テラヘルツ波分光計測装置及び方法
【課題】所望の周波数のテラヘルツ波を発生させ、これを低損失で所望の部位まで効率よく伝搬させて、被測定物を分光計測することができるテラヘルツ波分光計測装置及び方法を提供する。
【解決手段】 異なる２波長の光１，２を出射する２波長光源１２と、２波長の光から光差周波発生（ＤＦＧ）によりそれらの差周波数分に相当するテラヘルツ波３を発生する非線形光学材料１４と、非線形光学材料を入射端面に密着又は近接又は挿入して発生したテラヘルツ波を出射端面まで内部を伝送する可撓性の細長い中空伝送管１６と、被測定物を透過したテラヘルツ波の強度を計測するテラヘルツ波検出器２０とを備える。中空伝送管１６は、中赤外乃至、遠赤外伝搬用の可撓性の中空ファイバである。
【解決手段】 異なる２波長の光１，２を出射する２波長光源１２と、２波長の光から光差周波発生（ＤＦＧ）によりそれらの差周波数分に相当するテラヘルツ波３を発生する非線形光学材料１４と、非線形光学材料を入射端面に密着又は近接又は挿入して発生したテラヘルツ波を出射端面まで内部を伝送する可撓性の細長い中空伝送管１６と、被測定物を透過したテラヘルツ波の強度を計測するテラヘルツ波検出器２０とを備える。中空伝送管１６は、中赤外乃至、遠赤外伝搬用の可撓性の中空ファイバである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を発生・伝搬させて被測定物を分光計測するテラヘルツ波分光計測装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願において、およそ０．１〜１００ＴＨｚの周波数を有する電磁波、すなわちこの領域の遠赤外線及びサブミリ波を「テラヘルツ波」と呼ぶ。
【０００３】
テラヘルツ波の発生手段として、２つの異なる波長のレーザ光を非線形光学結晶へ入射してそれらの差周波数分のテラヘルツ波を発生させる差周波発生法が既に知られている（例えば特許文献１，２）。
また、発生したテラヘルツ波の伝送手段として、ガラスないしプラスチックキャピラリの内側に銀鏡反応で銀を成膜した中空ファイバ、強誘電体をクラッドに用いたＰＶＤＦ中空ファイバが知られている（例えば非特許文献１）。
【０００４】
特許文献１は、主としてミリ波からテラヘルツ波における電磁波を用いてセンシングなどを行うための、低消費電力かつ小型で持ち運び可能な集積モジュールとすることを目的とする。
この高周波電気信号制御装置は、図１２に示すように、高周波電気信号の発生器５０であってレーザ光５１ａ、５１ｂをそのレーザ光よりも低い周波数の電磁波５２に変換する素子を備える。また、レーザ光５１ａ、５１ｂを発生させるレーザ装置５３ａ、５３ｂ、レーザ光５１ａ、５１ｂを伝搬させて発生器５０に導くための光導波路５４、発生器５０、及び信号を伝搬させるための伝送路５５、５７を同一基板上に集積化したものである。
【０００５】
特許文献２は、テラヘルツ波を任意の場所に容易に照射可能であるとともに、既存のシステムや装置を有効利用することによって容易に実用化を図ることを可能にすることを目的とする。
このシステムは、図１３に示すように、２つの波長のレーザ光を同時に発振可能であるとともに該波長を可変することのできる２波長発振レーザ装置６０と、２波長発振レーザ装置から出力された２つの波長のレーザ光を伝送する光ファイバ６１と、上記光ファイバにより伝送された２つの波長のレーザ光を用いて差周波発生によりテラヘルツ波を発生する波長変換手段６３とを有するものである。
【０００６】
非特許文献１は、図１４に示す装置を用い、重水素ランプの光をミラーを介して中空ファイバに導き、その伝送損失を試験したものである。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−０１７６４４号公報、「高周波電気信号制御装置及びセンシングシステム」
【特許文献２】特開２００６−１７１６２４号公報、「テラヘルツ波発生システム」
【０００８】
【非特許文献１】Ｙ．Ｍａｔｓｕｕｒａ ａｎｄ Ｍ．Ｍｉｙａｇｉ，“Ａｌｕｍｉｎｕｍ−ｃｏａｔｅｄ ｈｏｌｌｏｗ ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒｓ ｆｏｒ ＡｒＦ−ｅｘｃｉｍｅｒ ｌａｓｅｒ ｌｉｇｈｔ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｍｅｔａｌｌｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ−ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ”，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．１２，２０ Ａｐｒｉｌ １９９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
テラヘルツ波は、光波帯とミリ波・サブミリ波と呼ばれるＲＦ帯の中間に位置し、光波と電波の両方の特性を有する。そのため、テラヘルツ帯において活性である物質の特性解明、特に分光計測に非常に有効なデバイスとして期待されている。
しかし、テラヘルツ波は、水蒸気や水分による吸収が大きいため空気中では発生と同時に急速に減衰してしまう問題点がある。そのため、従来は、テラヘルツ波を用いた被測定物の自由空間中での分光計測が困難であった。
【００１０】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、所望の周波数のテラヘルツ波を発生させ、これを低損失で所望の部位まで効率よく伝搬させて、被測定物を分光計測することができるテラヘルツ波分光計測装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、異なる２波長の光を出射する２波長光源と、
前記２波長の光から光差周波発生によりそれらの差周波数分に相当するテラヘルツ波を発生する非線形光学材料と、
該非線形光学材料が入射端面に密着又は近接又は挿入され、発生したテラヘルツ波を出射端面まで内部を伝送する可撓性の細長い中空伝送管と、
該被測定物を透過したテラヘルツ波の強度を計測するテラヘルツ波検出器と、を備え、
前記中空伝送管は、中赤外乃至、遠赤外伝搬用の可撓性の中空ファイバである、ことを特徴とするテラヘルツ波分光計測装置が提供される。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記中空伝送管は、中赤外乃至、遠赤外伝搬用の可撓性の中空形状のファイバであり、その両端がテラヘルツ波を通し水分を通さないように密閉され、内部にテラヘルツ波の吸収の少ないガスが密封または真空状態にされている。
【００１３】
前記中空伝送管は、内部に金属面を有する金属中空ファイバや、ＰＶＤＦ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）製中空ファイバである。
【００１４】
また、前記非線形光学材料は、ＤＡＳＴ結晶（４−Ｎ，Ｎ−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−４−Ｎ’−ｍｅｔｈｙｌ−ｓｔｙｌｂａｚｏｌｉｕｍ ｔｏｓｙｌａｔｅ）、ＭＮＡ（２−ｍｅｔｈｙｌ−４−ｎｉｔｒｏａｎｉｌｉｎｅ）、ＬｉＮｂＯ３、ＫＴＰ、ＧａＡｓ、ＬｉＩＯ、ＧａＳｅ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、又はＺＧＰである。
【００１５】
また、前記被測定物が充填され、前記中空伝送管とテラヘルツ波検出器との間に、中空伝送管に近接して同軸に位置決めされる中空試料管を備え、該中空試料管は中赤外乃至、遠赤外伝搬用の可撓性の中空ファイバの両端がテラヘルツ波を通し水分を通さない不透過膜で密閉されている。
【００１６】
前記中空伝送管と平行な回転中心軸と、該回転中心軸から一定の半径を隔て周方向に間隔を隔て複数の前記中空試料管を収容する複数の中空貫通穴とを有する試料回転台を備え、該試料回転台を回転中心軸を中心に一定の角度ピッチで旋回させて、複数の前記中空試料管を順次中空伝送管とテラヘルツ波検出器との間に同軸に位置決めする、ことが好ましい。
【００１７】
前記中空伝送管の出射端側に位置し中空伝送管と平行に複数の中空試料管を位置決めする試料移動台を備え、該試料移動台が順次スライドして、複数の前記中空試料管を順次中空伝送管とテラヘルツ波検出器との間に同軸に位置決めする、ことが好ましい。
【００１８】
また本発明によれば、異なる２波長の光から非線形光学材料を用いてそれらの差周波数分に相当するテラヘルツ波を発生させ、
可撓性の前記中空伝送管を用いて発生したテラヘルツ波を入射端面から出射端面まで伝送し、
出射端面から出射したテラヘルツ波を被測定物に照射し、
該被測定物を透過または反射したテラヘルツ波の強度を計測する、ことを特徴とするテラヘルツ波分光計測方法が提供される。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記可撓性の中空伝送管を人又は動物の体内に挿入して、体内の測定対象部位を２次元で分光計測イメージングする。
【００２０】
また、前記可撓性の中空伝送管を人又は動物の体内に挿入して、体内の測定対象物質を吸引して中空伝送管内に充填し、分光計測する。
【００２１】
また、前記可撓性の中空伝送管の出射端部を固定し、測定対象物を２次元的に移動させて、分光計測する、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
上記本発明の装置及び方法によれば、２波長光源と非線形光学材料とにより、異なる２波長の光から光差周波発生（ＤＦＧ）によりそれらの差周波数分に相当するテラヘルツ波を発生するので、２波長の各々を可変波長にすることにより、所望の周波数のテラヘルツ波を容易に発生させることができる。
【００２３】
また、可撓性の細長い中空伝送管の入射端面が非線形光学材料に密着又は近接しており、この中空伝送管は、中赤外乃至、遠赤外伝搬用の中空形状の可撓性のファイバであり、両端がテラヘルツ波を通し水分を通さないように密閉され、内部にテラヘルツ波の吸収の少ないガスが密封または真空状態にされているので、有機非線形光学材料で発生したテラヘルツ波を出射端面まで少ない損失で伝送することができる。
【００２４】
従って本発明によれば、所望の周波数のテラヘルツ波を発生させ、これを低損失で所望の部位まで効率よく伝搬させて、被測定物を分光計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００２６】
図１は、本発明によるテラヘルツ波分光計測装置の第１実施形態図である。この図において、本発明のテラヘルツ波分光計測装置１０は、２波長光源１２、非線形光学材料１４、可撓性の細長い中空伝送管１６、及びテラヘルツ波検出器２０を備える。
【００２７】
２波長光源１２は、異なる２波長の光を出射する。
この例において、２波長光源１２は、２つのバルクＫＴＰ結晶１２ａ，１２ｂ、ミラーＭ１，Ｍ２，Ｍ３、及びレーザ発振器１３からなる２波長光パラメトリック発振器であり、波長λ１、λ２の２波長のレーザ光１，２を出射する。このうち、波長λ１は例えば１２５０〜１６５０ｎｍで可変とし、折り返し配置にした２つのＫＴＰ結晶１２ａ，１２ｂの角度をガルバノスキャナで制御することによりλ２の波長を所望のテラヘルツ周波数に合わせて１２５０〜１６５０ｎｍで可変できるようになっている。
この構成により、０．０１ＴＨｚの間隔でテラヘルツ周波数を連続的又はパルス的に発生させることができる。
なお本発明は異なる２波長の光１，２を出射できる限りで、この構成に限定されない。
【００２８】
図１において、２波長光源１２からの波長λ１、λ２の２波長のレーザ光１，２は、ミラーＭ４，Ｍ５とレンズＬを介して非線形光学材料１４の表面に対し垂直に入射する。なお、本発明において、ミラーＭ４，Ｍ５とレンズＬは必須ではなく、これらを後述するように光ファイバに置き換えることができ、あるいは省略することもできる。
【００２９】
非線形光学材料１４は、２波長λ１、λ２の光１，２から光差周波発生（ＤＦＧ）によりそれらの差周波数分に相当するテラヘルツ波３を発生する。
非線形光学材料１４は、ＤＡＳＴ結晶（４−Ｎ，Ｎ−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−４−Ｎ’−ｍｅｔｈｙｌ−ｓｔｙｌｂａｚｏｌｉｕｍ ｔｏｓｙｌａｔｅ）、ＭＮＡ（２−ｍｅｔｈｙｌ−４−ｎｉｔｒｏａｎｉｌｉｎｅ）、ＬｉＮｂＯ３、ＫＴＰ、ＬｉＩＯ、ＧａＳｅ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、またはＺＧＰが好ましく、特にＤＡＳＴ結晶が好ましい。
【００３０】
ＤＡＳＴ結晶は、ＤＡＳＴの飽和エタノール溶液を冷却する再結晶法で約２ｃｍ角、厚さ１ｍｍ以上の結晶が製造可能である。この矩形平板面上に分子の分極方向（ａ軸）を有し、外部からａ軸偏光の励起電界を印加すると分極波が生じ、非線形光学効果から励起電界と異なる周波数の光が発生する。従って、このＤＡＳＴ結晶を広帯域テラヘルツ帯の発生に用いることができる。
【００３１】
可撓性の細長い中空伝送管１６は、可撓性の中赤外乃至、遠赤外伝搬用の中空ファイバである。例えば、内側に金属を成膜した金属中空ファイバや、ＰＶＤＦ（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）製のＰＶＤＦ中空ファイバなどである。
【００３２】
中空伝送管１６は、非線形光学材料１４に入射端面１６ａが密着又は近接し、発生したテラヘルツ波３を出射端面１６ｂまで伝送する。非線形光学材料１４と入射端面１６ａの間隔は、皆無又は短いほど好ましい。
【００３３】
また、中空伝送管１６の両端はテラヘルツ波を通し水分を通さないように不透過膜で密閉され、内部にテラヘルツ波の吸収の少ないガスが密封または真空状態にされている。この不透過膜には、市販のラップおよびポリシートを用いることができる。また、不透過膜以外のテラヘルツ波を通す部材（光学素子や非線形光学材料）で密封してもよい。
また、テラヘルツ波の吸収の少ないガスとして、乾燥空気、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、等を用いることができる。
【００３４】
１８ａ，１８ｂは、出射端面１６ｂから出射したテラヘルツ波３を反射して伝搬路を制御し、被測定物４に照射する方向にビームを制御する。
１８ａ，１８ｂは、この例では凹面鏡であるが、ビーム形状を制御する小型レンズであってもよいが、これを省略してもよい。また、１７は、テラヘルツ波以外の光をカットするローパスフィルタであるが、これを省略してもよい。
【００３５】
テラヘルツ波検出器２０は、例えばＳｉボロメータであり、被測定物４を透過し凹面鏡１９で反射集光されたテラヘルツ波３の強度を計測する。
【００３６】
なお、図１において、１１は制御記録装置（例えばＰＣ）であり、２波長光源１２を制御し、計測されたテラヘルツ波３の強度を記録するとともに、必要な解析を行う。また９は表示装置であり、計測結果及び解析結果を表示するようになっている。
【００３７】
上述した装置を用いて、本発明によるテラヘルツ波分光計測方法によれば、異なる２波長の光１，２から非線形光学材料１４を用いてそれらの差周波数分に相当するテラヘルツ波３を発生させ、可撓性の中赤外乃至、遠赤外伝搬用の中空伝送管１６を用いて発生したテラヘルツ波３を入射端面１６ａから出射端面１６ｂまで伝送し、出射端面１６ｂから出射したテラヘルツ波３を被測定物４に照射し、被測定物４を透過したテラヘルツ波３の強度を計測する。
【００３８】
図２は、本発明によるテラヘルツ波分光計測装置の第２実施形態図であり、（Ａ）は全体構成図、（Ｂ）（Ｃ）は中空伝送管の断面図、（Ｄ）はその部分斜視図である。
図２Ａにおいて、本発明のテラヘルツ波分光計測装置１０は、２波長光源１２、非線形光学材料１４、中空伝送管１６、中空試料管２２及びテラヘルツ波検出器２０を備える。
図２Ｂ、図２Ｄにおいて、非線形光学材料１４は、中空伝送管１６の入射端部内に気密に取り付けられている。光学系１８は、ビーム形状を制御する小型レンズであり、必要に応じて取り付けることができ、中空伝送管１６の出射端部内に気密に取り付けられている。なお、小型レンズを出射端１６ｂの外側に設けてもよい。
図２Ｃにおいて、１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、密封のためのＴＨｚ帯透過性膜（例えばラップ、フィルムなど）である。
【００３９】
中空試料管２２は、可撓性の中赤外乃至、遠赤外伝搬用の中空ファイバの両端がテラヘルツ波を通し水分を通さない不透過膜で密閉されている。なお中空試料管２２には、中空伝送管１６と同一のものを用いることが好ましい。
また、中空試料管２２は、内部に被測定物が充填され、かつ中空伝送管１６とテラヘルツ波検出器２０との間に、中空伝送管２２に近接して同軸に位置決めされる。内部に充填される被測定物としては、気体、粉体、ＤＮＡ、菌等を封入することができる。
その他の構成は図１と同様である。
【００４０】
上述した構成により、非線形光学材料１４で発生したテラヘルツ波３を中空伝送管１６で低損失で伝送し、中空試料管２２に入射させ、中空試料管２２内において被測定物（気体、粉体、ＤＮＡ、菌等）に照射しながら低損失で伝送し、テラヘルツ波検出器２０で被測定物を透過したテラヘルツ波の強度を計測することができる。
【００４１】
図３は、本発明によるテラヘルツ波分光計測装置の第３実施形態図である。
図３Ａにおいて、本発明のテラヘルツ波分光計測装置は、図２の構成に加えてさらに試料回転台２４を備える。
試料回転台２４は、中空伝送管１６と平行な回転中心軸２４ａと、回転中心軸２４ａから一定の半径を隔て周方向に間隔を隔てた複数の中空貫通穴２４ｂとを有する。中空貫通穴２４ｂは、中空試料管２２を中空伝送管１６と平行に収容するようになっている。
この構成により、試料回転台２４を回転中心軸２４ａを中心に一定の角度ピッチで旋回させて、複数の中空試料管２２を順次中空伝送管１６とテラヘルツ波検出器２０（図示せず）との間に同軸に位置決めすることができ、多数の中空試料管２２の分光計測を効率よく行うことができる。
【００４２】
図３Ｂにおいて、本発明のテラヘルツ波分光計測装置は、図２の構成に加えてさらに試料移動台２５を備える。
試料移動台２５は、中空伝送管１６の出射端側に位置し中空伝送管１６と平行に複数の中空試料管２２を位置決めする。またこの試料移動台２５が順次スライドして、複数の中空試料管２２を順次中空伝送管１６とテラヘルツ波検出器との間に同軸に位置決めするようになっている。
この構成により、多数の中空試料管２２の分光計測を効率よく行うことができる。
【００４３】
図４は、中空伝送管１６及び中空試料管２２におけるテラヘルツ波３の伝搬模式図である。
図４Ａに示すように、中空伝送管１６及び中空試料管２２（後述の例では銀中空ファイバ）の内部でテラヘルツ波３は反射しながら伝搬する。粉体などを分光計測する場合、反射点に存在する物質によって特定の周波数のみが吸収され、そのスペクトル構造が明らかになる。
伝搬角θは、数１の式（１）で表される。（５ＴＨｚ、ＴＥ１１モードは８８°）
また、反射回数ｎは伝搬角θに依存し、数１の式（２）で表される。Ｌは中空伝送管１６及び中空試料管２２の長さであり、ａは中空伝送管１６及び中空試料管２２の内径であり、ｋ０は自由空間中でのテラヘルツ波の波数であり、ｕ∞はベッセル関数の根を示す。
【００４４】
【数１】
【００４５】
図４Ｂは、テラヘルツ波３の周波数と反射回数の関係図である。この図において、中空伝送管１６及び中空試料管２２として後述する銀中空ファイバ（内径１ｍｍ）を用い、１０ｃｍ長と５ｃｍ長のファイバに対し、主要伝搬モードのＴＥ１１における反射回数を示している。
この図から、例えば、１０ｃｍ長の場合に５ＴＨｚのテラヘルツ波３は約４回反射することがわかる。銀中空ファイバ（内径１ｍｍ）の内容積は８０μＬであることから、非常に微量の試料を用いて、粉体を含む被測定物の分光計測ができることがわかる。
なお、上記長さは一例であり、必要に応じて、任意の長さの銀中空ファイバを用いることができる。
【００４６】
図５は、本発明によるテラヘルツ波分光計測装置の第４実施形態図である。この図において、本発明のテラヘルツ波分光計測装置１０の２波長光源１２は、可変波長の第１レーザ光１を発振する第１レーザ発振装置３２と、可変波長の第２レーザ光２を発振する第２レーザ発振装置３４と、第１レーザ光１と第２レーザ光２を同一光路に結合する方向性結合器３６と、同一光路の第１レーザ光１と第２レーザ光２を非線形光学材料まで導く可撓性の光ファイバ３８とを有する。３０は、第１レーザ発振装置３２と第２レーザ発振装置３４を制御する制御装置（例えばＰＣ）である。
中空伝送管１６は、光ファイバ３８の先端部に取り付けられ、非線形光学材料１４（図示せず）は、中空伝送管１６の入射端面に密着又は近接、ないしは挿入して取り付けられている。
この構成により、この図に示すように、可撓性の中空伝送管１６を人又は動物５の体内に挿入して、体内の測定対象部位（この例では胃）を２次元で分光計測イメージングすることができる。
なお、この場合、テラヘルツ波検出器は、中空伝送管１６の出射端面に対峙して一体化するか、人又は動物５の外部で計測するのがよい。
【００４７】
また、可撓性の中空伝送管１６（又は中空試料管２２）を人又は動物５の体内に挿入して、体内の測定対象物質を吸引して中空伝送管１６（又は中空試料管２２）内に充填し、これを上述した装置を用いて分光計測してもよい。
【００４８】
上述した装置及び方法により、人又は動物５の体内の測定対象部位をテラヘルツ波３を用いて容易に分光計測することができる。
【００４９】
図６は、本発明によるテラヘルツ波分光計測装置の第５実施形態図である。この図において、本発明のテラヘルツ波分光計測装置１０は、第４実施形態の装置に更に２次元ステージ４０を備え、可撓性の中空伝送管１６の出射端部を固定し、測定対象物４を２次元的に移動させて、分光計測する。
【００５０】
この装置及び方法により、測定対象物４の２次元分光計測を容易に実施することができる。
【実施例】
【００５１】
以下、本発明の実施例を説明する。
図１に示した装置を用いて、中空伝送管１６によるテラヘルツ波３の伝搬特性を試験した。中空伝送管１６として、可撓性のある内径１ｍｍのガラスキャピラリ内部に銀をコーティングした銀中空ファイバを用いた。また、非線形光学材料１４として、厚さ０．８ｍｍのＤＡＳＴ結晶を長さ６ｃｍのカップリング用銀中空ファイバの端面に接するように配置して、銀中空ファイバを接続した。ａ軸偏光の１．３μｍ帯二波長光をＴＨｚ帯励起光としてｃ軸方向へ入射し、光差周波発生（ＤＦＧ）で２〜１５ＴＨｚ帯を発生させて伝搬特性の周波数依存性及び曲げの伝搬特性をＳｉボロメータで計測した。
【００５２】
図７は、長さ３０．５ｃｍ、曲げ角０°の銀中空ファイバの試験結果であり、（Ａ）はＤＡＳＴからのテラヘルツ波の出力強度、（Ｂ）は銀中空ファイバの透過特性である。
この図から２〜１５ＴＨｚのテラヘルツ波に対して急峻な吸収特性は見られず、テラヘルツ波帯で上述したデバイスへの適用ができることが確認された。
【００５３】
次に曲げ角０°の場合を１とし、曲線の円弧長さを一定として角度を変化させた試験を実施した。この場合の透過特性を図８に示す。
この図から１４．５ＴＨｚでは角度が大きくなるにつれ透過特性が低下するが、５ＴＨｚから１０ＴＨｚまでは曲げによる付加損は小さく（最大１ｄＢ程度）、十分実用化できることが確認された。
【００５４】
図９は、銀中空ファイバ内に呼気を吹き入れて計測した結果であり、水と水蒸気の透過特性と比較している。
この図において、この帯域全体の包絡線は水（破線）の透過特性に近似しており、また、細かな構造は水蒸気（下端の図）のスペクトルに極似していることがわかる。
このことから、この帯域（２〜１５ＴＨｚ）で測定されるのは主として水と水蒸気であり、大気中の水蒸気による吸収が非常に大きいことがわかる。
【００５５】
図１０は、銀中空ファイバ内にハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）を入れて計測した結果であり、計算上の吸収ピーク（下側の縦線）と比較している。なお、この例は、ＨＦＣ−１３４ａの場合を示している。
この図から、吸収ピークの測定値と計算値がよく一致しており、ハイドロフルオロカーボンの分光計測が可能であることがわかる。なお、同様に、ＨＦＣ−１５２ａの場合にも、同様の結果が得られた。
【００５６】
図１１は、銀中空ファイバ内にエタノール（ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ）を入れて計測した結果であり、計算上の吸収ピーク（下側の縦線）と水及び水蒸気の透過特性と比較している。
この図から、６ＴＨｚ付近の吸収は水、エタノール、水蒸気の３種類の吸収特性が重なりあったような特性を示している。また、１３ＴＨｚ付近の吸収は計算値で求めた振動モードにほぼ一致し、全領域にわたるスペクトルの微細構造はわずかに含まれる水蒸気によるものと推測される。特に１３ＴＨｚでの吸収特性は水と水蒸気の影響が少なく、エタノールの検出に適しているといえる。
【００５７】
また、市販のラップ及びポリシートを用い、両端を封入することにより、テラヘルツ波を通し水分を通さないようにできることも試験により確認された。
【００５８】
上述した本発明の装置及び方法によれば、２波長光源１２と有機非線形光学材料１４とにより、異なる２波長の光１，２から光差周波発生（ＤＦＧ）によりそれらの差周波数分に相当するテラヘルツ波３を発生するので、２波長１，２を可変波長にすることにより、所望の周波数のテラヘルツ波３を容易に発生させることができる。
【００５９】
また、可撓性の細長い中空伝送管１６の入射端面１６ａが非線形光学材料１４に密着又は近接しており、この中空伝送管は、可撓性の中赤外乃至、遠赤外伝搬用の中空ファイバの両端がテラヘルツ波を通し水分を通さないように密閉され、内部にテラヘルツ波の吸収の少ないガスが密封または真空状態にされているので、非線形光学材料で発生したテラヘルツ波３を出射端面まで少ない損失で伝送することができる。
従って、本発明によれば、所望の周波数のテラヘルツ波を発生させ、発生したテラヘルツ波を低損失で任意の場所まで伝搬させることが可能となり、光ファイバでＤＡＳＴ結晶へ励起光を入射するシステムの構築により、全ファイバでの測定システムの実現が可能になるという優れた効果を奏す。
【００６０】
なお、本発明は上述した実施例及び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変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明によるテラヘルツ波分光計測装置の第１実施形態図である。
【図２】本発明によるテラヘルツ波分光計測装置の第２実施形態図である。
【図３】本発明によるテラヘルツ波分光計測装置の第３実施形態図である。
【図４】中空伝送管及び中空試料管におけるテラヘルツ波の伝搬模式図である。
【図５】本発明によるテラヘルツ波分光計測装置の第４実施形態図である。
【図６】本発明によるテラヘルツ波分光計測装置の第５実施形態図である。
【図７】長さ３０．５ｃｍ、曲げ角０°の銀中空ファイバの試験結果である。
【図８】曲線の円弧長さを一定として角度を変化させた試験結果である。
【図９】銀中空ファイバ内に呼気を吹き入れて計測した結果である。
【図１０】銀中空ファイバ内にハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）を入れて計測した結果である。
【図１１】銀中空ファイバ内にエタノール（ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ）を入れて計測した結果である。
【図１２】特許文献１の集積モジュールの模式図である。
【図１３】特許文献２のテラヘルツ波発生システムの模式図である。
【図１４】非特許文献１の試験装置の模式図である。
【符号の説明】
【００６２】
・ レーザ光、３ テラヘルツ波、４ 被測定物、５ 人又は動物、
１０ テラヘルツ波分光計測装置、１１ 制御記録装置（ＰＣ）、
１２ ２波長光源、１２ａ，１２ｂ バルクＫＴＰ結晶、
１３ レーザ発振器、１４ 有機非線形光学材料、
１６ 中空伝送管、１６ａ 入射端面、１６ｂ 出射端面、
１８ 光学系、１８ａ，１８ｂ 凹面鏡、２０ テラヘルツ波検出器、
２２ 中空試料管、２４ 試料回転台、
２４ａ 回転中心軸、２４ｂ 中空貫通穴、
２５ 試料移動台、３０ 制御装置（ＰＣ）、
３２ 第１レーザ発振装置、３４ 第２レーザ発振装置、
３６ 方向性結合器、３８ 光ファイバ、４０ ２次元ステージ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を発生・伝搬させて被測定物を分光計測するテラヘルツ波分光計測装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願において、およそ０．１〜１００ＴＨｚの周波数を有する電磁波、すなわちこの領域の遠赤外線及びサブミリ波を「テラヘルツ波」と呼ぶ。
【０００３】
テラヘルツ波の発生手段として、２つの異なる波長のレーザ光を非線形光学結晶へ入射してそれらの差周波数分のテラヘルツ波を発生させる差周波発生法が既に知られている（例えば特許文献１，２）。
また、発生したテラヘルツ波の伝送手段として、ガラスないしプラスチックキャピラリの内側に銀鏡反応で銀を成膜した中空ファイバ、強誘電体をクラッドに用いたＰＶＤＦ中空ファイバが知られている（例えば非特許文献１）。
【０００４】
特許文献１は、主としてミリ波からテラヘルツ波における電磁波を用いてセンシングなどを行うための、低消費電力かつ小型で持ち運び可能な集積モジュールとすることを目的とする。
この高周波電気信号制御装置は、図１２に示すように、高周波電気信号の発生器５０であってレーザ光５１ａ、５１ｂをそのレーザ光よりも低い周波数の電磁波５２に変換する素子を備える。また、レーザ光５１ａ、５１ｂを発生させるレーザ装置５３ａ、５３ｂ、レーザ光５１ａ、５１ｂを伝搬させて発生器５０に導くための光導波路５４、発生器５０、及び信号を伝搬させるための伝送路５５、５７を同一基板上に集積化したものである。
【０００５】
特許文献２は、テラヘルツ波を任意の場所に容易に照射可能であるとともに、既存のシステムや装置を有効利用することによって容易に実用化を図ることを可能にすることを目的とする。
このシステムは、図１３に示すように、２つの波長のレーザ光を同時に発振可能であるとともに該波長を可変することのできる２波長発振レーザ装置６０と、２波長発振レーザ装置から出力された２つの波長のレーザ光を伝送する光ファイバ６１と、上記光ファイバにより伝送された２つの波長のレーザ光を用いて差周波発生によりテラヘルツ波を発生する波長変換手段６３とを有するものである。
【０００６】
非特許文献１は、図１４に示す装置を用い、重水素ランプの光をミラーを介して中空ファイバに導き、その伝送損失を試験したものである。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−０１７６４４号公報、「高周波電気信号制御装置及びセンシングシステム」
【特許文献２】特開２００６−１７１６２４号公報、「テラヘルツ波発生システム」
【０００８】
【非特許文献１】Ｙ．Ｍａｔｓｕｕｒａ ａｎｄ Ｍ．Ｍｉｙａｇｉ，“Ａｌｕｍｉｎｕｍ−ｃｏａｔｅｄ ｈｏｌｌｏｗ ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒｓ ｆｏｒ ＡｒＦ−ｅｘｃｉｍｅｒ ｌａｓｅｒ ｌｉｇｈｔ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｍｅｔａｌｌｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ−ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ”，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．１２，２０ Ａｐｒｉｌ １９９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
テラヘルツ波は、光波帯とミリ波・サブミリ波と呼ばれるＲＦ帯の中間に位置し、光波と電波の両方の特性を有する。そのため、テラヘルツ帯において活性である物質の特性解明、特に分光計測に非常に有効なデバイスとして期待されている。
しかし、テラヘルツ波は、水蒸気や水分による吸収が大きいため空気中では発生と同時に急速に減衰してしまう問題点がある。そのため、従来は、テラヘルツ波を用いた被測定物の自由空間中での分光計測が困難であった。
【００１０】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、所望の周波数のテラヘルツ波を発生させ、これを低損失で所望の部位まで効率よく伝搬させて、被測定物を分光計測することができるテラヘルツ波分光計測装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、異なる２波長の光を出射する２波長光源と、
前記２波長の光から光差周波発生によりそれらの差周波数分に相当するテラヘルツ波を発生する非線形光学材料と、
該非線形光学材料が入射端面に密着又は近接又は挿入され、発生したテラヘルツ波を出射端面まで内部を伝送する可撓性の細長い中空伝送管と、
該被測定物を透過したテラヘルツ波の強度を計測するテラヘルツ波検出器と、を備え、
前記中空伝送管は、中赤外乃至、遠赤外伝搬用の可撓性の中空ファイバである、ことを特徴とするテラヘルツ波分光計測装置が提供される。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記中空伝送管は、中赤外乃至、遠赤外伝搬用の可撓性の中空形状のファイバであり、その両端がテラヘルツ波を通し水分を通さないように密閉され、内部にテラヘルツ波の吸収の少ないガスが密封または真空状態にされている。
【００１３】
前記中空伝送管は、内部に金属面を有する金属中空ファイバや、ＰＶＤＦ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）製中空ファイバである。
【００１４】
また、前記非線形光学材料は、ＤＡＳＴ結晶（４−Ｎ，Ｎ−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−４−Ｎ’−ｍｅｔｈｙｌ−ｓｔｙｌｂａｚｏｌｉｕｍ ｔｏｓｙｌａｔｅ）、ＭＮＡ（２−ｍｅｔｈｙｌ−４−ｎｉｔｒｏａｎｉｌｉｎｅ）、ＬｉＮｂＯ３、ＫＴＰ、ＧａＡｓ、ＬｉＩＯ、ＧａＳｅ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、又はＺＧＰである。
【００１５】
また、前記被測定物が充填され、前記中空伝送管とテラヘルツ波検出器との間に、中空伝送管に近接して同軸に位置決めされる中空試料管を備え、該中空試料管は中赤外乃至、遠赤外伝搬用の可撓性の中空ファイバの両端がテラヘルツ波を通し水分を通さない不透過膜で密閉されている。
【００１６】
前記中空伝送管と平行な回転中心軸と、該回転中心軸から一定の半径を隔て周方向に間隔を隔て複数の前記中空試料管を収容する複数の中空貫通穴とを有する試料回転台を備え、該試料回転台を回転中心軸を中心に一定の角度ピッチで旋回させて、複数の前記中空試料管を順次中空伝送管とテラヘルツ波検出器との間に同軸に位置決めする、ことが好ましい。
【００１７】
前記中空伝送管の出射端側に位置し中空伝送管と平行に複数の中空試料管を位置決めする試料移動台を備え、該試料移動台が順次スライドして、複数の前記中空試料管を順次中空伝送管とテラヘルツ波検出器との間に同軸に位置決めする、ことが好ましい。
【００１８】
また本発明によれば、異なる２波長の光から非線形光学材料を用いてそれらの差周波数分に相当するテラヘルツ波を発生させ、
可撓性の前記中空伝送管を用いて発生したテラヘルツ波を入射端面から出射端面まで伝送し、
出射端面から出射したテラヘルツ波を被測定物に照射し、
該被測定物を透過または反射したテラヘルツ波の強度を計測する、ことを特徴とするテラヘルツ波分光計測方法が提供される。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記可撓性の中空伝送管を人又は動物の体内に挿入して、体内の測定対象部位を２次元で分光計測イメージングする。
【００２０】
また、前記可撓性の中空伝送管を人又は動物の体内に挿入して、体内の測定対象物質を吸引して中空伝送管内に充填し、分光計測する。
【００２１】
また、前記可撓性の中空伝送管の出射端部を固定し、測定対象物を２次元的に移動させて、分光計測する、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
上記本発明の装置及び方法によれば、２波長光源と非線形光学材料とにより、異なる２波長の光から光差周波発生（ＤＦＧ）によりそれらの差周波数分に相当するテラヘルツ波を発生するので、２波長の各々を可変波長にすることにより、所望の周波数のテラヘルツ波を容易に発生させることができる。
【００２３】
また、可撓性の細長い中空伝送管の入射端面が非線形光学材料に密着又は近接しており、この中空伝送管は、中赤外乃至、遠赤外伝搬用の中空形状の可撓性のファイバであり、両端がテラヘルツ波を通し水分を通さないように密閉され、内部にテラヘルツ波の吸収の少ないガスが密封または真空状態にされているので、有機非線形光学材料で発生したテラヘルツ波を出射端面まで少ない損失で伝送することができる。
【００２４】
従って本発明によれば、所望の周波数のテラヘルツ波を発生させ、これを低損失で所望の部位まで効率よく伝搬させて、被測定物を分光計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００２６】
図１は、本発明によるテラヘルツ波分光計測装置の第１実施形態図である。この図において、本発明のテラヘルツ波分光計測装置１０は、２波長光源１２、非線形光学材料１４、可撓性の細長い中空伝送管１６、及びテラヘルツ波検出器２０を備える。
【００２７】
２波長光源１２は、異なる２波長の光を出射する。
この例において、２波長光源１２は、２つのバルクＫＴＰ結晶１２ａ，１２ｂ、ミラーＭ１，Ｍ２，Ｍ３、及びレーザ発振器１３からなる２波長光パラメトリック発振器であり、波長λ１、λ２の２波長のレーザ光１，２を出射する。このうち、波長λ１は例えば１２５０〜１６５０ｎｍで可変とし、折り返し配置にした２つのＫＴＰ結晶１２ａ，１２ｂの角度をガルバノスキャナで制御することによりλ２の波長を所望のテラヘルツ周波数に合わせて１２５０〜１６５０ｎｍで可変できるようになっている。
この構成により、０．０１ＴＨｚの間隔でテラヘルツ周波数を連続的又はパルス的に発生させることができる。
なお本発明は異なる２波長の光１，２を出射できる限りで、この構成に限定されない。
【００２８】
図１において、２波長光源１２からの波長λ１、λ２の２波長のレーザ光１，２は、ミラーＭ４，Ｍ５とレンズＬを介して非線形光学材料１４の表面に対し垂直に入射する。なお、本発明において、ミラーＭ４，Ｍ５とレンズＬは必須ではなく、これらを後述するように光ファイバに置き換えることができ、あるいは省略することもできる。
【００２９】
非線形光学材料１４は、２波長λ１、λ２の光１，２から光差周波発生（ＤＦＧ）によりそれらの差周波数分に相当するテラヘルツ波３を発生する。
非線形光学材料１４は、ＤＡＳＴ結晶（４−Ｎ，Ｎ−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−４−Ｎ’−ｍｅｔｈｙｌ−ｓｔｙｌｂａｚｏｌｉｕｍ ｔｏｓｙｌａｔｅ）、ＭＮＡ（２−ｍｅｔｈｙｌ−４−ｎｉｔｒｏａｎｉｌｉｎｅ）、ＬｉＮｂＯ３、ＫＴＰ、ＬｉＩＯ、ＧａＳｅ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、またはＺＧＰが好ましく、特にＤＡＳＴ結晶が好ましい。
【００３０】
ＤＡＳＴ結晶は、ＤＡＳＴの飽和エタノール溶液を冷却する再結晶法で約２ｃｍ角、厚さ１ｍｍ以上の結晶が製造可能である。この矩形平板面上に分子の分極方向（ａ軸）を有し、外部からａ軸偏光の励起電界を印加すると分極波が生じ、非線形光学効果から励起電界と異なる周波数の光が発生する。従って、このＤＡＳＴ結晶を広帯域テラヘルツ帯の発生に用いることができる。
【００３１】
可撓性の細長い中空伝送管１６は、可撓性の中赤外乃至、遠赤外伝搬用の中空ファイバである。例えば、内側に金属を成膜した金属中空ファイバや、ＰＶＤＦ（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）製のＰＶＤＦ中空ファイバなどである。
【００３２】
中空伝送管１６は、非線形光学材料１４に入射端面１６ａが密着又は近接し、発生したテラヘルツ波３を出射端面１６ｂまで伝送する。非線形光学材料１４と入射端面１６ａの間隔は、皆無又は短いほど好ましい。
【００３３】
また、中空伝送管１６の両端はテラヘルツ波を通し水分を通さないように不透過膜で密閉され、内部にテラヘルツ波の吸収の少ないガスが密封または真空状態にされている。この不透過膜には、市販のラップおよびポリシートを用いることができる。また、不透過膜以外のテラヘルツ波を通す部材（光学素子や非線形光学材料）で密封してもよい。
また、テラヘルツ波の吸収の少ないガスとして、乾燥空気、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、等を用いることができる。
【００３４】
１８ａ，１８ｂは、出射端面１６ｂから出射したテラヘルツ波３を反射して伝搬路を制御し、被測定物４に照射する方向にビームを制御する。
１８ａ，１８ｂは、この例では凹面鏡であるが、ビーム形状を制御する小型レンズであってもよいが、これを省略してもよい。また、１７は、テラヘルツ波以外の光をカットするローパスフィルタであるが、これを省略してもよい。
【００３５】
テラヘルツ波検出器２０は、例えばＳｉボロメータであり、被測定物４を透過し凹面鏡１９で反射集光されたテラヘルツ波３の強度を計測する。
【００３６】
なお、図１において、１１は制御記録装置（例えばＰＣ）であり、２波長光源１２を制御し、計測されたテラヘルツ波３の強度を記録するとともに、必要な解析を行う。また９は表示装置であり、計測結果及び解析結果を表示するようになっている。
【００３７】
上述した装置を用いて、本発明によるテラヘルツ波分光計測方法によれば、異なる２波長の光１，２から非線形光学材料１４を用いてそれらの差周波数分に相当するテラヘルツ波３を発生させ、可撓性の中赤外乃至、遠赤外伝搬用の中空伝送管１６を用いて発生したテラヘルツ波３を入射端面１６ａから出射端面１６ｂまで伝送し、出射端面１６ｂから出射したテラヘルツ波３を被測定物４に照射し、被測定物４を透過したテラヘルツ波３の強度を計測する。
【００３８】
図２は、本発明によるテラヘルツ波分光計測装置の第２実施形態図であり、（Ａ）は全体構成図、（Ｂ）（Ｃ）は中空伝送管の断面図、（Ｄ）はその部分斜視図である。
図２Ａにおいて、本発明のテラヘルツ波分光計測装置１０は、２波長光源１２、非線形光学材料１４、中空伝送管１６、中空試料管２２及びテラヘルツ波検出器２０を備える。
図２Ｂ、図２Ｄにおいて、非線形光学材料１４は、中空伝送管１６の入射端部内に気密に取り付けられている。光学系１８は、ビーム形状を制御する小型レンズであり、必要に応じて取り付けることができ、中空伝送管１６の出射端部内に気密に取り付けられている。なお、小型レンズを出射端１６ｂの外側に設けてもよい。
図２Ｃにおいて、１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、密封のためのＴＨｚ帯透過性膜（例えばラップ、フィルムなど）である。
【００３９】
中空試料管２２は、可撓性の中赤外乃至、遠赤外伝搬用の中空ファイバの両端がテラヘルツ波を通し水分を通さない不透過膜で密閉されている。なお中空試料管２２には、中空伝送管１６と同一のものを用いることが好ましい。
また、中空試料管２２は、内部に被測定物が充填され、かつ中空伝送管１６とテラヘルツ波検出器２０との間に、中空伝送管２２に近接して同軸に位置決めされる。内部に充填される被測定物としては、気体、粉体、ＤＮＡ、菌等を封入することができる。
その他の構成は図１と同様である。
【００４０】
上述した構成により、非線形光学材料１４で発生したテラヘルツ波３を中空伝送管１６で低損失で伝送し、中空試料管２２に入射させ、中空試料管２２内において被測定物（気体、粉体、ＤＮＡ、菌等）に照射しながら低損失で伝送し、テラヘルツ波検出器２０で被測定物を透過したテラヘルツ波の強度を計測することができる。
【００４１】
図３は、本発明によるテラヘルツ波分光計測装置の第３実施形態図である。
図３Ａにおいて、本発明のテラヘルツ波分光計測装置は、図２の構成に加えてさらに試料回転台２４を備える。
試料回転台２４は、中空伝送管１６と平行な回転中心軸２４ａと、回転中心軸２４ａから一定の半径を隔て周方向に間隔を隔てた複数の中空貫通穴２４ｂとを有する。中空貫通穴２４ｂは、中空試料管２２を中空伝送管１６と平行に収容するようになっている。
この構成により、試料回転台２４を回転中心軸２４ａを中心に一定の角度ピッチで旋回させて、複数の中空試料管２２を順次中空伝送管１６とテラヘルツ波検出器２０（図示せず）との間に同軸に位置決めすることができ、多数の中空試料管２２の分光計測を効率よく行うことができる。
【００４２】
図３Ｂにおいて、本発明のテラヘルツ波分光計測装置は、図２の構成に加えてさらに試料移動台２５を備える。
試料移動台２５は、中空伝送管１６の出射端側に位置し中空伝送管１６と平行に複数の中空試料管２２を位置決めする。またこの試料移動台２５が順次スライドして、複数の中空試料管２２を順次中空伝送管１６とテラヘルツ波検出器との間に同軸に位置決めするようになっている。
この構成により、多数の中空試料管２２の分光計測を効率よく行うことができる。
【００４３】
図４は、中空伝送管１６及び中空試料管２２におけるテラヘルツ波３の伝搬模式図である。
図４Ａに示すように、中空伝送管１６及び中空試料管２２（後述の例では銀中空ファイバ）の内部でテラヘルツ波３は反射しながら伝搬する。粉体などを分光計測する場合、反射点に存在する物質によって特定の周波数のみが吸収され、そのスペクトル構造が明らかになる。
伝搬角θは、数１の式（１）で表される。（５ＴＨｚ、ＴＥ１１モードは８８°）
また、反射回数ｎは伝搬角θに依存し、数１の式（２）で表される。Ｌは中空伝送管１６及び中空試料管２２の長さであり、ａは中空伝送管１６及び中空試料管２２の内径であり、ｋ０は自由空間中でのテラヘルツ波の波数であり、ｕ∞はベッセル関数の根を示す。
【００４４】
【数１】
【００４５】
図４Ｂは、テラヘルツ波３の周波数と反射回数の関係図である。この図において、中空伝送管１６及び中空試料管２２として後述する銀中空ファイバ（内径１ｍｍ）を用い、１０ｃｍ長と５ｃｍ長のファイバに対し、主要伝搬モードのＴＥ１１における反射回数を示している。
この図から、例えば、１０ｃｍ長の場合に５ＴＨｚのテラヘルツ波３は約４回反射することがわかる。銀中空ファイバ（内径１ｍｍ）の内容積は８０μＬであることから、非常に微量の試料を用いて、粉体を含む被測定物の分光計測ができることがわかる。
なお、上記長さは一例であり、必要に応じて、任意の長さの銀中空ファイバを用いることができる。
【００４６】
図５は、本発明によるテラヘルツ波分光計測装置の第４実施形態図である。この図において、本発明のテラヘルツ波分光計測装置１０の２波長光源１２は、可変波長の第１レーザ光１を発振する第１レーザ発振装置３２と、可変波長の第２レーザ光２を発振する第２レーザ発振装置３４と、第１レーザ光１と第２レーザ光２を同一光路に結合する方向性結合器３６と、同一光路の第１レーザ光１と第２レーザ光２を非線形光学材料まで導く可撓性の光ファイバ３８とを有する。３０は、第１レーザ発振装置３２と第２レーザ発振装置３４を制御する制御装置（例えばＰＣ）である。
中空伝送管１６は、光ファイバ３８の先端部に取り付けられ、非線形光学材料１４（図示せず）は、中空伝送管１６の入射端面に密着又は近接、ないしは挿入して取り付けられている。
この構成により、この図に示すように、可撓性の中空伝送管１６を人又は動物５の体内に挿入して、体内の測定対象部位（この例では胃）を２次元で分光計測イメージングすることができる。
なお、この場合、テラヘルツ波検出器は、中空伝送管１６の出射端面に対峙して一体化するか、人又は動物５の外部で計測するのがよい。
【００４７】
また、可撓性の中空伝送管１６（又は中空試料管２２）を人又は動物５の体内に挿入して、体内の測定対象物質を吸引して中空伝送管１６（又は中空試料管２２）内に充填し、これを上述した装置を用いて分光計測してもよい。
【００４８】
上述した装置及び方法により、人又は動物５の体内の測定対象部位をテラヘルツ波３を用いて容易に分光計測することができる。
【００４９】
図６は、本発明によるテラヘルツ波分光計測装置の第５実施形態図である。この図において、本発明のテラヘルツ波分光計測装置１０は、第４実施形態の装置に更に２次元ステージ４０を備え、可撓性の中空伝送管１６の出射端部を固定し、測定対象物４を２次元的に移動させて、分光計測する。
【００５０】
この装置及び方法により、測定対象物４の２次元分光計測を容易に実施することができる。
【実施例】
【００５１】
以下、本発明の実施例を説明する。
図１に示した装置を用いて、中空伝送管１６によるテラヘルツ波３の伝搬特性を試験した。中空伝送管１６として、可撓性のある内径１ｍｍのガラスキャピラリ内部に銀をコーティングした銀中空ファイバを用いた。また、非線形光学材料１４として、厚さ０．８ｍｍのＤＡＳＴ結晶を長さ６ｃｍのカップリング用銀中空ファイバの端面に接するように配置して、銀中空ファイバを接続した。ａ軸偏光の１．３μｍ帯二波長光をＴＨｚ帯励起光としてｃ軸方向へ入射し、光差周波発生（ＤＦＧ）で２〜１５ＴＨｚ帯を発生させて伝搬特性の周波数依存性及び曲げの伝搬特性をＳｉボロメータで計測した。
【００５２】
図７は、長さ３０．５ｃｍ、曲げ角０°の銀中空ファイバの試験結果であり、（Ａ）はＤＡＳＴからのテラヘルツ波の出力強度、（Ｂ）は銀中空ファイバの透過特性である。
この図から２〜１５ＴＨｚのテラヘルツ波に対して急峻な吸収特性は見られず、テラヘルツ波帯で上述したデバイスへの適用ができることが確認された。
【００５３】
次に曲げ角０°の場合を１とし、曲線の円弧長さを一定として角度を変化させた試験を実施した。この場合の透過特性を図８に示す。
この図から１４．５ＴＨｚでは角度が大きくなるにつれ透過特性が低下するが、５ＴＨｚから１０ＴＨｚまでは曲げによる付加損は小さく（最大１ｄＢ程度）、十分実用化できることが確認された。
【００５４】
図９は、銀中空ファイバ内に呼気を吹き入れて計測した結果であり、水と水蒸気の透過特性と比較している。
この図において、この帯域全体の包絡線は水（破線）の透過特性に近似しており、また、細かな構造は水蒸気（下端の図）のスペクトルに極似していることがわかる。
このことから、この帯域（２〜１５ＴＨｚ）で測定されるのは主として水と水蒸気であり、大気中の水蒸気による吸収が非常に大きいことがわかる。
【００５５】
図１０は、銀中空ファイバ内にハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）を入れて計測した結果であり、計算上の吸収ピーク（下側の縦線）と比較している。なお、この例は、ＨＦＣ−１３４ａの場合を示している。
この図から、吸収ピークの測定値と計算値がよく一致しており、ハイドロフルオロカーボンの分光計測が可能であることがわかる。なお、同様に、ＨＦＣ−１５２ａの場合にも、同様の結果が得られた。
【００５６】
図１１は、銀中空ファイバ内にエタノール（ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ）を入れて計測した結果であり、計算上の吸収ピーク（下側の縦線）と水及び水蒸気の透過特性と比較している。
この図から、６ＴＨｚ付近の吸収は水、エタノール、水蒸気の３種類の吸収特性が重なりあったような特性を示している。また、１３ＴＨｚ付近の吸収は計算値で求めた振動モードにほぼ一致し、全領域にわたるスペクトルの微細構造はわずかに含まれる水蒸気によるものと推測される。特に１３ＴＨｚでの吸収特性は水と水蒸気の影響が少なく、エタノールの検出に適しているといえる。
【００５７】
また、市販のラップ及びポリシートを用い、両端を封入することにより、テラヘルツ波を通し水分を通さないようにできることも試験により確認された。
【００５８】
上述した本発明の装置及び方法によれば、２波長光源１２と有機非線形光学材料１４とにより、異なる２波長の光１，２から光差周波発生（ＤＦＧ）によりそれらの差周波数分に相当するテラヘルツ波３を発生するので、２波長１，２を可変波長にすることにより、所望の周波数のテラヘルツ波３を容易に発生させることができる。
【００５９】
また、可撓性の細長い中空伝送管１６の入射端面１６ａが非線形光学材料１４に密着又は近接しており、この中空伝送管は、可撓性の中赤外乃至、遠赤外伝搬用の中空ファイバの両端がテラヘルツ波を通し水分を通さないように密閉され、内部にテラヘルツ波の吸収の少ないガスが密封または真空状態にされているので、非線形光学材料で発生したテラヘルツ波３を出射端面まで少ない損失で伝送することができる。
従って、本発明によれば、所望の周波数のテラヘルツ波を発生させ、発生したテラヘルツ波を低損失で任意の場所まで伝搬させることが可能となり、光ファイバでＤＡＳＴ結晶へ励起光を入射するシステムの構築により、全ファイバでの測定システムの実現が可能になるという優れた効果を奏す。
【００６０】
なお、本発明は上述した実施例及び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変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明によるテラヘルツ波分光計測装置の第１実施形態図である。
【図２】本発明によるテラヘルツ波分光計測装置の第２実施形態図である。
【図３】本発明によるテラヘルツ波分光計測装置の第３実施形態図である。
【図４】中空伝送管及び中空試料管におけるテラヘルツ波の伝搬模式図である。
【図５】本発明によるテラヘルツ波分光計測装置の第４実施形態図である。
【図６】本発明によるテラヘルツ波分光計測装置の第５実施形態図である。
【図７】長さ３０．５ｃｍ、曲げ角０°の銀中空ファイバの試験結果である。
【図８】曲線の円弧長さを一定として角度を変化させた試験結果である。
【図９】銀中空ファイバ内に呼気を吹き入れて計測した結果である。
【図１０】銀中空ファイバ内にハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）を入れて計測した結果である。
【図１１】銀中空ファイバ内にエタノール（ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ）を入れて計測した結果である。
【図１２】特許文献１の集積モジュールの模式図である。
【図１３】特許文献２のテラヘルツ波発生システムの模式図である。
【図１４】非特許文献１の試験装置の模式図である。
【符号の説明】
【００６２】
・ レーザ光、３ テラヘルツ波、４ 被測定物、５ 人又は動物、
１０ テラヘルツ波分光計測装置、１１ 制御記録装置（ＰＣ）、
１２ ２波長光源、１２ａ，１２ｂ バルクＫＴＰ結晶、
１３ レーザ発振器、１４ 有機非線形光学材料、
１６ 中空伝送管、１６ａ 入射端面、１６ｂ 出射端面、
１８ 光学系、１８ａ，１８ｂ 凹面鏡、２０ テラヘルツ波検出器、
２２ 中空試料管、２４ 試料回転台、
２４ａ 回転中心軸、２４ｂ 中空貫通穴、
２５ 試料移動台、３０ 制御装置（ＰＣ）、
３２ 第１レーザ発振装置、３４ 第２レーザ発振装置、
３６ 方向性結合器、３８ 光ファイバ、４０ ２次元ステージ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる２波長の光を出射する２波長光源と、
前記２波長の光から光差周波発生によりそれらの差周波数分に相当するテラヘルツ波を発生する非線形光学材料と、
該非線形光学材料が入射端面に密着又は近接又は挿入され、発生したテラヘルツ波を出射端面まで内部を伝送する可撓性の細長い中空伝送管と、
該被測定物を透過したテラヘルツ波の強度を計測するテラヘルツ波検出器と、を備え、
前記中空伝送管は、中赤外乃至、遠赤外伝搬用の可撓性の中空ファイバである、ことを特徴とするテラヘルツ波分光計測装置。
【請求項２】
前記中空伝送管は、中赤外乃至、遠赤外伝搬用の可撓性の中空形状のファイバであり、その両端がテラヘルツ波を通し水分を通さないように密閉され、内部にテラヘルツ波の吸収の少ないガスが密封または真空状態にされている、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波分光計測装置。
【請求項３】
前記中空伝送管は、内部に金属面を有する金属中空ファイバや、ＰＶＤＦ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）製中空ファイバである、ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波分光計測装置。
【請求項４】
前記非線形光学材料は、ＤＡＳＴ結晶（４−Ｎ，Ｎ−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−４−Ｎ’−ｍｅｔｈｙｌ−ｓｔｙｌｂａｚｏｌｉｕｍ ｔｏｓｙｌａｔｅ）、ＭＮＡ（２−ｍｅｔｈｙｌ−４−ｎｉｔｒｏａｎｉｌｉｎｅ）、ＬｉＮｂＯ３、ＫＴＰ、ＧａＡｓ、ＬｉＩＯ、ＧａＳｅ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、又はＺＧＰである、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波分光計測装置。
【請求項５】
前記被測定物が充填され、前記中空伝送管とテラヘルツ波検出器との間に、中空伝送管に近接して同軸に位置決めされる中空試料管を備え、該中空試料管は中赤外、乃至遠赤外伝搬用の可撓性の中空ファイバの両端がテラヘルツ波を通し水分を通さない不透過膜で密閉されている、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波分光計測装置。
【請求項６】
前記中空伝送管と平行な回転中心軸と、該回転中心軸から一定の半径を隔て周方向に間隔を隔て複数の前記中空試料管を収容する複数の中空貫通穴とを有する試料回転台を備え、該試料回転台を回転中心軸を中心に一定の角度ピッチで旋回させて、複数の前記中空試料管を順次中空伝送管とテラヘルツ波検出器との間に同軸に位置決めする、ことを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ波分光計測装置。
【請求項７】
前記中空伝送管の出射端側に位置し中空伝送管と平行に複数の中空試料管を位置決めする試料移動台を備え、該試料移動台が順次スライドして、複数の前記中空試料管を順次中空伝送管とテラヘルツ波検出器との間に同軸に位置決めする、ことを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ波分光計測装置。
【請求項８】
異なる２波長の光から非線形光学材料を用いてそれらの差周波数分に相当するテラヘルツ波を発生させ、
可撓性の前記中空伝送管を用いて発生したテラヘルツ波を入射端面から出射端面まで伝送し、
出射端面から出射したテラヘルツ波を被測定物に照射し、
該被測定物を透過または反射したテラヘルツ波の強度を計測する、ことを特徴とするテラヘルツ波分光計測方法。
【請求項９】
前記可撓性の中空伝送管を人又は動物の体内に挿入して、体内の測定対象部位を２次元で分光計測イメージングする、ことを特徴とする請求項８に記載のテラヘルツ波分光計測方法。
【請求項１０】
前記可撓性の中空伝送管を人又は動物の体内に挿入して、体内の測定対象物質を吸引して中空伝送管内に充填し、分光計測することを特徴とする請求項８に記載のテラヘルツ波分光計測方法。
【請求項１１】
前記可撓性の中空伝送管の出射端部を固定し、測定対象物を２次元的に移動させて、分光計測することを特徴とする請求項８に記載のテラヘルツ波分光計測方法。
【請求項１】
異なる２波長の光を出射する２波長光源と、
前記２波長の光から光差周波発生によりそれらの差周波数分に相当するテラヘルツ波を発生する非線形光学材料と、
該非線形光学材料が入射端面に密着又は近接又は挿入され、発生したテラヘルツ波を出射端面まで内部を伝送する可撓性の細長い中空伝送管と、
該被測定物を透過したテラヘルツ波の強度を計測するテラヘルツ波検出器と、を備え、
前記中空伝送管は、中赤外乃至、遠赤外伝搬用の可撓性の中空ファイバである、ことを特徴とするテラヘルツ波分光計測装置。
【請求項２】
前記中空伝送管は、中赤外乃至、遠赤外伝搬用の可撓性の中空形状のファイバであり、その両端がテラヘルツ波を通し水分を通さないように密閉され、内部にテラヘルツ波の吸収の少ないガスが密封または真空状態にされている、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波分光計測装置。
【請求項３】
前記中空伝送管は、内部に金属面を有する金属中空ファイバや、ＰＶＤＦ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）製中空ファイバである、ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波分光計測装置。
【請求項４】
前記非線形光学材料は、ＤＡＳＴ結晶（４−Ｎ，Ｎ−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−４−Ｎ’−ｍｅｔｈｙｌ−ｓｔｙｌｂａｚｏｌｉｕｍ ｔｏｓｙｌａｔｅ）、ＭＮＡ（２−ｍｅｔｈｙｌ−４−ｎｉｔｒｏａｎｉｌｉｎｅ）、ＬｉＮｂＯ３、ＫＴＰ、ＧａＡｓ、ＬｉＩＯ、ＧａＳｅ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、又はＺＧＰである、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波分光計測装置。
【請求項５】
前記被測定物が充填され、前記中空伝送管とテラヘルツ波検出器との間に、中空伝送管に近接して同軸に位置決めされる中空試料管を備え、該中空試料管は中赤外、乃至遠赤外伝搬用の可撓性の中空ファイバの両端がテラヘルツ波を通し水分を通さない不透過膜で密閉されている、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波分光計測装置。
【請求項６】
前記中空伝送管と平行な回転中心軸と、該回転中心軸から一定の半径を隔て周方向に間隔を隔て複数の前記中空試料管を収容する複数の中空貫通穴とを有する試料回転台を備え、該試料回転台を回転中心軸を中心に一定の角度ピッチで旋回させて、複数の前記中空試料管を順次中空伝送管とテラヘルツ波検出器との間に同軸に位置決めする、ことを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ波分光計測装置。
【請求項７】
前記中空伝送管の出射端側に位置し中空伝送管と平行に複数の中空試料管を位置決めする試料移動台を備え、該試料移動台が順次スライドして、複数の前記中空試料管を順次中空伝送管とテラヘルツ波検出器との間に同軸に位置決めする、ことを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ波分光計測装置。
【請求項８】
異なる２波長の光から非線形光学材料を用いてそれらの差周波数分に相当するテラヘルツ波を発生させ、
可撓性の前記中空伝送管を用いて発生したテラヘルツ波を入射端面から出射端面まで伝送し、
出射端面から出射したテラヘルツ波を被測定物に照射し、
該被測定物を透過または反射したテラヘルツ波の強度を計測する、ことを特徴とするテラヘルツ波分光計測方法。
【請求項９】
前記可撓性の中空伝送管を人又は動物の体内に挿入して、体内の測定対象部位を２次元で分光計測イメージングする、ことを特徴とする請求項８に記載のテラヘルツ波分光計測方法。
【請求項１０】
前記可撓性の中空伝送管を人又は動物の体内に挿入して、体内の測定対象物質を吸引して中空伝送管内に充填し、分光計測することを特徴とする請求項８に記載のテラヘルツ波分光計測方法。
【請求項１１】
前記可撓性の中空伝送管の出射端部を固定し、測定対象物を２次元的に移動させて、分光計測することを特徴とする請求項８に記載のテラヘルツ波分光計測方法。
【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】
【公開番号】特開２００８−２４１３４０（Ｐ２００８−２４１３４０Ａ）
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−７９４０５（Ｐ２００７−７９４０５）
【出願日】平成１９年３月２６日（２００７．３．２６）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２６日（２００７．３．２６）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
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