JP7014623B2 - テラヘルツ波分光計測装置 - Google Patents

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Description

本発明は、テラヘルツ波分光計測装置に関する。
テラヘルツ波を用いた分光計測装置に関する技術として、例えば特許文献１に記載の分光計測装置がある。この分光計測装置では、内部全反射プリズムの入射面にテラヘルツ波を発生させる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を検出するテラヘルツ波検出素子が一体に設けられている。この全反射テラヘルツ測定装置では、内部全反射プリズムに設けられた被測定物の載置面においてテラヘルツ波を全反射させてエバネッセント成分を生じさせ、該エバネッセント成分を被測定物に照射することによって被測定物の情報を取得する。
また、テラヘルツ波の検出方法に関する技術としては、例えば非特許文献１及び非特許文献２に記載の検出方法が挙げられる。この検出方法では、テラヘルツ波と、テラヘルツ波とは異なる波長を有するプローブ光とを非線形結晶に入射させて波長変換し、当該波長変換光に基づいてテラヘルツ波を間接的に検出している。テラヘルツ波及びプローブ光を同時に出力する光源としては、例えば特許文献２に記載の量子カスケードレーザがある。この特許文献２の量子カスケードレーザは、電子のサブバンド間発光遷移による第１周波数の第１ポンプ光及び第２周波数の第２ポンプ光を生成可能であり、第１ポンプ光及び第２ポンプ光による差周波発生によって差周波数としてのテラヘルツ波の出力光を生成するように構成されている。
特許第５２３１５３８号公報 特開２０１７－３３９８１号公報
YumaTakida et al.,"Nonlinear optical detection of terahertz-wave radiation fromresonant tunneling diodes," Optics Express 255, 5389 (2017). VladimirV. Kornienko et al.,"Terahertz continuous wave nonlinear-optical detection withoutphase-locking between a source and detector," Optics Letters 41,4075 (2016).
一般に、テラヘルツ波の検出に用いられる熱型検出器は、テラヘルツ波を直接的に検出するものであるが、検出の応答速度が十分に得られにくいという問題がある。そこで、テラヘルツ波を用いた分光計測装置における高速検出を実現するにあたっては、例えば特許文献１に記載の分光計測装置に特許文献２に記載の量子カスケードレーザを適用し、さらに非特許文献１，２のようなテラヘルツ波の間接的な検出手法を組み合わせることが考えられる。しかしながら、これらの技術を単に組み合わせた場合には、プローブ光と被測定物との間の相互作用が問題となり得る。例えば、プローブ光のエバネッセント成分が被測定物と相互作用を引き起こすと、被測定物の品質変化或いは温度変化が誘引され、テラヘルツ波の検出精度に影響を及ぼすおそれがある。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、テラヘルツ波を高速かつ精度良く検出できるテラヘルツ波分光計測装置を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態のテラヘルツ波分光計測装置は、テラヘルツ波と、テラヘルツ波とは異なる波長を有するプローブ光とを出射する光源と、テラヘルツ波の入射面、被測定物が載置される載置面、及びテラヘルツ波の出射面を有し、入射面から入射したテラヘルツ波を載置面で内部全反射させて出射面から出射させる内部全反射プリズムと、プローブ光を用いて出射面から出射したテラヘルツ波を間接的に検出するテラヘルツ波検出部と、を備え、内部全反射プリズムは、載置面上の被測定物へのプローブ光の入射を回避する回避部を有する。
上記のテラヘルツ波分光計測装置では、光源から出射されたテラヘルツ波が入射面から内部全反射プリズムの内部に入射し、載置面において全反射した後、出射面から出射してテラヘルツ波検出部に入射する。載置面においてテラヘルツ波が全反射する際、載置面上にテラヘルツ波のエバネッセント成分が生じる。このエバネッセント成分が載置面上の被測定物に入射することによって被測定物の情報が取得され、プローブ光を用いてテラヘルツ波が間接的に検出されることで、テラヘルツ波の高速検出が可能となる。一方、光源から出射されたプローブ光は、回避部により被測定物には入射せずに、テラヘルツ波検出部に入射する。このため、プローブ光と被測定物との間の相互作用の発生を抑えられ、被測定物の品質変化或いは温度変化が誘引されることを抑制できるので、テラヘルツ波を精度良く検出することができる。
また、上記のテラヘルツ波分光計測装置では、回避部は、テラヘルツ波を載置面に導光し、プローブ光を載置面に導光しない光分岐部を有してもよい。また、上記のテラヘルツ波分光計測装置では、光分岐部は、入射面から内部全反射プリズム内に入射したテラヘルツ波を載置面に向かって反射させる一方、入射面から内部全反射プリズム内に入射したプローブ光を出射面に向けて透過させる光学素子によって構成されていてもよい。このような形態によれば、光分岐部によってテラヘルツ波のみが載置面に導光されるため、載置面でのプローブ光と被測定物との間の相互作用の発生をより確実に抑えることができる。
また、上記のテラヘルツ波分光計測装置では、光分岐部は、入射面から内部全反射プリズム内に入射したテラヘルツ波を載置面を経由して出射面に導光する一方、プローブ光を入射面で反射させ、内部全反射プリズム内に入射させずに出射面に導光する光学素子によって構成されていてもよい。このような形態によれば、テラヘルツ波の光路とプローブ光の光路とがより明確に分離するため、載置面でのプローブ光と被測定物との間の相互作用の発生を一層確実に抑えることができる。また、プローブ光を内部全反射プリズム内に入射させないことで、プローブ光の入射による内部全反射プリズムの温度変化によるテラヘルツ波の光路ずれの発生を抑えることができる。
また、上記のテラヘルツ波分光計測装置では、光分岐部は、内部全反射プリズム内に設けられた空隙部によって構成され、空隙部の間隔は、内部全反射プリズムとの界面におけるテラヘルツ波のエバネッセント成分の浸み出し深さよりも小さく、且つ界面におけるプローブ光のエバネッセント成分の浸み出し深さより大きくなっていてもよい。光源から出射されたテラヘルツ波及びプローブ光が空隙部に到達すると、空隙部と内部全反射プリズムとの界面において、テラヘルツ波及びプローブ光それぞれのエバネッセント光が浸み出す。ここで、空隙部の間隔は、テラヘルツ波のエバネッセント成分の浸み出し深さよりも小さいので、当該界面に達したテラヘルツ波は、空隙部に浸み出したエバネッセント成分を介して透過される。一方、空隙部の間隔は、プローブ光のエバネッセント成分の浸み出し深さよりも小さいので、プローブ光は当該界面において反射される。従って、空隙部によって簡単な構成で回避部を実現できる。
また、上記のテラヘルツ波分光計測装置では、回避部は、内部全反射プリズム内に入射したテラヘルツ波及びプローブ光を載置面において分岐する光分岐部を有していてもよい。また、上記のテラヘルツ波分光計測装置では、光分岐部は、載置面に配置され、テラヘルツ波を透過させる一方、プローブ光を反射する光学素子によって構成されていてもよい。この場合、内部全反射プリズム内のテラヘルツ波の光路及びプローブ光の光路が略一致するため、装置の大型化を回避できる。
また、上記のテラヘルツ波分光計測装置では、光分岐部は、テラヘルツ波及びプローブ光を載置面で集光させる集光レンズと、載置面に配置され、載置面におけるテラヘルツ波の集光径よりも小さく、且つ載置面におけるプローブ光の集光径よりも大きい面積を有する金属膜とによって構成されていてもよい。この場合、載置面に配置した金属膜によりプローブ光が反射し、テラヘルツ波のみを選択的に被測定物に入射させることができる。従って、金属膜によって簡単な構成で回避部を実現できる。
また、上記のテラヘルツ波分光計測装置では、光分岐部は、載置面に配置され、載置面におけるテラヘルツ波のエバネッセント成分の浸み出し深さよりも小さく、且つ載置面におけるプローブ光のエバネッセント成分の浸み出し深さよりも大きい間隔を載置面と被測定物との間に形成するスペーサによって構成されていてもよい。この場合、載置面と被測定物との間のスペーサによりテラヘルツ波のみを選択的に被測定物に入射させることができる。従って、スペーサによって簡単な構成で回避部を実現できる。
また、上記のテラヘルツ波分光計測装置では、入射面に入射するテラヘルツ波及びプローブ光の光軸が同軸であり、出射面から出射するテラヘルツ波及びプローブ光の光軸が同軸であってもよい。この場合、テラヘルツ波及びプローブ光の光路の共通化によって装置の大型化を一層確実に回避できる。
また、上記のテラヘルツ波分光計測装置は、プローブ光の強度を減衰させる減衰器を更に備えてもよい。光源において、テラヘルツ波の出力に比べてプローブ光の出力が過剰となる場合、減衰器でプローブ光の強度を減衰させることにより、テラヘルツ波検出部におけるプローブ光の飽和を防止できる。これにより、テラヘルツ波を精度良く検出することができる。
本発明によれば、テラヘルツ波を高速かつ精度良く検出できる。
一実施形態のテラヘルツ波分光計測装置を示す構成図である。 チョッパを光源側から見た平面図である。 テラヘルツ波検出部を示す構成図である。 第１比較例によるテラヘルツ波分光計測装置を示す構成図である。 第２比較例によるテラヘルツ波分光計測装置を示す構成図である。 第１変形例によるテラヘルツ波分光計測装置を示す構成図である。 図６に示される光学素子の形成方法を説明する為の図である。 第２変形例によるテラヘルツ波分光計測装置を示す構成図である。 第３変形例によるテラヘルツ波分光計測装置を示す構成図である。 図９に示される空隙部を示す拡大図である。 第４変形例によるテラヘルツ波分光計測装置を示す構成図である。 第５変形例によるテラヘルツ波分光計測装置を示す構成図である。 第６変形例によるテラヘルツ波分光計測装置を示す構成図である。 第７変形例によるテラヘルツ波分光計測装置を示す構成図である。 第８変形例によるテラヘルツ波検出部を示す構成図である。
以下、添付図面を参照しながら、本発明のテラヘルツ波分光計測装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本実施形態のテラヘルツ波分光計測装置１を示す構成図である。テラヘルツ波分光計測装置１は、テラヘルツ波Ｔを用いて全反射測定法により被測定物２の情報（例えば、吸収係数又は屈折率といった光学定数）を取得するものである。図１に示されるように、テラヘルツ波分光計測装置１は、光源１０と、光変調部１５と、内部全反射プリズム３０と、テラヘルツ波検出部５０と、ロックイン増幅器７０とを備える。
光源１０は、テラヘルツ波Ｔと、テラヘルツ波Ｔとは異なる波長を有するプローブ光とを出射する。光源１０は、例えば、２波長発振する中赤外量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）内における差周波発生（ＤＦＧ）によってテラヘルツ波Ｔを出射するＤＦＧ－ＱＣＬ光源であってもよく、フォトミキシング法を用いてテラヘルツ波Ｔを出射する分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ光源であってもよい。本実施形態では、光源１０としてＤＦＧ－ＱＣＬ光源を用いた場合を例示する。この場合、光源１０は、テラヘルツ波Ｔと中赤外光（プローブ光）Ｍとを同時に出射する。
光変調部１５は、光源１０と内部全反射プリズム３０との間の光路上に配置されている。光変調部１５は、光源１０から出射されたテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍのうちテラヘルツ波Ｔのみを変調周波数ｆ１で時間的に変調する。光変調部１５は、集光レンズ１６と、チョッパ１７と、コリメートレンズ１８とを有している。集光レンズ１６は、光源１０とチョッパ１７との間の光路上に配置されている。集光レンズ１６は、光源１０から出射されたテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍをチョッパ１７で集光する。
チョッパ１７は、集光レンズ１６により集光されたテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍのうちテラヘルツ波Ｔのみについて変調周波数ｆ１で通過及び遮断を繰り返す。図２は、チョッパ１７を光源１０側から見た平面図である。チョッパ１７は、例えば、通過部分と遮断部分とが交互に配置された回転ディスクとして構成されている。ここで透過部分は、テラヘルツ波Ｔおよび中赤外光Ｍを通過させる。
図２に示されるように、チョッパ１７の遮断部分には、幅ｗの隙間が形成されている。この隙間は、集光レンズ１６により集光されるテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍの光路上に設けられており、遮断部分の周方向にわたって形成されている。幅ｗは、中赤外光Ｍの集光径（例えば１０μｍ）と同じか、或いは僅かに大きい。一方、幅ｗは、テラヘルツ波Ｔの集光径（例えば３００μｍ）よりも小さい。
一般に、光の集光径の大きさが波長の大きさに依存する。テラヘルツ波Ｔの波長域（例えば１００μｍ～１ｍｍ）は、中赤外光Ｍの波長域（例えば４μｍ～１０μｍ）に対して極めて大きいため、テラヘルツ波Ｔの集光径は、中赤外光Ｍの集光径に対して極めて大きくなる。そこで、幅ｗが上述した大きさを有することによって、チョッパ１７の遮断部分において、テラヘルツ波Ｔの一部を除いた大部分は遮断される一方、中赤外光Ｍは遮断されずに通過する。その結果、チョッパ１７において、テラヘルツ波Ｔの大部分は、変調周波数ｆ１で通過及び遮断が繰り返される一方、中赤外光Ｍは、通過及び遮断が繰り返されずに通過する。
再び図１を参照する。コリメートレンズ１８は、チョッパ１７と内部全反射プリズム３０との間の光路上に配置されている。コリメートレンズ１８は、チョッパ１７を経たテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍをコリメート光に変換したのち、内部全反射プリズム３０に出射する。
内部全反射プリズム３０は、光源１０とテラヘルツ波検出部５０との間の光路上（具体的には光変調部１５とテラヘルツ波検出部５０との間の光路上）に配置されている。本体部３１は、例えば略直方体形状をなしている。本体部３１の底面側の中央部分には、後述するＶ溝３１ｅが本体部３１の幅方向（図１における紙面奥行き方向）に設けられている。内部全反射プリズム３０は、本体部３１と、回避部３２Ｋと、光合波部３３Ｌとを有している。本体部３１は、光源１０から出射されるテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍに対して高い透過性を有する材料によって構成される。本体部３１の構成材料としては、例えば、シクロオレフィンポリマー、ポリエチレン、ＭｇＯ、又はシリコンなどが挙げられる。本体部３１は、入射面３１ａ、出射面３１ｂ、載置面３１ｃ、及び底面３１ｄを有している。
入射面３１ａ及び出射面３１ｂは、第１方向Ａ１において互いに対向している。入射面３１ａには、光源１０から出射されたテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍが入射する。入射面３１ａに入射するテラヘルツ波Ｔの光軸及び中赤外光Ｍの光軸は、第１方向Ａ１に沿って同軸となっている。
出射面３１ｂは、入射面３１ａから本体部３１内に入射したテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍを出射する。出射面３１ｂから出射されたテラヘルツ波Ｔの光軸及び中赤外光Ｍの光軸は、第１方向Ａ１に沿って同軸となっている。図１の例では、入射面３１ａに入射するテラヘルツ波Ｔの光軸及び中赤外光Ｍの光軸と、出射面３１ｂから出射されたテラヘルツ波Ｔの光軸及び中赤外光Ｍの光軸とは、同一直線上に位置している。
載置面３１ｃ及び底面３１ｄは、第１方向Ａ１と直交する第２方向Ａ２において互いに対向している。載置面３１ｃは、入射面３１ａと出射面３１ｂとの間の光路上に設けられている。図１の例では、本体部３１の頂面が載置面３１ｃを構成している。載置面３１ｃには、屈折率、誘電率、又は吸収係数といった各種の光学定数の測定対象となる被測定物２が載置されている。載置面３１ｃでは、入射面３１ａから本体部３１内に入射したテラヘルツ波Ｔが全反射する。この全反射により、テラヘルツ波Ｔのエバネッセント成分が載置面３１ｃ上の被測定物２に入射する。
底面３１ｄには、Ｖ溝３１ｅ（断面Ｖ字状の溝）が本体部３１の幅方向に上向きに形成されている。Ｖ溝３１ｅの頂部は、載置面３１ｃにおける被測定物２の載置位置と略一致しており、入射面３１ａ側に位置する内面３１ｆと、出射面３１ｂ側に位置する内面３１ｇとを有している。本実施形態では、内面３１ｆと内面３１ｇとは、Ｖ溝３１ｅの頂部を挟んで対称に設けられている。内面３１ｆは、入射面３１ａと載置面３１ｃとの間の光路上に位置し、入射面３１ａ及び載置面３１ｃに対して傾斜している。内面３１ｇは、載置面３１ｃと出射面３１ｂとの間の光路上に位置し、載置面３１ｃ及び出射面３１ｂに対して傾斜している。
回避部３２Ｋは、載置面３１ｃ上の被測定物２への中赤外光Ｍの入射を回避する。回避部３２Ｋは、テラヘルツ波Ｔを載置面３１ｃに導光し、中赤外光Ｍを載置面３１ｃに導光しない光分岐部３２Ｌを有している。より具体的には、光分岐部３２Ｌは、内面３１ｆに配置された光学素子３２によって構成されている。光学素子３２は、例えば中赤外光Ｍに対して反射防止膜として機能する誘電体多層膜であり、テラヘルツ波Ｔを内面３１ｆで反射させて載置面３１ｃに導光する一方、中赤外光Ｍを内面３１ｆからＶ溝３１ｅ内に透過させる。
光合波部３３Ｌは、載置面３１ｃで全反射したテラヘルツ波Ｔと、Ｖ溝３１ｅを通った中赤外光Ｍとを合波する。より具体的には、光合波部３３Ｌは、内面３１ｇに配置された光学素子３３によって構成されている。光学素子３２と同様に、例えば中赤外光Ｍに対して反射防止膜として機能する誘電体多層膜であり、載置面３１ｃからのテラヘルツ波Ｔを内面３１ｇで反射させて出射面３１ｂに導光する一方、Ｖ溝３１ｅからの中赤外光Ｍを内面３１ｇから本体部３１内に透過させ、出射面３１ｂに導光する。
また、本実施形態では、Ｖ溝３１ｅ内の中赤外光Ｍの光路上に減衰器３４が設けられている。減衰器３４は、中赤外光Ｍの強度を減衰させ、テラヘルツ波Ｔの強度に対する中赤外光Ｍの強度を調整する。減衰器３４の中赤外光Ｍに対する減衰率は、一定であってもよく、可変であってもよい。減衰器３４の減衰率を一定とする場合、減衰器３４は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、水晶、又はサファイヤといった材料によって構成される。減衰器３４は、金属粉体又はブラックカーボン（黒色炭素）等を分散させた樹脂によって構成されてもよい。減衰器３４の減衰率を可変とする場合、減衰器３４は、例えば、２つの偏光子によって構成される。この場合、２つの偏光子のうち一方の偏光子に対して他方の偏光子を回転させることによって、中赤外光Ｍの減衰率を調整できる。
以上の構成を有する内部全反射プリズム３０では、光源１０から出射したテラヘルツ波Ｔは、入射面３１ａから本体部３１の内部に入射した後、内面３１ｆで反射して載置面３１ｃに入射する。テラヘルツ波Ｔは、載置面３１ｃにおいて全反射した後、内面３１ｇで反射し、出射面３１ｂからテラヘルツ波検出部５０に向けて出射する。
一方、光源１０から出射した中赤外光Ｍは、テラヘルツ波Ｔと同軸に入射面３１ａから本体部３１の内部に入射した後、内面３１ｆを透過してＶ溝３１ｅ内に導光される。その後、中赤外光Ｍは、減衰器３４を経由して内面３１ｇから再び本体部３１の内部に入射し、テラヘルツ波Ｔと同軸に出射面３１ｂからテラヘルツ波検出部５０に向けて出射する。
図３は、テラヘルツ波検出部５０を示す構成図である。図３に示されるように、テラヘルツ波検出部５０は、電気光学結晶５１と、１／４波長板５２と、偏光分離素子５３と、光検出器５４ａ，５４ｂと、差動増幅器５５とによって構成されている。電気光学結晶５１には、出射面３１ｂから出射されたテラヘルツ波Ｔと中赤外光Ｍとが同時に入射する。
電気光学結晶５１にテラヘルツ波Ｔと中赤外光Ｍとが同時に入射すると、テラヘルツ波Ｔの伝播に伴いポッケルス効果により複屈折が誘起される。電気光学結晶５１は、その複屈折により中赤外光Ｍの偏光状態を変化させ、偏光状態が変化した中赤外光Ｍを出射する。このときの複屈折量は、テラヘルツ波Ｔの電場強度に依存するので、電気光学結晶５１における中赤外光Ｍの偏光状態の変化量は、テラヘルツ波Ｔの電場強度に依存する。従って、中赤外光Ｍの偏光状態の変化量を検出することで、テラヘルツ波Ｔを検出することが可能となる。
１／４波長板５２は、電気光学結晶５１と偏光分離素子５３との光路上に配置されている。１／４波長板５２は、電気光学結晶５１から出射された中赤外光Ｍの偏光状態を調整する。偏光分離素子５３は、例えばウォラストンプリズムであり、１／４波長板５２を経た中赤外光Ｍを互いに直交する２つの偏光成分に分離して出力する。光検出器５４ａ，５４ｂは、例えばフォトダイオードを含み、偏光分離素子５３により偏光分離された中赤外光Ｍの２つの偏光成分のパワーをそれぞれ検出して、その検出したパワーに応じた値の電気信号をそれぞれ出力する。なお、光検出器５４ａ，５４ｂは、中赤外光Ｍに検出感度を有する一方、テラヘルツ波Ｔに検出感度を有しない。差動増幅器５５は、光検出器５４ａ，５４ｂと電気的に接続されており、光検出器５４ａ，５４ｂからそれぞれ出力された電気信号が入力される。差動増幅器５５は、これらの電気信号の差分を検出し、該差分を示す信号をロックイン増幅器７０（図１参照）に出力する。ロックイン増幅器７０は、光変調部１５におけるテラヘルツ波Ｔの通過及び遮断の繰り返し周波数（変調周波数）ｆ１で、差動増幅器５５から出力される電気信号を同期検出する。このロックイン増幅器７０から出力される信号は、テラヘルツ波Ｔの電場強度に依存する値を有する。
このようにして、電気光学結晶５１における中赤外光Ｍの偏光状態の変化が検出されることによって、検出された中赤外光Ｍを用いてテラヘルツ波Ｔの電場振幅が間接的に検出され、被測定物２の情報が取得される。なお、光源１０がパルス光源である場合には、テラヘルツ波Ｔの検出効率を向上させる為に、光源１０から出射されてテラヘルツ波検出部５０に至るまでのテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍの光路長が互いに一致していることが望ましい。
本実施形態のテラヘルツ波分光計測装置１によって得られる効果を、比較例が有する課題と共に説明する。テラヘルツ波を検出する方法は、大別して、熱型検出器を用いてテラヘルツ波を直接的に検出する方法と、テラヘルツ波を光に変換することでテラヘルツ波を間接的に検出する方法とが存在する。テラヘルツ波を直接的に検出する方法では、一般に、熱型検出を使用することによってテラヘルツ波が検出される。しかし、熱型検出器の応答速度は、量子型の光検出器の応答速度と比べて、極めて遅いという問題がある。従って、テラヘルツ波を直接的に検出する方法では、テラヘルツ波を高速に検出することが難しいという問題がある。
そこで、テラヘルツ波分光計測装置における高速検出を実現するにあたっては、このテラヘルツ波分光計測装置にＤＦＧ－ＱＣＬ光源（例えば特許文献１参照）を適用し、更にテラヘルツ波の間接的な検出手法（例えば非特許文献１及び非特許文献２参照）を組み合わせることが考えられる。しかしながら、このようなテラヘルツ波分光計測装置では、中赤外光と被測定物との間の相互作用が問題となり得る。
図４は、第１比較例としてのテラヘルツ波分光計測装置１００を示す構成図である。テラヘルツ波分光計測装置１００は、ＤＦＧ－ＱＣＬ光源が適用されると共にテラヘルツ波Ｔの間接的な検出手法が組み合わされたものである。テラヘルツ波分光計測装置１００は、内部全反射プリズム１０１が光学素子３２及び光学素子３３を有していない点で、テラヘルツ波分光計測装置１とは相違する。
このテラヘルツ波分光計測装置１００では、光源１０から出射されたテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍは、本体部３１の内部に入射し、内面３１ｆを経由して載置面３１ｃにおいて全反射したのち、内面３１ｇを経由して出射面３１ｂから出射してテラヘルツ波検出部５０に入射する。ここで、テラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍが載置面３１ｃにおいて全反射される際に、テラヘルツ波Ｔのエバネッセント成分と中赤外光Ｍのエバネッセント成分とが載置面３１ｃ上に生じる。このとき、中赤外光Ｍのエバネッセント成分が被測定物２に入射すると、該エバネッセント成分が被測定物２と相互作用を引き起こすことによって、被測定物２の品質変化或いは温度変化が誘引され、テラヘルツ波Ｔの検出精度に影響を及ぼすおそれがある。また、中赤外光Ｍの入射によって本体部３１内の温度変化が誘引されると、本体部３１内の屈折率が変調され、本体部３１の内部を伝搬するテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍの光路にずれが生じるおそれがある。
図５は、第２比較例としてのテラヘルツ波分光計測装置２００を示す構成図である。テラヘルツ波分光計測装置２００は、テラヘルツ波分光計測装置１００の構成に加えて、複数のミラー２０１を有している。各ミラー２０１は、光源１０から出射された中赤外光Ｍが本体部３１の内部に入射しないように、本体部３１の外部において中赤外光Ｍをテラヘルツ波検出部５０に導光している。このテラヘルツ波分光計測装置２００のように、複数のミラー２０１によって中赤外光Ｍの被測定物２への入射を回避することが考えられる。
しかし、このように複数のミラー２０１を本体部３１の外部に設けると、装置が大型化しやすくなる。加えて、このように複数のミラー２０１を用いると、各ミラー２０１の光軸ずれが発生しやすくなり、結果として、テラヘルツ波Ｔの検出精度が低下するおそれがある。なお、光源１０から出射された中赤外光Ｍを、本体部３１内に入射させる前にフィルタ等を用いてカットすることも考えられるが、この場合、中赤外光Ｍを出射する光源１０が別途必要となるので、装置の大型化に繋がる。
これに対し、本実施形態では、光源１０から出射された中赤外光Ｍは、光学素子３２により被測定物２には入射せずに、テラヘルツ波検出部５０に入射する。具体的には、光学素子３２が、入射面３１ａから本体部３１内に入射したテラヘルツ波Ｔを載置面３１ｃに向かって反射させる一方、入射面３１ａから本体部３１内に入射した中赤外光Ｍを出射面３１ｂに向けて透過させることによって、テラヘルツ波Ｔのみが載置面３１ｃに導光される。このため、中赤外光Ｍと被測定物２との間の相互作用の発生を抑えられ、被測定物２の品質変化或いは温度変化が誘引されることを抑制できるので、テラヘルツ波Ｔを精度良く検出することができる。また、光学素子３２と光学素子３３との間の光路について、テラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍの光路の第１方向Ａ１における中心位置を基準軸線Ｌ上に配置し、且つこれらの光路が基準軸線Ｌに関してそれぞれ対称となるように設計することによって、中赤外光Ｍの光路が光学素子３２及び光学素子３３によりシフトされた場合であっても、光学素子３２に入射するテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍの光軸と、光学素子３３から出射されるテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍの光軸とを同一直線上に揃えることができる。これにより、光軸調整が容易になる。
また、本実施形態のように、入射面３１ａに入射するテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍの光軸が同軸であり、出射面３１ｂから出射するテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍの光軸が同軸であってもよい。この場合、テラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍの光路の共通化によって装置の大型化を一層確実に回避できる。
また、本実施形態のように、中赤外光Ｍの強度を減衰させる減衰器３４を更に備えてもよい。光源１０において、テラヘルツ波Ｔの出力に比べて中赤外光Ｍの出力が過剰となる場合、減衰器３４で中赤外光Ｍの強度を減衰させることにより、テラヘルツ波検出部５０における中赤外光Ｍの飽和を防止できる。これにより、テラヘルツ波Ｔを精度良く検出することができる。
（第１変形例）
図６は、上記実施形態の第１変形例によるテラヘルツ波分光計測装置１Ａを示す構成図である。上記実施形態と本変形例との相違点は、内部全反射プリズムの構成である。本変形例の内部全反射プリズム３０Ａは、本体部３１と一体化されたプリズム部３５を更に有する。プリズム部３５は、本体部３１のＶ溝３１ｅの形状に対応する断面三角状を呈しており、Ｖ溝３１ｅに嵌合している。プリズム部３５は、本体部３１と同じ材料によって構成される。プリズム部３５内の中赤外光Ｍの光路上には、上記実施形態の減衰器３４が設けられている。
プリズム部３５は、内面３１ｆと対向する傾斜面３５ａ、内面３１ｇと対向する傾斜面３５ｂ、及び、底面３１ｄに沿った底面３５ｃを含んでいる。傾斜面３５ａは、内面３１ｆに沿って傾斜しており、傾斜面３５ｂは、内面３１ｇに沿って傾斜している。一例では、傾斜面３５ａは、内面３１ｆと平行であり、傾斜面３５ｂは、内面３１ｇと平行である。
また、内部全反射プリズム３０Ａの光分岐部３２Ｌは、光学素子３２に代えて光学素子３２Ａによって構成されており、光合波部３３Ｌは、光学素子３３に代えて光学素子３３Ａによって構成されている。光学素子３２Ａは、内面３１ｆと傾斜面３５ａとの間に配置されている。光学素子３２Ａは、例えば中赤外光Ｍのみを透過するバンドパスフィルタであり、テラヘルツ波Ｔを内面３１ｆで反射させて載置面３１ｃに導光する一方、中赤外光Ｍを透過させて傾斜面３５ａからプリズム部３５内に導光する。
光学素子３３Ａは、内面３１ｇと傾斜面３５ｂとの間に配置されている。光学素子３３Ａは、光学素子３２Ａと同様に、例えば中赤外光Ｍのみを透過するバンドパスフィルタであり、載置面３１ｃからのテラヘルツ波Ｔを内面３１ｇで反射させて出射面３１ｂに導光する一方、プリズム部３５からの中赤外光Ｍを内面３１ｇから本体部３１内に透過させ、出射面３１ｂに導光する。
本変形例の内部全反射プリズム３０Ａでは、光源１０から出射したテラヘルツ波Ｔは、入射面３１ａから本体部３１の内部に入射した後、内面３１ｆで反射して載置面３１ｃに入射する。テラヘルツ波Ｔは、載置面３１ｃにおいて全反射した後、内面３１ｇで反射し、出射面３１ｂからテラヘルツ波検出部５０に向けて出射する。
一方、光源１０から出射した中赤外光Ｍは、テラヘルツ波Ｔと同軸に入射面３１ａから本体部３１の内部に入射した後、光学素子３２Ａを透過して傾斜面３５ａからプリズム部３５内に入射する。中赤外光Ｍは、プリズム部３５内に入射した後、減衰器３４を経由して光学素子３３Ａを透過し、内面３１ｇから再び本体部３１の内部に入射する。その後、テラヘルツ波Ｔと同軸に出射面３１ｂからテラヘルツ波検出部５０に向けて出射する。このような形態であっても、光学素子３２Ａによってテラヘルツ波Ｔのみが載置面３１ｃに導光されるため、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
本変形例の内部全反射プリズム３０Ａを製造する際には、本体部３１とプリズム部３５とを別々に製造し、光学素子３２Ａ及び光学素子３３Ａを形成した後、本体部３１とプリズム部３５とを一体化する。光学素子３２Ａ及び光学素子３３Ａは、本体部３１側に予め形成されてもよく、プリズム部３５側に予め形成されてもよい。図７は、光学素子３２Ａ及び光学素子３３Ａの形成方法を説明する為の図である。図７の（ａ）は、光学素子３２Ａ及び光学素子３３Ａを本体部３１のＶ溝３１ｅに形成する例を示している。この場合、光学素子３２Ａ及び光学素子３３Ａは、例えば金属蒸着によって、Ｖ溝３１ｅの内面３１ｆ及び内面３１ｇにそれぞれ形成される。図７の（ｂ）は、光学素子３２Ａ及び光学素子３３Ａをプリズム部３５に形成する例を示している。この場合、光学素子３２Ａ及び光学素子３３Ａは、例えば金属蒸着によって、プリズム部３５の傾斜面３５ａ及び傾斜面３５ｂにそれぞれ形成される。
（第２変形例）
図８は、上記実施形態の第２変形例によるテラヘルツ波分光計測装置１Ｂを示す構成図である。上記実施形態と本変形例との相違点は、内部全反射プリズムの構成である。本変形例の内部全反射プリズム３０Ｂは、本体部３１に代えて本体部３１Ｂを有している。本体部３１Ｂは、第１方向Ａ１において互いに対向する側面３１ｈ及び側面３１ｉを更に含んでいる。側面３１ｈは、入射面３１ａと載置面３１ｃとの間の光路上に位置し、側面３１ｉは、載置面３１ｃと出射面３１ｂとの間の光路上に位置する。また、本体部３１Ｂでは、内面３１ｆが入射面３１ａとなっており、内面３１ｇが出射面３１ｂとなっている。本変形例では、入射面３１ａに入射するテラヘルツ波Ｔの光軸及び中赤外光Ｍの光軸は、第２方向Ａ２に沿っており、出射面３１ｂから出射されるテラヘルツ波Ｔの光軸及び中赤外光Ｍの光軸は、第２方向Ａ２に沿っている。
また、本変形例では、内部全反射プリズム３０Ｂの光分岐部３２Ｌは、光学素子３２に代えて光学素子３２Ｂによって構成されており、光合波部３３Ｌは、光学素子３３に代えて光学素子３３Ｂによって構成されている。光学素子３２Ｂは、内面３１ｆ（すなわち入射面３１ａ）に配置されている。光学素子３２Ｂは、例えばテラヘルツ波Ｔのみを透過するＺカット水晶又はバンドパスフィルタであり、テラヘルツ波Ｔを内面３１ｆから本体部３１Ｂ内に透過させて載置面３１ｃに導光する一方、中赤外光Ｍを内面３１ｆで反射させてＶ溝３１ｅ内に導光する。
光学素子３３Ｂは、内面３１ｇ（すなわち出射面３１ｂ）に配置されている。光学素子３３Ｂは、光学素子３２Ｂと同様に、例えばテラヘルツ波Ｔのみを透過するＺカット水晶又はバンドパスフィルタであり、載置面３１ｃからのテラヘルツ波Ｔを透過させ、内面３１ｆからテラヘルツ波検出部５０に導光する一方、中赤外光Ｍを内面３１ｇで反射させてテラヘルツ波検出部５０に導光する。
また、本変形例では、減衰器３４に加え、Ｖ溝３１ｅ内の中赤外光Ｍの光路上にカットフィルタ３６が更に設けられている。具体的には、カットフィルタ３６は、Ｖ溝３１ｅ内において、減衰器３４と内面３１ｇとの間の光路上に設けられている。カットフィルタ３６は、中赤外光Ｍのみを透過する機能を有しており、内面３１ｆで反射するテラヘルツ波Ｔの一部をカットする。カットフィルタ３６の材料の例としては、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、又はＫＢｒ等が挙げられる。
光学素子３２ＢがＺカット水晶によって構成されている場合、内面３１ｆでは、テラヘルツ波Ｔの大部分が透過するが、テラヘルツ波Ｔの一部が反射することがある。内面３１ｆで反射したテラヘルツ波Ｔの一部は、被測定物２に入射しない為、テラヘルツ波Ｔの検出において不要な成分である。そこで、カットフィルタ３６を設け、この不要な成分をカットすることで、テラヘルツ波Ｔの検出精度を向上させることができる。なお、内面３１ｆで反射したテラヘルツ波Ｔの一部が透過光に対して無視できる程に小さい場合には、カットフィルタ３６を設けなくてもよい。
以上のような内部全反射プリズム３０Ｂでは、光源１０から出射したテラヘルツ波Ｔは、内面３１ｆにおいて光学素子３２Ｂを透過して側面３１ｈで反射し、載置面３１ｃに入射する。テラヘルツ波Ｔは、載置面３１ｃにおいて全反射した後、側面３１ｉで反射し、光学素子３３Ｂをテラヘルツ波検出部５０に向けて透過する。一方、光源１０からテラヘルツ波Ｔと同軸に出射した中赤外光Ｍは、内面３１ｆで反射し、Ｖ溝３１ｅ内の減衰器３４及びカットフィルタ３６を経由した後、内面３１ｇにおいてテラヘルツ波検出部５０に向けて反射する。
このような形態であっても、光学素子３２Ｂによってテラヘルツ波Ｔのみが載置面３１ｃに導光されるため、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。また、このような形態によれば、テラヘルツ波Ｔの光路と中赤外光Ｍの光路とがより明確に分離するため、載置面３１ｃでの中赤外光Ｍと被測定物２との間の相互作用の発生を一層確実に抑えることができる。また、中赤外光Ｍを内部全反射プリズム３０Ｂ内に入射させないことで、中赤外光Ｍの入射による内部全反射プリズム３０Ｂの温度変化によるテラヘルツ波Ｔの光路ずれの発生を抑えることができる。
（第３変形例）
図９は、上記実施形態の第３変形例によるテラヘルツ波分光計測装置１Ｃを示す構成図である。上記実施形態と本変形例との相違点は、内部全反射プリズムの構成である。本変形例の内部全反射プリズム３０Ｃは、本体部３１に代えて本体部３１Ｃを有している。また、内部全反射プリズム３０Ｃは、本体部３１Ｃと一体化されたプリズム部３５（図６参照）を更に有する。本体部３１Ｃは、第１方向Ａ１において互いに対向する側面３１ｊ及び側面３１ｋを更に含む。側面３１ｊは、プリズム部３５の底面３５ｃと載置面３１ｃとの間の光路上に位置し、底面３５ｃ及び載置面３１ｃに対して傾斜している。側面３１ｋは、載置面３１ｃと底面３５ｃとの間の光路上に位置し、載置面３１ｃ及び底面３５ｃに対して傾斜している。本変形例では、プリズム部３５の底面３５ｃの一側が入射面３１ａとなっており、他側が出射面３１ｂとなっている。また、本変形例では、入射面３１ａに入射するテラヘルツ波Ｔの光軸及び中赤外光Ｍの光軸は、第２方向Ａ２に沿っており、出射面３１ｂから出射されるテラヘルツ波Ｔの光軸及び中赤外光Ｍの光軸は、第２方向Ａ２に沿っている。
内部全反射プリズム３０Ｃの光分岐部３２Ｌは、光学素子３２に代えて空隙部３２Ｃによって構成されており、光合波部３３Ｌは、光学素子３３に代えて空隙部３３Ｃによって構成されている。空隙部３２Ｃは、内部全反射プリズム３０Ｃの内部に設けられている。具体的には、空隙部３２Ｃは、傾斜面３５ａと内面３１ｆとの間に設けられている。空隙部３２Ｃは、傾斜面３５ａ（すなわち空隙部３２Ｃとプリズム部３５との界面）からテラヘルツ波Ｔを本体部３１Ｂ内に透過させて載置面３１ｃに導光する一方、中赤外光Ｍを傾斜面３５ａで反射させてプリズム部３５内に導光する。
図１０は、図９に示される空隙部３２Ｃを示す拡大図である。図１０に示されるように、空隙部３２Ｃの間隔（すなわち傾斜面３５ａと内面３１ｆとの距離）は、距離ｄ１に設定されている。距離ｄ１は、傾斜面３５ａにおけるテラヘルツ波Ｔのエバネッセント成分の浸み出し深さよりも小さく、傾斜面３５ａにおける中赤外光Ｍのエバネッセント成分の浸み出し深さよりも大きい。ここで、傾斜面３５ｂに入射する光の波長をλ、傾斜面３５ｂへの入射角をθ、空隙部３２Ｃの屈折率をｎ２、プリズム部３５の屈折率をｎ１とすると、傾斜面３５ｂに入射する光のエバネッセント成分の浸み出し深さｄｓは、下記の式によって表される。
Figure 0007014623000001
一例として、入射角θを４５°、空隙部３２Ｃの屈折率ｎ２を１、プリズム部３５の屈折率ｎ１を、テラヘルツ波と中赤外光とで同じ３．４２に設定した場合、波長４ＴＨｚを有するテラヘルツ波Ｔのエバネッセント成分の浸み出し深さｄｓは、２３．０μｍと算出され、波長１０μｍを有する中赤外光Ｍのエバネッセント成分の浸み出し深さｄｓは、３．１μｍと算出される。従って、この例では、距離ｄ１は、３．１μｍ～２３．０μｍの範囲内であればよい。
空隙部３２Ｃの間隔がこのような距離ｄ１に設定されていることによって、傾斜面３５ａに入射したテラヘルツ波Ｔは、傾斜面３５ａにおいて生じるテラヘルツ波Ｔのエバネッセント成分を介して空隙部３２Ｃを透過する。その一方で、傾斜面３５ａに入射した中赤外光Ｍは、空隙部３２Ｃを透過せずに空隙部３２Ｃで反射する。
空隙部３３Ｃは、内部全反射プリズム３０Ｃの内部に設けられている。具体的には、空隙部３３Ｃは、傾斜面３５ｂと内面３１ｇとの間に設けられている。空隙部３３Ｃは、載置面３１ｃからのテラヘルツ波Ｔを内面３１ｇからプリズム部３５内に透過させて底面３５ｃの他側に導光する一方、中赤外光Ｍを傾斜面３５ｂで反射させて底面３５ｃの他側に導光する。
本変形例による内部全反射プリズム３０Ｃでは、図９に示すように、光源１０から出射したテラヘルツ波Ｔは、底面３５ｃの一側からプリズム部３５の内部に入射した後、空隙部３２Ｃを透過し、側面３１ｊで反射して載置面３１ｃに入射する。テラヘルツ波Ｔは、載置面３１ｃにおいて全反射した後、側面３１ｋで反射し、空隙部３３Ｃを透過した後、底面３５ｃの他側からテラヘルツ波検出部５０に向けて出射する。
一方、光源１０から出射した中赤外光Ｍは、テラヘルツ波Ｔと同軸に底面３５ｃの一側からプリズム部３５の内部に入射した後、空隙部３２Ｃで反射する。その後、中赤外光Ｍは、減衰器３４を経由して空隙部３３Ｃで反射し、テラヘルツ波Ｔと同軸に底面３５ｃの他側からテラヘルツ波検出部５０に向けて出射する。このような形態であっても、空隙部３２Ｃによってテラヘルツ波Ｔのみが載置面３１ｃに導光されるため、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。また、このような形態によれば、空隙部３２Ｃによって簡単な構成で、載置面３１ｃ上の被測定物２への中赤外光Ｍの入射を回避することができる。
（第４変形例）
図１１は、上記実施形態の第４変形例によるテラヘルツ波分光計測装置１Ｄを示す構成図である。上記実施形態と本変形例との相違点は、本変形例の内部全反射プリズム３０Ｄが光合波部３３Ｌを有していない点、及び、内部全反射プリズム３０Ｄの光分岐部３２Ｌが、光学素子３２に代えて光学素子３２Ｄによって構成されている点である。
光学素子３２Ｄは、載置面３１ｃの外面側に配置されている。光学素子３２Ｄは、例えばテラヘルツ波Ｔのみを透過するバンドパスフィルタが形成されたシリコン板である。光学素子３２Ｄは、テラヘルツ波Ｔを透過させる一方、中赤外光Ｍを反射させテラヘルツ波Ｔと中赤外光Ｍとを分岐する。なお、光学素子３２Ｄにバンドパスフィルタを適用する場合には、バンドパスフィルタは、載置面３１ｃの外面側に形成される。
なお、光学素子３２Ｄの厚さは、十分に薄いことが望ましい。これにより、光学素子３２Ｄを経由したテラヘルツ波Ｔの光路と中赤外光Ｍの光路とのずれを小さくすることが可能となる。光学素子３２Ｄの厚さは、例えば３．１μｍ～２３．０μｍである。
本変形例による内部全反射プリズム３０Ｄでは、入射面３１ａから本体部３１内に入射したテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍが載置面３１ｃで全反射する。このとき、載置面３１ｃにおいて、テラヘルツ波Ｔのエバネッセント成分のみが光学素子３２Ｄを透過して被測定物２に入射し、中赤外光Ｍのエバネッセント成分は被測定物２に到達しない。したがって、載置面３１ｃでの中赤外光Ｍと被測定物２との間の相互作用の発生を抑えることができる。また、この構成によれば、内部全反射プリズム３０Ｄ内のテラヘルツ波Ｔの光路及び中赤外光Ｍの光路が略一致するため、装置の大型化を回避できる。
（第５変形例）
図１２は、上記実施形態の第５変形例によるテラヘルツ波分光計測装置１Ｅを示す構成図である。上記実施形態と本変形例との相違点は、本変形例の内部全反射プリズム３０Ｅが光合波部３３Ｌを有しない点、及び、内部全反射プリズム３０Ｅの光分岐部３２Ｌが、光学素子３２に代えて、集光レンズ３２Ｅと、金属膜３２Ｆと、コリメートレンズ３２Ｇとを有している点である。
集光レンズ３２Ｅは、光源１０と入射面３１ａとの間の光路上に配置されている。集光レンズ３２Ｅは、光源１０から出射されたテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍを載置面３１ｃで集光する。また、コリメートレンズ３２Ｇは、出射面３１ｂとテラヘルツ波検出部５０との間の光路上に配置されている。コリメートレンズ３２Ｇは、出射面３１ｂからのテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍをコリメート光に変換したのち、テラヘルツ波検出部５０に出射する。集光レンズ３２Ｅ及びコリメートレンズ３２Ｇは、テラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍに対して同程度の屈折率を有する材料（例えばシリコン）によって構成される。これにより、テラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍの集光位置を載置面３１ｃにおいて一致させることができる。
金属膜３２Ｆは、載置面３１ｃの外面側に配置されている。金属膜３２Ｆは、集光レンズ３２Ｅにより集光されたテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍの集光点の中心部に位置している。金属膜３２Ｆは、載置面３１ｃにおけるテラヘルツ波Ｔの集光径よりも小さく、且つ載置面３１ｃにおける中赤外光Ｍの集光径よりも大きい面積を有する。
一般に、光の集光径の大きさは、波長の大きさに依存する。本実施形態では、テラヘルツ波Ｔの集光径は、中赤外光Ｍの集光径に対して例えば２０倍程度大きい。このため、載置面３１ｃにおいて、テラヘルツ波Ｔの一部（すなわちテラヘルツ波Ｔの集光径と金属膜３２Ｆとが重なる部分）を除いた大部分は、金属膜３２Ｆで反射せずに被測定物２に入射する一方、中赤外光Ｍは、被測定物２に入射せずに金属膜３２Ｆで反射する。
このような形態であっても、載置面３１ｃに配置した金属膜３２Ｆにより中赤外光Ｍを反射させ、テラヘルツ波Ｔのみを選択的に被測定物２に入射させることができる。したがって、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。また、金属膜３２Ｆによって簡単な構成で、載置面３１ｃ上の被測定物２への中赤外光Ｍの入射を回避することができる。
（第６変形例）
図１３は、上記実施形態の第６変形例によるテラヘルツ波分光計測装置１Ｆを示す構成図である。上記実施形態と本変形例との相違点は、本変形例の内部全反射プリズム３０Ｆが光合波部３３Ｌを有していない点、及び、内部全反射プリズム３０Ｆの光分岐部３２Ｌが光学素子３２に代えてスペーサ３２Ｈを有している点である。
スペーサ３２Ｈは、載置面３１ｃ上に配置されている。具体的には、スペーサ３２Ｈは、樹脂又は金属によって形成された円環状の部材である。スペーサ３２Ｈは、載置面３１ｃと被測定物２とを距離ｄ１だけ離間させる。距離ｄ１は、載置面３１ｃにおけるテラヘルツ波Ｔのエバネッセント成分の浸み出し深さよりも小さく、載置面３１ｃにおける中赤外光Ｍのエバネッセント成分の浸み出し深さよりも大きい。このため、載置面３１ｃにおいてテラヘルツ波Ｔと中赤外光Ｍとが分岐し、テラヘルツ波Ｔのエバネッセント成分のみが、スペーサ３２Ｈ上の被測定物２に入射する。
このような形態であっても、載置面３１ｃと被測定物２との間のスペーサ３２Ｈによりテラヘルツ波Ｔのみを選択的に被測定物２に入射させることができる。したがって、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。また、スペーサ３２Ｈによって簡単な構成で、載置面３１ｃ上の被測定物２への中赤外光Ｍの入射を回避することができる。
（第７変形例）
図１４は、上記実施形態の第７変形例によるテラヘルツ波分光計測装置１Ｇを示す構成図である。上記実施形態では、入射面３１ａに入射するテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍの光軸と、出射面３１ｂから出射されるテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍの光軸とが同軸である例を示したが、これらは同軸でなくてもよい。本変形例では、光源１０から出射された中赤外光Ｍは、テラヘルツ波Ｔとは異なる方向に沿って進行する例を示す。
内部全反射プリズム３０Ｇは、内部全反射プリズム３０Ｂ（図８参照）の構成に加えて、ミラー３７及びミラー３８を有している。ミラー３７は、光源１０と光学的に結合されており、内面３１ｆにおいて光学素子３２Ｂと並んで配置されている。ミラー３７は、光源１０から出射された中赤外光Ｍをミラー３８に向けて反射する。ミラー３８は、光源１０と光学的に結合されており、内面３１ｆ上において光学素子３３Ｂと並んで配置されている。ミラー３８は、ミラー３７によって反射された中赤外光Ｍをテラヘルツ波検出部５０に向けて反射する。
本変形例による内部全反射プリズム３０Ｇでは、光源１０から出射したテラヘルツ波Ｔは、内面３１ｆにおいて光学素子３２Ｂを透過して側面３１ｈで反射し、載置面３１ｃに入射する。テラヘルツ波Ｔは、載置面３１ｃにおいて全反射した後、側面３１ｉで反射し、光学素子３３Ｂをテラヘルツ波検出部５０に向けて透過する。一方、光源１０からテラヘルツ波Ｔとは異なる方向に出射した中赤外光Ｍは、ミラー３７で反射した後、ミラー３８においてテラヘルツ波検出部５０に向けて反射する。このような形態であっても、テラヘルツ波Ｔのみが載置面３１ｃに導光されるため、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
（第８変形例）
図１５は、上記実施形態の第８変形例によるテラヘルツ波検出部５０Ａを示す構成図である。上記実施形態と本変形例との相違点は、テラヘルツ波検出部の構成である。本変形例のテラヘルツ波検出部５０Ａは、非線形光学結晶６０と、カットフィルタ６１と、光検出器６２とによって構成されている。カットフィルタ６１は、一部の波長の光を透過させることができる。カットフィルタ６１は、例えば、誘電体多層膜などによるローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ、又はダイクロイックミラーである。
非線形光学結晶６０は、内部全反射プリズム３０の出射面３１ｂと光学的に結合されている。非線形光学結晶６０にテラヘルツ波Ｔと中赤外光Ｍとが同時に入射すると、テラヘルツ波Ｔと中赤外光Ｍとの差周波又は和周波の発生（すなわち波長変換）により、非線形光学結晶６０は、テラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍとは異なる波長を有する変換光Ｃを発生する。
本変形例（及び上記実施形態）では、テラヘルツ波Ｔ、中赤外光Ｍ、及び変換光Ｃは、共に同一方向に沿って進行しているが、非線形光学結晶６０が屈折率波長分散特性を有している場合には、位相整合条件を満たすように、これらを互いに異なる方向に進行させることもある。なお、このような場合には、非線形光学結晶６０の分極を周期的に反転させた周期分極反転結晶を用いることによって、位相整合条件を満たしつつ、これらを同一方向に進行させることが可能となる。
カットフィルタ６１は、非線形光学結晶６０と光検出器６２との光路上に配置されている。カットフィルタ６１は、非線形光学結晶６０から出射された中赤外光Ｍをカットし、変換光Ｃを透過する。光検出器６２は、例えばフォトダイオードを含み、カットフィルタ６１を透過した変換光Ｃのパワーを検出して、その検出したパワーに応じた値の電気信号を出力する。このようにして、検出された変換光Ｃを用いてテラヘルツ波Ｔが間接的に検出され、被測定物２の情報が取得される。このような形態であっても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
本発明のテラヘルツ波分光計測装置は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した実施形態及び各変形例を、必要な目的及び効果に応じて互いに組み合わせてもよい。また、上述した実施形態及び各変形例において、プローブ光として中赤外光を例示したが、プローブ光は中赤外光に限定されない。プローブ光は、例えば可視光から中赤外光の波長のうちいずれの波長を有する光であってもよい。例えば、プローブ光は、近赤外光であってもよい。
１，１Ａ～１Ｇ…テラヘルツ波分光計測装置、２…被測定物、１０…光源、１５…光変調部、１６…集光レンズ、１７…チョッパ、１８…コリメートレンズ、３０，３０Ａ～３０Ｇ…内部全反射プリズム、３１，３１Ｂ，３１Ｃ…本体部、３１ａ…入射面、３１ｂ…出射面、３１ｃ…載置面、３１ｄ，３５ｃ…底面、３１ｅ…Ｖ溝、３１ｆ…内面、３１ｇ…内面、３１ｈ，３１ｉ，３１ｊ，３１ｋ…側面、３２Ｋ…回避部、３２Ｌ…光分岐部、３２，３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｄ…光学素子、３２Ｃ…空隙部、３２Ｅ…集光レンズ、３２Ｆ…金属膜、３２Ｇ…コリメートレンズ、３２Ｈ…スペーサ、３３Ｌ…光合波部、３３，３３Ａ，３３Ｂ…光学素子、３３Ｃ…空隙部、３４…減衰器、３５…プリズム部、３５ａ，３５ｂ…傾斜面、３６…カットフィルタ、３７，３８…ミラー、５０，５０Ａ…テラヘルツ波検出部、５１…電気光学結晶、５２…１／４波長板、５３…偏光分離素子、５４ａ，５４ｂ，６２…光検出器、５５…差動増幅器、６０…非線形光学結晶、６１…カットフィルタ、７０…ロックイン増幅器、Ｍ…中赤外光、Ｔ…テラヘルツ波。

Claims (3)

  1. テラヘルツ波と、前記テラヘルツ波とは異なる波長を有するプローブ光とを出射する光源と、
    前記テラヘルツ波の入射面、被測定物が載置される載置面、及び前記テラヘルツ波の出射面を有し、前記入射面から入射したテラヘルツ波を前記載置面で内部全反射させて前記出射面から出射させる内部全反射プリズムと、
    前記プローブ光を用いて前記出射面から出射した前記テラヘルツ波を間接的に検出するテラヘルツ波検出部と、を備え、
    前記内部全反射プリズムは、前記載置面上の前記被測定物への前記プローブ光の入射を回避する回避部を有し、
    前記回避部は、前記テラヘルツ波を前記載置面に導光し、前記プローブ光を前記載置面に導光しない光分岐部を有し、
    前記光分岐部は、前記入射面から前記内部全反射プリズム内に入射した前記テラヘルツ波を前記載置面に向かって反射させる一方、前記入射面から前記内部全反射プリズム内に入射した前記プローブ光を前記出射面に向けて透過させる光学素子によって構成されている、テラヘルツ波分光計測装置。
  2. 前記入射面に入射する前記テラヘルツ波及び前記プローブ光の光軸が同軸であり、
    前記出射面から出射する前記テラヘルツ波及び前記プローブ光の光軸が同軸である、請求項１に記載のテラヘルツ波分光計測装置。
  3. 前記プローブ光の強度を減衰させる減衰器を更に備えた、請求項１又は２に記載のテラヘルツ波分光計測装置。
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