JP2004085358A

JP2004085358A - テラヘルツパルス光計測装置

Info

Publication number: JP2004085358A
Application number: JP2002246788A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Iwamoto; 岩本　敏志
Original assignee: Tochigi Nikon Corp; Nikon Corp
Current assignee: Tochigi Nikon Corp; Nikon Corp
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】対象物体の２次元領域の各部位の全体に渡るテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形の実時間計測を行う。
【解決手段】アンテナ７６は、テラヘルツパルス光を試料１００の２次元領域に一括照射し、その透過パルス光を電気光学結晶８１の２次元領域が一括受光する。チャーピングされかつパルス光Ｌ７５と同期したプローブパルス光が、結晶８１の２次元領域に一括照射される。検光子８６は、結晶８１を通過してパルス光Ｌ５５により偏光状態が変化したプローブパルス光の特定偏光成分を抽出する。複数の分光器８９は、特定偏光成分のみ抽出されたプローブパルス光を、結晶８１の２次元領域の各部位に対応するもの毎に、それぞれ分光して各波長成分毎の強度を得る。光ファイバ束８８は、特定偏光成分のみ抽出されたプローブパルス光を複数の分光器８９に導く。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、テラヘルツパルス光計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
テラヘルツ光は、周波数がおおよそ０．０１ＴＨｚから１００ＴＨｚまでの範囲の電磁波であり、現在は、テラヘルツパルス光の波形を瞬時に、光電変換して計測することは不可能である。
【０００３】
このため、一般的に、テラヘルツパルス光の計測には、ポンプ−プローブ法と呼ばれる計測手法が採用されている。このポンプ−プローブ法では、同じ波形のテラヘルツパルス光が所定周波数（例えば、数ｋＨｚからＭＨｚオーダーの繰り返し）で到来することを前提とし、テラヘルツパルス光を発生させるポンプパルス光と、テラヘルツパルス光の検出タイミングを決定するプローブパルス光との間に時間遅延（光路長差）を設け、その時間遅延を徐々に変えて、各時間遅延の時点におけるテラヘルツパルスの電場強度を光電変換して計測することにより、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を計測する。
【０００４】
したがって、ポンプ−プローブ法により得られた時系列波形の各時点における電場強度は、それぞれ互いに異なる時間中に発生したパルスにおける、前記時間遅延に対応する波形位置での、電場強度を示している。すなわち、ポンプ−プローブ法は、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形の実時間計測（テラヘルツパルス光の単一パルスの時系列波形の計測）ではない。このため、ポンプ−プローブ法では、繰り返しで到達するテラヘルツパルス光の各パルスの波形が全く同一であれば、ポンプ−プローブ法により適切にテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形が得られるが、テラヘルツパルス光を用いて観察しようとする対象物体が生物のような動く物体である場合や対象物体を動かしながら観察する場合などには、適切にテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を得ることはできない。
【０００５】
前述したポンプ−プローブ法に対し、Ｚ．Ｊｉａｎｇ及びＸ．−Ｃ．Ｚｈａｎｇによって、チャーピングされたプローブパルス光を利用したテラヘルツパルス光計測手法（説明の便宜上、「チャーピング計測手法」という。）が提案されている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，　Ｖｏｌ．７２，　Ｎｏ．１６，　２０　Ａｐｒｉｌ　１９９８，　ｐｐ．１９４５−１９４７）。図６は、このチャーピング計測手法によるテラヘルツパルス光計測装置を模式的に示す概略構成図であり、前記論文に掲載された図と同様である。
【０００６】
図６に示す計測装置では、レーザ装置５１からのパルス光Ｌ５１がビームスプリッタ５２で２つのパルス光Ｌ５２，Ｌ５３に分割され、一方のパルス光Ｌ５２がポンプパルス光として用いられる。ポンプパルス光Ｌ５２は、ミラー５３〜５５を経由して、ダイポールアンテナなどの光伝導アンテナ５６に照射される。その結果、光伝導アンテナ５６からテラヘルツパルス光Ｌ５４が放射され、このテラヘルツパルス光Ｌ５４が、レンズ５７を経てビームスプリッタ５８を透過した後に、ＺｎＴｅ等の電気光学結晶５９の一点に集光される。なお、ミラー５４，５５は、図６中の矢印Ｃ方向へ移動可能な可動鏡となっているが、これはポンプ−プローブ法を実現するためのものではなく、テラヘルツパルス光とプローブパルス光とを適切に同期させるために調整できるようにするためのものである。
【０００７】
ビームスプリッタ５２で分割された他方のパルス光Ｌ５３は、テラヘルツパルス光Ｌ５４を検出するためのプローブパルス光となる。このプローブパルス光Ｌ５３は、ハーフミラー６０を透過した後、これをチャーピングするチャーピング部としてのパルス伸長器６１により、チャーピングされる。パルス伸長器６１は、図６に示すように、一対の回折格子６２，６３と、平面反射鏡６４とから構成されている。ハーフミラー６０を透過したプローブパルス光は、回折格子６２で分散された後、回折格子６３で反射されることにより各波長の光が平行光線となり、これらの平行光線が平面反射鏡６４で反射された後に、逆の経路を経てチャーピングされた光となって、ハーフミラー６０に戻り、ハーフミラー６０で反射される。図６からわかるように、図６中の上側の光路Ｐ１を通って平面反射鏡６４で反射される光の光路は、図６中の下側の光路Ｐ２を通る光の光路に比べて短くなる。そして、上側の光路Ｐ１を通る光の波長は、下側の光路Ｐ２を通る光の波長に比べて短い。したがって、プローブパルス光は、回折格子６２，６３を通り、平面反射鏡６４で反射され、再び回折格子６３，６２を通った後には、時間的に早い側が波長の短い成分で時間的に遅い側が波長の長い成分となる広がったパルス（チャーピングされたパルス）となる。なお、パルス光がチャーピングされているとは、パルス光に含まれる短波長成分ほど長波長成分に比べて時間的に遅れて（あるいは進んで）いる状態をいう。
【０００８】
ここで、パルス伸長器６１によるチャーピング前のプローブパルス光Ｌ５３の波形を図７（ａ）に模式的に示し、チャーピング後のプローブパルス光の波形を図７（ｂ）に模式的に示す。この例では、チャーピング前に２００ｆｓであったパルス幅が、チャーピング後に３０ｐｓに広がっている。
【０００９】
パルス伸長器６１によりチャーピングされたプローブパルス光は、ハーフミラー６０で反射された後に、偏光子６５を通過した後に直線偏光光となり、更に、ビームスプリッタ５８で反射された後に、細い線状の光束のまま電気光学結晶５９の前記一点に照射される。このプローブパルス光は、テラヘルツ光と重なって電気光学結晶５９を通過するため、プローブパルス光内の波長の短い成分の光の偏光状態はテラヘルツ光の時間的に早い成分に影響されて変化し、波長の長い成分の光の偏光状態はテラヘルツ光の時間的に遅い成分に影響されて変化する。
【００１０】
そして、電気光学結晶５９を通過して前記テラヘルツパルス光により偏光状態が変化された前記プローブパルス光の特定偏光成分が、検光子６６により抽出される。この抽出された偏光成分のプローブパルス光が、回折格子６７で分光され、更にレンズ６８を透過する。この分光により空間的に分離されたプローブパルス光の各波長成分が、それぞれ光電変換素子アレイ（１次元センサ）６９の各々の光電変換素子（光検出素子）で電気信号に変換される。回折格子６７、レンズ６８及び光電変換素子アレイ６９により、分光器７０が構成されている。
【００１１】
図６に示す計測装置では、チャーピングされかつテラヘルツパルス光と同期したプローブパルス光が電気光学結晶５９に導かれるので、プローブパルス光の各波長成分は、テラヘルツパルス光の単一パルスにおける各時点での電場強度により偏光状態が変化され、特定偏光成分の抽出後のプローブパルス光の各波長成分の強度は、テラヘルツパルス光の単一パルスにおける各時点での電場強度を示すことになる。そして、特定偏光成分の抽出後のプローブパルス光の各波長成分は、当該波長に応じて分光により空間的に分離され、その位置に配置されている光電変換素子によりその強度が電気信号として検出される。したがって、特定偏光成分の抽出後のプローブパルス光の各波長成分の強度に応じた出力信号が各位置の光電変換素子から得られる。すなわち、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形が、空間的な位置系列波形（光電変換素子の位置に対する光電変換素子の出力信号）に変換されることになる。ただし、テラヘルツパルス光が入射している際に得られた光電変換素子アレイ６９の信号から、テラヘルツパルス光が入射していないときにプローブパルス光のみにより得た光電変換素子アレイ６９の信号をそれぞれ差し引いたものが、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形に相当する。
【００１２】
したがって、図６に示す計測装置によれば、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形の実時間計測（テラヘルツパルス光の単一パルスの時系列波形の計測）を行うことができる。このため、対象物体が生物のように動く物体である場合や対象物体を動かしながら観察する場合でも、適切にテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形の計測を行うことができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来のポンプ−プローブ法では、前述したように、テラヘルツパルス光を用いて観察しようとする対象物体が生物のような動く物体である場合や対象物体を動かしながら観察する場合などには、適切にテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を得ることはできない。したがって、前記従来のポンプ−プローブ法を利用している従来の計測装置では、対象物体が生物のように動く物体である場合や対象物体を動かしながら観察する場合などには、対象物体の２次元領域の各部位についてテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を、適切に得ることができない。
【００１４】
一方、前記従来のチャーピング計測手法を利用した図６に示す計測装置では、前述したように、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形の実時間計測（テラヘルツパルス光の単一パルスの時系列波形の計測）を行うことができるので、対象物体が生物のように動く物体である場合や対象物体を動かしながら観察する場合などでも、対象物体を透過又は反射したテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を、適切に得ることができる。
【００１５】
しかしながら、図６に示す計測装置では、テラヘルツパルス光を電気光学結晶の一点に集光し、細い線状のプローブパルス光を電気光学結晶の前記一点に照射しているので、対象物体の２次元領域の各部位についてテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を計測するには、対象物体を２次元に移動させて走査させなければならない。このように対象物体を２次元に走査させると、対象物体の２次元領域のある部位のテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を得た時点と、他の部位のテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を得た時点とが、互いに異なることになる。したがって、結局、対象物体の２次元領域の各部位の全体に渡る実時間計測ができず、対象物体が生物のように動く物体である場合や対象物体を動かしながら観察する場合には、対象物体の２次元領域の各部位のテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を、適切に得ることができない。
【００１６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、対象物体の２次元領域の各部位の全体に渡るテラヘルツパルス光の電場強度又は磁場強度の時系列波形の実時間計測を行うことができるテラヘルツパルス光計測装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の第１の態様によるテラヘルツパルス光計測装置は、テラヘルツパルス光を対象物体の２次元領域に照射するテラヘルツパルス光照射部と、前記対象物体の前記２次元領域を透過又は反射したテラヘルツパルス光を、前記対象物体の前記２次元領域に対応する２次元領域で一括受光する電気光学結晶又は磁気光学結晶と、チャーピングされかつ前記テラヘルツパルス光と同期したプローブパルス光を、前記電気光学結晶又は前記磁気光学結晶の前記２次元領域に一括照射するプローブパルス光照射部と、前記電気光学結晶又は前記磁気光学結晶を通過して前記テラヘルツパルス光により偏光状態が変化した前記プローブパルス光の特定偏光成分を抽出する検光部と、前記検光部による特定偏光成分の抽出の後の前記プローブパルス光を、前記電気光学結晶又は前記磁気光学結晶の前記２次元領域の各部位に対応するもの毎に、それぞれ分光して各波長成分毎の強度を得る分光計測部と、前記検光部による特定偏光成分の抽出の後の前記プローブパルス光を、前記各部位に対応するもの毎に、前記分光計測部に導く光学部材と、を備えたものである。
【００１８】
本発明の第２の態様によるテラヘルツパルス光計測装置は、前記第１の態様において、前記分光計測部から前記各部位に対応して得られた各波長成分毎の強度に基づいて、前記各部位に対応した前記テラヘルツパルス光の電場強度又は磁場強度の時系列波形をそれぞれ得、前記各部位に対応して得られた時系列波形をそれぞれフーリエ変換し、前記テラヘルツパルス光の所定波長成分の電場強度又は磁場強度あるいは所定波長領域での電場平均強度、電場面積強度、磁場平均強度又は磁場面積強度を前記各部位に対応してそれぞれ得る処理部と、表示部と、前記表示部に、前記処理部により前記各部位に対応して得られた前記所定波長成分の電場強度又は磁場強度あるいは前記所定波長領域での電場平均強度、電場面積強度、磁場平均強度又は磁場面積強度を画像表示させる手段と、を備えたものである。
【００１９】
本発明の第３の態様によるテラヘルツパルス光計測装置は、前記第２の態様において、前記処理部は、前記所定波長又は前記所定波長領域を、使用者からの指令に応じた波長又は波長領域に設定する手段を有するものである。
【００２０】
本発明の第４の態様によるテラヘルツパルス光計測装置は、前記第２又は第３の態様において、前記処理部は、当該処理部における前記各部位にそれぞれ対応する各処理を複数のグループに分けて、各グループの処理を並行して行うように構成されたものである。
【００２１】
本発明の第５の態様によるテラヘルツパルス光計測装置は、前記第１乃至第４のいずれかの態様において、前記分光計測部は、互いに異なる複数の入射位置からそれぞれ入射する２つ以上の入射光を空間的に分離した状態で同時に分光する１つの分光光学系、及び、該分光光学系により分光された各入射光の各波長毎の強度を検出する２次元センサを有する複数の分光器を、含み、前記光学部材は、前記検光部による特定偏光成分の抽出の後の前記プローブパルス光を、前記各部位に対応するもの毎に、前記複数の分光器の前記複数の入射位置のうちのいずれかの入射位置に導くものである。
【００２２】
本発明の第６の態様によるテラヘルツパルス光計測装置は、前記第１乃至第５のいずれかの態様において、前記光学部材が光ファイバ束であるものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるテラヘルツパルス光計測装置について、図面を参照して説明する。
【００２４】
図１は、本発明の一実施の形態によるテラヘルツパルス光計測装置を模式的に示す概略構成図である。図２は、図１に示す計測装置において用いられている電気光学結晶８１、マイクロレンズアレイ８７及び光ファイバ８８の入射端の位置関係を示す概略斜視図である。図３は、図１に示す計測装置において用いられている分光器８９を示す概略構成図である。図４は、図３中のＥ−Ｅ’矢視図である。図５は、図３に示す分光器８９において用いられている２次元ＣＣＤ１０６の受光面の様子を模式的に示す図であり、図３中のＦ−Ｆ’矢視図に相当している。
【００２５】
本実施の形態によるテラヘルツパルス光計測装置では、レーザ装置等からなるフェムト秒パルス光源７１から放射されたフェムト秒パルス光Ｌ７１が、平面反射鏡７２を経た後に、ビームスプリッタ７３で２つのパルス光Ｌ７２，Ｌ７３に分割される。フェムト秒パルス光源７１から放射されるフェムト秒パルス光Ｌ７１の繰り返し周期は、例えば、１ｋＨｚ程度とされる。本発明では、前記従来のポンプ−プローブ法とは異なり、本質的にフェムト秒パルス光Ｌ７１は単一パルスのみでもよいが、試料１００が動くものであったり試料１００を動かして観察したりする場合などに、いわば動画を得るように、経時的に連続して試料１００を観察するためには、フェムト秒パルス光Ｌ７１は繰り返しパルスであることが好ましい。
【００２６】
ビームスプリッタ７３で分割された一方のパルス光Ｌ７２は、テラヘルツ光発生器としての大口径光伝導アンテナ７６を励起してテラヘルツパルス光を発生させるためのポンプパルス光（励起パルス光）となる。大口径光伝導アンテナ７６に代えて、ダイポールアンテナ等を用いた光導電アンテナや電気光学結晶などの他のテラヘルツ光発生器を用いてもよいことは、言うまでもない。ポンプパルス光Ｌ７２は、ビームエキスパンダ７４でその断面が拡張された後、平面反射鏡７５を経て、大口径光伝導アンテナ７６へ導かれる。大口径光伝導アンテナ７６の電極間には、バイアス電源７７からバイアス電圧が印加されている。その結果、大口径光伝導アンテナ７６からテラヘルツパルス光Ｌ７４が放射され、このテラヘルツパルス光Ｌ７４が測定対象物体としての試料１００の２次元領域を一括照射する。
【００２７】
このように、本実施の形態では、前記要素７１〜７６が、テラヘルツパルス光Ｌ７４を試料１００の２次元領域に一括照射するテラヘルツパルス光照射部を構成している。
【００２８】
試料１００の２次元領域を透過したテラヘルツパルス光Ｌ７５は、結像光学系を構成するレンズ７８，７９を経てビームスプリッタ８０を透過した後に、イメージングプレートとしてのＺｎＴｅ等の電気光学結晶８１に入射する。本実施の形態では、レンズ７８，７９の焦点距離は共にｆであり、前段のレンズ７８は試料１００から焦点距離ｆだけ離れた位置に配置され、後段のレンズ７９は電気光学結晶８１から焦点距離ｆだけ離れた位置に配置されている。したがって、レンズ７８，７９によって、試料１００を透過したテラヘルツパルス光Ｌ７５による試料１００の２次元領域の像が、電気光学結晶８１の対応する２次元領域に結像される。このように、本実施の形態では、電気光学結晶８１は、試料１００の２次元領域を透過したテラヘルツパルス光Ｌ７５を、試料１００の前記２次元領域に対応する２次元領域で一括受光する。もっとも、本発明では、電気光学結晶８１が、試料１００の２次元領域で反射されたテラヘルツパルス光を、試料１００の前記２次元領域に対応する２次元領域で一括受光するように、構成してもよい。
【００２９】
ビームスプリッタ７３で分割された他方のパルス光Ｌ７３は、テラヘルツパルス光Ｌ７５を検出するためのプローブパルス光となる。このプローブパルス光Ｌ７３は、平面鏡８２からＺ方向に若干ずれた位置を通過した後、これをチャーピングするチャーピング部としてのパルス伸長器８３により、チャーピングされる。パルス伸長器８３は、図６中のパルス伸長器６１と同一の構成を有しているので、パルス伸長器８３の構成要素にもパルス伸長器６１の構成要素と同一符号を付し、その説明は省略する。
【００３０】
パルス伸長器８３によりチャーピングされたプローブパルス光は、平面鏡８２で反射された後に、ビームエキスパンダ８４でテラヘルツパルス光Ｌ７５の断面に応じて拡張され、偏光子８５を通過した後に直線偏光光となり、更に、ビームスプリッタ８０で反射された後に電気光学結晶８１の前記２次元領域に入射する。このように、本実施の形態では、前記要素７１〜７３，８２〜８５，８０が、チャーピングされかつテラヘルツパルス光Ｌ７５と同期したプローブパルス光を、電気光学結晶８１の前記２次元領域に一括照射するプローブパルス光照射部を構成している。
【００３１】
電気光学結晶８１に入射した直線偏光光であるプローブパルス光は、電気光学結晶８１の前記２次元領域を透過する。その透過光の各波長成分の偏光状態は、テラヘルツパルス光Ｌ７５により生じた電気光学結晶８１の複屈折変化（すなわち、テラヘルツパルス光Ｌ７５の電場強度変化）に応じて、楕円偏光に変化する。このとき、テラヘルツパルス光Ｌ７５の単一パルスにおける各時点での電場強度の情報は、直線偏光からの差としてプローブパルス光の各波長成分の偏光状態が担っている。すなわち、プローブパルス光Ｌ７３の各波長成分は、電気光学結晶８１を通過して、テラヘルツパルス光Ｌ７５により、偏光状態が変化する。
【００３２】
電気光学結晶８１を透過したプローブパルス光は、検光子８６で特定偏光成分のみ抽出された後に、分光計測部に入射される。この分光計測部は、検光子８６による特定偏光成分の抽出の後のプローブパルス光を、電気光学結晶８１の前記２次元領域の各部位に対応するもの毎に、それぞれ分光して各波長成分毎の強度を得るものである。本実施の形態では、この分光計測部は、複数の分光器８９で構成されている。検光子８６による特定偏光成分の抽出の後のプローブパルス光は、多数の光ファイバ８８からなる光ファイバ束により、電気光学結晶８１の前記２次元領域の各部位に対応するもの毎に、いずれかの分光器８９に導かれている。
【００３３】
各光ファイバ８８の入射端は、図２に示すように、電気光学結晶８１の前記２次元領域に対応する２次元領域に分布するように配置されている。また、光ファイバ８８の入射端の直前には、個々の光ファイバ８８の入射端に対応するマイクロレンズがアレイ化されたマイクロレンズアレイ８７が配置されている。マイクロレンズアレイ８７は、プローブパルス光を効率良く光ファイバ８８の入射端に入射させるために設けられているが、必ずしも設ける必要はない。なお、図２では、検光子８６は、省略している。
【００３４】
各分光器８９は、図３に示すように、入射スリット１０１ａを有する入口スリット板１０１と、平面反射鏡１０２と、コリメイトミラー１０３と、回折格子１０４と、フォーカスミラー１０５と、２次元センサとしての２次元ＣＣＤ１０６とから構成されている。全ての光ファイバ８８のうちの複数本ずつの光ファイバ８８の射出端が、各分光器８９の入射スリット１０１ａの付近にこれに対面するように、一列に配置されている。図３及び図４に示す例では、全ての光ファイバ８８のうちの５本の光ファイバ８８ａ〜８８ｅの射出端が一列に配置されている。
【００３５】
各光ファイバ８８ａ〜８８ｅから入射した各入射光は、平面反射鏡１０２で反射された後に、コリメイトミラー１０３により収束されて回折格子１０４に入射し、個々の波長の光に図３中の横方向に分散され、フォーカスミラー１０５を経て２次元ＣＣＤ１０６の受光面上に照射される。図５において、ＣＣＤ１０６の受光面上の帯状領域１０６ａは、光ファイバ８８ａから入射した光の分光後の各波長の光が入射し得る領域を示している。帯状領域１０６ａにおいて、図５中の左側の位置ほど分光後の波長の長い光が入射し、右側の位置ほど分光後の波長の短い波長の光が入射するようになっている。同様に、帯状領域１０６ｂ〜１０６ｅは、光ファイバ８８ｂ〜８８ｅからそれぞれ入射した光の分光後の各波長の光が入射し得る領域をそれぞれ示している。コリメイトミラー１０３及びフォーカスミラー１０５としてそれぞれトロイダルミラーが用いられ、図５に示すように、各光ファイバ８８ａ〜８８ｅから入射した各入射光が図５中の縦方向に重なることなく、各入射光が空間的に分離した状態で同時に分光されるようになっている。
【００３６】
以上の説明からわかるように、前記要素１０１〜１０５は、互いに異なる複数の入射位置からそれぞれ入射する２つ以上の入射光を空間的に分離した状態で同時に分光する１つの分光光学系を構成している。また、２次元ＣＣＤ１０６は、この分光光学系により分光された各入射光の各波長毎の強度を検出する２次元センサを構成している。なお、以上説明した分光器８９の構成は、米国のアクトン・リサーチ社製の「ＳｐｅｃｔｒａＰｒｏ−１５０」（製品名）と称する分光器の構成と同様であり、公知である。
【００３７】
各光ファイバ８８からの入射光に対応していずれかの分光器８９の２次元ＣＣＤ１０６から得られた信号は、当該光ファイバ８８に対応する試料１００の前記２次元状領域内の部位を透過したテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形に対応している。例えば、図５中の帯状領域１０６ａに対応する２次元ＣＣＤ１０６の各画素信号は、全体として、光ファイバ８８ａに対応する試料１００の前記２次元状領域内の部位を透過したテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形に対応している。ただし、テラヘルツパルス光Ｌ７５が電気光学結晶８１に入射している際に得られた帯状領域１０６ａに対応する２次元ＣＣＤ１０６の各画素信号から、テラヘルツパルス光Ｌ７５が電気光学結晶８１に入射していないときにプローブパルス光のみにより得られた帯状領域１０６ａに対応する２次元ＣＣＤ１０６の各画素信号をそれぞれ差し引いたものが、全体として、光ファイバ８８ａに対応する試料１００の前記２次元状領域内の部位を透過したテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形に相当する。
【００３８】
そこで、本実施の形態では、このような機能を担う時系列波形取得回路９１が、分光器８９と１対１に対応するように分光器８９と同数設けられている。図３乃至図５に示すように５本の光ファイバ８８ａ〜８８ｅからの入射光を分光する１つの分光器８９に対応して設けられた１つの時系列波形取得回路９１について説明すると、この時系列波形取得回路９１の内部メモリ（図示せず）には、ポンプパルス光Ｌ７２の光路を遮光してテラヘルツパルス光を発生させない状態で、光ファイバ８８ａに対応する帯状領域１０６ａに対応する２次元ＣＣＤ１０６の各画素信号を、光ファイバ８８ａに対応する基準信号として予め取り込んでおく。同様に、この時系列波形取得回路９１の内部メモリ（図示せず）には、ポンプパルス光Ｌ７２の光路を遮光してテラヘルツパルス光を発生させない状態で、光ファイバ８８ｂ〜８８ｅにそれぞれ対応する帯状領域１０６ｂ〜１０６ｅに対応する２次元ＣＣＤ１０６の各画素信号を、光ファイバ８８ｂ〜８８ｅにそれぞれ対応する基準信号として予め取り込んでおく。そして、この時系列波形取得回路９１は、ポンプパルス光Ｌ７２の光路を遮光しない通常状態で、光ファイバ８８ａに対応する帯状領域１０６ａに対応する２次元ＣＣＤ１０６の各画素信号を取り込み、この各画素信号から対応する基準信号を差し引くことで、光ファイバ８８ａに対応する試料１００の前記２次元状領域内の部位を透過したテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形データを得る。同様に、この時系列波形取得回路９１は、ポンプパルス光Ｌ７２の光路を遮光しない通常状態で、光ファイバ８８ｂ〜８８ｅに対応する帯状領域１０６ｂ〜１０６ｅにそれぞれ対応する２次元ＣＣＤ１０６の各画素信号を取り込み、この各画素信号から対応する基準信号をそれぞれ差し引くことで、光ファイバ８８ｂ〜８８ｅにそれぞれ対応する試料１００の前記２次元状領域内の各部位を透過したテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形データをそれぞれ得る。なお、この時系列波形取得回路９１は、光ファイバ８８ａ〜８８ｅにそれぞれ対応する各処理を逐次的に行うように構成してもよいし、並行して行うように構成してもよい。以上、１つの時系列波形取得回路９１について説明したが、他の時系列波形取得回路９１についても同様である。
【００３９】
このようにして、複数の時系列波形取得回路９１によって、試料１００の２次元領域の各部位の全体に渡るテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形データを、テラヘルツパルス光の単一パルスについて得ることができる。
【００４０】
また、本実施の形態では、高速フーリエ変換回路（ＦＦＴ回路）９２が、時系列波形取得回路９１と１対１に対応するように時系列波形取得回路９１と同数設けられている。各ＦＦＴ回路９２は、対応する時系列波形取得回路９１により得られた各時系列波形をそれぞれ高速フーリエ変換して、各波長成分の電場強度を、各光ファイバ８８に対応するもの毎に得る。各ＦＦＴ回路９２は、各時系列波形にそれぞれ対応するフーリエ変換動作を逐次的に行うように構成してもよいし、並行して行うように構成してもよい。
【００４１】
また、本実施の形態では、波長成分選択回路９３が、ＦＦＴ回路９２と１対１に対応するようにＦＦＴ回路９２と同数設けられている。波長成分選択回路９３は、対応するＦＦＴ回路９２により得られた各光ファイバ８８に対応する各波長成分の電場強度のうち、各光ファイバ８８に対応する所定波長の成分の電場強度を選択的にコンピュータ９４に供給する。波長成分選択回路９３が選択する波長は、予め定められて変更できないようにしてもよいが、本実施の形態では、使用者がキーボード等の入力装置９６介して指令を与えることにより変更し得るように構成されている。すなわち、本実施の形態では、使用者がキーボード等の入力装置９６介して選択した波長が、コンピュータ９４内のメモリ（図示せず）に更新可能に記憶され、その波長に応じた信号がコンピュータから波長成分選択回路９３に供給される。波長成分選択回路９３は、この信号が示す波長の成分の電場強度を選択的にコンピュータ９４に供給する。
【００４２】
本実施の形態では、複数の分光器８９に対して１対１に設けられた複数の時系列波形取得回路９１、複数のＦＦＴ回路９２及び複数の波長成分選択回路９３が、全体として、処理部９０を構成している。前述した説明からわかるように、この処理部９０は、複数の分光器８９からなる分光計測部から試料１００の前記２次元領域の各部位に対応して得られた各波長成分毎の強度に基づいて、前記各部位に対応した前記テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形をそれぞれ得、前記各部位に対応して得られた時系列波形をそれぞれフーリエ変換し、前記テラヘルツパルス光の所定波長成分の電場強度を前記各部位に対応してそれぞれ得るものである。そして、本実施の形態では、時系列波形取得回路９１、ＦＦＴ回路９２及び波長成分選択回路９３の組がそれぞれ並列的に設けられることにより、処理部９０における前述した各部位にそれぞれ対応する各処理が複数のグループに分けられて、各グループの処理が並行して行われるようになっている。
【００４３】
処理部９０の前述した動作によって、コンピュータ９４には、試料１００の前記２次元領域の各部位を透過した単一パルスによるテラヘルツパルス光の所定波長成分の電場強度のみが、当該各部位毎に供給されることになる。コンピュータ９４は、試料１００の前記２次元領域の画像として、処理部９０から供給された所定波長成分の電場強度による画像を、ＣＲＴ等の表示部９５に画像表示させる。
【００４４】
本実施の形態によれば、複数の時系列波形取得回路９１によって、試料１００の２次元領域の各部位の全体に渡るテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形の実時間計測（テラヘルツパルス光の単一パルスの時系列波形の計測）を行うことができる。
【００４５】
また、本実施の形態によれば、前述した動作によって、試料１００の２次元領域が、当該領域を透過するテラヘルツパルス光の所定波長成分の電場強度によりリアルタイムにイメージングすることができる。したがって、生物のような動く試料についてもリアルタイムで観測できる。そして、所定波長成分の電場強度によりイメージングを行うので、試料１００がある特定の波長成分にだけ特異な性質を持つ場合などにその性質に応じた観察が可能となる。また、短波長成分の電場強度によりイメージングを行うことも可能となり、その場合には、空間分解能を向上させることができる。
【００４６】
ところで、処理部９０の機能をコンピュータ９４で行うように構成することも可能である。しかし、その処理量が膨大であるため、コンピュータ９４の負担が大きく、リアルタイムのイメージングが実際上困難である。これに対して、本実施の形態では、コンピュータ９４とは別に処理部９０を設け、処理部９０における前述した各部位にそれぞれ対応する各処理が複数のグループに分けられて、各グループの処理が並行して行われるので、高速処理を容易に実現することができ、ひいてはリアルタイムのイメージングを容易に実現することができる。
【００４７】
以上、本発明の一実施の形態について説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。
【００４８】
例えば、前記実施の形態において、波長成分選択回路９３に代えて、対応するＦＦＴ回路９２により得られた各光ファイバ８８に対応する各波長成分の電場強度に基づいて、所定波長領域での電場平均強度（所定波長領域に属する波長成分の電場強度の平均値）又は所定波長領域での電場面積強度（所定波長領域に属する波長成分の積算値）を演算する回路を設け、その演算結果をコンピュータ９４に供給するようにしてもよい。この場合、コンピュータ９４は、試料１００の前記２次元領域の画像として、処理部９０から供給された所定波長領域での電場平均強度又は電場面積強度による画像を、ＣＲＴ等の表示部９５に画像表示させる。なお、前記実施の形態において波長成分選択回路９３が選択する波長を使用者が指令できるように構成したのと同様に、前記所定波長領域を使用者が指令できるように構成しておくことが好ましい。
【００４９】
また、前記実施の形態では、時系列波形取得回路９１〜９３を分光器８９と１対１に設けていたが、必ずしもこれに限定されるものではない。
【００５０】
さらに、前記各実施の形態やその変形例において、電気光学結晶８１に代えて磁気光学結晶を用いてもよい。この場合、以上の説明において、電気光学を磁気光学と読み替え、電場を磁場と読み替えれば、以上の説明がそのまま適合する。したがって、ここでは、電気光学結晶に代えて磁気光学結晶を用いた場合の説明は省略する。
【００５１】
また、前述した実施の形態において、複数の分光器９５に代えて、図６中の分光器７０と同じ分光器を光ファイバ８８と同数設けてもよい。ただし、この場合には、前述した実施の形態に比べて、分光器の数が増大し、装置が大型化するとともにコストが増大してしまうため、前述した実施の形態のように、複数の入射光を空間的に分離した状態で同時に分光し得る分光器８９を用いることが好ましい。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、対象物体の２次元領域の各部位の全体に渡るテラヘルツパルス光の電場強度又は磁場強度の時系列波形の実時間計測を行うことができるテラヘルツパルス光計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態によるテラヘルツパルス光計測装置を模式的に示す概略構成図である。
【図２】図１に示す計測装置において用いられている電気光学結晶、マイクロレンズアレイ及び光ファイバの入射端の位置関係を示す概略斜視図である。
【図３】図１に示す計測装置において用いられている分光器を示す概略構成図である。
【図４】図３中のＥ−Ｅ’矢視図である。
【図５】図３に示す分光器において用いられている２次元ＣＣＤの受光面の様子を模式的に示す図である。
【図６】従来のテラヘルツパルス光計測装置の更に他の例を模式的に示す概略構成図である。
【図７】図６に示すテラヘルツパルス光計測装置におけるパルス伸長器によるチャーピング前後のプローブパルス光の波形を示す図である。
【符号の説明】
７１　フェムト秒パルス光源
７４，８４　ビームエキスパンダ
７９　大口径光伝導アンテナ
８１　電気光学結晶
８３　パルス伸長器（チャーピング部）
８５　偏光子
８６　検光子
８７　マイクロレンズアレイ
８８　光ファイバ
８９　分光器
９０　処理部
９１　時系列波形取得回路
９２　ＦＦＴ回路
９３　波長成分選択回路
１００　試料（対象物体）

Claims

テラヘルツパルス光を対象物体の２次元領域に照射するテラヘルツパルス光照射部と、
前記対象物体の前記２次元領域を透過又は反射したテラヘルツパルス光を、前記対象物体の前記２次元領域に対応する２次元領域で一括受光する電気光学結晶又は磁気光学結晶と、
チャーピングされかつ前記テラヘルツパルス光と同期したプローブパルス光を、前記電気光学結晶又は前記磁気光学結晶の前記２次元領域に一括照射するプローブパルス光照射部と、
前記電気光学結晶又は前記磁気光学結晶を通過して前記テラヘルツパルス光により偏光状態が変化した前記プローブパルス光の特定偏光成分を抽出する検光部と、
前記検光部による特定偏光成分の抽出の後の前記プローブパルス光を、前記電気光学結晶又は前記磁気光学結晶の前記２次元領域の各部位に対応するもの毎に、それぞれ分光して各波長成分毎の強度を得る分光計測部と、
前記検光部による特定偏光成分の抽出の後の前記プローブパルス光を、前記各部位に対応するもの毎に、前記分光計測部に導く光学部材と、
を備えたことを特徴とするテラヘルツパルス光計測装置。
前記分光計測部から前記各部位に対応して得られた各波長成分毎の強度に基づいて、前記各部位に対応した前記テラヘルツパルス光の電場強度又は磁場強度の時系列波形をそれぞれ得、前記各部位に対応して得られた時系列波形をそれぞれフーリエ変換し、前記テラヘルツパルス光の所定波長成分の電場強度又は磁場強度あるいは所定波長領域での電場平均強度、電場面積強度、磁場平均強度又は磁場面積強度を前記各部位に対応してそれぞれ得る処理部と、
表示部と、
前記表示部に、前記処理部により前記各部位に対応して得られた前記所定波長成分の電場強度又は磁場強度あるいは前記所定波長領域での電場平均強度、電場面積強度、磁場平均強度又は磁場面積強度を画像表示させる手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツパルス光計測装置。
前記処理部は、前記所定波長又は前記所定波長領域を、使用者からの指令に応じた波長又は波長領域に設定する手段を有することを特徴とする請求項２記載のテラヘルツパルス光計測装置。
前記処理部は、当該処理部における前記各部位にそれぞれ対応する各処理を複数のグループに分けて、各グループの処理を並行して行うように構成されたことを特徴とする請求項２又は３記載のテラヘルツパルス光計測装置。
前記分光計測部は、互いに異なる複数の入射位置からそれぞれ入射する２つ以上の入射光を空間的に分離した状態で同時に分光する１つの分光光学系、及び、該分光光学系により分光された各入射光の各波長毎の強度を検出する２次元センサを有する複数の分光器を、含み、
前記光学部材は、前記検光部による特定偏光成分の抽出の後の前記プローブパルス光を、前記各部位に対応するもの毎に、前記複数の分光器の前記複数の入射位置のうちのいずれかの入射位置に導くことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のテラヘルツパルス光計測装置。
前記光学部材が光ファイバ束であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のテラヘルツパルス光計測装置。