JP4209765B2

JP4209765B2 - テラヘルツ波画像装置

Info

Publication number: JP4209765B2
Application number: JP2003436901A
Authority: JP
Inventors: 潤一西澤; 建須藤
Original assignee: 潤一西澤
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: JP2005195377A

Description

本発明はレーザ光源を使ったテラヘルツ帯コヒーレント電磁波発生照射方法及び装置に関する。

波長可変レーザを用いて誘電体ＬｉＮｂＯ_３や半導体ＧａＰ結晶などのテラヘルツ電磁波発生用結晶から周波数可変で単一周波数のコヒーレントテラヘルツを発生させることが可能となり、これらをテラヘルツ光源として、生体分子の同定、ガン細胞の検出、ＩＣ部品検査などに役立てることができる。すなわち、生体やがん細胞のテラヘルツ共振周波数にあわせて、検体のテラヘルツ帯画像を得る。このため、テラヘルツビームを局所的に照射し、検体を乗せたステージを移動させることにより画像を得ている。

従来の画像を得る方法ではポンプ光源として用いるＹＡＧレーザはフラッシュランプで励起され、繰り返し周波数が１０Ｈｚから２０Ｈｚであった。また、画像のＳ／Ｎを損なわないためには高感度のシリコンボロメータを使わざるを得なかった。シリコンボロメータは液体ヘリウムを使用するので簡便さにかけていた。一方、室温で動作する焦電検知器ＤＴＧＳはシリコンボロメータに比べて感度が１／１，０００程度しかないためＳ／Ｎが低く、数十パルス積分しないと画像の１ポイントの測定データが得られなかった。１ポイント当たり、数秒要するからポイント数１，０００の画像を得ようとする場合１時間以上も必要としていた。

また、従来のテラヘルツ画像装置においては周波数可変範囲が０．７ＴＨｚから２．５ＴＨｚ程度の範囲であった。遺伝子異常などに関係する生体分子の固有振動帯は分子間相互作用に基づくものであり、０．１ＴＨｚから６ＴＨｚ程度まで分布している。従って、テラヘルツ周波数範囲より大幅に広げて、各異なる周波数で画像を得なければ、多くの分子種を明確に識別した画像を得ることは困難であった。

本発明はこの様な欠点を除去し、高速で鮮明で可変周波数域の広い画像を得る簡便な方法及び装置を提供する。

ポンプ光レーザ、信号光レーザはいずれも半導体レーザで励起されることにより、高速繰り返し周波数を得る。この二つのビームを高出力広周波数帯域特性を有するテラヘルツ電磁波発生用結晶に入射する。前記結晶は放熱マウント上に設置されており、高い平均パワが入射しても、温度上昇によるラヘルツ波発生効率の低下を生じないので、高速鮮明なテラヘルツ画像が得られる。

本発明は、広い範囲のテラヘルツ周波数において、高速度で鮮明なテラヘルツ帯の画像を可変単一周波数において得る簡便な手段を提供する。

発明を実施するための最良の形態、実施例１

図１は本発明の構成の代表例である。テラヘルツ電磁波発生用結晶１はＧａＰ結晶であり、ポンプ光レーザ２、信号光レーザ３から、それぞれ３００Ｈｚ以上、代表的には１ｋＨｚの繰り返し周波数をもつパルスレーザ光をＧａＰ結晶に照射する。なお、ポンプ光、信号光という名称は差周波混合用光源としての２つのレーザに便宜上与えた名前である。二つのレーザビームは偏光素子４によって平行に近い所定の角度でＧａＰ結晶に入射させる。照射によりＧａＰ結晶に発生する熱をペルチェ温度制御素子５によって放熱するとともに温度を安定化する。ポンプ光レーザは波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザであり、繰り返し周波数１ｋＨｚとするため高速繰り返し可能な半導体レーザで励起させるＹＡＧレーザを使用する。励起用半導体レーザは大出力が得られ、かつ高速で出力の繰り返しが可能となっている。

一方、信号光レーザとして最適なのは１．０２μｍから１．１０μｍの範囲で波長可変のＹｂドープファイバレーザであり、ポンプ光との周波数差が０．３ＴＨｚから７ＴＨｚとするためには、１．０６５μｍから１．０９１μｍまで、または１．０６３μｍから１．０３８μｍまで変化させる。ＹＡＧレーザと同様Ｙｂドープファイバレーザも１ｋＨｚの繰り返し周波数とするために半導体レーザで励起される。波長可変レーザとしてＹｂドープファイバレーザにｋａｗ替わって半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＬＦレーザを使っても良い。この場合、波長可変範囲はおよそ、１．０４３μｍから１．０５３μｍとなる。

ポンプ光、信号光のビーム径は１ｍｍ程度である。差周波混合によって発生するテラヘルツ電磁波のビーム径も結晶の出力端で同程度であるが、放物面鏡６、７によって平行に近いビームとし、高い解像度を得るために、テーパ状金属導波管８によってビーム径を細く絞り、検体９に照射する。検体９は例えば薄く切断されたガン細胞を含む生体組織、あるいはＩＣカードであり、ｘｙ可動ステージ１０に乗せて、これを順次移動させ、検体を透過したテラヘルツ電磁波を検知器１１よって検出する。金属導波管の出射口は０．１ｍｍから０．３ｍｍの細い径を有しており、これにより、検体のガン化した領域の像を３００μｍ程度の解像度で得ることができる。

図１は透過画像を得る構成であるのに対して、反射画像を得るには図２のように検体からの反射光１２をビームスプリッタ１３を介して取り出し、テーパ状金属導波管１４によって検知器１５に導く。

検体の測定領域は代表的には１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさを有しており、３００μｍの解像度で像を得るために、約１，０００点のスポットの透過強度又は反射強度を１パルス１点ごとに順次測定する。二つのポンプレーザの繰り返し周波数は１ｋＨｚであるので、１点の測定を１パルスで行えば、１秒で１枚の透過像を得ることができる。すなわち検体を設置する時間に比べても充分速い時間で測定できる。１パルスあたり１スポットの測定を可能とするにはテラヘルツ波の強度が充分なＳ／Ｎ比を有していなければならない。

検出器としてシリコンボロメータは微弱なテラヘルツ波に対しても高いＳ／Ｎを与えるが、液体ヘリウムを必要とするので検査現場での使用に適していない。従って、室温で動作する焦電検知器ＤＴＧＳを検知器として使う。ＤＴＧＳはシリコンボロメータに比べて１／１，０００の感度であるので１パルスあたり少なくとも最大出力周波数において５０ｍＷのテラヘルツ波出力を有する光源を必要とする。

また、従来、可変周波数テラヘルツ波発生装置として知られているＬｉＮｂＯ_３の場合、スペクトル範囲は０．７ＴＨｚから２．５ＴＨｚである。多数の異なる物質の同定を行うには従来範囲の測定だけでは、極めて不十分であり、１桁以上の広い周波数範囲、すなわち０．５ＴＨｚから５ＴＨｚ以上の範囲を測定可能範囲としてカバーすることが望ましい。
なお、ここでは測定可能範囲は最大出力周波数での出力に対しておよそ１％以上の出力を得られる周波数範囲を目安とした。

ＧａＰ結晶から得られるテラヘルツ電磁波強度は、ポンプ光、信号光の出力が、パルスあたり３ｍＪのとき、５０ｍＷ，から１００ｍＷであるので充分な強度である。また測定可能範囲は、最大０．３ＴＨｚから７ＴＨｚまで得られる。従って、本発明では、ＧａＰ結晶はテラヘルツ電磁波発生用結晶として最も望ましい。ＧａＰ結晶の場合、差周波混合はフォノンポラリトンを励起することによって行われ、１．０６４μｍ帯では位相整合のため、二つのレーザのビームは、テラヘルツ周波数とともに増大する概ね２度以下の微小な交差角度を持って入射させる必要がある。

差周波発生用結晶複屈折性を有するＧａＳｅ結晶を使えば周波数範囲がＧａＰよりも狭くなるが二つのレーザビームを平行にすることができるのでビーム入射系の構造が簡単になるという利点を有する。ＤＡＳＴ（４−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−Ｎ−ｍｅｔｈｙｌ−４−ｓｔｉｌｂａｚｏｌｉｕｍｔｏｓｙｌａｔｅ）結晶はＧａＰ結晶に比較して低周波数側での可変範囲が狭いが、平行入射が可能であるという利点がある。

上記のようにパルス繰り返し周波数が１ｋＨｚであり、１パルスあたりポンプ光と信号光それぞれ３ｍＪ入射すると、ＧａＰ結晶に入射する合計平均パワは６Ｗである。ビーム径１ｍｍから３ｍｍにおいてＧａＰ結晶は局所的に過熱され温度が上昇する。その結果、位相整合条件が変化し、差周波発生効率が低下する。これを避けるため、ＧａＰ結晶は図１のように結晶をペルチエ温度制御された放熱マウント５に挟まれて設置されている。熱接触を良好にするため、結晶と放熱マウントの接触面に柔らかい金属１ｎ薄板をはさみ結晶上面から圧力を加えたり、熱伝導の良好なペーストを塗布し、熱接触をよくする。

ポンプ光、信号光のパルス繰り返し周波数を１ｋＨｚから３００Ｈｚに低下させれば、結晶に入射するパワは約２Ｗにまで低下し、効率低下を軽減できる。画像を得るに必要な時間は、実施例１より３倍の３秒となり、極めて高速の流れ作業による検査では問題となるが、一般の検査では実用的な高速性を保持することができる。
なお、ポンプ光源、信号光源レーザをモードロックすれば１００ＭＨｚ以上の高速繰り返し周波数が得られるが、１パルスあたりの出力エネルギーが小さいので１スポットのデータを同じＳ／Ｎで得るために１０００パルス以上についての積分を行わなければならない。

テラヘルツ電磁波発生用結晶からの放熱をさらに良好にし高速性能を高めるために、図３のように結晶に入射するポンプ光、信号光のビーム断面を円筒凸レンズ１６，凹レンズ１６’によって扁平な楕円ビームにして、厚み３００μｍ程度まで薄くした結晶に入射すれば、放熱板への熱伝導を高めることができる。ビームの断面積が同じであれば、テラヘルツ電磁波の発生効率は同じである。例として径１ｍｍ程度の円状断面のビームを、楕円レンズを用いて、３００μｍ×３ｍｍの薄い楕円形状に成形し、差周波発生結晶を３００μｍの厚みにし、放熱マウントに挟む。発生するテラヘルツ電磁波は出力端で同様な扁平の形状をしているので、ポリエチレンなどのテラヘルツ波の透過度の高い材料で作られた円筒レンズ凸レンズ１７，凹レンズ１７’によって円状断面にもどしてから１図と同様、金属導波管に入射する。

透過強度を測定する場合の実施例１の構成を示す図である。反射強度を測定する場合の実施例１の構成を示す図である。実施例２の構成を示す図である。

符号の説明

１…テラヘルツ電磁波発生用結晶
２…ポンプ光レーザ
３…信号光レーザ
４…偏光子
５…放熱マウント
６，７…非軸放物面鏡
８…金属導波管、金属導波管テーパ部
９…検体
１０…ステージ
１１…検知器
１２…反射テラヘルツ波
１３…テラヘルツビームスプリッタ
１４…金属導波管
１５…検知器
１６，１６’…近赤外線用円筒型凸レンズ及び凹レンズ
１７，１７’…テラヘルツ電磁波用凸レンズ及び凹レンズ

Claims

それぞれ、３００Ｈｚ以上の繰り返し周波数を有するパルス半導体レーザによって励起される第１及び第２の単一周波数パルスレーザ、前記２つの単一周波数パルスレーザの差周波数を持つテラヘルツ波発生用ＧａＰ結晶、前記ＧａＰ結晶を効率よく放熱し温度制御する放熱マウント、前記単一周波数パルスレーザからの２つのビームが互いに所定の位相整合角度をもって前記ＧａＰ結晶に入射する手段を有し、前記２つの単一周波数パルスレーザの少なくとも一つが周波数可変であることにより０．３ＴＨｚから７ＴＨｚの範囲の所望の単一周波数コヒーレント光であり、３００Ｈｚ以上の繰り返し周波数を有するテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生部と、
検体を乗せる試料移動ステージと、
前記検体に前記テラヘルツ波を導入する金属導波管と、
前記検体を透過した前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出器
とを備え、前記テラヘルツ波が前記検体を透過した透過画像を得るテラヘルツ波画像装置。
それぞれ、３００Ｈｚ以上の繰り返し周波数を有するパルス半導体レーザによって励起される第１及び第２の単一周波数パルスレーザ、前記２つの単一周波数パルスレーザの差周波数を持つテラヘルツ波発生用ＧａＰ結晶、前記ＧａＰ結晶を効率よく放熱し温度制御する放熱マウント、前記単一周波数パルスレーザからの２つのビームが互いに所定の位相整合角度をもって前記ＧａＰ結晶に入射する手段を有し、前記２つの単一周波数パルスレーザの少なくとも一つが周波数可変であることにより０．３ＴＨｚから７ＴＨｚの範囲の所望の単一周波数コヒーレント光であり、３００Ｈｚ以上の繰り返し周波数を有するテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生部と、
検体を乗せる試料移動ステージと、
前記検体から反射した前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出器と、
前記検体から反射した前記テラヘルツ波を前記テラヘルツ波検出器に導入する金属導波管
とを備え、前記テラヘルツ波が前記検体から反射した反射画像を得るテラヘルツ波画像装置。
前記２つの単一周波数パルスレーザのビームが、前記ＧａＰ結晶内で、それぞれ楕円状断面となるように円筒凸レンズおよび円筒凹レンズが配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のテラヘルツ波画像装置。