テラヘルツ電磁波発生装置およびテラヘルツ電磁波検出装置
【課題】周波数が可変であるテラヘルツ電磁波を簡易な構成で発生することができるテラヘルツ電磁波発生装置等を提供する。
【解決手段】テラヘルツ電磁波発生装置１では、半導体発光素子１１の第２面１１２とミラー１２とにより構成されるレーザ共振器で発振したレーザ光Ｌは、レンズ１４によりコリメートされ、レンズ１５により集光されて、光導電アンテナ素子１６の１対の電極の間に入射される。レーザ光Ｌが入射された光導電アンテナ素子１６からテラヘルツ電磁波が発生する。移動ステージ１３によりミラー１２が平行移動されることによって共振器長が変更される。光導電アンテナ素子１６で発生するテラヘルツ電磁波の周波数は、この共振器長に応じて連続的に変化する。
【解決手段】テラヘルツ電磁波発生装置１では、半導体発光素子１１の第２面１１２とミラー１２とにより構成されるレーザ共振器で発振したレーザ光Ｌは、レンズ１４によりコリメートされ、レンズ１５により集光されて、光導電アンテナ素子１６の１対の電極の間に入射される。レーザ光Ｌが入射された光導電アンテナ素子１６からテラヘルツ電磁波が発生する。移動ステージ１３によりミラー１２が平行移動されることによって共振器長が変更される。光導電アンテナ素子１６で発生するテラヘルツ電磁波の周波数は、この共振器長に応じて連続的に変化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ電磁波発生装置およびテラヘルツ電磁波検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ電磁波は、光波と電波との中間領域に相当する０.０１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚ程度の周波数を有する電磁波であり、光波と電波との間の中間的な性質を有している。このようなテラヘルツ電磁波の応用として、測定対象物で透過または反射したテラヘルツ電磁波の電場振幅の時間波形を測定することで該測定対象物の情報を取得する技術が研究されている。また、テラヘルツ電磁波を発生する技術や検出する技術も研究されている。
【０００３】
特許文献１および非特許文献１には、半導体レーザ光源から出力されたレーザ光を光導電アンテナ素子に入射させてテラヘルツ電磁波を発生する技術が開示されている。これらの文献に開示されたテラヘルツ電磁波発生技術は、発生されるテラヘルツ電磁波の周波数スペクトルは離散的であり、ピークとなる周波数を制御することができない。
【０００４】
一方、特許文献２に開示されたテラヘルツ電磁波発生技術は、外部共振ミラーと半導体レーザ素子とからなる共振器を２つ用意して、これら２つの共振器から出力される２つのレーザ光を非線形光学材料内で差周波混合させることにより、テラヘルツ電磁波を発生させる。そして、外部共振ミラーを移動させることによりテラヘルツ電磁波の周波数を変化させることができるとしている。
【特許文献１】特開２００１−０２１５０３号公報
【特許文献２】特開２００６−２２７４３３号公報
【非特許文献１】M. Tani, et al.,"Multiple-Frequency Generation of Sub-Terahertz Radiation by Multimode LDExcitation of Photoconductive Antenna", IEEEMicrowave and Guided Wave Lett., Vol.7, No.9, (1997) pp.282-284
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上のように、特許文献１および非特許文献１に開示されたテラヘルツ電磁波発生技術は、発生されるテラヘルツ電磁波の周波数スペクトルは離散的であり、ピークとなる周波数を制御することができない。一方、特許文献２に開示されたテラヘルツ電磁波発生技術は、テラヘルツ電磁波の周波数を制御することが可能であるものの、その為の構成が複雑になるという問題点があった。
【０００６】
すなわち、従来のテラヘルツ電磁波発生装置では、周波数が可変であるテラヘルツ電磁波を簡易な構成で発生することができない。また、このようなテラヘルツ電磁波発生装置で発生したテラヘルツ電磁波を用いて測定を行うテラヘルツ電磁波検出装置では、高精度の測定を簡易な構成で行うことができない。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、周波数が可変であるテラヘルツ電磁波を簡易な構成で発生することができるテラヘルツ電磁波発生装置を提供することを目的とする。また、高精度の測定を簡易な構成で行うことができるテラヘルツ電磁波検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るテラヘルツ電磁波発生装置は、(1) 第１面と第２面とに挟まれた活性層を有し、活性層で光を放出する半導体発光素子と、(2)半導体発光素子の第１面に対向して設けられ、半導体発光素子の第２面との間で共振器を構成するミラーと、(3) 共振器の共振器長を変化させる共振器長変更手段と、(4)半導体基板上に形成された１対の電極を有し、共振器から出力される光を１対の電極の間に入力してテラヘルツ電磁波を発生する発生用光導電アンテナ素子と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
このテラヘルツ電磁波発生装置では、半導体発光素子の第１面に対向して設けられたミラーと、半導体発光素子の第２面との間で、共振器が構成されている。この共振器において、半導体発光素子の活性層で光が誘導放出されて発振してレーザ光が出力される。その出力されたレーザ光は、発生用光導電アンテナ素子の１対の電極の間に入射される。そして、レーザ光が入射された発生用光導電アンテナ素子からテラヘルツ電磁波が発生する。また、共振器長変更手段により共振器の共振器長が変化される。発生用光導電アンテナ素子で発生するテラヘルツ電磁波の周波数は、この共振器長に応じて連続的に変化する。
【００１０】
本発明に係るテラヘルツ電磁波発生装置では、半導体発光素子の第１面からミラーへ向かう光をコリメートするコリメート手段が第１面に設けられているのが好適である。この場合には、半導体発光素子の第１面からの出射光がコリメート手段によりコリメートされるので、ミラーで反射される光は、導波モードを保持したまま半導体発光素子の第１面から活性層へ再入射する。このことから、共振器長変更手段により共振器の共振器長が変化されても、半導体発光素子の第２面とミラーとの間で常にレーザ共振器が構成される。
【００１１】
本発明に係るテラヘルツ電磁波発生装置では、半導体発光素子が垂直共振器構造の面発光レーザ素子であるのが好適である。この場合には、半導体発光素子の第２面とミラーとで構成される共振器の共振器長を短くすることも可能であるので、得られるテラヘルツ電磁波の周波数の可変範囲が拡大され得る。
【００１２】
本発明に係るテラヘルツ電磁波検出装置は、(1) 上記の本発明に係るテラヘルツ電磁波発生装置と、(2) このテラヘルツ電磁波発生装置に含まれる共振器と発生用光導電アンテナ素子との間の光路上に設けられ、共振器から出力される光の一部を分岐してプローブ光として出力する分岐部と、(3) 発生用光導電アンテナ素子から出力され測定対象物で透過または反射したテラヘルツ電磁波を入力するとともに、分岐部から出力されたプローブ光を入力して、これらテラヘルツ電磁波とプローブ光との相関を検出する検出部と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
このテラヘルツ電磁波検出装置では、テラヘルツ電磁波発生装置に含まれる共振器と発生用光導電アンテナ素子との間の光路上に設けられた分岐部により、共振器から出力される光の一部が分岐されてプローブ光として出力される。発生用光導電アンテナ素子から出力され測定対象物で透過または反射したテラヘルツ電磁波、および、分岐部から出力されたプローブ光は、検出部に入力して、これらテラヘルツ電磁波とプローブ光との相関が検出される。
【００１４】
本発明に係るテラヘルツ電磁波検出装置は、発生用光導電アンテナ素子から検出部に到るまでのテラヘルツ電磁波の光路長、および、分岐部から検出部に到るまでのプローブ光の光路長の、何れかを調整する光路長調整部を更に備えるのが好適である。この場合には、テラヘルツ電磁波またはプローブ光の光路長が光路長調整部により調整されることにより、検出部に入射されるテラヘルツ電磁波とプローブ光とのタイミング差が調整され得る。
【００１５】
また、本発明に係るテラヘルツ電磁波検出装置では、検出部が、半導体基板上に形成された１対の電極を有し、テラヘルツ電磁波およびプローブ光を１対の電極の間に入力する検出用光導電アンテナ素子を含むのが好適である。また、本発明に係るテラヘルツ電磁波検出装置は、(a) 発生用光導電アンテナ素子の１対の電極の間に正弦波変調された電圧を印加する信号発生部と、(b) 信号発生部から出力される正弦波変調された電圧に基づいて、検出用光導電アンテナ素子の１対の電極の間に生じる電流を同期検出して、テラヘルツ電磁波とプローブ光との相関を検出する同期検出部と、を更に備えるのが好適である。この場合には、信号発生部により、発生用光導電アンテナ素子の１対の電極の間に、正弦波変調された電圧が印加される。そして、同期検出部により、信号発生部から出力される正弦波変調された電圧に基づいて、検出用光導電アンテナ素子の１対の電極の間に生じる電流が同期検出されて、テラヘルツ電磁波とプローブ光との相関が検出される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るテラヘルツ電磁波発生装置は、周波数が可変であるテラヘルツ電磁波を簡易な構成で発生することができる。また、本発明に係るテラヘルツ電磁波検出装置は、高精度の測定を簡易な構成で行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一または同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
図１は、本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生装置１の構成図である。この図に示されるテラヘルツ電磁波発生装置１は、半導体発光素子１１、ミラー１２、移動ステージ１３、レンズ１４、レンズ１５およびテラヘルツ電磁波発生用の光導電アンテナ素子１６を備える。
【００１９】
半導体発光素子１１は、第１面１１１と第２面１１２とに挟まれた活性層を有し、その活性層で光を放出するものであり、好適にはレーザダイオードである。ミラー１２は、半導体発光素子１１の第１面１１１に対向して設けられ、半導体発光素子１１の第２面１１２との間で共振器を構成する。すなわち、半導体発光素子１１の第１面１１１は低反射率とされ、半導体発光素子１１の第２面１１２は高反射率とされている。
【００２０】
移動ステージ１３は、光軸方向に沿ってミラー１２を平行移動させるものであって、共振器の共振器長を変化させる共振器長変更手段として作用する。移動ステージ１３は、モータ駆動によるもの、ピエゾ素子によるもの、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）によるもの、等の何れであってもよく、また、手動であってもよく、さらに、これらを組合せたものであってもよい。半導体発光素子１１，ミラー１２および移動ステージ１３は、或る範囲に亘って共振器長を連続的に変化させることが可能である外部共振型のレーザ発振器３を構成している。
【００２１】
レンズ１４は、レーザ発振器３から出力されたレーザ光Ｌをコリメートする。レンズ１５は、レンズ１４によりコリメートされたレーザ光Ｌを集光して光導電アンテナ素子１６へ照射する。光導電アンテナ素子１６は、図２に示されるように、半導体基板上に形成された１対の電極を有し、共振器から出力される光を１対の電極の間に入力してテラヘルツ電磁波Ｔを発生するものである。
【００２２】
このテラヘルツ電磁波発生装置１では、半導体発光素子１１の第２面１１２とミラー１２とにより構成されるレーザ共振器において、半導体発光素子１１の活性層で光が誘導放出されて発振してレーザ光が出力される。その出力されたレーザ光Ｌは、レンズ１４によりコリメートされ、レンズ１５により集光されて、光導電アンテナ素子１６の１対の電極の間に入射される。そして、レーザ光Ｌが入射された光導電アンテナ素子１６からテラヘルツ電磁波が発生する。また、移動ステージ１３によりミラー１２が平行移動されることによって共振器長が変更される。光導電アンテナ素子１６で発生するテラヘルツ電磁波の周波数は、この共振器長に応じて連続的に変化する。
【００２３】
図２は、光導電アンテナ素子１００の斜視図である。この図に示される光導電アンテナ素子１００は、図１中のテラヘルツ電磁波発生用の光導電アンテナ素子１６として用いられる。また、光導電アンテナ素子１００は、後に説明するテラヘルツ電磁波検出用の光導電アンテナ素子２５としても用いられる。
【００２４】
光導電アンテナ素子１００は、例えば、半絶縁性のＧａＡｓ基板１０１と、このＧａＡｓ基板１０１上に形成されたＧａＡｓ層１０２と、このＧａＡｓ層１０２上に形成された１対の電極１０３および電極１０４と、を有する。ＧａＡｓ層１０２は、ＭＢＥにより低温（例えば２００〜２５０℃）でエピタキシャル成長されたものであり、例えば厚さ１〜３μｍである。電極１０３および電極１０４は、ＡｕＧｅ／Ａｕ等のオーミック電極であり、アンテナの長さが例えば２０μｍ〜２ｍｍであり、両者間の間隔が例えば３〜１０μｍである。
【００２５】
低温エピタキシャル成長で形成されたＧａＡｓ層１０２は、キャリアの寿命が短く、キャリアの移動度が高く、また、インピーダンスが高い。電極１０３と電極１０４との間に電圧が印加されているときに、電極１０３と電極１０４との間のＧａＡｓ層１０２の領域にレーザ光Ｌが照射されると、ＧａＡｓ層１０２内で電子正孔対が発生する。この電子は、電極１０３と電極１０４との間に印加されている電圧により加速されて移動する。これにより、電極１０３と電極１０４との間に電流が生じるとともに、テラヘルツ電磁波Ｔが発生する。
【００２６】
図３は、半導体発光素子１１およびミラー１２を含み共振器長が可変であるレーザ発振器３の斜視図である。なお、この図では移動ステージ１３の図示は省略されている。半導体発光素子１１のレーザ媒質１０１は、例えば複数種類のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）からなるヘテロ多層膜が積層されてなる活性層を有する。ミラー１２に対向する半導体発光素子１１の第１面１１１には、Ａｌ３Ｏ４やＳｉＯ２等またはこれらの多層膜からなる反射防止膜１１３がコーティングされている。半導体発光素子１１の第２面１１２には、Ａｌ３Ｏ４やＳｉＯ２等からなる高反射膜１１４がコーティングされている。なお、第２面１１２は、劈開されたままのミラー面であってもよい。
【００２７】
また、第１面１１１上の反射防止膜１１３には、半導体発光素子１１の第１面１１１からミラー１２へ向かう光をコリメートするコリメート手段として、レンズ作用を有する回折格子パターン１１５が形成されている。このような回折格子パターン１１５は、回折光学素子（ＤＯＥ: Diffractive Optical Element）として、一般に実用化されている。これにより、第１面１１１での反射率が低減化されるとともに、コリメートされた光が第１面１１１から空間に向けて出射される。
【００２８】
半導体発光素子１１の第１面１１１からの出射光が回折格子パターン１１５によりコリメートされるので、ミラー１２で反射される光は、導波モードを保持したまま半導体発光素子１１の第１面１１１から活性層へ再入射する。このことから、移動ステージ１３によりミラー１２が平行移動されても、半導体発光素子１１の第２面１１２とミラー１２との間で常にレーザ共振器が構成される。半導体発光素子１１に閾値以上の順方向電流を流すことによりレーザ発振が生じ、そのレーザ光Ｌがミラー１２を通って出射される。
【００２９】
本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生装置１に含まれる共振器長が可変であるレーザ発振器として、図４〜図７に示される構成も好ましい。
【００３０】
図４は、レーザ発振器３に含まれる半導体発光素子１１の他の構成例を示す平面図である。図３に示された構成と比較すると、この図４に示される半導体発光素子１１は、第１面１１１に形成された反射防止膜１１３に回折格子パターン１１５が設けられておらず、その替わりに、反射防止膜１１３がコリメート手段としても作用する点で相違する。すなわち、反射防止膜１１３は、凸レンズ形状を有しており、当該凸レンズの作用により光をコリメートして外部へ出射する。このような形状加工は、高度に制御されたイオンビーム等によってなされる。
【００３１】
図５は、レーザ発振器３に含まれる半導体発光素子１１の更に他の構成例を示す平面図である。図３に示された構成と比較すると、この図５に示される半導体発光素子１１は、第１面１１１に形成された反射防止膜１１３に回折格子パターン１１５が設けられておらず、その替わりに、反射防止膜１１３上に凸レンズ形状の樹脂１１６が形成されている点で相違する。この凸レンズ形状の樹脂１１６は、コリメート手段として作用し、光をコリメートして外部へ出射する。一般に、樹脂は、固化する際に、表面張力により自動的に凸形状になる。したがって、コリメート光が得られるような形状を有する樹脂１１６を作製するためには、樹脂１１６の粘度や乾燥条件などを精度よく制御することが必要である。
【００３２】
図６は、レーザ発振器３の他の構成例を示す斜視図である。図３に示された構成と比較すると、この図６に示されるレーザ発振器３は光出射方向の点で相違する。すなわち、図６に示されるレーザ発振器３では、ミラー１２が全反射ミラーであり、半導体発光素子１１の第２面１１２からレーザ光Ｌが出射される。この構成では、第２面１１２から出射されるレーザ光Ｌの形状や広がり角などが一定になるので、後段の光学部品との光学結合が容易になるとともに、光出射側に設けられるレンズ等の光学部品の邪魔にならないようにミラー１２を移動させることができる。
【００３３】
図７は、レーザ発振器３の更に他の構成例を示す斜視図である。これまでの図３〜図６に示された半導体発光素子は端面発光型のものであったが、この図７に示されるレーザ発振器３に含まれる半導体発光素子１１は、垂直共振器構造の面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ: Vertical Cavity-Surface Emitting Laser）である点で相違する。この半導体発光素子１１では、ミラー１２に対向する第１面１１１の光反射率が小さく形成されているとともに、その第１面１１１面には特別にレンズ効果を持たせた構造は施されていない。第１面１１１上の光出射領域である発光部１１７は、通常のＶＣＳＥＬより大きいのが好ましい。これにより、半導体発光素子１１７の発光部１１７から出射されてミラー１２で反射された光を、レンズを介さずに比較的多く半導体発光素子１１の発光部１１７に再入射させることが可能である。また、半導体発光素子１１の第１面１１１と第２面１１２との間の距離は数μｍと非常に短いので、半導体発光素子１１の第２面１１２とミラー１２とにより構成されるレーザ共振器を、１０μｍ程度から数ｍｍまでの広範囲で変化させることができる。その結果、光導電アンテナ素子１６で発生するテラヘルツ電磁波の周波数を非常に広帯域に変化させることが可能になる。なお、本実施形態のように、大発光部径のＶＣＳＥＬを用いる場合においても、レーザ光を効率良く発光部に再入射させるために、発光素子とミラーとの間にレンズを備えてもよい。
【００３４】
次に、本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生装置１における共振器長とテラヘルツ電磁波の周波数との関係について説明する。図８は、本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生装置１において発生するテラヘルツ電磁波のスペクトルを示す図である。同図（ａ）は共振器長が０.６ｍｍである場合のスペクトルを示し、同図（ｂ）は共振器長が０.７５ｍｍである場合のスペクトルを示し、また、同図（ｃ）は共振器長が１.０ｍｍである場合のスペクトルを示す。
【００３５】
なお、共振器長は、半導体発光素子１１の第２面１１２とミラー１２とにより構成されるレーザ共振器における光路上の屈折率分布を考慮した実効的な光路長である。すなわち、半導体発光素子１１の第１面１１１と第２面１１２との間の距離をＬＣとし、半導体発光素子１１の群屈折率をｎＣＧとし、半導体発光素子１１の第１面１１１とミラー１２との間の距離をＬＡとしたとき、共振器長Ｌcavityは「Ｌcavity＝ｎＣＧ・ＬＣ＋ＬＡ」なる式で表される。
【００３６】
図８（ａ）〜（ｃ）に示されるように、共振器長が何れの値である場合にも、発生するテラヘルツ電磁波のスペクトルは、最も低い周波数である基本周波数の成分、および、その基本周波数の整数倍の成分を有している。しかし、図８（ａ）〜（ｃ）を対比して判るように、共振器長が長いほど、周波数間隔は狭い。
【００３７】
図９は、本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生装置１における共振器長とテラヘルツ電磁波の基本周波数との関係を示すグラフである。同図の縦軸は、テラヘルツ電磁波の基本周波数ｆの逆数である。この図は、図８（ａ）〜（ｃ）に示された共振器長の各値に対するテラヘルツ電磁波の基本周波数の関係を示すものである。この図に示されるように、テラヘルツ電磁波の基本周波数ｆの逆数は、共振器長に対して比例関係にある。
【００３８】
このように、本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生装置１で発生するテラヘルツ電磁波は、基本周波数成分および整数倍の周波数成分からなる離散的なスペクトルを有し、また、共振器長が変化することで基本周波数成分および整数倍の周波数成分も変化する。真空中の光速をｃとすると、得られるテラヘルツ電磁波のスペクトルは、「ｆ＝ｃ／(２Ｌcavity)」なる式で表される基本周波数ｆの成分の他、「ｆＮ＝Ｎ・ｆ」なる式で表される周波数ｆＮの成分を有する。ここで、Ｎは正の整数である。
【００３９】
本発明者による実験の結果および解析によれば、半導体発光素子１１の第２端１１２とミラー１２との間の距離（ＬＣ＋ＬＡ）が約０.５ｍｍから２ｍｍまでの範囲でミラー１２を平行移動させることにより、得られるテラヘルツ電磁波の離散スペクトルの間のギャップを埋めることができる。これにより、連続的なテラヘルツスペクトルを得ることが可能となる。なお、放射強度が最も強い基本周波数ｆの成分を利用するために、上記の範囲を超えてミラー１２を平行移動させてもよい。
【００４０】
また、半導体発光素子１１が図７に示されたような垂直共振器構造の面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）である場合、半導体発光素子１１の第１面１１１と第２面１１２との間の距離ＬＣが小さいので、共振器長Ｌcavityを更に短くすることができる。したがって、この場合、テラヘルツ電磁波のスペクトルは更に高い基本周波数ｆを有するものとすることができる。
【００４１】
次に、本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生装置１を用いたテラヘルツ電磁波検出装置２について説明する。図１０は、本実施形態に係るテラヘルツ電磁波検出装置２の構成図である。この図に示されるテラヘルツ電磁波検出装置２は、テラヘルツ電磁波発生装置１に加えて、分岐部２１、ミラー２２、移動ミラー２３、レンズ２４、テラヘルツ電磁波検出用の光導電アンテナ素子２５、シリコンレンズ３１，３２、放物面ミラー４１，４２、信号発生部５１、同期検出部５２および解析部５３を更に備える。
【００４２】
テラヘルツ電磁波発生用の光導電アンテナ素子１６で発生したテラヘルツ電磁波は、シリコンレンズ３１、放物面ミラー４１、放物面ミラー４２およびシリコンレンズ３２を順に経て、光導電アンテナ素子２５に入射される。なお、このテラヘルツ電磁波の光路上（例えば、放物面ミラー４１と放物面ミラー４２との間の光路上）に測定対象物が置かれ、その測定対象物を透過したテラヘルツ電磁波が光導電アンテナ素子２５に入射される。なお、テラヘルツ電磁波は、測定対象物を透過してもよいし、測定対象物で反射するようにしてもよい。
【００４３】
分岐部２１は、テラヘルツ電磁波発生装置１に含まれるレーザ発振器３と光導電アンテナ素子１６との間の光路上（より具体的には、レンズ１４とレンズ１５との間の光路上）に設けられ、レーザ発振器３から出力されるレーザ光の一部を分岐してプローブ光として出力する。この分岐部２１から出力されたプローブ光は、ミラー２２および移動ミラー２３を経て、レンズ２４により集光されて、光導電アンテナ素子２５に入射される。
【００４４】
移動ミラー２３は、分岐部２１から光導電アンテナ素子２５に到るまでのプローブ光の光路長を変更する光路長調整部として作用し、好適には光軸方向に移動可能であるリトロリフレクタである。なお、光導電アンテナ素子１６から光導電アンテナ素子２５に到るまでのテラヘルツ電磁波の光路長を調整する光路長調整部が設けられてもよい。この光路長調整部により、光導電アンテナ素子２５に入射されるテラヘルツ電磁波とプローブ光とのタイミング差を調整することができる。
【００４５】
テラヘルツ電磁波検出用の光導電アンテナ素子２５は、図２に示された構成と同様の構成を有していて、半導体基板上に形成された１対の電極を有し、テラヘルツ電磁波およびプローブ光を１対の電極の間に入力する。光導電アンテナ素子２５では、テラヘルツ電磁波およびプローブ光の入射に応じて、両者の相関を表す電流が１対の電極の間に生じる。この相関に基づいてテラヘルツ電磁波のスペクトルを求めることができ、さらに測定対象物の情報を得ることができる。光導電アンテナ素子２５では、テラヘルツ電磁波とプローブ光との相関を検出する検出部として作用する。
【００４６】
信号発生部５１は、テラヘルツ電磁波発生用の光導電アンテナ素子１６の１対の電極の間に、正弦波変調された電圧を印加する。同期検出部５２は、ロックインアンプを含み、信号発生部５１から出力される正弦波変調された電圧に基づいて、テラヘルツ電磁波検出用の光導電アンテナ素子２５の１対の電極の間に生じる電流を同期検出して、テラヘルツ電磁波とプローブ光との相関を検出する。そして、解析部５３は、移動ミラー２３を平行移動させることにより、テラヘルツ電磁波とプローブ光との時間相関波形を獲得し、この相関波形をフーリエ変換することにより、テラヘルツ電磁波のスペクトルを得ることができる。
【００４７】
以上のように、本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生装置１は、周波数が可変であるテラヘルツ電磁波を簡易な構成で発生することができ、また、その周波数を走査することで実質的に連続スペクトルのテラヘルツ電磁波を得ることができる。また、本実施形態に係るテラヘルツ電磁波検出装置２は、このようなテラヘルツ電磁波発生装置１を含むものであり、実質的に連続スペクトルのテラヘルツ電磁波を用いることにより、高精度の測定を簡易な構成で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生装置１の構成図である。
【図２】光導電アンテナ素子１００の斜視図である。
【図３】半導体発光素子１１およびミラー１２を含み共振器長が可変であるレーザ発振器３の斜視図である。
【図４】レーザ発振器３に含まれる半導体発光素子１１の他の構成例を示す平面図である。
【図５】レーザ発振器３に含まれる半導体発光素子１１の更に他の構成例を示す平面図である。
【図６】レーザ発振器３の他の構成例を示す斜視図である。
【図７】レーザ発振器３の更に他の構成例を示す斜視図である。
【図８】本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生装置１において発生するテラヘルツ電磁波のスペクトルを示す図である。
【図９】本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生装置１における共振器長とテラヘルツ電磁波の基本周波数との関係を示すグラフである。
【図１０】本実施形態に係るテラヘルツ電磁波検出装置２の構成図である。
【符号の説明】
【００４９】
１…テラヘルツ電磁波発生装置、２…テラヘルツ電磁波検出装置、３…レーザ発振器、１１…半導体発光素子、１２…ミラー、１３…移動ステージ、１４，１５…レンズ、１６…発生用光導電アンテナ素子、２１…分岐部、２２…ミラー、２３…移動ミラー、２４…レンズ、２５…検出用光導電アンテナ素子、３１，３２…シリコンレンズ、４１，４２…放物面ミラー、５１…信号発生部、５２…同期検出部、５３…解析部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ電磁波発生装置およびテラヘルツ電磁波検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ電磁波は、光波と電波との中間領域に相当する０.０１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚ程度の周波数を有する電磁波であり、光波と電波との間の中間的な性質を有している。このようなテラヘルツ電磁波の応用として、測定対象物で透過または反射したテラヘルツ電磁波の電場振幅の時間波形を測定することで該測定対象物の情報を取得する技術が研究されている。また、テラヘルツ電磁波を発生する技術や検出する技術も研究されている。
【０００３】
特許文献１および非特許文献１には、半導体レーザ光源から出力されたレーザ光を光導電アンテナ素子に入射させてテラヘルツ電磁波を発生する技術が開示されている。これらの文献に開示されたテラヘルツ電磁波発生技術は、発生されるテラヘルツ電磁波の周波数スペクトルは離散的であり、ピークとなる周波数を制御することができない。
【０００４】
一方、特許文献２に開示されたテラヘルツ電磁波発生技術は、外部共振ミラーと半導体レーザ素子とからなる共振器を２つ用意して、これら２つの共振器から出力される２つのレーザ光を非線形光学材料内で差周波混合させることにより、テラヘルツ電磁波を発生させる。そして、外部共振ミラーを移動させることによりテラヘルツ電磁波の周波数を変化させることができるとしている。
【特許文献１】特開２００１−０２１５０３号公報
【特許文献２】特開２００６−２２７４３３号公報
【非特許文献１】M. Tani, et al.,"Multiple-Frequency Generation of Sub-Terahertz Radiation by Multimode LDExcitation of Photoconductive Antenna", IEEEMicrowave and Guided Wave Lett., Vol.7, No.9, (1997) pp.282-284
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上のように、特許文献１および非特許文献１に開示されたテラヘルツ電磁波発生技術は、発生されるテラヘルツ電磁波の周波数スペクトルは離散的であり、ピークとなる周波数を制御することができない。一方、特許文献２に開示されたテラヘルツ電磁波発生技術は、テラヘルツ電磁波の周波数を制御することが可能であるものの、その為の構成が複雑になるという問題点があった。
【０００６】
すなわち、従来のテラヘルツ電磁波発生装置では、周波数が可変であるテラヘルツ電磁波を簡易な構成で発生することができない。また、このようなテラヘルツ電磁波発生装置で発生したテラヘルツ電磁波を用いて測定を行うテラヘルツ電磁波検出装置では、高精度の測定を簡易な構成で行うことができない。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、周波数が可変であるテラヘルツ電磁波を簡易な構成で発生することができるテラヘルツ電磁波発生装置を提供することを目的とする。また、高精度の測定を簡易な構成で行うことができるテラヘルツ電磁波検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るテラヘルツ電磁波発生装置は、(1) 第１面と第２面とに挟まれた活性層を有し、活性層で光を放出する半導体発光素子と、(2)半導体発光素子の第１面に対向して設けられ、半導体発光素子の第２面との間で共振器を構成するミラーと、(3) 共振器の共振器長を変化させる共振器長変更手段と、(4)半導体基板上に形成された１対の電極を有し、共振器から出力される光を１対の電極の間に入力してテラヘルツ電磁波を発生する発生用光導電アンテナ素子と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
このテラヘルツ電磁波発生装置では、半導体発光素子の第１面に対向して設けられたミラーと、半導体発光素子の第２面との間で、共振器が構成されている。この共振器において、半導体発光素子の活性層で光が誘導放出されて発振してレーザ光が出力される。その出力されたレーザ光は、発生用光導電アンテナ素子の１対の電極の間に入射される。そして、レーザ光が入射された発生用光導電アンテナ素子からテラヘルツ電磁波が発生する。また、共振器長変更手段により共振器の共振器長が変化される。発生用光導電アンテナ素子で発生するテラヘルツ電磁波の周波数は、この共振器長に応じて連続的に変化する。
【００１０】
本発明に係るテラヘルツ電磁波発生装置では、半導体発光素子の第１面からミラーへ向かう光をコリメートするコリメート手段が第１面に設けられているのが好適である。この場合には、半導体発光素子の第１面からの出射光がコリメート手段によりコリメートされるので、ミラーで反射される光は、導波モードを保持したまま半導体発光素子の第１面から活性層へ再入射する。このことから、共振器長変更手段により共振器の共振器長が変化されても、半導体発光素子の第２面とミラーとの間で常にレーザ共振器が構成される。
【００１１】
本発明に係るテラヘルツ電磁波発生装置では、半導体発光素子が垂直共振器構造の面発光レーザ素子であるのが好適である。この場合には、半導体発光素子の第２面とミラーとで構成される共振器の共振器長を短くすることも可能であるので、得られるテラヘルツ電磁波の周波数の可変範囲が拡大され得る。
【００１２】
本発明に係るテラヘルツ電磁波検出装置は、(1) 上記の本発明に係るテラヘルツ電磁波発生装置と、(2) このテラヘルツ電磁波発生装置に含まれる共振器と発生用光導電アンテナ素子との間の光路上に設けられ、共振器から出力される光の一部を分岐してプローブ光として出力する分岐部と、(3) 発生用光導電アンテナ素子から出力され測定対象物で透過または反射したテラヘルツ電磁波を入力するとともに、分岐部から出力されたプローブ光を入力して、これらテラヘルツ電磁波とプローブ光との相関を検出する検出部と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
このテラヘルツ電磁波検出装置では、テラヘルツ電磁波発生装置に含まれる共振器と発生用光導電アンテナ素子との間の光路上に設けられた分岐部により、共振器から出力される光の一部が分岐されてプローブ光として出力される。発生用光導電アンテナ素子から出力され測定対象物で透過または反射したテラヘルツ電磁波、および、分岐部から出力されたプローブ光は、検出部に入力して、これらテラヘルツ電磁波とプローブ光との相関が検出される。
【００１４】
本発明に係るテラヘルツ電磁波検出装置は、発生用光導電アンテナ素子から検出部に到るまでのテラヘルツ電磁波の光路長、および、分岐部から検出部に到るまでのプローブ光の光路長の、何れかを調整する光路長調整部を更に備えるのが好適である。この場合には、テラヘルツ電磁波またはプローブ光の光路長が光路長調整部により調整されることにより、検出部に入射されるテラヘルツ電磁波とプローブ光とのタイミング差が調整され得る。
【００１５】
また、本発明に係るテラヘルツ電磁波検出装置では、検出部が、半導体基板上に形成された１対の電極を有し、テラヘルツ電磁波およびプローブ光を１対の電極の間に入力する検出用光導電アンテナ素子を含むのが好適である。また、本発明に係るテラヘルツ電磁波検出装置は、(a) 発生用光導電アンテナ素子の１対の電極の間に正弦波変調された電圧を印加する信号発生部と、(b) 信号発生部から出力される正弦波変調された電圧に基づいて、検出用光導電アンテナ素子の１対の電極の間に生じる電流を同期検出して、テラヘルツ電磁波とプローブ光との相関を検出する同期検出部と、を更に備えるのが好適である。この場合には、信号発生部により、発生用光導電アンテナ素子の１対の電極の間に、正弦波変調された電圧が印加される。そして、同期検出部により、信号発生部から出力される正弦波変調された電圧に基づいて、検出用光導電アンテナ素子の１対の電極の間に生じる電流が同期検出されて、テラヘルツ電磁波とプローブ光との相関が検出される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るテラヘルツ電磁波発生装置は、周波数が可変であるテラヘルツ電磁波を簡易な構成で発生することができる。また、本発明に係るテラヘルツ電磁波検出装置は、高精度の測定を簡易な構成で行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一または同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
図１は、本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生装置１の構成図である。この図に示されるテラヘルツ電磁波発生装置１は、半導体発光素子１１、ミラー１２、移動ステージ１３、レンズ１４、レンズ１５およびテラヘルツ電磁波発生用の光導電アンテナ素子１６を備える。
【００１９】
半導体発光素子１１は、第１面１１１と第２面１１２とに挟まれた活性層を有し、その活性層で光を放出するものであり、好適にはレーザダイオードである。ミラー１２は、半導体発光素子１１の第１面１１１に対向して設けられ、半導体発光素子１１の第２面１１２との間で共振器を構成する。すなわち、半導体発光素子１１の第１面１１１は低反射率とされ、半導体発光素子１１の第２面１１２は高反射率とされている。
【００２０】
移動ステージ１３は、光軸方向に沿ってミラー１２を平行移動させるものであって、共振器の共振器長を変化させる共振器長変更手段として作用する。移動ステージ１３は、モータ駆動によるもの、ピエゾ素子によるもの、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）によるもの、等の何れであってもよく、また、手動であってもよく、さらに、これらを組合せたものであってもよい。半導体発光素子１１，ミラー１２および移動ステージ１３は、或る範囲に亘って共振器長を連続的に変化させることが可能である外部共振型のレーザ発振器３を構成している。
【００２１】
レンズ１４は、レーザ発振器３から出力されたレーザ光Ｌをコリメートする。レンズ１５は、レンズ１４によりコリメートされたレーザ光Ｌを集光して光導電アンテナ素子１６へ照射する。光導電アンテナ素子１６は、図２に示されるように、半導体基板上に形成された１対の電極を有し、共振器から出力される光を１対の電極の間に入力してテラヘルツ電磁波Ｔを発生するものである。
【００２２】
このテラヘルツ電磁波発生装置１では、半導体発光素子１１の第２面１１２とミラー１２とにより構成されるレーザ共振器において、半導体発光素子１１の活性層で光が誘導放出されて発振してレーザ光が出力される。その出力されたレーザ光Ｌは、レンズ１４によりコリメートされ、レンズ１５により集光されて、光導電アンテナ素子１６の１対の電極の間に入射される。そして、レーザ光Ｌが入射された光導電アンテナ素子１６からテラヘルツ電磁波が発生する。また、移動ステージ１３によりミラー１２が平行移動されることによって共振器長が変更される。光導電アンテナ素子１６で発生するテラヘルツ電磁波の周波数は、この共振器長に応じて連続的に変化する。
【００２３】
図２は、光導電アンテナ素子１００の斜視図である。この図に示される光導電アンテナ素子１００は、図１中のテラヘルツ電磁波発生用の光導電アンテナ素子１６として用いられる。また、光導電アンテナ素子１００は、後に説明するテラヘルツ電磁波検出用の光導電アンテナ素子２５としても用いられる。
【００２４】
光導電アンテナ素子１００は、例えば、半絶縁性のＧａＡｓ基板１０１と、このＧａＡｓ基板１０１上に形成されたＧａＡｓ層１０２と、このＧａＡｓ層１０２上に形成された１対の電極１０３および電極１０４と、を有する。ＧａＡｓ層１０２は、ＭＢＥにより低温（例えば２００〜２５０℃）でエピタキシャル成長されたものであり、例えば厚さ１〜３μｍである。電極１０３および電極１０４は、ＡｕＧｅ／Ａｕ等のオーミック電極であり、アンテナの長さが例えば２０μｍ〜２ｍｍであり、両者間の間隔が例えば３〜１０μｍである。
【００２５】
低温エピタキシャル成長で形成されたＧａＡｓ層１０２は、キャリアの寿命が短く、キャリアの移動度が高く、また、インピーダンスが高い。電極１０３と電極１０４との間に電圧が印加されているときに、電極１０３と電極１０４との間のＧａＡｓ層１０２の領域にレーザ光Ｌが照射されると、ＧａＡｓ層１０２内で電子正孔対が発生する。この電子は、電極１０３と電極１０４との間に印加されている電圧により加速されて移動する。これにより、電極１０３と電極１０４との間に電流が生じるとともに、テラヘルツ電磁波Ｔが発生する。
【００２６】
図３は、半導体発光素子１１およびミラー１２を含み共振器長が可変であるレーザ発振器３の斜視図である。なお、この図では移動ステージ１３の図示は省略されている。半導体発光素子１１のレーザ媒質１０１は、例えば複数種類のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）からなるヘテロ多層膜が積層されてなる活性層を有する。ミラー１２に対向する半導体発光素子１１の第１面１１１には、Ａｌ３Ｏ４やＳｉＯ２等またはこれらの多層膜からなる反射防止膜１１３がコーティングされている。半導体発光素子１１の第２面１１２には、Ａｌ３Ｏ４やＳｉＯ２等からなる高反射膜１１４がコーティングされている。なお、第２面１１２は、劈開されたままのミラー面であってもよい。
【００２７】
また、第１面１１１上の反射防止膜１１３には、半導体発光素子１１の第１面１１１からミラー１２へ向かう光をコリメートするコリメート手段として、レンズ作用を有する回折格子パターン１１５が形成されている。このような回折格子パターン１１５は、回折光学素子（ＤＯＥ: Diffractive Optical Element）として、一般に実用化されている。これにより、第１面１１１での反射率が低減化されるとともに、コリメートされた光が第１面１１１から空間に向けて出射される。
【００２８】
半導体発光素子１１の第１面１１１からの出射光が回折格子パターン１１５によりコリメートされるので、ミラー１２で反射される光は、導波モードを保持したまま半導体発光素子１１の第１面１１１から活性層へ再入射する。このことから、移動ステージ１３によりミラー１２が平行移動されても、半導体発光素子１１の第２面１１２とミラー１２との間で常にレーザ共振器が構成される。半導体発光素子１１に閾値以上の順方向電流を流すことによりレーザ発振が生じ、そのレーザ光Ｌがミラー１２を通って出射される。
【００２９】
本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生装置１に含まれる共振器長が可変であるレーザ発振器として、図４〜図７に示される構成も好ましい。
【００３０】
図４は、レーザ発振器３に含まれる半導体発光素子１１の他の構成例を示す平面図である。図３に示された構成と比較すると、この図４に示される半導体発光素子１１は、第１面１１１に形成された反射防止膜１１３に回折格子パターン１１５が設けられておらず、その替わりに、反射防止膜１１３がコリメート手段としても作用する点で相違する。すなわち、反射防止膜１１３は、凸レンズ形状を有しており、当該凸レンズの作用により光をコリメートして外部へ出射する。このような形状加工は、高度に制御されたイオンビーム等によってなされる。
【００３１】
図５は、レーザ発振器３に含まれる半導体発光素子１１の更に他の構成例を示す平面図である。図３に示された構成と比較すると、この図５に示される半導体発光素子１１は、第１面１１１に形成された反射防止膜１１３に回折格子パターン１１５が設けられておらず、その替わりに、反射防止膜１１３上に凸レンズ形状の樹脂１１６が形成されている点で相違する。この凸レンズ形状の樹脂１１６は、コリメート手段として作用し、光をコリメートして外部へ出射する。一般に、樹脂は、固化する際に、表面張力により自動的に凸形状になる。したがって、コリメート光が得られるような形状を有する樹脂１１６を作製するためには、樹脂１１６の粘度や乾燥条件などを精度よく制御することが必要である。
【００３２】
図６は、レーザ発振器３の他の構成例を示す斜視図である。図３に示された構成と比較すると、この図６に示されるレーザ発振器３は光出射方向の点で相違する。すなわち、図６に示されるレーザ発振器３では、ミラー１２が全反射ミラーであり、半導体発光素子１１の第２面１１２からレーザ光Ｌが出射される。この構成では、第２面１１２から出射されるレーザ光Ｌの形状や広がり角などが一定になるので、後段の光学部品との光学結合が容易になるとともに、光出射側に設けられるレンズ等の光学部品の邪魔にならないようにミラー１２を移動させることができる。
【００３３】
図７は、レーザ発振器３の更に他の構成例を示す斜視図である。これまでの図３〜図６に示された半導体発光素子は端面発光型のものであったが、この図７に示されるレーザ発振器３に含まれる半導体発光素子１１は、垂直共振器構造の面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ: Vertical Cavity-Surface Emitting Laser）である点で相違する。この半導体発光素子１１では、ミラー１２に対向する第１面１１１の光反射率が小さく形成されているとともに、その第１面１１１面には特別にレンズ効果を持たせた構造は施されていない。第１面１１１上の光出射領域である発光部１１７は、通常のＶＣＳＥＬより大きいのが好ましい。これにより、半導体発光素子１１７の発光部１１７から出射されてミラー１２で反射された光を、レンズを介さずに比較的多く半導体発光素子１１の発光部１１７に再入射させることが可能である。また、半導体発光素子１１の第１面１１１と第２面１１２との間の距離は数μｍと非常に短いので、半導体発光素子１１の第２面１１２とミラー１２とにより構成されるレーザ共振器を、１０μｍ程度から数ｍｍまでの広範囲で変化させることができる。その結果、光導電アンテナ素子１６で発生するテラヘルツ電磁波の周波数を非常に広帯域に変化させることが可能になる。なお、本実施形態のように、大発光部径のＶＣＳＥＬを用いる場合においても、レーザ光を効率良く発光部に再入射させるために、発光素子とミラーとの間にレンズを備えてもよい。
【００３４】
次に、本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生装置１における共振器長とテラヘルツ電磁波の周波数との関係について説明する。図８は、本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生装置１において発生するテラヘルツ電磁波のスペクトルを示す図である。同図（ａ）は共振器長が０.６ｍｍである場合のスペクトルを示し、同図（ｂ）は共振器長が０.７５ｍｍである場合のスペクトルを示し、また、同図（ｃ）は共振器長が１.０ｍｍである場合のスペクトルを示す。
【００３５】
なお、共振器長は、半導体発光素子１１の第２面１１２とミラー１２とにより構成されるレーザ共振器における光路上の屈折率分布を考慮した実効的な光路長である。すなわち、半導体発光素子１１の第１面１１１と第２面１１２との間の距離をＬＣとし、半導体発光素子１１の群屈折率をｎＣＧとし、半導体発光素子１１の第１面１１１とミラー１２との間の距離をＬＡとしたとき、共振器長Ｌcavityは「Ｌcavity＝ｎＣＧ・ＬＣ＋ＬＡ」なる式で表される。
【００３６】
図８（ａ）〜（ｃ）に示されるように、共振器長が何れの値である場合にも、発生するテラヘルツ電磁波のスペクトルは、最も低い周波数である基本周波数の成分、および、その基本周波数の整数倍の成分を有している。しかし、図８（ａ）〜（ｃ）を対比して判るように、共振器長が長いほど、周波数間隔は狭い。
【００３７】
図９は、本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生装置１における共振器長とテラヘルツ電磁波の基本周波数との関係を示すグラフである。同図の縦軸は、テラヘルツ電磁波の基本周波数ｆの逆数である。この図は、図８（ａ）〜（ｃ）に示された共振器長の各値に対するテラヘルツ電磁波の基本周波数の関係を示すものである。この図に示されるように、テラヘルツ電磁波の基本周波数ｆの逆数は、共振器長に対して比例関係にある。
【００３８】
このように、本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生装置１で発生するテラヘルツ電磁波は、基本周波数成分および整数倍の周波数成分からなる離散的なスペクトルを有し、また、共振器長が変化することで基本周波数成分および整数倍の周波数成分も変化する。真空中の光速をｃとすると、得られるテラヘルツ電磁波のスペクトルは、「ｆ＝ｃ／(２Ｌcavity)」なる式で表される基本周波数ｆの成分の他、「ｆＮ＝Ｎ・ｆ」なる式で表される周波数ｆＮの成分を有する。ここで、Ｎは正の整数である。
【００３９】
本発明者による実験の結果および解析によれば、半導体発光素子１１の第２端１１２とミラー１２との間の距離（ＬＣ＋ＬＡ）が約０.５ｍｍから２ｍｍまでの範囲でミラー１２を平行移動させることにより、得られるテラヘルツ電磁波の離散スペクトルの間のギャップを埋めることができる。これにより、連続的なテラヘルツスペクトルを得ることが可能となる。なお、放射強度が最も強い基本周波数ｆの成分を利用するために、上記の範囲を超えてミラー１２を平行移動させてもよい。
【００４０】
また、半導体発光素子１１が図７に示されたような垂直共振器構造の面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）である場合、半導体発光素子１１の第１面１１１と第２面１１２との間の距離ＬＣが小さいので、共振器長Ｌcavityを更に短くすることができる。したがって、この場合、テラヘルツ電磁波のスペクトルは更に高い基本周波数ｆを有するものとすることができる。
【００４１】
次に、本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生装置１を用いたテラヘルツ電磁波検出装置２について説明する。図１０は、本実施形態に係るテラヘルツ電磁波検出装置２の構成図である。この図に示されるテラヘルツ電磁波検出装置２は、テラヘルツ電磁波発生装置１に加えて、分岐部２１、ミラー２２、移動ミラー２３、レンズ２４、テラヘルツ電磁波検出用の光導電アンテナ素子２５、シリコンレンズ３１，３２、放物面ミラー４１，４２、信号発生部５１、同期検出部５２および解析部５３を更に備える。
【００４２】
テラヘルツ電磁波発生用の光導電アンテナ素子１６で発生したテラヘルツ電磁波は、シリコンレンズ３１、放物面ミラー４１、放物面ミラー４２およびシリコンレンズ３２を順に経て、光導電アンテナ素子２５に入射される。なお、このテラヘルツ電磁波の光路上（例えば、放物面ミラー４１と放物面ミラー４２との間の光路上）に測定対象物が置かれ、その測定対象物を透過したテラヘルツ電磁波が光導電アンテナ素子２５に入射される。なお、テラヘルツ電磁波は、測定対象物を透過してもよいし、測定対象物で反射するようにしてもよい。
【００４３】
分岐部２１は、テラヘルツ電磁波発生装置１に含まれるレーザ発振器３と光導電アンテナ素子１６との間の光路上（より具体的には、レンズ１４とレンズ１５との間の光路上）に設けられ、レーザ発振器３から出力されるレーザ光の一部を分岐してプローブ光として出力する。この分岐部２１から出力されたプローブ光は、ミラー２２および移動ミラー２３を経て、レンズ２４により集光されて、光導電アンテナ素子２５に入射される。
【００４４】
移動ミラー２３は、分岐部２１から光導電アンテナ素子２５に到るまでのプローブ光の光路長を変更する光路長調整部として作用し、好適には光軸方向に移動可能であるリトロリフレクタである。なお、光導電アンテナ素子１６から光導電アンテナ素子２５に到るまでのテラヘルツ電磁波の光路長を調整する光路長調整部が設けられてもよい。この光路長調整部により、光導電アンテナ素子２５に入射されるテラヘルツ電磁波とプローブ光とのタイミング差を調整することができる。
【００４５】
テラヘルツ電磁波検出用の光導電アンテナ素子２５は、図２に示された構成と同様の構成を有していて、半導体基板上に形成された１対の電極を有し、テラヘルツ電磁波およびプローブ光を１対の電極の間に入力する。光導電アンテナ素子２５では、テラヘルツ電磁波およびプローブ光の入射に応じて、両者の相関を表す電流が１対の電極の間に生じる。この相関に基づいてテラヘルツ電磁波のスペクトルを求めることができ、さらに測定対象物の情報を得ることができる。光導電アンテナ素子２５では、テラヘルツ電磁波とプローブ光との相関を検出する検出部として作用する。
【００４６】
信号発生部５１は、テラヘルツ電磁波発生用の光導電アンテナ素子１６の１対の電極の間に、正弦波変調された電圧を印加する。同期検出部５２は、ロックインアンプを含み、信号発生部５１から出力される正弦波変調された電圧に基づいて、テラヘルツ電磁波検出用の光導電アンテナ素子２５の１対の電極の間に生じる電流を同期検出して、テラヘルツ電磁波とプローブ光との相関を検出する。そして、解析部５３は、移動ミラー２３を平行移動させることにより、テラヘルツ電磁波とプローブ光との時間相関波形を獲得し、この相関波形をフーリエ変換することにより、テラヘルツ電磁波のスペクトルを得ることができる。
【００４７】
以上のように、本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生装置１は、周波数が可変であるテラヘルツ電磁波を簡易な構成で発生することができ、また、その周波数を走査することで実質的に連続スペクトルのテラヘルツ電磁波を得ることができる。また、本実施形態に係るテラヘルツ電磁波検出装置２は、このようなテラヘルツ電磁波発生装置１を含むものであり、実質的に連続スペクトルのテラヘルツ電磁波を用いることにより、高精度の測定を簡易な構成で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生装置１の構成図である。
【図２】光導電アンテナ素子１００の斜視図である。
【図３】半導体発光素子１１およびミラー１２を含み共振器長が可変であるレーザ発振器３の斜視図である。
【図４】レーザ発振器３に含まれる半導体発光素子１１の他の構成例を示す平面図である。
【図５】レーザ発振器３に含まれる半導体発光素子１１の更に他の構成例を示す平面図である。
【図６】レーザ発振器３の他の構成例を示す斜視図である。
【図７】レーザ発振器３の更に他の構成例を示す斜視図である。
【図８】本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生装置１において発生するテラヘルツ電磁波のスペクトルを示す図である。
【図９】本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生装置１における共振器長とテラヘルツ電磁波の基本周波数との関係を示すグラフである。
【図１０】本実施形態に係るテラヘルツ電磁波検出装置２の構成図である。
【符号の説明】
【００４９】
１…テラヘルツ電磁波発生装置、２…テラヘルツ電磁波検出装置、３…レーザ発振器、１１…半導体発光素子、１２…ミラー、１３…移動ステージ、１４，１５…レンズ、１６…発生用光導電アンテナ素子、２１…分岐部、２２…ミラー、２３…移動ミラー、２４…レンズ、２５…検出用光導電アンテナ素子、３１，３２…シリコンレンズ、４１，４２…放物面ミラー、５１…信号発生部、５２…同期検出部、５３…解析部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面と第２面とに挟まれた活性層を有し、前記活性層で光を放出する半導体発光素子と、
前記半導体発光素子の前記第１面に対向して設けられ、前記半導体発光素子の前記第２面との間で共振器を構成するミラーと、
前記共振器の共振器長を変化させる共振器長変更手段と、
半導体基板上に形成された１対の電極を有し、前記共振器から出力される光を前記１対の電極の間に入力してテラヘルツ電磁波を発生する発生用光導電アンテナ素子と、
を備えることを特徴とするテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項２】
前記半導体発光素子の前記第１面から前記ミラーへ向かう光をコリメートするコリメート手段が前記第１面に設けられていることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項３】
前記半導体発光素子が垂直共振器構造の面発光レーザ素子であることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載のテラヘルツ電磁波発生装置と、
このテラヘルツ電磁波発生装置に含まれる前記共振器と前記発生用光導電アンテナ素子との間の光路上に設けられ、前記共振器から出力される光の一部を分岐してプローブ光として出力する分岐部と、
前記発生用光導電アンテナ素子から出力され測定対象物で透過または反射したテラヘルツ電磁波を入力するとともに、前記分岐部から出力されたプローブ光を入力して、これらテラヘルツ電磁波とプローブ光との相関を検出する検出部と、
を備えることを特徴とするテラヘルツ電磁波検出装置。
【請求項５】
前記発生用光導電アンテナ素子から前記検出部に到るまでのテラヘルツ電磁波の光路長、および、前記分岐部から前記検出部に到るまでのプローブ光の光路長の、何れかを調整する光路長調整部を更に備えることを特徴とする請求項４記載のテラヘルツ電磁波検出装置。
【請求項６】
前記検出部が、半導体基板上に形成された１対の電極を有し、前記テラヘルツ電磁波および前記プローブ光を前記１対の電極の間に入力する検出用光導電アンテナ素子を含み、
前記発生用光導電アンテナ素子の１対の電極の間に正弦波変調された電圧を印加する信号発生部と、
前記信号発生部から出力される正弦波変調された電圧に基づいて、前記検出用光導電アンテナ素子の１対の電極の間に生じる電流を同期検出して、テラヘルツ電磁波とプローブ光との相関を検出する同期検出部と、
を更に備えることを特徴とする請求項４記載のテラヘルツ電磁波検出装置。
【請求項１】
第１面と第２面とに挟まれた活性層を有し、前記活性層で光を放出する半導体発光素子と、
前記半導体発光素子の前記第１面に対向して設けられ、前記半導体発光素子の前記第２面との間で共振器を構成するミラーと、
前記共振器の共振器長を変化させる共振器長変更手段と、
半導体基板上に形成された１対の電極を有し、前記共振器から出力される光を前記１対の電極の間に入力してテラヘルツ電磁波を発生する発生用光導電アンテナ素子と、
を備えることを特徴とするテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項２】
前記半導体発光素子の前記第１面から前記ミラーへ向かう光をコリメートするコリメート手段が前記第１面に設けられていることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項３】
前記半導体発光素子が垂直共振器構造の面発光レーザ素子であることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載のテラヘルツ電磁波発生装置と、
このテラヘルツ電磁波発生装置に含まれる前記共振器と前記発生用光導電アンテナ素子との間の光路上に設けられ、前記共振器から出力される光の一部を分岐してプローブ光として出力する分岐部と、
前記発生用光導電アンテナ素子から出力され測定対象物で透過または反射したテラヘルツ電磁波を入力するとともに、前記分岐部から出力されたプローブ光を入力して、これらテラヘルツ電磁波とプローブ光との相関を検出する検出部と、
を備えることを特徴とするテラヘルツ電磁波検出装置。
【請求項５】
前記発生用光導電アンテナ素子から前記検出部に到るまでのテラヘルツ電磁波の光路長、および、前記分岐部から前記検出部に到るまでのプローブ光の光路長の、何れかを調整する光路長調整部を更に備えることを特徴とする請求項４記載のテラヘルツ電磁波検出装置。
【請求項６】
前記検出部が、半導体基板上に形成された１対の電極を有し、前記テラヘルツ電磁波および前記プローブ光を前記１対の電極の間に入力する検出用光導電アンテナ素子を含み、
前記発生用光導電アンテナ素子の１対の電極の間に正弦波変調された電圧を印加する信号発生部と、
前記信号発生部から出力される正弦波変調された電圧に基づいて、前記検出用光導電アンテナ素子の１対の電極の間に生じる電流を同期検出して、テラヘルツ電磁波とプローブ光との相関を検出する同期検出部と、
を更に備えることを特徴とする請求項４記載のテラヘルツ電磁波検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−１３４０９４（Ｐ２００８−１３４０９４Ａ）
【公開日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３１８９３２（Ｐ２００６−３１８９３２）
【出願日】平成１８年１１月２７日（２００６．１１．２７）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月２７日（２００６．１１．２７）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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