WO2004113885A1 - 光波形測定装置とその測定方法，および複素屈折率測定装置とその測定方法，およびそのプログラムを記録したコンピュータプログラム記録媒体 - Google Patents

Abstract

　本発明は，光波形測定装置とその測定方法，および複素屈折率測定装置およびその測定方法，およびそのプログラムを記録したコンピュータプログラム記録媒体に関し，近赤外線領域の電磁波の波長の短い光領域の電磁波に対して電界を測定し，その時間変化する波形を出力すること，および光の電界波形の測定結果をもとに，物質の複素屈折率を容易に求めることを目的とするものである。ゲートパルス光発生手段と，測定光発生手段と，測定光を検出する光検出手段を備え，ゲートパルス光および測定光はいずれも可干渉性の光であって，測定光は近赤外線領域より短い波長の可干渉性の光であり，ゲートパルス光のパルス幅は測定光の周期より短いものであり，測定光とゲートパルス光を光検出手段に照射して発生するキャリアに基づく物理量を測定し，該物理量に基づいて該測定光の電界を測定する。                                                                           

Description

明 細 書

光波形測定装置とその測定方法，および複素屈折率測定装置とその測 定方法，およびそのプログラムを記録したコンピュータプログラム記録媒体

技術分野

[0001] 本発明は光波形測定装置とその測定方法，および複素屈折率測定装置およびそ の測定方法，およびそのプログラムを記録したコンピュータプログラム記録媒体に関 するものである。特に，テラへルツ電磁波より短い波長の電磁波の実時間の電界波 形を測定するものであり，特に近赤外線領域の光より波長の短い光の電界を測定す る装置と方法に関するものである。また，本発明は光の電界を測定し，

その測定結果に基づいて試料の複素屈折率を求める複素屈折率測定装置に関す るものである。さらに，その電界波形のデータに基づいて試料の複素屈折率を求める プログラムを記録したコンピュータプログラム記録媒体に関するものである。

背景技術

[0002] 従来，近赤外線領域の電磁波の波長より短い波長の光領域の電磁波は時間変 化している電界の波形を観測することはできず，その強度のみが測定できた。また， 光に対する物質の屈折率，吸収係数の測定は楕円偏光解析法 (エリプソメトリー）を 用いて行なわれていた。

[0003] 上記のように，近赤外線領域の電磁波より短い波長の光領域では，その強度の時 間変化が測定されていたが，電界の時間変化を表す波形を観測することは不可能で あった。

[0004] また，従来行なわれていた楕円偏光解析法による物質の屈折率および吸収係数の 測定は，波長掃引と偏光子回転を行なうため，測定に膨大な時間力 Sかかる上に，操 作も煩雑なものであった。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 本発明は，近赤外線領域の電磁波の波長の短い光領域の電磁波に対して電界を 測定し，その時間変化する波形を出力することを目的にする。また，テラへルツ電磁 波もしくはそれより波長の短い光の波長領域の電磁波の電界波形の測定結果をもと に，複素屈折率を容易に求めることができるようにすることを目的とする。

課題を解決するための手段

[0006] 図 18は，従来行なわれていたテラへルツ電磁波の電界の波形を測定した例である 。実線は試料を通過しないテラへルツ電磁波を測定したものであり，点線は試料を通 過したテラへルツ電磁波についてのものである。図 18はテラへルツ電磁波の電界の 実時間での変化である波形を表している。このような，試料を透過しない測定光と試 料を通過した測定光の電界の波形を光領域の電磁波について求めれば，その波形 の変化に基づいて物質の複素屈折率を求めることができる。さらに，その複素屈折率 をもとに物質の屈折率 nおよび吸収係数 αを求めることができる。

[0007] 図 18は波長の長いテラへルツ電磁波の波形であるが，本発明は近赤外線の波長 領域より短い波長の光領域の電磁波に対して波形を観測できるようにした。また，本 発明はテラへルツ電磁波もしくはそれより波長の短い光の波長領域の電磁波の電界 の時間変化を表す波形（以後単に，電界の波形と称する）の測定結果をもとに，その 光に対する物質の複素屈折率，屈折率，吸収係数を求めるようにした。

[0008] 本発明の光波形測定装置は，ゲートパルス光発生手段と，測定光発生手段と，測 定光を検出する光検出手段とを備え，ゲートパルス光のパルス幅は測定光の波長よ り短い可干渉性のパルス光であり，測定光は可干渉性の光であって，近赤外線の波 長領域より短い波長である。そのようにして本願の光波形測定装置は，ゲートパルス 光および測定光を光検出手段に照射することにより発生するキャリアに基づいて生じ る物理量 (電流，電圧等）を測定し，測定光の電界を測定し，測定光の電界波形を出 力する。測定光は 10GHzないし 67ΤΗζの光とすることができる。

[0009] また，本発明の光波形測定装置は，ゲートパルス光発生手段と，測定光発生手段 と，測定光を検出する光検出手段とを備え，ゲートパルス光および測定光はいずれも 可干渉性の光であって，測定光はテラへルツ電磁波より波長の短レ、可干渉性の電磁 波もしくは可視光であり，ゲートパルス光を光検出手段に照射して発生するキャリア に基づく物理量を測定し，該物理量に基づいて該測定光の電界を測定する光波形 測定装置であって，該一対の電極を複数備え，それぞれの一対の電極の間隙に照 射するゲートパルス光の光路差が異なるものであり，各電極の間隙に生じる物理量を 一回のゲートパルス光の照射で複数光路差のサンプリングデータとして取得すること により波形の電界を測定するようにした。

[0010] また，本発明の光波形測定方法は，ゲートパルス光発生手段と，測定光発生手段 と，測定光を検出する光検出手段とを備え，ゲートパルス光および測定光はいずれも 可干渉性の光であって測定光は近赤外線領域より短い波長の可干渉性の光であり， ゲートパルス光のパルス幅は測定光の周期より短いものであり，測定光とゲートパル ス光を光検出手段に照射して発生するキャリアに基づく物理量を測定し，該物理量 に基づいて，該測定光の電界を実時間で測定する。

[0011] また，本発明の光波形測定方法は，ゲートパルス光発生手段と，測定光発生手段 と，測定光を検出する光検出手段とを備え，ゲートパルス光および測定光はいずれも 可干渉性の光であって，測定光はテラへルツ電磁波より波長の短レ、可干渉性の電磁 波もしくは可視光であり，ゲートパルス光を光検出手段に照射して発生するキャリア に基づく物理量を測定し，該物理量に基づいて該測定光の電界を測定する光波形 測定方法であって，該光検出手段は，該一対の電極を複数備え，それぞれの一対 の電極の間隙に照射するゲートパルス光の光路差が異なるものであり，各電極の間 隙に生じる物理量を一回のゲートパルス光の照射で複数光路差のサンプリングデー タとして取得することにより測定光の電界の波形を測定するようにした。

[0012] また，本発明の複素屈折率測定装置は，ゲートパルス光発生手段と，測定光発生 手段と，測定光を検出す光検出手段とデータ処理手段とを備える。また，ゲートパル ス光および測定光はいずれも可干渉性の光であって，ゲートパルス光を光検出手段 に照射して発生するキャリアに基づく物理量 (電流，電圧等）を測定し，その物理量 に基づいて，該測定光の電界を測定し，測定データを保持する手段を備える。そして ,試料を通過しない測定光と試料を通過した測定光の電界を実時間で測定し，その 振幅および位相の変化を求め，その変化に基づいて試料の複素屈折率を測定する ようにした。さらに，複素屈折率をもとに試料の屈折率 nおよび吸収係数ひを一回の 測定で求めるようにした。

[0013] さらに，本発明の複素屈折率測定方法は，ゲートパルス光発生手段と，測定光発 生手段と，測定光を検出する光検出手段とデータ処理手段とを備え，ゲートパルス光 および測定光はレ、ずれも可干渉性の光であって，ゲートパルス光のパルス幅は測定 光の周期より短いものであり，ゲートパルス光を光検出手段に照射して発生するキヤ リアに基づく物理量を測定し，該物理量に基づいて該測定光の電界を測定するもの であって，該データ処理手段は，該測定データを保持するデータ保持部を備え，試 料を通過しない測定光と試料を通過した測定光の電界の測定データを保持し，試料 を通過しない測定光と試料を通過した測定光の電界を比較することにより試料の複 素屈折率を求めるようにした。ここでも、測定光は 10GHzないし 67THzの光とするこ とができる。

[0014] さらに，本発明のコンピュータプログラム記録媒体は，測定光の波形の電界の測定 データがフーリエ変換されたデータを入力するプログラムと，試料を通過しない測定 光と試料を通過した測定光のそれぞれのフーリエ変換に基づいて複素屈折率を求 めるプログラムを備え，測定光の電界波形の測定データに基づレ、て試料の複素屈折 率をコンピュータにより求めるようにした。

発明の効果

[0015] 本発明によれば，近赤外線領域より波長の短い光領域の電磁波に対して電界の波 形を容易に観測することができる。そのため，そのような光に対する試料の複素屈折 率，屈折率，吸収係数を容易に正確に測定することが可能になる。

[0016] また，検出器に電極を複数配設した場合には， 1回の測定周期において測定光の 電界波形の異なる位相での電界の複数のサンプリングデータを一回のゲートパルス 光の照射で測定することが可能になる。

[0017] また，試料の平面内での各点での複素屈折率，屈折率，吸収係数を容易に求める ことができるので，試料の平面内での均一性を容易に判定することができるようになる 。測定光が試料を透過しない場合にもその複素屈折率を容易に求めることができる。 図面の簡単な説明

[0018] [図 1]本発明の実施の形態 1を示す図である。

[図 2]本発明の検出器の実施の形態を示す図である。

[図 3]本発明を実現するためのゲートパルス光のパルス幅の説明図である。 [図 4]本発明の実施の形態 2を示す図である。

[図 5]本発明の実施の形態 2のシステム構成を示す図である。

[図 6]本発明の実施の形態 2のデータ処理装置の構成を示す図である。

[図 7]本発明の実施の形態 2のデータ処理装置のフローチャートを示す図である。

[図 8]本発明の実施の形態 3を示す図である。

[図 9]本発明の実施の形態 4であって，複数光路差について一回のゲートパルス光 照射で測定する方法 1を示す図である。

[図 10]本発明の実施の形態 4のデータ処理装置の構成を示す図である。

[図 11]本発明の実施の形態 4であって，複数光路差について一回のゲートパルス光 照射で測定する方法 2を示す図である。

[図 12]本発明の実施の形態 4のデータ処理装置のフローチャートを示す図である。

[図 13]本発明の実施の形態 5を示す図である。

[図 14]本発明の実施の形態 5のデータ処理装置のフローチャートを示す図である。

[図 15]本発明に係るテラへルツ電磁波の発振機構を説明する図である。

[図 16]本発明に係る半導体結晶に照射するレーザの偏光角度を説明する図である。

[図 17]本発明の検出器による検出結果を示す図である。

[図 18]課題を解決するための手段の説明図である。

符号の説明

[0019] 1：パルス光源， 2：測定光源， 3：検出器， 4：測定器， 10 :可動ミラー， 11：反射鏡， 12 :半透明鏡， 14 :ミラー駆動源， 15 :ミラー駆動装置

発明を実施するための最良の形態

[0020] 図 1は本発明の光波形測定装置と複素屈折率測定装置の実施の形態 1であり，本 発明の原理的な実施の形態を示す。図 1において， 1はパルス光源であり，ゲートパ ノレス光発生手段である。パルス光源 1は，ゲートパルス光を発生するものであり，コヒ 一レントな性質をもつ可干渉性の光（以下コヒーレンス光と称する）を発生する。パル ス光源 1の発生するゲートパルス光をパルス光 Aとする。例えば，波長が 500-800n mでパルス幅が 1 Of sのパルス光である。パルス光源としては，チヤープ補償ミラーに より波長 700_950nmでパルス幅 5fs程度のパルスを生成できる。また，非同軸光パ ラメトリック増幅器（NOPA)により波長 450_700nmでパノレス幅 4fs以下，波長 700— 1600nmでパルス幅 10fs以下のパルスを生成できる。あるいは，軟 X線領域ではパ ルス幅が lfs以下のレーザパルスを得ることができ，これらを使用することができる。 2 は測定光源であって，測定光発生手段である。測定光源 2はコヒーレンスのある測定 光を発生するものである。測定光は連続発振レーザ光もしくはパルス光源 1のパルス 光 Aと相関性のあるコヒーレント光である。測定光がパルス光の場合，そのパルス光 をパルス光 Bとする。パルス光 Bは，例えば，波長 1. 2—10 z mの範囲で，例えば 2 mであり，パルス幅は 200fs等のコヒーレントなものである。

[0021] 3は検出器であって，光検出手段である。検出器 3はパルス光 Aが照射された時， パルス光 Aによりキャリアを発生するものである。検出器 3は，測定光源 2から発生す る測定光を照射され，ノ^レス光 Aをゲート光として生じるキャリアが測定光の電界に 応答して生じる物理量 (電流，電圧等）を測定されるものである。そして，物理量を測 定光の電界の波形のサンプリングデータとして検出する。 4は測定器であって，検出 器 3で検出した測定光の電界を測定するものである。

[0022] 10は可動ミラーであって，パルス光 Aの光路長を連続的に変化させるものである。

11は反射鏡である。 12は半透明鏡である。 15はミラー駆動装置であり，可動ミラー 1 0を移動させるものである。 14は可動ミラー 10のミラー駆動源である。 20は複素屈折 率の測定対象の試料である。

[0023] 図 1の構成において，測定光源 2で発生した測定光は半透明鏡 12で反射し，検出 器 3を照射する。パルス光源 1から発生するゲートパルス光であるパルス光 Aは，可動 ミラー 10および反射鏡 11で反射し，半透明鏡 12を透過して検出器 3に入射される。 パルス光 Aの照射で検出器 3に生成されたキャリアは，測定光の電界の大きさに応じ た電流を生じ，測定器 4で検出される。ミラー駆動源 14とミラー駆動装置 15により可 動ミラー 10を連続的に移動することによりパルス光 Aのパルス光源 1から検出器 3に レ、たる光路長を連続的に変化させることで，測定器 4において，ゲートパルス光であ るパルス光 Aでサンプリングされる測定光の電界を連続的に測定できる。本発明を光 波形測定装置として使用する場合には，測定器 4において，そのようにして観測した 測定光の波形を出力する。さらに，本発明の装置を複素屈折率測定装置として使用 する場合には，試料を通過しない測定光の波形と，通過しない測定光の波形に基づ いてその振幅と位相の変化を計算により求め，試料の複素屈折率 Pを求める。さらに その複素屈折率に基づいて屈折率 n,消衰係数 / と吸収係数 aを求める。

[0024] 図 2 (a)は本発明で使用する検出器の例を示す。図 2 (a)において， 3は検出器で ある。 31 , 31 'は電極である。 33は基板である。 34は光伝導層である。 41はパルス 光 Aであって，電極 31と 31 'の間のギャップ 32を照射するものである。 42は測定光で める。

[0025] 図 2 (b)は検出器の断面図である。 33は基板であって，例えば半絶縁性の GaAs である。 34は光伝導層であって，例えば低温成長で生成した GaAsである。その他， 光伝導層としては， GaSb,低温成長 GaSb, InAs等でも良い。あるいは別の基板に ,銅酸化物（例えば， Sr CuO , SrCuO ， Sr CuO CI 等）等の酸化物を成長さ

2 3 2 2 2 3

せて，光伝導層としてもよレ、。 31は電極であって，例えば Auである。図 2 (c)は検出 器 3の平面図である。 3は検出器である。 31 , 31 'は電極である。 32はギャップであり ,間隔は約 5 μ ΐη以下である。 35は電流計である。

[0026] 図 2 (a)において，測定光が照射されている状態において，測定光の波長より時間 幅の狭いパルス光 Aが照射されるとき，パルス光 Aの照射により光伝導層 34に発生 したキャリアのためにパルス光 Bの電界の強さに応じた電流が電極 31と 31 'に流れる 。その電流を測定することによりパルス光 Aをゲートパルス光としたサンプリングされた 測定光の電界を測定できる。パルス光 Aの照射する時刻を連続的に変えることにより 測定光の電界の時間変化 (波形)を観測することができる。

[0027] 図 2 (a) , (b)および（c)において，時亥 Ijtの測定光の振幅を E (t) ,パルス光 Aにより 基板に発生するキャリア密度を N (t)としたとき，時刻 tの検出電流 jは次のように表さ れる。

[0028] [数 1] j(t) oc fE(x)N(x - t)dx ( 1 )

[0029] 図 3 (a)， （b)は本発明を実現するために必要なゲートパルス光のパルス幅を評価 したものである。図 3 (a)は，パルス光 Aにより発生したキャリア密度の時間変化の例 を示す。横軸は時間（秒）である。図 3 (a)のグラフのキャリア密度 N(t) (縦軸）と時間（ 横軸）の関係は次の式で近似できる。

[0030] [数 2]

N(t) = l + tanh(^) (2)

[0031] ここで， Δΐはパルス光 Aの幅である。検出電流の時間応答 j(t)のフーリエ変換は j(co)ocE(co)N(co) (3)

と力ける。このこと力 ，本発明の方法がどの周波数の光に感度を有するかは， Ν(ω

)を評価すればよいことがわかる。ここで，

[0032] [数 3]

Ν(ω) = J+∞e^i(0t (1 + tanh

At)) dt ( 4 )

2兀

[0033] [数 4]

Ε(ω) = ^^ E(t)e^i(0tdt (5)

[0034] である。図 3(b)は，パルス光 Aのパルス幅 Atをパラメータにして， Ν(ω)を計算し たものである。

[0035] 横軸は周波数（Hz)であり，例えば，横軸の 3 X 10¹⁴は 300THzであって，波長 1 μ mの光領域の電磁波の振動数を表す。 Aはパルス幅 At=15fs, Bはパルス幅 At = 5fsの場合である。通常，少なくとも電流が一桁落ちるまで測定可能なので， Δΐ=15 fsで，振動数が ΙΟΟΤΗζの近赤外線領域まで本発明の方法により電界を測定できる ことがわかる。また，パルス幅 Atが 5fsの場合には， 250THzの可視光に近い付近ま での光に対する電界を実時間で観測できることがわかる。

[0036] 図 4は本発明の光波形測定装置および複素屈折率測定装置の実施の形態 2であ る。図 4において， Sはレーザ光源であり，例えば，波長 800nm，パルス幅 130fs (全 値半幅），繰り返し周波数 ΙΚΗζ, 出力 lmjである。 1はパルス光源であって，パルス 光 Aを生成するものであり，オプティカル 'パラメトリック 'アンプである。例えば，ノンコ リニア.オプティカル.パラメトリック.アンプであって，レーザ光源 Sの出力光をもとに波 長 450— 1600nm, パルス幅 10_50fsのパルス光 Aを生成する。 2は測定光源であ つて，オプティカル 'パラメトリック 'アンプであり，レーザ光源 Sの出力光をもとに測定 光を生成するものである。以下測定光が，可干渉性のパルス光 Bである場合につい て説明する。例えば，パルス光 Bは波長 1. 2-10 x m, パルス幅 200fsのパルス光で ある。パルス光 Bのパルス幅は lps程度でも測定できる。

[0037] 3は検出器である。 7, 12は半透明鏡である。 8, 11は反射鏡である。 10は可動ミラ 一である。 14はミラー駆動源である。 15はミラー駆動装置である。 20は試料である。 52は高感度増幅器であって，例えば，ロックインアンプ，ボックスカー積分器等であ る。ゲートパルス光の繰り返し周波数が高い場合（100MHz等）には，ロックインアン プが有効であるが，繰り返し周波数が低い場合（1kHz等）ではボックスカー積分器で 良い。あるいは，サンプルホールド回路と積分回路を使用して高増幅率低雑音で増 幅するようにしたものでも良レ、。以下，ロックインアンプの場合を例として説明する。ボ ックスカー積分器を使用する場合には，チョッパーはなくても良い。 53は観測装置で あって，波形を観測するものである。 54はデータ処理装置であって，測定光の測定さ れた波形をもとに振幅，位相を求めるデータ処理あるいはフーリエ変換する等を行な レ、，試料 20の複素屈折率を求めるものである。 55は電流増幅器である。

[0038] 図 4の構成の動作を説明する。レーザ光源 Sの出力光は半透明鏡 7を透過して，パ ノレス光源 1に入射される。パルス光源 1は，レーザ光源 Sの出力光をもとに，例えば波 長 450— 1600nm, パルス幅 10_50fsのパルス光 Aを生成する。パルス光 Aは可動ミ ラー 10で反射し，さらに反射鏡 11で反射して半透明鏡 12を通過して，検出器 3のギ ヤップ部分を照射する。

[0039] 一方，レーザ光源 Sの出力光は，半透明鏡 7と反射鏡 8で反射し，測定光源 2に入 射される。測定光源 2は，レーザ光源 Sの出力光をもとに，例えば波長 1. 2-10 x m , パルス幅 200fsのパルス光 Bを生成する。測定光のパルス幅はこれに限定されるも のでなぐ lps程度以上でも可能である。パルス光 Bは，半透明鏡 12で反射して，検 出器 3のキャップ部分に照射される。

[0040] パルス光 Aが検出器 3を照射した時，図 2で説明したように，検出器 3の電極ギヤッ プ部分にキャリアが生成され，その時に照射されるパルス光 Bの電界強度に応じた電 流が電極 31と 31 'の間に流れる。可動ミラー 10をミラー駆動源 14により連続的に掃 引することにより，パルス光源 1と検出器 3の間の光路長が連続的に変わり，パルス光 Aのギャップ部分の照射時刻が連続的に変化する。このように，パルス光 Aのギヤッ プ部分を照射するパルス光 Bに対するタイミングを連続的に変えることにより，それぞ れの照射時刻でのパルス光 Bの電界のサンプリングデータを得ることができる。

[0041] 測定光源 2から出力されるパルス光 Bを，例えばチョッパー駆動装置 51により周期 的にチョップすることにより，その周期を参照信号としてロックインアンプ 52で検出器 3の出力を低ノイズで高感度に観測できる。ロックインアンプ 52の出力をデータ処理 装置 54で保持し，保持されたサンプリングデータをもとに波形を再現する処理をする ことにより観測装置 53で波形を表示することができる。

[0042] データ処理装置 54は，ロックインアンプ 52から出力される観測データを入力する。

試料 20を通過しなレ、パルス光 Bの観測波形と試料 20を通過したノ^レス光 Bの観測 波形の波形データを比較し，試料の複素屈折率 pを計算で求める。さらに，その複素 屈折率の実部から測定光に対する試料の屈折率 nおよびその虚部（消衰係数)から 試料の吸収係数 αを計算により求めることができる。なお，本発明の複素屈折率測 定装置は，近赤外線の波長領域より短い波長の電界波形に限られるものではなぐ 遠赤外線の波長領域より長い波長のテラへルツ電磁波等のものであっても良い。

[0043] 図 4のシステムで，試料表面の反射により複素屈折率を求める場合には，検出器の 位置を試料で反射した測定光が検出器に入射されるように各光路が定まるようにシス テムを構成する。試料を置く位置に測定光をほぼ完全に反射するような反射鏡 (銀， 金，アルミニューム等の高反射率の反射鏡）を配置し，試料で反射した測定光と反射 鏡で反射した測定光での実時間での観測波形を透過光の場合と同様に比較し，試 料の複素屈折率を求める。

[0044] 図 5は本発明の実施の形態のシステム構成である。図 5において， 3は検出器であ る。 10は可動ミラーである。 14はミラー駆動源である（ミラー駆動装置 15は図示を省 略している）。 50はチョッパーである。 51はチョッパー駆動装置である。 52は高感度 増幅器（ロックインアンプ）である。 54はデータ処理装置であって，コンピュータである 。 55は電流増幅器である。 [0045] データ処理装置 54において， 61はミラー制御部であって，可動ミラー 10を制御す るものである。 62はデータ保持部であって，測定光の電界のサンプリングデータを保 持するものである。 63はデータ処理部であって，サンプリングデータを処理するもの である。 631は波形再現部であって，サンプリングデータをもとに測定光の波形を再 現するものである。 632はフーリエ変換部であって，再現された波形データをもとに， 波形データをフーリエ変換するものである。 633は複素屈折率演算部であって，試料 を通過した場合と通過しない場合の測定光の波形のフーリエ変換をもとに試料の複 素屈折率を演算するものである。なお，図 5の構成において，光波形測定装置として のみ使用する場合には，複素屈折率演算部 633はなくても良い。

[0046] 図 5の構成において，ミラー制御部 61により可動ミラー 10の移動を制御する制御信 号が生成され，ミラー駆動源 14に送られる。ミラー駆動源 14により可動ミラーのミラー 駆動装置（図示せず）が駆動され，可動ミラー 10が移動する。可動ミラー 10の移動と ともに，検出器 3で測定された測定光の振幅の実時間での観測データが電流増幅器 55に入力され，増幅される。電流増幅器 55で増幅された電流はロックインアンプ 52 に入力される。一方，ロックインアンプ 52は，チョッパー駆動装置 51から参照信号を 入力し，電流増幅器 55からの入力と，参照信号により検出器 3で検出された電流値 のサンプリングデータを低雑音に増幅する。データ処理装置 54において，データ保 持部 62は測定されたサンプリングデータを保持する。サンプリングデータはパルス光 Aの光路差できまる各測定時刻毎にそれぞれ保持する。図 5の装置を複素屈折率測 定装置として使用する場合には，サンプリングデータは，測定光が試料を通過しない 場合のデータと試料を通過した場合について，パルス光 Aの光路差の異なる各測定 時刻毎にそれぞれ保持する。波形再現部 631はデータ保持部 62に保持したサンプ リングデータに基づいて測定光の波形を再現する。フーリエ変換部 632は再現され た電界の波形をもとにフーリエ変換することにより，測定光を周波数空間の表現に変 換する。複素屈折率演算部 633は試料を通過した場合としない場合の測定光の実 時間の波形のフーリエ変換に基づいて試料の複素屈折率を求める。さらに，複素屈 折率 Pをもとに，試料の屈折率 nと吸収係数ひを求める。出力インタフェース 68は測 定光の波形，計算で求めた複素屈折率，屈折率，吸収係数を出力する。必要に応じ て測定光の波形をフーリエ変換した結果を出力するようにしても良い。

[0047] 本発明の複素屈折率測定装置は，図 5の構成において全体を複素屈折率測定装 置として使用するだけでなぐデータ処理装置のみを複素屈折率測定装置とすること も可能である。後者の場合には他の計測装置で観測した電界波形のデータを入力し ,図 5のデータ処理装置で複素屈折率を計算する。

[0048] 図 6は本発明の実施の形態 2のデータ処理装置の構成を示す。図 6はデータ保持 部に関する構成を示したものであり，図 6において， 52はロックインアンプであって， 検出器力 の信号および参照信号を入力し，信号を増幅するものである。 54はデー タ処理装置であって， CPUとメモリにより構成されるものである。データ処理部 63で ある。 621はデータ保持部 Aであって，試料を通過しない測定光の電界のサンプリン グデータを測定時間毎に保持するものである。 622はデータ保持部 Bであって，試料 を通過した測定光の電界のサンプリングデータを測定時刻毎に保持するものである。

67は入出力インタフェースである。 68は出力インタフェースである。

[0049] 631は波形再現部である。 633は複素屈折率演算部である。 640は FFTであって ,実時間の電界波形をフーリエ変換するものである（図 5のフーリエ変換部 632に相 当する）。 641は E ( ω )保持部であって，試料を通過しない電界波形のフーリエ変

0

換 E ( ω )を保持するものである。 642は Ε ( ω )保持部であって，試料を通過しない

0

電界波形のフーリエ変換 Ε ( ω )を保持するものである。

[0050] 図 6の構成において，試料の複素屈折率を測定する場合の動作を説明する。ロック インアンプ 52の出力は入出力インタフェース 67を介してデータ保持部 Αもしくはデー タ保持部 Bに保持される。試料を通過しない測定光に対する測定データはサンプリン グ時間毎にデータ保持部 Aに保持される。試料を通過した測定光の測定データはサ ンプリング時間毎にデータ保持部 Bに保持される。

[0051] データ処理装置 54において，試料がある場合の測定光の波形については，データ 保持部 Aに保持されている各時刻でのサンプリングデータをもとに，波形再現部 631 は測定光の電界波形を再現する。また，データ保持部 Bに保持されている各時刻で のサンプリングデータをもとに，波形再現部 631は試料を通過した後の測定光の電 界波形を再現する。また，電界波形をフーリエ変換する場合は， FFT640に入力し， 試料がある場合の電界波形のフーリエ変換 Ε ( ω )，試料がない場合のフーリエ変換 Ε ( ω )を求め，それぞれ Ε ( ω )保持部 641 , Ε ( ω )保持部 642に保持する。さらに

0 0

,複素屈折率，および吸収係数を求める場合には，複素屈折率演算部 633は試料 が通過しなレ、場合の電界のフーリエ変換と Ε ( ω )と試料を通過した場合のフーリエ

0

変換 Ε ( ω )を入力し，前述の式（6)に従って，複素屈折率を求める。さらに式（8)に 従って吸収係数を求める。出力インタフェースは実時間の電界波形，屈折率，消衰 係数，吸収係数を出力する。

[0052] 上記においては，測定光の波形をフーリエ変換して試料の複素屈折率を求めるよう にしたが，試料を通過しない場合と試料を通過した場合の測定光の電界波形を比較 して，その振幅の変化から減衰率を求め位相の変化から屈折率を求めることもできる 。例えば，観測波形を表すパラメータをもつ関数を仮定し，その関数と実際の観測デ ータを最小二乗法で比較し，両者の差が最小になるようにパラメータを定めることによ り，測定光の波形を表す関数を求めることができる。試料を通過しない場合と試料を 通過した場合の測定光の波形を表す関数値をもとに試料の複素屈折率，屈折率， 吸収係数を求めることができる。

[0053] なお，図 6の構成において，測定光の波形のみを観測する場合には，測定データ をデータ保持部 A (621)に保持し，データ処理部 63で波形を再現し，観測装置 53 に出力する。さらに，求めた波形をフーリエ変換し，その周波数空間の表現を出力す ることちでさる。

[0054] 次に，実時間の波形データをもとに試料の複素屈折率 p，屈折率 n，消衰係数 / ， 吸収係数 aを求める方法にっレ、て説明する。試料のなレ、場合の測定光の電界を E

0

(t) ,試料を透過した後の電界を E (t)とする。両者を以下の（5)式で定義されるフー リエ変換を行う。

[0055] [数 5]

[0056] 試料の端面の影響を無視し，試料の厚さを Lとすると，試料を通過した後の電界の フーリエ変換 E ( ω )と試料を通過しなレ、場合の電界のフーリエ変換 Ε ( ω )との比は

0 次のようになる _c 二で ωは角周波数を表す。

[0057] [数 6]

^Ε(^ω) — し一 i(p(0))_l)L(0/c

6 )

Ε₀(ω)

[0058] ここで ρ ( ω )は複素屈折率であり

ρ=η+ίκ (7)

nは屈折率， /cは消衰係数である。吸収係数 αと消衰係数 f の関係は次の通りで ある。 cは光速度を表す。

[0059] ■2 κ ω/c (8)

上記のように， E ( ω ) , E ( ω )および ρは複素数である。上記式（6)におレ、て,試 料の厚さを Lとした場合，試料を透過しない場合の位相差 Leo /cが，試料がある場 合は p ( ω ) L ω Zcとなり，その差が（6)式で表されてレ、る。

[0060] 上記式 (6)は実部と虚部のそれぞれに関する方程式に分離でき，屈折率 n，消衰 係数 κ:が求まる。実際には，試料表面で位相が変化するのと，反射が生じるので，そ れらを考慮すると試料に垂直に入射した場合，次のようになる。

[0061] [数 7]

^Ε(^ω) ―, ² )2_e— i(p((0)— l)L(0/c、' （（P_l)„_ip(co)L(Q/c)2m

(9)

Ε₀(ω) η +1 、ρ+Γ

m

[0062] 式（9)において，

[0063] [数 8] 〃Ρ— ¹ — ip(co)L(0/ c、2m (10)

[0064] は裏面反射の効果である。裏面反射の効果は無限に続くが，実際に要求される精 度に応じて反射回数 mをカットする。すなわち， m回目の反射パルスが取得できる範 囲で図 5の可動ミラー 10を動かす。

[0065] 上記の説明は，透過スペクトルの場合について説明したが，反射スペクトルの場合 には，次のようになる。光を透過しない物質の場合には，反射がない場合の電界 E ( ω )と，反射した光の電界 Ε ( ω )との関係は次の式のようになる。

[0066] Ε(ω)/Ε ( ω ) = (ρ_1) / (ρ+ 1) (11)

Ε(ω), Ε (ω), ρは上記と同じであり，複素数である。 ρが既知の標準試料の測定 力 Ε (ω)が求められるので，それを用いて被測定試料の ρが求められる。

[0067] 図 7は本発明の実施の形態 2のデータ処理装置のフローチャートである。図 7 (a)は 本発明のデータ処理装置 54の測定データ取得のフローチャートである。図 7 (b)は 本発明のデータ処理部 63のフローチャートであって，測定データをもとに試料の複 素屈折率，吸収係数を求めるフローチャートである。

[0068] 図 7 (a)を参照して，本発明のデータ処理装置の測定データ取得方法を説明する ( 図 5,図 6を参照する）。ミラー制御部 61により可動ミラー 10を制御し，その位置を設 定する（Sl)。データ処理装置 54はロックインアンプから出力される測定された電界 のサンプリングデータを入力する（S2)。入力された電界のサンプリングデータをメモ リ（データ保持部 62)に保持する（S3)。所定数のサンプリングデータが得られたか判 定し (S4, 5),所定数のサンプリングデータが得られるまで S1以降の処理を繰り返す 。所定数のサンプリングデータが得られたら， S6でサンプリングデータをもとに測定光 の電界の実時間の波形を求め，出力する。

[0069] 図 7(b)は，本発明のデータ処理装置における複素屈折率演算部のフローチャート を示す。電界のフーリエ変換 Ε(ω)と E (ω)を入力し，保持する（Sl)。 （6)式に従 い Ε(ω)/Ε (ω)を求め，保持する（S2)。E(co)/E (ω)の演算結果を実数部 と虚数部に分ける（S3)。 Ε(ω)/Ε (ω)の実数部と虚数部をもとに屈折率 ηと消衰 係数 f の方程式を作る（S4)。方程式を解いて屈折率 nと消衰係数 κを求める（S5) 。消衰係数 κをもとに（8)式により吸収係数ひを求める（S6)。屈折率 n,消衰係数 κ ,吸収係数ひを出力する（S7)。なお，試料表面と裏面での多重反射を考慮する場 合には S2におレ、て， (6)式のかわりに（9)式を使用する（反射回数 mは測定データ が求める）。また，試料表面での反射により複素屈折率を測定する場合には， S2に おいて（6)式にかえて（11)式を使用する。

[0070] 図 8は本発明の実施の形態 3である。図 8はパルス光 Aとパルス光 Bを検出器 3の同 じ面に入射することにより測定光 (パルス光 B)の振幅を実時間で測定する構成を示 すものである。図 8において，図 4と同じ参照番号は同じ構成を示す。

[0071] 図 8において，レーザ光源 Sで発生したパルス光の一部は半透明鏡 7で反射し，パ ノレス光源 1に入射される。パルス光源 1はレーザ光源 Sで発生したレーザ光をもとに パルス光 Aを生成する。ノ^レス光 Aは可動ミラー 10で反射され，さらに反射鏡 70,半 透明鏡 72,反射鏡 73で反射を繰り返し，検出器 3に入射される。また，レーザ光源 S で発生したパルス光の一部は，半透明鏡 7を透過し，測定光源 2に入射される。測定 光源 2はレーザ光源 Sで発生したレーザ光をもとに測定光とするパルス光 Bを生成す る。パルス光 Bはチョッパー 50でチョップされ，反射鏡 71で反射し，半透明鏡 72を透 過し，さらに反射鏡 73で反射して検出器 3に入射される。

[0072] 検出器 3でゲート光ノ^レス Aにより生成されたキャリアとパルス光 Bの電界により生じ た電流は電流増幅器 55で増幅され，ロックインアンプ 52に入力される。ロックインァ ンプ 52はチョッパー駆動装置 51のパルス光 Bをチョップする周期の信号を参照信号 として検出器 3に生成される電流を測定する。可動ミラー 10を移動することによりパノレ ス光 Aの光路長を変更し，サンプリングのタイミングを変更する。各時刻のサンプリン グデータをロックインアンプで低ノイズで検出し，測定データを観測装置 53およびデ ータ処理装置 54に転送する。データ処理装置における動作は図 4の場合と同様であ るので，説明は省略する。

[0073] なお，図 8の構成において，ロックインアンプ 52の替わりに，ゲートパルス光の繰り 返し周波数が遅い場合にはボックスカー積分器を使用しても良い。この場合にはチヨ ッパーを使用しないで測定することも可能である。あるいは，サンプノレホールド回路と 積分回路を使用して高増幅率低雑音で増幅するようにしたものでも良い。

[0074] 図 9 (a)， （b)は本発明の実施の形態 4である。図 9 (a)， （b)は測定光の複数の異 なる時刻の電界を一回のゲートパルス光の照射で複数光路差のサンプリングデータ を取得することにより測定するための構成を示す。図 9 (a) , (b)は例として 4つの反射 鏡を使用して，一回のゲードパルス光の照射により 4つの光路差を生じさせる場合を 示す（一回のゲートパルス光の照射で複数光路差についてのサンプリングデータを 取得する方法 1)。

[0075] 図 9 (a)において， 3は検出器である。 10は可動ミラーである。 11は反射鏡である。 81 , 82, 83は半透明鏡である。 14はミラー駆動源である。 15はミラー駆動装置であ る。 84は反射鏡である。半透明鏡 81と 82の間の距離は d ,半透明鏡 82と 83の間の

1

距離は d , 83と 84の間の距離は d である。距離 d , d , dはゲート光の光路長が順

2 3 1 2 3

次変わるように定める。測定光は検出器 3の各ゲートに同時に照射されるようにビー ム光とする。 91は増幅器 1， 92は増幅器 2, 93は増幅器 3, 94は増幅器 4である。増 幅器 1 ,増幅器 2,増幅器 3および増幅器 4はそれぞれの電極から出力される電流を 増幅する。各増幅器（91 , 92, 93， 94)は電流増幅器とロックインアンプで構成され ,チョッパー駆動装置（図示せず）の駆動信号を参照信号として検出器 3の各電極の 信号を入力して高増幅率低雑音で増幅する。それぞれの増幅器の出力は観測装置 53およびデータ処理装置 54に転送される。各測定光の複数の異なる時刻での電界 のサンプリングデータを一回のゲートパルス光の照射により得るシークェンスを，ゲー トパルス光の光路長を変えて複数回の測定シークェンスで測定し，観測データを処 理することにより測定光の電界波形を能率よぐ高速に測定することができる。後述す るように一回の測定シークェンスで電界の実時間の波形を再現するサンプリングデ ータを得ることも可能である。ゲートパルス光の繰り返し周波数が低い場合には，増 幅器は，ロックインアンプを使用しないで，ボックスカー積分器を使用することもできる 。この場合には，測定光のチョッパーは必要としないで測定することもできる。あるい は，サンプルホールド回路と積分回路を使用して高増幅率低雑音で増幅するように したものでも良い。

[0076] 図 9 (b)は検出器 3の平面図である。 101 , 101'は電極であり，対向する電極どうし のギャップ部分にゲート光の光パルスが照射される。同様に， 102, 102', 103, 10 3', 104， 104'は電極である。

[0077] 図 9 (a)， （b)の構成において，測定光のビームは検出器 3の各電極間のギャップを 照射する。最上位の電極間のギャップから最下位の電極間のギャップまでの長さは， 電極が 4組の場合 50 μ m以下でできるので，測定光のビームの直径もその程度でよ レ、。電極が 8組の場合でも lOO x m以下にできるので，測定光のビームの直径以下 で実現できる。

[0078] 図 9の構成の動作を説明する。ゲートパルス光になるパルス光 Aは可動ミラー 10で 反射し，さらに反射鏡 11で反射して，一部は半透明鏡 81で反射し，残りは透過する 。半透明鏡 81で反射したノ^レス光 Aは，検出器 3の電極 101と 101'の間の間隙を照 射する。さらに，半透明鏡 81を透過したパルス光 Aは一部が半透明鏡 82で反射し， 残りは透過する。半透明鏡 82で反射したパルス光 Aは電極 102と 102'の間の間隙 を照射する。さらに，半透明鏡 82を透過したパルス光 Aは一部は半透明鏡 83で反射 し，残りは透過する。半透明鏡 83で反射したノ^レス光 Aは電極 103と 103'の間の間 隙を照射する。さらに，半透明鏡 83を透過したパルス光 Aは反射鏡 84で反射して電 極 104と 104'の間の間隙を照射する。

[0079] 一方，測定光は一本の光ビームとして，各電極間の間隙を同時に照射する（半透 明鏡 81 , 82, 83および反射鏡 84に入射するゲートパルス光はコリメート光としておく

)。各電極を照射する時間はそれぞれ各半透明鏡および反射鏡の間の距離 d , d

1 2

,および dの分ずつ遅れ，各電極から出力されるサンプリング電流は，それぞれのパ

3

ノレス光 Aが間隙を照射する時刻のノ^レス光 Bの電界に対応した大きさになる。このよ うにして，測定光の複数の異なる位相の電界を一回のゲートパルス光の照射で測定 すること力 Sできる。可動ミラーを移動して光路長を変更することにより，上記の測定を 繰り返し，測定光の多数の異なる位相の電界を効率的に測定することができる。

[0080] 図 10は本発明の実施の形態 4のデータ処理装置の構成である。図 10はデータ保 持部に関する構成を示したものであり，データ処理部 63は図 5と同じである。図 10に おいて，検出器の各電極ペア一からの信号 (信号 1 (電極 101 , 101'から取り出され る信号），信号 2 (電極 102, 102'から取り出される信号）,信号 3 (電極 103, 103'か ら取り出される信号)および信号 4 (電極 104, 104'から取り出される信号)）はそれぞ れ増幅器 1 ,増幅器 2，増幅器 3および増幅器 4に入力される。それぞれの増幅器 1 , 増幅器 2,増幅器 3および増幅器 4において，増幅されたそれぞれの信号はデータ 処理装置 54に入力される。それぞれの信号 (A , B ， C および D )は，それぞれ

1 1 1 1

の測定光が検出器 3を照射した時刻 (t , t , t および t )を表す情報に対応付けら

1 2 3 4

れてデータ保持部 62に保持される。

[0081] 次に可動ミラーを移動して得られる時刻 t , t , t および t でのそれぞれの信号（

5 6 7 8

A , B ， C および D )はそれぞれデータ保持部 62に保持される。同様に，可動ミ

2 2 2 2 ラー 10を移動して各電極ペア一により得られる各測定時刻での測定光の振幅のサン プリングデータを求め，データ保持部 62に保持する。

[0082] データ処理部 63は各時刻での測定光の振幅のサンプリングデータを基に測定光 の電界の波形を求め，測定光の波形だけを出力する場合には，その波形を観測装 置に表示する。さらに，波形をフーリエ変換し，測定光の周波数空間の表現を表示 することもできる。試料の複素屈折率を測定する場合には，試料がある場合とない場 合のそれぞれの電界を求め，前述の方法と同様にしてそれぞれの電界の波形を求 め，さらにそれぞれの波形をフーリエ変換し，前述の方法に従って，試料の複素屈折 率，屈折率，吸収係数を求め出力する。

[0083] 図 11 (a) , (b)は本発明の実施の形態 4 (図 9参照）において半透明鏡 81 , 82， 83 および反射鏡 84に相当する反射鏡を使用することなぐもしくは一枚の反射鏡により 検出器 3の各電極の間隙に照射されるゲートパルス光により各間隙どうしの間に光路 差を生じさせる方法を示す (一回のゲートパルス光照射により複数光路差のサンプリ ングデータを取得する方法 2)。

[0084] 図 11 (a) , (b)において， 41はゲートパルス光（パルス光 A)であって，ビーム径が D であるとする。本実施の形態では検出器 3に対してゲートパルス光を検出器 3の面の 法線に対して角度 Θで入射させる。この時，検出器 3の A点と B点に対して， Dtan 0 の光路差を生じる。従って，例えば， A点と B点の間に検出器 3の各電極の間隙がで きるように電極を配置することにより，一度に 4点の電界のサンプリングデータを得るこ とができる。

[0085] 図 11 (b)はゲートパルス光 41と検出器 3の電極ギャップの関係の拡大図を示し，検 出器 3の電極の間隙が 4つの場合を例示するものである。図 11 (b)において， 101， 102, 103および 104は検出器 3の電極である。ゲートパルス光 41は図 9に示す可動 ミラー 10からの反射光を直接に検出器 3に斜めに照射するようにしても良レ、。あるい は可動ミラー 10からの反射光を 1枚の反射鏡により反射させて検出器 3に斜めに照 射させるようにしても良レ、。図 9，図 11では 4つの光路差を一回のゲートパルス光の 照射により測定する方法を例として示しているが，後述するように，電界のサンブリン グ数が 8点もしくはそれ以上の光路差についても一回のゲートパルス光の照射により 測定が可能なので，可動ミラー 10を使用することなく 1回の測定で電界波形を再現 できるサンプリングデータの取得が可能になる。

[0086] 図 11 (a)， (b)のように複数光路差を一回のゲートパルス光でとる場合に得られる 光路差は，具体的には次のようになる。ゲートパルス光 41のビームの直径を lcmとし ,入射角 Θ =45° とすると検出器 3の A点と B点との間で lcmの光路差が得られる。 この光路差は時間にして 33psに相当する。必要な光路差は測定光によって異なる 力 波長 300 x mの遠赤外線で周期 lpsであり，数ピコ秒の光路差があれば，電界 波形を得るためのデータを得るのに十分である。しかし，さらに波長が短くて周期が 短い場合にはより小さい光路差で十分となるが，波長再現のためには隣あう電極どう しの間（例えば，図 9の電極 101と 102等の間隔であって，以後，上下の隣あう電極 間隔と称する）で測定される時間間隔を短くする必要がある。上下の隣あう電極間隔 を測定光の振動数に応じて微小間隔にとり，検出器 3の A点と B点の間に上下に隣あ う電極を多数とれば，一回のサンプリングで電界波形を再現できる程度のサンプリン グデータを得ることができる。

[0087] 上下に隣あう電極間隔を小さくできない場合でも Θを小さくすることにより検出器 3 の A点と B点の間の光路差を小さくできる。このように，本発明によれば，可動ミラー 1 0を移動させることなく多数の光路差の電界サンプリングデータを得ることが可能にな る。

[0088] 上記の電界波形の複数のサンプリングデータを一回のゲートパルス光の照射で得 る方法は，近赤外線領域の電磁波に限定されるものでなぐテラへルツ電磁波，可視 光等に実時間で電界波形を測定する方法に使用できるものである。

[0089] 図 12は本発明の実施の形態 4のデータ処理装置のフローチャートである。図 12に より本発明の実施の形態 4のデータ処理装置の動作を説明する（図 9，図 10を参照 する）。ミラー制御部 61 (図 5参照）により可動ミラー 10を移動し，位置を定める（図 9 の可動ミラー 10の制御は図 5のミラー制御部 61に同じである）（Sl)。検出器 3の各 電極（電極 101 , 101'等の各電極ペア一）で測定されて，それぞれの電極に対応す る増幅器 (増幅器 1，増幅器 2,増幅器 3および増幅器 4)で増幅された測定光の電界 のサンプリングデータを入力し，保持する（S2)。所定数の観測データのサンプリング データが得られたか判定し（S3, S4) ,得られていなければ S1以降の処理を繰り返 す。所定数のサンプリングデータが得られていたら，保持されているサンプリングデー タをデータ処理し，波形を求め，波形を出力する（S5)。 S5において，求めた波形を フーリエ変換して得られる測定光の周波数空間の表現を出力するようにしても良い。

[0090] さらに，実時間の観測データをもとに試料の屈折率，吸収係数を求める場合には， 前述した図 7 (b)のフローチャートに従って試料の屈折率，吸収係数を計算し，求め ること力 Sできる。すなわち，前述と同様に，試料がない場合の測定光と試料を通過し た測定光の振幅データのフーリエ変換をもとに複素屈折率を求め，さらに屈折率，吸 収係数を求める。

[0091] 図 13 (a) , (b)は本発明の実施の形態 5であり，試料について試料の二次元の面に おける複数点での複素屈折率を測定する場合を示すものである。この場合，測定対 象の試料を水平方向および垂直方向に移動できる台の上に置き，試料の平面の任 意の点において，観測データが得られたら，試料を移動させ，次の点の観測データ を得るというように，試料の二次元の面の各点で，測定光の電界を測定する。各点の 複素屈折率を調べることにより試料の平面内での一様性等を判定することができる。

[0092] また，試料を透過しない測定光についての複素屈折率を測定する場合には，試料 の面で反射する測定光について波形を測定する。また，その場合に，試料を通過し ない測定光の波形は，図 13の試料のかわりに反射鏡 (金，銀，アルミニューム等の高 反射率の反射鏡)をおき，検出器 3により測定光の実時間の波形を観測する。さらに ,試料で反射した場合と反射鏡で反射した場合の測定光の振幅の観測データから得 られた波形をもとに，それぞれの波形をフーリエ変換し，比較することにより試料の複 素屈折率を求める。その場合反射鏡の反射率を考慮する。

[0093] 図 13 (a) , (b)において， 20は試料である。 110は台であり，移動機構 111の上に 載せられ，上下および紙面に垂直な方向に移動できるものである。 111は移動機構 であって，台 110を移動するものである。移動機構 111はデータ処理装置により移動 制御されるものである。台 110を上下および紙面に垂直な方向に連続的に移動させ ,試料の各位置（図 13 (a)に示す位置 1， 2 · · · · , N)において測定光の電界を測定 する。 [0094] 図 14は，本発明の実施の形態 5のフローチャートである。試料を載せている試料台 を移動し，位置を定める（Sl)。可動ミラーを移動し，位置を定める（S2)。ロックインァ ンプから出力される測定光の実時間の波形のサンプリングテータを入力し，保持する (S3)。試料の平面内の一点での所定数のサンプリングデータが得られたか判定する (S4, S5)。所定数のサンプリングデータが得られていなければ S2以降の処理を繰り 返す。所定数のサンプリクデータが得られていたら S6で試料の平面内での所定数の 測定データが得られたか判定する（S5， S6)。平面内での所定位置での測定データ が得られていなければ S1以降の処理を繰り返す。平面内での所定位置での測定デ ータが全て得られたら， S8で測定光の波形を求め， 出力する。さらに，複素屈折率 測定装置として使用する場合には，試料を通過しない測定光と試料を通過した測定 光の各点での波形をそれぞれフーリエ変換し，比較して各点での複素屈折率，屈折 率，吸収係数を求め，出力する（S9)。

[0095] なお，上記において，試料がない場合の測定光の観測データと試料を通過した測 定光の観測データのそれぞれのフーリエ変換をもとに屈折率，吸収係数を求めるよう にしたが，それぞれの測定光の波形をもとに前述したように測定光の関数を求め，試 料を通過した場合と通過しない場合の測定光の関数値を比較し，屈折率，吸収係数 を求めることも可能である。また，検出器および検出器へのゲートパルス光の照射を 図 9のように構成することにより，一回のゲートパルス光の照射で複数の異なる光路 差についての測定光の電界波形の複数のサンプリングデータをとるようにすることも できる。

[0096] 以上，実施例 1ないし 5に本発明の構成を開示したが，上記で用いた検出器（3)に よる検出性能の実証結果を示す。

図 15は，図 1 ,図 4,図 8における測定光源（2)を詳細に説明する図であり，測定光 としてテラへルツ電磁波を発振する機構である。本機構ではレーザー光を半導体結 晶に照射し、半導体の非線形光学効果によってテラへルツ電磁波を得る。このような 機構は，例えば特許文献 1又は 2に開示されているが，本試験では該開示における テラへルツ電磁波よりもさらに高い周波数を得ることができた。

[0097] 特許文献 1 :米国特許第 5952818号 特許文献 2 :米国特許第 61 1 1416号

[0098] 特許文献 1及び 2は，電磁波を用いた開放空間における検査装置及び方法に関す るものであり，テラへルツ電磁波を用いたセンシングのためのテラへルツ発生機構及 び受信機構を開示している。特許文献 2では，ェミッタとして GaAsを用レ、，検出器の 結晶には ZnTe， GaAs , CdTe, CdZnTe,有機 DASTの結晶を用いる構成が開示され てレ、る。またパルス幅はレ、ずれも l OOfsよりも大きなレーザを用いてレ、る。

検出する周波数帯域としては，特許文献 1では 10GHzないし 5THzを，特許文献 2 では 37THzが可能とされている。

[0099] 一方，本試験で用いた発振機構は，フェムト秒パルスレーザを結晶に照射して最大 67THzのテラへルツ電磁波を得ることができた。ここで，結晶には結晶面 (001)方向 3 O z mの GaSe結晶を用レ、，該結晶を図 15の通り 70度に傾けている。図 15は光学台 の上方から見たときの平面図であり、図 16には、パルスレーザの照射方向後方から 見たときのノ^レス光の偏光方向を示している。図のように、パルス光は 45度偏光して 照射される。

Θが 20度の時にはピークが 9THz程度，順次角度が大きくなるとピークが高周波数 側に移動する傾向を示し， Θが 70度の時には 35THzがピークとなる。このとき， 67T Hzまで発生していることが従来の検出器により測定された。

なお，従来の検出器は分光器（6 μ mブレーズ）と水銀カドミウムテルライド（MCT) を用いたものであり， 90THzまでの検出感度があることがわかっている。

[0100] 図 1 7は，本発明による検出器（3)による検出結果を示す片対数グラフであり，横軸 は周波数を，縦軸は電界強度である。図のように， OTHzに近い低周波か

ベルに達する 67THzまで正しく受信されていることが判る。

上述の通り，検出周波数は可動ミラー（10)の移動によって電界のサンプリ ータを連続的に取得することができ，下限としては 10GHz以上，特に 0. ITHz以上 の検出が可能である。

[0101] また，より高周波の検出にはより短いパルス幅のレーザを用いれば良レ、が，すでに 5fs以下のレーザが開発されており， l fs以下の安定したアト (atto)秒パルスレーザの 提供も想定される。これらを用いることにより，本発明では Ι ΟΟΤΗζ以上の高周波の 検出も可能である。例えばパルス幅が lfs以下の場合、理論的には lOOOTHzまで 検出が可能であると考えられる。

本実施例でも，パルス幅は lOOfs以下であり， 1 Of s程度のパルスレーザを用いてレ' る。

Claims

請求の範囲

[1] ゲートパルス光発生手段と，測定光発生手段と，測定光を検出する光検出手段とを 備え，

ゲートパルス光および測定光はレ、ずれも可干渉性の光であって，測定光は近赤外 線領域より短い波長の可干渉性の光であり，ゲートパルス光のパルス幅は測定光の 周期より短いものであり，ゲートパルス光を光検出手段に照射して発生するキャリアに 基づく物理量を測定し，該物理量に基づレ、て該測定光の電界を測定することを特徴 とする光波形測定装置。

[2] ゲートパルス光はパルス幅が lOOfs以下であることを特徴とする請求項 1に記載の光 波形測定装置。

[3] 検出器は狭い間隙をもつ一対の電極を基板に配設したものであり，基板は光を照 射されることにより電荷を発生するものであり，物理量は電流であることを特徴とする 請求項 1又は 2に記載の光波形測定装置。

[4] 測定光は 10GHzないし 67THzの光であることを特徴とする請求項 1ないし 3に記 載の光波形測定装置。

[5] ゲートパルス光発生手段と，測定光発生手段と，測定光を検出する光検出手段とを 備え，

ゲートパルス光および測定光はレ、ずれも可干渉性の光であって，測定光はテラへ ルツ電磁波より波長の短い可干渉性の電磁波もしくは可視光であり，ゲートパルス光 のノ^レス幅は測定光の周期より短いものであり，ゲートパルス光を光検出手段に照射 して発生するキャリアに基づく物理量を測定し，該物理量に基づいて該測定光の電 界を測定する光波形測定装置であって，

該一対の電極を複数備え，それぞれの一対の電極の間隙に照射するゲートパルス 光の光路差が異なるものであり，各電極の間隙に生じる物理量を一回のゲートパル ス光の照射で複数光路差のサンプリングデータとして取得することにより測定光の電 界を測定することを特徴とする光波形測定装置。

[6] 該複数の一対の電極にゲートパルス光を検出電極の面に対して斜め方向から照射 することによりそれぞれの一対の電極間の間隙に光路差を生じさせることを特徴とす る請求項 5に記載の光波形測定装置。

[7] ゲートパルス光発生手段と，測定光発生手段と，測定光を検出する光検出手段とを 備え，

ゲートパルス光および測定光はいずれも可干渉性の光であって測定光は近赤外線 領域より短い波長の可干渉性の光であり，測定光とゲートパルス光を光検出手段に 照射して発生するキャリアに基づく物理量を測定し，該物理量に基づいて，

該測定光の電界を実時間で測定することを特徴とする光波形測定方法。

[8] ゲートパルス光発生手段と，測定光発生手段と，測定光を検出する光検出手段とを 備え，

ゲートパルス光および測定光はレ、ずれも可干渉性の光であって，測定光はテラへ ルツ電磁波より波長の短い可干渉性の電磁波もしくは可視光であり，ゲートパルス光 のノ^レス幅は測定光の周期より短いものであり，ゲートパルス光を光検出手段に照射 して発生するキャリアに基づく物理量を測定し，該物理量に基づいて該測定光の電 界を測定する光波形測定方法であって，

該光検出手段は一対の電極を複数備え，それぞれの一対の電極の間隙に照射す るゲートパルス光の光路差が異なるものであり，各電極の間隙に生じる物理量を一回 のゲートパルス光の照射で複数光路差のサンプリングデータとして取得することによ り測定光の電界を測定することを特徴とする光波形測定方法。

[9] 該複数の一対の電極にゲートパルス光を検出電極の面に対して斜め方向から照射 することによりそれぞれの一対の電極間の間隙に光路差を生じさせることを特徴とす る請求項 8に記載の光波形測定方法。

[10] ゲートパルス光発生手段と，測定光発生手段と，測定光を検出する光検出手段と データ処理手段とを備え，

ゲートパルス光および測定光はレ、ずれも可干渉性の光であって，ゲートパルス光の パルス幅は測定光の周期より短いものであり，ゲートパルス光を光検出手段に照射し て発生するキャリアに基づく物理量を測定し，該物理量に基づいて該測定光の電界 を測定するものであって，

該データ処理手段は，該測定データを保持するデータ保持部を備え，試料を通過 しない測定光と試料を通過した測定光の電界の測定データを保持し，試料を通過し ない測定光と試料を通過した測定光の電界を比較することにより試料の複素屈折率 を求めることを特徴とする複素屈折率測定装置。

[11] データ処理装置は，フーリエ変換手段を備え，試料を通過しない測定光と試料を通 過した測定光についての電界の波形を求め，該波形をフーリエ変換し，それぞれの フーリエ変換に基づいて複素屈折率を求めることを特徴とする請求項 11に記載の複 素屈折率測定装置。

[12] 測定光は 10GHzないし 67THzの光であることを特徴とする請求項 10又は 11に記 載の複素屈折率測定装置。

[13] 該光検出手段は一対の電極を複数備え，それぞれの一対の電極の間隙に照射す るゲートパルス光の光路差が異なるものであり，各電極の間隙に生じる物理量を一回 のゲートパルス光の照射で複数光路差のサンプリングデータとして取得することによ り測定光の電界を測定することを特徴とする請求項 10ないし 12に記載の複素屈折

[14] 該複数の一対の電極にゲートパルス光を検出電極の面に対して斜め方向から照射 することによりそれぞれの一対の電極間の間隙に光路差を生じさせることを特徴とす る請求項 13に記載の複素屈折率測定装置。

[15] ゲートパルス光発生手段と，測定光発生手段と，測定光を検出する光検出手段と データ処理手段とを備え，

ゲートパルス光および測定光はレ、ずれも可干渉性の光であって，ゲートパルス光の パルス幅は測定光の周期より短いものであり，ゲートパルス光を光検出手段に照射し て発生するキャリアに基づく物理量を測定し，該物理量に基づいて該測定光の電界 を測定するものであって，

該データ処理手段は，該測定データを保持するデータ保持部を備え，試料を通過 しない測定光と試料を通過した測定光の電界の測定データを保持し，試料を通過し ない測定光と試料を通過した測定光の電界を比較することにより試料の複素屈折率 を求めることを特徴とする複素屈折率測定方法。

[16] データ処理装置は，フーリエ変換手段を備え，試料を通過しない測定光と試料を通 過した測定光についての電界の波形を求め，該波形をフーリエ変換し，それぞれの フーリエ変換に基づいて複素屈折率を求めることを特徴とする請求項 15に記載の複 素屈折率測定方法。

[17] 該光検出手段は，該一対の電極を複数備え，それぞれの一対の電極の間隙に照 射するゲートパルス光の光路差が異なるものであり，各電極の間隙に生じる物理量を 一回のゲートパルス光の照射で複数光路差のサンプリングデータとして取得すること により測定光の電界を測定することを測定すること

を特徴とする請求項 15又は 6に記載の複素屈折率測定方法。

[18] 該複数の一対の電極にゲートパルス光を検出電極の面に対して斜め方向から照射 することによりそれぞれの一対の電極間のギャップに光路差を生じさせることを特徴と する請求項 7に記載の複素屈折率測定方法。

[19] 測定光の波形の電界の測定データがフーリエ変換されたデータを入力するプログ ラムと，

試料を通過しない測定光と試料を通過した測定光のそれぞれのフーリエ変換に基 づレ、て複素屈折率を求めるプログラムを備え，

測定光の電界波形の測定データに基づいて試料の複素屈折率をコンピュータによ り求めることを特徴とするコンピュータプログラム記録媒体。