特許 7142904 非線形光学素子、電磁波検出装置及び電磁波検出方法

(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】

(24)【登録日】2022-09-16

(45)【発行日】2022-09-28

(54)【発明の名称】非線形光学素子、電磁波検出装置及び電磁波検出方法

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/35 20060101AFI20220920BHJP

   G01N 21/3586 20140101ALI20220920BHJP

   G02F 1/361 20060101ALI20220920BHJP

【ＦＩ】

G02F1/35

G01N21/3586

G02F1/361

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2018161404

(22)【出願日】2018-08-30

(65)【公開番号】P2020034738

(43)【公開日】2020-03-05

【審査請求日】2021-08-04

(73)【特許権者】

【識別番号】301022471

【氏名又は名称】国立研究開発法人情報通信研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山田 俊樹

(72)【発明者】

【氏名】梶 貴博

(72)【発明者】

【氏名】大友 明

【審査官】坂上 大貴

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－２５５５６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－３２０８５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－１５６１６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０４３５３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表平０５－５０２９５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－３０１０７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０８３８８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１０３３２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００９／０３０３５７４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】NAHATA, Ajay et al.，A wideband coherent terahertz spectroscopy system using optical rectification and electro-optic sampling，Applied Physics letters，American Institute of Physics，1996年，Vol.69 No.16，pp.2321-2323

【文献】Johannes Schmidt, et al.，All-THz pump-probe spectroscopy of the intersubband AC-Stark effect in a wide GaAs quantum well，Optics Express，米国，OSA，2020年08月12日，vol.28, no.17，pp.25358-25370

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ １／００－１／１２５

１／２１－７／００

Ｇ０１Ｎ ２１／００－２１／０１

２１／１７－２１／６１

ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＯＳＡ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

非線形光学部材を備え、
前記非線形光学部材は、前記非線形光学部材に入射される電磁波に起因する前記非線形光学部材の一次のシュタルク効果により、前記非線形光学部材に入射されるプローブ光の透過率が変化し得るように構成されており、
前記電磁波は３０ＧＨｚ以上３００ＴＨｚ以下の周波数を有し、かつ、前記プローブ光よりも長い波長を有する、非線形光学素子。

【請求項2】

前記非線形光学部材は、非線形光学色素を含む、請求項１に記載の非線形光学素子。

【請求項3】

前記非線形光学部材上に設けられたアンテナ電極をさらに備える、請求項１または請求項２に記載の非線形光学素子。

【請求項4】

前記プローブ光の波長における前記非線形光学部材の光学濃度は、０．２以上２．０以下である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の非線形光学素子。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の前記非線形光学素子と、
前記非線形光学素子を通過する前記プローブ光の強度を検出する光検出器とを備える、電磁波検出装置。

【請求項6】

電磁波とプローブ光とを非線形光学素子に含まれる非線形光学部材に入射させることを備え、前記電磁波は３０ＧＨｚ以上３００ＴＨｚ以下の周波数を有し、かつ、前記プローブ光よりも長い波長を有し、さらに、
前記非線形光学部材を通過する前記プローブ光の強度を検出することを備え、
前記電磁波に起因する前記非線形光学部材の一次のシュタルク効果により、前記非線形光学部材における前記プローブ光の透過率が変化することによって、前記プローブ光の前記強度は変化する、電磁波検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、非線形光学素子、電磁波検出装置及び電磁波検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

非特許文献１は、電気光学サンプリング法を用いた電磁波検出装置及び電磁波検出方法を開示している。具体的には、非特許文献１に開示された電磁波検出装置は、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）のような電気光学結晶と、バビネソレイユ補償板と、電気光学結晶及びバビネソレイユ補償板を通過したプローブ光を直交する２つの直線偏光に分離するためのプリズムと、差動増幅型の検出器とを備えている。電磁波とプローブ光とを電気光学結晶に入射させる。電磁波は、電気光学結晶に屈折率変化を生じさせる。屈折率変化が生じた電気光学結晶は、電気光学結晶を透過するプローブ光の偏光状態を変化させる。プローブ光は、屈折率変化が生じた電気光学結晶を通過し、バビネソレイユ補償板で四分の一波長だけバイアスされて、プリズムを通過して、差動増幅型の検出器に入射される。プローブ光の偏光状態の変化に応じて、差動増幅型の検出器の出力は変化する。こうして、電磁波が検出される。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】A Nahata、外２名、「A wideband coherent terahertz spectroscopy system using optical rectification and electro-optic sampling」、Applied Physics Letters、1996年、第69巻、第16号、p.2321-2323

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の目的は、新規な原理に基づく電磁波の検出を可能にする非線形光学素子、電磁波検出装置及び電磁波検出方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の非線形光学素子は、非線形光学部材を備える。非線形光学部材は、非線形光学部材に入射される電磁波に起因する非線形光学部材のシュタルク効果により、非線形光学部材に入射されるプローブ光の透過率が変化し得るように構成されている。電磁波は３０ＧＨｚ以上３００ＴＨｚ以下の周波数を有し、かつ、プローブ光よりも長い波長を有する。

【0006】

本発明の電磁波検出装置は、本発明の非線形光学素子と、非線形光学素子を通過するプローブ光の強度を検出する光検出器とを備える。

【0007】

本発明の電磁波検出方法は、電磁波とプローブ光とを非線形光学素子に含まれる非線形光学部材に入射させること（Ｓ１）を備える。電磁波は３０ＧＨｚ以上３００ＴＨｚ以下の周波数を有し、かつ、プローブ光よりも長い波長を有している。本発明の電磁波検出方法は、非線形光学部材を通過するプローブ光の強度を検出すること（Ｓ２）を備える。電磁波に起因する非線形光学部材のシュタルク効果により、非線形光学部材におけるプローブ光の透過率が変化することによって、プローブ光の強度は変化する。

【発明の効果】

【0008】

本発明の非線形光学素子、電磁波検出装置及び電磁波検出方法によれば、新規な原理に基づく電磁波の検出を可能にする非線形光学素子、電磁波検出装置及び電磁波検出方法が提供され得る。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態の電磁波検出装置の模式図である。

【図2】非線形光学部材のシュタルク効果を説明する図である。

【図3】実施の形態の電磁波検出方法のフローチャートを示す図である。

【図4】実施例の電磁波検出装置を示す概略図である。

【図5】実施例の非線形光学部材の光学濃度スペクトルを示す図である。

【図6】実施例の非線形光学部材の、テラヘルツ周波数帯域における吸収係数スペクトルを示す図である。

【図7】実施例の非線形光学部材の、テラヘルツ周波数帯域における屈折率スペクトルを示す図である。

【図8】実施例の電磁波検出装置によって得られた電磁波の実時間波形を示す図である。

【図9】実施例の電磁波検出装置によって得られた電磁波のパワースペクトルを示す図である。

【図10】第１変形例の非線形光学部材を示す概略図である。

【図11】第２変形例の非線形光学部材を示す概略図である。

【図12】第３変形例の非線形光学部材を示す概略図である。

【図13】第１－３変形例の非線形光学部材の配置を示す概略図である。

【図14】第１－３変形例の非線形光学部材の配置を示す概略図である。

【図15】第１－３変形例の非線形光学部材の配置を示す概略図である。

【図16】第４変形例の非線形光学部材を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

【0011】

図１を参照して、実施の形態の非線形光学素子１及び電磁波検出装置１０を説明する。電磁波検出装置１０は、非線形光学素子１と、光検出器３０とを主に備える。

【0012】

非線形光学素子１は、非線形光学部材２を含む。非線形光学素子１は、非線形光学部材２の主面２ａが電磁波１６及びプローブ光１２ｃの進行方向に対して傾くように配置されてよい。図２に示されるように、非線形光学部材２は、非線形光学部材２に入射される電磁波１６に起因する非線形光学部材２のシュタルク効果により、非線形光学部材２に入射されるプローブ光１２ｃの透過率が変化し得るように構成されている。シュタルク効果は、一次のシュタルク効果であってもよい。一次のシュタルク効果は、非線形光学部材２の吸収スペクトルの周波数（波長）の変化量が、非線形光学部材２に入射する電磁波１６の電場の大きさに比例する現象をいう。

【0013】

非線形光学部材２に電磁波１６が照射されると、非線形光学部材２の吸収スペクトルが変化して、プローブ光１２ｃの波長λ_pにおける非線形光学部材２の透過率（吸収率）が変化する。非線形光学部材２に入射される電磁波１６に応じて、非線形光学部材２を通過するプローブ光１２ｃの強度が変化する。光検出器３０は、非線形光学部材２を通過するプローブ光１２ｃの強度を検出する。光検出器３０によって検出されるプローブ光１２ｃの強度の変化から、電磁波１６が検出され得る。本実施の形態の電磁波検出装置１０では、電気光学サンプリング法を用いた従来の電磁波検出装置に必要な四分の一波長板及びウォラストンプリズムを省略することができる。本実施の形態の電磁波検出装置１０は、電気光学サンプリング法を用いた従来の電磁波検出装置よりも、光学系を簡素化することができる。

【0014】

電磁波１６は、プローブ光１２ｃよりも長い波長を有している。電磁波１６は、３０ＧＨｚ以上の周波数を有している。電磁波１６は、０．１ＴＨｚ以上の周波数を有してもよい。電磁波１６は、１ＴＨｚ以上の周波数を有してもよい。電磁波１６は、３００ＴＨｚ以下の周波数を有している。電磁波１６は、３０ＴＨｚ以下の電磁波１６を有してもよい。電磁波１６は、２０ＴＨｚ以下の電磁波１６を有してもよい。電磁波１６は、１０ＴＨｚ以下の電磁波１６を有してもよい。電磁波１６は、ミリ波、テラヘルツ波または中赤外光であってもよい。

【0015】

非線形光学部材２は、２０μｍ以下の厚さｄを有してもよく、１０μｍ以下の厚さｄを有してもよく、５μｍ以下の厚さｄを有してもよく、２μｍ以下の厚さｄを有してもよい。非線形光学素子１は、面型の光学素子であってもよい。

【0016】

電磁波１６の周波数領域において、非線形光学部材２は、８００ｃｍ^-1以下の吸収係数を有してもよく、４００ｃｍ^-1以下の吸収係数を有してもよく、２００ｃｍ^-1以下の吸収係数を有してもよい。非線形光学部材２の厚さが小さく、電磁波１６の周波数領域での非線形光学部材２による吸収損失が小さいため、本実施の形態の電磁波検出装置１０は、シャープで微細な波形構造を含む電磁波１６の実時間波形を得ることができる。本実施の形態の電磁波検出装置１０は、電磁波１６の周波数帯域を反映した広帯域な電磁波１６の電場振幅スペクトル及びパワースペクトルをさらに得ることができる。例えば、電磁波１６の電場振幅スペクトルは、電磁波１６の実時間波形をフーリエ変換することによって、算出され得る。電磁波１６のパワースペクトルは、例えば、電磁波１６の電場振幅スペクトルの各周波数における電場振幅の絶対値を二乗することなどによって、電磁波１６の電場振幅スペクトルから算出され得る。

【0017】

プローブ光１２ｃの波長λ_pにおける非線形光学部材２の光学濃度は、０．２以上２．０以下であってもよい。そのため、電磁波１６に応じた、非線形光学部材２を透過したプローブ光１２ｃの強度の変化を大きくすることができる。プローブ光１２ｃの波長λ_pは、非線形光学部材２の光学濃度スペクトルの傾きが大きい波長領域に設定されてもよい。そのため、非線形光学部材２中を透過するプローブ光１２ｃの強度の変化を大きくすることができる。

【0018】

非線形光学部材２の屈折率分散は、０．５以下であってもよい。本明細書において、非線形光学部材２の屈折率分散は、電磁波１６の周波数（波長）における非線形光学部材２の屈折率とプローブ光１２ｃの周波数（波長）における非線形光学部材２の屈折率との差の絶対値を意味する。非線形光学部材２の厚さが小さく、電磁波１６とプローブ光１２ｃとの間の速度不整合の問題を回避することができるため、本実施の形態の電磁波検出装置１０は、電磁波１６の周波数帯域を反映した広帯域なパワースペクトルを得ることができる。

【0019】

非線形光学部材２を構成する材料は、シュタルク効果を示す非線形光学材料であれば特に限定されない。シュタルク効果を示す非線形光学材料の第一の例は、ベースポリマー（基本骨格となるポリマー）の側鎖に非線形光学色素が結合した側鎖型の非線形光学ポリマーである。シュタルク効果を示す非線形光学材料の第二の例は、ベースポリマー（基本骨格となるポリマー）の主鎖中に非線形光学色素が結合した主鎖型の非線形光学ポリマーである。シュタルク効果を示す非線形光学材料の第三の例は、ゲストホスト型の非線形光学ポリマーである。ゲストホスト型の非線形光学ポリマーでは、マトリックスポリマー中に、非線形光学色素が分散されている。シュタルク効果を示す非線形光学材料の第四の例は、クロスリンク型の非線形光学ポリマーである。クロスリンク型の非線形光学ポリマーでは、マトリックスポリマー間、ベースポリマー間、マトリックスポリマーと非線形光学色素との間、または、ベースポリマーと非線形光学色素との間が架橋されている。

【0020】

マトリックスポリマー及びベースポリマーの例は、（メタ）アクリレート系ポリマー（例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ））、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート（例えば、ｐｏｌｙ［Ｂｉｓｐｈｅｎｏｌ Ａ ｃａｒｂｏｎａｔｅ－ｃｏ－４，４’－（３，３，５－ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏ－ｈｅｘｙｌｉｄｅｎｅ）ｄｉｐｈｅｎｏｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ］等）、ポリジシクロペンタニルメタクリレート（ｐｏｌｙ ＤＣＰＭＡ）、ポリアダマンチルメタクリレート（ｐｏｌｙ ＡｄＭＡ）、ｐｏｌｙ（ＤＣＰＭＡ－ｃｏ－ＭＭＡ）、ｐｏｌｙ（ＡｄＭＡ－ｃｏ－ＭＭＡ）等）、シクロオレフィンポリマー、シクロオレフィンコポリマー、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリメチルペンテン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレンテレフタラート、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリフェニレンサルファイド、ポリウレア、シリコン系樹脂、エポキシ系樹脂、フッ素樹脂等である。

【0021】

非線形光学色素は、ドナー部位と、π共役系部位と、アクセプター部位とを含んでもよい。非線形光学色素の例は、式（Ｉ）で表される非線形光学色素、米国特許第６０６７１８６号明細書に記載された非線形光学色素、特表２００４‐５０１１５９号公報に記載された非線形光学色素、国際公開２０１１／０２４７７４号に記載された非線形光学色素等である。

【0022】

【化1】

【0023】

非線形光学部材２におけるシュタルク効果を発現させるために、非線形光学色素は配向される。シュタルク効果を示す非線形光学材料の第一から第四の例では、非線形光学色素を含む非線形光学部材２にポーリング処理を施すことによって、非線形光学色素は配向される。

【0024】

シュタルク効果を示す非線形光学材料の第五の例は、非線形光学有機結晶である。非線形光学有機結晶の例は、ＤＡＳＴ（４－Ｎ，Ｎ－ジメチルアミノ－４’－Ｎ’－メチル－スチルバゾリウムトシレート）、ＯＨ１（２－（３－（４－ヒイドロキシスチリル－５，５－ジメチルシクロヘックス－２－エンイリデン）マロノニトリル）等である。

【0025】

シュタルク効果を示す非線形光学材料の第六の例は、非線形光学無機材料である。非線形光学無機材料の例は、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＮｂＯ₃、ＫＮｂ_0.55Ｔａ_0.45Ｏ₃、ＧａＡｓ、Ｓｎ₂Ｐ₂Ｓ₆、Ａｇ₃ＡｓＳ₃、ＡｇＧａＳ₂、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＧａ₂Ｓ₄、ＡｇＧａＳｅ₂、ＺｎＧｅＰ₂，ＣｄＳｅ／ＺｎＳコアシェル半導体ナノ結晶、ＣｄＴｅナノ結晶、ＣｄＳｅナノ結晶、ＣｄＴｅ／ＣｄＳコアシェルナノ結晶、ＣｄＳｅ／ＺｎＳコアシェルナノ結晶等である。

【0026】

図３を参照して、本実施の形態の電磁波検出方法を説明する。本実施の形態の電磁波検出方法は、電磁波１６とプローブ光１２ｃとを非線形光学素子１に含まれる非線形光学部材２に入射させること（Ｓ１）を備える。図２に示されるように、非線形光学部材２に電磁波１６が照射されると、非線形光学部材２の吸収スペクトルが変化する。プローブ光１２ｃの波長λ_pにおける非線形光学部材２の透過率（吸収率）が変化する。非線形光学部材２に入射される電磁波１６に応じて、非線形光学部材２を通過するプローブ光１２ｃの強度が変化する。

【0027】

本実施の形態の電磁波検出方法は、非線形光学部材２を通過するプローブ光１２ｃの強度を検出すること（Ｓ２）を備える。電磁波１６に起因する非線形光学部材２のシュタルク効果により、非線形光学部材２におけるプローブ光１２ｃの透過率が変化することによって、プローブ光１２ｃの強度は変化する。光検出器３０によって検出されるプローブ光１２ｃの強度の変化から、電磁波１６が検出され得る。

【0028】

図４を参照して、本実施の形態の一実施例である非線形光学素子１及び電磁波検出装置１０を説明する。本実施例の電磁波検出装置１０は、電磁波１６の実時間波形を得ることができるように構成されている。電磁波検出装置１０は、非線形光学素子１と、光検出器３０と、光学可変遅延部２０と、データ取得解析部４０とを主に備える。

【0029】

レーザ光源１１は、パルスレーザ光１２を放射する。レーザ光源１１は、例えば、フェムト秒レーザである。パルスレーザ光１２は、８００ｎｍの中心波長と、１１０フェムト秒のパルス幅とを有する。第１ビームスプリッタ１３は、パルスレーザ光１２を、ポンプ光である第１のパルスレーザ光１２ａと第２のパルスレーザ光１２ｂとに分ける。第１のパルスレーザ光１２ａは、波長変換部３６を通って、１５００ｎｍの中心波長を有する第３のパルスレーザ光１２ｅに変換される。第３のパルスレーザ光１２ｅは、ポンプ光として、電磁波発生部１５に入射される。電磁波発生部１５は、電磁波１６を放射する。本実施例では、電磁波１６は、０．１ＴＨｚ以上１０ＴＨｚ以下の周波数を有するテラヘルツ波である。電磁波１６は、チョッパ３５を通って、合波素子２７に向かう。チョッパ３５は、電磁波１６を周期的に透過及び遮断する。電磁波発生部１５は、ＤＡＳＴで構成されている。電磁波１６のパルス幅は、プローブ光（第２のパルスレーザ光１２ｂ）のパルス幅よりも大きい。

【0030】

第２のパルスレーザ光１２ｂは、光学可変遅延部２０に入射される。光学可変遅延部２０は、固定ミラー２１，２４と可動ミラー２２，２３とを含む。可動ミラー２２，２３は、固定ミラー２１，２４に対して移動し得る。第２のパルスレーザ光１２ｂは、固定ミラー２１、可動ミラー２２、可動ミラー２３及び固定ミラー２４で反射される。可動ミラー２２，２３を移動させることによって、第２のパルスレーザ光１２ｂの光路長が変化し得る。光学可変遅延部２０から出射された第２のパルスレーザ光１２ｂは、第２ビームスプリッタ２６に入射する。第２ビームスプリッタ２６は、第２のパルスレーザ光１２ｂを、プローブ光１２ｃと参照光１２ｄとに分ける。電磁波１６とプローブ光１２ｃとは、合波素子２７で合波されて、非線形光学素子１に向かう。合波素子２７は、例えば、ぺリクルビームスプリッタである。

【0031】

非線形光学素子１は、非線形光学部材２を含む。電磁波１６とプローブ光１２ｃとは、非線形光学部材２に入射される。本実施例では、非線形光学部材２は、シュタルク効果を示す非線形光学ポリマーで構成されている。本実施例の非線形光学ポリマーは、具体的には、ベースポリマー（基本骨格となるポリマー）の側鎖に非線形光学色素が結合した側鎖型の非線形光学ポリマーである。ベースポリマーは、メチルメタクリレートとシクロアルカンメタクリレートとの共重合体である。非線形光学色素の一例は、式（Ｉ）で表される。式（Ｉ）で表される非線形光学色素は、アクセプター部位にトリシアノフラン誘導体を有し、π共役系部位にチエニルジビニレンを有し、ドナー部位にベンジルオキシ基を有するアミノベンゼンを有している。非線形光学ポリマーにポーリング処理を施して、非線形光学色素は配向されている。

【0032】

非線形光学部材２は、１μｍの厚さｄを有している。非線形光学部材２は、図５に示されるような光学濃度スペクトルを有している。プローブ光１２ｃの波長λ_p（８００ｎｍ）における非線形光学部材２の光学濃度は、１．１である。プローブ光１２ｃの波長λ_pは、非線形光学部材２の光学濃度スペクトルの傾きが大きい波長領域に設定されている。

【0033】

非線形光学部材２は、図６に示されるような吸収係数スペクトルを有している。２０.０ＴＨｚ以下の周波数帯域では、非線形光学部材２の吸収係数は、１８０ｃｍ^-1以下である。１０．０ＴＨｚ以下の周波数帯域では、非線形光学部材２の吸収係数は、９０ｃｍ^-1以下である。５.０ＴＨｚ以下の周波数帯域では、非線形光学部材２の吸収係数は、６０ｃｍ^-1以下である。０.１ＴＨｚ以上１．０ＴＨｚ以下の周波数帯域では、非線形光学部材２の吸収係数は非常に小さい。テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）のような電気光学結晶と比べて、非線形光学部材２の吸収係数は相対的に小さい。非線形光学部材２の吸収係数スペクトルには、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）のような電気光学結晶に見られるような、フォノンに起因する大きな吸収ピークは見られない。

【0034】

非線形光学部材２は、図７に示されるような屈折率スペクトルを有している。０.２ＴＨｚ以上７.０ＴＨｚ以下の周波数帯域では、非線形光学部材２の屈折率はほとんど変わらず、１．５５以上１．７５以下である。テラヘルツ周波数帯域における非線形光学部材２の屈折率は、プローブ光１２ｃの波長における非線形光学部材２の屈折率とほとんど変わらない。

【0035】

非線形光学部材２に電磁波１６が照射されると、非線形光学部材２のシュタルク効果に起因して、非線形光学部材２の吸収スペクトルが変化する。プローブ光１２ｃの波長λ_pにおける非線形光学部材２の透過率（吸収率）が変化する。非線形光学部材２に入射される電磁波１６に応じて、非線形光学部材２を通過するプローブ光１２ｃの強度が変化する。

【0036】

非線形光学部材２を通過したプローブ光１２ｃは、光検出器３０に入射される。本実施例では、光検出器３０は、バランス光検出器である。光検出器３０は、第１フォトダイオード３１と、第２フォトダイオード３２と、差分器３３と、ロックインアンプ３４とを含む。ロックインアンプ３４は、チョッパ３５に同期した信号を検出する。非線形光学部材２を通過したプローブ光１２ｃは、第１フォトダイオード３１に入射される。参照光１２ｄは、非線形光学部材２を通過することなく、第２フォトダイオード３２に入射される。差分器３３は、第１のフォトダイオードからの第１の出力信号と第２のフォトダイオードからの第２の出力信号との間の差分信号を出力する。ロックインアンプ３４を用いて、差分信号がロックイン検出される。第１の出力信号と第２の出力信号とに共通して含まれるノイズは、差分器３３で相殺される。バランス光検出器は、プローブ光１２ｃの強度変化を高感度で検出することを可能にする。

【0037】

データ取得解析部４０は、例えば、コンピュータである。データ取得解析部４０は、光検出器３０から出力された差分信号に基づいて、電磁波１６の実時間波形を取得するように構成されている。電磁波１６のパルス幅は、プローブ光１２ｃ及び参照光１２ｄのパルス幅よりも大きい。電磁波１６とパルス状のプローブ光１２ｃとが時間的に重なるタイミングで、プローブ光１２ｃのパルス幅で電磁波１６が切り出される。光学可変遅延部２０を用いて、電磁波１６とパルス状のプローブ光１２ｃとが時間的に重なるタイミングを順次変化させる。電磁波１６が、パルス状のプローブ光１２ｃによって、様々なタイミングで切り出される。様々なタイミングで切り出された電磁波１６の電場振幅に対応する信号をつなぎ合わせることによって、電磁波１６の実時間波形を得ることができる。

【0038】

データ取得解析部４０は、電磁波１６の実時間波形から、電磁波１６のパワースペクトル及び電場振幅スペクトルの少なくとも１つを得るように構成されている。具体的には、電磁波１６の電場振幅スペクトルは、電磁波１６の実時間波形をフーリエ変換することによって、算出され得る。電磁波１６のパワースペクトルは、例えば、電磁波１６の電場振幅スペクトルの各周波数における電場振幅の絶対値を二乗することなどによって、電磁波１６の電場振幅スペクトルから算出され得る。

【0039】

図８に示される本実施例の電磁波検出装置１０によって得られる電磁波１６の実時間波形は、比較例の電磁波検出装置によって得られる電磁波１６の実時間波形よりもシャープであり、かつ、より微細な波形構造を有している。本実施例の電磁波検出装置１０は、１μｍの厚さｄを有する非線形光学部材２を含み、非線形光学部材２に生じるシュタルク効果を利用して電磁波１６を検出している。比較例の電磁波検出装置は、１００μｍの厚さを有するテルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）から構成されている電気光学結晶を含み、電気光学サンプリング法を用いて電磁波１６を検出している。さらに、本実施例の非線形光学部材２の厚さは、比較例の電気光学結晶の厚さの百分の一であるにもかかわらず、本実施例の電磁波検出装置１０は、比較例の電磁波検出装置と、実質的に等しい信号強度が得られた。

【0040】

本実施例の電磁波検出装置１０によって得られる電磁波１６のパワースペクトルは、比較例の電磁波検出装置によって得られる電磁波１６のパワースペクトルよりも、広い帯域を有しかつシャープである。図９に示されるように、本実施例の電磁波検出装置１０によって、６ＴＨｚまで広がる電磁波１６のパワースペクトルが得られた。本実施例の電磁波検出装置１０によって得られるパワースペクトルには、電磁波発生部１５を構成するＤＡＳＴの１．１ＴＨｚ、３．１ＴＨｚ及び５．１ＴＨｚの吸収ピークに対応するディップが観測されている。また、本実施例では、電磁波１６のパワースペクトルは空気中で測定されているため、空気に含まれる水の吸収ピークに対応する細かなディップも多数観測されている。特に、４．２ＴＨｚの周波数におけるディップと４．５ＴＨｚの周波数におけるディップとが、明確に観測されている。これに対し、比較例の電磁波検出装置によって、４ＴＨｚまで広がる電磁波１６のパワースペクトルが得られた。比較例の電磁波検出装置によって得られる電磁波１６のパワースペクトルでは、３．０ＴＨｚ以上の周波数において、これらのディップはより不明確であった。

【0041】

本実施例の電磁波検出装置１０が比較例の電磁波検出装置よりも有利な効果を奏する理由を、以下説明する。電磁波１６の周波数領域において、本実施例の電磁波検出装置１０に含まれる非線形光学部材２は、比較例の電磁波検出装置に含まれる電気光学結晶よりも３．１ＴＨｚ以上の周波数で低い吸収係数を有している。さらに、本実施例の非線形光学部材２は、電磁波１６を検出するための原理としてシュタルク効果を利用しているため、本実施例の非線形光学部材２の厚さｄ（例えば、１．０μｍの厚さｄ）を比較例の電気光学結晶の厚さよりも十分に薄くすることができる。電磁波１６に含まれる全ての周波数帯域において非線形光学部材２の吸収による損失は無視できる。そのため、本実施例の電磁波検出装置１０は、比較例の電磁波検出装置よりも、シャープで微細な波形構造を含む電磁波１６の実時間波形を得ることができる。また、本実施例の電磁波検出装置１０は、比較例の電磁波検出装置よりも、電磁波１６の周波数帯域を反映した広帯域なパワースペクトルを得ることができる。

【0042】

本実施例の非線形光学部材２は、電磁波１６を検出するための原理としてシュタルク効果を利用しているため、本実施例の非線形光学部材２の厚さｄを比較例の電気光学結晶の厚さよりも十分に薄くすることができる。さらに、本実施例の非線形光学部材２は、比較例の電気光学結晶よりも、低い屈折率分散を有している。比較例の電磁波検出装置では、電気光学結晶が相対的に大きな厚さと相対的に大きな屈折率分散とを有するため、電磁波１６とプローブ光１２ｃとの間に大きな速度不整合が発生する。この大きな速度不整合は、比較例の電磁波検出装置によって得られる電磁波１６のパワースペクトルの帯域を狭くする。これに対し、本実施例の電磁波検出装置１０では、非線形光学部材２は、相対的に小さな厚さと相対的に小さな屈折率分散とを有するため、電磁波１６とプローブ光１２ｃとの間の速度不整合を無視することができる。そのため、実施例の電磁波検出装置１０は、電磁波１６の周波数帯域を反映したより広帯域を有する電磁波１６のパワースペクトルを得ることができる。

【0043】

図１０から図１２を参照して、第１－３の変形例の非線形光学素子１を説明する。第１－３の変形例の非線形光学素子１は、非線形光学部材２上に設けられた一対のアンテナ電極３，３をさらに備える。一対のアンテナ電極３，３は、電磁波１６及びプローブ光１２ｃが入射する非線形光学部材２の主面２ａ上に配置されている。一対のアンテナ電極３，３は、互いに間隔Ｇを空けて配置されている。間隔Ｇは、例えば、１０μｍである。プローブ光１２ｃは、一対のアンテナ電極３，３の間の非線形光学部材２の領域に入射する。電磁波１６の少なくとも一部は、一対のアンテナ電極３，３と一対のアンテナ電極３，３の間の非線形光学部材２の領域とに入射する。一対のアンテナ電極３，３によって増強された電磁波１６の振動電場と、非線形光学部材２のシュタルク効果とにより、電磁波１６はより高い感度で検出され得る。

【0044】

一対のアンテナ電極３，３の形状は、特に限定されない。例えば、一対のアンテナ電極３，３は、図１０に示されるようなダイポールアンテナ電極であってもよい。ダイポールアンテナ電極は、例えば、５０μｍの長さＬと、１０μｍの幅Ｗとを有している。一対のアンテナ電極３，３は、図１１に示されるようなボウタイアンテナ電極であってもよい。ボウタイアンテナ電極は、例えば、３００μｍの長さＬと、５００μｍの幅Ｗとを有している。一対のアンテナ電極３，３は、図１２に示されるようなパッチアンテナ電極であってもよい。パッチアンテナ電極は、例えば、５００μｍの長さＬと、５００μｍの幅Ｗとを有している。また、複数のアンテナ電極３，３が、非線形光学部材２の主面２ａ上に、アレイ状あるいは２次元的に配列されていてもよい。

【0045】

図１３及び図１４に示されるように、非線形光学色素のようなシュタルク効果を示す非線形光学材料が非線形光学部材２の主面２ａに垂直にポーリングされている場合には、非線形光学部材２は、主面２ａがプローブ光１２ｃ及び電磁波１６の進行方向に対して傾くように配置される。例えば、電磁波１６がｙ方向に偏波している場合には、非線形光学部材２は、図１３に示されるように配置される。例えば、電磁波１６がｘ方向に偏波している場合には、非線形光学部材２は、図１４に示されるように配置される。

【0046】

図１５に示されるように、非線形光学色素のようなシュタルク効果を示す非線形光学材料が非線形光学部材２の主面２ａに平行に（一対のアンテナ電極３，３が互いに離間する方向（ｙ方向）に沿って）ポーリングされている場合には、非線形光学部材２は、主面２ａがプローブ光１２ｃ及び電磁波１６の進行方向に対して実質的に垂直になるように配置される。例えば、電磁波１６がｙ方向に偏波している場合には、非線形光学部材２は、図１５に示されるように配置される。

【0047】

図１６を参照して、第４の変形例の非線形光学素子１を説明する。第４の変形例の非線形光学素子１は、非線形光学部材２上に設けられた一対のアンテナ電極３，３をさらに備える。一対のアンテナ電極３，３は、特に限定されないが、以下の形状を有している。一対のアンテナ電極３，３は、第１端３ｇと、第１端３ｇとは反対側の第２端３ｈとを有している。一対のアンテナ電極３，３の間隔は、一対のアンテナ電極３，３の第２端３ｈから第１端３ｇに向かうにつれて次第に減少している。第１端３ｇにおいて、一対のアンテナ電極３，３は、互いに間隔Ｇ₁を空けて配置されている。一対のアンテナ電極３，３は、それぞれ、一対の突起部３ｐ，３ｐを有している。一対の突起部３ｐ，３ｐは、第１端３ｇと第２端３ｈとの間にある一対のアンテナ電極３，３の中央部に設けられている。一対の突起部３ｐ，３ｐは、一対のアンテナ電極３，３から、一対のアンテナ電極３，３の内側に向かって突出している。一対の突起部３ｐ，３ｐは、互いに間隔Ｇ₂を空けて配置されている。一対のアンテナ電極３，３の間隔は、一対の突起部３ｐ，３ｐにおいて、局所的に狭くなっている。

【0048】

電磁波１６の少なくとも一部は、第１端３ｇの付近の非線形光学部材２の領域に入射する。当該領域は、一対のアンテナ電極３，３と、一対のアンテナ電極３，３の間の領域とを含む。電磁波１６の振動電場は、一対の突起部３ｐ，３ｐに伝搬して、一対の突起部３ｐ，３ｐによって増強される。プローブ光１２ｃは、一対の突起部３ｐ，３ｐの間に入射する。一対の突起部３ｐ，３ｐによって増強された電磁波１６の振動電場と、非線形光学部材２のシュタルク効果とにより、電磁波１６はより高い感度で検出され得る。

【0049】

第４の変形例では、非線形光学部材２の主面２ａの平面視において、非線形光学部材２は、第１端３ｇに向かうにつれて先細の形状を有している。非線形光学素子１は、電磁波１６を用いて測定される対象物に機械的に干渉することなく、当該対象物のより近くに配置され得る。第４の変形例の非線形光学素子１は、電磁波１６を局所的或いは顕微的に検出するのに適しており、電磁波１６を用いて当該対象物をより高い感度及びより高い精度で測定することを可能にする。

【0050】

一例として、非線形光学色素のようなシュタルク効果を示す非線形光学材料は、非線形光学部材２の主面２ａに平行に（一対のアンテナ電極３，３が互いに離間する方向（ｙ方向）に沿って）ポーリングされている。非線形光学部材２は、主面２ａがプローブ光１２ｃの進行方向（ｚ方向）に対して実質的に垂直になるように配置される。間隔Ｇ₁は、例えば、１０μｍである。間隔Ｇ₂は、例えば、１０μｍである。アンテナ電極３，３は、例えば、１００μｍの長さＬと、３００μｍの幅Ｗとを有している。

【0051】

本実施の形態の非線形光学素子１、電磁波検出装置１０及び電磁波検出方法の効果を説明する。

【0052】

本実施の形態の非線形光学素子１は、非線形光学部材２を備える。非線形光学部材２は、非線形光学部材２に入射される電磁波１６に起因する非線形光学部材２のシュタルク効果により、非線形光学部材２に入射されるプローブ光１２ｃの透過率が変化し得るように構成されている。電磁波１６は３０ＧＨｚ以上３００ＴＨｚ以下の周波数を有し、かつ、プローブ光１２ｃよりも長い波長を有する。そのため、新規な原理に基づく電磁波１６の検出を可能にする非線形光学素子１が提供され得る。

【0053】

本実施の形態の電磁波検出装置１０は、非線形光学素子１と、非線形光学素子１を通過するプローブ光１２ｃの強度を検出する光検出器３０とを備える。そのため、新規な原理に基づく電磁波１６の検出を可能にする電磁波検出装置１０が提供され得る。

【0054】

本実施の形態の電磁波検出方法は、電磁波１６とプローブ光１２ｃとを非線形光学素子１に含まれる非線形光学部材２に入射させること（Ｓ１）を備える。電磁波１６は３０ＧＨｚ以上３００ＴＨｚ以下の周波数を有し、かつ、プローブ光１２ｃよりも長い波長を有している。本実施の形態の電磁波検出方法は、非線形光学部材２を通過するプローブ光１２ｃの強度を検出すること（Ｓ２）を備える。電磁波１６に起因する非線形光学部材２のシュタルク効果により、非線形光学部材２におけるプローブ光１２ｃの透過率が変化することによって、プローブ光１２ｃの強度は変化する。そのため、新規な原理に基づく電磁波１６の検出を可能にする電磁波検出方法が提供され得る。

【0055】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。

【符号の説明】

【0056】

１ 非線形光学素子、２ 非線形光学部材、２ａ 主面、３ アンテナ電極、３ｇ 第１端、３ｈ 第２端、３ｐ 突起部、１０ 電磁波検出装置、１１ レーザ光源、１２ パルスレーザ光、１２ａ 第１のパルスレーザ光、１２ｂ 第２のパルスレーザ光、１２ｃ プローブ光、１２ｄ 参照光、１２ｅ 第３のパルスレーザ光、１３ 第１ビームスプリッタ、１５ 電磁波発生部、１６ 電磁波、２０ 光学可変遅延部、２１，２４ 固定ミラー、２２，２３ 可動ミラー、２６ 第２ビームスプリッタ、２７ 合波素子、３０ 光検出器、３１ 第１フォトダイオード、３２ 第２フォトダイオード、３３ 差分器、３４ ロックインアンプ、３５ チョッパ、３６ 波長変換部、４０ データ取得解析部。

【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】

【図14】

【図15】

【図16】