特開 2024-120590 テラヘルツ帯周波数掃引発振装置、テラヘルツ分光装置、発振方法および分光計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024120590

(43)【公開日】2024-09-05

(54)【発明の名称】テラヘルツ帯周波数掃引発振装置、テラヘルツ分光装置、発振方法および分光計測方法

(51)【国際特許分類】

   H10N 60/12 20230101AFI20240829BHJP

   H10N 60/85 20230101ALI20240829BHJP

   H03B 7/06 20060101ALI20240829BHJP

【ＦＩ】

H10N60/12 Z ZAA

H10N60/85 C

H03B7/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023027478

(22)【出願日】2023-02-24

(71)【出願人】

【識別番号】504171134

【氏名又は名称】国立大学法人 筑波大学

(74)【代理人】

【識別番号】100165179

【弁理士】

【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100188558

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100175824

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100152272

【弁理士】

【氏名又は名称】川越 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100181722

【弁理士】

【氏名又は名称】春田 洋孝

(72)【発明者】

【氏名】南 英俊

(72)【発明者】

【氏名】柏木 隆成

(72)【発明者】

【氏名】尾内 敏彦

【テーマコード（参考）】

4M113

【Ｆターム（参考）】

4M113AA06

4M113AA16

4M113AA25

4M113AC44

4M113CA35

(57)【要約】

【課題】テラヘルツ帯で周波数を掃引することが可能なテラヘルツ帯周波数掃引発振装置、テラヘルツ分光装置、発振方法および分光計測方法を提供する。
【解決手段】ＡＣジョセフソン効果によりテラヘルツ波を発振する発振素子２１と、発振素子２１をパルス駆動する電源２２と、発振素子２１を制御する制御装置２３と、を備え、電源２２によるパルス形状と、発振素子２１の発振周波数および温度との関係を参照して、電源２２を制御する、テラヘルツ帯周波数掃引発振装置２０。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＡＣジョセフソン効果によりテラヘルツ波を発振する発振素子と、
前記発振素子をパルス駆動する電源と、
前記発振素子を制御する制御装置と、を備え、
前記電源によるパルス形状と、前記発振素子の発振周波数および温度との関係を参照して、前記電源を制御する、テラヘルツ帯周波数掃引発振装置。

【請求項2】

前記電源によるパルス形状と、前記発振素子の発振周波数および温度との関係は、あらかじめ取得したデータである、請求項１に記載のテラヘルツ帯周波数掃引発振装置。

【請求項3】

前記発振素子は、高温超伝導体Ｂｉ_２Ｓｒ_２ＣａＣｕ_２Ｏ_８＋δ単結晶から構成される、請求項１に記載のテラヘルツ帯周波数掃引発振装置。

【請求項4】

前記パルス形状は、立ち上がりにおいて、テラヘルツ波の発振が可能な温度まで前記発振素子の温度を上昇させ、立ち下がりにおいて、前記発振素子の温度が変化しながら、前記発振周波数が時間的に変化することが可能である、請求項１に記載のテラヘルツ帯周波数掃引発振装置。

【請求項5】

前記発振素子をパルス駆動する間に前記発振周波数が変化する際の周波数は、前記発振素子の基本共振周波数またはそれより低い周波数と、前記基本共振周波数よりも高い周波数とを含む、請求項１に記載のテラヘルツ帯周波数掃引発振装置。

【請求項6】

前記電源に対して並列に接続され、互いに基本共振周波数が異なる、複数の前記発振素子と、
前記電源と前記発振素子との間で接続を切り替える切替スイッチと、を備え、
前記発振素子のそれぞれに対して、前記電源によるパルス形状と、前記発振素子の発振周波数および温度との関係を参照して、前記電源を制御する、請求項１に記載のテラヘルツ帯周波数掃引発振装置。

【請求項7】

請求項１～６のいずれか１項に記載のテラヘルツ帯周波数掃引発振装置と、テラヘルツ波の検出器とを備えるテラヘルツ分光装置。

【請求項8】

請求項１～６のいずれか１項に記載のテラヘルツ帯周波数掃引発振装置を用いて、前記発振素子をパルス駆動することにより、所定の発振周波数を出力する、発振方法。

【請求項9】

請求項７に記載のテラヘルツ分光装置を用いて、前記発振素子をパルス駆動することにより、前記発振素子の発振周波数を時間的に変化させる工程と、
前記検出器により前記発振素子の出力を検出する工程と、を含む、分光計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、テラヘルツ帯周波数掃引発振装置、テラヘルツ分光装置、発振方法および分光計測方法に関する。

【背景技術】

【0002】

テラヘルツ（ＴＨｚ）オーダーの周波数を有する電磁波（以下、ＴＨｚ波という）の周波数は、０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚまでと言われ、分子間の振動や結晶格子の振動などの周波数とほぼ等しい。そのため、物質の同定をはじめとする、非破壊検査、セキュリティ、医療診断、気象観測、環境モニター、天文学、高速大容量通信等の幅広い分野におけるＴＨｚ波の活用が期待されている。

【0003】

テラヘルツ帯の単色光源として、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）や量子カスケードレーザー（ＱＣＬ）などが知られている。また、テラヘルツ帯の分光技術として、テラヘルツ時間領域分光（ＴＨｚ－ＴＤＳ）技術や、水銀灯を光源とするフーリエ変換赤外分光（ＦＴ－ＩＲ）技術などが知られている。

【0004】

近年、ＴＨｚ波を発振する素子として、高温超伝導体を備えた発振素子が注目されている。例えば、特許文献１には、高温超伝導体が有する固有ジョセフソン接合を利用したＴＨｚ波発振素子が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１９－１４９４１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述したＲＴＤやＱＣＬでは周波数を掃引する技術は知られていない。また、通常のＴＨｚ－ＴＤＳ技術における周波数分解能は数ギガヘルツである。また、ＴＨｚ－ＴＤＳ技術において極短パルスを対象物に照射しても、光学特性解析には空間特性補正や高速フーリエ変換（ＦＦＴ）などの特別な技術を要する。ＦＴ－ＩＲ技術では、スペクトル取得に時間を要する。

【0007】

特許文献１に記載のＢｉ２２１２を用いたＴＨｚ波発振素子は、電圧により周波数を掃引できるが、素子の温度を適切に制御する必要があり、外部ヒーターを用いるなど装置の大型化や周波数掃引の変化速度には限界があった。

【0008】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、テラヘルツ帯で周波数を掃引することが可能なテラヘルツ帯周波数掃引発振装置、テラヘルツ分光装置、発振方法および分光計測方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の第１の態様は、ＡＣジョセフソン効果によりテラヘルツ波を発振する発振素子と、前記発振素子をパルス駆動する電源と、前記発振素子を制御する制御装置と、を備え、前記電源によるパルス形状と、前記発振素子の発振周波数および温度との関係を参照して、前記電源を制御する、テラヘルツ帯周波数掃引発振装置である。

【0010】

第２の態様は、第１の態様において、前記電源によるパルス形状と、前記発振素子の発振周波数および温度との関係は、あらかじめ取得したデータである。
第３の態様は、第１または第２の態様において、前記発振素子は、高温超伝導体Ｂｉ_２Ｓｒ_２ＣａＣｕ_２Ｏ_８＋δ単結晶から構成される。

【0011】

第４の態様は、第１～３のいずれか１の態様において、前記パルス形状は、立ち上がりにおいて、テラヘルツ波の発振が可能な温度まで前記発振素子の温度を上昇させ、立ち下がりにおいて、前記発振素子の温度が変化しながら、前記発振周波数が時間的に変化することが可能である。
第５の態様は、第１～４のいずれか１の態様において、前記発振素子をパルス駆動する間に前記発振周波数が変化する際の周波数は、前記発振素子の基本共振周波数またはそれより低い周波数と、前記基本共振周波数よりも高い周波数とを含む。

【0012】

第６の態様は、第１～５のいずれか１の態様において、前記電源に対して並列に接続され、互いに基本共振周波数が異なる、複数の前記発振素子と、前記電源と前記発振素子との間で接続を切り替える切替スイッチと、を備え、前記発振素子のそれぞれに対して、前記電源によるパルス形状と、前記発振素子の発振周波数および温度との関係を参照して、前記電源を制御する。

【0013】

第７の態様は、第１～６のいずれか１の態様のテラヘルツ帯周波数掃引発振装置と、テラヘルツ波の検出器とを備えるテラヘルツ分光装置である。

【0014】

第８の態様は、第１～６のいずれか１の態様のテラヘルツ帯周波数掃引発振装置を用いて、前記発振素子をパルス駆動することにより、所定の発振周波数を出力する、発振方法である。

【0015】

第９の態様は、第７の態様のテラヘルツ分光装置を用いて、前記発振素子をパルス駆動することにより、前記発振素子の発振周波数を時間的に変化させる工程と、前記検出器により前記発振素子の出力を検出する工程と、を含む、分光計測方法である。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、テラヘルツ帯で周波数を掃引することが可能なテラヘルツ帯周波数掃引発振装置、テラヘルツ分光装置、発振方法および分光計測方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】第１実施形態のテラヘルツ帯周波数掃引発振装置を例示する構成図である。

【図2】発振素子の周波数スペクトルの一例を示すグラフである。

【図3】テラヘルツ帯周波数掃引発振装置の一例を示す構成図である。

【図4】発振素子の実施例を示す図面代用写真である。

【図5】オシロスコープ画面の一例を示す図面代用写真である。

【図6】図５の１．０２０ＴＨｚにおける周波数測定結果を示す図面代用写真である。

【図7】図５の０．５１０ＴＨｚにおける周波数測定結果を示す図面代用写真である。

【図8】図５の画面の部分的に拡大した図面代用写真である。

【図9】発振素子をパルス駆動して得られる出力を説明するグラフである。

【図10】図９の点Ａにおけるスペクトルを示すグラフである。

【図11】図９の点Ｂにおけるスペクトルを示すグラフである。

【図12】図９の点Ｃにおけるスペクトルを示すグラフである。

【図13】第２実施形態のテラヘルツ帯周波数掃引発振装置を例示する構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、好適な実施形態に基づいて、本発明を説明する。

【0019】

図１に、第１実施形態のテラヘルツ帯周波数掃引発振装置を例示する。図１に示すテラヘルツ帯周波数掃引発振装置１０は、発振素子１１と、発振素子１１をパルス駆動する電源１２と、を備える。発振素子１１は、交流（ＡＣ）ジョセフソン効果によりテラヘルツ波を発振する。

【0020】

発振素子１１は、超伝導層と絶縁層との積層構造を複数有し、ジョセフソン接合を積層した構造を有する超伝導体を備えてもよい。超伝導体を構成する物質は、例えば、高温超伝導体Ｂｉ_２Ｓｒ_２ＣａＣｕ_２Ｏ_８＋δ（以下、Ｂｉ２２１２という）単結晶が挙げられる。Ｂｉ２２１２では、ＣｕＯ_２層が超伝導層、Ｂｉ_２Ｏ_２層が絶縁層として機能し、ジョセフソン効果によって、絶縁層を介して超伝導層間に超伝導電流が流れる。

【0021】

発振素子１１がメサ構造の場合は、結晶基板１１ａ上にメサ１１ｂが形成される。結晶基板１１ａおよびメサ１１ｂが一体の単結晶であってもよい。結晶基板１１ａ上に形成されるメサ１１ｂの形状は特に限定されず、正方形、長方形、三角形、五角形等の多角形、円形などが挙げられる。

【0022】

発振素子１１はメサ構造でなくてもよいし、メサ構造の場合も寸法等を適宜設定することが可能である。メサ構造は、超伝導体結晶が台地形状または柱状形状を形成している部分である。超伝導体結晶は、結晶基板１１ａおよびメサ１１ｂが別々の単結晶でもよい。結晶基板１１ａ上に形成されるメサ１１ｂの個数は特に限定されず、１個でも２個以上でもよい。

【0023】

発振素子１１がメサ構造の場合は、電源１２から配線１３を介して、少なくともメサ１１ｂに電圧が印加される。特に図示しないが、メサ１１ｂと配線１３との間に、導電層（図示せず）などが配置されてもよい。配線１３を介してメサ１１ｂを駆動する電源１２が接続される。発振素子１１の周囲は、超伝導体の動作に必要な低温に維持される。

【0024】

配線１３や導電層等の通電用の部材（図示せず）は、金、銀、銅などの金属から形成することができる。排熱手段１５（詳しくは後述）の下面に金属薄膜回路をプリントし、メサ１１ｂの上面に押し付けてもよい。結晶基板１１ａ上で配線１３をメサ１１ｂに接続するには、ＣａＦ_２等の適宜の材料で結晶基板１１ａ上に隆起部（図示せず）を形成し、メサ１１ｂ上から隆起部上まで形成した導電層（図示せず）に配線１３を接続してもよい。

【0025】

メサ１１ｂの側面は、ヘリウム等の気体または真空で囲まれていてもよい。メサ１１ｂに接する媒質としては、誘電損失の低い物質が好ましく、具体的には、真空のほか、ヘリウム、水素、ネオン等の沸点が低いガス、窒素等の沸点以下に冷やされた液体、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）等の樹脂、ダイヤモンドグリスなどの放熱剤などが挙げられる。

【0026】

メサ１１ｂの上面は、真空に接してもよく、メサ１１ｂの側面と同じ媒質に接してもよく、高純度シリコン、サファイア、高純度アルミナセラミックス等の絶縁性固体などに接してもよい。詳しくは後述するが、メサ１１ｂの上面が排熱手段１５に接してもよい。

【0027】

結晶基板１１ａは、支持基板１４の上に固定した状態で、ドライまたはウェットのエッチングで加工することにより、結晶基板１１ａ上にメサ１１ｂを形成することができる。メサ構造の側面は、垂直面でも傾斜面でもよく、加工条件を適宜選択することで調整が可能である。

【0028】

支持基板１４の材質は特に限定されないが、サファイア、ダイヤモンド、アルミナ、銅などが挙げられる。

【0029】

メサ１１ｂに電圧を印加すると、メサ１１ｂからテラヘルツ波が出力される。テラヘルツ波の発振周波数は、メサ１１ｂの幅Ｗに依存する共振周波数で決まる。メサ１１ｂが７０μｍ幅の場合は、基本共振周波数は０．５００ＴＨｚ（５００ＧＨｚ）である。この場合、メサ構造の具体例として、長さ４００μｍ、高さ２μｍが挙げられる。

【0030】

共振は、メサ１１ｂの幅のような共振器寸法ｗが、ジョセフソンプラズマ波の半波長（λ／２）の整数倍（ｍ倍）に等しくなったとき（ｗ＝ｍλ／２）に起こる。例えば、真空中の光速度をｃ、媒質の屈折率をｎとするとき、周波数ｆは、ｆ＝ｍｃ／２ｎｗで表される。ｍが１の場合は、基本共振周波数（基本モード）が得られる。ｍが２以上の場合には高次モードの周波数が得られる。媒質がＢｉ２２１２単結晶の場合は、ｎの値が約４．２となる。

【0031】

超伝導体におけるジョセフソン接合の積層面と垂直な方向に電圧が印加されると、交流ジョセフソン効果が生じる。交流ジョセフソン効果は、極めて薄い絶縁層を介した二つの超伝導体の間に一定の電圧を印加すると、交流電流が流れる現象のことを言う。交流電流の振動数は、ジョセフソン接合一層当りに印加した電圧に比例するため、電磁波として、非共振のテラヘルツ波が発生する。

【0032】

非共振のテラヘルツ波が、メサ構造などの素子構造の固有共振周波数と共振すると、積層されたジョセフソン接合間で振動電流が位相を揃えてコヒーレントに流れ、共振が生じる。その結果、共振のテラヘルツ波が外部に放射される。共振のテラヘルツ波は、非共振のテラヘルツ波よりも強い強度ピークを有する。

【0033】

図２は、発振素子１１の周波数スペクトルの一例を示すグラフである。線幅はバイアス条件により変化し、一般的には、数十ＭＨｚ～数百ＭＨｚと報告されている。図２はＦＴ－ＩＲによる測定で、測定分解能は８ＧＨｚ程度である。

【0034】

特許文献１の図３および図４に示されているように、発振素子から発振される周波数は、環境温度およびバイアス電圧に依存することが知られている。

【0035】

上述したように、テラヘルツ波発振の基本原理は交流ジョセフソン効果であるため、周波数と電圧は比例する。特許文献１の図４では、印加電圧が約６Ｖ以上では、環境温度が２５Ｋ以下、発振周波数は約１．０ＴＨｚ以上になっている。電圧が低い場合は発振周波数が低下する傾向が示されている。

【0036】

ジョセフソン接合に印加できる電圧は、温度で決まる下限がある。周波数を下げるには結晶の温度を上げる必要がある。発振周波数と発振強度との関係については、上述したように、メサ幅で決まる基本共振周波数で強く発振する。２次の共振周波数で再び強度が上がる。それら以外の周波数でも弱く発振する。

【0037】

図３に、テラヘルツ帯周波数掃引発振装置２０の一例を示す。発振素子２１には、パルス駆動する電源２２が接続されている。電源２２はパルスの発生源である。発振素子２１および電源２２の少なくとも一方は、制御装置２３により制御されている。テラヘルツ帯周波数掃引発振装置２０の発振方法は、電源２２で発振素子２１をパルス駆動することにより、所定の発振周波数を出力する。

【0038】

発振素子２１は、上述したメサ構造の発振素子１１でもよい。具体的には、図４の実施例に示す、メサ２４個のアレイが用いられている。メサ構造の発振素子１１は、アレイにしてもよいし、アレイでない単独の発振素子１１でもよい。

【0039】

図示例では、発振素子２１の電圧降下を測定するため、差動アンプ２５を介して、オシロスコープ３１のチャンネル３（ＣＨ３）に接続されている。発振素子２１と電源２２との間には、１Ωの抵抗器２４が設置されている。発振素子２１を流れる電流を検出するため、差動アンプ２５を介して、オシロスコープ３１のチャンネル２（ＣＨ２）に接続されている。

【0040】

図示例のテラヘルツ分光装置３０は、テラヘルツ帯周波数掃引発振装置２０と、テラヘルツ波の検出器３３とを備える。検出器３３としては、ＩｎＳｂホットエレクトロンボロメーター（ＨＥＢ）やショットキーバリアダイオードが挙げられる。検出器３３は分光器３４に接続されている。

【0041】

テラヘルツ分光装置３０を用いた分光計測方法は、発振素子２１をパルス駆動することにより、発振素子２１の発振周波数を時間的に変化させる工程と、検出器３３により発振素子２１の出力を検出する工程と、を含む。

【0042】

検出器３３の出力は、オシロスコープ３１のチャンネル４（ＣＨ４）に接続されている。オシロスコープ３１のチャンネル１（ＣＨ１）は、電源２２に接続されて、発振素子２１に１Ωを加えた箇所での電圧降下を測定することができる。オシロスコープ３１としては、デジタルオシロスコープを用いた。

【0043】

図５にオシロスコープ画面の一例を示す。横軸は時間（１０μｓ／ｄｉｖ．）であり、縦軸は、線Ｂが、発振素子２１での電圧降下（２Ｖ／ｄｉｖ．）、線Ｐが発振素子２１を流れる電流（４００ｍＡ／ｄｉｖ．）、線ＧがＨＥＢの出力電圧（２０ｍＶ／ｄｉｖ．）、線Ｙが発振素子＋１Ωでの電圧降下（２Ｖ／ｄｉｖ．）である。

【0044】

図示例のパルス形状は、略台形状である。台形の左辺は、時間の経過とともに電圧が上昇する立ち上がり形状である。台形の右辺は、時間の経過とともに電圧が低下する立ち下がり形状である。台形の上辺に該当する電圧は、線Ｙでは略一定であるが、線Ｂでは、若干、時間の経過とともに低下する傾向を示している。

【0045】

驚くべきことに、パルス１つが発振素子２１に印加される間に、発振周波数が時間的に変化する現象が確認された。図６は、図５の１．０２０ＴＨｚ（１０２０ＧＨｚ）における周波数測定結果を示す。図７は、図５の０．５１０ＴＨｚ（５１０ＧＨｚ）における周波数測定結果を示す。

【0046】

発振周波数の測定方法は特に限定されないが、図示例では、ＨＥＢを用いた検出器３３とマイケルソン干渉計とからなる光学系により、分光器３４が構成されている。マイケルソン干渉計は、ビームスプリッタ（図示せず）の周囲に、光源となる発振素子２１、固定ミラー（図示せず）、移動ミラー（図示せず）、検出器３３を配置して構成されている。

【0047】

発振素子２１から放出された電磁波は、ビームスプリッタで２つに分けられ、一方の電磁波は、ビームスプリッタを通過して移動ミラーに向かってからビームスプリッタに戻る。他方の電磁波は、ビームスプリッタで反射されて固定ミラーに向かってからビームスプリッタに戻る。両者を合わせた電磁波が検出器３３に向かう。

【0048】

移動ミラーを移動させることにより、干渉によって強度が振動する電磁波が検出器３３で検出される。オシロスコープ３１のカーソル計測機能によって、検出器３３の出力がパソコン（ＰＣ）等のコンピュータ３２に取り込まれる。取り込んだ干渉パターンをコンピュータ３２でフーリエ変換することにより、周波数スペクトルを取得することができる。

【0049】

テラヘルツ帯周波数掃引発振装置２０は、電源２２によるパルス形状と、発振素子２１の発振周波数および温度との関係を参照して、電源２２を制御する。これにより、発振素子２１から放出されたテラヘルツ波を、テラヘルツ帯で周波数掃引することができる。

【0050】

図８に、図５に示すオシロスコープ３１の画面を部分的に拡大した。これらの放射強度と周波数との関係は、直流バイアス（特許文献１の図３～４参照）の場合に近い。線Ｇは、検出器３３の出力のマイナス１倍の値であり、マイナス方向に振れている。

【0051】

パルスの電圧、時間幅、形状を適当なものにすることで、Ｂｉ２２１２結晶の温度変化を調整することができる。温度と電圧の時間変化を同期させることで、周波数を掃引（スイープ）することができる。周波数掃引に要する時間は、数十マイクロ秒であり、図示例では約２４μｓ間で約１．１００ＴＨｚから約０．４３０ＴＨｚまで掃引されている。

【0052】

繰り返し周波数を数ｋＨｚにできる。図示例では繰り返し周波数が１ｋＨｚである。その程度の高速で強度スペクトルを取得することができる。吸収スペクトル等を得るには、参照試料と対象試料で強度スペクトルを取得し比較することができる。平均化（アベレージング）によるＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。

【0053】

電源２２によるパルス形状と、発振素子２１の発振周波数および温度との関係は、あらかじめ取得したデータであってもよい。パルス形状の制御に必要なデータ、プログラム等は、制御装置２３に格納されてもよく、外部から通信等で入力されてもよい。通信は、無線でも有線でもよい。

【0054】

電源２２から発振素子２１に印加されるパルス形状は、立ち上がりにおいて、テラヘルツ波の発振が可能な温度まで発振素子２１の温度を上昇させ、立ち下がりにおいて、発振素子２１の温度が変化しながら、発振周波数が時間的に変化することが可能である。

【0055】

例えば、パルス駆動の間に、発振素子２１の温度が連続的に上昇しながら発振周波数が時間的に変化する可能性や、発振素子２１の温度が連続的に下降しながら発振周波数が時間的に変化する可能性が考えられる。発振素子２１の温度が上昇した後で、下降に転ずる可能性も考えられる。

【0056】

パルス幅が短いことから、外部との間で熱移動により発振素子の温度変化が起こる程度が低い可能性もある。パルス電圧が小さいことから、外部への排熱に比べて、発振素子の内部で電気抵抗により生じる熱量が小さい可能性もある。

【0057】

パルス電圧が小さすぎると、パルスの立ち上がりにおいて、テラヘルツ波の発振が可能な温度まで発振素子の温度が上昇しない可能性がある。パルス電圧が大きすぎると、発振素子の温度上昇が急激になり、超伝導転移温度を超えてテラヘルツ波が発振されなくなる可能性がある。

【0058】

適度なパルスを選択すると、１回のパルス駆動に際し、発振素子が置かれている環境温度から超伝導転移温度までの比較的広い温度範囲で、発振素子に温度変化が起こる可能性もある。例えばＢｉ２２１２を発振素子に用いた場合は、超伝導転移温度の９０Ｋ程度以下である。

【0059】

温度上昇に寄与する因子としては、パルスのエネルギーの一部が電気抵抗によって熱に変換されていることが考えられる。温度下降に寄与する因子としては、発振素子２１から外部への放熱、排熱が考えられる。後述するように、発振素子２１に対して、排熱手段１５（図１参照）を設けてもよい。

【0060】

上述したように、交流（ＡＣ）ジョセフソン効果によって電磁波を発振する発振素子においては、発振周波数が印加電圧に比例する。このため、印加電圧を時間的に連続して低下させると、発振周波数を時間的に連続して低下させることができる。パルスの立ち下がりにおいては、印加電圧が徐々に低下するため、発振周波数を徐々に低下させることができる。

【0061】

発振素子をパルス駆動する間に発振周波数が変化する際の周波数は、前記発振素子の基本共振周波数またはそれより低い周波数と、前記基本共振周波数よりも高い周波数とを含むことも可能である。例えば、ａおよびｂを異なる正の整数として、基本共振周波数の約ａ倍の周波数から、基本共振周波数の約ｂ倍の周波数まで、発振周波数が変化する可能性がある。なお、発振素子の基本共振周波数の０．０１倍以上、０．０５倍以上、０．１倍以上、０．２倍以上、０．３倍以上、あるいは０．５倍以上の範囲で、発振周波数を変化させてもよい。

【0062】

上述した実施例においては、基本共振周波数の約２倍の周波数から発振が開始され、基本共振周波数より低い周波数まで、発振周波数が変化している。驚くべきことに、基本共振周波数およびその整数倍の周波数の付近に限らず、広い周波数範囲にわたって安定的に電磁波を発振することができた。

【0063】

次に、第１実施形態のテラヘルツ帯周波数掃引発振装置２０について、より詳細に説明する。図示例のテラヘルツ帯周波数掃引発振装置１０は、支持基板１４上に結晶基板１１ａが配置され、結晶基板１１ａ上には、６個のメサ１１ｂが形成されている。

【0064】

結晶基板１１ａ上に形成されるメサ１１ｂの個数は特に限定されず、１個でも２個以上でもよい。基本共振周波数が等しい複数の超伝導体結晶（メサ１１ｂ等）に同時にパルス電圧を印加することにより、発振強度を高めることができる。

【0065】

図１の上下方向に並ぶメサ１１ｂは、配線１３を介して接続される電源１２に対して、並列接続となる。また、図１の左右方向に並ぶメサ１１ｂは、配線１３を介して接続される電源１２に対して、結晶基板１１ａを介した直列接続となる。各メサ１１ｂには、結晶基板１１ａと配線１３との間で高さ方向にバイアスが印加される。特に図示しないが、配線１３間に奇数個（１個でもよい）のメサ１１ｂを接続する場合は、配線１３を結晶基板１１ａに接続することでメサ１１ｂ下面への接続としてもよい。メサ１１ｂ下面への接続には、結晶基板１１ａ上に配線１３が接続される導電層（図示せず）を配置してもよい。

【0066】

排熱手段１５は、単結晶のメサ１１ｂを少なくとも結晶基板１１ａまたは支持基板１４と反対側の面から排熱する。図１では、構成を理解しやすくするために、排熱手段１５をメサ１１ｂから離して図示しているが、メサ１１ｂの結晶基板１１ａまたは支持基板１４とは反対側の面に、排熱手段１５を接合することが好ましい。

【0067】

排熱手段１５は、熱伝導性の高い物質からなる板であってもよい。熱伝導性が高い物質としては、例えばサファイア、アルミナセラミックス等を挙げることができる。上述したように、結晶基板１１ａはメサ１１ｂと同一の超伝導体となる。結晶基板１１ａを省略して、メサ１１ｂと同様な形状の超伝導体を支持基板１４上に配置することも可能である。

【0068】

支持基板１４にはサファイア、ダイヤモンドまたは銅、あるいはそれらと同等以上に排熱効果の高い材料を用いることが好ましい。これらの物質は、発振素子１１の駆動温度（例えばスターリングクーラーなど小型冷凍機の到達温度である４０Ｋ付近の温度）において、高い熱伝導性を示すため、支持基板１４からの効率的な排熱を実現することができる。

【0069】

次に、図９のグラフを参照して、発振素子をパルス駆動して得られる出力について、説明する。これらのグラフの横軸はいずれも時間（Time）である。１段目のＶｂはパルス電源の出力電圧である。２段目の電圧（Voltage）は、発振素子に印加される電圧である。３段目の周波数（Frequency）は、黒い丸で示す測定点において測定した発振スペクトルの周波数である。４段目の強度（Intensity）は、発振の強さの相対値である。

【0070】

パルス電源の出力電圧における繰り返し周波数は１ｋＨｚである。発振素子に印加される電圧は、パルス電源の出力電圧から１Ωの電流モニター用抵抗での電圧降下を引いた電圧となる。パルス電圧を印加した後、結晶の温度が上昇し抵抗が減少するため、電流が増える。２段目の電圧が１段目のパルス電源の出力電圧と異なる形状になるのは、電流の増加によって１Ωの電流モニター用抵抗での電圧降下が増えるためである。

【0071】

図９の３段目の周波数では、上述したように、マイケルソン干渉計分光器で測定したスペクトルのピーク位置の周波数をプロットした。交流ジョセフソン効果によって、発振周波数は発振素子に印加される電圧に比例するため、一度校正しておけば電圧から周波数を知ることができる。校正する必要があるのはメサの高さが関わるためである。周波数の測定には時間を要するが、電圧は瞬時に分かる。

【0072】

図９の４段目の強度では、スペクトル線のピーク高さをプロットしている。例えば図９の点Ａ、点Ｂ、点Ｃにおけるスペクトルは、それぞれ図１０、図１１、図１２に示すとおりになる。

【0073】

上述した具体例では幅７０μｍのメサを使用し、その基本共振周波数が０．５ＴＨｚであるため、０．５ＴＨｚ付近で強く発振し、２次の共振周波数１ＴＨｚ付近で強度が上がる。０．５ＴＨｚ付近の発振は±３０ＧＨｚ幅で十分な強度が得られる。このため、対象物質（例えば病原マーカー物質）の吸収スペクトル（指紋スペクトル）が分かっていて、より広い周波数での掃引が必要ない場合、メサの共振周波数を「指紋」に合わせておけば、高速、高感度に対象物質を検出することが可能である。

【0074】

特許文献１（特願２０１８－３２２８０号）に記載される方法では、発振周波数を変化させる際、結晶の温度（環境温度）を変える必要がある。これに対して、第１実施形態によれば、従来は環境温度を変えなければ実現できなかった周波数範囲での掃引を電圧のみで実現することができる。さらに、高速掃引と高い繰り返し周波数によって、ミリ秒程度の時間分解能でテラヘルツ帯域での指紋スペクトルを追跡することができる。

【0075】

例えば、モニターしたい指紋スペクトルが決まっている場合、発振素子の基本共振周波数を指紋スペクトルに合わせることができる。パルス幅が短い方が繰り返し周波数を高く取ることができ、サブミリ秒で時間変化を追うことができる。パルス電源として任意波形の発生器を使用することができ、台形パルス、三角パルスに限らず、適宜のパルス波形を用いることができる。

【0076】

第１実施形態のテラヘルツ帯周波数掃引発振装置およびテラヘルツ分光装置によれば、発振素子をパルス駆動することで、結晶の温度と結晶に印加される電圧の時間変化を同期させることができる。これにより、発振素子における結晶の温度を調整する必要なく、パルス電圧のみで放射テラヘルツ波の周波数を広い帯域で高速掃引する技術を提供することができる。

【0077】

また、共振周波数が異なる発振素子のアレイをパルス駆動する場合には、高強度なテラヘルツ波放射を広い周波数域で周波数掃引する技術を提供することができる。さらに、高速周波数掃引とパルス駆動による高速繰り返しによって、テラヘルツ帯の分光測定を高速に実施することができる。

【0078】

第１実施形態の技術では、発振素子をパルス駆動すると、発振素子の温度の上昇を抑制することができる。さらに、パルス形状、パルス幅などを適切に制御することで電圧を変えて周波数を変化させつつ、同時に発振素子の温度を制御することができる。高温超伝導体Ｂｉ２２１２を発振素子に用いると、発振線幅が数十～数百メガヘルツであり、通常のＴＨｚ－ＴＤＳ装置に比べて、一桁高い周波数分解能で評価が可能である。

【0079】

また、単色光を周波数掃引する第１実施形態の技術では、単純な光学系と通常の信号処理を用いても処理が可能であり、スペクトルの取得が容易である。テラヘルツ帯におけるスペクトル強度が、水銀灯に比べて２～３桁高い。その上、数ＫＨｚの繰り返し周波数によって、高速に高感度な検出が可能である。必要に応じてアベレージングを行うこともできる。数十マイクロ秒で周波数掃引が可能であるため、短時間でスペクトルを取得することができる。

【0080】

パルス駆動においては、非定常状態で電圧が印加される。このため、発振素子の環境温度が従来技術より高い場合において、結晶温度の上昇に先駆けて電圧を印加できるため、高い周波数を発振させることが期待できる。

【0081】

図１３に、第２実施形態のテラヘルツ帯周波数掃引発振装置４０を例示する。テラヘルツ帯周波数掃引発振装置４０は、基板４１ａに複数配置された発振素子４１ｂを有する発振素子アレイ４１を有する。電源４２には、上述した電源１２，２２と同様の装置を用いることができる。第２実施形態において、第１実施形態と同様にすることが可能な事項については、重複する説明を省略する場合がある。

【0082】

基板４１ａは、上述した結晶基板１１ａまたは支持基板１４でもよい。発振素子４１ｂは、上述したメサ１１ｂでもよく、メサ構造でなくてもよい。基板４１ａと各発振素子４１ｂとが単結晶で一体化されてもよい。

【0083】

各発振素子４１ｂは、配線４３ａ，４３ｂおよび切替スイッチ４４を介して接続される電源４２に対して、同時に一つの発振素子４１ｂが選択されるように接続されている。切替スイッチ４４は、一方の配線４３ａにおいて、発振素子４１ｂと電源４２との間に配置されている。特に図示しないが、一方の配線４３ａと他方の配線４３ｂとの間で、基本共振周波数が等しい複数の発振素子４１ｂを直列接続してもよい。

【0084】

発振素子４１ｂの基本共振周波数ｆ_ｃｉ（ｉ＝１，２，３，…）は相異なる。図示例では、添え字ｉが１～６である６個の発振素子４１ｂを備える発振素子アレイ４１が例示されている。特に図示しないが、切替スイッチ４４を介して切り替え可能な発振素子４１ｂの個数は、２以上の整数であれば任意である。これにより、基本共振周波数ｆ_ｃｉ付近の強い発振のみを利用し掃引周波数範囲を拡げることができる。必要に応じて、基本共振周波数ｆ_ｃｉの２以上の整数倍（高次モード）の発振を利用してもよい。

【0085】

例えば各発振素子４１ｂには、基本共振周波数ｆ_ｃｉを中心とした±４０ＧＨｚ程度の、発振強度が強い周波数範囲を分担させる。発振強度が強い周波数範囲としては、各発振素子４１ｂの基本共振周波数ｆ_ｃｉ付近が出力として選択され、分光計測等に利用される。具体的な周波数範囲は、±４０ＧＨｚ程度に限定されず、各発振素子４１ｂの基本共振周波数ｆ_ｃｉの間における強度低下の許容範囲に応じ、適宜に設定が可能である。

【0086】

強度低下の許容範囲は、例えば基本共振周波数ｆ_ｃｉとその２倍の周波数との間における強度の最小値よりも強い強度が得られる基準を採用してもよい。あるいは、添え字ｉ，ｊが異なる２つの発振素子４１ｂの基本共振周波数ｆ_ｃｉ，ｆ_ｃｊの間における強度の最小値よりも強い強度が得られる基準を採用してもよい。

【0087】

基本共振周波数付近で、発振強度が強い周波数範囲は、例えば、基本共振周波数ｆ_ｃｉにおける強度の０．０１倍以上の強度が得られる範囲としてもよく、さらには、０．１倍以上の強度が得られる範囲としてもよい。

【0088】

切替スイッチ４４を用いて発振素子４１ｂを切り替え、同時に、電源４２から各発振素子４１ｂに最適なパルス電圧を印加することができる。切替スイッチ４４による発振素子４１ｂの切り替えは自動化が可能である。自動化では、例えば上述した制御装置２３（図３参照）を用いてもよい。パルス電圧は、発振素子４１ｂごとに異なってもよい。

【0089】

特許文献１に記載の直流バイアス動作では、環境温度（結晶の温度）を変更する必要があったが、第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、パルス電圧によって非定常的（過渡的）に発振素子４１ｂの結晶温度を変化させることができる。環境温度を変更する必要がないため、高速化が可能である。

【0090】

特に図示しないが、第２実施形態においても、分光装置を併設し、テラヘルツ帯周波数掃引発振装置４０を立ち上げたとき、印加電圧と発振周波数の関係を校正することが好ましく、またこの校正を自動化することも可能である。これにより、以後、印加電圧を周波数の指標とすることができる。これは、発振周波数の測定には時間がかかるが、印加電圧は即座に分かるためである。

【0091】

各パルス電圧の時間幅は例えば１０μｓ～１００μｓであり、繰り返し周波数は数ｋＨｚ～数十ｋＨｚに設定することができる。仮に各発振素子４１ｂによるスペクトルを１００回積算測定するとしても、０．３ＴＨｚ～０．９ＴＨｚを原理的には数秒で掃引することができる。

【0092】

発振素子アレイ４１の各発振素子４１ｂから発振されたスペクトルは、パソコン（ＰＣ）等のコンピュータを用いて処理または利用することができる。

【0093】

各発振素子４１ｂの基本共振周波数が異なる発振素子アレイ４１を用いる際、図示例は同一の電源４２および切替スイッチ４４を用いる場合を示している。特に図示しないが、切替スイッチを使用しないで、発振素子ごとに異なる電源を用いる場合は、各発振素子に最適な条件でパルス電圧を印加することができ、発振のタイミングの微調整や高速の掃引も可能である。

【0094】

第２実施形態では、互いに基本共振周波数ｆ_ｃｉが異なる、複数の発振素子４１ｂを用い、切替スイッチ４４を介して、電源４２と発振素子４１ｂとの間で接続が切り替えられる。

【0095】

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。改変としては、各実施形態における構成要素の追加、置換、省略、その他の変更が挙げられる。また、２以上の実施形態に用いられた構成要素を適宜組み合わせることも可能である。

【産業上の利用可能性】

【0096】

本発明または実施形態の技術によれば、テラヘルツ帯における物質固有の吸収スペクトル（指紋スペクトル）を高速、高感度に検出することができる。このため、例えば、病原マーカー物質の有無の判定などの医療診断、各種製造現場での成分含有量または不純物の有無の判定など、様々な分野における応用が考えられる。

【符号の説明】

【0097】

１０，２０，４０…テラヘルツ帯周波数掃引発振装置、１１，２１，４１ｂ…発振素子、１１ａ…結晶基板、１１ｂ…メサ、１２，２２，４２…電源、１３，４３ａ，４３ｂ…配線、１４…支持基板、１５…排熱手段、２３…制御装置、２４…抵抗器、２５…差動アンプ、３０…テラヘルツ分光装置、３１…オシロスコープ、３２…コンピュータ、３３…検出器、３４…分光器、４１…発振素子アレイ、４１ａ…基板、４４…切替スイッチ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】