分析装置および分析方法
【課題】テラヘルツ波の波長以下の微小な試料でも、ペレットを使用することなくテラヘルツ波を用いて短時間で分光情報が得られる分析装置を提供する。
【解決手段】パルス状のテラヘルツ波からなる第１の電磁波を試料１５に照射する第１の照射系２１と、第１の電磁波の照射により試料１５から放射される第２の電磁波を伝播する電気光学結晶１４と、電気光学結晶１４における第２の電磁波の伝播領域に、該伝播領域における第２の電磁波の伝播タイミングに合わせて、第１の電磁波よりも波長が短いパルス状の第３の電磁波を照射する第２の照射系２２と、電気光学結晶１４と相互作用した伝播領域における第３の電磁波の偏光状態を検出する検出部２３と、検出部２３の出力に基づいて試料１５の分光情報を取得する処理部２４と、を備える。
【解決手段】パルス状のテラヘルツ波からなる第１の電磁波を試料１５に照射する第１の照射系２１と、第１の電磁波の照射により試料１５から放射される第２の電磁波を伝播する電気光学結晶１４と、電気光学結晶１４における第２の電磁波の伝播領域に、該伝播領域における第２の電磁波の伝播タイミングに合わせて、第１の電磁波よりも波長が短いパルス状の第３の電磁波を照射する第２の照射系２２と、電気光学結晶１４と相互作用した伝播領域における第３の電磁波の偏光状態を検出する検出部２３と、検出部２３の出力に基づいて試料１５の分光情報を取得する処理部２４と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を使用する分析装置および分析方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、フェムト秒パルスレーザを利用した、テラヘルツ波時間領域分光法（terahertz time-domain spectroscopy, ＴＨｚ−ＴＤＳ）が確立されたことで、テラヘルツ波の分光測定が簡易に、かつ高いＳ／Ｎで行えるようになった。テラヘルツ波は、波長が数百μｍ程度（１ＴＨｚの場合、波長３００μｍ）の赤外光であり、その周波数帯に半導体材料や巨大生体高分子、超伝導材料などに特異な吸収スペクトルを有することから、これらのセンシングへの応用が期待されている。
【０００３】
このＴＨｚ−ＴＤＳでは、フェムト秒レーザパルスをポンプ光とプローブ光とに分岐し、ポンプ光を非線形光学結晶などのテラヘルツ波発生素子に照射することでパルス状のテラヘルツ波を発生させる。発生したテラヘルツ波は、試料に照射され、試料を透過または試料で反射されたテラヘルツ波は電気光学結晶などのテラヘルツ波センサに導光される。
【０００４】
テラヘルツ波が電気光学結晶に入射すると、ポッケルス効果によって結晶内に複屈折が誘起される。これと同時に、プローブ光が電気光学結晶を透過すると、テラヘルツ波電場で誘起された複屈折によってプローブ光の偏光状態が変化する。この偏光の変化を検出することでテラヘルツ波電場を検出し、試料の情報を得ることができる。
【０００５】
ここで、テラヘルツ波電場のパルス幅は、一般に数ピコ秒程度であり、プローブ光は１００フェムト秒程度である。そのため、テラヘルツ波パルスの結晶内でプローブ光と時間的に重なっている時間領域のみが検出されることになる。したがって、テラヘルツ波パルスの全ての時間領域を検出するためには、電気光学結晶に入射するテラヘルツ波パルスとプローブ光との相対的時間差を変化させる必要がある。その方法として、例えば遅延光路にプローブ光を通し、それを走査するという方法が知られている。これによりテラヘルツ波電場の時間波形を取得すれば、その時間波形をフーリエ変換することにより、位相や振幅の周波数情報、すなわち分光情報を得ることができる。
【０００６】
しかし、上記の遅延光路を使用する方法は、走査に時間を要することになる。その解決策として、例えば、プローブ光とテラヘルツ波とを非同軸に電気光学結晶に入射させる方法や、テラヘルツ波もしくはプローブ光のパルス面を傾斜させて両者を同軸に電気光学結晶に入射させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
前者の方法では、ビーム径が拡大されたプローブ光とテラヘルツ波とを非同軸に電気光学結晶に入射させ、プローブ光とテラヘルツ波との時間的重なり位置が、プローブ光の空間位置によって異なるようにしている。すなわち、テラヘルツ波の時間情報を、プローブ光の空間情報に変換している。そして、このプローブ光を１次元光検出器で検出することにより、テラヘルツ波電場の時間波形をワンショットで検出するようにしている。
【０００８】
また、後者の方法では、テラヘルツ波もしくはプローブ光で、そのパルス面を傾斜させるようにしている。すなわち、ビーム内で空間的に遅延を持たせるようにしている。これにより、上記の前者の方法の場合と同様に、プローブ光とテラヘルツ波との時間的重なり位置がプローブ光の空間位置によって異なるようにして、ワンショットでテラヘルツ波電場波形を検出可能としている。このような方法を採用することにより、走査機構を必要とせず、短時間でテラヘルツ波電場の時間波形を検出することが可能となる。
【０００９】
しかし、上記のようなワンショットのテラヘルツ波検出方法は、試料を透過または試料で反射されたテラヘルツ波を検出するため、試料がテラヘルツ波の波長と同程度もしくはそれよりも小さい場合、その検出が困難である。例えば、アミノ酸結晶であるチロシン結晶は、大きさが数百μｍ程度であり、テラヘルツ波の波長と同程度、もしくはそれより小さい場合もある。
【００１０】
一方、テラヘルツ波を用いて微小な試料を測定する方法として、試料をパウダー状に粉砕してテフロン(登録商標)またはポリエチレンのパウダーと混合してペレット状に加工し、その加工物にテラヘルツ波を照射して測定する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。この測定法によれば、チロシン結晶のような微小な試料においてもテラヘルツ波を試料に透過もしくは反射させて測定を行うことが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００８−０９６２１０号公報
【特許文献２】特開２００５−１７２７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献２に開示のペレットを作製する方法では、微小な結晶を単結晶で測定して、その偏光特性を調べるなどの場合は、測定が困難となる。また、開発段階の微小な半導体材料や超伝導材料などを測定する場合は、材料の個数を多く準備できず、ペレットの作製自体が難しくなって、ペレットを使用した測定方法を採用できないことも想定される。
【００１３】
したがって、かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、テラヘルツ波の波長以下の微小な試料でも、ペレットを使用することなくテラヘルツ波を用いて短時間で分光情報を得ることが可能な分析装置および分析方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成する本発明に係る分析装置の発明は、
パルス状のテラヘルツ波からなる第１の電磁波を試料に照射する第１の照射系と、
前記第１の電磁波の照射により前記試料から放射される第２の電磁波を伝播する電気光学結晶と、
該電気光学結晶における前記第２の電磁波の伝播領域に、該伝播領域における前記第２の電磁波の伝播タイミングに合わせて、前記第１の電磁波よりも波長が短いパルス状の第３の電磁波を照射する第２の照射系と、
前記電気光学結晶と相互作用した前記伝播領域における前記第３の電磁波の偏光状態を検出する検出部と、
該検出部の出力に基づいて前記試料の分光情報を取得する処理部と、
を備えることを特徴とするものである。
【００１５】
前記電気光学結晶は、前記第２の電磁波として、前記第１の電磁波の照射により前記試料から自由誘導減衰によって再放射される電磁波を伝播する、
ことを特徴とするものである。
【００１６】
前記検出部は固体撮像カメラを備え、該固体撮像カメラにより前記第３の電磁波の偏光状態を前記伝播領域の２次元画像として検出する、
ことを特徴するものである。
【００１７】
前記処理部は、前記試料の分光情報として、前記検出部の出力を前記電気光学結晶の屈折率に基づいて時間領域情報に変換した後、該時間領域情報をフーリエ変換して周波数情報を取得する、
ことを特徴するものである。
【００１８】
前記電気光学結晶は、前記第３の電磁波の振動面において複屈折が生じるように配置されている、
ことを特徴するものである。
【００１９】
前記電気光学結晶は、前記第２の電磁波が前記第１の電磁波の振動面と直交する面内で振動することにより、前記第３の電磁波の振動面において複屈折が生じるように配置されている、
ことを特徴するものである。
【００２０】
さらに、上記目的を達成する本発明に係る分析方法の発明は、
パルス状のテラヘルツ波からなる第１の電磁波を試料に照射して、該試料から放射される第２の電磁波を電気光学結晶に伝播させるステップと、
該電気光学結晶における前記第２の電磁波の伝播領域に、該伝播領域における前記第２の電磁波の伝播タイミングに合わせて、前記第１の電磁波よりも波長が短いパルス状の第３の電磁波を照射するステップと、
前記電気光学結晶と相互作用した前記伝播領域における前記第３の電磁波の偏光状態を検出して、該偏光状態に基づいて前記試料の分光情報を取得するステップと、
を含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、テラヘルツ波の波長以下の微小な試料でも、ペレットを使用することなくテラヘルツ波を用いて短時間で分光情報を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る分析装置の全体の概略構成図である。
【図２】図１の破線部分の拡大図である。
【図３】図１の固体撮像カメラにより取得されるテラヘルツ波電場振幅分布画像を模式的に示す図である。
【図４】図３のテラヘルツ波電場振幅分布画像におけるラインプロファイルを示す図である。
【図５】図４のラインプロファイルに基づくパワースペクトルを示す図である。
【図６】図１の固体撮像カメラにより取得されたテラヘルツ波電場振幅分布画像の一例を示す写真である。
【図７】図６のテラヘルツ波電場振幅分布画像におけるラインプロファイルを示す図である。
【図８】図７のラインプロファイルに基づくパワースペクトルを示す図である。
【図９】本発明の第２実施の形態に係る分析装置の全体の概略構成図である。
【図１０】図９の破線部分の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
【００２４】
（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る分析装置の全体の概略構成図である。この分析装置は、近赤外のフェムト秒レーザパルス（第３の電磁波）を射出するレーザ光源１１と、該レーザ光源１１からのフェムト秒レーザパルスを２つの光束に分岐するビームスプリッタ１２と、該ビームスプリッタ１２で分離された一方のフェムト秒レーザパルスをポンプ光としてテラヘルツ波（第１の電磁波）を発生するテラヘルツ波発生部１３と、電気光学結晶１４とを備える。
【００２５】
さらに、分析装置は、テラヘルツ波発生部１３で発生したテラヘルツ波を試料１５に照射する第１の照射系２１と、ビームスプリッタ１２で分離された他方のフェムト秒レーザパルスをプローブ光として電気光学結晶１４に照射する第２の照射系２２と、電気光学結晶１４におけるフェムト秒レーザパルスの偏光状態を検出する検出部２３と、検出部２３の出力に基づいて試料１５の分光情報を取得する処理部２４と、全体の動作を制御する制御部２５とを備える。試料１５は、電気光学結晶１４上に載置される。
【００２６】
テラヘルツ波発生部１３は、反射ミラー３１，３２，３３と、集光レンズ３４と、テラヘルツ波発生素子３５とを備える。そして、テラヘルツ波発生部１３は、ビームスプリッタ１２で分岐されたフェムト秒レーザパルスを、反射ミラー３１，３２，３３で順次反射させて、集光レンズ３４によりテラヘルツ波発生素子３５に集光し、これによりテラヘルツ波発生素子３５からテラヘルツ波パルスを放射させる。テラヘルツ波発生素子３５は、公知の非線形光学結晶や光伝導アンテナ等から構成される。なお、図１では、３枚の反射ミラー３１，３２，３３を用いているが、光学素子のレイアウトによっては、省略あるいは適宜の枚数とすることができる。
【００２７】
第１の照射系２１は、照射レンズ系４１およびダイクロイックミラー４２を備え、テラヘルツ波発生素子３５から放射されるテラヘルツ波を、照射レンズ系４１によりダイクロイックミラー４２を透過させて試料１５に照射する。
【００２８】
第２の照射系２２は、１／２波長板５１と、光路長調整光学系５２と、反射ミラー５３と、ビームエキスパンダ５４とを備える。光路長調整光学系５２は、光路を平行に折り返す２つの反射ミラーを有し、制御部２５による制御のもとに両矢印方向に移動可能に構成される。そして、第２の照射系２２は、ビームスプリッタ１２で分岐されたフェムト秒レーザパルスを、１／２波長板５１、光路長調整光学系５２および反射ミラー５３を経てビームエキスパンダ５４によりビーム径を拡大し、その後、ダイクロイックミラー４２で反射させて、試料１５の極近傍の電気光学結晶１４の領域に照射する。
【００２９】
なお、図１では、ダイクロイックミラー４２が、第１の照射系２１のテラヘルツ波パルスは透過させ、第２の照射系２２のフェムト秒レーザパルスは反射させるように構成されているが、光学系のレイアウトによっては、反射と透過とが逆であってもよい。また、反射ミラー５３は、光学素子のレイアウトに応じて、省略あるいは適宜の枚数とすることできる。
【００３０】
検出部２３は、反射ミラー６１、結像レンズ系６２、１／４波長板６３、偏光子６４および固体撮像カメラ６５を備える。そして、検出部２３は、電気光学結晶１４と相互作用して電気光学結晶１４を透過したフェムト秒レーザパルスを、反射ミラー６１、結像レンズ系６２、１／４波長板６３および偏光子６４を経て固体撮像カメラ６５に入射させる。これにより、電気光学結晶１４内の面の２次元画像を撮像して、電気光学結晶１４によるフェムト秒レーザパルスの偏光状態を検出する。なお、固体撮像カメラ６５は、制御部２５によって撮影動作が制御される。
【００３１】
処理部２４は、固体撮像カメラ６５からの画像信号を入力し、その画像信号に基づく空間領域情報を電気光学結晶１４の屈折率に基づいて時間領域情報に変換した後、該時間領域情報をフーリエ変換して、試料１５の分光情報である周波数情報を取得する。
【００３２】
以下、本実施の形態に係る分析装置の動作について更に詳細に説明する。
【００３３】
図２は、図１の破線部分の拡大図である。上述したように、電気光学結晶１４上に試料１５を載置して、その上方からテラヘルツ波パルス（第１の電磁波）を試料１５に照射する。また、試料１５の近傍の領域において、フェムト秒レーザパルス（第３の電磁波）を電気光学結晶１４に照射する。なお、フェムト秒レーザパルスの照射領域は、試料１５を含んでいても良い。そして、電気光学結晶１４を透過したフェムト秒レーザパルスを、反射ミラー６１、結像レンズ系６２、１／４波長板６３および偏光子６４を経て固体撮像カメラ６５に入射させる。そして、結像レンズ系６２により、図２に破線で示すように、電気光学結晶１４内の面を固体撮像カメラ６５で撮像する。
【００３４】
ここで、試料１５がテラヘルツ波周波数帯に吸収ピークを有している場合、試料１５にテラヘルツ波パルスが照射されると、吸収ピークに応じた分極が誘起され、テラヘルツ波パルスが吸収を受ける。この際、試料１５内に誘起された分極が振動することで、試料１５から新たに微弱なテラヘルツ波（第２の電磁波）が再放射される。この現象は、自由誘導減衰と呼ばれる。この再放射されるテラヘルツ波の周波数は、試料１５の分極振動の周波数、つまり吸収ピークに一致する。例えば、アミノ酸のチロシン結晶は、０．９７ＴＨｚに吸収ピークを有しているので、この場合、プローブ光の照射後に自由誘導減衰によって０．９７ＴＨｚのテラヘルツ波が再放射される。
【００３５】
この自由誘導減衰によって再放射されるテラヘルツ波の放射方向は、試料１５内の分極振動の方向に依存し、図２に示すように、入射するテラヘルツ波（第１の電磁波）とは異なる方向にも出射される。なお、図２に示す３次元座標軸Ｘ，Ｙ，ＺにおけるＺ軸は、試料１５に対する第１の照射系２１および第２の照射系２２の光軸方向を示している。そして、再放射されたテラヘルツ波が電気光学結晶１４に入射すると、その電場による電気光学効果によって電気光学結晶１４内に複屈折が生じる。その結果、再放射されたテラヘルツ波（第２の電磁波）が電気光学結晶１４を伝播する領域を、フェムト秒レーザパルス（第３の電磁波）が透過すると、その偏光が変化する。この偏光の変化は、１／４波長板６３および偏光子６４を経て固体撮像カメラ６５により２次元画像として検出される。これにより、フェムト秒レーザパルスが電気光学結晶１４を透過した領域のテラヘルツ波電場振幅分布を画像として得ることができる。
【００３６】
なお、図１に示した第２の照射系２２に配置された１／２波長板５１は、電気光学結晶１４内に生じる複屈折によってフェムト秒レーザパルスの偏光が変化するように、予めフェムト秒レーザパルスの偏光状態を設定するために使用される。また、ビームエキスパンダ５４は、フェムト秒レーザパルスの光束径を適切な大きさに調整するために使用される。
【００３７】
図３は、図１に示した固体撮像カメラ６５により取得されるテラヘルツ波電場振幅分布画像を模式的に示す図である。図３に示す画像は、取得画像の領域外の左側に試料が位置して、該試料からテラヘルツ波が放射されてＸ＋方向に伝播している中の、ある時間におけるテラヘルツ波電場分布を示している。ここで、図１に示した第２の照射系２２に配置された光路長調整光学系５２によりフェムト秒レーザパルスの光路長を調整して、フェムト秒レーザパルスとテラヘルツ波（第２の電磁波）とが電気光学結晶１４に入射する際の相対的時間差を変化させると、異なる時間でのテラヘルツ波の空間分布画像を取得することができる。つまり、試料１５から再放射されるテラヘルツ波が観測されるように光路調整光学系５２を調節すれば、図３に示すような画像を得ることができる。
【００３８】
図４は、図３に示したテラヘルツ波電場振幅分布画像の破線位置におけるラインプロファイルを示すものである。横軸はＸ方向の空間座標位置を示し、縦軸は信号強度を示す。つまり、図４は、空間座標位置でのある時間におけるテラヘルツ波電場振幅の空間分布を示している。
【００３９】
したがって、処理部２４において、固体撮像カメラ６５からのテラヘルツ波電場振幅分布画像（空間座標）を、電気光学結晶１４のテラヘルツ波帯の屈折率および光速に基づいて時間領域情報に変換し、その時間領域情報をフーリエ変換すれば、図５に示すようなスペクトルを得ることができる。このスペクトルのピーク周波数は、試料１５から自由誘導減衰によって再放射されるテラヘルツ波の周波数を表している。つまり、このピーク周波数は、試料１５のテラヘルツ波吸収ピークに一致し、試料１５の分光情報を示している。
【００４０】
なお、本実施の形態においては、処理部２４によりテラヘルツ波電場をフーリエ変換してスペクトル情報を得るため、検出部２３の固体撮像カメラ６５からテラヘルツ波電場振幅強度に比例した画像信号を得るのが望ましい。そのため、図１では、偏光子６４の入射側に１／４波長板６３を配置して光ヘテロダイン検出を行うように検出部２３を構成している（T. Hattori, and M. Sakamoto, “Deformation corrected real-time terahertz imaging,” Appl. Phys. Lett. 90, 261106 (2007).参照）。しかし、検出部２３は、テラヘルツ波電場振幅強度に比例した画像信号が取得できれば、光ヘテロダイン検出以外の公知の構成とすることができる。
【００４１】
また、電気光学結晶１４は、図２に示すように、Ｘ方向に振動するテラヘルツ波を入射し、Ｚ方向に振動するテラヘルツ波を検出する場合、Ｚ方向に感度を持つＺｎＴｅ結晶（１００面）やＬｉＮｂＯ３結晶（Ｚ−ｃｕｔ）などを使用することが望ましい。また、Ｘ方向もしくはＹ方向に振動するテラヘルツ波を検出する場合は、ＺｎＴｅ結晶（１１０面）やＬｉＮｂＯ３結晶（Ｘ−ｃｕｔ）などを使用することが望ましい。この場合、検出するテラヘルツ波に感度が最適となるように結晶のＸＹ面内での回転角を調整することが望ましい。
【００４２】
また、試料１５から放射されるテラヘルツ波は、伝播方向がＸＹ平面上で伝播するものだけではなく、Ｚ方向に成分を有するものもある。つまり、ＸＹ平面からＺ方向にある角度を有して出射されて検出される成分もある。そのため、ＸＹ平面のテラヘルツ波電場振幅分布画像を取得すると、ＸＹ平面からＺ方向にある角度を有して出射された成分は、ＸＹ平面への投影として検出されることになる。したがって、この場合は、光路長に誤差が生じて、フーリエ変換したスペクトルに誤差が生じることになるが、このような誤差は、電気光学結晶１４を薄くすることで無視できる程度に低減することができる。また、図２において、試料１５をＸＹ平面で回転させる、もしくは照射するテラヘルツ波の偏光を変化させれば、試料１５のテラヘルツ波に対する偏光特性を調べることもできる。
【００４３】
図６は、図１に示した固体撮像カメラ６５により取得されたテラヘルツ波電場振幅分布画像の一例を示す写真である。この例では、中心周波数が約０．８ＴＨｚ、スペクトル幅が０．１ＴＨｚ〜２ＴＨｚでＹ方向に偏光したテラヘルツ波を試料１５に照射した。また、電気光学結晶１４は、厚さ（Ｚ方向）が２０μｍのＬｉＮｂＯ３結晶（Ｘ−ｃｕｔ）を使用し、図６のＹ方向に偏光したテラヘルツ波を検出するようにＸＹ平面での回転角が調整されている。試料１５は、２０μｍ×１５０μｍのチロシン結晶であり、中央の黒い破線で囲まれた部分に配置されている。図６の画像から、チロシン結晶から自由誘導減衰によってテラヘルツ波が放射されていることが分かる。
【００４４】
ここで、処理部２４において、図６の白い破線で示した範囲でのラインプロファイルを取り、電気光学結晶１４の屈折率と光速とに基づいて空間軸を時間軸に変換すると、図７に示すような信号強度の時間波形が得られる。このラインプロファイルの時間ステップは、固体撮像カメラ６５で取得された画像の空間座標の画素ステップに依存し、画素ステップが小さいほど時間分解能が高くなり、高周波成分を検出できる。そして、図７のテラヘルツ波の時間波形をフーリエ変換すると、図８に示すようなパワースペクトルが得られる。このスペクトルからチロシン結晶の自由誘導減衰の周波数、すなわちテラヘルツ波吸収ピークである０．９７ＴＨｚでピークが得られていることが分かる。これにより、固体撮像カメラ６５で取得された一枚の画像から、テラヘルツ波波長よりも十分小さい試料１５の分光情報が得られることが分かる。
【００４５】
このように、本実施の形態に係る分析装置は、試料１５にテラヘルツ波を照射することによって、試料１５から自由誘導減衰によって再放射されるテラヘルツ波を検出するので、試料１５がテラヘルツ波の波長程度もしくはそれ以下の微小なものであっても、その分光情報を取得することができる。しかも、固体撮像カメラ６５で取得される一枚のテラヘルツ波電場振幅分布画像を解析して分光情報を取得するので、測定に要する時間が非常に短くて済む。これにより、チロシン結晶のような微小な試料でも、ペレットを作製することなく、短時間で分光情報を得ることができる。
【００４６】
また、光路長調整光学系５２を固定し、固体撮像カメラ６５から得られるテラヘルツ波電場振幅分布画像に基づいて、上記のラインプロファイルの取得処理、時間領域への変換処理、フーリエ変換処理をリアルタイムで実行すれば、試料１５の自由誘導減衰の放射のスペクトルをリアルタイムで取得することができる。これにより、時間とともに変化する試料における変化の様子をリアルタイムで検出することができる。
【００４７】
（第２実施の形態）
図９および図１０は、本発明の第２実施の形態に係る分析装置を示すもので、図９は全体の概略構成図であり、図１０は図９の破線部分の拡大図である。この分析装置は、図１に示した構成において、電気光学結晶１４に対して、第３の電磁波であるフェムト秒レーザパルス（プローブ光）を試料１５の載置面とは反対側の面から照射し、電気光学結晶１４で反射されるフェムト秒レーザパルスにより、検出部２３においてテラヘルツ波電場振幅分布画像を取得するようにしたものである。
【００４８】
そのため、第１の照射系２１では、テラヘルツ波発生素子３５から放射されるテラヘルツ波を照射レンズ系４１により試料１５に照射する。また、第２の照射系２２では、１／２波長板５１を透過したフェムト秒レーザパルスを、反射ミラー７１で反射させた後、光路長調整光学系５２、ビームエキスパンダ５４および反射ミラー７２を経てビームスプリッタ７３に入射させ、該ビームスプリッタ７３を透過したフェムト秒レーザパルスを試料１５の極近傍の電気光学結晶１４の領域に照射する。
【００４９】
そして、電気光学結晶１４と相互作用して電気光学結晶１４で反射されたフェムト秒レーザパルスを、ビームスプリッタ７３で反射させて、検出部２３により電気光学結晶１４内の面を撮像し、これにより電気光学結晶１４によるフェムト秒レーザパルスの偏光状態を検出する。なお、電気光学結晶１４の試料１５の載置面には、フェムト秒レーザパルスを反射させる多層膜等からなる反射膜７５がコートされている。その他の構成および動作は、第１実施の形態と同様なので、同一作用を成す構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
【００５０】
本実施の形態によれば、第１実施の形態と同様の効果が得られる。特に、本実施の形態では、フェムト秒レーザパルスが試料１５に入射しないので、試料１５によりフェムト秒レーザパルスが変化したり、フェムト秒レーザパルスにより試料１５が変化したりすることがない。したがって、試料１５に何ら影響を与えることなく、試料１５のより高精度の分光情報を取得することが可能となる。
【００５１】
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、試料と電気光学結晶との配置関係は、電気光学結晶上に試料を載置する配置関係に限らず、試料から放射されるテラヘルツ波が電気光学結晶を伝播する配置関係であれば任意の態様で配置することができる。したがって、例えば、電気光学結晶の横に試料を配置し、試料に対して任意の角度からテラヘルツ波を照射して、試料から放射されるテラヘルツ波を電気光学結晶に伝播させる構成も可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１１ レーザ光源
１２ ビームスプリッタ
１３ テラヘルツ波発生部
１４ 電気光学結晶
１５ 試料
２１ 第１の照射系
２２ 第２の照射系
２３ 検出部
２４ 処理部
２５ 制御部
３４ 集光レンズ
３５ テラヘルツ波発生素子
４１ 照射レンズ系
４２ ダイクロイックミラー
５１ １／２波長板
５２ 光路長調整光学系
５４ ビームエキスパンダ
６２ 結像レンズ系
６３ １／４波長板
６４ 偏光子
６５ 固体撮像カメラ
７３ ビームスプリッタ
７５ 反射膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を使用する分析装置および分析方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、フェムト秒パルスレーザを利用した、テラヘルツ波時間領域分光法（terahertz time-domain spectroscopy, ＴＨｚ−ＴＤＳ）が確立されたことで、テラヘルツ波の分光測定が簡易に、かつ高いＳ／Ｎで行えるようになった。テラヘルツ波は、波長が数百μｍ程度（１ＴＨｚの場合、波長３００μｍ）の赤外光であり、その周波数帯に半導体材料や巨大生体高分子、超伝導材料などに特異な吸収スペクトルを有することから、これらのセンシングへの応用が期待されている。
【０００３】
このＴＨｚ−ＴＤＳでは、フェムト秒レーザパルスをポンプ光とプローブ光とに分岐し、ポンプ光を非線形光学結晶などのテラヘルツ波発生素子に照射することでパルス状のテラヘルツ波を発生させる。発生したテラヘルツ波は、試料に照射され、試料を透過または試料で反射されたテラヘルツ波は電気光学結晶などのテラヘルツ波センサに導光される。
【０００４】
テラヘルツ波が電気光学結晶に入射すると、ポッケルス効果によって結晶内に複屈折が誘起される。これと同時に、プローブ光が電気光学結晶を透過すると、テラヘルツ波電場で誘起された複屈折によってプローブ光の偏光状態が変化する。この偏光の変化を検出することでテラヘルツ波電場を検出し、試料の情報を得ることができる。
【０００５】
ここで、テラヘルツ波電場のパルス幅は、一般に数ピコ秒程度であり、プローブ光は１００フェムト秒程度である。そのため、テラヘルツ波パルスの結晶内でプローブ光と時間的に重なっている時間領域のみが検出されることになる。したがって、テラヘルツ波パルスの全ての時間領域を検出するためには、電気光学結晶に入射するテラヘルツ波パルスとプローブ光との相対的時間差を変化させる必要がある。その方法として、例えば遅延光路にプローブ光を通し、それを走査するという方法が知られている。これによりテラヘルツ波電場の時間波形を取得すれば、その時間波形をフーリエ変換することにより、位相や振幅の周波数情報、すなわち分光情報を得ることができる。
【０００６】
しかし、上記の遅延光路を使用する方法は、走査に時間を要することになる。その解決策として、例えば、プローブ光とテラヘルツ波とを非同軸に電気光学結晶に入射させる方法や、テラヘルツ波もしくはプローブ光のパルス面を傾斜させて両者を同軸に電気光学結晶に入射させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
前者の方法では、ビーム径が拡大されたプローブ光とテラヘルツ波とを非同軸に電気光学結晶に入射させ、プローブ光とテラヘルツ波との時間的重なり位置が、プローブ光の空間位置によって異なるようにしている。すなわち、テラヘルツ波の時間情報を、プローブ光の空間情報に変換している。そして、このプローブ光を１次元光検出器で検出することにより、テラヘルツ波電場の時間波形をワンショットで検出するようにしている。
【０００８】
また、後者の方法では、テラヘルツ波もしくはプローブ光で、そのパルス面を傾斜させるようにしている。すなわち、ビーム内で空間的に遅延を持たせるようにしている。これにより、上記の前者の方法の場合と同様に、プローブ光とテラヘルツ波との時間的重なり位置がプローブ光の空間位置によって異なるようにして、ワンショットでテラヘルツ波電場波形を検出可能としている。このような方法を採用することにより、走査機構を必要とせず、短時間でテラヘルツ波電場の時間波形を検出することが可能となる。
【０００９】
しかし、上記のようなワンショットのテラヘルツ波検出方法は、試料を透過または試料で反射されたテラヘルツ波を検出するため、試料がテラヘルツ波の波長と同程度もしくはそれよりも小さい場合、その検出が困難である。例えば、アミノ酸結晶であるチロシン結晶は、大きさが数百μｍ程度であり、テラヘルツ波の波長と同程度、もしくはそれより小さい場合もある。
【００１０】
一方、テラヘルツ波を用いて微小な試料を測定する方法として、試料をパウダー状に粉砕してテフロン(登録商標)またはポリエチレンのパウダーと混合してペレット状に加工し、その加工物にテラヘルツ波を照射して測定する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。この測定法によれば、チロシン結晶のような微小な試料においてもテラヘルツ波を試料に透過もしくは反射させて測定を行うことが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００８−０９６２１０号公報
【特許文献２】特開２００５−１７２７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献２に開示のペレットを作製する方法では、微小な結晶を単結晶で測定して、その偏光特性を調べるなどの場合は、測定が困難となる。また、開発段階の微小な半導体材料や超伝導材料などを測定する場合は、材料の個数を多く準備できず、ペレットの作製自体が難しくなって、ペレットを使用した測定方法を採用できないことも想定される。
【００１３】
したがって、かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、テラヘルツ波の波長以下の微小な試料でも、ペレットを使用することなくテラヘルツ波を用いて短時間で分光情報を得ることが可能な分析装置および分析方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成する本発明に係る分析装置の発明は、
パルス状のテラヘルツ波からなる第１の電磁波を試料に照射する第１の照射系と、
前記第１の電磁波の照射により前記試料から放射される第２の電磁波を伝播する電気光学結晶と、
該電気光学結晶における前記第２の電磁波の伝播領域に、該伝播領域における前記第２の電磁波の伝播タイミングに合わせて、前記第１の電磁波よりも波長が短いパルス状の第３の電磁波を照射する第２の照射系と、
前記電気光学結晶と相互作用した前記伝播領域における前記第３の電磁波の偏光状態を検出する検出部と、
該検出部の出力に基づいて前記試料の分光情報を取得する処理部と、
を備えることを特徴とするものである。
【００１５】
前記電気光学結晶は、前記第２の電磁波として、前記第１の電磁波の照射により前記試料から自由誘導減衰によって再放射される電磁波を伝播する、
ことを特徴とするものである。
【００１６】
前記検出部は固体撮像カメラを備え、該固体撮像カメラにより前記第３の電磁波の偏光状態を前記伝播領域の２次元画像として検出する、
ことを特徴するものである。
【００１７】
前記処理部は、前記試料の分光情報として、前記検出部の出力を前記電気光学結晶の屈折率に基づいて時間領域情報に変換した後、該時間領域情報をフーリエ変換して周波数情報を取得する、
ことを特徴するものである。
【００１８】
前記電気光学結晶は、前記第３の電磁波の振動面において複屈折が生じるように配置されている、
ことを特徴するものである。
【００１９】
前記電気光学結晶は、前記第２の電磁波が前記第１の電磁波の振動面と直交する面内で振動することにより、前記第３の電磁波の振動面において複屈折が生じるように配置されている、
ことを特徴するものである。
【００２０】
さらに、上記目的を達成する本発明に係る分析方法の発明は、
パルス状のテラヘルツ波からなる第１の電磁波を試料に照射して、該試料から放射される第２の電磁波を電気光学結晶に伝播させるステップと、
該電気光学結晶における前記第２の電磁波の伝播領域に、該伝播領域における前記第２の電磁波の伝播タイミングに合わせて、前記第１の電磁波よりも波長が短いパルス状の第３の電磁波を照射するステップと、
前記電気光学結晶と相互作用した前記伝播領域における前記第３の電磁波の偏光状態を検出して、該偏光状態に基づいて前記試料の分光情報を取得するステップと、
を含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、テラヘルツ波の波長以下の微小な試料でも、ペレットを使用することなくテラヘルツ波を用いて短時間で分光情報を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る分析装置の全体の概略構成図である。
【図２】図１の破線部分の拡大図である。
【図３】図１の固体撮像カメラにより取得されるテラヘルツ波電場振幅分布画像を模式的に示す図である。
【図４】図３のテラヘルツ波電場振幅分布画像におけるラインプロファイルを示す図である。
【図５】図４のラインプロファイルに基づくパワースペクトルを示す図である。
【図６】図１の固体撮像カメラにより取得されたテラヘルツ波電場振幅分布画像の一例を示す写真である。
【図７】図６のテラヘルツ波電場振幅分布画像におけるラインプロファイルを示す図である。
【図８】図７のラインプロファイルに基づくパワースペクトルを示す図である。
【図９】本発明の第２実施の形態に係る分析装置の全体の概略構成図である。
【図１０】図９の破線部分の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
【００２４】
（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る分析装置の全体の概略構成図である。この分析装置は、近赤外のフェムト秒レーザパルス（第３の電磁波）を射出するレーザ光源１１と、該レーザ光源１１からのフェムト秒レーザパルスを２つの光束に分岐するビームスプリッタ１２と、該ビームスプリッタ１２で分離された一方のフェムト秒レーザパルスをポンプ光としてテラヘルツ波（第１の電磁波）を発生するテラヘルツ波発生部１３と、電気光学結晶１４とを備える。
【００２５】
さらに、分析装置は、テラヘルツ波発生部１３で発生したテラヘルツ波を試料１５に照射する第１の照射系２１と、ビームスプリッタ１２で分離された他方のフェムト秒レーザパルスをプローブ光として電気光学結晶１４に照射する第２の照射系２２と、電気光学結晶１４におけるフェムト秒レーザパルスの偏光状態を検出する検出部２３と、検出部２３の出力に基づいて試料１５の分光情報を取得する処理部２４と、全体の動作を制御する制御部２５とを備える。試料１５は、電気光学結晶１４上に載置される。
【００２６】
テラヘルツ波発生部１３は、反射ミラー３１，３２，３３と、集光レンズ３４と、テラヘルツ波発生素子３５とを備える。そして、テラヘルツ波発生部１３は、ビームスプリッタ１２で分岐されたフェムト秒レーザパルスを、反射ミラー３１，３２，３３で順次反射させて、集光レンズ３４によりテラヘルツ波発生素子３５に集光し、これによりテラヘルツ波発生素子３５からテラヘルツ波パルスを放射させる。テラヘルツ波発生素子３５は、公知の非線形光学結晶や光伝導アンテナ等から構成される。なお、図１では、３枚の反射ミラー３１，３２，３３を用いているが、光学素子のレイアウトによっては、省略あるいは適宜の枚数とすることができる。
【００２７】
第１の照射系２１は、照射レンズ系４１およびダイクロイックミラー４２を備え、テラヘルツ波発生素子３５から放射されるテラヘルツ波を、照射レンズ系４１によりダイクロイックミラー４２を透過させて試料１５に照射する。
【００２８】
第２の照射系２２は、１／２波長板５１と、光路長調整光学系５２と、反射ミラー５３と、ビームエキスパンダ５４とを備える。光路長調整光学系５２は、光路を平行に折り返す２つの反射ミラーを有し、制御部２５による制御のもとに両矢印方向に移動可能に構成される。そして、第２の照射系２２は、ビームスプリッタ１２で分岐されたフェムト秒レーザパルスを、１／２波長板５１、光路長調整光学系５２および反射ミラー５３を経てビームエキスパンダ５４によりビーム径を拡大し、その後、ダイクロイックミラー４２で反射させて、試料１５の極近傍の電気光学結晶１４の領域に照射する。
【００２９】
なお、図１では、ダイクロイックミラー４２が、第１の照射系２１のテラヘルツ波パルスは透過させ、第２の照射系２２のフェムト秒レーザパルスは反射させるように構成されているが、光学系のレイアウトによっては、反射と透過とが逆であってもよい。また、反射ミラー５３は、光学素子のレイアウトに応じて、省略あるいは適宜の枚数とすることできる。
【００３０】
検出部２３は、反射ミラー６１、結像レンズ系６２、１／４波長板６３、偏光子６４および固体撮像カメラ６５を備える。そして、検出部２３は、電気光学結晶１４と相互作用して電気光学結晶１４を透過したフェムト秒レーザパルスを、反射ミラー６１、結像レンズ系６２、１／４波長板６３および偏光子６４を経て固体撮像カメラ６５に入射させる。これにより、電気光学結晶１４内の面の２次元画像を撮像して、電気光学結晶１４によるフェムト秒レーザパルスの偏光状態を検出する。なお、固体撮像カメラ６５は、制御部２５によって撮影動作が制御される。
【００３１】
処理部２４は、固体撮像カメラ６５からの画像信号を入力し、その画像信号に基づく空間領域情報を電気光学結晶１４の屈折率に基づいて時間領域情報に変換した後、該時間領域情報をフーリエ変換して、試料１５の分光情報である周波数情報を取得する。
【００３２】
以下、本実施の形態に係る分析装置の動作について更に詳細に説明する。
【００３３】
図２は、図１の破線部分の拡大図である。上述したように、電気光学結晶１４上に試料１５を載置して、その上方からテラヘルツ波パルス（第１の電磁波）を試料１５に照射する。また、試料１５の近傍の領域において、フェムト秒レーザパルス（第３の電磁波）を電気光学結晶１４に照射する。なお、フェムト秒レーザパルスの照射領域は、試料１５を含んでいても良い。そして、電気光学結晶１４を透過したフェムト秒レーザパルスを、反射ミラー６１、結像レンズ系６２、１／４波長板６３および偏光子６４を経て固体撮像カメラ６５に入射させる。そして、結像レンズ系６２により、図２に破線で示すように、電気光学結晶１４内の面を固体撮像カメラ６５で撮像する。
【００３４】
ここで、試料１５がテラヘルツ波周波数帯に吸収ピークを有している場合、試料１５にテラヘルツ波パルスが照射されると、吸収ピークに応じた分極が誘起され、テラヘルツ波パルスが吸収を受ける。この際、試料１５内に誘起された分極が振動することで、試料１５から新たに微弱なテラヘルツ波（第２の電磁波）が再放射される。この現象は、自由誘導減衰と呼ばれる。この再放射されるテラヘルツ波の周波数は、試料１５の分極振動の周波数、つまり吸収ピークに一致する。例えば、アミノ酸のチロシン結晶は、０．９７ＴＨｚに吸収ピークを有しているので、この場合、プローブ光の照射後に自由誘導減衰によって０．９７ＴＨｚのテラヘルツ波が再放射される。
【００３５】
この自由誘導減衰によって再放射されるテラヘルツ波の放射方向は、試料１５内の分極振動の方向に依存し、図２に示すように、入射するテラヘルツ波（第１の電磁波）とは異なる方向にも出射される。なお、図２に示す３次元座標軸Ｘ，Ｙ，ＺにおけるＺ軸は、試料１５に対する第１の照射系２１および第２の照射系２２の光軸方向を示している。そして、再放射されたテラヘルツ波が電気光学結晶１４に入射すると、その電場による電気光学効果によって電気光学結晶１４内に複屈折が生じる。その結果、再放射されたテラヘルツ波（第２の電磁波）が電気光学結晶１４を伝播する領域を、フェムト秒レーザパルス（第３の電磁波）が透過すると、その偏光が変化する。この偏光の変化は、１／４波長板６３および偏光子６４を経て固体撮像カメラ６５により２次元画像として検出される。これにより、フェムト秒レーザパルスが電気光学結晶１４を透過した領域のテラヘルツ波電場振幅分布を画像として得ることができる。
【００３６】
なお、図１に示した第２の照射系２２に配置された１／２波長板５１は、電気光学結晶１４内に生じる複屈折によってフェムト秒レーザパルスの偏光が変化するように、予めフェムト秒レーザパルスの偏光状態を設定するために使用される。また、ビームエキスパンダ５４は、フェムト秒レーザパルスの光束径を適切な大きさに調整するために使用される。
【００３７】
図３は、図１に示した固体撮像カメラ６５により取得されるテラヘルツ波電場振幅分布画像を模式的に示す図である。図３に示す画像は、取得画像の領域外の左側に試料が位置して、該試料からテラヘルツ波が放射されてＸ＋方向に伝播している中の、ある時間におけるテラヘルツ波電場分布を示している。ここで、図１に示した第２の照射系２２に配置された光路長調整光学系５２によりフェムト秒レーザパルスの光路長を調整して、フェムト秒レーザパルスとテラヘルツ波（第２の電磁波）とが電気光学結晶１４に入射する際の相対的時間差を変化させると、異なる時間でのテラヘルツ波の空間分布画像を取得することができる。つまり、試料１５から再放射されるテラヘルツ波が観測されるように光路調整光学系５２を調節すれば、図３に示すような画像を得ることができる。
【００３８】
図４は、図３に示したテラヘルツ波電場振幅分布画像の破線位置におけるラインプロファイルを示すものである。横軸はＸ方向の空間座標位置を示し、縦軸は信号強度を示す。つまり、図４は、空間座標位置でのある時間におけるテラヘルツ波電場振幅の空間分布を示している。
【００３９】
したがって、処理部２４において、固体撮像カメラ６５からのテラヘルツ波電場振幅分布画像（空間座標）を、電気光学結晶１４のテラヘルツ波帯の屈折率および光速に基づいて時間領域情報に変換し、その時間領域情報をフーリエ変換すれば、図５に示すようなスペクトルを得ることができる。このスペクトルのピーク周波数は、試料１５から自由誘導減衰によって再放射されるテラヘルツ波の周波数を表している。つまり、このピーク周波数は、試料１５のテラヘルツ波吸収ピークに一致し、試料１５の分光情報を示している。
【００４０】
なお、本実施の形態においては、処理部２４によりテラヘルツ波電場をフーリエ変換してスペクトル情報を得るため、検出部２３の固体撮像カメラ６５からテラヘルツ波電場振幅強度に比例した画像信号を得るのが望ましい。そのため、図１では、偏光子６４の入射側に１／４波長板６３を配置して光ヘテロダイン検出を行うように検出部２３を構成している（T. Hattori, and M. Sakamoto, “Deformation corrected real-time terahertz imaging,” Appl. Phys. Lett. 90, 261106 (2007).参照）。しかし、検出部２３は、テラヘルツ波電場振幅強度に比例した画像信号が取得できれば、光ヘテロダイン検出以外の公知の構成とすることができる。
【００４１】
また、電気光学結晶１４は、図２に示すように、Ｘ方向に振動するテラヘルツ波を入射し、Ｚ方向に振動するテラヘルツ波を検出する場合、Ｚ方向に感度を持つＺｎＴｅ結晶（１００面）やＬｉＮｂＯ３結晶（Ｚ−ｃｕｔ）などを使用することが望ましい。また、Ｘ方向もしくはＹ方向に振動するテラヘルツ波を検出する場合は、ＺｎＴｅ結晶（１１０面）やＬｉＮｂＯ３結晶（Ｘ−ｃｕｔ）などを使用することが望ましい。この場合、検出するテラヘルツ波に感度が最適となるように結晶のＸＹ面内での回転角を調整することが望ましい。
【００４２】
また、試料１５から放射されるテラヘルツ波は、伝播方向がＸＹ平面上で伝播するものだけではなく、Ｚ方向に成分を有するものもある。つまり、ＸＹ平面からＺ方向にある角度を有して出射されて検出される成分もある。そのため、ＸＹ平面のテラヘルツ波電場振幅分布画像を取得すると、ＸＹ平面からＺ方向にある角度を有して出射された成分は、ＸＹ平面への投影として検出されることになる。したがって、この場合は、光路長に誤差が生じて、フーリエ変換したスペクトルに誤差が生じることになるが、このような誤差は、電気光学結晶１４を薄くすることで無視できる程度に低減することができる。また、図２において、試料１５をＸＹ平面で回転させる、もしくは照射するテラヘルツ波の偏光を変化させれば、試料１５のテラヘルツ波に対する偏光特性を調べることもできる。
【００４３】
図６は、図１に示した固体撮像カメラ６５により取得されたテラヘルツ波電場振幅分布画像の一例を示す写真である。この例では、中心周波数が約０．８ＴＨｚ、スペクトル幅が０．１ＴＨｚ〜２ＴＨｚでＹ方向に偏光したテラヘルツ波を試料１５に照射した。また、電気光学結晶１４は、厚さ（Ｚ方向）が２０μｍのＬｉＮｂＯ３結晶（Ｘ−ｃｕｔ）を使用し、図６のＹ方向に偏光したテラヘルツ波を検出するようにＸＹ平面での回転角が調整されている。試料１５は、２０μｍ×１５０μｍのチロシン結晶であり、中央の黒い破線で囲まれた部分に配置されている。図６の画像から、チロシン結晶から自由誘導減衰によってテラヘルツ波が放射されていることが分かる。
【００４４】
ここで、処理部２４において、図６の白い破線で示した範囲でのラインプロファイルを取り、電気光学結晶１４の屈折率と光速とに基づいて空間軸を時間軸に変換すると、図７に示すような信号強度の時間波形が得られる。このラインプロファイルの時間ステップは、固体撮像カメラ６５で取得された画像の空間座標の画素ステップに依存し、画素ステップが小さいほど時間分解能が高くなり、高周波成分を検出できる。そして、図７のテラヘルツ波の時間波形をフーリエ変換すると、図８に示すようなパワースペクトルが得られる。このスペクトルからチロシン結晶の自由誘導減衰の周波数、すなわちテラヘルツ波吸収ピークである０．９７ＴＨｚでピークが得られていることが分かる。これにより、固体撮像カメラ６５で取得された一枚の画像から、テラヘルツ波波長よりも十分小さい試料１５の分光情報が得られることが分かる。
【００４５】
このように、本実施の形態に係る分析装置は、試料１５にテラヘルツ波を照射することによって、試料１５から自由誘導減衰によって再放射されるテラヘルツ波を検出するので、試料１５がテラヘルツ波の波長程度もしくはそれ以下の微小なものであっても、その分光情報を取得することができる。しかも、固体撮像カメラ６５で取得される一枚のテラヘルツ波電場振幅分布画像を解析して分光情報を取得するので、測定に要する時間が非常に短くて済む。これにより、チロシン結晶のような微小な試料でも、ペレットを作製することなく、短時間で分光情報を得ることができる。
【００４６】
また、光路長調整光学系５２を固定し、固体撮像カメラ６５から得られるテラヘルツ波電場振幅分布画像に基づいて、上記のラインプロファイルの取得処理、時間領域への変換処理、フーリエ変換処理をリアルタイムで実行すれば、試料１５の自由誘導減衰の放射のスペクトルをリアルタイムで取得することができる。これにより、時間とともに変化する試料における変化の様子をリアルタイムで検出することができる。
【００４７】
（第２実施の形態）
図９および図１０は、本発明の第２実施の形態に係る分析装置を示すもので、図９は全体の概略構成図であり、図１０は図９の破線部分の拡大図である。この分析装置は、図１に示した構成において、電気光学結晶１４に対して、第３の電磁波であるフェムト秒レーザパルス（プローブ光）を試料１５の載置面とは反対側の面から照射し、電気光学結晶１４で反射されるフェムト秒レーザパルスにより、検出部２３においてテラヘルツ波電場振幅分布画像を取得するようにしたものである。
【００４８】
そのため、第１の照射系２１では、テラヘルツ波発生素子３５から放射されるテラヘルツ波を照射レンズ系４１により試料１５に照射する。また、第２の照射系２２では、１／２波長板５１を透過したフェムト秒レーザパルスを、反射ミラー７１で反射させた後、光路長調整光学系５２、ビームエキスパンダ５４および反射ミラー７２を経てビームスプリッタ７３に入射させ、該ビームスプリッタ７３を透過したフェムト秒レーザパルスを試料１５の極近傍の電気光学結晶１４の領域に照射する。
【００４９】
そして、電気光学結晶１４と相互作用して電気光学結晶１４で反射されたフェムト秒レーザパルスを、ビームスプリッタ７３で反射させて、検出部２３により電気光学結晶１４内の面を撮像し、これにより電気光学結晶１４によるフェムト秒レーザパルスの偏光状態を検出する。なお、電気光学結晶１４の試料１５の載置面には、フェムト秒レーザパルスを反射させる多層膜等からなる反射膜７５がコートされている。その他の構成および動作は、第１実施の形態と同様なので、同一作用を成す構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
【００５０】
本実施の形態によれば、第１実施の形態と同様の効果が得られる。特に、本実施の形態では、フェムト秒レーザパルスが試料１５に入射しないので、試料１５によりフェムト秒レーザパルスが変化したり、フェムト秒レーザパルスにより試料１５が変化したりすることがない。したがって、試料１５に何ら影響を与えることなく、試料１５のより高精度の分光情報を取得することが可能となる。
【００５１】
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、試料と電気光学結晶との配置関係は、電気光学結晶上に試料を載置する配置関係に限らず、試料から放射されるテラヘルツ波が電気光学結晶を伝播する配置関係であれば任意の態様で配置することができる。したがって、例えば、電気光学結晶の横に試料を配置し、試料に対して任意の角度からテラヘルツ波を照射して、試料から放射されるテラヘルツ波を電気光学結晶に伝播させる構成も可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１１ レーザ光源
１２ ビームスプリッタ
１３ テラヘルツ波発生部
１４ 電気光学結晶
１５ 試料
２１ 第１の照射系
２２ 第２の照射系
２３ 検出部
２４ 処理部
２５ 制御部
３４ 集光レンズ
３５ テラヘルツ波発生素子
４１ 照射レンズ系
４２ ダイクロイックミラー
５１ １／２波長板
５２ 光路長調整光学系
５４ ビームエキスパンダ
６２ 結像レンズ系
６３ １／４波長板
６４ 偏光子
６５ 固体撮像カメラ
７３ ビームスプリッタ
７５ 反射膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス状のテラヘルツ波からなる第１の電磁波を試料に照射する第１の照射系と、
前記第１の電磁波の照射により前記試料から放射される第２の電磁波を伝播する電気光学結晶と、
該電気光学結晶における前記第２の電磁波の伝播領域に、該伝播領域における前記第２の電磁波の伝播タイミングに合わせて、前記第１の電磁波よりも波長が短いパルス状の第３の電磁波を照射する第２の照射系と、
前記電気光学結晶と相互作用した前記伝播領域における前記第３の電磁波の偏光状態を検出する検出部と、
該検出部の出力に基づいて前記試料の分光情報を取得する処理部と、
を備えることを特徴とする分析装置。
【請求項２】
前記電気光学結晶は、前記第２の電磁波として、前記第１の電磁波の照射により前記試料から自由誘導減衰によって再放射される電磁波を伝播する、
ことを特徴とする請求項１に記載の分析装置。
【請求項３】
前記検出部は固体撮像カメラを備え、該固体撮像カメラにより前記第３の電磁波の偏光状態を前記伝播領域の２次元画像として検出する、
ことを特徴する請求項１または２に記載の分析装置。
【請求項４】
前記処理部は、前記試料の分光情報として、前記検出部の出力を前記電気光学結晶の屈折率に基づいて時間領域情報に変換した後、該時間領域情報をフーリエ変換して周波数情報を取得する、
ことを特徴する請求項１−３のいずれかに記載の分析装置。
【請求項５】
前記電気光学結晶は、前記第３の電磁波の振動面において複屈折が生じるように配置されている、
ことを特徴する請求項１−４のいずれかに記載の分析装置。
【請求項６】
前記電気光学結晶は、前記第２の電磁波が前記第１の電磁波の振動面と直交する面内で振動することにより、前記第３の電磁波の振動面において複屈折が生じるように配置されている、
ことを特徴する請求項１−４のいずれかに記載の分析装置。
【請求項７】
パルス状のテラヘルツ波からなる第１の電磁波を試料に照射して、該試料から放射される第２の電磁波を電気光学結晶に伝播させるステップと、
該電気光学結晶における前記第２の電磁波の伝播領域に、該伝播領域における前記第２の電磁波の伝播タイミングに合わせて、前記第１の電磁波よりも波長が短いパルス状の第３の電磁波を照射するステップと、
前記電気光学結晶と相互作用した前記伝播領域における前記第３の電磁波の偏光状態を検出して、該偏光状態に基づいて前記試料の分光情報を取得するステップと、
を含むことを特徴とする分析方法。
【請求項１】
パルス状のテラヘルツ波からなる第１の電磁波を試料に照射する第１の照射系と、
前記第１の電磁波の照射により前記試料から放射される第２の電磁波を伝播する電気光学結晶と、
該電気光学結晶における前記第２の電磁波の伝播領域に、該伝播領域における前記第２の電磁波の伝播タイミングに合わせて、前記第１の電磁波よりも波長が短いパルス状の第３の電磁波を照射する第２の照射系と、
前記電気光学結晶と相互作用した前記伝播領域における前記第３の電磁波の偏光状態を検出する検出部と、
該検出部の出力に基づいて前記試料の分光情報を取得する処理部と、
を備えることを特徴とする分析装置。
【請求項２】
前記電気光学結晶は、前記第２の電磁波として、前記第１の電磁波の照射により前記試料から自由誘導減衰によって再放射される電磁波を伝播する、
ことを特徴とする請求項１に記載の分析装置。
【請求項３】
前記検出部は固体撮像カメラを備え、該固体撮像カメラにより前記第３の電磁波の偏光状態を前記伝播領域の２次元画像として検出する、
ことを特徴する請求項１または２に記載の分析装置。
【請求項４】
前記処理部は、前記試料の分光情報として、前記検出部の出力を前記電気光学結晶の屈折率に基づいて時間領域情報に変換した後、該時間領域情報をフーリエ変換して周波数情報を取得する、
ことを特徴する請求項１−３のいずれかに記載の分析装置。
【請求項５】
前記電気光学結晶は、前記第３の電磁波の振動面において複屈折が生じるように配置されている、
ことを特徴する請求項１−４のいずれかに記載の分析装置。
【請求項６】
前記電気光学結晶は、前記第２の電磁波が前記第１の電磁波の振動面と直交する面内で振動することにより、前記第３の電磁波の振動面において複屈折が生じるように配置されている、
ことを特徴する請求項１−４のいずれかに記載の分析装置。
【請求項７】
パルス状のテラヘルツ波からなる第１の電磁波を試料に照射して、該試料から放射される第２の電磁波を電気光学結晶に伝播させるステップと、
該電気光学結晶における前記第２の電磁波の伝播領域に、該伝播領域における前記第２の電磁波の伝播タイミングに合わせて、前記第１の電磁波よりも波長が短いパルス状の第３の電磁波を照射するステップと、
前記電気光学結晶と相互作用した前記伝播領域における前記第３の電磁波の偏光状態を検出して、該偏光状態に基づいて前記試料の分光情報を取得するステップと、
を含むことを特徴とする分析方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１４９９３０（Ｐ２０１２−１４９９３０Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７４７４（Ｐ２０１１−７４７４）
【出願日】平成２３年１月１８日（２０１１．１．１８）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１８日（２０１１．１．１８）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【Ｆターム（参考）】
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