JP2007101370A - Terahertz spectral device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明はテラヘルツ分光装置に関する。 The present invention relates to a terahertz spectrometer.
従来、テラヘルツ波(約0.01THzから100THzまでの範囲の周波数の電磁波)を用いたテラヘルツ分光装置が知られている。 Conventionally, a terahertz spectrometer using a terahertz wave (an electromagnetic wave having a frequency ranging from about 0.01 THz to 100 THz) is known.
このテラヘルツ分光装置はビームスプリッタとディレイステージとテラヘルツ発生器とテラヘルツ検出器とを備えている。 This terahertz spectrometer includes a beam splitter, a delay stage, a terahertz generator, and a terahertz detector.
レーザ光源からのパルス光はビームスプリッタで2つに分岐されて、一方はポンプ光としてテラヘルツ発生器に導かれ、他方はプローブ光としてテラヘルツ検出器に導かれる。テラヘルツ発生器で発生したテラヘルツ波は試料に集光する。試料を透過又は反射したテラヘルツ波はテラヘルツ検出器に入射する。テラヘルツ検出器にテラヘルツ波が入射すると、電場が生じる。このとき、テラヘルツ検出器にプローブ光が入射すると、電場強度に応じた光電流が流れる。これを測定することにより、試料の電気的特性や不純物濃度等を知ることができる。 The pulsed light from the laser light source is split into two by a beam splitter, one is guided to the terahertz generator as pump light, and the other is guided to the terahertz detector as probe light. The terahertz wave generated by the terahertz generator is focused on the sample. The terahertz wave transmitted or reflected from the sample is incident on the terahertz detector. When a terahertz wave is incident on the terahertz detector, an electric field is generated. At this time, when probe light enters the terahertz detector, a photocurrent according to the electric field strength flows. By measuring this, it is possible to know the electrical characteristics and impurity concentration of the sample.
テラヘルツ検出器にテラヘルツ波が入射しているとき、例えばディレイステージの可動鏡を移動させると、プローブ光の光路長が変化し、プローブ光がテラヘルツ検出器へ到達する時間が変化する。したがって、その時間を変化させながらテラヘルツ検出器で検出される光電流を測定することにより、時系列テラヘルツ分光が可能となる。
ところで、テラヘルツ波の測定周波数帯域が5〜10THzのディレイステージには0.1μm以下の位置決め精度が要求される。 By the way, positioning accuracy of 0.1 μm or less is required for a delay stage whose terahertz wave measurement frequency band is 5 to 10 THz.
しかし、この要求を満足するディレイステージを作ることは非常に難しいため、正確なスペクトルを得ることができないという問題があった。 However, since it is very difficult to make a delay stage that satisfies this requirement, there is a problem that an accurate spectrum cannot be obtained.
この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ディレイステージの位置決め精度に拘らず正確なスペクトルを得ることができるテラヘルツ分光装置を提供することである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and is to provide a terahertz spectrometer capable of obtaining an accurate spectrum regardless of the positioning accuracy of the delay stage.
上記問題を解決するためこの発明のテラヘルツ分光装置は、ビームスプリッタで2分割されたパルス光の一方の時間遅延を行うディレイステージと、前記パルス光の照射によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ発生器と、試料で反射され又は試料を透過したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出器と、前記ディレイステージの位置を測定する位置測定手段と、前記位置測定手段から出力された信号に基づいて前記テラヘルツ検出器で検出されたテラヘルツ波に対応する電場強度の時間変化を表す検出信号を補正処理する制御手段とを備えていることを特徴とする。 In order to solve the above problem, a terahertz spectrometer according to the present invention includes a delay stage that delays one time of pulse light divided into two by a beam splitter, a terahertz generator that generates a terahertz wave by irradiation with the pulse light, A terahertz detector that detects a terahertz wave reflected from or transmitted through the sample, a position measuring unit that measures the position of the delay stage, and a detection performed by the terahertz detector based on a signal output from the position measuring unit And a control means for correcting a detection signal representing a time change in electric field intensity corresponding to the terahertz wave.
請求項2記載の発明は、請求項1記載のテラヘルツ分光装置において、前記制御手段は前記電場強度の時間変化を補正処理後にフーリエ変換を行なってスペクトルを得ることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the terahertz spectrometer according to the first aspect, the control means performs a Fourier transform after correcting the time change of the electric field intensity to obtain a spectrum.
請求項3記載の発明は、請求項1記載のテラヘルツ分光装置において、前記制御手段は所定のアルゴリズムを用いて前記検出信号のスペクトル解析を行なうのと同時に前記補正処理を行なうことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the terahertz spectrometer according to the first aspect, the control means performs the correction process simultaneously with performing spectral analysis of the detection signal using a predetermined algorithm.
この発明によれば、ディレイステージの位置決め精度に拘らず正確なスペクトルを得ることができる。 According to the present invention, an accurate spectrum can be obtained regardless of the positioning accuracy of the delay stage.
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1はこの発明の一実施形態に係るテラヘルツ分光装置の一部分を示すブロック図、図2はこの発明の一実施形態に係るテラヘルツ分光装置の全体を示す概念図、図3は振幅強度スペクトルを示す図である。図3において、縦軸及び横軸はそれぞれ電場強度及び周波数(THz)を示す。 FIG. 1 is a block diagram showing a part of a terahertz spectrometer according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a conceptual diagram showing the entire terahertz spectrometer according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 shows an amplitude intensity spectrum. FIG. In FIG. 3, the vertical axis and the horizontal axis represent the electric field strength and frequency (THz), respectively.
このテラヘルツ分光装置は、ビームスプリッタ2と、ディレイステージ8と、テラヘルツ発生器3と、テラヘルツ検出器7と、第1のテラヘルツ光学系4と、第2のテラヘルツ光学系6と、ステージ位置測定器(位置測定手段)9と、コンピュータ(制御手段)10とを備えている。
The terahertz spectrometer includes a
ビームスプリッタ2はレーザ光源1からのパルス光P1をポンプ光P2とプローブ光P3とに分割する。レーザ光源1としては、例えば、フェムト秒パルスレーザが用いられる。
The
ディレイステージ8はビームスプリッタ2で分割されたプローブ光P3の時間遅延を行う。ディレイステージ8は移動可能な可動鏡8aと固定された平面反射鏡8b,8cとを組み合わせてなる。可動鏡8aは図2の矢印に示すように移動してプローブ光P3の光路長を変化させる。
The
テラヘルツ発生器3はポンプ光P2の照射によってテラヘルツ波を発生させる。テラヘルツ発生器3としては、半絶縁性GaAs等で形成された半導体基板上にアンテナ形状をもつ2つの電極を付け、それらの電極間にバイアス電圧を印加した光伝導アンテナと呼ばれるものやZnTe等の非線形光学結晶が使用される。
The
テラヘルツ検出器7は試料5を透過したテラヘルツ波を検出する。テラヘルツ検出器7としては、テラヘルツ発生器3と同様の光伝導アンテナやZnTe等の電気光学結晶が使用される。
The
第1のテラヘルツ光学系4はテラヘルツ波を収束して試料5に導く。第1のテラヘルツ光学系4は例えば楕円面鏡である。
The first terahertz
第2のテラヘルツ光学系6は試料5を透過したテラヘルツ波をテラヘルツ検出器7に導く。第2のテラヘルツ光学系6は例えば楕円面鏡である。
The second terahertz
ステージ位置測定器9はディレイステージ8の位置を測定する。ステージ位置測定器9としては例えばリニアエンコーダ(分解能:数nm〜数十nm程度)が用いられる。
The stage
コンピュータ10はステージ位置測定器9からのパルス信号9aに基づいてテラヘルツ検出器7で検出された検出信号7aを処理する。また、コンピュータ10はステージ位置測定器9から出力されるパルス信号9aを入力してディレイステージ8の移動を制御する信号10aを出力してディレイステージ8の位置を制御する閉ループ制御を実行する。
The
レーザ光源1から放射されたパルス光P1は平面反射鏡M1を経てビームスプリッタ2で2つのパルス光に分割される。パルス光P1は、中心波長が近赤外領域のうちの780〜800nm程度、繰り返し周期が数kHz〜100MHz程度、パルス幅が10〜150fs程度の直線偏光のパルス光である。
The pulsed light P1 emitted from the
ビームスプリッタ2で分割された一方のパルス光は、テラヘルツ発生器3を励起してテラヘルツ波を発生させるためのポンプ光P2となる。このポンプ光P2は平面反射鏡M2を経てテラヘルツ発生器3へ導かれる。テラヘルツ発生器3に100フェムト秒程度のパルス光が照射されるとテラヘルツ発生器3からテラヘルツ領域の周波数を持ったテラヘルツ波P4がレーザ光源1から放射されたパルス光P1と同じ繰り返し周期で放射される。
One pulsed light split by the
テラヘルツ波P4は約0.01×1012から100×1012ヘルツまでの周波数領域の電磁波である。このテラヘルツ波P4は第1のテラヘルツ光学系4を経て試料5に集光する。
The terahertz wave P4 is an electromagnetic wave in a frequency range from about 0.01 × 10 12 to 100 × 10 12 hertz. The terahertz wave P4 is condensed on the
試料5を透過したテラヘルツ波P5は第2のテラヘルツ光学系6を経てテラヘルツ検出器7に入射する。テラヘルツ検出器7にテラヘルツ波P5が入射すると、電場が生じる。このとき、テラヘルツ検出器7にプローブ光P3を照射すると、電場強度に応じた検出信号7aが出力される。プローブ光P3は以下のようにしてテラヘルツ検出器7に入射する。
The terahertz wave P <b> 5 that has passed through the
ビームスプリッタ2で分割された他方のパルス光は、テラヘルツ波P5を検出するためのプローブ光P3となる。プローブ光P3はディレイステージ8、平面反射鏡M3、平面反射鏡M4を経てテラヘルツ検出器7に入射する。ディレイステージ8の可動鏡8aが図2の矢印のように移動すると、プローブ光P3の光路長が変化する。ディレイステージ8はコンピュータ10からの信号10aによって所定方向へ例えば12μmずつ移動する。この結果、プローブ光P3がテラヘルツ検出器7へ到達する時間が変化する。例えばプローブ光P3の光路長を3mm変化させることは遅延時間を10ピコ秒変化させることに相当する。
The other pulse light split by the
コンピュータ10は、ディレイステージ8が移動する毎に、テラヘルツ検出器7にプローブ光P3が照射された瞬間に入射したテラヘルツ波の電場強度に対応する検出信号7aを入力するとともに、ステージ位置測定器9から出力されたディレイステージ8の位置に対応するパルス信号9aを入力する。コンピュータ10はこのディレイステージ8の移動を指示する信号の出力とパルス信号9aの入力とを例えば128回繰り返す。
Each time the
ディレイステージ8が目標とする位置に達したことを表すパルス信号9aがステージ位置測定器9からコンピュータ10に入力されたとき、コンピュータ10はディレイステージ8の移動を停止させる信号を出力する。しかし、実際にはディレイステージ8は目標とする位置の前後で停止することがあり、ディレイステージ8の位置決め精度程度には誤差がある。
When the
上述したように、ステージ位置測定器9は数nm〜数十nm程度の分解能を有するので、ステージ位置測定器9により実際にテラヘルツ波の電場強度を取得したときの時間遅延量が検出され、正確なテラヘルツ波の電場強度の時間波形(時間変化のデータ)を得ることができる。
As described above, since the stage
コンピュータ10はこの正確に得られた時間波形を補間法等を用いて等時間間隔の時間波形に変換(補正)し、その結果をフーリエ変換してスペクトル(周波数(テラヘルツ)に対する振幅強度、位相差))を得る。
The
ステージ位置測定器9で検出されるディレイステージ8の停止位置をP1,P2,P3…Pm…Pnとした場合、理想的には、各位置P1,P2,P3…Pm…Pnに対する電場強度E1,E2,E3…Em…Enがテラヘルツ検出器7で取得されるべきである。しかし、ディレイステージ8の位置決め精度不足によりディレイステージ8の停止位置P1,P2,P3…Pm…Pnを検出できず、実際には、ディレイステージ8の停止位置P1’,P2’,P3’…Pm’…Pn’がステージ位置測定器9で検出され、その各位置に対する電場強度E1’,E2’,E3’…Em’…En’がテラヘルツ検出器7で取得される。時間波形を補正するため、数1又は数2を用いてEm’からEmが求められる。
When the stop position of the
Pm<Pm’の場合
上記数式等による時間補正後にフーリエ変換を行なうと、ノイズが軽減され、S/N(シグナル/ノイズ)比の高い振幅強度スペクトルが得られる(図3の波形b参照)。 When Fourier transform is performed after time correction by the above formula or the like, noise is reduced and an amplitude intensity spectrum having a high S / N (signal / noise) ratio is obtained (see waveform b in FIG. 3).
なお、振幅強度から試料5の透過率がわかり、位相差から試料5の屈折率がわかる。得られた時間波形やスペクトルは図示しない液晶ディスプレイやCRT等の表示部に表示される。
Note that the transmittance of the
また、別の補正方法として、フーリエ変換を行なわないで、所定のアルゴリズムで等時間間隔でない時間波形からスペクトルを得るようにしてもよい。このとき、時間領域から周波数領域への変換と補正処理とを同時に行なう。 As another correction method, a spectrum may be obtained from a time waveform that is not at equal time intervals by a predetermined algorithm without performing Fourier transform. At this time, conversion from the time domain to the frequency domain and correction processing are performed simultaneously.
この実施形態によれば、ディレイステージの位置を正確に求めることができるので、ディレイステージの位置決め精度に拘らず正確なスペクトルを得ることができる。その結果、スペクトルの信頼性を高めることができる。 According to this embodiment, since the position of the delay stage can be accurately obtained, an accurate spectrum can be obtained regardless of the positioning accuracy of the delay stage. As a result, the reliability of the spectrum can be improved.
なお、上記実施形態では透過型測定光学系を用いた場合を説明したが、透過型測定光学系に代えて反射型測定光学系を用いてもよい。 In addition, although the case where the transmission type measurement optical system is used has been described in the above embodiment, a reflection type measurement optical system may be used instead of the transmission type measurement optical system.
1:レーザ光源、2:ビームスプリッタ、3:テラヘルツ発生器、5:試料、7:テラヘルツ検出器、8:ディレイステージ、9:ステージ位置測定器(位置測定手段)、10:コンピュータ(制御手段)。 1: laser light source, 2: beam splitter, 3: terahertz generator, 5: sample, 7: terahertz detector, 8: delay stage, 9: stage position measuring device (position measuring means), 10: computer (control means) .
Claims (3)
前記パルス光の照射によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ発生器と、
試料で反射され又は試料を透過したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出器と、
前記ディレイステージの位置を測定する位置測定手段と、
前記位置測定手段から出力された信号に基づいて前記テラヘルツ検出器で検出されたテラヘルツ波に対応する電場強度の時間変化を表す検出信号を補正処理する制御手段と
を備えていることを特徴とするテラヘルツ分光装置。 A delay stage for delaying one time of the pulsed light divided into two by the beam splitter;
A terahertz generator that generates a terahertz wave by irradiation with the pulsed light;
A terahertz detector that detects a terahertz wave reflected by the sample or transmitted through the sample;
Position measuring means for measuring the position of the delay stage;
Control means for correcting a detection signal representing a temporal change in electric field intensity corresponding to the terahertz wave detected by the terahertz detector based on a signal output from the position measuring means. Terahertz spectrometer.
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