JP2012063214A - Data analysis method in total reflection spectroscopic measurement - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、テラヘルツ波を用いた全反射分光計測におけるデータ解析方法に関する。 The present invention relates to a data analysis method in total reflection spectroscopic measurement using terahertz waves.
従来、可視光線及び近赤外光線を用いた全反射分光計測法が広く知られている。通常、計測される被測定物の光学定数は複素数として表される。例えば誘電率εであれば、ε=ε1+iε2となる。このように、光学定数が2つの変数を持つ場合、光学定数の導出には2つの関係式が必要となる。しかしながら、従来の可視光線及び近赤外光線を用いた全反射分光計測法では、1度目の計測で光の強度だけが得られるに過ぎず、全反射面に対する光の入射角、偏光方向、プリズムの材質といったパラメータを変更して2度目の計測を行う必要があった(例えば非特許文献1参照)。 Conventionally, a total reflection spectroscopic measurement method using visible light and near infrared light is widely known. Usually, the optical constant of the object to be measured is represented as a complex number. For example, when the dielectric constant is ε, ε = ε 1 + iε 2 . Thus, when the optical constant has two variables, two relational expressions are required to derive the optical constant. However, in the conventional total reflection spectroscopic measurement method using visible light and near infrared light, only the light intensity can be obtained by the first measurement, and the incident angle, polarization direction, and prism of the light with respect to the total reflection surface are obtained. It was necessary to change the parameters such as the material of the second time and perform the second measurement (for example, see Non-Patent Document 1).
1度の計測で2つの変数を導出する方法としては、例えばこの非特許文献1に示されるクラーマス・クローニッヒの関係を用いたものがあるが、この方法はあくまで近似式である。このような従来の全反射分光計測法に対し、テラヘルツ波を用いた全反射分光計測法がある(例えば特許文献1参照)。このテラヘルツ波による全反射分光計測法では、1度の計測でテラヘルツ波の強度に関する情報と位相に関する情報とを両方得られるので、2つの変数を持つ光学定数を1度の計測で測定することが可能となっている。
As a method for deriving two variables by one measurement, for example, there is a method using the Klarmas-Kronig relationship shown in
しかしながら、上述した特許文献1では、テラヘルツ波を用いた全反射分光計測法の測定結果からどのようにして所望の光学定数を導出するかの手法については何ら開示がなされていない。また、非特許文献2には、データ解析に使用する式としてフレネルの反射式が示されているが、このような式は、非特許文献3などに示される光学の基本的な式であり、テラヘルツ波を用いた全反射分光計測法におけるデータ解析方法を表すものではない。したがって、テラヘルツ波を用いた全反射分光計測法では、測定結果から所望の光学定数を正確かつ簡便に導出する手法の確立が求められている。
However,
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、所望の光学定数を正確かつ簡便に導出することができる全反射分光計測におけるデータ解析方法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 of the present invention is to provide a data analysis method in total reflection spectrometry capable of accurately and easily deriving a desired optical constant.
上記課題の解決のため、本発明に係る全反射分光計測におけるデータ解析方法は、全反射面の上に被測定物を配置し、全反射面で全反射したテラヘルツ波を計測する全反射分光計測におけるデータ解析方法であって、全反射分光計測によって得られたリファレンス計測結果Trefとサンプル測定結果Tsigとをそれぞれフーリエ変換することによって、リファレンス振幅Rref、リファレンス位相Φref、サンプル振幅Rsig、サンプル位相Φsigをそれぞれ求め、リファレンス振幅Rrefとサンプル振幅Rsigとの比P、及びリファレンス位相Φrefとサンプル位相Φsigとの位相差Δを用いて下記式(1)で得られる値qを用いて被測定物の光学定数を導出することを特徴としている。
この全反射分光計測におけるデータ解析方法では、リファレンス振幅Rrefとサンプル振幅Rsigとの比P、及びリファレンス位相Φrefとサンプル位相Φsigとの位相差Δに基づく値qを求めている。そして、この値qをフレネルの反射式及びスネルの式と組み合わせることにより、被測定物の複素屈折率が求まり、被測定物の所望の光学定数を正確かつ簡便に導出することができる。 In the data analysis method in the total reflection spectroscopy, seeking the reference amplitude R ref and sampled amplitude ratio P between R sig, and the reference phase [Phi ref and the sample phase [Phi value q based on the phase difference Δ between the sig. By combining this value q with the Fresnel reflection formula and Snell formula, the complex refractive index of the object to be measured can be obtained, and the desired optical constant of the object to be measured can be derived accurately and simply.
本発明に係る全反射分光計測におけるデータ解析方法によれば、所望の光学定数を正確かつ簡便に導出することができる。 According to the data analysis method in the total reflection spectroscopic measurement according to the present invention, a desired optical constant can be accurately and easily derived.
以下、図面を参照しながら、本発明に係る全反射分光計測におけるデータ解析方法の好適な実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of a data analysis method in total reflection spectroscopy measurement according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る全反射分光計測におけるデータ解析方法を実現する全反射分光計測システムの一実施形態を示す図である。同図に示すように、全反射分光計測システム1は、レーザ光を出射するレーザ光源2と、テラヘルツ波発生素子32・全反射プリズム31・テラヘルツ波検出素子33が一体となった一体型プリズム3と、テラヘルツ波を検出する検出部4とを備えている。また、全反射分光計測システム1は、上記構成要素の動作を制御する制御部5と、検出部4からの出力に基づいてデータ解析を行うデータ解析部6と、データ解析部6における処理結果を表示する表示部7とを備えている。
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a total reflection spectroscopic measurement system for realizing a data analysis method in total reflection spectroscopic measurement according to the present invention. As shown in the figure, a total reflection
レーザ光源2は、フェムト秒パルスレーザを発生させる光源である。レーザ光源2からは、例えば平均パワー120mW、繰り返しレート77MHzのフェムト秒パルスレーザが出力される。レーザ光源2から出射したフェムト秒パルスレーザは、ミラー11,12を経て、ビームスプリッター13によってポンプ光とプローブ光とに二分される。プローブ光が伝播するプローブ光用光路C1には、ミラー14,15及びレンズ16が設けられており、プローブ光は、レンズ16で集光されて後述のテラヘルツ波検出素子33に入射する。
The
一方、ポンプ光が伝播するポンプ光用光路C2には、遅延部21と、変調器22とが設けられている。遅延部21は、一対のミラー23,24と、可動ステージ26上に設置された反射プリズム25によって構成され、反射プリズム25の位置を一対のミラー23,24に対して前後させることで、ポンプ光の遅延調節が可能となっている。また、変調器22は、例えば光チョッパによってポンプ光の透過と遮断を切り替える部分である。変調器22は、制御部5からの信号に基づいて、例えば1kHzでポンプ光の透過と遮断の変調を行う。
On the other hand, a
ポンプ光用光路C2を伝播したポンプ光は、ミラー28を経てレンズ27で集光され、一体型プリズム3に入射する。図2に示すように、一体型プリズム3を構成する全反射プリズム31は、例えばSiによって形成されており、入射面側にはテラヘルツ波発生素子32が固定され、出射面側にはテラヘルツ波検出素子33が固定されている。全反射プリズム31の上面は平坦面となっており、屈折率、誘電率、吸収係数といった各種の光学定数を測定する対象となる被測定物34が載置される。
The pump light propagating through the optical path C2 for pump light is condensed by the
テラヘルツ波発生素子32としては、例えばZnTeなどの非線形光学結晶、GaAsを用いた光スイッチなどのアンテナ素子、InAsなどの半導体、超伝導体などを用いることができる。これらの素子から発生するテラヘルツ波のパルスは、一般的には数ピコ秒程度である。テラヘルツ波発生素子32として非線形光学結晶を用いた場合、テラヘルツ波発生素子32にポンプ光が入射すると、非線形光学効果によってテラヘルツ波に変換される。発生したテラヘルツ波は、全反射プリズム31の上面で全反射し、テラヘルツ波検出素子33に入射する。
As the terahertz
テラヘルツ波検出素子33としては、例えばZnTeなどの電気光学結晶、GaAsを用いた光スイッチなどのアンテナ素子を用いることができる。テラヘルツ波検出素子33として、電気光学結晶を用いた場合、テラヘルツ波検出素子33にテラヘルツ波とプローブ光とが同時に入射すると、プローブ光がポッケルス効果によって複屈折を受ける。プローブ光の複屈折量は、テラヘルツ波の電場強度に比例する。したがって、プローブ光の複屈折量を検出することで、テラヘルツ波を検出することができる。
As the terahertz
テラヘルツ波を検出する検出部4は、図1に示すように、例えばλ/4波長板41と、偏光素子42と、一対のフォトダイオード43,43と、差動増幅器44とによって構成されている。テラヘルツ波検出素子33で反射したプローブ光は、ミラー45によって検出部4側に導かれ、レンズ46で集光されてλ/4波長板41を経由した後、ウォラストンプリズムなどの偏光素子42によって垂直直線偏光成分と水平直線偏光成分とに分離される。このプローブ光の垂直直線偏光成分と水平直線偏光成分とは、一対のフォトダイオード43,43によってそれぞれ電気信号に変換され、差動増幅器44によってその差分が検出される。差動増幅器44からの出力信号は、ロックイン増幅器47によって増幅された後、データ解析部6に入力される。
As shown in FIG. 1, the detection unit 4 that detects a terahertz wave includes, for example, a λ / 4
テラヘルツ波検出素子33にテラヘルツ波とプローブ光とが同時に入射した場合、差動増幅器44からはテラヘルツ波の電場強度に比例した強度の信号が出力され、テラヘルツ波検出素子33にテラヘルツ波とプローブ光とが同時に入射しなかった場合、差動増幅器44からは信号が出力されないこととなる。また、テラヘルツ波が全反射プリズム31の上面で反射するときに放射されるエバネッセント波は、全反射プリズム31の上面に載置される被測定物34と相互作用を起こし、被測定物34が載置されていない場合に比べてテラヘルツ波の反射率が変化する。したがって、このテラヘルツ波の反射率の変化を計測することで、被測定物34の分光特性を評価することができる。
When the terahertz wave and the probe light are simultaneously incident on the terahertz
データ解析部6は、例えば全反射分光計測システム1の専用の解析プログラムに基づいて全反射分光計測のデータ解析処理を行う部分であり、物理的には、CPU(中央処理装置)、メモリ、入力装置、及び表示部7などを有するコンピュータシステムである。データ解析部6は、ロックイン増幅器47から入力された信号に基づいてデータ解析処理を実行し、解析結果を表示部7に表示させる。データ解析処理の詳細は後述する。
The data analysis unit 6 is a part that performs data analysis processing of total reflection spectroscopic measurement based on, for example, a dedicated analysis program for the total reflection
続いて、上述した全反射分光計測システム1におけるデータ解析方法について説明する。図3は、被測定物34の光学定数を導出する手順を示すフローチャートである。なお、以下の説明では、テラヘルツ波が全反射プリズム31の上面に対しP偏光で入射した場合を仮定する。
Subsequently, a data analysis method in the above-described total reflection
図3に示すように、まず、全反射分光計測システム1を用いてリファレンス測定及びサンプル測定を実施する(ステップS01,S02)。リファレンス測定では、光学定数が既知である物質(例えば空気)について測定し、サンプル測定では光学定数を得たい物質について測定する。そして、リファレンス計測結果Trefとサンプル測定結果Tsigとをそれぞれフーリエ変換することによって、リファレンス振幅Rref、リファレンス位相Φref、サンプル振幅Rsig、サンプル位相Φsigをそれぞれ求める(ステップS03)。 As shown in FIG. 3, first, reference measurement and sample measurement are performed using the total reflection spectroscopic measurement system 1 (steps S01 and S02). In the reference measurement, a substance (for example, air) whose optical constant is known is measured, and in the sample measurement, a substance whose optical constant is desired to be measured is measured. Then, a reference amplitude R ref , a reference phase Φ ref , a sample amplitude R sig , and a sample phase Φ sig are respectively obtained by performing Fourier transform on the reference measurement result T ref and the sample measurement result T sig (step S03).
次に、リファレンス振幅Rrefとサンプル振幅Rsigとの比Pを式(1)によって求め、リファレンス位相Φrefとサンプル位相Φsigとの位相差Δを式(2)によって求める(ステップS04)。
ここで、全反射プリズム31に対するテラヘルツ波の入射角をθi(図2参照)とし、リファレンス測定及びサンプル測定においてスネルの法則より求められる屈折角をそれぞれθref,θsigとする。さらに、フレネルの反射式を用いると、式(3)におけるPe−iΔは、以下の式(4)で表すことができる。
上記式(4)を式(3)に代入し、式の変形を行うと、以下の式(5)が得られる。
また、全反射プリズム31を構成する物質の複素屈折率をnprismとし、被測定物34の複素屈折率をnsampleとした場合、スネルの法則は以下の式(6)のようになり、被測定物34の複素屈折率の2乗は、式(7)で表される。したがって、式(5)を式(7)に代入することで、被測定物34の複素屈折率を求めることができ、これにより、被測定物34の所望の光学定数が導出される(ステップS06)。
以上説明したように、この全反射分光計測におけるデータ解析方法では、リファレンス振幅Rrefとサンプル振幅Rsigとの比P、及びリファレンス位相Φrefとサンプル位相Φsigとの位相差Δに基づく値qを求めている。そして、この値qをフレネルの反射式及びスネルの式と組み合わせることにより、被測定物34の複素屈折率が求まり、被測定物34の所望の光学定数を正確かつ簡便に導出することができる。
As described above, in the data analysis method in the total reflection spectroscopy, the reference amplitude R ref and sampled amplitude R sig ratio of P, and the reference phase [Phi ref and the sample phase [Phi value based on a phase difference Δ between the sig q Seeking. Then, by combining this value q with the Fresnel reflection formula and Snell formula, the complex refractive index of the device under
1…全反射分光計測システム、2…レーザ光源、3…一体型プリズム、4…検出部、5…制御部、6…データ解析部、7…表示部、31…全反射プリズム、32…テラヘルツ波発生素子、33…テラヘルツ波検出素子、34…被測定物。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記全反射分光計測によって得られたリファレンス計測結果Trefとサンプル測定結果Tsigとをそれぞれフーリエ変換することによって、リファレンス振幅Rref、リファレンス位相Φref、サンプル振幅Rsig、サンプル位相Φsigをそれぞれ求め、
前記リファレンス振幅Rrefと前記サンプル振幅Rsigとの比P、及び前記リファレンス位相Φrefと前記サンプル位相Φsigとの位相差Δを用いて下記式(1)で得られる値qを用いて前記被測定物の光学定数を導出することを特徴とする全反射分光計測におけるデータ解析方法。
A reference amplitude R ref , a reference phase Φ ref , a sample amplitude R sig , and a sample phase Φ sig are respectively obtained by performing Fourier transform on the reference measurement result T ref and the sample measurement result T sig obtained by the total reflection spectroscopic measurement. Seeking
Using the value q obtained by the following equation (1) using the ratio P between the reference amplitude R ref and the sample amplitude R sig and the phase difference Δ between the reference phase Φ ref and the sample phase Φ sig A data analysis method in total reflection spectrometry, characterized by deriving an optical constant of an object to be measured.
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CN103645154A (en) * | 2013-11-26 | 2014-03-19 | 东莞理工学院 | Method for extracting material optical constant by using terahertz spectral signal |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002005828A (en) * | 2000-06-20 | 2002-01-09 | Tochigi Nikon Corp | Apparatus and method for inspection of impurity concentration of semiconductor |
JP2004354246A (en) * | 2003-05-29 | 2004-12-16 | Aisin Seiki Co Ltd | Reflection type terahertz spectrometry system and measuring method |
JP2006519993A (en) * | 2003-03-06 | 2006-08-31 | ザイゴ コーポレーション | Profiling complex surface structures using scanning interferometry |
JPWO2009133853A1 (en) * | 2008-04-30 | 2011-09-01 | 浜松ホトニクス株式会社 | Total reflection terahertz wave measuring device |
-
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002005828A (en) * | 2000-06-20 | 2002-01-09 | Tochigi Nikon Corp | Apparatus and method for inspection of impurity concentration of semiconductor |
JP2006519993A (en) * | 2003-03-06 | 2006-08-31 | ザイゴ コーポレーション | Profiling complex surface structures using scanning interferometry |
JP2004354246A (en) * | 2003-05-29 | 2004-12-16 | Aisin Seiki Co Ltd | Reflection type terahertz spectrometry system and measuring method |
JPWO2009133853A1 (en) * | 2008-04-30 | 2011-09-01 | 浜松ホトニクス株式会社 | Total reflection terahertz wave measuring device |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
JPN6013061984; 田中耕一郎: 'テラヘルツ分光が切り開く材料科学' OPTRONICS No.302, 20070210, pp.124-133 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103645154A (en) * | 2013-11-26 | 2014-03-19 | 东莞理工学院 | Method for extracting material optical constant by using terahertz spectral signal |
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