特許 6306363 時間領域分光装置

(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】6306363

(24)【登録日】2018年3月16日

(45)【発行日】2018年4月4日

(54)【発明の名称】時間領域分光装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/3586 20140101AFI20180326BHJP

   H01S 1/02 20060101ALI20180326BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/3586

   H01S1/02

【請求項の数】7

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2014-26414(P2014-26414)

(22)【出願日】2014年2月14日

(65)【公開番号】特開2015-152430(P2015-152430A)

(43)【公開日】2015年8月24日

【審査請求日】2017年1月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005016

【氏名又は名称】パイオニア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001623

【氏名又は名称】特許業務法人真菱国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】加茂 喜彦

【審査官】 立澤 正樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２１２８６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２５５８６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０２３５０４０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／００−２１／０１

Ｇ０１Ｎ ２１／１７−２１／６１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ポンプ光により、電磁波を発生させ、発生した前記電磁波をターゲットに照射する電磁波発生部と、
プローブ光により、前記ターゲットを透過または反射した前記電磁波を検出する電磁波検出部と、を備え、
前記電磁波発生部および前記電磁波検出部は、量子ドットを含有するＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）化合物半導体からなる光伝導層を、それぞれ含むと共に、前記光伝導層上に形成され且つギャップを存して対向配置された一対のアンテナを、それぞれ有し、
前記電磁波検出部の前記光伝導層のＩｎ比率Ｘは、前記電磁波発生部の前記光伝導層のＩｎ比率Ｘより小さく、
前記電磁波検出部の前記ギャップは、前記電磁波発生部の前記ギャップより小さいことを特徴とする時間領域分光装置。

【請求項2】

前記電磁波発生部の前記光伝導層のＩｎ比率Ｘは、３０％以上４０％以下であり、
前記電磁波検出部の前記光伝導層のＩｎ比率Ｘは、０％以上１０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の時間領域分光装置。

【請求項3】

前記電磁波発生部の前記光伝導層の一部または全部は、Ｂｅが１×１０^１７ｃｍ^−３以上１×１０^１８ｃｍ^−３以下の割合で添加され、
前記電磁波検出部の前記光伝導層の一部または全部は、Ｂｅが１×１０^１７ｃｍ^−３以上１×１０^１８ｃｍ^−３以下の割合で添加されていることを特徴とする請求項１または２に記載の時間領域分光装置。

【請求項4】

励起光を出力する励起光光源と、
前記励起光光源から出力された前記励起光を、前記ポンプ光と前記プローブ光とに分割する光分割部と、を更に備え、
前記励起光光源は、波長が１．４５μｍ以上１．６５μｍ以下の前記励起光を照射することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の時間領域分光装置。

【請求項5】

前記電磁波発生部および前記電磁波検出部の前記各光伝導層は、複数層の個別光伝導層と、
前記複数層の個別光伝導層の各層間に形成した複数層の前記量子ドットと、を含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の時間領域分光装置。

【請求項6】

前記各層の量子ドットは、その下層に位置する前記各層の個別光伝導層に対する格子定数の相違により生ずるひずみに基づいて形成されたものであることを特徴とする請求項５に記載の時間領域分光装置。

【請求項7】

前記量子ドットは、ＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｓＳｂおよびＩｎＧａＳｂのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の時間領域分光装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光伝導型の電磁波発生部および電磁波検出部を用いた時間領域分光装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、この種の時間領域分光装置として、フォムト秒レーザー（励起光）を発生するレーザー照射装置と、フォムト秒レーザーをポンプ光とプローブ光とに分けるビームスプリッターと、ポンプ光によりテラヘルツ電磁波を発生すると共にテラヘルツ電磁波を測定試料に照射する電磁波発生装置と、プローブ光により、測定試料を透過したテラヘルツ電磁波を検出する電磁波検出装置と、電磁波検出装置に入射するフォムト秒レーザーを遅延させる遅延光学系と、フォムト秒レーザーを反射・集光する各種光学系と、入力信号を処理する信号処理装置と、を備えたものが知られている（特許文献１参照）。この時間領域分光装置では、電磁波発生装置および電磁波検出装置として、同一の電磁波発生検出装置を用いている。当該電磁波発生検出装置は、基板と、基板上に成長させたバッファ層と、バッファ層上に成長させた半導体層と、半導体層上に形成されたアンテナとを備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３−２９９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、この種の時間領域分光装置において、電磁波発生検出装置の半導体層として、所定のＩｎ比率（例えば３５％）のＩｎＧａＡｓを用いることが考えられる。
しかしながら、この電磁波発生検出装置を、電磁波発生装置および電磁波検出装置の両方に適用した結果、電磁波検出装置のノイズ（暗電流）が増大し、テラヘルツ波の検出感度が低くなってしまうという問題が生じた。

【0005】

本発明は、電磁波発生部および電磁波検出部のそれぞれにおいて最適な光伝導層を用いることにより、テラヘルツ波の検出感度を向上させることができる時間領域分光装置を提供することを課題としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の時間領域分光装置は、ポンプ光により、電磁波を発生させ、発生した電磁波をターゲットに照射する電磁波発生部と、プローブ光により、ターゲットを透過または反射した電磁波を検出する電磁波検出部と、を備え、電磁波発生部および電磁波検出部は、量子ドットを含有するＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）化合物半導体からなる光伝導層を、それぞれ含むと共に、光伝導層上に形成され且つギャップを存して対向配置された一対のアンテナを、それぞれ有し、電磁波検出部の光伝導層のＩｎ比率Ｘは、電磁波発生部の光伝導層のＩｎ比率Ｘより小さく、電磁波検出部のギャップは、電磁波発生部のギャップより小さいことを特徴とする。

【0007】

この場合、電磁波発生部の光伝導層のＩｎ比率Ｘは、３０％以上４０％以下であり、電磁波検出部の光伝導層のＩｎ比率Ｘは、０％以上１０％以下であることが好ましい。

【0009】

さらに、電磁波発生部の光伝導層の一部または全部は、Ｂｅが１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の割合で添加され、電磁波検出部の光伝導層の一部または全部は、Ｂｅが１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の割合で添加されていることが好ましい。

【0010】

一方、励起光を出力する励起光光源と、励起光光源から出力された励起光を、ポンプ光とプローブ光とに分割する光分割部と、を更に備え、励起光光源は、波長が１．４５μｍ以上１．６５μｍ以下の励起光を照射することが好ましい。

【0011】

また、電磁波発生部および電磁波検出部の各光伝導層は、複数層の個別光伝導層と、複数層の個別光伝導層の各層間に形成した複数層の量子ドットと、を含むことが好ましい。

【0012】

この場合、各層の量子ドットは、その下層に位置する各層の個別光伝導層に対する格子定数の相違により生ずるひずみに基づいて形成されたものであることが好ましい。

【0013】

また、量子ドットは、ＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｓＳｂおよびＩｎＧａＳｂのいずれかであることが好ましい。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施形態に係る時間領域分光装置の構成図である。

【図2】（ａ）は、発生側光伝導アンテナ素子を模式的に表した斜視図であり、（ｂ）は、検出側光伝導アンテナ素子を模式的に表した斜視図である。

【図3】（ａ）は、発生側光伝導アンテナ素子を模式的に表した断面図であり、（ｂ）は、検出側光伝導アンテナ素子を模式的に表した断面図である。

【図4】（ａ）は、検出側光伝導アンテナ素子の光伝導層のＩｎ比率とダイナミックレンジとの関係を表した図（グラフ）であり、（ｂ）は、検出側光伝導アンテナ素子の光伝導層のＩｎ比率とＳ／Ｎ比との関係を表した図（グラフ）である。

【図5】（ａ）は、変形例における発生側光伝導アンテナ素子を表した平面図であり、（ｂ）は、変形例における検出側光伝導アンテナ素子を表した平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態に係る時間領域分光装置について説明する。この時間領域分光装置は、時間領域分光法を応用したものであり、パルスレーザー光によりテラヘルツ波を発生させ、このテラヘルツ波を、サンプルを透過させた後に検出し、その検出結果から、サンプルのテラヘルツ波による材料分析等の分光分析を実施するものである。なお、この場合のテラヘルツ波は、０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの電磁波は元より、数十ＧＨｚ〜数百ＴＨｚの電磁波をも含むものである。

【0016】

図１は、時間領域分光装置１の構成図である。同図に示すように、時間領域分光装置１は、パルスレーザー光である励起光を発生・出力する励起光光源２と、出力された励起光をポンプ光ＬＰ１とプローブ光ＬＰ２とに分割するビームスプリッター３（光分割部）と、ビームスプリッター３からのポンプ光ＬＰ１により、テラヘルツ波Ｔｈ（電磁波）を発生させると共に当該テラヘルツ波ＴｈをサンプルＳ（ターゲット）に照射する光伝導型のテラヘルツ波発生部４（電磁波発生部）と、ビームスプリッター３からのプローブ光ＬＰ２により、サンプルＳを透過したテラヘルツ波Ｔｈを検出する光伝導型のテラヘルツ波検出部５（電磁波検出部）と、を備えている。

【0017】

また、時間領域分光装置１は、テラヘルツ波検出部５に入射するプローブ光ＬＰ２を遅延させる遅延光学系１１と、ビームスプリッター３から出力されたプローブ光ＬＰ２を、遅延光学系１１に導く第１反射鏡１２と、遅延光学系１１から出力されたプローブ光ＬＰ２を適宜反射してテラヘルツ波検出部５に導く第２反射鏡１３および第３反射鏡１４と、を備えている。

【0018】

さらに、時間領域分光装置１は、テラヘルツ波発生部４から照射されたテラヘルツ波ＴｈをサンプルＳに導く第１放物面鏡１５と、サンプルＳを透過したテラヘルツ波Ｔｈをテラヘルツ波検出部５に導く第２放物面鏡１６と、を備えている。

【0019】

またさらに、時間領域分光装置１は、テラヘルツ波発生部４の発生側光伝導アンテナ素子２１Ａ（後述する）に所定のバイアス電圧を印加するバイアス電源回路１７と、テラヘルツ波検出部５の検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂ（後述する）に発生した電流を検出して処理する信号処理回路１８と、を備えている。そして、詳細は後述するが、この信号処理回路１８により、イメージング処理や材料分析等の分光分析処理が行われる。

【0020】

励起光光源２は、フェムト秒パルスレーザー等の励起光を照射する。具体的には、励起光光源２は、励起光として、波長が１．４５μｍ以上１．６５μｍ以下のパルスレーザー光を照射する。

【0021】

ビームスプリッター３は、励起光光源２から出力された励起光を分割し、分割した一方の励起光をポンプ光ＬＰ１として出力すると共に、分割した他方の励起光をプローブ光ＬＰ２として出力する。

【0022】

テラヘルツ波発生部４は、ポンプ光ＬＰ１が照射される発生側光伝導アンテナ素子２１Ａと、発生側光伝導アンテナ素子２１ＡのサンプルＳ側に取り付けられた半球レンズ２２ａと、を有している。発生側光伝導アンテナ素子２１Ａは、その表面側（後述の平行伝送線路３２側）に、ポンプ光ＬＰ１が照射されるように配置されている。

【0023】

テラヘルツ波検出部５は、プローブ光ＬＰ２が照射される検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂと、検出側光伝導アンテナ素子２１ＢのサンプルＳ側に取り付けられた半球レンズ２２ｂと、を有している。検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂは、その表面側（後述の平行伝送線路３２側）に、プローブ光ＬＰ２が照射され、その裏面側に、サンプルＳを透過したテラヘルツ波Ｔｈが照射されるように配置されている。

【0024】

このような時間領域分光装置１では、励起光光源２から出力された励起光は、ビームスプリッター３により、ポンプ光ＬＰ１とプローブ光ＬＰ２とに分けられる。そして、ビームスプリッター３により分けられたポンプ光ＬＰ１は、発生側光伝導アンテナ素子２１Ａに入射する。このとき、バイアス電源回路１７により発生側光伝導アンテナ素子２１Ａに、所定のバイアス電圧を印加しておくことで、発生側光伝導アンテナ素子２１Ａからテラヘルツ波Ｔｈが発生する。このテラヘルツ波Ｔｈは、半球レンズ２２ａを通過し第１放物面鏡１５を介して、サンプルＳに照射される。そして、サンプルＳを通過したテラヘルツ波Ｔｈは、第２放物面鏡１６および半球レンズ２２ｂを介して、検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂに入射する。

【0025】

一方、ビームスプリッター３により分けられたプローブ光ＬＰ２は、第１反射鏡１２に反射され、遅延光学系１１に照射される。その後、遅延光学系１１により時間遅延が与えられたプローブ光ＬＰ２は、第２反射鏡１３および第３反射鏡１４を介して、検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂに入射する。入射したテラヘルツ波Ｔｈおよびプローブ光ＬＰ２により、検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂで検出された信号は、信号処理回路１８に入力される。信号処理回路１８は、サンプルＳを透過したテラヘルツ電磁波の時間波形およびサンプルＳが無い状態でのテラヘルツ電磁波の時間波形を各々時系列データとして記憶し、これをフーリエ変換処理して周波数空間に変換する。こうして、サンプルＳからのテラヘルツ電磁波の強度振幅や位相の分光スペクトルを得る。これにより、サンプルＳの部分的な、物理的・科学的性質を探るための分析情報（分光分析情報）やテラヘルツ波Ｔｈのイメージング情報を得ることができる。

【0026】

ここで図２および図３を参照して、発生側光伝導アンテナ素子２１Ａおよび検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂについて説明する。図２（ａ）および（ｂ）は、発生側光伝導アンテナ素子２１Ａおよび検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂの斜視図である。図３（ａ）および（ｂ）は、発生側光伝導アンテナ素子２１Ａおよび検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂの断面図である。発生側光伝導アンテナ素子２１Ａおよび検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂは、光伝導層５３ａ，５３ｂの元素組成比を除き、同一のものを用いている。

【0027】

同図に示すように、両光伝導アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂは、主体を為す光伝導基板３１と、光伝導基板３１上に成膜された平行伝送線路３２と、により構成されている。

【0028】

平行伝送線路３２は、光伝導基板３１（後述の光伝導層５３ａ，５３ｂ）上に形成されたダイポール型の一対のアンテナ４１，４１で構成されている。各アンテナ４１は、線状に延びるライン部４２と、ライン部４２の中央から内側に延設した電極部４３と、を有しており、ライン部４２の少なくとも一方の端部が電極パッド４４として機能する。一対のアンテナ４１，４１は、そのライン部４２，４２同士が平行に配置され、且つ相互の電極部４３，４３が所定のギャップを存して対向配置されている。すなわち、相互の電極部４３，４３の対向端部間には、数μｍの幅（実施形態のものは、５μｍ程度）のギャップ部４５が構成されている。

【0029】

実施形態の各アンテナ４１は、Ａｕ（金）で構成されているが、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ−Ｇｅ合金、Ａｌ−Ｔｉ合金等の導電性材料であってもよい。なお、平行伝送線路３２（アンテナ４１）の形式は、ボウタイ型、ストリップライン型、スパイラル型等であってもよい。また、ギャップ部４５（電極部４３）を複数形成する構成であってもよい。

【0030】

光伝導基板３１は、基板５１と、基板５１上に形成されたバッファ層５２と、バッファ層５２上に形成された光伝導層５３ａ，５３ｂと、を備えている。なお、詳細は後述するが、本実施形態では、この光伝導層５３ａ，５３ｂの元素組成比を、発生側光伝導アンテナ素子２１Ａと検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂとで相違させることで、ダイナミックレンジおよびＳ／Ｎ比を向上させている。

【0031】

基板５１は、化合物半導体の単結晶基板であり、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）により構成されている。基板５１の材料としては、ＧａＡｓの他、バッファ層５２や光伝導層５３ａ，５３ｂの材料（の格子定数）に応じて、例えばＳｉ、Ｇｅ、ＩｎＰ等の単結晶半導体を用いることもできる。

【0032】

バッファ層５２は、基板５１の格子定数以上、光伝導層５３ａ，５３ｂの格子定数以下もしくは基板５１の格子定数以下、光伝導層５３ａ，５３ｂの格子定数以上となる材料を用いて、基板５１上にエピタキシャル成長させた薄膜であり、実施形態のものは、ＧａＡｓにより構成されている。バッファ層５２は、この上に積層する光伝導層５３ａ，５３ｂの結晶性を制御するために設けられている。このため、バッファ層５２を構成する半導体材料は、基板５１および光伝導層５３ａ，５３ｂの材料（の格子定数）に応じて任意に選択して用いることができる。また、バッファ層５２を複数層としてもよい。

【0033】

光伝導層５３ａ，５３ｂは、量子ドット６２を含有するＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）化合物半導体により構成されている。具体的には、光伝導層５３ａ，５３ｂは、複数層の個別光伝導層６１ａ，６１ｂと、複数層の個別光伝導層６１ａ，６１ｂの各層間に形成した複数層の量子ドット６２とにより構成されている。

【0034】

個別光伝導層６１ａ，６１ｂは、Ｉｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）を、バッファ層５２を介して基板５１上に低温で成長させたもの（いわゆるＬＴ−ＧａＡｓもしくはＬＴ−ＩｎＧａＡｓ）であり、量子ドット６２は、各個別光伝導層６１ａ，６１ｂ上にＩｎＡｓ（インジウム砒素）を成長させたものである。本実施形態の量子ドット６２は、当該量子ドット６２を構成するＩｎＡｓと、その下層（または上層）のＧａＡｓ（またはＩｎＧａＡｓ：インジウムガリウム砒素）と、の間の格子定数のミスマッチ（相違）を利用し、これにより生ずるひずみ力で島状構造（量子ドット６２）を実現するものである。そして、光伝導層５３ａ，５３ｂ内に量子ドット６２を封じ込めるように、個別光伝導層６１ａ，６１ｂの形成と、量子ドット６２の形成とを交互に行って、光伝導層５３ａ，５３ｂが形成されている。

【0035】

なお、量子ドット６２は、光伝導層５３ａ，５３ｂ（個別光伝導層６１ａ，６１ｂ）との格子定数の相違を考慮し、ＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｓＳｂ，ＩｎＧａＳｂ等であることが好ましい。また更に、量子ドット６２の形成方法として、微細マスクを用いた選択成長や界面活性剤を用いたもの等、結晶成長時に形成するものであってよい。

【0036】

このように構成された発生側光伝導アンテナ素子２１Ａでは、バイアス電圧を印加して相互の電極部４３，４３間に電界を発生させた状態で、ギャップ部４５に励起光（ポンプ光ＬＰ１）が照射されると、励起光によりギャップ部４５の光伝導層５３ａが励起する。これにより、光伝導層５３ａにキャリア（電子および正孔）が生成され、且つ電極部４３，４３間の電圧（電界）でキャリアが加速されて瞬時電流が流れる。このパルス状電流の時間変動（超高速電流変調）によりテラヘルツ波Ｔｈ（厳密にはテラヘルツパルス波）が発生し、誘電率の大きい基板５１側に強く放射される。また、このように構成された検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂでは、テラヘルツ波Ｔｈを受けたときに一対の電極部４３，４３間に電流が流れるため、テラヘルツ波Ｔｈを検出することができる。

【0037】

次に、本実施形態の時間領域分光装置１における、発生側光伝導アンテナ素子２１Ａおよび検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂの相違部分について説明する。本実施形態の時間領域分光装置１では、上記したように、両光伝導アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂの光伝導層５３ａ，５３ｂにおける元素組成比を相違させている。具体的には、両光伝導層５３ａ，５３ｂは共に、量子ドット６２を含有するＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）により構成されているが、検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂの光伝導層５３ｂ（各個別光伝導層６１ｂ）における当該Ｉｎ比率Ｘ（インジウム比率）は、発生側光伝導アンテナ素子２１Ａの光伝導層５３ａ（各個別光伝導層６１ａ）における当該Ｉｎ比率Ｘより小さくなっている。例えば、発生側光伝導アンテナ素子２１Ａの光伝導層５３ａのＩｎ比率Ｘは、３０％以上４０％以下とし、検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂの光伝導層５３ｂのＩｎ比率Ｘは、０％以上１０％以下とする。これにより、テラヘルツ波時間波形をフーリエ変換したスペクトル（テラヘルツ波スペクトル）のダイナミックレンジ或いはＳ／Ｎ比を向上させている。なお、発生側光伝導アンテナ素子２１Ａの光伝導層５３ａのＩｎ比率Ｘは、３５％とすることが理想的であり、３５％前後（３４％以上３６％以下）とすることがより好ましい。

【0038】

ここで図４の実験結果を参照して、このＩｎ比率Ｘの相違の有効性について説明する。図４（ａ）は、検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂの光伝導層５３ｂのＩｎ比率Ｘと、ダイナミックレンジとの関係を表した図（グラフ）である。一方、図４（ｂ）は、検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂの光伝導層５３ｂのＩｎ比率Ｘと、Ｓ／Ｎ比との関係を表した図（グラフ）である。両図の実験結果は、サンプルＳ無しで、両光伝導アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂにおいて、量子ドット６２を含有するＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）の光伝導層５３ａ，５３ｂを用い、且つ発生側光伝導アンテナ素子２１Ａの光伝導層５３ａのＩｎ比率Ｘを３５％（Ｉｎ₃₅Ｇａ₆₅Ａｓ）として得られたものである。

【0039】

同図に示すように、検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂの光伝導層５３ｂにおけるＩｎ比率Ｘが、発生側光伝導アンテナ素子２１Ａの光伝導層５３ａにおけるＩｎ比率Ｘと同一である場合（Ｉｎ比率３５％）には、ダイナミックレンジが約３６ｄＢとなり、Ｓ／Ｎ比が約３８００となる。一方、検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂの光伝導層５３ｂにおけるＩｎ比率Ｘが、発生側光伝導アンテナ素子２１Ａの光伝導層５３ａにおけるＩｎ比率Ｘより小さい場合（Ｉｎ比率３５％未満）には、ダイナミックレンジおよびＳ／Ｎ比が共に上昇し、ダイナミックレンジが３６ｄＢを超え、Ｓ／Ｎ比が３８００を超えている。このように、検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂの光伝導層５３ｂにおけるＩｎ比率Ｘを、発生側光伝導アンテナ素子２１Ａの光伝導層５３ａにおけるＩｎ比率Ｘより小さくすることで、ダイナミックレンジおよびＳ／Ｎ比が向上される。これは、Ｉｎ比率Ｘを小さくすることで、検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂの光伝導層５３ｂにおける抵抗が上がり、ノイズ（暗電流）が低減するためだと考えられる。つまり、同図の実験結果では、検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂの光伝導層５３ｂは、Ｉｎ比率Ｘを上げて励起効率を大きくするよりも、Ｉｎ比率Ｘを下げて抵抗を上げ、ノイズを低減させるほうが、比較的効果があることを示唆している。

【0040】

以上のような構成によれば、両光伝導アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂの光伝導層５３ａ，５３ｂにおけるＩｎ比率Ｘを相違させ、検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂの光伝導層５３ｂにおけるＩｎ比率Ｘを、発生側光伝導アンテナ素子２１Ａの光伝導層５３ａより小さくすることで、発生側光伝導アンテナ素子２１Ａおよび検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂのそれぞれにおいて、最適な光伝導層５３ａ，５３ｂを用いることができ、ダイナミックレンジおよびＳ／Ｎ比を向上させることができる。つまり、時間領域分光装置１におけるテラヘルツ波Ｔｈの検出感度を向上させることができる。

【0041】

さらに言えば、発生側光伝導アンテナ素子２１Ａの光伝導層５３ａのＩｎ比率Ｘを、抵抗増加（ノイズ低減）よりも励起効率を優先した所定範囲のＩｎ比率（３０％以上４０％以下）とし、検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂの光伝導層５３ｂにおけるＩｎ比率Ｘを、励起効率よりも抵抗増加（ノイズ低減）を優先した所定範囲のＩｎ比率（０％以上１０％以下）とすることで、ダイナミックレンジおよびＳ／Ｎ比をより向上させることができる。これは、本願発明者が、発生側光伝導アンテナ素子２１Ａでは、Ｉｎ比率Ｘを上げてもノイズがあまり大きくならず、検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂでは、Ｉｎ比率Ｘを上げると、励起効率以上に、ノイズが大きくなってしまうことを確認し、これを利用して得られた効果である。すなわち、発生側光伝導アンテナ素子２１Ａでは、Ｉｎ比率Ｘを上げた際、これに伴う抵抗減少（ノイズ増加）の影響よりも、これに伴う励起光率上昇の影響の方が強く、また、検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂでは、Ｉｎ比率Ｘを上げた際、これに伴う励起光率上昇の影響よりも、これに伴う抵抗減少（ノイズ増加）の影響の方が強い。そのため、各光伝導層５３ａ，５３ｂのＩｎ比率Ｘを、これを加味した上記各所定範囲にすることで、ダイナミックレンジおよびＳ／Ｎ比をより向上させることができる。

【0042】

なお、上記実施形態においては、両光伝導アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂの間で、光伝導層５３ａ，５３ｂのＩｎ比率Ｘのみ相違させる構成であったが、これに加え、図５に示すように、両光伝導アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂの平行伝送線路３２（一対のアンテナ４１，４１）におけるギャップを相違させる構成であってもよい。具体的には、検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂにおける電極部４３，４３間のギャップを、発生側光伝導アンテナ素子２１Ａにおける電極部４３，４３間のギャップより小さくする。かかる構成によれば、検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂのギャップを小さくすることで、プローブ光の照射領域であるギャップ部４５を小さくすることができる。これにより、当該ギャップ部４５に集光するプローブ光のスポットサイズを小さくすることができ、当該ギャップ部４５に照射されるプローブ光のレーザー光パワー密度を高くすることができる。これによって、検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂの検出感度が向上し、時間領域分光装置１におけるテラヘルツ波Ｔｈの検出感度をより向上させることができる。

【0043】

また、上記実施形態においては、両光伝導アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂの光伝導層５３ａ，５３ｂを、アンドープのＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）で構成するものであったが、当該光伝導層５３ａ，５３ｂを、Ｂｅ（ベリリウム）が所定の割合（１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下）で添加されたＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）で構成するものであってもよい。かかる構成によれば、光伝導層５３ａ，５３ｂのノイズ（暗電流）が低減され、時間領域分光装置１におけるテラヘルツ波Ｔｈの検出感度をより向上させることができる。

【0044】

また、当該光伝導層５３ａ，５３ｂの一部（例えば表面側）のみを、Ｂｅが所定の割合（１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下）で添加されたＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）で構成するものであってもよい。

【0045】

なお、上記実施形態においては、発生したテラヘルツ波ＴｈをサンプルＳに透過させて検出するようにしているが、サンプルＳに反射させて検出するようにしてもよい。また、マトリクス状に配置した複数の発生側光伝導アンテナ素子２１Ａおよび複数の検出側光伝導アンテナ素子２１Ｂを用いて、サンプルＳを面的に検出（イメージング）することも可能である。もちろん、サンプルＳを光路に直交するＸ・Ｙ方向に微小移動させて、これを面的に検出（イメージング）することも可能である。

【符号の説明】

【0046】

１：時間領域分光装置、 ２：励起光光源、 ３：ビームスプリッター、 ４：テラヘルツ波発生部、 ５：テラヘルツ波検出部、 ４１：アンテナ、 ５３ａ，５３ｂ：光伝導層、 ６１ａ，６１ｂ：個別光伝導層、 ６２：量子ドット、 ＬＰ１：ポンプ光、 ＬＰ２：プローブ光、 Ｓ：サンプル、 Ｔｈ：テラヘルツ波

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】