JP2009058875A - 光学フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】何らかの与えられた周波数を境界に、それ以上の周波数成分とそれ以下の周波数成分とに分波する光学フィルタを、簡単な構成で実現する。例えば、テラヘルツ光発生時に、励起光とテラヘルツ光とを分離する際に用いる。
【解決手段】１）ププラズマ周波数をもち平坦な表面の分波素子と、２）分波素子に、プラズマ周波数よりも高い周波数成分と低い周波数成分の線状あるいは面状の電磁波ビームを入射する入射手段と、３）分波素子の反射電磁波として生成され、電磁波ビームの分波素子への入射点から離れた位置で反射しプラズマ周波数より低い周波数の第１電磁ビームと、上記入射点から反射しプラズマ周波数より高い周波数の第２電磁ビームと、から一方の電磁ビームを選択する選択手段と、を備える。また、入射点のキャリア密度を、電界、磁界、光、圧力、温度などで変化させる。
【選択図】図２

Description

この発明は、予め与られた周波数を境界にそれ以上の周波数成分とそれ以下の周波数成分とに分波する光学フィルタに関するものであって、例えば、テラヘルツ光発生時に、その発生に用いる励起光と、発生したテラヘルツ光とを分離する際に用いることができる。

本発明の適用できる技術領域は広範囲にわたるが、説明を明確にするために、テラヘルツ光の分野での例について以下に説明する。

遠赤外領域もしくはテラヘルツ領域（波長＝数十〜数百μｍ）と呼ばれる周波数領域は、セキュリティ、環境モニタリング、生体医療診断、劇物／毒物検出、無線通信、分光などにおいて重要な周波数帯である。現在のところ、テラヘルツ光発生には、近赤外領域のフェムト秒パルスレーザでテラヘルツ光発生素子を励起するレーザ励起型のテラヘルツ光発生装置が用いられており、発生素子には例えば、図８（ａ）に示す光伝導アンテナ（非特許文献１）や、図８（ｂ）に示す電気光学（ＥＯ）結晶（非特許文献２）などが用いられている。特に、ＥＯ結晶を用いたテラヘルツ光発生装置では、非線形光学効果を用いているために、発生テラヘルツ光の周波数帯域に原理的な制限はなく、広帯域（例えば帯域幅１００ＴＨｚ以上）なテラヘルツ光パルス発生も可能であり、テラヘルツ帯の分光応用に期待されている。

しかし、ＥＯ結晶を用いたテラヘルツ光発生装置では、テラヘルツ光発生のための近赤外フェムト秒パルス（ポンプパルス）と、発生したテラヘルツ光パルスとが同軸（同じ光軸の意）かそれに近い状況に配置されているために、テラヘルツ光パルスのみを得るにはこれを分離しなければならない。

この問題に対して、従来用いられてきた方法は、高抵抗のシリコンウェハによる分離である。これは、ポンプパルス（つまり励起用レーザ光）にとっては不透明な媒質であるためにシリコンを透過しないが、テラヘルツ光パルスにとっては透過域に当たるためにシリコンを透過するため、シリコンがフィルタとして作用し、テラヘルツ光が得られるというものである。

しかしながら、この方法では実際のところ、ポンプパルスが非常に高強度なパルスなため、一部のポンプパルスがシリコンを透過してしまう。このように、完全な分離はできず、その透過光の強度は無視できない値である。また、シリコンの厚みを増加すると、ポンプパルスの漏れは低下するが、シリコンによるテラヘルツ光の吸収が無視できなくなり、テラヘルツ光パルス強度が低下する。さらに、上記のいずれの場合も、テラヘルツ光パルスの一部はシリコンで反射されてしまうため、反射損失も受けてしまう。

また、異なる波長の光を分波することは、プリズムまたはグレーティングを用いて容易に行なうことができることは、よく知られているが、この場合には、次のような短所がある。
１） 光学素子の損傷の可能性があるため、使用できる光パルスの最大強度に制限がある。
２） 分波するためには、結像光学系及びスリット等を使用して他方の光波を遮断する必要があり、光学系が複雑になる。
３） さらに十分なコントラストで分波するためには、光路長を充分大きく取る必要があり、嵩張り易い。
４） グレーティングの場合、高次光をカットする光学素子が必要になり、プリズムの場合は光波に対して透明である必要がある。

D. Grischowsky, S. Keiding, M. van Exter and Ch. Fattinger, "Far-Infrared Time-Domain Spectroscopy with Terahertz Deams of Dielectrics and Semiconductors," J. Opt. Soc. Am. Vol.7, No. 10, pp.2006-2013 (1990). X.-C. Zhang, Y. Jin and X. F. Ma, "Coherent Measurement of THz Optical Rectification from Electro-Optic Crystals," Appl. Phys. Lett. Vol.61, No.23, pp.2764-2766 (1992).

本発明の目的は、何らかの与えられた周波数を境界に、それ以上の周波数成分とそれ以下の周波数成分とに分波する光学フィルタを、簡単な構成で実現することにある。例えば、テラヘルツ光発生時に、その発生に用いる励起光と、発生したテラヘルツ光とを分離する際に用いることで、分光その他幅広い応用に適用可能な、純粋かつ高強度なテラヘルツ光を提供する。

この発明を用いることで、予め決められた周波数を境界にそれ以上の周波数成分とそれ以下の周波数成分とに分波する光学フィルタを簡単な構成で実現でき、例えば、高い消光比でテラヘルツ光を切り出す光学フィルタを実現できる。

本発明の動作原理を図１に示す。すなわち、入射光を媒質１から媒質２に入射する。媒質２は、自由キャリアの存在する素子であり、テラヘルツ光は全反射し、その他の周波数領域の光は通常の反射あるいは屈折させる。これにより、空間的に２つのビーム（第１、第２電磁ビーム）を分離することができる。以下に、より詳細に説明する。

屈折率ｎ₁の媒質１から屈折率ｎ₂の媒質２に光が界面からθ₁の角度で入射すると、一般に、ｐ波の光は媒質界面において以下の反射を受ける。

上記の媒質の屈折率は、光の角周波数ωによって変わるが、特に媒質に自由キャリアが存在するとプラズマ効果により、屈折率の２乗値である誘電率ε（ω）は以下のような変更を受ける。ここで、ｍはキャリアの質量、ｅは素電荷、Ｎはキャリア密度、ε₀は真空中の誘電率である。

ここでω_pはプラズマ周波数と呼ばれるもので、バルクの場合は以下となる。

ここで注目すべきは、数２において光の周波数がプラズマ周波数よりも小さい場合、媒質の誘電率の実部が負になるということである。これは屈折率が複素数になることを示しているが、例えば、空気（ｎ₁＝１）から複素誘電率ε₂（ε₂＝ｎ₂ ²＝ε_r＋ｉε_i）の媒質に光が入射すると、数１は以下のようになる。

さらに、ε_r、ε_i＞＞１となるような ω_p、ωを取ることができるため、ｒ_pをほぼ１であると近似できる。このことは、プラズマ周波数よりも小さい周波数を持つ光は、媒質界面で全反射を受け、反射前後の位相差が０となることを示している。この場合、媒質界面におけるグース・ヘンシェンシフトなる効果で、媒質界面では、光の入射点からずれた位置に反射点が現れる。一方、プラズマ周波数よりも高い周波数を持つ光は、通常のスネルの法則に従った反射や屈折を界面で受けるため、グース・ヘンシェンシフトは起きない。

このため、同軸上にある２つの光に対して、媒質のプラズマ周波数を２つの光の周波数の中間に設定すれば、反射によるビーム位置が互いにずれることを用いて空間的に分離することができる。さらに一方を完全にブロックすることが可能であり、高い消光比を実現することもできる。また、プラズマ周波数は自由キャリア密度によって決まるため、キャリア密度を制御することにより、分離の境界とする周波数をチューナブルに変えることができる。

より具体的には、本発明の光学フィルタは以下の様に構成する。

まず、本発明の光学フィルタは、プラズマ周波数をもち平坦な表面をもつ分波素子と、
上記分波素子に、上記プラズマ周波数よりも高い周波数成分と低い周波数成分をもった線状あるいは面状の電磁波ビームを入射する入射手段と、
上記分波素子の反射電磁波として生成され、上記電磁波ビームの上記分波素子への入射点から離れた位置で反射しプラズマ周波数より低い周波数をもつ第１電磁ビームと、上記入射点から反射しプラズマ周波数より高い周波数をもつ第２電磁ビームと、から一方の電磁ビームを選択する選択手段と、を備えたものとする。

また、上記の分波素子は、Ｎ型あるいはＰ型にドープした半導体基板を用いて、上記光学フィルタ構成することもできる。

また、上記半導体基板は、電磁波ビーム入射部分が半導体量子井戸構造を備えることで、キャリア密度を制御することが可能となり、高性能な(例えば、テラヘルツ光と励起光との分離距離が大きい)光学フィルタを構成することができる。

また、上記の構成に加えてさらに、電磁波ビーム入射部分のキャリア濃度を変化させる電極と、
前記電極への印加電圧を変化させる手段を備えることで、前記印加電圧を変化させて上記分波特性を調整することができるようになる。

あるいは、さらに、電磁波ビーム入射部分のキャリア濃度を変化させる磁界発生源と、
前記磁界発生源による磁界を変化させる磁界制御手段を備えることで、前記磁界を変化させて上記分波特性を調整することができるようになる。

あるいは、さらに、電磁波ビーム入射部分のキャリア濃度を変化させる圧力印加手段と、
前記圧力印加手段による印加圧力を変化させる圧力制御手段を備えることで、前記印加圧力を変化させて上記分波特性を調整することができるようになる。

あるいは、さらに、電磁波ビーム入射部分のキャリア濃度を変化させる励起光入射手段と、
前記励起光入射手段による励起光を変化させる励起光制御手段を備えることで、前記励起光を変化させて上記分波特性を調整することができるようになる。

あるいは、さらに、電磁波ビーム入射部分の温度を変化させる加熱または冷却手段と、
前記加熱または冷却手段を制御する温度制御手段を備えることで、前記電磁波ビーム入射部分の温度を変化させて上記分波特性を調整することができるようになる。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

図２に第１の実施例を示す。ここに挙げる例は、ＩｎＡｓ（インジウム砒素）基板１を分波素子に用いる例についてものである。この実施例では、入射光３として、ノンドープＩｎＡｓ基板表面へ近赤外光とテラヘルツ光を、スリット１１を通して、４５度の角度で入射する。このテラヘルツ光は、レーザ励起型テラヘルツ発生装置からのもので、励起用のレーザ光と同じ光軸あるいは同じ光路にある。ここで、入射光は、線状あるいは面状の電磁波ビームであり、また、基板表面は平坦である。

ＩｎＡｓ基板１はノンドープの状態でも、表面のピン止め効果により表面近傍に電子が蓄積しており、このときのプラズマ周波数は約１．５ＴＨｚ程度となる。ここに例えばレー起用光としての約８００ｎｍの近赤外光と、生成された１ＴＨｚ程度のテラヘルツ光を同軸で入射させると、テラヘルツ光４ｂ（第１電磁ビーム）と近赤外光４ａ（第２電磁ビーム）が反射光となる。ここで、ω（テラヘルツ光４ｂ）＜ω_p＜ω（近赤外光４ａ）の関係となるために、テラヘルツ光４ｂがグース・ヘンシェンシフトを受け、近赤外光４ａに対して２００μｍ程度ずれる。

ここで、反射後の光路に、ビームブロック用の遮蔽板２を、マイクロメータなどの位置制御ができるようにして、設置しておく。この遮蔽板２で近赤外光４ａをブロックするように調整すれば、出力としてテラヘルツ光４ｂのみ得ることができる。逆に、テラヘルツ光４ｂを遮って近赤外光４ａを取り出すようにすることは容易である。

また、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）基板１ｃ上のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸１ａを用いる分波素子の例について、図３に示す。

この分波素子では、ＧａＡｓ基板上１ｃにＭＢＥ成長法などにより量子井戸構造１ａを形成しており、基板側からｉ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層（０．１μｍ厚）、ｉ−ＧａＡｓ層（０．０１７μｍ厚）、ｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層（０．０７７μｍ厚）、ｉ−ＧａＡｓ層（０．００５μｍ厚）としている。さらに、この試料に対し、表面に半透明電極１ｂ（例えば薄いＮｉＣｒ）を蒸着することにより、ゲート電極を形成する。

この分波素子への入射光３や遮蔽板２の配置を、上記の実施例１と同様の構成とすると、先と同様に、ドープした量子井戸層のキャリア密度で決まるプラズマ周波数ω_pに対して、ω（テラヘルツ光４ｂ）＜ω_p＜ω（近赤外光４ａ）、を満たすテラヘルツ光が分離される。

特に、本実施例の場合、ゲート電極１ｂに印加する電圧を変えることにより、キャリア密度を変化することができる。これによってω_pが可変となり、このためテラヘルツ光を分波する際に境界となる周波数を変えられる。つまり、チューナブルフィルタの働きも持たせることができる。

図４に、第３の実施例を示す。ここでは、分波素子として基板５a上の層状ペロブスカイト型マンガン酸化物５ｂ、例えば（Ｌａ_0.9Ｎｄ_0.1）_1.3Ｓｒ_1.6Ｍｎ_2O7、を用いている。この分波素子入射光３あるいは遮蔽板２等について実施例１と同様の構成をとり、かつ外部から磁場６を印加すると、試料の磁場誘起相転移により、キャリア密度を変化させることができるため、プラズマ周波数ω_pが可変となる。これで、テラヘルツ光を切り出す際のプラズマ周波数を変えられ、チューナブルフィルタの働きを持たせることができる。磁場の印加には、永久磁石、電磁石どちらでも用いることができる。磁界の強度変化は、永久磁石の場合は、入射光の入射点との距離を変えることで、また、電磁石の場合は、電磁石用の電流の強度変化で行なうことが出来る。

図５に、第４の実施例を示す。ここでは、層状ペロブスカイト型マンガン酸化物７ｂ（例えば、Ｌａ_1.0４Ｓｒ_1.96Ｍｎ_2O7）を分波素子として用いている。この分波素子への入射光３あるいは遮蔽板２等について実施例１と同様の構成をとり、近赤外光とテラヘルツ光には透明な材料で作られた圧力印加用のアンビル８ａ、８ｂを用いて、外部から圧力を印加すると、試料の圧力誘起相転移によりキャリア密度を変化させることができる。この現象のため、プラズマ周波数ω_pが可変となる。つまり、テラヘルツ光を切り出す際のプラズマ周波数を変えられ、チューナブルフィルタの働きを持たせることができる。

図６に、第５の実施例を示す。ここでは、ＧａＡｓ基板１上にＭＢＥ（分視線エピタキシー）成長法などにより量子井戸１ａを成長しており、基板側からｉ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層（０．１μｍ厚）、ｉ−ＧａＡｓ層（０．０１７μｍ厚）、ｉ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層（０．０７７μｍ厚）、ｉ−ＧａＡｓ層（０．００５μｍ厚）としている。この分波素子への入射光３あるいは遮蔽板２等について、実施例１と同様の構成をとり、かつ入射光の集光点と同じ位置に、外部からキャリア励起用レーザ光９を照射し、これを断続すると、量子井戸１ａ中のキャリア密度が変化する。この現象を用いて、キャリア励起用レーザ光９の強度を変えて、プラズマ周波数ω_pを制御することができる。これにより、テラヘルツ光を切り出すプラズマ周波数を可変にでき、チューナブルフィルタの働きを持たせることができる。

図７に、第６の実施例を示す。ここでは、分波素子にノンドープのＩｎＡｓ基板１を用いている。この分波素子への入射光３あるいは遮蔽板２等について実施例１と同様の構成をとり、さらに可変温度制御機構１０で分波素子温度を変化させると、温度変化によってキャリア密度が変化するので、プラズマ周波数ω_pを可変にすることができる。これにより、切り出すテラヘルツ光の周波数を制御でき、チューナブルフィルタの働きを持たせることができる。

また、上記の他、平坦な表面をもちプラズマ周波数を持つものであれば、本発明の分波素子として用いることができることは明らかである。

また、上記においては、テラヘルツ光（第１電磁ビーム）と近赤外光（第２電磁ビーム）とは、遮蔽板を用いて分離したが、これらの光の間隔が充分に大きくない時には、凸面鏡や凹レンズをビームスプリッタとして用いて、それらの間隔を充分に大きくした上で遮蔽板を用いることが望ましい。

上記の説明に於いては、テラヘルツ光の生成に本発明を適用する場合の例を示したが、本発明は、与えられた周波数より高い周波数のグループとより低い周波数のグループに分ける場合一般に適用できるものであり、さらに広範囲の領域で用いることができることは明らかである。

本発明の動作原理を示す図である。 本発明の基本構成を示す図である。 電圧印加によって分波特性を制御する例を示す模式図である。 磁界印加によって分波特性を制御する例を示す模式図である。 圧力印加によって分波特性を制御する例を示す模式図である。 キャリア励起光照射によって分波特性を制御する例を示す模式図である。 温度制御によって分波特性を制御する例を示す模式図である。 従来のテラヘルツ波発生の原理を示す模式図である。

符号の説明

１ ＩｎＡｓ（インジウム砒素）基板
１ａ 量子井戸
２ 遮蔽板
３ 入射光
４ａ 近赤外光
４ｂ テラヘルツ光
５ｂ 層状ペロブスカイト型マンガン酸化物
６ 磁場
７ｂ 層状ペロブスカイト型マンガン酸化物
８ａ、８ｂ アンビル
９ キャリア励起用レーザ光
１０ 可変温度制御機構
１１ スリット

Claims (8)

1. プラズマ周波数をもち平坦な表面をもつ分波素子と、
   上記分波素子に、上記プラズマ周波数よりも高い周波数成分と低い周波数成分をもった線状あるいは面状の電磁波ビームを入射する入射手段と、
   上記分波素子の反射電磁波として生成され、上記電磁波ビームの上記分波素子への入射点から離れた位置で反射しプラズマ周波数より低い周波数をもつ第１電磁ビームと、上記入射点から反射しプラズマ周波数より高い周波数をもつ第２電磁ビームと、から一方の電磁ビームを選択する選択手段と、
   を備えることを特徴とする光学フィルタ。
2. 上記の分波素子はＮ型あるいはＰ型にドープした半導体基板を用いたことを特徴とする、請求項１に記載の光学フィルタ。
3. 上記半導体基板は電磁波ビーム入射部分が半導体量子井戸構造を備えることを特長とする、請求項２に記載の光学フィルタ。
4. さらに、
   電磁波ビーム入射部分のキャリア濃度を変化させる電極と、
   前記電極への印加電圧を変化させる手段を備え、
   前記印加電圧を変化させて上記分波特性を調整することを特徴とする、請求項２あるいは３のいずれか１つに記載の光学フィルタ。
5. さらに、
   電磁波ビーム入射部分のキャリア濃度を変化させる磁界発生源と、
   前記磁界発生源による磁界を変化させる磁界制御手段を備え、
   前記磁界を変化させて上記分波特性を調整することを特徴とする、請求項１、２あるいは３のいずれか１つに記載の光学フィルタ。
6. さらに、
   電磁波ビーム入射部分のキャリア濃度を変化させる圧力印加手段と、
   前記圧力印加手段による印加圧力を変化させる圧力制御手段を備え、
   前記印加圧力を変化させて上記分波特性を調整することを特徴とする、請求項１、２あるいは３のいずれか１つに記載の光学フィルタ。
7. さらに、
   電磁波ビーム入射部分のキャリア濃度を変化させる励起光入射手段と、
   前記励起光入射手段による励起光を変化させる励起光制御手段を備え、
   前記励起光を変化させて上記分波特性を調整することを特徴とする、請求項１、２あるいは３のいずれか１つに記載の光学フィルタ。
8. さらに、
   電磁波ビーム入射部分の温度を変化させる加熱または冷却手段と、
   前記加熱または冷却手段を制御する温度制御手段を備え、
   前記電磁波ビーム入射部分の温度を変化させて上記分波特性を調整することを特徴とする、請求項１、２あるいは３のいずれか１つに記載の光学フィルタ。

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