JP2015137980A - observation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、テラヘルツ波を使用して試料を観察する観察装置に関するものである。 The present invention relates to an observation apparatus that observes a sample using terahertz waves.
近年、テラヘルツ波を利用した分光測定技術が開発されている。テラヘルツ波は、半導体やアミノ酸結晶などの固体試料の評価のみならず、水溶液のイオン濃度や水の温度変化に対しても感度を有することから、水溶液や水を多く含む生体試料の測定技術としても注目されている。しかし、テラヘルツ波は水による吸収が非常に強く、透過測定による観察の場合は、試料の厚さを非常に薄くするなどの手間がかかる。また、テラヘルツ波は、可視光と比べて波長が非常に長いため、空間分解能が悪い。 In recent years, spectroscopic measurement techniques using terahertz waves have been developed. Terahertz waves are sensitive not only to the evaluation of solid samples such as semiconductors and amino acid crystals, but also to the measurement of biological samples containing a large amount of aqueous solutions and water. Attention has been paid. However, terahertz waves are very strongly absorbed by water, and in the case of observation by transmission measurement, it takes time and effort to reduce the thickness of the sample. Further, since the wavelength of the terahertz wave is very long compared to visible light, the spatial resolution is poor.
これに対し、例えばエバネッセント波を利用できる全反射光学系を用いたセンサ装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。このセンサ装置を用いれば、テラヘルツ波の試料への入射深度を浅くすることができることから、水を多く含む試料に対してもテラヘルツ波による観察が容易となる。また、微小開口を用いてテラヘルツ波を試料に入射させることにより、テラヘルツ波の全反射面(試料載置面)に平行な方向に対しても回折限界を超える分解能を実現することが可能となる。 On the other hand, for example, a sensor device using a total reflection optical system that can use an evanescent wave is known (see, for example, Patent Document 1). If this sensor device is used, the depth of incidence of the terahertz wave on the sample can be reduced, so that even a sample containing a large amount of water can be easily observed with the terahertz wave. In addition, by allowing a terahertz wave to be incident on a sample using a minute aperture, it is possible to achieve a resolution exceeding the diffraction limit even in a direction parallel to the total reflection surface (sample mounting surface) of the terahertz wave. .
しかしながら、特許文献1に開示のセンサ装置は、回折限界を超える高い空間分解能で試料のイメージングを行う場合、センサ装置に対して試料を空間走査する必要がある。そのため、画像取得に時間がかかるとともに、試料が接着性を有する細胞等の場合は、走査が困難となって観察できない場合がある。また、走査機構を要するため、構成が複雑となり、装置が大型化することも懸念される。 However, the sensor device disclosed in Patent Document 1 needs to spatially scan the sample with respect to the sensor device when imaging the sample with high spatial resolution exceeding the diffraction limit. For this reason, it takes time to acquire an image, and when the sample is an adhesive cell or the like, scanning may be difficult and may not be observed. Further, since a scanning mechanism is required, the configuration is complicated, and there is a concern that the apparatus will be enlarged.
したがって、かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、テラヘルツ波を用いて細胞等の試料の画像を高い空間分解能で短時間に取得できるとともに、簡単かつ小型にできる観察装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention made in view of such a viewpoint is to provide an observation apparatus that can acquire an image of a sample such as a cell with high spatial resolution in a short time using terahertz waves, and that can be easily and compactly made. is there.
上記目的を達成する本発明に係る観察装置は、
非線形光学結晶からなる試料載置台を備える試料保持部を有し、該試料保持部の内部においてテラヘルツ波を前記試料載置台の試料載置面に照射して全反射させる第1の照射系と、
前記テラヘルツ波よりも波長の短いパルス状のプローブ光を、前記試料保持部を経て前記試料載置面の前記テラヘルツ波の全反射領域に少なくとも一部重ねて照射する第2の照射系と、
前記試料載置面で反射されて前記試料保持部から射出される前記プローブ光の偏光状態を検出して前記試料載置台に載置された試料の画像を生成する検出系と、
を備えるものである。
An observation apparatus according to the present invention that achieves the above object is as follows.
A first irradiation system having a sample holding unit including a sample mounting table made of a non-linear optical crystal, and irradiating the sample mounting surface of the sample mounting table with a terahertz wave inside the sample holding unit;
A second irradiation system that irradiates a pulsed probe light having a wavelength shorter than that of the terahertz wave at least partially over the total reflection region of the terahertz wave on the sample mounting surface through the sample holding unit;
A detection system that detects a polarization state of the probe light reflected from the sample mounting surface and emitted from the sample holding unit to generate an image of the sample mounted on the sample mounting table;
Is provided.
前記試料保持部は、前記試料載置台の前記試料載置面とは反対側の面に接合された光学素子を有し、
前記第1の照射系は、前記光学素子から前記試料載置台を経て前記試料載置面に前記テラヘルツ波を照射して全反射させ、
前記第2の照射系は、前記光学素子及び前記試料載置台を経て前記試料載置面に前記プローブ光を照射し、
前記検出系は、前記試料載置台及び前記光学素子を経て前記試料保持部から射出される前記プローブ光の偏光状態を検出する、とよい。
The sample holder has an optical element bonded to a surface of the sample mounting table opposite to the sample mounting surface,
The first irradiation system irradiates the terahertz wave to the sample mounting surface from the optical element through the sample mounting table and totally reflects the same,
The second irradiation system irradiates the probe light onto the sample mounting surface through the optical element and the sample mounting table,
The detection system may detect a polarization state of the probe light emitted from the sample holder through the sample mounting table and the optical element.
前記光学素子は、非線形光学結晶からなり、
前記第1の照射系は、前記光学素子にポンプ光を入射させて該光学素子内で前記テラヘルツ波を発生させ、該テラヘルツ波を前記試料載置面で全反射させる、とよい。
The optical element is composed of a nonlinear optical crystal,
In the first irradiation system, it is preferable that pump light is incident on the optical element to generate the terahertz wave in the optical element, and the terahertz wave is totally reflected on the sample mounting surface.
前記第1の照射系は、前記試料載置台にポンプ光を入射させて該試料載置台内で前記テラヘルツ波を発生させて、該テラヘルツ波を前記試料載置面で全反射させる、とよい。 The first irradiation system may be configured such that pump light is incident on the sample mounting table, the terahertz wave is generated in the sample mounting table, and the terahertz wave is totally reflected on the sample mounting surface.
前記プローブ光及び前記ポンプ光は、近赤外光である、とよい。 The probe light and the pump light may be near infrared light.
前記第1の照射系は、前記光学素子にテラヘルツ波を入射させ、該テラヘルツ波を前記試料載置面で全反射させる、とよい。 The first irradiation system may be configured such that a terahertz wave is incident on the optical element and the terahertz wave is totally reflected on the sample mounting surface.
前記試料保持部は、前記試料載置面と前記プローブ光の入射面とが平行である、とよい。 In the sample holder, the sample placement surface and the probe light incident surface may be parallel to each other.
前記試料載置面に前記テラヘルツ波及び前記プローブ光が同軸で照射される、とよい。 The terahertz wave and the probe light may be irradiated coaxially on the sample mounting surface.
前記検出系は、前記試料載置台に前記試料が載置された状態と、載置されていない状態との前記プローブ光の偏光状態の差分に基づいて前記試料の画像を生成する、とよい。 The detection system may generate an image of the sample based on a difference in polarization state of the probe light between a state where the sample is mounted on the sample mounting table and a state where the sample is not mounted.
前記試料載置面は、前記プローブ光の反射コートを有する、とよい。 The sample mounting surface may have a reflective coat of the probe light.
本発明によると、テラヘルツ波を用いて細胞等の試料の画像を高い空間分解能で短時間に取得できるとともに、簡単かつ小型にできる観察装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide an observation apparatus that can acquire an image of a sample such as a cell with high spatial resolution in a short time using terahertz waves, and that can be easily and miniaturized.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1実施の形態)
図1は、第1実施の形態に係る観察装置の全体の概略構成図である。この観察装置は、試料を顕微観察するものである。図1において、レーザ光源11は、フェムト秒近赤外パルスレーザ光を射出するもので、例えば広帯域の近赤外パルスレーザ光を発振するチタンサファイアレーザが用いられる。レーザ光源11から射出されるフェムト秒近赤外パルスレーザ光は、ビームスプリッタ12によりポンプ光とプローブ光とに分岐される。ポンプ光は、パルスフロント傾斜光学系13に入射される。パルスフロント傾斜光学系13は、例えば回折格子及びレンズ等を含んで構成され、入射するポンプ光のパルスフロントを傾斜させて射出する(例えば、特開2011−203339号公報参照)。パルスフロント傾斜光学系13から射出されるポンプ光は、試料Saを保持する試料保持部20に、その側面から入射される。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the entire observation apparatus according to the first embodiment. This observation apparatus is for microscopic observation of a sample. In FIG. 1, a laser light source 11 emits a femtosecond near-infrared pulsed laser beam. For example, a titanium sapphire laser that oscillates a broadband near-infrared pulsed laser beam is used. The femtosecond near-infrared pulsed laser light emitted from the laser light source 11 is branched into pump light and probe light by the beam splitter 12. The pump light is incident on the pulse front tilt
一方、ビームスプリッタ12で分岐されたプローブ光は、1/2波長板31、光路調整光学系32、ビームエキスパンダ33、集光レンズ34、反射ミラー35及び対物レンズ36を経て、平行光として試料保持部20の下面から対物レンズ36の光軸に対して斜め方向に試料保持部20内に入射される。また、試料保持部20内で反射されて試料保持部20の下面から射出されるプローブ光は、対物レンズ36、結像レンズ40、1/4波長板41及び1/2波長板42を経て偏光ビームスプリッタ43に入射されて、S偏光成分とP偏光成分とに分岐される。そして、分岐されたS偏光成分及びP偏光成分は、光路調整光学系44及び45により光路長が等しくなるよう光路調整された後、偏光ビームスプリッタ46から平行に射出されてカメラ47の撮像素子48の異なる受光領域に結像され、その撮像素子48の出力が信号処理回路49で処理されて、試料Saのテラヘルツ波による画像が生成される。
On the other hand, the probe light branched by the beam splitter 12 passes through the half-
図2は、図1の試料保持部20及び対物レンズ36の部分詳細図である。試料保持部20は、試料Saを載置する試料載置面21aを有する試料載置台21と、試料載置台21の試料載置面21aとは反対側の面に接合された光学素子22とを有する。光学素子22は、例えば接着剤により試料載置台21に接合してもよいし、試料載置台21に着脱自在に接合してもよい。試料載置面21aには、プローブ光を反射させる反射コート23が形成され、この反射コート23上に試料Saが載置される。試料載置台21及び光学素子22は、それぞれ平板状に形成され、試料載置面21aとプローブ光が入射する光学素子22の入射面22a(試料保持部20の下面)とが平行となっている。したがって、試料保持部20の全体が平板状となっている。
FIG. 2 is a partial detail view of the
試料載置台21及び光学素子22は、LiNbO3結晶からなる。図1のパルスフロント傾斜光学系13から射出されるポンプ光は、光学素子22の側面22bから、該側面22bに対してほぼ垂直に入射される。光学素子22は、入射されるポンプ光を伝播して、傾斜したパルスフロントの集光位置において差周波混合によりテラヘルツ波のパルスを発生させる(チェレンコフ放射現象)。光学素子22内でパルス状に発生したテラヘルツ波は、試料載置台21を経て試料載置面21aで全反射される。
The sample mounting table 21 and the
一方、対物レンズ36により光学素子22の入射面22aから試料保持部20に斜め照射される平行光のプローブ光は、光学素子22及び試料載置台21を経てテラヘルツ波とほぼ同軸に伝播されて、試料載置面21aの反射コート23で全反射される。反射コート23で全反射されたプローブ光は、試料載置台21及び光学素子22を経て試料保持部20の下面(光学素子22の入射面22a)から射出されて、対物レンズ36を経て結像レンズ40(図1参照)に導かれる。
On the other hand, the parallel probe light obliquely irradiated from the
ここで、光学素子22の結晶軸は、テラヘルツ波を効率よく発生させるため、図2において、対物レンズ36の光軸方向をZ、光学素子22内でのポンプ光の伝播方向をY、ZYと直交する方向をXとするとき、Y軸を中心に90°回転した方向となっている。また、ポンプ光の偏光方向は、光学素子22の結晶軸のZ方向としている。これにより、光学素子22内で高強度のテラヘルツ波が放射され、その放射角(チェレンコフ角)θはポンプ光の伝播方向に対して約60°となる。この場合、試料載置面21aへのテラヘルツ波の入射角は約30°となるが、試料載置面21a上に載置される試料Saの屈折率nが、例えばn=2.1とすると、全反射の臨界角は約24°となるので(試料載置台21の屈折率を5.11として算出)、発生したテラヘルツ波を試料載置面21aで全反射させることができる。
Here, since the crystal axis of the
これに対し、試料載置台21の結晶軸は、試料Saで変調されるテラヘルツ波成分を検出するため、光学素子22の結晶軸に対してプローブ光のXY面内で約45°回転している。これにより、プローブ光は試料載置台21を伝播中に、テラヘルツ波電場で誘起された試料載置台21の複屈折(電気光学効果)によって偏光が変化するが、光学素子22にではテラヘルツ波電場による屈折率変化は非常に小さく、その影響をほとんど受けなくすることができる。すなわち、テラヘルツ波によるプローブ光の偏光変化は試料載置台21のみで生じるとみなすことができる。
On the other hand, the crystal axis of the sample mounting table 21 is rotated about 45 ° in the XY plane of the probe light with respect to the crystal axis of the
本実施の形態において、第1の照射系は、レーザ光源11、パルスフロント傾斜光学系13及び試料保持部20を含んで構成されている。第2照射系は、レーザ光源11、1/2波長板31、光路調整光学系32、ビームエキスパンダ33、集光レンズ34、反射ミラー35、対物レンズ36及び試料保持部20を含んで構成されている。検出系は、対物レンズ36、結像レンズ40、1/4波長板41、1/2波長板42、偏光ビームスプリッタ43、光路調整光学系44、45、偏光ビームスプリッタ46、カメラ47及び信号処理回路49を含んで構成されている。
In the present embodiment, the first irradiation system includes the laser light source 11, the pulse front tilt
そして、第1の照射系において、試料保持部20の光学素子22へのポンプ光の入射により光学素子22内で発生したテラヘルツ波が試料載置面21aで全反射する際に、試料載置面21aから染み出したエバネッセント成分が試料と相互作用して減衰・位相遅れが生じるため、全反射後のテラヘルツ波成分は試料Saの情報を含んでいる。よって、光学結晶22から出射されたプローブ光の偏光変化を検出することで、試料Saで変調されたテラヘルツ波成分に基づいて試料Saの画像を生成することができる。ここで、テラヘルツ波によるプローブ光の偏光変化は試料載置台21でのみ生じるので、試料載置台が薄い場合には試料の極近傍(近接場領域)でテラヘルツ波を検出できることとなり、空間分解能を回折限界よりも高めることができる。なお、試料載置面21aに照射されるプローブ光の偏光方向は、試料載置台21で生じる複屈折によって偏光状態が大きく変化するように、1/2波長板31によって予め調整される。
In the first irradiation system, when the terahertz wave generated in the
ここで、検出系を構成する1/4波長板41及び1/2波長板42は、試料載置台21にテラヘルツ波が入射されていない状態で、試料保持部20を経て偏光ビームスプリッタ43に入射されるプローブ光の偏光が45度傾いた直線偏光となるように調整されるとよい。このように調整すると、試料載置台21にテラヘルツ波が入射されていない状態では、偏光ビームスプリッタ43により偏光分離されるプローブ光のS偏光とP偏光との強度比は1:1となり、カメラ47には等しい強度のS偏光成分及びP偏光成分のプローブ光の像が形成される。これに対し、試料載置台21にテラヘルツ波が入射して試料載置台21に複屈折が生じた状態では、プローブ光の偏光が複屈折により変化して楕円偏光となり、結果として偏光ビームスプリッタ43で分離されるS偏光成分とP偏光成分との強度比が変化して、撮像素子48に結像される像の強度比もそれに応じて変化する。
Here, the quarter-wave plate 41 and the half-
したがって、信号処理回路49において、撮像素子48で取得されるS偏光成分の像とP偏光成分の像との差を演算すれば、テラヘルツ波が試料載置台21に入射していない状態では、S偏光とP偏光との信号強度が等しいため、信号強度差はゼロとなる。これに対し、テラヘルツ波が試料載置台21に入射したときには、S偏光とP偏光との信号強度差はゼロではなくなる。すなわち、テラヘルツ波の電場振幅強度となる。
Accordingly, if the
このように、試料載置台21を伝播したプローブ光のS偏光成分及びP偏光成分の像を撮像素子48に結像させれば、つまり撮像素子48を試料載置台21の内部と光学的に共役な関係になるように配置すれば、試料載置台21に入射したテラヘルツ波の電場振幅の空間分布を取得することができる。しかも、試料載置台21に入射するテラヘルツ波は、試料Saで変調されて試料Saの情報が転写されたものとなるので、テラヘルツ波の電場振幅の空間分布を取得することにより試料Saを顕微観察することが可能となる。また、必要に応じて、プローブ光の光路にある光路調整光学系32より、プローブ光とテラヘルツ波との相対時間差を変化させる。これにより、検出されるテラヘルツ波の時間を掃引して、信号処理回路49においてテラヘルツ波の時間変化を画像のシーケンスとして検出することができる。また、信号処理回路49において、必要に応じて、検出した画像のシーケンスをフーリエ変換して、周波数スペクトル画像を生成することもできる。
In this way, if the images of the S-polarized component and the P-polarized component of the probe light propagated through the sample mounting table 21 are formed on the image sensor 48, that is, the image sensor 48 is optically conjugate with the inside of the sample mounting table 21. If it arrange | positions so that it may become a favorable relationship, the spatial distribution of the electric field amplitude of the terahertz wave which injected into the
なお、試料Saの画像は、試料載置台21に試料Saが載置された状態と、載置されていない状態とのプローブ光の偏光状態の差分に基づいて、試料Saの画像を生成してもよい。つまり、試料載置台21に試料Saが載置されていない状態で試料載置台21にテラヘルツ波とプローブ光とを照射した際に得られる画像情報と、試料載置台21に試料Saを載置した状態で試料載置台21にテラヘルツ波とプローブ光とを照射した際に得られる画像情報とを取得し、両者の画像情報の差分から試料Saの画像を生成してもよい。このようにすれば、バックグランドの画像が差し引かれた試料Saの高精度の画像を得ることができる。 The image of the sample Sa is generated by generating an image of the sample Sa based on the difference between the polarization state of the probe light between the state where the sample Sa is placed on the sample placement table 21 and the state where it is not placed. Also good. That is, the image information obtained when the sample mounting table 21 is irradiated with the terahertz wave and the probe light in a state where the sample Sa is not mounted on the sample mounting table 21, and the sample Sa is mounted on the sample mounting table 21. In this state, image information obtained when the sample mounting table 21 is irradiated with the terahertz wave and the probe light may be acquired, and an image of the sample Sa may be generated from the difference between the image information of the two. In this way, a highly accurate image of the sample Sa from which the background image has been subtracted can be obtained.
本実施の形態に係る観察装置によると、反射型の顕微鏡で細胞等の試料Saの高い空間分解能を有する顕微鏡画像を、イメージングのために試料Saを空間走査することなく、短時間で取得することができる。また、光学素子22内でチェレンコフ放射現象によってポンプ光の伝播方向から斜め方向に放射される高強度のテラヘルツ波を、そのまま試料載置面21aに照射して全反射させるようにしているので、構成を単純化することができる。さらに、ポンプ光が試料Saに照射されないので、ポンプ光によって試料Saが影響されることがない。したがって、テラヘルツ波による試料Saの高精度の画像が得られる。
According to the observation apparatus according to the present embodiment, a microscope image having a high spatial resolution of the sample Sa such as a cell can be acquired in a short time without spatially scanning the sample Sa for imaging with a reflection microscope. Can do. In addition, since the high-intensity terahertz wave radiated in the oblique direction from the propagation direction of the pump light by the Cherenkov radiation phenomenon in the
また、試料保持部20を構成するテラヘルツ波発生用の光学素子22及びテラヘルツ波検出用の試料載置台21は、例えば結晶軸を異ならせた単一の非線形光学素子で構成できるので、高強度テラヘルツ波発生と近接場イメージングとの両方を簡単に実現することができる。また、試料保持部20を平板状とすることにより、対物レンズ36と試料Saとの僅かな空間(ワーキングディスタンス)に容易に挿入でき、例えば対物レンズと試料との間にビームスプリッタを配置して、テラヘルツ波とプローブ光との合波や分波を行う場合と比較して、顕微観察の収差に大きな影響を及ぼすこともない。また、試料保持部20は、光学素子22に対して試料載置台21を着脱自在に構成すれば、装置の性能を安定に保つことができ、これにより性能管理が簡単となり、コスト低減が図れる。なお、試料載置台21および光学素子22の材料としてはLiTaO3など他の種類の結晶材料を用いてもよい。また、試料載置台21と光学素子22間の屈折や試料載置面21aでの全反射臨界角を考慮したつつ上で、屈折率が近い異なる種類の結晶を試料載置台21と光学素子22にそれぞれ配置するようにしてもよい。また、図1ではプローブ光を対物レンズに入射する際に反射ミラー35を用いているが、無偏光ビームスプリッタを用いて素子20から出射した成分と分離してもよい。
Further, the terahertz wave generating
(第2実施の形態)
図3は、第2実施の形態に係る観察装置の全体の概略構成図である。本実施の形態に係る観察装置は、第1の照射系として、ビームスプリッタ12によって分岐されたポンプ光を入射してテラヘルツ波のパルスを発生するテラヘルツ波発生光学系50を有する。テラヘルツ波発生光学系50は、ポンプ光調整光学系51、テラヘルツ波発生素子52及びテラヘルツ波集光光学系53を有して構成される。ビームスプリッタ12からのポンプ光は、ポンプ光調整光学系51を経てテラヘルツ波発生素子52に入射される。これにより、テラヘルツ波発生素子52からテラヘルツ波パルスが放射される。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an entire observation apparatus according to the second embodiment. The observation apparatus according to the present embodiment includes a terahertz wave generating
ここで、テラヘルツ波発生素子52は、非線形光学結晶や光伝導アンテナなどが利用可能である。ポンプ光調整光学系51は、使用されるテラヘルツ波発生素子52に応じて適切に構成される。例えば、テラヘルツ波発生素子52が光伝導アンテナで構成される場合、ポンプ光調整光学系51は図3に示すようにレンズを用いて構成される。また、テラヘルツ波発生素子52が高強度テラヘルツ波を発生させる非線形光学結晶であるLiNbO3やLiTaO3等で構成される場合、ポンプ光調整光学系51は回折格子などの光学素子を有する図1に示したようなパルスフロント傾斜光学系により構成されるとよい。
Here, the terahertz
テラヘルツ波発生素子52で発生されたテラヘルツ波は、テラヘルツ波集光光学系53を経て試料Saを保持する試料保持部20に、その側面から入射される。なお、テラヘルツ波集光光学系53は、テラヘルツ波を透過させるプラスチック製のレンズや放物面鏡などにより構成される。
The terahertz wave generated by the terahertz
一方、第2の照射系は、ビームエキスパンダ33で所定の光束径に調整されたプローブ光が、無偏光ビームスプリッタ60、結像レンズ61及び対物レンズ36を経て、平行光として試料保持部20の下面から対物レンズ36の光軸方向に沿って試料保持部20内に垂直に入射されるように構成される。また、検出系は、試料保持部20内で反射されて試料保持部20の下面から射出されるプローブ光が、対物レンズ36、結像レンズ61及び無偏光ビームスプリッタ60を経て1/4波長板41に入射されるように構成される。
On the other hand, in the second irradiation system, the probe light adjusted to a predetermined light beam diameter by the
また、試料保持部20は、図4に部分詳細図を示すように、第1実施の形態の場合と同様に、LiNbO3、LiTaO3等の非線形光学結晶からなる平板状の試料載置台21及び光学素子22と、試料載置台21の試料載置面21a上に形成されたプローブ光の反射コート23とを有する。本実施の形態において、光学素子22は、側面22bから入射されるテラヘルツ波を屈折させて、試料載置台21を経てその試料載置面21aで全反射させるプリズムとして作用する。そのため、テラヘルツ波が入射する光学素子22の側面22bは、テラヘルツ波の中心光線に対して傾斜して形成されている。
Further, as shown in the partial detail view in FIG. 4, the
その他の構成は、第1実施の形態と同様であるので、第1実施の形態と同一構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略する。 Since the other configuration is the same as that of the first embodiment, the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
本実施の形態において、試料保持部20に入射されたテラヘルツ波が、試料載置面21aに照射されて全反射すると、第1実施の形態の場合と同様に、試料Saにエバネッセント光が染み出して試料Saと相互作用する。これにより、テラヘルツ波が試料Saによって変調されて、試料載置台21内に複屈折が生じ、プローブ光の偏光が変化する。したがって、第1実施の形態で説明したと同様に、プローブ光の偏光の変化を検出すれば、試料Saで変調されたテラヘルツ波成分に基づいて試料Saの画像を生成することができる。
In the present embodiment, when the terahertz wave incident on the
本実施の形態によると、試料載置面21aに対してテラヘルツ波とプローブ光とが同軸で作用しないため、第1実施の形態の場合と比較してテラヘルツ波成分の検出効率は落ちるが、テラヘルツ波発生光学系50により大口径のテラヘルツ波を発生させることができる。そして、テラヘルツ波発生光学系50で発生されたテラヘルツ波を集光して高強度のテラヘルツ波として、光学素子22に入射させて試料載置面21aで全反射させることができるので、検出効率の低下を補うだけの信号強度の向上を実現することが可能となる。なお、検出光率の低下は、試料載置台21の厚さを薄くすることにより、その影響を低減することもできる。また、プローブ光は、対物レンズ36によりその光軸方向から照射(垂直照射)されるので、第2の照射系や検出系を構成する光学素子の配置等が容易になり、構成を簡単にできる。
According to the present embodiment, since the terahertz wave and the probe light do not act on the
(第3実施の形態)
図5は、第3実施の形態に係る観察装置の部分詳細図である。本実施の形態に係る観察装置は、第2実施の形態において、試料載置面21aに対してテラヘルツ波とプローブ光とを同軸で作用させるようにしたものである。そのため、第2の照射系は、プローブ光を第1実施の形態の場合と同様に、対物レンズ36により斜め照射して光学素子22の入射面22aに入射させるように構成され、検出系も第1実施の形態と同様に構成される。また、第1の照射系を構成する試料保持部20の光学素子22は、側面22bから入射されるテラヘルツ波が、側面22bで屈折した後、入射面22aで全反射されてプローブ光と同軸で試料載置面21aに照射させるように形成される。その他の構成は、第2実施の形態と同様である。
(Third embodiment)
FIG. 5 is a partial detail view of the observation apparatus according to the third embodiment. The observation apparatus according to the present embodiment is such that in the second embodiment, the terahertz wave and the probe light act on the
本実施の形態によると、第2実施の形態と同様に、テラヘルツ波発生光学系50(図3参照)から発生される高強度のテラヘルツ波を利用することができ、しかも、第1実施の形態と同様に、試料載置面21aに対してテラヘルツ波とプローブ光とを同軸で作用させるようにしたので、信号強度及び検出光率を向上することができる。
According to the present embodiment, as in the second embodiment, a high-intensity terahertz wave generated from the terahertz wave generation optical system 50 (see FIG. 3) can be used, and the first embodiment Similarly, since the terahertz wave and the probe light are made to act on the
(第4実施の形態)
図6は、第4実施の形態に係る観察装置の部分詳細図である。本実施の形態に係る観察装置は、第3実施の形態において、試料保持部20が、試料載置台21と、試料載置台21の試料載置面21a上に形成されたプローブ光の反射コート23とから構成されている。すなわち、試料保持部20は、第1〜3実施の形態で示した光学素子22が省略されている。プローブ光は、対物レンズ36により試料載置台21の下面(入射面)21bに斜め照射される。また、テラヘルツ波発生光学系50(図3参照)から発生される高強度のテラヘルツ波は、試料載置台21の側面21cから入射される。側面21cは、入射されるテラヘルツ波が側面21cで屈折した後、下面21bで全反射されてプローブ光と同軸で試料載置面21aに照射させるように形成される。その他の構成は、第3実施の形態と同様である。
(Fourth embodiment)
FIG. 6 is a partial detail view of the observation apparatus according to the fourth embodiment. In the observation apparatus according to the present embodiment, in the third embodiment, the
本実施の形態によると、試料載置台21の側面21cからテラヘルツ波を入射するため、上記第1〜3実施例と比べて試料載置台21の厚さが厚くなりうるが、試料Saの近接場領域でテラヘルツ波を検出できるため高い空間分解能を実現でき、且つ試料保持部20を1つの非線形光学素子を用いて形成できるので、より簡単に構成できるとともに、コストダウンが図れる利点がある。
According to the present embodiment, since the terahertz wave is incident from the
(第5実施の形態)
図7は、第5実施の形態に係る観察装置の部分詳細図である。本実施の形態に係る観察装置は、第1実施の形態において、試料保持部20が、試料載置台21と、試料載置台21の試料載置面21a上に形成されたプローブ光の反射コート23とから構成され、試料載置台21の側面21cからポンプ光が入射される。本実施の形態において、試料載置台21は、入射されるポンプ光を伝播して、傾斜したパルスフロントの集光位置において差周波混合によりテラヘルツ波を発生させる機能と、プローブ光によりテラヘルツ波成分を検出する機能とを有する。したがって、試料載置台21の結晶軸は、上記の両機能の効率を考慮して適宜設定される。試料載置台21内で発生したテラヘルツ波は、試料載置面21aで全反射される。また、プローブ光は、対物レンズ36により試料載置台21の下面21bに斜め照射されて、テラヘルツ波と同軸で試料載置面21aに照射させる。その他の構成は、第1実施の形態と同様である。
(Fifth embodiment)
FIG. 7 is a partial detail view of the observation apparatus according to the fifth embodiment. In the observation apparatus according to the present embodiment, in the first embodiment, the
本実施の形態によると、第4実施の形態と同様に、試料保持部20を1つの非線形光学素子を用いて形成できるので、より簡単に構成できるとともに、コストダウンが図れる利点がある。
According to the present embodiment, similar to the fourth embodiment, since the
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、第2実施の形態及び第3実施の形態において、試料保持部20を構成する光学素子22は、試料載置台21と同一材料に限らず、屈折率が試料載置台21に近く、かつテラヘルツ波及びプローブ光が透過する任意の材料で形成することができる。また、上記各実施の形態において、試料保持部20の反射コート23は省略してもよく、第1〜3実施の形態の光学結晶22の入射面22aおよび第4、第5の実施の形態の試料載置台21の下面21bにプローブ光用の反射防止膜が成膜されていてもよい。さらに、第1実施の形態及び第3〜5実施の形態において、プローブ光は、試料Saに対するテラヘルツ波の照射領域と一部重なれば、必ずしもテラヘルツ波と同軸で照射されなくてもよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, Many deformation | transformation or a change is possible. For example, in the second and third embodiments, the
また、第1の照射系、第2の照射系及び検出系は、上述した構成に限らない。例えば、第1の照射系は、試料保持部20の内部においてテラヘルツ波を試料載置台21の試料載置面21aに照射して全反射させる構成であればよい。第2の照射系は、試料保持部20を経て試料載置面21aのテラヘルツ波の全反射領域に少なくとも一部重ねてプローブ光を照射させる構成であればよい。検出系は、試料載置面21aで反射されて試料保持部20から射出されるプローブ光の偏光状態を検出して試料Saの画像を生成する構成であればよい。
Further, the first irradiation system, the second irradiation system, and the detection system are not limited to the configuration described above. For example, the first irradiation system may be configured to irradiate the
また、上述した実施の形態では、フェムト秒近赤外パルスレーザ光を用いてテラヘルツ波パルスを発生させるようにしたが、2つの異なる発振周波数を持つ連続波のレーザ光を用いて差周波に相当する単色のテラヘルツ波を発生させてもよい。この場合のレーザ光源としては、2波長の光を出力するNd:YAGレーザ励起のKTP−OPO(Optical-Parametric-Oscillator)光源や、2台の波長可変レーザダイオードを用いることができる。 In the embodiment described above, the terahertz wave pulse is generated using the femtosecond near-infrared pulsed laser beam, but it corresponds to the difference frequency using the continuous wave laser beam having two different oscillation frequencies. A monochromatic terahertz wave may be generated. As a laser light source in this case, an Nd: YAG laser-excited KTP-OPO (Optical-Parametric-Oscillator) light source that outputs light of two wavelengths, or two tunable laser diodes can be used.
11 レーザ光源
12 ビームスプリッタ
13 パルスフロント傾斜光学系
20 試料保持部
21 試料載置台
21a 試料載置面
21b 下面(入射面)
22 光学素子
22a 入射面
22b 側面
23 反射コート
31 1/2波長板
32 光路調整光学系
33 ビームエキスパンダ
34 集光レンズ
35 反射ミラー
36 対物レンズ
40 結像レンズ
41 1/4波長板
42 1/2波長板
43、46 偏光ビームスプリッタ
44、45 光路調整光学系
47 カメラ
48 撮像素子
49 信号処理回路
50 テラヘルツ波発生光学系
51 ポンプ光調整光学系
52 テラヘルツ波発生素子
53 テラヘルツ波集光光学系
60 無偏光ビームスプリッタ
61 結像レンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Laser light source 12
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記テラヘルツ波よりも波長の短いパルス状のプローブ光を、前記試料保持部を経て前記試料載置面の前記テラヘルツ波の全反射領域に少なくとも一部重ねて照射する第2の照射系と、
前記試料載置面で反射されて前記試料保持部から射出される前記プローブ光の偏光状態を検出して前記試料載置台に載置された試料の画像を生成する検出系と、
を備える観察装置。 A first irradiation system having a sample holding unit including a sample mounting table made of a non-linear optical crystal, and irradiating the sample mounting surface of the sample mounting table with a terahertz wave inside the sample holding unit;
A second irradiation system that irradiates a pulsed probe light having a wavelength shorter than that of the terahertz wave at least partially over the total reflection region of the terahertz wave on the sample mounting surface through the sample holding unit;
A detection system that detects a polarization state of the probe light reflected from the sample mounting surface and emitted from the sample holding unit to generate an image of the sample mounted on the sample mounting table;
An observation apparatus comprising:
前記第1の照射系は、前記光学素子から前記試料載置台を経て前記試料載置面に前記テラヘルツ波を照射して全反射させ、
前記第2の照射系は、前記光学素子及び前記試料載置台を経て前記試料載置面に前記プローブ光を照射し、
前記検出系は、前記試料載置台及び前記光学素子を経て前記試料保持部から射出される前記プローブ光の偏光状態を検出する、
請求項1に記載の観察装置。 The sample holder has an optical element bonded to a surface of the sample mounting table opposite to the sample mounting surface,
The first irradiation system irradiates the terahertz wave to the sample mounting surface from the optical element through the sample mounting table and totally reflects the same,
The second irradiation system irradiates the probe light onto the sample mounting surface through the optical element and the sample mounting table,
The detection system detects a polarization state of the probe light emitted from the sample holder through the sample mounting table and the optical element;
The observation apparatus according to claim 1.
前記第1の照射系は、前記光学素子にポンプ光を入射させて該光学素子内で前記テラヘルツ波を発生させ、該テラヘルツ波を前記試料載置面で全反射させる、
請求項2に記載の観察装置。 The optical element is composed of a nonlinear optical crystal,
The first irradiation system causes pump light to enter the optical element to generate the terahertz wave in the optical element, and the terahertz wave is totally reflected on the sample mounting surface.
The observation apparatus according to claim 2.
請求項1に記載の観察装置。 The first irradiation system causes pump light to be incident on the sample mounting table to generate the terahertz wave in the sample mounting table, and totally reflects the terahertz wave on the sample mounting surface.
The observation apparatus according to claim 1.
請求項3又は4に記載の観察装置。 The probe light and the pump light are near infrared light,
The observation apparatus according to claim 3 or 4.
請求項2に記載の観察装置。 The first irradiation system makes a terahertz wave incident on the optical element and totally reflects the terahertz wave on the sample mounting surface.
The observation apparatus according to claim 2.
請求項1乃至6のいずれか一項に記載の観察装置。 In the sample holder, the sample mounting surface and the incident surface of the probe light are parallel.
The observation apparatus according to any one of claims 1 to 6.
請求項1乃至7のいずれか一項に記載の観察装置。 The terahertz wave and the probe light are irradiated coaxially on the sample mounting surface,
The observation apparatus according to any one of claims 1 to 7.
請求項1乃至8のいずれか一項に記載の観察装置。 The detection system generates an image of the sample based on a difference in polarization state of the probe light between a state where the sample is placed on the sample placement table and a state where the sample is not placed.
The observation apparatus according to any one of claims 1 to 8.
請求項1乃至9のいずれか一項に記載の観察装置。 The sample mounting surface has a reflective coat of the probe light,
The observation apparatus according to any one of claims 1 to 9.
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