JP4601516B2 - Terahertz spectrometer - Google Patents
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Description
この発明はテラヘルツ分光装置に関する。 The present invention relates to a terahertz spectrometer.
従来、テラヘルツ波(周波数がおおよそ0.01THzから100THzまでの範囲の電磁波)を用いた分光装置が知られている。 Conventionally, a spectroscopic device using a terahertz wave (an electromagnetic wave having a frequency ranging from approximately 0.01 THz to 100 THz) is known.
例えば、試料にパルス光を照射してその試料を透過したテラヘルツ波を検出する透過測定光学系と、試料にパルス光を照射してその試料で反射したテラヘルツ波を検出する反射測定光学系とを1つの装置として構成したものがある。
しかし、上述の分光装置では、所定の試料に限って、透過測定光学系と反射測定光学系とを切り換えることにより透過スペクトル測定と反射スペクトル測定とを行なうことができるに過ぎず、種類や大きさ等が異なる各種の試料を測定することはできなかった。そのため、試料に応じて専用の分光装置を使い分けなければならなかった。 However, the above-described spectroscopic device can only perform transmission spectrum measurement and reflection spectrum measurement by switching between the transmission measurement optical system and the reflection measurement optical system only for a predetermined sample. It was not possible to measure various types of samples. Therefore, it has been necessary to use a dedicated spectroscope depending on the sample.
この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、各種の試料に対応できる汎用性の高いテラヘルツ分光装置を提供することである。 This invention is made in view of such a situation, and is providing the highly versatile terahertz spectrometer which can respond to various samples.
上記問題を解決するためこの発明のテラヘルツ分光装置は、レーザ光源からの光パルスをポンプ光とプローブ光とに分割するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで分割された前記ポンプ光又は前記プローブ光の時間遅延を行うディレイステージと、前記光パルスの照射によってテラヘルツ波を発生するテラヘルツ発生器と、前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出器と、前記テラヘルツ波を収束又は平行にして試料に導く第1のテラヘルツ光学系と、前記試料で反射され又は前記試料を透過した前記テラヘルツ波を前記テラヘルツ検出器に導く第2のテラヘルツ光学系とを備えているテラヘルツ分光装置において、前記テラヘルツ発生器、前記テラヘルツ検出器及び前記第1、第2のテラヘルツ光学系は1つのユニットとして形成され、このユニットは前記ビームスプリッタ及び前記ディレイステージを有する分光装置本体に対して着脱可能であり、前記ユニット内の前記ポンプ光の光路長と前記テラヘルツ波の光路長とを加算した光路長と、前記ユニット内の前記プローブ光の光路長との差は一定であることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a terahertz spectrometer according to the present invention includes a beam splitter that divides a light pulse from a laser light source into pump light and probe light, and a time of the pump light or the probe light divided by the beam splitter. A delay stage for performing a delay; a terahertz generator for generating a terahertz wave by irradiation of the optical pulse; a terahertz detector for detecting the terahertz wave; and a first terahertz for converging or paralleling the terahertz wave to a sample A terahertz spectrometer comprising: an optical system; and a second terahertz optical system that guides the terahertz wave reflected by the sample or transmitted through the sample to the terahertz detector. The terahertz generator, the terahertz detector And the first and second terahertz optical systems are formed as one unit. The unit is detachable with respect to the spectrometer main body having the beam splitter and the delay stage, and an optical path length obtained by adding the optical path length of the pump light and the optical path length of the terahertz wave in the unit; The difference between the optical path length of the probe light in the unit is constant.
請求項2記載の発明は、請求項1記載のテラヘルツ分光装置において、前記ユニットは前記試料に対応する複数のユニットの中から選択されたものであることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the terahertz spectrometer according to the first aspect, the unit is selected from a plurality of units corresponding to the sample.
請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載のテラヘルツ分光装置において、前記ユニットは前記分光装置本体の上部に配置されていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the terahertz spectroscopic device according to the first or second aspect, the unit is disposed on an upper portion of the spectroscopic main body.
この発明によれば、各種の試料に対応できる汎用性の高いテラヘルツ分光装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a highly versatile terahertz spectrometer capable of handling various samples.
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1はこの発明の一実施形態に係るテラヘルツ分光装置の外観を示す概念図である。 FIG. 1 is a conceptual diagram showing the appearance of a terahertz spectrometer according to an embodiment of the present invention.
このテラヘルツ分光装置は分光装置本体10とユニット9とからなる。ユニット9は分光装置本体10の上部に配置され、分光装置本体10に対して着脱可能である。
This terahertz spectrometer is composed of a spectrometer
ユニット9の位置決めは例えば分光装置本体10のケース10aの上面に設けられた位置決めピン11とこのピン11が嵌合するユニット9のケース9aの下面に設けられた穴(図示せず)とによって行なわれる。
The unit 9 is positioned by, for example, positioning pins 11 provided on the upper surface of the
ユニット9のケース9aの下面には後述するポンプ光とプローブ光とを分光装置本体10からユニット9内へ導くための透明な窓材12,13が設けられている。なお、ユニット9のケース9a内には試料5(図2参照)を支持するための試料支持部14が設けられている。
図2はこの発明の一実施形態に係るテラヘルツ分光装置の構成を示す概念図である。 FIG. 2 is a conceptual diagram showing the configuration of a terahertz spectrometer according to an embodiment of the present invention.
このテラヘルツ分光装置は、ビームスプリッタ2と、ディレイステージ8と、テラヘルツ発生器3と、テラヘルツ検出器7と、第1のテラヘルツ光学系4と、第2のテラヘルツ光学系6とを備えている。
The terahertz spectrometer includes a beam splitter 2, a
ビームスプリッタ2はレーザ光源1からのパルス光P1をポンプ光P2とプローブ光P3とに分割する。レーザ光源1としては、例えば、フェムト秒パルスレーザが用いられる。
The beam splitter 2 splits the pulsed light P1 from the
ディレイステージ8はビームスプリッタ2で分割されたプローブ光P3の時間遅延を行う。ディレイステージ8は移動可能な可動鏡8aと固定された平面反射鏡8b,8cとを組み合わせてなる。可動鏡8aは矢印に示すように移動してプローブ光P3の光路長を変化させる。
The
テラヘルツ発生器3はポンプ光P2の照射によってテラヘルツ波を発生させる。テラヘルツ発生器3には、半絶縁性GaAs等で形成された半導体基板上にアンテナ形状をもつ2つの電極を付け、それらの電極間にバイアス電圧を印加した光伝導アンテナと呼ばれるものやZnTe等の非線形光学結晶が使用される。 The terahertz generator 3 generates a terahertz wave by irradiation with the pump light P2. The terahertz generator 3 has two electrodes having an antenna shape on a semiconductor substrate formed of semi-insulating GaAs or the like, and a so-called photoconductive antenna in which a bias voltage is applied between these electrodes, such as ZnTe or the like Nonlinear optical crystals are used.
テラヘルツ検出器7はテラヘルツ波を検出する。テラヘルツ検出器7には、テラヘルツ発生器3と同様の光伝導アンテナやZnTe等の電気光学結晶が使用される。
The
第1のテラヘルツ光学系4はテラヘルツ波を収束して試料5に導く。第1のテラヘルツ光学系4は例えば楕円面鏡である。
The first terahertz optical system 4 converges the terahertz wave and guides it to the
第2のテラヘルツ光学系6は試料5を透過したテラヘルツ波をテラヘルツ検出器7に導く。第2のテラヘルツ光学系6は例えば楕円面鏡である。
The second terahertz
テラヘルツ発生器3、テラヘルツ検出器7及び第1、第2のテラヘルツ光学系4,6は1つのユニットとして形成されている。図2のユニット9は集光型透過測定ユニットである。
The terahertz generator 3, the
なお、ユニット9内を真空に保持してもよいし、ユニット9内に所定のガスを充填していてもよい。このように構成することにより、大気中の水蒸気によるテラヘルツ波の吸収をなくし、更に大気中の塵埃、水分等が光学系4,6に悪影響を及ぼすことを防止できる。
Note that the inside of the unit 9 may be kept in a vacuum, or the unit 9 may be filled with a predetermined gas. With this configuration, absorption of terahertz waves by water vapor in the atmosphere is eliminated, and further, dust, moisture, and the like in the atmosphere can be prevented from adversely affecting the
ポンプ光P2の光路長(窓材12とテラヘルツ発生器3との間の光路長L1とテラヘルツ発生器3とテラヘルツ検出器7との間の光路長L2とを加算した光路長)と、プローブ光P3の光路長L3(窓材13とテラヘルツ検出器7との間の光路長)との差は一定である。よって、ユニット9を他のユニットに取り換えても光路長の調整が不要となる。
The optical path length of the pump light P2 (the optical path length obtained by adding the optical path length L1 between the
ビームスプリッタ2及びディレイステージ8は分光装置本体10のケース10a内に収容されている。
The beam splitter 2 and the
レーザ光源1から放射されたパルス光P1は平面反射鏡M1を経てビームスプリッタ2で2つのパルス光に分割される。パルス光P1は、中心波長が近赤外領域のうちの780〜800nm程度、繰り返し周期が数kHzから100MHz、パルス幅が10〜150fs程度の直線偏光のパルス光である。
The pulsed light P1 emitted from the
ビームスプリッタ2で分割された一方のパルス光は、テラヘルツ発生器3を励起してテラヘルツ波を発生させるためのポンプ光P2となる。このポンプ光P2は窓材12、平面反射鏡M2を経てテラヘルツ発生器3へ導かれる。テラヘルツ発生器3に100フェムト秒程度のパルス光が照射されるとテラヘルツ発生器3からテラヘルツ領域の周波数を持ったテラヘルツ波P4が放射される。
One pulsed light split by the beam splitter 2 becomes pump light P2 for exciting the terahertz generator 3 to generate a terahertz wave. The pump light P2 is guided to the terahertz generator 3 through the
テラヘルツ波P4はおおむね0.01×1012から100×1012ヘルツまでの周波数領域の電磁波である。このテラヘルツ波P4は第1のテラヘルツ光学系4を経て試料支持部14(図1参照)に支持された試料5に集光する。
The terahertz wave P4 is an electromagnetic wave in a frequency range from approximately 0.01 × 10 12 to 100 × 10 12 hertz. The terahertz wave P4 passes through the first terahertz optical system 4 and is condensed on the
試料5を透過したテラヘルツ波P5は第2のテラヘルツ光学系6を経てテラヘルツ検出器7に入射する。テラヘルツ検出器7にテラヘルツ波P5が入射すると、電場が生じる。このとき、テラヘルツ検出器7にプローブ光P3を照射すると、電場強度に応じた光電流が流れ、これを測定することにより、試料5の電気的特性や不純物濃度等が得られる。プローブ光P3は以下のようにしてテラヘルツ検出器7に入射する。
The terahertz wave P <b> 5 that has passed through the
ビームスプリッタ2で分割された他方のパルス光は、テラヘルツ波P5を検出するためのプローブ光P3となる。プローブ光P3はディレイステージ8、平面反射鏡M3、窓材13、平面反射鏡M4を経てテラヘルツ検出器7に入射する。ディレイステージ8の可動鏡8aを矢印のように移動させてプローブ光P3の光路長を変化させる。この結果、プローブ光P3がテラヘルツ検出器7へ到達する時間が変化する。そして、可動鏡8aにより遅延時間を変更させながらテラヘルツ検出器7で検出される光電流を観測することにより、時系列テラヘルツ分光が可能となる。
The other pulse light split by the beam splitter 2 becomes probe light P3 for detecting the terahertz wave P5. The probe light P3 enters the
このように、テラヘルツ検出器7は、受光したテラヘルツ波の電場強度に比例する光電流を検出し、検出信号として図示しない制御・演算装置に送る。そして、制御・演算装置は、検出信号について時系列変換を実行し、試料5に関する所望の特性に応じて演算を実行する。得られたデータは図示しない液晶ディスプレイやCRT等の表示部に表示される。
Thus, the
図3は分光装置本体に対して着脱可能な他のユニットの構成を示す概念図である。 FIG. 3 is a conceptual diagram showing the configuration of another unit that can be attached to and detached from the spectroscopic apparatus body.
ユニット19は分光装置本体10に対して着脱可能な平行光型透過測定ユニットである。ユニット19は、テラヘルツ発生器3から放射されたテラヘルツ波P4を例えば放物面鏡である第1のテラヘルツ光学系4Aで平行にして試料5に照射するようにした点でユニット9と相違する。
The
ユニット9をユニット19に取り換える手順は次のとおりである。
The procedure for replacing the unit 9 with the
まず、ユニット9を持ち上げて分光装置本体10から取り外す。その後、ユニット19と分光装置本体10との位置合わせを行ない、ユニット19を分光装置本体10に載せる。このとき、ユニット19の窓材12,13が光路上に配置される。
First, the unit 9 is lifted and removed from the
図4(a)は分光装置本体に対して着脱可能な更に他のユニットの構成を示す概念図、図4(b)はそのユニットを側方から見たときの図である。 FIG. 4A is a conceptual diagram showing the configuration of still another unit that can be attached to and detached from the spectroscopic apparatus main body, and FIG. 4B is a diagram of the unit as viewed from the side.
ユニット29は全反射減衰分光測定ユニットである。ユニット29はケース29aにATR(Attenuated Total Reflection)プリズム25を配置した点でユニット9と相違する。試料5はプリズム25に密着するように配置されている。試料5内部にわずかにもぐり込んで反射された全反射光をテラヘルツ検出器7で検出して、試料5の表層部の吸収スペクトルを得ることができる。
The
ユニット9をユニット29に取り換える手順はユニット9をユニット19に取り換える手順と同じである。
The procedure for replacing unit 9 with
なお、ユニットとしては上記ユニットの他に、集光型反射測定モジュール、平行型反射測定モジュール等があるが、図示を省略する。 In addition to the above units, the unit includes a concentrating reflection measurement module, a parallel reflection measurement module, and the like, which are not shown.
この実施形態によれば、各種の試料5に対応できる汎用性の高いテラヘルツ分光装置を提供することができる。また、ユニット9,19,29を分光装置本体10の上部に配置するようにしたので、ユニット9,19,29の着脱が容易である。
According to this embodiment, it is possible to provide a highly versatile terahertz spectrometer capable of handling various types of
なお、上記実施形態ではプローブ光P3の時間遅延を行なったが、その代わりにポンプ光P2の時間遅延を行なうようにしてもよい。 In the above embodiment, the time delay of the probe light P3 is performed. Instead, the time delay of the pump light P2 may be performed.
1:レーザ光源、2:ビームスプリッタ、3:テラヘルツ発生器、4:第1のテラヘルツ光学系、5:試料、6:第2のテラヘルツ光学系、7:テラヘルツ検出器、8:ディレイステージ、9,19,29:ユニット、10:分光装置本体。 1: laser light source, 2: beam splitter, 3: terahertz generator, 4: first terahertz optical system, 5: sample, 6: second terahertz optical system, 7: terahertz detector, 8: delay stage, 9 19, 29: Unit, 10: Spectroscopic apparatus main body.
Claims (3)
前記ビームスプリッタで分割された前記ポンプ光又は前記プローブ光の時間遅延を行うディレイステージと、
前記光パルスの照射によってテラヘルツ波を発生するテラヘルツ発生器と、
前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出器と、
前記テラヘルツ波を収束又は平行にして試料に導く第1のテラヘルツ光学系と、
前記試料で反射され又は前記試料を透過した前記テラヘルツ波を前記テラヘルツ検出器に導く第2のテラヘルツ光学系と
を備えているテラヘルツ分光装置において、
前記テラヘルツ発生器、前記テラヘルツ検出器及び前記第1、第2のテラヘルツ光学系は1つのユニットとして形成され、このユニットは前記ビームスプリッタ及び前記ディレイステージを有する分光装置本体に対して着脱可能であり、前記ユニット内の前記ポンプ光の光路長と前記テラヘルツ波の光路長とを加算した光路長と、前記ユニット内の前記プローブ光の光路長との差は一定である
ことを特徴とするテラヘルツ分光装置。 A beam splitter that splits a light pulse from a laser light source into pump light and probe light;
A delay stage for performing a time delay of the pump light or the probe light divided by the beam splitter;
A terahertz generator that generates a terahertz wave by irradiation with the light pulse;
A terahertz detector for detecting the terahertz wave;
A first terahertz optical system that guides the terahertz wave to the sample in a convergent or parallel manner;
A terahertz spectrometer comprising: a second terahertz optical system that guides the terahertz wave reflected by the sample or transmitted through the sample to the terahertz detector;
The terahertz generator, the terahertz detector, and the first and second terahertz optical systems are formed as one unit, and this unit can be attached to and detached from the spectroscope main body having the beam splitter and the delay stage. The difference between the optical path length obtained by adding the optical path length of the pump light and the optical path length of the terahertz wave in the unit and the optical path length of the probe light in the unit is constant. apparatus.
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