JP2007327897A - Terahertz spectroscopic 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(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。 Conventionally, a spectroscopic device using a terahertz wave (an electromagnetic wave having a frequency ranging from approximately 0.01 THz to 100 THz) is known.
近年、100フェムト秒程度の光パルスを出射するレーザ光源を用いて、パルス状のテラヘルツ波を発生させたり、検出したりする研究がなされるようになり、テラヘルツ時間領域分光法という新しい分光法を実施するための時間領域分光装置が登場した。テラヘルツ時間領域分光法の原理は下記特許文献に開示されている。
この時間領域分光装置には、光パルスの光学的遅延を行う時間遅延ステージの移動速度が高くなれば、測定に要する時間が短縮されるが、時間遅延ステージの振動が大きくなり、その周りの光学素子も振動するため、測定の信頼性が低下するという問題がある。 In this time domain spectroscope, if the moving speed of the time delay stage that optically delays the optical pulse is increased, the time required for measurement is shortened, but the vibration of the time delay stage is increased, and the surrounding optical elements are increased. Since the element also vibrates, there is a problem that the reliability of measurement is lowered.
この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題は測定の信頼性を低下させることなく測定時間の短縮を図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 an object thereof is to provide a terahertz spectrometer capable of shortening the measurement time without reducing the reliability of measurement.
上記問題を解決するためこの発明は、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、固定鏡と可動鏡との対、あるいは可動鏡と可動鏡との対がそれぞれ複数対を成し、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光路長を変えるための光路長変更光学系と、前記複数対の鏡のうち前記複数対の可動鏡同士を互いに反対方向へ可動する可動部材とを備えたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a beam splitter that divides a light pulse from a laser light source into pump light and probe light, and a pair of a fixed mirror and a movable mirror, or a pair of a movable mirror and a movable mirror, respectively. An optical path length changing optical system for changing the optical path length of the pump light or the probe light divided into a plurality of pairs and split by the beam splitter, and the plurality of pairs of movable mirrors among the plurality of pairs of mirrors. And a movable member movable in the opposite direction.
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、前記可動の鏡を互いに反対方向へ同速度で駆動する駆動手段を備えてい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 movable mirror is provided with driving means for driving the movable mirrors in opposite directions at the same speed.
この発明によれば、測定の信頼性を低下させることなく測定時間の短縮を図ることができる。 According to the present invention, the measurement time can be shortened without reducing the reliability of measurement.
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はこの発明の第1実施形態に係るテラヘルツ分光装置を示す概念図、図2は図1のテラヘルツ分光装置の比較例に係る時間遅延ステージを示す概念図、図3(a)は時間遅延ステージの側面図、図3(b)はその平面図である。 1 is a conceptual diagram showing a terahertz spectrometer according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a conceptual diagram showing a time delay stage according to a comparative example of the terahertz spectrometer of FIG. 1, and FIG. FIG. 3B is a side view of the stage, and FIG.
このテラヘルツ分光装置は、ビームスプリッタ2と、時間遅延ステージ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。
This terahertz spectrometer includes a
時間遅延ステージ8は可動鏡9aと固定鏡9bとの対、及び可動鏡10aと固定鏡10bとの対から成る複数対の鏡ユニットを備えている。
The
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
時間遅延ステージ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。時間遅延ステージ8は可動鏡(鏡)9a,10aと固定鏡(鏡)9b,10bとモータ15とクランク機構16とを有する(図3参照)。可動鏡9a,10aと固定鏡9b,10bとで光路長変更光学系が構成される。モータ(駆動手段)15とクランク機構(可動部材)16とにより、可動鏡9aと可動鏡10aとは互いに反対方向へ同速度で、かつ同距離を連続的に移動する。
The
可動鏡9a,10aとモータ15とはクランク機構16を介して接続されている。クランク機構16はモータ15の回転運動を矢印に示すように可動鏡9a,10aの直線運動に変える。可動鏡9a,10aの往復運動によってプローブ光P3の光路長が変化する。
The movable mirrors 9 a and 10 a and 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の2つの電極を形成し、それらの電極間にバイアス電圧を印加する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 terahertz generator 3 generates a terahertz wave by irradiation with the pump light P2. As the terahertz generator 3, a so-called photoconductive antenna in which two antenna-shaped electrodes are formed on a semiconductor substrate made of semi-insulating GaAs or the like and a bias voltage is applied between these electrodes, ZnTe, or the like is used. Nonlinear optical crystals are used.
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 optical system 4 converges the terahertz wave and guides it to the sample 5. The first terahertz optical system 4 is, for example, an ellipsoidal mirror.
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 optical system 6 guides the terahertz wave transmitted through the sample 5 to 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、繰り返し周期が数十MHz、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が放射される。
One pulsed light split by the
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5に集光する。 The terahertz wave P4 is an electromagnetic wave in a frequency range from approximately 0.01 × 10 12 to 100 × 10 12 hertz. The terahertz wave P4 is condensed on the sample 5 through the first terahertz optical system 4.
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が照射されると、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を検出することができる。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 sample 5 enters 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は時間遅延ステージ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。時間遅延ステージ8の可動鏡9a,10aを矢印のように移動させることによりプローブ光P3の光路長を変化させて、プローブ光P3がテラヘルツ検出器7に到達する時間を変化させながらテラヘルツ波の電場の時間波形を計測する。
The other pulse light split by the
テラヘルツ波の時間波形を計測するためには、ポンプ・プローブ法が用いられる。すなわち、プローブ光P3を導く光路上に可動鏡9a,10aを置き、可動鏡9a,10aを移動させることによって光路長を変化させて、プローブ光P3がテラヘルツ波検出器7に到達するタイミングをずらしながら、テラヘルツ波の電場の時間波形を計測する。テラヘルツパルス波の40ピコ秒間の時間波形を計測する場合、40ピコ秒の時間遅延、すなわちプローブ光P3の光路長を12mm延ばす必要がある。
A pump-probe method is used to measure the time waveform of the terahertz wave. That is, the movable mirrors 9a and 10a are placed on the optical path that guides the probe light P3, the optical path length is changed by moving the movable mirrors 9a and 10a, and the timing at which the probe light P3 reaches the
比較例として図2のように1つの可動鏡11を用いた場合、光路長を12mm延ばすためには、可動鏡11を固定鏡12に対して6mm移動する必要がある。これに対して、2つの対向する可動鏡9a,10aを用いた場合、対向する可動鏡9a,10aをそれぞれ反対方向へ3mm移動させればよい(可動鏡9a,10aの移動距離は必要な光路長12mmの1/4倍である)。
As a comparative example, when one movable mirror 11 is used as shown in FIG. 2, it is necessary to move the movable mirror 11 relative to the
なお、可動鏡9a,10aの移動距離を1/2倍にすることで、移動速度を同じにすれば所定の光路長を得るための時間を1/2倍にすることができる。また、所定の光路長を得るための時間を同じにすれば、移動速度を1/2倍にすることができ、振動を低減することができる。更に、対向する可動鏡9a,10aが反対方向へ移動するため、互いの振動が打消し合う。 In addition, by making the moving distance of the movable mirrors 9a and 10a ½ times, the time for obtaining a predetermined optical path length can be halved if the moving speed is made the same. Moreover, if the time for obtaining a predetermined optical path length is made the same, the moving speed can be halved and vibration can be reduced. Furthermore, since the opposing movable mirrors 9a and 10a move in the opposite directions, the mutual vibrations cancel each other.
この実施形態によれば、可動鏡9a,10aの移動距離が1/2倍となるので、短時間で光路長を変えることが可能であるとともに、対向する可動鏡9a,10aが反対方向へ移動するため、互いの振動が打消し合って振動を小さくできる。 According to this embodiment, since the moving distance of the movable mirrors 9a and 10a is halved, it is possible to change the optical path length in a short time and the opposing movable mirrors 9a and 10a move in the opposite direction. Therefore, the mutual vibrations cancel each other and the vibrations can be reduced.
図4は時間遅延ステージの変形例を示す概念図である。 FIG. 4 is a conceptual diagram showing a modification of the time delay stage.
この時間遅延ステージは可動鏡19a,20aと固定鏡19b,20bと可動鏡19a,20aを駆動するための図示しない駆動手段とを備えている。可動鏡19a,20aと固定鏡19b,20bと光路長変更光学系が構成される。
This time delay stage includes movable mirrors 19a and 20a, fixed
可動鏡19a,20a、固定鏡19b,20bは同一形状である。 The movable mirrors 19a and 20a and the fixed mirrors 19b and 20b have the same shape.
可動鏡19aはそれぞれほぼ直角をなす反射面R1,R2と反射面R3,R4とを有する。 The movable mirror 19a has reflecting surfaces R1 and R2 and reflecting surfaces R3 and R4 that are substantially perpendicular to each other.
固定鏡19bはそれぞれほぼ直角をなす反射面R5,R6と反射面R7,R8とを有する。 The fixed mirror 19b has reflecting surfaces R5 and R6 and reflecting surfaces R7 and R8 that are substantially perpendicular to each other.
可動鏡19aと固定鏡19bとは次のように配置される。 The movable mirror 19a and the fixed mirror 19b are arranged as follows.
反射面R6と反射面R1とが対向し、反射面R2と反射面R7とが対向し、反射面R8と反射面R3とが対向する。 The reflecting surface R6 and the reflecting surface R1 face each other, the reflecting surface R2 and the reflecting surface R7 face each other, and the reflecting surface R8 and the reflecting surface R3 face each other.
可動鏡20aはそれぞれほぼ直角をなす反射面R11,R12と反射面R13,R14とを有する。 The movable mirror 20a has reflecting surfaces R11 and R12 and reflecting surfaces R13 and R14 that are substantially perpendicular to each other.
固定鏡20bはそれぞれほぼ直角をなす反射面R15,R16と反射面R17,R18とを有する。
The fixed
可動鏡20aと固定鏡20bとは次のように配置される。
The movable mirror 20a and the fixed
反射面R16と反射面R11とが対向し、反射面R12と反射面R17とが対向し、反射面R18と反射面R13とが対向する。 The reflecting surface R16 and the reflecting surface R11 face each other, the reflecting surface R12 and the reflecting surface R17 face each other, and the reflecting surface R18 and the reflecting surface R13 face each other.
また、反射面R5と反射面R15とは一方で反射した光を他方が受ける関係である。 The reflecting surface R5 and the reflecting surface R15 are in a relationship in which the other receives the reflected light.
この変形例の場合、図からわかるように、プローブ光P3は時間遅延ステージで16回反射を繰り返すので、可動鏡19a,20aの移動距離は時間遅延に必要な光路長の1/8倍となる。 In the case of this modification, as can be seen from the figure, the probe light P3 is repeatedly reflected 16 times on the time delay stage, so that the moving distance of the movable mirrors 19a and 20a is 1/8 times the optical path length necessary for the time delay. .
この変形例によれば、第1実施形態より短時間で光路長を変えることができ、振動を小さくできる。 According to this modification, the optical path length can be changed in a shorter time than in the first embodiment, and vibration can be reduced.
図5は時間遅延ステージの他の変形例を示す概念図である。 FIG. 5 is a conceptual diagram showing another modification of the time delay stage.
時間遅延ステージは可動鏡21a,22a,23a,24aと可動鏡21a,22a,23a,24aを駆動するための図示しない可動部材、駆動手段とを備えている。可動鏡21aと22aとの対、及び可動鏡23aと24aとの対を成す複数対の鏡ユニットで光路長変更光学系が構成される。 The time delay stage includes movable mirrors 21a, 22a, 23a, 24a and movable members (not shown) and driving means for driving the movable mirrors 21a, 22a, 23a, 24a. An optical path length changing optical system is composed of a pair of movable mirrors 21a and 22a and a plurality of pairs of mirror units forming a pair of movable mirrors 23a and 24a.
可動鏡22a,23aは互いに振動を打ち消すように反対方向へ動き、可動鏡21a,24aは互いに振動を打ち消すように反対方向へ動く。かつ、可動鏡21a,23aは同じ方向へ動き、可動鏡22a,24aは同じ方向へ動く。 The movable mirrors 22a and 23a move in opposite directions so as to cancel vibrations, and the movable mirrors 21a and 24a move in opposite directions so as to cancel vibrations. The movable mirrors 21a and 23a move in the same direction, and the movable mirrors 22a and 24a move in the same direction.
具体的には、例えば、可動鏡21aと22aとが互いに接近する方向へ動く場合には、可動鏡23aと24aとは互いに接近する方向に同時に同速度で且つ同距離を連続的に移動する。 Specifically, for example, when the movable mirrors 21a and 22a move in a direction approaching each other, the movable mirrors 23a and 24a continuously move at the same speed and the same distance in the direction approaching each other.
この変形例の場合、可動鏡21a,22a,23a,24aの移動距離は必要な光路長の1/8倍となる。 In the case of this modification, the moving distance of the movable mirrors 21a, 22a, 23a, 24a is 1/8 times the required optical path length.
この変形例によれば、第1実施形態より短時間で光路長を変えることができ、振動を小さくできる。 According to this modification, the optical path length can be changed in a shorter time than in the first embodiment, and vibration can be reduced.
1:レーザ光源、2:ビームスプリッタ、3:テラヘルツ波発生器、8:時間遅延ステージ、9a,10a,19a,20a,21a,22a,23a,24a:可動鏡(鏡)、9b,10b,19b,20b:固定鏡(鏡)、15:モータ(駆動手段)、16:クランク機構(可動部材)。 1: laser light source, 2: beam splitter, 3: terahertz wave generator, 8: time delay stage, 9a, 10a, 19a, 20a, 21a, 22a, 23a, 24a: movable mirror (mirror), 9b, 10b, 19b , 20b: fixed mirror (mirror), 15: motor (drive means), 16: crank mechanism (movable member).
Claims (2)
固定鏡と可動鏡との対、あるいは可動鏡と可動鏡との対がそれぞれ複数対を成し、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光路長を変えるための光路長変更光学系と、
前記複数対の鏡のうち前記複数対の可動鏡同士を互いに反対方向へ可動する可動部材と
を備えたことを特徴とするテラヘルツ分光装置。 A beam splitter that splits a light pulse from a laser light source into pump light and probe light;
Optical path length change for changing the optical path length of the pump light or the probe light split by the beam splitter, each of which includes a pair of a fixed mirror and a movable mirror, or a pair of a movable mirror and a movable mirror. Optical system,
A terahertz spectrometer comprising: a movable member configured to move the plurality of pairs of movable mirrors in directions opposite to each other among the plurality of pairs of mirrors.
ことを特徴とする請求項1記載のテラヘルツ分光装置。 The terahertz spectrometer according to claim 1, further comprising driving means for driving the movable mirrors in opposite directions at the same speed.
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