太赫茲波產(chǎn)生元件和太赫茲波檢測元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及產(chǎn)生太赫茲波的太赫茲波產(chǎn)生元件，以及檢測太赫茲波的太赫茲波檢測元件。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲波是電磁波，具有在0.03THz與30THz之間的任何頻率的頻帶成分。存在多種利用二次非線性現(xiàn)象通過非線性光學(xué)晶體產(chǎn)生太赫茲波的方法。在這些方法中，使用電-光契連科夫(Cherenkov)福射現(xiàn)象(下文中稱為〃契連科夫福射〃)的技術(shù)能夠產(chǎn)生強而相對寬的帶寬的太赫茲波，這在PTL I中有描述。
[0003]契連科夫輻射是這樣一種現(xiàn)象，其中所產(chǎn)生的太赫茲波1302像沖擊波一樣呈圓錐狀發(fā)射，如圖13所示。契連科夫輻射在以下情況下發(fā)生:光1301傳播通過非線性光學(xué)晶體的傳播群速度比太赫茲波1302的傳播相速度快?，F(xiàn)在，所產(chǎn)生的太赫茲波1302的傳播方向與光1301傳播通過非線性光學(xué)晶體的傳播方向之間的角Θ。(下文中稱為"契連科夫角")可以被表不為
[0004]cos0c = ng/riTHz (I)
[0005]其中，ng是非線性光學(xué)晶體關(guān)于光的群折射率，nTHz是太赫茲波傳播通過的介質(zhì)關(guān)于太赫茲波的折射率。
[0006]在使用這樣的應(yīng)用契連科夫輻射的太赫茲波產(chǎn)生元件作為信息獲取設(shè)備中的太赫茲波產(chǎn)生源以使用太赫茲波獲取關(guān)于樣本的信息等的情況下，可能需要波前整形。PTL 2公開了一種用于傳播通過非線性光學(xué)晶體的光的二次諧波產(chǎn)生并利用準(zhǔn)直儀整形和從外部提取所產(chǎn)生的二次諧波的方法，如圖14所示。
[0007]由傳播通過非線性光學(xué)晶體1402的光1404產(chǎn)生的二次諧波1405是以圓錐形式發(fā)射的，并且在耦合部件1403的反射面1406被反射。此時，反射的二次諧波1405的波前1408被準(zhǔn)直為高水平的平面度。這種配置將二次諧波1405的波前1408整形為平面的，使得更容易處理二次諧波1405。
[0008]引用列表
[0009]專利文獻
[0010]PTL I 日本專利公報N0.2010-204488
[0011]PTL 2 日本專利公報N0.02-081035
[0012]在將根據(jù)PTL2的配置應(yīng)用于太赫茲波產(chǎn)生元件的情況下，可以實現(xiàn)所產(chǎn)生的太赫茲波的整形，但在某些情況下，在波前1408處的太赫茲波的功率分布中的失真可能增大。功率分布中的失真增大導(dǎo)致即使太赫茲波被會聚，有效的射束直徑也很小，所以這不適合于傳輸或測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]問題的解決方案
[0014]—種太赫茲波產(chǎn)生元件包括:非線性光學(xué)晶體，被配置成由傳播通過該非線性光學(xué)晶體的光產(chǎn)生太赫茲波；以及耦合部件，由非線性光學(xué)晶體產(chǎn)生的太赫茲波傳播通過該耦合部件。耦合部件包括反射面，該反射面被配置成反射由非線性光學(xué)晶體產(chǎn)生的太赫茲波的至少一部分。在由非線性光學(xué)晶體產(chǎn)生的太赫茲波的傳播方向上反射面是凸的。反射面與光的傳播方向之間的在耦合部件側(cè)的角在包含光的傳播方向的平面處大于90度-cos—1(ng/n?z)但小于90度，其中ng表不在該光的波長處非線性光學(xué)晶體的群折射率，ητΗΖ表不在由非線性光學(xué)晶體產(chǎn)生的太赫茲波的波長處耦合部件的折射率。反射面的曲率半徑在由非線性光學(xué)晶體產(chǎn)生的太赫茲波被反射的反射區(qū)域中在光的傳播方向的越下游越小。
[0015]根據(jù)以下參考附圖對示例性實施例的描述，本發(fā)明的更多方面將變得清晰。
【附圖說明】
[0016]圖1是描述根據(jù)第一實施例的太赫茲波產(chǎn)生元件的配置的圖。
[0017]圖2是描述根據(jù)第一實施例的太赫茲波產(chǎn)生元件的波導(dǎo)的配置的圖。
[0018]圖3Α?3D是在根據(jù)第一實施例的太赫茲波產(chǎn)生元件中，沿與光的傳播方向正交的平面取的截面圖。
[0019]圖4Α和4Β是示意在平行光截面上太赫茲波功率分布的圖。
[0020]圖5是示意波導(dǎo)上的太赫茲波功率分布的圖。
[0021]圖6是描述根據(jù)第二實施例的太赫茲波產(chǎn)生元件的配置的圖。
[0022]圖7Α和7Β是描述根據(jù)第三實施例的太赫茲波產(chǎn)生元件的配置的圖。
[0023]圖8是描述根據(jù)第四實施例的太赫茲波檢測元件的配置的圖。
[0024]圖9Α和9Β是描述根據(jù)第四實施例的太赫茲波檢測元件的另一配置的圖。
[0025]圖1OA和1B是描述根據(jù)第五實施例的太赫茲波檢測元件的配置的圖。
[0026]圖11是描述根據(jù)第六實施例的太赫茲波檢測元件的配置的圖。
[0027]圖12Α和12Β是描述根據(jù)第七實施例的信息獲取設(shè)備的配置的圖。
[0028]圖13是描述電-光契連科夫輻射現(xiàn)象的圖。
[0029]圖14是描述根據(jù)相關(guān)技術(shù)的二次諧波產(chǎn)生元件的配置的圖。
【具體實施方式】
[0030]第一實施例
[0031]將參考圖1描述根據(jù)第一實施例的太赫茲波產(chǎn)生元件100(下文中也稱為“元件100”)的配置。圖1是元件100關(guān)于包含光104的傳播方向的平面(第一平面)的截面圖。具體而言，圖1是包含光104的傳播方向且又垂直于非線性光學(xué)晶體的表面的面處的截面圖。注意，在本說明書中使用的“光104的傳播方向”指的是非線性光學(xué)晶體的入射光104實質(zhì)上傳播的方向，被定義為連接非線性光學(xué)晶體的入射面的重心與出射面的重心的直線。
[0032]元件100包括基板101、非線性光學(xué)晶體102(下文中也稱為“晶體102”)、以及耦合部件103?；?I包括Y-切割(Y-cut)鈮酸鋰(LiNbOx，下文中稱為"LN晶體〃)。
[0033]包含晶體102的波導(dǎo)201在基板101上形成。當(dāng)光104被入射到晶體102時產(chǎn)生太赫茲波。脈寬在I飛秒到100飛秒范圍內(nèi)的超短脈沖激光被用作入射到晶體102的光104。更具體而言，飛秒激光被入射到晶體102。注意，在本說明書中使用的術(shù)語“飛秒激光”是脈寬在I飛秒到100飛秒范圍內(nèi)的超短脈沖激光。
[0034]光104的波長優(yōu)選包含在0.2μπι到ΙΟμπι的范圍內(nèi)。波長短于0.2μπι的光是真空紫外光，不適合用于大氣條件。ΙΟμπι是用普通二氧化碳激光獲取的光的波長。之后將詳細描述波導(dǎo)201的配置。
[0035]耦合部件103是用于從元件100外部地提取所產(chǎn)生的太赫茲波105的部件，包括反射面107。之后將描述耦合部件103的配置的細節(jié)。
[0036]根據(jù)本實施例的元件100通過從晶體102的邊面(edge face)入射光104并傳播光104而產(chǎn)生太赫茲波105。所產(chǎn)生的太赫茲波105通過契連科夫輻射(電-光契連科夫輻射現(xiàn)象)而呈圓錐狀發(fā)射，傳播通過耦合部件103，并被外部地提取。雖然從晶體102發(fā)射的太赫茲波以直線繪制，但事實上，在從波導(dǎo)201進入耦合部件103時太赫茲波105被折射。
[0037]現(xiàn)在參考圖2描述波導(dǎo)201的配置。圖2是描述根據(jù)本實施例的波導(dǎo)201的配置的圖，并且是圍繞圖1中的晶體102的放大圖。波導(dǎo)201包括用作芯層的晶體102，在芯層102上形成的上包覆層202，以及在芯層102下形成的下包覆層203。注意，在本說明書中，芯層102的上側(cè)是其朝向耦合部件103的側(cè)，而芯層102的下側(cè)是其朝向基板1I的側(cè)。
[0038]芯層102是產(chǎn)生太赫茲波的部分，包括是非線性光學(xué)晶體的LN晶體。非線性光學(xué)晶體的類型并不局限于LN晶體，而是可以使用各種各樣的非線性光學(xué)晶體，包括LiTaOx,NbTaOx，KTP，DAST，ZnTe，GaSe，GaAs等等。芯層102的厚度優(yōu)選為，在芯層102處，從外部發(fā)射的最高頻太赫茲波105的等效波長的一半或更小。
[0039]芯層102的LN晶體的X軸被配置成對應(yīng)于光104的傳播方向，y軸對應(yīng)于與非線性光學(xué)晶體垂直的方向。光104具有與X軸和y軸正交的z軸方向線性偏振波。
[0040]這種配置通過二次非線性現(xiàn)象改善太赫茲波的產(chǎn)生，并且改善契連科夫輻射的效率。也就是說，LN晶體的晶軸設(shè)置被選擇使得在光104和太赫茲波105之間實現(xiàn)相位匹配，并且對于光104和太赫茲波105的波向量滿足相位匹配條件。
[0041]上包覆層202和下包覆層203是折射率低于芯層102的層。芯層102的入射光104被陷入上包覆層202和下包覆層203之間的芯層102內(nèi)。因此，光104傳播通過芯層102而不離開波導(dǎo)201。
[0042]基板101與用作芯層102的摻雜MgO的LN晶體通過粘合劑結(jié)合，使得粘合劑用作本實施例中的下包覆層203。上包覆層202是用于將芯層102與耦合部件103結(jié)合的粘合劑。注意，波導(dǎo)201的配置并不局限于這種配置，而是也可以通過與折射率低于芯層102的其他材料而非例如粘合劑結(jié)合，在芯層102周圍提供包覆層。
[0043]上包覆層202適合于由以下折射率低于LN晶體的材料形成:諸如S1x或SiNx等的派生物的薄膜，或諸如聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)的樹脂的薄膜，等等。上包覆層202優(yōu)選足夠厚以用作包覆層，但足夠薄到當(dāng)從耦合部件103外部地提取太赫茲波時多次反射和損失的影響可以忽略不計的程度。
[0044]具體而言，在傳播通過芯層102的光104的一部分被泄露到上包覆層202的情況下，在上包覆層202與耦合部件103的界面處的光強度為芯層102處的光強度的Ι/e2或更小就足夠了。上包覆層202的厚度優(yōu)選為在上包覆層202處外部地發(fā)射的最高頻太赫茲波105的等效波長的大約1/10或更小。原因在于一般而言，如果該結(jié)構(gòu)的厚度是電磁波的波長的1/10或更小，反射、散射、折射等的效果對于電磁波而言可認(rèn)為是忽略不計的。
[0045]也就是說，上包覆層202的厚度d優(yōu)選滿足a〈daeq/10，其中a表示上包覆層202與耦合部件103的界面處的光強度為芯層102處的光強度的Ι/e2或更小的厚度，Aeq表示等效于上包覆層202處太赫茲波105的最大頻率的波長的等效波長。然而，應(yīng)注意的是，可以利用不同于上述的厚度產(chǎn)生太赫茲波。
[0046]此外，對于下包覆層203優(yōu)選滿足a〈d，使得下包覆層203用作關(guān)于光104的包覆層。在太赫茲波105被發(fā)射到芯層102的下部的配置的情況下，下包覆層203的厚度也優(yōu)選以與上包覆層202相同的方式滿足條件a〈daeq/10。
[0047]波導(dǎo)201可通過在芯層102上方和下方形成的、折射率低于芯層102的區(qū)域來形成，并且用于形成波導(dǎo)201和其配置的技術(shù)并不被特別限制。也就是說，該技術(shù)并不局限于使用粘合劑將具有不同折射率的部件結(jié)合在一起，而是例如可以使用以下技術(shù):該技術(shù)用于使用LN晶體通過在基板101的一部分上擴散等形成波導(dǎo)201。
[0048]考慮通過非線性效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲波，芯層102在橫向(z軸方向)上的寬度優(yōu)選小。原因是，理論上，所產(chǎn)生的太赫茲波105的功率密度與光104的功率密度(光為脈沖激光情況下的峰值功率密度)的平方成比例。
[0049]根據(jù)本實施例的波導(dǎo)201是脊形波導(dǎo)，其中芯層102的橫向?qū)挾刃∮谝a(chǎn)生的太赫茲波的波長，該波導(dǎo)通過以下方法形成:要用作芯層102的部分被賦予高折射率以便與周圍區(qū)域具有折射率的差異的方法，或者樹脂等被嵌入在芯層102的周圍的方法，等等。此外，可以進行以下布置，其中不像在本實施例中那樣在芯層102周圍提供不同的包覆層，而是可以作為一體化配置在上方、下方及各側(cè)形成包覆層。
[0050]如果芯層102的寬度太小，這可能導(dǎo)致在光104進入芯層102時耦合效率降低，波導(dǎo)損耗增大，等等。因此，芯層102的寬度優(yōu)選不小于光104的中心波長且不大于其10倍。注意，術(shù)語“中心波長”意思是光104的頻譜中強度(幅度)為最大的波長。
[0051]芯層102的寬度也優(yōu)選為輸入光104可以按單模式傳播通過芯層102的寬度。原因是，如果光104以多模式傳播通過芯層102，則由于隨著傳播的進行導(dǎo)致的模色散，光104的峰值強度降低，導(dǎo)致到太赫茲波105的轉(zhuǎn)換效率較低。此外