JP2006266908A - Instrument and method for measuring terahertz pulse light - Google Patents

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Yoshinori Kanouchi
義紀 叶内
Shinichi Kuroo
真一 黒尾
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a plurality of time-serial waveforms for reducing a noise component by one time delay operation. <P>SOLUTION: A sample is irradiated with terahertz pulse light L6 generated in a terahertz light generator 5, so as to detect a time-serial change with time of intensity in an electric field of a terahertz pulse light L8 transmitted through the sample S by a terahertz light detector 8. The intensity in the electric field of the terahertz pulse light L8 transmitted through the sample S is detected finely with a prescribed delay time interval, during the one time delay operation for moving a turning mirror 11 by a distance d along an A direction from an original position. A storage circuit 21 stores an electric field intensity data together with positional information of the turning mirror 11 corresponding to the time delay amount in the detection. A computing circuit 22 extracts the plurality of electric field intensity data in every of the prescribed delay time amounts from the storage circuit 21 to obtain the plurality of time-serial waveforms, and the respective time-serial waveforms are Fourier-transformed respectively to obtain a plurality of spectral waveforms. The plurality of spectral waveforms include respectively a plurality of amplitude information pieces and a plurality of phase information pieces, and the computing circuit 22 averages further the plurality of amplitude information pieces or phase information pieces. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、テラヘルツパルス光を用いた測定装置およびテラヘルツパルス光を用いた測定方法に関する。   The present invention relates to a measurement apparatus using terahertz pulse light and a measurement method using terahertz pulse light.

テラヘルツ光を利用する各種の測定装置では、概ね0.01×1012〜100×1012ヘルツ(0.01〜100THz)の周波数領域のテラヘルツパルス光を試料に照射して、試料を透過した透過光または試料から反射した反射光を検出することにより、試料の電気的特性や成分濃度などを測定する。従来、テラヘルツパルス光を検出する検出器を動作させるプローブパルス光がテラヘルツ光検出器へ到達する時間を遅延させ、その時間遅延量に応じた電場強度を測定することでテラヘルツパルス光の時系列波形を取得し、この時系列波形に基づいて物性値や成分量を算出するテラヘルツ光測定装置が知られている。時間遅延装置には、ミラーと、そのミラーを移動させてプローブパルス光の光路長を連続的に変化させる移動ステージとが備えられ、1回の移動操作(時間遅延動作)で1つの時系列波形が得られる。(例えば、特許文献1参照)。 In various measuring apparatuses using terahertz light, the sample is irradiated with terahertz pulse light in a frequency range of approximately 0.01 × 10 12 to 100 × 10 12 hertz (0.01 to 100 THz), and transmitted through the sample. By detecting light or reflected light reflected from the sample, the electrical characteristics, component concentration, etc. of the sample are measured. Conventionally, a time series waveform of terahertz pulse light is measured by delaying the time that probe pulse light that operates a detector that detects terahertz pulse light reaches the terahertz light detector and measuring the electric field intensity according to the time delay amount. There is known a terahertz light measuring device that acquires a physical property value and a component amount based on this time-series waveform. The time delay device includes a mirror and a moving stage for continuously changing the optical path length of the probe pulse light by moving the mirror, and one time series waveform is obtained by one movement operation (time delay operation). Is obtained. (For example, refer to Patent Document 1).

特開2002−277393号公報(第10,11頁、第1,4図)JP 2002-277393 (pages 10, 11 and 1, 4)

従来のテラヘルツパルス光測定装置は、1回の時間遅延動作で1つの時系列波形しか得られず、時間遅延動作を繰り返し行い複数の時系列波形を得なければならないので、測定時間を多く必要とするという問題があった。   The conventional terahertz pulse light measurement apparatus can obtain only one time-series waveform by one time delay operation, and needs to obtain a plurality of time-series waveforms by repeating the time delay operation. There was a problem to do.

(1)請求項1の発明によるテラヘルツパルス光測定装置は、ポンプパルス光の照射によりテラヘルツパルス光を発生するテラヘルツ光発生器と、テラヘルツ光発生器で発生したテラヘルツパルス光を試料へ照射する光学系と、光学系を介してテラヘルツパルス光が照射された試料からのテラヘルツパルス光をプローブパルス光の照射により電場強度信号として検出するテラヘルツ光検出器と、テラヘルツパルス光がテラヘルツ光検出器へ到達する時間とプローブパルス光がテラヘルツ光検出器へ到達する時間との時間差を連続的に変更する時間遅延装置と、時間遅延装置による一回の時間遅延動作において、所定のサンプリング間隔で取得された電場強度信号のデータを記憶する記憶回路と、記憶回路に記憶された時間遅延装置の位置情報に基づいて複数の演算用電場強度データを抽出し、これら複数の演算用電場強度データを演算処理して測定結果を算出する演算回路とを備えたことを特徴とする。
(2)請求項2の発明は、請求項1に記載のテラヘルツパルス光測定装置において、抽出された複数の演算用電場強度データはそれぞれ時系列波形データであり、演算回路は、時系列波形データのそれぞれをフーリエ変換して得られる複数の振幅情報を平均化処理してその振幅を算出することを特徴とする。
(3)請求項3の発明は、請求項1または2に記載のテラヘルツパルス光測定装置において、抽出された複数の演算用電場強度データはそれぞれ時系列波形データであり、演算回路は、時系列波形データのそれぞれをフーリエ変換して得られる複数の位相情報を平均化処理してその位相を算出することを特徴とする。
(4)請求項4の発明は、請求項3に記載のテラヘルツパルス光測定装置において、演算回路は、複数の位相情報を平均化処理して位相を算出する際、電場強度信号のサンプリング間隔に応じて時系列波形データに含まれる位相ずれを補正することを特徴とする。
(5)請求項5の発明によるテラヘルツパルス光測定方法は、ポンプパルス光の照射によりテラヘルツパルス光を発生させ、発生したテラヘルツパルス光を試料へ照射し、ポンプパルス光により発生したテラヘルツパルス光がテラヘルツ光検出器へ到達するタイミングとプローブパルス光によりテラヘルツパルス光を電場強度信号として検出するタイミングとを連続的に変更しながら、試料からのテラヘルツパルス光を検出し、タイミングを連続的に変更する一回の時間遅延動作において、検出された電場強度信号のデータを所定のサンプリング間隔で取得して記憶し、記憶された電場強度信号のデータに基づいて複数の演算用電場強度データを抽出し、これら複数の演算用電場強度データを演算処理して測定結果を得ることを特徴とする。
(1) A terahertz pulse light measuring device according to the invention of claim 1 includes a terahertz light generator that generates terahertz pulse light by irradiation of pump pulse light, and an optical that irradiates a sample with terahertz pulse light generated by the terahertz light generator System, a terahertz light detector that detects terahertz pulse light from a sample irradiated with terahertz pulse light through an optical system as an electric field intensity signal by irradiation with probe pulse light, and the terahertz pulse light reaches the terahertz light detector A time delay device that continuously changes the time difference between the time when the probe pulse light reaches the terahertz light detector, and an electric field acquired at a predetermined sampling interval in one time delay operation by the time delay device Memory circuit for storing intensity signal data and time delay device position information stored in the memory circuit Extracting a plurality of arithmetic field strength data based, characterized in that an arithmetic circuit for calculating a measurement result by processing the plurality of operation for the electric field intensity data.
(2) The invention according to claim 2 is the terahertz pulse light measurement device according to claim 1, wherein each of the plurality of operation electric field intensity data extracted is time-series waveform data, A plurality of pieces of amplitude information obtained by Fourier transforming each of the above are averaged to calculate the amplitude.
(3) The invention of claim 3 is the terahertz pulse light measurement device according to claim 1 or 2, wherein each of the plurality of operation electric field intensity data extracted is time-series waveform data, and the operation circuit is time-series A plurality of pieces of phase information obtained by Fourier transforming each of the waveform data are averaged to calculate the phase.
(4) The invention according to claim 4 is the terahertz pulse light measuring device according to claim 3, wherein the arithmetic circuit calculates the phase by averaging the plurality of pieces of phase information and sets the sampling interval of the electric field intensity signal. Accordingly, the phase shift included in the time-series waveform data is corrected.
(5) In the terahertz pulse light measurement method according to the invention of claim 5, the terahertz pulse light is generated by irradiating the pump pulse light, the generated terahertz pulse light is irradiated to the sample, and the terahertz pulse light generated by the pump pulse light is generated. While continuously changing the timing to reach the terahertz light detector and the timing to detect the terahertz pulse light as the electric field intensity signal by the probe pulse light, the terahertz pulse light from the sample is detected and the timing is continuously changed. In one time delay operation, the detected electric field strength signal data is acquired and stored at a predetermined sampling interval, and a plurality of calculation electric field strength data is extracted based on the stored electric field strength signal data. A plurality of calculation electric field intensity data are arithmetically processed to obtain measurement results.

本発明によれば、一回の時間遅延動作において得た電場強度信号のデータに基づいて複数組の時系列波形データである演算用電場強度データを得、これら複数の演算用電場強度データから所望の測定結果を演算処理するようにしたので、測定時間を短縮できる。   According to the present invention, a plurality of sets of time-series waveform data are obtained based on electric field strength signal data obtained in one time delay operation, and desired electric field strength data are obtained from the plurality of calculation field strength data. Since the measurement result is processed, the measurement time can be shortened.

以下、本発明によるテラヘルツパルス光測定装置の一実施の形態について、図1〜4を参照しながら説明する。
図1は、本発明の実施の形態によるテラヘルツパルス光測定装置の構成を模式的に示す全体構成図である。テラヘルツパルス光測定装置100は、試料Sにテラヘルツパルス光を照射し、試料Sを透過したテラヘルツパルス光の電場強度の時間的変化を検出し、この検出データをフーリエ変換することにより各周波数における振幅情報と位相情報を得るものである。
Hereinafter, an embodiment of a terahertz pulse light measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is an overall configuration diagram schematically showing a configuration of a terahertz pulse light measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. The terahertz pulsed light measurement apparatus 100 irradiates the sample S with terahertz pulsed light, detects temporal changes in the electric field intensity of the terahertz pulsed light that has passed through the sample S, and performs Fourier transform on the detected data to thereby change the amplitude at each frequency. Information and phase information are obtained.

テラヘルツパルス光測定装置100は、パルス光L1を放射するレーザ光源1と、パルス光L1をパルス光L2,L9に分割するビームスプリッタ2と、ミラー3,4と、テラヘルツパルス光L5を発生させるテラヘルツ光発生器5と、曲面鏡6,7と、試料Sを透過した後のテラヘルツパルス光L8を検出するテラヘルツ光検出器8とを備える。また、テラヘルツパルス光測定装置100は、周知の時系列テラヘルツ光検出法によりテラヘルツパルス光を検出する目的で、テラヘルツ光検出器8へ導くパルス光L11の到達時間を変更する時間遅延装置10と、ミラー14とを備えている。   The terahertz pulse light measuring apparatus 100 includes a laser light source 1 that emits pulsed light L1, a beam splitter 2 that divides the pulsed light L1 into pulsed light L2 and L9, mirrors 3 and 4, and terahertz that generates terahertz pulsed light L5. A light generator 5, curved mirrors 6 and 7, and a terahertz light detector 8 that detects the terahertz pulsed light L 8 after passing through the sample S are provided. Further, the terahertz pulse light measuring device 100 is configured to change the arrival time of the pulsed light L11 that is guided to the terahertz light detector 8 for the purpose of detecting the terahertz pulse light by a known time-series terahertz light detection method, And a mirror 14.

さらに、テラヘルツパルス光測定装置100は、テラヘルツ光検出器8に接続されたA/D変換回路16と、時間遅延装置10に接続された同期回路17、ステージコントローラ18と、制御装置20と、ディスプレイ23とを備えている。制御装置20は、記憶回路21および演算回路22を有し、A/D変換回路16、同期回路17、ステージコントローラ18およびディスプレイ23にそれぞれ接続されている。   Further, the terahertz pulse light measuring device 100 includes an A / D conversion circuit 16 connected to the terahertz light detector 8, a synchronization circuit 17, a stage controller 18, a control device 20, and a display connected to the time delay device 10. 23. The control device 20 includes a storage circuit 21 and an arithmetic circuit 22 and is connected to the A / D conversion circuit 16, the synchronization circuit 17, the stage controller 18 and the display 23, respectively.

パルス光L1を放射するレーザ光源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。パルス光L1は、中心波長が近赤外領域のうちの780〜830nm程度、繰り返し周期が数kHzから100MHzのオーダー、パルス幅が10〜150fs程度の直線偏光のパルス光である。   For example, a femtosecond pulse laser is used as the laser light source 1 that emits the pulsed light L1. The pulsed light L1 is linearly polarized pulsed light having a center wavelength of about 780 to 830 nm in the near infrared region, a repetition period on the order of several kHz to 100 MHz, and a pulse width of about 10 to 150 fs.

ビームスプリッタ2で分割されたポンプパルス光L2は、ミラー3,4を順次経由し、ポンプパルス光L4となってテラヘルツ光発生器5へ入射する。テラヘルツ光発生器5は、光スイッチ素子5aおよびバイアス回路5bを有する。バイアス回路5bにより光スイッチ素子5aに直流電圧を印加した状態で、ポンプパルス光L4を光スイッチ素子5aに照射すると、テラヘルツパルス光L5が発生する。テラヘルツパルス光L5は、曲面鏡6で集光され、試料Sを透過する。試料Sを透過したテラヘルツパルス光L7は、その透過地点の物性情報を含む光であり、曲面鏡7で集光され、テラヘルツパルス光L8となってテラヘルツ光検出器8へ入射する。   The pump pulse light L2 divided by the beam splitter 2 sequentially passes through the mirrors 3 and 4 and enters the terahertz light generator 5 as pump pulse light L4. The terahertz light generator 5 includes an optical switch element 5a and a bias circuit 5b. When the pump pulse light L4 is applied to the optical switch element 5a in a state where a DC voltage is applied to the optical switch element 5a by the bias circuit 5b, terahertz pulse light L5 is generated. The terahertz pulse light L5 is collected by the curved mirror 6 and passes through the sample S. The terahertz pulsed light L7 that has passed through the sample S is light including physical property information of the transmission point, is collected by the curved mirror 7, and becomes the terahertz pulsed light L8 and enters the terahertz photodetector 8.

ビームスプリッタ2で分割されたプローブパルス光L9は、時間遅延装置10、ミラー14を順次経由し、プローブパルス光L11となってテラヘルツ光検出器8へ入射する。テラヘルツ光検出器8は、光スイッチ素子5aと同様の光スイッチ素子8aおよびI/V変換回路8bを有する。光スイッチ素子8aに試料Sを透過したテラヘルツパルス光L8を入射させた状態で、プローブパルス光L11を光スイッチ素子8aに照射すると、光スイッチ素子8aでは、その瞬間的な照射時間だけテラヘルツパルス光L8の電場によって生じる光電流が流れる。すなわち、試料Sを透過してテラヘルツ光検出器8へ入射したテラヘルツパルス光L8の電場強度がI/V変換回路8bにより検出される。   The probe pulse light L9 divided by the beam splitter 2 sequentially passes through the time delay device 10 and the mirror 14 and becomes probe pulse light L11 and enters the terahertz light detector 8. The terahertz light detector 8 includes an optical switch element 8a and an I / V conversion circuit 8b similar to the optical switch element 5a. When the optical switch element 8a is irradiated with the probe pulse light L11 in the state where the terahertz pulse light L8 transmitted through the sample S is incident on the optical switch element 8a, the optical switch element 8a has the terahertz pulse light for the instantaneous irradiation time. A photocurrent generated by the electric field of L8 flows. That is, the electric field intensity of the terahertz pulsed light L8 that has passed through the sample S and entered the terahertz light detector 8 is detected by the I / V conversion circuit 8b.

テラヘルツ光検出器8は、検出された電流信号をI/V変換回路8bにより電圧信号に変換してA/D変換回路16へ送出する。A/D変換回路16は、その電圧信号をデジタル量に変換して制御装置20へ送出する。   The terahertz photodetector 8 converts the detected current signal into a voltage signal by the I / V conversion circuit 8 b and sends it to the A / D conversion circuit 16. The A / D conversion circuit 16 converts the voltage signal into a digital quantity and sends it to the control device 20.

時間遅延装置10は、ビームスプリッタ2からテラヘルツ光検出器8までのプローブパルス光の到達時間を変更するための装置であり、折り返しミラー11、可動ステージ12およびリニアエンコーダ13を有する。折り返しミラー11は、2枚もしくは3枚の反射鏡からなり、可動ステージ12に載置され、図中矢印で示すA方向に移動可能であり、その移動距離dはリニアエンコーダ13で精密に測定される。   The time delay device 10 is a device for changing the arrival time of probe pulse light from the beam splitter 2 to the terahertz light detector 8, and includes a folding mirror 11, a movable stage 12, and a linear encoder 13. The folding mirror 11 is composed of two or three reflecting mirrors, is placed on the movable stage 12 and can move in the A direction indicated by the arrow in the figure, and the moving distance d is precisely measured by the linear encoder 13. The

可動ステージ12は、ステージコントローラ18により駆動制御され、プローブパルス光L9とL10の合計光路長が連続的に変化する。ステージコントローラ18は、制御装置20からの指令信号に基づいて可動ステージ12を移動させる不図示のモータをコントロールする。原点位置からA方向に距離dだけ折り返しミラー11を移動したとすると、光路長の変化量は2×dとなる。従って、光路長の変化量に比例してプローブパルス光がテラヘルツ光検出器8へ到達する時間が連続的に遅延する。原点位置からの移動距離d、すなわち折り返しミラー11の位置情報は、リニアエンコーダ13から同期回路17へ逐次送出される。   The movable stage 12 is driven and controlled by the stage controller 18, and the total optical path length of the probe pulse lights L9 and L10 changes continuously. The stage controller 18 controls a motor (not shown) that moves the movable stage 12 based on a command signal from the control device 20. If the folding mirror 11 is moved by a distance d in the A direction from the origin position, the amount of change in the optical path length is 2 × d. Accordingly, the time for the probe pulse light to reach the terahertz light detector 8 is continuously delayed in proportion to the change amount of the optical path length. The moving distance d from the origin position, that is, the position information of the folding mirror 11 is sequentially sent from the linear encoder 13 to the synchronization circuit 17.

前述したように、プローブ光としてのパルス光L11が光スイッチ素子8aを照射する瞬間に光スイッチ素子8aに入射しているテラヘルツパルス光L8の電場強度が検出される。これは、プローブパルス光がテラヘルツ光検出器8に対してゲートをかけていることになる。可動ステージ12を連続的に移動させてゲートをかけるタイミングをずらしながら、テラヘルツ光検出器8に繰り返し到来するテラヘルツパルス光L8の各遅延時間での電場強度を検出する。   As described above, the electric field strength of the terahertz pulsed light L8 incident on the optical switch element 8a is detected at the moment when the pulsed light L11 as the probe light irradiates the optical switch element 8a. This means that the probe pulse light gates the terahertz light detector 8. The electric field intensity at each delay time of the terahertz pulsed light L8 that repeatedly arrives at the terahertz light detector 8 is detected while moving the movable stage 12 continuously and shifting the timing for applying the gate.

各遅延時間で検出された電場強度は、電圧信号としてI/V変換回路8bからA/D変換回路16へ送出され、A/D変換回路16によりデジタル量に変換されるが、このデジタル量への変換動作は次のようにして行われる。すなわち、同期回路17は、リニアエンコーダ13から送出される折り返しミラー11の位置情報が予め設定された複数の位置情報と合致する毎にA/D変換回路16に対してA/D変換のためのトリガーを出力する。具体的には、同期回路17は、リニアエンコーダ13からのパルス数をカウントし、カウント数(折り返しミラー11の移動距離)が予め設定されたカウント数に達する度にトリガーを出力する。このカウント数は、後述する最小時間間隔rに対応するものである。これらの電場強度のデジタルデータは制御装置20へ送られ、記憶回路21に格納される。また、トリガー出力時の位置データも同期回路17から制御装置20へ送られ、記憶回路21に格納される。制御装置20では、電場強度に関するデジタルデータを電場強度検出時の位置データを基に継ぎ合わせ、テラヘルツパルス光L8の電場強度の時系列波形E(t)を取得する。 The electric field strength detected at each delay time is sent as a voltage signal from the I / V conversion circuit 8b to the A / D conversion circuit 16, and is converted into a digital quantity by the A / D conversion circuit 16. The conversion operation is performed as follows. That is, the synchronization circuit 17 performs A / D conversion for the A / D conversion circuit 16 each time the position information of the folding mirror 11 sent from the linear encoder 13 matches a plurality of position information set in advance. Outputs a trigger. Specifically, the synchronization circuit 17 counts the number of pulses from the linear encoder 13 and outputs a trigger each time the count number (the moving distance of the folding mirror 11) reaches a preset count number. This count number corresponds to a minimum time interval r described later. These digital data of the electric field strength are sent to the control device 20 and stored in the storage circuit 21. Further, position data at the time of trigger output is also sent from the synchronization circuit 17 to the control device 20 and stored in the storage circuit 21. In the control device 20, the digital data relating to the electric field intensity is spliced based on the position data at the time of detecting the electric field intensity, and the time series waveform E (t) of the electric field intensity of the terahertz pulse light L8 is acquired.

図2は、本実施の形態のテラヘルツパルス光測定装置により計測された時系列波形E(t)のグラフである。この時系列波形E(t)はディスプレイ23(図1参照)の画面上に表示される。横軸は、同期回路17から出力された位置データから算出される遅延時間であり、縦軸は、A/D変換回路16から出力された電場強度であり、I/V変換回路8bにより検出された電流信号、または変換された電圧信号に相当するものである。 FIG. 2 is a graph of the time-series waveform E (t) measured by the terahertz pulse light measurement device of the present embodiment. This time series waveform E (t) is displayed on the screen of the display 23 (see FIG. 1). The horizontal axis represents the delay time calculated from the position data output from the synchronization circuit 17, and the vertical axis represents the electric field strength output from the A / D conversion circuit 16, which is detected by the I / V conversion circuit 8b. The current signal or the converted voltage signal.

この時系列波形E(t)は、可動ステージ12を原点位置から距離dだけ移動させるという1回の時間遅延動作によって得られたグラフである。すなわち、可動ステージ12が原点位置にあるときの遅延時間tはt=0であり、原点位置から距離dの位置にあるときの遅延時間tはt=pである。 This time-series waveform E (t) is a graph obtained by one time delay operation of moving the movable stage 12 by a distance d from the origin position. That is, the delay time t when the movable stage 12 is at the origin position is t = 0, and the delay time t when the distance is d from the origin position is t = p.

図2のグラフにおいて、時刻tからtまでの時間帯の時系列波形E(t)の曲線を拡大して図3(a)に示す。今、図3(a)では、時刻tからtまでの時間を3等分して、その1つを時間間隔qで表し、さらに、時間間隔qをn等分し、その1つを時間間隔rで表す。そして、この最小時間間隔r毎に時系列波形E(t)を構成するデータが制御装置20の記憶回路21に記憶されているとする。 In the graph of FIG. 2, the curve of the time series waveform E (t) in the time period from time t 1 to t 2 is enlarged and shown in FIG. Now, in FIG. 3 (a), and divided into three equal parts the time from time t 1 to t 2, represents one of which time interval q, further time interval q and n equal parts, one of which Expressed as time interval r. Then, it is assumed that data constituting the time series waveform E (t) is stored in the storage circuit 21 of the control device 20 for each minimum time interval r.

図3(b)〜図3(e)は、図3(a)の時系列波形E(t)から所定の時間間隔でデータ(演算用電場強度データ)を抽出し、それぞれ再構成した時系列波形を示す。図3(b)は、時刻tから時間間隔q毎に記憶回路21からデータを抽出して構成した時系列波形E(t+0r)であり、この波形は記憶回路21の第1の記憶領域に格納される。図3(c)は、時刻t+rを基準に時間間隔q毎に記憶回路21からデータを抽出して構成した時系列波形E(t+1r)であり、この波形は記憶回路21の第2の記憶領域に格納される。図3(d)は、時刻t+2rを基準に時間間隔q毎に記憶回路21からデータを抽出して構成した時系列波形E(t+2r)であり、この波形は記憶回路21の第3の記憶領域に格納される。このように、時間間隔rづつずらして時系列波形を取得し、q/r個(n個)の波形を記憶領域に格納する。図3(e)は、時刻t+(n−1)rを基準に時間間隔q毎に記憶回路21からデータを抽出して構成した時系列波形E(t+(n−1)r)であり、この波形は記憶回路21の第nの記憶領域に格納される。最終的には、図2の時系列波形E(t)の全領域(遅延時間p)にわたってq/r個の波形を各々の記憶領域に格納する。 FIGS. 3B to 3E show time series obtained by extracting data (calculation electric field intensity data) at predetermined time intervals from the time series waveform E (t) of FIG. Waveform is shown. FIG. 3B shows a time-series waveform E (t + 0r) configured by extracting data from the storage circuit 21 every time interval q from time t 1. This waveform is stored in the first storage area of the storage circuit 21. Stored. FIG. 3C shows a time-series waveform E (t + 1r) configured by extracting data from the storage circuit 21 at time intervals q with reference to the time t 1 + r. This waveform is the second waveform of the storage circuit 21. Stored in the storage area. FIG. 3D shows a time-series waveform E (t + 2r) configured by extracting data from the storage circuit 21 for each time interval q with reference to the time t 1 + 2r. This waveform is the third waveform of the storage circuit 21. Stored in the storage area. In this way, time-series waveforms are acquired with a time interval r shifted, and q / r (n) waveforms are stored in the storage area. FIG. 3E shows a time-series waveform E (t + (n−1) r) configured by extracting data from the storage circuit 21 at time intervals q with reference to the time t 1 + (n−1) r. Yes, this waveform is stored in the nth storage area of the storage circuit 21. Finally, q / r waveforms are stored in each storage area over the entire area (delay time p) of the time-series waveform E (t) in FIG.

制御装置20の演算回路22によりこれらのq/r個の時系列波形をそれぞれフーリエ変換する。
図4は、図3(a)の時系列波形E(t)にフーリエ変換を施して得られたスペクトル波形のグラフである。横軸は周波数、縦軸はスペクトル強度を表す。図3(b)〜図3(e)の時系列波形にそれぞれフーリエ変換を施して得られたスペクトル波形も類似の曲線となる。これらのスペクトル波形はディスプレイ23の画面上に表示される。
The arithmetic circuit 22 of the control device 20 performs Fourier transform on each of these q / r time series waveforms.
FIG. 4 is a graph of a spectrum waveform obtained by subjecting the time series waveform E (t) of FIG. The horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents spectrum intensity. The spectrum waveforms obtained by subjecting the time series waveforms of FIGS. 3B to 3E to Fourier transform are also similar curves. These spectrum waveforms are displayed on the screen of the display 23.

フーリエ変換によりスペクトル波形はq/r個得られ、各々のスペクトル波形に振幅情報と位相情報が含まれている。n番目の時系列波形E(t+(n−1)r)についてフーリエ変換の結果得られた振幅情報を|En(ω)|、位相情報をθn(ω)と表す。振幅情報|En(ω)|と位相情報θn(ω)は、それぞれq/r個得られる。 Q / r spectrum waveforms are obtained by Fourier transform, and amplitude information and phase information are included in each spectrum waveform. The amplitude information obtained as a result of the Fourier transform for the n- th time series waveform E (t + (n−1) r ) is represented as | E n (ω) |, and the phase information is represented as θ n (ω) . Q / r pieces of amplitude information | E n (ω) | and phase information θ n (ω) are obtained.

q/r個の振幅情報|En(ω)|は、積算し平均をとることでホワイトノイズを1/√(q/r)に低減させることができる。ホワイトノイズとは、図4のスペクトル波形の全周波数域でほぼ一律に重複しているノイズである。積算および平均化演算は演算回路22で実行され、ホワイトノイズが低減した振幅情報|E(ω)|は、式1に示される。

Figure 2006266908
The q / r pieces of amplitude information | E n (ω) | can be integrated and averaged to reduce white noise to 1 / √ (q / r). White noise is noise that overlaps almost uniformly in the entire frequency region of the spectrum waveform of FIG. The integration and averaging operations are executed by the arithmetic circuit 22, and the amplitude information | E (ω) | in which the white noise is reduced is expressed by Equation 1.
Figure 2006266908

また、q/r個の位相情報θn(ω)も、積算し平均をとることでホワイトノイズを低減させることができる。しかし、位相情報の場合は、時間間隔rづつずらして時系列波形を取得しているので、フーリエ変換後に積算および平均化処理を行う際には、それぞれの周波数に応じた位相補正が必要になる。位相補正、積算および平均化演算は演算回路22で実行され、ホワイトノイズが低減した位相情報θ(ω)は、式2に示される。式2において位相補正項は、rω(n−1)である。

Figure 2006266908
Also, q / r pieces of phase information θ n (ω) can be integrated and averaged to reduce white noise. However, in the case of phase information, time series waveforms are acquired with a time interval r shifted, and therefore, when performing integration and averaging processing after Fourier transform, phase correction corresponding to each frequency is required. . Phase correction, integration, and averaging operations are executed by the arithmetic circuit 22, and phase information θ (ω) in which white noise is reduced is expressed by Equation 2. In Equation 2, the phase correction term is rω (n−1).
Figure 2006266908

以上の演算により、ホワイトノイズが低減した振幅情報|E(ω)|と位相情報θ(ω)が得られる。振幅情報|E(ω)|と位相情報θ(ω)の両者を用いて、例えば半導体材料の屈折率や誘電率などを算出できるが、振幅情報|E(ω)|のみを用いて算出できる物性値の場合は、位相情報θ(ω)に関わる演算を省略することができる。なお、本実施の形態では、1回の時間遅延動作で図2の時系列波形を得ているが、m回の時間遅延動作を行いm個の時系列波形を取得し、各々の時系列波形について上述した演算と平均化を行えば、データ数がm倍になるので、ノイズの低減効果は、より一層大きくなる。なお、本発明は、ノイズの低減のみを目的とするものではなく、測定時間を大幅に短縮する目的もある。 Through the above calculation, amplitude information | E (ω) | and phase information θ (ω) with reduced white noise are obtained. Using both the amplitude information | E (ω) | and the phase information θ (ω) , for example, the refractive index and dielectric constant of the semiconductor material can be calculated, but only using the amplitude information | E (ω) | In the case of the physical property value, the calculation related to the phase information θ (ω) can be omitted. In the present embodiment, the time series waveform of FIG. 2 is obtained by one time delay operation. However, m time series waveforms are obtained by performing m time delay operations, and each time series waveform is obtained. If the above-described calculation and averaging are performed, the number of data becomes m times, so that the noise reduction effect is further increased. It should be noted that the present invention is not intended only for noise reduction but also for the purpose of greatly reducing the measurement time.

本発明は、上記の実施の形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、時間遅延装置10をプローブパルス光の光路に挿入する代わりに、ポンプパルス光(ポンプパルス光L2、L3、L4)の光路に挿入し、テラヘルツパルス光L5発生の時間遅延を行ってもよい。また、テラヘルツパルス光測定装置100に試料Sを2次元移動させる走査機構を設けて走査型イメージング装置としてもよい。この場合は、時間遅延動作を行う回数が多いので、測定時間短縮の効果が大きい。
また、テラヘルツパルス光測定装置100は透過式の装置であるが、試料からの反射光を検出する反射式の装置としてもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, instead of inserting the time delay device 10 into the optical path of the probe pulse light, it may be inserted into the optical path of the pump pulse light (pump pulse light L2, L3, L4) to delay the generation of the terahertz pulse light L5. . The terahertz pulse light measurement apparatus 100 may be provided with a scanning mechanism for moving the sample S two-dimensionally to form a scanning imaging apparatus. In this case, since the number of times of the time delay operation is large, the effect of shortening the measurement time is great.
The terahertz pulse light measuring apparatus 100 is a transmissive apparatus, but may be a reflective apparatus that detects reflected light from a sample.

本発明の実施の形態に係るテラヘルツパルス光測定装置の構成を模式的に示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram schematically showing a configuration of a terahertz pulse light measurement apparatus according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態に係るテラヘルツパルス光測定装置により計測された時系列波形E(t)のグラフである。It is a graph of time series waveform E (t) measured by the terahertz pulse light measuring device concerning an embodiment of the invention. 図2の時系列波形E(t)曲線を拡大して示す図である。図3(a)は、時刻tからtまでの時間帯の時系列波形E(t)を示し、図3(b)〜図3(e)は、図3(a)の時系列波形E(t)から所定の時間ずらしてデータを抽出し、それぞれ再構成した時系列波形を示す。It is a figure which expands and shows the time series waveform E (t) curve of FIG. FIG. 3A shows a time series waveform E (t) in a time period from time t 1 to t 2 , and FIGS. 3B to 3E show the time series waveforms of FIG. E (t) shows a time-series waveform obtained by extracting data by shifting a predetermined time and reconstructing each data. 図3(a)の時系列波形E(t)にフーリエ変換を施して得られたスペクトル波形のグラフである。It is a graph of the spectrum waveform obtained by performing a Fourier transform on the time series waveform E (t) of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1:レーザ光源
2:ビームスプリッタ
5:テラヘルツ光発生器
8:テラヘルツ光検出器
10:時間遅延装置
11:折り返しミラー
12:可動ステージ
13:リニアエンコーダ
16:A/D変換回路
17:同期回路
18:ステージコントローラ
20:制御装置
21:記憶回路
22:演算回路
23:ディスプレイ
100:テラヘルツパルス光測定装置
L1:レーザパルス光
L2〜L4:ポンプパルス光
L5〜L8:テラヘルツパルス光
L9〜L11:プローブパルス光
S:試料
1: laser light source 2: beam splitter 5: terahertz light generator 8: terahertz light detector 10: time delay device 11: folding mirror 12: movable stage 13: linear encoder 16: A / D conversion circuit 17: synchronization circuit 18: Stage controller 20: Control device 21: Memory circuit 22: Arithmetic circuit 23: Display 100: Terahertz pulse light measurement device L1: Laser pulse light L2-L4: Pump pulse light L5-L8: Terahertz pulse light L9-L11: Probe pulse light S: Sample

Claims (5)

ポンプパルス光の照射によりテラヘルツパルス光を発生するテラヘルツ光発生器と、
前記テラヘルツ光発生器で発生したテラヘルツパルス光を試料へ照射する光学系と、
前記光学系を介してテラヘルツパルス光が照射された試料からのテラヘルツパルス光をプローブパルス光の照射により電場強度信号として検出するテラヘルツ光検出器と、
前記テラヘルツパルス光が前記テラヘルツ光検出器へ到達する時間と前記プローブパルス光が前記テラヘルツ光検出器へ到達する時間との時間差を連続的に変更する時間遅延装置と、
前記時間遅延装置による一回の時間遅延動作において、所定のサンプリング間隔で取得された電場強度信号のデータを記憶する記憶回路と、
前記記憶回路に記憶された前記時間遅延装置の位置情報に基づいて複数の演算用電場強度データを抽出し、これら複数の演算用電場強度データを演算処理して測定結果を算出する演算回路とを備えたことを特徴とするテラヘルツパルス光測定装置。
A terahertz light generator that generates terahertz pulse light by irradiation with pump pulse light; and
An optical system for irradiating the sample with terahertz pulse light generated by the terahertz light generator;
A terahertz light detector for detecting terahertz pulse light from a sample irradiated with terahertz pulse light through the optical system as an electric field intensity signal by irradiation with probe pulse light; and
A time delay device for continuously changing a time difference between a time for the terahertz pulse light to reach the terahertz light detector and a time for the probe pulse light to reach the terahertz light detector;
A storage circuit that stores data of electric field strength signals acquired at a predetermined sampling interval in one time delay operation by the time delay device;
An arithmetic circuit that extracts a plurality of calculation electric field intensity data based on the position information of the time delay device stored in the storage circuit, and calculates the measurement result by calculating the plurality of calculation electric field intensity data. A terahertz pulsed light measurement apparatus comprising the terahertz pulse light measurement apparatus.
請求項1に記載のテラヘルツパルス光測定装置において、
前記抽出された複数の演算用電場強度データはそれぞれ時系列波形データであり、
前記演算回路は、前記時系列波形データのそれぞれをフーリエ変換して得られる複数の振幅情報を平均化処理してその振幅を算出することを特徴とするテラヘルツパルス光測定装置。
In the terahertz pulsed light measurement device according to claim 1,
Each of the extracted plurality of electric field strength data for calculation is time-series waveform data,
The terahertz pulse light measuring apparatus, wherein the arithmetic circuit averages a plurality of pieces of amplitude information obtained by Fourier transforming each of the time series waveform data and calculates the amplitude.
請求項1または2に記載のテラヘルツパルス光測定装置において、
前記抽出された複数の演算用電場強度データはそれぞれ時系列波形データであり、
前記演算回路は、前記時系列波形データのそれぞれをフーリエ変換して得られる複数の位相情報を平均化処理してその位相を算出することを特徴とするテラヘルツパルス光測定装置。
In the terahertz pulse light measuring device according to claim 1 or 2,
Each of the extracted plurality of electric field strength data for calculation is time-series waveform data,
The terahertz pulse light measuring device, wherein the arithmetic circuit calculates a phase by averaging a plurality of pieces of phase information obtained by Fourier transforming each of the time-series waveform data.
請求項3に記載のテラヘルツパルス光測定装置において、
前記演算回路は、前記複数の位相情報を平均化処理して位相を算出する際、前記電場強度信号のサンプリング間隔に応じて前記時系列波形データに含まれる位相ずれを補正することを特徴とするテラヘルツパルス光測定装置。
In the terahertz pulse light measuring device according to claim 3,
The arithmetic circuit corrects a phase shift included in the time-series waveform data according to a sampling interval of the electric field intensity signal when calculating a phase by averaging the plurality of phase information. Terahertz pulse light measurement device.
ポンプパルス光の照射によりテラヘルツパルス光を発生させ、
前記発生したテラヘルツパルス光を試料へ照射し、
前記ポンプパルス光により発生したテラヘルツパルス光がテラヘルツ光検出器へ到達するタイミングとプローブパルス光によりテラヘルツパルス光を電場強度信号として検出するタイミングとを連続的に変更しながら、前記試料からのテラヘルツパルス光を検出し、
前記タイミングを連続的に変更する一回の時間遅延動作において、前記検出された電場強度信号のデータを所定のサンプリング間隔で取得して記憶し、
前記記憶された前記電場強度信号のデータに基づいて複数の演算用電場強度データを抽出し、これら複数の演算用電場強度データを演算処理して測定結果を得ることを特徴とするテラヘルツパルス光測定方法。
Terahertz pulse light is generated by irradiation with pump pulse light,
The sample is irradiated with the generated terahertz pulse light,
While continuously changing the timing at which the terahertz pulse light generated by the pump pulse light reaches the terahertz photodetector and the timing at which the terahertz pulse light is detected as an electric field intensity signal by the probe pulse light, the terahertz pulse from the sample is changed. Detect light,
In one time delay operation that continuously changes the timing, the data of the detected electric field strength signal is acquired and stored at a predetermined sampling interval,
Terahertz pulse light measurement characterized in that a plurality of calculation electric field strength data are extracted based on the stored electric field strength signal data, and a plurality of calculation electric field strength data are processed to obtain a measurement result. Method.
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