JP2006313140A

JP2006313140A - テラヘルツ波発生装置及び方法あるいは分光計測装置及び方法

Info

Publication number: JP2006313140A
Application number: JP2005163239A
Authority: JP
Inventors: Junichi Nishizawa; 潤一西澤; Ken Sudo; 建須藤; Jiro Shibata; 治郎柴田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-05-07
Filing date: 2005-05-07
Publication date: 2006-11-16

Abstract

【課題】小型高効率で温度安定性が高く、広帯域でかつ分解能が高く、屈折率の虚数部と実数部が同時に測定でき、偏光特性も測定できるテラヘルツ波発生装置および分光計測装置を提供する。
【解決手段】ＧａＰ結晶を励起する光源レーザの共振器にグレーティング及びビームエキスパンダーを配置して損傷なく線幅を狭くし、測定サンプルの透過及び反射を同時に測定する光路を有し、ＧａＰ結晶を回転することにより、偏光特性を得る。
【選択図】図３

Description

本発明はコヒーレントテラヘルツ波発生装置に関わる。

生体物質や癌細胞などを形成する大きな有機分子、あるいは一般の有機分子を識別するための周波数掃引単色テラヘルツ光源・分光計としてＧａＰなどの半導体やＬｉＮｂＯ_３などの誘電体をテラヘルツ波発生用非線形光学結晶として用いたものが知られている。特に、ＧａＰのフォノンポラリトンモードを二つの励起レーザ光すなわち、ポンプ光、信号光で励起する方式は、テラヘルツ波周波数を、０．３ＴＨｚから７ＴＨｚまでの極めて広範囲に周波数掃引することができるので生体物質等のテラヘルツスペクトル全体を知ることが出来、癌の検出などに有効であることが示されている。ポンプ光（あるいは信号光）としてオプティカルパラメトリックオシレータ（ＯＰＯ）を用いた場合、ＯＰＯを励起するのにＹＡＧレーザの３逓倍波（３５５ｎｍ）を使うと、ＯＰＯ出力の線幅が極めて狭くなり、結果としてテラヘルツ波の線幅が１．５ＧＨｚまで狭くなる。テラヘルツ光源・分光計測装置としては１．５ＧＨｚの周波数純度を有するので高分解能テラヘルツ透過あるいは反射スペクトルを得ることができ、従来観測が不可能であった、有機分子中の構造欠陥の検出も可能であることが示されている。なお、単色テラヘルツ電磁波の透過スペクトルから物質の吸収係数が求められるが、これは複素誘電率あるいは複素屈折率の虚数部に対応している。

ＯＰＯを励起光源としてＧａＰ結晶から周波数掃引テラヘルツ波を発生させる方式は広帯域（０．３ＴＨｚ−７ＴＨｚ），高分解能（線幅１．５ＧＨｚ）であり、かつ高出力（１００ｍＷ−８００ｍＷ）であるから、生体分子の精細なテラヘルツスペクトルが得られる。しかし、ＯＰＯの励起源としてＹＡＧレーザの３逓倍波を使っているため、効率が極めて低く、従ってＹＡＧレーザを大出力にしなければならない。ＹＡＧレーザのパルスエネエルギー１０００ｍＪが必要とされるため、装置を卓上型以下の小型にすることは困難である。３逓倍器の温度依存性が大きいため、周囲の温度変化の影響によって特性が変化する。本発明の目的は述上の欠点を除き、小型高効率で温度安定性高く、広帯域（０．３ＴＨｚ−７ＴＨｚ）高分解能、高出力の周波数掃引テラヘルツ光源・分光計測装置及び方法を提供することである。また、従来は、単色テラヘルツ光源を使った場合は、屈折率あるいは誘電率の虚数部に対応する吸収係数のみ測定されていたので、物質の誘電分散の詳細な測定を行うことは困難であった。本発明では、誘電率あるいは屈折率の実数部も同時に測定する方法、更にはそれらのテラヘルツ電磁波偏光方向依存性をも測定できる方法を提供する。

周波数可変のテレヘルツ波を発生させるにはＧａＰ結晶のフォノンポラリトンを励起するが、励起用のポンプ光源、信号光源として、２台のＣｒ添加フォーステライトレーザ（Ｃｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ）を使う。Ｃｒ：ＦｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザはＹＡＧレーザの基本波（１０６４ｎｍ）で励起されるため１５％という極めて効率の高い発振が得られる。発振波長は１２００ｎｍから１３００ｎｍの間で可変であるからＯＰＯと同様に０．３ＴＨｚから７ＴＨｚの間の周波数を掃引することができる。

しかし、Ｃｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅは発振可能波長帯が広いため、線幅も広く、０．１ｎｍ以上である。テラヘルツ波出力の線幅が３０ＧＨｚ以上となり、高分解能を得ることは不可能である。その理由はＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザ内の波長選択にはガラスプリズムが用いられているため波長分散が小さいからである。ガラスプリズムの代わりにグレーティングを波長選択器に使えば、波長分散はプリズムの１００倍も得られ、従ってそれだけ狭い線幅を得ることが可能となるが、グレーティングの材料として金属膜や、有機化合物のホログラフィックグレーティングが使われるが、発振出力が高いため、材料が蒸発劣化しやすく安定な動作ができない。そこで、グレーティングに入射するビームの口径を拡大する手段をＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザの光路内に挿入し、グレーティング表面で適切なビームパワ密度まで低下させる。このような手段の挿入損は充分に小さければ発振閾値の実際的増加は避けることができるのでＹＡＧレーザのパワを増大させる必要はないのである。

図１を使って説明する。Ｃｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザ１、２はテラヘルツ波発生のためのポンプ光、信号光を発生するレーザであり、ＹＡＧレーザ３の基本波波長１０６４ｎｍによって励起され、波長１２００ｎｍから１３００ｎｍにおいて発振する。１，２のどちらかが波長可変であればよいのであるが、２が波長可変である場合について述べる。Ｃｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザ１の波長を例えば１２００ｎｍに固定する。０．１ＴＨｚから７ＴＨｚのテラヘルツ波を発生させるにはＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザ２の波長を１２０４ｎｍから１２３５ｎｍの範囲で変化させる。つぎに、Ｃｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザ１，２の出力は偏光ビームスプリッタ４によって平行に近いビームに合成され所定の交差角θ_ｉｎ ^ｅｘｔ，及び入射角α^ｅｘｔでＧａＰ単結晶５の入射面６に入射する。出力面７からテラヘルツ波周波数に依存する所定の角度でテラヘルツ波出力が取り出され、非放物面鏡８，９、ＤＴＧＳ（ｄｅｕｔｅｒｉｕｍｔｒｉｇｌｙｃｉｎｅｓｕｌｆｉｄｅ）やＳｉボロメータなどの検知器１０を使って検出される。なお、分光のＳ／Ｎを高めるため、テラヘルツ波をサンプルに入射する前に、ウェッジ型のビームスプリッタによって分割し、別の検知器で検知する参照光路が設けられているが図面では省略されている。

図２に示すようにＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザ２の共振器を構成する波長選択用のグレーティング１１は選択する波長にあわせてグレーティング回転機構により回転させる。グレーティングピッチは１２００ｌｉｎｅ／ｍｍあるいは６００ｌｉｎｅ／ｍｍである。１２は発振光の平行ビーム径を拡大するためのビームエキスパンダーである。１３はＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ結晶、１４はレーザ出力ミラ、１５はＹＡＧレーザからの入射ビーム、１６はレーザ出力ビームである。

ビームエキスパンダー１２は図３（ａ）に示すように、焦点ｆ_１の凹レンズ１７と焦点ｆ_２の凸レンズ１８によって構成され、グレーティングに入射する平行ビームの径を広げる。ビーム径拡大率はｆ_２／ｆ_１で与えられる。ビーム径を広げることによってエッジの影響が減るのでこれによっても発振光の線幅は狭くなり、０．００３ｎｍ以下の線幅を得ることができる。

Ｃｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザ１は、狭い線幅を得るために、２と同様にグレーティングとビームエキスパンダーを備えているか、あるいは、数個のプリズムとエタロン板を共振器内に備えている。エタロン板のフィルター効果によりグレーティングを使ったのとほぼ同じ分解能が得られる。なお、エタロンを使うと、発振周波数はエタロンの固有周波数である離散値に限定される。従って波長を連続的に変えることが出来ないのでこの方法はＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザ２に使うことはできない。グレーティングは有機ポリマーを材料としてホログラフィー技術で作成することができる。表面は金などの膜をコーティングし反射率を高める。ビーム径拡大率はグレーティングが損傷を受けない限度のパルスビームエネルギー密度となるように設計される。例としてパルス幅が２０ｎｍの場合、損傷を受けないためにはパルスビームエネルギー密度を３ｍＪ／ｍｍ^２以下に保つことが望ましい。一方、分光計測に必要な１００ｍＷのテラヘルツパルスを得るにはＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザ１，２ともに出力６ｍＪ，ビーム径約１ｍｍｘ１ｍｍ程度のビームが必要である。従って、損傷を受けないためにはビーム面積の拡大率は２倍以上でなければならず、ｆ_２／ｆ_１は１．４以上となる。ビーム径拡大用エキスパンダーのレンズは１２００ｎｍ−１３００ｎｍ領域で無反射コーティングされており、挿入損失はほとんど問題にならない。Ｃｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ１、２の出力の線幅が０．００３ｎｍにおいて、テラヘルツ波出力の線幅は０．６ＧＨｚ以下となる。

ＧａＰ結晶は結晶長、幅、高さは一例として１０ｍｍ，１０ｍｍ，３ｍｍあるいは１０ｍｍ，５ｍｍ，５ｍｍであり、入射面は＜１１０＞軸方向を向いている。結晶長は長さとともに出力が増大するが、テラヘルツ波の吸収のためある程度以上に長くすると出力が飽和または減少する。したがって結晶長は５ｍｍから２０ｍｍの範囲であるが、７ｍｍから１３ｍｍの範囲にあることが最も望ましい。テラヘルツ波の吸収は自由キャリアによって生じるのでキャリア密度は１０^１２ｃｍ^−３以下が必要である。

以上の説明はＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザによる励起方式について説明したが、ＯＰＯ励起方式についても同様な方法を付加することができる。すなわち、ＯＰＯの励起光源としてＹＡＧレーザの３逓倍波ではなく、２逓倍波（５３２ｎｍ）を使うことにより効率を高める。ＯＰＯの線幅は２逓倍にすることにより広くなるはずであるが、グレーティングを挿入した効果により狭まり、テラヘルツ波出力の線幅は１ＧＨｚ以下となる。

レーザ発振の安定を保持するためには、共振器内の光学部品は、設置されている環境に変化があっても、それぞれの幾何学的位置関係も精度よく固定されていなければならない。図３（ｂ）では少なくとも、共振器内の反射鏡Ｍとグレーティング１０が図示してない制御手段で安定したレーザ発振状態を保つように全方位にわたって正確な位置制御がなされているものである。もちろん、共振器を構成する構造物の材料は、温度変化や重力などの外力で変形しがたいセラミック材や金属が選定されている。

グレーティングの回折角の制御は、例えば、テラヘルツ波の周波数１０ＴＨｚを１００ＭＨｚの分解能で制御するとなると５桁を制御範囲に入れる必要があるので、可動部分の位置再現性を保証するためにも、ばね軸受けや圧電アクチュエータを適用したほうが良い。また、共振器内Ｃの温度は、図示していない保温材で囲んだ環境やＰＩＤ制御器などで構成される温度制御手段で、＋−０．０２℃以内に制御されていることが望ましい。すくなくとも＋−０．５℃以内に制御されていなければグレーティングによる高い分解能効果を発揮できないこととなる。グレーティングを用いないでプリズムを用いる場合も同様である。

ポンプ及び信号光レーザ部分及びテラヘルツ波発生部及び参照光路は実施例１とおなじであるが、図４に示すように、出力テラヘルツ波１９はサンプル２０を透過する透過光路とサンプルの表面で反射したテラヘルツ波を検出する反射光路に導かれそれぞれの検知器１０，１０’で検知される。図中２１，２２は反射光路を形成する平面ミラ及び非放物面ミラである。二つの検知器によって透過スペクトルと反射スペクトルが同時に測定され、屈折率の実数部と虚数部を両方とも求めることが出来る。簡単のため、垂直入射の場合で説明すると、反射率Ｒは複素屈折率ｎ^＊＝ｎ−ｉｋを用いて次のように表される。

屈折率の虚数部ｋは吸収係数αと次のような直接的関係があるので、透過率Ｔから直ちに求まる。ｄはサンプルの厚みである。Ｔ_０は標準用のポリエチレンペレットの透過率である。なお、標準用ペレットは多重反射を避けるためウェッジ型に成型されている。代表的な測定サンプルは粉末状の物質をポリエチレン粉末に混合拡散させたものであり、表面反射率は標準ペレットとほぼ同じである。

数３

Ｔ＝Ｔ_０ｅｘｐ（−αｄ）

一方、反射率は実数部と虚数部の両方に依存するが実数部の変化の効果の方が大きい。近似的に反射率の変化は屈折率実数部の変化を表す。虚数部ｋの効果を無視できないときは、上式で求められたｋを使って、反射率の測定値と合うように屈折率を逐次近似的に求めればよく、結局、透過率と反射率の測定から物質の複素屈折率の周波数依存性がわかる。これらの計算はコンピュータに内蔵したプログラムで自動的に行われる。こうして、例えば、水溶液の複素屈折率の周波数依存性から、生体成分や溶液中の水分子の拡散、振動など、分子の挙動についての情報を得ることが出来る。

生体分子の結晶異方性や溶液中でのせん光性によって、テラヘルツ透過率や反射率の偏波方向依存性を生じる。したがって、テラヘルツ透過率あるいは反射率の偏波方向依存性を求めることによって物質状態についての知見を得ることが出来る。クライオスタット中にサンプルがあるときはサンプルを回転して測定することは機構が複雑で望ましくない。サンプルはエタロン効果による透過率変動を避けるため、ウェッジ型に形成されているので、ビーム方向が変化することも誤差を生じる。そこで図５のようにテラヘルツ波発生用ＧａＰ結晶を結晶長方向の周りに９０度回転させる。テラヘルツ波の偏波方向は、回転後もほぼ＜１−１０＞方向なので、結晶回転にともなって偏波方向ｅ_ＴＨｚが９０度回転することとなる。なお、図中、ｅ_１，ｅ_２はＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザ１，２の偏波方向を表す。テラヘルツ波の偏波方向ごとにそれぞれスペクトルをとり、両者の比を取れば、物質の偏波依存性の周波数特性がわかる。なお、ＧａＰ結晶をテラヘルツ波パルスの発生繰返し周期である１０Ｈｚの１．２５倍すなわち１２．５Ｈｚで回転すれば交互に結晶を０度及び９０度の位置に保持することができるのでほぼ同時に偏光方向のスペクトルを得ることが出来る。

図６は被測定物Ｐは癌細胞Ｋが正常細胞Ｎと異なった形の水分分布で隣接している場合において被測定物に照射するテラヘルツ波の位置を図示していない照射位置可変手段を用いて変え、その前後の偏光特性の変化を計測する例である。Ａは偏光版、Ｂはシリコンボロメータなどの検知器、１９ＴはＫに照射後位置を変化させたテラヘルツ波である。Ａとしてはメタルメッシュ偏光板あるいは図では示してないが斜入射の反射板などが使われる。

実施例１−３ではテラヘルツ波検知器としてＤＴＧＳまたはＳｉボロメータを使うが、本実施例では図６に示すような水晶あるいはシリコンなどのメカニカルフィルタ２３（電気機械振動子）を検知素子として使う。機械振動子の少なくとも一部には粉末カーボン２４が塗布されており、テラヘルツ波２５を吸収すると温度が上がり、熱ひずみを生じる結果、共振周波数が変化する。２６は測定端子である。周波数変化あるいは位相変化を検出するか、またはそれによるフィルタの電圧透過度変化などのフィルタ特性の変化を検出することによりテラヘルツ波強度を計測する。テラヘルツ波のパルス幅は１０ｎｓであるから変化はこれに追従せず、ゆっくりと変動するが、パルス繰り返し周波数１０Ｈｚに追従するのでテラヘルツ波の検出が可能である。Ｓｉボロメータと違って、室温で動作するので小型である。また、ＤＴＧＳのように初期ポーリングの変化による感度劣化を生じることも無い。更に、ＤＴＧＳは周波数０．６ＴＨｚ以下になると急速に感度が低下し、０．１ＴＨｚではほとんど感度がないが、本振動子は感度の低下が無いのである。

なお、シリコンプロセス技術によってシリコンメカニカルフィルタの１次元アレーや２次元マトリックスを形成し、テラヘルツ波イメージング装置を構成することもできる。

発明の効果

本発明によれば、線幅が極めて狭く、屈折率の実数部と虚数部が同時に測定でき、偏光特性も測定できる、０．１ＴＨｚから７ＴＨｚの範囲内の周波数掃引テラヘルツ波発生光源及び分光計測装置が得られる。

実施例１におけるテラヘルツ波発生装置の構成を示す図である。実施例１における励起レーザの構成を示す図である。（ａ）は実施例１における励起レーザ共振器内の構成を示す図である。（ｂ）は実施例１における励起レーザ共振器内のグレーティングと反射鏡の制御構成を示す図である。実施例２におけるテラヘルツ波透過及び反射スペクトルを測定するための構を示す図である。実施例３におけるＧａＰ結晶の配置を示す図である。実施例４における偏光特性変化測定系の構成を示す図である。実施例５におけるテラヘルツ波検知器

符号の説明

１…第１のＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザ
２…第２のＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザ
３…ＹＡＧレーザ
４…偏光ビームスプリッター
５…ＧａＰ結晶
６…ＧａＰの入射面
７…ＧａＰのテラヘルツ波出力面
９…非放物面鏡
１０…非放物面鏡
１１…グレーティング
１２…ビームエキスパンダー
１３…Ｃｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ結晶
１４…出力ミラー
１５…入射ＹＡＧレーザ光
１６…Ｃｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザ出力光
１７…凹レンズ
１８…凸レンズ
１９…出力テラヘルツ波ビーム
２０…測定サンプル
２１…平面ミラー
２２…非放物面鏡
２３…メカニカルフィルタ
２４…塗布カーボン
２５…テラヘルツ波
２６…測定端子
Ａ…偏光版
Ｂ…テラヘルツ波検知器
Ｃ…共振器内
Ｍ…反射鏡
Ｐ…被測定物
Ｋ…癌細胞
Ｎ…正常細胞
１９Ｔ…テラヘルツ波

Claims

ＧａＰ結晶に励起用レーザ光を入射し、周波数０．１ＴＨｚから７ＴＨｚの範囲内のテラヘルツ電磁波を発生するテラヘルツ波発生装置あるいはテラヘルツ波分光計測装置において、すくなくとも一つの励起用レーザの共振器内に周波数選択用のグレーティングと前記グレーティングに入射する発振光のビーム径を拡大するビームエキスパンダーが配置されることにより、線幅の狭いテラヘルツ電磁波が発生することを特徴とする周波数掃引テラヘルツ波発生装置及び方法あるいは分光計測装置及び方法。
前記励起用レーザの共振器を構成するグレーティングと反射鏡の位置がずれないように、共振器内を＋−０．５℃以内に温度制御する手段を備え、且つ、グレーティングと反射鏡それぞれの位置をレーザ発振条件からそれない様に位置制御する手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の周波数掃引テラヘルツ波発生装置及び方法あるいは分光計測装置及び方法。
前記励起用レーザの少なくとも一つがＣｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザであることを特徴とする請求項１乃至２に記載の周波数掃引テラヘルツ波発生装置及び方法あるいは分光計測装置及び方法。
ＧａＰ結晶に励起用レーザ光を入射し、周波数０．１ＴＨｚから７ＴＨｚの範囲内の単色テラヘルツ電磁波を発生するテラヘルツ波分光計測装置において、測定サンプルのテラヘルツ周波数領域における透過率及び反射率をそれぞれ測定する手段、測定された透過率と反射率から複素屈折率の実数部と虚数部を求める手段を備え、前記実数部、虚数部のそれぞれのスペクトルを得ることを特徴とする周波数掃引テラヘルツ波発生装置及び方法あるいは分光計測装置及び方法。
ＧａＰ結晶に励起用レーザ光を入射し、周波数０．１ＴＨｚから７ＴＨｚの範囲内の単色テラヘルツ電磁波を発生するテラヘルツ波分光計測装置において、前記ＧａＰ結晶を入射面に垂直な軸の周りに９０度異なる配置においてそれぞれテラヘルツ透過あるいは反射スペクトルを得る手段を有することを特徴とする周波数掃引テラヘルツ波発生装置及び方法あるいは分光計測装置及び方法。
ＧａＰ結晶に励起用レーザ光を入射し、周波数０．１ＴＨｚから７ＴＨｚの範囲内の単色テラヘルツ電磁波を発生するテラヘルツ波分光計測装置において、被測定物に電磁場変化あるいは温度変化、応力変化、位置変化などを与えて屈折率の変化をもたらす手段と、被測定物を透過あるいは反射してくるテラヘルツ電磁波を偏光版または反射板に照射させる手段と、前記屈折率変化の前後の偏光特性を計測する手段を有することを特徴とする周波数掃引テラヘルツ波発生装置及び方法あるいは分光計測装置及び方法。
ＧａＰ結晶に励起用レーザ光を入射し、周波数０．１ＴＨｚから７ＴＨｚの範囲内の単色テラヘルツ電磁波を発生するテラヘルツ波分光計測装置において、テラヘルツ波検知器が熱ひずみによってフィルタ特性が変化するメカニカルフィルタであることを特徴とする周波数掃引テラヘルツ波発生装置及び方法あるいは分光計測装置及び方法。