WO2003036362A1

WO2003036362A1 - Systeme optique generant une lumiere terahertzienne, systeme optique de detection d'une lumiere terahertzienne et dispositif optique terahertzien utilisant un tel systeme

Info

Publication number: WO2003036362A1
Application number: PCT/JP2002/011024
Authority: WO
Inventors: Hiromichi Akahori; Toshiyuki Iwamoto
Original assignee: Nikon Corporation; Tochigi Nikon Corporation
Priority date: 2001-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2003-05-01
Also published as: JP2003131137A

Description

明細書テラへルツ光供給光学系、テラへルツ光検出光学系、

及びこれを用いたテラへルツ光装置本出願は、次の出願を基礎とし、その内容は引用文としてここに組み込まれる _c 日本国特許出願 2 0 0 1年第 3 2 7 0 2 5号（2 0 0 1年 1 0月 2 4日出願）技術分野

本発明は、軸外し放物面鏡を有するテラへルツ光学系に関し、特に、テラヘルッ光を実質的に平行光束にして供給するテラへルツ光供給光学系、及び、実質的に平行光束のテラへルツ光を検出するテラへルツ光検出光学系に関するものである。また、本発明は、このような光学系を用いたテラへルツ光装置に関するものである。背景技術

近年、物質の測定 ·検査 ·イメージ化及びその他の種々の分野において、テラヘルツ分光法などのテラへルツ光の利用技術の有用性が認識されてきており、テラヘルツ光学系を有する種々のテラへルツ光装置が、既に提供されあるいは新たに''開発されようとしている。このようなテラへルツ光装置では、一般的に、テラヘルツ光を実質的に平行光束にして供給するテラへルツ光供給光学系、及び、実質的に平行光束のテラへルツ光を検出するテラへルツ光検出光学系が、用いられる。そして、前記テラへルツ光供給光学系及びテラへルツ光検出光学系では、軸外し放物面鏡が用いられることが多い。発明の開示

本発明は、好ましくは、平行光束として供給するテラへルツ光の利用効率を高めることができるテラへルツ光供給光学系及びこれを用いたテラへルツ光装置を提供する。また、本発明は、好ましくは、検出するテラへルツ光の利用効率を高めることができるテラへルツ光検出光学系及びこれを用いたテラへルツ光装置を提供する。

本発明の第 1の態様によるテラへルツ光供給光学系は、放射強度に指向性を有する発散光束のテラへルツ光を発生するテラへルツ光発生部と、軸外し放物面鏡とを備え、前記テラへルツ光発生部から発生じたテラへルツ光を実質的に平行光束にして供給するテラへルツ光供給光学系において、（a ) 前記発散光束の発散中心点が、前記軸外し放物面鏡の焦点の付近又は前記焦点と光学的に等価な位置の付近に位置すること、（b ) 前記発散光束のうち前記放射強度の最も高い方向に向かう基準光線が、少なくとも前記軸外し放物面鏡の回転放物面をなす反射面の付近で、前記反射面を規定する回転軸を含む所定の基準面内に実質的に含まれること、及び、（ c ) 前記反射面のテラへルツ光入射領域の周縁と前記基準面とが交わる 2つの点にそれぞれ到達する前記発散光束に含まれる 2本の光線のうちの一方の光線と前記基準光線とが、少なくとも前記反射面の付近で、前記基準面内においてなす角度の絶対値と、前記 2本の光線のうちの他方の光線と前記基準光線とが、少なくとも前記反射面の付近で、前記基準面内においてなす角度の絶対値とが、略等しいこと、の各条件を満たすように、前記テラへルツ光発生部と前記軸外し放物面鏡との光学的な位置関係が設定されたものである。

なお、前記第 1の態様において、前記所定の基準面としては、例えば、前記回転軸を含む種々の基準面のうち、当該基準面と前記反射面とが交わる放物線の一方の端点と前記焦点とを結ぶ線分と、当該基準面と前記反射面とが交わる放物線の他方の端点と前記焦点とを結ぶ線分とがなす、挟角が、最大となる基準面とすることができる。

本発明の第 2の態様によるテラへルツ光検出光学系は、収束中心点に収束しようとする収束光束のテラへルツ光を前記収束中心点に対応するテラへルツ光検出点で受光し検出感度に指向性を有するテラへルツ光検出部と、軸外し放物面鏡とを備え、前記軸外し放物面鏡の回転放物面をなす反射面に該反射面を規定する回転軸と実質的に平行に入射される、実質的に平行光束のテラへルツ光を検出するテラへルツ光検出光学系において、（ a ) 前記収束中心点が、前記軸外し放物面鏡の焦点の付近又は前記焦点と光学的に等価な位置の付近に位置すること、 ( b ) 前記収束光束のうち前記検出感度の最も高い方向から前記収束中心点に向かう基準光線が、少なくとも前記反射面の付近で、前記回転軸を含む所定の基準面内に実質的に含まれること、及び、（c ) 前記反射面のテラへルツ光入射領域の周縁と前記基準面とが交わる 2つの点からそれぞれ前記テラへルツ光検出点に到達する前記収束光束に含まれる 2本の光線のうちの一方の光線と前記基準光線とが、少なくとも前記反射面の付近で、前記基準面内においてなす角度の絶対値と、前記 2本の光線のうちの他方の光線と前記基準光線とが、少なくとも前記反射面の付近で、前記基準面内においてなす角度の絶対値とが、略等しいこと、の各条件を満たすように、前記テラへルツ光検出部と前記軸外し放物面鏡との光学的な位置関係が設定されたものである。

なお、前記第 2の態様において、前記所定の基準面としては、例えば、前記回転軸を含む種々の基準面のうち、当該基準面と前記反射面とが交わる放物線の一方の端点と前記焦点とを結ぶ線分と、当該基準面と前記反射面とが交わる放物線の他方の端点と前記焦点とを結ぶ線分とがなす、挟角が、最大となる基準面とすることができる。

本発明の第 3の態様によるテラへルツ光装置は、テラへルツ光発生部と、該テラヘルツ光発生部から発生し所定の光路を経て到達するテラへルツ光を検出するテラへルツ光検出部と、を備えたテラへルツ光装置において、前記第 1の態様によるテラへルツ光供給光学系及び前記第 2の態様によるテラへルツ光検出光学系のうちの両方又はいずれか一方を備えたものである。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の第 1の実施の形態によるテラへルツ光供給光学系を示す概略断面図（A ) と、本実施の形態の発光強度分布を示す図（B ) である。

図 2は、本発明の第 2の実施の形態によるテラへルツ光検出光学系を示す概略断面図である。

図 3は、本発明の第 3の実施の形態によるテラへルツ光装置を模式的に示す概略構成図である。

図 4は、軸外し放物面鏡の一例を示す概略斜視図である。図 5は、図 4中の W— W' 線に沿った概略断面図である。

図 6は、従来のテラへルツ光供給光学系を示す概略断面図である。

図 7は、従来のテラへルツ光検出光学系を示す概略断面図である。発明を実施するための最良の形態

まず、従来のテラへルツ光供給光学系における、テラへルツ光の利用効率の低下の原因に関する研究結果について説明する。

軸外し放物面鏡の一例について、図 4及び図 5を参照して説明する。図 4は、軸外し放物面鏡 1の一例を示す概略斜視図である。図 5は、図 4中の W— W' 線に沿った概略断面図である。

軸外し放物面鏡 1は、反射面 l aを有している。図 5に示すように互いに直交する X軸、 Y軸及び Z軸を定義すると、反射面 l aは、 X座標を Xとするとともに Y座標を yとして、 y= a x²の式（aは定数）で表される放物線 1 0 0の一部分を Y軸を回転軸として回転させた回転放物面をなしている。すなわち、 Y軸は、反射面 1 aを規定する回転軸となっている。 XY平面は、 Y軸（回転軸）を含む 1つの基準面（平面）となっている。

この軸外し放物面鏡 1では、反射面 1 aを X Z平面に写像すると円となり、反射面 1 aと XY平面とが交わる放物線上の点 Fを XZ平面に写像すると前記円の中心となるようになつている。したがって、反射面 1 aと XY平面とが交わる放物線の一方の端点 Bを通り Y軸と平行な直線 ABと、点 Fを通り Y軸と平行な直線 E Fとの間の、 X軸方向の距離は、反射面 1 aと XY平面とが交わる放物線の他方の端点 Dを通り Y軸と平行な直線 C Dと、点 Fを通り Y軸と平行な直線 E Fとの間の、 X軸方向の距離 c と、等しい。直線 ABと直線 C Dとの間の X 軸方向の距離を dとすると、 d = 2 d,= 2 d₂となる。この軸外し放物面鏡 1 の焦点距離 f は、線分 O Sの長さである。

反射面 l aの焦点 Sは、 Y軸上に位置している。この軸外し放物面鏡 1では Z E F Sは 9 0° であり、したがって、軸外し放物面鏡 1は 9 0° 軸外し放物面鏡となっている。今、 Y軸を含む種々の基準面（平面）について、当該基準面と反射面 1 aとが交わる放物線の一方の端点と焦点 Sとを結ぶ線分と、当該基準面と反射面 1 aとが交わる放物線の他方の端点と焦点 Sとを結ぶ線分とがなす、挟角を考える。本例による軸外し放物面鏡 1では、この挟角が最大となる基準面が X Y平面（図 5の紙面）である。つまり、 X Y平面の挟角 ZB S Dは、他のいずれの基準面の挟角より大きい。本例では、図 4も参照するとわかるように、点 Bは放射面 1 a上の Y軸方向の最も +側の点であり、点 Dは放射面 1 a上の Y軸方向の最も一側の点である。

本発明者は、研究の結果、図 5に示すように ZB S Fを S ZD S Fを 0₂ とすると、 S ,<0₂であることを認識するに至った。そこで、本発明者は、図 5中の点 Hを想定した。点 Hは、 XY平面内において、 ZB S Dの二等分線が放射面 1 aと交わる点である。したがって、 ZB S Hを θ ₃、 ZD SHを 04とすると、 0₃= θ₄である。直線 GHは、点 Hを通り Y軸と平行な直線である。線分 F Sと線分 H Sとがなす挟角を△ 0 とする。なお、従来は、 θ θ₂であることは全く認識されていなかった。点 Η、角 0 i〜^及び直線 GHは、従来は想定も認識もされていなかったものであるが、説明の都合上、図 5中に補助的に記入してここで説明した。この点は、後述する図 6及び図 7についても同様である。

以上の説明からわかるように、軸外し放物面鏡 1の放射面 1 aに、平行光束のテラへルツ光が Y軸と平行に入射すると、このテラへルツ光は、放射面 l aで反射された後に、焦点 Sに集光される。例えば、直線 A Bに沿って点 Bに入射した光線は線分 B Sに沿って進行して焦点 Sに到達し、直線 CDに沿って点 Dに入射した光線は線分 D Sに沿って進行して焦点 Sに到達し、直線 E Fに沿って点 Fに入射した光線は線分 F Sに沿って進行して焦点 Sに到達し、直線 GHに沿って点 Hに入射した光線は線分 H Sに沿って進行して焦点 Sに到達する。

逆に、焦点 Sを発散中心点とする発散光束のテラへルツ光が軸外し放物面鏡 1 の放射面 1 aに入射すると、このテラへルツ光は、放射面 1 aで反射されこ後に. 平行光束となる。例えば、直線 S Bに沿って点 Bに入射した光線は線分 B Aに沿つて進行し、直線 S Dに沿って点 Dに入射した光線は線分 D Cに沿って進行し、直線 S Fに沿って点 Fに入射した光線は線分 F Eに沿って進行し、直線 S Hに沿つて点 Hに入射した光線は線分 H Gに沿って進行する。図 6は、前述した図 4及び図 5に示す軸外し放物面鏡 1を有する従来のテラへルツ光供給光学系を示す概略断面図であり、図 5に対応している。図 6において、図 4及び図 5中の要素等と同一又は対応する要素等には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

図 6に示すテラへルツ光供給光学系は、前述した図 4及び図 5に示す軸外し放物面鏡 1と、放射強度に指向性を有する発散光束のテラへルツ光を発生するテラヘルツ光発生部 2とを備え、テラへルツ光発生部 2から発生した発散光束のテラヘルツ光を実質的に平行光束にして外部に供給する。

テラへルツ光発生部 2は、テラへルツ光堯生源としてのダイポールアンテナ、ボウタイアンテナ等を用いた公知の光スィツチ素子 3と、光スィッチ素子 3 'のテラヘルツ光発生点 Jから発生したテラへルツ光の発散角を狭めるように作用するシリコン等からなる超半球レンズ（hype r-hemi spher i ca l l ens) 4とを有している。光スィッチ素子 3と超半球レンズ 4とは一体化され、超半球レンズ 4の光軸は、テラへルツ光発生点 J を通る、光スィッチ素子 3の光導電層の膜面の法線と一致している。ここでは、超半球レンズ 4の光軸をテラへルツ光発生部 2の光軸と呼ぶ。テラへルツ光発生部 2がこのような構成を有しているので、テラへルツ光発生部 2から発生される発散光束（超半球レンズ 4の外側の発散光束）は放射強度に指向性を有し、この発散光束では、テラへルツ光発生部 2の光軸方向の放射強度が最も高く、この光軸方向から外れるに従って放射強度が低くなる。

図 6に示す従来のテラへルツ光供給光学系では、テラへルツ光発生部 2から発生される発散光束の発散中心点が軸外し放物面鏡 1の焦点 Sに位置し、かつ、テラヘルツ光発生部 2の光軸が直線 F Sと一致するように、テラへルツ光発生部 2 が配置されている。

図 6に示す例では、軸外し放物面鏡 1の反射面 1 aの全領域が、テラへルツ光発生部 2から発生した発散光束によるテラへルツ光入射領域となっている。テラヘルツ光発生部 2から発生した発散光束には、反射面 1 aから外れる光束も存在するが、反射面 1 aから外れる光束は平行光束となり得ない無効光束であるので, その図示は省略している。

テラへルツ光発生部 2の光軸が直線 F Sと一致しているので、テラへルツ光発生部 2から発生する発散光束のうち放射強度の最も高い方向に向かう基準光線

(線分 S Fに沿って点 Fに向かう光線）が、基準面である X Y平面内に含まれている。また、テラへルツ光発生部 2の光軸が直線 F Sと一致しているので、軸外し放物面鏡 1の反射面 1 aのテラへルツ光入射領域（本例では、反射面 1の全領域）の周縁と X Y平面とが交わる 2つの点 B , Dにそれぞれ到達する前記発散光束に含まれる 2本の光線のうちの一方の光線（線分 S Bに沿って点 Bに到達する光線）と前記基準光線とが、 X Y平面内においてなす角度^の絶対値と、前記 2 本の光線のうちの他方の光線（線分 S Dに沿って点 Dに到達する光線）と前記基準光線とが、 X Y平面内においてなす角度 Θ ₂の絶対値とは、異なっている。既に説明したように、 0 < S ₂である。

図 6に示す従来のテラへルツ光供給光学系によれば、図 6に示すように、テラヘルツ光発生部 2から発生した発散光束は、軸外し放物面鏡 1の反射面 1 aにより反射されて平行光束となって、外部に供給される。

図 7は、前述した図 4及び図 5に示す軸外し放物面鏡 1を有する従来のテラへルツ光検出光学系を示す概略断面図であり、図 5及び図 6に対応している。図 7 において、図 4乃至図 6中の要素等と同一又は対応する要素等には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

図 7に示す従来のテラへルツ光検出光学系は、前述した図 4及び図 5に示す軸外し放物面鏡 1 と、収束中心点に収束しょうとする収束光束のテラへルツ光を前記収束中心点に対応するテラへルツ光検出点 Jで受光し検出感度に指向性を有するテラへルツ光検出部 5とを備え、軸外し放物面鏡 1の反射面 1 aに反射面 1 a を規定する回転軸（Y軸）と平行に入射される平行光束のテラへルツ光を検出する。図 7に示す例では、軸外し放物面鏡 1の反射面 1 aの全領域が、外部からの平行光束によるテラへルツ光入射領域となっている。

テラへルツ光検出部 5は、図 6中のテラへルツ光発生部 2と全く同一の構成を有し、光スィッチ素子 3及び超半球レンズ 4を有している。ただし、テラへルツ光検出部 5では、テラへルツ光発生部 2の場合と光の進行方向が逆になるので、超半球レンズ 4は、外部から入射される収束光束のテラへルツ光の収束角を大きくするように作用することになる。また、点 Jは、テラへルツ光発生部 2ではテラヘルツ光発生点であるのに対し、テラへルツ光検出部 5ではテラへルツ光検出点となる。超半球レンズ 4の光軸は、テラへルツ光検出点 Jを通る、光スィッチ素子 3の光導電層の膜面の法線と一致している。ここでは、超半球レンズ 4の光軸をテラへルツ光検出部 5の光軸と呼ぶ。テラへルツ光検出部 5がこのような構成を有しているので、テラへルツ光検出部 5に入射する収束光束 (超半球レンズ' 4の外側の収束光束）に関してテラへルツ光検出部 5はテラへルツ光の検出感度に指向性を有し、この収束光束では、テラへルツ光検出部 5の光軸方向の検出感度が最も高く、この光軸方向から外れるに従って検出感度が低くなる。

図 7に示す従来のテラへルツ光検出光学系におけるテラへルツ光検出部 5と軸外し放物面鏡 1 との位置関係は、図 6に示す従来のテラへルツ光供給光学系におけるテラへルツ光発生部 2と軸外し放物面鏡 1 との位置関係と同一に設定されている。すなわち、図 7に示す従来のテラへルツ光検出光学系では、テラへルツ光検出点 Jに集光されるべき収束光束（超半球レンズ 4の外側の収束光束）の収束中心点が軸外し放物面鏡 1の焦点 Sに位置し、かつ、テラへルツ光検出部 5の光軸が直線 F Sと一致するように、テラへルツ光発生部 2が配置されている。

テラへルツ光検出部 5の光軸が直線 F Sと一致しているので、テラへルツ光検出部 5に入射する収束光束のうちテラへルツ光検出部 5の検出感度の最も高い方向から前記収束中心点に向かう基準光線（直線 F Sに沿って焦点 Sに向かう光線）が、基準面である X Y平面内に含まれている。また、テラへルツ光検出部 5 の光軸が直線 F Sと一致しているので、軸外し放物面鏡 1の反射面 1 aのテラへルツ光入射領域（本例では、反射面 l aの全領域）の周縁と X Y平面とが交わる 2つの点 B , Dからそれぞれテラへルツ光検出点 J に到達する前記収束光束に含まれる 2本の光線のうちの一方の光線（線分 B Sに沿った後に点 Jに到達する光線）と前記基準光線とが、 X Y平面内においてなす角度^の絶対値と、前記 2本の光線のうちの他方の光線（線分 D Sに沿った後に点 Jに到達する光線）と前記基準光線とが、 X Y平面内においてなす角度 θ ₂の絶対値とは、異なっている。既に説明したように、 < 0 ₂である。

図 7に示す従来のテラへルツ光検出光学系によれば、図 7に示すように、外部から軸外し放物面鏡 1の反射面 1 aに入射した平行光束は、軸外し放物面鏡 1の反射面 1 aにより反射されて収束光束となり、更にテラへルツ光検出点 J に集光されて検出される。

本発明者の研究の結果、前述した図 6に示す従来のテラへルツ光供給光学系では、テラへルツ光発生部 2が放射強度に指向性を有することに起因して、平行光束として供給するテラへルツ光の利用効率が低下していることが判明した。すなわち、テラへルツ光発生部 2が放射強度に指向性を有するため、図 6においてテラヘルツ光発生部 2の光軸が直線 F Sと一致しており Θ 、く Θ ₂であることから、テラへルツ光発生部 2から点 Bへ向かう光線よりわずかに発散角度が大きい光線（線分 S Bを Sを中心として反時計方向にわずかに回転させた線分に沿って進行する光線）の放射強度は、テラへルツ光発生部 2から点 Dへ向かう光線（線分 S Dに沿って進行する光線）の放射強度に比べて、高い。ところが、相対的に放射強度の高い前者の光線は軸外し放物面鏡 1の反射面 1 aから外れてしまい平行光束の一部となり得ず、代わりに、相対的に放射強度の低い後者の光線が平行光束の一部となる。したがって、得られる平行光束の全体としての強度には、両者の差に相当する損失が発生しており、平行光束として供給するテラへルツ光の利用効率が低下していた。

また、本発明者の研究の結果、前述した図 7に示す従来のテラへルツ光検出光学系では、テラへルツ光検出部 5が検出感度に指向性を有することに起因して、検出するテラへルツ光の利用効率が低下していることが判明した。すなわち、テラヘルツ光検出部 5が検出感度に指向性を有するため、図 7においてテラへルツ光検出部 5の光軸が直線 F Sと一致しており Θ 、ぐ θ ₂であることから、点 Bからテラへルツ光検出部 5へ向かう光線よりわずかに収束角度が大きい光線（線分 B Sを Sを中心として反時計方向にわずかに回転させた線分に沿って進行する光線）の検出感度は、点 Dからテラへルツ光検出部 5へ向かう光線（線分 D Sに沿つて進行する光線）の検出感度に比べて、高い。ところが、相対的に検出感度の高い前者の光線は軸外し放物面鏡 1の反射面 1 aから外れてしまいテラへルツ光検出点 Jに到達し得ず、代わりに、相対的に検出感度の低い後者の光線がテラへルツ光検出点 J に到達す。したがって、平行光束のテラへルツ光の全体としての検出感度には、両者の差に相当する損失が発生しており、検出するテラへルツ光の利用効率が低下していた。

本発明は、このような研究結果に基づいてなされたものである。

以下、本発明によるテラへルツ光供給光学系、テラへルツ光検出光学系、及びこれを用いたテラへルツ光装置について、図面を参照して説明する。

[第 1の実施の形態]

図 1 ( A ) は、本発明の第 1の実施の形態によるテラへルツ光供給光学系を示す概略断面図であり、図 5及び図 6に対応している。図 1 ( A ) において、図 4 乃至図 6中の要素等と同一又は対応する要素等には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

本実施の形態によるテラへルツ光供給光学系は、前述した図 6に示す従来のテラヘルツ光供給光学系と同じく、前述した図 4及び図 5に示す軸外し放物面鏡 1 と、放射強度に指向性を有する発散光束のテラへルツ光を発生するテラへルツ光発生部 2とを備え、テラへルツ光発生部 2から発生した発散光束のテラへルツ光を実質的に平行光束にして外部に供給する。本実施の形態で用いるテラへルツ光発生部 2も、前述した図 6に示す従来のテラへルツ光供給光学系で用いるテラへルツ光発生部 2と同一である。もっとも、本発明では、テラへルツ光発生部 2の構成はこのような構成に限定されるものではない。

本実施の形態によるテラへルツ光供給光学系が図 6に示す従来のテラへルツ光供給光学系と異なる所は、テラへルツ光発生部 2の軸外し放物面鏡 1に対する配置のみである。すなわち、本実施の形態では、図 1 ( A ) に示すように、テラへルツ光発生部 2を、図 6に示す位置から、焦点 Sを通り Z軸と平行な直線の回りに角度 Δ Θだけ時計方向に回転移動させて、テラへルツ光発生部 2の光軸が直線 H Sと一致するように、配置している。

ここで、回転させるべき角度 Δ Θは、図 5に示す前述した幾何学的な関係から. 直線 A Bと直線 C Dとの間の X軸方向の距離 d及び軸外し放物面鏡の焦点距離 f を用いて、次の式で表すことができる。 tan一¹

义例えば、軸外し放物面鏡 1 として、 d = 5 0 . 8 m m , f = 5 0 . 8 m mの 9 0 ° 軸外し放物面鏡を用いる場合、数 1に従って計算すると、回転させるべき角度厶 Θは約 1 . 7 9 ° となる。

本実施の形態では、テラへルツ光発生部 2が前述したように配置されているので、テラへルツ光発生部 2から発生される発散光束の発散中心点が、軸外し放物面鏡 1の焦点 S (必ずしも厳密に焦点 Sの位置でなくてもよい）に位置している。また、テラへルツ光発生部 2から発生される発散光束のうち放射強度の最も高い方向に向かう基準光線（本実施の形態では、テラへルツ光発生部 2の光軸に沿つた光線）が、軸外し放物面鏡 1の回転軸（Y軸）を含む所定の基準面（本実施の形態では、 X Y平面）内に実質的に含まれている。

さらに、本実施の形態では、テラへルツ光発生部 2が前述したように配置されているので、軸外し放物面鏡 1の反射面 1 aのテラへルツ光入射領域（本実施の形態では、反射面 1の全領域）の周縁と X Y平面とが交わる 2つの点 B , Dにそれぞれ到達する前記発散光束に含まれる 2本の光線のうちの一方の光線（線分 S Bに沿って点 Bに到達する光線）と前記基準光線とが、 X Y平面内においてなす角度 0 ₃の絶対値と、前記 2本の光線のうちの他方の光線（線分 S Dに沿って点 Dに到達する光線）と前記基準光線とが、 X Y平面内においてなす角度 0 4の絶対値とが、等しくなつている。もっとも、本発明では、両者の角度の絶対値は、厳密に等しくなくてよく、実質的に等しくてもよいし、略等しくてもよい。ここで、略等しいとは、角度 θ ₃と角度 0 ₄との差の絶対値が角度 θ ,と角度 0 ₂との差の絶対値より小さいことをいう。すなわち、本発明では、テラへルツ光発生部 2の光軸が直線 H Sに対して絶対値が角度 Θ iと角度 Θ ₂との差の絶対値より小さい角度だけずれていてもよい。

本実施の形態によれば、テラへルツ光発生部 2の光軸が直線 H Sと一致しており θ ₃= 0 ₄であるので、図 6に示す従来技術と比較して、テラへルツ光発生部 2の光軸に近く放射強度の高い発散光束が軸外し放物面鏡 1の反射面 1 aに入射され、この光束によって平行光束が形成されることになる。したがって、本実施の形態によれば、平行光束として供給するテラへルツ光の利用効率を高めることができる。本実施の形態の発光強度分布は、図 1 ( B ) に示す通り、テラへルツ光発生部 2からテラへルツ光が発生する。図 6に示す従来技術と比較すると、テラヘルッ光の利用効率は、発光光量の差（S I— S 2 ) の分だけ向上することが理解でさる。

なお、図 1 ( A ) の光スィッチ素子 3の基板の厚さは約 4 0 0 m程度であり、また、超半球レンズ 4の半径は約 7〜 8 mm程度であり、図 1 ( A ) は説明の都合上分かりやすく記載している。他の図も同様である。

また、本発明では、例えば、図 1 ( A ) において、軸外し放物面鏡 1 とテラへルツ光発生部 2 との間に、光路を折り曲げる平面反射鏡を配置してもよい。この '場合、テラへルツ光発生部 2は、当該平面反射鏡に関して図 1 ( A ) に示す位置と光学的に等価な位置に配置すればよい。また、本発明によるテラへルツ光供給光学系では、軸外し放物面鏡 1の反射面 1 aの全領域を、発散光束のテラへルツ光が入射されるテラへルツ光入射領域とする必要はないし、また、回転放物面の全ての領域が反射面 1 aでなくてもよい。さらに、本発明によるテラへルツ光供給光学系において使用し得る軸外し放物面鏡は、 9 0 ° 軸外し放物面鏡に限定されるものではなく、例えば、 4 5 ° 軸外し放物面鏡を用いることもできる。

[第 2の実施の形態]

図 2は、本発明の第 2の実施の形態によるテラへルツ光検出光学系を示す概略断面図であり、図 5及び図 7に対応している。図 2において、図 4、図 5及び図 7中の要素等と同一又は対応する要素等には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

本実施の形態によるテラへルツ光検出光学系は、前述した図 7に示す従来のテラヘルツ光検出光学系と同じく、前述した図 4及び図 5に示す軸外し放物面鏡 1 と、収束中心点に収束しょうとする収束光束のテラへルツ光を前記収束中心点に対応するテラへルツ光検出点 Jで受光し検出感度に指向性を有するテラへルツ光検出部 5とを備え、軸外し放物面鏡 1の反射面 1 aに反射面 1 aを規定する回転軸（Y軸）と平行に入射される平行光束のテラへルツ光を検出する。本実施の形態で用いるテラへルツ光検出部 5も、前述した図 7に示す従来のテラへルツ光検出光学系で用いるテラへルツ光検出部 5と同一である。もっとも、本発明では、テラへルツ光検出部 5の構成はこのような構成に限定されるものではない。

本実施の形態によるテラへルツ光検出光学系が図 7に示す従来のテラへルツ光検出光学系と異なる所は、テラへルツ光検出部 5の軸外し放物面鏡 1に対する配置のみである。すなわち、本実施の形態では、図 1 ( A ) に示すように、テラへルツ光検出部 5を、図 7に示す位置から、焦点 Sを通り Z軸と平行な直線の回りに角度 Δ Θだけ時計方向に回転移動させて、テラへルツ光検出部 5の光軸が直線 H Sと一致するように、配置している。ここで、回転させるべき角度 Δ Sは、前述した数 1 により算出することができる。

本実施の形態では、テラへルツ光検出部 5が前述したように配置されているので、テラへルツ光検出点 J に集光されるべき収束光束（超半球レンズ 4の外側の収束光束）の収束中心点が軸外し放物面鏡 1の焦点 S (必ずしも厳密に焦点 Sの位置でなくてもよい）に位置している。また、テラへルツ光検出部 5に入射する収束光束のうちテラへルツ光検出部 5の検出感度の最も高い方向から前記収束中心点に向かう基準光線（本実施の形態では、テラへルツ光検出部 5の光軸に沿つた光線）が、基準面である X Y平面内に実質的に含まれている。

さらに、本実施の形態では、テラへルツ光検出部 5が前述したように配置されているので、軸外し放物面鏡 1の反射面 1 aのテラへルツ光入射領域（本例では, 反射面 1の全領域）の周縁と X Y平面とが交わる 2つの点 B , Dからそれぞれテラヘルツ光検出点 J に到達する前記収束光束に含まれる 2本の光線のうちの一方の光線（線分 B Sに沿った後に点 J に到達する光線）と前記基準光線とが、 X Y 平面内においてなす角度 S ₃の絶対値と、前記 2本の光線のうちの他方の光線 (線分 D Sに沿った後に点 Jに到達する光線）と前記基準光線とが、 X Y平面内においてなす角度 e ₄の絶対値とが、等しくなつている。もっとも、本発明では、両者の角度の絶対値は、厳密に等しくなくてよく、実質的に等しくてもよいし. 略等しくてもよい。ここで、略等しいとは、角度 0 ₃と角度^との差の絶対値が角度 0 ,と角度 θ ₂との差の絶対値より小さいことをいう。すなわち、本発明では、テラへルツ光検出部 5の光軸が直線 H Sに対して絶対値が角度 θ ,と角度 Θ ₂との差の絶対値より小さい角度だけずれていてもよい。

本実施の形態によれば、テラへルツ光検出部 5の光軸が直線 H Sと一致しており 0 3 = 0 ₄であるので、図 7に示す従来技術と比較して、テラへルツ光検出部 5の光軸に近く検出感度の高い方向から収束光束がテラへルツ光検出部 5に入射され、これによつて平行光束が検出されることになる。したがって、本実施の形態によれば、平行光束のテラへルツ光の検出感度が高まり、検出する平行光束のテラへルツ光の利用効率を高めることができる。

なお、本発明では、例えば、図 2において、軸外し放物面鏡 1 とテラへルツ光検出部 5との間に、光路を折り曲げる平面反射鏡を配置してもよい。この場合、テラへルツ光検出部 5は、当該平面反射鏡に関して図 1 ( Α ) に示す位置と光学的に等価な位置に配置すればよい。また、本発明によるテラへルツ光検出光学系では、軸外し放物面鏡 1の反射面 1 aの全領域を、平行光束のテラへルツ光が入射されるテラへルツ光入射領域とする必要はないし、また、回転放物面の全ての領域が反射面 1 aでなくてもよい。さらに、本発明によるテラへルツ光検出光学系において使用し得る軸外し放物面鏡は、 9 0 ° 軸外し放物面鏡に限定されるものではなく、例えば、 4 5 ° 軸外し放物面鏡を用いることもできる。

[第 3の実施の形態]

本実施の形態によるテラへルツ光装置では、図 3に示すように、レーザ光源等からなるフエムト秒パルス光源 1 1から放射されたフエムト秒パルス光 L 1が、ビームスプリッ夕 1 2で 2つのパルス光 L 2 , L 3に分割される。

ビームスプリッタ 1 2で分割された一方のパルス光 L 2は、テラへルツ光発生部 1 7の光スィツチ素子を励起してこのテラへルツ光発生部 1 7にテラへルツパルス光を発生させるためのポンプ光（パルス励起光）となる。このポンプ光 L 2 は、光チヨッパ 1 3によりチヨッビングされた後に、平面鏡 1 4 , 1 5 , 1 6を経て、テラへルツ光発生部 1 7に導かれる。なお、図面には示していないが、テラヘルツ光発生部 1 7の光スィツチ素子には、バイアス電源によりバイアス電圧が印加される。

ビ一ムスプリッ夕 1 2で分割された他方のパルス光 L 3は、テラへルツパルス光を検出するタイミングを定めるプローブ光（サンプリングパルス光）となる。このプローブ光 L 3は、平面鏡 1 8、 2枚もしくは 3枚の平面鏡が組み合わされてなる可動鏡 1 9、更には平面鏡 2 0を経て、テラへルツ光検出部 2 1へ導かれる。本実施の形態では、テラへルツ光検出部 2 1は、光スィッチ素子を有している。

プローブ光 L 3の光路上に配置された可動鏡 1 9は、制御 ·演算処理部 3 0による制御下で、移動機構 2 2により矢印 V方向に移動可能となっている。可動鏡 1 9の移動量に応じて、プローブ光 L 3の光路長が変わり、プローブ光 L 3がテラヘルツ光検出部 2 1へ到達する時間が遅延する。すなわち、本実施の形態では、可動鏡 1 9及び移動機構 2 2が、プローブ光 L 3の時間遅延装置を構成している。 , テラへルツ光発生部 1 7に導かれたポンプ光 L 2により、テラへルツ光発生部 1 7の光スィッチ素子が励起されてテラへルツパルス光 L 4を放射する。テラへルツパルス光 L 4としては、概ね 0 . 1 X 1 0 ¹²から 1 0 0 X 1 0 ¹²ヘルツまでの周波数領域の光が望ましい。このテラへルツパルス光 L 4は、軸外し放物面鏡 2 3 を経て平行光束に変換された後、軸外し放物面鏡 2 4により集光位置に集光される。本実施の形態では、この集光位置には、被測定物 4 0の測定部位が配置される。

被測定物 4 0を透過したテラへルツパルス光 L 5は、軸外し放物面鏡 2 5により平行光束に変換された後、軸外し放物面鏡 2 6により収束光束に変換されて、テラへルツ光検出部 2 1に入射され、テラへルツ光検出部 2 1により検出されて電気信号に変換される。

この電流信号は、電流計 2 7で電圧信号に変換された後、ロックイン増幅器 2 8により、光チヨッパ一 1 3のチヨッピングと同期してロックイン検出される。ロックイン増幅器 2 8の出力信号は、テラへルツ光の電場強度の検出信号として、 A Z D変換器 2 9により A Z D変換され、これがコンピュータ等からなる制御 · 演算処理部 3 0に供給される。フエムト秒パルス光源 1 1から放射されるフエムト秒パルス光 L 1の繰り返し周期は、数 k H zから 1 0 0 M H zオーダ一である。したがって、テラへルツ光発生部 1 7から放射されるテラへルツパルス光 L 4も、数 k H zから 1 0 0 M H zオーダ一の繰り返しで放射される。現在のテラへルツ光検出部 2 1では、このテラへルツパルス光の波形を瞬時に、その形状のまま計測することは不可能である。

したがって、本実施の形態では、同じ波形のテラへルツパルス光 L 5が数 k H zから 1 0 0 M H zオーダーの繰り返しで到来することを利用して、ポンプ光 L 2とプロ一ブ光 L 3との間に時間遅延を設けてテラへルツパルス光 L 5の波形を計測する、いわゆるポンプープローブ法を採用している。すなわち、テラへルツ光検出部 2 1の光スィツチ素子を作動させるポンプ光 L 2に対して、テラへルツ光検出部 2 1の光スィツチ素子を作動させる夕イミングを時間てだけ遅らせることにより、時間てだけ遅れた時点でのテラへルツパルス光 L 5の電場強度をテラヘルツ光検出部 2 1で測定できる。言い換えれば、プローブ光 L 3は、テラヘルッ光検出部 2 1 に対してゲートをかけていることになる。また、可動鏡 1 9を徐々に移動させることは、遅延時間てを徐々に変えることにほかならない。前記時間遅延装置によってゲートをかけるタイミングをずらしながら、繰り返し到来するテラへルツパルス光 L 5の各遅延時間 τごとの時点の電場強度をテラへルツ光検出部 2 1から電気信号として順次得ることによって、テラへルツパルス光 L 5 の電場強度の時系列波形 Ε ( て）を計測することができる。

本実施の形態では、テラへルツパルス光の電場強度の時系列波形 Ε ( τ ) の計測時には、制御 · 演算処理部 3 0が、移動機構 2 2に制御信号を与えて、前記遅延時間てを徐々に変化させながら、 A Z D変換器 2 9からのデータを制御 ·演算処理部 3 0内の図示しないメモリに順次格納する。これによつて、最終的に、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形 Ε ( て）を示すデータ全体をメモリに格納する。このような時系列波形 Ε ( て）を示すデータを、被測定物 4 0を図 3 に示す位置に配置した場合と配置しない場合について取得する。制御 ·演算処理部 3 0は、これらのデータに基づいて、被測定物の所望の特性を求め、これを C R T等の表示部 3 1に表示させる。例えば、制御 ·演算処理部 3 0は、公知の手法 (ドュヴイラレツ卜ら (Lionel Duvi 1 laret, Frederic Garet, and Jean-Loui s Coutaz) の論文（"A Reliable Method for Extract ion of Material Paraiete rs in Terahertz Time-Domain Spectroscopy" , IEEE Journal of Selected Topi cs in Quantum Electronics, Vol.2, No.3, pp.739-746 ( 1996) ) によって、被測定物 4 0の複素屈折率を演算し、これを表示部 3 1に表示させる。

そして、本実施の形態では、図 3中のテラへルツ光発生部 1 7及び軸外し放物面鏡 2 3として、前述した第 1の実施の形態によるテラへルツ光供給光学系が採用されている。すなわち、図 3中のテラへルツ光発生部 1 7として図 1 (A) 中のテラへルツ光発生部 2が用いられ、図 3中の軸外し放物面鏡 2 3として図 1 (A) 中の軸外し放物面鏡 1が用いられ、両者の位置関係が前述した図 1 (A) に示す位置関係に設定されている。

したがって、本実施の形態によれば、テラへルツ光発生部 1 7で発生したテラヘルツ光が、軸外し放物面鏡 2 3により利用効率良く平行光束のテラへルツ光に変換される。このため、試料 4 0を透過するテラへルツ光の強度が高まり、ひいては、 S N比の高い測定を行うことができる。

また、本実施の形態では、図 3中のテラへルツ光検出部 2 1及び軸外し放物面鏡 2 6として、前述した第 2の実施の形態によるテラへルツ光検出光学系が採用されている。すなわち、図 3中のテラへルツ光検出部 2 1 として図 2中のテラへルツ光検出部 5が用いられ、図 3中の軸外し放物面鏡 2 6 として図 2中の軸外し放物面鏡 1が用いられ、両者の位置関係が前述した図 2に示す位置関係に設定されている。

したがって、本実施の形態によれば、軸外し放物面鏡 2 5から軸外し放物面鏡 2 6に入射される平行光束のテラへルツ光が、利用効率良く高感度で、テラヘルッ光発生部 1 7により検出される。このため、この点からも、より S N比の高い測定を行うことができる。

なお、本実施の形態では、前述した第 1の実施の形態によるテラへルツ光供給光学系、及び、前述した第 2の実施の形態によるテラへルツ光検出光学系の、両方が採用されている。しかしながら、本発明によるテラへルツ光装置では、それらのいずれか一方のみを採用するだけでもよい。すなわち、図 3中のテラへルツ光発生部 1 7及び軸外し放物面鏡 2 3 として図 6に示す従来のテラへルツ光供給光学系を採用してもよいし、あるいは、図 3中のテラへルツ光検出部 2 1及び軸外し放物面鏡 2 6として図 7に示す従来のテラへルツ光検出光学系を採用してもよい。

以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

Claims

請求の範囲

1 . テラへルツ光供給光学系であって、

放射強度に指向性を有する発散光束のテラへルツ光を発生するテラへルツ光発生部と、

軸外し放物面鏡とを備え、

前記テラへルツ光発生部から発生したテラへルツ光を実質的に平行光束にして供給し、

( a ) 前記発散光束の発散中心点が、前記軸外し放物面鏡の焦点の付近又は前記焦点と光学的に等価な位置の付近に位置すること、

( b ) 前記発散光束のうち前記放射強度の最も高い方向に向かう基準光線が、少なくとも前記軸外し放物面鏡の回転放物面をなす反射面の付近で、前記反射面を規定する回転軸を含む所定の基準面内に実質的に含まれること、及び、

( c ) 前記反射面のテラへルツ光入射領域の周縁と前記基準面とが交わる 2つの点にそれぞれ到達する前記発散光束に含まれる 2本の光線のうちの一方の光線と前記基準光線とが、少なくとも前記反射面の付近で、前記基準面内においてなす角度の絶対値と、前記 2本の光線のうちの他方の光線と前記基準光線とが、少なくとも前記反射面の付近で、前記基準面内においてなす角度の絶対値とが、略等しいこと、

の各条件を満たすように、前記テラへルツ光発生部と前記軸外し放物面鏡との光学的な位置関係が設定されている。

2 . テラへルツ光検出光学系であって、

収束中心点に収束しょうとする収束光束のテラへルツ光を前記収束中心点に対応するテラへルツ光検出点で受光し検出感度に指向性を有するテラへルツ光検出部と、

軸外し放物面鏡とを備え、

前記軸外し放物面鏡の回転放物面をなす反射面に該反射面を規定する回転軸と実質的に平行に入射される、実質的に平行光束のテラへルツ光を検出し、

( a ) 前記収束中心点が、前記軸外し放物面鏡の焦点の付近又は前記焦点と光学的に等価な位置の付近に位置すること、

( b ) 前記収束光束のうち前記検出感度の最も高い方向から前記収束中心点に向かう基準光線が、少なくとも前記反射面の付近で、前記回転軸を含む所定の基準面内に実質的に含まれること、及び、

( c ) 前記反射面のテラへルツ光入射領域の周縁と前記基準面とが交わる 2つの点からそれぞれ前記テラへルツ光検出点に到達する前記収束光束に含まれる 2 本の光線のうちの一方の光線と前記基準光線とが、少なくとも前記反射面の付近で、前記基準面内においてなす角度の絶対値と、前記 2本の光線のうちの他方の光線と前記基準光線とが、少なくとも前記反射面の付近で、前記基準面内においてなす角度の絶対値とが、略等しいこと、

の各条件を満たすように、前記テラへルツ光検出部と前記軸外し放物面鏡との光学的な位置関係が設定されている。

3 . テラへルツ光装置であって、 .

テラへルツ光発生部と、

該テラへルツ光発生部から発生し所定の光路を経て到達するテラへルツ光を検出するテラへルツ光検出部と、

請求項 1記載のテラへルツ光供給光学系及び請求項 2記載のテラへルツ光検出光学系のうち少なくとも 1つとを備える。