WO2011122095A1 - 電磁波検出装置 - Google Patents

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WO2011122095A1
WO2011122095A1 PCT/JP2011/052048 JP2011052048W WO2011122095A1 WO 2011122095 A1 WO2011122095 A1 WO 2011122095A1 JP 2011052048 W JP2011052048 W JP 2011052048W WO 2011122095 A1 WO2011122095 A1 WO 2011122095A1
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WO
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beam diameter
light pulse
probe light
optical system
pulse
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PCT/JP2011/052048
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陽一 河田
敬史 安田
高橋　宏典
松本　徹
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浜松ホトニクス株式会社
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    • 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
    • G—PHYSICS
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    • 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
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    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/636—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited using an arrangement of pump beam and probe beam; using the measurement of optical non-linear properties

Definitions

  • the present invention relates to an electromagnetic wave detection device for detecting an electromagnetic wave input to an optical action unit by a probe light pulse.
  • an electromagnetic wave detection device that detects an electromagnetic wave input to an optical action unit with a probe light pulse
  • a device that measures a time waveform of a terahertz wave with a single probe light pulse is known (Patent Document 1).
  • the terahertz wave is an electromagnetic wave having a frequency of about 0.01 THz to 1000 THz corresponding to an intermediate region between the light wave and the radio wave, and has an intermediate property between the light wave and the radio wave.
  • a technique for acquiring information on the measurement object by measuring a time waveform of the electric field amplitude of the terahertz wave generated, transmitted, or reflected by the measurement object has been studied.
  • the probe light pulse may be input to the optical action unit after the pulse surface of the probe light pulse is inclined by the pulse surface inclination part.
  • the pulse surface of the probe light pulse is inclined by the pulse surface inclined portion, and after adjusting the beam diameter of the probe light pulse whose pulse surface is inclined by the beam diameter adjusting optical system, the probe light pulse is applied to the optical action portion. May be input.
  • the pulse surface tilt angle of the light pulse changes.
  • the change in the tilt angle of the pulse plane of the light pulse at this time depends on the rate of expansion / reduction of the beam diameter of the light pulse by the beam diameter adjusting optical system.
  • ⁇ is the beam diameter of the probe light pulse
  • c is the speed of light.
  • the interaction area depends on the beam diameter of the probe light pulse.
  • the pulse surface inclination angle and the beam diameter of the probe light pulse input to the optical action unit are respectively It cannot be set independently, and if one changes, the other also changes, and it is difficult to set each to an appropriate value.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and can easily set the pulse surface inclination angle and the beam diameter of the probe light pulse input to the optical action unit to appropriate values.
  • An object is to provide an electromagnetic wave detection device.
  • the electromagnetic wave detection apparatus of the present invention includes (1) a light source that outputs a probe light pulse, (2) a beam diameter changing optical system that changes a beam diameter of the probe light pulse output from the light source, and (3) a beam diameter changing (4) a beam diameter adjusting optical system for adjusting the beam diameter of the probe light pulse output from the pulse surface inclined section; and (5) ) Input the probe light pulse output from the beam diameter adjusting optical system and input the electromagnetic wave to be detected.
  • the optical characteristics change with the propagation of the electromagnetic wave, and are affected by the change in the optical characteristics.
  • An optical action unit that outputs the probe light pulse; and (6) a photodetector that detects the probe light pulse output from the optical action part.
  • the probe light pulse output from the light source is changed in beam diameter by the beam diameter changing optical system, the pulse surface is inclined by the pulse surface inclined portion, and the beam diameter is adjusted by the beam diameter adjusting optical system. It is adjusted and input to the optical action unit.
  • a probe light pulse output from the beam diameter adjusting optical system and an electromagnetic wave to be detected are input to the optical action unit.
  • the optical characteristics of the optical action section change, and a probe light pulse affected by the change in the optical characteristics is output from the optical action section.
  • the probe light pulse output from the optical action unit is detected by a photodetector. Based on the probe light pulse detection result by the light detector, the electromagnetic wave input to the optical action unit is detected.
  • the image by the beam diameter changing optical system may be located at the pulse plane inclined portion. Further, the beam diameter adjusting optical system may have an imaging relationship between the pulse surface inclined portion and the optical action portion.
  • the electromagnetic wave detection device of the present invention has an optical action by expanding / reducing the beam diameter of the probe light pulse by the beam diameter changing optical system and the beam diameter adjusting optical system, and by tilting the pulse surface of the probe light pulse by the pulse surface tilting part.
  • Each of the measurement time range and the interaction area by the probe light pulse in the section may be adjusted.
  • the electromagnetic wave detection apparatus of the present invention further includes a probe light pulse beam diameter changing optical system that is provided on the optical path of the probe light pulse between the optical action unit and the photodetector and changes the beam diameter of the probe light pulse. You may have. At this time, the probe light pulse beam diameter changing optical system may have an imaging relationship between the optical action unit and the photodetector.
  • the electromagnetic wave detection apparatus of the present invention may further include an electromagnetic wave beam diameter changing optical system that changes the beam diameter of the electromagnetic wave input to the optical action unit.
  • the image plane by the electromagnetic wave beam diameter changing optical system may be located in the optical action portion.
  • the electromagnetic wave detection device of the present invention may further include a timing adjustment unit that adjusts a relative input timing between the probe light pulse and the electromagnetic wave when they are input to the optical action unit.
  • the electromagnetic wave detection device of the present invention further comprises (a) a pump light pulse irradiation unit that condenses and irradiates a pump light pulse to the measurement object and scans the light collection irradiation position in the measurement object, (b) The pump light pulse irradiation unit collects and irradiates the pump light pulse on the measurement object to generate a terahertz wave in the measurement object. (C) The terahertz wave and the probe light pulse are input to the optical action part. d) The photodetector may detect the probe light pulse output from the optical action unit for each focused irradiation position on the measurement object by the pump light pulse irradiation unit.
  • the pulse surface tilt angle and the beam diameter of the probe light pulse input to the optical action unit can be easily set to appropriate values.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of the electromagnetic wave detection device 1 of the first embodiment.
  • the electromagnetic wave detection device 1 according to the first embodiment includes a light source 11, a beam diameter changing optical system 33, a pulse surface tilting section 34, a beam diameter adjusting optical system 35, an optical action section 42, and a photodetector 44.
  • the light source 11 outputs a probe light pulse, and is preferably a femtosecond pulse laser light source that outputs a pulse laser beam having a pulse width of about femtoseconds.
  • the beam diameter changing optical system 33 changes the beam diameter of the probe light pulse output from the light source 11.
  • the beam diameter changing optical system 33 includes a lens 33A and a lens 33B.
  • the rear focal position of the front lens 33A and the front focal position of the rear lens 33B coincide with each other.
  • the beam diameter changing optical system 33 can change the beam diameter of the probe light pulse according to the ratio between the focal length of the front lens 33A and the focal length of the rear lens 33B.
  • the pulse surface tilting unit 34 tilts the pulse surface of the probe light pulse output from the beam diameter changing optical system 33.
  • the pulse surface tilting section 34 can tilt the pulse surface of the probe light pulse using, for example, a prism, grism, reflection diffraction grating, transmission diffraction grating, or spatial light modulator.
  • the pulse plane is a plane connecting positions that show the maximum output on the beam line of an optical pulse at a certain moment.
  • the wavefront means an equiphase surface of light.
  • the beam diameter adjusting optical system 35 adjusts the beam diameter of the probe light pulse output from the pulse surface inclined portion 34.
  • the beam diameter adjusting optical system 35 includes a lens 35A and a lens 35B.
  • the rear focal position of the front lens 35A and the front focal position of the rear lens 35B coincide with each other.
  • the beam diameter adjusting optical system 35 can adjust the beam diameter of the probe light pulse in accordance with the ratio between the focal length of the front lens 35A and the focal length of the rear lens 35B.
  • the optical action unit 42 receives the probe light pulse output from the beam diameter adjusting optical system 35 and also receives an electromagnetic wave that is a detection target, and the optical characteristics change along with the propagation of the electromagnetic wave.
  • a probe light pulse influenced by the change in characteristics is output.
  • the electromagnetic wave to be detected is a terahertz wave
  • the optical action unit 42 is made of a nonlinear optical crystal such as a ZnTe crystal or an organic crystal.
  • the light detector 44 detects the probe light pulse output from the optical action unit 42. Based on the probe light pulse detection result by the photodetector 44, the electromagnetic wave input to the optical action unit 42 is detected.
  • Each of the beam diameter changing optical system 33 and the beam diameter adjusting optical system 35 may be constituted by a lens pair or a curved mirror pair. Each of the beam diameter changing optical system 33 and the beam diameter adjusting optical system 35 may be an enlargement optical system or a reduction optical system. Further, the entirety of the beam diameter changing optical system 33 and the beam diameter adjusting optical system 35 may be an enlargement optical system or a reduction optical system.
  • the probe light pulse output from the light source 11 is changed in beam diameter by the beam diameter changing optical system 33, the pulse surface is inclined by the pulse surface inclined portion 34, and the beam diameter adjusting optical system 35 is used.
  • the beam diameter is adjusted and input to the optical action unit 42.
  • a probe light pulse output from the beam diameter adjusting optical system 35 and an electromagnetic wave to be detected are input to the optical action unit 42.
  • the probe light pulse output from the optical action unit 42 is detected by the photodetector 44. Based on the probe light pulse detection result by the photodetector 44, the electromagnetic wave input to the optical action unit 42 is detected.
  • the pulse surface S1 of the probe light pulse from the light source 11 until it is input to the pulse surface inclined portion 34 is parallel to a surface perpendicular to the principal ray direction, and the inclination angle is 0 degree.
  • the pulse surface S2 of the probe light pulse that is output from the pulse surface inclined portion 34 and input to the beam diameter adjusting optical system 35 is inclined by an inclination angle ⁇ 2 with respect to a surface perpendicular to the principal ray direction.
  • the pulse surface S3 of the probe light pulse output from the beam diameter adjusting optical system 35 and input to the optical action unit 42 is inclined by an inclination angle ⁇ 3 with respect to a surface perpendicular to the principal ray direction.
  • the time range T2 of the pulse surface S2 and the time range T3 of the pulse surface S3 are equal to each other.
  • the tilt angle ⁇ 2 of the pulse surface S2 does not depend on the presence or absence of the beam diameter changing optical system 33, but depends on the wavelength of the probe light pulse and the angular dispersion of the pulse surface tilt portion 34.
  • the change from the tilt angle ⁇ 2 of the pulse surface S2 to the tilt angle ⁇ 3 of the pulse surface S3 depends on the rate of expansion / reduction of the beam diameter of the probe light pulse by the beam diameter adjusting optical system 35. That is, the inclination angle ⁇ 3 of the pulse surface S3 of the probe light pulse input to the optical action unit 42 depends on the wavelength of the probe light pulse, the angular dispersion of the pulse surface inclination part 34, and the enlargement / reduction ratio of the beam diameter adjusting optical system 35. It is determined.
  • the beam diameter of the probe light pulse input to the optical action unit 42 is determined by the overall enlargement / reduction ratio of the beam diameter changing optical system 33 and the beam diameter adjusting optical system 35.
  • the electromagnetic wave detection apparatus 1 is configured to expand / reduce the beam diameter of the probe light pulse by the beam diameter changing optical system 33 and the beam diameter adjusting optical system 35 and to incline the pulse surface of the probe light pulse by the pulse surface inclined portion 34.
  • the pulse surface tilt angle and beam diameter of the probe light pulse input to the optical action unit 42 can be set to appropriate values independently of each other, and the measurement time range T and the probe light pulse in the optical action unit 42 can be set to appropriate values.
  • the interaction area can be set appropriately.
  • the center wavelength of the probe light pulse is 800 nm
  • the beam diameter of the probe light pulse input to the beam diameter changing optical system 33 is 1 mm
  • a diffraction grating of 1250 grooves / mm is used as the pulse surface inclined portion 34.
  • the measurement time range T by the light pulse can be 5 ps, and the beam diameter can be 1 mm.
  • the beam diameter adjusting optical system 35 When the beam diameter enlargement ratio of the beam diameter changing optical system 33 is set to 5.22 times and the beam diameter reduction ratio of the beam diameter adjusting optical system 35 is set to 0.2 times, the beam diameter adjusting optical system 35 outputs the beam diameter.
  • the measurement time range T by the probe light pulse can be 30 ps, and the beam diameter can be 1 mm.
  • the pulse surface inclination angle is not changed without changing the type of the pulse surface inclined portion 34 (for example, the number of engraved lines per unit length of the diffraction grating when a diffraction grating is used as the pulse surface inclined portion 34). Can be adjusted. Further, among the diffractive optical elements used as the pulse plane tilting portion 34, those having a large angular dispersion (that is, those capable of tilting the tilt angle of the pulse plane greatly) are generally expensive and have low light utilization efficiency. In this embodiment, the tilt angle of the pulse surface can be adjusted while using a diffractive optical element with small angular dispersion but high light utilization efficiency.
  • the image by the beam diameter changing optical system 33 is located on the pulse plane inclined portion 34.
  • the beam diameter adjusting optical system 35 preferably has an imaging relationship between the pulse surface inclined portion 34 and the optical action portion 42. By doing so, the beam quality of the probe light pulse is improved, and the optical action unit 42 can detect an electromagnetic wave (terahertz wave) with high time axis accuracy.
  • Each of the beam diameter changing optical system 33 and the beam diameter adjusting optical system 35 is more preferably an optical system that removes image distortion due to aberrations such as image plane distortion, and for this purpose, for example, a 4f optical system is used. It is preferable.
  • Each of the beam diameter changing optical system 33 and the beam diameter adjusting optical system 35 is a zoom lens that can arbitrarily change the enlargement / reduction ratio while maintaining the positional relationship between the object plane and the image plane in the imaging relationship.
  • a mold optical system is preferable. By doing so, it is possible to easily change an arbitrary pulse surface inclination angle and beam diameter.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of the electromagnetic wave detection device 2 of the second embodiment.
  • the electromagnetic wave detection device 2 detects a terahertz wave as an electromagnetic wave to be detected by the optical action unit 42, and includes a light source 11, a branching unit 13, a terahertz wave generating unit 21, a timing adjusting unit 31, A polarizer 32, a beam diameter changing optical system 33, a pulse surface tilting section 34, a beam diameter adjusting optical system 35, a multiplexing section 41, an optical action section 42, an analyzer 43, a photodetector 44, and mirrors M1 to M8 are provided. .
  • the branching unit 13 is, for example, a beam splitter, splits the optical pulse output from the light source 11 into two, outputs one of the two split optical pulses as a pump light pulse to the mirror M1, and the other as a probe light pulse. To the mirror M4.
  • the pump light pulses output from the branching unit 13 are sequentially reflected by the mirrors M1 to M3 and input to the terahertz wave generating unit 21.
  • the optical system of the pump light pulse from the branching unit 13 to the terahertz wave generation unit 21 is hereinafter referred to as “pump light pulse optical system”.
  • the terahertz wave generation unit 21 generates and outputs a pulsed terahertz wave by inputting a pump light pulse, and includes, for example, any one of a nonlinear optical crystal, an optical antenna element, a semiconductor, and a superconductor.
  • the terahertz wave generation unit 21 can generate a terahertz wave by a nonlinear optical phenomenon that occurs as the pump light pulse is incident.
  • the terahertz wave is an electromagnetic wave having a frequency of about 0.01 THz to 1000 THz corresponding to an intermediate region between the light wave and the radio wave, and has an intermediate property between the light wave and the radio wave.
  • the pulse width of the pulse terahertz wave is about several picoseconds.
  • the terahertz wave output from the terahertz wave generation unit 21 passes through the measurement object 9 placed on the sample table 91 to acquire information (for example, absorption coefficient, refractive index) of the measurement object 9, and then Are input to the multiplexing unit 41.
  • the measurement object 9 is placed on the sample table 91, and the pulse terahertz wave incident position can be adjusted by the movement of the sample table 91.
  • the terahertz wave optical system from the terahertz wave generation unit 21 to the multiplexing unit 41 is hereinafter referred to as a “terahertz wave optical system”.
  • the probe light pulse output from the branching unit 13 is sequentially reflected by the mirrors M4 to M8, and sequentially passes through the polarizer 32, the beam diameter changing optical system 33, the pulse surface tilting unit 34, and the beam diameter adjusting optical system 35. Then, the signal is input to the multiplexing unit 41.
  • the pulse surface tilting unit 34 tilts the pulse surface of the probe light pulse so that the pulse surfaces of the terahertz wave and the probe light pulse when input to the optical action unit 42 are not parallel to each other.
  • the optical system of the probe light pulse from the branching unit 13 to the multiplexing unit 41 is hereinafter referred to as “probe light pulse optical system”.
  • the polarizer 32 may be disposed at any position on the probe light pulse optical system.
  • the four mirrors M4 to M7 constitute a timing adjustment unit 31. That is, when the mirrors M5 and M6 move, the optical path length between the mirrors M4 and M7 and the mirrors M5 and M6 is adjusted, and the optical path length of the probe light pulse optical system is adjusted.
  • the timing adjustment unit 31 has the optical path lengths of the pump light pulse optical system and the terahertz wave optical system from the branching unit 13 to the multiplexing unit 41, and from the branching unit 13 to the multiplexing unit 41.
  • the timing adjustment unit 31 By adjusting the difference from the optical path length of the probe light pulse optical system, the relative input timing between the probe light pulse and the terahertz wave when they are input to the optical action unit 42 can be adjusted.
  • the multiplexing unit 41 inputs the terahertz wave output from the terahertz wave generation unit 21 and transmitted through the measurement object 9, and the probe light pulse output from the beam diameter adjusting optical system 35, and these terahertz wave and probe light pulse are input. Are combined so as to be coaxial with each other and output to the optical action unit 42.
  • the combining unit 41 is preferably a pellicle.
  • the optical action unit 42 receives the terahertz wave and the probe light pulse output from the multiplexing unit 41, and birefringence is induced as the terahertz wave propagates, and the birefringence changes the polarization state of the probe light pulse.
  • the probe light pulse is output to the analyzer 43.
  • the photodetector 44 receives the probe light pulse output from the optical action unit 42 and passed through the analyzer 43, and detects the intensity distribution of the received probe light pulse.
  • the polarizer 32, the analyzer 43, and the photodetector 44 detect a one-dimensional distribution or a two-dimensional distribution of the polarization state change in the beam cross section of the probe light pulse output from the optical action unit.
  • the beam diameter changing optical system 33 and the beam diameter adjusting optical system 35 respectively expand / reduce the beam diameter of the probe light pulse, and the pulse surface inclined surface 34 of the probe light pulse pulse surface.
  • the pulse surface inclination angle and the beam diameter of the probe light pulse input to the optical action unit 42 can be set to appropriate values independently of each other, and the measurement time by the probe light pulse in the optical action part 42 can be set.
  • the range T and the interaction area can be set appropriately.
  • the image by the beam diameter changing optical system 33 is located on the pulse plane inclined portion 34.
  • the beam diameter adjusting optical system 35 preferably has an imaging relationship between the pulse surface inclined portion 34 and the optical action portion 42. By doing so, the beam quality of the probe light pulse is improved, and the optical action unit 42 can detect an electromagnetic wave (terahertz wave) with high time axis accuracy.
  • Each of the beam diameter changing optical system 33 and the beam diameter adjusting optical system 35 is more preferably an optical system that removes image distortion due to aberrations such as image plane distortion, and for this purpose, for example, a 4f optical system is used. It is preferable.
  • Each of the beam diameter changing optical system 33 and the beam diameter adjusting optical system 35 is a zoom lens that can arbitrarily change the enlargement / reduction ratio while maintaining the positional relationship between the object plane and the image plane in the imaging relationship.
  • a mold optical system is preferable. By doing so, it is possible to easily change an arbitrary pulse surface inclination angle and beam diameter.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of the electromagnetic wave detection device 3 of the third embodiment.
  • the electromagnetic wave detection device 3 of the third embodiment includes a terahertz wave beam diameter changing optical system (electromagnetic beam diameter changing optical system) 22, a probe An optical pulse beam diameter changing optical system 45 and a control unit 50 are further provided.
  • the terahertz wave beam diameter changing optical system 22 is provided on the optical path of the terahertz wave between the measurement object 9 and the multiplexing unit 41 and changes the beam diameter of the terahertz wave input to the optical action unit 42.
  • the terahertz wave beam diameter changing optical system 22 includes a lens 22A and a lens 22B.
  • the rear focal position of the front lens 22A and the front focal position of the rear lens 22B coincide with each other.
  • the terahertz wave beam diameter changing optical system 22 can change the beam diameter of the terahertz wave according to the ratio of the focal length of the front lens 22A and the focal length of the rear lens 22B.
  • the terahertz wave beam diameter changing optical system 22 preferably has an imaging relationship between the measurement object 9 and the optical action unit 42.
  • the terahertz wave beam diameter changing optical system 22 is more preferably an optical system that removes image distortion caused by aberrations such as image plane distortion, and for this purpose, for example, a 4f optical system is preferable.
  • the terahertz wave beam diameter changing optical system 22 is a zoom lens type optical system that can arbitrarily change the enlargement / reduction ratio while maintaining the positional relationship between the object plane and the image plane in the imaging relation. It is preferable. By doing so, the optimum beam diameter of the terahertz wave can be set in accordance with the beam diameter of the probe light pulse.
  • the relationship between the beam diameters of the terahertz wave and the probe light input to the optical action unit 42 can be adjusted. That is, the beam diameter of the probe light pulse on the optical action unit 42 is changed by the beam diameter changing optical system 33 and the beam diameter adjusting optical system 35. Therefore, the terahertz wave beam diameter is changed by the terahertz wave beam diameter changing optical system 22 in accordance with the change in the beam diameter of the probe light pulse, so that the terahertz wave can be efficiently detected in the optical action unit 42. Become.
  • the beam diameter of the terahertz wave and the beam diameter of the probe light pulse do not necessarily coincide with each other in the optical action unit 42.
  • the beam diameter of the terahertz wave in the optical action unit 42 is made larger than the beam diameter of the probe light pulse in the optical action unit 42. Therefore, the probe light pulse probes only the central portion in the Gaussian distribution of the terahertz wave. It is possible to reduce the measurement error of single-time terahertz wave waveform measurement due to the fact that the terahertz wave has a Gaussian intensity distribution in the beam plane.
  • the probe light pulse beam diameter changing optical system 45 is provided on the optical path of the probe light pulse between the optical action unit 42 and the photodetector 44, and changes (enlarges or reduces) the beam diameter of the probe light pulse. .
  • the probe light pulse beam diameter changing optical system 45 includes a lens 45A and a lens 45B. The rear focal position of the front lens 45A and the front focal position of the rear lens 45B coincide with each other.
  • the probe light pulse beam diameter changing optical system 45 can change the beam diameter of the probe light pulse according to the ratio of the focal length of the front lens 45A and the focal length of the rear lens 45B.
  • the number of pixels of the photodetector 44 corresponds to the time resolution of the terahertz wave time waveform to be measured. Since the number of pixels and the pixel pitch differ depending on the photodetector, the probe light pulse beam diameter changing optical system 45 can be provided to perform measurement with a desired time resolution.
  • the probe light pulse beam diameter changing optical system 45 may be an independent beam diameter change in the vertical and horizontal directions in the beam cross section of the probe light pulse.
  • the analyzer 43 may be provided before the probe light pulse beam diameter changing optical system 45 or may be provided after the probe light pulse beam diameter changing optical system 45.
  • the probe light pulse beam diameter changing optical system 45 preferably has an imaging relationship between the optical action unit 42 and the photodetector 44.
  • the probe light pulse beam diameter changing optical system 45 is more preferably an optical system that removes image distortion caused by aberrations such as image plane distortion, and for this purpose, for example, a 4f optical system is preferable. .
  • the probe light pulse beam diameter changing optical system 45 is a zoom lens type optical system capable of arbitrarily changing the enlargement / reduction ratio while maintaining the positional relationship between the object plane and the image plane in the imaging relation. It is preferable. By doing so, the optimal beam diameter of the probe light pulse can be set in accordance with the size of the light receiving surface of the photodetector 44.
  • Each of the beam diameter changing optical system 33, the beam diameter adjusting optical system 35, the terahertz wave beam diameter changing optical system 22, and the probe light pulse beam diameter changing optical system 45 receives a control signal and controls the zoom function so that the enlargement / reduction ratio is reduced. The rate is preferably adjusted.
  • the control unit 50 gives control signals to the beam diameter changing optical system 33, the beam diameter adjusting optical system 35, the terahertz wave beam diameter changing optical system 22, and the probe light pulse beam diameter changing optical system 45, respectively. Control the zoom function of the optical system and set the enlargement / reduction ratio.
  • control unit 50 controls the positions of the mirrors M5 and M6 in the timing adjustment unit 31, and the relative input timing between the probe light pulse and the terahertz wave when they are input to the optical action unit 42. Adjust.
  • the control unit 50 also controls the timing of light pulse output from the light source 11 and controls the timing of probe light pulse detection by the light detector 44.
  • the electromagnetic wave detection device 3 can operate as follows by including such a control unit 50. First, the magnification ratio of the beam diameter changing optical system 33 is increased to expand the time range in which the probe light pulse exists (that is, the measurement time range T in single terahertz wave time waveform measurement). At this time, the beam diameter adjusting optical system 35, the probe light pulse beam diameter changing optical system 45, and the terahertz wave beam diameter changing optical system 22 can measure the probe light pulse so that the terahertz wave can be measured most efficiently and with the highest time resolution. Adjust and change the beam diameter of each terahertz wave.
  • the timing adjusting unit 31 controls the timing adjusting unit 31, the relative input timing between the probe light pulse and the terahertz wave when they are input to the optical action unit 42 is adjusted, and the terahertz wave to be measured is measured.
  • the time position is moved to a predetermined position in the terahertz wave measurement time range.
  • the magnification ratio of the beam diameter changing optical system 33 is changed so that the measurement time range T of the terahertz wave to be measured is obtained.
  • the beam diameter adjusting optical system 35, the probe light pulse beam diameter changing optical system 45, and the terahertz wave beam diameter changing optical system 22 can measure the probe light pulse so that the terahertz wave can be measured most efficiently and with the highest time resolution. Adjust and change the beam diameter of each terahertz wave.
  • the time delay of the terahertz wave can be easily monitored. And the terahertz wave measurement time range can be determined.
  • the operations of the beam diameter changing optical system 33, the beam diameter adjusting optical system 35, the probe light pulse beam diameter changing optical system 45, the terahertz wave beam diameter changing optical system 22 and the timing adjusting unit 31 were detected. It is preferably optimized automatically based on a terahertz wave time waveform signal or the like.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of the electromagnetic wave detection device 4 of the fourth embodiment.
  • the measurement object 9 also serves as the terahertz wave generation unit 21 in the configuration of the electromagnetic wave detection device 3 of the third embodiment shown in FIG. A lens 24, an optical plate 25 with an ITO film, and an objective lens 26.
  • the lens 24, the ITO film-coated optical plate 25, and the objective lens 26 provided in the pump light pulse optical system constitute a pump light pulse irradiation unit that condenses and irradiates the measurement target 9 with the pump light pulse.
  • the focused irradiation position on the measurement object 9 is two-dimensionally scanned.
  • the condensing irradiation position may be scanned by scanning the measurement object 9 or by scanning the principal ray of the pump light pulse incident on the lens 24.
  • the measurement object 9 is a semiconductor device, for example, and generates a terahertz wave when irradiated with a pump light pulse.
  • the terahertz wave is input to the multiplexing unit 41 through the objective lens 26, the optical plate 25 with the ITO film, and the terahertz wave beam diameter changing optical system 22.
  • the multiplexing unit 41 inputs the terahertz wave generated in the measurement target 9 by the pump light pulse being focused and irradiated on the measurement target 9 and the probe light pulse output from the beam diameter adjusting optical system 35. These are combined so as to be coaxial with each other and output to the optical action unit 42.
  • the optical action unit 42 receives the terahertz wave and the probe light pulse output from the multiplexing unit 41, and birefringence is induced as the terahertz wave propagates, and the birefringence changes the polarization state of the probe light pulse.
  • the probe light pulse is output to the analyzer 43.
  • the photodetector 44 receives the probe light pulse output from the optical action unit 42 and passed through the analyzer 43 and the probe light pulse beam diameter changing optical system 45, and detects the intensity distribution of the received probe light pulse. .
  • the polarizer 32, the analyzer 43, and the photodetector 44 change the polarization state in the beam cross section of the probe light pulse output from the optical action unit 42 for each focused irradiation position of the pump light pulse to the measurement object 9. A one-dimensional distribution or a two-dimensional distribution is detected.
  • the electromagnetic wave detection device 4 of the fourth embodiment constitutes a so-called laser terahertz emission microscope ( ⁇ ⁇ LTEM).
  • LTEM can measure the electric field distribution of an object to be measured, which is a semiconductor device, for example, in a non-contact manner.
  • the present invention can be applied to LTEM.
  • the LTEM system which can adjust arbitrarily the measurement time range of the terahertz wave time waveform in single terahertz wave time waveform measurement can be constructed.
  • Electromagnetic wave detection apparatus 9 ... Measuring object, 11 ... Light source, 13 ... Branch part, 21 ... Terahertz wave generation part, 22 ... Terahertz wave beam diameter change optical system (electromagnetic beam diameter change optical system), 24 ... Lens, 25 ... Optical plate with ITO film, 26 ... Objective lens, 31 ... Timing adjustment unit, 32 ... Polarizer, 33 ... Beam diameter changing optical system, 34 ... Pulse surface tilting part, 35 ... Beam diameter adjusting optical system, 41 DESCRIPTION OF SYMBOLS multiplex part, 42 ... optical action part, 43 ... analyzer, 44 ... photodetector, 45 ... probe light pulse beam diameter changing optical system, 50 ... control part, M1-M8 ... mirror.

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Abstract

　光源から出力されたプローブ光パルスは、ビーム径変更光学系によりビーム径を変更され、パルス面傾斜部によりパルス面を傾斜され、ビーム径調整光学系によりビーム径を調整されて、光学的作用部に入力される。光学的作用部には、ビーム径調整光学系から出力されたプローブ光パルスが入力されるとともに、検出対象である電磁波が入力される。電磁波の伝搬に伴って光学的作用部の光学特性が変化し、その光学特性の変化の影響を受けたプローブ光パルスが光学的作用部から出力される。光学的作用部から出力されたプローブ光パルスは光検出器により検出される。これにより、光学的作用部に入力されるプローブ光パルスのパルス面傾斜角度およびビーム径それぞれを適切な値に容易に設定することができる電磁波検出装置が実現される。

Description

電磁波検出装置
　本発明は、光学的作用部に入力される電磁波をプローブ光パルスにより検出する電磁波検出装置に関するものである。
　光学的作用部に入力される電磁波をプローブ光パルスにより検出する電磁波検出装置として、例えばテラヘルツ波の時間波形を単発のプローブ光パルスにより測定する装置が知られている（特許文献１）。テラヘルツ波は、光波と電波との中間領域に相当する０.０１ＴＨｚ～１０００ＴＨｚ程度の周波数を有する電磁波であり、光波と電波との間の中間的な性質を有している。このようなテラヘルツ波の応用として、測定対象物で発生，透過または反射したテラヘルツ波の電場振幅の時間波形を測定することで該測定対象物の情報を取得する技術が研究されている。
　このような電磁波検出装置において、パルス面傾斜部によりプローブ光パルスのパルス面を傾斜させた後に、そのプローブ光パルスを光学的作用部に入力させる場合がある。また、パルス面傾斜部によりプローブ光パルスのパルス面を傾斜させ、そのパルス面が傾斜したプローブ光パルスのビーム径をビーム径調整光学系により調整した後に、そのプローブ光パルスを光学的作用部に入力させる場合がある。
　パルス面傾斜部から出力される光パルスのパルス面傾斜角度（主光線方向に垂直な面に対する傾斜角度）γは、tanγ＝λ・ｄφ／ｄλ なる式で表される。λは光パルスの波長であり、ｄφ／ｄλ は波長λでのパルス面傾斜部の角分散である。
　パルス面が傾斜した光パルスのビーム径をビーム径調整光学系により拡大または縮小すると、光パルスのパルス面傾斜角度は変化する。このときの光パルスのパルス面傾斜角度の変化は、ビーム径調整光学系による光パルスのビーム径の拡大・縮小の率に応じたものとなる。
特開２００８－０９６２１０号公報
　一般に、光学的作用部において電磁波を検出する際に、光学的作用部におけるプローブ光パルスによる測定時間範囲および相互作用面積を適切に設定する必要があり、その為には、光学的作用部に入力されるプローブ光パルスのパルス面傾斜角およびビーム径を適切に設定する必要がある。測定時間範囲Ｔは、Ｔ＝σ・tanγ／ｃ なる式で表される。σはプローブ光パルスのビーム径であり、ｃは光速である。相互作用面積はプローブ光パルスのビーム径に依る。
　しかしながら、上述したとおり、電磁波検出装置においてパルス面傾斜部の後段にビーム径調整光学系が設けられた場合、光学的作用部に入力されるプローブ光パルスのパルス面傾斜角度およびビーム径は、各々独立には設定され得ず、一方が変化すれば他方も変化することになり、各々を適切な値に設定することが困難である。
　本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、光学的作用部に入力されるプローブ光パルスのパルス面傾斜角度およびビーム径それぞれを適切な値に容易に設定することができる電磁波検出装置を提供することを目的とする。
　本発明の電磁波検出装置は、(1)プローブ光パルスを出力する光源と、(2)光源から出力されたプローブ光パルスのビーム径を変更するビーム径変更光学系と、(3)ビーム径変更光学系から出力されたプローブ光パルスのパルス面を傾斜させるパルス面傾斜部と、(4)パルス面傾斜部から出力されたプローブ光パルスのビーム径を調整するビーム径調整光学系と、(5)ビーム径調整光学系から出力されたプローブ光パルスを入力するとともに、検出対象である電磁波を入力して、その電磁波の伝搬に伴って光学特性が変化し、その光学特性の変化の影響を受けたプローブ光パルスを出力する光学的作用部と、(6)光学的作用部から出力されたプローブ光パルスを検出する光検出器と、を備えることを特徴とする。
　本発明の電磁波検出装置では、光源から出力されたプローブ光パルスは、ビーム径変更光学系によりビーム径を変更され、パルス面傾斜部によりパルス面を傾斜され、ビーム径調整光学系によりビーム径を調整されて、光学的作用部に入力される。光学的作用部には、ビーム径調整光学系から出力されたプローブ光パルスが入力されるとともに、検出対象である電磁波が入力される。電磁波の伝搬に伴って光学的作用部の光学特性が変化し、その光学特性の変化の影響を受けたプローブ光パルスが光学的作用部から出力される。光学的作用部から出力されたプローブ光パルスは光検出器により検出される。光検出器によるプローブ光パルス検出結果に基づいて、光学的作用部に入力された電磁波が検出される。
　本発明の電磁波検出装置は、ビーム径変更光学系による像がパルス面傾斜部に位置していてもよい。また、ビーム径調整光学系がパルス面傾斜部と光学的作用部との間に結像関係を有していてもよい。
　本発明の電磁波検出装置は、ビーム径変更光学系およびビーム径調整光学系それぞれによるプローブ光パルスのビーム径の拡大・縮小ならびにパルス面傾斜部によるプローブ光パルスのパルス面の傾斜により、光学的作用部におけるプローブ光パルスによる測定時間範囲および相互作用面積それぞれを調整してもよい。
　本発明の電磁波検出装置は、光学的作用部と光検出器との間のプローブ光パルスの光路上に設けられ、そのプローブ光パルスのビーム径を変更するプローブ光パルスビーム径変更光学系を更に備えていてもよい。このとき、プローブ光パルスビーム径変更光学系が光学的作用部と光検出器との間に結像関係を有していてもよい。
　本発明の電磁波検出装置は、光学的作用部に入力される電磁波のビーム径を変更する電磁波ビーム径変更光学系を更に備えていてもよい。このとき、電磁波ビーム径変更光学系による像面が光学的作用部に位置していてもよい。
　本発明の電磁波検出装置は、プローブ光パルスおよび電磁波それぞれが光学的作用部に入力される際の両者の間の相対的入力タイミングを調整するタイミング調整部を更に備えていてもよい。
　本発明の電磁波検出装置は、(a)測定対象物に対してポンプ光パルスを集光照射するとともに測定対象物における当該集光照射位置を走査するポンプ光パルス照射部を更に備え、(b)ポンプ光パルス照射部によりポンプ光パルスを測定対象物に集光照射することにより測定対象物でテラヘルツ波を発生させ、(c)光学的作用部にテラヘルツ波とプローブ光パルスとを入力させ、(d)光検出器が、ポンプ光パルス照射部による測定対象物への各集光照射位置について、光学的作用部から出力されたプローブ光パルスを検出してもよい。
　本発明によれば、光学的作用部に入力されるプローブ光パルスのパルス面傾斜角度およびビーム径それぞれを適切な値に容易に設定することができる。
第１実施形態の電磁波検出装置１の構成図である。 第２実施形態の電磁波検出装置２の構成図である。 第３実施形態の電磁波検出装置３の構成図である。 第４実施形態の電磁波検出装置４の構成図である。
　以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
　（第１実施形態）
　図１は、第１実施形態の電磁波検出装置１の構成図である。第１実施形態の電磁波検出装置１は、光源１１、ビーム径変更光学系３３、パルス面傾斜部３４、ビーム径調整光学系３５、光学的作用部４２および光検出器４４を備える。
　光源１１は、プローブ光パルスを出力するものであり、好適にはパルス幅がフェムト秒程度であるパルスレーザ光を出力するフェムト秒パルスレーザ光源である。ビーム径変更光学系３３は、光源１１から出力されたプローブ光パルスのビーム径を変更する。ビーム径変更光学系３３は、レンズ３３Ａおよびレンズ３３Ｂを含む。前段のレンズ３３Ａの後側焦点位置と後段のレンズ３３Ｂの前側焦点位置とは互いに一致している。ビーム径変更光学系３３は、前段のレンズ３３Ａの焦点距離と後段のレンズ３３Ｂの焦点距離との比に応じて、プローブ光パルスのビーム径を変更することができる。
　パルス面傾斜部３４は、ビーム径変更光学系３３から出力されたプローブ光パルスのパルス面を傾斜させる。パルス面傾斜部３４は、例えば、プリズム，グリズム，反射型回折格子，透過型回折格子または空間光変調器を用いて、プローブ光パルスのパルス面を傾斜させることができる。パルス面とは、ある瞬間において、光パルスのビームライン上の最大出力を示す位置をつないだ面のことである。これに対し、波面とは、光の等位相面をいう。
　ビーム径調整光学系３５は、パルス面傾斜部３４から出力されたプローブ光パルスのビーム径を調整する。ビーム径調整光学系３５は、レンズ３５Ａおよびレンズ３５Ｂを含む。前段のレンズ３５Ａの後側焦点位置と後段のレンズ３５Ｂの前側焦点位置とは互いに一致している。ビーム径調整光学系３５は、前段のレンズ３５Ａの焦点距離と後段のレンズ３５Ｂの焦点距離との比に応じて、プローブ光パルスのビーム径を調整することができる。
　光学的作用部４２は、ビーム径調整光学系３５から出力されたプローブ光パルスを入力するとともに、検出対象である電磁波を入力して、その電磁波の伝搬に伴って光学特性が変化し、その光学特性の変化の影響を受けたプローブ光パルスを出力する。例えば、検出対象の電磁波はテラヘルツ波であり、光学的作用部４２はＺｎＴｅ結晶や有機結晶等の非線形光学結晶からなる。
　光検出器４４は、光学的作用部４２から出力されたプローブ光パルスを検出する。光検出器４４によるプローブ光パルス検出結果に基づいて、光学的作用部４２に入力された電磁波が検出される。
　ビーム径変更光学系３３およびビーム径調整光学系３５それぞれは、レンズ対により構成されてもよいし、曲面ミラー対により構成されてもよい。ビーム径変更光学系３３およびビーム径調整光学系３５それぞれは、拡大光学系であってもよいし、縮小光学系であってもよい。また、ビーム径変更光学系３３およびビーム径調整光学系３５の全体が、拡大光学系であってもよいし、縮小光学系であってもよい。
　この電磁波検出装置１では、光源１１から出力されたプローブ光パルスは、ビーム径変更光学系３３によりビーム径を変更され、パルス面傾斜部３４によりパルス面を傾斜され、ビーム径調整光学系３５によりビーム径を調整されて、光学的作用部４２に入力される。光学的作用部４２には、ビーム径調整光学系３５から出力されたプローブ光パルスが入力されるとともに、検出対象である電磁波が入力される。電磁波の伝搬に伴って光学的作用部４２の光学特性が変化し、その光学特性の変化の影響を受けたプローブ光パルスが光学的作用部４２から出力される。光学的作用部４２から出力されたプローブ光パルスは光検出器４４により検出される。光検出器４４によるプローブ光パルス検出結果に基づいて、光学的作用部４２に入力された電磁波が検出される。
　光源１１から出力されてパルス面傾斜部３４に入力されるまでのプローブ光パルスのパルス面Ｓ１は、主光線方向に垂直な面に平行であり、傾斜角度が０度である。パルス面傾斜部３４から出力されてビーム径調整光学系３５に入力されるまでのプローブ光パルスのパルス面Ｓ２は、主光線方向に垂直な面に対して傾斜角度γ２だけ傾斜する。ビーム径調整光学系３５から出力されて光学的作用部４２に入力されるプローブ光パルスのパルス面Ｓ３は、主光線方向に垂直な面に対して傾斜角度γ３だけ傾斜する。ただし、パルス面Ｓ２の時間範囲Ｔ２とパルス面Ｓ３の時間範囲Ｔ３とは互いに等しい。
　パルス面Ｓ２の傾斜角度γ２は、ビーム径変更光学系３３の有無には依らず、プローブ光パルスの波長およびパルス面傾斜部３４の角分散に依り決まる。パルス面Ｓ２の傾斜角度γ２からパルス面Ｓ３の傾斜角度γ３への変化は、ビーム径調整光学系３５によるプローブ光パルスのビーム径の拡大・縮小の率に応じたものとなる。すなわち、光学的作用部４２に入力されるプローブ光パルスのパルス面Ｓ３の傾斜角度γ３は、プローブ光パルスの波長，パルス面傾斜部３４の角分散およびビーム径調整光学系３５の拡大縮小率により決定される。一方、光学的作用部４２に入力されるプローブ光パルスのビーム径は、ビーム径変更光学系３３およびビーム径調整光学系３５の全体の拡大縮小率により決定される。
　したがって、電磁波検出装置１は、ビーム径変更光学系３３およびビーム径調整光学系３５それぞれによるプローブ光パルスのビーム径の拡大・縮小ならびにパルス面傾斜部３４によるプローブ光パルスのパルス面の傾斜により、光学的作用部４２に入力されるプローブ光パルスのパルス面傾斜角度およびビーム径それぞれを互いに独立に適切な値に設定することができ、光学的作用部４２におけるプローブ光パルスによる測定時間範囲Ｔおよび相互作用面積を適切に設定することができる。
　例えば、プローブ光パルスの中心波長が８００ｎｍであり、ビーム径変更光学系３３に入力されるプローブ光パルスのビーム径が１ｍｍであるとし、パルス面傾斜部３４として１２５０grooves/mmの回折格子を利用する場合を想定する。ビーム径変更光学系３３のビーム径の拡大率を１.５倍とし、ビーム径調整光学系３５のビーム径の縮小率を０.６７倍とすると、ビーム径調整光学系３５から出力されるプローブ光パルスによる測定時間範囲Ｔを５ｐｓとし、ビーム径を１ｍｍとすることができる。また、ビーム径変更光学系３３のビーム径の拡大率を５.２２倍とし、ビーム径調整光学系３５のビーム径の縮小率を０.２倍とすると、ビーム径調整光学系３５から出力されるプローブ光パルスによる測定時間範囲Ｔを３０ｐｓとし、ビーム径を１ｍｍとすることができる。
　本実施形態では、パルス面傾斜部３４の種類（例えば、パルス面傾斜部３４として回折格子を用いた場合は回折格子の単位長さ当りの刻線本数など）を変えることなく、パルス面傾斜角度を調整することができる。また、パルス面傾斜部３４として用いられる回折光学素子のうち大きな角度分散を有するもの（すなわち、パルス面の傾斜角度を大きく傾けることができるもの）は一般的に高価で且つ光利用効率が低いが、本実施形態では、角度分散が小さいが光利用効率が高い回折光学素子を用いつつパルス面の傾斜角度を調整することができる。
　ビーム径変更光学系３３による像はパルス面傾斜部３４に位置するのが好ましい。また、ビーム径調整光学系３５はパルス面傾斜部３４と光学的作用部４２との間に結像関係を有するのが好ましい。このようにすることで、プローブ光パルスのビーム品質が向上し、光学的作用部４２において時間軸の精度の高い電磁波（テラヘルツ波）検出ができる。
　ビーム径変更光学系３３およびビーム径調整光学系３５それぞれは、像面歪曲等の収差に因る像の歪みを取り去る光学系となっているのが更に好ましく、その為に例えば４ｆ光学系となっているのが好ましい。
　また、ビーム径変更光学系３３およびビーム径調整光学系３５それぞれは、上記結像関係における物面と像面との位置関係を保ったまま拡大率・縮小率を任意に変えることができるズームレンズ型光学系となっているのが好ましい。このようにすることで、任意のパルス面傾斜角度とビーム径とを容易に変化させることができる。
　（第２実施形態）
　図２は、第２実施形態の電磁波検出装置２の構成図である。第２実施形態の電磁波検出装置２は、検出対象の電磁波としてテラヘルツ波を光学的作用部４２において検出するものであって、光源１１、分岐部１３、テラヘルツ波発生部２１、タイミング調整部３１、偏光子３２、ビーム径変更光学系３３、パルス面傾斜部３４、ビーム径調整光学系３５、合波部４１、光学的作用部４２、検光子４３、光検出器４４およびミラーＭ１～Ｍ８を備える。
　分岐部１３は、例えばビームスプリッタであり、光源１１から出力された光パルスを２分岐して、その２分岐した光パルスのうち一方をポンプ光パルスとしてミラーＭ１へ出力し、他方をプローブ光パルスとしてミラーＭ４へ出力する。
　分岐部１３から出力されたポンプ光パルスは、ミラーＭ１～Ｍ３により順次に反射されて、テラヘルツ波発生部２１に入力される。なお、分岐部１３からテラヘルツ波発生部２１に到るまでのポンプ光パルスの光学系を、以下では「ポンプ光パルス光学系」という。
　テラヘルツ波発生部２１は、ポンプ光パルスを入力することでパルステラヘルツ波を発生し出力するものであり、例えば、非線形光学結晶、光アンテナ素子、半導体および超伝導体の何れかを含んで構成される。テラヘルツ波発生部２１が非線形光学結晶を含む場合、このテラヘルツ波発生部２１は、ポンプ光パルス入射に伴って発現する非線形光学現象によりテラヘルツ波を発生することができる。
　テラヘルツ波は、光波と電波との中間領域に相当する０.０１ＴＨｚ～１０００ＴＨｚ程度の周波数を有する電磁波であり、光波と電波との間の中間的な性質を有している。また、パルステラヘルツ波のパルス幅は数ピコ秒程度である。テラヘルツ波発生部２１から出力されたテラヘルツ波は、試料台９１上に置かれた測定対象物９を透過することで測定対象物９の情報（例えば、吸収係数、屈折率）を取得し、その後、合波部４１に入力される。測定対象物９は、試料台９１上に置かれていて、この試料台９１の移動によりパルステラヘルツ波入射位置が調整され得る。なお、テラヘルツ波発生部２１から合波部４１に到るまでのテラヘルツ波の光学系を、以下では「テラヘルツ波光学系」という。
　一方、分岐部１３から出力されたプローブ光パルスは、ミラーＭ４～Ｍ８により順次に反射され、偏光子３２、ビーム径変更光学系３３、パルス面傾斜部３４およびビーム径調整光学系３５を順に通過して、合波部４１に入力される。パルス面傾斜部３４は、プローブ光パルスのパルス面を傾斜させ、光学的作用部４２に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光パルスそれぞれのパルス面を互いに非平行とする。なお、分岐部１３から合波部４１に到るまでのプローブ光パルスの光学系を、以下では「プローブ光パルス光学系」という。偏光子３２は、プローブ光パルス光学系上の任意の位置に配置され得る。
　４個のミラーＭ４～Ｍ７はタイミング調整部３１を構成している。すなわち、ミラーＭ５およびＭ６が移動することで、ミラーＭ４およびＭ７とミラーＭ５およびＭ６との間の光路長が調整され、プローブ光パルス光学系の光路長が調整される。これにより、タイミング調整部３１は、分岐部１３から合波部４１に到るまでのポンプ光パルス光学系およびテラヘルツ波光学系の光路長と、分岐部１３から合波部４１に到るまでのプローブ光パルス光学系の光路長との差を調整して、プローブ光パルスおよびテラヘルツ波それぞれが光学的作用部４２に入力される際の両者の間の相対的入力タイミングを調整することができる。
　合波部４１は、テラヘルツ波発生部２１から出力され測定対象物９で透過したテラヘルツ波と、ビーム径調整光学系３５から出力されたプローブ光パルスとを入力し、これらテラヘルツ波およびプローブ光パルスを互いに同軸となるように合波して光学的作用部４２へ出力する。この合波部４１はペリクルであるのが好適である。
　光学的作用部４２は、合波部４１から出力されたテラヘルツ波およびプローブ光パルスを入力し、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光パルスの偏光状態を変化させて、そのプローブ光パルスを検光子４３へ出力する。光検出器４４は、光学的作用部４２から出力され検光子４３を通過したプローブ光パルスを受光して、その受光したプローブ光パルスの強度分布を検出する。偏光子３２，検光子４３および光検出器４４は、光学的作用部４２から出力されたプローブ光パルスのビーム断面における偏光状態変化の１次元分布または２次元分布を検出する。
　第２実施形態の電磁波検出装置２でも、ビーム径変更光学系３３およびビーム径調整光学系３５それぞれによるプローブ光パルスのビーム径の拡大・縮小ならびにパルス面傾斜部３４によるプローブ光パルスのパルス面の傾斜により、光学的作用部４２に入力されるプローブ光パルスのパルス面傾斜角度およびビーム径それぞれを互いに独立に適切な値に設定することができ、光学的作用部４２におけるプローブ光パルスによる測定時間範囲Ｔおよび相互作用面積を適切に設定することができる。
　第２実施形態においても、ビーム径変更光学系３３による像はパルス面傾斜部３４に位置するのが好ましい。また、ビーム径調整光学系３５はパルス面傾斜部３４と光学的作用部４２との間に結像関係を有するのが好ましい。このようにすることで、プローブ光パルスのビーム品質が向上し、光学的作用部４２において時間軸の精度の高い電磁波（テラヘルツ波）検出ができる。
　ビーム径変更光学系３３およびビーム径調整光学系３５それぞれは、像面歪曲等の収差に因る像の歪みを取り去る光学系となっているのが更に好ましく、その為に例えば４ｆ光学系となっているのが好ましい。
　また、ビーム径変更光学系３３およびビーム径調整光学系３５それぞれは、上記結像関係における物面と像面との位置関係を保ったまま拡大率・縮小率を任意に変えることができるズームレンズ型光学系となっているのが好ましい。このようにすることで、任意のパルス面傾斜角度とビーム径とを容易に変化させることができる。
　（第３実施形態）
　図３は、第３実施形態の電磁波検出装置３の構成図である。第３実施形態の電磁波検出装置３は、図２に示された第２実施形態の電磁波検出装置２の構成に加えて、テラヘルツ波ビーム径変更光学系（電磁波ビーム径変更光学系）２２、プローブ光パルスビーム径変更光学系４５および制御部５０を更に備える。
　テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２は、測定対象物９と合波部４１との間のテラヘルツ波の光路上に設けられ、光学的作用部４２に入力されるテラヘルツ波のビーム径を変更する。テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２は、レンズ２２Ａおよびレンズ２２Ｂを含む。前段のレンズ２２Ａの後側焦点位置と後段のレンズ２２Ｂの前側焦点位置とは互いに一致している。テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２は、前段のレンズ２２Ａの焦点距離と後段のレンズ２２Ｂの焦点距離との比に応じて、テラヘルツ波のビーム径を変更することができる。
　テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２は、測定対象物９と光学的作用部４２との間に結像関係を有するのが好ましい。テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２は、像面歪曲等の収差に因る像の歪みを取り去る光学系となっているのが更に好ましく、その為に例えば４ｆ光学系となっているのが好ましい。
　また、テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２は、上記結像関係における物面と像面との位置関係を保ったまま拡大率・縮小率を任意に変えることができるズームレンズ型光学系となっているのが好ましい。このようにすることで、プローブ光パルスのビーム径に合わせて最適なテラヘルツ波のビーム径を設定することができる。
　テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２が設けられることで、光学的作用部４２に入力されるテラヘルツ波およびプローブ光それぞれのビーム径の関係が調整され得る。すなわち、光学的作用部４２上でのプローブ光パルスのビーム径は、ビーム径変更光学系３３およびビーム径調整光学系３５により変更されている。よって、プローブ光パルスのビーム径の変更に合わせてテラヘルツ波のビーム径がテラヘルツ波ビーム径変更光学系２２により変更されることで、光学的作用部４２においてテラヘルツ波が効率よく検出され得るようになる。
　ここで、テラヘルツ波のビーム径とプローブ光パルスのビーム径とは光学的作用部４２において必ずしも一致している必要はない。例えば、テラヘルツ波がビームの面内にガウシアンの強度分布を持っていた場合、光学的作用部４２におけるテラヘルツ波のビーム径を、光学的作用部４２におけるプローブ光パルスのビーム径より大きくすることで、テラヘルツ波のガウシアン分布における中心部分のみをプローブ光パルスがプローブすることとなる。テラヘルツ波がビーム面内にガウシアンの強度分布を持つことを起因とする単発テラヘルツ波時間波形計測の計測誤差を小さくすることができる。
　プローブ光パルスビーム径変更光学系４５は、光学的作用部４２と光検出器４４との間のプローブ光パルスの光路上に設けられ、そのプローブ光パルスのビーム径を変更（拡大または縮小）する。プローブ光パルスビーム径変更光学系４５は、レンズ４５Ａおよびレンズ４５Ｂを含む。前段のレンズ４５Ａの後側焦点位置と後段のレンズ４５Ｂの前側焦点位置とは互いに一致している。プローブ光パルスビーム径変更光学系４５は、前段のレンズ４５Ａの焦点距離と後段のレンズ４５Ｂの焦点距離との比に応じて、プローブ光パルスのビーム径を変更することができる。
　光検出器４４の画素数は、計測するテラヘルツ波時間波形の時間分解能に対応する。光検出器により画素数や画素ピッチが異なるので、プローブ光パルスビーム径変更光学系４５を設けることにより、所望の時間分解能で計測することができる。プローブ光パルスビーム径変更光学系４５は、プローブ光パルスのビーム断面における垂直方向と水平方向とで独立したビーム径変更であってもよい。検光子４３は、プローブ光パルスビーム径変更光学系４５の前段に設けられてもよいし、プローブ光パルスビーム径変更光学系４５の後段に設けられてもよい。
　プローブ光パルスビーム径変更光学系４５は、光学的作用部４２と光検出器４４との間に結像関係を有するのが好ましい。プローブ光パルスビーム径変更光学系４５は、像面歪曲等の収差に因る像の歪みを取り去る光学系となっているのが更に好ましく、その為に例えば４ｆ光学系となっているのが好ましい。
　また、プローブ光パルスビーム径変更光学系４５は、上記結像関係における物面と像面との位置関係を保ったまま拡大率・縮小率を任意に変えることができるズームレンズ型光学系となっているのが好ましい。このようにすることで、光検出器４４の受光面のサイズに合わせて、最適なプローブ光パルスのビーム径を設定することができる。
　ビーム径変更光学系３３，ビーム径調整光学系３５，テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２およびプローブ光パルスビーム径変更光学系４５それぞれは、制御信号を受けてズーム機能が制御されて拡大率・縮小率が調整されるのが好ましい。制御部５０は、ビーム径変更光学系３３，ビーム径調整光学系３５，テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２およびプローブ光パルスビーム径変更光学系４５それぞれに対して制御信号を与えることで、これらの光学系のズーム機能を制御し拡大率・縮小率を設定する。また、制御部５０は、タイミング調整部３１におけるミラーＭ５およびＭ６の位置を制御して、プローブ光パルスおよびテラヘルツ波それぞれが光学的作用部４２に入力される際の両者の間の相対的入力タイミングを調整する。また、制御部５０は、光源１１からの光パルス出力のタイミングを制御し、光検出器４４によるプローブ光パルス検出のタイミングを制御する。
　電磁波検出装置３は、このような制御部５０を備えることにより、以下のような動作をすることができる。まず、ビーム径変更光学系３３の拡大率を高くして、プローブ光パルスが存在する時間範囲（すなわち、単発テラヘルツ波時間波形測定における測定時間範囲Ｔ）を拡大させる。このとき、ビーム径調整光学系３５、プローブ光パルスビーム径変更光学系４５およびテラヘルツ波ビーム径変更光学系２２は、最も効率よく且つ最も高い時間分解能でテラヘルツ波を計測できるように、プローブ光パルスおよびテラヘルツ波それぞれのビーム径を調整・変更する。
　その後、タイミング調整部３１を制御することで、プローブ光パルスおよびテラヘルツ波それぞれが光学的作用部４２に入力される際の両者の間の相対的入力タイミングを調整して、測定したいテラヘルツ波の測定時間位置を、テラヘルツ波の測定時間範囲の所定の位置に移動させる。
　最後に、測定したいテラヘルツ波の測定時間範囲Ｔとなるように、ビーム径変更光学系３３の拡大率を変更する。このとき、ビーム径調整光学系３５、プローブ光パルスビーム径変更光学系４５およびテラヘルツ波ビーム径変更光学系２２は、最も効率よく且つ最も高い時間分解能でテラヘルツ波を計測できるように、プローブ光パルスおよびテラヘルツ波それぞれのビーム径を調整・変更する。
　このようにすることで、例えば、測定対象物９の屈折率または厚さが不明であってテラヘルツ波の測定時間範囲の決定が困難である場合でも、容易にテラヘルツ波の時間遅れをモニタすることができ、テラヘルツ波の測定時間範囲を決定することができる。
　なお、上記のようなビーム径変更光学系３３，ビーム径調整光学系３５，プローブ光パルスビーム径変更光学系４５，テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２およびタイミング調整部３１それぞれの動作は、検出したテラヘルツ波時間波形の信号などに基づいて自動的に最適化されるのが好ましい。
　（第４実施形態）
　図４は、第４実施形態の電磁波検出装置４の構成図である。この図に示される第４実施形態の電磁波検出装置４は、図３に示された第３実施形態の電磁波検出装置３の構成において測定対象物９がテラヘルツ波発生部２１を兼ねることとし、また、レンズ２４，ＩＴＯ膜付き光学板２５および対物レンズ２６を備える。
　ポンプ光パルス光学系に設けられたレンズ２４，ＩＴＯ膜付き光学板２５および対物レンズ２６は、測定対象物９に対してポンプ光パルスを集光照射するポンプ光パルス照射部を構成する。その測定対象物９における当該集光照射位置は２次元走査される。集光照射位置の走査は、測定対象物９を走査することにより行われてもよいし、レンズ２４に入射されるポンプ光パルスの主光線を走査することにより行われてもよい。
　測定対象物９は、例えば半導体デバイスであって、ポンプ光パルスが照射されることによりテラヘルツ波を発生する。そのテラヘルツ波は、対物レンズ２６，ＩＴＯ膜付き光学板２５およびテラヘルツ波ビーム径変更光学系２２を経て合波部４１に入力される。
　合波部４１は、ポンプ光パルスが測定対象物９に集光照射されることにより測定対象物９で発生したテラヘルツ波と、ビーム径調整光学系３５から出力されたプローブ光パルスとを入力し、これらを互いに同軸となるように合波して光学的作用部４２へ出力する。
　光学的作用部４２は、合波部４１から出力されたテラヘルツ波およびプローブ光パルスを入力し、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光パルスの偏光状態を変化させて、そのプローブ光パルスを検光子４３へ出力する。
　光検出器４４は、光学的作用部４２から出力され検光子４３およびプローブ光パルスビーム径変更光学系４５を通過したプローブ光パルスを受光して、その受光したプローブ光パルスの強度分布を検出する。偏光子３２，検光子４３および光検出器４４は、測定対象物９へのポンプ光パルスの各集光照射位置について、光学的作用部４２から出力されたプローブ光パルスのビーム断面における偏光状態変化の１次元分布または２次元分布を検出する。
　この第４実施形態の電磁波検出装置４は、いわゆるレーザテラヘルツエミッション顕微鏡（LaserTerahertz Emission Microscopy: ＬＴＥＭ）を構成している。ＬＴＥＭは、例えば半導体デバイスである測定対象物の電界分布を非接触で測定することができる。
　本発明をＬＴＥＭに適用することができる。これにより、単発テラヘルツ波時間波形計測におけるテラヘルツ波時間波形の測定時間範囲を任意に調整可能なＬＴＥＭシステムを構築することができる。
　１～４…電磁波検出装置、９…測定対象物、１１…光源、１３…分岐部、２１…テラヘルツ波発生部、２２…テラヘルツ波ビーム径変更光学系（電磁波ビーム径変更光学系）、２４…レンズ、２５…ＩＴＯ膜付き光学板、２６…対物レンズ、３１…タイミング調整部、３２…偏光子、３３…ビーム径変更光学系、３４…パルス面傾斜部、３５…ビーム径調整光学系、４１…合波部、４２…光学的作用部、４３…検光子、４４…光検出器、４５…プローブ光パルスビーム径変更光学系、５０…制御部、Ｍ１～Ｍ８…ミラー。

Claims (10)

  1. 　プローブ光パルスを出力する光源と、
    　前記光源から出力されたプローブ光パルスのビーム径を変更するビーム径変更光学系と、
    　前記ビーム径変更光学系から出力されたプローブ光パルスのパルス面を傾斜させるパルス面傾斜部と、
    　前記パルス面傾斜部から出力されたプローブ光パルスのビーム径を調整するビーム径調整光学系と、
    　前記ビーム径調整光学系から出力されたプローブ光パルスを入力するとともに、検出対象である電磁波を入力して、その電磁波の伝搬に伴って光学特性が変化し、その光学特性の変化の影響を受けたプローブ光パルスを出力する光学的作用部と、
    　前記光学的作用部から出力されたプローブ光パルスを検出する光検出器と、
    　を備えることを特徴とする電磁波検出装置。
  2. 　前記ビーム径変更光学系による像が前記パルス面傾斜部に位置する、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出装置。
  3. 　前記ビーム径調整光学系が前記パルス面傾斜部と前記光学的作用部との間に結像関係を有する、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出装置。
  4. 　前記ビーム径変更光学系および前記ビーム径調整光学系それぞれによるプローブ光パルスのビーム径の拡大・縮小ならびに前記パルス面傾斜部によるプローブ光パルスのパルス面の傾斜により、前記光学的作用部におけるプローブ光パルスによる測定時間範囲および相互作用面積それぞれを調整する、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出装置。
  5. 　前記光学的作用部と前記光検出器との間のプローブ光パルスの光路上に設けられ、そのプローブ光パルスのビーム径を変更するプローブ光パルスビーム径変更光学系を更に備える、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出装置。
  6. 　前記プローブ光パルスビーム径変更光学系が前記光学的作用部と前記光検出器との間に結像関係を有する、
    　ことを特徴とする請求項５に記載の電磁波検出装置。
  7. 　前記光学的作用部に入力される電磁波のビーム径を変更する電磁波ビーム径変更光学系を更に備える、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出装置。
  8. 　前記電磁波ビーム径変更光学系による像面が前記光学的作用部に位置する、
    　ことを特徴とする請求項７に記載の電磁波検出装置。
  9. 　プローブ光パルスおよび電磁波それぞれが前記光学的作用部に入力される際の両者の間の相対的入力タイミングを調整するタイミング調整部を更に備える、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出装置。
  10. 　測定対象物に対してポンプ光パルスを集光照射するとともに前記測定対象物における当該集光照射位置を走査するポンプ光パルス照射部を更に備え、
    　前記ポンプ光パルス照射部によりポンプ光パルスを前記測定対象物に集光照射することにより前記測定対象物でテラヘルツ波を発生させ、
    　前記光学的作用部に前記テラヘルツ波とプローブ光パルスとを入力させ、
    　前記光検出器が、前記ポンプ光パルス照射部による前記測定対象物への各集光照射位置について、前記光学的作用部から出力されたプローブ光パルスを検出する、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出装置。
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