JP5957294B2 - プリズム部材、テラヘルツ波分光計測装置、及びテラヘルツ波分光計測方法 - Google Patents
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Description
本発明は、テラヘルツ波を用いた透過型分光計測に用いられるプリズム部材、及びこれを用いたテラヘルツ波分光計測装置・テラヘルツ波分光計測方法に関する。
従来、テラヘルツ波を用いたテラヘルツ波分光計測装置に関連する技術として、例えば特許文献１に記載のテラヘルツ波分光計測装置がある。このテラヘルツ波分光計測装置では、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、テラヘルツ波分光計測装置を小型化しつつ、高い効率でテラヘルツ波を計測できるという利点がある。
また、被測定物を透過したテラヘルツ波の状態を検出する透過型分光計測を行うための検出装置として、例えば特許文献２に記載の検出装置がある。この検出装置では、ポリスチレン板の両面を金属板で挟んだ積層体の両端面にテラヘルツ波発生素子とテラヘルツ波検出素子とが設けられている。ポリスチレン板の中央部分には、断面矩形の空隙が形成されており、この空隙に被測定物が充填されるようになっている。
被測定物を透過したテラヘルツ波の状態を計測する場合、テラヘルツ波が空気中を通過すると、空気中の水分による吸収の影響や、導波部材と空気との界面における反射ロスの影響により、測定精度が低下してしまうおそれがある。一方、テラヘルツ波を平行光化或いは集光化して被測定物を透過させる場合もある。そのため、被測定物を配置する部分の形状や被測定物の形状にかかわらず、上述した吸収の影響や反射ロスの影響を抑えた測定を可能にする工夫が求められている。
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、被測定物の形状にかかわらず、分光計測の測定精度を向上させることができるプリズム部材、これを用いたテラヘルツ波分光計測装置及びテラヘルツ波分光計測方法を提供することを目的とする。
上記課題の解決のため、本発明に係るプリズム部材は、テラヘルツ波を用いた被測定物の透過型分光計測に用いられるプリズム部材であって、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が配置された入射面と、被測定物が配置される配置部と、配置部内の被測定物を透過したテラヘルツ波とプローブ光との相関を検出するテラヘルツ波検出素子が配置された出射面と、入射面から入射したテラヘルツ波を配置部に向けて平行光化又は集光する第１光学面と、配置部を通ったテラヘルツ波を出射面に向けて集光する第２光学面と、を有し、配置部は、被測定物が不溶性を示す液体を充填可能な凹部をなしていることを特徴としている。
このプリズム部材では、被測定物が配置される配置部が凹部であり、被測定物が不溶性を示す液体を凹部に充填することが可能となっている。このため、第１光学面を経て配置部を通り、第２光学面に向かうテラヘルツ波の経路において、テラヘルツ波が空気中を通ることを回避できる。したがって、空気中の水分による吸収の影響を排除でき、分光計測の測定精度を向上できる。凹部の形状は、被測定物の形状等に応じて種々変更が可能であるが、形状が異なっても凹部を液体で簡便に満たすことができるので、測定の利便性が保たれる。
また、凹部は、第１光学面からのテラヘルツ波を被測定物に向けて屈折させる第１屈折面と、被測定物を通ったテラヘルツ波を第２光学面に向けて屈折させる第２屈折面とを含んでいることが好ましい。屈折率が異なる媒質の界面で光を屈折させる場合、界面に対する入射角を適切に設定すると、界面に対し垂直に光を入射させ、屈折させずに界面を透過させる場合よりも光の反射ロスを低減することができる。このため、凹部が第１屈折面を含んでいると、第１光学面から被測定物に向かうテラヘルツ波の反射ロスを低減でき、凹部が第２屈折面を含んでいると、被測定物を通って第２光学面に向かうテラヘルツ波の反射ロスを低減できる。したがって、テラヘルツ波の反射ロスの影響をより確実に排除でき、分光計測の測定精度を更に向上できる。
また、被測定物は固体であり、配置部は、被測定物を支持する支持部を有していることが好ましい。これにより、被測定物が固体である場合に、配置部内での被測定物の姿勢を安定させることができ、測定精度をより向上させることができる。
また、被測定物は液体であり、配置部は、被測定物を入れたセルを支持する支持部を有していることが好ましい。これにより、被測定物が液体である場合に、配置部への被測定物の配置及び取り出しが容易となる。
また、本発明に係るテラヘルツ波分光計測装置は、テラヘルツ波を用いた被測定物の透過型分光計測を行うテラヘルツ波分光計測装置であって、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、被測定物の配置部を有するプリズム部材と、を備え、プリズム部材は、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が配置された入射面と、配置部内の被測定物を透過したテラヘルツ波とプローブ光との相関を検出するテラヘルツ波検出素子が配置された出射面と、入射面から入射したテラヘルツ波を配置部に向けて平行光化又は集光する第１光学面と、配置部を通ったテラヘルツ波を出射面に向けて集光する第２光学面と、を有し、配置部は、被測定物が不溶性を示す液体を充填可能な凹部をなし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、プリズム部材において被測定物が配置される配置部が凹部であり、被測定物が不溶性を示す液体を凹部に充填することが可能となっている。このため、第１光学面を経て配置部を通り、第２光学面に向かうテラヘルツ波の経路において、テラヘルツ波が空気中を通ることを回避できる。したがって、空気中の水分による吸収の影響を排除でき、分光計測の測定精度を向上できる。凹部の形状は、被測定物の形状等に応じて種々変更が可能であるが、形状が異なっても凹部を液体で簡便に満たすことができるので、測定の利便性が保たれる。
また、凹部は、第１光学面からのテラヘルツ波を被測定物に向けて屈折させる第１屈折面と、被測定物を通ったテラヘルツ波を第２光学面に向けて屈折させる第２屈折面とを含んでいることが好ましい。屈折率が異なる媒質の界面で光を屈折させる場合、界面に対する入射角を適切に設定すると、界面に対し垂直に光を入射させ、屈折させずに界面を透過させる場合よりも光の反射ロスを低減することができる。このため、凹部が第１屈折面を含んでいると、第１光学面から被測定物に向かうテラヘルツ波の反射ロスを低減でき、凹部が第２屈折面を含んでいると、被測定物を通って第２光学面に向かうテラヘルツ波の反射ロスを低減できる。したがって、テラヘルツ波の反射ロスの影響をより確実に排除でき、分光計測の測定精度を更に向上できる。
また、被測定物は固体であり、配置部は、被測定物を支持する支持部を有していることが好ましい。これにより、被測定物が固体である場合に、配置部内での被測定物の姿勢を安定させることができ、測定精度をより向上させることができる。
また、被測定物は液体であり、配置部は、被測定物を入れたセルを支持する支持部を有していることが好ましい。これにより、被測定物が液体である場合に、配置部への被測定物の配置及び取り出しが容易となる。
また、本発明に係るテラヘルツ波分光計測方法は、テラヘルツ波を用いた被測定物の透過型分光計測を行うテラヘルツ波分光計測方法であって、被測定物の配置部を有するプリズム部材に、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が配置された入射面と、配置部内の被測定物を透過したテラヘルツ波とプローブ光との相関を検出するテラヘルツ波検出素子が配置された出射面と、入射面から入射したテラヘルツ波を配置部に向けて平行光化又は集光する第１光学面と、配置部を通ったテラヘルツ波を出射面に向けて集光する第２光学面と、を設け、凹部によって配置部を構成し、当該凹部に被測定物が不溶性を示す液体を充填した状態で被測定物を配置し、被測定物を透過したテラヘルツ波に基づいて被測定物に関する光学定数を計測することを特徴としている。
このテラヘルツ波分光計測方法では、プリズム部材において被測定物を配置する配置部を凹部とし、被測定物が不溶性を示す液体を凹部に充填して分光計測を行う。このため、第１光学面を経て配置部を通り、第２光学面に向かうテラヘルツ波の経路において、テラヘルツ波が空気中を通ることを回避できる。したがって、空気中の水分による吸収の影響を排除でき、分光計測の測定精度を向上できる。凹部の形状は、被測定物の形状等に応じて種々変更が可能であるが、形状が異なっても凹部を液体で簡便に満たすことができるので、測定の利便性が保たれる。
また、第１光学面からのテラヘルツ波を被測定物に向けて屈折させる第１屈折面と、被測定物を通ったテラヘルツ波を第２光学面に向けて屈折させる第２屈折面とを含む凹部によって配置部を構成することが好ましい。屈折率が異なる媒質の界面で光を屈折させる場合、界面に対する入射角を適切に設定すると、界面に対し垂直に光を入射させ、屈折させずに界面を透過させる場合よりも光の反射ロスを低減することができる。このため、凹部が第１屈折面を含んでいると、第１光学面から被測定物に向かうテラヘルツ波の反射ロスを低減でき、凹部が第２屈折面を含んでいると、被測定物を通って第２光学面に向かうテラヘルツ波の反射ロスを低減できる。したがって、テラヘルツ波の反射ロスの影響をより確実に排除でき、分光計測の測定精度を更に向上できる。
また、被測定物が固体である場合に、配置部に被測定物を支持する支持部を設けることが好ましい。これにより、被測定物が固体である場合に、配置部内での被測定物の姿勢を安定させることができ、測定精度をより向上させることができる。
また、被測定物が液体である場合に、配置部に被測定物を入れたセルを支持する支持部を設けることが好ましい。これにより、被測定物が液体である場合に、配置部への被測定物の配置及び取り出しが容易となる。
また、液体として、テラヘルツ波に対する吸収性を有しない液体を用いることが好ましい。この場合、上記液体によるテラヘルツ波の吸収が抑制されるため、被測定物に関する光学定数を更に精度良く計測することができる。
また、液体として、フッ素系不活性液体を用いることが好ましい。この場合、フッ素系不活性液体を用いることで、多くの物質が上記液体に不溶性を示すと共に、上記液体によるテラヘルツ波の吸収が抑制される。また、フッ素系不活性液体は揮発しにくいので、揮発成分による周囲への悪影響がなくなる上、環境負荷も抑えられる。
また、液体として、シリコーンオイルを用いることが好ましい。この場合も、シリコーンオイルを用いることで、多くの物質が上記液体に不溶性を示すと共に、上記液体によるテラヘルツ波の吸収が抑制される。また、シリコーンオイルは揮発しにくいので、揮発成分による周囲への悪影響がなくなる上、環境負荷も抑えられる。
本発明によれば、被測定物の形状にかかわらず、分光計測の測定精度を向上させることができる。
以下、図面を参照しながら、本発明に係るプリズム部材、テラヘルツ波分光計測装置、及びテラヘルツ波分光計測方法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（プリズム部材）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（図２参照）。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の上面には、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が配置される配置部３１ｃが形成されている。
また、図２に示すように、分光プリズム３１の底面において、入射面３１ａと配置部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を配置部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、配置部３１ｃと出射面３１ｂとの間には、配置部３１ｃを透過したテラヘルツ波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、分光プリズム３１の配置部３１ｃにおけるテラヘルツ波Ｔの振幅と位相は、配置部３１ｃに配置されている被測定物３４に応じて変化する。したがって、このテラヘルツ波Ｔの振幅と位相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透過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の配置部３１ｃの構成について更に詳細に説明する。
図２に示すように、一体型プリズム３の配置部３１ｃは、一体型プリズム３の側面間に亘って形成された断面三角状の凹部５１ａによって構成されている。凹部５１ａは、第１光学面３１ｄからのテラヘルツ波Ｔを被測定物３４に向けて屈折させる第１屈折面５２と、被測定物３４を通ったテラヘルツ波Ｔを第２光学面３１ｅに向けて屈折させる第２屈折面５３とを有している。
この凹部５１ａには、液体５０が充填されている。液体５０は、被測定物３４が不溶性を示す液体である必要があり、更にテラヘルツ波Ｔに対する吸収性を有しない液体であることが好ましい。このような液体５０としては、フッ素系不活性液体やシリコーンオイル等を用いる。フッ素系不活性液体としては、パーフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン、パーフルオロポリエーテルなどが挙げられる。
これらの液体の中でも、パーフルオロカーボンは、不溶性及び吸収性の点で特に好ましい。フッ素系不活性液体やシリコーンオイルは、揮発しにくいので、揮発成分による周囲への悪影響がない上、環境負荷が小さい点でも好ましい。なお、ここでいう「テラヘルツ波に対する吸収性を有しない」とは、例えば、０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚのテラヘルツ波に対する吸収係数が２０ｃｍ−１以下であることを意味し、より好ましくは１０ｃｍ−１以下であることを意味する。
分光プリズム３１が屈折率３．４のＳｉからなり、凹部５１ａに充填される液体５０の屈折率が１．４であり、配置部３１ｃに対するテラヘルツ波Ｔの入射角θｉが４５°であるときは、断面三角形状の凹部５１ａの開き角δは例えば６７．３°とされる。凹部５１ａ内での被測定物３４の保持には、任意の治具（不図示）を用いることができる。被測定物３４は、配置部３１ｃ内に入射するテラヘルツ波Ｔに対して略直交するように保持される。
なお、図３に示すように、一体型プリズム３の両方の側面には、それぞれブロック３５，３５が貼り合わされている。ブロック３５，３５により、一体型プリズムの両方の側面に開放された凹部５１ａの両側に壁が形成され、凹部５１ａ内に液体５０を充填することが可能となっている。凹部５１ａに充填した液体５０の漏れ出しを確実に防止するために、一体型プリズム３とブロック３５とはシリコーンゴム等からなる接着剤を介して貼り合わされていることが好ましい。
図４は、上述したテラヘルツ波分光計測装置１を用いた透過型の分光計測によって被測定物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。
同図に示すように、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、凹部５１ａに液体５０を充填し、光学定数が既知である物質（ここでは液体５０）について測定する。また、サンプル測定では、液体５０で充填された凹部５１ａに被測定物３４を配置し、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Ｔｒｅｆとサンプル測定結果Ｔｓｉｇ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Ｒｒｅｆ、リファレンス位相φｒｅｆ、サンプル振幅Ｒｓｉｇ、サンプル位相φｓｉｇをそれぞれ求める（ステップＳ０３）。
次に、リファレンス振幅Ｒｒｅｆとサンプル振幅Ｒｓｉｇに基づいて透過率Ｔを式（１）によって求め、リファレンス位相φｒｅｆとサンプル位相φｓｉｇとの位相差Δを式（２）によって求める（ステップＳ０４）。
これらの値は、被測定物３４の複素屈折率（式（３））を用いて式（４）のように表される。また、式（４）中のｔｒｅｆ ｓｉｇ及びｔｓｉｇ ｒｅｆは、透過フレネル係数であり、それぞれ式（５），式（６）のように表される。
これにより、以下の式（７），式（８）の連立方程式から被測定物３４の複素屈折率を求めることができ、被測定物３４の所望の光学定数が導出される（ステップＳ０５）。
以上説明したように、テラヘルツ波分光計測装置１では、分光プリズム３１において被測定物３４が配置される配置部３１ｃが凹部５１ａであり、被測定物３４が不溶性を示す液体５０が凹部５１ａに充填されている。このため、第１光学面３１ｄを経て配置部３１ｃを通り、第２光学面３１ｅに向かうテラヘルツ波Ｔの経路において、テラヘルツ波Ｔが空気中を通ることを回避できる。
したがって、空気中の水分による吸収の影響を排除でき、分光計測の測定精度を向上できる。凹部５１ａの形状は、被測定物３４の形状等に応じて種々変更が可能であるが、形状が異なっても凹部５１ａを液体５０で簡便に満たすことができるので、測定の利便性が保たれる。
また、凹部５１ａは、第１光学面３１ｄからのテラヘルツ波Ｔを被測定物３４に向けて屈折させる第１屈折面５２と、被測定物３４を通ったテラヘルツ波Ｔを第２光学面３１ｅに向けて屈折させる第２屈折面５３とを含んでいる。屈折率が異なる媒質の界面でＰ偏光の光を屈折させる場合、界面に対する入射角を適切に設定すると、界面に対し垂直に光を入射させ、屈折させずに界面を透過させる場合よりも光の反射ロスを低減することができる。このことは、屈折率が異なる媒質の界面を光が透過する際の反射率が、以下の式（９）及び式（１０）で算出されることから明らかである。
ｒｐ：Ｐ偏光に対する振幅反射係数
Ｒｐ：Ｐ偏光に対する反射率
θａ：界面への光の入射角
θｂ：界面からの光の出射角
ｎａ：光が入射する側の媒質の屈折率
ｎｂ：光が出射する側の媒質の屈折率
ｒｐ：Ｐ偏光に対する振幅反射係数
Ｒｐ：Ｐ偏光に対する反射率
θａ：界面への光の入射角
θｂ：界面からの光の出射角
ｎａ：光が入射する側の媒質の屈折率
ｎｂ：光が出射する側の媒質の屈折率
このため、凹部５１ａが第１屈折面５２を含んでいると、第１光学面３１ｄから被測定物３４に向かうテラヘルツ波Ｔの反射ロスを低減でき、凹部が第２屈折面５３を含んでいると、被測定物３４を通って第２光学面３１ｅに向かうテラヘルツ波Ｔの反射ロスを低減できる。例えば、分光プリズム３１の屈折率が３．４であり、凹部５１ａに充填される液体５０の屈折率が１．４である場合、分光プリズム３１と液体５０との界面に垂直にテラヘルツ波を入射させる場合の反射ロスは、液体５０の入射側と出射側との合計で３１．８％に達する。これに対し、凹部５１ａが第１屈折面５２及び第２屈折面５３を含んでいる場合、第１屈折面５２及び第２屈折面５３の角度を適切に設定することで、反射ロスを０．１％程度まで低減させることができる。したがって、テラヘルツ波の反射ロスの影響をより確実に排除でき、分光計測の測定精度を更に向上できる。
図５は、テラヘルツ波分光計測装置１を用いた被測定物３４の吸収係数の測定結果を示す図である。図５（ａ）は、被測定物３４としてグルコース無水物を用いたものであり、図５（ｂ）は、被測定物３４としてグルコース水和物を用いたものである。図中に示す従来例は、一体型プリズム３を用いず、空気中に配置した被測定物に対してテラヘルツ波を照射して取得したものである。
同図に示す結果から、いずれのサンプルにおいても、実施例では、空気中の水分による吸収の影響や反射ロスの影響が排除され、従来例に比べてＳ／Ｎ比が向上し、吸収曲線の吸収ピークが鮮明に得られていることが分かる。実施例では、被測定物３４が液体５０に対して不溶性を示すことから、得られた吸収係数は、被測定物３４の物質固有の吸収係数であることが判断できる。また、測定後の被測定物３４の再使用も可能となる。
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。図６及び図７は、分光プリズムの変形例を示す図である。図６に示す例では、固体の被測定物３４が例えば円板状に形成されている。また、分光プリズム３１には、配置部３１ｃをなす凹部５１ａの底部の頂部に被測定物３４の下部を嵌め込む凹部が設けられることにより、被測定物３４を支持する支持部５４が形成されている。これにより、配置部３１ｃ内での被測定物３４の姿勢を安定させることができ、測定精度をより向上させることができる。なお、固体の被測定物３４をホルダに固定し、ホルダの底部を支持部５４で支持してもよい。
また、図７に示す例では、液体の被測定物３４が例えば円板状のセル５５内に充填されている。また、分光プリズム３１には、図６と同様の支持部５４が形成され、セル５５の下部を凹部に嵌め込むことによってセル５５が支持される。これにより、被測定物３４が液体である場合に、配置部３１ｃへの被測定物３４の配置及び取り出しが容易となる。
このほか、配置部３１ｃの底部の頂部に平坦部を形成して被測定物３４又はセル５５の支持部５４としてもよく、図８に示すように、凹部５１ａの幅よりも大きい板状部材５６の中央に開口５６ａを設け、開口５６ａに被測定物３４又はセル５５を通した状態で板状部材５６を凹部５１ａに被せることにより、被測定物３４又はセル５５を支持してもよい。板状部材５６には、開口５６ａの幅を調整可能なスライド機構を設けてもよい。
図９は、分光プリズムの更に別の変形例を示す図である。図９に示す分光プリズム３６では、入射面と出射面とを兼ねる側面３６ａが一方側に設けられ、側面３６ａの逆側の側面３６ｂの両脇に第１光学面３６ｃ及び第２光学面３６ｄが設けられ、側面３６ｂの中央に配置部３６ｅが設けられている。側面３６ａには、テラヘルツ波発生素子３２とテラヘルツ波検出素子３３とが水平方向に並ぶように一体に固定されている。第１光学面３６ｃは、テラヘルツ波発生素子３２で発生したテラヘルツ波Ｔを分光プリズム３６内で反射させ、平行光化するように設けられている。第２光学面３６ｄは、第１光学面３６ｃで平行光化されたテラヘルツ波Ｔを反射させ、テラヘルツ波検出素子３３に向けて集光するように設けられている。
配置部３６ｅは、側面３６ｂの中央に設けられた凹部５７により構成されている。凹部５７は、分光プリズム３６の側面３６ｂだけでなくの上面３６ｆにも開放されており、平面視で矩形状をなしている。分光プリズム３６の側面３６ｂには板材３７が貼り合わされている。これにより、凹部５７の側面３６ｂ側に壁が形成され、凹部５７内に上方から液体５０を充填することが可能となっている。互いに対向する凹部５７の２側面５７ａ，５７ａは、第１光学面３６ｃから第２光学面３６ｄに向かうテラヘルツ波Ｔの経路に対し垂直に設けられている。
このような分光プリズム３６では、分光プリズム３６と液体５０との界面となる２側面５７ａ，５７ａに対しテラヘルツ波Ｔが垂直に入射し、テラヘルツ波Ｔが屈折することなく液体５０を透過する。図９の例において凹部５７を設けるのに変えて、図１０に示されるように、分光プリズム３６の上面３６ｆのみに開放した凹部５８を設けてもよい。これにより、分光プリズム３６に板材３７を貼りあわせることなく、凹部５８内に液体５０を充填することが可能となる。
１…テラヘルツ波分光計測装置、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（プリズム部材）、３１ａ…入射面、３１ｂ…出射面、３１ｃ…配置部、３１ｄ…第１光学面、３１ｅ…第２光学面、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、５１ａ…凹部、５２…第１屈折面、５３…第２屈折面、５４…支持部、５５…セル、Ｔ…テラヘルツ波。
Claims (12)
- テラヘルツ波を用いた被測定物の透過型分光計測に用いられるプリズム部材であって、
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が配置された入射面と、
前記被測定物が配置される配置部と、
前記配置部内の前記被測定物を透過した前記テラヘルツ波とプローブ光との相関を検出するテラヘルツ波検出素子が配置された出射面と、
前記入射面から入射した前記テラヘルツ波を前記配置部に向けて平行光化又は集光する第１光学面と、
前記配置部を通った前記テラヘルツ波を前記出射面に向けて集光する第２光学面と、を有し、
前記配置部は、前記被測定物が不溶性を示す液体を充填可能な凹部をなし、
前記凹部は、前記第１光学面からの前記テラヘルツ波を前記被測定物に向けて屈折させる第１屈折面と、前記被測定物を通った前記テラヘルツ波を前記第２光学面に向けて屈折させる第２屈折面とを含んでいることを特徴とするプリズム部材。 - 前記被測定物は固体であり、前記配置部は、前記被測定物を支持する支持部を有していることを特徴とする請求項１記載のプリズム部材。
- 前記被測定物は液体であり、前記配置部は、前記被測定物を入れたセルを支持する支持部を有していることを特徴とする請求項１記載のプリズム部材。
- テラヘルツ波を用いた被測定物の透過型分光計測を行うテラヘルツ波分光計測装置であって、
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、
前記被測定物の配置部を有するプリズム部材と、を備え、
前記プリズム部材は、
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が配置された入射面と、
前記配置部内の前記被測定物を透過した前記テラヘルツ波と前記プローブ光との相関を検出するテラヘルツ波検出素子が配置された出射面と、
前記入射面から入射した前記テラヘルツ波を前記配置部に向けて平行光化又は集光する第１光学面と、
前記配置部を通った前記テラヘルツ波を前記出射面に向けて集光する第２光学面と、を有し、
前記配置部は、前記被測定物が不溶性を示す液体を充填可能な凹部をなし、
前記凹部は、前記第１光学面からの前記テラヘルツ波を前記被測定物に向けて屈折させる第１屈折面と、前記被測定物を通った前記テラヘルツ波を前記第２光学面に向けて屈折させる第２屈折面とを含んでいることを特徴とするテラヘルツ波分光計測装置。 - 前記被測定物は固体であり、前記配置部は、前記被測定物を支持する支持部を有していることを特徴とする請求項４記載のテラヘルツ波分光計測装置。
- 前記被測定物は液体であり、前記配置部は、前記被測定物を入れたセルを支持する支持部を有していることを特徴とする請求項４記載のテラヘルツ波分光計測装置。
- テラヘルツ波を用いた被測定物の透過型分光計測を行うテラヘルツ波分光計測方法であって、
前記被測定物の配置部を有するプリズム部材に、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が配置された入射面と、前記配置部内の前記被測定物を透過した前記テラヘルツ波とプローブ光との相関を検出するテラヘルツ波検出素子が配置された出射面と、前記入射面から入射した前記テラヘルツ波を前記配置部に向けて平行光化又は集光する第１光学面と、前記配置部を通った前記テラヘルツ波を前記出射面に向けて集光する第２光学面と、を設け、
前記第１光学面からの前記テラヘルツ波を前記被測定物に向けて屈折させる第１屈折面と、前記被測定物を通った前記テラヘルツ波を前記第２光学面に向けて屈折させる第２屈折面とを含む凹部によって前記配置部を構成し、
当該凹部に前記被測定物が不溶性を示す液体を充填した状態で前記被測定物を配置し、前記被測定物を透過した前記テラヘルツ波に基づいて前記被測定物に関する光学定数を計測することを特徴とするテラヘルツ波分光計測方法。 - 前記被測定物が固体である場合に、前記配置部に前記被測定物を支持する支持部を設けることを特徴とする請求項７記載のテラヘルツ波分光計測方法。
- 前記被測定物が液体である場合に、前記配置部に前記被測定物を入れたセルを支持する支持部を設けることを特徴とする請求項７記載のテラヘルツ波分光計測方法。
- 前記液体として、前記テラヘルツ波に対する吸収性を有しない液体を用いることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項記載のテラヘルツ波分光計測方法。
- 前記液体として、フッ素系不活性液体を用いることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項記載のテラヘルツ波分光計測方法。
- 前記液体として、シリコーンオイルを用いることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項記載のテラヘルツ波分光計測方法。
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