JP4355593B2 - テラヘルツ電磁波発生照射検知装置 - Google Patents

Description

本発明は周波数可変の、単一周波数テラヘルツ電磁波発生照射検知装置に関する。

レーザを用いて誘電体ＬｉＮｂＯ_３や半導体ＧａＰ結晶などのテラヘルツ電磁波発生用結晶から周波数可変で単一周波数のコヒーレントテラヘルツを発生させることが可能となり、これらをテラヘルツ光源として、生体分子の同定、食品薬品の検査、ガン細胞の検出、ＩＣ部品検査、分子化学反応の促進などに役立てることができる。

通常、対象とする分子の電子状態は基底状態にあり、テラヘルツ電磁波を照射すると分子振動のみが励起されて分子ごとに異なる特定の共振周波数でテラヘルツ電磁波の吸収を生じるのでテラヘルツ吸収スペクトルを得ることができる。

一方、生体分子を紫外線や可視光で励起することにより、電子状態が励起状態となることは良く知られている。例えば、視物質ロドプシンは可視光を吸収する。また皮膚ガン細胞は紫外線を吸収する。励起電子状態となった分子のテラヘルツ電磁波の共鳴周波数は基底状態のそれとは一般に異なるので、励起電子状態のテラヘルツ電磁波吸収スペクトルを測定することにより、可視光線や紫外線に感度を有する分子の挙動を明らかにできるのであるが、そのような方法及び装置は知られていない。

周波数可変テラヘルツ電磁波発生照射方法においては数ナノ秒のパルス幅を有するテラヘルツ電磁波を繰り返し周波数１０−５０Ｈｚで照射する。この場合紫外線や可視光を検体に照射しても通常、励起分子の割合は基底状態の分子に比べてごくわずかに過ぎないから励起分子を検出することは困難であった。本発明はこのような欠点を除き、高いＳ／Ｎ比で励起分子のテラヘルツ電磁波吸収スペクトルを検出する方法及び装置を提供する。

紫外線あるいは可視光レーザパルス光を、（１）テラヘルツパルス発生と同時、あるいは一定の時間Ｔ_１だけ早く照射する。（２）続いて次の繰り返しテラヘルツ波照射においては、紫外線あるいは可視光線パルスを発生させないでテラヘルツ電磁波を検体に照射する。コンピュータによりパルス発生タイミングを制御する。第１のタイミング（１）においてまず、強い紫外線あるいは可視光線パルスによって検体分子は電子的に励起状態になるが励起状態の寿命Ｔ程度の時間でもとの基底状態にもどる。Ｔは数ナノ秒から数マイクロ秒のオーダーの時間である。パルスの繰り返し周期は数ミリ秒以上であるので、次のテラヘルツ波パルス照射時は分子は基底状態にある。（１）におけるテラヘルツ透過（又は反射）出力パルス強度Ｉ_１を記憶しておき、（２）における透過（又は反射）強度Ｉ_２との比Ｉ_１／Ｉ_２を出力として得れば、それぞれのテラヘルツ周波数における励起状態の分子のみのテラヘルツスペクトルを得ることができる。（１）、（２）のテラヘルツ電磁波強度測定は１パルスごとに行っても良いが、数パルスから数十パルス積分すればＳ／Ｎ比が向上する。
このような測定を紫外線あるいは可視光線照射タイミングＴ_１を変化させて測定すれば励起電子状態の寿命（時定数）Ｔを計測することができるので励起状態の同定が一層明確になる。

本発明によれば紫外線、可視光線、あるいは近赤外線レーザによって励起された励起分子のテラヘルツ共振スペクトルを得ることができる。ロドプシンなどの視物質や、紫外線によって励起状態になる皮膚ガン細胞などのテラヘルツスペクトル測定が可能となる。紫外線などの照射に敏感な物質の同定が可能となるだけでなく、紫外線などの照射による薬剤と生体分子間の化学変化をテラヘルツ波吸収によって促進し、医療における治療効果を発揮することも可能となる。

発明を実施するための最良の形態、実施例１

図１において、ポンプ光１と信号光２として、それぞれ周波数の異なる近赤外光がテラヘルツ波発生用ＧａＰ結晶３に入射し、それらの差周波数に相当するテラヘルツ電磁波４を発生させ、これを紫外線あるいは可視光線に敏感な検体５に照射する。図中ポンプ光源、信号光源は省略してあるが、下記文献に記載されているようにポンプ光源としてパルスＹＡＧレーザ、信号光源として周波数可変のオプティカル・パラメトリック・オシレータ（ＯＰＯ）などを使うことができる。（文献：Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓ．３６（２００３）２９５８−２９６１）．
６は紫外線又は可視光線のパルス光を発生する光源である。この光源としてはパルスＹＡＧレーザの２倍波（５３２ｎｍ）、３倍波（３５５ｎｍ）、４倍波（２６６ｎｍ）や、ＫｒＦ、ＡｒＦなどの紫外線パルスレーザ、或は波長可変Ｔｉ−サファイア可視レーザを使う。上記パルス光はレンズ７によって検体のテラヘルツ照射部分に照射される。

テラヘルツ電磁波のパルス幅は数ナノ秒であり、繰り返し周波数は１０Ｈｚから５０Ｈｚである。紫外線あるいは可視光線パルスも同様に数ナノ秒のパルス幅を有している。図中、８はトリガパルスのタイミングを制御する回路であり、テラヘルツ波にＴ_１秒だけ先立って紫外線レーザパルスを発生させ、次のテラヘルツ波パルス発生に先立ってはトリガパルスを発生しないようにコンピュータ９で制御されている。テラヘルツ電磁波の透過あるいは反射パルス出力はＤＴＧＳなどのテラヘルツ電磁波検知器１０で検出され、信号増幅演算回路１１により、先に述べたようにパルス出力比Ｉ_１／Ｉ_２を得る。

紫外線あるいは可視光線レーザはパルス強度が高いため照射により多量の励起分子が発生する。パルス強度が高くともパルス幅が狭いので紫外線吸収による平均的温度上昇は充分低く抑えられる。それにもかかわらず、瞬間的温度上昇はある程度避けられないので検体分子が破壊しない限度の温度上昇に制限するようパルス光強度を抑えなければならない。図１中１２はパルス光強度を最適な水準に制限するアテネータである。パルス照射により連続光に比べれば格段に強い強度の紫外線を照射するので励起分子の量は飛躍的に多くなる。Ｔ_１として０又は励起分子の寿命Ｔより充分短い時間を選べば最大の励起分子数に対応する出力比Ｉ_１／Ｉ_２を得る。

照射するテラヘルツ波周波数を励起分子のテラヘルツ波共振周波数に設定し、タイミングＴ_１を０秒から、数ナノ秒ステップで増やしていき、励起分子数の減少度合いを測定することにより励起分子の寿命測定などの化学反応過程計測や、更には化学反応の制御、すなわち、促進・抑制をおこなうことができる。

図２はテラヘルツ電磁波の反射強度を測定する場合を示したものである。テラヘルツ電磁波１３は検体の表面で反射し、集光レンズあるいは導波管１４によってテラヘルツ電磁波検知器１５に導かれる。一方、紫外線、可視光線などのレーザ光１６は別の角度から検体の同一部分に集光される。テラヘルツ波発生部分は実施例１と同じなので図には示されていない。
紫外線に対する吸収係数が大きい場合は、ごく表面の分子のみ励起されるので反射法が有利である。

実施例１，２においては励起分子のテラヘルツ波吸収スペクトルを得る手段について述べたが、紫外線可視光線の照射によって不安定になった分子のテラヘルツ波共振を生じさせることにより化学反応を促進させる効果もある。また、近赤外線領域に光感度を有する色素分子などにたいしては、近赤外線照射も有効である。単一周波数のテラヘルツ電磁波発生手段として実施例１，２で述べたＧａＰ以外に、ＧａＳｅなどの半導体やＬｉＮｂＯ_３などの誘電体を用いることができる。しかし、ＧａＰを用いることにより、テラヘルツ電磁波出力は１００ｍＷから１Ｗ程度までの他の方法では得られない高出力を広い周波数範囲にわたって発生することができ、紫外線等により発生する励起分子数が少なくても高感度を得ることができるので最も望ましい。

実施例１の構成を示す図である。 実施例２の構成を示す図である。

符号の説明

１…ポンプ光
２…信号光
３…テラヘルツ波発生用ＧａＰ結晶
４…テラヘルツ電磁波
５…検体
６…紫外線光源
７…集光レンズ
８…トリガパルスタイミング制御回路
９…コンピュータ
１０…検知器
１１…信号増幅演算回路
１２…アテネータ
１３…反射テラヘルツ電磁波
１４…テラヘルツ電磁波集光レンズ
１５…テラヘルツ電磁波検知器
１６…紫外線レーザ光

Claims (1)

1. 第１の周波数を有するポンプ光及び第２の周波数を有する信号光を導入することによって前記第１の周波数と前記第２の周波数の差周波数に等しく、数ナノ秒のパルス幅を有し、周波数可変でかつ単一周波数スペクトルを有するパルステラヘルツ電磁波を発生するＧａＰ結晶と、
   前記パルステラヘルツ電磁波を検体に照射する手段と、
   紫外線、可視光、又は近赤外線の励起光パルスを前記検体に照射する手段と、
   前記パルステラヘルツ電磁波の照射の周期的繰り返しを、連続する第１及び第２の周期の周期的繰り返しで定義し、前記第１の周期においてのみ、前記励起光パルスを前記検体に照射するように、前記励起光パルスの発生タイミングを制御する回路と、
   前記検体を透過又は前記検体から反射した前記パルステラヘルツ電磁波を検出するテラヘルツ電磁波検知器と、
   前記第１の周期毎に検出された前記テラヘルツ電磁波検知器の出力強度を所定の繰り返し数について積分して記憶し、前記第２の周期毎に検出された前記テラヘルツ電磁波検知器の出力強度を前記所定の繰り返し数について積分して記憶し、記憶された前記第１の周期毎の出力強度と、記憶された前記第２の周期毎の出力強度の比を得る回路
   とを有し、前記出力強度の比を得る操作を、前記励起光パルスの発生のタイミングを前記パルステラヘルツ電磁波の発生のタイミングに対して早める時間を逐次変化させながら繰り返し、所定の周波数範囲に亘って、励起された分子のテラヘルツ波透過共振スペクトル或は反射共振スペクトルを取得することを特徴とするテラヘルツ電磁波発生照射検知装置。

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