JP2008224452A - Device for measuring totally reflected terahertz wave - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、全反射テラヘルツ波測定装置に関するものである。 The present invention relates to a total reflection terahertz wave measuring apparatus.
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)。 The terahertz wave is an electromagnetic wave having a frequency of about 0.01 THz to 100 THz corresponding to an intermediate region between the light wave and the radio wave, and has an intermediate property between the light wave and the radio wave. As an application of such a terahertz wave, a technique for acquiring information on the measurement object by measuring a time waveform of the electric field amplitude of the terahertz wave transmitted or reflected by the measurement object has been studied (see Patent Document 1). reference).
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。 A technique for measuring information on a measurement object using a terahertz wave is generally as follows. That is, the pulsed light output from the light source (for example, femtosecond laser light source) is bifurcated by the branching unit into pump light and probe light. Among them, the pump light is input to a terahertz wave generating element (for example, a nonlinear optical crystal or a photoconductive antenna element), and thereby a pulsed terahertz wave is generated from the terahertz wave generating element. The generated terahertz wave is transmitted or reflected by the measurement target unit to acquire information (for example, absorption coefficient, refractive index) of the measurement target, and then the terahertz wave detection element at substantially the same timing as the probe light. (E.g., an electro-optic crystal or a photoconductive antenna element).
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。 In the terahertz wave detecting element to which the terahertz wave and the probe light are input, the correlation between both lights is detected. For example, when an electro-optic crystal is used as a terahertz wave detecting element, the terahertz wave and the probe light are combined by a multiplexing unit and incident on the electro-optic crystal, and birefringence occurs along with the propagation of the terahertz wave in the electro-optic crystal. Is induced, and the polarization state of the probe light changes due to the birefringence. A change in the polarization state of the probe light in the electro-optic crystal is detected, and consequently, the electric field amplitude of the terahertz wave is detected, and information on the measurement object is obtained.
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。
特許文献1に開示された技術は、測定対象物として固体だけでなく液体等の流動体をも測定することができるものの、テラヘルツ波を全反射させるプリズムの一平面上に測定対象物を配置する必要がある。しかし、測定対象物が流動体である場合、その流動的な測定対象物をプリズムの一平面上に配置して安定な測定を行うことは困難である。また、測定対象物に対して1回の全反射のみによるテラヘルツ波のエバネセント成分を照射するだけであるので、測定感度が低い。
Although the technique disclosed in
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、測定対象物が流動体であっても容易かつ高感度に測定することができる全反射テラヘルツ波測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a total reflection terahertz wave measuring apparatus that can easily and highly sensitively measure a measurement object even if it is a fluid. And
本発明に係る全反射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たテラヘルツ波を入射面に入力し、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複数の反射面で全反射させて、該テラヘルツ波を出射面から外部へ出力する内部多重全反射プリズムと、(5) 内部多重全反射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。さらに、本発明に係る全反射テラヘルツ波測定装置は、内部多重全反射プリズムの複数の反射面それぞれに配置された測定対象物についての情報を重畳して、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効率よく取得することを特徴とする。 The total reflection terahertz wave measuring apparatus according to the present invention includes (1) a light source that outputs light, and (2) two branches of light output from the light source, and one of the two branched lights is used as pump light and the other (3) a terahertz wave generating element that generates and outputs a terahertz wave by inputting pump light output from the branching part, and (4) a terahertz wave generating element that outputs the terahertz wave. An internal multiple total reflection prism that inputs a terahertz wave to the incident surface, propagates the input terahertz wave internally and totally reflects it by a plurality of reflecting surfaces, and outputs the terahertz wave from the emitting surface to the outside. ) A terahertz wave detection element that inputs the terahertz wave output from the exit surface of the internal multiple total reflection prism and the probe light output from the branching section and detects the correlation between the terahertz wave and the probe light. Characterized in that it comprises a and. Furthermore, the total reflection terahertz wave measuring apparatus according to the present invention superimposes information on the measurement object arranged on each of the plurality of reflection surfaces of the internal multiple total reflection prism, and the total reflection terahertz wave measurement apparatus generates the terahertz wave when it is totally reflected. It is characterized by being efficiently acquired by the evanescent component of the terahertz wave.
この全反射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して出力される。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、内部多重全反射プリズムの入射面に入力され、内部多重全反射プリズムの内部で伝播するとともに複数の反射面で全反射されて、内部多重全反射プリズムの出射面から外部へ出力される。内部多重全反射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。このとき、内部多重全反射プリズムの複数の反射面それぞれ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効率よく取得される。 In this total reflection terahertz wave measuring apparatus, the light output from the light source is bifurcated by the branching unit and output as pump light and probe light. The pump light output from the branching unit is input to the terahertz wave generating element, and a terahertz wave is generated and output by the terahertz wave generating element. The terahertz wave output from the terahertz wave generating element is input to the incident surface of the internal multiple total reflection prism, propagates inside the internal multiple total reflection prism, and is totally reflected by a plurality of reflection surfaces, thereby internally multiple total reflection prism. Is output to the outside from the exit surface. The terahertz wave output from the exit surface of the internal multiple total reflection prism and the probe light output from the branch part are input to the terahertz wave detection element, and the terahertz wave detection element causes the terahertz wave to be detected between the terahertz wave and the probe light. Correlation is detected. At this time, the information about the measurement object arranged on each of the plurality of reflection surfaces of the internal multiple total reflection prism is efficiently acquired by the evanescent component of the terahertz wave generated at the time of total reflection of the terahertz wave.
本発明に係る全反射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。 The total reflection terahertz wave measuring apparatus according to the present invention includes an optical path of pump light and a terahertz wave from the branching section to the terahertz wave detecting element, and an optical path of the probe light from the branching section to the terahertz wave detecting element. It is preferable to further include an optical path length difference adjusting unit for adjusting the difference. In this case, the optical path length difference adjustment unit adjusts the timing at which each of the terahertz wave and the probe light is input to the terahertz wave detection element, and the timing is swept so that the electric field amplitude of the pulse terahertz wave is adjusted. A time waveform is obtained. The optical path length difference adjusting unit may be provided in any optical system of pump light, probe light, and terahertz wave.
本発明に係る全反射テラヘルツ波測定装置は、内部多重全反射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り、また、この内部多重全反射プリズムの入射面に設けられたテラヘルツ波発生素子にポンプ光を導くポンプ光用光ファイバを更に備えるのが好適である。内部多重全反射プリズムの入射面の側に、内部多重全反射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。本発明に係る全反射テラヘルツ波測定装置は、内部多重全反射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り、また、この内部多重全反射プリズムの出射面に設けられたテラヘルツ波検出素子にプローブ光を導くプローブ光用光ファイバを更に備えるのが好適である。また、内部多重全反射プリズムの出射面の側に、内部多重全反射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。 In the total reflection terahertz wave measuring apparatus according to the present invention, it is preferable that the terahertz wave generating element is integrally provided on the incident surface of the internal multiple total reflection prism. It is preferable to further include an optical fiber for pump light that guides pump light to the provided terahertz wave generating element. It is preferable that an optical element having a collimating action with respect to the terahertz wave propagating through the internal multiple total reflection prism is formed on the incident surface side of the internal multiple total reflection prism. In the total reflection terahertz wave measuring apparatus according to the present invention, it is preferable that the terahertz wave detecting element is integrally provided on the output surface of the internal multiple total reflection prism, and the output surface of the internal multiple total reflection prism is provided. It is preferable to further include an optical fiber for probe light that guides the probe light to the provided terahertz wave detecting element. In addition, it is preferable that an optical element having a condensing function with respect to the terahertz wave propagating through the internal multiple total reflection prism is preferably formed on the exit surface side of the internal multiple total reflection prism.
このように、内部多重全反射プリズム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、これらの取り扱いが容易であり、また、小型化が可能である。また、内部多重全反射プリズムに一体に設けられたテラヘルツ波発生素子またはテラヘルツ波検出素子にポンプ光またはプローブ光を導く光ファイバが更に設けられていることにより、更に、これらの取り扱いが容易である。また、内部多重全反射プリズムに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。 As described above, since the terahertz wave generating element or the terahertz wave detecting element is integrally provided on the internal multiple total reflection prism, these can be handled easily and can be miniaturized. Further, since the terahertz wave generating element or the terahertz wave detecting element provided integrally with the internal multiple total reflection prism is further provided with an optical fiber for guiding the pump light or the probe light, the handling thereof is further facilitated. . Further, if an optical element (for example, a lens or an off-axis parabolic mirror) having a collimating function or a condensing function is formed on the internal multiple total reflection prism, the terahertz wave generating element or the terahertz wave detecting element is a photoconductive antenna element. Is advantageous.
内部多重全反射プリズムの入射面に入力されるテラヘルツ波の主光線と、内部多重全反射プリズムの出射面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のが好適である。この場合には、この内部多重全反射プリズムの位置に、内部多重全反射プリズムおよび測定対象物の何れかを選択して配置すれば、全反射測定法と透過測定法とを切り替えることができる。 It is preferable that the chief ray of the terahertz wave input to the incident surface of the internal multiple total reflection prism and the chief ray of the terahertz wave output from the exit surface of the internal multiple total reflection prism are on a common straight line. . In this case, the total reflection measurement method and the transmission measurement method can be switched by selecting and arranging either the internal multiple total reflection prism or the measurement object at the position of the internal multiple total reflection prism.
本発明に係る全反射テラヘルツ波測定装置は、測定対象物としての流動体および内部多重全反射プリズムのうち一方を他方に対して相対的に移動させる移動手段を更に備えるのが好適である。この場合には、測定が効率的に行われ得る。 The total reflection terahertz wave measuring apparatus according to the present invention preferably further includes moving means for moving one of the fluid as the measurement object and the internal multiple total reflection prism relative to the other. In this case, the measurement can be performed efficiently.
本発明に係る全反射テラヘルツ波測定装置は、測定対象物が流動体であっても容易かつ高感度に測定することができる。 The total reflection terahertz wave measuring apparatus according to the present invention can measure easily and with high sensitivity even if the measurement object is a fluid.
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。 The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same or equivalent elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. The configurations of the first comparative example and the second comparative example to be compared with the configuration of the embodiment of the present invention will be described first, and then the configuration of the embodiment will be described while comparing with the configuration of these comparative examples.
(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。
(First comparative example)
First, the terahertz
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。
The
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。
The
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。
The terahertz
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。
The terahertz wave is an electromagnetic wave having a frequency of about 0.01 THz to 100 THz corresponding to an intermediate region between the light wave and the radio wave, and has an intermediate property between the light wave and the radio wave. Further, the pulse terahertz wave is generated at a constant repetition period, and the pulse width is about several picoseconds. The terahertz wave output from the terahertz
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。
On the other hand, the probe light output from the branching
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。
The multiplexing
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。
The terahertz
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。
The
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。
The
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。
The terahertz
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。
The terahertz wave and the probe light input to the
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。 However, in such a transmission measurement method, since the absorption of terahertz waves by water is large, the measurement object S is usually limited to a dry solid. The total reflection terahertz wave measuring apparatus 9 according to the second comparative example described below can solve such a problem.
(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。
(Second comparative example)
Next, the total reflection terahertz wave measuring apparatus 9 according to the second comparative example will be described. FIG. 2 is a configuration diagram of the total reflection terahertz wave measuring apparatus 9 according to the second comparative example. A total reflection terahertz wave measuring device 9 shown in this figure acquires information on the measuring object S by a total reflection measurement method using a terahertz wave, and includes a
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。
Compared with the configuration of the terahertz
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。
In the terahertz wave measuring device 9, the terahertz wave output from the terahertz
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。
The terahertz wave and the probe light input to the
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。
In such a total reflection measurement method, measurement is possible even if the measurement object S arranged on the
この全反射測定法では、テラヘルツ波を全反射させるプリズム30の反射面30c上に測定対象物Sを配置する必要がある。しかし、測定対象物Sが流動体である場合、その流動的な測定対象物Sをプリズム30の反射面30c上に配置して安定な測定を行うことは困難である。また、測定対象物Sに対してテラヘルツ波のエバネセント成分を照射するのは1度だけであり、測定感度が低い。以下に説明する本実施形態に係る全反射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。
In this total reflection measurement method, it is necessary to dispose the measurement object S on the
(第1実施形態)
次に、本発明の第1実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置1について説明する。図3は、第1実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置1の構成図である。この図に示される全反射テラヘルツ波測定装置1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、内部多重全反射プリズム31、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。
(First embodiment)
Next, the total reflection terahertz
図2に示された第2比較例に係る全反射テラヘルツ波測定装置9の構成と比較すると、この図3に示される第1実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置1は、プリズム30に替えて内部多重全反射プリズム31を備える点で相違する。また、この全反射テラヘルツ波測定装置1では、図4に示されるように、流動体である測定対象物Sが容器60に入れられ、その測定対象物Sに内部多重全反射プリズム31が挿入される。
Compared with the configuration of the total reflection terahertz wave measuring apparatus 9 according to the second comparative example shown in FIG. 2, the total reflection terahertz
内部多重全反射プリズム31は、入射面31a,出射面31bおよび4つの反射面31c〜31fを有する。この内部多重全反射プリズム31は、テラヘルツ波発生素子20から出力されミラーM9で反射されたテラヘルツ波を入射面31a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4つの反射面31c〜31fで全反射させて、該テラヘルツ波を出射面31bからミラーM10を経て合波部16へ出力する。
The internal multiple
内部多重全反射プリズム31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、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(図示されるように例えば45度)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。
The internal multiple
内部多重全反射プリズム31は、容器60に入れられた測定対象物Sに挿入され、4つの反射面31c〜31fのうち3つの反射面31c〜31eそれぞれにおける全反射箇所が測定対象物Sに接する。内部多重全反射プリズム31は、多角柱形状(例えば図示されるように六角柱形状)を有しているのが好まし。この場合、多角柱形状の複数の側面が入射面,出射面および反射面の何れかとなり、上面および底面を保持具により保持することができる。
The internal multiple
この全反射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、ミラーM9により反射された後、内部多重全反射プリズム31の入射面31aに入力されて、内部多重全反射プリズム31の内部を伝播するとともに内部多重全反射プリズム31の反射面31c〜31fそれぞれで全反射される。
The total reflection terahertz
そのうち反射面31c〜31eそれぞれ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、測定対象物Sのうち各反射面の近傍にある部分に存在する。このことから、内部多重全反射プリズム31の反射面31c〜31eそれぞれで全反射された後のテラヘルツ波は、測定対象物Sのうち各反射面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、内部多重全反射プリズム31の出射面31bから外部へ出力される。内部多重全反射プリズム31から出力されたテラヘルツ波は、ミラーM10により反射されて、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。
Among them, the evanescent component of the terahertz wave is present in the portion of the measuring object S in the vicinity of each reflecting surface during total reflection on each of the reflecting
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。
The terahertz wave and the probe light input to the
なお、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、合波部16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。
The optical path length
以上のように、第1実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置1は、内部多重全反射プリズム31の複数の反射面それぞれに配置された測定対象物Sについての情報を重畳して、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。このことから、測定対象物Sが流動体であっても容易かつ高感度に測定することができる。また、反射角度、反射回数を明らかにできるので定量評価可能である。
As described above, the total reflection terahertz
なお、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。したがって、この空間において窒素パージを行うのが好ましい。
In addition, it is desirable that there is no or little moisture in the space where the terahertz wave propagates from the terahertz
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置2について説明する。図5は、第2実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置2の構成図である。この図に示される全反射テラヘルツ波測定装置2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、ビームスプリッタ17、テラヘルツ波発生素子20、内部多重全反射プリズム31、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。
(Second Embodiment)
Next, the total reflection terahertz
図3に示された第1実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置1の構成と比較すると、この図5に示される第2実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置2は、内部多重全反射プリズム31の入射面31aにテラヘルツ波発生素子20が一体的に設けられている点で相違し、内部多重全反射プリズム31の出射面31bにテラヘルツ波検出素子40が一体的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。また、この全反射テラヘルツ波測定装置2では、図6に示されるように、流動体である測定対象物Sが容器60に入れられ、その測定対象物Sに内部多重全反射プリズム31が挿入される。
Compared with the configuration of the total reflection terahertz
内部多重全反射プリズム31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、内部多重全反射プリズム31の入射面31a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、内部多重全反射プリズム31の出射面31b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内部多重全反射プリズム31の屈折率との間の中間または同等の屈折率を有するのが好ましい。
When integrating the terahertz
また、内部全反射プリズム31の反射面31b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31b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。
Further, it is preferable that the reflectance is high at the wavelength of the probe light at the joint position between the
この全反射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およびミラーM9により順次に反射されて、内部多重全反射プリズム31の入射面31a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内部多重全反射プリズム31の入射面31aに入力されて、内部多重全反射プリズム31の内部を伝播するとともに内部多重全反射プリズム31の反射面31c〜31fそれぞれで全反射される。
The total reflection terahertz
そのうち反射面31c〜31eそれぞれ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、測定対象物Sのうち各反射面の近傍にある部分に存在する。このことから、内部多重全反射プリズム31の反射面31c〜31eそれぞれで全反射された後のテラヘルツ波は、測定対象物Sのうち各反射面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、内部多重全反射プリズム31の出射面31bから出力され、空間伝播することなく直ちに、内部多重全反射プリズム31の出射面31b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。
Among them, the evanescent component of the terahertz wave is present in the portion of the measuring object S in the vicinity of each reflecting surface during total reflection on each of the reflecting
一方、分岐部12から出力されたプローブ光は、ミラーM4〜M8,ビームスプリッタ17およびミラーM10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。ミラーM10からテラヘルツ波検出素子40に入力されたテラヘルツ波は、テラヘルツ波検出素子40を通過した後に、内部多重全反射プリズム31の出射面31bで反射され、再びテラヘルツ波検出素子40を通過してミラーM10へ出力される。
On the other hand, the probe light output from the branching
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からミラーM10へ出力されたプローブ光は、ミラーM10で反射されて、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、測定対象物Sの特性が得られる。
The terahertz wave and the probe light are input to the terahertz
以上のように、第2実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置2は、内部多重全反射プリズム31の複数の反射面それぞれに配置された測定対象物S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。このことから、測定対象物Sが流動体であっても容易かつ高感度に測定することができる。また、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が内部多重全反射プリズム31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、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。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内部多重全反射プリズム31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、内部多重全反射プリズム31の入射面31aおよび出射面31b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。
As described above, the total reflection terahertz
次に、第2実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置2の変形例について説明する。以下に説明する変形例は、図6に示された内部多重全反射プリズムおよび当該周辺の構成に関するものである。
Next, a modification of the total reflection terahertz
図7は、第2実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置2における内部多重全反射プリズムおよび当該周辺の変形例を説明する図である。この図に示される内部多重全反射プリズム32は、図5中の内部多重全反射プリズム31に替えて用いられるものであって、入射面32aにテラヘルツ波発生素子20が一体的に設けられ、また、出射面32bにテラヘルツ波検出素子40が一体的に設けられている。また、内部多重全反射プリズム32は、入射面32a近傍の内部にレンズ32pが形成され、出射面32b近傍の内部にレンズ32qが形成されている。レンズ32pは、テラヘルツ波発生素子20で発生して内部多重全反射プリズム32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。レンズ32qは、内部多重全反射プリズム32の内部を伝播してテラヘルツ波検出素子40へ出力されるテラヘルツ波に対して集光作用を奏する。
FIG. 7 is a diagram illustrating an internal multiple total reflection prism in the total reflection terahertz
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内部多重全反射プリズム32の入射面32aに入力されレンズ32pによりコリメートされて、内部多重全反射プリズム32の内部を伝播するとともに内部多重全反射プリズム32の反射面32c〜32fそれぞれで全反射される。そのうち反射面32c〜32eそれぞれ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、測定対象物Sのうち各反射面の近傍にある部分に存在する。このことから、内部多重全反射プリズム32の反射面32c〜32eそれぞれで全反射された後のテラヘルツ波は、測定対象物Sのうち各反射面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、レンズ32qにより集光されて出射面32bから出力され、空間伝播することなく直ちに、内部多重全反射プリズム32の出射面32b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。
The terahertz wave output from the terahertz
このような内部多重全反射プリズム32は、図8で説明されるような工程を経て製造され得る。すなわち、内部多重全反射プリズム32と外形が同じであるプリズム32Aが用意され(同図(a))、同図中の破線で示される位置でプリズム32Aが切断されて部材32B,32Cおよび32Dとされる(同図(b))。このとき、切断位置は、レンズ32p,32qが設けられるべき中心位置である。次に、部材32B,32Cおよび32Dの何れかの切断面に凹部を形成し(同図(c))、その凹部に樹脂や粉末を充填し、部材32B,32Cおよび32D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、内部多重全反射プリズム32を製造することができる。
Such an internal multiple
なお、レンズ32p、32q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32A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32Aの屈折率より樹脂の屈折率が高い場合には、レンズ32p,32qの形状は凸レンズとされる。逆にプリズム32Aの屈折率より樹脂の屈折率が低い場合には、レンズ32p,32qの形状は凹レンズとされる。例えば、プリズム32A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。
The shapes of the
図9は、第2実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置2における内部多重全反射プリズムおよび当該周辺の変形例を説明する図である。この図に示される内部多重全反射プリズム33は、図5中の内部多重全反射プリズム31に替えて用いられるものであって、入射面33aにテラヘルツ波発生素子20が一体的に設けられ、また、出射面33bにテラヘルツ波検出素子40が一体的に設けられている。また、内部多重全反射プリズム33は、入射面33aにレンズ33pが形成され、出射面33bにレンズ33qが形成されている。レンズ33pは、テラヘルツ波発生素子20で発生して内部多重全反射プリズム33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。レンズ33qは、内部多重全反射プリズム33の内部を伝播してテラヘルツ波検出素子40へ出力されるテラヘルツ波に対して集光作用を奏する。
FIG. 9 is a diagram for explaining an internal multiple total reflection prism in the total reflection terahertz
レンズ33pは、入射面33aに形成された凹部に樹脂等が充填されたものである。レンズ33qは、出射面33bに形成された凹部に樹脂等が充填されたものである。なお、レンズ33p、33q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33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33の屈折率より樹脂の屈折率が高い場合には、レンズ33p,33qの形状は凸レンズとされる。逆にプリズム33の屈折率より樹脂の屈折率が低い場合には、レンズ33p,33qの形状は凹レンズとされる。
The
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内部多重全反射プリズム33の入射面33aに入力されレンズ33pによりコリメートされて、内部多重全反射プリズム33の内部を伝播するとともに内部多重全反射プリズム33の反射面33c〜33fそれぞれで全反射される。そのうち反射面33c〜33eそれぞれ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、測定対象物Sのうち各反射面の近傍にある部分に存在する。このことから、内部多重全反射プリズム33の反射面33c〜33eそれぞれで全反射された後のテラヘルツ波は、測定対象物Sのうち各反射面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、レンズ33qにより集光されて出射面33bから出力され、空間伝播することなく直ちに、内部多重全反射プリズム33の出射面33b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。
The terahertz wave output from the terahertz
その他、内部多重全反射プリズム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。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8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。 In addition, a Fresnel lens may be formed in or on the entrance surface or exit surface side of the internal multiple total reflection prism. When a Fresnel lens is formed inside, it can be formed by laser processing. Also, in the same manner as described in FIG. 8, the prism is cut and a Fresnel lens is formed on the cut surface. It can be joined to the original. By forming the lens in this manner, the terahertz wave can be collimated or condensed, and an image can be transferred.
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置3について説明する。図10は、第3実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置3の構成図である。この図に示される全反射テラヘルツ波測定装置3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、光路長差調整部14、テラヘルツ波発生素子21、内部多重全反射プリズム33、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。
(Third embodiment)
Next, a total reflection terahertz wave measuring apparatus 3 according to a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 is a configuration diagram of the total reflection terahertz wave measuring apparatus 3 according to the third embodiment. The total reflection terahertz wave measuring device 3 shown in this figure acquires information on the measuring object S by a total reflection measurement method using a terahertz wave, and includes a
この全反射テラヘルツ波測定装置3では、図11に示されるように、内部多重全反射プリズム33の入射面33aにテラヘルツ波発生素子21が一体的に設けられ、内部多重全反射プリズム33の出射面33bにテラヘルツ波検出素子41が一体的に設けられている。内部多重全反射プリズム33は、図9に示された構成を有する。また、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12に示されるような光導電アンテナ素子が用いられる。
In the total reflection terahertz wave measuring device 3, as shown in FIG. 11, the terahertz
図12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。
A
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。
In the
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。
In the
この全反射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から出力されたレーザ光は、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およびミラーM9により順次に反射されて、内部多重全反射プリズム33の入射面33a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。
The total reflection terahertz wave measuring apparatus 3 operates as follows. The laser light output from the
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内部多重全反射プリズム33の入射面33aに入力されレンズ33pによりコリメートされて、内部多重全反射プリズム33の内部を伝播するとともに内部多重全反射プリズム33の反射面33c〜33fそれぞれで全反射される。そのうち反射面33c〜33eそれぞれ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、測定対象物Sのうち各反射面の近傍にある部分に存在する。このことから、内部多重全反射プリズム33の反射面33c〜33eそれぞれで全反射された後のテラヘルツ波は、測定対象物Sのうち各反射面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、レンズ33qにより集光されて出射面33bから出力され、空間伝播することなく直ちに、内部多重全反射プリズム33の出射面33b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。
The terahertz wave output from the terahertz
分岐部12から出力されミラーM4〜M8,M11およびM10により順次に反射されて到達したプローブ光は、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。また、内部多重全反射プリズム33の出射面33bから出力されたテラヘルツ波も、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。
The probe light output from the branching
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、テラヘルツ波のスペクトルが求められ、さらに測定対象物Sの情報が得られる。
In the
この第3実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置3も、第2実施形態に係る全反射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。また、図2と同様に、ポンプ光をチョッピングする方法で検出可能である。このとき、信号発生部56は直流電圧を出力しており、光チョッパに同期して同期検出部57で検出できる。
The total reflection terahertz wave measuring apparatus 3 according to the third embodiment can also exhibit the same effect as the effect exhibited by the total reflection terahertz
次に、第3実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置3の変形例について説明する。以下に説明する変形例は、図11に示された内部多重全反射プリズムおよび当該周辺の構成に関するものである。図13は、第3実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置3における内部多重全反射プリズムおよび当該周辺の変形例を説明する図である。この図に示されるように、内部多重全反射プリズム33の入射面33aに設けられたテラヘルツ波発生素子21にポンプ光を導くポンプ光用光ファイバ71が設けられ、また、内部多重全反射プリズム33の出射面33bに設けられたテラヘルツ波検出素子41にプローブ光を導くプローブ光用光ファイバ72が設けられている。
Next, a modification of the total reflection terahertz wave measuring apparatus 3 according to the third embodiment will be described. The modification described below relates to the internal multiple total reflection prism shown in FIG. 11 and its peripheral configuration. FIG. 13 is a diagram for explaining a modified example of the internal multiple total reflection prism and its surroundings in the total reflection terahertz wave measuring apparatus 3 according to the third embodiment. As shown in this figure, an
また、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それぞれを含む部分は、光ファイバ71,72の先端部を含めて、防水対策が施されているのが好ましい。このようにすることにより、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と共に内部多重全反射プリズム33を測定対象物S中に完全に浸すことが可能となり、内部多重全反射プリズム33の上面である反射面33fにおけるテラヘルツ波のエバネセント成分も有効利用することができる。
In addition, it is preferable that the portion including the terahertz
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置4について説明する。図14は、第4実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置4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4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、内部多重全反射プリズム34、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。
(Fourth embodiment)
Next, a total reflection terahertz
図3に示された第1実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置1の構成と比較すると、この図14に示される第4実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置4は、内部多重全反射プリズム31に替えて内部多重全反射プリズム34を備える点で相違する。また、この全反射テラヘルツ波測定装置4では、流動体である測定対象物Sが容器60に入れられ、その測定対象物Sに内部多重全反射プリズム34が挿入される。
Compared with the configuration of the total reflection terahertz
内部多重全反射プリズム34は、入射面34a,出射面34bおよび反射面34c〜34eを有する。入射面34aおよび出射面34bは互いに平行である。これら入射面34aおよび出射面34bに対して反射面34cは垂直である。反射面34dおよび反射面34eは、反射面34cに対して対向する側にあり、V字型の切り欠き部を構成している。なお、入射面34aおよび出射面34bそれぞれは、内部を伝播して臨界角以上の入射角で入射するテラヘルツ波に対しては反射面として作用する。
The internal multiple
この内部多重全反射プリズム34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、入射面34aに対して垂直に入力されて内部に導入され、反射面34dにおいて全反射された後、入射面34a,出射面34bおよび反射面34cにおいて全反射される。そして、反射面34eにおいて全反射された後のテラヘルツ波は、出射面34bに対して垂直に出力される。
In the internal multiple
このような内部多重全反射プリズム34を用いた第4実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置4も、第1実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置1の動作と同様に動作し、また、第1実施形態に係る全反射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ことができる。
The total reflection terahertz
反射面34cにおけるテラヘルツ波の全反射位置は、入射面34aと出射面34bとの間の中心位置にあるのが好ましい。この場合、内部多重全反射プリズム34の入射面34aに入力されるテラヘルツ波の主光線と、内部多重全反射プリズム34の出射面34b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ことになる。このようにすることにより、この内部多重全反射プリズム34の位置に、内部多重全反射プリズム34および測定対象物の何れかを選択して配置すれば、全反射測定法と透過測定法とを切り替えることができる。
The total reflection position of the terahertz wave on the
V字型の切り欠き部を構成する反射面34dおよび反射面34eは、テラヘルツ波を高い反射率で反射させるために、金属膜が蒸着されているのが好ましい。また、反射面34cにも金属膜が蒸着されているのが好ましく、この場合には、反射面34cにおけるテラヘルツ波の反射は分光結果に寄与せず、反射面34cにおけるテラヘルツ波の入射角は任意でよいので、入射面34aおよび出射面34bそれぞれにおけるテラヘルツ波の入射角の自由度が高くなる。
The
入射面34aのうちのテラヘルツ波入射領域には、入力されたテラヘルツ波のうち特定方位の偏光性分を透過させる偏光子が設けられていてもよい。また、反射面34dには、テラヘルツ波のうち特定方位の偏光性分を反射させる偏光子が設けられていてもよい。このような偏光子として、例えば、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好ましい。
In the terahertz wave incident region of the
図15は、第4実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置4において内部多重全反射プリズム34に替えて用いられ得る内部多重全反射プリズム35を説明する図である。この内部多重全反射プリズム35も、入射面35a,出射面35bおよび反射面35c〜35eを有する。入射面35aおよび出射面35bは互いに平行である。これら入射面35aおよび出射面35bに対して反射面35cは垂直である。反射面35dおよび反射面35eは、反射面35cに対して対向する側にあり、V字型の切り欠き部を構成している。なお、入射面35aおよび出射面35bそれぞれは、内部を伝播するテラヘルツ波に対しては反射面として作用する。
FIG. 15 is a diagram illustrating an internal multiple
この内部多重全反射プリズム35でも、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、入射面35aに対して垂直に入力されて内部に導入され、反射面35dにおいて全反射された後、入射面35a,出射面35bおよび反射面35cにおいて全反射される。そして、反射面35eにおいて全反射された後のテラヘルツ波は、出射面35bに対して垂直に出力される。
Also in the internal multiple
特に、この内部多重全反射プリズム35では、V字型の切り欠き部を構成する反射面35dおよび反射面35eそれぞれは、対向する反射面35cに対して22.5度の傾斜を有している。これにより、反射面35dおよび反射面35eそれぞれは、金属膜が蒸着されていなくても、テラヘルツ波を全反射させることができる。また、入射面35a,出射面35bおよび反射面35cそれぞれにおけるテラヘルツ波の入射角は45度となる。
In particular, in the internal multiple
なお、内部多重全反射プリズム34,35それぞれにおいて、入射面のうちのテラヘルツ波入射領域に、テラヘルツ波発生素子が一体的に設けられていてもよいし、テラヘルツ波をコリメートするレンズが設けられていてもよいし、ポンプ光をテラヘルツ波発生素子に導く光ファイバが接続されていてもよい。また、内部多重全反射プリズム34,35それぞれにおいて、出射面のうちのテラヘルツ波出射領域に、テラヘルツ波検出素子が一体的に設けられていてもよいし、テラヘルツ波を集光するレンズが設けられていてもよいし、プローブ光をテラヘルツ波検出素子に導く光ファイバが接続されていてもよい。
In each of the internal multiple
(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置について説明する。以下に説明する第5実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置では、測定対象物としての流動体および内部多重全反射プリズムのうち一方を他方に対して相対的に移動させる移動手段が設けられている。なお、以下では、内部多重全反射プリズムおよび当該周辺について主に説明する。
(Fifth embodiment)
Next, a total reflection terahertz wave measuring apparatus according to a fifth embodiment of the present invention will be described. In the total reflection terahertz wave measuring apparatus according to the fifth embodiment described below, moving means for moving one of the fluid as the measurement object and the internal multiple total reflection prism relative to the other is provided. Yes. In the following, the internal multiple total reflection prism and the surroundings will be mainly described.
図16に示される全反射テラヘルツ波測定装置は、図3に示された第1実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置1の構成に加えて、測定対象物Sが入れられた容器60を移動させる移動手段としてステージ80およびベルトコンベア81を備える。図中で光学系1Aは、全反射テラヘルツ波測定装置1の構成のうち光源11から光検出器53A,53Bに到る迄のポンプ光,プローブ光およびテラヘルツ波それぞれの光学系(ただし、内部多重全反射プリズム31を除く)を含むものである。内部多重全反射プリズム31は、この光学系1Aに対して支持具82により固定されていて、位置が固定されている。測定対象物Sが入れられた容器60は、ステージ80上に載せられてベルトコンベア81上を水平移動し、また、ベルトコンベア81により所定位置まで来たところでステージ80と共に上下移動する。ステージ80と共に上方に移動したところで、このステージ80上に載せられている容器60に入れられた測定対象物Sに内部多重全反射プリズム31が挿入されて測定が行われ、測定が終了するとステージ80が下方に移動する。このようにして、複数の容器60それぞれに入れられた測定対象物Sが順次に測定される。
The total reflection terahertz wave measuring apparatus shown in FIG. 16 moves the
図17に示される全反射テラヘルツ波測定装置は、図13に示された内部多重全反射プリズム33を含む第3実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置3の構成(図10)を備えるものであり、その内部多重全反射プリズム33に支持具83が取り付けられている。内部多重全反射プリズム33の入射面に、テラヘルツ波発生素子21が一体的に設けられ、このテラヘルツ波発生素子21にポンプ光を導くポンプ光用光ファイバ71が設けられている。また、内部多重全反射プリズム33の出射面に、テラヘルツ波検出素子41が一体的に設けられ、このテラヘルツ波検出素子41にプローブ光を導くプローブ光用光ファイバ72が設けられている。支持具83は、内部多重全反射プリズム33の入射面,出射面および反射面のいずれでもない面に固定されている。この場合、支持具33を持って内部多重全反射プリズム33を移動させることにより、容器60内の測定対象部Sに内部多重全反射プリズム33が挿入されて測定が行われる。内部多重全反射プリズム33を測定対象物S中に完全に浸すことで、内部多重全反射プリズム33の上面である反射面におけるテラヘルツ波のエバネセント成分も有効利用することができる。
The total reflection terahertz wave measuring apparatus shown in FIG. 17 includes the configuration (FIG. 10) of the total reflection terahertz wave measuring apparatus 3 according to the third embodiment including the internal multiple
図18に示される全反射テラヘルツ波測定装置は、図13に示された内部多重全反射プリズム33を含む第3実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置3の構成(図10)を備えるものであり、その内部多重全反射プリズム33が移動機構84により上下移動可能となっている。測定対象物Sが入れられた容器60は、ベルトコンベア81上を水平移動する。或る容器60が内部多重全反射プリズム33の下方に来たときに、内部多重全反射プリズム33は、移動機構84により下方に移動して、容器60に入れられた測定対象物Sに挿入されて測定が行われ、測定が終了すると移動機構84により上方に移動する。図19に示される全反射テラヘルツ波測定装置は、図13に示された内部多重全反射プリズム33を含む第3実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置3の構成(図10)を備えるものであり、樋61に流れている測定対象物Sに移動機構84により内部多重全反射プリズム33が挿入される。この場合、測定対象物Sは樋81を流れることで移動して測定される。
The total reflection terahertz wave measuring apparatus shown in FIG. 18 includes the configuration (FIG. 10) of the total reflection terahertz wave measuring apparatus 3 according to the third embodiment including the internal multiple
図20に示される全反射テラヘルツ波測定装置は、図15に示された内部多重全反射プリズム35を含む第4実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置4の構成(図14)を備えるものであり、樋61に流れている測定対象物Sに内部多重全反射プリズム35が挿入される。この場合、測定対象物Sは樋81を流れることで移動して測定される。また、図21に示されるように、内部多重全反射プリズム35の入射面にテラヘルツ波発生素子20が一体的に設けられ、内部多重全反射プリズム35の出射面にテラヘルツ波検出素子40が一体的に設けられてもよい。
The total reflection terahertz wave measuring apparatus shown in FIG. 20 includes the configuration (FIG. 14) of the total reflection terahertz
1〜4…全反射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、31〜35…内部多重全反射プリズム、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、60…容器、71,72…光ファイバ、M1〜M11…ミラー、S…測定対象物。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1-4 ... Total reflection terahertz wave measuring apparatus, 11 ... Light source, 12 ... Branch part, 13 ... Chopper, 14 ... Optical path length difference adjustment part, 15 ... Polarizer, 16 ... Multiplexing part, 17 ... Beam splitter, 20, DESCRIPTION OF
Claims (10)
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たテラヘルツ波を入射面に入力し、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複数の反射面で全反射させて、該テラヘルツ波を出射面から外部へ出力する内部多重全反射プリズムと、
前記内部多重全反射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、
前記内部多重全反射プリズムの前記複数の反射面それぞれ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、
ことを特徴とする全反射テラヘルツ波測定装置。 A light source that outputs light;
A branching unit that splits the light output from the light source into two, and outputs one of the two branched light as pump light and the other as probe light;
A terahertz wave generating element that generates and outputs a terahertz wave by inputting the pump light output from the branch unit; and
The terahertz wave output from the terahertz wave generating element is input to the incident surface, the input terahertz wave is propagated inside and totally reflected by a plurality of reflecting surfaces, and the terahertz wave is output from the emitting surface to the outside. An internal multiple total reflection prism;
A terahertz wave detection element that inputs a terahertz wave output from the exit surface of the internal multiple total reflection prism and a probe light output from the branching unit and detects a correlation between the terahertz wave and the probe light When,
With
Information about the measurement object disposed on each of the plurality of reflection surfaces of the internal multiple total reflection prism is acquired by an evanescent component of the terahertz wave generated during total reflection of the terahertz wave.
A total reflection terahertz wave measuring device.
The total reflection terahertz wave measuring apparatus according to claim 1, further comprising moving means for moving one of the fluid as the measurement object and the internal multiple total reflection prism relative to the other.
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