テラヘルツパルス光測定装置および測定方法
【課題】 １回の時間遅延動作でノイズ成分を低減するための複数の時系列波形を得ること。
【解決手段】 テラヘルツ光発生器５から発生したテラヘルツパルス光Ｌ６を試料Ｓに照射し、試料Ｓを透過したテラヘルツパルス光Ｌ８の電場強度の時間的変化をテラヘルツ光検出器８により検出する。原点位置からＡ方向に距離ｄだけ折り返しミラー１１を移動させる１回の時間遅延動作中に、、試料Ｓを透過したテラヘルツパルス光Ｌ８の電場強度を所定遅延時間間隔で細かく検出する。記憶回路２１は、各電場強度データを、検出時の時間遅延量に対応する折り返しミラー１１の位置情報とともに記憶する。演算回路２２は、記憶回路２１から所定の遅延時間量ごとに複数組の電場強度データを抽出し、複数組の時系列波形を得て、各時系列波形をそれぞれフーリエ変換して複数のスペクトル波形を得る。これら複数のスペクトル波形にはそれぞれ複数の振幅情報と位相情報が含まれており、演算回路２２は、これら複数の振幅情報または位相情報について、さらに平均化を行う。
【解決手段】 テラヘルツ光発生器５から発生したテラヘルツパルス光Ｌ６を試料Ｓに照射し、試料Ｓを透過したテラヘルツパルス光Ｌ８の電場強度の時間的変化をテラヘルツ光検出器８により検出する。原点位置からＡ方向に距離ｄだけ折り返しミラー１１を移動させる１回の時間遅延動作中に、、試料Ｓを透過したテラヘルツパルス光Ｌ８の電場強度を所定遅延時間間隔で細かく検出する。記憶回路２１は、各電場強度データを、検出時の時間遅延量に対応する折り返しミラー１１の位置情報とともに記憶する。演算回路２２は、記憶回路２１から所定の遅延時間量ごとに複数組の電場強度データを抽出し、複数組の時系列波形を得て、各時系列波形をそれぞれフーリエ変換して複数のスペクトル波形を得る。これら複数のスペクトル波形にはそれぞれ複数の振幅情報と位相情報が含まれており、演算回路２２は、これら複数の振幅情報または位相情報について、さらに平均化を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツパルス光を用いた測定装置およびテラヘルツパルス光を用いた測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ光を利用する各種の測定装置では、概ね０．０１×１０１２〜１００×１０１２ヘルツ（０．０１〜１００ＴＨｚ）の周波数領域のテラヘルツパルス光を試料に照射して、試料を透過した透過光または試料から反射した反射光を検出することにより、試料の電気的特性や成分濃度などを測定する。従来、テラヘルツパルス光を検出する検出器を動作させるプローブパルス光がテラヘルツ光検出器へ到達する時間を遅延させ、その時間遅延量に応じた電場強度を測定することでテラヘルツパルス光の時系列波形を取得し、この時系列波形に基づいて物性値や成分量を算出するテラヘルツ光測定装置が知られている。時間遅延装置には、ミラーと、そのミラーを移動させてプローブパルス光の光路長を連続的に変化させる移動ステージとが備えられ、１回の移動操作（時間遅延動作）で１つの時系列波形が得られる。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２７７３９３号公報（第１０，１１頁、第１，４図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のテラヘルツパルス光測定装置は、１回の時間遅延動作で１つの時系列波形しか得られず、時間遅延動作を繰り返し行い複数の時系列波形を得なければならないので、測定時間を多く必要とするという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）請求項１の発明によるテラヘルツパルス光測定装置は、ポンプパルス光の照射によりテラヘルツパルス光を発生するテラヘルツ光発生器と、テラヘルツ光発生器で発生したテラヘルツパルス光を試料へ照射する光学系と、光学系を介してテラヘルツパルス光が照射された試料からのテラヘルツパルス光をプローブパルス光の照射により電場強度信号として検出するテラヘルツ光検出器と、テラヘルツパルス光がテラヘルツ光検出器へ到達する時間とプローブパルス光がテラヘルツ光検出器へ到達する時間との時間差を連続的に変更する時間遅延装置と、時間遅延装置による一回の時間遅延動作において、所定のサンプリング間隔で取得された電場強度信号のデータを記憶する記憶回路と、記憶回路に記憶された時間遅延装置の位置情報に基づいて複数の演算用電場強度データを抽出し、これら複数の演算用電場強度データを演算処理して測定結果を算出する演算回路とを備えたことを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載のテラヘルツパルス光測定装置において、抽出された複数の演算用電場強度データはそれぞれ時系列波形データであり、演算回路は、時系列波形データのそれぞれをフーリエ変換して得られる複数の振幅情報を平均化処理してその振幅を算出することを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項１または２に記載のテラヘルツパルス光測定装置において、抽出された複数の演算用電場強度データはそれぞれ時系列波形データであり、演算回路は、時系列波形データのそれぞれをフーリエ変換して得られる複数の位相情報を平均化処理してその位相を算出することを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項３に記載のテラヘルツパルス光測定装置において、演算回路は、複数の位相情報を平均化処理して位相を算出する際、電場強度信号のサンプリング間隔に応じて時系列波形データに含まれる位相ずれを補正することを特徴とする。
（５）請求項５の発明によるテラヘルツパルス光測定方法は、ポンプパルス光の照射によりテラヘルツパルス光を発生させ、発生したテラヘルツパルス光を試料へ照射し、ポンプパルス光により発生したテラヘルツパルス光がテラヘルツ光検出器へ到達するタイミングとプローブパルス光によりテラヘルツパルス光を電場強度信号として検出するタイミングとを連続的に変更しながら、試料からのテラヘルツパルス光を検出し、タイミングを連続的に変更する一回の時間遅延動作において、検出された電場強度信号のデータを所定のサンプリング間隔で取得して記憶し、記憶された電場強度信号のデータに基づいて複数の演算用電場強度データを抽出し、これら複数の演算用電場強度データを演算処理して測定結果を得ることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、一回の時間遅延動作において得た電場強度信号のデータに基づいて複数組の時系列波形データである演算用電場強度データを得、これら複数の演算用電場強度データから所望の測定結果を演算処理するようにしたので、測定時間を短縮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明によるテラヘルツパルス光測定装置の一実施の形態について、図１〜４を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態によるテラヘルツパルス光測定装置の構成を模式的に示す全体構成図である。テラヘルツパルス光測定装置１００は、試料Ｓにテラヘルツパルス光を照射し、試料Ｓを透過したテラヘルツパルス光の電場強度の時間的変化を検出し、この検出データをフーリエ変換することにより各周波数における振幅情報と位相情報を得るものである。
【０００８】
テラヘルツパルス光測定装置１００は、パルス光Ｌ１を放射するレーザ光源１と、パルス光Ｌ１をパルス光Ｌ２，Ｌ９に分割するビームスプリッタ２と、ミラー３，４と、テラヘルツパルス光Ｌ５を発生させるテラヘルツ光発生器５と、曲面鏡６，７と、試料Ｓを透過した後のテラヘルツパルス光Ｌ８を検出するテラヘルツ光検出器８とを備える。また、テラヘルツパルス光測定装置１００は、周知の時系列テラヘルツ光検出法によりテラヘルツパルス光を検出する目的で、テラヘルツ光検出器８へ導くパルス光Ｌ１１の到達時間を変更する時間遅延装置１０と、ミラー１４とを備えている。
【０００９】
さらに、テラヘルツパルス光測定装置１００は、テラヘルツ光検出器８に接続されたＡ／Ｄ変換回路１６と、時間遅延装置１０に接続された同期回路１７、ステージコントローラ１８と、制御装置２０と、ディスプレイ２３とを備えている。制御装置２０は、記憶回路２１および演算回路２２を有し、Ａ／Ｄ変換回路１６、同期回路１７、ステージコントローラ１８およびディスプレイ２３にそれぞれ接続されている。
【００１０】
パルス光Ｌ１を放射するレーザ光源１としては、例えば、フェムト秒パルスレーザが用いられる。パルス光Ｌ１は、中心波長が近赤外領域のうちの７８０〜８３０ｎｍ程度、繰り返し周期が数ｋＨｚから１００ＭＨｚのオーダー、パルス幅が１０〜１５０ｆｓ程度の直線偏光のパルス光である。
【００１１】
ビームスプリッタ２で分割されたポンプパルス光Ｌ２は、ミラー３，４を順次経由し、ポンプパルス光Ｌ４となってテラヘルツ光発生器５へ入射する。テラヘルツ光発生器５は、光スイッチ素子５ａおよびバイアス回路５ｂを有する。バイアス回路５ｂにより光スイッチ素子５ａに直流電圧を印加した状態で、ポンプパルス光Ｌ４を光スイッチ素子５ａに照射すると、テラヘルツパルス光Ｌ５が発生する。テラヘルツパルス光Ｌ５は、曲面鏡６で集光され、試料Ｓを透過する。試料Ｓを透過したテラヘルツパルス光Ｌ７は、その透過地点の物性情報を含む光であり、曲面鏡７で集光され、テラヘルツパルス光Ｌ８となってテラヘルツ光検出器８へ入射する。
【００１２】
ビームスプリッタ２で分割されたプローブパルス光Ｌ９は、時間遅延装置１０、ミラー１４を順次経由し、プローブパルス光Ｌ１１となってテラヘルツ光検出器８へ入射する。テラヘルツ光検出器８は、光スイッチ素子５ａと同様の光スイッチ素子８ａおよびＩ／Ｖ変換回路８ｂを有する。光スイッチ素子８ａに試料Ｓを透過したテラヘルツパルス光Ｌ８を入射させた状態で、プローブパルス光Ｌ１１を光スイッチ素子８ａに照射すると、光スイッチ素子８ａでは、その瞬間的な照射時間だけテラヘルツパルス光Ｌ８の電場によって生じる光電流が流れる。すなわち、試料Ｓを透過してテラヘルツ光検出器８へ入射したテラヘルツパルス光Ｌ８の電場強度がＩ／Ｖ変換回路８ｂにより検出される。
【００１３】
テラヘルツ光検出器８は、検出された電流信号をＩ／Ｖ変換回路８ｂにより電圧信号に変換してＡ／Ｄ変換回路１６へ送出する。Ａ／Ｄ変換回路１６は、その電圧信号をデジタル量に変換して制御装置２０へ送出する。
【００１４】
時間遅延装置１０は、ビームスプリッタ２からテラヘルツ光検出器８までのプローブパルス光の到達時間を変更するための装置であり、折り返しミラー１１、可動ステージ１２およびリニアエンコーダ１３を有する。折り返しミラー１１は、２枚もしくは３枚の反射鏡からなり、可動ステージ１２に載置され、図中矢印で示すＡ方向に移動可能であり、その移動距離ｄはリニアエンコーダ１３で精密に測定される。
【００１５】
可動ステージ１２は、ステージコントローラ１８により駆動制御され、プローブパルス光Ｌ９とＬ１０の合計光路長が連続的に変化する。ステージコントローラ１８は、制御装置２０からの指令信号に基づいて可動ステージ１２を移動させる不図示のモータをコントロールする。原点位置からＡ方向に距離ｄだけ折り返しミラー１１を移動したとすると、光路長の変化量は２×ｄとなる。従って、光路長の変化量に比例してプローブパルス光がテラヘルツ光検出器８へ到達する時間が連続的に遅延する。原点位置からの移動距離ｄ、すなわち折り返しミラー１１の位置情報は、リニアエンコーダ１３から同期回路１７へ逐次送出される。
【００１６】
前述したように、プローブ光としてのパルス光Ｌ１１が光スイッチ素子８ａを照射する瞬間に光スイッチ素子８ａに入射しているテラヘルツパルス光Ｌ８の電場強度が検出される。これは、プローブパルス光がテラヘルツ光検出器８に対してゲートをかけていることになる。可動ステージ１２を連続的に移動させてゲートをかけるタイミングをずらしながら、テラヘルツ光検出器８に繰り返し到来するテラヘルツパルス光Ｌ８の各遅延時間での電場強度を検出する。
【００１７】
各遅延時間で検出された電場強度は、電圧信号としてＩ／Ｖ変換回路８ｂからＡ／Ｄ変換回路１６へ送出され、Ａ／Ｄ変換回路１６によりデジタル量に変換されるが、このデジタル量への変換動作は次のようにして行われる。すなわち、同期回路１７は、リニアエンコーダ１３から送出される折り返しミラー１１の位置情報が予め設定された複数の位置情報と合致する毎にＡ／Ｄ変換回路１６に対してＡ／Ｄ変換のためのトリガーを出力する。具体的には、同期回路１７は、リニアエンコーダ１３からのパルス数をカウントし、カウント数（折り返しミラー１１の移動距離）が予め設定されたカウント数に達する度にトリガーを出力する。このカウント数は、後述する最小時間間隔ｒに対応するものである。これらの電場強度のデジタルデータは制御装置２０へ送られ、記憶回路２１に格納される。また、トリガー出力時の位置データも同期回路１７から制御装置２０へ送られ、記憶回路２１に格納される。制御装置２０では、電場強度に関するデジタルデータを電場強度検出時の位置データを基に継ぎ合わせ、テラヘルツパルス光Ｌ８の電場強度の時系列波形Ｅ（ｔ）を取得する。
【００１８】
図２は、本実施の形態のテラヘルツパルス光測定装置により計測された時系列波形Ｅ（ｔ）のグラフである。この時系列波形Ｅ（ｔ）はディスプレイ２３（図１参照）の画面上に表示される。横軸は、同期回路１７から出力された位置データから算出される遅延時間であり、縦軸は、Ａ／Ｄ変換回路１６から出力された電場強度であり、Ｉ／Ｖ変換回路８ｂにより検出された電流信号、または変換された電圧信号に相当するものである。
【００１９】
この時系列波形Ｅ（ｔ）は、可動ステージ１２を原点位置から距離ｄだけ移動させるという１回の時間遅延動作によって得られたグラフである。すなわち、可動ステージ１２が原点位置にあるときの遅延時間ｔはｔ＝０であり、原点位置から距離ｄの位置にあるときの遅延時間ｔはｔ＝ｐである。
【００２０】
図２のグラフにおいて、時刻ｔ１からｔ２までの時間帯の時系列波形Ｅ（ｔ）の曲線を拡大して図３（ａ）に示す。今、図３（ａ）では、時刻ｔ１からｔ２までの時間を３等分して、その１つを時間間隔ｑで表し、さらに、時間間隔ｑをｎ等分し、その１つを時間間隔ｒで表す。そして、この最小時間間隔ｒ毎に時系列波形Ｅ（ｔ）を構成するデータが制御装置２０の記憶回路２１に記憶されているとする。
【００２１】
図３（ｂ）〜図３（ｅ）は、図３（ａ）の時系列波形Ｅ（ｔ）から所定の時間間隔でデータ（演算用電場強度データ）を抽出し、それぞれ再構成した時系列波形を示す。図３（ｂ）は、時刻ｔ１から時間間隔ｑ毎に記憶回路２１からデータを抽出して構成した時系列波形Ｅ（ｔ＋０ｒ）であり、この波形は記憶回路２１の第１の記憶領域に格納される。図３（ｃ）は、時刻ｔ１＋ｒを基準に時間間隔ｑ毎に記憶回路２１からデータを抽出して構成した時系列波形Ｅ（ｔ＋１ｒ）であり、この波形は記憶回路２１の第２の記憶領域に格納される。図３（ｄ）は、時刻ｔ１＋２ｒを基準に時間間隔ｑ毎に記憶回路２１からデータを抽出して構成した時系列波形Ｅ（ｔ＋２ｒ）であり、この波形は記憶回路２１の第３の記憶領域に格納される。このように、時間間隔ｒづつずらして時系列波形を取得し、ｑ／ｒ個（ｎ個）の波形を記憶領域に格納する。図３（ｅ）は、時刻ｔ１＋（ｎ−１）ｒを基準に時間間隔ｑ毎に記憶回路２１からデータを抽出して構成した時系列波形Ｅ（ｔ＋（ｎ−１）ｒ）であり、この波形は記憶回路２１の第ｎの記憶領域に格納される。最終的には、図２の時系列波形Ｅ（ｔ）の全領域（遅延時間ｐ）にわたってｑ／ｒ個の波形を各々の記憶領域に格納する。
【００２２】
制御装置２０の演算回路２２によりこれらのｑ／ｒ個の時系列波形をそれぞれフーリエ変換する。
図４は、図３（ａ）の時系列波形Ｅ（ｔ）にフーリエ変換を施して得られたスペクトル波形のグラフである。横軸は周波数、縦軸はスペクトル強度を表す。図３（ｂ）〜図３（ｅ）の時系列波形にそれぞれフーリエ変換を施して得られたスペクトル波形も類似の曲線となる。これらのスペクトル波形はディスプレイ２３の画面上に表示される。
【００２３】
フーリエ変換によりスペクトル波形はｑ／ｒ個得られ、各々のスペクトル波形に振幅情報と位相情報が含まれている。ｎ番目の時系列波形Ｅ（ｔ＋（ｎ−１）ｒ）についてフーリエ変換の結果得られた振幅情報を｜Ｅｎ（ω）｜、位相情報をθｎ（ω）と表す。振幅情報｜Ｅｎ（ω）｜と位相情報θｎ（ω）は、それぞれｑ／ｒ個得られる。
【００２４】
ｑ／ｒ個の振幅情報｜Ｅｎ（ω）｜は、積算し平均をとることでホワイトノイズを１／√（ｑ／ｒ）に低減させることができる。ホワイトノイズとは、図４のスペクトル波形の全周波数域でほぼ一律に重複しているノイズである。積算および平均化演算は演算回路２２で実行され、ホワイトノイズが低減した振幅情報｜Ｅ（ω）｜は、式１に示される。
【数１】
【００２５】
また、ｑ／ｒ個の位相情報θｎ（ω）も、積算し平均をとることでホワイトノイズを低減させることができる。しかし、位相情報の場合は、時間間隔ｒづつずらして時系列波形を取得しているので、フーリエ変換後に積算および平均化処理を行う際には、それぞれの周波数に応じた位相補正が必要になる。位相補正、積算および平均化演算は演算回路２２で実行され、ホワイトノイズが低減した位相情報θ（ω）は、式２に示される。式２において位相補正項は、ｒω（ｎ−１）である。
【数２】
【００２６】
以上の演算により、ホワイトノイズが低減した振幅情報｜Ｅ（ω）｜と位相情報θ（ω）が得られる。振幅情報｜Ｅ（ω）｜と位相情報θ（ω）の両者を用いて、例えば半導体材料の屈折率や誘電率などを算出できるが、振幅情報｜Ｅ（ω）｜のみを用いて算出できる物性値の場合は、位相情報θ（ω）に関わる演算を省略することができる。なお、本実施の形態では、１回の時間遅延動作で図２の時系列波形を得ているが、ｍ回の時間遅延動作を行いｍ個の時系列波形を取得し、各々の時系列波形について上述した演算と平均化を行えば、データ数がｍ倍になるので、ノイズの低減効果は、より一層大きくなる。なお、本発明は、ノイズの低減のみを目的とするものではなく、測定時間を大幅に短縮する目的もある。
【００２７】
本発明は、上記の実施の形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、時間遅延装置１０をプローブパルス光の光路に挿入する代わりに、ポンプパルス光（ポンプパルス光Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４）の光路に挿入し、テラヘルツパルス光Ｌ５発生の時間遅延を行ってもよい。また、テラヘルツパルス光測定装置１００に試料Ｓを２次元移動させる走査機構を設けて走査型イメージング装置としてもよい。この場合は、時間遅延動作を行う回数が多いので、測定時間短縮の効果が大きい。
また、テラヘルツパルス光測定装置１００は透過式の装置であるが、試料からの反射光を検出する反射式の装置としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態に係るテラヘルツパルス光測定装置の構成を模式的に示す全体構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るテラヘルツパルス光測定装置により計測された時系列波形Ｅ（ｔ）のグラフである。
【図３】図２の時系列波形Ｅ（ｔ）曲線を拡大して示す図である。図３（ａ）は、時刻ｔ１からｔ２までの時間帯の時系列波形Ｅ（ｔ）を示し、図３（ｂ）〜図３（ｅ）は、図３（ａ）の時系列波形Ｅ（ｔ）から所定の時間ずらしてデータを抽出し、それぞれ再構成した時系列波形を示す。
【図４】図３（ａ）の時系列波形Ｅ（ｔ）にフーリエ変換を施して得られたスペクトル波形のグラフである。
【符号の説明】
【００２９】
１：レーザ光源
２：ビームスプリッタ
５：テラヘルツ光発生器
８：テラヘルツ光検出器
１０：時間遅延装置
１１：折り返しミラー
１２：可動ステージ
１３：リニアエンコーダ
１６：Ａ／Ｄ変換回路
１７：同期回路
１８：ステージコントローラ
２０：制御装置
２１：記憶回路
２２：演算回路
２３：ディスプレイ
１００：テラヘルツパルス光測定装置
Ｌ１：レーザパルス光
Ｌ２〜Ｌ４：ポンプパルス光
Ｌ５〜Ｌ８：テラヘルツパルス光
Ｌ９〜Ｌ１１：プローブパルス光
Ｓ：試料
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツパルス光を用いた測定装置およびテラヘルツパルス光を用いた測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ光を利用する各種の測定装置では、概ね０．０１×１０１２〜１００×１０１２ヘルツ（０．０１〜１００ＴＨｚ）の周波数領域のテラヘルツパルス光を試料に照射して、試料を透過した透過光または試料から反射した反射光を検出することにより、試料の電気的特性や成分濃度などを測定する。従来、テラヘルツパルス光を検出する検出器を動作させるプローブパルス光がテラヘルツ光検出器へ到達する時間を遅延させ、その時間遅延量に応じた電場強度を測定することでテラヘルツパルス光の時系列波形を取得し、この時系列波形に基づいて物性値や成分量を算出するテラヘルツ光測定装置が知られている。時間遅延装置には、ミラーと、そのミラーを移動させてプローブパルス光の光路長を連続的に変化させる移動ステージとが備えられ、１回の移動操作（時間遅延動作）で１つの時系列波形が得られる。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２７７３９３号公報（第１０，１１頁、第１，４図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のテラヘルツパルス光測定装置は、１回の時間遅延動作で１つの時系列波形しか得られず、時間遅延動作を繰り返し行い複数の時系列波形を得なければならないので、測定時間を多く必要とするという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）請求項１の発明によるテラヘルツパルス光測定装置は、ポンプパルス光の照射によりテラヘルツパルス光を発生するテラヘルツ光発生器と、テラヘルツ光発生器で発生したテラヘルツパルス光を試料へ照射する光学系と、光学系を介してテラヘルツパルス光が照射された試料からのテラヘルツパルス光をプローブパルス光の照射により電場強度信号として検出するテラヘルツ光検出器と、テラヘルツパルス光がテラヘルツ光検出器へ到達する時間とプローブパルス光がテラヘルツ光検出器へ到達する時間との時間差を連続的に変更する時間遅延装置と、時間遅延装置による一回の時間遅延動作において、所定のサンプリング間隔で取得された電場強度信号のデータを記憶する記憶回路と、記憶回路に記憶された時間遅延装置の位置情報に基づいて複数の演算用電場強度データを抽出し、これら複数の演算用電場強度データを演算処理して測定結果を算出する演算回路とを備えたことを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載のテラヘルツパルス光測定装置において、抽出された複数の演算用電場強度データはそれぞれ時系列波形データであり、演算回路は、時系列波形データのそれぞれをフーリエ変換して得られる複数の振幅情報を平均化処理してその振幅を算出することを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項１または２に記載のテラヘルツパルス光測定装置において、抽出された複数の演算用電場強度データはそれぞれ時系列波形データであり、演算回路は、時系列波形データのそれぞれをフーリエ変換して得られる複数の位相情報を平均化処理してその位相を算出することを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項３に記載のテラヘルツパルス光測定装置において、演算回路は、複数の位相情報を平均化処理して位相を算出する際、電場強度信号のサンプリング間隔に応じて時系列波形データに含まれる位相ずれを補正することを特徴とする。
（５）請求項５の発明によるテラヘルツパルス光測定方法は、ポンプパルス光の照射によりテラヘルツパルス光を発生させ、発生したテラヘルツパルス光を試料へ照射し、ポンプパルス光により発生したテラヘルツパルス光がテラヘルツ光検出器へ到達するタイミングとプローブパルス光によりテラヘルツパルス光を電場強度信号として検出するタイミングとを連続的に変更しながら、試料からのテラヘルツパルス光を検出し、タイミングを連続的に変更する一回の時間遅延動作において、検出された電場強度信号のデータを所定のサンプリング間隔で取得して記憶し、記憶された電場強度信号のデータに基づいて複数の演算用電場強度データを抽出し、これら複数の演算用電場強度データを演算処理して測定結果を得ることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、一回の時間遅延動作において得た電場強度信号のデータに基づいて複数組の時系列波形データである演算用電場強度データを得、これら複数の演算用電場強度データから所望の測定結果を演算処理するようにしたので、測定時間を短縮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明によるテラヘルツパルス光測定装置の一実施の形態について、図１〜４を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態によるテラヘルツパルス光測定装置の構成を模式的に示す全体構成図である。テラヘルツパルス光測定装置１００は、試料Ｓにテラヘルツパルス光を照射し、試料Ｓを透過したテラヘルツパルス光の電場強度の時間的変化を検出し、この検出データをフーリエ変換することにより各周波数における振幅情報と位相情報を得るものである。
【０００８】
テラヘルツパルス光測定装置１００は、パルス光Ｌ１を放射するレーザ光源１と、パルス光Ｌ１をパルス光Ｌ２，Ｌ９に分割するビームスプリッタ２と、ミラー３，４と、テラヘルツパルス光Ｌ５を発生させるテラヘルツ光発生器５と、曲面鏡６，７と、試料Ｓを透過した後のテラヘルツパルス光Ｌ８を検出するテラヘルツ光検出器８とを備える。また、テラヘルツパルス光測定装置１００は、周知の時系列テラヘルツ光検出法によりテラヘルツパルス光を検出する目的で、テラヘルツ光検出器８へ導くパルス光Ｌ１１の到達時間を変更する時間遅延装置１０と、ミラー１４とを備えている。
【０００９】
さらに、テラヘルツパルス光測定装置１００は、テラヘルツ光検出器８に接続されたＡ／Ｄ変換回路１６と、時間遅延装置１０に接続された同期回路１７、ステージコントローラ１８と、制御装置２０と、ディスプレイ２３とを備えている。制御装置２０は、記憶回路２１および演算回路２２を有し、Ａ／Ｄ変換回路１６、同期回路１７、ステージコントローラ１８およびディスプレイ２３にそれぞれ接続されている。
【００１０】
パルス光Ｌ１を放射するレーザ光源１としては、例えば、フェムト秒パルスレーザが用いられる。パルス光Ｌ１は、中心波長が近赤外領域のうちの７８０〜８３０ｎｍ程度、繰り返し周期が数ｋＨｚから１００ＭＨｚのオーダー、パルス幅が１０〜１５０ｆｓ程度の直線偏光のパルス光である。
【００１１】
ビームスプリッタ２で分割されたポンプパルス光Ｌ２は、ミラー３，４を順次経由し、ポンプパルス光Ｌ４となってテラヘルツ光発生器５へ入射する。テラヘルツ光発生器５は、光スイッチ素子５ａおよびバイアス回路５ｂを有する。バイアス回路５ｂにより光スイッチ素子５ａに直流電圧を印加した状態で、ポンプパルス光Ｌ４を光スイッチ素子５ａに照射すると、テラヘルツパルス光Ｌ５が発生する。テラヘルツパルス光Ｌ５は、曲面鏡６で集光され、試料Ｓを透過する。試料Ｓを透過したテラヘルツパルス光Ｌ７は、その透過地点の物性情報を含む光であり、曲面鏡７で集光され、テラヘルツパルス光Ｌ８となってテラヘルツ光検出器８へ入射する。
【００１２】
ビームスプリッタ２で分割されたプローブパルス光Ｌ９は、時間遅延装置１０、ミラー１４を順次経由し、プローブパルス光Ｌ１１となってテラヘルツ光検出器８へ入射する。テラヘルツ光検出器８は、光スイッチ素子５ａと同様の光スイッチ素子８ａおよびＩ／Ｖ変換回路８ｂを有する。光スイッチ素子８ａに試料Ｓを透過したテラヘルツパルス光Ｌ８を入射させた状態で、プローブパルス光Ｌ１１を光スイッチ素子８ａに照射すると、光スイッチ素子８ａでは、その瞬間的な照射時間だけテラヘルツパルス光Ｌ８の電場によって生じる光電流が流れる。すなわち、試料Ｓを透過してテラヘルツ光検出器８へ入射したテラヘルツパルス光Ｌ８の電場強度がＩ／Ｖ変換回路８ｂにより検出される。
【００１３】
テラヘルツ光検出器８は、検出された電流信号をＩ／Ｖ変換回路８ｂにより電圧信号に変換してＡ／Ｄ変換回路１６へ送出する。Ａ／Ｄ変換回路１６は、その電圧信号をデジタル量に変換して制御装置２０へ送出する。
【００１４】
時間遅延装置１０は、ビームスプリッタ２からテラヘルツ光検出器８までのプローブパルス光の到達時間を変更するための装置であり、折り返しミラー１１、可動ステージ１２およびリニアエンコーダ１３を有する。折り返しミラー１１は、２枚もしくは３枚の反射鏡からなり、可動ステージ１２に載置され、図中矢印で示すＡ方向に移動可能であり、その移動距離ｄはリニアエンコーダ１３で精密に測定される。
【００１５】
可動ステージ１２は、ステージコントローラ１８により駆動制御され、プローブパルス光Ｌ９とＬ１０の合計光路長が連続的に変化する。ステージコントローラ１８は、制御装置２０からの指令信号に基づいて可動ステージ１２を移動させる不図示のモータをコントロールする。原点位置からＡ方向に距離ｄだけ折り返しミラー１１を移動したとすると、光路長の変化量は２×ｄとなる。従って、光路長の変化量に比例してプローブパルス光がテラヘルツ光検出器８へ到達する時間が連続的に遅延する。原点位置からの移動距離ｄ、すなわち折り返しミラー１１の位置情報は、リニアエンコーダ１３から同期回路１７へ逐次送出される。
【００１６】
前述したように、プローブ光としてのパルス光Ｌ１１が光スイッチ素子８ａを照射する瞬間に光スイッチ素子８ａに入射しているテラヘルツパルス光Ｌ８の電場強度が検出される。これは、プローブパルス光がテラヘルツ光検出器８に対してゲートをかけていることになる。可動ステージ１２を連続的に移動させてゲートをかけるタイミングをずらしながら、テラヘルツ光検出器８に繰り返し到来するテラヘルツパルス光Ｌ８の各遅延時間での電場強度を検出する。
【００１７】
各遅延時間で検出された電場強度は、電圧信号としてＩ／Ｖ変換回路８ｂからＡ／Ｄ変換回路１６へ送出され、Ａ／Ｄ変換回路１６によりデジタル量に変換されるが、このデジタル量への変換動作は次のようにして行われる。すなわち、同期回路１７は、リニアエンコーダ１３から送出される折り返しミラー１１の位置情報が予め設定された複数の位置情報と合致する毎にＡ／Ｄ変換回路１６に対してＡ／Ｄ変換のためのトリガーを出力する。具体的には、同期回路１７は、リニアエンコーダ１３からのパルス数をカウントし、カウント数（折り返しミラー１１の移動距離）が予め設定されたカウント数に達する度にトリガーを出力する。このカウント数は、後述する最小時間間隔ｒに対応するものである。これらの電場強度のデジタルデータは制御装置２０へ送られ、記憶回路２１に格納される。また、トリガー出力時の位置データも同期回路１７から制御装置２０へ送られ、記憶回路２１に格納される。制御装置２０では、電場強度に関するデジタルデータを電場強度検出時の位置データを基に継ぎ合わせ、テラヘルツパルス光Ｌ８の電場強度の時系列波形Ｅ（ｔ）を取得する。
【００１８】
図２は、本実施の形態のテラヘルツパルス光測定装置により計測された時系列波形Ｅ（ｔ）のグラフである。この時系列波形Ｅ（ｔ）はディスプレイ２３（図１参照）の画面上に表示される。横軸は、同期回路１７から出力された位置データから算出される遅延時間であり、縦軸は、Ａ／Ｄ変換回路１６から出力された電場強度であり、Ｉ／Ｖ変換回路８ｂにより検出された電流信号、または変換された電圧信号に相当するものである。
【００１９】
この時系列波形Ｅ（ｔ）は、可動ステージ１２を原点位置から距離ｄだけ移動させるという１回の時間遅延動作によって得られたグラフである。すなわち、可動ステージ１２が原点位置にあるときの遅延時間ｔはｔ＝０であり、原点位置から距離ｄの位置にあるときの遅延時間ｔはｔ＝ｐである。
【００２０】
図２のグラフにおいて、時刻ｔ１からｔ２までの時間帯の時系列波形Ｅ（ｔ）の曲線を拡大して図３（ａ）に示す。今、図３（ａ）では、時刻ｔ１からｔ２までの時間を３等分して、その１つを時間間隔ｑで表し、さらに、時間間隔ｑをｎ等分し、その１つを時間間隔ｒで表す。そして、この最小時間間隔ｒ毎に時系列波形Ｅ（ｔ）を構成するデータが制御装置２０の記憶回路２１に記憶されているとする。
【００２１】
図３（ｂ）〜図３（ｅ）は、図３（ａ）の時系列波形Ｅ（ｔ）から所定の時間間隔でデータ（演算用電場強度データ）を抽出し、それぞれ再構成した時系列波形を示す。図３（ｂ）は、時刻ｔ１から時間間隔ｑ毎に記憶回路２１からデータを抽出して構成した時系列波形Ｅ（ｔ＋０ｒ）であり、この波形は記憶回路２１の第１の記憶領域に格納される。図３（ｃ）は、時刻ｔ１＋ｒを基準に時間間隔ｑ毎に記憶回路２１からデータを抽出して構成した時系列波形Ｅ（ｔ＋１ｒ）であり、この波形は記憶回路２１の第２の記憶領域に格納される。図３（ｄ）は、時刻ｔ１＋２ｒを基準に時間間隔ｑ毎に記憶回路２１からデータを抽出して構成した時系列波形Ｅ（ｔ＋２ｒ）であり、この波形は記憶回路２１の第３の記憶領域に格納される。このように、時間間隔ｒづつずらして時系列波形を取得し、ｑ／ｒ個（ｎ個）の波形を記憶領域に格納する。図３（ｅ）は、時刻ｔ１＋（ｎ−１）ｒを基準に時間間隔ｑ毎に記憶回路２１からデータを抽出して構成した時系列波形Ｅ（ｔ＋（ｎ−１）ｒ）であり、この波形は記憶回路２１の第ｎの記憶領域に格納される。最終的には、図２の時系列波形Ｅ（ｔ）の全領域（遅延時間ｐ）にわたってｑ／ｒ個の波形を各々の記憶領域に格納する。
【００２２】
制御装置２０の演算回路２２によりこれらのｑ／ｒ個の時系列波形をそれぞれフーリエ変換する。
図４は、図３（ａ）の時系列波形Ｅ（ｔ）にフーリエ変換を施して得られたスペクトル波形のグラフである。横軸は周波数、縦軸はスペクトル強度を表す。図３（ｂ）〜図３（ｅ）の時系列波形にそれぞれフーリエ変換を施して得られたスペクトル波形も類似の曲線となる。これらのスペクトル波形はディスプレイ２３の画面上に表示される。
【００２３】
フーリエ変換によりスペクトル波形はｑ／ｒ個得られ、各々のスペクトル波形に振幅情報と位相情報が含まれている。ｎ番目の時系列波形Ｅ（ｔ＋（ｎ−１）ｒ）についてフーリエ変換の結果得られた振幅情報を｜Ｅｎ（ω）｜、位相情報をθｎ（ω）と表す。振幅情報｜Ｅｎ（ω）｜と位相情報θｎ（ω）は、それぞれｑ／ｒ個得られる。
【００２４】
ｑ／ｒ個の振幅情報｜Ｅｎ（ω）｜は、積算し平均をとることでホワイトノイズを１／√（ｑ／ｒ）に低減させることができる。ホワイトノイズとは、図４のスペクトル波形の全周波数域でほぼ一律に重複しているノイズである。積算および平均化演算は演算回路２２で実行され、ホワイトノイズが低減した振幅情報｜Ｅ（ω）｜は、式１に示される。
【数１】
【００２５】
また、ｑ／ｒ個の位相情報θｎ（ω）も、積算し平均をとることでホワイトノイズを低減させることができる。しかし、位相情報の場合は、時間間隔ｒづつずらして時系列波形を取得しているので、フーリエ変換後に積算および平均化処理を行う際には、それぞれの周波数に応じた位相補正が必要になる。位相補正、積算および平均化演算は演算回路２２で実行され、ホワイトノイズが低減した位相情報θ（ω）は、式２に示される。式２において位相補正項は、ｒω（ｎ−１）である。
【数２】
【００２６】
以上の演算により、ホワイトノイズが低減した振幅情報｜Ｅ（ω）｜と位相情報θ（ω）が得られる。振幅情報｜Ｅ（ω）｜と位相情報θ（ω）の両者を用いて、例えば半導体材料の屈折率や誘電率などを算出できるが、振幅情報｜Ｅ（ω）｜のみを用いて算出できる物性値の場合は、位相情報θ（ω）に関わる演算を省略することができる。なお、本実施の形態では、１回の時間遅延動作で図２の時系列波形を得ているが、ｍ回の時間遅延動作を行いｍ個の時系列波形を取得し、各々の時系列波形について上述した演算と平均化を行えば、データ数がｍ倍になるので、ノイズの低減効果は、より一層大きくなる。なお、本発明は、ノイズの低減のみを目的とするものではなく、測定時間を大幅に短縮する目的もある。
【００２７】
本発明は、上記の実施の形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、時間遅延装置１０をプローブパルス光の光路に挿入する代わりに、ポンプパルス光（ポンプパルス光Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４）の光路に挿入し、テラヘルツパルス光Ｌ５発生の時間遅延を行ってもよい。また、テラヘルツパルス光測定装置１００に試料Ｓを２次元移動させる走査機構を設けて走査型イメージング装置としてもよい。この場合は、時間遅延動作を行う回数が多いので、測定時間短縮の効果が大きい。
また、テラヘルツパルス光測定装置１００は透過式の装置であるが、試料からの反射光を検出する反射式の装置としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態に係るテラヘルツパルス光測定装置の構成を模式的に示す全体構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るテラヘルツパルス光測定装置により計測された時系列波形Ｅ（ｔ）のグラフである。
【図３】図２の時系列波形Ｅ（ｔ）曲線を拡大して示す図である。図３（ａ）は、時刻ｔ１からｔ２までの時間帯の時系列波形Ｅ（ｔ）を示し、図３（ｂ）〜図３（ｅ）は、図３（ａ）の時系列波形Ｅ（ｔ）から所定の時間ずらしてデータを抽出し、それぞれ再構成した時系列波形を示す。
【図４】図３（ａ）の時系列波形Ｅ（ｔ）にフーリエ変換を施して得られたスペクトル波形のグラフである。
【符号の説明】
【００２９】
１：レーザ光源
２：ビームスプリッタ
５：テラヘルツ光発生器
８：テラヘルツ光検出器
１０：時間遅延装置
１１：折り返しミラー
１２：可動ステージ
１３：リニアエンコーダ
１６：Ａ／Ｄ変換回路
１７：同期回路
１８：ステージコントローラ
２０：制御装置
２１：記憶回路
２２：演算回路
２３：ディスプレイ
１００：テラヘルツパルス光測定装置
Ｌ１：レーザパルス光
Ｌ２〜Ｌ４：ポンプパルス光
Ｌ５〜Ｌ８：テラヘルツパルス光
Ｌ９〜Ｌ１１：プローブパルス光
Ｓ：試料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプパルス光の照射によりテラヘルツパルス光を発生するテラヘルツ光発生器と、
前記テラヘルツ光発生器で発生したテラヘルツパルス光を試料へ照射する光学系と、
前記光学系を介してテラヘルツパルス光が照射された試料からのテラヘルツパルス光をプローブパルス光の照射により電場強度信号として検出するテラヘルツ光検出器と、
前記テラヘルツパルス光が前記テラヘルツ光検出器へ到達する時間と前記プローブパルス光が前記テラヘルツ光検出器へ到達する時間との時間差を連続的に変更する時間遅延装置と、
前記時間遅延装置による一回の時間遅延動作において、所定のサンプリング間隔で取得された電場強度信号のデータを記憶する記憶回路と、
前記記憶回路に記憶された前記時間遅延装置の位置情報に基づいて複数の演算用電場強度データを抽出し、これら複数の演算用電場強度データを演算処理して測定結果を算出する演算回路とを備えたことを特徴とするテラヘルツパルス光測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載のテラヘルツパルス光測定装置において、
前記抽出された複数の演算用電場強度データはそれぞれ時系列波形データであり、
前記演算回路は、前記時系列波形データのそれぞれをフーリエ変換して得られる複数の振幅情報を平均化処理してその振幅を算出することを特徴とするテラヘルツパルス光測定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のテラヘルツパルス光測定装置において、
前記抽出された複数の演算用電場強度データはそれぞれ時系列波形データであり、
前記演算回路は、前記時系列波形データのそれぞれをフーリエ変換して得られる複数の位相情報を平均化処理してその位相を算出することを特徴とするテラヘルツパルス光測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載のテラヘルツパルス光測定装置において、
前記演算回路は、前記複数の位相情報を平均化処理して位相を算出する際、前記電場強度信号のサンプリング間隔に応じて前記時系列波形データに含まれる位相ずれを補正することを特徴とするテラヘルツパルス光測定装置。
【請求項５】
ポンプパルス光の照射によりテラヘルツパルス光を発生させ、
前記発生したテラヘルツパルス光を試料へ照射し、
前記ポンプパルス光により発生したテラヘルツパルス光がテラヘルツ光検出器へ到達するタイミングとプローブパルス光によりテラヘルツパルス光を電場強度信号として検出するタイミングとを連続的に変更しながら、前記試料からのテラヘルツパルス光を検出し、
前記タイミングを連続的に変更する一回の時間遅延動作において、前記検出された電場強度信号のデータを所定のサンプリング間隔で取得して記憶し、
前記記憶された前記電場強度信号のデータに基づいて複数の演算用電場強度データを抽出し、これら複数の演算用電場強度データを演算処理して測定結果を得ることを特徴とするテラヘルツパルス光測定方法。
【請求項１】
ポンプパルス光の照射によりテラヘルツパルス光を発生するテラヘルツ光発生器と、
前記テラヘルツ光発生器で発生したテラヘルツパルス光を試料へ照射する光学系と、
前記光学系を介してテラヘルツパルス光が照射された試料からのテラヘルツパルス光をプローブパルス光の照射により電場強度信号として検出するテラヘルツ光検出器と、
前記テラヘルツパルス光が前記テラヘルツ光検出器へ到達する時間と前記プローブパルス光が前記テラヘルツ光検出器へ到達する時間との時間差を連続的に変更する時間遅延装置と、
前記時間遅延装置による一回の時間遅延動作において、所定のサンプリング間隔で取得された電場強度信号のデータを記憶する記憶回路と、
前記記憶回路に記憶された前記時間遅延装置の位置情報に基づいて複数の演算用電場強度データを抽出し、これら複数の演算用電場強度データを演算処理して測定結果を算出する演算回路とを備えたことを特徴とするテラヘルツパルス光測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載のテラヘルツパルス光測定装置において、
前記抽出された複数の演算用電場強度データはそれぞれ時系列波形データであり、
前記演算回路は、前記時系列波形データのそれぞれをフーリエ変換して得られる複数の振幅情報を平均化処理してその振幅を算出することを特徴とするテラヘルツパルス光測定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のテラヘルツパルス光測定装置において、
前記抽出された複数の演算用電場強度データはそれぞれ時系列波形データであり、
前記演算回路は、前記時系列波形データのそれぞれをフーリエ変換して得られる複数の位相情報を平均化処理してその位相を算出することを特徴とするテラヘルツパルス光測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載のテラヘルツパルス光測定装置において、
前記演算回路は、前記複数の位相情報を平均化処理して位相を算出する際、前記電場強度信号のサンプリング間隔に応じて前記時系列波形データに含まれる位相ずれを補正することを特徴とするテラヘルツパルス光測定装置。
【請求項５】
ポンプパルス光の照射によりテラヘルツパルス光を発生させ、
前記発生したテラヘルツパルス光を試料へ照射し、
前記ポンプパルス光により発生したテラヘルツパルス光がテラヘルツ光検出器へ到達するタイミングとプローブパルス光によりテラヘルツパルス光を電場強度信号として検出するタイミングとを連続的に変更しながら、前記試料からのテラヘルツパルス光を検出し、
前記タイミングを連続的に変更する一回の時間遅延動作において、前記検出された電場強度信号のデータを所定のサンプリング間隔で取得して記憶し、
前記記憶された前記電場強度信号のデータに基づいて複数の演算用電場強度データを抽出し、これら複数の演算用電場強度データを演算処理して測定結果を得ることを特徴とするテラヘルツパルス光測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−２６６９０８（Ｐ２００６−２６６９０８Ａ）
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−８６２６２（Ｐ２００５−８６２６２）
【出願日】平成１７年３月２４日（２００５．３．２４）
【出願人】（５９２１７１１５３）株式会社栃木ニコン (34)
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月２４日（２００５．３．２４）
【出願人】（５９２１７１１５３）株式会社栃木ニコン (34)
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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