JP6682351B2 - 光学解析装置及び光学解析方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学解析装置及び光学解析方法に関する。

従来、異方性材料の光学的なパラメータを導出する方法がある。例えば非特許文献１には、異方性材料の回転角度ごとにテラヘルツ波の時間波形を取得し、軸の方位を決定した後に、各軸の複素屈折率を導出する方法が開示されている。また、非特許文献２には、円偏光のテラヘルツ波パルスで異方性材料をプローブし、その結果を所定の計算式を用いて解析することで複屈折パラメータを導出する方法が開示されている。

Y. Kim et al., "Investigationof THz birefringence measurement and calculation in Al2O3and LiNbO3", Appl.Opt. 50, 2906, （2011） H S.Katletz et al.,"Polarization sensitive terahertz imaging: detection of birefringence andoptical axis", Opt.Express 20, 23025, （2012）

しかしながら、非特許文献１に記載された方法では、異方性材料を所定の角度ずつ回転させながら、角度ごとに時間波形を取得するため、計測に手間と時間を要するおそれがある。また、軸の方位を高分解能で決定するためには、細かく角度を変化させて時間波形を取得する必要があり、簡便な計測が困難である。

また、非特許文献２に記載された方法では、用いる計算式の性質上、被測定物が所定の厚みを有している場合、又は、被測定物の進相軸と遅相軸との屈折率差が大きい場合でなければ測定が困難である。また、同方法では、異方性材料に屈折率の波長分散がないことが前提となっているため、吸収ピークなどの分布を持つ材料の測定が困難である。このように、非特許文献２に記載の方法では、測定することができる被測定部に制限があり、簡便な計測が困難である。

本発明は、被測定物の光学パラメータを簡便に計測することができる光学解析装置及び光学解析方法を提供することを目的とする。

一態様に係る光学解析装置は、異方性を有する被測定物の光学パラメータを解析する光学解析装置であって、テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生部と、テラヘルツ波発生部によって発生したテラヘルツ波の偏光状態を互いに異なる第１の偏光状態又は第２の偏光状態に切り替える偏光切替部と、偏光切替部によって偏光状態が切り替えられたテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、偏光切替部とテラヘルツ波検出部との間の光路上に配置された被測定物の配置部と、テラヘルツ波検出部によって検出されたテラヘルツ波の電場ベクトルを計測する電場ベクトル計測部と、電場ベクトル計測部による電場ベクトルの計測結果に基づいて被測定物の光学パラメータを解析する解析部と、を備え、解析部は、第１の偏光状態におけるテラヘルツ波の電場ベクトルと回転行列との積をフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づく第１の解析データと、第２の偏光状態におけるテラヘルツ波の電場ベクトルと回転行列との積をフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づく第２の解析データとの交点から被測定物の光学パラメータを決定する。

このような光学解析装置では、被測定物に入力された第１の偏光状態のテラヘルツ波の電場ベクトルと第２の偏光状態のテラヘルツ波の電場ベクトルとが電場ベクトル計測部によって計測される。そして、これらの計測結果が解析部によって解析されることで、被測定物の光学パラメータを含む第１の解析データ及び第２の解析データが得られる。ここで、被測定物の光学パラメータは、テラヘルツ波の偏光状態に依存しないので、第１の解析データ及び第２の解析データのいずれにおいても、正しい光学パラメータの値は共通している。そのため、第１の解析データと第２の解析データとの交点から被測定物の光学パラメータを一意に定めることができる。このように、上記の光学解析装置によれば、第１の偏光状態及び第２の偏光状態のテラヘルツ波を用いて測定を行うことにより、被測定物の光学パラメータを簡便に計測することができる。

また、一態様の光学解析装置では、解析部は、配置部に被測定物が配置されていない状態で計測された第１の偏光状態におけるテラヘルツ波の電場ベクトルをリファレンスとして用いて第１の解析データを得るとともに、配置部に被測定物が配置されていない状態で計測された第２の偏光状態におけるテラヘルツ波の電場ベクトルをリファレンスとして用いて第２の解析データを得る構成でもよい。このように、被測定物が配置されていない状態でのテラヘルツ波をリファレンスとすることによって、光学パラメータの絶対値を導出することができる。

また、一態様の光学解析装置では、テラヘルツ波は、互いに異なる複数の周波数成分を含み、解析部は、複数の周波数成分ごとに光学パラメータを決定してもよい。この場合、例えば、周波数成分ごとに取得された光学パラメータの平均を求めることによって、計測精度を高めることができる。

また、一態様の光学解析装置では、解析部は、複数の周波数成分ごとに解析された光学パラメータの散らばりの指標を導出してもよい。例えば、異方性材料の光学軸の方位を決定する場合などに、散らばりの度合いの小さいパラメータを選択することによって、計測精度を高めることができる。

また、一態様の光学解析装置では、偏光切替部は、テラヘルツ波を円偏光又は楕円偏光に変換する波長板を有し、テラヘルツ波の伝播方向に平行な軸を回転中心として波長板を回転させることによって、テラヘルツ波を第１の偏光状態と第２の偏光状態とに変換してもよい。この場合、光学素子の回転という簡便な操作によってテラヘルツ波を第１の偏光状態と第２の偏光状態とに確実に変換することができる。

また、一態様の光学解析装置では、偏光切替部は、テラヘルツ波を互いに偏光方位が直交する２つの直線偏光にするとともに、２つの直線偏光を互いに時間的に分離する偏光分離部と、２つの直線偏光を円偏光又は楕円偏光に変換する波長板とを含んでもよい。この場合、特別な操作を行くことなく、テラヘルツ波が第１の偏光状態と第２の偏光状態とに変換される。

また、一態様に係る光学解析方法は、異方性を有する被測定物の光学パラメータを解析する光学解析方法であって、被測定物に入力された第１の偏光状態のテラヘルツ波を検出し、当該テラヘルツ波の電場ベクトルを計測する第１のサンプル計測工程と、被測定物に入力された第１の偏光状態とは異なる第２の偏光状態のテラヘルツ波を検出し、当該テラヘルツ波の電場ベクトルを計測する第２のサンプル計測工程と、第１のサンプル計測工程で得られた電場ベクトルと回転行列との積をフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づいて第１の解析データを得るとともに、第２のサンプル計測工程で得られた電場ベクトルと回転行列との積をフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づいて第２の解析データを得る解析データ取得工程と、第１の解析データと第２の解析データとの交点から被測定物の光学パラメータを決定する光学パラメータ決定工程と、を備える。

このような光学解析方法では、被測定物を透過した第１の偏光状態のテラヘルツ波の電場ベクトルと第２の偏光状態のテラヘルツ波の電場ベクトルを計測し、その計測結果を解析することによって被測定物の光学パラメータを決定している。ここで、被測定物の光学パラメータは、被測定物を透過するテラヘルツ波の偏光状態に依存しない。すなわち、第１の偏光状態のテラヘルツ波に基づく第１の解析データと、第２の偏光状態のテラヘルツ波に基づく第２の解析データとのいずれにおいても、被測定物の正しい光学パラメータが反映されている。そのため、第１の解析データと第２の解析データとの交点に基づいて被測定物の光学パラメータを一意に定めることができる。このように、上記の光学解析方法によれば、第１の偏光状態及び第２の偏光状態のテラヘルツ波を用いて測定を行うことにより、被測定物の光学パラメータを簡便に計測することができる。

また、一態様の光学解析方法では、被測定物に入力されていない第１の偏光状態のテラヘルツ波を検出し、当該テラヘルツ波の電場ベクトルを計測する第１のリファレンス計測工程、及び、被測定物に入力されていない第２の偏光状態のテラヘルツ波を検出し、当該テラヘルツ波の電場ベクトルを計測する第２のリファレンス計測工程をさらに備え、解析データ取得工程では、第１のサンプル計測工程で得られた電場ベクトルと回転行列との積と、第１のリファレンス計測工程で得られた電場ベクトルと回転行列との積とをフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づいて第１の解析データを得るとともに、第２のサンプル計測工程で得られた電場ベクトルと回転行列との積と第２のリファレンス計測工程で得られた電場ベクトルと回転行列との積とをフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づいて第２の解析データを得てもよい。この場合、被測定物に入力されていないテラヘルツ波をリファレンスとすることによって、光学パラメータの絶対値を導出することができる。

また、一態様の光学解析方法では、光学パラメータは光学軸の方位角、屈折率、吸光係数及び誘電率の少なくとも一つを含んでもよい。

また、一態様の光学解析方法では、テラヘルツ波は、互いに異なる複数の周波数成分を含み、光学パラメータ決定工程において、複数の周波数成分ごとに光学パラメータを決定してもよい。この場合、例えば、周波数成分ごとに取得された光学パラメータの平均を求めることによって、計測精度を高めることができる。

また、一態様の光学解析方法では、光学パラメータ決定工程において、複数の周波数成分ごとに決定された光学パラメータの散らばりの指標を導出してもよい。例えば、異方性材料の光学軸の方位を取得する場合などに、散らばりの度合いの小さいパラメータを選択することによって、計測精度を高めることができる。

一態様の光学解析装置及び光学解析方法によれば、被測定物の光学パラメータを簡便に計測することができる。

一実施形態に係る光学解析装置の光学系を示す構成図である。 テラヘルツ波検出素子におけるテラヘルツ波の電場ベクトルを示す図である。 図１に示した光学解析装置の光学系に接続される解析装置の構成例を示すブロック図である。 解析装置による解析結果を説明するための図である。 解析装置による解析結果を説明するための図である。 解析装置による解析結果を説明するための図である。 解析装置による解析結果を説明するための図である。 一実施形態に係る光学解析方法を示すフローチャートである。 電場ベクトル検出方法を示すフローチャートである。 解析装置による解析結果を説明するための図である。 他の実施形態に係る光学解析装置の光学系を示す構成図である。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。便宜上、実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る光学解析装置の光学系を示す図である。光学解析装置１は、複屈折材料のような光学的な異方性を有する被測定物Ｓの光学パラメータを解析する。光学パラメータは、例えば被測定物の光学軸の方位角、屈折率、吸光係数、誘電率等である。図１に示すように、光学解析装置１の光学系１Ａは、テラヘルツ波発生素子（テラヘルツ波発生部）１１と、偏光切替部１３と、テラヘルツ波検出素子（テラヘルツ波検出部）３０と、被測定物Ｓの配置部１５とを含んでいる。テラヘルツ波発生素子１１によって発生したテラヘルツ波Ｔは、偏光切替部１３によって偏光状態が切り替えられ、配置部１５に配置された被測定物Ｓに入射される。被測定物Ｓに入射されたテラヘルツ波Ｔは、テラヘルツ波検出素子３０によって検出される。以下、光学解析装置１の光学系１Ａについて詳細に説明する。

光学解析装置１の光学系１Ａは、出射光Ｌとしてフェムト秒レーザを出射する光源２と、光源２からの出射光Ｌをプローブ光Ｌａとポンプ光Ｌｂとに分岐するビームスプリッタ３と、ポンプ光Ｌｂを周期的に変調する光変調器５と、ポンプ光Ｌｂをプローブ光Ｌａに対して時間的に遅延させる遅延ステージ６と、ポンプ光Ｌｂ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１１と、テラヘルツ波Ｔの偏光状態を切り替える偏光切替部１３と、テラヘルツ波Ｔを検出するテラヘルツ波検出素子３０と、偏光切替部１３とテラヘルツ波検出素子３０との間の光路上に配置された配置部１５と、プローブ光Ｌａの偏光を調整する偏光調整部３２と、プローブ光Ｌａを検出する光検出器３４とを含んで構成されている。

光源２から出射されるフェムト秒レーザは、例えば波長８００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ、平均出力５００ｍＷとなっている。光変調器５は、例えば光チョッパであり、ポンプ光Ｌｂを変調周波数ｆ_２で時間的に変調する。変調周波数ｆ_２は、例えば１ｋＨｚ〜２００ｋＨｚである。遅延ステージ６は、例えばビームスプリッタ３で分岐したポンプ光Ｌｂの光軸方向に往復動可能なステージ６ａと、ポンプ光Ｌｂを折り返す一対のミラー６ｂ，６ｃとを有している。遅延ステージ６を経たポンプ光Ｌｂは、ミラー８によってテラヘルツ波発生素子１１に導光される。

テラヘルツ波発生素子１１は、例えばＺｅＴｅ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、超伝導体などによって構成されている。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１１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１１に入射されたポンプ光Ｌｂは、非線形光学効果によってテラヘルツ波Ｔに変換される。テラヘルツ波発生素子から出射されるテラヘルツ波は、偏光切替部１３に入射される。このテラヘルツ波は、例えば０．１〜３ＴＨｚの帯域の周波数成分を含む。

偏光切替部１３は、入射されたテラヘルツ波Ｔの偏光状態を互いに異なる第１の偏光状態又は第２の偏光状態に切り替えて出射することができる。本実施形態における偏光切替部１３は、例えばλ／４波長板１３ａを有している。λ／４波長板１３ａは、テラヘルツ波Ｔの伝播方向に平行な軸を回転中心として回転自在に支持されている。λ／４波長板１３ａを透過するテラヘルツ波Ｔの偏光状態は、λ／４波長板１３ａを回転させることによって任意に変更される。例えば、互いに異なる第１の回転位置と第２の回転位置とにλ／４波長板１３ａを切り替えることによって、テラヘルツ波Ｔを第１の偏光状態又は第２の偏光状態に切り替えることができる。本実施形態では、λ／４波長板１３ａに直線偏光のテラヘルツ波Ｔが入射される。この場合、λ／４波長板１３ａの回転制御によって、第１の偏光状態又は第２の偏光状態をもつ楕円偏光又は円偏光のテラヘルツ波が出射される。λ／４波長板１３ａの回転位置は、手動で制御されてもよいし、アクチュエータ等によって制御されてもよい。

被測定物Ｓが配置される配置部１５は、偏光切替部１３とテラヘルツ波検出素子３０との間の光路上に配置されている。そのため、配置部１５に被測定物Ｓが配置されている場合、λ／４波長板１３ａから出射されたテラヘルツ波Ｔは、被測定物Ｓを透過してテラヘルツ波検出素子３０に入射する。一方、配置部１５に被測定物Ｓが配置されていない場合、λ／４波長板１３ａから出射されたテラヘルツ波Ｔは、被測定物Ｓを透過することなく、テラヘルツ波検出素子３０に入射する。配置部１５は、被測定物Ｓの厚さ方向をテラヘルツ波Ｔの伝播方向に一致させるように配置されたホルダ等によって構成され得る。

プローブ光Ｌａは、ミラー９を経て偏光調整部３２に導光される。偏光調整部３２は、偏光子３６と、λ／４波長板３７とによって構成されている。偏光調整部３２に導光されたプローブ光Ｌａは、偏光子３６によって所定方向の直線偏光となり、さらに、λ／４波長板３７によって円偏光となる。

円偏光となったプローブ光Ｌａは、無偏光ビームスプリッタ３８により偏光状態を維持したまま二分される。二分されたプローブ光Ｌａの一方は、テラヘルツ波検出素子３０に導光され、他方は、第２の光検出器３４Ｂに導光される。

テラヘルツ波検出素子３０は、例えば光学的等方媒質であるＺｎＴｅの（１１１）面を切り出した電気光学結晶によって構成されている。テラヘルツ波検出素子３０の一方面３０ａは、テラヘルツ波Ｔが入射する入射面となっている。一方面３０ａには、テラヘルツ波Ｔを透過し、かつプローブ光Ｌａを反射する反射コーティングが施されている。また、テラヘルツ波検出素子３０の他方面３０ｂは、プローブ光Ｌａが入射する入射面となっている。他方面３０ｂには、プローブ光Ｌａの反射を抑制する反射防止コーティングが施されている。

図２は、テラヘルツ波検出素子３０におけるテラヘルツ波の電場ベクトルを示す図である。同図に示すように、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルＥ_Ｔは、振幅｜Ｅ_Ｔ｜と、方位θ_Ｔとによって表される。方位θ_Ｔは、ＺｎＴｅの（１１１）面における＜−２１１＞方向を０°とし、これを基準として＜０−１１＞方向を正方向としている。＜−２１１＞方向に対するテラヘルツ波Ｔの電場の傾きが２θである場合、複屈折は−θ方向に誘起される。テラヘルツ波Ｔの強さに応じて誘起される複屈折の大きさは、方向によらず一定となる。

テラヘルツ波検出素子３０に入射したプローブ光Ｌａは、入射したタイミングでのテラヘルツ波Ｔの電場によって変調され、偏光状態が楕円偏光などに変化する。テラヘルツ波Ｔをプローブした後のプローブ光Ｌａは、テラヘルツ波検出素子３０の一方面３０ａで反射して無偏光ビームスプリッタ３８に再び入射する。二分されたプローブ光Ｌａの一方は、回転検光子３９に入射し、他方は戻り光となる。

回転検光子３９は、モータなどにより、検光子が面内で回転する素子である。プローブ光Ｌａが検光子に入射すると、特定の直線偏光のみが出力される。したがって、検光子が回転する場合、プローブ光Ｌａが変調される。回転検光子３９で変調されたプローブ光Ｌａは、第１の光検出器３４Ａに入射する。戻り光は、λ／４波長板３７によって直線偏光に近い楕円偏光となり、大部分が偏光子３６でカットされる。

第１の光検出器３４Ａ及び第２の光検出器３４Ｂは、例えばフォトダイオードである。第１の光検出器３４Ａは、テラヘルツ波Ｔをプローブした後のプローブ光Ｌａを検出する光検出器であり、回転検光子３９によって変調されたプローブ光Ｌａを検出する。第２の光検出器３４Ｂは、パワー変動のモニタリングに用いられる光検出器であり、テラヘルツ波検出素子３０に向かわずに無偏光ビームスプリッタ３８を透過したプローブ光Ｌａを検出する。

図３は、上述した光学解析装置１の光学系１Ａに接続される解析装置１Ｂの構成例を示すブロック図である。本実施形態では、解析装置１Ｂによって、電場ベクトル計測部及び解析部が構成されている。同図に示すように、解析装置１Ｂは、差動検出器４１と、周波数演算器４２と、ロックイン検出器４３と、電場ベクトル検出部４４と、光学パラメータ解析部４５とを備えている。

差動検出器４１は、第１の光検出器３４Ａからの検出信号と第２の光検出器３４Ｂからの検出信号との差分を検出する部分である。差動検出器４１は、第１の光検出器３４Ａからの検出信号と第２の光検出器３４Ｂからの検出信号との差分に基づく検出信号をロックイン検出器４３に出力する。差動検出を行うことにより、プローブ光Ｌａにおけるパワー変動成分が除去される。このとき、第１の光検出器３４Ａ及び第２の光検出器３４Ｂは、テラヘルツ波Ｔが入射しない状態で、かつ回転検光子３９を配置していないときの差動検出器４１の検出信号の強度がゼロとなるように感度調整されていることが好ましい。

周波数演算器４２は、回転検光子３９の回転周波数と、ポンプ光Ｌｂの変調周波数とに基づく周波数を生成し、ロックイン検出器４３に参照信号を出力する。より具体的には、周波数演算器４２は、回転検光子３９の回転周波数をｆ_１とし、ポンプ光Ｌｂの変調周波数をｆ_２とした場合に、ｆ_２±２ｆ_１となる周波数を生成する。

ロックイン検出器４３は、第１の光検出器３４Ａからの検出信号（ここでは差動検出器４１からの検出信号）をロックイン検出する部分である。本実施形態のロックイン検出器４３は、２位相ロックイン検出器であり、参照信号の周波数に同期して変化する検出信号の振幅と位相とを同時に検出する。ロックイン検出器４３は、参照信号の周波数をｆ_２±２ｆ_１として、差動検出器４１から出力される検出信号のロックイン検出を行う。ロックイン検出器４３からの検出信号は、電場ベクトル検出部４４に出力される。回転周波数ｆ_１は、例えば２０Ｈｚ〜１００Ｈｚである。

電場ベクトル検出部４４は、ロックイン検出器４３からの検出信号に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを検出する部分である。電場ベクトル検出部４４は、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、通信インタフェイス等を備えたコンピュータシステムによって構成されている。

ロックイン検出器４３からの検出信号に含まれる振幅Ａ_Ｌ及び位相φ_Ｌと、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅｜Ｅ_Ｔ｜及び方位θ_Ｔとの間には、下記の関係が成り立つ。下記式におけるＡ_Ｃは、テラヘルツ波検出素子３０として用いる電気光学結晶の非線形光学定数及び厚さ、プローブ光Ｌａの波長などに基づいて決定される定数である。下記式により、ロックイン検出器４３からの検出結果に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを一意に決定できる。

なお、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅が十分に小さい場合には、下記式が成立する。この場合には、ロックイン検出器４３の検出信号に含まれる振幅Ａ_Ｌを、そのままテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅｜Ｅ_Ｔ｜としてもよい。

また、２位相ロックイン検出器は、参照信号の位相に従ってＡ_Ｌｃｏｓφ_ＬとＡ_Ｌｓｉｎφ_Ｌとをそれぞれ出力することができる。テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅が十分に小さい場合、これらの出力とテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルにおける互いに直交する２つの軸方向の成分との間には、下記式が成立する。したがって、ロックイン検出器４３から出力される２つの出力に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルにおける互いに直交する２つの軸方向の成分に比例する信号Ｅ_Ｔｘ，Ｅ_Ｔｙが得られることとなる。本実施形態では、例えば、Ｅ_Ｔｘが水平方向を軸方向としており、Ｅ_Ｔｙが垂直方向を軸方向としている。

光学パラメータ解析部４５は、電場ベクトル検出部４４によって計測された電場ベクトルに基づいて、被測定物Ｓの光学パラメータを解析する部分である。光学パラメータ解析部４５は、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、通信インタフェイス等を備えたコンピュータシステムによって構成されている。光学パラメータ解析部４５と電場ベクトル検出部４４とは、同一のコンピュータシステムによって構成されてもよい。例えば、光学パラメータ解析部４５は、計測された電場ベクトルのデータをメモリ等に保存しておき、必要に応じて呼び出すことができる。

本実施形態の光学パラメータ解析部４５では、第１の偏光状態におけるテラヘルツ波の電場ベクトルと回転行列との積をフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づいて第１の解析データを取得する。また、第２の偏光状態におけるテラヘルツ波の電場ベクトルと回転行列との積をフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づいて第２の解析データを取得する。そして、第１の解析データと第２の解析データとの交点から被測定物Ｓの光学パラメータを決定する。以下、さらに詳細に説明する。

上述の通り、電場ベクトル検出部４４では、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルにおける互いに直交する２つの軸方向の成分に比例する信号Ｅ_Ｔｘ，Ｅ_Ｔｙが得られる。すなわち、電場ベクトルをＥとすると、Ｅは以下の式によって表される。

光学パラメータ解析部４５では、以下の式に示すように、電場ベクトルＥに回転行列をかけることによって、元の基準となる軸から任意の解析角度θだけ傾いた軸における電場ベクトルＥ’を取得する。本実施形態では、解析角度θが０°〜１８０°の範囲に設定されており、設定された範囲内において、任意の角度刻みで電場ベクトルＥ’が取得される。電場ベクトルＥ’では、信号Ｅ_Ｔｘの軸から角度θだけ傾いた軸における電場ベクトルＥの成分がＥ_Ｔｘ’として取得され、信号Ｅ_Ｔｙの軸から角度θだけ傾いた軸における電場ベクトルＥの成分がＥ_Ｔｙ’として取得される。

次に、電場ベクトルＥ’が取得されたそれぞれの解析角度θにおいて、透過計測の解析を実行し、所望の光学パラメータを導出する。本実施形態では、配置部１５に被測定物Ｓが配置された状態で計測された電場ベクトルをサンプル計測結果とし、配置部１５に被測定物Ｓが配置されていない状態で計測された電場ベクトルをリファレンス計測結果とする。例えば、屈折率実部を求める場合、サンプル計測結果及びリファレンス計測結果で取得された電場ベクトルＥ’のＥ_Ｔｘ’成分をフーリエ変換してスペクトルデータを求める。そして、スペクトルデータの位相成分におけるサンプル計測結果とリファレンス計測結果との差、及び、被測定試料の厚さに基づいて、それぞれの解析角度θと屈折率実部との関係を示す解析データが取得される。解析データは、第１の偏光状態におけるテラヘルツ波に基づく第１の解析データと、第２の偏光状態におけるテラヘルツ波に基づく第２の解析データとを含む。

図４、５は、解析データの一例である。この例では、電場ベクトル検出部４４によって計測された電場ベクトルＥの軸から光学軸が２０°傾いた状態で配置された被測定物Ｓを測定したときの解析データを示している。すなわち、この被測定物Ｓは、基準となる信号Ｅ_Ｔｘが得られる軸を０°として、２０°の位置に遅相軸を有し、１１０°の位置に進相軸を有している。遅相軸における屈折率実部の値はｎ_ｏ＝２．４であり、進相軸における屈折率実部の値はｎ_ｅ＝２．０となっている。

図４は、第１の偏光状態のテラヘルツ波Ｔを用いて計測された第１の解析データを示すグラフである。この例では、入射されるテラヘルツ波Ｔの直線偏光の方向に対して、λ／４波長板１３ａが４０°傾けられた状態となっている。また、図５は、第２の偏光状態のテラヘルツ波を用いて計測された第２の解析データを示すグラフである。この例では、入射されるテラヘルツ波Ｔの直線偏光の方向に対して、λ／４波長板１３ａが−３５°傾けられた状態となっている。いずれのグラフにおいても横軸が解析角度θであり、縦軸が算出された屈折率実部の値である。

図６は、第１の解析データを示すグラフと第２の解析データを示すグラフとを重ね合わせたものである。図６に示されるように、２つのグラフは、解析角度θが２０°の位置と１１０°の位置との２か所で交差している。光学パラメータ解析部４５は、第１の解析データを示すグラフと第２の解析データを示すグラフとの交点における光学パラメータを導出する。すなわち、上記の例では、光学パラメータ解析部４５は、遅相軸及び進相軸の位置として交点における方位角である２０°及び１１０°を導出する。また、光学パラメータ解析部４５は、屈折率実部の値として、一方の交点である２０°における屈折率実部の値２．４と他方の交点である１１０°における屈折率実部の値２．０を導出する。

また、本実施形態では、被測定物Ｓに入射されるテラヘルツ波Ｔが少なくとも１〜２ＴＨｚの帯域の周波数成分を含んでいる。そこで、光学パラメータ解析部４５では、異なる周波数成分に対してそれぞれ第１の解析データ及び第２の解析データを導出してもよい。この場合、光学パラメータ解析部４５は、それぞれの周波数成分における光学パラメータを導出することができる。図７は、１ＴＨｚ〜２ＴＨｚの周波数帯において導出された一方の光学軸の方位をプロットしたグラフである。光学パラメータ解析部４５では、各周波数成分で求められた方位の平均の値を算出して、光学軸の方位の値を決定することができる。

図８は、本実施形態における光学解析方法を示すフローチャートである。光学解析方法は、上述の光学解析装置１を用いて実行され得る。図８に示されるように、光学解析方法は、第１のリファレンス計測工程Ｓ１、第１のサンプル計測工程Ｓ２、第２のリファレンス計測工程Ｓ３、第２のサンプル計測工程Ｓ４、解析データ取得工程Ｓ５及び光学パラメータ決定工程Ｓ６を有している。

第１のリファレンス計測工程Ｓ１では、配置部１５に被測定物Ｓが配置されていない状態で、第１の偏光状態のテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを計測する。また、第１のサンプル計測工程Ｓ２では、配置部１５に被測定物Ｓが配置されている状態で、被測定物Ｓを透過した第１の偏光状態のテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを計測する。

続いて、λ／４波長板１３ａの回転位置が切り替えられる。そして、第２のリファレンス計測工程Ｓ３では、配置部１５に被測定物Ｓが配置されていない状態で、第２の偏光状態のテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを計測する。また、第２のサンプル計測工程Ｓ４では、配置部１５に被測定物Ｓが配置されている状態で、被測定物Ｓを透過した第２の偏光状態のテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを計測する。第１のリファレンス計測工程Ｓ１、第１のサンプル計測工程Ｓ２、第２のリファレンス計測工程Ｓ３及び第２のサンプル計測工程Ｓ４は、同様の環境条件の下で実施される。

図９は、第１のリファレンス計測工程Ｓ１、第１のサンプル計測工程Ｓ２、第２のリファレンス計測工程Ｓ３及び第２のサンプル計測工程Ｓ４に共通する電場ベクトルの計測方法を示すフローチャートである。図９に示すように、この電場ベクトルの計測方法では、まず、光源２によって超短パルス光である出射光Ｌが出射される（ステップＳ１１：レーザ出射ステップ）。光源２から出射した出射光Ｌは、ビームスプリッタ３によってプローブ光Ｌａとポンプ光Ｌｂとに二分される。ポンプ光Ｌｂは、光変調器５によって時間的に変調され（ステップＳ１２：ポンプ光変調ステップ）、遅延ステージ６を通過することによって時間的に遅延させられる（ステップＳ１３：遅延ステップ）。

遅延ステージ６を通過したポンプ光Ｌｂは、テラヘルツ波発生素子１１に入射し、テラヘルツ波Ｔを発生させる（ステップＳ１４：テラヘルツ波発生ステップ）。テラヘルツ波発生素子１１で発生したテラヘルツ波Ｔは、テラヘルツ波検出素子３０に入射する（ステップＳ１５：テラヘルツ波検出ステップ）。この際、第１のサンプル計測工程Ｓ２及び第２のサンプル計測工程Ｓ４では、テラヘルツ波Ｔが被測定物Ｓを透過している。一方、第１のリファレンス計測工程Ｓ１及び第２のリファレンス計測工程Ｓ３では、テラヘルツ波Ｔが被測定物Ｓを透過することなく、テラヘルツ波検出素子３０に入射する。

一方、プローブ光Ｌａは、偏光調整部３２に導光され、偏光状態が円偏光となる（ステップＳ１６：偏光状態調整ステップ）。偏光状態が円偏光となったプローブ光Ｌａは、テラヘルツ波検出素子３０に入射し、テラヘルツ波Ｔのプローブがなされる（ステップＳ１７：テラヘルツ波プローブステップ）。このとき、テラヘルツ波Ｔの偏光状態は、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルによって変化する。

プローブ後のプローブ光Ｌａは、回転検光子３９によって変調され（ステップＳ１８：プローブ光変調ステップ）、第１の光検出器３４Ａによって検出される（ステップＳ１９：プローブ光検出ステップ）。また、プローブに用いられなかったプローブ光Ｌａは、第２の光検出器３４Ｂによって検出される。

次に、第１の光検出器３４Ａ及び第２の光検出器３４Ｂからの検出信号がそれぞれ差動検出器４１に出力され、差動検出が行われる。また、周波数演算器４２によって、回転検光子３９の回転周波数と、ポンプ光Ｌｂの変調周波数とに基づく周波数が生成され、ロックイン検出器４３に出力される（ステップＳ２０：差動検出ステップ及び周波数演算ステップ）。

差動検出器４１からの検出信号がロックイン検出器４３に出力されると、周波数演算器４２によって生成された周波数を参照信号としてロックイン検出が行われる（ステップＳ２１：ロックイン検出ステップ）。ロックイン検出器４３からの検出信号は、電場ベクトル検出部４４に出力され、ロックイン検出器４３からの検出信号に含まれる振幅及び位相に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅及び方向が検出される（ステップＳ２２：電場ベクトル検出ステップ）。

再び図８に戻り、解析データ取得工程Ｓ５では、第１のリファレンス計測工程Ｓ１及び第１のサンプル計測工程Ｓ２で得られた電場ベクトルＥに基づいて第１の解析データを取得する。また、解析データ取得工程Ｓ５では、第２のリファレンス計測工程Ｓ３及び第２のサンプル計測工程Ｓ４で得られた電場ベクトルＥに基づいて第２の解析データを取得する。

続いて、光学パラメータ決定工程Ｓ６では、解析データ取得工程Ｓ５で取得された第１の解析データと第２の解析データとの交点から被測定物Ｓの光学パラメータを決定する。解析データ取得工程Ｓ５及び光学パラメータ決定工程Ｓ６は、光学パラメータ解析部４５によって実行される。

以上説明した光学解析装置１では、被測定物Ｓに入力された第１の偏光状態のテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルＥと第２の偏光状態のテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルＥとが電場ベクトル検出部４４によって計測される。そして、これらの計測結果が光学パラメータ解析部４５によって解析されることで、被測定物Ｓの光学パラメータを含む第１の解析データ及び第２の解析データが得られる。ここで、被測定物Ｓの光学パラメータは、テラヘルツ波Ｔの偏光状態に依存しないので、第１の解析データ及び第２の解析データのいずれにおいても、正しい光学パラメータの値は共通している。そのため、第１の解析データと第２の解析データとの交点から被測定物Ｓの光学パラメータを一意に定めることができる。このように、本実施形態の光学解析装置１によれば、第１の偏光状態及び第２の偏光状態のテラヘルツ波Ｔを用いて測定を行うだけで、被測定物Ｓの光学パラメータを簡便に計測することができる。

また、光学パラメータ解析部４５は、配置部１５に被測定物Ｓが配置されていない状態で計測されたテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルをリファレンスとして用いているので、光学パラメータの絶対値を導出することができる。なお、リファレンスを用いない場合は、進相軸と遅相軸とにおける光学パラメータ同士の差を導出することができる。

また、光学パラメータ解析部４５は、複数の周波数成分ごとに光学パラメータを導出し、これらの光学パラメータの平均を導出することができるので、光学パラメータの計測精度を高めることができる。

また、偏光切替部１３では、λ／４波長板１３ａを回転させるという簡便な操作によって、テラヘルツ波を第１の偏光状態と第２の偏光状態とに変換することができる。

［第２実施形態］
上記の第１実施形態では、光学パラメータ解析部４５が、異なる周波数成分のそれぞれに対して第１の解析データ及び第２の解析データを導出して、各周波数成分における光学パラメータを導出する例を示した。本実施形態は、光学パラメータ解析部４５の機能に、周波数成分ごとに解析された光学パラメータの散らばりの指標を導出する機能が追加されている点のみにおいて第１実施形態と相違する。

本実施形態の光学パラメータ解析部４５では、異なる周波数成分ごとに、直交する２つの軸（進相軸、遅相軸）の方位角が導出される。図１０は、１ＴＨｚ〜２ＴＨｚの周波数帯において導出された進相軸及び遅相軸の方位をプロットしたグラフの一例である。図１０に示されるように、進相軸及び遅相軸の方位は、周波数によってばらつきがみられる。光学パラメータ解析部４５では、進相軸及び遅相軸のそれぞれの方位の散らばりの指標を導出する。散らばりの指標は、例えば分散、標準偏差等であってよい。そして、光学パラメータ解析部４５は、散らばりの度合いが小さい方の軸の方位を選択する。さらに、光学パラメータ解析部４５では、選択された軸における方位の平均の値を算出することによって、一方の軸の方位の値を決定する。そして、光学パラメータ解析部４５は、決定された方位の値に直交する方位を算出することによって、他方の方位の値を決定する。このように、散らばりの度合いの小さいパラメータを選択することによって、計測精度を高めることができる。

［第３実施形態］
図１１は、第３実施形態に係る光学解析装置１０１の光学系を示す図である。光学解析装置１０１では、偏光切替部の構成が第１実施形態及び第２実施形態の光学解析装置１と相違する。すなわち、図１１に示すように、光学解析装置１０１の光学系１０１Ａは、偏光切替部１３に代えて偏光切替部１１３を有している。なお、光学解析装置１０１の光学系１０１Ａは、第１実施形態及び第２実施形態の光学解析装置１と同様に、解析装置１Ｂに接続されている。

偏光切替部１１３は、偏光分離部１３ｂとλ／４波長板１３ａとを有しており、テラヘルツ波発生素子１１と被測定物Ｓとの間の光路上に配置されている。テラヘルツ波発生素子１１から出射されるテラヘルツ波Ｔは、偏光分離部１３ｂを透過して、λ／４波長板１３ａに入射される。偏光分離部１３ｂは、入力したテラヘルツ波を互いに偏光方位が直交する直線偏光の２つのテラへルツ波にするとともに、これら２つのテラへルツ波を互いに時間的に分離して出力する。偏光分離部１３ｂは、テラヘルツ波の伝播方向に平行な軸を中心にして回転自在であってよい。偏光分離部１３ｂから出力される２つのテラへルツ波の直線偏光の方位は、偏光分離部１３ｂの光学軸の方位に応じたものとなる。偏光分離部１３ｂから出力される２つのテラへルツ波の振幅比は、入力されるテラヘルツ波の直線偏光の方位に対する偏光分離部１３ｂの光学軸の方位に応じたものとなる。

偏光分離部１３ｂは、複屈折材料（例えば、水晶、サファイア、ＢＢＯ（ＢａＢ２Ｏ４）結晶など）を含む構成とすることができる。複屈折材料の厚さ及び屈折率は、出力する２つのテラヘルツ波間の時間的な間隔に応じて設定される。例えば、材料を厚くすると時間的な間隔が広がる。

なお、偏光分離部１３ｂは、応力の印加に応じて屈折率が設定される光弾性素子を含む構成としてもよい。また、偏光分離部１３ｂは、入力したテラヘルツ波を第１偏光ビームスプリッタにより偏光分離して２つのテラヘルツ波とし、これら２つのテラヘルツ波を第２偏光ビームスプリッタにより合成してもよい。

λ／４波長板１３ａは、偏光分離部１３ｂから互いに時間的に分離されて出力された直線偏光の２つのテラヘルツ波を入力して、互いに異なる偏光状態をもつ楕円偏光又は円偏光のテラヘルツ波を出力する。λ／４波長板１３ａから出力される２つのテラヘルツ波の偏光の回転方向は互いに逆となる。

本実施形態では、偏光分離部１３ｂ及びλ／４波長板１３ａそれぞれの方位角の調整によって、λ／４波長板１３ａから時間的に分離されて出力される２つのテラヘルツ波の偏光状態を様々に設定することができる。これにより、λ／４波長板１３ａの回転を制御することなく、テラヘルツ波を第１の偏光状態と第２の偏光状態とに変換することができる。この場合、第１のリファレンス計測工程Ｓ１及び第１のサンプル計測工程Ｓ２と、第２のリファレンス計測工程Ｓ３及び第２のサンプル計測工程Ｓ４との間に偏光切替部１１３の制御を行う必要がない。そのため、例えば、第１のリファレンス計測工程Ｓ１及び第２のリファレンス計測工程Ｓ３を同時に実行することができ、第１のサンプル計測工程Ｓ２及び第２のサンプル計測工程Ｓ４を同時に実行することができる。

以上、各実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではない。被測定物を透過したテラヘルツ波の電場ベクトルの計測は、上記計測方法以外の他の計測方法によって実行され得る。例えば、テラヘルツ波検出素子３０として光学的等方媒質であるＺｎＴｅの（１１１）面を切り出した電気光学結晶を例示したが、電気光学結晶はＧａＰなどの他の光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した結晶であってもよい。

また、第１実施形態において、λ／４波長板１３ａの角度を４０°及び−３５°に調整する例を示したが、これに限定されない。λ／４波長板１３ａは、テラヘルツ波Ｔを第１の偏光状態及び第２の偏光状態に調整できる２つの異なる角度に切り替えることができればよい。λ／４波長板１３ａは、例えば互いに２°以上異なる第１の回転位置と第２の回転位置に調整すればよい。例えば、λ／４波長板１３ａの角度を４５°及び−４５°に調整した場合には、回転方向が互いに逆となる２つの円偏光に調整される。

また、光学軸の方位及び屈折率実部を解析する例を示したが、これに限定されず、他の光学パラメータとして吸収係数、誘電率等を解析することができる。この場合、同一の被測定物において、すでに光学軸の方位が解析されている場合には、既に解析されている光学軸の方位を用いて他の光学パラメータを導出することができる。

また、第１の解析データと第２の解析データとの交点の導出においては、実際にグラフ同士を重ね合わせる必要はなく、演算によって交点の値を導出することができる。

１，１０１…光学解析装置、１Ａ，１０１Ａ…光学系、１Ｂ…解析装置、１１…テラヘルツ波発生素子（テラヘルツ波発生部）、１３…偏光切替部、１３ａ…λ／４波長板、１３ｂ…偏光分離部、１５…配置部、３０…テラヘルツ波検出素子（テラヘルツ波検出部）、４４…電場ベクトル検出部、４５…光学パラメータ解析部（解析部）、Ｓ…被測定物、Ｔ…テラヘルツ波。

Claims (11)

1. 異方性を有する被測定物の光学パラメータを解析する光学解析装置であって、
   テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生部と、
   前記テラヘルツ波発生部によって発生した前記テラヘルツ波の偏光状態を互いに異なる第１の偏光状態又は第２の偏光状態に切り替える偏光切替部と、
   前記偏光切替部によって偏光状態が切り替えられた前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
   前記偏光切替部と前記テラヘルツ波検出部との間の光路上に配置された前記被測定物の配置部と、
   前記テラヘルツ波検出部によって検出された前記テラヘルツ波の電場ベクトルを計測する電場ベクトル計測部と、
   前記電場ベクトル計測部による前記電場ベクトルの計測結果に基づいて前記被測定物の光学パラメータを解析する解析部と、を備え、
   前記解析部は、前記第１の偏光状態における前記テラヘルツ波の電場ベクトルと回転行列との積をフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づく第１の解析データと、前記第２の偏光状態における前記テラヘルツ波の電場ベクトルと回転行列との積をフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づく第２の解析データとの交点から前記被測定物の光学パラメータを決定する、光学解析装置。
2. 前記解析部は、前記配置部に前記被測定物が配置されていない状態で計測された前記第１の偏光状態における前記テラヘルツ波の電場ベクトルをリファレンスとして用いて前記第１の解析データを得るとともに、前記配置部に前記被測定物が配置されていない状態で計測された前記第２の偏光状態における前記テラヘルツ波の電場ベクトルをリファレンスとして用いて前記第２の解析データを得る、請求項１に記載の光学解析装置。
3. 前記テラヘルツ波は、互いに異なる複数の周波数成分を含み、
   前記解析部は、前記複数の周波数成分ごとに前記光学パラメータを決定する、請求項１又は２に記載の光学解析装置。
4. 前記解析部は、前記複数の周波数成分ごとに解析された前記光学パラメータの散らばりの指標を導出する、請求項３に記載の光学解析装置。
5. 前記偏光切替部は、前記テラヘルツ波を円偏光又は楕円偏光に変換する波長板を有し、前記テラヘルツ波の伝播方向に平行な軸を回転中心として前記波長板を回転させることによって、前記テラヘルツ波を前記第１の偏光状態と前記第２の偏光状態とに変換する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学解析装置。
6. 前記偏光切替部は、前記テラヘルツ波を互いに偏光方位が直交する２つの直線偏光にするとともに、前記２つの直線偏光を互いに時間的に分離する偏光分離部と、前記２つの直線偏光を円偏光又は楕円偏光に変換する波長板とを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学解析装置。
7. 異方性を有する被測定物の光学パラメータを解析する光学解析方法であって、
   前記被測定物に入力された第１の偏光状態のテラヘルツ波を検出し、当該テラヘルツ波の電場ベクトルを計測する第１のサンプル計測工程と、
   前記被測定物に入力された前記第１の偏光状態とは異なる第２の偏光状態のテラヘルツ波を検出し、当該テラヘルツ波の電場ベクトルを計測する第２のサンプル計測工程と、
   前記第１のサンプル計測工程で得られた前記電場ベクトルと回転行列との積をフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づいて第１の解析データを得るとともに、前記第２のサンプル計測工程で得られた前記電場ベクトルと回転行列との積をフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づいて第２の解析データを得る解析データ取得工程と、
   前記第１の解析データと前記第２の解析データとの交点から前記被測定物の光学パラメータを決定する光学パラメータ決定工程と、を備える、光学解析方法。
8. 前記被測定物に入力されていない前記第１の偏光状態のテラヘルツ波を検出し、当該テラヘルツ波の電場ベクトルを計測する第１のリファレンス計測工程、及び、前記被測定物に入力されていない前記第２の偏光状態のテラヘルツ波を検出し、当該テラヘルツ波の電場ベクトルを計測する第２のリファレンス計測工程をさらに備え、
   前記解析データ取得工程では、前記第１のサンプル計測工程で得られた前記電場ベクトルと回転行列との積と、前記第１のリファレンス計測工程で得られた前記電場ベクトルと回転行列との積とをフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づいて前記第１の解析データを得るとともに、前記第２のサンプル計測工程で得られた前記電場ベクトルと回転行列との積と前記第２のリファレンス計測工程で得られた前記電場ベクトルと回転行列との積とをフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づいて前記第２の解析データを得る、請求項７に記載の光学解析方法。
9. 前記光学パラメータは光学軸の方位角、屈折率、吸光係数及び誘電率の少なくとも一つを含む、請求項７又は８に記載の光学解析方法。
10. 前記テラヘルツ波は、互いに異なる複数の周波数成分を含み、
    前記光学パラメータ決定工程では、前記複数の周波数成分ごとに前記光学パラメータを決定する、請求項７〜９のいずれか一項に記載の光学解析方法。
11. 前記光学パラメータ決定工程では、前記複数の周波数成分ごとに決定された前記光学パラメータの散らばりの指標を導出する、請求項１０に記載の光学解析方法。
    

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