JP5836479B2

JP5836479B2 - 時間領域分光装置および時間領域分光分析システム

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Publication number: JP5836479B2
Application number: JP2014507012A
Authority: JP
Inventors: 宝弘中村; 白水　信弘; 信弘白水
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: WO2013145020A1; US9335261B2; JPWO2013145020A1; US20150028211A1

Description

本発明は、時間領域分光装置および時間領域分光分析システムに関し、特に、テラヘルツ（０．１〜１００ＴＨｚ）領域の分光装置に適用して有効な技術に関する。

例えば、特許文献１、特許文献２には、フェムト秒パルスレーザを２台用いた非同期サンプリング方式の時間領域分光装置が開示されている。

特開２０１１−２４２１８０米国出願公開公報ＵＳ２０１０／０００２７３７

例えば、時間領域分光装置には、パルス幅が１ｐｓ以下の光パルス列を出力するフェムト秒パルスレーザと、ポンプ光であるパルスレーザの光パルスによってテラヘルツまでの広帯域のテラヘルツパルス電波を放出する光伝導スイッチなどのパルス発生器と、プローブ光である光パルスが入力されたタイミングのパルス電波強度を検出するパルス検出器が備わっている。また、時間領域分光装置では、ポンプ光に対するプローブ光の検出器への入力タイミングを変化させて、放出されたテラヘルツパルス電波を時間領域において複数点で観測する必要がある。そのため、従来は、特許文献１における図１のように、プローブ光の光路に可変遅延器を設けて、遅延器が提供する遅延時間を変化させながら観測する必要があった。遅延器には、反射鏡の位置を機械式に変化させる構造が用いられるため、遅延時間の制御時間が長くなり、測定にかかる時間が数秒から数分と長くなる問題があった。この問題に対し、フェムト秒パルスレーザを２台用いて、ポンプ光とプローブ光を供給するレーザを個別に用意し、２台のパルス周期を少しだけ変えることで可変遅延器を削除して高速化する非同期サンプリング方式の時間領域分光装置が開発されている（特許文献１）。この方式を用いることで機械式の制御機構が不要となるため高速化に適しているが、高価なフェムト秒パルスレーザが２台も必要となるため、時間領域分光装置の価格が高額になる問題がある。さらに、レーザパルスのジッタによって信号と雑音の比（ＳＮ比）が悪化する問題がある。ジッタとは、レーザパルスのタイミングの分布であるため、ジッタの増大によりポンプ光とプローブ光の時間差が揺らぐ。したがって、所要の時間差からのずれが生じ、フーリエ変換するときに周波数の雑音となりＳＮ比が劣化する問題がある。

上述した装置が高額になる問題に対しては、１台のフェムト秒パルスレーザを用いて可変遅延器制御による遅延変化をなくす差周波同期サンプリング方式が開発されている（特許文献２）。この方式では、ポンプ光もプローブ光も同じレーザから供給されるが、プローブ光は光パルスＮ周期分（Ｎは正の整数）の遅延を介して供給される。また、レーザのパルス周期は連続的に変化するように制御される。プローブ光をポンプ光に対して１周期分遅らせることで、プローブ光とポンプ光のタイミング差が連続的に変化する。その結果テラヘルツ電磁波パルスを異なるタイミングで検出し、複数点を取得することでテラヘルツ電磁波パルスの波形を取得することができる。

以上のように差周波同期サンプリング方式は、機械式の制御機構を不要とすることができ高速化に適しているが、ジッタによってＳＮ比が劣化する問題は非同期サンプリング方式と同様に残る。レーザのパルス周期を変化させる必要があり、パルス周期が固定の場合に対してジッタは増大する。

以上のようなジッタによるＳＮ比劣化の問題以外に、差周波同期サンプリング方式にはいくつかの課題がある。図７は、本発明の前提として検討した時間領域分光装置において、その概略構成例を示すブロック図である。図７に示す時間領域分光装置（ＴＤＳ：Ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）は、フェムト秒パルスレーザ（ｆｓＬ：Ｆｅｍｔｏ−ｓｅｃｏｎｄｐｕｌｓｅｌａｓｅｒ）１９、光パルス周期制御装置（ＰＣＯＮ：Ｐｕｌｓｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）２３、パルス発生器（ＧＥＮ：Ｐｕｌｓｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ）１５、パルス検出器（ＤＥＴ：Ｐｕｌｓｅｄｅｔｅｃｔｏｒ）１４、遅延器（ＤＥＬ：Ｄｅｌａｙｅｒ）１０１を備えている。ｆｓＬ１９の出力する光パルス周期は、ＰＣＯＮ２３から入力される電圧またはクロックなどの制御信号により制御され、出力された光パルスはハーフミラーなどによって２つに分岐される。分岐された片方の光パルスは、ポンプ光としてＧＥＮ１５に入射され、ＧＥＮ１５からテラヘルツパルス電波が放出される。他方の光パルスは、遅延器によって光パルス周期１周期分の遅延時間を経て、プローブ光としてＤＥＴ１４に入射され、プローブ光が入力されたタイミングにおいてＤＥＴ１４に伝播したテラヘルツパルス電波の信号強度に応じた電流Ｉ_ＤＥＴがＤＥＴ１４から出力される。図７の構成例における一つ目の課題は、プローブ光用の遅延器ＤＥＬ１０１が生成する遅延時間の変動である。図８は、正しい動作をしているときのポンプ光パルスとプローブ光パルスの波形を示している。正しい動作をするときは、プローブ光パルスのタイミングがポンプ光の前後をスイープするように制御されている。従来の遅延器１０１は、例えば所要の光路長分のファイバケーブルで構成される。しかしながらファイバケーブルにより提供される遅延時間は、ファイバケーブル周辺の温度や気圧の影響を受けるため、温度や気圧の変化により変動する。したがって図９に示すようにプローブ光のタイミングがずれて最も信号の大きい範囲を取得できなくなり、検出器の出力信号が低下してＳＮ比が劣化する恐れがある。ＳＮ比が劣化するため、それを補うために測定回数を多くして積算して平均する必要が生じ、分析にかかる時間が長くなる恐れがある。

二つ目の課題は、パルスレーザの制御信号に対する非線形性による問題である。図１０にパルスレーザの制御信号に対するパルス周期の逆数（すなわちパルスの繰返し周波数）の制御特性例を示す。パルスレーザのパルス周期制御は、電圧で制御する方法やクロックを入力してクロックに同期させる方法などがあるが、ここでは電圧で制御する方法を考える。理想的には点線で示したように線形に制御されるが、実際には実線で示すような非線形特性を示す。制御特性が非線形特性を示すパルスレーザを用いて正確にポンプ光とプローブ光のタイミング差を制御するには、例えば、ＰＬＬ（ＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ）回路を用いてフィードバックによりパルスレーザのパルス周期を制御する方法がある。しかしながらＰＬＬ回路には基準となる基準周波数発生器が必要であり、その基準周波数によるスプリアスがパルスレーザ出力に重畳される。スプリアスもジッタの一部であるため、ＳＮ比が劣化してしまう恐れがある。ＳＮ比が劣化するため、それを補うために測定回数を多くして積算して平均する必要が生じ、分析にかかる時間が長くなる恐れがある。

本願において開示される発明のうち、代表的な実施の形態の概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

時間領域分光装置であって、入力されたパルス光を分岐する分岐部と、前記分岐部で分岐された一方の前記パルス光のタイミングを遅延させる可変遅延器と、前記分岐部で分岐された他方の前記パルス光を電磁波へ変換する電磁波発生器と、前記電磁波発生器から照射された電磁波を受けた測定対象物を通過したパルスと、前記可変遅延器から出力された前記パルスとから、測定データを検出する検出器と、前記電磁波発生器に入力される前の前記パルス光と、前記可変遅延器から出力された前記パルス光との位相差を比較する比較器とを有し、前記比較器で得られた結果を前記可変遅延器にフィードバックすることを特徴とする。

あるいは、時間領域分光装置であって、入力されたパルス光を分岐する分岐部と、前記分岐部で分岐された一方の前記パルス光のタイミングを遅延させる可変遅延器と、前記分岐部で分岐された他方の前記パルス光を電磁波へ変換する電磁波発生器と、前記電磁波発生器から照射された電磁波を受けた測定対象物を通過したパルスと、前記可変遅延器から出力された前記パルスとから、測定データを検出する検出器と、前記電磁波発生器に入力される前の前記パルス光と、前記可変遅延器から出力された前記パルス光との位相差を比較する比較器とを有し、前記比較器で得られたデータと、前記測定データとを用いて、前記測定対象物の測定結果を得ることを特徴とする。

本発明によれば、時間領域分光装置および時間領域分光分析システムにおいて、分析される周波数スペクトルのＳＮ比を向上させることができる。

本発明の実施の形態１による時間領域分光装置の概略的な構成例を示すブロック図である。図１の時間領域分光装置における、その各ノードの信号波形を示す説明図である。図１の時間領域分光装置において、その計算機にて行うデータ処理方法の説明図である。従来の時間領域分光装置を用いた時の、一回の遅延時間スイープで得られるフーリエ変換後の周波数スペクトルと雑音を表す説明図である。本発明の時間領域分光装置を用いた時の、一回の遅延時間スイープで得られるフーリエ変換後の周波数スペクトルと雑音を表す説明図である。本発明の実施の形態２による時間領域分光分析システムの概略的な構成例を示す図である。本発明の前提として検討した時間領域分光装置の概略的な構成例を示すブロック図である。図７の時間領域分光装置のポンプ光とプローブ光のパルス波形を示した説明図である。図７の時間領域分光装置が正常動作でない時のポンプ光とプローブ光のパルス波形を示した説明図である。フェムト秒パルスレーザのパルス繰返し周波数の制御特性の一例を示す説明図である。本発明の実施の形態２の変形例による時間領域分光分析システムの概略的な構成例を示す図である。

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

また、実施の形態のフェムト秒パルスレーザは、特に制限されないが、ファイバレーザ、チタンサファイアレーザなどの固体レーザ、ネオジウム・ガラスレーザ、もしくは半導体レーザを用いることが望ましい。さらに、フェムト秒パルスレーザのパルス幅は１００フェムト秒以下であることが望ましいが、１００フェムト秒を超えるパルスレーザを除外するものではない。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施の形態１）
《時間領域分光装置の概略構成》
図１は、本発明の実施の形態１による差周波同期サンプリング方式の時間領域分光装置の概略的な構成例を示すブロック図である。図１に示す時間領域分光装置は、フェムト秒パルスレーザ（ｆｓＬ：ｆｅｍｔｓｅｃｏｎｄＬＡＳＥＲ）１９、光パルス周期制御装置（ＰＣＯＮ）２３、パルス発生器（ＧＥＮ：Ｐｕｌｓｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ）１５、パルス検出器（ＤＥＴ：Ｐｕｌｓｅｄｅｔｅｃｔｏｒ）１４、可変遅延器（ＶＤＥＬ：Ｖａｒｉａｂｌｅｄｅｌａｙｅｒ）１、フォトディテクタ（ＰＤＥＴ：Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）１２、１３、位相比較器（ＰＦＤ：Ｐｈａｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｅｔｅｃｔｏｒ）９、低周波透過フィルタ（ＬＰＦ：ＬｏｗＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ）２、３、アナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ：Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｖｅｒｔｏｒ）４、５、検出器出力処理部（ＯＰＵ：Ｏｕｔｐｕｔｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｕｎｉｔ）６、計算機（ＰＣ：ＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｐｕｔｅｒ）１０、ＰＣ１０で解析された結果を表示する表示装置（ＤＩＳ：Ｄｉｓｐｌａｙ）１１を備えている。

レーザ１９はパルス光を周期Ｔ（繰返し周波数ｆ_ＲＥＳ＝１／Ｔ）おきに出力する。また、レーザ１９は、上記の周期を可変するための周期可変端子を備えている。ｆ_ＲＥＳは特に限定するものではないが、１００ＭＨｚ程度である。

ＰＣＯＮ２３の出力はレーザ１９の周期可変端子に入力され、レーザ１９が出力する光パルスの周期Ｔを制御する。ＰＣＯＮ２３の出力は、レーザ１９の周期制御機構により形態が異なるが、電圧またはクロック信号である。本実施例では電圧信号とし、サイン波や三角波、鋸波などの周期的な信号（周期Ｔ_ＣＯＮ、周波数ｆ_ＣＯＮ）とする。レーザ１９から出力された光パルスは、ミラー等の分岐部によりＶＤＥＬ１へ入射する光とＧＥＮ１５へ入射する光に分岐される。

ＧＥＮ１５やＤＥＴ１４は、特に限定はされないが、一般的に低温成長ＧａＡｓ光伝導スイッチや、ＩｎＧａＡｓ光伝導スイッチ、またはＤＡＳＴ結晶が用いられる。ＧＥＮ１５に入射された光パルス（ポンプ光）によりＧＥＮ１５に自由電子を励起させ、印加された電圧によって自由電子が加速されてテラヘルツ電磁波パルスが発生する。すなわち、入射された光パルスに応じた電磁波パルスを発生させ、電磁波パルスは測定対象物１８へと照射される。

ＶＤＥＬ１は、特に限定はされないが、ピエゾ素子などを含み、遅延時間を制御するための遅延時間制御端子を設けている可変遅延器である。遅延制御端子に入力される電圧信号や電流信号によって、ＶＤＥＬ１に入射された光パルス信号がＶＤＥＬ１から出力されるまでに費やされる光パルス通過時間が制御される。ＶＤＥＬ１により提供される遅延時間は、光パルスの周期ＴのＮ倍（Ｎは正の整数）付近で制御される。

ＤＥＴ１４に入射された光パルス（プローブ光）によりＤＥＴ１４に自由電子が励起され、その瞬間のＤＥＴ１４位置におけるテラヘルツ電場（ＧＥＮ１５で発生し、測定対象物１８を通過してＤＥＴ１４に入射するテラヘルツ電磁波）に比例した電流信号を出力する。ＤＥＴ１４から出力された電流信号は、ＯＰＵ６において電圧信号に変換されて増幅され、データとなってフーリエ変換を行う計算機ＰＣ１０に入力される。

フーリエ変換を実施する際に、ポンプ光とプローブ光のタイミング差が明らかであれば、そのタイミング差を用いてフーリエ変換を実施することで周波数領域のデータに変換されるが、課題で述べたＶＤＥＬ１が提供する遅延時間が変動したり、ジッタが重畳されたりすると、所要のタイミング差との誤差が生じＳＮ比が劣化する。

この問題に対し、ＰＤＥＴ１２、１３、およびＰＦＤ９、ＬＰＦ２で構成される帰還構成によって課題を解決できる。ＰＤＥＴ１２と１３により、それぞれポンプ光とプローブ光の光パルスが電気信号に変換される。変換された電気信号をＰＦＤ９で比較し、両者のタイミング差を検出する。検出されたタイミング差は電気信号として出力され、ＬＰＦ２によって低周波信号のみ透過してＶＤＥＬ１に入力される。ＬＰＦ２の遮断周波数は、ＰＣＯＮ２３が出力する制御信号の周波数ｆ_ＣＯＮに比べて十分小さい必要があり、１０分の１以下であることが望ましい。ＰＤＥＴ１２、１３、およびＰＦＤ９、ＬＰＦ２で構成される帰還構成は、ポンプ光とプローブ光のタイミング差の平均値を０にするための帰還構成であるため、ＬＰＦ２の遮断周波数がｆ_ＣＯＮ以上であると、タイミング差を常に０にするようにＶＤＥＬ１が制御されてしまうためである。ＬＰＦ２の遮断周波数がｆ_ＣＯＮに比べて十分小さければ、ｆ_ＣＯＮよりも遅いゆっくりとした変動のみをキャンセルするように機能する。温度や気圧などの変動は緩やかであるため、この帰還構成により十分に補償することができる。また、ジッタの低周波成分もこの帰還構成により補償することができる。発明した帰還構成を用いることでフーリエ変換後のデータのＳＮ比を向上できるため、データの積算回数を減らして高速化することができる。

さらに、ＬＰＦ２の遮断周波数以上のジッタ成分とレーザ１９の非線形特性によるＳＮ比劣化に対しては、ＬＰＦ３とＡＤＣ４を用いたタイミング差情報の抽出機構によって解決できる。ＰＦＤ９から出力される電気信号は、ＬＰＦ３にも入力される。ＬＰＦ３の遮断周波数は、ｆ_ＣＯＮ以上である必要があり、ｆ_ＣＯＮの３倍以上であることが望ましい。ＬＰＦ３の出力はＡＤＣ４によりディジタル信号に変換されて計算機へ入力される。ＬＰＦ３の出力は、ポンプ光とプローブ光のタイミング差の変遷情報を含んでおり、ＬＰＦ３の遮断周波数をｆ_ＣＯＮの３倍以上とすることで、レーザ１９の非線形特性のうち２次歪と３次歪成分までを含む。さらに、上記の帰還構成で補償できないＬＰＦ３の遮断周波数以上のジッタ成分も含む。したがって、ＬＰＦ３の出力を実際のポンプ光とプローブ光のタイミング差情報として計算機に送り、このタイミング差を用いてフーリエ変換を行うことで、レーザ１９の非線形特性とＬＰＦ２の遮断周波数以上のジッタ成分によるＳＮ比劣化を改善することができる。発明したタイミング差情報の抽出機構を用いることで、レーザ１９の非線形特性とＬＰＦ２の遮断周波数以上のジッタ成分によるＳＮ比劣化を改善できるため、上述した帰還構成のみを用いた場合に比べてフーリエ変換後のデータのＳＮ比をさらに向上でき、データの積算回数を減らして高速化することができる。

上記の帰還構成と、タイミング差情報の抽出機構は、どちらか一方でもＳＮ比改善効果が期待できる。なお、後者のみを適用する場合には、温度や気圧変動、および低周波のジッタ成分を抽出のため積算時間を長くする必要がある。ｆｓＬのパルス周期制御信号の周波数の逆数１／ｆ_ＣＯＮで一回のタイミング差のスイープが終了するが、１／ｆ_ＣＯＮよりも長い時間の積算が必要となるため、測定時間を長くする必要がある。両者を併用した場合には、ＳＮ比改善効果に加え、測定時間の短縮も可能となる。

以上を踏まえ、本実施例に記載の発明は、時間領域分光装置であって、入力されたパルス光を分岐する分岐部と、分岐部で分岐された一方のパルス光のタイミングを遅延させる可変遅延器１と、分岐部で分岐された他方のパルス光を電磁波へ変換する電磁波発生器１５と、電磁波発生器１５から照射された電磁波を受けた測定対象物１８を通過したパルスと、可変遅延器１から出力されたパルスとから、測定データを検出する検出器１４と、電磁波発生器１５に入力される前のパルス光と、可変遅延器１から出力されたパルス光との位相差を比較する比較器９とを有し、比較器９で得られた結果を可変遅延器１にフィードバックすることを特徴とする。

あるいは、時間領域分光装置であって、入力されたパルス光を分岐する分岐部と、分岐部で分岐された一方のパルス光のタイミングを遅延させる可変遅延器１と、分岐部で分岐された他方のパルス光を電磁波へ変換する電磁波発生器１５と、電磁波発生器１５から照射された電磁波を受けた測定対象物１８を通過したパルスと、可変遅延器１から出力されたパルスとから、測定データを検出する検出器１４と、電磁波発生器１４に入力される前のパルス光と、可変遅延器１から出力されたパルス光との位相差を比較する比較器９とを有し、比較器９で得られたデータと、測定データとを用いて、測定対象物１８の測定結果を得ることを特徴とする。

図１の構成における各ノード（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ）の電圧または電流波形を図２に示す。図２では、ＰＣＯＮ２３からはサイン波が出力され、それによりレーザ１９のパルス周期が制御されている。Ａ点Ｂ点では、それぞれポンプ光とプローブ光の光パルスが電圧信号に変換される。ＰＦＤ９では、両者の電圧信号のタイミング差に比例した信号が出力される。ここではＰＦＤ９を一般的な構成であるチャージポンプ回路と容量Ｃ１で構成する例を示す。Ｃ´の波形はチャージポンプ回路から出力される電流信号の波形であり、ＰＤＥＴ１２と１３の電圧波形のタイミング差に比例したパルス幅となる。チャージポンプ回路から出力される電流パルスはＣ１をチャージ・ディスチャージし、ＰＦＤ９の電圧出力はＣの波形となる。ＰＦＤ９の出力はＬＰＦ３と２に入力され、それぞれＤ，Ｅの波形となる。Ｄではｆ_ＣＯＮ以上の周波数成分がＬＰＦ３を通過するため、ＰＣＯＮ２３出力に近い波形となり、さらに、ジッタやレーザ１９の非線形特性を含んだ信号となっている。Ｅでは、ｆ_ＣＯＮよりも十分に小さい周波数までしか透過しないため、ＰＣＯＮ２３出力の１周期分だけを見ると、ほとんど変化がないが、温度や気圧変動に対しては変動する波形となる。

《検出器出力処理部の構成例》
図１には、時間領域分光装置システムにおいて、その検出器出力処理部ＯＰＵ６の詳細な構成例も示している。従来のロックインアンプを用いた検出器出力処理方式を用いても所用のデータに処理することは可能であるが、本構成を用いることでより高速化することができる。図１の例では、ＤＥＴ１４の出力電流信号は電流電圧変換増幅器（ＩＶ−ＡＭＰ：Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｔｏ−ｖｏｌｔａｇｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ）８により電圧信号となり増幅され、増幅された電圧信号はサンプル・アンド・ホールド回路（ＳＨＣ：Ｓａｍｐｌｅ−ａｎｄ−ｈｏｌｄｃｉｒｃｕｉｔ）７によって、別途入力されるＰＤＥＴ１３または１２の出力信号をクロックとするため、各プローブ光パルス入射タイミングにおける検出器出力となり、ＡＤＣ５によりディジタル信号に変換されて計算機ＰＣ１０へ送られる。このような構成にすることで、全てのプローブ光パルスの入射タイミングにおける検出器出力をモニタすることが可能となる。そのため、従来のロックインアンプを用いた検出方式に比べて高速化することができる。

《計算機ＰＣでの処理》
図３は、計算機ＰＣ１０で行う処理を模式化した物である。計算機ＰＣ１０には、検出器出力処理部から出力されるテラヘルツ電波の強度情報と、タイミング差情報の抽出機構から出力されるポンプ光とプローブ光のタイミング差情報が入力される。強度情報のデータレートは、光パルスの繰返し周波数ｆ_ＲＥＳまでの速度であり、タイミング差情報は、ＬＰＦ３の遮断周波数によるが、ｆ_ＣＯＮの３倍程度までのデータレートである。タイミング差情報は、強度情報のデータレートまで補完され、強度情報と１対１に対応される。両者の情報を用いてフーリエ変換を実行し、周波数と位相情報が抽出され、表示装置に表示される。計算機ＰＣ１０には、上記の処理を行うためのソフトウェアがインストールされる。これにより、時間領域分光装置による分析を高速化することができる。

《実施例１の効果》
図４は、本発明を適用する前の時間領域分光装置を用いて、積算・平均化せずに分析したテラヘルツ電波の周波数スペクトルの例である。実線は信号を、点線は雑音を示している。図５は、本発明を適用して、積算・平均化せずに分析したテラヘルツ電波のスペクトルの例である。図４に比べて、雑音を低減できるため、少ない積算回数でも所要のＳＮ比を実現でき、分析を高速化することができる。

（実施の形態２）
図６は、実施例１の時間領域分光装置を応用した時間領域分光分析システムである。時間領域分光装置と、可動サンプルステージ（ＭＳＴ：Ｍｏｖａｂｌｅｓｔａｇｅ）２５とテラヘルツ電磁波スイープ機構（ＴＷＳ：Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ−ｗａｖｅｓｗｅｅｐｅｒ）２４を備えている。ＭＳＴ２５には、分析対象となる測定対象物２９が乗せられる。ＴＷＳ２４に設置されたテラヘルツ電磁波発生部２６から測定対象物２９に向けて電磁波パルスが照射され、測定対象物２９を通過した電磁波パルスは、テラヘルツ電磁波検出部２８に入射する。この時、透過した電磁波以外の反射波や散乱波を検出したい場合には、変形例（図１１）のように、測定対象物２９のテラヘルツ電磁波発生部２６側にテラヘルツ電磁波検出部２８を設けてもよい。

テラヘルツ電磁波発生部２６内には少なくとも、実施例１で用いたＧＥＮ１５やＰＤＥＴ１２が、テラヘルツ電磁波検出部２８内には少なくとも、実施例１で用いたＤＥＴ１４やＰＤＥＴ１３が格納されている。また処理部２７には、実施例１の時間領域分光装置で用いた、レーザ１９や計算機１０等が格納され、テラヘルツ電磁波発生部２６やテラヘルツ電磁波検出部２８と光学的または電気的に接続され、信号のやり取りを行っている。

ＴＷＳ２４は測定対象物２９に進行方向に対して垂直方向にテラヘルツ波をスイープするための機構である。

以上をまとめると、本実施例の時間領域分光分析システムは、入力されたパルス光を分岐する分岐部と、分岐部で分岐された一方のパルス光のタイミングを遅延させる可変遅延器と、分岐部で分岐された他方のパルス光を電磁波へ変換する電磁波発生器と、電磁波発生器から照射された電磁波を受けた測定対象物を通過したパルスまたは測定対象物で反射したパルスと、可変遅延器から出力されたパルスとから、測定データを検出する検出器と、電磁波発生器に入力される前の前記パルス光と、可変遅延器から出力されたパルス光との位相差を比較する比較器とを有し、比較器で得られた結果を可変遅延器にフィードバックすることを特徴とする時間領域分光装置と、測定対象物を設置する可動サンプルステージと、電磁波スイープ機構とを有すること特徴とする。

この時間領域分光分析システムを用いることで、実施例１の効果に加え、測定対象物２９の２次元情報を得ることができる。さらに、高速に分析することが可能となる。

１：可変遅延器（ＶＤＥＬ）
２、３：低周波透過フィルタ（ＬＰＦ）
４、５：アナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ）
６：検出器出力処理部（ＯＰＵ）
７：サンプル・アンド・ホールド回路（ＳＨＣ）
８：電流電圧変換増幅器（ＩＶ−ＡＭＰ）
９：位相比較器（ＰＦＤ）
１０：計算機（ＰＣ）
１１：表示装置（ＤＩＳ）
１２、１３：フォトディテクタ（ＰＤＥＴ）
１４：パルス検出器（ＤＥＴ）
１５：パルス発生器（ＧＥＮ）
１６、１７：レンズ
１８：測定対象物
１９：フェムト秒パルスレーザ
２０：テラヘルツ電磁波
２１：ポンプ光
２２：プローブ光
２３：光パルス周期制御装置（ＰＣＯＮ）
２４：テラヘルツ電磁波スイープ機構（ＴＷＳ）
２５：可動サンプルステージ（ＭＳＴ）
２６、２７：テラヘルツ時間領域分光装置（ＴＤＳ）
２９：測定対象物
１０１：遅延器（ＤＥＬ）

Claims

入力されたパルス光を分岐する分岐部と、
前記分岐部で分岐された一方の前記パルス光のタイミングを遅延させる可変遅延器と、
前記分岐部で分岐された他方の前記パルス光に応じた電磁波を発生させる電磁波発生器と、
前記電磁波発生器から照射された電磁波を受けた測定対象物を通過したパルスと、前記可変遅延器から出力された前記パルスとから、測定データを検出する検出器と、
前記電磁波発生器に入力される前の前記パルス光と、前記可変遅延器から出力された前記パルス光との位相差を比較する比較器とを有し、
前記比較器からの出力信号のうち、前記パルス光の周期制御に用いる信号の周期よりも低い周波数の信号を前記可変遅延器にフィードバックすることを特徴とする時間領域分光装置。
請求項１に記載の時間領域分光装置であって、
前記比較器で得られたデータと、前記測定データとを用いて、前記測定対象物の測定結果を得ることを特徴とする時間領域分光装置。
請求項１に記載の時間領域分光装置であって、
前記パルス光の周期制御に用いる信号の周期よりも低い周波数の信号は、１周期分ではほぼ変化しないが、温度または気圧変動に対しては変動する波形の信号であることを特徴とする時間領域分光装置。
入力されたパルス光を分岐する分岐部と、
前記分岐部で分岐された一方の前記パルス光のタイミングを遅延させる可変遅延器と、
前記分岐部で分岐された他方の前記パルス光を電磁波へ変換する電磁波発生器と、
前記電磁波発生器から照射された電磁波を受けた測定対象物を通過したパルスと、前記可変遅延器から出力された前記パルスとから、測定データを検出する検出器と、
前記電磁波発生器に入力される前の前記パルス光と、前記可変遅延器から出力された前記パルス光との位相差を比較する比較器とを有し、
前記比較器で得られたデータと、前記測定データとを用いて、前記測定対象物の測定結果を得ることを特徴とする時間領域分光装置。
請求項４に記載の時間領域分光装置であって、
周波数フィルタと、情報処理部とをさらに有し、
前記比較器で得られたデータは前記周波数フィルタを通過し、前記情報処理部において、前記測定データとともに情報処理されることを特徴とする時間領域分光装置。
請求項５に記載の時間領域分光装置であって、
前記周波数フィルタが透過する信号の周波数は、前記パルス光の周波数（ｆcon）より高いことを特徴とする時間領域分光装置。
請求項６に記載の時間領域分光装置であって、
第１のフォトディテクタと第２のフォトディテクタと、をさらに有し、
前記電磁波発生器に入力される前の前記パルス光は、前記第１のフォトディテクタによって、前記可変遅延器から出力された前記パルス光は、前記第２のフォトディテクタによってそれぞれ電気信号へと変換され、前記比較器に入力されることを特徴とする時間領域分光装置。
請求項７記載の時間領域分光装置であって、
前記パルス光を出射するレーザと、
前記レーザに前記パルス光のパルス周期を制御するための電圧信号を入力する周期制御装置と、をさらに有し、
前記周期制御装置からの出力信号波形は、正弦波／三角波／鋸波状のいずれかであることを特徴とする時間領域分光装置。
入力されたパルス光を分岐する分岐部と、前記分岐部で分岐された一方の前記パルス光のタイミングを遅延させる可変遅延器と、前記分岐部で分岐された他方の前記パルス光を電磁波へ変換する電磁波発生器と、前記電磁波発生器から照射された電磁波を受けた測定対象物を通過したパルスまたは前記測定対象物で反射したパルスと、前記可変遅延器から出力された前記パルスとから、測定データを検出する検出器と、前記電磁波発生器に入力される前の前記パルス光と、前記可変遅延器から出力された前記パルス光との位相差を比較する比較器とを有し、
前記比較器からの出力信号のうち、前記パルス光の周期制御に用いる信号の周期よりも低い周波数の信号を前記可変遅延器にフィードバックすることを特徴とする時間領域分光装置と、
測定対象物を設置する可動サンプルステージと、
電磁波スイープ機構とを有すること特徴とする時間領域分光分析システム。