JP2007278740A - Terahertz electromagnetic wave generator - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は強度の大きいテラヘルツ電磁波を発生させることができ、高速大容量での無線通信へ応用することのできるテラヘルツ電磁波発生装置に関し、あるいは半導体、誘電体等の材料評価に利用し、特にテラヘルツ帯で使用する素子を構成する材料の複素屈折率などを測定する複素誘電率測定装置としても応用が可能である。 The present invention relates to a terahertz electromagnetic wave generator that can generate a terahertz electromagnetic wave having a high intensity and can be applied to high-speed and large-capacity wireless communication, or is used for evaluating a material such as a semiconductor or a dielectric, and particularly, a terahertz band. The present invention can also be applied as a complex dielectric constant measuring apparatus for measuring a complex refractive index of a material constituting an element used in the above.
従来、テラヘルツ帯のような産業応用が進んでおらず、未開拓ともいえる周波数領域に対する電磁波源としては、後進波管や分子レーザーなどが用いられてきた。（ここで言うテラヘルツ帯とは０．１ＴＨｚから５ＴＨｚ迄の帯域のことであり、光波の直進性、粒子性を有している最長波長領域であり、同時に電波の透過性を有する最短波長域との重なる帯域を指している。）一方で、検出にはＩｎＳｂ等、固体中の電子ガスの電磁波吸収による抵抗変化を測定するホットエレクトロンボロメーターが多用される。 Conventionally, industrial applications such as the terahertz band have not progressed, and a backward wave tube, a molecular laser, or the like has been used as an electromagnetic wave source for a frequency region that can be said to be undeveloped. (The terahertz band referred to here is a band from 0.1 THz to 5 THz, which is the longest wavelength region having light wave straightness and particle property, and at the same time having the shortest wavelength region having radio wave transparency. On the other hand, a hot electron bolometer that measures resistance change due to electromagnetic wave absorption of an electron gas in a solid such as InSb is frequently used for detection.
しかし、これらの電磁波源は周波数が離散的、或いは可変であっても周波数範囲が狭く、得られる電磁波強度も１マイクロワット（μＷ）以下と弱いいため、テラヘルツ帯の電磁波を１ｍから１０ｍの範囲で送受信することは難しかった。 However, these electromagnetic wave sources have a narrow frequency range even if the frequency is discrete or variable, and the obtained electromagnetic wave intensity is as weak as 1 microwatt (μW) or less, so terahertz band electromagnetic waves are in the range of 1 m to 10 m. It was difficult to send and receive.
これらの課題を解決するため、パルスレーザー励起の光伝導素子を用いた分光法が１９８５年頃開発された。 In order to solve these problems, a spectroscopic method using a photoconductive element excited by a pulse laser was developed around 1985.
この光伝導素子を用いた分光法では、光伝導素子をサブピコ秒の超短光パルスで照射すれば光キャリアの生成により瞬間的に導電性となって電流が過渡的に流れることを利用して電磁波放射を行っている。また、光パルスの照射により瞬間的に導電性となることを利用することにより放射電磁波の検出も行われている。 In this spectroscopic method using a photoconductive element, if a photoconductive element is irradiated with an ultrashort optical pulse of subpicosecond, it becomes conductive due to the generation of a photocarrier and the current flows transiently. Conducting electromagnetic radiation. In addition, detection of radiated electromagnetic waves has also been performed by utilizing the fact that it becomes instantaneously conductive when irradiated with light pulses.
光パルスを用いた例では、１ＴＨｚ近傍の高周波電磁波に対する試料の応答を測定するための装置として、ＴＤＳ（ＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）と呼ばれる装置（特許文献１を参照）がある。 In an example using optical pulses, there is an apparatus called TDS (Time Domain Spectroscopy) (see Patent Document 1) as an apparatus for measuring the response of a sample to a high-frequency electromagnetic wave in the vicinity of 1 THz.
図７は従来のＴＤＳの概略構成図である。この図に示すように、ＴＤＳでは、モードロックＴｉ：Ｓａｐｐｉｒｅレーザーなどからなるフェムト秒レーザー２２からの超短パルス光２３をビームスプリッタ２４で分割し、一方の超短パルス光２５（超短パルス光を厳密に区別するため、この超短パルス光２５を「第１の超短パルス光」という場合がある）を平板状の光伝導素子からなる電磁波放射用アンテナ２８に照射する。この電磁波放射用アンテナ２８として用いられる平板状の光伝導素子の表面には、図８に示すようにＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるコプラナー型の対電極１０５が設けられており、それらの間には電源３０から電圧が印加される。第１の超短パルス光２５が電磁波放射用アンテナ２８の電極間に照射されると、電子正孔対が瞬時に形成されることによって電磁波放射用アンテナ２８には瞬間的に電流が流れ、このときパルス電磁波３２が放射される。このパルス電磁波３２を第１放物面鏡３１で平行化して試料３４を透過させ、第２放物面鏡３６により電磁波検出用の受信アンテナ２９の裏面に集める。
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a conventional TDS. As shown in this figure, in TDS, an
受信アンテナ２９の表面にはビームスプリッタ２４で分割されたもう一方の超短パルス光２６（超短パルス光を厳密に区別するため、この超短パルス光２６を「第２の超短パルス光」という場合がある）が照射され、その瞬間（すなわち、超短パルス光２６が照射した瞬間）だけ導電性となる。この時点では受信アンテナ２９の電極間に電界が印加されていないので電流は生じない。導電性を示している間に放射アンテナから放射された電磁波が入ってくると、受信アンテナ２９の電極間には電磁波が有している電界が印加されたのと同様の状態となる。一方、光学遅延ステージ４１・４２によって時間遅延を受けた光はその遅延量によって試料３４を透過して来た電磁波３５との相関量が変化する。この相関量が電磁波が有している電界強度に対応した量の電流となって観測される。つまり、電磁波の電界強度が有しているバルス形状に応じた電流量が得られることになる。これが相互相関法による電磁波パルス検出の原理である。以上によって、試料３４を透過して来た電磁波３５と、光学遅延ステージ４１・４２を経由した超短パルス光２６との相互相関信号を電流として検出することができ、テラヘルツ帯域のように通常の電子デバイスでは応答しきれないような高速の電磁波であっても検出が可能となる。
On the surface of the receiving antenna 29, another
このとき電磁波放射アンテナ２８と電磁波検出用アンテナ２９には、半絶縁性ＧａＡｓ基板１０１上に基板温度を３００℃から４５０℃の低温で結晶成長させたＧａＡｓ（低温ＧａＡｓ、ＬＴ−ＧａＡｓという場合がある）１０３を用い、フェムト秒レーザー波長としてはＧａＡｓの吸収端（８７３ｎｍ）よりも短波長の８００ｎｍを使用している。
At this time, the electromagnetic
なお、図７中、１３はレンズ、３０は電源、３４は試料、３７はカレントアンプ、３８はロックインアンプ、３３はオプティカルチョッパ、４０は平面鏡、４１はリトロリフレクタ、４２は移動式光学遅延ステージ、４３はコンピュータを示す。 In FIG. 7, 13 is a lens, 30 is a power supply, 34 is a sample, 37 is a current amplifier, 38 is a lock-in amplifier, 33 is an optical chopper, 40 is a plane mirror, 41 is a retroreflector, and 42 is a movable optical delay stage. , 43 indicates a computer.
このテラヘルツＴＤＳ法では、用いられる電磁波が短パルスであるため、コヒーレント性に優れている。このため電磁波の強度と位相から重要な情報が得られ、物性測定用の装置としても応用が可能である。試料３４を透過してきた電磁波波形と試料３４を挿入しない場合の電磁波波形とを比較することにより、広い周波数にわたる電磁波の透過率・位相遅れを計算することができる。この手法によって得られる実データは図３（ａ）に示したような横軸に時間軸をとった時間分解スペクトルが得られるが、これをフーリエ変換することによって図３（ｂ）に示したような横軸が周波数成分となる周波数スペクトルを得ることができる。
In this terahertz TDS method, since the electromagnetic wave used is a short pulse, it is excellent in coherency. Therefore, important information can be obtained from the intensity and phase of the electromagnetic wave, and it can be applied as a device for measuring physical properties. By comparing the electromagnetic wave waveform transmitted through the
ところで、検出用光伝導素子は光パルス照射間に入射してくるパルス電磁場電場によって駆動される電流を検出するが、光パルスの時間幅はパルス電磁波の時間幅よりも数十分の一程度とかなり短い。例えば光パルスは時間幅が０．１ピコ秒程度であり、パルス電磁波の時間幅はアンテナ効率が入るため数ピコ秒程度である。 By the way, the photoconductive element for detection detects the current driven by the pulsed electromagnetic field that is incident during the light pulse irradiation, and the time width of the light pulse is about one tenth of the time width of the pulse electromagnetic wave. Pretty short. For example, the time width of an optical pulse is about 0.1 picoseconds, and the time width of a pulse electromagnetic wave is about several picoseconds due to antenna efficiency.
したがって、光パルスもパルス電磁波も光速で検出用光伝導素子に繰り返し入射するが、各回においてパルス電磁波の最初の部分から最後の部分までが到達する時間に比較して光パルスの照射時間は短い。そのため、光パルスが照射している間の検出用光伝導素子に流れる電流はパルス電磁波の電場のごく短い部分によるものであり、さらに光パルスとパルス電磁波とが検出用光伝導素子に到達するタイミングは時間遅延により固定されている。 Therefore, although both the light pulse and the pulse electromagnetic wave repeatedly enter the detection photoconductive element at the speed of light, the irradiation time of the light pulse is shorter than the time from the first part to the last part of the pulse electromagnetic wave at each time. Therefore, the current flowing through the detection photoconductive element during irradiation with the light pulse is due to a very short portion of the electric field of the pulse electromagnetic wave, and the timing at which the light pulse and the pulse electromagnetic wave reach the detection photoconductive element. Is fixed by time delay.
光パルスの繰り返し周波数が例えば約１００ＭＨｚの場合、光パルスとパルス電磁波とが毎秒約１０８回検出用光伝導素子に入射してくるが、パルス電磁波の電場のごく短い部分は毎回パルス電磁波波形のうち時間遅延によって決められた部分であり、全く同じ電流が毎秒約１０８回流れることになる。実際の電流計はこのような速い電流の変化に追随できないため、毎秒約１０８回のパルス電流の平均値が測定される。したがって、パルス電磁波波形のうち時間遅延によって決められた部分が電流として測定され、さらに時間遅延をずらしていくことによりパルス電磁波波形の他の部分も測定できる。このようなテラヘルツ電磁波発生・検出装置は、今日ではその出力特性、広帯域特性ともに最も優れたテラヘルツ電磁波発生方法ならびに検出手法の一つとなっている。
前述のＴＤＳ法における光伝導アンテナは現状ではコヒーレントで広帯域な電磁波を発生させうるもっとも簡便な手法であるが、強度においては最大で１０μＷ程度までの放射しか実現しえないという欠点がある。テラヘルツ波を通信応用など、空間の伝送に用いるためにはより強力な電磁波が放射される必要がある。また、測定器として用いる場合にも１〜３ＴＨｚの領域で電磁波強度が十分でないとＳ／Ｎがとれず測定値の信頼性が危うくなる。 The photoconductive antenna in the TDS method described above is the simplest technique that can generate a coherent and broadband electromagnetic wave at present, but has a drawback that it can only achieve radiation up to about 10 μW in intensity. In order to use terahertz waves for space transmission such as communication applications, it is necessary to radiate stronger electromagnetic waves. Also, when used as a measuring instrument, if the electromagnetic wave intensity is not sufficient in the region of 1 to 3 THz, the S / N cannot be obtained and the reliability of the measured value is compromised.
そこで、より高出力かつ広帯域なテラヘルツ帯電磁波発生装置が必要となる。 Therefore, a terahertz band electromagnetic wave generator having a higher output and a wider band is required.
一方で、実際により強力な電磁波放射を行おうとしても印加電圧や入射光強度を現状で用いているような１５Ｖ、１５ｍＷ以上にして使用するとアンテナ材料の絶縁破壊が生じてアンテナが壊れてしまうため、従来技術を用いたテラヘルツ電磁波の発生方法では事実上この値がほぼ限界であった。 On the other hand, if the applied voltage or incident light intensity is set to 15 V or 15 mW or higher as used in the present situation even if more intense electromagnetic wave radiation is actually performed, the antenna material breaks down and the antenna is broken. In practice, this value is almost the limit in the generation method of the terahertz electromagnetic wave using the prior art.
従来までの光伝導アンテナによるテラヘルツ電磁波発生装置では、いくつかの漏れ電磁波と所望の放射方向とは反対の方向に放射されてくる反転電磁波とが存在している。また、従来までのテラヘルツ電磁波発生装置においてはこの漏れ電磁波を塞ぐような構成にはなっていない。 Conventional terahertz electromagnetic wave generators using photoconductive antennas have several leakage electromagnetic waves and inverted electromagnetic waves radiated in a direction opposite to the desired radiation direction. Further, conventional terahertz electromagnetic wave generators are not configured to block this leaked electromagnetic wave.
この様子を詳しく説明するために、装置に則した素子部品を用いて細部を示したものが図９、それらを断面方向から見た図を示し、どのような無駄な電磁波が放射されているかを示したものが図１０である。言い換えると、図９は放射アンテナ１００の全体構成を示したもの、図１０は放射アンテナ１００の断面構成とそれに則した電磁波の放射方向を示したものである。
In order to explain this situation in detail, FIG. 9 shows details using element parts in accordance with the apparatus, and shows a view of them from the cross-sectional direction, and shows what kind of useless electromagnetic waves are radiated. What is shown is FIG. In other words, FIG. 9 shows the overall configuration of the
前述したようにＴＤＳ法におけるテラヘルツ電磁波発生においては放射アンテナと受信アンテナの双方が組み込まれているが、それらにはＳｉ半球レンズが含まれており、放射電磁波もしくは入射電磁波を集光する働きをしている。このＳｉ半球レンズまでを含めた放射ないし受信アンテナへの光伝導アンテナの固定には光伝導アンテナを囲むように取り付けられたアンテナ固定板１０１と光伝導アンテナを押さえ込むように取り付けられたアンテナ固定板１０２とを用いている。このアンテナ固定板１０２は入射光が光伝導アンテナ１０３に入射することを妨げないように直径２ｍｍから５ｍｍ程度の穴が開けてある。図１０に示したように、この穴を介して反転電磁波１０５が所望の方向であるＳｉ半球レンズ１０４方向とは反対側に電磁波が放射してしまい、効率を半減させているという欠点があった。 As described above, in the generation of terahertz electromagnetic waves in the TDS method, both a radiating antenna and a receiving antenna are incorporated, but these include a Si hemispherical lens, which functions to collect radiated electromagnetic waves or incident electromagnetic waves. ing. For fixing the photoconductive antenna to the radiation or reception antenna including the Si hemisphere lens, an antenna fixing plate 101 attached so as to surround the photoconductive antenna and an antenna fixing plate 102 attached so as to hold down the photoconductive antenna. And are used. The antenna fixing plate 102 has a hole with a diameter of about 2 mm to 5 mm so as not to prevent incident light from entering the photoconductive antenna 103. As shown in FIG. 10, the inverted electromagnetic wave 105 radiates to the opposite side of the Si hemispherical lens 104 direction, which is the desired direction, through this hole, which has the disadvantage of reducing the efficiency by half. .
本発明は上記の課題にかんがみて、高出力であるとともに広帯域な、さらには効率の高いテラヘルツ帯電磁波発生装置を提供することを目的とする。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a terahertz electromagnetic wave generator having a high output, a broadband, and a high efficiency.
前記目的を達成するために、本発明では放射アンテナにおいて発生している漏れ電磁波に着目し、これを防止するだけでなく有効に利用することで発生電磁波強度の増強を図っている。 In order to achieve the above object, the present invention focuses on leakage electromagnetic waves generated in a radiating antenna, and not only prevents this but also effectively uses it to enhance the generated electromagnetic wave intensity.
より詳しくは、光伝導アンテナにおいて電磁波発生のために用いている入射光の強度に影響を与えることなく、所望の発生方向とは異なる入射光側に放射されてしまう反転電磁波を所望の放射方向へ反射して送り出すことによって総電磁波強度を高めている。 More specifically, an inverted electromagnetic wave that is radiated to the incident light side different from the desired generation direction without affecting the intensity of the incident light used for generating the electromagnetic wave in the photoconductive antenna in the desired radiation direction. The total electromagnetic wave intensity is increased by reflecting and sending out.
このように反転電磁波を所望の放射方向へ反射して送り出すために、金属板へ波長レベルの貫通開口を設けた位相板を用いる。このような貫通開口位相差板はその開口を波長レベルとすることができるので、波長レベルまで小型化することが可能となり、前述したような光伝導アンテナに容易に組み込むことができる。 Thus, in order to reflect and send the inverted electromagnetic wave in a desired radiation direction, a phase plate provided with a through-opening at a wavelength level on a metal plate is used. Since such a through-opening phase difference plate can have the opening at the wavelength level, it can be downsized to the wavelength level and can be easily incorporated into the photoconductive antenna as described above.
本発明のテラヘルツ帯電磁波放射用アンテナによれば、最大ピーク強度が１０μＷ以上となるテラヘルツ帯電磁波が発生でき、１．５ＴＨｚを超える領域においてであっても１μＷ以上の出力が得られる。このような電磁波放射用アンテナを用いることにより、高出力であるとともに高効率なテラヘルツ帯電磁波発生装置が提供され、５ＴＨｚの帯域まで感度よく電磁波強度を検知でき、物質の誘電率を観測できる測定器としての利用が可能となる。 According to the terahertz band electromagnetic wave radiation antenna of the present invention, a terahertz band electromagnetic wave having a maximum peak intensity of 10 μW or more can be generated, and an output of 1 μW or more can be obtained even in a region exceeding 1.5 THz. By using such an electromagnetic wave radiation antenna, a high-power and high-efficiency terahertz-band electromagnetic wave generator is provided, which can detect the electromagnetic wave intensity with sensitivity up to the 5 THz band and can observe the dielectric constant of the substance. Can be used.
（実施の形態）
本発明のテラヘルツ電磁波発生装置について以下で説明する。
(Embodiment)
The terahertz electromagnetic wave generator of the present invention will be described below.
図１に本発明のテラヘルツ電磁波発生装置にかかる放射アンテナ２８の詳細構造を示す。この放射アンテナ２８はＳｉ半球レンズ２０２上に光伝導型アンテナ１００を囲むように取り付けられた第１アンテナ固定板２０１と光伝導型アンテナ１００を押さえ込むように取り付けられた新規アンテナ固定板３００によって構成されている。この新規アンテナ固定板３００には特殊な構造が盛り込まれており、それを示したものが図２である。
FIG. 1 shows a detailed structure of a
まず、素材であるが、この新規アンテナ固定版３００は金属で構成され、その材質を特に限定しないが、例示すれば銅、金、銀、鉄、アルミニウム、ニッケル、クロム、ＳＵＳ３１６などがある。このような金属板は単体でも良く、また、電磁波に対して透明な基板上に固定されていてもよい。
First, although it is a raw material, the new
次にその構造であるが、厚みが０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の金属板であって、そこに円形であり、金属板を貫通している開口４を設ける。この開口４は開口寸法１と垂直間隔２と第２の間隔３とによって決まる配置によって定義付けられる。
Next, the structure is a metal plate having a thickness of 0.1 mm or more and 2 mm or less, and an opening 4 which is circular and penetrates the metal plate is provided there. This opening 4 is defined by an arrangement determined by the
一例として、図７に示したＴＤＳ法の構成図内において、試料３４の位置に本発明で用いている新規アンテナ固定板３００を配置した場合と何も配置していない場合とでスペクトルの形状変化を見たときの結果を図３に示す。実データは図３（ａ）に示したような横軸に時間軸をとった時間分解スペクトルが得られるが、これをフーリエ変換することによって図３（ｂ）に示したような横軸が周波数成分となる周波数スペクトルが得られることは背景技術の説明でも述べたとおりである。このときに用いた垂直間隔２は１．１２ｍｍ、開口寸法１は０．６ｍｍである。本発明に用いようとしている新規アンテナ固定版３００は言い方を変えるとバンドパスフィルタの機能を有していると表現することができることがわかる。なお、このとき、新規アンテナ固定版３００の構成体は金属であることが前提であり、図３（ｂ）に示したスペクトルは透過スペクトルであることから残りの成分は全て反射しており、また、図３（ａ）に示したような横軸に時間軸をとった時間分解スペクトルでは等間隔に周期構造が現れており、位相の揃った電磁波が反射されていることがわかる。
As an example, in the configuration diagram of the TDS method shown in FIG. 7, the shape of the spectrum changes between when the new
本発明における根本の目的は従来までのテラヘルツ電磁波発生装置において生じていた反転電磁波２０３の有効利用である。本発明においてはこの反転電磁波２０３を位相状態などを変化させることなく所望の方向へ送り出すことを主目的としている。反転電磁波の放射方向２０３と放射電磁波２０４の方向とはちょうど１８０°反転した向きになっているので、とにかく反転電磁波２０３を反射などによって折り返し、放射電磁波２０４の放射方向に揃えればよい。そこで、以下のような開口寸法１ならびに第１の間隔２と第２の間隔３とによって決まる配置に開口を設けた金属板によって新規アンテナ固定板３００を構成する。
The basic object of the present invention is to effectively use the inverted
すなわち、１．９ｍｍ以上２√３ｍｍ以下である垂直間隔２と前記垂直間隔２の√３倍の水平間隔３とを有した開口群ａ５と、垂直間隔２と水平間隔３が全く同等であり、その位置が開口群ａ５の任意の１つから見て垂直方向、水平方向ともに垂直間隔２、水平間隔３の半分だけずらした位置に設けられた開口群ｂ６との集合体となるような開口を設けた金属板とすればよい。このとき、開口寸法１は垂直間隔２の０．４倍以下であって、光伝導型アンテナの放射電磁波波長の上限である３ｍｍ以上の大きさを有していればよい。
That is, the aperture group a5 having a vertical interval 2 that is not less than 1.9 mm and not more than 2√3 mm and a
なお、このときの垂直方向とは光伝導型アンテナ１００におけるコプレーナ伝送線路１０５における最近接電極間隔の方向を意味し、これは超短パルス２３のもつ偏光方向にも一致した方向である。ＴＤＳ法においては通常、この方向を鉛直方向にしてあり、工学定盤の水平方向に対して垂直であることからこのように定義づけている。
Note that the vertical direction at this time means the direction of the closest electrode spacing in the coplanar transmission line 105 in the
前記垂直間隔２と水平間隔３の関係は開口４の配置を正三角形の配置とすることから決めてあり、この配置が最も効率よく電磁波の反射を実現できることは公知のことである。
The relationship between the vertical interval 2 and the
垂直間隔２はＴＤＳ法にによって得られるスペクトルと使用したい領域との兼ね合いで決められる。 The vertical interval 2 is determined in consideration of the spectrum obtained by the TDS method and the region to be used.
背景技術の説明で述べたように、ＴＤＳ法では０．１ＴＨｚから１．５ＴＨｚまでのテラヘルツ電磁波を発生・受信することが可能である。 このことは、図３（ａ）ならびに図３（ｂ）で示した実験結果からも明らかである。すなわち、ＴＤＳ法による発生、受信可能な最低周波数は０．１ＴＨｚである。また、ＴＤＳ法によって得られる電磁波の最大強度を有する帯域は０．１７ＴＨｚより高い領域に存在している。つまり、この０．１ＴＨｚ以上０．１７ＴＨｚ以下の領域は多少犠牲にすることができ、０．１７ＴＨｚよりも高い周波数領域に影響が出ないように開口を設計する必要がある。 As described in the background art, the TDS method can generate and receive terahertz electromagnetic waves from 0.1 THz to 1.5 THz. This is also clear from the experimental results shown in FIG. 3 (a) and FIG. 3 (b). That is, the lowest frequency that can be generated and received by the TDS method is 0.1 THz. Further, the band having the maximum intensity of the electromagnetic wave obtained by the TDS method exists in a region higher than 0.17 THz. That is, this region of 0.1 THz or more and 0.17 THz or less can be sacrificed to some extent, and the opening needs to be designed so as not to affect the frequency region higher than 0.17 THz.
本発明で用いている新規アンテナ固定板３００は、言い方を変えれば一種のバンドパスフィルタの働きを有している。本発明において限定される性能はそのバンドパスフィルタ機能のうちの高周波側の上限値であって、この値は前述のように開口４の配置を正三角形配置としたときに垂直間隔２の√３／２倍の波長に相当する。
In other words, the new
このことからバンドパスフィルタ機能のうちの高周波側の上限値を０．１ＴＨｚ（＝３ｍｍ）以上０．１７（＝１．６ｍｍ）ＴＨｚ以下の領域にもっていくためには１．９ｍｍ以上２√３ｍｍ以下である垂直間隔２が必要ということになる。 Therefore, in order to bring the upper limit value on the high frequency side of the band-pass filter function to the region of 0.1 THz (= 3 mm) or more and 0.17 (= 1.6 mm) THz or less, it is 1.9 mm or more and 2√3 mm. This means that the following vertical interval 2 is necessary.
続いて垂直間隔２を一定値の１．１２ｍｍとしておき、開口寸法１を変化させた場合の実験結果を横軸が周波数成分となる周波数スペクトルとして図４に示す。比較のため、図７に示したＴＤＳ法の構成図内において、試料３４の位置に何も配置していない場合に得られるスペクトルもあわせて表示してある。開口寸法２としては０．６ｍｍ、０．５ｍｍ、０．４ｍｍを用意した。このうち、開口寸法２が０．４ｍｍすなわち、垂直間隔２の０．４倍よりも小さくなったときに急激にバンドパスフィルタのピーク値が落ち込むことが解った。前述したように発生している電磁波のうち、バンドパス特性による透過成分以外のものは全て反射していることになるので、この現象は反射成分の増加を意味する。このことから本発明で用いている新規アンテナ固定板３００においては開口寸法１は垂直間隔２の０．４倍以下とすることが望ましいことが解った。
Next, FIG. 4 shows the experimental results when the vertical interval 2 is set to a constant value of 1.12 mm and the
（実施例１）
実施の形態に従って、実際に垂直間隔２を１．９ｍｍ、開口寸法１を０．７６ｍｍとした開口を有する金属板を試料とし、その透過特性を測定した。
Example 1
According to the embodiment, a metal plate having an opening in which the vertical interval 2 was actually 1.9 mm and the
テラヘルツＴＤＳ法は前述したように、超短パルスレーザーを用いたテラヘルツ波の発生と検知を同時に扱うことができ、特に検知においては簡便かつ高感度な検出方法である。本実験で用いた放射アンテナ２８の内部構成は図７に示したものと同様である。
As described above, the terahertz TDS method can simultaneously handle generation and detection of terahertz waves using an ultrashort pulse laser, and is a simple and highly sensitive detection method particularly in detection. The internal configuration of the radiating
図７に示すように、ＴＤＳではフェムト秒レーザー２２からの超短パルス光２３をビームスプリッタ２４で分割し、第１の超短パルス光２５を平板状の光伝導素子からなる電磁波放射用アンテナ２８に照射する。この電磁波放射用アンテナ２８として用いられる平板状の光伝導素子の表面には、図８に示すようにＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるコプラナー型の対電極が設けられており、それらの間には電源３０から電圧が印加される。超短パルス光１２が電磁波放射用アンテナ２８の電極間に照射されると、電子正孔対が瞬時に形成されることによって電磁波放射用アンテナ２８には瞬間的に電流が流れ、同時に増倍制御電源３０３によって裏面電極２０８に印加された電圧によって電子正孔対が生成される。このとき電子正孔対生成に応じたパルス電磁波３２が放射される。このパルス電磁波３２を第１放物面鏡３１で平行化し、第２放物面鏡３６により電磁波検出用アンテナ２９の裏面に集める。
As shown in FIG. 7, in TDS, an ultrashort pulsed light 23 from a femtosecond laser 22 is split by a beam splitter 24, and the first ultrashort pulsed light 25 is an electromagnetic
電磁波検出用アンテナ２９の表面にはビームスプリッタ２４で分割された第２の超短パルス光が照射され、その瞬間（すなわち、超短パルス光２６が照射した瞬間）だけ導電性となる。この時点では受信アンテナ２９の電極間に電界が印加されていないので電流は生じない。導電性を示している間に放射アンテナから放射された電磁波が入ってくると、受信アンテナ２９の電極間には電磁波が有している電界が印加されたのと同様の状態となる。一方、光学遅延ステージ４１・４２によって時間遅延を受けた光はその遅延量によって第２放物面鏡３６により集められた電磁波３２との相関量が変化する。この相関量が電磁波が有している電界強度に対応した量の電流となって観測される。
The surface of the electromagnetic wave detection antenna 29 is irradiated with the second ultrashort pulse light divided by the beam splitter 24 and becomes conductive only at that moment (that is, the moment when the
フェムト秒レーザー２２の波長としては８００ｎｍを使用した。 The wavelength of the femtosecond laser 22 was 800 nm.
本実験では広帯域性を重視しているので受信側アンテナの電極構造としてはボウタイ型に比べて広帯域特性の良いダイポール型を用いている。受信側では出力を高める必要が特にないので、材料としては従来から用いられているＬＴ−ＧａＡｓを光伝導素子として使用した。 In this experiment, since wide band characteristics are important, the electrode structure of the receiving antenna is a dipole type that has better broadband characteristics than the bow tie type. Since there is no particular need to increase the output on the receiving side, LT-GaAs, which has been conventionally used, is used as a photoconductive element as a material.
このとき、上部コプレーナ線路２０１と変形下部コプレナー線路３０１への印加電圧を１５Ｖ、平均入射光強度を１５ｍＷとして実験を行う。
At this time, the experiment is performed with the applied voltage to the upper
図５に横軸が周波数成分となる周波数スペクトルとして実験結果を示す。図５において黒丸の点で示したものが試料３４の位置に何も配置していない場合に得られるスペクトル、実線で示したものが実施の形態に従って、実際に垂直間隔２を１．９ｍｍ、開口寸法１を０．７６ｍｍとした開口を有する金属板を試料とし、その透過特性を測定したものである。実施の形態で述べたように０．１７ＴＨｚ以下の領域で帯域透過特性を実現することができている。
FIG. 5 shows the experimental results as a frequency spectrum having frequency components on the horizontal axis. In FIG. 5, what is indicated by a black dot is a spectrum obtained when nothing is arranged at the position of the
このことからアンテナ構成を垂直間隔２を１．９ｍｍ、開口寸法１を０．７６ｍｍとした開口を有する金属板を伴ったものとすることにより１ＴＨｚ近傍の周波数領域においてスペクトル強度が増え、高出力かつ高効率なテラヘルツ帯電磁波の発生および検出が期待できる。
For this reason, the antenna configuration is accompanied by a metal plate having an opening with a vertical interval 2 of 1.9 mm and an
（実施例２）
新規アンテナ固定板３００を伴って構成される光伝導素子を用いた場合の実験結果を示す。
(Example 2)
The experimental result at the time of using the photoconductive element comprised with the novel
この新規アンテナ固定板３００には、光伝導アンテナと金属板が直接接しないよう、光伝導アンテナと金属板との間に絶縁層としての厚さ０．５ｍｍのＳｉＯ２を挿入した上で押さえ込んである。
In order to prevent the photoconductive antenna and the metal plate from coming into direct contact with each other, the new
この光伝導素子表面にはＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕによる上部コプレーナ線路と下部コプレナー線路との再近接距離が５μｍとなるように構成されている。なお、この電極構造としてはダイポール型を採用した。 On the surface of this photoconductive element, the close proximity distance between the upper coplanar line and the lower coplanar line made of AuGe / Ni / Au is set to 5 μm. A dipole type was adopted as the electrode structure.
得られる電磁波は１．５ＴＨｚ以上の超広帯域波を含んでおり、検知時の帯域を広くとることを考慮しないのであればホーンアンテナなどの帯域遮断型アンテナで導波管へ導き、フォトニックミキサーおよびハーモニックシンセサイザーによるダウンコンバート式の検出や２ＴＨｚ程度までであればカロリーメーターを利用したパワーメーターでの検知も考えられるが、本実験では感度、分解能、広帯域性を加味して前述のテラヘルツＴＤＳ法を採用した。その光学系は従来例の説明でも使用した図７と同様である。なお、このとき試料３４の位置には何も配置していない。
The obtained electromagnetic wave includes an ultra-wideband wave of 1.5 THz or more, and if it is not considered to take a wide band at the time of detection, it is guided to a waveguide by a band cut-off antenna such as a horn antenna, a photonic mixer, Detection of down-conversion with a harmonic synthesizer and detection with a power meter using a calorimeter is possible up to about 2 THz, but in this experiment, the above-mentioned terahertz TDS method is adopted in consideration of sensitivity, resolution, and broadband characteristics. did. The optical system is the same as that used in the description of the conventional example shown in FIG. At this time, nothing is arranged at the position of the
このとき、上部コプレーナ線路２０１と変形下部コプレナー線路３０１への印加電圧を１５Ｖ、平均入射光強度を１５ｍＷとして実験を行う。
At this time, the experiment is performed with the applied voltage to the upper
図６に横軸が周波数成分となる周波数スペクトルとして実験結果を示す。図６において黒丸の点で示したものが従来構造のアンテナを用いた場合のスペクトルである。実線で示したものが実施の形態に従って、実際に垂直間隔２を１．９ｍｍ、開口寸法１を０．７６ｍｍとした開口を有する金属板、すなわち新規アンテナ固定板３００を組み込んだアンテナから放出されるテラヘルツ電磁波を測定したものである。０．１５ＴＨｚを超えた領域でのテラヘルツ電磁波の強度増大を得ることができた。
FIG. 6 shows the experimental results as a frequency spectrum having frequency components on the horizontal axis. In FIG. 6, the spectrum indicated by the black dots is the spectrum when an antenna having a conventional structure is used. What is indicated by a solid line is emitted from an antenna incorporating a new
１ 開口寸法
２ 垂直間隔
３ 水平間隔
４ 開口
５ 開口群ａ
６ 開口群ｂ
１１ 超短パルス光源
２３ 超短パルス光
２４ ビームスプリッタ
２５ 第１の超短パルス光
２６ 第２の超短パルス光
２８ 電磁波放射用光伝導素子、放射アンテナ
２９ 電磁波検出用光伝導素子、受信アンテナ
３０ 電源
３１，３６ 放物面鏡
３２ 放射電磁波
３４ 試料
３５ 試料透過後のテラヘルツ電磁波
３８ ロックイン増幅器
４０ 平面鏡
４１ リトロリフレクタ
４２ 移動ステージ
４３ コンピュータ
１００ 光伝導型アンテナ
１０１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
１０３ 光伝導薄膜
１０５ コプレナー伝送線路
２００ 第２アンテナ固定板
２０１ 第１アンテナ固定板
２０２ Ｓｉ半球レンズ
２０３ 反転電磁波
DESCRIPTION OF
6 aperture group b
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記電磁波放射用アンテナは、ガリウムヒ素からなる半絶縁性基板と、前記半絶縁性基板上に形成され、光伝導薄膜と、コプラナー伝送線路とを有し、
前記コプラナー伝送線路は、一対の伝送線路電極本体と、前記各伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極とを有し、前記一対の伝送線路本体は平行に配置されており、
前記電磁波放射用アンテナは電極側に金属材料による格子状開口構造のアンテナ固定板を配置している状態でＳｉ半球レンズに載せられており、超短パルス光を光源より照射することによって電磁波を発生させることを特徴とするテラヘルツ電磁波発生装置。 A terahertz wave generator including a light source that emits ultrashort pulse light and an antenna for electromagnetic wave radiation,
The electromagnetic wave radiation antenna is formed on a semi-insulating substrate made of gallium arsenide, the semi-insulating substrate, a photoconductive thin film, and a coplanar transmission line,
The coplanar transmission line has a pair of transmission line electrode bodies and protruding electrodes respectively protruding from the transmission line electrode bodies, and the pair of transmission line bodies are arranged in parallel,
The antenna for electromagnetic wave radiation is mounted on a Si hemisphere lens with an antenna fixing plate having a grid-like opening structure made of a metal material on the electrode side, and generates electromagnetic waves by irradiating ultrashort pulse light from a light source. A terahertz electromagnetic wave generator characterized in that
円形の貫通穴からなる複数の開口部を有しており、
厚みが０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の金属板であって、
１．９ｍｍ以上２√３ｍｍ以下である垂直間隔と前記垂直間隔の√３倍の水平間隔とを有した開口群ａと、
垂直間隔と水平間隔が全く同等であり、その位置が開口群ａの任意の１つから見て垂直方向、水平方向ともに垂直間隔、水平間隔の半分だけずらした位置に設けられた開口群ｂ
との集合体となるような開口を設けた金属板であって、
開口寸法は垂直間隔の０．４倍以下であって、
開口の形状は円形となるような開口を設けた金属板によって構成されていることを特徴とするテラヘルツ電磁波発生装置。 The holding plate having a lattice structure made of a metal material according to claim 1 has a plurality of openings made of circular through holes,
A metal plate having a thickness of 0.1 mm to 2 mm,
An aperture group a having a vertical interval of 1.9 mm or more and 2√3 mm or less and a horizontal interval of √3 times the vertical interval;
The vertical interval and the horizontal interval are exactly the same, and the position of the aperture group b provided at a position shifted from the vertical interval and half of the horizontal interval in both the vertical and horizontal directions when viewed from any one of the aperture groups a.
A metal plate provided with an opening to be an aggregate with
The opening size is 0.4 times or less of the vertical interval,
A terahertz electromagnetic wave generator characterized by comprising a metal plate provided with an opening having a circular shape.
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