JP5894575B2 - テラヘルツ波分光計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、テラヘルツ波を用いた分光計測装置に関する。

従来、テラヘルツ波を用いた分光計測装置に関連する技術として、例えば特許文献１に記載の全反射分光計測装置がある。この全反射分光計測装置では、内部全反射プリズムの入射面にテラヘルツ波発生素子が一体に設けられ、内部全反射プリズムの出射面にテラヘルツ波検出素子が一体に設けられている。このような内部全反射プリズムとテラヘルツ波発生素子とテラヘルツ波検出素子とを一体化した一体型プリズムを用いる場合、全反射分光計測装置を小型化しつつ、高い効率でテラヘルツ波の発生を検出できるという利点がある。

特開２００８−２２４４４９号公報

上述した従来の分光計測装置では、一体型プリズムの上面に被測定物を配置し、当該上面で反射したテラヘルツ波とプローブ光との間の相関をテラヘルツ波検出素子で検出することによって被測定物の光学定数を計測している。しかしながら、このような一体型プリズムを用いた計測においては、測定を行う度に一体型プリズムの上面の清掃が必要であり、複数の被測定物の測定をスムーズに行うための工夫が更なる課題となっていた。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、複数の被測定物の測定をスムーズに行うことができるテラヘルツ波分光計測装置を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係るテラヘルツ波分光計測装置は、レーザ光を出射する光源と、光源から出射されたレーザ光をポンプ光とプローブ光とに分岐する分岐部と、分岐部で分岐したポンプ光の入射によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子と、テラヘルツ波の入射面・出射面及び被測定物の配置面を有し、入射面から入射したテラヘルツ波を内部で伝播させると共に配置面で反射又は透過させて出射面から出射させる分光プリズムと、分光プリズムの出射面から出射したテラヘルツ波と、分岐部で分岐したプローブ光とが入射し、テラヘルツ波とプローブ光との間の相関を検出するテラヘルツ波検出素子と、を備え、分光プリズムにおいて、配置面を含むプリズム部分が本体部分に対してスライド可能となっており、当該プリズム部分の配置面に、被測定物が配置される配置領域がスライド方向に沿って複数設けられていることを特徴としている。

このテラヘルツ波分光計測装置では、分光プリズムにおいて、本体部分に対してスライド可能なプリズム部分が設けられている。そして、プリズム部分の配置面には、被測定物が配置される配置領域がスライド方向に沿って複数設けられている。したがって、一つの被測定物について光学定数の測定が終了した後、プリズム部分をスライドさせて次の被測定物をテラヘルツ波の光路上に移動させることにより、複数の被測定物の測定をスムーズに行うことができる。

また、プリズム部分の配置面に、被測定物が配置されない参照領域が更に設けられていることが好ましい。この場合、リファレンスの測定から被測定物の測定までを連続的に行うことが可能となる。

また、プリズム部分に取手部が設けられていることが好ましい。この場合、本体部分に対するプリズム部分のスライド、及び本体部分からのプリズム部分の取り外しが容易となる。

また、プリズム部分と本体部分との間の一部にスペースが存在していることが好ましい。この場合、本体部分に対するプリズム部分のスライド、及び本体部分からのプリズム部分の取り外しが容易となる。

本発明によれば、複数の被測定物の測定をスムーズに行うことができる。

本発明に係るテラヘルツ波分光計測装置の一実施形態を示す図である。 図１に示したテラヘルツ波分光計測装置に用いられる一体型プリズムの斜視図である。 図２の側面図である。 被測定物の光学定数を導出する手順を示すフローチャートである。 プリズム部分の変形例を示す図である。 プリズム部分の別の変形例を示す図である。 プリズム部分の更に別の変形例を示す図である。 プリズム部分の更に別の変形例を示す斜視図である。 図８の側面図である。 形状の異なるプリズム部分を嵌合した場合の一体型プリズムの側面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係るテラヘルツ波分光計測装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係るテラヘルツ波分光計測装置の一実施形態を示す図である。同図に示すように、テラヘルツ波分光計測装置１は、レーザ光を出射するレーザ光源２と、テラヘルツ波発生素子３２・分光プリズム３１・テラヘルツ波検出素子３３が一体となった一体型プリズム３と、テラヘルツ波を検出する検出部４とを備えている。また、テラヘルツ波分光計測装置１は、上記構成要素の動作を制御する制御部５と、検出部４からの出力に基づいてデータ解析を行うデータ解析部６と、データ解析部６における処理結果を表示する表示部７とを備えている。

レーザ光源２は、フェムト秒パルスレーザを発生させる光源である。レーザ光源２からは、例えば平均パワー１２０ｍＷ、繰り返しレート７７ＭＨｚのフェムト秒パルスレーザが出力される。レーザ光源２から出射したフェムト秒パルスレーザは、ミラー１１，１２を経て、ビームスプリッター１３によってポンプ光４８とプローブ光４９とに二分される。プローブ光４９が伝播するプローブ光用光路Ｃ１には、ミラー１４，１５及びレンズ１６が設けられており、プローブ光４９は、レンズ１６で集光されて後述のテラヘルツ波検出素子３３に入射する。

一方、ポンプ光４８が伝播するポンプ光用光路Ｃ２には、遅延部２１と、変調器２２とが設けられている。遅延部２１は、一対のミラー２３，２４と、可動ステージ２６上に設置された反射プリズム２５によって構成され、反射プリズム２５の位置を一対のミラー２３，２４に対して前後させることで、ポンプ光４８の遅延調節が可能となっている。また、変調器２２は、例えば光チョッパによってポンプ光４８の透過と遮断を切り替える部分である。変調器２２は、制御部５からの信号に基づいて、例えば１ｋＨｚでポンプ光４８の透過と遮断の変調を行う。

ポンプ光用光路Ｃ２を伝播したポンプ光４８は、ミラー２８を経てレンズ２７で集光され、一体型プリズム３に入射する。図２及び図３に示すように、一体型プリズム３を構成する分光プリズム３１は、例えばＳｉによって形成されており、入射面３１ａ側にはテラヘルツ波発生素子３２が一体に固定され、出射面３１ｂ側にはテラヘルツ波検出素子３３が一体に固定されている。分光プリズム３１の上面は、屈折率、誘電率、吸収係数といった各種の光学定数を測定する対象となる被測定物３４が配置される配置面３１ｃとなっている。

また、図３に示すように、分光プリズム３１の底面において、入射面３１ａと配置面３１ｃとの間には、テラヘルツ波発生素子３２で発生したテラヘルツ波Ｔを配置面３１ｃに向けて平行光化する第１光学面３１ｄが設けられている。さらに、配置面３１ｃと出射面３１ｂとの間には、配置面３１ｃで全反射したテラヘルツ波Ｔを出射面３１ｂに向けて集光する第２光学面３１ｅが設けられている。これらの第１光学面３１ｄ及び第２光学面３１ｅは、分光プリズム３１の底面を所定の形状に曲面加工することによって形成されている。

テラヘルツ波発生素子３２としては、例えばＺｎＴｅなどの非線形光学結晶、ＧａＡｓを用いた光スイッチなどのアンテナ素子、ＩｎＡｓなどの半導体、超伝導体などを用いることができる。これらの素子から発生するテラヘルツ波Ｔのパルスは、一般的には数ピコ秒程度である。テラヘルツ波発生素子３２として非線形光学結晶を用いた場合、テラヘルツ波発生素子３２にポンプ光４８が入射すると、非線形光学効果によってテラヘルツ波Ｔに変換される。

テラヘルツ波検出素子３３としては、例えばＺｎＴｅなどの電気光学結晶、ＧａＡｓを用いた光スイッチなどのアンテナ素子を用いることができる。テラヘルツ波検出素子３３として、電気光学結晶を用いた場合、テラヘルツ波検出素子３３にテラヘルツ波Ｔとプローブ光４９とが同時に入射すると、プローブ光４９がポッケルス効果によって複屈折を受ける。プローブ光４９の複屈折量は、テラヘルツ波Ｔの電場強度に比例する。したがって、プローブ光４９の複屈折量を検出することで、テラヘルツ波Ｔを検出することができる。

なお、テラヘルツ波発生素子３２及びテラヘルツ波検出素子３３の固定には、例えば熱硬化型の接着剤が用いられる。このとき用いられる接着剤は、テラヘルツ波Ｔの波長において透明なものであって、テラヘルツ波発生素子３２及びテラヘルツ波検出素子３３それぞれの屈折率と分光プリズム３１の屈折率との間の中間の屈折率、又は同等の屈折率を有していることが好ましい。

また、接着剤のほか、テラヘルツ波Ｔの波長において透明なワックスを溶融・凝固させて固定する方法や、テラヘルツ波発生素子３２及びテラヘルツ波検出素子３３を入射面３１ａ及び出射面３１ｂにそれぞれ直接接触させた状態で、テラヘルツ波発生素子３２及びテラヘルツ波検出素子３３の縁部を接着剤で固めるようにしてもよい。

テラヘルツ波を検出する検出部４は、テラヘルツ波検出素子３３が電気光学結晶の場合、図１に示すように、例えばλ／４波長板４１と、偏光素子４２と、一対のフォトダイオード４３，４３と、差動増幅器４４と、ロックイン増幅器４７とによって構成されている。テラヘルツ波検出素子３３で反射したプローブ光４９は、ミラー４５によって検出部４側に導かれ、レンズ４６で集光されてλ／４波長板４１を経由した後、ウォラストンプリズムなどの偏光素子４２によって垂直直線偏光成分と水平直線偏光成分とに分離される。このプローブ光４９の垂直直線偏光成分と水平直線偏光成分とは、一対のフォトダイオード４３，４３によってそれぞれ電気信号に変換され、差動増幅器４４によってその差分が検出される。差動増幅器４４からの出力信号は、ロックイン増幅器４７によって増幅された後、データ解析部６に入力される。

テラヘルツ波検出素子３３にテラヘルツ波Ｔとプローブ光４９とが同時に入射した場合、差動増幅器４４からはテラヘルツ波Ｔの電場強度に比例した強度の信号が出力され、テラヘルツ波検出素子３３にテラヘルツ波Ｔとプローブ光４９とが同時に入射しなかった場合、差動増幅器４４からは信号が出力されないこととなる。また、テラヘルツ波Ｔが分光プリズム３１の配置面３１ｃで反射するときに放射されるエバネッセント波は、分光プリズム３１の配置面３１ｃに配置される被測定物３４と相互作用を起こし、被測定物３４が配置されていない場合に比べてテラヘルツ波Ｔの反射率が変化する。したがって、このテラヘルツ波Ｔの反射率の変化を計測することで、被測定物３４の分光特性を評価することができる。

データ解析部６は、例えばテラヘルツ波分光計測装置１の専用の解析プログラムに基づいて全反射分光計測のデータ解析処理を行う部分であり、物理的には、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリ、入力装置、及び表示部７などを有するコンピュータシステムである。データ解析部６は、ロックイン増幅器４７から入力された信号に基づいてデータ解析処理を実行し、解析結果を表示部７に表示させる。

次に、上述した一体型プリズム３の構成について更に詳細に説明する。

図２及び図３に示すように、一体型プリズム３では、配置面３１ｃを上面とするプリズム部分５２が本体部分５１に対して別体となっている。プリズム部分５２は、例えば本体部分５１と同様にＳｉによって断面三角状に形成され、当該本体部分５１を上面側から見た場合に、一体型プリズム３の内部におけるテラヘルツ波Ｔの光路と交差する方向に本体部分５１の幅よりも長く延在している。なお、プリズム部分５２の材料としては、Ｓｉのほか、例えばＭｇＯを用いることもできる。

一方、本体部分５１の上部には、プリズム部分５２の形状に対応する断面三角状の溝部５１ａが形成されている。そして、プリズム部分５２は、本体部分５１の溝部５１ａに隙間なく嵌め込まれた状態で、本体部分５１の幅方向にスライド可能となっている。

また、プリズム部分５２の上面には、図２に示すように、被測定物３４が配置される配置領域Ｋがスライド方向に沿って複数（本実施形態では３箇所）設けられている。さらに、プリズム部分５２の上面の端部には、被測定物が配置されない参照領域Ｌが設けられている。したがって、プリズム部分５２を本体部分５１に対してスライドさせることにより、テラヘルツ波Ｔが反射する配置面３１ｃ上に位置する被測定物３４への切り替え、及びリファレンスへの切り替えを連続的に行うことができる。

図４は、テラヘルツ波分光計測装置１を用いて被測定物３４の光学定数を導出する手順を示すフローチャートである。なお、以下の説明では、テラヘルツ波Ｔが分光プリズム３１の配置面３１ｃに対しＰ偏光で入射した場合を仮定する。

図４に示すように、まず、テラヘルツ波分光計測装置１を用いてリファレンス測定及びサンプル測定を実施する（ステップＳ０１，Ｓ０２）。リファレンス測定では、一体型プリズム３の内部を伝播するテラヘルツ波Ｔが参照領域Ｌで反射するように本体部分５１に対してプリズム部分５２を位置合わせし、光学定数が既知である物質（例えば空気）について測定を行う。

また、サンプル測定では、一体型プリズム３の内部を伝播するテラヘルツ波Ｔが配置領域Ｋで反射するように本体部分５１に対してプリズム部分５２をスライドさせ、光学定数を得たい物質について測定する。そして、リファレンス計測結果Ｔ_ｒｅｆとサンプル測定結果Ｔ_ｓｉｇとをそれぞれフーリエ変換することによって、リファレンス振幅Ｒ_ｒｅｆ、リファレンス位相Φ_ｒｅｆ、サンプル振幅Ｒ_ｓｉｇ、サンプル位相Φ_ｓｉｇをそれぞれ求める（ステップＳ０３）。

次に、リファレンス振幅Ｒ_ｒｅｆとサンプル振幅Ｒ_ｓｉｇとの比Ｐを式（１）によって求め、リファレンス位相Φ_ｒｅｆとサンプル位相Φ_ｓｉｇとの位相差Δを式（２）によって求める（ステップＳ０４）。

さらに、上述した比Ｐと位相差Δとを用いて値ｑを式（３）のように定める（ステップＳ０５）。

ここで、分光プリズム３１に対するテラヘルツ波Ｔの入射角をθ_ｉ（図３参照）とし、リファレンス測定及びサンプル測定においてスネルの法則より求められる屈折角をそれぞれθ_ｒｅｆ，θ_ｓｉｇとする。さらに、フレネルの反射式を用いると、式（３）におけるＰｅ^−ｉΔは、以下の式（４）で表すことができる。

上記式（４）を式（３）に代入し、式の変形を行うと、以下の式（５）が得られる。

また、分光プリズム３１を構成する物質の複素屈折率をｎ_{ｐｒｉｓｍ}とし、被測定物３４の複素屈折率をｎ_{ｓａｍｐｌｅ}とした場合、スネルの法則は以下の式（６）のようになり、被測定物３４の複素屈折率の２乗は、式（７）で表される。したがって、式（５）を式（７）に代入することで、被測定物３４の複素屈折率を求めることができ、これにより、被測定物３４の所望の光学定数が導出される（ステップＳ０６）。

以上の手順で一つの被測定物３４についての光学定数の導出を行った後、全ての被測定物３４について測定が終了したか否かを判断し（ステップＳ０７）、終了していない場合にはプリズム部分５２を更にスライドさせ、次の被測定物３４についてステップＳ０２〜ステップＳ０６の手順を繰り返し実行する。

以上説明したように、このテラヘルツ波分光計測装置１では、分光プリズム３１において、本体部分５１に対してスライド可能なプリズム部分５２が設けられている。そして、プリズム部分５２の上面の配置面３１ｃには、被測定物３４が配置される配置領域Ｋがスライド方向に沿って所定の間隔で複数設けられている。したがって、一つの被測定物３４について光学定数の測定が終了した後、プリズム部分５２をスライドさせて次の被測定物３４をテラヘルツ波Ｔの光路上に移動させることにより、配置面３１ｃの清掃を省いて複数の被測定物３４の測定をスムーズに行うことができる。

また、テラヘルツ波分光計測装置１では、プリズム部分５２の上面の配置面３１ｃに、被測定物３４が配置されない参照領域Ｌが更に設けられている。この参照領域Ｌは、配置領域Ｋの配列端に位置しており、これにより、一方向にプリズム部分５２をスライドさせることで、リファレンスの測定から測定までを連続的に行うことができる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。

例えば上記実施形態では、断面三角状のプリズム部分５２を用いているが、プリズム部分は、被測定物の配置面と本体部分との接触面とを有し、本体部分に対してスライド可能なものであれば種々の形状を適用可能である。プリズム部分の変形例としては、例えば図５に示すように、プリズム部分６２の底部に配置面３１ｃと平行な平坦面６２ａを形成すると共に、両側部に配置面３１ｃと直交する側面６２ｂ，６２ｂを形成してもよい。また、本体部分６１には、プリズム部分６２の形状に対応した溝部６１ａを設ける。

この場合、本体部分６１の上面の高さを図３の場合よりも低くし、プリズム部分６２を本体部分６１に嵌め込んだときに側面６２ｂ，６２ｂが本体部分６１の上面から突出させることが好ましい。こうすると、側面６２ｂ，６２ｂをプリズム部分６２の取手部として機能させることができ、本体部分６１に対するプリズム部分６２のスライド、及び本体部分６１からのプリズム部分６２の取り外しが容易となる。また、例えば図６に示すように、側面６２ｂ，６２ｂから板状に突出する取手部６２ｃ，６２ｃを更に設けてもよい。取手部６２ｃ，６２ｃにより、プリズム部分６２の取り扱いが更に容易となる。取手部の位置は、テラヘルツ波Ｔの伝播や被測定物３４の配置を妨げない位置であれば特に制限はない。

また、例えば図７に示すように、本体部分７１の溝部７１ａの底部及びプリズム部分７２の底部に配置面３１ｃと平行な平坦面７１ｂ，７２ｂを形成すると共に、プリズム部分５２を本体部分５１に嵌め込んだときに平坦面７１ｂ，７２ｂ間にスペースＳが形成されるようにしてもよい。かかる構成によっても、プリズム部分７２の取り扱いを容易とすることができる。

また、上記実施形態では、いずれも配置面３１ｃでテラヘルツ波Ｔを反射させる反射型の分光計測装置を開示しているが、例えば図８及び図９に示すように、配置面３１ｃでテラヘルツ波Ｔを透過させる透過型の分光計測装置としてもよい。この場合、本体部分５１よりも屈折率の低い材料でプリズム部分８２を構成すると共に、プリズム部分８２の上面において、スライド方向に複数（本実施形態では４箇所）の溝部を所定の間隔で設け、この溝部を被測定物３４を配置する配置領域Ｋとする。

例えば図１０に示すように、分光プリズム３１が屈折率３．４のＳｉからなり、プリズム部分８２が屈折率１．５のプラスチックからなる場合であって、分光プリズム３１に対するテラヘルツ波Ｔの入射角θｉが４５°であるときは、断面三角形状の溝部５１ａの開き角δは６９°とすればよい。このとき、テラヘルツ波Ｔは、本体部分５１とプリズム部分８２との嵌合部分で屈折し、配置領域Ｋ内の被測定物３４に対して略垂直に入射する。被測定物３４を透過したテラヘルツ波Ｔは、本体部分５１とプリズム部分８２との嵌合部分で屈折し、プリズム部分５２を嵌合させた場合と同様の光路に戻り、第２光学面３１ｅで反射して出射面３１ｂから出射する。なお、±１°程度の公差は許容される。

かかる構成によっても、一つの被測定物３４について光学定数の測定が終了した後、プリズム部分８２をスライドさせて次の被測定物３４をテラヘルツ波Ｔの光路上に移動させることにより、複数の被測定物３４の測定をスムーズに行うことができる。

１…全反射分光計測装置、２…レーザ光源、３…一体型プリズム、１３…ビームスプリッター（分岐部）、３１…分光プリズム、３１ａ…入射面、３１ｂ…出射面、３１ｃ…配置面、３２…テラヘルツ波発生素子、３３…テラヘルツ波検出素子、３４…被測定物、４８…ポンプ光、４９…プローブ光、５１，６１，７１…本体部分、５２，６２，７２，８２…プリズム部分、６２ｃ…取手部、Ｋ…配置領域、Ｌ…参照領域、Ｓ…スペース、Ｔ…テラヘルツ波。

Claims (4)

1. レーザ光を出射する光源と、
   前記光源から出射されたレーザ光をポンプ光とプローブ光とに分岐する分岐部と、
   前記分岐部で分岐した前記ポンプ光の入射によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子と、
   前記テラヘルツ波の入射面・出射面及び被測定物の配置面を有し、前記入射面から入射した前記テラヘルツ波を内部で伝播させると共に前記配置面で反射又は透過させて前記出射面から出射させる分光プリズムと、
   前記分光プリズムの前記出射面から出射した前記テラヘルツ波と、前記分岐部で分岐した前記プローブ光とが入射し、前記テラヘルツ波と前記プローブ光との間の相関を検出するテラヘルツ波検出素子と、を備え、
   前記分光プリズムは、前記配置面を含むプリズム部分と、前記プリズム部分が嵌まり込む溝部が設けられた本体部分とを有し、
   前記プリズム部分は、前記本体部分を前記配置面側から見た場合に、前記分光プリズムの内部における前記テラヘルツ波の光路と交差する方向に前記本体部分の幅よりも長く延在すると共に、当該方向に対して一軸にスライド可能となっており、
   当該プリズム部分の前記配置面に、前記被測定物が配置される配置領域がスライド方向に沿って複数設けられていることを特徴とするテラヘルツ波分光計測装置。
2. 前記プリズム部分の前記配置面に、前記被測定物が配置されない参照領域が更に設けられていることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波分光計測装置。
3. 前記プリズム部分に取手部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のテラヘルツ波分光計測装置。
4. 前記プリズム部分と前記本体部分との間の一部にスペースが存在していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のテラヘルツ波分光計測装置。

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