JP5495218B2

JP5495218B2 - テラヘルツ光検出方法、テラヘルツ光装置及びイメージ化装置

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Publication number: JP5495218B2
Application number: JP2001269621A
Authority: JP
Inventors: 正彦谷; ヘルマンミヒャエル; 清美阪井; 亮一深澤; 護宇佐見
Original assignee: Tochigi Nikon Corp; Nikon Corp; National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: Tochigi Nikon Corp; Nikon Corp; National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2021-09-06
Also published as: JP2003075251A

Description

本発明は、テラヘルツ光等の入力を検出する検出方法及び装置、並びに、これを用いたテラヘルツ光装置及びイメージ化装置に関するものである。

微小信号を検出する場合、チョッパーのようなものにより信号成分を変調させ、その変調周波数に同期した成分を検出するロックイン検出という方法により検出するのが一般的である。

レーザ光をテラヘルツ光発生器に照射することにより放射されるテラヘルツ電磁波の時間変化を直接測定する時系列変換テラヘルツ分光システムなどのテラヘルツ光装置では、光伝導アンテナ等の光スイッチ素子を検出器として使用して測定する。この光スイッチ素子は、テラヘルツ電磁波発生に用いるレーザパルス光の一部をプローブパルス光として用いることにより、光伝導素子内にキャリアを発生させその瞬間のテラヘルツ電磁波の電場強度を電流として検出する。このため、光スイッチ素子からの信号は、通常、テラヘルツ光による信号の他、プローブパルス光による大きな背景雑音を含んでいる。したがって、光スイッチ素子からの信号を単に増幅するだけでは、テラヘルツ光による信号と共に背景雑音も増幅してしまい、ＳＮ比が大きく低下する。そこで、高いＳＮ比でテラヘルツ光を検出するたあ、ロックイン検出法によって測定される。

パルス的な繰り返し信号に対しては、ボックスカー積分器と呼ばれる装置も用いられる。これは、パルス信号に同期したタイミングと時間幅でゲートをかけ、信号を検出し、かつ適当な繰り返し数だけ信号を積分する装置で、比較的低繰り返しの信号に適用されることが多い。ボックスカー積分器によれば、ゲートにより信号のある時間帯のみ信号が積分され、それ以外の時間帯に発生する雑音は除去れるので、検出信号のＳＮ比が上がる。しかし、信号に大きな背景ノイズがある場合、オフセット機能を使ったとしても、ドリフトなどのため、ＳＮ比は低下する。このため、ボックスカー積分器は、背景ノイズが非常に大きい場合や、背景ノイズのドリフトが大きい場合は、テラヘルツ光等の検出には適していない。

発明が解決しようとする課題

テラヘルツ光の検出に採用される前述したようなロックイン検出に用いられるロックイン増幅器は、構成が複雑であり、高価であるとともにスペースもかなり要するものであった。

特に、被測定物をテラヘルツ光を用いてイメージ化しようとすると、複数の光スイッチ素子を分布させた検出器を使用することから、各素子に対して１つずつロックイン増幅器を用いることになり、コスト及びスペースが著しく増大することになる。このため、このような検出器を用いた被測定物のイメージ化は、実際に行われることはなかった。

なお、被測定物をテラヘルツ光を用いてイメージ化する場合、光スイッチ素子に代えてＥＯ結晶（電気光学結晶）を使用してテラヘルツ光を検出する方法が実施されている。しかし、ＥＯ結晶を使用した検出方法に比べ、光伝導アンテナ素子等の光スイッチ素子を用いた検出方法の方がＳＮ比の良い測定を行うことができる。

テラヘルツ光の検出に限らず、テラヘルツ光以外の種々の検出すべき入力の検出についても、ＳＮ比の向上と、装置のコストダウン及びコンパクト化が要請される。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、高いＳＮ比でテラヘルツ光等の入力を検出することができ、更に装置のコストダウン及びコンパクト化を図ることができるテラヘルツ光等の検出方法及び装置、並びに、これを用いたテラヘルツ光装置及びイメージ化装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

前記課題を解決するため、本発明の第１の態様による検出方法は、検出すべき入力に応じた出力信号を、所定の検出状態において出力する検出部を用い、前記検出すべき入力を検出する検出方法において、（ａ）前記検出すべき入力が前記検出部に入力されている時及び前記検出すべき入力が前記検出部に入力されていない時の双方において、前記検出部を前記検出状態とし、（ｂ）前記検出すべき入力が前記検出部に入力されている時に前記検出状態において前記検出部から得られる出力信号の所定種類の値と、前記検出すべき入力が前記検出部に入力されていない時に前記検出状態において前記検出部から得られる出力信号の前記所定種類の値との、差分に応じた、検出信号又は検出データを得るものである。

前記所定種類の値としては、例えば、積分値又はピーク恒等を挙げることができる。この点は、後述する各態様についても同様である。

本発明の第２の態様による検出装置は、（ａ）検出すべき入力に応じた出力信号を、所定の検出状態において出力する検出部と、（ｂ）前記検出すべき入力が前記検出部に入力されている時及び前記検出すべき入力が前記検出部に入力されていない時の双方において、前記検出部を前記検出状態にする手段と、（ｃ）前記検出すべき入力が前記検出部に入力されている時に前記検出状態において、前記検出部から得られる出力信号の所定種類の値と、前記検出すべき入力が前記検出部に入力されていない時に前記検出状態において前記検出部から得られる出力信号の前記所定種類の値との、差分に応じた、検出信号又は検出データを得る信号処理部と、を備えたものである。

本発明の第３の態様によるテラヘルツ光検出方法は、入射するテラヘルツ光の電場強度に応じたパルス電気信号を、入射するプローブパルス光に応答して、出力するテラヘルツ光検出部を用い、前記テラヘルツ光を検出するテラヘルツ光検出方法において、（ａ）前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射している時及び前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射していない時の双方において、前記プローブパルス光を前記テラヘルツ光検出部に照射し、（ｂ）前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射している時に前記プローブパルス光に応答して前記テラヘルツ光検出部から得られるパルス電気信号の所定種類の値と、前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射していない時に前記プローブパルス光に応答して前記テラヘルツ光検出部から得られるパルス電気信号の所定種類の値との、差分に応じた、検出信号又は検出データを得るものである。

本発明の第４の態様によるテラヘルツ光検出装置は、（ａ）入射するテラヘルツ光の電場強度に応じたパルス電気信号を、入射するプローブパルス光に応答して、出力するテラヘルツ光検出部と、（ｂ）前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射している時及び前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射していない時の双方において、前記プローブパルス光を前記テラヘルツ光検出部に照射する照射部と、（ｃ）前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射している時に前記プローブパルス光に応答して前記テラヘルツ光検出部から得られるパルス電気信号の所定種類の値と、前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射していない時に前記プローブパルス光に応答して前記テラヘルツ光検出部から得られるパルス電気信号の所定種類の値との、差分に応じた、検出信号又は検出データを得る信号処理部と、を備えたものである。

本発明の第５の態様によるテラヘルツ光装置は、（ａ）テラヘルツ光発生部と、（ｂ）前記テラヘルツ光発生部から発生し所定の光路を経て到達するテラヘルツ光が入射され、入射されたテラヘルツ光の電場強度に応じたパルス電気信号を、入射するプローブパルス光に応答して、出力するテラヘルツ光検出部と、（ｃ）前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射している時及び前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射していない時の双方において、前記プローブパルス光を前記テラヘルツ光検出部に照射する照射部と、（ｄ）前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射している時に前記プローブパルス光に応答して前記テラヘルツ光検出部から得られるパルス電気信号の所定種類の値と、前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射していない時に前記プローブパルス光に応答して前記テラヘルツ光検出部から得られるパルス電気信号の所定種類の値との、差分に応じた、検出信号又は検出データを得る信号処理部と、を備えたものである。

本発明の第６の態様によるイメージ化装置は、（ａ）テラヘルツ光発生部と、（ｂ）前記テラヘルツ光発生部から発生し被測定物を含む所定の光路を経て２次元領域の個々の部位に到達するテラヘルツ光が入射され、入射されたテラヘルツ光の電場強度に応じた電気信号を、入射するプローブパルス光に応答して、前記個々の部位に対応するもの毎にそれぞれ出力するテラヘルツ光検出部と、（ｃ）前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射している時及び前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射していない時の双方において、前記プローブパルス光を前記テラヘルツ光検出部に照射する照射部と、（ｄ）前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射している時に前記プローブパルス光に応答して前記テラヘルツ光検出部から得られるパルス電気信号の所定種類の値と、前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射していない時に前記プローブパルス光に応答して前記テラヘルツ光検出部から得られるパルス電気信号の所定種類の値との、差分に応じた、検出信号又は検出データを、前記各部位に対応するもの毎に得る信号処理部と、を備え、前記検出信号又は検出データに基づいて、前記被測定物をイメージ化するものである。

［第１の実施の形態］

図１は、本発明の第１の実施の形態によるテラヘルツ光装置を模式的に示す概略構成図である。

本実施の形態によるテラヘルツ光装置では、図１に示すように、フェムト秒パルス光源１が光源駆動部２５により駆動されて、光源１からフェムト秒パルス光Ｌ１が放射される。例えば、フェムト秒パルス光Ｌ１として、中心波長が近赤外領域のうちの７８０〜８００ｎｍ、パルス幅が１０〜１５０ｆｓ程度の、パルス光が、繰り返し周波数が例えば１ｋＨｚで発生される。フェムト秒パルス光源１としては、例えば、再生増幅器と呼ばれるレーザを用いることが好ましい。このレーザでは、発生する１つずつのパルス光の強度が高いので、１つずつのテラヘルツ電磁波パルスの強度を高めることができる。また、このレーザでは、パルス間隔が比較的長く、パルス光の繰り返し周波数は例えば１ｋＨｚである。この速さの繰り返しでは、パルス光とパルス光の時間間隔は１ｍｓとなることから、比較的速い繰り返し（例えば、繰り返し周波数が数十ＭＨｚ）のパルス光を用いていたときには考えられなかった、後述する信号処理部２１のような電気回路による処理が可能となる。以下の説明では、パルス光Ｌ１の繰り返し周波数は、１ｋＨｚであるものとするが、この周波数に限定されるものではない。

光源駆動部２５は、フェムト秒パルス光源１から発生するパルス光Ｌ１の繰り返し周波数（１ｋＨｚ）に同期した同期信号を出力し、この同期信号が後述するチョッパー駆動部２６及び信号処理部２１に供給される。

フェムト秒パルス光源１から放射されたフェムト秒パルス光Ｌ１は、ビームスプリッタ２で２つのパルス光Ｌ２，Ｌ３に分割される。

ビームスプリッタ２で分割された一方のパルス光Ｌ２は、チョッパー３によりチョッピングされた後に、光伝導アンテナ等の光スイッチ素子又はＥＯ結晶などのテラヘルツ光発生器７を励起してこの発生器７にテラヘルツパルス光を発生させるための、ポンプ光（パルス励起光）Ｌ４となる。このポンプ光Ｌ４は、平面反射鏡４〜６を経て、テラヘルツ光発生器７へ導かれる。その結果、ポンプ光Ｌ４に応答して、テラヘルツ光発生器７が励起されてテラヘルツパルス光Ｌ５を放射する。なお、テラヘルツ光発生器７として光スイッチ素子を用いる場合には、図示しないバイアス電源によりバイアス電圧がテラヘルツ光発生器７に印加される。

ここで、チョッパー３は、光源駆動部２５からの同期信号に基づいてチョッパー駆動部２６により駆動され、チョッピング前のパルス光Ｌ２のパルス列のうち、１つ置きのパルスのみを通過させるとともに、残りのパルスを遮断する。すなわち、ポンプ光Ｌ４は、チョッピング前のパルス光Ｌ２のパルス光のパルス列からパルスが１つ置きに間引かれたパルス列となる。したがって、本実施の形態では、ポンプ光Ｌ４の繰り返し周波数は、５００Ｈｚ（＝１ｋＨｚ／２）となる。このため、テラヘルツパルス光Ｌ５の繰り返し周波数も、５００Ｈｚとなる。

テラヘルツ光発生器７で発生するテラヘルツパルス光Ｌ５としては、概ね０．１×１０^１２から１００×１０^１２ヘルツまでの周波数領域の光が望ましい。このテラヘルツパルス光Ｌ５は、曲面鏡１３，１４を経て集光位置に集光される。本実施の形態では、この集光位置には、被測定物２０の測定部位が配置される。被測定物２０を透過したテラヘルツパルス光Ｌ６は、曲面鏡１５，１６を経てテラヘルツ光検出器１１ヘ導かれる。本実施の形態では、テラヘルツ光検出器１１として、ダイポールアンテナを用いた公知の光スイッチ素子が用いられている。光スイッチ素子は、一般的には、光伝導部と、該光伝導部の所定の面上に形成され互いに分離された２つの導電部とを有し、前記２つの導電部の少なくとも一部同士が前記所定の面に沿った方向に所定間隔をあけるように配置されたものである。

ビームスプリッタ２で分割された他方のパルス光Ｌ３は、テラヘルツパルス光を検出するためのプローブパルス光となる。このプローブパルス光Ｌ３は、平面反射鏡８、２枚又は２枚もしくは３枚の平面反射鏡が組み合わされてなる可動鏡９、及び平面反射鏡１０を経て、テラヘルツ光検出器１１へ導かれる。

プローブパルス光Ｌ３は、ポンプ光Ｌ４の場合と異なりチョッピングされずにパルスが間引かれないので、プローブパルス光Ｌ３のパルス繰り返し周波数は、ポンプ光Ｌ４のパルス繰り返し周波数（５００Ｈｚ）の２倍の周波数（１ｋＨｚ）となる。すなわち、本実施の形態では、プローブパルス光Ｌ３のパルス列のうちの１つ置きのパルスが、テラヘルツパルス光が発生している時に発生してテラヘルツ光を検出するタイミングを定めることになる。一方、プローブパルス光Ｌ３のパルス列のうちの残りの１つ置きのパルスは、テラヘルツパルス光が発生していない時に発生することになる。

以上の説明からわかるように、本実施の形態では、前述した要素１，２，８，９，１０，２５が、テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射している時及び前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射していない時の双方において、プローブパルス光Ｌ３をテラヘルツ光検出器１１に照射する照射部を、構成している。

光スイッチ素子で構成されたテラヘルツ光検出器１１は、プローブパルス光Ｌ３を受けた時のみ光励起キャリアを生じ、同時にテラヘルツパルス光Ｌ６の電場がかかっていれば、その電場に比例した光伝導電流が流れる。このとき測定される電流Ｊ（τ）は、テラヘルツパルス光の電場Ｅ（ｔ）と光励起キャリアの光伝導度ｇ（ｔ−τ）のコンボリューションで表せ、Ｊ（τ）＝∫Ｅ（ｔ）ｇ（ｔ−τ）ｄｔのような形で書ける。光伝導度ｇ（ｔ−τ）がデルタ関数的であるので、測定された電流値は到来するテラヘルツパルス光Ｌ５の電場強度Ｅ（τ）に比例したものになる。このように、テラヘルツ光検出器１１は、入射するテラヘルツ光の電場強度に比例した電流信号を出力するはずである。

ところが、実際には、光スイッチ素子からの電流信号は、入射するテラヘルツ光の電場強度に比例した真の信号の他に、プローブパルス光による大きな背景雑音を含む。この背景雑音は、プローブパルス光Ｌ３を光スイッチ素子に照射することにより、光スイッチ素子へのレーザ照射の不均一や電極のわずかなショットキーコンタクトなどで発生する比較的大きな電気パルスである。通常、この背景雑音のパルスはテラヘルツ電磁波の電場によって誘起される信号よりも強い。

このように、テラヘルツ光がテラヘルツ光検出器１１に入射している時には、プローブパルス光Ｌ３に応答したテラヘルツ光検出器１１からの電流信号は、プローブパルス光Ｌ３による大きな背景雑音を含むが、入射するテラヘルツ光の電場強度に比例した真の信号も含むため、テラヘルツ光検出器１１は、入射するテラヘルツ光の電場強度に応じたパルス電気信号を、入射するプローブパルス光に応答して、出力することになる。以上のように、テラヘルツ光検出器１１は、テラヘルツ光が入射されている時にプローブパルス光Ｌ３が入射されると、テラヘルツ光の電場強度に比例した真の信号とプローブパルス光Ｌ３による背景雑音とが足し合わされた電流信号を出力することになる。一方、テラヘルツ光検出器１１は、テラヘルツ光が入射されていない時にプローブパルス光Ｌ３が入射されると、プローブパルス光Ｌ３による背景雑音のみの電流信号を出力することになる。

したがって、テラヘルツ光検出器１１からの電流信号の時間変化は、後述する図３（ａ）に示すようになる。ただし、図３（ａ）は、後述するように、テラヘルツ光検出器１１からの電流信号を電流−電圧変換した信号を示している。それぞれのパルスの幅は、レーザのパルス幅と同程度のものであるはずであるが、観測されるパルスの幅は電気回路の特性によって広がったものとなっている。

信号処理部２１は、テラヘルツ光Ｌ６がテラヘルツ光検出器１１に入射している時にプローブパルス光Ｌ３に応答してテラヘルツ光検出器１１から得られるパルス電気信号の積分値と、テラヘルツ光Ｌ６がテラヘルツ光検出器１１に入射していない時にプローブパルス光Ｌ３に応答してテラヘルツ光検出器１１から得られるパルス電気信号の積分値との、差分に応じた、検出信号を得る。先の説明からわかるように、前者の積分値は、テラヘルツ光の電場強度に比例した真の信号とプローブパルス光Ｌ３による背景雑音とが足し合わされたものに相当し、後者の積分値はプローブパルス光Ｌ３による背景雑音のみに相当している。したがって、両者の差分に応じたものである信号処理部２１から得られる検出信号は、背景雑音が取り除かれてテラヘルツ光による真の信号のみを示すことになり、真の信号のみを高いＳＮ比で検出することができる。

ここで、信号処理部２１の具体例について、図２を参照して説明する。図２において、３１はテラヘルツ光検出器１１からの電流信号が入力される入力端子、３９は検出信号が出力される出力端子である。入力端子３１に入力された電流信号は、電流−電圧変換回路３２により電圧信号に変換され、この電圧信号が前置増幅器３３により増幅される。この前置増幅器３３の出力信号を図３（ａ）に示す。図３（ａ）に示すように、プローブパルス光Ｌ３に応じたパルス信号が現れている。前述したように、プローブパルス光Ｌ３は間引かれずに１ｋＨｚの繰り返し周波数を持つ一方、ポンプ光Ｌ４はパルスが１つ置きに間引かれて５００Ｈｚの繰り返し周波数を持つので、図３（ａ）に示すように、テラヘルツ光がＯＮ時のパルスとテラヘルツ光がＯＦＦ時のパルスとが、交互に現れている。テラヘルツ光がＯＮ時のパルスは、テラヘルツ光による影響とプローブパルス光による影響とが足し合わされているので、レベルが比較的高くなっている。一方、テラヘルツ光がＯＦＦ時のパルスは、プローブパルス光による影響のみを含むので、レベルが比較的低くなっている。

前置増幅器３３から出力される各パルスは、スイッチ３４により、テラヘルツ光ＯＮ時のパルスとＯＦＦ時のパルスとにそれぞれ振り分けられて、積分回路３５ａ，３５ｂにそれぞれ選択的に入力される。図３（ｂ）は積分回路３５ａへの入力信号を示し、図３（ｃ）は積分回路３５ｂへの入力信号を示す。このようなスイッチ３４による振り分け動作は、光源駆動部２５からの同期信号（１ｋＨｚ）でスイッチ３４をトリガーすることによってスイッチ３４に切り替え動作を行わせることにより、実現することができる。

積分回路３５ａは、前記１／２に分周した信号（５００Ｈｚ）に同期して、テラヘルツ光ＯＮ時の１つのパルスを含む積分期間毎に、その入力信号を積分する。このとき、積分期間をパルスを含む期間のみに限定することにより、パルスを含まない期間の雑音を除去することができる。その積分値を示す信号がサンプルホールド回路３６ａにより一時的に保持されて、差分回路３７の一方の入力端子へ供給される。同様に、積分回路３５ｂは、前記１／２に分周した信号（５００Ｈｚ）に同期して、テラヘルツ光ＯＦＦ時の１つのパルスを含む積分期間毎に、その入力信号を積分する。その積分値を示す信号がサンプルホールド回路３６ｂにより一時的に保持されて、差分回路３７の他方の入力端子へ供給される。

差分回路３７は、前記１／２に分周した信号（５００Ｈｚ）に同期して、サンプルホールド回路３６ａ，３６ｂにより保持されている信号の差分を示す差分信号を出力する。この差分は、図３（ａ）において相前後して発生するテラヘルツ光ＯＮ時の１つのパルスとテラヘルツ光ＯＦＦ時の１つのパルスとに関する、両者の積分値の差分に相当している。差分回路３７からの差分信号は、ローパスフィルタ機能を有する増幅器３８により増幅され、テラヘルツ光検出信号として、出力端子３９から出力される。

このように、図２に示す回路構成を採用すれば、前述した信号処理部２１の動作を実現することができる。

ところで、前述した図２に示す回路構成では、先の説明からわかるように、テラヘルツ光ＯＮ時の１つのパルスの積分値とテラヘルツ光ＯＦＦ時の１つのパルスの積分値との差分を示す検出信号を、順次繰り返して得ている。しかし、実際には、ＳＮ比をより高めるために、例えば、テラヘルツ光ＯＮ時の複数の所定数（例えば、数十）のパルスの積分値とテラヘルツ光ＯＦＦ時の同数のパルスの積分値との差分を示す検出信号を、順次繰り返して得ることが、好ましい。この動作は、例えば、前記増幅器３８から１ずつのパルスに対応して繰り返して得られる出力信号を、前記所定数のパルスを含む積分期間で順次積分する積分回路を追加するか、あるいは、増幅器３８にこの積分回路の機能を持たせることにより、実現することができる。また、前記動作は、例えば、前記積分回路３５ａ，３５ｂの積分期間を前記所定数のパルスを含む期間に設定することによっても、実現することができる。

なお、テラヘルツ光ＯＮ時の複数の所定数のパルスの積分値とテラヘルツ光ＯＦＦ時の同数のパルスの積分値との差分を示す検出信号も、テラヘルツ光Ｌ６がテラヘルツ光検出器１１に入射している時にプローブパルス光Ｌ３に応答してテラヘルツ光検出器１１から得られるパルス電気信号の積分値と、テラヘルツ光Ｌ６がテラヘルツ光検出器１１に入射していない時にプローブパルス光Ｌ３に応答してテラヘルツ光検出器１１から得られるパルス電気信号の積分値との、差分に応じた、検出信号の一種であることは、言うまでもない。

信号処理部２１は、図２に示す回路構成に代えて、例えば、図４に示す回路構成を採用してもよい。図４は、信号処理部２１の他の具体例を示すブロック図である。図４において、図２中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
図５（ａ）は図４中の前置増幅器３３の出力信号を示しており、図３（ａ）に示す信号と同じである。前置増幅器３３から出力される各パルスは、スイッチ３４により、テラヘルツ光ＯＮ時のパルスとＯＦＦ時のパルスとにそれぞれ振り分けられて、差動増幅回路４０の＋入力端子及び−入力端子にそれぞれ選択的に入力される。このとき、差動増幅回路４０の＋入力端子及び−入力端子は、前置増幅器３３の出力端子とパルスを含む期間は接続されているが、パルスを含まない期間は接続されず、図には示していないが、パルスを含まない期間の雑音の増幅を避けるため、スイッチ３４を介して接地されるようになっている。したがって、差動増幅回路４０の出力は、図５（ｂ）に示すように、テラヘルツ光ＯＮ時のパルスを同じ極性で含むとともにテラヘルツ光ＯＦＦ時のパルスを反転した極性で含む。

積分回路３５は、光源駆動部２５からの同期信号（１ｋＨｚ）を図示しない分周器で１／２に分周した信号（５００Ｈｚ）に同期して、相前後して発生するテラヘルツ光ＯＮ時の１つのパルスとテラヘルツ光ＯＦＦ時の１つのパルスとを含む積分期間毎に、その入力信号（すなわち、図５（ｂ）に示す差動増幅回路４０の出力信号）を積分する。このことは、図５（ａ）において相前後して発生するテラヘルツ光ＯＮ時の１つのパルスとテラヘルツ光ＯＦＦ時の１つのパルスとに関して両者の積分値の差分を取ったのと、等価である。差動増幅回路４０の積分出力信号は、サンプルホールド回路３６により一時的に保持され、ローパスフィルタ機能を有する増幅器４１により増幅され、テラヘルツ光検出信号として、出力端子３９から出力される。

このように、図４に示す回路構成を採用しても、前述した信号処理部２１の動作を実現することができる。図４に示す回路の場合、テラヘルツ光Ｌ６がテラヘルツ光検出器１１に入射している時にプローブパルス光Ｌ３に応答してテラヘルツ光検出器１１から得られるパルス電気信号の積分値、及び、テラヘルツ光Ｌ６がテラヘルツ光検出器１１に入射していない時にプローブパルス光Ｌ３に応答してテラヘルツ光検出器１１から得られるパルス電気信号の積分値は、直接的に求めている訳ではないが、両者の積分値の差分に応じたテラヘルツ光検出信号が出力端子３９から得られる。

なお、図４に示すような回路構成を採用する場合も、実際には、ＳＮ比をより高めるために、例えば、テラヘルツ光ＯＮ時の複数の所定数（例えば、数十）のパルスの積分値とテラヘルツ光ＯＦＦ時の同数のパルスの積分値との差分を示す検出信号を、順次繰り返して得ることが、好ましい。この動作は、例えば、前記増幅器４１から１ずつのパルスに対応して繰り返して得られる出力信号を、前記所定数のパルスを含む積分期間で順次積分する積分回路を追加するか、あるいは、増幅器４１にこの積分回路の機能を持たせることにより、実現することができる。また、前記動作は、例えば、前記積分回路３５の積分期間を前記所定数のパルスを含む期間に設定することによっても、実現することができる。

また、前記図２又は図４に示すような回路構成では、先の説明からわかるように、テラヘルツ光ＯＮ時のパルスの積分値とテラヘルツ光ＯＦＦ時のパルスの積分値との差分に応じた検出信号を得ている。しかし、本発明では、例えば、テラヘルツ光ＯＮ時のパルスのピーク値とテラヘルツ光ＯＦＦ時のパルスのピーク値との差分に応じた検出信号を得てもよい。この場合、例えば、図２に示す回路構成において、積分回路３５ａ，３５ｂに代えてそれぞれピーク検出回路を用いればよい。この場合においても、よりＳＮ比を高めるため、例えば、前記増幅器３８から１ずつのパルスに対応して繰り返して得られる出力信号を、前記所定数のパルスを含む積分期間で順次積分する積分回路を追加してもよい。

再び図１を参照すると、プローブパルス光Ｌ３の光路上に配置された可動鏡９は、コンピュータ等からなる制御・演算処理部２３による制御下で、移動機構１２により矢印Ｘ方向に移動可能となっている。可動鏡９の移動量に応じて、プローブパルス光Ｌ３の光路長が変わり、プローブパルス光Ｌ３が検出器１１へ到達する時間が遅延する。すなわち、本実施の形態では、可動鏡９及び移動機構１２が、プローブパルス光Ｌ３の時間遅延装置を構成している。

前述したように、被測定物１０を透過したテラヘルツパルス光の電場強度は、信号処理部２１の出力信号である検出信号に変換される。信号処理部２１から出力された検出信号は、Ａ／Ｄ変換器２２によりＡ／Ｄ変換された後に、制御・演算処理部２３に供給される。

前述したように、ポンプ光Ｌ４の繰り返し周波数は、５００Ｈｚである。したがって、テラヘルツ光発生器７から放射されるテラヘルツパルス光Ｌ５も、５００Ｈｚの繰り返しで放射される。現在は、このテラヘルツパルス光の波形を瞬時に、その形状のまま計測することは不可能である。

したがって、本実施の形態では、同じ波形のテラヘルツパルス光Ｌ５が５００Ｈｚの繰り返しで到来することを利用して、ポンプ光Ｌ４とプローブパルス光Ｌ３との間に時間遅延を設けてテラヘルツパルス光の波形を計測する、いわゆるポンプ−プローブ法を採用している。すなわち、テラヘルツ光発生器７を作動させるポンプ光Ｌ４に対して、テラヘルツ光検出器１１を作動させるタイミングをτ秒だけ遅らせることにより、τ秒だけ遅れた時点でのテラヘルツパルス光の電場強度を測定できる。言い換えれば、プローブパルス光Ｌ３は、テラヘルツ光検出器１１に対してゲートをかけていることになる。また、可動鏡９を徐々に移動させることは、遅延時間τを徐々に変えることにほかならない。前記時間遅延装置によってゲートをかけるタイミングをずらしながら、繰り返し到来するテラヘルツパルス光の各遅延時間τごとの時点の電場強度を信号処理部２１から検出信号として順次得ることによって、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形Ｅ（τ）を計測することができる。

本実施の形態では、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形Ｅ（τ）の計測時には、制御・演算処理部２３が、移動機構１２に制御信号を与えて、前記遅延時間τを徐々に変化させながら、Ａ／Ｄ変換器２２からのデータを制御・演算処理部２３内の図示しないメモリに順次格納する。これによって、最終的に、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形Ｅ（τ）を示すデータ全体をメモリに格納する。このような時系列波形Ｅ（τ）を示すデータを、被測定物２０を図１に示す位置に配置した場合と配置しない場合について取得する。制御・演算処理部２３は、これらのデータに基づいて、被測定物の所望の特性を求め、これをＣＲＴ等の表示部２４に表示させる。例えば、制御・演算処理部２６は、公知の手法（ドュヴィラレットら（Lionel Duvillaret, Frederic Garet, and Jean-Louis Coutaz）の論文（"A Reliable Method for Extraction of Material Parameters in Terahertz Time-Domain Spectroscopy", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.2, No.3, pp.739-746（1996））によって、被測定物２０の複素屈折率を演算し、これを表示部２４に表示させる。

本実施の形態では、被測定物２０のある部位にテラヘルツ光を集光しているので、被測定物２０の当該部位の局所的な複素屈折率等の特性を得ることができる。

本実施の形態では、前述したように、テラヘルツ光がテラヘルツ光検出器１１に入射している時及びテラヘルツ光がテラヘルツ光検出器１１に入射していない時の双方において、プローブパルス光Ｌ３がテラヘルツ光検出器１１に照射される。そして、信号処理部２１が前述したように動作するので、信号処理部２１から得られる検出信号は、背景雑音が取り除かれてテラヘルツ光による真の信号のみを示すことになり、真の信号のみを高いＳＮ比で検出することができる。

また、信号処理部２１の動作は単純であり、その回路構成として、例えば、図２又は図４に示すような回路構成を採用することができるので、ロックイン増幅器に比べて、構成が簡単となり、コストダウン及びコンパクト化を図ることができる。

なお、本実施の形態では、信号処理部２１の機能の全てがハードウエアにより実現されている。しかし、例えば、その機能の後段側の一部をソフトウエア的な処理により実現することも可能である。この場合、当該ソフトウエア的な処理により得られる検出結果は、テラヘルツ光の検出データと言える。

［第２の実施の形態］

図６は、本発明の第２の実施の形態によるテラヘルツ光装置を模式的に示す概略構成図である。図６において、図１中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

本実施の形態によるテラヘルツ光装置は、被測定物２０をイメージ化するイメージ化装置として構成されている。

本実施の形態によるテラヘルツ光装置では、フェムト秒パルス光源１から放射されたフェムト秒パルス光Ｌ１が、平面反射鏡５１を経て、ビームスプリッタ５２でポンプ光Ｌ２とプローブパルス光Ｌ３とに分割される。ポンプ光Ｌ２は、チョッパー３、２枚もしくは３枚の平面反射鏡が組み合わされてなる可動鏡５３及び平面鏡５４〜５６を経て、ビームエキスパンダ５７で拡張された後に、テラヘルツ光発生器７へ導かれる。その結果、テラヘルツ光発生器７が励起されてテラヘルツパルス光Ｌ５を放射する。

テラヘルツ光発生器７で発生したテラヘルツ光Ｌ５は、結像レンズ５８を介して、テラヘルツ光検出器６０の２次元領域に到達する。本実施の形態では、このテラヘルツ光検出器６０として、２次元領域に複数の光スイッチ素子が分布されたものが用いられている。結像レンズ５８は、被測定物２０の２次元領域を透過したテラヘルツ光による被測定物２０の当該領域の像を、テラヘルツ光検出器６０の前記２次元領域に結像する。

ビームスプリッタ５２で分割されたプローブパルス光Ｌ３は、平面鏡６１，６２を経てビームエキスパンダ６３で拡張された後に、テラヘルツ光が入射するテラヘルツ光検出器６０の複数の光スイッチ素子が分布された２次元領域に入射する。なお、本実施の形態においても、プローブパルス光Ｌ３とポンプ光Ｌ４との関係は、前記第１の実施の形態の場合と同じである。

検出器６０の個々の光スイッチ素子は、各素子に入射するテラヘルツ光及びプローブパルス光Ｌ３に応じて、前記第１の実施の形態において検出器１１として用いられた単一の光スイッチ素子と同様に、パルス電気信号を出力する。

信号処理部１２１は、テラヘルツ光検出器６０の各光スイッチ素子に対応して図１中の信号処理部２１を複数チャンネル有している。これに応じて、Ａ／Ｄ変換器１２２は各チャンネルに応じて設けられた複数のＡ／Ｄ変換器から構成される。検出器６０の個々の光スイッチ素子からの信号に応じて信号処理部１２１の各チャンネルから得られた各検出信号は、Ａ／Ｄ変換器１２２によりそれぞれＡ／Ｄ変換された後に、制御・演算処理部２３に取り込まれる。したがって、テラヘルツパルス光の電場強度の分布（各部位ごとの電場強度）を示すデータが、制御・演算処理部２３に取り込まれる。前述したように、信号処理部１２１の複数チャンネルからの検出信号を複数のＡ／Ｄ変換器１２２でパラレル処理によりＡ／Ｄ変換することが、処理速度の点で好ましい。もっとも、例えば、１つのみの高速のＡ／Ｄ変換器１２２を用い、信号処理部１２１の各チャンネルからの検出信号を順次スイッチで切り替えて前記１つのＡ／Ｄ変換器１２２に入力し、シリアル的にＡ／Ｄ変換することも可能である。

ポンプ光Ｌ４の光路上に配置された可動鏡５３は、制御・演算処理部２３による制御下で、移動機構５９により矢印Ｙ方向に移動可能となっている。可動鏡５３の移動量に応じて、ポンプ光Ｌ４の光路長が変わり、ポンプ光Ｌ４がテラヘルツ光発生器７へ倒達する時間が遅延する。すなわち、本実施の形態では、可動鏡５３及び移動機構５９が、ポンプ光Ｌ４の時間遅延装置を構成している。このように、本実施の形態ではポンプ光Ｌ４の方を時間遅延可能となっているが、この点は、プローブパルス光Ｌ３の方を時間遅延可能とする前記第１の実施の形態と実質的に同じである。

制御・演算処理部２３は、移動機構５９を制御して可動鏡５３を徐々に移動させて、各遅延時間（テラヘルツパルス光のプローブパルス光に対する遅延時間）τごとの時点のテラヘルツパルス光の電場強度の分布（各部位ごとの電場強度）を示すデータを順次得ることによって、各部位ごとのテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形Ｅ（τ）を取得する。このような各部位ごとの時系列波形Ｅ（τ）を示すデータを、被測定物２０を図６に示す位置に配置した場合と配置しない場合について取得する。制御・演算処理部２３は、これらのデータに基づいて、被測定物の各部位ごとの所望の特性（すなわち、所望の特性の分布）を求め、これをＣＲＴ等の表示部２４に画像として表示させる。

本実施の形態では、テラヘルツ光がテラヘルツ光検出器６０に入射している時及びテラヘルツ光がテラヘルツ光検出器６０に入射していない時の双方において、プローブパルス光Ｌ３がテラヘルツ光検出器６０に照射される。そして、信号処理部１２１が、前述したように動作する信号処理部２１を複数有しているので、信号処理部１２１から得られる各検出信号は、背景雑音が取り除かれてテラヘルツ光による真の信号のみを示すことになり、真の信号のみを高いＳＮ比で検出することができる。

また、本実施の形態によれば、信号処理部１２１の各チャンネルを構成する個々の信号処理部２１の回路構成が、簡単となりコストダウン及びコンパクト化を図ることができるため、信号処理部１２１全体として、著しくコストダウン及びコンパクト化を図ることができる。

以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。

前述した各実施の形態は、本発明による検出方法及び装置をテラヘルツ光の検出方法及び装置に適用した例であったが、本発明による検出方法及び装置の検出対象はテラヘルツ光に限定されるものではない。本発明による検出方法及び装置では、例えば、ボックスカー積分器の場合と同様、狭いゲート時間幅を用いることができるので、連続動作のロックイン増幅器よりもノイズをより効果的に除去でき、ロックイン検出法及び装置を用いるよりも高いＳＮ比の信号検出が可能となる。したがって、本発明による検出方法及び装置は、コンパクトで安価な微小信号検出方法及び装置としても、広く一般的に利用可能である。

発明の効果

以上説明したように、本発明によれば、高いＳＮ比でテラヘルツ光等の入力を検出することができ、更に装置のコストダウン及びコンパクト化を図ることができるテラヘルツ光等の検出方法及び装置、並びに、これを用いたテラヘルツ光装置及びイメージ化装置を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態によるテラヘルツ光装置を模式的に示す概略構成図である。図１中の信号処理部の一具体例を示すブロック図である。図２中の各部の信号の波形の例を示す波形図である。図１中の信号処理部の他の具体例を示すプロツク図である。図４中の各部の信号の波形の例を示す波形図である。本発明の第２の実施の形態によるテラヘルツ光装置を模式的に示す概略構成図である。

１フェムト秒パルス光源
３チョッパー
７テラヘルツ光発生器
１１，６０テラヘルツ光検出器
２０被測定物
２１，１２１信号処理部
２３制御・演算処理部
２５光源駆動部
２６チョッパー駆動部

Claims

入射するテラヘルツ光の電場強度に応じたパルス電気信号を、入射するプローブパルス光に応答して、出力するテラヘルツ光検出部を用い、前記テラヘルツ光を検出するテラヘルツ光検出方法において、
前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射している時及び前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射していない時の双方において、前記プローブパルス光を、前記両者の時が前記プローブパルス光の１パルス毎に交互するように、前記テラヘルツ光検出部に照射し、
前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射している時に１以上の所定数の前記プローブパルス光に応答して前記テラヘルツ光検出部から得られる前記所定数のパルス電気信号の所定種類の値と、前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射していない時に前記所定数と同数の前記プローブパルス光に応答して前記テラヘルツ光検出部から得られる前記所定数と同数のパルス電気信号の所定種類の値との、差分に応じた、検出信号又は検出データを得ることを特徴とするテラヘルツ光検出方法。
テラヘルツ光発生部と、
前記テラヘルツ光発生部から発生し所定の光路を経て到達するテラヘルツ光が入射され、入射されたテラヘルツ光の電場強度に応じたパルス電気信号を、入射するプローブパルス光に応答して、出力するテラヘルツ光検出部と、
前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射している時及び前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射していない時の双方において、前記プローブパルス光を、前記両者の時が前記プローブパルス光の１パルス毎に交互するように、前記テラヘルツ光検出部に照射する照射部と、
前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射している時に１以上の所定数の前記プローブパルス光に応答して前記テラヘルツ光検出部から得られる前記所定数のパルス電気信号の所定種類の値と、前記テラヘルツ光が前記テラヘルツ光検出部に入射していない時に前記所定数と同数の前記プローブパルス光に応答して前記テラヘルツ光検出部から得られる前記所定数と同数のパルス電気信号の所定種類の値との、差分に応じた、検出信号又は検出データを得る信号処理部と、
を備えたことを特徴とするテラヘルツ光装置。
請求項２記載のテラヘルツ光装置を備えたイメージ化装置であって、
前記所定の経路は被測定物を含み、
前記テラヘルツ光検出部は、前記テラヘルツ光発生部から発生し前記所定の光路を経て当該テラヘルツ光検出部の２次元領域の個々の部位に到達するテラヘルツ光が入射され、入射されたテラヘルツ光の電場強度に応じた電気信号を、入射するプローブパルス光に応答して、前記個々の部位に対応するもの毎にそれぞれ出力し、
前記信号処理部は、前記検出信号又は検出データを、前記各部位に対応するもの毎に取得し、
前記検出信号又は検出データに基づいて、前記被測定物をイメージ化することを特徴とするイメージ化装置。
前記テラヘルツ光検出部は、前記２次元領域の前記個々の部位に光スイッチ素子が分布されたものであり、
前記信号処理部は、前記テラヘルツ光検出部の前記各光スイッチ素子に対応した複数チャンネルから前記各検出信号を出力する、
ことを特徴とする請求項３記載のイメージ化装置。