JP2003083888A - テラヘルツ電磁波時間分解分光装置 - Google Patents
テラヘルツ電磁波時間分解分光装置Info
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- JP2003083888A JP2003083888A JP2001274318A JP2001274318A JP2003083888A JP 2003083888 A JP2003083888 A JP 2003083888A JP 2001274318 A JP2001274318 A JP 2001274318A JP 2001274318 A JP2001274318 A JP 2001274318A JP 2003083888 A JP2003083888 A JP 2003083888A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 測定試料に照射される、または測定試料から
出射するパルス状テラヘルツ（ＴＨｚ）電磁波を増幅し
て、信号対雑音比を改善し、従来では不可能であった飽
和分光の時間分解測定を実現できるＴＨｚ電磁波時間分
解分光装置を提供する。 【解決手段】 パルスレーザ光源と、その光の分岐手段
と、分岐されたいずれかの光路の光を遅延させる手段
と、分岐あるいは遅延された第１の光路のパルスレーザ
光に同期してパルス状のＴＨｚ電磁波を発生する発生手
段と、発生したパルス状ＴＨｚ電磁波を増幅する増幅手
段と、該パルス状ＴＨｚ電磁波に同期して前記増幅手段
の増幅度を変化させる増幅度制御手段と、増幅されたパ
ルス状ＴＨｚ電磁波を測定試料に入射する構成と、分岐
あるいは遅延された第２の光路の光と上記の測定試料か
ら出射した光とを合波する合波手段と、この光を電気信
号に変換する変換手段とを有する構成とする。
出射するパルス状テラヘルツ（ＴＨｚ）電磁波を増幅し
て、信号対雑音比を改善し、従来では不可能であった飽
和分光の時間分解測定を実現できるＴＨｚ電磁波時間分
解分光装置を提供する。 【解決手段】 パルスレーザ光源と、その光の分岐手段
と、分岐されたいずれかの光路の光を遅延させる手段
と、分岐あるいは遅延された第１の光路のパルスレーザ
光に同期してパルス状のＴＨｚ電磁波を発生する発生手
段と、発生したパルス状ＴＨｚ電磁波を増幅する増幅手
段と、該パルス状ＴＨｚ電磁波に同期して前記増幅手段
の増幅度を変化させる増幅度制御手段と、増幅されたパ
ルス状ＴＨｚ電磁波を測定試料に入射する構成と、分岐
あるいは遅延された第２の光路の光と上記の測定試料か
ら出射した光とを合波する合波手段と、この光を電気信
号に変換する変換手段とを有する構成とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、テラヘルツ（ＴＨ
ｚ）電磁波を増幅して測定試料に照射することができ、
あるいは、測定試料を透過や反射したテラヘルツ電磁波
を増幅して検出器に入力することができるテラヘルツ電
磁波時間分解分光装置に関するものである。
ｚ）電磁波を増幅して測定試料に照射することができ、
あるいは、測定試料を透過や反射したテラヘルツ電磁波
を増幅して検出器に入力することができるテラヘルツ電
磁波時間分解分光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の代表的なテラヘルツ電磁波時間分
解分光装置は、図６に示す様に、パルスレーザ光を発生
するパルスレーザ光源１と、発振したパルスレーザ光を
分岐する分岐手段２と、分岐したパルスレーザ光の一方
を用いてパルス状のテラヘルツ電磁波を発生するテラヘ
ルツ電磁波発生手段４と、パルス状テラヘルツ電磁波を
測定試料に入射する構成と、分岐手段２で分岐された他
方のパルスレーザ光の伝搬距離を変化させ、伝搬時間を
遅延させる遅延手段３と、パルスレーザ光を偏光させる
偏光手段１９と、偏光したパルスレーザ光と測定試料を
通過して来たパルス状テラヘルツ電磁波とを同じ光軸上
に載せる合波手段１０と、合波手段１０からのパルス状
テラヘルツ電磁波と偏光したパルスレーザ光とを電気光
学結晶１２に入射させる構成と、電気光学結晶から出射
したパルスレーザ光を偏光させる偏光手段１３と、偏光
手段１３を通過したパルスレーザ光を電気信号に変換す
る手段１６と、分岐手段２で分岐された光をさらに分岐
する分岐手段１４と、分岐手段１４からの光を電気信号
に変換する変換手段１５と、変換手段１６からの電気信
号と変換手段１６からの電気信号とを演算する信号処理
手段１７とを備えたものである。
解分光装置は、図６に示す様に、パルスレーザ光を発生
するパルスレーザ光源１と、発振したパルスレーザ光を
分岐する分岐手段２と、分岐したパルスレーザ光の一方
を用いてパルス状のテラヘルツ電磁波を発生するテラヘ
ルツ電磁波発生手段４と、パルス状テラヘルツ電磁波を
測定試料に入射する構成と、分岐手段２で分岐された他
方のパルスレーザ光の伝搬距離を変化させ、伝搬時間を
遅延させる遅延手段３と、パルスレーザ光を偏光させる
偏光手段１９と、偏光したパルスレーザ光と測定試料を
通過して来たパルス状テラヘルツ電磁波とを同じ光軸上
に載せる合波手段１０と、合波手段１０からのパルス状
テラヘルツ電磁波と偏光したパルスレーザ光とを電気光
学結晶１２に入射させる構成と、電気光学結晶から出射
したパルスレーザ光を偏光させる偏光手段１３と、偏光
手段１３を通過したパルスレーザ光を電気信号に変換す
る手段１６と、分岐手段２で分岐された光をさらに分岐
する分岐手段１４と、分岐手段１４からの光を電気信号
に変換する変換手段１５と、変換手段１６からの電気信
号と変換手段１６からの電気信号とを演算する信号処理
手段１７とを備えたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来のテラヘルツ電磁
波時間分解分光装置では、発生できるパルス状テラヘル
ツ電磁波が数十マイクロワット以下と小さいため、被測
定対物は、比較的テラヘルツ電磁波を透過させ易いプラ
スティックや半導体物質に限られていた。
波時間分解分光装置では、発生できるパルス状テラヘル
ツ電磁波が数十マイクロワット以下と小さいため、被測
定対物は、比較的テラヘルツ電磁波を透過させ易いプラ
スティックや半導体物質に限られていた。
【０００４】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
測定試料に照射されるパルス状テラヘルツ電磁波の電力
を最大で数ワット程度まで増幅すること、または測定試
料を透過または反射したパルス状テラヘルツ電磁波を増
幅することにより、従来のテラヘルツ電磁波時間分解分
光装置より優れた信号対雑音比を達成して、測定時間の
短縮を図り、あるいは、測定試料のサイズについての従
来の方法での制限を緩和し、あるいは、従来のテラヘル
ツ電磁波時間分解分光装置では不可能であったテラヘル
ツ電磁波による飽和分光の時間分解測定を実現すること
のできるテラヘルツ電磁波時間分解分光装置を提供する
ことを目的とする。
測定試料に照射されるパルス状テラヘルツ電磁波の電力
を最大で数ワット程度まで増幅すること、または測定試
料を透過または反射したパルス状テラヘルツ電磁波を増
幅することにより、従来のテラヘルツ電磁波時間分解分
光装置より優れた信号対雑音比を達成して、測定時間の
短縮を図り、あるいは、測定試料のサイズについての従
来の方法での制限を緩和し、あるいは、従来のテラヘル
ツ電磁波時間分解分光装置では不可能であったテラヘル
ツ電磁波による飽和分光の時間分解測定を実現すること
のできるテラヘルツ電磁波時間分解分光装置を提供する
ことを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明における第１の発明は、パルスレーザ光源
と、該光源からの光を複数の光路に分岐する分岐手段
と、分岐されたいずれかの光路の光を遅延させる手段
と、分岐されたあるいはさらに遅延された第１の光路の
パルスレーザ光に同期してパルス状のテラヘルツ電磁波
を発生する発生手段と、発生したパルス状テラヘルツ電
磁波を増幅する増幅手段と、該パルス状テラヘルツ電磁
波に同期して、前記増幅手段の増幅度を変化させる増幅
度制御手段と、増幅されたパルス状テラヘルツ電磁波を
測定試料に入射する構成と、分岐されたあるいはさらに
遅延された第２の光路の光と上記の測定試料から出射し
た光とを合波する合波手段と、この合波された光を電気
信号に変換する変換手段と、を、有することを特徴とし
ている。
に、本発明における第１の発明は、パルスレーザ光源
と、該光源からの光を複数の光路に分岐する分岐手段
と、分岐されたいずれかの光路の光を遅延させる手段
と、分岐されたあるいはさらに遅延された第１の光路の
パルスレーザ光に同期してパルス状のテラヘルツ電磁波
を発生する発生手段と、発生したパルス状テラヘルツ電
磁波を増幅する増幅手段と、該パルス状テラヘルツ電磁
波に同期して、前記増幅手段の増幅度を変化させる増幅
度制御手段と、増幅されたパルス状テラヘルツ電磁波を
測定試料に入射する構成と、分岐されたあるいはさらに
遅延された第２の光路の光と上記の測定試料から出射し
た光とを合波する合波手段と、この合波された光を電気
信号に変換する変換手段と、を、有することを特徴とし
ている。
【０００６】また、本発明における第２の発明は、パル
ス状テラヘルツ電磁波の増幅装置を測定試料の後に備え
るものであり、パルスレーザ光源と、該光源からの光を
複数の光路に分岐する分岐手段と、分岐されたいずれか
の光路の光を遅延させる手段と、分岐されたあるいはさ
らに遅延された第１の光路のパルスレーザ光に同期して
パルス状のテラヘルツ電磁波を発生する発生手段と、発
生されたパルス状テラヘルツ電磁波を測定試料に入射す
る構成と、測定試料から出射したパルス状テラヘルツ電
磁波を増幅する増幅手段と、上記の測定試料から出射し
たパルス状テラヘルツ電磁波に同期して前記増幅手段の
増幅度を変化させる増幅度制御手段と、分岐されたある
いはさらに遅延された第２の光路の光と上記の測定試料
から出射した光とを合波する合波手段と、この合波され
た光を電気信号に変換する変換手段と、を、有すること
を特徴としている。
ス状テラヘルツ電磁波の増幅装置を測定試料の後に備え
るものであり、パルスレーザ光源と、該光源からの光を
複数の光路に分岐する分岐手段と、分岐されたいずれか
の光路の光を遅延させる手段と、分岐されたあるいはさ
らに遅延された第１の光路のパルスレーザ光に同期して
パルス状のテラヘルツ電磁波を発生する発生手段と、発
生されたパルス状テラヘルツ電磁波を測定試料に入射す
る構成と、測定試料から出射したパルス状テラヘルツ電
磁波を増幅する増幅手段と、上記の測定試料から出射し
たパルス状テラヘルツ電磁波に同期して前記増幅手段の
増幅度を変化させる増幅度制御手段と、分岐されたある
いはさらに遅延された第２の光路の光と上記の測定試料
から出射した光とを合波する合波手段と、この合波され
た光を電気信号に変換する変換手段と、を、有すること
を特徴としている。
【０００７】また、本発明における第３の発明は、時間
分解能を得るために第１あるいは第２の発明の構成に加
えて、さらに、分岐された光路の光を遅延させる遅延手
段により伝搬時間が遅らされたパルスレーザ光のビーム
径を拡大する拡大手段を有し、そのビーム径を拡大され
た光を上記の合波手段に入射する構成を備えることを特
徴としている。
分解能を得るために第１あるいは第２の発明の構成に加
えて、さらに、分岐された光路の光を遅延させる遅延手
段により伝搬時間が遅らされたパルスレーザ光のビーム
径を拡大する拡大手段を有し、そのビーム径を拡大され
た光を上記の合波手段に入射する構成を備えることを特
徴としている。
【０００８】また、本発明における第４の発明は、電気
光学結晶を用いてパルス状テラヘルツ電磁波を発生する
ものであり、上記した第１、第２あるいは第３の発明の
構成に加えて、パルスレーザ光を電気光学結晶、ＬＴ−
ＧａＡｓの光スイッチ素子、高温超電導体の光スイッチ
素子、半導体表面からのＴＨｚ電磁波放射を利用した素
子、光パラメトリック発振によるＴＨｚ電磁波放射を利
用した素子、あるいは、量子井戸からのＴＨｚ放射を利
用した素子に照射してパルス状テラヘルツ電磁波を発生
することを特徴としている。
光学結晶を用いてパルス状テラヘルツ電磁波を発生する
ものであり、上記した第１、第２あるいは第３の発明の
構成に加えて、パルスレーザ光を電気光学結晶、ＬＴ−
ＧａＡｓの光スイッチ素子、高温超電導体の光スイッチ
素子、半導体表面からのＴＨｚ電磁波放射を利用した素
子、光パラメトリック発振によるＴＨｚ電磁波放射を利
用した素子、あるいは、量子井戸からのＴＨｚ放射を利
用した素子に照射してパルス状テラヘルツ電磁波を発生
することを特徴としている。
【０００９】また、第５の発明は、半導体を用いてパル
ス状テラヘルツ電磁波を増幅するものであり、上記した
第１、第２、第３あるいは第４の発明の構成において、
パルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段は、結晶
のもつ平行する２つの結晶面に一対のオーム性電極を設
けたＰ型半導体結晶と、この電極を通してストリーミン
グ運動が生じるに十分な電場を印加する手段と、ストリ
ーミング運動が生じるに十分な低温にこの単結晶を冷却
する冷却手段と、軽い正孔の分布が重い正孔の分布に対
して反転分布を形成されるに十分な強さの、電場と直交
する、磁場を半導体結晶に印加する磁気発生手段と、上
記の半導体結晶にテラヘルツ電磁波を入射する入射手段
と、結晶からテラヘルツ電磁波を出射する出射手段と、
上記の半導体結晶内でのテラヘルツ電磁波の進行方向が
磁場と直交するフォークト配置となる構成とを備えるこ
とを特徴としている。
ス状テラヘルツ電磁波を増幅するものであり、上記した
第１、第２、第３あるいは第４の発明の構成において、
パルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段は、結晶
のもつ平行する２つの結晶面に一対のオーム性電極を設
けたＰ型半導体結晶と、この電極を通してストリーミン
グ運動が生じるに十分な電場を印加する手段と、ストリ
ーミング運動が生じるに十分な低温にこの単結晶を冷却
する冷却手段と、軽い正孔の分布が重い正孔の分布に対
して反転分布を形成されるに十分な強さの、電場と直交
する、磁場を半導体結晶に印加する磁気発生手段と、上
記の半導体結晶にテラヘルツ電磁波を入射する入射手段
と、結晶からテラヘルツ電磁波を出射する出射手段と、
上記の半導体結晶内でのテラヘルツ電磁波の進行方向が
磁場と直交するフォークト配置となる構成とを備えるこ
とを特徴としている。
【００１０】また、第６の発明は、増幅媒体への入出力
への損失を抑制するものであり、上記した第５の発明の
構成に加えて、上記の増幅手段に用いられる半導体結晶
は、その結晶の光路上の端面に、テラヘルツ電磁波の反
射防止膜を有することを特徴としている。
への損失を抑制するものであり、上記した第５の発明の
構成に加えて、上記の増幅手段に用いられる半導体結晶
は、その結晶の光路上の端面に、テラヘルツ電磁波の反
射防止膜を有することを特徴としている。
【００１１】また、第７の発明は、増幅媒体への入出力
への損失を抑制するために、上記した第５あるいは第６
の発明の構成に加えて、上記の増幅手段に用いられる半
導体結晶は、その結晶の光路上の端面がブリュースター
角に加工されたことを特徴としている。
への損失を抑制するために、上記した第５あるいは第６
の発明の構成に加えて、上記の増幅手段に用いられる半
導体結晶は、その結晶の光路上の端面がブリュースター
角に加工されたことを特徴としている。
【００１２】また、第８の発明は、増幅に必要な電圧を
低下させるものであり、上記した第５、第６あるいは第
７の発明の構成に加えて、上記の増幅手段に用いられる
半導体結晶は、その結晶に一軸性応力を印加することに
より上記の反転分布状態を形成するに必要な電場磁場の
閾値を低くならしめたことを特徴としている。
低下させるものであり、上記した第５、第６あるいは第
７の発明の構成に加えて、上記の増幅手段に用いられる
半導体結晶は、その結晶に一軸性応力を印加することに
より上記の反転分布状態を形成するに必要な電場磁場の
閾値を低くならしめたことを特徴としている。
【００１３】また、第９の発明は、広い周波数範囲で測
定できるようにするために、上記した第５ないし第８の
いずれかの発明の構成に加えて、半導体結晶に印加する
磁場強度を掃引して、増幅周波数を予め決められた範囲
で可変としたことを特徴としている。
定できるようにするために、上記した第５ないし第８の
いずれかの発明の構成に加えて、半導体結晶に印加する
磁場強度を掃引して、増幅周波数を予め決められた範囲
で可変としたことを特徴としている。
【００１４】また、第１０の発明は、さらに広い周波数
範囲で測定できるようにするために、上記した第５ない
し第９のいずれかの発明の構成に加えて、さらに、半導
体結晶の光軸まわりに印加磁場方向を９０度回転する手
段と、印加電場と印加磁場、が半導体結晶内でのテラヘ
ルツ電磁波の伝播方向に対して直交する構成を持つこと
を特徴としている。
範囲で測定できるようにするために、上記した第５ない
し第９のいずれかの発明の構成に加えて、さらに、半導
体結晶の光軸まわりに印加磁場方向を９０度回転する手
段と、印加電場と印加磁場、が半導体結晶内でのテラヘ
ルツ電磁波の伝播方向に対して直交する構成を持つこと
を特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下にこの発明のテラヘルツ電磁
波時間分解分光装置で、測定が可能である事を確認する
ために行った予備実験について図２を用いて説明する。
図２の装置は、テラヘルツ電磁波の半導体結晶を用いた
増幅媒体８を測定試料とも見なして構成したものであ
る。この装置は、パルスレーザ光源１と、該光源からの
光を複数の光路に分岐する分岐手段２と、分岐された第
１の光路のパルスレーザ光に同期してパルス状のテラヘ
ルツ電磁波を発生するテラヘルツ電磁波発生手段４と、
発生したパルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段
３０と、該パルス状テラヘルツ電磁波に同期して、前記
増幅手段の増幅度を変化させる増幅度制御手段２２と、
分岐された第２の光路の光を遅延させる遅延手段３と、
この遅延された光と増幅手段３０を通過した光とを合波
する合波手段１０と、この合波された光を電気光学結晶
に入射させる集光手段１１と、その電気光学結晶から出
射した光を偏光させる偏光手段１３と、この偏光手段１
３を通過した光を電気信号に変換する変換手段１６と、
パルスレーザ光をプローブ光として用いるために第２の
光路から光を分岐する手段１５と、この分岐された光を
電気信号に変換する変換手段１５と、変換手段１５およ
び１６からの信号の差を取る信号処理手段１７と、信号
処理手段１７からの信号の雑音を平均化する平滑器１８
を含む構成である。
波時間分解分光装置で、測定が可能である事を確認する
ために行った予備実験について図２を用いて説明する。
図２の装置は、テラヘルツ電磁波の半導体結晶を用いた
増幅媒体８を測定試料とも見なして構成したものであ
る。この装置は、パルスレーザ光源１と、該光源からの
光を複数の光路に分岐する分岐手段２と、分岐された第
１の光路のパルスレーザ光に同期してパルス状のテラヘ
ルツ電磁波を発生するテラヘルツ電磁波発生手段４と、
発生したパルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段
３０と、該パルス状テラヘルツ電磁波に同期して、前記
増幅手段の増幅度を変化させる増幅度制御手段２２と、
分岐された第２の光路の光を遅延させる遅延手段３と、
この遅延された光と増幅手段３０を通過した光とを合波
する合波手段１０と、この合波された光を電気光学結晶
に入射させる集光手段１１と、その電気光学結晶から出
射した光を偏光させる偏光手段１３と、この偏光手段１
３を通過した光を電気信号に変換する変換手段１６と、
パルスレーザ光をプローブ光として用いるために第２の
光路から光を分岐する手段１５と、この分岐された光を
電気信号に変換する変換手段１５と、変換手段１５およ
び１６からの信号の差を取る信号処理手段１７と、信号
処理手段１７からの信号の雑音を平均化する平滑器１８
を含む構成である。
【００１６】図２で使用したテラヘルツ（ＴＨｚ）電磁
波の増幅手段３０は、ストリーミング運動と呼ばれる波
数空間における正孔の異方的な分布が形成され、電場と
直交する磁場により軽い正孔の分布が重い正孔の分布に
対して反転分布を形成することによる誘導放出を利用し
たものであり、その増幅用の半導体結晶は、Ｐ型のＧｅ
結晶で、Ｇａをアクセプターとして、その不純物濃度が
１×１０14ｃｍ-3のものである。その結晶のサイズは
３．３ｍｍ×３．３ｍｍのファセットで、長さは４５ｍ
ｍである。Ｐ型のＧｅ結晶は液体ヘリウム温度の冷却ベ
ッドにマウントされている。磁場Ｂは０．４７Ｔの強度
で、一対の永久磁石により発生されている。また、電気
バイアスパルスは、結晶の（１００）面に設けられたオ
ーミックコンタクトにより光軸に垂直に印加される。磁
場と電場は、光学軸に対して直交する関係にあり、また
お互いに直角である。ＴＨｚ電磁波は、１ｍｍ厚の（１
１０）カットＺｎＴｅ結晶にフェムト秒レーザーを当て
て発生している。この結晶は電気光学特性を有してい
る。そのレーザ光の波長は、８００ｎｍ、パルス長１０
０ｆ秒、繰り返しは、１ｋＨｚである。また、その電気
光学結晶（ＺｎＴｅ結晶）へのレーザ光の入力パワー
は、２８０ｍＷ（２８０μＪ／パルス）である。ここ
で、ＺｎＴｅ結晶を回転することにより、ＴＨｚ電磁波
の偏光方向を変えることができ、それは水平に偏光さ
れ、３．３ｍｍ×３．３ｍｍのファセットを持ったＧｅ
結晶に集光される。集光には、放物面鏡を用いた。その
後、ＴＨｚ電磁波は、長さ４５ｍｍのＰ型のＧｅ結晶を
通過し、放物面鏡によって、他のＺｎＴｅ結晶（厚さ２
ｍｍ）に集光された。ＴＨｚ電磁波の電場強度は、セン
サーとして用いた電気光学結晶の電場によって、プロー
ブパルスの偏光の変化として検出される。その変化は、
光検出器とボックスカーアベレージャー（平滑器）を用
いて測定される。ＴＨｚ電磁波と上記のＧｅ結晶に印加
する電気バイアスパルス（２μ秒、１６Ｈｚ）との同期
は、レーザードライバーからのトリガー信号を用いてと
った。
波の増幅手段３０は、ストリーミング運動と呼ばれる波
数空間における正孔の異方的な分布が形成され、電場と
直交する磁場により軽い正孔の分布が重い正孔の分布に
対して反転分布を形成することによる誘導放出を利用し
たものであり、その増幅用の半導体結晶は、Ｐ型のＧｅ
結晶で、Ｇａをアクセプターとして、その不純物濃度が
１×１０14ｃｍ-3のものである。その結晶のサイズは
３．３ｍｍ×３．３ｍｍのファセットで、長さは４５ｍ
ｍである。Ｐ型のＧｅ結晶は液体ヘリウム温度の冷却ベ
ッドにマウントされている。磁場Ｂは０．４７Ｔの強度
で、一対の永久磁石により発生されている。また、電気
バイアスパルスは、結晶の（１００）面に設けられたオ
ーミックコンタクトにより光軸に垂直に印加される。磁
場と電場は、光学軸に対して直交する関係にあり、また
お互いに直角である。ＴＨｚ電磁波は、１ｍｍ厚の（１
１０）カットＺｎＴｅ結晶にフェムト秒レーザーを当て
て発生している。この結晶は電気光学特性を有してい
る。そのレーザ光の波長は、８００ｎｍ、パルス長１０
０ｆ秒、繰り返しは、１ｋＨｚである。また、その電気
光学結晶（ＺｎＴｅ結晶）へのレーザ光の入力パワー
は、２８０ｍＷ（２８０μＪ／パルス）である。ここ
で、ＺｎＴｅ結晶を回転することにより、ＴＨｚ電磁波
の偏光方向を変えることができ、それは水平に偏光さ
れ、３．３ｍｍ×３．３ｍｍのファセットを持ったＧｅ
結晶に集光される。集光には、放物面鏡を用いた。その
後、ＴＨｚ電磁波は、長さ４５ｍｍのＰ型のＧｅ結晶を
通過し、放物面鏡によって、他のＺｎＴｅ結晶（厚さ２
ｍｍ）に集光された。ＴＨｚ電磁波の電場強度は、セン
サーとして用いた電気光学結晶の電場によって、プロー
ブパルスの偏光の変化として検出される。その変化は、
光検出器とボックスカーアベレージャー（平滑器）を用
いて測定される。ＴＨｚ電磁波と上記のＧｅ結晶に印加
する電気バイアスパルス（２μ秒、１６Ｈｚ）との同期
は、レーザードライバーからのトリガー信号を用いてと
った。
【００１７】図３（ａ）は、電気バイアスパルスがＴＨ
ｚ電磁波と重なった時の検出したＴＨｚ信号波形（ｄｔ
＝０μ秒、実線）と電気バイアスパルスをＴＨｚ電磁波
の前に６μ秒ずらした時の検出した信号波形（ｄｔ＝-6
μ秒、破線）を示しており、図３（ｂ）は、それぞれの
波形のＦＦＴ（高速フーリエ変換）振幅スペクトルで、
電気バイアスパルスがＴＨｚ電磁波と重なった時の信号
波形（実線）と電気バイアスパルスがＴＨｚ電磁波と重
ならない時の信号波形（破線）を示している。
ｚ電磁波と重なった時の検出したＴＨｚ信号波形（ｄｔ
＝０μ秒、実線）と電気バイアスパルスをＴＨｚ電磁波
の前に６μ秒ずらした時の検出した信号波形（ｄｔ＝-6
μ秒、破線）を示しており、図３（ｂ）は、それぞれの
波形のＦＦＴ（高速フーリエ変換）振幅スペクトルで、
電気バイアスパルスがＴＨｚ電磁波と重なった時の信号
波形（実線）と電気バイアスパルスがＴＨｚ電磁波と重
ならない時の信号波形（破線）を示している。
【００１８】この図から、電気バイアスパルスと重なっ
たＴＨｚ電磁波は、-0.3ｐ秒の遅延があり、その主線の
振幅は、電気バイアスパルスと重なっていないＴＨｚ電
磁波よりも少し大きいことが分かる。また、電気バイア
スパルスと重なったＴＨｚ電磁波のスペクトル（実線）
は、電気バイアスパルスと重なっていないＴＨｚ電磁波
の場合と比べて、２ＴＨｚ近辺で増大し、１ＴＨｚ以下
で僅かに減少している。図３（ｃ）にバイアスを印加し
た時のスペクトルのバイアスを印可していないときのス
ペクトルに対する比を示す。その比は２ＴＨｚにおける
ピークでほぼ７になるが、ここでは、Ｇａアクセプタ-
による強い吸収線がある。因みに、ＧａのＤ線は図３の
ように2.04ＴＨｚである。
たＴＨｚ電磁波は、-0.3ｐ秒の遅延があり、その主線の
振幅は、電気バイアスパルスと重なっていないＴＨｚ電
磁波よりも少し大きいことが分かる。また、電気バイア
スパルスと重なったＴＨｚ電磁波のスペクトル（実線）
は、電気バイアスパルスと重なっていないＴＨｚ電磁波
の場合と比べて、２ＴＨｚ近辺で増大し、１ＴＨｚ以下
で僅かに減少している。図３（ｃ）にバイアスを印加し
た時のスペクトルのバイアスを印可していないときのス
ペクトルに対する比を示す。その比は２ＴＨｚにおける
ピークでほぼ７になるが、ここでは、Ｇａアクセプタ-
による強い吸収線がある。因みに、ＧａのＤ線は図３の
ように2.04ＴＨｚである。
【００１９】これらの結果から、本発明は、テラヘルツ
電磁波時間分解分光装置として動作することが分かる。
電磁波時間分解分光装置として動作することが分かる。
【００２０】
【実施例】［第１の実施例］図１は、テラヘルツ電磁波
時間分解分光装置の第１の実施例を示す図である。図１
に示すテラヘルツ電磁波時間分解分光装置は、パルスレ
ーザ光源１と、該光源からの光を複数の光路に分岐する
ハーフミラーによる分岐手段２と、分岐された第１の光
路の長さを調整して、その光を遅延させる遅延手段３
と、遅延をうけた第１の光路のパルスレーザ光に同期し
てパルス状のテラヘルツ電磁波を発生する電気光学結晶
よりなるテラヘルツ電磁波発生手段４と、テラヘルツ電
磁波を選択するフィルタ２６と、発生されたパルス状テ
ラヘルツ電磁波を測定試料に入射する構成と、測定試料
から出射したパルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅
手段３０と、上記の測定試料から出射したパルス状テラ
ヘルツ電磁波に同期して電気パルスをＴＨｚ電磁波の半
導体結晶を用いた増幅媒体８に印加することにより前記
第２の増幅手段の増幅度を変化させる電気パルス発振器
である増幅度制御手段２２と、分岐された第２の光路の
光を偏光させる偏光板でできた第１の偏光手段１９と、
この偏光された光と上記の増幅手段３０を通過したパル
ス状テラヘルツ電磁波とを合波する合波手段１０と、こ
の合波された光とパルス状テラヘルツ電磁波とを電気光
学結晶１２に入射させる構成と、その電気光学結晶から
出射した光を偏光させる偏光板でできた第２の偏光手段
１３と偏光手段１３を通過した光を電気信号に変換する
半導体光検出器でできた第1の変換手段１６と、分岐さ
れた第２の光路の光をさらに分岐するハーフミラーでで
きた第２の分岐手段１４と、第２の分岐手段の光を電気
信号に変換する半導体光検出器でできた第２の変換手段
１５と、第1の変換手段からの電気信号と第２の変換手
段からの電気信号との差分を抽出する差動増幅器ででき
た信号処理手段１７とを備えている。また、信号処理手
段１７からの信号は、ボックスカーアベレージャー１８
を用いて信号対雑音比を向上させている。
時間分解分光装置の第１の実施例を示す図である。図１
に示すテラヘルツ電磁波時間分解分光装置は、パルスレ
ーザ光源１と、該光源からの光を複数の光路に分岐する
ハーフミラーによる分岐手段２と、分岐された第１の光
路の長さを調整して、その光を遅延させる遅延手段３
と、遅延をうけた第１の光路のパルスレーザ光に同期し
てパルス状のテラヘルツ電磁波を発生する電気光学結晶
よりなるテラヘルツ電磁波発生手段４と、テラヘルツ電
磁波を選択するフィルタ２６と、発生されたパルス状テ
ラヘルツ電磁波を測定試料に入射する構成と、測定試料
から出射したパルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅
手段３０と、上記の測定試料から出射したパルス状テラ
ヘルツ電磁波に同期して電気パルスをＴＨｚ電磁波の半
導体結晶を用いた増幅媒体８に印加することにより前記
第２の増幅手段の増幅度を変化させる電気パルス発振器
である増幅度制御手段２２と、分岐された第２の光路の
光を偏光させる偏光板でできた第１の偏光手段１９と、
この偏光された光と上記の増幅手段３０を通過したパル
ス状テラヘルツ電磁波とを合波する合波手段１０と、こ
の合波された光とパルス状テラヘルツ電磁波とを電気光
学結晶１２に入射させる構成と、その電気光学結晶から
出射した光を偏光させる偏光板でできた第２の偏光手段
１３と偏光手段１３を通過した光を電気信号に変換する
半導体光検出器でできた第1の変換手段１６と、分岐さ
れた第２の光路の光をさらに分岐するハーフミラーでで
きた第２の分岐手段１４と、第２の分岐手段の光を電気
信号に変換する半導体光検出器でできた第２の変換手段
１５と、第1の変換手段からの電気信号と第２の変換手
段からの電気信号との差分を抽出する差動増幅器ででき
た信号処理手段１７とを備えている。また、信号処理手
段１７からの信号は、ボックスカーアベレージャー１８
を用いて信号対雑音比を向上させている。
【００２１】［第２の実施例］図４は、テラヘルツ電磁
波時間分解分光装置の第２の実施例を示す図である。図
１に示すテラヘルツ電磁波時間分解分光装置は、パルス
レーザ光源１と、該光源からの光を複数の光路に分岐す
るハーフミラーによる分岐手段２と、分岐された第１の
光路の長さを調整して、その光を遅延させる遅延手段３
と、遅延をうけた第１の光路のパルスレーザ光に同期し
てパルス状のテラヘルツ電磁波を発生する電気光学結晶
よりなるテラヘルツ電磁波発生手段４と、テラヘルツ電
磁波を選択するフィルタ２６と、発生されたパルス状テ
ラヘルツ電磁波を測定試料に入射する構成と、測定試料
から出射したパルス状テラヘルツ電磁波を放物面鏡５を
用いて集光して増幅手段３０によって増幅する構成と、
増幅されたパルス状テラヘルツ電磁波を放物面鏡９を用
いて集光する構成と、パルスレーザからのトリガ信号に
同期することにより上記の測定試料から出射したパルス
状テラヘルツ電磁波に同期して電気パルスをＴＨｚ電磁
波の増幅媒体８に印加することにより前記第２の増幅手
段の増幅度を変化させる電気パルス発振器である増幅度
制御手段２２と、分岐された第２の光路の光を偏光させ
る偏光板でできた第１の偏光手段１９と、この偏光され
た光のビーム径を拡大する球面反射鏡であるビーム径拡
大手段２１と、ビーム径拡大手段２１を用いてビーム径
を拡大された光とパルス状テラヘルツ電磁波とを合波す
る合波手段１０と、この合波された光とパルス状テラヘ
ルツ電磁波とを電気光学結晶１２に入射させる構成と、
その電気光学結晶から出射した光を偏光させる偏光板で
できた第２の偏光手段１３と、偏光手段１３を通過した
光を電気信号に変換する半導体光検出器でできた２次元
構成の変換手段２６と、分岐された第２の光路の光をさ
らに分岐するハーフミラーでできた第２の分岐手段１４
と、第２の分岐手段の光を電気信号に変換する半導体光
検出器でできた変換手段１５と、変換手段１６からの電
気信号と第２の変換手段からの電気信号との差分を抽出
する差動増幅器でできた信号処理手段１７とを備えてい
る。信号処理手段１７からの信号は、ボックスカーアベ
レージャー１８を用いて平滑して信号対雑音比を向上さ
せている。信号処理手段１７からの信号は、また、デジ
タル化して信号処理することによっても信号対雑音比を
向上する事ができることは、既に良く知られている。
波時間分解分光装置の第２の実施例を示す図である。図
１に示すテラヘルツ電磁波時間分解分光装置は、パルス
レーザ光源１と、該光源からの光を複数の光路に分岐す
るハーフミラーによる分岐手段２と、分岐された第１の
光路の長さを調整して、その光を遅延させる遅延手段３
と、遅延をうけた第１の光路のパルスレーザ光に同期し
てパルス状のテラヘルツ電磁波を発生する電気光学結晶
よりなるテラヘルツ電磁波発生手段４と、テラヘルツ電
磁波を選択するフィルタ２６と、発生されたパルス状テ
ラヘルツ電磁波を測定試料に入射する構成と、測定試料
から出射したパルス状テラヘルツ電磁波を放物面鏡５を
用いて集光して増幅手段３０によって増幅する構成と、
増幅されたパルス状テラヘルツ電磁波を放物面鏡９を用
いて集光する構成と、パルスレーザからのトリガ信号に
同期することにより上記の測定試料から出射したパルス
状テラヘルツ電磁波に同期して電気パルスをＴＨｚ電磁
波の増幅媒体８に印加することにより前記第２の増幅手
段の増幅度を変化させる電気パルス発振器である増幅度
制御手段２２と、分岐された第２の光路の光を偏光させ
る偏光板でできた第１の偏光手段１９と、この偏光され
た光のビーム径を拡大する球面反射鏡であるビーム径拡
大手段２１と、ビーム径拡大手段２１を用いてビーム径
を拡大された光とパルス状テラヘルツ電磁波とを合波す
る合波手段１０と、この合波された光とパルス状テラヘ
ルツ電磁波とを電気光学結晶１２に入射させる構成と、
その電気光学結晶から出射した光を偏光させる偏光板で
できた第２の偏光手段１３と、偏光手段１３を通過した
光を電気信号に変換する半導体光検出器でできた２次元
構成の変換手段２６と、分岐された第２の光路の光をさ
らに分岐するハーフミラーでできた第２の分岐手段１４
と、第２の分岐手段の光を電気信号に変換する半導体光
検出器でできた変換手段１５と、変換手段１６からの電
気信号と第２の変換手段からの電気信号との差分を抽出
する差動増幅器でできた信号処理手段１７とを備えてい
る。信号処理手段１７からの信号は、ボックスカーアベ
レージャー１８を用いて平滑して信号対雑音比を向上さ
せている。信号処理手段１７からの信号は、また、デジ
タル化して信号処理することによっても信号対雑音比を
向上する事ができることは、既に良く知られている。
【００２２】ここで、増幅手段３０は、クライオスタッ
ト６の内部に配置された超伝導電磁石２７と、反射防止
膜と電極のつけられた半導体結晶を用いた増幅媒体２８
とを備えている。２７は、光軸の回りに回転することが
可能であり、その磁場は光軸に対して垂直の成分を持っ
ており、その成分を電流を変えることにより掃引するこ
とが可能である。また、その電極２３、２４は、光軸に
ついて直角の電場成分を持つことができる配置となって
おり、光軸と電場と磁場の関係はそれぞれ直角のフォー
クと配置にする事によって、増幅できる帯域を変えるこ
とができる。さらに磁場のみを光軸の回りに９０度回転
することによって、さらに増幅できる帯域を変えること
ができる。また、この増幅媒体８の光路上の端面には、
多層膜による反射防止膜を付けておくことが望ましい。
この反射膜の働きは、通常の光学系と同様に、入射光、
出射光の損失を抑制することである。
ト６の内部に配置された超伝導電磁石２７と、反射防止
膜と電極のつけられた半導体結晶を用いた増幅媒体２８
とを備えている。２７は、光軸の回りに回転することが
可能であり、その磁場は光軸に対して垂直の成分を持っ
ており、その成分を電流を変えることにより掃引するこ
とが可能である。また、その電極２３、２４は、光軸に
ついて直角の電場成分を持つことができる配置となって
おり、光軸と電場と磁場の関係はそれぞれ直角のフォー
クと配置にする事によって、増幅できる帯域を変えるこ
とができる。さらに磁場のみを光軸の回りに９０度回転
することによって、さらに増幅できる帯域を変えること
ができる。また、この増幅媒体８の光路上の端面には、
多層膜による反射防止膜を付けておくことが望ましい。
この反射膜の働きは、通常の光学系と同様に、入射光、
出射光の損失を抑制することである。
【００２３】また、増幅媒体である半導体結晶に一軸性
応力を印加することにより増幅媒体８の反転分布状態を
形成するに必要な電場磁場の閾値を低くできることが知
られている。この際、応力を、どの方向に印加しても、
その閾値を低くすることができる。このために用いる一
軸性応力を印加する構成は、図には示していないが、そ
の方法やそのための構成は既に良く知られており、容易
に実現することができる。
応力を印加することにより増幅媒体８の反転分布状態を
形成するに必要な電場磁場の閾値を低くできることが知
られている。この際、応力を、どの方向に印加しても、
その閾値を低くすることができる。このために用いる一
軸性応力を印加する構成は、図には示していないが、そ
の方法やそのための構成は既に良く知られており、容易
に実現することができる。
【００２４】［第３の実施例］図５は、テラヘルツ電磁
波時間分解分光装置の第３の実施例を示す図である。図
５に示すテラヘルツ電磁波時間分解分光装置は、パルス
レーザ光源１と、該光源からの光を複数の光路に分岐す
るハーフミラーによる分岐手段２と、第１の光路のパル
スレーザ光に同期してパルス状のテラヘルツ電磁波を発
生するテラヘルツ電磁波発生手段４と、テラヘルツ電磁
波を選択するフィルタ２６と、発生されたパルス状テラ
ヘルツ電磁波を増幅する増幅手段３０と、上記の測定試
料から出射したパルス状テラヘルツ電磁波に同期して電
気パルスをＴＨｚ電磁波の半導体結晶を用いた増幅媒体
８に印加することにより前記第２の増幅手段の増幅度を
変化させる電気パルス発振器である増幅度制御手段２２
と、増幅されたテラヘルツ電磁波が測定試料に入射する
構成と、分岐された第２の光路の長さを調整して、その
光を遅延させる遅延手段３と、遅延をうけた光と上記の
測定試料を通過したパルス状テラヘルツ電磁波とを合波
する合波手段１０と、この合波された光とパルス状テラ
ヘルツ電磁波とを変換手段２９とを備えている。また、
変換手段２９からの信号は、ボックスカーアベレージャ
ー１８を用いて信号対雑音比を向上させている。
波時間分解分光装置の第３の実施例を示す図である。図
５に示すテラヘルツ電磁波時間分解分光装置は、パルス
レーザ光源１と、該光源からの光を複数の光路に分岐す
るハーフミラーによる分岐手段２と、第１の光路のパル
スレーザ光に同期してパルス状のテラヘルツ電磁波を発
生するテラヘルツ電磁波発生手段４と、テラヘルツ電磁
波を選択するフィルタ２６と、発生されたパルス状テラ
ヘルツ電磁波を増幅する増幅手段３０と、上記の測定試
料から出射したパルス状テラヘルツ電磁波に同期して電
気パルスをＴＨｚ電磁波の半導体結晶を用いた増幅媒体
８に印加することにより前記第２の増幅手段の増幅度を
変化させる電気パルス発振器である増幅度制御手段２２
と、増幅されたテラヘルツ電磁波が測定試料に入射する
構成と、分岐された第２の光路の長さを調整して、その
光を遅延させる遅延手段３と、遅延をうけた光と上記の
測定試料を通過したパルス状テラヘルツ電磁波とを合波
する合波手段１０と、この合波された光とパルス状テラ
ヘルツ電磁波とを変換手段２９とを備えている。また、
変換手段２９からの信号は、ボックスカーアベレージャ
ー１８を用いて信号対雑音比を向上させている。
【００２５】ここで、テラヘルツ電磁波の発生方法とし
ては、いくつかの既に知られた方法を用いることができ
る。例えば、１）ＬＴ−ＧａＡｓの光スイッチ素子を用
いることができるが、これは、論文（M.Tani, S. Matsu
ura, K. Sakai and S. Nakashima "Emission character
isticsof photoconductive antennas based on low-tem
perature-grown GaAs and semi-insulatingGaAs" Appl.
Opt., Vol.36, No.30, 7853-7859 (1997)）に公開され
ている。また、２）高温超電導体の光スイッチ素子を用
いることができるが、これは、論文（M.Hangyo, S. Tom
ozawa, Y. Murakami, M. Tonouchi, M. Tani, Z. Wang,
K. Sakaiand S. Nakashima "Terahertzradiation from
superconducting YBa2Cu3O7-dthin films excited by
femtosecond optical pulses" Appl. Phys. Lett., Vo
l.69,No.14, 2122-2124 (1996)）に公開されている。ま
た、３）半導体表面からのＴＨｚ電磁波放射を利用した
素子を用いることができるが、これは、論文（(1)X.-C.
Zhang and D. H. Auston,"Optoelectronic measuremen
ts of semiconductorsurfaces and interfarces with f
emtosecond optics," J. Appl. Phys. Vol.71,No.1,pp.
326-338 (1992)、あるいは、N. Sarukura, H. Ohtake,
S. Izumida, andZ. Liu, Appl. Phys. Lett. Vol.84, p
p.654-656 (1998)）に公開されている。また、４）光パ
ラメトリック発振によるTHz電磁波放射を利用した素子
を用いることができるが、これは、論文（Jun-ichiShik
ata, Kodo Kawase, Ken-ichi Karino, Tetsuo Taniuch
i, and Hiromasa Ito,"Tunable terahertz-wave parame
tric oscillators using LiNbO3 and MgO:LiNbO3crysta
ls," IEEE Transactions on Microwave Theory and Tec
hniques, Vol.48,No.4, pp.653-661 (2000))に公開され
ている。また、５）量子井戸からのTHz放射を利用した
素子を用いることができるが、これは、論文（P.C.M. P
lanken, M. C. Nuss, I. Brener, K.W. Goossen, M.S.
C. Luo, S.L. Chuangand L. Pfeiffer, Phys. Rev. Let
t. Vol.69, pp. 3800-3803 (1992)、あるいは、H.G.Ros
kos, M. C. Nuss, J. Shah, K. LeoD.A.B. Miller, A.
M. Fox, S.Schmitt-Rinkand K. Kohler, Phys. Rev. Le
tt. Vol.68, pp.2216-2219 (1992)、あるいは I.Brene
r, P.C.M. Planken, M. C. Nuss, M.S.C. Luo, S.L. Ch
uang, L. Pfeiffer,D.E. Leaird and A.M. Weiner, J.
Opt. Soc. Am. B, Vol.11, pp. 2457-2469(1994)）に公
開されている。
ては、いくつかの既に知られた方法を用いることができ
る。例えば、１）ＬＴ−ＧａＡｓの光スイッチ素子を用
いることができるが、これは、論文（M.Tani, S. Matsu
ura, K. Sakai and S. Nakashima "Emission character
isticsof photoconductive antennas based on low-tem
perature-grown GaAs and semi-insulatingGaAs" Appl.
Opt., Vol.36, No.30, 7853-7859 (1997)）に公開され
ている。また、２）高温超電導体の光スイッチ素子を用
いることができるが、これは、論文（M.Hangyo, S. Tom
ozawa, Y. Murakami, M. Tonouchi, M. Tani, Z. Wang,
K. Sakaiand S. Nakashima "Terahertzradiation from
superconducting YBa2Cu3O7-dthin films excited by
femtosecond optical pulses" Appl. Phys. Lett., Vo
l.69,No.14, 2122-2124 (1996)）に公開されている。ま
た、３）半導体表面からのＴＨｚ電磁波放射を利用した
素子を用いることができるが、これは、論文（(1)X.-C.
Zhang and D. H. Auston,"Optoelectronic measuremen
ts of semiconductorsurfaces and interfarces with f
emtosecond optics," J. Appl. Phys. Vol.71,No.1,pp.
326-338 (1992)、あるいは、N. Sarukura, H. Ohtake,
S. Izumida, andZ. Liu, Appl. Phys. Lett. Vol.84, p
p.654-656 (1998)）に公開されている。また、４）光パ
ラメトリック発振によるTHz電磁波放射を利用した素子
を用いることができるが、これは、論文（Jun-ichiShik
ata, Kodo Kawase, Ken-ichi Karino, Tetsuo Taniuch
i, and Hiromasa Ito,"Tunable terahertz-wave parame
tric oscillators using LiNbO3 and MgO:LiNbO3crysta
ls," IEEE Transactions on Microwave Theory and Tec
hniques, Vol.48,No.4, pp.653-661 (2000))に公開され
ている。また、５）量子井戸からのTHz放射を利用した
素子を用いることができるが、これは、論文（P.C.M. P
lanken, M. C. Nuss, I. Brener, K.W. Goossen, M.S.
C. Luo, S.L. Chuangand L. Pfeiffer, Phys. Rev. Let
t. Vol.69, pp. 3800-3803 (1992)、あるいは、H.G.Ros
kos, M. C. Nuss, J. Shah, K. LeoD.A.B. Miller, A.
M. Fox, S.Schmitt-Rinkand K. Kohler, Phys. Rev. Le
tt. Vol.68, pp.2216-2219 (1992)、あるいは I.Brene
r, P.C.M. Planken, M. C. Nuss, M.S.C. Luo, S.L. Ch
uang, L. Pfeiffer,D.E. Leaird and A.M. Weiner, J.
Opt. Soc. Am. B, Vol.11, pp. 2457-2469(1994)）に公
開されている。
【００２６】前記の素子は、また、変換手段２９として
用いることができ、第２の光路の光パルスがプローブ光
となって、測定試料からの光とプローブ光とが重なった
時点の光強度を検出することができる。このような検出
を行うことの利点は、装置構成が簡略化されることにあ
る。
用いることができ、第２の光路の光パルスがプローブ光
となって、測定試料からの光とプローブ光とが重なった
時点の光強度を検出することができる。このような検出
を行うことの利点は、装置構成が簡略化されることにあ
る。
【００２７】また、上記の実施例１、実施例２、あるい
は実施例３で説明したテラヘルツ電磁波時間分解分光装
置では、パルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段
３０の前あるいは後ろに測定試料を配置したが、そのど
ちらに測定試料を配置しても良いことは明らかである。
どちらに配置するかは、試料のテラヘルツ電磁波に対す
る飽和特性や、信号対雑音特性を考慮して決めることが
望ましい。また、必要に応じて、測定試料の前後両方に
増幅手段を配置することが望ましい場合もある。
は実施例３で説明したテラヘルツ電磁波時間分解分光装
置では、パルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段
３０の前あるいは後ろに測定試料を配置したが、そのど
ちらに測定試料を配置しても良いことは明らかである。
どちらに配置するかは、試料のテラヘルツ電磁波に対す
る飽和特性や、信号対雑音特性を考慮して決めることが
望ましい。また、必要に応じて、測定試料の前後両方に
増幅手段を配置することが望ましい場合もある。
【００２８】
【発明の効果】この発明は上記した構成からなるので、
以下に説明するような効果を奏することができる。第１
の発明では、微弱なテラヘルツ電磁波を増幅して測定試
料に照射するようにしたので、その測定の信号対雑音比
が向上した。
以下に説明するような効果を奏することができる。第１
の発明では、微弱なテラヘルツ電磁波を増幅して測定試
料に照射するようにしたので、その測定の信号対雑音比
が向上した。
【００２９】また、第２の発明では、微弱なテラヘルツ
電磁波を増幅して検出するようにしたので、その測定の
信号対雑音比が向上した。
電磁波を増幅して検出するようにしたので、その測定の
信号対雑音比が向上した。
【００３０】また、第３の発明では、プローブ光となる
分岐されたパルスレーザ光のビーム径を拡大するように
したので、パルス状テラヘルツ電磁波の検出に２次元検
出器を用いた場合でも、全てのチャンネルにおいて、プ
ローブ光を用いることができるようになった。
分岐されたパルスレーザ光のビーム径を拡大するように
したので、パルス状テラヘルツ電磁波の検出に２次元検
出器を用いた場合でも、全てのチャンネルにおいて、プ
ローブ光を用いることができるようになった。
【００３１】また、第４の発明では、第１、第２あるい
は第３の発明において、パルスレーザ光を簡単な構成の
素子に照射してパルス状テラヘルツ電磁波を発生するよ
うにしたので、パルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光
装置を簡単な構成とすることができた。
は第３の発明において、パルスレーザ光を簡単な構成の
素子に照射してパルス状テラヘルツ電磁波を発生するよ
うにしたので、パルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光
装置を簡単な構成とすることができた。
【００３２】また、第５の発明では、第１、第２、第３
あるいは第４の発明の構成において、フォークと配置を
もった半導体テラヘルツ増幅器を用いたので、広い帯域
でテラヘルツ電磁波の増幅を行うことができる様になっ
た。
あるいは第４の発明の構成において、フォークと配置を
もった半導体テラヘルツ増幅器を用いたので、広い帯域
でテラヘルツ電磁波の増幅を行うことができる様になっ
た。
【００３３】また、第６の発明では、第５の発明の構成
において、増幅媒体である半導体結晶に反射防止膜をつ
けたので、テラヘルツ電磁波の実効的な入力が増大し、
信号対雑音比を改善する事ができた。
において、増幅媒体である半導体結晶に反射防止膜をつ
けたので、テラヘルツ電磁波の実効的な入力が増大し、
信号対雑音比を改善する事ができた。
【００３４】また、第７の発明では、第５あるいは第６
の発明の構成において、増幅媒体である半導体結晶の端
面をブリュースター角に加工することにより、テラヘル
ツ電磁波の損失を抑制できるようになった。
の発明の構成において、増幅媒体である半導体結晶の端
面をブリュースター角に加工することにより、テラヘル
ツ電磁波の損失を抑制できるようになった。
【００３５】また、第８の発明では、第５、第６あるい
は第７の発明の構成において、増幅媒体である半導体結
晶に一軸性応力を印加することにより上記の反転分布状
態を形成するに必要な電場磁場の閾値を低くできるよう
になった。
は第７の発明の構成において、増幅媒体である半導体結
晶に一軸性応力を印加することにより上記の反転分布状
態を形成するに必要な電場磁場の閾値を低くできるよう
になった。
【００３６】また、第９の発明では、第５ないし第８の
いずれかの発明の構成において、増幅媒体である半導体
結晶に印加する磁場強度を掃引するようにしたので、増
幅周波数を予め決められた範囲で変えることができるよ
うになった。
いずれかの発明の構成において、増幅媒体である半導体
結晶に印加する磁場強度を掃引するようにしたので、増
幅周波数を予め決められた範囲で変えることができるよ
うになった。
【００３７】また、第１０の発明では、第５ないし第９
のいずれかの発明の構成において、印加電場と印加磁
場、が半導体結晶内でのテラヘルツ電磁波の伝播方向に
対して直交したまま、半導体結晶の光軸まわりに印加磁
場方向を９０度回転するようにしたので、増幅媒体であ
る半導体結晶に一軸性応力を印加することにより上記の
反転分布状態を形成するに必要な電場磁場の閾値を低く
できるようになった。
のいずれかの発明の構成において、印加電場と印加磁
場、が半導体結晶内でのテラヘルツ電磁波の伝播方向に
対して直交したまま、半導体結晶の光軸まわりに印加磁
場方向を９０度回転するようにしたので、増幅媒体であ
る半導体結晶に一軸性応力を印加することにより上記の
反転分布状態を形成するに必要な電場磁場の閾値を低く
できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】テラヘルツ電磁波時間分解分光装置の第１の実
施例を示すブロック図である。
施例を示すブロック図である。
【図２】測定が可能である事を確認するために行った予
備実験のテラヘルツ電磁波時間分解分光装置を示すブロ
ック図である。
備実験のテラヘルツ電磁波時間分解分光装置を示すブロ
ック図である。
【図３】予備実験の測定結果を示す図で、（ａ）は、測
定した信号振幅と時間との関係を示す図で、（ｂ）は、
そのフーリエ変換を示す図で、（ｃ）は、フーリエ変換
結果の電場バイアスの重なりが有る場合とない場合の比
を示す図である。
定した信号振幅と時間との関係を示す図で、（ｂ）は、
そのフーリエ変換を示す図で、（ｃ）は、フーリエ変換
結果の電場バイアスの重なりが有る場合とない場合の比
を示す図である。
【図４】テラヘルツ電磁波時間分解分光装置の第２の実
施例を示すブロック図である。
施例を示すブロック図である。
【図５】テラヘルツ電磁波時間分解分光装置の第３の実
施例を示すブロック図である。
施例を示すブロック図である。
【図６】従来のテラヘルツ電磁波時間分解分光装置の代
表的な構成を示すブロック図である。
表的な構成を示すブロック図である。
１ パルスレーザ光源
２ 分岐手段
３ 遅延手段
４ テラヘルツ電磁波発生手段
５ 放物面鏡
６ クライオスタット
７ 磁石
８ 増幅媒体
９ 入射手段
１０ 光の分岐手段
１１ 集光手段
１２ 電気光学結晶
１３ 偏光手段
１４ 分岐手段
１５ 変換手段
１６ 変換手段
１７ 信号処理手段
１８ 平滑器
１９ 偏光手段
２０ 反射手段
２１ ビーム径拡大手段
２２ 増幅度制御手段
２３、２４ 電極
２５ 測定試料
２６ フィルタ
２７ 超伝導電磁石
２８ 増幅媒体
２９ 変換手段
３０ 増幅手段
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 廣本 宣久
東京都小金井市貫井北町４−２−１ 独立
行政法人通信総合研究所内
(72)発明者 渡辺 昌良
東京都小金井市貫井北町４−２−１ 独立
行政法人通信総合研究所内
(72)発明者 阪井 清美
東京都小金井市貫井北町４−２−１ 独立
行政法人通信総合研究所内
Ｆターム(参考） 2G020 AA03 CA14 CB05 CB23 CB42
CC26 CD03 CD13 CD15 CD24
CD35
2G059 AA05 BB08 BB16 EE01 EE02
EE05 EE10 EE12 GG01 GG04
GG08 HH01 HH06 JJ01 JJ02
JJ14 JJ18 JJ19 JJ22 KK01
MM01 MM03 MM08
2G065 AA12 AA13 AB02 AB09 AB16
AB23 BA02 BB14 BB27 BB32
BB39 BC05 BC15 DA08
Claims (10)
- 【請求項１】 パルスレーザ光源と、該光源からの光を
複数の光路に分岐する分岐手段と、分岐されたいずれか
の光路の光を遅延させる手段と、 分岐されたあるいはさらに遅延された第１の光路のパル
スレーザ光に同期してパルス状のテラヘルツ電磁波を発
生する発生手段と、発生したパルス状テラヘルツ電磁波
を増幅する増幅手段と、該パルス状テラヘルツ電磁波に
同期して、前記増幅手段の増幅度を変化させる増幅度制
御手段と、増幅されたパルス状テラヘルツ電磁波を測定
試料に入射する構成と、 分岐されたあるいはさらに遅延された第２の光路の光と
上記の測定試料から出射した光とを合波する合波手段
と、この合波された光を電気信号に変換する変換手段
と、を、有することを特徴とするパルス状テラヘルツ電
磁波時間分解分光装置。 - 【請求項２】 パルスレーザ光源と、該光源からの光を
複数の光路に分岐する分岐手段と、分岐されたいずれか
の光路の光を遅延させる手段と、 分岐されたあるいはさらに遅延された第１の光路のパル
スレーザ光に同期してパルス状のテラヘルツ電磁波を発
生する発生手段と、発生されたパルス状テラヘルツ電磁
波を測定試料に入射する構成と、測定試料から出射した
パルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段と、上記
の測定試料から出射したパルス状テラヘルツ電磁波に同
期して前記増幅手段の増幅度を変化させる増幅度制御手
段と、 分岐されたあるいはさらに遅延された第２の光路の光と
上記の測定試料から出射した光とを合波する合波手段
と、この合波された光を電気信号に変換する変換手段
と、を、有することを特徴とするパルス状テラヘルツ電
磁波時間分解分光装置。 - 【請求項３】 請求項１あるいは２に記載されたパルス
状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置の構成に加えて、 さらに、分岐された光路の光を遅延させる遅延手段によ
り伝搬時間が遅らされたパルスレーザ光のビーム径を拡
大する拡大手段を有し、そのビーム径を拡大された光を
上記の合波手段に入射する構成を備えることを特徴とす
るパルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置。 - 【請求項４】 請求項１、２あるいは３に記載されたパ
ルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置において、 パルスレーザ光を電気光学結晶、ＬＴ−ＧａＡｓの光ス
イッチ素子、高温超電導体の光スイッチ素子、半導体表
面からのＴＨｚ電磁波放射を利用した素子、光パラメト
リック発振によるＴＨｚ電磁波放射を利用した素子、あ
るいは、量子井戸からのＴＨｚ放射を利用した素子に照
射してパルス状テラヘルツ電磁波を発生することを特徴
とするパルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置。 - 【請求項５】 請求項１、２、３あるいは４に記載され
たパルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置におい
て、 パルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段は、結晶
のもつ平行する２つの結晶面に一対のオーム性電極を設
けたＰ型半導体結晶と、この電極を通してストリーミン
グ運動が生じるに十分な電場を印加する手段と、ストリ
ーミング運動が生じるに十分な低温にこの単結晶を冷却
する冷却手段と、軽い正孔の分布が重い正孔の分布に対
して反転分布を形成されるに十分な強さの、電場と直交
する、磁場を半導体結晶に印加する磁気発生手段と、上
記の半導体結晶にテラヘルツ電磁波を入射する入射手段
と、結晶からテラヘルツ電磁波を出射する出射手段と、
上記の半導体結晶内でのテラヘルツ電磁波の進行方向が
磁場と直交するフォークト配置となる構成とを備えるこ
とを特徴とするパルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光
装置。 - 【請求項６】 請求項５に記載されたパルス状テラヘル
ツ電磁波時間分解分光装置において、上記の増幅手段に
用いられる半導体結晶は、その結晶の光路上の端面に、
テラヘルツ電磁波の反射防止膜を有することを特徴とす
るパルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置。 - 【請求項７】 請求項５あるいは６に記載されたパルス
状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置において、上記の
増幅手段に用いられる半導体結晶は、その結晶の光路上
の端面がブリュースター角に加工されたことを特徴とす
るパルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置。 - 【請求項８】 請求項５、６あるいは７に記載されたパ
ルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置において、上
記の増幅手段に用いられる半導体結晶は、その結晶に一
軸性応力を印加することにより上記の反転分布状態を形
成するに必要な電場磁場の閾値を低くならしめたことを
特徴とするパルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装
置。 - 【請求項９】 請求項５ないし８のいずれかに記載され
たパルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置におい
て、半導体結晶に印加する磁場強度を掃引して、増幅周
波数を予め決められた範囲で可変としたことを特徴とす
るパルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置。 - 【請求項１０】 請求項５ないし９のいずれかに記載さ
れたパルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置に加え
て、さらに、半導体結晶の光軸まわりに印加磁場方向を
９０度回転する手段と、印加電場と印加磁場、が半導体
結晶内でのテラヘルツ電磁波の伝播方向に対して直交す
る構成を持つことを特徴とするパルス状テラヘルツ電磁
波時間分解分光装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001274318A JP3598375B2 (ja) | 2001-09-10 | 2001-09-10 | テラヘルツ電磁波時間分解分光装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001274318A JP3598375B2 (ja) | 2001-09-10 | 2001-09-10 | テラヘルツ電磁波時間分解分光装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003083888A true JP2003083888A (ja) | 2003-03-19 |
| JP3598375B2 JP3598375B2 (ja) | 2004-12-08 |
Family
ID=19099381
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001274318A Expired - Lifetime JP3598375B2 (ja) | 2001-09-10 | 2001-09-10 | テラヘルツ電磁波時間分解分光装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3598375B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2006313140A (ja) * | 2005-05-07 | 2006-11-16 | Junichi Nishizawa | テラヘルツ波発生装置及び方法あるいは分光計測装置及び方法 |
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| JP2022163125A (ja) * | 2020-09-29 | 2022-10-25 | パイオニア株式会社 | 取得装置 |
-
2001
- 2001-09-10 JP JP2001274318A patent/JP3598375B2/ja not_active Expired - Lifetime
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