JPWO2013077097A1 - Polarization analyzer, polarization analysis method, physical property measuring apparatus, and physical property measuring method - Google Patents

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Abstract

高速、高精度に電磁波の偏波方向と電場振幅を測定することのできる偏波解析装置を提供する。偏波解析装置は、電磁波を発生する電磁波発生源と、電気光学効果を有する非線形光学結晶と、前記結晶を角周波数ωで前記電磁波の入射に対して相対的に回転させる回転機構と、前記電磁波による前記結晶の照射と同期して当該結晶にプローブ光パルスを入射する光学系と、前記結晶を透過したプローブ光パルスの互いに直交する光成分の強度差信号を検出する検出器と、前記強度差信号からω成分と3ω成分の少なくとも一方を抽出し、前記抽出したω成分及び/または3ω成分に基づいて前記電磁波の偏波方向と電場振幅を決定する解析部と、を有する。A polarization analyzer capable of measuring the polarization direction and electric field amplitude of an electromagnetic wave at high speed and with high accuracy is provided. The polarization analyzer includes an electromagnetic wave generation source that generates an electromagnetic wave, a nonlinear optical crystal having an electro-optic effect, a rotation mechanism that rotates the crystal relative to incidence of the electromagnetic wave at an angular frequency ω, and the electromagnetic wave An optical system for injecting a probe light pulse into the crystal in synchronization with irradiation of the crystal by the detector, a detector for detecting an intensity difference signal of light components orthogonal to each other of the probe light pulse transmitted through the crystal, and the intensity difference And an analysis unit that extracts at least one of the ω component and the 3ω component from the signal and determines the polarization direction and the electric field amplitude of the electromagnetic wave based on the extracted ω component and / or 3ω component.

Description

本発明は、電磁波の偏光方向と電場振幅を高速かつ高精度に決定する偏波解析装置と偏波解析方法、およびこれを利用した物性測定の構成と手法に関する。   The present invention relates to a polarization analyzer and a polarization analysis method for determining the polarization direction and electric field amplitude of an electromagnetic wave at high speed and with high accuracy, and a configuration and method for measuring physical properties using the polarization analysis apparatus.

近年の超短パルスレーザ技術の進歩により、これまで技術的に難しかったテラヘルツ帯域の光(電磁波)の発生、検出が可能になってきた。テラヘルツ波の発生、検出には、非線形光学結晶を用いる。具体的には、非線型光学結晶としてGaPやZnTeなどの閃亜鉛構造の結晶を用い、結晶に超短波パルスレーザ光を照射することでコヒーレントなテラヘルツ電磁波パルスを発生させる。テラヘルツ電磁波を物性測定に利用する場合は、発生させたテラヘルツ電磁波を被測定試料へ導き、透過波又は反射波を検出用の非線形光学結晶を通して検出することで、試料の特性を測定することができる。   Recent advances in ultra-short pulse laser technology have made it possible to generate and detect light (electromagnetic waves) in the terahertz band, which has been difficult in the past. A nonlinear optical crystal is used for generation and detection of terahertz waves. Specifically, a zinc flash structure crystal such as GaP or ZnTe is used as the non-linear optical crystal, and a coherent terahertz electromagnetic wave pulse is generated by irradiating the crystal with ultrashort pulse laser light. When terahertz electromagnetic waves are used for physical property measurement, the characteristics of the sample can be measured by guiding the generated terahertz electromagnetic waves to the sample to be measured and detecting the transmitted wave or reflected wave through the nonlinear optical crystal for detection. .

図1は、一般的な偏波方向解析装置1000を示す。図示しないレーザ光源から出射される超短パルスレーザ光をポンプ光パルスとして用い、偏光子P1、光学チョッパー1001を介して、非線形光学結晶S1を照射し、チョッパー1001の周波数ωで変調を受けたテラヘルツ電磁波パルスを発生させる。テラヘルツ電磁波パルスの偏波方向は、偏光子P1と結晶S1を適宜回転することで任意に設定することができる。テラヘルツ電磁波パルスをミラーM1によりビームカット素子Cへ導きポンプ光をカットする。素子Cを通過したビームを2つのワイヤーグリッド偏光子WG1とWG2を透過させ、WG2でテラヘルツ波検出の際の偏波方向依存性を消去する。一つ目のワイヤーグリッド偏光子WG1は、通常は手作業で回転され、45度と−45度という2つの直交する偏波方向の電場成分を切り出す。二つ目のワイヤーグリッド偏光子WG2は、0度あるいは90度に設定することで、切り出されたテラヘルツ電場の偏波方向を固定する。偏波方向が固定されたテラヘルツ電磁波を、ミラーM2を介して非線型光学結晶S2に照射する。   FIG. 1 shows a general polarization direction analyzer 1000. A terahertz wave modulated by the frequency ω of the chopper 1001 by irradiating the nonlinear optical crystal S1 through the polarizer P1 and the optical chopper 1001 using an ultrashort pulse laser beam emitted from a laser light source (not shown) as a pump light pulse. Generate electromagnetic pulses. The polarization direction of the terahertz electromagnetic wave pulse can be arbitrarily set by appropriately rotating the polarizer P1 and the crystal S1. The terahertz electromagnetic wave pulse is guided to the beam cut element C by the mirror M1, and the pump light is cut. The beam that has passed through the element C is transmitted through the two wire grid polarizers WG1 and WG2, and the polarization direction dependency at the time of terahertz wave detection is eliminated by WG2. The first wire grid polarizer WG1 is normally manually rotated to cut out two orthogonal polarization direction electric field components of 45 degrees and -45 degrees. The second wire grid polarizer WG2 fixes the polarization direction of the cut out terahertz electric field by setting it to 0 degree or 90 degrees. The terahertz electromagnetic wave whose polarization direction is fixed is irradiated to the nonlinear optical crystal S2 through the mirror M2.

テラヘルツ電磁波の照射と同期して、プローブ光パルスを偏光子(P2)を介して非線形光学結晶S2に入射する。非線型光学結晶S2にテラヘルツ電場が印加されると、電気光学効果により結晶S2に複屈折が生じ、結晶S2を通過するプローブ光の電場成分に強度差が生じる。この強度差はテラヘルツ電場の強度に比例するので(比例係数は既知)、検出器1010及びロックインアンプ1011で強度差を検出することによってテラヘルツ電場強度を見積もることができる。テラヘルツ電場はチョッパー1001の周波数ωで変調を受けているので精度よくロックイン検出ができる。   In synchronization with the irradiation of the terahertz electromagnetic wave, the probe light pulse is incident on the nonlinear optical crystal S2 through the polarizer (P2). When a terahertz electric field is applied to the nonlinear optical crystal S2, birefringence occurs in the crystal S2 due to the electrooptic effect, and an intensity difference occurs in the electric field component of the probe light passing through the crystal S2. Since this intensity difference is proportional to the intensity of the terahertz electric field (proportional coefficient is known), the intensity of the terahertz electric field can be estimated by detecting the intensity difference with the detector 1010 and the lock-in amplifier 1011. Since the terahertz electric field is modulated at the frequency ω of the chopper 1001, lock-in detection can be performed with high accuracy.

電磁波の偏波方向を決定するのに、直交する2つの方向の電場成分が必要である。そのため、ワイヤーグリッド偏光子WG1を45度と−45度に設定したときの各々のテラヘルツ電場の時間波形データを取得し、解析する。時間波形データを取得するのに、一般に遅延ステージでプローブ光またはポンプ光パルスの入射タイミングをずらしながら電場強度を計測し、電場波形の全体が得られるまで異なる時刻での電場測定を続ける。   In order to determine the polarization direction of the electromagnetic wave, electric field components in two orthogonal directions are required. Therefore, the time waveform data of each terahertz electric field when the wire grid polarizer WG1 is set to 45 degrees and −45 degrees is acquired and analyzed. In order to acquire time waveform data, generally, the electric field intensity is measured while shifting the incident timing of the probe light or the pump light pulse on the delay stage, and the electric field measurement at different times is continued until the entire electric field waveform is obtained.

テラヘルツ電磁波を利用して試料の表面凹凸を測定する場合は、試料にテラヘルツ電磁波を照射し、反射波が検出用の結晶に到達する到達時間の差から表面段差を求める。到達時間の差を求めるためにテラヘルツ電磁波のピーク値を示す時刻を特定する必要があり、測定点ごとに時間波形の測定が必要である。   When measuring surface irregularities of a sample using terahertz electromagnetic waves, the sample is irradiated with terahertz electromagnetic waves, and the surface level difference is obtained from the difference in arrival time when the reflected wave reaches the detection crystal. In order to obtain the difference in arrival time, it is necessary to specify the time indicating the peak value of the terahertz electromagnetic wave, and it is necessary to measure the time waveform at each measurement point.

なお、テラヘルツ波検出に関し、閃亜鉛構造結晶の結晶方位角度とテラヘルツ電場偏波方向のなす角によってΔIの出力信号がどのように変化するかを関数で表した文献が知られている(たとえば、非特許文献1参照)。この手法は、結晶方位の[001]方向とプローブ光パルスの偏光方向とを一致させるように結晶と偏光子の双方を同時に回転させる必要がある点や、決定できる偏波方向に位相πの不確定性が残る点で不利である。   Regarding terahertz wave detection, there is known a document that expresses how the output signal of ΔI varies depending on the angle formed by the crystal orientation angle of the zinc flash structure crystal and the terahertz electric field polarization direction (for example, Non-patent document 1). This method requires that both the crystal and the polarizer be rotated at the same time so that the [001] direction of the crystal orientation and the polarization direction of the probe light pulse coincide with each other, and that the phase π is not in the determinable polarization direction. It is disadvantageous in that determinism remains.

また、プローブ光パルスの偏光方向、閃亜鉛構造結晶の結晶方位角、およびテラヘルツ電場検出にかかわるすべての光学素子(1/4波長板、ウォラストンプリズムなど)の角度を任意の角度で回転させたときの、テラヘルツ電場の偏波方向に依存したΔIの出力信号強度の一般式の導出が知られている(たとえば、非特許文献2参照)。この方法は一般式の理論計算にとどまり実用には不向きである。   Also, the polarization direction of the probe light pulse, the crystal azimuth angle of the zinc flash structure crystal, and the angles of all optical elements (quarter wave plate, Wollaston prism, etc.) involved in terahertz electric field detection were rotated by arbitrary angles. It is known to derive a general expression for the output signal intensity of ΔI depending on the polarization direction of the terahertz electric field (see, for example, Non-Patent Document 2). This method is not suitable for practical use because it is only a theoretical calculation of a general formula.

さらに、閃亜鉛構造結晶の[001]軸とプローブ光パルスの偏光方向のなす角を0度と90度となるように検出用結晶を回転させ、2つの角度でのΔIの値をもとにテラヘルツ電磁波の偏波方向を決定する方法が提案されている(たとえば、非特許文献3参照)。   Further, the detection crystal is rotated so that the angle formed between the [001] axis of the zinc flash structure crystal and the polarization direction of the probe light pulse is 0 degree and 90 degrees, and based on the value of ΔI at the two angles. A method for determining the polarization direction of a terahertz electromagnetic wave has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 3).

P.C.M. Planken et al., J. Opt. Soc. Am. B. Vol. 18, No. 3, 313-317 (2001).P.C.M.Planken et al., J. Opt. Soc. Am. B. Vol. 18, No. 3, 313-317 (2001). N.C.J. van der valk, T. Wenchebach, and P.C.M. Planken, J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 21, No.3 622-631 (2004)N.C.J.van der valk, T. Wenchebach, and P.C.M.Planken, J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 21, No. 3 622-631 (2004) R.Zhang et al. Appl. Opt. Vol. 47, 6422-6427 (2008)R. Zhang et al. Appl. Opt. Vol. 47, 6422-6427 (2008)

従来の偏波方向解析と測定方法には以下の問題がある。まず、電界強度と偏波方向を同時に独立して取得することができない。また、偏波方向を決定するのに、ワイヤーグリッド偏光子WG1の回転位置45度と−45度のそれぞれについてテラヘルツ電磁波の時間波形を計測する必要がある。すなわち、遅延ステージを2回動かしてスキャンする時間が必要である。物質表面の凹凸測定を行なう場合は、測定ポイントごとに遅延ステージをスキャンして時間波形を取得する必要がある。さらに、WG偏光子は2インチ以上(高精度品は4インチ程度)の大きな素子であり、回転させるには大きなトルクを必要とし、通常は手作業でWG偏光子を回転させている。また、WG偏光子は高価な部品である。金属打ち抜き法による比較的安価なWG偏光子では、使用できる帯域幅が1THz以下に限られている。また、消光比(通したい偏波方向の光の透過率に対する、それと直交する偏波方向の光の透過率の比)が大きくならず高精度の偏波分析ができない。   Conventional polarization direction analysis and measurement methods have the following problems. First, the electric field strength and the polarization direction cannot be acquired independently at the same time. Further, in order to determine the polarization direction, it is necessary to measure the time waveform of the terahertz electromagnetic wave at each of the rotation positions of 45 degrees and −45 degrees of the wire grid polarizer WG1. That is, it takes time to scan the delay stage twice. When measuring the unevenness of the material surface, it is necessary to scan the delay stage for each measurement point to obtain a time waveform. Furthermore, the WG polarizer is a large element of 2 inches or more (about 4 inches for high-precision products), requires a large torque to rotate, and normally the WG polarizer is rotated manually. The WG polarizer is an expensive part. In a relatively inexpensive WG polarizer using a metal punching method, the usable bandwidth is limited to 1 THz or less. Further, the extinction ratio (ratio of the transmittance of light in the polarization direction orthogonal to the transmittance of light in the polarization direction desired to pass) does not increase, and highly accurate polarization analysis cannot be performed.

これらの問題点に鑑み、本発明は、簡単な構成で電磁波の偏波方向と電場振幅を同時、かつ互いに独立して、高速、高精度に決定することのできる偏波解析装置と方法を提供することを課題とする。   In view of these problems, the present invention provides a polarization analysis apparatus and method that can determine the polarization direction and electric field amplitude of an electromagnetic wave simultaneously and independently from each other with high speed and high accuracy with a simple configuration. The task is to do.

また、上記の偏波方向の決定を利用した物性測定装置と物性測定方法を提供することを課題とする。   It is another object of the present invention to provide a physical property measuring apparatus and a physical property measuring method using the determination of the polarization direction.

本発明の第1の態様として、偏波解析装置を提供する。偏波解析装置は、電磁波を発生する電磁波発生源、電気光学効果を有する非線形光学結晶、前記結晶を角周波数ωで前記電磁波の入射に対して相対的に回転させる回転機構、前記電磁波による結晶の照射と同期して結晶にプローブ光パルスを入射する光学系、前記結晶を透過したプローブ光パルスの互いに直交する光成分の強度差信号を検出する検出器、および前記強度差信号からω成分と3ω成分の少なくとも一方を抽出し、前記抽出したω成分及び/または3ω成分に基づいて前記電磁波の偏波方向と電場振幅を決定する解析部、を有する。   As a first aspect of the present invention, a polarization analyzer is provided. The polarization analyzer includes an electromagnetic wave generation source that generates an electromagnetic wave, a non-linear optical crystal having an electro-optic effect, a rotation mechanism that rotates the crystal relative to the incidence of the electromagnetic wave at an angular frequency ω, An optical system for injecting a probe light pulse into the crystal in synchronization with irradiation, a detector for detecting an intensity difference signal of light components orthogonal to each other of the probe light pulse transmitted through the crystal, and an ω component and 3ω from the intensity difference signal An analysis unit that extracts at least one of the components and determines a polarization direction and an electric field amplitude of the electromagnetic wave based on the extracted ω component and / or 3ω component;

これにより、特定の角周波数成分から高速、高精度に偏波方向と電場振幅を決定することができる。   Thereby, the polarization direction and the electric field amplitude can be determined from the specific angular frequency component at high speed and with high accuracy.

良好な構成例では、解析部は、
ΔI=C・E・[(1/2)cos(ωt+φ)+(3/2)cos(3ωt−φ)]
に基づいて電磁波のω成分および/または3ω成分の位相情報と振幅情報を取得し、取得した位相情報と振幅情報に基づいて偏波方向と電場振幅を決定する。ここで、Cは係数、Eは電磁波の電場振幅である。
In a good configuration example, the analysis unit
ΔI = C · E · [(1/2) cos (ωt + φ) + (3/2) cos (3ωt−φ)]
The phase information and the amplitude information of the ω component and / or the 3ω component of the electromagnetic wave are acquired based on the above, and the polarization direction and the electric field amplitude are determined based on the acquired phase information and amplitude information. Here, C is a coefficient, and E is the electric field amplitude of the electromagnetic wave.

これにより、検出された差分信号から位相情報と振幅情報を瞬時に、かつ互いに独立して取り出すことができる。   Thereby, phase information and amplitude information can be instantaneously and independently extracted from the detected difference signal.

また、良好な構成例として、回転機構の角周波数は、前記結晶が1回転する間に結晶上に奇数個のデータ点が得られるように設定されている。この構成により、ノイズを効果的に除去することができる。   As a good configuration example, the angular frequency of the rotation mechanism is set so that an odd number of data points can be obtained on the crystal during one rotation of the crystal. With this configuration, noise can be effectively removed.

本発明の第2の態様として、上記の偏波解析を利用した物性測定装置を提供する。物性測定装置は、電磁波発生源、試料を保持する試料台、検出用の非線形光学結晶、結晶を角周波数ωで前記電磁波の入射に対して相対的に回転させる回転機構、電磁波と同期して結晶にプローブ光パルスを入射する光学系、検出器、偏波解析部、対応情報格納部、試料解析部を有する。   As a second aspect of the present invention, a physical property measuring apparatus using the above-described polarization analysis is provided. The physical property measuring apparatus includes an electromagnetic wave generation source, a sample stage for holding a sample, a non-linear optical crystal for detection, a rotation mechanism for rotating the crystal relative to the incident electromagnetic wave at an angular frequency ω, and a crystal synchronized with the electromagnetic wave. Includes an optical system for injecting a probe light pulse, a detector, a polarization analysis unit, a correspondence information storage unit, and a sample analysis unit.

電磁波発生源は円偏光または楕円偏光の電磁波を発生し、試料を照射する。検出用の結晶は、試料からの反射電磁波を検出する。検出器は、結晶を透過したプローブ光パルスの互いに直交する光成分の強度差信号を検出する。偏波解析部は、検出された強度差信号から、ω成分と3ω成分の少なくとも一方を抽出し、抽出したω成分及び/または3ω成分に基づいて前記円偏光または楕円偏光の電磁波の偏波角度を決定する。偏波角度−特性対応情報格納部は、特定の物質についてあらかじめ取得した円偏光または楕円偏光の電磁波の偏光角度(検出用の結晶におけるプローブ光パルス入射時の電磁波の偏光角度)と前記物質の特性との1対1の対応関係を示す対応情報を格納しておく。試料解析部は、偏波解析部で決定された電磁波の偏波角度と対応情報とに基づいて、試料の特性を決定する。   The electromagnetic wave generation source generates circularly or elliptically polarized electromagnetic waves and irradiates the sample. The detection crystal detects a reflected electromagnetic wave from the sample. The detector detects an intensity difference signal of light components orthogonal to each other of the probe light pulse transmitted through the crystal. The polarization analyzer extracts at least one of the ω component and the 3ω component from the detected intensity difference signal, and the polarization angle of the circularly or elliptically polarized electromagnetic wave based on the extracted ω component and / or 3ω component To decide. The polarization angle-characteristic correspondence information storage unit obtains the polarization angle of the circularly or elliptically polarized electromagnetic wave acquired in advance for a specific substance (the polarization angle of the electromagnetic wave when the probe light pulse is incident on the detection crystal) and the characteristic of the substance. Correspondence information indicating a one-to-one correspondence relationship with is stored. The sample analyzer determines the characteristics of the sample based on the polarization angle of the electromagnetic wave determined by the polarization analyzer and the corresponding information.

この構成により、測定ごとの電場波形スキャンが不要になり、測定された偏波方向からただちに試料の特性を計測することができる。   With this configuration, the electric field waveform scan for each measurement becomes unnecessary, and the characteristics of the sample can be measured immediately from the measured polarization direction.

高速かつ高精度に偏波方向を測定することができる。高価なWG偏光子を使用する必要がない。広い帯域にかけて電磁波の偏光方向を高速、高精度に決定することができる。この偏波方向測定を利用した物性測定では、毎回電場の時間波形を取得しなくても、検出された偏波方向から直接試料の特性を取得することができる。   The polarization direction can be measured at high speed and with high accuracy. There is no need to use expensive WG polarizers. The polarization direction of electromagnetic waves can be determined with high speed and high accuracy over a wide band. In the physical property measurement using the polarization direction measurement, the characteristics of the sample can be directly acquired from the detected polarization direction without acquiring the time waveform of the electric field every time.

従来の一般的な偏波方向解析装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the conventional general polarization direction analyzer. 第1実施形態の偏波解析装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the polarization analyzer of 1st Embodiment. 図2の検出光学系の概略図である。It is the schematic of the detection optical system of FIG. 電気光学サンプリングの原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of electro-optic sampling. 図2の検出光学系の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of the detection optical system in FIG. 2. モータ回転される非線型光学結晶の座標系を示す図である。It is a figure which shows the coordinate system of the nonlinear optical crystal rotated by a motor. 第1実施形態の装置と手法により取得されるデータ値と、これに対応する関数式を示すグラフである。It is a graph which shows the data value acquired with the apparatus and method of 1st Embodiment, and the function formula corresponding to this. 測定データの振幅フーリエ成分を示す図である。It is a figure which shows the amplitude Fourier component of measurement data. 測定データの位相フーリエ成分を示す図である。It is a figure which shows the phase Fourier component of measurement data. 測定データから直接偏光角度を導くことを示す図である。It is a figure which shows deriving | leading a polarization angle directly from measurement data. 偏波方向解析方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows a polarization direction analysis method. 第1実施形態の効果を示すグラフである。It is a graph which shows the effect of a 1st embodiment. 第1実施形態の効果を示すグラフであり、電場振幅と偏波方向を互いに独立かつ安定して計測できることを示す図である。It is a graph which shows the effect of 1st Embodiment, and is a figure which shows that an electric field amplitude and a polarization direction can be measured mutually independently and stably. 第2実施形態の偏波解析装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the polarization analyzer of 2nd Embodiment. ノイズキャンセルの説明図である。It is explanatory drawing of noise cancellation. 第3実施形態の測定装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the measuring apparatus of 3rd Embodiment. 一般的な表面段差測定の概念図である。It is a conceptual diagram of a general surface level | step difference measurement. 光学遅延ステージによる電磁波スペクトル測定の概念図である。It is a conceptual diagram of the electromagnetic wave spectrum measurement by an optical delay stage. 測定用電磁波の偏光角度と試料表面段差の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the polarization angle of the electromagnetic waves for measurement, and a sample surface level | step difference. 測定用電磁波の偏光角度と試料表面段差の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the polarization angle of the electromagnetic waves for measurement, and a sample surface level | step difference. 第3実施形態の測定方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the measuring method of 3rd Embodiment. 実施例3の表面段差と偏光角度との対応関係取得の模式図である。It is a schematic diagram of the correspondence acquisition of the surface level | step difference of Example 3, and a polarization angle. 偏光角度とz方向深さ位置との対応関係の計測結果である。It is a measurement result of the correspondence between the polarization angle and the z-direction depth position. 実施形態の測定装置を用いてサンプルを測定した測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result which measured the sample using the measuring apparatus of embodiment. 各測定点での積算回数N=1のときの取得データである。This is acquired data when the number of integrations N = 1 at each measurement point. 実施形態の測定装置による計測結果を比較例と比較して示す表である。It is a table | surface which shows the measurement result by the measuring apparatus of embodiment compared with a comparative example. 1μmの深さ分解能を示すグラフである。It is a graph which shows depth resolution of 1 micrometer.

以下で、図面を参照して発明の実施形態を説明する。
<第1実施形態>
図2は、第1実施形態の偏波解析装置10の概略構成図である。偏波解析装置10の特徴は、検出用の非線型光学結晶(S2)16を角速度ωで高速回転し、検出される強度差信号ΔIからωと3ωの少なくとも一方の角周波数成分を抽出して、照射電磁波の電場振幅強度Eaと偏波方向γを同時、かつ互いに独立して求める点にある。また、従来構成と比較して2枚のワイヤーグリッド(WG)偏光子と光学チョッパーを不要にし、構成を簡素化した点にも特徴がある。
Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
<First Embodiment>
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the polarization analyzer 10 of the first embodiment. A characteristic of the polarization analyzer 10 is that a non-linear optical crystal for detection (S2) 16 is rotated at high speed at an angular velocity ω, and at least one angular frequency component of ω and 3ω is extracted from the detected intensity difference signal ΔI. In other words, the electric field amplitude intensity Ea and the polarization direction γ of the irradiated electromagnetic wave are obtained simultaneously and independently of each other. In addition, compared with the conventional configuration, two wire grid (WG) polarizers and an optical chopper are unnecessary, and the configuration is simplified.

偏波解析装置10は、非線形光学結晶(S2)16と、非線形光学結晶16を角速度ωで回転するモータ17と、非線形光学結晶16を照射する電磁波を生成する電磁波発生源19と、角速度ωで回転される非線形光学結晶16にプローブ光パルスを入射する光学系29を含む。また、非線形光学結晶16を通過したプローブ光の直交する2つの成分の強度差信号ΔIを検出する検出器20と、検出された強度差信号を周波数解析してω成分と3ω成分の少なくとも一方を抽出し、ω成分及び/又は3ω成分に基づいて電磁波の偏波方向と電界振幅とを決定する偏波解析部21を含む。   The polarization analyzer 10 includes a nonlinear optical crystal (S2) 16, a motor 17 that rotates the nonlinear optical crystal 16 at an angular velocity ω, an electromagnetic wave generation source 19 that generates an electromagnetic wave that irradiates the nonlinear optical crystal 16, and an angular velocity ω. It includes an optical system 29 for injecting a probe light pulse into the rotated nonlinear optical crystal 16. In addition, a detector 20 that detects an intensity difference signal ΔI of two orthogonal components of the probe light that has passed through the nonlinear optical crystal 16, and frequency analysis of the detected intensity difference signal results in at least one of the ω component and the 3ω component. A polarization analysis unit 21 that extracts and determines the polarization direction and electric field amplitude of the electromagnetic wave based on the ω component and / or the 3ω component is included.

非線形光学結晶16は、電場の印加により屈折率が異方性となる電気光学結晶である。たとえば、非線形光学結晶16は閃亜鉛構造結晶であり、GaP、ZnTe等を用いることができる。図2の例では、結晶方位面が(110)面のGaP結晶を用いる。GaP結晶16は図示しないフレームに保持され、フレームはモータ17に接続される。モータ17の回転により、フレームに保持されたGaP結晶16が角速度ωで回転する。   The nonlinear optical crystal 16 is an electro-optic crystal whose refractive index becomes anisotropic when an electric field is applied. For example, the nonlinear optical crystal 16 is a zinc flash structure crystal, and GaP, ZnTe or the like can be used. In the example of FIG. 2, a GaP crystal having a crystal orientation plane of (110) is used. The GaP crystal 16 is held by a frame (not shown), and the frame is connected to the motor 17. As the motor 17 rotates, the GaP crystal 16 held on the frame rotates at an angular velocity ω.

電磁波発生源19は、図2の例ではテラヘルツ電磁波発生源である。図示しないレーザから出射されるポンプ光パルス(フェムト秒光パルス)を、偏光子(P1)11を介してZnTeなどの非線形光学結晶(S1)12に入射することによって、テラヘルツ電磁波パルスを発生させる。発生したテラヘルツ電磁波は、ミラー(M1)13、ビームカット素子(C)14、ミラー(M2)15を介して検出用の非線形光学結晶16に導かれる。   The electromagnetic wave generation source 19 is a terahertz electromagnetic wave generation source in the example of FIG. A pump light pulse (femtosecond light pulse) emitted from a laser (not shown) is incident on a nonlinear optical crystal (S1) 12 such as ZnTe through a polarizer (P1) 11 to generate a terahertz electromagnetic wave pulse. The generated terahertz electromagnetic wave is guided to the detection nonlinear optical crystal 16 through the mirror (M1) 13, the beam cut element (C) 14, and the mirror (M2) 15.

他方、プローブ光パルスは、偏光子(P2)18および反射ミラーM3を含む光学系29により、テラヘルツ電磁波の照射と同期して検出用の非線形光学結晶16に導かれる。プローブ光パルスは、ポンプ光パルスを生成するレーザビームの一部を分岐して用いてもよい。   On the other hand, the probe light pulse is guided to the detection nonlinear optical crystal 16 in synchronization with the irradiation of the terahertz electromagnetic wave by the optical system 29 including the polarizer (P2) 18 and the reflection mirror M3. The probe light pulse may be used by branching a part of the laser beam that generates the pump light pulse.

非線形光学結晶16を透過したプローブ光パルスは、検出器20で検出される。プローブ光パルスは、非線形光学結晶16の電気光学効果を利用した電気光学サンプリングにより検出される。電気光学サンプリングについて、図3〜5を参照して説明する。   The probe light pulse transmitted through the nonlinear optical crystal 16 is detected by the detector 20. The probe light pulse is detected by electro-optic sampling using the electro-optic effect of the nonlinear optical crystal 16. The electro-optic sampling will be described with reference to FIGS.

図3は、図2の検出系Aの構成を示す概略図である。偏光子(P2)18で直線偏光とされたプローブ光パルスは、(110)面を有するGaP結晶16に入射する。GaP結晶16を透過したプローブ光パルスを1/4波長板22に入射させて円偏光とし、ウォラストンプリズム(WP)23を用いて2つの互いに直交する直線偏光のビームに分離する。分離した光ビーム(信号強度I1とI2)をそれぞれ光検出フォトダイオードD1、D2で検出して、電流に変換する。D1、D2で発生した電流の差分を電流/電圧増幅器(不図示)で電圧に変換することで、差分信号ΔI(ΔI=I1−I2)を電圧信号として取り出すことができる。FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the detection system A of FIG. The probe light pulse that has been linearly polarized by the polarizer (P2) 18 is incident on the GaP crystal 16 having the (110) plane. The probe light pulse transmitted through the GaP crystal 16 is incident on the quarter-wave plate 22 to form circularly polarized light, and is separated into two linearly polarized beams orthogonal to each other using a Wollaston prism (WP) 23. The separated light beams (signal intensities I 1 and I 2 ) are detected by the photodetection photodiodes D1 and D2, respectively, and converted into current. The difference signal ΔI (ΔI = I 1 −I 2 ) can be extracted as a voltage signal by converting the difference between the currents generated in D1 and D2 into a voltage by a current / voltage amplifier (not shown).

図4は電気光学サンプリングの概念図、図5は図3の検出系の斜視図である。図4(A)に示すように、GaP結晶16にテラヘルツ電場が印加されていないときは、プローブ光LBは直線偏光を維持したままGaP結晶16を透過する。   4 is a conceptual diagram of electro-optic sampling, and FIG. 5 is a perspective view of the detection system of FIG. As shown in FIG. 4A, when a terahertz electric field is not applied to the GaP crystal 16, the probe light LB passes through the GaP crystal 16 while maintaining linearly polarized light.

このとき、図5に示すように、GaP結晶の透過光が、実験室系の基準軸(プローブ光パルスの電界Ebの方向に一致)に対してπ/4だけc軸(光学素子固有の軸)が傾いた状態の1/4波長板22を透過すると、プローブ光は円偏光となる。円偏光の光をウォラストンプリズム23でx成分とy成分に分離すると、いずれの方向の強度も同じであるからI1=I2となり、出力信号(差分信号ΔI)はゼロになる。At this time, as shown in FIG. 5, the transmitted light of the GaP crystal is c axis (axis unique to the optical element) by π / 4 with respect to the reference axis of the laboratory system (coincident with the direction of the electric field Eb of the probe light pulse). ) Is transmitted through the quarter-wave plate 22 in a tilted state, the probe light becomes circularly polarized light. When the circularly polarized light is separated into the x component and the y component by the Wollaston prism 23, the intensity in any direction is the same, so I 1 = I 2 and the output signal (difference signal ΔI) becomes zero.

他方、図4(B)のように、電気光学効果を有するGaP結晶16に電場ETHzが印加されると、結晶の屈折率が変化して屈折率異方性となる(ポッケルス効果)。このため、GaP結晶16を透過したプローブ光は入射前の偏光状態を維持することができず、1/4波長板22を透過した光は楕円偏光となる。この場合、x成分とy成分の大きさ(の二乗)の差はゼロでなくなる。検出器20のフォトダイオードD1、D2で検出される強度に差が生じ、テラヘルツ電場に比例した差分信号ΔIが得られる。なお、図5において、U3はプローブ光の伝搬方向でありGaP結晶16の(110)面に対して垂直な軸、U1とU2は(110)面内での高屈折率方向と低屈折率方向を示す。On the other hand, as shown in FIG. 4B, when the electric field E THz is applied to the GaP crystal 16 having the electro-optic effect, the refractive index of the crystal changes to become refractive index anisotropy (Pockels effect). For this reason, the probe light transmitted through the GaP crystal 16 cannot maintain the polarization state before incidence, and the light transmitted through the quarter wavelength plate 22 becomes elliptically polarized light. In this case, the difference between the magnitudes (squares) of the x component and the y component is not zero. A difference occurs in the intensity detected by the photodiodes D1 and D2 of the detector 20, and a difference signal ΔI proportional to the terahertz electric field is obtained. In FIG. 5, U3 is the propagation direction of the probe light and is an axis perpendicular to the (110) plane of the GaP crystal 16, and U1 and U2 are the high refractive index direction and the low refractive index direction in the (110) plane. Indicates.

図6(A)および図6(B)は、第1実施形態で使用する座標系を示す図である。水平軸xと垂直軸yは実験室系の軸であり、プローブ光の偏波方向で決まる軸である。プローブ光の電場偏波方向Ebはx軸と一致する。x軸とテラヘルツ電場の偏波方向ETHzがなす角をγ、x軸とGaP結晶16の[−110]方位軸となす角をβとする。GaP結晶16はモータ17によって角速度ωで回転されるため、角度βはωtで変化する。なお、図6では単純化のため、時刻t=0でのGaP結晶16の[−110]方位軸はx軸に一致しているものとする。図6(B)は、図6(A)の座標系に屈折率軸U1、U2を加えたものであり、テラヘルツ電場の印加による屈折率異方性を示している。FIG. 6A and FIG. 6B are diagrams showing a coordinate system used in the first embodiment. The horizontal axis x and the vertical axis y are laboratory axes and are determined by the polarization direction of the probe light. The electric field polarization direction Eb of the probe light coincides with the x axis. The angle formed by the x axis and the polarization direction E THz of the terahertz electric field is γ, and the angle formed by the x axis and the [−110] azimuth axis of the GaP crystal 16 is β. Since the GaP crystal 16 is rotated at the angular velocity ω by the motor 17, the angle β changes with ωt. In FIG. 6, for simplification, it is assumed that the [−110] azimuth axis of the GaP crystal 16 at time t = 0 coincides with the x axis. FIG. 6B is obtained by adding refractive index axes U1 and U2 to the coordinate system of FIG. 6A, and shows refractive index anisotropy due to application of a terahertz electric field.

今、計測したいパラメータは、プローブ光パルスの偏波方向Ebに対するテラヘルツ電場の偏波方向γと、テラヘルツ電場の振幅(ETHzの大きさに比例)である。The parameters to be measured are the polarization direction γ of the terahertz electric field with respect to the polarization direction Eb of the probe light pulse and the amplitude of the terahertz electric field (proportional to the magnitude of E THz ).

本願の発明者らは、角度βをβ=ωtを満たすように時々刻々と変化させると、検出器20の差分出力信号ΔIは、以下の式(0)にしたがって時間の関数として変化することを見出した。   As the inventors of the present application change the angle β from moment to moment so as to satisfy β = ωt, the difference output signal ΔI of the detector 20 changes as a function of time according to the following equation (0). I found it.

Figure 2013077097

ここで、Iはプローブ光パルスの強度、Ωはプローブ光パルスの角周波数、nとrはそれぞれプローブ光パルスの波長におけるGaP結晶16の屈折率と非線形光学定数、dはGaP結晶16の厚さ、cは光速であり、すべて既知の値である。厳密には位相整合条件を加味する必要があるため若干の修正が必要とされるが、dの値が小さい結晶を用いれば、その効果を無視することができる。したがって、(I・Ω・n3・r・d/2c)を係数Cとおくことができる。式(0)の導出については、後述する。
Figure 2013077097

Here, I is the intensity of the probe light pulse, Ω is the angular frequency of the probe light pulse, n and r are the refractive index and nonlinear optical constant of the GaP crystal 16 at the wavelength of the probe light pulse, respectively, and d is the thickness of the GaP crystal 16 , C are the speed of light, all known values. Strictly speaking, it is necessary to take into account the phase matching condition, so that slight correction is required. However, if a crystal having a small d value is used, the effect can be ignored. Therefore, (I · Ω · n 3 · r · d / 2c) can be set as the coefficient C. The derivation of Expression (0) will be described later.

式(0)の位相情報φは、図6のテラヘルツ電場の偏波方向γを表している。また、振幅信号はETHzに比例するので、適切な比例係数をかけることでテラヘルツ電場強度の絶対値を取り出すことができる。式(0)を用いることで、検出器20の出力ΔIから角周波数ωおよび/または3ωで振動する成分を抜き出し、その振幅と位相の情報を得ることによってテラヘルツ電場の偏波方向と振幅を瞬時に、かつそれぞれ独立して計測することが可能になる。The phase information φ in Expression (0) represents the polarization direction γ of the terahertz electric field in FIG. Further, since the amplitude signal is proportional to ETHz , the absolute value of the terahertz electric field intensity can be extracted by applying an appropriate proportionality coefficient. By using the equation (0), a component that vibrates at an angular frequency ω and / or 3ω is extracted from the output ΔI of the detector 20 and information on the amplitude and phase is obtained to instantaneously change the polarization direction and amplitude of the terahertz electric field. In addition, each can be measured independently.

以下で、実際に行なった検証実験を示す。図3の装置を実際に組み立て、94.73Hzで回転するモータ17を用いてGaP結晶16を回転させた。回転するGaP結晶にテラヘルツ電磁波を照射し、これと同期して、プローブ光パルスをGaP結晶16に入射した。ポンプ光パルスとプローブ光パルスの発生に用いたレーザは、パルス幅150フェムト秒、繰り返し周波数1.042KHzレーザである。   The verification experiment actually performed is shown below. 3 was actually assembled, and the GaP crystal 16 was rotated using the motor 17 rotating at 94.73 Hz. The rotating GaP crystal was irradiated with terahertz electromagnetic waves, and in synchronization with this, a probe light pulse was incident on the GaP crystal 16. The laser used to generate the pump light pulse and the probe light pulse is a laser having a pulse width of 150 femtoseconds and a repetition frequency of 1.042 KHz.

モータ17の回転を94.73Hzに設定することで、回転するGaP結晶16上に11個のデータ点が設定される。すなわち、GaP結晶16が1回転(360°)する間に結晶16上に11回テラヘルツ電磁波が照射され、11個のデータ点でΔIを取得する。データ点の数は11個に限定されず任意の数を設定することができる。第2実施形態と関連して後述するように、ノイズ除去の観点からは奇数個に設定されるのが望ましい。   By setting the rotation of the motor 17 to 94.73 Hz, 11 data points are set on the rotating GaP crystal 16. That is, while the GaP crystal 16 makes one rotation (360 °), the crystal 16 is irradiated with terahertz electromagnetic waves 11 times, and ΔI is acquired from 11 data points. The number of data points is not limited to 11, and an arbitrary number can be set. As will be described later in connection with the second embodiment, it is desirable to set an odd number from the viewpoint of noise removal.

図7(A)は、取得した連続する11個のデータ点(白丸)をプロットした図である。横軸はデータ点の番号(i)、縦軸は差分信号ΔIの強度である。データ点の数が11個の場合、データ点とデータ点の間の角度は360°/11=32.73°である。i番目のデータ点での結晶角度β(入射プローブ光の偏波方向Ebに対するGaP結晶の[−110]軸の角度β)は、
β=(i−1)×360°/11=(i−1)×2π/11[rad]
となる。
FIG. 7A is a diagram in which 11 consecutive acquired data points (white circles) are plotted. The horizontal axis represents the data point number (i), and the vertical axis represents the intensity of the difference signal ΔI. If the number of data points is 11, the angle between the data points is 360 ° / 11 = 32.73 °. The crystal angle β at the i-th data point (the angle β of the [−110] axis of the GaP crystal with respect to the polarization direction Eb of the incident probe light) is
β = (i−1) × 360 ° / 11 = (i−1) × 2π / 11 [rad]
It becomes.

11個のデータ点は、式(1)で表すことができる。   Eleven data points can be represented by equation (1).

Figure 2013077097
図7(A)の点線は、式(1)について以下のパラメータを用いて描いたものである。
Figure 2013077097
The dotted line in FIG. 7 (A) is drawn using the following parameters for equation (1).

Figure 2013077097
測定データは式(1)を非常によく再現している。図7(B)は、式(1)の右辺の2つの項を分解してプロットした図である。
Figure 2013077097
The measurement data reproduces equation (1) very well. FIG. 7B is a diagram in which the two terms on the right side of Equation (1) are decomposed and plotted.

Figure 2013077097
図7(B)からわかるように、3ω成分(曲線B)の最大振幅はω成分(曲線A)の最大振幅の3倍であり、3倍の速さで時間変化する。AとBを合波すると図7(A)の波形になる。
Figure 2013077097
As can be seen from FIG. 7B, the maximum amplitude of the 3ω component (curve B) is three times the maximum amplitude of the ω component (curve A), and changes with time at a speed of 3 times. When A and B are combined, the waveform of FIG.

図8は、図7(A)の11個のデータ点をフーリエ解析し、β、2β、3β、4β、5β、6βの周波数成分に対する振幅フーリエ成分を取り出した結果を示す。βと3βに振幅が現れ、2β、4β、5β、6βの振幅フーリエ成分はほぼゼロである。3βの振幅フーリエ成分は、βの振幅フーリエ成分の3倍である。なお、2β、4β、5β、6βの振幅フーリエ成分が完全にゼロでないのは、検出器20の線形性に若干のエラー(非線形性)が存在するためである。   FIG. 8 shows the result of Fourier analysis of the 11 data points in FIG. 7A and extracting the amplitude Fourier components for the frequency components of β, 2β, 3β, 4β, 5β, and 6β. Amplitudes appear at β and 3β, and the amplitude Fourier components of 2β, 4β, 5β, and 6β are almost zero. The amplitude Fourier component of 3β is three times the amplitude Fourier component of β. The reason why the amplitude Fourier components of 2β, 4β, 5β, and 6β are not completely zero is that there is a slight error (nonlinearity) in the linearity of the detector 20.

式(1)で示したω成分と3ω成分の   The ω component and the 3ω component shown in equation (1)

Figure 2013077097
は、それぞれ以下の量を表している。
Figure 2013077097
Represents the following quantities, respectively.

Figure 2013077097
ここでβ0は結晶の初期角度、γは求めたい偏光角度(図6の座標系のETHzの偏光角γ)、n1、n2は任意の整数である。図7では便宜上、初期角度β0をゼロとしていたが、実際にはセットアップ時に結晶がどの方向を向いているか(どの象限に[−110]方位軸があるか)わからないからである。
Figure 2013077097
Here, β 0 is the initial angle of the crystal, γ is the polarization angle to be obtained (E THz polarization angle γ in the coordinate system of FIG. 6), and n 1 and n 2 are arbitrary integers. In FIG. 7, for the sake of convenience, the initial angle β 0 is set to zero, but in reality it is not known which direction the crystal is oriented during setup (which quadrant has the [−110] azimuth axis).

式(2)、(3)から、結晶の初期角度β0を決定する。今、我々はβ0の値がラフに45°と135°の間にあることを知っているとする。すなわち、GaP結晶の[−110]結晶方位軸がプローブ光パルスの偏光方向(x軸)に対して90°近傍の位置にあるとする(β0=90±45°)。この場合、初期角度β0は式(4)で表すことができる。From the equations (2) and (3), the initial angle β 0 of the crystal is determined. Suppose now that we know that the value of β 0 is roughly between 45 ° and 135 °. That is, it is assumed that the [−110] crystal orientation axis of the GaP crystal is in the vicinity of 90 ° with respect to the polarization direction (x-axis) of the probe light pulse (β 0 = 90 ± 45 °). In this case, the initial angle β 0 can be expressed by Equation (4).

Figure 2013077097
ただし、0≦Δβ≦π/2。このとき、式(2)と式(3)を足すと以下の式が得られる。
Figure 2013077097
However, 0 ≦ Δβ ≦ π / 2. At this time, the following equation is obtained by adding the equations (2) and (3).

Figure 2013077097
したがって、式(5)を用いてΔβの値を算出することができる。
Figure 2013077097
Therefore, the value of Δβ can be calculated using Equation (5).

Figure 2013077097
±45°の範囲で当初の結晶の向きをラフに知ることができれば、上述した要領で式を簡単に作ることができ、Δβの値を正確に知ることができる。
Figure 2013077097
If the initial crystal orientation can be roughly known within a range of ± 45 °, the equation can be easily made in the manner described above, and the value of Δβ can be accurately known.

実施例1の場合、図7のグラフで用いたパラメータ(数3)によると、   In the case of Example 1, according to the parameter (Equation 3) used in the graph of FIG.

Figure 2013077097
あるから、式(5)の3番目の式が適用され、Δβ=150.2°−135°=15.2°が求められる。初期角度β0は、式(4)からβ0=45°+15.2°=60.2°である。
Figure 2013077097
Therefore, the third equation of equation (5) is applied to obtain Δβ = 150.2 ° −135 ° = 15.2 °. The initial angle β 0 is β 0 = 45 ° + 15.2 ° = 60.2 ° from the equation (4).

以上の値を式(2)、(3)に代入すると、式(2)'、(3)'のように変形できる。   By substituting the above values into Equations (2) and (3), they can be transformed into Equations (2) ′ and (3) ′.

Figure 2013077097
γの範囲は0°<γ<360°である必要があるから、式(2)'、(3)'のn1、n2の値は、それぞれ0、1でなければならない。したがって、
Figure 2013077097
Since the range of γ needs to be 0 ° <γ <360 °, the values of n 1 and n 2 in equations (2) ′ and (3) ′ must be 0 and 1, respectively. Therefore,

Figure 2013077097
となり、式(2)''と式(3)''のいずれを用いてもγ=186.5°であることがわかる。
Figure 2013077097
Thus, it can be seen that γ = 186.5 ° using either of the formulas (2) ″ and (3) ″.

図9および図10は、上述した解き方をグラフを用いて説明する図である。まず、式(5)からβ0=60.2°であることが解けた。したがって、式(2)''から、9 and 10 are diagrams for explaining the above-described solving method using graphs. First, it was found from Equation (5) that β 0 = 60.2 °. Therefore, from equation (2) '',

Figure 2013077097
によりγを導出する。これは図9のω成分における濃いグレイの棒線(246.7°)から淡い灰色の棒線(60.2°)を引き算することに相当する(246°−60.2°=186.5°)。
Figure 2013077097
To derive γ. This corresponds to subtracting the light gray bar (60.2 °) from the dark gray bar (246.7 °) in the ω component of FIG. 9 (246 ° −60.2 ° = 186.5 °).

一方、3β0=180.6°であるから、式(3)'でn2=0としてしまうと、On the other hand, since 3β 0 = 180.6 °, if n 2 = 0 in equation (3) ′,

Figure 2013077097
となり、負となってしまう。従って、360°を足して、
Figure 2013077097
And become negative. Therefore, add 360 °

Figure 2013077097
を計算すればよい。これは図9の3ω成分における白い棒線(3β0+360°=540.6°)から濃いグレーの棒線(354.1°)を引き算することに相当する(540.6°−354.1°=186.5°)。
Figure 2013077097
Should be calculated. This corresponds to subtracting the dark gray bar (354.1 °) from the white bar (3β 0 + 360 ° = 540.6 °) in the 3ω component of FIG. 9 (540.6 ° −354.1 ° = 186.5 °).

図10は、上記の計算結果を示すものである。当然であるが、式(2)''を用いても、式(3)''を用いても、γ=186.5°を導くことができる。   FIG. 10 shows the calculation result. As a matter of course, γ = 186.5 ° can be derived by using equation (2) ″ and equation (3) ″.

なお、測定装置の関係で初期角度β0の推定ができない場合は、偏光角度の決定に90°の任意性が残る。その場合は、以下の方法で初期角度の任意性を消去することができる。If the initial angle β 0 cannot be estimated because of the measurement device, 90 ° arbitraryness remains in the determination of the polarization angle. In that case, the arbitraryness of the initial angle can be eliminated by the following method.

まず、縦偏光か横偏光かおおよそ分かっている電磁波発生源を用意する。たとえば、光パスの途中に縦偏光か横偏光かを見分けることのできる偏光子をおく。一例として、シリコン基板を斜めに(テラヘルツ電磁波の伝搬方向に対して45°の角度で)配置すると縦偏光と横偏光の透過率が変化することを利用して、縦偏光か横偏光かを見分けることができる。そして上記の方法で既知の(垂直方向か水平方向かの)偏光をもった光の偏光角度を決定する。このときに縦偏光であるにもかかわらずγ=186.5°という横偏光の値が出てきた場合には、β0の決定に90°のエラーがあると判定できる。したがって、新たにβ0=(60.2+90)°と置きなおして、以降の実験を継続すればよい。First, an electromagnetic wave source that is roughly known as longitudinally polarized light or laterally polarized light is prepared. For example, a polarizer that can distinguish between longitudinally polarized light and laterally polarized light is placed in the middle of the optical path. As an example, if the silicon substrate is placed obliquely (at an angle of 45 ° with respect to the propagation direction of the terahertz electromagnetic wave), the transmittance of longitudinally polarized light and transversely polarized light is changed to distinguish between vertically polarized light and horizontally polarized light. be able to. Then, the polarization angle of light having a known polarization (whether vertical or horizontal) is determined by the above method. At this time, if a value of lateral polarization of γ = 186.5 ° appears even though it is longitudinal polarization, it can be determined that there is an error of 90 ° in determining β 0 . Therefore, it is only necessary to newly replace β 0 = (60.2 + 90) ° and continue the subsequent experiment.

この方法は、90°の任意性を180°の任意性に抑えることができる。180°の任意性では、例えば横方向(水平方向)の電場ベクトルが「右を指しているか」、「左を指しているか」という不定性は残るが、実用上は左右方向の不定性が問題になることはほとんどないので問題はないと考えられる。   This method can suppress the 90 ° arbitraryness to the 180 ° arbitrary. With 180 ° arbitraryness, for example, the indefiniteness of whether the electric field vector in the horizontal direction (horizontal direction) points to the right or left is left, but indefiniteness in the horizontal direction is a problem in practice. It seems that there is no problem because there is almost no.

図11は、第1実施形態による偏波方向解析方法を示すフローチャートである。ステップS101で、検出用の非線形光学結晶を角周波数ωで回転する。ステップS103で、非線形光学結晶に測定対象の電磁波を照射し、これと同期してプローブ光を入照する。ステップS105で、結晶を透過した光ビームを互いに直交する成分に分離して差分信号(強度差)ΔIを検出する。ステップS107で差分信号ΔIを周波数解析して、角周波数ω成分と3ω成分を抽出する。この処理は式(1)で表され、式(0)と等値である。ステップS107で、照射電磁波の振幅成分と位相成分を取得して、偏波方向と電場振幅とを算出する。ω、3ωのいずれの位相情報からも偏波方向γを求めることができる。また、ω、3ω成分の振幅情報に適切な既知の係数を乗算することで、電磁波の電場強度の絶対値を取り出すことができる。   FIG. 11 is a flowchart showing the polarization direction analysis method according to the first embodiment. In step S101, the detection nonlinear optical crystal is rotated at an angular frequency ω. In step S103, the nonlinear optical crystal is irradiated with the electromagnetic wave to be measured, and the probe light is incident in synchronization therewith. In step S105, the light beam transmitted through the crystal is separated into mutually orthogonal components, and a differential signal (intensity difference) ΔI is detected. In step S107, the difference signal ΔI is frequency-analyzed to extract the angular frequency ω component and the 3ω component. This process is expressed by equation (1) and is equivalent to equation (0). In step S107, the amplitude component and the phase component of the irradiation electromagnetic wave are acquired, and the polarization direction and the electric field amplitude are calculated. The polarization direction γ can be obtained from any phase information of ω and 3ω. In addition, by multiplying the amplitude information of the ω and 3ω components by an appropriate known coefficient, the absolute value of the electric field strength of the electromagnetic wave can be extracted.

図12と図13は、第1実施形態の効果を示す図である。図12は上述した方法で偏波方向γを測定したときの平均値からの偏差分布を示すグラフである。1回の測定を22ミリ秒とし、10000回測定を繰り返した(N=10000)。測定結果はガウス分布を示し、平均値75.00°からの偏差σはわずか0.56°である。標準誤差はσ/N1/2で表されるので、±0.0056°の精度である。12 and 13 are diagrams illustrating the effects of the first embodiment. FIG. 12 is a graph showing a deviation distribution from the average value when the polarization direction γ is measured by the method described above. One measurement was 22 milliseconds, and the measurement was repeated 10,000 times (N = 10000). The measurement result shows a Gaussian distribution, and the deviation σ from the average value of 75.00 ° is only 0.56 °. Since the standard error is expressed by σ / N 1/2 , the accuracy is ± 0.0056 °.

図13は第1実施形態の測定手法の安定性を示すグラフである。図13の上段は電場振幅、下段は偏波方向の平均値からの偏差を示す。これら2つの結果は42秒の範囲で1000個の測定点から、それぞれ独立して同時に得られたものである。上段の測定では、近赤外レーザパルスの円形減光フィルタを手動で回転して、わざとテラヘルツ電場の振幅Eaを±25%の範囲で変化させ最大振幅で正規化した。   FIG. 13 is a graph showing the stability of the measurement method of the first embodiment. The upper part of FIG. 13 shows the electric field amplitude, and the lower part shows a deviation from the average value in the polarization direction. These two results were obtained independently and simultaneously from 1000 measurement points in the range of 42 seconds. In the upper measurement, the circular attenuating filter of the near-infrared laser pulse was manually rotated to intentionally change the amplitude Ea of the terahertz electric field in a range of ± 25% and normalize the maximum amplitude.

下段の測定では、同一測定期間内でのテラヘルツ偏波方向γ(プローブ光の偏波方向に対するテラヘルツ電場の偏波方向)のばらつきを取得した。1000個の測定点での平均値75.00°からの偏差を表す。この測定結果から、電場振幅の変化にもかかわらず、偏波方向γの測定ばらつきは非常に小さく、電波振幅に依存せずに安定して偏波方向が得られることがわかる。   In the lower measurement, the variation in the terahertz polarization direction γ (the polarization direction of the terahertz electric field with respect to the polarization direction of the probe light) within the same measurement period was acquired. The deviation from the average value of 75.00 ° at 1000 measurement points is shown. From this measurement result, it can be seen that the measurement variation in the polarization direction γ is very small regardless of the change in the electric field amplitude, and the polarization direction can be stably obtained without depending on the radio wave amplitude.

以上のように、第1実施形態の装置および方法を用いることで、一対のワイヤグリッド偏光子を用いる従来方法や、結晶を2つの直交する方向に手作業で回転する手法と比較して、以下の効果が得られる。   As described above, by using the apparatus and method of the first embodiment, compared with the conventional method using a pair of wire grid polarizers and the method of manually rotating a crystal in two orthogonal directions, the following The effect is obtained.

第1に、1スキャンで高速(22ミリ秒以内)かつ高精度(1度以下)に偏波方向と電場強度をリアルタイム測定することができる。第2に、光学素子の偏光方向を正確に設定しなくても、プローブ光の偏波方向に対する照射電磁波の絶対偏波方向を決定することができる。第3に、1回の測定で電場振幅と偏波情報を別々に取得可能であり、かつ偏波情報は振幅変動の影響から独立している。第4に、装置構成が簡素化される。

<第2実施形態>
第2実施形態では、第1実施形態の装置および方法にノイズ除去機能を追加する。図14は、第2実施形態の偏波解析装置50の概略図である。図3の偏波解析装置10と同じ構成要素には同じ符号を付けて、重複する説明は省略する。
First, the polarization direction and the electric field strength can be measured in real time with high speed (within 22 milliseconds) and high accuracy (below 1 degree) in one scan. Second, even if the polarization direction of the optical element is not accurately set, the absolute polarization direction of the irradiation electromagnetic wave with respect to the polarization direction of the probe light can be determined. Third, the electric field amplitude and polarization information can be acquired separately in one measurement, and the polarization information is independent of the influence of amplitude fluctuation. Fourth, the device configuration is simplified.

Second Embodiment
In the second embodiment, a noise removal function is added to the apparatus and method of the first embodiment. FIG. 14 is a schematic diagram of the polarization analyzer 50 of the second embodiment. The same components as those in the polarization analyzer 10 of FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図14の偏波解析装置50は、電磁波発生源19の偏光子(P1)11の前段に挿入された光学チョッパー51と、ノイズ除去演算部53を有する。光学チョッパー51とノイズ除去演算部53は、偏波方向を検出する際に現れるノイズを効果的に除去するために用いられる。   14 includes an optical chopper 51 inserted in front of the polarizer (P1) 11 of the electromagnetic wave generation source 19 and a noise removal calculation unit 53. The optical chopper 51 and the noise removal calculation unit 53 are used to effectively remove noise that appears when the polarization direction is detected.

偏波解析装置50に生じるノイズは、検出用の(110)閃亜鉛構造結晶(第2実施形態ではGaP結晶)16におけるプローブ光の散乱等に起因する。ノイズは、測定対象の照射電磁波が存在しなくても現れ、GaP結晶16を回転させたときの各時刻における角度の関数として周期的に変化する。   Noise generated in the polarization analyzer 50 is caused by scattering of probe light or the like in the (110) zinc-blende structure crystal (GaP crystal in the second embodiment) 16 for detection. Noise appears even if there is no irradiation electromagnetic wave to be measured, and periodically changes as a function of the angle at each time when the GaP crystal 16 is rotated.

光学チョッパー51は、発生する電磁波を周波数f1で変調する。変調周波数f1は、検出用のGaP結晶16の回転周波数をf2としたときに、次の関係を満たすように設定される。The optical chopper 51 modulates the generated electromagnetic wave with the frequency f 1 . The modulation frequency f 1 is set so as to satisfy the following relationship when the rotational frequency of the detection GaP crystal 16 is f 2 .

1=(n/2)×f2 (6)
ここで、nは奇数であり、回転するGaP結晶16上のデータ点の数である。
f 1 = (n / 2) × f 2 (6)
Here, n is an odd number, which is the number of data points on the rotating GaP crystal 16.

図15は、光学チョッパー51を用いたノイズキャンセルの原理を説明するための図である。この例では、n=5の場合、すなわち、結晶16上の照射点(データ点)の数が5個の場合を示す。   FIG. 15 is a diagram for explaining the principle of noise cancellation using the optical chopper 51. In this example, n = 5, that is, the number of irradiation points (data points) on the crystal 16 is five.

1=(5/2)×f2 (7)
横軸は時間軸、jは電磁波の照射パルス番号である。発生電磁波は、光学チョッパー51によって時間軸に沿って周波数f1でON/OFFされる。他方、周波数f2で回転するGaP結晶16は、発生電磁波のON/OFF周期の2.5倍で一回転するように設計されている。
f 1 = (5/2) × f 2 (7)
The horizontal axis is a time axis, and j is an irradiation pulse number of electromagnetic waves. The generated electromagnetic wave is turned ON / OFF at the frequency f 1 along the time axis by the optical chopper 51. On the other hand, the GaP crystal 16 rotating at the frequency f 2 is designed to rotate once at 2.5 times the ON / OFF cycle of the generated electromagnetic wave.

図15の一回転目において、0〜72°の角度範囲(初期角度から5分周した角度)で、発生電磁波はONとなっている。二回転目の同じ0〜72°の角度範囲では、発生電磁波はOFFとなっている。従って、一回転目のデータから二回転目のデータを差し引くことで、一回転目と二回転目に共通して存在するノイズが差し引かれ、求めたい電磁波信号だけが残る。   In the first rotation of FIG. 15, the generated electromagnetic wave is ON in an angle range of 0 to 72 ° (an angle obtained by dividing the initial angle by 5). In the same 0-72 ° angle range of the second rotation, the generated electromagnetic wave is OFF. Therefore, by subtracting the second rotation data from the first rotation data, noise that exists in common in the first rotation and the second rotation is subtracted, and only the electromagnetic wave signal to be obtained remains.

引き続く72〜144°の角度範囲では、一回転目で発生電磁波がOFFであり、二回転目で発生電磁波はONである。この場合は、二回目のデータから一回転目のデータを差し引く。この処理を360°回転するまで繰り返して、ノイズを除去したデータ列を取得する。   In the subsequent angle range of 72 to 144 °, the generated electromagnetic wave is OFF at the first rotation, and the generated electromagnetic wave is ON at the second rotation. In this case, the first rotation data is subtracted from the second data. This process is repeated until it is rotated 360 ° to obtain a data string from which noise has been removed.

データ点の数nを奇数に設定する理由は、連続する二回の回転を1セットとしたときに、同じ角度領域でかならずONとOFFになるようにするためである。この数値処理を数式で表すと、以下のようになる(n=5の例)。   The reason why the number n of data points is set to an odd number is to make sure that the number of data points is ON and OFF in the same angular region when two consecutive rotations are set as one set. This numerical processing is expressed as follows (example of n = 5).

Figure 2013077097
ここで、ΔI(j)はj番目に取得した差分信号ΔIであり、ΔI'(j)はON/OFF処理でノイズを差し引いて得られた新しいデータ列である。
Figure 2013077097
Here, ΔI (j) is the jth difference signal ΔI acquired, and ΔI ′ (j) is a new data string obtained by subtracting noise in the ON / OFF process.

ノイズ除去演算部53は、検出器52で検出された差分信号ΔIに基づいて数16の処理を行なう。ノイズ除去処理で得られたΔI'(j)を以降の周波数解析(ω成分と3ω成分の抽出)に用いることで、照射電磁波の偏波方向と電場振幅をより正確に測定することができる。   The noise removal calculation unit 53 performs the processing of Expression 16 based on the difference signal ΔI detected by the detector 52. By using ΔI ′ (j) obtained by the noise removal processing for subsequent frequency analysis (extraction of ω component and 3ω component), the polarization direction and electric field amplitude of the irradiated electromagnetic wave can be measured more accurately.

なお、図14では、ノイズ除去演算部53は、検出器52と解析部21の間に挿入されているが、検出器52と一体的に構成されてもよいし、解析部21と一体的に構成されてもよい。或いは、外部の演算装置を用いてもよい。   In FIG. 14, the noise removal calculation unit 53 is inserted between the detector 52 and the analysis unit 21, but may be configured integrally with the detector 52 or integrated with the analysis unit 21. It may be configured. Alternatively, an external arithmetic device may be used.

実際の検証例を説明する。GaP結晶16上に11個のデータ点を設定する。レーザシステムの繰り返し周波数は1.042 kHzである。これを、電気回路を用いて11分周することで
2=94.73 Hz
とする。モータ17の角速度ωはこのf2値になるように制御される。光学チョッパー51の周波数f1は、式(6)から、
1=(11/2)×94.73 Hz=521 Hz
である。この設定により、1.042 kHzのレーザパルスで生成されたテラヘルツ電磁波は、360°を11等分した角度でGaP結晶16に当たる。
An actual verification example will be described. Eleven data points are set on the GaP crystal 16. The repetition frequency of the laser system is 1.042 kHz. By dividing this by 11 using an electric circuit, f 2 = 94.73 Hz
And The angular velocity ω of the motor 17 is controlled so as to have this f 2 value. The frequency f 1 of the optical chopper 51 is obtained from the equation (6):
f 1 = (11/2) × 94.73 Hz = 521 Hz
It is. With this setting, the terahertz electromagnetic wave generated by the 1.042 kHz laser pulse hits the GaP crystal 16 at an angle obtained by dividing 360 ° into 11 equal parts.

検出器52のノイズ除去演算部53は、22個のデータ点(二回転分のデータ点)を用いて、11個の新しいデータ列を生成する。   The noise removal calculation unit 53 of the detector 52 generates 11 new data strings using 22 data points (data points for two rotations).

Figure 2013077097
偏波解析部21は、得られたΔI'(j)データ列の成分を周波数解析してω成分と3ω成分を抽出し、電磁波の偏波方向(偏光角度)と電場振幅を決定する。これにより、ノイズを効果的に抑制した偏波方向、電場振幅の決定が可能になる。
Figure 2013077097
The polarization analysis unit 21 performs frequency analysis on the components of the obtained ΔI ′ (j) data string, extracts the ω component and the 3ω component, and determines the polarization direction (polarization angle) and the electric field amplitude of the electromagnetic wave. As a result, it is possible to determine the polarization direction and the electric field amplitude while effectively suppressing noise.

第1実施形態および第2実施形態の手法は、偏波方向決定精度が非常に高いことから、微小カー回転角測定(またはファラデー回転角測定)による高精度光磁気計測や、複屈折による偏光回転を利用した微小応力歪み検出、生体分子の高精度円二色性スペクトル計測への応用が可能になる。電磁波の照射により試料の特性を測定する場合は、表面形状、応力、磁性等の内部状態、生体分子の構造など多様な特性測定に適用できる。

<第3実施形態>
第3実施形態では、第1実施形態または第2実施形態の偏波解析装置を用いて、物質の特性を高い分解能で測定する。第3実施形態では、物質特性の一例として試料の表面段差(凹凸)を決定する。この例では、試料に円偏光または楕円偏光の電磁波を照射して、試料からの反射電磁波の偏波方向から直接、試料の特性を測定する。
Since the method of the first embodiment and the second embodiment has very high polarization direction determination accuracy, high-precision magneto-optical measurement by minute Kerr rotation angle measurement (or Faraday rotation angle measurement) or polarization rotation by birefringence It can be applied to the detection of micro-stress and strain using microscopic and high-precision circular dichroism spectrum measurement of biomolecules. When measuring characteristics of a sample by irradiation with electromagnetic waves, it can be applied to various characteristics measurement such as surface shape, stress, internal state such as magnetism, and structure of biomolecules.

<Third Embodiment>
In the third embodiment, the characteristics of a substance are measured with high resolution using the polarization analyzer of the first embodiment or the second embodiment. In the third embodiment, the surface step (unevenness) of the sample is determined as an example of the material characteristic. In this example, the sample is irradiated with circularly or elliptically polarized electromagnetic waves, and the characteristics of the sample are measured directly from the polarization direction of the reflected electromagnetic waves from the sample.

図16は、第3実施形態の物性測定装置100の概略図である。測定装置100は、レーザ101、試料130を保持するステージ131、電磁波発生用のZnTe結晶115、発生した電磁波を円偏光または楕円偏光にする光学素子111、試料130からの反射電磁波を検出する検出用のZnTe結晶116、ZnTe結晶116を角周波数ωで回転するモータ117、ZnTe結晶116に電磁波の照射と同期してプローブ光パルスLBを入射する光学系129を有する。ZnTe結晶115、116は閃亜鉛構造を有する結晶である。試料130は、電磁波発生用のZnTe結晶115と検出用のZnTe結晶116の間に位置する反射系に置かれている。   FIG. 16 is a schematic diagram of a physical property measuring apparatus 100 according to the third embodiment. The measuring apparatus 100 includes a laser 101, a stage 131 that holds a sample 130, a ZnTe crystal 115 for generating electromagnetic waves, an optical element 111 that converts the generated electromagnetic waves into circularly or elliptically polarized light, and detection that detects reflected electromagnetic waves from the sample 130. ZnTe crystal 116, a motor 117 that rotates the ZnTe crystal 116 at an angular frequency ω, and an optical system 129 that makes the probe light pulse LB incident on the ZnTe crystal 116 in synchronization with the irradiation of electromagnetic waves. The ZnTe crystals 115 and 116 are crystals having a zinc flash structure. The sample 130 is placed in a reflection system located between the ZnTe crystal 115 for generating electromagnetic waves and the ZnTe crystal 116 for detection.

物性測定装置100はさらに、検出用のZnTe結晶116を透過するプローブ光の差分信号ΔIを検出する検出器152と、差分信号ΔIを周波数解析してω成分と3ω成分を抽出し検出電磁波の偏波方向を決定する偏波解析部121と、偏波解析部121の出力から試料130の特性を計測する試料解析部122を含む。試料解析部122は、特定の物質について、あらかじめ取得した偏波方向(偏光角度)と物質の特性との対応関係を示す情報を格納する偏光角度−特性対応情報格納部123と、測定された偏光角度と格納された対応情報とから試料の特性を決定する特性決定部124を有する。表面段差を計測する場合は、偏光角度と段差(表面深さ)との対応関係を予め取得して対応情報格納部123に格納しておく。ここで、あらかじめ取得される偏光角度は、円偏光(または楕円偏光)の電磁波の、検出用結晶116におけるプローブ光パルス入射時の偏光角度である。レーザ101の出射光はビームスプリッタ(BS)によって分岐され、一部はポンプ光パルスとして電磁波発生用のZnTe結晶115に導かれ、一部はプローブ光パルスとして検出用のZnTe結晶116に導かれる。   The physical property measuring apparatus 100 further includes a detector 152 that detects the differential signal ΔI of the probe light that passes through the detection ZnTe crystal 116, and frequency analysis of the differential signal ΔI to extract the ω component and the 3ω component, thereby A polarization analysis unit 121 that determines the wave direction and a sample analysis unit 122 that measures the characteristics of the sample 130 from the output of the polarization analysis unit 121 are included. The sample analysis unit 122 includes, for a specific substance, a polarization angle-characteristic correspondence information storage unit 123 that stores information indicating a correspondence relationship between a polarization direction (polarization angle) acquired in advance and characteristics of the substance, and a measured polarization. A characteristic determination unit 124 that determines the characteristic of the sample from the angle and the stored correspondence information is provided. When measuring the surface step, the correspondence relationship between the polarization angle and the step (surface depth) is acquired in advance and stored in the correspondence information storage unit 123. Here, the polarization angle acquired in advance is a polarization angle of the circularly polarized (or elliptically polarized) electromagnetic wave when the probe light pulse is incident on the detection crystal 116. The light emitted from the laser 101 is branched by a beam splitter (BS), part of which is guided to the electromagnetic wave generating ZnTe crystal 115 as a pump light pulse, and part of the light is guided to the detection ZnTe crystal 116 as a probe light pulse.

レーザ101、光学素子(GL、HWP、反射ミラーなど)、ZnTe結晶115、1/4波長板111で電磁波発生源を構成する。任意でノイズ除去用の光学チョッパー110を挿入してもよい。直線偏光子GL、1/2波長板HWPを通過したレーザパルスをZnTe結晶115に照射して電磁波を発生させる。図16の例では、テラヘルツ波を発生させ、発生した電磁波を1/4波長板111に通して円偏光にする。円偏光の電磁波は、パラボラミラー(PM1−PM3)を介して試料130に導かれる。試料130の表面で反射した電磁波は、パラボラミラー(PM4、PM5)を介して、検出用のZnTe結晶116に入射する。   The laser 101, the optical element (GL, HWP, reflection mirror, etc.), the ZnTe crystal 115, and the quarter wavelength plate 111 constitute an electromagnetic wave generation source. Optionally, an optical chopper 110 for noise removal may be inserted. The ZnTe crystal 115 is irradiated with a laser pulse that has passed through the linear polarizer GL and the half-wave plate HWP to generate an electromagnetic wave. In the example of FIG. 16, a terahertz wave is generated, and the generated electromagnetic wave is passed through the quarter wavelength plate 111 to be circularly polarized. Circularly polarized electromagnetic waves are guided to the sample 130 via parabolic mirrors (PM1-PM3). The electromagnetic wave reflected by the surface of the sample 130 enters the detection ZnTe crystal 116 via the parabolic mirror (PM4, PM5).

他方、ビームスプリッタ(BS)で分岐されたプローブ光LBは、光学系129によって検出用のZnTe結晶116に導かれる。光学系129は、光学遅延素子106を有する遅延ステージDSを含む。この遅延ステージDSは、試料130の測定中は固定にしておくことができる。これは物性測定装置100の有利な特徴のひとつである。その理由を以下で説明する。   On the other hand, the probe light LB branched by the beam splitter (BS) is guided to the detection ZnTe crystal 116 by the optical system 129. The optical system 129 includes a delay stage DS having an optical delay element 106. The delay stage DS can be fixed during the measurement of the sample 130. This is one of the advantageous features of the physical property measuring apparatus 100. The reason will be described below.

一般に、試料表面の深さの変化は、試料に直線偏波の光を照射し、試料からの反射光が検出されるまでの時間を計ることで測定されている。この様子を図17に示す。試料のA点とB点に距離dの段差がある場合、検出される電磁波の光路長にΔx=2dの差が生じる。これは時間差Δtとして検出される(Δx=cΔt; cは光速)。到達時間の変化Δtを測定するためには、電磁波の振幅がピーク値を示す時刻を決定する必要がある。そのため、図18に示すように、遅延ステージを駆動しなければならない。   In general, the change in the depth of the sample surface is measured by irradiating the sample with linearly polarized light and measuring the time until the reflected light from the sample is detected. This is shown in FIG. When there is a step of distance d between point A and point B of the sample, a difference of Δx = 2d occurs in the optical path length of the detected electromagnetic wave. This is detected as a time difference Δt (Δx = cΔt; c is the speed of light). In order to measure the change Δt in the arrival time, it is necessary to determine the time at which the amplitude of the electromagnetic wave exhibits a peak value. Therefore, as shown in FIG. 18, the delay stage must be driven.

図18において、光学遅延素子106の位置をΔx動かすことによって、電磁波の光路長が2Δx変化する。光路長が2Δx長くなった場合、検出用のZnTe結晶116への電磁波の入射タイミングがΔtずれる(Δt=2Δx/c)。光学遅延素子106の位置を一定のステップサイズで動かしながら反射電磁波の測定を繰り返すことで、検出用のZnTe結晶116に入射する電磁波の時間波形の全体が得られ、ピーク位置を特定することができる。ただし、この方法では測定点ごとに遅延ステージを駆動しなければならない。   In FIG. 18, by moving the position of the optical delay element 106 by Δx, the optical path length of the electromagnetic wave changes by 2Δx. When the optical path length is increased by 2Δx, the incident timing of the electromagnetic wave to the detection ZnTe crystal 116 is shifted by Δt (Δt = 2Δx / c). By repeating the measurement of the reflected electromagnetic wave while moving the position of the optical delay element 106 with a constant step size, the entire time waveform of the electromagnetic wave incident on the detection ZnTe crystal 116 can be obtained, and the peak position can be specified. . However, in this method, the delay stage must be driven for each measurement point.

そこで、第3実施形態では、照射電磁波を直線偏光ではなく円偏光または楕円偏光にすることで、測定中の遅延ステージDSの駆動を不要にする。円偏光や楕円偏光の場合は電場の偏光角度が連続的に変化することを利用して、試料表面の段差(凹凸)を測定する。   Therefore, in the third embodiment, the irradiation electromagnetic wave is not linearly polarized light but circularly polarized light or elliptically polarized light, thereby making it unnecessary to drive the delay stage DS during measurement. In the case of circularly polarized light or elliptically polarized light, the step (unevenness) on the sample surface is measured by utilizing the fact that the polarization angle of the electric field changes continuously.

図19は、一例として円偏光の光の偏光角度と段差の対応関係を説明するための図である。z軸は電磁波の進行方向である。電磁波の1波長以下の段差に対し、段差d(z方向の位置)と電場の偏光角度とを1対1対応で対応づけることができる。図17に示す直線偏光の光を用いる方法では、A点とB点との段差dを電場の到達時間差として検出している。これに対し、図19の方法では、電磁波の偏光角度の変化として段差dを検出することができる。   FIG. 19 is a diagram for explaining the correspondence between the polarization angle of circularly polarized light and a step as an example. The z axis is the traveling direction of electromagnetic waves. The step d (position in the z direction) and the polarization angle of the electric field can be associated with the step of one wavelength or less of the electromagnetic wave in a one-to-one correspondence. In the method using linearly polarized light shown in FIG. 17, the step d between the points A and B is detected as a difference in arrival time of the electric field. On the other hand, in the method of FIG. 19, the step d can be detected as a change in the polarization angle of the electromagnetic wave.

一般に、円偏光の電場ベクトルの方位角の変化をΔθ(deg.)、波長をλとすると、段差dは式(10)の関係を満たす。   In general, when the change in the azimuth angle of the circularly polarized electric field vector is Δθ (deg.) And the wavelength is λ, the step d satisfies the relationship of Expression (10).

Figure 2013077097
式(10)から分かるように、物性測定装置100の有利な特徴として、測定される段差dは電磁波の振幅と無関係である。これは光源強度の揺らぎがノイズとして入ってこないことを意味する。また、従来のように直線偏光を入射する場合と異なり、測定中に検出電磁波の時間波形全体をスキャンする必要がないため、サンプリング数を大幅に減らすことができる。
Figure 2013077097
As can be seen from the equation (10), as an advantageous feature of the physical property measuring apparatus 100, the step d to be measured is independent of the amplitude of the electromagnetic wave. This means that the fluctuation of the light source intensity does not enter as noise. Further, unlike the conventional case where linearly polarized light is incident, it is not necessary to scan the entire time waveform of the detected electromagnetic wave during measurement, so that the number of samplings can be greatly reduced.

図20(A)と図20(B)は、検出用のZnTe結晶116にプローブ光パルスが到達したときの電場のスナップショットを描いたものである。電場の進行方向は図中の矢印の方向(z方向)であり、左回り円偏光を仮定している。図を見やすくするために、x成分の電場は省略してある。   FIG. 20A and FIG. 20B depict a snapshot of the electric field when the probe light pulse reaches the detection ZnTe crystal 116. The direction of travel of the electric field is the direction of the arrow in the figure (z direction), assuming counterclockwise circular polarization. In order to make the figure easier to see, the electric field of the x component is omitted.

図20(A)は図17のA点から反射した電磁波、図20(B)は、図17のA点よりも10μm深い位置にあるB点から反射した電磁波である。図16の測定装置100の場合、照射電磁波の波長λ=300μm、d=10μmであるから、式(10)によると、Δθ=24°となる。したがって、図20(A)、図20(B)の右側に示すように、試料のA点からの反射電磁波の偏光角度が、偏波解析部121(図16)により180°と算出された場合、B点からの反射電磁波の偏光角度は156°となる。   20A shows the electromagnetic wave reflected from the point A in FIG. 17, and FIG. 20B shows the electromagnetic wave reflected from the point B that is 10 μm deeper than the point A in FIG. In the case of the measuring apparatus 100 of FIG. 16, since the wavelength λ of the irradiated electromagnetic wave is 300 μm and d = 10 μm, Δθ = 24 ° is obtained according to the equation (10). Therefore, when the polarization angle of the reflected electromagnetic wave from the point A of the sample is calculated as 180 ° by the polarization analysis unit 121 (FIG. 16), as shown on the right side of FIGS. , The polarization angle of the reflected electromagnetic wave from the point B is 156 °.

このように、試料130で反射し、非線形光学結晶116で検出された光の偏光角度から、検出波長以下の微小な段差(深さ位置)の計測を行なうことが可能である。実施例1の偏波解析装置10または実施例2の偏波解析装置50を用いると、図12に示したように±0.01°以下の精度で偏波の方向を決定することができる。Δθ=±0.01°として式(10)に代入すると、d=±λ/72000となる。入射電磁波の波長がλ=300μmのテラヘルツ波だとすると、d=±4.2nmの精度で試料表面の測定をすることができる。   As described above, it is possible to measure a minute step (depth position) below the detection wavelength from the polarization angle of the light reflected by the sample 130 and detected by the nonlinear optical crystal 116. When the polarization analyzer 10 of the first embodiment or the polarization analyzer 50 of the second embodiment is used, the direction of polarization can be determined with an accuracy of ± 0.01 ° or less as shown in FIG. If Δθ = ± 0.01 ° is substituted into equation (10), d = ± λ / 72000. If the wavelength of the incident electromagnetic wave is a terahertz wave with λ = 300 μm, the sample surface can be measured with an accuracy of d = ± 4.2 nm.

なお、測定中は図16の遅延ステージDSを固定しているが、偏光角度と段差の1対1の対応関係をあらかじめ取得するために、遅延ステージDSを駆動する。この場合でも、物質ごとに1度のスキャンですみ、測定中の時間波形取得のための遅延ステージのスキャンは不要である。ここでいう遅延ステージのスキャンは、試料表面での電磁波の2次元走査とは別のものである。   While the delay stage DS of FIG. 16 is fixed during measurement, the delay stage DS is driven in order to obtain a one-to-one correspondence between the polarization angle and the step. Even in this case, only one scan is required for each substance, and it is not necessary to scan a delay stage for acquiring a time waveform during measurement. The scanning of the delay stage here is different from the two-dimensional scanning of the electromagnetic wave on the sample surface.

従来の直線偏光を用いた測定方法に、第3実施形態の手法、すなわち、あらかじめ電場を大きさを段差dの関数(E=E(d))として取得し、測定されたEの値からdを見積もる方法を適用できないこともない。しかし、反射電場の大きさはレーザの揺らぎや測定対象物の反射率により変化すること、直線偏光の場合はEとdは一般に1対1に対応していないなどの制約があること、から現実的ではない。これに対し、円偏光の場合は、式(10)で示したように、レーザ揺らぎの影響を受けず、偏光角度と段差を1対1対応にできる点で非常に有利である。同じことが楕円偏光にも当てはまる。   The measurement method using the linearly polarized light is the same as that of the third embodiment, that is, the electric field is obtained in advance as a function of the level difference d (E = E (d)), and d is determined from the measured E value. It is not impossible to apply the method of estimating However, the magnitude of the reflected electric field varies depending on the fluctuation of the laser and the reflectance of the measurement object, and in the case of linearly polarized light, there is a restriction that E and d generally do not correspond one-to-one. Not right. On the other hand, the circularly polarized light is very advantageous in that the polarization angle and the step can be made one-to-one correspondence without being affected by the laser fluctuation as shown in the equation (10). The same applies to elliptically polarized light.

物質ごとに偏光角度と段差dの関係をあらかじめ取得する方法として、遅延ステージDSを駆動するかわりに、試料を保持するステージ131をz方向に動かす構成としてもよい。この場合は、電動マイクロメータ等で試料130のz方向の位置を少しずつ変化させながら偏光角度と段差dの対応関係を取得する。いずれの方法によっても、試料130表面で反射され検出された電磁波の偏光角度(偏波方向)から、表面段差を直接決定することができる。   As a method for acquiring in advance the relationship between the polarization angle and the level difference d for each substance, the stage 131 holding the sample may be moved in the z direction instead of driving the delay stage DS. In this case, the correspondence relationship between the polarization angle and the level difference d is acquired while gradually changing the position of the sample 130 in the z direction with an electric micrometer or the like. In any method, the surface step can be directly determined from the polarization angle (polarization direction) of the electromagnetic wave reflected and detected on the surface of the sample 130.

図21は第3実施形態の物性測定方法のフローチャートである。ステップS201で、試料に円偏光または楕円偏光の電磁波を照射し非線形光学結晶で検出される反射光の偏光角度と、試料特性(たとえば表面の段差d)との関係をあらかじめ取得する。取得した対応関係情報を、測定装置100に格納しておく。ステップS203で、測定対象物に円偏光または楕円偏光の電磁波を照射し、反射された電磁波を非線形光学結晶で検出する。ステップS205で、第1実施形態または第2実施形態の手法により、検出された電磁波の偏光角度(偏波方向)を決定する。ステップS207で、測定された偏波方向と格納された対応関係から測定対象物の特性(表面段差d)を決定する。   FIG. 21 is a flowchart of the physical property measurement method according to the third embodiment. In step S201, the sample is irradiated with circularly or elliptically polarized electromagnetic waves, and the relationship between the polarization angle of the reflected light detected by the nonlinear optical crystal and the sample characteristics (for example, surface step d) is acquired in advance. The acquired correspondence information is stored in the measuring apparatus 100. In step S203, the object to be measured is irradiated with circularly or elliptically polarized electromagnetic waves, and the reflected electromagnetic waves are detected with a nonlinear optical crystal. In step S205, the polarization angle (polarization direction) of the detected electromagnetic wave is determined by the method of the first embodiment or the second embodiment. In step S207, the characteristic (surface step d) of the measurement object is determined from the measured polarization direction and the stored correspondence.

この方法により、高速、高精度に物質の表面形状を測定することができる。   By this method, the surface shape of the substance can be measured at high speed and with high accuracy.

第3実施形態の物性測定装置100を用いた特性測定の具体例として、実施例3を提示する。実施例3では、物体の表面形状を測定し、測定結果を工作機械の性能評価に応用する。   Example 3 is presented as a specific example of characteristic measurement using the physical property measuring apparatus 100 of the third embodiment. In Example 3, the surface shape of the object is measured, and the measurement result is applied to the performance evaluation of the machine tool.

まず、図21のステップS201を実施する。具体的には、図16の装置を用い、(110)ZnTe結晶115で発生させた直線偏光のテラヘルツ電磁波を、QWP111で楕円偏光にする。次に、楕円偏光のテラヘルツ電磁波パルスを、試料130がマウントされたステージ131に入射させる。試料からの反射波を、検出用の回転結晶116とそのあとのバランス検出器系を用いて検出し、検出波のω成分及び/又は3ω成分に基づいて振幅と偏光状態を計測する。これをステージ131の高さ方向(z方向)の位置を変えながら繰り返す。   First, step S201 in FIG. 21 is performed. Specifically, the linearly polarized terahertz electromagnetic wave generated by the (110) ZnTe crystal 115 is converted into elliptically polarized light by the QWP 111 using the apparatus of FIG. Next, an elliptically polarized terahertz electromagnetic wave pulse is incident on the stage 131 on which the sample 130 is mounted. The reflected wave from the sample is detected using the detection rotating crystal 116 and the balance detector system thereafter, and the amplitude and polarization state are measured based on the ω component and / or the 3ω component of the detected wave. This is repeated while changing the position of the stage 131 in the height direction (z direction).

図22は、試料Sの表面段差と検出電磁波の偏光角度との対応関係を取得する模式図である。試料130がマウントされたステージ131を、図22の模式図(A)のz方向に10μmずつ動かしながら、各位置で検出電磁波の振幅と偏光状態を計測する。計測結果から得られた偏光状態と振幅を計測点と対応付けて、あらかじめ対応テーブル(図16の対応情報格納部123に該当)に格納しておく。z位置方向で段差の低い位置(図22(C)で反射した電磁波の偏光状態は、試料Sの段差の高い位置(図22(B))で反射した電磁波の偏光状態に比べて、Δθだけ偏光方向が進んでいる。したがって、対応テーブルを参照することで偏光状態の実測値から試料の深さ位置がわかる。x−y平面内でスキャンして計測を行うことによって、物体の段差形状が得られる。   FIG. 22 is a schematic diagram for acquiring the correspondence between the surface step of the sample S and the polarization angle of the detected electromagnetic wave. While moving the stage 131 on which the sample 130 is mounted by 10 μm in the z direction of the schematic diagram (A) of FIG. 22, the amplitude and polarization state of the detected electromagnetic wave are measured at each position. The polarization state and amplitude obtained from the measurement result are associated with measurement points and stored in advance in a correspondence table (corresponding to the correspondence information storage unit 123 in FIG. 16). The polarization state of the electromagnetic wave reflected at the position where the level difference is low in the z-position direction (FIG. 22C) is Δθ compared to the polarization state of the electromagnetic wave reflected at the position where the level difference of the sample S is high (FIG. 22B). Therefore, the depth position of the sample can be found from the measured value of the polarization state by referring to the correspondence table, and the step shape of the object can be determined by scanning in the xy plane for measurement. can get.

図23は、偏光状態とz方向の深さ位置の対応関係の計測結果である。図23(A)はステージ131を動かしながらテラヘルツ電磁波の振幅と偏光を同時計測した結果をポーラープロットしたものである。各白丸点はz座標を+z方向(図22(A)の高さ方向)に10μm間隔で動かし、計測時にステージ131を止めて取得した点である。図23(B)は図23(A)の結果をz座標(横軸)と偏光角度γ(縦軸)の関係にプロットし直した図である。なお、z座標の絶対値は相対的なものであり、z=0の点をどこにとっても構わない。図23(B)では、後述するように図24(A)のx=0,y=0におけるz座標位置を0として表示している。   FIG. 23 shows the measurement result of the correspondence between the polarization state and the depth position in the z direction. FIG. 23A is a polar plot of the result of simultaneous measurement of the amplitude and polarization of the terahertz electromagnetic wave while moving the stage 131. Each white circle point is a point obtained by moving the z coordinate in the + z direction (the height direction in FIG. 22A) at intervals of 10 μm and stopping the stage 131 during measurement. FIG. 23B is a diagram in which the result of FIG. 23A is re-plotted in the relationship between the z coordinate (horizontal axis) and the polarization angle γ (vertical axis). The absolute value of the z coordinate is a relative value, and the point where z = 0 can be used anywhere. In FIG. 23B, as will be described later, the z coordinate position at x = 0, y = 0 in FIG.

図23(B)に示すように、z=−240μmからz=80μmの範囲で、検出された偏光角度γが、z座標値の増加に対して単調増加していることがわかる。すなわち、z方向に80-(-240)=320 μmの範囲では、z座標値と偏光角度γは1対1に対応しており、実験的に得られた偏光角度γからz座標の値を一意に決定することが可能である。図23(B)上では−240〜−200μm、70〜80μmの範囲で偏光角度の変化がないように見えるが、この領域を拡大するとz座標の増加にともなってγの値が単調増加しており1対1対応は確保される。   As shown in FIG. 23B, it can be seen that the detected polarization angle γ monotonously increases with increasing z coordinate value in the range of z = −240 μm to z = 80 μm. That is, in the range of 80 − (− 240) = 320 μm in the z direction, there is a one-to-one correspondence between the z coordinate value and the polarization angle γ, and the z coordinate value is determined from the experimentally obtained polarization angle γ. It can be determined uniquely. In FIG. 23B, it seems that there is no change in the polarization angle in the range of −240 to −200 μm and 70 to 80 μm. However, when this region is enlarged, the value of γ increases monotonously with the increase of the z coordinate. A one-to-one correspondence is ensured.

なお、図23の例ではz座標の測定点が10μmに一点となっているので、z座標と偏光角度との(z vs. γ)対応関係を考察する際には、測定点間を線形補間することで校正曲線データを作成した。   In the example of FIG. 23, since the measurement point of the z coordinate is one point at 10 μm, linear interpolation is performed between the measurement points when considering the (z vs. γ) correspondence between the z coordinate and the polarization angle. By doing so, calibration curve data was created.

次に、図21のステップS203を実施する。具体的には、測定対象物に電磁波を照射し、反射電磁波を光学結晶116で検出する。測定サンプルとして、図24(A)のロゴマークを作製した。これは、30mm角のアルミ板に数値制御フライス盤を用いて、約17μmの深さを持つペンマークを彫刻したものである。彫刻の方法は以下の通りである。
(a)30mm×30mm×10mmのアルミ板を用意し、数値制御フライス盤にセットする。
(b)このフライス盤を用いて、アルミニウム板表面の30mm×30mmの部分をφ50mmのフライスカッターを用いて平坦にする。
(c)あらかじめ数値制御フライス盤にプログラムされたロゴマークを深さ10μmの設定で彫刻する。3つの彫刻パーツA,B1、B2に対して、深さ設定値10μmで各パーツ中央部から円を描き、円の直径を大きくしながら彫刻する。3つのパーツA,B1,B2の彫刻の順番は、まずパーツAの左上から右下にかけて彫刻する。次に、左下のパーツB1を彫刻する。最後に右上のパーツB2を彫刻する。各工程において使用したエンドミルの直径は1mmである。
(d)加工が終わったアルミ板をエアゾールで洗浄する。
(e)次に、接触式厚み計(分解能±2μm)を用いて相対的な深さ計測を行い、図24(A)に示す数値を取得した。具体的には、アルミ板全体を平坦(工程(b))にしたときのz座標を基準値(z=0μm)とし、パーツAの深さを計測したところ、右下部分の深さは−16μmであった。パーツB1(左下の部分)の計測値は−17μmであった。計測に使用した接触式厚み計の分解能が±2μmであるから、2点間の深さの違いは誤差の範囲内である。また工作設定値(深さ10μm))よりも深くなっているが、これは工作機械加工の際のエラーである。
Next, step S203 in FIG. 21 is performed. Specifically, the object to be measured is irradiated with electromagnetic waves, and the reflected electromagnetic waves are detected by the optical crystal 116. As a measurement sample, a logo mark shown in FIG. This is a 30 mm square aluminum plate engraved with a pen mark having a depth of about 17 μm using a numerically controlled milling machine. The engraving method is as follows.
(A) An aluminum plate of 30 mm × 30 mm × 10 mm is prepared and set on a numerically controlled milling machine.
(B) Using this milling machine, a 30 mm × 30 mm portion of the aluminum plate surface is flattened using a φ50 mm milling cutter.
(C) Engraving a logo mark programmed in advance on a numerically controlled milling machine with a depth of 10 μm. For three engraving parts A, B1, and B2, a circle is drawn from the center of each part at a depth setting value of 10 μm, and engraving is performed while increasing the diameter of the circle. The engraving order of the three parts A, B1, and B2 is first engraved from the upper left to the lower right of the part A. Next, the lower left part B1 is engraved. Finally, the upper right part B2 is engraved. The diameter of the end mill used in each process is 1 mm.
(D) Wash the finished aluminum plate with aerosol.
(E) Next, relative depth measurement was performed using a contact-type thickness meter (resolution: ± 2 μm), and the numerical values shown in FIG. Specifically, when the z-coordinate when the entire aluminum plate is made flat (step (b)) is the reference value (z = 0 μm) and the depth of the part A is measured, the depth of the lower right portion is − It was 16 μm. The measured value of the part B1 (lower left part) was −17 μm. Since the resolution of the contact thickness gauge used for measurement is ± 2 μm, the difference in depth between the two points is within the range of error. Moreover, although it is deeper than the machine setting value (depth 10 μm), this is an error in machining a machine tool.

同じサンプルに対して、図16の装置100を用いてテラヘルツ楕円偏光パルスによる厚み計測を行った。ステージ131をx−y方向に1mmピッチで動かし、計測時はステージ131を止めて偏光計測を行った。   For the same sample, thickness measurement was performed using a terahertz elliptically polarized pulse using the apparatus 100 of FIG. The stage 131 was moved at a pitch of 1 mm in the xy direction, and the polarization was measured with the stage 131 stopped during measurement.

次に、図21のステップS205とS207を行う。各測定点(x,y)からの反射電磁波の検出値を測定装置100の偏波解析部121で解析して、偏光角度γを求める。求めた偏光角度γの値を順次メモリに格納する。そして、図23で求めた(z vs γ)対応関係(校正曲線)を使用し、計測したγ値からzの値を導く。したがって、最終データは各(x,y)座標における深さzの値z(x,y)である。これを二次元等高線表示すれば、サンプルの表面形状を二次元表示することができる。実際に取得したデータに任意で傾き補正を行って、図24(B)の画像が得られる。   Next, steps S205 and S207 in FIG. 21 are performed. The detection value of the reflected electromagnetic wave from each measurement point (x, y) is analyzed by the polarization analysis unit 121 of the measurement apparatus 100 to obtain the polarization angle γ. The obtained polarization angle γ is sequentially stored in the memory. Then, using the (z vs γ) correspondence (calibration curve) obtained in FIG. 23, the value of z is derived from the measured γ value. Therefore, the final data is the value z (x, y) of the depth z at each (x, y) coordinate. If this is displayed in two-dimensional contour lines, the surface shape of the sample can be displayed in two dimensions. The image shown in FIG. 24B can be obtained by arbitrarily performing tilt correction on the actually acquired data.

図24(C)は図24(B)のC−C'ラインに沿った断面の深さ変化、図24(D)は図24(B)のD−D'断面の深さ変化を表わす。図24(C)あるいは図24(D)の断面プロファイルに示すように、約16μmという定量的な深さ情報を得ることに成功した。   FIG. 24C shows the change in the depth of the cross section along the line CC ′ in FIG. 24B, and FIG. 24D shows the change in the depth in the DD ′ cross section of FIG. As shown in the cross-sectional profile of FIG. 24C or FIG. 24D, we succeeded in obtaining quantitative depth information of about 16 μm.

以上から、第3実施形態の測定装置100は機械加工盤の非接触検査方法に活用することが可能である。非接触計測法としてはレーザを用いた変位計測も考えられるが、レーザが目に入ると失明するなどの危険を伴う。これをテラヘルツ波で行うことで安心・安全に調査を行うことが可能となる。さらに後述するように、図16の装置100はレーザ変位計と比べても同程度かそれ以上の計測速度・深さ分解能を持つ。   From the above, the measuring apparatus 100 according to the third embodiment can be used in a non-contact inspection method for a machining board. Displacement measurement using a laser can be considered as a non-contact measurement method, but there is a risk of blindness when the laser enters the eye. By conducting this with terahertz waves, it becomes possible to conduct a safe and secure investigation. As will be described later, the apparatus 100 in FIG. 16 has a measurement speed / depth resolution comparable to or higher than that of a laser displacement meter.

以下で計測速度について説明する。図24(B)の画像を取得するにあたり、各点で10回積算を行っている。一点につき22ms×10=0.22sの時間がかかっている。計測点は合計841点(28mm×28mmの範囲を1mmピッチでスキャン)であるから、計測時間は実質185秒、すなわち約3分で計測が完了する。   The measurement speed will be described below. In obtaining the image of FIG. 24B, integration is performed 10 times at each point. It takes 22ms × 10 = 0.22s per point. Since a total of 841 measurement points (28 mm × 28 mm range scanned at 1 mm pitch), the measurement time is substantially 185 seconds, that is, the measurement is completed in about 3 minutes.

図25(A)は、積算回数N=1で計測を行ったときの取得データである。図25(B)は、図25(A)のE−E'ラインにそった断面形状を示すグラフである。グラフからわかるように、若干分解能が下がるものの、十分に定量的なイメージング計測ができている。図25のケースでは、各点での計測時間はわずか22msである。従って、合計8411点の実質的な計測時間は約19秒であり、原理的には非常に高速に表面凹凸イメージが取得できている。現実の測定で各点間のステージ131の移動時間を含めても20分以内で測定が完了する。図16の測定装置100を、一度に広範囲の領域を測定できるCCDカメラと組み合わせて偏光イメージングを行うならば、飛躍的な計測時間の短縮が可能である。   FIG. 25A shows acquired data when measurement is performed with the number of integrations N = 1. FIG. 25B is a graph showing a cross-sectional shape along the line EE ′ of FIG. As can be seen from the graph, although the resolution is slightly lowered, sufficiently quantitative imaging measurement can be performed. In the case of FIG. 25, the measurement time at each point is only 22 ms. Accordingly, the total measurement time for a total of 8411 points is about 19 seconds, and in principle, the surface unevenness image can be acquired at a very high speed. The measurement is completed within 20 minutes even when the movement time of the stage 131 between each point is included in the actual measurement. If the measurement apparatus 100 of FIG. 16 is combined with a CCD camera capable of measuring a wide range at once, polarization imaging is performed, the measurement time can be dramatically reduced.

図26は、図16の測定装置100の計測時間を、市販されている可視レーザ光を用いたレーザ変位計と比較した結果を示す表である。比較例では、測定時の基準距離(サンプルとレーザ出射面あるいは集光レンズ間の距離)が図16の測定装置100と同等の(株)キーエンス社製、LK-H085を用いた。   FIG. 26 is a table showing a result of comparing the measurement time of the measurement apparatus 100 of FIG. 16 with a commercially available laser displacement meter using visible laser light. In the comparative example, LK-H085 manufactured by Keyence Corporation having a reference distance (distance between the sample and the laser emission surface or the condenser lens) equivalent to that of the measuring apparatus 100 in FIG. 16 was used.

測定範囲については、テラヘルツ分光は電場波形の山がどのタイミングで到着するかという、いわゆるTime-of-Flight法を別途利用することで、いくらでも範囲を調節することができる。決めたポジションにおいて±0.16mmの範囲で凹凸計測ができるので、レーザ変位計に比べて劣るところはない。スポット径については、長方形に絞られる比較装置に比べて1mm直径の円形に絞られる実施例の装置100のほうが使い勝手がよい。   With regard to the measurement range, terahertz spectroscopy can adjust the range as much as possible by separately using the so-called Time-of-Flight method of when the peak of the electric field waveform arrives. Since the unevenness can be measured within a range of ± 0.16 mm at the determined position, there is no inferiority compared to the laser displacement meter. Regarding the spot diameter, the apparatus 100 according to the embodiment that is reduced to a circle having a diameter of 1 mm is more convenient than the comparison apparatus that is reduced to a rectangle.

実施例3の装置100の原理的な精度はもっと高い。図27は、実施例3の計測系の深さ分解能が何によって律速されているかを示すデータである。これはM=0〜9(この間は位置固定)の組で偏光角度を連続して計測し、その後M=10でステージ131を−z方向に1μmずらし、M=10〜19(この間は位置固定)の組で同じく偏光角度を連続して計測したものである。図27に示すように1μmの深さ分解能は十分に達成できている。   The principle accuracy of the device 100 of the third embodiment is higher. FIG. 27 shows data indicating what determines the depth resolution of the measurement system of the third embodiment. This is a set of M = 0 to 9 (the position is fixed during this time), and the polarization angle is continuously measured, and then M = 10, the stage 131 is shifted by 1 μm in the −z direction, and M = 10 to 19 (the position is fixed during this time) ), And the polarization angle was measured continuously. As shown in FIG. 27, a depth resolution of 1 μm is sufficiently achieved.

最後に、実施例3の測定装置100の原理的な分解能について考察する。図27から、試料を1μm移動すると偏光角度が2°回転する。図12と関連して説明したように、22msの1回計測でおよそ1°の偏光角度決定精度が実現する。従って、原理的には22msで0.5μmの深さ決定精度が実現できるのである。また100回積算(2.2s)で0.1°の決定精度を得ることができるから、2.2秒で0.05μmの深さ決定精度が実現できる。これは図26の表に記載したレーザ変位計に比べて、迅速・正確な計測ができることを意味している。さらに10000回積算(220s)では0.005μmの深さ決定精度が実現できる。   Finally, the fundamental resolution of the measuring apparatus 100 according to the third embodiment will be considered. From FIG. 27, when the sample is moved by 1 μm, the polarization angle is rotated by 2 °. As described with reference to FIG. 12, a polarization angle determination accuracy of approximately 1 ° is realized in one measurement of 22 ms. Therefore, in principle, a depth determination accuracy of 0.5 μm can be realized in 22 ms. In addition, since the determination accuracy of 0.1 ° can be obtained by 100 times integration (2.2 s), a depth determination accuracy of 0.05 μm can be realized in 2.2 seconds. This means that quicker and more accurate measurement can be performed as compared with the laser displacement meter described in the table of FIG. Furthermore, with 10,000 times integration (220 s), a depth determination accuracy of 0.005 μm can be realized.

このように、積算回数の増加、あるいはCCDカメラ等を用いたイメージング計測の適用、あるいはこれらの組み合わせを行うことによって、深さ決定精度はさらに向上すると考えられる。
<数学的検証>
最後に、式(0)の導出について図6の座標系を参照して説明する。図6において、U1、U2はGaP結晶16の屈折率主軸である。(100)面を有するGaP結晶の[−110]方位軸(X軸とする)と実験系のx軸がなす角度をβとする。x軸に対するテラヘルツ電場ETHzの偏光方向は、γ=α+βで示される。図6(B)に示すように、GaP結晶16の一方の屈折率主軸U1は、x軸に対して(Ψ+β)の角度をなす。
Thus, it is considered that the depth determination accuracy is further improved by increasing the number of integrations, applying imaging measurement using a CCD camera, or the like, or a combination thereof.
<Mathematical verification>
Finally, the derivation of equation (0) will be described with reference to the coordinate system of FIG. In FIG. 6, U <b> 1 and U <b> 2 are the refractive index principal axes of the GaP crystal 16. Let β be the angle formed between the [−110] azimuth axis (X axis) of the GaP crystal having the (100) plane and the x axis of the experimental system. The polarization direction of the terahertz electric field E THz with respect to the x axis is represented by γ = α + β. As shown in FIG. 6B, one refractive index principal axis U1 of the GaP crystal 16 forms an angle of (Ψ + β) with respect to the x axis.

角度Ψは、式(A1)に示すように、X結晶方位軸に対するテラヘルツ電場の偏光方向αでの関数で表される。   The angle Ψ is expressed as a function in the polarization direction α of the terahertz electric field with respect to the X crystal azimuth axis, as shown in the formula (A1).

Figure 2013077097
GaP結晶16を透過するプローブ光パルスのU1方向成分とU2方向成分の相対位相シフトは、式(A2)で表される。
Figure 2013077097
The relative phase shift between the U1 direction component and the U2 direction component of the probe light pulse transmitted through the GaP crystal 16 is expressed by the equation (A2).

Figure 2013077097
ここで、ω0はプローブ光パルスの中心角周波数、Eaは電磁波の電場振幅(図6のETHzに対応)、d、n0、r41はそれぞれGaP結晶の厚さ、屈折率、非線形電気光学定数である。
Figure 2013077097
Here, ω 0 is the central angular frequency of the probe light pulse, E a is the electric field amplitude of the electromagnetic wave (corresponding to E THz in FIG. 6), d, n 0 , and r 41 are the thickness, refractive index, and nonlinear electric power of GaP crystal, respectively. It is an optical constant.

プローブ光パルスEbは常にx軸方向に偏光するので、式(A3)のベクトルで表される。   Since the probe light pulse Eb is always polarized in the x-axis direction, it is represented by the vector of the formula (A3).

Figure 2013077097
GaP結晶を透過し、1/4波長板(2つの主軸がx軸に対して±45°傾いている)を通過したプローブ光パルスは、式(A4)で表される。
Figure 2013077097
A probe light pulse that has passed through the GaP crystal and passed through a quarter-wave plate (the two principal axes are inclined by ± 45 ° with respect to the x-axis) is expressed by the formula (A4).

Figure 2013077097
ここで、R(θ)は回転角θでの座標変換行列であり、式(A5)で表される。
Figure 2013077097
Here, R (θ) is a coordinate transformation matrix at the rotation angle θ, and is represented by Expression (A5).

Figure 2013077097
式(A4)において、
Figure 2013077097
In formula (A4),

Figure 2013077097
は実験系での1/4波長板のジョーンズ行列を表す。
Figure 2013077097
Represents the Jones matrix of the quarter-wave plate in the experimental system.

Figure 2013077097
また、G(α)は電場の印加により生じたGaP結晶の複屈折の行列である。
Figure 2013077097
G (α) is a birefringence matrix of the GaP crystal generated by applying an electric field.

Figure 2013077097
ここでφはプローブ光の偏光の平均位相変化(位相因子)であるが、電場強度の計算が目的であるため省略する。式(A4)を計算すると式(A8)のようになる。
Figure 2013077097
Here, φ is the average phase change (phase factor) of the polarization of the probe light, and is omitted because it is intended to calculate the electric field strength. When formula (A4) is calculated, formula (A8) is obtained.

Figure 2013077097
式(A8)のプローブ光パルス(1/4波長板通過後のプローブ光パルス)をウォラストンプリズムでx成分とy成分に分離すると、強度の差分は式(A9)で表される(図5参照)。
Figure 2013077097
When the probe light pulse of the formula (A8) (the probe light pulse after passing through the quarter wavelength plate) is separated into the x component and the y component by the Wollaston prism, the difference in intensity is expressed by the formula (A9) (FIG. 5). reference).

Figure 2013077097
GaP結晶16を透過するプローブ光パルスのU1方向成分とU2方向成分の相対位相シフトは、式(A2)で表される。ここでテラヘルツ電場がそれほど強くないとすると、sinΓ(α)二アリーイコールΓ(α)と近似することができる。式(A1)、(A2)、およびα=γ−βを式(A9)に代入すると、式A(10)が得られる。これは式(1)すなわち式(0)に対応する。
Figure 2013077097
The relative phase shift between the U1 direction component and the U2 direction component of the probe light pulse transmitted through the GaP crystal 16 is expressed by the equation (A2). If the terahertz electric field is not so strong, it can be approximated as sin Γ (α) two equal Γ (α). Substituting Equations (A1) and (A2) and α = γ−β into Equation (A9) yields Equation A (10). This corresponds to the equation (1), that is, the equation (0).

Figure 2013077097
以上の計算では、GaP結晶の厚さdは小さいものと仮定している。
Figure 2013077097
In the above calculation, it is assumed that the thickness d of the GaP crystal is small.

式(0)または式(1)を用いた偏波解析は、偏波方向と電場振幅を互いの影響を受けることなく瞬時に決定することができるので有利である。この偏波解析の原理は、テラヘルツ電磁波の解析に限定されず、近赤外光線、可視光線の偏波解析にも有効である。   Polarization analysis using equation (0) or equation (1) is advantageous because the polarization direction and electric field amplitude can be determined instantaneously without being affected by each other. The principle of this polarization analysis is not limited to the analysis of terahertz electromagnetic waves, but is also effective for the polarization analysis of near-infrared rays and visible rays.

近年の超短パルスレーザ技術とZnTe、GaP、GaSe等の適切な非線形光学結晶を組み合わせることによって、下は数十GHz、上は100THz程度の周波数まで実施形態と同様の手法で電磁波の検出が可能である。すなわち、ギガヘルツ帯域から中〜近赤外帯域にかけての光の偏光方向を高速、高精度に決定することができる。将来的には可視帯域の光についても同様の検出ができることを視野に入れることができる。   By combining a recent ultrashort pulse laser technology with an appropriate nonlinear optical crystal such as ZnTe, GaP, GaSe, etc., electromagnetic waves can be detected in the same manner as in the embodiment up to frequencies of several tens of GHz and above of about 100 THz. It is. That is, the polarization direction of light from the gigahertz band to the mid to near infrared band can be determined with high speed and high accuracy. In the future, it can be considered that the same detection can be performed for light in the visible band.

この偏波解析を物質測定に利用すると、測定点ごとに時間波形を取得する必要がなく、反射電磁波の偏波方向から直ちに表面段差を決定することができる。   When this polarization analysis is used for material measurement, it is not necessary to acquire a time waveform for each measurement point, and the surface step can be immediately determined from the polarization direction of the reflected electromagnetic wave.

上述した第1〜第3の実施形態において、電磁波の発生は非線形光学結晶へのパルス照射に限定されず、光伝導アンテナや光励起プラズマを用いて発生させてもよい。検出用の結晶の回転は電気モータの使用に限定されず、ロータリーアクチュエータ、サーボモータなど任意の回転機構を用いることができる。また、検出用の光学結晶は入射電磁波に対して相対的に回転すればよいので、検出用の光学結晶を回転させる代わりに、入射電磁波を回転させる構成としてもよい。   In the first to third embodiments described above, the generation of electromagnetic waves is not limited to pulse irradiation on the nonlinear optical crystal, and may be generated using a photoconductive antenna or photoexcited plasma. The rotation of the crystal for detection is not limited to the use of an electric motor, and any rotation mechanism such as a rotary actuator or a servo motor can be used. Further, since the detection optical crystal may be rotated relative to the incident electromagnetic wave, the incident electromagnetic wave may be rotated instead of rotating the detection optical crystal.

この国際出願は、2011年11月25日に出願した日本国特許出願2011−258104号に基づく優先権を主張するものであり、その全内容を本件国際出願に援用する。   This international application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2011-258104 filed on November 25, 2011, the entire contents of which are incorporated herein by reference.

10、50 偏波解析装置
12、115 電磁波発生用の非線形光学結晶
16、116 検出用の非線形光学結晶
17、117 モータ(回転機構)
19 電磁波発生源
20、52,152 検出器
21 偏波解析部
29 プローブ光パルス入射用の光学系
51,110 光学チョッパー
53、153 ノイズ除去演算部
100 物性測定装置
101 レーザ
121 偏波解析部
122 試料解析部
123 偏波角度−特性対応情報格納部
124 特性決定部
10, 50 Polarization analyzer 12, 115 Non-linear optical crystal 16, 116 for electromagnetic wave generation Non-linear optical crystal 17, 117 for detection Motor (rotation mechanism)
19 Electromagnetic wave generation source 20, 52, 152 Detector 21 Polarization analysis unit 29 Optical system 51, 110 for probe light pulse incidence Optical chopper 53, 153 Noise removal calculation unit 100 Physical property measurement device 101 Laser 121 Polarization analysis unit 122 Sample Analysis unit 123 Polarization angle-characteristic correspondence information storage unit 124 Characteristic determination unit

Claims (20)

電磁波を発生する電磁波発生源と、
電気光学効果を有する非線形光学結晶と、
前記結晶を角周波数ωで前記電磁波の入射に対して相対的に回転させる回転機構と、
前記電磁波による前記結晶の照射と同期して、当該結晶にプローブ光パルスを入射する光学系と、
前記結晶を透過したプローブ光パルスの互いに直交する光成分の強度差信号を検出する検出器と、
前記強度差信号からω成分と3ω成分の少なくとも一方を抽出し、前記抽出したω成分及び/または3ω成分に基づいて前記電磁波の偏波方向と電場振幅を決定する解析部と、
を有する偏波解析装置。
An electromagnetic wave source that generates electromagnetic waves;
A nonlinear optical crystal having an electro-optic effect;
A rotation mechanism for rotating the crystal relative to the incidence of the electromagnetic wave at an angular frequency ω,
An optical system for injecting a probe light pulse into the crystal in synchronization with irradiation of the crystal with the electromagnetic wave;
A detector for detecting an intensity difference signal of light components orthogonal to each other of the probe light pulse transmitted through the crystal;
An analysis unit that extracts at least one of a ω component and a 3ω component from the intensity difference signal, and determines a polarization direction and an electric field amplitude of the electromagnetic wave based on the extracted ω component and / or the 3ω component;
A polarization analyzer.
前記解析部は、
ΔI=C・E・[(1/2)cos(ωt+φ)+(3/2)cos(3ωt−φ)]
に基づいて前記電磁波のω成分および/または3ω成分の位相情報と振幅情報を取得し、取得した位相情報と振幅情報に基づいて前記偏波方向と電場振幅を決定することを特徴とする請求項1に記載の偏波解析装置、
ここで、Cは係数、Eは前記電磁波の電場振幅である。
The analysis unit
ΔI = C · E · [(1/2) cos (ωt + φ) + (3/2) cos (3ωt−φ)]
The phase information and the amplitude information of the ω component and / or the 3ω component of the electromagnetic wave are acquired based on the phase information, and the polarization direction and the electric field amplitude are determined based on the acquired phase information and amplitude information. The polarization analyzer according to 1,
Here, C is a coefficient, and E is the electric field amplitude of the electromagnetic wave.
前記回転機構の角周波数は、前記結晶が1回転する間に前記結晶上に奇数個のデータ点が得られるように設定されていることを特徴とする請求項1に記載の偏波解析装置。   2. The polarization analyzer according to claim 1, wherein an angular frequency of the rotation mechanism is set so that an odd number of data points are obtained on the crystal during one rotation of the crystal. 前記結晶上への前記電磁波の照射を所定の周波数でオン・オフする光学チョッパーと、
前記結晶の連続する2回の回転において、前記結晶上の同じ角度位置のデータ点で得られる2つの差分信号の差をとって新たな差分信号を算出する演算部と、
をさらに有することを特徴とする請求項3に記載の偏波解析装置。
An optical chopper for turning on and off the irradiation of the electromagnetic wave on the crystal at a predetermined frequency;
An arithmetic unit for calculating a new difference signal by taking a difference between two difference signals obtained at data points at the same angular position on the crystal in two successive rotations of the crystal;
The polarization analyzer according to claim 3, further comprising:
前記光学チョッパーの周波数をf1、前記結晶の回転周波数をf2、前記結晶上のデータ点の数をn(nは奇数)としたときに、
1=(n/2)・f2
を満たすことを特徴とする請求項4に記載の偏波解析装置。
When the frequency of the optical chopper is f 1 , the rotation frequency of the crystal is f 2 , and the number of data points on the crystal is n (n is an odd number),
f 1 = (n / 2) · f 2
The polarization analyzer according to claim 4, wherein:
円偏光または楕円偏光の電磁波を発生する電磁波発生源と、
電気光学効果を有する非線形光学結晶と、
前記結晶を角周波数ωで前記電磁波の入射に対して相対的に回転させる回転機構と、
前記電磁波による前記結晶の照射と同期して、当該結晶にプローブ光パルスを入射する第1光学系と、
前記電磁波発生源と前記結晶の間で試料を保持する試料台と、
前記電磁波を前記試料に導き、前記試料で反射した反射電磁波を前記結晶に導く第2光学系と、
前記結晶を透過したプローブ光パルスの互いに直交する光成分の強度差信号を検出する検出器と、
前記強度差信号からω成分と3ω成分の少なくとも一方を抽出し、抽出したω成分及び/または3ω成分に基づいて前記円偏光の電磁波の偏波角度を決定する偏波解析部と、
あらかじめ取得した、前記電磁波の前記結晶におけるプローブ光パルス入射時の偏光角度と試料特性との1対1対応の関係を示す対応情報を格納する対応情報格納部と、
前記偏波解析部で決定された前記反射電磁波の偏波角度と、前記対応情報とに基づいて前記試料の特性を決定する試料解析部と、
を含むことを特徴とする物性測定装置。
An electromagnetic wave source that generates circularly or elliptically polarized electromagnetic waves;
A nonlinear optical crystal having an electro-optic effect;
A rotation mechanism for rotating the crystal relative to the incidence of the electromagnetic wave at an angular frequency ω,
A first optical system for injecting a probe light pulse into the crystal in synchronization with irradiation of the crystal with the electromagnetic wave;
A sample stage for holding a sample between the electromagnetic wave source and the crystal;
A second optical system for guiding the electromagnetic wave to the sample and guiding the reflected electromagnetic wave reflected by the sample to the crystal;
A detector for detecting an intensity difference signal of light components orthogonal to each other of the probe light pulse transmitted through the crystal;
A polarization analyzer that extracts at least one of a ω component and a 3ω component from the intensity difference signal, and determines a polarization angle of the circularly polarized electromagnetic wave based on the extracted ω component and / or the 3ω component;
A correspondence information storage unit for storing correspondence information indicating a one-to-one correspondence relationship between a polarization angle at the time of incidence of a probe light pulse in the crystal of the electromagnetic wave and a sample characteristic, obtained in advance;
A sample analyzer that determines the characteristics of the sample based on the polarization angle of the reflected electromagnetic wave determined by the polarization analyzer and the correspondence information;
An apparatus for measuring physical properties, comprising:
前記第1光学系は、光学遅延素子を有する遅延ステージをさらに含み、前記遅延ステージは、前記対応情報をあらかじめ取得する際に駆動されることを特徴とする請求項6に記載の物性測定装置。   The physical property measuring apparatus according to claim 6, wherein the first optical system further includes a delay stage having an optical delay element, and the delay stage is driven when the correspondence information is acquired in advance. 前記試料を保持する試料台は、前記対応情報をあらかじめ取得する際にz方向に駆動されることを特徴とする請求項6に記載の物性測定装置。   The physical property measuring apparatus according to claim 6, wherein the sample stage for holding the sample is driven in the z direction when the correspondence information is acquired in advance. 前記電磁波発生源は、光パルスの印加により電磁波を発生する電磁波発生用の非線形光学結晶と、前記電磁発生用の非線形光学結晶で発生した電磁波を円偏光または楕円偏光の光にする光学素子を含むことを特徴とする請求項6に記載の物性測定装置。   The electromagnetic wave generation source includes a non-linear optical crystal for generating an electromagnetic wave by applying a light pulse, and an optical element for converting the electromagnetic wave generated by the non-linear optical crystal for generating an electromagnetic wave into circularly polarized light or elliptically polarized light. The physical property measuring apparatus according to claim 6. 前記試料の特性は、試料の表面形状であり、
前記対応情報は、前記試料の表面位置と前記電磁波の偏波角度との1対1対応の関係を示す情報であることを特徴とする請求項6に記載の物性測定装置。
The characteristic of the sample is the surface shape of the sample,
The physical property measuring apparatus according to claim 6, wherein the correspondence information is information indicating a one-to-one correspondence relationship between a surface position of the sample and a polarization angle of the electromagnetic wave.
電気光学効果を有する非線形光学結晶を電磁波で照射するとともに、前記結晶を角周波数ωで前記照射電磁波に対して相対的に回転させ、
前記電磁波の照射と同期して前記結晶にプローブ光パルスを入射し、
前記結晶を透過したプローブ光パルスの互いに直交する光成分の強度差信号を検出し、
前記強度差信号からω成分と3ω成分の少なくとも一方を抽出し、前記抽出したω成分及び/または3ω成分に基づいて前記電磁波の偏波方向と電場振幅を決定する
ことを特徴とする偏波解析方法。
Irradiating a nonlinear optical crystal having an electro-optic effect with an electromagnetic wave, and rotating the crystal relative to the irradiated electromagnetic wave at an angular frequency ω,
A probe light pulse is incident on the crystal in synchronization with the irradiation of the electromagnetic wave,
Detecting an intensity difference signal of optical components orthogonal to each other of the probe light pulse transmitted through the crystal;
Polarization analysis characterized in that at least one of ω component and 3ω component is extracted from the intensity difference signal, and the polarization direction and electric field amplitude of the electromagnetic wave are determined based on the extracted ω component and / or 3ω component. Method.
前記決定工程は、
ΔI=C・E・[(1/2)cos(ωt+φ)+(3/2)cos(3ωt−φ)]
に基づいて前記電磁波のω成分および/または3ω成分の位相情報と振幅情報を取得し、取得した位相情報と振幅情報に基づいて前記偏波方向と電場振幅を決定することを特徴とする請求項11に記載の偏波解析方法、
ここで、Cは係数、Eは前記電磁波の電場振幅である。
The determination step includes
ΔI = C · E · [(1/2) cos (ωt + φ) + (3/2) cos (3ωt−φ)]
The phase information and the amplitude information of the ω component and / or the 3ω component of the electromagnetic wave are acquired based on the phase information, and the polarization direction and the electric field amplitude are determined based on the acquired phase information and amplitude information. 11. Polarization analysis method according to 11,
Here, C is a coefficient, and E is the electric field amplitude of the electromagnetic wave.
前記結晶の角周波数は、当該結晶が1回転する間に前記結晶上に奇数個のデータ点が得られるように設定されていることを特徴とする請求項11に記載の偏波解析方法。   12. The polarization analysis method according to claim 11, wherein the angular frequency of the crystal is set so that an odd number of data points are obtained on the crystal during one rotation of the crystal. 前記結晶上への前記電磁波の照射を所定の周波数でオン・オフ変調し、
前記結晶の連続する2回の回転において、前記結晶上の同じ角度位置のデータ点で得られる2つの差分信号の差をとって新たな差分信号を算出する、
工程をさらに含み、
前記決定工程は、前記新たな差分信号に基づいて抽出したω成分および/または3ω成分に基づいて前記電磁波の偏波方向と電場振幅を決定することを特徴とする請求項13に記載の偏波解析方法。
On / off modulation of the irradiation of the electromagnetic wave on the crystal at a predetermined frequency,
In two successive rotations of the crystal, a new difference signal is calculated by taking the difference between two difference signals obtained at data points at the same angular position on the crystal.
Further comprising a step,
The polarized wave according to claim 13, wherein the determining step determines a polarization direction and an electric field amplitude of the electromagnetic wave based on an ω component and / or a 3ω component extracted based on the new difference signal. analysis method.
前記オン・オフ変調の周波数をf1、前記結晶の回転周波数をf2、前記結晶上のデータ点の数をn(nは奇数)としたときに、
1=(n/2)・f2
を満たすことを特徴とする請求項14に記載の偏波解析方法。
When the frequency of the on / off modulation is f 1 , the rotation frequency of the crystal is f 2 , and the number of data points on the crystal is n (n is an odd number),
f 1 = (n / 2) · f 2
The polarization analysis method according to claim 14, wherein:
特定の物質について、当該物質を照射する円偏光または楕円偏光の電磁波の、検出用の非線形光学結晶におけるプローブ光パルス入射時の偏光角度と、前記物質の特性との1対1の対応関係を示す対応情報をあらかじめ取得して格納し、
前記円偏光または楕円偏光の電磁波で試料を照射し、前記試料表面で反射する反射電磁波を角周波数ωで回転する前記検出用の非線形光学結晶に入照し、
前記電気波による前記結晶の照射と同期して、前記検出用の非線形光学結晶にプローブ光パルスを入射し、
前記検出用の非線形光学結晶を透過したプローブ光パルスの互いに直交する光成分の強度差信号を検出し、
前記強度差信号からω成分と3ω成分の少なくとも一方を抽出し、抽出したω成分及び/または3ω成分に基づいて前記円偏光または楕円偏光の電磁波の偏波角度を決定し、
前記決定された偏波角度と前記対応情報とに基づいて前記試料の特性を決定する、ことを特徴とする物性測定方法。
For a specific substance, a one-to-one correspondence between the polarization angle of a circularly polarized light or an elliptically polarized electromagnetic wave that irradiates the substance at the time of probe light pulse incidence in the detection nonlinear optical crystal and the characteristics of the substance is shown. Acquire and store correspondence information in advance,
Irradiating the sample with the circularly polarized or elliptically polarized electromagnetic wave, and reflecting the reflected electromagnetic wave reflected on the sample surface to the nonlinear optical crystal for detection rotating at an angular frequency ω,
In synchronization with the irradiation of the crystal by the electric wave, a probe light pulse is incident on the nonlinear optical crystal for detection,
Detecting an intensity difference signal of light components orthogonal to each other of the probe light pulse transmitted through the nonlinear optical crystal for detection;
Extracting at least one of the ω component and the 3ω component from the intensity difference signal, and determining a polarization angle of the circularly or elliptically polarized electromagnetic wave based on the extracted ω component and / or 3ω component;
A physical property measurement method, comprising: determining characteristics of the sample based on the determined polarization angle and the correspondence information.
前記対応情報は、前記プローブ光パルスの光学パス上に配置された光学遅延素子を駆動して取得されることを特徴とする請求項16に記載の物性測定方法。   The physical property measurement method according to claim 16, wherein the correspondence information is obtained by driving an optical delay element disposed on an optical path of the probe light pulse. 前記対応情報は、前記試料を保持するステージをz軸方向に駆動しながら前記電磁波の偏波角度を測定することによって取得することを特徴とする請求項16に記載の物性測定   The physical property measurement according to claim 16, wherein the correspondence information is acquired by measuring a polarization angle of the electromagnetic wave while driving a stage holding the sample in the z-axis direction. 前記円偏光または楕円偏光の電磁波は、電磁波発生用の非線形光学結晶に光パルスを印加して電磁波を発生し、発生した電磁波を1/4波長板に通して生成されることを特徴とする請求項16に記載の物性測定方法。   The circularly or elliptically polarized electromagnetic wave is generated by applying a light pulse to a nonlinear optical crystal for generating an electromagnetic wave to generate the electromagnetic wave and passing the generated electromagnetic wave through a quarter-wave plate. Item 17. The physical property measurement method according to Item 16. 前記試料の特性は、試料の表面形状であり、
前記対応情報は、前記試料の表面位置と前記電磁波の偏波角度との1対1対応の関係を示す情報として取得されることを特徴とする請求項16に記載の物性測定方法。
The characteristic of the sample is the surface shape of the sample,
The physical property measurement method according to claim 16, wherein the correspondence information is acquired as information indicating a one-to-one correspondence relationship between a surface position of the sample and a polarization angle of the electromagnetic wave.
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6407635B2 (en) * 2014-09-03 2018-10-17 有限会社スペクトルデザイン Electromagnetic polarization direction measuring method and apparatus
JP6397318B2 (en) 2014-11-26 2018-09-26 浜松ホトニクス株式会社 Electric field vector detection method and electric field vector detection device
JP6595815B2 (en) * 2015-06-22 2019-10-23 学校法人慶應義塾 Polarization analyzer and polarization analysis method
CN105241918A (en) * 2015-09-30 2016-01-13 北京大学 Low temperature thermal conductivity measurement method
JP6843397B2 (en) * 2016-08-29 2021-03-17 学校法人慶應義塾 Optical measuring device, optical measuring method, and stress inspection method
CN116897279A (en) * 2021-02-25 2023-10-17 大学共同利用机关法人自然科学研究机构 Circularly polarized light irradiator, analyzer, and microscope
KR102670477B1 (en) * 2021-10-21 2024-05-30 주식회사 마인즈아이 Terahertz wave reflective optics module
CN115327456B (en) * 2022-09-01 2023-05-12 中国矿业大学 Method for measuring spin hall angle of n-type doped gallium arsenide semiconductor at room temperature
WO2024111691A1 (en) * 2022-11-22 2024-05-30 주식회사 마인즈아이 Terahertz wave reflection optical system module

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06249780A (en) * 1993-02-25 1994-09-09 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Method and apparatus for measuring conduction time of carrier
JP2005129732A (en) * 2003-10-23 2005-05-19 Tochigi Nikon Corp Tera-hertz light generation device and tera-hertz light measuring instrument
JP2006177716A (en) * 2004-12-21 2006-07-06 Tochigi Nikon Corp Terahertz imaging device and method
JP2010263021A (en) * 2009-04-30 2010-11-18 Panasonic Corp Polarization plane detection sensor, semiconductor integrated circuit and method of controlling the polarization plane detection sensor
JP2011180568A (en) * 2010-02-05 2011-09-15 Asahi Kasei E-Materials Corp Wire grid polarizing plate for terahertz band optical element, and electromagnetic wave processor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06249780A (en) * 1993-02-25 1994-09-09 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Method and apparatus for measuring conduction time of carrier
JP2005129732A (en) * 2003-10-23 2005-05-19 Tochigi Nikon Corp Tera-hertz light generation device and tera-hertz light measuring instrument
JP2006177716A (en) * 2004-12-21 2006-07-06 Tochigi Nikon Corp Terahertz imaging device and method
JP2010263021A (en) * 2009-04-30 2010-11-18 Panasonic Corp Polarization plane detection sensor, semiconductor integrated circuit and method of controlling the polarization plane detection sensor
JP2011180568A (en) * 2010-02-05 2011-09-15 Asahi Kasei E-Materials Corp Wire grid polarizing plate for terahertz band optical element, and electromagnetic wave processor

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