JP6989911B2 - Spectroscopic elements, measuring methods, and measuring devices - Google Patents
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Description
本発明は、分光素子、測定方法、及び測定装置に関する。 The present invention relates to a spectroscopic element, a measuring method, and a measuring device.
特許文献1には、テラヘルツ波を用いた全反射減衰法(Attenuated Total Reflection、ATR法)により溶液の濃度を高感度に測定する装置として、導電性周期構造体を、テラヘルツ波が全反射する界面に設けた構成とし、テラヘルツ波の所定の周波数帯域に特徴的な吸収を示すディップを形成することで測定対象物質の濃度等を測定する装置が開示されている。
また、特許文献2には、ATRプリズム上に設けられた薄膜試料と、その上部に設置された積層試料の界面における反射係数を用いてテラヘルツ波の減衰を修正することで、薄膜試料の含水率を求める方法が開示されている。
Further, in
また、特許文献3には、プリズムに対し任意の距離調整機構を設けて、試料と反射面との間の距離が一定となるように制御し、反射面側での光の干渉現象を利用することでテラヘルツ波の測定精度を向上させることができる装置が開示されている。 Further, in Patent Document 3, an arbitrary distance adjusting mechanism is provided for the prism to control the distance between the sample and the reflecting surface to be constant, and the interference phenomenon of light on the reflecting surface side is used. A device capable of improving the measurement accuracy of the terahertz wave is disclosed.
一般的にテラヘルツ波による液体の測定については、特に水などの極性の高い液体に対するテラヘルツ波の強い吸収が存在するため透過測定を行うことが難しく、試料部位の光路長を極端に短くする必要がある。また、水溶液ではテラヘルツ波の吸収が広範囲に変化するために特徴的なスペクトル構造が存在しないことが多く、定量的な変化を確認することが困難である。 In general, when measuring liquids with terahertz waves, it is difficult to perform transmission measurement due to the strong absorption of terahertz waves, especially for highly polar liquids such as water, and it is necessary to extremely shorten the optical path length of the sample site. be. In addition, since the absorption of terahertz waves changes over a wide range in an aqueous solution, the characteristic spectral structure often does not exist, and it is difficult to confirm the quantitative change.
上記の課題を解決するための具体的な方法として、上記特許文献1に記載された方法が挙げられるが、複雑な周期構造を有する導電性の構造体が必要となること、テラヘルツ波の波長程度の開口を有するため、そのサイズによってテラヘルツ波が予期しない回折を起こす可能性がある、という問題がある。
As a specific method for solving the above problems, the method described in
また、特許文献2記載の方法では、特定のサンプルの含水率を求めるために、一部の材質の物理定数が既知である必要がある、という問題がある。
Further, the method described in
また、特許文献3記載の方法では、試料の表面が極端に柔軟性に富む場合(特に液体表面)は、波紋の発生などにより試料表面の形状が変化し、試料との距離が必ずしも一定でなくなる場合が発生する。という問題がある。 Further, in the method described in Patent Document 3, when the surface of the sample is extremely flexible (particularly the liquid surface), the shape of the sample surface changes due to the generation of ripples and the like, and the distance from the sample is not always constant. The case occurs. There is a problem.
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、被測定物の分光情報を高感度で測定することができる分光素子、測定方法、及び測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a spectroscopic element, a measuring method, and a measuring device capable of measuring spectral information of a measured object with high sensitivity.
上記目的を達成するために、本発明の第1態様に係る分光素子は、第1の誘電体層と、前記第1の誘電体層上に設けられた第2の誘電体層と、前記第2の誘電体層上に設けられた第3の誘電体層と、を備え、前記第1の誘電体層に入射した電磁波が、前記第1の誘電体層と前記第2の誘電体層との界面で全反射するように、前記第1の誘電体層の第1の屈折率が前記第2の誘電体層の第2の屈折率よりも大きく、前記第2の誘電体層に生じたエバネッセント波が、前記第3の誘電体層内で多重反射するように、前記第3の誘電体層の第3の屈折率が、前記第2の屈折率よりも大きく、前記第2の誘電体層の厚みは、前記第1の誘電体層に入射する電磁波の波長よりも小さい。 In order to achieve the above object, the spectroscopic element according to the first aspect of the present invention includes a first dielectric layer, a second dielectric layer provided on the first dielectric layer, and the first dielectric layer. A third dielectric layer provided on the second dielectric layer is provided, and an electromagnetic wave incident on the first dielectric layer is provided with the first dielectric layer and the second dielectric layer. The first refractive index of the first dielectric layer is larger than the second refractive index of the second dielectric layer so as to be totally reflected at the interface of the second dielectric layer. The third dielectric layer of the third dielectric layer has a higher refractive index than the second dielectric layer so that the evanescent wave is multiple-reflected in the third dielectric layer. The thickness of the layer is smaller than the wavelength of the electromagnetic wave incident on the first dielectric layer.
また、本発明の第2態様に係る分光素子は、前記第1の誘電体層は、入射した電磁波が前記界面で全反射する条件を満たす角度で前記界面に入射するように成形されたプリズムである。 Further, the spectroscopic element according to the second aspect of the present invention is a prism formed so that the first dielectric layer is incident on the interface at an angle satisfying the condition that the incident electromagnetic wave is totally reflected at the interface. be.
また、本発明の第3態様に係る分光素子は、前記第2の誘電体層は、石英板である。 Further, in the spectroscopic element according to the third aspect of the present invention, the second dielectric layer is a quartz plate.
また、本発明の第4態様に係る分光素子は、前記第3の誘電体層は、シリコンウェハである。
また、本発明の第5態様に係る分光素子は、前記第3の誘電体層上に形成された側壁により、被測定物を保持する保持部を備える。
Further, in the spectroscopic element according to the fourth aspect of the present invention, the third dielectric layer is a silicon wafer.
Further, the spectroscopic element according to the fifth aspect of the present invention includes a holding portion for holding the object to be measured by the side wall formed on the third dielectric layer.
また、本発明の第6態様に係る測定方法は、第1態様~第5態様の何れかに係る分光素子の前記第3の誘電体層上に被測定物を配置し、前記第1の誘電体層に電磁波を入射し、前記第1の誘電体層と前記第2の誘電体層の界面および前記第3の誘電体層と前記被測定物との界面にエバネッセント波を発生させ、前記第3の誘電体層内で多重反射した波を含む、前記分光素子から出射された電磁波の強度が特徴的なスペクトル構造を有する特定周波数の強度に基づいて、被測定物の分光情報を測定する。 Further, in the measuring method according to the sixth aspect of the present invention, the object to be measured is arranged on the third dielectric layer of the spectroscopic element according to any one of the first to fifth aspects, and the first dielectric is provided. An electromagnetic wave is incident on the body layer to generate an evanescent wave at the interface between the first dielectric layer and the second dielectric layer and the interface between the third dielectric layer and the object to be measured. The spectral information of the object to be measured is measured based on the intensity of a specific frequency having a spectral structure characterized by the intensity of the electromagnetic wave emitted from the spectroscopic element, including the wave multiple reflected in the dielectric layer of 3.
また、本発明の第7態様に係る測定方法は、前記被測定物は溶液であり、前記特定周波数の強度に基づいて、前記溶液の濃度を前記分光情報として測定する。 Further, in the measuring method according to the seventh aspect of the present invention, the object to be measured is a solution, and the concentration of the solution is measured as the spectral information based on the intensity of the specific frequency.
また、本発明の第8態様に係る測定方法は、前記分光素子に入射される電磁波がテラヘルツ波である。 Further, in the measuring method according to the eighth aspect of the present invention, the electromagnetic wave incident on the spectroscopic element is a terahertz wave.
また、本発明の第9態様に係る測定装置は、第1態様~第5態様の何れかに係る分光素子と、前記分光素子に入射する電磁波を生成する光源と、前記分光素子から出射された電磁波の強度が特徴的なスペクトル構造を有する特定周波数の強度に基づいて、前記第3の誘電体層上の被測定物の分光情報を測定する測定部と、を備える。 Further, the measuring device according to the ninth aspect of the present invention is emitted from the spectroscopic element according to any one of the first to fifth aspects, a light source for generating an electromagnetic wave incident on the spectroscopic element, and the spectroscopic element. A measuring unit for measuring spectral information of a measured object on the third dielectric layer based on the intensity of a specific frequency having a spectral structure characterized by the intensity of electromagnetic waves is provided.
以上説明したように、本発明の分光素子、測定方法、及び測定装置によれば、被測定物の分光情報を高感度で測定することができる、という効果が得られる。 As described above, according to the spectroscopic element, the measuring method, and the measuring device of the present invention, it is possible to obtain the effect that the spectroscopic information of the object to be measured can be measured with high sensitivity.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
まず、本実施の形態に係る測定装置について説明する。図1には、本実施の形態に係る測定装置10の構成を示した。測定装置10は、テラヘルツ波を用いたATR法により被測定物の分光情報を測定する装置である。
First, the measuring device according to the present embodiment will be described. FIG. 1 shows the configuration of the
図1に示すように、測定装置10は、テラヘルツ波励起光源としてのフェムト秒ファイバレーザ12を備える。フェムト秒ファイバレーザ12としては、例えば中心波長が780nm、パルス幅が100fs、平均パワーが20mW、繰返し周波数が50MHzのフェムト秒ファイバレーザを用いることができるが、これに限られるものではない。
As shown in FIG. 1, the
フェムト秒ファイバレーザ12が発振したレーザ光は、ビームスプリッター14によりテラヘルツ波発生用のポンプ光L1と、テラヘルツ波検出用のプローブ光L2に分けられる。
The laser light oscillated by the
ポンプ光L1は、ミラーM1、M2で反射されてテラヘルツ波発生用光伝導アンテナ16に入射される。テラヘルツ波発生用光伝導アンテナ16は、例えば低温成長のガリウムヒ素(GaAs)を基板としたものが用いられる。
The pump light L1 is reflected by the mirrors M1 and M2 and incident on the terahertz wave
テラヘルツ波発生用光伝導アンテナ16のギャップ間に図示しない電源から矩形波電圧が印加されると、テラヘルツ波発生用光伝導アンテナ16に装着された図示しない超半球型シリコンレンズを介して自由空間にテラヘルツ波(テラヘルツパルス)が放射される。なお、上記矩形波電圧としては、例えば±10V、50kHzの矩形波電圧とすることができる。
When a rectangular wave voltage is applied from a power source (not shown) between the gaps of the terahertz wave
テラヘルツ波発生用光伝導アンテナ16から放射されたテラヘルツパルスは、テラヘルツ用レンズ18によりコリメートされ、分光素子20に入射される。
The terahertz pulse radiated from the terahertz wave
分光素子20は、図2に示すように、抵抗率が1kΩcm以上である高抵抗率のノンドープシリコン製の第1の誘電体層としてのプリズム22と、プリズム22上に設けられた第2の誘電体層としての石英(SiO2)板24と、石英板24上に設けられた第3の誘電体層としての抵抗率が1kΩcm以上である高抵抗率のノンドープシリコン製のシリコン(Si)ウェハ26と、シリコンウェハ26上に設けられた溶液セル28と、を備えている。溶液セル28は、シリコンウェハ26上に側壁を設けることにより、溶液を保持する保持部を有する。なお、被測定物が個体の場合でも測定可能であるが、正確な測定のためには被測定物と第3の誘電体層との間に隙間がなく、密着していることが望ましい。被測定物が液体の場合には、第3の誘電体層と隙間なく接触させることが容易であるため好適である。
As shown in FIG. 2, the
なお、プリズム22と石英板24との間、石英板24とシリコンウェハ26との間、シリコンウェハ26と溶液セル28との間は、化学的または物理的な結合は必要なく、各々が単に密着していればよい。また、溶液セル28は、例えばテフロン(登録商標)製の溶液セルを用いることができるが、これに限られるものではない。
No chemical or physical bond is required between the
プリズム22は、側面から入射したテラヘルツ波Tが石英板24との界面30で全反射する条件を満たす角度、すなわちテラヘルツ波Tの界面30への入射角が臨界角より大きい角度で界面30に入射するように成形されている。本実施の形態では、プリズム22の形状は一例として台形であるが、入射したテラヘルツ波Tが界面30で全反射する条件を満たす角度で界面30に入射するものであれば、台形に限られるものではない。なお、プリズム22に入射されるテラヘルツ波Tの周波数は、本実施の形態では一例として0.1~4THzの帯域を含むテラヘルツパルスである。また、プリズム22は、例えばシリコン製のプリズムを用いることができるが、これに限られるものではない。
The
また、プリズム22の屈折率n1は、石英板24の屈折率n2よりも大きく(n1>n2)、シリコンウェハ26の屈折率n3は、石英板24の屈折率n2よりも大きい(n3>n2)。
Further, the refractive index n1 of the
このように、プリズム22の屈折率n1は石英板24の屈折率n2よりも大きいため、図3に示すように、プリズム22に入射したテラヘルツ波Tは、プリズム22と石英板24との界面30で反射波Rのように全反射する。
As described above, since the refractive index n1 of the
界面30で全反射が生じると、界面30の石英板24側にエバネッセント波Eが生じる。エバネッセント波Eは、全反射条件下において低屈折率媒質側に、波長程度の領域に染み出すという特性を有する。石英板24の屈折率n2はシリコンウェハ26の屈折率n3よりも小さいため、石英板24側に生じたエバネッセント波Eは、シリコンウェハ26側へ透過する。石英板24の厚みは、プリズム22に入射するテラヘルツ波の波長よりも小さい。石英板24の厚みがプリズム22に入射するテラヘルツ波の波長よりも小さければ、エバネッセント波Eがシリコンウェハ26にまで到達する。なお、プリズム22に入射するテラヘルツ波の波長がある帯域(幅)を持っている場合には、石英板24の厚みは、プリズム22に入射するテラヘルツ波に含まれる一番長い波長よりも小さければよい。
When total reflection occurs at the
そして、溶液セル28に充填された被測定物としての溶液Sの屈折率がシリコンウェハ26の屈折率n3よりも小さい場合、シリコンウェハ26と溶液Sとの界面32でエバネッセント波Eが石英板24側へ全反射する。また、シリコンウェハ26の屈折率n3は石英板24の屈折率n2よりも大きいので、シリコンウェハ26と石英板24との界面34でも全反射が生じる。これにより、図3に示す光路のように、シリコンウェハ26内でエバネッセント波Eの全反射が複数回繰り返される、すなわち、シリコンウェハ26内でエバネッセント波Eが多重反射する。エバネッセント波Eの強度は小さいため、通常であればスペクトル構造の変化を検出することが困難であるが、多重反射による干渉によりスペクトル構造の変化を高感度に検出することが可能となる。
When the refractive index of the solution S as the object to be measured filled in the
シリコンウェハ26内で多重反射されたエバネッセント波Eは、界面30で全反射されたテラヘルツ波Tと共にプリズム22から放射(出射)される。シリコンウェハ26内でエバネッセント波Eが多重反射することにより、プリズム22から放射されたテラヘルツ波Tが干渉し、検出されたテラヘルツ波Tの波形にディップ(干渉縞)が生じる。なお、ディップについての詳細は後述する。
The evanescent wave E multiplely reflected in the
図1に示すように、分光素子20から出力されたテラヘルツ波Tは、テラヘルツ用レンズ40によりコリメートされ、テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ42に入射される。
As shown in FIG. 1, the terahertz wave T output from the
一方、プローブ光L2は、ミラーM3で反射され、遅延器44に入射される。遅延器44は、図中矢印A方向へ移動可能な可動ミラーMaを備え、可動ミラーMaを移動させることにより光路長を変化させることが可能な構成となっている。
On the other hand, the probe light L2 is reflected by the mirror M3 and incident on the
遅延器44から出射された光は、ミラーM4~M9により反射されてテラヘルツ波検出用光伝導アンテナ42に入射される。テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ42は、テラヘルツ波発生用光伝導アンテナ16と同様に、例えば低温成長のガリウムヒ素(GaAs)を基板としたものが用いられる。
The light emitted from the
遅延器44の可動ミラーMaを移動させることにより光路長を変化させて、プローブ光L2がテラヘルツ波検出用光伝導アンテナ42に到達するタイミングをずらしながら、プローブ光L2と分光素子20から出力されたテラヘルツ波Tとの時間的な重なりを変化させることにより、テラヘルツ波Tの時間波形をロックインアンプ46で検出する。
The optical path length was changed by moving the movable mirror Ma of the
パーソナルコンピュータ48は、ロックインアンプ46で検出されたテラヘルツ波Tの時間波形に基づいて、被測定物の分光情報を求める。
The
図4には、本実施の形態に係る測定装置10で測定したテラヘルツ波の周波数と強度との関係を示した。なお、溶液セル28は、長さ60mm、幅20mm、高さ30mm(内寸の長さ40mm、幅13mm、高さ30mm)のテフロン(登録商標)製の溶液セルとし、被測定物としての溶液はメタノール(MeOH)とした。
FIG. 4 shows the relationship between the frequency and the intensity of the terahertz wave measured by the measuring
図4の例では、分光素子20のシリコンウェハ26の厚みを300μmとし、石英板24の厚みを50μmとした場合(Siウェハ+石英板50μm)、石英板24の厚みを100μmとした場合(Siウェハ+石英板100μm)の測定結果を示した。
In the example of FIG. 4, when the thickness of the
また、図4には、分光素子20から石英板24を除いた構成、すなわちプリズム22と溶液セル28との間にシリコンウェハ26のみが設けられた構成の測定結果(Siウェハ)と、分光素子20から石英板24及びシリコンウェハ26を除いた構成、すなわちプリズム22上に溶液セル28が設けられた構成の測定結果(プリズムのみ)も示した。
Further, FIG. 4 shows a measurement result (Si wafer) of the configuration in which the
図4に示すように、「Siウェハ+石英板50μm」の場合、周波数が0.68THz付近の周波数に特徴的なディップが発生しているのが判る。 As shown in FIG. 4, in the case of "Si wafer + quartz plate 50 μm", it can be seen that a characteristic dip is generated at a frequency around 0.68 THz.
ここで、ディップとは、テラヘルツ波の強度が急激に落ち込む部分、すなわち、他の周波数の強度と比較して特徴的なスペクトル構造を有する部分をいう。以下では、ディップが形成される特定周波数を「ディップ周波数」と称する。 Here, the dip refers to a portion where the intensity of the terahertz wave drops sharply, that is, a portion having a characteristic spectral structure as compared with the intensity of other frequencies. Hereinafter, the specific frequency at which the dip is formed is referred to as a “dip frequency”.
また、図4の例では、石英板24の厚みが50μmの場合と100μmの場合を比較すると、石英板24の厚みが50μmの方が、より深いディップが発生しているのが判る。すなわち、石英板24をシリコンウェハ26とプリズム22との間に設け、石英板24の厚みを調整することでディップの深さを調整することができることが判った。
Further, in the example of FIG. 4, when comparing the case where the thickness of the
次に、図5、6に、本実施の形態に係る分光素子20の石英板24の厚みは50μm固定で、シリコンウェハ26の厚みが300μm、500μm、750μmの場合におけるテラヘルツ波の周波数と強度との関係を示す。なお、図5には、溶液セル28には何も入れず空気のみとした場合の測定結果を示した。また、図6には、溶液セル28に純度99.9%のメタノール(MeOH)を6mL入れた場合の測定結果を示した。
Next, FIGS. 5 and 6 show the frequency and intensity of the terahertz wave when the thickness of the
下記表1に、図5の測定結果に基づいて、溶液セル28内が空気のみの場合におけるシリコンウェハ26の厚み毎のディップ周波数をまとめた結果を示す。
Table 1 below shows the results of summarizing the dip frequencies for each thickness of the
また、下記表2に、図6の測定結果に基づいて、溶液セル28内に純度99.9%のメタノールを6mL入れた場合におけるシリコンウェハ26の厚み毎のディップ周波数をまとめた結果を示す。
Table 2 below shows the results of summarizing the dip frequencies for each thickness of the
上記表1、2に示すように、溶液セル28内が空気のみの場合、メタノールを入れた場合の何れの場合においても、シリコンウェハ26の厚みが変わると、発生するディップの数やディップ周波数が異なることが判った。
As shown in Tables 1 and 2 above, when the thickness of the
従って、シリコンウェハ26の厚みを調整することにより、特定の周波数帯域にディップを発生させることができることが判った。
Therefore, it was found that the dip can be generated in a specific frequency band by adjusting the thickness of the
次に、図7に、分光素子20の石英板24の厚みを50μm、シリコンウェハ26の厚みを750μmとした構成で測定したテラヘルツ波の周波数と強度との関係を示した。
Next, FIG. 7 shows the relationship between the frequency and the intensity of the terahertz wave measured in a configuration in which the thickness of the
また、図7の測定結果は、溶液セル28に水とメタノールを混合した溶液を入れ、含水率を変えて測定した結果である。含水率は、水0%(メタノール100%)、水20%(メタノール80%)、水40%(メタノール60%)、水60%(メタノール40%)、水80%(メタノール20%)、水100%(メタノール0%)とした。
Further, the measurement result of FIG. 7 is a result of putting a solution in which water and methanol are mixed into the
また、図8には、図7の比較対象として、分光素子20から石英板24及びシリコンウェハ26を除いた構成、すなわちプリズム22上に溶液セル28が設けられた構成で測定したテラヘルツ波の周波数と強度との関係を含水率毎に示した。
Further, in FIG. 8, as a comparison target of FIG. 7, the frequency of the terahertz wave measured in the configuration in which the
図7に示すように、本実施の形態に係る分光素子20を用いて測定した場合、含水率によってディップの深さに顕著な変化が生じていることが判る。
As shown in FIG. 7, when the measurement is performed using the
これに対し、図8に示すように、石英板24及びシリコンウェハ26を省略したプリズム22のみの構成の場合は、ディップが発生していないことが判る。
On the other hand, as shown in FIG. 8, in the case of the configuration of only the
図9には、図7の測定結果においてディップが発生している0.49THzのテラヘルツ波の強度と含水率との関係(石英板50μm+シリコンウェハ750μm)と、図8の測定結果における0.49THzのテラヘルツ波の強度と含水率との関係(プリズムのみ)と、を示した。 FIG. 9 shows the relationship between the intensity of the 0.49 THz terahertz wave in which the dip occurs in the measurement result of FIG. 7 and the water content (quartz plate 50 μm + silicon wafer 750 μm), and 0.49 THz in the measurement result of FIG. The relationship between the intensity of the terahertz wave and the water content (prism only) was shown.
図9に示すように、本実施の形態に係る分光素子20を用いることにより、含水率が0%の場合のテラヘルツ波の強度と含水率が100%の場合のテラヘルツ波の強度との差が約2桁程度ある。これに対し、プリズム22のみの構成の場合は、含水率が0%の場合のテラヘルツ波の強度と含水率が100%の場合のテラヘルツ波の強度との差がほとんどない。
As shown in FIG. 9, by using the
従って、本実施の形態に係る分光素子20を用いることにより、プリズム22のみの構成の場合と比較して高感度に溶液の濃度を測定することができる。
Therefore, by using the
次に、図10に、溶液セル28に、23度飽和に調整した4-Dimethylamino-N’-methyl-4’-stilbazolium tosylate-MeOH溶液(以下、DAST-MeOH溶液と称する)を入れて、分光素子20の石英板24の厚みを50μm、シリコンウェハ26の厚みを750μmとした構成で測定したテラヘルツ波の周波数と強度との関係を示す。
Next, in FIG. 10, a 4-Dimethylamino-N'-methyl-4'-stilbazolium tosylate-MeOH solution (hereinafter referred to as DAST-MeOH solution) adjusted to saturation at 23 degrees was placed in the
DAST-MeOH溶液は、1.89グラムのDAST粉末(純度99.9 %以上)を100グラムのメタノール、具体的にはHPLC(high performance liquid chromatography)用メタノールを混合させた後に、55℃に加熱して完全に溶解させた。また、DAST-MeOH溶液の濃度は、初期濃度1.86wt%で測定した後に、同溶液に対して1.59wt%、1.40wt%、1.20wt%となるように溶液セル28中にメタノールを追加し、一度マイクロピペットにて撹拌した後に、液面の揺れが治まってから測定を開始した。
The DAST-MeOH solution is heated to 55 ° C. after mixing 1.89 grams of DAST powder (purity 99.9% or higher) with 100 grams of methanol, specifically methanol for HPLC (high performance liquid chromatography). And completely dissolved. The concentration of the DAST-MeOH solution was measured at an initial concentration of 1.86 wt%, and then methanol was added to the
図10に示すように、DAST-MeOH溶液の濃度変化に伴い、0.49THzのディップ周波数におけるテラヘルツ波の強度が変化していることが判る。 As shown in FIG. 10, it can be seen that the intensity of the terahertz wave at the dip frequency of 0.49 THz changes with the change in the concentration of the DAST-MeOH solution.
また、図11に、0.49THzにおけるDAST-MeOH溶液の濃度とテラヘルツ波の強度の関係を示す。図11に示すように、DAST-MeOH溶液の濃度が減少するに従って、テラヘルツ波の強度が増加していることが判る。 Further, FIG. 11 shows the relationship between the concentration of the DAST-MeOH solution at 0.49 THz and the intensity of the terahertz wave. As shown in FIG. 11, it can be seen that the intensity of the terahertz wave increases as the concentration of the DAST-MeOH solution decreases.
従って、本実施の形態に係る分光素子20を用いて溶液の分光を行うことにより、溶液の濃度を高感度で測定することができる。すなわち、パーソナルコンピュータ48は、ロックインアンプ46で検出されたテラヘルツ波に基づいて、ディップ発生する周波数のテラヘルツ波の強度を求め、求めた強度に基づいて溶液の濃度を求めることができる。
Therefore, the concentration of the solution can be measured with high sensitivity by performing the spectroscopy of the solution using the
このように、本実施の形態では、テラヘルツ波がプリズム22と石英板24との界面30で全反射した際に生じるエバネッセント波をシリコンウェハ26内で多重反射させる構成としたことにより特定の周波数にディップを発生させることができ、ディップ周波数のテラヘルツ波の強度を測定することで溶液セル28内の溶液の濃度等、被測定物の分光情報を高感度で測定することができる。
As described above, in the present embodiment, the evanescent wave generated when the terahertz wave is totally reflected at the
また、テラヘルツ波の発生方法は限定されないため、連続してテラヘルツ波を発生する発生装置を使用することにより、リアルタイムで溶液の濃度変化を計測することもできる。 Further, since the method of generating the terahertz wave is not limited, it is possible to measure the change in the concentration of the solution in real time by using the generator that continuously generates the terahertz wave.
なお、本実施の形態では、テラヘルツ波を用いて溶液の濃度を測定する場合について説明したが、テラヘルツ波に限らず、他の周波数帯域の電磁波、特に光領域の電磁波を用いて被測定物の分光情報を測定してもよい。 In the present embodiment, the case where the concentration of the solution is measured using the terahertz wave has been described, but the object to be measured is not limited to the terahertz wave but also uses electromagnetic waves in other frequency bands, particularly electromagnetic waves in the optical region. Spectral information may be measured.
また、本実施の形態では、被測定物が溶液であり、分光情報として溶液の濃度を測定する場合について説明したが、測定する分光情報は、溶液の濃度に限られるものではない。 Further, in the present embodiment, the case where the object to be measured is a solution and the concentration of the solution is measured as spectral information has been described, but the spectral information to be measured is not limited to the concentration of the solution.
また、本実施の形態では、第1の誘電体層がプリズム、第2の誘電体層が石英板、第3の誘電体層がシリコンウェハの場合について説明したが、これらに限られるものではない。すなわち、第1の誘電体層の屈折率が第2の誘電体層の屈折率よりも大きく、第3の誘電体層の屈折率が、第2の誘電体層の屈折率よりも大きい材料で構成されればよい。 Further, in the present embodiment, the case where the first dielectric layer is a prism, the second dielectric layer is a quartz plate, and the third dielectric layer is a silicon wafer has been described, but the present invention is not limited thereto. .. That is, in a material in which the refractive index of the first dielectric layer is larger than the refractive index of the second dielectric layer and the refractive index of the third dielectric layer is larger than the refractive index of the second dielectric layer. It may be configured.
10 測定装置
12 フェムト秒ファイバレーザ
14 ビームスプリッター
16 テラヘルツ波発生用光伝導アンテナ
18、40 テラヘルツ用レンズ
20 分光素子
22 プリズム
24 石英板
26 シリコンウェハ
28 溶液セル
30、32、34 界面
42 テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ
44 遅延器
46 ロックインアンプ
48 パーソナルコンピュータ
10
Claims (9)
前記第1の誘電体層に入射した電磁波が、前記第1の誘電体層と前記第2の誘電体層との界面で全反射するように、前記第1の誘電体層の第1の屈折率が前記第2の誘電体層の第2の屈折率よりも大きく、前記第2の誘電体層に生じたエバネッセント波が、前記第3の誘電体層内で多重反射するように、前記第3の誘電体層の第3の屈折率が、前記第2の屈折率よりも大きく、前記第2の誘電体層の厚みは、前記第1の誘電体層に入射する電磁波の波長よりも小さく、前記第3の誘電体層の厚みは、前記第2の誘電体層の厚みより厚い、
分光素子。 A first dielectric layer, a second dielectric layer provided on the first dielectric layer, and a third dielectric layer provided on the second dielectric layer and in contact with an object to be measured. With layers,
The first bending of the first dielectric layer so that the electromagnetic wave incident on the first dielectric layer is totally reflected at the interface between the first dielectric layer and the second dielectric layer. The second dielectric layer has a higher rate than the second refractive index of the second dielectric layer, and the evanescent wave generated in the second dielectric layer is multiple-reflected in the third dielectric layer. The third dielectric constant of the dielectric layer 3 is larger than the second refractive index, and the thickness of the second dielectric layer is smaller than the wavelength of the electromagnetic wave incident on the first dielectric layer. The thickness of the third dielectric layer is thicker than the thickness of the second dielectric layer .
Spectral element.
請求項1記載の分光素子。 The spectroscopic element according to claim 1, wherein the first dielectric layer is a prism formed so as to enter the interface at an angle satisfying the condition that the incident electromagnetic wave is totally reflected at the interface.
請求項1又は請求項2記載の分光素子。 The spectroscopic element according to claim 1 or 2, wherein the second dielectric layer is a quartz plate.
請求項1~3の何れか1項に記載の分光素子。 The spectroscopic element according to any one of claims 1 to 3, wherein the third dielectric layer is a silicon wafer.
を備えた請求項1~4の何れか1項に記載の分光素子。 The spectroscopic element according to any one of claims 1 to 4, further comprising a holding portion for holding an object to be measured by a side wall formed on the third dielectric layer.
前記第1の誘電体層に入射角度を固定した状態で電磁波を入射し、
前記第1の誘電体層と前記第2の誘電体層の界面および前記第3の誘電体層と前記被測定物との界面にエバネッセント波を発生させ、
前記第3の誘電体層内で多重反射した波を含む、前記分光素子から出射された電磁波の強度が特徴的なスペクトル構造を有する特定周波数の強度に基づいて、被測定物の分光情報を測定する
測定方法。 An object to be measured is arranged on the third dielectric layer of the spectroscopic element according to any one of claims 1 to 5.
An electromagnetic wave is incident on the first dielectric layer with the incident angle fixed, and the electromagnetic wave is incident on the first dielectric layer.
An evanescent wave is generated at the interface between the first dielectric layer and the second dielectric layer and the interface between the third dielectric layer and the object to be measured.
The spectral information of the object to be measured is measured based on the intensity of a specific frequency having a spectral structure characterized by the intensity of the electromagnetic wave emitted from the spectroscopic element, including the wave multiple reflected in the third dielectric layer. Measurement method.
請求項6記載の測定方法。 The measuring method according to claim 6, wherein the object to be measured is a solution, and the concentration of the solution is measured as the spectral information based on the intensity of the specific frequency.
請求項6又は請求項7記載の測定方法。 The measuring method according to claim 6 or 7, wherein the electromagnetic wave incident on the spectroscopic element is a terahertz wave.
電磁波を生成する光源と、
前記光源から出射された電磁波を、入射角度を固定した状態で前記分光素子に入射し、前記分光素子から出射された電磁波の強度が特徴的なスペクトル構造を有する特定周波数の強度に基づいて、前記第3の誘電体層上の被測定物の分光情報を測定する測定部と、
を備えた測定装置。 The spectroscopic element according to any one of claims 1 to 5.
A light source that generates electromagnetic waves and
The electromagnetic wave emitted from the light source is incident on the spectroscopic element with a fixed incident angle, and the intensity of the electromagnetic wave emitted from the spectroscopic element is based on the intensity of a specific frequency having a characteristic spectral structure. A measuring unit that measures the spectral information of the object to be measured on the third dielectric layer,
A measuring device equipped with.
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