JP4368082B2 - テラヘルツ波分光器 - Google Patents

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Description

本発明は、周波数１ＴＨｚ（テラヘルツ）周辺の電磁波であるテラヘルツ波を分光測定に利用したテラヘルツ波分光器に関する。
周波数１ＴＨｚ（テラヘルツ）周辺の電磁波領域（テラヘルツ波領域、例えばおよそ１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚ、あるいはさらにその周辺領域を含んだ広い周波数領域を指す）は、光波と電波の境界に位置する周波数領域であり、テラヘルツ波は、例えば赤外波長域における分光やイメージングへの応用等に有効である。
このような周波数領域はその発生器や検出器などの装置開発が比較的遅れており、技術面でも応用面でも未開拓の部分が多い。特に、テラヘルツ波を用いてサンプルの特性・定量等について測定を行う分光器などによる産業上の応用という点から言えば、小型かつ簡便な光源であるテラヘルツ波発生装置、及びその検出装置が不可欠である。
近年、光スイッチ素子や電気光学結晶（ＥＯ結晶、Electro-Optic Crystal）などを用いたそのような光源・発生器や検出器の開発が進められつつある。電気回路の発振器による方法ではテラヘルツ波領域の電磁波発生は難しいが、パルス状の光を用いて電流などを変調することによって、この領域の電磁波の発生及び検出を行うことができる
テラヘルツ波による分光測定については、検出されたテラヘルツ波の時間波形強度を直接測定する方法がある。しかしながら、このような方法ではテラヘルツ波の各周波数成分について制限・選択等を行っていないため、例えばサンプルに特有な周波数領域のみについて測定することができないなど、分光によって得られる情報が限られてしまう。
一方、周波数選択を行う測定として、例えば、文献「テラヘルツ電磁波の発生とその応用」（阪井他、「レーザー研究２６巻７号 pp.515−521 (1998)」）に記載された方法がある。当該周波数選択を行う測定では、検出器によるサンプリング計測から、まず、テラヘルツ波の時間波形を求め、次に、得られた時間波形を高速フーリエ変換（ＦＦＴ、fast Fourier transform）して、振幅についてのスペクトルを評価する。ここで、当該文献の装置では、テラヘルツ波を往路のみの１回の掃引による可変光遅延器にて走査することで、テラヘルツ波をサンプリングしている。
また、特開平８−３２０２５４号公報や特開平１０−１５３５４７号公報には、Ａ／Ｄ変換器及びデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を用いてテラヘルツ波による分光情報を得るイメージ化システムが記載されている。これらの方法では、ＤＳＰがテラヘルツ波の特徴的な形状を認識することによって、周波数に関連する情報を時間領域データから抽出する。
上記のように、これら従来の方法は、時間波形を計測によって得た後にコンピュータによって振幅スペクトル等の周波数に関連する情報を求めているため、計測のリアルタイム性に欠け、全体としての装置構成が複雑化するという問題がある。特に、上記特開平８−３２０２５４号公報や特開平１０−１５３５４７号公報の方法では、Ａ／Ｄ変換器やＤＳＰ等を用いているため、イメージングの２次元アレイなどの装置が複雑化・高価格化するという問題もある。
特開平８−３２０２５４号公報 特開平１０−１５３５４７号公報 「テラヘルツ電磁波の発生とその応用」（阪井他、「レーザー研究２６巻７号 pp.515−521 (1998)」）
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、リアルタイムで分光測定が行えるとともに、その装置構成が簡単化されたテラヘルツ波分光器を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明のテラヘルツ波分光器は、励起光を導くための所定の励起光学系と、該所定の励起光学系で導かれた励起光によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生器と、該テラヘルツ波発生器で発生されたテラヘルツ波を分光測定を行う試料へ導き、該試料で影響を受けた該テラヘルツ波を更に導くための所定のテラヘルツ波光学系と、該励起光に対して同期されたプローブ光を導くための所定のプローブ光学系と、該試料で影響を受け該テラヘルツ波光学系により導かれた該テラヘルツ波を、該所定のプローブ光学系で導かれたプローブ光によって検出し、検出信号を出力するテラヘルツ波検出器と、該励起光学系に備えられ、所定の駆動周波数で前記励起光のＯＮ／ＯＦＦを制御するための光チョッパと、該励起光学系及び該プローブ光学系のうちのいずれか一つに備えられ、対応する該励起光または該プローブ光の光路長を所定の振動周波数及び所定の振動振幅で振動させることによって、該テラヘルツ波発生器及び該テラヘルツ波検出器のうちの該いずれか一つへの該対応する励起光またはプローブ光の照射タイミングを周期的に振動させる光遅延振動手段と、該テラヘルツ波検出器によって得られる検出信号に基づき該試料の分光測定を行う分光処理手段とを備え、該分光処理手段が、該振動周波数によって周期的に変化する該検出信号を周波数分析する周波数分析手段を備え、該検出信号は、該光チョッパの該所定の駆動周波数の両側に一対のサイドバンドを有する周波数スペクトルを有しており、該周波数分析手段が、該検出信号のうち該光チョッパの該所定の駆動周波数に対して定まる所望の周波数成分を周波数ドメイン計測により検出することによって該検出信号の周波数分析を行い、該周波数分析手段による周波数分析結果が、該試料の影響を受けた該テラヘルツ波の周波数分析情報を示し、もって、該試料の分光情報を示すことを特徴とする。
このようなテラヘルツ波分光器においては、プローブ光のテラヘルツ波検出器への照射タイミングが、励起光のテラヘルツ波発生器への照射タイミングに対して、振動変化するタイミング差で同期されている。すなわち、テラヘルツ波発生器から出射されたテラヘルツ波が所定のテラヘルツ波光学系を通過して試料を透過や反射するなど試料にて影響を受けた後に、テラヘルツ波検出器へと入射されるタイミングと、プローブ光によってテラヘルツ波検出器がテラヘルツ波の検出を行う検出タイミングとが、振動変化するよう調整・設定されている。
ここで、光遅延振動手段をプローブ光学系に設けた場合には、光遅延振動手段は、プローブ光の光路長を変化させるための構成部分を有し、当該構成部分を所定の周波数によって駆動させて、テラヘルツ波の検出タイミングを周期的に振動変化させることが好ましい。検出タイミングを変化させることによってテラヘルツ波の時間波形を走査することができるが、その変化を振動変化とすることによって、テラヘルツ波検出器からの検出信号の時間波形・周波数スペクトルを、テラヘルツ波の時間波形・周波数スペクトルと同形、準同形、または所定の規則で対応する形であって時間スケール・周波数スケールが変換されたものとすることを実現している。これによって、例えばＴＨｚオーダーの周波数スケールをｋＨｚオーダーなど所望の周波数スケールに変換することができる。
また、このような光遅延振動手段を、プローブ光学系の代わりに、励起光学系に設け、テラヘルツ波の発生タイミングを振動変化させてもよい。上述と同様に時間波形・周波数スペクトルのスケール変換を実現することが可能である。
さらに、前記励起光学系に備えられた光チョッパが、所定の駆動周波数で励起光のＯＮ／ＯＦＦを制御している。このため、光遅延振動手段の振動周波数によって周期的に変化する検出信号は、光チョッパの所定の駆動周波数の両側に一対のサイドバンドを有する周波数スペクトルを有している。周波数分析手段が、この検出信号のうち光チョッパの所定の駆動周波数に対して定まる所望の周波数成分を周波数ドメイン測定により検出することによって、検出信号の所望の周波数を直接測定する。このようにして得られた検出信号の周波数情報は、周波数スケールが変換されたテラヘルツ波の周波数情報であり、したがって、試料の分光情報を示している。このように、検出信号の周波数を直接測定することにより、試料の分光測定を行うことができる。また、励起光やプローブ光の光源からの１／ｆノイズの影響を低減することができ、測定のＳ／Ｎ比を向上させることができる。
以上のように、本発明では、検出信号の周波数を直接測定するため、従来のような時間ドメイン測定を行う場合と異なり、ＦＦＴ演算等を行う必要がなく、リアルタイム計測を行うことが可能となる。また、ＦＦＴ演算等を行う必要がないため、簡単化されたデータ処理方法及び簡単化された装置構成によって、テラヘルツ波の周波数分析を行うことができる。したがって、リアルタイムでの分光測定が可能で、かつ、その装置構成が簡単化され低価格化された分光器を実現することができる。特に、装置の簡単化によってその集積回路化が可能となる。
なお、光路長・検出タイミングの振動変化については、リニアな同形変換については三角波や鋸形波など、また、リニアからのずれがある準同形な変換については正弦波などの振動波形を適用することができる。これ以外にも、テラヘルツ波と検出信号とが装置構成や測定条件に対して好適な変換規則によって対応するようになるような振動波形を適宜選択して用いることができる。
周波数分析手段については、検出信号から周波数分析によって所望の周波数成分に対する周波数スペクトルを示すデータを生成するスペクトラムアナライザを有して構成されているのが好ましい。この場合、生成された周波数スペクトルを示すデータが、試料の分光情報を示している。また、この場合、分光処理手段は、光遅延振動手段の振動周波数を、スペクトラムアナライザが分析可能な周波数領域に基づいて設定する振動周波数設定手段をさらに備えていることが好ましい。また、スペクトラムアナライザの測定周波数帯域を狭くするか、特定の周波数に限定するなどの条件で測定を行うことも可能である。例えば、スペクトラムアナライザは、ゼロスパンモードに設定されているのでもよい。
また、周波数分析手段は、検出信号から所望の周波数成分を選択するバンドパスフィルタを有して構成されているのが好ましい。この場合、選択された周波数成分の検出信号が、試料の分光情報を示している。バンドパスフィルタを用いた場合、さらに構成を簡単化することができる。
ここで、バンドパスフィルタは、複数のそれぞれ異なる所望の周波数成分を選択するための複数のバンドパスフィルタより構成されており、分光処理手段が、複数のバンドパスフィルタによって選択された複数の周波数成分の相関を求める相関解析手段を、更に備えているようにしてもよい。複数の周波数成分の差分などの相関を用いることによって、さらに多くの分光情報を得られるとともに、その分光測定効率が向上する。
また、分光処理手段は、光遅延振動手段を制御して、対応する励起光またはプローブ光の光路長変化の振動周波数及び振動振幅を設定または変更する周波数振幅設定／変更手段を更に有し、周波数分析手段が、その設定または変更された振動周波数及び振動振幅に基づいて周波数分析を行うのでもよい。これによって、上記したテラヘルツ波から検出信号への時間・周波数スケールの変換条件を任意に制御して、計測する周波数領域等を任意に設定・変更することが可能となる。
テラヘルツ波発生器またはテラヘルツ波検出器の具体的構成については、テラヘルツ波の発生または検出に好適なものとして、例えば、テラヘルツ波発生器及びテラヘルツ波検出器の少なくとも一方を、光スイッチ素子を用いて構成することができる。また、テラヘルツ波発生器及びテラヘルツ波検出器の少なくとも一方を、電気光学結晶を用いて構成することができる。
また、試料を２次元方向に移動させるための試料移動手段をさらに備え、分光処理手段に試料についての２次元の分光測定を行わせるのでもよい。
あるいは、テラヘルツ波検出器は、分光測定の対象となる試料についての２次元の分光測定を行うための２次元検出器であることが好ましい。すなわち、テラヘルツ波検出器は、複数のテラヘルツ波検出部が２次元状に配列されて構成された２次元検出器からなり、分光処理手段が複数の周波数分析手段を有しており、複数のテラヘルツ波検出部が複数の周波数分析手段にそれぞれ接続され、各周波数分析手段が、対応するテラヘルツ波検出部によって得られた検出信号に対する周波数分析を行うことによって、前記試料についての２次元の分光測定を行うことが好ましい。このような構成によって、試料についてのリアルタイムでの２次元イメージング等の測定が可能となる。これは、試料内での成分分布等の分光測定に有用である。
また、周波数分析手段は、光チョッパの所定の駆動周波数に対して定まる所望の周波数成分として、一対のサイドバンドが有する所望の周波数成分を検出することが好ましい。励起光やプローブ光の光源からの１／ｆノイズの影響を低減することができるなど、測定のＳ／Ｎ比を向上させることができる。また、分光処理手段は、光チョッパの駆動周波数を制御するチョッパ周波数制御手段をさらに備えていることが好ましい。
さらに、分光処理手段は、周波数分析手段による検出信号の周波数分析結果に基づいて、試料の分光情報を示す当該試料の影響を受けたテラヘルツ波の周波数分析情報を求める解析手段を更に備えていることが好ましい。この解析手段が、検出信号の周波数分析結果の周波数スケールを元のテラヘルツ波の周波数スケールに戻す、等の処理を行うことにより、試料の分光情報であるテラヘルツ波の周波数分析情報を得ることができる。
以上のように、本発明のテラヘルツ波分光器では、光遅延振動手段によってプローブ光または励起光の照射タイミングを所定の周波数で振動させることによって、テラヘルツ波検出器から得られる検出信号がテラヘルツ波の時間波形に対して時間スケールが変換された信号波形となる。一方、励起光学系に備えられた光チョッパが、所定の駆動周波数で励起光のＯＮ／ＯＦＦを制御している。このため、光遅延振動手段の振動周波数によって周期的に変化する検出信号は、光チョッパの所定の駆動周波数の両側に一対のサイドバンドを有する周波数スペクトルを有することになる。さらに、このような信号波形の検出信号に対してスペクトラムアナライザやバンドパスフィルタなどを用いた周波数分析手段を適用し、テラヘルツ波の周波数スペクトルに対して周波数スケールが変換された検出信号のうち光チョッパの所定の駆動周波数に対して定まる所望の周波数成分を周波数ドメイン計測により検出することによって周波数分析を行い、その分析結果出力から分光測定を行う。したがって、２次元イメージングを含めたリアルタイムでのテラヘルツ波分光測定が可能であるとともに、その装置構成が簡単化・低価格化されたテラヘルツ波分光器が実現され、また集積回路化も可能になる。また、分光測定のＳ／Ｎ比についても向上させることができるので、測定をより高精度とし、または測定に必要な時間を短縮することができる。これによって、さらに広い実用範囲へのテラヘルツ波分光の応用・適用が可能となる。
前記周波数分析手段が前記所望の周波数成分を選択するバンドパスフィルタからなる場合には、前記分光処理手段が、前記光遅延振動手段を制御して、前記対応する励起光またはプローブ光の光路長変化の前記振動周波数の値を、該バンドパスフィルタが選択する該所望の周波数成分の周波数値に対応した値に、設定または変更する周波数設定／変更手段を更に有するのでも良い。
また、前記テラヘルツ波検出器は、複数のテラヘルツ波検出部が２次元状に配列されて構成された２次元検出器からなり、前記分光処理手段が複数のバンドパスフィルタを有しており、該複数のテラヘルツ波検出部が、該複数のバンドパスフィルタにそれぞれ接続され、各バンドパスフィルタが、対応するテラヘルツ波検出部によって得られた検出信号に対する周波数ドメイン計測を行い、前記所望の周波数成分を選択することによって、前記試料についての２次元の分光測定を行うのでも良い。
本発明の実施形態に係るテラヘルツ波分光器を第１図〜第２３（Ｂ）図に基づき説明する。なお、以下に示す各実施形態は、いずれも試料（サンプル）の透過特性を分光測定するように構成されている。
なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係るテラヘルツ波分光器を第１図〜第７図に基づき説明する。
第１図に、本発明の第１の実施形態に係るテラヘルツ波分光器１の構成図を示す。
本実施形態のテラヘルツ波分光器１は、所定のパルス光源１００と、当該パルス光源１００からの光パルスを励起光とプローブ光とに分岐するためのビームスプリッタ３１と、この励起光を導くための励起光学系３０と、励起光学系３０によって導かれた励起光に基づきテラヘルツ波を発生するためのテラヘルツ波発生器１０と、テラヘルツ波を所定のサンプルＡに導くと共に、所定のサンプルＡを透過したテラヘルツ波をさらに導くためのテラヘルツ波光路３８と、プローブ光を導くためのプローブ光学系３５と、所定のサンプルＡを透過しテラヘルツ波光路３８によって導かれたテラヘルツ波を、プローブ光学系３５によって導かれたプローブ光により検出し、テラヘルツ波検出信号を出力するためのテラヘルツ波検出器２０と、テラヘルツ波検出器２０からの検出信号を処理するための分光処理部５０とからなる。
ここで、パルス光源１００としては、例えば、フェムト秒パルスレーザなどのパルスレーザ装置を用いることができる。励起光学系３０は、励起光の進行方向を変更するための反射鏡３２と、励起光をテラヘルツ波発生器１０に入射させるための対物レンズ１１とからなる。
本実施形態においては、テラヘルツ波発生器１０として、第２（Ａ）図に示す光スイッチ素子１０ａが用いられている。当該光スイッチ素子１０ａは、GaAsなど高速応答する半導体の基板９５と、当該半導体の基板９５上に形成された低温成長GaAsなどの光伝導薄膜９６とから形成されている。光伝導薄膜９６上には、伝送線路９２ａ及び９２ｂからなる平行伝送線路９２が形成されており、その中央部分に、微小ダイポールアンテナからなる単一の光スイッチ部９０が設けられている。光スイッチ１０ａの中央には、例えば数μm程度の微小なギャップ９１があり、ギャップ９１には、直流バイアス電源９７によって、適当なバイアス電圧が印加されている。
かかる構成の光スイッチ１０ａにおいて、半導体のバンドギャップよりも高いエネルギーを有するレーザパルス光がギャップ９１間に光パルスとして入射すると、半導体中に自由キャリアが生成されて、パルス状の電流が流れ、このパルス状の電流によってテラヘルツ波がパルス状に発生する。
テラヘルツ波光路３８には、光スイッチ１０ａのテラヘルツ波が発生する側に、出射レンズ１２が設けられている。テラヘルツ波光路３８には、さらに、テラヘルツ波発生器１０で発生し出射レンズ１２を透過したテラヘルツ波を略平行なコリメート光に変換するための軸外し放物面鏡１３が配置されている。テラヘルツ波光路３８にはさらに、分光測定の試料として、ガスや液体が封入されたセルや物体などの所定のサンプルＡが配置されており、軸外し放物面鏡１３からのテラヘルツ波が透過するようになっている。テラヘルツ波光路３８にはまた、所定のサンプルＡを透過したテラヘルツ波を集束しつつテラヘルツ波検出器２０を構成する光スイッチ素子２０ａに入射させるための軸外し放物面鏡２３及び入射レンズ２２とが配置されている。ここで、出射レンズ１２や入射レンズ２２は、例えば、シリコンレンズなどから構成されている。
プローブ光学系３５は、可変光遅延器４０を備えている。可変光遅延器４０は、プローブ光の励起光に対するタイミング差を調整・設定するためのものである。可変光遅延器４０は、固定反射鏡４１、４２、可動反射部４３、及び、光遅延制御装置４４とを備えている。光遅延制御装置４４は、可動反射部４３の位置を駆動制御するためのものである。可動反射部４３の位置を駆動制御することによって、プローブ光の光路長の設定・変更を制御し、もって、励起光とプローブ光の照射タイミング差（テラヘルツ波の発生・検出タイミング差）の設定・変更を制御する。
プローブ光学系３５には、さらに、可変光遅延器４０からのプローブ光を、テラヘルツ波検出器２０に入射させるための対物レンズ２１が設けられている。
テラヘルツ波検出器２０としては、本実施形態では、第２（Ｂ）図に示す光スイッチ素子２０ａが用いられている。光スイッチ２０ａは、光スイッチ１０ａと同一の構成をしている。但し、光スイッチ２０ａのギャップ９１には、直流バイアス電源９７の代わりに、分光処理部５０が接続されている。
かかる構成のもと、光スイッチ２０ａのダイポールアンテナ部９０に入射レンズ２２を介してテラヘルツ電磁波が集束されるのと同時に、プローブ光パルスが対物レンズ２１を介してギャップ９１を励起しキャリアを生成すると、その瞬間に光スイッチ２０ａに到達したテラヘルツ電磁波の振幅に比例した電流が流れ、分光処理部５０に供給される。
本実施形態においては、分光処理部５０は、電流−電圧変換アンプ５１、スペクトラムアナライザ５２、及び、解析装置５３を備えている。
ここで、電流−電圧変換アンプ５１は、スイッチ素子２０ａから供給された電流信号を電圧信号に変換するためのものである。
スペクトラムアナライザ５２は、電流−電圧変換アンプ５１で変換された電圧信号の周波数毎のパワー分布を求めることで、電圧信号の周波数分析を行うためのものである。スペクトラムアナライザ５２は、例えば、スーパーヘテロダイン方式の掃引同調受信器であり、対象とする周波数域を掃引することにより、その周波数域における信号の全ての周波数成分の振幅を表示することができる。
スペクトラムアナライザ５２は、例えば、第２（Ｃ）図に示す構成を有しており、電流−電圧変換アンプ５１からの検出信号（電圧）は、入力回路５２ａを経て入力してくる。この検出信号の周波数は、周波数変換回路５２ｂと局部発振器５２ｃとで、一定の周波数（中間周波数（Intermediate Frequency）：ＩＦ信号）に変換される。ＩＦ信号は、ＩＦ回路５２ｄ、検波・ビデオ回路５２ｅを通って、垂直偏向回路５２ｆを介してＣＲＴ５２ｊの垂直偏向電極に加えられる。ここで、入力回路５２ａは、信号レベル調整用の減衰器などから構成されている。ＩＦ回路５２ｄは、周波数を分解するＢＰＦ（Band Pass Filter）回路、増幅器、及び、対数増幅器などから構成されている。局部発振器５２ｃは、電圧で発振周波数を制御するＶＴＯ（Voltage Tuned Oscillator）から構成されている。
一方、掃引時間を決定する掃引信号発生器（のこぎり波発生回路）５２ｈの出力信号は、水平偏向回路５２ｉを通して、ＣＲＴ５２ｊの水平偏向電極に加えられるとともに、局部発振器５２ｃの制御回路５２ｇを経て局部発振器５２ｃに加えられる。局部発振器５２ｃの制御回路５２ｇは、掃引幅を変えるための減衰器や周波数安定回路などから構成されている。
かかる構成により、スペクトラムアナライザ５２は、単一のフィルタの中心周波数を時間とともに掃引していく機能を有し、入力電圧信号を複数の正弦波成分に分離し、それぞれの正弦波成分を検波してその振幅を求め、各正弦波成分の周波数と振幅をグラフ化して、ＣＲＴ５２ｊ上に定量的に表示する。すなわち、単一のフィルタの中心周波数を時間的にずらしてくことで、当該単一のフィルタに複数の通過帯域の狭いフィルタの代わりをさせ、観測しようとする周波数帯域を当該複数の仮想フィルタにより分割することで、周波数ごとの振幅を表示させる。したがって、スペクトラムアナライザ５２は、入力電圧信号の周波数成分を直接分析し、横軸を周波数、縦軸をレベルとし、入力電圧信号の各周波数成分の相対的な大きさ、すなわち、入力電圧信号の振幅スペクトルをグラフとして表示する。
また、スペクトラムアナライザ５２としては、上記構成のものを使用する代わりに、例えば、米国特許第４，２５７，１０４号に記載された構成の信号スペクトラム分析装置を使用してもよい。
解析装置５３は、スペクトムアナライザ５２にて得られた振幅スペクトルに基づき、テラヘルツ波光路３８に配置されている所定サンプルＡの分光特性を求めるためのものである。解析装置５３は、パーソナルコンピュータ等からなり、スペクトラムアナライザ５２で得られた振幅スペクトラムのデータに基づき、サンプルＡのテラヘルツ波分光特性を得るために必要な演算処理を行う。解析装置５３はさらに、光遅延制御装置４４を制御するための制御部５３ａを備えている。
スペクトムアナライザ５２の垂直偏向回路５２ｆ及び水平偏向回路５２ｉの出力端子は、ＣＲＴ５２ｊの他、図示しないアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器を介して、データバス（例えば、ＧＰＩＢ（General Purpose Interface Bus））に接続されており、このデータバスが解析装置５３に接続されている。解析装置５３は、スペクトラムアナライザ５２から、このデータバスを介して、振幅スペクトラムのデジタルデータを取得し、当該データに対して後述の周波数軸換算演算処理を施し、サンプルＡのテラヘルツ波分光特性を得る。ここで、第１図のようにサンプルＡのうちの所定の部分がテラヘルツ波光路３８中に位置している場合には、当該サンプルＡの当該所定部分におけるテラヘルツ波透過分光特性が得られる。また、サンプルＡ全体がテラヘルツ波光路３８中に位置している場合には、当該サンプルＡ全体のテラヘルツ波透過分光特性が得られる。
以上の構成を有するテラヘルツ波分光器１による分光測定の原理について、以下、具体的に説明する。
可変光遅延器４０によってプローブ光の光路長を変化させると、光スイッチ素子２０ａに検出対象として入射するテラヘルツ波の入射タイミングに対するプローブ光の検出タイミングが変化する。例えば、周波数１ＴＨｚのテラヘルツ波の周期は１ｐｓであるが、これは光路長に換算すると０．３ｍｍに相当する。したがって、例えば可動反射部４３を反射鏡４１、４２から１．５ｍｍ離れる方向に移動させた場合を考えると、プローブ光の光路長は往復分で３ｍｍ増加し、プローブ光の照射タイミングには１０ｐｓの遅延時間が加えられる。ここで、この遅延時間は、周波数に換算すると、ステップ周波数ｆｓｔｅｐ（ＴＨｚ）＝（光速）／往復光路長＝３ｍｍ）＝１／１０ｐｓ＝０．１（ＴＨｚ）と与えられる。
そこで、比較例として、この０〜３ｍｍの移動範囲で可動反射部４３を往路分のみ１回だけ移動させ、各移動位置（各遅延時間）において順次テラヘルツ波成分の計測を行う時間ドメイン計測を行うことを考える。この場合には、第３（Ａ）図のグラフに示すような、測定時間のフルスケール（横軸）が１０ｐｓのテラヘルツ波の時間波形が得られる。この時間波形に対し０．１ｐｓ／ｓｔｅｐごとにデータが得られている（すなわち、総計１００個のデータ点がある）とし、かかるデータに対し高速フーリエ変換（ＦＦＴ）計算を行うと、フルスケールがデータ間隔０．１ｐｓ／ｓｔｅｐに対応する１０ＴＨｚである周波数スペクトルが求められる。第３（Ｂ）図に、当該１０ＴＨｚのフルスケールのうちの０〜２ＴＨｚの範囲の周波数スペクトル（横軸：周波数、縦軸：各周波数成分の振幅）を示す。ここで、第３（Ｂ）図のスペクトルにおける各ＦＦＴ計算点のステップ間隔（＝ステップ周波数ｆｓｔｅｐ）は、上記した第３（Ａ）図の時間波形のフルスケール１０ｐｓに対応する０．１ＴＨｚである。
かかる比較例に対して、本実施形態によるテラヘルツ波分光器１においては、可変光遅延器４０において、プローブ光の光路長を一定の周波数・周期によって往復振動させて計測を行う。すなわち、可変光遅延器４０のうち位置が固定されている反射鏡４１、４２に対し、可動反射部４３を光遅延制御装置４４によって往復振動するように駆動制御する。
この光路長の振動・周期的変化を達成させるため、可動反射部４３は、例えば、第４図に示すように、リトロリフレクタ４３ａをオーディオ用などのスピーカ４３ｂの振動面に対して接着・固定して構成されている。ここで、スピーカ４３ｂは、光遅延制御装置４４からの駆動信号に基づいて振動するようになっている。かかる構成により、リトロリフレクタ４３ａのプローブ光の入射・出射軸方向の位置を振動させて、プローブ光路長を周期的に変化させる。
このような可動反射部４３の振動については、上述したように、その位置振動の振幅（最大位置変化）を、測定されるテラヘルツ波の時間波形のフルスケールに対応させればよい。例えば、振動の位置振幅を、テラヘルツ波パルスの時間波形を充分に含む測定時間軸のフルスケールに対応するように設定する。
第５（Ａ）図〜第５（Ｄ）図は、このような可動反射部４３を駆動させる駆動信号の時間波形の具体例を示すグラフであり、横軸は時間、縦軸は信号波形出力を示している。ここで、縦軸の信号波形出力はリトロリフレクタ４３ａの光路軸方向の位置変化に対応している。第５（Ａ）図〜第５（Ｄ）図に示した駆動波形はいずれも一定の周期によるものであり、第５（Ａ）図は三角波、第５（Ｂ）図は台形波、第５（Ｃ）図は正弦波、及び、第５（Ｄ）図は鋸形波の例を示している。具体的な波形については、所望の周波数によって駆動できるのであれば、可動反射部４３の構成によって駆動可能な波形、または個々の分光測定において好適な波形を、第５（Ａ）図〜第５（Ｄ）図に示した各波形またはこれ以外の任意の波形から適宜選択して用いれば良い。特に、第５（Ａ）図に示す三角波を用いる場合には、時間と位置変化とがリニアに対応するため、検出信号に対する時間軸補正等を行う必要がなく好ましい。以下においては、可動反射部４３をこのような三角波で駆動する場合について説明する。
第３（Ａ）図に示した時間波形を有するテラヘルツ波を検出・測定するにあたり、本実施形態のテラヘルツ波分光器１においては、周波数０．５ｋＨｚの三角波を用い、位置振幅（最大位置移動）１．５ｍｍ（最大の光路長変化は３ｍｍ）に設定して可動反射部４３を往復駆動する。このとき、走査されるテラヘルツ波時間波形のフルスケールは１０ｐｓであり、一方、テラヘルツ波時間波形は、１周期２ｍｓの三角波によって、時間正逆方向に２回走査されるので、１回の走査時間は、実効走査周波数ｆｅｆｆ＝１ｋＨｚ（＝２ｘ０．５ｋＨｚ）に対応する１ｍｓとなる。
このとき得られる光スイッチ素子２０ａからの検出信号の時間波形（すなわち、当該検出信号を時間ドメイン計測した場合に得られるグラフ）を第６図に示す。第６図のグラフに示した時間波形は三角波の一周期に相当する部分であり、そのフルスケールは周波数０．５ｋＨｚに対応して２ｍｓである。ここで、時間０〜１ｍｓの波形部分は、第３（Ａ）図に示したフルスケールを１０ｐｓとするテラヘルツ波の時間波形と同形であって、それをフルスケール１ｍｓに拡大したものに対応している。また、時間１〜２ｍｓの部分は、走査の時間方向（光路長の変化方向）が逆転するため、第３（Ａ）図の時間波形を拡大及び時間反転した形となっている。実際には、可変光遅延器４０の可動反射部４３は第５（Ａ）図に示したような一定周期の連続した三角波によって駆動されているので、検出信号波形は第６図に示した時間波形の周期的な繰り返しとなる。
すなわち、第１図に示した構成によるテラヘルツ波分光器１においては、可変光遅延器４０による光路長変化はテラヘルツ波の検出タイミングの変化に対応しているが、その光路長変化を一定の周波数・周期による振動変化とすることによって、第３（Ａ）図に示した１０ｐｓスケールの時間波形が第６図に示した１ｍｓスケールの時間波形に変換されて検出される。
この時間スケールが変換された時間波形を有する検出信号に対して、本実施形態では、分光処理部５０において周波数分析装置であるスペクトラムアナライザ５２を適用し、このスペクトラムアナライザ５２に上記した検出信号を入力している。スペクトラムアナライザ５２は、入力された信号の時間波形を周波数分析して周波数スペクトルを生成する。したがって、スペクトラムアナライザ５２によれば、第６図に示すような時間波形を有する検出信号から、第７図に示す周波数スペクトルが直接得られる。この周波数スペクトルは、例えば、第７図に示すように２０ｋＨｚをフルスケールとすると、そのスペクトル形状は、第３（Ｂ）図に示した２ＴＨｚをフルスケールとするＦＦＴ計算で得られる周波数スペクトルと同形であって、スケールのみを変換したものに対応している。
すなわち、上記した０．５ｋＨｚでの光路長変化振動によって、テラヘルツ波の周波数スペクトルにおける１ＴＨｚの成分が１０ｋＨｚの周波数成分に変換された検出信号の周波数スペクトルが得られる。
ここで、このスペクトラムアナライザ５２によって得られる周波数軸上の周波数値ｆｓｐｅｃ（ｋＨｚ）と、テラヘルツ波の周波数ｆ（ＴＨｚ）との関係は、以下の数式（１）によって表される。
ｆ（ＴＨｚ）
＝ｆｓｐｅｃ（ｋＨｚ）ｘｆｓｔｅｐ（ＴＨｚ）／ｆｅｆｆ（ＴＨｚ）
ここで、ステップ周波数ｆｓｔｅｐ（ＴＨｚ）＝（光速）／（光路振幅ｘ２）、実効走査周波数ｆｅｆｆ（ｋＨｚ）＝（光路振動周波数）ｘ２
…（１）
例えば、上記のように、光路振幅が１．５ｍｍで、光路振動周波数が０．５ｋＨｚの場合、ステップ周波数ｆｓｔｅｐ（ＴＨｚ）＝（光速）／（１．５ｍｍｘ２）＝０．１（ＴＨｚ）、実効走査周波数ｆｅｆｆ（ｋＨｚ）＝０．５ｋＨｚｘ２＝１（ｋＨｚ）と求められる。
したがって、例えば、スペクトラムアナライザ５２によって得られる周波数値ｆｓｐｅｃ（ｋＨｚ）＝１０ｋＨｚは、１０（ｋＨｚ）ｘ０．１（ＴＨｚ）／１（ｋＨｚ）＝１（ＴＨｚ）より、テラヘルツ波の周波数値ｆ（ＴＨｚ）＝１ＴＨｚに対応していることがわかる。それ以外の周波数についても、時間と光路長変化がリニアに対応する三角波を用いているため、すべて同様にリニアに周波数が変換されて対応している。
このように、プローブ光の可変光遅延器４０による光路長・照射タイミング変化を一定周波数・周期による振動変化とすることによって、テラヘルツ波と同形であって、その時間スケール及び周波数スケールが変換された時間波形を有する検出信号を得ることができる。さらに、そのような検出信号に対して分光処理部５０において周波数分析装置であるスペクトラムアナライザ５２を適用することによって、検出されたテラヘルツ波と同形でスケールが変換されただけの周波数スペクトルを、ＦＦＴ計算を行うことなく直接得ることが可能となっている。
なお、解析装置５３の制御部５３ａが、可変光遅延器４０内の光遅延制御装置４４に接続されており、プローブ光路長の振動周波数ｆｓ及び振幅を所望の値（例えば、振動周波数ｆｓを０．５ｋＨｚ、振幅を１．５ｍｍ）に設定することができるようになっている。光遅延制御装置４４は、制御部５３ａにて設定された値の振動周波数及び振幅にて可動反射部４３を振動させ、プローブ光路長を振動させる。その結果、スペクトラムアナライザ５２は、第７図に示すような振幅スペクトラムを生成する。
スペクトラムアナライザ５２は、かかる振幅スペクトラムを生成すると、そのデータを解析装置５３に出力する。解析装置５３は、受け取った振幅スペクトラムの周波数軸を変換する演算処理を行う。すなわち、スペクトラムアナライザ５２で得られた振幅スペクトラムの周波数軸はｋＨｚオーダーとなっている。そのため、解析装置５３は、この周波数軸を元のテラヘルツ波の周波数であるＴＨｚオーダーに換算する演算処理を行う。具体的には、解析装置５３は、その制御部５３ａが設定した可動反射部４３の振動周波数と振幅（最大移動幅）の値に基づき、上記数式（１）を用いて、かかる換算を行う。解析装置５３は、さらに、周波数軸を、数式ｃ＝ｆ・λ（ここで、ｃは光速、ｆは周波数、λは波長である）により、波長軸に換算することもできる。これらの演算により得られた振幅スペクトラムは、サンプルＡの分光透過特性を示しており、サンプルＡの物理的及び化学的情報を示している。
上記構成を有する本実施形態のテラヘルツ波分光器１は、以下のように動作する。
すなわち、パルス光源１００からの光パルスが、ビームスプリッタ３１によって、テラヘルツ波発生器１０に照射される励起光と、テラヘルツ波検出器２０に照射されるプローブ光とに分岐される。励起光は、励起光学系３０内において、反射鏡３２によって進行方向を所定の方向に変更された後、対物レンズ１１を介してテラヘルツ波発生器１０を構成する光スイッチ素子１０ａに入射する。励起光が光スイッチ素子１０ａのギャップ９１間に光パルスとして入射すると、テラヘルツ波がパルス状に発生する。
発生したテラヘルツ波は、テラヘルツ波光路３８内で、出射レンズ１２を経て、軸外し放物面鏡１３によってほぼ平行なコリメート光とされて、所定のサンプルＡを透過し、軸外し放物面鏡２３と入射レンズ２２によって集束されつつ、テラヘルツ波検出器２０を構成する光スイッチ素子２０ａに入射する。
プローブ光学系３５では、ビームスプリッタ３１によって励起光と分岐されたプローブ光が、励起光に対するタイミング差を可変光遅延器４０により振動変化させられながら、対物レンズ２１を介して光スイッチ素子２０ａに入射する。こうして、光スイッチ素子２０ａには、励起光に対してタイミング差が振動変化しながら同期したプローブ光が照射され、テラヘルツ波の検出が行われる。この結果、光スイッチ素子２０ａから出力された検出信号（電流）は、第６図に示すような時間波形を有し、第３（Ａ）図に示すテラヘルツ波の時間波形と同形で、時間スケールが変換された波形となる。かかる検出信号（電流）は、電流−電圧変換アンプ５１によって電圧信号とされた後、スペクトラムアナライザ５２に入力され、第７図に示すような振幅スペクトルが生成される。この振幅スペクトルは、第３（Ｂ）図のテラヘルツ波の振幅スペクトルと同形で周波数スケールが変換された形状となる。解析装置５３が、この検出信号のスペクトルのデータに対して周波数軸変換を行う等の所定のデータ処理を行うことにより、所定サンプルＡについての透過分光特性データであるスペクトルデータを得る。
以上のように、本実施形態のテラヘルツ波分光器１によれば、テラヘルツ波を用いた分光測定のリアルタイム性が確保されるとともに、その装置構成・回路構成が簡単化され、また、その製造コストが低減されて装置を安価にすることができる。また、回路構成等の簡略化によってそれらの集積回路化が可能となるので、装置の小型化や様々な測定への応用において有効である。
なお、電流−電圧変換アンプ５１からの出力信号には、第６図に点線で示すように一般にノイズ信号が重畳されており、これによるＳ／Ｎ比の低下が分光測定の精度上問題となる場合がある。このような場合には、上記したスペクトラムアナライザ５２による測定のバンド幅・周波数領域（すなわち、掃引する周波数領域）を狭く設定することによってＳ／Ｎ比を向上させることができる。
また、測定対象であるサンプルＡに特徴的な透過特性などによって、テラヘルツ波の周波数スペクトルから、特定の周波数領域の成分または特定の周波数の成分のみに着目し、その周波数での検出強度について測定を行うことによって分光測定を行いたい場合がある。このような場合においても、スペクトラムアナライザ５２の測定の周波数領域を着目する周波数領域のみに狭く限定し、または、スペクトラムアナライザ５２を特定の周波数のみについて測定を行う測定モード（ゼロスパンモード）に設定して測定を行うことによって、上記のような分光測定が可能となる。ゼロスパンモードでは、スペクトラムアナライザ５２の周波数掃引スパンがゼロ（０）Ｈｚに設定されるため、スペクトラムアナライザ５２は着目する周波数に固定された受信機として機能する。したがって、スペクトラムアナライザ５２は、着目する周波数の正弦波成分の振幅の時間変化を測定し表示することになる。
例えば、第３（Ｂ）図に示したテラヘルツ波の周波数スペクトルにおいて１ＴＨｚの周波数成分に着目したい場合には、第７図に示した検出信号の周波数スペクトルでの１０ｋＨｚの周波数成分を計測するようにスペクトラムアナライザ５２をゼロスパンモードに設定することによって、１ＴＨｚのテラヘルツ波成分についての連続的な測定を行うことができる。このような測定条件において、例えばサンプルＡを２次元的に移動させつつ分光測定を行うことによって、サンプルの２次元イメージングが可能となる。また、例えば着目するテラヘルツ波の周波数成分を２ＴＨｚに変更しようとする場合には、スペクトラムアナライザ５２のゼロスパンモードによる測定周波数を２０ｋＨｚに設定変更するのみで、そのような測定条件の変更を行うことができる。なお、テラヘルツ波分光器による２次元イメージングについては、さらに後述する。
以上のように、本実施形態のテラヘルツ波分光器１によれば、テラヘルツ波発生器１０から出射されサンプルＡを透過したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出器２０の光スイッチ素子２０ａへのプローブ光の照射タイミングを、可変光遅延器４０の可動反射部４３を所定の振動周波数で駆動することによって振動変化させる。この結果、光スイッチ素子２０ａからは、周期的に振動変化する検出信号が得られ、この検出信号を分光処理部５０のスペクトラムアナライザ５２で周波数分析する。ここで、検出信号は、試料Ａを透過し試料Ａにて影響を受けたテラヘルツ波と同形・スケール変換された時間波形を有しているので、その周波数分析を行うことにより、テラヘルツ波自体の周波数分析をリアルタイムで行うことができる。
このように、本実施形態によるテラヘルツ波分光器１は、第一に、可変光遅延器４０によるプローブ光の照射タイミングの変化を、所定の周波数によって周期的かつ連続的に変化・走査する振動とし、テラヘルツ波の時間波形及び周波数スペクトルを、直接的に処理しやすい時間スケール及び周波数スケールに変換することを可能にしている。
第二に、スケールが変換されたのみでテラヘルツ波と同形または準同形な時間波形及び周波数スペクトルを有する検出信号に対して、スペクトラムアナライザ５２という周波数分析装置を適用して測定を行うことによって、テラヘルツ波についての周波数スペクトル測定を実現している。したがって、ＦＦＴ演算や、Ａ／Ｄ変換器・ＤＳＰなどの装置構成を用いることなく、簡単化された装置構成によるリアルタイム計測が可能となる。また、スペクトラムアナライザ５２においては、狭帯域検出を行うなど様々な検出条件が設定可能であるので、分光測定のＳ／Ｎ比を向上させた高精度の計測を行うこともできる。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係るテラヘルツ波分光器を第８（Ａ）図〜第９（Ｂ）図に基づき説明する。
第８（Ａ）図は、本発明の第２の実施形態に係るテラヘルツ分光器１の構成図である。なお、第１の実施形態のテラヘルツ分光器１と同一又は同等な構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
本実施形態は、テラヘルツ波発生器１０、テラヘルツ波検出器２０、及び各光学系３０，３５，３８等については第１の実施形態と同様である。しかしながら、分光処理部５０においては、検出信号の周波数分析を行う周波数分析装置として、スペクトラムアナライザ５２ではなく、狭帯域のバンドパスフィルタ５４が用いられている。
スペクトラムアナライザ５２を適用した第１の実施形態では、上述のように、テラヘルツ波の特定の周波数に着目して分光測定を行いたい場合、スペクトラムアナライザ５２の測定モードをその周波数に対応した検出信号の周波数成分のみを選択的に測定するようにゼロスパンモードに設定することによって、そのような測定を実現することができる。さらに、着目する周波数ｆ１があらかじめわかっている場合には、スペクトラムアナライザ５２ではなく、本実施形態のように、その周波数ｆ１の成分を選択する狭帯域などのバンドパスフィルタ５４を適用することが可能となる。
バンドパスフィルタ５４を用いることによれば、スペクトラムアナライザ５２の場合と比較して、装置をさらに簡単化・低価格化することが可能であり、その集積回路化もさらに容易となる。
バンドパスフィルタ５４としては、オペアンプ（演算増幅器：ＯＰアンプ）を用いたアクティブフィルタとすることによって、高い共振特性を容易に得ることができる。例えば、バンドパスフィルタ５４は、第８（Ｂ）図に示すように、ＯＰアンプＯＰと、受動素子である抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３、及び、容量Ｃ１，Ｃ２とから構成することができる。電流―電圧変換アンプ５１からの検出信号（電圧）がバンドパスフィルタ５４の入力端子ＶＩＮに入力すると、この入力検出信号のうち、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の抵抗値と容量Ｃ１，Ｃ２の容量値とで決まる周波数の信号のみが、出力端子ＶＯＵＴから出力される。
本実施形態においては、このバンドパスフィルタ５４の出力端子ＶＯＵＴが、図示しないアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器を介して解析装置５３に接続されている。したがって、解析装置５３は、当該出力端子ＶＯＵＴからの出力信号をＡ／Ｄ変換して得られたデジタル数値データを受け取る。このデジタル数値データは、バンドパスフィルタ５４にて選択された検出信号周波数に対応する周波数成分のテラヘルツ波の強度を示している。つまり、所定サンプルＡの当該テラヘルツ波周波数成分についての分光特性を示している。解析装置５３は、バンドパスフィルタ５４にて選択されている周波数値を、対応するテラヘルツ波の周波数値に換算する演算処理をしたり、その換算周波数値をさらに波長値へ換算する、等の所定のデータ処理を行う。この結果、サンプルＡについてのテラヘルツ波の所定周波数における透過分光特性データが得られる。こうして得られた透過分光特性データは、サンプルＡの物理的及び化学的情報を示している。
なお、バンドパスフィルタ５４は、受動素子である抵抗Ｒ、容量Ｃ、及びインダクタＬのみで構成しても良い。
さらに、可変光遅延器４０の駆動条件を制御することによって、テラヘルツ波の各成分のうち測定の対象として着目する成分の周波数値を、設定または変更することが可能である。この目的のため、本実施形態においても、解析装置５３の制御部５３ａが、可変光遅延器４０でのプローブ光路長の振動周波数ｆｓを変更・設定することができるようになっている。
ここで、第９（Ａ）図〜第９（Ｂ）図に、プローブ光路長の振動周波数ｆｓの変更により、テラヘルツ波検出器２０より得られる検出信号の周波数スペクトルがどのように変化するかを示す。第９（Ａ）図は、可変光遅延器４０の振動周波数ｆｓ＝０．５ｋＨｚに設定した場合の検出信号の周波数スペクトル（第７図に示したものと同じ）であり、このとき、検出信号の周波数１０ｋＨｚはテラヘルツ波の１ＴＨｚの周波数成分に対応している。ここで、振動周波数ｆｓを、振動の位置振幅（最大位置移動）をそのままにして０．５ｋＨｚから０．７５ｋＨｚに設定変更する。すると、検出信号の周波数スペクトルは、第９（Ｂ）図のようになる。このとき、検出信号の周波数１０ｋＨｚはテラヘルツ波の０．６７ＴＨｚの周波数成分に対応している。
すなわち、本実施形態のように、バンドパスフィルタ５４として装置構成が固定したものを用いる場合には、バンドパスフィルタ５４によって測定（選択）できる検出信号の周波数は、例えば、１０ｋＨｚ等、所定の値に固定されてしまう。そこで、制御部５３ａが、可変光遅延器４０によるプローブ光の光路長・照射タイミングの振動周波数を制御できるようにしている。例えば、振動周波数ｆｓを、上述のように、０．５ｋＨｚから０．７５ｋＨｚに変更すると、バンドパスフィルタ５４を置き換えることなく、周波数スペクトルの周波数スケールとテラヘルツ波の周波数スペクトルとの対応関係を変換し、テラヘルツ波の着目周波数を１ＴＨｚから０．６７ＴＨｚに変更することができるのである。
なお、解析装置５３は、制御部５３ａが変更・設定した振動周波数値ｆｓに基づいて、バンドパスフィルタ５４が選択した検出信号の周波数値を、テラヘルツ波の着目周波数値に換算する。当該テラヘルツ波着目周波数成分に対する検出信号強度は、サンプルＢの当該着目周波数についての分光特性を示している。
また、このような測定周波数の変更は、第１の実施形態のスペクトラムアナライザ５２を用いた装置構成においても同様に可能となっている。すなわち、制御部５３ａが可変光遅延器４０での光路長の振動周波数ｆｓを変更することによって、テラヘルツ波の各成分のうち測定の対象として着目する周波数成分を自由に変更することが可能となっている。
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係るテラヘルツ波分光器を第１０図に基づき説明する。
第１０図は、本発明の第３の実施形態に係るテラヘルツ波分光器１の構成図である。なお、第１の実施形態のテラヘルツ波分光器１と同一又は同等な構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
本実施形態は、励起光学系３０については第１の実施形態と同様であり、また、テラヘルツ波発生器１０及びテラヘルツ波検出器２０としても、第１の実施形態と同様に、光スイッチ素子１０ａ及び２０ａが用いられている。しかしながら、プローブ光学系３５においては、対物レンズ２１の後段に、プローブ光の進行方向を変更させるための反射鏡３３が設けられている。また、テラヘルツ波の光学系３８においては、軸外し放物面鏡１３，２３を用いず、また、光スイッチ素子１０ａ及び２０ａは互いに対向するように配置されている。
テラヘルツ波発生器用の光スイッチ素子１０ａから出射されたテラヘルツ波は、テラヘルツ波光路３８において、出射レンズ１２を経て、集束レンズ１４によってサンプルＢのある一つの位置に集束されつつ照射・透過された後、集束レンズ２４によって集束されつつ、入射レンズ２２を経て、テラヘルツ波検出器用の光スイッチ素子２０ａに入射されるようになっている。このようにテラヘルツ波光学系３８を構成することによって、サンプルＢの特定の部位についての分光測定を行うことができる。
さらに本実施形態においては、サンプル移動装置５６が設けられており、サンプルＢを、テラヘルツ波の光軸に対して略垂直なＸ−Ｙ平面内において２次元方向に移動できるように構成されている。このサンプル移動装置５６は分光処理部５０の解析装置５３によって制御されており、サンプルＢの２次元の各部位が順次測定部位とされるようにサンプルＢを移動させることによって、サンプルＢを走査・測定してサンプルＢについての２次元の分光イメージングを行うことができる。すなわち、本実施形態では、ディスプレイなどの表示装置５５が、解析装置５３に接続されており、２次元分光イメージングの測定画像を表示するようになっている。こうして得られる２次元分光イメージング画像は、サンプルＢにおける物理的・化学的特性の２次元分布情報を示している。
このとき、分光処理部５０における周波数分析装置としては、上述したスペクトラムアナライザ５２またはバンドパスフィルタ５４などを適用することが可能である。第１０図に示した例においては、それぞれ異なる周波数ｆ１及びｆ２の成分を選択可能な２つのバンドパスフィルタ５４ａ及び５４ｂが周波数分析装置として用いられている。
例えば、サンプルＢにおいてその分布を分光によって測定したい物質が、検出信号の周波数ｆ１に対応する周波数のテラヘルツ波成分を特徴的に吸収し、かつ、別の周波数ｆ２に対応する周波数のテラヘルツ波成分の吸収が小さい特性を有する場合、周波数ｆ１における透過特性と周波数ｆ２における透過特性とをともに計測し、その差分や積などを計算してそれらの相関を求めることによってその物質の分布等をより詳細かつ効率的に得ることができる。得られたサンプルＢでの物質分布についての２次元分光イメージＢ’は、解析装置５３に接続されたディスプレイなどの表示装置５５によって表示される。
具体的には、サンプルＢの各位置に対し、周波数ｆ１における透過特性をバンドパスフィルタ５４ａにより、また、周波数ｆ２における透過特性をバンドパスフィルタ５４ｂにより計測する。解析装置５３が、図示しないＡ／Ｄ変換器を介して、これらバンドパスフィルタ５４ａ及び５４ｂに接続されており、バンドパスフィルタ５４ａ及び５４ｂからの出力信号のＡ／Ｄ変換値を取得する。解析装置５３は、こうして得られた２つのデジタル数値の相関値（例えば、差分または積）を計算する。解析装置５３は、さらに、サンプルＢの位置情報に基づいて、この相関値をイメージ表示するのに必要な処理を行って、処理結果を表示装置５５に出力する。表示装置５５は、解析装置５３の処理結果に基づいて、サンプルＢ内の物質分布についての２次元分光イメージＢ’を表示する。
このように複数の周波数成分について測定・比較等を行うことにより、サンプルについてのより詳しい情報を得ることが可能となる。この場合、用いるバンドパスフィルタは２個に限られず、必要に応じて、３個以上の異なる周波数に対応するバンドパスフィルタを設置し、それらからの測定データの相関によって分光解析を行うように構成しても良い。また、周波数分析装置としてスペクトラムアナライザ５２を用い、スペクトラムアナライザ５２により周波数スペクトルを求めた後に、解析装置５３において、その周波数スペクトルから複数の周波数領域を選択して、それら選択された複数の周波数領域における透過特性の相関を求めるといったような同様の処理・解析を行う構成とすることも可能である。
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係るテラヘルツ波分光器を第１１図〜第１２（Ｂ）図に基づき説明する。
第１１図は、本発明の第４の実施形態に係るテラヘルツ波分光器１の構成図である。なお、第１の実施形態のテラヘルツ波分光器１と同一又は同等な構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
本実施形態は、励起光学系３０については第１の実施形態と同様であり、また、テラヘルツ波発生器１０としても第１の実施形態と同様、光スイッチ素子１０ａを用いている。
一方、テラヘルツ波検出器２０としては、単一の光スイッチ素子２０ａではなく、複数の光スイッチ素子２０ａが２次元に配列されて構成される２次元検出器である光スイッチ２次元配置型ＣＣＤ装置２０ｃが用いられている。
本実施形態では、テラヘルツ波光路３８では、軸外し放物面鏡１３を介してコリメート光としてサンプルＢに照射・透過されたテラヘルツ波は、集光されずにほぼコリメート光の状態で光スイッチ２次元配置型ＣＣＤ装置２０ｃに入射する。一方、プローブ光はプローブ光学系３５において、可変光遅延器４０によってタイミングが調整された後、反射鏡３３によって反射され、レンズ２５によって拡大された後、レンズ２６を介してほぼ平行なコリメート光として光スイッチ２次元配置型ＣＣＤ装置２０ｃへ入射する。このような構成により、光スイッチ２次元配置型ＣＣＤ装置２０ｃの各光スイッチ素子２０ａによって、各位置に入射したテラヘルツ波が検出される。
光スイッチ２次元配置型ＣＣＤ装置２０ｃは、例えば、第１２（Ａ）図に示すように、２次元状に集合・配列された複数のユニット２００からなるテラヘルツ波検出部２１０と、テラヘルツ波検出部２１０の複数のユニット２００からの信号を蓄積するための電荷蓄積部２０４，電荷蓄積部２０４からの電荷を読み出すためのＣＣＤシフトレジスタ２０５，及び、電荷の転送及び読みだしを制御するための読みだし・転送制御部２０６とから構成されている。
ここで、テラヘルツ波検出部２１０を構成する各ユニット２００は、テラヘルツ波を検出するための光スイッチ２０１と、電流−電圧変換回路２０２、及び、バンドパスフィルタ２０３とから構成されている。ここで、光スイッチ２０１は、第２（Ｂ）図の光スイッチ素子２０ａと同一の構成をしている。また、電流−電圧変換回路２０２及びバンドパスフィルタ２０３は、第８（Ａ）図に示した第２の実施形態における電流−電圧変換アンプ５１及びバンドパスフィルタ５４と同一の構成を有している。すなわち、ユニット２００自体が、周波数分析を行う分光処理部５０の機能の一部を有している。
テラヘルツ波検出部２１０では、複数個のユニット２００が、第１２（Ｂ）図に示されるように、２次元状に配列されており、各ユニット２００が一画素に対応し、全ユニット２１０により１画面を構成している。これら複数のユニット２００は、電荷蓄積部２０４に接続されている。電荷蓄積部２０４は、例えば、ユニット２００と同数の容量（コンデンサー）から構成されており、全ユニット２００から送られてくる１画面分の信号電荷を蓄積する。電荷蓄積部２０４は、ＣＣＤシフトレジスタ２０５に接続されている。ＣＣＤシフトレジスタ２０５は、電荷蓄積部２０４に蓄積された１画面分の信号電荷を転送するためのものである。読みだし・転送制御部２０６は、転送クロックパルスと読みだしクロックパルスとを出力することで、電荷の転送／読みだしを制御するためのものである。ここで、転送クロックパルスは、各ユニット２００から電荷蓄積部２０４への電荷の転送、及び、電荷蓄積部２０４での電荷の転送を制御するための信号であり、読みだしクロックパルスは、ＣＣＤシフトレジスタ２０５による電荷蓄積部２０４からの電荷の読みだしを制御するための信号である。
かかる構成のもと、光スイッチ２次元配置型ＣＣＤ装置２０ｃに入射したテラヘルツ波の２次元イメージは、各ユニット２００において、光スイッチ２０１で画素信号として検出された後、電流−電圧変換回路２０２及びバンドパスフィルタ２０３によって電流−電圧変換・周波数選択され、電荷蓄積部２０４を介してＣＣＤシフトレジスタ２１０で転送され、２次元電荷イメージとして分光処理部５０の解析装置５３へ出力される。こうして得られた２次元電荷イメージは、テラヘルツ波が透過したサンプルＢの２次元イメージ情報に対応している。
このように、本実施形態によれば、サンプルＢを移動装置等によって駆動することなく、一度に、テラヘルツ波による２次元イメージングを行うことが可能となっている。また、上述のような第１２（Ａ）〜１２（Ｂ）図の構成要素は比較的簡単化されているので、集積回路化が容易であり、低価格でテラヘルツ波分光イメージングシステムを構築することが可能となる。
なお、テラヘルツ波検出器として光スイッチ２次元配置型ＣＣＤ装置２０ｃを１次元検出器に置き換えれば、同様に１次元イメージの計測を行うことができる。
上述の第１〜第４実施形態においては、テラヘルツ波発生器１０及びテラヘルツ波検出器２０としていずれも光スイッチ素子１０ａ及び２０ａを用いていたが、それ以外にも例えば電気光学結晶（ＥＯ結晶、Electro-Optic Crystal）を用いるなど、様々な構成によるテラヘルツ波の発生器・検出器を用いることができる。
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態に係るテラヘルツ波分光器を第１３図に基づき説明する。
第１３図は、本発明の第５の実施形態に係るテラヘルツ波分光器１の構成図である。なお、第１の実施形態のテラヘルツ波分光器１と同一又は同等な構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
本実施形態においては、テラヘルツ波発生器１０としてはＥＯ結晶１０ｂを、また、テラヘルツ波検出器２０としてはＥＯ結晶２０ｂを用いている。
このように、ＥＯ結晶１０ｂをテラヘルツ波発生器１０として用いる場合には、パルス光源１００よりフェムト秒光パルスなどの励起光をＥＯ結晶１０ｂに入射させて、逆ポッケルス効果による光整流作用によってテラヘルツ波を発生させることができる。
また、ＥＯ結晶２０ｂをテラヘルツ波検出器２０として用いる場合には、テラヘルツ波の電界によってＥＯ結晶２０ｂ内にポッケルス効果が生じる。その結果、ＥＯ結晶２０ｂ内に複屈折率変化が起きる。そこで、所定の偏光状態とされたプローブ光をＥＯ結晶２０ｂ中に通過させ、通過後のプローブ光の強度変化を測定することによって、ＥＯ結晶２０ｂに入射したテラヘルツ波を検出する。
このようにＥＯ結晶を用いた場合には、光スイッチ素子を用いた場合に比べて、より高い周波数（短い波長）のテラヘルツ波を発生・検出することが可能である。
本実施形態では、パルス光源１００からの励起光は、対物レンズ１１を介して、テラヘルツ波発生器１０を構成するＥＯ結晶１０ｂに入射する。このとき、ＥＯ結晶１０ｂには逆ポッケルス効果によって光整流作用が生じて、分光に用いるテラヘルツ波が発生する。発生したテラヘルツ波は、出射レンズ１２及び軸外し放物面鏡１３を介してコリメート光としてサンプルＡに照射・透過し、軸外し放物面鏡２３及び入射レンズ２２を介してテラヘルツ波検出器２０を構成するＥＯ結晶２０ｂに入射する。
ＥＯ結晶２０ｂの入射レンズ２２側（テラヘルツ波入射側）の面には、プローブ光を反射可能な誘電体多層膜鏡２７が蒸着によって形成されている。プローブ光は、可変光遅延器４０によって、その照射タイミングが周期的に変化・振動するようになっており、さらに、偏光ビームスプリッタ６１によって直線偏光にされて、対物レンズ２１を介してＥＯ結晶２０ｂに入射する。このとき、ＥＯ結晶２０ｂにテラヘルツ波が入射していると、その電界によりＥＯ結晶２０ｂ内にポッケルス効果が生じ、複屈折率変化が生じる。
プローブ光は、このＥＯ結晶２０ｂ内を通過して誘電体多層膜鏡２７で反射し、再びＥＯ結晶２０ｂ内を通過して出射するが、複屈折率変化が生じているＥＯ結晶２０ｂ内を通過することによって、その偏光状態が変化する。偏光状態が変化したプローブ光は、偏光ビームスプリッタ６１に入射して、そのうちの元の偏光状態に対して直交している直線偏光成分が所定の方向に反射・出力する。この偏光ビームスプリッタ６１から出力したプローブ光成分の光量を、ホトダイオード等、光量を電圧あるいは電流に変換するための光検出器６０で検出・測定することによって、ＥＯ結晶２０ｂに入射したテラヘルツ波を検出することができる。
光検出器６０は分光処理部５０のスペクトラムアナライザ５２及び解析装置５３に接続されており、テラヘルツ波検出器２０として光スイッチ素子２０ａを用いた場合と同様にして、周波数分析及び分光解析等が行われる。また、周波数分析装置としては、スペクトラムアナライザ５２の代わりに、第２または第３の実施形態のように単一または複数のバンドパスフィルタ５４を用いてもよい。また、例えばテラヘルツ波発生器１０を光スイッチ素子１０ａ、検出器２０をＥＯ結晶２０ｂとする構成なども可能である。また、その逆に、テラヘルツ波発生器１０をＥＯ結晶１０ｂ、検出器２０を光スイッチ素子２０ａとするのでもよい。
なお、ＥＯ結晶をテラヘルツ波の発生・検出に用いる場合にはＥＯ結晶の結晶方位と、励起光、プローブ光、及びテラヘルツ波の偏光方向とが一定の関係を満たすように配置することが好ましい。このため、励起光学系３０やプローブ光学系３５、及び、光源１００からビームスプリッタ３１によって励起光及びプローブ光が分岐されるまでの光路上に、光パルスの偏光状態を調整するための波長板、偏光子、ソレイユバビネ補償板などの光学要素などを適宜設置しても良い。
また、用いるＥＯ結晶としては、ＺｎＴｅ、ＧａＰやＤＡＳＴなど、様々なものを適用可能である。
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態に係るテラヘルツ波分光器を第１４図に基づき説明する。
第１４図は、本発明の第６の実施形態に係るテラヘルツ波分光器１の構成図である。なお、第５の実施形態のテラヘルツ波分光器１と同一又は同等な構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
本実施形態は、テラヘルツ波発生器１０、テラヘルツ波検出器２０、各光学系３０，３５，３８、及び分光処理部５０については第５の実施形態と同様であるが、テラヘルツ波検出器２０を構成するＥＯ結晶２０ｂを通過した後のプローブ光の検出方法が異なっている。
本実施形態においては、ＥＯ結晶２０ｂを通過し誘電体多層膜鏡２７によって反射されたプローブ光は、反射鏡６２によって所定の方向に光路変更される。なお、反射鏡６２の代わりにビームスプリッタ等を用いても良い。このプローブ光は所定の波長板６３を通過して所定の偏光状態とされた後、偏光ビームスプリッタ６４によって分岐されて、分岐された２つのプローブ光成分の光量がそれぞれ光検出器６０ａ及び６０ｂによって検出・測定される。
このとき、ＥＯ結晶２０ｂへのテラヘルツ波の入射によってプローブ光の偏光状態が変化すると、プローブ光の偏光ビームスプリッタ６４による分岐成分の光量比等の相関が変化する。したがって、２つの光検出器６０ａ及び６０ｂからの検出信号出力の相関とその変化を測定することによってテラヘルツ波及びその強度を測定することができる。
本実施形態においては、光検出器６０ａ及び６０ｂは差動アンプ６５に接続されており、これによって上記のような測定を実現している。このように、ＥＯ結晶を用いるとともに偏光ビームスプリッタ６４によって分岐されたプローブ光成分の差分及びその変化によってテラヘルツ波を検出する構成とすることにより、プローブ光の光源であるレーザ１００の強度雑音の影響などを、測定データの差分をとることによってキャンセルして、測定の精度・Ｓ／Ｎ比を向上させることが可能である。差動アンプ６５は分光処理部５０のスペクトラムアナライザ５２及び解析装置５３に接続されて、他の実施形態と同様に周波数分析及び分光解析が行われる。
（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態に係るテラヘルツ波分光器を第１５（Ａ）図及び第１５（Ｂ）図に基づき説明する。
第１５（Ａ）図は、本発明の第７の実施形態に係るテラヘルツ波分光器１の構成図である。なお、第５の実施形態のテラヘルツ波分光器１と同一又は同等な構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
本実施形態は、励起光学系３０については第５の実施形態と同様であり、また、テラヘルツ波発生器１０としてはＥＯ結晶１０ｂが用いられている。しかしながら、テラヘルツ波検出器２０としては、サンプルＢに対応した所定の大きさを有することで２次元イメージングが可能となっている２次元検出用のＥＯ結晶２０ｄが用いられている。
テラヘルツ波発生器１０を構成するＥＯ結晶１０ｂから発生・出射されたテラヘルツ波は、テラヘルツ波光路３８において、軸外し放物面鏡１３ａ及び１３ｂによって拡大された後、軸外し放物面鏡１３ｃによってほぼ平行なコリメート光とされてサンプルＢに照射・透過される。サンプルＢを通過したテラヘルツ波は、集光されずにコリメート光の状態でテラヘルツ波検出器２０を構成する２次元検出可能なＥＯ結晶２０ｄに入射する。一方、プローブ光は、プローブ光学系３５において、反射鏡３３で反射され、レンズ２５によって拡大された後、レンズ２６を介してほぼ平行なコリメート光とされ、偏光ビームスプリッタ６１及び波長板６６によって所定の偏光状態とされてＥＯ結晶２０ｄへと入射する。
ＥＯ結晶２０ｄに形成された誘電体多層膜鏡２７によって反射されたプローブ光は、再び波長板６６を通過し、第１３図に示した第５の実施形態の場合と同様に、偏光ビームスプリッタ６１によって、一部のプローブ光成分が反射・出力される。偏光ビームスプリッタ６１から出力されたプローブ光成分は、光検出器２次元配置型ＣＣＤ装置６７によって２次元イメージとしてその光量が検出・測定され、テラヘルツ波による２次元イメージングが実現される。
ここで、光検出器２次元配置型ＣＣＤ装置６７は、第１５（Ｂ）図に示すように、第４の実施形態において採用した光スイッチ２次元配置型ＣＣＤ装置２０ｃと略同一の構成を有している。但し、光検出器２次元配置型ＣＣＤ装置６７は、光スイッチ２次元配置型ＣＣＤ装置２０ｃとは異なり、光スイッチ２０１の代わりに、第５の実施形態（第１３図）で採用した光検出器６０と同一構成の光検出器２６０を備えている。すなわち、光検出器２次元配置型ＣＣＤ装置６７では、各画素に対応したユニット２００が、光検出器２６０と、光検出器２６０からの検出電流を電流−電圧変換する電流−電圧変換回路２０２と、電流−電圧変換回路２０２からの電圧信号のうち所定の周波数の信号を選択するバンドパスフィルタ２０３とから構成されている。かかる構成を有する複数のユニット２００は、第１２（Ｂ）図に示した光スイッチ２次元配置型ＣＣＤ装置２０ｃと同様に、２次元状に配列され、電荷蓄積部２０４及びＣＣＤシフトレジスタ部２０５を介して、解析装置５３に接続されている。
なお、波長板６６としては、例えばプローブ光に対して往復で１／４波長の位相差を与えるために１／８波長板を用いることが好ましい。これらの波長板等の設定については、プローブ光の偏光状態やＥＯ結晶の結晶方位等に応じて適宜変更して良い。
また、本実施形態においては、サンプルＢの大きさに対応した大面積を有するＥＯ結晶を用いて、２次元イメージを１度に取得するテラヘルツ波イメージングについて記載した。しかしながら、光スイッチ素子を用いた場合について第１０図を参照して説明した場合のように、テラヘルツ波を集光してサンプルの一つの位置に照射するとともにサンプルを２次元方向に移動させることによってサンプル上の位置を走査しながら行う２次元イメージングに対しても、ＥＯ結晶を同様に適用することが可能である。
（第８の実施形態）
次に、本発明の第８の実施形態に係るテラヘルツ波分光器を第１６図〜第１７図に基づき説明する。
第１６図は、本発明の第８の実施形態に係るテラヘルツ波分光器１の構成図である。なお、第５の実施形態のテラヘルツ波分光器１と同一又は同等な構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
本実施形態は、テラヘルツ波発生器１０、テラヘルツ波検出器２０、プローブ光学系３５、テラヘルツ波光学系３８、光検出器６０、及び分光処理部５０については第５の実施形態と同様である。しかしながら、励起光学系３０においては、その励起光の光路に対して所定の位置に光チョッパ７１が挿入・配置されている。
テラヘルツ波を用いた分光測定において、励起光及びプローブ光の光源１００となるフェムト秒パルスレーザなどが持つ雑音・ノイズ光が問題となる場合がある。特に、１／ｆノイズといわれる低周波数領域での大きなノイズが存在するが、このようなノイズは特に可変光遅延器４０による測定の振動周波数が１ｋＨｚ以下である場合に、その測定のＳ／Ｎ比を悪化させる原因となる。
このような問題に対して、励起光学系３０において第１６図に示すように光チョッパ７１を設置して、励起光のＯＮ／ＯＦＦをさらに変調・制御する。この光チョッパ７１によるＯＮ／ＯＦＦは光チョッパ駆動装置７２によって、例えば、一定の周波数で駆動制御される。ここで、光チョッパ駆動装置７２による光チョッパ７１の駆動周波数をｆ０＝５ｋＨｚ、可変光遅延器４０の振動周波数をｆｓ＝１００Ｈｚとして分光測定を行った場合を考えると、検出信号の周波数分析によって得られる周波数スペクトルは第１７図のようになる。
この周波数スペクトルにおいては、光チョッパ７１の駆動周波数ｆ０＝５ｋＨｚを中心とし、その両側に対称に、サイドバンドとして第７図の周波数スペクトルに相当するテラヘルツ波の周波数スペクトルがそれぞれ現れる。これは、ＦＭラジオの周波数変調と類似の方法である。この場合、例えばスペクトラムアナライザ５２によって５ｋＨｚ〜７ｋＨｚの周波数範囲を測定してテラヘルツ波の周波数スペクトルを得ることによって、第１７図のグラフにも示されている低周波数領域に生じる１／ｆノイズの影響を受けずに分光測定を行うことが可能となり、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。なお、第１６図に破線にて示したように、光チョッパ駆動装置７２を解析装置５３に接続して、その駆動周波数等を解析装置５３により制御させる構成としても良い。
本発明によるテラヘルツ波分光器は、上記した各実施形態に限られるものではなく、様々な変形・構成の変更が可能である。
例えば、テラヘルツ波の発生及び検出については光スイッチ素子またはＥＯ結晶を用いるものに限らず、量子井戸、電気光学的チェレンコフ放射、コヒーレントフォノン等を利用した発生・検出方法を用いても良い。
また、分光測定についての構成に関しては、上記した実施形態はすべてサンプルＡやＢの透過特性を測定する構成としたが、例えばサンプルの反射特性を測定するものなど、テラヘルツ波に対しサンプルによる影響を与えることができるような様々な構成とすることができる。
また、可変光遅延器４０については、上記した実施形態ではいずれもプローブ光学系３５に設置する構成とされていたが、これを、例えば、第１８図に示すように、励起光学系３０に設置して、励起光のテラヘルツ波発生器１０への照射によるテラヘルツ波の発生タイミングを検出タイミングに対して振動変化させても良い。この場合でも、同様のスケール変換と周波数分析装置による測定が可能である。
また、可変光遅延器４０の駆動についても、三角波以外にも、第５（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）図に示した台形波、正弦波や鋸形波など様々な波形によって振動させることができる。この場合、例えば正弦波など時間と位置振動とがリニアにならず、テラヘルツ波と検出信号との対応が準同形など同形からずれる場合には、検出信号の時間波形を正弦波によって補正してリニアなものに変換するか、または、測定したい時間のフルスケールに比べて充分に大きい振幅で振動させ、その振動中心に近く変化がほぼリニアと見なせる領域のみを用いても良い。
また、振動の周波数についても、可変光遅延器の具体的構成や、スペクトラムアナライザまたはバンドパスフィルタで計測可能な周波数領域に応じて、適宜設定すれば良く、その範囲としては、例えば１０Ｈｚ〜１００ｋＨｚ程度が好ましい。
プローブ光の照射タイミングを所定の周波数によって振動させるための可変光遅延器４０の可動反射部４３としては、上述の実施形態では、第４図に示したスピーカ４３ｂを有する構成としている。スピーカは例えば人間の可聴周波数領域である２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ程度の振動周波数を発生させることができ、光反射部４３ａを例えばリトロリフレクタなど重量の軽いもので構成すれば、数ｋＨｚ程度の周波数によって駆動することが可能である。但し、光反射部４３ａとしてはリトロリフレクタ以外のものを用いても良い。
また、スピーカを用いた構成以外にも、様々な可動反射部４３の構成が考えられる。第１９図〜第２２図に、可動反射部４３として、スピーカ以外の構成を用いた例を示す。
第１９図は、磁石を用いた可動反射部４３の構成を示す。本実施例においては、光反射部４５ａが、支持台４５ｅに対してバネ４５ｂを介して取り付けられた磁石４５ｃに固定されている。支持台４５ｅの磁石４５ｃに対向する部位には、電磁石４５ｄが固定されている。この電磁石４５ｄを光遅延制御装置４４からの駆動信号によって駆動して、光反射部４５ａの振動を実現する。この構成は、スピーカによる構成と類似の方法によるものであり、例えばコンパクトディスク用の光ピックアップ部に使用されているように、簡単な構造で早い応答時間を得ることができる。
ここで、光反射部４５ａとしてはリトロリフレクタではなく、より軽い通常のミラーを用いることが好ましい。リトロリフレクタは、入射光がどの方向から入射されても反射光は入射光と反対の方向に出射されるという可動反射部に用いる上での利点を持つ。これに対して、通常のミラーを用いた場合には入射光及び反射光の光路が一般に異なるので、入射光路を光反射部４５ａに対してできるだけ垂直にするなど注意が必要である。
第２０図は、ピエゾ素子を用いた可動反射部４３の構成を示す。本実施例においては、ミラーなどの光反射部４６ａがピエゾ素子４６ｂの一端に固定されている。このピエゾ素子４６ｂの他端は固定部４６ｃに固定されている。ピエゾ素子は電圧が印加されると伸縮するので、光反射部４６ａは、印加される電圧にしたがって振動する。
第２１図は、ピストンを用いた可動反射部４３の構成を示す。本実施例においては、ミラーなどの光反射部４７ａが、筒状部４７ｃの内部に可動に設置されたピストン４７ｂに固定されている。さらに、ピストン４７ｂがクランク機構４７ｄを介してモータ４７ｅに接続されている。したがって、光反射部４７ａが、モータ４７ｅの回転にしたがって振動する。この可動反射部４３の構成は、モータの回転軸にクランク機構を設けて回転をピストンの平行移動に変換する方法であり、レシプロエンジンの逆操作に相当する。特に、ピストン４７ｂの筒状部４７ｃへの接触抵抗を小さくすることによって、高速での振動が可能となる。
第２２図は、ミラーの組み合わせにより構成された可動反射部４３を示す。本実施例においては、可動ミラー４９ａ及び固定ミラー４９ｂを用いた多重反射方式によって可動反射部４３が構成されている。この場合、プローブ光は可動ミラー４９ａと固定ミラー４９ｂとの間を複数回往復するので、上記したような構成による反射型の可動反射部において充分な遅延時間差を得られない場合にも、本実施例のようなミラー及び光路の構成とすれば、充分に大きな遅延時間差を得ることができる。この例においては、プローブ光は固定ミラー４９ｂで２回反射されて３往復しているので、可動ミラー４９ａの移動量が０．３ｍｍであればその６倍の１．８ｍｍの光路長変化を得ることができる。
さらに、可変光遅延器４０は、反射鏡４１，４２と可動反射部４３と光遅延制御装置４４とから構成するのでなくてもよい。例えば、可変光遅延器４０は、第２３（Ａ）図に示すように、可動透過部４８と光遅延制御装置４４とから構成するようにしてもよい。これは、反射部４１，４２、４３をプローブ光学系３５上に設置できない場合などに有効である。
可動透過部４８としては、例えば、第２３（Ｂ）図に示すようなガラス回転板で構成することができる。ここで、ガラス回転板である可動透過部４８は、それぞれガラス板の厚さが異なる１６個のガラス領域４８ａ〜４８ｐを有して形成されている。例えば、領域４８ａのガラス厚さを１．０ｍｍとし、領域４８ｂの厚さを１．３ｍｍ、領域４８ｃを１．６ｍｍと０．３ｍｍピッチでガラス厚さを厚くし、領域４８ａに対向する領域４８ｉで最大厚さの３．４ｍｍとして、領域４８ｊ以降は逆に０．３ｍｍピッチでガラス厚さを薄くしていき、領域４８ａの厚さ１ｍｍに戻る構成とする。ただし、各領域４８ａ〜４８ｐ内においては、そのガラス厚さは均一とする。
このようなガラス回転板の可動透過部４８を回転させてやることによって、光路長を振動変化させることができる。すなわち、ガラスの屈折率は例えば１．５であるから、その厚さが０．３ｍｍ変わると光路長は０．１５ｍｍ変化して、０．５ｐｓの時間遅延を生じる。第２３（Ｂ）図に示したガラス回転板では、領域４８ａと領域４８ｉでの遅延時間差は４ｐｓとなり、この範囲でのタイミング振動を実現することができる。
なお、各領域の境界は不連続になるが、各領域の面積を充分に小さくすれば実用上問題とはならない。また、遅延時間差をさらに大きくしたい場合には、ガラス厚さの変化ピッチを大きくすれば良い。また、上記の設定において領域４８ｊの厚さを３．７ｍｍ、領域４８ｋを４．０ｍｍとし、領域４８ｐで最大厚さの５．５ｍｍとなるように領域４８ａから領域４８ｐへと光路長が増加していく構成にすることも可能である。この場合、タイミング振動の波形は一方の変化方向のみが緩やかな変化となる鋸形の波形となる。
また、ガラス厚さを、例えば連続的に変化していくように形成しても良い。
上記した可動反射部４３，可動透過部４８の構成例以外にも、例えばオートコリメータに使用されているような回転する平行ミラー対による光遅延装置（Optics Commun., vol.36, p.406 (1981)参照）や、グレーティング及びガルバノミラーで構成される光遅延装置（Optics Letters, vol.22, pp.1811-1813 (1997) 参照）など、様々な構成により、光路長を可変とする可変光遅延器４０を構成することが可能である。
本発明に係るテラヘルツ波分光器は、テラヘルツ波を試料に透過させたり試料で反射させたりする等してテラヘルツ波に試料による影響を与え、その試料による影響を受けたテラヘルツ波を周波数分析することによって、試料内に存在する物質の種類や量、分布等を測定するのに幅広く用いられる。測定対象たる試料としては、気体、液体、及び、固体のいずれをも採用でき、大気汚染や排ガスの測定、水の測定、半導体、誘電体の測定等、多くの試料の測定に幅広く用いられる。
第１図は、本発明の第１の実施形態に係るテラヘルツ波分光器を模式的に示す構成図である。 第２（Ａ）図は、第１図のテラヘルツ波分光器に設けられたテラヘルツ波発生器を構成する光スイッチ素子のテラヘルツ波発生方法を説明するための模式図である。 第２（Ｂ）図は、第１図のテラヘルツ波分光器に設けられたテラヘルツ波検出器を構成する光スイッチ素子のテラヘルツ波検出方法を説明するための模式図である。 第２（Ｃ）図は、第１図のテラヘルツ波分光器に設けられたスペクトラムアナライザの回路構成を示すブロック図である。 第３（Ａ）図は、テラヘルツ波の時間波形の一例を示すグラフである。 第３（Ｂ）図は、テラヘルツ波の周波数振幅スペクトルの一例を示すグラフである。 第４図は、可変光遅延器の可動反射部の一実施例を示す構成図である。 第５（Ａ）図〜第５（Ｄ）図は、可動反射部の駆動波形の例を示すグラフであり、第５（Ａ）図は三角波、第５（Ｂ）図は台形波、第５（Ｃ）図は正弦波、及び、第５（Ｄ）図は鋸形波の例を示す。 第６図は、三角波による駆動で得られる検出信号の時間波形を示すグラフである。 第７図は、第６図の時間波形の検出信号から得られる周波数スペクトルを示すグラフである。 第８（Ａ）図は、テラヘルツ波分光器の第２の実施形態を模式的に示す構成図である。 第８（Ｂ）図は、第８（Ａ）図に示すテラヘルツ波分光器に設けられているバンドパスフィルタ５４の具体例を示す回路図である。 第９（Ａ）図及び第９（Ｂ）図は、振動周波数を変更したとき検出信号の周波数スペクトルが変化する状態を示すグラフであり、第９（Ａ）図は、振動周波数＝０．５ｋＨｚに設定した場合の検出信号の周波数スペクトルであり、 第９（Ｂ）図は、振動周波数を、振動の位置振幅をそのままにして０．５ｋＨｚから０．７５ｋＨｚに設定変更した場合の検出信号の周波数スペクトルを示す。 第１０図は、テラヘルツ波分光器の第３の実施形態を模式的に示す構成図である。 第１１図は、テラヘルツ波分光器の第４の実施形態を模式的に示す構成図である。 第１２（Ａ）図は、第１１図に示すテラヘルツ波分光器に設けられたテラヘルツ波検出用の光スイッチ２次元配置型ＣＣＤ装置の構成を示すブロック図である。 第１２（Ｂ）図は、第１２（Ａ）図の光スイッチ２次元配置型ＣＣＤ装置の一例の回路構成図である。 第１３図は、テラヘルツ波分光器の第５の実施形態を模式的に示す構成図である。 第１４図は、テラヘルツ波分光器の第６の実施形態を模式的に示す構成図である。 第１５（Ａ）図は、テラヘルツ波分光器の第７の実施形態を模式的に示す構成図である。 第１５（Ｂ）図は、第１５（Ａ）図に示すテラヘルツ波分光器に設けられた光検出器２次元配置型ＣＣＤ装置の構成を示すブロック図である。 第１６図は、テラヘルツ波分光器の第８の実施形態を模式的に示す構成図である。 第１７図は、第１６図に示したテラヘルツ波分光器によって得られる周波数振幅スペクトルを示すグラフである。 第１８図は、第１図に示したテラヘルツ波分光器の変更例を模式的に示す構成図である。 第１９図は、可変光遅延器の可動反射部の他の実施例を示す構成図である。 第２０図は、可変光遅延器の可動反射部の他の実施例を示す構成図である。 第２１図は、可変光遅延器の可動反射部の他の実施例を示す構成図である。 第２２図は、可変光遅延器の可動反射部の他の実施例を示す構成図である。 第２３（Ａ）図は、第１図に示したテラヘルツ波分光器に、可動透過部を備えた可変光遅延器を設けた場合の構成を模式的に示す構成図である。 第２３（Ｂ）図は、第２３（Ａ）図の可動透過部の一実施例を示す構成図である。

Claims (16)

  1. 励起光を導くための所定の励起光学系と、
    該所定の励起光学系で導かれた励起光によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生器と、
    該テラヘルツ波発生器で発生されたテラヘルツ波を分光測定を行う試料へ導き、該試料で影響を受けた該テラヘルツ波を更に導くための所定のテラヘルツ波光学系と、
    該励起光に対して同期されたプローブ光を導くための所定のプローブ光学系と、
    該試料で影響を受け該テラヘルツ波光学系により導かれた該テラヘルツ波を、該所定のプローブ光学系で導かれたプローブ光によって検出し、検出信号を出力するテラヘルツ波検出器と、
    該励起光学系に備えられ、所定の駆動周波数で前記励起光のＯＮ／ＯＦＦを制御するための光チョッパと、
    該励起光学系及び該プローブ光学系のうちのいずれか一つに備えられ、対応する該励起光または該プローブ光の光路長を所定の振動周波数及び所定の振動振幅で振動させることによって、該テラヘルツ波発生器及び該テラヘルツ波検出器のうちの該いずれか一つへの該対応する励起光またはプローブ光の照射タイミングを周期的に振動させる光遅延振動手段と、
    該テラヘルツ波検出器によって得られる検出信号に基づき該試料の分光測定を行う分光処理手段とを備え、
    該分光処理手段が、該振動周波数によって周期的に変化する該検出信号を周波数分析する周波数分析手段を備え、
    該検出信号は、該光チョッパの該所定の駆動周波数の両側に一対のサイドバンドを有する周波数スペクトルを有しており、
    該周波数分析手段が、該検出信号のうち該光チョッパの該所定の駆動周波数に対して定まる所望の周波数成分を周波数ドメイン計測により検出することによって該検出信号の周波数分析を行い、
    該周波数分析手段による周波数分析結果が、該試料の影響を受けた該テラヘルツ波の周波数分析情報を示し、もって、該試料の分光情報を示すことを特徴とする、テラヘルツ波を用いて分光測定を行うテラヘルツ波分光器。
  2. 前記周波数分析手段は、前記検出信号から周波数分析によって前記所望の周波数成分に対する周波数スペクトルを示すデータを生成するためのスペクトラムアナライザからなることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波分光器。
  3. 前記周波数分析手段は、前記検出信号から前記所望の周波数成分を選択するためのバンドパスフィルタからなることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波分光器。
  4. 前記バンドパスフィルタは、複数のそれぞれ異なる所望の周波数成分を選択するための複数のバンドパスフィルタより構成されており、前記分光処理手段が、該複数のバンドパスフィルタによって選択された複数の周波数成分の相関を求める相関解析手段を、更に備えていることを特徴とする請求項３記載のテラヘルツ波分光器。
  5. 前記分光処理手段は、前記光遅延振動手段を制御して前記対応する励起光またはプローブ光の光路長変化の前記振動周波数及び前記振動振幅を設定または変更する周波数振幅設定／変更手段を更に有し、前記周波数分析手段が、その設定または変更された前記振動周波数及び前記振動振幅に基づいて周波数分析を行うことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波分光器。
  6. 前記テラヘルツ波発生器及び前記テラヘルツ波検出器の少なくとも一方は、光スイッチ素子からなることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波分光器。
  7. 前記テラヘルツ波発生器及び前記テラヘルツ波検出器の少なくとも一方は、電気光学結晶からなることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波分光器。
  8. 前記試料を２次元方向に移動させるための試料移動手段をさらに備え、前記分光処理手段に該試料についての２次元の分光測定を行わせることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波分光器。
  9. 前記テラヘルツ波検出器は、複数のテラヘルツ波検出部が２次元状に配列されて構成された２次元検出器からなり、前記分光処理手段が複数の周波数分析手段を有しており、該複数のテラヘルツ波検出部が、該複数の周波数分析手段にそれぞれ接続され、各周波数分析手段が、対応するテラヘルツ波検出部によって得られた検出信号に対する周波数分析を行うことによって、前記試料についての２次元の分光測定を行うことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波分光器。
  10. 前記周波数分析手段は、前記光チョッパの前記所定の駆動周波数に対して定まる前記所望の周波数成分として、前記一対のサイドバンドが有する所望の周波数成分を検出することを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波分光器。
  11. 前記分光処理手段が、前記周波数分析手段による前記検出信号の周波数分析結果に基づいて、前記試料の分光情報を示す該試料の影響を受けたテラヘルツ波の周波数分析情報を求める解析手段を更に備えていることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波分光器。
  12. 前記分光処理手段は、前記光チョッパの駆動周波数を制御するチョッパ周波数制御手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波分光器。
  13. 前記分光処理手段は、前記光遅延振動手段の前記振動周波数を、前記スペクトラムアナライザが分析可能な周波数領域に基づいて設定する振動周波数設定手段をさらに備えていることを特徴とする請求項２記載のテラヘルツ波分光器。
  14. 前記スペクトラムアナライザは、ゼロスパンモードに設定されていることを特徴とする請求項２記載のテラヘルツ波分光器。
  15. 前記周波数分析手段は、前記所望の周波数成分を選択するバンドパスフィルタからなり、
    前記分光処理手段が、前記光遅延振動手段を制御して、前記対応する励起光またはプローブ光の光路長変化の前記振動周波数の値を、該バンドパスフィルタが選択する該所望の周波数成分の周波数値に対応した値に、設定または変更する周波数設定／変更手段を更に有することを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波分光器。
  16. 前記テラヘルツ波検出器は、複数のテラヘルツ波検出部が２次元状に配列されて構成された２次元検出器からなり、前記分光処理手段が複数のバンドパスフィルタを有しており、該複数のテラヘルツ波検出部が、該複数のバンドパスフィルタにそれぞれ接続され、各バンドパスフィルタが、対応するテラヘルツ波検出部によって得られた検出信号に対する周波数ドメイン計測を行い、前記所望の周波数成分を選択することによって、前記試料についての２次元の分光測定を行うことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波分光器。
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