WO2010119646A1 - テラヘルツ電磁波発生素子 - Google Patents

テラヘルツ電磁波発生素子 Download PDF

Info

Publication number
WO2010119646A1
WO2010119646A1 PCT/JP2010/002558 JP2010002558W WO2010119646A1 WO 2010119646 A1 WO2010119646 A1 WO 2010119646A1 JP 2010002558 W JP2010002558 W JP 2010002558W WO 2010119646 A1 WO2010119646 A1 WO 2010119646A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
electromagnetic wave
terahertz electromagnetic
generating element
refractive index
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/002558
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
岡野正登
Original Assignee
ナルックス株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ナルックス株式会社 filed Critical ナルックス株式会社
Priority to EP10764233A priority Critical patent/EP2420886A4/en
Priority to JP2010544526A priority patent/JP4759770B2/ja
Publication of WO2010119646A1 publication Critical patent/WO2010119646A1/ja
Priority to US13/272,638 priority patent/US8514482B2/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/10—Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry
    • G01J3/108—Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry for measurement in the infrared range
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1814—Diffraction gratings structurally combined with one or more further optical elements, e.g. lenses, mirrors, prisms or other diffraction gratings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3563—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing solids; Preparation of samples therefor
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/3501—Constructional details or arrangements of non-linear optical devices, e.g. shape of non-linear crystals
    • G02F1/3505—Coatings; Housings; Supports
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/3501—Constructional details or arrangements of non-linear optical devices, e.g. shape of non-linear crystals
    • G02F1/3509—Shape, e.g. shape of end face
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G02F1/3534—Three-wave interaction, e.g. sum-difference frequency generation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/13—Function characteristic involving THZ radiation

Definitions

  • the present invention relates to a terahertz electromagnetic wave generating element that efficiently generates terahertz electromagnetic waves.
  • the frequency of the terahertz electromagnetic wave ranges from 0.1 THz to 10 THz, and the wavelength is from 30 ⁇ m to 3 mm. That is, the frequency region of the terahertz electromagnetic wave is a frequency region that hits the boundary between the light wave and the radio wave. For this reason, terahertz electromagnetic waves have a property of transmitting a substance like radio waves and going straight like light. Information on molecular structure and motion state can be obtained from the frequency band of terahertz electromagnetic waves. Therefore, biomedical such as information communication, non-destructive inspection, security field such as detection of dangerous and concealed objects, and imaging of malignant tumors. Applications in a wide range of fields such as agriculture, industry, environment and space are expected.
  • a method of generating a terahertz electromagnetic wave for example, a method of generating a terahertz electromagnetic wave by irradiating a nonlinear optical crystal with a femtosecond pulse laser is known (for example, Patent Document 1).
  • a nonlinear optical crystal is irradiated with strong light such as laser light by a femtosecond pulse laser, polarization is generated and disappears in the nonlinear optical crystal, which is equivalent to effectively generating a pulse current.
  • the nonlinear optical crystal emits terahertz electromagnetic waves.
  • the refractive index of the substance increases due to dispersion. For this reason, when the terahertz electromagnetic wave passes through the generating element, a component that is reflected or absorbed increases, and the output of the terahertz electromagnetic wave decreases. In order to prevent a decrease in output of the terahertz electromagnetic wave, an attempt has been made to reduce reflection on the surface by providing a thin film layer on the surface of the nonlinear optical crystal. However, since there is no effective thin film material in the frequency region of the terahertz electromagnetic wave and the thin film itself has dispersibility, the energy conversion efficiency to the terahertz electromagnetic wave has not been significantly improved.
  • a terahertz electromagnetic wave generating element that can generate a terahertz electromagnetic wave of a predetermined frequency band with as high energy efficiency as possible.
  • a terahertz electromagnetic wave generating element includes a generation layer made of a nonlinear optical material that emits a terahertz electromagnetic wave from the other surface when light is irradiated on one surface, and a plurality of pairs of layer structures provided on both sides of the generation layer And.
  • Each of the plurality of pairs of layer structures includes a first layer, a second layer provided on the opposite side of the first layer from the generation layer, and a side of the generation layer of the second layer.
  • a first grating having a first period and a first height smaller than the wavelength of the terahertz electromagnetic wave to be used, and a surface of the second layer opposite to the generation layer.
  • a second grating having a first period and a first height.
  • the refractive index (first refractive index) of the medium of the first layer is lower than the refractive index (second refractive index) of the medium of the second layer.
  • the first and second gratings are configured such that a refractive index between the first layer and the second layer gradually changes between the first and second refractive indexes. Yes.
  • the thicknesses of the first and second layers, the first period, and the first frequency so as to generate a terahertz electromagnetic wave having a desired bandwidth with respect to the center wavelength of the terahertz electromagnetic wave generated by the generation layer. 1 height is defined.
  • the energy of the terahertz electromagnetic wave can be concentrated in a desired bandwidth. Therefore, a terahertz electromagnetic wave having a desired bandwidth can be generated with high energy efficiency.
  • the terahertz electromagnetic wave generating element has a first period so as to remove as much as possible a terahertz electromagnetic wave having a frequency equal to or higher than the upper limit value of a desired bandwidth.
  • the terahertz electromagnetic wave having a frequency equal to or higher than the upper limit value of the desired bandwidth is diffracted and removed by the first and second gratings provided on both sides of the second layer.
  • the convex portions of the first and second gratings are conical.
  • the refractive index can be gradually changed between the first layer and the second layer.
  • the convex portions of the first and second gratings are conical.
  • the refractive index can be gradually changed between the first layer and the second layer.
  • the convex portions of the first and second gratings are pyramidal.
  • the refractive index can be gradually changed between the first layer and the second layer.
  • the convex portions of the first and second gratings are made of the same material as that of the second layer.
  • the convex portions of the first and second gratings are made of the same material as that of the second layer, the refractive index is continuously maintained between the first layer and the second layer. Can be changed.
  • the first and second gratings are arranged one-dimensionally.
  • the output of the terahertz electromagnetic wave having a predetermined polarization plane can be increased by the one-dimensionally arranged grating. Specifically, it is possible to prevent the attenuation of the terahertz electromagnetic wave having a polarization plane orthogonal to the longitudinal direction of the protrusions of the lattice arranged in one dimension.
  • the first and second gratings are two-dimensionally arranged.
  • the output of the terahertz electromagnetic wave can be increased by the two-dimensionally arranged grating regardless of the polarization plane.
  • the medium of the first layer is air.
  • the first layer can be easily formed.
  • the terahertz electromagnetic wave generating element includes a frame-like support structure so as to form the first layer.
  • the first layer whose medium is air can be formed by providing a frame-like support structure.
  • the second layer and the frame-shaped support structure are integrally formed.
  • the second layer and the frame-shaped support structure are integrally formed, so that the manufacturing process is simplified.
  • the medium of the second layer is polypropylene.
  • the nonlinear optical material is a crystal of zinc telluride (ZnTe).
  • the object inspection system includes the terahertz electromagnetic wave generating element according to the present invention.
  • the object inspection system since the output of the terahertz electromagnetic wave generating element is large, the object can be inspected with higher accuracy.
  • FIG. 5 is a flowchart for explaining a design method of a terahertz electromagnetic wave generating element that generates a terahertz electromagnetic wave having a desired bandwidth with respect to the center wavelength of the terahertz electromagnetic wave at ⁇ THz . It is a figure which shows the relationship between the frequency and utilization efficiency of the terahertz generating element of the 1st Example calculated
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an object inspection system including a terahertz electromagnetic wave generating element.
  • the laser beam emitted by the femtosecond laser 201 is reflected by the reflecting mirror 203 and reaches the beam splitter 205.
  • the laser beam pulse is branched into two by the beam splitter 205, and one is incident on the terahertz electromagnetic wave generating element 100.
  • the terahertz electromagnetic wave generating element 100 that has received the laser beam pulse generates and emits a terahertz electromagnetic wave.
  • the terahertz electromagnetic wave reaches the concave reflecting mirror 207 and is reflected and converted into a plane wave.
  • the terahertz electromagnetic wave converted into the plane wave is condensed by the reflecting mirror 207a and the concave reflecting mirror 207b so that sufficient intensity can be obtained at the inspection target object 301.
  • the terahertz electromagnetic wave passes through the object to be inspected 301, reaches the concave reflecting mirror 209 through the concave reflecting mirror 209 b and the reflecting mirror 209 a, is reflected, and then collected on the terahertz detector 211.
  • the specifications of the femtosecond laser are, for example, a center wavelength of 800 nm, a pulse width of 60 to 100 fs (femtosecond), a repetition frequency of 70 to 80 MHz, and an output power of 1 W.
  • a titanium / sapphire laser may be used instead of the femtosecond laser.
  • the other laser beam pulse branched by the beam splitter 205 passes through the optical delay stage 213, is reflected by the reflecting mirror 215, and reaches the terahertz detector 211.
  • the terahertz detector 211 detects the electric field intensity of the terahertz electromagnetic wave incident on the terahertz detector 211 when the other laser beam pulse is irradiated.
  • the optical delay stage 213 adjusts the optical path length by moving the mirror, and adjusts the time for the other laser beam pulse to reach the terahertz detector 211.
  • the time change of the electric field strength of the terahertz electromagnetic wave is measured while adjusting the time for the other laser beam pulse to reach the terahertz detector 211. Finally, if the time change of the electric field strength is Fourier transformed, the transition of the electric field strength with respect to the frequency can be obtained.
  • FIG. 2A is a diagram for explaining the configuration of the terahertz electromagnetic wave generating element 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the laser beam is incident on one surface of the terahertz electromagnetic wave generating element 100, and the terahertz electromagnetic wave is emitted from the other surface.
  • a surface on which a laser beam is incident is referred to as an incident surface
  • a surface from which a terahertz electromagnetic wave is emitted is referred to as an emission surface.
  • the terahertz electromagnetic wave generating element 100 includes a nonlinear optical crystal 101, a layer structure 103A provided on the incident surface side of the nonlinear optical crystal 101, and a layer structure 103B provided on the emission surface side of the nonlinear optical crystal 101.
  • the layer structure 103A includes a first layer 105, a second layer 1073 provided on the side opposite to the nonlinear optical crystal 101 of the first layer 105, and a side of the first layer 105 of the second layer 1073. And a grating 1075 provided on the surface of the second layer 1073 opposite to the first layer 105.
  • the layer structure 103B has the same structure as the layer structure 103A.
  • the layer structure 103A and the layer structure 103B are referred to as a pair of layer structures.
  • the nonlinear optical crystal 101 is, for example, a zinc telluride (ZnTe) crystal.
  • ZnTe zinc telluride
  • crystals such as inorganic nonlinear optical crystals such as lithium niobate (LiNbO 3 ), gallium phosphide (GaP), and gallium selenide (GaSe) may be used.
  • DAST 4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium tosylate crystal may be used as the organic nonlinear crystal.
  • the refractive index of the medium of the first layer 105 is lower than the refractive index of the medium of the second layer 1073. That is, the first layer 105 is a layer made of a low refractive index material, and the second layer 1073 is a layer made of a high refractive index material.
  • the nonlinear optical crystal 101 of the terahertz electromagnetic wave generated in the nonlinear optical crystal 101 The reflected wave at the boundary surface between the first layer 105 and the reflected wave at the boundary surface between the second layer 1073 and the surrounding area cancel each other, so that a decrease in output due to reflection of the terahertz electromagnetic wave can be prevented.
  • the medium of the first layer 105 air is selected as the medium of the first layer 105.
  • a medium having an appropriate refractive index as the medium of the second layer 1073.
  • the refractive index of a substance tends to increase in the frequency region of terahertz electromagnetic waves.
  • the refractive indexes of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and titanium dioxide (TiO 2 ) which are typical thin films for visible light, are 1.7 and 2.0 for visible light, respectively.
  • frequency 0.45 THz wavelength 670 ⁇ m
  • they are 3.3 and 10.5, respectively.
  • the first grating 1071 is provided on the surface of the second layer 1073 on the nonlinear optical crystal 101 side, and the second layer 1073 is disposed on the surface opposite to the nonlinear optical crystal 101.
  • Two grids 1075 are provided.
  • the grating period of the first grating 1071 and the second grating 1075 is made smaller than the wavelength of the terahertz electromagnetic wave used.
  • the space between the protruding portions of the first grating 1071 is filled with air that is the medium of the first layer.
  • the average refractive index of the protruding portion of the first grating 1071 or the second layer 1073 and the portion made of air is approximately given by the following expression.
  • the average refractive index for TE polarized light is represented by n TE
  • the average refractive index for TM polarized light is represented by n TM .
  • the height of the lattice protrusion from the surface of the second layer 1073 is h
  • the refractive index of the lattice protrusion at the height h is n 2 (h)
  • the refraction of the medium (air) around the lattice protrusion is The ratio is n 1 (h)
  • the lattice period is ⁇
  • the vertex of the lattice protrusion is included
  • the second layer 1073 occupies the period at the height h in the cross section perpendicular to the plane on which the lattice protrusion is disposed.
  • the incident angle of light is represented by ⁇ .
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the duty ratio.
  • the duty ratio is 1.
  • the duty ratio is 0 at the height of the apex of the lattice projection. While h changes from the height (H) of the apex of the protrusion to 0, the duty ratio continuously changes from 0 to 1.
  • the shape of the lattice protrusion in the cross section perpendicular to the surface of the second layer 1073 on which the lattice protrusion is arranged, including the apex is a triangle.
  • the shape of the lattice protrusion in the cross section is an arbitrary shape in which the duty ratio continuously changes from 0 to 1 while h changes from the height (H) of the vertex of the protrusion to 0. It may be.
  • Equation (1) while the duty ratio continuously changes from 0 to 1, the average refractive index n TE for TE polarized light changes from n 1 (H) to n 2 (0). Further, according to the equation (2), the average refractive index n TM for TM polarized light is continuously changed from n 1 (H) to n 2 (0) while the duty ratio continuously changes from 0 to 1. Change.
  • the average refractive index continuously changes from the refractive index of the medium of the first layer 105 to the refractive index of the medium of the second layer 1073. Accordingly, reflection at the boundary surface between the first layer 105 and the second layer 1073 can be prevented.
  • the material of the protruding portion of the lattice is the same as the material of the second layer 1073.
  • the material of the protruding portion of the lattice may be different from the material of the second layer 1073.
  • the refractive index of the material of the protrusion of the grating is close to the refractive index of the material of the second layer 1073, and the refractive index gradually changes from the first layer 105 to the second layer 1073. That is, it is configured not to change rapidly.
  • polypropylene is used for the second layer 1073.
  • the reason why polypropylene is used for the second layer 1073 is that the hygroscopic property is small, a large-area thin film can be easily manufactured, and the refractive index in the terahertz electromagnetic wave band is relatively small compared to other plastics.
  • Polypropylene has a refractive index of 1.48 for electromagnetic waves having a frequency of 1.5 THz (wavelength of 200 ⁇ m).
  • polymethylmethacrylate (refractive index for electromagnetic waves of the above frequency is about 2.5), polyethylene (refractive index for electromagnetic waves of the above frequency is about 2.4), polycarbonate (refractive index for electromagnetic waves of the above frequency is about 2.6), polystyrene (refractive index for electromagnetic waves of the above frequency is about 2.6), and the like may be used.
  • the lattices are arranged one-dimensionally or two-dimensionally on the surface of the second layer 1073.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a lattice arranged in one dimension.
  • the output of the terahertz electromagnetic wave having a predetermined polarization plane can be increased by the one-dimensionally arranged grating. Specifically, it is possible to prevent the attenuation of the terahertz electromagnetic wave having a polarization plane orthogonal to the longitudinal direction of the protrusions of the lattice arranged in one dimension.
  • FIG. 5A to FIG. 5D are diagrams showing a configuration of a lattice arranged two-dimensionally. Regardless of the plane of polarization, the output of terahertz electromagnetic waves can be increased by the two-dimensionally arranged grating.
  • FIG. 5A is a diagram showing a two-dimensional array lattice in which quadrangular pyramid protrusions are arrayed in a square lattice pattern.
  • FIG. 5B is a diagram showing a two-dimensional array lattice in which conical protrusions are arrayed in a square lattice pattern.
  • FIG. 5A is a diagram showing a two-dimensional array lattice in which quadrangular pyramid protrusions are arrayed in a square lattice pattern.
  • FIG. 5B is a diagram showing a two-dimensional array lattice in which conical protrusions are arrayed in a square lattice pattern.
  • FIG. 5C is a diagram showing a two-dimensional array lattice in which the projections of the quadrangular pyramids are arrayed in a regular hexagonal lattice.
  • FIG. 5D is a diagram showing a two-dimensional array lattice in which conical protrusions are arrayed in a regular hexagonal lattice shape.
  • the layer structure of the terahertz electromagnetic wave generating element 100 is assumed to be a pair. Actually, the terahertz electromagnetic wave generating element 100 has a plurality of pairs of layer structures.
  • FIG. 2B is a diagram showing a configuration of the terahertz electromagnetic wave generating element 100 having five pairs of layer structures according to an embodiment of the present invention.
  • a method for designing a terahertz electromagnetic wave generating element will be described. First, a method for designing a nonlinear optical crystal that generates a terahertz electromagnetic wave having a desired center wavelength is described. Next, a method for designing a terahertz electromagnetic wave generating element that generates a terahertz electromagnetic wave having a desired bandwidth around the center wavelength is described. explain.
  • FIG. 6 is a flowchart for explaining a design method of a nonlinear optical crystal that generates a terahertz electromagnetic wave having a desired center wavelength.
  • step S1010 of FIG. 6 the center wavelength of the terahertz electromagnetic wave desired to be generated by the terahertz electromagnetic wave generating element is determined.
  • the refractive index of the nonlinear optical crystal at the center wavelength of the terahertz electromagnetic wave and the group refractive index of the nonlinear optical crystal at the wavelength of the excitation pulse laser are obtained.
  • the thickness of the nonlinear optical crystal is determined from the values of the center wavelength, the refractive index, and the group refractive index according to the following equation.
  • the thickness of the nonlinear optical crystal is L
  • the center wavelength of the terahertz electromagnetic wave is ⁇ THz
  • the refractive index of the nonlinear optical crystal at the center wavelength ⁇ THz is n THz
  • the group refractive index of the nonlinear optical crystal at the wavelength of the excitation pulse laser is n Indicated by g .
  • FIG. 7 is a flowchart for explaining a design method of a terahertz electromagnetic wave generating element that generates a terahertz electromagnetic wave having a desired bandwidth with respect to the center wavelength of the terahertz electromagnetic wave as ⁇ THz .
  • the thickness H 2 of the thickness H 1 and a second layer 1073 of the first layer 105 defines the following equation.
  • the refractive index of the first layer 105 is n 105
  • the refractive index of the second layer 1073 is n 1073 . That is, the thickness H 2 of the thickness H 1 and a second layer 1073 of the first layer 105, the terahertz wave in the phase of the central wavelength is determined so as to change by [pi / 2 or a multiple thereof.
  • the phase of the center wavelength terahertz electromagnetic wave changes by 2 ⁇ by passing through the first layer 105 and the second layer 1073 provided on both sides twice.
  • step S2020 of FIG. 7 the average refractive indexes of the first layer and the second layer are obtained according to the following formula.
  • the refractive index of the first layer and the second layer or the refractive index of the grating protrusion is represented by n min and n max .
  • the grating height h and period ⁇ for generating a terahertz electromagnetic wave having a desired bandwidth W THz are determined according to the following formula with respect to the center wavelength of the terahertz electromagnetic wave as ⁇ THz .
  • Equation (7) indicates that the terahertz electromagnetic wave has a lattice height h and an average refractive index. It shows that the bandwidth of the frequency is widened due to the change in the optical path length when passing through the grating portion having ⁇ .
  • the grating height h and the period ⁇ need to satisfy the following expressions.
  • Equation (8) means that the grating period ⁇ is smaller than the lower limit value of the bandwidth frequency.
  • the grating period ⁇ is equal to or greater than the lower limit of the bandwidth frequency, diffracted light is generated, causing a decrease in transmittance.
  • Equation (9) is obtained by erasing the lattice period ⁇ from Equation (8) using Equation (7). If the expression (9) is not satisfied, high-order diffracted light is generated as in the case where the expression (8) is not satisfied, and the transmittance is reduced.
  • the terahertz electromagnetic wave generating element having a plurality of pairs of layer structures in FIG. 2B generates a terahertz electromagnetic wave having a bandwidth given by the equation (7), for example, as described below.
  • the graph (frequency spectrum) showing the relationship with the utilization efficiency new knowledge has been obtained that a rectangular shape with sharp both sides of the band can be obtained.
  • the reason why a rectangular shape with sharp both sides of the band is obtained is as follows.
  • the second layer 1073 does not include a lattice.
  • the center wavelength (frequency) is determined by determining the thicknesses of the first layer and the second layer so as to satisfy the equations (4) and (5).
  • a narrow-band transmission spectrum having a peak at can be obtained.
  • the wavelength of terahertz electromagnetic waves is extremely long, it is necessary to increase the layer thickness in order to perform phase control. As a result, the distance that the terahertz electromagnetic wave passes through the medium also increases.
  • the increase in the passing distance in the medium causes transmission loss and reflection loss as in the case of conventional visible light and infrared light, and a phase shift occurs due to an increase in the absorption effect associated with the passage of the terahertz electromagnetic wave in the medium. .
  • the peak frequency shifts.
  • every time the layer structure on both sides of the generation layer goes back and forth the frequency band that can interfere gradually shifts, so the approximate shape of the obtained frequency spectrum does not have a rectangular distribution, and the utilization efficiency changes gradually with respect to the frequency. Gaussian distribution.
  • the gratings 1071 and 1075 are provided on both sides of the second layer 1073.
  • the optical path length of the formula (7) is used for the grating alone.
  • a phase shift of minutes occurs.
  • the peak frequency is shifted by the optical path length.
  • the addition of a lattice on both sides of the second layer 1073 and the arrangement of the layer structure on both sides of the generating element 101 make a coefficient in the phase shift amount.
  • a total bandwidth W THz is determined (Equation (7)).
  • the shift amount of the peak frequency is modulated every time it passes through each layer, and a narrow-band spectrum corresponding to the shift amount is generated.
  • the obtained spectrum is radiated in a state where narrowband spectra having an arbitrary shift amount are randomly overlapped.
  • the modulation amount of the peak frequency given at random is limited by the phase modulation by the lattice structure, and does not exceed the bandwidth W THz shown in the equation (7).
  • the effect of the present invention is verified by simulation.
  • the exact coupled wave analysis (Rigorous Coupled Wave Analysis, RCWA) method was used.
  • the polarization direction of the electromagnetic wave was TE polarization, and a lattice arranged in one dimension was used. Similar results are obtained with TM polarized light or a two-dimensionally arranged grating.
  • the first embodiment is a terahertz electromagnetic wave generating element having five pairs of layer structures.
  • the center wavelength of the terahertz electromagnetic wave is determined to be 136 ⁇ m and the center frequency is determined to be 2.2 THz (step S1010 in FIG. 6).
  • the thickness of the first layer 105 can be calculated from the equations (4) and (5).
  • the thickness H 1 and the thickness H 2 of the second layer 1073 are 34 ⁇ m and 23 ⁇ m, respectively.
  • the bandwidth (wavelength width) is assumed to be 38 ⁇ m.
  • the design bandwidth is as follows. Wavelength band 117 ⁇ m-155 ⁇ m Frequency band 1.94THz-2.56THz
  • the grating period ⁇ is determined to be 90 ⁇ m so as to satisfy Expression (6).
  • the band wavelength width becomes 38 ⁇ m when the grating height is 37 ⁇ m as follows (step S2020 in FIG. 7).
  • Table 1 is a table
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the frequency and the utilization efficiency of the terahertz generating element of this example obtained by RCWA.
  • the utilization efficiency represents the ratio of the emission intensity of the terahertz electromagnetic wave to the theoretical maximum emission intensity of the terahertz electromagnetic wave radiated from the nonlinear optical crystal, that is, the utilization efficiency of generation of the terahertz electromagnetic wave.
  • the theoretical maximum emission intensity is expressed by the second-order nonlinear polarization P (2) ( ⁇ 3) at the frequency ⁇ 3 of the terahertz electromagnetic wave when laser light with the frequencies ⁇ 1 and ⁇ 2 is incident on the nonlinear optical crystal from the femtosecond laser.
  • ⁇ 0 represents the dielectric constant of vacuum
  • ⁇ (2) represents the second-order nonlinear susceptibility of the nonlinear optical crystal
  • E and E * represent the electric field.
  • the utilization efficiency is almost 1 in the frequency band from 1.94 THz to 2.45 THz (the wavelength band from 122 ⁇ m to 155 ⁇ m), and a value close to the design value of the above bandwidth is obtained.
  • the above value may be adjusted so as to obtain a desired bandwidth.
  • the energy of the terahertz wave can be concentrated in a desired bandwidth. Therefore, for example, the detection accuracy of the object inspection system using the terahertz wave generating element shown in FIG. 1 can be improved.
  • the prohibited drug ***e has a transmittance of about 50% near 2.3 THz
  • the prohibited drug ecgonine has a transmittance of about 30% near 2.1 THz.
  • the explosive TNT explosive has a transmittance of about 70% at around 2.2 THz. Therefore, these substances can be detected with high accuracy by the object inspection system by concentrating the energy of the terahertz wave in the bandwidth of the present embodiment.
  • a certain amount of terahertz waves are generated in a frequency region of 1.75 THz or less in addition to a desired bandwidth.
  • Such a terahertz electromagnetic wave in a frequency region lower than the desired bandwidth can be removed from the optical system by changing the traveling direction as diffracted light using a diffraction grating.
  • the band to be removed is a band of 1.75 THz or less in terms of frequency and a band of 171.5 ⁇ m or more in terms of wavelength.
  • the desired band is a band of 1.94 THz or more in frequency and a band of 155 ⁇ m or less in wavelength.
  • the period ⁇ d of the diffraction grating is set to the following range.
  • a terahertz electromagnetic wave having a desired bandwidth passes through the diffraction grating having the above-described period as zero-order light.
  • the terahertz electromagnetic wave in the band to be removed can be removed from the optical system because the traveling direction is changed as diffracted light.
  • the grating period may be made closer to the lower limit value of the above formula.
  • a second embodiment is a terahertz electromagnetic wave generating element having nine pairs of layer structures.
  • the center wavelength of the terahertz electromagnetic wave is 136 ⁇ m
  • the center frequency is 2.2 THz
  • the thickness of the first layer 105 is 34 ⁇ m
  • the thickness of the second layer 1073 is 23 ⁇ m.
  • Table 2 is a table
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the frequency and the utilization efficiency of the terahertz generating element of the present example obtained by RCWA.
  • the utilization efficiency is almost 1 in the frequency band from 1.94 THz to 2.45 THz (the wavelength band from 122 ⁇ m to 155 ⁇ m), and a value close to the designed frequency band (1.94 THzTH- 2.56 THz) is obtained.
  • a terahertz wave having a desired bandwidth can be generated by a terahertz generating element having a plurality of pairs of layer structures.
  • a rectangular shape with steep sides on the both sides of the band is obtained in a graph showing the relationship between frequency and utilization efficiency.
  • a third embodiment is a terahertz electromagnetic wave generating element having three pairs of layer structures.
  • the center wavelength of the terahertz electromagnetic wave is 136 ⁇ m
  • the center frequency is 2.2 THz
  • the thickness of the first layer 105 is 34 ⁇ m
  • the thickness of the second layer 1073 is 23 ⁇ m.
  • Table 3 is a table
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the frequency and the utilization efficiency of the terahertz generating element of the present example obtained by RCWA.
  • the utilization efficiency is almost 1 in the frequency band of 1.95 THz to 2.45 THz (the wavelength band of 122 ⁇ m to 154 ⁇ m), and a value close to the designed frequency band (1.94 THz ⁇ 2.56 THz) is obtained.
  • a terahertz wave having a desired bandwidth can be generated by a terahertz generating element having a plurality of pairs of layer structures.
  • the fourth embodiment is a terahertz electromagnetic wave generating element having five pairs of layer structures.
  • the center wavelength of the terahertz electromagnetic wave is 136 ⁇ m
  • the center frequency is 2.2 THz
  • the thickness of the first layer 105 is 34 ⁇ m
  • the thickness of the second layer 1073 is 23 ⁇ m.
  • the bandwidth (wavelength width) is assumed to be 6 ⁇ m.
  • the design bandwidth is as follows. Wavelength band 133 ⁇ m-139 ⁇ m Frequency band 2.16 THz-2.25 THz
  • the grating period ⁇ is determined to be 90 ⁇ m so as to satisfy Expression (6).
  • the band wavelength width becomes 6.18 ⁇ m when the grating height is 6 ⁇ m as follows (step S2020 in FIG. 7). .
  • Table 4 is a table
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the frequency and the utilization efficiency of the terahertz generating element of this example obtained by RCWA.
  • the utilization efficiency is almost 1 in the frequency band of 2.13 THz to 2.25 THz (the wavelength band of 133 ⁇ m to 141 ⁇ m), and a value close to the designed frequency band (2.16 THz-> 2.25 THz) is obtained.
  • Example 1 Comparing Example 1 and this example, it is understood that the desired bandwidth can be changed by changing the grating height.
  • a method for manufacturing a grating will be described.
  • a grating mold is manufactured by cutting or lithography.
  • a lattice mold is manufactured by cutting, a metal mold or glass mold substrate is cut into a predetermined concavo-convex shape using a diamond tool. Since the period of the diffraction grating applied to the terahertz electromagnetic wave is between 30 ⁇ m and 3 mm, it can be sufficiently handled by cutting.
  • a grating mold is manufactured by lithography, a resist is applied on a mold substrate, and the resist is irradiated with an electron beam or light while the exposure amount is modulated according to a predetermined uneven shape.
  • the resist When the irradiated resist is developed, the resist is removed according to the exposure amount modulation, and an uneven shape is formed by the resist. Finally, by performing etching, the uneven shape due to the resist is transferred to the mold substrate, and a predetermined uneven shape can be obtained on the mold substrate.
  • FIG. 12A and FIG. 12B are diagrams for explaining a method of manufacturing a grating incorporated in a terahertz electromagnetic wave generating element using the mold manufactured as described above.
  • FIG. 11A is a diagram for explaining a method of manufacturing a second layer having a lattice by an imprint method.
  • the molds 4011 and 4013 are pushed onto the substrate 1070 made of a high refractive index medium such as polypropylene, and heat is applied to the mold (heat imprinting).
  • the second layer 107 provided with the lattice is manufactured by transferring the lattice onto the substrate 1070 by irradiating with light (printing method) or light (photoimprinting method).
  • a large-area diffraction grating structure can be manufactured by forming the substrate 1070 into a film shape.
  • a large amount can be manufactured by using a method called a roll imprint method in which the molds 4011 and 4013 are arranged in a roll shape and the mold is rotated while the film-like substrate 1070 is pushed in.
  • FIG. 11B is a diagram for explaining a method of manufacturing a second layer having a lattice by injection molding.
  • the second layer 107 provided with the grating can be manufactured by injecting a resin into the mold 501 and releasing the mold.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining a method of manufacturing a terahertz electromagnetic wave generating element using the second layer 107 manufactured as described above.
  • a frame 109 for forming the first layer 105 using air as a medium is attached to the surface of the nonlinear optical crystal plate 101. Further, the second layer 107 is attached to the surface of the frame 109 opposite to the surface to which the nonlinear optical crystal plate 101 is attached.
  • a terahertz electromagnetic wave generating element having a plurality of layer structures as shown in FIG. 11 can be manufactured by stacking and laminating a layer structure composed of a frame 109 and a second layer 107.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining a method of integrally manufacturing the second layer provided with the lattice and the frame for forming the first layer by the imprint method.
  • Molds 5011 and 5013 having a lattice and frame shape are pressed onto a substrate 1070 made of a high refractive index medium such as polypropylene, and heat is applied to the mold (thermal imprint method) or light is irradiated (light By imprinting), the lattice is transferred onto the substrate 1070, and the second layer 107 provided with the lattice and the frame for forming the first layer 105 are integrally manufactured.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining a method of manufacturing a terahertz electromagnetic wave generating element using the second layer and the frame 111 formed integrally as described above.
  • a terahertz electromagnetic wave generating element having a plurality of layer structures as shown in FIG. 11 can be manufactured by stacking and laminating a second layer and a frame 111, which are integrally formed, corresponding to the layer structure.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

　テラヘルツ電磁波発生素子は発生層（１０１）と、その両側に設けた複数対の層構造（１０３Ａ、１０３Ｂ）と、を備える。前記層構造は、第１の層（１０５）と、前記第１の層の、前記発生層と反対側に設けた第２の層（１０７３）と、前記第２の層の、両面に設けた、使用されるテラヘルツ電磁波の波長より小さい格子周期を有する第１の格子（１０７１）及び第２の格子（１０７５）と、を備える。前記第１の層の媒質の屈折率（第１の屈折率）は、前記第２の層の媒質の屈折率（第２の屈折率）よりも低く、前記第１及び第２の格子は、前記第１の層と前記第２の層との間の屈折率が、前記第１及び第２の屈折率の間で連続的に変化するように構成され、前記発生層が発生するテラヘルツ電磁波の中心波長に対して、所望の帯域幅を有するテラヘルツ電磁波を発生するように、前記第１及び第２の層の厚さ、ならびに格子周期及び格子高さを定めている。

Description

テラヘルツ電磁波発生素子
　本発明は、テラヘルツ電磁波を効率的に発生するテラヘルツ電磁波発生素子に関する。
　テラヘルツ電磁波の周波数は、０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚにわたり、波長は３０μｍから３ｍｍである。すなわち、テラヘルツ電磁波の周波数領域は、光波と電波の境界に当たる周波数領域である。このため、テラヘルツ電磁波は、電波のように物質を透過し、光のように直進する性質を有する。テラヘルツ電磁波の周波数帯域からは、分子構造や運動状態についての情報を得ることができるため、情報通信、非破壊検査、危険物や隠匿物の検出といったセキュリティ分野、悪性腫瘍のイメージングなどのバイオ・メディカル分野、さらには農業、工業、環境および宇宙分野など広い分野の応用が期待されている。
　テラヘルツ電磁波の発生方法として、たとえばフェムト秒パルスレーザーを非線形光学結晶に照射させて発生させる方法が知られている（たとえば、特許文献１）。フェムト秒パルスレーザーによるレーザー光などの強い光を非線形光学結晶に照射すると、非線形光学結晶に分極が発生・消滅し、実効的にパルス電流が生じたことと等価となる。その結果、非線形光学結晶は、テラヘルツ電磁波を放射する。
　しかし、テラヘルツ電磁波の周波数領域において、分散により物質の屈折率が高くなる。このため、テラヘルツ電磁波が発生素子を通過する際に、反射または吸収される成分が大きくなり、テラヘルツ電磁波の出力が低下する。テラヘルツ電磁波の出力の低下を防止するために、非線形光学結晶の表面に薄膜層を設けて表面における反射を減少させることも試みられている。しかし、テラヘルツ電磁波の周波数領域において有効な薄膜材料が存在せず、また薄膜自身にも分散性が存在するため、テラヘルツ電磁波へのエネルギ変換効率を大幅に向上させることは実現されていない。
　また、ある種の物質が特定の周波数帯域のテラヘルツ電磁波を透過しやすいことが知られている。この性質を利用して、テラヘルツ電磁波によって禁止薬物や爆発物など特定の物質を検出する検査システムが検討されている。このように特定の物質を検出するためには、特定の物質によって定まる所定の周波数帯域のテラヘルツ電磁波をできるだけ高いエネルギ変換効率で発生させる必要がある。
特開2005-99453号公報
　したがって、所定の周波数帯域のテラヘルツ電磁波をできるだけ高いエネルギ効率で発生させることのできるテラヘルツ電磁波発生素子に対するニーズがある。
　本発明によるテラヘルツ電磁波発生素子は、一方の面に光を照射したときに他方の面からテラヘルツ電磁波を射出する非線形光学物質からなる発生層と、前記発生層の両側に設けた複数対の層構造と、を備えている。前記複数対の層構造のそれぞれは、第１の層と、　前記第１の層の、前記発生層と反対側に設けた第２の層と、前記第２の層の、前記発生層の側の面に設けた、使用されるテラヘルツ電磁波の波長より小さい第１の周期及び第１の高さを有する第１の格子と、前記第２の層の、前記発生層と反対側の面に設けた、第１の周期及び第１の高さを有する第２の格子と、を備えている。前記第１の層の媒質の屈折率（第１の屈折率）は、前記第２の層の媒質の屈折率（第２の屈折率）よりも低い。前記第１及び第２の格子は、前記第１の層と前記第２の層との間の屈折率が、前記第１及び第２の屈折率の間で徐々に変化するように構成されている。前記発生層が発生するテラヘルツ電磁波の中心波長に対して、所望の帯域幅を有するテラヘルツ電磁波を発生するように、前記第１及び第２の層の厚さ、ならびに前記第１の周期及び前記第１の高さを定めている。
　本発明によるテラヘルツ電磁波発生素子によれば、テラヘルツ電磁波のエネルギを所望の帯域幅に集中させることができる。したがって、所望の帯域幅のテラヘルツ電磁波を高いエネルギ効率で発生させることができる。
　本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、所望の帯域幅の上限値以上の周波数のテラヘルツ電磁波をできるだけ除去するように、第１の周期を定めている。
　本実施形態によれば、第２の層の両側に設けた第１及び第２の格子により、所望の帯域幅の上限値以上の周波数のテラヘルツ電磁波は回折されて除去される。
　本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、前記第１及び第２の格子の凸部の形状が錐状である。
　本実施形態によれば、前記第１及び第２の格子の凸部の形状が錐状であるので、第１の層と第２の層との間で屈折率を徐々に変化させることができる。
　本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、前記第１及び第２の格子の凸部の形状が円錐状である。
　本実施形態によれば、前記第１及び第２の格子の凸部の形状が円錐状であるので、第１の層と第２の層との間で屈折率を徐々に変化させることができる。
　本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、前記第１及び第２の格子の凸部の形状が角錐状である。
　本実施形態によれば、前記第１及び第２の格子の凸部の形状が角錐状であるので、第１の層と第２の層との間で屈折率を徐々に変化させることができる。
　本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、前記第１及び第２の格子の凸部が前記第２の層の材質と同じ材質からなる。
　本実施形態によれば、前記第１及び第２の格子の凸部が前記第２の層の材質と同じ材質からなるので、第１の層と第２の層との間で屈折率を連続的に変化させることができる。
　本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、前記第１及び第２の格子が、１次元に配列されている。
　本実施形態によれば、１次元に配列された格子により、所定の偏光面を有するテラヘルツ電磁波の出力を増大させることができる。具体的には、１次元に配列された格子の突起部の長手方向に直交する偏光面を有するテラヘルツ電磁波の減衰を防止することができる。
　本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、前記第１及び第２の格子が、２次元に配列されている。
　本実施形態によれば、２次元に配列された格子により、偏光面に関わらず、テラヘルツ電磁波の出力を増大させることができる。
　本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、前記第１の層の媒質が空気である。
　本実施形態によれば、媒質として空気を使用するので、前記第１の層を容易に形成することができる。
　本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、前記第１の層を形成するように枠状のサポート構造を備えている。
　本実施形態によれば、枠状のサポート構造を備えることによって、媒質が空気である前記第１の層を形成することができる。
　本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、前記第２の層と前記枠状のサポート構造とを一体的に形成している。
　本実施形態によれば、前記第２の層と前記枠状のサポート構造とを一体的に形成するので、製造プロセスが簡単となる。
　本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、前記第２の層の媒質がポリプロピレンである。
　本発明の実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子は、前記非線形光学物質がテルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）の結晶である。
　本発明の態様による物体検査システムは、本発明によるテラヘルツ電磁波発生素子を備えている。
　本態様による物体検査システムにおいては、テラヘルツ電磁波発生素子の出力が大きいので、物体の検査をより高精度で行うことができる。
テラヘルツ電磁波発生素子を含む物体検査システムの構成を示す図である。 本発明の一実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子の構成を説明するための図である。 本発明の一実施形態による５対の層構造を備えるテラヘルツ電磁波発生素子の構成を示す図である デューティー比を説明するための図である。 １次元に配列された格子の構成を示す図である。 四角錐の突起部が正方格子状に配列された２次元配列格子を示す図である。 円錐の突起部が正方格子状に配列された２次元配列格子を示す図である。 四角錐の突起部が正六角形格子状に配列された２次元配列格子を示す図である。 円錐の突起部が正六角形格子状に配列された２次元配列格子を示す図である。 所望の中心波長のテラヘルツ電磁波を発生させる非線形光学結晶の設計方法を説明するための流れ図である。 テラヘルツ電磁波の中心波長をλTHzに対して、所望の帯域幅のテラヘルツ電磁波を発生させるテラヘルツ電磁波発生素子の設計方法を説明するための流れ図である。 ＲＣＷＡによって求めた、第１の実施例のテラヘルツ発生素子の、周波数と利用効率との関係を示す図である。 ＲＣＷＡによって求めた、第２の実施例のテラヘルツ発生素子の、周波数と利用効率との関係を示す図である。 ＲＣＷＡによって求めた、第３の実施例のテラヘルツ発生素子の、周波数と利用効率との関係を示す図である。 ＲＣＷＡによって求めた、第４の実施例のテラヘルツ発生素子の、周波数と利用効率との関係を示す図である。 インプリント法により格子を備えた第２の層を製造する方法を説明する図である。 射出成形により格子を備えた第２の層を製造する方法を説明する図である。 第２の層を使用してテラヘルツ電磁波発生素子を製造する方法を説明するための図である。 格子を備えた第２の層と、第１の層を形成するための枠とを一体的に製造する方法を説明する図である。 一体として形成された第２の層及び枠を使用してテラヘルツ電磁波発生素子を製造する方法を説明するための図である。
　図１は、テラヘルツ電磁波発生素子を含む物体検査システムの構成を示す図である。図１においてフェムト秒レーザー２０１によって放出されたレーザー・ビームは、反射鏡２０３によって反射され、ビーム・スプリッター２０５に到達する。レーザー・ビーム・パルスは、ビーム・スプリッター２０５によって二つに分岐し、一方は、テラヘルツ電磁波発生素子１００に入射する。レーザー・ビーム・パルスを受け取ったテラヘルツ電磁波発生素子１００は、テラヘルツ電磁波を発生し、放出する。テラヘルツ電磁波は、凹面反射鏡２０７に到達し、反射されるとともに平面波に変換される。平面波に変換されたテラヘルツ電磁波は、反射鏡２０７ａ及び凹面反射鏡２０７ｂによって、検査対象物体３０１で十分な強度が得られるように集光される。テラヘルツ電磁波は、検査対象物体３０１を透過した後、凹面反射鏡２０９ｂと反射鏡２０９ａを通して凹面反射鏡２０９に到達し、反射された後、テラヘルツ検出器２１１に集光される。
　フェムト秒レーザーの仕様は、たとえば、中心波長８００ｎｍ、パルス幅６０乃至１００ ｆｓ（フェムト秒）、繰り返し周波数 ７０乃至８０ ＭＨｚ、出力パワー １ Ｗである。フェムト秒レーザーの代わりに、チタン・サファイアレーザーを使用してもよい。
　ビーム・スプリッター２０５によって分岐された他方のレーザー・ビーム・パルスは、光学遅延ステージ２１３を通過した後、反射鏡２１５によって反射され、テラヘルツ検出器２１１に到達する。テラヘルツ検出器２１１は、該他方のレーザー・ビーム・パルスが照射された時点で、テラヘルツ検出器２１１に入射しているテラヘルツ電磁波の電場強度を検出する。光学遅延ステージ２１３は、鏡を移動させることにより光路長を調整し、該他方のレーザー・ビーム・パルスがテラヘルツ検出器２１１に到達する時間を調整する。該他方のレーザー・ビーム・パルスがテラヘルツ検出器２１１に到達する時間を調整しながら、テラヘルツ電磁波の電場強度の時間変化を測定する。最後に電場強度の時間変化をフーリエ変換すれば、周波数に対する電場強度の推移を求めることができる。
　図２Ａは、本発明の一実施形態によるテラヘルツ電磁波発生素子１００の構成を説明するための図である。
　テラヘルツ電磁波発生素子１００の一方の面には、レーザー・ビームが入射され、他方の面からテラヘルツ電磁波が放出される。以下において、レーザー・ビームが入射される面を入射面、テラヘルツ電磁波が放出される面を放出面と呼称する。テラヘルツ電磁波発生素子１００は、非線形光学結晶１０１と、非線形光学結晶１０１の入射面側に備わる層構造１０３Ａと、非線形光学結晶１０１の放出面側に備わる層構造１０３Ｂとからなる。層構造１０３Ａは、第１の層１０５と、第１の層１０５の、非線形光学結晶１０１と反対側に設けた第２の層１０７３と、第２の層１０７３の、第１の層１０５の側の面に設けた格子１０７１と、第２の層１０７３の、第１の層１０５と反対側の面に設けた格子１０７５とからなる。層構造１０３Ｂも、層構造１０３Ａと同様の構造を有する。層構造１０３Ａ及び層構造１０３Ｂを対の層構造と呼称する。
　非線形光学結晶１０１は、一例としてテルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）の結晶である。他に、無機非線形光学結晶であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、リン化ガリウム（ＧａＰ）及びセレン化ガリウム（ＧａＳｅ）などの結晶を使用してもよい。さらに、有機非線形結晶として，DAST（4－ジメチルアミノ－N－メチル－4－スチルバゾリウムトシレート，4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium tosylate）結晶を使用してもよい。
　第１の層１０５の媒質の屈折率は、第２の層１０７３の媒質の屈折率よりも低い。すなわち、第１の層１０５は低屈折率の物質から成る層であり、第２の層１０７３は高屈折率の物質から成る層である。低屈折率の物質から成る適切な厚さの層と高屈折率の物質から成る適切な厚さの層とを設けることにより、非線形光学結晶１０１内で発生したテラヘルツ電磁波の、非線形光学結晶１０１と第１の層１０５との境界面における反射波と、第２の層１０７３と周囲との境界面における反射波とが打ち消しあって、テラヘルツ電磁波の反射による出力の低下を防止することができる。
　ここで、第１の層１０５の媒質として空気を選択する。非線形光学結晶１０１の表面における反射による放射強度の低下を防止するには、第２の層１０７３の媒質として、適切な屈折率を有する媒質を選択する必要がある。しかし、テラヘルツ電磁波の周波数領域で物質の屈折率は高くなる傾向がある。たとえば、可視光で代表的な薄膜である酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）の屈折率は、可視光に対して、それぞれ、１．７及び２．０であるが、周波数 ０．４５ＴＨｚ（波長 ６７０μｍ）に対して、それぞれ３．３および１０．５である。したがって、テラヘルツ電磁波帯で適切な屈折率を有する媒質を探し出すのは容易ではない。このように、第１の層１０５の屈折率と第２の層１０７３の屈折率とが大きく異なると、第１の層１０５と第２の層１０７３との境界面における反射が大きくなり、テラヘルツ電磁波の出力が低下する。
　そこで、本実施形態においては、第２の層１０７３の、非線形光学結晶１０１の側の面に第１の格子１０７１を設け、第２の層１０７３の、非線形光学結晶１０１と反対側の面に第２の格子１０７５を設ける。ここで、第１の格子１０７１および第２の格子１０７５の格子周期は、使用されるテラヘルツ電磁波の波長よりも小さくする。このように構成することにより、反射回折光及び透過回折光の発生が抑制され、０次光のみを発生させることができる。
　図２Ａに示すように、第１の格子１０７１の突起部分と突起部分との間は、第１の層の媒質である空気で満たされる。第１の格子１０７１または第２の層１０７３の突起部分と空気からなる部分の平均屈折率は、近似的に以下の式で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、ＴＥ偏光に対する平均屈折率をnTE、ＴＭ偏光に対する平均屈折率をnTMで表す。また、格子突起部の、第２の層１０７３の面からの高さをh、高さhにおける格子突起部の屈折率をn2(h)、格子突起部の周辺の媒質（空気）の屈折率をn1(h)、格子周期をΛ、格子突起部の頂点を含み、第２の層１０７３の、格子突起部が配置される面に垂直な断面において、高さhにおける周期内に占める格子突起部の比率（デューティー比）をF(h)=f(h)/Λ、光の入射角をθで表す。
　図３は、デューティー比を説明するための図である。h=0のとき、すなわち、第２の層１０７３の格子突起部が配置される面上において、デューティー比は１である。また、格子突起部の頂点の高さにおいて、デューティー比は０である。hが、突起部の頂点の高さ（H）から０まで変化する間に、デューティー比は０から１に連続的に変化する。図３において、格子突起部の、頂点を含み、第２の層１０７３の、格子突起部が配置される面に垂直な断面における格子突起部の形状は三角形である。一般的に、上記断面における格子突起部の形状は、hが、突起部の頂点の高さ（H）から０まで変化する間に、デューティー比は０から１に連続的に変化する任意の形状であってよい。
　式（１）によれば、デューティー比が０から１に連続的に変化する間に、ＴＥ偏光に対する平均屈折率nTEは、n1(H)からn2(0)に変化する。また、式（２）によれば、デューティー比が０から１に連続的に変化する間に、ＴＭ偏光に対する平均屈折率nTMは、n1(H)からn2(0)に連続的に変化する。
　このように、格子を設けることにより、平均屈折率が、第１の層１０５の媒質の屈折率から第２の層１０７３の媒質の屈折率へ連続的に変化する。したがって、第１の層１０５と第２の層１０７３との境界面における反射を防止することができる。
　上記の説明において、格子の突起部分の材質は、第２の層１０７３の材質と同じとした。代替的に、格子の突起部分の材質は、第２の層１０７３の材質と異なるものであってもよい。その場合に、格子の突起部分の材質の屈折率が、第２の層１０７３の材質の屈折率に近く、第１の層から１０５から第２の層１０７３まで屈折率が徐々に変化するように、すなわち、急激に変化しないように構成される。
　一例として、第２の層１０７３としてポリプロピレンを使用する。第２の層１０７３としてポリプロピレンを使用するのは、吸湿性が小さく、大面積の薄型フィルムの製作が容易であり、テラヘルツ電磁波帯における屈折率が他のプラスチックに比べて比較的小さいからである。ポリプロピレンの周波数 １．５ THz（波長 ２００μｍ）の電磁波に対する屈折率は１．４８である。他に、加工が容易で、テラヘルツ電磁波帯域で比較的屈折率が低いプラスチックとして、ポリメチルメタクリレート（上記周波数の電磁波に対する屈折率は約２．５）、ポリエチレン（上記周波数の電磁波に対する屈折率は約２．４）、ポリカーボネート（上記周波数の電磁波に対する屈折率は約２．６）、ポリスチレン（上記周波数の電磁波に対する屈折率は約２．６）などを使用してもよい。
　格子は、第２の層１０７３の面において１次元または２次元に配列されている。
　図４は、１次元に配列された格子の構成を示す図である。１次元に配列された格子により、所定の偏光面を有するテラヘルツ電磁波の出力を増大させることができる。具体的には、１次元に配列された格子の突起部の長手方向に直交する偏光面を有するテラヘルツ電磁波の減衰を防止することができる。
　図５Ａ乃至図５Ｄは、２次元に配列された格子の構成を示す図である。２次元に配列された格子により、偏光面に関わらず、テラヘルツ電磁波の出力を増大させることができる。図５Ａは、四角錐の突起部が正方格子状に配列された２次元配列格子を示す図である。図５Ｂは、円錐の突起部が正方格子状に配列された２次元配列格子を示す図である。図５Ｃは、四角錐の突起部が正六角形格子状に配列された２次元配列格子を示す図である。図５Ｄは、円錐の突起部が正六角形格子状に配列された２次元配列格子を示す図である。
　上記において説明を簡単にするために、テラヘルツ電磁波発生素子１００が備える層構造は１対であるとした。実際には、テラヘルツ電磁波発生素子１００は、複数対の層構造を備える。
　図２Ｂは、本発明の一実施形態による５対の層構造を備えるテラヘルツ電磁波発生素子１００の構成を示す図である。
　つぎに、本発明によるテラヘルツ電磁波発生素子の設計方法について説明する。最初に、所望の中心波長のテラヘルツ電磁波を発生させる非線形光学結晶の設計方法を説明し、つぎに該中心波長を中心とした所望の帯域幅のテラヘルツ電磁波を発生させるテラヘルツ電磁波発生素子の設計方法を説明する。
　図６は、所望の中心波長のテラヘルツ電磁波を発生させる非線形光学結晶の設計方法を説明するための流れ図である。
　図６のステップＳ１０１０において、テラヘルツ電磁波発生素子によって発生させたいテラヘルツ電磁波の中心波長を定める。
　図６のステップＳ１０２０において、テラヘルツ電磁波の中心波長における非線形光学結晶の屈折率及び励起パルスレーザーの波長における非線形光学結晶の群屈折率を求める。
　図６のステップＳ１０３０において、中心波長、屈折率及び群屈折率の値から以下の式によって、非線形光学結晶の厚さを定める。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 ここで非線形光学結晶の厚さをL、テラヘルツ電磁波の中心波長をλTHz、中心波長λTHzにおける非線形光学結晶の屈折率をnTHz、励起パルスレーザーの波長における非線形光学結晶の群屈折率をngで表している。
　図７は、テラヘルツ電磁波の中心波長をλTHzに対して、所望の帯域幅のテラヘルツ電磁波を発生させるテラヘルツ電磁波発生素子の設計方法を説明するための流れ図である。
　図７のステップＳ２０１０において、第１の層１０５の厚さH1及び第２の層１０７３の厚さH2を以下の式にしたがって定める。ここで、第１の層１０５の屈折率をn105とし、第２の層１０７３の屈折率をn1073とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 すなわち、第１の層１０５の厚さH1及び第２の層１０７３の厚さH2は、中心波長のテラヘルツ電磁波の位相がπ／２またはその倍数だけ変化するように定められる。中心波長テラヘルツ電磁波の位相は、両側に備わる第１の層１０５及び第２の層１０７３を２回通過することにより２πだけ変化する。この結果、テラヘルツ電磁波の中心波長λTHz以外の電磁波は、入射波とその反射光による位相が干渉効果の作用で打ち消しあって消滅し、テラヘルツ電磁波の中心波長λTHzを有する電磁波のみが透過光として生じる。
　図７のステップＳ２０２０において、以下の式にしたがって第１の層及び第２の層の平均屈折率を求める。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 ここで、第１の層及び第２の層の屈折率または格子突起部の屈折率をnmin及びnmaxで表している。
　図７のステップＳ２０３０において、テラヘルツ電磁波の中心波長をλTHzに対して、所望の帯域幅WTHzのテラヘルツ電磁波を発生させる格子高さh及び周期Λを以下の式にしたがって定める。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 式（７）はテラヘルツ電磁波が、格子高さh、屈折率の平均値
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 を有する格子部を通過した際の光路長の変化により、周波数の帯域幅が広がることを示している。
　ここで、格子高さh及び周期Λは、以下の式を満たす必要がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　式（８）は、格子周期Λが、帯域幅の周波数の下限値よりも小さいことを意味する。格子周期Λが、帯域幅の周波数の下限値以上となると、回折光が発生し、透過率の減少が引き起こされる。
　式（９）は、式（７）を使用して式（８）から格子周期Λを消去することによって得られる。式（９）が満たされないと、式（８）が満たされない場合と同様に、高次の回折光が発生し、透過率の減少が引き起こされる。
　発明者は、図２Ｂの複数対の層構造を備えたテラヘルツ電磁波発生素子が、式（７）によって与えられる帯域幅を備えたテラヘルツ電磁波を発生し、たとえば、後で説明するように、周波数と利用効率との関係を示すグラフ（周波数スペクトル）において、帯域の両側が急峻な矩形形状が得られるとの新たな知見を得た。周波数スペクトルにおいて、帯域の両側が急峻な矩形形状が得られる理由は以下のとおりである。
　図２Ａにおいて第２の層１０７３が格子を備えないとする。たとえば赤外域、可視領域などの高い周波数の電磁波であれば、式（４）及び式（５）を満たすように第１の層及び第２の層の厚さを定めると、中心波長（周波数）をピークとする狭帯域の透過スペクトルを得ることができる。しかし、テラヘルツ電磁波では波長が極めて長いので、位相制御を行うには層の厚さを大きくする必要がある。その結果、テラヘルツ電磁波が媒質内を通過する距離も長くなる。媒質内の通過距離の増加は、従来の可視光や赤外光と同様に、透過損失や反射損失を引き起こし、またテラヘルツ電磁波の媒質内の通過に伴う吸収効果の増加などによって位相のずれが生じる。その影響でピーク周波数もずれてゆく。その結果、発生層の両側の層構造を互いに行き来するたびに徐々に干渉可能な周波数帯がずれるため、得られる周波数スペクトルの概形は矩形分布とならず、周波数に対し緩やかに利用効率が変化するガウシアン分布となる。
　そこで、本発明においては、第２層１０７３の両側に格子１０７１及び１０７５を設ける。第２層１０７３の両側に格子１０７１及び１０７５を設けると、格子単体では式（７）の光路長
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 分の位相シフトが生じる。この位相シフトを与えることにより、ピーク周波数が前記光路長分だけずれる。さらに第２層１０７３の両側への格子付加と発生素子１０１の両側への層構造の配置により、位相シフト量に係数
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 の補正が与えられ、全体で帯域幅WTHzが定められる（式（７））。
　この系においてピーク周波数のシフト量は各層を通過するごとに変調され、そのシフト量に応じた狭帯域のスペクトルが発生している。しかしながら、各層の通過はランダムに行われているため、得られるスペクトルは任意のシフト量をもつ狭帯域スペクトルがランダムに重なり合った状態で放射される。このときランダムに与えられるピーク周波数の変調量は、格子構造による位相変調で制限されており、式（７）に示した帯域幅WTHzを超えることはない。
　以上の現象により、最終的に狭帯域のスペクトルが重なり合った矩形分布を有する周波数スペクトルが得られる。
　以下において、シミュレーションにより本願発明の効果を検証する。シミュレーションには、厳密結合波解析(Rigorous Coupled Wave Analysis, RCWA)法を用いた。シミュレーションにおいて、電磁波の偏光方向はＴＥ偏光とし、１次元に配列された格子を使用した。ＴＭ偏光または２次元に配列された格子であっても同様の結果が得られる。
第１の実施例
　第１の実施例は、５対の層構造を備えるテラヘルツ電磁波発生素子である。テラヘルツ電磁波の中心波長は、１３６μｍ、中心周波数は、２．２ＴＨｚと定める（図６のステップＳ１０１０）。
　非線形光学結晶の中心周波数における屈折率nTHz及び励起パルスレーザーの波長における群屈折率ngは、以下のとおりである（図６のステップＳ１０２０）。
　nTHz = 2.92
　ng　 = 5.876
したがって、式（３）から、非線形光学結晶の厚さは以下のとおりである（図６のステップＳ１０３０）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　第１の層１０５の屈折率をn105=1であり、第２の層１０７３の屈折率はn105=1.48であるので、式（４）及び式（５）から第１の層１０５の厚さH1及び第２の層１０７３の厚さH2は、それぞれ３４μｍ及び２３μｍである。
　ここで、帯域幅（波長幅）を仮に３８μｍとする。この場合に、設計上の帯域は、以下のようになる。
　波長帯域　　　　　117μｍ - 155μｍ
　周波数帯域　　　　1.94THz - 2.56THz
格子周期Λは、式（６）を満たすように９０μｍと定める。
　式（４）に第１の層の屈折率（空気の屈折率１．０）及び第２の層の屈折率（ポリプロピレンの屈折率１．４８）を代入すると、以下の式が得られる（図７のステップＳ２０１０）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　また、式（５）に、格子周期、中心波長及び平均屈折率を代入すると、以下のように、格子高さが３７μｍのときに帯域波長幅が３８μｍとなる（図７のステップＳ２０２０）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　表１は、本実施例のテラヘルツ発生素子の仕様を示す表である。

Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図８は、ＲＣＷＡによって求めた、本実施例のテラヘルツ発生素子の、周波数と利用効率との関係を示す図である。ここで、利用効率とは、非線形光学結晶から放射されるテラヘルツ電磁波の理論上の最大出射強度に対するテラヘルツ電磁波の出射強度の比率すなわち、テラヘルツ電磁波発生の利用効率を表す。ここで、理論上の最大出射強度は，フェムト秒レーザーから周波数ω1とω2のレーザー光が非線形光学結晶に入射したとき、テラヘルツ電磁波の周波数ω3における2次非線形分極P(2)(ω3)で表され、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 となる。ここで、ε0は真空の誘電率、χ(2)は非線形光学結晶の2次非線形感受率、Ｅ及びＥ*は電場を表す。
　図８において、１．９４ＴＨｚから２．４５ＴＨｚの周波数帯域（１２２μｍから１５５μｍの波長帯域）で利用効率がほぼ１となり、上記の帯域幅の設計値に近い値が得られる。
　このように、図７に示した設計方法によって、第１及び第２の層の厚さ、ならびに格子周期（第１の周期）及び格子高さ（第１の高さ）の値を定めた後に、ＲＣＷＡ法によるシミュレーションを行いながら、所望の帯域幅が得られるように上記の値を調整してもよい。
　本実施例によれば、テラヘルツ波のエネルギを所望の帯域幅に集中させることができる。したがって、たとえば、図１に示したテラヘルツ波発生素子を利用した物体検査システムの検出精度を向上させることができる。具体的に、禁止薬物のコカインは、２．３ＴＨｚ付近で約５０％の透過率を有し、禁止薬物のエクゴニンは、２．１ＴＨｚ付近で約３０％の透過率を有する。また、爆発物のＴＮＴ火薬は、２．２ＴＨｚ付近で約７０％の透過率を有する。したがって、テラヘルツ波のエネルギを本実施例の帯域幅に集中させることにより物体検査システムによって高い精度でこれらの物質を検出することができる。
　図８において、所望の帯域幅の他に１．７５ＴＨｚ以下の周波数領域においても、ある程度のテラヘルツ波が発生している。このような所望の帯域幅より低い周波数領域のテラヘルツ電磁波は、回折格子を使用して回折光として進行方向を変えることにより光学系から除去することができる。
　除去すべき帯域は、周波数で１．７５ＴＨｚ以下の帯域であり、波長で１７１．５μｍ以上の帯域である。他方、所望の帯域は、周波数で１．９４ＴＨｚ以上の帯域であり、波長で１５５μｍ以下の帯域である。したがって、回折格子の周期Λｄを以下の範囲とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 所望の帯域幅のテラヘルツ電磁波は、上記の周期の回折格子を０次光として透過する。除去すべき帯域のテラヘルツ電磁波は、回折光として進行方向を変えるので光学系から除去することができる。このように、所望の帯域幅の上限値以上の周波数のテラヘルツ電磁波を除去するには、格子周期を上記の式の下限値に近づければよい。
第２の実施例
　第２の実施例は、９対の層構造を備えるテラヘルツ電磁波発生素子である。第１の実施例と同様に、テラヘルツ電磁波の中心波長は１３６μｍ、中心周波数は、２．２ＴＨｚ、第１の層１０５の厚さは３４μｍ、第２の層１０７３の厚さは２３μｍと定める。
　表２は、本実施例のテラヘルツ発生素子の仕様を示す表である。対の数の他は、第１の実施例の仕様と同じである。

Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　図９は、ＲＣＷＡによって求めた、本実施例のテラヘルツ発生素子の、周波数と利用効率との関係を示す図である。
　図９において、１．９４ＴＨｚから２．４５ＴＨｚの周波数帯域（１２２μｍから１５５μｍの波長帯域）で利用効率がほぼ１となり、設計上の周波数帯域（1.94THz - 2.56THz）に近い値が得られる。このように、複数の対の層構造を備えるテラヘルツ発生素子によって、所望の帯域幅のテラヘルツ波を発生させることができる。一般的に対の数が大きくなるほど、周波数と利用効率との関係を示すグラフにおいて、帯域の両側が急峻な矩形形状が得られる。
第３の実施例
　第３の実施例は、３対の層構造を備えるテラヘルツ電磁波発生素子である。第１の実施例と同様に、テラヘルツ電磁波の中心波長は１３６μｍ、中心周波数は、２．２ＴＨｚ、第１の層１０５の厚さは３４μｍ、第２の層１０７３の厚さは２３μｍと定める。
　表３は、本実施例のテラヘルツ発生素子の仕様を示す表である。対の数の他は、第１の実施例の仕様と同じである。

Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　図１０は、ＲＣＷＡによって求めた、本実施例のテラヘルツ発生素子の、周波数と利用効率との関係を示す図である。
　図１０において、１．９５ＴＨｚから２．４５ＴＨｚの周波数帯域（１２２μｍから１５４μｍの波長帯域）で利用効率がほぼ１となり、設計上の周波数帯域（1.94THz - 2.56THz）に近い値が得られる。このように、複数の対の層構造を備えるテラヘルツ発生素子によって、所望の帯域幅のテラヘルツ波を発生させることができる。
第４の実施例
　第４の実施例は、５対の層構造を備えるテラヘルツ電磁波発生素子である。第１の実施例と同様に、テラヘルツ電磁波の中心波長は１３６μｍ、中心周波数は、２．２ＴＨｚ、第１の層１０５の厚さは３４μｍ、第２の層１０７３の厚さは２３μｍと定める。
　ここで、帯域幅（波長幅）を仮に６μｍとする。この場合に、設計上の帯域は、以下のようになる。
　波長帯域　　　　　133μｍ - 139μｍ
　周波数帯域　　　　2.16THz - 2.25THz
格子周期Λは、式（６）を満たすように９０μｍと定める。
　式（４）に第１の層の屈折率（空気の屈折率１．０）及び第２の層の屈折率（ポリプロピレンの屈折率１．４８）を代入すると、以下の式が得られる（図７のステップＳ２０１０）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　また、式（５）に、格子周期、中心波長及び平均屈折率を代入すると、以下のように、格子高さが６μｍのときに帯域波長幅が６．１８μｍとなる（図７のステップＳ２０２０）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
　表４は、本実施例のテラヘルツ発生素子の仕様を示す表である。

Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　図１１は、ＲＣＷＡによって求めた、本実施例のテラヘルツ発生素子の、周波数と利用効率との関係を示す図である。
　図１１において、２．１３ＴＨｚから２．２５ＴＨｚの周波数帯域（１３３μｍから１４１μｍの波長帯域）で利用効率がほぼ１となり、設計上の周波数帯域（2.16THz - 2.25THz）に近い値が得られる。
　実施例１と本実施例とを比較すると、格子高さを変えることにより、所望の帯域幅を変えることができることが理解される。
テラヘルツ電磁波発生素子の製造方法
　最初に格子の製造方法について説明する。格子を製造する際には、切削加工またはリソグラフィーにより格子の金型を製造する。切削加工により格子の金型を製造する場合には、ダイヤモンドバイトを使って、金属またはガラスによる金型用基板を所定の凹凸形状に切削加工する。テラヘルツ電磁波に適用される回折格子の周期は30μmから3mmの間であるので、十分、切削加工より対応できる。リソグラフィーにより格子の金型を製造する場合には、金型用基板上にレジストを塗布し、所定の凹凸形状にしたがって露光量を変調させながら電子線や光を使ってレジスト上に照射する。照射されたレジストを現像すると露光量変調に応じてレジストが除去され、レジストによる凹凸形状が形成される。最後にエッチングを行うことにより、レジストによる凹凸形状が金型用基板に転写され、金型用基板に所定の凹凸形状を得ることができる。
　図１２Ａ及び図１２Ｂは、上記のようにして製造された金型を用いてテラヘルツ電磁波発生素子に組み込まれる格子を製造する方法を説明するための図である。
　図１１Ａは、インプリント法により格子を備えた第２の層を製造する方法を説明する図である。インプリント法により格子を備えた第２の層を製造する場合には、金型４０１１及び４０１３を、ポリプロピレンなどの高屈折率媒質からなる基板１０７０上に押し込み、金型に熱を与え（熱インプリント法）、または光を照射する（光インプリント法）ことで、該基板１０７０上に格子を転写させて、格子を供えた第２の層１０７を製造する。インプリント法において、該基板１０７０をフィルム状にすることにより、大面積の回折格子構造を製作することもできる。さらに、金型４０１１及び４０１３をロール状に配置し、フィルム状の該基板１０７０を押し込みながら金型を回転させるロールインプリント法と呼ばれる方法を用いることにより、大量に製作することも可能である。
　図１１Ｂは、射出成形により格子を備えた第２の層を製造する方法を説明する図である。射出成形により回折格子を製造する場合には、金型５０１に樹脂を射出し離型することにより、格子を供えた第２の層１０７を製造することができる。
　図１３は、上記のようにして製造された第２の層１０７を使用してテラヘルツ電磁波発生素子を製造する方法を説明するための図である。
　非線形光学結晶板１０１の面に空気を媒質とする第１の層１０５を形成するための枠１０９を貼り付ける。さらに、枠１０９の、非線形光学結晶板１０１が貼り付けられた面と反対側の面に第２の層１０７を貼り付ける。図１１に示すような複数の層構造を有するテラヘルツ電磁波発生素子は、枠１０９と第２の層１０７とからなる層構造を重ねて貼り合わせることによって製造することができる。
　図１４は、インプリント法により格子を備えた第２の層と、第１の層を形成するための枠とを一体的に製造する方法を説明する図である。格子及び枠の形状を備えた金型５０１１及び５０１３を、ポリプロピレンなどの高屈折率媒質からなる基板１０７０上に押し込み、金型に熱を与え（熱インプリント法）、または光を照射する（光インプリント法）ことで、該基板１０７０上に格子を転写させて、格子を備えた第２の層１０７と、第１の層１０５を形成するための枠とを一体的に製造する。
　図１５は、上記のように一体として形成された第２の層及び枠１１１を使用してテラヘルツ電磁波発生素子を製造する方法を説明するための図である。
　非線形光学結晶板１０１の面に、一体として形成された第２の層及び枠１１１の枠の部分を貼り付ける。図１１に示すような複数の層構造を有するテラヘルツ電磁波発生素子は、層構造に相当する、一体として形成された第２の層及び枠１１１を重ねて貼り合わせることによって製造することができる。

Claims (11)

  1. 　一方の面に光を照射したときに他方の面からテラヘルツ電磁波を射出する非線形光学物質からなる発生層と、
    　前記発生層の両側に設けた複数対の層構造と、を備えたテラヘルツ電磁波発生素子であって、前記複数対の層構造のそれぞれは、
    　第１の層と、
    　前記第１の層の、前記発生層と反対側に設けた第２の層と、
    　前記第２の層の、前記発生層の側の面に設けた、使用されるテラヘルツ電磁波の波長より小さい第１の周期及び第１の高さを有する第１の格子と、
    　前記第２の層の、前記発生層と反対側の面に設けた、第１の周期及び第１の高さを有する第２の格子と、を備え、
    　前記第１の層の媒質の屈折率（第１の屈折率）は、前記第２の層の媒質の屈折率（第２の屈折率）よりも低く、前記第１及び第２の格子は、前記第１の層と前記第２の層との間の屈折率が、前記第１及び第２の屈折率の間で徐々に変化するように構成され、前記発生層が発生するテラヘルツ電磁波の中心波長に対して、所望の帯域幅を有するテラヘルツ電磁波を発生するように、前記第１及び第２の層の厚さ、ならびに前記第１の高さを定めた、テラヘルツ電磁波発生素子。
  2. 　所望の帯域幅の上限値以上の周波数のテラヘルツ電磁波をできるだけ除去するように、第１の周期を定めた、請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生素子。
  3. 　前記第１及び第２の格子の凸部が前記第２の層の材質と同じ材質からなる、請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生素子。
  4. 　前記第１及び第２の格子が、１次元に配列されている、請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生素子。
  5. 　前記第１及び第２の格子が、２次元に配列されている、請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生素子。
  6. 　前記第１の層の媒質が空気である、請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生素子。
  7. 　前記第１の層を形成するように枠状のサポート構造を備えた、請求項６に記載のテラヘルツ電磁波発生素子。
  8. 　前記第２の層と前記枠状のサポート構造とを一体的に形成した、請求項７に記載のテラヘルツ電磁波発生素子。
  9. 　前記第２の層の媒質がポリプロピレンである、請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生素子。
  10. 　前記非線形光学物質がテルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）の結晶である、請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生素子。
  11. 　請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生素子を備えた物体検査システム。
PCT/JP2010/002558 2009-04-16 2010-04-07 テラヘルツ電磁波発生素子 WO2010119646A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP10764233A EP2420886A4 (en) 2009-04-16 2010-04-07 ELEMENT FOR GENERATING ELECTROMAGNETIC WAVES IN THE TERAHERTZ AREA
JP2010544526A JP4759770B2 (ja) 2009-04-16 2010-04-07 テラヘルツ電磁波発生素子
US13/272,638 US8514482B2 (en) 2009-04-16 2011-10-13 Terahertz electromagnetic wave generating element

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2009/001769 WO2010119486A1 (ja) 2009-04-16 2009-04-16 テラヘルツ電磁波発生素子
JPPCT/JP2009/001769 2009-04-16

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US13/272,638 Continuation US8514482B2 (en) 2009-04-16 2011-10-13 Terahertz electromagnetic wave generating element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2010119646A1 true WO2010119646A1 (ja) 2010-10-21

Family

ID=42982171

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2009/001769 WO2010119486A1 (ja) 2009-04-16 2009-04-16 テラヘルツ電磁波発生素子
PCT/JP2010/002558 WO2010119646A1 (ja) 2009-04-16 2010-04-07 テラヘルツ電磁波発生素子

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2009/001769 WO2010119486A1 (ja) 2009-04-16 2009-04-16 テラヘルツ電磁波発生素子

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8514482B2 (ja)
EP (1) EP2420886A4 (ja)
WO (2) WO2010119486A1 (ja)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017050307A (ja) * 2015-08-31 2017-03-09 浜松ホトニクス株式会社 量子カスケードレーザ
US10054685B2 (en) 2012-06-18 2018-08-21 Nipro Corporation Foreign-matter detecting apparatus and method for detecting foreign-matter in powder using terahertz pulse wave
JP2019049691A (ja) * 2017-06-25 2019-03-28 ペーチ チュードマニゲエテム テラヘルツ放射線を生成するための方法およびテラヘルツ放射線源
US20230236112A1 (en) * 2017-05-12 2023-07-27 Photothermal Spectroscopy Corp Method and apparatus for enhanced photo-thermal imaging and spectroscopy

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014029478A (ja) * 2012-07-03 2014-02-13 Canon Inc テラヘルツ波発生素子、テラヘルツ波検出素子、及びテラヘルツ時間領域分光装置
CN102998260B (zh) * 2012-12-17 2014-10-01 西北大学 一种基于双光子纠缠的太赫兹波成像装置
JP6428728B2 (ja) * 2016-08-23 2018-11-28 ニプロ株式会社 テラヘルツパルス波を用いた粉末中の異物検出装置および異物検出方法
EP3608712B1 (en) 2018-08-06 2023-06-07 Pécsi Tudományegyetem Method and setup to generate terahertz radiation scalable in energy
CA3117822A1 (en) 2018-10-31 2020-09-24 Pecsi Tudomanyegyetem Reflection- and/or diffraction-based method and setup to generate high-energy terahertz pulses
CN110058512B (zh) * 2019-04-12 2020-12-08 中国科学院国家授时中心 一种可实现功率增强、相位可调与锁定的晶格场装置
JP7455569B2 (ja) * 2019-12-20 2024-03-26 浜松ホトニクス株式会社 テラヘルツ波用レンズ及びテラヘルツ波用レンズの製造方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005099453A (ja) 2003-09-25 2005-04-14 Kansai Electric Power Co Inc:The テラヘルツ電磁波発生素子
JP2005284232A (ja) * 2004-03-29 2005-10-13 Tetsuo Yanai テラヘルツ波発生装置及び計測装置
JP2006163026A (ja) * 2004-12-08 2006-06-22 Institute Of Physical & Chemical Research テラヘルツ波発生方法及び装置
JP2009058875A (ja) * 2007-09-03 2009-03-19 National Institute Of Information & Communication Technology 光学フィルタ
JP2009204900A (ja) * 2008-02-28 2009-09-10 Epson Toyocom Corp 光学素子の反射防止構造、その反射防止構造を備えた光学素子および反射防止構造の加工方法
JP2009217085A (ja) * 2008-03-12 2009-09-24 Tochigi Nikon Corp 光学部品

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060139755A1 (en) * 2001-08-27 2006-06-29 Roland Kersting Terahertz time-domain differentiator
GB0601596D0 (en) * 2006-01-26 2006-03-08 Univ St Andrews Parametric generation using intersecting cavities
JP5527570B2 (ja) * 2007-09-07 2014-06-18 国立大学法人 香川大学 テラヘルツ光源
JP5642405B2 (ja) * 2010-03-24 2014-12-17 オリンパス株式会社 テラヘルツ波発生装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005099453A (ja) 2003-09-25 2005-04-14 Kansai Electric Power Co Inc:The テラヘルツ電磁波発生素子
JP2005284232A (ja) * 2004-03-29 2005-10-13 Tetsuo Yanai テラヘルツ波発生装置及び計測装置
JP2006163026A (ja) * 2004-12-08 2006-06-22 Institute Of Physical & Chemical Research テラヘルツ波発生方法及び装置
JP2009058875A (ja) * 2007-09-03 2009-03-19 National Institute Of Information & Communication Technology 光学フィルタ
JP2009204900A (ja) * 2008-02-28 2009-09-10 Epson Toyocom Corp 光学素子の反射防止構造、その反射防止構造を備えた光学素子および反射防止構造の加工方法
JP2009217085A (ja) * 2008-03-12 2009-09-24 Tochigi Nikon Corp 光学部品

Non-Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BRUCKNER, C. ET AL.: "Broadband antireflective surface-relief structure for THz optics", OPTICS EXPRESS, vol. 15, no. 3, 5 February 2007 (2007-02-05), pages 779 - 789, XP055035728 *
DOBROIU, A. ET AL.: "THz-wave spectroscopy applied to the detection of illicit drugs in mail", PROCEEDINGS OF THE IEEE, vol. 95, no. 8, August 2007 (2007-08-01), pages 1566 - 1575, XP011193348 *
HAN, P. ET AL.: "Application of Silicon Micropyramid Structures for Anitireflection of Terahertz Waves", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, vol. 16, no. 1, 5 February 2010 (2010-02-05), pages 338 - 343, XP011344334 *
HIROTERU FUKUDA: "Hansha Boshi Kozo no Sakusei", TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE OF OSAKA PREFECTURE HOKOKU, vol. 20, 31 October 2006 (2006-10-31), pages 81 - 86 *
See also references of EP2420886A4
SHIN'ICHI KUROO ET AL.: "Sub Hacho Koshi Keisei ni yoru Silicon Hyomen no Terahertz Taihatsu Hansharitsu Teigenka", 2008 NEN SHUNKI DAI 55 KAI EXTENDED ABSTRACTS, 27 March 2008 (2008-03-27), pages 1168, XP008167513 *
SHIN'ICHI KUROO ET AL.: "THz-tai Ichijigen Photonic Kessho o Mochiita THz-ha Hosha no Zokyo", 2008 NEN SHUNKI DAI 55 KAI EXTENDED ABSTRACTS, 27 March 2008 (2008-03-27), pages 1160, XP008167514 *
TOYOTA, H. ET AL.: "Fabrication of microcone array for antireflection structured surface", JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 40, no. 7B, 15 July 2001 (2001-07-15), pages L747 - L749, XP008167216 *
WAGNER-GENTER, A. ET AL.: "Low loss THz window", INFRARED PHYSICS & TECHNOLOGY, vol. 48, 21 February 2006 (2006-02-21), pages 249 - 253, XP028073924 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10054685B2 (en) 2012-06-18 2018-08-21 Nipro Corporation Foreign-matter detecting apparatus and method for detecting foreign-matter in powder using terahertz pulse wave
JP2017050307A (ja) * 2015-08-31 2017-03-09 浜松ホトニクス株式会社 量子カスケードレーザ
US20230236112A1 (en) * 2017-05-12 2023-07-27 Photothermal Spectroscopy Corp Method and apparatus for enhanced photo-thermal imaging and spectroscopy
JP2019049691A (ja) * 2017-06-25 2019-03-28 ペーチ チュードマニゲエテム テラヘルツ放射線を生成するための方法およびテラヘルツ放射線源
JP7416561B2 (ja) 2017-06-25 2024-01-17 ペーチ チュードマニゲエテム テラヘルツ放射線を生成するための方法およびテラヘルツ放射線源

Also Published As

Publication number Publication date
EP2420886A1 (en) 2012-02-22
US20120050841A1 (en) 2012-03-01
US8514482B2 (en) 2013-08-20
EP2420886A4 (en) 2012-09-26
WO2010119486A1 (ja) 2010-10-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2010119646A1 (ja) テラヘルツ電磁波発生素子
Wu et al. Large-area wide-angle spectrally selective plasmonic absorber
US9726794B2 (en) High index contrast grating structure for light manipulation and related method
US8987754B1 (en) Highly directional thermal emitter
KR102211661B1 (ko) 방향-선택적 간섭계형 광필터
Dayal et al. Flexible metamaterial absorbers with multi-band infrared response
JP4759770B2 (ja) テラヘルツ電磁波発生素子
Poborchii et al. Photonic-band-gap properties of two-dimensional lattices of Si nanopillars
US8338802B2 (en) Terahertz radiation anti-reflection devices and methods for handling terahertz radiation
KR20140031909A (ko) 태양광 관리용 ir 반사체
Smirnova et al. Simple and high performance DFB laser based on dye-doped nanocomposite volume gratings
US20100229943A1 (en) Asymmetric Waveguide
EP2926195B1 (en) Optical absorber
Wan et al. Polarization-insensitive broadband visible-light steering with tunable direction enabled by scalable plasmonics meta-gratings
US9910200B1 (en) Increased visible and infrared transmission through radio frequency EMI shields
US7729053B2 (en) Wavelength filter with a broad bandwidth of reflection spectrum
Hung et al. Doubly slanted layer structures in holographic gelatin emulsions: solar concentrators
Watanabe et al. Dimensional Transformations of Guided-Mode Resonant Photonic Lattices
Shklyaev et al. Effect of Mie resonances in coatings consisting of dielectric particles on the light propagation in substrate surface layers
Ali et al. omni-directional high reflectors using one-dimensional deformed quasi-periodic Cantor band gap structure at optical telecommunication wavelength band
Wang Forward Propagation and Backward Propagation Guided Mode Waves of Electric Dipole Resonances in hBN Metasurface
Kumar et al. A simple tri-layer metamaterial absorber for large area fabrication
Han et al. Terahertz bound states in the continuum supported by a composite grating structure with alternating element widths
Shen et al. Thermally tunable nonreciprocal radiation in lithography-free vanadium dioxide-dielectric-Weyl semimetal stack
Vincenti et al. Enhancement and suppression of transmission in 3D nanoslits arrays with 1-and 2D periodicities

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2010544526

Country of ref document: JP

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10764233

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2010764233

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE