太赫波导装置及使用其的检测方法

专利名称：太赫波导装置及使用其的检测方法
技术领域：
本发明涉及用于传播从亳米波到太赫波的区域中的电磁波的波导 技术。此外，本发明涉及通过使用从毫米波到太赫波的区域中的电磁 波来对试样的物理性质进行分析和识别的检查装置。
背景技术：
近年来，已经开发了一种使用高频电磁波的无损检查技术，该高 频电磁波(下文称作"太赫波，，)具有从毫米波到太赫波的区域(从30GHz到30THz)中的任意频带。已知在太赫波区域中存在包括生物 分子在内的各种物质的许多吸收线。因此，作为该频率区域的应用领 域，存在作为安全荧光检查装置的用于执行成像的技术，来代替X-射线荧光检查装置。此外，该频率区域的应用领域还包括通过获得物 质中的吸收i普和复介电常数来检查分子的结合状态的分光镜技术。此 外，生物分子的分析技术以及载流子浓度和迁移率的评估技术等也有 望成为该频率区域的应用领域。作为使用太赫波的检查装置，公开了如图21所示的构造(日本专 利申请特开No.8-320254)。如图21所示，该检查装置被构成为利用 通过空间传播的太赫波来照射物体，并由此基于从物体发射的波的传 播状态的变化来测量该物体的构成材料。然而，总的来说，太赫波可以被水分强烈吸收。由于该原因，当 太赫波在大气中传播时，如在日本专利申请特开No.8-320254的情况 下，由于大气中水分的吸收大大衰减了太赫波。因此，为了减小太赫 波的衰减，期望通过使用如下技术来检测试样通过使用例如在许多 电磁波技术和光电子技术中使用的例如光纤波导的波导技术，将电磁 波限制在一定区域内以便进行发射。据显示，太赫波通过单线路径传播，所述单线路径由导体形成从而充当用于传播太赫波的纤维状波导("Nature", vol.432， p376-379， 2004 )。此外，为了通过使用光纤波导而不使用太赫波范围来检测试样， 提出了用于以高灵敏度测量痕量试样(trace of specimen )的光纤型试 样检查装置(日本专利申请特开No.2001-174406)。如图19所示，该 试样检查装置被构成为使得将光纤波导被设置为以一定间隙彼此相 对。在该光纤波导的端面上，周期性地设置具有不同折射率的材料以 便形成共振结构。从而，可以以高灵敏度测量存在于间隙中的试样。考虑如下情况，其中将如日本专利申请特开No.2001-174406 >^开 的使用光纤的波导技术应用于太赫波。在该情况下，仅由介电材料形 成光纤波导。因此，根据要使用的材料，太赫波的传播特性受该材料 物理性质对频率依赖性的影响。具体地，当太赫波具有一定频率区域 时，可以考虑太赫波的传播损耗和色散特性依据频率变化，因此，在 波导中的传播过程期间太赫波的传播波形剧烈地变化。由于该原因， 不期望这样的光纤波导作为用于传播太赫波的波导。因此，需要具有 更加优异传播特性的波导。此外，在日本专利申请特开No.2001-174406公开的试样检查装置 中，因为需要彼此相对地设置光纤波导，并且需要用于这种设置的外 部机构，所以难以使装置构造小。发明内容由于上述问题，根据本发明，提供了一种用于检测试样的物理性 质的波导，包括由导体形成的单线，所述导体能够传播包括30GHz到30THz的 频带的电磁波，和包覆所述单线的介电部件，其中所述介电部件具有用于检测试样的物理性质的间隙。 此外，根据本发明，提供了一种用于检测试样的物理性质的装置， 包括波导，所述波导包括由导体形成的单线和包覆所述单线的介电部件，所述导体能够传播包括30GHz到30THz的频带的电磁波，所述 介电部件具有用于检测试样的物理性质的间隙；和用于检测通过所述波导传播的电磁波的检测部。此外，根据本发明，提供了一种用于检测试样的物理性质的试样 检测方法，包括制备波导的步骤，所述波导具有由导体形成的单线和包覆所述单 线的介电部件，所述导体能够传播包括在30GHz到30THz的频带内 的电磁波，所述介电部件具有用于检测试样的物理性质的间隙；在所述波导的间隙的附近设置试样的步骤；和检测通过所述波导传播的电磁波的步骤。根据本发明的波导由通过导体形成的单线和具有间隙且包覆所述 单线的介电部件构成。利用这样的构造，能够提供具有低色散传播特 性的波导。此外，通过将试样插入该间隙内，能够简单地检测试样的 物理性质。


图l是示出根据本发明的波导的示意图； 图2是说明根据本发明的用于测量试样的物理性质的传感器装置 的示意图；图3是说明当波导用作检查元件时的操作的曲线图； 图4是示出波导的耦合部分的一种示例性构造的示意图； 图5是示出波导的耦合部分的另一示例性构造的示意图； 图6是示出波导的耦合部分的另一示例性构造的示意图； 图7是示出波导的耦合部分的另一示例性构造的示意图； 图8是示出波导的耦合部分的另一示例性构造的示意图； 图9是示出实施方案1中波导的间隙部的设置的示意图； 图10是示出用于说明实施方案1的检查元件操作的分析结果的曲 线图；图11是示出实施方案2中波导的间隙部的设置的示意图； 图12是示出实施方案3中波导的间隙部的设置的示意图； 图13是实施方案3中波导的传播特性的图解曲线图； 图14是实施方案4的测量设备的示意图； 图15是示出间隙部形状的一个示例的示意图 图16是示出间隙部形状的另一示例的示意图 图17是示出间隙部形状的另一示例的示意图 图18是示出间隙部形状的另一示例的示意图 图19是说明涉及使用光纤的检查元件的现有技术的一个示例的 示意图；图20是说明涉及使用单线的波导的现有技术的一个示例的示意 图；并且图21是说明涉及使用空间光学系统的检查装置的现有技术的一 个示例的示意图。
具体实施方式
下文中，参照附图描述本发明的最佳实施方式。图中由相同的附 图标记表示相同的元件。 (波导概述)图l是根据本发明的波导的示意图。如图1所示，根据本发明的 波导100由单线101和包覆该单线的介电部件102构成。介电部件102 具有间隙部103。单线101是由导体构成的单导线。在图1中，单线101具有圆柱 形状，但是单线的形状并不局限于该形状。例如，单线101可以具有 多边形状。介电部件102由电介质构成。用于本发明中的介电部件102的电 介质材料优选地具有可使要使用的电磁波透过的特性。在图1中，介 电部件102具有圆柱形状，但是介电部件的形状并不局限于该形状。 例如，介电部件102的形状可以为多边形状或类似于基板(substrate-like)的形状。此外，介电部件102的尺寸优选地使得通 过波导100传播的电磁波分布在波导100中。对于此的原因是为了抑 制对通过波导100传播的电磁波的外部影响。已知通过单线101传播 的电磁波的电磁场分布与同轴波导中的电磁场分布相同。例如，考虑 如图1所示的使用圆柱形介电部件102的情况。根据计算，当从单线 101和介电部件102之间的界面到介电部件102的外周面的距离被设 置为波长的一半或更多时，通过波导100传播的电磁波的电磁场分布 在介电部件102中。此外，考虑通过波导IOO传播的电磁波具有任意 频率区域的情况。在这种情况下，从单线101和介电部件102之间的 界面到介电部件102的外周面的距离被固定为该电磁波所占频率区域 内的最低频率波长的一半或更多。 (介电部件中的间隙)如图1所示，根据本发明的波导IOO在介电部件102的一部分中 具有间隙部103。在图1中，间隙部103的介电涂层被除去，从而暴 露单线101。当介电部件102和间隙部103具有不同的折射率时，通 过波导IOO传播的电磁波的传播状态在间隙部103中变化。因此，通 过利用由间隙部103中折射率的不同导致的电磁波传播状态的变化， 例如能够执行对信号的控制，以便选择性地消除和传送电磁波的频率 成分的一部分。图1示出这样一种构造，在该构造中，在介电部件102 的一部分中提供间隙部103，但是形成间隙部的方法并不局限于去除 电介质的方法。仅仅需要在电磁波的传播路径中存在一个折射率变化 的区域。因此，例如，也可以应用在间隙部103中填充有与介电部件 102不同的材料的构造。此外，如图15所示，也可以应用并未去除间 隙部103的所有电介质而是留下一部分电介质的构造。即使在这样情 况下，间隙部103中的折射率平均值也是变化的，从而使得能够改变 电磁波的传播状态。此外，在图1中，经由间隙部103彼此相对设置的介电部件102 的横截面被形成为与单线101的长度方向垂直。然而，间隙部的构造 并不局限于该设置。例如，如图16所示，还可以应用其中介电部件102的横截面相对于单线101的长度方向倾斜的构造。此外，如图17 所示，介电部件102的横截面还可以形成锥形。此外，如上所述的介 电部件102的横截面是平面的，但是介电部件102的横截面的部分或 全部可以为球面的、粗糙的或多边形的。此外，如图18所示，还可以 成螺旋形去除电介质。此外，被螺旋形去除的部分中的间隔可以不固 定，而是可以为部分地不规则或以固定比率变化。此外，优选地在波导中规则地设置间隙部。然而，不需要规则地 设置所有间隙，规则地设置一部分间隙的状态是有效的。此外，还可 以将间隙部构造为使得在规则地设置间隙的状态下，有意地打乱设置 的规则性。从而，可以获得波长选择性。周期性设置是指以一定波长 间隔设置间隙的设置。自相似设置是指当从横截面察看时对于波导中 的横截面左右对称的构造。 (传感器装置的构造)图2是当将上文所述的波导应用为用于测量试样的物理性质的传 感器装置时的示意图。如图2所示，根据本发明的装置由生成部201、 波导100、检测部202、比较部203、存储部204和呈现部205构成。生成部201具有生成在该装置中使用的高频电磁波(例如太赫波) 并且使得该电磁波能够被耦合到波导100且被传播的功能。生成部201 可以被构成为使得与波导100相结合，或者可以被构成为在波导100 外部生成高频电磁波，并且将生成的电磁波耦合到波导100, (传感器装置的生成装置和耦合装置)考虑生成部201由用于生成高频电磁波以向空间传播该电磁波的 装置和对于波导100的耦合装置构成的情况。在该情况下，例如，如 图4所示，耦合装置被构成为在构成波导100的单线101的一部分中 形成的光栅结构401。这时，在从外界传播的高频电磁波中，该耦合 装置选择性地耦合具有与光栅周期对应的波长的高频电磁波。作为该 结构的一种制造方法，例如可以考虑如下方法在填充有液态介电部 件102的模具中插入单线101，并且通过加热固化该介电部件102，所 述单线101具有形成于其中的光栅。然而，该结构的制造方法并不局限于该方法，且还可以使用已知工艺技术。此外，如图5所示，存在使用交叉线结构501的方法，在该交叉 线结构中作为耦合装置的导体被进一步设置为与构成波导100的单线 101正交。在该情况下，与上文描述的"Nature，，，vo1.432， p376-379， 2004 中描述的情况相似，从外界传播的高频电磁波被耦合到交叉线结构 501。作为这种结构的制造方法，例如存在如下方法在包括单线101 的介电部件102的外周面上对交叉线结构501构图。然而，该结构的 制造方法并不局限于该制造方法，还可以使用已知工艺技术。此外， 图5所示的交叉线结构501是在介电部件102的外周面上产生的，但 是其还可以被嵌入到介电部件102中。此外，还可以通过将用于生成高频电磁波的装置与对于波导100 的耦合装置相结合来构成生成部201。在该情况下，例如如图6所示， 存在这样一种方法，在该方法中光导开关结构601被用作生成部201。 光导开关结构601具有从单线101引出的传导元件和从电极602引出 的传导元件，所述两个传导元件以微小间隙分开。此外，光导开关结 构601被构造为使得具有短载流子生存期的半导体(例如，低温生长 砷化镓LT-GaAs)与从单线101引出的电极和电极602之间的间隙 紧密接触，电极602形成在介电部件102的一部分中。在将电场施加 到上文描述的间隙部的状态下，光导开关结构601被操作以便通过使 用超短脉冲激光束从外界被光学地选通，来生成高频电磁波。在光导 开关结构601中产生的高频电磁波被耦合到由单线101和介电部件 102构成的波导100，并且被传播。通过已知工艺技术对这些电极进行 构图。此外，例如使构成光导开关结构601的半导体形成得薄并且被 粘贴到介电部件102。光导开关结构601的制造方法并不局限于该方 法。此外，在图6中，光导开关结构601在由单线101和介电部件102 构成的波导的端面上形成，但并不局限于该结构。例如，光导开关结 构601还可以在介电部件601的内部或外周面上形成。电极602被围 绕单线101同心地构图。这是由于注意到这样的事实由单线101和 介电部件102构成的波导100的传播模式为与同轴电缆相同的TEM模式，高频电磁波生成侧的结构被形成为同轴结构，以便保持更优异的耦合状态。然而，重要的是仅仅需要跨构成光导开关结构601的导 体间的间隙来施加电场。因此，光导开关结构601当然并不局限于该 同轴结构。此外，如图7所示，存在一种将电磁波增益结构701用作生成部 201的方法。电磁波增益结构701被构成为使得在高频电磁波区域内 具有增益的电磁波增益物质与从单线101引出的电极和在介电部件 102的一部分上形成的电极702紧密接触，所述两个电极以微小间隙 相互分开。电磁波增益物质是能够获得电磁波增益的半导体器件，例 如以共振隧穿二极管(RTD: resonance t画el diode) 、 Gunn 二极 管等为代表的半导体器件。此外，电磁波增益物质还可以是诸如量子 级联激光器之类的高频电磁波振荡装置。如上所述，该电磁波增益物 质被设计为在高频电磁波的期望频带上获得增益。从而，通过跨电磁 波增益结构701施加偏压来生成高频电磁波。然后，将由电磁波增益 结构701生成的高频电磁波耦合到由单线101和介电部件102构成的 波导100，并且通过波导传播该高频电磁波。通过已知工艺技术对这 些电极进行构图。在图7中，电磁波增益结构701形成在由单线101 和介电部件102构成的波导100的端面上，但并不局限于该结构。例 如，电磁波增益结构701还可以形成在介电部件102的内部或外周面 上。电极702被围绕单线101同心地构图。这是由于注意到这样的事 实由单线101和介电部件102构成的波导100的传播模式为与同轴 电缆相同的TEM模式，高频电磁波生成侧的结构被形成为同轴结构， 以便保持更优异的耦合状态。然而，重要的是仅仅需要跨构成电磁波 增益结构701的导体间的间隙来施加偏压。因此，电磁波增益结构701 当然并不局限于该同轴结构。此外，如图8所示，存在一种将波导转换结构801用作生成部201 的方法。波导转换结构801被构成为将在其它高频模块中传播的高频 电磁波耦合到由单线101和介电部件102构成的波导。图8示出该结 构的顶视图、截面图和侧视图。如图8所示，波导转换结构801被构成为使得在由介电部件102、第一导体802和第二导体803构成的传 输线(微带线)中将单线101插入第一导体802和第二导体803之间。 利用这种构造，在波导转换结构801中，在高频模块中传播的高频电 磁波耦合到由单线101和介电部件102构成的波导，并且被传播。构 成波导转换结构801的传输线结构并不局限于如图8所示的微带线。 例如，可以使用传输线结构，例如用于传播高频电磁波信号的共面 (c叩lanar)波导。此外，还可以应用诸如波导管和同轴结构之类的 三维波导结构。此外，在波导转换结构801中，还可以考虑如下构造 单线101和介电部件102的形状部分地变化以便减小阻抗不匹配并且 改进高频电磁波信号的耦合状态。例如，在波导转换结构801的末端 可以考虑使用其中单线101和介电部件102的尺寸部分地增大或减小 的构造以及其中单线101和介电部件102具有锥形的构造等。生成部201的构造并不局限于这些构造，并且可以使用如下任何 构造在生成部201中生成的高频电磁波被耦合到波导100并且被传 播。例如，还存在一种经由天线将在生成部201中生成的高频电磁波 耦合到波导100的方法。在图2中，检测部202具有检测通过波导IOO传播的高频电磁波 的功能。可以将与生成部201的结构相同的结构用作检测部202的结 构。然而，检测部202的结构并不局限于这些结构，而是可以应用任 何能够实现检测通过波导100传播的高频电磁波的目的的结构。 (传感器装置的存储装置和比较装置)在测量试样的物理性质的传感器装置中，预先将该试样的参考信 息存储在存储部204中。存储在存储部204中的试样参考信息包括例 如折射率、衰減等的信息。然而，参考信息并不局限于这些，而是可 以存储任何表征试样的物理性质的信息。存储部204还可以具有接连 地更新试样参考信息的功能，该试样参考信息存储在存储部204中。 例如，还可以将当前测量的试样的物理性质的信息存储为试样的参考 信息。比较部203是将关于由检测部202检测的试样的信息与存储在存储部204中的参考信息进行比较的部分。比较部203具有将关于由检 测部202检测的试样的信息处理成与存储在存储部204中的参考信息 相对应的形式的功能。例如，将时间序列信息转换成语信息。然而， 处理形式并不局限于该形式。例如，比较部203还可以具有获得延迟 信息或计算复介电常数的功能。重要的是，比较部203可以仅仅为能 够与存储在存储部204中的试样参考信息进行比较的形式。呈现部205呈现由比较部203执行比较的结果。作为一种呈现方 法，可以考虑在显示器上进行呈现的方法。然而，呈现方法并不局限 于该方法。例如，当仅仅要知道检查物质的存在时，可以使用通过闪 现光和声音或触觉呈现装置等进行指示的方法。重要的是仅仅需要通过一定方法将测量结果通知给用户。 (传感器装置的操作说明)接下来，说明根据本发明的用于测量试样的物理性质的传感器装 置的操作。首先，根据本发明，将试样插入传感器装置中的波导100 的间隙中，该传感器装置用于测量试样的物理性质。通过波导100传 播的高频电磁波与波导100的间隙部103中的试样相互作用。因此， 通过波导100传播的高频电磁波的传播状态由于试样的存在而变化。 高频电磁波的传播状态的变化根据试样的物理性质而不同。传播状态 变化的高频电磁波由检测部202检测。在图1中，当间隙部103存在于波导100的介电部件102中时， 电容分量被添加到间隙部103。该电容分量根据插入间隙部103中的 试样的物理性质而变化。所以，当将试样插入间隙部103中时，频率 特性和传播延迟特性如图3所示地变化。这里，图3是示出当将试样 插入间隙部103中时传播特性变化的图解曲线图。这里示出的图仅仅 是图解曲线图，并且该传播特性实际上因试样的色散、衰减和吸收特 性而以更加复杂的方式变化。如从图3中的频率特性所能看到的，预 期通过波导100的间隙部103使波导100实现高通滤波器的功能，该 高通滤波器衰减低频侧的信号。此时，高通滤波器的截止频率根据间 隙部103中试样的物理性性所能看到的，延迟时间根据试样的物理性质而变化。在比较部203 中，首先从频率特性和传播延迟特性的变化中获得试样的物理性质， 所述这些特性是通过在间隙部103中插入试样而变化的。在存储部204中预先存储试样的物理性质信息。因此，能够通过 在比较部203中比较存储在存储部204中的物理性质信息和获得的物 理性质信息来分析和识别试样。在根据本发明的用于测量试样的物理 性质的传感器装置中，可以向存储部204添加物理性质信息。例如， 通过根据本发明的用于测量试样的物理性质的传感器装置来预先测量 其物理性质已知的试样，并且将测量结果添加到存储部204中。这种 测量结果的存储有效地抑制了该装置固有的测量结果的变化。通过呈现部205将这些比较结果呈现给测量者。如上所述，在根据本发明的波导中，可以改变通过波导传播的电 磁波的传播状态，从而可以容易地向波导添加功能性质。在常规传输 线技术中，存在损耗和色散特性的问题。因此，当要形成大规模电路 时，该问题引起信号劣化，从而使得难于控制太赫波信号。如上所述，散特性的单线的波导添加功能'il质。因此:在;据本发明的波导中，可以执行信号控制，同时将信号劣化的影响保持到最小。因此，能够 容易地使该波导适合于大规模电路和装置。根据本发明的用于测量试样的物理性质的传感器装置被构成为使 得将试样插入上述波导的间隙部中，并且检测与电磁波的相互作用的 变化。因此，不需要外部机构，且因此可以简化本发明的装置构造， 所述外部机构对于常规光纤波导是需要的且在所述外部机构中经由一 定间隙彼此相对地设置光纤波导。此外，在使用常规传输线技术的检 查设备中损耗和色散相对大，因此期望将检查部和检测部设置得彼此 尽可能靠近。然而，根据本发明的用于测量试样的物理性质的传感器 装置被构造为使得检查部被形成为低损耗和低色散的波导结构，以便 可以使检查部和检测部分开。从而，例如，当在危险区域中执行检查 工作时，可以仅仅将检查部搬运到危险区域而在安全区域中执行检测工作。这产生了改进安全性的效果。此外，由于可以将检测部分开， 所以能够执行封闭空间(例如在腔的内部等)中的检查工作、溶液中 的检查工作等。这产生了扩大检查工作应用范围的效果。 [实施方案下面，参照附图描述更多的具体实施方案。 [实施方案11在本实施方案中，描述了一个构造实施例，在该实施例中，在波导中周期性地设置间隙部。如图9所示，根据本实施方案的波导由单 线101、介电部件102和间隙部901构成。如图9所示，在间隙部901 中，周期性地设置间隙。利用这样的设置，构成介电部件102的物质 的折射率和间隙部901的折射率周期性地变化。因此，根据本实施方 案的波导因间隙部901中的光子带隙而具有波长选择性。在根据本实施方案的用于测量试样的物理性质的传感器装置中， 基于波长选择性的变化来检测试样的物理性质。在本实施方案中，使用金线作为单线101。使用高阻硅(介电常 数11.4，导电率0.01S/m)作为介电部件102。然而，单线101的 材料和介电部件102的材料并不局限于这些材料。仅仅需要单线101 为导体。因此，还可以使用铂线和铜线。作为介电部件102，可以使 用任何介电材料，但是优选地使用对要使用的高频电磁波具有低色散 和低吸收特性的介电材料。具体地，使用苯并环丁烯、聚酰亚胺、聚 硅烷等作为介电部件102的介电材料。此外，还可以使用半导体材料 等作为介电材料。如图9所示，在本实施方案中，使用直径为lOjim 的圆柱形作为单线101的形状。然而，单线101的形状并不局限于该 形状。例如，单线101的形状可以为多边形。此外，单线101的直径 并不局限于该值。此外，如图9中所示，使用一边为200nm的方柱形 (square pole-shape)作为介电部件102的形状。然而，介电部件102 的形状并不局限于该形状。例如，还可以使用圆柱形和多边形。介电 部件102的一边的长度并不局限于该值。该值依照要使用的高频电磁 波的波长而变化。如图9所示，在介电部件102之间周期性地设置间隙。以50nm 的间隔周期性地设置50nm宽的间隙部901。通过移除构成介电部件 102的材料来构成这些间隙。优选地，以与通过波导100传播的电磁 波的有效波长对应的波长量级(order )为间隔周期性地设置这些间隙。例如如下产生在本实施方案中使用的波导。首先，在厚度为lOOum 的高阻硅基板中生产用于保持单线101的沟槽。接下来，周期性地产 生尺寸为50nmx200nm的通孔以便与用于保持上述单线101的沟槽垂 直相交。所述通孔对应于间隙部901。例如通过普通的光刻技术和干 法刻蚀技术来产生这些图案。产生两个这种基板。然后，在基板的沟 槽部分中设置单线101，然后使该基板与另一硅基板紧密接触以便使 沟槽部分朝向内部。在这种情况下，向这些硅基板的界面涂覆树脂粘合剂，以便使这些基板彼此固定。这里，使用对要使用的高频电磁波 具有低色散和低吸收特性的树脂粘合剂。在硅基板被固定之后，沿通 孔切割该基板以便形成波导。该制造方法仅仅是示例，并且根据本实 施方式的波导的制造方法不限于这种方法。常用的工艺技术可用作波 导的制造方法。图10是示出用于说明当根据本实施方案的波导被转向用于测量 试样的物理性质的传感器装置时的操作的分析结果的曲线图。图10 示出了通过电磁场模拟器计算的计算结果。在图10中，虚线示出当根据本实施方式的波导的间隙部901中没 有试样的状态下的传播特性。此外，实线示出当将DNA (介电常数 4.0，介电损耗角正切(tan 5): 0.01)作为试样插入根据本实施方案的 波导的间隙部901中的情况下的传播特性。如图IO所示，具有周期性 间隙设置的间隙部卯l使得存在不传输的波长区域(电磁波传输水平 低至大约O的波长区域)。另外，从该图看出，当将试样插入间隙部 901中时，与未将试样插入间隙部901中的情况相比，频率特性移至 低频侧。此外，从该图中看出，传输强度也改变。此外，在DNA中， 由于单链DNA与双链DNA之间的介电常数不同，因此可以检测到这 种不同。从该信息获得试样的物理性质。此外，尽管该图中未示出，然而也可以使用通过波导传播的高频电磁波的延迟信息。当获得试样 的物理性质时，可以使用所有这些种信息，或者也可以选择这些种信 息中的任一种。同样，可以使用这些种信息的组合。此外，不但能够在DNA中而且在诸如蛋白质或氨基酸之类的生物分子中检测试样本 身中的结构和特性的变化。对于以这种方式获得的试样的物理性能，通过比较获得的物理性 质与存储在存储部204中的信息来执行试样的识别和分析。在本实施方案中，周期性地设置波导的间隙部901。通常已知的 是，这种结构表现出高Q值，从而检测灵敏度得到改进。即，根据本 实施方案的用于测量试样物理性质的传感器装置不但具有使得能够进 行高灵敏度测量的效果，而且具有甚至对痕量试样使得能够进行优异 灵敏度测量的效果。实施方案2在本实施方案中，描述了一个构成实施例，在该实施例中，自相 似地设置波导的间隙部。如图11所示，根据本实施方案的波导由单线 101、介电部件102和间隙部1101构成。如图所示，自相似地设置间 隙部1101。在本实施方案的情况下，对应于间隙部1101的区域中的 介电部件102被等分为三个部分，且中心电介质被留下(其被称为一 个级)。对于中心电介质两侧的每一电介质将相同的程序重复三遍， 由此，得到一种结构(三级的光子分形结构(photonic fractal structure))。利用这样的设置，得到构成介电部件102的物质的折 射率和间隙部1101的折射率自相似变化的构成。因此，根据本实施方 案的波导具有波长选择性。在根据本实施方案的用于测量试样的物理性质的传感器装置中， 通过波长选择性的变化来检测试样的物理性质。在本实施方案中，使用金线作为单线101。使用高阻硅(介电常 数11.4，导电率0.01S/m)作为介电部件102。在本实施方案中， 如图11所示，使用直径为10〖un的圆柱形作为单线101的形状。此外， 如图11所示，使用一边为200nm的方柱形作为介电部件102的形状。然而，与实施方案l的情况相似，单线101和介电部件102的形状并 不局限于这些材料和形状。如图11所示，在介电部件102中自相似地 设置间隙部901。例如，考虑将约为lTHz的电磁波用作要用于测量 的高频电磁波的情况。此时，作为间隙部1101，在要使用的电磁波的 波长量级的区域中设置上述三阶的光子分形结构。通过移除构成介电 部件102的材料来构成这些间隙。这里，波长的量级是指通过波导100 传播的电磁波的有效波长的大约一个波长。在本实施方案中，根据本实施方案的波导的制造方法与实施方案 1中所示相同。在波导具有如本实施方案中的自相似构造的情况下，波导的传播 特性在一些特定频率中具有局域模(local mode)。那么，考虑将该 波导转向用于测量试样的物理性质的传感器装置的情况。当与实施方 案1中的情况相似，将试样插入波导的间隙部1101中时，高频电磁波 的传播状态变化，从而频率特性变化。具体地，将局域模移至低频侧。 此外，传输强度也与实施方案1中的情况相似地变化。由这些种信息 获得试样的物理性质。此外，还可以使用通过波导传播的高频电磁波 的延迟信息。当获得试样的物理性质时，可以使用所有这些种信息， 或者也可以选择这些种信息中的任一种。同样，可以使用这些种信息 的组合。此外，与实施方案1中的情况相似，甚至通过根据本实施方 案的用于测量试样的物理性质的传感器装置，也能够检测试样本身的 结构和特性的变化。通过比较以这种方式获得的试样的物理性质与存储在存储部204 中的信息来执行试样的识别和分析。与实施方案l的情况相似，通常已知的是，如在本实施方案中所 形成的自相似的结构表现出高Q值。从而改进检测灵敏度。即，根据 本实施方案的用于测量试样物理性能的传感器装置不但具有能够执行 高灵敏度测量的效果，而且具有甚至对痕量试样能够执行优异灵敏度 测量的效果。此外，如上所述，在基于局域模的变化而获得试样的物 理性质的情况下，围绕非常尖锐的局域模的区域的传播特性表现出阻碍电磁波传播的特性。这使得能够增加信号的S/N比，由此还可以测 量频率特性中非常小的变化。这产生了改进试样的检测灵敏度的效果。 (实施方案3)在本实施方案中，描述了一个构造实施例，在该实施例中，周期 性地设置波导的间隙部，并且为周期性设置的间隙部的 一部分提供用 于扰乱周期性的元件。如图12所示，根据本实施方案的波导由单线 101、介电部件102和间隙部1201构成。如图所示，用于扰乱间隙部 1201的周期性的元件如下构成用介电部件102填充如实施方案1中 描述的周期性间隙设置的一部分中的间隙。然而，用于扰乱周期性的 方法并不局限于该方法。例如，可以考虑用与构成介电部件102的材 料不同的材料来填充一部分间隙的方法。此外，还可以考虑通过改变的方法。这些设置使得在间隙部1201中部分地扰乱构成介电部件102 的物质的折射率和间隙部1201的折射率的周期性变化。因此，根据本 实施方案的波导具有由于间隙部1201中的光子带隙而产生的波长选 择性，且在光子带隙中具有局域模。在根据本实施方案的用于测量试样的物理性质的传感器装置中， 通过波长选择性的变化来检测试样的物理性质。在本实施方案中，单线101和介电部件102的形状与上述实施方 案的相同。如图12所示，在介电部件102中周期性地设置间隙部1201，并 且用构成介电部件102的材料填充中心部分中的间隙。以这种方式， 通过填充一部分间隙来构成用于扰乱周期性的元件。通过移除构成介 电部件102的材料来构成这些间隙。在本实施方案中，根据本实施方案的波导的制造方法与上述实施 方案的相同。图13是在将根据本实施方案的波导转向用于测量试样的物理性 质的传感器装置的情况下的传播特性的图解曲线图。如图13所示，根 据本实施方案的波导的传播特性在带隙中具有局域模。那么，考虑将该波导转向用于测量试样的物理性质的传感器装置的情况。与上述实施方案相似，当将试样插入波导的间隙部1201中时，高频电磁波的传 播状态变化，从而频率特性变化。具体地，带隙和局域模移至低频侧。 此外，与上述实施方案的情况相似，传输强度也变化。由这些种信息 获得试样的物理性质。此外，尽管图中没有示出，还可以使用通过波 导传播的高频电磁波的延迟信息。当获得试样的物理性质时，可以使 用所有这些种信息，或者也可以选择这些种信息中的任一种。同样， 可以使用这些种信息的组合。此外，如上所述，甚至通过根据本实施 方案的用于测量试样的物理性质的传感器装置，也能够检测试样本身 的结构和特性的变化。通过比较以这种方式获得的试样的物理性质与存储在存储部204 中的信息来执行试样的识别和分析。与上述实施方案的情况相似，通常已知的是，根据本实施方案的 以与周期性构成相似的方式构成的波导表现出高Q值。从而，改进检 测灵敏度。即，根据本实施方案的用于测量试样的物理性质的传感器 装置不但具有能够执行高灵敏度测量的效果，而且具有甚至能够对痕 量试样执行优异灵敏度测量的效果。此外，如图13所示，在通过在局 域模下进行变化而获得试样的物理性质的情况下，围绕非常尖锐的局 域模的区域中的传播特性示出了阻碍电磁波传播的特性。这使得能够 增加信号的S/N比，从而还可以测量频率特性中非常小的变化。这产 生了改进被测物体的检测灵敏度的效果。 (实施方案4)在本实施方案中，示出了一个实施例，在该实施例中，用于测量 试样的物理性质的传感器装置被应用为用于测量溶液中的试样的物理性质的传感器装置。图14是示出在根据本实施方案的测量装置中的试样检测部的示 意图。如图14所示，根据本实施方案的测量装置由生成太赫波的生成 部201,半反光镜(half mirror )1402、检测部202、单线101和介电 部件102构成。介电部件102具有间隙部。如上所述，低损耗且低色散波导由单线101和介电部件102构成，以便具有间隙部的部分充当 传感器部。如上所述，在根据本发明的波导中，将通过波导传播的高频电磁 波限制在介电部件内部。因此，即使当波导外部的物质变化时，高频 电磁波的传播特性也不变化。所以，例如，在溶液中和在各种外部大 气中，高频电磁波的传播特性不变化。在本实施方案中，假设以与实施方案l相同的周期性方式设置上 述间隙部。因此，根据本实施方案的波导具有因光子带隙产生的波长 选择性。然而，如上所述，间隙部的设置并不局限于该设置。通过波 导传播的高频电磁波与间隙部中的外部物质相互作用。如图14所示， 根据本实施方案的波导具有短截(stub)形状。所以，通过波导传播 的入射高频电磁波1403在波导的端面被反射，并且反射高频电磁波 1404被传播。可以对根据本实施方案的波导的端面应用用于使得电磁 波被有效反射的处理。例如，可以考虑利用金属涂覆波导端面的方法 以使得电磁波能够被有效地反射。然而，使电磁波能够被有效地反射 的方法并不局限于该方法。半反光镜1402具有对入射到根据本实施方案的波导上的入射高 频电磁波1403以及从波导反射的反射高频电磁波1404进行分支的功 能。所以，任何具有此分支功能的装置并不局限于半反光镜。可以使 用其它的装置，只要该装置具有这样的分支功能。例如，还可以通过 如使用波导管的耦合器、循环器等来构成具有分支功能的装置。反射的高频电磁波1404由检测部202检测。然后，通过比较部 203和存储部204(未示出)检测试样的物理性质以便能够识别和分析 试样。说明该操作。首先，将由单线101和介电部件102构成的波导插 入检查溶液1401中。从而，介电部件102的间隙部由检查溶液1401 填充。接下来，用于检测的入射高频电磁波1403由生成部201发射到 空间。通过空间光学系统(未示出)使入射高频电磁波1403入射到半 反光镜1402上。半反光镜1402透射入射高频电磁波1403。被透射的入射高频电磁波1403通过波导耦合装置(未示出)被耦合到波导，并 且被传播。在上文中，生成部201被作为还充当波导耦合装置的部分来说明。 然而，在本实施方案中，为了清晰地说明用于对电磁波进行分支的装 置(例如，半反光镜1402)，将生成部与分支装置分开说明。传播高频电磁波的入射高频电磁波1403与间隙部中的检查溶液 1401相互作用，使得高频电磁波的传播特性变化。然后，高频电磁波 在波导的端面处被反射并且变为反射高频电磁波1404。反射高频电磁 波1404由波导耦合装置(未示出)带出到外部。然后，在与入射高频 电磁波1403的传播路径的方向不同的方向上由半反光镜1402反射该 反射高频电磁波1404。由检测部202检测该反射高频电磁波1404。然 后，通过比较部203和存储部204 (未示出)检测试样的物理性质以 便识别和分析该试样。本实施方案的具体检测操作与上述实施方案的 相同，因此，省略对本实施方案的检测操作的说明。在本实施方案中，通过使用空间光学系统来处理高频电磁波，但 是用于处理高频电磁波的方法并不局限于此。例如，可以用波导代替 空间光学系统，并且通过使用波导结构使得空间光学系统成为模块化 或集成形式。此外，在本实施方案中，对溶液中的试样进行检测，但 是试样并不局限于此。仅仅需要改变介电部件102中的间隙部的物理 性质。因此，例如，本实施方案还可以用于大气、粉末或土壤中的试 样的检测。本实施方案是一种将用于测量试样的物理性质的传感器装置的检 查部插入要检查的试样中的实施方案。所以，如上所述，可以简化用 试样填充检查部的步骤。尽管在现有技术中使用外部机构来填充试样， 但是在本发明中可以消除该机构，从而可以简化该装置。当检查物体 为危险材料时，可以简化处理危险材料的步骤，从而获得改进安全性 的效果。本申请要求2005年9月5日提交的日本专利申请No.2005-256655 的优先权，这里通过引用将其整体并入本文。
权利要求
1.一种用于检测试样的物理性质的波导，包括由导体形成的单线，所述导体能够传播包括30GHz到30THz的频带的电磁波，和包覆所述单线的介电部件，其中所述介电部件具有用于检测试样的物理性质的间隙。
2. 根据权利要求l的波导，其中所述介电部件具有多个间隙。
3. 根据权利要求2的波导，其中所述多个间隙中的部分或全部以 规则方式设置在所述介电部件中。
4. 根据权利要求3的波导，其中所述规则方式是周期性方式或自 相似方式。
5. 根据权利要求3或权利要求4的波导，其中间隙的规则性被按 照要使用的电磁波的波长量级来设置。
6. —种用于检测试样的物理性质的装置，包括 根据权利要求l到5之一的波导；和用于检测通过所述波导传播的电磁波的检测部。
7. 根据权利要求6的装置，其中以如下方式来检测试样的物理性 质当试样存在于所述间隙的附近时，所述检测部检测具有由试样影 响和改变的传播状态的电磁波。
8. 根据权利要求6或权利要求7的装置，进一步包括用于存储试 样的物理性质信息的存储部，其中通过将存储在所述存储部中的信息 与基于当试样存在于所述间隙的附近时由试样影响和改变的电磁波传 播状态的变化的信息相比较来识别试样。
9. 一种用于检测试样的物理性质的试样检测方法，包括 制备波导的步骤，所述波导包括由导体形成的单线和包覆所述单线的介电部件，所述导体能够传播包括在30GHz到30THz的频带内 的电磁波，所述介电部件具有用于检测试样的物理性质的间隙； 在所述波导的间隙的附近设置试样的步骤；和检测通过所述波导传播的电磁波的步骤。
10.根据权利要求9的试样检测方法，其中设置试样的步骤包括 将存在于所述波导的间隙中的区域插入包括试样的气体、液体、粉末 和固体之一中的步骤。
全文摘要
本发明的一个目的是提供低损耗波导。提供了一种波导，包括由导体形成的单线和包覆所述单线的介电部件，所述介电部件具有间隙。
文档编号G01N21/77GK101258399SQ200680032300
公开日2008年9月3日 申请日期2006年8月31日 优先权日2005年9月5日
发明者井辻健明 申请人:佳能株式会社