特許 5963080 電磁波検出方法及び電磁波検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5963080

(24)【登録日】2016年7月8日

(45)【発行日】2016年8月3日

(54)【発明の名称】電磁波検出方法及び電磁波検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/02 20060101AFI20160721BHJP

   G02F 1/377 20060101ALI20160721BHJP

   G01N 21/3581 20140101ALI20160721BHJP

【ＦＩ】

   G01J1/02 C

   G02F1/377

   G01N21/3581

【請求項の数】8

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2012-155368(P2012-155368)

(22)【出願日】2012年7月11日

(65)【公開番号】特開2014-16303(P2014-16303A)

(43)【公開日】2014年1月30日

【審査請求日】2015年4月17日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２３年度独立行政法人科学技術振興機構、研究成果展開事業、研究成果最適展開支援プログラム、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】504145320

【氏名又は名称】国立大学法人福井大学

(73)【特許権者】

【識別番号】390013815

【氏名又は名称】学校法人金井学園

(74)【代理人】

【識別番号】100110814

【弁理士】

【氏名又は名称】高島 敏郎

(72)【発明者】

【氏名】谷 正彦

(72)【発明者】

【氏名】栗原 一嘉

(72)【発明者】

【氏名】山本 晃司

(72)【発明者】

【氏名】桑島 史欣

【審査官】 塚本 丈二

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−２７５１０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 TANI, M., et al.，Efficient Electro-Optic Sampling Detection of Terahertz Radiation via Cherenkov Phase Matching，遠赤外領域開発研究，日本，福井大学 遠赤外領域開発研究センター，２０１１年 ６月，第12巻，第193-199頁

【文献】 K. Iwaszczuk et al.，Terahertz field enhancement to the MV/cm regime ina tapered parallel plate waveguide，OPTICS EXPRESS，２０１２年 ４月 ９日，Vol.20,No.8，8344-8354

【文献】 SCHELLER, M., et al.，Heterodyne Detection of Intracavity Generated Terahertz Radiation，IEEE TRANSACTIONS OF TERAHERTZ SCIENCE AND TECHNOLOGY，２０１２年 ５月，Vol. 2, No. 3，pp. 271-277

【文献】 RANGEL, N. L., et al.，Graphene Signal Mixer for Sensing Applications，J. Phys. Chem. C，２０１１年，115，pp. 12128-12134

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｊ １／００−１／６０

Ｇ０１Ｎ ２１／００−２１／６１

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

Ｓｃｏｐｕｓ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気光学効果を用いたＥＯサンプリング法により電磁波を検出する電磁波検出方法において、
サンプリング光照射手段から照射されたサンプリング光を非線形光学結晶に入射させ、
電磁波照射手段から照射された検出対象の電磁波を集束させて増強し、
増強した電磁波を前記非線形光学結晶に前記サンプリング光の光軸に対してチェレンコフ位相整合角で入射させ、
位相整合された前記電磁波と前記サンプリング光とを結合させて出力される和周波成分及び差周波成分を含む波数ベクトル整合された出力を、この出力の中心で対称に二分割し、
分割された前記出力の各々を、予め信号極性が反転する位置に配置した二つの検出部に入力し、
一方の前記検出部で前記和周波成分を検出させ他方の前記検出部で前記差周波成分を検出させ、
前記検出部の各々でヘテロダイン検波法又はホモダイン検波法によって検出された二つの信号の差分を求めること、
を特徴とする電磁波検出方法。

【請求項2】

前記電磁波照射手段から照射された電磁波を、少なくとも表面が金属で形成されたＶ溝に導入した後、このＶ溝の先端部まで伝搬させて増強することを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出方法。

【請求項3】

前記非線形光学結晶で導波路を形成し、この導波路に前記サンプリング光を入射させることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁波検出方法。

【請求項4】

電気光学効果を用いたＥＯサンプリング法により電磁波を検出する電磁波検出装置において、
サンプリング光を照射するサンプリング光照射手段と、
検出対象の電磁波を照射する電磁波照射手段と、
前記電磁波を集束させて増強する電磁波増強手段と、
増強された前記電磁波を前記サンプリング光の光軸に対してチェレンコフ位相整合角で入射させる位相整合手段と、
非線形光学結晶で形成され、位相整合された前記電磁波と前記サンプリング光とを結合させて和周波成分及び差周波成分を含む出力を発生させる和差周波発生手段と、
前記和周波成分及び前記差周波成分を含む波数ベクトル整合された出力を、この出力の中心で対称に二分割する分割手段と、この分割手段によって分割された前記出力の各々が入力されるとともに一方で前記和周波成分を検出し他方で前記差周波成分を検出し、検出した信号の極性が反転する位置に配置された二つの検出部とを備え、前記検出部の各々でヘテロダイン検波法又はホモダイン検波法で検出された二つの信号の差分を求める検出手段と、
を有することを特徴とする電磁波検出装置。

【請求項5】

前記電磁波増強手段が、少なくとも表面が金属で形成されたＶ溝から形成されていることを特徴とする請求項４に記載の電磁波検出装置。

【請求項6】

前記Ｖ溝の頂部の角度を、前記Ｖ溝に入射される電磁波の集束角に基づいて決定したことを特徴とする請求項５に記載の電磁波検出装置。

【請求項7】

前記位相整合手段及び前記和差周波発生手段が、一方の傾斜面から入射した前記電磁波をチェレンコフ位相整合角で他方の傾斜面に出力されるように形成されたプリズムと、前記他方の傾斜面に形成された非線形光学結晶との結合体であり、
前記プリズムを前記Ｖ溝の先端部に配置したこと、
を特徴とする請求項５又は６に記載の電磁波検出装置。

【請求項8】

前記Ｖ溝の先端部に平行部を設け、この平行部に前記プリズムを配置したことを特徴とする請求項７に記載の電磁波検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電磁波の検出方法及びその装置に関し、特に、周波数３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ光長１０ｍｍ〜１０μｍの周波数領域の電磁波を検出するのに適した電磁波検出方法及び電磁波検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

この種の周波数領域の中では、特にテラヘルツ光帯の電界強度を検出することで非破壊的に検査等を行う技術が近年開発され、例えば、Ｘ線装置に代わる安全な透視検査装置を構成してイメージングを行う技術などへの利用が進んでいる。また、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて分子の結合状態などの物性を調べる分光技術、キャリア濃度や移動度、導電率などの物性を調べる計測技術、生体分子の解析技術などへの利用も進められている（例えば、特許文献１，２，３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１−３３７００号公報

【特許文献2】特開２０１０−２０４４８８号公報

【特許文献3】特開２０１１−２０３７１８号公報

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】IQEC/CLEO Pacific Rim 2011 「Efficient electro-optic sampling detection and generation of intenseTHz radiation via Cherenkov-type phase matching in a LiNbO3 crystalcoupled to a Si prisｍ」

【非特許文献2】S. P. Kovalev and G. Kh.Kitaeva, JETP Lett. Vol.94,No.2, pp.91-96 (2011).

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、テラヘルツ光のような電磁波の電界強度を検出する方法としては、電気光学（ＥＯ）効果を用いて電場を検出するＥＯサンプリング法を用いることができるが、このＥＯサンプリング法において電気光学結晶として非線形光学係数の大きな非線形光学結晶を用いる場合は、検出を高効率に行うためにサンプリングするテラヘルツ光の位相速度とサンプリング光として用いるフェムト秒レーザーパルスの群速度との速度が一致している（位相整合が成立している）こと、複屈折特性を有する結晶に対してはその複屈折による位相遅延を補償することが必要条件となる。

【0006】

前者はチェレンコフ位相整合法を用いることで、どのような結晶及びサンプリング光長でも位相整合条件を得ることができる技術が本願出願人によって提案されている（非特許文献１参照）。しかし、後者の固有複屈折の問題については、偏光板を９０度回転させて同じ結晶光路を２度伝搬させるという手法が特許出願人により提案されている（非特許文献１参照）ものの、装置構成が複雑になるという欠点があった。
さらに、非特許文献２では、”Energy sensitive electro optical detection”と称する手法によるＴＨｚ光のＥＯサンプリング検出法を提案しているが、この検出法では従来法よりも感度がω_THz／ω₀（ω_THz：ＴＨｚ光の周波数、ω₀：サンプリング光の周波数）だけ小さくなるという問題がある。

【0007】

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、固有複屈折のある結晶に対しても位相遅延補償なしに電磁波の検出ができ、波長板や偏光素子、光検出器による差分検出が不要で構成を簡素化できるとともに、高感度かつ高効率で電磁波の検出が可能な電磁波の検出方法及び電磁波の検出装置の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、電気光学効果を用いたＥＯサンプリング法により電磁波を検出する電磁波検出方法において、サンプリング光照射手段から照射されたサンプリング光を非線形光学結晶に入射させ、電磁波照射手段から照射された検出対象の電磁波を集束させて増強し、増強した電磁波を前記非線形光学結晶に前記サンプリング光の光軸に対してチェレンコフ位相整合角で入射させ、位相整合された前記電磁波と前記サンプリング光とを結合させて出力される和周波成分及び差周波成分を含む波数ベクトル整合された出力を、この出力の中心で対称に二分割し、分割された前記出力の各々を、予め信号極性が反転する位置に配置した二つの検出部に入力し、一方の前記検出部で前記和周波成分を検出させ他方の前記検出部で前記差周波成分を検出させ、前記検出部の各々でヘテロダイン検波法又はホモダイン検波法によって検出された二つの信号の差分を求める方法としてある。

【0009】

電磁波を増強する手段としては、表面プラズモンを発生させるものを利用することができ、例えば請求項２に記載するように、前記電磁波照射手段から照射された電磁波を、少なくとも表面が金属で形成されたＶ溝に導入した後、このＶ溝の先端部まで伝搬させて増強するとよい。
前記非線形光学結晶は単結晶であってもよいが、請求項３に記載するように、前記非線形光学結晶から形成された導波路であってもよい。

【0010】

上記方法の発明を実施するための本発明の装置は、請求項４に記載するように、電気光学効果を用いたＥＯサンプリング法により電磁波を検出する電磁波検出装置において、サンプリング光を照射するサンプリング光照射手段と、検出対象の電磁波を照射する電磁波照射手段と、前記電磁波を集束させて増強する電磁波増強手段と、増強された前記電磁波を前記サンプリング光の光軸に対してチェレンコフ位相整合角で入射させる位相整合手段と、非線形光学結晶で形成され、位相整合された前記電磁波と前記サンプリング光とを結合させて和周波成分及び差周波成分を含む出力を発生させる和差周波発生手段と、前記和周波成分及び前記差周波成分を含む波数ベクトル整合された出力を、この出力の中心で対称に二分割する分割手段と、この分割手段によって分割された前記出力の各々が入力されるとともに一方で前記和周波成分を検出し他方で前記差周波成分を検出し、検出した信号の極性が反転する位置に配置された二つの検出部とを備え、前記検出部の各々でヘテロダイン検波法又はホモダイン検波法で検出された二つの信号の差分を求める検出手段とを有する構成としてある。

【0011】

前記電磁波増強手段としては、表面プラズモンを発生させるものを利用することができ、例えば請求項５に記載するように、前記電磁波増強手段が、少なくとも表面が金属で形成されたＶ形の溝から形成されているものを用いることができる。前記Ｖ溝の頂部の角度は、請求項６に記載するように、前記Ｖ溝に入射される電磁波の集束角に基づいて決定することができる。そして、請求項７に記載するように、前記位相整合手段及び前記和差周波発生手段を、一方の傾斜面から入射した前記電磁波をチェレンコフ位相整合角で他方の傾斜面に出力されるように形成されたプリズムと、前記他方の傾斜面に形成された非線形光学結晶との結合体から構成し、前記プリズムを前記Ｖ溝の先端部に配置するようにしてもよい。請求項８に記載するように、前記Ｖ溝の先端部に平行部を設けて、この平行部に前記プリズムを配置するようにしてもよい。

【発明の効果】

【0012】

本発明は上記のように構成されているので、固有複屈折のある結晶に対しても位相遅延補償なしに検出対象の電磁波のＥＯサンプリングを可能にするとともに、波長板，偏光素子，２つの光検出器による差分検出法を用いる必要がなく、簡素な構成で、かつ、高感度かつ高効率でＥＯサンプリング検出ができる。
特に本発明では、電磁波増強手段によってＥＯサンプリングで検出されるテラヘルツ波の電界強度を増強することで、ＥＯサンプリングの検出感度を飛躍的に増大させることができる。
さらに、前記和周波成分及び前記差周波成分を含む出力を二つに分割するとともに信号極性が反転するように二つの検出部を配置し、二つの検出部によって検出された信号の差分を求めることで、検出器による検出感度を高めることができるとともにノイズ成分も低減することができる。

【発明を実施するための最良の形態】

【0013】

以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
［装置構成］
図１に本発明の装置構成をブロック図で示す。
図１の装置は、サンプリング光を照射するサンプリング光照射部１と、検出対象の電磁波であるテラヘルツ（以下、「ＴＨｚ」と記載する）波を照射するＴＨｚ光照射部２と、ＴＨｚ光の位相調整を行う位相整合部３と、ＴＨｚ光照射部２から照射されたＴＨｚ光を金属の表面プラズモンと結合させて増強する増強部９と、位相調整及び増強されたＴＨｚ光とサンプリング光とを光結合して和周波を発生させる和差周波発生器４と、この和差周波発生器４からの出力から和周波成分を検出する検出器５とを有する。

【0014】

［サンプリング光照射部１及びＴＨｚ光照射部２］
サンプリング光照射部１やＴＨｚ光照射部２としてはフェムト秒レーザー装置を用いることができる。なお、これらレーザー装置から照射されるレーザー光を公知の２倍波発生器に通すことで、半分の波長のレーザー光に変換してもよい。また、サンプリング光照射部１から照射されたサンプリング光は、次に説明する位相整合部３でＴＨｚ光と光結合できるように、公知の遅延手段によって位相整合部３に入射されるタイミングが調整される。

【0015】

［増強部９］
この実施形態の増強部９は、THz光をＶ形の溝（Ｖ溝）内の金属の表面プラズモンと結合させ、前記V溝の先端に集束させることでTHz光を増強するものである。このような増強部９の原理としては、9 April
2012/Vol.20,No.8/OPTICS EXPRESS 8355に掲載されたK. Iwaszczukらによる”Terahertz field enhancement to the MV/cm regime in
a tapered parallel plate waveguide”を利用することができる。
表面プラズモンとの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ブロックにＶ溝を形成し、Ｖ溝の内面に金（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ブロックにＶ溝を形成し、Ｖ溝の内面に金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）等の金属層を形成してもよい。
Ｖ溝の頂部の角度（図４中、符号αで示す角度）はできるだけ小さいほうがよいとされるが、V溝の角度を入射するTHz光のビーム集束角に合わせることで、V溝の頂部の角度αが大きくても効率よくTHz光を集束させることができる。最適なＶ溝の頂部の角度αは、THz光のビーム集束角を目安に最適値を実験等で求めることができ、例えば、THz光のビーム集束角が１８°の場合には、Ｖ溝の頂部の角度αは２０°程度とすることができる。
Ｖ溝の先端に狭幅の平行溝を設け、集束させたTHz光をこの平行溝内で伝搬させることで、増強したTHz光を次に説明する位相整合部３に導くことができる。前記平行溝の幅は、狭いほど増強効果を高めることができ、THz光の波長よりも狭くするのが好ましい。

【0016】

［位相整合部３］
サンプリング光とＴＨｚ光の二つの光を光結合する場合は、結合しようとする二つの光を位相整合する必要があり、二つの光の媒質中の位相速度が一致していることが条件となる。位相整合部３は、入射されたＴＨｚ光の位相速度がサンプリング光の群速度と同じになるように調整する。本発明では、サンプリング光の光軸に対して斜めにＴＨｚ光を入射させるチェレンコフ（Cherenkov）位相整合法を利用したものを用いる。
なお、ＴＨｚ光の位相速度がサンプリング光の群速度と同じになるように調整するための材料としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３：略称ＬＮ）や四ほう酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇：略称ＬＢＯ）、βバリウムボレイト（略称ＢＢＯ）など、二次の非線形光学効果を有する結晶を用いることができるが、電気光学係数の高いＬＮ結晶を用いるのが好ましい。

【0017】

ＬＮ結晶や導波路に入射されたサンプリング光に対してＴＨｚ光をチェレンコフ位相整合角（θ_ｃ）で入射させるには、例えば傾斜角（９０°−θ_ｃ）のＳｉプリズムを用いるとよい。このときチェレンコフ位相整合角θ_cはＳｉプリズム中のＴＨｚ光の位相屈折率n_THzとＬＮ結晶中のサンプリングパルス光の群屈折率n_gの比で決まる。すなわち、cosθ_c＝ｎ_ｇ／ｎ_THzでチェレンコフ位相整合角θ_ｃが決まる。ＬＮ結晶としては、バルク結晶を用いるよりも導波路構造を持った結晶を用いるほうが、ＬＮ結晶内での吸収をさけ、検出帯域を広くとるために望ましい。

【0018】

［和差周波発生器４］
和差周波発生器４は、位相調整された二つの光の和周波又は差周波を発生させる。
前記した非線形光学効果を有する材料の単結晶や、この材料で形成された導波路は和差周波発生器４として利用することができる。

【0019】

ここで、サンプリング光の周波数をω₀，ＴＨｚ光の周波数をω_THzとすると、導波路を構成する非線形光学結晶内ではこれら２つの波の和周波ω_SFG（＝ω₀+ω_THz）が発生する。有効非線形光学係数（サンプリング光とテラヘルツ光の偏光方向，および非線形光学結晶の結晶方位に依存して決まる）をd_effとすると和周波発生（Sum Frequency
Generation, 略してＳＦＧ)による非線形分極は以下の式で与えられる。和周波Ｐ^（２）は、

【0020】

【数1】

ε_０は真空の誘電率である。この非線形分極により和周波が発生する。サンプリング光が十分強く，その非線形相互作用による減衰を無視できるとし、ＳＦＧにより発生した光波の電界振幅をＥ_SFGとすると

【0021】

【数2】

である。ここでμ_０は真空の透磁率，cは真空中の光速度，Ｌはサンプリング光が電気光学結晶中を伝搬する距離，ｎ_ω0＋ωTHzは周波数ω₀＋ω_THzにおける屈折率，
ｇ（ΔkL）は次で定義される位相不整合因子である。

【0022】

【数3】

ここで波数不整合Δkは次で与えられる。

【0023】

【数4】

k₀はサンプリング光の波数，ｋ_SFGはＳＦＧによる光波の波数，k_THzはＴＨｚ光の波数である。光波の周波数はＴＨｚ光の周波数に比べて２桁以上大きい（ω₀>>ω_THz）ので、ω₀＋ω_THzはω₀，ｎ_ω0＋ωTHzはｎ_ω0で近似してよい。すると（２）式は

【0024】

【数5】

と書き換えられる。

【0025】

もともとのサンプリング光と和周波発生によって発生した光は重ね合わさって検出される。和周波発生の効率が小さく、もとのサンプリング光がほとんど減衰しないと仮定すると、光強度の変化率（もともとのサンプリング光の強度I₀で規格化した全光強度）は次式で与えられる。

【0026】

【数6】

最後の式では発生した和周波発生の電界振幅Ｅ_SFGは、サンプリング光の電界振幅E₀よりずっと小さいとしているので、Ｅ_SFGの自乗に対応する項は無視した。

【0027】

［検出器５］
検出器５は、和差周波発生器４からの出力から和周波成分又は差周波成分を検出する。
サンプリング光強度の変化量だけをロックイン検出法で検出する場合は、信号強度は次式で与えられる。（６）式においては、和周波発生による発生した光波の電界振幅Ｅ_THzはもとのサンプリング光の波長とほとんど同じであり、このため干渉により、E_THzはE₀との積（（６）式２目の真ん中の項）として検出されることが示されている。これはヘテロダイン検波と同じであり、信号はE₀だけ増強される。
（６）式を書き直すと、

【0028】

【数7】

となり、これに（５）式を用いると、（７）式は次式で与えられる。

【0029】

【数8】

ＬＮ結晶の場合，非線形感受率テンソル成分のなかでｄ₃₃が一番大きい。
また

【0030】

【数9】

の関係を用いて（８）式を書き換えると

【0031】

【数10】

を得る。ここでｎ_eはＬＮ結晶の異常光の屈折率で、ｒ₃₃はｄ₃₃に対応した電気光学係数である。
さらにＩｍ［g（ΔkL）］はΔkL=2.216 のとき最大値ｇ_max=0.723をとる。チェレンコフ位相整合では波数不整合Δkを結晶の角度で任意に調整できるので、ΔkL =2.216となるように調整することで容易にｇ_max=0.723を得る（結晶の伝搬長Ｌは一定とする）ことができる。
すなわち、波数不整合Δkを最適化することでヘテロダイン方式による信号の最大値を得ることができ、このときのヘテロダイン方式による信号強度は

【0032】

【数11】

で与えられる。

【0033】

［比較］
本発明の方法を、ＬＮ結晶を用いた従来のＥＯサンプリング法と比較する。
従来のＥＯサンプリング法における信号変調度は次式で与えられる（完全位相整合条件を仮定）。

【0034】

【数12】

ここで、DGはＴＨｚ光によって引き起こされた位相遅延である。ｎ_oはＬＮ結晶の正常光の屈折率である。
例えば、ｒ₁₃ =9.6 [pm/V], ｒ₃₃ =30.9 [pm/V], ｎ_o= 2.255 and ｎ_e=2.176 （800
nm）を用いてそれぞれの性能指数を計算すると従来のＥＯサンプリング法では、

【0035】

【数13】

となり、本発明のＥＯサンプリング法では、

【0036】

【数14】

となる。
以上から、本発明のＥＯサンプリング法は従来のＥＯサンプリング法よりも高効率（ＬＮ結晶の場合で約２倍）であることがわかる。

【0037】

［他の実施形態］
上記では和周波の検出を行っているが、本発明では差周波の検出を行ってもよい。結晶中では和周波だけではなく差周波も同時に発生している。この場合、差周波発生による光波のヘテロダイン信号は、和周波の場合に対して符号が反転する。どちらの信号が優勢になるかはＴＨｚ光の，サンプリング光波に対する位相で決まる。
また、上記ではサンプリング光とＴＨｚ光は単一周波数としているが、実際にはそれぞれパルス波であるので、有限の周波数スペクトル分布を持つ。差周波発生と有限の周波数スペクトルを考慮した（１０）式に対応する表式は次式で与えられる。

【0038】

【数15】

ここでＣ（ω_THｚ）は次で定義されるサンプリング光の相互相関関数である。

【0039】

【数16】

ω_THz =0のとき

【0040】

【数17】

はサンプリング光の自己相関関数であり、サンプリング光強度に比例した量である。サンプリング光のスペクトル分布がＴＨｚ光のそれよりも十分広い（サンプリング光のパルス幅がＴＨｚ光に対して十分狭い場合に相当）とすると

【0041】

【数18】

と近似でき、（１５）式は

【0042】

【数19】

とあらわされる。（１９）式の導出においてはΔkはω_THzに依存しないと仮定した。この仮定はチェレンコフ位相整合では妥当な仮定である。
（１９）式は（１０）式と類似しているが，周波数ω_THzに対するＴＨｚ光の振幅Ｅ_THz（ω_THz）の代わりに、ＴＨｚ光の時間波形Ｅ_THz（τ）が用いられている。ここでτはＴＨｚ光とサンプリング光の相対遅延時間である。したがって（１９）式はＴＨｚ光の時間波形に依存したＥＯ信号が検出されることを示している。

【0043】

［具体的装置構成］
本発明の具体的な装置構成の一例を図２に示す。
図２に示すように、このテラヘルツ光検出装置は、フェムト秒レーザー装置１１とレンズ１２とを備えたサンプリング光照射部１と、フェムト秒レーザー装置２１とＴＨｚエミッタ２２とを備えたＴＨｚ光照射部２と、ＴＨｚ光照射部２から照射されたＴＨｚ光を金属の表面プラズモンと結合させて増強する増強部９とを有する。
図２の例では、位相整合部３及び和差周波発生器４は、プリズム３１とこのプリズム３１の一面に形成された導波路４１とを有する構成としてある。
プリズム３１としては、テラヘルツ帯での吸収と分散が小さいシリコン（Ｓｉ）プリズムを用いるのが好ましい。
図３に、図２の装置に用いられる位相整合部３及び和差周波発生器４の一例を示す。

【0044】

プリズム３１は、一つの傾斜面がＴＨｚ光の入射面として形成された三角形状をなしていて、前記傾斜面から入射したＴＨｚ光が斜めに入射する面にＬＮ結晶の薄膜からなる導波路４１が形成されている。
前記傾斜面の傾斜角は、前記傾斜面から入射したＴＨｚ光がチェレンコフ位相整合に適した角度θになるように形成されている。チェレンコフ位相整合角はプリズム３１中のＴＨｚ光の位相屈折率ｎ_THzとＬＮ結晶中のサンプリングパルス光の群屈折率ｎ_gの比で決まる。すなわち、cosθ_c＝ｎ_ｇ／ｎ_THzでチェレンコフ位相整合角θが決定される。

【0045】

上記構成のプリズム３１は、図４に示すような増強部９に取り付けられる。
増強部９は、金属ブロックで形成された本体９０と、この本体９０に形成されたＶ溝９１と、このＶ溝９１の先端に形成された細幅の平行部９２とを有している。本体９０をアルミニウムや鉄等の金属材料で形成する場合や、樹脂やセラミックスなどの非金属材料で形成する場合は、Ｖ溝９１及び平行部９２の内表面に金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）等の金属層を形成するのが好ましい。
本体９０の一端面には、Ｖ溝の幅広部分が開口し、この開口から取り入れたＴＨｚ光がＶ溝の金属の表面プラズモンと結合して増強されながら細幅の先端部へと伝搬される。

【0046】

平行部９２の幅寸法ｔ１は小さいほど増強効果が大きくなることから、幅寸法ｔ１は可能な限り小さいものとするのが好ましい。より好ましくは、ＴＨｚ光の波長よりも小さいものであるのがよい。例えば、ＴＨｚ光の波長が１ＴＨｚ（波長０．３ｍｍ）である場合には、幅寸法ｔ１は０．３ｍｍ以下とするのが好ましい。

【0047】

平行部９２の先端が開口する本体９０の他端面には、二つのプリズム保持部９３，９３が対向して設けられている。プリズム保持部９３，９３は、本体９０と一体に形成されていてもよいし、図示するように本体９０とは別体のブロック状の部材から形成されていてもよい。この二つのプリズム保持部９３，９３は、平行部９２に連通する隙間を有するように互いに離間して平行に配置される。そして、前記隙間に、平行部９２を伝搬したＴＨｚ光が入射するプリズム３１が挿入して保持される。

【0048】

プリズム３１と接触する二つのプリズム保持部９３，９３の対向面は、平行部９２の一部を構成するように、平行部９２の内面と同様に仕上げられているのが好ましい。
プリズム３１は、ＴＨｚ光を入射させる斜面を平行部９２側に差し向け、かつ、ＴＨｚ光が前記斜面に対して垂直に入射するように、向きを調整してプリズム保持部９３，９３に保持させる。

【0049】

プリズム３１の幅寸法ｔ２は、平行部９２の幅寸法ｔ１と同じとするのが好ましいが、薄肉のプリズム３１や導波路４１の形成が困難な場合には、平行部９２の幅寸法ｔ１よりも大きいものであってもよい。
なお、図４の例では図３に示した支持基板６を省略しているが、図４の例ではプリズム保持部材９３，９３が図３の支持基板６に相当するためである。図４の例では、必要に応じて、プリズム保持部材９３，９３間の隙間から露出する導波路４１を覆う被覆材を設けてもよい。

【0050】

［導光経路］
サンプリング光照射部１から照射されたサンプリング光及びＴＨｚ光照射部２から照射されたＴＨｚ光を、増強部９を経てプリズム３１及び導波路４１に導く導光経路は、図２に示すように、サンプリング光照射部１に対向して設置された反射鏡８と、ＴＨｚ光照射部２に対向して設置された凹面鏡７ａと、この凹面鏡７ａに対向して設置された凹面鏡７ｂとから構成される。

【0051】

反射鏡８は、サンプリング光が導波路４１に入射するように配置され、凹面鏡７ａ，７ｂは、ＴＨｚ光が増強部９のＶ溝９１からプリズム３１の傾斜面に入射するように配置される。
以上の構成より、サンプリング光照射部１から照射されたサンプリング光は、反射鏡８によってその進行方向を変換されて導波路４１の側面から入射する。
また、ＴＨｚ光照射部２から照射されたＴＨｚ光は、凹面鏡７ａ，７ｂによってその進行方向を変換され、増強部９のＶ溝９１に導入され、その先端部で集束される。このように増強されたＴＨｚ光は、平行部９２を伝搬してプリズム３１の傾斜面に入射される。
増強されたＴＨｚ光とサンプリング光は導波路４１内で結合され、和周波出力又は差周波出力として導波路４１から出力される。出力された和周波出力又は差周波出力は、検出する信号が最大になるように位置調整されたヘテロダイン方式の検出器５によって検出される。

【0052】

［実施例１］
以下の条件で本発明の効果の試験を行った。
レーザー光源：波長780nm，パルス幅＜100fs，繰り返し50MHz
ＴＨｚ光発生素子：ボウタイ型光伝導アンテナ，バイアス+/-50 Vp-p @95kHz (Sin波)，ポンプパワー約6mW
ＥＯ素子：Ｓｉプリズム結合LiNbO₃結晶（厚さ 2mm， １% Mol. MgO-doped stoichiometric ＬＮ），プローブパワー約1mW
増強部のＶ溝の頂部の角度α：２０°（ＴＨｚ光の集束角１８°）
増強部の平行部９２の幅寸法ｔ１：０．３ｍｍ
プリズムの幅寸法ｔ２：０．３ｍｍ
導波路：プリズム保持部９３，９３の表面にプリズムに接するように肉厚２ｍｍの導波路を貼り付けた。
［実施例２］
導波路の肉厚を４０μｍとした以外は実施例１と同じである。
［比較例］
増強部９を設けず、ＴＨｚ光が直接プリズム３１に入射されるようにしたこと以外は実施例１と同じである。

【0053】

図５に、比較例及び従来方法によるＴＨｚ光の検出結果を示す。図５は、比較例におけるＥＯサンプリング方式で検出したＴＨｚパルス波の時間領域波形を，従来のＥＯサンプリングで検出した場合の波形とともに示したものである。増強部９を有しない比較例においても、波長板や偏光素子等を用いずに従来と同様にＴＨｚ光の検出ができることがわかる。
図６は、増強部９を用いない比較例と、増強部９を使った実施例１，２との比較結果を示す図５と同様のグラフである。
本発明のように増強部９を用いることで、信号強度が増強されるのがわかる。実施例１と比較例のように導波路の肉厚が同じ場合（肉厚２ｍｍ）では、実施例１は比較例の約５．５倍である。また、増強の度合いは導波路の肉厚が小さいほど高くなり、実施例２のように導波路の肉厚を４０μｍとすると比較例の約１７倍になる。

【0054】

［他の実施形態］
図７（ａ）に、本発明の検出方法及び検出装置における検出器５の他の実施形態を示す。上記したように、結晶中では和周波だけではなく差周波も同時に発生していて、差周波発生による光波のヘテロダイン信号は、和周波の場合に対して符号が反転する。また、和周波出力と差周波出力は、波数ベクトル整合により、出力のほぼ中心で対称に二分割することができる。そこで、この実施形態の検出器５は、左右一対のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢを備えているとともに、導波路４１からレンズ５２を経て出力された和周波出力及び差周波出力が、三枚の反射鏡５１ａ，５１ｂ，５１ｃにより分割されるようになっている。すなわち、反射鏡５１ａにより反射鏡５１ｂに指し向けられた出力は、図７（ｂ）にＡ部を拡大して示すように、反射鏡５１ｂにより真っ直ぐ検出器５に向かう出力IIと、向きを変えて反射鏡５１ｃに向かう出力Ｉとに二分割される。分割された二つの出力は、それぞれのフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢに入力される。この実施形態において検出器５は、図７（ａ）(i)(ii)に示すようにフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢによって検出される信号の極性が反転するように、位置合わせされる。

【0055】

図８に、フォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢによって検出されたそれぞれの信号を重ね合わせたグラフと、両信号の差分（Balance detection）を求めたグラフを示す。
図８のグラフからわかるように、この実施形態の検出器５では、フォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢによって検出されたそれぞれの信号の差分を求めることで、検出感度をほぼ倍にすることができる。また、ノイズ信号は左右のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢで極性が同じであるため、差分を求めることでノイズ成分も低減することができる。

【0056】

本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の説明に限定されるものではない。
例えば、上記の説明ではＶ溝９１の先端に平行部９２を設けて、Ｖ溝９１で増強したＴＨｚ光を平行部９２を介してプリズム３１にまで導くようにしているが、Ｖ溝９１の先端にプリズム３１を配置して平行部９２を設けないようにすることも可能である。また、この場合、プリズム３１はＶ溝９１の先端の外側に配置してもよいし、Ｖ溝９１の先端の内側に配置してもよい。
さらに、ＴＨｚ光を伝搬させる平行部９２は直線状に限らず、一部又は全部が湾曲していてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0057】

本発明は、ミリ波帯、マイクロ波帯及びテラヘルツ光帯を含む領域（周波数３０ＭＨｚ〜３０ＴＨｚ：１０ｍ〜１０μｍ）の電磁波の検出に好適に適用が可能である。
また、本発明は各種センシング装置やイメージング装置などに適用が可能である。

【図面の簡単な説明】

【0058】

【図1】本発明の装置構成を説明するブロック図である。

【図2】具体的な装置構成を示す概略図である。

【図3】図２の装置に用いられる位相整合部及び和差周波発生器の一例を示す概略図である。

【図4】本発明の増強部の一実施形態にかかり、その構成を説明する概略斜視図である。

【図5】比較例及び従来方法によるＴＨｚ光の検出結果を示すグラフである。

【図6】実施例１，２と比較例によるＴＨｚ光の検出結果を示すグラフである。

【図7】本発明の他の実施形態にかかり、二分割した出力を二つの検出部で検出させる検出器の構成を説明する概略図である。

【図8】他の実施形態における検出器の効果を説明するグラフである。

【符号の説明】

【0059】

１ サンプリング光照射部
２ テラヘルツ光照射部
３ 位相整合部
４ 和差周波発生器
５ 検出器
９ 増強部
９０ 本体
９１ Ｖ溝
９２ 平行部
９３ プリズム保持部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】