JP2008224452A - Device for measuring totally reflected terahertz wave - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device for measuring totally reflected terahertz wave capable of readily measuring a measuring target with high sensitivity, even if the measuring target is a fluid material. <P>SOLUTION: The device 1 for measuring the terahertz wave is constituted so as to use a terahertz wave to acquire the data of the measuring target S by a total reflection measuring method and equipped with a light source 11, branch part 12, chopper 13, light path length difference adjusting part 14, polarizer 15, wave combining part 16, terahertz wave generation element 20, internal multiple total reflection prism 31, terahertz wave detection element 40, 1/4 wavelength plate 51, polarizing separation element 52, photodetectors 53A and 53B, differential amplifier 54 and lock-in amplifier 55. The internal multiple total reflection prism 31 inputs the terahertz wave outputted from the terahertz wave generation element 30 to the incident surface 31a, not only to propagate the input terahertz wave internally but also to totally reflect the same by four reflecting surfaces 31c-31f, to output the terahertz wave to the wave combining part 16 from the emitting surface 31b. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

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。
特開2004−354246号公報
When acquiring information on a measurement object using a terahertz wave, not only the transmission or reflection of the terahertz wave at the measurement target unit but also the terahertz wave is totally reflected on one plane of the prism as disclosed in Patent Document 1. In some cases, the information on the measurement object is acquired by the terahertz wave by generating the evanescent component and irradiating the measurement object on the plane with the evanescent component of the terahertz wave. According to the description in Patent Document 1, the technique using the total reflection of terahertz waves has an effect that the measurement object is not limited to a solid.
JP 2004-354246 A

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 Patent Document 1 can measure not only a solid but also a fluid such as a liquid as a measurement object, the measurement object is arranged on one plane of a prism that totally reflects a terahertz wave. There is a need. However, when the measurement object is a fluid, it is difficult to perform stable measurement by arranging the fluid measurement object on one plane of the prism. Further, since the object to be measured is only irradiated with the evanescent component of the terahertz wave by only one total reflection, the measurement sensitivity is low.

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 wave measuring apparatus 8 according to the first comparative example will be described. FIG. 1 is a configuration diagram of a terahertz wave measuring apparatus 8 according to a first comparative example. The terahertz wave measuring device 8 shown in this figure acquires information on the measuring object S by transmission measurement using terahertz waves, and includes a light source 11, a branching unit 12, a chopper 13, and an optical path length difference adjusting unit. 14, the polarizer 15, the multiplexing unit 16, the terahertz wave generating element 20, the terahertz wave detecting element 40, the quarter wavelength plate 51, the polarization separating element 52, the photodetector 53A, the photodetector 53B, the differential amplifier 54, and A lock-in amplifier 55 is provided.

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 light source 11 is a femtosecond pulse laser light source that outputs pulsed light with a constant repetition period and preferably outputs pulsed laser light having a pulse width of about femtoseconds. The branching unit 12 is, for example, a beam splitter, splits the pulsed light output from the light source 11 into two, outputs one of the two branched pulsed light to the mirror M1 as pump light, and the other as the probe light to mirror. Output to M4.

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 chopper 13 is provided on the optical path of the pump light between the branching section 12 and the mirror M1, and alternately repeats the passage and blocking of the pump light at a constant cycle. The pump light output from the branching unit 12 and passing through the chopper 13 is sequentially reflected by the mirrors M <b> 1 to M <b> 3 and input to the terahertz wave generating element 20. The optical system of pump light from the branching section 12 to the terahertz wave generating element 20 is hereinafter referred to as “pump optical system”.

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 wave generating element 20 generates and outputs a pulsed terahertz wave by inputting pump light. For example, a nonlinear optical crystal (for example, ZnTe), a photoconductive antenna element (for example, an optical switch using GaAs), It is configured to include either a semiconductor (for example, InAs) or a superconductor. When the terahertz wave generating element 20 includes a non-linear optical crystal, the terahertz wave generating element 20 can generate a terahertz wave by a non-linear optical phenomenon that occurs as pump light enters.

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 wave generation element 20 acquires information (for example, an absorption coefficient and a refractive index) of the measurement object S by passing through the measurement object S, and then is input to the multiplexing unit 16. The The terahertz wave optical system from the terahertz wave generating element 20 to the multiplexing unit 16 is hereinafter referred to as a “terahertz wave optical system”.

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 unit 12 is sequentially reflected by the mirrors M4 to M8, passes through the polarizer 15, and is input to the multiplexing unit 16. The optical system of the probe light from the branching unit 12 to the multiplexing unit 16 is hereinafter referred to as “probe optical system”. The four mirrors M4 to M7 constitute an optical path length difference adjusting unit 14. That is, when the mirrors M5 and M6 move, the optical path length between the mirrors M4 and M7 and the mirrors M5 and M6 is adjusted, and the optical path length of the probe optical system is adjusted. As a result, the optical path length difference adjusting unit 14 includes the optical path of the pump optical system and the terahertz wave optical system from the branching unit 12 to the multiplexing unit 16 and the probe from the branching unit 12 to the multiplexing unit 16. The difference from the optical path of the optical system can be adjusted.

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 unit 16 inputs the terahertz wave output from the terahertz wave generation element 20 and transmitted through the measurement object S, and the probe light output from the branching unit 12 and arrived, and the terahertz wave and the probe light are coaxial with each other. Are combined and output to the terahertz wave detecting element 40. The combining unit 16 is preferably a pellicle that is a film-like mirror that is bonded to a rigid support frame and stretched thinly.

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 wave detection element 40 detects a correlation between the terahertz wave and the probe light. When the terahertz wave detecting element 40 includes an electro-optic crystal, the terahertz wave detecting element 40 receives the terahertz wave and the probe light output from the multiplexing unit 16, and birefringence is caused by the Pockels effect as the terahertz wave propagates. The probe light is induced and the polarization state of the probe light is changed by the birefringence, and the probe light is output. Since the amount of birefringence at this time depends on the electric field strength of the terahertz wave, the amount of change in the polarization state of the probe light in the terahertz wave detecting element 40 depends on the electric field strength of the terahertz wave.

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 polarization separation element 52 is, for example, a Wollaston prism, and receives the probe light output from the terahertz wave detection element 40 and passed through the quarter wavelength plate 51, and separates the input probe light into two orthogonal polarization components. And output. The photodetectors 53A and 53B include, for example, photodiodes, detect the powers of the two polarization components of the probe light polarized and separated by the polarization separation element 52, and differentiate the electric signals having values corresponding to the detected powers. Output to the dynamic amplifier 54.

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 differential amplifier 54 receives the electric signal output from each of the photodetectors 53A and 53B, and outputs an electric signal having a value corresponding to the difference between the two electric signals to the lock-in amplifier 55. The lock-in amplifier 55 synchronously detects the electrical signal output from the differential amplifier 54 at the repetition frequency of passing and blocking the pump light in the chopper 13. The signal output from the lock-in amplifier 55 has a value that depends on the electric field strength of the terahertz wave. In this manner, the correlation between the terahertz wave transmitted through the measurement object S and the probe light is detected, and the electric field amplitude of the terahertz wave is detected, so that information on the measurement object S can be obtained.

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 wave measuring device 8 operates as follows. The pulsed light output from the light source 11 is bifurcated by the branching unit 12 to be pump light and probe light. The pump light output from the branching unit 12 is sequentially reflected by the mirrors M <b> 1 to M <b> 3 and input to the terahertz wave generating element 20. The terahertz wave generating element 20 generates and outputs a terahertz wave in response to the input of pump light. The terahertz wave output from the terahertz wave generating element 20 passes through the measurement target portion S and is input to the multiplexing portion 16. On the other hand, the probe light output from the branching unit 12 is sequentially reflected by the mirrors M <b> 4 to M <b> 8, is linearly polarized by the polarizer 15, and is input to the multiplexing unit 16.

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 multiplexing unit 16 are combined by the multiplexing unit 16 so as to be coaxial with each other, and input to the terahertz wave detecting element 40 at substantially the same timing. In the terahertz wave detecting element 40 to which the terahertz wave and the probe light are input, birefringence is induced as the terahertz wave propagates, and the polarization state of the probe light changes due to the birefringence. The polarization state of the probe light in the terahertz wave detection element 40 is detected by the quarter wavelength plate 51, the polarization separation element 52, the photodetector 53A, the photodetector 53B, the differential amplifier 54, and the lock-in amplifier 55. The In this way, a change in the polarization state of the probe light in the terahertz wave detection element 40 is detected, and consequently, the electric field amplitude of the terahertz wave is detected, and the characteristic of the measurement object S is obtained.

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 light source 11, a branching unit 12, a chopper 13, an optical path length. Difference adjusting unit 14, polarizer 15, multiplexing unit 16, terahertz wave generating element 20, prism 30, terahertz wave detecting element 40, quarter wavelength plate 51, polarization separating element 52, photodetector 53A, photodetector 53B A differential amplifier 54 and a lock-in amplifier 55.

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 wave measuring apparatus 8 according to the first comparative example shown in FIG. 1, the total reflection terahertz wave measuring apparatus 9 according to the second comparative example shown in FIG. The difference is that a prism 30 is provided. The prism 30 inputs the terahertz wave output from the terahertz wave generating element 20 to the incident surface 30a, propagates the input terahertz wave inside, totally reflects the reflected surface 30c, and the terahertz wave after being totally reflected. Is output from the output surface 30 b to the multiplexing unit 16. The prism 30 is a duff prism, and the chief ray of the terahertz wave input to the incident surface 30a and the chief ray of the terahertz wave output from the exit surface 30b are on a common straight line. The measuring object S is disposed on the reflecting surface 30 c of the prism 30.

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 wave generating element 20 is input to the incident surface 30 a of the prism 30, propagates through the prism 30 and is totally reflected by the reflecting surface 30 c of the prism 30. The At the time of the total reflection, an evanescent component of the terahertz wave is present in a portion of the measuring object S in the vicinity of the reflecting surface 30c. From this, the terahertz wave after being totally reflected by the reflecting surface 30c of the prism 30 acquires information on a portion of the measuring object S in the vicinity of the reflecting surface 30c. Then, the totally reflected terahertz wave propagates inside the prism 30 and is output to the outside from the emission surface 30 b of the prism 30. The terahertz wave output from the prism 30 is input to the multiplexing unit 16 together with the probe light that has passed through the probe optical system.

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 multiplexing unit 16 are combined by the multiplexing unit 16 so as to be coaxial with each other, and input to the terahertz wave detecting element 40 at substantially the same timing. In the terahertz wave detecting element 40 to which the terahertz wave and the probe light are input, birefringence is induced as the terahertz wave propagates, and the polarization state of the probe light changes due to the birefringence. The polarization state of the probe light in the terahertz wave detection element 40 is detected by the quarter wavelength plate 51, the polarization separation element 52, the photodetector 53A, the photodetector 53B, the differential amplifier 54, and the lock-in amplifier 55. The In this way, a change in the polarization state of the probe light in the terahertz wave detection element 40 is detected, and consequently, the electric field amplitude of the terahertz wave is detected, and the characteristic of the measurement object S is obtained.

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 reflection surface 30c of the prism 30 contains moisture. However, it is desirable that there is no or little moisture in the space where the terahertz wave propagates from the terahertz wave generating element 20 to the terahertz wave detecting element 40.

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 reflection surface 30c of the prism 30 that totally reflects the terahertz wave. However, when the measurement object S is a fluid, it is difficult to perform stable measurement by arranging the fluid measurement object S on the reflecting surface 30c of the prism 30. Further, the evanescent component of the terahertz wave is irradiated to the measuring object S only once, and the measurement sensitivity is low. The total reflection terahertz wave measuring apparatus according to the present embodiment described below can solve such problems.

(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 wave measuring apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a configuration diagram of the total reflection terahertz wave measuring apparatus 1 according to the first embodiment. The total reflection terahertz wave measuring apparatus 1 shown in this figure acquires information on the measuring object S by a total reflection measurement method using terahertz waves, and includes a light source 11, a branching unit 12, a chopper 13, an optical path length. Difference adjustment unit 14, polarizer 15, multiplexing unit 16, terahertz wave generation element 20, internal multiple total reflection prism 31, terahertz wave detection element 40, ¼ wavelength plate 51, polarization separation element 52, photodetector 53A, A photodetector 53B, a differential amplifier 54, and a lock-in amplifier 55 are provided.

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 wave measuring apparatus 1 according to the first embodiment shown in FIG. The difference is that an internal multiple total reflection prism 31 is provided. In the total reflection terahertz wave measuring apparatus 1, as shown in FIG. 4, a measurement object S that is a fluid is placed in a container 60, and an internal multiple total reflection prism 31 is inserted into the measurement object S. The

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 total reflection prism 31 has an entrance surface 31a, an exit surface 31b, and four reflection surfaces 31c to 31f. The internal multiple total reflection prism 31 inputs the terahertz wave output from the terahertz wave generation element 20 and reflected by the mirror M9 to the incident surface 31a, propagates the input terahertz wave inside, and also reflects the four reflection surfaces 31c to 31c. The terahertz wave is totally reflected by 31 f and output to the multiplexing unit 16 from the emission surface 31 b through the mirror M 10.

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 total reflection prism 31 is transparent at the wavelength of the terahertz wave output from the terahertz wave generating element 20, and is made of a material having a refractive index higher than that of the measuring object S, for example, silicon. preferable. Silicon is transparent in the wavelength band of terahertz waves, and has a refractive index of 3.4 at a wavelength of 1 THz. For example, assuming that the main component of the measuring object S is water, the refractive index at a wavelength of 1 THz of water is 2.0. At this time, since the critical angle is 36 degrees (= sin −1 (2.0 / 3.4)), total reflection occurs when the incident angle is larger than this critical angle (for example, 45 degrees as shown). Similarly, total reflection occurs when the measuring object S is a gas.

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 total reflection prism 31 is inserted into the measurement object S contained in the container 60, and the total reflection points on the three reflection surfaces 31 c to 31 e out of the four reflection surfaces 31 c to 31 f are in contact with the measurement object S. . The internal multiple total reflection prism 31 preferably has a polygonal column shape (for example, a hexagonal column shape as shown). In this case, the plurality of polygonal columnar side surfaces are any of the entrance surface, the exit surface, and the reflection surface, and the top surface and the bottom surface can be held by the holder.

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 wave measuring apparatus 1 operates as follows. The pulsed light output from the light source 11 is bifurcated by the branching unit 12 to be pump light and probe light. The pump light output from the branching unit 12 is sequentially reflected by the mirrors M <b> 1 to M <b> 3 and input to the terahertz wave generating element 20. The terahertz wave generating element 20 generates and outputs a terahertz wave in response to the input of pump light. The terahertz wave output from the terahertz wave generating element 20 is reflected by the mirror M9 and then input to the incident surface 31a of the internal multiple total reflection prism 31, and propagates through the internal multiple total reflection prism 31 and is internally multiplexed. Total reflection is performed on each of the reflection surfaces 31 c to 31 f of the total reflection prism 31.

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 surfaces 31c to 31e. From this, the terahertz wave after being totally reflected by each of the reflection surfaces 31c to 31e of the internal multiple total reflection prism 31 acquires information on a portion of the measurement object S in the vicinity of each reflection surface. Then, the totally reflected terahertz wave is output from the emission surface 31 b of the internal multiple total reflection prism 31 to the outside. The terahertz wave output from the internal multiple total reflection prism 31 is reflected by the mirror M10 and input to the multiplexing unit 16 together with the probe light that has passed through the probe optical system.

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 multiplexing unit 16 are combined by the multiplexing unit 16 so as to be coaxial with each other, and input to the terahertz wave detecting element 40 at substantially the same timing. In the terahertz wave detecting element 40 to which the terahertz wave and the probe light are input, birefringence is induced as the terahertz wave propagates, and the polarization state of the probe light changes due to the birefringence. The polarization state of the probe light in the terahertz wave detection element 40 is detected by the quarter wavelength plate 51, the polarization separation element 52, the photodetector 53A, the photodetector 53B, the differential amplifier 54, and the lock-in amplifier 55. The In this way, a change in the polarization state of the probe light in the terahertz wave detection element 40 is detected, and consequently, the electric field amplitude of the terahertz wave is detected, and the characteristic of the measurement object S is obtained.

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 difference adjusting unit 14 adjusts the optical path length between the mirrors M4 and M7 and the mirrors M5 and M6, and adjusts the optical path length of the probe optical system, so that the terahertz input to the multiplexing unit 16 is achieved. The timing difference between the wave and the probe light is adjusted. As described above, the pulse width of the terahertz wave is generally about picoseconds, whereas the pulse width of the probe light is about femtoseconds, and the pulse width of the probe light is several orders of magnitude narrower than that of the terahertz wave. From this, the time waveform of the electric field amplitude of the pulsed terahertz wave is obtained by sweeping the incident timing of the probe light to the terahertz wave detecting element 40 by the optical path length difference adjusting unit 14.

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 wave measuring apparatus 1 according to the first embodiment superimposes information about the measurement object S arranged on each of the plurality of reflection surfaces of the internal multiple total reflection prism 31 to generate a terahertz wave. It is acquired by the evanescent component of the terahertz wave generated during total reflection of the terahertz wave. From this, even if the measuring object S is a fluid, it can be measured easily and with high sensitivity. Further, since the reflection angle and the number of reflections can be clarified, quantitative evaluation is possible.

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 wave generating element 20 to the terahertz wave detecting element 40. Therefore, it is preferable to perform a nitrogen purge in this space.

(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 wave measuring apparatus 2 according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a configuration diagram of the total reflection terahertz wave measuring apparatus 2 according to the second embodiment. The total reflection terahertz wave measuring apparatus 2 shown in this figure acquires information on the measuring object S by a total reflection measurement method using terahertz waves, and includes a light source 11, a branching unit 12, a chopper 13, an optical path length. Difference adjustment unit 14, polarizer 15, beam splitter 17, terahertz wave generating element 20, internal multiple total reflection prism 31, terahertz wave detecting element 40, quarter wavelength plate 51, polarization separating element 52, photodetector 53A, light A detector 53B, a differential amplifier 54, and a lock-in amplifier 55 are provided.

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 wave measuring apparatus 1 according to the first embodiment shown in FIG. 3, the total reflection terahertz wave measuring apparatus 2 according to the second embodiment shown in FIG. The difference is that the terahertz wave generating element 20 is integrally provided on the incident surface 31 a of the prism 31, and the terahertz wave detecting element 40 is integrally provided on the emission surface 31 b of the internal multiple total reflection prism 31. Further, the difference is that a beam splitter 17 is provided instead of the multiplexing unit 16. In the total reflection terahertz wave measuring apparatus 2, as shown in FIG. 6, a measurement object S that is a fluid is placed in a container 60, and an internal multiple total reflection prism 31 is inserted into the measurement object S. The

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 wave generation element 20 and the terahertz wave detection element 40 with the internal multiple total reflection prism 31, the terahertz wave generation element 20 is bonded to the incident surface 31a of the internal multiple total reflection prism 31 with an adhesive, Further, the terahertz wave detecting element 40 is bonded to the emission surface 31b of the internal multiple total reflection prism 31 with an adhesive. The adhesive used at this time is transparent at the wavelength of the terahertz wave, and is an intermediate between the refractive indexes of the terahertz wave generating element 20 and the terahertz wave detecting element 40 and the refractive index of the internal multiple total reflection prism 31. Or it is preferable to have an equivalent refractive index.

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 reflection surface 31 b of the internal total reflection prism 31 and the terahertz wave detection element 40. A dielectric multilayer film may be formed on the reflecting surface 31b, and thus, it may be transparent to the terahertz wave and have a high reflectance with respect to the probe light wavelength.

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 wave measuring apparatus 2 operates as follows. The pulsed light output from the light source 11 is bifurcated by the branching unit 12 to be pump light and probe light. The pump light output from the branching unit 12 is sequentially reflected by the mirrors M1 to M3 and the mirror M9 and input to the terahertz wave generating element 20 provided integrally with the incident surface 31a of the internal multiple total reflection prism 31. Is done. The terahertz wave generating element 20 generates and outputs a terahertz wave in response to the input of pump light. The terahertz wave output from the terahertz wave generating element 20 is immediately input to the incident surface 31a of the internal multiple total reflection prism 31 without being propagated in space, and propagates through the internal multiple total reflection prism 31 and is subjected to internal multiple total reflection. Total reflection is performed on each of the reflecting surfaces 31 c to 31 f of the prism 31.

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 surfaces 31c to 31e. From this, the terahertz wave after being totally reflected by each of the reflection surfaces 31c to 31e of the internal multiple total reflection prism 31 acquires information on a portion of the measurement object S in the vicinity of each reflection surface. Then, the totally reflected terahertz wave is output from the exit surface 31b of the internal multiple total reflection prism 31 and immediately integrated with the output surface 31b of the internal multiple total reflection prism 31 without being propagated in space. Input to the terahertz wave detection element 40.

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 unit 12 is sequentially reflected by the mirrors M4 to M8, the beam splitter 17 and the mirror M10 and input to the terahertz wave detecting element 40. The terahertz wave input from the mirror M10 to the terahertz wave detection element 40 passes through the terahertz wave detection element 40, is reflected by the emission surface 31b of the internal multiple total reflection prism 31, and passes through the terahertz wave detection element 40 again. Output to the mirror M10.

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 wave detecting element 40 at substantially the same timing so as to be coaxial with each other. In the terahertz wave detecting element 40 to which the terahertz wave and the probe light are input, birefringence is induced as the terahertz wave propagates, and the polarization state of the probe light changes due to the birefringence. The probe light output from the terahertz wave detection element 40 to the mirror M10 is reflected by the mirror M10 and passes through the beam splitter 17. The polarization state of the probe light is detected by the quarter-wave plate 51, the polarization separation element 52, the photodetector 53A, the photodetector 53B, the differential amplifier 54, and the lock-in amplifier 55. In this way, a change in the polarization state of the probe light in the terahertz wave detection element 40 is detected, and consequently, the electric field amplitude of the terahertz wave is detected, and the characteristic of the measurement object S is obtained.

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 wave measuring apparatus 2 according to the second embodiment uses the information about the measurement object S arranged on each of the plurality of reflection surfaces of the internal multiple total reflection prism 31 as the total reflection of the terahertz wave. It is acquired by the evanescent component of the terahertz wave generated at the time. From this, even if the measuring object S is a fluid, it can be measured easily and with high sensitivity. Further, since the terahertz wave generating element 20 and the terahertz wave detecting element 40 are provided integrally with the internal multiple total reflection prism 31, they are easy to handle, and this point can be easily measured. Further, the size can be reduced. Further, since the terahertz wave propagates through the internal multiple total reflection prism 31 without spatial propagation from the terahertz wave generating element 20 to the terahertz wave detecting element 40, it is not necessary to perform nitrogen purge, and this point is also easy. It can be measured and can be miniaturized. Furthermore, since the loss of the terahertz wave on each of the entrance surface 31a and the exit surface 31b of the internal multiple total reflection prism 31 is reduced, it is possible to measure with high sensitivity also in this respect.

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 wave measuring apparatus 2 according to the second embodiment will be described. The modification described below relates to the internal multiple total reflection prism shown in FIG. 6 and its peripheral configuration.

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 wave measuring apparatus 2 according to the second embodiment and a modification of the periphery. The internal multiple total reflection prism 32 shown in this figure is used in place of the internal multiple total reflection prism 31 in FIG. 5, and the terahertz wave generating element 20 is integrally provided on the incident surface 32a. The terahertz wave detecting element 40 is integrally provided on the emission surface 32b. In the internal multiple total reflection prism 32, a lens 32p is formed in the vicinity of the entrance surface 32a, and a lens 32q is formed in the vicinity of the exit surface 32b. The lens 32 p has a collimating effect on the terahertz wave generated by the terahertz wave generating element 20 and propagating through the internal multiple total reflection prism 32. The lens 32q has a condensing effect on the terahertz wave that propagates through the internal multiple total reflection prism 32 and is output to the terahertz wave detecting element 40.

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 wave generating element 20 is immediately input to the incident surface 32a of the internal multiple total reflection prism 32 without being propagated in space, collimated by the lens 32p, and propagates inside the internal multiple total reflection prism 32. At the same time, the light is totally reflected at each of the reflection surfaces 32c to 32f of the internal multiple total reflection prism 32. Among them, the evanescent component of the terahertz wave is present in a portion of the measuring object S in the vicinity of each reflecting surface during total reflection at each of the reflecting surfaces 32c to 32e. From this, the terahertz wave after being totally reflected by each of the reflection surfaces 32c to 32e of the internal multiple total reflection prism 32 acquires information on a portion of the measurement object S in the vicinity of each reflection surface. Then, the totally reflected terahertz wave is collected by the lens 32q and output from the exit surface 32b, and immediately integrated with the exit surface 32b of the internal multiple total reflection prism 32 without being propagated in space. Input to the terahertz wave detection element 40.

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 total reflection prism 32 can be manufactured through a process as illustrated in FIG. That is, a prism 32A having the same outer shape as that of the internal multiple total reflection prism 32 is prepared ((a) in the figure), and the prism 32A is cut at a position indicated by a broken line in the figure to form members 32B, 32C, and 32D. (FIG. 5B). At this time, the cutting position is a center position where the lenses 32p and 32q should be provided. Next, a recess is formed in one of the cut surfaces of the members 32B, 32C, and 32D (FIG. 3C), and the recess is filled with resin or powder, and the members 32B, 32C, and 32D are joined together. Then, the resin is cured or the powder is compacted. In this way, the internal multiple total reflection prism 32 can be manufactured.

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 lenses 32p and 32q depend on the relationship between the refractive index of the resin filled in the concave portion and the refractive index of the prism 32A. That is, when the refractive index of the resin is higher than the refractive index of the prism 32A at the terahertz wavelength, the lenses 32p and 32q are convex lenses. Conversely, when the refractive index of the resin is lower than the refractive index of the prism 32A, the shape of the lenses 32p and 32q is a concave lens. For example, the prism 32A is made of silicon, and the resin filled in the recesses is made of polyethylene.

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 wave measuring apparatus 2 according to the second embodiment and a modification of the periphery. The internal multiple total reflection prism 33 shown in this figure is used in place of the internal multiple total reflection prism 31 in FIG. 5, and the terahertz wave generating element 20 is integrally provided on the incident surface 33a. The terahertz wave detecting element 40 is integrally provided on the emission surface 33b. The internal multiple total reflection prism 33 has a lens 33p formed on the entrance surface 33a and a lens 33q formed on the exit surface 33b. The lens 33 p has a collimating effect on the terahertz wave generated by the terahertz wave generating element 20 and propagating through the internal multiple total reflection prism 33. The lens 33q has a condensing effect on the terahertz wave that propagates through the internal multiple total reflection prism 33 and is output to the terahertz wave detecting element 40.

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 lens 33p is formed by filling a concave portion formed on the incident surface 33a with a resin or the like. The lens 33q is a lens in which a recess formed in the emission surface 33b is filled with resin or the like. The shapes of the lenses 33p and 33q depend on the relationship between the refractive index of the resin filled in the concave portion and the refractive index of the prism 33. That is, when the refractive index of the resin is higher than the refractive index of the prism 33 at the terahertz wavelength, the shapes of the lenses 33p and 33q are convex lenses. Conversely, when the refractive index of the resin is lower than the refractive index of the prism 33, the lenses 33p and 33q are concave lenses.

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 wave generating element 20 is immediately input to the incident surface 33a of the internal multiple total reflection prism 33 without being propagated in space, collimated by the lens 33p, and propagates inside the internal multiple total reflection prism 33. At the same time, the internal multiple total reflection prism 33 is totally reflected by each of the reflection surfaces 33c to 33f. 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 at each of the reflecting surfaces 33c to 33e. From this, the terahertz wave after being totally reflected by each of the reflection surfaces 33c to 33e of the internal multiple total reflection prism 33 acquires information on a portion of the measurement object S in the vicinity of each reflection surface. Then, the totally reflected terahertz wave is collected by the lens 33q and output from the exit surface 33b, and is immediately integrated with the exit surface 33b of the internal multiple total reflection prism 33 without being propagated in space. Input to the terahertz wave detection element 40.

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 light source 11, a branching unit 12, and an optical path length difference adjusting unit. 14, a terahertz wave generation element 21, an internal multiple total reflection prism 33, a terahertz wave detection element 41, a signal generation unit 56, and a synchronization detection unit 57.

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 wave generating element 21 is integrally provided on the incident surface 33 a of the internal multiple total reflection prism 33, and the output surface of the internal multiple total reflection prism 33. A terahertz wave detecting element 41 is integrally provided at 33b. The internal multiple total reflection prism 33 has the configuration shown in FIG. Further, as each of the terahertz wave generating element 21 and the terahertz wave detecting element 41, a photoconductive antenna element as shown in FIG. 12 is used.

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 photoconductive antenna element 100 shown in FIG. 12 is used as the terahertz wave generating element 21 or the terahertz wave detecting element 41, and is formed on, for example, a semi-insulating GaAs substrate 101 and the GaAs substrate 101. And a pair of electrodes 103 and 104 formed on the GaAs layer 102. The GaAs layer 102 is epitaxially grown at a low temperature (for example, 200 to 250 ° C.) by MBE, and has a thickness of 1 to 3 μm, for example. The electrode 103 and the electrode 104 are ohmic electrodes such as AuGe / Au, the length of the antenna is, for example, 20 μm to 2 mm, and the distance between them is, for example, 3 to 10 μm. The GaAs layer 102 formed by low temperature epitaxial growth has a short carrier lifetime, high carrier mobility, and high impedance.

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 photoconductive antenna element 100 as the terahertz wave generating element 21, when a voltage is applied between the electrode 103 and the electrode 104, pump light is applied to the region of the GaAs layer 102 between the electrode 103 and the electrode 104. When irradiated, electron-hole pairs are generated in the GaAs layer 102. The electrons move by being accelerated by a voltage applied between the electrode 103 and the electrode 104. Thereby, a current is generated between the electrode 103 and the electrode 104, and a terahertz wave is generated. A voltage having a constant period is applied by the signal generator 56 between the electrode 103 and the electrode 104 of the photoconductive antenna element 100 as the terahertz wave generating element 21.

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 photoconductive antenna element 100 as the terahertz wave detection element 41, a current representing the correlation between the electrodes 103 and 104 is generated in response to the incidence of the terahertz wave and the probe light. Based on this correlation, the spectrum of the terahertz wave can be obtained, and information on the measurement object can be obtained. The current generated between the electrode 103 and the electrode 104 of the photoconductive antenna element 100 as the terahertz wave detecting element 41 is caused by the synchronization detecting unit 57 to generate a terahertz wave generation period (that is, the signal generating unit 56) in the terahertz wave generating element 21. Is detected in synchronization with the period of voltage application.

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 light source 11 is bifurcated by the branching unit 12 to be pump light and probe light. The pump light output from the branching unit 12 is sequentially reflected by the mirrors M1 to M3 and the mirror M9, and input to the terahertz wave generating element 21 provided integrally with the incident surface 33a of the internal multiple total reflection prism 33. Is done. In the photoconductive antenna element 100 as the terahertz wave generating element 21, a voltage having a constant period is applied between the electrode 103 and the electrode 104 by the signal generating unit 56, and pump light is applied between the electrode 103 and the electrode 104. As a result, a terahertz wave is generated.

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 wave generating element 21 is immediately input to the incident surface 33a of the internal multiple total reflection prism 33 without being propagated in space, collimated by the lens 33p, and propagates inside the internal multiple total reflection prism 33. At the same time, the internal multiple total reflection prism 33 is totally reflected by each of the reflection surfaces 33c to 33f. 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 at each of the reflecting surfaces 33c to 33e. From this, the terahertz wave after being totally reflected by each of the reflection surfaces 33c to 33e of the internal multiple total reflection prism 33 acquires information on a portion of the measurement object S in the vicinity of each reflection surface. Then, the totally reflected terahertz wave is collected by the lens 33q and output from the exit surface 33b, and is immediately integrated with the exit surface 33b of the internal multiple total reflection prism 33 without being propagated in space. Input to the terahertz wave detection element 41.

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 unit 12 and sequentially reflected by the mirrors M4 to M8, M11, and M10 is input between the electrode 103 and the electrode 104 of the photoconductive antenna element 100 as the terahertz wave detecting element 41. The The terahertz wave output from the exit surface 33 b of the internal multiple total reflection prism 33 is also input between the electrode 103 and the electrode 104 of the photoconductive antenna element 100 as the terahertz wave detection element 41.

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 photoconductive antenna element 100 as the terahertz wave detection element 41, a current representing the correlation between the electrodes 103 and 104 is generated in response to the incidence of the terahertz wave and the probe light. This current is detected by the synchronization detector 57 in synchronization with the period of voltage application by the signal generator 56. As a result, the spectrum of the terahertz wave is obtained, and information on the measurement object S is obtained.

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 wave measuring apparatus 2 according to the second embodiment. Similarly to FIG. 2, detection can be performed by chopping the pump light. At this time, the signal generator 56 outputs a DC voltage and can be detected by the synchronization detector 57 in synchronization with the optical chopper.

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 optical fiber 71 for pump light that guides pump light to the terahertz wave generating element 21 provided on the incident surface 33 a of the internal multiple total reflection prism 33 is provided, and the internal multiple total reflection prism 33 is provided. An optical fiber 72 for probe light that guides probe light to the terahertz wave detecting element 41 provided on the emission surface 33b of the optical fiber is provided.

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 wave generating element 21 and the terahertz wave detecting element 41 is provided with a waterproof measure including the tip portions of the optical fibers 71 and 72. By doing so, it becomes possible to completely immerse the internal multiple total reflection prism 33 together with the terahertz wave generation element 21 and the terahertz wave detection element 41 in the measuring object S, and the upper surface of the internal multiple total reflection prism 33 is obtained. The evanescent component of the terahertz wave on the reflecting surface 33f can also be used effectively.

(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 wave measuring apparatus 4 according to a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 14 is a configuration diagram of the total reflection terahertz wave measuring apparatus 4 according to the fourth embodiment. The total reflection terahertz wave measuring device 4 shown in this figure acquires information on the measuring object S by a total reflection measurement method using terahertz waves, and includes a light source 11, a branching unit 12, a chopper 13, an optical path length. Difference adjustment unit 14, polarizer 15, multiplexing unit 16, terahertz wave generation element 20, internal multiple total reflection prism 34, terahertz wave detection element 40, quarter wavelength plate 51, polarization separation element 52, photodetector 53A, A photodetector 53B, a differential amplifier 54, and a lock-in amplifier 55 are provided.

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 wave measuring apparatus 1 according to the first embodiment shown in FIG. 3, the total reflection terahertz wave measuring apparatus 4 according to the fourth embodiment shown in FIG. The difference is that an internal multiple total reflection prism 34 is provided instead of the prism 31. Further, in the total reflection terahertz wave measuring device 4, the measurement object S that is a fluid is placed in the container 60, and the internal multiple total reflection prism 34 is inserted into the measurement object S.

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 total reflection prism 34 has an entrance surface 34a, an exit surface 34b, and reflection surfaces 34c to 34e. The entrance surface 34a and the exit surface 34b are parallel to each other. The reflecting surface 34c is perpendicular to the entrance surface 34a and the exit surface 34b. The reflective surface 34d and the reflective surface 34e are on the side facing the reflective surface 34c, and constitute a V-shaped notch. Each of the entrance surface 34a and the exit surface 34b acts as a reflection surface for a terahertz wave that propagates inside and enters at an incident angle that is equal to or greater than the critical angle.

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 total reflection prism 34, the terahertz wave output from the terahertz wave generating element 20 is input perpendicularly to the incident surface 34a and introduced into the interior, and after being totally reflected by the reflecting surface 34d, the incident surface. The light is totally reflected at 34a, the emission surface 34b, and the reflection surface 34c. Then, the terahertz wave after being totally reflected by the reflection surface 34e is output perpendicularly to the emission surface 34b.

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 wave measuring apparatus 4 according to the fourth embodiment using such an internal multiple total reflection prism 34 operates in the same manner as the operation of the total reflection terahertz wave measuring apparatus 1 according to the first embodiment. The effect similar to the effect which the total reflection terahertz wave measuring apparatus 1 which concerns on 1st Embodiment has can be show | played.

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 reflection surface 34c is preferably at the center position between the entrance surface 34a and the exit surface 34b. In this case, the chief ray of the terahertz wave input to the incident surface 34a of the internal multiple total reflection prism 34 and the chief ray of the terahertz wave output from the output surface 34b of the internal multiple total reflection prism 34 are on a common straight line. It will be in. Thus, if either the internal multiple total reflection prism 34 or the measurement object is selected and arranged at the position of the internal multiple total reflection prism 34, the total reflection measurement method and the transmission measurement method are switched. be able to.

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 reflective surface 34d and the reflective surface 34e constituting the V-shaped notch are preferably deposited with a metal film in order to reflect the terahertz wave with high reflectivity. In addition, it is preferable that a metal film is deposited on the reflecting surface 34c. In this case, the reflection of the terahertz wave on the reflecting surface 34c does not contribute to the spectroscopic result, and the incident angle of the terahertz wave on the reflecting surface 34c is arbitrary. Therefore, the degree of freedom of the incident angle of the terahertz wave on each of the entrance surface 34a and the exit surface 34b is increased.

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 incident surface 34a, a polarizer that transmits a polarized component in a specific direction in the input terahertz wave may be provided. Further, the reflecting surface 34d may be provided with a polarizer that reflects a polarized light component in a specific direction in the terahertz wave. As such a polarizer, for example, a wire grid polarizer in which a plurality of metal wires are arranged in parallel is preferable.

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 total reflection prism 35 that can be used in place of the internal multiple total reflection prism 34 in the total reflection terahertz wave measuring apparatus 4 according to the fourth embodiment. The internal multiple total reflection prism 35 also has an entrance surface 35a, an exit surface 35b, and reflection surfaces 35c to 35e. The entrance surface 35a and the exit surface 35b are parallel to each other. The reflection surface 35c is perpendicular to the entrance surface 35a and the exit surface 35b. The reflective surface 35d and the reflective surface 35e are on the side facing the reflective surface 35c, and constitute a V-shaped notch. Each of the entrance surface 35a and the exit surface 35b acts as a reflection surface for the terahertz wave propagating inside.

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 total reflection prism 35, the terahertz wave output from the terahertz wave generating element 20 is input perpendicularly to the incident surface 35a and introduced into the interior, and is totally reflected by the reflecting surface 35d, and then the incident surface. 35a is totally reflected at the exit surface 35b and the reflection surface 35c. Then, the terahertz wave after being totally reflected by the reflection surface 35e is output perpendicularly to the emission surface 35b.

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 total reflection prism 35, each of the reflection surface 35d and the reflection surface 35e constituting the V-shaped notch has an inclination of 22.5 degrees with respect to the opposite reflection surface 35c. . Thereby, each of the reflective surface 35d and the reflective surface 35e can totally reflect the terahertz wave even if the metal film is not deposited. Further, the incident angle of the terahertz wave at each of the incident surface 35a, the emitting surface 35b, and the reflecting surface 35c is 45 degrees.

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 total reflection prisms 34 and 35, a terahertz wave generating element may be integrally provided in the terahertz wave incident region of the incident surface, or a lens for collimating the terahertz wave is provided. Alternatively, an optical fiber that guides the pump light to the terahertz wave generating element may be connected. In each of the internal multiple total reflection prisms 34 and 35, a terahertz wave detection element may be integrally provided in the terahertz wave emission region of the emission surface, or a lens that collects the terahertz wave is provided. Alternatively, an optical fiber that guides the probe light to the terahertz wave detecting element may be connected.

(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 container 60 in which the measuring object S is placed in addition to the configuration of the total reflection terahertz wave measuring apparatus 1 according to the first embodiment shown in FIG. A stage 80 and a belt conveyor 81 are provided as moving means. In the drawing, an optical system 1A is an optical system of pump light, probe light, and terahertz waves from the light source 11 to the photodetectors 53A and 53B in the configuration of the total reflection terahertz wave measuring device 1 (however, internal multiplexing) Including the total reflection prism 31). The internal multiple total reflection prism 31 is fixed to the optical system 1A by a support tool 82, and its position is fixed. The container 60 in which the measuring object S is placed is placed on the stage 80 and horizontally moves on the belt conveyor 81, and moves up and down with the stage 80 when the belt conveyor 81 reaches a predetermined position. When the stage 80 is moved upward together with the stage 80, the internal multiple total reflection prism 31 is inserted into the measuring object S placed in the container 60 placed on the stage 80, and the measurement is performed. Moves downward. In this way, the measuring object S placed in each of the plurality of containers 60 is sequentially measured.

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 total reflection prism 33 shown in FIG. There is a support 83 attached to the internal multiple total reflection prism 33. A terahertz wave generating element 21 is integrally provided on the incident surface of the internal multiple total reflection prism 33, and an optical fiber 71 for pumping light that guides pump light to the terahertz wave generating element 21 is provided. A terahertz wave detecting element 41 is integrally provided on the exit surface of the internal multiple total reflection prism 33, and a probe light optical fiber 72 that guides probe light to the terahertz wave detecting element 41 is provided. The support 83 is fixed to a surface that is not any of the entrance surface, the exit surface, and the reflection surface of the internal multiple total reflection prism 33. In this case, by moving the internal multiple total reflection prism 33 with the support 33, the internal multiple total reflection prism 33 is inserted into the measurement target portion S in the container 60 and measurement is performed. By completely immersing the internal multiple total reflection prism 33 in the measuring object S, the evanescent component of the terahertz wave on the reflection surface, which is the upper surface of the internal multiple total reflection prism 33, can be effectively used.

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 total reflection prism 33 shown in FIG. The internal multiple total reflection prism 33 can be moved up and down by a moving mechanism 84. The container 60 in which the measurement object S is placed moves horizontally on the belt conveyor 81. When a certain container 60 comes below the internal multiple total reflection prism 33, the internal multiple total reflection prism 33 is moved downward by the moving mechanism 84 and inserted into the measuring object S contained in the container 60. The measurement is performed, and when the measurement is completed, the moving mechanism 84 moves upward. The total reflection terahertz wave measuring apparatus shown in FIG. 19 includes the configuration (FIG. 10) of the total reflection terahertz wave measuring apparatus 3 according to the third embodiment including the internal multiple total reflection prism 33 shown in FIG. In addition, the internal multiple total reflection prism 33 is inserted into the measuring object S flowing in the basket 61 by the moving mechanism 84. In this case, the measurement object S is moved and measured by flowing through the ridge 81.

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 wave measuring apparatus 4 according to the fourth embodiment including the internal multiple total reflection prism 35 shown in FIG. In addition, the internal multiple total reflection prism 35 is inserted into the measuring object S flowing in the basket 61. In this case, the measurement object S is moved and measured by flowing through the ridge 81. Further, as shown in FIG. 21, the terahertz wave generating element 20 is integrally provided on the incident surface of the internal multiple total reflection prism 35, and the terahertz wave detecting element 40 is integrally formed on the output surface of the internal multiple total reflection prism 35. May be provided.

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。It is a lineblock diagram of terahertz wave measuring device 8 concerning the 1st comparative example. 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。It is a block diagram of the total reflection terahertz wave measuring apparatus 9 which concerns on a 2nd comparative example. 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。It is a lineblock diagram of total reflection terahertz wave measuring device 1 concerning a 1st embodiment. 第1実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置1における内部多重全反射プリズム31および当該周辺を説明する図である。It is a figure explaining the internal multiple total reflection prism 31 in the total reflection terahertz wave measuring apparatus 1 which concerns on 1st Embodiment, and the said periphery. 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。It is a block diagram of the total reflection terahertz wave measuring apparatus 2 which concerns on 2nd Embodiment. 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31および当該周辺を説明する図である。It is a figure explaining the internal multiple total reflection prism 31 in the total reflection terahertz wave measuring apparatus 2 which concerns on 2nd Embodiment, and the said periphery. 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。It is a figure explaining the internal multiple total reflection prism in the total reflection terahertz wave measuring apparatus 2 which concerns on 2nd Embodiment, and the modification of the said periphery. 内部多重全反射プリズム32の製造工程を説明する図である。5 is a diagram illustrating a manufacturing process of the internal multiple total reflection prism 32. FIG. 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。It is a figure explaining the internal multiple total reflection prism in the total reflection terahertz wave measuring apparatus 2 which concerns on 2nd Embodiment, and the modification of the said periphery. 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。It is a block diagram of the total reflection terahertz wave measuring apparatus 3 which concerns on 3rd Embodiment. 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33および当該周辺を説明する図である。It is a figure explaining the internal multiple total reflection prism 33 in the total reflection terahertz wave measuring apparatus 3 which concerns on 3rd Embodiment, and the said periphery. 光導電アンテナ素子の斜視図である。It is a perspective view of a photoconductive antenna element. 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。It is a figure explaining the internal multiple total reflection prism in the total reflection terahertz wave measuring apparatus 3 which concerns on 3rd Embodiment, and the modification of the said periphery. 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。It is a block diagram of the total reflection terahertz wave measuring apparatus 4 which concerns on 4th Embodiment. 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。It is a figure explaining the internal multiple total reflection prism 35 which can be used in the total reflection terahertz wave measuring apparatus 4 which concerns on 4th Embodiment. 第5実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置の構成図である。It is a block diagram of the total reflection terahertz wave measuring device which concerns on 5th Embodiment. 第5実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置の構成図である。It is a block diagram of the total reflection terahertz wave measuring device which concerns on 5th Embodiment. 第5実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置の構成図である。It is a block diagram of the total reflection terahertz wave measuring device which concerns on 5th Embodiment. 第5実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置の構成図である。It is a block diagram of the total reflection terahertz wave measuring device which concerns on 5th Embodiment. 第5実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置の構成図である。It is a block diagram of the total reflection terahertz wave measuring device which concerns on 5th Embodiment. 第5実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置の構成図である。It is a block diagram of the total reflection terahertz wave measuring device which concerns on 5th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 21 ... Terahertz wave generation element, 31-35 ... Internal multiple total reflection prism, 40, 41 ... Terahertz wave detection element, 51 ... 1/4 wavelength plate, 52 ... Polarization separation element, 53A, 53B ... Photo detector, 54 ... Differential amplifier 55 ... Lock-in amplifier 56 ... Signal generator 57 ... Synchronization detector 60 ... Container 71, 72 Optical fiber M1-M11 Mirror S ... Measurement object

Claims (10)

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.
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記載の全反射テラヘルツ波測定装置。   Optical path length for adjusting the difference between the optical path of the pump light and the terahertz wave from the branching section to the terahertz wave detecting element and the optical path of the probe light from the branching section to the terahertz wave detecting element The total reflection terahertz wave measuring apparatus according to claim 1, further comprising a difference adjusting unit. 前記内部多重全反射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記載の全反射テラヘルツ波測定装置。   2. The total reflection terahertz wave measuring apparatus according to claim 1, wherein the terahertz wave generating element is integrally provided on the incident surface of the internal multiple total reflection prism. 前記内部多重全反射プリズムの前記入射面に設けられた前記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ことを特徴とする請求項3記載の全反射テラヘルツ波測定装置。   The total reflection terahertz wave measuring apparatus according to claim 3, further comprising an optical fiber for pump light that guides pump light to the terahertz wave generation element provided on the incident surface of the internal multiple total reflection prism. 前記内部多重全反射プリズムの前記入射面の側に、前記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、ことを特徴とする請求項1記載の全反射テラヘルツ波測定装置。   2. The optical element having a collimating effect on a terahertz wave propagating through the internal multiple total reflection prism is formed on the incident surface side of the internal multiple total reflection prism. The total reflection terahertz wave measuring apparatus described. 前記内部多重全反射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記載の全反射テラヘルツ波測定装置。   2. The total reflection terahertz wave measuring device according to claim 1, wherein the terahertz wave detecting element is integrally provided on the emission surface of the internal multiple total reflection prism. 前記内部多重全反射プリズムの前記出射面に設けられた前記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ことを特徴とする請求項6記載の全反射テラヘルツ波測定装置。   The total reflection terahertz wave measuring apparatus according to claim 6, further comprising a probe light optical fiber for guiding probe light to the terahertz wave detecting element provided on the emission surface of the internal multiple total reflection prism. 前記内部多重全反射プリズムの前記出射面の側に、前記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、ことを特徴とする請求項1記載の全反射テラヘルツ波測定装置。   The optical element which has a condensing effect with respect to the terahertz wave propagating through the inside of the internal multiple total reflection prism is formed on the exit surface side of the internal multiple total reflection prism. The total reflection terahertz wave measuring device according to 1. 前記内部多重全反射プリズムの前記入射面に入力されるテラヘルツ波の主光線と、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るテラヘルツ波の主光線とは、共通の直線上にあることを特徴とする請求項1記載の全反射テラヘルツ波測定装置。   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 output surface of the internal multiple total reflection prism are on a common straight line. The total reflection terahertz wave measuring apparatus according to claim 1. 前記測定対象物としての流動体および前記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ことを特徴とする請求項1記載の全反射テラヘルツ波測定装置。
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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