JP5148382B2 - 光測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ポンプ−プローブ法による被測定物の測定に関する。

従来より、テラヘルツエミッターから被測定物に与えられたテラヘルツ光（パルスである）が被測定物を透過したものと、テラヘルツ光のパルス周期とわずかに異なるパルス周期の光とをテラヘルツディテクターで受けて、被測定物を測定する方法が知られている（例えば、特許文献１の要約を参照）。

さらに、被測定物にポンプ光を照射したときの被測定物の応答を、被測定物にプローブ光を照射することにより測定するポンプ−プローブ法も知られている（例えば、特許文献２の要約を参照）。

ポンプ−プローブ法により、被測定物の応答を測定する場合、ポンプ光に対するプローブ光の遅延時間を細かく変化させながら、測定を行う。例えば、被測定物の応答を100[ps]にわたって測定したい場合は、遅延時間を0.1[ps]づつずらしながら測定を行う。この場合、測定を100/0.1 = 1000回行うことになる。また、1回の測定につき1分程度かかることが見込まれる。よって、被測定物の応答を100[ps]にわたって測定するためには、1000回×1分＝1000分かかることになる。

国際公開第２００６／０９２８７４号パンフレット 特開２００６−２４２６１５号公報

しかしながら、ポンプ−プローブ法による測定にかかる時間は長すぎる。

そこで、本発明は、ポンプ−プローブ法による測定にかかる時間を短くすることを課題とする。

本発明にかかる光測定装置は、被測定物にプローブ光パルスを与えるプローブ光付与部と、前記被測定物にポンプ光パルスを与えるポンプ光付与部と、前記プローブ光パルスおよび前記ポンプ光パルスが与えられたことに対する前記被測定物からの応答光パルスと、サンプリング光パルスとを受け、前記サンプリング光パルスを受けた時点で前記応答光パルスを検出する応答光検出部と、を備え、前記プローブ光パルス、前記ポンプ光パルスおよび前記サンプリング光パルスの繰り返し周波数がそれぞれ異なるものであるように構成される。

上記のように構成された光測定装置によれば、プローブ光付与部が、被測定物にプローブ光パルスを与える。ポンプ光付与部が、前記被測定物にポンプ光パルスを与える。応答光検出部が、前記プローブ光パルスおよび前記ポンプ光パルスが与えられたことに対する前記被測定物からの応答光パルスと、サンプリング光パルスとを受け、前記サンプリング光パルスを受けた時点で前記応答光パルスを検出する。さらに、前記プローブ光パルス、前記ポンプ光パルスおよび前記サンプリング光パルスの繰り返し周波数がそれぞれ異なるものである。

なお、本発明にかかる光測定装置は、前記プローブ光パルスの繰り返し周波数をf_rep1、前記サンプリング光パルスの繰り返し周波数をf_rep2、前記ポンプ光パルスの繰り返し周波数をf_rep3、としたときに、（1／f_rep1−1／f_rep3）（1／| f_rep1−f_rep2|）f_rep1が、前記応答光パルスを測定する時間の範囲の長さよりも短いようにしてもよい。

なお、本発明にかかる光測定装置は、前記応答光パルスが、前記プローブ光パルスが前記被測定物を透過した光、または、前記プローブ光パルスが前記被測定物により反射された光であるようにしてもよい。

なお、本発明にかかる光測定装置は、前記プローブ光パルスのうちの一つのパルスと、前記ポンプ光パルスのうちの一つのパルスと、前記サンプリング光パルスのうちの一つのパルスとの間の時間の間隔を所定の間隔に制御する間隔制御部を備えるようにしてもよい。

なお、本発明にかかる光測定装置は、前記プローブ光付与部が、レーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を受け、前記プローブ光を出射する光伝導スイッチとを有するようにしてもよい。

なお、本発明にかかる光測定装置は、前記プローブ光付与部が、レーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を受け、前記プローブ光を出射する非線形光学結晶とを有するようにしてもよい。

なお、本発明にかかる光測定装置は、前記応答光検出部が光伝導スイッチであるようにしてもよい。

なお、本発明にかかる光測定装置は、前記応答光検出部が、前記応答光パルスを受けることにより屈折率が変化し、前記サンプリング光パルスを受けたときに、前記サンプリング光パルスの偏光状態を変化させて出力する電気光学結晶と、前記電気光学結晶の出力の偏光状態に応じた強度の光を出力する検光子と、前記検光子の出力の強度を検出する光強度検出器とを有するようにしてもよい。

なお、本発明にかかる光測定装置は、前記応答光検出部により検出された前記応答光パルスに基づき、前記被測定物の特性を測定する特性測定部を備えるようにしてもよい。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態にかかる光測定装置１の構成を示す機能ブロック図である。光測定装置１は、第一ポンプレーザ１０ａ、第二ポンプレーザ１０ｂ、第三ポンプレーザ（ポンプ光付与部）１０ｃ、テラヘルツ光出力器１１、同期制御部（間隔制御部）１２、テラヘルツ光検出器（応答光検出部）１４、電流アンプ１６、Ａ／Ｄコンバータ１７、ＦＦＴ部１８ａ、データ処理部１８ｂ、ミラーＭを備える。

なお、第一ポンプレーザ１０ａおよびテラヘルツ光出力器１１が、プローブ光付与部１００を構成する。また、ＦＦＴ部１８ａおよびデータ処理部１８ｂが、特性測定部１８を構成する。

なお、光測定装置１は、被測定物２の特性（例えば、複素屈折率、複素誘電率、複素伝導率など）を測定するためのものである。

プローブ光付与部１００は、被測定物２にプローブ光Ｐ１を与える。なお、プローブ光Ｐ１はパルスである。第一ポンプレーザ１０ａは、繰り返し周波数f_rep1のレーザを出力するレーザ光源である。テラヘルツ光出力器１１は、第一ポンプレーザ１０ａから繰り返し周波数f_rep1のレーザを受けて、繰り返し周波数f_rep1のテラヘルツ光（すなわち、繰り返し周波数f_rep1のプローブ光Ｐ１）を出射する。テラヘルツ光出力器１１は、光伝導スイッチまたは非線形光学結晶である。

第二ポンプレーザ１０ｂは、サンプリング光Ｐ２を出力するレーザ光源である。サンプリング光Ｐ２はパルスであり、その繰り返し周波数はf_rep2である。

第三ポンプレーザ（ポンプ光付与部）１０ｃは、ポンプ光Ｐ３を出力するレーザ光源であり、被測定物２にポンプ光Ｐ３を与える。ポンプ光Ｐ３は、パルスである。ポンプ光Ｐ３の繰り返し周波数はf_rep3である。なお、ポンプ光Ｐ３はミラーＭによって、被測定物２に向かうように光路が調節される。

図２は、プローブ光Ｐ１（図２（ａ）参照）、サンプリング光Ｐ２（図２（ｂ）参照）、ポンプ光Ｐ３（図２（ｃ）参照）の波形を示す図である。なお、図２において、縦軸方向（縦軸は図示省略）は光パワーを示し、横軸は時間を示す。

プローブ光Ｐ１の繰り返し周期（隣り合うパルスどうしの間隔）は、繰り返し周波数がf_rep1であることから、1/f_rep1である。サンプリング光Ｐ２の繰り返し周期は、繰り返し周波数がf_rep2であることから、1/f_rep2である。ポンプ光Ｐ３の繰り返し周期は、繰り返し周波数がf_rep3であることから、1/f_rep3である。なお、図２おいては、f_rep2＜f_rep1＜f_rep3である。このように、繰り返し周波数f_rep1、f_rep2、f_rep3がそれぞれ異なる。

また、プローブ光Ｐ１、サンプリング光Ｐ２およびポンプ光Ｐ３のパルスの形状はいずれも同じとする。例えば、いずれのパルスのパルス幅も100[fs]程度である。

なお、図２において、プローブ光Ｐ１の左端のパルスと、サンプリング光Ｐ２の左端のパルスと、ポンプ光Ｐ３の左端のパルスとが同一の時点（タイミング）で出力されている。

同期制御部（間隔制御部）１２は、プローブ光Ｐ１のうちの一つのパルスと、サンプリング光Ｐ２のうちの一つのパルスと、ポンプ光Ｐ３のうちの一つのパルスとの間の時間の間隔を所定の間隔に制御する。例えば、図２に示すように、プローブ光Ｐ１の左端のパルスと、サンプリング光Ｐ２の左端のパルスと、ポンプ光Ｐ３の左端のパルスとの間の時間の間隔を０に制御し、各々の左端のパルスが同一の時点（タイミング）で出力されるようにする。ただし、所定の間隔は０に限らない。

テラヘルツ光検出器（応答光検出部）１４は、プローブ光Ｐ１およびポンプ光Ｐ３が与えられたことに対する被測定物２からの応答光と、サンプリング光Ｐ２とを受け、サンプリング光Ｐ２を受けた時点で応答光を検出する。テラヘルツ光検出器１４は、例えば、光伝導スイッチである。テラヘルツ光検出器１４を光伝導スイッチとした場合、応答光とサンプリング光Ｐ２とを受けると、応答光のパワーに応じた電流が出力される。

なお、応答光は、図１においては、プローブ光Ｐ１が被測定物２を透過した光である。しかし、プローブ光Ｐ２が被測定物２により反射された光とすることも可能である。

電流アンプ１６は、テラヘルツ光検出器１４から出力された電流を増幅する。Ａ／Ｄコンバータ１７は、電流アンプ１６の出力（アナログ信号）をデジタル信号に変換する。

特性測定部１８は、テラヘルツ光検出器１４により検出された応答光に基づき、被測定物２の特性（例えば、複素屈折率、複素誘電率、複素伝導率など）を測定する。

ＦＦＴ部１８ａは、Ａ／Ｄコンバータ１７の出力をＦＦＴ（Fast Fourier Transform）する。これにより、周波数ごとの振幅および位相が求められる。

データ処理部１８ｂは、ＦＦＴ部１８ａの出力に所定の処理を施す。例えば、データ処理部１８ｂは、ＦＦＴ部１８ａの出力を記録したり、表示したりする。データ処理部１８ｂは、さらには、ＦＦＴ部１８ａの出力に基づき、被測定物２の複素屈折率、複素誘電率、複素伝導率などを求めることもできる。

テラヘルツ光であるプローブ光Ｐ１が被測定物２を透過したものが応答光であるが、かかる応答光（テラヘルツ光である）の測定結果（例えば、周波数ごとの振幅および位相）に基づき、被測定物２の複素屈折率、複素誘電率、複素伝導率などを求める方法は周知なので、説明を省略する。

なお、図１において、プローブ光Ｐ１が二方向に分岐し、応答光がある一点に収束しているが、このように光路を調整することはレンズ（図示省略）により可能である。

次に、本発明の実施形態の動作を説明する。

まず、同期制御部１２が、プローブ光Ｐ１のあるパルスと、サンプリング光Ｐ２のあるパルスと、ポンプ光Ｐ３のあるパルスとが、同一の時点（タイミング）で出力されるように、第一ポンプレーザ１０ａ、第二ポンプレーザ１０ｂ、第三ポンプレーザ１０ｃを制御する。

第三ポンプレーザ１０ｃからポンプ光Ｐ３が出力され、被測定物２に与えられると、被測定物２が励起され、光化学反応が生じる。

第一ポンプレーザ１０ａから繰り返し周波数f_rep1のレーザが出力されると、テラヘルツ光出力器１１からテラヘルツ光である繰り返し周波数f_rep1のプローブ光Ｐ１が出射され、被測定物２に与えられる。プローブ光Ｐ１は被測定物２を透過すると応答光となり、テラヘルツ光検出器１４により検出される。応答光は、励起された被測定物２の状態を示す光である。応答光を測定することで、プローブ光Ｐ１が被測定物２に与えられた時点における被測定物２の状態を知ることができる。このような測定法を、ポンプ−プローブ法という。

テラヘルツ光検出器１４からは応答光のパワーに応じた電流が出力される。この電流は、電流アンプ１６により増幅され、Ａ／Ｄコンバータ１７によりデジタル信号に変換されてから、特性測定部１８に与えられる。

特性測定部１８は、ＦＦＴ部１８ａによりＡ／Ｄコンバータ１７の出力（応答光の検出結果である）の周波数ごとの振幅および位相を求め、データ処理部１８ｂにより振幅および位相を処理する。

図３は、応答光およびプローブ光Ｐ１（図３（ａ）参照）、サンプリング光Ｐ２（図３（ｂ）参照）の波形を示す図である。なお、本実施形態において、応答光のプローブ光Ｐ１に対しての遅延は無視するものとする。また、図示の便宜上、応答光およびプローブ光Ｐ１のパルスの波形を同一に図示するものとする。すると、図３（ａ）に示すように、応答光の波形およびプローブ光Ｐ１の波形は同一になる。

同期制御部１２による制御により、応答光のパルスと、サンプリング光Ｐ２のパルスとのタイミングのずれは当初は０である（図３の左端のパルスを参照）。

テラヘルツ光検出器１４は、サンプリング光Ｐ２のパルスの光パワーが最大になった時点における応答光のパワーに応じた電流を出力する。例えば、時間t = 0, 1/f_rep2, 2/f_rep2, …における応答光のパワーに応じた電流を出力する。すなわち、テラヘルツ光検出器１４は、応答光のパワーが最大になった時点からΔt( = 1/f_rep2−1/f_rep1)づつずれた時点（0, Δt, 2Δt,…）の応答光のパワーに応じた電流を出力することになる。テラヘルツ光検出器１４は、やがて、応答光のパワーが最大になった時点からのずれが1/f_rep1になったときの応答光のパワーに応じた電流を出力する（図３の右端のパルスを参照）。この時点で、応答光のパルスの一周期分の測定が完了する。応答光のパルスの一周期分の測定が完了するのにかかる時間は、1/Δf = 1/(f_rep1−f_rep2)となる。

図４は、プローブ光Ｐ１（図４（ａ）参照）、ポンプ光Ｐ３（図４（ｂ）参照）の波形を示す図である。

同期制御部１２による制御により、プローブ光Ｐ１のパルスと、ポンプ光Ｐ３のパルスとのタイミングのずれは当初は０である（図４の左端のパルスを参照）。しかし、プローブ光Ｐ１のパルスの一周期（1/f_rep1）が経過するごとに、ポンプ光Ｐ３のパルスがプローブ光Ｐ１のパルスよりも、1/f_rep1−1/f_rep3づつ早く出力されることになる。すなわち、ポンプ光Ｐ３のパルスがプローブ光Ｐ１のパルスよりも、時間t = 1/f_rep1の時点では1/f_rep1−1/f_rep3早く、時間t = 2/f_rep1の時点では2(1/f_rep1−1/f_rep3)早く、時間t = m/f_rep1の時点ではmΔt’’早く（ただし、mは１以上の整数、Δt’’ = 1/f_rep1−1/f_rep3）、出力される。

応答光のパルスの一周期分の測定が完了するのにかかる時間1/Δfが経過した時点で、ポンプ光Ｐ３のパルスがプローブ光Ｐ１のパルスよりもΔt’だけ早く出力されるとする。m =
(1/Δf)/(1/f_rep1)
= f_rep1/|f_rep1−f_rep2|となるので（Δf = |f_rep1−f_rep2|）、Δt’は以下のようにあらわされる。

Δt’ = (1/f_rep1−1/f_rep3)f_rep1/|f_rep1−f_rep2| = (1/f_rep1−1/f_rep3)(1/|f_rep1−f_rep2|)f_rep1
すなわち、応答光のパルスの一周期分の測定が完了する時間1/Δfが経過するごとに、ポンプ光Ｐ３のパルスがプローブ光Ｐ１のパルスよりもΔt’づつ早く出力されることになる。

図５は、時間1/Δfが経過するごとの、プローブ光Ｐ１のパルスと、ポンプ光Ｐ３のパルスとを示す図である。

時間０のときには、プローブ光Ｐ１のパルスと、ポンプ光Ｐ３のパルスとが重なっている。しかし、時間1/Δfが経過すると、ポンプ光Ｐ３のパルスはプローブ光Ｐ１のパルスから−Δt’ずれる（早く出力される）。時間2/Δfが経過すると、ポンプ光Ｐ３のパルスはプローブ光Ｐ１のパルスから−2Δt’ずれる（早く出力される）。すなわち、時間n/Δfが経過すると（ただし、nは１以上の整数）、ポンプ光Ｐ３のパルスはプローブ光Ｐ１のパルスから−nΔt’ずれる（早く出力される）。すなわち、時間n/Δfが経過すると、ポンプ光Ｐ３のパルスを被測定物２に与えてからnΔt’だけ時間が経過した後の被測定物２の状態を、プローブ光Ｐ１が被測定物２を透過した応答光を測定することにより知ることができる。

ここで、n = 0, 1, 2, 3, …, 1000と変化させていくと、時間が0, 1/Δf, 2/Δf, 3/Δf, …, 1000/Δf経過して、ポンプ光Ｐ３のパルスを被測定物２に与えてから0, Δt’, 2Δt’, 3Δt’, …, 1000Δt’だけ時間が経過した後の被測定物２の状態を、プローブ光Ｐ１が被測定物２を透過した応答光を測定することにより知ることができる。

Δt’ = 0.1[ps]とすれば、ポンプ光Ｐ３のパルスを被測定物２に与えてから0, 0.1, 0.2,0.3, …, 100[ps]だけ時間が経過した後の被測定物２の状態を、応答光パルスを測定することにより、知ることができる。応答光パルスを測定する時間の範囲はポンプ光Ｐ３の出力された時点を０とすれば、0[ps]から100[ps]までということになり、その範囲の長さが100[ps]となる。Δt’( = 0.1[ps])は、応答光パルスを測定する時間の範囲の長さよりも短い。

ここで、f_rep1 = 50[MHz]、f_rep2 = 50[MHz]−500[Hz]とする。Δt’ = 0.1[ps]とするためには、f_rep3
= 50[MHz]＋0.0025[Hz]とすればよい。すると、1000/Δf = 1000/500 = 2[s]経過すると、ポンプ光Ｐ３の出力された時点を０とすれば、応答光パルスを0[ps]から100[ps]
にわたって測定することができる。

本発明によれば、ポンプ−プローブ法による測定にかかる時間を短くすることができる。すなわち、被測定物２の応答を100[ps]にわたって測定するために、1000分かかるところを2秒に短縮することができる。

すなわち、繰り返し周波数f_rep1、f_rep2、f_rep3がそれぞれ異ならせ、しかも、Δt’ = (1/f_rep1−1/f_rep3)(1/|f_rep1−f_rep2|)f_rep1を、応答光パルスを測定する時間の範囲（0[ps]から100[ps]まで）の長さ100[ps]よりも短い0.1[ps]となるようにしてあるために、ポンプ−プローブ法による測定にかかる時間を短くすることができる。

なお、テラヘルツ光検出器（応答光検出部）１４は、光伝導スイッチとは限らない。例えば、電気光学サンプリングを用いて、応答光を検出することができる。

図６は、テラヘルツ光検出器１４の変形例を示す図である。変形例においては、テラヘルツ光検出器１４は、電気光学結晶１４２、検光子１４４、光強度検出器１４６、ミラーＭ’を有する。

電気光学結晶１４２は、応答光を受けることにより屈折率が変化する。なお、応答光が電気光学結晶１４２上のある一点に収束しているが、このように光路を調整することはレンズ（図示省略）により可能である。

ミラーＭ’は、サンプリング光Ｐ２の光路を調整し、サンプリング光Ｐ２が、応答光が電気光学結晶１４２上に収束する一点を通るようにする。

電気光学結晶１４２は、応答光を受けている状態で、さらにサンプリング光Ｐ２を受けると、サンプリング光Ｐ２の偏光状態を変化させて出力する。例えば、電気光学結晶１４２は、サンプリング光Ｐ２の偏光状態を変化させながら、サンプリング光Ｐ２を透過させる。

検光子１４４は、電気光学結晶１４２の出力（例えば、電気光学結晶１４２を透過したサンプリング光Ｐ２）の偏光状態に応じた強度の光を出力する。

光強度検出器１４６は、検光子１４４の出力の強度を検出する。なお、光強度検出器１４６の出力は、Ａ／Ｄコンバータ１７に与えられる。

本発明の実施形態にかかる光測定装置１の構成を示す機能ブロック図である。 プローブ光Ｐ１（図２（ａ）参照）、サンプリング光Ｐ２（図２（ｂ）参照）、ポンプ光Ｐ３（図２（ｃ）参照）の波形を示す図である。 応答光およびプローブ光Ｐ１（図３（ａ）参照）、サンプリング光Ｐ２（図３（ｂ）参照）の波形を示す図である。 プローブ光Ｐ１（図４（ａ）参照）、ポンプ光Ｐ３（図４（ｂ）参照）の波形を示す図である。 時間1/Δfが経過するごとの、プローブ光Ｐ１のパルスと、ポンプ光Ｐ３のパルスとを示す図である。 テラヘルツ光検出器１４の変形例を示す図である。

符号の説明

１ 光測定装置
２ 被測定物
１００ プローブ光付与部
１０ａ 第一ポンプレーザ
１１ テラヘルツ光出力器
１０ｂ 第二ポンプレーザ
１０ｃ 第三ポンプレーザ（ポンプ光付与部）
１２ 同期制御部（間隔制御部）
１４ テラヘルツ光検出器（応答光検出部）
１６ 電流アンプ
１７ Ａ／Ｄコンバータ
１８ 特性測定部
１８ａ ＦＦＴ部
１８ｂ データ処理部
f_rep1、f_rep2、f_rep3 繰り返し周波数
Ｐ１ プローブ光
Ｐ２ サンプリング光
Ｐ３ ポンプ光
１４２ 電気光学結晶
１４４ 検光子
１４６ 光強度検出器

Claims (9)

1. 被測定物にプローブ光パルスを与えるプローブ光付与部と、
   前記被測定物にポンプ光パルスを与えるポンプ光付与部と、
   前記プローブ光パルスおよび前記ポンプ光パルスが与えられたことに対する前記被測定物からの応答光パルスと、サンプリング光パルスとを受け、前記サンプリング光パルスを受けた時点で前記応答光パルスを検出する応答光検出部と、
   を備え、
   前記プローブ光パルス、前記ポンプ光パルスおよび前記サンプリング光パルスの繰り返し周波数がそれぞれ異なるものである、
   光測定装置。
2. 請求項１に記載の光測定装置であって、
   前記プローブ光パルスの繰り返し周波数をf_rep1、
   前記サンプリング光パルスの繰り返し周波数をf_rep2、
   前記ポンプ光パルスの繰り返し周波数をf_rep3、
   としたときに、
   （1／f_rep1−1／f_rep3）（1／| f_rep1−f_rep2|）f_rep1が、前記応答光パルスを測定する時間の範囲の長さよりも短い、
   光測定装置。
3. 請求項１に記載の光測定装置であって、
   前記応答光パルスは、
   前記プローブ光パルスが前記被測定物を透過した光、または、
   前記プローブ光パルスが前記被測定物により反射された光である、
   光測定装置。
4. 請求項１に記載の光測定装置であって、
   前記プローブ光パルスのうちの一つのパルスと、前記ポンプ光パルスのうちの一つのパルスと、前記サンプリング光パルスのうちの一つのパルスとの間の時間の間隔を所定の間隔に制御する間隔制御部、
   を備えた光測定装置。
5. 請求項１に記載の光測定装置であって、
   前記プローブ光付与部が、
   レーザ光源と、
   前記レーザ光源からのレーザ光を受け、前記プローブ光を出射する光伝導スイッチと、
   を有する光測定装置。
6. 請求項１に記載の光測定装置であって、
   前記プローブ光付与部が、
   レーザ光源と、
   前記レーザ光源からのレーザ光を受け、前記プローブ光を出射する非線形光学結晶と、
   を有する光測定装置。
7. 請求項１に記載の光測定装置であって、
   前記応答光検出部が光伝導スイッチである光測定装置。
8. 請求項１に記載の光測定装置であって、
   前記応答光検出部が、
   前記応答光パルスを受けることにより屈折率が変化し、前記サンプリング光パルスを受けたときに、前記サンプリング光パルスの偏光状態を変化させて出力する電気光学結晶と、
   前記電気光学結晶の出力の偏光状態に応じた強度の光を出力する検光子と、
   前記検光子の出力の強度を検出する光強度検出器と、
   を有する光測定装置。
9. 請求項１に記載の光測定装置であって、
   前記応答光検出部により検出された前記応答光パルスに基づき、前記被測定物の特性を測定する特性測定部、
   を備えた光測定装置。

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