JP7041022B2 - 光学解析モジュール及び光学解析装置 - Google Patents

Description

本開示は、光学解析装置及び光学解析装置に関する。

異方性材料の光学的なパラメータを導出する方法としては、例えば非特許文献１，２が挙げられる。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記載されている。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.,"Investigation of THz birefringence measurement and calculation inAl2O3andLiNbO3", Appl. Opt. 50, 2906, （2011） HS. Katletz et al., "Polarizationsensitive terahertz imaging: detection of birefringence and optical 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十分に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。したがって、非特許文献１，２に記載の方法は、簡便な計測を実施する上で改善すべき課題がある。

さらに、上記手法を用いた光学解析の精度は、偏光状態の揺らぎやポインティングのずれ等に起因するプローブ光の経時的な変化や、感度のドリフトに起因する光検出器の出力の経時的な変化の影響を受けてしまうことが考えられる。光検出器の出力の経時的な変化がテラヘルツ波によるプローブ光の変調よりも大きい場合、解析信号が偏光状態の経時的な揺らぎに埋もれてしまい、解析の精度が低下してしまうおそれがある。

本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、プローブ光の偏光状態の経時的な揺らぎ等の影響を回避でき、被測定物の光学パラメータを簡便かつ高精度に計測することができる光学解析モジュール及び光学解析装置を提供することを目的とする。

本開示の一側面に係る光学解析モジュールは、ポンプ光の入力によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生モジュールと、テラヘルツ波発生モジュールで発生したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、テラヘルツ波検出部においてテラヘルツ波で変調されたプローブ光を検出して解析信号を出力する光検出部と、テラヘルツ波発生モジュールで用いられる周波数信号、及び解析信号からの信号抽出に用いられる参照信号を生成する信号生成部と、を備え、テラヘルツ波発生モジュールは、信号生成部からの第１の周波数信号に基づいてポンプ光の入力のオン／オフを周期的に切り替えることにより、テラヘルツ波の発生の有無を周期的に切り替える入力切替部と、信号生成部からの第２の周波数信号に基づいてテラヘルツ波の偏光状態を第１の偏光状態と第２の偏光状態との間で周期的に切り替える偏光切替部と、を含み、信号生成部は、テラヘルツ波の偏光状態が第１の偏光状態である期間に正又は負の所定値となり、テラヘルツ波が発生していない期間に正負が反転する第１の参照信号と、テラヘルツ波の偏光状態が第２の偏光状態である期間に所定値となり、テラヘルツ波が発生していない期間に正負が反転する第２の参照信号と、を生成する。

この光学解析モジュールでは、入力切替部によってテラヘルツ波の発生の有無を周期的に切り替え、テラヘルツ波が発生していない期間の値の正負が反転するように第１の参照信号及び第２の参照信号を生成する。光検出部からの解析信号は、テラヘルツ波が発生している期間及びテラヘルツ波が発生していない期間のいずれにおいても、偏光状態の揺らぎやポインティングのずれ等に起因するプローブ光の経時的な変化や、感度のドリフトに起因する光検出器の出力の経時的な変化の影響を受け得る。しかしながら、この解析信号による出力は、参照信号を掛け合わせた検出信号の一定期間の和となるため、第１の参照信号及び第２の参照信号の正負がテラヘルツ波の発生の有無により反転することで、プローブ光の偏光状態の経時的な揺らぎ等に基づく信号成分を相殺することができる。したがって、この光学解析モジュールでは、プローブ光の偏光状態の経時的な揺らぎ等の影響を回避でき、被測定物の光学パラメータを簡便かつ高精度に計測することができる。

また、光検出部は、テラヘルツ波検出部においてテラヘルツ波で変調されたプローブ光を検出して第１の解析信号を出力する第１の光検出部と、テラヘルツ波検出部を経由しないプローブ光を検出して第２の解析信号を出力する第２の光検出部と、を有し、光学解析モジュールは、第１の解析信号と第２の解析信号との差分を検出する差分検出部を更に備えていてもよい。この場合、第１の解析信号と第２の解析信号との差分検出により、プローブ光の強度の経時的な揺らぎに基づく信号成分を相殺することができる。したがって、被測定物の光学パラメータの計測精度を更に高めることができる。

第１の参照信号は、テラヘルツ波の偏光状態が第２の偏光状態である期間に０となり、第２の参照信号は、テラヘルツ波の偏光状態が第１の偏光状態である期間に０となってもよい。これにより、テラヘルツ波の偏光状態が第１の偏光状態である期間の出力信号と、テラヘルツ波の偏光状態が第２の偏光状態である期間の出力信号と切り分けて得ることができる。

テラヘルツ波の発生の有無の切替周期がテラヘルツ波の偏光状態の切替周期の半分となっていてもよい。これにより、テラヘルツ波の偏光状態が第１の偏光状態である期間、テラヘルツ波の偏光状態が第２の偏光状態である期間、及びテラヘルツ波が発生していない期間を簡便に形成できる。

テラヘルツ波の発生の有無の切替周期がテラヘルツ波の偏光状態の切替周期の倍となっていてもよい。これにより、テラヘルツ波の偏光状態が第１の偏光状態である期間、テラヘルツ波の偏光状態が第２の偏光状態である期間、及びテラヘルツ波が発生していない期間を簡便に形成できる。

テラヘルツ波の発生の有無の切替周期及びテラヘルツ波の偏光状態の切替周期の周期が互いに等しく且つ位相が１／４周期分ずれていてもよい。これにより、テラヘルツ波の偏光状態が第１の偏光状態である期間、テラヘルツ波の偏光状態が第２の偏光状態である期間、及びテラヘルツ波が発生していない期間を簡便に形成できる。

テラヘルツ波の発生の有無の切替周期のデューティ比がテラヘルツ波の偏光状態の切替周期のデューティ比の倍となっていてもよい。これにより、テラヘルツ波の偏光状態が第１の偏光状態である期間、テラヘルツ波の偏光状態が第２の偏光状態である期間、及びテラヘルツ波が発生していない期間を簡便に形成できる。

入力切替部に対してポンプ光を集光する光学素子を更に備えていてもよい。この場合、第１の解析信号及び第２の解析信号の波形を急峻化することが可能となり、被測定物の光学パラメータの測定精度を高めることができる。

入力切替部は、光チョッパであってもよい。この場合、簡単な構成で入力切替部を実現できる。

偏光切替部は、ポッケルスセルであってもよい。この場合、簡単な構成で偏光切替部を実現できる。

また、本開示の一側面に係る光学解析装置は、上記光学解析モジュールと、光検出部における検出結果に基づいて、第１の偏光状態におけるテラヘルツ波の第１の電場ベクトルと、第２の偏光状態におけるテラヘルツ波の第２の電場ベクトルとを検出する電場ベクトル計測部と、第１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に基づいて被測定物の光学パラメータを解析する光学パラメータ解析部と、を備える。

この光学解析装置では、入力切替部によってテラヘルツ波の発生の有無を周期的に切り替え、テラヘルツ波が発生していない期間の値の正負が反転するように第１の参照信号及び第２の参照信号を生成する。光検出部からの解析信号は、テラヘルツ波が発生している期間及びテラヘルツ波が発生していない期間のいずれにおいても、偏光状態の揺らぎやポインティングのずれ等に起因するプローブ光の経時的な変化や、感度のドリフトに起因する光検出器の出力の経時的な変化の影響を受け得る。しかしながら、この解析信号による出力は、参照信号を掛け合わせた検出信号の一定期間の和となるため、第１の参照信号及び第２の参照信号の正負がテラヘルツ波の発生の有無により反転することで、プローブ光の偏光状態の経時的な揺らぎ等に基づく信号成分を相殺することができる。したがって、この光学解析装置では、プローブ光の偏光状態の経時的な揺らぎ等の影響を回避でき、被測定物の光学パラメータを簡便かつ高精度に計測することができる。

本開示によれば、プローブ光の偏光状態の経時的な揺らぎ等の影響を回避でき、被測定物の光学パラメータを簡便かつ高精度に計測することができる。

光学解析モジュールを用いて構成された光学解析装置の一例を示す概略図である。 テラヘルツ波発生部の構成の一例を示す概略図である。 テラヘルツ波の電場ベクトルを示す図である。 電場ベクトル計測部の構成を示す概略図である。 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。 第２の偏光状態のテラヘルツ波Ｔ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。 第１の解析データ及び第２の解析データの重ね合わせを示すグラフである。 テラヘルツ波に含まれる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。 光学解析装置における理想的な信号処理を示す図である。 光学解析装置における現実的な信号処理を示す図である。 光学解析装置における信号処理の第１実施形態を示す図である。 光学解析装置における信号処理の第２実施形態を示す図である。 光学解析装置における信号処理の第３実施形態を示す図である。 光学解析装置における信号処理の第４実施形態を示す図である。 光チョッパの構成例を示す図である。 光学解析装置における信号処理の変形例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係る光学解析モジュール及び光学解析装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
［光学解析装置の構成］

図１は、光学解析モジュールを用いて構成された光学解析装置の一例を示す概略図である。光学解析装置１は、被測定物Ｓの光学パラメータを解析する装置として構成されている。被測定物Ｓは、例えば複屈折材料等の光学的な異方性を有する物質であり、解析対象となる光学パラメータとしては、例えば被測定物Ｓの光学軸の方位角、屈折率、吸光係数、誘電率等が挙げられる。

光学解析装置１は、図１に示すように、光源２と、テラヘルツ波発生モジュール１０と、テラヘルツ波検出部３０と、第１の光検出部３４Ａと、第２の光検出部３４Ｂと、信号生成部１７と、電場ベクトル計測部４０と、光学パラメータ解析部５０とを含んで構成されている。電場ベクトル計測部４０には、差分検出部４１が含まれている（図４参照）。光学解析モジュール２０は、これらの構成のうち、テラヘルツ波発生モジュール１０と、テラヘルツ波検出部３０と、第１の光検出部３４Ａと、第２の光検出部３４Ｂと、信号生成部１７と、差分検出部４１とによって構成されている。

光源２は、レーザ光Ｌを出力する装置である。本実施形態では、光源２は、フェムト秒レーザ光源であり、例えば波長８００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ、平均出力５００ｍＷのレーザ光Ｌを出力する。光源２から出力されたレーザ光Ｌは、ビームスプリッタ３によってポンプ光Ｌａとプローブ光Ｌｂとに分岐される。

ビームスプリッタ３によって分岐したポンプ光Ｌａの光路上には、遅延ステージ６と、ミラー８とが配置されている。遅延ステージ６は、ビームスプリッタ３で分岐したポンプ光Ｌａの光軸方向に往復動可能なステージ６ａと、ポンプ光Ｌａを折り返す一対のミラー６ｂ，６ｃとを有している。ポンプ光Ｌａは、遅延ステージ６によってプローブ光Ｌｂに対する所定の遅延を与えられ、ミラー８によってテラヘルツ波発生モジュール１０に導光される。本実施形態では、テラヘルツ波発生モジュール１０に入射するポンプ光Ｌａの偏光状態は、水平方向を基準偏光方向（０°）とする直線偏光となっている。

図２は、テラヘルツ波発生モジュール１０の構成の一例を示す概略図である。同図に示すように、テラヘルツ波発生モジュール１０は、光チョッパ（入力切替部）１１と、λ／２波長板１２と、ポッケルスセル（偏光切替部）１３と、λ／４波長板１４と、テラヘルツ波発生部１５と、テラヘルツ波長板１６とによって構成されている。

光チョッパ１１は、テラヘルツ波発生部１５に向かうポンプ光Ｌａのオン／オフを周期的に切り替える部材である。光チョッパ１１は、光を遮蔽するリブが所定の位相角をもって中心から放射状に設けられた円板状の部材である（図１５参照）。光チョッパ１１の回転によってポンプ光Ｌａのオン／オフが周期的に切り替えられることにより、テラヘルツ波発生部１５におけるテラヘルツ波Ｔの発生の有無が周期的に切り替えられる。光チョッパ１１の回転駆動は、信号生成部１７で生成される第１の周波数信号Ｆ１によって制御される。

また、本実施形態では、光チョッパ１１の前後に集光レンズ（光学素子）１８及びコリメートレンズ１９が配置されている。これにより、ポンプ光Ｌａは、集光レンズ１８によって光チョッパ１１の位置に集光され、光チョッパ１１を通過した後にコリメートレンズ１９によって平行光化される。平行光化されたポンプ光Ｌａは、λ／２波長板１２を経てポッケルスセル１３に入射する。

ポッケルスセル１３は、電気光学効果によってポンプ光Ｌａの偏光状態を制御する素子である。ポッケルスセル１３には、セルドライバ（不図示）が電気的に接続されており、セルドライバからの印加電圧に応じてポンプ光Ｌａの偏光状態が制御される。ポッケルスセル１３の結晶軸の方向は、ポンプ光Ｌａの基準偏光方向と一致している。ポッケルスセル１３は、セルドライバから電圧が印加されている期間ではλ／４波長板として機能する。

一方、ポッケルスセル１３は、セルドライバから電圧が印加されていない期間ではλ／４波長板として機能せず、入射したポンプ光Ｌａの偏光状態を維持する。これにより、テラヘルツ波発生モジュール１０から出力されるテラヘルツ波Ｔの偏光状態が第１の偏光状態と第２の偏光状態との間で周期的に切り替えられる。セルドライバの駆動は、信号生成部１７で生成される第２の周波数信号Ｆ２によって制御される。

テラヘルツ波発生部１５は、ポンプ光Ｌａの入射によってテラヘルツ波Ｔを発生させる部分である。テラヘルツ波発生部１５は、例えば光学的等方媒質であるＺｎＴｅの（１１１）面を切り出した非線形光学結晶によって構成されている。当該結晶から発生するテラヘルツ波Ｔのパルス幅は、一般的には数ｐｓ程度であり、０．１ＴＨｚ～３ＴＨｚ程度の帯域の周波数成分を含んでいる。

非線形光学結晶の結晶軸と入射したポンプ光Ｌａの偏光方向とが一致する場合には、テラヘルツ波発生部１５で発生するテラヘルツ波Ｔの偏光方向は、入射したポンプ光Ｌａの偏光方向と一致する。一方、非線形光学結晶の結晶軸と入射したポンプ光Ｌａの偏光方向とがθだけずれている場合には、テラヘルツ波発生部１５で発生するテラヘルツ波Ｔの偏光方向の角度は、入射したポンプ光Ｌａの偏光方向に対して－２θだけ傾く。

以上のような構成を有するテラヘルツ波発生モジュール１０では、０°の直線偏光であるポンプ光Ｌａがλ／２波長板１２によって４５°の直線偏光に変換され、ポッケルスセル１３によって左回りの円偏光又は４５°の直線偏光に周期的に変換される。λ／４波長板１４は、ポンプ光Ｌａの偏光状態が左回りの円偏光である場合には、０°の直線偏光に変換し、４５°の直線偏光である場合には、偏光状態を維持する。

テラヘルツ波発生部１５では、０°の直線偏光のポンプ光Ｌａが入射した場合には、０°の直線偏光のテラヘルツ波Ｔが発生し、４５°の直線偏光のポンプ光Ｌａが入射した場合には、－９０°の直線偏光のテラヘルツ波Ｔが発生する。テラヘルツ波長板１６は、テラヘルツ波Ｔに対して適用可能なλ／４波長板であり、テラヘルツ波Ｔの偏光状態が０°の直線偏光である場合には、右回りの円偏光（第１の偏光状態）に変換し、－９０°の直線偏光である場合には、左回りの円偏光（第２の偏光状態）に変換する。

図１に戻り、テラヘルツ波発生モジュール１０から出力されるテラヘルツ波Ｔの光路上には、被測定物Ｓが配置される配置部２１と、テラヘルツ波検出部３０とが配置されている。配置部２１は、ホルダ等によって構成され、例えば被測定物Ｓの厚さ方向がテラヘルツ波Ｔの伝播方向に一致するように被測定物Ｓを保持する。

テラヘルツ波検出部３０は、テラヘルツ波Ｔを検出する部分である。テラヘルツ波検出部３０は、テラヘルツ波発生部１５と同様に、光学的等方媒質であるＺｎＴｅの（１１１）面を切り出した非線形光学結晶によって構成されている。テラヘルツ波検出部３０の一方面は、テラヘルツ波Ｔが入射する入射面となっている。当該一方面には、テラヘルツ波Ｔを透過し、かつプローブ光Ｌｂを反射する反射コーティングが施されている。また、テラヘルツ波検出部３０の他方面は、プローブ光Ｌｂが入射する入射面となっている。当該他方面には、プローブ光Ｌｂ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３は、テラヘルツ波検出部におけるテラヘルツ波Ｔ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。

ビームスプリッタ３によって分岐したプローブ光Ｌｂの光路上には、ミラー９と、偏光調整部３２とが配置されている。偏光調整部３２は、例えば偏光子３６と、λ／４波長板３７とによって構成されている。ミラー９を経て偏光調整部３２に導光されたプローブ光Ｌｂ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によって円偏光に変換される。

偏光調整部３２を経たプローブ光Ｌｂ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分岐される。無偏光ビームスプリッタ３８で分岐した一方のプローブ光Ｌｂは、テラヘルツ波検出部３０に入射し、テラヘルツ波Ｔをプローブする。テラヘルツ波Ｔをプローブした後、プローブ光Ｌｂは、無偏光ビームスプリッタ３８を通過し、回転検光子３９に入射する。回転検光子３９は、モータ等により検光子が面内で回転する素子である。回転検光子３９は、例えば２０Ｈｚ～１００Ｈｚ程度の所定の周波数で検光子を回転させ、入射するプローブ光Ｌｂを変調する。回転検光子３９からは、プローブ光Ｌｂの内の特定の直線偏光成分のみが出力し、第１の光検出部３４Ａに入射する。

なお、無偏光ビームスプリッタ３８で生じる戻り光は、λ／４波長板３７によって直線偏光に近い楕円偏光となり、その大部分は偏光子３６でカットされる。また、無偏光ビームスプリッタ３８で分岐した他方のプローブ光Ｌｂは、テラヘルツ波検出部３０を経由せずに第２の光検出部３４Ｂに入射する。

第１の光検出部３４Ａ及び第２の光検出部３４Ｂは、例えばフォトダイオードによって構成されている。第１の光検出部３４Ａは、テラヘルツ波検出部３０においてテラヘルツ波Ｔをプローブしたプローブ光Ｌｂを検出し、検出結果に基づく第１の解析信号Ｄ１を電場ベクトル計測部４０に出力する。第１の解析信号Ｄ１には、プローブ光Ｌｂの強度に基づく信号、第１の偏光状態のテラヘルツ波Ｔの強度に基づく信号、第２の偏光状態のテラヘルツ波Ｔの強度に基づく信号が含まれる。

第２の光検出部３４Ｂは、プローブ光Ｌｂのパワー変動のモニタリングに用いられる検出部であり、テラヘルツ波検出部３０に向かわないプローブ光Ｌｂを検出し、検出結果に基づく第２の解析信号Ｄ２を電場ベクトル計測部４０に出力する。第２の解析信号Ｄ２には、プローブ光Ｌｂの強度に基づく信号のみが含まれる。

信号生成部１７は、テラヘルツ波発生モジュール１０で用いられる周波数信号、及び電場ベクトル計測部４０で用いられる参照信号を生成する部分である。具体的には、信号生成部１７は、光チョッパ１１に出力する第１の周波数信号Ｆ１と、ポッケルスセル１３のドライバに出力する第２の周波数信号Ｆ２とを生成する。また、信号生成部１７は、第１のロックイン検出部４５Ａに出力する第１の参照信号Ｒ１と、第１のロックイン検出部４５Ｂに出力する第２の参照信号Ｒ２とを生成する。これらの信号の詳細は後述する。

電場ベクトル計測部４０は、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを計測する部分である。電場ベクトル計測部４０は、図４に示すように、差分検出部４１と、前段の第１のロックイン検出部４５Ａ，４５Ｂと、後段の第２のロックイン検出部４６Ａ，４６Ｂと、信号処理部４７とを備えている。

差分検出部４１は、第１の光検出部３４Ａから出力される第１の解析信号Ｄ１と、第２の光検出部３４Ｂから出力される第２の解析信号Ｄ２との差分を検出する部分である。差分検出部４１は、第１の解析信号Ｄ１と第２の解析信号Ｄ２との差分に基づく差分信号Ｅを第１のロックイン検出部４５Ａ，４５Ｂにそれぞれ出力する。差分検出を行うことにより、プローブ光Ｌｂの強度変動成分が除去される。差分検出を行うにあたっては、テラヘルツ波Ｔが入射しない状態で差分検出部４１の差分信号Ｅの強度がゼロとなるように、第１の光検出部３４Ａ及び第２の光検出部３４Ｂの感度調整がなされていることが好ましい。

第１のロックイン検出部４５Ａ，４５Ｂは、差分信号Ｅに対する前段のロックイン検出を行う部分である。第１のロックイン検出部４５Ａは、信号生成部１７で生成される第１の参照信号Ｒ１を参照し、差分信号Ｅに含まれる信号のうち、第１の偏光状態のテラヘルツ波Ｔの強度に基づく信号のみをロックイン検出し、検出結果に基づく第１の検出信号Ｋ１を第２のロックイン検出部４６Ａに出力する。第１のロックイン検出部４５Ｂは、信号生成部１７で生成される第２の参照信号Ｒ２を参照し、差分信号Ｅに含まれる信号のうち、第２の偏光状態のテラヘルツ波Ｔの強度に基づく信号のみをロックイン検出し、検出結果に基づく第２の検出信号Ｋ２を第２のロックイン検出部４６Ｂに出力する。

第２のロックイン検出部４６Ａ，４６Ｂは、差分信号Ｅに対する後段のロックイン検出を行う部分である。第２のロックイン検出部４６Ａ，４６Ｂは、例えば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信号の振幅と位相とを同時に検出する機能を有している。第２のロックイン検出部４６Ａは、回転検光子３９の回転周波数の２倍の周波数を参照信号とし、第１のロックイン検出部４５Ａから出力される第１の検出信号Ｋ１をロックイン検出する。第２のロックイン検出部４６Ａは、ロックイン検出後の第１の検出信号Ｋ１を信号処理部４７に出力する。また、第２のロックイン検出部４６Ｂは、回転検光子３９の回転周波数の２倍の周波数を参照信号とし、第２のロックイン検出部４６Ｂから出力される第２の検出信号Ｋ２をロックイン検出する。第２のロックイン検出部４６Ｂは、ロックイン検出後の第２の検出信号Ｋ２を信号処理部４７に出力する。

なお、第１のロックイン検出部４５Ａ，４５Ｂ、及び、第２のロックイン検出部４６Ａ，４６Ｂは、独立したロックイン検出器によって構成されていてもよいが、例えばＦＰＧＡ（field-programmable gate array）により構成されてもよく、コンピュータ上のソフトウェアとしてプログラムにより構成されてもよい。

信号処理部４７は、第２のロックイン検出部４６Ａからの第１の検出信号Ｋ１及び第２のロックイン検出部４６Ｂからの第２の検出信号Ｋ２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。信号処理部４７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。信号処理部４７における電場ベクトルの検出方法について、以下に説明する。

検出信号Ｋ１，Ｋ２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、テラヘルツ波検出部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Ｌｂの波長などに基づいて決定される定数である。テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルは、下記式を用いることにより、第２のロックイン検出部４６Ａ，４６Ｂからの検出結果に基づいて一意に決定できる。

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、検出信号に含まれる振幅Ａ_Ｌがそのままテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅｜Ｅ_Ｔ｜と見做される。

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、第２のロックイン検出部４６Ａ，４６Ｂからの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５０は、検出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５０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５０は、電場ベクトル計測部４０と同一のコンピュータシステムによって構成されていてもよい。光学パラメータ解析部５０は、光学パラメータの解析を電場ベクトルの検出に後続して実行してもよく、検出された電場ベクトルのデータをメモリ等に一旦保存し、任意のタイミングで実行してもよい。

光学パラメータ解析部５０は、第１の偏光状態におけるテラヘルツ波Ｔの第１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、光学パラメータ解析部５０は、第２の偏光状態におけるテラヘルツ波Ｔの第２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、光学パラメータ解析部５０は、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Ｓの光学パラメータを決定する。

上述したとおり、電場ベクトル計測部４０では、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルにおいて互いに直交する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Ｅは、以下の式によって表される。

光学パラメータ解析部５０は、以下の式に示すように、電場ベクトルＥに回転行列を乗ずることにより、元の基準軸から任意の解析角度θだけ傾斜し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°の範囲で設定されており、当該範囲内において任意の角度刻みで電場ベクトルＥ’を取得する。電場ベクトルＥ’では、信号Ｅ_Ｔｘの軸から角度θだけ傾斜した軸における電場ベクトルＥの成分をＥ_Ｔｘ’として取得し、信号Ｅ_Ｔｙの軸から角度θだけ傾斜した軸における電場ベクトルＥの成分をＥ_Ｔｙ’として取得する。

次に、光学パラメータ解析部５０は、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、被測定物Ｓに対する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。透過計測では、配置部２１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し、配置部２１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する。

例えば屈折率実部を求める場合、リファレンス計測結果及びサンプル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、及び被測定物Ｓ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を取得する。解析データは、第１の偏光状態におけるテラヘルツ波Ｔ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Ｔに基づく第２の解析データとを含む。なお、被測定物Ｓについて、直交する二軸（遅相軸及び進相軸）の差（例えば屈折率差）のみを取得したい場合には、リファレンス計測は不要である。この場合、サンプル計測のみを実行すればよい。

図５及び図６は、光学パラメータ解析部での解析データの一例を示す図である。この例では、電場ベクトル計測部４０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５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。また、図６は、第２の偏光状態のテラヘルツ波Ｔ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。具体的には、図５は、右回りの円偏光のテラヘルツ波Ｔによる解析データであり、図６は、左回りの円偏光のテラヘルツ波Ｔによる解析データである。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７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７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５０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を特定し、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５０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°をそれぞれ導出する。また、光学パラメータ解析部５０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とを導出する。

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５０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５０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８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５０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できる。
［信号処理の第１実施形態］

続いて、上述した光学解析装置１における信号処理について更に詳細に説明する。

図９は、光学解析装置１における理想的な信号処理を示す図である。図９（ａ）には、第１の光検出部３４Ａでの第１の解析信号Ｄ１及び第２の光検出部３４Ｂでの第２の解析信号Ｄ２を示す。第１の解析信号Ｄ１には、テラへルツ波Ｔのプローブ結果が含まれるため、右回りの円偏光のテラヘルツ波Ｔによる信号成分Ｓ_Ａと、左回りの円偏光のテラヘルツ波Ｔによる信号成分Ｓ_Ｂとが交互に出現する。また、第２の解析信号Ｄ２には、テラヘルツ波Ｔでのプローブ結果が含まれないため、プローブ光Ｌｂの強度に基づく信号成分Ｓ_０のみが含まれる。信号成分Ｓ_Ａから信号成分Ｓ_０を差分した値Ａ、及び信号成分Ｓ_Ｂから信号成分Ｓ_０を差分した値Ｂが電場ベクトル計測部４０で用いられるべき理想的な信号成分である。

図９（ｂ）には、第１の解析信号Ｄ１と第２の解析信号Ｄ２との差分信号Ｅを示す。差分信号Ｅには、信号成分Ｓ_Ａから信号成分Ｓ_０を差分した信号成分と、信号成分Ｓ_Ｂから信号成分Ｓ_０を差分した信号成分とが交互に出現する。図９（ｃ）には、ロックイン検出に用いる第１の参照信号Ｒ１及び第２の参照信号Ｒ２を示す。第１の参照信号Ｒ１と第２の参照信号Ｒ２とは、１と０とが同周期で互いに反転する信号となっている。図９（ｄ）には、ロックイン検出後の第１の検出信号Ｋ１及び第２の検出信号Ｋ２を示す。第１の参照信号Ｒ１によって差分信号Ｅのロックイン検出を行うことで、第１の検出信号Ｋ１には、信号成分Ｓ_Ａから信号成分Ｓ_０を差分した値Ａが周期的に出現する。また、第２の参照信号Ｒ２によって差分信号Ｅのロックイン検出を行うことで、第２の検出信号Ｋ２には、信号成分Ｓ_Ｂから信号成分Ｓ_０を差分した値Ｂが周期的に出現する。

一方、図１０は、光学解析装置１における現実的な信号処理を示す図である。光学解析装置１においては、偏光状態の揺らぎやポインティングのずれ等に起因するプローブ光Ｌｂの経時的な変化や、感度のドリフトに起因する第１の光検出部３４Ａ及び第２の光検出部３４Ｂの出力の経時的な変化（以下、「プローブ光Ｌｂの偏光状態の経時的な変化等」と称す）に起因し、図１０（ａ）に示すように、プローブ光Ｌｂの強度に基づく信号成分Ｓ_０が経時的に信号成分Ｓ_ｃに変動してしまうことが考えられる。信号成分Ｓ_０に対する信号成分Ｓ_ｃの変動値をＣとすると、図１０（ｂ）に示す差分信号Ｅには、信号成分Ｓ_Ａに信号成分Ｓ_０の変動値Ｃを加味した信号成分Ｓ_Ａ’と、信号成分Ｓ_Ｂに信号成分Ｓ_０の変動値Ｃを加味した信号成分Ｓ_Ｂ’とが交互に出現する。この差分信号Ｅに対して図１０（ｃ）に示す第１の参照信号Ｒ１及び第２の参照信号Ｒ２（いずれも図９（ｃ）と同一）を用いてロックイン検出した場合、レーザ光Ｌの強度の揺らぎに起因する信号成分はキャンセルされ得るが、プローブ光Ｌｂの偏光状態の経時的な変化等に起因する信号成分はキャンセルされない。このため、図１０（ｄ）に示すように、第１の検出信号Ｋ１には、信号成分Ｓ_Ａから信号成分Ｓ_０を差分した値Ａに変動値Ｃを加味した信号成分Ｓ_Ａ’が周期的に出現し、第２の検出信号Ｋ２には、信号成分Ｓ_Ｂから信号成分Ｓ_０を差分した値Ｂに変動値Ｃを加味した信号成分Ｓ_Ｂ’が周期的に出現することとなる。

これに対し、光学解析装置１では、信号生成部１７において、第１の周波数信号Ｆ１、第２の周波数信号Ｆ２、第１の参照信号Ｒ１、及び第２の参照信号Ｒ２を以下のように生成する。図１１は、光学解析装置１における信号処理の第１実施形態を示す図である。図１１（ａ）には、第１の周波数信号Ｆ１によるテラヘルツ波Ｔの発生の有無の切替周期と、第２の周波数信号Ｆ２によるテラヘルツ波Ｔの偏光状態の切替周期とを示す。

第１の周波数信号Ｆ１に基づいて駆動する光チョッパ１１がポンプ光Ｌａを通過させる場合には、ポンプ光Ｌａによってテラヘルツ波Ｔが発生し、光チョッパ１１でポンプ光Ｌａが遮断される場合には、テラヘルツ波Ｔは発生しない。第２の周波数信号Ｆ２がオンである場合には、偏光状態が右回りの円偏光であるテラヘルツ波Ｔが発生し、第２の周波数信号Ｆ２がオフである場合には、偏光状態が左回りの円偏光であるテラヘルツ波Ｔが発生する。

本実施形態では、テラヘルツ波Ｔの発生の有無の切替周期がテラヘルツ波Ｔの偏光状態の切替周期の半分となっている。このため、差分検出部４１から出力される差分信号Ｅの１周期内には、図１１（ｂ）に示すように、長さが互いに等しいＴ１～Ｔ４の４つの期間が存在する。期間Ｔ１は、テラヘルツ波Ｔの偏光状態が第１の偏光状態である期間であり、期間Ｔ２は、テラヘルツ波Ｔが発生しない期間である。また、期間Ｔ３は、テラヘルツ波Ｔの偏光状態が第２の偏光状態である期間であり、期間Ｔ４は、テラヘルツ波Ｔが発生しない期間である。差分信号Ｅにおいては、プローブ光Ｌｂの強度に基づく信号成分は、相殺される。したがって、期間Ｔ１には、信号成分Ｓ_Ａに信号成分Ｓ_Ｃを加味した信号成分が出現し、期間Ｔ３には、信号成分Ｓ_Ｂに信号成分Ｓ_Ｃを加味した信号成分が出現する。また、期間Ｔ２，Ｔ４には、信号成分Ｓ_Ｃに起因する信号成分のみが出現する。

図１１（ｃ）には、第１の参照信号Ｒ１及び第２の参照信号Ｒ２を示す。第１の参照信号Ｒ１は、テラヘルツ波Ｔの偏光状態が第１の偏光状態である期間Ｔ１に１（正の値）となり、テラヘルツ波が発生していない期間Ｔ２に－１（負の値）となる。また、第１の参照信号Ｒ１は、テラヘルツ波Ｔの偏光状態が第２の偏光状態である期間Ｔ３及びテラヘルツ波Ｔが発生しない期間Ｔ４に０となる。一方、第２の参照信号Ｒ２は、テラヘルツ波Ｔの偏光状態が第１の偏光状態である期間Ｔ１及びテラヘルツ波が発生していない期間Ｔ２に０となる。また、第２の参照信号Ｒ２は、テラヘルツ波Ｔの偏光状態が第２の偏光状態である期間Ｔ３に１（正の値）となり、テラヘルツ波Ｔが発生しない期間Ｔ４に－１（負の値）となる。

図１１（ｄ）には、第１の検出信号Ｋ１及び第２の検出信号Ｋ２を示す。第１の参照信号Ｒ１を用いてロックイン検出を行った結果、第１の検出信号Ｋ１において、期間Ｔ１には、信号成分Ｓ_Ａに信号成分Ｓ_Ｃを加味した信号成分が出現し、期間Ｔ２には、信号成分Ｓ_Ｃに－１を乗じた信号成分－Ｓ_Ｃが出現する。第１の検出信号Ｋ１の最終的な出力は一定期間の和となる。このため、信号処理部４７に出力される信号では、長さが互いに等しい期間Ｔ１と期間Ｔ２において、期間Ｔ１における信号成分Ｓ_Ｃと、期間Ｔ２における信号成分－Ｓ_Ｃとが相殺される。

信号成分Ｓ_Ｃ及び信号成分－Ｓ_Ｃは、いずれもプローブ光Ｌｂの偏光状態の経時的な変化等による変動値Ｃに基づく信号成分であるが、一般には第１の参照信号Ｒ１及び第２の参照信号Ｒ２の周波数（ロックイン周波数）がプローブ光Ｌｂの偏光状態の経時的な変化等に対して十分に大きいため、信号成分Ｓ_Ｃ及び信号成分－Ｓ_Ｃに含まれる変動値Ｃは互いに等しいと見做すことができる。したがって、信号成分Ｓ_Ｃと信号成分－Ｓ_Ｃとの相殺において、プローブ光Ｌｂの偏光状態の経時的な変化等による変動値Ｃを相殺することができる。

第２の検出信号Ｋ２においても同様である。第２の検出信号Ｋ２において期間Ｔ３には、信号成分Ｓ_Ｂに信号成分Ｓ_Ｃを加味した信号成分が出現し、期間Ｔ４には、信号成分Ｓ_Ｃに－１を乗じた信号成分－Ｓ_Ｃが出現する。第２の検出信号Ｋ２の最終的な出力は一定期間の和となる。このため、信号処理部４７に出力される信号では、長さが互いに等しい期間Ｔ３と期間Ｔ４において、期間Ｔ３における信号成分Ｓ_Ｃと、期間Ｔ４における信号成分－Ｓ_Ｃとが相殺される。

以上説明したように、光学解析装置１では、第１の参照信号Ｒ１及び第２の参照信号Ｒ２の正負がテラヘルツ波Ｔの発生の有無により反転することで、プローブ光Ｌｂの偏光状態の経時的な変化等に基づく信号成分を相殺することができる。したがって、光学解析装置１では、プローブ光Ｌｂの偏光状態の経時的な変化等の影響を回避でき、被測定物Ｓの光学パラメータを簡便かつ高精度に計測することができる。

また、光学解析装置１では、テラヘルツ波検出部３０においてテラヘルツ波Ｔで変調されたプローブ光Ｌｂを検出して第１の解析信号Ｄ１を出力する第１の光検出部３４Ａと、テラヘルツ波検出部３０を経由しないプローブ光Ｌｂを検出して第２の解析信号Ｄ２を出力する第２の光検出部３４Ｂと、第１の解析信号Ｄ１と第２の解析信号Ｄ２との差分を検出する差分検出部４１とが設けられている。第１の解析信号Ｄ１と第２の解析信号Ｄ２との差分検出により、プローブ光Ｌｂの強度の経時的な揺らぎに基づく信号成分を相殺することができる。したがって、被測定物Ｓの光学パラメータの計測精度を更に高めることができる。

また、光学解析装置１では、第１の参照信号Ｒ１は、テラヘルツ波Ｔの偏光状態が第２の偏光状態である期間に０となり、第２の参照信号Ｒ２は、テラヘルツ波Ｔの偏光状態が第１の偏光状態である期間に０となる。これにより、テラヘルツ波Ｔの偏光状態が第１の偏光状態である期間Ｔ１の出力信号と、テラヘルツ波Ｔの偏光状態が第２の偏光状態である期間Ｔ３の出力信号と切り分けて得ることができる。

また、光学解析装置１では、テラヘルツ波Ｔの発生の有無の切替周期がテラヘルツ波Ｔの偏光状態の切替周期の半分となっている。これにより、テラヘルツ波Ｔの偏光状態が第１の偏光状態である期間Ｔ１、テラヘルツ波Ｔの偏光状態が第２の偏光状態である期間Ｔ３、及びテラヘルツ波が発生していない期間Ｔ２，Ｔ４を簡便に形成できる。

また、光学解析装置１では、光チョッパ１１に対してポンプ光Ｌａを集光する集光レンズ１８が設けられている。これにより、第１の解析信号Ｄ１及び第２の解析信号Ｄ２の波形を急峻化することが可能となり、被測定物Ｓの光学パラメータの測定精度を高めることができる。さらに、光学解析装置１では、入力切替部が光チョッパ１１で構成されることにより、簡単な構成で入力切替部を実現でき、偏光切替部がポッケルスセル１３で構成されることにより、簡単な構成で偏光切替部を実現できる。
［信号処理の第２実施形態］

図１２は、光学解析装置１における信号処理の第２実施形態を示す図である。この実施形態は、図１２（ａ）に示すように、テラヘルツ波Ｔの発生の有無の切替周期がテラヘルツ波Ｔの偏光状態の切替周期となっている点で、上記第１実施形態と相違している。

差分信号Ｅは、図１２（ｂ）に示すように、テラヘルツ波Ｔの偏光状態が第１の偏光状態である期間Ｔ１、テラヘルツ波Ｔの偏光状態が第２の偏光状態である期間Ｔ２、テラヘルツ波Ｔが発生しない期間Ｔ３、同じくテラヘルツ波Ｔが発生しない期間Ｔ４を有している。第１の参照信号Ｒ１は、図１２（ｃ）に示すように、期間Ｔ１に１（正の値）となり、期間Ｔ２に０となる。また、第１の参照信号Ｒ１は、期間Ｔ３に－１（負の値）となり、期間Ｔ４に０となる。第２の参照信号Ｒ２は、期間Ｔ１に０となり、期間Ｔ２に１（正の値）となる。また、第２の参照信号は、期間Ｔ３に０となり、期間Ｔ４に－１（負の値）となる。

第１の検出信号Ｋ１では、図１２（ｄ）に示すように、期間Ｔ１において信号成分Ｓ_Ａに信号成分Ｓ_Ｃを加味した信号成分が出現し、期間Ｔ３において信号成分Ｓ_Ｃに－１を乗じた信号成分－Ｓ_Ｃが出現する。また、第２の検出信号Ｋ２では、期間Ｔ２において信号成分Ｓ_Ｂに信号成分Ｓ_Ｃを加味した信号成分が出現し、期間Ｔ４において信号成分Ｓ_Ｃに－１を乗じた信号成分－Ｓ_Ｃが出現する。

このような形態においても、第１実施形態と同様、第１の参照信号Ｒ１及び第２の参照信号Ｒ２の正負がテラヘルツ波Ｔの発生の有無により反転することで、プローブ光Ｌｂの偏光状態の経時的な変化等に基づく信号成分を相殺することができる。したがって、プローブ光Ｌｂの偏光状態の経時的な変化等の影響を回避でき、被測定物Ｓの光学パラメータを簡便かつ高精度に計測することができる。
［信号処理の第３実施形態］

図１３は、光学解析装置１における信号処理の第３実施形態を示す図である。この実施形態は、図１３（ａ）に示すように、テラヘルツ波Ｔの発生の有無の切替周期及びテラヘルツ波Ｔの偏光状態の切替周期が互いに等しく且つ位相が１／４周期分ずれている点で、上記第１実施形態と相違している。

差分信号Ｅは、図１３（ｂ）に示すように、テラヘルツ波Ｔの偏光状態が第１の偏光状態である期間Ｔ１、テラヘルツ波Ｔが発生しない期間Ｔ２、同じくテラヘルツ波Ｔが発生しない期間Ｔ３、テラヘルツ波Ｔの偏光状態が第２の偏光状態である期間Ｔ４を有している。第１の参照信号Ｒ１は、図１３（ｃ）に示すように、期間Ｔ１に１（正の値）となり、期間Ｔ２に－１（負の値）となる。また、第１の参照信号Ｒ１は、期間Ｔ３及び期間Ｔ４に０となる。第２の参照信号Ｒ２は、期間Ｔ１，Ｔ２に０となる。また、第２の参照信号Ｒ２は、期間Ｔ３に－１（負の値）となり、期間Ｔ４に１（正の値）となる。

第１の検出信号Ｋ１では、図１３（ｄ）に示すように、期間Ｔ１において信号成分Ｓ_Ａに信号成分Ｓ_Ｃを加味した信号成分が出現し、期間Ｔ２において信号成分Ｓ_Ｃに－１を乗じた信号成分－Ｓ_Ｃが出現する。また、第２の検出信号Ｋ２では、期間Ｔ３において信号成分Ｓ_Ｃに－１を乗じた信号成分－Ｓ_Ｃが出現し、期間Ｔ４において信号成分Ｓ_Ｂに信号成分Ｓ_Ｃを加味した信号成分が出現する。

このような形態においても、第１実施形態と同様、第１の参照信号Ｒ１及び第２の参照信号Ｒ２の正負がテラヘルツ波Ｔの発生の有無により反転することで、プローブ光Ｌｂの偏光状態の経時的な変化等に基づく信号成分を相殺することができる。したがって、プローブ光Ｌｂの偏光状態の経時的な変化等の影響を回避でき、被測定物Ｓの光学パラメータを簡便かつ高精度に計測することができる。
［信号処理の第４実施形態］

図１４は、光学解析装置１における信号処理の第４実施形態を示す図である。この実施形態は、図１４（ａ）に示すように、テラヘルツ波Ｔの発生の有無の切替周期のデューティ比がテラヘルツ波Ｔの偏光状態の切替周期のデューティ比の倍となっている点で、上記第１実施形態と相違している。同図の例では、テラヘルツ波Ｔの発生の有無の切替周期のデューティ比は約０．６６であり、テラヘルツ波Ｔの偏光状態の切替周期のデューティ比は約０．３３である。テラヘルツ波Ｔの発生の有無の切替周期のデューティ比とは、全期間におけるオンの期間の割合であり、テラヘルツ波Ｔの偏光状態の切替周期のデューティ比とは、全期間における第１の偏光状態の期間の割合である。

差分信号Ｅは、図１４（ｂ）に示すように、テラヘルツ波Ｔの偏光状態が第１の偏光状態である期間Ｔ１、テラヘルツ波Ｔの偏光状態が第２の偏光状態である期間Ｔ２、テラヘルツ波Ｔが発生しない期間Ｔ３を有している。第１の参照信号Ｒ１は、図１４（ｃ）に示すように、期間Ｔ１に１（正の値）となり、期間Ｔ２に０となり、期間Ｔ３に－１（負の値）となる。第２の参照信号Ｒ２は、期間Ｔ１に０となり、期間Ｔ２に１（正の値）となり、期間Ｔ３に－１（負の値）となる。

第１の検出信号Ｋ１では、図１４（ｄ）に示すように、期間Ｔ１において信号成分Ｓ_Ａに信号成分Ｓ_Ｃを加味した信号成分が出現し、期間Ｔ３において信号成分Ｓ_Ｃに－１を乗じた信号成分－Ｓ_Ｃが出現する。また、第２の検出信号Ｋ２では、期間Ｔ２において信号成分Ｓ_Ｂに信号成分Ｓ_Ｃを加味した信号成分が出現し、期間Ｔ３において信号成分Ｓ_Ｃに－１を乗じた信号成分－Ｓ_Ｃが出現する。

このような形態においても、第１実施形態と同様、第１の参照信号Ｒ１及び第２の参照信号Ｒ２の正負がテラヘルツ波Ｔの発生の有無により反転することで、プローブ光Ｌｂの偏光状態の経時的な変化等に基づく信号成分を相殺することができる。したがって、プローブ光Ｌｂの偏光状態の経時的な変化等の影響を回避でき、被測定物Ｓの光学パラメータを簡便かつ高精度に計測することができる。

なお、第１実施形態～第３実施形態のように、テラヘルツ波Ｔの発生の有無の切替周期のデューティ比が０．５である場合には、例えば図１５（ａ）に示すように、光チョッパ１１において、光を遮蔽するリブ５１の幅Ｗ１と、リブ５１，５１間の間隔Ｗ２とを等しくしておけばよい。一方、第４実施形態のように、テラヘルツ波Ｔの発生の有無の切替周期が０．６６である場合には、例えば図１５（ｂ）に示すように、光を遮蔽するリブ５１の幅Ｗ１に対し、リブ５１，５１間の間隔Ｗ２を２倍にすればよい。
［他の変形例］

本開示は、上記実施形態に限られるものではない。例えば光学解析装置１において、配置部２１が被測定物Ｓの位置をテラヘルツ波Ｔの進行方向に垂直な平面内に走査可能に構成されていてもよい。この場合、配置部２１の走査は、例えばＸＹステージなどによって構成され得る。例えばＸＹステージにおける被測定物Ｓの位置情報を光学パラメータ解析部５０に出力することにより、位置情報に基づいて被測定物Ｓの各位置における光学パラメータのマッピングが可能となる。

また、光学解析装置１において、例えばロックイン検出のダイナミックレンジが十分に大きい場合には、差分検出部４１による差分信号Ｅの検出は必ずしも実行しなくてもよい。この場合、例えば第２の光検出部３４Ｂ及び差分検出部４１の配置を省略し、第１の光検出部３４Ａからの解析信号を第１のロックイン検出部４５Ａ，４５Ｂに直接入力すればよい。

図１６は、当該構成における信号処理の変形例を示す図である。図１６（ａ）に示すテラヘルツ波Ｔの発生の有無の切替周期及びテラヘルツ波Ｔの偏光状態の切替周期は、図１１に示した第１実施形態と同じである。また、図１６（ｂ）に示す第１の参照信号Ｒ１及び第２の参照信号も、図１１に示した第１実施形態と同じである。第１の検出信号Ｋ１では、図１６（ｃ）に示すように、期間Ｔ１において信号成分Ｓ_Ａに信号成分Ｓ_０’を加味した信号成分が出現し、期間Ｔ３において信号成分Ｓ_０’に－１を乗じた信号成分－Ｓ_０’が出現する。また、第２の検出信号Ｋ２では、期間Ｔ２において信号成分Ｓ_Ｂに信号成分Ｓ_０’を加味した信号成分が出現し、期間Ｔ４において信号成分Ｓ_０’に－１を乗じた信号成分－Ｓ_０’が出現する。該構成では差分検出を行わないため、信号成分Ｓ_０’には、プローブ光Ｌｂの強度に基づく信号成分Ｓ_０と、プローブ光Ｌｂの偏光状態の経時的な変化等に起因する信号成分Ｓ_ｃとが含まれ得る。

このような形態においても、第１実施形態と同様、第１の参照信号Ｒ１及び第２の参照信号Ｒ２の正負がテラヘルツ波Ｔの発生の有無により反転することで、プローブ光Ｌｂの偏光状態の経時的な変化等に基づく信号成分をプローブ光Ｌｂの強度に基づく信号成分と共に相殺することができる。したがって、プローブ光Ｌｂの偏光状態の経時的な変化等の影響を回避でき、被測定物Ｓの光学パラメータを簡便かつ高精度に計測することができる。なお、差分検出部４１による差分信号Ｅの検出を行わない形態は、上記第２実施形態～第４実施形態に対して適用することも可能である。

上記実施形態においては、テラヘルツ波Ｔの偏光状態が第１の偏光状態或いは第２の偏光状態である期間に参照信号を１（正の値）とし、テラヘルツ波が発生していない期間に－１（負の値）としたが、これに限られるものではない。例えばテラヘルツ波Ｔの偏光状態が第１の偏光状態或いは第２の偏光状態である期間に参照信号を－１（負の値）とし、テラヘルツ波Ｔが発生していない期間に１（正の値）としてもよい。また、参照信号の正負の値は、互いに等しい絶対値であれば１に限られず任意の値を用いることができる。

１…光学解析装置、１０…テラヘルツ波発生モジュール、１１…光チョッパ（入力切替部）、１３…ポッケルスセル（偏光切替部）、１７…信号生成部、１８…集光レンズ（光学素子）、２０…光学解析モジュール、３０…テラヘルツ波検出部、３４Ａ…第１の光検出部（光検出部）、３４Ｂ…第２の光検出部（光検出部）、４０…電場ベクトル計測部、４１…差分検出部、５０…光学パラメータ解析部、Ｄ１…第１の解析信号、Ｄ２…第２の解析信号、Ｒ１…第１の参照信号、Ｒ２…第２の参照信号、Ｌａ…ポンプ光、Ｌｂ…プローブ光、Ｔ…テラヘルツ波。

Claims (11)

1. ポンプ光の入力によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生モジュールと、
   前記テラヘルツ波発生モジュールで発生した前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
   前記テラヘルツ波検出部において前記テラヘルツ波で変調されたプローブ光を検出して解析信号を出力する光検出部と、
   前記テラヘルツ波発生モジュールで用いられる周波数信号、及び前記解析信号からの信号抽出に用いられる参照信号を生成する信号生成部と、を備え、
   前記テラヘルツ波発生モジュールは、
   前記信号生成部からの第１の周波数信号に基づいて前記ポンプ光の入力のオン／オフを周期的に切り替えることにより、前記テラヘルツ波の発生の有無を周期的に切り替える入力切替部と、
   前記信号生成部からの第２の周波数信号に基づいて前記テラヘルツ波の偏光状態を第１の偏光状態と第２の偏光状態との間で周期的に切り替える偏光切替部と、を含み、
   前記信号生成部は、
   前記テラヘルツ波の偏光状態が第１の偏光状態である期間に正又は負の所定値となり、前記テラヘルツ波が発生していない期間に正負が反転する第１の参照信号と、
   前記テラヘルツ波の偏光状態が第２の偏光状態である期間に前記所定値となり、前記テラヘルツ波が発生していない期間に正負が反転する第２の参照信号と、を生成する光学解析モジュール。
2. 前記光検出部は、前記テラヘルツ波検出部において前記テラヘルツ波で変調されたプローブ光を検出して第１の解析信号を出力する第１の光検出部と、前記テラヘルツ波検出部を経由しないプローブ光を検出して第２の解析信号を出力する第２の光検出部と、を有し、
   前記第１の解析信号と前記第２の解析信号との差分を検出する差分検出部を更に備える請求項１記載の光学解析モジュール。
3. 前記第１の参照信号は、前記テラヘルツ波の偏光状態が第２の偏光状態である期間に０となり、
   前記第２の参照信号は、前記テラヘルツ波の偏光状態が第１の偏光状態である期間に０となる請求項１又は２記載の光学解析モジュール。
4. 前記テラヘルツ波の発生の有無の切替周期が前記テラヘルツ波の偏光状態の切替周期の半分となっている請求項１～３のいずれか一項記載の光学解析モジュール。
5. 前記テラヘルツ波の発生の有無の切替周期が前記テラヘルツ波の偏光状態の切替周期の倍となっている請求項１～３のいずれか一項記載の光学解析モジュール。
6. 前記テラヘルツ波の発生の有無の切替周期及び前記テラヘルツ波の偏光状態の切替周期が互いに等しく且つ位相が１／４周期分ずれている請求項１～３のいずれか一項記載の光学解析モジュール。
7. 前記テラヘルツ波の発生の有無の切替周期のデューティ比が前記テラヘルツ波の偏光状態の切替周期のデューティ比の倍となっている請求項１～３のいずれか一項記載の光学解析モジュール。
8. 前記入力切替部に対して前記ポンプ光を集光する光学素子を更に備える請求項１～７のいずれか一項記載の光学解析モジュール。
9. 前記入力切替部は、光チョッパである請求項１～８のいずれか一項記載の光学解析モジュール。
10. 前記偏光切替部は、ポッケルスセルである請求項１～９のいずれか一項記載の光学解析モジュール。
11. 請求項１～１０のいずれか一項記載の光学解析モジュールと、
    前記光検出部における検出結果に基づいて、前記第１の偏光状態における前記テラヘルツ波の第１の電場ベクトルと、前記第２の偏光状態における前記テラヘルツ波の第２の電場ベクトルとを検出する電場ベクトル計測部と、
    前記第１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に基づいて被測定物の光学パラメータを解析する光学パラメータ解析部と、を備える光学解析装置。

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