JP6485624B2 - Measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、計測装置に関する。 The present invention relates to a measuring device.
近年、100GHz以上30THz以下の周波数を有する電磁波であるテラヘルツ波が注目されている。テラヘルツ波は、例えば、イメージング、分光計測等の各種計測、非破壊検査等に用いることができる。 In recent years, terahertz waves, which are electromagnetic waves having a frequency of 100 GHz to 30 THz, have attracted attention. The terahertz wave can be used for various measurements such as imaging and spectroscopic measurement, non-destructive inspection, and the like.
例えば、テラヘルツ波を用いた計測装置として、テラヘルツ時間領域分光法(THz time−domain spectroscopy、THz−TDS)を用いた計測装置が知られている。例えば、特許文献1に開示されたTHz−TDSを用いた計測装置では、まず、フェムト秒レーザーから出射された光パルスは、ビームスプリッターで2つの経路に分けられる。一方の光パルス(ポンプ光)は、LT−GaAs上にアンテナを形成した光伝導素子に照射され、テラヘルツ波を発生させる。発生したテラヘルツ波は対象物体に照射され、対象物体を透過したテラヘルツ波は検出用の光伝導素子に入射する。他方の光パルス(プローブ光)は、遅延手段を経て、検出用の光伝導素子に照射される。この他方の光パルスは、検出用の光伝導素子において対象物体を透過したテラヘルツ波を検出するときのゲート信号として用いられる。
For example, as a measurement apparatus using a terahertz wave, a measurement apparatus using a terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) is known. For example, in the measurement apparatus using THz-TDS disclosed in
このようなTHz−TDSを用いた計測装置において、対象物体をイメージングする際には、対象物体を透過したテラヘルツ波の時間波形が必要となる。時間波形の取得には、検出用の光伝導素子に入射するテラヘルツ波と光パルス(プローブ光)とに少しずつ異なる時間差をつける必要がある。例えば、特許文献1の計測装置では、ミラーを機械的に移動させる遅延手段を用いることで、プローブ光の光路長を可変にしてテラヘルツ波と光パルス(プローブ光)との間に時間差をつけている。
In such a measuring apparatus using THz-TDS, when imaging a target object, a time waveform of a terahertz wave transmitted through the target object is required. In order to acquire the time waveform, it is necessary to give a slightly different time difference to the terahertz wave incident on the detection photoconductive element and the optical pulse (probe light). For example, in the measurement apparatus of
ここで、特許文献1の計測装置では、上述したように、ミラーを機械的に移動させてプローブ光の光路長を変化させる。しかし、ミラーを機械的に移動させることでプローブ光の光路長を変化させると時間が掛かってしまい、測定時間が長くなってしまうという問題がある。特に、THz−TDSを用いたイメージングでは、一画素ごとの測定時間が長くなるため、その影響が大きい。
Here, in the measurement apparatus of
本発明のいくつかの態様に係る目的の1つは、測定時間を短縮することができる計測装置を提供することにある。 One of the objects according to some aspects of the present invention is to provide a measuring device that can shorten the measurement time.
本発明に係る計測装置は、
複数の異なる波長の光パルスを生成可能な光パルス生成部と、
前記光パルス生成部にて生成された光パルスを第1の光パルスと第2の光パルスに分岐する光パルス分岐部と、
前記第1の光パルスが照射されてテラヘルツ波を生成するテラヘルツ波発生部と、
測定対象の試料に照射されて透過または反射した前記テラヘルツ波と前記第2の光パルスが照射されるテラヘルツ波検出部と、
前記第2の光パルスの波長に応じて、前記光パルス分岐部から前記テラヘルツ波検出部までの前記第2の光パルスの光路長が変化するように構成される遅延光学系と、
を含む。
The measuring device according to the present invention is
An optical pulse generator capable of generating a plurality of optical pulses of different wavelengths;
An optical pulse branching unit that branches the optical pulse generated by the optical pulse generation unit into a first optical pulse and a second optical pulse;
A terahertz wave generator that generates a terahertz wave by being irradiated with the first light pulse;
A terahertz wave detection unit that is irradiated with the second light pulse and the terahertz wave that is irradiated to the sample to be measured and transmitted or reflected;
A delay optical system configured so that an optical path length of the second optical pulse from the optical pulse branching unit to the terahertz wave detecting unit changes according to a wavelength of the second optical pulse;
including.
このような計測装置では、光パルス生成部が複数の異なる波長の光パルスを生成し、遅延光学系が第2の光パルスの波長に応じて光パルス分岐部からテラヘルツ波検出部までの第2の光パルスの光路長を変化させるため、第2の光パルスの光路長の変更を電気的に行うことができる。したがって、このような計測装置では、例えば遅延光学系がミラーを機械的に移動させてプローブ光の光路長を変化させる場合と比べて、測定時間の短縮を図ることができる。 In such a measurement apparatus, the optical pulse generation unit generates a plurality of optical pulses having different wavelengths, and the delay optical system uses a second optical pulse from the optical pulse branching unit to the terahertz wave detection unit according to the wavelength of the second optical pulse. Since the optical path length of the second optical pulse is changed, the optical path length of the second optical pulse can be changed electrically. Therefore, in such a measurement apparatus, for example, the measurement time can be shortened as compared with a case where the delay optical system mechanically moves the mirror to change the optical path length of the probe light.
本発明に係る計測装置において、
前記遅延光学系は、プリズムペアを含んでいてもよい。
In the measuring device according to the present invention,
The delay optical system may include a prism pair.
このような計測装置では、遅延光学系はプリズムペアを用いることによって第2の光パルスの波長に応じて光路長を変化させることができる。また、プリズムペアは、例えば回折格子対等の他の光学素子に比べて、光の損失が小さい。したがって、このような計測装置では、効率よく第2の光パルスを遅延させることができる。 In such a measuring apparatus, the delay optical system can change the optical path length according to the wavelength of the second optical pulse by using a prism pair. In addition, the prism pair has a smaller light loss than other optical elements such as a diffraction grating pair. Therefore, in such a measuring apparatus, the second optical pulse can be delayed efficiently.
本発明に係る計測装置において、
前記遅延光学系は、前記プリズムペアを通過した前記第2の光パルスを前記プリズムペアに戻す反射ミラーを含んでいてもよい。
In the measuring device according to the present invention,
The delay optical system may include a reflection mirror that returns the second light pulse that has passed through the prism pair to the prism pair.
このような計測装置では、遅延光学系はプリズムペアを用いることによって第2の光パルスの波長に応じて光路長を変化させることができる。 In such a measuring apparatus, the delay optical system can change the optical path length according to the wavelength of the second optical pulse by using a prism pair.
本発明に係る計測装置において、
前記遅延光学系は、前記プリズムペアを2つ含んでいてもよい。
In the measuring device according to the present invention,
The delay optical system may include two prism pairs.
このような計測装置では、遅延光学系は2つのプリズムペアを用いることによって第2の光パルスの波長に応じて光路長を変化させることができる。 In such a measuring apparatus, the delay optical system can change the optical path length according to the wavelength of the second optical pulse by using two prism pairs.
本発明に係る計測装置において、
前記遅延光学系は、回折格子対を含んでいてもよい。
In the measuring device according to the present invention,
The delay optical system may include a diffraction grating pair.
このような計測装置では、遅延光学系は回折格子対を用いることによって第2の光パルスの波長に応じて光路長を変化させることができる。また、回折格子対は、例えばプリズムペアに比べて、アライメントが容易である。 In such a measuring apparatus, the delay optical system can change the optical path length according to the wavelength of the second optical pulse by using a diffraction grating pair. In addition, the diffraction grating pair is easier to align than, for example, a prism pair.
本発明に係る計測装置において、
前記遅延光学系は、前記回折格子対を通過した前記第2の光パルスを前記回折格子対に戻す反射ミラーを含んでいてもよい。
In the measuring device according to the present invention,
The delay optical system may include a reflection mirror that returns the second optical pulse that has passed through the diffraction grating pair to the diffraction grating pair.
このような計測装置では、遅延光学系は回折格子対を用いることによって第2の光パルスの波長に応じて光路長を変化させることができる。 In such a measuring apparatus, the delay optical system can change the optical path length according to the wavelength of the second optical pulse by using a diffraction grating pair.
本発明に係る計測装置において、
前記遅延光学系は、前記回折格子対を2つ含んでいてもよい。
In the measuring device according to the present invention,
The delay optical system may include two diffraction grating pairs.
このような計測装置では、遅延光学系は2つの回折格子対を用いることによって第2の光パルスの波長に応じて光路長を変化させることができる。 In such a measuring apparatus, the delay optical system can change the optical path length according to the wavelength of the second optical pulse by using two diffraction grating pairs.
本発明に係る計測装置において、
前記遅延光学系は、チャープミラーを含んでいてもよい。
In the measuring device according to the present invention,
The delay optical system may include a chirp mirror.
このような計測装置では、遅延光学系はチャープミラーを用いることによって第2の光パルスの波長に応じて光路長を変化させることができる。また、チャープミラーは、例えば高屈折率層および低屈折率層の膜厚を調整することで光学的性質を容易に変更することができる。したがって、このような計測装置では、遅延光学系としてチャープミラーを用いることで、設計の自由度を高めることができる。 In such a measurement apparatus, the delay optical system can change the optical path length according to the wavelength of the second optical pulse by using a chirp mirror. The chirped mirror can easily change the optical properties by adjusting the film thicknesses of the high refractive index layer and the low refractive index layer, for example. Therefore, in such a measuring device, the degree of freedom in design can be increased by using a chirp mirror as the delay optical system.
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The embodiments described below do not unduly limit the contents of the present invention described in the claims. In addition, not all of the configurations described below are essential constituent requirements of the present invention.
1. 計測装置
まず、本実施形態に係る計測装置100の構成について、図面を参照しながら説明する。図1は、本実施形態に係る計測装置100の構成を模式的に示す図である。
1. Measurement Device First, the configuration of the
計測装置100では、テラヘルツ時間領域分光法(THz−TDS)を用いて、計測を行う。テラヘルツ時間領域分光法とは、テラヘルツ波を試料Sに入射させ、試料Sを透過または反射した後のテラヘルツ波の波形を時間分解計測し、その波形をフーリエ変換することにより周波数ごとの振幅と位相を得るという分光法である。ここで、テラヘルツ波とは、周波数が100GHz以上30THz以下の電磁波、特に300GHz以上10THz以下の電磁波をいう。
In the
計測装置100は、図1に示すように、光パルス生成部10と、光パルス分岐部20と、テラヘルツ波発生部30と、遅延光学系40と、テラヘルツ波検出部50と、を含む。計測装置100は、さらに、ミラー60,62,64,66,68,70,72を含む。
As illustrated in FIG. 1, the
光パルス生成部10は、複数の異なる波長の光パルス(レーザー光)を生成することができる。光パルス生成部10は、波長の異なる光パルスを所定の時間間隔で、順次、射出
する。ここで、光パルスとは、短時間に急峻に強度が変化する光をいう。光パルス生成部10で生成された光パルスのパルス幅は、例えば、1fs(フェムト秒)以上800fs以下である。光パルス生成部10の構成については後述する。光パルス生成部10から射出された光パルスは、光パルス分岐部20に入射する。
The
光パルス分岐部(ビームスプリッター)20は、光パルス生成部10にて生成された光パルスをポンプ光(第1の光パルス)L1とプローブ光(第2の光パルス)L2に分岐する。すなわち、光パルス生成部10にて生成された光パルスは、光パルス分岐部20によって、ポンプ光L1とプローブ光L2とに分割される。図示の例では、光パルス分岐部20は、光パルス生成部10から射出された光パルスの一部を反射させてポンプ光L1とし、光パルス生成部10から射出された光パルスの一部を透過してプローブ光L2とする。
The optical pulse branching unit (beam splitter) 20 branches the optical pulse generated by the optical
テラヘルツ波発生部30は、光パルス分岐部20で分岐されたポンプ光L1が照射されてテラヘルツ波を生成する。図示の例では、光パルス分岐部20で分岐されたポンプ光L1は、ミラー60で反射されて、テラヘルツ波発生部30に入射する。テラヘルツ波発生部30は、例えば、光伝導アンテナ(Photo Conductive Antenna、PCA)である。図2は、テラヘルツ波発生部30を模式的に示す平面図である。テラヘルツ波発生部30は、図2の例では、ダイポール型の光伝導アンテナである。
The terahertz
テラヘルツ波発生部30は、基板32と、基板32上に設けられた1対の電極36,38と、を有している。基板32は、例えば、半絶縁性GaAs(SI−GaAs)基板と、SI−GaAs基板上に設けられている低温成長GaAs(LT−GaAs)層と、を有している。1対の電極36,38は、ギャップ34を介して対向配置されている。1対の電極36,38間の距離は適宜設定されるが、例えば、1μm以上10μm以下である。電極36,38の材質は、例えば、Auである。
The terahertz
テラヘルツ波発生部30では、ギャップ34にポンプ光L1が照射されることにより、自由電子が励起される。そして、この自由電子を電極36,38間に電圧を印加することによって加速させる。これにより、テラヘルツ波が発生する。
In the terahertz
ミラー62,64は、図1に示すように、テラヘルツ波発生部30で発生したテラヘルツ波を、試料Sに導くための光学素子である。ミラー62,64は、例えば、楕円面ミラー、放物面ミラー等である。
The
ミラー66,68は、試料Sに照射されて透過したテラヘルツ波を、テラヘルツ波検出部50に導くための光学素子である。ミラー66,68は、例えば、楕円面ミラー、放物面ミラー等である。
The
遅延光学系40は、プローブ光L2の波長に応じて、光パルス分岐部20からテラヘルツ波検出部50までのプローブ光L2の光路長が変化するように構成されている。遅延光学系40では、プローブ光L2の光路長を波長に応じて変化させることにより、プローブ光L2に光学的な時間遅延を生じさせ、プローブ光L2がテラヘルツ波検出部50に入射するタイミングを制御する。
The delay
遅延光学系40は、図示の例では、2つのプリズムペア(プリズム対)42,44を含む光学系である。2つのプリズムペア42,44は、対称(面対称)に配置されている。
In the illustrated example, the delay
第1プリズムペア42は、第1プリズム42aと、第2プリズム42bと、を有している。第2プリズムペア44は、第3プリズム44aと、第4プリズム44bと、を有している。
The
第1〜第4プリズム42a,42b,44a,44bは、入射光の波長が短いほど大きく屈折(回折)する性質を有する。第1〜第4プリズム42a,42b,44a,44bの光学的性質(形状や、屈折率等)は、例えば、等しい。
The first to
遅延光学系40では、プローブ光L2が、第1プリズム42a、第2プリズム42b、第3プリズム44a、第4プリズム44bをこの順で通過することで、プローブ光L2の波長に応じてプローブ光L2の光路長(いわゆる光学的距離)が変化する。例えば、遅延光学系40において、プローブ光L2の波長がλ1のときの光路長(第1プリズム42aに入射してから第4プリズム44bから射出されるまでの光路長)をLλ1とし、プローブ光L2の波長がλ2(λ1<λ2)のときの光路長をLλ2とすると、Lλ1<Lλ2の関係が成り立つ。遅延光学系40では、2つのプリズムペア42,44による屈折角の波長依存性を利用して波長の異なるプローブ光L2に対して光路差をつけている。
In the delay
具体的には、第1プリズム42aでは、短波長のプローブ光L2(λ1)は長波長のプローブ光L2(λ2)よりも大きく屈折する。第2プリズム42bでは、第1プリズム42aと同様に、短波長のプローブ光L2(λ1)は長波長のプローブ光L2(λ2)よりも大きく屈折する。これにより、短波長のプローブ光L2(λ1)の進行方向と長波長のプローブ光L2(λ2)の進行方向とは、同じ方向となる。
Specifically, in the
また、第2プリズムペア44においても同様に、第3プリズム44aでは、短波長のプローブ光L2(λ1)は長波長のプローブ光L2(λ2)よりも大きく屈折する。第4プリズム44bでは、第3プリズム44aと同様に、短波長のプローブ光L2(λ1)は長波長のプローブ光L2(λ2)よりも大きく屈折する。これにより、短波長のプローブ光L2(λ1)の進行方向と長波長のプローブ光L2(λ2)の進行方向とは同じ方向となり、第4プリズム44bから射出された、短波長のプローブ光L2(λ1)と長波長のプローブ光L2(λ2)とは、同じ光路をとる。
Similarly, in the
ここで、長波長のプローブ光L2(λ2)は、短波長のプローブ光L2(λ1)よりも、第2プリズム42b中を伝搬する光路上の幾何学的な距離が大きい。同様に、長波長のプローブ光L2(λ2)は、短波長のプローブ光L2(λ1)よりも、第3プリズム44a中を伝搬する光路上の幾何学的な距離が大きい。このため、遅延光学系40における光路上の幾何学的な距離は、長波長のプローブ光L2(λ2)よりも短波長のプローブ光(λ1)の方が大きいが、遅延光学系40における光路上の光学的な距離(光路長)は、長波長のプローブ光L2(λ2)よりも短波長のプローブ光(λ1)の方が小さくなる。
Here, the long-wavelength probe light L2 (λ2) has a larger geometric distance on the optical path propagating through the
このようにして、遅延光学系40では、2つのプリズムペア42,44によって、プローブ光L2の波長に応じて光路長を変化させている。例えば、波長に応じた光路差を大きくするためには、第1プリズム42aと第2プリズム42bとの間の光学的距離(第3プリズム44aと第4プリズム44bとの間の光学的距離)を大きくすればよい。
In this way, in the delay
なお、本実施形態では、プローブ光L2の光路上に遅延光学系40を設けてテラヘルツ波検出部50に入射するタイミングを制御している。言い換えれば、遅延光学系40によって、プローブ光L2とポンプ光L1との相対的な光路長の差を変化させている。しかし、プローブ光L2とポンプ光L1との相対的な光路長の差を変化させることができれば本実施形態の構成に限定されない。すなわち、遅延光学系40がポンプ光L1の光路上に設けられ、ポンプ光L1の光路長を変化させてもよい。また、プローブ光L2の光路上およびポンプ光L1の光路上の両方に遅延光学系40が設けられ、双方の光路長を変化させつつ、各々の相対的な光路長の差を変化させてもよい。
In the present embodiment, the delay
ミラー70,72は、遅延光学系40で遅延されたプローブ光L2をテラヘルツ波検出部50に導くための光学素子である。
The
テラヘルツ波検出部50は、測定対象の試料Sに照射されて透過したテラヘルツ波とプローブ光L2が照射される。テラヘルツ波検出部50は、例えば、光伝導アンテナである。図3は、テラヘルツ波検出部50を模式的に示す平面図である。テラヘルツ波検出部50は、図3の例では、ダイポール型の光伝導アンテナである。
The terahertz
テラヘルツ波検出部50は、基板52と、基板52上に設けられ、1対の電極56,58と、を有している。基板52は、例えば、半絶縁性GaAs(SI−GaAs)基板と、SI−GaAs基板上に設けられている低温成長GaAs(LT−GaAs)層と、を有している。1対の電極56,58は、ギャップ54を介して対向配置されている。1対の電極56,58間の距離は適宜設定されるが、例えば、1μm以上10μm以下である。電極56,58の材質は、例えば、Auである。
The terahertz
テラヘルツ波検出部50では、基板52の表面(電極56,58が形成された面)側からギャップ54に試料Sを透過したテラヘルツ波が照射され、かつ、基板52の裏面側からギャップ54にプローブ光L2が照射される。プローブ光L2によって基板52中に発生したキャリアはテラヘルツ波に伴う振動電場で加速されるため、テラヘルツ波の振動電場に比例した電流が流れる。すなわち、テラヘルツ波検出部50では、電極56,58間に、テラヘルツ波とプローブ光L2とが同時に照射されると、照射されたテラヘルツ波の強度(振動電場)に応じた電流が電極56,58に流れる。この電流を電極56,58に接続された電流計で計測することより、テラヘルツ波の振動電場の強度を計測することができる。
In the terahertz
なお、上述のテラヘルツ波発生部30およびテラヘルツ波検出部50は、光伝導アンテナ(PCA)に限定されない。例えば、テラヘルツ波発生部30およびテラヘルツ波検出部50は、非線形光学結晶を用いた方式であってもよい。
Note that the above-described terahertz
次に、光パルス生成部10の構成について説明する。
Next, the configuration of the
図4は、光パルス生成部10の構成を説明するための図である。光パルス生成部10は、図4に示すように、多波長出力部12と、光スイッチング部16と、制御部18と、を有している。
FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of the
多波長出力部12は、互いに波長の異なる複数の光パルスを出力する。多波長出力部12は、複数(n個(nは2以上の自然数))の光源(第1光源12−1、第2光源12−2、第3光源12−3、・・・、第n光源12−n)を有している。n個の光源12−1〜12−nは、互いに異なる波長の光パルスを出力する。例えば、n個の光源12−1〜12−nは、第1光源12−1、第2光源12−2、第3光源12−3、・・・、第n光源12−nの順で、生成される光パルスの波長が長い。すなわち、第1〜第n光源12−1〜12−nのうち、第1光源12−1から出力される光パルスの波長が最も長く、第n光源12−nから出力される光パルスの波長が最も短い。n個の光源12−1〜12−nから出力されるパルス光のパルス幅は、例えば、1fs以上800fs以下である。各光源12−1〜12−nから出力されるパルスのパルス幅は、例えば、等しい。各光源12−1〜12−nの構成については、後述する。
The
光スイッチング部16は、多波長出力部12を構成している各光源12−1〜12−nと接続されている。光スイッチング部16は、制御部18から入力される波長制御信号に基づいて、n個の光源12−1〜12−nのうちの1つを選択して出力する。光スイッチ
ング部16としては、例えば、電気光学効果や音響光学効果に基づくN×1光スイッチを用いる。光パルス生成部10では、光スイッチング部16によって光パルスの波長を電気的に切り替えて出力することができる。
The
制御部18は、光パルス生成部10から出力される光パルスの波長が連続的に変化するように、光スイッチング部16に波長制御信号を送る。制御部18は、例えば、第1光源12−1、第2光源12−2、第3光源12−3、・・・、第n光源12−nの順で各光源12−1〜12−nの光パルスを選択して出力するように、光スイッチング部16を制御する処理を行う。これにより、光パルス生成部10からは、異なる波長の光パルスが順次出力される。
The
ここで、多波長出力部12を構成している各光源12−1〜12−nについて説明する。各光源12−1〜12−nは、それぞれ短光パルス発生装置からなる。図5は、多波長出力部12の各光源12−1〜12−nとなる短光パルス発生装置1の一例を模式的に示す斜視図である。図6は、短光パルス発生装置1を模式的に示す図5のVI−VI線断面図である。
Here, the light sources 12-1 to 12-n constituting the
短光パルス発生装置1は、図5および図6に示すように、光パルスを生成するパルス源2と、光パルスに周波数チャープを付与する周波数チャープ部4と、周波数チャープが付与された光パルスに対して波長に応じた群速度差を生じさせる群速度分散部6と、を含む。
As shown in FIGS. 5 and 6, the short
パルス源2は、光パルスを生成する。パルス源2が生成する光パルスのパルス幅(半値全幅FWHM)は特に限定されないが、例えば1ps(ピコ秒)以上100ps以下である。パルス源2は、例えば、量子井戸構造(第1コア層108)を有する半導体レーザーであり、図示の例では、DFB(Distributed Feedback)レーザーである。なお、パルス源2は、例えば、DBRレーザーやモード同期レーザー等の半導体レーザーであってもよい。また、パルス源2は、半導体レーザーに限定されず、例えばスーパールミネッセントダイオード(SLD)であってもよい。パルス源2で生成された光パルスは、第1クラッド層106、第1コア層108、および第2クラッド層110で構成されている光導波路8を伝搬する。
The
周波数チャープ部4は、パルス源2で生成された光パルスに周波数チャープを付与する。周波数チャープ部4は、例えば半導体材料で構成されており、量子井戸構造を有している。図示の例では、周波数チャープ部4は、量子井戸構造を有している第1コア層108を有している。光パルスが周波数チャープ部4の光導波路8を伝搬すると、光カー効果により光導波路材料の屈折率が変化し、電界の位相が変化する(自己位相変調効果)。この自己位相変調効果により、光パルスに周波数チャープが付与される。ここで、周波数チャープとは、光パルスの周波数が時間的に変化する現象をいう。
The frequency chirp unit 4 imparts a frequency chirp to the optical pulse generated by the
周波数チャープ部4は、半導体材料で構成されているため、1psから100ps程度のパルス幅を持つ光パルスに対して応答速度が遅い。そのため、周波数チャープ部4では、光パルスに、当該光パルスの強度(電界振幅の2乗)に比例した周波数チャープ(アップチャープやダウンチャープ)が付与される。ここで、アップチャープとは、光パルスの周波数が時間とともに増加する場合をいい、ダウンチャープとは、光パルスの周波数が時間とともに減少する場合をいう。言い換えると、アップチャープとは、光パルスの波長が時間とともに短くなる場合をいい、ダウンチャープとは、光パルスの波長が時間とともに長くなる場合をいう。 Since the frequency chirp portion 4 is made of a semiconductor material, the response speed is slow with respect to an optical pulse having a pulse width of about 1 ps to 100 ps. Therefore, in the frequency chirp unit 4, a frequency chirp (up chirp or down chirp) proportional to the intensity of the optical pulse (the square of the electric field amplitude) is given to the optical pulse. Here, up-chirp means that the frequency of the optical pulse increases with time, and down-chirp means that the frequency of the optical pulse decreases with time. In other words, up-chirp refers to the case where the wavelength of the optical pulse decreases with time, and down-chirp refers to the case where the wavelength of the optical pulse increases with time.
群速度分散部6は、周波数チャープが付与された光パルスに対して波長(周波数)に応
じた群速度差を生じさせる。具体的には、群速度分散部6は、周波数チャープが付与された光パルスに対して、光パルスのパルス幅が小さくなるような群速度差を生じさせることができる(パルス圧縮)。例えば、群速度分散部6では、アップチャープされた光パルスに負の群速度分散(異常分散)を生じさせて、パルス幅を小さくすることができる。
The group velocity dispersion unit 6 generates a group velocity difference corresponding to the wavelength (frequency) for the optical pulse to which the frequency chirp is applied. Specifically, the group velocity dispersion unit 6 can generate a group velocity difference such that the pulse width of the optical pulse is reduced with respect to the optical pulse to which the frequency chirp is applied (pulse compression). For example, the group velocity dispersion unit 6 can reduce the pulse width by causing negative group velocity dispersion (abnormal dispersion) in the up-chirped optical pulse.
また、群速度分散部6では、ダウンチャープされた光パルスに、正の群速度分散を生じさせて、パルス幅を小さくすることができる。群速度分散部6で圧縮された光パルスのパルス幅は特に限定されないが、例えば、1fs(フェムト秒)以上800fs以下である。 Further, the group velocity dispersion unit 6 can reduce the pulse width by causing positive group velocity dispersion in the down-chirped optical pulse. The pulse width of the light pulse compressed by the group velocity dispersion unit 6 is not particularly limited, but is, for example, 1 fs (femtosecond) or more and 800 fs or less.
群速度分散部6は、モード結合する距離で配置されている2つの光導波路8,9を有している。すなわち、2つの光導波路8,9は、いわゆる結合導波路を構成している。なお、モード結合する距離とは、光導波路8および光導波路9を伝搬する光が、互いに行き来することが可能な距離である。群速度分散部6では、2つの光導波路8,9におけるモード結合により、大きな群速度差を生じさせることができる。
The group velocity dispersion unit 6 has two
次に、短光パルス発生装置1の構造について説明する。短光パルス発生装置1は、パルス源2、周波数チャープ部4、および群速度分散部6が同一基板102上に設けられている。
Next, the structure of the short
短光パルス発生装置1は、基板102と、バッファー層104と、第1クラッド層106と、第1コア層108と、第2クラッド層110と、キャップ層112と、第2コア層114と、第3クラッド層116と、キャップ層118と、絶縁層120,122と、第1電極130と、第2電極132と、を含んで構成されている。
The short
基板102は、例えば、第1導電型(例えばn型)のGaAs基板である。基板102は、パルス源2が形成される第1領域102aと、周波数チャープ部4が形成される第2領域102bと、群速度分散部6が形成される第3領域102cと、を有している。
The
バッファー層104は、基板102上に設けられている。バッファー層104は、例えば、n型のGaAs層である。
The
第1クラッド層106は、バッファー層104上に設けられている。第1クラッド層106は、例えば、n型のAlGaAs層である。
The
第1ガイド層108aは、第1クラッド層106上に設けられている。第1ガイド層108aは、例えば、i型のAlGaAs層である。
The
MQW層108bは、第1ガイド層108a上に設けられている。MQW層108bは、例えば、GaAsウェル層と、AlGaAsバリア層とから構成される量子井戸構造を3つ重ねた多重量子井戸構造を有している。図示の例では、MQW層108bの量子井戸数(GaAsウェル層とAlGaAsバリア層の積層数)は、第1〜第3領域102a〜102cの上方において、同じである。なお、第1領域102aの上方におけるMQW層108bの量子井戸数と、第2領域102bの上方におけるMQW層108bの量子井戸数と、第3領域102cの上方におけるMQW層108bの量子井戸数とが、異なっていてもよい。
The
第2ガイド層108cは、MQW層108b上に設けられている。第2ガイド層108cは、例えば、i型のAlGaAs層である。第2ガイド層108cには、DFB型の共振器を構成する周期構造が設けられている。周期構造は、第1領域102aの上方に設け
られている。周期構造は、屈折率の異なる2つの層108c,110によって構成されている。第1ガイド層108a、およびMQW層108b、第2ガイド層108cにより、MQW層108bに生じる光(光パルス)を伝播する第1コア層108を構成することができる。
The
第2クラッド層110は、第1コア層108上に設けられている。第2クラッド層110は、例えば、第2導電型(例えばp型)のAlGaAs層である。
The
図示の例では、第1クラッド層106、第1コア層108、および第2クラッド層110によって、光導波路8が構成されている。光導波路8は、第1コア層108の端面109aから、端面109aと反対側の第1コア層108の端面109bまで、延在している。
In the illustrated example, the
パルス源2では、第1電極130と第2電極132との間に、pinダイオードの順バイアス電圧を印加すると、第1コア層108(MQW層108b)において電子と正孔との再結合が起こる。この再結合により発光が生じる。この生じた光(光パルス)を起点として、連鎖的に誘導放出が起こり、光導波路8内で光(光パルス)の強度が増幅される。
In the
バッファー層104、第1クラッド層106、第1コア層108、第2クラッド層110は、基板102の第1領域102a,第2領域102b,第3領域102cにわたって設けられている。すなわち、これらの層104,106,108,110は、パルス源2、周波数チャープ部4、および群速度分散部6に共通の層であり、連続している層である。光導波路8は、パルス源2、周波数チャープ部4、および群速度分散部6において連続している第1クラッド層106、第1コア層108、第2クラッド層110で構成される。
The
キャップ層112は、第2クラッド層110上であって、基板102の第1領域102aおよび第2領域102bの上方に設けられている。キャップ層112は、第2電極132とオーミックコンタクトすることができる。キャップ層112は、例えば、p型のGaAs層である。
The
キャップ層112と、第1領域102aおよび第2領域102bの上方に設けられている第2クラッド層110の一部とは、柱状部111aを構成している。例えば、パルス源2では、柱状部111aの各層の積層方向から見た平面形状によって、電極130,132間の電流経路が決定される。
The
絶縁層120は、図5に示すように、第2クラッド層110上であって、柱状部111aの側方に設けられている。さらに、絶縁層120は、第2領域102bの上方のキャップ層112上に設けられている。絶縁層120は、例えば、SiN層、SiO2層、SiON層、Al2O3層、ポリイミド層などである。
As shown in FIG. 5, the insulating
第1電極130は、基板102の下の全面に設けられている。第1電極130は、該第1電極130とオーミックコンタクトする層(図示の例では基板102)と接している。第1電極130は、基板102を介して、第1クラッド層106と電気的に接続されている。第1電極130は、パルス源2を駆動するための一方の電極である。第1電極130としては、例えば、基板102側からCr層、AuGe層、Ni層、Au層の順序で積層したものなどを用いることができる。なお、第1電極130は、基板102の第1領域102aの下方にのみ設けられていてもよい。
The
第2電極132は、キャップ層112の上面であって、第1領域102aの上方に設け
られている。さらに、第2電極132は、絶縁層120上に設けられていてもよい。第2電極132は、キャップ層112を介して、第2クラッド層110と電気的に接続されている。第2電極132は、パルス源2を駆動するための他方の電極である。第2電極132としては、例えば、キャップ層112側からCr層、AuZn層、Au層の順序で積層したものなどを用いることができる。
The
第2コア層114は、第2クラッド層110上に設けられている。より具体的には、第2コア層114は、第2クラッド層110上であって、第3領域102cの上方に設けられている。第2コア層114は、例えば、i型のAlGaAs層である。
The
第3クラッド層116は、第2コア層114上に設けられている。第3クラッド層116は、例えば、例えばn型のAlGaAs層である。
The
図示の例では、第2クラッド層110、第2コア層114、および第3クラッド層116によって、光導波路9が構成されている。
In the illustrated example, the
光導波路8および光導波路9は、モード結合する距離で配置されている。すなわち、光導波路8および光導波路9とは、結合導波路を構成している。
The
キャップ層118は、第3クラッド層116上に設けられている。キャップ層118は、例えば、n型のGaAs層である。キャップ層118と、第3クラッド層116の一部とは、柱状部111bを構成している。
The
絶縁層122は、図5に示すように、第3クラッド層116上であって、柱状部111bの側方に設けられている。さらに、絶縁層122は、キャップ層118上に設けられている。絶縁層122は、例えば、SiN層、SiO2層、SiON層、Al2O3層、ポリイミド層などである。
As shown in FIG. 5, the insulating
ここで、多波長出力部12を構成する各光源12−1〜12−nは、それぞれ上述した短光パルス発生装置1のパルス源2(DFBレーザー)から出力されるレーザー光の波長が異なっている。すなわち、多波長出力部12を構成する光源12−1〜12−nは、DFB型の共振器を構成する周期構造の周期が異なっている。これにより、多波長出力部12の各光源12−1〜12−nは、互いに異なる波長の光パルスを出力することができる。
Here, the light sources 12-1 to 12-n constituting the
2. 計測装置の動作
次に、計測装置100の動作について説明する。図7は、計測装置100におけるテラヘルツ波(信号光)の時間波形の取得方法を説明するための図である。
2. Operation of Measuring Device Next, the operation of the measuring
光パルス生成部10において、まず、制御部18は、第1光源12−1で生成された光パルスが選択されるように光スイッチング部16に波長制御信号を送る。これにより、光パルス生成部10から第1光源12−1で生成された光パルスが射出される。なお、第1光源12−1は、多波長出力部12において、最も波長が長い光パルスを生成する光源である。
In the
光パルス生成部10から射出された光パルスは、光パルス分岐部20によってポンプ光L1とプローブ光L2とに分割される。ポンプ光L1は、ミラー60を介して、テラヘルツ波発生部30を照射する。これにより、テラヘルツ波発生部30からテラヘルツ波が発生する。テラヘルツ波発生部30で発生したテラヘルツ波は、ミラー62,64を介して試料Sを照射する。そして、試料Sを透過したテラヘルツ波は、ミラー66,68を介し
てテラヘルツ波検出部50を照射する。
The light pulse emitted from the light
一方、光パルス分岐部20で分割されたプローブ光L2は、遅延光学系40に入射する。遅延光学系40において、プローブ光L2は、波長に応じた光路長が与えられ、ポンプ光L1との間に光学的な時間遅延が生じる。遅延光学系40から射出されたプローブ光L2は、ミラー70,72を介してテラヘルツ波検出部50を照射する。これにより、テラヘルツ波検出部50では、ポンプ光L1とプローブ光L2との光路差に応じた遅延時間でテラヘルツ波を検出することができる。
On the other hand, the probe light L <b> 2 divided by the optical
ここで、光パルス生成部10では、制御部18は、光スイッチング部16が第1光源12−1、第2光源12−2、第3光源12−3、・・・、第n光源12−nの順で各光源12−1〜12−nの光パルスを選択して出力するように、光スイッチング部16を制御する。すなわち、光パルス生成部10から射出される光パルスの波長が連続的に変化する(連続的に波長が短くなる)ため、遅延光学系40において、プローブ光L2の光路長は連続的に変化する(連続的に光路長が長くなる)。したがって、ポンプ光L1とプローブ光L2との光路差に応じた遅延時間は連続的に変化する(遅延時間は連続的に長くなる)。
Here, in the optical
テラヘルツ波検出部50では、上述したように、ポンプ光L1とプローブ光L2との光路差に応じた遅延時間でテラヘルツ波を検出するため、図7に示すように、テラヘルツ波の異なる位置(位相)において、テラヘルツ波の強度(振動電場)に応じた信号(電流)を取得することができる。この信号をプロットすることで、テラヘルツ波の時間経過が記録され、横軸がプローブ光L2の時間、縦軸が信号強度(電流値)で示されるテラヘルツ波の時間波形が得られる。
Since the terahertz
また、試料Sを支持するステージ(図示せず)を移動させることで、試料Sにおけるテラヘルツ波の照射領域を変更し、当該領域ごとにテラヘルツ波の時間波形を取得することにより、試料Sのイメージングを行うことができる。 Further, by moving a stage (not shown) that supports the sample S, the irradiation region of the terahertz wave in the sample S is changed, and the time waveform of the terahertz wave is acquired for each region, thereby imaging the sample S It can be performed.
なお、上述したように、光パルス生成部10から射出される光パルスの波長は変化するため、ポンプ光L1の波長も変化する。すなわち、テラヘルツ波発生部30に照射されるポンプ光L1の波長は変化する。次式は、PCA理論式である。
As described above, since the wavelength of the optical pulse emitted from the
ここで、ETHzはテラヘルツの電磁波を表し、Jはフェムト秒レーザーを照射したときに流れる電流である。また、μ0は真空中の透磁率であり、Rは反射率であり、qは電気素量であり、μeは電子の磁気モーメントであり、Ebiasは印加バイアスであり、hはプランク定数であり、νは振動数(c/λ)であり、τcはキャリア寿命であり、τpは励起光パルス幅であり、Lgapはギャップ長であり、wgapはギャップ幅である。 Here, E THz represents a terahertz electromagnetic wave, and J is a current that flows when a femtosecond laser is irradiated. Also, μ 0 is the permeability in vacuum, R is the reflectance, q is the elementary charge, μ e is the magnetic moment of the electron, E bias is the applied bias, and h is the Planck constant. Ν is the frequency (c / λ), τ c is the carrier lifetime, τ p is the excitation light pulse width, L gap is the gap length, and w gap is the gap width.
上記式において、波長依存性を持つのは反射率Rと振動数νである。反射率が波長による変化が小さいと仮定すれば、PCAで発生するテラヘルツ波電磁波強度は波長に依存する。 In the above formula, it is the reflectance R and the frequency ν that have wavelength dependency. If it is assumed that the reflectance changes little with the wavelength, the terahertz wave electromagnetic wave intensity generated by the PCA depends on the wavelength.
したがって、計測装置100では、上述した手法で得られたテラヘルツ波の時間波形の強度を、例えばポンプ光L1の波長に対するPCAで発生するテラヘルツ波の強度分布で補正する。ここで、ポンプ光L1の波長に対するPCAで発生するテラヘルツ波の強度分布は、試料Sがない状態でポンプ光L1の波長を変化させて、PCAで発生するテラヘルツ波を測定することで求めることができる。なお、上記のPCA理論式を用いて、テラヘルツ波の時間波形の強度を補正してもよい。
Therefore, the
計測装置100は、例えば、以下の特徴を有する。
The measuring
計測装置100では、光パルス生成部10が複数の異なる波長の光パルスを生成し、遅延光学系40がプローブ光L2の波長に応じて光パルス分岐部20からテラヘルツ波検出部50までのプローブ光L2の光路長を変化させる。そのため、計測装置100では、プローブ光L2の光路長の変更を電気的に行うことができる。したがって、計測装置100では、例えば遅延光学系がミラーを機械的に移動させてプローブ光の光路長を変更する場合と比べて、測定時間の短縮を図ることができる。よって、例えば、計測装置100において、THz−TDSを用いたイメージングを行う場合でも、トータルの測定時間を短くすることができる。
In the measuring
計測装置100では、遅延光学系40は、プリズムペア42,44を2つ含む。これにより、遅延光学系40では、プローブ光L2の波長に応じて光路長を変化させることができる。また、プリズムペア42,44は、回折格子対等の他の光学素子に比べて、光の損失が小さい。したがって、遅延光学系40では、効率よくプローブ光L2を遅延させることができる。
In the
3. 計測装置の変形例
次に、本実施形態に係る計測装置の変形例について、図面を参照しながら説明する。以下で説明する本実施形態の変形例に係る計測装置(計測装置200,300,400,500)において、上述した計測装置100の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
3. Next, a modified example of the measuring apparatus according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. In the measuring device (measuring
3.1. 第1変形例
まず、第1変形例に係る計測装置について図面を参照しながら説明する。図8は、第1変形例に係る計測装置200を模式的に示す図である。
3.1. First Modification First, a measurement apparatus according to a first modification will be described with reference to the drawings. FIG. 8 is a diagram schematically illustrating a measuring
上述した計測装置100では、図1に示すように、遅延光学系40は、2つのプリズムペア42,44で構成されていた。
In the
これに対して、計測装置200では、図8に示すように、遅延光学系40は、1つのプリズムペア42と、ミラー(反射ミラー)210と、を含む。
On the other hand, in the measuring
ミラー210は、プリズムペア42を通過したプローブ光L2をプリズムペア42に戻すための光学素子である。ミラー210は、プローブ光L2が第1プリズム42aに入射してから第2プリズム42bを通ってミラー210に到達するまでの光路を戻るように、プローブ光L2を反射させる。そのため、遅延光学系40では、プローブ光L2は、第1プリズム42aに入射し、第1プリズム42aおよび第2プリズム42bを通過して、ミラー210で反射され、再び、もとの経路に戻る。すなわち、ミラー210で反射されたプローブ光L2は、第2プリズム42bおよび第1プリズム42aを通過して、第1プリズム42aから射出される。これにより、図1に示す2つのプリズムペア42,44を用いた光学系と同様に、プローブ光L2の波長に応じて、光路長を変化させることができる。
The
なお、計測装置200では、ミラー210をプローブ光L2の入射方向に対して垂直な位置から微小角度傾けることで、第1プリズム42aに入射するプローブ光L2の光路と、第1プリズム42aから射出されるプローブ光L2の光路と、をずらすことができる。これにより、遅延光学系40から遅延させたプローブ光L2を取り出すことができる。
In the measuring
計測装置200は、さらに、第1プリズム42aから射出されたプローブ光L2をミラー70に導くためのミラー220を含む。
The measuring
計測装置200の動作は、計測装置100の動作と同様であるため、その説明を省略する。
Since the operation of the measuring
計測装置200では、遅延光学系40は、プリズムペア42と、プリズムペア42を通過したプローブ光L2をプリズムペア42に戻すミラー210と、を含む。これにより、遅延光学系40では、上述したように、プローブ光L2の波長に応じて光路長を変化させることができる。また、計測装置200では、例えば2つのプリズムペアを用いる場合(例えば図1参照)と比べて、プリズムの数を減らすことができる。
In the measuring
3.2. 第2変形例
次に、第2変形例に係る計測装置について図面を参照しながら説明する。図9は、第2変形例に係る計測装置300を模式的に示す図である。
3.2. Second Modification Example Next, a measurement apparatus according to a second modification example will be described with reference to the drawings. FIG. 9 is a diagram schematically illustrating a
上述した計測装置100では、図1に示すように、遅延光学系40は、2つのプリズムペア42,44で構成されていた。
In the
これに対して、計測装置300では、図9に示すように、遅延光学系40は、回折格子対310,312を含む。
On the other hand, in the measuring
遅延光学系40は、図示の例では、2つの回折格子対310,312を含む光学系である。2つの回折格子対310,312は、対称(面対称)に配置されている。
The delay
第1回折格子対310は、第1回折格子310aと、第2回折格子310bと、を有している。第2回折格子対312は、第3回折格子312aと、第4回折格子312bと、を有している。
The first
第1〜第4回折格子310a,310b,312a,312bは、入射光の波長が長いほど大きく回折する性質を有する。第1〜第4回折格子310a,310b,312a,312bの光学的性質(形状や、格子の周期、波長に対する回折角の大きさ等)は、例えば、等しい。第1回折格子310aの回折面と第2回折格子310bの回折面とは、例え
ば、平行である。同様に、第3回折格子312aの回折面と第4回折格子312bの回折面とは、例えば、平行である。
The first to
遅延光学系40では、プローブ光L2が、第1回折格子310a、第2回折格子310b、第3回折格子312a、第4回折格子312bによってこの順で回折(反射)されることで、プローブ光L2の波長に応じてプローブ光L2の光路長が変化する。例えば、遅延光学系40において、プローブ光L2の波長がλ1のときの光路長(第1回折格子310aに入射してから第4回折格子312bから射出されるまでの光路長)をLλ1とし、プローブ光L2の波長がλ2(λ1<λ2)のときの光路長をLλ2とすると、Lλ1<Lλ2の関係が成り立つ。遅延光学系40では、2つの回折格子対310,312による回折角(回折光と回折格子法線とのなす角)の波長依存性を利用して波長の異なるプローブ光L2に対して光路差をつけている。
In the delay
具体的には、第1回折格子310aでは、長波長のプローブ光L2(λ2)は短波長のプローブ光L2(λ1)よりも回折角が大きい。そのため、第1回折格子310aと第2回折格子310bとの間の空間では、長波長のプローブ光L2(λ2)が、短波長のプローブ光L2(λ1)よりも長い光学的距離を伝搬する。これにより、第1回折格子対310において、長波長のプローブ光L2(λ2)の光路長は、短波長のプローブ光L2(λ1)の光路長よりも長くなる。第2回折格子310bでは、第1回折格子310aと同様に、長波長のプローブ光L2(λ2)は短波長のプローブ光L2(λ1)よりも回折角が大きい。これにより、短波長のプローブ光L2(λ1)の進行方向と長波長のプローブ光L2(λ2)の進行方向とは、同じ方向となる。
Specifically, in the
また、第2回折格子対312においても同様に、第3回折格子312aでは、長波長のプローブ光L2(λ2)は短波長のプローブ光L2(λ1)よりも回折角が大きい。そのため、第3回折格子312aと第4回折格子312bとの間の空間では、長波長のプローブ光L2(λ2)が短波長のプローブ光L2(λ1)よりも長い光学的距離を伝搬する。これにより、第2回折格子対312において、長波長のプローブ光L2(λ2)の光路長は、短波長のプローブ光L2(λ1)の光路長よりも長くなる。第4回折格子312bでは、第3回折格子312aと同様に、長波長のプローブ光L2(λ2)は短波長のプローブ光L2(λ1)よりも回折角が大きい。これにより、短波長のプローブ光L2(λ1)の進行方向と長波長のプローブ光L2(λ2)の進行方向とは、同じ方向となり、第4回折格子312bから射出された、短波長のプローブ光L2(λ1)と長波長のプローブ光L2(λ2)とは、同じ光路をとる。
Similarly, in the second
このようにして、遅延光学系40では、2つの回折格子対310,312を用いることによって、プローブ光L2の波長に応じて光路長を変化させている。例えば、波長に応じた光路差を大きくするためには、第1回折格子310aと第2回折格子310bとの間の光学的距離(第3回折格子312aと第4回折格子312bとの間の光学的距離)を大きくすればよい。
Thus, in the delay
計測装置300の動作は、計測装置100の動作と同様であるため、その説明を省略する。
Since the operation of the measuring
計測装置300では、遅延光学系40は、2つの回折格子対310,312を含む。これにより、遅延光学系40では、上述したように、プローブ光L2の波長に応じて光路長を変化させることができる。また、回折格子対310,312は、例えばプリズム対に比べて、アライメントが容易である。また、回折格子310a,310b,312a,312bは、回折格子の周期構造を変えることで光学的性質を容易に変更することができる。したがって、計測装置300では、遅延光学系40として回折格子対310,312を用
いることで、設計の自由度を高めることができる。
In the measuring
3.3. 第3変形例
次に、第3変形例に係る計測装置について図面を参照しながら説明する。図10は、第3変形例に係る計測装置400を模式的に示す図である。
3.3. Third Modification Next, a measurement apparatus according to a third modification will be described with reference to the drawings. FIG. 10 is a diagram schematically illustrating a
上述した計測装置300では、図9に示すように、遅延光学系40は、2つの回折格子対310,312で構成されていた。
In the
これに対して、計測装置200では、図10に示すように、遅延光学系40は、1つの回折格子対310と、ミラー(反射ミラー)410と、を含む。
On the other hand, in the measuring
ミラー410は、回折格子対310を通過したプローブ光L2を回折格子対310に戻すための光学素子である。ミラー410は、プローブ光L2が第1回折格子310aに入射してから第2回折格子310bで回折されてミラー410に到達するまでの光路を戻るように、プローブ光L2を反射させる。そのため、遅延光学系40では、プローブ光L2は、第1回折格子310aに入射し、第1回折格子310aおよび第2回折格子310bで回折されて、ミラー410で反射され、再び、もとの経路に戻る。すなわち、ミラー410で反射されたプローブ光L2は、第2回折格子310bおよび第1回折格子310aで回折されて、第1回折格子310aから射出される。これにより、図9に示す2つの回折格子対310,312を用いた光学系と同様に、プローブ光L2の波長に応じて光路長を変化させることができる。
The
なお、計測装置400では、ミラー410をプローブ光L2の入射方向に対して垂直な位置から微小角度傾けることで、第1回折格子310aに入射するプローブ光L2の光路と、第1回折格子310aから射出されるプローブ光L2の光路と、をずらすことができる。これにより、遅延光学系40から遅延させたプローブ光L2を取り出すことができる。
In the measuring
計測装置400は、さらに、第1回折格子310aから射出されたプローブ光L2をミラー70に導くためのミラー420を含む。
The measuring
計測装置400の動作は、計測装置300の動作と同様であるため、その説明を省略する。
Since the operation of the measuring
計測装置400では、遅延光学系40は、回折格子対310と、回折格子対310を通過したプローブ光L2を回折格子対310に戻すミラー410と、を含む。これにより、遅延光学系40では、上述したように、プローブ光L2の波長に応じて光路長を変化させることができる。また、計測装置400では、例えば2つの回折格子対を用いる場合(例えば図9参照)と比べて、回折格子の数を減らすことができる。
In the measuring
3.4. 第4変形例
次に、第4変形例に係る計測装置について図面を参照しながら説明する。図11は、第4変形例に係る計測装置500を模式的に示す図である。
3.4. Fourth Modification Example Next, a measurement apparatus according to a fourth modification example will be described with reference to the drawings. FIG. 11 is a diagram schematically illustrating a
上述した計測装置100では、図1に示すように、遅延光学系40は、2つのプリズムペア42,44で構成されていた。
In the
これに対して、計測装置500では、図11に示すように、遅延光学系40は、チャープミラー510,512を含む。遅延光学系40は、さらに、ミラー520,522を含
む。
On the other hand, in the measuring
遅延光学系40では、図11に示すように、第1チャープミラー510と第1ミラー520とのペアと、第2チャープミラー512と第2ミラー522とのペアとが、対称(面対称)に配置されている。第1チャープミラー510の反射面と第1ミラー520の反射面とは、例えば、平行である。また、第2チャープミラー512の反射面と第2ミラー522の反射面とは、例えば、平行である。
In the delay
図12は、第1チャープミラー510を模式的に示す断面図である。第1チャープミラー510は、図12に示すように、基板5000と、高屈折率層5010と、低屈折率層5012と、を有している。第1チャープミラー510では、基板5000上に、高屈折率層5010と低屈折率層5012とが交互に積層されている。第1チャープミラー510は、誘電体多層膜ミラーの一種である。
FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing the
第1チャープミラー510では、波長に応じて反射される膜(ミラー表面からの深さ)が異なり、入射した光の波長に応じた光路長を与えることができる。図示の例では、積層された高屈折率層5010と低屈折率層5012の膜厚は、長波長の光ほど深い膜(ミラー表面からの深さ)で反射されるように調整されている。そのため、第1チャープミラー510において、長波長のプローブ光L2(λ2)の光路長は短波長のプローブ光L2(λ1)の光路長よりも長くなる。
In the
第2チャープミラー512は、図12に示す第1チャープミラー510と同様な構成を有している。すなわち、第2チャープミラー512では、第1チャープミラー510と同様に、波長に応じて反射される膜(ミラー表面からの深さ)が異なり、入射した光の波長に応じた光路長を与えることができる。なお、第1チャープミラー510、第2チャープミラー512ともに、図12に示す例とは逆に、短波長の光ほど深い膜で反射されるように設計されていても良い。
The
第1ミラー520および第2ミラー522は、第1チャープミラー510で反射されたプローブ光L2を第2チャープミラー512に導くためのミラーである。
The
遅延光学系40では、2つのチャープミラー510,512を利用して波長の異なるプローブ光L2に対して光路差をつけている。
In the delay
具体的には、第1チャープミラー510では、長波長の光ほど深い膜で反射されるため、長波長のプローブ光L2(λ2)の光路長は短波長のプローブ光L2(λ1)の光路長よりも長くなる。第1チャープミラー510で反射されたプローブ光L2は、ミラー520,522を介して第2チャープミラー512に入射する。第2チャープミラー512では、第1チャープミラー510と同様に、長波長の光ほど深い膜で反射されるため、長波長のプローブ光L2(λ2)の光路長は、短波長のプローブ光L2(λ1)の光路長よりも長くなる。
Specifically, in the
このようにして、遅延光学系40では、2つのチャープミラー510,512によって、プローブ光L2の波長に応じて光路長を変化させている。
In this way, in the delay
なお、ここでは、チャープミラー510,512が、長波長の光ほど深い膜で反射させて長波長のプローブ光L2(λ2)の光路長を短波長のプローブ光L2(λ1)の光路長よりも長くした場合について説明したが、チャープミラー510,512を短波長の光ほど深い膜で反射させて長波長のプローブ光L2(λ2)の光路長を短波長のプローブ光L2(λ1)の光路長よりも短くしてもよい。 Here, the chirp mirrors 510 and 512 reflect the longer wavelength light with a deeper film so that the optical path length of the long wavelength probe light L2 (λ2) is longer than the optical path length of the short wavelength probe light L2 (λ1). Although the case where the length is increased is described, the chirp mirrors 510 and 512 are reflected by a deeper film as the light has a shorter wavelength, and the optical path length of the long wavelength probe light L2 (λ2) is changed to the optical path length of the short wavelength probe light L2 (λ1). It may be shorter.
また、ここでは、遅延光学系40が、2つのチャープミラー510,512を有する例について説明したが、遅延光学系40を構成するチャープミラーの数は特に限定されない。例えば、ミラー520,522に変えてチャープミラーを配置してもよい。すなわち、この場合、遅延光学系40は、4つのチャープミラーを有する。
Although the example in which the delay
計測装置500では、遅延光学系40は、チャープミラー510,512を含む。これにより、遅延光学系40では、上述したように、プローブ光L2の波長に応じて光路長を変化させることができる。また、チャープミラー510,512は、高屈折率層5010および低屈折率層5012の膜厚を調整することで光学的性質を容易に変更することができる。したがって、計測装置500では、遅延光学系40としてチャープミラー510,512を用いることで、設計の自由度を高めることができる。
In the
3.5. 第5変形例
上述した計測装置100の例では、光パルス生成部10は、図4に示すように、多波長出力部12が出力する互いに波長の異なる複数の光パルスを光スイッチング部16で選択して出力することにより複数の異なる波長の光パルスを射出していたが、本変形例では、光パルス生成部10は複数の異なる波長の光パルスを生成可能であれば様々な構成を有することができる。
3.5. Fifth Modification In the example of the
例えば、本変形例では、図5および図6に示す短光パルス発生装置1の温度を制御することで波長を変化させて、複数の異なる波長の光パルスを生成してもよい。
For example, in this modification, the wavelength may be changed by controlling the temperature of the short
具体的には、本変形例では、例えば、短光パルス発生装置1に加熱するための加熱素子(ヒーター)と短光パルス発生装置1を冷却するための冷却素子(ペルチェ素子等)を備え、この加熱素子と冷却素子を制御して短光パルス発生装置1に与える熱量を変化させることで、光パルスの波長を変化させる。これにより、光パルス生成部10では、複数の異なる波長の光パルスを生成することができる。
Specifically, in this modification, for example, a heating element (heater) for heating the short
また、例えば、本変形例では、図4に示す光源12−1〜12−nに変えて互いに異なる波長の光パルスを生成する複数のフェムト秒ファイバーレーザーや、複数のチタンサファイアレーザーを用いてもよい。すなわち、光パルス生成部10では、互いに異なる波長の光パルスを生成する複数のフェムト秒ファイバーレーザー(またはチタンサファイアレーザー)を光スイッチング部16で切り替えることで複数の異なる波長の光パルスを生成してもよい。
Further, for example, in this modification, a plurality of femtosecond fiber lasers or a plurality of titanium sapphire lasers that generate optical pulses having different wavelengths can be used instead of the light sources 12-1 to 12-n shown in FIG. Good. That is, the optical
3.6. 第6変形例
上述した計測装置100の例では、テラヘルツ波発生部30で発生したテラヘルツ波を試料Sに照射し、試料Sを透過したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部50で検出したが、本変形例では、テラヘルツ波発生部30で発生したテラヘルツ波を試料Sに照射し、試料Sを反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部50で検出してもよい。
3.6. In the example of the
上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各変形例を適宜組み合わせることも可能である。 The above-described embodiments and modifications are merely examples, and the present invention is not limited to these. For example, it is possible to appropriately combine the modified examples.
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構
成を含む。
The present invention includes configurations that are substantially the same as the configurations described in the embodiments (for example, configurations that have the same functions, methods, and results, or configurations that have the same objects and effects). In addition, the invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the present invention includes a configuration that exhibits the same operational effects as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. Further, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.
1…短光パルス発生装置、2…パルス源、4…周波数チャープ部、6…群速度分散部、8,9…光導波路、10…光パルス生成部、12…多波長出力部、16…光スイッチング部、18…制御部、20…光パルス分岐部、30…テラヘルツ波発生部、32…基板、34…ギャップ、36,38…電極、40…遅延光学系、42…第1プリズムペア、42a…第1プリズム、42b…第2プリズム、44…第2プリズムペア、44a…第3プリズム、44b…第4プリズム、50…テラヘルツ波検出部、52…基板、54…ギャップ、56,58…電極、60,62,64,66,68,70,72…ミラー、100…計測装置、102…基板、102a…第1領域、102b…第2領域、102c…第3領域、104…バッファー層、106…第1クラッド層、108…第1コア層、108a…第1ガイド層、108b…MQW層、108c…第2ガイド層、109a,109b…端面、110…第2クラッド層、111a,111b…柱状部、112…キャップ層、114…第2コア層、116…第3クラッド層、118…キャップ層、120,122…絶縁層、130…第1電極、132…第2電極、200…計測装置、210,220…ミラー、300…計測装置、310…第1回折格子対、310a…第1回折格子、310b…第2回折格子、312…第2回折格子対、312a…第3回折格子、312b…第4回折格子、400…計測装置、410,420…ミラー、500…計測装置、510…第1チャープミラー、512…第2チャープミラー、520…第1ミラー、522…第2ミラー、5000…基板、5010…高屈折率層、5012…低屈折率層
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記光パルス生成部にて生成された光パルスを第1の光パルスと第2の光パルスに分岐する光パルス分岐部と、
前記第1の光パルスが照射されてテラヘルツ波を生成するテラヘルツ波発生部と、
測定対象の試料に照射されて透過または反射した前記テラヘルツ波と前記第2の光パルスが照射されるテラヘルツ波検出部と、
機械的な移動を伴わずに、波長に応じて変化する光学的性質を利用して、前記光パルス分岐部から前記テラヘルツ波検出部までの前記第2の光パルスの光路長が前記第2の光パルスの波長に応じて変化するように構成される遅延光学系と、
を含む、ことを特徴とする計測装置。 An optical pulse generator capable of generating a plurality of optical pulses of different wavelengths;
An optical pulse branching unit that branches the optical pulse generated by the optical pulse generation unit into a first optical pulse and a second optical pulse;
A terahertz wave generator that generates a terahertz wave by being irradiated with the first light pulse;
A terahertz wave detection unit that is irradiated with the second light pulse and the terahertz wave that is irradiated to the sample to be measured and transmitted or reflected;
The optical path length of the second optical pulse from the optical pulse branching unit to the terahertz wave detecting unit is obtained using the optical property that changes according to the wavelength without mechanical movement . A delay optical system configured to change according to the wavelength of the light pulse ;
A measuring device comprising:
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