(57)【要約】【課題】可搬性に優れ、光学系のアライメント工数が省け且つテラヘルツ光の筐体内水蒸気による減衰が少いテラヘルツ光測定装置を提供すること。【解決手段】筐体１と、筐体１に収容されたテラヘルツ光発生手段２と、発生手段２から発生されるテラヘルツ光Ｌtを被測定対象に入射させる筐体１に収容された入射手段３と、被測定対象から出射される出射テラヘルツ光Ｌtrを受光する筐体１に収容された受光手段４と、受光手段４で受光された出射テラヘルツ光Ｌtrを検出する筐体１に収容されたテラヘルツ光検出手段５と、筐体１内の空気中のＨ２Ｏを除去する除去手段６と、を有することを特徴とするテラヘルツ光測定装置。【選択図】図１
2010156544.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体と、
前記筐体に収容されたテラヘルツ光発生手段と、
前記発生手段から発生されるテラヘルツ光を被測定対象に入射させる前記筐体に収容された入射手段と、
前記被測定対象から出射される出射テラヘルツ光を受光する前記筐体に収容された受光手段と、
前記受光手段で受光された前記出射テラヘルツ光を検出する前記筐体に収容されたテラヘルツ光検出手段と、
前記筐体内の空気中のＨ２Ｏを除去する除去手段と、を有することを特徴とするテラヘルツ光測定装置。
【請求項２】
さらに、前記筐体内の空気中のＨ２Ｏ濃度を検出する濃度検出手段を有する請求項１に記載のテラヘルツ光測定装置。
【請求項３】
前記濃度検出手段は、前記筐体内に収容された表面反射鏡と、前記入射手段が前記テラヘルツ光を前記表面反射鏡に入射させるように前記入射手段を制御する入射制御手段と、前記受光手段が前記表面反射鏡から反射される前記テラヘルツ光を受光するように前記受光手段を制御する受光制御手段と、を備える請求項２に記載のテラヘルツ光測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定対象に照射されたテラヘルツ光の分光スペクトル又は被測定対象の膜厚等を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ光を被測定対象に照射して分光スペクトルを測定して、分光スペクトルから被測定対象の複素屈折率や物質構造等の物性を求めることができる（たとえば、特許文献１参照。）。また、パルス状のテラヘルツ光を使用することで、タイム・オブ・フライト法を用いて多層膜の各膜厚を測定することができる（たとえば、特許文献２参照。）。
【０００３】
テラヘルツ光は、波長が３０〜３０００μｍ（周波数が０．１〜１０ＴＨｚ）の電磁波である。そのため、テラヘルツ光が空気中を伝搬すると空気中の水蒸気（Ｈ２Ｏ）で強く吸収され、強度が減衰する。
【０００４】
上記従来のテラヘルツ光測定装置では、その構成要素が開放空間に配置されるため、テラヘルツ光が自由空間中を伝搬する。その結果、空気中の水蒸気で強く吸収され、強度が減衰する。そのため、テラヘルツ光検出器で検出される信号のＳＮ比が低下する。また、測定した分光スペクトルにＨ２Ｏの吸収スペクトルがノイズとして重畳し、被測定対象の物性を求めることが難しくなる。
【０００５】
そこで、上記従来の問題を解決するために、構成要素を筐体に収容し、筐体内を窒素等でパージしたり、筐体内を真空にしたりするテラヘルツ光測定装置が開発された（たとえば、特許文献３参照。）。
【特許文献１】特開２００２−２７７３９３号公報
【特許文献２】特許４０４６１５８号公報
【特許文献３】特許３９５０８１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来のテラヘルツ光測定装置の場合、パージ用の窒素ボンベ或いは真空にするための真空ポンプ等をテラヘルツ光測定装置に常備する必要がある。そのため、テラヘルツ光測定装置の可搬性が著しく損なわれる。
【０００７】
また、筐体内を真空にするタイプでは、シール性を高めて真空を維持する必要があるため、筐体が複雑且つ大型化してしまう。さらに、構成要素である光学系のアライメントをする際、筐体の真空を破る必要があり、アライメントに時間がかかる。
【０００８】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、可搬性に優れ、光学系のアライメント工数が省け且つテラヘルツ光の筐体内水蒸気による減衰が少ないテラヘルツ光測定装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するためになされた本発明のテラヘルツ光測定装置は、筐体と、前記筐体に収容されたテラヘルツ光発生手段と、前記発生手段から発生されるテラヘルツ光を被測定対象に入射させる前記筐体に収容された入射手段と、前記被測定対象から出射される出射テラヘルツ光を受光する前記筐体に収容された受光手段と、前記受光手段で受光された前記出射テラヘルツ光を検出する前記筐体に収容されたテラヘルツ光検出手段と、前記筐体に収容され前記筐体内の空気中のＨ２Ｏを除去する除去手段と、を有することを特徴とする。
【００１０】
上記テラヘルツ光測定装置は、前記筐体内の空気中のＨ２Ｏ濃度を検出する濃度検出手段を有するとよい。
【００１１】
また、上記の濃度検出手段は、前記筐体内に収容された表面反射鏡と、前記入射手段が前記テラヘルツ光を前記表面反射鏡に入射させるように前記入射手段を制御する入射制御手段と、前記受光手段が前記表面反射鏡から反射される前記テラヘルツ光を受光するように前記受光手段を制御する受光制御手段と、を備えるものとするとよい。
【発明の効果】
【００１２】
筐体内の空気中のＨ２Ｏを除去する除去手段を筐体内に収容するだけなので、テラヘルツ光測定装置の可搬性が損なわれることがない。筐体内を真空にする必要がないので、筐体が大型化しない。真空を破る必要がないので光学系のアライメント工数が省ける。
【００１３】
濃度検出手段を有するようにすることで、筐体内の水蒸気濃度を所定値以下にするように、除去手段を制御することができる。
【００１４】
表面反射鏡と、テラヘルツ光を表面反射鏡に入射させるように入射手段を制御する入射制御手段と、表面反射鏡から反射されるテラヘルツ光を受光するように受光手段を制御する受光制御手段と、を備えることで、表面反射鏡を経由する光路を伝搬するテラヘルツ光の分光スペクトルを得ることができる。この分光スペクトルには筐体内の水蒸気濃度に比例するＨ２Ｏの吸収線が現れるので、別途濃度検出手段を備えなくても筐体内の水蒸気濃度を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明のテラヘルツ光測定装置の上面視（ｚ軸方向視）図であり、図２は、図１の要部側方視（ｙ軸方向視）図である。
【００１７】
テラヘルツ光測定装置は、図１に示すように、光学要素を二つの筐体１、１Aに収容してなる。筐体１は、テラヘルツ光発生・検出用光学要素を収容し、筐体１Aは、超短光パルスレーザ発生・光学遅延用の光学要素を収容する。筐体１は、外気と筐体１Aの収容空間とから遮断された密閉空間を形成する構造をしている。
【００１８】
テラヘルツ光測定装置は、図１及び図２に示すように、密閉空間を形成する筐体１と、筐体１に収容されたテラヘルツ光発生手段２と、テラヘルツ光Ｌtを被測定対象２０に入射させる筐体１に収容された入射手段３と、被測定対象２０から出射される出射テラヘルツ光Ｌtrを受光する筐体１に収容された受光手段４と、出射テラヘルツ光Ｌtrを検出する筐体１に収容されたテラヘルツ光検出手段５と、筐体１に収容され筐体１内の空気中のＨ２Ｏを除去する除去手段６と、水蒸気濃度検出手段を構成する表面反射鏡７a、テラヘルツ光Ｌtを表面反射鏡７に入射させるように入射手段３を制御する入射制御手段７b及び表面反射鏡７aから出射される出射テラヘルツ光Ｌtrを受光するように受光手段４を制御する受光制御手段７cと、を有している。
【００１９】
テラヘルツ光測定装置は、上記の他に筐体１に連なる筐体１Aに収容された超短光パルス光源８と、超短光パルス光源８から発生された超短光パルスレーザLoをポンプ光Lpuとプローブ光Lprとに分割する光分割手段９と、プローブ光Lprの時間遅延を制御する光学遅延手段１０、他を備えている。
【００２０】
超短光パルス光源８は、Erドープファイバレーザで、パルス幅１７ｆｓ、繰り返し周波数５０ＭＨｚ、中心波長１５６０ｎｍ、出力１１０ｍＷの超短光パルスレーザＬ0を発生する。
【００２１】
繰り返し周波数は、大きいほど出射テラヘルツ光Ltrの電場振幅時間分解波形のＳＮ比を上げることができるが、繰り返し周波数が大き過ぎるとパルス間隔が狭まり、時間領域でのスキャンレンジが狭まるので、計測目的に応じて適切な繰り返し周波数のレーザを用いることが望ましい。
【００２２】
なお、超短光パルス光源８は、上記に限定されるものでなく、例えば、Ｙｂドープファイバレーザやチタンサファイアレーザ等でもよい。
【００２３】
光分割手段９は、ビームスプリッタである。超短光パルスレーザＬ0は、ビームスプリッタ９によって、ポンプ光Ｌpuとプローブ光Ｌprとに１０対１の割合で分岐され、異なった光路を進む。すなわち、ポンプ光Ｌpuは、パルス幅１７ｆｓ、出力１００ｍＷであり、プローブ光Ｌprは、パルス幅１７ｆｓ、出力１０ｍＷである。
【００２４】
なお、超短光パルス光源８がＳＨＧ結晶を備えるErドープファイバレーザの場合、中心波長１５６０ｎｍ、出力１００ｍＷの基本波パルスと、中心波長７８０ｎｍ、出力１０ｍＷの第２高調波パルスからなる超短光パルスレーザＬ0を発生するので、この場合は、光分割手段９に２色ミラーを用いるとよい。
【００２５】
ポンプ光Lpuは、変調器１１を通過して変調を受ける。変調器１１による変調周波数は、ポンプ光Lpuの繰り返し周波数の１／１０以下程度であれば高い方が好ましい。本実施形態では、変調器１１にチョッパが用いられ、ポンプ光Lpuは１ｋＨｚで変調される。
【００２６】
なお、変調器１１に音響光学変調器（AOM）や電気光学変調器（EOM）等を用いると、高速変調が可能になる。
【００２７】
変調を受けたポンプ光Lpuは、筐体１の壁に嵌め込まれたレンズ１５でテラヘルツパルス光発生手段４に集光される。テラヘルツパルス光発生手段４は、ＤＡＳＴ結晶である。ＤＡＳＴは、4-dimethylamino-N-methyl-4 stilbazolium tosylateの略称である。
【００２８】
ＤＡＳＴ４にポンプ光Ｌpuが照射されると、結晶のχ（２）効果でテラヘルツ光Ｌtが発生される。ＤＡＳＴ４から発生されたテラヘルツ光Ｌtは、軸外し放物面鏡１６でコリメートされ、その後、入射手段３で窓１７を介して筐体１の外に配置された被測定対象２０に集光照射される。
【００２９】
入射手段３は、図２に示すように、軸外し放物面鏡３aをｚ軸方向の回転軸３bに回転可能に取り付けたものであり、軸外し放物面鏡１６でコリメートされたテラヘルツ光Ｌtを被測定対象２０に集光照射する。
【００３０】
軸外し放物面鏡３aは、入射制御手段７bで後述のパソコン２２からの指令信号Ｓ４により、回転軸３bの周りを１８０°回転させられ、点線で示す軸外し放物面鏡３aとなる。そのため、点線で示す軸外し放物面鏡３aは、後述の表面反射鏡７aにテラヘルツ光Ｌtを集光照射する。
【００３１】
被測定対象２０で正反射した出射テラヘルツ光Ｌtrは、受光手段４で受光されてコリメートされた後、軸外し放物面鏡１６Aでテラヘルツ光検出手段５に集光照射される。
【００３２】
受光手段４は、図２に示すように、軸外し放物面鏡４aをｚ軸方向の回転軸４bに回転可能に取り付けたものであり、被測定対象２０で反射された出射テラヘルツ光Ｌtrを受光コリメートする。
【００３３】
回転軸３bと回転軸４bとは、同軸であり、軸外し放物面鏡３aと軸外し放物面鏡４aとは、ｚ軸方向で上下位置関係にある。
【００３４】
軸外し放物面鏡４aは、受光制御手段７cで後述のパソコン２２からの指令信号Ｓ４により、回転軸４bの周りを１８０°回転させられ、点線で示す軸外し放物面鏡４aとなる。そのため、点線で示す軸外し放物面鏡４aは、後述の表面反射鏡７で反射された出射テラヘルツ光Ｌtrを受光コリメートする。
【００３５】
点線で示す軸外し放物面鏡３aの集光照射位置に、表面反射鏡７が配置されている。すなわち、表面反射鏡７と被測定対象２０とは、回転軸３b、４bを鏡面とする、鏡像位置関係にある。
【００３６】
テラヘルツ光検出手段５は、シリコンレンズ５１と光伝導スイッチ５２を備えている。光伝導スイッチ５２は、低温成長GaAs基板にダイポールアンテナを形成したもので、ダイポールアンテナのギャップ部をプローブ光Ｌprで励起して、そこに出射テラヘルツ光Ｌtrを入射させてその電場振幅時間波形を得ることができる。
【００３７】
１９は、光伝導スイッチ５２からの電気信号を増幅するプリアンプで、増幅した信号Ｓ１は、ロックインアンプ２１に入力される。
【００３８】
ロックインアンプ２１は、光伝導スイッチ５２で検出された信号Ｓ１の中からチョッパ１１の変調信号Ｓ２に同期した成分を抽出して増幅する。
【００３９】
ビームスプリッタ９で分割されたプローブ光Ｌprは、波長変換素子１８で中心波長７８０ｎｍの光に変換される。波長変換素子１８は、たとえば、リチウムニオブ酸等のＳＨＧ結晶である。
【００４０】
波長変換素子２１で波長変換されたプローブ光Ｌprは、光学遅延手段１０を経て筐体１の壁に嵌め込まれた集光レンズ１５Aで検出手段５の光伝導スイッチ５２に集光される。
【００４１】
光学遅延手段１０は、交差ミラー１０aと交差ミラー１０aを矢印Ａ方向に移動させる移動機構１０bとを備え、ポンプ光Ｌpuでポンプされて発生するテラヘルツ光Ｌtに対して、プローブ光Ｌprに時間的な遅れ、或いは進みを発生させる。移動機構１０bは、パソコン２２で制御される。光学遅延手段１０がラピッドスキャン型の場合、遅延掃引の周期にパソコン２２を同期させてもよい。こうすることにより、より高速にデータを取得することができる。
【００４２】
パソコン２２は、光学遅延手段１０の位置情報と、ロックインアンプ２１からの信号を記録すると共に、光学遅延手段１０の移動機構１０bと入射制御手段７b、受光制御手段７cを制御する機能も有している。
【００４３】
筐体１の壁面の開口から挿入された除去手段６は、容器６aと容器６aの中に収容された水蒸気除去部材６bとからなる。容器６aが筐体１に挿入されると壁面の開口が容器の鍔部で塞がれ、筐体１の機密性が保たれるようになっている。容器６aの筐体１の内部に位置する壁面は、一部が金網で構成されている。除去部材６bは、シリカゲルであるが、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、塩化カルシウム、シリカアルミナゲル等でもよい。
【００４４】
本実施形態の除去手段６は、上記のように、シリカゲル６bの入った容器６aを筐体１内に挿入するものであったが、これに限定されるものではない。たとえば、除去手段６の容器６aが挿入される筐体１の壁面の開口と市販の除湿器（たとえば、西部技研製、デシカント除湿器）の入口を連結し、出口を別の開口と連結してもよい。そうすることで、除湿器の入口から入った筐体１内の空気の水蒸気が除湿器で除去され、除湿された空気が除湿器の出口から出て、筐体１内に循環される。
【００４５】
本発明のテラヘルツ光測定装置においては、テラヘルツ光の伝搬する光路の大部分が筐体１内にあり、筐体１内にＨ２Ｏを除去する除去手段６を有しているのでテラヘルツ光が減衰することがない。
【００４６】
本実施形態の筐体１は、外気から遮断された密閉空間を形成する構造をしており、その密閉性は高い方が望ましい。密閉性が高いほど、除去手段６の除去性能が低くてもよい。なお、筐体１が密閉性が低い構造の場合は、除去性能の高い除去手段６を用いればよい。
【００４７】
次に、本テラヘルツ光測定装置の動作（動作間隔があいた場合の予備動作）について説明する。
【００４８】
まず、パソコン２２から入射制御手段７bと受光制御手段７cに制御信号Ｓ４を出し、実線で示す状態の軸外し放物面鏡３aと軸外し放物面鏡４aとを回転軸３bと回転軸４bとの周りに１８０°回転させ、点線で示す状態の軸外し放物面鏡３aと軸外し放物面鏡４aとに切り換える（図２参照。）。
【００４９】
超短光パルス光源８から発生された超短光パルスレーザＬoは、ビームスプリッタ９でポンプ光Ｌpuとプローブ光Ｌprに分割される。
【００５０】
ポンプ光Ｌpuは、チョッパ１１で強度変調された後、レンズ１５でＤＡＳＴ結晶２の軸方向に集光照射される。すると、結晶２のχ（２）効果でテラヘルツ光Ｌtが発生される。
【００５１】
テラヘルツ光Ｌtは、軸外し放物面鏡１６でコリメートされた後、入射手段３の軸外し放物面鏡３aで表面反射鏡７aに集光照射される。
【００５２】
表面反射鏡７aで反射された出射テラヘルツ光Ｌtrは、受光手段４の軸外し放物面鏡４aで受光コリメートされ、軸外し放物面鏡１６Aでシリコンレンズ５１を介して光伝導スイッチ５２に集光される。
【００５３】
一方、ビームスプリッタ９で分割されたプローブ光Ｌprは、波長変換素子１８で波長変換された後、光学遅延手段１０を経て、レンズ１５Aにより光伝導スイッチ５２に集光される。光学遅延手段１０をスキャンすることにより、光伝導スイッチ５２で出射テラヘルツ光Ｌtrの電場振幅時間分解波形を計測する。すなわち、光伝導スイッチ５２の信号をプリアンプ１９で増幅し、さらに、ロックインアンプ２１で増幅し、パソコン２２でデータを蓄積して、出射テラヘルツ光Ｌtrの図３に示すような電場振幅時間分解波形を得る。
【００５４】
次に、この電場振幅時間分解波形をパソコン２２でフーリエ変換して、図４に示すような分光スペクトルを得る。
【００５５】
発生手段２で発生したテラヘルツ光Ｌtは、発生手段２→入射制御手段３→表面反射鏡７a→受光制御手段４→検出手段５と伝搬する間に光路中の水蒸気により吸収を受ける。したがって、図４は、水蒸気濃度が高い場合のスペクトルであるが、１〜２ＴＨｚの間にＨ２Ｏ分子の回転、並進運動による多数の吸収線Ｂ１〜Ｂ８（振幅の急激な落ち込み）が見られる。この落ち込み量は、水蒸気濃度に比例するので、吸収線の落ち込み量から水蒸気濃度が計測される。
【００５６】
たとえば、Ｂ１線に注目して、Ｂ１線が、たとえば、振幅０．０１を切ると警報を発するようにしておき、警報が発せられたら、オペレータがシリカゲル６bを、焼成した新しいシリカゲルに交換する。
【００５７】
シリカゲル６bを交換して所定の時間経過してから、再度、上記の予備動作を行う。再度の予備動作を行って、警報が発せられなくなったら、以下のような本動作を行う。
【００５８】
まず、パソコン２２から入射制御手段７bと受光制御手段７cに制御信号Ｓ４を出し、点線で示す状態の軸外し放物面鏡３aと軸外し放物面鏡４aとを回転軸３bと回転軸４bとの周りに１８０°回転させ、実線で示す状態の軸外し放物面鏡３aと軸外し放物面鏡４aとに切り換える。
【００５９】
次に、予備動作と同様に動作させ、被測定対象２０で反射された出射テラヘルツ光Ｌtrの電場振幅時間分解波形を得る。
【００６０】
次に、この電場振幅時間分解波形がパソコン２２でフーリエ変換され、分光スペクトルが得られる。
【００６１】
この分光スペクトルには、Ｈ２Ｏの吸収線がほとんど重畳されず、たとえば、被測定対象２０の複素屈折率を高精度に測定することができる。
【００６２】
本実施形態のテラヘルツ光測定装置では、被測定対象２０と共役の関係にある表面反射鏡７aと、入射手段３がテラヘルツ光を表面反射鏡７aに照射するように入射手段３を制御する入射制御手段７bと、受光手段４が表面反射鏡７aから反射されるテラヘルツ光を受光するように受光手段４を制御する受光制御手段７cとを備えることで、筐体１内の水蒸気濃度を検出するようにしたが、別途点線で示す水蒸気濃度検出器７を筐体１内に配置してもよい。水蒸気濃度検出器７としては、金属酸化物セラミックスを用いた湿度センサ等を用いることができる。
【００６３】
本実施形態では、被測定対象２０が反射物体であったが、例えば、被測定対象２０の位置に表面反射鏡を置いて、窓１７と表面反射鏡の間に透過物体（気体、液体等）を挿入して透過スペクトルを測定するようにしてもよい。
【００６４】
次に、筐体１内の湿度を変化させたときの実験結果を以下に示す。実験では、筐体１内の湿度を０％（真空）、７．８％、４９％の３水準に設定して行われた。結果を図５及び図６に示す。図５は、電場振幅時間分解波形であり、図６は図５の波形をフーリエ変換して求めた分光スペクトルである。
【００６５】
評価基準となる０．５５THzの吸収線は、真空ではほとんど観測されないが、湿度７．８％では、小さな凹部として観測され、湿度４９％になると、大きなディップとなって観測される。スペクトル上で、０．５５THzでのスペクトル強度を図６中の破線横に数字で示してある。強度は真空のとき一番強く（９６７．４）、湿度７．８％で８２．３％（７９６．３）、湿度４９％で３０％（２４１．５）に減少する。ここまで水蒸気の吸収が大きくなると、図５に示した時間波形も変動幅が大きくなる。したがって、シリカゲルによる吸湿作用は、ノイズ低減に効果があると結論される。
【００６６】
本実験では、筐体１の容積１２リットル当たり、５００ミリリットルのシリカゲルを使用したので、１リットル当たり４２ミリリットル程度のシリカゲルが必要になる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明に係るテラヘルツ光測定装置の上面視図である。
【図２】図１の要部側方視図である。
【図３】電場振幅時間分解波形図ある。
【図４】図３の波形をフーリエ変換した分光スペクトルである。
【図５】筐体内の湿度を変化させたときの電場振幅時間分解波形図である。
【図６】図５の波形をフーリエ変換した分光スペクトルである。
【符号の説明】
【００６８】
１・・・・・・・筐体
２・・・・・・・テラヘルツ光発生手段
３・・・・・・・入射手段
４・・・・・・・受光手段
５・・・・・・・テラヘルツ光検出手段
６・・・・・・・除去手段
７・・・・・・・濃度検出手段
７a・・・・・ 表面反射鏡
７b・・・・・ 入射制御手段
７c・・・・・ 受光制御手段
Ｌt・・・・・・ テラヘルツ光
Ｌtr・・・・・・出射テラヘルツ光
【図１】
2010156544.tif 000003
【図２】
2010156544.tif 000004
【図３】
2010156544.tif 000005
【図４】
2010156544.tif 000006
【図５】
2010156544.tif 000007
【図６】
2010156544.tif 000008