(57)【要約】【課題】テラヘルツ波信号の出力効率を向上させ、また、高速かつ高信頼性を有するテラヘルツ計測装置を提供する。【解決手段】レーザ光ビーム１１Ａを出射するフェムト秒レーザ発生装置１１と、レーザ光ビーム１１Ａをｓ波プローブ光ビーム１１Ｂ及びｓ波プローブ光ビーム１１Ｂと偏光方向の異なるｐ波ポンプ光ビーム１１Ｃに２分岐させる分岐部と、ｐ波ポンプ光ビーム１１Ｃが入射することによりテラヘルツ波１１Ｄを出射する非線形結晶１９Ａと、非線形結晶１９Ａから出射し被測定物１００を透過したテラヘルツ波１１Ｅとｓ波プローブ光ビーム１１Ｂとの光軸を一致させるシクロオレフィンミラー２２と、光軸が一致したテラヘルツ波１１Ｅとｓ波プローブ光ビーム１１Ｂとの入射により、光学変調された光信号を検出するバランスディテクタ２５とを備える。【選択図】図１
2010048721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波を被測定物に照射することにより当該被測定物の特性を計測するテラヘルツ計測装置であって、
レーザ光ビームを出射する光源と、
前記レーザ光ビームをプローブ光ビームならびに当該プローブ光ビームと偏光方向の異なるポンプ光ビームに２分岐させる分岐部と、
前記ポンプ光ビームが入射することにより第１のテラヘルツ波を出射するテラヘルツ波発生部と、
前記テラヘルツ波発生部から出射し前記被測定物を透過又は反射した前記第１のテラヘルツ波と前記プローブ光ビームとの光軸を一致させる、ポリマーからなる光学結合素子を有する結合部と、
前記結合部により光軸が一致した前記第１のテラヘルツ波と前記プローブ光ビームとの入射により光信号を検出する検出部とを備える
テラヘルツ計測装置。
【請求項２】
前記光学結合素子は、シクロオレフィン（Ｃｙｃｌｏｏｌｅｆｉｎ）からなる
請求項１記載のテラヘルツ計測装置。
【請求項３】
前記結合部は、複数の前記光学結合素子がアレイ状に配置され、
前記複数の光学結合素子は、それぞれ、前記第１のテラヘルツ波を透過させ、かつ、前記プローブ光ビームの一部を透過させ一部を反射させる
請求項１または２に記載のテラヘルツ計測装置。
【請求項４】
前記テラヘルツ波発生部は、
前記ポンプ光ビームを複数のポンプ光ビームに分岐させる第１のビームスプリッタアレイと、
前記複数のポンプ光ビームが入射することにより複数のテラヘルツ波ビームを発生するテラヘルツ波エミッタ素子とを備え、
前記複数のテラヘルツ波ビームである前記第１のテラヘルツ波を前記被測定物へ出射する
請求項３記載のテラヘルツ計測装置。
【請求項５】
前記テラヘルツ波エミッタ素子は、光伝導スイッチアレイ又は非線形結晶であり、
前記検出部は、光伝導スイッチアレイ又は非線形結晶を備える
請求項４記載のテラヘルツ計測装置。
【請求項６】
前記テラヘルツ波エミッタ素子は、光伝導スイッチアレイであり、
前記検出部は、光伝導スイッチアレイを備える
請求項４記載のテラヘルツ計測装置。
【請求項７】
前記テラヘルツ波発生部は、
前記ポンプ光ビームが入射することにより第２のテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波エミッタ素子と、
前記第２のテラヘルツ波を複数のテラヘルツ波ビームに分岐させる第２のビームスプリッタアレイとを備え、
前記複数のテラヘルツ波ビームである前記第１のテラヘルツ波を前記被測定物へ出射する
請求項３記載のテラヘルツ計測装置。
【請求項８】
前記テラヘルツ波エミッタ素子は、光伝導スイッチ又は非線形結晶であり、
前記検出部は、光伝導スイッチアレイ又は非線形結晶を備える
請求項７記載のテラヘルツ計測装置。
【請求項９】
前記テラヘルツ波エミッタ素子は、光伝導スイッチであり、
前記検出部は、光伝導スイッチアレイを備える
請求項７記載のテラヘルツ計測装置。
【請求項１０】
前記テラヘルツ波エミッタ素子は、非線形結晶であり、
前記検出部は、非線形結晶を備える
請求項４または７に記載のテラヘルツ計測装置。
【請求項１１】
前記検出部は、前記第１のテラヘルツ波と前記プローブ光ビームとの入射により光学変調された光信号を出射する前記非線形結晶と、
前記光信号を検出するアレイ状の平衡型光検出素子を備える
請求項５、８及び１０のうちいずれか１項に記載のテラヘルツ計測装置。
【請求項１２】
前記検出部は、前記第１のテラヘルツ波と前記プローブ光ビームとの入射により光学変調された光信号を出射する前記非線形結晶と、
前記光信号を検出するＣＣＤイメージセンサとを備える
請求項５、８及び１０のうちいずれか１項に記載のテラヘルツ計測装置。
【請求項１３】
前記検出部は、前記第１のテラヘルツ波と前記プローブ光ビームとの入射により光学変調された光信号を出射する前記非線形結晶と、
前記光信号を検出するＣＭＯＳイメージセンサとを備える
請求項５、８及び１０のうちいずれか１項に記載のテラヘルツ計測装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のうちいずれか１項に記載のテラヘルツ計測装置を備え、前記被測定物の画像信号を出力する
テラヘルツイメージング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ計測装置に関し、特にテラヘルツ波を用いて被測定物の特性計測またはイメージングを高速かつ高精度に行う装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近赤外光とミリ波の間に位置する０．１ＴＨｚから１００ＴＨｚまでの周波数域（テラヘルツ領域と呼ばれる）の電磁波は、様々な物質を透過するミリ波の性質と、直進性を有する赤外光の性質を併せ持つ。従って、このテラヘルツ領域の電磁波は、様々な応用が考えられ非常に重要である。近年、半導体技術、生医学応用、農業、セキュリティ、研究開発、環境調査、通信などの分野において、テラヘルツ発生技術やテラヘルツ光源を用いたイメージングや検出技術が注目されている。
【０００３】
テラヘルツ波の発生と検出に関する技術は、赤外光やミリ波などの他の光源ほど開発が進んでいないが、基礎研究では潜在能力が高いことが示されている。現在、テラヘルツ波の発生に関しては、ピコ秒からフェムト秒の高出力近赤外域レーザ（波長約７８０ｎｍ）を用いた光伝導（ＰＣ）アンテナまたは非線形光学素子を用いてテラヘルツ放射を行う方式が研究されている。ＰＣアンテナは、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に低温成長したＧａＡｓ層の上に、電極を形成することにより作製される。ＰＣアンテナ間の間隙は、一般に、数マイクロメータのオーダーである。ＰＣスイッチ間に高ピークパワーのレーザ光が照射されると、電子正孔対が生成される。一方で、電極間に印加された高電圧により、レーザ光照射で生成された電子が加速される。この加速された電子により、ＰＣアンテナからテラヘルツ波が放射される。ホールは低動作速度のため、放射には関与しない。また、ＺｎＴｅ、ＧａＳｅ、ＧａＰ、ＬｉＮｂＯ3等の非線形光学材料に、高ピークパワーのフェムト秒レーザを照射することによってもテラヘルツ波が放射される。テラヘルツ放射波はピコ秒オーダーのパルス光であり、それをフーリエ変換することによりテラヘルツスペクトルが得られる。
【０００４】
上記テラヘルツ波を被測定物に照射し、その透過波または反射波を検出することにより、当該被測定物の特性を計測すること、又は、当該被測定物のイメージングを行うことが可能である。
【０００５】
図１２は、従来のテラヘルツイメージング装置の機能構成図である。同図に記載されたテラヘルツイメージング装置５００は、フェムト秒レーザ発生装置５０１と、λ／２板５０２と、偏光ビームスプリッタ５０３と、偏光板５０４と、ミラー５０５Ａ、５０５Ｂ、５０５Ｃ及び５０５Ｄと、ビーム拡大レンズ５０６Ａ及び５０６Ｂと、チョッパ５０７と、光遅延ミラー５０８と、非線形結晶５０９Ａ及び５０９Ｂと、Ｓｉウェハ５１０と、レンズ５１１と、Ｓｉミラー５１２と、λ／４板５１３と、偏光プリズム５１４と、バランスディテクタ５１５と、ロックインアンプ５１６と、パーソナルコンピュータ５１７とを備える。フェムト秒レーザ発生装置５０１から出射されたフェムト秒レーザビーム５０１Ａ（波長７８０〜８５０ｎｍ）は、λ／２板５０２を透過後、偏光ビームスプリッタ５０３により、ポンプ光ビーム及びプローブ光ビームに２分岐される。ポンプ光ビームはチョッパ５０７、光遅延ミラー５０８及びビーム拡大レンズ５０６Ａを通過して、テラヘルツエミッタ素子である非線形結晶５０９Ａを励起し、テラヘルツ波を放射させる。放射されたテラヘルツ波はＳｉウェハ５１０、被測定物５５０及びレンズ５１１を透過し、Ｓｉミラー５１２に入射する。
【０００６】
一方、プローブ光ビームは、偏光板５０４を通過し、ミラー５０５Ｄ、５０５Ｃ、５０５Ｂで反射し、ビーム拡大レンズ５０６Ｂを通過してＳｉミラー５１２で反射される。
【０００７】
上記テラヘルツ波に変換されたポンプ光ビーム及びプローブ光ビームは、同じ距離を伝搬してＳｉミラー５１２に入射する。そして、Ｓｉミラー５１２から出射したポンプ光ビーム及びプローブ光ビームは、非線形結晶５０９Ｂにフォーカスされる。そして、非線形結晶５０９Ｂで、プローブ光ビームは、ポンプ光ビームであるテラヘルツ波の電界によって光学変調され、λ／４板５１３及び偏光プリズム５１４を通過する。通過したプローブ光ビームは、バランスディテクタ５１５により、テラヘルツ波信号として強度測定される。このテラヘルツ波信号の強度測定を、光遅延ミラー５０８をスキャンさせて行うことにより、テラヘルツ波信号の時間応答特性がロックインアンプ５１６にて検出される。
【０００８】
上述したようなイメージング装置としてのみならず、テラヘルツ波は、環境計測などへの応用としても利用される。
【０００９】
図１３は、従来のテラヘルツ計測装置の機能構成図である。同図に記載されたテラヘルツ計測装置６００は、フェムト秒レーザ発生装置６０１と、λ／２板６０２と、偏光ビームスプリッタ６０３と、偏光板６０４と、ミラー６０５Ａ、６０５Ｂ、６０５Ｃ及び６０５Ｄと、レンズ６０６Ａ、６０６Ｂ、６１０Ａ及び６１０Ｂと、チョッパ６０７と、光遅延ミラー６０８と、光伝導スイッチ６０９Ａ及び６０９Ｂと、Ｓｉミラー６１２と、ロックインアンプ６１３と、パーソナルコンピュータ６１４とを備える。本装置は、図１２に記載されたテラヘルツイメージング装置５００と比較して、ポンプ光をテラヘルツ波に変換するところから、被測定物６５０を通過したテラヘルツ波を検出するところまでの構成が異なる。テラヘルツ計測装置６００は、気体などを通過したテラヘルツ波の吸収スペクトル等の変化を検出することにより、気体を構成する微量成分の変化を観測する場合などに用いられる。以下、図１２に記載されたテラヘルツイメージング装置５００と同じ点は説明を省略し、異なる点のみ説明する。
【００１０】
ポンプ光ビームはチョッパ６０７、光遅延ミラー６０８及びレンズ６０６Ａを通過して、テラヘルツエミッタ素子である光伝導スイッチ６０９Ａを励起し、テラヘルツ波を放射させる。放射されたテラヘルツ波はレンズ６１０Ａ、被測定物６５０、及びレンズ６１０Ｂを透過し、信号検出機能を有する光伝導スイッチ６０９Ｂへ入射する。
【００１１】
一方、プローブ光ビームは、偏光板６０４を通過し、ミラー６０５Ｄ、６０５Ｃ、６０５Ｂ及びＳｉミラー６１２で反射され、レンズ６０６Ｂを通過し、光伝導スイッチ６０９Ｂへ入射する。
【００１２】
上記テラヘルツ波に変換されたポンプ光ビーム及びプローブ光ビームは、同じ距離を伝搬して光伝導スイッチ６０９Ｂに入射する。これらにより、光伝導スイッチ６０９Ｂでテラヘルツ波の電界に応じた光電流が発生する。この光電流の時間応答特性は、光遅延ミラー６０８をスキャンさせることにより、ロックインアンプ６１３にてテラヘルツ波信号として測定される。
【００１３】
図１４（ａ）は、従来のテラヘルツ計測装置の測定結果を表すグラフである。同図において、５〜１０ｐｓｅｃにて、被測定物５５０の情報を有する出力信号波形が観測される。また、図１４（ｂ）は、従来のテラヘルツ計測装置の測定結果をフーリエ変換した結果を表すグラフである。同図において、１ＴＨｚ以下の範囲にて被測定物５５０の情報を有する出力信号波形が観測される。図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に記載された観測波形は、光遅延ミラー５０８の１回のスキャンによりサンプリングされて得られた、被測定物５５０の一点における出力信号である。被測定物５５０のイメージングを実行するには、上記光遅延ミラー５０８スキャンを、テラヘルツ波の照射点を変えて繰り返し行う。この被測定物５５０がある場合の測定スペクトルと、被測定物５５０がない場合の参照スペクトルとを比較することにより、被測定物５５０の画像信号や吸収スペクトルが得られる。
【非特許文献１】Yonera.T., Miyamaru.F., Tani.M., Hangyo.M., “Millisecond THz imaging based on two-dimensional EO sampling using a high speed CMOS camera”, Conference on Lasers and Electro-Optics, 2004年5月16〜21日, vol.1
【特許文献１】特開２００６−１７７７１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述した従来のテラヘルツ計測装置では、被測定物の特性測定またはイメージングのため、十分なパワーを有するテラヘルツ波を発生させる必要があるため、高ピーク出力のフェムト秒レーザ発生装置が用いられる。また、その高出力のフェムト秒レーザ発生装置は非常に高コストである。
【００１５】
また、検出されるテラヘルツ波信号は、その光路に配置された各デバイスでの反射や透過により減衰して微弱信号となるため、テラヘルツ波発生素子やテラヘルツ波検出素子は高出力フェムト秒レーザビームに対し、一対一の組み合わせで用いられる。特に、テラヘルツ波とプローブ光とを結合させる結合素子は、従来Ｓｉミラーが用いられている。Ｓｉミラーは、テラヘルツ波を透過させプローブ光を反射させるハーフミラーとしての機能を有する。しかし、Ｓｉミラーは、テラヘルツ波に対する透過率が十分でないため、テラヘルツ波を減衰させる一要因でもある。
【００１６】
また、フェムト秒レーザビームとテラヘルツ波とが一対一の組み合わせで用いられる測定系では、一点計測を繰り返すことにより、２Ｄスキャニングして被測定物の画像を得る。この計測方法は、必要とされるイメージング速度及び計測精度などにも悪影響を及ぼすこととなる。
【００１７】
上記課題に鑑み、本発明は、テラヘルツ波信号の出力効率を向上させたテラヘルツ計測装置を提供することを目的とする。さらに、出力効率が向上した測定系により、高速かつ高信頼性を有するテラヘルツ計測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】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明に係るテラヘルツ計測装置は、テラヘルツ波を被測定物に照射することにより当該被測定物の特性を計測するテラヘルツ計測装置であって、レーザ光ビームを出射する光源と、前記レーザ光ビームをプローブ光ビームならびに当該プローブ光ビームと偏光方向の異なるポンプ光ビームに２分岐させる分岐部と、前記ポンプ光ビームが入射することにより第１のテラヘルツ波を出射するテラヘルツ波発生部と、前記テラヘルツ波発生部から出射し前記被測定物を透過又は反射した前記第１のテラヘルツ波と前記プローブ光ビームとの光軸を一致させる、ポリマーからなる光学結合素子を有する結合部と、前記結合部により光軸が一致した前記第１のテラヘルツ波と前記プローブ光ビームとの入射により光信号を検出する検出部とを備えることを特徴とする。
【００１９】
電磁波領域において、屈折率が小さい材料ほど、テラヘルツ波をはじめとした電磁波の透過率が高く、かつ、反射率が低い。ポリマーは、電磁波領域においてＳｉよりも屈折率が低い。
【００２０】
この構成をとることにより、光学結合素子のテラヘルツ波及びプローブ光ビームに対する透過率がＳｉからなる従来の光学結合素子よりも高いので、テラヘルツ波信号の出力効率を向上させることができる。さらには、この出力効率の向上により、レーザ光ビームの出力を低減させることが可能となる。
【００２１】
また、前記光学結合素子は、シクロオレフィン（Ｃｙｃｌｏｏｌｅｆｉｎ）からなることが好ましい。
【００２２】
シクロオレフィン材料はテラヘルツ波に対して低吸収であり、また、赤外プローブ光に対して無散乱の特長を有する。これにより、テラヘルツ波信号の出力効率を向上させることができる。
【００２３】
また、前記結合部は、複数の前記光学結合素子がアレイ状に配置され、前記複数の光学結合素子は、それぞれ、前記第１のテラヘルツ波を透過させ、かつ、前記プローブ光ビームの一部を透過させ一部を反射させてもよい。
【００２４】
ポリマー材料を光学結合素子として用いることにより、検出されるテラヘルツ波の出力効率が向上する。これにより、レーザ光ビームまたはテラヘルツ波発生素子で発生したテラヘルツ波をアレイ状に多分岐させても、各々のテラヘルツ波を十分検出することが可能となる。また、多分岐されたテラヘルツ波のそれぞれに対し、多分岐されたプローブ光ビームのそれぞれを対応づけて光学的に結合させることができる。よって、１本のレーザ光ビームから多数のテラヘルツ波を検出することが可能となり、高速なテラヘルツ計測を実現することが可能となる。
【００２５】
また、前記テラヘルツ波発生部は、前記ポンプ光ビームを複数のポンプ光ビームに分岐させる第１のビームスプリッタアレイと、前記複数のポンプ光ビームが入射することにより複数のテラヘルツ波ビームを発生するテラヘルツ波エミッタ素子とを備え、前記複数のテラヘルツ波ビームである前記第１のテラヘルツ波を前記被測定物へ出射してもよい。
【００２６】
これにより、ポンプ光ビームを多分岐することが可能となるので、これらのビームから発生した多数のテラヘルツ波ビームとアレイ状に配置された光学結合素子にて多分岐されたプローブ光ビームとを、各々結合させることが可能となる。よって、光遅延ミラーを１回スキャンさせることにより、複数点での画像信号が得られるので、高速かつ高信頼性を有するテラヘルツ計測を実現することが可能となる。
【００２７】
また、前記テラヘルツ波エミッタ素子は、光伝導スイッチアレイ又は非線形結晶であり、前記検出部は、光伝導スイッチアレイ又は非線形結晶を備えてもよい。
【００２８】
これにより、光源からフェムト秒でパルス化されたレーザ光ビームをテラヘルツ波エミッタ素子に入射させることで、テラヘルツ波を発生させることが可能となる。また、テラヘルツ波による電界で光学変調された出力信号を効率よく検出することが可能となる。
【００２９】
また、前記テラヘルツ波エミッタ素子は、光伝導スイッチアレイであり、前記検出部は、光伝導スイッチアレイを備えてもよい。
【００３０】
これにより、微弱なテラヘルツ信号を発生させ計測する測定系が構築されるので、気体などを通過したテラヘルツ波の吸収スペクトル等の変化を検出することにより、気体を構成する微量成分の変化を観測する環境計測分野などに適用することが可能となる。
【００３１】
また、前記テラヘルツ波発生部は、前記ポンプ光ビームが入射することにより第２のテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波エミッタ素子と、前記第２のテラヘルツ波を複数のテラヘルツ波ビームに分岐させる第２のビームスプリッタアレイとを備え、前記複数のテラヘルツ波ビームである前記第１のテラヘルツ波を前記被測定物へ出射してもよい。
【００３２】
これにより、テラヘルツ波発生素子にて発生した単一のテラヘルツ波を多分岐することが可能となる。また多分岐されたテラヘルツ波ビームが微弱信号となっても、これらのテラヘルツ波ビームとアレイ状に配置された高透過率を有する光学結合素子にて多分岐されたプローブ光ビームとを、各々効率よく結合させることが可能となる。よって、光遅延ミラーを１回スキャンすることにより、複数点での画像信号が得られ高速かつ高信頼性を有するテラヘルツ計測を実現することが可能となる。
【００３３】
また、前記テラヘルツ波エミッタ素子は、光伝導スイッチ又は非線形結晶であり、前記検出部は、光伝導スイッチアレイ又は非線形結晶を備えてもよい。
【００３４】
これにより、光源からフェムト秒でパルス化されたレーザ光ビームをテラヘルツ波エミッタ素子に入射させることで、テラヘルツ波を発生させることが可能となる。また、テラヘルツ波による電界で光学変調された出力信号を効率よく検出することが可能となる。
【００３５】
また、前記テラヘルツ波エミッタ素子は、光伝導スイッチであり、前記検出部は、光伝導スイッチアレイを備えてもよい。
【００３６】
これにより、微弱なテラヘルツ信号を発生させ計測する測定系が構築されるので、気体などを通過したテラヘルツ波の吸収スペクトル等の変化を検出することにより、気体を構成する微量成分の変化を観測する環境計測分野などに適用することが可能となる。
【００３７】
また、前記テラヘルツ波エミッタ素子は、非線形結晶であり、前記検出部は、非線形結晶を備えてもよい。
【００３８】
これにより、比較的高出力のテラヘルツ信号を発生させ計測する測定系が構築されるので、被測定物に関する画像を構築するイメージング分野などに適用することが可能となる。
【００３９】
また、前記検出部は、前記第１のテラヘルツ波と前記プローブ光ビームとの入射により光学変調された光信号を出射する前記非線形結晶と、前記光信号を検出するアレイ状の平衡型光検出素子を備えてもよい。
【００４０】
これにより、非線形結晶から出力された変調信号の雑音を低減して検出することができるので、高Ｓ／Ｎ比を有する高精度の出力信号が得られる。
【００４１】
また、前記検出部は、前記第１のテラヘルツ波と前記プローブ光ビームとの入射により光学変調された光信号を出射する前記非線形結晶と、前記光信号を検出するＣＣＤイメージセンサとを備えてもよい。
【００４２】
これにより、検出された各画像信号から合成されたイメージの同時性が確保される。よって高精度な静止画像を取得することが可能となる。
【００４３】
また、前記検出部は、前記第１のテラヘルツ波と前記プローブ光ビームとの入射により光学変調された光信号を出射する前記非線形結晶と、前記光信号を検出するＣＭＯＳイメージセンサとを備えてもよい。
【００４４】
これにより、本発明のテラヘルツ計測装置の低消費電力化および低コスト化が図られる。
【００４５】
また、本発明は、上記のような特徴を有するテラヘルツ計測装置として実現することができるだけでなく、このようなテラヘルツ計測装置を備えるテラヘルツイメージング装置としても、上記と同様の構成と効果がある。
【発明の効果】
【００４６】
本発明のテラヘルツ計測装置によれば、シリコンより低屈折率のポリマーを光学結合素子として用いるので、テラヘルツ波信号の出力効率を向上させることができる。また、プローブ光ビームの出力も低減させることができる。また、これにより、多分岐されたテラヘルツ波ビームとプローブ光ビームとをアレイ状の上記光学結合素子にて結合することができるので、高速かつ高信頼性を有するイメージングが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１におけるテラヘルツ計測装置は、ポンプ光ビームが入射することにより第１のテラヘルツ波を出射するテラヘルツ波発生部と、被測定物を通過した第１のテラヘルツ波とプローブ光ビームとを光学的に結合させる、ポリマーからなる光学結合素子を有する結合部とを備える。これにより、光学結合素子のテラヘルツ波及びプローブ光ビームに対する透過率が高いので、テラヘルツ波信号の出力効率が向上する。
【００４８】
以下、本発明の実施の形態１について、図面を用いて説明する。
【００４９】
図１は、本発明の実施の形態１に係るテラヘルツ計測装置の機能構成図である。同図に記載されたテラヘルツ計測装置１は、フェムト秒レーザ発生装置１１と、λ／２板１２と、偏光ビームスプリッタ１３と、偏光板１４と、ミラー１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ及び１５Ｄと、ビーム拡大レンズ１６Ａ及び１６Ｂと、チョッパ１７と、光遅延ミラー１８と、非線形結晶１９Ａ及び１９Ｂと、Ｓｉウェハ２０と、レンズ２１と、シクロオレフィンミラー２２と、λ／４板２３と、偏光プリズム２４と、バランスディテクタ２５と、ロックインアンプ２６と、パーソナルコンピュータ２７とを備える。なお、本願に係る図面において紙面に平行な偏光をｐ波、紙面に垂直な偏光をｓ波と呼ぶことにする。
【００５０】
フェムト秒レーザ発生装置１１は、フェムト秒のパルス幅を有するパルスレーザ光を出力するデバイスとして機能し、例えば、波長７８０〜８５０ｎｍのパルスレーザ光が出力される。
【００５１】
フェムト秒レーザ発生装置１１から出射された短パルスのレーザ光ビーム１１Ａ（波長８００ｎｍ、パルス幅１２０ｆｓｅｃ、繰り返し１ｋＨｚ、ｐ波直線偏光）は、λ／２板１２によって直線偏光のまま、偏光方向が変えられる。
【００５２】
偏光方向が変化したレーザ光ビーム１１Ａは、分岐部である偏光ビームスプリッタ１３により、ｐ波ポンプ光ビーム１１Ｃ及びｓ波プローブ光ビーム１１Ｂに分割される。
【００５３】
ｐ波ポンプ光ビーム１１Ｃは、チョッパ１７を通過し、ミラー１５Ａで向きを変えた後、光遅延ミラー１８に入射する。
【００５４】
光遅延ミラー１８は、ｐ波ポンプ光ビーム１１Ｃの光遅延（パルスのタイミング）を調整する機能を有する。すなわち、光遅延ミラー１８は、入射方向に移動機構を有しており、光パルスのタイミングをｐｓｅｃオーダーで変化させることができる。
【００５５】
光遅延調整されたｐ波ポンプ光ビーム１１Ｃは、ビーム拡大レンズ１６Ａを通過して、テラヘルツ発生部である非線形結晶１９Ａに入射する。非線形結晶１９Ａは、例えば、ＺｎＴｅ結晶が用いられる。非線形結晶１９Ａは、ｐ波ポンプ光ビーム１１ＣがＺｎＴｅ結晶中を通過するとき、非線形効果により第１のテラヘルツ波であるテラヘルツ波１１Ｄを発生させる。
【００５６】
放射されたテラヘルツ波１１Ｄは、Ｓｉウェハ２０を通過し、被測定物１００により吸収を受け、被測定物１００の吸収スペクトル情報を有するテラヘルツ波１１Ｅとなる。このテラヘルツ波１１Ｅは、レンズ２１を通過し、光学結合素子であるシクロオレフィンミラー２２へ入射する。
【００５７】
一方、ｓ波プローブ光ビーム１１Ｂは、偏光板１４を通過し、ミラー１５Ｄ、１５Ｃ及び１５Ｂで反射し、ビーム拡大レンズ１６Ｂを通過してシクロオレフィンミラー２２で一部反射される。
【００５８】
シクロオレフィンミラー２２は、シクロオレフィンを材料とした光学結合素子であり、結合部を構成する。シクロオレフィンはポリマーであり、電磁波領域における屈折率はＳｉに比べ低い。また、シクロオレフィンはテラヘルツ波に対して低吸収であると同時に、赤外光に対して無散乱の特徴を有する。
【００５９】
シクロオレフィンミラー２２で反射したｓ波プローブ光ビーム１１Ｂと、シクロオレフィンミラー２２を通過したテラヘルツ波１１Ｅとは、その後同一の光路で非線形結晶１９Ｂに入射する。非線形結晶１９Ｂでは、テラヘルツ波１１Ｅの電界によってポッケルス効果が生じ、複屈折が生じる。このため、ｓ波に直線偏光したｓ波プローブ光ビーム１１Ｂは楕円偏光に変化する。すなわち、ｓ波プローブ光ビーム１１Ｂは、ｐ波の成分を有するようになる。非線形結晶１９Ｂは、例えば、（１１０）ＺｎＴｅ基板が用いられる。
【００６０】
非線形結晶１９Ｂから出射された上記プローブ光は、λ／４板２３を通過し、偏光プリズム２４にて２分岐される。
【００６１】
バランスディテクタ２５は、偏光プリズム２４から２分岐して出力され、互いに位相反転状態である２つのプローブ光の差分を電気信号に変換し、ロックインアンプ２６へ出力する。
【００６２】
したがって、バランスディテクタ２５から出力された電気信号は、シクロオレフィンミラー２２から出射したテラヘルツ波１１Ｅの大小と関係つけることができ、シクロオレフィンミラー２２から出射したテラヘルツ波１１Ｅの電界に比例した信号となる。また、上記ｐ波成分のプローブ光が平衡型にて入力されていることにより、雑音レベルが低減されるので、高Ｓ／Ｎ比を有する電気信号が得られる。
【００６３】
なお、バランスディテクタ２５の代わりに非平衡入力型のディテクタを用いてもよい。この場合には、高Ｓ／Ｎ比を有する電気信号は得られないが、偏光プリズム２４及びλ／４板２３の代わりに偏光板が配置される。これにより、テラヘルツ計測装置の部品点数が削減され、当該装置の簡素化が図られる。
【００６４】
上述したテラヘルツ波１１Ｅの強度測定を、光遅延ミラー１８をスキャンさせて行うことにより、被測定物１００の一点におけるテラヘルツ波信号の時間応答特性が、ロックインアンプ２６にて検出される。
【００６５】
図２（ａ）は、本発明の実施の形態１に係るテラヘルツ計測装置の測定結果を表すグラフである。同図において、１２〜１５ｐｓｅｃにて、被測定物１００を通過したテラヘルツ波１１Ｅを反映した出力信号波形が観測される。
【００６６】
また、図２（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係るテラヘルツ計測装置の測定結果をフーリエ変換した結果を表すグラフである。同図において、１ＴＨｚ以下の範囲にて被測定物１００を通過したテラヘルツ波１１Ｅを反映した出力信号波形が観測される。
【００６７】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に記載された観測波形は、光遅延ミラー１８を１回スキャンさせることによりサンプリングされた、被測定物１００の一点における出力信号である。被測定物１００のイメージングを実行するには、光遅延ミラー１８のスキャンを、テラヘルツ波１１Ｄの照射点を変えて繰り返し行う。この被測定物１００がある場合の測定スペクトルと、被測定物１００がない場合の参照スペクトルとを比較することにより、被測定物１００の画像信号や吸収スペクトル分布が得られる。
【００６８】
また、図２（ｂ）において、１ＴＨｚ以下の範囲での信号強度のピーク値は、図１４（ｂ）に記載された、Ｓｉミラーが用いられた場合のものと比較して、明確に増加していることが解る。これは、シクロオレフィンミラー２２が、図１２及び図１３に記載されたＳｉミラー５１２及び６１２と比較して、テラヘルツ波の透過率が高いことに起因するものである。
【００６９】
ここで、光学結合素子を構成する材料として、シクロオレフィンがＳｉよりも優れていることを説明する。
【００７０】
図３は、異なる媒質を通過する電磁波の進行経路を表す図である。電磁波が屈折率ｎ1の媒質Ａから屈折率ｎ2の媒質Ｂに入射するとき、電磁波はＳｎｅｌｌの法則に従い、媒質Ｂの内部に入射する。すなわち、媒質Ａと媒質Ｂとの界面において入射角をθ１、出射角をθ２としたとき、以下の式１
ｎ1・ｓｉｎθ1＝ｎ2・ｓｉｎθ2          （式１）
の関係が成立する。このとき、ｐ波（紙面に平行な偏光）に偏光した電磁波の媒質Ｂ表面における反射率Ｒｐは、以下の式２
Ｒｐ＝｜（ｎ1ｃｏｓθ2−ｎ2ｃｏｓθ1）／（ｎ1ｃｏｓθ2＋ｎ2ｃｏｓθ1）｜2（式２）
で表される。また、ｓ波（紙面に垂直な偏光）に偏光した電磁波の媒質Ｂ表面における反射率Ｒｓは、以下の式３
Ｒｓ＝｜（ｎ1ｃｏｓθ1−ｎ2ｃｏｓθ2）／（ｎ1ｃｏｓθ1＋ｎ2ｃｏｓθ2）｜2（式３）
で表される。
【００７１】
また、ｐ波に偏光した電磁波の媒質Ｂ表面における透過率Ｔｐ、及びｓ波に偏光した電磁波の媒質Ｂ表面における透過率Ｔｓは、それぞれ、以下の式４及び式５
Ｔｐ＝（１−Ｒｐ）2      （式４）
Ｔｓ＝（１−Ｒｓ）2      （式５）
で表される。
【００７２】
図４（ａ）は、式１〜式５を用いて計算されたＳｉの反射率及び透過率の入射角依存性を表すグラフである。同図における反射率Ｒｐ及びＲｓならびに透過率Ｔｐ及びＴｓは、Ｓｉの屈折率が３．１４６であるとして計算されている。一方、図４（ｂ）は、式１〜式５を用いて計算されたシクロオレフィンの反射率及び透過率の入射角依存性を表すグラフである。同図における反射率Ｒｐ及びＲｓならびに透過率Ｔｐ及びＴｓは、シクロオレフィンの屈折率が１．４９であるとして計算されている。両図に記載されたグラフを比較すると、ｐ波においては、シクロオレフィンを媒質とした方が、底角から高角（７０ｄｅｇ）付近まで高い透過率Ｔｐ及び低い反射率Ｒｐを保持していることがわかる。ｓ波においても同様に、シクロオレフィンを媒質とした方が、底角から高角（６０ｄｅｇ）付近まで高い透過率Ｔｓ及び低い反射率Ｒｓを保持していることがわかる。
【００７３】
図５は、入射角が４５度の場合の反射率及び透過率の屈折率依存性を表すグラフである。図５に記載されたグラフから、光学結合素子としては、低屈折率を有する材料の方が、高透過率及び低反射率が得られるので有利であることがわかる。
【００７４】
表１は、シクロオレフィンとＳｉとの透過率Ｔｐ及びＴｓならびに反射率Ｒｐ及びＲｓを比較したものである。
【００７５】
【表１】
2010048721.tif 000003
【００７６】
本実施の形態のようにポンプ光ビームをｐ波に偏光させることにより、発生したｐ波テラヘルツ波は、表１に記載された透過率Ｔｐに対応した透過率にてシクロオレフィンミラー２２を透過する。一方、プローブ光ビームをｓ波に偏光させることにより、ｓ波プローブ光ビームは表１に記載された反射率Ｒｓに対応した反射率にてシクロオレフィンミラー２２を反射する。
【００７７】
本実施の形態及び上記考察により、シクロオレフィンを材料とした光学結合素子のテラヘルツ波及びプローブ光ビームに対する透過率は、Ｓｉからなる従来の光学結合素子よりも高いので、テラヘルツ波信号の出力効率を向上させることができる。また、この出力効率の向上により、レーザ光ビームの出力を低減させることが可能となる。
【００７８】
なお、光学結合素子は、シクロオレフィンでなくてもよく、ポリマーであればよい。これは、電磁波領域において、ポリマーがＳｉよりも屈折率が低いことに起因するものである。シクロオレフィン以外のポリマーとしては、例えば、テフロン（登録商標）が挙げられる。
【００７９】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２におけるテラヘルツ計測装置は、ポンプ光ビームが入射することにより複数のテラヘルツ波ビームを出射するテラヘルツ波発生部と、被測定物を通過した当該複数のテラヘルツ波ビームと、複数のビームに分岐されたプローブ光ビームとを光学的に結合させる複数の光学結合素子を有する結合部とを備える。これにより、１本のレーザ光ビームから多数のテラヘルツ波を検出することが可能となり、高速かつ高信頼性を有するテラヘルツ計測を実現することが可能となる。
【００８０】
以下、本発明の実施の形態２について、図面を用いて説明する。
【００８１】
図６は、本発明の実施の形態２に係るテラヘルツ計測装置の機能構成図である。同図に記載されたテラヘルツ計測装置２は、フェムト秒レーザ発生装置１１と、λ／２板１２と、偏光ビームスプリッタ１３と、偏光板１４と、ミラー１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ及び１５Ｄと、ビーム拡大レンズ１６Ａ及び１６Ｂと、チョッパ１７と、光遅延ミラー１８と、Ｓｉウェハ２０と、ロックインアンプ２６と、パーソナルコンピュータ２７と、ビームスプリッタアレイ３１と、非線形結晶３２Ａ及び３２Ｂと、光学結合素子アレイ３３と、偏光板３４と、フォトダイオードアレイ３５とを備える。同図に記載されたテラヘルツ計測装置２は、図１に記載されたテラヘルツ計測装置１と比較して、ｐ波ポンプ光ビーム１１Ｃがビーム拡大レンズ１６Ａを通過した点から、テラヘルツ波を反映した電気信号がロックインアンプ２６に入力される点までの経路における構成が異なる。以下、実施の形態１に係るテラヘルツ計測装置１と同じ点は説明を省略し、異なる点のみ説明する。
【００８２】
光遅延調整されたｐ波ポンプ光ビーム１１Ｃは、ビーム拡大レンズ１６Ａを通過して、ビームスプリッタアレイ３１に入射する。
【００８３】
ビームスプリッタアレイ３１は、テラヘルツ発生部の構成要素であり、例えば、ｎ個のガラスビームスプリッタで構成される。ｐ波ポンプ光ビーム１１Ｃは、まず、１段目に配置されたガラスビームスプリッタに入射し、所定の割合で２分岐される。２分岐された一方のビームは、後段に配置された非線形結晶３２Ａへ出射する。また２分岐された他方のビームは、２段目（図中では下段）に配置されたガラスビームスプリッタに入射し、上記と同様の所定の割合で２分岐される。２分岐された一方のビームは、後段に配置された非線形結晶３２Ａへ出射する。また２分岐された他方のビームは、３段目（図中では下段）に配置されたガラスビームスプリッタに入射し、上記と同様の所定の割合で２分岐される。以下、同様の２分岐がｎ段目に配置されたガラスビームスプリッタまで繰り返される。この一連の動作により、ｐ波ポンプ光ビーム１１Ｃは、一定の遅延時間を有して連続的に出射される平行なｎ本のｐ波ポンプ光ビームへと変換される。
【００８４】
上記ｎ本のｐ波ポンプ光ビームは、同じくテラヘルツ発生部の構成要素である非線形結晶３２Ａに入射する。非線形結晶３２Ａは、例えば、ＺｎＴｅ結晶が用いられる。非線形結晶３２Ａは、ｎ本のｐ波ポンプ光ビームがＺｎＴｅ結晶中を通過するとき、非線形効果により第１のテラヘルツ波であるｎ本のテラヘルツ波ビーム１１Ｆを発生させる。
【００８５】
放射されたｎ本のテラヘルツ波ビーム１１Ｆは、それぞれ、一定の遅延時間をもって、Ｓｉウェハ２０を通過し、被測定物２００により吸収を受け、被測定物２００の各点における吸収スペクトル情報を有するｎ本のテラヘルツ波ビーム１１Ｇとなる。このｎ本のテラヘルツ波ビーム１１Ｇは、それぞれ、一定の遅延時間をもって、光学結合素子アレイ３３へ入射する。
【００８６】
一方、ｓ波プローブ光ビーム１１Ｂは、偏光板１４を通過し、ミラー１５Ｄ、１５Ｃ及び１５Ｂで反射し、ビーム拡大レンズ１６Ｂを通過して光学結合素子アレイ３３で反射される。
【００８７】
光学結合素子アレイ３３は、図１に記載されたシクロオレフィンミラー２２がアレイ状に配置された結合部であり、例えば、ｎ個のシクロオレフィンミラーで構成される。
【００８８】
ｓ波プローブ光ビーム１１Ｂは、まず、１段目に配置されたシクロオレフィンミラーに入射し、所定の割合で２分岐される。２分岐された一方のビームは、後段に配置された非線形結晶３２Ｂへ出射される。また２分岐された他方のビームは、２段目（図中では下段）に配置されたシクロオレフィンミラーに入射し、上記と同様の所定の割合で２分岐される。２分岐された一方のビームは、後段に配置された非線形結晶３２Ｂへ出射される。また２分岐された他方のビームは、３段目（図中では下段）に配置されたシクロオレフィンミラーに入射し、上記と同様の所定の割合で２分岐される。以下、同様の２分岐がｎ段目に配置されたシクロオレフィンミラーまで繰り返される。この一連の動作により、ｓ波プローブ光ビーム１１Ｂは、一定の遅延時間を有して連続的に出射される平行なｎ本のプローブ光ビームへと変換される。
【００８９】
本実施の形態のようにポンプ光ビームをｐ波に偏光させることにより、発生したｐ波のテラヘルツ波ビーム１１Ｇは、それぞれ、表１に記載された透過率Ｔｐに対応した透過率にて光学結合素子アレイ３３の各シクロオレフィンミラーを透過する。一方、プローブ光ビームをｓ波に偏光させることにより、ｓ波プローブ光ビーム１１Ｂは表１に記載された反射率Ｒｓに対応した反射率にて光学結合素子アレイ３３の各シクロオレフィンミラーを反射する。
【００９０】
前述したｎ本のテラヘルツ波ビーム１１Ｆと、上記ｎ本のプローブ光ビームとは、上記シクロオレフィンミラー毎にタイミング調整されたペアとなり、その後、同一の光路で非線形結晶３２Ｂに入射する。非線形結晶３２Ｂでは、ｎ本のテラヘルツ波ビーム１１Ｆの電界により、照射された各々の点においてポッケルス効果が生じ、複屈折が生じる。このため、ｓ波に直線偏光したｎ本のプローブ光ビームは楕円偏光に変化する。すなわち、ｎ本のプローブ光ビームは、それぞれ、ｐ波の成分を有するようになる。非線形結晶３２Ｂは、例えば、（１１０）ＺｎＴｅ基板が用いられる。
【００９１】
非線形結晶３２Ｂの各点から出射された上記ｎ本のプローブ光は、それぞれ、偏光板３４へ入射する。
【００９２】
偏光板３４はｐ波プローブ光しか通過させないようにしてあるため、プローブ光のｐ波成分のみを有するｎ本のビームが、一定の遅延時間を有して連続的にフォトダイオードアレイ３５に達する。したがって、フォトダイオードアレイ３５の検出信号は、光学結合素子アレイ３３の表面から出射したテラヘルツ波の大小と関係つけることができ、光学結合素子アレイ３３の表面から出射したテラヘルツ波の電界に比例した信号となる。
【００９３】
なお、フォトダイオードアレイ３５の代わりに平衡入力型のバランスディテクタアレイを用いてもよい。この場合には、フォトダイオードアレイ３５を用いた場合と比較して、高Ｓ／Ｎ比を有する電気信号が得られる。
【００９４】
上述したｎ本のテラヘルツ波ビーム１１Ｇの強度測定を行うことにより、例えば、被測定物２００のテラヘルツ波信号の時間応答特性が、光遅延ミラー１８をスキャンさせることなくロックインアンプ２６にて検出される。これにより、高速なテラヘルツ計測を実現することが可能となる。
【００９５】
あるいは、上述したｎ本のテラヘルツ波ビーム１１Ｇの強度測定を、光遅延ミラー１８を１回スキャンさせて行うことにより、例えば、被測定物２００の一列におけるテラヘルツ波信号の時間応答特性が、ロックインアンプ２６にて検出される。つまり、本実施の形態によれば、光遅延ミラー１８を１回スキャンさせることにより被測定物２００の一点計測を実行する場合に比べ、光遅延ミラー１８のスキャン回数を１／ｎに低減することが可能となる。
【００９６】
本発明の実施の形態２は、光学結合素子アレイ３３の構成要素である各光学素子として、シクロオレフィンミラーを適用することにより実現される。シクロオレフィンに代表されるポリマーを光学結合素子の材料として用いることにより、被測定物２００を通過したテラヘルツ波信号の出力効率を向上させることができる。よって、被測定物２００へ照射するテラヘルツ波を多分岐させても、出力信号を検出できる強度レベルを維持できる。これにより、１本のレーザ光ビームから多数のテラヘルツ波を検出することが可能となり、高速なテラヘルツ計測を実現することが可能となる。
【００９７】
図７は、本発明の実施の形態２に係る第１の変形例を示すテラヘルツ計測装置の機能構成図である。同図に記載されたテラヘルツ計測装置３は、フェムト秒レーザ発生装置１１と、λ／２板１２と、偏光ビームスプリッタ１３と、偏光板１４と、ミラー１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ及び１５Ｄと、ビーム拡大レンズ１６Ａ及び１６Ｂと、チョッパ１７と、光遅延ミラー１８と、非線形結晶１９Ａ及び３２Ｂと、Ｓｉウェハ２０と、ロックインアンプ２６と、パーソナルコンピュータ２７と、光学結合素子アレイ３３と、偏光板３４と、フォトダイオードアレイ３５と、ビームスプリッタアレイ４１とを備える。同図に記載されたテラヘルツ計測装置３は、図６に記載されたテラヘルツ計測装置２と比較して、ポンプ光ビーム１１Ｃがビーム拡大レンズ１６Ａを通過した点から、複数のテラヘルツ波ビームがＳｉウェハ２０に入射する点までの経路における構成が異なる。以下、実施の形態２に係るテラヘルツ計測装置２と同じ点は説明を省略し、異なる点のみ説明する。
【００９８】
光遅延調整されたｐ波ポンプ光ビーム１１Ｃは、ビーム拡大レンズ１６Ａを通過して、テラヘルツ波発生部の構成要素である非線形結晶１９Ａに入射する。
【００９９】
非線形結晶１９Ａは、例えば、ＺｎＴｅ結晶が用いられる。非線形結晶１９Ａは、ｐ波ポンプ光ビーム１１ＣがＺｎＴｅ結晶中を通過するとき、非線形効果により第２のテラヘルツ波を発生させる。第２のテラヘルツ波はビームスプリッタアレイ４１に入射する。
【０１００】
ビームスプリッタアレイ４１は、テラヘルツ波発生部の構成要素であり、例えば、ｎ個のＳｉビームスプリッタで構成される。第２のテラヘルツ波は、まず、１段目に配置されたＳｉビームスプリッタに入射し、所定の割合で２分岐される。２分岐された一方のビームは、後段に配置されたＳｉウェハ２０へ出射する。また２分岐された他方のビームは、２段目（図中では下段）に配置されたＳｉビームスプリッタに入射し、上記と同様の所定の割合で２分岐される。２分岐された一方のビームは、後段に配置されたＳｉウェハ２０へ出射する。また２分岐された他方のビームは、３段目（図中では下段）に配置されたＳｉビームスプリッタに入射し、上記と同様の所定の割合で２分岐される。以下、同様の２分岐がｎ段目に配置されたＳｉビームスプリッタまで繰り返される。この一連の動作により、第２のテラヘルツ波は、一定の遅延時間を有して連続的に出射される平行なｎ本のテラヘルツ波ビーム１１Ｈへと変換される。
【０１０１】
上記ｎ本のテラヘルツ波ビーム１１Ｈは、それぞれ、Ｓｉウェハ２０を通過し、被測定物２００に入射する。
【０１０２】
本発明の実施の形態２に係る第１の変形例は、光学結合素子アレイ３３の構成要素である各光学結合素子として、シクロオレフィンミラーを適用することにより実現される。実施の形態２と同様、ポリマーを光学結合素子の材料として用いることにより、被測定物２００を通過したテラヘルツ波信号の出力効率を向上させることができる。これにより、１本のレーザ光ビームから多数のテラヘルツ波を検出することが可能となり、高速なテラヘルツ計測を実現することが可能となる。
【０１０３】
図８は、本発明の実施の形態２に係る第２の変形例を示すテラヘルツ計測装置の機能構成図である。同図に記載されたテラヘルツ計測装置４は、フェムト秒レーザ発生装置１１と、λ／２板１２と、偏光ビームスプリッタ１３と、偏光板１４と、ミラー１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ及び１５Ｄと、ビーム拡大レンズ１６Ａ及び１６Ｂと、チョッパ１７と、光遅延ミラー１８と、Ｓｉウェハ２０と、ロックインアンプ２６と、パーソナルコンピュータ２７と、非線形結晶３２Ｂと、光学結合素子アレイ３３と、偏光板３４と、フォトダイオードアレイ３５と、ビームスプリッタアレイ３１と、光伝導スイッチアレイ５１Ａと、レンズアレイ５２とを備える。同図に記載されたテラヘルツ計測装置４は、図６に記載されたテラヘルツ計測装置２と比較して、テラヘルツ波発生素子が光伝導スイッチアレイ５１Ａである点、及び、被測定物と光学結合素子アレイ３３との間にレンズアレイ５２が配置されている点が構成として異なる。以下、実施の形態２に係るテラヘルツ計測装置２と同じ点は説明を省略し、異なる点のみ説明する。
【０１０４】
ビームスプリッタアレイ３１は、テラヘルツ発生部の構成要素であり、例えば、ｎ個のガラスビームスプリッタで構成される。ｐ波ポンプ光ビーム１１Ｃは、まず、１段目に配置されたガラスビームスプリッタに入射し、所定の割合で２分岐される。２分岐された一方のビームは、後段に配置された光伝導スイッチアレイ５１Ａのうちの１段目の光伝導スイッチへ向けて出射される。また２分岐された他方のビームは、２段目（図中では下段）に配置されたガラスビームスプリッタに入射し、上記と同様の所定の割合で２分岐される。２分岐された一方のビームは、後段に配置された光伝導スイッチアレイ５１Ａのうちの２段目の光伝導スイッチへ向けて出射される。また２分岐された他方のビームは、３段目（図中では下段）に配置されたガラスビームスプリッタに入射し、上記と同様の所定の割合で２分岐される。以下、同様の２分岐がｎ段目に配置されたガラスビームスプリッタまで繰り返される。この一連の動作により、ｐ波ポンプ光ビーム１１Ｃは、一定の遅延時間を有して連続的に出射される平行なｎ本のｐ波ポンプ光ビームへと変換される。
【０１０５】
上記ｎ本のｐ波ポンプ光ビームは、同じくテラヘルツ発生部の構成要素である光伝導スイッチアレイ５１Ａに入射する。
【０１０６】
光伝導スイッチアレイ５１Ａは、例えば、低温成長のＧａＡｓで構成された光伝導スイッチ型のテラヘルツ波発生素子がアレイ状に配列されている。各光伝導スイッチは、表面に正電極と負電極が形成されており、電極間には約３０Ｖの電圧が印加されている。ｐ波ポンプ光ビームが入射されない場合は、各光伝導スイッチの表面は絶縁体であり、電流が流れない。しかし、ｐ波ポンプ光ビームが照射されると、キャリアがＧａＡｓ内部で生成する。そのキャリアは各光伝導スイッチ表面に形成された電極による電圧印加により、瞬時に移動し、この移動のため過渡電流が各光伝導スイッチ内に流れる。この過渡電流によりｎ本のテラヘルツ波ビーム１１Ｊが放射される。
【０１０７】
本発明の実施の形態２に係る第２の変形例は、光学結合素子アレイ３３の構成要素である各光学素子として、シクロオレフィンミラーを適用することにより実現される。実施の形態２と同様、ポリマーを光学結合素子の材料として用いることにより、被測定物３００を通過したテラヘルツ波信号の出力効率を向上させることができる。これにより、１本のレーザ光ビームから多数のテラヘルツ波を検出することが可能となり、高速なテラヘルツ計測を実現することが可能となる。
【０１０８】
図９は、本発明の実施の形態２に係る第３の変形例を示すテラヘルツ計測装置の機能構成図である。同図に記載されたテラヘルツ計測装置５は、フェムト秒レーザ発生装置１１と、λ／２板１２と、偏光ビームスプリッタ１３と、偏光板１４と、ミラー１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ及び１５Ｄと、ビーム拡大レンズ１６Ａ及び１６Ｂと、チョッパ１７と、光遅延ミラー１８と、Ｓｉウェハ２０と、ロックインアンプ２６と、パーソナルコンピュータ２７と、ビームスプリッタアレイ３１と、光学結合素子アレイ３３と、光伝導スイッチアレイ５１Ａ及び５１Ｂとを備える。テラヘルツ計測装置５は、気体などを通過したテラヘルツ波の吸収スペクトル等の変化を検出することにより、気体を構成する微量成分の変化を観測する場合などに用いられる。同図に記載されたテラヘルツ計測装置５は、図８に記載されたテラヘルツ計測装置４と比較して、テラヘルツ波及びプローブ光ビームを検出する検出部の構成、及びレンズアレイ５２が配置されていない点が異なる。以下、実施の形態２に係る第２の変形例を示すテラヘルツ計測装置４と同じ点は説明を省略し、異なる点のみ説明する。
【０１０９】
一定の遅延時間を有して連続的に出射される平行なｎ本のテラヘルツ波ビーム１１Ｊは、被測定物３００を通過したｎ本のテラヘルツ波ビーム１１Ｋとなり、それぞれ、光伝導スイッチアレイ５１Ｂの有するｎ個の光伝導スイッチへと入射する。
【０１１０】
一方、ｓ波プローブ光ビーム１１Ｂは、偏光板１４を通過し、ミラー１５Ｄ、１５Ｃ及び１５Ｂで反射し、ビーム拡大レンズ１６Ｂを通過して光学結合素子アレイ３３で反射される。
【０１１１】
光学結合素子アレイ３３は、図１に記載されたシクロオレフィンミラー２２がアレイ状に配置された結合部であり、例えば、ｎ個のシクロオレフィンミラーで構成される。
【０１１２】
ｓ波プローブ光ビーム１１Ｂは、まず、１段目に配置されたシクロオレフィンミラーに入射し、所定の割合で２分岐される。２分岐された一方のビームは、光学結合素子アレイ３３と被測定物３００との間に配置された光伝導スイッチアレイ５１Ｂのうち１段目の光伝導スイッチへ出射される。また２分岐された他方のビームは、２段目（図中では下段）に配置されたシクロオレフィンミラーに入射し、上記と同様の所定の割合で２分岐される。２分岐された一方のビームは、光学結合素子アレイ３３と被測定物３００との間に配置された光伝導スイッチアレイ５１Ｂのうち２段目の光伝導スイッチへ出射される。また２分岐された他方のビームは、３段目（図中では下段）に配置されたシクロオレフィンミラーに入射し、上記と同様の所定の割合で２分岐される。以下、同様の２分岐がｎ段目に配置されたシクロオレフィンミラーまで繰り返される。この一連の動作により、ｓ波プローブ光ビーム１１Ｂは、一定の遅延時間を有して連続的に出射される平行なｎ本のプローブ光ビームへと変換される。
【０１１３】
光伝導スイッチアレイ５１Ｂに到達したｎ本のテラヘルツ波ビーム１１Ｋ及び上記ｎ本のプローブ光ビームとは、上記シクロオレフィンミラー毎にタイミング調整されたペアとなり、光伝導スイッチアレイ５１Ｂの有する各光伝導スイッチに入射する。これらにより、各光伝導スイッチで各テラヘルツ波ビームの電界に応じた光電流が発生する。この光電流の時間応答特性は、ロックインアンプ２６にてテラヘルツ波信号として測定される。
【０１１４】
上述したｎ本のテラヘルツ波ビーム１１Ｋの強度測定をほぼ同時に行うことにより、例えば、被測定物３００のテラヘルツ波信号が、広い面積にわたり検出される。これにより、高速なテラヘルツイメージングを実現することが可能となる。
【０１１５】
図１０は、本発明の実施の形態２に係る第４の変形例を示すテラヘルツ計測装置の機能構成図である。同図に記載されたテラヘルツ計測装置６は、本実施の形態に係るテラヘルツ計測装置２と本実施の形態に係る第３の変形例であるテラヘルツ計測装置５とを組み合わせたものである。つまり、図９に記載されたテラヘルツ計測装置５の光伝導スイッチアレイ５１Ａを、非線形結晶３２Ａに置き換えたものである。よって、それ以外のテラヘルツ計測装置５と同様の構成については説明を省略する。
【０１１６】
この構成においても、本実施の形態に係る第３の変形例であるテラヘルツ計測装置５と同様の効果を奏する。
【０１１７】
図１１は、本発明の実施の形態２に係る第５の変形例を示すテラヘルツ計測装置の機能構成図である。同図に記載されたテラヘルツ計測装置７は、本実施の形態に係る第２の変形例であるテラヘルツ計測装置４の構成を一部変形したものである。つまり、図８に記載されたテラヘルツ計測装置４の検出部を構成するフォトダイオードアレイ３５を、ＣＣＤ／ＣＭＯＳイメージセンサ６１に置き換えたものである。よって、それ以外のテラヘルツ計測装置４と同様の構成については説明を省略する。
【０１１８】
検出部の構成要素としてＣＣＤイメージセンサが配置された場合、当該ＣＣＤイメージセンサで検出された各画像信号から合成されたイメージの同時性が確保される。よって高精度な静止画像を取得することが可能となる。
【０１１９】
検出部の構成要素としてＣＭＯＳイメージセンサが配置された場合、本発明のテラヘルツ計測装置の低消費電力化および低コスト化が図られる。
【０１２０】
以上のように、本実施の形態によれば、シクロオレフィンに代表されるポリマーが光学結合素子として用いられることにより、フェムト秒レーザを複数ビームに分けても、ポンプ光路長とプローブ光路長を同じにしてあれば、広い面積のイメージングを実現できることになる。そして、アレイ化された光学結合素子及びテラヘルツ検出素子を使用する事によって、短時間で空間的なテラヘルツ信号が得られ、光遅延ミラーをスキャンせずに高速でテラヘルツ信号が検出される。これにより、リアルタイムでのテラヘルツ計測やテラヘルツイメージングが可能となる。
【０１２１】
なお、実施の形態１及び２では、被測定物に入射したテラヘルツ波の透過モードを計測したが、本発明はテラヘルツ波の反射モードを計測する場合にも適用される。光照射によってキャリアを発生する材料の場合、例えば、半絶縁性ＧａＡｓ基板の表面に付着した異物（有機物）を調べたい場合などに有用である。この場合、被測定物の表面で反射したテラヘルツ波を光学結合素子に入射させることにより、実施の形態１及び２と同様の効果を有するテラヘルツ計測装置を実現することが可能である。
【０１２２】
以上、実施の形態１及び２について述べてきたが、本発明に係るテラヘルツ計測装置は、上記実施の形態に限定されるものではない。実施の形態１及び２における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施形態や、実施の形態１及び２に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係るテラヘルツ計測装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１２３】
本発明は、センシング分野やイメージング分野における検出装置として利用でき、特にセキュリティ、非破壊検査、バイオ／メディカル、食品検査／農業、環境など、高精度かつ高速な計測が要求されるテラヘルツ計測装置として用いるのに最適である。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明の実施の形態１に係るテラヘルツ計測装置の機能構成図である。
【図２】（ａ）は、本発明の実施の形態１に係るテラヘルツ計測装置の測定結果を表すグラフである。（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係るテラヘルツ計測装置の測定結果をフーリエ変換した結果を表すグラフである。
【図３】異なる媒質を通過する電磁波の進行経路を表す図である。
【図４】（ａ）は、式１〜式３を用いて計算されたＳｉの反射率及び透過率の入射角依存性を表すグラフである。（ｂ）は、式１〜式３を用いて計算されたシクロオレフィンの反射率及び透過率の入射角依存性を表すグラフである。
【図５】入射角が４５度の場合の反射率及び透過率の屈折率依存性を表すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態２に係るテラヘルツ計測装置の機能構成図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る第１の変形例を示すテラヘルツ計測装置の機能構成図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係る第２の変形例を示すテラヘルツ計測装置の機能構成図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る第３の変形例を示すテラヘルツ計測装置の機能構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係る第４の変形例を示すテラヘルツ計測装置の機能構成図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係る第５の変形例を示すテラヘルツ計測装置の機能構成図である。
【図１２】従来のテラヘルツイメージング装置の機能構成図である。
【図１３】従来のテラヘルツ計測装置の機能構成図である。
【図１４】（ａ）は、従来のテラヘルツ計測装置の測定結果を表すグラフである。（ｂ）は、従来のテラヘルツ計測装置の測定結果をフーリエ変換した結果を表すグラフである。
【符号の説明】
【０１２５】
１、２、３、４、５、６、７、６００    テラヘルツ計測装置
１１、５０１、６０１    フェムト秒レーザ発生装置
１１Ａ    レーザ光ビーム
１１Ｂ    ｓ波プローブ光ビーム
１１Ｃ    ｐ波ポンプ光ビーム
１１Ｄ、１１Ｅ    テラヘルツ波
１１Ｆ、１１Ｇ、１１Ｈ、１１Ｊ、１１Ｋ    テラヘルツ波ビーム
１２、５０２、６０２    λ／２板
１３、５０３、６０３    偏光ビームスプリッタ
１４、３４、５０４、６０４    偏光板
１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄ、５０５Ａ、５０５Ｂ、５０５Ｃ、５０５Ｄ、６０５Ａ、６０５Ｂ、６０５Ｃ、６０５Ｄ    ミラー
１６Ａ、１６Ｂ、５０６Ａ、５０６Ｂ    ビーム拡大レンズ
１７、５０７、６０７    チョッパ
１８、５０８、６０８    光遅延ミラー
１９Ａ、１９Ｂ、３２Ａ、３２Ｂ、５０９Ａ、５０９Ｂ    非線形結晶
２０、５１０    Ｓｉウェハ
２１、５１１、６０６Ａ、６０６Ｂ、６１０Ａ、６１０Ｂ    レンズ
２２    シクロオレフィンミラー
２３、５１３    λ／４板
２４、５１４    偏光プリズム
２５、５１５    バランスディテクタ
２６、５１６、６１３    ロックインアンプ
２７、５１７、６１４    パーソナルコンピュータ
３１、４１    ビームスプリッタアレイ
３３    光学結合素子アレイ
３５    フォトダイオードアレイ
５１Ａ、５１Ｂ    光伝導スイッチアレイ
５２    レンズアレイ
６１    ＣＣＤ／ＣＭＯＳイメージセンサ
１００、２００、３００    被測定物
５００    テラヘルツイメージング装置
５１２、６１２    Ｓｉミラー
６０９Ａ、６０９Ｂ    光伝導スイッチ
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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