JP2014081345A

JP2014081345A - センサ

Info

Publication number: JP2014081345A
Application number: JP2012247072A
Authority: JP
Inventors: Masaya Tamura; 昌也田村
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2014-05-08

Abstract

【課題】感度の高いセンサの実現。
【解決手段】本発明のセンサは、周波数ｆ１の第１電磁波を出力する第１信号源と、周波数ｆ２の第２電磁波を出力する第２信号源と、第１信号源から出力された第１電磁波と第２信号源から出力された第２電磁波とが共に入射される非線形光学結晶と、検出器とを有し、非線形光学結晶は、周波数ｆ１とｆ２の差周波数ｆ３の電磁波を放射する差周波放射部と、差周波数ｆ３の電磁波を入射する差周波入射部と、周波数ｆ２の電磁波を前記検出器へ放射する検出波放射部とを備え、第１電磁波と第２電磁波とは非線形光学結晶の内部において干渉するように入射され、第１電磁波と差周波入射部から入射された差周波数ｆ３の電磁波とは非線形光学結晶の内部において干渉し、その結果生じた周波数ｆ２の電磁波が検出波放射部から放射されることを特徴とする。
【選択図】図１ｂ

Description

本発明は、例えばテラヘルツ波や近赤外光等を使ったセンサに関するものである。

昨今、テラヘルツ波帯や近赤外光を使ったセンサの開発が進められている。たとえば、これら波長帯には分子の振動励起が存在することから、テラヘルツ波や近赤外光をある対象物へ反射・透過させ、その吸収量を測定することで、非破壊で当該対象物の組成を調べることができる。

このようなセンサを実現するためには、テラヘルツ波帯や近赤外光の発生回路が重要となるため、盛んに検討されている。テラヘルツ波を例にとっても、これまでにたくさんの発生回路が提案されており、その中でも経済的で、かつ、容易にテラヘルツ波を生成できるということで、特許文献１に示される差周波数発生法を用いる技術が期待されている。

この技術は、図６に示すとおり、非線形光学結晶４０に２つのコヒーレント光である第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２とを入射させることで、その差周波数に対応したテラヘルツ波を発生させるものである。差周波数を生成するために必要となる位相整合は、チェレンコフ位相整合が利用されている。この整合方法は、差周波非線形光学結晶４０の厚みが入射された２つのコヒーレント光の波長に対して半分以下の場合に適用される。それは、非線形光学結晶４０内に入射された光は光子（荷電粒子）とみなすことができるためである。光子の結晶内伝搬速度が差周波数のそれよりも遅くなるような屈折率分散を持つ非線形光学結晶４０を用いることで、位相整合が成立する。この非線形光学結晶４０に差周波数よりも十分厚い光学素子を設置することでテラヘルツ波が放射される。

このセンサ構造は２波の入射光を使用することから、半導体レーザでは実現が難しいテラヘルツ波帯から近赤外光帯までの波長帯を励起する光源として用いられている。

励起された光源は対象物へ照射され、反射・透過された光をボロメータで検出し、対象物での吸収量を測定することで、非破壊で当該対象物の組成を調べる。

特開２０１０−２０４４８８号公報

しかしながら、従来のセンサでは、ボロメータの近傍に存在する熱源等から生ずるノイズにより、感度が劣化するという課題を有していた。

この目的を達成するために、本発明のセンサは、周波数ｆ１の第１電磁波を出力する第１信号源と、周波数ｆ２の第２電磁波を出力する第２信号源と、第１信号源から出力された第１電磁波と第２信号源から出力された第２電磁波とが共に入射される非線形光学結晶と、検出器とを有し、非線形光学結晶は、周波数ｆ１とｆ２の差周波数ｆ３の電磁波を放射する差周波放射部と、差周波数ｆ３の電磁波を入射する差周波入射部と、周波数ｆ２の電磁波を前記検出器へ放射する検出波放射部とを備え、第１電磁波と第２電磁波とは非線形光学結晶の内部において干渉するように入射され、第１電磁波と差周波入射部から入射された差周波数ｆ３の電磁波とは非線形光学結晶の内部において干渉し、その結果生じた周波数ｆ２の電磁波が検出波放射部から放射されることを特徴とする。

本発明のセンサは、測定対象へ照射され、反射散乱された差周波数ｆ３の電磁波を、直接、検出器で測定する構成を採用せず、一旦、非線形光学結晶へ入射した後、周波数ｆ１の電磁波と干渉させて周波数ｆ２の電磁波に変換し、この周波数ｆ２の電磁波を検出器で測定する構成を採用している。この結果、熱源等から生ずるインコヒーレントな性質を持つノイズは非線形光学結晶内で周波数ｆ２の電磁波へ変換されないため、感度の高いセンサを実現できる。

本発明のセンサの斜視展開図本発明のセンサの断面図本発明のセンサの断面図本発明のセンサの断面図本発明のセンサの断面図本発明のセンサの断面図本発明のセンサの断面図本発明のセンサの断面図図１ｂの光パラメトリック効果を表すベクトル図図２ｂの光パラメトリック効果を表すベクトル図本発明のセンサの斜視展開図本発明のセンサの断面図本発明のセンサの斜視展開図本発明のセンサの断面図従来のセンサの断面図

（実施の形態１）
以下、実施の形態１に係る本発明のセンサついて、図１ａ、図１ｂ、図１ｃを用いて説明する。図１ａ、図１ｂにおいて、本発明のセンサ１は、周波数ｆ１の電磁波（第１電磁波）を出力する第１信号源３４と、周波数ｆ２の電磁波（第２電磁波）を出力する第２信号源３５と、２つの周波数ｆ１およびｆ２の電磁波が入力部１１より入力される２次の非線形光学結晶１２と、検出器１６とを有している。更に、非線形光学結晶１２は、周波数ｆ１とｆ２の差周波数ｆ３の電磁波を放射する差周波放射部１３と、差周波放射部１３から放射された電磁波を測定対象物（図示せず）に照射した結果、反射された差周波数ｆ３の電磁波が入射される差周波入射部１４と、周波数ｆ２の電磁波を検出器１６へ放射する検出波放射部１５とを備えている。また、第１電磁波と第２電磁波とは非線形光学結晶１２の内部において干渉するように入射され、第１電磁波と差周波入射部１４から入射された差周波数ｆ３の電磁波とは非線形光学結晶１２の内部において干渉し、その結果生じた周波数ｆ２の電磁波が検出波放射部１５から放射されて検出器１６へ入射される。

尚、入力部１１とは、非線形光学結晶１２の表面において、第１電磁波と第２電磁波とが入力される領域を指している。また、差周波放射部１３とは、非線形光学結晶１２の表面において、第１電磁波と第２電磁波との干渉により発生した差周波数ｆ３の電磁波が放射される領域を指している。更に、差周波入射部１４とは、非線形光学結晶１２の表面において、測定対象物から反射されてきた差周波数ｆ３の電磁波が入射される領域を指している。また、検出波放射部１５とは、非線形光学結晶１２の表面において、第１電磁波と差周波入射部１４から入射された差周波数ｆ３の電磁波との干渉により発生した差周波数ｆ２の電磁波（検出波）が放射される領域を指している。尚、入力部１１と差周波放射部１３と差周波入射部１４と検出波放射部１５とが非線形光学結晶の表面において重複しないように配置されていても良い。

次に、実施の形態１に係る本発明のセンサ１の動作を図１ｂを使って説明する。センサ１は、２つの周波数ｆ１およびｆ２の電磁波が入力部１１から非線形光学結晶１２へ入力される。ここで、入力部１１へ入射される２つの周波数ｆ１およびｆ２の電磁波は、互いにコヒーレントである電磁波を指している。

例えば、２つの周波数ｆ１およびｆ２の周波数差｜ｆ１−ｆ２｜が１ＴＨｚ以上となるように、２つの周波数ｆ１およびｆ２を選択してもよい。

図１ｂにおいて、周波数ｆ１の第１電磁波と周波数ｆ２の第２電磁波とは、非線形光学結晶１２の内部において角度θ２で交差・干渉するように入射される。図１ｂにおいては、第１電磁波を入力部１１の面に対して垂直に入射し、第２電磁波を第１電磁波に対して入射角φだけチルトさせて入力部１１へ入射した。

周波数ｆ１の第１電磁波および周波数ｆ２の第２電磁波は共にコヒーレントな性質を有するため、２次の非線形光学結晶１２の内部において、非線形光学理論に基く光パラメトリック効果によりシグナル光とアイドラー光を生成する。本発明では、アイドラー光を差周波数ｆ３の電磁波と呼んでいる。コヒーレント光しか光パラメトリック効果を利用することができないので、太陽光や蛍光灯からなるインコヒーレント光は差周波生成に影響を与えることはない。つまり、本発明のセンサ１においては、これらのノイズ源を除去することができる。

詳しくは、２つの周波数ｆ１およびｆ２の電磁波の角周波数をω１，ω２とすると、生成される差周波数ｆ３の角周波数ω３はエネルギー保存則を示す（数１）で決定される。差周波数ｆ３もコヒーレントである電磁波を指している。

ここで、ｈはプランク定数を示している。

また、生成される差周波数ｆ３が放射される方向は、ｆ１、ｆ２、ｆ３の波数ベクトルｋ１、ｋ２、ｋ３を用いて運動量保存則を示す（数２）で決定される。

これより、図３ａに示すように、生成される差周波数ｆ３の電磁波の第２電磁波（ｆ１＞ｆ２と仮定）に対する放射角度θ１は（数３）で求めることができる。

ここで、θ２は非線形光学結晶内を伝搬する第１電磁波と第２電磁波とがなす角である。

ここで、周波数ｆ１の第１電磁波を励起光、周波数ｆ２の第２電磁波をシード光と呼ぶ。

周波数ｆ１の励起光と周波数ｆ２のシード光とが非線形光学結晶１２の内部で互いに交差・干渉することによって差周波数ｆ３のアイドラー光が生成され、シード光となす角θ１の方向に放射される。

例えば、第１信号源３４、第２信号源３５に可視光帯のレーザダイオードを選択することで、安価で容易にテラヘルツ波帯から近赤外光までの差周波数ｆ３の電磁波を生成することができる。一例を挙げると、ｆ１を６３３．８ＴＨｚ（波長：４７３ｎｍ）、ｆ２を６１４ＴＨｚ（波長：４８８ｎｍ）とすると、ｆ３は１９．５ＴＨｚ（波長：１５．４μｍ）のテラヘルツ波帯を、ｆ１を８００ＴＨｚ（波長：３７５ｎｍ）、ｆ２を５８２ＴＨｚ（波長：５１５ｎｍ）とするとｆ３は２２２ＴＨｚ（波長：１３５０ｎｍ）の近赤外光となる。

非線形光学結晶１２の内部で生成された差周波数ｆ３の電磁波は差周波放射部１３より非線形光学結晶１２の外部へ放射される。非線形光学結晶１２の外部へ放射された差周波数ｆ３の電磁波は測定対象物に照射され、測定対象物の内部まで入り込み、反射される。この際、差周波数ｆ３の電磁波の一部は測定対象物によって吸収されるが、その吸収量に応じて反射される差周波数ｆ３の電磁波の振幅は減少する。この差周波数ｆ３の電磁波の振幅の減少量を基に測定対象物の情報を取得することができる。

測定対象物によって反射された差周波数ｆ３の電磁波は、非線形光学結晶１２の差周波入射部１４より非線形光学結晶内に入射される。入射した差周波数ｆ３の電磁波はシード光となり、周波数ｆ１の第１電磁波が励起光となって、両者の電磁波が交差・干渉する非線形光学結晶１２内の領域において差周波数ｆ４のアイドラー光を検出波として新たに生成する。このとき、シード光となる差周波数ｆ３の電磁波が保有している測定対象物の情報は、生成された差周波数ｆ４のアイドラー光に引き継がれる。すなわち、差周波数ｆ３の電磁波が測定対象物によって受けた振幅の減少量に応じて、差周波数ｆ４の検出波の振幅も減少する。この検出波は検出波放射部１５から放射され検出器１６により検知し、その振幅変化から測定対象物の情報を取得する。

尚、この検出波の周波数ｆ４は、非線形光学結晶１２に入射された第２電磁波の周波数ｆ２と同じ周波数を示す。すなわち、ｆ２＝ｆ４となる。

例えば、周波数ｆ１の第１電磁波を可視光帯のレーザダイオード（第１信号源３４に相当）により供給した場合、差周波数ｆ３にテラヘルツ波や近赤外光を選択することで、差周波数ｆ４は可視光帯となる。検出波が可視光帯となるように設定できれば、検出器１６をフォトダイオードのみで実現でき、安価に測定対象物の情報を得ることができる。また、周波数ｆ４付近の周波数帯に対応した分光器を使って検出波を分光し、分光されたそれぞれの光を解析することで、上述のフォトダイオードによる検出方法よりも高精度に測定対象物の情報を得ることができる。一例を挙げると、ｆ１を６３３．８ＴＨｚ（波長：４７３ｎｍ）とし、ｆ３を１９．５ＴＨｚ（波長：１５．４μｍ）のテラヘルツ波とすると、ｆ４は６１４ＴＨｚ（波長：４８８ｎｍ）の可視光帯となる。また、ｆ１を８００ＴＨｚ（波長：３７５ｎｍ）、ｆ３を２２２ＴＨｚ（波長：１３５０ｎｍ）の近赤外光とすると、ｆ４は５８２ＴＨｚ（波長：５１５ｎｍ）の可視光帯となる。

非線形光学結晶１２に入力される２つの電磁波がコヒーレントである場合にしか、それら電磁波の差周波数の電磁波を生成することはできないので、ノイズ源となる太陽光や蛍光灯等のインコヒーレント光は差周波数の電磁波の生成に影響を与えることはない。つまり、非線形光学結晶１２の内部において生成された検出波ｆ４（＝ｆ２）は外部ノイズの影響を受けることなく、測定対象物の情報を有していることになり、感度の高いセンサを実現することができる。

尚、検出波の周波数ｆ４は、非線形光学結晶１２に入射される第２電磁波の周波数ｆ２と同じ周波数となるので、両電磁波が混在することを防ぐため、検出波放射部１５は第２電磁波の伝搬軸上（電磁波が光の場合は光軸上）に設置されない構成としても良い。これにより検出波放射部１５から第２電磁波が放射されることを防止でき、検出器１６での検出波の検出精度を向上させることができる。同様に、周波数ｆ１の第１電磁波についても検出波の周波数ｆ４と近い周波数帯を選択する場合があることから、第１電磁波の伝搬軸上に検出波放射部１５を設置しない構成としても良い。この場合も検出器１６での検出波の検出精度を向上させることができる。

なお、非線形光学結晶１２に入射された第２電磁波の伝搬軸上に検出波放射部１５が配置される場合、差周波数ｆ４の検出波に第２電磁波のエネルギーが重なり合わさることになる為、検出器１６において第２電磁波のエネルギー分だけオフセットする補正を行うことが望ましい。この場合、予め、検出器１６に入力される第２電磁波の大きさを把握しておけばよい。

なお、図１ｃに示すように、非線形光学結晶１２の周囲の少なくとも一部領域または検出器１６の周囲の少なくとも一部領域が、遮光材１７により覆われている構造を有していてもよい。そうすることにより、非線形光学結晶１２や検出器１６の周囲から到来するノイズの影響を抑圧でき、高感度なセンサを実現できる。

実施の形態１に係るセンサ１は、入力部１１、差周波放射部１３、差周波入射部１４、検出波放射部１５とが一体化された構造を有していることにより、センサを小型にできると共に、熱源や太陽光などのノイズの影響を受けず、小型で高感度なセンサを実現できる。

なお、図１ｄに示すように、差周波数ｆ３を放射する差周波放射部１３と差周波数ｆ３が入射する差周波入射部１４とが対向する非線形光学結晶１２の面に、周波数ｆ３の電磁波を反射する反射膜１８を施しても良い。これにより、反射膜１８が配置されている側から非線形光学結晶１２へ入射するコヒーレントなノイズを反射させることができ、センサ１の感度が劣化することを回避することができる。またこの場合、図１ｄに示すように、非線形光学結晶１２に入射される周波数ｆ１の第１電磁波と周波数ｆ２の第２電磁波とが交差する領域から反射膜１８までの距離ｄが、差周波数ｆ３の波長λ３に対し、（数４）を満たす構成としても良い。

ここで、θ２＜θ３
（数４）を満たすことで、直接的に差周波放射部１３へ向かった周波数ｆ３の電磁波と、一旦、反射膜１８で反射して差周波放射部１３へ向かった電磁波の位相が概ね同相となって強め合うため、差周波数の電磁波の出力を大きくすることができる。

また、図１ｄに示すように、シード光であるｆ２の電磁波の伝搬軸上に反射膜１８を配置しない構成としても良い。これにより、シード光が反射膜１８で反射して検出波放射部１５から検出器１６へ入力され、センサ１の感度が劣化されることを防止できる。

尚、非線形光学結晶１２へ入射された周波数ｆ２の電磁波のスポット径が周波数ｆ１の電磁波のスポット径よりも大きい構成としても良い。励起光である周波数ｆ１の電磁波のスポット径が小さいとエネルギー密度が高くできるため、効率よく差周波数ｆ３の電磁波を生成できる。また、シード光である周波数ｆ２の電磁波のスポット径を広げることで、励起光と交差させ易くなる。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２に係る本発明のセンサついて、図２ａ、図２ｂを用いて説明する。実施の形態２に係る本発明のセンサ２０は、周波数ｆ１１の第１電磁波を出力する第１信号源３４と、周波数ｆ１２の第２電磁波を出力する第２信号源３５と、第１信号源３４から出力された第１電磁波と第２信号源３５から出力された第２電磁波とが共に入力部２１から入射される第１非線形光学結晶２２と、第１非線形光学結晶２２と接する測定用セル（測定領域）２４と、測定領域２４と接する第２非線形光学結晶２６と、検出器１６とを有している。更に、第１非線形光学結晶２２は、周波数ｆ１１とｆ１２の差周波数ｆ１３の電磁波を測定用セル２４へ放射する差周波放射部２３を備え、第２非線形光学結晶２６は、差周波数ｆ１３の電磁波を入射する差周波入射部２５と、周波数ｆ１１の電磁波を入射するｆ１１電磁波入射部２９と、周波数ｆ１２の電磁波を検出器１６へ放射する検出波放射部２７とを備えている。そして、第１電磁波と第２電磁波とは第１非線形光学結晶２２の内部において干渉するように入射され、ｆ１１電磁波入射部２９から入射された周波数ｆ１１の電磁波と差周波入射部２５から入射された差周波数ｆ１３の電磁波とは第２非線形光学結晶２６の内部において干渉し、その結果生じた周波数ｆ１２の電磁波が検出波放射部２７から放射される。尚、測定用セル２４の底面の一部または全部には反射板２８が配置されていてもよい。これにより第１信号源３４から放射された励起光を反射板２８で反射させて第２非線形光学結晶２６へ入射させることができるため、１つの励起光源でセンサ２０を実現することが可能となる。

次に、図２ａ、図２ｂに示した実施の形態２に係る本発明のセンサの動作を説明する。センサ２０において、２つの周波数ｆ１１およびｆ１２の電磁波が入力部２１から２次の第１非線形光学結晶２２へ入力される。ここで、入力部２１へ照射される２つの周波数ｆ１１およびｆ１２の電磁波は、互いにコヒーレントな性質を有する電磁波となっている。例えば、２つの周波数ｆ１１およびｆ１２の周波数差｜ｆ１１−ｆ１２｜が１ＴＨｚ以上となるように、２つの周波数ｆ１１およびｆ１２を選択してもよい。

図２ｂでは、２つの周波数ｆ１１、ｆ１２の電磁波は、ｆ１１とｆ１２のなす角がθ３となるようにセンサ２０の入力部２１へ入射される。入力された２つの周波数ｆ１１およびｆ１２は共にコヒーレントな性質を有するため、２次の第１非線形光学結晶２２の内部において、非線形光学理論に基く光パラメトリック効果によりシグナル光とアイドラー光を生成する。ここでは、アイドラー光を差周波数ｆ１３と呼んでいる。コヒーレント光しか光パラメトリック効果を利用することができないので、太陽光や蛍光灯からなるインコヒーレント光は差周波生成に影響を与えることはない。つまり、これらのノイズ源を除去することができ、高感度なセンサを実現できる。

詳しくは、２つの周波数ｆ１１およびｆ１２の電磁波の角周波数をω１１，ω１２とすると、生成される差周波数ｆ１３の電磁波の角周波数ω１３はエネルギー保存則を示す（数５）で決定される。差周波数ｆ１３の電磁波もコヒーレントである。

ここで、ｈはプランク定数を示している。

また、生成される差周波数ｆ１３の電磁波が放射される方向は、ｆ１１、ｆ１２、ｆ１３の波数ベクトルｋ１１、ｋ１２、ｋ１３を用いて運動量保存則を示す（数６）で決定される。

これより、図３ｂに示すように生成される差周波数ｆ１３の電磁波と周波数ｆ１２の電磁波とが為す放射角度θ３は、（数７）で求めることができる。

ここで、θ４は非線形光学結晶内を伝搬する入射波ｆ１１とｆ１２がなす角である。

周波数ｆ１１の励起光と周波数ｆ１２のシード光によって差周波数ｆ１３であるアイドラー光が生成され、周波数ｆ１２の電磁波となす角θ３で放射される。

例えば、ｆ１１、ｆ１２の信号源として可視光帯のレーザダイオードを選択することで、テラヘルツ波帯から近赤外光までの差周波数ｆ１３の電磁波を生成することができる。一例を挙げると、ｆ１１を６３３．８ＴＨｚ（波長：４７３ｎｍ）、ｆ１２を６１４ＴＨｚ（波長：４８８ｎｍ）とすると、ｆ１３は１９．５ＴＨｚ（波長：１５．４μｍ）のテラヘルツ波帯を、ｆ１１を８００ＴＨｚ（波長：３７５ｎｍ）、ｆ１２を５８２ＴＨｚ（波長：５１５ｎｍ）とするとｆ１３は２２２ＴＨｚ（波長：１３５０ｎｍ）の近赤外光となる。

放射された差周波数ｆ１３の電磁波は差周波放射部２３より第１非線形光学結晶２２の外部へ放射される。第１非線形光学結晶２２の外部へ放射された差周波数ｆ１３の電磁波は測定用セル２４を透過する。

この際、測定用セル２４に充填された測定対象物により差周波数ｆ１３の電磁波の一部は吸収されるが、その吸収量に応じて反射・透過される差周波数ｆ１３の電磁波の振幅は減少する。この差周波数ｆ１３の電磁波の振幅の減少量を基に測定対象物の情報を取得することができる。

差周波数ｆ１３の電磁波は第１非線形光学結晶２２が有する差周波放射部２３に対し、第１非線形光学結晶２２の内側から垂直に入射される構成としてもよい。これにより、測定用セル２４における差周波数ｆ１３の電磁波の伝搬距離が短くでき、信号源の出力エネルギーが小さくても動作するセンサを実現できる。

また、第１非線形光学結晶２２の一部表面（入力部２１と差周波放射部２３が配置されている領域以外の表面）に反射板２８を実施しても良い。この場合、図２ｂに示す差周波数ｆ１３の電磁波が生成される点から反射板までの距離ｔが、差周波数ｆ１３の波長λ１３に対し、周波数ｆ１１の電磁波と周波数ｆ１２の電磁波の交差点から反射板２８に下ろした垂線に対し、差周波数ｆ１３の電磁波がなす角をβ（図示せず）とすると、

を満たすことが望ましい。そうすることで、直接、差周波放射部２３へ向かった差周波数ｆ１３の電磁波と反射板２８で反射されて差周波放射部２３へ向かった差周波数ｆ１３の電磁波の位相が同相となって強め合い、差周波数ｆ１３の電磁波の出力を大きくすることができる。

入力部２１から入射された電磁波の一方、ここでは周波数ｆ１１の電磁波とするが、周波数ｆ１１の電磁波は、差周波数ｆ１３の電磁波と同様に測定用セル２４へ放射される。放射された周波数ｆ１１の電磁波は測定用セル２４の底面に設けた反射板２８によって全反射され、第２非線形光学結晶２６へ入射される。尚、周波数ｆ１１の電磁波の一部は、測定用セル２４を伝搬中に、測定用セル２４に配置されている測定対象物によって吸収されるが、その吸収量は差周波数ｆ１３の電磁波に比べて非常に小さい。このため、第２非線形光学結晶中でも励起光として活用できる。

周波数ｆ１２の電磁波については、第１非線形光学結晶２２の外部へ放射されないように、すなわち、第１非線形光学結晶２２の内部から表面へ到達した周波数ｆ１２の電磁波が全反射するように、入力部２１に対する周波数ｆ１２の電磁波の入射角を最適に設定してもよい。また、第１非線形光学結晶２２の表面に周波数ｆ１２の電磁波が反射する部材を配置してもよい。これにより、第１非線形光学結晶２２の内部を伝搬する周波数ｆ１２の電磁波が検出器１６へ到達することを回避でき、高感度なセンサを実現できる。

なお、測定用セル２４は着脱可能な構成としてもよい。これにより、測定用セル２４のみの洗浄・交換が可能となり、測定作業が容易なセンサを実現できる。

測定用セル２４を透過した差周波数ｆ１３の電磁波は、第２非線形光学結晶２６の差周波入射部２５より第２非線形光学結晶２６内に入射される。ｆ１１電磁波入射部より入射された周波数ｆ１１の電磁波は励起光として機能し、第２非線形光学結晶２６内に入射された差周波数ｆ１３の電磁波はシード光として機能する。これら２つの電磁波を交差・干渉させることで、差周波数ｆ１４の電磁波であるアイドラー光を検出波として新たに生成する。このとき、シード光となる差周波数ｆ１３の電磁波が保持している測定対象物の情報は、新たに生成されたアイドラー光ｆ１４に引き継がれる。すなわち、差周波数ｆ１３の電磁波が測定対象物によって受けた振幅の減少量に応じて、差周波数ｆ１４の検出波の振幅も減少する。

ここで、差周波数ｆ１４の検出波の周波数は、第１非線形光学結晶２２に入射された周波数ｆ１２の電磁波と同じ周波数となる。すなわち、周波数ｆ１２＝周波数ｆ１４となる。

例えば、ｆ１１に可視光帯のレーザダイオードを、ｆ１３にテラヘルツ波や近赤外光を選択することで、可視光帯のｆ１４が生成される。一例を挙げると、ｆ１１を６３３．８ＴＨｚ（波長：４７３ｎｍ）、ｆ１３を１９．５ＴＨｚ（波長：１５．４μｍ）のテラヘルツ波とすると、ｆ１４は６１４ＴＨｚ（波長：４８８ｎｍ）の可視光帯、ｆ１１を８００ＴＨｚ（波長：３７５ｎｍ）、ｆ１３を２２２ＴＨｚ（波長：１３５０ｎｍ）の近赤外光とすると、ｆ１４は５８２ＴＨｚ（波長：５１５ｎｍ）の可視光帯となる。

ここで、第２非線形光学結晶２６の内部では、コヒーレントな性質を持つ２つの光（電磁波）を用いなければ、それらの差周波数の光を生成することはできないので、太陽光や蛍光灯からなるインコヒーレントな光の影響を排除できる。これにより高感度なセンサを実現できる。

尚、検出波の周波数ｆ１４は、第１非線形光学結晶２２に入射される第２電磁波の周波数ｆ１２と同じ周波数となるので、両電磁波が混在することを防ぐため、検出波放射部２７は第２電磁波の伝搬軸上（電磁波が光の場合は光軸上）に設置されない構成としても良い。これにより検出波放射部２７から第２電磁波が放射されることを防止でき、検出器１６での検出波の検出精度を向上させることができる。同様に、周波数ｆ１１の第１電磁波についても検出波の周波数ｆ１４と近い周波数帯を選択する場合があることから、第１電磁波の伝搬軸上に検出波放射部２７を設置しない構成としても良い。この場合も検出器１６での検出波の検出精度を向上させることができる。

例えば、周波数ｆ１１の第１電磁波を可視光帯のレーザダイオード（第１信号源３４に相当）により供給した場合、差周波数ｆ１３にテラヘルツ波や近赤外光を選択することで、差周波数ｆ１４は可視光帯となる。検出波が可視光帯となるように設定できれば、検出器１６をフォトダイオードのみで実現でき、安価に測定対象物の情報を得ることができる。また、周波数ｆ１４付近の周波数帯に対応した分光器を使って検出波を分光し、分光されたそれぞれの光を解析することで、上述のフォトダイオードによる検出方法よりも高精度に測定対象物の情報を得ることができる。

なお、図２ｃに示すように、第２非線形光学結晶２６の周囲の少なくとも一部領域または検出器１６の周囲の少なくとも一部領域が、遮光材３１により覆われている構造を有していてもよい。そうすることにより、第２非線形光学結晶２６や検出器１６の周囲から到来するノイズの影響を抑圧でき、高感度なセンサを実現できる。

以上より、本発明のセンサは、入力部と差周波放射部、差周波入射部と検出波放射部とがそれぞれ一体化された構造を有していることにより、センサを小型にできると共に、熱源や太陽光などのノイズの影響を受けず、小型で高感度なセンサを実現できる。

尚、図２ｂでは測定用セル２４に反射板２８を設けたが、測定用セル２４に設けず、その下方に反射板を配置した構成によりセンサを実現しても良い。これにより、測定用セル２４自体のコストを低減でき、測定用セル２４を使い捨てできる。

なお、図２ｄに示すように、測定用セル２４に配置した反射板２８の代わりに、測定用セル２４の外部に配置した全反射鏡３２、３３を用いて電磁波を反射させても良い。この場合、第１非線形光学結晶２２を透過した周波数ｆ１１の電磁波ないしは周波数ｆ１２の電磁波を全反射鏡３２、３３で反射させることにより、第２非線形光学結晶２６内へ入射させることができる。これにより、測定用セル２４による周波数ｆ１１の電磁波ないしは周波数ｆ１２の電磁波の減衰を防ぐことができ、測定対象物を高精度に検出することが可能となる。

尚、第１非線形光学結晶２２へ入射された周波数ｆ１２の電磁波のスポット径が周波数ｆ１１の電磁波のスポット径よりも大きい構成としても良い。励起光である周波数ｆ１１の電磁波のスポット径が小さいとエネルギー密度が高くできるため、効率よく差周波数ｆ１３の電磁波を生成できる。また、シード光である周波数ｆ１２の電磁波のスポット径を広げることで、励起光と交差させ易くなる。

（実施の形態３）
以下、実施の形態３に係る本発明のセンサについて、図４ａ、図４ｂ、図５ａ、図５ｂを用いて説明する。図４ａ、図４ｂにおいて、実施の形態３に係る本発明のセンサ３０は、周波数ｆ１の第１電磁波を出力する第１信号源３４と、周波数ｆ２の第２電磁波を出力する第２信号源３５と、第１信号源３４から出力された第１電磁波と第２信号源３５から出力された第２電磁波とが共に入射される非線形光学結晶１２と、検出器１６とを有している。そして、非線形光学結晶１２は、周波数ｆ１とｆ２の差周波数ｆ３の電磁波を放射する差周波放射部１３と、差周波数ｆ３の電磁波を入射する差周波入射部１４と、周波数ｆ２の電磁波を検出器１６へ放射する検出波放射部１５とを備えている。更に、実施の形態３に係るセンサ３０は、第１電磁波の伝搬路上で、且つ、非線形光学結晶１２の外側領域に配置されて第１電磁波を反射させる第１反射膜３７と、第１反射膜３７で反射された後、非線形光学結晶１２の内部領域を伝搬し外部領域へ放射される第１電磁波の伝搬路上で、且つ、非線形光学結晶１２の外側領域に配置され、第１電磁波を反射させて非線形光学結晶１２へ第１電磁波を再び入射させる第２反射膜３８とを備えている。そして、第１電磁波と第２電磁波とは、第１反射膜３７と第２反射膜３８での反射角をも考慮して、それぞれ、第１信号源３４と第２信号源３５とから非線形光学結晶１２の内部領域において干渉するように入射される。また、第１電磁波と差周波入射部１４から入射された差周波数ｆ３の電磁波とは非線形光学結晶１２の内部領域において干渉し（干渉するように、第１信号源３４と第２信号源３５と第１反射膜３７と第２反射膜３８等が配置されている）、その結果生じた周波数ｆ２の電磁波が検出波放射部１５から放射される。

第１信号源３４から放射された周波数ｆ１の電磁波は非線形光学結晶１２へ入射された後、非線形光学結晶１２の内部領域を伝搬した後、非線形光学結晶１２からその外部領域へ放出される。放出された周波数ｆ１の電磁波は第１反射膜３７によって反射された後、再度、非線形光学結晶１２の内部領域へ入射される。再び入射された周波数ｆ１の電磁波は、２次の非線形光学結晶１２の内部領域を伝搬した後、再度、その外部領域に放出され、第２反射膜３８で反射される。この第２反射膜３８で反射された周波数ｆ１の電磁波は、再度、非線形光学結晶１２へ入射され、上述の動作を繰り返す。この一連の動作が繰り返されることにより、周波数ｆ１の電磁波は、２次の非線形光学結晶１２を挟んで第１反射膜３７と第２反射膜３８との間で多重反射を起こす。結果、周波数ｆ１の電磁波の定在波が非線形光学結晶１２の内部領域に生成されることになる。これにより、周波数ｆ１の電磁波を放射する第１信号源３４の信号出力が小さくても、非線形光学結晶１２の内部領域における周波数ｆ１の電磁波の電界強度は増強されるので、２次の非線形光学結晶１２の非線形性を励起できるようになる。

また、周波数ｆ１の電磁波を反射膜３７、３８において効率良く反射させて２次の非線形光学結晶１２内に入射させるため、反射膜３７、３８の断面積は、２次の非線形光学結晶１２の断面積よりも大きくしてもよい。更に、反射膜３７、３８の反射面は凹型構造としてもよい。

更に、図４ａ、図４ｂにおいては、第１反射膜３７と第２反射膜３８との間で多重反射する第１電磁波の伝搬路上に第１信号源３４が配置された構成で図示しているが、このような配置に拘泥される必要はなく、第１電磁波が非線形光学結晶１２へ入射される際の屈折角を利用し、第１反射膜３７と第２反射膜３８との間で多重反射する第１電磁波の伝搬路上に第１信号源３４を配置しない構成としてもよい。これにより、第１電磁波が第１信号源３４により散乱減衰されることを防止できる。また、第１電磁波が第１信号源３４に照射されることにより第１信号源３４が故障することを防止できる。

尚、図５ａ、図５ｂに示すように、第１信号源３４と非線形光学結晶１２との間で、且つ、少なくとも第１電磁波（周波数ｆ１の電磁波）の伝搬路上に、第１電磁波の一部を透過し一部を反射する透過膜３６を配置した構成としても良い。ここで、第１信号源３４から放射された第１電磁波（周波数ｆ１の電磁波）は透過膜３６を介して非線形光学結晶１２へ入射される。

このとき、透過膜３６は第１電磁波の全エネルギーを透過させるのではなく、一部のエネルギーのみ透過させるよう設計されている。透過量の一例としては、２０〜８０％程度の透過量の範囲が想定できる。

透過膜３６を透過した周波数ｆ１の電磁波（第１電磁波）は非線形光学結晶１２へ入射された後、非線形光学結晶１２の内部領域を伝搬した後、非線形光学結晶１２からその外部領域へ放出される。放出された周波数ｆ１の電磁波は第１反射膜３７によって反射された後、再度、非線形光学結晶１２の内部領域へ入射される。再び入射された周波数ｆ１の電磁波は、２次の非線形光学結晶１２を透過して透過膜３６へ入射される。透過膜３６では、周波数ｆ１の電磁波の一部のエネルギーが反射され、再度、入力部１１を介して２次の非線形光学結晶１２へ入力される。この一連の動作が繰り返されることにより、周波数ｆ１の電磁波は２次の非線形光学結晶１２を挟んで、透過膜３６と反射膜３７との間で多重反射を起こす。結果、周波数ｆ１の電磁波の定在波が非線形光学結晶１２の内部領域に生成されることになる。これにより、周波数ｆ１の電磁波を放射する第１信号源３４の出力が小さくても、非線形光学結晶１２の内部領域での周波数ｆ１の電磁波の電界強度は、透過膜３６と反射膜３７との間の多重反射によって増強されるので、２次の非線形光学結晶１２の非線形性を励起できるようになる。このとき、効率良く周波数ｆ１の電磁波を反射させて２次の非線形光学結晶１２内に入射させるため、透過膜３６の断面積は、２次の非線形光学結晶１２の断面よりも大きい構成であっても良い。また、透過膜３６は凹型構造であってもよい。図５ａ、図５ｂの構成であれば、透過膜３６と第１反射膜３７の間で多重反射している周波数ｆ１の電磁波の伝搬路上に第１信号源３４を配置しなくてもよくなる。このため、周波数ｆ１の電磁波が第１信号源３４で散乱減衰することを回避でき、また、周波数ｆ１の電磁波が第１信号源３４に照射され、故障することを回避できる。

また、第１信号源３４から放射され、透過膜３６へ入射される第１電磁波の内、一部のエネルギーは透過膜３６により第１信号源３４側へ反射されるが、この反射された第１信号源３４を第２反射膜３８により反射させて、再び透過膜３６を介して非線形光学結晶１２へ入力する構成としても良い。これにより、非線形光学結晶１２の内部領域において第１電磁波の定在波が生成され、第１電磁波を増強することができる。これにより、周波数ｆ１の電磁波を放射する第１信号源の出力が小さくても、非線形光学結晶１２の非線形性を励起できるようになる。結果、安価な構成で差周波の電磁波を非線形光学結晶１２の内部領域で発生させることができる。

尚、図５ａ、図５ｂでは、第２信号源３５から放射された第２電磁波は透過膜３６を介さずに非線形光学結晶１２へ入力される構成となっているが、第１電磁波同様に、透過膜３６を介して非線形光学結晶１２へ入射される構成であってもよい。これにより、第２電磁波についても、第１電磁波同様に第１反射膜３７と透過膜３６の間で多重散乱させることができ、非線形光学結晶１２の内部領域で第２電磁波を増強できる。

更に、図５ａ、図５ｂに示した構成において、第２反射膜３８を削除した構成としても良い。このような簡易な構成においても、第１反射膜３７と透過膜３６との間で第１電磁波を多重反射させることができ、結果、非線形光学結晶１２の内部領域に第１電磁波の定在波を起すことが可能となる。ゆえに、第１信号源３４の信号出力が小さくても、非線形光学結晶１２の内部領域における周波数ｆ１の電磁波の電界強度は増強されるので、２次の非線形光学結晶１２の非線形性を励起できるようになる。

尚、本発明における「非線形光学結晶」とは、結晶状のものだけでなく、結晶の分極を周期的に反転させた周期分極反転構造も含んでいる。

また、第１信号源、第２信号源から放射される電磁波は、パルス状でもＣＷ（ＣｏｎｔｉｎｕｏｓＷａｖｅ）であってもよい。

以上のように、本発明のセンサは、非破壊で測定でき、且つ、良好な感度を有しているため、例えば、食品の成分分析装置やバイオセンサ等に有用である。

１センサ
１１入力部
１２非線形光学結晶
１３差周波放射部
１４差周波入射部
１５検出波放射部
１６検出器
１７、３１遮光材
１８反射膜
２０センサ
２１入力部
２２第１非線形光学結晶
２３差周波放射部
２４測定用セル
２５差周波入射部
２６第２非線形光学結晶
２７検出波放射部
２８反射板
２９ｆ１１電磁波入射部
３２、３３全反射鏡
３４第１信号源
３５第２信号源

Claims

周波数ｆ１の第１電磁波を出力する第１信号源と、
周波数ｆ２の第２電磁波を出力する第２信号源と、
前記第１信号源から出力された前記第１電磁波と前記第２信号源から出力された前記第２電磁波とが共に入射される非線形光学結晶と、
検出器とを有し、
前記非線形光学結晶は、
周波数ｆ１とｆ２の差周波数ｆ３の電磁波を放射する差周波放射部と、
差周波数ｆ３の電磁波を入射する差周波入射部と、
周波数ｆ２の電磁波を前記検出器へ放射する検出波放射部とを備え、
前記第１電磁波と前記第２電磁波とは前記非線形光学結晶の内部において干渉するように入射され、
前記第１電磁波と前記差周波入射部から入射された差周波数ｆ３の電磁波とは前記非線形光学結晶の内部において干渉し、その結果生じた周波数ｆ２の電磁波が前記検出波放射部から放射されることを特徴とするセンサ。
前記第１信号源の前記第１電磁波を出力するスポット径は、前記第２信号源の前記第２電磁波を出力するスポット径よりも小さい請求項１に記載のセンサ。
前記検出波放射部は前記第２電磁波の伝搬軸上に配置されないことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
周波数ｆ１の第１電磁波を出力する第１信号源と、
周波数ｆ２の第２電磁波を出力する第２信号源と、
前記第１信号源から出力された前記第１電磁波と前記第２信号源から出力された前記第２電磁波とが共に入射される第１非線形光学結晶と、
前記第１非線形光学結晶と接する測定領域と、
前記測定領域と接する第２非線形光学結晶と、
検出器とを有し、
前記第１非線形光学結晶は、周波数ｆ１とｆ２の差周波数ｆ３の電磁波を前記測定領域へ放射する差周波放射部を備え、
前記第２非線形光学結晶は、差周波数ｆ３の電磁波を入射する差周波入射部と、
周波数ｆ１の電磁波を入射するｆ１電磁波入射部と、
周波数ｆ２の電磁波を前記検出器へ放射する検出波放射部とを備え、
前記第１電磁波と前記第２電磁波とは前記第１非線形光学結晶の内部において干渉するように入射され、
前記ｆ１電磁波入射部から入射された周波数ｆ１の電磁波と前記差周波入射部から入射された差周波数ｆ３の電磁波とは前記第２非線形光学結晶の内部において干渉し、その結果生じた周波数ｆ２の電磁波が前記検出波放射部から放射されることを特徴とするセンサ。
第１非線形光学結晶は、前記第１電磁波を放射する第１電磁波放射部を更に備える請求項４に記載のセンサ。
前記第１信号源の前記第１電磁波を出力するスポット径は、前記第２信号源の前記第２電磁波を出力するスポット径よりも小さい請求項４に記載のセンサ。
前記検出波放射部は前記第１電磁波または前記第２電磁波の伝搬軸上に配置されないことを特徴とする請求項４に記載のセンサ。
前記第１電磁波の伝搬路上で、且つ、前記非線形光学結晶の外側領域に配置されて前記第１電磁波を反射させる第１反射膜と、
前記第１反射膜で反射された後、前記非線形光学結晶の内部領域を伝搬し外部領域へ放射される前記第１電磁波の伝搬路上で、且つ、前記非線形光学結晶の外側領域に配置され、前記第１電磁波を反射させて前記非線形光学結晶へ前記第１電磁波を再び入射させる第２反射膜とを備えた請求項１に記載のセンサ。
前記第１信号源と前記非線形光学結晶との間で、且つ、少なくとも前記第１電磁波の伝搬路上に、前記第１電磁波の一部を透過し一部を反射する透過膜を配置した請求項８に記載のセンサ。