JP2004198250A

JP2004198250A - Time-resolved reflection measuring method and terahertz time-resolved reflection measuring apparatus

Info

Publication number: JP2004198250A
Application number: JP2002366951A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Usami; 護宇佐見
Original assignee: Tochigi Nikon Corp; Nikon Corp
Current assignee: Tochigi Nikon Corp; Nikon Corp
Priority date: 2002-12-18
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2004-07-15

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a time-resolved reflection measuring apparatus for easily obtaining accurate phase information. <P>SOLUTION: In a time-resolved reflection measuring method, a terahertz pulse light L4 is radiated to a parallel plate sample 9, a time-series waveform of a reflected terahertz pulse light L5 from the sample 9 is detected, and a characteristic of the sample 9 is measured. A reference signal is the reflected pulse light on a sample entrance face included in the reflected terahertz pulse light L5. A sample signal is a difference signal as the reflected terahertz pulse light L5 other than the reflected pulse light. The characteristic of the sample 9 is measured based on the reference signal and the sample signal. The phase information can be easily and accurately measured without measurement using a reference mirror etc. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料により反射されたパルス光を検出して計測を行う時間分解反射測定方法およびテラヘルツ時間分解反射測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、テラヘルツパルス光を用いた分光計測やイメージング技術が注目を集めているが、そのような計測にはテラヘルツ時間分解測定という手法が用いられている。テラヘルツ時間分解測定においては、テラヘルツパルス光を試料に照射して、透過型の場合には試料からの透過時系列波形を、反射型の場合には試料からの反射時系列波形をそれぞれ測定する。すなわち、透過または反射パルス光の電場強度の時間変化を測定し、フーリエ変換により各波長に対する電場の振幅強度と位相情報を得るようにしている。
【０００３】
通常、試料に関する情報を得るためには、これら試料からの時系列波形に加えて、参照用の時系列波形が必要となる。参照用波形としては、透過型の場合には試料を取り除いたときに検出される波形が用いられ、反射型の場合には反射率が１００％とみなせる鏡を試料の代わりに配設して、そのときに検出される波形を用いる。そして、参照用波形もフーリエ変換し、各波長に対する電場の振幅強度と位相情報を得る。試料に対する波形の振幅強度と参照用波形の振幅強度の比から、試料の透過率もしくは反射率が求まり、試料に対する位相と参照用波形の位相から、位相差を求めることができる。
【０００４】
上述したように、テラヘルツ時間分解測定では、透過率や反射率だけではなく、検出される光の位相情報まで得ることができる。その効果は、例えば、試料の複素屈折率を求める場合に顕著となる。実数部と虚数部とから成る複素屈折率は、試料の性質を調べる上で重要な役割を果たす。ところが、位相が測定できない場合、透過率もしくは反射率のみからでは複素屈折率を求めることはできない。
【０００５】
透過型の場合には試料位置は位相に影響しない。しかし、反射型の場合には試料位置が位相に影響を与えるので、位相情報を利用するためには試料と参照用鏡とを同一位置に配設する必要があった。このときに要求される精度は、１THzにおいて数μｍ程度であり、周波数が高くなるほどより高い位置精度が必要とされる。
【０００６】
このように参照用鏡の位置決めは高精度に行われる必要があるが、一般にそれは難しい。高精度な位置決めを必要とせずに位相情報を得るためには、例えば、試料前面（テラヘルツパルス光入射側の面）に物理特性が既知であるシリコン板を密着させて配設し、そのときの反射スペクトルが計算結果と一致するように試料位置を補正する方法が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００７】
【非特許文献１】
菜嶋（Nashima）、外３名、アプライドフィジックスレターズ（Applied Physics Letters）、（米国）、２００１年１２月１０日、第７９巻、第２４号、ｐ．３９２３−３９２５
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにシリコン板を試料に密着させるという方法は、どのような試料に対しても使用できるわけではない。そして、シリコン板を密着させる方法であるために、テラヘルツ時間分解測定の特徴の一つである「非接触測定」という利点が損なわれてしまうという課題があった。
【０００９】
本発明は、容易に正確な位相情報を得ることができる時間分解反射測定方法およびテラヘルツ時間分解反射測定装置を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、平行平板試料にパルス光を照射し、試料からの反射光の時系列波形を検出して試料の特性を測定する時間分解反射測定方法に適用され、反射光の時系列波形に含まれる試料入射面での反射パルス光を参照信号とし、反射光の時系列波形から前記反射パルス光を除いた差分信号を試料信号とし、参照信号および試料信号に基づいて試料の特性を測定することを特徴とする。
なお、試料に照射するパルス光を、テラヘルツ帯域のテラヘルツパルス光としても良い。
また、反射光の時系列波形は、試料にパルス光を繰り返し照射するとともに、パルス光と同期した複数の遅延時間で試料からの反射光をそれぞれ検出することにより得られる。
本発明は、平行平板試料にテラヘルツ帯域のテラヘルツパルス光を照射し、試料で反射された反射光の時系列波形を検出して試料の特性を測定するテラヘルツ時間分解反射測定装置に適用され、反射光の時系列波形から試料入射面での反射パルス光を抽出する抽出手段と、反射光の時系列波形から前記反射パルス光を除いた差分信号を演算する演算手段とを備え、前記抽出手段で抽出された前記反射パルス光を参照信号に用いるとともに差分信号を試料信号に用いて、試料の特性を測定することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明によるテラヘルツ時間分解反射測定装置の一実施の形態を示す図であって、装置の概略構成を模式的に示したものである。本実施の形態による装置では、フェムト秒パルス光源１から放射されたフェムト秒パルス光Ｌ１は、ビームスプリッタ２により２つのパルス光Ｌ２，Ｌ３に分割される。パルス光Ｌ２はテラヘルツパルス光発生のためのポンプ光（パルス励起光）として利用され、パルス光Ｌ３はテラヘルツパルス光検出の際のプローブ光として利用される。
【００１２】
本実施の形態では、フェムト秒パルス光源１はレーザ光源等からなり、例えば、フェムト秒パルス光Ｌ１として、中心波長が近赤外領域のうちの７８０〜８００ｎｍ程度、パルス幅が１０〜１５０ｆｓ程度のパルス光を、所定の周期で繰り返し発生する。
【００１３】
ビームスプリッタ２で分割された一方のパルス光Ｌ２は、平面鏡３により反射されてテラヘルツ光発生素子４にポンプ光として入射される。図２（ａ）はテラヘルツ光発生素子４の一例を示す図であり、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に低温成長ＧａＡｓ光伝導薄膜を形成し、その光伝導薄膜上にギャップＧの微小ダイポールアンテナを有する一対の平行伝送線路４１を形成したものである。一対の平行伝送線路４１間にバイアス電圧Ｖｂを印加し、ギャップ部分にフェムト秒パルス光Ｌ２を照射すると、テラヘルツパルス光Ｌ４が発生する。
【００１４】
テラヘルツ光発生素子４で発生したテラヘルツパルス光Ｌ４は、シリコン半球レンズ５を介して軸外し放物面鏡６に入射する。テラヘルツパルス光Ｌ４は放物面鏡６，７および平面鏡８の順に反射されて、試料９上に集光される。そして、試料９により反射された反射テラヘルツパルス光Ｌ５は平面鏡１０および放物面鏡１１，１２の順に反射され、シリコン半球レンズ１３を介してテラヘルツ光検出素子１４に集光される。
【００１５】
一方、ビームスプリッタ２で分割された他方のパルス光Ｌ３は、平面鏡１５，可動鏡１６，平面鏡１７により順に反射され、プローブ光としてテラヘルツ光検出素子１４に導かれる。可動鏡１６は複数の平面鏡から構成され、駆動装置１８で可動鏡１６を移動することによりパルス光Ｌ３の光路長を変更することができる。駆動装置１８は制御演算処理装置１９により制御される。制御演算処理装置１９は、駆動装置１８の制御の他に、パルス光源１，テラヘルツ光発生素子４およびテラヘルツ光検出素子１４の制御、検出信号に基づく各種演算処理を行う。
【００１６】
図２（ｂ）はテラヘルツ光検出素子１４の一例を示す図であり、素子１４にはテラヘルツ光発生素子４と同様のものが用いられる。試料９からの反射テラヘルツパルスＬ５は、シリコン半球レンズ１３を介してテラヘルツ光検出素子１４に入射する。反射テラヘルツパルス光Ｌ５の入射と同期させて、パルス光Ｌ３をダイポールアンテナのギャップ間に照射すると、照射時に入射した反射テラヘルツパルスＬ５の電場振幅に比例した電流Imが図２（ｂ）のように流れる。この電流Imを検出することにより、反射テラヘルツパルス光Ｌ５の電場振幅を測定することができる。なお、シリコン半球レンズ５，１３は、後述する多重反射の影響が生じないようにそれぞれ素子４，１４に対して密着して設けられる。
【００１７】
《反射テラヘルツパルス光の解析手法の説明》
透過型装置の場合には、試料の位置が光軸方向にずれても光路長は変化しないので、位置ずれが位相情報に影響を与えない。一方、反射型装置の場合には、試料９を図１のように配置して得られた信号Imと、試料９を参照用鏡と置き換えて得られた参照信号とをそれぞれフーリエ変換し、それらを用いて反射率スペクトルや位相情報を得るようにしている。
【００１８】
しかし、測定時に試料９と参照用鏡が異なる位置に配設されると、それに起因して光路長が変化する。つまり、時間軸上における参照信号の位置がずれることになり、この影響はフーリエ変換したときの位相のずれとして現れる。そこで、本実施の形態では、参照用鏡を用いることなく計測を行うことにより、このような位相ずれが生じないようにした。
【００１９】
反射テラヘルツパルス光Ｌ５を計測する場合、反射テラヘルツパルス光Ｌ５には、平行平板試料９の表面（もしくは入射面）で反射された光だけでなく、試料９の裏面で反射された光、さらには試料９内部で多重反射された光とが含まれている。なお、平行平板試料とは、試料９の両面でテラヘルツパルス光Ｌ４が鏡面反射することを指す。たとえ試料９に凹凸があっても、それがテラヘルツパルス光Ｌ４の波長よりも十分に小さければ平板とみなして良い。例えば、テラヘルツ光の波長は１ＴＨｚの場合で３００μｍであり、可視光線に比べて非常に長いため１μｍ程度の凹凸であれば平板とみなすことができる。
【００２０】
厚さｄの平行平板試料９による反射テラヘルツパルス光Ｌ５をテラヘルツ時間分解測定により計測すると、図３の模式図に示すような時系列波形が得られる。図４は、そのときの反射の形態を模式的に示した図である。
【００２１】
図３に示す時系列波形において最初に観測されるパルスＢ１は、図４の符号Ｂ１で示す反射形態のように試料９の表面で反射されたものである。二番目のパルスＢ２は、図４の符号Ｂ２で示す反射形態のように試料９の裏面で反射されたものである。三番目のパルスＢ３は、図４の符号Ｂ３で示す反射形態のように多重反射を一回含むものである。
【００２２】
そのため、平行平板試料９に入射したテラヘルツパルス光Ｌ４の複素振幅反射率ｒは次式（１）で表される。式（１）の右辺第１項は図３のパルスＢ１に対応しており、第２項はパルスＢ２に対応している。さらに、右辺第３項はパルスＢ３に対応しており、式（１）の右辺第３項以降は多重反射を含むパルスに対応している。
【数１】

【００２３】
式（１）において、ｒ₀は屈折率ｎ₀の媒質から屈折率ｎ₁の試料９に入射する光が試料表面で反射される際の振幅反射率であり、次式（２）で表される。ｒ₁は試料９の内部で反射する光の振幅反射率であり、次式（３）で表される。式（２），（３）からも分かるように、ｒ₀＝−ｒ₁の関係があって、試料表面での反射と試料内部での反射とは位相が反転している。
【数２】
ｒ₀＝（ｎ₀−ｎ₁）／（ｎ₀＋ｎ₁） …（２）
ｒ₁＝（ｎ₁−ｎ₀）／（ｎ₀＋ｎ₁） …（３）
【００２４】
また、ｔ₀は屈折率ｎ₀の媒質から屈折率ｎ₁の試料９に入射する光の振幅透過率で、次式（４）で表される。ｔ₁は屈折率ｎ₁の試料９から屈折率ｎ₀の媒質に出射する光の振幅透過率で、次式（５）で表される。なお、式（１）において、θはθ＝（ω／ｃ）ｎ₁ｄであり、ｃは真空中の光速、ｄは試料９の厚さである。試料９が大気中もしくは真空中に配置されている場合には、ｎ₀＝１とみなして良い。
【数３】
ｔ₀＝２ｎ₀／（ｎ₀＋ｎ₁） …（４）
ｔ₁＝２ｎ₁／（ｎ₀＋ｎ₁） …（５）
【００２５】
上述したようにｒ₀＝−ｒ₁の関係があるので、式（１）は次式（６）のように書き換えることができる。
【数４】

【００２６】
なお、時間分解反射測定方法においては、例えば、テラヘルツ光検出素子１４に入射する反射テラヘルツパルス光Ｌ５が図５（ａ）に示すようなものであった場合、プローブ光として入射させるパルス光Ｌ３の光路長を可動鏡１６を移動して変更し、遅延時間の異なる複数のパルス光Ｌ３をテラヘルツ光検出素子１４に入射させる。その結果、図５（ｂ）に示すような電流信号Im（τ）が得られる。τはパルス光Ｌ３の光路長に対応する遅延時間である。
【００２７】
図６は反射テラヘルツパルス光Ｌ５の検出動作を定性的に説明する図であり、図６（ａ）は図５（ａ）の符号Ａで示す部分の拡大図、図６（ｃ）は図５（ｂ）の符号Ａで示す部分の拡大図である。図６（ｂ）は、プローブ光として遅延時間τ１〜τ５でテラヘルツ光検出素子１４に入射する各パルス光Ｌ３(τ１)〜Ｌ３(τ５)を示したものである。図６（ｂ）に示すようなパルス光Ｌ３(τ１)〜Ｌ３(τ５)をプローブ光としてテラヘルツ光検出素子１４に入射すると、遅延時間τ１〜τ５における電流Imを検出することができる。
【００２８】
例えば、パルス光Ｌ３(τ２)をテラヘルツ光検出素子１４に入射すると、遅延時間τ２における電場振幅Ｅ（τ２）＝Ｅ２に対応する電流Im（τ２）＝Im2が検出される。同様な動作を各遅延時間τ１，τ３，τ４，τ５に関して行うことにより、図６（ａ）に示す電場振幅Ｅ（ｔ）に対応して、図６（ｃ）のような電流Im（τ）を検出することができる。
【００２９】
図７は検出手順の概要を示すフローチャートである。ステップＳ１では、図６（ｂ）に示したような遅延時間τｉ（ｉ＝１，２，３，…，ｎ）を設定する際の添字ｉの値を、初期値ｉ＝０に設定する。ステップＳ２では、ｉの値をｉ＋１で置き換えて１だけ増加する。ステップＳ３では、可動鏡１６の位置を制御してプローブ光Ｌ３の遅延時間をτｉに設定する。図７のＳ１→Ｓ２→Ｓ３の順に処理がされて初めてステップＳ３の処理が行われたときには、ｉ＝１なので遅延時間はτ１に設定される。
【００３０】
ステップＳ４では、テラヘルツ光発生素子４にレーザパルス光を照射してテラヘルツパルス光Ｌ４を発生させる。ステップＳ５では、ステップＳ３で設定された遅延時間τｉでパルス光Ｌ３をテラヘルツ光検出素子１４に照射し、反射テラヘルツパルス光Ｌ５を検出する（図６参照）。ステップＳ６では、遅延時間τｉに関する検出結果、すなわち、図６（ｃ）のＩｍｉを読み込む。
【００３１】
ステップＳ７では、ｉがｎとなったか否か、すなわち、遅延時間τｉで検出する反射テラヘルツパルス光Ｌ５のサンプリング数が所定数ｎとなったか否かを判定する。ステップＳ７でｙｅｓと判定されるとステップＳ８へ進み、ｎｏと判定されるとステップＳ２へ戻る。このように遅延時間を順に変えて検出することにより図３のような時系列波形をデジタル値として取得することができる。ステップＳ８では、取得された時系列データ（時系列波形）に基づいて、図３のパルスＢ１，Ｂ２，Ｂ３，…を抽出する。ステップＳ９では、抽出したパルスＢ１を参照信号とし、その他のパルスＢ２，Ｂ３，…を試料信号とすることにより、各種特性値を演算する。
【００３２】
このように、本実施の形態における解析手法の特徴は、図３の一番目のパルスＢ１を、すなわち試料表面で反射されたパルスＢ１を参照信号として用い、それ以降のパルスＢ２，Ｂ３，…を試料信号として用いることにある。
【００３３】
そして、試料表面で反射されたパルスＢ１の時系列波形のフーリエ変換と、それ以降のパルスＢ２，Ｂ３，…のフーリエ変換との比を位相まで含めて計算すれば良い。このようにして算出された物理量に対応する理論式は、式（６）を変形した式（７）のような形に表現される。
【数５】

【００３４】
上述したように、本発明では、試料表面で反射されたパルスＢ１を参照信号として用いているので、従来の反射測定装置のように参照用鏡を用いる必要が無く、参照用鏡の位置ずれによって位相情報が不正確になるというような不都合が生じない。すなわち、位相情報を容易に精度良く測定することが可能となる。
【００３５】
また、試料９を参照用鏡に置き換えるとともに高精度に位置決めして参照信号を計測する必要がないので、測定時間の短縮を図ることができる。さらに、従来の技術で述べた装置のように試料にシリコン板等を密着配置する必要が無く、非接触測定という特徴が損なわれることもない。
【００３６】
なお、上述した試料９内における多重反射とは別に、テラヘルツ光学系に多重反射の原因となる要素を含まないようにしなければならない。このようなテラヘルツパルス光の多重反射があった場合には、図３に示すような試料９で反射された反射テラヘルツパルス光Ｌ５のパルスに、光学系での多重反射によるパルスが重なって分離して解析することができなくなる可能性がある。
【００３７】
例えば、テラヘルツ光発生素子４またはテラヘルツ光検出素子１４に用いられるＧａＡｓ基板内部で多重反射が生じる可能性がある。このような場合には、ＧａＡｓ基板内部の光路長と試料９内部の光路長とが大きく異なるように構成すれば、ＧａＡｓ基板内部の多重反射によるパルスと試料９で反射されたパルスとを分離することができる。
【００３８】
上述した実施の形態では、テラヘルツパルス光を用いた時間分解反射測定装置を例に説明したが、本発明はテラヘルツ帯域以外のパルス光を用いる時間分解反射測定装置にも同様に適用することができる。なお、以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、制御演算処理装置１９は抽出手段および演算手段を構成する。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、参照用鏡等を用いた参照信号を別途測定することなく、位相情報を容易にかつ正確に測定することができる。さらに、測定時間の短縮が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるテラヘルツ時間分解反射測定装置の一実施の形態を示す図であって、装置の概略構成を模式的に示したものである。
【図２】（ａ）はテラヘルツ光発生素子４の斜視図であり、（ｂ）はテラヘルツ光検出素子１４の斜視図である。
【図３】反射テラヘルツパルス光Ｌ５の時系列波形を示す模式図である。
【図４】反射型の場合の反射形態を示す模式図である。
【図５】（ａ）は反射テラヘルツパルス光Ｌ５の電場振幅を示す図であり、（ｂ）はテラヘルツ光検出素子１４で検出される電流値Imを示す図である。
【図６】反射テラヘルツパルス光Ｌ５の検出動作を定性的に説明する図であり、（ａ）は図５（ａ）の符号Ａで示す部分の拡大図、（ｂ）は遅延時間τ１〜τ５におけるパルス光Ｌ３(τ１)〜Ｌ３(τ５）を示す図、（ｃ）は図５（ｂ）の符号Ａで示す部分の拡大図である。
【図７】検出手順の概要を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１フェムト秒パルス光源
２，３，８，１０，１５，１７平面鏡
４テラヘルツ光発生素子
５，１３シリコン半球レンズ
６，７，１１，１２軸外し放物面鏡
９，２０試料
１４テラヘルツ光検出素子
１６可動鏡
１８駆動装置
１９制御演算処理装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a time-resolved reflection measurement method and a terahertz time-resolved reflection measurement device for measuring by detecting pulsed light reflected by a sample.
[0002]
[Prior art]
In recent years, spectroscopic measurement and imaging technology using terahertz pulsed light have attracted attention, and a technique called terahertz time-resolved measurement is used for such measurement. In the terahertz time-resolved measurement, a sample is irradiated with terahertz pulsed light, and a transmission time-series waveform from the sample is measured in the case of a transmission type, and a reflection time-series waveform from a sample is measured in the case of a reflection type. That is, the time change of the electric field intensity of the transmitted or reflected pulse light is measured, and the amplitude intensity and phase information of the electric field for each wavelength are obtained by Fourier transform.
[0003]
Usually, in order to obtain information on samples, a time-series waveform for reference is necessary in addition to the time-series waveforms from these samples. In the case of the transmission type, a waveform detected when the sample is removed is used as the reference waveform. In the case of the reflection type, a mirror whose reflectance is regarded as 100% is provided instead of the sample. The waveform detected at that time is used. Then, the reference waveform is also subjected to Fourier transform to obtain amplitude intensity and phase information of the electric field for each wavelength. The transmittance or reflectance of the sample is determined from the ratio of the amplitude intensity of the waveform to the sample and the amplitude intensity of the reference waveform, and the phase difference can be determined from the phase of the sample and the phase of the reference waveform.
[0004]
As described above, in the terahertz time-resolved measurement, not only the transmittance and the reflectance but also the phase information of the detected light can be obtained. The effect is remarkable, for example, when obtaining the complex refractive index of the sample. The complex refractive index composed of a real part and an imaginary part plays an important role in examining the properties of a sample. However, when the phase cannot be measured, the complex refractive index cannot be obtained only from the transmittance or the reflectance.
[0005]
In the case of the transmission type, the sample position does not affect the phase. However, in the case of the reflection type, since the position of the sample affects the phase, it is necessary to arrange the sample and the reference mirror at the same position in order to use the phase information. The accuracy required at this time is about several μm at 1 THz, and higher position accuracy is required as the frequency increases.
[0006]
Thus, the positioning of the reference mirror needs to be performed with high accuracy, but generally it is difficult. In order to obtain phase information without requiring high-precision positioning, for example, a silicon plate whose physical properties are known is closely attached to the front surface of the sample (the surface on the terahertz pulse light incident side), A method of correcting a sample position so that a reflection spectrum matches a calculation result is known (for example, see Non-Patent Document 1).
[0007]
[Non-patent document 1]
Nashima, 3 others, Applied Physics Letters, (USA), December 10, 2001, Vol. 79, No. 24, p. 3923-3925
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the method in which the silicon plate is brought into close contact with the sample in this way cannot be used for any sample. In addition, since the method is a method in which a silicon plate is adhered, there is a problem that the advantage of “non-contact measurement” which is one of the features of the terahertz time-resolved measurement is impaired.
[0009]
The present invention provides a time-resolved reflection measurement method and a terahertz time-resolved reflection measurement device that can easily obtain accurate phase information.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is applied to a time-resolved reflection measurement method of irradiating a parallel plate sample with pulsed light, detecting the time-series waveform of reflected light from the sample and measuring the characteristics of the sample, and includes the time-series waveform of the reflected light. Measuring a characteristic of the sample based on the reference signal and the sample signal, using a reflected pulse light at the sample incident surface to be used as a reference signal, a difference signal obtained by removing the reflected pulse light from a time-series waveform of the reflected light as a sample signal. It is characterized by.
Note that the pulse light applied to the sample may be terahertz pulse light in a terahertz band.
The time-series waveform of the reflected light can be obtained by repeatedly irradiating the sample with the pulsed light and detecting the reflected light from the sample with a plurality of delay times synchronized with the pulsed light.
The present invention is applied to a terahertz time-resolved reflection measuring device that irradiates a terahertz pulse light in a terahertz band to a parallel plate sample, detects a time-series waveform of the reflected light reflected by the sample, and measures the characteristics of the sample. Extraction means for extracting the reflected pulse light at the sample incident surface from the time-series waveform of light, and calculation means for calculating a difference signal obtained by removing the reflected pulse light from the time-series waveform of the reflected light, the extraction means The characteristics of the sample are measured by using the extracted reflected pulse light as a reference signal and using the difference signal as a sample signal.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a view showing one embodiment of a terahertz time-resolved reflection measuring apparatus according to the present invention, and schematically shows a schematic configuration of the apparatus. In the apparatus according to the present embodiment, the femtosecond pulse light L1 emitted from the femtosecond pulse light source 1 is split by the beam splitter 2 into two pulse lights L2 and L3. The pulse light L2 is used as pump light (pulse excitation light) for generating terahertz pulse light, and the pulse light L3 is used as probe light for detecting terahertz pulse light.
[0012]
In the present embodiment, the femtosecond pulse light source 1 is composed of a laser light source or the like. For example, the femtosecond pulse light L1 has a center wavelength of about 780 to 800 nm in the near infrared region and a pulse width of about 10 to 150 fs. Pulse light is repeatedly generated at a predetermined cycle.
[0013]
One pulse light L2 split by the beam splitter 2 is reflected by the plane mirror 3 and is incident on the terahertz light generating element 4 as pump light. FIG. 2A is a view showing an example of the terahertz light generating element 4, in which a low-temperature grown GaAs photoconductive thin film is formed on a semi-insulating GaAs substrate, and a small dipole antenna having a gap G is formed on the photoconductive thin film. This is one in which a pair of parallel transmission lines 41 is formed. When the bias voltage Vb is applied between the pair of parallel transmission lines 41 and the gap portion is irradiated with the femtosecond pulse light L2, the terahertz pulse light L4 is generated.
[0014]
The terahertz pulse light L4 generated by the terahertz light generating element 4 enters the off-axis parabolic mirror 6 via the silicon hemispherical lens 5. The terahertz pulse light L4 is reflected by the parabolic mirrors 6 and 7 and the plane mirror 8 in this order, and is collected on the sample 9. Then, the reflected terahertz pulse light L5 reflected by the sample 9 is reflected by the plane mirror 10 and the parabolic mirrors 11 and 12 in this order, and is condensed on the terahertz light detecting element 14 via the silicon hemispherical lens 13.
[0015]
On the other hand, the other pulse light L3 split by the beam splitter 2 is sequentially reflected by the plane mirror 15, the movable mirror 16, and the plane mirror 17, and guided to the terahertz light detection element 14 as probe light. The movable mirror 16 is composed of a plurality of plane mirrors, and the optical path length of the pulse light L3 can be changed by moving the movable mirror 16 by the driving device 18. The driving device 18 is controlled by a control arithmetic processing device 19. The control arithmetic processing unit 19 performs control of the pulse light source 1, the terahertz light generation element 4 and the terahertz light detection element 14, and various arithmetic processing based on the detection signal, in addition to the control of the drive unit 18.
[0016]
FIG. 2B is a diagram illustrating an example of the terahertz light detecting element 14, which is similar to the terahertz light generating element 4. The reflected terahertz pulse L5 from the sample 9 enters the terahertz light detection element 14 via the silicon hemispherical lens 13. When the pulsed light L3 is irradiated between the gaps of the dipole antenna in synchronization with the incidence of the reflected terahertz pulse light L5, a current Im proportional to the electric field amplitude of the reflected terahertz pulse L5 incident upon irradiation is as shown in FIG. Flows. By detecting the current Im, the electric field amplitude of the reflected terahertz pulse light L5 can be measured. The silicon

hemispherical lenses

5, 13 are provided in close contact with the

elements

4, 14, respectively, so that the effects of multiple reflection described later do not occur.
[0017]
《Explanation of analysis method of reflected terahertz pulse light》
In the case of a transmission type device, the optical path length does not change even if the position of the sample is shifted in the optical axis direction, so that the position shift does not affect the phase information. On the other hand, in the case of a reflection-type device, a signal Im obtained by arranging the sample 9 as shown in FIG. 1 and a reference signal obtained by replacing the sample 9 with a reference mirror are subjected to Fourier transform, respectively. Is used to obtain reflectance spectrum and phase information.
[0018]
However, if the sample 9 and the reference mirror are arranged at different positions during the measurement, the optical path length changes due to this. That is, the position of the reference signal is shifted on the time axis, and this effect appears as a phase shift when Fourier transform is performed. Therefore, in the present embodiment, measurement is performed without using the reference mirror to prevent such a phase shift from occurring.
[0019]
When measuring the reflected terahertz pulse light L5, the reflected terahertz pulse light L5 includes not only light reflected on the front surface (or the incident surface) of the parallel plate sample 9 but also light reflected on the back surface of the sample 9. And light that is multiple-reflected inside the sample 9. Note that the parallel plate sample indicates that the terahertz pulse light L4 is specularly reflected on both surfaces of the sample 9. Even if the sample 9 has irregularities, it may be regarded as a flat plate if it is sufficiently smaller than the wavelength of the terahertz pulsed light L4. For example, the wavelength of the terahertz light is 300 μm at 1 THz, which is much longer than visible light, so that irregularities of about 1 μm can be regarded as a flat plate.
[0020]
When the reflected terahertz pulse light L5 from the parallel plate sample 9 having a thickness d is measured by terahertz time-resolved measurement, a time-series waveform as shown in the schematic diagram of FIG. 3 is obtained. FIG. 4 is a diagram schematically showing the form of reflection at that time.
[0021]
The pulse B1 first observed in the time-series waveform shown in FIG. 3 is reflected on the surface of the sample 9 like the reflection form indicated by reference numeral B1 in FIG. The second pulse B2 is reflected on the back surface of the sample 9 like the reflection form indicated by reference numeral B2 in FIG. The third pulse B3 includes multiple reflections once, as in the reflection form indicated by reference numeral B3 in FIG.
[0022]
Therefore, the complex amplitude reflectance r of the terahertz pulse light L4 incident on the parallel plate sample 9 is represented by the following equation (1). The first term on the right side of the equation (1) corresponds to the pulse B1 in FIG. 3, and the second term corresponds to the pulse B2. Further, the third term on the right side corresponds to the pulse B3, and the third and subsequent terms on the right side of the equation (1) correspond to a pulse including multiple reflection.
(Equation 1)

[0023]
In the equation (1), r ₀ is an amplitude reflectance when light incident on the sample 9 having the refractive index n ₁ from the medium having the refractive index n ₀ is reflected on the sample surface, and is represented by the following equation (2). You. r ₁ is the amplitude reflectance of the light reflected inside the sample 9 and is represented by the following equation (3). As can be seen from Equations (2) and (3), there is a relationship of r ₀ = −r ₁ , and the phase of the reflection on the sample surface and the phase of the reflection inside the sample are inverted.
(Equation 2)
r ₀ = (n ₀ −n ₁ ) / (n ₀ + n ₁ ) (2)
r ₁ = (n ₁ −n ₀ ) / (n ₀ + n ₁ ) (3)
[0024]
Further, t ₀ is the amplitude transmittance of light incident on the sample 9 having the refractive index n ₁ from the medium having the refractive index n ₀ and is represented by the following equation (4). t ₁ is the amplitude transmittance of light emitted from the sample 9 having the refractive index n ₁ to the medium having the refractive index n ₀ and is represented by the following equation (5). In Expression (1), θ is θ = (ω / c) n ₁ d, c is the speed of light in a vacuum, and d is the thickness of the sample 9. When the sample 9 is placed in the air or in a vacuum, it may be considered that n ₀ = 1.
[Equation 3]
t ₀ = 2n ₀ / (n ₀ + n ₁ ) (4)
t ₁ = 2n ₁ / (n ₀ + n ₁ ) (5)
[0025]
Since there is a relationship of r ₀ = −r ₁ as described above, the equation (1) can be rewritten as the following equation (6).
(Equation 4)

[0026]
In the time-resolved reflection measurement method, for example, when the reflected terahertz pulse light L5 incident on the terahertz light detection element 14 is as shown in FIG. The optical path length is changed by moving the movable mirror 16, and a plurality of pulsed lights L 3 having different delay times are incident on the terahertz light detection element 14. As a result, a current signal Im (τ) as shown in FIG. 5B is obtained. τ is a delay time corresponding to the optical path length of the pulse light L3.
[0027]
6A and 6B are diagrams for qualitatively explaining the detection operation of the reflected terahertz pulse light L5. FIG. 6A is an enlarged view of a portion indicated by a symbol A in FIG. 5A, and FIG. It is an enlarged view of the part shown with the code | symbol A of (b). FIG. 6B shows pulsed light beams L3 (τ1) to L3 (τ5) incident on the terahertz light detection element 14 with delay times τ1 to τ5 as probe light. When pulse light L3 (τ1) to L3 (τ5) as shown in FIG. 6B is incident on the terahertz light detection element 14 as probe light, the current Im at the delay times τ1 to τ5 can be detected.
[0028]
For example, when the pulse light L3 (τ2) is incident on the terahertz light detection element 14, a current Im (τ2) = Im2 corresponding to the electric field amplitude E (τ2) = E2 at the delay time τ2 is detected. By performing the same operation for each of the delay times τ1, τ3, τ4, and τ5, the current Im (τ) as shown in FIG. 6C corresponding to the electric field amplitude E (t) shown in FIG. Can be detected.
[0029]
FIG. 7 is a flowchart showing an outline of the detection procedure. In step S1, the value of the subscript i when setting the delay time τi (i = 1, 2, 3,..., N) as shown in FIG. 6B is set to the initial value i = 0. In step S2, the value of i is replaced with i + 1 and increased by one. In step S3, the position of the movable mirror 16 is controlled to set the delay time of the probe light L3 to τi. When the processing in step S3 is performed for the first time after the processing in the order of S1 → S2 → S3 in FIG. 7, i = 1, so the delay time is set to τ1.
[0030]
In step S4, the terahertz light generating element 4 is irradiated with laser pulse light to generate terahertz pulse light L4. In step S5, the pulse light L3 is irradiated on the terahertz light detection element 14 with the delay time τi set in step S3, and the reflected terahertz pulse light L5 is detected (see FIG. 6). In step S6, the detection result regarding the delay time τi, that is, Imi in FIG. 6C is read.
[0031]
In step S7, it is determined whether or not i has become n, that is, whether or not the number of samples of the reflected terahertz pulse light L5 detected at the delay time τi has reached a predetermined number n. If “yes” is determined in step S7, the process proceeds to step S8, and if “no” is determined, the process returns to step S2. As described above, the time series waveform as shown in FIG. 3 can be obtained as a digital value by sequentially changing the delay time and detecting. In step S8, the pulses B1, B2, B3,... Of FIG. 3 are extracted based on the acquired time-series data (time-series waveform). In step S9, various characteristic values are calculated by using the extracted pulse B1 as a reference signal and the other pulses B2, B3,... As sample signals.
[0032]
As described above, the feature of the analysis method according to the present embodiment is that the first pulse B1 in FIG. 3, that is, the pulse B1 reflected on the sample surface is used as a reference signal, and the subsequent pulses B2, B3,. It is used as a sample signal.
[0033]
Then, the ratio between the Fourier transform of the time-series waveform of the pulse B1 reflected on the sample surface and the Fourier transform of the subsequent pulses B2, B3,... The theoretical expression corresponding to the physical quantity calculated in this manner is expressed in a form like Expression (7) obtained by modifying Expression (6).
(Equation 5)

[0034]
As described above, in the present invention, since the pulse B1 reflected on the sample surface is used as a reference signal, there is no need to use a reference mirror as in a conventional reflection measurement device, and the position of the reference mirror is shifted due to the displacement of the reference mirror. There is no inconvenience such as inaccurate phase information. That is, it is possible to easily and accurately measure the phase information.
[0035]
Further, since it is not necessary to replace the sample 9 with a reference mirror and to measure the reference signal by positioning it with high precision, the measurement time can be reduced. Further, unlike the apparatus described in the related art, there is no need to closely arrange a silicon plate or the like on the sample, and the feature of non-contact measurement is not impaired.
[0036]
Note that, apart from the multiple reflection in the sample 9 described above, the terahertz optical system must not include an element causing multiple reflection. When there is such multiple reflection of the terahertz pulse light, the pulse of the reflected terahertz pulse light L5 reflected by the sample 9 as shown in FIG. Analysis may not be possible.
[0037]
For example, multiple reflection may occur inside the GaAs substrate used for the terahertz light generating element 4 or the terahertz light detecting element 14. In such a case, if the optical path length inside the GaAs substrate and the optical path length inside the sample 9 are greatly different, the pulse due to multiple reflection inside the GaAs substrate and the pulse reflected from the sample 9 are separated. be able to.
[0038]
In the above-described embodiment, the time-resolved reflection measurement device using terahertz pulse light has been described as an example, but the present invention can be similarly applied to a time-resolved reflection measurement device using pulse light outside the terahertz band. . In the correspondence between the embodiment described above and the elements of the claims, the control arithmetic processing unit 19 constitutes an extracting unit and an arithmetic unit. Further, the present invention is not limited to the above-described embodiment at all, as long as the features of the present invention are not impaired.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, phase information can be easily and accurately measured without separately measuring a reference signal using a reference mirror or the like. Further, the measurement time can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing one embodiment of a terahertz time-resolved reflection measuring apparatus according to the present invention, and schematically shows a schematic configuration of the apparatus.
2A is a perspective view of a terahertz light generating element 4 and FIG. 2B is a perspective view of a terahertz light detecting element 14. FIG.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a time-series waveform of reflected terahertz pulse light L5.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a reflection mode in the case of a reflection type.
5A is a diagram illustrating an electric field amplitude of the reflected terahertz pulse light L5, and FIG. 5B is a diagram illustrating a current value Im detected by the terahertz light detection element 14. FIG.
FIGS. 6A and 6B are diagrams qualitatively illustrating a detection operation of the reflected terahertz pulse light L5, where FIG. 6A is an enlarged view of a portion indicated by a symbol A in FIG. 5A and FIG. FIG. 5C is a view showing pulsed light L3 (τ1) to L3 (τ5), and FIG. 5C is an enlarged view of a portion indicated by reference numeral A in FIG.
FIG. 7 is a flowchart showing an outline of a detection procedure.
[Explanation of symbols]
1 Femtosecond pulse

light source

2, 3, 8, 10, 15, 17 Planar mirror 4 Terahertz

light generating element

5, 13 Silicon

hemispheric lens

6, 7, 11, 12 Off-axis parabolic mirror 9, 20 Sample 14 Terahertz light detecting element 16 Movable mirror 18 Drive unit 19 Control arithmetic processing unit

Claims

In a time-resolved reflection measuring method of irradiating a parallel plate sample with pulsed light and detecting a time-series waveform of reflected light from the sample to measure characteristics of the sample,
The reflected pulse light at the sample incident surface included in the time series waveform of the reflected light as a reference signal, a difference signal obtained by removing the reflected pulse light from the time series waveform of the reflected light as a sample signal, the reference signal and A time-resolved reflection measurement method, wherein characteristics of the sample are measured based on the sample signal.

In the time-resolved reflection measurement method according to claim 1,
A time-resolved reflection measurement method, wherein the pulse light applied to the sample is a terahertz pulse light in a terahertz band.

The time-resolved reflection measurement method according to claim 1 or 2,
While repeatedly irradiating the sample with pulsed light, a detecting step of detecting the reflected light from the sample with a plurality of delay times synchronized with the pulsed light and detecting the time-series waveform,
An extraction step of extracting the reference signal and the sample signal from the time-series waveform detected in the detection step.

In a terahertz time-resolved reflection measurement device that irradiates a terahertz pulse light in a terahertz band to a parallel plate sample, detects a time-series waveform of reflected light reflected by the sample, and measures characteristics of the sample,
Extraction means for extracting reflected pulse light at the sample incident surface from the time-series waveform of the reflected light,
Computing means for computing a difference signal obtained by removing the reflected pulse light from the time-series waveform of the reflected light,
A terahertz time-resolved reflection measuring apparatus, wherein the characteristics of the sample are measured by using the reflected pulse light extracted by the extracting means as a reference signal and using the difference signal as a sample signal.