JP2007057407A

JP2007057407A - テラヘルツ分光装置

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Publication number: JP2007057407A
Application number: JP2005243699A
Authority: JP
Inventors: Itsuki Fukushima; 一城福島
Original assignee: Tochigi Nikon Corp; Nikon Corp
Current assignee: Tochigi Nikon Corp; Nikon Corp
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2025-08-25
Also published as: JP4601516B2

Abstract

【課題】各種の試料に対応できる汎用性の高いテラヘルツ分光装置を提供する。
【解決手段】テラヘルツ発生器３、テラヘルツ検出器７及び第１、第２のテラヘルツ光学系４，６を１つのユニット９とした。ユニット９は分光装置本体１０の上部に対して着脱可能である。
【選択図】図２

Description

この発明はテラヘルツ分光装置に関する。

従来、テラヘルツ波（周波数がおおよそ０．０１ＴＨｚから１００ＴＨｚまでの範囲の電磁波）を用いた分光装置が知られている。

例えば、試料にパルス光を照射してその試料を透過したテラヘルツ波を検出する透過測定光学系と、試料にパルス光を照射してその試料で反射したテラヘルツ波を検出する反射測定光学系とを１つの装置として構成したものがある。
特開２００４−１９１３０２号公報

しかし、上述の分光装置では、所定の試料に限って、透過測定光学系と反射測定光学系とを切り換えることにより透過スペクトル測定と反射スペクトル測定とを行なうことができるに過ぎず、種類や大きさ等が異なる各種の試料を測定することはできなかった。そのため、試料に応じて専用の分光装置を使い分けなければならなかった。

この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、各種の試料に対応できる汎用性の高いテラヘルツ分光装置を提供することである。

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、レーザ光源からの光パルスをポンプ光とプローブ光とに分割するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで分割された前記ポンプ光又は前記プローブ光の時間遅延を行うディレイステージと、前記光パルスの照射によってテラヘルツ波を発生するテラヘルツ発生器と、前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出器と、前記テラヘルツ波を収束又は平行にして試料に導く第１のテラヘルツ光学系と、前記試料で反射され又は前記試料を透過した前記テラヘルツ波を前記テラヘルツ検出器に導く第２のテラヘルツ光学系とを備えているテラヘルツ分光装置において、前記テラヘルツ発生器、前記テラヘルツ検出器及び前記第１、第２のテラヘルツ光学系は１つのユニットとして形成され、このユニットは前記ビームスプリッタ及び前記ディレイステージを有する分光装置本体に対して着脱可能であり、前記ユニット内の前記ポンプ光の光路長と前記テラヘルツ波の光路長とを加算した光路長と、前記ユニット内の前記プローブ光の光路長との差は一定であることを特徴とする。

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、前記ユニットは前記試料に対応する複数のユニットの中から選択されたものであることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のテラヘルツ分光装置において、前記ユニットは前記分光装置本体の上部に配置されていることを特徴とする。

この発明によれば、各種の試料に対応できる汎用性の高いテラヘルツ分光装置を提供することができる。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

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外観を示す概念図である。

このテラヘルツ分光装置は分光装置本体１０とユニット９とからなる。ユニット９は分光装置本体１０の上部に配置され、分光装置本体１０に対して着脱可能である。

ユニット９の位置決めは例えば分光装置本体１０のケース１０ａの上面に設けられた位置決めピン１１とこのピン１１が嵌合するユニット９のケース９ａの下面に設けられた穴（図示せず）とによって行なわれる。

ユニット９のケース９ａの下面には後述するポンプ光とプローブ光とを分光装置本体１０からユニット９内へ導くための透明な窓材１２，１３が設けられている。なお、ユニット９のケース９ａ内には試料５（図２参照）を支持するための試料支持部１４が設けられている。

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構成を示す概念図である。

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とを備えている。

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。

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。

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には、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。

テラヘルツ検出器７はテラヘルツ波を検出する。テラヘルツ検出器７には、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。

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。

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。

テラヘルツ発生器３、テラヘルツ検出器７及び第１、第２のテラヘルツ光学系４，６は１つのユニットとして形成されている。図２のユニット９は集光型透過測定ユニットである。

なお、ユニット９内を真空に保持してもよいし、ユニット９内に所定のガスを充填していてもよい。このように構成することにより、大気中の水蒸気によるテラヘルツ波の吸収をなくし、更に大気中の塵埃、水分等が光学系４，６に悪影響を及ぼすことを防止できる。

ポンプ光Ｐ２の光路長（窓材１２とテラヘルツ発生器３との間の光路長Ｌ１とテラヘルツ発生器３とテラヘルツ検出器７との間の光路長Ｌ２とを加算した光路長）と、プローブ光Ｐ３の光路長Ｌ３（窓材１３とテラヘルツ検出器７との間の光路長）との差は一定である。よって、ユニット９を他のユニットに取り換えても光路長の調整が不要となる。

ビームスプリッタ２及びディレイステージ８は分光装置本体１０のケース１０ａ内に収容されている。

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から１００ＭＨｚ、パルス幅が１０〜１５０ｆｓ程度の直線偏光のパルス光である。

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は窓材１２、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が放射される。

テラヘルツ波Ｐ４はおおむね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を経て試料支持部１４（図１参照）に支持された試料５に集光する。

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、電場強度に応じた光電流が流れ、これを測定することにより、試料５の電気的特性や不純物濃度等が得られる。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。

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、窓材１３、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を矢印のように移動させてプローブ光Ｐ３の光路長を変化させる。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。そして、可動鏡８ａにより遅延時間を変更させながらテラヘルツ検出器７で検出される光電流を観測することにより、時系列テラヘルツ分光が可能となる。

このように、テラヘルツ検出器７は、受光したテラヘルツ波の電場強度に比例する光電流を検出し、検出信号として図示しない制御・演算装置に送る。そして、制御・演算装置は、検出信号について時系列変換を実行し、試料５に関する所望の特性に応じて演算を実行する。得られたデータ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。

図３は分光装置本体に対して着脱可能な他のユニットの構成を示す概念図である。

ユニット１９は分光装置本体１０に対して着脱可能な平行光型透過測定ユニットである。ユニット１９は、テラヘルツ発生器３から放射されたテラヘルツ波Ｐ４を例えば放物面鏡である第１のテラヘルツ光学系４Ａで平行にして試料５に照射するようにした点でユニット９と相違する。

ユニット９をユニット１９に取り換える手順は次のとおりである。

まず、ユニット９を持ち上げて分光装置本体１０から取り外す。その後、ユニット１９と分光装置本体１０との位置合わせを行ない、ユニット１９を分光装置本体１０に載せる。このとき、ユニット１９の窓材１２，１３が光路上に配置される。

図４（ａ）は分光装置本体に対して着脱可能な更に他のユニットの構成を示す概念図、図４（ｂ）はそのユニットを側方から見たときの図である。

ユニット２９は全反射減衰分光測定ユニットである。ユニット２９はケース２９ａにＡＴＲ（ＡｔｔｅｎｕａｔｅｄＴｏｔａｌＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）プリズム２５を配置した点でユニット９と相違する。試料５はプリズム２５に密着するように配置されている。試料５内部にわずかにもぐり込んで反射された全反射光をテラヘルツ検出器７で検出して、試料５の表層部の吸収スペクトルを得ることができる。

ユニット９をユニット２９に取り換える手順はユニット９をユニット１９に取り換える手順と同じである。

なお、ユニットとしては上記ユニットの他に、集光型反射測定モジュール、平行型反射測定モジュール等があるが、図示を省略する。

この実施形態によれば、各種の試料５に対応できる汎用性の高いテラヘルツ分光装置を提供することができる。また、ユニット９，１９，２９を分光装置本体１０の上部に配置するようにしたので、ユニット９，１９，２９の着脱が容易である。

なお、上記実施形態ではプローブ光Ｐ３の時間遅延を行なったが、その代わりにポンプ光Ｐ２の時間遅延を行なうようにしてもよい。

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外観を示す概念図である。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構成を示す概念図である。図３は分光装置本体に対して着脱可能な他のユニットの構成を示す概念図である。図４（ａ）は分光装置本体に対して着脱可能な更に他のユニットの構成を示す概念図、図４（ｂ）はそのユニットを側方から見たときの図である。

符号の説明

１：レーザ光源、２：ビームスプリッタ、３：テラヘルツ発生器、４：第１のテラヘルツ光学系、５：試料、６：第２のテラヘルツ光学系、７：テラヘルツ検出器、８：ディレイステージ、９，１９，２９：ユニット、１０：分光装置本体。

Claims

レーザ光源からの光パルスをポンプ光とプローブ光とに分割するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分割された前記ポンプ光又は前記プローブ光の時間遅延を行うディレイステージと、
前記光パルスの照射によってテラヘルツ波を発生するテラヘルツ発生器と、
前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出器と、
前記テラヘルツ波を収束又は平行にして試料に導く第１のテラヘルツ光学系と、
前記試料で反射され又は前記試料を透過した前記テラヘルツ波を前記テラヘルツ検出器に導く第２のテラヘルツ光学系と
を備えているテラヘルツ分光装置において、
前記テラヘルツ発生器、前記テラヘルツ検出器及び前記第１、第２のテラヘルツ光学系は１つのユニットとして形成され、このユニットは前記ビームスプリッタ及び前記ディレイステージを有する分光装置本体に対して着脱可能であり、前記ユニット内の前記ポンプ光の光路長と前記テラヘルツ波の光路長とを加算した光路長と、前記ユニット内の前記プローブ光の光路長との差は一定である
ことを特徴とするテラヘルツ分光装置。
前記ユニットは前記試料に対応する複数のユニットの中から選択されたものであることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ分光装置。
前記ユニットは前記分光装置本体の上部に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載のテラヘルツ分光装置。