太赫兹波生成元件、太赫兹波检测元件和太赫兹时域分光设备

摘要

一种太赫兹波生成元件包括：电光晶体，其包括光学波导；光学耦合构件(7)，其将作为光传播通过所述波导的结果而从所述电光晶体生成的太赫兹波提取到空间；和至少两个电极(6a、6b)，其通过将电场施加于所述波导(4)来引起所述电光晶体(1)中的一阶电光效应，以便改变传播通过所述波导的光的传播状态。所述电光晶体(1)的晶轴被设置为使得通过二阶非线性光学过程生成的太赫兹波和传播通过所述波导(4)的光相位匹配。

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹波生成元件、太赫兹波检测元件和使用以上元 件中的至少一个的太赫兹时域分光设备，所述太赫兹波生成元件生成 太赫兹波，所述太赫兹波包括从毫米波段到太赫兹波段（30GHz至 30THz）的频率范围内的电磁波分量，所述太赫兹波检测元件检测太 赫兹波。特别是，本发明涉及一种生成元件和断层成像设备，所述生 成元件包括电光晶体，所述电光晶体用于通过激光辐照来生成或检测 包括前述频率范围内的傅里叶分量的电磁波，所述断层成像设备使用 前述生成元件来执行太赫兹时域分光（THz-TDS）。

背景技术

近年来，研发了使用太赫兹波的非破坏性感测技术。作为该频段 中的电磁波的应用领域，存在通过使用安全的荧光检查设备代替X射 线设备来执行成像的技术。此外，已研发的其它技术包括用于通过确 定材料内部的吸收光谱或复介电常数来检查诸如分子结合状态的物理 性质的光谱技术、用于检查诸如载流子浓度、迁移率或电导率的物理 性质的测量技术、以及生物分子分析技术。作为生成太赫兹波的方法， 使用非线性光学晶体的方法已被广泛使用。非线性光学晶体的典型例 子包括LiNbOx（也称为LN）、LiTaOx、NbTaOx、KTP、DAST、 ZnTe、GaSe、GaP和CdTe。二阶非线性现象用于生成太赫兹波。用 于生成太赫兹波的已知方法包括通过输入具有不同频率的两个激光束 来产生频率差的方法、通过光学参变过程来生成单色太赫兹脉冲的方 法、以及通过使用飞秒脉冲激光进行光学整流来生成太赫兹脉冲的方 法。

作为用于以这种方式从非线性光学晶体生成太赫兹波的过程，电 光切伦科夫辐射（Cerenkov radiation）最近引起了注意。如图8所示， 其是下述现象，即，当用作激发源的激光100的传播群速率高于所生 成的太赫兹波的传播相速率时，太赫兹波101像冲击波那样以圆锥体 的形式释放。基于介质（非线性光学晶体）内的光与太赫兹波之间的 折射率比，从以下式子确定辐射角θc。

cosθc=v_THz/vg=ng/n_THz

在这种情况下，vg和ng分别表示激发光的群速率和群折射率， v_THz和n_THz分别表示太赫兹波的相速率与折射率。存在关于使用该切 伦科夫辐射现象来使波前倾斜的飞秒激光进入LN以便通过光学整流 来生成高强度太赫兹脉冲的报告（参见NPL 1）。此外，还存在关于 通过DFG方法来生成单色太赫兹波的报告，所述DFG方法使用具有 充分地小于所生成的太赫兹波的波长的厚度的平板波导来消除对于波 前倾斜的需要（参见PTL 1和NPL 2）。

因为在这些文献中的例子中通过行波激发来生成太赫兹波，所以 从不同波源生成的太赫兹波通过在辐射方向上相位匹配而彼此加强， 从而提高提取效率。该辐射方法的特征在于，因为当使用非线性光学 晶体时可实现相对高的效率，所以可生成高强度太赫兹波，并且可通 过下述方式使太赫兹波段变宽，即，通过晶体所特有的声子共振来选 择用于太赫兹区域的吸收的高频侧。通过这些技术，与使用光电导体 的太赫兹生成相比，可使太赫兹生成范围变宽，在使用光学整流的太 赫兹脉冲生成的情况下可减小脉冲宽度，并且当这些技术应用于例如 太赫兹时域分光设备时可增强设备性能。

引文列表

专利文献

PTL 1日本专利公开No.2010-204488

非专利文献

NPL 1 J.Opt.Soc.Am.B,vol.25,pp.B6-B19,2008

NPL 2 Opt.Express,vol.17,pp.6676-6681,2009

发明内容

然而，在NPL 1和NPL 2中所讨论的方法中，光仅被动地辐照到 非线性光学晶体上，并且不包括用于对所生成的太赫兹波执行调制的 调整单元。因此，需要外部调整单元来调整太赫兹波的强度。例如， 虽然当执行同步检测时通常使用可旋转截光器（rotatable light  chopper），但是因为这样的截光器是机械类型的，所以调制速度最多 为几kHz，并且大约50%的激发光被切掉。因此，总太赫兹生成效率 降低，可能变为实现太赫兹时域分光设备的改进S/N比的障碍。

根据本发明的一方面的太赫兹波生成元件包括：波导，其包括电 光晶体；光耦合构件，其将作为光传播通过所述波导的结果而从所述 电光晶体生成的太赫兹波提取到空间；和至少两个电极，其通过将电 场施加于所述波导来引起所述电光晶体中的一阶电光效应，以便改变 传播通过所述波导的光的传播状态。所述波导的电光晶体的晶轴被设 置为使得通过二阶非线性光学过程而生成的太赫兹波和传播通过所述 波导的光相位匹配。

在根据本发明的方面的太赫兹波生成元件中，因为用作电调制单 元的电极将电场施加于包括电光晶体的波导以便通过一阶电光效应来 改变传播光的传播状态，所以能够以相对高的速度对所生成的太赫兹 波进行调制。从以下描述的实施例，本发明的其它方面将变得明白。

附图说明

图1A是根据本发明的第一实施例的太赫兹波生成元件的透视图。

图1B是根据本发明的第一实施例的太赫兹波生成元件的截面图。

图2A是根据本发明的实施例的断层成像设备的配置图。

图2B是根据本发明的实施例的断层成像设备的修改形式的配置 图。

图3A示出通过根据本发明的实施例的断层成像设备辐照到样品 上的太赫兹脉冲波形的例子。

图3B示出通过根据本发明的实施例的断层成像设备获取的断层 扫描图像的例子。

图4是根据本发明的第二实施例的太赫兹波生成元件的结构图。

图5是根据本发明的第三实施例的太赫兹波生成元件的结构图。

图6是根据本发明的第四实施例的太赫兹波生成元件的结构图。

图7是根据本发明的另一实施例的断层成像设备的配置图。

图8是电光切伦科夫辐射的概念图。

图9是根据本发明的实施例的太赫兹波检测元件的结构图。

具体实施方式

根据本发明的包括电光晶体的太赫兹波生成元件通过下述方式改 变传播通过波导的光的传播状态，即，通过将电场施加于波导来根据 电光晶体的一阶电光效应引起折射率改变，从而对从传播光生成的太 赫兹波进行调制。为了确保太赫兹波的生成，电光晶体的晶轴被设置 为使得通过二阶非线性过程生成的太赫兹波和传播光能够相位匹配。 基于这个构思，根据本发明的太赫兹波生成元件具有上述基本配置。 在这种配置中，为了通过电极的电场施加来高效率地对太赫兹波进行 调制，电光晶体的晶轴优选地被设置为使得由电场施加引起的电光晶 体的一阶电光效应最大。此外，通过相同配置，可通过逆向过程来检 测太赫兹波。这里用于一阶电光效应的电光晶体具有二阶非线性，并 且一般实践上的电光晶体基本上等效于具有二阶非线性的非线性光学 晶体。

以下将参照附图来描述实施例和实践例子。

第一实施例

现在将参照图1A和图1B来描述根据本发明的第一实施例的使用 LN晶体的太赫兹波生成元件。图1A是太赫兹波生成元件的透视图， 图1B是沿着太赫兹波生成元件的波导中的线IB-IB截取的截面图。 LN基板1由Y切割铌酸锂构成，并且LN晶体具有与激光的传播方 向对应的X轴、Y轴和与正交于传播方向（X轴）的方向对应的Z轴 （参见图1A所示的坐标轴）。通过这样的配置，可高效率地生成作 为二阶非线性现象的电光切伦科夫辐射，并且可容易地施加用于通过 一阶电光效应（泡克耳斯效应（Pockels effect））引起折射率改变的 电场。详细地讲，稍后将描述的用作波导的电光晶体的LN晶体的晶 轴被设置为使得通过稍后将描述的电场施加使一阶电光效应最大化来 高效率地引起折射率改变并且高效率地改变传播光的传播状态。另外， 晶轴还被设置为使得通过二阶非线性过程生成的太赫兹波和传播光能 够相位匹配。具体地讲，晶轴被设置为使得在二阶非线性过程所涉及 的光波（即，太赫兹波和传播光）的波数矢量之间满足相位匹配条件。

在LN基板1上，粘接剂2、由掺杂MgO的LN晶体层形成的波 导层4和低折射率缓冲层5形成通过全内反射传播输入激光的波导。 具体地讲，粘接剂2和低折射率缓冲层5的折射率被设置为低于波导 层4的折射率。如果通过将组件粘合在一起来制造波导，则需要粘接 剂2，但是如果通过扩散等形成掺杂层，则不必需要粘接剂2。即使在 这种情况下，因为掺杂MgO的LN层具有比LN基板1的折射率高的 折射率，所以仍实现波导的功能。例如，可通过借助于Ti扩散增大波 导层4的折射率来改变波导层4与周围区域3之间的折射率，或者通 过借助于蚀刻将波导层4形成为脊图案（ridge pattern）且将树脂等 嵌入到周围区域3中，来形成波导的结构。虽然如图中所示的波导中 那样也沿横向方向（Z轴方向）形成波导结构以提高光限制性质，但 是平板波导也是可允许的，在所述平板波导中，波导区域在横向方向 上一致地延伸，以便包括区域3，而不包括限制区域。光耦合构件7 和一对电极6a和6b（有时在下文中被共同称为“电极6”）设置在包 括波导层4的波导上，光耦合构件7将所生成的太赫兹波提取到外部， 该对电极6a和6b用于将来自电源8的电压施加于波导。光耦合构件 7可以是例如棱镜、衍射光栅或光子晶体（在这种情况下，棱镜在图 中示出）。电极6a和6b在X轴方向上延伸，并且分别设置在光传播 区域的相对侧。

当使偏振到与Z轴平行的方向（即，水平方向）的激光进入图1A 中的波导并且沿着X轴传播时，基于相关技术的NPL 2中所讨论的原 理或者通过使用超短脉冲光源的光学整流，从晶体表面生成太赫兹波。 太赫兹波可通过光耦合构件7被提取到周围空间。根据LN中的光/太 赫兹波折射率差确定的切伦科夫辐射角为大约65度。在光耦合构件7 （即，棱镜）的情况下，例如具有小的太赫兹波损失的高电阻Si适合 用作允许将太赫兹波提取到大气中而不使太赫兹波经历波导中的全内 反射的棱镜材料。在这种情况下，太赫兹波与基板表面之间所形成的 角度θclad（参见图1B）为大约49度。通过使具有不同频率的两个 激光束进入波导，如PTL 1和NPL 2中所讨论的，通过差频生成（DFG） 方法生成单色太赫兹波。另一方面，通过使来自单个超短脉冲光源（脉 冲激光光源）的单个激光束（脉冲激光）进入波导，可生成短脉冲太 赫兹波。为了使脉冲激光进入波导，脉冲激光可仅被使用光学元件（诸 如透镜）的会聚光学系统会聚，并且与波导耦合，而不像NPL 1中那 样需要波前倾斜。稍后将描述不需要波前倾斜的波导的厚度条件。

如上所述，在本实施例中，电压可通过电极6a和6b施加于与LN 的热解轴（pyro-axis）方向对应的Z轴方向（即，与最大电光常数对 应的方向）上，并且太赫兹波的相位可通过下述方式来高效率地调制， 即，通过电压调制来对波导层4的折射率进行调制。虽然太赫兹波的 输出方向上的角度θclad可能由于折射率改变而改变，但是因为该折射 率改变通常为0.1%或更低，所以该改变对将从太赫兹波获得的信号信 息没有主导影响。如果太赫兹脉冲将通过飞秒激光辐照来生成，则可 对相位时间位置进行调制。电极6每个均具有例如多层Ti/Au结构， 并且可直接形成在LN表面上，或者可形成在由SiO₂构成的间隔层（未 示出）上。然而，电极6不与光耦合构件7直接接触，并且被配置为 不与其电接触。为了实现这个，电极6的厚度或者电极6与间隔层的 厚度被设置为1μm或更小，并且用于形成波导的低折射率缓冲层5的 厚度被设置为大约3μm。具体地讲，这通过下述方式来实现，即，在 位置上将光耦合构件7的底面设置为高于电极6以便形成间隙。因此， 两个电极6a和6b之间的电压高效率地主要施加于波导。当激光传播 通过波导层4时，低折射率缓冲层5具有足以用作覆层的厚度，但是 优选地薄到当太赫兹波通过光耦合构件7释放到外部时多次反射和损 失的影响可忽略的程度。关于前者，在作为高折射率层的波导层4用 作芯层、而作为低折射率层的粘接剂2和低折射率缓冲层5用作覆层 的波导中，前述厚度优选地大于或等于下述厚度，在该厚度，低折射 率缓冲层5与光耦合构件7之间的界面处的光强度低于或等于芯区域 的光强度的1/e²。应该指出，e是自然对数的底数。关于后者，所述厚 度优选地小于或等于低折射率缓冲层5中将释放到外部的最大频率的 太赫兹波的等效波长λ_eq（THz）的大约1/10。这是因为，在具有与波 长的1/10对应的大小的结构体中，反射、色散、折射等对具有该波长 的电磁波的影响通常被认为是可忽略的。然而，应该指出，从根据本 发明的太赫兹波生成元件生成太赫兹波在前述优选的厚度范围外是可 能的。

通过以这种方式设置波导的配置、电光晶体的轴向和电极6的配 置，可通过切伦科夫辐射来生成太赫兹波，并且所生成的太赫兹波可 被高效率地调制。具体地讲，可设置包括电调制单元（电极）的生成 元件，该电调制单元被设置用于通过光致激发高效率地生成高强度太 赫兹波、以及以高S/N比检测所生成的太赫兹波。

图2A示出基于太赫兹时域分光系统（THz-TDS）的断层扫描成 像设备的例子，该太赫兹时域分光系统使用前述元件作为太赫兹波生 成元件。在这种情况下，包括光纤的飞秒激光器20用作激发光源，并 且经由解复用器21从光纤22和光纤23提取输出。虽然通常使用的飞 秒激光器20具有1.55μm的中心波长、20fs的脉冲宽度和50MHz的 循环频率，但是波长可替代地可在1.06-μm波段中，并且脉冲宽度和 循环频率不限于前述值。此外，输出级处的光纤22和23均可包括在 最后级处的高阶弧子压缩的高非线性光纤、或者色散光纤，所述色散 光纤执行预啁啾（prechirp）以用于补偿延伸至太赫兹生成器和太赫 兹检测器的光学元件等的色散。这些光纤优选地为保偏光纤。

在太赫兹波生成侧的光纤22的输出与根据本发明的切伦科夫型 相位匹配元件24的波导耦合。在这种情况下，优选的是，耦合效率通 过下述方式来提高，即，将自聚焦透镜与光纤的端部集成、或者通过 对前述端部进行处理以使得输出小于或等于元件24的波导的数值孔 径来实现尾纤型（pigtail type）。不用说，使用透镜（未示出）来实 现空间耦合也是可允许的。在那种情况下，每个端部均可设有非反射 涂层，以便降低菲涅耳（Fresnel）损失和不良干扰噪声。可替代地， 通过设计光纤22和元件24的波导以使得它们具有类似的数值孔径和 类似的模场直径，通过接合器（abutment）的直接耦合（对接耦合） 也是可允许的。在这种情况下，适当地选择粘接剂，以使得可减小由 反射引起的不利影响。如果前一级处的光纤22或飞秒激光器20包括 非保偏光纤组件，则优选的是通过使用内联型偏振控制器来使进入切 伦科夫辐射型元件24的输入光的偏振稳定。然而，激发光源不限于光 纤激光器，在那种情况下，用于使偏振稳定的对策减少。

所生成的太赫兹波通过图2A所示的基于THz-TDS的配置来检 测。具体地讲，太赫兹波被抛物面反射镜26a变为准直波束，并且被 分束器25分离。分离的波束之一通过抛物面反射镜26b辐照到样品 30上。从样品30反射的太赫兹波被抛物面反射镜26c会聚，并且被 由光电导体限定的检测器29接收。所使用的光电导体通常是使用低温 生长GaAs形成的偶极天线，并且如果飞秒激光20对应于1.55μm， 则通过使用SHG晶体（未示出）来生成倍频波，以便为检测器29提 供探测光。在这种情况下，为了保持脉冲形状，优选的是使用厚度为 大约0.1mm的PPLN（周期极化铌酸锂）。如果飞秒激光20对应于 1-μm波段，则基波可用作检测器29中的探测光，而不生成倍频波， 检测器29由InGaAs单层或MQW所构成的光电导体限定。根据本实 施例的设备被配置为通过使用电源单元31和信号获取单元32来执行 同步检测，电源单元31将电压施加于元件24的波导，信号获取单元 32经由放大器34从检测器29获取检测信号。数据处理和输出单元33 被配置为在使用PC来移动用作延迟单元的光学延迟单元27的同时获 取太赫兹信号波形。延迟单元可以是任何类型，只要该延迟单元能够 调整用作生成单元（生成器）的元件24生成太赫兹波的时刻与用作检 测单元（检测器）的检测器29检测到太赫兹波的时刻之间的延迟时间 即可。如上所述，前述设备包括生成单元、检测单元和延迟单元，所 述生成单元包括根据本发明的用于生成太赫兹波的太赫兹波生成元 件，所述检测单元用于检测从生成单元释放的太赫兹波。该设备用作 断层成像设备，该断层成像设备使用检测单元来检测从生成单元释放、 随后被样品反射的太赫兹波，并且通过对从样品反射的光进行分析来 获取样品的内部结构的图像。

在图2A所示的系统中，辐照的太赫兹波和来自要被测量的样品 30的反射波彼此同轴，并且由于分束器25的存在，太赫兹波的功率 减小一半。因此，可通过如图2B所示那样增加反射镜26的数量来使 辐照的太赫兹波和反射波彼此不同轴，以便增大太赫兹波的功率，但 是这种情况下的样品30上的入射角变为不等于90度。

如果在样品30内部的材料中存在不连续部分，则将通过使用前述 设备获取的信号会具有在与该不连续部分对应的时间位置处出现的反 射回波脉冲。因此，断层扫描图像可通过一维地扫描样品30来获得， 或者三维图像可通过二维地扫描样品30来获得。因为太赫兹波可用如 上所述的使用非线性光学晶体并设有电极6的太赫兹波生成元件24 来进行调制，所以可在50kHz至1MHz的频率范围内对太赫兹波进行 调制，该频率范围与通过使用诸如截光器的机械组件对太赫兹波进行 调制的情况相比为10倍或更大。因此，改进了同步检测频率，并且可 通过以高速扫描光学延迟单元27来增加信号波形的获取数量，从而改 进S/N比。因此，与相关技术相比，可检测到更精细的信号，并且可 以在例如断层扫描中增大在样品30的深度方向上进入样品30的厚度。 此外，因为可用单脉冲获得300fs或更低的相对窄的太赫兹脉冲，所 以可改进深度分辨率。而且，因为使用光纤的激发激光器可用作辐照 单元，所以设备的大小和成本可缩减。

根据样品，存在反射信号具有高强度并且S/N比足够的情况。在 那种情况下，不是使用电极6执行调制，而是可使用替代性的调制单 元，诸如相关技术中的截光器（未示出）。即使在那种情况下，断层 成像设备也可操作来生成300fs或更低的太赫兹脉冲并且具有高深度 分辨率，这是本发明的特有特征。

虽然LN晶体用作这里的材料，但是电光晶体的其它可替代例子 包括如背景技术中所提及的LiTaOx、NbTaOx、KTP、DAST、ZnTe、 GaSe、GaP和CdTe。在这种情况下，通过LN，如背景技术中所提 及的那样，在太赫兹波与激发光之间存在折射率差异，以使得非共线 地生成的太赫兹波可被提取。然而，通过其它晶体，差异不总是大， 可能使得难以提取太赫兹波。然而，通过使用具有比电光晶体的折射 率大的折射率的棱镜（诸如Si棱镜），可满足切伦科夫辐射的条件 （VTHz<vg），由此可将太赫兹波提取到外部。

实践例子1

现在将描述与第一实施例对应的详细实践例子1。在本实践例子 中的图1A和图1B所示的元件结构中，具有大约1.5的折射率n的光 学粘接剂层2被形成为3μm的厚度，并且掺杂MgO的波导层4被形 成为3.8μm的厚度。

波导层4的厚度如下确定。首先，从将获得的太赫兹脉冲（太赫 兹波）确定该太赫兹脉冲的最大频率fmax。最大频率fmax对应于当 将获得的太赫兹脉冲被傅里叶变换时的最大频率。然后，波导层4的 厚度小于或等于与被提取到空间的太赫兹波的最大频率fmax对应的 电光晶体内的等效波长（有效波长）的长度的一半，并且满足与输入 脉冲激光的低传播损失和良好耦合效率对应的单模条件。为了在本实 践例子中处理高达例如7.5THz，自由空间中的波长为大约40μm，并 且如果太赫兹波在LN波导层中的折射率为5.2，则波导层的厚度优选 为λ_eq(THz)/2(=40/5.2/2)≈3.8μm。另一方面，考虑到耦合效率和传 播损失，优选地，当输入激光的中心波长为1.55μm时，本实践例子 中的光波导具有大约5μm的厚度（波导仿真结果）。然而，优先选 择较低条件，即，3.8μm的厚度，以便确保太赫兹波段。在这种情况 下，本实践例子中的fmax=7.5THz对应于LN晶体的LO声子吸收 的频率并且被设置，因为太赫兹波在该频率附近被显著吸收而不被释 放。根据输入激光的脉冲宽度，存在例如10THz或更高频率的辐照是 可能的情况，10THz或更高频率是比LO声子吸收波段高的频率。在 那种情况下，光波导的厚度相应地减小。此外，基于仿真，如果输入 激光的中心波长为1μm，则最佳厚度为大约3.6μm，在这种情况下， 选择该厚度。因此，重要的是，考虑到所需太赫兹波段的差异或者输 入激光的良好耦合效率和低传播损失的条件来确定波导层4的厚度， 并且优选的是选择这两个条件中的较低条件作为最佳模式。

另一方面，通过使用与用于光学粘接剂层2的光学粘接剂相同的 光学粘接剂，宽度为5μm的低折射率缓冲层5被形成为2μm的厚度。 类似地，为了处理高达7.5THz，如第一实施例中所提及的，假定等效 波长等于除以低折射率缓冲层5的折射率1.5的值，则厚度被设置为 小于或等于λ_eq/10(=40/1.5/10)≈2.7μm的2μm。

此外，附连了由高电阻Si形成并且具有图1B中的50度的角度θ 的光耦合构件（棱镜）7。在这种情况下，角度θ和太赫兹波的辐射角 基本上相同，并且太赫兹波基本上从光耦合构件7的斜面正交地退出 光耦合构件7。然而，应该指出，角度θ不必需要等于θclad，并且太 赫兹波不必需要正交地退出。

现在将描述本实践例子中的驱动条件。LN的电光（EO）系数γ 在Z轴方向上最大，为大约30pm/V，并且由于作为一阶电光效应的 泡克耳斯效应而导致的折射率改变Δn如下表达。

Δn≈1/2·n₀³·γ·E

在这种情况下，n₀＝2.2(LN:MgO)，并且E表示所施加的电场。 当电压以矩形方式在+/-30V内变化时，如果波导具有5μm的宽度， 则Δn为大约0.002。当配备有元件的电极6的波导的长度为10mm时， 折射率改变1/1000，由此传播激光的传播距离表现为大约10μm的差 异。就时间差而言，这等同于大约30fs，即，所呈现的太赫兹波的脉 冲宽度300fs的大约10%。

通过在对这样的太赫兹波执行相位调制的同时执行相位模式下的 同步检测，使用图2A中所示的系统来获取样品30的断层扫描图像。 虽然这对于为了查明相位模式下的轻微差异的峰值位置检测（即，断 层扫描图像获取）有效，但是在光谱分析中（即，在太赫兹脉冲的整 个波形的获取中）存在大的误差。图3A示出辐照到样品上的太赫兹 脉冲的波形的例子，图3B示出所获取的断层扫描图像的例子。从图 3A显然可见，获得了脉冲宽度为大约270fs的单脉冲。图3B中所示 的断层扫描图像通过对由每张均具有大约90μm的厚度的三张堆叠纸 张形成的样品执行单向扫描来获得。看似六层（白色线）的原因是， 因为纸张具有由它们之间的空气形成的间隙，并且纸张的正面和背面 被认为是界面。不用说，相位差可进一步通过进一步增大电极长度来 增大。

第二实施例

现在将参照图4来描述本发明的第二实施例。在本实施例中的基 板40上，激光传播通过的波导42是夹层式平板波导，并且电压施加 电极45（45a和45b）与光传播方向正交。激光传播方向和电场施加 方向彼此对齐。本实施例对应于Y切割和Z轴传播方向，并且X轴 与输入激光的偏振方向对齐。

在图4中的结构中，附图标记41表示与第一实施例中的粘接剂层 类似的粘接剂层。波导长度为例如5mm。如图4所示，电极45a和 45b分别设置在输入侧和终止（terminal）侧，并且从电源47接收电 压，以便对所生成的太赫兹波进行调制。光耦合构件46通过下述方式 与电极45的表面粘合，即，在其上形成由SiO₂等构成的绝缘膜48a 和48b，以便不与电极45直接接触。在这种情况下，光耦合构件46 能够以桥式方式固定到两个绝缘膜48a和48b，以使得在波导42与光 耦合构件46之间形成间隙44。因此，激光可传播通过波导42，而无 需如第一实施例中那样的低折射率缓冲层。

如附图标记43所表示的，输入光可以为椭圆的形状。在这种情况 下，柱状透镜可用作用于耦合来自激光源的光以使得该光仅在波导42 的分层结构的垂直方向上被节制（throttle）的透镜。为了在本实施例 中对进入平板波导42的宽输入波束进行处理，电极45如图4所示那 样设置，而不是沿着波导42设置。虽然本实施例中的调制电压高于第 一实施例中的调制电压，但是可增大其中生成太赫兹波的空间区域的 大小。

第三实施例

如图5中平面图所示，根据本发明的第三实施例设置具有第一级 和第二级的集成元件，第一级设有包括两个Y分支部分（即，Y解复 用器和Y  复用器）的马赫-曾德尔干涉仪型 （Mach-Zehnder-interferometer-type）强度调制器54，第二级设有太 赫兹波生成器55。这里所使用的材料可以是如以上实施例中的主要由 LN构成的非线性光学晶体50。马赫-曾德尔干涉仪型强度调制器54 设有两个电极52，并且能够对传播光的强度进行调制。

第一级是通过使用Y分支波导将输入激光51分离为两个分量的 众所周知的调制器。通过将电压V_∏（即，在两个Y分支部分之间生 成相位差∏的电压）施加于电极52，如第一实施例中那样，改变对传 播光的传播状态具有影响的非线性光学晶体50的折射率，以便改变相 位，从而执行使得相位在复用点处彼此反相的调整。当所施加的电压 等于V_∏时，激光束彼此抵消，使传播通过太赫兹波生成器55的激光 消失。另一方面，当所施加的电压等于零或小于V_∏时，激光分量在Y 复用器处被复用，使激发激光进入太赫兹波生成器55。因此，通过 光耦合构件53向上发射太赫兹波。以这种方式，从传播通过波导的经 强度调制的光生成太赫兹波。在本实施例中，太赫兹波的强度被调制， 以便当执行同步检测时易于允许振幅模式下的同步。

第四实施例

以上描述针对通过使用飞秒激光作为激发光进行光学整流来生成 太赫兹脉冲的例子。相反，在第四实施例中，输入具有两个不同振荡 频率v1和v2的激光束，并且输出与频率差对应的单色太赫兹波。可使 用Nd:YAG激光激发的KTP-OPO（光学参变振荡器）光源（其输出 两个波长的光）或两个波长可调谐激光二极管作为激光源。

图6是与本实施例对应的截面图。粘接剂层61、掺杂MgO的LN 波导层62和低折射率缓冲层63堆叠在LN基板60上。虽然未示出， 但是与第一实施例类似地，还形成5μm宽波导和用于在其相对侧施加 电压的电极。为了在本实施例中增大太赫兹波的输出，波导长度为 40mm，并且设置多个光耦合构件64。四个光耦合构件64（每个具有 例如大约1cm的长度）如图6所示那样布置。通过形成具有多个光耦 合构件64的光耦合单元，可减小其整个体积，从而缩小太赫兹波行进 通过光耦合单元的长度，因此，使得可降低损失。

在本实施例中，当输入光的频率差从0.5THz变为7THz时，释 放的太赫兹波的频率可在该范围内变化。本实施例可应用于使用具体 的太赫兹波段的频率的检查或成像，例如，通过将频率调整为具体材 料的吸收光谱来检查医疗用药物中该材料的含量的检查。

第五实施例

在上述实施例和实践例子中，如图7中那样的使用LN的太赫兹 波生成元件71的波导的终止端80被粗糙化，被对角切开以将光提取 到外部，或者被给予AR涂层以防止射出终止端80的光变为噪声源。 作为对照，在第五实施例中，终止端80被对角切开或者被给予AR涂 层以便重新利用射出终止端80的光作为探测光。具体地讲，在本实施 例中，来自太赫兹波生成元件71的波导的终止端80的光用作用于检 测单元的探测光，并且延迟单元调整光到达太赫兹波生成元件71的波 导的时间与探测光到达检测单元的时间之间的延迟时间。

图7示出与图2A所示的断层成像设备类似的THz-TDS型断层成 像设备。在图7中，未示出电气系统。本实施例与图2A和图2B所示 的实施例的不同之处在于，没有设置光纤分支部分，并且来自包括光 纤的激发激光器70的输出整个被输入到太赫兹波生成元件71。如图 2A和图2B中所示的实施例中那样，从太赫兹波生成元件71生成的 太赫兹波通过抛物面反射镜和半反射镜77辐照到样品78上。来自样 品78的反射光进入其中执行信号获取的太赫兹检测器74。另一方面， 传播通过太赫兹波生成元件71的激光的一部分再次从终止端80输出， 以便通过反射镜72、延迟单元73和透镜75被用作检测器74的探测 光。

因为这种配置不需要用于激发激光的分支部分，所以可减少组件 的数量，并且可高效率地利用激发激光器70的功率。

第六实施例

在本实施例中，具有与上述元件相同结构的元件用于用作太赫兹 波检测元件。具体而言，如图9所示，在LN基板81上，粘接剂82、 由掺杂MgO的LN晶体层形成的波导层84以及低折射率缓冲层85 形成通过全内反射传播输入激光的波导。而且，进一步设置电极86a 和86b以及光耦合构件87，以使得可通过切伦科夫辐射输出太赫兹波。 在本实施例中，从与以上实施例中的侧相对的侧输入超短脉冲激光， 同时通过线性偏振使偏振波89相对于晶体的Z轴倾斜（例如，45度）。 关于这种情况下的输出激光，由于电光晶体的双折射性，在电场的Z 轴分量与Y轴分量之间出现相位差，使该光作为椭圆偏振波传播通过 该光所输出到的空间。由于这样的自然双折射性而出现的相位差根据 晶体的类型、输入偏振波的方向或波导长度而变化，并且用于零相位 差的配置也是可能的。通过使用施加于电极86a和86b的静电场静态 地调整该相位差，当太赫兹电场为零时，可将相位差调整为零。

当其偏振波主轴为Z轴的太赫兹脉冲经由光耦合构件（比如，Si 棱镜87）输入时，太赫兹波生成的逆过程使相互作用在整个波导上在 太赫兹波与传播通过波导的超短脉冲激光之间出现。术语“相互作用” 是指由于波导在Z轴上的折射率改变而导致的传播光的偏振状态的改 变，所述波导在Z轴上的折射率改变是由于通过太赫兹电磁场而在电 光晶体上给予的一阶电光效应（泡克耳斯效应，二阶非线性过程）而 导致的。具体地讲，激光的电场的Z轴分量和Y轴分量之间的相位差 由于诱导的双折射而改变，使椭圆偏振波的椭圆率和主轴的方向改变。

通过使用外部组件（诸如偏振元件91以及光检测器92和93）检 测激光的传播状态的改变，可检测太赫兹波的电场振幅的幅值。在本 实施例中，如上所述，自然双折射性通过施加于电极86a和86b的静 电场来补偿，并且偏振元件（沃拉斯顿偏振棱镜等）91用于将光分离 为两个偏振光分量，以使得通过两个光检测器92和93的差分放大来 改进S/N比。差分放大不是强制性的，并且在使用偏振元件91用作偏 振器的同时，可仅用单个光检测器来检测强度，但是未示出该配置。

为了使自然双折射性的补偿稳定，可将低频正弦波信号叠加在施 加于电极86a和86b的电压上，以便通过已知的抖动（wobble）技术 来抑制偏移波动。此外，根据波导长度，仅用所施加的电压进行补偿 有时是不可能的。在那种情况下，可在输出端与偏振元件91之间另外 设置相位补偿片（诸如未示出的四分之一波片）。

此外，太赫兹检测信号本身可通过使用所述电极执行调制来进行 调制，以便执行同步检测。而且，通过执行分离为同步检测频率和抖 动调制频率的频率分离，可同时执行这两个控制操作。例如，同步检 测频率可被设置为1MHz，并且抖动调制频率可被设置为1kHz。

通过执行这样的同步检测，可实现以上实施例中所述的太赫兹时 域分光设备和断层成像设备。在那种情况下，生成元件可以是如本发 明中的切伦科夫相位匹配类型、或者使用如相关技术中的光电导体的 类型。

虽然在本实施例中从与太赫兹波生成侧相对的端部输入光，但是 可替代地可以从与太赫兹波生成侧相同的侧输入光。在那种情况下， 因为匹配长度缩小，所以信号强度变小。

虽然光波导具有如第一实施例中的脊图案，但是如第二实施例中 那样，平板波导也是可允许的。

虽然以上描述针对使用脉冲激光检测太赫兹脉冲的例子，但是如 第四实施例中那样，可输入具有两个不同频率的两个激光束，以使得 可检测到与其差频分量对应的单色太赫兹波。在这种情况下，通过改 变频率差，可像滤波器那样提取所需频率的太赫兹波，以便检测电场 振幅。

作为检测太赫兹波的方法，根据通过耦合太赫兹波的一阶电光效 应来检测光的偏振状态的改变的方法在以上进行了描述。可替代的方 法包括检测光的差拍信号（即，检测与传播通过波导的光的频率与耦 合太赫兹波的频率之间的差对应的光信号）、或者检测传播通过波导 的光的相位的改变作为光的传播状态的改变。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但是要理解本发明不限 于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解 释，以涵盖所有这样的修改以及等同的结构和功能。

应注意，本说明书中所描述的和/或附图中所示出的技术元件单个 地或者通过它们的任何合适组合来提供技术效用，并且不应限于申请 时权利要求中所讨论的组合。此外，本说明书中所描述的和/或附图中 所示出的技术可同时实现多个目的，并且可通过仅实现这些目的中的 至少一个而具有技术效用。

本申请要求于2010年3月4日提交的日本专利申请No. 2010-048323和于2011年2月4日提交的日本专利申请No. 2011-022706的权益，这两篇日本专利申请的全文在此通过引用并入 本文。

工业实用性

如上所述，本发明可应用于太赫兹波生成元件、太赫兹波检测元 件、太赫兹时域分光设备和断层成像设备。