JP2008224451A - テラヘルツ波測定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】透過測定法と全反射測定法との間の切り替えが容易であって安定した測定条件で測定を行うことができるテラヘルツ波測定装置を提供する。
【解決手段】テラヘルツ波測定装置１は、透過測定法と全反射測定法との間の切り替えが可能でテラヘルツ波を用いて測定対象物の情報を取得するものであって、光源１１、分岐部１２、チョッパ１３、光路長差調整部１４、偏光子１５、合波部１６、テラヘルツ波発生素子２０、第１プリズム３１０、第２プリズム３２０およびテラヘルツ波検出素子４０等を備える。第１プリズム３１０は、入射面３１０ａ，出射面３１０ｂ，反射面３１０ｃ，凹部を形成する第１副反射面３１０ｄおよび第２副反射面３１０ｅを有する。第２プリズム３２０は、第１プリズム３１０の凹部に嵌合し得る形状を有する凸部を形成する入射面３２０ａおよび出射面３２０ｂ、内部空間３２０ｃを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、テラヘルツ波測定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〜１００ＴＨｚ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（特許文献１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素子（例えば非線形光学結晶や光導電アンテナ素子）に入力されて、これにより、このテラヘルツ波発生素子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、プローブ光と略同一タイミングでテラヘルツ波検出素子（例えば、電気光学結晶や光導電アンテナ素子）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テラヘルツ波検出素子では、両光の間の相関が検出される。例えば、テラヘルツ波検出素子として電気光学結晶が用いられる場合、テラヘルツ波およびプローブ光は、合波部により合波されて電気光学結晶に入射され、こ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する。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、測定対象物の情報が得られる。
テラヘルツ波による測定対象物の情報の取得に際しては、測定対象部でのテラヘルツ波の透過または反射だけでなく、特許文献１に開示されているように、プリズムの一平面においてテラヘルツ波を全反射させてエバネセント成分を生じさせ、該平面上の測定対象物に対してテラヘルツ波のエバネセント成分を照射することで、テラヘルツ波による測定対象物の情報の取得が行われる場合がある。特許文献１の記載によれば、テラヘルツ波の全反射を利用する技術では測定対象物が固体に限定されない等の効果を奏するとされている。
特開２００４−３５４２４６号公報 特開２００６−１８４０７８号公報
テラヘルツ波を測定対象物に透過させて測定を行う透過測定法、および、全反射の際に生じるテラヘルツ波のエバネセント波を測定対象物に照射して測定を行う全反射測定法は、各々長所および短所を有している。したがって、測定対象物や測定目的に応じて、透過測定法および全反射測定法の何れかが採用される。このことから、透過測定法および全反射測定法それぞれの装置構成を可能な限り共通化することが望まれる。
しかし、このような共通化を図ろうとした場合であっても、透過測定法と全反射測定法との間で切り替えを行う際には、測定対象物およびプリズムについてはテラヘルツ波伝播経路への組込み及び取外しが必要である。このような切り替えを行う度に測定対象物およびプリズムの位置決めを精確に行うことは容易ではなく、安定した測定条件で測定を行うことは容易ではない。
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、透過測定法と全反射測定法との間の切り替えが容易であって安定した測定条件で測定を行うことができるテラヘルツ波測定装置を提供することを目的とする。
本発明に係るテラヘルツ波測定装置は、(1) 光を出力する光源と、(2) 光源から出力された光を２分岐して、その２分岐した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素子と、(4) テラヘルツ波発生素子から出力されるテラヘルツ波を入力する入射面と、テラヘルツ波を全反射させる反射面と、テラヘルツ波を外部へ出力する出射面と、凹部を形成する第１副反射面および第２副反射面と、を有する第１プリズムと、(5) 第１プリズムの凹部に嵌合し得る形状を有する凸部を含み、第１プリズムに対して着脱自在であり、内部空間を有する第２プリズムと、(6) 第１プリズムの出射面から出力されたテラヘルツ波と、分岐部から出力されたプローブ光とを入力し、これらテラヘルツ波とプローブ光との間の相関を検出するテラヘルツ波検出素子と、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係るテラヘルツ波測定装置は、第１プリズムの凹部に第２プリズムの凸部が嵌合していないときに、第１プリズムの入射面に入力したテラヘルツ波を、第１プリズムの第１副反射面，反射面および第２副反射面の順に反射させ、第１プリズムの出射面から外部へ出力することで、第１プリズムの反射面に配置された測定対象物についての情報を、テラヘルツ波の全反射の際に生じる該テラヘルツ波のエバネセント成分により取得する。また、本発明に係るテラヘルツ波測定装置は、第１プリズムの凹部に第２プリズムの凸部が嵌合しているときに、第１プリズムの入射面に入力したテラヘルツ波を、第１プリズムの第１副反射面，第２プリズムの内部空間および第１プリズムの第２副反射面の順に透過させ、第１プリズムの出射面から外部へ出力することで、第２プリズムの内部空間に配置された測定対象物についての情報を、内部空間を透過するテラヘルツ波により取得する。
このテラヘルツ波測定装置では、光源から出力された光は、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て出力される。分岐部から出力されたポンプ光はテラヘルツ波発生素子に入力され、このテラヘルツ波発生素子でテラヘルツ波が発生し出力される。テラヘルツ波発生素子から出力されたテラヘルツ波は、第１プリズムの入射面に入力される。
第１プリズムの凹部に第２プリズムの凸部が嵌合していないときには、全反射測定法に拠る測定が行われ、第１プリズムの入射面に入力されたテラヘルツ波は、第１プリズムの第１副反射面，反射面および第２副反射面の順に反射され、第１プリズムの出射面から外部へ出力される。一方、第１プリズムの凹部に第２プリズムの凸部が嵌合しているときには、透過測定法に拠る測定が行われ、第１プリズムの入射面に入力されたテラヘルツ波は、第１プリズムの第１副反射面，第２プリズムの内部空間および第１プリズムの第２副反射面の順に透過して、第１プリズムの出射面から外部へ出力される。
第１プリズムの出射面から出力されたテラヘルツ波と、分岐部から出力されたプローブ光とは、テラヘルツ波検出素子に入力されて、このテラヘルツ波検出素子によりテラヘルツ波とプローブ光との間の相関が検出される。これにより、全反射測定法に拠る測定の際には、第１プリズムの反射面に配置された測定対象物についての情報は、テラヘルツ波の全反射の際に生じる該テラヘルツ波のエバネセント成分により取得される。一方、透過測定法に拠る測定の際には、第２プリズムの内部空間に配置された測定対象物についての情報は、内部空間を透過するテラヘルツ波により取得される。
第１プリズムの凹部と第２プリズムの凸部との嵌合の際に両者間のテラヘルツ波伝播経路上から気体を排除する接合用部材が挿入されるのが好適である。また、この接合用部材としてアセトンが好適に用いられる。このような接合用部材が挿入されることにより、第１プリズムの凹部と第２プリズムの凸部との嵌合の際に両者間のテラヘルツ波伝播経路上から気体が排除されるので、気体中の水分によるテラヘルツ波の吸収が防止される。
本発明に係るテラヘルツ波測定装置は、分岐部からテラヘルツ波検出素子に到るまでのポンプ光およびテラヘルツ波の光路と、分岐部からテラヘルツ波検出素子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。この場合には、光路長差調整部により、テラヘルツ波およびプローブ光それぞれがテラヘルツ波検出素子に入力されるタイミングが調整され、また、その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。なお、この光路長差調整部は、ポンプ光，プローブ光およびテラヘルツ波の何れの光学系に設けられてもよい。
第２プリズムにおいてテラヘルツ波が入射または出射する面に、テラヘルツ波のうち特定方位の偏光成分を反射または透過させる偏光子が形成されているのが好適である。この場合には、テラヘルツ波のうち特定方位の偏光成分のものが測定対象物に照射される。
第１プリズムの入射面にテラヘルツ波発生素子が一体に設けられているのが好適である。また、第１プリズムの出射面にテラヘルツ波検出素子が一体に設けられているのが好適である。このように、第１プリズムの入射面または出射面にテラヘルツ波発生素子またはテラヘルツ波検出素子が一体に設けられていることにより、テレヘルツ波が空間伝播する距離を短く又は無くすことができるので、その空間にある気体中の水分によるテラヘルツ波の吸収が低減される。
第１プリズムの入射面の側に、第１プリズムの内部を伝播するテラヘルツ波に対してコリメート作用を奏する光学素子が形成されているのが好適である。第１プリズムの出射面の側に、第１プリズムの内部を伝播するテラヘルツ波に対して集光作用を奏する光学素子が形成されているのが好適である。第２プリズムにおいて内部空間に入力するテラヘルツ波に対してコリメート作用を奏する光学素子が形成されているのが好適である。また、第２プリズムにおいて内部空間から出力されるテラヘルツ波に対して集光作用を奏する光学素子が形成されているのが好適である。このように、第１プリズムまたは第２プリズムにテラヘルツ波に対してコリメート作用または集光作用を奏する光学素子（例えばレンズや軸外し放物面鏡）が形成されていれば、テラヘルツ波発生素子またはテラヘルツ波検出素子が光導電アンテナ素子である場合に好都合である。
本発明に係るテラヘルツ波測定装置は、透過測定法と全反射測定法との間の切り替えが容易であって、安定した測定条件で測定を行うことができる。
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または同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、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）
先ず、第１比較例に係るテラヘルツ波測定装置８について説明する。図１は、第１比較例に係るテラヘルツ波測定装置８の構成図である。この図に示されるテラヘルツ波測定装置８は、テラヘルツ波を用いて透過測定法により測定対象物Ｓの情報を取得するものであって、光源１１、分岐部１２、チョッパ１３、光路長差調整部１４、偏光子１５、合波部１６、テラヘルツ波発生素子２０、テラヘルツ波検出素子４０、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ、光検出器５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５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１２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。
チョッパ１３は、分岐部１２とミラーＭ１との間のポンプ光の光路上に設けられ、一定の周期でポンプ光の通過および遮断を交互に繰り返す。分岐部１２から出力されチョッパ１３を通過したポンプ光は、ミラーＭ１〜Ｍ３により順次に反射されて、テラヘルツ波発生素子２０に入力される。なお、分岐部１２からテラヘルツ波発生素子２０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。
テラヘルツ波発生素子２０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（例えばＺｎＴｅ）、光導電アンテナ素子（例えばＧａＡｓを用いた光スイッチ）、半導体（例えばＩｎＡｓ）および超伝導体の何れかを含んで構成される。テラヘルツ波発生素子２０が非線形光学結晶を含む場合、このテラヘルツ波発生素子２０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〜１００ＴＨｚ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。テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、測定対象物Ｓを透過することで測定対象物Ｓの情報（例えば、吸収係数、屈折率）を取得し、その後、合波部１６に入力される。なお、テラヘルツ波発生素子２０から合波部１６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１２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１５を通過して、合波部１６に入力される。なお、分岐部１２から合波部１６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１４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１４は、分岐部１２から合波部１６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１２から合波部１６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１６は、テラヘルツ波発生素子２０から出力され測定対象物Ｓを透過したテラヘルツ波と、分岐部１２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テラヘルツ波検出素子４０へ出力する。この合波部１６は、堅固な支持枠に接着され薄く引き伸ばされたフィルム状のミラーであるペリクルであるのが好適である。
テラヘルツ波検出素子４０は、テラヘルツ波とプローブ光との間の相関を検出するものである。テラヘルツ波検出素子４０が電気光学結晶を含む場合、このテラヘルツ波検出素子４０は、合波部１６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ポッケルス効果により複屈折が誘起され、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。このときの複屈折量はテラヘルツ波の電場強度に依存するので、テラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態の変化量はテラヘルツ波の電場強度に依存する。
偏光分離素子５２は、例えばウォラストンプリズムであり、テラヘルツ波検出素子４０から出力され１／４波長板５１を経たプローブ光を入力し、この入力したプローブ光を互いに直交する２つの偏光成分に分離して出力する。光検出器５３Ａ，５３Ｂは、例えばフォトダイオードを含み、偏光分離素子５２により偏光分離されたプローブ光の２つの偏光成分のパワーを検出して、その検出したパワーに応じた値の電気信号を差動増幅器５４へ出力する。
差動増幅器５４は、光検出器５３Ａ，５３Ｂそれぞれから出力された電気信号を入力し、両電気信号の値の差に応じた値を有する電気信号をロックイン増幅器５５へ出力する。ロックイン増幅器５５は、チョッパ１３におけるポンプ光の通過および遮断の繰返し周波数で、差動増幅器５４から出力される電気信号を同期検出する。このロックイン増幅器５５から出力される信号は、テラヘルツ波の電場強度に依存する値を有する。このようにして、測定対象物Ｓを透過したテラヘルツ波とプローブ光との間の相関を検出し、テラヘルツ波の電場振幅を検出して、測定対象物Ｓの情報を得ることができる。
このテラヘルツ波測定装置８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１２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１２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、テラヘルツ波発生素子２０に入力される。テラヘルツ波発生素子２０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。テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、測定対象部Ｓを透過して合波部１６に入力される。一方、分岐部１２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１５により直線偏光とされ、合波部１６に入力される。
合波部１６に入力されたテラヘルツ波およびプローブ光は、合波部１６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テラヘルツ波検出素子４０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テラヘルツ波検出素子４０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、このテラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態は、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ、光検出器５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５により検出される。このようにして、テラヘルツ波検出素子４０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Ｓの特性が得られる。
ただし、このような透過測定法では、水によるテラヘルツ波の吸収が大きいことから、通常、測定対象物Ｓは乾燥した固体に限定される。次に説明する第２比較例に係る全反射テラヘルツ波測定装置９は、このような問題点を解決し得るものである。
（第２比較例）
次に、第２比較例に係る全反射テラヘルツ波測定装置９について説明する。図２は、第２比較例に係る全反射テラヘルツ波測定装置９の構成図である。この図に示される全反射テラヘルツ波測定装置９は、テラヘルツ波を用いて全反射測定法により測定対象物Ｓの情報を取得するものであって、光源１１、分岐部１２、チョッパ１３、光路長差調整部１４、偏光子１５、合波部１６、テラヘルツ波発生素子２０、プリズム３０、テラヘルツ波検出素子４０、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ、光検出器５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５を備える。
図１に示された第１比較例に係るテラヘルツ波測定装置８の構成と比較すると、この図２に示される第２比較例に係る全反射テラヘルツ波測定装置９は、テラヘルツ波光学系上にプリズム３０を備える点で相違する。プリズム３０は、テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波を入射面３０ａに入力し、その入力したテラヘルツ波を内部で伝播させるとともに反射面３０ｃで全反射させ、その全反射した後のテラヘルツ波を出射面３０ｂから合波部１６へ出力する。プリズム３０はダフプリズムであり、入射面３０ａに入力されるテラヘルツ波の主光線と、出射面３０ｂから出力されるテラヘルツ波の主光線とは、共通の直線上にある。プリズム３０の反射面３０ｃの上に測定対象物Ｓが配置される。
このテラヘルツ波測定装置９では、テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、プリズム３０の入射面３０ａに入力されて、プリズム３０の内部を伝播するとともにプリズム３０の反射面３０ｃ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Ｓのうち反射面３０ｃの近傍にある部分に存在する。このことから、プリズム３０の反射面３０ｃで全反射された後のテラヘルツ波は、測定対象物Ｓのうち反射面３０ｃ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３０の内部を伝播し、プリズム３０の出射面３０ｂから外部へ出力される。プリズム３０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１６に入力される。
合波部１６に入力されたテラヘルツ波およびプローブ光は、合波部１６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テラヘルツ波検出素子４０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テラヘルツ波検出素子４０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、このテラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態は、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ、光検出器５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５により検出される。このようにして、テラヘルツ波検出素子４０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Ｓの特性が得られる。
このような全反射測定法では、プリズム３０の反射面３０ｃの上に配置される測定対象物Ｓが水分を含んでいても、測定が可能である。ただし、テラヘルツ波発生素子２０からテラヘルツ波検出素子４０までテラヘルツ波が伝播する空間において水分が無い又は少ないことが望ましい。
図１に示された透過測定法に拠るテラヘルツ波測定装置８の構成と、図２に示された全反射測定法に拠るテラヘルツ波測定装置９の構成とを対比すると、テラヘルツ波発生素子２０から合波部１６に到るまでのテラヘルツ波光学系上に、透過測定法では測定対象物Ｓが配置されるのに対して、全反射測定法では測定対象物Ｓが載置されたプリズム３０が配置される。この点で相違しており、他の装置構成については共通化が可能である。したがって、透過測定法と全反射測定法との間で切り替えを行う際には、測定対象物Ｓおよびプリズム３０についてテラヘルツ波伝播経路への組込み及び取外しを行えばよい。しかし、このような切り替えを行う度に測定対象物Ｓおよびプリズム３０の位置決めを精確に行うことは容易ではなく、安定した測定条件で測定を行うことは容易ではない。以下に説明する本実施形態に係るテラヘルツ波測定装置は、このような問題点を解決し得るものである。
（第１実施形態）
次に、本発明の第１実施形態に係るテラヘルツ波測定装置１について説明する。図３は、第１実施形態に係るテラヘルツ波測定装置１の構成図である。この図に示されるテラヘルツ波測定装置１は、透過測定法と全反射測定法との間の切り替えが可能でテラヘルツ波を用いて測定対象物の情報を取得するものであって、光源１１、分岐部１２、チョッパ１３、光路長差調整部１４、偏光子１５、合波部１６、テラヘルツ波発生素子２０、第１プリズム３１０、第２プリズム３２０、テラヘルツ波検出素子４０、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ、光検出器５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５を備える。
図２に示された第２比較例に係るテラヘルツ波測定装置９の構成と比較すると、この図３に示される第１実施形態に係るテラヘルツ波測定装置１は、プリズム３０に替えて第１プリズム３１０および第２プリズム３２０を備える点で相違する。図４は、第１実施形態に係るテラヘルツ波測定装置１に含まれる第１プリズム３１０および第２プリズム３２０の構成図である。同図（ａ）は、第１プリズム３１０と第２プリズム３２０とが互いに分離されている状態を示し、また、同図（ｂ）は、第１プリズム３１０と第２プリズム３２０とが互いに嵌合されている状態を示す。
第１プリズム３１０は、いわゆる無収差プリズムであって、入射面３１０ａ，出射面３１０ｂ，反射面３１０ｃ，第１副反射面３１０ｄおよび第２副反射面３１０ｅを有する。入射面３１０ａおよび出射面３１０ｂは互いに平行である。これら入射面３１０ａおよび出射面３１０ｂに対して反射面３１０ｃは垂直である。第１プリズム３１０において、第１副反射面３１０ｄおよび第２副反射面３１０ｅは、反射面３１０ｃに対向する側に有り、凹部を形成している。反射面３１０ｃの上には測定対象物が配置される。
第２プリズム３２０は、入射面３２０ａ，出射面３２０ｂおよび内部空間３２０ｃを有する。入射面３２０ａおよび出射面３２０ｂは、第１プリズム３１０の凹部に嵌合し得る形状を有する凸部を形成している。内部空間３２０ｃには測定対象物が入れられる。
第１プリズム３１０の凹部と第２プリズム３２０の凸部とが嵌合することで、第１プリズム３１０と第２プリズム３２０とは一体のプリズムとなることができる。これら第１プリズム３１０および第２プリズム３２０それぞれは、屈折率が互いに等しく、互いに同じ材料からなるのが好ましい。第２プリズム３２０は第１プリズム３１０に対して着脱自在であり、これにより、透過測定法と全反射測定法との間の切り替えが可能となる。
第１プリズム３１０および第２プリズム３２０それぞれは、テラヘルツ波発生素子２０から出力されるテラヘルツ波の波長において透明であって、反射面３１０ｃの上に配置される測定対象物Ｓ測定対象物Ｓの屈折率より高い屈折率を有する材料からなり、例えばシリコンからなるのが好ましい。シリコンは、テラヘルツ波の波長帯において透明であり、波長１ＴＨｚにおいて屈折率が３.４である。また、例えば、測定対象物Ｓの主成分が水であるとして、水の波長１ＴＨｚにおける屈折率が２.０である。このとき、臨界角は３６度（＝sin-1(2.0/3.4)）であるから、この臨界角より大きい入射角であるときに全反射が生じる。測定対象物Ｓが気体である場合も同様に全反射が生じる。
第１プリズム３１０の凹部と第２プリズム３２０の凸部とが嵌合しているとき（図４（ｂ））、両者間のテラヘルツ波伝播経路上に水分が無い又は少ないことが望ましい。そこで、両者間のテラヘルツ波伝播経路上から気体（空気）を排除する接合用部材３３０が挿入されるのが好ましい。また、この接合用部材３３０は、第１プリズム３１０および第２プリズム３２０それぞれの屈折率と略等しい屈折率を有し、テラヘルツ帯で透明であることが好ましい。接合用部材３３０として好適にはアセトンが用いられる。このような接合用部材３３０が挿入されることにより、第１プリズム３１０の凹部と第２プリズム３２０の凸部との嵌合の際に両者間のテラヘルツ波伝播経路上から気体が排除されるので、気体中の水分によるテラヘルツ波の吸収が防止される。
第１プリズム３１０の凹部に第２プリズム３２０の凸部が嵌合していないとき、第１プリズム３１０の入射面３１０ａに入力したテラヘルツ波は、第１プリズム３１０の第１副反射面３１０ｄ，反射面３１０ｃおよび第２副反射面３１０ｅの順に反射され、第１プリズム３１０の出射面３１０ｂから外部へ出力される。これにより、第１プリズム３１０の反射面３１０ｃに配置された測定対象物についての情報が、テラヘルツ波の全反射の際に生じる該テラヘルツ波のエバネセント成分により取得される。
第１プリズム３１０の凹部に第２プリズム３２０の凸部が嵌合しているとき（図４（ｂ））、第１プリズム３１０の入射面３１０ａに入力したテラヘルツ波は、第１プリズム３１０の第１副反射面３１０ｄ，第２プリズム３２０の内部空間３２０ｃおよび第１プリズム３１０の第２副反射面３１０ｅの順に透過し、第１プリズム３１０の出射面３１０ｂから外部へ出力される。これにより、第２プリズム３２０の内部空間３２０ｃに配置された測定対象物についての情報が、内部空間３２０ｃを透過するテラヘルツ波により取得される。
全反射測定法に拠る測定の際には、第１プリズム３１０の凹部に第２プリズム３２０の凸部が嵌合しておらず、テラヘルツ波測定装置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、分岐部１２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１２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、テラヘルツ波発生素子２０に入力される。テラヘルツ波発生素子２０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。テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、第１プリズム３１０の入射面３１０ａに入力されて、第１プリズム３１０の内部を伝播するとともに第１副反射面３１０ｄで反射されて反射面３１０ｃへ入射し、その反射面３１０ｃで全反射される。
この反射面３１０ｃにおける全反射の際に、テラヘルツ波のエバネセント成分が、反射面３１０ｃの上に配置された測定対象物Ｓのうち反射面３１０ｃの近傍にある部分に存在する。このことから、第１プリズム３１０の反射面３１０ｃで全反射された後のテラヘルツ波は、測定対象物Ｓのうち反射面３１０ｃ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、第１プリズム３１０の第２副反射面３１０ｅで反射されて出射面３１０ｂから外部へ出力される。第１プリズム３１０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１６に入力される。
合波部１６に入力されたテラヘルツ波およびプローブ光は、合波部１６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テラヘルツ波検出素子４０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テラヘルツ波検出素子４０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、このテラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態は、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ、光検出器５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５により検出される。このようにして、テラヘルツ波検出素子４０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、第１プリズム３１０の反射面３１０ｃの上に存在する測定対象物Ｓの特性が得られる。
一方、透過測定法に拠る測定の際には、第１プリズム３１０の凹部に第２プリズム３２０の凸部が嵌合しており、テラヘルツ波測定装置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、分岐部１２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１２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、テラヘルツ波発生素子２０に入力される。テラヘルツ波発生素子２０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。
テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、第１プリズム３１０の入射面３１０ａに入力されて、第１プリズム３１０の第１副反射面３１０ｄを経て、第２プリズム３２０の内部空間３２０ｃを透過し、第１プリズム３１０の第２副反射面３１０ｅを経て、第１プリズム３１０の出射面３１０ｂから外部へ出力される。この第２プリズム３２０の内部空間３２０ｃにおける透過の際に、テラヘルツ波は、内部空間３２０ｃに配置された測定対象物の情報を取得する。そして、第１プリズム３１０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１６に入力される。
合波部１６に入力されたテラヘルツ波およびプローブ光は、合波部１６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テラヘルツ波検出素子４０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テラヘルツ波検出素子４０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、このテラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態は、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ、光検出器５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５により検出される。このようにして、テラヘルツ波検出素子４０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、第２プリズム３２０の内部空間３２０ｃに配置された測定対象物の特性が得られる。
なお、透過測定法および全反射測定法の何れにおいても、光路長差調整部１４においてミラー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とで、テラヘルツ波検出素子４０に入力されるテラヘルツ波およびプローブ光それぞれのタイミング差が調整される。前述したように、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、光路長差調整部１４によりテラヘルツ波検出素子４０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。
以上のように、第１実施形態に係るテラヘルツ波測定装置１では、第１プリズム３１０の凹部および第２プリズム３２０の凸部を互いに嵌合可能な形状として着脱自在とし、これにより、透過測定法と全反射測定法との間の切り替えが可能となる。この切り替えに際しては、第１プリズム３１０をテラヘルツ波伝播経路上に固定されたままでよく、この固定された第１プリズム３１０に対して第２プリズム３２０の取付け又は取外しを行うことができる。また、第１プリズム３１０の凹部および第２プリズム３２０の凸部を互いに嵌合可能な形状となっているので、第１プリズム３１０に対して第２プリズム３２０の取付けを行う際に、第２プリズム３２０の位置決めが容易である。したがって、透過測定法と全反射測定法との間の切り替えが容易であり、また、透過測定法および全反射測定法の何れにおいても安定した測定条件で測定を行うことができる。
次に、第１実施形態に係るテラヘルツ波測定装置１の変形例について説明する。ここでは、第１実施形態に係るテラヘルツ波測定装置１において第２プリズム３２０に替えて用いられ得る第２プリズム３２１および第２プリズム３２２について説明する。第２プリズム３２１および第２プリズム３２２それぞれでは、テラヘルツ波が入射または出射する面に、テラヘルツ波のうち特定方位の偏光成分を反射または透過させる偏光子が形成されおり、また、その偏光子として複数本の金属線が並列配置されてなるワイヤグリッド偏光子が形成されている。
図５は、第１実施形態に係るテラヘルツ波測定装置１に含まれる第１プリズム３１０および第２プリズム３２１の構成図である。同図（ａ）は、第１プリズム３１０と第２プリズム３２１とが互いに嵌合されている状態を示し、また、同図（ｂ）は、第２プリズム３２１の斜視図を示す。この図に示される第２プリズム３２１は、入射面３２１ａ，出射面３２１ｂおよび内部空間３２１ｃを有する。入射面３２１ａおよび出射面３２１ｂは、第１プリズム３１０の凹部に嵌合し得る形状を有する凸部を形成している。内部空間３２１ｃには測定対象物が入れられる。
また、入射面３２１ａには、その入射面３２１ａにテラヘルツ波が入射する際の入射面に垂直な方向に延在する複数本の金属線３２１ｄが並列に形成されてなるワイヤグリッド偏光子が形成されている。同様に、出射面３２１ｂには、その出射面３２１ｂにテラヘルツ波が入射する際の入射面に垂直な方向に延在する複数本の金属線３２１ｅが並列に形成されてなるワイヤグリッド偏光子が形成されている。これら複数本の金属線３２１ｄおよび複数本の金属線３２１ｅは、例えば金が蒸着されることで形成される。
このような第２プリズム３２１が第１プリズム３１０に嵌合した状態において、ｓ偏光のテラヘルツ波が第１プリズム３１０の入射面３１０ａに入力する場合（同図（ａ））、そのテラヘルツ波は、第２プリズム３２１の入射面３２１ａに形成されたワイヤグリッド偏光子により反射され、第１プリズム３１０の反射面３１０ｃで全反射され、第２プリズム３２１の出射面３２１ｂに形成されたワイヤグリッド偏光子により反射されて、第１プリズム３１０の出射面３１０ｂから外部へ出力されるので、全反射測定法に拠る測定が可能となる。
一方、ｐ偏光のテラヘルツ波が第１プリズム３１０の入射面３１０ａに入力する場合、そのテラヘルツ波は、第２プリズム３２１の入射面３２１ａに形成されたワイヤグリッド偏光子を通過し、第２プリズム３２１の内部空間３２１ｃを通過し、第２プリズム３２１の出射面３２１ｂに形成されたワイヤグリッド偏光子を通過して、第１プリズム３１０の出射面３１０ｂから外部へ出力されるので、透過測定法に拠る測定が可能となる。
図６は、第１実施形態に係るテラヘルツ波測定装置１に含まれる第１プリズム３１０および第２プリズム３２２の構成図である。同図（ａ）は、第１プリズム３１０と第２プリズム３２２とが互いに嵌合されている状態を示し、また、同図（ｂ）は、第２プリズム３２２の斜視図を示す。この図に示される第２プリズム３２２は、入射面３２２ａ，出射面３２２ｂおよび内部空間３２２ｃを有する。入射面３２２ａおよび出射面３２２ｂは、第１プリズム３１０の凹部に嵌合し得る形状を有する凸部を形成している。内部空間３２２ｃには測定対象物が入れられる。
また、入射面３２２ａには、その入射面３２２ａにテラヘルツ波が入射する際の入射面に平行な方向に延在する複数本の金属線３２２ｄが並列に形成されてなるワイヤグリッド偏光子が形成されている。同様に、出射面３２２ｂには、その出射面３２２ｂにテラヘルツ波が入射する際の入射面に平行な方向に延在する複数本の金属線３２２ｅが並列に形成されてなるワイヤグリッド偏光子が形成されている。これら複数本の金属線３２２ｄおよび複数本の金属線３２２ｅは、例えば金が蒸着されることで形成される。
このような第２プリズム３２２が第１プリズム３１０に嵌合した状態において、ｓ偏光のテラヘルツ波が第１プリズム３１０の入射面３１０ａに入力する場合（同図（ａ））、そのテラヘルツ波は、第２プリズム３２２の入射面３２２ａに形成されたワイヤグリッド偏光子を通過し、第２プリズム３２２の内部空間３２２ｃを通過し、第２プリズム３２２の出射面３２２ｂに形成されたワイヤグリッド偏光子を通過して、第１プリズム３１０の出射面３１０ｂから外部へ出力されるので、透過測定法に拠る測定が可能となる。
一方、ｐ偏光のテラヘルツ波が第１プリズム３１０の入射面３１０ａに入力する場合、そのテラヘルツ波は、第２プリズム３２２の入射面３２２ａに形成されたワイヤグリッド偏光子により反射され、第１プリズム３１０の反射面３１０ｃで全反射され、第２プリズム３２２の出射面３２２ｂに形成されたワイヤグリッド偏光子により反射されて、第１プリズム３１０の出射面３１０ｂから外部へ出力されるので、全反射測定法に拠る測定が可能となる。
次に、第１実施形態に係るテラヘルツ波測定装置１の他の変形例について説明する。この変形例は、測定対象物が粉末である場合に好適なものである。すなわち、第１プリズム３１０の反射面３１０ｃの上に配置される測定対象物Ｓが粉末である場合、図７に示されるように、第１プリズム３１０の反射面３１０ｃに測定対象物Ｓを押え付ける機構６０が設けられるのが好ましい。この押え付け機構６０により測定対象物Ｓを反射面３１０ｃに押え付けることにより、測定対象物Ｓが反射面３１０ｃに対してより良く密着するので、全反射測定が効率よく行われ得る。また、第２プリズム３２０の内部空間３２０ｃに配置される測定対象物が粉末である場合、図８に示されるように、第２プリズム３２０の内部空間３２０ｃに測定対象物を押し込む機構６１が設けられるのが好ましい。この押し込み機構６１により測定対象物を内部空間３２０ｃに押し込むことにより、内部空間３２０ｃにおけるテラヘルツ伝播経路上に測定対象物が確実に配置されるので、透過測定が効率よく行われ得る。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係るテラヘルツ波測定装置２について説明する。図９は、第２実施形態に係るテラヘルツ波測定装置２の構成図である。この図に示されるテラヘルツ波測定装置２は、透過測定法と全反射測定法との間の切り替えが可能でテラヘルツ波を用いて測定対象物の情報を取得するものであって、光源１１、分岐部１２、チョッパ１３、光路長差調整部１４、偏光子１５、ビームスプリッタ１７、テラヘルツ波発生素子２０、第１プリズム３１０、第２プリズム３２０、テラヘルツ波検出素子４０、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ、光検出器５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５を備える。
図３に示された第１実施形態に係るテラヘルツ波測定装置１の構成と比較すると、この図９に示される第２実施形態に係るテラヘルツ波測定装置２は、第１プリズム３１０に対してテラヘルツ波発生素子２０およびテラヘルツ波検出素子４０が一体に設けられている点で相違し、また、合波部１６に替えてビームスプリッタ１７を備える点で相違する。
図１０は、テラヘルツ波発生素子２０およびテラヘルツ波検出素子４０が一体に設けられた第１プリズム３１０ならびに第２プリズム３２０の断面図であり、図１１は、その第１プリズム３１０の斜視図である。これらの図に示されるように、第１プリズム３１０の入射面３１０ａにテラヘルツ波発生素子２０が一体に設けられ、第１プリズム３１０の出射面３１０ｂにテラヘルツ波検出素子４０が一体に設けられている。
第１プリズム３１０に対してテラヘルツ波発生素子２０およびテラヘルツ波検出素子４０を一体化するに際しては、第１プリズム３１０の入射面３１０ａにテラヘルツ波発生素子２０が接着剤により接合され、また、第１プリズム３１０の出射面３１０ｂにテラヘルツ波検出素子４０が接着剤により接合される。このとき用いられる接着剤は、テラヘルツ波の波長において透明なものであって、テラヘルツ波発生素子２０およびテラヘルツ波検出素子４０それぞれの屈折率と第１プリズム３１０の屈折率との間の中間の屈折率を有するのが好ましい。
また、第１プリズム３１０の反射面３１０ｂとテラヘルツ波検出素子４０との接合位置において、プローブ光の波長で反射率が高いのが好ましい。反射面３１０ｂに誘電体多層膜が形成されていて、これにより、テラヘルツ波に対して透明であって、プローブ光波長に対して高反射率とされていてもよい。
このテラヘルツ波測定装置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、分岐部１２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１２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、第１プリズム３１０の入射面３１０ａに一体化されて設けられたテラヘルツ波発生素子２０に入力される。テラヘルツ波発生素子２０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。テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、空間伝播することなく直ちに第１プリズム３１０の入射面３１０ａに入力される。
第１プリズム３１０の入射面３１０ａに入力されてから出射面３１０ｂから出力されるまでのテラヘルツ波の伝播については、第１実施形態の場合と同様である。すなわち、第１プリズム３１０の凹部に第２プリズム３２０の凸部が嵌合していないとき、第１プリズム３１０の入射面３１０ａに入力したテラヘルツ波は、第１プリズム３１０の第１副反射面３１０ｄ，反射面３１０ｃおよび第２副反射面３１０ｅの順に反射され、第１プリズム３１０の出射面３１０ｂから外部へ出力される。一方、第１プリズム３１０の凹部に第２プリズム３２０の凸部が嵌合しているとき、第１プリズム３１０の入射面３１０ａに入力したテラヘルツ波は、第１プリズム３１０の第１副反射面３１０ｄ，第２プリズム３２０の内部空間３２０ｃおよび第１プリズム３１０の第２副反射面３１０ｅの順に透過し、第１プリズム３１０の出射面３１０ｂから外部へ出力される。
第１プリズム３１０の出射面３１０ｂから出力されたテラヘルツ波は、空間伝播することなく直ちに、第１プリズム３１０の出射面３１０ｂに一体化されて設けられたテラヘルツ波検出素子４０に入力される。一方、分岐部１２から出力されたプローブ光は、ミラーＭ４〜Ｍ８およびビームスプリッタ１７により順次に反射されて、テラヘルツ波検出素子４０に入力される。ビームスプリッタ１７からテラヘルツ波検出素子４０に入力されたプローブ光は、テラヘルツ波検出素子４０を通過した後に、第１プリズム３１０の出射面３１０ｂで反射され、再びテラヘルツ波検出素子４０を通過してビームスプリッタ１７へ出力される。
テラヘルツ波およびプローブ光は、互いに同軸となるように、略同一タイミングでテラヘルツ波検出素子４０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テラヘルツ波検出素子４０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。テラヘルツ波検出素子４０からビームスプリッタ１７へ出力されたプローブ光は、ビームスプリッタ１７を透過する。そして、プローブ光の偏光状態は、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ、光検出器５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５により検出される。このようにして、テラヘルツ波検出素子４０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、第１プリズム３１０の反射面３１０ｃまたは第２プリズム３２０の内部空間３２０ｃに配置された測定対象物の特性が得られる。
この第２実施形態に係るテラヘルツ波測定装置２は、第１実施形態に係るテラヘルツ波測定装置１が奏する効果と同様の効果を奏する他、以下のような効果をも奏することができる。すなわち、第２実施形態に係るテラヘルツ波測定装置２は、テラヘルツ波発生素子２０およびテラヘルツ波検出素子４０が第１プリズム３１０に一体化されて設けられているので、これらの取り扱いが容易であり、容易に測定することができ、また、小型化が可能である。また、テラヘルツ波発生素子２０からテラヘルツ波検出素子４０に到るまでテラヘルツ波が空間伝播することなく第１プリズム３１０内部を伝播するので、窒素パージを行う必要がなく、この点でも容易に測定することができ、また、小型化が可能である。さらに、第１プリズム３１０の入射面３１０ａおよび出射面３１０ｂそれぞれにおけるテラヘルツ波の損失が低減されるので、この点でも高感度に測定することができる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係るテラヘルツ波測定装置３について説明する。図１２は、第３実施形態に係るテラヘルツ波測定装置３の構成図である。この図に示されるテラヘルツ波測定装置３は、透過測定法と全反射測定法との間の切り替えが可能でテラヘルツ波を用いて測定対象物の情報を取得するものであって、光源１１、分岐部１２、光路長差調整部１４、テラヘルツ波発生素子２１、第１プリズム３１３、第２プリズム３２３、テラヘルツ波検出素子４１、信号発生部５６および同期検出部５７を備える。
図１３は、第３実施形態に係るテラヘルツ波測定装置３に含まれる第１プリズム３１３および第２プリズム３２３の周辺の構成図である。同図（ａ）は、第１プリズム３１３と第２プリズム３２３とが互いに分離されている状態を示し、また、同図（ｂ）は、第１プリズム３１３と第２プリズム３２３とが互いに嵌合されている状態を示す。
第１プリズム３１３は、いわゆる無収差プリズムであって、入射面３１３ａ，出射面３１３ｂ，反射面３１３ｃ，第１副反射面３１３ｄおよび第２副反射面３１３ｅを有する。入射面３１３ａおよび出射面３１３ｂは互いに平行である。これら入射面３１３ａおよび出射面３１３ｂに対して反射面３１３ｃは垂直である。第１プリズム３１３において、第１副反射面３１３ｄおよび第２副反射面３１３ｅは、反射面３１３ｃに対向する側に有り、凹部を形成している。
第２プリズム３２３は、入射面３２３ａ，出射面３２３ｂおよび内部空間３２３ｃを有する。入射面３２３ａおよび出射面３２３ｂは、第１プリズム３１３の凹部に嵌合し得る形状を有する凸部を形成している。内部空間３２３ｃには測定対象物が入れられる。
第１プリズム３１３の凹部と第２プリズム３２３の凸部とが嵌合することで、第１プリズム３１３と第２プリズム３２３とは一体のプリズムとなることができる。これら第１プリズム３１３および第２プリズム３２３それぞれは、屈折率が互いに等しく、互いに同じ材料からなるのが好ましい。第２プリズム３２３は第１プリズム３１３に対して着脱自在であり、これにより、透過測定法と全反射測定法との間の切り替えが可能となる。
第１プリズム３１３および第２プリズム３２３それぞれは、テラヘルツ波発生素子２１から出力されるテラヘルツ波の波長において透明であって、反射面３１３ｃの上に配置される測定対象物Ｓの屈折率より高い屈折率を有する材料からなり、例えばシリコンからなるのが好ましい。
第１プリズム３１３の凹部と第２プリズム３２３の凸部とが嵌合しているとき、両者間のテラヘルツ波伝播経路上に水分が無い又は少ないことが望ましい。そこで、両者間のテラヘルツ波伝播経路上から気体を排除する接合用部材が挿入されるのが好ましい。また、この接合用部材は、第１プリズム３１３および第２プリズム３２３それぞれの屈折率と略等しい屈折率を有するのが好ましい。接合用部材として好適にはアセトンが用いられる。
第１プリズム３１３の入射面３１３ａにテラヘルツ波発生素子２１が一体に設けられており、また、第１プリズム３１３の出射面３１３ｂにテラヘルツ波検出素子４１が一体に設けられている。テラヘルツ波発生素子２１およびテラヘルツ波検出素子４１それぞれとして、図１４に示されるような光導電アンテナ素子が用いられる。
図１４に示される光導電アンテナ素子１００は、テラヘルツ波発生素子２１またはテラヘルツ波検出素子４１として用いられるものであって、例えば、半絶縁性のＧａＡｓ基板１０１と、このＧａＡｓ基板１０１上に形成されたＧａＡｓ層１０２と、このＧａＡｓ層１０２上に形成された１対の電極１０３および電極１０４と、を有する。ＧａＡｓ層１０２は、ＭＢＥにより低温（例えば２００〜２５０℃）でエピタキシャル成長されたものであり、例えば厚さ１〜３μｍである。電極１０３および電極１０４は、ＡｕＧｅ／Ａｕ等のオーミック電極であり、アンテナの長さが例えば２０μｍ〜２ｍｍであり、両者間の間隔が例えば３〜１０μｍである。低温エピタキシャル成長で形成されたＧａＡｓ層１０２は、キャリアの寿命が短く、キャリアの移動度が高く、また、インピーダンスが高い。
テラヘルツ波発生素子２１としての光導電アンテナ素子１００では、電極１０３と電極１０４との間に電圧が印加されているときに、電極１０３と電極１０４との間のＧａＡｓ層１０２の領域にポンプ光が照射されると、ＧａＡｓ層１０２内で電子正孔対が発生する。この電子は、電極１０３と電極１０４との間に印加されている電圧により加速されて移動する。これにより、電極１０３と電極１０４との間に電流が生じるとともに、テラヘルツ波が発生する。テラヘルツ波発生素子２１としての光導電アンテナ素子１００の電極１０３と電極１０４との間には、信号発生部５６により一定周期の電圧が印加される。
テラヘルツ波検出素子４１としての光導電アンテナ素子１００では、テラヘルツ波およびプローブ光の入射に応じて、両者の相関を表す電流が電極１０３と電極１０４との間に生じる。この相関に基づいてテラヘルツ波のスペクトルを求めることができ、さらに測定対象物の情報を得ることができる。テラヘルツ波検出素子４１としての光導電アンテナ素子１００の電極１０３と電極１０４との間に生じる電流は、同期検出部５７により、テラヘルツ波発生素子２１におけるテラヘルツ波発生の周期（すなわち、信号発生部５６による電圧印加の周期）に同期して検出される。なお、ポンプ光を光チョッパーで変調しテラヘルツ波発生素子２１としての光導電アンテナ１００において電極１０３，１０４間にＤＣ電圧を加えることによっても同様に検出可能である。
このように、テラヘルツ波発生素子２１としての光導電アンテナ素子１００では、電極１０３と電極１０４との間にポンプ光が入力され、電極１０３と電極１０４との間で発生したテラヘルツ波が発散するので、そのテラヘルツ波をコリメートする必要がある。また、テラヘルツ波検出素子４１としての光導電アンテナ素子１００では、電極１０３と電極１０４との間にテラヘルツ波を集光して入力させる必要がある。
そこで、図１３に示されるように、第１プリズム３１３の第１副反射鏡３１３ｄに、第１プリズム３１３の内部を伝播するテラヘルツ波に対してコリメート作用を奏する光学素子として軸外し放物面鏡が形成されている。第１プリズム３１３の第２副反射鏡３１３ｅに、第１プリズム３１３の内部を伝播するテラヘルツ波に対して集光作用を奏する光学素子として軸外し放物面鏡が形成されている。第２プリズム３２３において内部空間３２３ｃに入力するテラヘルツ波に対してコリメート作用を奏する光学素子としてレンズ３２３ｐが形成されている。また、第２プリズム３２３において内部空間３２３ｃから出力されるテラヘルツ波に対して集光作用を奏する光学素子としてレンズ３２３ｑが形成されている。
このようなコリメート作用または集光作用を奏する光学素子（軸外し放物面鏡、レンズ）が形成されていることで、全反射測定の際に第１プリズム３１３の反射面３１３ｃで全反射されるテラヘルツ波は平行光とされ、また、透過測定の際には第２プリズム３２３の内部空間３２３ｃを通過するテラヘルツ波は平行光とされ、さらに、全反射測定および透過測定の何れのときにもテラヘルツ波検出素子４１に入力されるテラヘルツ波は集光される。
このような第２プリズム３２３は、図１５で説明されるような工程を経て製造され得る。なお、この図は、レンズ３２３ｑの形成方法を示している。初めに、第２プリズム３２３と外形が同じであるプリズムが用意され、レンズ３２３ｑが設けられるべき中心位置で該プリズムが切断されて部材３２３Ａ，３２３Ｂとされる。次に、部材３２３Ａ，３２３Ｂの何れかの切断面に凹部を形成し、その凹部に樹脂や粉末を充填し、部材３２３Ａ，３２３Ｂを元通りに接合して、樹脂の硬化または粉末の押し固めを行う。このようにして、内部全反射プリズム３４を製造することができる。
なお、レンズ３２３ｐ、３２３ｑの形状は、上記凹部に充填される樹脂の屈折率とプリズムの屈折率との関係に依る。すなわち、テラヘルツ波長においてプリズムの屈折率より樹脂の屈折率が高い場合には、レンズ３２３ｐ，３２３ｑの形状は凸レンズとされる。逆にプリズムの屈折率より樹脂の屈折率が低い場合には、レンズ３２３ｐ，３２３ｑの形状は凹レンズとされる。例えば、プリズムはシリコンからなり、凹部に充填される樹脂はポリエチレンからなる。
その他、第１プリズム３１３の入射面または出射面の側の内部または表面にレンズが形成されていてもよい。また、第１プリズム３１３の入射面または出射面の側の内部または表面にフレネルレンズが形成されていてもよい。これらの場合、第１プリズム３１３の内部を伝播しているテラヘルツ波に対してコリメート作用または集光作用を奏することができるので、第２プリズム３２３の側にコリメート作用または集光作用を奏する光学素子を設ける必要はない。内部にフレネルレンズを形成する場合、レーザ加工により形成することも可能であるし、また、図１５で説明した工程と同様にして、プリズムを切断し、その切断面にフレネルレンズを形成し、その後に元通りに接合すればよい。このようにレンズが形成されていることにより、テラヘルツ波をコリメートまたは集光することができ、また、イメージを転送することもできる。
このテラヘルツ波測定装置３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１２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１２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、第１プリズム３１３の入射面３１３ａに一体化されて設けられたテラヘルツ波発生素子２１に入力される。テラヘルツ波発生素子２１としての光導電アンテナ素子１００では、電極１０３と電極１０４との間に一定周期の電圧が信号発生部５６により印加されており、電極１０３と電極１０４との間にポンプ光が入力され、これによりテラヘルツ波が発生する。テラヘルツ波発生素子２１から出力されたテラヘルツ波は、空間伝播することなく直ちに第１プリズム３１３の入射面３１３ａに入力される。
第１プリズム３１３の入射面３１３ａに入力されてから出射面３１３ｂから出力されるまでのテラヘルツ波の伝播については、第１実施形態の場合と略同様であるが、コリメートおよび集光の点で相違する。すなわち、第１プリズム３１３の凹部に第２プリズム３２３の凸部が嵌合していないとき、第１プリズム３１３の入射面３１３ａに入力したテラヘルツ波は、第１プリズム３１３の第１副反射面３１３ｄでの反射時にコリメートされ、反射面３１３ｃで全反射され、第２副反射面３１３ｅでの反射時に集光され、第１プリズム３１３の出射面３１３ｂから外部へ出力される。一方、第１プリズム３１３の凹部に第２プリズム３２３の凸部が嵌合しているとき、第１プリズム３１３の入射面３１３ａに入力したテラヘルツ波は、第１プリズム３１３の第１副反射面３１３ｄを経て、第２プリズム３２３のレンズ３２３ｐによりコリメートされ、第２プリズム３２３の内部空間３２３ｃを通過し、第２プリズム３２３のレンズ３２３ｑにより集光され、第１プリズム３１３の第２副反射面３１３ｅを経て、第１プリズム３１３の出射面３１３ｂから外部へ出力される。
第１プリズム３１３の出射面３１３ｂから出力されたテラヘルツ波は、空間伝播することなく直ちに、第１プリズム３１３の出射面３１３ｂに一体化されて設けられたテラヘルツ波検出素子４１に入力される。一方、分岐部１２から出力されたプローブ光は、ミラーＭ４〜Ｍ８およびビームスプリッタ１７により順次に反射されて、テラヘルツ波検出素子４１に入力される。これらテラヘルツ波およびプローブ光は、テラヘルツ波検出素子４１としての光導電アンテナ素子１００の電極１０３と電極１０４との間に入力される。
テラヘルツ波検出素子４１としての光導電アンテナ素子１００では、テラヘルツ波およびプローブ光の入射に応じて、両者の相関を表す電流が電極１０３と電極１０４との間に生じる。この電流は、同期検出部５７により、信号発生部５６による電圧印加の周期に同期して検出される。これにより、第１プリズム３１３の反射面３１３ｃまたは第２プリズム３２３の内部空間３２３ｃに配置された測定対象物の特性が得られる。
この第３実施形態に係るテラヘルツ波測定装置３は、第２実施形態に係るテラヘルツ波測定装置２が奏する効果と同様の効果を奏することができる。
第１比較例に係るテラヘルツ波測定装置８の構成図である。 第２比較例に係るテラヘルツ波測定装置９の構成図である。 第１実施形態に係るテラヘルツ波測定装置１の構成図である。 第１実施形態に係るテラヘルツ波測定装置１に含まれる第１プリズム３１０および第２プリズム３２０の構成図である。 第１実施形態に係るテラヘルツ波測定装置１に含まれる第１プリズム３１０および第２プリズム３２１の構成図である。 第１実施形態に係るテラヘルツ波測定装置１に含まれる第１プリズム３１０および第２プリズム３２２の構成図である。 第１プリズム３１０の反射面３１０ｃに測定対象物Ｓを押え付ける機構６０を説明する図である。 第２プリズム３２０の内部空間３２０ｃに測定対象物を押し込む機構６１を説明する図である。 第２実施形態に係るテラヘルツ波測定装置２の構成図である。 テラヘルツ波発生素子２０およびテラヘルツ波検出素子４０が一体に設けられた第１プリズム３１０ならびに第２プリズム３２０の断面図である。 テラヘルツ波発生素子２０およびテラヘルツ波検出素子４０が一体に設けられた第１プリズム３１０の斜視図である。 第３実施形態に係るテラヘルツ波測定装置３の構成図である。 第３実施形態に係るテラヘルツ波測定装置３に含まれる第１プリズム３１３および第２プリズム３２３の周辺の構成図である。 光導電アンテナ素子の斜視図である。 第２プリズム３２３の製造工程を説明する図である。
符号の説明
１〜３…テラヘルツ波測定装置、１１…光源、１２…分岐部、１３…チョッパ、１４…光路長差調整部、１５…偏光子、１６…合波部、１７…ビームスプリッタ、２０，２１…テラヘルツ波発生素子、３１０，３１３…第１プリズム、３２０〜３２３…第２プリズム、３３０…接合用部材、４０，４１…テラヘルツ波検出素子、５１…１／４波長板、５２…偏光分離素子、５３Ａ，５３Ｂ…光検出器、５４…差動増幅器、５５…ロックイン増幅器、５６…信号発生部、５７…同期検出部、Ｍ１〜Ｍ９…ミラー、Ｓ…測定対象物。

Claims (10)

  1. 光を出力する光源と、
    前記光源から出力された光を２分岐して、その２分岐した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素子と、
    前記テラヘルツ波発生素子から出力されるテラヘルツ波を入力する入射面と、前記テラヘルツ波を全反射させる反射面と、前記テラヘルツ波を外部へ出力する出射面と、凹部を形成する第１副反射面および第２副反射面と、を有する第１プリズムと、
    前記第１プリズムの前記凹部に嵌合し得る形状を有する凸部を含み、前記第１プリズムに対して着脱自在であり、内部空間を有する第２プリズムと、
    前記第１プリズムの前記出射面から出力されたテラヘルツ波と、前記分岐部から出力されたプローブ光とを入力し、これらテラヘルツ波とプローブ光との間の相関を検出するテラヘルツ波検出素子と、
    を備え、
    前記第１プリズムの前記凹部に前記第２プリズムの前記凸部が嵌合していないときに、前記第１プリズムの前記入射面に入力したテラヘルツ波を、前記第１プリズムの前記第１副反射面，前記反射面および前記第２副反射面の順に反射させ、前記第１プリズムの前記出射面から外部へ出力することで、前記第１プリズムの前記反射面に配置された測定対象物についての情報を、テラヘルツ波の全反射の際に生じる該テラヘルツ波のエバネセント成分により取得し、
    前記第１プリズムの前記凹部に前記第２プリズムの前記凸部が嵌合しているときに、前記第１プリズムの前記入射面に入力したテラヘルツ波を、前記第１プリズムの前記第１副反射面，前記第２プリズムの前記内部空間および前記第１プリズムの前記第２副反射面の順に透過させ、前記第１プリズムの前記出射面から外部へ出力することで、前記第２プリズムの前記内部空間に配置された測定対象物についての情報を、前記内部空間を透過するテラヘルツ波により取得する、
    ことを特徴とするテラヘルツ波測定装置。
  2. 前記第１プリズムの前記凹部と前記第２プリズムの前記凸部との嵌合の際に両者間のテラヘルツ波伝播経路上から気体を排除する接合用部材が挿入されることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波測定装置。
  3. 前記分岐部から前記テラヘルツ波検出素子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テラヘルツ波検出素子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記載のテラヘルツ波測定装置。
  4. 前記第２プリズムにおいてテラヘルツ波が入射または出射する面に、テラヘルツ波のうち特定方位の偏光成分を反射または透過させる偏光子が形成されている、ことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波測定装置。
  5. 前記第１プリズムの前記入射面に前記テラヘルツ波発生素子が一体に設けられていることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波測定装置。
  6. 前記第１プリズムの前記出射面に前記テラヘルツ波検出素子が一体に設けられていることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波測定装置。
  7. 前記第１プリズムの前記入射面の側に、前記第１プリズムの内部を伝播するテラヘルツ波に対してコリメート作用を奏する光学素子が形成されている、ことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波測定装置。
  8. 前記第１プリズムの前記出射面の側に、前記第１プリズムの内部を伝播するテラヘルツ波に対して集光作用を奏する光学素子が形成されている、ことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波測定装置。
  9. 前記第２プリズムにおいて前記内部空間に入力するテラヘルツ波に対してコリメート作用を奏する光学素子が形成されている、ことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波測定装置。
  10. 前記第２プリズムにおいて前記内部空間から出力されるテラヘルツ波に対して集光作用を奏する光学素子が形成されている、ことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波測定装置。
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