JP6456078B2 - テラヘルツ波発生素子、及び、テラヘルツ波検出素子 - Google Patents

Description

本発明は、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生素子、及び、テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出素子に関する。

テラヘルツ波は、０．０３ＴＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の範囲のうち任意の周波数帯域の成分を有する電磁波である。テラヘルツ波の発生方法として、非線形光学結晶による二次の非線形現象を利用する方法がある。中でも、特許文献１に記載の電気光学的チェレンコフ放射現象（以下、「チェレンコフ放射」と呼ぶ）を用いる手法は、高強度で且つ比較的広帯域のテラヘルツ波の発生が可能である。

チェレンコフ放射は、図１３に示したように、発生したテラヘルツ波１３０２が衝撃波のように円錐状に放出される現象で、非線形光学結晶を伝搬する光１３０１の伝搬群速度がテラヘルツ波１３０２の伝搬位相速度より早い場合に発生する。この時、発生したテラヘルツ波１３０２の伝搬方向と非線形光学結晶を伝搬する光１３０１の伝搬方向とが成す角θ_ｃ（以降、「チェレンコフ角」と呼ぶ）は（１）式で表わせる。なお、ｎ_ｇは光に対する非線形光学結晶の群屈折率、ｎ_ＴＨｚはテラヘルツ波が伝搬する媒質のテラヘルツ波に対する屈折率である。
ｃｏｓθ_ｃ＝ｎ_ｇ／ｎ_ＴＨｚ （１）

このようなチェレンコフ放射を用いたテラヘルツ波発生素子を、テラヘルツ波を用いて試料の情報を取得する情報取得装置等におけるテラヘルツ波発生源として用いる場合、テラヘルツ波の波面を整形することが求められる。波面を整形する方法として、特許文献２には、図１４に示したように、非線形光学結晶を伝搬する光の第２次高調波を発生させて、発生した第２次高調波をコリメータで整形して外部に取り出す方法が開示されている。

光１４０４が非線形光学結晶１４０２を伝搬することで発生した第２次高調波１４０５は、円錐状に放射された後、結合部材１４０３の反射面１４０６で反射される。その際、反射した第二次高調波１４０５の波面１４０８が、高い平面度でコリメートされる。このような構成にすることで、第２次高調波１４０５の波面１４０８が平面となるように整形され、取り扱いが容易になる。

特開２０１０−２０４４８８号公報 特開平０２−０８１０３５号公報

特許文献２の構成をテラヘルツ波発生素子に適用した場合、発生したテラヘルツ波を整形することは可能だが、波面１４０８におけるテラヘルツ波のパワー分布の歪みが大きくなる場合がある。パワー分布の歪みが大きいと、テラヘルツ波を収束させても、実質的なビーム径が小さくなり、また、伝送や測定に適さない。

上記課題に鑑み、本発明は、電気光学的チェレンコフ放射によって発生したテラヘルツ波のパワー分布の歪みを低減できるテラヘルツ波発生素子を提供することを目的とする。

本発明の一側面としてのテラヘルツ波発生素子は、光が伝搬することによってテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶と、前記非線形光学結晶から発生するテラヘルツ波が伝搬する結合部材と、を有し、前記結合部材は、前記非線形光学結晶から発生するテラヘルツ波の少なくとも一部を反射する反射面と、前記反射面で反射したテラヘルツ波を透過する透過面と、を有し、前記反射面は、前記非線形光学結晶から発生するテラヘルツ波の伝搬方向に凸であり、前記光の波長における前記非線形光学結晶の群屈折率をｎ_ｇ、前記非線形光学結晶から発生するテラヘルツ波の波長における前記結合部材の屈折率をｎ_ＴＨｚとすると、前記光の伝搬方向を含む面において、前記反射面と前記光の伝搬方向とがなす前記結合部材側の角の大きさは、９０度−ｃｏｓ^−１（ｎ_ｇ／ｎ_ＴＨｚ）より大きく且つ９０度より小さく、前記非線形光学結晶から発生するテラヘルツ波が反射する反射領域における前記反射面の曲率半径は、前記光の伝搬方向の下流側ほど小さいことを特徴とする。

本発明の一側面としてのテラヘルツ波発生素子によれば、電気光学的チェレンコフ放射によって発生したテラヘルツ波のパワー分布の歪みを低減できる。

第１の実施形態のテラヘルツ波発生素子の構成を説明する図。 第１の実施形態のテラヘルツ波発生素子の導波路の構成を説明する図。 第１の実施形態のテラヘルツ波発生素子の光の伝搬方向と直交する平面における断面図。 テラヘルツ波の平行光断面におけるパワー分布を示す図。 テラヘルツ波の導波路上におけるパワー分布を示す図。 第２の実施形態のテラヘルツ波発生素子の構成を説明する図。 第３の実施形態のテラヘルツ波発生素子の構成を説明する図。 第４の実施形態のテラヘルツ波検出素子の構成を説明する図。 第４の実施形態のテラヘルツ波検出素子の別の構成を説明する図。 第５の実施形態のテラヘルツ波の発生検出素子の構成を説明する図。 第６の実施形態のテラヘルツ波の発生検出素子の構成を説明する図。 第７の実施形態の情報取得装置の構成を説明する図。 電気光学的チェレンコフ放射現象を説明する図。 従来技術の第２高調波発生素子の構成を説明する図。

（第１の実施形態）
第１の実施形態のテラヘルツ波発生素子１００（以下、「素子１００」と呼ぶ）の構成について、図１を参照して説明する。図１は、光１０４の伝搬方向を含む面（第１の面）における素子１００の断面図である。具体的には、光１０４の伝搬方向を含み且つ非線形光学結晶の表面と垂直な面における断面図である。なお、本明細書における「光１０４の伝搬方向」は、非線形光学結晶に入射した光１０４が実質的に伝搬する方向であり、非線形光学結晶の入射面の重心と出射面の重心とを結んだ直線であると定義する。

素子１００は、基板１０１、非線形光学結晶１０２（以下、「結晶１０２」と呼ぶ）、結合部材１０３を有する。基板１０１は、Ｙカットのニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_ｘ、以下、ＬＮ結晶と呼ぶ）を含む。

基板１０１には結晶１０２を含む導波路２０１が形成されている。結晶１０２に光１０４が入射するとテラヘルツ波が発生する。本実施形態では、結晶１０２に入射する光１０４として、パルス幅が１ｆｓ以上数１００ｆｓ以下の超短パルスレーザを用いる。具体的には、フェムト秒レーザを入射する。なお、本明細書における「フェムト秒レーザ」は、パルス幅が１ｆｓ以上１００ｆｓ以下の超短パルスレーザである。

また、光１０４は、その波長が０．２μｍ以上１０μｍ以下の範囲に含まれることが好適である。０．２μｍより波長が小さい光は、真空紫外であるため大気中で使用することが難しいためである。また、１０μｍは一般的な炭酸ガスレーザで得られる光の波長である。導波路２０１の構成についての詳細な説明は後述する。

結合部材１０３は、発生したテラヘルツ波１０５を素子１００の外部に取り出す部材で、反射面１０７を有する。結合部材１０３の構成についての詳細な説明は後述する。

本実施形態の素子１００は、光１０４が、結晶１０２の端面から入射して伝搬することでテラヘルツ波１０５を発生する。発生したテラヘルツ波１０５は、チェレンコフ放射（電気光学的チェレンコフ放射現象）によって円錐状に放射され、結合部材１０３を伝搬して外部に取り出される。なお、図１では結晶１０２から放射されるテラヘルツ波１０５を直線で記載しているが、実際は、導波路２０１から結合部材１０３に入射する際に屈折する。

導波路２０１の構成について、図２を参照して説明する。図２は、本実施形態における導波路２０１の構成を説明する図で、図１の結晶１０２付近を拡大した図である。導波路２０１は、コア層としての結晶１０２とコア層１０２の上部に形成された上部クラッド層２０２と、コア層１０２の下部に形成された下部クラッド層２０３と、を有する。なお、本明細書では、コア層１０２から見て結合部材側をコア層１０２の上部、コア層１０２の基板側をコア層１０２の下部とする。

コア層１０２は、テラヘルツ波を発生させる部分で、非線形光学結晶であるＬＮ結晶を含む。非線形光学結晶の種類はこれに限定されるものではなく、ＬｉＴａＯ_ｘ、ＮｂＴａＯ_ｘ、ＫＴＰ、ＤＡＳＴ、ＺｎＴｅ、ＧａＳｅ、ＧａＡｓ等を適用できる。コア層１０２の厚さは、外部に放射されるテラヘルツ波１０５のうち最も周波数が高いテラヘルツ波のコア層１０２における等価波長の２分の１以下であることが望ましい。

コア層１０２のＬＮ結晶は、ＬＮ結晶のｘ軸が光１０４の伝搬方向と対応し、ｙ軸が結晶１０２と垂直な方向に対応するように構成されている。また、光１０４は、ｘ軸及びｙ軸と直交するｚ軸方向の直線偏波を有する。このような構成にすることで、２次の非線形現象によるテラヘルツ波の発生及びチェレンコフ放射の効率が向上する。すなわち、ＬＮ結晶の結晶軸は、光１０４とテラヘルツ波１０５との位相整合が取れるように設定されており、光１０４とテラヘルツ波１０５との間には、波数ベクトルの位相整合条件が成り立っている。

上部クラッド層２０２及び下部クラッド層２０３は、コア層１０２よりも屈折率が低い層である。コア層１０２に入射した光１０４は、上部クラッド層２０２及び下部クラッド層２０３によってコア層１０２に閉じ込められる。そのため、光１０４は、導波路２０１の外部に出ることなくコア層１０２を伝搬する。

本実施形態では、基板１０１とコア層１０２としてのＭｇＯドープＬＮ結晶層とを接着剤で貼り合わせ、その接着剤が下部クラッド層２０３として機能する。また、上部クラッド層２０２は、コア層１０２と結合部材１０３とを接着するための接着剤である。なお、導波路２０１の構成はこれに限らず、例えば、接着剤の代わりに、コア層１０２よりも低屈折率な他の部材をコア層１０２に貼り付けることで、コア層１０２の周囲にクラッド層を設けても良い。

上部クラッド層２０２には、ＬＮ結晶より屈折率が低いＳｉＯ_ｘ、ＳｉＮ_ｘ等の誘導体の、又はＰＥＴのような樹脂の薄膜等が好適に用いられる。また、上部クラッド層２０２の厚さは、クラッド層として機能するのに十分厚く、且つ、結合部材１０３からテラヘルツ波を外部に取り出す際に多重反射や損失の影響が無視できる程度に薄いことが望ましい。

具体的には、コア層１０２を伝搬する光１０４の一部が上部クラッド層２０２に染み出した場合、上部クラッド層２０２と結合部材１０３との界面における光強度がコア層１０２における光強度の１／ｅ^２以下であれば良い。また、外部に取り出したい周波数のテラヘルツ波のうち最も周波数が高いテラヘルツ波の上部クラッド層２０２における等価波長の１／１０程度の厚さ以下に設定することが望ましい。一般的に、構造体の厚さが電磁波の波長の１／１０以下程度であれば、その電磁波に対して、反射、散乱、屈折等の影響が無視できるとみなされるからである。

すなわち、上部クラッド層２０２の厚さｄは、ａ＜ｄ＜λ_ｅｑ／１０を満たすことが望ましい。ここで、ａは上部クラッド層２０２と結合部材１０３との界面における光強度がコア層１０２における光強度の１／ｅ^２以下になる厚み、λ_ｅｑはテラヘルツ波１０５の最大周波数に相当する波長の上部クラッド層２０２における等価波長である。ただし、上述した厚さの範囲外でも、テラヘルツ波を発生させることは可能である。

また、下部クラッド層２０３についても、光１０４に対してクラッド層として機能するよう、ａ＜ｄを満たすことが望ましい。テラヘルツ波１０５が、コア層１０２の下部にも放射する構成にする場合は、下部クラッド層２０３においても上部クラッド層２０２と同様にａ＜ｄ＜λ_ｅｑ／１０の条件を満たす厚さにすることが望ましい。

導波路２０１を形成するためには、コア層１０２よりも屈折率が低い領域が少なくともコア層１０２の上下に存在すれば良く、導波路２０１を形成する手法やその構成は限定しない。すなわち、接着剤を用いて屈折率の異なる部材を貼り合わせる手法に限らず、例えば、ＬＮ結晶を用いた基板１０１の一部に拡散等で導波路２０１を形成する手法等を用いても良い。

非線形効果によってテラヘルツ波を発生させることを考慮すると、コア層１０２の横方向（ｚ軸方向）の幅は、小さいことが望ましい。原理的には、発生したテラヘルツ波１０５のパワー密度は、光１０４のパワー密度（光がパルスレーザの場合にはピークパワー密度）の２乗に比例するためである。

本実施形態の導波路２０１は、コア層１０２となる部分を高屈折率化して周囲と屈折率差を設ける方法や、コア層１０２の周囲に樹脂等を埋め込む方法等で、コア層１０２の横方向の幅を発生するテラヘルツ波の波長より小さくしたリッジ型の導波路である。なお、本実施形態のようにコア層１０２の周囲にそれぞれ異なるクラッド層を設けるのではなく、上下及び左右のクラッド層を一体の構成としても良い。

コア層１０２の幅が小さすぎると、光１０４がコア層１０２へ入射する際の結合効率の低減や、導波損失の増加等が生じることがある。そのため、コア層１０２の幅は、光１０４の中心波長の１倍以上１０倍以下に設定すると良い。なお、中心波長とは、光１０４のスペクトルのうち強度（振幅）が最大となる波長のことである。

また、コア層１０２の幅は、入射した光１０４がコア層１０２をシングルモードで伝搬し得る幅であると良い。光１０４がコア層１０２をマルチモードで伝搬した場合、伝搬するにつれてモード分散によって光１０４のピーク強度が減少して、テラヘルツ波１０５への変換効率が低下するためである。さらに、光１０４の出力によってはＬＮ結晶に光損傷等の現象が生じる可能性があるため、その点も考慮してコア層１０２の幅を決定する必要がある。

光１０４の出力が大きいために結晶１０２に光損傷が起きてしまう場合には、導波路を複数個設けて、光１０４を分割して入射させても良い。構造や材料が異なる複数個の導波路を用意し、目的に適した特性を有するテラヘルツ波１０５が発生するように光１０４を導波路に入射させることもできる。

また、複数個の導波路から発生するテラヘルツ波を干渉させて、テラヘルツ波のビーム形状やビーム方向を調整することも可能である。この場合、取り出したい方向のテラヘルツ波が干渉によって打ち消し合わないように構成する。複数個の導波路の並べ方は限定されず、ｚ方向又はｙ方向に複数並べたり、非平行に並べたりしても良い。また、コア層１０２が横に均一に広がっているスラブ導波路も適用できる。

続いて、結合部材１０３の構成について説明する。結合部材１０３の材料には、導波路２０１と結合部材１０３との界面でテラヘルツ波１０５が全反射せずに結合部材１０３内に進行波として取り出すことができ、且つ、テラヘルツ波１０５の損失が少ないものが用いられる。これらの条件を満たす材料は、例えば高抵抗シリコン（Ｓｉ）等が挙げられる。

結合部材１０３は、結晶１０２から発生するテラヘルツ波１０５の伝搬方向に凸となる形状をしており、結合部材１０３の反射面１０７は、非線形光学結晶１０２から発生したテラヘルツ波の少なくとも一部を反射して集める反射面１０７を有する。なお、テラヘルツ波を「集める」とは、テラヘルツ波を収束することに加え、発散するテラヘルツ波を平行にする等、反射前のテラヘルツ波よりも拡散が抑制されるようにすることを含むと定義する。

反射面１０７は、光１０４の伝搬方向を含む面において光１０４の伝搬方向と結合部材１０３の反射面１０７とがなす結合部材１０３側の角の大きさα、すなわち、光１０４の伝搬方向に対する反射面１０７の傾きαが、（２）式を満たすように設けられている。
９０度−θ_ｃｌａｄ＜α＜９０度 （２）

なお、θ_ｃｌａｄは、結合部材１０３におけるチェレンコフ角で、（１）式よりθ_ｃｌａｄ＝ｃｏｓ^−１（ｎ_ｇ／ｎ_ＴＨｚ）である。ここで、ｎ_ｇは光に対する結晶１０２の群屈折率、ｎ_ＴＨｚはテラヘルツ波に対する結晶１０２の屈折率である。

なお、本実施形態では、第１の面は光１０４の伝搬方向を含み且つ結晶１０２の表面と垂直な面としているが、これに限らず、光１０４の伝搬方向を含んでいれば良く、基板１０１や導波路２０１に対する傾き等は限定しない。このような構成にすることによって、テラヘルツ波１０５は反射面１０７で反射して透過面１０８から射出する。

また、反射面１０７が（３）式を満たすように設けられている場合には、テラヘルツ波は反射面１０７で透過することなく全反射される。特に、反射面１０７が（４）式を満たす場合には、反射面１０７で反射したテラヘルツ波１０５の波面１０６が平面になるように整形することができる。なお、ｎ_ｅは結合部材の外部の物質の屈折率、λは非線形光学結晶から発生するテラヘルツ波の波長である。
α≧ｓｉｎ^−１（ｎ_ｅ／ｎ_ＴＨｚ）＋９０度−θ_ｃｌａｄ （３）
α＝９０度−θ_ｃｌａｄ／２±λ／８ （４）

この場合、テラヘルツ波１０５が反射面１０７に入射する際の入射角ｉ、及び反射した際の反射角ｊは（５）式を満たす。なお、本明細書における入射角ｉは、発生して反射面１０７に入射するテラヘルツ波１０５の伝搬方向と反射面１０７の垂線とがなす角である。また、反射角ｊは、反射面１０７で反射したテラヘルツ波１０５の伝搬方向と反射面１０６の垂線とがなす角である。
ｉ＝ｊ＝θ_ｃｌａｄ／２ （５）

本実施形態では、結晶（コア層）１０２にＬＮ結晶を用い、結合部材１０３に高抵抗シリコン（Ｓｉ）を用いるため、（１）式より、導波路２０１におけるチェレンコフ角は凡そ６５度である。また、テラヘルツ波１０５は、導波路２０１から結合部材１０３に入射する際に屈折して、結合部材１０３におけるチェレンコフ角θ_ｃｌａｄは凡そ５０度となる。素子１００は、第１の面において光１０４の伝搬方向と反射面１０７とがなす角αの角度が、（４）式を満たす６５度となるように構成されている。

図３（ａ）〜（ｄ）に、素子１００の光１０４の伝搬方向と直交する面（第２の面）における断面図の一例を示した。結合部材１０３の反射面１０７は、第２の面における断面の少なくとも一部は、結晶１０２側が凹面となる、すなわち、テラヘルツ波の伝搬方向に凸となる曲線を含み、曲線の中心は光１０４の伝搬方向上に存在している。

結合部材１０３の反射面１０７は、テラヘルツ波１０５が反射する反射領域において、光１０４の伝搬方向と直交する断面における反射面１０７の長さは、光１０４の伝搬方向の上流側ほど長くなるように構成されている。換言すると、テラヘルツ波１０５が反射する反射領域における反射面１０７の曲率半径は、光１０４の伝搬方向の下流側ほど小さい。

具体的には、テラヘルツ波１０５が反射する反射領域において、第１の位置を通り且つ光１０４の伝搬方向と直交する面における反射面１０７の曲率半径の方が、第２の位置を通り且つ光１０４の伝搬方向と直交する面における反射面１０７の曲率半径より長い。ここで、第２の位置は、第１の位置より光１０４の伝搬方向の下流側である。よって、光１０４の伝搬方向の第１の位置を通り且つ光１０４の伝搬方向と直交する面における反射面１０７の長さは、第１の位置より光１０４の伝搬方向の下流側の第２の位置を通り且つ光１０４の伝搬方向と直交する面における反射面１０７の長さより長い。

換言すると、光１０４の伝搬方向の下流側で発生したテラヘルツ波を反射する反射領域の光学的なパワーが、光１０４の伝搬方向の上流側で発生したテラヘルツ波を反射する反射領域の光学的なパワーより大きくなるように、反射面１０７が構成されている。このような構成にすることで、結晶１０２から発生したテラヘルツ波１０５のパワー分布の歪みを低減できる。

例えば、図３（ａ）のように、第２の面における断面が円弧等の曲線を有している構成が挙げられる。この場合、結合部材１０３に出射するテラヘルツ波１０５の波面が第１の面３０１を対称面として円錐状に放射されても、テラヘルツ波１０５を反射面１０７における反射によって整形できる。

上述の例に限らず、図３（ｂ）や図３（ｃ）のように、曲線としての円弧の一部が欠けている構成等も適用できる。この場合、発生するテラヘルツ波１０５のパワーが小さい領域と対応する部分を欠けた構造にすることで、パワーが実質的に大きいテラヘルツ波を整形して取り出すことができる。また、図３（ｄ）に示すような楕円形状を含む構成とすることで、結晶１０２のｚ軸方向において収束するビームを形成するなど種々の形態が可能である。

なお、光１０４の伝搬方向と直交する面における断面図において、反射面１０７は、第１の面３０１を対称面として対称であっても良いし、図３（ｃ）のように非対称な部分を有していても良い。

本実施形態では、反射面１０７は、光１０４の伝搬方向を軸とする円錐面の一部を含む形状である。光１０４の伝搬方向と円錐面の軸とは、テラヘルツ波１０５の等価波長以下の精度で一致していることが望ましい。これに限らず、任意の直線又は曲線を光１０４の伝搬方向を軸に回転させてできる曲面の一部を含む形状等の適用できる。

反射面１０７で反射したテラヘルツ波１０５は、結合部材１０３の透過面１０８を透過して外部に出射される。なお、本実施形態ではテラヘルツ波１０５が透過面１０８に対して垂直に入射しているが、これに限るものではない。例えば、テラヘルツ波１０５を透過面１０８に対してブリュースター角（結合部材１０３がシリコンの場合には、１６．３度）で透過させると、反射によるフレネル損を低減できる。また、結合部材１０３は反射面１０７と異なる別の反射面を更に有していても良い。

素子１００で発生したテラヘルツ波１０５のパワー分布について説明する。ここでは、比較のため、先行文献２に記載のコリメータを結合部材として用いたテラヘルツ波発生素子１４００（以下、「素子１４００」と呼ぶ）におけるパワー分布についても述べる。

特許文献２を適用した素子１４００の構成を、図１４に示す。なお、特許文献２は、非線形光学結晶１４０２（以下、「結晶１４０２」と呼ぶ）に入射した光１４０４の第２次高調波を発生させているが、ここでは本実施形態に合わせてテラヘルツ波を発生させる構成に置き換えて考える。第２次高調波とテラヘルツ波とは、非線形結晶中での発生原理こそ異なるものの、チェレンコフ型位相整合により電磁波が導波路から放射される点は同じである。

従来技術を適用した素子１４００は、結晶１４０２を備えた基板１４０１と、結合部材１４０３とを有し、結合部材１４０３は反射面１４０６を備える。結晶１４０２と結合部材１４０３との間には、クラッド層として機能するような部材を配置している。反射面１４０６は、結晶１４０２から発生するテラヘルツ波１４０５を反射する主要な部分の少なくとも一部が円錐面を含み、円錐面の軸は結晶１４０２を伝搬する光１４０４の伝搬方向と一致している。

チェレンコフ角θ_ｃｌａｄを５０度、テラヘルツ波１４０５の波長における結合部材１４０３の屈折率を３．４２とすると、特許文献２に記載の式（ｒ＝ｉ＝ｊ＝θ_ｃｌａｄ／２）より、円錐面の半頂角αは２５度となる。また、反射面１４０６に入射するテラヘルツ波１４０５の入射角ｉは２５度、反射角ｊは２５度となる。

光１４０４が結晶１４０２に入射すると、結晶１４０２から発生したテラヘルツ波１４０５は、結合部材１４０３の反射面１４０６で反射して整形され、結晶１４０２を伝搬する光１４０４の伝搬方向と同一の方向に進む。反射面１４０６で反射したテラヘルツ波１４０５は、透過面１４０７を垂直に通過して結合部材１４０３の外部に放射される。このような構成により、円錐状に放射されたテラヘルツ波１４０５の波面１４０８が平面に整形されて外部に放射される。

テラヘルツ波のパワー分布について図４を参照して説明する。図４（ｂ）は、２つの素子１００、１４００それぞれが有する結合部材１０３、１４０３から射出したテラヘルツ波の波面１０６及び１４０８を、光１０４、１４０４の伝搬方向の上流側から見た図である。図４（ａ）は、図４（ｂ）のＡ１−Ａ２断面の任意の位置におけるテラヘルツ波のパワー分布図である。素子１００で発生したテラヘルツ波１０５のパワーを丸で示し、素子１４００で発生したテラヘルツ波１４０５のパワーを三角で示す。また、図４（ａ）の横軸はＡ１−Ａ２断面における位置を示しており、数値が小さい方がＡ１側、数値の大きい方がＡ２側である。

図４（ａ）を見ると、素子１４００で発生したテラヘルツ波１４０５のパワー分布は、Ａ１−Ａ２断面のＡ２側に進むに従ってテラヘルツ波のパワーが著しく低下している。それに対し、本実施形態の素子１００で発生したテラヘルツ波１０５のパワー分布では、どの位置においてもテラヘルツ波のパワーに大きな差はなく、パワー分布の歪みが低減されている。

非線形光学結晶を含む導波路に光を入射させると、導波路上での光のパワーは、導波路の入射端から遠いほど小さくなる。これは、導波路を伝搬するにしたがって光のパルス幅が広くなることが一因である。その他にも、材料分散、導波損失、結晶の不均一性、導波路に入射する際の光の位相特性等の種々の原因によって変わり得ることが分かっている。

光のパワーの低下に伴い、非線形光学結晶から発生するテラヘルツ波のパワーも光が導波路を伝搬するに従って小さくなる。すなわち、テラヘルツ波のパワーは光の伝搬方向の下流側に進むに従って小さくなり、図５に示したようなパワー分布を示す。

これに対し、反射面１０７、１４０６は、どちらも円錐面の一部であるため、テラヘルツ波が反射する位置によって光の伝搬方向と直交する断面における反射面の長さ（以降、単に「反射面の長さ」と呼ぶことがある）が異なることになる。反射面のどの位置に対してもパワーが均一なテラヘルツ波を入射した場合、反射面の長さが長い位置で反射したテラヘルツ波は、拡散されてパワーが小さくなる。それに対し、反射面の長さが短い位置で反射したテラヘルツ波は密度が高く、反射面の長さが長い位置で反射したテラヘルツ波よりパワーが大きくなる。

先行文献２を適用した素子１４００の場合、光１４０４が結晶１４０２に入射する入射端側（光の伝搬方向の上流側）で発生したパワーの大きいテラヘルツ波１４０５ほど、反射面１４０６の長さが短い部分で反射する。そして、光１４０４の伝搬方向の下流側で発生したパワーが小さいテラヘルツ波１４０５ほど、反射面１４０６の長さが長い部分で反射する。すなわち、パワーの小さいテラヘルツ波１４０５ほど反射面１４０６で拡散してパワー密度が低下するため、Ａ１−Ａ２断面におけるパワー分布の歪みが大きくなる。

それに対し、本実施形態の素子１００の場合は、パワーの小さいテラヘルツ波１０５は反射面１０７の長さが短い部分で反射して、パワーの大きいテラヘルツ波１０５反射面１０７の長さが長い部分で反射する構成となっている。すなわち、結晶１０２を伝搬する光１０４のパワーの変化がテラヘルツ波１０５のパワー分布に与える効果と、反射面１０７の長さがテラヘルツ波１０５のパワー分布に与える効果と、が逆になっている。その結果、素子１００によれば、発生したテラヘルツ波１０５のパワー分布の歪みを低減できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態のテラヘルツ波発生素子６００（以下、「素子６００」と呼ぶ）について、図６を参照して説明する。図６は、素子６００の構成を説明する図である。第１の実施形態では、結合部材１０３の反射面１０７でテラヘルツ波１０５を全反射させていたが、本実施形態の結合部材６０１の反射面６０６は、発生したテラヘルツ波６０３を一部透過する。

素子６００は、基板１０１、結晶（コア層）１０２を含む導波路２０１、結合部材６０１を有する。基板１０１と導波路２０１は第１の実施形態と同様の構成で、光６０２が結晶１０２を伝搬すると、テラヘルツ波６０３が発生する。

結合部材６０１は、材料にダイヤモンドを用いる。周波数が１ＴＨｚ付近のテラヘルツ波に対するダイヤモンドの屈折率を２．３８とすると、（１）式より、発生したテラヘルツ波６０５が結合部材６０３に放射される場合のチェレンコフ角θ_ｃｌａｄは２４度である。

反射面６０６と光の伝搬方向とがなす角の大きさαを（４）式を満たすように設定すると、（５）式より、反射面６０６に対するテラヘルツ波６０３の入射角ｉは１２度、反射角ｊは１２度となる。また、反射面６０６を透過したテラヘルツ波６０３と反射面６０６の垂線とがなす角（出射角）ｋは２９度である。

ダイヤモンドから空気に出射する際の全反射角は２５度であるため、テラヘルツ波６０３は反射面６０６で全反射せず、一部が透過する。また、テラヘルツ波６０３の偏光をｚ方向の直線偏光としてフレネルの式に従い計算すると、反射面６０６でのテラヘルツ波６０３のパワー透過率は７９％となる。この透過率は、反射面６０６を樹脂等でコーティングすることで、任意に調整できる。

光６０２の伝搬方向の第１の位置を通り且つ光６０２伝搬方向と直交する断面における反射面６０６の長さは、第１の位置より光６０２の伝搬方向の下流側である第２の位置を通り且つ光６０２の伝搬方向と直交する断面における反射面６０６の長さより長い。なお、結晶１０２から発生するテラヘルツ波６０３が反射する反射領域においてこの条件を満たしていれば良い。すなわち、反射面６０６は、結晶１０２から発生するテラヘルツ波６０３が反射する反射領域における曲率半径が、光６０２の伝搬方向の下流側ほど小さい。

反射面６０６で反射した又は反射面６０６を透過したテラヘルツ波６０３は、どちらもパワー分布の歪みが低減されて外部に射出される。本実施形態の素子６００のように、発生したテラヘルツ波６０３の一部を透過させるように結合部材を構成することで、整形されて、且つ、パワー分布の歪みが低減されたテラヘルツ波６０３を２つに分岐して得ることができる。

また、本実施形態では、光６０２の伝搬方向と結合部材６０１の反射面６０６とがなす角の大きさαは、上述の（４）式を満たすように構成されている。そのため、反射面６０６で反射したテラヘルツ波６０３は、波面６０４が平面となるように整形されて外部に射出される。反射面６０６を透過したテラヘルツ波６０３の波面６０５も平面となるように整形されて外部に射出される。このように、本実施形態によれば、整形され、且つ、パワー分布の歪みを低減したテラヘルツ波を複数取得できる。

反射面６０６で２つに分岐されたテラヘルツ波６０３は、それぞれ別々に利用しても良い。また、２つのテラヘルツ波６０３がそれぞれ結合部材６０１から射出された後に再び同軸にして、干渉させて検出しても良い。この場合、干渉計は一般に知られている種々の形態が利用可能であり、例えばマイケルソン干渉計などを利用できる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。第１の実施形態では、結晶１０２から発生したテラヘルツ波１０５を、結合部材１０３を介して外部に取り出していた。テラヘルツ波を用いた情報取得装置等におけるテラヘルツ波発生源として用いる場合、取り出したテラヘルツ波を光学系によって試料に導いて測定する。それに対し本実施形態では、素子１００の結合部材１０３の任意の面に試料７０１を配置して、試料７０１の測定を行う。その一例として、反射面１０７に試料７０１を配置する構成を図７（ａ）に、透過面１０８に試料７０１を配置する構成を図７（ｂ）に示した。

本実施形態では、第１の実施形態の素子１００と同様の構成のテラヘルツ波発生素子を用いる。すなわち、基板１０１と結晶１０２と結合部材１０３とを有し、結晶１０２に光１０４が伝搬するとテラヘルツ波１０５が発生し、結合部材１０３に放射される。放射されたテラヘルツ波１０５は、結合部材１０３の反射面１０７で反射される。

発生したテラヘルツ波１０５は、図７（ａ）に示したように、反射面１０７に配置された試料７０１と結合部材１０３との界面で反射して外部に射出される。また、図７（ｂ）のように、透過面１０８に試料７０１を配置して、テラヘルツ波１０５が反射面１０７で反射された後、透過面１０８及び試料７０１を透過して外部に射出される構成としてもよい。このようにして外部に射出されたテラヘルツ波は１０５、試料７０１の光学特性等によって生じる影響を受けており、これを検出して調べることで試料７０１の情報を取得できる。

本実施形態によれば、パワー分布の歪みの少ないテラヘルツ波を用いて試料の測定を行うことができる。また、テラヘルツ波を試料に照射するための光学系や空間を外部に設ける必要がなくなり、情報取得装置の小型化に貢献できる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態のテラヘルツ波検出素子８００（以下、「素子８００」と呼ぶ）について図８を参照して説明する。図８は、素子８００の構成を説明する図である。

素子８００は、第１の実施形態の素子１００と同様の構成である。すなわち、基板１０１と、結晶（コア層）１０２と、結合部材１０３と、を含む。第１〜第３の実施形態がテラヘルツ波発生素子も関するものであったのに対し、本実施形態の素子８００は、結合部材１０３を通って結晶１０２に到達したテラヘルツ波８０２を検出する。

直線偏光の光８０１を、その偏光が結晶１０２のｚ軸からｙ軸方向に任意の角度（例えば４５度）だけ傾くように、結晶１０２に入射する。このとき、光８０１は、結晶１０２の第１から第３の実施形態で光１０４を入射した面と対応する面から入射させる。

結晶１０２を伝搬して射出された光８０１の電界のｚ軸成分とｙ軸成分には結晶１０２の複屈折性によって位相差が生じるため、光８０１は楕円偏波となる。このような複屈折による位相差は、結晶１０２として用いる非線形光学結晶の種類、及び、入射偏波方向、導波路２０１の長さ等によって異なり、構成によっては位相差をゼロにすることもできる。

テラヘルツ波８０２は、波面８０３が平面となっている状態で結合部材１０３の透過面１０８から入射して、反射面１０７で反射した後、結晶１０２に集められる。このとき、光８０１が結晶１０２を伝搬しているため、テラヘルツ波１０５の発生とは逆の過程で、結晶１０２において、テラヘルツ波８０２と光８０１との間に相互作用が発生する。

なお、光８０１は、結晶１０２の素子１００で光１０４を入射した面と対向する面から入射されているため、第１〜第３の実施形態とは光の伝搬方向の上流側と下流側とが逆になる。そのため、本実施形態では、反射面１０７は、結晶１０２に入射するテラヘルツ波８０２の伝搬方向と逆方向に凸である。また、光８０１の伝搬方向の第１の位置を通り且つ伝搬方向と直交する断面における反射面１０７の長さは、第１の位置より伝搬方向の上流である第２の位置を通り且つ伝搬方向と直交する断面における反射面１０７の長さより長いと言える。なお、結晶１０２に入射するテラヘルツ波８０２が反射する反射領域において、このような構成となっていれば良い。すなわち、反射面１０７は、透過面１０８から入射するテラヘルツ波８０２が反射する反射領域における曲率半径が、光８０１の伝搬方向の下流側ほど大きい構成となる。

光８０１が結晶１０２を伝搬しているときにテラヘルツ波８０２が入射すると、テラヘルツ波８０２の電界によって、結晶１０２に１次電気光学効果（ポッケルス効果、即ち２次非線形過程の効果の一種）が発生する。そのため、結晶１０２のｚ軸の屈折率が変化して、光８０１の偏波状態が変わる。

その結果、光８０１のｚ軸成分は、結晶１０２の複屈折性によって生じる位相差に加えて、テラヘルツ波８０２の電界の影響による位相差が生じることになる。それに対して、光８０１の電界のｙ軸成分に生じている位相差は、結晶１０２の複屈折性による位相差のみである。光８０１のｚ軸成分に生じる位相差とｙ軸成分に生じる位相差とが異なるため、結晶１０２から出射する光８０１の楕円偏波の楕円率及び主軸の方向等の伝搬状態が変化する。この変化を、外部の偏光素子（不図示）及び光検出器（不図示）等で検出すれば、テラヘルツ波８０２の電界強度を検出できる。

結晶１０２から出射する光８０１を検出する方法としては、例えば、ウォラストンプリズムで２つの偏光を分離して、２つの光検出器（不図示）の差動増幅によりＳ／Ｎ比を向上させても良い。なお、差動増幅によるＳ／Ｎ比の向上は必須ではなく、偏光板を利用して１つの光検出器のみでも良い。誘導複屈折の補償のために位相補償板（λ／４板など）を結晶１０２の出射端と不図示の偏光素子との間に追加してもよい。

本実施形態では、第１〜第３の実施形態で光１０４を入射した面と対向する面から結晶１０２に光８０１を入射しているが、同様の面（端部）から光８０１を入射してもよい。その場合は、整合する長さが小さくなるため信号強度が小さくなる。

また、本実施形態では、テラヘルツ波８０２による１次電気光学効果で光８０１の偏波状態が変化する現象を利用してテラヘルツ波８０２の影響を調べている。しかし、これに限らず、結晶１０２を伝搬した光８０１の位相変化や、結晶１０２を伝搬した光８０１の周波数とテラヘルツ波８０２の周波数との差周波の光信号を検出する、すなわち光のビート信号を検出する方式等も適用できる。

テラヘルツ波８０２の検出感度は、光８０１の状態とテラヘルツ波８０２の強度とに依存する。素子８００によれば、パワー分布の歪みの少ないテラヘルツ波８０２が結合部材１０３に入射しても、テラヘルツ波８０２が反射面１０７で反射することによってパワー分布の歪みが大きくなる。そのため、光８０１がテラヘルツ波８０２のパワーが大きい部分に到達する位置で検出に適した状態になるように、光８０１の伝搬状態を調整することで、検出感度を向上できる。

本実施形態では、試料を透過又は試料で反射したテラヘルツ波８０２を、外部から素子８００の結合部材１０３に導き、反射面１０７を介して結晶１０２に入射している。しかし、この形態に限らず、図９に示すように素子８００の結合部材１０３の任意の面に試料９０１を配置する構成にしても良い。図９（ａ）では、外部から透過面１０８を透過して結合部材１０３に入射したテラヘルツ波８０２は、反射面１０７に配置された試料９０１と結合部材１０３との界面で反射した後、結晶１０２に入射する。図９（ｂ）では、テラヘルツ波８０２は外部から試料９０１及び透過面１０８を透過して結合部材１０３に入射した後、反射面１０７で反射されて結晶１０２に入射する。

このような構成にすることで、試料で透過又は反射したテラヘルツ波を検出器に導くための光学系や空間を外部に設ける必要がなくなるため、情報取得装置の小型化に貢献できる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態について、図１０を参照して説明する。図１０（ａ）は、本実施形態におけるテラヘルツ波の発生検出素子１０００（以下、「素子１０００」と呼ぶ）の構成の一例である。第１から第３の実施形態におけるテラヘルツ波発生素子は、テラヘルツ波を発生させる機能を有し、第４の実施形態の素子８００は、別の発生素子で発生したテラヘルツ波を検出する機能を有する。それに対し、本実施形態の素子１０００は、１つの素子でテラヘルツ波の発生及び検出を行う。

素子１０００は、基板１０１と結晶１０２と結合部材１００１とを有する。基板１０１及び結晶１０２を含む導波路２０１は、第１の実施形態と同様の構成である。結合部材１００１は、材料及び形状は第１の実施形態の結合部材１０３と同様だが、結合部材１０３が反射面１０７と透過面１０８とを有するのに対し、結合部材１００１は、２つの反射面１００５及び１００６を有する。

素子１０００についてより詳細に説明する。発生用の光１００２が結晶１０２を伝搬するとテラヘルツ波１００４が発生する。発生したテラヘルツ波１００４は、結合部材１００１を伝搬して、反射面１００６で反射して整形される。その後、テラヘルツ波１００４は反射面１００５で反射し、反射面１００６で再び反射して結晶１０２に入射する。また、テラヘルツ波１００４を検出するための検出用の光１００３が、結晶１０２の光１００２が入射した面と対向する面から入射するため、第４の実施形態と同様の手法でテラヘルツ波１００４を検出できる。

この場合、図１０（ａ）のように、反射面１００６に試料１００７を配置すれば、試料１００７で反射したテラヘルツ波１００４を検出して、試料の情報を取得できる。また、図１０（ｂ）に示したように、反射面１００５に試料１００７を配置してもよい。

本実施形態では、結晶１０２を含む導波路２０１を一つ設ける構成としているが、別の導波路を設けて、発生用の光１００２を検出用の光１００３とをそれぞれ異なる導波路に入射してもよい。また、発生用の光１００２と検出用の光１００３の光源は、同じであっても良いし異なっていても良い。同じ光源を用いる場合は、結晶１０２に入射する前にビームスプリッタ等で光を２つに分岐した上で、それぞれを結晶１０２に入射する。また、テラヘルツ波に変換されずに結晶１０２から出射した発生用の光１００２を、検出用の光１００３として用いても良い。

本実施形態の素子１０００によれば、発生したテラヘルツ波のパワー分布の歪みを低減して、試料１００７の測定を行うことができる。また、検出されるテラヘルツ波１００４は、パワー分布に歪みがあるため、結晶１０２に入射するテラヘルツ波１００４のパワーが強い位置で、検出用の光１００３が検出に適した状態になるように調整する。このような構成にすれば、検出感度をより向上できる。

さらに、テラヘルツ波１００４をとりまわす光学系を外部に設ける必要がないので、小型の発生検出素子を提供できる。このようなテラヘルツ波の発生検出素子は、内視鏡等の小型プローブ等への適用が期待できる。

（第６の実施形態）
第６の実施形態では、第５の実施形態のテラヘルツ波発生検出素子の変形例について、図１１を参照して説明する。図１１は、本実施形態のテラヘルツ波発生検出素子１１００（以下、「素子１１００」と呼ぶ）の構成を説明する図である。素子１１００は、第１の実施形態の素子１００に、わらに三角プリズム１１０１を有する構成である。

三角プリズム１１０１は、結合部材１０３の透過面１０８と接して配置されており、三角プリズム１１０１の全反射面１１０３に試料１１０６が配置される。三角プリズム１１０１は、Ｓｉを含むプリズムで、面１１０４はテラヘルツ波をよく反射する金属等の導電性材料でコーティングされている。

三角プリズムの全反射面１１０３は、テラヘルツ波１１０２を全反射する面である。ここで、試料１１０６の屈折率を２と仮定すると、三角プリズム１１０１から試料１１０６にテラヘルツ波１１０２が入射する場合の全反射角は３６度である。本実施形態では、試料１１０６の屈折率が２であると仮定し、全反射面１１０３に対してテラヘルツ波１１０２の入射角が４５度となるように設定することによって、テラヘルツ波１１０２が全反射面１１０３で全反射するように構成する。なお、結合部材１０３と三角プリズム１１０１との界面におけるテラヘルツ波１１０２の反射は、可能な限りゼロに近いことが望ましい。

素子１１００は、結晶１０２に発生用の光１１０７が入射するとテラヘルツ波１１０２を発生する。発生したテラヘルツ波１１０２は、反射面１０７で反射する。その際、テラヘルツ波１１０２のパワー分布の歪みが低減される。その後、テラヘルツ波１１０２は、透過面１０８を透過して三角プリズム１１０１に入射する。

テラヘルツ波１１０２は、三角プリズム１１０１を伝搬して全反射面１１０３と試料１１０６との界面で全反射した後、面１１０４で垂直反射して、前述の道筋を逆にたどり結晶１０２に入射する。このとき、検出用の光１１０８が結晶１０２に入射しているため、結晶１０２から射出した検出用の光１１０８を分析すれば、第４の実施形態と同様の方法でテラヘルツ波の検出及び試料１１０６の情報の取得できる。

なお、本実施形態では、結合部材１０３の透過面１０８と三角プリズム１１０１とを接して配置しているが、これに限らず、結合部材１０３と三角プリズム１１０１とを一体としても良い。また、ここでは三角プリズム１１０１を用いたが、試料１１０６が配置されている全反射面１１０３でテラヘルツ波１１０２が全反射して、全反射したテラヘルツ波１１０２が結晶１０２に入射する構成であれば、プリズムの形状は限定しない。

本実施形態の素子１１００によれば、発生したテラヘルツ波のパワー分布の歪みを低減することができる。また、パワー分布の歪みを低減したテラヘルツ波を用いて試料の測定を行うことができる。

また、テラヘルツ波をとりまわす光学系を外部に設ける必要がないので、小型の発生検出素子を提供できる。

（第７の実施形態）
第７の実施形態として、単一周波数のテラヘルツ波の発生について説明する。本実施形態では、第１の実施形態の素子１００を用いて、単一周波数のテラヘルツ波を発生する。第１の実施形態では、結晶１０２に入射する光として超短パルスレーザを用いている。それに対して、本実施形態では、発振周波数の異なる２つの光を結晶１０２に入射して、単一周波数のテラヘルツ波を発生する。

発振周波数の異なる２つの光を出力する光源は、２波長の光を出力するＮｄ：ＹＡＧレーザ励起のＫＴＰ−ＯＰＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ−Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ−Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）光源や、２台の波長可変レーザダイオード等が挙げられる。２つの光の発振周波数をそれぞれν１、ν２とする。

結晶１０２に、２つの異なる発振周波数ν１、ν２の光を入射すると、発振周波数ν１と発振周波数ν２との差周波に相当する単一周波数のテラヘルツ波１０５が発生する。発生した単一周波数のテラヘルツ波１０５は、上述の各実施形態と同様に、反射面１０７で反射して、パワー分布の歪みが低減される。

このような単一周波数のテラヘルツ波の発生方法は、特定の周波数を有するテラヘルツ波で検査やイメージングを行う場合、例えば、医薬品の特定物質の吸収スペクトルに周波数を合わせてその物質の含有量を調べる等の検査に応用できる。

本実施形態のような単一周波数のテラヘルツ波を発生する方法は、第１の実施形態に限らず、第２から第６の実施形態に記載したテラヘルツ波発生素子、及び、テラヘルツ波検出素子、発生検出素子にも適用できる。テラヘルツ波検出素子又は発生検出素子の非線形光学結晶に、２つの異なる発振周波数を持つ光を入射させた場合、発振周波数ν１とν２との差周波に相当する単一周波数のテラヘルツ波の検出が可能となる。２つの光の周波数差を変化させれば、所望の周波数のテラヘルツ波の振幅を検出できる。

（第８の実施形態）
本実施形態では、テラヘルツ波を用いた情報取得装置１２００（以下、「装置１２００」と呼ぶ）について説明する。装置１２００はテラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＴＨｚ−ＴＤＳ）の原理を応用して、テラヘルツ波の時間波形を取得するＴＨｚ−ＴＤＳ装置である。装置１２００は、試料１２１６の情報として、試料１２１６で反射したテラヘルツ波１２３０の時間波形を取得する。取得した時間波形を用いれば、試料１２１６の光学特性及び形状等の情報を取得できる。また、取得した試料１２１６の情報を基に、画像を形成できる構成としてもよい。

図１２（ａ）は、装置１２００の構成図である。装置１２００は、光源１２０１、分岐器１２０２、発生部１２０４、放物面鏡１２０５ａ〜１２０５ｄ、ビームスプリッタ１２０６、検出部１２０７、光学遅延部１２０９、増幅部１２１２、変調部１２１３、信号取得部１２１４、処理部１２１５を有する。

光源１２０１は、光を発生させる光源で、光ファイバを含む。本実施形態では、フェムト秒レーザ（以下、「レーザ光」と呼ぶ）を出力する。

光源１２０１から出力されたレーザ光は、分岐器１２０２で２つに分岐され、一方はファイバ１２０３を通って発生部１２０４に入射し、他方はファイバ１２０８を通過して検出部１２０７に到達する。なお、ファイバ１２０３、１２０８は、高次ソリトン圧縮を行うための高非線形ファイバや、発生部１２０４及び検出部１２０７に至るまでのレーザ光の分散の影響を緩和するためにプリチャープを行う分散ファイバ等を含んでいてもよい。またこれらは偏波保持ファイバであることが望ましい。

発生部１２０４は、テラヘルツ波を発生する部分で、第１の実施形態の素子１００を含む。レーザ光が、ファイバ１２０３を通って発生部１２０４としての素子１００の結晶１０２に入射することによってテラヘルツ波１２３０が発生する。発生したテラヘルツ波１２３０は結合部材１０３を伝搬して外部に取り出される。

レーザ光がファイバ１２０３から結晶１０２に入射する際の結合効率を上げるために、ファイバ１２０３の先端を加工してピッグテール型にする等の方法で、レーザ光の出力が結晶１０２の開口数（ＮＡ）以下になる様に構成すると良い。また、レンズを用いて空間結合しても良い。これらの場合、ファイバ１２０３及び結晶１０２の端部に無反射コーティングを施せば、フレネル損失及び不要な干渉ノイズを低減できる。結晶１０２に対して、ファイバ１２０３のＮＡ及びモードフィールド径と、結晶１０２のＮＡ及びモードフィールド径とが近くなる様に設計して直接結合（バットカップリング）により接着しても良い。この場合は、接着剤を適切に選ぶことで反射を低減できる。

なお、ファイバ１２０３や光源１２０１等に偏波保持でないファイバ部分が含まれる場合、インライン型の偏波コントローラにより発生部１２０４に入射するレーザ光の偏波を安定化させることが望ましい。

発生部１２０４からのテラヘルツ波１２３０は、放物面鏡１２０５ａ、１２０５ｂ、ビームスプリッタ１２０６、放物面鏡１２０５ｃを含む光学系を介して試料１２１６に照射される。試料１２１６で反射したテラヘルツ波１２３０は放物面鏡１２０５ｄで集められて検出部１２０７に入射する。

一方、ファイバ１２０８を通るレーザ光は、光学遅延部１２０９及びレンズ１２１０を通過して、試料１２１６で反射したテラヘルツ波１２３０とは反対側から検出部１２０７に入射する。以降、本明細書では、検出部１２０７に入射するレーザ光をプローブ光と呼ぶ。

光学遅延部１２０９は、検出部１２０７に入射するテラヘルツ波１２３０とプローブ光との光路長差を適宜変更して、検出部１２０７がテラヘルツ波１２３０を検出するタイミングを調整する部分である。本実施形態では、プローブ光を折り返す折り返し光学系と折り返し光学系を動かす可動部とを用いて、プローブ光が検出部１２０７に入射するまでの光路長を変更する。

光学遅延部１２０９は、上述の構成に限らず、可動部に回転する系等を適用しても良い。また、プローブ光の伝搬経路中の屈折率等を調整して光路長を変化させる方法等も適用できる。上述の方法を用いてプローブ光ではなく、光源１２０１から発生部１２０４に入射するまでのレーザ光の光路長を変更しても良い。

検出部１２０７は、テラヘルツ波１２３０を検出する部分で、低温成長させたＧａＡｓにダイポールアンテナを形成した光伝導素子を用いる。光源１２０１から出力されるレーザ光の波長が１．５５μｍであれば、不図示のＳＨＧ結晶（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ結晶）をプローブ光の伝搬経路に配置しても良い。ＳＨＧ結晶を用いて２倍波を生成すれば、ＧａＡｓを励起するのに適したプローブ光を得ることができ、精度の良い検出が可能となる。

ＳＨＧ結晶としては、レーザ光のパルス形状を維持するために、０．１ｍｍ程度の厚さのＰＰＬＮ結晶（周期的極性反転リチウムナイオベイト）を用いることが望ましい。なお、本実施形態のようにパルス幅が十分に小さい場合には基本波をそのままプローブ光として利用できる。

検出部１２０７で検出された信号は位相敏感検波されて、その出力信号が増幅部１２１２で増幅されて信号取得部１２１４に送られる。オプティカルチョッパー１２１１は位相敏感検波を行うためにプローブ光を変調する部分で、変調部１２１３によって制御されている。

信号取得部１２１４は、検出部１２０７からの出力信号を取得する部分である。処理部１２１５は、信号取得部１２１４が取得した出力信号を基に時間波形を取得して、その時間波形を調べることで、試料１２１６の情報を取得する。取得した試料１２１６の情報に基づいて試料１２１６の内部構造の画像を取得することもできる。

試料１２１６の内部構造のイメージングについては、試料１２１６の内部に屈折率が異なる部分（界面）があれば、界面の深さに応じて、時間波形上の異なる位置の各界面で反射したテラヘルツ波の時間波形が現れる。そのため、試料１２１６を１次元でスキャンすれば断層画像が取得でき、２次元でスキャンすれば３次元画像を取得できる。

なお、本実施形態では、放物面鏡１２０５ｃで集光されて試料１２１６に照射されるテラヘルツ波１２３０と試料１２１６からの反射波とテラヘルツ波とが同軸である。そのため、２つのテラヘルツ波１２３０をビームスプリッタ１２０６で分岐するため、テラヘルツ波１２３０のパワーが減少する。よって、図１２（ｂ）のように、新たに放物面鏡１２０５ｅを１つ又は複数設けて非同軸の構成にしても良い。この場合、試料１２１６に照射されるテラヘルツ波１２３０の入射角が９０度でなくなるが、検出されるテラヘルツ波の出力を大きくできる。

本実施形態では、発生部１２０４として第１の実施形態の素子１００を用いているが、第１〜第３の実施形態に記載のテラヘルツ波発生素子等を用いても良い。第３の実施形態の素子を用いる場合は、発生部１２０４からのテラヘルツ波１２３０を試料１２１６に導くための光学系は設けなくて良い。

また、本実施形態では、検出部１２０７に光伝導素子を用いているが、これを第４又は第５の実施形態に記載のテラヘルツ波検出素子又はその他のテラヘルツ波検出素子に置き換えることも可能である。検出部１２０７として第４、第５の実施形態のテラヘルツ波検出素子を用いる場合、発生部１２０４の構成は限定されず、前述の実施形態に記載のテラヘルツ波発生素子を用いても良いし、光伝導素子等の公知のテラヘルツ波発生素子を用いても良い。第５の実施形態の素子１０００を用いる場合は、試料１２１６で反射したテラヘルツ波１２３０を検出部１２０７に導くための光学系は設けなくて良い。

また、発生部１２０４及び検出部１２０７を、第５及び第６の実施形態のような発生検出素子で置き換えることで、１つの発生検出部としても良い。この場合、発生部１２０４からのテラヘルツ波１２３０を試料１２１６に導くための光学系、及び、試料１２１６からのテラヘルツ波１２３０を検出部１２０７に導くための光学系を設けなくて良い。また、装置１２００は、試料１２１６で反射したテラヘルツ波１２３０を検出する構成としているが、試料１２１６を透過したテラヘルツ波１２３０を検出する構成でもよい。

第１から第７の実施形態に記載のテラヘルツ波発生素子、テラヘルツ波検出素子、テラヘルツ波発生検出素子は、本実施形態のＴＨｚ−ＴＤＳ装置に限らず、他の情報取得装置にも用いることができる。

以上、本実施形態の装置１２００によれば、発生部１２０４として素子１００を用いることで、パワー分布の歪みが低減されたテラヘルツ波を用いて試料１２１６の測定を行うことができる。そのため、分解能の高い測定が可能となる。また、パワー分布の歪みが低減されているため、試料１２１６に照射されるテラヘルツ波のパワーが大きくなるため、Ｓ／Ｎ比の向上が期待できる。さらに、本実施形態では、ファイバを用いて光学系を構成しているので、装置１２００の小型化が期待できる。

（実施例１）
第１の実施形態の素子１００の構成をより具体的に説明する。導波路２０１の長さは１０ｍｍである。導波路２０１に含まれるコア層１０２は、幅５μｍ、厚さ３．８μｍのＭｇＯドープＬＮ結晶層で形成されている。コア層１０２の上部には、幅５μｍ、厚さ２μｍの上部クラッド層２０２が形成されている。上部クラッド層２０２は、コア層１０２と結合部材１０３とを接着するための光学接着剤である。

上部クラッド層２０２の厚さは、発生するテラヘルツ波１０５の波長から決定する。テラヘルツ波１０５の最大周波数が７ＴＨｚであった場合、テラヘルツ波１０５の自由空間における波長は約４３μｍである。前述のように、上部クラッド層２０２の厚みは、λ_ｅｑ／１０以下であることが望ましい。緩衝層の屈折率が１．５である場合、λ_ｅｑ／１０＝２．８５となるため、この厚さ以下になるように上部クラッド層２０２の厚さを２μｍにした。

結合部材１０３には、高抵抗Ｓｉを用いた。結合部材１０３の反射面１０７は、円錐面の一部を切り取ったような形状をしており、円錐面の軸１０９と光１０４の伝搬方向とが一致するように構成されている。このとき、光１０４の伝搬方向を含む面において、光１０４の伝搬方向と反射面１０７とがなす角αは６５度である。結合部材１０３の大きさは、導波路２０１の入射端から円錐面の頂点１１０までの距離を約１８ｍｍとした。

本実施例におけるチェレンコフ角θ_ｃｌａｄは５０度である。また、テラヘルツ波１０５が反射面１０７に入射する場合に、テラヘルツ波１０５と反射面１０７の垂線とがなす角（入射角）ｉと反射面１０７で反射したテラヘルツ波１０５と反射面１０７の垂線とがなす角（反射角）ｊは、ともに２５度である。

結晶１０２に入射する光１０４は、ピーク波長１．６μｍ、パルス幅２０ｆｓ、平均パワー６０ｍＷで、ビーム径（最大強度に対して１／ｅ^２以上の強度部分の径）を６μｍとした超短パルスレーザである。光１０４が、結晶１０２の端面から入射して結晶１０２をシングルモードで伝搬すると、テラヘルツ波１０５が発生して、チェレンコフ放射によって円錐状に放射される。

放射されたテラヘルツ波１０５は結合部材１０３に伝搬して、反射面１０７で反射される。結合部材１０３を形成する高抵抗Ｓｉと空気との界面における全反射角は約１７度なので、テラヘルツ波１０５は反射面１０７で全反射される。反射面１０７で反射されたテラヘルツ波１０５は、透過面１０８を通過して結合部材１０３の外部の空間へ放射される。

本実施例の素子１００によれば、テラヘルツ波の波面をほぼ平面に整形しつつ、パワー分布の歪みの小さいテラヘルツ波を得ることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

例えば、上述の実施形態及び実施例では、非線形光学結晶１０２の幅が小さく、幅を持たない点光源とみなせる場合について説明した。しかし、これに限らず、非線形光学結晶１０２が実質的に幅を持つ場合でも本発明を適用できる。

この場合、光の伝搬方向と直交する面におけるテラヘルツ波１０５の波面に応じて、光の伝搬方向と直交する断面における結合部材１０３の反射面１０７の形状を変更すると良い。一例として、図３（ｄ）に示すような楕円形状に近い形態が考えられる。このような形状にすることで、反射面１０７で反射したテラヘルツ波のパワー分布の歪みを低減して、波面を平行に近づけることができる。

また、上述の実施形態及び実施例では、光の伝搬方向を含む面において反射面が直線である場合を挙げたが、直線でなく曲線である構成としても良い。この時、反射面と光の伝搬方向とがなす角の大きさαは、反射面を構成する曲線の接線と光の伝搬方向とがなす角の大きさとする。

また、上述の実施形態及び実施例では、非線形光学結晶としてＬＮを用いているが、これに限らずその他の非線形光学結晶を用いることもできる。ＬＮは、テラヘルツ波に対する屈折率とレーザ光に対する屈折率との差が十分に大きいため、ノンコリニアで発生するテラヘルツ波を取り出すことが可能である。

しかし、使用する非線形光学結晶によっては該屈折率差が小さく、発生したテラヘルツ波を容易に取り出せないことがある。その場合、非線形光学結晶１０２と結合部材１０３とが近接するように導波路２０１を設けて、結合部材１０３の材料に非線形光学結晶よりも屈折率が大きいものを用いれば良い。このような構成にすることで、発生した電磁波がチェレンコフ放射するための条件（Ｖ_ＴＨｚ＜Ｖ_ｇ）を満たし、テラヘルツ波を外部に取り出すことができる。

テラヘルツ波発生素子については、テラヘルツ波の出力を大きくするために、導波路２０１の長さ（ｘ方向の長さ）を長くしても良い。この場合、発生するテラヘルツ波をより多く利用できるように、結合部材１０３の大きさも導波路２０１の長さに合わせて変更すると良い。

また、基板１０１についても上述の実施形態に限らず、種々の変更が可能である。例えば、基板１０１の大きさは、導波路２０１を保持できる範囲で小さくできる。また、基板１０１の裏面、すなわち、導波路２０１が形成されている面と対向する面の構成を変更できる。具体的には、基板１０１の裏面で反射する光が迷光となるのを防ぐために斜めにカットしたり、基板１０１の裏面にもテラヘルツ波が放射される構成の場合は、プリズムやレンズを配置したりしても良い。材料も、Ｓｉや樹脂など種々の物質を使用できる。また、基板１０１を設けない構成とすることも可能である。

１０２ 非線形光学結晶
１０３ 結合部材
１０７ 反射面

Claims (18)

1. 光が伝搬することによってテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶と、
   前記非線形光学結晶から発生するテラヘルツ波が伝搬する結合部材と、を有し、
   前記結合部材は、前記非線形光学結晶から発生するテラヘルツ波の少なくとも一部を反射する反射面と、前記反射面で反射したテラヘルツ波を透過する透過面と、を有し、
   前記反射面は、前記非線形光学結晶から発生するテラヘルツ波の伝搬方向に凸であり、前記光の波長における前記非線形光学結晶の群屈折率をｎｇ、前記非線形光学結晶から発生するテラヘルツ波の波長における前記結合部材の屈折率をｎＴＨｚとすると、前記光の伝搬方向を含む面において、前記反射面と前記光の伝搬方向とがなす前記結合部材側の角の大きさは、９０度−ｃｏｓ^−１（ｎｇ／ｎＴＨｚ）より大きく且つ９０度より小さく、前記非線形光学結晶から発生するテラヘルツ波が反射する反射領域における前記反射面の曲率半径は、前記光の伝搬方向の下流側ほど小さい
   ことを特徴とするテラヘルツ波発生素子。
2. 前記非線形光学結晶から発生するテラヘルツ波の波長における前記結合部材の外部の物質の屈折率をｎｅとすると、前記角の大きさは、ｓｉｎ^−１（ｎｅ／ｎＴＨｚ）＋９０度−ｃｏｓ^−１（ｎｇ／ｎＴＨｚ）以上である
   ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生素子。
3. 前記非線形光学結晶から発生するテラヘルツ波は、前記反射面で全反射する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ波発生素子。
4. 前記反射面は、直線又は曲線を前記光の伝搬方向を軸に回転させてできる曲面の一部を含む
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生素子。
5. 前記反射面は、前記光の伝搬方向を軸とする円錐面の一部を含む
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生素子。
6. 前記反射面は、前記結合部材の前記光の伝搬方向と直交する面における断面の少なくとも一部が円又は楕円の一部である
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生素子。
7. 前記光の伝搬方向を含む面は、前記非線形光学結晶の表面に垂直である
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生素子。
8. 導波路を有し、
   前記導波路は、前記非線形光学結晶と、前記非線形光学結晶と前記結合部材との間に設けられ且つ前記光の波長における前記非線形光学結晶の屈折率より低い屈折率を有するクラッド層と、を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生素子。
9. 前記光の伝搬方向に対して直交する方向であって、かつ、前記非線形光学結晶の主面に対して直交しない方向の前記非線形光学結晶の幅は、前記非線形光学結晶から発生するテラヘルツ波の波長より小さい
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生素子。
10. 前記非線形光学結晶は、前記非線形光学結晶から発生したテラヘルツ波が再び入射することにより前記光と異なる光の伝搬状態が変化するように設定することにより、伝搬状態が変化した前記光を用いて前記非線形光学結晶から発生したテラヘルツ波の検出を行う
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生素子。
11. テラヘルツ波を入射することによって光の伝搬状態が変化する非線形光学結晶と、テラヘルツ波を前記非線形光学結晶に導く結合部材と、を有し、
    前記結合部材は、テラヘルツ波を透過する透過面と、前記透過面を透過したテラヘルツ波の少なくとも一部を反射する反射面と、を有し、
    前記反射面は、前記非線形光学結晶に入射するテラヘルツ波の伝搬方向と逆方向に凸であり、
    前記光の波長における前記非線形光学結晶の群屈折率をｎｇ、前記非線形光学結晶から発生するテラヘルツ波の波長における前記結合部材の屈折率をｎＴＨｚとすると、前記光の伝搬方向を含む面において、前記反射面と前記光の伝搬方向とがなす前記結合部材側の角の大きさは、９０度−ｃｏｓ^−１（ｎｇ／ｎＴＨｚ）より大きく且つ９０度より小さく、
    前記非線形光学結晶から発生するテラヘルツ波が反射する反射領域における前記反射面の曲率半径は、前記光の伝搬方向の下流側ほど大きい
    ことを特徴とするテラヘルツ波検出素子。
12. テラヘルツ波を試料に照射して試料の情報を取得する情報取得装置であって、
    テラヘルツ波を発生する発生部と、
    前記試料を透過した又は前記試料で反射したテラヘルツ波を検出する検出部と、を有し、
    前記発生部は、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生素子を含むことを特徴とする情報取得装置。
13. 前記発生部と前記検出部とは、一体に構成されており、前記テラヘルツ波発生素子は、前記発生部及び前記検出部として機能する
    ことを特徴とする請求項１２に記載の情報取得装置。
14. テラヘルツ波を試料に照射して試料の情報を取得する情報取得装置であって、
    テラヘルツ波を発生する発生部と、
    前記試料からのテラヘルツ波を検出する検出部と、を有し、
    前記検出部は、請求項１１に記載のテラヘルツ波検出素子を含む
    ことを特徴とする情報取得装置。
15. ＬｉＮｂＯｘ、ＬｉＴａＯｘ、ＮｂＴａＯｘ、ＫＴＰ、ＤＡＳＴ、ＺｎＴｅ、ＧａＳｅ、およびＧａＡｓから選択された少なくとも１つを含む結晶と、
    前記結晶中を光が伝搬することによって発生するテラヘルツ波が、伝搬する結合部材と、を有し、
    前記結合部材は、前記テラヘルツ波の少なくとも一部を反射する反射面と、前記反射面で反射した前記テラヘルツ波を透過させる透過面と、を有し、
    前記反射面は、前記光の伝搬方向の下流側に頂点を有する円錐面の一部を含むことを特徴とするテラヘルツ波発生素子。
16. 前記光の伝搬方向を含む面において、前記反射面と前記光の伝搬方向とがなす前記結合部材側の角の大きさは、θｃｌａｄを前記結合部材におけるチェレンコフ角としたときに、９０°−θｃｌａｄより大きく９０°より小さいことを特徴とする請求項１５に記載のテラヘルツ波発生素子。
17. 前記結晶から発生したテラヘルツ波は前記反射面で全反射することを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載のテラヘルツ波発生素子。
18. 前記円錐面の軸は、前記光の伝搬方向であることを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれか一項にテラヘルツ波発生素子。

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