JP6075822B2 - センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ミリ波帯からテラヘルツ波帯（３０GHz〜３０THz）までの周波数領域の電磁波成分を含むテラヘルツ波を用いたセンサ装置、及びこれを用いたセンシングシステム、イメージングシステム等に関する。

近年、テラヘルツ波（THz波）を用いた非破壊なセンシング技術が開発されている。この周波数帯の電磁波の応用分野として、X線装置に代わる安全な透視検査装置を構成してイメージングを行う技術がある。また、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて分子の結合状態などの物性を調べる分光技術、キャリア濃度や移動度、導電率などの物性を調べる計測技術、生体分子の解析技術などが開発されている。テラヘルツ波の発生方法としては、非線形光学結晶を用いる方法が広く用いられる。非線形光学結晶の代表的なものとしては、LiNbO_x（以後、LNとも言う）、LiTaO_x、NbTaO_x、KTP、DAST、ZnTe、GaSe、GaP、CdTeなどがある。テラヘルツ波の発生には２次の非線形現象を用いる。方式としては、周波数差を持つ２レーザ光の入射による差周波発生（Difference-Frequency Generation: DFG）が知られる。DFG方式では、周波数の異なる２レーザ光を入射した場合、その２レーザ光の差周波数に応じた周期を有する非線形分極が生じる。また、非線形光学結晶では、レーザ光の入射によりエネルギー状態が励起し、元のエネルギー状態に戻る際にエネルギー波が放射される。非線形光学結晶が非線形分極している場合、その分極の周波数に対応するエネルギー波が放射され、テラヘルツ波の周波数を有して分極しているとき、非線形光学結晶からテラヘルツ波が放射される。また、光パラメトリック過程による単色テラヘルツ波発生、フェムト秒パルスレーザ光の照射で光整流によりテラヘルツ波パルスを発生する方式なども知られる。

この様な非線形光学結晶からテラヘルツ波を発生する過程として、電気光学的チェレンコフ放射が最近注目されている。これは、図８に示す様に、励起源であるレーザ光１００の伝搬群速度が、発生するテラヘルツ波の伝播位相速度よりも速い場合に、衝撃波の様にテラヘルツ波１０１が円錐状に放出される現象である。光とテラヘルツ波の媒質（非線形光学結晶）中の屈折率の比により、テラヘルツ波の放射角θ_c（チェレンコフ角ともいう）は次式で決まる。
cosθ_c=v_THz/v_g=n_g/n_THz （１）
ここで、v_g、n_gは夫々レーザ光の群速度、群屈折率、v_THz、n_THzは夫々テラヘルツ波の位相速度、屈折率を表す。これまでに、このチェレンコフ放射現象を用いて、波面を傾斜させたフェムト秒レーザ光をLNに入射させ光整流により高強度のテラヘルツ波パルスを発生させるという報告がある（非特許文献１参照）。また、波面傾斜の必要をなくすために、発生するテラヘルツ波の波長よりも十分小さい厚さを持つスラブ導波路を用いて、DFG方式により単色テラヘルツ波を発生させるという開示がある（特許文献１参照）。

この様な特許文献１、非特許文献１の例は、進行波励起によるテラヘルツ波発生であるため、異なる波源から発生したテラヘルツ波が放射方向で位相整合して強め合うことで取り出し効率を向上させるという提案に係る。スラブ導波路から発生したテラヘルツ波は、隣接する結合器（特許文献１の場合はSiプリズム）中を伝播し、結合器から空間に取り出される。この放射方式の特徴としては、非線形光学結晶を用いたものの中では比較的高効率にできて高強度のテラヘルツ波を発生できる事、結晶特有のフォノン共鳴によるテラヘルツ領域の吸収を高周波側に選ぶことでテラヘルツ波の帯域を広くできる事などが挙げられる。これらの技術は、光伝導素子によるテラヘルツ発生に比べて発生帯域を広くでき、光整流を用いるテラヘルツ波パルス発生の場合にはパルス幅を狭くできる。そのため、例えばテラヘルツ時間領域分光装置に利用する場合に装置性能を向上できることが期待されている。

特開２０１０-２０４４８８号公報

Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ，ｖｏｌ．２５，ｐｐ．Ｂ６−Ｂ１９，２００８．

しかしながら、特許文献１、非特許文献１に記載された方式では、非線形光学結晶内（これらの文献中で用いられている用語であり、本明細書ではこれとほぼ等価な表現として電気光学結晶を用いる）で発生して結合器を伝搬するテラヘルツ波のチェレンコフ放射はすべて空間中に取り出している。そして、必要に応じてセンシングしたいサンプルに放物面鏡やレンズにより集光してサンプルの微小領域の分析を行う。その場合、使用するテラヘルツ波の波長は典型的には数１００μm程度であるため、回折限界によりその波長程度のビーム径までしか集光できない。現実的には、光学系にも依るがmm前後の空間分解能となることが一般的である。そのため、微小サンプルのセンシングを行ったり、波長以下の分解能で成分分布のイメージングを行ったりすることに対応することが困難となる。この様な空間分解能を向上して観察したい要求に対して、光領域では周知の近接場技術などを用いる必要がある。

上記課題に鑑み、本発明のセンサ装置は、電気光学結晶を含み、光が伝搬するための光導波路と、前記光導波路を光が伝搬することで前記電気光学結晶から発生するテラヘルツ波が伝搬する結合器と、検出器と、を有し、前記結合器は、前記光導波路と接する第１の面と、前記第１の面と対向しており且つ前記電気光学結晶から発生するテラヘルツ波が全反射する第２の面と、を有し、前記検出器は、前記第２の面上に配置された被検体によって伝搬状態が変化したテラヘルツ波又は前記伝搬状態が変化したテラヘルツ波と相互作用した光を検出する。

また、上記課題に鑑み、本発明の接触式のテラヘルツイメージングプローブは、一方の端部に、被検体に臨むための開口部を伴って上記センサ装置を備え、前記センサ装置の光導波路を導波する光を該光導波路へと導く導波路と、前記センサ装置の検出器と電気的に接続された電気信号配線と、が内蔵されている。

また、上記課題に鑑み、本発明のセンシングもしくはイメージングを行うシステムは、上記センサ装置もしくは上記プローブと、前記光導波路において発生するテラヘルツ波の発生時と前記検出器におけるテラヘルツ波の検出時との間の遅延時間を調整するための遅延部と、前記光導波路を伝搬する光を発生するための光源と、前記検出器の出力から前記被検体と相互作用したテラヘルツ波の信号を取得して処理する処理部と、を備える。

また、上記課題に鑑み、上記センサ装置またはプローブまたはシステムにおける本発明のテラヘルツ波のセンシング方法は、前記結合器において全反射を経ていないテラヘルツ波パルス信号と前記結合器において全反射を経ているテラヘルツ波パルス信号とを前記検出器で検出するステップと、前記全反射を経ていない信号と前記全反射を経ている信号を比較するステップと、前記比較するステップでの比較結果から、前記結合器の全反射する部分への被検体の設置の有無に起因する変化の情報を得ることで被検体の性状を取得するステップと、を有する。

本発明の一側面によれば、結合器の全反射する部分においてテラヘルツ波と被検体とが相互作用を起こす構成としたので、テラヘルツ波を用いてその波長程度以下の微小領域を分析可能とできる。そのため、例えば、微量サンプルの分析を行ったり、プローブの一端部にセンサ装置をつけて被検体を走査することにより空間分解能の高いイメージングを行ったりすることが可能となる。本発明のその他の側面については、以下で説明する実施の形態で明らかにする。

本発明のセンサ装置の実施形態１の構造図。 本発明の実施例１のテラヘルツ時間領域分光装置の構成図。 実施形態１において取得した時間波形の例を示す図。 本発明のセンサ装置の実施形態２の構造図。 実施形態２の全体構成を示す図。 本発明のセンサ装置の実施形態３の構造図。 本発明のセンサ装置の実施形態４の構造図。 電気光学的チェレンコフ放射の概念図。

本発明の電気光学結晶を含む光導波路を持つセンサ装置は、光が光導波路を伝搬して発生したテラヘルツ波を取り出す結合器とその外側との界面でテラヘルツ波が全反射して結合器内部に伝搬するようにしている。そして、その結合器を伝搬したテラヘルツ波、もしくは光導波路を伝搬した光を検出する構成となっている。結合器を伝搬したテラヘルツ波を検出する場合、テラヘルツ波が全反射する結合器の界面に測定サンプルを設置することで、結合器中のテラヘルツ波の伝搬状態が変化することを検出器で検出することとなる。また、光導波路を伝搬した光を検出する場合、前記伝搬状態が変化するテラヘルツ波と相互作用する伝搬光の変化を検出器で検出してサンプルの情報を取得することとなる。THz波の伝搬状態の変化は、THz波が、結合器の光導波路に隣接する部分と対向する部分において全反射するとともに光導波路を通過して伝搬し、
全反射する部分においてTHz波と該全反射する部分上に配された被検体とが相互作用を起こすことで生じる。なお、本明細書ではセンシングするものについて、サンプルと被検体をほぼ同義語で用いる。

上記構成において、全反射界面ではテラヘルツ波のエバネッセント場が形成されており、その電界は、概ね波長（テラヘルツ波の自由空間での波長）の１０分の１程度の距離以上には結合器の外に浸み出さない。ただし、この浸入長は、正確には、界面を形成する２つの媒質の屈折率、全反射する電磁波の界面への入射角及び波長により決まる周知の理論式に従う。したがって、サンプルを全反射界面に略接触させる、すなわち電界が浸み出している程度（浸入長）の距離以下に近付けることが必要である。この「略接触」は、直接的でもよいし、ガラスや樹脂などの膜を介して間接的でもよい。また、必要に応じて、波長以下の開口部（後述する図４の窓構造を参照）を設けることで波長以下の空間分解能のイメージングを行うこともできる。また、光導波路で発生したテラヘルツ波を結合器中へ取り出せるように、結合器は光導波路に隣接して設けられるが、この「隣接」の意味は、後述する様に、少なくとも結合器と光導波路の界面における伝搬光の強度の減衰程度の観点から定義される。

以下、図を用いて実施形態及び実施例を説明する。
（実施形態１）
本発明による実施形態１であるLN結晶（既に例示した電気光学結晶の１つ）より成るテラヘルツセンサ装置について、図１を用いて説明する。図１において、MgOドープLN結晶から成る層１は、酸化膜層もしくは樹脂層などからなる２つの低屈折率層２、８に挟まれてスラブ光導波路を構成している。これが、光を伝搬するための電気光学結晶を含む光導波路である。それぞれの厚さは、典型的にはLN結晶の層が３.８μm、低屈折率層が０.５μm〜２.５μmとなっている。これらの厚さは、後述する様に、必要なテラヘルツ波帯域によって設計できるものであり、この値に限定されない。LN結晶の方位は、入射光４の伝搬方向をX軸、図１の上側をY軸となるようにしたYカットLN結晶基板からSi基板に移設（接着・研磨等のプロセスを含む）することで決められている。こうした理由は、図１に示した入射光４の電界方向を紙面に垂直なZ軸とした場合に、LN結晶の非線形係数が大きいZ軸に電界が作用してテラヘルツ波発生効率が最大になるからである。ただし、他の結晶方位でも構わない。

この様な構成にすることによって、２次非線形現象である電気光学的チェレンコフ放射によるテラヘルツ波発生を効率良く起こすことができる。発生したテラヘルツ波は、LN結晶での光／テラヘルツ波の屈折率差で決まるチェレンコフ角が凡そ６５度の方向で強くなる。しかし、その方向は、後述する様に、テラヘルツ波が適切に伝搬し得る屈折率を持つ材料による結合器を光導波路に隣接して設置すれば、実質は、その材料におけるテラヘルツ波の群速度と光の光導波路における群速度との比で決まる。

図１のように低屈折率層２の上面にはテラヘルツ波伝搬のための結合器３が隣接して設置されている。この様に、結合器３は、光導波路を光が伝搬することで電気光学結晶から発生するテラヘルツ波を伝搬させるために光導波路に隣接して設けられる。ここでは結合器として、屈折率の大きさの観点及びテラヘルツ波に対して低損失であることからSiが好適に用いられるが、これに限るものではない。本実施形態では、典型的には１００fs程度の超短パルスレーザ光を光導波路に入射させて、光整流効果により、LN結晶を含む光導波路からテラヘルツ波パルスを発生させている。パルス幅は狭いほどピーク強度が増大して非線形現象が大きくなるので望ましく、実際には３０fs以下のパルス幅が好適に用いられる。このとき、背景技術のところで説明したように光の伝搬に伴ってテラヘルツ波が上記（１）式に従ってノンコリニアに強く発生する（図１のテラヘルツ波の経路５を参照）。LN結晶による光導波路とSi結合器の組み合わせの場合には、前で触れた様に、それぞれの材料の屈折率の違いからチェレンコフ角は凡そθc＝４９°[＝cos^-１（LN結晶の光に対する屈折率／SiのTHz波に対する屈折率）＝cos^-１（２.２／３.４）]の角度をなす。Siから空間への全反射臨界角は凡そ１７°[＝sin^-１（空気の屈折率／Siのテラヘルツ波に対する屈折率）＝sin^-１（１／３.４）]であり、光導波路と平行な面でも空間との界面で全反射条件を満たすことになる。一方、基板側で反射する場合にも、光導波路や低屈折率層８が薄いため、テラヘルツ波に対してはこれが大きな影響を与えないことから同様に全反射となる。このことから、前述したLN結晶層を移設したSi基板をそのまま結合器として用いることができる。

こうしてテラヘルツ波は結合器３と空間との界面及び光導波路に一部浸入して下部低屈折率層８と空間との界面で全反射しながら、図１の経路５として示すようにジグザグに伝搬する。このとき、光導波路から発生するテラヘルツ波と結合器内を全反射しながら伝搬するテラヘルツ波が干渉することを抑制することが望ましい。LN結晶に対してSi結合器を用いる場合には、図１の光の光導波路中の伝搬距離をLとするとテラヘルツ波が結合器と空間の界面で全反射して光導波路に戻るときの伝搬距離２aは凡そ１.５Lとなる（L／（２a）＝cos４９°）。その場合、伝搬時間差としては、次の様になる。LN結晶の光に対する屈折率とSiのTHz波に対する屈折率の比２.２：３．４により、両者の伝搬速度v_光とv_THz波の比は３．４：２.２となる。すると、同一点への伝搬時間としては、THz波について１．５L／v_THz波、光についてL／v_光となり、前者は後者の２．３倍（（１.５L／v_THz波）／（L／v_光）＝１.５＊３.４／２.２＝２．３）の時間を要することが分かる。したがって、本実施形態の構造では、その差を考慮して所定時間以上の時間間隔を持つ光を間欠的に光導波路に入射すれば、発生したテラヘルツ波が干渉して信号が乱れることは避けられる。この様に、本実施形態のセンサ装置は、電気光学結晶から発生するテラヘルツ波と結合器の全反射する部分で反射されるテラヘルツ波が干渉しないように設定されている。

仮にL＝１mmになるようにするには、結合器３の厚さdは、d／０.５＝tan４９°よりd＝０.５８mmと設計される（光導波路層は薄いとして無視している）。この厚さはSiウエハとして一般的に流通している程度のものであり、薄膜のLN結晶による光導波路を強度的に十分支えられる厚さといえる。この結合器を伝搬したテラヘルツ波は、伝搬するテラヘルツ波が全反射しない面を持つ終端に集積化させたテラヘルツ波検出器７で電気信号に変換される。テラヘルツ波検出器７としては、例えば、低温成長GaAsで作製した周知の光伝導素子を用いることができる。こうして、図２に示す様なテラヘルツ時間領域分光装置（THz-TDS）でパルス波形を取得できる。

テラヘルツ波の検出には電気光学結晶を用いた検出も可能である。テラヘルツ波検出器は、図１のように、結合器の端部に全反射条件にならないような（例えば４９°のチェレンコフ角に対して垂直になるように）端面を形成して、この端面に貼りつけることが望ましい。もちろん、この様なカット面を作成しないで、全反射条件を満たす表面に検出器を接着して（不図示）、エバネセント波を直接検出したりする方法もある。他方、前述した様に、光導波路を伝搬してきた光を光検出器で検出する方法もある。光検出器であれば、光導波路の出射端面にpinホトダイオードなどを直接張り付ければよい。

図１のようにテラヘルツ波が何回か折り返されている場合は、１回の入射レーザパルスに対して、遅れて検出器７に到達する複数のテラヘルツ波が検出されることになる。これは上記で説明した各要素の材料や厚さで決まる伝搬時間差で決定されるため、サンプルが設置されていなければ、個々のセンサ装置毎に決まった時間間隔で複数のテラヘルツ波が検出できることになる。

L＝１mmであって、結合器と空間の界面において図１の如く２回反射する場合は、一度も反射せずに到達するテラヘルツ波の後に、時間間隔Δt毎に信号が２回検出される。その時間間隔Δtは図１のaの距離を伝搬する時間である。いまの場合はa＝０.７５mmであるため、パルス時間間隔Δt＝（Siのテラヘルツ波に対する屈折率）×a／光速＝８.５psとなる。すなわち、第１のテラヘルツ波パルスは光導波路から距離aだけ伝搬して直接検出器７に到達するものであり、図１のように二回の折り返しがある場合には、８.５ps間隔で合計３つのパルスが観察されることになる（図３参照）。この時間は、サンプルがないときの凡その見積もりであり、実際には誤差が生じる（この場合、図３でΔt１＝Δt２≒８.５ps）。この様な構造設計では、前述したテラヘルツ波の干渉に関しては、８.５ps以下の時間幅をもつ光パルスを入射させれば避けられることになる。本実施形態において典型的に用いた入射パルスの時間幅は、前述したように１００fs程度以下（繰り返しは一般的なMHzオーダー）であるため、問題ないことが分かる。

このセンサ装置で図１のようにSiの結合器３の上に測定サンプル６を設置すると、第２、第３のパルスはサンプルのある面で反射する際にサンプルの複素誘電率の違いによって反射係数が異なるため、パルス形状の変形を受けて検出器７に到達する。第１パルスは光導波路から直接到達するため、この第２、第３パルスのパルス変形を観察する際のリファレンスとして利用することができる。つまり、本発明のセンサ装置や後述するプローブまたはシステムを用いてテラヘルツ波のセンシングを行う方法では、次のステップを実行して被検体の性状などの情報を取得することができる。第１のステップでは、結合器において全反射を経ていないテラヘルツ波パルス信号と結合器において全反射を経ているテラヘルツ波パルス信号とを検出器で検出する。第２のステップでは、前記全反射を経ていない信号と前記全反射を経ている信号を比較する。第３のステップでは、前記比較するステップでの比較結果から、結合器の全反射する部分への被検体の設置の有無に起因する変化の情報を得ることで被検体の性状等を取得する。上記の２回反射のタイプでは、Si結合器３の厚さを上述した０.５８mmとして、光導波路長を例えば約２．５ｍｍとすることができる。本発明によるセンサ装置を用いてサンプルの検出を試みた例は実施例のところで述べる。

ここで、各層の厚さについて説明する。光導波路の電気光学結晶部分として必要な厚さは、取り出したいテラヘルツ波の最大周波数に対する素子内での等価波長の半分（すなわちコア部１の厚さに相当する位相ずれが、発生したテラヘルツ波の等位相面において反転して打ち消し合いが生じない程度の厚さ）以下である。一方、上下の低屈折率層２、８の厚さは、光導波路をレーザ光が伝搬する際のクラッド層として機能するのに十分厚く、且つ結合器３にテラヘルツ波を伝搬させる際に、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。前者に関しては、低屈折率層２をクラッドとした光導波路において、結合器３との界面での光強度が、結晶１をコア領域としたときにその領域における光強度の１／e^２（eは自然対数の底）以下になる様な厚さ以上であることが望ましい。前述した光導波路に対する結合器の「隣接」の意味はこの観点から決定される。つまり、結合器と光導波路の界面での光強度が上述した程度になる様に、結合器は光導波路に対して隣接して設置される。

また後者については、上部クラッド層が、外部に放射させる最大周波数におけるテラヘルツ波の低屈折率層２における等価波長λ_eq（THz）の１／１０程度以下の厚さになっていることが望ましい。波長の１／１０のサイズの構造体は、一般的にその波長の電磁波に対して反射、散乱、屈折などの影響が無視できると看做されるからである。ただし、前記望ましい厚さの範囲外でも、本発明のテラヘルツ波素子の機能実現は可能である。既に述べたLN結晶層と低屈折率層の厚さは、この設計思想により導き出している。すなわち、例えば７．６THz（LN結晶のフォノン吸収周波数）まで対応するとして、自由空間でのテラヘルツ波の波長は凡そ３９．５μmになる。ここで、結晶層１でテラヘルツ波の屈折率が５.２（LN:MgO）、上部及び下部低屈折率層２、８の光に対する屈折率が１.５であると仮定する。これらから、本実施形態では、結晶層１の厚さは等価波長λ_{eq_core}（凡そ３９．５／５.２＝７．６）の１／２以下となる様に厚さ３．８μmと設計している。また、クラッド層の厚さはλ_{eq_clad}（凡そ３９．５／１.５＝２６．３）の１／１０以下、すなわち２.６μm以下となる様に設計している。電気光学結晶を変えてフォノン吸収周波数が変化すれば、使用できるテラヘルツ波の帯域が変わるため、それに応じてこれらの厚さを変えることができる。以上の様に、光導波路が、光に対してコア部となる電気光学結晶とクラッド部となる低屈折率層とを含み、低屈折率層の少なくとも１つの層が、電気光学結晶と結合器に挟まれている場合、この少なくとも１つの層の厚さdは、a＜d＜λ_eq／１０を満たす。ただし、伝搬する光の電気光学結晶内における光強度の１／e^２になる厚みをa、結合器を伝搬するテラヘルツ波の最大周波数における前記少なくとも１つの層での等価波長をλ_eqとする。

これまでに、具体的な例で設計方法、設計値を述べてきたが、テラヘルツ波発生に用いる光導波路を構成するための電気光学結晶はLN結晶に限るものではない。すなわち、その他の電気光学結晶として、背景技術のところで述べたLiTaO_x、NbTaO_x、KTP、DAST、ZnTe、GaSe、GaP、CdTeなどを用いることもできる。また、同様に、結合器に用いる材料はSiが好適に用いられるが、テラヘルツ波が結合器内を伝搬できるような屈折率を持つ結合器と電気光学結晶の組み合わせとなるように選択すればよい。例えば、LN結晶であればGeも結合器に用いることができる。また、テラヘルツ波の反射回数、結合器厚さ、光導波路長（これらの間には既に述べたような一定の関係があるが）についても本実施形態のものに限られない。例えば、パルス数を増減するには反射回数の増減、すなわち光導波路長と結合器厚さの比率の増減により設計可能であり、パルスの時間間隔の増減は結合器厚さの増減等により設計可能であり、その方針は既述したとおりである。さらに、複数パルス間の干渉を避けるための光パルスのパルス幅、繰り返し時間などの仕様も、これらの構造設計により決まることになる。

（実施例１）
実施形態１のセンサ装置を用いてテラヘルツ時間領域分光システム（THz-TDS）を構成した実施例１を図２に示す。ここでは、励起光源として、光ファイバを含みフェムト秒オーダーの超短パルスを発するフェムト秒レーザ２０を用い、分岐器２１を介してポンプ光２２及びプローブ光２３に分ける。典型的には、中心波長１.５５μmでパルス幅２０fs、繰り返し周波数５０MHzのものを用いたが、波長は１.０６μm帯などでもよく、パルス幅、繰り返し周波数はこれらの値に限らない。ポンプ光２２は前述した本発明によるセンサ装置２４の電気光学結晶１を含む導波路に結合される。その際、レンズ２５を用いたが、セルフォック（登録商標）レンズをセンサ装置２４の入射端面に接着して集積化させてもよい。この場合に、端部に無反射コーティングを施せば、フレネルロスの低減、不要な干渉ノイズの低減につながる。若しくは、フェムト秒レーザ２０の出力を光ファイバで伝搬させて（不図示）、ファイバとセンサ装置２４の導波路との突き当てによる直接結合（バットカップリング）として接着してもよい。この場合は、接着剤を適切に選ぶことで、反射による悪影響を低減することができる。光の分岐についてはファイバ型のものを用いることができる。なお、前段のファイバ（不図示）やフェムト秒レーザ２０で、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センサ装置２４への入射光の偏波を安定化させることが望ましい。ただし、励起光源はファイバレーザに限るものではなく、ファイバレーザでない場合には、偏波の安定化などのための対策は軽減される。

発生したテラヘルツ波は、既に述べたようにセンサ装置２４の結合器内を伝搬し検出器２９に入射する。光検出器が低温成長GaAsにダイポールアンテナを形成した光伝導素子の場合、光源２０からの励起光の波長が１.５５μmであれば、不図示のSHG結晶を用いて倍波を生成して検出器２９のプローブ光２３とする。レーザの出力が十分ある場合には、SHG結晶を用いなくても２光子吸収及び中間準位遷移の混合現象により、１.５５μmの光で直接励起することが可能であり実用的である。光源２０が１μm帯の場合には、InGaAs単層或いはMQWで構成した光伝導素子の検出器２９において、倍波を生成することなく、基本波をプローブ光に利用することも可能である。もちろん、１μm帯でも、GaAs系もSHG結晶なしで用いることが可能である。本装置では、プローブ光側には例えばオプティカルチョッパーを入れて変調し、検出器２９から増幅器（不図示）を介して検出信号を取得する信号取得部２６を用いて同期検波できる様に組まれている。そして、データ処理・出力部２８では、PCなどを用いて遅延部である光学遅延器２７を移動させる制御をしながらテラヘルツ信号波形を取得する。遅延部は、センサ装置２４におけるテラヘルツ波発生時と検出手段である検出器２９におけるテラヘルツ波検出時との間の遅延時間を調整できれば、どの様なものでもよい。以上の様な構成により、センサ装置内で発生、伝搬したテラヘルツ波を検出することができ、センサ装置２４に設置したサンプルと相互作用したテラヘルツ光を分析することでサンプルの情報を取得することができる。以上の如く、本実施例のセンシングもしくはイメージングを行うシステムは、本発明によるセンサ装置と、光導波路において発生するテラヘルツ波の発生時と検出器におけるテラヘルツ波の検出時との間の遅延時間を調整するための遅延部と、光導波路を伝搬する光を発生するための光源と、検出器の出力から被検体と相互作用したテラヘルツ波の信号を取得して処理する処理部を備える。

サンプルとして例えばDNAを用いた場合を述べる。液体サンプルとして０.５μg／μlに調整したDNAを用い、二本鎖（ds）と 一本鎖（ss）の構造判別を試みた。用いたサンプルは、５.４kb 環状二本鎖プラスミドDNA、及びそれを９５℃、３分で熱変性して一本鎖にしたものである。この場合、特徴的な分光スペクトルは見られないが、図３において第２、第３のパルスの時間間隔が、サンプルの誘電率の違いによって異なることから検知できる。サンプルとの界面でテラヘルツ波が反射する際にサンプルの誘電率を反映して時間がδtだけシフトするため、Δt１、Δt２はいずれもサンプルがないときに比べてδtだけ長くなる。このとき、第１パルスは既に述べたようにサンプルに依存せず一定の時間位置にあるため、サンプルの量や種類によるδtを精度良く検出することができる。実際、このDNAサンプルの場合、数フェムトモル程度の量で、一本鎖、二本鎖の違いを判別することができる。

以上は、DNAサンプルの判別についての実施例を、全体の装置形態を含めて説明したが、THz-TDS装置に使われるフェムト秒レーザや方式などはここで説明したものに限られず、時間領域分光方式の信号が得られるものであればよい。また、サンプルとしては、錠剤、粉体、各種溶液、組織切片等など、結合器の全反射領域に略接触して設置できる（略接触の意味は前述したとおりである）ものであれば測定できる。判別法は、本実施例のようにパルスの時間シフトで見る方法以外に、パルスの振幅の大きさの変化で比較したりパルスをフーリエ変換してスペクトル分析を行ったりしてもよい。このとき、特徴のある指紋スペクトルを持っていれば周知の方法により成分の特定をすることもできる。

サンプルのサイズについては、上記例では１mm程度の領域に設置する場合を想定しているが、１回反射のタイプであれば、結合器の反射面に１００μm以下のサンプルを置いて感度良くセンシングすることができる。これは、結合器がSiであれば屈折率が３．４であるため、波長短縮効果により１THzを中心周波数として持つパルスを反射面において１００μm以下のスポットにすることができるためである。その際、サンプルが周囲に広がらないように、１００μmφ程度の液溜め構造（不図示）を樹脂等で形成したり、液体を染み込ませるための吸収材（微小ポアを複数持つスポンジ状構造帯など、不図示）を設置したりした後に、サンプルを供給してもよい。このように通常の空間でセンシングする場合に比べて微小領域のセンシングを行うことができる。

（実施形態２）
本発明による実施形態２は図４、図５に示すようなプローブ構造にするものである。プローブ先端部の構造を図４で説明する。ここでは、プローブとして長く伸びたものを示したが、この形状は、短い柱状等、様々であり得る。図４（a）はその断面図であり、プローブの外枠３２には先端部に窓構造（開口）３１があり、被検体（サンプル）３０の表面に押し当てられている。窓構造は典型的には直径１００μmφの円形の開口部となっているが、形状やサイズはこれらに限るものではない。円形の開口部は、一般にテラヘルツ波が無偏光である場合に適しているが、一方向に偏光している場合にももちろん適用できる。一方、テラヘルツ波が或る方向に偏光している場合には正方形などの矩形状が適している。したがって、矩形状の開口部であってもよい。サイズは、大きい分解能が要求される程小さくすればよく、場合に応じて設定すればよい。また、窓構造は、エバネセント波が外部まで浸み出す様に適切に厚さが設定されたガラスや樹脂などのプレートで構成されもよい。こうすれば、プローブ内部が密閉されて外部から汚染が防止される。窓構造３１の下部には、実施形態１と同様の電気光学結晶と低屈折率層から成る光導波路３９とテラヘルツ波伝搬のための結合器３８からなるセンサ装置３３が、コア３５とクラッド３６を持つ２本の光ファイバ３４によって外枠３２に押し当てられて設置されている。機械的安定性のため、アセンブル後に全体は接着剤等で接着されるのが良い。

本実施形態では、テラヘルツ波検出器３７まではセンシング面（全反射面）での１回反射になるように設計している。設計方針は実施形態１に述べたとおりで、光導波路３９や結合器３８に用いる材料の屈折率などに応じて構造設計を行う。この様なセンサ装置３３は実施形態１と同じ形態でもよいが、ここでは空間分解能を向上させテラヘルツ波の出力向上のために、図４（b）の斜視図に示したように光導波路をスラブ型でなくリッジ型としている。光導波路の横方向の構造は、Ti拡散により高屈折率化して周囲の領域４１と屈折率差を設ける方法やエッチングにより、リッジ形状に導波路コア部４０を形成することができる。樹脂等で周囲の領域４１を埋め込む方法などにより構成してもよい。また、結合器３８とコア部４０との間には低屈折率層４２を挿入する。

コア部の幅としては、伝搬する光に対して単一モードになるように４μm幅としているが、この幅に限らない。リッジ型の場合、発生するテラヘルツ波は、横方向には光導波路から発散するように発生する。結合器３８は、厚さを１５０μmで光導波路に接する底面の長さを凡そ４５０μmとし、終端面部は内角が４１°になるようにカット（チェレンコフ角４９°に対して垂直出射になるようにカット）している。上記窓構造３１は１回反射のポイントに中心が来るようにセットしてある。結合器３８のレーザ光入射側の面は図４のように光導波路方向に対して垂直となっているが、発生するテラヘルツ波に影響を与えない角度になっていれば、これに限らない。ここでは、結合器３８の厚さを薄く（１５０μm）することで、リッジ形状のコア部４０から窓構造３１側へのテラヘルツ波の発散領域があまり大きくならない様にしている。これにより、空間分解能を高くしている。結合器３８のその他の端面についても、該端面における反射による影響が検出信号に及ばないように適当なカット構造や無反射コーティングを施すのが望ましい。

一方、光導波路３９のレーザ入射端面は、光ファイバ３４のコア３５からの光をポンプ光として結合できるように４５°にカットしている。すなわち、光導波路３９は、外部から伝搬した光の伝搬方向を反射により変えて該光導波路に結合させる斜めカット面を持つ。光導波路３９の終端部においても、光導波路３９内の多重反射を避けるために図４のように斜めにカットするか、無反射コーティング、粗面処理などを施すことが望ましい。もう一方のファイバ３４からの光は、マイクロミラー４５によって検出器３７に照射され、プローブ光となる。

次に、プローブを含む全体構成について図５を用いて説明する。フェムト秒レーザ５３からのレーザ光はビームスプリッタ５６でポンプ光５４とプローブ光５５に分けられ、テラヘルツ波プローブ５２の内部の２つの光ファイバ３４に結合される。光ファイバ３４はテラヘルツ波プローブ５２の先端部５１で、図４を用いて説明したようにテラヘルツ波によるセンサ装置に接続される。光遅延系５７は実施例１と同様にTHz-TDSとして動作させるために設置している。テラヘルツ波プローブ５２の先端部５１は、被検体例えば人体の前腕部５０に押し当てて検査を行う。先端部５１における検出器（図４の検出器３７など）からの電気信号はテラヘルツ波プローブ５２内の電気配線４７（図４（a）参照）を通じて外部に取り出して、信号取得・処理部５９にて処理される。その処理方法などは実施形態１と同様である。この様に、本実施形態の接触式のテラヘルツイメージングプローブは、
一方の端部に、被検体に臨むための開口部を伴って本発明のセンサ装置を備える。そして、センサ装置の光導波路を導波する光をこの光導波路へと導く導波路と、センサ装置の検出器と電気的に接続された電気信号配線が内蔵されている。

図５で、光ファイバ３４に光を導入するまでの光学系は空間光学系を図示しているが、フェムト秒レーザ５３をファイバレーザとし、その出力をファイバのままテラヘルツ波プローブ５２に接続するオールファイバ型も可能である。この場合、ポンプ光とプローブ光の時間差はレーザ内部での光遅延方式を用いることができる。

前腕部５０に押し当てて検査する場合には、皮膚の炎症、疾患、癌などの診断支援のためのイメージングを行う。その際、予め取得しておいた疾患等に関わる信号変化のデータをデータベースとして記憶し、それと比較して比較結果を処理することで高速に物性判別等のイメージングが行える。こうした構成は、疾患の観察以外にも、例えば、ドラッグデリバリーシステムとして経皮薬を投与する場合に、その浸透状況などを非破壊で観察することにも有効である。また、内視鏡のように体内に導入して内臓等の内壁を観察する場合や、手術中に施術している組織やその近傍を観察する場合にも適用できる。いずれの場合にも本実施形態のように窓構造を用いて、テラヘルツ波の波長以下の空間分解能でテラヘルツイメージングを行うことができる。

（実施形態３）
本発明による実施形態３は実施形態１の変形例である。図６に示すように、電気光学結晶（例えばMgOドープLN結晶）６０と２つの低屈折率層６１、６３による光導波路については実施形態１と同様の構造である。一方、テラヘルツ波伝搬のための結合器６４には傾斜があり、また、光導波路の電気光学結晶６０と同じ種類であって光導波路を支持する結晶基板（例えばLN結晶）６２がある。すなわち、結合器６４の全反射部分は、光導波路と平行でなく傾斜している面を含む。場合によっては、結合器のセンシング面の傾きは、途中で変化して複数の傾きを持つこともできる。また、光導波路と平行な面と傾斜面を含んでもよく、例えば、平行面が途中から傾斜面となるセンシング面などであってよい。結合器６４の構造、基板６２の有無は互いに独立に組み合わせ可能であり、例えば、結合器は平坦で基板を有する場合もあるし結合器は傾斜していて基板を有さない場合もある。

図６の場合、LN結晶であればテラヘルツ波に対する屈折率は５．２程度なので、図６に示したように導波路（６０、６１、６３）下部ではテラヘルツ波は全反射せず一部透過（点線参照）する。そのため、Si結合器（屈折率３．４）側への反射率は一般的には低くなり信号の減少が起こることがある。例えば、結合器が光導波路と平行である場合、実施形態１のようにチェレンコフ角が４９°であれば、基板への入射角はその余角の４１°となり、反射率は９%程度と小さい。ただし、低屈折率層６１、６３や電気光学結晶層６０の厚さはテラヘルツの波長に比べて薄いと仮定した場合である。

一方、図６のように結合器のセンシング面を傾けて、例えば基板６２への入射角を７０°程度にできれば（図６のθ１＝７５°参照）、実施形態１のようなS波のテラヘルツ波（図１のｚ軸が電界方向）であれば約３０%の反射率とすることができる。結合器を薄くして強度が保たれない場合や、同一結晶基板上に導波路を作成して信頼性を向上させたい場合などに、この様な構造が適用できる。この様に、結合器のセンシング面の傾きは、適切にテラヘルツ伝搬を結合器内に起こすことができれば任意の角度に設定することができ、本発明の範囲内とすることができる。

（実施形態４）
本発明による実施形態４は、センシング面の上部に金属もしくは導電率の高い半導体などの導電層を設置することで、周知のプラズモンセンサの動作を併用するものである。プラズモンセンサは、全反射面における適切な入射角と屈折率の条件を満たした場合に、表面プラズモン共鳴が誘起されて反射波が急激に減少する現象を利用するセンサである。センシング面に導電体を密着もしくは近接させて導電体表面の被検体の状態を見るクレッチマン配置と、センシング面と導電体の間にサンプルを挟むオットー配置があるが、図７は前者の例を示している。

図７では全反射部の要部のみを示し、その他の検出器などの部分はこれまでの実施形態から適切に選択すればよいため、省略している。調べたいサンプル７４に対してプラズモン共鳴が起こるように予めセンシング面は実施形態３のように傾斜させることができる。電気光学結晶７０と低屈折率層７１、７２を含む光導波路には結合器７３が隣接して配置されている。例えば、電気光学結晶７０としてはMgOドープLN結晶、結合器７３としてはSiを用いることができる。クレッチマン配置を実現するため、Si結合器７３の表面にはイオン注入などにより導電層７５を形成する。この導電層としては、イオン注入の代わりに金属膜を蒸着等によって成膜したものでもよい。光導波路で発生したテラヘルツ波のパルスがチェレンコフ角で到達して全反射される領域においてサンプル７４を設置して、そのセンシングを行うことができる。なお、結合器を傾斜させない場合や、オットー配置などの変形例も本発明として実施し得る形態の範囲である。

本実施形態では、特定の屈折率をもつサンプルに対してテラヘルツ波の信号の減衰消光比を高くすることができ、感度を向上させることができる。

これまでの実施形態や実施例では、主に、励起光にフェムト秒レーザ光を用いて光整流によりテラヘルツ波パルスを発生させる例を説明してきた。これに対し、２つの異なる発振周波数ν_１、ν_２を持つレーザ光を入射させ、差周波に相当する単色のテラヘルツ波を出射する差周波発生方式を用いてもよい。この場合、上述の複数伝搬路に対する干渉が所々で発生してテラヘルツ波のビートが観測されるが、それでも、テラヘルツ波は上述の如く被検体と相互作用してその伝搬状態が変化するのでこのテラヘルツ波の変化を検出して被検体の情報を得ることができる。レーザ光源としては、Nd:YAGレーザ励起のKTP-OPO（Optical-Parametric-Oscillator）光源（これは２波長の光を出力する）や、２台の波長可変レーザダイオードを用いることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態や実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組合せでも有用性を有するものであり、本発明の範囲は特許請求の範囲に記載の組合せに限定されない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成でき、そのうちの１つの目的を達成する場合でも技術的有用性を持つものである。

１‥電気光学結晶（光導波路）、２、８‥低屈折率層（光導波路）、３‥結合器、４‥光、５‥テラヘルツ波、６‥被検体（サンプル）、７‥検出器

Claims (18)

1. 電気光学結晶を含み、光が伝搬するための光導波路と、
   前記光導波路を光が伝搬することで前記電気光学結晶から発生するテラヘルツ波が伝搬する結合器と、
   検出器と、を有し、
   前記結合器は、前記光導波路と隣接する第１の面と、前記第１の面と対向しており且つ前記電気光学結晶から発生するテラヘルツ波が全反射する第２の面と、を有し、
   前記検出器は、前記第２の面上に配置された被検体によって伝搬状態が変化したテラヘルツ波又は前記伝搬状態が変化したテラヘルツ波と相互作用した光を検出することを特徴とするセンサ装置。
2. 前記電気光学結晶から発生するテラヘルツ波と前記第２の面で反射されるテラヘルツ波が干渉しないように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記光導波路を伝搬する光は、フェムト秒オーダーの超短パルスであることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ装置。
4. 前記検出器は、前記結合器の部分のうち、前記電気光学結晶から発生するテラヘルツ波が全反射しない面に設置されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のセンサ装置。
5. 前記光導波路は、外部から伝搬した光の伝搬方向を反射により変えて前記光導波路に結合させる斜めカット面を持つことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のセンサ装置。
6. 前記第２の面は、前記光導波路と平行でない面を含むことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のセンサ装置。
7. 前記第２の面には、導電層が密着もしくは近接して備えられており、前記導電層において表面プラズモン共鳴を誘起することを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のセンサ装置。
8. 前記光導波路は、前記光に対してコア部となる前記電気光学結晶とクラッド部となる低屈折率層とを含み、
   前記低屈折率層の少なくとも１つの層は、前記電気光学結晶と前記結合器に挟まれており、
   前記少なくとも１つの層の厚さｄは、前記伝搬する光の前記電気光学結晶内における光強度の１／ｅ^２（ｅは自然対数の底）になる厚みをａ、前記結合器を伝搬するテラヘルツ波の最大周波数における前記少なくとも１つの層での等価波長をλ_ｅｑとしたとき、ａ＜ｄ＜λ_ｅｑ／１０
   を満たすことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載のセンサ装置。
9. 前記電気光学結晶から発生するテラヘルツ波は、前記結合器内を全反射しながら伝搬することを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載のセンサ装置。
10. 前記第２の面と前記被検体とは、略接触していることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載のセンサ装置。
11. 前記第２の面の表面には膜が配置されており、
    前記膜の厚さは、前記電気光学結晶から発生するテラヘルツ波のエバネッセント場の侵入長以下であることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載のセンサ装置。
12. 前記検出器が検出する前記光は、前記光導波路を伝搬した光であることを特徴とする請求項１から１１の何れか１項に記載のセンサ装置。
13. 光が入力される光導波路と、
    被検体を配置する領域と、
    検出器と、を備え
    前記光導波路は、前記光が入力されることによりテラヘルツ波が発生する電気光学結晶を含み、
    前記電気光学結晶から発生するテラヘルツ波は、電気光学的チェレンコフ放射し、
    前記電気光学結晶から発生するテラヘルツ波が全反射しながら伝搬する領域であって、前記光導波路と前記前記電気光学結晶から発生するテラヘルツ波が全反射する全反射面とを有する領域を有し、
    前記被検体を配置する領域は、前記全反射面の少なくとも一部又は前記全反射面から前記電気光学結晶から発生するテラヘルツ波のエバネッセント場の侵入長以下の領域の少なくとも一部に設けられており、
    前記検出器は、前記全反射面で全反射したテラヘルツ波又は前記全反射面で全反射したテラヘルツ波と相互作用した光を検出することを特徴とするセンサ装置。
14. 前記光は、２つの異なる周波数ν１及びν２の光を含み、
    前記電気光学結晶から発生するテラヘルツ波の周波数は、｜ν１−ν２｜であることを特徴とする請求項１３に記載のセンサ装置。
15. 前記被検体を配置する前記領域における前記光導波路の表面には膜が配置されており、前記膜の厚さは、前記電気光学結晶から発生するテラヘルツ波のエバネッセント場の侵入長以下であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載のセンサ装置。
16. 接触式のテラヘルツイメージングプローブであって、
    一方の端部に、被検体に臨むための開口部を伴って請求項１から１５の何れか１項に記載のセンサ装置を備え、
    前記センサ装置の光導波路を導波する光を該光導波路へと導く導波路と、前記センサ装置の検出器と電気的に接続された電気信号配線と、が内蔵されていることを特徴とするプローブ。
17. センシングもしくはイメージングを行うシステムであって、
    請求項１から１５の何れか１項に記載のセンサ装置または請求項１６に記載のプローブと、
    前記光導波路において発生するテラヘルツ波の発生時と前記検出器におけるテラヘルツ波の検出時との間の遅延時間を調整するための遅延部と、
    前記光導波路を伝搬する光を発生するための光源と、
    前記検出器の出力から前記被検体と相互作用したテラヘルツ波の信号を取得して処理する処理部と、を備えることを特徴とするシステム。
18. 請求項１から１５の何れか１項に記載のセンサ装置または請求項１６に記載のプローブまたは請求項１７に記載のシステムにおけるテラヘルツ波のセンシング方法であって、
    前記結合器において全反射を経ていないテラヘルツ波パルス信号と前記結合器において全反射を経ているテラヘルツ波パルス信号とを前記検出器で検出するステップと、
    前記全反射を経ていない信号と前記全反射を経ている信号を比較するステップと、
    前記比較するステップでの比較結果から、前記結合器の全反射する部分への被検体の設置の有無に起因する変化の情報を得ることで被検体の性状を取得するステップと、を有することを特徴とするセンシング方法。

Images