JP4654996B2 - Terahertz wave response measuring device - Google Patents
Terahertz wave response measuring device Download PDFInfo
- Publication number
- JP4654996B2 JP4654996B2 JP2006191030A JP2006191030A JP4654996B2 JP 4654996 B2 JP4654996 B2 JP 4654996B2 JP 2006191030 A JP2006191030 A JP 2006191030A JP 2006191030 A JP2006191030 A JP 2006191030A JP 4654996 B2 JP4654996 B2 JP 4654996B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- terahertz wave
- optical path
- path length
- pulse signal
- displacement
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Description
本発明は、テラヘルツ(THz)波を用いた分光分析装置や透視装置などに利用可能なテラヘルツ波応答測定装置に関する。 The present invention relates to a terahertz wave response measuring apparatus that can be used in a spectroscopic analysis apparatus, a fluoroscopic apparatus, and the like using a terahertz (THz) wave.
従来より、テラヘルツ波を利用した分析方法として、1p秒未満のパルス幅と数十MHzの繰り返し周波数を持ついわゆるフェムト秒レーザを用いたテラヘルツ時間領域分光法(THz−TDS)が広く知られており(特許文献1、非特許文献1、2など参照)、さらに、この方法を利用した装置も既に製品化されている(非特許文献4など参照)。また、フェムト秒レーザ光源は高価であることから、主に低コスト化を狙って、テラヘルツ波を発生するためにフェムト秒レーザではなくマルチモードレーザを使用してテラヘルツ時間領域分光法と同様の分析を行うような試みも行われている(非特許文献3など参照)。以下、説明の便宜上、テラヘルツ時間領域分光法を利用した装置について説明する。
Conventionally, as an analysis method using terahertz waves, terahertz time domain spectroscopy (THz-TDS) using a so-called femtosecond laser having a pulse width of less than 1 psec and a repetition frequency of several tens of MHz has been widely known. (See Patent Document 1,
図4及び図5はそれぞれテラヘルツ時間領域分光法を利用した従来の分析装置の要部の構成図であり、図4はいわゆるステップスキャン方式によるもの、図5はいわゆるラピッドスキャン方式によるものである。また図6及び図7はそれぞれ図4及び図5の分析装置の動作を説明するための図である。まず図4及び図6に基づいて、ステップスキャン方式のテラヘルツ時間領域分光分析装置の構成と動作を説明する。 4 and 5 are configuration diagrams of a main part of a conventional analyzer using terahertz time-domain spectroscopy. FIG. 4 is based on a so-called step scan method, and FIG. 5 is based on a so-called rapid scan method. FIGS. 6 and 7 are diagrams for explaining the operation of the analyzers of FIGS. 4 and 5, respectively. First, based on FIG.4 and FIG.6, the structure and operation | movement of a terahertz time domain spectroscopic analyzer of a step scan system are demonstrated.
レーザ光源1はフェムト秒レーザ光を出射し、このレーザ光はビームスプリッタ2により2つのレーザ光、即ちポンプ(励起)光3とプローブ光4とに分岐され、ポンプ光3は反射鏡5で反射されて光路長走査部6に導入される。光路長走査部6はモータ等を含む駆動機構7により移動鏡6aの位置が機械的に走査されることで光路長が変化する構成となっており、その光路長の変化を受けたレーザ光(ポンプ光3)は反射鏡5で反射されて送信部9に送り込まれる。送信部9はフェムト秒レーザ光により励起されてテラヘルツ波を発生する発生源であり、非特許文献1、2などに記載されているように、例えば半導体光伝導アンテナを利用する方法、非線形光学結晶を利用する方法など、様々な方法を用いることができる。
The laser light source 1 emits femtosecond laser light, which is split by the
送信部9から出射されたテラヘルツ波10は放物面鏡などにより構成されるテラヘルツ波光学系11を経て試料Sに照射され、試料Sを透過したテラヘルツ波10’はテラヘルツ波光学系11を経て受信部12に案内される。一方、ビームスプリッタ2で分岐されたプローブ光4は反射鏡13、及び光路長固定の光路長調整部14を経て受信部12に到達する。受信部12はテラヘルツ波10’とフェムト秒レーザ光(プローブ光4)とをそれぞれ受け、該テラヘルツ光10’の電界とプローブ光4の強度の積の時間積分を検出してアナログ検出信号として出力する。具体的には、非特許文献1、2などに記載されているように、光伝導アンテナを利用する方法、電気光学効果サンプリング法によるものなど、様々な方法を用いて上記のような検出信号を生成することができる。
The
テラヘルツ時間領域分光法は、テラヘルツ波の瞬時電界に対応する受信部12の検出信号をテラヘルツ波の伝搬時間に対応する光学遅延距離(光路長の変位量)の関数としてサンプリングする方法であるので、サンプリングの各タイミングにおいて光路長走査部6の光学距離の変位の正確な情報が得られることが必要である。また制御/処理部23において後に行うテラヘルツ波電界の時間変化をフーリエ変換して周波数スペクトルを得る演算処理では、光路長走査部6の光学距離の一定変位間隔毎にサンプリングされた受信部12の検出信号(測定データ)が必要とされる。
Terahertz time domain spectroscopy is a method of sampling the detection signal of the
このような測定データを得るために、ステップスキャン方式では、光路長走査部6の移動鏡6aはかなり遅い速度で(通常1秒以上の時間を掛けて)走査される。即ち、制御/処理部23はそうした走査のための制御信号をサーボ機構30に送ると、サーボ機構30は変位計31により移動鏡6aの変位量や位置を示す変位信号32をモニタし、目標変位量と実際の変位量との誤差がゼロになるように閉ループ制御により駆動機構7の動作を制御する。例えば図6(a)に示すように、光路長の最大可変範囲Lを走査範囲として、一定距離ずつステップ状に光路長が変化するように光路長走査部6は駆動される。即ち、移動鏡6aは所定距離だけ移動し、その位置に一時的に停止される、という動作を繰り返す。全体として、移動鏡6aの走査はゆっくりであるが、停止時の各位置は高精度に制御される。
In order to obtain such measurement data, in the step scan method, the
上記のように1回の走査の中で各位置に移動鏡6aが移動する毎に、制御/処理部23はサンプリングパルス信号33をサンプル/ホールド(S/H)回路20及び積算回路34に送る。積算回路34はサンプリングパルス信号33のパルス間隔の間で受信部12から出力されるアナログ検出信号を積算するアンプであり、サンプル/ホールド回路20はこの積算されたアナログ値をサンプリングする。この場合、1回の走査時間が比較的長く、走査範囲内の各位置における移動鏡6aの停止時間も長いので、積算回路34では受信部12から出力されるアナログ検出信号を十分に積算することでSN比を向上させ、これをサンプリングしてA/D変換部21によりデジタル値に変換することができる。そして、このデジタル値に変換した測定データを制御/処理部23に送り、フーリエ変換等の演算処理に供する。
As described above, every time the
上述のようにスキャンステップ方式では、光路長を1回走査する際の各位置において受信部12の検出信号が積算平均されることになるため、これによりSN比を高めることができる。しかしながら、1回の走査時間が長いとフェムト秒レーザの1秒以上の長い時間オーダーでの強度の揺らぎの影響を受け易く、例えば走査前半の位置と走査後半の位置とでは送信部9から出射されるテラヘルツ波の放射電界強度が相違するおそれがある。そのため、試料Sに対するテラヘルツ波応答の周波数スペクトル形状が歪みやすいという欠点がある。
As described above, in the scan step method, since the detection signals of the
従来、上記ステップスキャン方式が主流であったが、上記欠点のため、最近は光路長走査部6を通常2Hz以上の繰返し周期で連続して走査し、複数回の走査で受信部12から出力される検出信号の積算平均をとる、いわゆるラピッドスキャン方式が主流になりつつある。図5及び図7に基づいて、ラピッドスキャン方式のテラヘルツ時間領域分光分析装置の構成と動作を説明する。図4に示したステップスキャン方式の装置と同じ構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
Conventionally, the step scan method has been mainstream, but due to the above drawbacks, recently, the optical path length scanning unit 6 is normally continuously scanned with a repetition period of 2 Hz or more, and is output from the
ラピッドスキャン方式ではステップスキャン方式に比べて光路長を高速に変化させるため、正確な位置制御を伴うステップ状の走査は困難であり、図7(a)に示すように、例えばおおよそ等速で移動鏡6aを繰り返し往復移動させるように制御/処理部23は駆動機構7を制御する。一方、制御/処理部23は、スキャンステップ方式のときに比べて遙かに短い一定時間間隔Δt2のサンプリングパルス信号33をサンプル/ホールド回路20に送り、このパルス信号に同期して受信部12による検出信号をサンプリングしてデジタル値に変換するようにしている。また、変位計31により検出された、光路長走査部6での移動鏡6aの変位を示す変位信号32は制御/処理部23に入力されている。
In the rapid scan method, since the optical path length is changed at a higher speed than in the step scan method, it is difficult to perform step-like scanning with accurate position control. For example, as shown in FIG. The control /
ラピッドスキャン方式では、繰り返し走査により同一位置での測定データが多数回得られるから、各位置毎に複数の測定データの積算処理を行うことでSN比を改善することができる。また、フェムト秒レーザの強度に時間経過に伴い揺らぎがあっても、その影響は特定の位置に片寄らないため、そうした揺らぎの影響を受けにくいという利点がある。このようにフェムト秒レーザの揺らぎの影響を殆ど受けずに済むという点で、ラピッドスキャン方式はステップスキャン方式に優る。しかしながら、従来のラピッドスキャン方式では次のような問題がある。 In the rapid scan method, measurement data at the same position is obtained many times by repeated scanning, and therefore the SN ratio can be improved by performing a process of integrating a plurality of measurement data at each position. In addition, even if the intensity of the femtosecond laser fluctuates with time, the influence does not shift to a specific position, so that there is an advantage that the influence of such fluctuation is less likely. In this way, the rapid scan method is superior to the step scan method in that it is hardly affected by the fluctuation of the femtosecond laser. However, the conventional rapid scan method has the following problems.
即ち、サンプル/ホールド回路20では一定時間間隔Δt2で受信部12による検出信号をサンプリングするが、正確に移動鏡6aを等速移動させることが可能であれば、そのサンプリング間隔は等変位間隔になる筈である。しかしながら、移動鏡6aを高速で繰り返し往復走査する場合、完全な等速移動はかなり困難であって、駆動機構7の負荷が大きくコストも高いものとなる。そのため、一般的な構成では、例えばサーボ機構30を用いて移動鏡6aの移動速度が走査範囲の中央付近ではおおよそ一定となり、折返し位置付近では緩やかに速度がゼロになるような速度制御を行い、走査範囲の中央付近でのみサンプリングを行う方式が採られる。しかしながら、このように走査範囲の中央付近に区間を限定しても、サーボ機構30の性能(例えば追従性など)の限界から厳密な等速運動を実現するのは不可能である。移動鏡6aが等速移動でない場合、一定時間間隔Δt2でのサンプリングは一定変位間隔毎のサンプリングにはならない。そこで、制御/処理部23において変位信号32の情報をもとに測定データを補間処理して一定変位間隔毎の測定データを算出する必要がある。こうした補正処理を行うことにより信号精度の劣化は避けられず、また演算処理に時間が掛かることで測定時間が長くなるという欠点がある。
That is, the sample /
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、ラピッドスキャン方式の利点を活かしつつ、補間処理のような精度低下につながる演算処理を不要とすることで高い信号精度を確保し、測定時間が長引くことも回避できるテラヘルツ波応答測定装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and the object of the present invention is to eliminate the need for arithmetic processing that leads to a decrease in accuracy such as interpolation processing while taking advantage of the rapid scan method. An object of the present invention is to provide a terahertz wave response measuring apparatus that can ensure high signal accuracy and avoid prolonged measurement time.
上記課題を解決するために成された本発明は、レーザ光源と、該レーザ光源から出射されたレーザ光の照射を受けてテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生手段と、該テラヘルツ波発生手段で発生されたテラヘルツ波を試料に照射して該試料で反射した又は透過したテラヘルツ波を後記検出手段に案内するテラヘルツ波光学系と、該テラヘルツ波光学系により前記試料から到来したテラヘルツ波と前記レーザ光とをそれぞれ受け、該テラヘルツ波の電界と該レーザ光の強度とに基づく検出信号を出力する検出手段と、前記レーザ光源から前記テラヘルツ波発生手段までの第1光路又は該レーザ光源から前記検出手段までの第2光路のいずれか一方の光路長を変化させる光路長走査手段と、を具備し、前記光路長走査手段により光路長を変化させる際の前記検出手段による検出信号に基づいて前記試料に関する情報を取得するテラヘルツ波応答測定装置において、
a)前記第1光路又は第2光路の光路長を繰り返し連続的に走査するべく前記光路長走査手段を制御する制御手段と、
b)該制御手段による繰り返し走査の際に光路長の変位が一定分生じる毎にパルス信号を出力する変位検出手段と、
c)前記検出手段によるアナログ検出信号をサンプリングしてデジタル値に変換する信号変換手段であって、前記変位検出手段によるパルス信号又はそれに由来するパルス信号に同期してサンプリングを行う信号変換手段と、
を備えることを特徴としている。
The present invention, which has been made to solve the above problems, includes a laser light source, terahertz wave generating means for generating terahertz waves upon irradiation with laser light emitted from the laser light source, and generated by the terahertz wave generating means A terahertz wave optical system that irradiates the sample with a terahertz wave that is reflected or transmitted by the sample and guides the terahertz wave to the detection means described later, and the terahertz wave that has arrived from the sample by the terahertz wave optical system and the laser light And a detection means for outputting a detection signal based on the electric field of the terahertz wave and the intensity of the laser light, and a first optical path from the laser light source to the terahertz wave generation means or the detection means from the laser light source An optical path length scanning means for changing the optical path length of any one of the second optical paths up to and including the optical path length changing means by the optical path length scanning means In the terahertz wave response measuring device for obtaining information on the sample based on a detection signal from said detecting means at the time of,
a) control means for controlling the optical path length scanning means to repeatedly and continuously scan the optical path length of the first optical path or the second optical path;
b) Displacement detecting means for outputting a pulse signal every time when the displacement of the optical path length occurs during the repeated scanning by the control means;
c) signal conversion means for sampling the analog detection signal by the detection means and converting it into a digital value, the signal conversion means for sampling in synchronization with the pulse signal by the displacement detection means or a pulse signal derived therefrom;
It is characterized by having.
ここで、レーザ光源は、10GHz〜20THzの周波数範囲の一部又は全部の周波数成分を有して強度が変化するレーザ光を出射するものとする。典型的にはいわいるフェムト秒レーザであるが、これと同程度の時間スケールで変動するレーザであれば、例えばモード間の干渉によってピコ秒の時間レベルで強度が変動するCWマルチモードレーザなどを用いてもよい。 Here, it is assumed that the laser light source emits a laser beam that has a part or all of the frequency components in the frequency range of 10 GHz to 20 THz and changes in intensity. A typical femtosecond laser is a so-called femtosecond laser. However, if the laser fluctuates on the same time scale, for example, a CW multimode laser whose intensity fluctuates at picosecond time levels due to interference between modes may be used. It may be used.
また、テラヘルツ発生手段によるテラヘルツ波発生方法や検出手段におけるテラヘルツ波の電界変化の検出方法も特に限定されず、一般に提案されている各種の方法を用いることができる。 Further, the terahertz wave generation method by the terahertz generation means and the detection method of the terahertz wave electric field change by the detection means are not particularly limited, and various generally proposed methods can be used.
また、例えば非特許文献4において「リアルタイムテラヘルツイメージング」として開示されているように、検出手段としてCCDカメラなどの二次元検出デバイスを利用する構成も考え得る。こうした電荷蓄積型のデバイスではサンプリングのタイミングは検出部での電荷蓄積のタイミングで決まるから、このような検出手段を用いる構成においては、上記信号変換手段における「前記変位検出手段によるパルス信号又はそれに由来するパルス信号に同期してサンプリングを行う」とは、「変位検出手段によるパルス信号又はそれに由来するパルス信号に同期して検出手段での電荷蓄積のタイミングを決める」ものと置き換えることができる。 For example, as disclosed in “Non-Patent Document 4” as “real-time terahertz imaging”, a configuration in which a two-dimensional detection device such as a CCD camera is used as the detection means is also conceivable. In such a charge accumulation type device, the sampling timing is determined by the charge accumulation timing in the detection unit. Therefore, in the configuration using such a detection means, the signal conversion means in the above-mentioned signal conversion means “the pulse signal from the displacement detection means or derived therefrom. “Sampling in synchronization with the pulse signal to be performed” can be replaced with “determining the timing of charge accumulation in the detection means in synchronization with the pulse signal from the displacement detection means or a pulse signal derived therefrom”.
またここで、「それに由来するパルス信号」とは例えば後述するように、変位検出手段によるパルス信号を分周して生成されたパルス信号や変位検出手段によるパルス信号を遅延することで得られるパルス信号を指す。 Here, the “pulse signal derived from it” is a pulse obtained by delaying the pulse signal generated by dividing the pulse signal by the displacement detecting means or the pulse detecting means by the displacement detecting means, as will be described later, for example. Refers to the signal.
本発明に係るテラヘルツ波応答測定装置では、制御手段による制御の下に光路長走査手段は例えば第1光路(又は第2光路)の光路長を繰り返し連続的に走査する。例えば光路長の可変範囲をLとすると0〜Lの範囲で繰り返し往復走査することになる。その際の走査速度は等速であっても非等速であってもよい。この走査が実行されているときに、変位検出手段は光路長の変位が一定分生じる毎にパルス信号を出力する。即ち、上述のように光路長の可変範囲がLである場合、Lよりも十分に小さい変位間隔ΔLだけ光路長が変化する毎にパルス信号を発生する。そして信号変換手段は、そのパルス信号そのもの又はそれに由来するパルス信号に同期して検出手段によるアナログ検出信号をサンプリングし、そのサンプル値をデジタル値に変換して測定データとする。 In the terahertz wave response measuring apparatus according to the present invention, the optical path length scanning unit repeatedly scans, for example, the optical path length of the first optical path (or the second optical path) under the control of the control unit. For example, if the variable range of the optical path length is L, reciprocating scanning is repeated in the range of 0 to L. The scanning speed at that time may be constant or non-constant. When this scanning is being performed, the displacement detection means outputs a pulse signal every time a certain amount of optical path length displacement occurs. That is, when the variable range of the optical path length is L as described above, a pulse signal is generated every time the optical path length changes by a displacement interval ΔL sufficiently smaller than L. The signal conversion means samples the analog detection signal by the detection means in synchronization with the pulse signal itself or a pulse signal derived therefrom, and converts the sample value into a digital value to obtain measurement data.
本発明に係るテラヘルツ波応答測定装置の一態様として、上記変位検出手段によるパルス信号に基づく又は該パルス信号とは別に上記変位検出手段により得られる変位量検出信号に基づく変位位置情報と対応付けて上記測定データを記憶手段に格納する構成とすることができる。ここで変位位置情報とは光路長の可変範囲Lを一定距離毎に区分した位置を示す情報であり、例えば可変範囲の一方の端部から順番に付した番号などとすることができる。 As one aspect of the terahertz wave response measuring apparatus according to the present invention, it is associated with displacement position information based on a displacement amount detection signal obtained by the displacement detection means based on the pulse signal from the displacement detection means or separately from the pulse signal. The measurement data can be stored in the storage means. Here, the displacement position information is information indicating a position obtained by dividing the variable range L of the optical path length at a certain distance, and may be, for example, a number assigned in order from one end of the variable range.
こうして測定データを変位位置情報に対応付けて記憶手段に格納しておくことにより、例えば一旦全ての測定データを収集した後に、同じ変位位置情報に対応する複数の測定データに対し積算処理、積算平均化処理などを施すことで、測定データ(検出手段による検出信号)のSN比を向上させ、これに基づいてフーリエ演算により求まる周波数スペクトルの正確性を高めることができる。 By storing the measurement data in the storage means in association with the displacement position information in this way, for example, after collecting all the measurement data once, a plurality of measurement data corresponding to the same displacement position information is integrated, integrated average By performing the conversion processing or the like, it is possible to improve the SN ratio of the measurement data (detection signal by the detection means), and to improve the accuracy of the frequency spectrum obtained by Fourier calculation based on this.
本発明に係るテラヘルツ波応答測定装置において、変位検出手段としては光路長走査手段により変化する光路長、典型的には機械的に移動される反射鏡の位置、を検出可能な手段であればよく、磁気式リニアスケール、光学式リニアスケール、測距計などを用いることも可能であるが、精度等の点から、好ましくはレーザ干渉計を用いるとよい。レーザ干渉計では、He−Neレーザ光等を2つの光束に分岐して一方の光束を光路長走査手段(例えば移動鏡)に入射させてその反射光を受け、その反射光と他方の光束とを合流させて両光路長の差に応じた干渉信号を検出する。これにより、光路長走査手段(移動鏡)が一定距離移動する毎に干渉の強弱が現れる干渉信号を生成することができるから、このレーザ干渉検出信号をデジタル化したパルス信号又は該パルス信号を分周して得られるパルス信号を、信号変換手段におけるサンプリングのためのパルス信号として供給することができる。 In the terahertz wave response measuring apparatus according to the present invention, the displacement detecting means may be any means capable of detecting the optical path length changed by the optical path length scanning means, typically the position of the reflector moved mechanically. It is possible to use a magnetic linear scale, an optical linear scale, a distance meter, or the like, but a laser interferometer is preferably used from the viewpoint of accuracy. In a laser interferometer, a He—Ne laser beam or the like is split into two light beams, and one light beam is incident on an optical path length scanning means (for example, a moving mirror) to receive the reflected light. The reflected light and the other light beam Are combined to detect an interference signal corresponding to the difference between the two optical path lengths. This makes it possible to generate an interference signal in which the intensity of interference appears every time the optical path length scanning means (moving mirror) moves by a certain distance. Therefore, the pulse signal obtained by digitizing the laser interference detection signal or the pulse signal is separated. The pulse signal obtained by the rotation can be supplied as a pulse signal for sampling in the signal conversion means.
なお、検出手段により検出される信号は微弱であるため、通常、検出手段は比較的大きなゲインを持つアンプを含むが、こうしたアンプにおいてゲインを大きくすると時定数も大きくなり信号の遅延が大きくなる。この検出信号の時間遅れがサンプリングの時間間隔に比べて無視できないほど大きくなると、光路長走査手段による変位位置情報と信号変換手段への入力信号との時間ずれが大きくなって両者の対応関係が正確でなくなるおそれがある。検出手段で時間遅れを生じた信号に時間進みを与えることはできないから、上記時間ずれを解消するためには、前記変位検出手段から出力されるパルス信号を前記検出手段での時間遅延に相当する時間だけ遅延させる遅延手段を備える構成とするとよい。これにより、光路長走査手段による変位位置情報に正確に対応付けた測定データを得ることができる。 Since the signal detected by the detection means is weak, the detection means usually includes an amplifier having a relatively large gain. However, when the gain is increased in such an amplifier, the time constant increases and the signal delay increases. If the time delay of the detection signal becomes so large that it cannot be ignored compared to the sampling time interval, the time lag between the displacement position information by the optical path length scanning means and the input signal to the signal conversion means becomes large, and the correspondence between the two is accurate. There is a risk that it will disappear. In order to eliminate the time lag, the pulse signal output from the displacement detection means corresponds to the time delay in the detection means, since it is not possible to give time advance to the signal that has caused the time delay in the detection means. A configuration including delay means for delaying by time is preferable. Thereby, measurement data accurately associated with the displacement position information obtained by the optical path length scanning unit can be obtained.
但し、試料の種類や測定目的などの条件に応じて検出手段に含まれるアンプのゲインを変えることが望ましいから、それに合わせて遅延手段における遅延時間も調整できるように遅延時間可変としておくとよい。 However, since it is desirable to change the gain of the amplifier included in the detection means in accordance with conditions such as the type of sample and the purpose of measurement, it is preferable to make the delay time variable so that the delay time in the delay means can be adjusted accordingly.
本発明に係るテラヘルツ波応答測定装置によれば、光路長走査手段による光路長(光学距離)の変位が等速、非等速であるに拘わらず、正確に一定変位間隔毎に得られる検出信号に基づく測定データを収集することができる。これにより、従来のように変位間隔のずれを解消するために測定データを補間する演算処理を行う必要がなくなり、こうした処理に起因する精度の低下を回避することができる。また、無駄な演算処理を省くことで、例えば周波数スペクトル等の本来必要な結果が出るまでの時間を短縮することができる。 According to the terahertz wave response measuring apparatus according to the present invention, the detection signal accurately obtained at every constant displacement interval regardless of whether the optical path length (optical distance) displacement by the optical path length scanning means is constant speed or non-constant speed. Measurement data based on can be collected. As a result, it is not necessary to perform a calculation process for interpolating measurement data in order to eliminate a shift in the displacement interval as in the prior art, and a decrease in accuracy due to such a process can be avoided. Further, by omitting unnecessary calculation processing, it is possible to shorten the time until an originally necessary result such as a frequency spectrum is obtained.
本発明に係るテラヘルツ波応答測定装置の一実施例であるテラヘルツ時間領域分光分析装置について、図面を参照して説明する。図1は本実施例によるテラヘルツ時間領域分光分析装置の要部の構成図であり、既に説明した図4、図5の構成と同一の構成要素には同一符号を付している。図2、図3は本実施例によるテラヘルツ時間領域分光分析装置における光路長の走査とサンプリング動作を説明するための図である。 A terahertz time domain spectroscopic analyzer which is an embodiment of a terahertz wave response measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a main part of the terahertz time domain spectroscopic analyzer according to the present embodiment, and the same components as those in FIGS. 4 and 5 described above are denoted by the same reference numerals. 2 and 3 are diagrams for explaining the optical path length scanning and the sampling operation in the terahertz time domain spectroscopic analyzer according to this embodiment.
本実施例に係るテラヘルツ時間領域分光分析装置において、光路長走査部6における移動鏡6aの繰り返し往復走査に伴い受信部12で検出信号を得る点は、従来のラピッドスキャン方式の装置(図5の構成)と同様である。しかしながら、受信部12から出力されたアナログ検出信号をサンプリングして、各サンプルをデジタル化した測定データを収集するための動作が大きく異なる。この点について、以下に詳しく説明する。
In the terahertz time domain spectroscopic analysis apparatus according to the present embodiment, a detection signal is obtained at the receiving
制御/処理部23から出力される振幅/周波数制御信号25に従って、駆動機構7は光路長走査部6の移動鏡6aを駆動し、これによってレーザ光(ポンプ光3)の光路長(本発明における第1光路の光路長)は変化する。ここでは、図2(a)に示すように、正弦波状に速度が変化するように、つまり移動鏡6aを非等速運動させるように走査するものとする。これにより、走査範囲の端部で速度が落ちるから、駆動機構7の負荷も軽くて済む。この移動鏡6aの位置、つまりポンプ光3が送信部9に到達するまでの光路の光路長の変位を検出するために、光路長走査部6にはレーザ干渉計8が付設されている。
In accordance with the amplitude /
レーザ干渉計8はHe−Neレーザ光源を備え、該レーザ光源から出射したレーザ光をビームスプリッタで2つの光束に分岐し、一方の光束を移動鏡6aに照射してその反射光を得る。分岐された他方の光束は45°プリズムに導入され、プリズムで180°反射する際にp偏光とs偏光との位相を90°ずらす。そうしてビームスプリッタに戻って来た両光束を合流させると、両光束の光路長の差に応じて干渉により強弱が生じる。光路を適切に設計しておくことにより、移動鏡6aが一定距離だけ移動する毎に信号強度に強弱が生じるようにすることができ、このレーザ干渉検出信号を整形して2値化することで、ポンプ光3の光路長が一定距離だけ変化する毎に立ち上がりエッジ(又は立ち下がりエッジ)を持つパルス信号を生成することができる。ここでは、このパルス信号15がレーザ干渉計8から出力され遅延部17に送られる。また、ビームスプリッタで合流されたレーザ光の中でp偏光とs偏光とを分離して検出し、その位相関係を調べることで移動鏡6aの移動方向(つまり光路長が増加、減少のいずれの方向に変化しているのか)を検出し、これを極性信号16として出力して遅延部18に送る。
The laser interferometer 8 includes a He—Ne laser light source, the laser light emitted from the laser light source is split into two light beams by a beam splitter, and one of the light beams is irradiated onto the moving
なお、レーザ干渉計8の代わりに、磁気式リニアスケール、或いは光学式リニアスケールなどを用いてもよいが、位置分解能や精度の高さの点からはレーザ干渉計8が望ましい。 A magnetic linear scale, an optical linear scale, or the like may be used instead of the laser interferometer 8, but the laser interferometer 8 is desirable in terms of position resolution and high accuracy.
上述のようにレーザ干渉計8はポンプ光3の光路長が一定距離変化する毎にパルス信号15を出力するから、図2(a)に示すように、光路長の変化が正弦波状であるとき、つまり移動鏡6aの移動が非等速であるとき、パルス信号15の発生間隔は非一定時間間隔になる。即ち、光路長の走査に対し、空間的には一定変位間隔ΔLでパルス信号15は発生し、時間的にはパルス信号の発生間隔は非一定となる。
As described above, since the laser interferometer 8 outputs the
遅延部17、18はいずれも入力信号を所定の時間だけ遅らせて出力するものであり、その遅延時間は受信部12に含まれるアナログ電気回路(主としてアンプ)での時間遅れに相当するように設定される。なお、この遅延部17、18における遅延時間は所定範囲で任意に設定できるようになっている。これは、受信部12に含まれるアンプの増幅率が可変であり、その増幅率によって時間遅れが相違するためであり、その時間遅れに合わせて遅延部17、18での遅延時間を調整することで後述のサンプリングのタイミングを正確に合わせることができる。遅延部17、18はアナログ遅延回路でもよいが、遅延時間を大きくしたときのパルス信号の波形の鈍りを回避するとともに上述のように遅延時間の調整を容易に行うために、デジタル遅延回路を利用するのが好ましい。
Each of the
遅延部17で所定の時間遅れを付加されたパルス信号15’は、サンプル/ホールド回路20にサンプリングパルス信号として供給される。したがって、サンプル/ホールド回路20は、受信部12から出力されたアナログ検出信号19を図2(b)に示すようなタイミングでサンプリングし、そのサンプル値をA/D変換部21によりデジタル信号に変換して出力する。即ち、非一定時間間隔でアナログ検出信号19はサンプリングされる。この点で、従来のラピッドスキャン方式におけるサンプリングとは全く異なる。サンプル/ホールド回路20にパルス信号15’が入力される毎に、1個のデジタル化された測定データが制御/処理部23に供給される。
The
また、時間遅れを付加されたパルス信号15’及び同じく時間遅れを付加された極性信号16’はカウンタ回路(CNT)22に入力され、ここで、走査範囲L内の位置情報に変換される。例えば光路長が増加する方向に変化している際にはパルス信号15’の入力毎にカウントアップし、光路長が減少する方向に変化している際にはパルス信号15’の入力毎にカウントダウンし、カウント値を位置情報として取り出すようにすることができる。制御/処理部23においては、内部のデータ格納部24に、カウンタ回路22から得られた位置情報に対応付けてA/D変換部21から得られた測定データを順番に格納してゆく。
Further, the
上記処理により、図3(a)に示すように、光路長の走査範囲Lの中で一定変位間隔ΔL毎に位置情報P0、P1、…、Pnが付与され、複数回往復走査が実行される過程で、図3(b)に示すように、位置情報が付与された各位置に対応して測定データが取得されることになる。上記カウンタ回路22のカウント値を位置情報P0、P1、…、Pnとする場合には、位置情報は0、1、2、…、nである。1回の片道走査で得られるn+1個の測定データは正確に一定変位間隔ΔL毎の位置情報を持つものであるから、測定データについてそうした位置のずれを補正することなく、同一位置情報を持つ複数の測定データに対し積算平均処理などを行うことができる。
By the above processing, as shown in FIG. 3A, position information P0, P1,..., Pn is given for each constant displacement interval ΔL within the scanning range L of the optical path length, and reciprocating scanning is executed a plurality of times. In the process, as shown in FIG. 3B, measurement data is acquired corresponding to each position to which position information is given. When the count value of the
以上のようにして、本実施例に係るテラヘルツ時間領域分光分析装置では、光路長を高速に且つ非等速で走査しながら、正確にフーリエ変換処理に供する測定データを収集することができる。 As described above, the terahertz time domain spectroscopic analyzer according to the present embodiment can accurately collect measurement data to be subjected to the Fourier transform process while scanning the optical path length at high speed and non-constant speed.
なお、図1に示した構成では、テラヘルツ波10について、平行光束で試料Sに照射され、その透過波を検出するようにしているが、テラヘルツ波10が試料Sに照射される形態は平行光束に限らず収束光束でも可能である。また試料Sの透過波に限らず反射波又は散乱波を検出する光学配置でもよい。
In the configuration shown in FIG. 1, the
また、レーザ干渉計8又はそれに相当する変位計がパルス信号15を出力する光路長の変位間隔ΔLは外部からの設定により可変であることが望ましい。これにより所望の測定条件に応じて、光路長走査部6の走査範囲L及び1走査当たりサンプリング点数を最適化することが可能になる。具体的には、例えばレーザ干渉計8を使用した場合に、レーザ干渉検出信号を分周回路により分周したものをパルス信号15として出力し、その分周回路の分周比を任意に設定できるようにしておくとよい。
Further, it is desirable that the displacement interval ΔL of the optical path length at which the laser interferometer 8 or a displacement meter corresponding thereto outputs the
また、レーザ干渉計8又はそれに相当する変位計から出力される信号に基づいて位置情報を作成する構成(手段)は上記記載のものに限定されない。例えば、変位計は上記のようなパルス信号や極性信号のほかに、変位量を反映した変位信号を出力し、これを受けた制御/処理部23でその変位量を演算処理することで上記と同様の位置情報を算出する構成としてもよい。
In addition, the configuration (means) for creating position information based on a signal output from the laser interferometer 8 or a displacement meter corresponding thereto is not limited to the above description. For example, the displacement meter outputs a displacement signal reflecting the displacement amount in addition to the pulse signal and the polarity signal as described above, and the control /
また上記実施例の構成では、ポンプ光3の光路の光路長を走査しているが、従来技術でも明らかなように、プローブ光4の光路の光路長を走査しても同様の測定が可能である。
Further, in the configuration of the above embodiment, the optical path length of the optical path of the
また上記実施例は本発明の一実施例であり、上述した各種変形のほかにも、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。 Further, the above embodiment is an embodiment of the present invention, and in addition to the above-described various modifications, any appropriate modifications, corrections, and additions within the scope of the present invention are included in the scope of the claims of the present application. Is natural.
1…レーザ光源
2…ビームスプリッタ
3…ポンプ光
4…プローブ光
5…反射鏡
6…光路長走査部
6a…移動鏡
7…駆動機構
8…レーザ干渉計
9…送信部
10、10’…テラヘルツ波
11…テラヘルツ波光学系
12…受信部
13…反射鏡
14…光路長調整部
15、15’…パルス信号
16、16’…極性信号
17、18…遅延部
19…アナログ検出信号
20…サンプル/ホールド回路
21…A/D変換部
22…カウンタ回路
23…制御/処理部
24…データ格納部
25…振幅/周波数制御信号
S…試料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laser
Claims (5)
a)前記第1光路又は第2光路の光路長を繰り返し連続的に走査するべく前記光路長走査手段を制御する制御手段と、
b)該制御手段による繰り返し走査の際に光路長の変位が一定分生じる毎にパルス信号を出力する変位検出手段と、
c)前記検出手段によるアナログ検出信号をサンプリングしてデジタル値に変換する信号変換手段であって、前記変位検出手段によるパルス信号又はそれに由来するパルス信号に同期してサンプリングを行う信号変換手段と、
を備えることを特徴とするテラヘルツ波応答測定装置。 A laser light source, terahertz wave generating means for generating a terahertz wave upon irradiation of laser light emitted from the laser light source, and irradiating the sample with the terahertz wave generated by the terahertz wave generating means and reflecting it by the sample A terahertz wave optical system that guides the transmitted or transmitted terahertz wave to the detection means described below, and the terahertz wave optical system receives the terahertz wave and the laser light that have arrived from the sample by the terahertz wave optical system, respectively, and the electric field of the terahertz wave and the laser light Detecting means for outputting a detection signal based on the intensity of the light, and changing the optical path length of either the first optical path from the laser light source to the terahertz wave generating means or the second optical path from the laser light source to the detecting means And an optical path length scanning unit for causing the optical path length scanning unit to change the optical path length based on a detection signal from the detection unit. In the terahertz wave response measuring device for obtaining information about the sample Te,
a) control means for controlling the optical path length scanning means to repeatedly and continuously scan the optical path length of the first optical path or the second optical path;
b) Displacement detecting means for outputting a pulse signal every time when the displacement of the optical path length occurs during the repeated scanning by the control means;
c) signal conversion means for sampling the analog detection signal by the detection means and converting it into a digital value, the signal conversion means for sampling in synchronization with the pulse signal by the displacement detection means or a pulse signal derived therefrom;
A terahertz wave response measuring apparatus comprising:
The terahertz wave response measuring apparatus according to claim 4, wherein the delay unit has a variable delay time.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006191030A JP4654996B2 (en) | 2006-07-12 | 2006-07-12 | Terahertz wave response measuring device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006191030A JP4654996B2 (en) | 2006-07-12 | 2006-07-12 | Terahertz wave response measuring device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008020268A JP2008020268A (en) | 2008-01-31 |
JP4654996B2 true JP4654996B2 (en) | 2011-03-23 |
Family
ID=39076321
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006191030A Expired - Fee Related JP4654996B2 (en) | 2006-07-12 | 2006-07-12 | Terahertz wave response measuring device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4654996B2 (en) |
Families Citing this family (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009300109A (en) * | 2008-06-10 | 2009-12-24 | Sony Corp | Terahertz wave measuring method and terahertz spectroscopic device |
JP5438327B2 (en) * | 2009-01-23 | 2014-03-12 | キヤノン株式会社 | Measuring device using terahertz waves |
JP5284184B2 (en) * | 2009-06-05 | 2013-09-11 | キヤノン株式会社 | Apparatus and method for acquiring time waveform of terahertz wave |
JP2015099379A (en) * | 2010-03-04 | 2015-05-28 | キヤノン株式会社 | Terahertz wave generating unit, terahertz wave detecting unit, and terahertz time-domain spectroscopic device |
JP5709562B2 (en) | 2010-03-04 | 2015-04-30 | キヤノン株式会社 | Terahertz wave generating element and terahertz time domain spectrometer |
JP5743453B2 (en) * | 2010-05-18 | 2015-07-01 | キヤノン株式会社 | Terahertz wave measuring apparatus and measuring method |
JP5669629B2 (en) | 2010-05-18 | 2015-02-12 | キヤノン株式会社 | Terahertz wave measuring apparatus and measuring method |
JP5967867B2 (en) * | 2010-06-03 | 2016-08-10 | キヤノン株式会社 | Terahertz wave generating element, terahertz wave detecting element, and terahertz time domain spectroscopic device |
JP5762214B2 (en) * | 2011-08-19 | 2015-08-12 | 株式会社Screenホールディングス | Electromagnetic pulse measuring device |
EP2679984A1 (en) * | 2012-06-29 | 2014-01-01 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method and arrangement for carrying out time-domain measurements |
US8546762B1 (en) | 2012-06-29 | 2013-10-01 | Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. | Method and arrangement for carrying out time-domain measurements |
CN106841093B (en) * | 2017-03-31 | 2023-09-08 | 山东省科学院自动化研究所 | Terahertz continuous wave rapid and accurate scanning system and method |
CN111982854B (en) * | 2020-08-27 | 2023-06-27 | 中电科思仪科技股份有限公司 | Substance terahertz spectrum analysis device based on frequency division multiplexing and analysis test method |
CN115185011B (en) * | 2022-08-15 | 2024-06-18 | 河北雄安太芯电子科技有限公司 | Target detection method applicable to terahertz detection |
CN117848991A (en) * | 2023-11-13 | 2024-04-09 | 长春理工大学中山研究院 | Terahertz long-distance detection method based on equivalent time sampling technology |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002277394A (en) * | 2001-03-15 | 2002-09-25 | Mitsuo Takeda | Method for optical measurement of optical physical property constant of dielectric substance, instrument therefor, and manufacturing system with the instrument assembled therein |
JP2002318191A (en) * | 2001-04-20 | 2002-10-31 | Horiba Ltd | Signal processing circuit of analyzer |
JP2004101257A (en) * | 2002-09-06 | 2004-04-02 | Communication Research Laboratory | Apparatus and method for image display of object by teraherz electromagnetic wave |
JP2004163281A (en) * | 2002-11-13 | 2004-06-10 | Tochigi Nikon Corp | Terahertz pulsed light measuring device |
JP2004212110A (en) * | 2002-12-27 | 2004-07-29 | Tochigi Nikon Corp | Spectroscope |
JP2005129732A (en) * | 2003-10-23 | 2005-05-19 | Tochigi Nikon Corp | Tera-hertz light generation device and tera-hertz light measuring instrument |
JP2006098216A (en) * | 2004-09-29 | 2006-04-13 | Japan Science & Technology Agency | Time series conversion pulse spectroscopic measuring instrument capable of detecting time series feeble signal, and method therefor |
JP2006266908A (en) * | 2005-03-24 | 2006-10-05 | Tochigi Nikon Corp | Instrument and method for measuring terahertz pulse light |
-
2006
- 2006-07-12 JP JP2006191030A patent/JP4654996B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002277394A (en) * | 2001-03-15 | 2002-09-25 | Mitsuo Takeda | Method for optical measurement of optical physical property constant of dielectric substance, instrument therefor, and manufacturing system with the instrument assembled therein |
JP2002318191A (en) * | 2001-04-20 | 2002-10-31 | Horiba Ltd | Signal processing circuit of analyzer |
JP2004101257A (en) * | 2002-09-06 | 2004-04-02 | Communication Research Laboratory | Apparatus and method for image display of object by teraherz electromagnetic wave |
JP2004163281A (en) * | 2002-11-13 | 2004-06-10 | Tochigi Nikon Corp | Terahertz pulsed light measuring device |
JP2004212110A (en) * | 2002-12-27 | 2004-07-29 | Tochigi Nikon Corp | Spectroscope |
JP2005129732A (en) * | 2003-10-23 | 2005-05-19 | Tochigi Nikon Corp | Tera-hertz light generation device and tera-hertz light measuring instrument |
JP2006098216A (en) * | 2004-09-29 | 2006-04-13 | Japan Science & Technology Agency | Time series conversion pulse spectroscopic measuring instrument capable of detecting time series feeble signal, and method therefor |
JP2006266908A (en) * | 2005-03-24 | 2006-10-05 | Tochigi Nikon Corp | Instrument and method for measuring terahertz pulse light |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2008020268A (en) | 2008-01-31 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4654996B2 (en) | Terahertz wave response measuring device | |
CN101210874B (en) | Method and apparatus for measuring terahertz time-domain spectroscopy | |
US11320309B2 (en) | Far-infrared spectroscopy device | |
US8638443B2 (en) | Error compensation in a spectrometer | |
WO2014203654A1 (en) | Distance measurement device, shape measurement device, processing system, distance measurement method, shape measurement method, and processing method | |
JP6386655B2 (en) | Terahertz wave generator and spectroscopic device using the same | |
US9012833B2 (en) | Terahertz wave measuring apparatus and measurement method | |
US20090302223A1 (en) | Method of measuring terahertz wave and terahertz spectroscopic apparatus | |
US8263937B2 (en) | Apparatus and method for acquiring time waveform of terahertz waves | |
JP2014106127A (en) | Terahertz wave measurement instrument and method | |
CN200996980Y (en) | Equipment for measuring terahertz time-domain spectrum | |
JP2013024728A (en) | Laser gas analyzer | |
US20180164211A1 (en) | Gas Detection Device and Gas Detection Method | |
KR101701409B1 (en) | Apparatus and method for generating high resolution and high sensitivie images using terahertz electromagnetic waves | |
JP2006266908A (en) | Instrument and method for measuring terahertz pulse light | |
JP2007101370A (en) | Terahertz spectral device | |
JP5127159B2 (en) | Measuring apparatus and measuring method | |
KR100996638B1 (en) | Terahertz Frequency Comb Fourier Transform Spectrometer and Spectroscopic Method | |
JP2016053540A (en) | Terahertz wave measurement device and adjustment method for terahertz wave measurement device | |
US10663347B2 (en) | Optical measurement apparatus and recording medium | |
US20230349761A1 (en) | Apparatus and method for dual comb spectroscopy | |
US11686617B2 (en) | Optical spectrum analyzer and pulse-modulated light measurement method | |
KR102381062B1 (en) | System and method for measuring spectrum of continuous terahertz wave | |
JP2010175332A (en) | Terahertz spectrometer | |
JP2016045099A (en) | Terahertz wave measurement device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20081212 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20101115 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20101124 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20101207 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140107 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140107 Year of fee payment: 3 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |