JP3598375B2 - テラヘルツ電磁波時間分解分光装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、テラヘルツ（ＴＨｚ）電磁波を増幅して測定試料に照射することができ、あるいは、測定試料を透過や反射したテラヘルツ電磁波を増幅して検出器に入力することができるテラヘルツ電磁波時間分解分光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の代表的なテラヘルツ電磁波時間分解分光装置は、図６に示す様に、パルスレーザ光を発生するパルスレーザ光源１と、発振したパルスレーザ光を分岐する分岐手段２と、分岐したパルスレーザ光の一方を用いてパルス状のテラヘルツ電磁波を発生するテラヘルツ電磁波発生手段４と、パルス状テラヘルツ電磁波を測定試料に入射する構成と、分岐手段２で分岐された他方のパルスレーザ光の伝搬距離を変化させ、伝搬時間を遅延させる遅延手段３と、パルスレーザ光を偏光させる偏光手段１９と、偏光したパルスレーザ光と測定試料を通過して来たパルス状テラヘルツ電磁波とを同じ光軸上に載せる合波手段１０と、合波手段１０からのパルス状テラヘルツ電磁波と偏光したパルスレーザ光とを電気光学結晶１２に入射させる構成と、電気光学結晶から出射したパルスレーザ光を偏光させる偏光手段１３と、偏光手段１３を通過したパルスレーザ光を電気信号に変換する手段１６と、分岐手段２で分岐された光をさらに分岐する分岐手段１４と、分岐手段１４からの光を電気信号に変換する変換手段１５と、変換手段１６からの電気信号と変換手段１６からの電気信号とを演算する信号処理手段１７とを備えたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のテラヘルツ電磁波時間分解分光装置では、発生できるパルス状テラヘルツ電磁波が数十マイクロワット以下と小さいため、被測定対物は、比較的テラヘルツ電磁波を透過させ易いプラスティックや半導体物質に限られていた。
【０００４】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、測定試料に照射されるパルス状テラヘルツ電磁波の電力を最大で数ワット程度まで増幅すること、または測定試料を透過または反射したパルス状テラヘルツ電磁波を増幅することにより、従来のテラヘルツ電磁波時間分解分光装置より優れた信号対雑音比を達成して、測定時間の短縮を図り、あるいは、測定試料のサイズについての従来の方法での制限を緩和し、あるいは、従来のテラヘルツ電磁波時間分解分光装置では不可能であったテラヘルツ電磁波による飽和分光の時間分解測定を実現することのできるテラヘルツ電磁波時間分解分光装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明においては、パルスレーザ光源と、該光源からの光を複数の光路に分岐する分岐手段と、分岐されたいずれかの光路の光を遅延させる手段と、分岐されたあるいはさらに遅延された第１の光路のパルスレーザ光に同期してパルス状のテラヘルツ電磁波を発生する発生手段と、発生したパルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段と、該パルス状テラヘルツ電磁波に同期して、前記増幅手段の増幅度を変化させる増幅度制御手段と、増幅されたパルス状テラヘルツ電磁波を測定試料に入射する構成と、分岐されたあるいはさらに遅延された第２の光路の光と上記の測定試料から出射した光とを合波する合波手段と、この合波された光を電気信号に変換する変換手段と、を、有する。
【０００６】
また、本発明においては、パルス状テラヘルツ電磁波の増幅装置を測定試料の後に備えるものであり、パルスレーザ光源と、該光源からの光を複数の光路に分岐する分岐手段と、分岐されたいずれかの光路の光を遅延させる手段と、分岐されたあるいはさらに遅延された第１の光路のパルスレーザ光に同期してパルス状のテラヘルツ電磁波を発生する発生手段と、発生されたパルス状テラヘルツ電磁波を測定試料に入射する構成と、測定試料から出射したパルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段と、上記の測定試料から出射したパルス状テラヘルツ電磁波に同期して前記増幅手段の増幅度を変化させる増幅度制御手段と、分岐されたあるいはさらに遅延された第２の光路の光と上記の測定試料から出射した光とを合波する合波手段と、この合波された光を電気信号に変換する変換手段と、を、有する。
【０００７】
また、本発明においては、さらに、分岐された光路の光を遅延させる遅延手段により伝搬時間が遅らされたパルスレーザ光のビーム径を拡大する拡大手段を有し、そのビーム径を拡大された光を上記の合波手段に入射する構成を備える。
【０００８】
また、本発明においては、電気光学結晶を用いてパルス状テラヘルツ電磁波を発生するものであり、上記の構成に加えて、パルスレーザ光を電気光学結晶、ＬＴ−ＧａＡｓの光スイッチ素子、高温超電導体の光スイッチ素子、半導体表面からのＴＨｚ電磁波放射を利用した素子、光パラメトリック発振によるＴＨｚ電磁波放射を利用した素子、あるいは、量子井戸からのＴＨｚ放射を利用した素子に照射してパルス状テラヘルツ電磁波を発生する。
【０００９】
また、本発明では、半導体を用いてパルス状テラヘルツ電磁波を増幅するものであり、上記の構成において、パルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段は、結晶のもつ平行する２つの結晶面に一対のオーム性電極を設けたＰ型半導体結晶と、この電極を通してストリーミング運動が生じるに十分な電場を印加する手段と、ストリーミング運動が生じるに十分な低温にこの単結晶を冷却する冷却手段と、軽い正孔の分布が重い正孔の分布に対して反転分布を形成されるに十分な強さの、電場と直交する、磁場を半導体結晶に印加する磁気発生手段と、上記の半導体結晶にテラヘルツ電磁波を入射する入射手段と、結晶からテラヘルツ電磁波を出射する出射手段と、上記の半導体結晶内でのテラヘルツ電磁波の進行方向が磁場と直交するフォークト配置となる構成とを備える。
【００１０】
また、本発明では、増幅媒体への入出力への損失を抑制するものであり、上記の構成に加えて、上記の増幅手段に用いられる半導体結晶は、その結晶の光路上の端面に、テラヘルツ電磁波の反射防止膜を有する。
【００１１】
また、本発明では、増幅媒体への入出力への損失を抑制するために、上記の構成に加えて、上記の増幅手段に用いられる半導体結晶は、その結晶の光路上の端面がブリュースター角に加工されている。
【００１２】
また、本発明では、増幅に必要な電圧を低下させるものであり、上記の構成に加えて、上記の増幅手段に用いられる半導体結晶は、その結晶に一軸性応力を印加することにより上記の反転分布状態を形成するに必要な電場磁場の閾値を低くならしめたものである。
【００１３】
また、本発明では、広い周波数範囲で測定できるようにするために、上記の構成に加えて、半導体結晶に印加する磁場強度を掃引して、増幅周波数を予め決められた範囲で可変としたものである。
【００１４】
また、本発明では、さらに広い周波数範囲で測定できるようにするために、上記の構成に加えて、さらに、半導体結晶の光軸まわりに印加磁場方向を９０度回転する手段と、印加電場と印加磁場、が半導体結晶内でのテラヘルツ電磁波の伝播方向に対して直交する構成を持つ。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明のテラヘルツ電磁波時間分解分光装置で、測定が可能である事を確認するために行った予備実験について図２を用いて説明する。図２の装置は、テラヘルツ電磁波の半導体結晶を用いた増幅媒体８を測定試料とも見なして構成したものである。この装置は、パルスレーザ光源１と、該光源からの光を複数の光路に分岐する分岐手段２と、分岐された第１の光路のパルスレーザ光に同期してパルス状のテラヘルツ電磁波を発生するテラヘルツ電磁波発生手段４と、発生したパルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段３０と、該パルス状テラヘルツ電磁波に同期して、前記増幅手段の増幅度を変化させる増幅度制御手段２２と、分岐された第２の光路の光を遅延させる遅延手段３と、この遅延された光と増幅手段３０を通過した光とを合波する合波手段１０と、この合波された光を電気光学結晶に入射させる集光手段１１と、その電気光学結晶から出射した光を偏光させる偏光手段１３と、この偏光手段１３を通過した光を電気信号に変換する変換手段１６と、パルスレーザ光をプローブ光として用いるために第２の光路から光を分岐する手段１５と、この分岐された光を電気信号に変換する変換手段１５と、変換手段１５および１６からの信号の差を取る信号処理手段１７と、信号処理手段１７からの信号の雑音を平均化する平滑器１８を含む構成である。
【００１６】
図２で使用したテラヘルツ（ＴＨｚ）電磁波の増幅手段３０は、ストリーミング運動と呼ばれる波数空間における正孔の異方的な分布が形成され、電場と直交する磁場により軽い正孔の分布が重い正孔の分布に対して反転分布を形成することによる誘導放出を利用したものであり、その増幅用の半導体結晶は、Ｐ型のＧｅ結晶で、Ｇａをアクセプターとして、その不純物濃度が１×１０14ｃｍ-3のものである。その結晶のサイズは３．３ｍｍ×３．３ｍｍのファセットで、長さは４５ｍｍである。Ｐ型のＧｅ結晶は液体ヘリウム温度の冷却ベッドにマウントされている。磁場Ｂは０．４７Ｔの強度で、一対の永久磁石により発生されている。また、電気バイアスパルスは、結晶の（１００）面に設けられたオーミックコンタクトにより光軸に垂直に印加される。磁場と電場は、光学軸に対して直交する関係にあり、またお互いに直角である。ＴＨｚ電磁波は、１ｍｍ厚の（１１０）カットＺｎＴｅ結晶にフェムト秒レーザーを当てて発生している。この結晶は電気光学特性を有している。そのレーザ光の波長は、８００ｎｍ、パルス長１００ｆ秒、繰り返しは、１ｋＨｚである。また、その電気光学結晶（ＺｎＴｅ結晶）へのレーザ光の入力パワーは、２８０ｍＷ（２８０μＪ／パルス）である。ここで、ＺｎＴｅ結晶を回転することにより、ＴＨｚ電磁波の偏光方向を変えることができ、それは水平に偏光され、３．３ｍｍ×３．３ｍｍのファセットを持ったＧｅ結晶に集光される。集光には、放物面鏡を用いた。その後、ＴＨｚ電磁波は、長さ４５ｍｍのＰ型のＧｅ結晶を通過し、放物面鏡によって、他のＺｎＴｅ結晶（厚さ２ｍｍ）に集光された。ＴＨｚ電磁波の電場強度は、センサーとして用いた電気光学結晶の電場によって、プローブパルスの偏光の変化として検出される。その変化は、光検出器とボックスカーアベレージャー（平滑器）を用いて測定される。ＴＨｚ電磁波と上記のＧｅ結晶に印加する電気バイアスパルス（２μ秒、１６Ｈｚ）との同期は、レーザードライバーからのトリガー信号を用いてとった。
【００１７】
図３（ａ）は、電気バイアスパルスがＴＨｚ電磁波と重なった時の検出したＴＨｚ信号波形（ｄｔ＝０μ秒、実線）と電気バイアスパルスをＴＨｚ電磁波の前に６μ秒ずらした時の検出した信号波形（ｄｔ＝−６μ秒、破線）を示しており、図３（ｂ）は、それぞれの波形のＦＦＴ（高速フーリエ変換）振幅スペクトルで、電気バイアスパルスがＴＨｚ電磁波と重なった時の信号波形（実線）と電気バイアスパルスがＴＨｚ電磁波と重ならない時の信号波形（破線）を示している。
【００１８】
この図から、電気バイアスパルスと重なったＴＨｚ電磁波は、−０．３ｐ秒の遅延があり、その主線の振幅は、電気バイアスパルスと重なっていないＴＨｚ電磁波よりも少し大きいことが分かる。また、電気バイアスパルスと重なったＴＨｚ電磁波のスペクトル（実線）は、電気バイアスパルスと重なっていないＴＨｚ電磁波の場合と比べて、２ＴＨｚ近辺で増大し、１ＴＨｚ以下で僅かに減少している。図３（ｃ）にバイアスを印加した時のスペクトルのバイアスを印可していないときのスペクトルに対する比を示す。その比は２ＴＨｚにおけるピークでほぼ７になるが、ここでは、Ｇａアクセプターによる強い吸収線がある。因みに、ＧａのＤ線は図３のように２．０４ＴＨｚである。
【００１９】
これらの結果から、本発明は、テラヘルツ電磁波時間分解分光装置として動作することが分かる。
【００２０】
【実施例】
［第１の実施例］ 図１は、テラヘルツ電磁波時間分解分光装置の第１の実施例を示す図である。図１に示すテラヘルツ電磁波時間分解分光装置は、パルスレーザ光源１と、該光源からの光を複数の光路に分岐するハーフミラーによる分岐手段２と、分岐された第１の光路の長さを調整して、その光を遅延させる遅延手段３と、遅延をうけた第１の光路のパルスレーザ光に同期してパルス状のテラヘルツ電磁波を発生する電気光学結晶よりなるテラヘルツ電磁波発生手段４と、テラヘルツ電磁波を選択するフィルタ２６と、発生されたパルス状テラヘルツ電磁波を測定試料に入射する構成と、測定試料から出射したパルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段３０と、上記の測定試料から出射したパルス状テラヘルツ電磁波に同期して電気パルスをＴＨｚ電磁波の半導体結晶を用いた増幅媒体８に印加することにより前記第２の増幅手段の増幅度を変化させる電気パルス発振器である増幅度制御手段２２と、分岐された第２の光路の光を偏光させる偏光板でできた第１の偏光手段１９と、この偏光された光と上記の増幅手段３０を通過したパルス状テラヘルツ電磁波とを合波する合波手段１０と、この合波された光とパルス状テラヘルツ電磁波とを電気光学結晶１２に入射させる構成と、その電気光学結晶から出射した光を偏光させる偏光板でできた第２の偏光手段１３と偏光手段１３を通過した光を電気信号に変換する半導体光検出器でできた第１の変換手段１６と、分岐された第２の光路の光をさらに分岐するハーフミラーでできた第２の分岐手段１４と、第２の分岐手段の光を電気信号に変換する半導体光検出器でできた第２の変換手段１５と、第１の変換手段からの電気信号と第２の変換手段からの電気信号との差分を抽出する差動増幅器でできた信号処理手段１７とを備えている。また、信号処理手段１７からの信号は、ボックスカーアベレージャー１８を用いて信号対雑音比を向上させている。
【００２１】
［第２の実施例］ 図４は、テラヘルツ電磁波時間分解分光装置の第２の実施例を示す図である。図１に示すテラヘルツ電磁波時間分解分光装置は、パルスレーザ光源１と、該光源からの光を複数の光路に分岐するハーフミラーによる分岐手段２と、分岐された第１の光路の長さを調整して、その光を遅延させる遅延手段３と、遅延をうけた第１の光路のパルスレーザ光に同期してパルス状のテラヘルツ電磁波を発生する電気光学結晶よりなるテラヘルツ電磁波発生手段４と、テラヘルツ電磁波を選択するフィルタ２６と、発生されたパルス状テラヘルツ電磁波を測定試料に入射する構成と、測定試料から出射したパルス状テラヘルツ電磁波を放物面鏡５を用いて集光して増幅手段３０によって増幅する構成と、増幅されたパルス状テラヘルツ電磁波を放物面鏡９を用いて集光する構成と、パルスレーザからのトリガ信号に同期することにより上記の測定試料から出射したパルス状テラヘルツ電磁波に同期して電気パルスをＴＨｚ電磁波の増幅媒体８に印加することにより前記第２の増幅手段の増幅度を変化させる電気パルス発振器である増幅度制御手段２２と、分岐された第２の光路の光を偏光させる偏光板でできた第１の偏光手段１９と、この偏光された光のビーム径を拡大する球面反射鏡であるビーム径拡大手段２１と、ビーム径拡大手段２１を用いてビーム径を拡大された光とパルス状テラヘルツ電磁波とを合波する合波手段１０と、この合波された光とパルス状テラヘルツ電磁波とを電気光学結晶１２に入射させる構成と、その電気光学結晶から出射した光を偏光させる偏光板でできた第２の偏光手段１３と、偏光手段１３を通過した光を電気信号に変換する半導体光検出器でできた２次元構成の変換手段２６と、分岐された第２の光路の光をさらに分岐するハーフミラーでできた第２の分岐手段１４と、第２の分岐手段の光を電気信号に変換する半導体光検出器でできた変換手段１５と、変換手段１６からの電気信号と第２の変換手段からの電気信号との差分を抽出する差動増幅器でできた信号処理手段１７とを備えている。信号処理手段１７からの信号は、ボックスカーアベレージャー１８を用いて平滑して信号対雑音比を向上させている。信号処理手段１７からの信号は、また、デジタル化して信号処理することによっても信号対雑音比を向上する事ができることは、既に良く知られている。
【００２２】
ここで、増幅手段３０は、クライオスタット６の内部に配置された超伝導電磁石２７と、反射防止膜と電極のつけられた半導体結晶を用いた増幅媒体２８とを備えている。２７は、光軸の回りに回転することが可能であり、その磁場は光軸に対して垂直の成分を持っており、その成分を電流を変えることにより掃引することが可能である。また、その電極２３、２４は、光軸について直角の電場成分を持つことができる配置となっており、光軸と電場と磁場の関係はそれぞれ直角のフォークと配置にする事によって、増幅できる帯域を変えることができる。さらに磁場のみを光軸の回りに９０度回転することによって、さらに増幅できる帯域を変えることができる。また、この増幅媒体８の光路上の端面には、多層膜による反射防止膜を付けておくことが望ましい。この反射膜の働きは、通常の光学系と同様に、入射光、出射光の損失を抑制することである。
【００２３】
また、増幅媒体である半導体結晶に一軸性応力を印加することにより増幅媒体８の反転分布状態を形成するに必要な電場磁場の閾値を低くできることが知られている。この際、応力を、どの方向に印加しても、その閾値を低くすることができる。このために用いる一軸性応力を印加する構成は、図には示していないが、その方法やそのための構成は既に良く知られており、容易に実現することができる。
【００２４】
［第３の実施例］ 図５は、テラヘルツ電磁波時間分解分光装置の第３の実施例を示す図である。図５に示すテラヘルツ電磁波時間分解分光装置は、パルスレーザ光源１と、該光源からの光を複数の光路に分岐するハーフミラーによる分岐手段２と、第１の光路のパルスレーザ光に同期してパルス状のテラヘルツ電磁波を発生するテラヘルツ電磁波発生手段４と、テラヘルツ電磁波を選択するフィルタ２６と、発生されたパルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段３０と、上記の測定試料から出射したパルス状テラヘルツ電磁波に同期して電気パルスをＴＨｚ電磁波の半導体結晶を用いた増幅媒体８に印加することにより前記第２の増幅手段の増幅度を変化させる電気パルス発振器である増幅度制御手段２２と、増幅されたテラヘルツ電磁波が測定試料に入射する構成と、分岐された第２の光路の長さを調整して、その光を遅延させる遅延手段３と、遅延をうけた光と上記の測定試料を通過したパルス状テラヘルツ電磁波とを合波する合波手段１０と、この合波された光とパルス状テラヘルツ電磁波とを変換手段２９とを備えている。また、変換手段２９からの信号は、ボックスカーアベレージャー１８を用いて信号対雑音比を向上させている。
【００２５】
ここで、テラヘルツ電磁波の発生方法としては、いく つかの既に知られた方法を用いることができる。例えば、１）ＬＴ−ＧａＡｓの光スイッチ素子を用いることができるが、これは、論文（M.Tani, S. Matsuura, K. Sakai and S. Nakashima "Emission characteristicsof photoconductive antennas based on low-temperature-grown GaAs and semi-insulatingGaAs" Appl. Opt., Vol.36, No.30, 7853-7859 (1997)）に公開されている。また、２）高温超電導体の光スイッチ素子を用いることができるが、これは、論文（M.Hangyo, S. Tomozawa, Y. Murakami, M. Tonouchi, M. Tani, Z. Wang, K. Sakaiand S. Nakashima "Terahertzradiation from superconducting YBa2Cu3O7-dthin films excited by femtosecond optical pulses" Appl. Phys. Lett., Vol.69,No.14, 2122-2124 (1996)）に公開されている。また、３）半導体表面からのＴＨｚ電磁波放射を利用した素子を用いることができるが、これは、論文（(1)X.-C. Zhang and D. H. Auston,"Optoelectronic measurements of semiconductorsurfaces and interfarces with femtosecond optics," J. Appl. Phys. Vol.71,No.1,pp.326-338 (1992)、あるいは、N. Sarukura, H. Ohtake, S. Izumida, andZ. Liu, Appl. Phys. Lett. Vol.84, pp.654-656 (1998)）に公開されている。また、４）光パラメトリック発振によるTHz電磁波放射を利用した素子を用いることができるが、これは、論文（Jun- ichiShikata, Kodo Kawase, Ken-ichi Karino, Tetsuo Taniuchi, and Hiromasa Ito,"Tunable terahertz-wave parametric oscillators using LiNbO3 and MgO:LiNbO3crystals," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.48,No.4, pp.653-661 (2000))に公開されている。また、５）量子井戸からのTHz放射を利用した素子を用いることができるが、これは、論文（P.C.M. Planken, M. C. Nuss, I. Brener, K.W. Goossen, M.S.C. Luo, S.L. Chuangand L. Pfeiffer, Phys. Rev. Lett. Vol.69, pp. 3800-3803 (1992)、あるいは、H.G.Roskos, M. C. Nuss, J. Shah, K. LeoD.A.B. Miller, A.M. Fox, S.Schmitt-Rinkand K. Kohler, Phys. Rev. Lett. Vol.68, pp.2216-2219 (1992)、あるいは I.Brener, P.C.M. Planken, M. C. Nuss, M.S.C. Luo, S.L. Chuang, L. Pfeiffer,D.E. Leaird and A.M. Weiner, J. Opt. Soc. Am. B, Vol.11, pp. 2457-2469(1994)）に公開されている。
【００２６】
前記の素子は、また、変換手段２９として用いることができ、第２の光路の光パルスがプローブ光となって、測定試料からの光とプローブ光とが重なった時点の光強度を検出することができる。このような検出を行うことの利点は、装置構成が簡略化されることにある。
【００２７】
また、上記の実施例１、実施例２、あるいは実施例３で説明したテラヘルツ電磁波時間分解分光装置では、パルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段３０の前あるいは後ろに測定試料を配置したが、そのどちらに測定試料を配置しても良いことは明らかである。どちらに配置するかは、試料のテラヘルツ電磁波に対する飽和特性や、信号対雑音特性を考慮して決めることが望ましい。また、必要に応じて、測定試料の前後両方に増幅手段を配置することが望ましい場合もある。
【００２８】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。まず、本発明では、微弱なテラヘルツ電磁波を増幅して測定試料に照射するようにしたので、その測定の信号対雑音比が向上した。
【００２９】
また、本発明では、微弱なテラヘルツ電磁波を増幅して検出するようにしたので、その測定の信号対雑音比が向上した。
【００３０】
また、本発明では、プローブ光となる分岐されたパルスレーザ光のビーム径を拡大するようにしたので、パルス状テラヘルツ電磁波の検出に２次元検出器を用いた場合でも、全てのチャンネルにおいて、プローブ光を用いることができるようになった。
【００３１】
また、本発明では、パルスレーザ光を簡単な構成の素子に照射してパルス状テラヘルツ電磁波を発生するようにしたので、パルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置を簡単な構成とすることができた。
【００３２】
また、本発明では、フォークと配置をもった半導体テラヘルツ増幅器を用いたので、広い帯域でテラヘルツ電磁波の増幅を行うことができる様になった。
【００３３】
また、本発明では、増幅媒体である半導体結晶に反射防止膜をつけたので、テラヘルツ電磁波の実効的な入力が増大し、信号対雑音比を改善する事ができた。
【００３４】
また、本発明では、増幅媒体である半導体結晶の端面をブリュースター角に加工することにより、テラヘルツ電磁波の損失を抑制できるようになった。
【００３５】
また、本発明では、増幅媒体である半導体結晶に一軸性応力を印加することにより上記の反転分布状態を形成するに必要な電場磁場の閾値を低くできるようになった。
【００３６】
また、本発明では、増幅媒体である半導体結晶に印加する磁場強度を掃引するようにしたので、増幅周波数を予め決められた範囲で変えることができるようになった。
【００３７】
また、本発明では、印加電場と印加磁場が、半導体結晶内でのテラヘルツ電磁波の伝播方向に対して直交したまま、半導体結晶の光軸まわりに印加磁場方向を９０度回転するようにしたので、増幅媒体である半導体結晶に一軸性応力を印加することにより上記の反転分布状態を形成するに必要な電場磁場の閾値を低くできるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】テラヘルツ電磁波時間分解分光装置の第１の実施例を示すブロック図である。
【図２】測定が可能である事を確認するために行った予備実験のテラヘルツ電磁波時間分解分光装置を示すブロック図である。
【図３】予備実験の測定結果を示す図で、（ａ）は、測定した信号振幅と時間との関係を示す図で、（ｂ）は、そのフーリエ変換を示す図で、（ｃ）は、フーリエ変換結果の電場バイアスの重なりが有る場合とない場合の比を示す図である。
ＡＭＳＨへのラベル情報多重書込を行ってホログラフィックラベルバンクを作成するための構成を示す模式図である。
【図４】テラヘルツ電磁波時間分解分光装置の第２の実施例を示すブロック図である。
【図５】テラヘルツ電磁波時間分解分光装置の第３の実施例を示すブロック図である。
【図６】従来のテラヘルツ電磁波時間分解分光装置の代表的な構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ パルスレーザ光源
２ 分岐手段
３ 遅延手段
４ テラヘルツ電磁波発生手段
５ 放物面鏡
６ クライオスタット
７ 磁石
８ 増幅媒体
９ 入射手段
１０ 光の分岐手段
１１ 集光手段
１２ 電気光学結晶
１３ 偏光手段
１４ 分岐手段
１５ 変換手段
１６ 変換手段
１７ 信号処理手段
１８ 平滑器
１９ 偏光手段
２０ 反射手段
２１ ビーム径拡大手段
２２ 増幅度制御手段
２３、２４ 電極
２５ 測定試料
２６ フィルタ
２７ 超伝導電磁石
２８ 増幅媒体
２９ 変換手段
３０ 増幅手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、テラヘルツ（ＴＨｚ）電磁波を増幅して測定試料に照射することができ、あるいは、測定試料を透過や反射したテラヘルツ電磁波を増幅して検出器に入力することができるテラヘルツ電磁波時間分解分光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の代表的なテラヘルツ電磁波時間分解分光装置は、図６に示す様に、パルスレーザ光を発生するパルスレーザ光源１と、発振したパルスレーザ光を分岐する分岐手段２と、分岐したパルスレーザ光の一方を用いてパルス状のテラヘルツ電磁波を発生するテラヘルツ電磁波発生手段４と、パルス状テラヘルツ電磁波を測定試料に入射する構成と、分岐手段２で分岐された他方のパルスレーザ光の伝搬距離を変化させ、伝搬時間を遅延させる遅延手段３と、パルスレーザ光を偏光させる偏光手段１９と、偏光したパルスレーザ光と測定試料を通過して来たパルス状テラヘルツ電磁波とを同じ光軸上に載せる合波手段１０と、合波手段１０からのパルス状テラヘルツ電磁波と偏光したパルスレーザ光とを電気光学結晶１２に入射させる構成と、電気光学結晶から出射したパルスレーザ光を偏光させる偏光手段１３と、偏光手段１３を通過したパルスレーザ光を電気信号に変換する手段１６と、分岐手段２で分岐された光をさらに分岐する分岐手段１４と、分岐手段１４からの光を電気信号に変換する変換手段１５と、変換手段１６からの電気信号と変換手段１６からの電気信号とを演算する信号処理手段１７とを備えたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のテラヘルツ電磁波時間分解分光装置では、発生できるパルス状テラヘルツ電磁波が数十マイクロワット以下と小さいため、被測定対物は、比較的テラヘルツ電磁波を透過させ易いプラスティックや半導体物質に限られていた。
【０００４】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、測定試料に照射されるパルス状テラヘルツ電磁波の電力を最大で数ワット程度まで増幅すること、または測定試料を透過または反射したパルス状テラヘルツ電磁波を増幅することにより、従来のテラヘルツ電磁波時間分解分光装置より優れた信号対雑音比を達成して、測定時間の短縮を図り、あるいは、測定試料のサイズについての従来の方法での制限を緩和し、あるいは、従来のテラヘルツ電磁波時間分解分光装置では不可能であったテラヘルツ電磁波による飽和分光の時間分解測定を実現することのできるテラヘルツ電磁波時間分解分光装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明においては、パルスレーザ光源と、該光源からの光を複数の光路に分岐する分岐手段と、分岐されたいずれかの光路の光を遅延させる手段と、分岐されたあるいはさらに遅延された第１の光路のパルスレーザ光に同期してパルス状のテラヘルツ電磁波を発生する発生手段と、発生したパルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段と、該パルス状テラヘルツ電磁波に同期して、前記増幅手段の増幅度を変化させる増幅度制御手段と、増幅されたパルス状テラヘルツ電磁波を測定試料に入射する構成と、分岐されたあるいはさらに遅延された第２の光路の光と上記の測定試料から出射した光とを合波する合波手段と、この合波された光を電気信号に変換する変換手段と、を、有する。
【０００６】
また、本発明においては、パルス状テラヘルツ電磁波の増幅装置を測定試料の後に備えるものであり、パルスレーザ光源と、該光源からの光を複数の光路に分岐する分岐手段と、分岐されたいずれかの光路の光を遅延させる手段と、分岐されたあるいはさらに遅延された第１の光路のパルスレーザ光に同期してパルス状のテラヘルツ電磁波を発生する発生手段と、発生されたパルス状テラヘルツ電磁波を測定試料に入射する構成と、測定試料から出射したパルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段と、上記の測定試料から出射したパルス状テラヘルツ電磁波に同期して前記増幅手段の増幅度を変化させる増幅度制御手段と、分岐されたあるいはさらに遅延された第２の光路の光と上記の測定試料から出射した光とを合波する合波手段と、この合波された光を電気信号に変換する変換手段と、を、有する。
【０００７】
また、本発明においては、さらに、分岐された光路の光を遅延させる遅延手段により伝搬時間が遅らされたパルスレーザ光のビーム径を拡大する拡大手段を有し、そのビーム径を拡大された光を上記の合波手段に入射する構成を備える。
【０００８】
また、本発明においては、電気光学結晶を用いてパルス状テラヘルツ電磁波を発生するものであり、上記の構成に加えて、パルスレーザ光を電気光学結晶、ＬＴ−ＧａＡｓの光スイッチ素子、高温超電導体の光スイッチ素子、半導体表面からのＴＨｚ電磁波放射を利用した素子、光パラメトリック発振によるＴＨｚ電磁波放射を利用した素子、あるいは、量子井戸からのＴＨｚ放射を利用した素子に照射してパルス状テラヘルツ電磁波を発生する。
【０００９】
また、本発明では、半導体を用いてパルス状テラヘルツ電磁波を増幅するものであり、上記の構成において、パルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段は、結晶のもつ平行する２つの結晶面に一対のオーム性電極を設けたＰ型半導体結晶と、この電極を通してストリーミング運動が生じるに十分な電場を印加する手段と、ストリーミング運動が生じるに十分な低温にこの単結晶を冷却する冷却手段と、軽い正孔の分布が重い正孔の分布に対して反転分布を形成されるに十分な強さの、電場と直交する、磁場を半導体結晶に印加する磁気発生手段と、上記の半導体結晶にテラヘルツ電磁波を入射する入射手段と、結晶からテラヘルツ電磁波を出射する出射手段と、上記の半導体結晶内でのテラヘルツ電磁波の進行方向が磁場と直交するフォークト配置となる構成とを備える。
【００１０】
また、本発明では、増幅媒体への入出力への損失を抑制するものであり、上記の構成に加えて、上記の増幅手段に用いられる半導体結晶は、その結晶の光路上の端面に、テラヘルツ電磁波の反射防止膜を有する。
【００１１】
また、本発明では、増幅媒体への入出力への損失を抑制するために、上記の構成に加えて、上記の増幅手段に用いられる半導体結晶は、その結晶の光路上の端面がブリュースター角に加工されている。
【００１２】
また、本発明では、増幅に必要な電圧を低下させるものであり、上記の構成に加えて、上記の増幅手段に用いられる半導体結晶は、その結晶に一軸性応力を印加することにより上記の反転分布状態を形成するに必要な電場磁場の閾値を低くならしめたものである。
【００１３】
また、本発明では、広い周波数範囲で測定できるようにするために、上記の構成に加えて、半導体結晶に印加する磁場強度を掃引して、増幅周波数を予め決められた範囲で可変としたものである。
【００１４】
また、本発明では、さらに広い周波数範囲で測定できるようにするために、上記の構成に加えて、さらに、半導体結晶の光軸まわりに印加磁場方向を９０度回転する手段と、印加電場と印加磁場、が半導体結晶内でのテラヘルツ電磁波の伝播方向に対して直交する構成を持つ。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明のテラヘルツ電磁波時間分解分光装置で、測定が可能である事を確認するために行った予備実験について図２を用いて説明する。図２の装置は、テラヘルツ電磁波の半導体結晶を用いた増幅媒体８を測定試料とも見なして構成したものである。この装置は、パルスレーザ光源１と、該光源からの光を複数の光路に分岐する分岐手段２と、分岐された第１の光路のパルスレーザ光に同期してパルス状のテラヘルツ電磁波を発生するテラヘルツ電磁波発生手段４と、発生したパルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段３０と、該パルス状テラヘルツ電磁波に同期して、前記増幅手段の増幅度を変化させる増幅度制御手段２２と、分岐された第２の光路の光を遅延させる遅延手段３と、この遅延された光と増幅手段３０を通過した光とを合波する合波手段１０と、この合波された光を電気光学結晶に入射させる集光手段１１と、その電気光学結晶から出射した光を偏光させる偏光手段１３と、この偏光手段１３を通過した光を電気信号に変換する変換手段１６と、パルスレーザ光をプローブ光として用いるために第２の光路から光を分岐する手段１５と、この分岐された光を電気信号に変換する変換手段１５と、変換手段１５および１６からの信号の差を取る信号処理手段１７と、信号処理手段１７からの信号の雑音を平均化する平滑器１８を含む構成である。
【００１６】
図２で使用したテラヘルツ（ＴＨｚ）電磁波の増幅手段３０は、ストリーミング運動と呼ばれる波数空間における正孔の異方的な分布が形成され、電場と直交する磁場により軽い正孔の分布が重い正孔の分布に対して反転分布を形成することによる誘導放出を利用したものであり、その増幅用の半導体結晶は、Ｐ型のＧｅ結晶で、Ｇａをアクセプターとして、その不純物濃度が１×１０14ｃｍ-3のものである。その結晶のサイズは３．３ｍｍ×３．３ｍｍのファセットで、長さは４５ｍｍである。Ｐ型のＧｅ結晶は液体ヘリウム温度の冷却ベッドにマウントされている。磁場Ｂは０．４７Ｔの強度で、一対の永久磁石により発生されている。また、電気バイアスパルスは、結晶の（１００）面に設けられたオーミックコンタクトにより光軸に垂直に印加される。磁場と電場は、光学軸に対して直交する関係にあり、またお互いに直角である。ＴＨｚ電磁波は、１ｍｍ厚の（１１０）カットＺｎＴｅ結晶にフェムト秒レーザーを当てて発生している。この結晶は電気光学特性を有している。そのレーザ光の波長は、８００ｎｍ、パルス長１００ｆ秒、繰り返しは、１ｋＨｚである。また、その電気光学結晶（ＺｎＴｅ結晶）へのレーザ光の入力パワーは、２８０ｍＷ（２８０μＪ／パルス）である。ここで、ＺｎＴｅ結晶を回転することにより、ＴＨｚ電磁波の偏光方向を変えることができ、それは水平に偏光され、３．３ｍｍ×３．３ｍｍのファセットを持ったＧｅ結晶に集光される。集光には、放物面鏡を用いた。その後、ＴＨｚ電磁波は、長さ４５ｍｍのＰ型のＧｅ結晶を通過し、放物面鏡によって、他のＺｎＴｅ結晶（厚さ２ｍｍ）に集光された。ＴＨｚ電磁波の電場強度は、センサーとして用いた電気光学結晶の電場によって、プローブパルスの偏光の変化として検出される。その変化は、光検出器とボックスカーアベレージャー（平滑器）を用いて測定される。ＴＨｚ電磁波と上記のＧｅ結晶に印加する電気バイアスパルス（２μ秒、１６Ｈｚ）との同期は、レーザードライバーからのトリガー信号を用いてとった。
【００１７】
図３（ａ）は、電気バイアスパルスがＴＨｚ電磁波と重なった時の検出したＴＨｚ信号波形（ｄｔ＝０μ秒、実線）と電気バイアスパルスをＴＨｚ電磁波の前に６μ秒ずらした時の検出した信号波形（ｄｔ＝−６μ秒、破線）を示しており、図３（ｂ）は、それぞれの波形のＦＦＴ（高速フーリエ変換）振幅スペクトルで、電気バイアスパルスがＴＨｚ電磁波と重なった時の信号波形（実線）と電気バイアスパルスがＴＨｚ電磁波と重ならない時の信号波形（破線）を示している。
【００１８】
この図から、電気バイアスパルスと重なったＴＨｚ電磁波は、−０．３ｐ秒の遅延があり、その主線の振幅は、電気バイアスパルスと重なっていないＴＨｚ電磁波よりも少し大きいことが分かる。また、電気バイアスパルスと重なったＴＨｚ電磁波のスペクトル（実線）は、電気バイアスパルスと重なっていないＴＨｚ電磁波の場合と比べて、２ＴＨｚ近辺で増大し、１ＴＨｚ以下で僅かに減少している。図３（ｃ）にバイアスを印加した時のスペクトルのバイアスを印可していないときのスペクトルに対する比を示す。その比は２ＴＨｚにおけるピークでほぼ７になるが、ここでは、Ｇａアクセプターによる強い吸収線がある。因みに、ＧａのＤ線は図３のように２．０４ＴＨｚである。
【００１９】
これらの結果から、本発明は、テラヘルツ電磁波時間分解分光装置として動作することが分かる。
【００２０】
【実施例】
［第１の実施例］ 図１は、テラヘルツ電磁波時間分解分光装置の第１の実施例を示す図である。図１に示すテラヘルツ電磁波時間分解分光装置は、パルスレーザ光源１と、該光源からの光を複数の光路に分岐するハーフミラーによる分岐手段２と、分岐された第１の光路の長さを調整して、その光を遅延させる遅延手段３と、遅延をうけた第１の光路のパルスレーザ光に同期してパルス状のテラヘルツ電磁波を発生する電気光学結晶よりなるテラヘルツ電磁波発生手段４と、テラヘルツ電磁波を選択するフィルタ２６と、発生されたパルス状テラヘルツ電磁波を測定試料に入射する構成と、測定試料から出射したパルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段３０と、上記の測定試料から出射したパルス状テラヘルツ電磁波に同期して電気パルスをＴＨｚ電磁波の半導体結晶を用いた増幅媒体８に印加することにより前記第２の増幅手段の増幅度を変化させる電気パルス発振器である増幅度制御手段２２と、分岐された第２の光路の光を偏光させる偏光板でできた第１の偏光手段１９と、この偏光された光と上記の増幅手段３０を通過したパルス状テラヘルツ電磁波とを合波する合波手段１０と、この合波された光とパルス状テラヘルツ電磁波とを電気光学結晶１２に入射させる構成と、その電気光学結晶から出射した光を偏光させる偏光板でできた第２の偏光手段１３と偏光手段１３を通過した光を電気信号に変換する半導体光検出器でできた第１の変換手段１６と、分岐された第２の光路の光をさらに分岐するハーフミラーでできた第２の分岐手段１４と、第２の分岐手段の光を電気信号に変換する半導体光検出器でできた第２の変換手段１５と、第１の変換手段からの電気信号と第２の変換手段からの電気信号との差分を抽出する差動増幅器でできた信号処理手段１７とを備えている。また、信号処理手段１７からの信号は、ボックスカーアベレージャー１８を用いて信号対雑音比を向上させている。
【００２１】
［第２の実施例］ 図４は、テラヘルツ電磁波時間分解分光装置の第２の実施例を示す図である。図１に示すテラヘルツ電磁波時間分解分光装置は、パルスレーザ光源１と、該光源からの光を複数の光路に分岐するハーフミラーによる分岐手段２と、分岐された第１の光路の長さを調整して、その光を遅延させる遅延手段３と、遅延をうけた第１の光路のパルスレーザ光に同期してパルス状のテラヘルツ電磁波を発生する電気光学結晶よりなるテラヘルツ電磁波発生手段４と、テラヘルツ電磁波を選択するフィルタ２６と、発生されたパルス状テラヘルツ電磁波を測定試料に入射する構成と、測定試料から出射したパルス状テラヘルツ電磁波を放物面鏡５を用いて集光して増幅手段３０によって増幅する構成と、増幅されたパルス状テラヘルツ電磁波を放物面鏡９を用いて集光する構成と、パルスレーザからのトリガ信号に同期することにより上記の測定試料から出射したパルス状テラヘルツ電磁波に同期して電気パルスをＴＨｚ電磁波の増幅媒体８に印加することにより前記第２の増幅手段の増幅度を変化させる電気パルス発振器である増幅度制御手段２２と、分岐された第２の光路の光を偏光させる偏光板でできた第１の偏光手段１９と、この偏光された光のビーム径を拡大する球面反射鏡であるビーム径拡大手段２１と、ビーム径拡大手段２１を用いてビーム径を拡大された光とパルス状テラヘルツ電磁波とを合波する合波手段１０と、この合波された光とパルス状テラヘルツ電磁波とを電気光学結晶１２に入射させる構成と、その電気光学結晶から出射した光を偏光させる偏光板でできた第２の偏光手段１３と、偏光手段１３を通過した光を電気信号に変換する半導体光検出器でできた２次元構成の変換手段２６と、分岐された第２の光路の光をさらに分岐するハーフミラーでできた第２の分岐手段１４と、第２の分岐手段の光を電気信号に変換する半導体光検出器でできた変換手段１５と、変換手段１６からの電気信号と第２の変換手段からの電気信号との差分を抽出する差動増幅器でできた信号処理手段１７とを備えている。信号処理手段１７からの信号は、ボックスカーアベレージャー１８を用いて平滑して信号対雑音比を向上させている。信号処理手段１７からの信号は、また、デジタル化して信号処理することによっても信号対雑音比を向上する事ができることは、既に良く知られている。
【００２２】
ここで、増幅手段３０は、クライオスタット６の内部に配置された超伝導電磁石２７と、反射防止膜と電極のつけられた半導体結晶を用いた増幅媒体２８とを備えている。２７は、光軸の回りに回転することが可能であり、その磁場は光軸に対して垂直の成分を持っており、その成分を電流を変えることにより掃引することが可能である。また、その電極２３、２４は、光軸について直角の電場成分を持つことができる配置となっており、光軸と電場と磁場の関係はそれぞれ直角のフォークと配置にする事によって、増幅できる帯域を変えることができる。さらに磁場のみを光軸の回りに９０度回転することによって、さらに増幅できる帯域を変えることができる。また、この増幅媒体８の光路上の端面には、多層膜による反射防止膜を付けておくことが望ましい。この反射膜の働きは、通常の光学系と同様に、入射光、出射光の損失を抑制することである。
【００２３】
また、増幅媒体である半導体結晶に一軸性応力を印加することにより増幅媒体８の反転分布状態を形成するに必要な電場磁場の閾値を低くできることが知られている。この際、応力を、どの方向に印加しても、その閾値を低くすることができる。このために用いる一軸性応力を印加する構成は、図には示していないが、その方法やそのための構成は既に良く知られており、容易に実現することができる。
【００２４】
［第３の実施例］ 図５は、テラヘルツ電磁波時間分解分光装置の第３の実施例を示す図である。図５に示すテラヘルツ電磁波時間分解分光装置は、パルスレーザ光源１と、該光源からの光を複数の光路に分岐するハーフミラーによる分岐手段２と、第１の光路のパルスレーザ光に同期してパルス状のテラヘルツ電磁波を発生するテラヘルツ電磁波発生手段４と、テラヘルツ電磁波を選択するフィルタ２６と、発生されたパルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段３０と、上記の測定試料から出射したパルス状テラヘルツ電磁波に同期して電気パルスをＴＨｚ電磁波の半導体結晶を用いた増幅媒体８に印加することにより前記第２の増幅手段の増幅度を変化させる電気パルス発振器である増幅度制御手段２２と、増幅されたテラヘルツ電磁波が測定試料に入射する構成と、分岐された第２の光路の長さを調整して、その光を遅延させる遅延手段３と、遅延をうけた光と上記の測定試料を通過したパルス状テラヘルツ電磁波とを合波する合波手段１０と、この合波された光とパルス状テラヘルツ電磁波とを変換手段２９とを備えている。また、変換手段２９からの信号は、ボックスカーアベレージャー１８を用いて信号対雑音比を向上させている。
【００２５】
ここで、テラヘルツ電磁波の発生方法としては、いく つかの既に知られた方法を用いることができる。例えば、１）ＬＴ−ＧａＡｓの光スイッチ素子を用いることができるが、これは、論文（M.Tani, S. Matsuura, K. Sakai and S. Nakashima "Emission characteristicsof photoconductive antennas based on low-temperature-grown GaAs and semi-insulatingGaAs" Appl. Opt., Vol.36, No.30, 7853-7859 (1997)）に公開されている。また、２）高温超電導体の光スイッチ素子を用いることができるが、これは、論文（M.Hangyo, S. Tomozawa, Y. Murakami, M. Tonouchi, M. Tani, Z. Wang, K. Sakaiand S. Nakashima "Terahertzradiation from superconducting YBa2Cu3O7-dthin films excited by femtosecond optical pulses" Appl. Phys. Lett., Vol.69,No.14, 2122-2124 (1996)）に公開されている。また、３）半導体表面からのＴＨｚ電磁波放射を利用した素子を用いることができるが、これは、論文（(1)X.-C. Zhang and D. H. Auston,"Optoelectronic measurements of semiconductorsurfaces and interfarces with femtosecond optics," J. Appl. Phys. Vol.71,No.1,pp.326-338 (1992)、あるいは、N. Sarukura, H. Ohtake, S. Izumida, andZ. Liu, Appl. Phys. Lett. Vol.84, pp.654-656 (1998)）に公開されている。また、４）光パラメトリック発振によるTHz電磁波放射を利用した素子を用いることができるが、これは、論文（Jun- ichiShikata, Kodo Kawase, Ken-ichi Karino, Tetsuo Taniuchi, and Hiromasa Ito,"Tunable terahertz-wave parametric oscillators using LiNbO3 and MgO:LiNbO3crystals," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.48,No.4, pp.653-661 (2000))に公開されている。また、５）量子井戸からのTHz放射を利用した素子を用いることができるが、これは、論文（P.C.M. Planken, M. C. Nuss, I. Brener, K.W. Goossen, M.S.C. Luo, S.L. Chuangand L. Pfeiffer, Phys. Rev. Lett. Vol.69, pp. 3800-3803 (1992)、あるいは、H.G.Roskos, M. C. Nuss, J. Shah, K. LeoD.A.B. Miller, A.M. Fox, S.Schmitt-Rinkand K. Kohler, Phys. Rev. Lett. Vol.68, pp.2216-2219 (1992)、あるいは I.Brener, P.C.M. Planken, M. C. Nuss, M.S.C. Luo, S.L. Chuang, L. Pfeiffer,D.E. Leaird and A.M. Weiner, J. Opt. Soc. Am. B, Vol.11, pp. 2457-2469(1994)）に公開されている。
【００２６】
前記の素子は、また、変換手段２９として用いることができ、第２の光路の光パルスがプローブ光となって、測定試料からの光とプローブ光とが重なった時点の光強度を検出することができる。このような検出を行うことの利点は、装置構成が簡略化されることにある。
【００２７】
また、上記の実施例１、実施例２、あるいは実施例３で説明したテラヘルツ電磁波時間分解分光装置では、パルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段３０の前あるいは後ろに測定試料を配置したが、そのどちらに測定試料を配置しても良いことは明らかである。どちらに配置するかは、試料のテラヘルツ電磁波に対する飽和特性や、信号対雑音特性を考慮して決めることが望ましい。また、必要に応じて、測定試料の前後両方に増幅手段を配置することが望ましい場合もある。
【００２８】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。まず、本発明では、微弱なテラヘルツ電磁波を増幅して測定試料に照射するようにしたので、その測定の信号対雑音比が向上した。
【００２９】
また、本発明では、微弱なテラヘルツ電磁波を増幅して検出するようにしたので、その測定の信号対雑音比が向上した。
【００３０】
また、本発明では、プローブ光となる分岐されたパルスレーザ光のビーム径を拡大するようにしたので、パルス状テラヘルツ電磁波の検出に２次元検出器を用いた場合でも、全てのチャンネルにおいて、プローブ光を用いることができるようになった。
【００３１】
また、本発明では、パルスレーザ光を簡単な構成の素子に照射してパルス状テラヘルツ電磁波を発生するようにしたので、パルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置を簡単な構成とすることができた。
【００３２】
また、本発明では、フォークと配置をもった半導体テラヘルツ増幅器を用いたので、広い帯域でテラヘルツ電磁波の増幅を行うことができる様になった。
【００３３】
また、本発明では、増幅媒体である半導体結晶に反射防止膜をつけたので、テラヘルツ電磁波の実効的な入力が増大し、信号対雑音比を改善する事ができた。
【００３４】
また、本発明では、増幅媒体である半導体結晶の端面をブリュースター角に加工することにより、テラヘルツ電磁波の損失を抑制できるようになった。
【００３５】
また、本発明では、増幅媒体である半導体結晶に一軸性応力を印加することにより上記の反転分布状態を形成するに必要な電場磁場の閾値を低くできるようになった。
【００３６】
また、本発明では、増幅媒体である半導体結晶に印加する磁場強度を掃引するようにしたので、増幅周波数を予め決められた範囲で変えることができるようになった。
【００３７】
また、本発明では、印加電場と印加磁場が、半導体結晶内でのテラヘルツ電磁波の伝播方向に対して直交したまま、半導体結晶の光軸まわりに印加磁場方向を９０度回転するようにしたので、増幅媒体である半導体結晶に一軸性応力を印加することにより上記の反転分布状態を形成するに必要な電場磁場の閾値を低くできるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】テラヘルツ電磁波時間分解分光装置の第１の実施例を示すブロック図である。
【図２】測定が可能である事を確認するために行った予備実験のテラヘルツ電磁波時間分解分光装置を示すブロック図である。
【図３】予備実験の測定結果を示す図で、（ａ）は、測定した信号振幅と時間との関係を示す図で、（ｂ）は、そのフーリエ変換を示す図で、（ｃ）は、フーリエ変換結果の電場バイアスの重なりが有る場合とない場合の比を示す図である。
ＡＭＳＨへのラベル情報多重書込を行ってホログラフィックラベルバンクを作成するための構成を示す模式図である。
【図４】テラヘルツ電磁波時間分解分光装置の第２の実施例を示すブロック図である。
【図５】テラヘルツ電磁波時間分解分光装置の第３の実施例を示すブロック図である。
【図６】従来のテラヘルツ電磁波時間分解分光装置の代表的な構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ パルスレーザ光源
２ 分岐手段
３ 遅延手段
４ テラヘルツ電磁波発生手段
５ 放物面鏡
６ クライオスタット
７ 磁石
８ 増幅媒体
９ 入射手段
１０ 光の分岐手段
１１ 集光手段
１２ 電気光学結晶
１３ 偏光手段
１４ 分岐手段
１５ 変換手段
１６ 変換手段
１７ 信号処理手段
１８ 平滑器
１９ 偏光手段
２０ 反射手段
２１ ビーム径拡大手段
２２ 増幅度制御手段
２３、２４ 電極
２５ 測定試料
２６ フィルタ
２７ 超伝導電磁石
２８ 増幅媒体
２９ 変換手段
３０ 増幅手段
Claims (7)
- パルスレーザ光源と、該光源からの光を複数の光路に分岐する分岐手段と、分岐されたいずれかの光路の光を遅延させる手段と、分岐されたあるいはさらに遅延された第１の光路のパルスレーザ光に同期してパルス状のテラヘルツ電磁波を発生する発生手段と、発生したパルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段と、該パルス状テラヘルツ電磁波に同期して、前記増幅手段の増幅度を変化させる増幅度制御手段と、増幅されたパルス状テラヘルツ電磁波を測定試料に入射する構成と、分岐されたあるいはさらに遅延された第２の光路の光と上記の測定試料から出射した光とを合波する合波手段と、この合波された光を電気信号に変換する変換手段と、を、有し、
パルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段は、結晶のもつ平行する２つの結晶面に一対のオーム性電極を設けたＰ型半導体結晶と、この電極を通してストリーミング運動が生じるに十分な電場を印加する手段と、ストリーミング運動が生じるに十分な低温にこの単結晶を冷却する冷却手段と、軽い正孔の分布が重い正孔の分布に対して反転分布を形成されるに十分な強さの、電場と直交する、磁場を半導体結晶に印加する磁気発生手段と、上記の半導体結晶にテラヘルツ電磁波を入射する入射手段と、結晶からテラヘルツ電磁波を出射する出射手段と、上記の半導体結晶内でのテラヘルツ電磁波の進行方向が磁場と直交するフォークト配置となる構成とを備え、
上記の増幅手段に用いられる半導体結晶は、
その結晶の光路上の端面に、テラヘルツ電磁波の反射防止膜を有するか、または、
端面がブリュースター角に加工された、
ことを特徴とするパルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置。 - パルスレーザ光源と、該光源からの光を複数の光路に分岐する分岐手段と、分岐されたいずれかの光路の光を遅延させる手段と、分岐されたあるいはさらに遅延された第１の光路のパルスレーザ光に同期してパルス状のテラヘルツ電磁波を発生する発生手段と、発生されたパルス状テラヘルツ電磁波を測定試料に入射する構成と、測定試料から出射したパルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段と、上記の測定試料から出射したパルス状テラヘルツ電磁波に同期して前記増幅手段の増幅度を変化させる増幅度制御手段と、分岐されたあるいはさらに遅延された第２の光路の光と上記の測定試料から出射した光とを合波する合波手段と、この合波された光を電気信号に変換する変換手段と、を、有し、
パルス状テラヘルツ電磁波を増幅する増幅手段は、結晶のもつ平行する２つの結晶面に一対のオーム性電極を設けたＰ型半導体結晶と、この電極を通してストリーミング運動が生じるに十分な電場を印加する手段と、ストリーミング運動が生じるに十分な低温にこの単結晶を冷却する冷却手段と、軽い正孔の分布が重い正孔の分布に対して反転分布を形成されるに十分な強さの、電場と直交する、磁場を半導体結晶に印加する磁気発生手段と、上記の半導体結晶にテラヘルツ電磁波を入射する入射手段と、結晶からテラヘルツ電磁波を出射する出射手段と、上記の半導体結晶内でのテラヘルツ電磁波の進行方向が磁場と直交するフォークト配置となる構成とを備え、
上記の増幅手段に用いられる半導体結晶は、
その結晶の光路上の端面に、テラヘルツ電磁波の反射防止膜を有するか、または、
端面がブリュースター角に加工された、
ことを特徴とするパルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置。 - 請求項１あるいは２に記載されたパルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置の構成に加えて、さらに、分岐された光路の光を遅延させる遅延手段により伝搬時間が遅らされたパルスレーザ光のビーム径を拡大する拡大手段を有し、そのビーム径を拡大された光を上記の合波手段に入射する構成を備えることを特徴とするパルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置。
- 請求項１、２あるいは３に記載されたパルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置において、パルスレーザ光を電気光学結晶、ＬＴ−ＧａＡｓの光スイッチ素子、高温超電導体の光スイッチ素子、半導体表面からのＴＨｚ電磁波放射を利用した素子、光パラメトリック発振によるＴＨｚ電磁波放射を利用した素子、あるいは、量子井戸からのＴＨｚ放射を利用した素子に照射してパルス状テラヘルツ電磁波を発生することを特徴とするパルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置。
- 請求項１ないし４のいずれかに記載されたパルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置において、上記の増幅手段に用いられる半導体結晶は、その結晶に一軸性応力を印加することにより上記の反転分布状態を形成するに必要な電場磁場の閾値を低くならしめたことを特徴とするパルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置。
- 請求項１ないし５のいずれかに記載されたパルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置において、半導体結晶に印加する磁場強度を掃引して、増幅周波数を予め決められた範囲で可変としたことを特徴とするパルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置。
- 請求項１ないし６のいずれかに記載されたパルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置に加えて、さらに、半導体結晶の光軸まわりに印加磁場方向を９０度回転する手段と、印加電場と印加磁場、が半導体結晶内でのテラヘルツ電磁波の伝播方向に対して直交する構成を持つことを特徴とするパルス状テラヘルツ電磁波時間分解分光装置。
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