JP2008008862A - Electromagnetic wave measuring instrument - Google Patents

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Shinichi Takigawa
信一 瀧川
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for small realizing an electromagnetic wave measuring instrument capable of acquiring the space data and time data of a moving measuring target or a measuring target during movement in a real time. <P>SOLUTION: The electromagnetic wave measuring instrument is equipped with a delay time modulation element 21 having a plurality of regions different in optical length within the plane vertical to a light advancing direction with respect to passing light and constituted so that probe light 138 enters a plurality of the regions and a plurality of time lag beams of probe light 139 different in delay are outputted from the respective regions, an electrooptical element 116 on which a plurality of the time lag beams of probe light 139 and a terahertz wave 136 are incident in a superposed state and which modulates the time lag beams of probe light 139 corresponding to the electric field of the terahertz wave 136 and an image sensor 119 for detecting the respective time lag beams of probe light 139 after modulation by respective different pixels. The delay time modulation element has a plurality of regions in a plurality of parts of magnitude contained in one wavelength of the terahertz wave. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、電磁波を用いて被測定物の形状、材質を測定する技術に関わる。   The present invention relates to a technique for measuring the shape and material of an object to be measured using electromagnetic waves.

近年、0.1〜10THzの周波数を有する電磁波、いわゆるテラヘルツ波の研究開発が盛んである。テラヘルツ波は、電波のもつ透過性と光のもつ集光性を有し、X線より安全な透過分析に用いることができる。多くの材料が、0.1〜10THzの周波数帯に固有の吸収スペクトルを有することから、テラヘルツ波による材料、材質の特定が可能である。テラヘルツ波は、セキュリティ、バイオ、メディカル、食品加工、鮮度分析などの産業応用分野で、今後多用されることが期待される。   In recent years, research and development of electromagnetic waves having a frequency of 0.1 to 10 THz, so-called terahertz waves, have been actively conducted. Terahertz waves have the transparency of radio waves and the light condensing property of light, and can be used for transmission analysis that is safer than X-rays. Since many materials have an intrinsic absorption spectrum in the frequency band of 0.1 to 10 THz, it is possible to specify materials and materials using terahertz waves. Terahertz waves are expected to be widely used in the future in industrial application fields such as security, biotechnology, medical treatment, food processing, and freshness analysis.

テラヘルツ波を用いて被測定物をイメージングすることは、被測定物のテラヘルツ波に対する特性が一目でわかり、有用性が高い。このイメージングは、原理的には、図15に示す測定系を用いて行われる。まずこの測定系について述べる。   Imaging an object to be measured using terahertz waves is highly useful because the characteristics of the object to be measured can be understood at a glance. In principle, this imaging is performed using the measurement system shown in FIG. First, this measurement system will be described.

チタンサファイア結晶を用いたフェムト秒レーザ装置101から出射した短光パルス(中心波長800nm、スペクトル幅(FWHM)約20nm、パルス幅100fs)131はビームスプリッタ102により、テラヘルツ波励起のためのポンプパルス光132とテラヘルツ波の変調の空間分布を検出するためのプローブパルス光133に分岐される。   A short light pulse (center wavelength: 800 nm, spectrum width (FWHM) of about 20 nm, pulse width: 100 fs) 131 emitted from a femtosecond laser apparatus 101 using a titanium sapphire crystal is pumped by terahertz wave excitation by a beam splitter 102. 132 and the probe pulse light 133 for detecting the spatial distribution of modulation of the terahertz wave.

ポンプパルス光132はミラー103で方向を変え、テラヘルツエミッタ112に入射する。エミッタとして、例えば(110)ZnTe結晶を用いると、ZnTeの非線形性により光整流作用が生じ、テラヘルツ波134が発生する。このテラヘルツ波134は、パルス幅が数ps程度になっている。またその周波数成分は0.1〜数THzまで広い範囲を有し、ピーク波長は1THz近傍である。   The direction of the pump pulse light 132 is changed by the mirror 103 and is incident on the terahertz emitter 112. For example, when a (110) ZnTe crystal is used as the emitter, an optical rectification action is generated due to the nonlinearity of ZnTe, and a terahertz wave 134 is generated. The terahertz wave 134 has a pulse width of about several ps. The frequency component has a wide range from 0.1 to several THz, and the peak wavelength is around 1 THz.

このテラヘルツ波134はポリエチレンレンズ113により平行化され、コリメートなテラヘルツ波135になる。テラヘルツ波135が被測定物114を通過すると、被測定物114内のテラヘルツ波に対する吸収、反射などの特性の空間分布に応じ、空間位置に依存する変調を受ける。このような変調を、以下では簡単に、空間変調と呼ぶことにする。   The terahertz wave 134 is collimated by the polyethylene lens 113 to become a collimated terahertz wave 135. When the terahertz wave 135 passes through the object to be measured 114, the terahertz wave 135 undergoes modulation depending on the spatial position according to the spatial distribution of characteristics such as absorption and reflection with respect to the terahertz wave in the object to be measured 114. Hereinafter, such modulation is simply referred to as spatial modulation.

空間変調されたテラヘルツ波136はシリコンミラー115を通過し、電気光学素子116に入射される。この電気光学素子としては(110)ZnTeが用いられる。電気光学素子結晶内では、空間変調されたテラヘルツ波136の電界強度分布に応じて、空間位置に依存するポッケルス効果が生じる。   The spatially modulated terahertz wave 136 passes through the silicon mirror 115 and enters the electro-optic element 116. As this electro-optical element, (110) ZnTe is used. In the electro-optic element crystal, a Pockels effect depending on the spatial position is generated according to the electric field intensity distribution of the spatially modulated terahertz wave 136.

一方、プローブパルス光133は、ミラー104、105、106、107から構成される遅延ラインを通過する。ミラー105、106はステージ108上に載っており、ステージ108が、図面の上下方向に約150ミクロン移動するごとに、後段の光学素子にプローブパルス光133が到着する時間を1ps変化させることができる。   On the other hand, the probe pulse light 133 passes through a delay line composed of the mirrors 104, 105, 106, and 107. The mirrors 105 and 106 are placed on a stage 108, and each time the stage 108 moves about 150 microns in the vertical direction of the drawing, the time required for the probe pulse light 133 to arrive at the subsequent optical element can be changed by 1 ps. .

遅延ラインを通過したプローブパルス光137はミラー109で反射された後、凹レンズ110と凸レンズ111から構成されるビームエキスパンダにより、前記コリメートテラヘルツ波135のスポット径と同程度まで拡大される。拡大されたプローブパルス光138は、偏光板117で偏光方向を整えた後、シリコンミラー115で反射され電気光学素子116に導かれる。   After the probe pulse light 137 that has passed through the delay line is reflected by the mirror 109, the probe pulse light 137 is expanded to a spot diameter of the collimated terahertz wave 135 by a beam expander including a concave lens 110 and a convex lens 111. The expanded probe pulse light 138 is adjusted in polarization direction by the polarizing plate 117, reflected by the silicon mirror 115, and guided to the electro-optic element 116.

電気光学素子116内では、前述したポッケルス効果のために、複屈折率が空間位置に依存して変化する。その結果、プローブパルス光138の偏光方向が空間変調され、偏光板118を通過するプローブパルス光の光量が空間変調される。   In the electro-optic element 116, the birefringence changes depending on the spatial position due to the Pockels effect described above. As a result, the polarization direction of the probe pulse light 138 is spatially modulated, and the amount of probe pulse light passing through the polarizing plate 118 is spatially modulated.

プローブパルス光は波長800nmなので、一般的なSiフォトダイオードで検出することができる。例えば、一般的に用いられているSiイメージセンサ119で、プローブパルス光の空間分布、すなわちその起源である被測定物114内のテラヘルツ波吸収、反射特性などの空間分布を検出、イメージングすることができる。   Since the probe pulse light has a wavelength of 800 nm, it can be detected by a general Si photodiode. For example, a commonly used Si image sensor 119 can detect and image the spatial distribution of probe pulse light, that is, the spatial distribution of the terahertz wave absorption and reflection characteristics in the object 114 to be measured. it can.

なお、遅延ラインのステージ108を動かすことにより、テラヘルツ波136とプローブパルス光138の電気光学素子116到着時間の相対関係を変えることができる。プローブパルス光138のパルス幅は、テラヘルツ波136のパルス幅の10分の1程度しかないので、テラヘルツ波の所望の時間位置における電界強度をプローブ光でサンプリングすることができる。   By moving the stage 108 of the delay line, the relative relationship between the arrival time of the terahertz wave 136 and the probe pulse light 138 of the electro-optic element 116 can be changed. Since the pulse width of the probe pulse light 138 is only about one tenth of the pulse width of the terahertz wave 136, the electric field intensity at a desired time position of the terahertz wave can be sampled with the probe light.

到着時間の相対関係が異なる複数のプローブパルス光を用いることにより、テラヘルツ波136の電界強度の時間変化を知ることができる。この時間変化のピーク位置から被測定物の屈折率が分かり、また、この時間変化のフーリエスペクトルから被測定物のテラヘルツ帯吸収スペクトルが分かるので、被測定物が何であるかを特定できる。   By using a plurality of probe pulse lights having different relative relations of arrival times, it is possible to know a temporal change in the electric field intensity of the terahertz wave 136. Since the refractive index of the object to be measured is known from the peak position of the time change, and the terahertz band absorption spectrum of the object to be measured is known from the Fourier spectrum of the time change, it is possible to specify what the object is to be measured.

ところが、この測定系は、遅延ラインのステージ108を機械的に移動させながら、テラヘルツ波136の異なる時間位置における電界強度をイメージセンサ上の光量としてサンプリングするので、ステージ108の移動時間のうちに動いてしまう被測定物をイメージングすることができない。つまり、動く被測定物、例えば生体、をイメージングし、また被測定物を動かしながら、例えば動いているベルトコンベア上で、イメージングする用途には向いていない。   However, this measurement system samples the electric field strength at different time positions of the terahertz wave 136 as the amount of light on the image sensor while mechanically moving the stage 108 of the delay line, and thus moves within the moving time of the stage 108. The object to be measured cannot be imaged. That is, it is not suitable for an application of imaging a moving object to be measured, for example, a living body, and moving an object to be measured, for example, on a moving belt conveyor.

そこで、そのような用途に適した別の従来技術が、例えば特許文献1に提案されている。この技術に係る測定系には、図16に示すように、遅延ラインの代わりにパルス伸長器401と光ファイバ束402とが設けられる。パルス伸長器401は反射型回折格子、凹面鏡、平面反射鏡、再帰反射鏡などから構成されている。   Then, another prior art suitable for such a use is proposed by patent document 1, for example. As shown in FIG. 16, the measurement system according to this technique includes a pulse stretcher 401 and an optical fiber bundle 402 instead of the delay line. The pulse stretcher 401 includes a reflective diffraction grating, a concave mirror, a plane reflecting mirror, a retroreflecting mirror, and the like.

一般に知られているように、フェムト秒パルスはスペクトル広がりがある。パルス伸長器401において、プローブ光(フェムト秒パルス)に含まれる成分のうち、短波長な成分ほど、長波長成分より時間的に遅らせることにより、チャープ化プローブ光347を得る。その遅らせる時間は、テラヘルツ波136のパルス幅と同程度、例えば約10psec、にしておく。   As is generally known, femtosecond pulses have a spectral broadening. In the pulse stretcher 401, the chirped probe light 347 is obtained by delaying the shorter wavelength component of the components contained in the probe light (femtosecond pulse) with respect to the longer wavelength component. The delay time is set to be approximately the same as the pulse width of the terahertz wave 136, for example, about 10 psec.

そうすることで、電気光学素子116、偏光板118を通過したチャープ化プローブ光438のうち、短波長な成分ほど、テラヘルツ波136の時間的に遅い位置をサンプリングしていることになり、時間軸を波長軸に変換することができる。   By doing so, the shorter wavelength component of the chirped probe light 438 that has passed through the electro-optic element 116 and the polarizing plate 118 is sampled at a temporally slower position of the terahertz wave 136. Can be converted to the wavelength axis.

そして、光ファイバ束402にも、短波長な成分ほど時間的に遅らせる分散特性を持たせることで、遅延時間の差をさらに拡大し、パルス幅を10nsecまで広げる。この程度のパルス幅になれば一般的な受光素子を用いて時間分解することができる。   Then, the optical fiber bundle 402 also has a dispersion characteristic in which the shorter wavelength component is delayed in time, thereby further expanding the difference in delay time and expanding the pulse width to 10 nsec. When the pulse width is about this level, it is possible to perform time resolution using a general light receiving element.

上述したように、この別の従来の技術では、テラヘルツ波136の異なる時刻の電界強度をプローブ光の異なる周波数成分で搬送し、それぞれの周波数成分に一般的な受光素子で時間分解できる程度にまで遅延差を与えることにより、2次元情報とその時間変化情報とが検出される。
特開2004−020352号公報
As described above, in this other conventional technique, the electric field strengths at different times of the terahertz wave 136 are conveyed by different frequency components of the probe light, and each frequency component can be time-resolved by a general light receiving element. By giving a delay difference, two-dimensional information and its time change information are detected.
JP 2004-020352 A

しかしながら、そのような従来技術を用いてもなお、次のような問題がある。
第1に、プローブ光を時間方向に拡大して測定するため、時間情報をリアルタイムに得ることができない。
However, even if such a conventional technique is used, there are the following problems.
First, since the probe light is enlarged and measured in the time direction, time information cannot be obtained in real time.

第2に、光ファイバ束には、空間情報を維持するために、イメージングすべき画素数と同数の光ファイバが必要である。しかも、プローブ光の異なる周波数成分に十分な遅延時間の差を与えるために、各光ファイバには数kmの長さが必要である。これらのため、光ファイバ束が非常に大きくなってしまう。   Secondly, the optical fiber bundle requires as many optical fibers as the number of pixels to be imaged in order to maintain spatial information. In addition, in order to give a sufficient delay time difference to different frequency components of the probe light, each optical fiber needs to have a length of several kilometers. For these reasons, the optical fiber bundle becomes very large.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、動く被測定物、又は被測定物を動かしながら、その被測定物の空間情報及び時間情報をリアルタイムに取得できる電磁波測定装置を小型に実現する技術を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a problem, and is a compact electromagnetic wave measuring device that can acquire a moving object to be measured or a space object and a time information of the object to be measured in real time while moving the object to be measured. The purpose is to provide technology to be realized.

上記目的を達成するため、本発明の電磁波測定装置は、通過する光に対してその光の進行方向に垂直な面内で光学長が異なる複数の領域を有し、前記複数の領域にプローブ光が入射され、各領域から遅延が異なる複数の時間差プローブ光を出力する遅延時間変調素子と、前記複数の時間差プローブ光と被測定電磁波とを重畳する重畳光学素子と、前記重畳された複数の時間差プローブ光と被測定電磁波とを入射され、各時間差プローブ光を前記被測定電磁波の電界に応じて変調する電気光学素子と、前記変調後の各時間差プローブ光を、それぞれ異なる画素で検出するイメージセンサとを備える。   In order to achieve the above object, the electromagnetic wave measuring apparatus of the present invention has a plurality of regions having different optical lengths in a plane perpendicular to the traveling direction of light passing therethrough, and probe light in the plurality of regions. , A delay time modulation element that outputs a plurality of time difference probe lights having different delays from each region, a superposition optical element that superimposes the plurality of time difference probe lights and the electromagnetic wave to be measured, and the plurality of superposition time differences An electro-optical element that receives the probe light and the electromagnetic wave to be measured and modulates each time difference probe light according to the electric field of the electromagnetic wave to be measured, and an image sensor that detects each time difference probe light after the modulation by different pixels. With.

ここで、前記重畳光学素子は、前記時間差プローブ光及び前記被測定電磁波のうち、一方を反射し他方を透過することによって、両者を重畳してもよい。   Here, the superposition optical element may superimpose both of the time difference probe light and the electromagnetic wave to be measured by reflecting one and transmitting the other.

また、光学長とは、光路長に屈折率を掛けた量である。前記複数の領域がそれぞれ異なる光学長を持つように、前記複数の領域が光の通過方向にそれぞれ異なる厚みを有していてもよく、また、前記複数の領域がそれぞれ異なる屈折率を有してもよい。   The optical length is an amount obtained by multiplying the optical path length by the refractive index. The plurality of regions may have different thicknesses in the light passing direction so that the plurality of regions have different optical lengths, and the plurality of regions have different refractive indexes. Also good.

この構成よれば、前記複数の時間差プローブ光によって、前記被測定電磁波を異なる複数の時間位置でサンプリングし、そのサンプリングの結果を前記イメージセンサの異なる画素から得ることができる。   According to this configuration, the measured electromagnetic wave can be sampled at a plurality of different time positions by the plurality of time difference probe lights, and the sampling result can be obtained from different pixels of the image sensor.

この構成には、従来の遅延時間差を拡大するための長大な光ファイバ束が含まれないため小型に実現できる。また、従来と異なりプローブ光をサンプリング後に時間伸長しないので被測定物を厳密にリアルタイムに測定できる。   Since this configuration does not include a long and long optical fiber bundle for enlarging the delay time difference, it can be realized in a small size. Further, unlike the conventional case, since the probe light is not time-extended after sampling, the object to be measured can be measured strictly in real time.

また、前記遅延時間変調素子において、前記複数の領域は周期的に設けられ、その周期は前記被測定電磁波の中心波長よりも小さいことが望ましい。   Further, in the delay time modulation element, it is preferable that the plurality of regions are provided periodically, and the period is smaller than the center wavelength of the electromagnetic wave to be measured.

この構成よれば、一般に知られているように、電磁波の空間分解能はほぼその1波長であるので、前記被測定電磁波の中心波長よりもよりも小さい1周期内の複数の領域から出力される複数の時間差プローブ光は、同じ空間情報を持つ被測定電磁波を、それぞれ異なる時間位置でサンプリングすることになる。すなわち、時間サンプリングと共に、被測定電磁波による最大の空間分解能が発揮される。   According to this configuration, as is generally known, since the spatial resolution of the electromagnetic wave is almost one wavelength, a plurality of signals output from a plurality of regions within one period smaller than the center wavelength of the electromagnetic wave to be measured. The time difference probe light samples the measured electromagnetic waves having the same spatial information at different time positions. That is, the maximum spatial resolution due to the electromagnetic wave to be measured is exhibited with time sampling.

また、前記プローブ光は、中心波長が可視光乃至赤外光帯域に含まれかつパルス幅が300フェムト秒以下のレーザ光の一部であり、前記被測定電磁波は、前記レーザ光の他の一部がテラヘルツエミッタに入射することによって放射されるテラヘルツ波であることが好ましい。   The probe light is a part of laser light having a center wavelength in the visible light to infrared light band and a pulse width of 300 femtoseconds or less, and the measured electromagnetic wave is the other of the laser light. The part is preferably a terahertz wave radiated by being incident on the terahertz emitter.

この構成よれば、様々な被測定物がテラヘルツ波に対して示す吸収及び反射などの固有の特性に基づいて、被測定物について優れた透過分析を行うことができる。そして、そのためのプローブ光の検出は、可視光乃至赤外光帯域に感度を有する一般的なイメージセンサを用いて行うことができる。   According to this configuration, it is possible to perform excellent transmission analysis on the measurement object based on unique characteristics such as absorption and reflection of various measurement objects with respect to the terahertz wave. And the detection of the probe light for that purpose can be performed using the general image sensor which has sensitivity in visible light thru | or infrared light band.

また、前記電磁波測定装置は、さらに、前記変調後の各時間差プローブ光を、前記電気光学素子と前記イメージセンサとの間で、前記遅延時間変調素子の前記領域の配列間隔に対する前記イメージセンサの前記画素の配列間隔の割合で縮小する縮小光学系を備えてもよい。   Further, the electromagnetic wave measuring apparatus further includes the time difference probe light after the modulation between the electro-optic element and the image sensor and the image sensor of the image sensor with respect to the arrangement interval of the region of the delay time modulation element. You may provide the reduction optical system which reduces by the ratio of the arrangement | sequence space | interval of a pixel.

この構成によれば、一つの時間差プローブ光が、前記イメージセンサのちょうど一つの画素によって検出され、画素を有効活用することができる。現在の一般的なイメージセンサの画素の配列間隔は数μmであるのに対し、前記被測定電磁波の中心周波数を1THz(中心波長300μm)とし、一例として30点の時間サンプリングを行うとした場合、前記領域の配列間隔は10μmである。前記画素の配列間隔が前記領域の配列間隔に比べて小さい場合、このような縮小光学系を設けることで、同一の時間空間情報を担うプローブ光がただ一つの画素によって検出されるので、無駄がない。   According to this configuration, one time difference probe light is detected by exactly one pixel of the image sensor, and the pixel can be effectively used. When the arrangement interval of the pixels of the current general image sensor is several μm, the center frequency of the electromagnetic wave to be measured is 1 THz (center wavelength 300 μm), and as an example, time sampling of 30 points is performed. The arrangement interval of the regions is 10 μm. When the arrangement interval of the pixels is smaller than the arrangement interval of the regions, by providing such a reduction optical system, probe light bearing the same time-space information is detected by only one pixel, so that waste is not caused. Absent.

特に、前記遅延時間変調素子の光の入射面及び出射面の少なくとも一方を、断面が対称形を成す、各領域の厚みに応じたステップ形状に形成すれば、他の2つの以上のステップが一つにつながった急な段差を作らなくてよいため作成プロセスが容易になる。   In particular, if at least one of the light entrance surface and the light exit surface of the delay time modulation element is formed in a step shape corresponding to the thickness of each region, the cross section is symmetrical, the other two or more steps are combined. The creation process is facilitated because it is not necessary to create a steep step that leads to the connection.

また、前記遅延時間変調素子の光の入射面及び出射面の両方を、各領域の厚みに応じたステップ形状に形成すれば、時間遅延を前記遅延時間変調素子の両面で稼ぐことができる。   Further, if both the light incident surface and the light exit surface of the delay time modulation element are formed in a step shape corresponding to the thickness of each region, the time delay can be gained on both surfaces of the delay time modulation element.

また、前記遅延時間変調素子の光の入射面及び出射面の少なくとも一方に、前記プローブ光の中心波長に対して反射防止膜が形成されていることが好ましい。さらに、表面の凹凸を覆う保護膜が形成されていることが好ましい。   In addition, it is preferable that an antireflection film is formed on at least one of the light incident surface and the light emitting surface of the delay time modulation element with respect to the center wavelength of the probe light. Furthermore, it is preferable that a protective film covering the surface irregularities is formed.

本発明を用いると、電磁波を用いた被測定物の形状判定と材質判定に必要なデータを同時にかつリアルタイムに測定することができ、高速な電磁波測定装置を小型に実現することができる。   By using the present invention, data necessary for shape determination and material determination of an object to be measured using electromagnetic waves can be measured simultaneously and in real time, and a high-speed electromagnetic wave measuring apparatus can be realized in a small size.

<電磁波測定装置の構成>
図1は、本発明の実施の形態における電磁波測定装置の一例を示す構成図である。
<Configuration of electromagnetic wave measuring device>
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an example of an electromagnetic wave measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.

チタンサファイア結晶を用いたフェムト秒レーザ装置101から出射した短光パルス(中心波長800nm、スペクトル幅(FWHM)約20nm、パルス幅100fs)131はビームスプリッタ102により、ポンプパルス光132とプローブパルス光133に分岐される。   A short light pulse (center wavelength: 800 nm, spectral width (FWHM) of about 20 nm, pulse width: 100 fs) 131 emitted from a femtosecond laser apparatus 101 using a titanium sapphire crystal is pumped by a beam splitter 102 and pump pulse light 132 and probe pulse light 133. Fork.

ポンプパルス光132はミラー103で方向を変え、テラヘルツエミッタ112に入射する。テラヘルツエミッタ112として、例えば、厚み3mmの(110)ZnTe結晶を用いる。なお、テラヘルツエミッタ112には、ZnTeのほかに光伝導スイッチを用いることもできる。   The direction of the pump pulse light 132 is changed by the mirror 103 and is incident on the terahertz emitter 112. As the terahertz emitter 112, for example, a (110) ZnTe crystal having a thickness of 3 mm is used. For the terahertz emitter 112, a photoconductive switch can be used in addition to ZnTe.

テラヘルツエミッタ112は、ポンプパルス光132が入射すると、そのパルス幅に対応して中心周波数1THz(中心波長300μm)のテラヘルツ波134を放射する。   When the pump pulse light 132 is incident, the terahertz emitter 112 emits a terahertz wave 134 having a center frequency of 1 THz (a center wavelength of 300 μm) corresponding to the pulse width.

なお、ポンプパルス光のパルス幅は上述した100fsに限定されない。例えばパルス幅300fsのポンプパルス光を用いてもテラヘルツ波を得ることができる。   Note that the pulse width of the pump pulse light is not limited to 100 fs described above. For example, a terahertz wave can be obtained using pump pulse light having a pulse width of 300 fs.

テラヘルツ波134はポリエチレンレンズ113により平行化され、コリメートなテラヘルツ波135になる。テラヘルツ波135が被測定物114を通過すると、被測定物114内のテラヘルツ波に対する吸収、反射などの特性の空間分布に応じ変調を受ける。被測定物114として、図2のように120μmのプラスチック板51上に形成したアルミニウム52のストライプパターン(幅100μm、ピッチ400μm)を用いる。   The terahertz wave 134 is collimated by the polyethylene lens 113 and becomes a collimated terahertz wave 135. When the terahertz wave 135 passes through the object to be measured 114, the terahertz wave 135 is modulated according to the spatial distribution of characteristics such as absorption and reflection with respect to the terahertz wave in the object to be measured 114. As the DUT 114, an aluminum 52 stripe pattern (width 100 μm, pitch 400 μm) formed on a 120 μm plastic plate 51 as shown in FIG. 2 is used.

空間変調されたテラヘルツ波136はシリコンミラー115を通過し、電気光学素子116に入射される。電気光学素子としては厚み3mmの(110)ZnTeを用いる。電気光学素子結晶内では、テラヘルツ波136の電界強度の空間分布および時間変化に応じて、空間位置及び時刻に依存するポッケルス効果が生じる。   The spatially modulated terahertz wave 136 passes through the silicon mirror 115 and enters the electro-optic element 116. As the electro-optic element, (110) ZnTe having a thickness of 3 mm is used. In the electro-optic element crystal, a Pockels effect depending on the spatial position and time occurs in accordance with the spatial distribution and temporal change of the electric field intensity of the terahertz wave 136.

一方、プローブパルス光133は、ミラー109で反射した後、凹レンズ110と凸レンズ111から構成されるビームエキスパンダにより、前記コリメートテラヘルツ波135のスポット径と同程度まで拡大される。拡大されたプローブパルス光138は、遅延時間変調素子21を通過する。   On the other hand, after the probe pulse light 133 is reflected by the mirror 109, the probe pulse light 133 is expanded to the same size as the spot diameter of the collimated terahertz wave 135 by a beam expander including the concave lens 110 and the convex lens 111. The expanded probe pulse light 138 passes through the delay time modulation element 21.

遅延時間変調素子21は、後に詳述するように、通過する光の進行方向に垂直な面内で光学長が異なる複数の領域を有し、入射するプローブパルス光138に異なる複数の遅延を与えることによって、複数の時間差プローブパルス光139を出力する。   As will be described in detail later, the delay time modulation element 21 has a plurality of regions having different optical lengths in a plane perpendicular to the traveling direction of light passing therethrough, and gives a plurality of different delays to the incident probe pulse light 138. As a result, a plurality of time difference probe pulse lights 139 are output.

ここで、遅延時間変調素子21は、テラヘルツ波136の1波長に含まれる大きさの複数の部分にそれぞれ前述した複数の領域を有し、各領域の配列間隔はプローブパルス光138の中心波長よりも十分に広い。   Here, the delay time modulation element 21 has the plurality of regions described above in a plurality of portions having a size included in one wavelength of the terahertz wave 136, and the arrangement interval of each region is larger than the center wavelength of the probe pulse light 138. Is also wide enough.

遅延時間変調素子21から出力された複数の時間差プローブパルス光139は、偏光板117で偏光方向を整えた後、シリコンミラー115で反射されることによって、空間変調されたテラヘルツ波136と重畳され電気光学素子116に導かれる。   The plurality of time-difference probe pulse lights 139 output from the delay time modulation element 21 are adjusted by the polarizing plate 117 and then reflected by the silicon mirror 115 so that they are superimposed on the spatially modulated terahertz wave 136 and electrically Guided to the optical element 116.

ここで、シリコンミラー115が、重畳光学素子の一例である。なお、この逆に、時間差プローブパルス光139を透過しテラヘルツ波136を反射するITO(Indium Tin Oxide)付きガラスを用いて、重畳光学素子を実現することもできる。   Here, the silicon mirror 115 is an example of a superimposing optical element. On the other hand, a superimposed optical element can be realized using glass with ITO (Indium Tin Oxide) that transmits the time difference probe pulse light 139 and reflects the terahertz wave 136.

電気光学素子116内では、前述したように、空間変調されたテラヘルツ波による空間位置及び時刻に依存するポッケルス効果が生じ、それをプローブ光で時間方向に複数サンプリングする。   In the electro-optic element 116, as described above, the Pockels effect depending on the spatial position and time caused by the spatially modulated terahertz wave is generated, and a plurality of the Pockels effects are sampled in the time direction with the probe light.

より具体的に言えば、ポッケルス効果によって、複数の時間差プローブパルス光139のそれぞれに生じる偏光方向の変化を、偏光板117、118によって光量変化に置き換え、イメージセンサ119の各画素で検出する。   More specifically, a change in the polarization direction that occurs in each of the plurality of time difference probe pulse lights 139 due to the Pockels effect is replaced with a change in the amount of light by the polarizing plates 117 and 118, and is detected by each pixel of the image sensor 119.

なお、電気光学素子116とイメージセンサ119の間に、レンズを用いた縮小光学系を設置し、複数の時間差プローブパルス光139を、遅延時間変調素子21における領域の配列間隔に対するイメージセンサ119の画素の配列間隔の割合で縮小してもよい。   Note that a reduction optical system using a lens is installed between the electro-optical element 116 and the image sensor 119, and a plurality of time-difference probe pulse lights 139 are applied to the pixels of the image sensor 119 with respect to the arrangement interval of the regions in the delay time modulation element 21. You may reduce by the ratio of arrangement | sequence space | interval.

イメージセンサには、例えば水平画素数320、垂直画素数240の1/4インチQVGAイメージセンサを用いることができる。イメージセンサの種類としては、CCD、MOSセンサなどが適用可能である。   As the image sensor, for example, a 1/4 inch QVGA image sensor having 320 horizontal pixels and 240 vertical pixels can be used. As a type of image sensor, a CCD, a MOS sensor or the like can be applied.

<遅延時間変調素子>
図3は、遅延時間変調素子21の断面の一例を示す断面図である。なお、紙面に直交する断面には、同様の形状が現れるとしてもよいし、一様な形状が現れるとしてもよい。同様の形状が現れる場合には段差は2次元方向に設けられ、また、一様な形状が現れる場合には、段差は1次元方向にのみ設けられることになる。遅延時間変調素子21の表面は、このような断面で表されるステップ形状に形成されている。このステップ形状の1段が前述した領域の一つに対応する。
<Delay time modulation element>
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of a cross section of the delay time modulation element 21. Note that a similar shape may appear in a cross section orthogonal to the paper surface, or a uniform shape may appear. When a similar shape appears, the step is provided in the two-dimensional direction, and when a uniform shape appears, the step is provided only in the one-dimensional direction. The surface of the delay time modulation element 21 is formed in a step shape represented by such a cross section. One step of this step shape corresponds to one of the aforementioned areas.

遅延時間変調素子21として、例えば、厚み1mm程度のn型GaN基板を用いることができる。GaNはバンドギャップが3.4eV(波長365nm相当)なので波長800nmのプローブパルス光138に対しては透明である。   As the delay time modulation element 21, for example, an n-type GaN substrate having a thickness of about 1 mm can be used. Since GaN has a band gap of 3.4 eV (corresponding to a wavelength of 365 nm), it is transparent to probe pulsed light 138 having a wavelength of 800 nm.

遅延時間変調素子21は、一例として、厚みが異なる5種類の領域を繰り返し有しており、その表面は、各領域の厚みに応じた5段のステップを繰り返す形状に形成されている。ここで、例えば、各ステップの幅を10μmとし、段差を43μmとすれば、GaNの屈折率は2.4なので、この繰り返しの1単位は、時間差0.2psecの5つの時間差プローブパルス光を、時間1psec、空間幅50μmに渡って出射する。   As an example, the delay time modulation element 21 repeatedly includes five types of regions having different thicknesses, and the surface thereof is formed in a shape that repeats five steps according to the thickness of each region. Here, for example, if the width of each step is 10 μm and the step is 43 μm, the refractive index of GaN is 2.4. Therefore, one unit of this repetition consists of five time difference probe pulse lights with a time difference of 0.2 psec, The light is emitted over a time of 1 psec and a space width of 50 μm.

この空間幅50μmの1単位が、テラヘルツ波136の1波長300μmに含まれる大きさの部分の一例である。そして、各領域の配列間隔であるステップ幅10μmは、プローブパルス光138の中心波長800nmよりも十分に広い。   One unit having a space width of 50 μm is an example of a portion having a size included in one wavelength of 300 μm of the terahertz wave 136. A step width of 10 μm, which is an arrangement interval of each region, is sufficiently wider than the central wavelength of 800 nm of the probe pulse light 138.

なお、ここで示したステップの数と大きさは一例である。繰り返しの単位がテラヘルツ波136の1波長に含まれ、かつステップ幅がプローブパルス光138の中心波長よりも広いという条件で、他の個数や大きさのステップを用いても構わない。   The number and size of the steps shown here are examples. As long as the repetition unit is included in one wavelength of the terahertz wave 136 and the step width is wider than the center wavelength of the probe pulse light 138, steps of other numbers and sizes may be used.

例えば、発明者らは、幅10μm、段差43μmの10段のステップを繰り返す形状に形成した遅延時間変調素子21を用いて実験を行い、良好な結果を得た。この結果については後で詳述する。   For example, the inventors conducted an experiment using the delay time modulation element 21 formed in a shape in which 10 steps having a width of 10 μm and a step of 43 μm were repeated, and obtained good results. This result will be described in detail later.

次に、遅延時間変調素子21の動作を詳細に説明する。
図3には、遅延時間変調素子21の各ステップに入射するプローブパルス光138の光路が示される。ここで、各ステップを0から4までの番号で示す。例えば、ステップ3に入射するプローブパルス光は光路13を進む。i番目のステップの幅をWi、またi番目とj番目のステップの段差をdijと表記する。例えば、i=3,j=4の場合について、ステップ幅はW3であり、段差はd34である。
Next, the operation of the delay time modulation element 21 will be described in detail.
FIG. 3 shows an optical path of the probe pulse light 138 incident on each step of the delay time modulation element 21. Here, each step is indicated by a number from 0 to 4. For example, the probe pulse light incident on step 3 travels along the optical path 13. The width of the i-th step is denoted as Wi, and the step between the i-th and j-th steps is denoted as dij . For example, for the case of i = 3, j = 4, the step width is W3, the step is d 34.

ここで、Wiはプローブ光138の波長λpに比べて十分大きな値とする。境界部における散乱などの影響を少なくするために、好ましくは、Wiはλpの5倍以上が望ましい。これにより、各ステップ内の中央付近ではプローブパルス光の波面はほぼ維持され、入射方向と同方向に出射される。   Here, Wi is set to a value sufficiently larger than the wavelength λp of the probe light 138. In order to reduce the influence of scattering or the like at the boundary, Wi is preferably 5 times or more of λp. Thereby, the wavefront of the probe pulse light is substantially maintained near the center in each step and is emitted in the same direction as the incident direction.

一方、各ステップの境界近傍の光は、その境界の屈折、散乱等により方向を変える。しかし、Wiがλpに比べて十分大きいことから、方向を変える光は直進する光と比べて僅かであり、しかも、方向を変えた光の多くは、イメージセンサ119に達する光路から外れるので、ほとんど問題とならない。   On the other hand, the light near the boundary of each step changes direction due to refraction, scattering, etc. of the boundary. However, since Wi is sufficiently larger than λp, the light whose direction is changed is small compared to the light traveling straight, and most of the light whose direction is changed is out of the optical path reaching the image sensor 119. It doesn't matter.

プローブパルス光138は遅延時間変調素子21の内部を通過することにより、複数の異なる遅延を与えられ、複数の時間差プローブパルス光139として出力される。例えば、光路14は光路13に比べて遅延時間変調素子21の内部をd34だけ多く通る。この結果、遅延時間変調素子21から光路13に沿って出力される時間差プローブパルス光と光路14に沿って出力される時間差プローブパルス光には時間差ΔT34が生じる。 The probe pulse light 138 passes through the inside of the delay time modulation element 21, is given a plurality of different delays, and is output as a plurality of time difference probe pulse lights 139. For example, the optical path 14 passes through the inside of the delay time modulation element 21 by d 34 more than the optical path 13. As a result, a time difference ΔT 34 is generated between the time difference probe pulse light output along the optical path 13 from the delay time modulation element 21 and the time difference probe pulse light output along the optical path 14.

光速をc、遅延時間変調素子21の屈折率をnとすると、ΔT34
ΔT34 = (n−1) × d34/c
で与えられる。他の隣接する2つの光路に沿って出力される時間差プローブパルス光にも同様な時間差ΔT01、ΔT12、ΔT23が生じる。
If the speed of light is c and the refractive index of the delay time modulation element 21 is n, ΔT 34 is ΔT 34 = (n−1) × d 34 / c
Given in. Similar time differences ΔT 01 , ΔT 12 , and ΔT 23 also occur in the time difference probe pulse light output along the other two adjacent optical paths.

図4に示すように、遅延時間変調素子21から出射した時間差プローブパルス光139はシリコンミラー115でテラヘルツ波136と重畳され、電気光学素子116に入射される。この時、遅延が異なる一組の時間差プローブパルス光139を出力する遅延時間変調素子21上の幅をW=ΣWi、テラヘルツ波136の波長をλとすると、
λ>W
を満たせば、テラヘルツ波の空間分解能が波長λ程度であることを考慮して、単位幅W内の各時間差プローブパルス光139は、同じ空間情報を持つテラヘルツ波(図4のT1、T2、T3・・・)を、異なる複数の時間位置でサンプリングしていることになる。
As shown in FIG. 4, the time difference probe pulse light 139 emitted from the delay time modulation element 21 is superimposed on the terahertz wave 136 by the silicon mirror 115 and is incident on the electro-optic element 116. At this time, when W = ΣWi and the wavelength of the terahertz wave 136 are λ, the width on the delay time modulation element 21 that outputs a set of time difference probe pulsed light 139 with different delays,
λ> W
Is satisfied, each time-difference probe pulse light 139 within the unit width W is converted into terahertz waves having the same spatial information (T1, T2, T3 in FIG. 4), considering that the spatial resolution of the terahertz wave is about the wavelength λ. ...) are sampled at a plurality of different time positions.

なお、ここでλ>Wなる条件は、前述した複数の領域の繰り返しの単位がテラヘルツ波の1波長に含まれることと等価である。   Here, the condition of λ> W is equivalent to the fact that the repeating unit of the plurality of regions described above is included in one wavelength of the terahertz wave.

これらの時間差プローブパルス光はイメージセンサ119の相異なる画素に入射される。図4の例では、最も早い時間差プローブパルス光によるサンプリング時刻を時刻Tとして、各画素は以下の情報を検出する。   These time difference probe pulse lights are incident on different pixels of the image sensor 119. In the example of FIG. 4, each pixel detects the following information with the sampling time by the earliest time difference probe pulse light as time T.

画素P1:テラヘルツ波T1の時刻Tの情報
画素P2:テラヘルツ波T1の時刻T+ΔT01の情報
画素P3:テラヘルツ波T1の時刻T+ΔT01+ΔT12の情報

画素P6:テラヘルツ波T2の時刻Tの情報
画素P7:テラヘルツ波T2の時刻T+ΔT01の情報
画素P8:テラヘルツ波T2の時刻T+ΔT01+ΔT12の情報
Pixel P1: the information pixel at the time T of the terahertz wave T1 P2: the information pixel at the time T + [Delta] T 01 of the terahertz wave T1 P3: information of the time T + ΔT 01 + ΔT 12 of the terahertz wave T1
...
Pixel P6: the information pixel at the time T of the terahertz wave T2 P7: the information pixel at the time T + [Delta] T 01 of the terahertz wave T2 P8: information of the time T + ΔT 01 + ΔT 12 of the terahertz wave T2
...

図1で示されるようにテラヘルツ波は、被測定物114により空間変調されている。従って、イメージセンサ119は、テラヘルツの空間情報と時間情報の両方を取得することができる。   As shown in FIG. 1, the terahertz wave is spatially modulated by the measurement object 114. Therefore, the image sensor 119 can acquire both terahertz spatial information and temporal information.

<実験結果>
さて、発明者らは、前述した幅10μm、段差43μmの10段のステップを繰り返し単位(単位幅100μm)とする遅延時間変調素子21と共に、水平画素数320、垂直画素数240の1/4インチQVGAイメージセンサを用いて、図2に示される被測定物を測定する実験を行った。
<Experimental result>
The inventors of the present invention, together with the delay time modulation element 21 having the above-mentioned 10 steps of 10 μm width and 43 μm step as a repeating unit (unit width 100 μm), 1/4 inch of 320 horizontal pixels and 240 vertical pixels. An experiment for measuring the object to be measured shown in FIG. 2 was performed using a QVGA image sensor.

この実験から得られた測定結果を図5、図6に示す。図5は被測定物114を取り付けた場合の測定結果を示し、図6は被測定物114を取り外した時の測定結果を示す。図5、図6は、何れもイメージセンサの第120行目(画面のほぼ中央付近の水平行)の信号を示したものである。この実験では、図4に示される垂直方向に一様な被測定物を用いたので、イメージセンサの他の行でもほぼ同じ信号が得られた。   The measurement results obtained from this experiment are shown in FIGS. FIG. 5 shows a measurement result when the measurement object 114 is attached, and FIG. 6 shows a measurement result when the measurement object 114 is detached. 5 and 6 show the signals on the 120th line of the image sensor (horizontal parallel near the center of the screen). In this experiment, since the measurement object uniform in the vertical direction shown in FIG. 4 was used, substantially the same signal was obtained in other rows of the image sensor.

図5、図6において、水平画素番号i+10j (i=1,2,3….10, j=0,1,2,3…31)の値は、被測定物の水平位置j×100μm±50μmを透過したテラヘルツ波を、基準時刻+i×0.2psecにおいてサンプリングした値を表す。   5 and 6, the value of the horizontal pixel number i + 10j (i = 1, 2, 3... 10, j = 0, 1, 2, 3,... 31) is the horizontal position j × 100 μm ± 50 μm of the object to be measured. Represents a value obtained by sampling the terahertz wave transmitted through the wave at reference time + i × 0.2 psec.

例えば、基準時刻から時間0.6psec後におけるイメージングデータは、水平画素番号3+10jの値をプロットすることによって、例えば図7のようなイメージとして得られる。なお、図7のイメージには境界が滑らかになるよう信号処理を施している。白く見える部分はテラヘルツ波が透過する部分、黒い部分が透過しない部分である。400μmピッチのパターンがイメージングできていることがわかる。   For example, the imaging data after 0.6 psec from the reference time is obtained as an image as shown in FIG. 7, for example, by plotting the value of the horizontal pixel number 3 + 10j. Note that the image in FIG. 7 is subjected to signal processing so that the boundary becomes smooth. The part that appears white is the part through which the terahertz wave passes, and the part through which the black part does not pass. It can be seen that a pattern with a pitch of 400 μm can be imaged.

一方、テラヘルツ波が透過する部分の時間領域分光を行うには、例えば、水平画素番号i+50の値をプロットすればよく、図8に示す結果が得られる。ピーク位置が被測定物の有無に応じて0.2psecずれていることがわかる。プラスチック板の厚みをd、屈折率をn、光速をcとし、被測定物の有無におけるピーク位置変化をΔTとすると、
ΔT=(n−1)d/c
なる関係があるから、このプラスチック板の屈折率は約1.5となり、材料評価が可能である。また、図8をフーリエ変換すれば、被測定物あり/なしの比較から吸収スペクトルを求めることができる。一般に固有の吸収スペクトルをテラヘルツ帯に有する材料が多いので、プラスチック材質をより正確に特定することができる。
On the other hand, in order to perform the time-domain spectroscopy of the portion where the terahertz wave is transmitted, for example, the value of the horizontal pixel number i + 50 may be plotted, and the result shown in FIG. 8 is obtained. It can be seen that the peak position is shifted by 0.2 psec depending on the presence or absence of the object to be measured. When the thickness of the plastic plate is d, the refractive index is n, the speed of light is c, and the peak position change with and without the object to be measured is ΔT,
ΔT = (n−1) d / c
Therefore, the refractive index of this plastic plate is about 1.5, and the material can be evaluated. Further, if the Fourier transform of FIG. 8 is performed, an absorption spectrum can be obtained from a comparison with / without the object to be measured. In general, since there are many materials having a specific absorption spectrum in the terahertz band, the plastic material can be specified more accurately.

このように本発明を用いると、イメージングとその材料評価を同時にすることができる。   Thus, when the present invention is used, imaging and material evaluation can be performed simultaneously.

なお、発明者らは、この実験に用いた遅延時間変調素子21を、一般的な半導体フォトリソグラフィと塩素系ドライエッチングによって作製した。   The inventors produced the delay time modulation element 21 used in this experiment by general semiconductor photolithography and chlorine-based dry etching.

また、遅延時間変調素子21によるプローブ光の乱れ(例えば、遅延時間変調素子を通過するときに発生する損失が、遅延量によって異なるなど)は、画素毎の信号処理で補正してもよい。   In addition, disturbance of the probe light by the delay time modulation element 21 (for example, a loss generated when passing through the delay time modulation element varies depending on the delay amount) may be corrected by signal processing for each pixel.

<遅延時間変調素子の製造、及び他の形状例>
図9は、本発明の実施の形態における遅延時間変調素子の他の形状例を示す断面図である。図3とは異なり、断面が対称を成す山形になるように形成されている。このような形状にすることにより、他の2つ以上の段差が一つにつながった急な段差を作らなくてよいため作成プロセスが容易になる。この結果、歩留が向上する。
<Manufacture of delay time modulation element and other shape examples>
FIG. 9 is a cross-sectional view showing another shape example of the delay time modulation element according to the embodiment of the present invention. Unlike FIG. 3, it forms so that the cross section may become a symmetrical mountain shape. By making such a shape, it is not necessary to create a steep step where two or more other steps are connected to one, so that the creation process is facilitated. As a result, the yield is improved.

図10(a)〜(d)は、この作成プロセスを示す図である。(a)GaN基板301に電子ビーム蒸着とフォトリソグラフィにより、Niマスク302を形成する。(b)次にCl2ガスを用いたドライエッチングにより第1の凸部を形成する。NiマスクをHClにより除去する。同様に電子ビーム蒸着とフォトリソグラフィにより、Niマスク303を形成する。(c)次にCl2ガスを用いたドライエッチングにより第2の凸部を形成する。NiマスクをHClにより除去する。同様に電子ビーム蒸着とフォトリソグラフィにより、Niマスク304を形成する。(d)最後にCl2ガスを用いたドライエッチングにより第2の凸部を形成し、NiマスクをHClにより除去し完成する。 FIGS. 10A to 10D are diagrams showing this creation process. (A) A Ni mask 302 is formed on the GaN substrate 301 by electron beam evaporation and photolithography. (B) Next, a first convex portion is formed by dry etching using Cl 2 gas. The Ni mask is removed with HCl. Similarly, a Ni mask 303 is formed by electron beam evaporation and photolithography. (C) Next, a second convex portion is formed by dry etching using Cl 2 gas. The Ni mask is removed with HCl. Similarly, a Ni mask 304 is formed by electron beam evaporation and photolithography. (D) Finally, the second convex portion is formed by dry etching using Cl 2 gas, and the Ni mask is removed by HCl to complete.

なお、断面の山形は必ずしも対称形でなくてもよい。例えば、隣接する領域間の段差が全ての同一の大きさである形状は、上記のプロセスで作成可能である。   Note that the mountain shape of the cross section is not necessarily symmetrical. For example, a shape in which the steps between adjacent regions are all the same size can be created by the above process.

図11は、遅延時間変調素子21のさらに他の形状例を示す断面図である。図11(a)は、図2のパターンを基板両面に面対称に形成した形状を示し、図11(b)は図9のパターンを基板両面に面対称に形成した形状を示している。いずれも、時間遅延を遅延時間変調素子21の両面で稼ぐことができる。   FIG. 11 is a cross-sectional view showing still another example of the shape of the delay time modulation element 21. FIG. 11A shows a shape in which the pattern of FIG. 2 is formed symmetrically on both surfaces of the substrate, and FIG. 11B shows a shape in which the pattern of FIG. 9 is formed symmetrically on both surfaces of the substrate. In either case, a time delay can be earned on both sides of the delay time modulation element 21.

この結果、同じ段差であれば、片面に形成する場合に比べて通過光に2倍の時間遅延を与えるとができ、時間的な測定範囲が広がる。または、同じ時間的測定範囲でよければ、各ステップの段差を、片面に形成する場合に比べて1/2にすることができプロセスが容易になる。   As a result, if the level difference is the same, the time delay can be given to the passing light twice as compared with the case where it is formed on one side, and the temporal measurement range is widened. Alternatively, if the same time measurement range is acceptable, the step difference of each step can be halved compared to the case where the steps are formed on one side, and the process becomes easy.

なお、表面及び裏面の形状は必ずしも面対称でなくてもよい。表面及び裏面の形状を、単に各領域の厚みの差が強調される関係に形成してもよい。   Note that the shapes of the front surface and the back surface are not necessarily plane-symmetric. You may form the shape of a surface and a back surface in the relationship where the difference of the thickness of each area | region is emphasized simply.

<遅延時間変調素子の変形例>
図12は、変形例における遅延時間変調素子21の構造を示す断面図である。この例では、遅延時間変調素子21の表面にアルミナ誘電体膜22、23を形成して、反射防止膜としている。一般に、誘電体の屈折率をn、対象とする波長をλとしたとき、誘電体厚がλ/4nのときに反射防止を行うことができる。
<Modification of delay time modulation element>
FIG. 12 is a cross-sectional view showing the structure of the delay time modulation element 21 in the modification. In this example, alumina dielectric films 22 and 23 are formed on the surface of the delay time modulation element 21 to form an antireflection film. In general, when the refractive index of a dielectric is n and the target wavelength is λ, antireflection can be performed when the dielectric thickness is λ / 4n.

前述した実験では、具体的に、屈折率1.65のアルミナを1200Å形成した遅延時間変調素子を用いることにより、中心波長800nmのプローブパルス光が遅延時間変調素子21に入射及び出射するときの損失を低減させた。なお、他の誘電体膜(遅延時間変調素子のステップ部屈折率と異なる屈折率を有する材料)を使用してもいいことはいうまでもない。   In the above-described experiment, specifically, by using a delay time modulation element in which 1200 mm of alumina having a refractive index of 1.65 is formed, the loss when probe pulse light having a center wavelength of 800 nm enters and exits the delay time modulation element 21. Reduced. Needless to say, another dielectric film (a material having a refractive index different from the refractive index of the step portion of the delay time modulation element) may be used.

図13は、他の変形例における遅延時間変調素子21の構造を示す断面図である。遅延時間変調素子21の表面に、遅延時間変調素子のステップ部屈折率と異なる屈折率を有する保護材料24が埋め込まれている。発明者らの実験では、保護材料24に、BPSG(Boro−phospho silicate glass)を用いた。BPSGは酸化膜の一種であり、スピンコートにより形成することができる。これにより、遅延時間変調素子のステップ部の屈折率を保護することができ、遅延時間変調素子の扱いが容易になる。   FIG. 13 is a cross-sectional view showing the structure of the delay time modulation element 21 in another modification. A protective material 24 having a refractive index different from the step portion refractive index of the delay time modulation element is embedded in the surface of the delay time modulation element 21. In the inventors' experiments, BPSG (Boro-phospho silicate glass) was used as the protective material 24. BPSG is a kind of oxide film and can be formed by spin coating. As a result, the refractive index of the step portion of the delay time modulation element can be protected, and handling of the delay time modulation element becomes easy.

図14は、さらに他の変形例における遅延時間変調素子21の構造を示す断面図である。遅延時間変調素子30は、プローブ光に対して透明なGaN基板31上に屈折率が相異なる領域32、33、34、35、36が周期的に設けられている。屈折率が異なれば、光学長も異なるので、各領域を通過するプローブパルス光は、相異なる遅延時間でイメージセンサに到着する。   FIG. 14 is a cross-sectional view showing the structure of the delay time modulation element 21 in still another modification. In the delay time modulation element 30, regions 32, 33, 34, 35, and 36 having different refractive indexes are periodically provided on a GaN substrate 31 that is transparent to probe light. If the refractive index is different, the optical length is also different. Therefore, the probe pulse light passing through each region arrives at the image sensor with different delay times.

発明者らは、屈折率を変える手段として、微小TiO2を溶解させた樹脂(所謂ナノコンポジット)を用いた実験を行い、プローブパルス光に異なる複数の遅延が与えられることを確認した。この樹脂は、TiO2の含有量によって屈折率を変化させることができる。なお、領域32、33、34、35、36はナノコンポジットでなく、相異なる材料、例えば、組成の異なる誘電体及び半導体(例えばAlGaN)を用いてもよい。 The inventors conducted experiments using a resin (so-called nanocomposite) in which fine TiO 2 was dissolved as means for changing the refractive index, and confirmed that a plurality of different delays were given to the probe pulse light. The resin can be to change the refractive index by the content of TiO 2. The regions 32, 33, 34, 35, and 36 may be made of different materials, for example, dielectrics and semiconductors (eg, AlGaN) having different compositions, instead of nanocomposites.

本発明は、高速測定可能な電磁波測定装置、とりわけ、テラヘルツ測定装置に適用でき、医療、バイオ、農業、食品、環境、セキュリティなどの多種の分野での非破壊測定に利用できる。   The present invention can be applied to an electromagnetic wave measurement device capable of high-speed measurement, particularly a terahertz measurement device, and can be used for nondestructive measurement in various fields such as medical treatment, biotechnology, agriculture, food, environment, and security.

本発明の実施の形態における電磁波測定装置の一例を示す構成図The block diagram which shows an example of the electromagnetic wave measuring device in embodiment of this invention 被測定物の一例を示す図A diagram showing an example of a device under test 遅延時間変調素子の断面形状の一例を示す断面図Sectional drawing which shows an example of the cross-sectional shape of a delay time modulation element 空間情報及び時間情報が同時取得される原理を説明する図The figure explaining the principle by which space information and time information are acquired simultaneously 被測定物を取り付けた場合のイメージセンサ出力の一例を示す図The figure which shows an example of the image sensor output when the measurement object is attached 被測定物を取り外した場合のイメージセンサ出力の一例を示す図The figure which shows an example of the image sensor output when the measurement object is removed 被測定物のイメージの一例を示す図A diagram showing an example of the image of the measurement object テラヘルツ波の時間変化の一例を示す図The figure which shows an example of the time change of the terahertz wave 遅延時間変調素子の他の断面形状の一例を示す断面図Sectional drawing which shows an example of the other cross-sectional shape of a delay time modulation element (a)〜(d)遅延時間変調素子の作製プロセスの一例を示す図(A)-(d) The figure which shows an example of the manufacturing process of a delay time modulation element (a)、(b)遅延時間変調素子のさらに他の断面形状の一例を示す断面図(A), (b) Sectional drawing which shows an example of other cross-sectional shape of a delay time modulation | alteration element 変形例における遅延時間変調素子の構造を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the delay time modulation element in a modification 他の変形例における遅延時間変調素子の構造を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the delay time modulation element in another modification さらに他の変形例における遅延時間変調素子の構造を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the delay time modulation element in other modification 従来のテラヘルツイメージング装置の一例を示す構成図Configuration diagram showing an example of a conventional terahertz imaging device チャープ化プローブ光を用いた従来のテラヘルツイメージング装置の一例を示す構成図Configuration diagram showing an example of a conventional terahertz imaging device using chirped probe light

符号の説明Explanation of symbols

21、30 遅延時間変調素子
22、23 アルミナ誘電体膜
24 保護材料
31 GaN基板
32、33、34、35、36 屈折率が異なる領域
51 プラスチック板
52 アルミニウム
101 フェムト秒レーザ装置
102 ビームスプリッタ
103、104、105、106、107、109 ミラー
108 ステージ
110 凹レンズ
111 凸レンズ
112 テラヘルツエミッタ
113 ポリエチレンレンズ
114 被測定物
115 シリコンミラー
116 電気光学結晶
117、118 偏光板
119 イメージセンサ
131 短光パルス
132 ポンプパルス光
133、137、138 プローブパルス光
134、135、136 テラヘルツ波
139 時間差プローブパルス光
301 GaN基板
302、303、304 Niマスク
401 パルス伸長器
402 光ファイバ束
437、438 チャープ化プローブ光
21, 30 Delay time modulation element 22, 23 Alumina dielectric film 24 Protective material 31 GaN substrate 32, 33, 34, 35, 36 Regions with different refractive indexes 51 Plastic plate 52 Aluminum 101 Femtosecond laser device 102 Beam splitter 103, 104 , 105, 106, 107, 109 Mirror 108 Stage 110 Concave lens 111 Convex lens 112 Terahertz emitter 113 Polyethylene lens 114 Measured object 115 Silicon mirror 116 Electro-optic crystal 117, 118 Polarizer 119 Image sensor 131 Short light pulse 132 Pump pulse light 133, 137, 138 Probe pulse light 134, 135, 136 Terahertz wave 139 Time difference probe pulse light 301 GaN substrate 302, 303, 304 Ni mask 401 Pulse stretcher 402 Optical fiber bundle 437, 438 Chirped probe light

Claims (11)

通過する光に対してその光の進行方向に垂直な面内で光学長が異なる複数の領域を有し、前記複数の領域にプローブ光が入射され、各領域から遅延が異なる複数の時間差プローブ光を出力する遅延時間変調素子と、
前記複数の時間差プローブ光と被測定電磁波とを重畳する重畳光学素子と、
前記重畳された複数の時間差プローブ光と被測定電磁波とを入射され、各時間差プローブ光を前記被測定電磁波の電界に応じて変調する電気光学素子と、
前記変調後の各時間差プローブ光を、それぞれ異なる画素で検出するイメージセンサと
を備えることを特徴とする電磁波測定装置。
A plurality of time-difference probe lights having a plurality of regions having different optical lengths in a plane perpendicular to the traveling direction of the light passing therethrough, the probe light being incident on the plurality of regions, and delays being different from each region A delay time modulation element that outputs
A superposition optical element that superimposes the plurality of time difference probe lights and the electromagnetic wave to be measured;
An electro-optical element that receives the plurality of superimposed time difference probe lights and the electromagnetic wave to be measured, and modulates each time difference probe light according to the electric field of the electromagnetic wave to be measured;
An electromagnetic wave measuring apparatus comprising: an image sensor that detects each time-difference probe light after the modulation with different pixels.
前記遅延時間変調素子において、前記複数の領域は周期的に設けられ、その周期は前記被測定電磁波の中心波長よりも小さい
ことを特徴とする請求項1に記載の電磁波測定装置。
The electromagnetic wave measuring apparatus according to claim 1, wherein in the delay time modulation element, the plurality of regions are periodically provided, and the period is smaller than a center wavelength of the electromagnetic wave to be measured.
前記プローブ光は、中心波長が可視光乃至赤外光帯域に含まれかつパルス幅が300フェムト秒以下のレーザ光の一部であり、
前記被測定電磁波は、前記レーザ光の他の一部がテラヘルツエミッタに入射することによって放射されるテラヘルツ波である
ことを特徴とする請求項1に記載の電磁波測定装置。
The probe light is a part of laser light having a center wavelength included in a visible light to infrared light band and a pulse width of 300 femtoseconds or less.
The electromagnetic wave measuring apparatus according to claim 1, wherein the electromagnetic wave to be measured is a terahertz wave emitted when another part of the laser beam is incident on a terahertz emitter.
さらに、前記変調後の各時間差プローブ光を、前記電気光学素子と前記イメージセンサとの間で、前記領域の配列間隔に対する前記画素の配列間隔の割合で縮小する縮小光学系を備える
ことを特徴とする請求項1に記載の電磁波測定装置。
And a reduction optical system for reducing each modulated time-difference probe light between the electro-optic element and the image sensor at a ratio of the pixel arrangement interval to the region arrangement interval. The electromagnetic wave measuring device according to claim 1.
前記重畳光学素子は、前記時間差プローブ光及び前記被測定電磁波のうち、一方を反射し他方を透過することにより、両者を重畳する
ことを特徴とする請求項1に記載の電磁波測定装置。
The electromagnetic wave measuring apparatus according to claim 1, wherein the superimposing optical element superimposes the time difference probe light and the electromagnetic wave to be measured by reflecting one of them and transmitting the other.
前記複数の領域は、光の通過方向にそれぞれ異なる厚みを有している
ことを特徴とする請求項1に記載の電磁波測定装置。
The electromagnetic wave measuring apparatus according to claim 1, wherein the plurality of regions have different thicknesses in the light passing direction.
前記遅延時間変調素子の光の入射面及び出射面の少なくとも一方は、断面が対称形を成す、各領域の厚みに応じたステップ形状に形成されている
ことを特徴とする請求項6に記載の電磁波測定装置。
The at least one of the light entrance surface and the light exit surface of the delay time modulation element is formed in a step shape corresponding to the thickness of each region, the cross section being symmetric. Electromagnetic wave measuring device.
前記遅延時間変調素子の光の入射面及び出射面の両方が、各領域の厚みに応じたステップ形状に形成されている
ことを特徴とする請求項6に記載の電磁波測定装置。
The electromagnetic wave measuring apparatus according to claim 6, wherein both the light incident surface and the light emitting surface of the delay time modulation element are formed in a step shape according to the thickness of each region.
前記遅延時間変調素子の光の入射面及び出射面の少なくとも一方に、前記プローブ光の中心波長に対して反射防止膜が形成されている
ことを特徴とする請求項6に記載の電磁波測定装置。
The electromagnetic wave measuring apparatus according to claim 6, wherein an antireflection film is formed on at least one of the light incident surface and the light emitting surface of the delay time modulation element with respect to the center wavelength of the probe light.
前記遅延時間変調素子に、表面の凹凸を覆う保護膜が形成されている
ことを特徴とする請求項6に記載の電磁波測定装置。
The electromagnetic wave measuring apparatus according to claim 6, wherein a protective film that covers the surface irregularities is formed on the delay time modulation element.
前記複数の領域は、それぞれ異なる屈折率を有している
ことを特徴とする請求項1に記載の電磁波測定装置。
The electromagnetic wave measuring apparatus according to claim 1, wherein the plurality of regions have different refractive indexes.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009058310A (en) * 2007-08-31 2009-03-19 Canon Inc Inspection device and inspection method using electromagnetic wave
JP2011053122A (en) * 2009-09-03 2011-03-17 Panasonic Corp Heating device
JP2011064518A (en) * 2009-09-16 2011-03-31 Panasonic Corp Heating apparatus
JP2012225703A (en) * 2011-04-18 2012-11-15 Toshiba Corp Inspection apparatus and inspection method using terahertz wave
JP2013228329A (en) * 2012-04-26 2013-11-07 Jfe Steel Corp Surface inspection device and defect measurement method
JP2015011007A (en) * 2013-07-02 2015-01-19 富士通株式会社 Imaging apparatus
JP2016085156A (en) * 2014-10-28 2016-05-19 セイコーエプソン株式会社 Measurement device
CN110658161A (en) * 2019-11-12 2020-01-07 苏州大学 Ultrashort single-beam single-pulse time-resolved pumping detection device and method and delay ladder window

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009058310A (en) * 2007-08-31 2009-03-19 Canon Inc Inspection device and inspection method using electromagnetic wave
JP2011053122A (en) * 2009-09-03 2011-03-17 Panasonic Corp Heating device
JP2011064518A (en) * 2009-09-16 2011-03-31 Panasonic Corp Heating apparatus
JP2012225703A (en) * 2011-04-18 2012-11-15 Toshiba Corp Inspection apparatus and inspection method using terahertz wave
JP2013228329A (en) * 2012-04-26 2013-11-07 Jfe Steel Corp Surface inspection device and defect measurement method
JP2015011007A (en) * 2013-07-02 2015-01-19 富士通株式会社 Imaging apparatus
JP2016085156A (en) * 2014-10-28 2016-05-19 セイコーエプソン株式会社 Measurement device
CN110658161A (en) * 2019-11-12 2020-01-07 苏州大学 Ultrashort single-beam single-pulse time-resolved pumping detection device and method and delay ladder window
CN110658161B (en) * 2019-11-12 2024-02-23 苏州大学 Ultrashort single-beam single-pulse time-resolved pumping detection device and method and time-delay ladder window

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