(57)【要約】  テラヘルツ波分光計測装置１では、本体部分５１に第１のプリズム部分６１又は第２のプリズム部分が嵌合することにより、分光プリズム３１の内部を伝播するテラヘルツ波Ｔの光路を容易に切り替えることができる。本体部分５１に第１のプリズム部分６１が嵌合しているときには、入射面３１ａから入射したテラヘルツ波Ｔが凹部５１ａを透過して配置部３１ｃで反射し、反射型の分光計測を行うことができる。また、本体部分５１に第２のプリズム部分７１が嵌合しているときには、入射面３１ｃから入射したテラヘルツ波Ｔが凹部５１ａで屈折して溝部７１ａ内の被測定物３４を透過し、透過型の分光計測を行うことができる。
2012132645.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射する光源と、
前記光源から出射されたレーザ光をポンプ光とプローブ光とに分岐する分岐部と、
前記分岐部で分岐した前記ポンプ光の入射によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子と、
前記テラヘルツ波の入射面・出射面及び被測定物の配置部を有し、前記入射面から入射した前記テラヘルツ波を内部で伝播させて前記出射面から出射させる分光プリズムと、
前記分光プリズムの前記出射面から出射した前記テラヘルツ波と、前記分岐部で分岐した前記プローブ光とが入射し、前記テラヘルツ波と前記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、を備え、
前記分光プリズムは、
前記入射面及び前記出射面、上面側に形成された凹部、前記テラヘルツ波を前記凹部に向けて平行光化又は集光する第１光学面、及び前記凹部を通った前記テラヘルツ波を前記出射面に向けて集光する第２光学面を有する本体部分と、
前記本体部分と略同等の屈折率を有する部材によって形成され、前記凹部に着脱自在に嵌合する凸部を含み、前記被測定物の前記配置部を上面に有する第１のプリズム部分と、
前記本体部分よりも小さい屈折率を有する部材によって形成され、前記凹部に着脱自在に嵌合する凸部を含み、前記被測定物の前記配置部となる溝部が上面から前記凸部の先端側に向かって形成された第２のプリズム部分と、を備え、
前記本体部分に前記第１のプリズム部分が嵌合しているときに、前記入射面から入射した前記テラヘルツ波が前記凹部を透過して前記配置部で反射し、前記本体部分に前記第２のプリズム部分が嵌合しているときに、前記入射面から入射した前記テラヘルツ波が前記凹部で屈折して前記溝部を透過することを特徴とするテラヘルツ波分光計測装置。
【請求項２】
前記本体部分と前記第１のプリズム部分との嵌合部分、及び前記本体部分と前記第２のプリズム部分との嵌合部分にマッチングオイルが介在していることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波分光計測装置。
【請求項３】
前記本体部分と前記第１のプリズム部分との嵌合部分、及び前記本体部分と前記第２のプリズム部分との嵌合部分に、当該嵌合部分の外側にはみ出すフィルム部材が介在していることを特徴とする請求項１又は２記載のテラヘルツ波分光計測装置。
【請求項４】
前記本体部分と前記第１のプリズム部分との嵌合部分の一部、及び前記本体部分と前記第２のプリズム部分との嵌合部分の一部にスペースが存在していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のテラヘルツ波分光計測装置。
【請求項５】
前記第１のプリズム部分及び前記第２のプリズム部分に取手部が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のテラヘルツ波分光計測装置。
【請求項６】
レーザ光を出射する光源と、
前記光源から出射されたレーザ光をポンプ光とプローブ光とに分岐する分岐部と、
前記分岐部で分岐した前記ポンプ光の入射によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子と、
前記テラヘルツ波の入射面・出射面及び被測定物の配置部を有し、前記入射面から入射した前記テラヘルツ波を内部で伝播させて前記出射面から出射させる分光プリズムと、
前記分光プリズムの前記出射面から出射した前記テラヘルツ波と、前記分岐部で分岐した前記プローブ光とが入射し、前記テラヘルツ波と前記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、を備えたテラヘルツ波分光計測装置に用いられるプリズム部材であって、
前記入射面及び前記出射面と、
上面側に形成され、前記被測定物の配置部を含む別体のプリズム部材が着脱自在に嵌合する凹部と、
前記凹部に前記プリズム部分が嵌合したときに、前記テラヘルツ波を前記配置部に向けて平行光化又は集光する第１光学面、及び前記配置部からの前記テラヘルツ波を前記出射面に向けて集光する第２光学面を有することを特徴とするプリズム部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を用いた分光計測装置及びプリズム部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、テラヘルツ波を用いた分光計測装置に関連する技術として、例えば特許文献１に記載の全反射分光計測装置がある。この全反射分光計測装置では、内部全反射プリズムの入射面にテラヘルツ波発生素子が一体に設けられ、内部全反射プリズムの出射面にテラヘルツ波検出素子が一体に設けられている。このような内部全反射プリズムとテラヘルツ波発生素子とテラヘルツ波検出素子とを一体化した一体型プリズムを用いる場合、全反射分光計測装置を小型化しつつ、高い効率でテラヘルツ波の発生を検出できるという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２２４４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述のようなテラヘルツ波を用いた分光計測では、テラヘルツ波が全反射する際に生じるエバネッセント波と被測定物との相互作用を利用する反射型の分光計測が行われている。一方、分光計測の手法としては、テラヘルツ波を被測定物に透過させる透過型の分光計測も存在する。これらの測定方法にはそれぞれ長所及び短所があるため、被測定物の種類や測定項目などに応じて採用する計測方法を選択することが実情となっている。そこで、テラヘルツ波を用いた分光計測装置においても、反射型の分光計測用の構成と透過型の分光計測用の構成とを可能な限り共通化させることが望まれている。【０００５】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、反射型の分光計測と透過型の分光計測とを容易に切り替えて測定できるテラヘルツ波分光計測装置、及びプリズム部材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】
【０００６】
上記課題の解決のため、本発明に係るテラヘルツ波分光計測装置は、レーザ光を出射する光源と、光源から出射されたレーザ光をポンプ光とプローブ光とに分岐する分岐部と、分岐部で分岐したポンプ光の入射によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子と、テラヘルツ波の入射面・出射面及び被測定物の配置部を有し、入射面から入射したテラヘルツ波を内部で伝播させて出射面から出射させる分光プリズムと、分光プリズムの出射面から出射したテラヘルツ波と、分岐部で分岐したプローブ光とが入射し、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、を備え、分光プリズムは、入射面及び出射面、上面側に形成された凹部、テラヘルツ波を凹部に向けて平行光化又は集光する第１光学面、及び凹部を通ったテラヘルツ波を出射面に向けて集光する第２光学面を有する本体部分と、本体部分と略同等の屈折率を有する部材によって形成され、凹部に着脱自在に嵌合する凸部を含み、被測定物の配置部を上面に有する第１のプリズム部分と、本体部分よりも小さい屈折率を有する部材によって形成され、凹部に着脱自在に嵌合する凸部を含み、被測定物の配置部となる溝部が上面から凸部の先端側に向かって形成された第２のプリズム部分と、を備え、本体部分に第１のプリズム部分が嵌合しているときに、入射面から入射したテラヘルツ波が凹部を透過して配置部で反射し、本体部分に第２のプリズム部分が嵌合しているときに、入射面から入射したテラヘルツ波が凹部で屈折して溝部を透過することを特徴としている。【０００７】
このテラヘルツ波分光計測装置では、本体部分に第１のプリズム部分又は第２のプリズム部分が嵌合することにより、分光プリズムを伝播するテラヘルツ波の光路を容易に切り替えることができる。本体部分に第１のプリズム部分が嵌合しているときには、入射面から入射したテラヘルツ波が凹部を透過して配置部で反射し、反射型の分光計測を行うことができる。また、本体部分に第２のプリズム部分が嵌合しているときには、入射面から入射したテラヘルツ波が凹部で屈折して溝部を透過し、透過型の分光計測を行うことができる。いずれの計測を行う場合も本体部分は共通化されるので、分光プリズムの構成が複雑化することも回避できる。【０００８】
また、本体部分と第１のプリズム部分との嵌合部分、及び本体部分と第２のプリズム部分との嵌合部分にマッチングオイルが介在していることが好ましい。こうすると、本体部分と第１のプリズム部分との界面、及び本体部分と第２のプリズム部分との界面におけるテラヘルツ波の多重反射を防止できる。【０００９】
また、本体部分と第１のプリズム部分との嵌合部分、及び本体部分と第２のプリズム部分との嵌合部分に、当該嵌合部分の外側にはみ出すフィルム部材が介在していることが好ましい。この場合、フィルム部材を把持することで、本体部分からの第１のプリズム部分及び第２のプリズム部分の取り外しが容易となる。【００１０】
また、本体部分と第１のプリズム部分との嵌合部分の一部、及び本体部分と第２のプリズム部分との嵌合部分の一部にスペースが存在していることが好ましい。この場合、スペースの存在によって本体部分からの第１のプリズム部分及び第２のプリズム部分の取り外しが容易となる。【００１１】
また、第１のプリズム部分及び第２のプリズム部分に取手部が設けられていることが好ましい。この場合、取手部を把持することで、本体部分からの第１のプリズム部分及び第２のプリズム部分の着脱が容易となる。【００１２】
また、本発明に係るプリズム部材は、レーザ光を出射する光源と、光源から出射されたレーザ光をポンプ光とプローブ光とに分岐する分岐部と、分岐部で分岐したポンプ光の入射によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子と、テラヘルツ波の入射面・出射面及び被測定物の配置部を有し、入射面から入射したテラヘルツ波を内部で伝播させて出射面から出射させる分光プリズムと、分光プリズムの出射面から出射したテラヘルツ波と、分岐部で分岐したプローブ光とが入射し、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、を備えたテラヘルツ波分光計測装置に用いられるプリズム部材であって、入射面及び出射面と、上面側に形成され、被測定物の配置部を含む別体のプリズム部材が着脱自在に嵌合する凹部と、凹部にプリズム部分が嵌合したときに、テラヘルツ波を配置部に向けて平行光化又は集光する第１光学面、及び配置部からのテラヘルツ波を出射面に向けて集光する第２光学面を有することを特徴としている。【００１３】
このプリズム部材では、被測定物の配置部を含む別体のプリズム部材が着脱自在に嵌合する凹部が形成されている。したがって、性質の異なる別体のプリズム部材を凹部に嵌合させることで、分光プリズムを伝播するテラヘルツ波の光路を容易に切り替えることができる。また、凹部が上面側に形成されていることで、別体のプリズム部材の着脱が容易であり、また、別体のプリズム部材を凹部に嵌合したときのテラヘルツ波のアライメントの作業性も確保できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、反射型の分光計測と透過型の分光計測とを容易に切り替えて測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るテラヘルツ波分光計測装置の一実施形態を示す図である。
【図２】図１に示したテラヘルツ波分光計測装置に用いられる一体型プリズムの斜視図である。
【図３】第１のプリズム部分を嵌合した場合の一体型プリズムの側面図である。
【図４】第２のプリズム部分を嵌合した場合の一体型プリズムの側面図である。
【図５】形状の異なる第２のプリズム部分を嵌合した場合の一体型プリズムの側面図である。
【図６】反射型の分光計測において被測定物の光学定数を導出する手順を示すフローチャートである。
【図７】透過型の分光計測において被測定物の光学定数を導出する手順を示すフローチャートである。
【図８】第１のプリズム部分及び第２のプリズム部分の変形例を示す図である。
【図９】第１のプリズム部分及び第２のプリズム部分の別の変形例を示す図である。
【図１０】第１のプリズム部分及び第２のプリズム部分の更に別の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明に係るテラヘルツ波分光計測装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係るテラヘルツ波分光計測装置の一実施形態を示す図である。同図に示すように、テラヘルツ波分光計測装置１は、レーザ光を出射するレーザ光源２と、テラヘルツ波発生素子３２・分光プリズム３１・テラヘルツ波検出素子３３が一体となった一体型プリズム３と、テラヘルツ波を検出する検出部４とを備えている。また、テラヘルツ波分光計測装置１は、上記構成要素の動作を制御する制御部５と、検出部４からの出力に基づいてデータ解析を行うデータ解析部６と、データ解析部６における処理結果を表示する表示部７とを備えている。
【００１８】
レーザ光源２は、フェムト秒パルスレーザを発生させる光源である。レーザ光源２からは、例えば平均パワー１２０ｍＷ、繰り返しレート７７ＭＨｚのフェムト秒パルスレーザが出力される。レーザ光源２から出射したフェムト秒パルスレーザは、ミラー１１，１２を経て、ビームスプリッター１３によってポンプ光４８とプローブ光４９とに二分される。プローブ光４９が伝播するプローブ光用光路Ｃ１には、ミラー１４，１５及びレンズ１６が設けられており、プローブ光４９は、レンズ１６で集光されて後述のテラヘルツ波検出素子３３に入射する。
【００１９】
一方、ポンプ光４８が伝播するポンプ光用光路Ｃ２には、遅延部２１と、変調器２２とが設けられている。遅延部２１は、一対のミラー２３，２４と、可動ステージ２６上に設置された反射プリズム２５によって構成され、反射プリズム２５の位置を一対のミラー２３，２４に対して前後させることで、ポンプ光４８の遅延調節が可能となっている。また、変調器２２は、例えば光チョッパによってポンプ光４８の透過と遮断を切り替える部分である。変調器２２は、制御部５からの信号に基づいて、例えば１ｋＨｚでポンプ光４８の透過と遮断の変調を行う。
【００２０】
ポンプ光用光路Ｃ２を伝播したポンプ光４８は、ミラー２８を経てレンズ２７で集光され、一体型プリズム３に入射する。図２及び図３に示すように、一体型プリズム３を構成する分光プリズム３１は、例えばＳｉによって形成されており、入射面３１ａ側にはテラヘルツ波発生素子３２が一体に固定され、出射面３１ｂ側にはテラヘルツ波検出素子３３が一体に固定されている。分光プリズム３１の上面は、屈折率、誘電率、吸収係数といった各種の光学定数を測定する対象となる被測定物３４が配置される配置部３１ｃとなっており、配置領域Ｋが設定されている。
【００２１】
また、図３及び図４に示すように、分光プリズム３１の底面において、入射面３１ａと配置部３１ｃとの間には、テラヘルツ波発生素子３２で発生したテラヘルツ波Ｔを配置部３１ｃに向けて平行光化する第１光学面３１ｄが設けられている。さらに、配置部３１ｃと出射面３１ｂとの間には、配置部３１ｃからのテラヘルツ波Ｔを出射面３１ｂに向けて集光する第２光学面３１ｅが設けられている。これらの第１光学面３１ｄ及び第２光学面３１ｅは、分光プリズム３１の底面を所定の形状に曲面加工することによって形成されている。
【００２２】
テラヘルツ波発生素子３２としては、例えばＺｎＴｅなどの非線形光学結晶、ＧａＡｓを用いた光スイッチなどのアンテナ素子、ＩｎＡｓなどの半導体、超伝導体などを用いることができる。これらの素子から発生するテラヘルツ波Ｔのパルスは、一般的には数ピコ秒程度である。テラヘルツ波発生素子３２として非線形光学結晶を用いた場合、テラヘルツ波発生素子３２にポンプ光４８が入射すると、非線形光学効果によってテラヘルツ波Ｔに変換される。
【００２３】
テラヘルツ波検出素子３３としては、例えばＺｎＴｅなどの電気光学結晶、ＧａＡｓを用いた光スイッチなどのアンテナ素子を用いることができる。テラヘルツ波検出素子３３として、電気光学結晶を用いた場合、テラヘルツ波検出素子３３にテラヘルツ波Ｔとプローブ光４９とが同時に入射すると、プローブ光４９がポッケルス効果によって複屈折を受ける。プローブ光４９の複屈折量は、テラヘルツ波Ｔの電場強度に比例する。したがって、プローブ光４９の複屈折量を検出することで、テラヘルツ波Ｔを検出することができる。
【００２４】
なお、テラヘルツ波発生素子３２及びテラヘルツ波検出素子３３の固定には、例えば熱硬化型の接着剤が用いられる。このとき用いられる接着剤は、テラヘルツ波Ｔの波長において透明なものであって、テラヘルツ波発生素子３２及びテラヘルツ波検出素子３３それぞれの屈折率と分光プリズム３１の屈折率との間の中間の屈折率、又は同等の屈折率を有していることが好ましい。
【００２５】
また、接着剤のほか、テラヘルツ波Ｔの波長において透明なワックスを溶融・凝固させて固定する方法や、テラヘルツ波発生素子３２及びテラヘルツ波検出素子３３を入射面３１ａ及び出射面３１ｂにそれぞれ直接接触させた状態で、テラヘルツ波発生素子３２及びテラヘルツ波検出素子３３の縁部を接着剤で固めるようにしてもよい。
【００２６】
テラヘルツ波を検出する検出部４は、テラヘルツ波検出素子３３が電気光学結晶の場合、図１に示すように、例えばλ／４波長板４１と、偏光素子４２と、一対のフォトダイオード４３，４３と、差動増幅器４４と、ロックイン増幅器４７とによって構成されている。テラヘルツ波検出素子３３で反射したプローブ光４９は、ミラー４５によって検出部４側に導かれ、レンズ４６で集光されてλ／４波長板４１を経由した後、ウォラストンプリズムなどの偏光素子４２によって垂直直線偏光成分と水平直線偏光成分とに分離される。このプローブ光４９の垂直直線偏光成分と水平直線偏光成分とは、一対のフォトダイオード４３，４３によってそれぞれ電気信号に変換され、差動増幅器４４によってその差分が検出される。差動増幅器４４からの出力信号は、ロックイン増幅器４７によって増幅された後、データ解析部６に入力される。
【００２７】
テラヘルツ波検出素子３３にテラヘルツ波Ｔとプローブ光４９とが同時に入射した場合、差動増幅器４４からはテラヘルツ波Ｔの電場強度に比例した強度の信号が出力され、テラヘルツ波検出素子３３にテラヘルツ波Ｔとプローブ光４９とが同時に入射しなかった場合、差動増幅器４４からは信号が出力されないこととなる。
【００２８】
反射型の分光計測では、テラヘルツ波Ｔが分光プリズム３１の配置部３１ｃで反射するときに放射されるエバネッセント波が、分光プリズム３１の配置部３１ｃに配置される被測定物３４と相互作用を起こし、被測定物３４が配置されていない場合に比べてテラヘルツ波Ｔの反射率が変化する。したがって、このテラヘルツ波Ｔの反射率の変化を計測することで、被測定物３４の分光特性を評価することができる。
【００２９】
一方、透過型の分光計測では、テラヘルツ波Ｔが配置部３１ｃに配置された被測定物３４を透過する際に、被測定物３４の光学定数に関する情報が取得される。したがって、テラヘルツ波Ｔに含まれる情報を計測することで、被測定物３４の分光特性を評価することができる。
【００３０】
データ解析部６は、例えばテラヘルツ波分光計測装置１の専用の解析プログラムに基づいて分光計測のデータ解析処理を行う部分であり、物理的には、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリ、入力装置、及び表示部７などを有するコンピュータシステムである。データ解析部６は、ロックイン増幅器４７から入力された信号に基づいてデータ解析処理を実行し、解析結果を表示部７に表示させる。
【００３１】
図６は、反射型の分光計測において被測定物３４の光学定数を導出する手順を示すフローチャートである。なお、以下の説明では、テラヘルツ波Ｔが分光プリズム３１の反射部３１ｃに対しＰ偏光で入射した場合を仮定する。
【００３２】
図６に示すように、まず、テラヘルツ波分光計測装置１を用いてリファレンス測定及びサンプル測定を実施する（ステップＳ０１，Ｓ０２）。リファレンス測定では、光学定数が既知である物質（例えば空気）について測定し、サンプル測定では光学定数を得たい物質について測定する。そして、リファレンス計測結果Ｔｒｅｆとサンプル測定結果Ｔｓｉｇとをそれぞれフーリエ変換することによって、リファレンス振幅Ｒｒｅｆ、リファレンス位相Φｒｅｆ、サンプル振幅Ｒｓｉｇ、サンプル位相Φｓｉｇをそれぞれ求める（ステップＳ０３）。
【００３３】
次に、リファレンス振幅Ｒｒｅｆとサンプル振幅Ｒｓｉｇとの比Ｐを式（１）によって求め、リファレンス位相Φｒｅｆとサンプル位相Φｓｉｇとの位相差Δを式（２）によって求める（ステップＳ０４）。
【数１】
2012132645.tif 000003
【数２】
2012132645.tif 000004
さらに、上述した比Ｐと位相差Δとを用いて値ｑを式（３）のように定める（ステップＳ０５）。
【数３】
2012132645.tif 000005
【００３４】
ここで、分光プリズム３１に対するテラヘルツ波Ｔの入射角をθｉ（図３参照）とし、リファレンス測定及びサンプル測定においてスネルの法則より求められる屈折角をそれぞれθｒｅｆ，θｓｉｇとする。さらに、フレネルの反射式を用いると、式（３）におけるＰｅ−ｉΔは、以下の式（４）で表すことができる。
【数４】
2012132645.tif 000006
【００３５】
上記式（４）を式（３）に代入し、式の変形を行うと、以下の式（５）が得られる。
【数５】
2012132645.tif 000007
【００３６】
また、分光プリズム３１を構成する物質の複素屈折率をｎｐｒｉｓｍとし、被測定物３４の複素屈折率をｎｓａｍｐｌｅとした場合、スネルの法則は以下の式（６）のようになり、被測定物３４の複素屈折率の２乗は、式（７）で表される。したがって、式（５）を式（７）に代入することで、被測定物３４の複素屈折率を求めることができ、これにより、被測定物３４の所望の光学定数が導出される（ステップＳ０６）。
【数６】
2012132645.tif 000008
【数７】
2012132645.tif 000009
【００３７】
一方、図７は、透過型の分光計測において被測定物３４の光学定数を導出する手順を示すフローチャートである（当該手順については、２００６年  応用物理  ｖｏｌ．７５  Ｎｏ．２  ｐ．１７９参照）。
【００３８】
図７に示すように、透過型の分光計測においても、まず、テラヘルツ波分光計測装置１を用いてリファレンス測定及びサンプル測定を実施する（ステップＳ１１，Ｓ１２）。リファレンス測定では、光学定数が既知である物質（例えば空気）について測定し、サンプル測定では光学定数を得たい物質について測定する。そして、リファレンス計測結果Ｔｒｅｆとサンプル測定結果Ｔｓｉｇとをそれぞれフーリエ変換することによって、リファレンス振幅Ｒｒｅｆ、リファレンス位相Φｒｅｆ、サンプル振幅Ｒｓｉｇ、サンプル位相Φｓｉｇをそれぞれ求める（ステップＳ１３）。
【００３９】
次に、リファレンス振幅Ｒｒｅｆとサンプル振幅Ｒｓｉｇに基づいて透過率Ｔを式（８）によって求め、リファレンス位相Φｒｅｆとサンプル位相Φｓｉｇとの位相差Δを式（９）によって求める（ステップＳ１４）。
【数８】
2012132645.tif 000010
【数９】
2012132645.tif 000011
【００４０】
これらの値は、被測定物３４の複素屈折率（式（１０））を用いて式（１１）のように表される。また、式（１１）中のｔａｓ及びｔｓａは、透過フレネル係数であり、それぞれ式（１２），式（１３）のように表される。
【数１０】
2012132645.tif 000012
【数１１】
2012132645.tif 000013
【数１２】
2012132645.tif 000014
【数１３】
2012132645.tif 000015
【００４１】
これにより、以下の式（１４），式（１５）の連立方程式から被測定物３４の複素屈折率を求めることができ、被測定物３４の所望の光学定数が導出される（ステップＳ１５）。
【数１４】
2012132645.tif 000016
【数１５】
2012132645.tif 000017
【００４２】
続いて、上述した一体型プリズム３の構成について更に詳細に説明する。
【００４３】
図２に示すように、一体型プリズム３は、本体部分５１に第１のプリズム部分６１及び第２のプリズム部分７１のいずれか一方を組み合わせることによって分光プリズム３１としての機能を奏するようになっている。本体部分５１は、上述した入射面３１ａ、出射面３１ｂ、第１光学面３１ｄ、及び第２光学面３１ｅを含んで構成されている。本体部分５１の上面側には、当該本体部分５１を上面側から見た場合に、一体型プリズム３の内部におけるテラヘルツ波Ｔの光路と交差する方向に延在する断面三角状の溝部５１ａが形成されている。
【００４４】
第１のプリズム部分６１は、例えば本体部分５１と同様にＳｉによって、本体部分５１の溝部５１ａと同じ長さの断面三角状に形成されている。第１のプリズム部分６１の底面側は、本体部分５１の溝部５１ａに嵌合する凸部となっている。また、第１のプリズム部分６１の上面には、被測定物３４が配置される配置部３１ｃが設けられている。
【００４５】
第２のプリズム部分７１は、例えば本体部分よりも小さい屈折率を有する部材（例えば屈折率が１．５程度のプラスチック）によって、本体部分５１の溝部５１ａと同じ長さの断面三角状に形成されている。第２のプリズム部分７１の底面側は、本体部分５１の溝部５１ａに嵌合する凸部となっている。また、第２のプリズム部分７１の上面には、断面矩形の溝部７１ａが上面から凸部の先端側に向かって形成されている。この溝部７１ａは、被測定物３４が配置される配置部３１ｃとなっている。
【００４６】
第１のプリズム部分６１が本体部分５１に嵌合している場合、図３に示すように、入射面３１ａから分光プリズム３１に入射したテラヘルツ波Ｔは、第１光学面３１ｄで反射して凹部５１ａに向かい、本体部分５１と第１のプリズム部分６１との嵌合部分を透過して被測定物３４が配置された配置部３１ｃで全反射する。配置部３１ｃで全反射したテラヘルツ波Ｔは、本体部分５１と第１のプリズム部分６１との嵌合部分を透過し、第２光学面３１ｅで反射して出射面３１ｂから出射する。
【００４７】
一方、第２のプリズム部分７１が本体部分５１に嵌合している場合、図４に示すように、入射面３１ａから分光プリズム３１に入射したテラヘルツ波Ｔは、第１光学面３１ｄで反射して凹部５１ａに向かい、本体部分５１と第２のプリズム部分７１との嵌合部分で屈折して溝部７１ａ内の被測定物３４を透過する。被測定物３４を透過したテラヘルツ波Ｔは、本体部分５１と第２のプリズム部分７１との嵌合部分で屈折し、第２光学面３１ｅで反射して出射面３１ｂから出射する。
【００４８】
例えば図５に示すように、分光プリズム３１が屈折率３．４のＳｉからなり、第２のプリズム部分７１が屈折率１．５のプラスチックからなる場合であって、分光プリズム３１に対するテラヘルツ波Ｔの入射角θｉが４５°であるときは、断面三角形状の溝部５１ａの開き角δは６９°とすればよい。このとき、テラヘルツ波Ｔは、本体部分５１と第２のプリズム部分７１との嵌合部分で屈折し、溝部７１ａ内の被測定物３４に対して略垂直に入射する。被測定物３４を透過したテラヘルツ波Ｔは、本体部分５１と第２のプリズム部分７１との嵌合部分で屈折し、第１のプリズム部分６１を嵌合させた場合と同様の光路に戻り、第２光学面３１ｅで反射して出射面３１ｂから出射する。なお、±１°程度の公差は許容される。
【００４９】
なお、本体部分５１と第１のプリズム部分６１との嵌合部分、及び本体部分５１と第２のプリズム部分７１との嵌合部分には、少なくともテラヘルツ波Ｔが通る光路領域に対応してマッチングオイルＭを介在させることが好ましい。こうすると、本体部分５１と第１のプリズム部分６１との界面、及び本体部分５１と第２のプリズム部分７１との界面におけるテラヘルツ波Ｔの多重反射を防止できる。
【００５０】
以上説明したように、テラヘルツ波分光計測装置１では、本体部分５１に第１のプリズム部分６１又は第２のプリズム部分が嵌合することにより、分光プリズム３１の内部を伝播するテラヘルツ波Ｔの光路を容易に切り替えることができる。本体部分５１に第１のプリズム部分６１が嵌合しているときには、入射面３１ａから入射したテラヘルツ波Ｔが凹部５１ａを透過して配置部３１ｃで反射し、反射型の分光計測を行うことができる。また、本体部分５１に第２のプリズム部分７１が嵌合しているときには、入射面３１ｃから入射したテラヘルツ波Ｔが凹部５１ａで屈折して溝部７１ａ内の被測定物３４を透過し、透過型の分光計測を行うことができる。いずれの計測を行う場合も本体部分５１は共通化されるので、分光プリズム３１の構成が複雑化することも回避できる。
【００５１】
また、本実施形態では、本体部分５１の上面に凹部５１ａが形成されている。このため、第１のプリズム部分６１及び第２のプリズム部分７１の着脱が容易であり、また、第１のプリズム部分６１及び第２のプリズム部分７１を凹部５１ａに嵌合したときのテラヘルツ波Ｔのアライメントの作業性も確保できる。
【００５２】
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。
【００５３】
例えば上記実施形態では、第１のプリズム部分６１の断面形状、第２のプリズム部分７１の断面形状、及び凹部５１の形状をいずれも断面三角状としているが、これらは断面矩形状などの他の形状を適用してもよい。また、嵌合部分は平坦面に限られず、曲面であってもよい。図示しないが、嵌合部分を曲面にする場合、本体部分５１に第２のプリズム部分７１を嵌合したときに、本体部分５１と第２のプリズム部分７１との嵌合部分で屈折するテラヘルツ波Ｔが平行光として被測定物３４を透過するように曲面形状を調整することが好ましい。また、本体部分５１と第２のプリズム部分７１との嵌合部分で屈折するテラヘルツ波Ｔが被測定物３４に向けて集光するように曲面形状を調整してもよい。さらに、第１のプリズム部分６１の長さ及び第２のプリズム部分７１の長さは、本体部分５１の溝部５１ａと同じ長さでなくともよく、溝部５１ａよりも長い場合及び短い場合のいずれであってもよい。
【００５４】
プリズム部分の変形例としては、例えば図８（ａ）に示すように、第１のプリズム部分９１の底部に上面と平行な平坦面９１ａを形成すると共に、両側部に上面と直交する側面９１ｂ，９１ｂを形成してもよい。同様に、例えば図８（ｂ）に示すように、第２のプリズム部分１０１の底部に上面と平行な平坦面１０１ｂを形成すると共に、両側部に上面と直交する側面１０１ｃ，１０１ｃを形成してもよい。
【００５５】
この場合、本体部分８１には、第１のプリズム部分９１及び第２のプリズム部分１０１の形状に対応した溝部８１ａを設ける。また、本体部分８１の上面の高さを図３及び図４の場合よりも低くし、第１のプリズム部分９１及び第２のプリズム部分１０１を本体部分８１の凹部８１ａに嵌め込んだときに、側面９１ｂ，９１ｂ及び側面１０１ｃ，１０１ｃが本体部分８１の上面から突出させることが好ましい。こうすると、側面９１ｂ，９１ｂ及び側面１０１ｃ，１０１ｃを第１のプリズム部分９１及び第２のプリズム部分１０１の取手部として機能させることができ、本体部分８１からの第１のプリズム部分９１及び第２のプリズム部分１０１の着脱が容易となる。
【００５６】
また、例えば図９（ａ）に示すように、第１のプリズム部分９１において、側面９１ｂ，９１ｂから板状に突出する取手部９１ｃ，９１ｃを更に設けてもよく、例えば図９（ｂ）に示すように、第２のプリズム部分１０１において、側面１０１ｃ，１０１ｃから板状に突出する取手部１０１ｄ，１０１ｄを更に設けてもよい。これにより、第１のプリズム部分９１及び第２のプリズム部分１０１の取り扱いが更に容易となる。取手部の位置は、テラヘルツ波Ｔの伝播や被測定物３４の配置を妨げない位置であれば特に制限はない。
【００５７】
また、例えば図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、本体部分１１１の溝部１１１ａの底部を平坦面１１１ｂとすると共に、第１のプリズム部分１２１の底部及び第２のプリズム部分１３１の底部を平坦面１２１ｂ，１３１ｂとし、第１のプリズム部分１２１及び第２のプリズム部分１３１を本体部分１１１の凹部１１１ａに嵌め込んだときに、平坦面１１１ｂ，１２１ｂ間及び平坦面１１１ｂ，１３１ｂ間にスペースＳが形成されるようにしてもよい。かかる構成によっても、第１のプリズム部分１２１及び第２のプリズム部分１３１の取り扱いを容易とすることができる。
【００５８】
また、スペースＳにおいて、本体部分１１１と第１のプリズム部分１２１との嵌合部分及び本体部分１１１と第２のプリズム部分１３１との嵌合部分の外側にはみ出すようにフィルム部材Ｆを介在させてもよい。この場合、フィルム部材Ｆを把持することで、本体部分１１１からの第１のプリズム部分１２１及び第２のプリズム部分１３１の取り外しが容易となる。なお、フィルム部材Ｆを用いる場合には、スペースＳは必ずしも必要ではなく、平坦面１１１ｂ，１２１ｂがフィルム部材Ｆと接していてもよく、平坦面１１１ｂ，１３１ｂがフィルム部材Ｆと接していてもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１…テラヘルツ波分光計測装置、２…レーザ光源、３…一体型プリズム、１３…ビームスプリッター（分岐部）、３１…分光プリズム、３１ａ…入射面、３１ｂ…出射面、３１ｃ…配置面、３２…テラヘルツ波発生素子、３３…テラヘルツ波検出素子、３４…被測定物、４８…ポンプ光、４９…プローブ光、５１，８１，１１１…本体部分（プリズム部材）、５１ａ，８１ａ，１１１ａ…凹部、６１，９１，１１１…第１のプリズム部分、７１，１０１，１３１…第２のプリズム部分、９１ｃ，１０１ｄ…取手部、Ｆ…フィルム部材、Ｍ…マッチングオイル、Ｓ…スペース、Ｔ…テラヘルツ波。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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