テラヘルツ波測定装置およびテラヘルツ波測定方法
【課題】 本発明は、テラヘルツ波を用いて物性の測定を行うテラヘルツ波測定装置およびテラヘルツ波測定方法に関する。
【解決手段】 本発明のテラヘルツ波測定装置は、本発明のテラヘルツ波測定装置は、パルスレーザーをポンプ光とプローブ光とに分割するビームスプリッターと、ポンプ光の入射によりテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生器と、入射されたプローブ光から複数のパルスを生成するパルス列発生部と、パルス列をテラヘルツ波検出器に入射し、テラヘルツ波検出器に入射されたテラヘルツ波の電場の時間的変化を複数のパルスに基づいて測定するテラヘルツ波測定部とを備える、よう構成する。
【解決手段】 本発明のテラヘルツ波測定装置は、本発明のテラヘルツ波測定装置は、パルスレーザーをポンプ光とプローブ光とに分割するビームスプリッターと、ポンプ光の入射によりテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生器と、入射されたプローブ光から複数のパルスを生成するパルス列発生部と、パルス列をテラヘルツ波検出器に入射し、テラヘルツ波検出器に入射されたテラヘルツ波の電場の時間的変化を複数のパルスに基づいて測定するテラヘルツ波測定部とを備える、よう構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を用いて物性の測定を行うテラヘルツ波測定装置およびテラヘルツ波測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波は周波数が０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの周波数を持つ電磁波であり、プラスチックや紙、布などのソフトマテリアルを透過し、また物質特有の吸収スペクトル、いわゆる指紋スペクトルを有するために物質の同定が可能である。
【０００３】
テラヘルツ波測定の方法の一つとしてテラヘルツ時間領域分光法が知られている。その方法を用いた測定の原理は、テラヘルツ波の伝播経路に被測定物を置き、この被測定物を透過したテラヘルツ波の電場の時間波形を測定すると共に、テラヘルツ波の伝播経路に何も置かない状態で同様にテラヘルツ波の時間波形を測定する。２つの測定で得られた時間波形をフーリエ変換してテラヘルツ波の振幅と位相（時間遅れ）の情報、即ちスペクトルを求める。このスペクトルを既知の物質のスペクトルとパターンマッチングすることにより被測定物を同定するものである。
【０００４】
テラヘルツ波測定装置としての構成と動作の一般例を次に説明する。まず、光源として超短パルスレーザーを用い、この超短パルスレーザーをビームスプリッターにより２つに分割して一方のビームをポンプ光（励起光）、他方をプローブ光（検出光）とする。ポンプ光をテラヘルツ波発生用光伝導アンテナ（以降、テラヘルツ波発生器、または単に発生器とも言う）に入射してテラヘルツ波を発生させ、集光して被測定物に照射する。テラヘルツ波の照射により被測定物を透過したテラヘルツ波はテラヘルツ波検出用光伝導アンテナ（以降、テラヘルツ波検出器、または単に検出器とも言う）に入射する。一方、プローブ光は時間遅延ステージを介してテラヘルツ波検出器に入射する。テラヘルツ波検出器では、プローブ光の入射したタイミングのテラヘルツ波電場に比例した電流が流れ、その電流をロックインアンプなどにより測定する。時間遅延ステージを徐々に動かすことにより、テラヘルツ波に対するプローブ光のタイミングが徐々に変化し、テラヘルツ波の電場の実時間変化（上記の時間波形）が測定できる。更に、時間波形をフーリエ変換して被測定物の分光スペクトルを取得できる。
【０００５】
この分光スペクトルの周波数分解能は時間波形の測定範囲の逆数になるため、周波数分解能を向上させるには時間波形の測定範囲を広げる必要がある。そのため、ロックインアンプで検出信号を測定しながら時間遅延ステージで長い（例えば１０ｍｍ程度）距離を動かす必要があり、測定時間が長いという問題があった。
【０００６】
この問題に対し、被測定物を透過した時間波形の測定範囲をパルス近傍のみに限定し、時間波形の振幅および位相（時間遅れ）情報のみを測定することにより、時間波形の測定時間を短縮する方法が知られている。
【０００７】
また、テラヘルツ波検出器および検出信号測定器からなる複数のテラヘルツ波検出手段を設け、プローブ光を複数に分岐して光路差を変えたものをそれぞれのテラヘルツ波検出器に入射することによって、テラヘルツ波時間波形における複数の点を１回のパルスで同時に取得する方法が知られている。例えば、４つの異なる光路差をつけたプローブ光を４組のテラヘルツ波検出手段に入射することによって時間遅延ステージの移動距離を１／４とし、時間波形の取得時間を１／４に短縮するものである。
【０００８】
更に、階段状のミラーにプローブ光を入射し、反射距離の違いにより時間遅延を起こさせる光学遅延素子を設け、テラヘルツ波測定に適用することが知られている。例えば、各段の長さが５μｍで幅が２５μｍで１０００段の光学遅延素子にプローブ光を入射することによって、３３ｆｓｅｃ刻みで３３ｐｓｅｃの空間的な光学遅延のついたプローブ光を生成し、プローブ光ビーム内で光学遅延の付いた各領域を分岐してテラヘルツ波検出器に入射するものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ch.Fattinger and D.Grischkowsky, “TeraHz Beams”, Applied Physics Letters, Vol.54, 490-492 (1989).
【非特許文献２】Pradarutti,B.; Matthaus,G.; Riehemann,S.;Notni,G.; Note,s.; Tunnertrmann,A., “Advanced analysis concepts for terahertz time domain imaging”, Optics Communications, Vol.278, 248〜254 (2007).
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特願２００５−５０７２３８（ＷＯ２００４／１１３８８５）
【特許文献２】特開２０１０−１２７８３１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記に示したように、テラヘルツ時間領域分光法によるテラヘルツ波測定においては、テラヘルツ波の時間波形を高い分解能で測定するために時間遅延ステージの移動距離を長くする必要があり、測定時間が長いという問題があった。
【００１２】
また、上記した時間波形の測定範囲をパルス近傍のみに限定する方法は、被測定物が薄いか屈折率が小さい場合は問題がないが、厚みや屈折率が大きい場合は時間波形の測定において測定範囲を狭くできず、この点の考慮がなされていないという問題がある。
【００１３】
また、プローブ光を複数に分岐して光路差を変え、複数のテラヘルツ波検出手段を設ける方法は測定時間を短縮できるが、ロックインアンプなどの高価な増幅器を複数台備える必要があるためコストが増大すると言う問題がある。また、光学系も複雑になるため、調整に時間が掛かる、言う問題もある。
【００１４】
また、階段状のミラーを設けて反射距離の違いにより時間遅延を起こさせる光学遅延素子を用いる方法は、プローブ光のビーム内で光学遅延の付いた各領域を分岐してそれぞれ別のテラヘルツ検出器に入射する必要があり、上記と同様にロックインアンプなどの高価な増幅器が多数必要になるためコストが増大し、光学系も非常に複雑になる。
【００１５】
本発明は、上記の問題を解決するために考案されたもので、安価で、且つ簡素な構成でテラヘルツ波の時間波形を短時間に測定することが可能なテラヘルツ波測定装置とテラヘルツ波測定方法と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】
【００１６】
発明の一観点によれば、本発明のテラヘルツ波測定装置は、パルスレーザーをポンプ光とプローブ光とに分割するビームスプリッターと、ポンプ光の入射によりテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生器と、入射されたプローブ光から複数のパルスを生成するパルス列発生部と、パルス列をテラヘルツ波検出器に入射し、テラヘルツ波検出器に入射されたテラヘルツ波の電場の時間的変化を複数のパルスに基づいて測定するテラヘルツ波測定部とを備えるテラヘルツ波測定装置が提供される。
【００１７】
また、発明の他の一観点によれば、本発明のテラヘルツ波測定方法は、パルスレーザーをポンプ光とプローブ光とに分割するビーム分割手順と、ポンプ光を入射してテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生手順と、プローブ光を入射しプローブ光から複数のパルスを生成するパルス列発生手順と、パルス列をテラヘルツ波検出器に入射し、テラヘルツ波検出器に入射されたテラヘルツ波の電場の時間的変化を複数のパルスに基づいて測定するテラヘルツ波測定手順と、を有するテラヘルツ波測定方法が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のテラヘルツ波測定装置およびテラヘルツ波測定方法により、生成した複数のパルスにより一括してテラヘルツ波の時間波形が取得できるので、時間遅延ステージの移動はパルス列のパルス数分の１の移動で済み、測定時間を短縮可能なテラヘルツ波測定装置及びテラヘルツ波測定方法を提供することができる。また、本発明のテラヘルツ波測定装置は、パルス列発生器を一般的な構成に新たに付加するだけでよいので、短時間の測定を可能としながら、安価で、かつ簡素な構成で提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１のテラヘルツ波測定装置の構成例である。
【図２】実施例１のテラヘルツ波測定装置のパルス列生成機構の構造例である。
【図３】実施例１のテラヘルツ波測定装置における時間波形測定例である。
【図４】実施例２のテラヘルツ波測定装置の構成例ある。
【図５】実施例３のテラヘルツ波測定装置のパルス列生成機構の構造例である。
【図６】実施例３のテラヘルツ波測定装置の可変パルス列生成ブロックの構造例である。
【図７】実施例３のテラヘルツ波測定装置における異なる時間間隔のパルス列による測定例である。
【図８】実施例４のパルス列生成ブロック例である。
【図９】従来技術のテラヘルツ波時間波形測定装置の構成例である。
【図１０】テラヘルツ波光伝導アンテナの構造例である。
【図１１】テラヘルツ波時間波形における振幅と位相(時間遅れ)例である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の特徴を明確にするために、実施形態の説明の前に一般的な構成のテラヘルツ波測定装置例を図９を用いて説明する。
【００２１】
図９において、テラヘルツ波測定装置１００の光源は、１００ｆｓｅｃ程度、若しくはそれ以下で波長が８００ｎｍ、繰り返し周波数が５０ＭＨｚの超短パルスレーザー１を用いる。超短パルスレーザー１から出射したビームはビームスプリッター２によりポンプ光３とプローブ光１１の２つのビームに分割される。ポンプ光３はミラー４ａを介してプラスチック製の集光レンズ８ａにより集光されてテラヘルツ波発生器５に入射し、半値幅が1ｐｓｅｃ程度、若しくはそれ以下のパルステラヘルツ波７（以降、単にテラヘルツ波という）を発生させる。テラヘルツ波発生器５にはバイアス電圧６が印加されている。テラヘルツ波発生器５で発生したテラヘルツ波７は、集光レンズ８ｂ若しくは図示しない放物面ミラーを用いて集光され、被測定物９に入射する。被測定物９を透過したテラヘルツ波７は、再び集光レンズ８ｃを介してテラヘルツ波検出器１０に集光して入射する。
【００２２】
ビームスプリッター２で分割されたもう一方のビームであるプローブ光１１は、ミラー４ｂ、折り返しミラー１２、直動ステージ１３、ステージ制御装置１４、およびミラー４ｃから構成される時間遅延機構１５に入射する。そして、時間遅延機構１５から出射したプローブ光１１はミラー４ｄ、ミラー４ｅおよび集光レンズ８ｄを介して、テラヘルツ波検出器１０に入射される。テラヘルツ波検出器１０では、プローブ光１１である超短パルスレーザーが入射したタイミングと同じタイミングのテラヘルツ波７の電場に比例した電流が流れる。その電流はピコアンペアオーダーの微小信号であるが、ロックインアンプ１６により測定し、測定された値はデータ記録部１７で記録される。時間遅延機構１５の直動ステージ１３を徐々に動かすことにより、テラヘルツ波７に対するプローブ光１１の波形取得のタイミングが徐々に変化するので、被測定物９を透過したテラヘルツ波７の電場の実時間変化（時間波形）が測定できる。更に、時間波形をフーリエ変換することにより、テラヘルツ波領域での被測定物９の分光スペクトルを取得できる。なお、前述の背景技術で説明した時間遅延ステージは、ここで説明した時間遅延機構１５の直動ステージ１３に当たる。
【００２３】
上記で説明したテラヘルツ波発生器５は、例えば、図１０に示すように、ＧａＡｓ基板５ａ上に低温成長ＧａＡｓ層５ｂが成膜されており、その上にＮｉによりダイポール型のアンテナ電極５ｃが形成されたものである。ダイポールの幅は１０μｍ、間隔は１０μｍであり、電極間隔は３０μｍである。基板裏面には、発生したテラヘルツ波７を効率的に自由空間に放射できるように、例えば直径１０ｍｍのＳｉ半球レンズ５ｄが配置されている。このアンテナ電極５ｃ間に電圧源６からバイアス電圧を印加すると、パルス幅が１ｐｓｅｃもしくはそれ以下のテラヘルツ波７が球面波で放射される。このテラヘルツ波７をポリエチレンなどのプラスチックで形成された集光レンズ８ｂ（もしくは放物面ミラー）を用いて集光し、被測定物９に入射するのである。テラヘルツ波検出器１０の構造はテラヘルツ波発生器５と同一である。
【００２４】
テラヘルツ波検出器１０では、被測定物９をテラヘルツ波７の伝播路中に置かない場合と置いた場合のテラヘルツ波の時間波形を測定する。図１１の上の図は被測定物９を置かない場合の波形を示し、下の図は被測定物９を置いた場合の波形を示している。下の図に示されるように、被測定物９を通過することで振幅と位相が変化していることが判る。
【００２５】
（実施例１）
本発明のテラヘルツ波測定装置１０１を、図１を用いて説明する。図１はテラヘルツ波測定装置１０１の構成例を示し、図９に示した従来技術のテラヘルツ波測定装置１００に合わせて描いた図である。図１において図９と異なる箇所は、プローブ光１１がテラヘルツ波検出器１０に入射する前にパルス列生成機構２０を設けた点であり、他の構成は図９と同一である（図９と同じ構成要素は同一の符号を付けている）。パルス列生成機構２０は、ビームエキスパンダー２１とパルス列生成ブロック２２とで構成する。
【００２６】
パルス列生成機構２０について、図２を参照して詳細を説明する。図２（ａ）は、パルス列生成ブロック２２の形状を側面図（左側の図）と正面図（右側の図）で示した図である。パルス列生成ブロック２２は、屈折率が１．５の光学ガラスを素材として用い、側面図に示すように幅が３ｍｍ、高さが３ｍｍの６段の階段を形成している。パルス列生成ブロック２２の正面は１８ｍｍの正方形を成している。ここでは、階段を形成した段差面（図２（ａ）の正面図）にプローブ光を入射する。入射面と、その反対側の裏面には無反射コートを施し、この面からの反射を抑制している。パルス列生成ブロック２２の形成方法は、ガラスブロックを研削加工した後に光学研磨しているが、両面に無反射コートした厚さ３ｍｍのガラス板を組み合わせて密着させてもよい。いずれの方法でも一般的なガラス加工技術を用いて安価に作成することが可能である。
【００２７】
パルス列は、図２（ｂ）に示すようにパルス列生成ブロック２２の入射面側にビームエキスパンダー２１を配置し、ビームエキスパンダー２１にプローブ光１１を入射して生成する。より詳細には、ビームエキスパンダー２１に右方から入射したプローブ光１１はビームエキスパンダー２１で直径１８ｍｍのビーム径になるように拡大されて出射し、パルス列生成ブロック２２に入射する。パルス列生成ブロック２２に入射したブロック光１１は屈折率ｎ、厚さＴのパルス列生成ブロック２２の媒質を通り、（ｎ−１）・Ｔ／ｃだけ時間遅れが生じる（ここで、ｃは光速である）。各階段において正面から背面に向かう光路のパス（即ち、厚さＴ）の差により、パルス列生成ブロック２２を透過したビームは、５ｐｓｅｃ間隔で６個のパルス列に空間的・時間的に分割されることになる。パルス列生成ブロック２２の最も短いパス（図２（ｂ）の下方の階段）を透過したプローブ光１１は、入射したプローブ光１１に対して５ｐｓｅｃの遅れが生じ、最も長いパス（図２（ｂ）の上方の階段）を透過したプローブ光１１は３０ｐｓｅｃの遅れが生じる。
【００２８】
図２（ｃ）は、生成されたパルス列を模式的に示した図である。左の図は、入射したプローブ光１１に対して生成されたパルス列を示している。また、右の図は、パルス列生成ブロック２２から出射したプローブ光１１のビームスポットにおける時間遅れを模式的に示した図である。左の図で各ビームの強度が中央部で強くなっている理由は、入射したプローブ光１１のビーム内の強度分布はガウス分布を成しており、最も強度が強いビームスポットの中央部分は右の図に示されるようにビームスポットにおける時間遅れの１５ｐｓｅｃや２０ｐｓｅｃに対応していることによる。
【００２９】
なお、実施例１では、パルス列生成ブロック２２の階段を形成した面から拡大したプローブ光１１を入射したが、階段を形成した面の反対の面からプローブ光１１を入射させてもよい。
【００３０】
次に図３を参照して、実施例１のテラヘルツ波測定装置１０１の作用について説明する。図３（ａ）は、被測定物９がない場合のテラヘルツ波の波形であり、図３（ｂ）は被測定物９を伝播路中に置いた場合の波形を示す。また、図３（ｃ）はテラヘルツ波検出器１０に入射したパルス列を示す。テラヘルツ波検出器１０では、前述の通り、プローブ光１１の入射したタイミングと同じタイミングのテラヘルツ波電場を測定できる。５ｐｓｅｃ間隔で６個のパルス列をテラヘルツ波検出器１０に入射すると、テラヘルツ波７の５ｐｓｅｃ置きの電場の和に比例した電流が流れる。従って、時間遅延機構１５を５ｐｓｅｃ分、即ち０．７５ｍｍ（ミラーを動かすことで往復分の距離が伸びるので移動距離は、遅延時間×光速×（１／２）となる。５ｐｓｅｃの遅延させるためには、(５×１０-12)×（３×１０8）／２＝７．５×１０-４ｍとなる）動かしながら、テラヘルツ波検出器１０の電流信号を測定することによって、テラヘルツ波７の時間波形を取得できる。更に、被測定物９により生じるテラヘルツ波７の時間遅れが３０ｐｓｅｃあっても、時間遅延機構１５を動かす距離はパルス列の時間間隔である５ｐｓｅｃ分であり、高速化を実現できる。
【００３１】
以上で説明したように、実施例１のテラヘルツ波測定装置１０１では、一般的な構成のテラヘルツ波測定装置１００にビームエキスパンダー２１およびパルス列生成ブロック２２からなるパルス列生成機構２０を追加するだけの簡易な構成で、時間波形を短時間で取得することが可能である。また、パルス列生成機構２０は安価な材料で製作でき、大幅なコストアップにはならない。
【００３２】
（実施例２）
実施例１では、プローブ光１１を階段状のパルス列生成ブロック２２に「透過」させて等間隔のパルス列を生成させたが、実施例２では、プローブ光１１を階段状のパルス列生成ブロック３４に「反射」させて等間隔のパルス列を生成させものである。
【００３３】
実施例１と同様に、実施例２のテラヘルツ波測定装置１０２の構成を図４に示すが、パルス列生成機構３０以外の構成については実施例１と同様であるので、パルス列生成機構３０のみについて説明する。
【００３４】
図４に示すように、パルス列生成機構３０はビームエキスパンダー３１、ミラー３２、ビームスプリッター３３、およびパルス列生成ブロック３４から構成する。ビームエキスパンダー３１は実施例１のビームエキスパンダー２１と同一のものである。パルス列生成ブロック３４は実施例１のパルス列生成ブロック２２の表面に高反射コートをしたものでよく、寸法も同様である。次に、パルス列生成の仕組みを説明する。
【００３５】
まず、実施例１と同様にプローブ光１１のレーザービームをビームエキスパンダー３１に入射し、直径１８ｍｍのビーム径になるように拡大する。ビーム径が拡大されたプローブ光１１は、ミラー３２、ビームスプリッター３３を介してパルス列生成ブロック３４に入射する。階段状のパルス列生成ブロック３４で反射したプローブ光１１のビームは、反射位置の違いにより光路差が生じ、５ｐｓｅｃ間隔で６個のパルス列に空間的、時間的に分割される。このパルス列をビームスプリッター３３により反射してテラヘルツ波検出器１０に入射する。なお、本発明の実施例２のテラヘルツ波測定装置１０２の作用は実施例１と同様である。
【００３６】
以上で説明したように、実施例２のテラヘルツ波測定装置１０２では、ビームエキスパンダー３１、ミラー３２、ビームスプリッター３３、パルス列生成ブロック３４からなるパルス列生成機構３０を追加するだけの簡易な構成で、時間波形を短時間で取得することが可能である。また、パルス列生成機構２０は安価に製作できるので大幅なコストアップにはならない。更に、反射光学系で構成しているため、媒質の波長分散によるパルス幅の伸張がないため、より正確に時間波形を取得できる。
【００３７】
（実施例３）
実施例３も、実施例２と同様にプローブ光１１を階段状の反射面に反射させてパルス列を生成するものであるが、実施例３では階段を移動して反射面の光路差を変え、２種類の異なる等間隔のパルス列を生成するものである。
【００３８】
実施例３は、図５に示すようにパルス列生成機構４０は、実施例２のパルス列生成機構３０のパルス列生成ブロック３４以外の構成については実施例２と同様であるので、パルス列生成ブロック３４に対応する可変パルス列生成ブロック５０のみについて説明する。
【００３９】
図６は、可変パルス列生成ブロック５０の構成をより詳細に示し、図６（ａ）に正面図を、図６（ｂ）に側面図を示す。入射するプローブ光１１を反射する面が正面である。図６に示されるように、可変パルス列生成ブロック５０は反射体５１、バネ５３、押し当て板５４、直動ステッピングモーターステージ５５を有している。反射体５１は、厚さ３ｍｍのガラス板の一つの端面を光学研磨し反射コート５２を施したもので６枚を重ね合わせている。反射コート５２を施した面が正面である。それぞれの反射体５１は、正面と反対方向（図６（ｂ）の右方向）にバネ５３によって付勢されている。また、反射体５１の背面は押し当て板５４によって押し当てられている。そして、その押し当て板５４は直動ステッピングモーターステージ５５により下方の端部を支点として反射体５１を図６（ｂ）の左右に可動させることができる。即ち、直動ステッピングモーターステージ５５を制御することで、６段の反射体の段差を変えることができる、これにより生成されるパルス列の時間間隔を変えることができる。パルス列生成の仕組みは実施例２と同様であるので省略する。
【００４０】
次に、実施例３のテラヘルツ波測定装置の作用を説明する。テラヘルツ波の時間波形を短時間で取得できることは言うまでもないが、２種類のパルス列間隔でテラヘルツ波時間波形を取得し、解析することでより正確に位相（時間遅れ）情報を取得することが可能である。例えば、テラヘルツ波領域での屈折率が１．３で厚みが２２ｍｍの媒質（時間遅れは２２ｐｓｅｃ）を測定する例で考える。図７は、図７（ａ）にテラヘルツ波の波形を、図７（ｂ）に５ｐｓｅｃのパルス列と測定波形を、そして図７（ｃ）に６ｐｓｅｃのパルス列と測定波形を示している。図７（ｂ）に示すように、パルス列の時間間隔を５ｐｓｅｃとした場合には、図７（ｂ）の右図に示されるように２ｐｓｅｃの位置にテラヘルツ波パルスのピークが測定され、被測定物の時間遅れが５Ｎ＋２ｐｓｅｃ（Ｎは整数）と推測できる。一方、パルス列の時間間隔を６ｐｓｅｃにして測定した場合には、図７（ｃ）の右図に示されるように４ｐｓｅｃの位置にピークが測定され、被測定物の時間遅れが６Ｍ＋４ｐｓｅｃ（Ｍは整数）と推測できる。これら２つの測定結果から、（Ｎ，Ｍ）＝（４，３）、（８，６）、（１２，９）等に推測できるが、６個のパルス列でテラヘルツ波パルスを測定できていることを考慮すると、（Ｎ，Ｍ）＝（４，３）と確定でき、時間遅れが２２ｐｓｅｃであることを検出できる。一般的な方法では、２２ｐｓｅｃ分だけ時間遅延機構１５を動かす必要があったが、本発明の実施例３のテラヘルツ波測定装置では、５＋６＝１１ｐｓｅｃ分だけ時間遅延機構１５を動かせばよいので、時間波形の取得時間の短縮が実現できる。もちろん、パルス列数が多い場合、理論的には（２つのパルス列間隔の最小公倍数）×（整数）ｐｓｅｃの不確かさは残るが、テラヘルツ波が透過できる媒質の屈折率と厚さを考慮すると、ほぼ問題ない。
【００４１】
以上で説明したように、本発明の実施例３のテラヘルツ波測定装置では、ビームエキスパンダー３１やミラー３２、可変パルス列生成ブロック５０、直動ステッピングモーターステージ５５などの比較的安価で製作可能なパルス列生成機構４０を追加するだけの簡易な構成で、時間波形を短時間で取得することが可能である。更に、パルス列の時間間隔を変えられるため、例えば２種類の時間間隔で時間波形を取得し解析することで、より正確に位相（時間遅れ）情報を取得できる。
【００４２】
（実施例４）
上記に示した実施例では、生成したパルス列の強度は入射したプローブ光１１のビーム内の強度分布に基づいて一定ではなかった。実施例４では、生成したパルス列の強度を一定とするものである。ここでは、実施例２に示した反射型のパルス列生成ブロック３４をパルス列生成ブロック６０に置き換えて、パルス列の強度を一定とする方法を示す。
【００４３】
図８はパルス列生成ブロック６０の例を示し、図８（ａ）は実施例４のパルス列生成ブロック６０の構造を正面図と側面図で示し、図８（ｂ）は反射面の入射光（プローブ光１１）の強度分布とその入射光に基づいて反射される各反射面の強度を示している。
【００４４】
図８（ａ）に示すように、パルス列生成ブロック６０は円筒形のガラスブロックを階段状に研削加工した入射面（正面が入射面となる）に高反射コート６１を施したものであり、実施例２と同様に階段の高さは３ｍｍと一定であるが、階段の幅を各段で変えている。入射されるプローブ光１１のレーザービームの強度は、ビームスポット内で図８（ｂ）に示すようなガウス分布で示されるため、各段の幅を調整して空間的・時間的に分割されたパルス列の各強度を一定になるようにしている。各円筒の半径は、例えばビーム直径１８ｍｍのビームをビーム半径内の強度を６等分することを考えると、ｄ１＝１．８０６ｍｍ、ｄ２＝３．６９ｍｍ、ｄ３＝５．７５２ｍｍ、ｄ４＝８．１７６ｍｍ、ｄ５＝１１．４１８ｍｍ、ｄ６＝１８ｍｍとすればよい。こうすることで、各段の反射面からの強度は一定となる。即ち、Ｐ１＝Ｐ２＝Ｐ３・・＝Ｐ６。
【００４５】
実施例４のテラヘルツ波測定装置の時間波形の測定においても、複数のパルス列によりその間隔分だけ時間遅延ステージを動かすことで時間波形を測定できることは、他の実施例と同様である。更に、パルス列の強度が一定であるため、位相情報だけでなく、振幅情報もより正確に取得することが可能である。
【００４６】
本発明の実施例４のテラヘルツ波測定装置は、実施例２と同様にパルス列生成機構２０を安価に製作できるので大幅なコストアップにはならない。更に、パルス列の強度が一定であるため、位相情報だけでなく振幅情報も正確に取得することができる。
【００４７】
なお、実施例１に示した透過型のパルス列生成ブロック２２を置き換える場合は、図８の高反射コート６１を設けず、替わりに無反射膜を階段を形成した面とその反対面に設ける。拡大したプローブ光１１の入射は階段を形成した面、またはその反対面から行なう。
【００４８】
以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載された構成、条件等に限られるものではなく、各種の変更が可能である。例えば、テラヘルツ波を発生させる手段としてテラヘルツ波光伝導アンテナを用いたが、ＺｎＴｅなどの非線形光学結晶、Ｓｉ、ＧａＰなどの半導体材料を用いることが可能である。また、テラヘルツ波を検出する手段でも、ＺｎＴｅなどの非線形光学結晶を用い、プローブ光の偏光方向の傾きとしてテラヘルツ電場を検出してもよい。更に、ここでは被測定物の１点を透過したテラヘルツ波の時間波形を取得する構成で説明してきたが、テラヘルツ波の光軸と垂直な平面上で被測定物を２次元走査することによりテラヘルツ波特性の２次元分布を知ることができる。
【００４９】
なお、上記した実施例はこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得るものである。
【符号の説明】
【００５０】
１ 超短パルスレーザー
２ ビームスプリッター
３ ポンプ光
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ ミラー
５ テラヘルツ波発生用光導電アンテナ（テラヘルツ波発生器）
５ａ ＧａＡｓ基板
５ｂ 低温成長ＧａＡｓ層
５ｃ アンテナ電極
５ｄ Ｓｉ半球レンズ
６ バイアス電圧
７ テラヘルツ波
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ 集光レンズ
９ 被測定物
１０ テラヘルツ波検出用光導電アンテナ（テラヘルツ波検出器）
１１ プローブ光
１２ 折り返しミラー
１３ 直動ステージ
１４ ステージ制御装置
１５ 時間遅延機構
１６ ロックインアンプ
１７ データ記録部
２０ パルス列生成機構
２１ ビームエキスパンダー
２２ パルス列生成ブロック
３０ パルス列生成機構
３１ ビームエキスパンダー
３２ ミラー
３３ ビームスプリッター
３４ パルス列生成ブロック
４０ パルス列生成機構
５０ 可変パルス列生成ブロック
５１ 反射体
５２ 反射コート
５３ バネ
５４ 押し当て板
５５ 直動ステッピングモーターステージ
６０ パルス列生成ブロック
６１ 高反射コート
１００ テラヘルツ波測定装置
１０１ テラヘルツ波測定装置
１０２ テラヘルツ波測定装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を用いて物性の測定を行うテラヘルツ波測定装置およびテラヘルツ波測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波は周波数が０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの周波数を持つ電磁波であり、プラスチックや紙、布などのソフトマテリアルを透過し、また物質特有の吸収スペクトル、いわゆる指紋スペクトルを有するために物質の同定が可能である。
【０００３】
テラヘルツ波測定の方法の一つとしてテラヘルツ時間領域分光法が知られている。その方法を用いた測定の原理は、テラヘルツ波の伝播経路に被測定物を置き、この被測定物を透過したテラヘルツ波の電場の時間波形を測定すると共に、テラヘルツ波の伝播経路に何も置かない状態で同様にテラヘルツ波の時間波形を測定する。２つの測定で得られた時間波形をフーリエ変換してテラヘルツ波の振幅と位相（時間遅れ）の情報、即ちスペクトルを求める。このスペクトルを既知の物質のスペクトルとパターンマッチングすることにより被測定物を同定するものである。
【０００４】
テラヘルツ波測定装置としての構成と動作の一般例を次に説明する。まず、光源として超短パルスレーザーを用い、この超短パルスレーザーをビームスプリッターにより２つに分割して一方のビームをポンプ光（励起光）、他方をプローブ光（検出光）とする。ポンプ光をテラヘルツ波発生用光伝導アンテナ（以降、テラヘルツ波発生器、または単に発生器とも言う）に入射してテラヘルツ波を発生させ、集光して被測定物に照射する。テラヘルツ波の照射により被測定物を透過したテラヘルツ波はテラヘルツ波検出用光伝導アンテナ（以降、テラヘルツ波検出器、または単に検出器とも言う）に入射する。一方、プローブ光は時間遅延ステージを介してテラヘルツ波検出器に入射する。テラヘルツ波検出器では、プローブ光の入射したタイミングのテラヘルツ波電場に比例した電流が流れ、その電流をロックインアンプなどにより測定する。時間遅延ステージを徐々に動かすことにより、テラヘルツ波に対するプローブ光のタイミングが徐々に変化し、テラヘルツ波の電場の実時間変化（上記の時間波形）が測定できる。更に、時間波形をフーリエ変換して被測定物の分光スペクトルを取得できる。
【０００５】
この分光スペクトルの周波数分解能は時間波形の測定範囲の逆数になるため、周波数分解能を向上させるには時間波形の測定範囲を広げる必要がある。そのため、ロックインアンプで検出信号を測定しながら時間遅延ステージで長い（例えば１０ｍｍ程度）距離を動かす必要があり、測定時間が長いという問題があった。
【０００６】
この問題に対し、被測定物を透過した時間波形の測定範囲をパルス近傍のみに限定し、時間波形の振幅および位相（時間遅れ）情報のみを測定することにより、時間波形の測定時間を短縮する方法が知られている。
【０００７】
また、テラヘルツ波検出器および検出信号測定器からなる複数のテラヘルツ波検出手段を設け、プローブ光を複数に分岐して光路差を変えたものをそれぞれのテラヘルツ波検出器に入射することによって、テラヘルツ波時間波形における複数の点を１回のパルスで同時に取得する方法が知られている。例えば、４つの異なる光路差をつけたプローブ光を４組のテラヘルツ波検出手段に入射することによって時間遅延ステージの移動距離を１／４とし、時間波形の取得時間を１／４に短縮するものである。
【０００８】
更に、階段状のミラーにプローブ光を入射し、反射距離の違いにより時間遅延を起こさせる光学遅延素子を設け、テラヘルツ波測定に適用することが知られている。例えば、各段の長さが５μｍで幅が２５μｍで１０００段の光学遅延素子にプローブ光を入射することによって、３３ｆｓｅｃ刻みで３３ｐｓｅｃの空間的な光学遅延のついたプローブ光を生成し、プローブ光ビーム内で光学遅延の付いた各領域を分岐してテラヘルツ波検出器に入射するものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ch.Fattinger and D.Grischkowsky, “TeraHz Beams”, Applied Physics Letters, Vol.54, 490-492 (1989).
【非特許文献２】Pradarutti,B.; Matthaus,G.; Riehemann,S.;Notni,G.; Note,s.; Tunnertrmann,A., “Advanced analysis concepts for terahertz time domain imaging”, Optics Communications, Vol.278, 248〜254 (2007).
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特願２００５−５０７２３８（ＷＯ２００４／１１３８８５）
【特許文献２】特開２０１０−１２７８３１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記に示したように、テラヘルツ時間領域分光法によるテラヘルツ波測定においては、テラヘルツ波の時間波形を高い分解能で測定するために時間遅延ステージの移動距離を長くする必要があり、測定時間が長いという問題があった。
【００１２】
また、上記した時間波形の測定範囲をパルス近傍のみに限定する方法は、被測定物が薄いか屈折率が小さい場合は問題がないが、厚みや屈折率が大きい場合は時間波形の測定において測定範囲を狭くできず、この点の考慮がなされていないという問題がある。
【００１３】
また、プローブ光を複数に分岐して光路差を変え、複数のテラヘルツ波検出手段を設ける方法は測定時間を短縮できるが、ロックインアンプなどの高価な増幅器を複数台備える必要があるためコストが増大すると言う問題がある。また、光学系も複雑になるため、調整に時間が掛かる、言う問題もある。
【００１４】
また、階段状のミラーを設けて反射距離の違いにより時間遅延を起こさせる光学遅延素子を用いる方法は、プローブ光のビーム内で光学遅延の付いた各領域を分岐してそれぞれ別のテラヘルツ検出器に入射する必要があり、上記と同様にロックインアンプなどの高価な増幅器が多数必要になるためコストが増大し、光学系も非常に複雑になる。
【００１５】
本発明は、上記の問題を解決するために考案されたもので、安価で、且つ簡素な構成でテラヘルツ波の時間波形を短時間に測定することが可能なテラヘルツ波測定装置とテラヘルツ波測定方法と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】
【００１６】
発明の一観点によれば、本発明のテラヘルツ波測定装置は、パルスレーザーをポンプ光とプローブ光とに分割するビームスプリッターと、ポンプ光の入射によりテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生器と、入射されたプローブ光から複数のパルスを生成するパルス列発生部と、パルス列をテラヘルツ波検出器に入射し、テラヘルツ波検出器に入射されたテラヘルツ波の電場の時間的変化を複数のパルスに基づいて測定するテラヘルツ波測定部とを備えるテラヘルツ波測定装置が提供される。
【００１７】
また、発明の他の一観点によれば、本発明のテラヘルツ波測定方法は、パルスレーザーをポンプ光とプローブ光とに分割するビーム分割手順と、ポンプ光を入射してテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生手順と、プローブ光を入射しプローブ光から複数のパルスを生成するパルス列発生手順と、パルス列をテラヘルツ波検出器に入射し、テラヘルツ波検出器に入射されたテラヘルツ波の電場の時間的変化を複数のパルスに基づいて測定するテラヘルツ波測定手順と、を有するテラヘルツ波測定方法が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のテラヘルツ波測定装置およびテラヘルツ波測定方法により、生成した複数のパルスにより一括してテラヘルツ波の時間波形が取得できるので、時間遅延ステージの移動はパルス列のパルス数分の１の移動で済み、測定時間を短縮可能なテラヘルツ波測定装置及びテラヘルツ波測定方法を提供することができる。また、本発明のテラヘルツ波測定装置は、パルス列発生器を一般的な構成に新たに付加するだけでよいので、短時間の測定を可能としながら、安価で、かつ簡素な構成で提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１のテラヘルツ波測定装置の構成例である。
【図２】実施例１のテラヘルツ波測定装置のパルス列生成機構の構造例である。
【図３】実施例１のテラヘルツ波測定装置における時間波形測定例である。
【図４】実施例２のテラヘルツ波測定装置の構成例ある。
【図５】実施例３のテラヘルツ波測定装置のパルス列生成機構の構造例である。
【図６】実施例３のテラヘルツ波測定装置の可変パルス列生成ブロックの構造例である。
【図７】実施例３のテラヘルツ波測定装置における異なる時間間隔のパルス列による測定例である。
【図８】実施例４のパルス列生成ブロック例である。
【図９】従来技術のテラヘルツ波時間波形測定装置の構成例である。
【図１０】テラヘルツ波光伝導アンテナの構造例である。
【図１１】テラヘルツ波時間波形における振幅と位相(時間遅れ)例である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の特徴を明確にするために、実施形態の説明の前に一般的な構成のテラヘルツ波測定装置例を図９を用いて説明する。
【００２１】
図９において、テラヘルツ波測定装置１００の光源は、１００ｆｓｅｃ程度、若しくはそれ以下で波長が８００ｎｍ、繰り返し周波数が５０ＭＨｚの超短パルスレーザー１を用いる。超短パルスレーザー１から出射したビームはビームスプリッター２によりポンプ光３とプローブ光１１の２つのビームに分割される。ポンプ光３はミラー４ａを介してプラスチック製の集光レンズ８ａにより集光されてテラヘルツ波発生器５に入射し、半値幅が1ｐｓｅｃ程度、若しくはそれ以下のパルステラヘルツ波７（以降、単にテラヘルツ波という）を発生させる。テラヘルツ波発生器５にはバイアス電圧６が印加されている。テラヘルツ波発生器５で発生したテラヘルツ波７は、集光レンズ８ｂ若しくは図示しない放物面ミラーを用いて集光され、被測定物９に入射する。被測定物９を透過したテラヘルツ波７は、再び集光レンズ８ｃを介してテラヘルツ波検出器１０に集光して入射する。
【００２２】
ビームスプリッター２で分割されたもう一方のビームであるプローブ光１１は、ミラー４ｂ、折り返しミラー１２、直動ステージ１３、ステージ制御装置１４、およびミラー４ｃから構成される時間遅延機構１５に入射する。そして、時間遅延機構１５から出射したプローブ光１１はミラー４ｄ、ミラー４ｅおよび集光レンズ８ｄを介して、テラヘルツ波検出器１０に入射される。テラヘルツ波検出器１０では、プローブ光１１である超短パルスレーザーが入射したタイミングと同じタイミングのテラヘルツ波７の電場に比例した電流が流れる。その電流はピコアンペアオーダーの微小信号であるが、ロックインアンプ１６により測定し、測定された値はデータ記録部１７で記録される。時間遅延機構１５の直動ステージ１３を徐々に動かすことにより、テラヘルツ波７に対するプローブ光１１の波形取得のタイミングが徐々に変化するので、被測定物９を透過したテラヘルツ波７の電場の実時間変化（時間波形）が測定できる。更に、時間波形をフーリエ変換することにより、テラヘルツ波領域での被測定物９の分光スペクトルを取得できる。なお、前述の背景技術で説明した時間遅延ステージは、ここで説明した時間遅延機構１５の直動ステージ１３に当たる。
【００２３】
上記で説明したテラヘルツ波発生器５は、例えば、図１０に示すように、ＧａＡｓ基板５ａ上に低温成長ＧａＡｓ層５ｂが成膜されており、その上にＮｉによりダイポール型のアンテナ電極５ｃが形成されたものである。ダイポールの幅は１０μｍ、間隔は１０μｍであり、電極間隔は３０μｍである。基板裏面には、発生したテラヘルツ波７を効率的に自由空間に放射できるように、例えば直径１０ｍｍのＳｉ半球レンズ５ｄが配置されている。このアンテナ電極５ｃ間に電圧源６からバイアス電圧を印加すると、パルス幅が１ｐｓｅｃもしくはそれ以下のテラヘルツ波７が球面波で放射される。このテラヘルツ波７をポリエチレンなどのプラスチックで形成された集光レンズ８ｂ（もしくは放物面ミラー）を用いて集光し、被測定物９に入射するのである。テラヘルツ波検出器１０の構造はテラヘルツ波発生器５と同一である。
【００２４】
テラヘルツ波検出器１０では、被測定物９をテラヘルツ波７の伝播路中に置かない場合と置いた場合のテラヘルツ波の時間波形を測定する。図１１の上の図は被測定物９を置かない場合の波形を示し、下の図は被測定物９を置いた場合の波形を示している。下の図に示されるように、被測定物９を通過することで振幅と位相が変化していることが判る。
【００２５】
（実施例１）
本発明のテラヘルツ波測定装置１０１を、図１を用いて説明する。図１はテラヘルツ波測定装置１０１の構成例を示し、図９に示した従来技術のテラヘルツ波測定装置１００に合わせて描いた図である。図１において図９と異なる箇所は、プローブ光１１がテラヘルツ波検出器１０に入射する前にパルス列生成機構２０を設けた点であり、他の構成は図９と同一である（図９と同じ構成要素は同一の符号を付けている）。パルス列生成機構２０は、ビームエキスパンダー２１とパルス列生成ブロック２２とで構成する。
【００２６】
パルス列生成機構２０について、図２を参照して詳細を説明する。図２（ａ）は、パルス列生成ブロック２２の形状を側面図（左側の図）と正面図（右側の図）で示した図である。パルス列生成ブロック２２は、屈折率が１．５の光学ガラスを素材として用い、側面図に示すように幅が３ｍｍ、高さが３ｍｍの６段の階段を形成している。パルス列生成ブロック２２の正面は１８ｍｍの正方形を成している。ここでは、階段を形成した段差面（図２（ａ）の正面図）にプローブ光を入射する。入射面と、その反対側の裏面には無反射コートを施し、この面からの反射を抑制している。パルス列生成ブロック２２の形成方法は、ガラスブロックを研削加工した後に光学研磨しているが、両面に無反射コートした厚さ３ｍｍのガラス板を組み合わせて密着させてもよい。いずれの方法でも一般的なガラス加工技術を用いて安価に作成することが可能である。
【００２７】
パルス列は、図２（ｂ）に示すようにパルス列生成ブロック２２の入射面側にビームエキスパンダー２１を配置し、ビームエキスパンダー２１にプローブ光１１を入射して生成する。より詳細には、ビームエキスパンダー２１に右方から入射したプローブ光１１はビームエキスパンダー２１で直径１８ｍｍのビーム径になるように拡大されて出射し、パルス列生成ブロック２２に入射する。パルス列生成ブロック２２に入射したブロック光１１は屈折率ｎ、厚さＴのパルス列生成ブロック２２の媒質を通り、（ｎ−１）・Ｔ／ｃだけ時間遅れが生じる（ここで、ｃは光速である）。各階段において正面から背面に向かう光路のパス（即ち、厚さＴ）の差により、パルス列生成ブロック２２を透過したビームは、５ｐｓｅｃ間隔で６個のパルス列に空間的・時間的に分割されることになる。パルス列生成ブロック２２の最も短いパス（図２（ｂ）の下方の階段）を透過したプローブ光１１は、入射したプローブ光１１に対して５ｐｓｅｃの遅れが生じ、最も長いパス（図２（ｂ）の上方の階段）を透過したプローブ光１１は３０ｐｓｅｃの遅れが生じる。
【００２８】
図２（ｃ）は、生成されたパルス列を模式的に示した図である。左の図は、入射したプローブ光１１に対して生成されたパルス列を示している。また、右の図は、パルス列生成ブロック２２から出射したプローブ光１１のビームスポットにおける時間遅れを模式的に示した図である。左の図で各ビームの強度が中央部で強くなっている理由は、入射したプローブ光１１のビーム内の強度分布はガウス分布を成しており、最も強度が強いビームスポットの中央部分は右の図に示されるようにビームスポットにおける時間遅れの１５ｐｓｅｃや２０ｐｓｅｃに対応していることによる。
【００２９】
なお、実施例１では、パルス列生成ブロック２２の階段を形成した面から拡大したプローブ光１１を入射したが、階段を形成した面の反対の面からプローブ光１１を入射させてもよい。
【００３０】
次に図３を参照して、実施例１のテラヘルツ波測定装置１０１の作用について説明する。図３（ａ）は、被測定物９がない場合のテラヘルツ波の波形であり、図３（ｂ）は被測定物９を伝播路中に置いた場合の波形を示す。また、図３（ｃ）はテラヘルツ波検出器１０に入射したパルス列を示す。テラヘルツ波検出器１０では、前述の通り、プローブ光１１の入射したタイミングと同じタイミングのテラヘルツ波電場を測定できる。５ｐｓｅｃ間隔で６個のパルス列をテラヘルツ波検出器１０に入射すると、テラヘルツ波７の５ｐｓｅｃ置きの電場の和に比例した電流が流れる。従って、時間遅延機構１５を５ｐｓｅｃ分、即ち０．７５ｍｍ（ミラーを動かすことで往復分の距離が伸びるので移動距離は、遅延時間×光速×（１／２）となる。５ｐｓｅｃの遅延させるためには、(５×１０-12)×（３×１０8）／２＝７．５×１０-４ｍとなる）動かしながら、テラヘルツ波検出器１０の電流信号を測定することによって、テラヘルツ波７の時間波形を取得できる。更に、被測定物９により生じるテラヘルツ波７の時間遅れが３０ｐｓｅｃあっても、時間遅延機構１５を動かす距離はパルス列の時間間隔である５ｐｓｅｃ分であり、高速化を実現できる。
【００３１】
以上で説明したように、実施例１のテラヘルツ波測定装置１０１では、一般的な構成のテラヘルツ波測定装置１００にビームエキスパンダー２１およびパルス列生成ブロック２２からなるパルス列生成機構２０を追加するだけの簡易な構成で、時間波形を短時間で取得することが可能である。また、パルス列生成機構２０は安価な材料で製作でき、大幅なコストアップにはならない。
【００３２】
（実施例２）
実施例１では、プローブ光１１を階段状のパルス列生成ブロック２２に「透過」させて等間隔のパルス列を生成させたが、実施例２では、プローブ光１１を階段状のパルス列生成ブロック３４に「反射」させて等間隔のパルス列を生成させものである。
【００３３】
実施例１と同様に、実施例２のテラヘルツ波測定装置１０２の構成を図４に示すが、パルス列生成機構３０以外の構成については実施例１と同様であるので、パルス列生成機構３０のみについて説明する。
【００３４】
図４に示すように、パルス列生成機構３０はビームエキスパンダー３１、ミラー３２、ビームスプリッター３３、およびパルス列生成ブロック３４から構成する。ビームエキスパンダー３１は実施例１のビームエキスパンダー２１と同一のものである。パルス列生成ブロック３４は実施例１のパルス列生成ブロック２２の表面に高反射コートをしたものでよく、寸法も同様である。次に、パルス列生成の仕組みを説明する。
【００３５】
まず、実施例１と同様にプローブ光１１のレーザービームをビームエキスパンダー３１に入射し、直径１８ｍｍのビーム径になるように拡大する。ビーム径が拡大されたプローブ光１１は、ミラー３２、ビームスプリッター３３を介してパルス列生成ブロック３４に入射する。階段状のパルス列生成ブロック３４で反射したプローブ光１１のビームは、反射位置の違いにより光路差が生じ、５ｐｓｅｃ間隔で６個のパルス列に空間的、時間的に分割される。このパルス列をビームスプリッター３３により反射してテラヘルツ波検出器１０に入射する。なお、本発明の実施例２のテラヘルツ波測定装置１０２の作用は実施例１と同様である。
【００３６】
以上で説明したように、実施例２のテラヘルツ波測定装置１０２では、ビームエキスパンダー３１、ミラー３２、ビームスプリッター３３、パルス列生成ブロック３４からなるパルス列生成機構３０を追加するだけの簡易な構成で、時間波形を短時間で取得することが可能である。また、パルス列生成機構２０は安価に製作できるので大幅なコストアップにはならない。更に、反射光学系で構成しているため、媒質の波長分散によるパルス幅の伸張がないため、より正確に時間波形を取得できる。
【００３７】
（実施例３）
実施例３も、実施例２と同様にプローブ光１１を階段状の反射面に反射させてパルス列を生成するものであるが、実施例３では階段を移動して反射面の光路差を変え、２種類の異なる等間隔のパルス列を生成するものである。
【００３８】
実施例３は、図５に示すようにパルス列生成機構４０は、実施例２のパルス列生成機構３０のパルス列生成ブロック３４以外の構成については実施例２と同様であるので、パルス列生成ブロック３４に対応する可変パルス列生成ブロック５０のみについて説明する。
【００３９】
図６は、可変パルス列生成ブロック５０の構成をより詳細に示し、図６（ａ）に正面図を、図６（ｂ）に側面図を示す。入射するプローブ光１１を反射する面が正面である。図６に示されるように、可変パルス列生成ブロック５０は反射体５１、バネ５３、押し当て板５４、直動ステッピングモーターステージ５５を有している。反射体５１は、厚さ３ｍｍのガラス板の一つの端面を光学研磨し反射コート５２を施したもので６枚を重ね合わせている。反射コート５２を施した面が正面である。それぞれの反射体５１は、正面と反対方向（図６（ｂ）の右方向）にバネ５３によって付勢されている。また、反射体５１の背面は押し当て板５４によって押し当てられている。そして、その押し当て板５４は直動ステッピングモーターステージ５５により下方の端部を支点として反射体５１を図６（ｂ）の左右に可動させることができる。即ち、直動ステッピングモーターステージ５５を制御することで、６段の反射体の段差を変えることができる、これにより生成されるパルス列の時間間隔を変えることができる。パルス列生成の仕組みは実施例２と同様であるので省略する。
【００４０】
次に、実施例３のテラヘルツ波測定装置の作用を説明する。テラヘルツ波の時間波形を短時間で取得できることは言うまでもないが、２種類のパルス列間隔でテラヘルツ波時間波形を取得し、解析することでより正確に位相（時間遅れ）情報を取得することが可能である。例えば、テラヘルツ波領域での屈折率が１．３で厚みが２２ｍｍの媒質（時間遅れは２２ｐｓｅｃ）を測定する例で考える。図７は、図７（ａ）にテラヘルツ波の波形を、図７（ｂ）に５ｐｓｅｃのパルス列と測定波形を、そして図７（ｃ）に６ｐｓｅｃのパルス列と測定波形を示している。図７（ｂ）に示すように、パルス列の時間間隔を５ｐｓｅｃとした場合には、図７（ｂ）の右図に示されるように２ｐｓｅｃの位置にテラヘルツ波パルスのピークが測定され、被測定物の時間遅れが５Ｎ＋２ｐｓｅｃ（Ｎは整数）と推測できる。一方、パルス列の時間間隔を６ｐｓｅｃにして測定した場合には、図７（ｃ）の右図に示されるように４ｐｓｅｃの位置にピークが測定され、被測定物の時間遅れが６Ｍ＋４ｐｓｅｃ（Ｍは整数）と推測できる。これら２つの測定結果から、（Ｎ，Ｍ）＝（４，３）、（８，６）、（１２，９）等に推測できるが、６個のパルス列でテラヘルツ波パルスを測定できていることを考慮すると、（Ｎ，Ｍ）＝（４，３）と確定でき、時間遅れが２２ｐｓｅｃであることを検出できる。一般的な方法では、２２ｐｓｅｃ分だけ時間遅延機構１５を動かす必要があったが、本発明の実施例３のテラヘルツ波測定装置では、５＋６＝１１ｐｓｅｃ分だけ時間遅延機構１５を動かせばよいので、時間波形の取得時間の短縮が実現できる。もちろん、パルス列数が多い場合、理論的には（２つのパルス列間隔の最小公倍数）×（整数）ｐｓｅｃの不確かさは残るが、テラヘルツ波が透過できる媒質の屈折率と厚さを考慮すると、ほぼ問題ない。
【００４１】
以上で説明したように、本発明の実施例３のテラヘルツ波測定装置では、ビームエキスパンダー３１やミラー３２、可変パルス列生成ブロック５０、直動ステッピングモーターステージ５５などの比較的安価で製作可能なパルス列生成機構４０を追加するだけの簡易な構成で、時間波形を短時間で取得することが可能である。更に、パルス列の時間間隔を変えられるため、例えば２種類の時間間隔で時間波形を取得し解析することで、より正確に位相（時間遅れ）情報を取得できる。
【００４２】
（実施例４）
上記に示した実施例では、生成したパルス列の強度は入射したプローブ光１１のビーム内の強度分布に基づいて一定ではなかった。実施例４では、生成したパルス列の強度を一定とするものである。ここでは、実施例２に示した反射型のパルス列生成ブロック３４をパルス列生成ブロック６０に置き換えて、パルス列の強度を一定とする方法を示す。
【００４３】
図８はパルス列生成ブロック６０の例を示し、図８（ａ）は実施例４のパルス列生成ブロック６０の構造を正面図と側面図で示し、図８（ｂ）は反射面の入射光（プローブ光１１）の強度分布とその入射光に基づいて反射される各反射面の強度を示している。
【００４４】
図８（ａ）に示すように、パルス列生成ブロック６０は円筒形のガラスブロックを階段状に研削加工した入射面（正面が入射面となる）に高反射コート６１を施したものであり、実施例２と同様に階段の高さは３ｍｍと一定であるが、階段の幅を各段で変えている。入射されるプローブ光１１のレーザービームの強度は、ビームスポット内で図８（ｂ）に示すようなガウス分布で示されるため、各段の幅を調整して空間的・時間的に分割されたパルス列の各強度を一定になるようにしている。各円筒の半径は、例えばビーム直径１８ｍｍのビームをビーム半径内の強度を６等分することを考えると、ｄ１＝１．８０６ｍｍ、ｄ２＝３．６９ｍｍ、ｄ３＝５．７５２ｍｍ、ｄ４＝８．１７６ｍｍ、ｄ５＝１１．４１８ｍｍ、ｄ６＝１８ｍｍとすればよい。こうすることで、各段の反射面からの強度は一定となる。即ち、Ｐ１＝Ｐ２＝Ｐ３・・＝Ｐ６。
【００４５】
実施例４のテラヘルツ波測定装置の時間波形の測定においても、複数のパルス列によりその間隔分だけ時間遅延ステージを動かすことで時間波形を測定できることは、他の実施例と同様である。更に、パルス列の強度が一定であるため、位相情報だけでなく、振幅情報もより正確に取得することが可能である。
【００４６】
本発明の実施例４のテラヘルツ波測定装置は、実施例２と同様にパルス列生成機構２０を安価に製作できるので大幅なコストアップにはならない。更に、パルス列の強度が一定であるため、位相情報だけでなく振幅情報も正確に取得することができる。
【００４７】
なお、実施例１に示した透過型のパルス列生成ブロック２２を置き換える場合は、図８の高反射コート６１を設けず、替わりに無反射膜を階段を形成した面とその反対面に設ける。拡大したプローブ光１１の入射は階段を形成した面、またはその反対面から行なう。
【００４８】
以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載された構成、条件等に限られるものではなく、各種の変更が可能である。例えば、テラヘルツ波を発生させる手段としてテラヘルツ波光伝導アンテナを用いたが、ＺｎＴｅなどの非線形光学結晶、Ｓｉ、ＧａＰなどの半導体材料を用いることが可能である。また、テラヘルツ波を検出する手段でも、ＺｎＴｅなどの非線形光学結晶を用い、プローブ光の偏光方向の傾きとしてテラヘルツ電場を検出してもよい。更に、ここでは被測定物の１点を透過したテラヘルツ波の時間波形を取得する構成で説明してきたが、テラヘルツ波の光軸と垂直な平面上で被測定物を２次元走査することによりテラヘルツ波特性の２次元分布を知ることができる。
【００４９】
なお、上記した実施例はこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得るものである。
【符号の説明】
【００５０】
１ 超短パルスレーザー
２ ビームスプリッター
３ ポンプ光
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ ミラー
５ テラヘルツ波発生用光導電アンテナ（テラヘルツ波発生器）
５ａ ＧａＡｓ基板
５ｂ 低温成長ＧａＡｓ層
５ｃ アンテナ電極
５ｄ Ｓｉ半球レンズ
６ バイアス電圧
７ テラヘルツ波
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ 集光レンズ
９ 被測定物
１０ テラヘルツ波検出用光導電アンテナ（テラヘルツ波検出器）
１１ プローブ光
１２ 折り返しミラー
１３ 直動ステージ
１４ ステージ制御装置
１５ 時間遅延機構
１６ ロックインアンプ
１７ データ記録部
２０ パルス列生成機構
２１ ビームエキスパンダー
２２ パルス列生成ブロック
３０ パルス列生成機構
３１ ビームエキスパンダー
３２ ミラー
３３ ビームスプリッター
３４ パルス列生成ブロック
４０ パルス列生成機構
５０ 可変パルス列生成ブロック
５１ 反射体
５２ 反射コート
５３ バネ
５４ 押し当て板
５５ 直動ステッピングモーターステージ
６０ パルス列生成ブロック
６１ 高反射コート
１００ テラヘルツ波測定装置
１０１ テラヘルツ波測定装置
１０２ テラヘルツ波測定装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザーをポンプ光とプローブ光とに分割するビームスプリッターと、
前記ポンプ光の入射によりテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生器と、
入射された前記プローブ光から複数のパルスを生成するパルス列発生部と、
前記パルス列をテラヘルツ波検出器に入射し、該テラヘルツ波検出器に入射された前記テラヘルツ波の電場の時間的変化を前記複数のパルスに基づいて測定するテラヘルツ波測定部と
を備えることを特徴とするテラヘルツ波測定装置。
【請求項２】
前記パルス列発生部は、
前記プローブ光のビーム径を拡大するビーム径拡大部と、
所定の屈折率を有する媒質で構成され、段差が一定の階段状を成す第１の面と、該第１の面に対向する第２の面とを有するパルス列生成ブロックとを有し、
入射した前記プローブ光のビーム径を前記ビーム径拡大部により拡大し、ビーム径を拡大した該プローブ光を前記パルス列生成ブロックの第１の面から前記第２の面に、または該第２の面から該第１の面に透過させて前記複数のパルスを生成する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波測定装置。
【請求項３】
前記パルス列発生部は、
前記プローブ光のビーム径を拡大するビーム径拡大部と、
段差が一定の階段状を成す反射面を有するパルス列生成ブロックとを有し、
入射した前記プローブ光のビーム径を前記ビーム径拡大部により拡大し、ビーム径を拡大した該プローブ光を前記パルス列生成ブロックの前記反射面で反射させて前記複数のパルスを生成する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波測定装置。
【請求項４】
前記パルス列発生部は、
前記プローブ光のビーム径を拡大するビーム径拡大部と、
一つの面に反射面を有する複数の反射体が同一方向に該反射面を向けて階段状に配置され、該配置された階段状の段差が可変自在の可変反射部と、該可変反射部の段差を制御する段差制御部とを備えるパルス列生成ブロックとを有し、
入射した前記プローブ光のビーム径を前記ビーム径拡大部により拡大し、ビーム径を拡大した該プローブ光を、前記段差制御部により第１の段差と第２段差にそれぞれ制御された前記可変反射部の反射面で反射させて２種類の前記複数のパルスを生成し
前記テラヘルツ波測定部は、前記パルス列発生部により生成された前記２種類の複数のパルスをそれぞれ前記検出器に入射し、該検出器に入射された前記テラヘルツ波の電場の時間的変化を測定する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波測定装置。
【請求項５】
前記複数のパルスは、時間的に等間隔である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載のテラヘルツ波測定装置。
【請求項６】
前記パルス列発生部で生成された前記複数のパルスは、パルスの強度が一定である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載のテラヘルツ波測定装置。
【請求項７】
パルスレーザーをポンプ光とプローブ光とに分割するビーム分割手順と、
前記ポンプ光を入射してテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生手順と、
前記プローブ光を入射し、該プローブ光から複数のパルスを生成するパルス列発生手順と、
前記パルス列をテラヘルツ波検出器に入射し、該テラヘルツ波検出器に入射された前記テラヘルツ波の電場の時間的変化を前記複数のパルスに基づいて測定するテラヘルツ波測定手順と
を有することを特徴とするテラヘルツ波測定方法。
【請求項１】
パルスレーザーをポンプ光とプローブ光とに分割するビームスプリッターと、
前記ポンプ光の入射によりテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生器と、
入射された前記プローブ光から複数のパルスを生成するパルス列発生部と、
前記パルス列をテラヘルツ波検出器に入射し、該テラヘルツ波検出器に入射された前記テラヘルツ波の電場の時間的変化を前記複数のパルスに基づいて測定するテラヘルツ波測定部と
を備えることを特徴とするテラヘルツ波測定装置。
【請求項２】
前記パルス列発生部は、
前記プローブ光のビーム径を拡大するビーム径拡大部と、
所定の屈折率を有する媒質で構成され、段差が一定の階段状を成す第１の面と、該第１の面に対向する第２の面とを有するパルス列生成ブロックとを有し、
入射した前記プローブ光のビーム径を前記ビーム径拡大部により拡大し、ビーム径を拡大した該プローブ光を前記パルス列生成ブロックの第１の面から前記第２の面に、または該第２の面から該第１の面に透過させて前記複数のパルスを生成する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波測定装置。
【請求項３】
前記パルス列発生部は、
前記プローブ光のビーム径を拡大するビーム径拡大部と、
段差が一定の階段状を成す反射面を有するパルス列生成ブロックとを有し、
入射した前記プローブ光のビーム径を前記ビーム径拡大部により拡大し、ビーム径を拡大した該プローブ光を前記パルス列生成ブロックの前記反射面で反射させて前記複数のパルスを生成する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波測定装置。
【請求項４】
前記パルス列発生部は、
前記プローブ光のビーム径を拡大するビーム径拡大部と、
一つの面に反射面を有する複数の反射体が同一方向に該反射面を向けて階段状に配置され、該配置された階段状の段差が可変自在の可変反射部と、該可変反射部の段差を制御する段差制御部とを備えるパルス列生成ブロックとを有し、
入射した前記プローブ光のビーム径を前記ビーム径拡大部により拡大し、ビーム径を拡大した該プローブ光を、前記段差制御部により第１の段差と第２段差にそれぞれ制御された前記可変反射部の反射面で反射させて２種類の前記複数のパルスを生成し
前記テラヘルツ波測定部は、前記パルス列発生部により生成された前記２種類の複数のパルスをそれぞれ前記検出器に入射し、該検出器に入射された前記テラヘルツ波の電場の時間的変化を測定する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波測定装置。
【請求項５】
前記複数のパルスは、時間的に等間隔である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載のテラヘルツ波測定装置。
【請求項６】
前記パルス列発生部で生成された前記複数のパルスは、パルスの強度が一定である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載のテラヘルツ波測定装置。
【請求項７】
パルスレーザーをポンプ光とプローブ光とに分割するビーム分割手順と、
前記ポンプ光を入射してテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生手順と、
前記プローブ光を入射し、該プローブ光から複数のパルスを生成するパルス列発生手順と、
前記パルス列をテラヘルツ波検出器に入射し、該テラヘルツ波検出器に入射された前記テラヘルツ波の電場の時間的変化を前記複数のパルスに基づいて測定するテラヘルツ波測定手順と
を有することを特徴とするテラヘルツ波測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−５８０７３（Ｐ２０１２−５８０７３Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０１４９６（Ｐ２０１０−２０１４９６）
【出願日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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