電磁波検出装置、電磁波発生装置およびこれらを用いた時間領域分光装置
【課題】検出または発生する電磁波を有効に増倍（増強）させる電磁波検出装置、電磁波発生装置およびこれらを用いた時間領域分光装置を提供する。
【解決手段】屈折率の異なる２つの光学層を、電磁波が入射する入射軸方向に１組以上積層した第１電磁波増幅部２と、屈折率の異なる２つの光学層を、入射軸方向に１組以上積層した第２電磁波増幅部３と、入射軸方向において、第１電磁波増幅部２と第２電磁波増幅部３との間に介設した電磁波検出部４と、を備え、第１電磁波増幅部２における２つの光学層間の屈折率比と、第２電磁波増幅部３おける２つの光学層間の屈折率比と、が異なることを特徴とする。
【解決手段】屈折率の異なる２つの光学層を、電磁波が入射する入射軸方向に１組以上積層した第１電磁波増幅部２と、屈折率の異なる２つの光学層を、入射軸方向に１組以上積層した第２電磁波増幅部３と、入射軸方向において、第１電磁波増幅部２と第２電磁波増幅部３との間に介設した電磁波検出部４と、を備え、第１電磁波増幅部２における２つの光学層間の屈折率比と、第２電磁波増幅部３おける２つの光学層間の屈折率比と、が異なることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射した電磁波を検出または電磁波を発生する電磁波検出装置、電磁波発生装置およびこれらを用いた時間領域分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、テラヘルツ光（波）を発生し得る部材によって形成された欠陥部（電磁波検出部，電磁波発生部）と、欠陥部を挟むように配設された一対のミラー部（電磁波増強部）と、を備えた一次元フォトニック結晶からなるテラヘルツ光源が知られている（特許文献１参照）。各ミラー部は、屈折率の異なる層（ＭｇＯ層と空気層）を交互に配設して、欠陥部を中心として対称的に設けられている。
このようなテラヘルツ光源では、軸方向から照射された励起光（波）が、ミラー部を透過し、欠陥部に到達して増幅され、欠陥部がテラヘルツ光を発生する。逆に、軸方向から光（電磁波）を入射すると、ミラー部を透過し、欠陥部において増幅され、テラヘルツ波を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−０８０４４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したテラヘルツ光源およびテラヘルツ波の検出では、各ミラー部（電磁波増幅部）の屈折率の周期構造が同一で、欠陥部（電磁波検出部，電磁波発生部）を中心として対称に配設されている。このような構成では、原則として、各電磁波増幅部を構成する各層の数（繰り返し数）を増やした場合や各層の屈折率比を大きくした場合に、テラヘルツ波の増幅率も高くなる。しかし、電磁波検出部等におけるテラヘルツ波の吸収が大きい場合には、当該繰り返し数または（および）屈折率比を増加させても当該増幅率は頭打ちとなる問題が生じていた。
また、各電磁波増幅部は、励起波およびテラヘルツ波の両波長帯を透過する材料（当該波長帯で透明な材料）で形成する必要があるため、使用できる材料が制限されるという問題が生じていた。
【０００５】
本発明では、検出または発生する電磁波を有効に増倍（増強）させる電磁波検出装置、電磁波発生装置およびこれらを用いた時間領域分光装置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】
【０００６】
本発明の電磁波検出装置は、屈折率の異なる２つの光学層を、電磁波が入射する入射軸方向に１組以上積層した第１電磁波増幅部と、屈折率の異なる２つの光学層を、入射軸方向に１組以上積層した第２電磁波増幅部と、入射軸方向において、第１電磁波増幅部と第２電磁波増幅部との間に介設した電磁波検出部と、を備え、第１電磁波増幅部における２つの光学層間の屈折率比と、第２電磁波増幅部おける２つの光学層間の屈折率比と、が異なることを特徴とする。
【０００７】
この場合、第１電磁波増幅部は、電磁波の入射側に位置しており、第１電磁波増幅部の屈折率比に対し、第２電磁波増幅部の屈折率比が高いことが好ましい。
【０００８】
これらの構成によれば、第１電磁波増幅部および第２電磁波増幅部を、それぞれ電磁波検出部を中心に対称に配設した従来のものと比較して、検出する電磁波の強度が、大幅に増幅されることを確認することができた。特に、第１電磁波増幅部の屈折率比よりも、第２電磁波増幅部の屈折率比が高い場合に、電磁波検出部においての電磁波の増幅効果が高いことが確認された。また、第１電磁波増幅または第２電磁波増幅部のどちらかは、励起波（励起光）に対する透過率の高低を問わず、増幅された電磁波に対して第１電磁波増幅部および第２電磁波増幅部の透過率が高い（透明な）ものであればよいため、各増幅部を構成する材質の選択の自由度が向上する。なお、検出または発生する「電磁波」とは、電波、光波若しくは電波と光波の中間の性質を有するテラヘルツ波を意味している。また、第１電磁波増幅部および第２電磁波増幅部は、一次元フォトニック結晶であることが好ましい。
【０００９】
また、本発明の電磁波発生装置は、屈折率の異なる２つの光学層を、励起波が入射する入射軸方向に１組以上積層した第１電磁波増幅部と、屈折率の異なる２つの光学層を、入射軸方向に１組以上積層した第２電磁波増幅部と、入射軸方向において、第１電磁波増幅部と第２電磁波増幅部との間に介設した電磁波発生部と、を備え、第１電磁波増幅部における２つの光学層間の屈折率比と、第２電磁波増幅部おける２つの光学層間の屈折率比と、が異なることを特徴とする。
【００１０】
この場合、第１電磁波増幅部は、電磁波の発生側に位置しており、第１電磁波増幅部の屈折率比に対し、第２電磁波増幅部の屈折率比が高いことが好ましい。
【００１１】
これらの構成によれば、第１電磁波増幅部および第２電磁波増幅部を、それぞれ電磁波発生部を中心に対称に配設した従来のものと比較して、発生する電磁波の強度が、大幅に増幅されることを確認することができた。また、第１電磁波増幅または第２電磁波増幅部のどちらかは、励起波（励起光）に対する透過率の高低を問わず、増幅された電磁波に対して第１電磁波増幅部および第２電磁波増幅部の透過率が高い（透明な）ものであればよいため、各増幅部を構成する材質の選択の自由度が向上する。特に、第１電磁波増幅部の屈折率比よりも、第２電磁波増幅部の屈折率比が高い場合に、電磁波発生部においての電磁波の増幅効果が高いことが確認された。
【００１２】
この場合、電磁波検出部は、光伝導アンテナおよび非線形光学結晶のいずれかであることが好ましい。
【００１３】
また、この場合、電磁波発生部は、光伝導アンテナおよび非線形光学結晶のいずれかであることが好ましい。
【００１４】
これらの構成によれば、電磁波の吸収を最小限に抑えることができると共に、入射する光（電磁波，励起波）の波長等の特性に応じて、最適な電磁波の検出および発生を行うことができる。
【００１５】
この場合、電磁波検出部は、基板と、基板上に形成したアンテナを有する光伝導素子とから成る光伝導アンテナであり、第１電磁波増幅部および第２電磁波増幅部の一方は、アンテナに向って基板に形成した穿孔部に配設されていることが好ましい。
【００１６】
また、この場合、電磁波発生部は、基板と、基板上に形成したアンテナを有する光伝導素子とから成る光伝導アンテナであり、第１電磁波増幅部および第２電磁波増幅部の一方は、アンテナに向って基板に形成した穿孔部に配設されていることが好ましい。
【００１７】
このような電磁波検出（発生）装置における電磁波検出（発生）部の基板は、アンテナを保持するために設けられ、アンテナから発生した電磁波の透過率を低下させ、基板の裏側から放射される電磁波の発生効率を低下させていた。
しかし、これらの構成によれば、電磁波検出（発生）部の基板は、穿孔部を設けることで、発生した電磁波の透過を妨げる基板を除去（または薄く）することができる。これにより、発生する電磁波の発生効率を低下させることがない。また、アンテナにおいて増幅する電磁波の電界（テラヘルツ電界）が強くなるため、電磁波の検出感度が向上する。
【００１８】
本発明の時間領域分光装置は、電磁波検出側に設けた上記した電磁波検出装置と、電磁波発生側に設けた上記した電磁波発生装置と、を備えたことを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、増幅された電磁波（主にテラヘルツ波）を用いることにより、物質の複素屈折率や複素誘電率などの細かな物質の物性測定等を、より精度良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態に係る電磁波検出装置を模式的に示した断面図（ａ）および第１（第２）電磁波増幅部における第１（第２）光透過性部材と中空部材とを模式的に示した斜視図（ｂ）である。
【図２】第１電磁波増幅部および第２電磁波増幅部の各屈折率比が異なる電磁波検出装置において、第１（第２）固体層および第１（第２）中空層の積層周期と、増倍値との関係を示した図（グラフ）である。
【図３】電磁波検出部の正面図，断面図（ａ）、基板に穿孔部を形成した電磁波検出部の断面図（ｂ）および基板が「あり」の状態と「なし」の状態において、第１（第２）固体層および第１（第２）中空層の積層周期と、ゲイン（増倍値）との関係を示した図（グラフ）（ｃ）である。
【図４】電磁波検出装置を模式的に示した断面図（ａ），（ｂ）および電磁波検出装置における、第１電磁波増幅部および第２電磁波増幅部の各積層周期数と、テラヘルツ波の増倍効果との関係を示した図（グラフ）（ｃ）である。
【図５】穿孔部を形成した基板と、第１電磁波増幅部との接続部分の形態の変形例を模式的に示した断面図である。
【図６】電磁波検出部の基板を完全に除去する方法の一例を示した説明図である。
【図７】第１実施形態に係る時間領域分光装置を模式的に示した概略図である。
【図８】第２実施形態に係る電磁波検出装置を模式的に示した断面図である。
【図９】第３実施形態に係る電磁波検出装置の第１電磁波増幅部の一部を模式的に示した正面図，断面図（ａ）および第１電磁波増幅部における屈折率の変化を示した図（グラフ）（ｃ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付の図面を参照して、本発明の第１実施形態に係る電磁波検出装置およびこれを用いた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、電磁波発生装置により発生したテラヘルツ波（光）を、電磁波検出装置により検出し、テラヘルツ波の振幅と位相を同時に検出することで、物質の複素屈折率や複素誘電率等の詳細な物性を測定するものである。時間領域分光装置の説明に先立ち、電磁波検出装置（電磁波発生装置）の説明をする。
【００２２】
（第１実施形態）
第１実施形態に係る電磁波検出装置１は、励起波ＩＲを入射することで生じる光電効果に利用して、入射されたテラヘルツ波ＴＨｚを増幅して検出するものである。また、第１実施形態に係る電磁波発生装置５は、励起波ＩＲを入射することで生じる光電効果に利用して、増幅したテラヘルツ波ＴＨｚを発生するものである。電磁波検出装置１と電磁波発生装置５とは、同一の構造であるため、以下、電磁波検出装置１を例に挙げて説明する。なお、励起波ＩＲとしては、赤外線（８００ｎｍ）を用いている。
【００２３】
図１に示すように、電磁波検出装置１は、屈折率の異なる２つの光学層を、電磁波が入射する入射軸方向に１組以上積層した第１電磁波増幅部２と、屈折率の異なる２つの光学層を、入射軸方向に１組以上積層した第２電磁波増幅部３と、入射軸方向において、第１電磁波増幅部２と第２電磁波増幅部３との間に介設した電磁波検出部４と、を備えている。なお、本実施形態では、第１電磁波増幅部２および第２電磁波増幅部３の屈折率の周期的な分布が入射軸方向に沿って形成された一次元の電磁波検出装置１について説明する。また、第１電磁波増幅部２は、電磁波の入射側に配設されている。
ここで、電磁波検出部４において検出する「電磁波」としては、電波、光波若しくは電波と光波の中間の性質を有するテラヘルツ波ＴＨｚを含むものであるが、本実施形態では、「テラヘルツ波ＴＨｚ」を対象とする。「テラヘルツ波ＴＨｚ」とは、０．１〜１０ＴＨｚ程度の周波数を有するものを意味している。
【００２４】
第１電磁波増幅部２および第２電磁波増幅部３は、その内部に周期的な屈折率分布を有するフォトニック結晶であり、その屈折率分布に沿った方向（入射軸方向）では、特定の周波数の電磁波の透過率が極端に低くなる特性を有している（透過可能な波長の範囲を「フォトニックバンドギャップ」という。）。
【００２５】
第１電磁波増幅部２は、テラヘルツ波ＴＨｚ、励起波ＩＲおよびテラヘルツ波ＴＨｚが透過しうる板状の第１光透過性部材２１と、入射軸方向に貫通する貫通孔Ｈが形成された枠状の第１中空部材２２と、を入射軸方向に沿って複数枚重ねて形成されている（図１（ｂ）参照）。つまり、第１電磁波増幅部２の光学層は、第１光透過性部材２１からなる第１固体層２ａ（屈折率：Ｎ１ａ）と、第１中空部材２２の貫通孔Ｈの部分からなる第１中空層２ｂ（屈折率：Ｎ１ｂ（＜Ｎ１ａ））とが、交互に配設されている。第１電磁波増幅部２では、屈折率の異なる２つの光学層のうち、一方を第１中空層２ｂとしているので、２つの光学層間の屈折率比（Ｎ１ａ／Ｎ１ｂ）を大きくすることができ、少ない層数（周期数）でも高い反射率を得ることができる。なお、原則として、第１光透過性部材２１および第１中空部材２２を設ける数（積層周期）が多くなるほど、電磁波検出部４内にテラヘルツ波ＴＨｚを閉じ込めて増強する効果が高くなる。図１（ａ）では、一例として積層周期が３周期の第１電磁波増幅部２を示したが、少なくとも、１つの第１光透過性部材２１と、１つの第１中空部材２２とから構成されていればよく、これらを設ける数はとくに限定されない。なお、「透過しうる」とは、透過率が高いという意味であり、透過率８０％以上が好ましい。
【００２６】
第１光透過性部材２１には、テラヘルツ波ＴＨｚを透過しうる材料、または励起波ＩＲおよびテラヘルツ波ＴＨｚを透過しうる材料が用いられる。具体的には、テラヘルツ波ＴＨｚを透過しうる材料（テラヘルツ波ＴＨｚで透明）で、且つ励起波ＩＲを透過し難い材料（励起波ＩＲで不透明）としては、Ｓｉ，Ｇｅが挙げられる。また、テラヘルツ波ＴＨｚで透明、且つ励起波ＩＲで透明な材料としては、ＳｉＯ2，ＭｇＯが挙げられる。これらの材料を適宜選択して用いることができる。
【００２７】
上記したように、第２電磁波増幅部３は、第１電磁波増幅部２と同一の構造を有しており、第２光透過性部材３１と、第２中空部材３２と、が入射軸方向に沿って複数枚重なり、第２電磁波増幅部３の光学層は、第２固体層３ａ（屈折率：Ｎ２ａ）と、第２中空層３ｂ（屈折率：Ｎ２ｂ（＜Ｎ２ａ））とが、交互に配設されている。第２電磁波増幅部３おける第２固体層３ａと第２中空層３ｂとの屈折率比（Ｎ２ａ／Ｎ２ｂ）は、第１電磁波増幅部２における第１固体層２ａと第１中空層２ｂとの屈折率比（Ｎ１ａ／Ｎ１ｂ）よりも、大きく（（Ｎ１ａ／Ｎ１ｂ）＜（Ｎ２ａ／Ｎ２ｂ））なるように形成されている。つまり、電磁波検出装置１は、電磁波検出部４を中心として、光学的に非対称な構造を有している。なお、第２光透過性部材３１の材料は、上記した第１光透過性部材２１に用いられる材料から適宜選択して用いられる。
【００２８】
図２に示すように、第２電磁波増幅部３における屈折率比（Ｎ２ａ／Ｎ２ｂ）が、第１電磁波増幅部２における屈折率比（Ｎ１ａ／Ｎ１ｂ）よりも大きくなると、検出されるテラヘルツ波ＴＨｚの増倍効果が飛躍的に向上することが確認されている。特に、各固体層２ａ，３ａと各中空層２ｂ，３ｂとを、それぞれ３周期配設した場合に、その増倍効果を最も有効に得ることができる。具体的には、Ｎ１ａ／Ｎ１ｂ＝３．４，Ｎ２ａ／Ｎ２ｂ＝３．０の場合と比べて、Ｎ１ａ／Ｎ１ｂ＝３．０，Ｎ２ａ／Ｎ２ｂ＝３．４の場合の方が、増倍効果が飛躍的に向上している。また、屈折率比（Ｎ２ａ／Ｎ２ｂ）を更に大きくした場合（Ｎ１ａ／Ｎ１ｂ＝３．０，Ｎ２ａ／Ｎ２ｂ＝４．０）には、更に増倍効果が向上している。
【００２９】
図３を参照して、電磁波検出部４について説明する。図３（ａ）に示すように、電磁波検出部４は、半絶縁性のガリウム砒素（ＳＩ−ＧａＡｓ）から構成された基板４１と、基板４１上に成膜された光伝導膜４２と、光伝導膜４２上に、電極を兼ねて配設されたアンテナ４３と、を備えた光伝導アンテナとなっている。光伝導膜４２は、基板４１上に低温で成長させたＬＴ−ＧａＡｓが用いられ、厚さμｍオーダーで形成（成膜）されている（本実施形態では２μｍ）。アンテナ４３は、一対の電極部４３ａと、一対のアンテナ本体４３ｂと、からなるダイポールアンテナである。入射した電磁波（テラヘルツ波ＴＨｚ）は、一対のアンテナ本体４３ｂのギャップ４３ｃに集光される。一対の電極部４３ａに接続された電流増幅器等が、光電流を検出することで、テラヘルツ波ＴＨｚの検出を行うことができる。
なお、電磁波発生装置５においては、間隙間に電圧が印加された状態で、励起波ＩＲを入射させることで、テラヘルツ波ＴＨｚを発生させることができる。
【００３０】
図３（ｂ）に示すように、基板４１には、裏側からアンテナ４３（および光伝導膜４２）に向って形成した穿孔部４１ａが形成されている。この穿孔部４１ａは、基板４１に成膜した光伝導膜４２上に、電極を兼ねたアンテナ４３を配設した後、基板４１の裏側から光伝導膜４２が露出するようにエッチング除去することで形成される。そして、この穿孔部４１ａに第１電磁波増幅部２を挿入し、露出させた光伝導膜４２に対して、第１電磁波増幅部２を積層する。このような構成とすることで、基板４１によるテラヘルツ波ＴＨｚの吸収がなくなり、光伝導膜４２（アンテナ４３）での増倍効果が向上する。つまり、テラヘルツ波ＴＨｚの検出感度が向上する。
なお、この様なエッチングを行うためには、光伝導膜４２を形成前に、基板４１上に予めエッチストップ層（図示省略）を形成しておき、基板４１を除去した後に、エッチストップ層を除去する。また、エッチングストップ層は、除去せず残してもよい。さらに、穿孔部４１ａと第１電磁波増幅部２との隙間に、テラヘルツ波ＴＨｚに対して吸収の少ない樹脂等（基板４１とは異なる材料、例えばポリプロピレン等）を充填して、補強する形態としてもよい。
【００３１】
図３（ｃ）は、基板４１が「あり」の状態と「なし」の状態において、第１固体層２ａ（第２固体層３ａ）および第１中空層２ｂ（第２中空層３ｂ）の積層周期と、ゲイン（増倍値）との関係を示したものである。図３（ｃ）に示すように、基板４１が「あり」の状態では、積層周期が２周期を超えるとゲインが下がり始めるが、基板４１が「なし」の状態では、積層周期の増加と共にゲインが増加することが確認されている。これは、基板４１がテラヘルツ波ＴＨｚを吸収するために生じるものと考えられる。
【００３２】
次に、図４を参照して、第１電磁波増幅部２および第２電磁波増幅部３を構成する材料の具体的な組合せについて説明する。
（１）第１電磁波増幅部２側から、テラヘルツ波ＴＨｚおよび励起波ＩＲを入射させて検出を行う場合（図４（ａ）参照）には、（１−１）第１光透過性部材２１（第１固体層２ａ）にＭｇＯを使用し、第２光透過性部材３１（第２固体層３ａ）にＳｉを使用する構成、または（１−２）第１光透過性部材２１にＭｇＯを使用し、第２光透過性部材３１にＧｅを使用する構成、とすることが考えられる。この場合、第２光透過性部材３１は、励起波ＩＲに対して透過率が高い必要がない、つまりテラヘルツ波ＴＨｚに対してのみ透過率が高ければよいため、第２光透過性部材３１を構成する材料（材質）の選択の自由度が向上する。
（２）第１電磁波増幅部２側から、テラヘルツ波ＴＨｚおよび励起波ＩＲを入射させて検出を行う場合（図４（ａ）参照）、および第１電磁波増幅部２側からテラヘルツ波ＴＨｚを入射させ、第２電磁波増幅部３側から励起波ＩＲを入射させて検出を行う場合（図４（ｂ）参照）には、第１光透過性部材２１（第１固体層２ａ）にＳｉＯ2を使用し、第２光透過性部材３１（第２固体層３ａ）にＭｇＯを使用する構成が考えられる。第１電磁波増幅部２側からテラヘルツ波ＴＨｚを、第２電磁波増幅部３側から励起波ＩＲを、それぞれ入射させる場合、第１電磁波増幅部２は、テラヘルツ波ＴＨｚに対してのみ透過率が高ければよいため、第１光透過性部材２１を構成する材料（材質）の選択の自由度が向上する。
なお、いずれの場合も、第１中空層２ｂおよび第２中空層３ｂには、空気が充填されている。しかし、各中空層２ｂ，３ｂに水分（水蒸気）が存在するとテラヘルツ波ＴＨｚの吸収が起こるため、各中空層２ｂ，３ｂを真空状態とするか、窒素ガス等で置換することが好ましい。
【００３３】
図４（ｃ）は、上記した（１）および（２）に掲げた構成に係る電磁波検出装置１における、第１電磁波増幅部２および第２電磁波増幅部３の積層周期数と、テラヘルツ波ＴＨｚの増倍効果との関係を示したものである。図４（ｃ）に示すように、（１−１）および（１−２）に係る構成の場合、第１固体層２ａ（第２固体層３ａ）と第１中空層２ｂ（第２中空層３ｂ）とを各３層（積層周期：３）を形成したときに、検出されるテラヘルツ波ＴＨｚの増倍効果が最大（（１−１）が２５１倍，（１−２）が３０９倍）となることが確認された。一方、（２）に係る構成の場合には、積層周期を４周期としたときに、当該増倍効果が最大（３２５倍）となることが確認された。なお、各中空層２ｂ，３ｂを、１波長（３００μｍ）分長くした場合の当該増倍効果は、（１−１）が２２７倍，（１−２）が２７４倍，（２）が３１１倍となった。
また、参考として、第１電磁波増幅部２側からテラヘルツ波ＴＨｚを入射させ、第２電磁波増幅部３側から励起波ＩＲを入射させて検出を行う場合において、第１光透過性部材２１（第１固体層２ａ）にＧｅ／Ｓｉを使用し、第２光透過性部材３１（第２固体層３ａ）にＭｇＯを使用する構成とした場合には、第１電磁波増幅部２の積層周期を１７周期としたときに、約２００倍となることが確認された。
【００３４】
続いて、図５を参照して、穿孔部４１ａを形成した基板４１と、第１電磁波増幅部２との接続部分の形態の変形例について説明する。
（変形例（１））
変形例（１）では、第１電磁波増幅部２を穿孔部４１ａに挿入せず、第１電磁波増幅部２を、穿孔部４１ａを形成した基板４１上に設けている（図５（ａ）参照）。
（変形例（２））
変形例（２）では、光伝導膜４２を露出させず基板４１を僅かに残すように穿孔部４１ａを形成する。そして、第１電磁波増幅部２を穿孔部４１ａに挿入する（図５（ｂ）上段参照）、または穿孔部４１ａを形成した基板４１上に設けている（図５（ｂ）下段参照）。これにより、基板４１の剛性が失われないため、光伝導膜４２およびアンテナ４３を適切に保持しつつ、基板４１によるテラヘルツ波ＴＨｚの吸収を抑制することができる。なお、変形例（２）の場合、基板４１を、ＳＩ−ＧａＡｓに代えてＳｉを用いてもよい。
（変形例（３））
変形例（３）では、光伝導膜４２のみを残して基板４１を完全に除去している（図５（ｃ）参照）。このように基板４１を完全に除去する方法の一例を、図６を参照して説明する。
基板４１上に光伝導膜４２を形成（図６（ａ）参照）した後に、光伝導膜４２上に第１電磁波増幅部２を積層する（図６（ｂ）参照）。その後、基板４１を研磨（研削）することで除去し、光伝導膜４２を露出させ（図６（ｃ）参照）、そこにアンテナ４３を配設する（図６（ｄ）参照）。そして、その上に第２電磁波増幅部３を積層する（図６（ｅ）参照）。他にも、エッチングにより基板４１を除去してもよい。
（変形例（４））
ここでは、一対のアンテナ本体４３ｂに接する部分にのみ第２電磁波増幅部３を配設している（図５（ｄ）参照）。すなわち、第２電磁波増幅部３が一対の電極部４３ａにかからないように配設されている。
これらの各変形例に示す電磁波検出部４であっても、基板４１によるテラヘルツ波ＴＨｚの吸収を抑制することができ、テラヘルツ波ＴＨｚの検出感度を向上させることができる。なお、上記した電磁波検出部４においては、穿孔部４１ａ側からテラヘルツ波ＴＨｚが入射するようになっているが、テラヘルツ波ＴＨｚの入射（照射）面は、光伝導膜４２の側でもよい。この場合、第１電磁波増幅部２はテラヘルツ波ＴＨｚの入射側に設けるようにする。
【００３５】
次に、電磁波発生装置５について説明する。電磁波発生装置５は、上記した通り、電磁波検出装置１と同一の構造であり、第１電磁波増幅部２と、第２電磁波増幅部３と、入射軸方向において、第１電磁波増幅部２と第２電磁波増幅部３との間に介設した電磁波発生部６と、を備えている。なお、電磁波発生部６は、電磁波検出部４と同一の構造であり、その他の構造も同一であるため、詳細な説明は省略する。
電磁波発生装置５は、第２電磁波増幅部３側から励起波ＩＲを入射すると、励起波ＩＲは、第２固体層３ａと第２中空層３ｂとを通過して、電磁波発生部６に到達する。すると、光電効果により電磁波発生部６がテラヘルツ波ＴＨｚを発生する。この電磁波発生装置５では、上記した電磁波検出装置１と同様に、テラヘルツ波ＴＨｚの増倍効果が高いため、より高強度なテラヘルツ波ＴＨｚを出力させることができる。
【００３６】
続いて、図７を参照して、上記した電磁波検出装置１および電磁波発生装置５を用いた時間領域分光装置７について説明する。時間領域分光装置７は、テラヘルツ波ＴＨｚが伝播する経路中に測定したい測定試料Ｓを置き、透過したテラヘルツ波ＴＨｚの時間波形と、測定試料Ｓの無い状態でのテラヘルツ波ＴＨｚの時間波形と、をフーリエ変換して、テラヘルツ波ＴＨｚの振幅と位相の情報を得る。これにより、測定試料Ｓの複素屈折率や複素誘電率などの細かい物性測定を行うものである。
【００３７】
時間領域分光装置７は、数十フェムト秒の超短パルス光（励起波ＩＲ）を発生するフェムト秒レーザー７１と、励起波ＩＲをポンプ光とプローブ光とに分離するビームスプリッター７２と、上述した、電磁波検出装置１および電磁波発生装置５と、電磁波検出装置１に入射させる励起波ＩＲを遅延させる遅延光学系７３と、超短パルス光を反射または集光する各種光学系（各種鏡や各種レンズ）と、アンプ、ロックインアンプ及びコンピューター等を有する信号処理装置７４と、を備えている。また、その他、時間領域分光装置７として一般的な構成を有している。
【００３８】
まず、フェムト秒レーザー７１から発せられた励起波ＩＲ（赤外線：波長８００ｎｍ）は、ビームスプリッター７２により、ポンプ光とプローブ光とに分けられる。そして、ポンプ光は、振幅変調を掛けた状態で電磁波発生装置５の第２電磁波増幅部３に入射する。このときアンテナ本体４３ｂのギャップ４３ｃに電圧を印加しておくことで、電磁波発生装置５からテラヘルツ波ＴＨｚが発生する。このテラヘルツ波ＴＨｚは、第１放物面鏡７５で反射され、第１レンズ７６により集光されて測定試料Ｓに照射される。測定試料Ｓを透過したテラヘルツ波ＴＨｚは、第２レンズ７７、第２放物面鏡７８を介して電磁波検出装置１の第１電磁波増幅部２に入射する。
一方、ビームスプリッター７２により分けられたプローブ光は、複数の反射鏡７９によって、遅延光学系７３に照射される。そして、遅延光学系７３によって時間遅延を与えられたプローブ光は、電磁波検出装置１の第２電磁波増幅部３に入射する。電磁波検出装置１の電磁波検出部４で検出された信号は、信号処理装置７４に入力され、信号処理装置７４により信号処理が行われる。測定試料Ｓからの透過したテラヘルツ波ＴＨｚの時間波形および測定試料Ｓの無い状態でのテラヘルツ波ＴＨｚの時間波形は、各々時系列データとして記憶され、これらをＰＣ７７でフーリエ変換処理して周波数空間に変換する。こうして、測定試料Ｓからのテラヘルツ波ＴＨｚの強度振幅や位相の分光スペクトルが得られ、測定試料Ｓの物性などの情報を調べることができる。
【００３９】
以上の構成によれば、増幅された電磁波（主にテラヘルツ波ＴＨｚ）を用いることにより、物質（測定試料Ｓ）の複素屈折率や複素誘電率などの細かな物質の物性測定等を、より明確に行うことができる。
【００４０】
（第２実施形態）
図８を参照して、第２実施形態に係る電磁波検出装置１（または電磁波発生装置５）について説明する。第１実施形態における電磁波検出装置１の電磁波検出部４および電磁波発生装置５の電磁波発生部６は、それぞれ、いわゆる光伝導アンテナから構成されていたが、第２実施形態に係る電磁波検出装置１および電磁波発生装置５では、電磁波検出部４および電磁波発生部６を非線形光学結晶８で構成している。第２実施形態に係る電磁波検出装置１および電磁波発生装置５は、非線形光学結晶８に励起波ＩＲを入射することで生じる光整流効果を利用して、入射されたテラヘルツ波ＴＨｚを増幅して検出、または増幅したテラヘルツ波ＴＨｚを発生するものである。具体的な非線形光学結晶８としては、例えば、ＺｎＴｅ（ジンクテルル）やＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂＯ3などの無機非線形光学結晶、有機非線形光学結晶、ＧａＡｓ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＧａＳｅなどの半導体、ポリマー等によって形成されている。
【００４１】
（第３実施形態）
図９を参照して、第３実施形態に係る電磁波検出装置１（または電磁波発生装置５）について説明する。以下、電磁波検出装置１の第１電磁波増幅部２を例に挙げて説明する。
図９（ａ）に示すように、第３実施形態における第１電磁波増幅部２では、第１中空部材２２に代えて、第１光透過性部材２１との接合面に複数の凸部２４をマトリクス状に形成した第１凹凸部材２３によって形成されている。この第１凹凸部材２３の各凸部２４の高さ、および各凸部２４同士のピッチは、テラヘルツ波ＴＨｚの波長よりも小さくなるように形成されている。また、第１凹凸部材２３は、テラヘルツ波ＴＨｚおよび励起波ＩＲの吸収の少ない樹脂等で形成することが好ましい。そして、第１光透過性部材２１からなる第１固体層２ａ（屈折率：Ｎ１ａ）と、第１凹凸部材２３からなる凹凸固体層２ｃ（屈折率：Ｎ１ｃ（＜Ｎ１ａ））とが、交互に配設された第１電磁波増幅部２は、光学的には第１固体層２ａの屈折率（Ｎ１ａ）と等価になる。これは、図９（ｂ）に示すように、テラヘルツ波ＴＨｚの波長以下の大きさの凹凸をつけることで、第１光透過性部材２１（第１固体層２ａ）と第１凹凸部材２３（凹凸固体層２ｃ）との境界面で、屈折率が滑らかに変化することにより、この境界面での反射が略無くなるからであると考えられる。なお、第２電磁波増幅部３についても同様である。また、上記した複数の凸部２４は、第１光透過性部材２１側に設けてもよい。
以上のような構成によれば、屈折率が高く、テラヘルツ波ＴＨｚの吸収が小さい第１電磁波増幅部２を構成することができる。これにより、良好な増幅率をもってテラヘルツ波ＴＨｚを検出することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１：電磁波検出装置、２：第１電磁波増幅部、２ａ：第１固体層、２ｂ：第１中空層、３：第２電磁波増幅部、３ａ：第２固体層、３ｂ：第２中空層、４：電磁波検出部、５：電磁波発生装置、６：電磁波発生部、７：時間領域分光装置、８：非線形光学結晶、４１：基板、４１ａ：穿孔部、４２：光伝導膜、４３：アンテナ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射した電磁波を検出または電磁波を発生する電磁波検出装置、電磁波発生装置およびこれらを用いた時間領域分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、テラヘルツ光（波）を発生し得る部材によって形成された欠陥部（電磁波検出部，電磁波発生部）と、欠陥部を挟むように配設された一対のミラー部（電磁波増強部）と、を備えた一次元フォトニック結晶からなるテラヘルツ光源が知られている（特許文献１参照）。各ミラー部は、屈折率の異なる層（ＭｇＯ層と空気層）を交互に配設して、欠陥部を中心として対称的に設けられている。
このようなテラヘルツ光源では、軸方向から照射された励起光（波）が、ミラー部を透過し、欠陥部に到達して増幅され、欠陥部がテラヘルツ光を発生する。逆に、軸方向から光（電磁波）を入射すると、ミラー部を透過し、欠陥部において増幅され、テラヘルツ波を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−０８０４４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したテラヘルツ光源およびテラヘルツ波の検出では、各ミラー部（電磁波増幅部）の屈折率の周期構造が同一で、欠陥部（電磁波検出部，電磁波発生部）を中心として対称に配設されている。このような構成では、原則として、各電磁波増幅部を構成する各層の数（繰り返し数）を増やした場合や各層の屈折率比を大きくした場合に、テラヘルツ波の増幅率も高くなる。しかし、電磁波検出部等におけるテラヘルツ波の吸収が大きい場合には、当該繰り返し数または（および）屈折率比を増加させても当該増幅率は頭打ちとなる問題が生じていた。
また、各電磁波増幅部は、励起波およびテラヘルツ波の両波長帯を透過する材料（当該波長帯で透明な材料）で形成する必要があるため、使用できる材料が制限されるという問題が生じていた。
【０００５】
本発明では、検出または発生する電磁波を有効に増倍（増強）させる電磁波検出装置、電磁波発生装置およびこれらを用いた時間領域分光装置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】
【０００６】
本発明の電磁波検出装置は、屈折率の異なる２つの光学層を、電磁波が入射する入射軸方向に１組以上積層した第１電磁波増幅部と、屈折率の異なる２つの光学層を、入射軸方向に１組以上積層した第２電磁波増幅部と、入射軸方向において、第１電磁波増幅部と第２電磁波増幅部との間に介設した電磁波検出部と、を備え、第１電磁波増幅部における２つの光学層間の屈折率比と、第２電磁波増幅部おける２つの光学層間の屈折率比と、が異なることを特徴とする。
【０００７】
この場合、第１電磁波増幅部は、電磁波の入射側に位置しており、第１電磁波増幅部の屈折率比に対し、第２電磁波増幅部の屈折率比が高いことが好ましい。
【０００８】
これらの構成によれば、第１電磁波増幅部および第２電磁波増幅部を、それぞれ電磁波検出部を中心に対称に配設した従来のものと比較して、検出する電磁波の強度が、大幅に増幅されることを確認することができた。特に、第１電磁波増幅部の屈折率比よりも、第２電磁波増幅部の屈折率比が高い場合に、電磁波検出部においての電磁波の増幅効果が高いことが確認された。また、第１電磁波増幅または第２電磁波増幅部のどちらかは、励起波（励起光）に対する透過率の高低を問わず、増幅された電磁波に対して第１電磁波増幅部および第２電磁波増幅部の透過率が高い（透明な）ものであればよいため、各増幅部を構成する材質の選択の自由度が向上する。なお、検出または発生する「電磁波」とは、電波、光波若しくは電波と光波の中間の性質を有するテラヘルツ波を意味している。また、第１電磁波増幅部および第２電磁波増幅部は、一次元フォトニック結晶であることが好ましい。
【０００９】
また、本発明の電磁波発生装置は、屈折率の異なる２つの光学層を、励起波が入射する入射軸方向に１組以上積層した第１電磁波増幅部と、屈折率の異なる２つの光学層を、入射軸方向に１組以上積層した第２電磁波増幅部と、入射軸方向において、第１電磁波増幅部と第２電磁波増幅部との間に介設した電磁波発生部と、を備え、第１電磁波増幅部における２つの光学層間の屈折率比と、第２電磁波増幅部おける２つの光学層間の屈折率比と、が異なることを特徴とする。
【００１０】
この場合、第１電磁波増幅部は、電磁波の発生側に位置しており、第１電磁波増幅部の屈折率比に対し、第２電磁波増幅部の屈折率比が高いことが好ましい。
【００１１】
これらの構成によれば、第１電磁波増幅部および第２電磁波増幅部を、それぞれ電磁波発生部を中心に対称に配設した従来のものと比較して、発生する電磁波の強度が、大幅に増幅されることを確認することができた。また、第１電磁波増幅または第２電磁波増幅部のどちらかは、励起波（励起光）に対する透過率の高低を問わず、増幅された電磁波に対して第１電磁波増幅部および第２電磁波増幅部の透過率が高い（透明な）ものであればよいため、各増幅部を構成する材質の選択の自由度が向上する。特に、第１電磁波増幅部の屈折率比よりも、第２電磁波増幅部の屈折率比が高い場合に、電磁波発生部においての電磁波の増幅効果が高いことが確認された。
【００１２】
この場合、電磁波検出部は、光伝導アンテナおよび非線形光学結晶のいずれかであることが好ましい。
【００１３】
また、この場合、電磁波発生部は、光伝導アンテナおよび非線形光学結晶のいずれかであることが好ましい。
【００１４】
これらの構成によれば、電磁波の吸収を最小限に抑えることができると共に、入射する光（電磁波，励起波）の波長等の特性に応じて、最適な電磁波の検出および発生を行うことができる。
【００１５】
この場合、電磁波検出部は、基板と、基板上に形成したアンテナを有する光伝導素子とから成る光伝導アンテナであり、第１電磁波増幅部および第２電磁波増幅部の一方は、アンテナに向って基板に形成した穿孔部に配設されていることが好ましい。
【００１６】
また、この場合、電磁波発生部は、基板と、基板上に形成したアンテナを有する光伝導素子とから成る光伝導アンテナであり、第１電磁波増幅部および第２電磁波増幅部の一方は、アンテナに向って基板に形成した穿孔部に配設されていることが好ましい。
【００１７】
このような電磁波検出（発生）装置における電磁波検出（発生）部の基板は、アンテナを保持するために設けられ、アンテナから発生した電磁波の透過率を低下させ、基板の裏側から放射される電磁波の発生効率を低下させていた。
しかし、これらの構成によれば、電磁波検出（発生）部の基板は、穿孔部を設けることで、発生した電磁波の透過を妨げる基板を除去（または薄く）することができる。これにより、発生する電磁波の発生効率を低下させることがない。また、アンテナにおいて増幅する電磁波の電界（テラヘルツ電界）が強くなるため、電磁波の検出感度が向上する。
【００１８】
本発明の時間領域分光装置は、電磁波検出側に設けた上記した電磁波検出装置と、電磁波発生側に設けた上記した電磁波発生装置と、を備えたことを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、増幅された電磁波（主にテラヘルツ波）を用いることにより、物質の複素屈折率や複素誘電率などの細かな物質の物性測定等を、より精度良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態に係る電磁波検出装置を模式的に示した断面図（ａ）および第１（第２）電磁波増幅部における第１（第２）光透過性部材と中空部材とを模式的に示した斜視図（ｂ）である。
【図２】第１電磁波増幅部および第２電磁波増幅部の各屈折率比が異なる電磁波検出装置において、第１（第２）固体層および第１（第２）中空層の積層周期と、増倍値との関係を示した図（グラフ）である。
【図３】電磁波検出部の正面図，断面図（ａ）、基板に穿孔部を形成した電磁波検出部の断面図（ｂ）および基板が「あり」の状態と「なし」の状態において、第１（第２）固体層および第１（第２）中空層の積層周期と、ゲイン（増倍値）との関係を示した図（グラフ）（ｃ）である。
【図４】電磁波検出装置を模式的に示した断面図（ａ），（ｂ）および電磁波検出装置における、第１電磁波増幅部および第２電磁波増幅部の各積層周期数と、テラヘルツ波の増倍効果との関係を示した図（グラフ）（ｃ）である。
【図５】穿孔部を形成した基板と、第１電磁波増幅部との接続部分の形態の変形例を模式的に示した断面図である。
【図６】電磁波検出部の基板を完全に除去する方法の一例を示した説明図である。
【図７】第１実施形態に係る時間領域分光装置を模式的に示した概略図である。
【図８】第２実施形態に係る電磁波検出装置を模式的に示した断面図である。
【図９】第３実施形態に係る電磁波検出装置の第１電磁波増幅部の一部を模式的に示した正面図，断面図（ａ）および第１電磁波増幅部における屈折率の変化を示した図（グラフ）（ｃ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付の図面を参照して、本発明の第１実施形態に係る電磁波検出装置およびこれを用いた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、電磁波発生装置により発生したテラヘルツ波（光）を、電磁波検出装置により検出し、テラヘルツ波の振幅と位相を同時に検出することで、物質の複素屈折率や複素誘電率等の詳細な物性を測定するものである。時間領域分光装置の説明に先立ち、電磁波検出装置（電磁波発生装置）の説明をする。
【００２２】
（第１実施形態）
第１実施形態に係る電磁波検出装置１は、励起波ＩＲを入射することで生じる光電効果に利用して、入射されたテラヘルツ波ＴＨｚを増幅して検出するものである。また、第１実施形態に係る電磁波発生装置５は、励起波ＩＲを入射することで生じる光電効果に利用して、増幅したテラヘルツ波ＴＨｚを発生するものである。電磁波検出装置１と電磁波発生装置５とは、同一の構造であるため、以下、電磁波検出装置１を例に挙げて説明する。なお、励起波ＩＲとしては、赤外線（８００ｎｍ）を用いている。
【００２３】
図１に示すように、電磁波検出装置１は、屈折率の異なる２つの光学層を、電磁波が入射する入射軸方向に１組以上積層した第１電磁波増幅部２と、屈折率の異なる２つの光学層を、入射軸方向に１組以上積層した第２電磁波増幅部３と、入射軸方向において、第１電磁波増幅部２と第２電磁波増幅部３との間に介設した電磁波検出部４と、を備えている。なお、本実施形態では、第１電磁波増幅部２および第２電磁波増幅部３の屈折率の周期的な分布が入射軸方向に沿って形成された一次元の電磁波検出装置１について説明する。また、第１電磁波増幅部２は、電磁波の入射側に配設されている。
ここで、電磁波検出部４において検出する「電磁波」としては、電波、光波若しくは電波と光波の中間の性質を有するテラヘルツ波ＴＨｚを含むものであるが、本実施形態では、「テラヘルツ波ＴＨｚ」を対象とする。「テラヘルツ波ＴＨｚ」とは、０．１〜１０ＴＨｚ程度の周波数を有するものを意味している。
【００２４】
第１電磁波増幅部２および第２電磁波増幅部３は、その内部に周期的な屈折率分布を有するフォトニック結晶であり、その屈折率分布に沿った方向（入射軸方向）では、特定の周波数の電磁波の透過率が極端に低くなる特性を有している（透過可能な波長の範囲を「フォトニックバンドギャップ」という。）。
【００２５】
第１電磁波増幅部２は、テラヘルツ波ＴＨｚ、励起波ＩＲおよびテラヘルツ波ＴＨｚが透過しうる板状の第１光透過性部材２１と、入射軸方向に貫通する貫通孔Ｈが形成された枠状の第１中空部材２２と、を入射軸方向に沿って複数枚重ねて形成されている（図１（ｂ）参照）。つまり、第１電磁波増幅部２の光学層は、第１光透過性部材２１からなる第１固体層２ａ（屈折率：Ｎ１ａ）と、第１中空部材２２の貫通孔Ｈの部分からなる第１中空層２ｂ（屈折率：Ｎ１ｂ（＜Ｎ１ａ））とが、交互に配設されている。第１電磁波増幅部２では、屈折率の異なる２つの光学層のうち、一方を第１中空層２ｂとしているので、２つの光学層間の屈折率比（Ｎ１ａ／Ｎ１ｂ）を大きくすることができ、少ない層数（周期数）でも高い反射率を得ることができる。なお、原則として、第１光透過性部材２１および第１中空部材２２を設ける数（積層周期）が多くなるほど、電磁波検出部４内にテラヘルツ波ＴＨｚを閉じ込めて増強する効果が高くなる。図１（ａ）では、一例として積層周期が３周期の第１電磁波増幅部２を示したが、少なくとも、１つの第１光透過性部材２１と、１つの第１中空部材２２とから構成されていればよく、これらを設ける数はとくに限定されない。なお、「透過しうる」とは、透過率が高いという意味であり、透過率８０％以上が好ましい。
【００２６】
第１光透過性部材２１には、テラヘルツ波ＴＨｚを透過しうる材料、または励起波ＩＲおよびテラヘルツ波ＴＨｚを透過しうる材料が用いられる。具体的には、テラヘルツ波ＴＨｚを透過しうる材料（テラヘルツ波ＴＨｚで透明）で、且つ励起波ＩＲを透過し難い材料（励起波ＩＲで不透明）としては、Ｓｉ，Ｇｅが挙げられる。また、テラヘルツ波ＴＨｚで透明、且つ励起波ＩＲで透明な材料としては、ＳｉＯ2，ＭｇＯが挙げられる。これらの材料を適宜選択して用いることができる。
【００２７】
上記したように、第２電磁波増幅部３は、第１電磁波増幅部２と同一の構造を有しており、第２光透過性部材３１と、第２中空部材３２と、が入射軸方向に沿って複数枚重なり、第２電磁波増幅部３の光学層は、第２固体層３ａ（屈折率：Ｎ２ａ）と、第２中空層３ｂ（屈折率：Ｎ２ｂ（＜Ｎ２ａ））とが、交互に配設されている。第２電磁波増幅部３おける第２固体層３ａと第２中空層３ｂとの屈折率比（Ｎ２ａ／Ｎ２ｂ）は、第１電磁波増幅部２における第１固体層２ａと第１中空層２ｂとの屈折率比（Ｎ１ａ／Ｎ１ｂ）よりも、大きく（（Ｎ１ａ／Ｎ１ｂ）＜（Ｎ２ａ／Ｎ２ｂ））なるように形成されている。つまり、電磁波検出装置１は、電磁波検出部４を中心として、光学的に非対称な構造を有している。なお、第２光透過性部材３１の材料は、上記した第１光透過性部材２１に用いられる材料から適宜選択して用いられる。
【００２８】
図２に示すように、第２電磁波増幅部３における屈折率比（Ｎ２ａ／Ｎ２ｂ）が、第１電磁波増幅部２における屈折率比（Ｎ１ａ／Ｎ１ｂ）よりも大きくなると、検出されるテラヘルツ波ＴＨｚの増倍効果が飛躍的に向上することが確認されている。特に、各固体層２ａ，３ａと各中空層２ｂ，３ｂとを、それぞれ３周期配設した場合に、その増倍効果を最も有効に得ることができる。具体的には、Ｎ１ａ／Ｎ１ｂ＝３．４，Ｎ２ａ／Ｎ２ｂ＝３．０の場合と比べて、Ｎ１ａ／Ｎ１ｂ＝３．０，Ｎ２ａ／Ｎ２ｂ＝３．４の場合の方が、増倍効果が飛躍的に向上している。また、屈折率比（Ｎ２ａ／Ｎ２ｂ）を更に大きくした場合（Ｎ１ａ／Ｎ１ｂ＝３．０，Ｎ２ａ／Ｎ２ｂ＝４．０）には、更に増倍効果が向上している。
【００２９】
図３を参照して、電磁波検出部４について説明する。図３（ａ）に示すように、電磁波検出部４は、半絶縁性のガリウム砒素（ＳＩ−ＧａＡｓ）から構成された基板４１と、基板４１上に成膜された光伝導膜４２と、光伝導膜４２上に、電極を兼ねて配設されたアンテナ４３と、を備えた光伝導アンテナとなっている。光伝導膜４２は、基板４１上に低温で成長させたＬＴ−ＧａＡｓが用いられ、厚さμｍオーダーで形成（成膜）されている（本実施形態では２μｍ）。アンテナ４３は、一対の電極部４３ａと、一対のアンテナ本体４３ｂと、からなるダイポールアンテナである。入射した電磁波（テラヘルツ波ＴＨｚ）は、一対のアンテナ本体４３ｂのギャップ４３ｃに集光される。一対の電極部４３ａに接続された電流増幅器等が、光電流を検出することで、テラヘルツ波ＴＨｚの検出を行うことができる。
なお、電磁波発生装置５においては、間隙間に電圧が印加された状態で、励起波ＩＲを入射させることで、テラヘルツ波ＴＨｚを発生させることができる。
【００３０】
図３（ｂ）に示すように、基板４１には、裏側からアンテナ４３（および光伝導膜４２）に向って形成した穿孔部４１ａが形成されている。この穿孔部４１ａは、基板４１に成膜した光伝導膜４２上に、電極を兼ねたアンテナ４３を配設した後、基板４１の裏側から光伝導膜４２が露出するようにエッチング除去することで形成される。そして、この穿孔部４１ａに第１電磁波増幅部２を挿入し、露出させた光伝導膜４２に対して、第１電磁波増幅部２を積層する。このような構成とすることで、基板４１によるテラヘルツ波ＴＨｚの吸収がなくなり、光伝導膜４２（アンテナ４３）での増倍効果が向上する。つまり、テラヘルツ波ＴＨｚの検出感度が向上する。
なお、この様なエッチングを行うためには、光伝導膜４２を形成前に、基板４１上に予めエッチストップ層（図示省略）を形成しておき、基板４１を除去した後に、エッチストップ層を除去する。また、エッチングストップ層は、除去せず残してもよい。さらに、穿孔部４１ａと第１電磁波増幅部２との隙間に、テラヘルツ波ＴＨｚに対して吸収の少ない樹脂等（基板４１とは異なる材料、例えばポリプロピレン等）を充填して、補強する形態としてもよい。
【００３１】
図３（ｃ）は、基板４１が「あり」の状態と「なし」の状態において、第１固体層２ａ（第２固体層３ａ）および第１中空層２ｂ（第２中空層３ｂ）の積層周期と、ゲイン（増倍値）との関係を示したものである。図３（ｃ）に示すように、基板４１が「あり」の状態では、積層周期が２周期を超えるとゲインが下がり始めるが、基板４１が「なし」の状態では、積層周期の増加と共にゲインが増加することが確認されている。これは、基板４１がテラヘルツ波ＴＨｚを吸収するために生じるものと考えられる。
【００３２】
次に、図４を参照して、第１電磁波増幅部２および第２電磁波増幅部３を構成する材料の具体的な組合せについて説明する。
（１）第１電磁波増幅部２側から、テラヘルツ波ＴＨｚおよび励起波ＩＲを入射させて検出を行う場合（図４（ａ）参照）には、（１−１）第１光透過性部材２１（第１固体層２ａ）にＭｇＯを使用し、第２光透過性部材３１（第２固体層３ａ）にＳｉを使用する構成、または（１−２）第１光透過性部材２１にＭｇＯを使用し、第２光透過性部材３１にＧｅを使用する構成、とすることが考えられる。この場合、第２光透過性部材３１は、励起波ＩＲに対して透過率が高い必要がない、つまりテラヘルツ波ＴＨｚに対してのみ透過率が高ければよいため、第２光透過性部材３１を構成する材料（材質）の選択の自由度が向上する。
（２）第１電磁波増幅部２側から、テラヘルツ波ＴＨｚおよび励起波ＩＲを入射させて検出を行う場合（図４（ａ）参照）、および第１電磁波増幅部２側からテラヘルツ波ＴＨｚを入射させ、第２電磁波増幅部３側から励起波ＩＲを入射させて検出を行う場合（図４（ｂ）参照）には、第１光透過性部材２１（第１固体層２ａ）にＳｉＯ2を使用し、第２光透過性部材３１（第２固体層３ａ）にＭｇＯを使用する構成が考えられる。第１電磁波増幅部２側からテラヘルツ波ＴＨｚを、第２電磁波増幅部３側から励起波ＩＲを、それぞれ入射させる場合、第１電磁波増幅部２は、テラヘルツ波ＴＨｚに対してのみ透過率が高ければよいため、第１光透過性部材２１を構成する材料（材質）の選択の自由度が向上する。
なお、いずれの場合も、第１中空層２ｂおよび第２中空層３ｂには、空気が充填されている。しかし、各中空層２ｂ，３ｂに水分（水蒸気）が存在するとテラヘルツ波ＴＨｚの吸収が起こるため、各中空層２ｂ，３ｂを真空状態とするか、窒素ガス等で置換することが好ましい。
【００３３】
図４（ｃ）は、上記した（１）および（２）に掲げた構成に係る電磁波検出装置１における、第１電磁波増幅部２および第２電磁波増幅部３の積層周期数と、テラヘルツ波ＴＨｚの増倍効果との関係を示したものである。図４（ｃ）に示すように、（１−１）および（１−２）に係る構成の場合、第１固体層２ａ（第２固体層３ａ）と第１中空層２ｂ（第２中空層３ｂ）とを各３層（積層周期：３）を形成したときに、検出されるテラヘルツ波ＴＨｚの増倍効果が最大（（１−１）が２５１倍，（１−２）が３０９倍）となることが確認された。一方、（２）に係る構成の場合には、積層周期を４周期としたときに、当該増倍効果が最大（３２５倍）となることが確認された。なお、各中空層２ｂ，３ｂを、１波長（３００μｍ）分長くした場合の当該増倍効果は、（１−１）が２２７倍，（１−２）が２７４倍，（２）が３１１倍となった。
また、参考として、第１電磁波増幅部２側からテラヘルツ波ＴＨｚを入射させ、第２電磁波増幅部３側から励起波ＩＲを入射させて検出を行う場合において、第１光透過性部材２１（第１固体層２ａ）にＧｅ／Ｓｉを使用し、第２光透過性部材３１（第２固体層３ａ）にＭｇＯを使用する構成とした場合には、第１電磁波増幅部２の積層周期を１７周期としたときに、約２００倍となることが確認された。
【００３４】
続いて、図５を参照して、穿孔部４１ａを形成した基板４１と、第１電磁波増幅部２との接続部分の形態の変形例について説明する。
（変形例（１））
変形例（１）では、第１電磁波増幅部２を穿孔部４１ａに挿入せず、第１電磁波増幅部２を、穿孔部４１ａを形成した基板４１上に設けている（図５（ａ）参照）。
（変形例（２））
変形例（２）では、光伝導膜４２を露出させず基板４１を僅かに残すように穿孔部４１ａを形成する。そして、第１電磁波増幅部２を穿孔部４１ａに挿入する（図５（ｂ）上段参照）、または穿孔部４１ａを形成した基板４１上に設けている（図５（ｂ）下段参照）。これにより、基板４１の剛性が失われないため、光伝導膜４２およびアンテナ４３を適切に保持しつつ、基板４１によるテラヘルツ波ＴＨｚの吸収を抑制することができる。なお、変形例（２）の場合、基板４１を、ＳＩ−ＧａＡｓに代えてＳｉを用いてもよい。
（変形例（３））
変形例（３）では、光伝導膜４２のみを残して基板４１を完全に除去している（図５（ｃ）参照）。このように基板４１を完全に除去する方法の一例を、図６を参照して説明する。
基板４１上に光伝導膜４２を形成（図６（ａ）参照）した後に、光伝導膜４２上に第１電磁波増幅部２を積層する（図６（ｂ）参照）。その後、基板４１を研磨（研削）することで除去し、光伝導膜４２を露出させ（図６（ｃ）参照）、そこにアンテナ４３を配設する（図６（ｄ）参照）。そして、その上に第２電磁波増幅部３を積層する（図６（ｅ）参照）。他にも、エッチングにより基板４１を除去してもよい。
（変形例（４））
ここでは、一対のアンテナ本体４３ｂに接する部分にのみ第２電磁波増幅部３を配設している（図５（ｄ）参照）。すなわち、第２電磁波増幅部３が一対の電極部４３ａにかからないように配設されている。
これらの各変形例に示す電磁波検出部４であっても、基板４１によるテラヘルツ波ＴＨｚの吸収を抑制することができ、テラヘルツ波ＴＨｚの検出感度を向上させることができる。なお、上記した電磁波検出部４においては、穿孔部４１ａ側からテラヘルツ波ＴＨｚが入射するようになっているが、テラヘルツ波ＴＨｚの入射（照射）面は、光伝導膜４２の側でもよい。この場合、第１電磁波増幅部２はテラヘルツ波ＴＨｚの入射側に設けるようにする。
【００３５】
次に、電磁波発生装置５について説明する。電磁波発生装置５は、上記した通り、電磁波検出装置１と同一の構造であり、第１電磁波増幅部２と、第２電磁波増幅部３と、入射軸方向において、第１電磁波増幅部２と第２電磁波増幅部３との間に介設した電磁波発生部６と、を備えている。なお、電磁波発生部６は、電磁波検出部４と同一の構造であり、その他の構造も同一であるため、詳細な説明は省略する。
電磁波発生装置５は、第２電磁波増幅部３側から励起波ＩＲを入射すると、励起波ＩＲは、第２固体層３ａと第２中空層３ｂとを通過して、電磁波発生部６に到達する。すると、光電効果により電磁波発生部６がテラヘルツ波ＴＨｚを発生する。この電磁波発生装置５では、上記した電磁波検出装置１と同様に、テラヘルツ波ＴＨｚの増倍効果が高いため、より高強度なテラヘルツ波ＴＨｚを出力させることができる。
【００３６】
続いて、図７を参照して、上記した電磁波検出装置１および電磁波発生装置５を用いた時間領域分光装置７について説明する。時間領域分光装置７は、テラヘルツ波ＴＨｚが伝播する経路中に測定したい測定試料Ｓを置き、透過したテラヘルツ波ＴＨｚの時間波形と、測定試料Ｓの無い状態でのテラヘルツ波ＴＨｚの時間波形と、をフーリエ変換して、テラヘルツ波ＴＨｚの振幅と位相の情報を得る。これにより、測定試料Ｓの複素屈折率や複素誘電率などの細かい物性測定を行うものである。
【００３７】
時間領域分光装置７は、数十フェムト秒の超短パルス光（励起波ＩＲ）を発生するフェムト秒レーザー７１と、励起波ＩＲをポンプ光とプローブ光とに分離するビームスプリッター７２と、上述した、電磁波検出装置１および電磁波発生装置５と、電磁波検出装置１に入射させる励起波ＩＲを遅延させる遅延光学系７３と、超短パルス光を反射または集光する各種光学系（各種鏡や各種レンズ）と、アンプ、ロックインアンプ及びコンピューター等を有する信号処理装置７４と、を備えている。また、その他、時間領域分光装置７として一般的な構成を有している。
【００３８】
まず、フェムト秒レーザー７１から発せられた励起波ＩＲ（赤外線：波長８００ｎｍ）は、ビームスプリッター７２により、ポンプ光とプローブ光とに分けられる。そして、ポンプ光は、振幅変調を掛けた状態で電磁波発生装置５の第２電磁波増幅部３に入射する。このときアンテナ本体４３ｂのギャップ４３ｃに電圧を印加しておくことで、電磁波発生装置５からテラヘルツ波ＴＨｚが発生する。このテラヘルツ波ＴＨｚは、第１放物面鏡７５で反射され、第１レンズ７６により集光されて測定試料Ｓに照射される。測定試料Ｓを透過したテラヘルツ波ＴＨｚは、第２レンズ７７、第２放物面鏡７８を介して電磁波検出装置１の第１電磁波増幅部２に入射する。
一方、ビームスプリッター７２により分けられたプローブ光は、複数の反射鏡７９によって、遅延光学系７３に照射される。そして、遅延光学系７３によって時間遅延を与えられたプローブ光は、電磁波検出装置１の第２電磁波増幅部３に入射する。電磁波検出装置１の電磁波検出部４で検出された信号は、信号処理装置７４に入力され、信号処理装置７４により信号処理が行われる。測定試料Ｓからの透過したテラヘルツ波ＴＨｚの時間波形および測定試料Ｓの無い状態でのテラヘルツ波ＴＨｚの時間波形は、各々時系列データとして記憶され、これらをＰＣ７７でフーリエ変換処理して周波数空間に変換する。こうして、測定試料Ｓからのテラヘルツ波ＴＨｚの強度振幅や位相の分光スペクトルが得られ、測定試料Ｓの物性などの情報を調べることができる。
【００３９】
以上の構成によれば、増幅された電磁波（主にテラヘルツ波ＴＨｚ）を用いることにより、物質（測定試料Ｓ）の複素屈折率や複素誘電率などの細かな物質の物性測定等を、より明確に行うことができる。
【００４０】
（第２実施形態）
図８を参照して、第２実施形態に係る電磁波検出装置１（または電磁波発生装置５）について説明する。第１実施形態における電磁波検出装置１の電磁波検出部４および電磁波発生装置５の電磁波発生部６は、それぞれ、いわゆる光伝導アンテナから構成されていたが、第２実施形態に係る電磁波検出装置１および電磁波発生装置５では、電磁波検出部４および電磁波発生部６を非線形光学結晶８で構成している。第２実施形態に係る電磁波検出装置１および電磁波発生装置５は、非線形光学結晶８に励起波ＩＲを入射することで生じる光整流効果を利用して、入射されたテラヘルツ波ＴＨｚを増幅して検出、または増幅したテラヘルツ波ＴＨｚを発生するものである。具体的な非線形光学結晶８としては、例えば、ＺｎＴｅ（ジンクテルル）やＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂＯ3などの無機非線形光学結晶、有機非線形光学結晶、ＧａＡｓ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＧａＳｅなどの半導体、ポリマー等によって形成されている。
【００４１】
（第３実施形態）
図９を参照して、第３実施形態に係る電磁波検出装置１（または電磁波発生装置５）について説明する。以下、電磁波検出装置１の第１電磁波増幅部２を例に挙げて説明する。
図９（ａ）に示すように、第３実施形態における第１電磁波増幅部２では、第１中空部材２２に代えて、第１光透過性部材２１との接合面に複数の凸部２４をマトリクス状に形成した第１凹凸部材２３によって形成されている。この第１凹凸部材２３の各凸部２４の高さ、および各凸部２４同士のピッチは、テラヘルツ波ＴＨｚの波長よりも小さくなるように形成されている。また、第１凹凸部材２３は、テラヘルツ波ＴＨｚおよび励起波ＩＲの吸収の少ない樹脂等で形成することが好ましい。そして、第１光透過性部材２１からなる第１固体層２ａ（屈折率：Ｎ１ａ）と、第１凹凸部材２３からなる凹凸固体層２ｃ（屈折率：Ｎ１ｃ（＜Ｎ１ａ））とが、交互に配設された第１電磁波増幅部２は、光学的には第１固体層２ａの屈折率（Ｎ１ａ）と等価になる。これは、図９（ｂ）に示すように、テラヘルツ波ＴＨｚの波長以下の大きさの凹凸をつけることで、第１光透過性部材２１（第１固体層２ａ）と第１凹凸部材２３（凹凸固体層２ｃ）との境界面で、屈折率が滑らかに変化することにより、この境界面での反射が略無くなるからであると考えられる。なお、第２電磁波増幅部３についても同様である。また、上記した複数の凸部２４は、第１光透過性部材２１側に設けてもよい。
以上のような構成によれば、屈折率が高く、テラヘルツ波ＴＨｚの吸収が小さい第１電磁波増幅部２を構成することができる。これにより、良好な増幅率をもってテラヘルツ波ＴＨｚを検出することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１：電磁波検出装置、２：第１電磁波増幅部、２ａ：第１固体層、２ｂ：第１中空層、３：第２電磁波増幅部、３ａ：第２固体層、３ｂ：第２中空層、４：電磁波検出部、５：電磁波発生装置、６：電磁波発生部、７：時間領域分光装置、８：非線形光学結晶、４１：基板、４１ａ：穿孔部、４２：光伝導膜、４３：アンテナ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率の異なる２つの光学層を、電磁波が入射する入射軸方向に１組以上積層した第１電磁波増幅部と、
屈折率の異なる２つの光学層を、前記入射軸方向に１組以上積層した第２電磁波増幅部と、
前記入射軸方向において、前記第１電磁波増幅部と前記第２電磁波増幅部との間に介設した電磁波検出部と、を備え、
前記第１電磁波増幅部における前記２つの光学層間の屈折率比と、前記第２電磁波増幅部おける前記２つの光学層間の屈折率比と、が異なることを特徴とする電磁波検出装置。
【請求項２】
前記第１電磁波増幅部は、電磁波の入射側に位置しており、
前記第１電磁波増幅部の前記屈折率比に対し、前記第２電磁波増幅部の前記屈折率比が高いことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出装置。
【請求項３】
前記電磁波検出部は、光伝導アンテナおよび非線形光学結晶のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出装置。
【請求項４】
前記電磁波検出部は、基板と、前記基板上に形成したアンテナを有する光伝導素子とから成る光伝導アンテナであり、
前記第１電磁波増幅部および前記第２電磁波増幅部の一方は、前記アンテナに向って前記基板に形成した穿孔部に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出装置。
【請求項５】
屈折率の異なる２つの光学層を、励起波が入射する入射軸方向に１組以上積層した第１電磁波増幅部と、
屈折率の異なる２つの光学層を、前記入射軸方向に１組以上積層した第２電磁波増幅部と、
前記入射軸方向において、前記第１電磁波増幅部と前記第２電磁波増幅部との間に介設した電磁波発生部と、を備え、
前記第１電磁波増幅部における前記２つの光学層間の屈折率比と、前記第２電磁波増幅部おける前記２つの光学層間の屈折率比と、が異なることを特徴とする電磁波発生装置。
【請求項６】
前記第１電磁波増幅部は、電磁波の発生側に位置しており、
前記第１電磁波増幅部の前記屈折率比に対し、前記第２電磁波増幅部の前記屈折率比が高いことを特徴とする請求項５に記載の電磁波発生装置。
【請求項７】
前記電磁波発生部は、光伝導アンテナおよび非線形光学結晶のいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の電磁波発生装置。
【請求項８】
前記電磁波発生部は、基板と、前記基板上に形成したアンテナを有する光伝導素子とから成る光伝導アンテナであり、
前記第１電磁波増幅部および前記第２電磁波増幅部の一方は、前記アンテナに向って前記基板に形成した穿孔部に配設されていることを特徴とする請求項５に記載の電磁波発生装置。
【請求項９】
電磁波検出側に設けた請求項１の電磁波検出装置と、
電磁波発生側に設けた請求項５の電磁波発生装置と、を備えたことを特徴とする時間領域分光装置。
【請求項１】
屈折率の異なる２つの光学層を、電磁波が入射する入射軸方向に１組以上積層した第１電磁波増幅部と、
屈折率の異なる２つの光学層を、前記入射軸方向に１組以上積層した第２電磁波増幅部と、
前記入射軸方向において、前記第１電磁波増幅部と前記第２電磁波増幅部との間に介設した電磁波検出部と、を備え、
前記第１電磁波増幅部における前記２つの光学層間の屈折率比と、前記第２電磁波増幅部おける前記２つの光学層間の屈折率比と、が異なることを特徴とする電磁波検出装置。
【請求項２】
前記第１電磁波増幅部は、電磁波の入射側に位置しており、
前記第１電磁波増幅部の前記屈折率比に対し、前記第２電磁波増幅部の前記屈折率比が高いことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出装置。
【請求項３】
前記電磁波検出部は、光伝導アンテナおよび非線形光学結晶のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出装置。
【請求項４】
前記電磁波検出部は、基板と、前記基板上に形成したアンテナを有する光伝導素子とから成る光伝導アンテナであり、
前記第１電磁波増幅部および前記第２電磁波増幅部の一方は、前記アンテナに向って前記基板に形成した穿孔部に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出装置。
【請求項５】
屈折率の異なる２つの光学層を、励起波が入射する入射軸方向に１組以上積層した第１電磁波増幅部と、
屈折率の異なる２つの光学層を、前記入射軸方向に１組以上積層した第２電磁波増幅部と、
前記入射軸方向において、前記第１電磁波増幅部と前記第２電磁波増幅部との間に介設した電磁波発生部と、を備え、
前記第１電磁波増幅部における前記２つの光学層間の屈折率比と、前記第２電磁波増幅部おける前記２つの光学層間の屈折率比と、が異なることを特徴とする電磁波発生装置。
【請求項６】
前記第１電磁波増幅部は、電磁波の発生側に位置しており、
前記第１電磁波増幅部の前記屈折率比に対し、前記第２電磁波増幅部の前記屈折率比が高いことを特徴とする請求項５に記載の電磁波発生装置。
【請求項７】
前記電磁波発生部は、光伝導アンテナおよび非線形光学結晶のいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の電磁波発生装置。
【請求項８】
前記電磁波発生部は、基板と、前記基板上に形成したアンテナを有する光伝導素子とから成る光伝導アンテナであり、
前記第１電磁波増幅部および前記第２電磁波増幅部の一方は、前記アンテナに向って前記基板に形成した穿孔部に配設されていることを特徴とする請求項５に記載の電磁波発生装置。
【請求項９】
電磁波検出側に設けた請求項１の電磁波検出装置と、
電磁波発生側に設けた請求項５の電磁波発生装置と、を備えたことを特徴とする時間領域分光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１０３３２１（Ｐ２０１１−１０３３２１Ａ）
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５６８７１（Ｐ２００９−２５６８７１）
【出願日】平成２１年１１月１０日（２００９．１１．１０）
【出願人】（０００００５０１６）パイオニア株式会社 (3,620)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１０日（２００９．１１．１０）
【出願人】（０００００５０１６）パイオニア株式会社 (3,620)
【Ｆターム（参考）】
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