分光装置
【課題】連続的な広い周波数範囲にわたって信号対雑音比のよい測定ができる分光装置を提供する。
【解決手段】インコヒーレント光の光源であるブロードエリア半導体レーザ１と、インコヒーレント光を平行化して集光する一対のレンズ２ａ、２ｂと、一対のレンズ２ａ、２ｂを通過したインコヒーレント光を通過させるためのピンホールが形成されたピンホール部材６と、ピンホールを通過したインコヒーレント光を２つに分割するビームスプリッタ７と、分割された後の２つのインコヒーレント光のうちの一方のインコヒーレント光の照射に基づき第１電磁波を放射する電磁波放射用光伝導素子８と、第１電磁波を試料に透過または反射させた第２電磁波と上記２つのインコヒーレント光のうちの他方のインコヒーレント光とが入射され、第２電磁波と他方のインコヒーレント光との相互相関信号を得る電磁波検出用光伝導素子９とを備える。
【解決手段】インコヒーレント光の光源であるブロードエリア半導体レーザ１と、インコヒーレント光を平行化して集光する一対のレンズ２ａ、２ｂと、一対のレンズ２ａ、２ｂを通過したインコヒーレント光を通過させるためのピンホールが形成されたピンホール部材６と、ピンホールを通過したインコヒーレント光を２つに分割するビームスプリッタ７と、分割された後の２つのインコヒーレント光のうちの一方のインコヒーレント光の照射に基づき第１電磁波を放射する電磁波放射用光伝導素子８と、第１電磁波を試料に透過または反射させた第２電磁波と上記２つのインコヒーレント光のうちの他方のインコヒーレント光とが入射され、第２電磁波と他方のインコヒーレント光との相互相関信号を得る電磁波検出用光伝導素子９とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は半導体、誘電体等の材料評価に利用され、特にテラヘルツ帯で使用される素子を構成する材料を測定する分光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、ＴＨｚ波帯（１ＴＨｚ＝１０12Ｈｚ）の分光法としては、フェムト秒レーザと光伝導素子とを用いたＴＨｚ−ＴＤＳ（ＴＨｚ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）が最も有力な方法である（例えば、非特許文献１および２参照）。この光伝導素子を用いた分光法では、光伝導素子にサブピコ秒の超短光パルスを照射すれば、光キャリアの生成により瞬間的に光伝導素子が導電性となって電流が過渡的に流れることを利用して電磁波放射を行っている。さらに光伝導素子への光パルスの照射により瞬間的に導電性となることを利用することにより放射電磁波の検出も行われている。
【０００３】
図７は従来のＴＨｚ−ＴＤＳを用いた分光装置の概略構成図である。
【０００４】
分光装置は、ビームスプリッタ４７と、レンズ４６ａと、電磁波放射用光伝導素子４８と、電源５０と、放物面鏡５１ａと、放物面鏡５１ｂと、平面鏡５５と、リトロリフレクタ５６と、移動ステージ５７と、レンズ４６ｂと、電磁波検出用光伝導素子４９と、電流計５８と、ロックイン増幅器５９と、コンピュータ６０とを含む。
【０００５】
この図に示すように、ＴＨｚ−ＴＤＳでは、モードロックＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザなどから出力される超短光パルス４３をビームスプリッタ４７で２つに分割し、一方のパルス光４４を、電源５０により電圧印加された電磁波放射用光伝導素子４８に照射する。電磁波放射用光伝導素子４８には瞬間的に電流が流れるため、電磁波放射用光伝導素子４８は、パルス電磁波５２を放射する。パルス電磁波５２を放物面鏡５１ａで平行化して試料５３を透過させ、試料５３を透過したパルス電磁波５４を放物面鏡５１ｂにより電磁波検出用光伝導素子４９に集める。またパルス電磁波５２（パルス電磁波５４）を試料５３を透過させずに電磁波検出用光伝導素子４９に集める。電磁波検出用光伝導素子４９はビームスプリッタ４７で分割されたもう一方の超短光パルス４５により照射され、その瞬間だけ導電性となる。そのため、電磁波検出用光伝導素子４９は、到達してきたパルス電磁波５２または５４の電場を電流として検出することができる。ここで光パルス４５もパルス電磁波５２または５４も光速で電磁波検出用光伝導素子４９に繰り返し入射するが、そのタイミングは、移動ステージ５７に設けられたリトロリフレクタ５６で光パルス４５が反射されることによる時間遅延により固定されている。光パルスの繰り返し周波数が１００ＭＨｚの場合、光パルス４５とパルス電磁波５２または５４とが毎秒１０8回、電磁波検出用光伝導素子４９に入射し、電流パルスが同じく毎秒１０8回流れることになる。電流計５８は直流電流だけを検出するようになっているので、パルス電磁波５２または５４のうち上記時間遅延によって決められた部分が電流として観測されることになる。光パルス４５がビームスプリッタ４７から電磁波検出用光伝導素子４９に到達するまでの時間を、移動ステージ５７を移動させ上記時間遅延を変化させことにより、試料５３を透過してきたパルス電磁波５４または試料透過前のパルス電磁波５２の時間波形を得ることができる。このＴＨｚ−ＴＤＳの方法では用いられる電磁波が短パルスであるため、試料５３を透過してきた電磁波波形と試料を挿入しない場合の電磁波波形とを比較することにより、広い周波数域にわたる電磁波の透過率及び位相シフトを計算することができる。または試料で反射されてきた電磁波波形と金属鏡で反射されてきた電磁波波形とを比較することにより、広い周波数域にわたる電磁波の反射率及び位相シフトを計算することができる。しかしながら、ＴＨｚ−ＴＤＳでは励起光が短パルスでなくてはならないことから、光源にはモードロックなどの短パルス化が施されている必要があり、装置コストを押し上げていた。
【０００６】
そこで、パルス光の代わりにマルチモード半導体レーザのインコヒーレント光を使用して電磁波分光を行う手法（ＭＬＤ（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）−ＴＤＳ）が提案されている（例えば、非特許文献３参照）。図８にＭＬＤ−ＴＤＳを用いた分光装置の概略構成図を示す。
【０００７】
分光装置は、ブロードエリア半導体レーザ６１と、レンズ６２ａと、ビームスプリッタ６６と、レンズ６２ｂと、電磁波放射用光伝導素子６７と、電源６９と、放物面鏡７０ａと、放物面鏡７０ｂと、平面鏡７４と、リトロリフレクタ７５と、移動ステージ７６と、レンズ６２ｃと、電磁波検出用光伝導素子６８と、電流計７７と、ロックイン増幅器７８と、コンピュータ７９とを含む。
【０００８】
ビームスプリッタ６６と、レンズ６２ｂと、電磁波放射用光伝導素子６７と、電源６９と、放物面鏡７０ａと、放物面鏡７０ｂと、平面鏡７４と、リトロリフレクタ７５と、移動ステージ７６と、レンズ６２ｃと、電磁波検出用光伝導素子６８と、電流計７７と、ロックイン増幅器７８と、コンピュータ７９とは、それぞれ、図７に示した電磁波放射用光伝導素子４８と、電源５０と、放物面鏡５１ａと、放物面鏡５１ｂと、平面鏡５５と、リトロリフレクタ５６と、移動ステージ５７と、レンズ４６ｂと、電磁波検出用光伝導素子４９と、電流計５８と、ロックイン増幅器５９と、コンピュータ６０と同様の構成を有する。
【０００９】
インコヒーレント光６３の光源としてはマルチモード半導体レーザの一種であるブロードエリア半導体レーザ６１が使用でき、これは小型、安定かつ安価である。マルチモード半導体レーザ６１のインコヒーレント光６３は様々な波長のスペクトル成分を含んでいるため、光ビートにより乱雑な強度変調が生じており、インコヒーレント光となっている。マルチモード半導体レーザ６１の場合、この強度変調の周波数範囲は典型的には１ＧＨｚ程度から１ＴＨｚ程度である。このインコヒーレント光６３をビームスプリッタ６６で分割し、一方のインコヒーレント光６４を電圧印加した電磁波放射用光伝導素子６７に照射するとテラヘルツ帯の電磁波７１を放射させることができる。分割した他方のインコヒーレント光６５を、移動ステージ７６に設けられたリトロリフレクタ７５で反射させることにより時間遅延させる。インコヒーレント光６５は、時間遅延したのちに電磁波検出用光伝導素子６８に照射され、同時に電磁波（７１または７３）が電磁波検出用光伝導素子６８に導かれる。電磁波検出用光伝導素子６８に生じる電流はインコヒーレント光強度（インコヒーレント光６５の強度）と電磁波電場の積に比例する。電流の直流成分を記録しつつ、移動ステージ７６を移動させることにより遅延時間を変化させると、電磁波電場とインコヒーレント光強度の相互相関信号が得られる。
【００１０】
分光測定のためには、試料７２を透過または反射した電磁波７３により得られた相互相関信号と、電磁波経路に試料７２を挿入せずに得られる電磁波７１、もしくは試料７２でなく金属鏡で反射された電磁波により得られる相互相関信号とを比較する。ここで得られた相互相関信号は光強度の様々な周波数成分から生じた信号の重ね合わせとみなせる。電磁波検出用光伝導素子６８および試料７２は照射光強度や電磁波に対して線形に応答するため、相互相関信号の個々の周波数成分は対応する周波数の光強度変調および電磁波のみによって担われているとみなせる。したがって、検出した相互相関信号をフーリエ変換すれば、それぞれの周波数成分の信号を求めることができる。つまり、電磁波電場をＥ（ｔ）、光強度をＩ（ｔ）、電磁波放射用光伝導素子６７の放射する電磁波７１の照射光強度に対する応答関数をＦ（ｔ）とすると、式（１）に示す関係が成り立つ。
【００１１】
【数１】
【００１２】
また試料７２を通過した電磁波７３の電場ＥT（ｔ）は試料７２の透過に関する応答関数Ｔ（ｔ）を用いて式（２）で表すことができる。
【００１３】
【数２】
【００１４】
Ｅ（ｔ）、Ｉ（ｔ）、Ｆ（ｔ）、ＥT（ｔ）およびＴ（ｔ）のフーリエ変換をＥ（ω）、Ｉ（ω）、Ｆ（ω）、ＥT（ω）およびＴ（ω）と書くと、式（１）および式（２）から、式（３）および式（４）が得られる。
【００１５】
【数３】
【００１６】
式（３）と式（４）で光強度のフーリエ変換をＩ（ω）、Ｉ´（ω）と異なる記号で表した。これは光強度の変化は乱雑であるため、Ｅ（ω）およびＥT（ω）の測定をする際の光強度の変化が異なるためである。さらにインコヒーレント光６５の遅延時間がτのとき、試料７２を放射電磁波経路に挿入しない場合の電流信号ＪR（τ）と、試料７２を挿入した場合の電流信号ＪT（τ）とは、電磁波検出用光伝導素子６８の応答が光強度の時間スケールよりも十分短い場合には伝導度の光強度に対する係数Ｃσを用いて表すと、式（５）および式（６）と表せる。
【００１７】
【数４】
【００１８】
式（５）と式（６）で光強度の関数をＩ（ｔ）、Ｉ´（ｔ）と異なる記号で表した。これは光強度の変化は乱雑であるため、ＪR（τ）およびＪT（τ）の測定をする際の光強度の変化が異なるためである。ＪR（τ）およびＪT（τ）のフーリエ変換ＪR（ω）およびＪT（ω）は、式（５）および式（６）から、式（７）および式（８）のように表すことができる。
【００１９】
【数５】
【００２０】
ここでＩ´（ω）はＩ´（ｔ）のフーリエ変換である。マルチモードレーザの光強度変化は乱雑であるものの、スペクトルは変化がないので｜Ｉ´（ω）｜2＝｜Ｉ（ω）｜2である。試料７２の電磁波透過率と位相シフトはＴ（ｔ）のフーリエ成分Ｔ（ω）の振幅の２乗と位相で表すことができる。式（７）、（８）を用いるとＴ（ω）は、式（９）で表すことができる。
【００２１】
【数６】
【００２２】
電磁波検出用光伝導素子６８の応答が十分速くない場合には式（７）、式（８）中のＣσが周波数依存性を持つことになるが、それでも式（９）のような計算でＴ（ω）を求めることができる。したがって試料７２を電磁波経路に挿入しない場合の相互相関信号と試料７２を挿入した場合の電流信号とから、試料７２の電磁波透過率と位相シフトが求められる。電磁波透過率と位相シフトから試料７２の複素誘電率の実数部と虚数部が求められる。式（９）から、ＭＬＤ−ＴＤＳの測定可能周波数域はＪR（ω）によって決まっていることが分かる。ＪR（ω）が０の周波数領域では式（９）の除算が値を持たないため、測定ができない。ＪR（ω）が０でなくても小さい値であれば、信号帯雑音比のよい測定はできない。また、金属鏡で反射された電磁波を用いて得られた相互相関信号と試料７２で反射された電磁波を用いて得られた相互相関信号から試料７２の電磁波反射率と位相シフトが求められる。電磁波反射率と位相シフトから試料７２の複素誘電率の実数部と虚数部を求めることもできる。反射測定の場合も透過測定の場合と同様、金属鏡を反射させたときに得られた信号波形のフーリエスペクトルが小さい周波数領域では信号対雑音比のよい測定はできない。
【００２３】
マルチモード半導体レーザには発光領域幅の狭いもの（数μｍ以下）と広いもの（数十μｍ以上）がある。発光領域幅の狭いもの（ｓ−ＭＬＤ）の光スペクトルにはある周波数（数十ＧＨｚ程度）の整数倍に離散的なスペクトル線が存在するのに対し、発光領域幅の広いもの（ＢＬＤ（Ｂｒｏａｄ−ａｒｅａ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ））の光スペクトルは非常に多数の密なスペクトル線からなり、スペクトル線同士の間隔は数ＧＨｚ以下である。これらのスペクトル構造は縦モードおよび横モードの次数を考慮することにより理解できる（例えば、非特許文献４参照）。すなわち、レーザの発振モードは共振器内の定在波に対応しており、共振器の縦方向と横方向の節の数（縦モード次数、横モード次数）で特徴づけられる。共振器の縦方向の長さはレーザ光の光路長よりも十分長いのでさまざまな縦モード次数に対応するスペクトル線が存在する。これらスペクトル線の間隔は、典型的には数十ＧＨｚである。ｓ−ＭＬＤの場合は共振器の幅が狭いので横モード次数は０しか取りえない。よってｓ−ＭＬＤの光スペクトル中には鋭い線が数十ＧＨｚごとに等間隔に並んでいる。これに対し、ＢＬＤの場合は共振器の幅が広いので多数の横モード次数に対応した発振モードが存在する。ある１つの横モード次数と複数の縦モード次数に対応するスペクトル線は等間隔に存在するため、櫛形のスペクトルに対応する。横モード次数が異なればこの櫛形のスペクトル位置は少しずつずれるものの、共振器幅よりは共振器長の方がかなり大きいので櫛内のスペクトル線の間隔はあまり変わらない。しかしスペクトル線の位置は、横モード次数が変わると少しずつずれる。よってＢＬＤの光スペクトルは同じスペクトル線間隔の多数の櫛形スペクトルが少しずつずれたものが重なった構造になっている。光ビートの周波数は重なる光スペクトル線同士の光周波数の差になるので、光強度揺らぎのスペクトルはｓ−ＭＬＤの場合には縦モード間隔の整数倍にのみ鋭い線が存在する。ＢＬＤの場合には横モードが共通で縦モードが異なる光スペクトル成分同士の混合により縦モード間隔の整数倍にスペクトルピークが存在する他、横モードの異なる光スペクトル線同士の混合により連続的なスペクトル成分が存在する（例えば、非特許文献５参照）。
【００２４】
つまり、ｓ−ＭＬＤの場合はＩ（ω）が離散的になるのに対してＢＬＤの場合は連続的な成分が存在するので、ＭＬＤ−ＴＤＳの光源としてはＢＬＤの方が好ましいはずである。しかしＢＬＤを用いたＭＬＤ−ＴＤＳの信号スペクトルＪR（ω）には離散的なピークしか含まれない（例えば、非特許文献６参照）。このことはレーザ光の横モードによる位相分布を考慮に入れることにより理解できる。光伝導素子（電磁波放射用光伝導素子６７、電磁波検出用光伝導素子６８）への照射光はレンズ（レンズ６２ｂ、レンズ６２ｃ）により集光されているが、このビームのパターンをＨｅｒｍｉｔｅ多項式で分解した場合、ｎ次の成分の光伝導素子の場所における光の位相と焦点における位相の差は次のような式（１０）で表すことができる（例えば、非特許文献７参照）。
【００２５】
【数７】
【００２６】
ここでｋは波数ベクトル、ｉは放射素子（電磁波放射用光伝導素子６７）あるいは検出素子（電磁波検出用光伝導素子６８）の区別を表し、ｚiはレンズの焦点から測った光伝導素子の位置、θはビームの集光角、λは光の波長である。非特許文献６における実験値を代入すると式（１０）の第２項は、式（１１）となる。
【００２７】
【数８】
【００２８】
ここでｚiの単位はｍである。つまり光伝導素子の位置がごくわずか（１μｍ以下）でもずれるとビームパターンの異なる光成分の間の位相差は大きく変化する。そのため、横モードが異なる光成分同士の混合の場合は光ビートの位相が乱雑に分布するため、相互相関信号はお互いに打ち消しあってしまい、縦モード間隔の整数倍のスペクトル成分だけが残るものと考えられる。
【００２９】
横モード次数が異なる光スペクトル成分関同士の混合による、相互相関信号での連続的なスペクトル成分を得るには上記のビームパターンの分布をなくせばよい。これはシングルモード光ファイバを用いて実現することができる（例えば、非特許文献６参照）。つまりシングルモード光ファイバは単一のビームパターンの光しか透過しないため、ビームパターンの単一化が生じるためである。図９にシングルモード光ファイバを用いたＭＬＤ−ＴＤＳの分光装置の概略構成図を示す。
【００３０】
ＭＬＤ−ＴＤＳの分光装置は、ブロードエリア半導体レーザ８０と、レンズ８１ａと、レンズ８１ｂと、偏光保存シングルモードファイバカプラ８５と、レンズ８１ｃと、レンズ８１ｅと、電磁波放射用光伝導素子８６と、電源８８と、放物面鏡８９ａと、放物面鏡８９ｂと、レンズ８１ｄと、平面鏡９３と、リトロリフレクタ９４と、移動ステージ９５と、レンズ８１ｆと、電磁波検出用光伝導素子８７と、電流計９６と、ロックイン増幅器９７と、コンピュータ９８とを含む。
【００３１】
ブロードエリア半導体レーザ８０は、図８に示したブロードエリア半導体レーザ６１と同様の作用をする。電磁波放射用光伝導素子８６と、電源８８と、放物面鏡８９ａと、放物面鏡８９ｂと、平面鏡９３と、リトロリフレクタ９４と、移動ステージ９５と、レンズ８１ｆと、電磁波検出用光伝導素子８７と、電流計９６と、ロックイン増幅器９７と、コンピュータ９８とは、それぞれ、図７に示した電磁波放射用光伝導素子４８と、電源５０と、放物面鏡５１ａと、放物面鏡５１ｂと、平面鏡５５と、リトロリフレクタ５６と、移動ステージ５７と、レンズ４６ｂと、電磁波検出用光伝導素子４９と、電流計５８と、ロックイン増幅器５９と、コンピュータ６０と同様の構成を有する。
【００３２】
シングルモード光ファイバを用いない場合にはＪR（ω）が離散的だったのに対し、シングルモード光ファイバの使用によりＪR（ω）を連続的にすることができる。なお、非特許文献６においては偏光保存シングルモードファイバカプラ８５（２本の偏光保存シングルモードファイバの中央部を融着させたもの）を用いているが、ＪR（ω）の連続化の原因はシングルモード光ファイバによるビームパターンの単一化である。
【００３３】
また、８１０ｎｍ帯まだは８３０ｎｍ帯のマルチモード半導体レーザ（ブロードエリア半導体レーザ８０）を用いたＭＬＤ−ＴＤＳには周波数域が０．５ＴＨｚ以下に限られてしまうという問題もある。この原因はマルチモード半導体レーザ光のスペクトル幅が狭く、光強度揺らぎのスペクトルＩ（ω）の中に０．５ＴＨｚ以上の成分がないことが原因である。これに対してはＢＬＤとは少しだけ波長をずらした（光周波数にして数百ＧＨｚ程度）別の半導体レーザの光を混合することにより高周波化することができる（例えば、非特許文献８参照）。例えば、図１０に示すような分光装置の構成によりレーザ光の高周波化を行うことができる。この分光装置は、図９に示した分光装置の構成に加えて、シングルモード半導体レーザ９９ｂと、レンズ１００ｂと、光アイソレータ４２と、レンズ１００ｄとを含む。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００３４】
【非特許文献１】Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．５５ （１９８５）， ｐｐ．２１５２−２１５５
【非特許文献２】Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｖｏｌ．２６ （１９８６）， ｐｐ．２３−２７
【非特許文献３】Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．７６ （２０００） ｐｐ．１５１９−１５２１
【非特許文献４】Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐａｒｔ Ｉ ｖｏｌ．３８ （１９９９） ｐｐ．１３８８−１３８９
【非特許文献５】Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．７５ （１９９９） ｐｐ．３７７２−３７７４
【非特許文献６】Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．８５ （２００４） ｐｐ．８８１−８８３
【非特許文献７】Ａ． Ｙａｒｉｖ著 “Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｔｈｉｒｄ ｅｄｉｔｉｏｎ” Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ ｓｏｎｓ， Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ
【非特許文献８】第６９回応用物理学会学術講演会 ４ｐ−ＺＥ−９ 講演予稿集 Ｎｏ．３ ｐｐ．９８４−９８４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
しかしながら、ＭＬＤ−ＴＤＳにシングルモード光ファイバを導入する方法では、ファイバ端面の損傷の恐れを避けるためシングルモード光ファイバに入力する光の強度を４００ｍＷ程度までしか上げられないという問題がある。そもそも発光領域幅の広いＢＬＤの光をシングルモード光ファイバに入れるのは難しく、入光効率は２％程度しかない（発光領域幅５０μｍ、波長８１０ｎｍのＢＬＤの場合）。このため電磁波放射用光伝導素子８６、電磁波検出用光伝導素子８７に照射する光量はそれぞれ約４ｍＷまでしか上げることができず、信号強度が弱いという問題がある。またＢＬＤから偏光保存シングルモードファイバカプラ８５に入る照射光強度が弱いことから光混合による高周波成分の出現は最高で１ＴＨｚ程度に限られてしまうという問題がある。
【００３６】
そこで、この発明は上記の課題に鑑み、連続的な広い周波数範囲にわたって信号対雑音比のよい測定ができる分光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】
【００３７】
本発明のある局面に係る分光装置は、インコヒーレント光の光源と、前記インコヒーレント光を平行化して集光する一対のレンズと、前記一対のレンズを通過した前記インコヒーレント光を通過させためのピンホールが形成されたピンホール部材と、前記ピンホール部材を通過した前記インコヒーレント光を２つに分割する分割部と、前記分割部での分割後の２つのインコヒーレント光のうちの一方のインコヒーレント光の照射に基づき第１電磁波を放射する電磁波放射部と、前記電磁波放射部から放射される前記第１電磁波を試料に透過または反射させた第２電磁波と前記分割部での分割後の前記２つのインコヒーレント光のうちの他方のインコヒーレント光とが入射され、前記第２電磁波と前記他方のインコヒーレント光との相互相関信号を得る電磁波検出部とを備える。
【００３８】
この構成では、インコヒーレント光をレンズ対とピンホールに通してから電磁波放射部と電磁波検出部とに導く構成とした。つまり、インコヒーレント光のビームパターンをレンズ対とピンホールで単一化してからインコヒーレント光ビームを分割することができる。一方のインコヒーレント光に基づいて発生した電磁波を試料に照射し、試料を透過または反射してきた電磁波を検出する。このとき分割した他方のインコヒーレント光と第２電磁波の相互相関信号を検出する。したがって本発明では電磁波の発生及び検出に使用されるインコヒーレント光は単一モード化されているため、横モードの異なるスペクトル線同士の混合による光ビート成分の位相が乱雑に分布するということはない。このため、信号スペクトルは連続的となり、広い周波数範囲にわたって信号対雑音比のよい測定ができる。なお、前記インコヒーレント光は、ランダムな強度変調を受けている光であってもよい。
【００３９】
本発明の他の局面に係る分光装置は、インコヒーレント光の光源と、前記インコヒーレント光を平行化する第１レンズと、前記インコヒーレント光の光周波数に対して光周波数が所定の値だけ異なるレーザ光を発生させるレーザ光発生部と、前記第１レンズで平行化された前記インコヒーレント光と前記レーザ光発生部が発生させる前記レーザ光とを混合し、混合光を出射する混合部と、前記混合光を集光する第２レンズと、前記第２レンズを通過した前記混合光を通過させるためのピンホールが形成されたピンホール部材と、前記ピンホール部材を通過した前記混合光を２つに分割する分割部と、前記分割部での分割後の２つの混合光のうちの一方の混合光の照射に基づき第１電磁波を放射する電磁波放射部と、前記電磁波放射部から放射される前記第１電磁波を試料に透過または反射させた第２電磁波と前記分割部での分割後の前記２つの混合光のうちの他方の混合光とが入射され、前記第２電磁波と前記他方の混合光との時間相関を得る電磁波検出部とを備える。
【００４０】
この構成は、インコヒーレント光とレーザ光との混合光を、ピンホールを通すことによりビームパターンを単一化してから分割し、測定周波数域を高める構成である。つまり、混合光のビームパターンをレンズ対とピンホールで単一化してから分割することができる。一方の混合光に基づいて発生した電磁波を試料に照射し、試料を透過または反射してきた電磁波を検出する。このとき分割した他方の混合光と第２電磁波の相互相関信号を検出する。したがって本発明では電磁波の発生及び検出に使用される混合光は単一モード化されているため、横モードの異なるスペクトル線同士の混合による光ビート成分の位相が乱雑に分布するということはない。このため、信号スペクトルは連続的となり、広い周波数範囲にわたって信号対雑音比のよい測定ができる。
【００４１】
本発明のさらに他の局面にかかる分光装置は、インコヒーレント光の光源と、前記インコヒーレント光を平行化して集光する一対のレンズと、前記一対のレンズを通過した前記インコヒーレント光を通過させるためのピンホールが形成されたピンホール部材と、前記インコヒーレント光の光周波数に対して光周波数が所定の値だけ異なるレーザ光を発生させるレーザ光発生部と、前記ピンホールを通過した前記インコヒーレント光と前記レーザ光発生部が発生させる前記レーザ光とを混合し、混合光を出射する混合部と、前記混合光を２つに分割する分割部と、前記分割部での分割後の２つの混合光のうちの一方の混合光の照射に基づき第１電磁波を放射する電磁波放射部と、前記電磁波放射部から放射される前記第１電磁波を試料に透過または反射させた第２電磁波と前記分割部での分割後の前記２つの混合光のうちの他方の混合光とが入射され、前記第２電磁波と前記他方の混合光との時間相関を得る電磁波検出部とを備える。
【００４２】
この構成は、インコヒーレント光をレンズ対とピンホールに通した光とレーザ光との混合光を使用することにより測定周波数域を高める構成である。つまり、インコヒーレント光のビームパターンをレンズ対とピンホールで単一化した光とレーザ光との混合光を分割することができる。一方の混合光に基づいて発生した電磁波を試料に照射し、試料を透過または反射してきた電磁波を検出する。このとき分割した他方の混合光と第２電磁波の相互相関信号を検出する。したがって本発明では電磁波の発生及び検出に使用される混合光は単一モード化されているため、横モードの異なるスペクトル線同士の混合による光ビート成分の位相が乱雑に分布するということはない。このため、信号スペクトルは連続的となり、広い周波数範囲にわたって信号対雑音比のよい測定ができる。
【００４３】
好ましくは、前記所定の値は、１００ＧＨｚ〜１００ＴＨｚの間の値である。
【００４４】
この構成によると、インコヒーレント光の光周波数に対して光周波数がわずかにずれたレーザ光を発生させることができる。このため、混合光は、インコヒーレント光のみを用いる場合と比較して、周波数帯域幅が広いスペクトルを持ち、レーザ光強度にはより高周波の強度揺らぎを含んでいる。
【００４５】
また、前記電磁波放射部は、前記一方のインコヒーレント光または混合光の照射に基づき１ＧＨｚ〜１００ＴＨｚの周波数成分を含む前記第１電磁波を放射する。
【００４６】
この構成によると、第１電磁波はテラヘルツ帯の電磁波を試料に照射することができる。
【００４７】
また、前記電磁波検出部は、前記相互相関信号をフーリエ変換し、フーリエ変換後の値から、前記第２電磁波における位相シフトを求めてもよい。
【００４８】
また、前記電磁波検出部は、前記第２電磁波と前記他方のインコヒーレント光との強度の乗算により前記相互相関信号を算出してもよい。
【００４９】
また、前記光源は、半導体レーザであってもよい。
【発明の効果】
【００５０】
本発明によると、連続的な広い周波数範囲にわたって信号対雑音比のよい測定ができる、分光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る分光装置の概略構成図である。
【図２】シングルモード光ファイバもピンホールも用いない従来のＭＬＤ−ＴＤＳによる透過測定の例である。
【図３】シングルモード光ファイバを用いた従来のＭＬＤ−ＴＤＳによる透過測定の例である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る分光装置による透過測定の結果の一例である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る分光装置の概略構成図である。
【図６】本発明の実施の形態２の変形例に係る分光装置の概略構成図である。
【図７】従来のＴＨｚ−ＴＤＳを用いた分光装置の概略構成図である。
【図８】従来のＭＬＤ−ＴＤＳを用いた分光装置の概略構成図である。
【図９】従来のＭＬＤ−ＴＤＳ、特にシングルモード光ファイバを用いた分光装置の概略構成図である。
【図１０】従来のＭＬＤ−ＴＤＳ、特に光混合の手法を適用した分光装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
この発明の分光装置は、１ピコ秒程度の短い時間スケールでのランダムな強度変調を含みかつ光スペクトルには非常に多数のスペクトル線を含むインコヒーレント光を提供するブロードエリアレーザと、そのインコヒーレントビームのモードパターンを単一化するためのレンズ対およびピンホールと、パターンが単一化されたビームを分割する分割部と、分割した一方のインコヒーレント光ビームの照射に基づき電磁波を放射する電磁波放射部と、電磁波を試料に透過または反射させた後に検出する電磁波検出部とを備えている。さらに他方のインコヒーレントビームは調節可能な時間遅延処理部を通して電磁波検出部に導かれ、他方のインコヒーレント光ビームと電磁波の相互相関信号が検出されるようになっている。
【００５３】
インコヒーレント光の光源としてはブロードエリア半導体レーザが使用できる。これは小型、安定かつ廉価で高強度のインコヒーレント光を発生できる。電磁波放射部として光伝導素子が使用できる。この電磁波放射用光伝導素子は、光照射されると伝導度が光強度に比例し、光強度に変調がある場合には変調を含む電流が流れ、電磁波を発生させる。なお、インコヒーレント光に基づき発生させる電磁波は１ＧＨｚ〜１ＴＨｚ程度の様々な周波数成分を含み、発生する電磁波のスペクトルは連続的である。また、電磁波検出部にも光伝導素子が使用できる。この電磁波検出用光伝導素子は光が照射されると伝導度が光強度に比例するので、光強度と電磁波の電場との積を電流として検出可能であり、電磁波検出用光伝導素子は乗算器として働く。なお、ブロードバンドエリア半導体レーザは上記のような優れた特長を有しているが、これ以外にもインコヒーレント光源はあり、その光強度には1〜100THz程度の様々な周波数成分が含まれているものもある。このインコヒーレント光と電磁波発生手段により１ＧＨｚから１００ＴＨｚ程度の様々な周波数成分を含む電磁波の発生の可能性がある。
【００５４】
次にこの発明に係る分光装置の作用を説明する。本発明の分光装置では、ブロードエリアレーザの光を用いている。ブロードエリアレーザは発振状態の横モードに応じて様々なビームパターンを含んでいる。そのため上述のように電磁波放射用光伝導素子上及び電磁波検出用光伝導素子上における光位相差はビームパターンによってさまざまな値をとる。このため異なるビームパターン同士の混合、つまり横モードの異なるスペクトル線同士の混合による光ビートの電磁波放射用光伝導素子上及び電磁波検出用光伝導素子上における位相差は様々な値をとる。このためそのような光ビートによる相互相関信号は乱雑な位相を持つため、お互いに打ち消しあってしまう（例えば、非特許文献６参照）。そこでこのようなビームをレンズ対とピンホールを通してビームパターンを単一化してから光伝導素子に導くことにより、そのような信号の打ち消しあいをなくす。相互相関信号には共通の横モードを持つ光成分同士の混合による信号だけでなく、異なる横モードを持つ光成分同士の混合による信号も含まれるようになるため、そのフーリエ変換は連続的なスペクトルを示す。このため、広い周波数領域について信号対雑音比の高い測定が可能になる。
【００５５】
次に、具体的な実施の形態を説明する。
【００５６】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る分光装置は、インコヒーレント光の光源と、前記インコヒーレント光を平行化して集光する一対のレンズと、前記一対のレンズを通過した前記インコヒーレント光を通過させためのピンホールが形成されたピンホール部材と、前記ピンホール部材を通過した前記インコヒーレント光を２つに分割する分割部と、前記分割部での分割後の２つのインコヒーレント光のうちの一方のインコヒーレント光の照射に基づき第１電磁波を放射する電磁波放射部と、前記電磁波放射部から放射される前記第１電磁波を試料に透過または反射させた第２電磁波と前記分割部での分割後の前記２つのインコヒーレント光のうちの他方のインコヒーレント光とが入射され、前記第２電磁波と前記他方のインコヒーレント光との相互相関信号を得る電磁波検出部とを備える。
【００５７】
図１はこの発明の分光装置に係る実施の形態の概略構成図である。分光装置は、ブロードエリア半導体レーザ１と、レンズ２ａと、レンズ２ｂと、ピンホール部材６と、レンズ２ｃと、ビームスプリッタ７と、レンズ２ｄと、電磁波放射用光伝導素子８と、電源１０と、放物面鏡１１ａと、放物面鏡１１ｂと、平面鏡１５と、リトロリフレクタ１６と、移動ステージ１７と、レンズ２ｅと、電磁波検出用光伝導素子９と、電流計１８と、ロックイン増幅器１９と、コンピュータ２０とを含む。
【００５８】
ブロードエリア半導体レーザ１と、レンズ２ａと、ビームスプリッタ７と、レンズ２ｄと、電磁波放射用光伝導素子８と、電源１０と、放物面鏡１１ａと、放物面鏡１１ｂと、平面鏡１５と、リトロリフレクタ１６と、移動ステージ１７と、レンズ２ｅと、電磁波検出用光伝導素子９と、電流計１８と、ロックイン増幅器１９と、コンピュータ２０とは、それぞれ、図８に示したブロードエリア半導体レーザ６１と、レンズ６２ａと、ビームスプリッタ６６と、レンズ６２ｂと、電磁波放射用光伝導素子６７と、電源６９と、放物面鏡７０ａと、放物面鏡７０ｂと、平面鏡７４と、リトロリフレクタ７５と、移動ステージ７６と、レンズ６２ｃと、電磁波検出用光伝導素子６８と、電流計７７と、ロックイン増幅器７８と、コンピュータ７９と同様の構成を有する。
【００５９】
この分光装置では、ブロードエリア半導体レーザ１からのレーザ光をレンズ２ａ、２ｂで平行化及び集光し、ピンホール部材６に形成されたピンホールを通してからＭＬＤ−ＴＤＳに用いている。ピンホールを通過した光をレンズ２ｃで平行化しビームスプリッタ７で分割して、電圧印加した電磁波放射用光伝導素子８に照射する。電磁波放射用光伝導素子８には光速変調を受けた電流が流れるため、電磁波放射用光伝導素子８は、１ＧＨｚ〜１ＴＨｚの周波数成分を含む電磁波１２を放射する。電磁波１２を放物面鏡１１ａで平行化して試料１３を透過させ、透過後の電磁波１４を放物面鏡１１ｂにより電磁波検出用光伝導素子９に集める。電磁波検出用光伝導素子９は、ビームスプリッタ７で分割されたもう一方の電磁波検出用のレーザ光５により照射され、時間的にレーザ光５の強度変調を反映した導電性を示す。さらに、電磁波検出用のレーザ光５を、移動ステージ１７に設けられたリトロリフレクタ１６で反射させることにより時間遅延させる。レーザ光５は時間遅延しているため、電磁波検出用光伝導素子９に生じる直流電流を測定しながら、移動ステージ１７を移動させ、遅延時間を変化させることにより、試料を透過した電磁波１４とレーザ光５の強度の相互相関信号を得ることができる。また電磁波経路に試料１３を挿入しないで測定すれば、試料透過前の電磁波１２とレーザ光５の強度の相互相関信号を得ることができる。これら２つの相互相関信号を比較することにより、試料の透過率と位相シフトを計算することができる。このような計算は、コンピュータ２０において行われる。
【００６０】
図２〜図４に金属開口配列（厚さ０．５０ｍｍ、開口径０．５７ｍｍ、三角格子、格子定数１．００ｍｍ）の透過測定の結果を示す。この測定で用いたブロードエリア半導体レーザの波長は８１０ｎｍ、発光領域幅は５０μｍである。図２〜図４中の実線はＴＨｚ−ＴＤＳによる測定データを示す。図２中の「×」はシングルモード光ファイバもピンホールも用いないＭＬＤ−ＴＤＳによる測定データ、図３の「×」はシングルモード光ファイバを用いたＭＬＤ−ＴＤＳによる測定データ、図４の「×」はピンホールを用いたＭＬＤ−ＴＤＳによる測定データを示す。レンズ２ｂの焦点距離は１６．５６ｍｍ、ピンホールの直径は２５μｍである。図２（ａ）、図３（ａ）及び図４（ａ）は試料を入れないときの相互相関信号のフーリエスペクトルである。シングルモード光ファイバもピンホールも用いていない場合にはフーリエスペクトルが離散的なピークのみからなる（図２（ａ））のに対し、シングルモード光ファイバ（図３（ａ））やピンホール（図４（ａ））を用いるとフーリエスペクトルに連続成分が生じているのがわかる。シングルモード光ファイバを用いた場合（図３（ａ））とピンホールを用いた場合（図４（ａ））を比較すると、ピンホールを用いた場合（図４（ａ））の方が信号強度は強い。これはピンホールを用いた方が電磁波放射用光伝導素子及び電磁波検出用光伝導素子の光伝導アンテナへの照射光強度が強いためである。図３のファイバを用いた場合は電磁波放射用光伝導素子、電磁波検出用光伝導素子への照射光強度がそれぞれ５．９７ｍＷ、４．０９ｍＷだったのに対し、図４のピンホールを用いた場合はそれぞれ３３．２ｍＷ、８．３５ｍＷである。
【００６１】
図２（ｂ）、図３（ｂ）及び図４（ｂ）は金属開口配列を挿入したとき位相シフト、図２（ｃ）、図３（ｃ）及び図４（ｃ）は透過率を示す。ＴＨｚ−ＴＤＳによる測定データとの一致は図４（ｂ）及び図４（ｃ）が最も良い。これはピンホールを用いることにより相互相関信号のフーリエスペクトルが連続化したこと、さらにシングルモード光ファイバを用いるよりピンホールを用いた方が信号強度は強いことが原因であると考えられる。
【００６２】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る分光装置は、インコヒーレント光の光源と、前記インコヒーレント光を平行化する第１レンズと、前記インコヒーレント光の光周波数に対して光周波数が所定の値だけ異なるレーザ光を発生させるレーザ光発生部と、前記第１レンズで平行化された前記インコヒーレント光と前記レーザ光発生部が発生させる前記レーザ光とを混合し、混合光を出射する混合部と、前記混合光を集光する第２レンズと、前記第２レンズを通過した前記混合光を通過させるためのピンホールが形成されたピンホール部材と、前記ピンホール部材を通過した前記混合光を２つに分割する分割部と、前記分割部での分割後の２つの混合光のうちの一方の混合光の照射に基づき第１電磁波を放射する電磁波放射部と、前記電磁波放射部から放射される前記第１電磁波を試料に透過または反射させた第２電磁波と前記分割部での分割後の前記２つの混合光のうちの他方の混合光とが入射され、前記第２電磁波と前記他方の混合光との時間相関を得る電磁波検出部とを備える。
【００６３】
図５はこの発明の分光装置のうち、光混合の手法を適用した実施の形態の概略構成図である。分光装置は、ブロードエリア半導体レーザ２１と、レンズ２２ａと、シングルモード半導体レーザ２１ａと、レンズ２２ｆと、光アイソレータ４２と、偏光ビームスプリッタ２７ａと、レンズ２２ｂと、ピンホール部材２６と、レンズ２２ｃと、半波長板４１と、偏光ビームスプリッタ２７ｂと、レンズ２２ｄと、電磁波放射用光伝導素子２８と、電源３０と、放物面鏡３１ａと、放物面鏡３１ｂと、平面鏡３５と、リトロリフレクタ３６と、移動ステージ３７と、レンズ２２ｅと、電磁波検出用光伝導素子２９と、電流計３８と、ロックイン増幅器３９と、コンピュータ４０とを含む。
【００６４】
ブロードエリア半導体レーザ２１と、レンズ２２ａと、レンズ２２ｂと、ピンホール部材２６と、レンズ２２ｃと、レンズ２２ｄと、電磁波放射用光伝導素子２８と、電源３０と、放物面鏡３１ａと、放物面鏡３１ｂと、平面鏡３５と、リトロリフレクタ３６と、移動ステージ３７と、レンズ２２ｅと、電磁波検出用光伝導素子２９と、電流計３８と、ロックイン増幅器３９と、コンピュータ４０とは、それぞれ、図１に示したブロードエリア半導体レーザ１と、レンズ２ａと、レンズ２ｂと、ピンホール部材６と、レンズ２ｃと、レンズ２ｄと、電磁波放射用光伝導素子８と、電源１０と、放物面鏡１１ａと、放物面鏡１１ｂと、平面鏡１５と、リトロリフレクタ１６と、移動ステージ１７と、レンズ２ｅと、電磁波検出用光伝導素子９と、電流計１８と、ロックイン増幅器１９と、コンピュータ２０と同様の構成を有する。
【００６５】
ブロードエリア半導体レーザ２１と、これとは波長をわずかに（光周波数にして１００ＧＨｚ〜１００ＴＨｚ程度）ずらしたシングルモード半導体レーザ２１ａとからの、２つのレーザ光をレンズ２２ａ、２２ｆで平行化してから偏光ビームスプリッタ２７ａを用いて重ね合わせ、レンズ２２ｂで集光してピンホール部材２６に形成されたピンホールに通してからＭＬＤ−ＴＤＳに用いている。ピンホールを通過した光をレンズ２２ｃで平行化し半波長板４１で偏光を４５度だけ回転させ、偏光ビームスプリッタ２７ｂに導く。こうすることにより偏光ビームスプリッタ２７ｂで分割されたレーザ光２４及び２５は両方とも２台のレーザ２１、２１ａの混合光となる。レーザ光２４及び２５は波長をわずかにずらしているので混合光は、ブロードエリア半導体レーザ２１が単独の場合（実施の形態１）と比較して、周波数帯域幅が広いスペクトルを持ち、レーザ光強度にはより高周波の強度揺らぎを含んでいる。レーザ光２４は電圧印加した電磁波放射用光伝導素子２８に照射される。電磁波放射用光伝導素子２８には光速変調を受けた電流が流れるため、電磁波放射用光伝導素子２８は電磁波３２を放射する。ここでレーザ光２４には実施の形態１の場合よりも高周波の変調成分が含まれるため、実施の形態１よりも高周波の電磁波成分が含まれる。これを放物面鏡３１ａで平行化して試料３３を透過させ、透過後の電磁波３４を放物面鏡３１ｂにより電磁波検出用光伝導素子２９に集める。電磁波検出用光伝導素子２９は偏光ビームスプリッタ２７ｂで分割されたもう一方の電磁波検出用のレーザ光２５により照射され、時間的にレーザ光２５の強度変調を反映した導電性を示す。さらに、電磁波検出用のレーザ光２５は移動ステージ３７に設けられたリトロリフレクタ３６で反射することにより時間遅延している。このため、電磁波検出用光伝導素子２９に生じる直流電流を測定しながら、移動ステージ３７を移動させ、遅延時間を変化させることにより、試料を透過した電磁波３４とレーザ光２５の強度の相互相関信号を得ることができる。また電磁波経路に試料３３を挿入しないで測定すれば、試料透過前の電磁波３２とレーザ光２５の強度との相互相関信号を得ることができる。これら２つの相互相関信号を比較することにより、試料の透過率と位相シフトを計算することができる。このような計算は、コンピュータ４０において行われる。
【００６６】
なお、図５に示した分光装置では、ブロードエリア半導体レーザ２１からのレーザ光２３とシングルモード半導体レーザ２１ａからのレーザ光とを混合した後にピンホールを通過させる構成としたが、ブロードエリア半導体レーザ２１からのレーザ光をピンホールに通過させた後に、シングルモード半導体レーザ２１ａからのレーザ光と混合するようにしてもよい。
【００６７】
つまり、実施の形態２の変形例に係る分光装置は、インコヒーレント光の光源と、前記インコヒーレント光を平行化して集光する一対のレンズと、前記一対のレンズを通過した前記インコヒーレント光を通過させるためのピンホールが形成されたピンホール部材と、前記インコヒーレント光の光周波数に対して光周波数が所定の値だけ異なるレーザ光を発生させるレーザ光発生部と、前記ピンホールを通過した前記インコヒーレント光と前記レーザ光発生部が発生させる前記レーザ光とを混合し、混合光を出射する混合部と、前記混合光を２つに分割する分割部と、前記分割部での分割後の２つの混合光のうちの一方の混合光の照射に基づき第１電磁波を放射する電磁波放射部と、前記電磁波放射部から放射される前記第１電磁波を試料に透過または反射させた第２電磁波と前記分割部での分割後の前記２つの混合光のうちの他方の混合光とが入射され、前記第２電磁波と前記他方の混合光との時間相関を得る電磁波検出部とを備える。
【００６８】
図６は、実施の形態２の変形例に係る分光装置の概略構成図である。分光装置は、ブロードエリア半導体レーザ２１と、レンズ２２ａと、レンズ２２ｂと、ピンホール部材２６と、レンズ２２ｃと、シングルモード半導体レーザ２１ａと、レンズ２２ｆと、光アイソレータ４２と、偏光ビームスプリッタ２７ａと、半波長板４１と、偏光ビームスプリッタ２７ｂと、レンズ２２ｄと、電磁波放射用光伝導素子２８と、電源３０と、放物面鏡３１ａと、放物面鏡３１ｂと、平面鏡３５と、リトロリフレクタ３６と、移動ステージ３７と、レンズ２２ｅと、電磁波検出用光伝導素子２９と、電流計３８と、ロックイン増幅器３９と、コンピュータ４０とを含む。各構成要素は、図５に示したものと同様であり、図６に示す分光装置は、図５に示す分光装置と配置が異なるのみである。このため、図６に示す分光装置は、図５に示す分光装置と同様の効果を奏することとなる。
【００６９】
以上の説明で述べたように、この発明の分光装置は、ビームパターンをピンホールにより単一モード化した連続波ブロードエリアレーザの光を用いる。連続波ブロードエリアレーザの光は短い時間スケールでのランダムな強度変調を含む。ビームパターンを単一モード化する以前の相互相関信号のフーリエスペクトルは離散的で縦モード間隔の整数倍にしかスペクトル成分が存在せず、分光には不向きである。これに対し、ビームパターンを単一モード化した後の相互相関信号のフーリエスペクトルは連続的で分光に好適である。また、シングルモード光ファイバによりビームパターンを単一化する場合には光強度に強い制限があり、電磁波の発生と検出にそれぞれ４ｍＷ程度しか使用できなかったのに対し、ピンホールを用いた方法では光強度の制限が大幅に緩和され、信号強度が強くなるために信号対雑音費が向上するという効果を有する。また光強度が強くなることから光混合法を適用した場合の最高到達周波数が向上するという効果を有する。
【００７０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、半導体、誘電体等の材料評価に利用され、特にテラヘルツ帯で使用される素子を構成する材料を測定する分光装置等に適用できる。
【符号の説明】
【００７２】
１、２１、６１、８０ ブロードエリア半導体レーザ
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、４６ａ、４６ｂ、６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄ、８１ｅ、８１ｆ、１００ｂ、１００ｄ レンズ
３、４、５、２３、２４、２５、６４、６５、８２、８３、８４ レーザ光
６、２６ ピンホール部材
７、４７、６６ ビームスプリッタ
８、９、２８、２９、４８、４９、６７、６８、８６、８７ 電磁波検出用光伝導素子
１０、３０、５０、６９、８８ 電源
１１ａ、１１ｂ、３１ａ、３１ｂ、５１ａ、５１ｂ、７０ａ、７０ｂ、８９ａ、８９ｂ 放物面鏡
１２、１４、３２、３４、７１、７３、９０、９２ 電磁波
１３、３３、５３、７２、９１ 試料
１５、３５、５５、７４、９３ 平面鏡
１６、３６、５６、７５、９４ リトロリフレクタ
１７、３７、５７、７６、９５ 移動ステージ
１８、３８、５８、７７、９６ 電流計
１９、３９、５９、７８、９７ ロックイン増幅器
２０、４０、６０、７９、９８ コンピュータ
２１ａ、９９ｂ シングルモード半導体レーザ
２７ａ、２７ｂ 偏光ビームスプリッタ
４１ 半波長板
４２ 光アイソレータ
４３、４４、４５ 光パルス
５２、５４ パルス電磁波
６３ インコヒーレント光
８５ 偏光保存シングルモードファイバカプラ
【技術分野】
【０００１】
この発明は半導体、誘電体等の材料評価に利用され、特にテラヘルツ帯で使用される素子を構成する材料を測定する分光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、ＴＨｚ波帯（１ＴＨｚ＝１０12Ｈｚ）の分光法としては、フェムト秒レーザと光伝導素子とを用いたＴＨｚ−ＴＤＳ（ＴＨｚ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）が最も有力な方法である（例えば、非特許文献１および２参照）。この光伝導素子を用いた分光法では、光伝導素子にサブピコ秒の超短光パルスを照射すれば、光キャリアの生成により瞬間的に光伝導素子が導電性となって電流が過渡的に流れることを利用して電磁波放射を行っている。さらに光伝導素子への光パルスの照射により瞬間的に導電性となることを利用することにより放射電磁波の検出も行われている。
【０００３】
図７は従来のＴＨｚ−ＴＤＳを用いた分光装置の概略構成図である。
【０００４】
分光装置は、ビームスプリッタ４７と、レンズ４６ａと、電磁波放射用光伝導素子４８と、電源５０と、放物面鏡５１ａと、放物面鏡５１ｂと、平面鏡５５と、リトロリフレクタ５６と、移動ステージ５７と、レンズ４６ｂと、電磁波検出用光伝導素子４９と、電流計５８と、ロックイン増幅器５９と、コンピュータ６０とを含む。
【０００５】
この図に示すように、ＴＨｚ−ＴＤＳでは、モードロックＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザなどから出力される超短光パルス４３をビームスプリッタ４７で２つに分割し、一方のパルス光４４を、電源５０により電圧印加された電磁波放射用光伝導素子４８に照射する。電磁波放射用光伝導素子４８には瞬間的に電流が流れるため、電磁波放射用光伝導素子４８は、パルス電磁波５２を放射する。パルス電磁波５２を放物面鏡５１ａで平行化して試料５３を透過させ、試料５３を透過したパルス電磁波５４を放物面鏡５１ｂにより電磁波検出用光伝導素子４９に集める。またパルス電磁波５２（パルス電磁波５４）を試料５３を透過させずに電磁波検出用光伝導素子４９に集める。電磁波検出用光伝導素子４９はビームスプリッタ４７で分割されたもう一方の超短光パルス４５により照射され、その瞬間だけ導電性となる。そのため、電磁波検出用光伝導素子４９は、到達してきたパルス電磁波５２または５４の電場を電流として検出することができる。ここで光パルス４５もパルス電磁波５２または５４も光速で電磁波検出用光伝導素子４９に繰り返し入射するが、そのタイミングは、移動ステージ５７に設けられたリトロリフレクタ５６で光パルス４５が反射されることによる時間遅延により固定されている。光パルスの繰り返し周波数が１００ＭＨｚの場合、光パルス４５とパルス電磁波５２または５４とが毎秒１０8回、電磁波検出用光伝導素子４９に入射し、電流パルスが同じく毎秒１０8回流れることになる。電流計５８は直流電流だけを検出するようになっているので、パルス電磁波５２または５４のうち上記時間遅延によって決められた部分が電流として観測されることになる。光パルス４５がビームスプリッタ４７から電磁波検出用光伝導素子４９に到達するまでの時間を、移動ステージ５７を移動させ上記時間遅延を変化させことにより、試料５３を透過してきたパルス電磁波５４または試料透過前のパルス電磁波５２の時間波形を得ることができる。このＴＨｚ−ＴＤＳの方法では用いられる電磁波が短パルスであるため、試料５３を透過してきた電磁波波形と試料を挿入しない場合の電磁波波形とを比較することにより、広い周波数域にわたる電磁波の透過率及び位相シフトを計算することができる。または試料で反射されてきた電磁波波形と金属鏡で反射されてきた電磁波波形とを比較することにより、広い周波数域にわたる電磁波の反射率及び位相シフトを計算することができる。しかしながら、ＴＨｚ−ＴＤＳでは励起光が短パルスでなくてはならないことから、光源にはモードロックなどの短パルス化が施されている必要があり、装置コストを押し上げていた。
【０００６】
そこで、パルス光の代わりにマルチモード半導体レーザのインコヒーレント光を使用して電磁波分光を行う手法（ＭＬＤ（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）−ＴＤＳ）が提案されている（例えば、非特許文献３参照）。図８にＭＬＤ−ＴＤＳを用いた分光装置の概略構成図を示す。
【０００７】
分光装置は、ブロードエリア半導体レーザ６１と、レンズ６２ａと、ビームスプリッタ６６と、レンズ６２ｂと、電磁波放射用光伝導素子６７と、電源６９と、放物面鏡７０ａと、放物面鏡７０ｂと、平面鏡７４と、リトロリフレクタ７５と、移動ステージ７６と、レンズ６２ｃと、電磁波検出用光伝導素子６８と、電流計７７と、ロックイン増幅器７８と、コンピュータ７９とを含む。
【０００８】
ビームスプリッタ６６と、レンズ６２ｂと、電磁波放射用光伝導素子６７と、電源６９と、放物面鏡７０ａと、放物面鏡７０ｂと、平面鏡７４と、リトロリフレクタ７５と、移動ステージ７６と、レンズ６２ｃと、電磁波検出用光伝導素子６８と、電流計７７と、ロックイン増幅器７８と、コンピュータ７９とは、それぞれ、図７に示した電磁波放射用光伝導素子４８と、電源５０と、放物面鏡５１ａと、放物面鏡５１ｂと、平面鏡５５と、リトロリフレクタ５６と、移動ステージ５７と、レンズ４６ｂと、電磁波検出用光伝導素子４９と、電流計５８と、ロックイン増幅器５９と、コンピュータ６０と同様の構成を有する。
【０００９】
インコヒーレント光６３の光源としてはマルチモード半導体レーザの一種であるブロードエリア半導体レーザ６１が使用でき、これは小型、安定かつ安価である。マルチモード半導体レーザ６１のインコヒーレント光６３は様々な波長のスペクトル成分を含んでいるため、光ビートにより乱雑な強度変調が生じており、インコヒーレント光となっている。マルチモード半導体レーザ６１の場合、この強度変調の周波数範囲は典型的には１ＧＨｚ程度から１ＴＨｚ程度である。このインコヒーレント光６３をビームスプリッタ６６で分割し、一方のインコヒーレント光６４を電圧印加した電磁波放射用光伝導素子６７に照射するとテラヘルツ帯の電磁波７１を放射させることができる。分割した他方のインコヒーレント光６５を、移動ステージ７６に設けられたリトロリフレクタ７５で反射させることにより時間遅延させる。インコヒーレント光６５は、時間遅延したのちに電磁波検出用光伝導素子６８に照射され、同時に電磁波（７１または７３）が電磁波検出用光伝導素子６８に導かれる。電磁波検出用光伝導素子６８に生じる電流はインコヒーレント光強度（インコヒーレント光６５の強度）と電磁波電場の積に比例する。電流の直流成分を記録しつつ、移動ステージ７６を移動させることにより遅延時間を変化させると、電磁波電場とインコヒーレント光強度の相互相関信号が得られる。
【００１０】
分光測定のためには、試料７２を透過または反射した電磁波７３により得られた相互相関信号と、電磁波経路に試料７２を挿入せずに得られる電磁波７１、もしくは試料７２でなく金属鏡で反射された電磁波により得られる相互相関信号とを比較する。ここで得られた相互相関信号は光強度の様々な周波数成分から生じた信号の重ね合わせとみなせる。電磁波検出用光伝導素子６８および試料７２は照射光強度や電磁波に対して線形に応答するため、相互相関信号の個々の周波数成分は対応する周波数の光強度変調および電磁波のみによって担われているとみなせる。したがって、検出した相互相関信号をフーリエ変換すれば、それぞれの周波数成分の信号を求めることができる。つまり、電磁波電場をＥ（ｔ）、光強度をＩ（ｔ）、電磁波放射用光伝導素子６７の放射する電磁波７１の照射光強度に対する応答関数をＦ（ｔ）とすると、式（１）に示す関係が成り立つ。
【００１１】
【数１】
【００１２】
また試料７２を通過した電磁波７３の電場ＥT（ｔ）は試料７２の透過に関する応答関数Ｔ（ｔ）を用いて式（２）で表すことができる。
【００１３】
【数２】
【００１４】
Ｅ（ｔ）、Ｉ（ｔ）、Ｆ（ｔ）、ＥT（ｔ）およびＴ（ｔ）のフーリエ変換をＥ（ω）、Ｉ（ω）、Ｆ（ω）、ＥT（ω）およびＴ（ω）と書くと、式（１）および式（２）から、式（３）および式（４）が得られる。
【００１５】
【数３】
【００１６】
式（３）と式（４）で光強度のフーリエ変換をＩ（ω）、Ｉ´（ω）と異なる記号で表した。これは光強度の変化は乱雑であるため、Ｅ（ω）およびＥT（ω）の測定をする際の光強度の変化が異なるためである。さらにインコヒーレント光６５の遅延時間がτのとき、試料７２を放射電磁波経路に挿入しない場合の電流信号ＪR（τ）と、試料７２を挿入した場合の電流信号ＪT（τ）とは、電磁波検出用光伝導素子６８の応答が光強度の時間スケールよりも十分短い場合には伝導度の光強度に対する係数Ｃσを用いて表すと、式（５）および式（６）と表せる。
【００１７】
【数４】
【００１８】
式（５）と式（６）で光強度の関数をＩ（ｔ）、Ｉ´（ｔ）と異なる記号で表した。これは光強度の変化は乱雑であるため、ＪR（τ）およびＪT（τ）の測定をする際の光強度の変化が異なるためである。ＪR（τ）およびＪT（τ）のフーリエ変換ＪR（ω）およびＪT（ω）は、式（５）および式（６）から、式（７）および式（８）のように表すことができる。
【００１９】
【数５】
【００２０】
ここでＩ´（ω）はＩ´（ｔ）のフーリエ変換である。マルチモードレーザの光強度変化は乱雑であるものの、スペクトルは変化がないので｜Ｉ´（ω）｜2＝｜Ｉ（ω）｜2である。試料７２の電磁波透過率と位相シフトはＴ（ｔ）のフーリエ成分Ｔ（ω）の振幅の２乗と位相で表すことができる。式（７）、（８）を用いるとＴ（ω）は、式（９）で表すことができる。
【００２１】
【数６】
【００２２】
電磁波検出用光伝導素子６８の応答が十分速くない場合には式（７）、式（８）中のＣσが周波数依存性を持つことになるが、それでも式（９）のような計算でＴ（ω）を求めることができる。したがって試料７２を電磁波経路に挿入しない場合の相互相関信号と試料７２を挿入した場合の電流信号とから、試料７２の電磁波透過率と位相シフトが求められる。電磁波透過率と位相シフトから試料７２の複素誘電率の実数部と虚数部が求められる。式（９）から、ＭＬＤ−ＴＤＳの測定可能周波数域はＪR（ω）によって決まっていることが分かる。ＪR（ω）が０の周波数領域では式（９）の除算が値を持たないため、測定ができない。ＪR（ω）が０でなくても小さい値であれば、信号帯雑音比のよい測定はできない。また、金属鏡で反射された電磁波を用いて得られた相互相関信号と試料７２で反射された電磁波を用いて得られた相互相関信号から試料７２の電磁波反射率と位相シフトが求められる。電磁波反射率と位相シフトから試料７２の複素誘電率の実数部と虚数部を求めることもできる。反射測定の場合も透過測定の場合と同様、金属鏡を反射させたときに得られた信号波形のフーリエスペクトルが小さい周波数領域では信号対雑音比のよい測定はできない。
【００２３】
マルチモード半導体レーザには発光領域幅の狭いもの（数μｍ以下）と広いもの（数十μｍ以上）がある。発光領域幅の狭いもの（ｓ−ＭＬＤ）の光スペクトルにはある周波数（数十ＧＨｚ程度）の整数倍に離散的なスペクトル線が存在するのに対し、発光領域幅の広いもの（ＢＬＤ（Ｂｒｏａｄ−ａｒｅａ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ））の光スペクトルは非常に多数の密なスペクトル線からなり、スペクトル線同士の間隔は数ＧＨｚ以下である。これらのスペクトル構造は縦モードおよび横モードの次数を考慮することにより理解できる（例えば、非特許文献４参照）。すなわち、レーザの発振モードは共振器内の定在波に対応しており、共振器の縦方向と横方向の節の数（縦モード次数、横モード次数）で特徴づけられる。共振器の縦方向の長さはレーザ光の光路長よりも十分長いのでさまざまな縦モード次数に対応するスペクトル線が存在する。これらスペクトル線の間隔は、典型的には数十ＧＨｚである。ｓ−ＭＬＤの場合は共振器の幅が狭いので横モード次数は０しか取りえない。よってｓ−ＭＬＤの光スペクトル中には鋭い線が数十ＧＨｚごとに等間隔に並んでいる。これに対し、ＢＬＤの場合は共振器の幅が広いので多数の横モード次数に対応した発振モードが存在する。ある１つの横モード次数と複数の縦モード次数に対応するスペクトル線は等間隔に存在するため、櫛形のスペクトルに対応する。横モード次数が異なればこの櫛形のスペクトル位置は少しずつずれるものの、共振器幅よりは共振器長の方がかなり大きいので櫛内のスペクトル線の間隔はあまり変わらない。しかしスペクトル線の位置は、横モード次数が変わると少しずつずれる。よってＢＬＤの光スペクトルは同じスペクトル線間隔の多数の櫛形スペクトルが少しずつずれたものが重なった構造になっている。光ビートの周波数は重なる光スペクトル線同士の光周波数の差になるので、光強度揺らぎのスペクトルはｓ−ＭＬＤの場合には縦モード間隔の整数倍にのみ鋭い線が存在する。ＢＬＤの場合には横モードが共通で縦モードが異なる光スペクトル成分同士の混合により縦モード間隔の整数倍にスペクトルピークが存在する他、横モードの異なる光スペクトル線同士の混合により連続的なスペクトル成分が存在する（例えば、非特許文献５参照）。
【００２４】
つまり、ｓ−ＭＬＤの場合はＩ（ω）が離散的になるのに対してＢＬＤの場合は連続的な成分が存在するので、ＭＬＤ−ＴＤＳの光源としてはＢＬＤの方が好ましいはずである。しかしＢＬＤを用いたＭＬＤ−ＴＤＳの信号スペクトルＪR（ω）には離散的なピークしか含まれない（例えば、非特許文献６参照）。このことはレーザ光の横モードによる位相分布を考慮に入れることにより理解できる。光伝導素子（電磁波放射用光伝導素子６７、電磁波検出用光伝導素子６８）への照射光はレンズ（レンズ６２ｂ、レンズ６２ｃ）により集光されているが、このビームのパターンをＨｅｒｍｉｔｅ多項式で分解した場合、ｎ次の成分の光伝導素子の場所における光の位相と焦点における位相の差は次のような式（１０）で表すことができる（例えば、非特許文献７参照）。
【００２５】
【数７】
【００２６】
ここでｋは波数ベクトル、ｉは放射素子（電磁波放射用光伝導素子６７）あるいは検出素子（電磁波検出用光伝導素子６８）の区別を表し、ｚiはレンズの焦点から測った光伝導素子の位置、θはビームの集光角、λは光の波長である。非特許文献６における実験値を代入すると式（１０）の第２項は、式（１１）となる。
【００２７】
【数８】
【００２８】
ここでｚiの単位はｍである。つまり光伝導素子の位置がごくわずか（１μｍ以下）でもずれるとビームパターンの異なる光成分の間の位相差は大きく変化する。そのため、横モードが異なる光成分同士の混合の場合は光ビートの位相が乱雑に分布するため、相互相関信号はお互いに打ち消しあってしまい、縦モード間隔の整数倍のスペクトル成分だけが残るものと考えられる。
【００２９】
横モード次数が異なる光スペクトル成分関同士の混合による、相互相関信号での連続的なスペクトル成分を得るには上記のビームパターンの分布をなくせばよい。これはシングルモード光ファイバを用いて実現することができる（例えば、非特許文献６参照）。つまりシングルモード光ファイバは単一のビームパターンの光しか透過しないため、ビームパターンの単一化が生じるためである。図９にシングルモード光ファイバを用いたＭＬＤ−ＴＤＳの分光装置の概略構成図を示す。
【００３０】
ＭＬＤ−ＴＤＳの分光装置は、ブロードエリア半導体レーザ８０と、レンズ８１ａと、レンズ８１ｂと、偏光保存シングルモードファイバカプラ８５と、レンズ８１ｃと、レンズ８１ｅと、電磁波放射用光伝導素子８６と、電源８８と、放物面鏡８９ａと、放物面鏡８９ｂと、レンズ８１ｄと、平面鏡９３と、リトロリフレクタ９４と、移動ステージ９５と、レンズ８１ｆと、電磁波検出用光伝導素子８７と、電流計９６と、ロックイン増幅器９７と、コンピュータ９８とを含む。
【００３１】
ブロードエリア半導体レーザ８０は、図８に示したブロードエリア半導体レーザ６１と同様の作用をする。電磁波放射用光伝導素子８６と、電源８８と、放物面鏡８９ａと、放物面鏡８９ｂと、平面鏡９３と、リトロリフレクタ９４と、移動ステージ９５と、レンズ８１ｆと、電磁波検出用光伝導素子８７と、電流計９６と、ロックイン増幅器９７と、コンピュータ９８とは、それぞれ、図７に示した電磁波放射用光伝導素子４８と、電源５０と、放物面鏡５１ａと、放物面鏡５１ｂと、平面鏡５５と、リトロリフレクタ５６と、移動ステージ５７と、レンズ４６ｂと、電磁波検出用光伝導素子４９と、電流計５８と、ロックイン増幅器５９と、コンピュータ６０と同様の構成を有する。
【００３２】
シングルモード光ファイバを用いない場合にはＪR（ω）が離散的だったのに対し、シングルモード光ファイバの使用によりＪR（ω）を連続的にすることができる。なお、非特許文献６においては偏光保存シングルモードファイバカプラ８５（２本の偏光保存シングルモードファイバの中央部を融着させたもの）を用いているが、ＪR（ω）の連続化の原因はシングルモード光ファイバによるビームパターンの単一化である。
【００３３】
また、８１０ｎｍ帯まだは８３０ｎｍ帯のマルチモード半導体レーザ（ブロードエリア半導体レーザ８０）を用いたＭＬＤ−ＴＤＳには周波数域が０．５ＴＨｚ以下に限られてしまうという問題もある。この原因はマルチモード半導体レーザ光のスペクトル幅が狭く、光強度揺らぎのスペクトルＩ（ω）の中に０．５ＴＨｚ以上の成分がないことが原因である。これに対してはＢＬＤとは少しだけ波長をずらした（光周波数にして数百ＧＨｚ程度）別の半導体レーザの光を混合することにより高周波化することができる（例えば、非特許文献８参照）。例えば、図１０に示すような分光装置の構成によりレーザ光の高周波化を行うことができる。この分光装置は、図９に示した分光装置の構成に加えて、シングルモード半導体レーザ９９ｂと、レンズ１００ｂと、光アイソレータ４２と、レンズ１００ｄとを含む。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００３４】
【非特許文献１】Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．５５ （１９８５）， ｐｐ．２１５２−２１５５
【非特許文献２】Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｖｏｌ．２６ （１９８６）， ｐｐ．２３−２７
【非特許文献３】Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．７６ （２０００） ｐｐ．１５１９−１５２１
【非特許文献４】Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐａｒｔ Ｉ ｖｏｌ．３８ （１９９９） ｐｐ．１３８８−１３８９
【非特許文献５】Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．７５ （１９９９） ｐｐ．３７７２−３７７４
【非特許文献６】Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．８５ （２００４） ｐｐ．８８１−８８３
【非特許文献７】Ａ． Ｙａｒｉｖ著 “Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｔｈｉｒｄ ｅｄｉｔｉｏｎ” Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ ｓｏｎｓ， Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ
【非特許文献８】第６９回応用物理学会学術講演会 ４ｐ−ＺＥ−９ 講演予稿集 Ｎｏ．３ ｐｐ．９８４−９８４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
しかしながら、ＭＬＤ−ＴＤＳにシングルモード光ファイバを導入する方法では、ファイバ端面の損傷の恐れを避けるためシングルモード光ファイバに入力する光の強度を４００ｍＷ程度までしか上げられないという問題がある。そもそも発光領域幅の広いＢＬＤの光をシングルモード光ファイバに入れるのは難しく、入光効率は２％程度しかない（発光領域幅５０μｍ、波長８１０ｎｍのＢＬＤの場合）。このため電磁波放射用光伝導素子８６、電磁波検出用光伝導素子８７に照射する光量はそれぞれ約４ｍＷまでしか上げることができず、信号強度が弱いという問題がある。またＢＬＤから偏光保存シングルモードファイバカプラ８５に入る照射光強度が弱いことから光混合による高周波成分の出現は最高で１ＴＨｚ程度に限られてしまうという問題がある。
【００３６】
そこで、この発明は上記の課題に鑑み、連続的な広い周波数範囲にわたって信号対雑音比のよい測定ができる分光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】
【００３７】
本発明のある局面に係る分光装置は、インコヒーレント光の光源と、前記インコヒーレント光を平行化して集光する一対のレンズと、前記一対のレンズを通過した前記インコヒーレント光を通過させためのピンホールが形成されたピンホール部材と、前記ピンホール部材を通過した前記インコヒーレント光を２つに分割する分割部と、前記分割部での分割後の２つのインコヒーレント光のうちの一方のインコヒーレント光の照射に基づき第１電磁波を放射する電磁波放射部と、前記電磁波放射部から放射される前記第１電磁波を試料に透過または反射させた第２電磁波と前記分割部での分割後の前記２つのインコヒーレント光のうちの他方のインコヒーレント光とが入射され、前記第２電磁波と前記他方のインコヒーレント光との相互相関信号を得る電磁波検出部とを備える。
【００３８】
この構成では、インコヒーレント光をレンズ対とピンホールに通してから電磁波放射部と電磁波検出部とに導く構成とした。つまり、インコヒーレント光のビームパターンをレンズ対とピンホールで単一化してからインコヒーレント光ビームを分割することができる。一方のインコヒーレント光に基づいて発生した電磁波を試料に照射し、試料を透過または反射してきた電磁波を検出する。このとき分割した他方のインコヒーレント光と第２電磁波の相互相関信号を検出する。したがって本発明では電磁波の発生及び検出に使用されるインコヒーレント光は単一モード化されているため、横モードの異なるスペクトル線同士の混合による光ビート成分の位相が乱雑に分布するということはない。このため、信号スペクトルは連続的となり、広い周波数範囲にわたって信号対雑音比のよい測定ができる。なお、前記インコヒーレント光は、ランダムな強度変調を受けている光であってもよい。
【００３９】
本発明の他の局面に係る分光装置は、インコヒーレント光の光源と、前記インコヒーレント光を平行化する第１レンズと、前記インコヒーレント光の光周波数に対して光周波数が所定の値だけ異なるレーザ光を発生させるレーザ光発生部と、前記第１レンズで平行化された前記インコヒーレント光と前記レーザ光発生部が発生させる前記レーザ光とを混合し、混合光を出射する混合部と、前記混合光を集光する第２レンズと、前記第２レンズを通過した前記混合光を通過させるためのピンホールが形成されたピンホール部材と、前記ピンホール部材を通過した前記混合光を２つに分割する分割部と、前記分割部での分割後の２つの混合光のうちの一方の混合光の照射に基づき第１電磁波を放射する電磁波放射部と、前記電磁波放射部から放射される前記第１電磁波を試料に透過または反射させた第２電磁波と前記分割部での分割後の前記２つの混合光のうちの他方の混合光とが入射され、前記第２電磁波と前記他方の混合光との時間相関を得る電磁波検出部とを備える。
【００４０】
この構成は、インコヒーレント光とレーザ光との混合光を、ピンホールを通すことによりビームパターンを単一化してから分割し、測定周波数域を高める構成である。つまり、混合光のビームパターンをレンズ対とピンホールで単一化してから分割することができる。一方の混合光に基づいて発生した電磁波を試料に照射し、試料を透過または反射してきた電磁波を検出する。このとき分割した他方の混合光と第２電磁波の相互相関信号を検出する。したがって本発明では電磁波の発生及び検出に使用される混合光は単一モード化されているため、横モードの異なるスペクトル線同士の混合による光ビート成分の位相が乱雑に分布するということはない。このため、信号スペクトルは連続的となり、広い周波数範囲にわたって信号対雑音比のよい測定ができる。
【００４１】
本発明のさらに他の局面にかかる分光装置は、インコヒーレント光の光源と、前記インコヒーレント光を平行化して集光する一対のレンズと、前記一対のレンズを通過した前記インコヒーレント光を通過させるためのピンホールが形成されたピンホール部材と、前記インコヒーレント光の光周波数に対して光周波数が所定の値だけ異なるレーザ光を発生させるレーザ光発生部と、前記ピンホールを通過した前記インコヒーレント光と前記レーザ光発生部が発生させる前記レーザ光とを混合し、混合光を出射する混合部と、前記混合光を２つに分割する分割部と、前記分割部での分割後の２つの混合光のうちの一方の混合光の照射に基づき第１電磁波を放射する電磁波放射部と、前記電磁波放射部から放射される前記第１電磁波を試料に透過または反射させた第２電磁波と前記分割部での分割後の前記２つの混合光のうちの他方の混合光とが入射され、前記第２電磁波と前記他方の混合光との時間相関を得る電磁波検出部とを備える。
【００４２】
この構成は、インコヒーレント光をレンズ対とピンホールに通した光とレーザ光との混合光を使用することにより測定周波数域を高める構成である。つまり、インコヒーレント光のビームパターンをレンズ対とピンホールで単一化した光とレーザ光との混合光を分割することができる。一方の混合光に基づいて発生した電磁波を試料に照射し、試料を透過または反射してきた電磁波を検出する。このとき分割した他方の混合光と第２電磁波の相互相関信号を検出する。したがって本発明では電磁波の発生及び検出に使用される混合光は単一モード化されているため、横モードの異なるスペクトル線同士の混合による光ビート成分の位相が乱雑に分布するということはない。このため、信号スペクトルは連続的となり、広い周波数範囲にわたって信号対雑音比のよい測定ができる。
【００４３】
好ましくは、前記所定の値は、１００ＧＨｚ〜１００ＴＨｚの間の値である。
【００４４】
この構成によると、インコヒーレント光の光周波数に対して光周波数がわずかにずれたレーザ光を発生させることができる。このため、混合光は、インコヒーレント光のみを用いる場合と比較して、周波数帯域幅が広いスペクトルを持ち、レーザ光強度にはより高周波の強度揺らぎを含んでいる。
【００４５】
また、前記電磁波放射部は、前記一方のインコヒーレント光または混合光の照射に基づき１ＧＨｚ〜１００ＴＨｚの周波数成分を含む前記第１電磁波を放射する。
【００４６】
この構成によると、第１電磁波はテラヘルツ帯の電磁波を試料に照射することができる。
【００４７】
また、前記電磁波検出部は、前記相互相関信号をフーリエ変換し、フーリエ変換後の値から、前記第２電磁波における位相シフトを求めてもよい。
【００４８】
また、前記電磁波検出部は、前記第２電磁波と前記他方のインコヒーレント光との強度の乗算により前記相互相関信号を算出してもよい。
【００４９】
また、前記光源は、半導体レーザであってもよい。
【発明の効果】
【００５０】
本発明によると、連続的な広い周波数範囲にわたって信号対雑音比のよい測定ができる、分光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る分光装置の概略構成図である。
【図２】シングルモード光ファイバもピンホールも用いない従来のＭＬＤ−ＴＤＳによる透過測定の例である。
【図３】シングルモード光ファイバを用いた従来のＭＬＤ−ＴＤＳによる透過測定の例である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る分光装置による透過測定の結果の一例である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る分光装置の概略構成図である。
【図６】本発明の実施の形態２の変形例に係る分光装置の概略構成図である。
【図７】従来のＴＨｚ−ＴＤＳを用いた分光装置の概略構成図である。
【図８】従来のＭＬＤ−ＴＤＳを用いた分光装置の概略構成図である。
【図９】従来のＭＬＤ−ＴＤＳ、特にシングルモード光ファイバを用いた分光装置の概略構成図である。
【図１０】従来のＭＬＤ−ＴＤＳ、特に光混合の手法を適用した分光装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
この発明の分光装置は、１ピコ秒程度の短い時間スケールでのランダムな強度変調を含みかつ光スペクトルには非常に多数のスペクトル線を含むインコヒーレント光を提供するブロードエリアレーザと、そのインコヒーレントビームのモードパターンを単一化するためのレンズ対およびピンホールと、パターンが単一化されたビームを分割する分割部と、分割した一方のインコヒーレント光ビームの照射に基づき電磁波を放射する電磁波放射部と、電磁波を試料に透過または反射させた後に検出する電磁波検出部とを備えている。さらに他方のインコヒーレントビームは調節可能な時間遅延処理部を通して電磁波検出部に導かれ、他方のインコヒーレント光ビームと電磁波の相互相関信号が検出されるようになっている。
【００５３】
インコヒーレント光の光源としてはブロードエリア半導体レーザが使用できる。これは小型、安定かつ廉価で高強度のインコヒーレント光を発生できる。電磁波放射部として光伝導素子が使用できる。この電磁波放射用光伝導素子は、光照射されると伝導度が光強度に比例し、光強度に変調がある場合には変調を含む電流が流れ、電磁波を発生させる。なお、インコヒーレント光に基づき発生させる電磁波は１ＧＨｚ〜１ＴＨｚ程度の様々な周波数成分を含み、発生する電磁波のスペクトルは連続的である。また、電磁波検出部にも光伝導素子が使用できる。この電磁波検出用光伝導素子は光が照射されると伝導度が光強度に比例するので、光強度と電磁波の電場との積を電流として検出可能であり、電磁波検出用光伝導素子は乗算器として働く。なお、ブロードバンドエリア半導体レーザは上記のような優れた特長を有しているが、これ以外にもインコヒーレント光源はあり、その光強度には1〜100THz程度の様々な周波数成分が含まれているものもある。このインコヒーレント光と電磁波発生手段により１ＧＨｚから１００ＴＨｚ程度の様々な周波数成分を含む電磁波の発生の可能性がある。
【００５４】
次にこの発明に係る分光装置の作用を説明する。本発明の分光装置では、ブロードエリアレーザの光を用いている。ブロードエリアレーザは発振状態の横モードに応じて様々なビームパターンを含んでいる。そのため上述のように電磁波放射用光伝導素子上及び電磁波検出用光伝導素子上における光位相差はビームパターンによってさまざまな値をとる。このため異なるビームパターン同士の混合、つまり横モードの異なるスペクトル線同士の混合による光ビートの電磁波放射用光伝導素子上及び電磁波検出用光伝導素子上における位相差は様々な値をとる。このためそのような光ビートによる相互相関信号は乱雑な位相を持つため、お互いに打ち消しあってしまう（例えば、非特許文献６参照）。そこでこのようなビームをレンズ対とピンホールを通してビームパターンを単一化してから光伝導素子に導くことにより、そのような信号の打ち消しあいをなくす。相互相関信号には共通の横モードを持つ光成分同士の混合による信号だけでなく、異なる横モードを持つ光成分同士の混合による信号も含まれるようになるため、そのフーリエ変換は連続的なスペクトルを示す。このため、広い周波数領域について信号対雑音比の高い測定が可能になる。
【００５５】
次に、具体的な実施の形態を説明する。
【００５６】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る分光装置は、インコヒーレント光の光源と、前記インコヒーレント光を平行化して集光する一対のレンズと、前記一対のレンズを通過した前記インコヒーレント光を通過させためのピンホールが形成されたピンホール部材と、前記ピンホール部材を通過した前記インコヒーレント光を２つに分割する分割部と、前記分割部での分割後の２つのインコヒーレント光のうちの一方のインコヒーレント光の照射に基づき第１電磁波を放射する電磁波放射部と、前記電磁波放射部から放射される前記第１電磁波を試料に透過または反射させた第２電磁波と前記分割部での分割後の前記２つのインコヒーレント光のうちの他方のインコヒーレント光とが入射され、前記第２電磁波と前記他方のインコヒーレント光との相互相関信号を得る電磁波検出部とを備える。
【００５７】
図１はこの発明の分光装置に係る実施の形態の概略構成図である。分光装置は、ブロードエリア半導体レーザ１と、レンズ２ａと、レンズ２ｂと、ピンホール部材６と、レンズ２ｃと、ビームスプリッタ７と、レンズ２ｄと、電磁波放射用光伝導素子８と、電源１０と、放物面鏡１１ａと、放物面鏡１１ｂと、平面鏡１５と、リトロリフレクタ１６と、移動ステージ１７と、レンズ２ｅと、電磁波検出用光伝導素子９と、電流計１８と、ロックイン増幅器１９と、コンピュータ２０とを含む。
【００５８】
ブロードエリア半導体レーザ１と、レンズ２ａと、ビームスプリッタ７と、レンズ２ｄと、電磁波放射用光伝導素子８と、電源１０と、放物面鏡１１ａと、放物面鏡１１ｂと、平面鏡１５と、リトロリフレクタ１６と、移動ステージ１７と、レンズ２ｅと、電磁波検出用光伝導素子９と、電流計１８と、ロックイン増幅器１９と、コンピュータ２０とは、それぞれ、図８に示したブロードエリア半導体レーザ６１と、レンズ６２ａと、ビームスプリッタ６６と、レンズ６２ｂと、電磁波放射用光伝導素子６７と、電源６９と、放物面鏡７０ａと、放物面鏡７０ｂと、平面鏡７４と、リトロリフレクタ７５と、移動ステージ７６と、レンズ６２ｃと、電磁波検出用光伝導素子６８と、電流計７７と、ロックイン増幅器７８と、コンピュータ７９と同様の構成を有する。
【００５９】
この分光装置では、ブロードエリア半導体レーザ１からのレーザ光をレンズ２ａ、２ｂで平行化及び集光し、ピンホール部材６に形成されたピンホールを通してからＭＬＤ−ＴＤＳに用いている。ピンホールを通過した光をレンズ２ｃで平行化しビームスプリッタ７で分割して、電圧印加した電磁波放射用光伝導素子８に照射する。電磁波放射用光伝導素子８には光速変調を受けた電流が流れるため、電磁波放射用光伝導素子８は、１ＧＨｚ〜１ＴＨｚの周波数成分を含む電磁波１２を放射する。電磁波１２を放物面鏡１１ａで平行化して試料１３を透過させ、透過後の電磁波１４を放物面鏡１１ｂにより電磁波検出用光伝導素子９に集める。電磁波検出用光伝導素子９は、ビームスプリッタ７で分割されたもう一方の電磁波検出用のレーザ光５により照射され、時間的にレーザ光５の強度変調を反映した導電性を示す。さらに、電磁波検出用のレーザ光５を、移動ステージ１７に設けられたリトロリフレクタ１６で反射させることにより時間遅延させる。レーザ光５は時間遅延しているため、電磁波検出用光伝導素子９に生じる直流電流を測定しながら、移動ステージ１７を移動させ、遅延時間を変化させることにより、試料を透過した電磁波１４とレーザ光５の強度の相互相関信号を得ることができる。また電磁波経路に試料１３を挿入しないで測定すれば、試料透過前の電磁波１２とレーザ光５の強度の相互相関信号を得ることができる。これら２つの相互相関信号を比較することにより、試料の透過率と位相シフトを計算することができる。このような計算は、コンピュータ２０において行われる。
【００６０】
図２〜図４に金属開口配列（厚さ０．５０ｍｍ、開口径０．５７ｍｍ、三角格子、格子定数１．００ｍｍ）の透過測定の結果を示す。この測定で用いたブロードエリア半導体レーザの波長は８１０ｎｍ、発光領域幅は５０μｍである。図２〜図４中の実線はＴＨｚ−ＴＤＳによる測定データを示す。図２中の「×」はシングルモード光ファイバもピンホールも用いないＭＬＤ−ＴＤＳによる測定データ、図３の「×」はシングルモード光ファイバを用いたＭＬＤ−ＴＤＳによる測定データ、図４の「×」はピンホールを用いたＭＬＤ−ＴＤＳによる測定データを示す。レンズ２ｂの焦点距離は１６．５６ｍｍ、ピンホールの直径は２５μｍである。図２（ａ）、図３（ａ）及び図４（ａ）は試料を入れないときの相互相関信号のフーリエスペクトルである。シングルモード光ファイバもピンホールも用いていない場合にはフーリエスペクトルが離散的なピークのみからなる（図２（ａ））のに対し、シングルモード光ファイバ（図３（ａ））やピンホール（図４（ａ））を用いるとフーリエスペクトルに連続成分が生じているのがわかる。シングルモード光ファイバを用いた場合（図３（ａ））とピンホールを用いた場合（図４（ａ））を比較すると、ピンホールを用いた場合（図４（ａ））の方が信号強度は強い。これはピンホールを用いた方が電磁波放射用光伝導素子及び電磁波検出用光伝導素子の光伝導アンテナへの照射光強度が強いためである。図３のファイバを用いた場合は電磁波放射用光伝導素子、電磁波検出用光伝導素子への照射光強度がそれぞれ５．９７ｍＷ、４．０９ｍＷだったのに対し、図４のピンホールを用いた場合はそれぞれ３３．２ｍＷ、８．３５ｍＷである。
【００６１】
図２（ｂ）、図３（ｂ）及び図４（ｂ）は金属開口配列を挿入したとき位相シフト、図２（ｃ）、図３（ｃ）及び図４（ｃ）は透過率を示す。ＴＨｚ−ＴＤＳによる測定データとの一致は図４（ｂ）及び図４（ｃ）が最も良い。これはピンホールを用いることにより相互相関信号のフーリエスペクトルが連続化したこと、さらにシングルモード光ファイバを用いるよりピンホールを用いた方が信号強度は強いことが原因であると考えられる。
【００６２】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る分光装置は、インコヒーレント光の光源と、前記インコヒーレント光を平行化する第１レンズと、前記インコヒーレント光の光周波数に対して光周波数が所定の値だけ異なるレーザ光を発生させるレーザ光発生部と、前記第１レンズで平行化された前記インコヒーレント光と前記レーザ光発生部が発生させる前記レーザ光とを混合し、混合光を出射する混合部と、前記混合光を集光する第２レンズと、前記第２レンズを通過した前記混合光を通過させるためのピンホールが形成されたピンホール部材と、前記ピンホール部材を通過した前記混合光を２つに分割する分割部と、前記分割部での分割後の２つの混合光のうちの一方の混合光の照射に基づき第１電磁波を放射する電磁波放射部と、前記電磁波放射部から放射される前記第１電磁波を試料に透過または反射させた第２電磁波と前記分割部での分割後の前記２つの混合光のうちの他方の混合光とが入射され、前記第２電磁波と前記他方の混合光との時間相関を得る電磁波検出部とを備える。
【００６３】
図５はこの発明の分光装置のうち、光混合の手法を適用した実施の形態の概略構成図である。分光装置は、ブロードエリア半導体レーザ２１と、レンズ２２ａと、シングルモード半導体レーザ２１ａと、レンズ２２ｆと、光アイソレータ４２と、偏光ビームスプリッタ２７ａと、レンズ２２ｂと、ピンホール部材２６と、レンズ２２ｃと、半波長板４１と、偏光ビームスプリッタ２７ｂと、レンズ２２ｄと、電磁波放射用光伝導素子２８と、電源３０と、放物面鏡３１ａと、放物面鏡３１ｂと、平面鏡３５と、リトロリフレクタ３６と、移動ステージ３７と、レンズ２２ｅと、電磁波検出用光伝導素子２９と、電流計３８と、ロックイン増幅器３９と、コンピュータ４０とを含む。
【００６４】
ブロードエリア半導体レーザ２１と、レンズ２２ａと、レンズ２２ｂと、ピンホール部材２６と、レンズ２２ｃと、レンズ２２ｄと、電磁波放射用光伝導素子２８と、電源３０と、放物面鏡３１ａと、放物面鏡３１ｂと、平面鏡３５と、リトロリフレクタ３６と、移動ステージ３７と、レンズ２２ｅと、電磁波検出用光伝導素子２９と、電流計３８と、ロックイン増幅器３９と、コンピュータ４０とは、それぞれ、図１に示したブロードエリア半導体レーザ１と、レンズ２ａと、レンズ２ｂと、ピンホール部材６と、レンズ２ｃと、レンズ２ｄと、電磁波放射用光伝導素子８と、電源１０と、放物面鏡１１ａと、放物面鏡１１ｂと、平面鏡１５と、リトロリフレクタ１６と、移動ステージ１７と、レンズ２ｅと、電磁波検出用光伝導素子９と、電流計１８と、ロックイン増幅器１９と、コンピュータ２０と同様の構成を有する。
【００６５】
ブロードエリア半導体レーザ２１と、これとは波長をわずかに（光周波数にして１００ＧＨｚ〜１００ＴＨｚ程度）ずらしたシングルモード半導体レーザ２１ａとからの、２つのレーザ光をレンズ２２ａ、２２ｆで平行化してから偏光ビームスプリッタ２７ａを用いて重ね合わせ、レンズ２２ｂで集光してピンホール部材２６に形成されたピンホールに通してからＭＬＤ−ＴＤＳに用いている。ピンホールを通過した光をレンズ２２ｃで平行化し半波長板４１で偏光を４５度だけ回転させ、偏光ビームスプリッタ２７ｂに導く。こうすることにより偏光ビームスプリッタ２７ｂで分割されたレーザ光２４及び２５は両方とも２台のレーザ２１、２１ａの混合光となる。レーザ光２４及び２５は波長をわずかにずらしているので混合光は、ブロードエリア半導体レーザ２１が単独の場合（実施の形態１）と比較して、周波数帯域幅が広いスペクトルを持ち、レーザ光強度にはより高周波の強度揺らぎを含んでいる。レーザ光２４は電圧印加した電磁波放射用光伝導素子２８に照射される。電磁波放射用光伝導素子２８には光速変調を受けた電流が流れるため、電磁波放射用光伝導素子２８は電磁波３２を放射する。ここでレーザ光２４には実施の形態１の場合よりも高周波の変調成分が含まれるため、実施の形態１よりも高周波の電磁波成分が含まれる。これを放物面鏡３１ａで平行化して試料３３を透過させ、透過後の電磁波３４を放物面鏡３１ｂにより電磁波検出用光伝導素子２９に集める。電磁波検出用光伝導素子２９は偏光ビームスプリッタ２７ｂで分割されたもう一方の電磁波検出用のレーザ光２５により照射され、時間的にレーザ光２５の強度変調を反映した導電性を示す。さらに、電磁波検出用のレーザ光２５は移動ステージ３７に設けられたリトロリフレクタ３６で反射することにより時間遅延している。このため、電磁波検出用光伝導素子２９に生じる直流電流を測定しながら、移動ステージ３７を移動させ、遅延時間を変化させることにより、試料を透過した電磁波３４とレーザ光２５の強度の相互相関信号を得ることができる。また電磁波経路に試料３３を挿入しないで測定すれば、試料透過前の電磁波３２とレーザ光２５の強度との相互相関信号を得ることができる。これら２つの相互相関信号を比較することにより、試料の透過率と位相シフトを計算することができる。このような計算は、コンピュータ４０において行われる。
【００６６】
なお、図５に示した分光装置では、ブロードエリア半導体レーザ２１からのレーザ光２３とシングルモード半導体レーザ２１ａからのレーザ光とを混合した後にピンホールを通過させる構成としたが、ブロードエリア半導体レーザ２１からのレーザ光をピンホールに通過させた後に、シングルモード半導体レーザ２１ａからのレーザ光と混合するようにしてもよい。
【００６７】
つまり、実施の形態２の変形例に係る分光装置は、インコヒーレント光の光源と、前記インコヒーレント光を平行化して集光する一対のレンズと、前記一対のレンズを通過した前記インコヒーレント光を通過させるためのピンホールが形成されたピンホール部材と、前記インコヒーレント光の光周波数に対して光周波数が所定の値だけ異なるレーザ光を発生させるレーザ光発生部と、前記ピンホールを通過した前記インコヒーレント光と前記レーザ光発生部が発生させる前記レーザ光とを混合し、混合光を出射する混合部と、前記混合光を２つに分割する分割部と、前記分割部での分割後の２つの混合光のうちの一方の混合光の照射に基づき第１電磁波を放射する電磁波放射部と、前記電磁波放射部から放射される前記第１電磁波を試料に透過または反射させた第２電磁波と前記分割部での分割後の前記２つの混合光のうちの他方の混合光とが入射され、前記第２電磁波と前記他方の混合光との時間相関を得る電磁波検出部とを備える。
【００６８】
図６は、実施の形態２の変形例に係る分光装置の概略構成図である。分光装置は、ブロードエリア半導体レーザ２１と、レンズ２２ａと、レンズ２２ｂと、ピンホール部材２６と、レンズ２２ｃと、シングルモード半導体レーザ２１ａと、レンズ２２ｆと、光アイソレータ４２と、偏光ビームスプリッタ２７ａと、半波長板４１と、偏光ビームスプリッタ２７ｂと、レンズ２２ｄと、電磁波放射用光伝導素子２８と、電源３０と、放物面鏡３１ａと、放物面鏡３１ｂと、平面鏡３５と、リトロリフレクタ３６と、移動ステージ３７と、レンズ２２ｅと、電磁波検出用光伝導素子２９と、電流計３８と、ロックイン増幅器３９と、コンピュータ４０とを含む。各構成要素は、図５に示したものと同様であり、図６に示す分光装置は、図５に示す分光装置と配置が異なるのみである。このため、図６に示す分光装置は、図５に示す分光装置と同様の効果を奏することとなる。
【００６９】
以上の説明で述べたように、この発明の分光装置は、ビームパターンをピンホールにより単一モード化した連続波ブロードエリアレーザの光を用いる。連続波ブロードエリアレーザの光は短い時間スケールでのランダムな強度変調を含む。ビームパターンを単一モード化する以前の相互相関信号のフーリエスペクトルは離散的で縦モード間隔の整数倍にしかスペクトル成分が存在せず、分光には不向きである。これに対し、ビームパターンを単一モード化した後の相互相関信号のフーリエスペクトルは連続的で分光に好適である。また、シングルモード光ファイバによりビームパターンを単一化する場合には光強度に強い制限があり、電磁波の発生と検出にそれぞれ４ｍＷ程度しか使用できなかったのに対し、ピンホールを用いた方法では光強度の制限が大幅に緩和され、信号強度が強くなるために信号対雑音費が向上するという効果を有する。また光強度が強くなることから光混合法を適用した場合の最高到達周波数が向上するという効果を有する。
【００７０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、半導体、誘電体等の材料評価に利用され、特にテラヘルツ帯で使用される素子を構成する材料を測定する分光装置等に適用できる。
【符号の説明】
【００７２】
１、２１、６１、８０ ブロードエリア半導体レーザ
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、４６ａ、４６ｂ、６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄ、８１ｅ、８１ｆ、１００ｂ、１００ｄ レンズ
３、４、５、２３、２４、２５、６４、６５、８２、８３、８４ レーザ光
６、２６ ピンホール部材
７、４７、６６ ビームスプリッタ
８、９、２８、２９、４８、４９、６７、６８、８６、８７ 電磁波検出用光伝導素子
１０、３０、５０、６９、８８ 電源
１１ａ、１１ｂ、３１ａ、３１ｂ、５１ａ、５１ｂ、７０ａ、７０ｂ、８９ａ、８９ｂ 放物面鏡
１２、１４、３２、３４、７１、７３、９０、９２ 電磁波
１３、３３、５３、７２、９１ 試料
１５、３５、５５、７４、９３ 平面鏡
１６、３６、５６、７５、９４ リトロリフレクタ
１７、３７、５７、７６、９５ 移動ステージ
１８、３８、５８、７７、９６ 電流計
１９、３９、５９、７８、９７ ロックイン増幅器
２０、４０、６０、７９、９８ コンピュータ
２１ａ、９９ｂ シングルモード半導体レーザ
２７ａ、２７ｂ 偏光ビームスプリッタ
４１ 半波長板
４２ 光アイソレータ
４３、４４、４５ 光パルス
５２、５４ パルス電磁波
６３ インコヒーレント光
８５ 偏光保存シングルモードファイバカプラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インコヒーレント光の光源と、
前記インコヒーレント光を平行化して集光する一対のレンズと、
前記一対のレンズを通過した前記インコヒーレント光を通過させためのピンホールが形成されたピンホール部材と、
前記ピンホール部材を通過した前記インコヒーレント光を２つに分割する分割部と、
前記分割部での分割後の２つのインコヒーレント光のうちの一方のインコヒーレント光の照射に基づき第１電磁波を放射する電磁波放射部と、
前記電磁波放射部から放射される前記第１電磁波を試料に透過または反射させた第２電磁波と前記分割部での分割後の前記２つのインコヒーレント光のうちの他方のインコヒーレント光とが入射され、前記第２電磁波と前記他方のインコヒーレント光との相互相関信号を得る電磁波検出部と
を備える分光装置。
【請求項２】
インコヒーレント光の光源と、
前記インコヒーレント光を平行化する第１レンズと、
前記インコヒーレント光の光周波数に対して光周波数が所定の値だけ異なるレーザ光を発生させるレーザ光発生部と、
前記第１レンズで平行化された前記インコヒーレント光と前記レーザ光発生部が発生させる前記レーザ光とを混合し、混合光を出射する混合部と、
前記混合光を集光する第２レンズと、
前記第２レンズを通過した前記混合光を通過させるためのピンホールが形成されたピンホール部材と、
前記ピンホール部材を通過した前記混合光を２つに分割する分割部と、
前記分割部での分割後の２つの混合光のうちの一方の混合光の照射に基づき第１電磁波を放射する電磁波放射部と、
前記電磁波放射部から放射される前記第１電磁波を試料に透過または反射させた第２電磁波と前記分割部での分割後の前記２つの混合光のうちの他方の混合光とが入射され、前記第２電磁波と前記他方の混合光との時間相関を得る電磁波検出部と
を備える分光装置。
【請求項３】
インコヒーレント光の光源と、
前記インコヒーレント光を平行化して集光する一対のレンズと、
前記一対のレンズを通過した前記インコヒーレント光を通過させるためのピンホールが形成されたピンホール部材と、
前記インコヒーレント光の光周波数に対して光周波数が所定の値だけ異なるレーザ光を発生させるレーザ光発生部と、
前記ピンホールを通過した前記インコヒーレント光と前記レーザ光発生部が発生させる前記レーザ光とを混合し、混合光を出射する混合部と、
前記混合光を２つに分割する分割部と、
前記分割部での分割後の２つの混合光のうちの一方の混合光の照射に基づき第１電磁波を放射する電磁波放射部と、
前記電磁波放射部から放射される前記第１電磁波を試料に透過または反射させた第２電磁波と前記分割部での分割後の前記２つの混合光のうちの他方の混合光とが入射され、前記第２電磁波と前記他方の混合光との時間相関を得る電磁波検出部と
を備える分光装置。
【請求項４】
前記所定の値は、１００ＧＨｚ〜１００ＴＨｚの間の値である
請求項２または３記載の分光装置。
【請求項５】
前記電磁波放射部は、前記一方のインコヒーレント光または混合光の照射に基づき１ＧＨｚ〜１００ＴＨｚの周波数成分を含む前記第１電磁波を放射する
請求項１記載の分光装置。
【請求項６】
前記電磁波検出部は、前記相互相関信号をフーリエ変換し、フーリエ変換後の値から、前記第２電磁波における位相シフトを求める
請求項１〜３のいずれか１項に記載の分光装置。
【請求項７】
前記電磁波検出部は、前記第２電磁波と前記他方のインコヒーレント光との強度の乗算により前記相互相関信号を算出する
請求項１記載の分光装置。
【請求項８】
前記インコヒーレント光は、ランダムな強度変調を受けている光である
請求項１または５記載の分光装置。
【請求項９】
前記光源は、半導体レーザである
請求項１〜８のいずれか１項に記載の分光装置。
【請求項１】
インコヒーレント光の光源と、
前記インコヒーレント光を平行化して集光する一対のレンズと、
前記一対のレンズを通過した前記インコヒーレント光を通過させためのピンホールが形成されたピンホール部材と、
前記ピンホール部材を通過した前記インコヒーレント光を２つに分割する分割部と、
前記分割部での分割後の２つのインコヒーレント光のうちの一方のインコヒーレント光の照射に基づき第１電磁波を放射する電磁波放射部と、
前記電磁波放射部から放射される前記第１電磁波を試料に透過または反射させた第２電磁波と前記分割部での分割後の前記２つのインコヒーレント光のうちの他方のインコヒーレント光とが入射され、前記第２電磁波と前記他方のインコヒーレント光との相互相関信号を得る電磁波検出部と
を備える分光装置。
【請求項２】
インコヒーレント光の光源と、
前記インコヒーレント光を平行化する第１レンズと、
前記インコヒーレント光の光周波数に対して光周波数が所定の値だけ異なるレーザ光を発生させるレーザ光発生部と、
前記第１レンズで平行化された前記インコヒーレント光と前記レーザ光発生部が発生させる前記レーザ光とを混合し、混合光を出射する混合部と、
前記混合光を集光する第２レンズと、
前記第２レンズを通過した前記混合光を通過させるためのピンホールが形成されたピンホール部材と、
前記ピンホール部材を通過した前記混合光を２つに分割する分割部と、
前記分割部での分割後の２つの混合光のうちの一方の混合光の照射に基づき第１電磁波を放射する電磁波放射部と、
前記電磁波放射部から放射される前記第１電磁波を試料に透過または反射させた第２電磁波と前記分割部での分割後の前記２つの混合光のうちの他方の混合光とが入射され、前記第２電磁波と前記他方の混合光との時間相関を得る電磁波検出部と
を備える分光装置。
【請求項３】
インコヒーレント光の光源と、
前記インコヒーレント光を平行化して集光する一対のレンズと、
前記一対のレンズを通過した前記インコヒーレント光を通過させるためのピンホールが形成されたピンホール部材と、
前記インコヒーレント光の光周波数に対して光周波数が所定の値だけ異なるレーザ光を発生させるレーザ光発生部と、
前記ピンホールを通過した前記インコヒーレント光と前記レーザ光発生部が発生させる前記レーザ光とを混合し、混合光を出射する混合部と、
前記混合光を２つに分割する分割部と、
前記分割部での分割後の２つの混合光のうちの一方の混合光の照射に基づき第１電磁波を放射する電磁波放射部と、
前記電磁波放射部から放射される前記第１電磁波を試料に透過または反射させた第２電磁波と前記分割部での分割後の前記２つの混合光のうちの他方の混合光とが入射され、前記第２電磁波と前記他方の混合光との時間相関を得る電磁波検出部と
を備える分光装置。
【請求項４】
前記所定の値は、１００ＧＨｚ〜１００ＴＨｚの間の値である
請求項２または３記載の分光装置。
【請求項５】
前記電磁波放射部は、前記一方のインコヒーレント光または混合光の照射に基づき１ＧＨｚ〜１００ＴＨｚの周波数成分を含む前記第１電磁波を放射する
請求項１記載の分光装置。
【請求項６】
前記電磁波検出部は、前記相互相関信号をフーリエ変換し、フーリエ変換後の値から、前記第２電磁波における位相シフトを求める
請求項１〜３のいずれか１項に記載の分光装置。
【請求項７】
前記電磁波検出部は、前記第２電磁波と前記他方のインコヒーレント光との強度の乗算により前記相互相関信号を算出する
請求項１記載の分光装置。
【請求項８】
前記インコヒーレント光は、ランダムな強度変調を受けている光である
請求項１または５記載の分光装置。
【請求項９】
前記光源は、半導体レーザである
請求項１〜８のいずれか１項に記載の分光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−４７６９６（Ｐ２０１２−４７６９６Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９２５２９（Ｐ２０１０−１９２５２９）
【出願日】平成２２年８月３０日（２０１０．８．３０）
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月３０日（２０１０．８．３０）
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
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