テラヘルツ波用減光フィルタ
【課題】透過率を変更しても光路長を一定とすることができるとともに透過率の波長依存性を低減することができるテラヘルツ波用減光フィルタを提供する。
【解決手段】減光フィルタ３１は、透過領域（貫通孔３１２が形成されている領域）と遮断領域（貫通孔３１２が形成されていない領域）とがテラヘルツ波の波長において周期構造を有しないよう分布していて、透過領域が占める割合に応じた透過率でテラヘルツ波を透過させる。この減光フィルタ３１は、透過率を変更しても光路長を一定とすることができるとともに、透過率の波長依存性を低減することができる。
【解決手段】減光フィルタ３１は、透過領域（貫通孔３１２が形成されている領域）と遮断領域（貫通孔３１２が形成されていない領域）とがテラヘルツ波の波長において周期構造を有しないよう分布していて、透過領域が占める割合に応じた透過率でテラヘルツ波を透過させる。この減光フィルタ３１は、透過率を変更しても光路長を一定とすることができるとともに、透過率の波長依存性を低減することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波用の減光フィルタ、この減光フィルタを備えるテラヘルツ波測定装置、および、テラヘルツ波を減光する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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〜１００ＴＨｚ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（特許文献１および非特許文献１を参照）。
【０００３】
テラヘルツ波を用いた測定対象物の情報の測定技術は、一般に以下のようなものである。すなわち、光源（例えばフェムト秒レーザ光源）から出力されたパルス光は、分岐部により２分岐されてポンプ光およびプローブ光とされる。そのうちポンプ光はテラヘルツ波発生素子（例えば非線形光学結晶や光導電アンテナ素子）に入力されて、これにより、このテラヘルツ波発生素子からパルステラヘルツ波が発生する。この発生したテラヘルツ波は、測定対象部で透過または反射されることで該測定対象物の情報（例えば、吸収係数、屈折率）を取得し、その後、プローブ光と略同一タイミングでテラヘルツ波検出素子（例えば、電気光学結晶や光導電アンテナ素子）に入射される。
【０００４】
テラヘルツ波およびプローブ光が入力されたテラヘルツ波検出素子では、両光の間の相関が検出される。例えば、テラヘルツ波検出素子として電気光学結晶が用いられる場合、テラヘルツ波およびプローブ光は、合波部により合波されて電気光学結晶に入射され、この電気光学結晶において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の偏光状態が変化する。電気光学結晶におけるプローブ光の偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物の情報が得られる。
【０００５】
このようなテラヘルツ波を用いた測定において、テラヘルツ波検出素子から得られる信号値（例えば、テラヘルツ波検出素子として電気光学結晶が用いられる場合には、電気光学結晶におけるプローブ光の偏光状態の変化量を表す電気信号の値）と、その信号値が表すテラヘルツ波の電場振幅との関係は、必ずしも線形関係にはない。そこで、両者の間の関係を校正するために、テラヘルツ波用の減光フィルタが必要となる。
【０００６】
一般に光学用の減光フィルタとしては、ガラス基板上にクロムの金属膜をコーティングしたものであって金属膜の膜厚に応じた透過率を有するもの（以下「タイプ１」という。）、ガラス基板の中に光吸収材を混合したものであって該基板の板厚に応じた透過率を有するもの（以下「タイプ２」という。）、および、ガラス基板の中に光吸収材を混合したものであって当該混合比率に応じた透過率を有するもの（以下「タイプ３」という。）、等が知られている。
【０００７】
また、光学用の減光フィルタとして、光を透過させる透過領域と光を遮断する遮断領域とが分布しているものであって、透過領域が占める割合に応じた透過率を有するもの（以下「タイプ４」という。）も知られている（例えば特許文献２および非特許文献２を参照）。
【０００８】
非特許文献２に記載されているポルカ・ドット・ビーム・スプリッタは、本来は光を２分岐するビームスプリッタであるが、透過光について着目すれば減光フィルタとしても用いられ得る。この減光フィルタ（ポルカ・ドット・ビーム・スプリッタ）は、合成石英基板上の互いに離散的に配置された複数の所定領域に選択的にアルミニウム膜が蒸着されたものであって、アルミニウム膜が蒸着されている領域（遮断領域）では光を反射させ、アルミニウム膜が蒸着されていない領域（透過領域）では光を透過させることができる。非特許文献１に記載されている減光フィルタは、波長範囲２５０ｎｍ〜２０００ｎｍに含まれる波長の光が入射角０〜４５度で入射した場合に一定の透過率を有するとされている。
【特許文献１】特開２００４−３５４２４６号公報
【特許文献２】特開２００７−０２７２０６号公報
【非特許文献１】阪井清美、「テラヘルツ時間領域分光法」、分光研究、第５０巻、第６号（２００１）、ｐｐ.２６１〜２７３
【非特許文献２】エドモンド・オプティクス・ジャパン社の２００７年度版光学部品・製品総合カタログ、Ｊ０７４Ａ、第５４頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記のタイプ１〜４の減光フィルタは、何れも、紫外域，可視域および赤外域の光学用のものである。テラヘルツ波用の減光フィルタは、提案または試作のレベルのものを含めて未だ知られておらず、少なくとも市販されてはいない。
【００１０】
前述したように、テラヘルツ波は、光波と電波との中間領域に相当する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。このことから、上記のタイプ１〜４の光学用の減光フィルタを用いて、テラヘルツ波を減光することが考えられる。しかし、この場合には以下のような問題が生じることを本発明者は見出した。
【００１１】
タイプ１〜３の減光フィルタでは、透過率を変更すると光路長も変化する。すなわち、タイプ１の減光フィルタでは、ガラス基板上にコーティングした金属膜の膜厚を変更すると、透過率が変化するだけでなく、光路長も変化する。タイプ２の減光フィルタでは、光吸収材を混合したガラス基板の板厚を変更すると、透過率が変化するだけでなく、光路長も変化する。また、タイプ３の減光フィルタでは、ガラス基板の中の光吸収材の混合比率を変更すると、屈折率が変化して、透過率が変化するだけでなく、光路長も変化する。
【００１２】
テラヘルツ波を用いた測定対象物の情報の測定では、テラヘルツ波検出素子に入射されるテラヘルツ波とプローブ光とのタイミングが走査されることで、テラヘルツ波の電場振幅の時間波形が測定される。このような測定の場合に、減光フィルタの挿入によりテラヘルツ波の光路長が変化すると、精確な測定が行われ得ない。したがって、タイプ１〜３の減光フィルタは、テラヘルツ波を用いた測定に使用するには不適切である。
【００１３】
一方、タイプ４の減光フィルタは、透過領域が占める割合を変更することで透過率を変化させることができる。タイプ４の減光フィルタは、基板の厚み及び材質を一定とすれば光路長を一定とすることができるので、上記の光路長変化の問題を解消し得るものであると期待される。しかし、本発明者は、タイプ４の減光フィルタを試作し、その減光フィルタを用いてテラヘルツ波を減光することを試みたところ、その減光フィルタの透過率がテラヘルツ波の周波数に依存することを見出した。
【００１４】
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、透過率を変更しても光路長を一定とすることができるとともに透過率の波長依存性を低減することができるテラヘルツ波用減光フィルタおよびテラヘルツ波減光方法を提供することを目的とする。また、本発明は、このような減光フィルタを備え精確なテラヘルツ波測定を行うことができるテラヘルツ波測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係るテラヘルツ波用の減光フィルタは、テラヘルツ波を透過させる透過領域とテラヘルツ波を遮断する遮断領域とがテラヘルツ波の波長において周期構造を有しないよう分布しており、一方の側から入射されたテラヘルツ波を他方の側へ、透過領域が占める割合に応じた透過率で透過させることを特徴とする。このように構成される減光フィルタは、透過率を変更しても光路長を一定とすることができるとともに、透過率の波長依存性を低減することができる。
【００１６】
本発明に係るテラヘルツ波測定装置は、(1) 光を出力する光源と、(2) 光源から出力された光を２分岐して、その２分岐した光のうち一方をポンプ光とし他方をプローブ光として出力する分岐部と、(3) 分岐部から出力されたポンプ光を入力することでテラヘルツ波を発生し出力するテラヘルツ波発生素子と、(4) テラヘルツ波発生素子から出力され測定対象物で透過または反射されたテラヘルツ波と、分岐部から出力されたプローブ光とを入力し、これらテラヘルツ波とプローブ光との間の相関を検出するテラヘルツ波検出素子と、(5) テラヘルツ波発生素子からテラヘルツ波検出素子に到るまでの光路であって、テラヘルツ波およびプローブ光のうちテラヘルツ波のみが伝播する光路に挿入され、入射されたテラヘルツ波を減光して透過させ出射する上記の本発明に係る減光フィルタと、を備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るテラヘルツ波減光方法は、テラヘルツ波を透過させる透過領域とテラヘルツ波を遮断する遮断領域とがテラヘルツ波の波長において周期構造を有しないよう分布している減光フィルタを用い、その減光フィルタの一方の側から入射されたテラヘルツ波を他方の側へ、透過領域が占める割合に応じた透過率で透過させることで、テラヘルツ波を減光することを特徴とする。このようにしてテラヘルツ波を減光する方法は、透過率を変更しても光路長を一定とすることができるとともに、透過率の波長依存性を低減することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、透過率を変更しても光路長を一定とすることができるとともに、透過率の波長依存性を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良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。
【００２０】
先ず、本実施形態に係るテラヘルツ波測定装置１の構成について説明する。図１は、本実施形態に係るテラヘルツ波測定装置１の構成図である。この図に示されるテラヘルツ波測定装置１は、テラヘルツ波を用いて透過測定法により測定対象物Ｓの情報を取得するものであって、光源１１、分岐部１２、チョッパ１３、光路長差調整部１４、偏光子１５、合波部１６、テラヘルツ波発生素子２０、減光フィルタ３０、テラヘルツ波検出素子４０、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ、光検出器５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５を備える。
【００２１】
光源１１は、一定の繰返し周期でパルス光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。分岐部１２は、例えばビームスプリッタであり、光源１１から出力されたパルス光を２分岐して、その２分岐したパルス光のうち一方をポンプ光としてミラーＭ１へ出力し、他方をプローブ光としてミラーＭ４へ出力する。
【００２２】
チョッパ１３は、分岐部１２とミラーＭ１との間のポンプ光の光路上に設けられ、一定の周期でポンプ光の通過および遮断を交互に繰り返す。分岐部１２から出力されチョッパ１３を通過したポンプ光は、ミラーＭ１〜Ｍ３により順次に反射されて、テラヘルツ波発生素子２０に入力される。なお、分岐部１２からテラヘルツ波発生素子２０に到るまでのポンプ光の光学系を、以下では「ポンプ光学系」という。
【００２３】
テラヘルツ波発生素子２０は、ポンプ光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（例えばＺｎＴｅ）、光導電アンテナ素子（例えばＧａＡｓを用いた光スイッチ）、半導体（例えばＩｎＡｓ）および超伝導体の何れかを含んで構成される。テラヘルツ波発生素子２０が非線形光学結晶を含む場合、このテラヘルツ波発生素子２０は、ポンプ光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。
【００２４】
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〜１００ＴＨｚ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は、一定の繰返し周期で発生し、パルス幅が数ピコ秒程度である。テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、測定対象物Ｓを透過することで測定対象物Ｓの情報（例えば、吸収係数、屈折率）を取得し、その後、合波部１６に入力される。なお、テラヘルツ波発生素子２０から合波部１６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。
【００２５】
一方、分岐部１２から出力されたプローブ光は、ミラーＭ４〜Ｍ８により順次に反射され、偏光子１５を通過して、合波部１６に入力される。なお、分岐部１２から合波部１６に到るまでのプローブ光の光学系を、以下では「プローブ光学系」という。４個のミラーＭ４〜Ｍ７は光路長差調整部１４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、プローブ光学系の光路長が調整される。これにより、光路長差調整部１４は、分岐部１２から合波部１６に到るまでのポンプ光学系およびテラヘルツ波光学系の光路長と、分岐部１２から合波部１６に到るまでのプローブ光学系の光路長との差を、調整することができる。
【００２６】
合波部１６は、テラヘルツ波発生素子２０から出力され測定対象物Ｓを透過したテラヘルツ波と、分岐部１２から出力されて到達したプローブ光とを入力し、これらテラヘルツ波およびプローブ光を互いに同軸となるように合波してテラヘルツ波検出素子４０へ出力する。この合波部１６は、堅固な支持枠に接着され薄く引き伸ばされたフィルム状のミラーであるペリクルであるのが好適である。
【００２７】
テラヘルツ波検出素子４０は、テラヘルツ波とプローブ光との間の相関を検出するものである。テラヘルツ波検出素子４０が電気光学結晶を含む場合、このテラヘルツ波検出素子４０は、合波部１６から出力されたテラヘルツ波およびプローブ光を入力し、テラヘルツ波の伝搬に伴いポッケルス効果により複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態を変化させて、そのプローブ光を出力する。このときの複屈折量はテラヘルツ波の電場強度に依存するので、テラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態の変化量はテラヘルツ波の電場強度に依存する。
【００２８】
偏光分離素子５２は、例えばウォラストンプリズムであり、テラヘルツ波検出素子４０から出力され１／４波長板５１を経たプローブ光を入力し、この入力したプローブ光を互いに直交する２つの偏光成分に分離して出力する。光検出器５３Ａ，５３Ｂは、例えばフォトダイオードを含み、偏光分離素子５２により偏光分離されたプローブ光の２つの偏光成分のパワーを検出して、その検出したパワーに応じた値の電気信号を差動増幅器５４へ出力する。
【００２９】
差動増幅器５４は、光検出器５３Ａ，５３Ｂそれぞれから出力された電気信号を入力し、両電気信号の値の差に応じた値を有する電気信号をロックイン増幅器５５へ出力する。ロックイン増幅器５５は、チョッパ１３におけるポンプ光の通過および遮断の繰返し周波数で、差動増幅器５４から出力される電気信号を同期検出する。このロックイン増幅器５５から出力される信号は、テラヘルツ波の電場強度に依存する値を有する。このようにして、測定対象物Ｓを透過したテラヘルツ波とプローブ光との間の相関を検出し、テラヘルツ波の電場振幅を検出して、測定対象物Ｓの情報を得ることができる。
【００３０】
また、このテラヘルツ波測定装置１では、テラヘルツ波発生素子２０から合波部１６に到るまでのテラヘルツ波光学系の光路上に減光フィルタ３０が挿入されている。減光フィルタ３０は、テラヘルツ波発生素子２０と測定対象物Ｓとの間の光路上に挿入されてもよいし、測定対象物Ｓと合波部１６との間の光路上に挿入されてもよい。減光フィルタ３０は、一方の側から入射されたテラヘルツ波を他方の側へ或る透過率で透過させるものであり、そのテラヘルツ波を減光することができる。
【００３１】
このテラヘルツ波測定装置１は以下のように動作する。光源１１から出力されたパルス光は、分岐部１２により２分岐されてポンプ光およびプローブ光とされる。分岐部１２から出力されたポンプ光は、ミラーＭ１〜Ｍ３により順次に反射されて、テラヘルツ波発生素子２０に入力される。テラヘルツ波発生素子２０では、ポンプ光の入力に応じてテラヘルツ波が発生し出力される。テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、測定対象部Ｓを透過して合波部１６に入力される。このとき合波部１６に入力されるテラヘルツ波の強度は、減光フィルタ３０により調整される。一方、分岐部１２から出力されたプローブ光は、ミラーＭ４〜Ｍ８により順次に反射され、偏光子１５により直線偏光とされ、合波部１６に入力される。
【００３２】
合波部１６に入力されたテラヘルツ波およびプローブ光は、合波部１６により互いに同軸となるように合波されて、略同一タイミングでテラヘルツ波検出素子４０に入力される。テラヘルツ波およびプローブ光が入力されたテラヘルツ波検出素子４０では、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の偏光状態が変化する。そして、このテラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態は、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ、光検出器５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５により検出される。このようにして、テラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物Ｓの特性が得られる。
【００３３】
光路長差調整部１４においてミラー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、プローブ光学系の光路長が調整されることで、テラヘルツ波検出素子４０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タイミング差が調整される。前述したように、一般に、テラヘルツ波のパルス幅はピコ秒程度であるのに対して、プローブ光のパルス幅はフェムト秒程度であり、テラヘルツ波と比べてプローブ光のパルス幅は数桁狭い。このことから、光路長差調整部１４によりテラヘルツ波検出素子４０へのプローブ光の入射タイミングが掃引されることで、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形が得られる。
【００３４】
また、テラヘルツ波光学系の光路上に減光フィルタ３０が挿入されて、その減光フィルタ３０の透過率を種々のものとすることで、テラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態の変化量を表すロックインアンプ５５の出力値と、その値が表すテラヘルツ波の電場振幅との関係が校正され得る。また、本実施形態に係る減光フィルタ３０は、後述するように、透過率を変更しても光路長を一定とすることができるとともに、透過率の波長依存性を低減することができるものである。このことから、この減光フィルタ３０を備えるテラヘルツ波測定装置１は、精確なテラヘルツ波測定を行うことができる。
【００３５】
なお、図１に示されたテラヘルツ波測定装置１では測定対象物Ｓを透過したテラヘルツ波が測定されたが、測定対象物Ｓで反射（全反射を含む。）されたテラヘルツ波が測定されてもよい。テラヘルツ波の透過および反射の何れであっても、上記と同様にして、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形が得られ、測定対象物Ｓの特性が得られる。
【００３６】
次に、本発明に係る減光フィルタの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態の減光フィルタ３１〜３４は、上記のテラヘルツ波測定装置１に含まれる減光フィルタ３０として好適に用いられ得るものである。
【００３７】
図２は、第１実施形態に係る減光フィルタ３１の斜視図である。この図に示される減光フィルタ３１は、テラヘルツ波を遮断することが可能で厚みが一定である平板３１１において、両主面の間で貫通する複数の貫通孔３１２が設けられたものである。平板３１１の全体がテラヘルツ波を遮断する材料からなっていてもよいし、平板３１１の主面付近の一定厚の部分がテラヘルツ波を遮断する材料からなっていてもよい。テラヘルツ波を遮断する材料としては例えば金属が挙げられる。
【００３８】
この減光フィルタ３１では、複数の貫通孔３１２が形成されている領域は、テラヘルツ波を透過させる透過領域となる。また、平板３１１において貫通孔３１２が形成されていない領域は、テラヘルツ波を遮断する遮断領域となる。減光フィルタ３１は、一方の主面に入射されたテラヘルツ波のうち貫通孔３１２に入射された部分を選択的に他方の主面の側から出射させることができる。
【００３９】
また、この減光フィルタ３１では、透過領域（貫通孔３１２が形成されている領域）と、遮断領域（貫通孔３１２が形成されていない領域）とは、テラヘルツ波の波長において周期構造を有しないよう分布している。複数の貫通孔３１２それぞれは、形状、寸法および位置の何れかに関してランダムに配置されていればよい。図２に示された減光フィルタ３１では、複数の貫通孔３１２それぞれは、同一形状・同一寸法であるが、ランダムな位置に配置されていて、これにより、テラヘルツ波の波長において周期構造を有しないようになっている。また、この減光フィルタ３１では、透過して出射されるテラヘルツ波の強度が空間的に均一になるように、透過領域または遮断領域がテラヘルツ波の波長より小さい構造であることが望ましい。
【００４０】
図３は、減光フィルタ３１を透過して出射されるパルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形を示す図である。ここでは、４種類の減光フィルタ３１を用意し、平板３１１において透過領域である複数の貫通孔３１２が占める割合を３０％，６０％，７０％，９０％として、それぞれについてパルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形を示す。また、この割合が１００％である場合（すなわち、減光フィルタを配置しない場合）についても、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形を示す。このパルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形は、図１に示されるテラヘルツ波測定装置１において測定対象物Ｓを挿入しない状態で測定されたものである。
【００４１】
この図に示されるように、減光フィルタ３１におけるテラヘルツ波の透過率は、平板３１１において透過領域である複数の貫通孔３１２が占める割合に応じたものとなる。また、減光フィルタ３１を透過して出射されるパルステラヘルツ波のピークの時間位置は、透過率によらず一定である。
【００４２】
図４は、減光フィルタ３１の透過率の波長依存性を示す図である。ここでは、平板３１１において透過領域である複数の貫通孔３１２が占める割合が異なる３種類の減光フィルタ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃそれぞれについて透過率の波長依存性を示す。これらのうち、減光フィルタ３１Ａ，３１Ｂは、平板３１１において複数の貫通孔３１２がテラヘルツ波の波長において周期構造を有しないように配置されている本実施形態のものである。一方、減光フィルタ３１Ｃは、平板３１１において同一形状の複数の貫通孔３１２が一定間隔で周期的に正方格子状に配置されている比較例のものである。
【００４３】
この図に示されるように、比較例の減光フィルタ３１Ｃでは、透過率の波長依存性が平坦ではなく、或る波長域において透過率が大きくなる。これに対して、本実施形態の減光フィルタ３１Ａ，３１Ｂでは、透過率の波長依存性が平坦となっている。この違いは以下の理由により生じると考えられる。
【００４４】
すなわち、比較例の減光フィルタ３１Ｃでは、平板３１１において複数の貫通孔３１２が一定間隔で周期的に正方格子状に配置されていることから、或る波長のテラヘルツ波が入射されると表面プラズモンポラリトンが発生する。そして、比較例の減光フィルタ３１Ｃでは、この表面プラズモンポラリトンの影響により、透過率の波長依存性が平坦ではなく、表面プラズモンポラリトンの共鳴周波数に対応するテラヘルツ波の波長域において透過率が大きくなると考えられる。
【００４５】
これに対して、本実施形態の減光フィルタ３１Ａ，３１Ｂでは、表面プラズモンポラリトンの共鳴周波数がテラヘルツ波の波長域に強く現れないように、平板３１１において複数の貫通孔３１２がテラヘルツ波の波長において周期構造を有しないように配置されており、このことにより、透過率の波長依存性が平坦となっている。
【００４６】
以上のように、第１実施形態に係る減光フィルタ３１は、透過領域（貫通孔３１２が形成されている領域）と遮断領域（貫通孔３１２が形成されていない領域）とがテラヘルツ波の波長において周期構造を有しないよう分布していて、透過領域が占める割合に応じた透過率でテラヘルツ波を透過させる。この減光フィルタ３１は、透過率を変更しても光路長を一定とすることができるとともに、透過率の波長依存性を低減することができる。
【００４７】
図５は、第２実施形態に係る減光フィルタ３２の斜視図である。この図に示される減光フィルタ３２は、テラヘルツ波を透過させることが可能で厚みが一定である第１平板３２０と、テラヘルツ波を遮断することが可能で厚みが一定である第２平板３２１と貼り合わされていて、第２平板３２１において、両主面の間で貫通する複数の貫通孔３２２が設けられたものである。
【００４８】
第２実施形態における第２平板３２１は、第１実施形態における平板３１１と同様のものである。第２実施形態における複数の貫通孔３２２は、第１実施形態における複数の貫通孔３１２と同様のものであり、テラヘルツ波の波長において周期構造を有しないよう、形状、寸法および位置の何れかに関してランダムに配置されている。図５に示された減光フィルタ３２では、複数の貫通孔３２２それぞれは、同一形状・同一寸法であるが、ランダムな位置に配置されていて、これにより、テラヘルツ波の波長において周期構造を有しないようになっている。
【００４９】
テラヘルツ波を透過させることができる第１平板３２０の材料としては、例えば、プラスチック、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、紙およびＯＨＰシート等が挙げられる。この減光フィルタ３２は、例えば、第１平板３２０の一方の主面上に所定の離散的な開口部を有するパターンで金属材料を第１平板３２１として熱転写することで製造され得る。離散的な開口部は、テラヘルツ波を透過させる貫通孔３２２となる。この熱転写に際して例えばパソコン用のプリンタが用いられ得る。
【００５０】
ここで、第１平板３２０が紙などのように薄い場合、テラヘルツ波に対して透明なＰＴＦＥなどの支持板に紙などを接着材で貼り付けて、この貼り付けたものを第１平板３２０としてもよい。なお、このときに使用する接着剤もテラヘルツ波で透明であることが必要である。また、ＰＴＦＥなどの支持板を２枚用いて、これら２枚の支持板で紙などを挟んだ構造としてもよい。この場合、接着剤を用いる必要がなく好適である。
【００５１】
第２実施形態に係る減光フィルタ３２は、透過領域（貫通孔３２２が形成されている領域）と遮断領域（貫通孔３２２が形成されていない領域）とがテラヘルツ波の波長において周期構造を有しないよう分布していて、透過領域が占める割合に応じた透過率でテラヘルツ波を透過させる。この減光フィルタ３２は、透過率を変更しても光路長を一定とすることができるとともに、透過率の波長依存性を低減することができる。
【００５２】
図６は、第３実施形態に係る減光フィルタ３３の斜視図である。この図に示される減光フィルタ３３は、テラヘルツ波を透過させることが可能で厚みが一定である平板３３０の一方の主面上に、テラヘルツ波を遮断することが可能な複数の遮断材３３１が貼り合わされたものである。
【００５３】
第３実施形態における平板３３０は、第２実施形態における第１平板３２０と同様のものである。第３実施形態における複数の複数の遮断材３３１それぞれは、同一形状・同一寸法であるが、ランダムな位置に配置されていて、これにより、テラヘルツ波の波長において周期構造を有しないようになっている。この減光フィルタ３３は、例えば、平板３３０の一方の主面上に所定の離散的パターンで金属材料を遮断材３３１として熱転写することで製造され得る。
【００５４】
第３実施形態に係る減光フィルタ３３は、透過領域（遮断材３３１が形成されていない領域）と遮断領域（遮断材３３１が形成されている領域）とがテラヘルツ波の波長において周期構造を有しないよう分布していて、透過領域が占める割合に応じた透過率でテラヘルツ波を透過させる。この減光フィルタ３３は、透過率を変更しても光路長を一定とすることができるとともに、透過率の波長依存性を低減することができる。
【００５５】
図７は、第４実施形態に係る減光フィルタ３４の平面図である。この図に示される減光フィルタ３４は、テラヘルツ波を遮断することが可能で厚みが一定である平板３４１において、両主面の間で貫通する複数の貫通孔３４２が設けられたものである。
【００５６】
第４実施形態における平板３４１は、第１実施形態における平板３１１と同様のものである。第４実施形態における複数の貫通孔３４２は、形状、寸法および位置の何れに関してもランダムに配置されている。
【００５７】
第４実施形態に係る減光フィルタ３４は、透過領域（貫通孔３４２が形成されている領域）と遮断領域（貫通孔３４２が形成されていない領域）とがテラヘルツ波の波長において周期構造を有しないよう分布していて、透過領域が占める割合に応じた透過率でテラヘルツ波を透過させる。この減光フィルタ３４は、透過率を変更しても光路長を一定とすることができるとともに、透過率の波長依存性を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本実施形態に係るテラヘルツ波測定装置１の構成図である。
【図２】第１実施形態に係る減光フィルタ３１の斜視図である。
【図３】第１実施形態に係る減光フィルタ３１を透過して出射されるパルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形を示す図である。
【図４】第１実施形態に係る減光フィルタ３１の透過率の波長依存性を示す図である。
【図５】第２実施形態に係る減光フィルタ３２の斜視図である。
【図６】第３実施形態に係る減光フィルタ３３の斜視図である。
【図７】第４実施形態に係る減光フィルタ３４の平面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１…テラヘルツ波測定装置、１１…光源、１２…分岐部、１３…チョッパ、１４…光路長差調整部、１５…偏光子、１６…合波部、２０…テラヘルツ波発生素子、３０〜３４…減光フィルタ、４０…テラヘルツ波検出素子、５１…１／４波長板、５２…偏光分離素子、５３Ａ，５３Ｂ…光検出器、５４…差動増幅器、５５…ロックイン増幅器、Ｍ１〜Ｍ８…ミラー、Ｓ…測定対象物。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波用の減光フィルタ、この減光フィルタを備えるテラヘルツ波測定装置、および、テラヘルツ波を減光する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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〜１００ＴＨｚ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（特許文献１および非特許文献１を参照）。
【０００３】
テラヘルツ波を用いた測定対象物の情報の測定技術は、一般に以下のようなものである。すなわち、光源（例えばフェムト秒レーザ光源）から出力されたパルス光は、分岐部により２分岐されてポンプ光およびプローブ光とされる。そのうちポンプ光はテラヘルツ波発生素子（例えば非線形光学結晶や光導電アンテナ素子）に入力されて、これにより、このテラヘルツ波発生素子からパルステラヘルツ波が発生する。この発生したテラヘルツ波は、測定対象部で透過または反射されることで該測定対象物の情報（例えば、吸収係数、屈折率）を取得し、その後、プローブ光と略同一タイミングでテラヘルツ波検出素子（例えば、電気光学結晶や光導電アンテナ素子）に入射される。
【０００４】
テラヘルツ波およびプローブ光が入力されたテラヘルツ波検出素子では、両光の間の相関が検出される。例えば、テラヘルツ波検出素子として電気光学結晶が用いられる場合、テラヘルツ波およびプローブ光は、合波部により合波されて電気光学結晶に入射され、この電気光学結晶において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の偏光状態が変化する。電気光学結晶におけるプローブ光の偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物の情報が得られる。
【０００５】
このようなテラヘルツ波を用いた測定において、テラヘルツ波検出素子から得られる信号値（例えば、テラヘルツ波検出素子として電気光学結晶が用いられる場合には、電気光学結晶におけるプローブ光の偏光状態の変化量を表す電気信号の値）と、その信号値が表すテラヘルツ波の電場振幅との関係は、必ずしも線形関係にはない。そこで、両者の間の関係を校正するために、テラヘルツ波用の減光フィルタが必要となる。
【０００６】
一般に光学用の減光フィルタとしては、ガラス基板上にクロムの金属膜をコーティングしたものであって金属膜の膜厚に応じた透過率を有するもの（以下「タイプ１」という。）、ガラス基板の中に光吸収材を混合したものであって該基板の板厚に応じた透過率を有するもの（以下「タイプ２」という。）、および、ガラス基板の中に光吸収材を混合したものであって当該混合比率に応じた透過率を有するもの（以下「タイプ３」という。）、等が知られている。
【０００７】
また、光学用の減光フィルタとして、光を透過させる透過領域と光を遮断する遮断領域とが分布しているものであって、透過領域が占める割合に応じた透過率を有するもの（以下「タイプ４」という。）も知られている（例えば特許文献２および非特許文献２を参照）。
【０００８】
非特許文献２に記載されているポルカ・ドット・ビーム・スプリッタは、本来は光を２分岐するビームスプリッタであるが、透過光について着目すれば減光フィルタとしても用いられ得る。この減光フィルタ（ポルカ・ドット・ビーム・スプリッタ）は、合成石英基板上の互いに離散的に配置された複数の所定領域に選択的にアルミニウム膜が蒸着されたものであって、アルミニウム膜が蒸着されている領域（遮断領域）では光を反射させ、アルミニウム膜が蒸着されていない領域（透過領域）では光を透過させることができる。非特許文献１に記載されている減光フィルタは、波長範囲２５０ｎｍ〜２０００ｎｍに含まれる波長の光が入射角０〜４５度で入射した場合に一定の透過率を有するとされている。
【特許文献１】特開２００４−３５４２４６号公報
【特許文献２】特開２００７−０２７２０６号公報
【非特許文献１】阪井清美、「テラヘルツ時間領域分光法」、分光研究、第５０巻、第６号（２００１）、ｐｐ.２６１〜２７３
【非特許文献２】エドモンド・オプティクス・ジャパン社の２００７年度版光学部品・製品総合カタログ、Ｊ０７４Ａ、第５４頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記のタイプ１〜４の減光フィルタは、何れも、紫外域，可視域および赤外域の光学用のものである。テラヘルツ波用の減光フィルタは、提案または試作のレベルのものを含めて未だ知られておらず、少なくとも市販されてはいない。
【００１０】
前述したように、テラヘルツ波は、光波と電波との中間領域に相当する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。このことから、上記のタイプ１〜４の光学用の減光フィルタを用いて、テラヘルツ波を減光することが考えられる。しかし、この場合には以下のような問題が生じることを本発明者は見出した。
【００１１】
タイプ１〜３の減光フィルタでは、透過率を変更すると光路長も変化する。すなわち、タイプ１の減光フィルタでは、ガラス基板上にコーティングした金属膜の膜厚を変更すると、透過率が変化するだけでなく、光路長も変化する。タイプ２の減光フィルタでは、光吸収材を混合したガラス基板の板厚を変更すると、透過率が変化するだけでなく、光路長も変化する。また、タイプ３の減光フィルタでは、ガラス基板の中の光吸収材の混合比率を変更すると、屈折率が変化して、透過率が変化するだけでなく、光路長も変化する。
【００１２】
テラヘルツ波を用いた測定対象物の情報の測定では、テラヘルツ波検出素子に入射されるテラヘルツ波とプローブ光とのタイミングが走査されることで、テラヘルツ波の電場振幅の時間波形が測定される。このような測定の場合に、減光フィルタの挿入によりテラヘルツ波の光路長が変化すると、精確な測定が行われ得ない。したがって、タイプ１〜３の減光フィルタは、テラヘルツ波を用いた測定に使用するには不適切である。
【００１３】
一方、タイプ４の減光フィルタは、透過領域が占める割合を変更することで透過率を変化させることができる。タイプ４の減光フィルタは、基板の厚み及び材質を一定とすれば光路長を一定とすることができるので、上記の光路長変化の問題を解消し得るものであると期待される。しかし、本発明者は、タイプ４の減光フィルタを試作し、その減光フィルタを用いてテラヘルツ波を減光することを試みたところ、その減光フィルタの透過率がテラヘルツ波の周波数に依存することを見出した。
【００１４】
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、透過率を変更しても光路長を一定とすることができるとともに透過率の波長依存性を低減することができるテラヘルツ波用減光フィルタおよびテラヘルツ波減光方法を提供することを目的とする。また、本発明は、このような減光フィルタを備え精確なテラヘルツ波測定を行うことができるテラヘルツ波測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係るテラヘルツ波用の減光フィルタは、テラヘルツ波を透過させる透過領域とテラヘルツ波を遮断する遮断領域とがテラヘルツ波の波長において周期構造を有しないよう分布しており、一方の側から入射されたテラヘルツ波を他方の側へ、透過領域が占める割合に応じた透過率で透過させることを特徴とする。このように構成される減光フィルタは、透過率を変更しても光路長を一定とすることができるとともに、透過率の波長依存性を低減することができる。
【００１６】
本発明に係るテラヘルツ波測定装置は、(1) 光を出力する光源と、(2) 光源から出力された光を２分岐して、その２分岐した光のうち一方をポンプ光とし他方をプローブ光として出力する分岐部と、(3) 分岐部から出力されたポンプ光を入力することでテラヘルツ波を発生し出力するテラヘルツ波発生素子と、(4) テラヘルツ波発生素子から出力され測定対象物で透過または反射されたテラヘルツ波と、分岐部から出力されたプローブ光とを入力し、これらテラヘルツ波とプローブ光との間の相関を検出するテラヘルツ波検出素子と、(5) テラヘルツ波発生素子からテラヘルツ波検出素子に到るまでの光路であって、テラヘルツ波およびプローブ光のうちテラヘルツ波のみが伝播する光路に挿入され、入射されたテラヘルツ波を減光して透過させ出射する上記の本発明に係る減光フィルタと、を備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るテラヘルツ波減光方法は、テラヘルツ波を透過させる透過領域とテラヘルツ波を遮断する遮断領域とがテラヘルツ波の波長において周期構造を有しないよう分布している減光フィルタを用い、その減光フィルタの一方の側から入射されたテラヘルツ波を他方の側へ、透過領域が占める割合に応じた透過率で透過させることで、テラヘルツ波を減光することを特徴とする。このようにしてテラヘルツ波を減光する方法は、透過率を変更しても光路長を一定とすることができるとともに、透過率の波長依存性を低減することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、透過率を変更しても光路長を一定とすることができるとともに、透過率の波長依存性を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良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。
【００２０】
先ず、本実施形態に係るテラヘルツ波測定装置１の構成について説明する。図１は、本実施形態に係るテラヘルツ波測定装置１の構成図である。この図に示されるテラヘルツ波測定装置１は、テラヘルツ波を用いて透過測定法により測定対象物Ｓの情報を取得するものであって、光源１１、分岐部１２、チョッパ１３、光路長差調整部１４、偏光子１５、合波部１６、テラヘルツ波発生素子２０、減光フィルタ３０、テラヘルツ波検出素子４０、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ、光検出器５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５を備える。
【００２１】
光源１１は、一定の繰返し周期でパルス光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。分岐部１２は、例えばビームスプリッタであり、光源１１から出力されたパルス光を２分岐して、その２分岐したパルス光のうち一方をポンプ光としてミラーＭ１へ出力し、他方をプローブ光としてミラーＭ４へ出力する。
【００２２】
チョッパ１３は、分岐部１２とミラーＭ１との間のポンプ光の光路上に設けられ、一定の周期でポンプ光の通過および遮断を交互に繰り返す。分岐部１２から出力されチョッパ１３を通過したポンプ光は、ミラーＭ１〜Ｍ３により順次に反射されて、テラヘルツ波発生素子２０に入力される。なお、分岐部１２からテラヘルツ波発生素子２０に到るまでのポンプ光の光学系を、以下では「ポンプ光学系」という。
【００２３】
テラヘルツ波発生素子２０は、ポンプ光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（例えばＺｎＴｅ）、光導電アンテナ素子（例えばＧａＡｓを用いた光スイッチ）、半導体（例えばＩｎＡｓ）および超伝導体の何れかを含んで構成される。テラヘルツ波発生素子２０が非線形光学結晶を含む場合、このテラヘルツ波発生素子２０は、ポンプ光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。
【００２４】
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〜１００ＴＨｚ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は、一定の繰返し周期で発生し、パルス幅が数ピコ秒程度である。テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、測定対象物Ｓを透過することで測定対象物Ｓの情報（例えば、吸収係数、屈折率）を取得し、その後、合波部１６に入力される。なお、テラヘルツ波発生素子２０から合波部１６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。
【００２５】
一方、分岐部１２から出力されたプローブ光は、ミラーＭ４〜Ｍ８により順次に反射され、偏光子１５を通過して、合波部１６に入力される。なお、分岐部１２から合波部１６に到るまでのプローブ光の光学系を、以下では「プローブ光学系」という。４個のミラーＭ４〜Ｍ７は光路長差調整部１４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、プローブ光学系の光路長が調整される。これにより、光路長差調整部１４は、分岐部１２から合波部１６に到るまでのポンプ光学系およびテラヘルツ波光学系の光路長と、分岐部１２から合波部１６に到るまでのプローブ光学系の光路長との差を、調整することができる。
【００２６】
合波部１６は、テラヘルツ波発生素子２０から出力され測定対象物Ｓを透過したテラヘルツ波と、分岐部１２から出力されて到達したプローブ光とを入力し、これらテラヘルツ波およびプローブ光を互いに同軸となるように合波してテラヘルツ波検出素子４０へ出力する。この合波部１６は、堅固な支持枠に接着され薄く引き伸ばされたフィルム状のミラーであるペリクルであるのが好適である。
【００２７】
テラヘルツ波検出素子４０は、テラヘルツ波とプローブ光との間の相関を検出するものである。テラヘルツ波検出素子４０が電気光学結晶を含む場合、このテラヘルツ波検出素子４０は、合波部１６から出力されたテラヘルツ波およびプローブ光を入力し、テラヘルツ波の伝搬に伴いポッケルス効果により複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態を変化させて、そのプローブ光を出力する。このときの複屈折量はテラヘルツ波の電場強度に依存するので、テラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態の変化量はテラヘルツ波の電場強度に依存する。
【００２８】
偏光分離素子５２は、例えばウォラストンプリズムであり、テラヘルツ波検出素子４０から出力され１／４波長板５１を経たプローブ光を入力し、この入力したプローブ光を互いに直交する２つの偏光成分に分離して出力する。光検出器５３Ａ，５３Ｂは、例えばフォトダイオードを含み、偏光分離素子５２により偏光分離されたプローブ光の２つの偏光成分のパワーを検出して、その検出したパワーに応じた値の電気信号を差動増幅器５４へ出力する。
【００２９】
差動増幅器５４は、光検出器５３Ａ，５３Ｂそれぞれから出力された電気信号を入力し、両電気信号の値の差に応じた値を有する電気信号をロックイン増幅器５５へ出力する。ロックイン増幅器５５は、チョッパ１３におけるポンプ光の通過および遮断の繰返し周波数で、差動増幅器５４から出力される電気信号を同期検出する。このロックイン増幅器５５から出力される信号は、テラヘルツ波の電場強度に依存する値を有する。このようにして、測定対象物Ｓを透過したテラヘルツ波とプローブ光との間の相関を検出し、テラヘルツ波の電場振幅を検出して、測定対象物Ｓの情報を得ることができる。
【００３０】
また、このテラヘルツ波測定装置１では、テラヘルツ波発生素子２０から合波部１６に到るまでのテラヘルツ波光学系の光路上に減光フィルタ３０が挿入されている。減光フィルタ３０は、テラヘルツ波発生素子２０と測定対象物Ｓとの間の光路上に挿入されてもよいし、測定対象物Ｓと合波部１６との間の光路上に挿入されてもよい。減光フィルタ３０は、一方の側から入射されたテラヘルツ波を他方の側へ或る透過率で透過させるものであり、そのテラヘルツ波を減光することができる。
【００３１】
このテラヘルツ波測定装置１は以下のように動作する。光源１１から出力されたパルス光は、分岐部１２により２分岐されてポンプ光およびプローブ光とされる。分岐部１２から出力されたポンプ光は、ミラーＭ１〜Ｍ３により順次に反射されて、テラヘルツ波発生素子２０に入力される。テラヘルツ波発生素子２０では、ポンプ光の入力に応じてテラヘルツ波が発生し出力される。テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、測定対象部Ｓを透過して合波部１６に入力される。このとき合波部１６に入力されるテラヘルツ波の強度は、減光フィルタ３０により調整される。一方、分岐部１２から出力されたプローブ光は、ミラーＭ４〜Ｍ８により順次に反射され、偏光子１５により直線偏光とされ、合波部１６に入力される。
【００３２】
合波部１６に入力されたテラヘルツ波およびプローブ光は、合波部１６により互いに同軸となるように合波されて、略同一タイミングでテラヘルツ波検出素子４０に入力される。テラヘルツ波およびプローブ光が入力されたテラヘルツ波検出素子４０では、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の偏光状態が変化する。そして、このテラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態は、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ、光検出器５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５により検出される。このようにして、テラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物Ｓの特性が得られる。
【００３３】
光路長差調整部１４においてミラー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、プローブ光学系の光路長が調整されることで、テラヘルツ波検出素子４０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タイミング差が調整される。前述したように、一般に、テラヘルツ波のパルス幅はピコ秒程度であるのに対して、プローブ光のパルス幅はフェムト秒程度であり、テラヘルツ波と比べてプローブ光のパルス幅は数桁狭い。このことから、光路長差調整部１４によりテラヘルツ波検出素子４０へのプローブ光の入射タイミングが掃引されることで、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形が得られる。
【００３４】
また、テラヘルツ波光学系の光路上に減光フィルタ３０が挿入されて、その減光フィルタ３０の透過率を種々のものとすることで、テラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態の変化量を表すロックインアンプ５５の出力値と、その値が表すテラヘルツ波の電場振幅との関係が校正され得る。また、本実施形態に係る減光フィルタ３０は、後述するように、透過率を変更しても光路長を一定とすることができるとともに、透過率の波長依存性を低減することができるものである。このことから、この減光フィルタ３０を備えるテラヘルツ波測定装置１は、精確なテラヘルツ波測定を行うことができる。
【００３５】
なお、図１に示されたテラヘルツ波測定装置１では測定対象物Ｓを透過したテラヘルツ波が測定されたが、測定対象物Ｓで反射（全反射を含む。）されたテラヘルツ波が測定されてもよい。テラヘルツ波の透過および反射の何れであっても、上記と同様にして、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形が得られ、測定対象物Ｓの特性が得られる。
【００３６】
次に、本発明に係る減光フィルタの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態の減光フィルタ３１〜３４は、上記のテラヘルツ波測定装置１に含まれる減光フィルタ３０として好適に用いられ得るものである。
【００３７】
図２は、第１実施形態に係る減光フィルタ３１の斜視図である。この図に示される減光フィルタ３１は、テラヘルツ波を遮断することが可能で厚みが一定である平板３１１において、両主面の間で貫通する複数の貫通孔３１２が設けられたものである。平板３１１の全体がテラヘルツ波を遮断する材料からなっていてもよいし、平板３１１の主面付近の一定厚の部分がテラヘルツ波を遮断する材料からなっていてもよい。テラヘルツ波を遮断する材料としては例えば金属が挙げられる。
【００３８】
この減光フィルタ３１では、複数の貫通孔３１２が形成されている領域は、テラヘルツ波を透過させる透過領域となる。また、平板３１１において貫通孔３１２が形成されていない領域は、テラヘルツ波を遮断する遮断領域となる。減光フィルタ３１は、一方の主面に入射されたテラヘルツ波のうち貫通孔３１２に入射された部分を選択的に他方の主面の側から出射させることができる。
【００３９】
また、この減光フィルタ３１では、透過領域（貫通孔３１２が形成されている領域）と、遮断領域（貫通孔３１２が形成されていない領域）とは、テラヘルツ波の波長において周期構造を有しないよう分布している。複数の貫通孔３１２それぞれは、形状、寸法および位置の何れかに関してランダムに配置されていればよい。図２に示された減光フィルタ３１では、複数の貫通孔３１２それぞれは、同一形状・同一寸法であるが、ランダムな位置に配置されていて、これにより、テラヘルツ波の波長において周期構造を有しないようになっている。また、この減光フィルタ３１では、透過して出射されるテラヘルツ波の強度が空間的に均一になるように、透過領域または遮断領域がテラヘルツ波の波長より小さい構造であることが望ましい。
【００４０】
図３は、減光フィルタ３１を透過して出射されるパルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形を示す図である。ここでは、４種類の減光フィルタ３１を用意し、平板３１１において透過領域である複数の貫通孔３１２が占める割合を３０％，６０％，７０％，９０％として、それぞれについてパルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形を示す。また、この割合が１００％である場合（すなわち、減光フィルタを配置しない場合）についても、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形を示す。このパルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形は、図１に示されるテラヘルツ波測定装置１において測定対象物Ｓを挿入しない状態で測定されたものである。
【００４１】
この図に示されるように、減光フィルタ３１におけるテラヘルツ波の透過率は、平板３１１において透過領域である複数の貫通孔３１２が占める割合に応じたものとなる。また、減光フィルタ３１を透過して出射されるパルステラヘルツ波のピークの時間位置は、透過率によらず一定である。
【００４２】
図４は、減光フィルタ３１の透過率の波長依存性を示す図である。ここでは、平板３１１において透過領域である複数の貫通孔３１２が占める割合が異なる３種類の減光フィルタ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃそれぞれについて透過率の波長依存性を示す。これらのうち、減光フィルタ３１Ａ，３１Ｂは、平板３１１において複数の貫通孔３１２がテラヘルツ波の波長において周期構造を有しないように配置されている本実施形態のものである。一方、減光フィルタ３１Ｃは、平板３１１において同一形状の複数の貫通孔３１２が一定間隔で周期的に正方格子状に配置されている比較例のものである。
【００４３】
この図に示されるように、比較例の減光フィルタ３１Ｃでは、透過率の波長依存性が平坦ではなく、或る波長域において透過率が大きくなる。これに対して、本実施形態の減光フィルタ３１Ａ，３１Ｂでは、透過率の波長依存性が平坦となっている。この違いは以下の理由により生じると考えられる。
【００４４】
すなわち、比較例の減光フィルタ３１Ｃでは、平板３１１において複数の貫通孔３１２が一定間隔で周期的に正方格子状に配置されていることから、或る波長のテラヘルツ波が入射されると表面プラズモンポラリトンが発生する。そして、比較例の減光フィルタ３１Ｃでは、この表面プラズモンポラリトンの影響により、透過率の波長依存性が平坦ではなく、表面プラズモンポラリトンの共鳴周波数に対応するテラヘルツ波の波長域において透過率が大きくなると考えられる。
【００４５】
これに対して、本実施形態の減光フィルタ３１Ａ，３１Ｂでは、表面プラズモンポラリトンの共鳴周波数がテラヘルツ波の波長域に強く現れないように、平板３１１において複数の貫通孔３１２がテラヘルツ波の波長において周期構造を有しないように配置されており、このことにより、透過率の波長依存性が平坦となっている。
【００４６】
以上のように、第１実施形態に係る減光フィルタ３１は、透過領域（貫通孔３１２が形成されている領域）と遮断領域（貫通孔３１２が形成されていない領域）とがテラヘルツ波の波長において周期構造を有しないよう分布していて、透過領域が占める割合に応じた透過率でテラヘルツ波を透過させる。この減光フィルタ３１は、透過率を変更しても光路長を一定とすることができるとともに、透過率の波長依存性を低減することができる。
【００４７】
図５は、第２実施形態に係る減光フィルタ３２の斜視図である。この図に示される減光フィルタ３２は、テラヘルツ波を透過させることが可能で厚みが一定である第１平板３２０と、テラヘルツ波を遮断することが可能で厚みが一定である第２平板３２１と貼り合わされていて、第２平板３２１において、両主面の間で貫通する複数の貫通孔３２２が設けられたものである。
【００４８】
第２実施形態における第２平板３２１は、第１実施形態における平板３１１と同様のものである。第２実施形態における複数の貫通孔３２２は、第１実施形態における複数の貫通孔３１２と同様のものであり、テラヘルツ波の波長において周期構造を有しないよう、形状、寸法および位置の何れかに関してランダムに配置されている。図５に示された減光フィルタ３２では、複数の貫通孔３２２それぞれは、同一形状・同一寸法であるが、ランダムな位置に配置されていて、これにより、テラヘルツ波の波長において周期構造を有しないようになっている。
【００４９】
テラヘルツ波を透過させることができる第１平板３２０の材料としては、例えば、プラスチック、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、紙およびＯＨＰシート等が挙げられる。この減光フィルタ３２は、例えば、第１平板３２０の一方の主面上に所定の離散的な開口部を有するパターンで金属材料を第１平板３２１として熱転写することで製造され得る。離散的な開口部は、テラヘルツ波を透過させる貫通孔３２２となる。この熱転写に際して例えばパソコン用のプリンタが用いられ得る。
【００５０】
ここで、第１平板３２０が紙などのように薄い場合、テラヘルツ波に対して透明なＰＴＦＥなどの支持板に紙などを接着材で貼り付けて、この貼り付けたものを第１平板３２０としてもよい。なお、このときに使用する接着剤もテラヘルツ波で透明であることが必要である。また、ＰＴＦＥなどの支持板を２枚用いて、これら２枚の支持板で紙などを挟んだ構造としてもよい。この場合、接着剤を用いる必要がなく好適である。
【００５１】
第２実施形態に係る減光フィルタ３２は、透過領域（貫通孔３２２が形成されている領域）と遮断領域（貫通孔３２２が形成されていない領域）とがテラヘルツ波の波長において周期構造を有しないよう分布していて、透過領域が占める割合に応じた透過率でテラヘルツ波を透過させる。この減光フィルタ３２は、透過率を変更しても光路長を一定とすることができるとともに、透過率の波長依存性を低減することができる。
【００５２】
図６は、第３実施形態に係る減光フィルタ３３の斜視図である。この図に示される減光フィルタ３３は、テラヘルツ波を透過させることが可能で厚みが一定である平板３３０の一方の主面上に、テラヘルツ波を遮断することが可能な複数の遮断材３３１が貼り合わされたものである。
【００５３】
第３実施形態における平板３３０は、第２実施形態における第１平板３２０と同様のものである。第３実施形態における複数の複数の遮断材３３１それぞれは、同一形状・同一寸法であるが、ランダムな位置に配置されていて、これにより、テラヘルツ波の波長において周期構造を有しないようになっている。この減光フィルタ３３は、例えば、平板３３０の一方の主面上に所定の離散的パターンで金属材料を遮断材３３１として熱転写することで製造され得る。
【００５４】
第３実施形態に係る減光フィルタ３３は、透過領域（遮断材３３１が形成されていない領域）と遮断領域（遮断材３３１が形成されている領域）とがテラヘルツ波の波長において周期構造を有しないよう分布していて、透過領域が占める割合に応じた透過率でテラヘルツ波を透過させる。この減光フィルタ３３は、透過率を変更しても光路長を一定とすることができるとともに、透過率の波長依存性を低減することができる。
【００５５】
図７は、第４実施形態に係る減光フィルタ３４の平面図である。この図に示される減光フィルタ３４は、テラヘルツ波を遮断することが可能で厚みが一定である平板３４１において、両主面の間で貫通する複数の貫通孔３４２が設けられたものである。
【００５６】
第４実施形態における平板３４１は、第１実施形態における平板３１１と同様のものである。第４実施形態における複数の貫通孔３４２は、形状、寸法および位置の何れに関してもランダムに配置されている。
【００５７】
第４実施形態に係る減光フィルタ３４は、透過領域（貫通孔３４２が形成されている領域）と遮断領域（貫通孔３４２が形成されていない領域）とがテラヘルツ波の波長において周期構造を有しないよう分布していて、透過領域が占める割合に応じた透過率でテラヘルツ波を透過させる。この減光フィルタ３４は、透過率を変更しても光路長を一定とすることができるとともに、透過率の波長依存性を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本実施形態に係るテラヘルツ波測定装置１の構成図である。
【図２】第１実施形態に係る減光フィルタ３１の斜視図である。
【図３】第１実施形態に係る減光フィルタ３１を透過して出射されるパルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形を示す図である。
【図４】第１実施形態に係る減光フィルタ３１の透過率の波長依存性を示す図である。
【図５】第２実施形態に係る減光フィルタ３２の斜視図である。
【図６】第３実施形態に係る減光フィルタ３３の斜視図である。
【図７】第４実施形態に係る減光フィルタ３４の平面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１…テラヘルツ波測定装置、１１…光源、１２…分岐部、１３…チョッパ、１４…光路長差調整部、１５…偏光子、１６…合波部、２０…テラヘルツ波発生素子、３０〜３４…減光フィルタ、４０…テラヘルツ波検出素子、５１…１／４波長板、５２…偏光分離素子、５３Ａ，５３Ｂ…光検出器、５４…差動増幅器、５５…ロックイン増幅器、Ｍ１〜Ｍ８…ミラー、Ｓ…測定対象物。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波を透過させる透過領域とテラヘルツ波を遮断する遮断領域とがテラヘルツ波の波長において周期構造を有しないよう分布しており、一方の側から入射されたテラヘルツ波を他方の側へ、前記透過領域が占める割合に応じた透過率で透過させることを特徴とするテラヘルツ波用の減光フィルタ。
【請求項２】
光を出力する光源と、
前記光源から出力された光を２分岐して、その２分岐した光のうち一方をポンプ光とし他方をプローブ光として出力する分岐部と、
前記分岐部から出力されたポンプ光を入力することでテラヘルツ波を発生し出力するテラヘルツ波発生素子と、
前記テラヘルツ波発生素子から出力され測定対象物で透過または反射されたテラヘルツ波と、前記分岐部から出力されたプローブ光とを入力し、これらテラヘルツ波とプローブ光との間の相関を検出するテラヘルツ波検出素子と、
前記テラヘルツ波発生素子から前記テラヘルツ波検出素子に到るまでの光路であって、テラヘルツ波およびプローブ光のうちテラヘルツ波のみが伝播する光路に挿入され、入射されたテラヘルツ波を減光して透過させ出射する請求項１記載の減光フィルタと、
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３】
テラヘルツ波を減光する方法であって、
テラヘルツ波を透過させる透過領域とテラヘルツ波を遮断する遮断領域とがテラヘルツ波の波長において周期構造を有しないよう分布している減光フィルタを用い、
その減光フィルタの一方の側から入射されたテラヘルツ波を他方の側へ、前記透過領域が占める割合に応じた透過率で透過させることで、テラヘルツ波を減光する、
ことを特徴とするテラヘルツ波減光方法。
【請求項１】
テラヘルツ波を透過させる透過領域とテラヘルツ波を遮断する遮断領域とがテラヘルツ波の波長において周期構造を有しないよう分布しており、一方の側から入射されたテラヘルツ波を他方の側へ、前記透過領域が占める割合に応じた透過率で透過させることを特徴とするテラヘルツ波用の減光フィルタ。
【請求項２】
光を出力する光源と、
前記光源から出力された光を２分岐して、その２分岐した光のうち一方をポンプ光とし他方をプローブ光として出力する分岐部と、
前記分岐部から出力されたポンプ光を入力することでテラヘルツ波を発生し出力するテラヘルツ波発生素子と、
前記テラヘルツ波発生素子から出力され測定対象物で透過または反射されたテラヘルツ波と、前記分岐部から出力されたプローブ光とを入力し、これらテラヘルツ波とプローブ光との間の相関を検出するテラヘルツ波検出素子と、
前記テラヘルツ波発生素子から前記テラヘルツ波検出素子に到るまでの光路であって、テラヘルツ波およびプローブ光のうちテラヘルツ波のみが伝播する光路に挿入され、入射されたテラヘルツ波を減光して透過させ出射する請求項１記載の減光フィルタと、
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３】
テラヘルツ波を減光する方法であって、
テラヘルツ波を透過させる透過領域とテラヘルツ波を遮断する遮断領域とがテラヘルツ波の波長において周期構造を有しないよう分布している減光フィルタを用い、
その減光フィルタの一方の側から入射されたテラヘルツ波を他方の側へ、前記透過領域が占める割合に応じた透過率で透過させることで、テラヘルツ波を減光する、
ことを特徴とするテラヘルツ波減光方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−２９８９８０（Ｐ２００８−２９８９８０Ａ）
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１４３７４２（Ｐ２００７−１４３７４２）
【出願日】平成１９年５月３０日（２００７．５．３０）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月３０日（２００７．５．３０）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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