JP2013057696A - Terahertz measuring method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a terahertz measuring device or the like realizing widening of a measuring frequency band and enhancement of frequency resolution.SOLUTION: A THz wave spectrum measuring device (1) comprises: a beam splitter (11) for splitting a femtosecond laser into pump light and probe light; a THz wave generating source (12) for generating a THz wave by receiving the pump light; a chirp generating optical device (22) for converting the probe light to a chirp pulse; a beam splitter (31) for splitting the chirp pulse into two; reference light detecting means for detecting one split reference light; an electrooptical crystal (43) for modulating the other split light by electrooptical effect of the THz wave: signal light detecting means for detecting signal light output from the electrooptical crystal (43); and an arithmetic circuit (50) for acquiring a time waveform of the THz wave on the basis of the reference light and the signal light detected at the same time.

Description

本発明は、周波数域が約0.1〜数THz(波長が30μm〜3000μm、以下「THz領域」とする)のテラヘルツ波(以下、THz波とする)を使用するテラヘルツ測定装置等、及び透過THz波が特徴となるスペクトル成分をTHz領域に持つ測定対象物のテラヘルツ測定装置等に関する。   The present invention relates to a terahertz measuring device using a terahertz wave (hereinafter referred to as a THz wave) having a frequency range of about 0.1 to several THz (wavelength is 30 μm to 3000 μm, hereinafter referred to as “THz region”), and transmission. The present invention relates to a terahertz measuring apparatus for a measurement object having a spectral component characterized by a THz wave in a THz region.

現在、フェムト秒レーザーを用いたTHz波の測定法は、THz時間領域分光法(以下、A法と呼ぶ)が主流である。A法において、レーザーパルスは2つに分岐される。一方のレーザーパルス(ポンプパルスと呼ぶ)はTHz波発生素子に照射されて、THz波パルスの発生に使われる。もう一方のパルス(プローブパルスと呼ぶ)は、THz波パルスの時間波形をサンプリングするために用いられる。   Currently, THz time domain spectroscopy (hereinafter referred to as “A method”) is the mainstream for measuring THz waves using femtosecond lasers. In the method A, the laser pulse is branched into two. One laser pulse (referred to as a pump pulse) is applied to a THz wave generating element and used to generate a THz wave pulse. The other pulse (referred to as a probe pulse) is used to sample the time waveform of a THz wave pulse.

A法では、光学的時間遅延器を使って時間幅がTHz波パルスに比べて充分狭いプローブパルスを動かし、THz波パルスの時間波形を一点ずつサンプリングしてTHz波パルスの時間波形全体を得る。光学的時間遅延器を機械的に動かしながら所定の時間間隔毎に測定を繰り返すため、THz波パルスの時間波形全体を測定するのに数分程度の時間を必要とする。   In the method A, a probe pulse whose time width is sufficiently narrower than that of a THz wave pulse is moved using an optical time delay device, and the time waveform of the THz wave pulse is sampled point by point to obtain the entire time waveform of the THz wave pulse. Since the measurement is repeated at predetermined time intervals while mechanically moving the optical time delay device, it takes about several minutes to measure the entire time waveform of the THz wave pulse.

また、A法では、測定対象物をTHz波パルスの光路内の測定位置に配置した場合と配置しない場合の両方でTHz波パルスの時間波形を測定し、フーリエ変換してそれぞれの周波数スペクトル(それぞれEr及びEsとする)を取得する。取得した2つの周波数スペクトルに基づいて所定の演算をすることにより、測定対象物のTHz領域の吸収スペクトル(log(|Er|2/|Es|2))と複素振幅透過率スペクトル(Er/Es)とを得る。尚、以下ではTHz領域の吸収スペクトルと複素振幅透過率スペクトルをTHzスペクトルと呼ぶ。 In the method A, the time waveform of the THz wave pulse is measured both when the measurement object is placed at the measurement position in the optical path of the THz wave pulse and when it is not placed, and each frequency spectrum (respectively, respectively) is measured by Fourier transform. Acquire Er and Es). By performing a predetermined calculation based on the two acquired frequency spectra, the absorption spectrum (log (| Er | 2 / | Es | 2 )) and complex amplitude transmittance spectrum (Er / Es) of the THz region of the measurement object are measured. ) And get. Hereinafter, the absorption spectrum in the THz region and the complex amplitude transmittance spectrum are referred to as a THz spectrum.

A法での測定時間を短縮するための一つの方法として、チャープパルスを用いたマルチチャンネル計測法(以下B法と呼ぶ)が、Jiangらにより提案された(非特許文献1)。B法では、フェムト秒レーザーのレーザーパルスの時間幅をTHz波パルスの時間幅より長く伸張させたチャープパルスを作り、THz波パルスの波形情報全体をそのチャープパルスに載せる。よって、THz波パルスの時間波形の測定は、1個のチャープパルスの検出で足りる。これにより、B法では、THz波パルスの時間波形の単発計測が可能となり、THz波パルスの時間波形の測定時間は、1個のチャープパルスを検出する検出系の応答時間となる。例えば、1ミリ秒程度以下の測定時間も可能である。B法では、A法に比べて測定時間の大幅な短縮が実現できる。   As one method for shortening the measurement time in the A method, a multi-channel measurement method using chirp pulses (hereinafter referred to as B method) has been proposed by Jiang et al. In the B method, a chirp pulse is formed by extending the time width of the femtosecond laser pulse longer than the time width of the THz wave pulse, and the entire waveform information of the THz wave pulse is placed on the chirp pulse. Therefore, the measurement of the time waveform of the THz wave pulse is sufficient to detect one chirp pulse. Thereby, in the method B, it is possible to measure the time waveform of the THz wave pulse one time, and the measurement time of the time waveform of the THz wave pulse is the response time of the detection system that detects one chirp pulse. For example, a measurement time of about 1 millisecond or less is possible. In the method B, the measurement time can be significantly shortened compared to the method A.

A法での測定時間を短縮するための他の方法として、スペクトル幅が広い白色光パルスをフェムト秒レーザーにより発生させた後に、その白色光パルスをチャープさせて用いる方法がある(特許文献1、以下C法と呼ぶ)。B法を開示する非特許文献1ではテラヘルツ分光の測定周波数帯域及び時間分解能はそれぞれ約0.3THz及び0.07THzであるのに対して、C法の実施例では測定周波数帯域及び時間分解能はそれぞれ約1THz及び約0.1THzにできることが開示されている。   As another method for shortening the measurement time in the A method, there is a method in which a white light pulse having a wide spectrum width is generated by a femtosecond laser and then the white light pulse is chirped (Patent Document 1,). Hereinafter referred to as C method). In Non-Patent Document 1 that discloses the B method, the measurement frequency band and time resolution of terahertz spectroscopy are about 0.3 THz and 0.07 THz, respectively, whereas in the embodiment of the C method, the measurement frequency band and time resolution are respectively It is disclosed that it can be about 1 THz and about 0.1 THz.

C法を用いることで測定周波数帯域を、B法の0.3THzから約1THzに広げることは可能となるが、約0.1THzというC法の時間分解能は、A法の時間分解能(数0.01THz)に比べると数倍悪い。   Although it is possible to expand the measurement frequency band from 0.3 THz of the B method to about 1 THz by using the C method, the time resolution of the C method of about 0.1 THz is the time resolution of the A method (several 0. It is several times worse than (01 THz).

特開2005−233683号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-233683

Zhiping Jiang and X.-C. Zhang"Electro-optic measurement of THz field pulses with a chirped optical beam", Applied Physics Letters, Vol.72, No.16, 20 April 1998, pp.1945-1947.Zhiping Jiang and X.-C. Zhang "Electro-optic measurement of THz field pulses with a chirped optical beam", Applied Physics Letters, Vol.72, No.16, 20 April 1998, pp.1945-1947.

ところで、THz分光のためには、測定周波数帯域が広く、周波数分解能が高いことが重要である。   By the way, for THz spectroscopy, it is important that the measurement frequency band is wide and the frequency resolution is high.

THz波パルスの波形変調情報が載ったチャープパルスは、一次元多素子検出器付き分光器を用いて測定される。線形のチャープパルスは周波数と時間の間に線形の関係があるので、検出器付き分光器で測定されたチャープパルスのスペクトルの周波数軸は時間軸に変換することができる。よって、THzパルス波形測定に必要な時間分解能に応じて検出器付き分光器の波長分解能を決めればよい。   The chirp pulse carrying the waveform modulation information of the THz wave pulse is measured using a spectrometer with a one-dimensional multi-element detector. Since the linear chirp pulse has a linear relationship between frequency and time, the frequency axis of the spectrum of the chirp pulse measured by the spectroscope with a detector can be converted to the time axis. Therefore, the wavelength resolution of the spectroscope with a detector may be determined according to the time resolution required for THz pulse waveform measurement.

B法及びC法では、定常位相法という近似法に基づいて、時間分解能は以下の式で決定される、と考えている。   In the B method and the C method, it is considered that the time resolution is determined by the following equation based on an approximation method called a stationary phase method.

Figure 2013057696
Figure 2013057696

この式に従うため、B法における測定装置の時間分解能は、A法に比べて数倍程度広い。THz波パルスの時間波形の時間幅はテラヘルツ分光の測定周波数帯域と逆比例の関係にあるので、時間分解能が広いと測定周波数帯域が狭くなる。B法では測定周波数帯域がA法に比べて数分の一になる。   In order to follow this equation, the time resolution of the measuring device in the B method is several times wider than that in the A method. Since the time width of the time waveform of the THz wave pulse is inversely proportional to the measurement frequency band of terahertz spectroscopy, the measurement frequency band becomes narrow when the time resolution is wide. In the B method, the measurement frequency band is a fraction of that in the A method.

一方、周波数分解能を上げるには、観測時間幅を広くし、チャープパルスの時間幅を伸ばす必要がある。しかし、周波数分解能を上げようとしてチャープパルスの時間幅を伸ばすと、この式から、時間分解能が悪くなり、テラヘルツ分光の測定周波数帯域を狭めることになる。   On the other hand, to increase the frequency resolution, it is necessary to widen the observation time width and extend the time width of the chirp pulse. However, if the time width of the chirp pulse is increased in order to increase the frequency resolution, the time resolution is deteriorated from this equation, and the measurement frequency band of terahertz spectroscopy is narrowed.

B法を開示する非特許文献1では、テラヘルツ分光の測定周波数帯域及び時間分解能が、それぞれ約0.3THz及び0.07THzである。これに対して、C法の実施例では測定周波数帯域及び時間分解能はそれぞれ約1THz及び約0.1THzにできることが開示されている。   In Non-Patent Document 1 that discloses the B method, the measurement frequency band and time resolution of terahertz spectroscopy are about 0.3 THz and 0.07 THz, respectively. On the other hand, it is disclosed that the measurement frequency band and the time resolution can be about 1 THz and about 0.1 THz, respectively, in the embodiment of the method C.

C法を用いることで測定周波数帯域を、B法の0.3THzから約1THzに広げることは可能となるが、約0.1THzというC法の時間分解能は、A法の時間分解能(数0.01THz)に比べると数倍悪い。   Although the measurement frequency band can be expanded from 0.3 THz in the B method to about 1 THz by using the C method, the time resolution of the C method of about 0.1 THz is the time resolution of the A method (several 0. It is several times worse than (01 THz).

A法を用いたテラヘルツ分光の典型的な周波数分解能である数10GHzをB法及びC法で得るためには、チャープパルスの時間幅を20ピコ秒程度以上にする必要がある。しかし、上式に従うと、仮にフェムト秒レーザーのレーザーパルスの時間幅が100フェムト秒(=0.1ピコ秒)のとき、   In order to obtain several tens of GHz, which is a typical frequency resolution of terahertz spectroscopy using the A method, by the B method and the C method, the time width of the chirp pulse needs to be about 20 picoseconds or more. However, according to the above equation, if the time width of the laser pulse of the femtosecond laser is 100 femtoseconds (= 0.1 picoseconds),

Figure 2013057696
となるから、THz波の時間分解能は約1.4ピコ秒となる。時間分解能の逆数である測定周波数帯域は0.71THzであり、1THzを超えない。
Figure 2013057696
Therefore, the time resolution of the THz wave is about 1.4 picoseconds. The measurement frequency band that is the reciprocal of the time resolution is 0.71 THz and does not exceed 1 THz.

ところで、B法及びC法においてTHz波パルスの時間波形を導出するには、THz波パルスの波形変調情報が載ったチャープパルスI(t)_onと波形変調情報が載っていないチャープパルスI(t)_offの両方を測定する必要がある。   By the way, in order to derive the time waveform of the THz wave pulse in the B method and the C method, the chirp pulse I (t) _on on which the waveform modulation information of the THz wave pulse is placed and the chirp pulse I (t on which the waveform modulation information is not placed. ) _off both need to be measured.

しかし、B法とC法のいずれでも、I(t)_onとI(t)_offの両方を同時に測定せず、別々のチャープパルスで測定した結果を用いてTHz波パルスの時間波形を導出している。これでは、フェムト秒レーザーのレーザーパルスがパルス毎に揺らぐ場合、測定結果の信頼性を上げることは困難である。   However, neither the B method nor the C method measures both I (t) _on and I (t) _off at the same time, and derives the time waveform of the THz wave pulse using the results measured with separate chirp pulses. ing. Therefore, when the femtosecond laser pulse fluctuates for each pulse, it is difficult to improve the reliability of the measurement result.

更に、B法及びC法にて採用された定常位相近似に基づく式は、すべての実験条件では使えない。   Furthermore, the formula based on the stationary phase approximation adopted in the B method and the C method cannot be used under all experimental conditions.

発明者は、近似を用いることなく定式化し、チャープパルスの時間幅が数十ピコ秒以上、例えば、20ピコ秒であっても多素子検出器付き分光器の波長分解能を最適化することで時間分解能を低下させない方法を発明した。   The inventor formulated without using approximation and optimized the wavelength resolution of the spectrometer with a multi-element detector even if the time width of the chirp pulse is several tens of picoseconds or more, for example, 20 picoseconds. Invented a method that does not reduce the resolution.

チャープパルスの時間波形C(t)は、Tc:パルス幅、2α:チャープレート、ω0:中心周波数とするとき、以下の式で示される。 The time waveform C (t) of the chirp pulse is expressed by the following equation, where T c is the pulse width, 2α is the chirp plate, and ω 0 is the center frequency.

Figure 2013057696
Figure 2013057696

そして、THz電場振幅時間波形ETHz(t)は、以下の式で示される。

Figure 2013057696
The THz electric field amplitude time waveform E THz (t) is expressed by the following equation.
Figure 2013057696

このとき、測定により得られるTHz波形Emes(ω)は、以下の式で示される。 At this time, the THz waveform E mes (ω) obtained by the measurement is expressed by the following equation.

Figure 2013057696
Figure 2013057696

ここで、

Figure 2013057696
である。 here,
Figure 2013057696
It is.

また、発明者は、B法で、THz波パルスとチャープパルスが電気光学結晶中で出会う時間的なタイミング、つまり、THz波パルスにより変調されるチャープパルスの中の時間領域が異なると、得られるTHz波パルスの時間波形が異なることを発見した。これは、測定装置の装置応答が二つのパルスの出会うタイミングにより変化することを意味する。   Further, the inventor can obtain the method B when the THz wave pulse and the chirp pulse meet in the electro-optic crystal at different timings, that is, in the time domain in the chirp pulse modulated by the THz wave pulse. It was discovered that the time waveform of THz wave pulses is different. This means that the device response of the measuring device changes with the timing of the two pulses.

一般に、測定対象物がTHz領域で1と異なる屈折率を持つ場合、測定対象物がある場合とない場合でTHz波パルスにより変調されるチャープパルス内の時間領域が変わる。よって、測定された二つのTHz波パルスの時間波形の間には、装置応答の変化に起因した変化分が存在し、そのままその二つのTHz波パルスの時間波形を用いて測定対象物のTHzスペクトルを導出すると、THzスペクトルが歪んでしまう。B法及びC法はこの効果を考慮していない。   In general, when the measurement object has a refractive index different from 1 in the THz region, the time region in the chirp pulse modulated by the THz wave pulse varies depending on whether or not the measurement object is present. Therefore, there is a change due to the change in the device response between the measured time waveforms of the two THz wave pulses, and the THz spectrum of the measurement object is directly used by using the time waveforms of the two THz wave pulses. , The THz spectrum is distorted. The B method and the C method do not consider this effect.

本発明は、測定周波数帯域の広帯域化と周波数分解能の高分解能化とを実現し、信頼性の高いテラヘルツ測定装置等を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a highly reliable terahertz measuring device and the like that realizes a wide measurement frequency band and a high frequency resolution.

以下、本発明について上記課題を解決するための手段を説明する。尚、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。   Hereinafter, means for solving the above-mentioned problems will be described. In order to facilitate understanding of the present invention, reference numerals in the accompanying drawings are added in parentheses, but the present invention is not limited to the illustrated embodiment.

上記課題を解決するために、本発明にかかるテラヘルツ測定装置(1)は、超短光パルスを発生する光パルス発生手段(10)と、光パルス発生手段(10)にて発生された超短光パルスをポンプ光とプローブ光の2つに分岐する第1の分岐手段(11)と、第1の分岐手段(11)にて分岐された超短光パルスのポンプ光を受けてテラヘルツ波(THz波)を発生させるテラヘルツ波発生光学系(12)と、第1の分岐手段(11)にて分岐された超短光パルスのプローブ光を線形チャープしたチャープパルスに変換するチャープ発生光学系(22)と、チャープ発生光学系(22)にて変換されたチャープパルスを2つに分岐する第2の分岐手段(31)と、第2の分岐手段(31)にて分岐されたチャープパルスの一方を参照光としてスペクトルを検出する参照光検出手段(32,48)と、第2の分岐手段(31)にて分岐されたチャープパルスの他方をテラヘルツ波発生光学系(12)にて発生されたTHz波の電場信号で誘起された電気光学効果にて変調する電気光学結晶(43)と、電気光学結晶(43)にて変調されて出力された光を受けて信号光としてスペクトルを検出する信号光検出手段(45,48)と、同時に検出された参照光検出手段(32,48)による参照光と信号光検出手段(45,48)による信号光とに基づいてTHz波の時間波形を取得する演算手段(50)とを有することを特徴とする。   In order to solve the above problems, a terahertz measuring device (1) according to the present invention includes an optical pulse generator (10) that generates an ultrashort optical pulse and an ultrashort generated by the optical pulse generator (10). A first branching means (11) for branching the optical pulse into two parts, a pump light and a probe light, and a terahertz wave (on receiving the pump light of the ultrashort optical pulse branched by the first branching means (11)) A terahertz wave generating optical system (12) for generating THz waves) and a chirp generating optical system for converting the probe light of the ultrashort optical pulse branched by the first branching means (11) into a chirped pulse that is linearly chirped ( 22), a second branching means (31) for branching the chirp pulse converted by the chirp generation optical system (22) into two, and a chirp pulse branched by the second branching means (31) One side as reference light An electric field of a THz wave generated by the terahertz wave generating optical system (12) as the other of the chirp pulse branched by the reference light detecting means (32, 48) for detecting the spectrum and the second branching means (31) An electro-optic crystal (43) that modulates by an electro-optic effect induced by a signal, and a signal light detection means that receives light modulated and outputted by the electro-optic crystal (43) and detects a spectrum as signal light ( 45, 48) and arithmetic means for obtaining a time waveform of the THz wave based on the reference light by the reference light detection means (32, 48) and the signal light by the signal light detection means (45, 48) detected at the same time ( 50).

ここで、チャープ発生光学系(22)は、超短光パルスを10ピコ秒以上に線形チャープしたチャープパルスに変換することを特徴とすれば、A法と同程度の数10GHzの周波数分解能を実現できる。   Here, if the chirp generation optical system (22) is characterized by converting an ultrashort light pulse into a chirp pulse linearly chirped at 10 picoseconds or more, a frequency resolution of several tens of GHz equivalent to the method A is realized. it can.

また、第1の分岐手段(11)にて分岐された超短光パルスのプローブ光を所定の時間だけ遅延させる光学的時間遅延器(21)を更に有し、テラヘルツ波発生光学系(12)から発生されるTHz波と第2の分岐手段(31)にて分岐されるチャープパルスの他方とが電気光学素結晶(43)において時間的にオーバーラップするように、光学的時間遅延器(21)はプローブ光を遅延させることを特徴とすれば、THz波とチャープパルスとを同期させることができ、チャープパルスに載ったTHz波の変調特性を取得できる。   The optical system further includes an optical time delay (21) for delaying the probe light of the ultrashort optical pulse branched by the first branching means (11) by a predetermined time, and includes a terahertz wave generating optical system (12). The optical time delay (21) so that the THz wave generated from the other and the other of the chirped pulses branched by the second branching means (31) overlap in time in the electro-optic elementary crystal (43). ) Is characterized in that the probe light is delayed, the THz wave and the chirp pulse can be synchronized, and the modulation characteristic of the THz wave carried on the chirp pulse can be acquired.

更に、演算手段(50)は、所定の測定位置に測定対象物がない状態で取得されたTHz波の第1の時間波形と測定位置に配置された測定対象物を透過したTHz波の第2の時間波形とに基づいて時間遅延量を算出し、光学的時間遅延器(21)は、演算手段(50)にて算出された時間遅延量だけプローブ光を遅延させることを特徴とすれば、測定対象物がある場合とない場合とでTHz波はチャープパルス内の同じ時間領域を変調する。よって、THz波変調領域依存性を除いたTHz波の時間波形を導出でき、歪みのないTHzスペクトルを取得できる。   Further, the calculation means (50) includes a first time waveform of the THz wave acquired in a state where there is no measurement object at a predetermined measurement position and a second of the THz wave transmitted through the measurement object arranged at the measurement position. The time delay amount is calculated based on the time waveform, and the optical time delay device (21) delays the probe light by the time delay amount calculated by the calculation means (50). The THz wave modulates the same time domain in the chirp pulse with and without the measurement object. Therefore, it is possible to derive the time waveform of the THz wave excluding the dependency on the THz wave modulation region, and obtain a THz spectrum without distortion.

更にまた、第1の分岐手段(11)にて分岐された超短光パルスのポンプ光を更に2つに分岐する第3の分岐手段(101)と、第3の分岐手段(101)にて分岐された超短光パルスの一方の光路を開閉するシャッター(103)とを更に有し、測定位置に配置された測定対象物に対して、第3の分岐手段(101)にて分岐された超短光パルスの一方を照射して光励起させると共に、超短光パルスの他方を受けたテラヘルツ波発生光学系(12)からTHz波を照射させることを特徴とすれば、光励起によって測定対象物内で起こる化学反応や相変化などの機能解析ができる。   Furthermore, the third branching means (101) for branching the pump light of the ultrashort light pulse branched by the first branching means (11) into two further, and the third branching means (101) And a shutter (103) that opens and closes one optical path of the branched ultrashort light pulse, and is branched by the third branching unit (101) with respect to the measurement object arranged at the measurement position. If the THz wave is irradiated from the terahertz wave generation optical system (12) receiving the other of the ultrashort light pulses while being irradiated with one of the ultrashort light pulses, the inside of the measurement object is generated by the light excitation. Functional analysis of chemical reactions and phase changes that occur in

上記課題を解決するために、本発明にかかる時間波形取得法は、超短光パルスをポンプ光とプローブ光の2つに分岐する第1の分岐手段(11)と、第1の分岐手段(11)にて分岐された超短光パルスのポンプ光を受けてテラヘルツ波(THz波)を発生させるテラヘルツ波発生光学系(12)と、第1の分岐手段(11)にて分岐された超短光パルスのプローブ光を線形チャープしたチャープパルスに変換するチャープ発生光学系(22)と、チャープ発生光学系(22)から出力されたチャープパルスを2つに分岐する第2の分岐手段(31)と、第2の分岐手段(31)にて分岐されたチャープパルスの一方を参照光としてスペクトルを検出する参照光検出手段(32,48)と第2の分岐手段(31)にて分岐されたチャープパルスの他方を受けて、テラヘルツ波発生光学系(12)にて発生されたTHz波の電場信号で誘起された電気光学効果にて変調する電気光学結晶(43)と、電気光学結晶(43)にて変調された光を信号光としてスペクトルを検出する信号光検出手段(45,48)と、同時に検出された参照光と信号光とに基づいてテラヘルツ波発生光学系(12)にて発生されたTHz波の時間波形を演算する演算手段(50)とを有するテラヘルツ測定装置(1)において実行される時間波形取得法であって、THz波を発生させないで参照光R(t)_offと信号光S(t)_offとを同時に検出する第1の検出工程と、THz波を発生させて信号光S(t)_onと参照光R(t)_onとを同時に検出する第2の検出工程と、第1の検出工程にて検出された参照光R(t)_offと信号光S(t)_off、及び、第2の検出工程にて信号光S(t)_onと参照光R(t)_onを使って、THz波の時間波形ETHz(t)を演算して取得する演算工程とを有することを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, the time waveform acquisition method according to the present invention includes a first branching means (11) for branching an ultrashort light pulse into two parts, pump light and probe light, 11) A terahertz wave generating optical system (12) that receives pump light of the ultrashort light pulse branched in 11) to generate a terahertz wave (THz wave), and an ultrabranch branched by the first branching means (11). A chirp generation optical system (22) that converts the probe light of a short optical pulse into a chirp pulse that is linearly chirped, and a second branching means (31) that branches the chirp pulse output from the chirp generation optical system (22) into two. ) And the reference light detection means (32, 48) for detecting the spectrum using one of the chirp pulses branched by the second branch means (31) as the reference light, and the second branch means (31). Chirp Pal The electro-optic crystal (43) that modulates by the electro-optic effect induced by the electric field signal of the THz wave generated by the terahertz wave generation optical system (12), and the electro-optic crystal (43) Generated by the terahertz wave generating optical system (12) based on the signal light detecting means (45, 48) for detecting the spectrum using the modulated light as the signal light and the reference light and the signal light detected at the same time A time waveform acquisition method executed in a terahertz measurement device (1) having a calculation means (50) for calculating a time waveform of a THz wave, and a reference light R (t) _off and a signal light without generating a THz wave A first detection step of simultaneously detecting S (t) _off; a second detection step of simultaneously detecting the signal light S (t) _on and the reference light R (t) _on by generating a THz wave; Reference light R (t) _off and signal light S (t) _off detected in the first detection step, Beauty, using the signal light S (t) _on the reference light R (t) _on in the second detection step, and a calculation step of obtaining by calculating the THz wave time waveform E THz (t) It is characterized by.

ここで、第1の検出工程にて検出された参照光R(t)_offと信号光S(t)_off、及び、参照光R(t)_offと信号光S(t)_offとから算出される分岐比S(t)_off/R(t)_offのいずれかを記憶する記憶工程を更に有し、演算工程では、記憶工程にて記憶された参照光R(t)_offと信号光S(t)_off及び分岐比S(t)_off/R(t)_offのいずれか一方、並びに、第2の検出工程にて信号光S(t)_onと参照光R(t)_onを使って、THz波の時間波形ETHz(t)を演算して取得することを特徴とすれば、THz波を発生させないで参照光R(t)_offと信号光S(t)_offとを同時に検出する第1の検出工程を1回実行すれば、その後はTHz波を発生させて信号光S(t)_onと参照光R(t)_onとを同時に検出する第2の検出工程だけを実行してTHz波の時間波形を取得できる。 Here, the reference light R (t) _off and the signal light S (t) _off detected in the first detection step, and the reference light R (t) _off and the signal light S (t) _off are calculated. Storage step for storing any one of the branching ratios S (t) _off / R (t) _off. In the calculation step, the reference light R (t) _off and the signal light S ( t) _off and branching ratio S (t) _off / R (t) _off, and using the signal light S (t) _on and the reference light R (t) _on in the second detection step, If the time waveform E THz (t) of the THz wave is calculated and acquired, the reference light R (t) _off and the signal light S (t) _off are detected simultaneously without generating the THz wave. If the first detection step is executed once, then only the second detection step of generating the THz wave and simultaneously detecting the signal light S (t) _on and the reference light R (t) _on is executed. The time waveform of the wave can be acquired.

また、第1の検出工程にて検出された参照光R(t)_offと信号光S(t)_offとに基づいて分岐比S(t)_off/R(t)_offを算出し、第2の検出工程にて検出された参照光R(t)_onと算出された分岐比S(t)_off/R(t)_offとを使って、THz波で変調されないチャープパルスI(t)_offを演算し、第2の検出工程にて検出された信号光S(t)_onをTHz波で変調されたチャープパルスI(t)_onと見なして、THz波の時間波形ETHz(t)を演算して取得することを特徴とすれば、THz波で変調されたチャープパルスI(t)_onと変調されないチャープパルスI(t)_offの実効的な同時測定を果たし、レーザーの揺らぎに起因する歪みを除去できる。 Further, the branching ratio S (t) _off / R (t) _off is calculated based on the reference light R (t) _off and the signal light S (t) _off detected in the first detection step, and the second Using the reference light R (t) _on detected in the detection step and the calculated branching ratio S (t) _off / R (t) _off, a chirp pulse I (t) _off that is not modulated by the THz wave is obtained. Calculate the THz wave time waveform E THz (t) by regarding the signal light S (t) _on detected in the second detection step as the chirp pulse I (t) _on modulated with the THz wave. It is possible to obtain the effective simultaneous measurement of chirp pulse I (t) _on modulated with THz wave and chirp pulse I (t) _off unmodulated with THz wave, and distortion caused by laser fluctuation. Can be removed.

更に、THz波で変調されないチャープパルスI(t)_offを、式(1)   Further, a chirp pulse I (t) _off that is not modulated with a THz wave is expressed by the following equation (1).

Figure 2013057696
により演算し、THz波の時間波形ETHz(t)を、式(2)
Figure 2013057696
And calculate the time waveform E THz (t) of the THz wave using equation (2)

Figure 2013057696
により取得することを特徴とすれば、(2)式によりTHz波パルスの時間波形のレーザーの揺らぎに起因する歪みを除去できる。
Figure 2013057696
(2), distortion caused by laser fluctuations in the time waveform of the THz wave pulse can be removed.

上記課題を解決するために、本発明にかかるテラヘルツ測定法は、所定の測定位置に測定対象物がない状態でTHz波の第1の時間波形を取得する第1時間波形取得工程と、測定位置に配置された測定対象物を透過したTHz波の第2の時間波形を取得する第2時間波形取得工程と、第1時間波形取得工程にて取得された第1の時間波形と第2時間波形取得工程にて取得された第2の時間波形とに基づいて時間遅延量を算出する時間遅延量算出工程と、時間遅延量算出工程にて算出された時間遅延量だけプローブ光を遅延させて、測定対象物を透過したTHz波の第3の時間波形を取得する第3時間波形取得工程と、第1時間波形取得工程にて取得した第1の時間波形と、第3時間波形取得工程にて取得された第3の時間波形とに基づいて、測定対象物を透過したTHz波のスペクトルを計算するTHzスペクトル計算工程とを有することを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, a terahertz measurement method according to the present invention includes a first time waveform acquisition step of acquiring a first time waveform of a THz wave in a state where there is no measurement object at a predetermined measurement position, and a measurement position. A second time waveform acquisition step of acquiring a second time waveform of a THz wave that has passed through the measurement object disposed in the first time waveform, and a first time waveform and a second time waveform acquired in the first time waveform acquisition step A time delay amount calculation step of calculating a time delay amount based on the second time waveform acquired in the acquisition step, and delaying the probe light by the time delay amount calculated in the time delay amount calculation step, In the third time waveform acquisition step of acquiring the third time waveform of the THz wave that has passed through the measurement object, the first time waveform acquired in the first time waveform acquisition step, and the third time waveform acquisition step Based on the acquired third time waveform, And having a THz spectrum calculation step of calculating a spectrum of the THz wave transmitted through the constant object.

ここで、時間遅延量算出工程では、第1の時間波形と第2の時間波形との主ピークの時間差に基づいて時間遅延量を算出することを特徴とすれば、測定対象物がある場合とない場合とでTHz波をチャープパルス内の同じ時間領域で変調させ、THz波変調領域依存性を除いたTHz波の時間波形を導出できる。   Here, in the time delay amount calculation step, if the time delay amount is calculated based on the time difference between the main peaks of the first time waveform and the second time waveform, there is a case where there is a measurement object. When the THz wave is not modulated, the THz wave is modulated in the same time domain within the chirp pulse, and the time waveform of the THz wave can be derived without the dependence on the THz wave modulation domain.

また、第1の時間波形を記憶する第1時間波形記憶工程を更に有し、時間遅延量算出工程では、第1時間波形記憶工程にて記憶された第1の時間波形と第2の時間波形とに基づいて時間遅延量を算出することを特徴とすれば、所定の測定位置に測定対象物がない状態でTHz波の第1の時間波形を取得する第1時間波形取得工程を省くことができるので、測定時間を短縮できる。   The first time waveform storing step for storing the first time waveform is further included. In the time delay amount calculating step, the first time waveform and the second time waveform stored in the first time waveform storing step are stored. If the time delay amount is calculated based on the above, the first time waveform acquisition step of acquiring the first time waveform of the THz wave in a state where there is no measurement object at the predetermined measurement position can be omitted. Measurement time can be shortened.

更に、第1乃至第3時間波形取得工程の少なくともいずれか1つの時間波形取得工程は複数回実行され、複数回検出された参照光と信号光とに基づいてTHz波の時間波形を取得することを特徴とすれば、信号/雑音比(S/N比)を上げることができる。   Further, at least any one of the first to third time waveform acquisition steps is executed a plurality of times, and a THz wave time waveform is acquired based on the reference light and the signal light detected a plurality of times. The signal / noise ratio (S / N ratio) can be increased.

上記課題を解決するために、本発明にかかるテラヘルツ測定法は、超短光パルスを励起光として測定対象物に照射して、光励起された測定対象物を透過した透過THz波の時間波形を取得する励起状態での時間波形取得工程と、基底状態の測定対象物を透過した透過THz波の時間波形を取得する基底状態での時間波形取得工程と、励起状態での時間波形取得工程にて取得された励起状態での透過THz波の時間波形と、基底状態での時間波形取得工程にて取得された基底状態での透過THz波の時間波形とに基づいて、光励起によって測定対象物に生じる変化を解析する解析工程とを有することを特徴とする。   In order to solve the above problems, the terahertz measurement method according to the present invention obtains a time waveform of a transmitted THz wave transmitted through a photoexcited measurement object by irradiating the measurement object with an ultrashort light pulse as excitation light. Acquired in the time waveform acquisition step in the excited state, the time waveform acquisition step in the ground state for acquiring the time waveform of the transmitted THz wave that has passed through the measurement object in the ground state, and the time waveform acquisition step in the excited state Of the measured THz wave in the excited state and the time waveform of the transmitted THz wave in the ground state acquired in the time waveform acquisition step in the ground state. And an analysis step for analyzing.

上記課題を解決するために、本発明にかかる検査装置(99)は、測定対象物を所定の測定位置に搬送する搬送手段(98)と、搬送手段(98)により測定位置に搬送された測定対象物を透過する透過THz波を測定するテラヘルツ測定装置(1)とを有することを特徴とする。   In order to solve the above problems, an inspection apparatus (99) according to the present invention includes a transport unit (98) that transports a measurement object to a predetermined measurement position, and a measurement transported to the measurement position by the transport unit (98). And a terahertz measuring device (1) for measuring a transmitted THz wave that passes through an object.

ここで、様々な物質のTHz領域におけるTHzスペクトルを記憶するデータベース(96)を更に有し、テラヘルツ測定装置(1)にて測定された測定対象物の透過THz波とデータベース(96)に記憶されたTHzスペクトルとに基づいて測定対象物を検査することを特徴とすれば、測定対象物を容易に特定できる。   Here, the database (96) further stores a THz spectrum of various substances in the THz region, and is stored in the database (96) with the transmitted THz wave of the measurement object measured by the terahertz measuring device (1). If the measurement object is inspected based on the THz spectrum, the measurement object can be easily specified.

本発明によれば、測定周波数帯域の広帯域化と周波数分解能の高分解能化とを実現し、信頼性の高いテラヘルツ測定装置等を提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide a highly reliable terahertz measuring device and the like by realizing a wide measurement frequency band and a high frequency resolution.

第1の実施形態にかかるテラヘルツ波スペクトル測定装置の構成図である。It is a block diagram of the terahertz wave spectrum measuring apparatus concerning 1st Embodiment. THz波パルスの時間波形のフーリエ変換スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the Fourier-transform spectrum of the time waveform of a THz wave pulse. 周波数分解能を変えて検出したTHz波パルスの時間波形を示す図である。It is a figure which shows the time waveform of the THz wave pulse detected by changing frequency resolution. THz波パルスとチャープパルスとの時間的タイミングを変えて得たTHz波パルスの時間波形を示す図である。It is a figure which shows the time waveform of the THz wave pulse obtained by changing the time timing of a THz wave pulse and a chirp pulse. 第2の実施形態にかかるテラヘルツ波スペクトル測定装置の構成図である。It is a block diagram of the terahertz wave spectrum measuring apparatus concerning 2nd Embodiment. 図1に示すテラヘルツ波スペクトル測定装置を用いた検査装置の概観図である。It is a general-view figure of the inspection apparatus using the terahertz wave spectrum measuring apparatus shown in FIG.

(第1の実施形態)
以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail.

図1は、本発明にかかるテラヘルツ測定装置の一例としての第1の実施形態にかかるテラヘルツ波スペクトル測定装置1の構成図である。   FIG. 1 is a configuration diagram of a terahertz wave spectrum measuring apparatus 1 according to a first embodiment as an example of a terahertz measuring apparatus according to the present invention.

図1に示すように、テラヘルツ波スペクトル測定装置1は、超短光パルスの一例としてのフェムト秒レーザーを発生する光パルス発生手段の一例としてのレーザー発生部10と、レーザー発生部10から出力されるフェムト秒レーザーをポンプ光とプローブ光の2つに分岐する第1の分岐手段の一例としてのビームスプリッタ11と、ビームスプリッタ11で分岐されたポンプ光を受けて、テラヘルツ波パルス(THz波パルス)を発生させるテラヘルツ波発生光学系の一例としてのTHz波発生源12とを有する。   As shown in FIG. 1, a terahertz wave spectrum measuring apparatus 1 is output from a laser generator 10 as an example of an optical pulse generator that generates a femtosecond laser as an example of an ultrashort optical pulse, and a laser generator 10. The beam splitter 11 as an example of the first branching means for branching the femtosecond laser into two of the pump light and the probe light, and the terahertz wave pulse (THz wave pulse) upon receiving the pump light branched by the beam splitter 11 And a THz wave generation source 12 as an example of a terahertz wave generation optical system.

また、テラヘルツ波スペクトル測定装置1は、ビームスプリッタ11で分岐されたプローブ光を受けて所定の時間遅延させて出力する光学的時間遅延器21と、光学的時間遅延器21にて時間遅延されて出力されたプローブ光を線形チャープしたチャープパルスに変換して出力するチャープ発生光学系の一例としてのチャープ発生光学器22と、所定の振動方向を有する直線偏光を透過する偏光子23とを有する。   Further, the terahertz wave spectrum measuring apparatus 1 receives the probe light branched by the beam splitter 11 and delays it for a predetermined time and outputs it, and the optical time delay 21 delays the time. It has a chirp generation optical device 22 as an example of a chirp generation optical system that converts the output probe light into a linearly chirped chirp pulse and outputs it, and a polarizer 23 that transmits linearly polarized light having a predetermined vibration direction.

更に、テラヘルツ波スペクトル測定装置1は、チャープ発生光学器22にて変換されたチャープパルスを参照光と信号光の2つに分岐する第2の分岐手段の一例としてのビームスプリッタ31と、ビームスプリッタ31にて分岐された参照光を取り込んで、後述する分光検出部48へ出力する参照光入力部32とを有する。   Further, the terahertz wave spectrum measuring apparatus 1 includes a beam splitter 31 as an example of a second branching unit that splits the chirp pulse converted by the chirp generation optical device 22 into two of reference light and signal light, A reference light input unit 32 that takes in the reference light branched at 31 and outputs the reference light to a spectral detection unit 48 described later.

更にまた、テラヘルツ波スペクトル測定装置1は、ビームスプリッタ31にて分岐されたチャープパルスの信号光を、THz波発生源12で発生されたTHz波パルスの電場信号で誘起された電気光学効果にて変調する光学素子配列40と、光学素子配列40で変調された信号光を取り込んで、後述する分光検出部48へ出力する信号光入力部45とを有する。   Furthermore, the terahertz wave spectrum measurement apparatus 1 uses the electro-optic effect induced by the electric field signal of the THz wave pulse generated by the THz wave generation source 12 for the signal light of the chirp pulse branched by the beam splitter 31. An optical element array 40 to be modulated and a signal light input unit 45 that takes in the signal light modulated by the optical element array 40 and outputs the signal light to a spectral detection unit 48 described later.

更にまた、テラヘルツ波スペクトル測定装置1は、参照光入力部32から取り込んだ参照光と信号光入力部45から取り込んだ信号光とを光ファイバを介して取得し、分光して参照光及び信号光のスペクトルを検出する分光検出部48と、分光検出部48にて検出された参照光と信号光とに基づいてTHz波パルスの時間波形を取得する演算手段の一例としての演算回路50とを有して構成される。   Furthermore, the terahertz wave spectrum measuring apparatus 1 acquires the reference light captured from the reference light input unit 32 and the signal light captured from the signal light input unit 45 via an optical fiber, and divides the reference light and the signal light. And a calculation circuit 50 as an example of a calculation means for acquiring a time waveform of a THz wave pulse based on the reference light and the signal light detected by the spectrum detection unit 48. Configured.

ここで、レーザー発生部10は、例えば、チタン・サファイア・レーザーの再生増幅システムで構成される。また、レーザー発生部10は、例えば、スペクトル幅10nm程度、パルス幅100フェムト秒、波長800nm、パルスエネルギ1mJ/パルス、パルス繰り返し1KHzのフェムト秒レーザーの超短光パルスを発生する。尚、超短光パルスは、これに限定されるものではない。   Here, the laser generator 10 is constituted by, for example, a reproduction amplification system of a titanium / sapphire / laser. The laser generator 10 generates an ultrashort light pulse of a femtosecond laser having a spectral width of about 10 nm, a pulse width of 100 femtoseconds, a wavelength of 800 nm, a pulse energy of 1 mJ / pulse, and a pulse repetition of 1 KHz, for example. The ultrashort light pulse is not limited to this.

ビームスプリッタ11は、例えば、ハーフミラー型ビームスプリッタや偏光ビームスプリッタ等で構成される。ビームスプリッタ11は、レーザー発生部10から出力されるフェムト秒レーザーを、THz波発生源12へ供給するポンプ光と、チャープ発生光学器22へ供給するプローブ光の2つに分岐する。   The beam splitter 11 is composed of, for example, a half mirror type beam splitter, a polarization beam splitter, or the like. The beam splitter 11 branches the femtosecond laser output from the laser generation unit 10 into two, pump light supplied to the THz wave generation source 12 and probe light supplied to the chirp generation optical device 22.

THz波発生源12は、例えば、低温成長ガリウム・ヒ素(LT−GaAs)上に金属アンテナを形成した半導体等の光伝導アンテナ、インジウム・ヒ素(InAs)基板等のバルク半導体、半導体量子井戸、テルル化亜鉛(ZnTe)などの非線形光学結晶、高温超伝導体などで構成される。第1の実施形態では半導体インジウム・ヒ素基板を用いている。   The THz wave generation source 12 includes, for example, a photoconductive antenna such as a semiconductor in which a metal antenna is formed on low-temperature grown gallium arsenide (LT-GaAs), a bulk semiconductor such as an indium arsenide (InAs) substrate, a semiconductor quantum well, and tellurium. It is composed of a nonlinear optical crystal such as zinc halide (ZnTe), a high-temperature superconductor, or the like. In the first embodiment, a semiconductor indium / arsenic substrate is used.

THz波発生源12は、ビームスプリッタ11で分岐されたポンプ光を発生素子(図示省略)に受けて、テラヘルツ波パルス(THz波パルス)を発生させる。THz波発生源12には、通常、発生効率、発生強度を増大させるために、大きな分岐比で分岐されたポンプ光が照射される。   The THz wave generation source 12 receives the pump light branched by the beam splitter 11 at a generation element (not shown), and generates a terahertz wave pulse (THz wave pulse). The THz wave generation source 12 is usually irradiated with pump light branched at a large branching ratio in order to increase generation efficiency and generation intensity.

光学的時間遅延器21は、例えば、図示しない複数の折り返しミラーの組み合わせにより構成される。光学的時間遅延器21は、後述する演算回路50からの制御信号に基づいて、ビームスプリッタ11で分岐されたプローブ光を所定の時間、遅延させて出力する。   The optical time delay device 21 is configured by, for example, a combination of a plurality of folding mirrors (not shown). The optical time delay device 21 delays and outputs the probe light branched by the beam splitter 11 for a predetermined time based on a control signal from the arithmetic circuit 50 described later.

チャープ発生光学器22は、例えば、バルク回折格子対、プリズム、ホログラフィックグレーティング、ファイバーグレーティング、コリメータレンズ等(いずれも図示省略)を用いて構成される。チャープ発生光学器22は、光学的時間遅延器21にて時間遅延されて出力されたプローブ光を線形チャープしたチャープパルスに変換して出力する。チャープ発生光学器22は、10ピコ秒以上、例えば、20ピコ秒程度の時間幅を持つチャープパルスを生成する。   The chirp generation optical device 22 is configured using, for example, a bulk diffraction grating pair, a prism, a holographic grating, a fiber grating, a collimator lens, and the like (all not shown). The chirp generation optical device 22 converts the probe light output after being time-delayed by the optical time delay device 21 into a chirp pulse having a linear chirp and outputs the chirp pulse. The chirp generation optical device 22 generates a chirp pulse having a time width of 10 picoseconds or more, for example, about 20 picoseconds.

ビームスプリッタ31は、例えば、ハーフミラー型ビームスプリッタや偏光ビームスプリッタ等で構成される。ビームスプリッタ31は、チャープ発生光学器22にて変換されたチャープパルスを、参照光入力部32へ供給する参照光と、信号光入力部45へ供給する信号光の2つに分岐する。   The beam splitter 31 is composed of, for example, a half mirror type beam splitter, a polarization beam splitter, or the like. The beam splitter 31 branches the chirp pulse converted by the chirp generation optical device 22 into two light sources, the reference light supplied to the reference light input unit 32 and the signal light supplied to the signal light input unit 45.

参照光入力部32は、例えば、光ファイバの端部等で構成される。参照光入力部32は、ビームスプリッタ31にて分岐されたチャープパルスの参照光が入光され、後述する分光検出部48へ供給する。   The reference light input unit 32 is configured by, for example, an end portion of an optical fiber. The reference light input unit 32 receives the chirped pulse reference light branched by the beam splitter 31 and supplies the reference light to a spectral detection unit 48 described later.

光学素子配列40は、チャープパルスを透過させTHz波パルスを反射するハーフミラー41と、平行光を集光反射する軸外し放物面鏡42と、THz波パルスの電場信号でチャープパルスを変調する電気光学結晶43と、偏光子23の偏光方向に直交する偏光方向を有しTHz変調を受けたチャープパルスを透過する偏光子44とを有して構成される。   The optical element array 40 modulates the chirp pulse with a half mirror 41 that transmits a chirp pulse and reflects a THz wave pulse, an off-axis parabolic mirror 42 that collects and reflects parallel light, and an electric field signal of the THz wave pulse. The electro-optic crystal 43 and a polarizer 44 having a polarization direction orthogonal to the polarization direction of the polarizer 23 and transmitting a chirp pulse subjected to THz modulation are configured.

ここで、電気光学結晶43は、例えば、テルル化亜鉛(ZnTe)結晶等で構成される。電気光学結晶43はTHz波パルスが照射されると、その電場信号によるポッケルス効果で透過する信号光の時間波形を変調する。   Here, the electro-optic crystal 43 is composed of, for example, zinc telluride (ZnTe) crystal. When the electro-optic crystal 43 is irradiated with a THz wave pulse, the electro-optic crystal 43 modulates the time waveform of the signal light transmitted by the Pockels effect by the electric field signal.

信号光入力部45は、例えば、光ファイバの端部等で構成される。信号光入力部45は、ビームスプリッタ31にて分岐されたチャープパルスの信号光が入光され、後述する分光検出部48へ供給する。   The signal light input unit 45 is constituted by, for example, an end portion of an optical fiber. The signal light input unit 45 receives the chirped pulse signal light branched by the beam splitter 31 and supplies the signal light to a spectral detection unit 48 described later.

分光検出部48は、例えば、回折格子等の分光器とCCD(Charge Coupled Device、電荷結合素子)等の検出器とを一体として収納する多素子検出器付き分光器等で構成される。第1の実施形態の分光検出部48は受光領域を2つに分け、参照光入力部32からの参照光と信号光検出部45からの信号光とを受光している。尚、ここで、参照光入力部32と分光検出部48とは、本願の参照光検出手段の一例を構成し、また、信号光入力部45と分光検出部48とは本願の信号光検出手段の一例を構成する。分光検出部48で検出された信号光及び参照光の横軸は波長或いは周波数である。線形のチャープパルスは周波数と時間の間で線形の関係であるから、検出された信号光及び参照光の横軸をチャープレートの値を用いて時間軸に変換できる。実際にチャープレートの値を得るには、例えば、1)周波数分解光ゲート法により求めるか、或いは、2)光学的時間遅延器21によりTHz波とチャープパルスとが電気光学結晶43で重なるタイミングを変えてTHz時間波形を波長又は周波数横軸上で動かし、その時の波形の主ピークの波長(或いは周波数)変化量と時間との関係をプロットする等により求めることができる。   The spectroscopic detection unit 48 includes, for example, a spectroscope with a multi-element detector that integrally accommodates a spectroscope such as a diffraction grating and a detector such as a CCD (Charge Coupled Device). The spectral detection unit 48 of the first embodiment divides the light receiving region into two parts, and receives the reference light from the reference light input unit 32 and the signal light from the signal light detection unit 45. Here, the reference light input unit 32 and the spectral detection unit 48 constitute an example of the reference light detection unit of the present application, and the signal light input unit 45 and the spectral detection unit 48 are the signal light detection unit of the present application. An example is configured. The horizontal axes of the signal light and the reference light detected by the spectroscopic detection unit 48 are wavelengths or frequencies. Since the linear chirp pulse has a linear relationship between frequency and time, the horizontal axis of the detected signal light and reference light can be converted to the time axis using the value of the chirp plate. In order to actually obtain the value of the chirp plate, for example, 1) it is obtained by the frequency-resolved optical gate method, or 2) the timing at which the THz wave and the chirp pulse are overlapped by the electro-optic crystal 43 by the optical time delay device 21. It can be obtained by moving the THz time waveform on the horizontal axis of the wavelength or frequency and plotting the relationship between the wavelength (or frequency) change of the main peak of the waveform and the time at that time.

演算回路50は、例えば、CPU(Central Processing Unit、中央処理装置)等で構成される。演算回路50は、光学的時間遅延器21に対して時間遅延量を指示する制御信号を出力する。また、演算回路50は、分光検出部48からTHz波パルスの電場時間波形を取得し、その電場時間波形をフーリエ変換してTHz波パルスの周波数スペクトルを算出する。ここで、制御信号が指示する時間遅延量として、例えば、THz波発生源12から出力されるTHz波パルスがチャープ発生光学器22から出力されるチャープパルスに時間的にオーバーラップする(時間的に同期する)ための時間遅延量がある。また、例えば、測定対象物がある場合とない場合のTHz波パルスの時間波形の主ピーク間の時間差がある。これについては後述する。   The arithmetic circuit 50 is composed of, for example, a CPU (Central Processing Unit). The arithmetic circuit 50 outputs a control signal for instructing the time delay amount to the optical time delay device 21. In addition, the arithmetic circuit 50 acquires the electric field time waveform of the THz wave pulse from the spectroscopic detection unit 48, and Fourier transforms the electric field time waveform to calculate the frequency spectrum of the THz wave pulse. Here, as the amount of time delay indicated by the control signal, for example, a THz wave pulse output from the THz wave generation source 12 overlaps in time with a chirp pulse output from the chirp generation optical device 22 (in terms of time). There is a time delay amount for synchronizing). Further, for example, there is a time difference between main peaks of a time waveform of a THz wave pulse with and without a measurement object. This will be described later.

尚、上記した第1の実施形態にかかるテラヘルツ波スペクトル測定装置1では、多素子検出器付き分光器等で構成される1個の分光検出部48が受光領域を分けて参照光と信号光とを検出する例を説明したが、2個の多素子検出器付き分光器が参照光の検出と信号光の検出とを分担する構成としても良い(図示省略)。   In the terahertz wave spectrum measuring apparatus 1 according to the first embodiment described above, one spectroscopic detection unit 48 composed of a spectroscope with a multi-element detector or the like divides the light receiving region into reference light and signal light. However, it is also possible to adopt a configuration in which two spectroscopes with a multi-element detector share the detection of the reference light and the detection of the signal light (not shown).

(動作概要)
以上の構成を有するテラヘルツ波スペクトル測定装置1の動作概要を以下に説明する。
(Overview of operation)
An outline of the operation of the terahertz wave spectrum measuring apparatus 1 having the above configuration will be described below.

レーザー発生部10から出力されたフェムト秒レーザーは、ビームスプリッタ11でポンプ光とプローブ光の2つに分岐される(第1の分岐工程)。ポンプ光はTHz波発生源12へ導かれTHz波パルスが発生される(THz波発生工程)。プローブ光は光学的時間遅延器21を通過した後にチャープ発生光学器22を用いて20ピコ秒程度以上の時間幅を持つチャープパルスに成形される(チャープ変換工程)。チャープパルスの時間幅からは、以下の式に従って、THz分光器の周波数分解能Δωが得られる。   The femtosecond laser output from the laser generator 10 is split into two pump light and probe light by the beam splitter 11 (first branching step). The pump light is guided to the THz wave generation source 12 to generate a THz wave pulse (THZ wave generation process). After passing through the optical time delay device 21, the probe light is shaped into a chirp pulse having a time width of about 20 picoseconds or more using the chirp generation optical device 22 (chirp conversion step). From the time width of the chirp pulse, the frequency resolution Δω of the THz spectrometer is obtained according to the following equation.

Figure 2013057696
Figure 2013057696

これにより、従来法であるA法を用いたテラヘルツ分光と同程度の数十GHzの周波数分解能を得る。   As a result, a frequency resolution of several tens of GHz, which is similar to the terahertz spectroscopy using the conventional method A, is obtained.

チャープパルスを検出する分光検出部48の周波数分解能Δνは、被測定THz波パルスの時間波形の分解に必要な時間分解能の値に基づいて決定される。必要とされる時間分解能をΔτ、チャープレートの大きさをγとすると、   The frequency resolution Δν of the spectroscopic detection unit 48 that detects the chirp pulse is determined based on the value of the time resolution necessary for resolving the time waveform of the THz wave pulse to be measured. If the required time resolution is Δτ and the size of the chirp plate is γ,

Figure 2013057696
で得られる周波数分解能Δνが分光器の周波数分解能値の目安とされる。
Figure 2013057696
The frequency resolution Δν obtained by the above is used as a standard for the frequency resolution value of the spectrometer.

この目安に基づけば、従来法であるA法を用いたテラヘルツ分光と同程度の測定周波数帯域と周波数分解能とを同時に実現することができる。例えば、約100フェムト秒のパルス幅をもつレーザー(800nm中心)を用いて、チャープレートの大きさを0.2THz2で時間分解能約200フェムト秒を得たいのであれば、分光器に必要とされる波長分解能が計算できる。 Based on this guideline, it is possible to simultaneously realize a measurement frequency band and frequency resolution comparable to those of terahertz spectroscopy using the conventional method A. For example, if a laser with a pulse width of about 100 femtoseconds (800 nm center) is used to obtain a time resolution of about 200 femtoseconds with a chirp plate size of 0.2 THz 2 , it is required for a spectrometer. The wavelength resolution can be calculated.

周波数分解能Δνは、以下の計算式から0.04THzである。   The frequency resolution Δν is 0.04 THz from the following calculation formula.

Figure 2013057696
Figure 2013057696

800nm=375THzであるから、波長分解能は、   Since 800 nm = 375 THz, the wavelength resolution is

Figure 2013057696
Figure 2013057696

よって、0.1nm程度の波長分解能を有する分光器を用いる。   Therefore, a spectrometer having a wavelength resolution of about 0.1 nm is used.

チャープ発生光学器22にて生成されて出力されたチャープパルスは偏光子23に通した後、ビームスプリッタ31で2つに分岐される(第2の分岐工程)。一方は、そのまま参照光入力部32に導かれる。もう一方は、光学素子配列40において、THz波発生源12から出力されるTHz波パルスに電気光学結晶43内で重ねられ、チャープパルスをTHz波電場により変調させる(変調工程)。その後、偏光子44を通して、信号光入力部45に導かれる。分光検出部48にて、参照光と信号光とを取得する(参照光検出工程、信号光検出工程)。   The chirp pulse generated and output by the chirp generating optical device 22 is passed through the polarizer 23 and then branched into two by the beam splitter 31 (second branching step). One is guided to the reference light input unit 32 as it is. In the optical element array 40, the other is superimposed on the THz wave pulse output from the THz wave generation source 12 in the electro-optic crystal 43, and the chirp pulse is modulated by the THz wave electric field (modulation process). Thereafter, the light is guided to the signal light input unit 45 through the polarizer 44. The spectral detection unit 48 acquires reference light and signal light (reference light detection step, signal light detection step).

以上により、テラヘルツ波スペクトル測定装置1は、参照光と信号光とを取得できる。   As described above, the terahertz wave spectrum measuring apparatus 1 can acquire the reference light and the signal light.

(時間波形取得法)
以上で動作概要を説明したので、続いて、第1の実施形態にかかる時間波形取得法を説明する。
(Time waveform acquisition method)
Since the operation outline has been described above, the time waveform acquisition method according to the first embodiment will be described.

(第1の検出工程)
以下に説明する第1の検出工程では、THz波を発生させないで、参照光R(t)_offと信号光S(t)_offとが同時に検出される。
(First detection step)
In the first detection step described below, the reference light R (t) _off and the signal light S (t) _off are detected simultaneously without generating a THz wave.

レーザー発生部10によって発生されたフェムト秒レーザーが、ビームスプリッタ11でポンプ光とプローブ光の2つに分岐される(第1の分岐工程)。ポンプ光はTHz波発生源12へ向けて導かれるが、図示しないシャッターにて遮断される。これにより、THz波発生源12はTHz波パルスを発生させない。尚、THz波発生源12の後ろにシャッター(図示省略)を設け、発生したTHz波パルスを遮断しても良い。一方、プローブ光は光学的時間遅延器21を通過した後にチャープ発生光学器22を用いてチャープパルスに成形される(チャープ変換工程)。   The femtosecond laser generated by the laser generator 10 is split into two beams, pump light and probe light, by the beam splitter 11 (first branching step). The pump light is guided toward the THz wave generation source 12, but is blocked by a shutter (not shown). Thereby, the THz wave generation source 12 does not generate a THz wave pulse. A shutter (not shown) may be provided behind the THz wave generation source 12 to block the generated THz wave pulse. On the other hand, the probe light is shaped into a chirp pulse using the chirp generation optical device 22 after passing through the optical time delay device 21 (chirp conversion step).

チャープパルスはビームスプリッタ31で2つに分岐される(第2の分岐工程)。一方は参照光入力部32に導かれる。もう一方は、光学素子配列40を通過して信号光入力部45へ導かれる。THz波発生源12からTHz波パルスが出力されないので、光学素子配列40において変調されることはない。その後、信号光入力部45へ導かれる。分光検出部48にて、参照光R(t)_offと信号光S(t)_offとが同時に取得される。   The chirp pulse is branched into two by the beam splitter 31 (second branching step). One is guided to the reference light input unit 32. The other is passed through the optical element array 40 and guided to the signal light input unit 45. Since no THz wave pulse is output from the THz wave generation source 12, no modulation is made in the optical element array 40. Thereafter, the light is guided to the signal light input unit 45. In the spectroscopic detection unit 48, the reference light R (t) _off and the signal light S (t) _off are simultaneously acquired.

取得された参照光R(t)_offと信号光S(t)_offとに基づいて、演算回路50にてビームスプリッタ31の分岐比S(t)_off/R(t)_offが計算される。   Based on the acquired reference light R (t) _off and signal light S (t) _off, the arithmetic circuit 50 calculates the branching ratio S (t) _off / R (t) _off of the beam splitter 31.

(第2の検出工程)
第2の検出工程では、THz波を発生させて参照光R(t)_onと信号光S(t)_onとが同時に検出される。
レーザー発生部10によって発生されたフェムト秒レーザーが、ビームスプリッタ11でポンプ光とプローブ光の2つに分岐される(第1の分岐工程)。ポンプ光はTHz波発生源12へ導かれ、THz波発生源12はTHz波パルスを発生させる(THz波発生工程)。一方、プローブ光は光学的時間遅延器21を通過した後にチャープ発生光学器22にてチャープパルスに成形される(チャープ変換工程)。
(Second detection step)
In the second detection step, a THz wave is generated and the reference light R (t) _on and the signal light S (t) _on are detected simultaneously.
The femtosecond laser generated by the laser generator 10 is split into two beams, pump light and probe light, by the beam splitter 11 (first branching step). The pump light is guided to the THz wave generation source 12, and the THz wave generation source 12 generates a THz wave pulse (THz wave generation step). On the other hand, the probe light is shaped into a chirp pulse by the chirp generation optical device 22 after passing through the optical time delay device 21 (chirp conversion step).

チャープパルスはビームスプリッタ31で2つに分岐される(第2の分岐工程)。一方は参照光入力部32に導かれる。他方は、光学素子配列40において、THz波発生源12から出力されるTHz波パルスに電気光学結晶43内で重ねられ、チャープパルスをTHz波電場により変調させる(変調工程)。その後、信号光入力部45へ導かれる。分光検出部48にて、参照光R(t)_onと信号光S(t)_onとが同時に取得される。   The chirp pulse is branched into two by the beam splitter 31 (second branching step). One is guided to the reference light input unit 32. The other is superimposed on the THz wave pulse output from the THz wave generation source 12 in the electro-optic crystal 43 in the optical element array 40, and the chirp pulse is modulated by the THz wave electric field (modulation step). Thereafter, the light is guided to the signal light input unit 45. In the spectroscopic detection unit 48, the reference light R (t) _on and the signal light S (t) _on are acquired simultaneously.

(演算工程)
第1の検出工程にて計算された分岐比S(t)_off/R(t)_off、及び、前記第2の検出工程にて取得された参照光R(t)_onを使って、THz波パルスで変調されないチャープパルスI(t)_offが、以下の(1)式で計算される。
(Calculation process)
Using the branching ratio S (t) _off / R (t) _off calculated in the first detection step and the reference light R (t) _on acquired in the second detection step, a THz wave A chirp pulse I (t) _off that is not modulated by a pulse is calculated by the following equation (1).

Figure 2013057696
Figure 2013057696

また、参照光R(t)_onと同時に取得された信号光S(t)_onは、THz波パルスで変調されたチャープパルスI(t)_onであるから(I(t)_on=S(t)_on)、THz波パルスの時間波形ETHz(t)は、以下の(2)式により計算される。 The signal light S (t) _on acquired simultaneously with the reference light R (t) _on is a chirp pulse I (t) _on modulated with a THz wave pulse (I (t) _on = S (t ) _on), the time waveform E THz (t) of the THz wave pulse is calculated by the following equation (2).

Figure 2013057696
Figure 2013057696

これにより、I(t)_onとI(t)_offの実効的な同時測定を果たし、(2)式から導いたTHz波パルスの時間波形のレーザーの揺らぎに起因する歪みを除去できる。   Thereby, effective simultaneous measurement of I (t) _on and I (t) _off is performed, and distortion caused by the fluctuation of the laser of the time waveform of the THz wave pulse derived from the equation (2) can be removed.

尚、第1の検出工程において計算された分岐比S(t)_off/R(t)_offを、図示しない記憶手段に記憶し、その後は第2の検出工程だけを実行するようにしても良い。   Note that the branching ratio S (t) _off / R (t) _off calculated in the first detection step may be stored in a storage unit (not shown), and thereafter only the second detection step may be executed. .

(透過スペクトル測定法)
以上で時間波形取得法を説明したので、次に、測定対象物を透過したTHz波のスペクトル測定法を説明する。
(Transmission spectrum measurement method)
Since the time waveform acquisition method has been described above, the spectrum measurement method of the THz wave transmitted through the measurement object will be described next.

透過スペクトル測定法では、所定の測定位置に測定対象物が配置されていない場合と配置されている場合のTHz波パルスの時間波形を、上に説明した時間波形取得法に基づいて取得する(第1の時間波形取得工程、第2の時間波形取得工程)。取得した2つの時間波形の主ピークの間の時間差に基づいて、演算回路50は、第1の時間波形に対する第2の時間波形の遅延量(透過THz波の時間遅延量)を算出する(時間遅延量算出工程)。   In the transmission spectrum measurement method, the time waveform of the THz wave pulse when the measurement object is not disposed at the predetermined measurement position and when the measurement object is disposed is acquired based on the time waveform acquisition method described above (first). 1 time waveform acquisition step, second time waveform acquisition step). Based on the time difference between the main peaks of the two acquired time waveforms, the arithmetic circuit 50 calculates a delay amount of the second time waveform with respect to the first time waveform (a time delay amount of the transmitted THz wave) (time). Delay amount calculation step).

算出した時間遅延量だけ時間を遅延させるように、演算回路50は光学的時間遅延器21に対して制御信号を出力して時間を遅延させ、測定対象物の透過THz波の時間波形を再度取得する(第3の時間波形取得工程)。そして、第1の時間波形と第3の時間波形とに基づいて、演算回路50は測定対象物を透過したTHz波のスペクトルを計算する(THzスペクトル計算工程)。   The arithmetic circuit 50 outputs a control signal to the optical time delay device 21 so as to delay the time by the calculated time delay amount, delays the time, and acquires the time waveform of the transmitted THz wave of the measurement object again. (Third time waveform acquisition step). Then, based on the first time waveform and the third time waveform, the arithmetic circuit 50 calculates the spectrum of the THz wave that has passed through the measurement object (THz spectrum calculation step).

以上により、測定位置に測定対象物がある場合とない場合の透過THz波がチャープパルス内の同じ時間領域を変調するので、テラヘルツ波スペクトル測定装置1の装置応答のTHz波変調領域依存性を除いたTHz波パルスの時間波形を取得できる。そして、その効果に起因した歪みのないTHzスペクトルを測定できる。   As described above, since the transmitted THz wave with and without the measurement object at the measurement position modulates the same time region in the chirp pulse, the dependence of the device response of the terahertz wave spectrum measurement device 1 on the THz wave modulation region is excluded. The time waveform of the THz wave pulse can be acquired. And it is possible to measure a THz spectrum without distortion caused by the effect.

尚、測定対象物がない状態のTHz波パルスの時間波形取得(第1の時間波形取得工程)、測定対象物がある状態のTHz波パルスの時間波形取得(第2の時間波形取得工程)や二つのTHz時間波形の時間差分を修正して実施した測定対象物がある状態のTHz波パルスの時間波形取得(第3の時間波形取得工程)は、それぞれ単発のレーザーパルスを用いて実行できるが、信号/雑音比(S/N比)を上げるために、複数回の測定を行って取得したデータを積算しTHzスペクトルを計算しても良い。   In addition, acquisition of a time waveform of a THz wave pulse without a measurement object (first time waveform acquisition process), acquisition of a time waveform of a THz wave pulse with a measurement object (second time waveform acquisition process), Although the time waveform acquisition (third time waveform acquisition step) of the THz wave pulse in a state where there is a measurement object performed by correcting the time difference between the two THz time waveforms can be performed using a single laser pulse, respectively. In order to increase the signal / noise ratio (S / N ratio), data obtained by performing a plurality of measurements may be integrated to calculate a THz spectrum.

(実施例1)
図1に示す構成を有するテラヘルツ波スペクトル測定装置1において、パルス幅:約150フェムト秒、パルスエネルギー:約0.5mJ、パルス繰り返し:約1kHz、中心波長:約800nmのフェムト秒レーザーを用いて、出力されるTHzスペクトルを測定した。THz波発生源12として0.5mm厚のインジウム・ヒ素(InAs)基板を用い、その表面にフェムト秒レーザーを照射してTHz波パルスを発生させた。チャープ発生光学器22として1200本/mmの回折格子対を用い、約0.2THz2のチャープレートのチャープパルスを発生させた。電気光学結晶43にテルル化亜鉛(ZnTe)結晶を用いた。分光検出部48には、CCDカメラ(1340×400ピクセル)付き分光器(30cm、1800本/mm)を用いた。分光器の分解能は約0.1nmである。検出領域を二つ(1340×200ピクセル)に分け、参照光と信号光とを二つの領域で同時に検出した。
Example 1
In the terahertz wave spectrum measuring apparatus 1 having the configuration shown in FIG. 1, a femtosecond laser having a pulse width of about 150 femtoseconds, a pulse energy of about 0.5 mJ, a pulse repetition of about 1 kHz, and a center wavelength of about 800 nm is used. The output THz spectrum was measured. An indium arsenide (InAs) substrate having a thickness of 0.5 mm was used as the THz wave generating source 12, and a THz wave pulse was generated by irradiating the surface with a femtosecond laser. A chirp pulse of about 0.2 THz 2 was generated using a diffraction grating pair of 1200 lines / mm as the chirp generation optical device 22. A zinc telluride (ZnTe) crystal was used as the electro-optic crystal 43. A spectroscope (30 cm, 1800 lines / mm) with a CCD camera (1340 × 400 pixels) was used for the spectroscopic detection unit 48. The resolution of the spectrometer is about 0.1 nm. The detection area was divided into two (1340 × 200 pixels), and the reference light and the signal light were simultaneously detected in the two areas.

図2は、測定により導出されたTHz波パルスの時間波形のフーリエ変換スペクトルを示す。横軸は、導出されたTHz波パルスの周波数を示し、縦軸はTHz波パルスの電場振幅を示す。   FIG. 2 shows a Fourier transform spectrum of a time waveform of a THz wave pulse derived by measurement. The horizontal axis indicates the frequency of the derived THz wave pulse, and the vertical axis indicates the electric field amplitude of the THz wave pulse.

図2に示すように、測定を大気中で行ったため、測定された周波数領域において水蒸気の吸収に起因した幾つかのくぼみが存在する。   As shown in FIG. 2, since the measurement was performed in the atmosphere, there are some indentations due to water vapor absorption in the measured frequency domain.

実施例1にて測定されたTHz波パルスの時間波形は、低周波数領域からTHz波電場振幅の最大値の半値の周波数(約1.5THz)まで、A法を用いて取得したTHz波パルスの時間波形にほぼ一致する。このことから、実施例1は、A法とほぼ同じ測定周波数帯域を有することが判る。   The time waveform of the THz wave pulse measured in Example 1 is that of the THz wave pulse acquired by using the A method from the low frequency region to the half value frequency (about 1.5 THz) of the maximum value of the THz wave electric field amplitude. It almost matches the time waveform. From this, it can be seen that Example 1 has almost the same measurement frequency band as the A method.

また、約1.1THz付近の水蒸気の吸収に起因するスペクトル中の鋭いくぼみに着目して周波数分解能をスペクトルの半値全幅で評価すると、実施例1の周波数分解能は、A法と同じ約0.03THzに達している。このことから、実施例1は、A法とほぼ同じ周波数分解能を有することが判る。   Further, when the frequency resolution is evaluated by the full width at half maximum of the spectrum by paying attention to a sharp dent in the spectrum caused by absorption of water vapor in the vicinity of about 1.1 THz, the frequency resolution of Example 1 is about 0.03 THz, which is the same as that of the A method. Has reached. From this, it can be seen that Example 1 has substantially the same frequency resolution as the A method.

以上により、約20ピコ秒程度のチャープパルスと分光検出部48の高波長分解能化(約0.1nm)により、実施例1では、従来型のA法と同程度の測定周波数帯域及び周波数分解能が達成された。両方の値でB法及びC法での値より優れた結果を得ている。   As described above, the chirp pulse of about 20 picoseconds and the high wavelength resolution (about 0.1 nm) of the spectroscopic detection unit 48 enable the measurement frequency band and frequency resolution similar to those of the conventional method A to be achieved in the first embodiment. Achieved. Both values give results superior to those of the B and C methods.

また、実施例1では、C法のように白色パルスの発生という方法を用いることなく直接フェムト秒レーザーをチャープするだけで良い。   In the first embodiment, it is only necessary to chirp the femtosecond laser directly without using the method of generating a white pulse as in the C method.

図3は、分光検出部48の周波数分解能を変えて検出したTHz波パルスの時間波形の実験結果である。横軸は、時間(ピコ秒)を示し、縦軸は、THz波パルスの電場振幅を示す。   FIG. 3 shows the experimental results of the time waveform of the THz wave pulse detected by changing the frequency resolution of the spectroscopic detector 48. The horizontal axis represents time (picoseconds), and the vertical axis represents the electric field amplitude of the THz wave pulse.

図3に示すように、分光検出部48の周波数分解能が悪くなるとTHz波パルスのパルス幅が広がる。即ち、分光検出部48の周波数分解能が重要なパラメータであることを示す。   As shown in FIG. 3, when the frequency resolution of the spectroscopic detection unit 48 is deteriorated, the pulse width of the THz wave pulse is widened. That is, the frequency resolution of the spectroscopic detection unit 48 is an important parameter.

分光器の分解能をΔω(THz)、チャープレートの大きさをγ(THz2)とすると、Δω/γにより測定システムの時間分解能Δτをおよそ評価できる。 When the resolution of the spectroscope is Δω (THz) and the size of the chirp plate is γ (THz 2 ), the time resolution Δτ of the measurement system can be roughly evaluated by Δω / γ.

Figure 2013057696
Figure 2013057696

実施例1の場合、150フェムト秒のレーザー(800nm中心)を用いて、チャープレートの大きさを0.2THz2、分光器の分解能を0.1nmとすると、時間分解能Δτ=Δω/γ=0.1×10-9/(0.2×1012)=約200フェムト秒となり、A法で評価されたTHz波の元波形を充分分解できる時間分解能Δτを持つ。また、このチャープレートの場合、観測時間幅が数十ピコ秒であるから、数十GHzの周波数分解能を得る。この理論的な結果は実施例1(図2)とよく対応する。 In the case of Example 1, when using a 150 femtosecond laser (800 nm center), the size of the chirp plate is 0.2 THz 2 , and the resolution of the spectrometer is 0.1 nm, the time resolution Δτ = Δω / γ = 0. 1 × 10 −9 /(0.2×10 12 ) = about 200 femtoseconds, and has a time resolution Δτ that can sufficiently resolve the original waveform of the THz wave evaluated by the A method. In the case of this chirp plate, since the observation time width is several tens of picoseconds, a frequency resolution of several tens of GHz is obtained. This theoretical result corresponds well with Example 1 (FIG. 2).

THz波パルスの時間波形の導出は、B法、C法及び実施例1で共通であり、(2)式により求める。   Derivation of the time waveform of the THz wave pulse is common to the B method, the C method, and the first embodiment, and is obtained by the equation (2).

B法及びC法では、第1の実施形態にかかるダブルビーム法での信号光に相当する信号のみを測定し、参照光を同時に測定しない。よって、異なるプローブパルスでI(t)_onとI(t)_offを計測する必要がある。かかる場合、レーザーの揺らぎに起因してチャープパルスがパルス毎に変化すると、I(t)_onは、I(t)_offにTHz波の変調以外にレーザーの揺らぎに起因した変化が載った信号となり、(2)式から導かれたTHz波パルスの時間波形は歪む恐れがある。   In the B method and the C method, only a signal corresponding to the signal light in the double beam method according to the first embodiment is measured, and the reference light is not measured simultaneously. Therefore, it is necessary to measure I (t) _on and I (t) _off with different probe pulses. In such a case, if the chirp pulse changes from pulse to pulse due to laser fluctuations, I (t) _on becomes a signal with changes due to laser fluctuations in addition to THz wave modulation on I (t) _off. The time waveform of the THz wave pulse derived from the equation (2) may be distorted.

一方、第1の実施形態では、THz波パルスを測定系に入射さることなく参照光R(t)_off及び信号光S(t)_offを同時測定して、分岐比S(t)_off/R(t)_offを予め取得する。そして、THz波パルスを測定系に入射させて参照光R(t)_on及び信号光S(t)_onを同時測定し、分岐比の値を用いて(2)式で用いるI(t)_offを(1)式により算出している。これにより、THz波パルスで変調されたチャープパルスと変調されないチャープパルスとを実質的に同時測定する。   On the other hand, in the first embodiment, the reference light R (t) _off and the signal light S (t) _off are simultaneously measured without entering the THz wave pulse into the measurement system, and the branching ratio S (t) _off / R. (t) _off is acquired in advance. Then, a THz wave pulse is made incident on the measurement system, the reference light R (t) _on and the signal light S (t) _on are simultaneously measured, and I (t) _off used in equation (2) using the branching ratio value. Is calculated by equation (1). Thereby, the chirp pulse modulated by the THz wave pulse and the chirp pulse not modulated are measured substantially simultaneously.

従って、第1の実施形態では、レーザーの揺らぎに起因したTHz波パルスの時間波形の歪みを排除できる。   Therefore, in the first embodiment, the distortion of the time waveform of the THz wave pulse due to the fluctuation of the laser can be eliminated.

図4は、THz波パルスとチャープパルスとが電気光学結晶43中で出会う時間的タイミングを変えた時に測定されるTHz波パルスの時間波形である。横軸は、チャープパルスの波長を示し、縦軸は、THz波パルスの電場振幅を示す。尚、横軸は、チャープレートの値を用いて時間軸に変換が可能である。例えば、周波数を変換する場合、(測定周波数刻み)を(チャープレート)で除することにより時間に変換できる。   FIG. 4 is a time waveform of the THz wave pulse measured when the time timing at which the THz wave pulse and the chirp pulse meet in the electro-optic crystal 43 is changed. The horizontal axis indicates the wavelength of the chirp pulse, and the vertical axis indicates the electric field amplitude of the THz wave pulse. The horizontal axis can be converted to a time axis using the value of the char plate. For example, when converting the frequency, it can be converted into time by dividing (measurement frequency step) by (char plate).

図4に示すように、THz波パルスとチャープパルスとが電気光学結晶43中で出会う時間的タイミングを変えると、時間波形は一致しない。テラヘルツ波スペクトル測定装置1(図1参照)の装置応答は、THz波パルスとチャープパルスとの時間的重なりに依存することを示す。   As shown in FIG. 4, if the time timing at which the THz wave pulse and the chirp pulse meet in the electro-optic crystal 43 is changed, the time waveforms do not match. The apparatus response of the terahertz wave spectrum measuring apparatus 1 (see FIG. 1) is dependent on the temporal overlap of the THz wave pulse and the chirp pulse.

THz周波数領域で屈折率が1と異なる測定対象物をTHz波パルスが透過するとき、透過しない場合に比して、電気光学結晶43中でチャープパルスに出会う時間的タイミングが変わる。従って、測定対象物のTHzスペクトルの導出からその効果を除去するために、まず、所定の測定位置に測定対象物が配置されている場合と配置されていない場合のTHz波パルスの時間波形を測定し、その主ピークの間の時間差を求める。光学的時間遅延器21によりその時間差だけ時間を遅延させて、測定対象物の透過THz波パルスの時間波形を再度取得する。   When the THz wave pulse is transmitted through a measurement object having a refractive index different from 1 in the THz frequency region, the timing of encountering the chirp pulse in the electro-optic crystal 43 is changed as compared with the case where the THz wave pulse is not transmitted. Therefore, in order to remove the effect from the derivation of the THz spectrum of the measurement object, first, the time waveform of the THz wave pulse is measured when the measurement object is arranged at a predetermined measurement position and when it is not arranged And find the time difference between the main peaks. The optical time delayer 21 delays the time by the time difference, and the time waveform of the transmitted THz wave pulse of the measurement object is acquired again.

これにより、チャープパルス内の同じ時間領域でのTHz波変調を通して、測定対象物がない場合とある場合の透過THz波パルスを測定することができ、両者のTHz波パルスの時間波形を用いて、測定対象物のTHzスペクトルを得る。よって、THz波パルスとチャープパルスの時間的重なり方に依存する装置応答に起因したTHzスペクトルの歪みを除去することができる。   Thereby, through the THz wave modulation in the same time region in the chirp pulse, the transmitted THz wave pulse can be measured when there is no object to be measured, and using the time waveform of both THz wave pulses, A THz spectrum of the measurement object is obtained. Therefore, it is possible to remove the distortion of the THz spectrum caused by the device response depending on the temporal overlap of the THz wave pulse and the chirp pulse.

第1の実施形態にかかるテラヘルツ波スペクトル測定装置1によれば、同時に検出された参照光と信号光とに基づいてTHz波の時間波形が取得される。これにより、フェムト秒レーザーのレーザーパルスがパルス毎に揺らぐ場合であっても、測定結果の信頼性を上げることができる。   According to the terahertz wave spectrum measuring apparatus 1 according to the first embodiment, a time waveform of a THz wave is acquired based on the reference light and the signal light detected at the same time. Thereby, even when the laser pulse of the femtosecond laser fluctuates for each pulse, the reliability of the measurement result can be improved.

また、チャープ発生光学器22は、10nm程度のスペクトル幅を有するフェムト秒レーザーを数十ピコ秒以上に線形チャープしたチャープパルスに変換する。よって、A法と同程度の数10GHzの周波数分解能を実現できる。   The chirp generation optical device 22 converts a femtosecond laser having a spectral width of about 10 nm into a chirp pulse linearly chirped at several tens of picoseconds or more. Accordingly, it is possible to realize a frequency resolution of several tens of GHz, which is similar to the method A.

更に、THz波発生源12から発生されるTHz波とビームスプリッタ31にて分岐されたチャープパルスとが電気光学素結晶43にて時間的にオーバーラップするように、光学的時間遅延器(21)はプローブ光を遅延させる。よって、THz波とチャープパルスとを同期させることができ、チャープパルスに載ったTHz波の変調特性を取得できる。   Further, an optical time delay device (21) is used so that the THz wave generated from the THz wave generation source 12 and the chirp pulse branched by the beam splitter 31 overlap in time in the electro-optic crystal 43. Delays the probe light. Therefore, the THz wave and the chirp pulse can be synchronized, and the modulation characteristic of the THz wave carried on the chirp pulse can be acquired.

更にまた、THz波の第1の時間波形と第2の時間波形とに基づいて算出された時間遅延量だけ、光学的時間遅延器21によってプローブ光は遅延される。よって、測定対象物がある場合とない場合とでチャープパルス内の同じ時間領域を変調するTHz波は、THz波変調領域依存性を除くことができ、歪みのないTHzスペクトルを取得できる。   Furthermore, the probe light is delayed by the optical time delay device 21 by the amount of time delay calculated based on the first time waveform and the second time waveform of the THz wave. Therefore, the THz wave that modulates the same time domain in the chirp pulse with and without the measurement object can remove the THz wave modulation domain dependence and can acquire a THz spectrum without distortion.

更にまた、参照光と信号光とは、1個の(2チャンネル×多素子検出器付き分光器)である分光検出部48により検出される。よって、信号光と参照光とを同時に検出することが容易となる。   Furthermore, the reference light and the signal light are detected by the spectroscopic detection unit 48 which is one (2 channels × spectrometer with multi-element detector). Therefore, it becomes easy to detect the signal light and the reference light at the same time.

更にまた、参照光と信号光とは、2個の多素子検出器付き分光器により検出される。よって、小型の多素子検出器付き分光器を採用でき、配置の自由度を高めることができる。   Furthermore, the reference light and the signal light are detected by two spectrometers with a multi-element detector. Therefore, a small spectroscope with a multi-element detector can be adopted, and the degree of freedom in arrangement can be increased.

第1の実施形態にかかる時間波形取得法によれば、第1の検出工程にて検出された参照光R(t)_offと信号光S(t)_off、及び、第2の検出工程にて信号光S(t)_onと参照光R(t)_onを使って、THz波の時間波形ETHz(t)を演算して取得する。これにより、THz波で変調されたチャープパルスI(t)_onと変調されないチャープパルスI(t)_offの実効的な同時測定を果たし、レーザーの揺らぎに起因する歪みを除去できる。 According to the time waveform acquisition method according to the first embodiment, the reference light R (t) _off and the signal light S (t) _off detected in the first detection process, and the second detection process. Using the signal light S (t) _on and the reference light R (t) _on, the time waveform E THz (t) of the THz wave is calculated and acquired. Thereby, effective simultaneous measurement of the chirp pulse I (t) _on modulated by the THz wave and the chirp pulse I (t) _off not modulated can be performed, and the distortion caused by the fluctuation of the laser can be removed.

また、記憶された参照光R(t)_offと信号光S(t)_off及び分岐比S(t)_off/R(t)_offのいずれか一方、並びに、第2の検出工程にて信号光S(t)_onと参照光R(t)_onを使って、THz波の時間波形ETHz(t)が演算されて取得される。よって、第1の検出工程を1回実行した後は、第2の検出工程だけを実行してTHz波の時間波形を取得できる。 Further, any one of the stored reference light R (t) _off, signal light S (t) _off, branching ratio S (t) _off / R (t) _off, and signal light in the second detection step A time waveform E THz (t) of a THz wave is calculated and acquired using S (t) _on and the reference light R (t) _on. Therefore, after the first detection step is executed once, only the second detection step can be executed to acquire the time waveform of the THz wave.

更に、分岐比S(t)_off/R(t)_offとを使ってTHz波で変調されないチャープパルスI(t)_offが演算され、第2の検出工程にて検出された信号光S(t)_onを使ってTHz波の時間波形ETHz(t)が演算され取得される。よって、THz波で変調されたチャープパルスI(t)_onと変調されないチャープパルスI(t)_offの実効的な同時測定を果たし、レーザーの揺らぎに起因する歪みを除去できる。 Further, the chirp pulse I (t) _off that is not modulated with the THz wave is calculated using the branching ratio S (t) _off / R (t) _off, and the signal light S (t (t) detected in the second detection step is calculated. ) _on is used to calculate and acquire the THz time waveform E THz (t). Therefore, effective simultaneous measurement of the chirp pulse I (t) _on modulated by the THz wave and the chirp pulse I (t) _off not modulated can be performed, and distortion caused by the fluctuation of the laser can be removed.

第1の実施形態にかかるテラヘルツ測定法によれば、第1の時間波形と第2の時間波形とに基づいて算出された時間遅延量だけプローブ光を遅延させて測定対象物を透過したTHz波の第3の時間波形を取得され、THz波のスペクトルが計算される。これにより、チャープパルス内の同じ時間領域を変調するTHz波は、THz波変調領域依存性を除くことができ、歪みのないTHzスペクトルを取得できる。   According to the terahertz measurement method according to the first embodiment, the THz wave transmitted through the measurement object by delaying the probe light by the time delay amount calculated based on the first time waveform and the second time waveform. The third time waveform is acquired and the spectrum of the THz wave is calculated. Thereby, the THz wave which modulates the same time domain in the chirp pulse can remove the THz wave modulation domain dependence, and can acquire a THz spectrum without distortion.

また、第1の時間波形と第2の時間波形との主ピークの時間差に基づいて時間遅延量が算出される。よって、測定対象物がある場合とない場合とでチャープパルス内の同じ時間領域を変調するTHz波は、THz波変調領域依存性を除いた時間波形を導出できる。   Further, the time delay amount is calculated based on the time difference between the main peaks of the first time waveform and the second time waveform. Therefore, the THz wave that modulates the same time domain in the chirp pulse with and without the measurement object can derive a time waveform excluding THz wave modulation domain dependence.

更に、記憶された第1の時間波形と取得された第2の時間波形とに基づいて時間遅延量を算出する。よって、第1時間波形取得工程を省くことができるので、測定時間を短縮できる。   Further, a time delay amount is calculated based on the stored first time waveform and the acquired second time waveform. Therefore, the first time waveform acquisition step can be omitted, and the measurement time can be shortened.

更にまた、複数回検出された参照光と信号光とに基づいてTHz波の時間波形が取得される。よって、信号/雑音比(S/N比)を上げることができる。   Furthermore, a time waveform of the THz wave is acquired based on the reference light and the signal light detected a plurality of times. Therefore, the signal / noise ratio (S / N ratio) can be increased.

(第2の実施形態)
図5は、本発明にかかるテラヘルツ測定装置の第2の実施形態としてのテラヘルツ波スペクトル測定装置100の構成図である。図1に示すテラヘルツ波スペクトル測定装置1と同一の構成要素は、同一の符号を付すことで説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a configuration diagram of a terahertz wave spectrum measuring apparatus 100 as a second embodiment of the terahertz measuring apparatus according to the present invention. The same components as those in the terahertz wave spectrum measuring apparatus 1 shown in FIG.

図5に示すように、テラヘルツ波スペクトル測定装置100は、ビームスプリッタ11とTHz波発生光学系12との間に、ビームスプリッタ11にて分岐され出力されたフェムト秒レーザーを更に励起光とポンプ光とに分岐する第3の分岐手段の一例としてのビームスプリッタ101と、ビームスプリッタ101にて分岐され出力されたポンプ光を受けて所定の時間遅延させて出力する第2の光学的時間遅延器の一例としての光学的時間遅延器102と、ビームスプリッタ101にて分岐された励起光の光路を開閉するシャッター103とを有する点で、図1に示すテラヘルツ波スペクトル測定装置1と相違する。   As shown in FIG. 5, the terahertz wave spectrum measuring apparatus 100 further converts the femtosecond laser branched and output by the beam splitter 11 between the beam splitter 11 and the THz wave generating optical system 12 into excitation light and pump light. A beam splitter 101 as an example of a third branching unit that branches into the first and second optical time delay units that receive the pump light branched and output by the beam splitter 101 and delay the output for a predetermined time. It differs from the terahertz wave spectrum measuring apparatus 1 shown in FIG. 1 in that it has an optical time delay device 102 as an example and a shutter 103 that opens and closes the optical path of the excitation light branched by the beam splitter 101.

ここで、ビームスプリッタ101は、例えば、ハーフミラー型ビームスプリッタや偏光ビームスプリッタ等で構成される。ビームスプリッタ101は、ビームスプリッタ11で分岐されたフェムト秒レーザーを、測定対象物に照射される励起光と、光学的時間遅延器102へ供給されるポンプ光の2つに分岐する。   Here, the beam splitter 101 is composed of, for example, a half mirror beam splitter, a polarization beam splitter, or the like. The beam splitter 101 splits the femtosecond laser branched by the beam splitter 11 into two, that is, excitation light irradiated to the measurement target and pump light supplied to the optical time delay unit 102.

光学的時間遅延器102は、例えば、図示しない複数の折り返しミラーの組み合わせにより構成される。光学的時間遅延器102は、演算回路50からの制御信号に基づいて、ビームスプリッタ101で分岐されたポンプ光を時間遅延させて出力する。   The optical time delay unit 102 is configured by a combination of a plurality of folding mirrors (not shown), for example. The optical time delay unit 102 delays and outputs the pump light branched by the beam splitter 101 based on the control signal from the arithmetic circuit 50.

シャッター103は、例えば、黒色の金属薄板及びその駆動機構(図示省略)等で構成される。シャッター103は、演算回路50からの制御信号に基づいて、測定対象物を光励起するための励起光としてのフェムト秒レーザーを遮断する。   The shutter 103 is composed of, for example, a black metal thin plate and its driving mechanism (not shown). The shutter 103 blocks the femtosecond laser as excitation light for optically exciting the measurement object based on the control signal from the arithmetic circuit 50.

以上の構成を有するテラヘルツ波スペクトル測定装置100では、ビームスプリッタ11を通過したフェムト秒レーザーは、ビームスプリッタ101にて更に励起光とポンプ光の2つに分けられる。   In the terahertz wave spectrum measuring apparatus 100 having the above configuration, the femtosecond laser that has passed through the beam splitter 11 is further divided into two types of pump light and pump light by the beam splitter 101.

励起光は、シャッター103を介して測定対象物に照射される。ポンプ光は、光学的時間遅延器102にて所定の時間だけ時間遅延されてTHz波発生源12に導かれる。   Excitation light is applied to the measurement object via the shutter 103. The pump light is delayed by a predetermined time by the optical time delay unit 102 and guided to the THz wave generation source 12.

励起光が照射されて光励起した測定対象物に対して、THz波発生源12からTHz波パルスが照射される。測定対象物を透過した透過THz波は、電気光学結晶43においてチャープ発生光学器22から出力されたチャープパルスに重ねられる。信号光入力部45及び分光検出部48にて信号光が検出され、THz波パルスの時間波形が取得される(励起状態での時間波形取得工程)。   A THz wave pulse is irradiated from the THz wave generation source 12 to the measurement object that has been excited and irradiated with the excitation light. The transmitted THz wave transmitted through the measurement object is superimposed on the chirp pulse output from the chirp generating optical device 22 in the electro-optic crystal 43. The signal light is detected by the signal light input unit 45 and the spectral detection unit 48, and the time waveform of the THz wave pulse is acquired (time waveform acquisition step in the excited state).

続いて、シャッター103によって励起光が遮断され、測定対象物は基底状態に戻る。THz波発生源12からTHz波パルスが照射され、透過THz波が電気光学結晶43にてチャープパルスに重ねられる。同様にして、信号光入力部45及び分光検出部48にて信号光が検出され、THz波パルスの時間波形が取得される(基底状態での時間波形取得工程)。   Subsequently, the excitation light is blocked by the shutter 103, and the measurement object returns to the ground state. A THz wave pulse is irradiated from the THz wave generation source 12, and the transmitted THz wave is superimposed on the chirp pulse by the electro-optic crystal 43. Similarly, the signal light is detected by the signal light input unit 45 and the spectral detection unit 48, and the time waveform of the THz wave pulse is acquired (time waveform acquisition step in the ground state).

取得された2つのTHz波パルスの時間波形が演算回路50にてフーリエ変換され、各々のTHzスペクトルが取得される。光励起前後のTHzスペクトルの変化から、光励起によって測定対象物内で起こる化学反応や相変化などの機能解析が実施される(解析工程)。   The time waveform of the two acquired THz wave pulses is Fourier transformed by the arithmetic circuit 50, and each THz spectrum is acquired. From the change in the THz spectrum before and after photoexcitation, functional analysis such as chemical reaction and phase change occurring in the measurement object by photoexcitation is performed (analysis process).

第2の実施形態にかかるテラヘルツ波スペクトル測定装置100によれば、所定の測定位置に配置された測定対象物に対して、フェムト秒レーザーを照射して光励起させると共に、THz波発生源12からTHz波を照射させる。これにより、光励起によって測定対象物内で起こる化学反応や相変化などの機能解析ができる。   According to the terahertz wave spectrum measuring apparatus 100 according to the second embodiment, a measurement object placed at a predetermined measurement position is irradiated with a femtosecond laser to be photoexcited, and the THz wave generation source 12 generates THz. Irradiate waves. Thereby, functional analysis such as a chemical reaction or a phase change occurring in the measurement object by photoexcitation can be performed.

第2の実施形態にかかるテラヘルツ測定法によれば、光励起された測定対象物を透過した透過THz波の時間波形と、基底状態の測定対象物を透過した透過THz波の時間波形とを取得し、光励起によって測定対象物に生じる変化を解析する。これにより、光励起によって測定対象物内で起こる化学反応や相変化などの機能解析ができる。   According to the terahertz measurement method according to the second embodiment, a time waveform of a transmitted THz wave transmitted through a photoexcited measurement object and a time waveform of a transmitted THz wave transmitted through a ground state measurement object are acquired. Analyzes changes that occur in the measurement object due to photoexcitation. Thereby, functional analysis such as a chemical reaction or a phase change occurring in the measurement object by photoexcitation can be performed.

尚、ビームスプリッタ101の後に、非線形光学効果により励起光の励起波長を変換する波長変換光学素子(図示省略)を配置しても良い。励起光を測定対象物に適した波長に変換して照射することができる。   A wavelength conversion optical element (not shown) that converts the excitation wavelength of the excitation light by a nonlinear optical effect may be disposed after the beam splitter 101. Excitation light can be irradiated after being converted into a wavelength suitable for the measurement object.

ここで、波長変換光学素子は、例えば、ベータバリウムボライト(BBO)など非線形光学結晶等で構成される。波長変換光学素子は、ビームスプリッタ101にて分光された励起光を用いた非線形光学効果により、測定対象物に適した励起波長を有する励起光としての光パルスを発生させる。波長変換光学素子は、例えば、800nmの2倍波や3倍波の光パルスや可視域を連続的に波長が可変な光パルスを発生させる。   Here, the wavelength conversion optical element is composed of, for example, a nonlinear optical crystal such as beta barium bolite (BBO). The wavelength conversion optical element generates an optical pulse as excitation light having an excitation wavelength suitable for the measurement object by a nonlinear optical effect using the excitation light dispersed by the beam splitter 101. The wavelength conversion optical element generates, for example, an 800 nm double wave or triple wave optical pulse or an optical pulse whose wavelength is continuously variable in the visible region.

(検査装置)
図6は、図1に示したテラヘルツ波スペクトル測定装置1を用いた検査装置99の概観図である。
(Inspection equipment)
FIG. 6 is a schematic diagram of an inspection apparatus 99 that uses the terahertz wave spectrum measuring apparatus 1 shown in FIG.

図6に示すように、検査装置99は、テラヘルツ波スペクトル測定装置1と、測定対象物が入った容器97を所定の速度で搬送する搬送手段の一例としてのベルトコンベア98と、様々な物質のTHz領域におけるTHzスペクトルを記憶するデータベース96とを有して構成される。   As shown in FIG. 6, the inspection apparatus 99 includes a terahertz wave spectrum measuring apparatus 1, a belt conveyor 98 as an example of a conveying means that conveys a container 97 containing an object to be measured at a predetermined speed, and various substances. And a database 96 for storing the THz spectrum in the THz region.

ここで、データベース96は、例えば、記憶手段の一例としてのハードディスクドライブ(図示省略)を内蔵したパーソナルコンピュータ等で構成される。テラヘルツ波スペクトル測定装置1から出力される測定結果と、記憶しているTHzスペクトルとを照合して、所定の判定を行う。   Here, the database 96 is composed of, for example, a personal computer with a built-in hard disk drive (not shown) as an example of storage means. The measurement result output from the terahertz wave spectrum measuring apparatus 1 is collated with the stored THz spectrum to make a predetermined determination.

テラヘルツ波スペクトル測定装置1は、ベルトコンベア98上を移動する容器97に向かってTHz波を照射する。そして、容器97に入っている測定対象物を透過するTHz波を受光する。ここで、容器97は、例えば、THz波パルスを透過する紙やプラスチックで構成される。   The terahertz wave spectrum measuring apparatus 1 irradiates a THz wave toward a container 97 moving on the belt conveyor 98. And the THz wave which permeate | transmits the measuring object contained in the container 97 is received. Here, the container 97 is made of, for example, paper or plastic that transmits a THz wave pulse.

実施例1に示した仕様を有するテラヘルツ波スペクトル測定装置1を用いれば、例えば、約1ミリ秒の時間間隔での測定が可能である。ベルトコンベア98で運ばれる測定対象物は、最速でテラヘルツ波スペクトル測定装置1の測定時間間隔で検査が可能であるから、高速の検査が実現される。   If the terahertz wave spectrum measuring apparatus 1 having the specification shown in the first embodiment is used, for example, measurement at a time interval of about 1 millisecond is possible. Since the measurement object conveyed by the belt conveyor 98 can be inspected at the measurement time interval of the terahertz wave spectrum measuring apparatus 1 at the fastest speed, high-speed inspection is realized.

例えば、覚醒剤などの禁止薬物や爆薬などの危険物は、THz領域に特徴的な指紋スペクトルを持つことが最近明らかになってきている。そのような指紋スペクトルのデータを予めデータベース96にデータ入力しておき、測定対象物の測定結果と比較することにより、測定対象物にそのような薬物が含まれるかどうかを判定することができる。上述のように、紙やプラスチックはTHz波パルスを透過するから、例えば、郵便物等に梱包された状態でも、測定して判定することができる。   For example, it has recently become clear that prohibited substances such as stimulants and dangerous substances such as explosives have a characteristic fingerprint spectrum in the THz region. It is possible to determine whether or not such a drug is included in the measurement object by inputting such fingerprint spectrum data in advance into the database 96 and comparing it with the measurement result of the measurement object. As described above, since paper and plastic transmit a THz wave pulse, for example, even in a state of being packed in a mail or the like, it can be measured and determined.

本実施形態にかかる検査装置99によれば、ベルトコンベア98により測定位置に搬送された測定対象物を透過する透過THz波を測定する。これにより、高速の検査が実現される。   According to the inspection apparatus 99 according to the present embodiment, the transmitted THz wave that passes through the measurement object conveyed to the measurement position by the belt conveyor 98 is measured. Thereby, high-speed inspection is realized.

また、データベース96は、様々な物質のTHz領域におけるTHzスペクトルを記憶する。よって、測定対象物の透過THz波を、データベース96に記憶されたデータと照合することで、測定対象物を容易に特定できる。   The database 96 also stores THz spectra of various substances in the THz region. Therefore, by comparing the transmitted THz wave of the measurement object with the data stored in the database 96, the measurement object can be easily specified.

本発明は、半導体、セラミックス、超伝導体、ポリマーなどの材料評価、薬品、食品の成分分析、生体関連分子の分析、遺伝子解析、タンパク質の機能解析、癌の診断、医用材料の検査、違法薬物の検査・爆発物の検査、ペットボトル中の液体の検査、違法ガソリンの取り締まり、排ガス、有毒ガス監視など環境計測の分野に利用できる。   The present invention relates to materials evaluation of semiconductors, ceramics, superconductors, polymers, etc., chemicals, food component analysis, biological molecule analysis, gene analysis, protein function analysis, cancer diagnosis, medical material inspection, illegal drugs It can be used in the field of environmental measurement, such as inspection of toxic substances, inspection of explosives, inspection of liquid in PET bottles, control of illegal gasoline, monitoring of exhaust gas and toxic gas.

1,100…テラヘルツ波スペクトル測定装置(テラヘルツ測定装置)、10…レーザー発生部(光パルス発生手段)、11…ビームスプリッタ(第1の分岐手段)、12…THz波発生源(テラヘルツ波発生光学系)、21…光学的時間遅延器、22…チャープ発生光学器(チャープ発生光学系)、31…ビームスプリッタ(第2の分岐手段)、32…参照光入力部(参照光検出手段)、43…電気光学結晶、45…信号光入力部(信号光検出手段)、48…分光検出部(参照光検出手段、信号光検出手段、多素子検出器付き分光器)、50…演算回路(演算手段)、96…データベース、98…ベルトコンベア(搬送手段)、99…検査装置、101…ビームスプリッタ(第3の分岐手段)、103…シャッター DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,100 ... Terahertz wave spectrum measuring device (terahertz measuring device), 10 ... Laser generating part (light pulse generating means), 11 ... Beam splitter (first branching means), 12 ... THz wave generating source (terahertz wave generating optics) System), 21 ... optical time delay device, 22 ... chirp generation optical device (chirp generation optical system), 31 ... beam splitter (second branch means), 32 ... reference light input section (reference light detection means), 43 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Electro-optic crystal, 45 ... Signal light input part (signal light detection means), 48 ... Spectral detection part (reference light detection means, signal light detection means, spectrometer with multi-element detector), 50 ... Arithmetic circuit (calculation means) ), 96 ... Database, 98 ... Belt conveyor (conveying means), 99 ... Inspection apparatus, 101 ... Beam splitter (third branching means), 103 ... Shutter

Claims (16)

超短光パルスを発生する光パルス発生手段(10)と、
前記光パルス発生手段(10)にて発生された前記超短光パルスをポンプ光とプローブ光の2つに分岐する第1の分岐手段(11)と、
前記第1の分岐手段(11)にて分岐された前記超短光パルスの前記ポンプ光を受けてテラヘルツ波(THz波)を発生させるテラヘルツ波発生光学系(12)と、
前記第1の分岐手段(11)にて分岐された前記超短光パルスの前記プローブ光を線形チャープしたチャープパルスに変換するチャープ発生光学系(22)と、
前記チャープ発生光学系(22)にて変換された前記チャープパルスを2つに分岐する第2の分岐手段(31)と、
前記第2の分岐手段(31)にて分岐された前記チャープパルスの一方を参照光としてスペクトルを検出する参照光検出手段(32,48)と、
前記第2の分岐手段(31)にて分岐された前記チャープパルスの他方を前記テラヘルツ波発生光学系(12)にて発生された前記THz波の電場信号で誘起された電気光学効果にて変調する電気光学結晶(43)と、
前記電気光学結晶(43)にて変調されて出力された光を受けて信号光としてスペクトルを検出する信号光検出手段(45,48)と、
同時に検出された前記参照光検出手段(32,48)による前記参照光と前記信号光検出手段(45,48)による前記信号光とに基づいて前記THz波の時間波形を取得する演算手段(50)と
を有することを特徴とするテラヘルツ測定装置(1)。
An optical pulse generating means (10) for generating an ultrashort optical pulse;
A first branching means (11) for branching the ultrashort light pulse generated by the light pulse generating means (10) into a pump light and a probe light;
A terahertz wave generating optical system (12) that receives the pump light of the ultrashort light pulse branched by the first branching means (11) and generates a terahertz wave (THz wave);
A chirp generation optical system (22) for converting the probe light of the ultrashort light pulse branched by the first branching means (11) into a chirp pulse obtained by linear chirp;
Second branching means (31) for branching the chirp pulse converted by the chirp generation optical system (22) into two;
Reference light detection means (32, 48) for detecting a spectrum using one of the chirped pulses branched by the second branching means (31) as reference light;
The other one of the chirped pulses branched by the second branching means (31) is modulated by the electro-optic effect induced by the electric field signal of the THz wave generated by the terahertz wave generating optical system (12). An electro-optic crystal (43),
Signal light detection means (45, 48) for receiving light modulated and output by the electro-optic crystal (43) and detecting a spectrum as signal light;
Calculation means (50) for obtaining a time waveform of the THz wave based on the reference light detected by the reference light detection means (32, 48) and the signal light detected by the signal light detection means (45, 48) detected simultaneously. And a terahertz measuring device (1).
請求項1に記載のテラヘルツ測定装置において、前記チャープ発生光学系(22)は、前記超短光パルスを10ピコ秒以上に線形チャープした前記チャープパルスに変換することを特徴とするテラヘルツ測定装置。   The terahertz measurement apparatus according to claim 1, wherein the chirp generation optical system (22) converts the ultrashort light pulse into the chirp pulse linearly chirped at 10 picoseconds or more. 請求項1又は2に記載のテラヘルツ測定装置において、
前記第1の分岐手段(11)にて分岐された前記超短光パルスの前記プローブ光を所定の時間だけ遅延させる光学的時間遅延器(21)を更に有し、
前記テラヘルツ波発生光学系(12)から発生される前記THz波と前記第2の分岐手段(31)にて分岐される前記チャープパルスの他方とが前記電気光学素結晶(43)において時間的にオーバーラップするように、前記光学的時間遅延器(21)は前記プローブ光を遅延させることを特徴とするテラヘルツ測定装置。
The terahertz measuring device according to claim 1 or 2,
An optical time delay device (21) for delaying the probe light of the ultrashort light pulse branched by the first branching means (11) by a predetermined time;
The THz wave generated from the terahertz wave generating optical system (12) and the other one of the chirp pulses branched by the second branching means (31) are temporally generated in the electro-optic elementary crystal (43). The terahertz measuring device, wherein the optical time delay device (21) delays the probe light so as to overlap.
請求項3に記載のテラヘルツ測定装置において、
前記演算手段(50)は、所定の測定位置に測定対象物がない状態で取得された前記THz波の第1の時間波形と前記測定位置に配置された測定対象物を透過した前記THz波の第2の時間波形とに基づいて時間遅延量を算出し、
前記光学的時間遅延器(21)は、前記演算手段(50)にて算出された前記時間遅延量だけ前記プローブ光を遅延させることを特徴とするテラヘルツ測定装置。
The terahertz measurement device according to claim 3,
The calculation means (50) includes a first time waveform of the THz wave acquired in a state where there is no measurement object at a predetermined measurement position, and the THz wave transmitted through the measurement object arranged at the measurement position. A time delay amount is calculated based on the second time waveform;
The terahertz measurement device, wherein the optical time delay device (21) delays the probe light by the time delay amount calculated by the computing means (50).
請求項4に記載のテラヘルツ測定装置において、
前記第1の分岐手段(11)にて分岐された前記超短光パルスの前記ポンプ光を更に2つに分岐する第3の分岐手段(101)と、
前記第3の分岐手段(101)にて分岐された前記超短光パルスの一方の光路を開閉するシャッター(103)と
を更に有し、
前記測定位置に配置された前記測定対象物に対して、前記第3の分岐手段(101)にて分岐された前記超短光パルスの一方を照射して光励起させると共に、前記超短光パルスの他方を受けた前記テラヘルツ波発生光学系(12)から前記THz波を照射させることを特徴とするテラヘルツ測定装置。
In the terahertz measuring device according to claim 4,
Third branching means (101) for further branching the pump light of the ultrashort light pulse branched by the first branching means (11) into two;
A shutter (103) for opening and closing one optical path of the ultrashort light pulse branched by the third branching means (101),
The measurement object arranged at the measurement position is irradiated with one of the ultrashort light pulses branched by the third branching means (101) to be photoexcited, and the ultrashort light pulse The terahertz measuring device irradiates the THz wave from the terahertz wave generating optical system (12) receiving the other.
超短光パルスをポンプ光とプローブ光の2つに分岐する第1の分岐手段(11)と、
前記第1の分岐手段(11)にて分岐された前記超短光パルスの前記ポンプ光を受けてテラヘルツ波(THz波)を発生させるテラヘルツ波発生光学系(12)と、
前記第1の分岐手段(11)にて分岐された前記超短光パルスの前記プローブ光を線形チャープしたチャープパルスに変換するチャープ発生光学系(22)と、
前記チャープ発生光学系(22)から出力された前記チャープパルスを2つに分岐する第2の分岐手段(31)と、
前記第2の分岐手段(31)にて分岐された前記チャープパルスの一方を参照光としてスペクトルを検出する参照光検出手段(32,48)と
前記第2の分岐手段(31)にて分岐された前記チャープパルスの他方を受けて、前記テラヘルツ波発生光学系(12)にて発生された前記THz波の電場信号で誘起された電気光学効果にて変調する電気光学結晶(43)と、
前記電気光学結晶(43)にて変調された光を信号光としてスペクトルを検出する信号光検出手段(45,48)と、
同時に検出された前記参照光と前記信号光とに基づいて前記テラヘルツ波発生光学系(12)にて発生された前記THz波の時間波形を演算する演算手段(50)と
を有するテラヘルツ測定装置(1)において実行される時間波形取得法であって、
THz波を発生させないで前記参照光R(t)_offと前記信号光S(t)_offとを同時に検出する第1の検出工程と、
THz波を発生させて前記信号光S(t)_onと前記参照光R(t)_onとを同時に検出する第2の検出工程と、
前記第1の検出工程にて検出された前記参照光R(t)_offと前記信号光S(t)_off、及び、前記第2の検出工程にて前記信号光S(t)_onと前記参照光R(t)_onを使って、前記THz波の前記時間波形ETHz(t)を演算して取得する演算工程と
を有することを特徴とする時間波形取得法。
A first branching means (11) for branching the ultrashort light pulse into two of pump light and probe light;
A terahertz wave generating optical system (12) that receives the pump light of the ultrashort light pulse branched by the first branching means (11) and generates a terahertz wave (THz wave);
A chirp generation optical system (22) for converting the probe light of the ultrashort light pulse branched by the first branching means (11) into a chirp pulse obtained by linear chirp;
Second branching means (31) for branching the chirp pulse output from the chirp generating optical system (22) into two;
Branched by reference light detection means (32, 48) for detecting a spectrum using one of the chirped pulses branched by the second branching means (31) as reference light and the second branching means (31) An electro-optic crystal (43) that receives the other of the chirped pulses and modulates the electro-optic effect induced by the electric field signal of the THz wave generated by the terahertz wave generating optical system (12);
Signal light detection means (45, 48) for detecting a spectrum using the light modulated by the electro-optic crystal (43) as signal light;
A terahertz measurement device comprising: a calculation means (50) for calculating a time waveform of the THz wave generated by the terahertz wave generation optical system (12) based on the reference light and the signal light detected simultaneously. A time waveform acquisition method executed in 1),
A first detection step of simultaneously detecting the reference light R (t) _off and the signal light S (t) _off without generating a THz wave;
A second detection step of generating a THz wave to simultaneously detect the signal light S (t) _on and the reference light R (t) _on;
The reference light R (t) _off and the signal light S (t) _off detected in the first detection step, and the signal light S (t) _on and the reference detected in the second detection step. And a calculation step of calculating and acquiring the time waveform E THz (t) of the THz wave using light R (t) _on.
請求項6に記載の時間波形取得法において、
前記第1の検出工程にて検出された前記参照光R(t)_offと前記信号光S(t)_off、及び、当該参照光R(t)_offと当該信号光S(t)_offとから算出される分岐比S(t)_off/R(t)_offのいずれかを記憶する記憶工程を更に有し、
前記演算工程では、前記記憶工程にて記憶された前記参照光R(t)_offと前記信号光S(t)_off及び前記分岐比S(t)_off/R(t)_offのいずれか一方、並びに、前記第2の検出工程にて前記信号光S(t)_onと前記参照光R(t)_onを使って、前記THz波の前記時間波形ETHz(t)を演算して取得することを特徴とする時間波形取得法。
In the time waveform acquisition method according to claim 6,
From the reference light R (t) _off and the signal light S (t) _off detected in the first detection step, and the reference light R (t) _off and the signal light S (t) _off A storage step of storing either of the calculated branching ratios S (t) _off / R (t) _off;
In the calculation step, one of the reference light R (t) _off and the signal light S (t) _off and the branching ratio S (t) _off / R (t) _off stored in the storage step, In addition, using the signal light S (t) _on and the reference light R (t) _on in the second detection step, the time waveform E THz (t) of the THz wave is calculated and acquired. A time waveform acquisition method characterized by
請求項6又は7に記載の時間波形取得法において、
前記第1の検出工程にて検出された前記参照光R(t)_offと前記信号光S(t)_offとに基づいて分岐比S(t)_off/R(t)_offを算出し、
前記第2の検出工程にて検出された前記参照光R(t)_onと算出された前記分岐比S(t)_off/R(t)_offとを使って、前記THz波で変調されない前記チャープパルスI(t)_offを演算し、
前記第2の検出工程にて検出された前記信号光S(t)_onを前記THz波で変調された前記チャープパルスI(t)_onと見なして、前記THz波の前記時間波形ETHz(t)を演算して取得することを特徴とする時間波形取得法。
In the time waveform acquisition method according to claim 6 or 7,
A branching ratio S (t) _off / R (t) _off is calculated based on the reference light R (t) _off and the signal light S (t) _off detected in the first detection step;
The chirp not modulated with the THz wave using the reference light R (t) _on detected in the second detection step and the calculated branching ratio S (t) _off / R (t) _off Calculate pulse I (t) _off,
The signal light S (t) _on detected in the second detection step is regarded as the chirp pulse I (t) _on modulated with the THz wave, and the time waveform E THz (t ) Is obtained by calculating the time waveform.
請求項8に記載の時間波形取得法において、
前記THz波で変調されない前記チャープパルスI(t)_offを、式(1)
Figure 2013057696
により演算し、
前記THz波の前記時間波形ETHz(t)を、式(2)
Figure 2013057696
により取得することを特徴とする時間波形取得法。
In the time waveform acquisition method according to claim 8,
The chirp pulse I (t) _off that is not modulated with the THz wave is expressed by Equation (1).
Figure 2013057696
Is calculated by
The time waveform E THz (t) of the THz wave is expressed by Equation (2).
Figure 2013057696
The time waveform acquisition method characterized by acquiring by this.
所定の測定位置に測定対象物がない状態でTHz波の第1の時間波形を取得する第1時間波形取得工程と、
前記測定位置に配置された前記測定対象物を透過した前記THz波の第2の時間波形を取得する第2時間波形取得工程と、
前記第1時間波形取得工程にて取得された前記第1の時間波形と前記第2時間波形取得工程にて取得された前記第2の時間波形とに基づいて時間遅延量を算出する時間遅延量算出工程と、
前記時間遅延量算出工程にて算出された前記時間遅延量だけプローブ光を遅延させて、前記測定対象物を透過した前記THz波の第3の時間波形を取得する第3時間波形取得工程と、
前記第1時間波形取得工程にて取得した前記第1の時間波形と、前記第3時間波形取得工程にて取得された前記第3の時間波形とに基づいて、前記測定対象物を透過した前記THz波のスペクトルを計算するTHzスペクトル計算工程と
を有することを特徴とするテラヘルツ測定法。
A first time waveform acquisition step of acquiring a first time waveform of a THz wave in a state where there is no measurement object at a predetermined measurement position;
A second time waveform acquisition step of acquiring a second time waveform of the THz wave transmitted through the measurement object arranged at the measurement position;
A time delay amount for calculating a time delay amount based on the first time waveform acquired in the first time waveform acquisition step and the second time waveform acquired in the second time waveform acquisition step. A calculation process;
A third time waveform acquisition step of acquiring a third time waveform of the THz wave transmitted through the measurement object by delaying the probe light by the time delay amount calculated in the time delay amount calculation step;
Based on the first time waveform acquired in the first time waveform acquisition step and the third time waveform acquired in the third time waveform acquisition step, the measurement object is transmitted. A THz spectrum calculating step for calculating a spectrum of a THz wave.
請求項10に記載のテラヘルツ測定法において、前記時間遅延量算出工程では、前記第1の時間波形と前記第2の時間波形との主ピークの時間差に基づいて前記時間遅延量を算出することを特徴とするテラヘルツ測定法。   The terahertz measurement method according to claim 10, wherein in the time delay amount calculating step, the time delay amount is calculated based on a time difference between main peaks of the first time waveform and the second time waveform. Characteristic terahertz measurement method. 請求項10又は11に記載のテラヘルツ測定法において、
前記第1の時間波形を記憶する第1時間波形記憶工程を更に有し、
前記時間遅延量算出工程では、前記第1時間波形記憶工程にて記憶された前記第1の時間波形と前記第2の時間波形とに基づいて前記時間遅延量を算出することを特徴とするテラヘルツ測定法。
The terahertz measurement method according to claim 10 or 11,
A first time waveform storing step of storing the first time waveform;
In the time delay amount calculation step, the time delay amount is calculated based on the first time waveform and the second time waveform stored in the first time waveform storage step. Measurement method.
請求項10に記載のテラヘルツ測定法において、前記第1及び第3時間波形取得工程は複数回実行され、検出された参照光と信号光とに基づいて前記THz波の時間波形を取得することを特徴とするテラヘルツ測定法。   The terahertz measurement method according to claim 10, wherein the first and third time waveform acquisition steps are executed a plurality of times, and the time waveform of the THz wave is acquired based on the detected reference light and signal light. Characteristic terahertz measurement method. 超短光パルスを励起光として測定対象物に照射して、光励起された当該測定対象物を透過した透過THz波の時間波形を取得する励起状態での時間波形取得工程と、
基底状態の前記測定対象物を透過した前記透過THz波の時間波形を取得する基底状態での時間波形取得工程と、
前記励起状態での時間波形取得工程にて取得された励起状態での前記透過THz波の前記時間波形と、前記基底状態での時間波形取得工程にて取得された基底状態での前記透過THz波の前記時間波形とに基づいて、光励起によって前記測定対象物に生じる変化を解析する解析工程と
を有することを特徴とするテラヘルツ測定法。
A time waveform acquisition step in an excited state in which a measurement object is irradiated with an ultrashort light pulse as excitation light, and a time waveform of a transmitted THz wave transmitted through the photo-excited measurement object is acquired;
A time waveform acquisition step in a ground state for acquiring a time waveform of the transmitted THz wave transmitted through the measurement object in the ground state;
The time waveform of the transmitted THz wave in the excited state acquired in the time waveform acquisition step in the excited state and the transmitted THz wave in the ground state acquired in the time waveform acquisition step in the ground state A terahertz measurement method, comprising: an analysis step of analyzing a change generated in the measurement object by optical excitation based on the time waveform.
測定対象物を所定の測定位置に搬送する搬送手段(98)と、
前記搬送手段(98)により前記測定位置に搬送された前記測定対象物を透過する透過THz波を測定する請求項1に記載のテラヘルツ測定装置(1)と
を有することを特徴とする検査装置(99)。
Transport means (98) for transporting the measurement object to a predetermined measurement position;
The terahertz measurement device (1) according to claim 1, which measures a transmitted THz wave transmitted through the measurement object conveyed to the measurement position by the conveyance means (98). 99).
請求項15に記載の検査装置において、
様々な物質のTHz領域におけるTHzスペクトルを記憶するデータベース(96)を更に有し、
前記テラヘルツ測定装置(1)にて測定された前記測定対象物の前記透過THz波と前記データベース(96)に記憶された前記THzスペクトルとに基づいて当該測定対象物を検査することを特徴とする検査装置。
The inspection apparatus according to claim 15,
A database (96) for storing THz spectra of various substances in the THz region;
The measurement object is inspected based on the transmitted THz wave of the measurement object measured by the terahertz measurement device (1) and the THz spectrum stored in the database (96). Inspection device.
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