JP7388427B2 - テラヘルツ光検出器、テラヘルツ測定装置およびテラヘルツ光の検出方法 - Google Patents
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Description
可変利得の第1増幅器または光変調器により、前記パルスレーザーから射出された前記パルス光のエネルギーを制御する制御部と、異常分散性を有し、前記制御部によりエネルギーが制御された前記パルス光が入射する光学部材と、被測定物からのテラヘルツ光を受光し、前記光学部材を出射したパルス光が入射したときのテラヘルツ光の強度に依存した信号を出力する受光部と、を備え、前記光学部材は、前記制御部によりエネルギーが制御された入射パルス光にその光のエネルギーに応じた遅延時間を与え、前記受光部は、検出タイミングを変えることにより、1つの被測定光の時間領域波形上の異なる位置をそれぞれ検出して信号を出力する。
第2の態様によれば、テラヘルツ測定装置は、上述のテラヘルツ光検出器と、前記受光部から出力された前記信号に基づいて、被測定物の内部の測定結果を表す画像を生成する生成部と、を備える。
第3の態様によれば、テラヘルツ光の検出方法は、パルスレーザーでパルス光を発生させることと、可変利得の第1増幅器または光変調器により、前記パルスレーザーから射出された前記パルス光のエネルギーを制御すること、異常分散性を有し、入射パルス光にその光のエネルギーに応じた遅延時間を与える光学部材に、前記制御によってエネルギーが制御された前記パルス光を入射させることと、被測定物からのテラヘルツ光の検出タイミングを変えて、1つの被測定光の時間領域波形上の異なる位置をそれぞれ検出することにより、前記光学部材を出射したパルス光が入射したときのテラヘルツ光の強度に依存した信号を出力することと、を含む。
図面を参照しながら、第1の実施の形態によるテラヘルツ時間領域分光器について説明する。なお、本実施の形態は、発明の趣旨の理解のために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
本実施の形態のテラヘルツ測定装置100は、テラヘルツ時間領域分光法(TDS)による測定を行う。テラヘルツ測定装置100は、被測定物2にテラヘルツパルス光を被測定光として照射し、被測定物2の情報を含む被測定光の強度の時間経過に伴う変化(時間変化)を検出する。テラヘルツ測定装置100は、異なる検出タイミングごとに離散的に検出した信号を基に、被測定光の強度の変化を合成して波形(時間領域波形)を生成し、その波形をフーリエ変換することにより、被測定光の各周波数成分の振幅情報を取得する。被測定物2としては、固体や液体など種々の物質に対応できる。
テラヘルツ測定装置100は、被測定光を受光するテラヘルツ時間領域分光器1と、被測定光を出射する出射部3と、第1光学部5と、第2光学部6と、駆動機構18と、制御部20とを主として備える。
図1の例では、被測定物2を透過した被測定光をテラヘルツ時間分光器1にて受信する例を示すが、テラヘルツ測定装置100の使用目的に応じて、被測定物2の表面や裏面で反射した被測定光を検出する構成としてもよい。いずれにしても、テラヘルツ測定装置100は、被測定物2を経由することで被測定物2と相互作用し、その性状に関する情報を含む被測定光を検出する構成を有する。
駆動機構18は、後述する制御部20により制御され、第1光学部5および第2光学部6と、被測定物2との間の相対位置を、少なくともXY平面上にて二次元的に変更させる。本実施の形態においては、駆動機構18は、例えばモータやガイドレール等を有し、被測定物2が載置された載置台(不図示)をXY平面上で移動させる。なお、駆動機構18は、出射部3と第1光学部5と第2光学部6と後述する受光部14(図2参照)とを移動させてもよい。駆動機構18は、相対位置を所定の間隔で変更する。所定の間隔は、予め決められた固定の値でもよいし、被測定物2の大きさ等に応じてユーザにより設定可能な可変な値でもよい。駆動機構18による相対位置の変更により、XY平面上において被測定光を異なる位置(照射位置)に照射することが可能となる。テラヘルツ測定装置100は、駆動機構18により照射位置が変更されるごとに、出射部3からの被測定光の出射およびテラヘルツ時間領域分光器1による被測定光の検出を行う。
図2は、テラヘルツ時間領域分光器1の要部構成の一例と、出射部3と、第1光学部5と、第2光学部6とを模式的に示す図である。テラヘルツ時間領域分光器1は、レーザ光源10と、遅延制御部12と、光ファイバ13と、受光部14とを主として備える。
上記の通り、本実施の形態のテラヘルツ測定装置100においては、第1パルス光が光ファイバ13を基本ソリトンに近い状態を維持して伝搬する。ソリトンの状態の第1パルス光(以下、ソリトンとも記載する)が光ファイバ13を伝搬する際に発生する遅延時間は、以下に説明するように、ソリトンのパルス時間幅に依存する。
Δω=-Cz …(1)
C=8τR|β2|/15T0 4 …(2)
式(1)は、自己周波数シフトΔωは、光ファイバ13の入射端からソリトンが伝搬した長さであるzに比例することを示している。式(1)において、Cは係数であり、式(2)により表される。式(2)において、τRはラマン散乱による利得(ラマン利得)に関係する値であり、3fs(フェムト秒)程度、β2は光ファイバ13の2次の分散を表し、通常のシングルモードファイバに波長1.5μm程度のパルス光を入射させた場合、-0.02ps2/m程度である。T0はソリトンのパルス時間幅(半値全幅)TFWHMとの間で、T0=TFWHM/1.763の関係を有する。
Δ(1/vg)=β2Δω=-Cβ2z …(3)
従って、長さ(伝搬距離)Lの光ファイバ13をソリトンが伝搬する場合、伝搬後のソリトンの群速度変化による遅延時間τは、式(3)を光ファイバ13におけるソリトンの伝搬方向に沿って積分することにより、式(4)のように表される。
すなわち、上記の式(2)、(4)から、ソリトンのエネルギーを変化させてパルス時間幅TFWHMを変化させることで、ソリトンの遅延時間τを変化させることができることがわかる。本実施の形態においては、上記の知見に基づいて、遅延制御部12は、光ファイバ13に入射させる第1パルス光のエネルギーEを制御することにより光ファイバ13を伝搬するソリトンのパルス時間幅TFWHMを変化させる。これに伴って変化した遅延時間τで、光ファイバ13から出射したプローブパルス光が受光部14に入射する。
A(0,T)=(p0)1/2sech(T/T0)
として、式(5)をz方向(光ファイバ13における第1パルス光の伝搬方向)について積分すると、光ファイバ13におけるソリトンの伝搬を知ることができる。なお、上記のA(0,T)についての式において、T0~85fs、p0~1784Wとする。
図5は、遅延制御部12の一例を模式的に示すブロック図である。図5(a)に示す構成において、遅延制御部12は、光増幅器120を備え、光増幅器120の利得を制御することにより第1パルス光のエネルギーEを制御する。光増幅器120は、増幅用ファイバ121と、励起光源122と、励起光源122に供給する電力を制御する電力制御部123とを有する。光増幅器120においては、励起光源122を制御することにより、増幅用ファイバ121の利得を制御する。増幅用ファイバ121は、例えば、希土類元素が添加(ドープ)されたファイバであり、例えば、公知のコア励起方式により励起される。
なお、上述した例においては、光増幅器120として増幅用ファイバ121と励起光源122とを有する場合を挙げたが、この例に限定されない。光増幅器120として半導体増幅器を適用し、電力制御部123から光増幅器120に供給する電力を変調して、第1パルス光のエネルギーEを制御させてもよい。
なお、図5(b)に示す遅延制御部12において、光増幅器120にて増幅後に変調器124にて第1パルス光を変調する場合を例示するが、変調器124にて第1パルス光を変調した後に光増幅器120にて増幅してもよい。
また、図5(b)に示す例において、変調器124に入射させる第1パルス光の強度が十分に大きい場合には、遅延制御部12は、光増幅器120を備えなくてもよい。この場合には、第1パルス光のエネルギーEを変調器124により変調して光ファイバ13に出射する構成とする。
また、ポンプパルス光を増幅して出射部3に入射させてもよい。この場合、テラヘルツ時間領域分光器1は光路L3に固定利得の増幅器を有する。
実施例におけるテラヘルツ時間領域分光器1について説明する。本実施例においては、遅延制御部12として図5(a)に示す光増幅器120を用いる。レーザ光源10は、上述したようにマスターオシレータであり、パルス時間幅150fsのパルス光(基本ソリトン)を発生する。光路L1は、長さ0.5mのシングルモード光ファイバである。分岐部19は分岐カプラであり、光路L1を伝搬したパルス光を50:50に2分岐して、プローブパルス光とポンプパルス光とを生成する。
(1)テラヘルツ時間領域分光器1は、被測定光を受光する受光面を有する受光部14と、パルス光を発生するレーザ光源10と、第1パルス光が入射する光ファイバ13と、光ファイバ13に入射する第1パルス光のエネルギーを制御する遅延制御部12と、を備える。光ファイバ13は異常分散性を有し、光ファイバ13に入射した第1パルス光は、そのエネルギーに応じた遅延時間をもって、プローブパルス光として光ファイバ13を出射する。プローブパルス光は受光部14に入射し、受光部14は、光ファイバ13を出射したプローブパルス光が入射したときに、受光面が受光している被測定光の強度に依存した信号を出力する。従来の装置では、プローブパルス光の光路長を機械的に変化させる駆動機構を用いているため、所定の複数の遅延時間をそれぞれ設定して被測定物2からの被測定光を検出するのに、例えば、10ms~100ms程度の時間が必要であった。これに対して、第1の実施の形態のテラヘルツ時間領域分光器1は、機械的な駆動構成に代って、電気回路によりプローブパルス光の遅延時間を制御する。これにより、高速かつ自由度の高い遅延時間制御が可能となり、測定時間の短縮に寄与する。また、配置が固定された固体素子のみでスペクトル測定が可能となることから、外来の振動等の影響を受けにくく、信頼性や可搬性に優れた分光器を実現することができる。
図面を参照して第2の実施の形態によるテラヘルツ時間領域分光器について説明する。以下の説明では、第1の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付し、相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第1の実施の形態と同様である。第2の実施の形態においては、テラヘルツ時間領域分光器は、第1パルス光および第2パルス光のエネルギーを共に制御してプローブパルス光およびポンプパルス光の遅延時間を制御する点が、第1の実施の形態と異なる。以下、詳細に説明する。
なお、図6においても、テラヘルツ時間領域分光器1Aとともに、被測定物2を示す。
図7に遅延量の時間変化を示す。図7(a)はポンプパルス光の遅延T2の時間変化を示し、図7(b)はプローブパルス光の遅延T1とポンプパルス光の遅延T2との時間差T1-T2の時間変化を示す。図7(b)に示すように、本実施の形態により得られる遅延量である時間差T1-T2は、図7(a)に示す基準遅延T0’からT2のみ遅延する場合と比較して、実効的な遅延時間の幅を増加していることがわかる。
(1)分岐部19にて分岐した第2パルス光が入射する第2光ファイバ16は異常分散性を有し、遅延時間制御部201の第2遅延時間制御部17-2は、第2光ファイバ16に入射する第2パルス光のエネルギーE2を制御する。第2光ファイバ16に入射した第2パルス光は、そのエネルギーE2に応じた遅延時間をもって第2光ファイバ16を出射する。第2光ファイバ16を出射した第2パルス光はポンプパルス光として出射部3の光導電部材に入射すると、被測定光を発生する。これにより、第1の実施の形態のプローブパルス光の遅延時間を制御した場合と同様にして、ポンプパルス光に対しても高速に遅延時間を制御することが可能になる。
上記の第1の実施の形態および第2の実施の形態において、レーザ光源10から出射したパルス光が第1パルス光と第2パルス光とに分岐される前に、パルス光を増幅するための増幅器を光路L1に備えてもよい。この場合、増幅器として、例えば、ファイバ増幅器や半導体増幅器等を用いることができる。
日本国特願2019-53682号(2019年3月20日出願)
3…出射部
10…レーザ光源
12、17…遅延制御部
13…光ファイバ
14…受光部
16…第2光ファイバ
19…分岐部
20…制御部
120…光増幅器
121…増幅用ファイバ
122…励起光源
123…電流制御部
124…変調器
201…遅延時間制御部
202…測定データ生成部
Claims (17)
- パルス光を発生するパルスレーザーと、
可変利得の第1増幅器または光変調器により、前記パルスレーザーから射出された前記パルス光のエネルギーを制御する制御部と、
異常分散性を有し、前記制御部によりエネルギーが制御された前記パルス光が入射する光学部材と、
被測定物からのテラヘルツ光を受光し、前記光学部材を出射したパルス光が入射したときのテラヘルツ光の強度に依存した信号を出力する受光部と、
を備え、
前記光学部材は、前記制御部によりエネルギーが制御された入射パルス光にその光のエネルギーに応じた遅延時間を与え、
前記受光部は、検出タイミングを変えることにより、1つの被測定光の時間領域波形上の異なる位置をそれぞれ検出して信号を出力する、
テラヘルツ光検出器。 - 請求項1に記載のテラヘルツ光検出器において、
前記被測定物に対する前記パルス光の照射位置を変更する駆動機構
をさらに備え、
前記受光部は、前記駆動機構によって前記照射位置が変更されるごとに前記信号を出力するテラヘルツ光検出器。 - 請求項1または請求項2に記載のテラヘルツ光検出器において、
前記第1増幅器は、増幅用ファイバと前記増幅用ファイバを励起する励起光源とを有し、
前記制御部は、前記励起光源を制御して、前記第1増幅器の利得を制御するテラヘルツ光検出器。 - 請求項1または請求項2に記載のテラヘルツ光検出器において、
前記制御部は、前記パルス光を増幅する第2増幅器をさらに有し、
前記光変調器は、前記第2増幅器により増幅されたパルス光を変調するテラヘルツ光検出器。 - 請求項1から4までのいずれか一項に記載のテラヘルツ光検出器において、
前記光学部材は、光ファイバを含むテラヘルツ光検出器。 - 請求項1から5までのいずれか一項に記載のテラヘルツ光検出器において、
前記遅延時間を変化させることにより、前記被測定物からのテラヘルツ光が前記受光部に受光されるタイミングと、前記光学部材を出射したパルス光が前記受光部に入射するタイミングとの時間差を変化させ、
前記制御部は、異なる前記時間差において、それぞれ前記受光部から出力されるテラヘルツ光の強度に依存した信号に基づいて、前記信号の時間変化を検出するテラヘルツ光検出器。 - 請求項1から6までのいずれか一項に記載のテラヘルツ光検出器において、
前記受光部に受光されるテラヘルツ光は、被測定物を経由したテラヘルツ光であるテラヘルツ光検出器。 - 請求項1から7までのいずれか一項に記載のテラヘルツ光検出器において、
前記光学部材に入射するパルス光と、前記被測定物からのテラヘルツ光とは、時間軸上で相関を有するものである、テラヘルツ光検出器。 - 請求項1から8までのいずれか一項に記載のテラヘルツ光検出器において、
前記制御部は、前記光学部材に入射するパルス光のエネルギーの変化に伴う前記受光部における検出効率の変化を補正するテラヘルツ光検出器。 - 請求項1から9までのいずれか一項に記載のテラヘルツ光検出器において、
前記パルスレーザーで発生したパルス光の一部を分岐させる分岐部を備え、
前記分岐部で分岐した前記パルス光の一部は光導電部材に入射し、テラヘルツ光を発生させる、テラヘルツ光検出器。 - 請求項10に記載のテラヘルツ光検出器において、
前記分岐したパルス光が入射する第2光学部材を有し、
前記第2光学部材は異常分散性を有し、
前記制御部は、前記第2光学部材に入射する前記分岐したパルス光のエネルギーを制御し、
前記第2光学部材に入射した前記分岐したパルス光は、その光のエネルギーに応じた遅延時間をもって前記第2光学部材を出射し、
前記第2光学部材を出射したパルス光が前記光導電部材に入射すると、テラヘルツ光を発生する、テラヘルツ光検出器。 - 請求項11に記載のテラヘルツ光検出器において、
前記制御部は、前記光学部材に入射するパルス光のエネルギーと、前記第2光学部材に入射する前記分岐したパルス光のエネルギーとを、逆相で制御するテラヘルツ光検出器。 - 請求項11または12に記載のテラヘルツ光検出器において、
前記第2光学部材は、光ファイバを含むテラヘルツ光検出器。 - 請求項1から13までのいずれか一項に記載のテラヘルツ光検出器において、
前記パルスレーザーからのパルス光は、前記光学部材においてソリトンを励起するテラヘルツ光検出器。 - 請求項1から14までのいずれか一項に記載のテラヘルツ光検出器と、
前記受光部から出力された前記信号に基づいて、被測定物の内部の測定結果を表す画像を生成する生成部と、を備えるテラヘルツ測定装置。 - 請求項15に記載のテラヘルツ測定装置において、
前記生成部は、前記信号の時間変化を表す情報をフーリエ変換して前記画像を生成するテラヘルツ測定装置。 - パルスレーザーでパルス光を発生させることと、
可変利得の第1増幅器または光変調器により、前記パルスレーザーから射出された前記パルス光のエネルギーを制御すること、
異常分散性を有し、入射パルス光にその光のエネルギーに応じた遅延時間を与える光学部材に、前記制御によってエネルギーが制御された前記パルス光を入射させることと、
被測定物からのテラヘルツ光の検出タイミングを変えて、1つの被測定光の時間領域波形上の異なる位置をそれぞれ検出することにより、前記光学部材を出射したパルス光が入射したときのテラヘルツ光の強度に依存した信号を出力することと、
を含むテラヘルツ光の検出方法。
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