形態においては、隣接する柱状体の基部の間に平坦面が形成されている。
本発明においては、素子の外側に電磁波発振源を設置し、この電磁波発振源から発振した電磁波を素子内に入射させ、次いで素子本体の電磁波放射面から放射させることができる。あるいは、素子の内部において電磁波をパラメトリック発振させることもできる。
パラメットリック発振の場合には、パラメトリック発振可能な非線形光学結晶からなる素子本体内にポンプ波を入射し、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にアイドラー波とテラヘルツ波を発生させる。このとき、ポンプ波として単一周波数の第１レーザー光を使用し、かつ、アイドラー波の発生方向に単一周波数の別の第２レーザー光を光注入することが好ましい。
例えば光源からポンプ波を素子本体に照射すると共に、光源からアイドラー波を素子本体に照射する。このとき、ポンプ波（周波数ω１）、アイドラー波（周波数ω２）、およびポラリトン（テラヘルツ波：周波数ωT）の間にエネルギー保存則（ω１＝ω２＋ωＴ）および運動量保存則（ノンコリニア位相整合条件：ｋ１＝ｋ２＋ｋｔｈ）が成立し、ポラリトン誘導散乱が観測される。この場合、分散特性のために、ポンプ波の光軸からの角度α、θに応じて、アイドラー波およびテラヘルツ波の波長が定まる。
ポンプ波、アイドラー波、テラヘルツ波の周波数、α、θは、パラメトリック発振条件によって定まるものである。典型的には、ポンプ波の波長は８００ｎｍ〜１６００ｎｍが好ましく、αは０．０４°〜４°が好ましい。この場合、θは６５°〜６２°の範囲となる。
支持基板の材質は特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、KTP、KNなどの誘電体や、GaP、ZnSeなどの半導体、石英ガラスなどのガラスを例示できる。また、信頼性上、熱膨張を素子本体と合わせるという観点では、支持基板は素子本体と同じ材質であることが望ましい。
素子本体と支持基体とを接着する接着剤は、発振基板よりも低誘電率である材料からなることが好ましい。具体的には、接着層の屈折率が２以下であることが好ましい。接着層の具体例は特に限定されないが、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤、カルドポリマー系接着剤、室温硬化型接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、アロンセラミックスＣ（商品名、東亜合成社製）（熱膨張係数１３×１０−６／Ｋ）を例示できる。
接着層の厚さは特に限定されないが、テラヘルツ波の漏れを防止するという観点からは、０．５μｍ以上が好ましい。
ポンプ波やアイドラー波の光源は、半導体レーザや半導体レーザ励起の固体レーザ（YAG、YVO4、YLFなど）を直接バットジョイント、あるいはレンズ結合させる。またこれらの光源をファイバでガイドし、そのファイバ端面を結晶に直接バットジョイントさせることができるし、レンズ結合させてもよい。
本発明においては、定幅部６ｄの幅Ｗｒは、目的周波数に合わせて設計するが、テラヘルツ帯にピーク透過率を得るには３０μｍ以下が好ましく、柱状体の機械的強度を保持するためには１μｍ以上が好ましい。
また、定幅部６ｄの高さＴｓｔは、目的周波数に合わせて設計するが、テラヘルツ帯にピーク透過率を得るという観点からは、１０〜１９０μｍであることが好ましく、さらには、１５〜９０μｍであることがいっそう好ましい。曲率半径Ｒに対して、Ｔｓｔは０．５×Ｒ以上、５×Ｒ以下であることが好ましい。
また、柱状体６の高さＴは、目的周波数に合わせて設計するが、ピーク透過率を高くするという観点からは、２０〜２００μｍであることが好ましい。
各柱状体６の幅は、（Ｗｒ＋Ｗｐ）で表される。Ｗｐ／２は、柱状体６の側面６ｂからの水平方向の突出寸法である。このとき、Ｗｐは、目的周波数での光の透過率を向上させるという観点から、２０μｍ以上であることが好ましい。また、Ｗｐが大きくなると、隣接する柱状体の間隔も大きくなり、設計が難しくなるので、Ｗｐは１００μｍ以下であることが好ましい。
隣接する柱状体間に平坦面８を設けることによって、隣接する柱状体のピッチを調節することができる。したがって、平坦面８の幅Ｗｂは０でも良い。しかし、平坦面８の幅Ｗｂが大きくなり過ぎると加工が困難になるので、この観点からは、２０μｍ以下が好ましい。
外周刃を利用した切削加工は、好ましくは以下の手順で行う。まず、前記した所望の形状を得るための外周刃（ブレード）を選定する。次いで、ブレード形状を整形する（ドレス加工）。次いで、ブレードの高さ位置を基板の表面に一致させる（ブレード高さ零点調整）。次いで、所望の溝深さ、柱状体幅、定幅部幅となるブレードの高さと送りピッチを設定する。次いで、ブレード回転数、送り速度、カットウォータ量を設定する。次いでｘ、ｙ方向に向かってそれぞれ溝入れ加工を行う。
（実施例１）
図６に示す形態の電磁波放射素子を製造した。ただし、このサブ波長格子構造５は、図５を参照しつつ説明したものであり、支持基板と接着層とを設けていないものである。
図６に示す形態の電磁波放射素子を製造した。ただし、このサブ波長格子構造５は、図５を参照しつつ説明したものであり、支持基板と接着層とを設けていないものである。
具体的には、ｙカットＭｇドープニオブ酸リチウム単結晶からなる本体７を用意した。本体７の寸法は、縦３０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍである。ダイシングソーを利用し、ブレードを縦横に移動させて研削加工することで、柱状体６を形成した。ブレードは、電鋳ボンドタイプ、幅３５μｍであり、砥粒＃２０００を使用した。加工条件は、回転数30000rpm、スピード0.5mm/sとし、深さ３０〜２００μｍまで溝加工を行い、ピッチが４０μｍとなるようにブレード送り調整した。
以下、各部分の寸法を示す。
Ｗｒ： ５μｍ
Ｗｐ： ３５μｍ
Ｗｂ： ０μｍ
Ｔ： ３０〜２００μｍ
Ｔｓｔ： １２．５〜１８２．５μｍ
Ｒ： １７．５μｍ
Ｗｒ： ５μｍ
Ｗｐ： ３５μｍ
Ｗｂ： ０μｍ
Ｔ： ３０〜２００μｍ
Ｔｓｔ： １２．５〜１８２．５μｍ
Ｒ： １７．５μｍ
テラヘルツ波による透過特性を測定するためにＴＤＳ測定を実施した。すなわち、素子本体７の底面７ｂ上にテラヘルツ波光源２０を取り付け、素子本体内部へと向かって矢印Ａのようにテラヘルツ波を入射させた。そして、サブ波長格子構造５上の空気中に受信素子２１を設置し、受光強度を測定した。受光強度／発振強度を透過率とする。この結果、高さＴ＝３５μｍ、Ｔｓｔ＝１７．５μｍのとき、ピーク透過率は９９％であった（周波数１ＴＨｚ）。また、Ｔｓｔが更に大きくなるとピーク周波数が低周波側にシフトすることもわかった。
（比較例１）
実施例１と同じ素子本体７を使用し、電磁波透過率を測定した。ただし、素子表面にサブ波長格子構造を形成しなかった。この場合、ピーク透過率は周波数にほとんど依存なく、５５％であった。これはニオブ酸リチウム単結晶の屈折率が本周波数では５になることに起因する。
実施例１と同じ素子本体７を使用し、電磁波透過率を測定した。ただし、素子表面にサブ波長格子構造を形成しなかった。この場合、ピーク透過率は周波数にほとんど依存なく、５５％であった。これはニオブ酸リチウム単結晶の屈折率が本周波数では５になることに起因する。
（比較例２）
従来、サブ波長格子は、図７に示す四角錘形状が利用される。しかしながら、ニオブ酸リチウムは難加工材料であるので四角錘形状を形成することは困難であり、実施例１の構造と比較するためにＦＤＴＤ法によるシミュレーションによる２次元解析を行った。シミュレーションのモデルとして、実施例１の構造のモデルとし、寸法は上記の実施例１に記載のモデルとした。ただし、四角錘形状については四角錘底面幅４０μｍ、ピッチＰ：４０μｍと固定し、Ｈ：３０μｍ〜２００μｍの領域において透過率を計算した。
従来、サブ波長格子は、図７に示す四角錘形状が利用される。しかしながら、ニオブ酸リチウムは難加工材料であるので四角錘形状を形成することは困難であり、実施例１の構造と比較するためにＦＤＴＤ法によるシミュレーションによる２次元解析を行った。シミュレーションのモデルとして、実施例１の構造のモデルとし、寸法は上記の実施例１に記載のモデルとした。ただし、四角錘形状については四角錘底面幅４０μｍ、ピッチＰ：４０μｍと固定し、Ｈ：３０μｍ〜２００μｍの領域において透過率を計算した。
この結果、実施例１と同じ高さＨ：３５μｍではピーク透過率は７６％であった（周波数１ＴＨｚ）。この場合、ピーク透過率を９０％以上とするためには、高さＨを１００μｍ以上にする必要があることがわかった。このことから、本願構造では溝深さが浅くても高いピーク透過率が得られることがわかった。
（比較例３）
実施例１と同じ素子本体を使用し、電磁波透過率を測定した。ただし、素子本体の表面に、図８に示す形態のサブ波長格子構造を形成した。ここで、各柱状体２３は四角柱形状をしている。各柱状体２３の高さＨは３５μｍであり、柱状体のピッチＰは４０μｍであり、柱状体２３の幅Ｗは２０μｍである。
実施例１と同じ素子本体を使用し、電磁波透過率を測定した。ただし、素子本体の表面に、図８に示す形態のサブ波長格子構造を形成した。ここで、各柱状体２３は四角柱形状をしている。各柱状体２３の高さＨは３５μｍであり、柱状体のピッチＰは４０μｍであり、柱状体２３の幅Ｗは２０μｍである。
なお、本構造は、エキシマレーザを用いた疑似レーザアブレーション法で作製し、レーザのショット回数を調整して深さおよびピッチを調整した。
この結果、ピーク透過率は７７％であった（周波数は０．６ＴＨｚ）。この構造において今回検証した高さＴ（３０μｍ〜２００μｍ）の範囲ではＴを大きくしてもピーク透過率は９０%以上にはならなかった。
この結果、ピーク透過率は７７％であった（周波数は０．６ＴＨｚ）。この構造において今回検証した高さＴ（３０μｍ〜２００μｍ）の範囲ではＴを大きくしてもピーク透過率は９０%以上にはならなかった。
本発明の特定の実施形態を説明してきたけれども、本発明はこれら特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の範囲から離れることなく、種々の変更や改変を行いながら実施できる。
Claims (5)
- ０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの範囲内にある目的周波数の電磁波を結晶の外部へと放射する電磁波放射素子であって、
非線形光学結晶からなる本体と、この本体の表面に形成されたサブ波長格子構造とを備えており、前記サブ波長格子構造が、前記本体の前記表面に規則的に配列された柱状体からなり、前記各柱状体が、先端側に設けられ、一定幅を有する定幅部と、前記表面から前記定幅部へと向かって設けられている基部とを備えており、前記柱状体の配列方向に切った横断面で見たときに、前記基部の表面が、前記基部外に曲率中心を有する弧状をなしていることを特徴とする、電磁波放射素子。 - 隣接する前記柱状体の間で前記基部の前記側面が連続するように形成されていることを特徴とする、請求項１記載の素子。
- 隣接する前記柱状体の前記基部の間に平坦面が形成されていることを特徴とする、請求項１記載の素子。
- 前記各柱状体が、外周刃を利用した切削加工により形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の電磁波放射素子。
- ０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの範囲内にある目的周波数の電磁波を結晶の外部へと放射する電磁波放射素子であって、
非線形光学結晶からなる本体と、この本体の表面に形成されたサブ波長格子構造とを備えており、前記サブ波長格子構造が、前記本体の前記表面に規則的に配列された柱状体からなり、前記各柱状体が、外周刃を利用した切削加工により形成されていることを特徴とする、電磁波放射素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013504794A JP5363678B2 (ja) | 2011-03-17 | 2012-03-16 | 電磁波放射素子およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011058991 | 2011-03-17 | ||
| JP2011058991 | 2011-03-17 | ||
| JP2013504794A JP5363678B2 (ja) | 2011-03-17 | 2012-03-16 | 電磁波放射素子およびその製造方法 |
| PCT/JP2012/057661 WO2012124829A1 (ja) | 2011-03-17 | 2012-03-16 | 電磁波放射素子およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP5363678B2 JP5363678B2 (ja) | 2013-12-11 |
| JPWO2012124829A1 true JPWO2012124829A1 (ja) | 2014-07-24 |
Family
ID=46830881
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2013504794A Active JP5363678B2 (ja) | 2011-03-17 | 2012-03-16 | 電磁波放射素子およびその製造方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US8730565B2 (ja) |
| JP (1) | JP5363678B2 (ja) |
| WO (1) | WO2012124829A1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017050307A (ja) * | 2015-08-31 | 2017-03-09 | 浜松ホトニクス株式会社 | 量子カスケードレーザ |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013130609A (ja) | 2011-12-20 | 2013-07-04 | Ngk Insulators Ltd | 電磁波放射素子およびその製造方法 |
| US10403327B2 (en) * | 2017-02-27 | 2019-09-03 | Google Llc | Content identification and playback |
Family Cites Families (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3525273B2 (ja) * | 1995-11-20 | 2004-05-10 | 弘昌 伊藤 | サブミリ波発生装置 |
| GB2343964B (en) * | 1998-11-03 | 2000-11-01 | Toshiba Res Europ Ltd | An optical device |
| JP2000214506A (ja) | 1998-11-03 | 2000-08-04 | Toshiba Research Europe Ltd | 放射光線源及び撮像システム |
| JP2002072269A (ja) | 2000-08-30 | 2002-03-12 | Inst Of Physical & Chemical Res | テラヘルツ波発生方法及び装置 |
| US6627892B2 (en) | 2000-12-29 | 2003-09-30 | Honeywell International Inc. | Infrared detector packaged with improved antireflection element |
| JP2002287370A (ja) | 2001-03-27 | 2002-10-03 | Mitsubishi Electric Corp | 光学素子の製造方法 |
| JP2003177263A (ja) * | 2001-10-03 | 2003-06-27 | Ngk Insulators Ltd | 光導波路の製造方法および光導波路素子 |
| US6920272B2 (en) * | 2002-10-09 | 2005-07-19 | Nanoopto Corporation | Monolithic tunable lasers and reflectors |
| JP3894108B2 (ja) | 2002-11-28 | 2007-03-14 | 三菱電機株式会社 | 赤外域用反射防止膜 |
| JP4006527B2 (ja) * | 2004-02-02 | 2007-11-14 | 独立行政法人情報通信研究機構 | 表面モードを出力する３次元フォトニック結晶システム |
| JP2009175385A (ja) * | 2008-01-24 | 2009-08-06 | National Univ Corp Shizuoka Univ | テラス状薄板基板、テラス状薄板基板の作製方法、擬似位相整合第二高調波発生デバイス、高密度記録媒体、レーザ、光変調器、テラス状薄板基板の分極反転方法 |
| JP5136249B2 (ja) | 2008-07-11 | 2013-02-06 | 三菱電機株式会社 | 光学フィルター |
| JP5721252B2 (ja) | 2009-08-10 | 2015-05-20 | 日本碍子株式会社 | 電磁波発振素子 |
| JP5072045B2 (ja) * | 2009-08-10 | 2012-11-14 | 日本碍子株式会社 | 電磁波発振素子 |
| JP2013130609A (ja) * | 2011-12-20 | 2013-07-04 | Ngk Insulators Ltd | 電磁波放射素子およびその製造方法 |
-
2012
- 2012-03-16 WO PCT/JP2012/057661 patent/WO2012124829A1/ja active Application Filing
- 2012-03-16 JP JP2013504794A patent/JP5363678B2/ja active Active
-
2013
- 2013-09-09 US US14/021,014 patent/US8730565B2/en active Active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017050307A (ja) * | 2015-08-31 | 2017-03-09 | 浜松ホトニクス株式会社 | 量子カスケードレーザ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20140002891A1 (en) | 2014-01-02 |
| WO2012124829A1 (ja) | 2012-09-20 |
| JP5363678B2 (ja) | 2013-12-11 |
| US8730565B2 (en) | 2014-05-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5721252B2 (ja) | 電磁波発振素子 | |
| US8542433B2 (en) | Electromagnetic wave oscillating devices and a method of producing the same | |
| JP4609993B2 (ja) | テラヘルツ波発生方法及び装置 | |
| JP5363678B2 (ja) | 電磁波放射素子およびその製造方法 | |
| JP2015203714A (ja) | テラヘルツ波発生装置及び方法 | |
| JP2018530010A (ja) | テラヘルツ放射を生成する方法およびテラヘルツ放射源 | |
| CN107561815B (zh) | 一种高能太赫兹脉冲产生装置及方法 | |
| US9851617B2 (en) | Laser device | |
| US8531760B2 (en) | Semiconductor wavelength converting devices and light sources for generating infrared rays | |
| JP2012203013A (ja) | 電磁波発生装置 | |
| Li et al. | Intracavity THz polariton source using a shallow-bounce configuration | |
| JP2013088724A (ja) | テラヘルツ波発生装置 | |
| Wu et al. | Half-percent terahertz generation efficiency from cryogenically cooled lithium niobate pumped by Ti: sapphire laser pulses | |
| Xian-Bin et al. | Surface Emitting THz Wave Parametrical Oscillator Using MgO: LiNbO3 | |
| Aleshkin et al. | Tunable source of terahertz radiation based on the difference-frequency generation in a GaP crystal | |
| Li et al. | Theoretical analysis of stimulated polariton scattering from the A1-symmetry modes of KNbO3 crystal | |
| Gonzalez et al. | Frequency doubling of a CO2 laser using orientation patterned GaAs | |
| Maeda et al. | Low-threshold, quasi-cw terahertz parametric amplification in an external ring cavity with an MgO: LiNbO3 Crystal | |
| CN117631401A (zh) | 一种非线性光学器件及其制备方法 | |
| Brown et al. | Cryogenic Yb: YAG picosecond laser with high average power visible and ultraviolet harmonic generation | |
| Li et al. | Study on the generation of high-power terahertz wave from surface-emitted THz-wave parametric oscillator with MgO: LiNbO3 crystal | |
| Guha | High-Average-Power Difference-Frequency-Generation in Midwave-Infrared | |
| Ding et al. | An efficient THz source with a tuning range of 71.1-2830/spl mu/m (0.106-4.22 THz) based on frequency mixing in a GaP crystal | |
| Ragam | CW THz Wave Generation System with Diode Laser Pumping | |
| Barnes et al. | Mid-wave Infrared Generation by Difference Frequency Mixing of Continuous Wave Lasers in Orientation-Patterned Gallium Phosphide |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20130820 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130905 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5363678 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |