JP2008096210A - 単発テラヘルツ波時間波形計測装置 - Google Patents
単発テラヘルツ波時間波形計測装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形を高い時間分解能で短時間に測定することができる単発テラヘルツ波時間波形計測装置を提供する。
【解決手段】単発テラヘルツ波時間波形計測装置１は、テラヘルツ波を用いて測定対象物９の情報を取得するものであって、光源１１、ビーム径調整部１２、分岐部１３、テラヘルツ波発生部２１、光路長差調整部３１、パルス面傾斜部３２、偏光子３３、合波部４１、電気光学結晶４２、検光子４３および光検出器４４を備える。テラヘルツ波発生部２１は、ポンプ光を入力することでパルステラヘルツ波を発生し出力する。パルス面傾斜部３２は、プローブ光のパルス面を傾斜させて、電気光学結晶４２に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光それぞれのパルス面を互いに非平行とする。
【選択図】図７
【解決手段】単発テラヘルツ波時間波形計測装置１は、テラヘルツ波を用いて測定対象物９の情報を取得するものであって、光源１１、ビーム径調整部１２、分岐部１３、テラヘルツ波発生部２１、光路長差調整部３１、パルス面傾斜部３２、偏光子３３、合波部４１、電気光学結晶４２、検光子４３および光検出器４４を備える。テラヘルツ波発生部２１は、ポンプ光を入力することでパルステラヘルツ波を発生し出力する。パルス面傾斜部３２は、プローブ光のパルス面を傾斜させて、電気光学結晶４２に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光それぞれのパルス面を互いに非平行とする。
【選択図】図７
Description
本発明は、測定対象物を透過または反射するテラヘルツ波の時間波形を測定し、その測定対象物の特性を評価する装置に関するものである。
テラヘルツ波は、光波と電波との中間領域に相当する０.０１ＴＨｚ〜１０００ＴＨｚ程度の周波数を有する電磁波であり、光波と電波との間の中間的な性質を有している。このようなテラヘルツ波の応用として、測定対象物で透過または反射したテラヘルツ波の電場振幅の時間波形を測定することで該測定対象物の情報を取得する技術が研究されている（非特許文献１〜４を参照）。
テラヘルツ波を用いた測定対象物の情報の測定技術は、一般に以下のようなものである。すなわち、光源（例えば、フェムト秒レーザ光源）から出力されたパルス光は、分岐部により２分岐されてポンプ光およびプローブ光とされる。そのうちポンプ光はテラヘルツ波発生用の非線形光学結晶に入力されて、これにより、この非線形光学結晶からパルステラヘルツ波が発生する。この発生したテラヘルツ波は、測定対象部で透過または反射されることで該測定対象物の情報（例えば、吸収係数、屈折率）を取得し、その後、合波部によりプローブ光と合波され、プローブ光と略同一タイミングでテラヘルツ波検出用の電気光学結晶に入射される。
テラヘルツ波およびプローブ光が入力された電気光学結晶では、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態が変化する。そこで、分岐部と合波部との間のプローブ光の光路上に偏光子が設けられるとともに、電気光学結晶の出力側に検光子が設けられて、この検光子を透過したプローブ光の強度が検出されることで、電気光学結晶におけるプローブ光の偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物の特性が得られる。このように、テラヘルツ波を用いた測定対象物の情報の測定技術は、パルステラヘルツ波がテラヘルツ波検出用の電気光学結晶上で引き起こす電気光学効果を利用するものである。
また、一般に、テラヘルツ波のパルス幅はピコ秒程度であるのに対して、プローブ光のパルス幅はフェムト秒程度であり、テラヘルツ波と比べてプローブ光のパルス幅は数桁狭い。このことから、テラヘルツ波検出用の電気光学結晶へのプローブ光の入射タイミングが掃引されることで、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形が得られる。
Jie Shan, et al., Opt. Lett.,Vol.25, No.6, pp.426-428 (2000). Takashi Yasuda, et al., OpticalTerahertz Science and Technology (OSA Topical Meeting), Orlando, USA, March14-16, Technical Digest (CD) TuC6 (2005). Zhiping Jiang, et al., Appl.Phys. Lett., Vol.72, No.16, pp.1945-1947 (1998). Zhiping Jiang, et al., Opt.Lett., Vol.24, No.16, pp.1245-1947 (1999).
Jie Shan, et al., Opt. Lett.,Vol.25, No.6, pp.426-428 (2000). Takashi Yasuda, et al., OpticalTerahertz Science and Technology (OSA Topical Meeting), Orlando, USA, March14-16, Technical Digest (CD) TuC6 (2005). Zhiping Jiang, et al., Appl.Phys. Lett., Vol.72, No.16, pp.1945-1947 (1998). Zhiping Jiang, et al., Opt.Lett., Vol.24, No.16, pp.1245-1947 (1999).
しかしながら、上記の測定対象物の情報の測定技術では、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形を得る為に、光源から多数のパルス光が出力されて、各パルスについて電気光学結晶へのプローブ光の入射タイミングが設定される必要があることから、所要時間が長い。
一方、非特許文献１に記載された測定対象物の情報の測定技術では、テラヘルツ波検出用の電気光学結晶に対して互いに異なる方向からテラヘルツ波およびプローブ光が入射されて、電気光学結晶においてテラヘルツ波およびプローブ光が互いに交差するようにすることで、単一パルスでパルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形が得られるとしている。
しかし、テラヘルツ波検出用の電気光学結晶におけるテラヘルツ波検出原理に関わる諸条件（位相整合条件、空間的な配置、結晶の大きさ）によって、電気光学結晶に対するテラヘルツ波およびプローブ光の入射角度は制限される。また、電気光学結晶に対して斜め入射することから、検出したパルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形は原理的に鈍り、時間分解能が悪くなる。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形を高い時間分解能で短時間に測定することができる単発テラヘルツ波時間波形計測装置を提供することを目的とする。
本発明に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置は、(1) パルス光を出力する光源と、(2)光源から出力されたパルス光を２分岐して、その２分岐したパルス光のうち一方をポンプ光とし他方をプローブ光として出力する分岐部と、(3) 分岐部から出力されたポンプ光を入力することでテラヘルツ波を発生し出力するテラヘルツ波発生部と、(4)テラヘルツ波発生部から出力され測定対象物で透過または反射したテラヘルツ波と、分岐部から出力されて到達したプローブ光とを入力し、これらテラヘルツ波およびプローブ光を互いに同軸となるように合波して出力する合波部と、(5)合波部から出力されたテラヘルツ波およびプローブ光を入力し、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態を変化させて、そのプローブ光を出力する電気光学結晶と、(6)ポンプ光，テラヘルツ波およびプローブ光のうちの何れかのパルス面を傾斜させて、電気光学結晶に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光それぞれのパルス面を互いに非平行とするパルス面傾斜部と、(7)電気光学結晶から出力されたプローブ光のビーム断面における偏光状態変化の分布を検出する検出手段と、を備えることを特徴とする。
この単発テラヘルツ波時間波形計測装置では、光源から出力されたパルス光は、分岐部により２分岐されて、その２分岐したパルス光のうち一方がポンプ光とされ、他方がプローブ光とされる。分岐部から出力されたポンプ光はテラヘルツ波発生部に入力されて、これにより、テラヘルツ波発生部からテラヘルツ波が出力される。テラヘルツ波発生部から出力され測定対象物で透過または反射したテラヘルツ波と、分岐部から出力されたプローブ光とは、合波部により互いに同軸となるように合波されて出力する。合波部から出力されたテラヘルツ波およびプローブ光が電気光学結晶に入力されると、その電気光学結晶においてテラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態が変化して、そのプローブ光が出力される。また、パルス面傾斜部により、ポンプ光，テラヘルツ波およびプローブ光のうちの何れかのパルス面が傾斜されて、電気光学結晶に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光それぞれのパルス面が互いに非平行とされる。そして、検出手段により、電気光学結晶から出力されたプローブ光のビーム断面における偏光状態変化の分布が検出される。
本発明に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置は、分岐部から合波部に到るまでのポンプ光およびテラヘルツ波の光路と、分岐部から合波部に到るまでのプローブ光の光路との、差を調整する光路長差調整部を更に備えるのが好適である。また、本発明に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置は、電気光学結晶に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光の双方または何れか一方のビーム径を調整するビーム径調整部を更に備えるのが好適である。
本発明に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置では、(1) パルス面傾斜部は、電気光学結晶に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光それぞれのパルス面の傾斜により生じる時間遅延をビーム断面における所定方向に沿って変化させ、(2)検出手段は、電気光学結晶から出力されたプローブ光のビーム断面における所定方向に沿った偏光状態変化の１次元分布を検出するのが好適である。また、本発明に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置では、(1) パルス面傾斜部は、電気光学結晶に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光それぞれのパルス面の傾斜により生じる時間遅延をビーム断面における互いに直交する第１方向および第２方向それぞれに沿って変化させ、(2) 検出手段は、電気光学結晶から出力されたプローブ光のビーム断面における第１方向および第２方向それぞれに沿った偏光状態変化の２次元分布を検出するのも好適である。
ここで、「パルス面の傾斜により生じる時間遅延」とは、テラヘルツ波のパルス面とプローブ光のパルス面との間に生じている時間的なずれを意味する。すなわち、テラヘルツ波およびプローブ光のうち何れかのパルス面が傾斜することにより、ビーム断面内の各位置におけるパルス面の「パルス面の傾斜により生じる時間遅延」が広がり、後述する時間窓が拡張される。
また、本発明に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置は、テラヘルツ波発生部から出力されたテラヘルツ波を測定対象物にライン状に集光して照射する集光部と、測定対象物で透過または反射したテラヘルツ波をコリメートして合波部へ出力するコリメート部と、を更に備えるのが好適である。なお、集光部またはコリメート部としてシリンドリカルレンズが好適に用いられる。集光部から測定対象物に照射されたテラヘルツ波は、測定対象物を透過した後にコリメート部によりコリメートされてもよいし、測定対象物で反射された後にコリメート部によりコリメートされてもよい。後者の反射の場合には、集光部およびコリメート部は共通の光部品（例えばシリンドリカルレンズ）が用いられ得る。また、集光部によりテラヘルツ波がライン状に集光照射された測定対象物が、当該ラインに垂直な方向に走査されるのも好適である。
本発明によれば、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形を高い時間分解能で短時間に測定することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、本発明の実施形態の構成と対比されるべき第１比較例および第２比較例の構成について先ず説明し、その後に、これら比較例の構成と対比しつつ実施形態の構成について説明する。
（第１比較例）
図１は、第１比較例のテラヘルツ波時間波形計測装置１０１の構成図である。この図に示されるテラヘルツ波時間波形計測装置１０１は、テラヘルツ波を用いて測定対象物９の情報を取得するものであって、光源１１、分岐部１３、テラヘルツ波発生部２１、光路長差調整部３１、偏光子３３、合波部４１、電気光学結晶４２、検光子４３、光検出器４４およびミラーＭ１〜Ｍ８を備える。
図１は、第１比較例のテラヘルツ波時間波形計測装置１０１の構成図である。この図に示されるテラヘルツ波時間波形計測装置１０１は、テラヘルツ波を用いて測定対象物９の情報を取得するものであって、光源１１、分岐部１３、テラヘルツ波発生部２１、光路長差調整部３１、偏光子３３、合波部４１、電気光学結晶４２、検光子４３、光検出器４４およびミラーＭ１〜Ｍ８を備える。
光源１１は、一定の繰返し周期でパルス光を出力するものであり、好適にはパルス幅がフェムト秒程度であるパルスレーザ光を出力するフェムト秒パルスレーザ光源である。分岐部１３は、例えばビームスプリッタであり、光源１１から出力されたパルス光を２分岐して、その２分岐したパルス光のうち一方をポンプ光としてミラーＭ１へ出力し、他方をプローブ光としてミラーＭ４へ出力する。
分岐部１３から出力されたポンプ光は、ミラーＭ１〜Ｍ３により順次に反射されて、テラヘルツ波発生部２１に入力される。なお、分岐部１３からテラヘルツ波発生部２１に到るまでのポンプ光の光学系を、以下では「ポンプ光学系」という。
テラヘルツ波発生部２１は、ポンプ光を入力することでパルステラヘルツ波を発生し出力するものであり、例えば、非線形光学結晶、光アンテナ素子、半導体および超伝導体の何れかを含んで構成される。テラヘルツ波発生部２１が非線形光学結晶を含む場合、このテラヘルツ波発生部２１は、ポンプ光入射に伴って発現する非線形光学現象によりテラヘルツ波を発生することができる。
テラヘルツ波は、光波と電波との中間領域に相当する０.０１ＴＨｚ〜１０００ＴＨｚ程度の周波数を有する電磁波であり、光波と電波との間の中間的な性質を有している。また、パルステラヘルツ波は、一定の繰返し周期で発生し、パルス幅が数ピコ秒程度である。テラヘルツ波発生部２１から出力されたテラヘルツ波は、測定対象物９を透過することで測定対象物９の情報（例えば、吸収係数、屈折率）を取得し、その後、合波部４１に入力される。なお、テラヘルツ波発生部２１から合波部４１に到るまでのテラヘルツ波の光学系を、以下では「テラヘルツ波光学系」という。
一方、分岐部１３から出力されたプローブ光は、ミラーＭ４〜Ｍ８により順次に反射され、偏光子３３を通過して、合波部４１に入力される。なお、分岐部１３から合波部４１に到るまでのプローブ光の光学系を、以下では「プローブ光学系」という。
４個のミラーＭ４〜Ｍ７は光路長差調整部３１を構成している。すなわち、ミラーＭ５およびＭ６が移動することで、ミラーＭ４およびＭ７とミラーＭ５およびＭ６との間の光路長が調整され、プローブ光学系の光路長が調整される。これにより、光路長差調整部３１は、分岐部１３から合波部４１に到るまでのポンプ光学系およびテラヘルツ波光学系の光路と、分岐部１３から合波部４１に到るまでのプローブ光学系の光路との差を、調整することができる。
合波部４１は、テラヘルツ波発生部２１から出力され測定対象物９で透過したテラヘルツ波と、分岐部１３から出力されて到達したプローブ光とを入力し、これらテラヘルツ波およびプローブ光を互いに同軸となるように合波して電気光学結晶４２へ出力する。この合波部４１はペリクルであるのが好適である。
電気光学結晶４２は、合波部４１から出力されたテラヘルツ波およびプローブ光を入力し、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態を変化させて、そのプローブ光を検光子４３へ出力する。光検出器４４は、電気光学結晶４２から出力され検光子４３を通過したプローブ光を受光して、その受光したプローブ光の強度を検出する。偏光子３３，検光子４３および光検出器４４は、電気光学結晶４２から出力されたプローブ光の偏光状態変化を検出する検出手段として作用する。
このテラヘルツ波時間波形計測装置１０１は以下のように動作する。光源１１から出力されたパルス光は、分岐部１３により２分岐されてポンプ光およびプローブ光とされる。分岐部１３から出力されたポンプ光は、ミラーＭ１〜Ｍ３により順次に反射されて、テラヘルツ波発生部２１に入力される。テラヘルツ波発生部２１では、ポンプ光の入力に応じてテラヘルツ波が発生し出力される。テラヘルツ波発生部２１から出力されたテラヘルツ波は、測定対象部９を透過して合波部４１に入力される。一方、分岐部１３から出力されたプローブ光は、ミラーＭ４〜Ｍ８により順次に反射され、偏光子３３により直線偏光とされ、合波部４１に入力される。
合波部４１に入力されたテラヘルツ波およびプローブ光は、合波部４１により互いに同軸となるように合波されて、略同一タイミングで電気光学結晶４２に入力される。テラヘルツ波およびプローブ光が入力された電気光学結晶４２では、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態が変化する。そして、この電気光学結晶４２におけるプローブ光の偏光状態は、プローブ光学系の光路上に設けられた偏光子３３、電気光学結晶４２の出力側に設けられた検光子４３、および、この検光子４３を透過したプローブ光の強度を検出する光検出器４４により、光強度として検出される。このようにして、電気光学結晶４２におけるプローブ光の偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物９の特性が得られる。
図２は、測定対象物９におけるテラヘルツ波の透過の様子を示す図である。この図に示されるように、測定対象物９は、試料台９１上に置かれていて、この試料台９１の移動によりパルステラヘルツ波入射位置が調整され得る。
図３は、第１比較例のテラヘルツ波時間波形計測装置１０１に含まれる電気光学結晶４２におけるテラヘルツ波およびプローブ光の伝播の様子を示す図である。この図に示されるように、テラヘルツ波のパルス幅はピコ秒程度であるのに対して、プローブ光のパルス幅はフェムト秒程度であり、テラヘルツ波と比べてプローブ光のパルス幅は数桁狭い。したがって、パルス幅が狭いプローブ光が読み取ることができるのは、パルス幅が広いテラヘルツ波の時間幅に対して極一部である。このことから、光路長差調整部３１によりプローブ光学系の光路長が調整されることで、テラヘルツ波検出用の電気光学結晶４２へのプローブ光の入射タイミングが掃引され、これにより、図４に示されるようなパルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形が得られる。
ただし、このテラヘルツ波時間波形計測装置１０１では、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形を得る為に、光源１１から多数のパルス光が出力されて、各パルスについて電気光学結晶４２へのプローブ光の入射タイミングが設定される必要があることから、所要時間が長い。
（第２比較例）
図５は、第２比較例の単発テラヘルツ波時間波形計測装置１０２の構成図である。この図に示される単発テラヘルツ波時間波形計測装置１０２は、テラヘルツ波を用いて測定対象物９の情報を取得するものであって、光源１１、ビーム径調整部１２、分岐部１３、テラヘルツ波発生部２１、光路長差調整部３１、偏光子３３、電気光学結晶４２、検光子４３、光検出器４４およびミラーＭ１〜Ｍ９を備える。
図５は、第２比較例の単発テラヘルツ波時間波形計測装置１０２の構成図である。この図に示される単発テラヘルツ波時間波形計測装置１０２は、テラヘルツ波を用いて測定対象物９の情報を取得するものであって、光源１１、ビーム径調整部１２、分岐部１３、テラヘルツ波発生部２１、光路長差調整部３１、偏光子３３、電気光学結晶４２、検光子４３、光検出器４４およびミラーＭ１〜Ｍ９を備える。
図１に示された第１比較例の単発テラヘルツ波時間波形計測装置１０１の構成と比較すると、この図５に示される第２比較例の単発テラヘルツ波時間波形計測装置１０２は、光源１１と分岐部１３との間の光路上にビーム径調整部１２を備えている点で相違し、合波部４１を備えていない点で相違し、偏光子３３と電気光学結晶４２との間のプローブ光の光路上にミラーＭ９を更に備えている点で相違し、電気光学結晶４２に対して互いに異なる方向からテラヘルツ波およびプローブ光が入射される点で相違し、また、光検出器４４として１次元の光強度分布を検出できるものが用いられる点で相違する。
この単発テラヘルツ波時間波形計測装置１０２は以下のように動作する。光源１１から出力されたパルス光は、ビーム径調整部１２によりビーム径が拡大された後に分岐部１３に入力され、分岐部１３により２分岐されてポンプ光およびプローブ光とされる。分岐部１３から出力されたポンプ光は、ミラーＭ１〜Ｍ３により順次に反射されて、テラヘルツ波発生部２１に入力される。テラヘルツ波発生部２１では、ポンプ光の入力に応じてテラヘルツ波が発生し出力される。テラヘルツ波発生部２１から出力されたテラヘルツ波は、測定対象部９を透過して電気光学結晶４２に入力される。一方、分岐部１３から出力されたプローブ光は、ミラーＭ４〜Ｍ８により順次に反射され、偏光子３３により直線偏光とされ、更にミラーＭ９により反射されて、電気光学結晶４２に入力される。
テラヘルツ波およびプローブ光は、互いに異なる方向から、略同一タイミングで電気光学結晶４２に入力される。テラヘルツ波およびプローブ光が入力された電気光学結晶４２では、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態が変化する。そして、この電気光学結晶４２におけるプローブ光の偏光状態は、プローブ光学系の光路上に設けられた偏光子３３、電気光学結晶４２の出力側に設けられた検光子４３、および、この検光子４３を透過したプローブ光の強度を検出する光検出器４４により、光強度として検出される。このようにして、電気光学結晶４２におけるプローブ光の偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物９の特性が得られる。
特に、この単発テラヘルツ波時間波形計測装置１０２では、ビーム径が拡大されたプローブ光でパルステラヘルツ波が読み出される。すなわち、パルステラヘルツ波の時間情報がプローブ光の空間情報に変換されて、そのプローブ光の空間情報が光検出器４４により検出される。
この単発テラヘルツ波時間波形計測装置１０２は、１次元の光強度分布を検出できる光検出器４４を用いる点を除いては、構成が複雑になることは無い。一方、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形を得るに際して、単一パルスで済むことから、所要時間が短い。しかし、電気光学結晶４２におけるテラヘルツ波検出原理に関わる諸条件（位相整合条件、空間的な配置、結晶の大きさ）によって、電気光学結晶４２に対するテラヘルツ波およびプローブ光の入射角度は制限される。また、電気光学結晶４２に対して斜め入射することから、検出したパルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形は原理的に鈍り、時間分解能が悪くなる。これについて、図６を用いて説明する。
図６は、第２比較例の単発テラヘルツ波時間波形計測装置１０２の測定上の問題点を説明する図である。同図（ａ）〜（ｃ）は、この順に並ぶ各時刻におけるテラヘルツ波およびプローブ光の交差の様子を示す。同図（ａ）〜（ｃ）それぞれにおいて、図４に示されたようなテラへルツ波の電場振幅の時間波形が濃淡模様で表されている。また、同図（ａ）〜（ｃ）それぞれにおいて示されたＡ点は、プローブ光のビーム断面において同一の点を表している。同図（ａ）〜（ｃ）を順に見て判るように、プローブ光のビーム断面において同一のＡ点は、時間の経過とともに、テラヘルツ波の電場振幅の時間波形においては異なる位置となる。１次元光検出器４４により検出される光強度分布は、これら全ての点の影響を持っている。このことから、時間波形が鈍って、時間分解能が悪くなることになる。
（第１実施形態）
次に、本発明に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置の第１実施形態について説明する。図７は、第１実施形態に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置１の構成図である。この図に示される単発テラヘルツ波時間波形計測装置１は、テラヘルツ波を用いて測定対象物９の情報を取得するものであって、光源１１、ビーム径調整部１２、分岐部１３、テラヘルツ波発生部２１、光路長差調整部３１、パルス面傾斜部３２、偏光子３３、合波部４１、電気光学結晶４２、検光子４３、光検出器４４およびミラーＭ１〜Ｍ８を備える。
次に、本発明に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置の第１実施形態について説明する。図７は、第１実施形態に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置１の構成図である。この図に示される単発テラヘルツ波時間波形計測装置１は、テラヘルツ波を用いて測定対象物９の情報を取得するものであって、光源１１、ビーム径調整部１２、分岐部１３、テラヘルツ波発生部２１、光路長差調整部３１、パルス面傾斜部３２、偏光子３３、合波部４１、電気光学結晶４２、検光子４３、光検出器４４およびミラーＭ１〜Ｍ８を備える。
図１に示された第１比較例の単発テラヘルツ波時間波形計測装置１０１の構成と比較すると、この図７に示される第１実施形態に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置１は、光源１１と分岐部１３との間の光路上にビーム径調整部１２を備えている点で相違し、プローブ光学系の光路上にパルス面傾斜部３２を備えている点で相違し、また、光検出器４４として１次元または２次元の光強度分布を検出できるものが用いられる点で相違する。
ビーム径調整部１２は、光源１１から出力されたパルス光を入力して、そのパルス光のビーム径を拡大して出力する。このビーム径拡大調整に際しては、テラヘルツ波およびプローブ光それぞれのビーム径が互いに等しくなるようにするのが好適であり、或いは、プローブ光のビーム径よりテラヘルツ波のビーム径が大きくなるようにするのも好適である。また、これらのビーム径は、テラヘルツ波発生部２１や電気光学結晶４２の大きさを目安として拡大される。
なお、光源１１と分岐部１３との間の光路上に設けられたビーム径調整部１２とともに（或いは、これに替えて）、ポンプ光学系の光路上に設けられてポンプ光のビーム径を調整するビーム径調整部が設けられてもよいし、プローブ光学系の光路上に設けられてプローブ光のビーム径を調整するビーム径調整部が設けられてもよいし、テラヘルツ波光学系の光路上に設けられてテラヘルツ波のビーム径を調整するビーム径調整部が設けられてもよい。ビーム径調整手段は、電気光学結晶４２に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光の双方または何れか一方のビーム径を調整する。
パルス面傾斜部３２は、ミラーＭ８により反射されて到達したプローブ光を入力して、そのプローブ光のパルス面を傾斜させ、電気光学結晶４２に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光それぞれのパルス面を互いに非平行とする。パルス面とは、ある瞬間において、パルス光のビームライン上の最大出力を示す位置をつないだ面のことである。これに対し、波面とは、光の等位相面をいう。
なお、プローブ光学系の光路上に設けられたパルス面傾斜部３２とともに（或いは、これに替えて）、ポンプ光学系の光路上に設けられてポンプ光のパルス面を傾斜させるパルス面傾斜部が設けられてもよいし、テラヘルツ波光学系の光路上に設けられてテラヘルツ波のパルス面を傾斜させるパルス面傾斜部が設けられてもよい。パルス面傾斜部は、ポンプ光，テラヘルツ波およびプローブ光のうちの何れかのパルス面を傾斜させて、電気光学結晶４２に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光それぞれのパルス面を互いに非平行とする。
偏光子３３，検光子４３および光検出器４４を含む検出手段は、電気光学結晶４２から出力されたプローブ光の偏光状態変化を検出するものであるが、特に、本実施形態では、電気光学結晶４２から出力されたプローブ光のビーム断面における偏光状態変化の１次元分布または２次元分布を検出する。
図８は、パルス面傾斜部３２の一構成例を示す図である。この図に示されるパルス面傾斜部３２は、プリズムを含み、プリズムの第１面にプローブ光を入力し、その入力したプローブ光をプリズムの内部で伝播させた後に、プリズムの第２面から外部へ出力する。これにより、プリズムの第１面に入力される前のプローブ光のパルス面が主光線に垂直であったのに対して、プリズムの第２面から出力された後のプローブ光のパルス面は、主光線に垂直な面に対して傾斜することになる。なお、プリズムに替えて回折格子を用いても、プローブ光のパルス面を傾斜させることができる。
パルス面傾斜部３２によるパルス面の時間的な傾斜の程度は、後述する測定原理により、そのままパルステラヘルツ波を検出する際の時間窓となる。よって、パルステラヘルツ波の時間幅がおよそ数ピコ秒であることから、プローブ光のパルス面は時間的に数ピコ秒以上の傾斜をもたせるのが好ましい。
この単発テラヘルツ波時間波形計測装置１は以下のように動作する。光源１１から出力されたパルス光は、ビーム径調整部１２によりビーム径が拡大された後に分岐部１３に入力され、分岐部１３により２分岐されてポンプ光およびプローブ光とされる。分岐部１３から出力されたポンプ光は、ミラーＭ１〜Ｍ３により順次に反射されて、テラヘルツ波発生部２１に入力される。テラヘルツ波発生部２１では、ポンプ光の入力に応じてテラヘルツ波が発生し出力される。テラヘルツ波発生部２１から出力されたテラヘルツ波は、測定対象部９を透過して合波部４１に入力される。一方、分岐部１３から出力されたプローブ光は、ミラーＭ４〜Ｍ８により順次に反射され、パルス面傾斜部３２によりパルス面が傾斜され、偏光子３３により直線偏光とされ、合波部４１に入力される。
合波部４１に入力されたテラヘルツ波およびプローブ光は、合波部４１により互いに同軸となるように合波されて、略同一タイミングで電気光学結晶４２に入力される。テラヘルツ波およびプローブ光が入力された電気光学結晶４２では、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態が変化する。そして、この電気光学結晶４２におけるプローブ光の偏光状態は、プローブ光学系の光路上に設けられた偏光子３３、電気光学結晶４２の出力側に設けられた検光子４３、および、この検光子４３を透過したプローブ光の強度を検出する光検出器４４により、光強度として検出される。このようにして、電気光学結晶４２におけるプローブ光の偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物９の特性が得られる。なお、光検出器４４から出力された信号を図示しない解析装置により、測定したテラヘルツ波時間波形にフーリエ変換を行うことにより、分光装置とすることができる。
本実施形態では、電気光学結晶４２への入力の際に、テラヘルツ波およびプローブ光が同軸とされていて、テラヘルツ波のパルス面に対してプローブ光のパルス面が傾斜しているので、プローブ光のビーム断面上の各位置は、テラヘルツ波の電場振幅の時間波形における或る位置に対応している。しかも、その対応関係は、時間的に変化すること無く、固定されている。このことから、第２比較例と対比して、時間波形が鈍ることは無く、時間分解能が悪くなることも無い。また、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形を得るに際して、単一パルスで済むことから、所要時間が短い。
また、第１比較例の構成と対比して、第１実施形態に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置１はパルス面傾斜部３２が追加されただけであり、また、パルス面傾斜部３２はプリズムまたは回折格子により構成され得るものであるので、比較的簡便な構成でパルステラヘルツ波の時間波形を単一パルスで測定することができる。電気光学結晶４２にプローブ光およびパルステラヘルツ波が同軸で入射するので、アライメントが容易であり、また、相互作用長を長くとることができ、検出感度を向上させることができる。
図９は、第１実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置１に含まれる電気光学結晶４２におけるテラヘルツ波およびプローブ光の伝播の様子を示す図である。この図に示されるように、テラヘルツ波のパルス幅はピコ秒程度であるのに対して、プローブ光のパルス幅はフェムト秒程度であり、テラヘルツ波と比べてプローブ光のパルス幅は数桁狭く、しかも、テラヘルツ波のパルス面に対してプローブ光のパルス面が傾斜している。
テラヘルツ波発生部２１から出力されたパルステラヘルツ波は、通常、センチメートルからミリメートルのビーム径を持っている。これを検出するプローブ光も同程度のビーム径とする。プローブ光のパルス面が、パルステラヘルツ波の時間幅と同程度の傾斜を持っていた場合、図９に示されるように、プローブ光はパルステラヘルツ波と空間的に斜めに重なる。すなわち、プローブ光およびパルステラヘルツ波の伝播方向（つまり、時間方向）ではパルス面の傾斜によりプローブ光はパルステラヘルツ波の全ての点で重なっているが、伝播方向に対して垂直方向ではビーム径の範囲で位置が異なっている。このことから、１次元または２次元の光強度分布を検出できる光検出器４４を用いることにより、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間変化（時間情報）をプローブ光のビーム断面での光強度分布（空間情報）に置き換え、この空間情報を検出することができる。
パルス面傾斜部３２は、電気光学結晶４２に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光それぞれのパルス面の傾斜により生じる時間遅延をビーム断面における所定方向に沿って変化させ、光検出器４４は、電気光学結晶４２から出力されたプローブ光のビーム断面における上記所定方向に沿った偏光状態変化の１次元分布を検出するようにしてもよい。すなわち、図９に示されるように、光検出器４４に含まれる複数の受光画素が所定方向に１次元状に配列されていて、その所定方向に沿ってテラヘルツ波およびプローブ光それぞれのパルス面の傾斜により生じる時間遅延が変化していてもよい。
また、パルス面傾斜部３２は、電気光学結晶４２に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光それぞれのパルス面の傾斜により生じる時間遅延をビーム断面における互いに直交する第１方向および第２方向それぞれに沿って変化させ、光検出器４４は、電気光学結晶４２から出力されたプローブ光のビーム断面における第１方向および第２方向それぞれに沿った偏光状態変化の２次元分布を検出するのも好適である。すなわち、光検出器４４に含まれる複数の受光画素が第１方向および第２方向に２次元状に配列されていて、これら第１方向および第２方向の何れに沿ってもテラヘルツ波およびプローブ光それぞれのパルス面の傾斜により生じる時間遅延が変化していてもよい。
本実施形態に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置１は、時間情報を空間情報に変換し、その空間情報を光検出器４４により検出して、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間変化（時間情報）を測定する。したがって、分岐部１３による２分岐の前のパルス光、プローブ光、ポンプ光およびパルステラヘルツ波のいずれかのビーム径を変更することで、得られる情報（パルステラヘルツ波の時間情報）の時間幅や分解能を変化させることができる。
得られたパルステラヘルツ波の時間波形の時間軸についての校正は、光路長差調整部３１によりプローブ光学系の光路長を調整することで可能である。プローブ光学系の光路長を調整することにより、得られたパルステラヘルツ波の時間波形が空間的に移動することになる。この時間変化量を光路長の調整量で換算することができる。
また、パルス面傾斜部３２によるプローブ光のパルス面の実際の傾斜の方向および程度については、以下のようにして測定することができる。図１０は、第１実施形態に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置１におけるプローブ光のパルス面の実際の傾斜を測定するための装置構成を示す図である。この図に示される装置１Ａは、図７に示された単発テラヘルツ波時間波形計測装置１の構成からテラヘルツ波発生部２１および電気光学結晶４２を取り除いたものであり、テラヘルツ波光学系の光路上には測定対象物が置かれていない。
この装置１Ａでは、分岐部１３により２分岐されて出力されたポンプ光およびプローブ光は共に光検出器４４の検出面に入射して、その光検出器４４の検出面に干渉縞が形成される。この干渉縞を光検出器４４により撮像することで、この干渉縞の生じる領域および光路長差調整部３１の移動に伴う干渉縞存在領域の移動量に基づいて、パルス面傾斜部３２によるプローブ光のパルス面の実際の傾斜の方向および程度を測定することができる。また、この測定結果に基づいて、プローブ光のパルス面の傾斜が所望のものとなるように、パルス面傾斜部３２を調整することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置の第２実施形態について説明する。図１１は、第２実施形態に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置２の構成図である。この図に示される単発テラヘルツ波時間波形計測装置２は、テラヘルツ波を用いて測定対象物９を単発テラヘルツ波時間波形計測測定するものであって、光源１１、ビーム径調整部１２、分岐部１３、テラヘルツ波発生部２１、シリンドリカルレンズ２２、光路長差調整部３１、パルス面傾斜部３２、偏光子３３、合波部４１、電気光学結晶４２、検光子４３、光検出器４４およびミラーＭ１〜Ｍ８を備える。
次に、本発明に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置の第２実施形態について説明する。図１１は、第２実施形態に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置２の構成図である。この図に示される単発テラヘルツ波時間波形計測装置２は、テラヘルツ波を用いて測定対象物９を単発テラヘルツ波時間波形計測測定するものであって、光源１１、ビーム径調整部１２、分岐部１３、テラヘルツ波発生部２１、シリンドリカルレンズ２２、光路長差調整部３１、パルス面傾斜部３２、偏光子３３、合波部４１、電気光学結晶４２、検光子４３、光検出器４４およびミラーＭ１〜Ｍ８を備える。
図７に示された第１実施形態に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置１の構成と比較すると、この図１１に示される第２実施形態に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置２は、ミラーＭ３がハーフミラーである点で相違し、ミラーＭ２とハーフミラーＭ３との間にテラヘルツ波発生部２１が配置されている点で相違し、シリンドリカルレンズ２２を更に備える点で相違し、また、このシリンドリカルレンズ２２の集光位置に測定対象物９が置かれる点で相違する。このシリンドリカルレンズ２２は、テラヘルツ波発生部２１から出力されたテラヘルツ波を測定対象物９にライン状に集光して照射する集光部として作用するとともに、測定対象物９で反射したテラヘルツ波をコリメートして合波部４１へ出力するコリメート部としても作用する。
この単発テラヘルツ波時間波形計測装置２は以下のように動作する。光源１１から出力されたパルス光は、ビーム径調整部１２によりビーム径が拡大された後に分岐部１３に入力され、分岐部１３により２分岐されてポンプ光およびプローブ光とされる。分岐部１３から出力されたポンプ光は、ミラーＭ１，Ｍ２により順次に反射されて、テラヘルツ波発生部２１に入力される。テラヘルツ波発生部２１では、ポンプ光の入力に応じてテラヘルツ波が発生し出力される。テラヘルツ波発生部２１から出力されてハーフミラーＭ３を透過したテラヘルツ波は、シリンドリカルレンズ２２により測定対象物９においてライン状に集光照射される。この照射に応じて測定対象物９で反射されたテラヘルツ波は、シリンドリカルレンズ２２によりコリメートされ、ハーフミラーＭ３により反射されて、合波部４１に入力される。
合波部４１に入力されたテラヘルツ波およびプローブ光は、合波部４１により互いに同軸となるように合波されて、略同一タイミングで電気光学結晶４２に入力される。テラヘルツ波およびプローブ光が入力された電気光学結晶４２では、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態が変化する。そして、この電気光学結晶４２におけるプローブ光の偏光状態は、プローブ光学系の光路上に設けられた偏光子３３、電気光学結晶４２の出力側に設けられた検光子４３、および、この検光子４３を透過したプローブ光の強度を検出する光検出器４４により、光強度として検出される。このようにして、電気光学結晶４２におけるプローブ光の偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物９の特性が得られる。
本実施形態でも、電気光学結晶４２への入力の際に、テラヘルツ波およびプローブ光が同軸とされていて、テラヘルツ波のパルス面に対してプローブ光のパルス面が傾斜しているので、プローブ光のビーム断面上の各位置は、テラヘルツ波の電場振幅の時間波形における或る位置に対応している。しかも、その対応関係は、時間的に変化すること無く、固定されている。このことから、第２比較例と対比して、時間波形が鈍ることは無く、時間分解能が悪くなることも無い。また、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形を得るに際して、単一パルスで済むことから、所要時間が短い。
また、第１実施形態ではテラヘルツ波が測定対象物９を透過したのに対して、第２実施形態ではテラヘルツ波が測定対象物９で反射される点で相違する。このことから、第２実施形態では、例えば、測定対象物９としての塗装膜の膜厚を検査するのに好適である。すなわち、塗装膜は、膜形成の後、時間経過とともに溶剤の揮発等に伴う膜厚の変化が生じる。パルステラヘルツ波を塗装面に照射し、塗装膜背面の金属から反射したパルステラヘルツ波を計測すると、塗装膜の厚さや含有成分に依存したパルステラヘルツ波を観測することができる。具体的には、塗装直後の塗装膜が厚い状態では、パルステラヘルツ波が通る光路の長さが実効的に長くなり、また減衰も大きくなる。これに対し、適当な時間が経過した後には、塗装膜が溶剤の揮発等により薄くなったことの影響を受けて、パルステラヘルツ波の反射波は時間的に早く、また、小さな減衰で検出されるようになる。このことから、パルステラヘルツ波の反射を観測することで、塗装膜の膜厚が変化する様子を調べることができる。このように単発でのテラヘルツ波時間波形計測装置は、過渡的変化の観測に特に有効である。
また、この第２実施形態では、２次元の光強度分布を検出できる光検出器４４を用いることにより、以下のような測定も可能である。すなわち、シリンドリカルレンズ９によるテラヘルツ波の測定対象物９への集光照射の様子が図１２に示されているように、シリンドリカルレンズ９によりテラヘルツ波は測定対象物９においてライン状に集光照射されるとともに、測定対象物９は当該ラインに垂直な方向に走査される。測定対象物９においてテラヘルツ波がライン状に集光照射されることにより、測定対象物９の当該ライン上の各位置において、テラヘルツ波の電場振幅の時間波形を、単一パルスで測定することができる。また、測定対象物９が当該ラインに垂直な方向に走査されることにより、測定対象物９の広い範囲における情報を得ることができる。
（第３実施形態）
次に、本発明に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置の第３実施形態について説明する。図１３は、第３実施形態に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置３の構成図である。この図に示される単発テラヘルツ波時間波形計測装置３は、テラヘルツ波を用いて測定対象物９の情報を取得するものであって、光源１１、ビーム径調整部１２、分岐部１３、テラヘルツ波発生部２１、プリズム２３、光路長差調整部３１、パルス面傾斜部３２、偏光子３３、合波部４１、電気光学結晶４２、検光子４３、光検出器４４およびミラーＭ１〜Ｍ８を備える。
次に、本発明に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置の第３実施形態について説明する。図１３は、第３実施形態に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置３の構成図である。この図に示される単発テラヘルツ波時間波形計測装置３は、テラヘルツ波を用いて測定対象物９の情報を取得するものであって、光源１１、ビーム径調整部１２、分岐部１３、テラヘルツ波発生部２１、プリズム２３、光路長差調整部３１、パルス面傾斜部３２、偏光子３３、合波部４１、電気光学結晶４２、検光子４３、光検出器４４およびミラーＭ１〜Ｍ８を備える。
図７に示された第１実施形態に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置１の構成と比較すると、この図１３に示される第３実施形態に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置３は、測定対象物９を載置して、プリズム２３を更に備える点で相違する。プリズム２３は、外部から第１面２３ａに入力されたテラヘルツ波を内部で伝播させた後に第２面２３ｂで全反射させ、その全反射させたテラヘルツ波を内部で伝播させた後に第３面２３ｃから外部へ出力するものであり、第１面２３ａに入力されるテラヘルツ波および第３面２３ｃから出力されるテラヘルツ波それぞれの主光線が同一直線上になるダフプリズムである。プリズム２３の第２面２３ｂ上に測定対象物９は載置される。
この単発テラヘルツ波時間波形計測装置３では、テラヘルツ波発生部２１から出力されたテラヘルツ波は、プリズム２３の第１面２３ａに入力されて、プリズム２３の内部を伝播し、プリズム２３の第２面２３ｂで全反射される。その全反射の際に、テラヘルツ波のエバネセント成分が、測定対象物９のうち第２面２３ｂの近傍にある部分に存在する。このことから、プリズム２３の第２面２３ｂで全反射された後のテラヘルツ波は、測定対象物９のうち第２面２３ｂの近傍にある部分の情報を取得する。そして、その全反射されたテラヘルツ波は、プリズム２３の内部を伝播し、プリズム２３の第３面２３ｃから外部へ出力される。プリズム２３から出力されたテラヘルツ波は、プローブ光学系を経たプローブ光とともに、合波部４１に入力される。
合波部４１に入力されたテラヘルツ波およびプローブ光は、合波部４１により互いに同軸となるように合波されて、略同一タイミングで電気光学結晶４２に入力される。テラヘルツ波およびプローブ光が入力された電気光学結晶４２では、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態が変化する。そして、この電気光学結晶４２におけるプローブ光の偏光状態は、プローブ光学系の光路上に設けられた偏光子３３、電気光学結晶４２の出力側に設けられた検光子４３、および、この検光子４３を透過したプローブ光の強度を検出する光検出器４４により、光強度として検出される。このようにして、電気光学結晶４２におけるプローブ光の偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物９の特性が得られる。
本実施形態でも、電気光学結晶４２への入力の際に、テラヘルツ波およびプローブ光が同軸とされていて、テラヘルツ波のパルス面に対してプローブ光のパルス面が傾斜しているので、プローブ光のビーム断面上の各位置は、テラヘルツ波の電場振幅の時間波形における或る位置に対応している。しかも、その対応関係は、時間的に変化すること無く、固定されている。このことから、第２比較例と対比して、時間波形が鈍ることは無く、時間分解能が悪くなることも無い。また、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形を得るに際して、単一パルスで済むことから、所要時間が短い。特に、本実施形態では、測定対象物９のうちプリズム２３の第２面２３ｂの近傍にある部分のみを選択的に測定することができる。
（第４実施形態）
次に、本発明に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置の第４実施形態について説明する。図１４は、第４実施形態に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置４の構成図である。この図に示される単発テラヘルツ波時間波形計測装置４は、テラヘルツ波を用いて測定対象物９の情報を取得するものであって、光源１１、ビーム径調整部１２、分岐部１３、テラヘルツ波発生部２１、パルス面傾斜部２４、レンズ２５、レンズ２６、光路長差調整部３１、パルス面傾斜部３２、偏光子３３、合波部４１、電気光学結晶４２、検光子４３、光検出器４４およびミラーＭ１〜Ｍ８を備える。
次に、本発明に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置の第４実施形態について説明する。図１４は、第４実施形態に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置４の構成図である。この図に示される単発テラヘルツ波時間波形計測装置４は、テラヘルツ波を用いて測定対象物９の情報を取得するものであって、光源１１、ビーム径調整部１２、分岐部１３、テラヘルツ波発生部２１、パルス面傾斜部２４、レンズ２５、レンズ２６、光路長差調整部３１、パルス面傾斜部３２、偏光子３３、合波部４１、電気光学結晶４２、検光子４３、光検出器４４およびミラーＭ１〜Ｍ８を備える。
図７に示された第１実施形態に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置１の構成と比較すると、この図１４に示される第４実施形態に係る単発テラヘルツ波時間波形計測装置４は、ポンプ光学系の光路上に設けられポンプ光のパルス面を傾斜させるパルス面傾斜部２４を更に備える点で相違し、また、テラヘルツ波光学系の光路上に測定対象物９を挟むように設けられたレンズ２５およびレンズ２６を更に備える点で相違する。
ポンプ光学系の光路上に設けられたパルス面傾斜部２４は、ポンプ光のパルス面を傾斜させる。一方、プローブ光学系の光路上に設けられたパルス面傾斜部３２は、プローブ光のパルス面を傾斜させる。パルス面傾斜部２４，３２よりポンプ光およびプローブ光それぞれのパルス面が傾斜されることにより、電気光学結晶４２に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光それぞれのパルス面の傾斜により生じる時間遅延は、ビーム断面における互いに直交する第１方向および第２方向それぞれに沿って変化するようになる。
光検出器４４は、電気光学結晶４２から出力されたプローブ光のビーム断面における第１方向および第２方向それぞれに沿った偏光状態変化の２次元分布を検出する。すなわち、光検出器４４に含まれる複数の受光画素が第１方向および第２方向に２次元状に配列されていて、これら第１方向および第２方向の何れに沿ってもテラヘルツ波およびプローブ光それぞれのパルス面の傾斜により生じる時間遅延が変化する。
ポンプ光学系の光路上に設けられたパルス面傾斜部２４によりポンプ光のパルス面が傾斜することにより、テラヘルツ波のパルス面も傾斜する。したがって、例えば、このパルス面が傾斜したテラヘルツ波を用いて測定対象物９の透過率を測定することにより、テラヘルツ波は測定対象物９の過渡的な透過率の変化を測定することができる。
このテラヘルツ波とはパルス面の傾斜方向が異なるプローブ光によりテラヘルツ波をプローブすることで、パルス面が傾斜したパルステラヘルツ波の時間波形を全ての範囲において単一パルスで取得することができ、測定対象物９の過渡的応答を２次元の光検出器４４により一度に取得することができる。
また、測定対象物９に過渡的変化を引き起こす励起手段を備えているのも好ましい。この励起手段として、フェムト秒レーザ光などを使用することができる。
さらに、本実施形態で得られる空間的情報は０次元となる。したがって、テラヘルツ波光学系の光路上に設けられたレンズ２５とレンズ２６との間隔を各々の焦点距離の和と等しくなるようにし、その焦点位置に測定対象物９を配置することにより、テラヘルツ波発生部２１から出力されたテラヘルツ波をレンズ２５により測定対象物９に集光すれば、測定効率を向上させることができる。
１…テラヘルツ波時間波形計測装置、２〜４…単発テラヘルツ波時間波形計測装置、９…測定対象物、１１…光源、１２…ビーム径調整部、１３…分岐部、２１…テラヘルツ波発生部、２２…シリンドリカルレンズ、２３…プリズム、２４…パルス面傾斜部、２５，２６…レンズ、３１…光路長差調整部、３２…パルス面傾斜部、３３…偏光子、４１…合波部、４２…電気光学結晶、４３…検光子、４４…光検出器、Ｍ１〜Ｍ８…ミラー。
Claims (6)
- パルス光を出力する光源と、
前記光源から出力されたパルス光を２分岐して、その２分岐したパルス光のうち一方をポンプ光とし他方をプローブ光として出力する分岐部と、
前記分岐部から出力されたポンプ光を入力することでテラヘルツ波を発生し出力するテラヘルツ波発生部と、
前記テラヘルツ波発生部から出力され測定対象物で透過または反射したテラヘルツ波と、前記分岐部から出力されて到達したプローブ光とを入力し、これらテラヘルツ波およびプローブ光を互いに同軸となるように合波して出力する合波部と、
前記合波部から出力されたテラヘルツ波およびプローブ光を入力し、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態を変化させて、そのプローブ光を出力する電気光学結晶と、
ポンプ光，テラヘルツ波およびプローブ光のうちの何れかのパルス面を傾斜させて、前記電気光学結晶に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光それぞれのパルス面を互いに非平行とするパルス面傾斜部と、
前記電気光学結晶から出力されたプローブ光のビーム断面における偏光状態変化の分布を検出する検出手段と、
を備えることを特徴とする単発テラヘルツ波時間波形計測装置。 - 前記分岐部から前記合波部に到るまでのポンプ光およびテラヘルツ波の光路と、前記分岐部から前記合波部に到るまでのプローブ光の光路との、差を調整する光路長差調整部を更に備えることを特徴とする請求項１記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。
- 前記電気光学結晶に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光の双方または何れか一方のビーム径を調整するビーム径調整部を更に備えることを特徴とする請求項１記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。
- 前記パルス面傾斜部は、前記電気光学結晶に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光それぞれのパルス面の傾斜により生じる時間遅延をビーム断面における所定方向に沿って変化させ、
前記検出手段は、前記電気光学結晶から出力されたプローブ光のビーム断面における前記所定方向に沿った偏光状態変化の１次元分布を検出する、
ことを特徴とする請求項１記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。 - 前記パルス面傾斜部は、前記電気光学結晶に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光それぞれのパルス面の傾斜により生じる時間遅延をビーム断面における互いに直交する第１方向および第２方向それぞれに沿って変化させ、
前記検出手段は、前記電気光学結晶から出力されたプローブ光のビーム断面における前記第１方向および前記第２方向それぞれに沿った偏光状態変化の２次元分布を検出する、
ことを特徴とする請求項１記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。 - 前記テラヘルツ波発生部から出力されたテラヘルツ波を前記測定対象物にライン状に集光して照射する集光部と、
前記測定対象物で透過または反射したテラヘルツ波をコリメートして前記合波部へ出力するコリメート部と、
を更に備えることを特徴とする請求項１記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。
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