JP5125858B2 - 光学遅延装置 - Google Patents

Description

本発明は、おおよそ０．１×１０^１２［Hz］〜１００×１０^１２［Hz］帯域の電磁波（テラヘルツ波）を用いる技術に関するものである。

従来、テラヘルツ波分光技術として、テラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS：Terahertz Time-Domain Spectoroscopy）がある。テラヘルツ時間領域分光法は、試料のイメージングに適していることが知られており、工業、医療、バイオ、農業又はセキュリティなどの様々な技術分野において注目されている。

このテラヘルツ時間領域分光法では、超短レーザ光源からパルス光がポンプ光及びプローブ光に分光され、ポンプ光はテラヘルツ波発生部に集光される。これによりテラヘルツ波発生部ではサブピコ秒程度の電流又は電気分極が生成され、当該時間微分に比例した電界振幅をもつテラヘルツ波が発生する。このテラヘルツ波は、光学系を介して、測定試料を透過又は測定試料で反射した後、テラヘルツ波検出部に集光される。このとき、テラヘルツ波検出部にプローブ光が照射されるとキャリアが生成され、テラヘルツ波の電場によって加速されて電流が生じ、パルス状の電気信号となる。プローブ光がテラヘルツ波検出部に到達するタイミングをずらすことによって、テラヘルツ波の振幅電場の時間波形を測定し、該時間波形をフーリエ変換することによってテラヘルツ波帯域の透過又は反射スペクトルを得ることができる。

プローブ光がテラヘルツ波検出部に到達するタイミングをずらすものとして、リフロリフレクタ等を可動ステージによって移動させる時間遅延回路が提案されている（例えば特許文献１参照）。当該可動鏡を高速に移動させるものとして、一般にはリニアアクチュエータ等が用いられる。
特開２００２−９８６３４公報

ところでテラヘルツ帯の分光スペクトルにおける周波数分解能を向上させるためには、該テラヘルツ帯を測定するときのプローブ光の光学的遅延を行う可動ステージの移動量を大きくする必要がある。

一般に、直進走査の精度を維持したまま可動ステージの移動量を大きく、かつ、高速に駆動するためには、大きな力とこれを制御するサーボ技術が要求される。したがって、装置の小型化や高速化においては、可動ステージの移動度に制限が与えられる場合があり、この場合、周波数分解能が低減し、これに起因して測定精度が悪くなるという問題があった。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、測定精度を向上させ得る光学遅延装置を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明は、光学遅延装置であって、時間分解測定で用いられるプローブ光を透過又は反射するビームスプリッタと、ビームスプリッタから入射されるプローブ光の光軸に垂直となる反射面をもつミラーと、ビームスプリッタと、ミラーとの間に配置され、ビームスプリッタから入射されるプローブ光又はミラーから戻されるプローブ光に対して９０度の位相を与える１／４波長板と、ビームスプリッタと、１／４波長板との間に配置され、プローブ光の光路長に変位を与える光路長変位部とをもつ構成とした。

この光学遅延装置では、ビームスプリッタを透過（又は反射）した直線偏光のプローブ光は１／４波長板により円偏光とされ、ミラーにより１／４波長板に折り返された後、該１／４波長板によりビームスプリッタから入射される直線偏光のプローブ光とは直交する直線偏光とされてビームスプリッタを反射（又は透過）する。したがってこの光学遅延装置では、ビームスプリッタ及び１／４波長板間に配置される光路長変位部がプローブ光の光路長に変位を与えた場合、ビームスプリッタからミラーへの往路と、ミラーからビームスプリッタへの復路との２倍の変位を与えることができ、一方通行のプローブ光の光路長を変位させる場合に比して、プローブ光の到達時間をより一段と遅延させることが可能となる。

また本発明は、時間分解測定で用いられるポンプ光及びプローブ光のうち、該ポンプ光に対してプローブ光を遅延させる光学遅延装置であって、ポンプ光の光路上に配置され、入射されるポンプ光の光路を変更し、該変更されたポンプ光の折り返し光をポンプ光の光路上に戻す第１の光学部材と、プローブ光路上に配置され、入射されるプローブ光の光路を変更し、該変更されたプローブ光の折り返し光をプローブ光路上に戻す第２の光学部材と、第１の光学部材と、第２の光学部材とに対して離れる方向又は近づく方向へ相対的に移動可能に配置され、第１の光学学部材から入射されるポンプ光を該第１の光学学部材に折り返し、第２の光学部材から入射されるプローブ光を該第２の光学学部材に折り返す第３の光学部材とを含む構成とした。

この光学遅延装置では、ポンプ光は第１の光学部材により光路を変更され、第３の光学部材により第１の光学部材に折り返された後、該第１の光学部材によりポンプ光の光路上に戻される。一方、プローブ光は第２の光学部材により光路を変更され、第３の光学部材により第２の光学部材に折り返された後、該第２の光学部材によりプローブ光の光路上に戻される。また、この光学遅延装置では、第３の光学部材が、第１の光学部材と、第２の光学部材とに対して離れる方向又は近づく方向へ相対的に移動することによって第１の光学部材から入射されるポンプ光と、第２の光学部材から入射されるプローブ光との光路長を相対的に変位させる。

したがってこの光学遅延装置では、第１の光学部材及び第３の光学部材間の距離が短くなるほど、該第１の光学部材及び第３の光学部材間における往復分だけポンプ光の光路長が短くなるとともに、第２の光学部材及び第３の光学部材間における往復分だけプローブ光の光路長が長くなるため、プローブ光の光路長にだけ変位を与える場合に比して、プローブ光の到達時間をより一段と遅延させることが可能となる。

本発明によれば、単位変位量あたりのプローブ光の遅延量を増加させるようにしたことにより、時間遅延ステージの移動量に制限があっても、該遅延量を増加させない場合に比べて、テラヘルツ帯に対する時間遅延量を広げて分解能を向上させることができ、この結果、測定精度を向上させ得る光学遅延装置を実現できる。

以下図面について本発明の一実施の形態を詳述する。

（１）テラヘルツ分光装置の全体構成
図１において、本実施の形態によるテラヘルツ分光装置１０の全体構成を示す。このテラヘルツ分光装置１０は、超短パルス発振器１１、偏光ビームスプリッタ１２、テラヘルツ波発生部１３、時間遅延部１４、テラヘルツ波検出部１５及びコンピュータ１６を含む構成とされる。

超短パルス発振器１１は、例えば、６０［fs］程度のパルス幅、１００［MHz］程度の繰り返し周期、８００［nm］程度の中心波長をもつパルス光を出射する。この超短パルス発振器１１として、具体的には、チタンサファイアフェトム秒パルスレーザチタンやファイバーサフェトム秒レーザなどが適用される。

ビームスプリッタ１２は、超短パルス発振器１１から出射されるパルス光をポンプ光と、プローブ光とに分離する。ポンプ光は、所定の光学系を経てテラヘルツ波発生部１３に集光される。一方、プローブ光は、時間遅延部１４や所定の光学系を経てテラヘルツ波検出部１５に導かれる。

テラヘルツ波発生部１３は、ポンプ光をトリガとして電界振幅をもつテラヘルツ波を発生させる。このテラヘルツ波発生部１３として、具体的には、半絶縁性ＧａＡｓ等でなる半導体基板、該半導体基板上に形成される１対の電極及びその電極にバイアス電圧を印加する印加部を含む構成の光伝導アンテナなどが適用される。差周波混合によるテラヘルツ波発生法として用いられるＺｎＴｅ等の電気光学結晶を適用することも可能である。

テラヘルツ波発生部１３から発生したテラヘルツ波は、テラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳを経て、可動ステージＳＴに配置される試料ＳＰＬに導かれ、試料ＳＰＬを透過又は試料ＳＰＬで反射したテラヘルツ波は、テラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳを経てテラヘルツ波検出部１５に集光される。

時間遅延部１４は、テラヘルツ波検出部１５に対するプローブ光の到達時間（テラヘルツ波検出部１５に対する励起タイミング）を遅延させる。

テラヘルツ波検出部１５は、試料ＳＰＬを透過又は試料ＳＰＬで反射した後にテラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳを経て導かれるテラヘルツ波を検出する。すなわちテラヘルツ波検出部１５は、テラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳを経て導かれるテラヘルツ波に応じた電場を生じさせ、時間遅延部１４によって遅延されたプローブ光の到達タイミングで、当該テラヘルツ波の振動電場の波形をサンプリングする。このテラヘルツ波検出部１５は、具体例として、テラヘルツ波発生部１３と同様に、光伝導アンテナや、ＺｎＴｅ等の電気光学結晶などが適用される。

コンピュータ１６は、試料ＳＰＬとして測定対象が配置面に配された状態でテラヘルツ波検出部１５によって計測されるテラヘルツ波の振動電場の波形（以下、これを第１のテラヘルツ波形とも呼ぶ）と、該試料ＳＰＬとして測定基準とされる物体（例えば金属鏡又はシリコン基板等）が配置面に配された状態でテラヘルツ波検出部１５によって計測されるテラヘルツ波の振動電場の波形（以下、これを第２のテラヘルツ波形とも呼ぶ）とを取得する。ちなみに、第２の検出信号については、コンピュータ１６内の記憶部に予め記憶させ、該記憶部から取得するようにしてもよい。

コンピュータ１６は、第１のテラヘルツ波形及び第２のテラヘルツ波形を取得した場合、これら双方のテラヘルツ波形をフーリエ変換し、その変換結果として得られるスペクトルの比から、広範囲となるテラヘルツ帯での透過スペクトル又は反射スペクトルを取得する。そしてコンピュータ１６は、このスペクトルに基づいて、測定対象の複素誘電率あるいは光学定数を算出し、該算出結果から測定対象の成分、濃度又は状態（形状）などに関連する情報を生成するようになされている。

このようにこのテラヘルツ分光装置１０は、テラヘルツ時間領域分光法を採用することで、遠赤外光を用いたフーリエ分光法と比べて、この周波数帯域におけるＳ／Ｎ比が高く、また振幅情報と位相情報とを同時に得ることができ、この結果、高い精度で測定対象に関する情報を取得できるようになされている。

（２）第１の実施の形態による時間遅延部の構成
次に、第１の実施の形態による時間遅延部１４の構成について図２を用いて説明する。この図２における時間遅延部１４は、直線偏光のプローブ光を透過又は反射する偏光ビームスプリッタ２１と、その偏光ビームスプリッタ２１から入射されるプローブ光の光軸に垂直となる反射面をもつミラー２２とをもつ。

また偏光ビームスプリッタ２１と、ミラー２２との間には、１／４波長板２３が配置され、１／４波長板２３と、偏光ビームスプリッタ２１との間には、直角プリズム２４及びリトロリフレクタ２５が配置される。

リトロリフレクタ２５は、直角プリズム２４に対して離れる方向又は近づく方向へプローブ光の光軸に沿って移動可能な可動ステージに配置されており、ポンプ光の光路長と同長となる位置から、直角プリズム２４に対して離れる方向へ所定の速度で直進移動される。

ビームスプリッタ１２から導かれるプローブ光は偏光ビームスプリッタ２１に入射し、該偏光ビームスプリッタ２１によって直線偏光（例えば紙面に対して平行なＰ偏光）のプローブ光に変換される。

この直線偏光のプローブ光は、２７０度をなす反射面をもつ直角プリズム２４の一方の反射面で折り曲げられ、互いに直交する３つの反射面をもつリトロリフレクタ２５によって直角プリズム２４の他方の反射面に折り返される。

直角プリズム２４に折り返された直線偏光のプローブ光は、該直角プリズム２４の他方の反射面で折り曲げられ、１／４波長板２３によって９０度の位相が与えられて円偏光（円偏光に近い楕円偏光も含む）に変換される。

円偏光のプローブ光は、ミラー２２によって１／４波長板２３に戻され、該１／４波長板２３によって９０の位相が与えられて、偏光ビームスプリッタ２１から直角プリズム２４に入射する直線偏光（Ｐ偏光）の偏光方向とは直交する直線偏光（Ｓ偏光）に変換される。

この直線偏光のプローブ光は、直角プリズム２４の他方の反射面で反射し、リトロリフレクタ２５によって直角プリズム２４の一方の反射面に折り返され、該一方の反射面で反射して偏光ビームスプリッタ２１に入射する。

この偏光ビームスプリッタ２１に入射する直線偏光（Ｓ偏光）のプローブ光は、該偏光ビームスプリッタ２１を出射する直線偏光のプローブ光（Ｐ偏光）とは直交する関係にあるため反射し、テラヘルツ波検出部１５に導かれる。

以上の構成において、第１の実施の形態による時間遅延部１４は、ビームスプリッタ１２から入射されるプローブ光を、偏光ビームスプリッタ２１とミラー２２との間で往復させテラヘルツ波検出部１５に導く。

この時間遅延部１４では、偏光ビームスプリッタ２１とミラー２２との間に配置された１／４波長板２３が、往復路でのプローブ光の偏光状態を区別するものとして機能するため、プローブ光の導波路を往復路として共用しつつもそのプローブ光の干渉を抑えることができる。

またこの時間遅延部１４では、偏光ビームスプリッタ２１と１／４波長板２３との間に配置された直角プリズム２４に対して、ポンプ光の光路長と同長となる位置から離れる方向へ所定の速度で直進移動されるリトロリフレクタ２５が、プローブ光の光路長を変位させるものとして機能するため、該変位に応じてテラヘルツ波検出部１５に対するプローブ光の到達時間を遅延させることができる。

ここで、リトロリフレクタ２５における単位時間の移動距離を「Δｘ」とすると、ビームスプリッタ１２とテラヘルツ波検出部１５との間における光路の変位量は、直角プリズム２４からリトロリフレクタ２５までと、リトロリフレクタ２５から直角プリズム２４までの変位分（２Δｘ）の２倍となる。

したがって、この時間遅延部１４は、プローブ光を往復させない場合に比べると、移動距離が同じであっても、テラヘルツ波検出部１５に対するプローブ光の到達時間を２倍だけ遅延させることができるため、該テラヘルツ波検出部１５でのテラヘルツ帯に対する測定幅（ダイナミックレンジ）を広げて分解能を向上させることができる。

ところで、可動ステージの駆動方式には、ステッピングモータ、リニアモータ、ボイスコイルモータ又はピエゾ素子を用いた各種駆動方式がある。なかでも、ピエゾ素子を用いた駆動方式では小型で高精度、かつ高速駆動が可能となるが移動量が小さいことが欠点であった。これを補足等する技術としても、移動量が小さくても時間遅延量を増大することができるこの時間遅延部１４は特に有用となる。

以上の構成によれば、ビームスプリッタ１２から入射されるプローブ光を、偏光ビームスプリッタ２１とミラー２２との間で往復させテラヘルツ波検出部１５に導くようにしたことにより、テラヘルツ波検出部１５でのテラヘルツ帯に対する測定幅を広げて分解能を向上させることができ、この結果、測定精度を向上し得るテラヘルツ分光装置１０を実現できる。

なお上述の第１の実施の形態では、可動ステージに対して１つのリトロリフレクタ２５が配置された時間遅延部１４を適用したが、複数のリトロリフレクタが配置された時間遅延部１４を適用するようにしてもよい。

例えば、図２との対応部分に同一符号を付した図３に示す時間遅延部１４を適用することができる。この図３に示す時間遅延部１４では、可動対象とすべき複数の直角プリズム２４_１〜２４_３が、底角をなす２辺の交点を１列に並べて配され、非可動対象とすべき複数の直角プリズム２４_４〜２４_７が、それら頂点と、直角プリズム２４_１〜２４_３における交点とが対向される状態で、底角をなす２辺の交点を１列に並べて配される。

偏光ビームスプリッタ２１から出射されるプローブ光の入射先を、可動対象ではなく非可動対象の直角プリズム２４_１〜２４_３とすることで、テラヘルツ検出部１５に対するプローブ光の導光安定性を向上することができる。

また、プローブ光の入射先を、非可動対象の直角プリズム２４_１〜２４_３とし、かつ、可動対象の直角プリズムの数を、該非可動対象よりも１つ多くすることで、反射点数を極力低減でき、この結果、照射効率を向上させることが可能となる。

また別例として、図２との対応部分に同一符号を付した図４に示す時間遅延部１４を適用することができる。この図４に示す時間遅延部１４では、リトロリフレクタを一列に並べた状態で一体に成形された光学部材（以下、これを一体成形リフレクタとも呼ぶ）３１及び３２が対向配置される。

この時間遅延部１４では、偏光ビームスプリッタ１２とテラヘルツ波検出部１５との間における光路の変位量は、一体成形リフレクタ３１から一体成形リフレクタ３２までと、一体成形リフレクタ３２から一体成形リフレクタ３１までの変位分（６Δｘ）の２倍となるため、図２に示す時間遅延部１４に比べてより一段と分解能を向上させることが可能となる。

またこの時間遅延部１４では、一体成形リフレクタ３１、３２を１つの光学部材として成形できるため、個々のリトロリフレクタ２５を並べて配置する場合に比して、光学部品自体の精度を向上させることができるとともに、光軸設計の簡易化することができる。

さらにこの時間遅延部１４では、同一の一体成形リフレクタ３１、３２を対向配置できるため、図２に示す時間遅延部１４のように異なる光学部品（直角プリズム２４、リトロリフレクタ２５）を対向配置する場合に比して、光学部品自体の精度を向上させることができるとともに、光軸設計の簡易化することができる。

また上述の第１の実施の形態では、１つの平面上でプローブ光を往復させる時間遅延部１４を適用したが、異なる複数の平面上で立体的にプローブ光を往復させる時間遅延部１４を適用するようにしてもよい。例えば、図２との対応部分に同一符号を付した図５に示す時間遅延部１４を適用することができる。

この図５に示す時間遅延部１４は、図２に示す時間遅延部１４とはリトロリフレクタの配置位置を異にする。すなわち、図２に示すリトロリフレクタ２５は、偏光ビームスプリッタ２１から入射されるプローブ光に対して直角プリズム２４により９０度折り曲げられた方向に反射面をもつように配置されるのに対し、図５に示すリトロリフレクタ４１は、偏光ビームスプリッタ２１から入射される方向に反射面をもつように配置される。

またこの図５に示す時間遅延部１４は、図２に示す時間遅延部１４とはリフロリフレクタ４２及びミラー４３をさらに有する点で異にする。

具体的にこの図５に示す時間遅延部１４では、ビームスプリッタ１２から導かれるプローブ光は偏光ビームスプリッタ２１を透過し、直線偏光（例えば紙面に対して平行なＰ偏光）となる。このプローブ光は、偏光ビームスプリッタ２１に対して離れる方向又は近づく方向へプローブ光の光軸に沿って移動可能な可動ステージに配されるリトロリフレクタ４１及び１／４波長板２３の往路を経る。この往路を経たプローブ光はミラー２２により戻されて、１／４波長板２３及びリトロリフレクタ４１の復路を経る。

復路を経たプローブ光は、往路での直線偏光（Ｐ偏光）とは直交する関係（Ｓ偏光）にあるため偏光ビームスプリッタ２１の偏光面で反射してリフロリフレクタ４２に出射し、該リフロリフレクタ４２によって、該偏光面での反射位置とは異なる位置に折り返される。偏光面に折り返されたプローブ光は、最初の往復光路の面に平行となる面上で、リトロリフレクタ４１及び１／４波長板２３を往復する。

２度目の復路を経たプローブ光は、最初の往路での直線偏光（Ｐ偏光）と同方向の関係（Ｐ偏光）にあるため偏光ビームスプリッタ２１の偏光面を透過し、ミラー４３によってテラヘルツ波検出部１５に導かれる。

このように図５に示す時間遅延部１４は、偏光ビームスプリッタ２１及びミラー２２間を往復して偏光ビームスプリッタ２１から反射されるプローブ光を、その反射位置とは異なる位置にリフロリフレクタ４２で戻して、最初の往復光路の面に平行となる面上で、偏光ビームスプリッタ２１及びミラー２２間を再往復させるようになされている。

なお、図５に示す時間遅延部１４のうち、リトロリフレクタ４２及びミラー４３を除いた場合、図２に示す時間遅延部１４における直角プリズム２４を省略して小型化を図りつつも、該図２に示す時間遅延部１４と同じ効果を得ることができる。

また、図２〜図５に示す時間遅延部１４では、偏光ビームスプリッタ２１で透過されるＰ偏光のプローブ光を往復経路に導くようにしたが、該偏光ビームスプリッタ２１で反射したＳ偏光のプローブ光を往復経路に導くようにしてもよい。

また、図２〜図５に示すリトロリフレクタ２５、４１及び４２並びに一体成形リフレクタ３１、３２は、ルーフミラーに変更するようにしてもよい。また、機能を同じとするものであれば、適用すべき光学部材の種類、数及び材質等は適宜選択して、リトロリフレクタやルーフミラー以外の他の光学部材を構築することもできる。直角プリズム２４についても同様である。

（３）第２の実施の形態による時間遅延部
次に、第２の実施の形態による時間遅延部１４の構成について図６を用いて説明する。この図６に示す時間遅延部１４では、ビームスプリッタ１２及びテラヘルツ波発生部１３間におけるポンプ光の光路上に直角プリズム５１が配置される。

一方、ビームスプリッタ１２及びテラヘルツ波検出部１５間におけるプローブ光の光路上に、直角プリズム５１と同じ反射面をもつ直角プリズム５２が、該直角プリズム５１の反射面と向き合う状態で配置される。したがって、直角プリズム５１によって折り曲げられるプローブ光の光軸と、直角プリズム５２によって折り曲げられるプローブ光の光軸とは一致する関係にある。

また、直角プリズム５１及び直角プリズム５２間には、直角プリズム５１の反射面に対応する反射面をもつリトロリフレクタ５３ａと、直角プリズム５２の反射面に対応する反射面をもつリトロリフレクタ５３ｂとを含むポンププローブ光折返ミラー５３が、当該直角プリズム５１及び直角プリズム５２に対して離れる方向又は近づく方向へ相対的に直進移動可能な可動ステージに配置される。

この実施の形態の場合、ポンププローブ光折返ミラー５３の移動開始位置を、直角プリズム５２に最も接近する位置（図６における〔Ａ〕の位置）として、当該位置でのプローブ光に対するポンプ光の光路長が光路調和部ＲＭによって調整される。

ビームスプリッタ１２から導かれるポンプ光は直角プリズム５１の一方の反射面で反射し、ポンププローブ光折返ミラー５３における一方のリトロリフレクタ５３ａによって直角プリズム５１の他方の反射面に折り返され、テラヘルツ波発生部１３に導かれる。

一方、ビームスプリッタ１２から導かれるプローブ光は直角プリズム５２の一方の反射面で反射し、ポンププローブ光折返ミラー５３における一方のリトロリフレクタ５３ｂによって直角プリズム５２の他方の反射面に折り返された後、光路調整部ＲＭを経てテラヘルツ波検出部１５に導かれる。

以上の構成において、第２の実施の形態による時間遅延部１４では、直角プリズム５２の接近位置から、該直角プリズム５２に対向配置される直角プリズム５１に近づく方向へ所定の速度で直進移動されるポンププローブ光折返ミラー５３が、直角プリズム５１から入射されるポンプ光と、直角プリズム５２から入射されるプローブ光との光路長を相対的に変位させるものとして機能するため、該変位に応じてテラヘルツ波検出部１５に対するプローブ光の到達時間を遅延させることができる。

ここで、ポンププローブ光折返ミラー５３が、移動開始位置から直角プリズム５１に向かって所定の速度で移動される場合、ポンプ光の光路長をＴ１とし、プローブ光の光路長をＴ２とし、テラヘルツ波発生素子１３に対するポンプ光の到達時間とテラヘルツ波検出素子１５に対するプローブ光の到達時間との差をΔＴとすると、例えば図７に示すように、ポンプ光の光路長Ｔ１とプローブ光の光路長とが同じとなった時点（図中では「０」）から、ポンププローブ光折返ミラー５３が直角プリズム５１に近づくほど、ポンプ光の光路長が短くかつプローブ光の光路長が長くなる。

ポンププローブ光折返ミラー５３における単位時間の移動距離を「Δｘ」とすると、ポンプ光の光路の変位量は、直角プリズム５１からリトロリフレクタ５３ａまでと、リトロリフレクタ５３ａから直角プリズム５１までの変位分（−２Δｘ）となる。一方、プローブ光の光路の変位量は、直角プリズム５２からリトロリフレクタ５３ｂまでと、リトロリフレクタ５３ｂから直角プリズム５２までの変位分（２Δｘ）となる。

したがって、この時間遅延部１４は、図２に示す時間遅延部１４と比べると、移動距離が同じであっても、ポンプ光に対するプローブ光の到達時間を２倍をも遅延させることができるため、該テラヘルツ波検出部１５でのテラヘルツ帯に対する測定幅（ダイナミックレンジ）を広げて分解能を向上させることができる。

ところで、上述の第１の実施の形態と同様に、ピエゾ素子を用いた駆動方式を補足等する技術として、移動量が小さくても時間遅延量を増大することができるこの時間遅延部１４は特に有用となる。

さらにこの時間遅延部１４は、図２に示す時間遅延部１４と比べると、１／４波長板２３および偏光ビームスプリッタ２１を設ける必要がなく偏光制御も不要となるため、光学的な構成を簡易化することができる。

以上の構成によれば、ポンプ光とプローブ光との光路長を相対的に変位させるようにしたことにより、テラヘルツ波検出部１５でのテラヘルツ帯に対する測定幅を広げて分解能を向上させることができ、この結果、測定精度を向上し得るテラヘルツ分光装置１０を実現できる。

なお上述の第２の実施の形態では、直角プリズム５１及び５２を対向配置するようにした場合について述べたが、必ずしも対向配置しなくともよい。直角プリズム５１及び５２を対向配置させない場合、可動ステージの可動面積が大きくなったり、ポンププローブ光折返ミラー５３におけるリトロリフレクタ５３ａと、リトロリフレクタ５３ｂとの位置関係を変える必要性があるが、ポンプ光の光路長とプローブ光の光路長との相対変位させることは可能であり、直角プリズム５１及び５２を対向配置する場合と同様に、分解能を向上させることができる。

また、入射されるポンプ光（又はプローブ光）の光路を変更し、該変更されたポンプ光（又はプローブ光）の折り返し光を該ポンプ光（又はプローブ光）の光路上に戻すものであれば、直角プリズム５１及び５２に限らず、適用すべき光学部材の種類、数及び材質等を適宜選択して他の光学部材を構築することができる。

さらに、直角プリズム５１、直角プリズム５２から入射されるポンプ光、プローブ光を該直角プリズム５１、直角プリズム５２に折り返すものであれば、ポンププローブ光折返ミラー５３を、リトロリフレクタ５３ａ及び５３ｂで構築する場合に限らず、適用すべき光学部材の種類、数及び材質等を適宜選択して他の光学部材を構築することができる。

（４）第３の実施の形態による時間遅延部
次に、第３の実施の形態による時間遅延部１４の構成について図８を用いて説明する。この図８に示す時間遅延部１４は、図４に示す時間遅延部１４と、図６に示す時間遅延部１４との組み合わせによるものである。

具体的には、例えば図６に示す時間遅延部１４を基準とした場合、直角プリズム５１、５２に代えて、一体成形リフレクタ３１ａ、３１ｂが配置され、またリトロリフレクタ５３ａ及び５３ｂを含むポンププローブ光折返ミラー５３に代えて、一体成形リフレクタ３２ａ、３２ｂを含むポンププローブ光折返ミラー７０が配置される。

この図８に示す時間遅延部１４では、ポンプ光の光路の変位量は、一体成形リフレクタ３１ａから一体成形リフレクタ３２ａまでと、一体成形リフレクタ３２ａから一体成形リフレクタ３１ａまでの変位分（−６Δｘ）となる一方、プローブ光の光路の変位量は、一体成形リフレクタ３１ｂから一体成形リフレクタ３２ｂまでと、一体成形リフレクタ３２ｂから一体成形リフレクタ３１ｂまでの変位分（６Δｘ）となる。

したがって、この時間遅延部１４は、図２に示す時間遅延部１４と比べると、移動距離が同じであっても、ポンプ光に対するプローブ光の到達時間を６倍をも遅延させることができる。

（５）第４の実施の形態による時間遅延部
次に、第４の実施の形態による時間遅延部１４の構成について図９を用いて説明する。この図９に示す時間遅延部１４は、図６に示す時間遅延部１４に対して、図２に示す時間遅延部１４における構成の一部を加えたものである。

具体的には、ビームスプリッタ１２と、直角プリズム５１、５２との間に偏光ビームスプリッタ２１ａ、２１ｂが配置される。また直角プリズム５１、５２の他方の反射面で折り曲げられるポンプ光、プローブ光の光軸に垂直となる反射面をもつミラー２２ａ、２２ｂが配置され、該ミラー２２ａ、２２ｂと直角プリズム５１、５２との間に１／４波長板２３ａ、２３ｂが配置される。

この図９に示す時間遅延部１４では、ポンプ光の光路の変位量は、直角プリズム５１からリトロリフレクタ５３ａまでと、リトロリフレクタ５３ａから直角プリズム５１までの変位（−２Δｘ）の往復分となる一方、プローブ光の光路の変位量は、直角プリズム５２からリトロリフレクタ５３ｂまでと、リトロリフレクタ５３ｂから直角プリズム５２までの変位（２Δｘ）の往復分となる。

したがって、この時間遅延部１４は、図２に示す時間遅延部１４と比べると、移動距離が同じであっても、ポンプ光に対するプローブ光の到達時間を４倍をも遅延させることができる。

（６）第１〜第４の実施の形態に共通する他の実施の形態
上述の実施の形態においては、時間分解測定で用いられるプローブ光を遅延させる光学遅延装置として、ＴＨｚ−ＴＤＳで用いられるプローブ光を遅延させる時間遅延部１４を適用するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば、レーザ誘起蛍光寿命の測定、励起分子等の過渡吸収分光、ラマン分光などの時間分解測定方法（ＦＴＳ(Fourier Transform Spectroscopy)）で用いられるプローブ光を遅延させるもの等に適用するようにしてもよい。

本発明は、工業、医療、バイオ、農業、セキュリティ又は情報通信・エレクトロニクスなどの産業上において利用可能である。

テラヘルツ分光装置の全体構成を示す概略図である。 第１の実施の形態による時間遅延部の構成を示す略線図である。 他の実施の形態による時間遅延部（１）の構成を示す略線図である。 他の実施の形態による時間遅延部（２）の構成を示す略線図である。 他の実施の形態による時間遅延部（３）の構成を示す略線図である。 第２の実施の形態による時間遅延部の構成を示す略線図である。 ポンプ光とプローブ光の相対的な遅延関係を示す略線図である。 第３の実施の形態による時間遅延部の構成を示す略線図である。 第４の実施の形態による時間遅延部の構成を示す略線図である。

符号の説明

１０……テラヘルツ分光装置、１１……超短パルス発振器、１２……ビームスプリッタ、１３……テラヘルツ波発生部、１４……時間遅延部、１５……テラヘルツ波検出部、１６……コンピュータ、２１……偏光ビームスプリッタ、２２、４３、８１ａ、８１ｂ……ミラー、２３……１／４波長板、２４、５１、５２……直角プリズム、２５、４１、４２、５３ａ、５３ｂ……リトロリフレクタ、３１、３２……一体成形リフレクタ、５３、７０……ポンププローブ光折返ミラー、ＲＭ……光路調和部、ＳＰＬ……試料、ＳＴ……可動ステージ。

Claims (9)

1. 時間分解測定で用いられるプローブ光を透過又は反射するビームスプリッタと、
   上記ビームスプリッタから入射されるプローブ光を折り返すミラーと、
   上記ビームスプリッタと、上記ミラーとの間に配置され、上記ビームスプリッタから入射されるプローブ光又は上記ミラーから折り返されるプローブ光に対して９０度の位相を与える１／４波長板と、
   上記ビームスプリッタと、上記１／４波長板との間に配置され、プローブ光の光路長に変位を与える光路長変位部と
   を有する光学遅延装置。
2. 上記光路長変位部は、
   上記ビームスプリッタから入射されるプローブ光を折り曲げ、該折り曲げられたプローブ光の折り返し光を上記１／４波長板に出射し、上記１／４波長板から入射されるプローブ光を折り曲げ、該折り曲げられたプローブ光の折り返し光を上記ビームスプリッタに出射する第１の光学部材と、
   開始位置から上記第１の光学部材に対して離れる方向へ所定の速度で移動され、上記第１の光学部材で折り曲げられたプローブ光の折り返し光を該第１の光学部材に与える第２の光学部材と
   を有する請求項１に記載の光学遅延装置。
3. 上記第２の光学部材は、
   上記第１の光学部材に対して離れる方向へ所定の速度で直進移動される、請求項２に記載の光学遅延装置。
4. 上記第１の光学部材は、
   Ｎ個の直角プリズムを、底角をなす２辺の交点を１列に並べて配してなり、
   上記第２の光学部材は、
   （Ｎ＋１）個の直角プリズムを、それら頂点と、上記Ｎ個の直角プリズムにおける交点とが対向される状態で、底角をなす２辺の交点を１列に並べて配してなる、請求項２に記載の光学遅延装置。
5. 上記光路長変位部は、
   開始位置から上記ビームスプリッタに対して離れる方向へ所定の速度で移動され、上記ビームスプリッタから上記１／４波長板に又は上記１／４波長板から上記ビームスプリッタにプローブ光を導く光学部材である、請求項１に記載の光学遅延装置。
6. 上記ビームスプリッタから出射するプローブ光を、該プローブ光の出射位置とは異なる位置に入射させる光学部材
   を有する請求項５に記載の光学遅延装置。
7. 時間分解測定で用いられるポンプ光及びプローブ光のうち、該ポンプ光に対してプローブ光を遅延させる光学遅延装置であって、
   ポンプ光の光路上に配置され、入射されるポンプ光の光路を変更し、該変更されたポンプ光の折り返し光を上記ポンプ光の光路上に戻す第１の光学部材と、
   プローブ光路上に配置され、入射されるプローブ光の光路を変更し、該変更されたプローブ光の折り返し光を上記プローブ光路上に戻す第２の光学部材と、
   上記第１の光学部材と、上記第２の光学部材とに対して離れる方向又は近づく方向へ相対的に移動可能に配置され、上記第１の光学学部材から入射されるポンプ光を該第１の光学学部材に折り返し、上記第２の光学部材から入射されるプローブ光を該第２の光学学部材に折り返す第３の光学部材と
   を有する光学遅延装置。
8. 上記第１の光学部材と、上記第２の光学部材とは直角プリズムでなり、互いに対向される、請求項７に記載の光学遅延装置。
9. 上記第３の光学部材は、
   開始位置から上記第１の光学部材に対して近づく方向へ所定の速度で直進移動される、請求項７に記載の光学遅延装置。

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