JP5618119B2 - テラヘルツ光検出素子および光学設備 - Google Patents
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Description
本発明は、かかるテラヘルツ光の検出に適したテラヘルツ光検出素子および、かかるテラヘルツ光検出素子を有する光検出手段を備えた光学設備に関する。
しかし、特許文献1〜3の技術では、ZnTeや第1のフォトニック結晶からテラヘルツ光を発生させることはできるものの、発生するテラヘルツ光の強度が弱いため、その検出が困難である。そして、かかる強度が弱いテラヘルツ光を精度良く検出できる検出素子は開発されておらず、生産現場等においてテラヘルツ光源を実用化する上でも、高感度の検出素子が求められている。
第1発明のテラヘルツ光検出素子は、屈折率の異なる層を交互に配設することによって形成された1次元フォトニック結晶から形成されており、該1次元フォトニック結晶は、テラヘルツ光が入射されると電気光学効果が生じる部材によって形成された欠陥部と、該欠陥部を挟む一対のミラー部とを備えており、該一対のミラー部は、入射された前記テラヘルツ光に含まれる特定の波長の被検出テラヘルツ光を、前記欠陥部内で共振させ得る構造に形成されていることを特徴とする。
なお、本明細書において、「テラヘルツ光」とは、電波と光波の間の周波数を有する電磁波であって、0.1〜10THzの周波数を有するものを意味している。
第2発明のテラヘルツ光検出素子は、第1発明において、前記欠陥部が、ZnTeによって形成されていることを特徴とする。
第3発明のテラヘルツ光検出素子は、第1または第2発明において、前記一対のミラー部は、その軸方向に沿って空気層と固体層とが交互に配設されたものであることを特徴とする。
(光学設備)
第4発明の光学設備は、テラヘルツ光を物体に照射して該物体を透過した透過光に基づいて検査を行うための光学設備であって、テラヘルツ光を出力し得るテラヘルツ光源と、該テラヘルツ光源が出力したテラヘルツ光を受光する受光手段と、を備えており、該受光手段は、請求項1、2または3記載のテラヘルツ光検出素子と、該テラヘルツ光検出素子における前記欠陥部の複屈折性の変化を検出する検出部と、を備えていることを特徴とする。
第5発明の光学設備は、第4発明において、前記テラヘルツ光源が、1次元フォトニック結晶からなる発光素子を備えており、該テラヘルツ光源の発光素子は、前記受光手段のテラヘルツ光検出素子と同じ共振周波数を有するものであることを特徴とする。
第1発明によれば、テラヘルツ光が入射されると、電気光学効果によって欠陥部内に複屈折性を誘起させることができる。よって、欠陥部の複屈折性の変化を検出すれば、テラヘルツ光が入射したか否かを検出することができる。しかも、欠陥部を挟むように一対のミラー部が設けられているので、入射したテラヘルツ光を欠陥部内で共振させることができる。すると、入射するテラヘルツ光の強度が弱くても、欠陥部内に発生する誘起される複屈折性が増大することができるから、入射するテラヘルツ光に含まれる特定の波長の被検出テラヘルツ光を検出する感度を高くすることができる。
第2発明によれば、ZnTeは結晶の損傷閾値も高いので、テラヘルツ光が入射されたときに欠陥部内に誘起される複屈折性を増大させることができる。
第3発明によれば、両層の屈折率比が大きくなるので、少ない層数でも高い反射率を得ることができる。
(光学設備)
第4発明によれば、テラヘルツ光源から出射され、物体を透過したテラヘルツ光がテラヘルツ光検出素子に入射すれば、テラヘルツ光検出素子の欠陥部内に複屈折性を誘起させることができる。すると、検出部が欠陥部の複屈折性の時間変動を検出するので、複屈折性の時間変動に基づいて、入射したテラヘルツ光の時間変動を求めることができる。すると、テラヘルツ光の時間変動に基づいて、テラヘルツ光が透過した物体の性質や、テラヘルツ光が透過した物質が何であるかを特定することができる。しかも、テラヘルツ光検出素子は、テラヘルツ光が入射されると電気光学効果が生じる部材によって形成された欠陥部と、欠陥部を挟む一対のミラー部とを備えた1次元フォトニック結晶であるので、テラヘルツ光を検出する感度を高くすることができる。よって、物体の性質や物質自体を特定する精度を高くすることができる。
第5発明によれば、発光素子が1次元フォトニック結晶であるので、その共振周波数に対応するテラヘルツ光(出射光)の強度を強くすることができる。しかも、テラヘルツ光検出素子が出射光の周波数において共振周波数を有するので、テラヘルツ光検出素子に入射したテラヘルツ光の強度が弱くても、欠陥部内に誘起される複屈折性が大きくなる。よって、テラヘルツ光による検査が行いにくい物体であっても、その性質等を特定する精度を高くすることができる。
まず、本発明のテラヘルツ光検出素子を説明する前に、一次元フォトニック結晶について説明する。
なお、nA、nB各層を形成する物質の屈折率、dA、dBは各層の厚み、λは電磁波の波長、cは光速を示している。
なお、nxは欠陥部を形成する物質の屈折率、dXは欠陥部の厚み、λは電磁波の波長を示している。
つぎに、本実施形態のテラヘルツ光検出素子10を図面に基づき説明する。
本実施形態のテラヘルツ光検出素子10は、特定の波長(言い換えれば、特定の周波数)を有するテラヘルツ光(以下、被検出テラヘルツ光という)を感度良く検出できるものであり、図1に示すように、一次元フォトニック結晶構造を有するものである。
欠陥部12は、電気光学効果(ポッケルス効果)により、被検出テラヘルツ光の電場によって複屈折性が誘起される部材によって形成されている。しかも、この欠陥部12は、共振効果によって被検出テラヘルツ光が入射されたときに電場が増強され、複屈折性が増大する性質も有しているものである。
とくに、無機非線形光学結晶であるジンクテルル(ZnTe)を欠陥部2に使用すれば、結晶の損傷閾値も高いので、被検出テラヘルツ光が入射されたときに欠陥部2内に発生する電場を増大させることができ、誘起される複屈折性も大きくできるので、好適である。
図1に示すように、一対のミラー部13,13は、欠陥部12を、テラヘルツ光検出素子10の軸方向から挟むように配設されている。
各ミラー部13は、テラヘルツ光源1の軸方向に沿って屈折率の異なる層が交互に配設されている。具体的には、図2に示すように、各ミラー部13は、被検出テラヘルツ光を透過しうる光透過性部材13aと、中空な部材13bとを複数枚重ねて形成されている。中空な部材13bとは、板状の部材であってその表裏を貫通する貫通孔13hが形成された部材である。つまり、各ミラー部13では、テラヘルツ光源1の軸方向に沿って、光透過性部材13aの層(固体層)と、中空な部材13bの貫通孔13hの部分(空気層)とが交互に配設されているのである。
なお、光透過性部材13aの素材はとくに限定されないが、可視光とテラヘルツ光に対して透明であり、空気層に比べて屈性率が大きいものが好ましく、例えば、酸化マグネシウム(MgO)やポリプロピレン等を使用することができる。
そして、前記欠陥部12は、テラヘルツ光検出素子10の軸方向長さdxと、欠陥部12を構成する材料の屈折率nxの積が、被検出テラヘルツ光の波長λの1/2の長さとなるように形成されている。
また、前記一対のミラー部13,13を構成する光透過性部材13aは、その軸方向長さdAと、光透過性部材13aを構成する材料の屈折率nAの積が、被検出テラヘルツ光の波長λの1/4の長さとなるように形成されている
そして、中空な部材13bは、テラヘルツ光検出素子10の軸方向長さdBと、空気の屈折率nBの積が、被検出テラヘルツ光の波長λの1/4の長さとなるように形成されている。
すると、テラヘルツ光検出素子10に入射された被検出テラヘルツ光の強度が弱くても、欠陥部12に誘起される複屈折性は大きくできるから、被検出テラヘルツ光を検出する感度を高くすることができる。よって、テラヘルツ光検出素子10に入射される入射光に波長λのテラヘルツ光が含まれているか否かを選択的に検出することもできる。
例えば、図1のテラヘルツ光検出素子10は、周期がN=2のミラー部13を有するテラヘルツ光検出素子10である。
さらに、ミラー部13において、中空な部材13bに代えて、貫通孔を有しない板状部材を設けてもよい。この場合、板状部材には、可視光とテラヘルツ光に対して透明なもの、つまり、可視光とテラヘルツ光の透過性は高いが吸収性は低いものが好ましいのはいうまでもない。
つぎに、上記のごときテラヘルツ光検出素子10を採用した光学設備1を説明する。
上記のごときテラヘルツ光検出素子10を採用した光学設備は、例えば、テラヘルツ光の透過率測定や反射率測定、イメージング等の方法によって, 危険物質や物質中の水分,半導体素子内欠陥等を検査する場合にも使用することができる。
以下では、代表として、テラヘルツ光を物質Mに照射してその透過光を検出することによって、既知の物質Mの性質を測定したり不明な物質Mを特定したりする光学設備1を説明する。
検出部20は、テラヘルツ光検出素子10の欠陥部12に誘起される複屈折性を検出して、テラヘルツ光TLの強度を求めることができるものであれば特に限定されない。例えば、欠陥部12に誘起される複屈折性を、欠陥部12におけるテラヘルツ光TLの偏光方向の屈折率変化として検出する場合には、図4に示すような構成を採用することができる。
そして、プローブ光源21は、ペリクリムビームスプリッタ20a等を介して、プローブ光P1がテラヘルツ光TLと同軸な状態でテラヘルツ光検出素子10に入射するように配設されている。
λ/4板22は、テラヘルツ光検出素子10を透過したプローブ光(以下、透過プローブ光P2という)が入射する位置に配置されている。このλ/4板22は、透過プローブ光P2の偏光を変換し、偏光プローブ光P3とするものである。例えば、透過プローブ光P2が直線偏光であれば円偏光に、また、透過プローブ光P2が円偏光であれば直線偏光に、そして、透過プローブ光P2が楕円偏光であればその長軸短軸の比率が変化するように、λ/4板22は透過プローブ光P2の偏光を変換し、偏光プローブ光P3とする。
ウォラストンプリズム23は、テラヘルツ光検出素子10によって偏光された偏光プローブ光P3を、偏光方向が互いに直交した二つの直線偏光成分に分割するものである。
また、バランス検出器24は、分割された二つの直線偏光成分の強度をそれぞれ検出するものである。
なお、解析部25は、テラヘルツ光TLの強度を絶対値として求めてもよいし、基準となるテラヘルツ光の強度に対する測定したテラヘルツ光TLの相対的な値として求めてもよい。
上記検出部20によって テラヘルツ光検出素子10の欠陥部12に発生している複屈折性の大きさ、つまり、テラヘルツ光TLの強度が検出できる原理は以下のとおりである。
まず、テラヘルツ光検出素子10に入射されたプローブ光P1は、テラヘルツ光検出素子10を透過する。このとき、テラヘルツ光検出素子10にプローブ光P1のみが入射されている場合、つまり、テラヘルツ光TLがテラヘルツ光検出素子10に入射されていない場合には、テラヘルツ光検出素子10の欠陥部12には電場が形成されていない。このため、プローブ光P1の偏光が直線偏光のまま維持された透過プローブ光P2がテラヘルツ光検出素子10から出力される。この透過プローブ光P2は、λ/4板に入射するが、直線偏光であるから、円偏光の偏光プローブ光P3に偏光される。
円偏光に偏光された偏光プローブ光P3は、ウォラストンプリズム23によって偏光方向が互いに直交した2本の直線偏光成分に分割され、その強度がバランス検出器24によって検出される。
しかし、偏光プローブ光P3が円偏光であるため、分割された2本の直線偏光成分の強度は同じ強度となる。すると、解析部25は、2本の直線偏光成分の強度から、テラヘルツ光検出素子10の欠陥部12には電場が形成されていないと判断し、テラヘルツ光検出素子10にテラヘルツ光TLが入射されていないと判断できる。
楕円偏光となった透過プローブ光P2は、λ/4板に入射すると、長軸短軸の比率が変化するように偏光される。このため、偏光プローブ光P3がウォラストンプリズム23によって2本の直線偏光成分に分割されると、分割された直交する二つの偏光成分間には強度差が生じる。
すると、二つの偏光成分の強度がバランス検出器24によって検出されれば、両偏光成分間の強度差に応じて、テラヘルツ光検出素子10の欠陥部12の屈折率が検出できるから、欠陥部12に誘起された複屈折性の程度を把握することができる。よって、かかる複屈折性を誘起したテラヘルツ光TL、つまり、テラヘルツ光検出素子10に入射したテラヘルツ光TLの強度を算出することができるのである。
バランス検出器24によって検出される二つの偏光成分の強度差は、二つの偏光成分の位相差に比例しており、この位相差と欠陥部12の電場の強度との間には、以下の式(4)の関係が成立する。よって、この解析部25に、必要な公知のパラメータを記憶させておけば、式(4)に基づいて得られる位相差から、式(5)に基づいて、テラヘルツ光検出素子10に入射したテラヘルツ光TLの強度Iを得ることができる。
なお、式(4)、(5)において、ΔΓは入射するテラヘルツ光に対する位相遅れ、λは入射するテラヘルツ光の波長、dは欠陥部12の厚さ、noptは入射するテラヘルツ光の屈折率、r41は電気光学定数、ETHzは欠陥部12の電場の強度、cは光速、ε0は真空の誘電率を表している。
すると、このときのテラヘルツ光TLの時間変動を、物質Mが存在しない場合におけるテラヘルツ光TLの時間変動と比較すれば、テラヘルツ光TLが透過した物質Mの性質や、テラヘルツ光TLが透過した物質Mを特定することができる。
しかも、本実施形態の光学設備1では、テラヘルツ光検出素子10に、テラヘルツ光TLが入射されると電気光学効果が生じる部材によって形成された欠陥部12と、欠陥部12を挟む一対のミラー部13,13とを備えた1次元フォトニック結晶を採用している。よって、テラヘルツ光TLを検出する感度を高くすることができるから、物質Mを透過するテラヘルツ光TLの強度が弱い場合などでも、物質Mの性質や物質を特定する精度を高くすることができる。
なお、式(6)において、E(ω)は振幅であり、θ(ω)は位相であり、添え字のsamが物質Mが存在する場合を示しており、添え字のrefが物質Mが存在する場合を示している。
とくに、テラヘルツ光源2における発光素子として、テラヘルツ光検出素子10と同様の構造を有するフォトニック結晶を採用することが好ましい。つまり、発光素子として、一次元フォトニック結晶からなる部材であって、テラヘルツ光TLを発生し得る部材によって形成された欠陥部と、欠陥部を挟むように配設された一対のミラー部とから構成されたものを採用することが好ましい。
かかる構造の発光素子の場合、発光素子の軸方向から励起光を照射すれば、励起光によって欠陥部(例えば、ZnTe結晶等)が光整流効果によりテラヘルツ光TLを発生する。すると、発生したテラヘルツ光TLに対し一対のミラー部が共振器として機能するので、励起光が照射されたときに発生したテラヘルツ光TLよりも高強度のテラヘルツ光TLをテラヘルツ光源2から出力させることができる
とくに、発光素子として、テラヘルツ光検出素子10と同じ共振周波数を有するものを使用すれば、テラヘルツ光検出素子10に入射したテラヘルツ光TLの強度が弱くても、テラヘルツ光検出素子10の欠陥部12内に形成される電場らに大きくできる。つまり、欠陥部12に誘起される複屈折性をさらに大きくできるから、より一層検査精度を高くすることができる。かかる効果を得る上では、発光素子に、テラヘルツ光検出素子10と同一の素子を使用することが最も好ましい。
本実施例において使用した本発明のテラヘルツ光検出素子の欠陥部、ミラー部の固体層および空気層は、以下のとおりである。
なお、各ミラー部の周期は、N=1(固体層が1層、空気層が1層)である。
欠陥部: ZnTe結晶(屈折率n=2.92)、厚さ120μm
固体層:酸化マグネシウム(MgO)(屈折率n=3.12)、厚さ78μm
空気層:空気(屈折率n=1)、厚さ265μm
また、比較対象のZnTe結晶は、厚さ120μmである。
検出するテラヘルツ光は、ZnTe結晶(テラヘルツ光源)に励起光を照射することにより発生させた。使用した励起光は、モード同期Ti:Sapphireレーザーから発振されたフェムト秒パルス光である。
また、本実施例では、検出したテラヘルツ光の強度は電気光学(ElectroOptic:EO)サンプリング法を利用して評価した。EOサンプリング法は、外部電界によって屈折率が変化するEO結晶の性質(電気光学効果)を利用して、フェムト秒レーザーパルスの偏光制御により超高速過渡応答信号を検出する方法である。
なお、本実施例では、図5および以下の説明におけるテラヘルツ光検出素子LDに、本発明のテララヘルツ光検出素子またはZnTe結晶を使用してテラヘルツ光強度を検出した。
さらになお、テラヘルツ光源の出力側には黒い紙を置いている。テラヘルツ光源LSに照射されたポンプ光は、テラヘルツ光源LSにおけるテラヘルツ光の発生に寄与するとともにテラヘルツ光源LSを通過する。このテラヘルツ光源LSを通過したポンプ光がテラヘルツ光を検出するテラヘルツ光検出素子に入射すると、テラヘルツ光強度の検出精度に影響を与える。上述したように、テラヘルツ光源LSの直後に黒い紙を置いておけば、黒い紙は可視光に対しては不透明だが、テラヘルツ光に対しては透明であるので、ポンプ光を黒い紙で遮断することができ、検出精度に影響を与えることを防ぐことができる。
なお、軸はずし放物面鏡とテラヘルツ光検出素子との間には、ペリクルビームスプリッターが設けられている。しかし、ペリクルビームスプリッターはその厚みが2μmとテラヘルツ光の波長に対して非常に薄いため、テラヘルツ光はペリクルビームスプリッターを透過して、テラヘルツ光検出素子に入射される。
そして、二つの偏光成分に分けられた光を、バランス検出器によってロックイン検出すれば、テラヘルツ光検出素子LDが検出したテラヘルツ光の強度を検出することができる。
図6(A)に示すように、ZnTe結晶によって検出されたテラヘルツ光は、全体的に滑らかな山形となっている。ZnTe結晶内部の干渉効果により、こぶのように強度の強い部分も存在するが、近接する周波数の強度と比べてもそれほど大きなさは見られない。
一方、本発明のテラヘルツ光検出素子では、共振モードにおいてその強度が大きく立ち上がっており、逆に、共振モードの周辺の周波数の強度が非常に小さくなっていることが確認できる。
一方、テラヘルツ光源LSをフォトニック結晶光源とした場合には、検出されるテラヘルツ光は、共振モードにおいてその強度が鋭くかつ大きく立ち上がっており、逆に、共振モード周辺の周波数では強度が非常に小さくなっていることが確認できる。
2 テラヘルツ光源
3 受光手段
10 テラヘルツ光検出素子
12 欠陥部
13 ミラー部
20 検出部
Claims (5)
- 屈折率の異なる層を交互に配設することによって形成された1次元フォトニック結晶から形成されており、
該1次元フォトニック結晶は、
テラヘルツ光が入射されると電気光学効果が生じる部材によって形成された欠陥部と、
該欠陥部を挟む一対のミラー部と、を備えており、
該一対のミラー部は、
入射された前記テラヘルツ光に含まれる特定の波長の被検出テラヘルツ光を、前記欠陥部内で共振させ得る構造に形成されている
ことを特徴とするテラヘルツ光検出素子。 - 前記欠陥部が、ZnTeによって形成されている
ことを特徴とする請求項1記載のテラヘルツ光検出素子。 - 前記一対のミラー部は、
その軸方向に沿って空気層と固体層とが交互に配設されたものである
ことを特徴とする請求項1または2記載のテラヘルツ光検出素子。 - テラヘルツ光を物体に照射して該物体を透過した透過光に基づいて検査を行うための光学設備であって、
テラヘルツ光を出力し得るテラヘルツ光源と、
該テラヘルツ光源が出力したテラヘルツ光を受光する受光手段と、を備えており、
該受光手段は、
請求項1、2または3記載のテラヘルツ光検出素子と、
該テラヘルツ光検出素子における前記欠陥部の複屈折性の変化を検出する検出部と、を備えている
ことを特徴とする光学設備。 - 前記テラヘルツ光源が、
1次元フォトニック結晶からなる発光素子を備えており、
該テラヘルツ光源の発光素子は、
前記受光手段のテラヘルツ光検出素子が同じ共振周波数を有するものである
ことを特徴とする請求項4記載の光学設備。
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