JP2016099310A - 電場ベクトル検出方法及び電場ベクトル検出装置 - Google Patents

電場ベクトル検出方法及び電場ベクトル検出装置 Download PDF

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Abstract

【課題】信号処理を複雑化させることなくテラヘルツ波の電場ベクトルを高速かつ精度良く検出できる電場ベクトル検出方法及び電場ベクトル検出装置を提供する。
【解決手段】この電場ベクトル検出方法では、テラヘルツ波Ｔを検出するテラヘルツ波検出素子５として光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶を用い、超短パルス光であるプローブ光Ｌａの偏光状態を偏光調整部１２によって断面内に偏光分布を有するベクトルビームとし、ベクトルビームとなったプローブ光Ｌａをテラヘルツ波検出素子５に入射してテラヘルツ波Ｔをプローブし、テラヘルツ波Ｔをプローブした後のプローブ光Ｌａを二次元光検出器６で検出し、二次元光検出器６での検出結果に基づいてテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、テラヘルツ波の電場ベクトルを検出する電場ベクトル検出方法及び電場ベクトル検出装置に関する。
テラヘルツ波の電場ベクトルを検出する手法は、大別して、（Ａ）互いに直交する２つの軸（例えばＸ軸及びＹ軸）方向の成分をそれぞれ検出して合成する手法と、（Ｂ）電場ベクトルを直接検出する手法とが存在している。（Ａ）の手法として、例えば非特許文献１では、テラヘルツ波を直交する２つの軸方向の偏光成分に分割し、これらの偏光成分を２つの検出系により検出した後、得られた２つの検出結果を合成してテラヘルツ波の電場ベクトルを検出している。
また、非特許文献２では、プローブ光の偏光状態を円偏光とし、テラヘルツ波検出用の電気光学結晶として光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した（１１１）結晶を用いている。この手法では、テラヘルツ波をプローブした後のプローブ光を分割し、これらを２つの直交する軸方向のテラヘルツ波をそれぞれ計測するための２つの検出系により検出した後、得られた２つの検出結果を合成してテラヘルツ波の電場ベクトルを検出している。
また、（Ｂ）の手法として、例えば非特許文献３では、テラヘルツ波検出用の電気光学結晶を回転させたときのプローブ光の検出信号の変化に基づいてテラヘルツ波の電場ベクトルを検出している。また、非特許文献４では、テラヘルツ波検出用の電気光学結晶として光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した（１１１）結晶を用いると共に、プローブ光の偏光を直線偏光のまま偏光方向を回転させている。そして、プローブ光の偏光方向の変化に伴う検出信号の変化からテラヘルツ波の電場ベクトルを検出している。
非特許文献５では、テラヘルツ波検出用の電気光学結晶として光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した（１１１）結晶を用い、プローブ光の偏光を円偏光としてテラヘルツ波をプローブしている。そして、テラヘルツ波プローブ後のプローブ光を電気光学変調器によって変調し、変調信号の変化に基づいてテラヘルツ波の電場ベクトルを検出している。
M. B. Byrne, M. U. Shaukat, J. E. Cunningham, E. H. Linfield, and A.G. Davies, "Simultaneous measurement of orthogonal components of polarizationin a free-space propagating terahertz signal using electro-optic detection,"Appl. Phys. Lett. Vol. 98, p. 151104 (2011) N. C. J. van der Valk, W. A. M. van der Marel, and P. C. M. Planken,"Terahertz polarization imaging," Opt. Lett. Vol. 30, p. 2802 (2005) N. Yasumatsu and S. Watanabe, "Precise real-time polarizationmeasurement of terahertz electromagnetic waves by a spinning electro-opticsensor," Rev. Sci. Instrum. Vol. 83, p. 023104 (2012) N. Nemoto, T. Higuchi, N. Kanda, K. Konishi, and M. Kuwata-Gonokami,"Highly precise and accurate terahertz polarization measurements based onelectro-optic sampling with polarization modulation of probe pulse," Opt.Express vol. 22, p. 17915 (2014) N. Yasumatsu, A. Kasatani, K. Oguchi, and S. Watanabe, "High-speedterahertz time-domain polarimeter based on an electro-optic modulationtechnique," Appl. Phys. Express vol. 7, p. 092401 (2014)
上述した（Ａ）の手法では、テラヘルツ波において直交する２方向の偏光成分、或いはテラヘルツ波をプローブした後のプローブ光において、互いに直交する２つの軸方向の成分を精度良く分割することが難しいという問題がある。また、それぞれの成分に対応して２つの検出系が必要となるため、光学系が複雑化するという問題もある。
一方、（Ｂ）の方法においても、非特許文献３，４の手法では、電気光学結晶或いはプローブ光の偏光方向の回転によって電気光学結晶が持つ残留複屈折の影響も変化するため、信号の歪みや検出効率の変化を補正する手段が必要となる。また、非特許文献５の手法では、得られる変調信号が２つの周波数成分の和となるので、信号波形が複雑な形状となるという問題がある。このため、２つの周波数成分の導出には、変調信号に対するフーリエ変換などが必要となり、信号処理が複雑化するおそれがあった。
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、信号処理を複雑化させることなくテラヘルツ波の電場ベクトルを高速かつ精度良く検出できる電場ベクトル検出方法及び電場ベクトル検出装置を提供することを目的とする。
上記課題の解決のため、一側面に係る電場ベクトル検出方法は、テラヘルツ波の電場ベクトルを検出する電場ベクトル検出方法であって、テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出素子として光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶を用い、超短パルス光であるプローブ光の偏光状態を偏光調整部によって断面内に偏光分布を有するベクトルビームとするステップと、ベクトルビームとなったプローブ光をテラヘルツ波検出素子に入射してテラヘルツ波をプローブするステップと、テラヘルツ波をプローブした後のプローブ光を二次元光検出器で検出するステップと、二次元光検出器での検出結果に基づいてテラヘルツ波の電場ベクトルを検出するステップと、を備える。
この電場ベクトル検出方法では、光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶をテラヘルツ波検出素子として用い、超短パルス光であるプローブ光を断面内に偏光分布を有するベクトルビームとしてテラヘルツ波のプローブを行う。これにより、二次元光検出器で検出されたプローブ光の強度分布に基づいてテラヘルツ波の電場ベクトルを一意に決定できるので、テラヘルツ波の電場ベクトルを直接検出することが可能となる。また、二次元光検出器では、プローブ光を検出する際に機械的・電気的な変調が生じないので雑音が生じにくく、複雑な信号処理も不要となり、データ数も十分に取得できるので、テラヘルツ波の電場ベクトルを高速かつ精度良く検出できる。
また、ポンプ光の入射によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子を用い、超短パルス光をプローブ光とポンプ光とに分岐するステップと、テラヘルツ波発生素子に入射するポンプ光を光変調器で周期的に変調させるステップと、を更に備えていてもよい。この場合、テラヘルツ波がテラヘルツ波検出素子に入射したタイミングと、テラヘルツ波がテラヘルツ波検出素子に入射しないタイミングとの双方で、プローブ光の検出を行うことができる。これらの検出結果を規格化することで、テラヘルツ波によるプローブ光の変化分のみを検出できるので、テラヘルツ波の電場ベクトルを一層精度良く検出できる。
また、テラヘルツ波をプローブした後のプローブ光を、位相補償子及び検光子を通過させた後に二次元光検出器で検出してもよい。これにより、二次元光検出器で検出されるプローブ光の強度分布に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの振幅及び方向を検出できる。
また、位相補償子の高速軸又は低速軸と、検光子の透過軸とのなす角度を４５°としてもよい。プローブ光の強度分布の変化は、テラヘルツ波の電場ベクトルの振幅の変化に応じて生じるが、上記構成によれば、二次元光検出器で検出されるプローブ光の強度分布の変化量がテラヘルツ波の電場ベクトルの方向及びテラヘルツ波検出素子の方位に依存しなくなる。
また、位相補償子として、λ／４波長板を用いてもよい。これにより、テラヘルツ波の電場ベクトルがゼロである場合に二次元光検出器で検出されるプローブ光の強度分布のコントラストが無くなるので、結果として大きなダイナミックレンジをとることができる。
また、テラヘルツ波検出素子に入射する前のプローブ光のビームプロファイル及びビーム径を光整形部によって整形するステップを更に備えていてもよい。これにより、プローブ光の波面のノイズや歪みを好適に除去できる。また、ビーム径の整形により、テラヘルツ波のプローブを精度良く実施できる。
また、光整形部としてスペイシャルフィルタを用いてもよい。この場合、簡単な構成でプローブ光の光整形を行うことができる。
また、プローブ光の偏光状態を偏光調整部によってラジアル偏光としてもよい。この場合、二次元光検出器で検出されたプローブ光の強度分布のコントラスト値に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの振幅を検出でき、コントラストが生じる軸の方向に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの方向を検出できる。
また、プローブ光の偏光状態を偏光調整部によってアジマス偏光としてもよい。この場合、二次元光検出器で検出されたプローブ光の強度分布のコントラスト値に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの振幅を検出でき、コントラストが生じる軸の方向に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの方向を検出できる。
また、プローブ光の偏光状態を偏光調整部によって光渦としてもよい。この場合、二次元光検出器で検出されたプローブ光の強度分布のコントラスト値に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの振幅を検出でき、コントラストが生じる軸の方向に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの方向を検出できる。
また、一側面に係る電場ベクトル検出装置は、テラヘルツ波の電場ベクトルを検出する電場ベクトル検出装置であって、超短パルス光であるプローブ光の偏光状態を断面内に偏光分布を有するベクトルビームとする偏光調整部と、光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶からなるテラヘルツ波検出素子と、テラヘルツ波をプローブした後のプローブ光を検出する二次元光検出器と、二次元光検出器での検出結果に基づいてテラヘルツ波の電場ベクトルを検出する電場ベクトル検出部と、を備える。
この電場ベクトル検出装置では、光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶をテラヘルツ波検出素子として用い、超短パルス光であるプローブ光を断面内に偏光分布を有するベクトルビームとしてテラヘルツ波のプローブを行う。これにより、二次元光検出器で検出されたプローブ光の強度分布に基づいてテラヘルツ波の電場ベクトルを一意に決定できるので、テラヘルツ波の電場ベクトルを直接検出することが可能となる。また、二次元光検出器では、プローブ光を検出する際に機械的・電気的な変調が生じないので雑音が生じにくく、複雑な信号処理も不要となり、データ数も十分に取得できるので、テラヘルツ波の電場ベクトルを高速かつ精度良く検出できる。
また、ポンプ光の入射によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子と、超短パルス光をプローブ光とポンプ光とに分岐する分岐部と、テラヘルツ波発生素子に入射するポンプ光を周期的に変調させる光変調器と、を更に備えていてもよい。この場合、テラヘルツ波がテラヘルツ波検出素子に入射したタイミングと、テラヘルツ波検出素子に入射しないタイミングとの双方で、プローブ光の検出を行うことができる。これらの検出結果を規格化することで、テラヘルツ波によるプローブ光の変化分のみを検出できるので、テラヘルツ波の電場ベクトルを一層精度良く検出できる。
また、テラヘルツ波をプローブした後のプローブ光が通過する位相補償子及び検光子を更に備えていてもよい。これにより、二次元光検出器で検出されるプローブ光の強度分布に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの振幅及び方向を検出できる。
また、位相補償子の高速軸又は低速軸と、検光子の透過軸とのなす角度とが４５°となっていてもよい。プローブ光の強度分布の変化は、テラヘルツ波の電場ベクトルの振幅の変化に応じて生じるが、上記構成によれば、二次元光検出器で検出されるプローブ光の強度分布の変化量がテラヘルツ波の電場ベクトルの方向及びテラヘルツ波検出素子の方位に依存しなくなる。
また、位相補償子は、λ／４波長板であってもよい。これにより、テラヘルツ波の電場ベクトルがゼロである場合に二次元光検出器で検出されるプローブ光の強度分布のコントラストが無くなるので、結果として大きなダイナミックレンジをとることができる。
また、テラヘルツ波検出素子に入射する前のプローブ光のビームプロファイル及びビーム径を整形する光整形部を更に備えていてもよい。これにより、プローブ光の波面のノイズや歪みを好適に除去できる。また、ビーム径の整形により、テラヘルツ波のプローブを精度良く実施できる。
また、光整形部は、スペイシャルフィルタであってもよい。この場合、簡単な構成でプローブ光の光整形を行うことができる。
また、偏光調整部は、プローブ光の偏光状態をラジアル偏光とするものであってもよい。この場合、二次元光検出器で検出されたプローブ光の強度分布のコントラスト値に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの振幅を検出でき、コントラストが生じる軸の方向に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの方向を検出できる。
また、偏光調整部は、プローブ光の偏光状態をアジマス偏光とするものであってもよい。この場合、二次元光検出器で検出されたプローブ光の強度分布のコントラスト値に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの振幅を検出でき、コントラストが生じる軸の方向に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの方向を検出できる。
また、偏光調整部は、プローブ光の偏光状態を光渦とするものであってもよい。この場合、二次元光検出器で検出されたプローブ光の強度分布のコントラスト値に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの振幅を検出でき、コントラストが生じる軸の方向に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの方向を検出できる。
本発明の一側面によれば、信号処理を複雑化させることなくテラヘルツ波の電場ベクトルを高速かつ精度良く検出できる。
一側面に係る電場ベクトル検出装置を示す図である。 ベクトルビームを説明する図であり、（ａ）はラジアル偏光、（ｂ）はアジマス偏光、（ｃ）は光渦を示す。 テラヘルツ波検出素子におけるテラヘルツ波の電場ベクトルを示す図である。 テラヘルツ波の電場ベクトルとプローブ光の強度分布との関係を示す図であり、（ａ）〜（ｃ）は、振幅が互いに異なるテラヘルツ波の電場ベクトルを示し、（ｄ）〜（ｆ）はこれらに対応するプローブ光の強度分布を示す。 テラヘルツ波の電場ベクトルとプローブ光の強度分布との関係を示す図であり、（ａ），（ｂ）は方向が互いに異なるテラヘルツ波の電場ベクトルを示し、（ｃ），（ｄ）はこれらに対応するプローブ光の強度分布を示す。 一側面に係る電場ベクトル検出方法を示す図である。
以下、図面を参照しながら、本発明に係る電場ベクトル検出方法及び電場ベクトル検出装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
図１は、一側面に係る電場ベクトル検出装置を示す図である。同図に示すように、電場ベクトル検出装置１は、超短パルス光を出射する光源２と、光源２からの出射光Ｌをプローブ光Ｌａとポンプ光Ｌｂとに分岐するビームスプリッタ３と、ポンプ光Ｌｂの入射によってテラヘルツ波Ｔを発生させるテラヘルツ波発生素子４と、テラヘルツ波発生素子４で発生したテラヘルツ波Ｔを検出するテラヘルツ波検出素子５と、テラヘルツ波Ｔをプローブした後のプローブ光Ｌａを検出する二次元光検出器６と、プローブ光Ｌａの検出結果に基づいてテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを解析する解析装置７とを備えている。
また、電場ベクトル検出装置１は、テラヘルツ波検出素子５にプローブ光Ｌａを導光する第１の光路ＭＡと、テラヘルツ波発生素子４にポンプ光Ｌｂを導光する第２の光路ＭＢと、テラヘルツ波Ｔをプローブした後のプローブ光Ｌａを二次元光検出器６に導光する第３の光路ＭＣとを備えている。
光源２は、フェムト秒パルスレーザである。光源２から出射する出射光Ｌは、例えば波長８００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ、平均出力５００ｍＷ、ビーム径２ｍｍとなっている。光源２から出射した出射光Ｌは、ビームスプリッタ３によってプローブ光Ｌａとポンプ光Ｌｂとに二分され、プローブ光Ｌａは第１の光路ＭＡに導光され、ポンプ光Ｌｂは第２の光路ＭＢに導光される。
第１の光路ＭＡには、テラヘルツ波検出素子５に入射する前のプローブ光Ｌａのビームプロファイル及びビーム径を整形する光整形部１１と、プローブ光Ｌａの偏光状態を、断面内に偏光分布を有するベクトルビームとする偏光調整部１２と、プローブ光Ｌａを分岐する無偏光ビームスプリッタ１９と、テラヘルツ波Ｔを検出するテラヘルツ波検出素子５とが配置されている。
光整形部１１は、例えばスペイシャルフィルタ１３によって構成されている。スペイシャルフィルタ１３は、一対の凸レンズ１４，１４’と、凸レンズ１４，１４’間に配置されたピンホール１５とを備えている。ビームスプリッタ３で分岐したプローブ光Ｌａは、ミラー１６を経て一方の凸レンズ１４に導光され、集光される。
一方の凸レンズ１４で集光されたプローブ光Ｌａは、ピンホール１５を通過することによって波面のノイズや歪みが除去され、他方の凸レンズ１４’によって平行光化された状態で偏光調整部１２に導光される。このとき、凸レンズ１４及び凸レンズ１４’の焦点距離を適切に選択することにより、偏光調整部１２に向かうプローブ光Ｌａのビーム径は、テラヘルツ波発生素子４で発生してテラヘルツ波検出素子５に入射するテラヘルツ波Ｔのビーム径以下となる。
偏光調整部１２は、プローブ光Ｌａの偏光状態を直線偏光とする偏光子１７と、プローブ光Ｌａの偏光状態を変換する偏光変換素子１８とによって構成されている。偏光変換素子１８は、プローブ光Ｌａの偏光状態をベクトルビームとする変換素子であり、例えばラジアル偏光変換素子、アジマス偏光変換素子、及び光渦変換素子のいずれかを用いることができる。偏光変換素子１８は、複屈折材料を用いたものであってもよく、液晶或いはフォトニック結晶を用いたものであってもよい。
ベクトルビームでは、直線偏光の向きがビーム断面内の位置によって異なる不均一な空間分布となっている。ラジアル偏光では、図２（ａ）に示すように、電場の方向が光軸を中心として放射状になっており、アジマス偏光では、図２（ｂ）に示すように、電場の方向が光軸を中心として周方向を向いている。また、光渦（optical vertex beam）では、図２（ｃ）を示すように、電場の方向が光軸の中心を向かずに渦状になっている。いずれの場合も、光軸の中心付近では直線偏光の向きが定まらない特異点となっており、計算上の強度はゼロとなる。したがって、ベクトルビームは、ビーム断面内において、ラゲールガウス関数で表される環状の強度分布を有している。
偏光調整部１２に入射したプローブ光Ｌａは、偏光子１７によって所定の方向の直線偏光となるように調整された後、偏光変換素子１８によってベクトルビームとなる。ベクトルビームとなったプローブ光Ｌａは、無偏光ビームスプリッタ１９により偏光状態を維持したまま二分される。二分されたプローブ光Ｌａの一方は、テラヘルツ波検出素子５に導光される。
テラヘルツ波検出素子５は、例えば光学的等方媒質であるＺｎＴｅの（１１１）面を切り出した電気光学結晶によって構成されている。テラヘルツ波検出素子５の一方面５ａは、テラヘルツ波Ｔが入射する入射面となっている。一方面５ａには、テラヘルツ波Ｔを透過し、かつプローブ光Ｌａを反射する反射コーティングが施されている。また、テラヘルツ波検出素子５の他方面５ｂは、プローブ光Ｌａが入射する入射面となっている。他方面５ｂには、プローブ光Ｌａの反射を抑制する反射防止コーティングが施されている。
図３は、テラヘルツ波検出素子におけるテラヘルツ波の電場ベクトルを示す図である。同図に示すように、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルＥＴは、振幅｜ＥＴ｜と、方位θＴとによって表される。方位θＴは、ＺｎＴｅの（１１１）面における＜−２１１＞方向を０°とし、これを基準として＜０−１１＞方向を正方向としている。＜−２１１＞方向に対するテラヘルツ波Ｔの電場の傾きが２θである場合、複屈折は−θ方向に誘起される。テラヘルツ波Ｔの強さに応じて誘起される複屈折の大きさは、方向によらず一定となる。
テラヘルツ波検出素子５に入射したプローブ光Ｌａは、入射したタイミングでのテラヘルツ波Ｔの電場によって変調を受ける。テラヘルツ波Ｔをプローブした後のプローブ光Ｌａは、テラヘルツ波検出素子５の一方面５ａで反射して無偏光ビームスプリッタ１９に再び入射する。二分されたプローブ光Ｌａの一方は、第３の光路ＭＣに導光され、他方は戻り光となる。戻り光が光源２まで到達しないように、第２の光路ＭＢ上にアイソレータを配置しておいてもよい。
第２の光路ＭＢには、ポンプ光Ｌｂを周期的に変調する光変調器２１と、ポンプ光Ｌｂをプローブ光Ｌａに対して時間的に遅延させる遅延ステージ２２と、ポンプ光Ｌｂの入射によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子４とが配置されている。
光変調器２１は、例えば光チョッパである。光変調器２１は、後述の二次元光検出器６による画像取得と同期して動作し、ポンプ光Ｌｂを所定の変調周波数で時間的に変調する。遅延ステージ２２は、例えばビームスプリッタ３で分岐したポンプ光Ｌｂの光軸方向に往復動可能なステージ２３と、ポンプ光Ｌｂを折り返す一対のミラー２４，２４とを有している。遅延ステージ２２を経たポンプ光Ｌｂは、ミラー２５によってテラヘルツ波発生素子４に導光される。
テラヘルツ波発生素子４は、例えばＺｅＴｅなどの非線形光学結晶、ＧａＡｓを用いた光スイッチなどのアンテナ素子、ＩｎＡｓなどの半導体、超伝導体などによって構成されている。これらの素子から発生するテラヘルツ波Ｔのパルスは、一般的には数ピコ秒程度である。テラヘルツ波発生素子４として非線形光学結晶を用いた場合、テラヘルツ波発生素子４にポンプ光Ｌｂが入射すると、非線形光学効果によってテラヘルツ波Ｔに変換される。発生したテラヘルツ波Ｔは、テラヘルツ波検出素子５に入射する。
第３の光路ＭＣには、位相補償子であるλ／４波長板３１と、検光子３２と、ビーム径調整部３３とが配置されている。λ／４波長板３１の高速軸又は低速軸と、検光子３２の透過軸とのなす角度は４５°となっている。ビーム径調整部３３は、一対の凸レンズ３４，３５によって構成されている。テラヘルツ波Ｔをプローブした後のプローブ光Ｌａは、λ／４波長板３１及び検光子３２を通過した後、ビーム径調整部３３により、例えば二次元光検出器６の画素サイズに合わせて大径化された状態で二次元光検出器６に入射する。
二次元光検出器６は、例えばＣＣＤカメラによって構成されている。二次元光検出器６は、第３の光路ＭＣを経たプローブ光Ｌａを検出し、検出結果を示す検出信号を解析装置７に出力する。二次元光検出器６としては、ＣＣＤカメラの他、例えばＣ−ＭＯＳカメラ、Ｎ−ＭＯＳイメージセンサ、フォトダイオードアレイ、光位置センサなどを用いることもできる。
解析装置７は、二次元光検出器６からの検出信号に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを検出する装置である。解析装置７は、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、通信インタフェイス等を備えたコンピュータシステムによって構成されている。
図４は、プローブ光の強度分布とテラヘルツ波の電場ベクトルとの関係を示す図である。図４（ａ）〜（ｃ）では、電場ベクトルの振幅を０〜１００で相対的に示すと共に、Ｘ軸方向を基準として反時計回りを正方向として電場ベクトルの方向を０°〜３６０°で示している。図４（ａ）〜（ｃ）は、方向が同一で振幅が互いに異なるテラヘルツ波の電場ベクトルを示している。図４（ａ）は、振幅が３０、方向３０°の電場ベクトルとなっており、図４（ｂ）は、振幅が５０、方向３０°の電場ベクトルとなっている。図４（ｃ）は、振幅が１００、方向３０°の電場ベクトルとなっている。
図４（ｄ）〜（ｆ）は、図４（ａ）〜（ｃ）で示した電場ベクトルに対応するプローブ光の強度分布を示している。図４（ｄ）〜（ｆ）に示す結果から、電場ベクトルの振幅の変化に伴ってプローブ光の強度分布が変化し、電場ベクトルの振幅に比例してプローブ光の強度分布のコントラスト値が高くなることが分かる。
また、図５は、図４と同様に、テラヘルツ波の電場ベクトルとプローブ光の強度分布との関係を示す図である。図５（ａ），（ｂ）は、振幅が同一で方向が互いに異なるテラヘルツ波の電場ベクトルを示している。図５（ａ）は、振幅が１００、方向３０°の電場ベクトルとなっており、図５（ｂ）は、振幅が１００、方向１２０°の電場ベクトルとなっている。
図５（ｃ），（ｄ）は、図５（ａ），（ｂ）で示した電場ベクトルに対応するプローブ光の強度分布を示している。図５（ｃ），（ｄ）に示す結果から、電場ベクトルの方向の変化に伴って、プローブ光の強度分布のコントラストが生じる軸の方向が変化することが分かる。例えば電場ベクトルが３０°の方向から１２０°の方向へ９０°変化する場合、プローブ光の強度分布のコントラストが生じる軸の方向は４５°変化する。解析装置７は、二次元光検出器６からの検出信号を受け取ると、検出信号に基づいてプローブ光Ｌａの強度分布のコントラスト値、及びコントラストが生じる軸の方向を解析する。そして、解析装置７は、解析したコントラスト値及びコントラストが生じる軸の方向に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを一意に決定する。
続いて、一側面に係る電場ベクトル検出方法について説明する。
図６は、一側面に係る電場ベクトル検出方法を示すフローチャートである。この電場ベクトル検出方法は、上述した電場ベクトル検出装置１を用いて実行される。
同図に示すように、この電場ベクトル検出方法では、まず、光源２によって超短パルス光である出射光Ｌが出射される（ステップＳ０１：レーザ出射ステップ）。光源２から出射した出射光Ｌは、ビームスプリッタ３によってプローブ光Ｌａとポンプ光Ｌｂとに二分される。ポンプ光Ｌｂは、光変調器２１によって時間的に変調され（ステップＳ０２：ポンプ光変調ステップ）、遅延ステージを通過することによって時間的に遅延させられる（ステップＳ０３：遅延ステップ）。
遅延ステージ２２を通過したポンプ光Ｌｂは、テラヘルツ波発生素子４に入射し、テラヘルツ波Ｔを発生させる（ステップＳ０４：テラヘルツ波発生ステップ）。テラヘルツ波発生素子４で発生したテラヘルツ波Ｔは、テラヘルツ波検出素子５に入射する（ステップＳ０５：テラヘルツ波検出ステップ）。
一方、プローブ光Ｌａは、プローブ光Ｌａは、光整形部１１に導光され、ビームプロファイル及びビーム径の整形がなされる（ステップＳ０６：プローブ光整形ステップ）。プローブ光Ｌａのビーム径は、テラヘルツ波発生素子４で発生してテラヘルツ波検出素子５に入射するテラヘルツ波Ｔのビーム径以下となるように小径化される。
光整形の後、プローブ光Ｌａは、偏光調整部１２に導光され、断面内に偏光分布を有するベクトルビームとなる（ステップＳ０７：偏光状態調整ステップ）。ベクトルビームとなったプローブ光Ｌａは、テラヘルツ波検出素子５に入射し、テラヘルツ波Ｔのプローブがなされる（ステップＳ０８：テラヘルツ波プローブステップ）。このとき、プローブ光Ｌａの偏光状態は、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルによって変化する。
プローブ後のプローブ光Ｌａは、λ／４波長板３１及び検光子３２を通過した後、ビーム径調整部３３によって二次元光検出器６の画素サイズに応じたビーム径に大径化され、二次元光検出器６によって検出される（ステップＳ０９：プローブ光検出ステップ）。二次元光検出器６からの検出信号は、解析装置７に出力され、検出信号に含まれるプローブ光Ｌａの強度分布のコントラスト値、及びコントラストが生じる軸の方向の解析により、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅及び方向が検出される（ステップＳ１０：電場ベクトル検出ステップ）。
以上説明したように、電場ベクトル検出装置１では、光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶をテラヘルツ波検出素子５として用い、超短パルス光であるプローブ光Ｌａを断面内に偏光分布を有するベクトルビームとしてテラヘルツ波Ｔのプローブが行われる。これにより、二次元光検出器６で検出されたプローブ光の強度分布に基づいてテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを一意に決定できるので、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを直接検出することが可能となる。また、二次元光検出器６では、プローブ光Ｌａを検出する際に機械的・電気的な変調が生じないので雑音が生じにくく、複雑な信号処理も不要となり、データ数も十分に取得できるので、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを高速かつ精度良く検出できる。
また、電場ベクトル検出装置１は、テラヘルツ波発生素子４に入射するポンプ光Ｌｂを、二次元光検出器６の画像取得のタイミングと同期するように光変調器２１によって周期的に変調させている。これにより、テラヘルツ波Ｔがテラヘルツ波検出素子５に入射したタイミングと、テラヘルツ波Ｔがテラヘルツ波検出素子５に入射しないタイミングとの双方で、プローブ光Ｌａの検出を行うことができる。これらの検出結果を規格化することで、テラヘルツ波Ｔによるプローブ光Ｌａの変化分のみを検出できるので、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを一層精度良く検出できる。
さらに、電場ベクトル検出装置１では、遅延ステージ２２によってポンプ光Ｌｂの遅延時間を掃引することで、テラヘルツ波検出素子５へのテラヘルツ波Ｔの入射のタイミングを変化させている。したがって、時間の経過に対するテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの変化を連続的に検出することが可能となり、偏光情報を含むテラヘルツ波Ｔの時間波形を検出することができる。
また、電場ベクトル検出装置１では、テラヘルツ波をプローブした後のプローブ光を、位相補償子としてのλ／４波長板３１及び検光子３２を通過させた後に二次元光検出器６で検出している。また、λ／４波長板３１の高速軸又は低速軸と、検光子３２の透過軸とのなす角度を４５°としている。
これにより、二次元光検出器６で検出されるプローブ光Ｌａの強度分布に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅及び方向を検出できる。プローブ光Ｌａの強度分布の変化は、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅の変化に応じて生じるが、当該構成によれば、二次元光検出器６で検出されるプローブ光Ｌａの強度分布の変化量がテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの方向及びテラヘルツ波検出素子５の方位に依存しなくなる。同時に、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルがゼロである場合に二次元光検出器６で検出されるプローブ光Ｌａの強度分布のコントラストが無くなるので、結果として大きなダイナミックレンジをとることができる。
また、電場ベクトル検出装置１では、プローブ光Ｌａの偏光状態が偏光調整部１２によってラジアル偏光、アジマス偏光、及び光渦といったベクトルビームに変換される。このようなベクトルビームをプローブ光Ｌａとして用いることにより、二次元光検出器６で検出されたプローブ光の強度分布のコントラスト値に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅を検出でき、コントラストが生じる軸の方向に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの方向を検出できる。
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、テラヘルツ波検出素子５として光学的等方媒質であるＺｎＴｅの（１１１）面を切り出した電気光学結晶を例示したが、電気光学結晶はＧａＰなどの他の光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した結晶であってもよい。また、上記実施形態では、テラヘルツ波検出素子５の一方面５ａでプローブ光Ｌａを反射させる構成としているが、テラヘルツ波検出素子５の内部でテラヘルツ波Ｔとプローブ光Ｌａとが同軸で透過する構成としてもよい。
１…電場ベクトル検出装置、３…ビームスプリッタ（分岐部）、４…テラヘルツ波発生素子、５…テラヘルツ波検出素子、６…二次元光検出器、７…解析装置（電場ベクトル検出部）、１１…光整形部、１２…偏光調整部、１３…スペイシャルフィルタ、１８…偏光変換素子、２１…光変調器、３１…λ／４波長板（位相補償子）、３２…検光子、Ｔ…テラヘルツ波、Ｌａ…プローブ光、Ｌｂ…ポンプ光。

Claims (20)

  1. テラヘルツ波の電場ベクトルを検出する電場ベクトル検出方法であって、
    テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出素子として光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶を用い、
    超短パルス光であるプローブ光の偏光状態を偏光調整部によって断面内に偏光分布を有するベクトルビームとするステップと、
    前記ベクトルビームとなった前記プローブ光を前記テラヘルツ波検出素子に入射して前記テラヘルツ波をプローブするステップと、
    前記テラヘルツ波をプローブした後の前記プローブ光を二次元光検出器で検出するステップと、
    前記二次元光検出器での検出結果に基づいて前記テラヘルツ波の電場ベクトルを検出するステップと、を備える電場ベクトル検出方法。
  2. ポンプ光の入射によって前記テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子を用い、
    前記超短パルス光を前記プローブ光と前記ポンプ光とに分岐するステップと、
    前記テラヘルツ波発生素子に入射する前記ポンプ光を光変調器で周期的に変調させるステップと、を更に備える請求項１記載の電場ベクトル検出方法。
  3. 前記テラヘルツ波をプローブした後の前記プローブ光を、位相補償子及び検光子を通過させた後に前記二次元光検出器で検出する請求項１又は２記載の電場ベクトル検出方法。
  4. 前記位相補償子の高速軸又は低速軸と、前記検光子の透過軸とのなす角度を４５°とする請求項３記載の電場ベクトル検出方法。
  5. 前記位相補償子として、λ／４波長板を用いる請求項３又は４記載の電場ベクトル検出方法。
  6. 前記テラヘルツ波検出素子に入射する前の前記プローブ光のビームプロファイル及びビーム径を光整形部によって整形するステップを更に備える請求項１〜５のいずれか一項記載の電場ベクトル検出方法。
  7. 前記光整形部としてスペイシャルフィルタを用いる請求項６記載の電場ベクトル検出方法。
  8. 前記プローブ光の偏光状態を前記偏光調整部によってラジアル偏光とする請求項１〜７のいずれか一項記載の電場ベクトル検出方法。
  9. 前記プローブ光の偏光状態を前記偏光調整部によってアジマス偏光とする請求項１〜７のいずれか一項記載の電場ベクトル検出方法。
  10. 前記プローブ光の偏光状態を前記偏光調整部によって光渦とする請求項１〜７のいずれか一項記載の電場ベクトル検出方法。
  11. テラヘルツ波の電場ベクトルを検出する電場ベクトル検出装置であって、
    超短パルス光であるプローブ光の偏光状態を断面内に偏光分布を有するベクトルビームとする偏光調整部と、
    光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶からなるテラヘルツ波検出素子と、
    前記テラヘルツ波をプローブした後の前記プローブ光を検出する二次元光検出器と、
    前記二次元光検出器での検出結果に基づいて前記テラヘルツ波の電場ベクトルを検出する電場ベクトル検出部と、を備える電場ベクトル検出装置。
  12. ポンプ光の入射によって前記テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子と、
    前記超短パルス光を前記プローブ光と前記ポンプ光とに分岐する分岐部と、
    前記テラヘルツ波発生素子に入射する前記ポンプ光を周期的に変調させる光変調器と、を更に備える請求項１１記載の電場ベクトル検出装置。
  13. 前記テラヘルツ波をプローブした後の前記プローブ光が通過する位相補償子及び検光子を更に備える請求項１１又は１２記載の電場ベクトル検出装置。
  14. 前記位相補償子の高速軸又は低速軸と、前記検光子の透過軸とのなす角度とが４５°となっている請求項１３記載の電場ベクトル検出装置。
  15. 前記位相補償子は、λ／４波長板である請求項１３又は１４記載の電場ベクトル検出装置。
  16. 前記テラヘルツ波検出素子に入射する前の前記プローブ光のビームプロファイル及びビーム径を整形する光整形部を更に備える請求項１１〜１５のいずれか一項記載の電場ベクトル検出装置。
  17. 前記光整形部は、スペイシャルフィルタである請求項１６記載の電場ベクトル検出装置。
  18. 前記偏光調整部は、前記プローブ光の偏光状態をラジアル偏光とする偏光変換素子を有している請求項１１〜１７のいずれか一項記載の電場ベクトル検出装置。
  19. 前記偏光調整部は、前記プローブ光の偏光状態をアジマス偏光とする偏光変換素子を有している請求項１１〜１７のいずれか一項記載の電場ベクトル検出装置。
  20. 前記偏光調整部は、前記プローブ光の偏光状態を光渦とする偏光変換素子を有している請求項１１〜１７のいずれか一項記載の電場ベクトル検出装置。
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