WO2006092874A1 - 高分解・高速テラヘルツ分光計測装置 - Google Patents

高分解・高速テラヘルツ分光計測装置 Download PDF

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WO2006092874A1
WO2006092874A1 PCT/JP2005/015791 JP2005015791W WO2006092874A1 WO 2006092874 A1 WO2006092874 A1 WO 2006092874A1 JP 2005015791 W JP2005015791 W JP 2005015791W WO 2006092874 A1 WO2006092874 A1 WO 2006092874A1
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terahertz
frequency
time
thz
mode
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PCT/JP2005/015791
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English (en)
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Takeshi Yasui
Tsutomu Araki
Eisuke Saneyoshi
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Osaka University
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation
    • G01N21/3586—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation by Terahertz time domain spectroscopy [THz-TDS]

Definitions

  • This technology relates to a terahertz spectroscopic measurement technique using a terahertz electromagnetic wave pulse (hereinafter referred to as a THz pulse), and a THz pulse having a broadband spectrum structure in the frequency domain.
  • a THz pulse terahertz electromagnetic wave pulse
  • This relates to measurement technology that performs high-speed, high-resolution measurements at the laser mode-locked frequency, which is the theoretical limit frequency resolution.
  • THz-TDS method terahertz time domain spectroscopy
  • Figure 1 shows a typical frequency spectroscopy measurement system configuration using the THz-TDS method.
  • the electric field time waveform of the THz pulse is obtained by pump-probe measurement (or cross-correlation measurement) of the THz pulse generated by the femtosecond laser and the probe pulse light.
  • the pump 'probe measurement is performed by sequentially shifting the overlapping timing of the THz pulse and the probe pulse light using a time-delayed scanning by a mechanical stage, and the pulse of the probe pulse light at each overlapping timing.
  • This is a technique for reconstructing an ultrafast time waveform that cannot be measured in real time by connecting the THz pulse intensities cut out in time by width.
  • spectroscopic measurement is performed using the frequency spectrum of the measured time waveform of the terahertz electric field (THz electric field) by Fourier transform using a computer. Go and go.
  • Fig. 3 shows the frequency spectrum of the amplitude of the THz electric field obtained by Fourier transform using a computer.
  • the frequency resolution of the THz amplitude spectrum is expressed as 1ZT.
  • the frequency resolution is determined by the measurement time window ⁇ (time delay scanning amount) of the THz electric field time waveform, which is the moving stroke length of the time delay scanning (mechanical stage) in Fig. 1. Limited by (L).
  • the frequency range is the time delay feed step time. Is given by the reciprocal of the interval t (lZt).
  • the frequency resolution is determined by the reciprocal of the measurement time window T (that is, the time delay scanning amount) of the time waveform of the THz electric field. This is actually limited by the moving stroke length (L) of the mechanical stage provided in the frequency measuring device.
  • Equation 1 The stroke length (L) of the mechanical stage necessary to realize the pulse period time delay is defined by Equation 1 below.
  • c indicates the speed of light.
  • the mode locking frequency (f) of the femtosecond laser is defined by the following equation.
  • Equation 3 By substituting Equation 2 into Equation 1, Equation 3 below is derived.
  • Mode synchronization frequency control means for controlling
  • a terahertz wave emitting means for emitting a terahertz electromagnetic wave pulse by using the output light of one femtosecond laser as excitation light and using a photoconductive switch or a nonlinear optical crystal;
  • a terahertz wave for irradiating the terahertz electromagnetic wave radiation radiated from the terahertz wave radiation means to the spectroscopic measurement sample to further induce the terahertz electromagnetic wave norse affected by the sample.
  • Optical system means for irradiating the terahertz electromagnetic wave radiation radiated from the terahertz wave radiation means to the spectroscopic measurement sample to further induce the terahertz electromagnetic wave norse affected by the sample.
  • the output light of the other femtosecond laser is used as the probe pulse light, the terahertz electromagnetic wave pulse and the probe noise light are incident, and the terahertz electromagnetic wave is input using a photoconductive switch or an electro-optic sampling method.
  • a trigger signal generating means for extracting a part of the output light of the two femtosecond laser means and generating a time origin signal
  • a weak electric signal output from the terahertz wave detecting means is amplified, the signal output from the trigger signal generating means force is used as a time origin signal, and the signal of the terahertz electromagnetic wave pulse is synchronized with it.
  • signal waveform measuring means that measures at high speed without being affected by timing jitter,
  • a high-resolution high-speed terahertz spectrometer is provided.
  • Two femtosecond laser light sources are used for THz pulse generation and probe pulse light, respectively, and the mode-locked frequencies of both laser light sources are highly stabilized, and the difference in mode-locked frequencies is a predetermined constant
  • the timing at which the THz pulse and probe pulse light overlap automatically shifts from pulse to pulse, so a mechanical stage for time-delayed scanning is provided. It can be omitted, and the maximum measurement time window and quick measurement time can be realized simultaneously.
  • the mode-synchronized frequency control means uses an electrical signal output as a frequency standard force as a reference signal, A high-resolution, high-speed terahertz spectroscopic measurement device according to a first aspect, characterized in that control is performed using a fundamental wave or a harmonic component of a synchronization frequency as a control signal.
  • the frequency standard is a rubidium frequency standard or a cesium frequency standard
  • the high resolution 'high-speed terahertz spectroscopy measurement according to the second aspect An apparatus is provided.
  • the trigger signal is generated.
  • the means extracts a part of the output light of the two femtosecond laser means, condenses it on the nonlinear optical crystal non-coaxially, and photoelectrically generates the generated SFG (sum frequency generation light) cross-correlation signal light.
  • a high-resolution, high-speed terahertz spectroscopic measurement device according to any one of the first to third aspects is provided, which is a device that converts and outputs.
  • the power of the signal waveform measuring means A time-axis scale conversion of the output terahertz electromagnetic wave pulse time waveform signal is performed, and a high resolution Fourier spectrum (amplitude and phase frequency spectrum) spectrum obtained by performing Fourier transform on the time axis scale conversion.
  • Signal analysis means to obtain frequency analysis information of the sample,
  • a high-resolution, high-speed terahertz spectrometer is provided.
  • the mode-locked frequency control means is a high-resolution, high-speed tera, which is a means for controlling the resonator length of the femtosecond laser.
  • a ruth spectrometer is provided.
  • the mode-locked frequency of the femtosecond laser is determined by the length of the laser resonator, but varies depending on factors such as environmental temperature change and air fluctuation. This is because the optical resonator length of the laser fluctuates due to the above factors.
  • the mode-locked frequency can be stabilized and controlled by controlling the length of the mechanical resonator of the femtosecond laser with precision.
  • a frequency range, a sampling time, or a frequency range can be selected by selecting a frequency difference value held by the mode synchronization frequency control means.
  • a high-resolution and high-speed terahertz spectroscopic measurement device that can arbitrarily set the time scale magnification is provided.
  • a frequency comb An arrangement in which the frequency mode sequence is arranged like a comb is called a frequency comb, and a frequency comb in the optical region is called an optical comb.
  • THz pulse generation using a femtosecond laser and a photoconductive switch can be regarded as wideband demodulation of a mode-locked pulse train via a photoconductive switch.
  • the RF comb is extended to the terahertz region due to the ultrafast response of the photoconductive switch (or nonlinear optical effect), and such a RF comb in the terahertz region is defined as a THz comb in this specification. I will do it.
  • the frequency interval of each frequency mode sequence constituting the THz comb is the mode-locked frequency, if a frequency resolution equal to the mode-locked frequency can be realized, the envelope wave of each single component peak of the frequency mode sequence constituting the THz comb (Envelope) can be extracted and detected.
  • the THz comb has characteristics such as wide frequency selectivity, very high spectral purity, direct absolute frequency calibration, frequency multiplication function, and simplicity.
  • a highly stable THz comb force is extracted from the frequency mode train, which is stable not only in frequency but also in phase and strength, and can provide high-quality THz waves. Therefore, if such a stable THz comb can be used as a frequency ruler in the THz region, it is expected to be a very useful tool in next-generation information communications, frequency standards, and high-resolution terahertz spectroscopy.
  • the high-resolution, high-speed terahertz spectroscopic measurement device is one measurement technology that can arbitrarily select and detect a single frequency mode for the THz comb force, for example, applied to next-generation information communication. Then, frequency analyzer (decoder) of THz band wavelength division multiplexing communication with V and wavelength channels equal to the number of frequency modes (10,000 or more in THz spectrum band ITHz). There is an effect that can be used as.
  • a single femtosecond laser beam is converted into pump light (THz panorace generation) and probe panorless light (THz panorace detection).
  • the two are always synchronized. Therefore, in the THz-TDS method, time delay scanning is performed by a mechanical stage, cross-correlation measurement is performed while sequentially shifting the overlapping time timings by both pulse force THz detectors (pump-probe method), and finally the tera- It reproduces the Hertz time waveform.
  • FIG. 2 shows a state in which the THz waveform is reconstructed by performing two time-delay scans by moving the mechanical stage and measuring three points. In actual measurements, THz waveforms are reconstructed by measuring at more measurement points.
  • FIG. 6 shows a configuration diagram of a high-resolution, high-speed terahertz spectrometer according to the present invention.
  • Both laser beams are used for THz pulse generation pump light and probe noise light, respectively. Further, a part of both laser beams is extracted and used for trigger signal generation means (for example, SFG (sum frequency wave generation light) intensity cross-correlator).
  • SFG sum frequency wave generation light
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing how the terahertz time waveform is reproduced in the high-resolution / high-speed terahertz spectrometer according to the present invention.
  • the pulse periods of the THz pulse and probe pulse light generated by the femtosecond optical sampling light source are slightly different. For this reason, the timing at which the THz panoramic light and the probe panoramic light overlap automatically shifts with each panoramic wave.
  • the THz pulse period is lZf 2 and the probe pulse period is lZf 1.
  • the time interval (sampling interval SI) that deviates for each pulse is defined by Equation 4 below.
  • the trigger signal generation means generates a time origin signal every time the THz pulse and the probe pulse light overlap ((a) and (b) in FIG. 7). By using this as a trigger signal for the time origin, the signal waveform can be measured at high speed without being affected by timing jitter.
  • the electric field time waveform of the THz pulse obtained in this way is observed with time expansion based on the principle of the optical sampling method.
  • the time scale scaling factor (M) is defined by Equation 6 below.
  • FIG. 8, FIG. 9, and FIG. 10 show correlation graphs of the mode-locked frequency difference ( ⁇ ) between the two femtosecond lasers, the frequency range, the sampling time, and the time scale enlargement rate, respectively.
  • f and f are 80 MHz.
  • sampling time and the time scale expansion rate can be arbitrarily set.
  • the omission of the mechanical stage can simplify the optical system and reduce the size of the apparatus.
  • Figure 11 shows an overall block diagram of the high-resolution, high-speed terahertz spectroscopic measurement device of this example.
  • Femtosecond, laser 1 (mode-locked titanium 'sapphire laser, center wavelength 790nm, mode-locked frequency 82.6MHz, pulse width lOOfs) and femtosecond laser 2 (mode-locked titanium' sapphire laser, center wavelength 800nm, mode-locked frequency 82.6MHz ,
  • a high-resolution 'high-speed terahertz spectrometer was developed using a pulse width of 10 fs).
  • the mode-locked frequencies of the femtosecond laser 1 and the femtosecond laser 2 are almost the same.
  • a femtosecond laser 2 was used for THz pulse generation, and a femtosecond laser 1 was used for probe pulse light.
  • the mode-locked frequency of femtosecond laser 1 was controlled to be constant.
  • the 10th harmonic component signal (826 MHz) of the mode synchronization frequency is beat-down to a beat signal of 1 MHz or less. Furthermore, the 10th harmonic difference frequency signal is generated by heterodyne detection of both signals and used as the control signal. This increases the fluctuation of the mode-locked frequency 10 times and uses it as a control signal to achieve high accuracy of stabilization control.
  • the control signal difference frequency signal of the 10th harmonic
  • the difference in mode-locked frequency is always stabilized at 100 Hz. .
  • FIG. 12 shows difference frequency signals of mode-locked frequencies of two femtosecond laser light sources.
  • the difference frequency fluctuates over time in the free-run state (the state in which stable control is not performed), but in the locked state (the state in which stable control is performed), the difference frequency is constant (97 Hz in Fig. 12). You can see how it is. In this way, high-resolution, high-speed terahertz spectroscopic measurement can be performed in a state in which the difference between the mode period frequencies of both lasers is sufficiently stabilized.
  • SFG sum frequency generation light
  • SFG intensity cross-correlation measuring section which is a trigger signal generating means (see FIG. 11).
  • Both laser beams are focused non-coaxially on the nonlinear optical crystal using a lens.
  • SFG intensity cross-correlation signal light of both laser beams is generated, photoelectrically detected with a photomultiplier tube, a weak current signal is amplified with a current-voltage conversion amplifier, and then high-resolution, high-speed terahertz spectroscopy measurement Used as the time origin signal of the device.
  • FIG. 13 shows SFG (sum frequency generation light) cross-correlation waveforms of two femtosecond laser light sources obtained by the high resolution and high-speed terahertz spectroscopic measurement apparatus of Example 1. Yes. From Fig. 13, it can be seen that the cross-correlation waveform is sampled at high speed as a burst waveform by the probe pulse light (carrier wave). This SFG cross-correlation signal is used as the time origin signal of a high-resolution, high-speed terahertz spectrometer. [0054] As shown in FIG.
  • the remainder of both laser beams is guided to the THz-TDS section, where femtosecond laser 1-2 is used as the pump light for THz generation, and femtosecond laser 1 is used as the probe light for THz detection. .
  • a bow-tie photoconductive switch was used for THz generation and detection.
  • the mode-locked frequency of the THz pulse generated by the femtosecond optical sampling light source and the probe pulse light is slightly different (100 Hz)
  • the THz pulse electric field time of the pulse period time window (12 ns) without mechanical time delay scanning Waveforms can be sampled at high speed (measurement cycle 10 ms) (optical sampling method).
  • the current signal sampled at high speed by the photoconductive switch for THz detection is amplified and low-pass filtered by the current-voltage conversion amplifier, and then digitally using the time origin signal generated by the SFG cross-correlation measurement unit as the synchronization signal. 'Measured with an oscilloscope.
  • FIG. 14 (b) is an enlarged view of FIG. 14 (a).
  • the pulse width is widened, but the electric field time waveform of the THz pulse can be confirmed.
  • Figure 14 (c) shows the THz time waveform (measurement time 5 minutes, number of data 256 points) obtained by the conventional THz-TDS method (using a time delay stage and lock-in amplifier). Comparing Fig. 14 (b) and Fig. 14 (c), the characteristics of the two waveforms are almost the same. Force THz pulse waveform can be accurately acquired by the femtosecond optical sampling type THz-T DS method. Can be confirmed.
  • Figure 15 shows the time waveform of the THz pulse at different measurement times (10ms, 100ms, Is, 10s), that is, the number of integrations (1, 10, 100, 1000). Sump It can be seen that the signal waveform can be acquired even during ring measurement (measurement time 10 ms). It can also be seen that the measured signal-to-noise ratio is improved by high-speed integration.
  • an absorption spectrum and a refractive index vector can be calculated, respectively, and used for component analysis of the measurement object.
  • Conventional force There has been spectroscopic analysis using visible light and infrared light, but conventionally only information on intensity (absorption) can be seen, but in THz-TDS, there are two parameters, absorption and refractive index specific to a substance. Since it can be identified by (complex refractive index), the identification of the substance is improved.
  • the THz pulse time waveform Er (t) when there is no sample is measured, and the amplitude spectrum
  • the time waveform Es (t) with the sample is Fourier transformed to obtain the amplitude spectrum
  • Figure 17 shows a schematic of this.
  • Equation 9 In L1, c is the speed of light and d is the thickness of the sample. Also, the force shown in Fig. 17 shows the transmission case.
  • the THz-TDS method uses a THz pulse having a broadband spectrum, and therefore, it is possible to identify a frequency spectrum force substance having an absorption or refractive index obtained by Fourier transforming an electric field time waveform.
  • the conventional THz-TDS has a problem in that a wide band spectrum can be acquired by one mechanical time delay scan, but a frequency resolution is not so high.
  • the limitation on the frequency resolution is solved by the high resolution and high speed terahertz spectroscopic measurement apparatus according to the present invention, and the theoretical limit frequency resolution can be realized.
  • Example 2 as an application of the high-resolution, high-speed terahertz spectroscopic measurement device according to the present invention, an ultra-wideband wavelength multi-band using a stabilized THz comb light source and a high-resolution, high-speed terahertz spectroscopic measurement device. Describes the heavy THz information communication.
  • Figure 18 shows the overall block diagram.
  • a femtosecond laser 1 (mode-locked titanium / sapphire laser, center wavelength 800 nm, mode-locked frequency 82.6 MHz, pulse width 10 fs) that can generate ultra-short pulses is used.
  • THz When THz is generated using an optical comb and a photoconductive switch (or a non-linear optical crystal) modulated in this way, the wavelength multiplexed information of the optical comb is transferred to the THz comb.
  • a femtosecond laser 1 mode-locked titanium / sapphire laser, center wavelength 790 nm, mode-locked frequency 82.6 MHz, pulse width 100 fs
  • a photoconductive switch or nonlinear optical crystal
  • the THz comb is generated by the demodulation process of femtosecond laser pulse light via a photoconductive switch (or nonlinear optical effect), it is stabilized by stabilizing the mode-locked frequency of femtosecond laser 2 THz A comb light source can be realized.
  • the 100th harmonic component (8.26GHz) detected by the high-speed photodetector is a frequency signal synchronized to the rubidium frequency standard. It is extracted as a beat signal of 100kHz or less by detecting heterodyne and synthesizer.
  • the resonator mirror mounted piezo element By controlling the resonator mirror mounted piezo element with the stability control circuit using the reference signal of the arbitrary waveform generator power of the rubidium frequency standard synchronization as the reference signal, the high stability of the mode-locked frequency, that is, the THz comb THz comb light source).
  • the mode locking frequency of the femtosecond laser 2 for detecting THz needs to be stabilized so as to always maintain a certain frequency difference with respect to the mode locking frequency of the femtosecond laser 1.
  • the optical sampling stability control circuit (Fig. 11) as in Example 1 it is difficult to stabilize at a difference frequency of 100 Hz or less due to the problem of the control band. As a result, the time scale enlargement ratio is maximum. Limited to 826,000 times.
  • the optical sampling stability control system is changed so that it can be arbitrarily stabilized even with a difference frequency of 100 Hz or less.
  • the control system of the THz detection femtosecond laser 1 is changed to the control system similar to the THz comb generation femtosecond laser 2 described above, and the mode synchronization frequency of each laser light source is set by two independent control systems. Stabilize.
  • both lasers are generated. Highly stable mode synchronization frequency and difference frequency are simultaneously achieved.
  • THz-TDS section The remainder of both laser beams is guided to the THz-TDS section, and the femtosecond laser 2 force THz generation pump light and the femtosecond laser 1 are used as the THz detection probe light.
  • a photoconductive switch (or nonlinear optical crystal) is used for THz generation and detection.
  • Wavelength-division-modulated THz comb that also radiates photoconductive switch force propagates in free space (or THz waveguide, THz fiber) and is detected by photoconductive switch.
  • the mode-locked frequency of the THz pulse generated by the femtosecond optical sampling light source is slightly different from that of the probe noise light, the THz pulse electric field time waveform in the pulse period time window is measured at high speed without mechanical time delay scanning.
  • the weak current signal sampled at high speed by the photoconductive switch for THz detection is amplified and low-pass filtered by the current-voltage conversion amplifier.
  • the trigger signal generating means can be omitted, and the spectrum signal can be omitted.
  • the THz amplitude spectrum is directly measured by the analyzer. As a result, it is possible to decode the wavelength division multiplexing communication information placed on the THz comb.
  • Example 3 As an application of the high-resolution / high-speed terahertz spectrometer according to the present invention, the application to high-resolution / high-speed infrared time-domain spectroscopy (IR-TDS) is described. explain.
  • IR-TDS infrared time-domain spectroscopy
  • a Fourier transform infrared spectrometer which is a representative infrared spectroscopy, is composed of an infrared light source (thermal light source, etc.), a Michelson interferometer, and an infrared detector as shown in Fig. 19. ing.
  • the interference fringes (interferograms) of infrared light are measured with an infrared detector by scanning a moving mirror, and the infrared absorption spectrum is obtained by Fourier transforming both. Get.
  • the Fourier transform infrared spectroscopy is used in a wide range of application fields as a material identification method because it has almost no restrictions on the measurement sample and has an extensive database of standard fingerprint spectra in the infrared region.
  • the wavelength resolution is defined by the reciprocal of the stroke length of the mechanical stage that scans the moving mirror, as in the conventional terahertz time-domain spectroscopy, so a long stage scan is required to obtain high wavelength resolution. .
  • FIG. 20 shows an overall block diagram of the infrared time domain spectrometer.
  • the apparatus configuration is almost the same as that of the first embodiment (configuration shown in FIG. 11).
  • a THz spectrum of about 2 THz can be obtained relatively easily by using a photoconductive switch or a nonlinear optical crystal for the terahertz generator and detector. .
  • a nonlinear optical crystal or electro-optic crystal
  • infrared light generation efficiency or detection efficiency
  • measurement is performed. It is possible to extend the bandwidth to the terahertz region force infrared region.
  • infrared time-domain spectroscopy IR-TDS
  • IR-TDS infrared time-domain spectroscopy
  • the thermal characteristic of the thermal infrared detector generally used in Fourier transform infrared spectroscopy High sensitivity and high S / N ratio can be measured without being affected by dynamic background noise.
  • Example 4 a high-speed 'deep-penetration terahertz fault is used as an application that takes advantage of the characteristics of high-speed time waveform acquisition by a high-resolution' high-speed terahertz spectroscopic measurement device according to the present invention, which is not a frequency domain spectroscopic measurement
  • the application to an imaging device (THz tomography) is explained. Internal fluoroscopy is an important measurement technique in various application fields, and X-ray diagnosis and ultrasonic diagnosis have been put into practical use. Since the former is highly invasive and the latter is contact measurement, its application is limited.
  • THz tomography is a typical measurement technique that makes full use of the features of THz pulses (free space propagation, good transmission characteristics, low scattering, non-invasiveness, ultrashort pulses, good beam directivity, etc.) ⁇
  • Non-invasive ⁇ Because it can obtain 2D tomographic images with high spatial resolution, it is expected in fields such as biodiagnosis and non-destructive inspection as an internal fluoroscopy method to replace conventional methods such as ultrasonic echoes.
  • the THz tomography of the conventional method is basically point measurement such as scanning imaging, and thus a multi-axis scanning mechanism is required to obtain an image, and there is a limit to the real-time property of measurement.
  • a multi-axis scanning mechanism is required to obtain an image, and there is a limit to the real-time property of measurement.
  • To obtain a 2D tomographic image of a sample A two-axis scan of the delay and sample position is required. In order to perform serial measurement of these 2D information while scanning, it took several hours and several hours of measurement time to obtain one image.
  • FIG 21 shows the overall block diagram.
  • the optical sampling light source control unit and SFG cross-correlation measurement unit are the same as in Example 1 (Fig. 11).
  • the Terahertz optical system is changed from the conventional transmission arrangement to the reflection arrangement.
  • the THz pulse emitted from the terahertz-generating photoconductive switch (or nonlinear optical crystal) is collimated by the lens and then partially reflected by the beam splitter.
  • the reflected THz pulse is collected by the lens and applied to the sample.
  • the THz echo pulse train temporally separated by the internal structure (group refractive index distribution) of the THz pulse is condensed and collimated by the lens, and then transmitted through the beam splitter. Finally, the THz echo pulse train and the probe light are incident on the THz detection photoconductive switch, and the electric field time waveform of the THz echo pulse is measured at high speed.
  • the internal structure information in the sample depth direction is obtained from the obtained time waveform. Furthermore, two-dimensional tomographic images can be acquired by scanning the sample in the horizontal direction.
  • the high-resolution / high-speed terahertz spectroscopic measurement device can be used as a frequency analyzer (decoder) in THz wavelength division multiplexing communication in next-generation information communication.
  • a frequency analyzer decoder
  • space THz communication using good directivity of THz pulses is expected. Because it is impossible to eavesdrop on the ground due to strong THz absorption of water vapor in the atmosphere, It is interesting as an inter-space communication method with excellent quality.
  • FIG.1 Configuration diagram of a measuring device using the general THz-TDS method
  • FIG.2 Schematic diagram showing how a THz-TDS method reproduces a terahertz time waveform by performing time-delayed scanning using a mechanical stage
  • the time waveform force of the measured THz electric field also shows the frequency spectrum of the amplitude of the THz electric field obtained by Fourier transform with a computer.
  • FIG. 6 shows a configuration diagram of a high-resolution terahertz spectroscopic measurement apparatus according to the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a state of reproducing a terahertz time waveform in the high resolution terahertz spectrometer according to the present invention.
  • FIG. 9 A correlation graph between the mode-synchronized frequency difference and the sampling time is shown.
  • FIG. 10 A correlation graph between the mode-synchronized frequency difference and the time scale magnification.
  • FIG. 11 is a block diagram showing the overall configuration of the high-resolution terahertz spectroscopic measurement device according to Example 1.
  • FIG. 12 is a diagram showing temporal variations before and after locking of the difference frequency of both laser modes of the high-resolution, high-speed terahertz spectrometer according to Example 1.
  • FIG. 13 shows SFG cross-correlation signal waveforms of both lasers of the high-resolution “high-speed terahertz spectrometer” according to Example 1.
  • FIG. 14 THz obtained by the high-resolution, high-speed terahertz spectrometer according to Example 1.
  • a comparison of the electric field time waveform and the THz electric field time waveform obtained by the conventional mechanical THz-TDS is shown.
  • c Conventional THz-TDS (lOOps full scale) ).
  • FIG. 17 is a schematic diagram illustrating a mechanism for performing component analysis by amplitude and phase spectra by Fourier transforming a THz pulse time waveform distribution image.
  • FIG. 20 shows a block diagram of the overall configuration of high-resolution, high-speed infrared time-domain spectroscopy according to Example 3.
  • FIG. 21 is a block diagram showing the overall configuration of high-speed / deep penetration THz tomography according to Example 4.

Abstract

　テラヘルツ時間領域分光法の理論限界周波数分解能であるレーザーモード同期周波数で、テラヘルツ周波数スペクトルを高速測定できるような、高分解・高速テラヘルツ分光計測法を提供する。 　２台のフェムト秒レーザー光源の各々のモード同期周波数が高度に安定化され、かつモード同期周波数の差がある値で一定になるように、双方のレーザーのモード同期周波数の制御を行い、テラヘルツ・パルス発生用ポンプ光とテラヘルツ検出用プローブパルス光の各々に用いる。パルス周期がわずかに異なるテラヘルツ・パルスとプローブパルス光の時間遅延タイミングはパルス毎に自動的にずれていくため、時間遅延走査用機械式ステージ無しで、時間的に拡大されたテラヘルツ・パルスが高速サンプリング測定される。また、両レーザー光の一部をそれぞれ抽出したトリガー信号発生手段より発生する時間原点信号をトリガー信号として用いることにより、タイミング・ジッターの影響を抑制できる。パルス周期の測定時間窓で高速サンプリング測定されたテラヘルツ電場時間波形を、時間スケール変換後、フーリエ変換することにより、理論限界周波数分解能（＝モード同期周波数）でテラヘルツ周波数スペクトルを高分解・高速測定することが可能になる。

Description

明 細 書
高分解 ·高速テラへルツ分光計測装置
技術分野
[0001] 本技術は、テラへルツ電磁波パルス (以下、 THzパルスと称する)を用いたテラヘル ッ分光計測技術に関するものであり、周波数領域上で広帯域スぺ外ル構造を有す る THzパルスを、理論限界周波数分解能であるレーザーモード同期周波数で高速 · 高分解測定する計測技術に関するものである。
背景技術
[0002] 従来から、テラへルツ時間領域分光法 (以下、 THz-TDS法と称する)は、 THzパルス を用いた代表的周波数計測法として知られて 、る。 THz-TDS法による典型的な周波 数分光計測システム構成を図 1に示す。この方法では、先ず、フェムト秒レーザーに よって発生された THzパルスとプローブパルス光のポンプ ·プローブ測定（または相 互相関測定）により THzパルスの電場時間波形を取得する。ポンプ'プローブ測定と は、図 2に示すように、 THzパルスとプローブパルス光の重なるタイミングを機械式ス テージによる時間遅延走査を用いて順次ずらせていき、各重なるタイミング毎にプロ ーブパルス光のパルス幅で時間的に切り出された THzパルス強度をつなぎ合わせる ことにより、実時間測定不可能な超高速時間波形を再構築する手法である。
[0003] また、 THz-TDS法では、測定されたテラへルツ電場 (THz電場）の時間波形をコンビ ユーターでフーリエ変換することにより得られる振幅ほたは位相)の周波数スペクトル を用いて分光計測を行って 、る。
[0004] 図 3に、測定された THz電場の時間波形力 コンピューターでフーリエ変換することに より得られる THz電場の振幅の周波数スペクトルを示す。ここで、測定された THz電場 の時間波形において、測定時間窓を Tとすると、 THz振幅スペクトルの周波数分解能 は 1ZTで表される。
[0005] つまり、周波数分解能は、 THz電場時間波形の測定時間窓 Τ (時間遅延走査量）に よって決まり、これは、すなわち図 1の時間遅延走査 (機械式ステージ)の移動スト口 ーク長 (L)によって制限される。一方、周波数レンジは時間遅延量送りのステップ時間 間隔 tの逆数（lZt)によって与えられる。
このため、従来の機械式時間遅延走査に基づいた THz-TDS法では、機械式ステー ジが周波数分解能向上 (長いステージストローク量)と測定時間短縮の両立を困難と していた。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] 従来の THz-TDS法の場合、上述したように周波数分解能は、 THz電場の時間波形 の測定時間窓 T (すなわち時間遅延走査量)の逆数によって決定される。これは実際 には、周波数計測装置で設けられている機械式ステージの移動ストローク長 (L)によ つて制限される。
[0007] THz-TDS法の測定時間窓 T (図 3)に、連続した THzパルス列（周波数 =f )の内 1つ
0
の THzパルスのみが入りうる最大の測定時間窓はパルス周期（ = lZf
0 )となる。この 最大測定時間窓（=パルス周期)で達成される周波数分解能を理論限界周波数分 解能と定義すると、その値はパルス周期の逆数から、フェムト秒レーザーのモード同 期周波数 (=f )
0と等しくなる。パルス周期時間遅延を実現するために必要な機械式ス テージのストローク長 (L)は下記数式 1で定義される。ここで、 cは光速を示す。
[0008] [数 1]
L 丄
2
[0009] 一方、フェムト秒レーザーのモード同期周波数 (f )は下記式で定義される。ここで、 1
0
はフェムト秒レーザー共振器長を示す。
[0010] [数 2] f() = 2i
[0011] 数式 2を数式 1に代入することにより、下記数式 3が導出される。
[0012] [数 3] 2 0 2 'Λ
[0013] したがって、従来の機械式ステージを用いた THz-TDS法において理論限界周波数 分解能を実現するためには、レーザー共振器長 (通常、約 1. 5〜2m)に等しいステ ージ走査が必要となる。
[0014] しかし、このようなロングストロークの機械的ステージ走査は、装置と測定時間の問 題から現実的でなぐ実際には汎用機械式ステージのストローク長 (lcn！〜 10cm程度) から、周波数分解能が決まり、これは理論限界周波数分解能の 10〜100倍程度悪い 周波数分解能である。
[0015] また、 THz-TDS法以外のフーリエ変換赤外分光計や回折型分光計を利用したとして も、モード同期周波数相当の周波数分解能を達成することは困難である。
[0016] 本発明に係る高分解'高速テラへルツ分光計測装置は、 THzスペクトルを理論限界 周波数分解能（=モード同期周波数)で高速に分光測定できるような計測装置を提 供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0017] 本発明は、上記課題を解決するため、 THzスペクトルを理論限界周波数分解能（= モード同期周波数)で高速に分光測定できる高分解'高速テラへルツ分光計測装置 を提供する。
[0018] 本発明の第 1の観点からは、
(a)レーザーパルスの繰り返し周波数 (モード同期周波数）がわずかに異なる 2台の フェムト秒レーザー手段と、
(b) 2台のフェムト秒レーザー手段の各々のモード同期周波数が高度に安定ィ匕され、 かつ、モード同期周波数の差が所定の一定値を保持するように 2台のフェムト秒レー ザ一手段を制御するモード同期周波数制御手段と、
(c)一方のフェムト秒レーザーの出力光を励起光として用い、光伝導スィッチ若しくは 非線形光学結晶を用いて、テラへルツ電磁波パルスを放射するテラへルツ波放射手 段と、 (d)前記テラへルツ波放射手段カゝら放射されたテラへルツ電磁波ノ ルスを分光測定 用試料に照射し、試料で影響を受けたテラへルツ電磁波ノルスをさらに導くためのテ ラヘルツ波光学系手段と、
(e)他方のフェムト秒レーザーの出力光をプローブパルス光として用い、前記テラへ ルツ電磁波パルスと前記プローブノ ルス光とを入射し、光伝導スィッチ若しくは電気 光学サンプリング法を用いて、テラへルツ電磁波パルスの電場時間波形を検出する テラへルツ波検出手段と、
(f)前記 2台のフェムト秒レーザー手段の出力光の一部を抜き出し、時間原点信号を 生成するトリガー信号生成手段と
(g)前記テラへルツ波検出手段から出力される微弱電気信号を増幅し、前記トリガー 信号生成手段力 出力される信号を時間原点信号として用い、それに同期して前記 テラへルツ電磁波パルスの信号波形を検出することにより、タイミング ·ジッターの影 響を受けることなく高速測定する信号波形測定手段と、
を備えたことを特徴とする高分解'高速テラへルツ分光計測装置が提供される。
[0019] 2台のフェムト秒レーザー光源を THzパルス発生とプローブパルス光の各々に用い、 両レーザー光源の各々のモード同期周波数を高度に安定化し、かつ、モード同期周 波数の差が所定の一定値を保持するように双方のフェムト秒レーザーの制御を行うこ とで、 THzパルスとプローブパルス光の重なるタイミングはパルス毎に自動的にずれ ていくため、時間遅延走査のための機械式ステージが省略でき、最大測定時間窓と 測定迅速ィ匕が同時に実現できるのである。
[0020] 本発明の第 2の観点からは、第 1の観点の構成手段 (b)において、モード同期周波 数制御手段が、周波数標準器力 出力される電気信号を基準信号として用い、モー ド同期周波数の基本波若しくは高調波成分を制御信号として用いて制御を行うことを 特徴とする第 1の観点の高分解'高速テラへルツ分光計測装置が提供される。
[0021] 本発明の第 3の観点からは、周波数標準器が、ルビジウム周波数標準器もしくはセシ ゥム周波数標準器であることを特徴とする第 2の観点の高分解'高速テラへルツ分光 計測装置が提供される。
[0022] 本発明の第 4の観点からは、第 1の観点の構成手段 (f)において、トリガー信号発生 手段が、前記 2台のフェムト秒レーザー手段の出力光の一部を抜き出され、非共軸 で非線形光学結晶に集光させ、発生させた SFG (和周波発生光)相互相関信号光 を光電変換して出力する装置であることを特徴とする第 1乃至第 3のいずれかの観点 の高分解'高速テラへルツ分光計測装置が提供される。
[0023] 本発明の第 5の観点からは、第 1乃至 4のいずれかの観点において、
(h)前記信号波形測定手段力 出力されるテラへルツ電磁波パルス時間波形信号 の時間軸スケール変換を行い、それをフーリエ変換することによって得られる高分解 フーリエスペクトル (振幅と位相の周波数スペクトル)カゝらサンプルの周波数分析情報 を求める信号解析手段と、
をさらに備えたことを特徴とする高分解 ·高速テラへルツ分光計測装置が提供される
[0024] 本発明の第 6の観点からは、第 1乃至第 3のいずれかの観点において、モード同期 周波数制御手段が、フェムト秒レーザーの共振器長の制御手段である高分解 ·高速 テラへルツ分光計測装置が提供される。
[0025] フェムト秒レーザーのモード同期周波数はレーザー共振器長により決定されるが、 環境温度変化 ·空気の揺らぎ'振動などの要因によって変動する。これは、レーザー の光学的共振器長が上記要因により変動するためである。このような変動に対応して フェムト秒レーザーの機械的共振器長を超精密制御することにより、モード同期周波 数を安定化制御できる。
[0026] 本発明の第 7の観点からは、第 1乃至 3のいずれかの観点において、前記モード同 期周波数制御手段により保持される周波数差の値の選択により、周波数レンジ、サン プリング時間若しくは時間スケール拡大率を任意に設定できる高分解 ·高速テラヘル ッ分光計測装置が提供される。
発明の効果
[0027] THzパルス発生に用いられるフェムト秒レーザー光は、時間領域ではモード同期周 期 (= l/f )のパルス列であるが（図 4(a)を参照）、フーリエ変換の関係にある光周波数
0
領域においては、ある周波数 (例えば、フェムト秒チタン'サファイアレーザーの場合 は 375THz)を中心として多数の安定な光周波数モード列力 モード同期周波数 (=f )の間隔で規則的に並んだスペクトル構造を有している（図 4(b)を参照)。このように
0
周波数モード列が櫛 (コム)のように並んだものを周波数コムと言 、、特に光領域の周 波数コムを光コムと言う。
[0028] 一方、フェムト秒レーザーと光伝導スィッチ (あるいは非線形光学効果)を用いた THz パルス発生は、光伝導スィッチを介したモード同期パルス列の広帯域復調と見なす ことができる。その結果、時間領域ではフェムト秒レーザー光に同期した THzパルス 列であるが（図 5(a)を参照）、周波数領域ではモード同期周波数 (=f )の基本波成分
0
と多数の高調波成分がゼロ周波数力も等間隔で櫛 (コム)のように並んだパワースぺク トルが電波領域にタウンコンバートされて観測される（図 5(b)を参照）。これを RF(Radi 0 Frequency)コムと ヽつ。
[0029] 光伝導スィッチ (あるいは非線形光学効果)の超高速応答性により RFコムはテラヘル ッ領域まで拡張され、このようなテラへルツ領域の RFコムを、本明細書では、 THzコム と定義することとする。
THzコムを構成する各周波数モード列の周波数間隔はモード同期周波数となること から、モード同期周波数に等しい周波数分解能が実現できると、 THzコムを構成する 周波数モード列の各単一成分ピークの包絡波（エンベロープ)を抽出し検出すること が可能となる。
[0030] このように、 THzコムは、広い周波数選択性，非常に高いスペクトル純度，直接的絶 対周波数校正，周波数遁倍機能，単純性といった特徴を有している。これを高度に 安定ィ匕した安定化 THzコム力も抽出される周波数モード列は、周波数のみならず、位 相や強度も安定しており、高品質な THz波を提供できる。したがって、このような安定 ィ匕 THzコムを THz領域における周波数の物差しとして利用できると、次世代情報通信 ,周波数標準，高分解テラへルツ分光において非常に有用な手段になることが期待 される。
[0031] 本発明に係る高分解 ·高速テラへルツ分光計測装置は、 THzコム力も単一の周波数 モードを任意に抽出選択し検出できる 1つの計測技術であり、例えば次世代情報通 信に応用すると、周波数モード数 (THzスペクトル帯域 ITHzで 10,000本以上)に等し V、波長チャンネルを有する THz帯波長多重通信の周波数アナライザー（デコーダー） として利用できるという効果がある。
[0032] また、光波と電波を繋ぐテラへルツ帯の周波数標準として THzコムを利用した場合の 計量装置として利用できるという効果がある。さらに、高分解テラへルツ分光計測によ る半導体等に物性評価装置として利用できるという効果もある。
発明を実施するための最良の形態
[0033] 本発明に係る高分解テラへルツ分光計測装置にっ 、て、一般的な機械式時間遅 延ステージを用いる THz-TDS計測装置と対比しつつ、図を参照しながら以下に詳細 に説明する。
[0034] 一般的な THz- TDS法を用いる計測装置では、図 1に示すように、 1台のフェムト秒レ 一ザ一光をポンプ光（THzパノレス発生）とプローブパノレス光（THzパノレス検出）の両方 に用いる構成をとるため、両者は常に同期している。従って、 THz-TDS法では機械 式ステージによって時間遅延走査を行 、、両パルス力THz検出器で重なる時間タイミ ングを順次ずらしながら、相互相関測定を行い (ポンプ ·プローブ法）、最終的にテラ ヘルツ時間波形を再現するものである。
[0035] 図 2では、機械式ステージの移動によって 2回の時間遅延走査を行い、 3点を測定し て THz波形の再構築をしている様子を示している。なお、実際の計測においては、さ らに多くの測定点で計測して THz波形を再構築している。
[0036] 一方、本発明に係る高分解，高速テラへルツ分光計測装置の構成図を図 6に示す。
フェムト秒レーザー 1 (モード同期周波数 =f )とフェムト秒レーザー 2 (モード同期周 波数 =f )の各々のモード同期周波数が高度に安定ィヒされ、かつモード
2 同期周波数 の差（Δ =f f )がある値で一定になるように、双方のレーザーのモード同期周波数の
2 1
制御を行う。これをここではフェムト秒光サンプリング光源と呼ぶ。そして、両レーザー 光を THzパルス発生用ポンプ光とプローブノ ルス光の各々に用いる構成をとる。また 、両レーザー光の一部をそれぞれ抽出し、トリガー信号発生手段 (例えば、 SFG (和 周波波発生光)強度相互相関計）に用いる構成を取る。
[0037] 図 7に、本発明に係る高分解 ·高速テラへルツ分光計測装置において、テラへルツ 時間波形を再現する様子を表した模式図を示す。フェムト秒光サンプリング光源によ つて生成される THzパルスとプローブパルス光の各々のパルス周期はわずかに異な るために、 THzパノレスとプローブパノレス光の重なるタイミングはパノレス毎に自動的に ずれていくのである。ここで、 THzパルス周期を lZf 2、プローブパルス周期を lZf 1と する。ここで、パルス毎にずれる時間間隔 (サンプリング間隔 SI)は下記数式 4で定義 される。
[0038] [数 4]
[0039] THzパルスとプローブパルス光が重なった状態（図 7の (a))から、重なるタイミングがパ ルス毎に自動的にずれ、再び重なった状態（図 7の (b))になるまでに要する時間（サ ンプリング時間 ST)は下記数式 5で定義され、この時間によってパルス周期相当の時 間遅延走査が 1回なされたことになる。
[0040] [数 5]
ST =
A
[0041] トリガー信号発生手段は、 THzパルスとプローブパルス光が重なる毎（図 7の (a), (b)) に時間原点信号を発生する。これを時間原点のトリガー信号として利用することにより 、タイミングジッターの影響を受けることなく信号波形を高速測定できるのである。
[0042] このようにして得られた THzパルスの電場時間波形は光サンプリング法の原理に基づ き、時間的に拡大されて観測される。時間軸スケール拡大率 (M)は下記数式 6で定 義される。
[0043] [数 6]
Δ
[0044] 光サンプリング測定された時間波形を上記時間軸スケール拡大率で変換すること〖こ より、実際の時間スケールの THzパルス電場時間波形を再現することが可能になる。 スケール変換された電場時間波形をフーリエ変換することにより、振幅及び位相の周 波数スペクトルを得ることができる。この場合の周波数分解能は、サンプリング時間 S Tに依存せず常にパルス周期に等しい時間遅延走査が行われるので、常に理論限 界周波数分解能であるモード同期周波数が実現される。一方、周波数レンジ (FR) は、上記サンプリング間隔より、下記数式 7で定義される。
[0045] [数 7]
Si A
[0046] 図 8、図 9及び図 10は 2台のフェムト秒レーザーのモード同期周波数差（Δ )と周波数 レンジ、サンプリング時間及び時間スケール拡大率の相関グラフをそれぞれ示して!/ヽ る。ここでは、 f 及び f は 80MHzとしている。周波数差 Δの選択により、周波数レンジ
1 2
、サンプリング時間及び時間スケール拡大率を任意に設定できる。
[0047] 上述したように、本発明に係る高分解 ·高速テラへルツ分光計測装置は、従来の THz -TDS計測装置とは異なり、機械式ステージが省略できるため、パルス周期の時間遅 延走査すなわち理論限界周波数分解能（=モード同期周波数)と測定迅速化が同 時に実現できるメリットを有するのである。また、機械式ステージの省略により光学系 を簡略化でき、装置の小型化も可能となる。
実施例 1
[0048] 以下、本発明に係る高分解 ·高速テラへルツ分光計測装置の一実施例について説 明する。図 11に本実施例の高分解 ·高速テラへルツ分光計測装置の全体ブロック図 を示す。
フェムト秒、レーザー 1 (モード同期チタン'サファイアレーザー、中心波長 790nm、モー ド同期周波数 82.6MHz、パルス幅 lOOfs)とフェムト秒レーザー 2 (モード同期チタン' サファイアレーザー、中心波長 800nm、モード同期周波数 82.6MHz、パルス幅 10fs)を 用いて、高分解'高速テラへルツ分光計測装置を開発した。ここで、フェムト秒レーザ 一 1とフェムト秒レーザー 2のモード同期周波数はほぼ同じである。 THzパルス発生用 にフェムト秒レーザー 2、プローブパルス光にフェムト秒レーザー 1をそれぞれ用いた 。本実施例では、フェムト秒光サンプリング光源の簡略ィ匕のため、両レーザーのモー ド同期周波数の高安定化は行わず、両レーザーのモード同期周波数の差が常にあ る値 (例えば、 = 100Hz)で一定となるようにフェムト秒レーザー 1のモード同期周波数 を制御した。
[0049] 図 11の光サンプリング光源制御部で、高速光検出器で検出された 2つのレーザー光 を、電圧制御発振器とヘテロダイン検波することにより、モード同期周波数の第 10次 高調波成分信号 (826MHz)が 1MHz以下のビート信号にそれぞれビートダウンされる 。さらに両信号同士をへテロダイン検波することにより 10次高調波の差周波信号を生 成し、これを制御信号として用いる。これは、モード同期周波数の変動を 10倍に拡大 し、これを制御信号として用いることにより、安定化制御の高精度化を実現しているも のである。
[0050] 図 11の光サンプリング光源制御部における基準信号発生器力 供給される信号を 参照信号として、制御信号 (10次高調波の差周波信号)がある値 (=lkHz)で一定とな るように、フェムト秒レーザー 1の共振器ミラーに取り付けられたピエゾ素子によってレ 一ザ一共振器長制御を行うことにより、モード同期周波数 (基本波）の差が常に 100H zに安定ィ匕される。
[0051] 図 12は、 2台のフェムト秒レーザー光源のモード同期周波数の差周波信号を示して いる。フリーラン状態 (安定ィ匕制御を行わない状態)では差周波は時間の経過と共に 変動するが、ロック状態 (安定ィ匕制御を行う状態)では、ある一定の周波数（図 12で は 97Hz)になっている様子が確認できる。このように両レーザーのモード周期周波数 差が十分に安定化された状態で、高分解 ·高速テラへルツ分光計測が行うことができ る。
[0052] 上記のように光サンプリング安定化制御された両レーザー光の一部をトリガー信号発 生手段である SFG (和周波発生光)強度相互相関測定部に導く（図 11を参照)。両 レーザー光はレンズを用いて非共軸で非線形光学結晶に集光される。その結果、両 レーザー光の SFG強度相互相関信号光が生成され、これを光電子増倍管で光電検 出し、微弱電流信号を電流電圧変換アンプで増幅した後、高分解 ·高速テラへルツ 分光計測装置の時間原点信号として利用する。
[0053] ここで、図 13は、本実施例 1の高分解 ·高速テラへルツ分光計測装置によって得られ た 2台のフェムト秒レーザー光源の SFG (和周波発生光)相互相関波形を示している 。図 13から、プローブパルス光 (搬送波）によって相互相関波形がバースト波形として 高速サンプリングされている様子が確認できる。この SFG相互相関信号を、高分解 · 高速テラへルツ分光計測装置の時間原点信号として利用する。 [0054] 図 11に示すように、両レーザー光の残りは THz- TDS部に導かれ、フェムト秒レーザ 一 2が THz発生用ポンプ光、フェムト秒レーザー 1が THz検出用プローブ光に用いら れる。 THz発生及び検出にはボウタイ型光伝導スィッチを用いた。ここで、フェムト秒 光サンプリング光源で生成した THzパルスとプローブパルス光のモード同期周波数 はわずかに異なるため（100Hz)、機械式時間遅延走査無しでパルス周期時間窓（12 ns)の THzパルス電場時間波形を高速サンプリング測定 (測定周期 10ms)することが 可能となる（光サンプリング法)。
[0055] THz検出用光伝導スィッチで高速サンプリングされた電流信号は、電流電圧変換ァ ンプで増幅及びローパスフィルタリングされた後、 SFG相互相関測定部で生成され た時間原点信号を同期信号として、デジタル'オシロスコープで測定される。
[0056] 図 14(a)は本実施例の高分解 ·高速テラへルツ分光計測装置によりパルス周期フル スケールで得た THz時間波形で、デジタル.オシロスコープで 1000回の積算（測定時 間 10秒、データ数 25000点）を行っている。時間軸は光サンプリング法の原理により時 間的に 826,000倍 (拡大率 =モード同期周波数 Z周波数差）〖こスケール拡大されて V、る（実際のオシロスコープ時間スケールはグラフ上側スケールを参照)。
[0057] 図 14(b)は図 14 (a)を拡大したものである。 THz発生及び検出に狭帯域なボウタイ型 光伝導スィッチを用いて 、るためパルス幅が拡がって 、るが、 THzパルスの電場時間 波形が確認できる。
[0058] 図 14(c)は従来の THz-TDS法（時間遅延ステージ及びロックインアンプを使用）により 得た THz時間波形 (測定時間 5分、データ数 256点）である。図 14(b)と図 14(c)を比較 すると、両波形の特徴はほぼ一致していること力 フェムト秒光サンプリング式 THz-T DS法によって THzパルス波形が正確に取得できて 、ることが確認できる。従来法で は機械式ステージを用いて時間遅延走査を行うため時間遅延量の増大に伴 、測定 時間も増大するが（図 14 (a)と同スケールの時間波形を得るためには 5分 *120倍 =10 時間が必要）、本手法では時間遅延量に依存せず常に一定時間（この場合 10秒)で 測定可能であり、大幅な測定時間短縮が実現できている。
[0059] 図 15は異なる測定時間（10ms, 100ms, Is, 10s)すなわち積算回数（1回、 10回、 100 回、 1000回）における THzパルスの時間波形を示しており、単一スイープの光サンプ リング測定 (測定時間 10ms)でも信号波形取得が可能なことが分かる。また、高速積 算化処理により測定 SN比が向上している様子も確認できる。
[0060] THz-TDS法では、 THzパルスの電場時間波形を直接測定するため、その電場時間 波形をフーリエ変換することにより、振幅及び位相の周波数スペクトル (フーリエ'スぺ タトル)を得ることができる。図 14(a)の電場時間波形（時間窓 =パルス周期 =12ns)をフ 一リエ変換して得られた振幅スペクトルを図 16(a)に示す。 THz発生及び検出に狭帯 域ボウタイ型光伝導スィッチを用いているためスペクトル帯域が 0.5THz程度に制限さ れているが、非常に高い周波数分解能で測定できていることが確認できる。
[0061] 比較のため、従来法の図 14(c)の電場時間波形をフーリエ変換して得た振幅スぺタト ルを図 16(b)に示す。両者を比較すると本手法により波長分解能が大幅に向上して いることが分かるが、これは両者の時間遅延量の違いに起因している。従来法でも機 械式ステージにより十分に長い時間遅延走査を行えば同様の波長分解能は可能で あるが、この場合には非常に長い測定時間（10時間）を必要とする。本手法では、常 に一定時間 (この場合 10秒)で理論限界周波数分解能（=モード同期周波数)が実 現可能である。
[0062] このようにして得られた振幅スペクトルと位相スペクトルから吸収スペクトルと屈折率ス ベクトルをそれぞれ算出し、これを測定対象物の成分分析に使うことができる。従来 力 可視光や赤外光を用いた分光分析法があつたが、従来は強度（吸収)の情報し か見れないが、 THz-TDSでは、物質に固有の吸収と屈折率の 2つのパラメータ (複素 屈折率)で識別できるので物質の識別性が向上するのである。
[0063] また、本発明に係る高分解 ·高速テラへルツ分光計測装置により理論限界周波数分 解能で上記スペクトルが取得できれば、物質の識別特性が大幅に改善される。さらに サンプル位置を走査することにより分光イメージングも可能となり、成分分析イメージ ングに応用できる。
[0064] ここで、 THzパルスの時間波形をフーリエ変換して、振幅、位相スペクトルによる成分 分析のメカニズムを以下に説明する。 THzパルスの時間波形 E(t)は、 THzパルスの振 幅と位相情報を含んでいるため、これをフーリエ変換 (下記数式 8を参照)することに より、振幅スペクトル E (ω)と位相スペクトル θ (ω)を求めることができる。 [0065] [数 8]
Figure imgf000015_0001
[0066] 先ず、サンプルが無い場合の THzパルス時間波形 Er (t)を測定し、コンピューターで フーリエ変換して振幅スペクトル |Er (ω) Iと位相スペクトル Θ r (ω)を求める。次に、サ ンプルが有る場合の時間波形 Es (t)をフーリエ変換して振幅スペクトル |Es (ω) Iと位 相スペクトル Θ s(co)を求める。これを模式化したものを図 17に示す。
そして、下記数式 9〜： L1に示す手順にしたがって、吸収スペクトル k(co)及び屈折率 スペクトル η(ω)を算出するのである（詳細については、分光研究 第 50卷第 6号 pp.27 3を参照)。
下記数式 9〜： L1の中で、 cは光速、 dはサンプルの厚さを表している。また、図 17で は透過の場合を示している力 下記数式は、反射の場合も同様に用いることができる
[0067] [数 9]
ど、 [ωΙ
ど Μ
Figure imgf000015_0002
[0068] [数 10]
Figure imgf000015_0003
[0069] [数 11] t \ 、 n - l)fリ ,
θ^ω) - θ; {ω) = ^ '—d
c
[0070] このように、 THz-TDS法では広帯域スペクトルを有する THzパルスを用いるため、電 場時間波形をフーリエ変換して得た吸収または屈折率の周波数スペクトル力 物質 を同定できるのである。従来の THz-TDSでは、一度の機械式時間遅延走査で広帯 域スペクトルが取得可能な一方で、あまり高 、周波数分解能が得られな 、と 、う問題 点があった。しかし、本発明に係る高分解 ·高速テラへルツ分光計測装置により周波 数分解能に関する制限は解決され、理論限界周波数分解能が実現できる。
[0071] 試薬'禁止薬物 ·農薬'ビタミン類'糖類などの物質では、 THz領域で物質識別可能 な特徴的な吸収スペクトル（指紋スペクトル）を各々示す。したがって、サンプルの吸 収スペクトルと各物質成分の指紋スペクトル (既知）を比較することにより、サンプル含 有成分を特定することができるのである。また、サンプルが複数成分を含有していると きには、指紋スペクトルと主成分分析法を利用することにより、各成分の分析が可能と なる。特に、本発明に係る高分解'高速テラへルツ分光計測装置により理論限界周 波数分解能が実現できれば、指紋スぺ外ルを利用した物質の識別特性が大幅に向 上される。
実施例 2
[0072] 実施例 2では、本発明に係る高分解 ·高速テラへルツ分光計測装置の用途として、安 定化 THzコム光源と高分解，高速テラへルツ分光計測装置を用いた超広帯域波長多 重 THz情報通信について説明する。図 18に全体ブロック図を示す。
広帯域な THzコムを発生させるためには、極超短パルスを発生可能なフェムト秒レー ザ一 2 (モード同期チタン'サファイアレーザー、中心波長 800nm、モード同期周波数 82.6MHz,パルス幅 10fs)を用いる。
[0073] レーザー光に対してパルス整形技術を適用することにより、光領域の周波数コムであ る光コムのスペクトルに波長多重通信情報をのせることが可能となる。パルス整形技 術については、 J. Y. Sohn, Y. H. Ahn, D. J. Park, E. Oh and D. S. Kim, Appl. Phys. Lett., Vol. 81, No. 1 pp.13-15 (2002).に詳しく説明されているので、ここでは省略 する。
[0074] このように波長多重変調された光コムと光伝導スィッチ (もしくは非線形光学結晶）を 用いて THz発生させると、光コムの波長多重情報が THzコムに転写されることになる。 一方、 THz検出にはフェムト秒レーザー 1 (モード同期チタン'サファイアレーザー、中 心波長 790nm、モード同期周波数 82.6MHz、パルス幅 100fs)と光伝導スィッチ (もしく は非線形光学結晶）を用いる。
[0075] THzコムは光伝導スィッチ (もしくは非線形光学効果)を介したフェムト秒レーザーパ ルス光の復調プロセスにより発生するので、フェムト秒レーザー 2のモード同期周波 数を安定ィ匕することにより安定化 THzコム光源が実現できる。高速光検出器で検出さ れた 100次高調波成分 (8.26GHz)は、ルビジウム周波数標準に同期された周波数シ ンセサイザ一とへテロダイン検波することにより、 100kHz以下のビート信号として抽出 される。ルビジウム周波数標準同期の任意波形発生器力ゝらの信号を参照信号とした 安定ィヒ制御回路で共振器ミラー取付けピエゾ素子を制御することにより、モード同期 周波数すなわち THzコムの高安定ィ匕 (安定化 THzコム光源）を実現する。
[0076] 一方、 THz検出用のフェムト秒レーザー 2のモード同期周波数はフェムト秒レーザ 一 1のモード同期周波数に対して常にある一定の周波数差を保つように安定化され る必要がある。実施例 1のような光サンプリング安定ィ匕制御回路（図 11)では制御帯 域の問題から 100Hz以下での差周波で安定化することが困難であり、その結果、時 間スケール拡大率が最大 826,000倍に制限される。
[0077] そこで図 12の構成では、 100Hz以下の差周波でも任意に安定ィ匕できるよう光サンプリ ング安定ィ匕制御システムを変更している。ここでは、 THz検出用フェムト秒レーザー 1 の制御系を前記の THzコム発生用フェムト秒レーザー 2と同様な制御系に変更し、 2 台の独立した制御系で各々のレーザー光源のモード同期周波数を安定化する。ここ で、同一のルビジウム周波数標準に同期した 2台の任意波形発生器からわずかに周 波数の異なる信号を生成し、これをレーザーの高安定化制御回路の参照信号として それぞれ用いることにより、両レーザーのモード同期周波数と差周波数の高安定ィ匕 を同時に達成する。
[0078] 両レーザー光の残りは THz-TDS部に導かれ、フェムト秒レーザー 2力THz発生用ポ ンプ光、フェムト秒レーザー 1が THz検出用プローブ光に用いられる。 THz発生及び 検出には光伝導スィッチ (もしくは非線形光学結晶）を用いる。光伝導スィッチ力も放 射される波長多重変調 THzコムは自由空間 (もしくは THz導波路、 THzファイバー）を 伝搬し、光伝導スィッチで検出される。ここで、フェムト秒光サンプリング光源で生成し た THzパルスとプローブノ ルス光のモード同期周波数はわずかに異なるため、機械 式時間遅延走査無しでパルス周期時間窓の THzパルス電場時間波形を高速サンプ リング測定することが可能となる（光サンプリング法)。 THz検出用光伝導スィッチで高 速サンプリングされた微弱電流信号は、電流電圧変換アンプで増幅 ·ローパスフィル タリングされる。波長多重情報通信にお 、て THz振幅スペクトルのみが必要で THz位 相スペクトルが不要な場合には、トリガー信号発生手段は省略でき、スペクトラム'ァ ナライザ一によつて THz振幅スペクトルが直接測定される。その結果、 THzコムに載 せられた波長多重通信情報がデコードできる。
実施例 3
[0079] 次に、実施例 3では、本発明に係る高分解 ·高速テラへルツ分光計測装置の用途と して、高分解 ·高速赤外時間領域分光測定 (IR-TDS)への応用を説明する。
赤外光を物質に照射すると、物質を構成している分子の振動 ·回転運動により、分子 の固有振動と同じ周波数の赤外光のみが特異的に吸収され、分子構造を敏感に反 映した吸収スペクトルが得られる。このような赤外吸収スペクトルは分子構造固有の 指紋スペクトルであることから、これを利用することにより未知物質の同定が可能にな る。
[0080] 代表的な赤外分光法であるフーリエ変換赤外分光計は、図 19に示すような赤外光 源 (熱光源ほか） ·マイケルソン干渉計 ·赤外検出器カゝら構成されている。試料がある 場合と無い場合のそれぞれにおいて、移動鏡を走査することにより赤外光の干渉縞 ( インターフエログラム）を赤外検出器で測定し、両者をフーリエ変換することで赤外吸 収スペクトルを得る。フーリエ変換赤外分光法は、測定試料に対する制限がほとんど 無い上に、赤外領域の標準指紋スペクトルのデータベースが充実しているので、物 質同定手段として幅広い応用分野において利用されている。波長分解能は、従来の テラへルツ時間領域分光法と同様、移動鏡を走査する機械式ステージのストローク 長の逆数によって定義されるため、高波長分解能を得るためには長いステージ走査 が必要となる。
[0081] 図 20に赤外時間領域分光装置の全体ブロック図を示す。装置構成は実施例 1 (図 11に示される構成）とほぼ同様である。実施例 1の高分解'高速テラへルツ分光装置 では、テラへルツ発生部及び検出部に光伝導スィッチもしくは非線形光学結晶を利 用することにより、 2THz程度の THzスペクトルが比較的容易に得られる。
[0082] 一方、結晶厚が十分に薄くかつ赤外光発生効率 (または検出効率)の良好な非線形 光学結晶 (もしくは電気光学結晶)を赤外光発生及び赤外光検出に利用すると、測 定帯域をテラへルツ領域力 赤外領域まで拡張することが可能となる。すなわち、テ ラヘルツ発生及び検出部の素子の変更により、赤外時間領域分光法 (IR-TDS)とし ても利用可能となる。測定帯域をテラへルツ領域力 赤外領域まで拡張できることに ついての説明は、論文（K. Liu, J. Xu, and X. C. Zhang, Appl. Phys. Lett., Vol. 85, pp. 863-865 (2004).)に記載されているので、ここでは省略する。
[0083] フーリエ変換赤外分光法に対する本手法のメリットとして、以下の点が挙げられる。
(1)吸収と屈折率の指紋スペクトルの同時利用（フーリエ変換赤外分光法では吸収 スペクトルのみ）により物質の識別性が向上。
(2)高分解能化と高速化が同時に実現可能、高分解能化による物質識別性向上。
(3)電気光学的時間ゲート検出法 (電気光学結晶または光伝導アンテナ）によって信 号検出を行うため、フーリエ変換型赤外分光法で一般的に利用される熱型赤外検出 器特有の熱的バックグラウンドノイズの影響を受けずに高感度かつ高 SN比の測定が 可能。
上記（1)〜（3)の特徴と、赤外領域指紋スペクトルの豊富なデータベースにより、各 応用分野での利用が期待できる。
実施例 4
[0084] 実施例 4では、周波数領域の分光測定ではなぐ本発明に係る高分解'高速テラへ ルツ分光計測装置による高速時間波形取得の特性を活力 た用途として、高速'深 浸透テラへルツ断層イメージング装置 (THzトモグラフィー）への応用を説明する。 内部透視法は様々な応用分野における重要計測技術であり、これまでにも X線診 断や超音波診断が実用化されている。前者は侵襲性が高いため、後者は接触測定 であるため、その応用が制限されている。 THzトモグラフィーは、 THzパルスの特徴（ 自由空間伝搬，良好な透過特性，低散乱性，非侵襲性，超短パルス，良好なビーム 指向性など)を活力した代表的計測手法であり、非接触リモート ·非侵襲 ·高空間分 解能で 2次元断層イメージを得ることが可能なため、超音波エコーを始めとした従来 法に替わる内部透視手段として生体診断や非破壊検査等の分野で期待されている
[0085] しかしながら、従来法の THzトモグラフィーは、基本的に走査型イメージングといった 点計測であるため、イメージを得るためには複数軸の走査機構が必要となり、計測の 実時間性に制限があった。例えば、サンプルの 2次元断層イメージを得るためには時 間遅延及びサンプル位置の 2軸の走査が必要となる。走査を行!、ながらこれら 2次元 情報のシリアル測定を行うため、 1枚のイメージを得るために数分力 数時間の測定 時間が必要となっていた。
[0086] このような長い測定時間を短縮する手段として、本発明が有効である。図 21に全体 ブロック図を示す。光サンプリング光源制御部及び SFG相互相関測定部は実施例 1 (図 11)と同様である。テラへルツ光学系は従来の透過配置から反射配置に変更さ れて ヽる。テラへルツ発生用光伝導スィッチ (もしくは非線形光学結晶）から放射され た THzパルスは、レンズでコリメートされた後、ビームスプリツターによって一部が反射 される。反射された THzパルスは、レンズによって集光され、サンプルに照射される。
[0087] THzパルスの内部構造 (群屈折率分布）によって時間的に分離された THzエコーパ ルス列は、レンズによって集光コリメートされた後、ビームスプリツターを透過する。最 終的に、 THzェコ一パルス列とプローブ光を THz検出用光伝導スィッチに入射するこ とにより、 THzエコーパルスの電場時間波形が高速サンプリング測定される。得られた 時間波形から、サンプル深さ方向の内部構造情報を得る。さらに、サンプルを横方向 に走査することにより、 2次元断層イメージの取得が可能になる。
[0088] 従来の THzトモグラフィーに対する本手法のメリットとして、以下の点が挙げられる。
(1)高速時間波形取得により、機械式走査機構はサンプル走査のみとなり、最終的 な測定時間が大幅に短縮される。
(2)非常に広い測定時間窓（図 14(a)では 12ns)を利用することにより、力なり深い部 位 (サンプルの群屈折率を 1. 5とすると、可能深度 1. 2メートル)まで高速測定可能 になる。その結果、 THzパルスの優れた浸透性を有効利用できる。
(3)高速サンプリング測定の信号積算処理により（図 15)、微弱な THzパルスエコー 信号でも良好な測定 SNで測定が可能になる。
産業上の利用可能性
[0089] 本発明に係る高分解 ·高速テラへルツ分光計測装置は、次世代情報通信での THz 波長多重通信における周波数アナライザー（デコーダー）として利用できる。その応 用例として、 THzパルスの良好な指向性を利用した宇宙空間 THz通信が期待される。 大気中水蒸気の強い THz吸収により地上からの盗聴が不可能であることから、セキュ リティに優れた宇宙間通信手段として興味深い。
[0090] また、光波と電波を繋ぐテラへルツ帯の周波数標準計量装置として利用できる可能 性がある。さらに、高分解テラへルツ時間領域分光計測 (あるいは高分解赤外時間 領域分光）による半導体等の物性評価装置、高速'深浸透 THzトモグラフィーを利用 した医療診断や非破壊検査手法として利用できる可能性もある。
図面の簡単な説明
[0091] [図 1]一般的な THz-TDS法を用いる計測装置の構成図
[図 2]THz-TDS法を用いる計測装置において、機械式ステージによって時間遅延走 查を行 、、テラへルツ時間波形を再現する様子を表した模式図
[図 3]測定された THz電場の時間波形力もコンピューターでフーリエ変換することによ り得られる THz電場の振幅の周波数スペクトルを示す。
[図 4]モード同期周波数 (=f )の間隔で規則的に並んだ光コムのスぺ外ル構造の模
0
式図を示す。
[図 5]モード同期周波数 (=f )の間隔で規則的に並んだ THzコムのスペクトル構造の
0
模式図を示す。
[図 6]本発明に係る高分解テラへルツ分光計測装置の構成図を示す。
[図 7]本発明に係る高分解テラへルツ分光計測装置にぉ ヽて、テラへルツ時間波形 を再現する様子を表した模式図を示す。
[図 8]モード同期周波数差と周波数レンジの相関グラフを示す。
[図 9]モード同期周波数差とサンプリング時間の相関グラフを示す。
[図 10]モード同期周波数差と時間スケール拡大率の相関グラフを示す。
[図 11]実施例 1に係る高分解テラへルツ分光計測装置の全体構成ブロック図を示す
[図 12]実施例 1に係る高分解 ·高速テラへルツ分光計測装置の両レーザーモード同 期周波数の差周波のロック前後における時間的変動を示した図を示す。
[図 13]実施例 1に係る高分解'高速テラへルツ分光計測装置の両レーザーの SFG相 互相関信号波形を示す。
[図 14]実施例 1に係る高分解 ·高速テラへルツ分光計測装置によって得られた THz 電場時間波形と従来の機械式 THz-TDSによって得られた THz電場時間波形の比較 を示す。（a)高分解 ·高速テラへルツ分光計測装置（12nsフルスケール)、 （b)高分解 •高速テラへルツ分光計測装置（lOOpsフルスケール）、 （c)従来 THz- TDS (lOOpsフ ノレスケール）。
圆 15]実施例 1に係る高分解 ·高速テラへルツ分光計測装置によって得られた THz 電場時間波の測定時間 (積算回数)による変化を示す。
圆 16]実施例 1に係る高分解 ·高速テラへルツ分光計測装置によって得られた THz 振幅スペクトルと従来の機械式 THz-TDSによって得られた THz振幅スペクトルの比較 を示す。（a)高分解 ·高速テラへルツ分光計測装置、（b)従来 THz- TDS。
[図 17]THzパルスの時間波形分布イメージをフーリエ変換して、振幅、位相スペクトル による成分分析を行うメカニズムを説明する模式図である。
圆 18]実施例 2に係る超広帯域波長多重 THz情報通信の全体構成ブロック図を示す 圆 19]一般的なフーリエ変換赤外分光計の全体構成ブロック図を示す。
[図 20]実施例 3に係る高分解，高速赤外時間領域分光法の全体構成ブロック図を示 す。
[図 21]実施例 4に係る高速'深浸透 THzトモグラフィーの全体構成ブロック図を示す。

Claims

請求の範囲
[1] (a)レーザーパルスの繰り返し周波数 (モード同期周波数）がわずかに異なる 2台の フェムト秒レーザー手段と、
(b) 2台のフェムト秒レーザー手段の各々のモード同期周波数が高度に安定ィ匕され、 かつ、モード同期周波数の差が所定の一定値を保持するように 2台のフェムト秒レー ザ一手段を制御するモード同期周波数制御手段と、
(c)一方のフェムト秒レーザーの出力光を励起光として用い、光伝導スィッチ若しくは 非線形光学結晶を用いて、テラへルツ電磁波パルスを放射するテラへルツ波放射手 段と、
(d)前記テラへルツ波放射手段カゝら放射されたテラへルツ電磁波ノ ルスを分光測定 用試料に照射し、試料で影響を受けたテラへルツ電磁波ノルスをさらに導くためのテ ラヘルツ波光学系手段と、
(e)他方のフェムト秒レーザーの出力光をプローブパルス光として用い、前記テラへ ルツ電磁波パルスと前記プローブノ ルス光とを入射し、光伝導スィッチ若しくは電気 光学サンプリング法を用いて、テラへルツ電磁波パルスの電場時間波形を検出する テラへルツ波検出手段と、
(f)前記 2台のフェムト秒レーザー手段の出力光の一部を抜き出し、時間原点信号を 生成するトリガー信号生成手段と
(g)前記テラへルツ波検出手段から出力される微弱電気信号を増幅し、前記トリガー 信号生成手段力 出力される信号を時間原点信号として用い、それに同期して前記 テラへルツ電磁波パルスの信号波形を検出することにより、タイミング ·ジッターの影 響を受けることなく高速測定する信号波形測定手段と、
を備えたことを特徴とするテラへルツ分光計測装置。
[2] 請求項 1の (b)に記載のモード同期周波数制御手段が、周波数標準器から出力さ れる電気信号を基準信号として用い、モード同期周波数の基本波若しくは高調波成 分を制御信号として用いて制御を行うことを特徴とする請求項 1に記載のテラへルツ 分光計測装置。
[3] 前記周波数標準器が、ルビジウム周波数標準器もしくはセシウム周波数標準器で あることを特徴とする請求項 2に記載のテラへルツ分光計測装置。
[4] 請求項 1の (f)に記載のトリガー信号発生手段が、前記 2台のフェムト秒レーザー手 段の出力光の一部を抜き出され、非共軸で非線形光学結晶に集光させ、発生させた SFG (和周波発生光)相互相関信号光を光電変換して出力する装置であることを特 徴とする請求項 1乃至 3のいずれかに記載のテラへルツ分光計測装置。
[5] 請求項 1乃至 4の 、ずれかに記載の高分解 ·高速テラへルツ分光計測装置にぉ 、て
(h)前記信号波形測定手段力 出力されるテラへルツ電磁波パルス時間波形信号 の時間軸スケール変換を行い、それをフーリエ変換することによって得られる高分解 フーリエスペクトル (振幅と位相の周波数スペクトル)カゝらサンプルの周波数分析情報 を求める信号解析手段と、
をさらに備えたことを特徴とするテラへルツ分光計測装置。
[6] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載のテラへルツ分光計測装置において、前記モード 同期周波数制御手段が、フェムト秒レーザーの共振器長の制御手段であること。
[7] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載のテラへルツ分光計測装置において、前記モード 同期周波数制御手段により保持される周波数差の値の選択により、周波数レンジ、 サンプリング時間若しくは時間スケール拡大率を任意に設定できること。
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