(57)【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用非線形光学結晶と、
前記テラヘルツ波の入射面及び出射面を有し、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ると共に反射面で全反射させて前記出射面から出射させる内部全反射プリズムと、
前記内部全反射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用電気光学結晶と、を備え、
前記内部全反射プリズムの前記反射面に配置された被測定物の光学定数に関する情報を、前記テラヘルツ波の全反射の際に生じる当該テラヘルツ波のエバネッセント成分により取得する全反射分光計測装置であって、
前記内部全反射プリズムの前記入射面及び前記出射面には、前記レーザ光の偏光に対して非線形光学結晶及び電気光学結晶の方位角を定める角度決め用の段差部がそれぞれ設けられ、
前記テラヘルツ波発生用非線形光学結晶に入射する前記ポンプ光の偏光は、直線偏光であり、
前記入射面側の段差部は、面方位が（１１０）である前記テラヘルツ波発生用非線形光学結晶が突き当てられたときに、前記テラヘルツ波発生用非線形光学結晶の［０，０，１］軸と前記ポンプ光との偏光方向とのなす角が所定の角度となるように前記反射面に対して傾斜する突き当て部分を有し、
前記出射面側の段差部は、面方位が（１１０）である前記テラヘルツ波検出用電気光学結晶が突き当てられたときに、前記テラヘルツ波検出用電気光学結晶の［−１，１，０］軸と前記テラヘルツ波及び前記プローブ光の偏光方向とが略平行になるように前記反射面に対して略平行となる突き当て部分を有し、
前記テラヘルツ波発生用非線形光学結晶は、前記段差部の前記突き当て部分に突き当てられた状態で前記入射面に固定され、
前記テラヘルツ波検出用電気光学結晶は、前記段差部の前記突き当て部分に突き当てられた状態で前記出射面に固定されていることを特徴とする全反射分光計測装置。
【請求項２】
前記内部全反射プリズムの前記入射面と前記反射面との間には、前記テラヘルツ波発生用非線形光学結晶で発生した前記テラヘルツ波を前記反射面に向けて平行光化する光学面が設けられていることを特徴とする請求項１記載の全反射分光計測装置。
【請求項３】
前記内部全反射プリズムの前記反射面と前記出射面との間には、前記反射面で全反射した前記テラヘルツ波を前記テラヘルツ波検出用電気光学結晶に向けて集光する光学面が更に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の全反射分光計測装置。
【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全反射分光計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、テラヘルツ波を用いた全反射分光計測法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
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】F. Blanchard, L. Razzari, H.-C. Bandulet,G. Sharma1, R. Morandotti, J.-C.Kieffer, T. Ozaki1, M. Reid, H. F. Tiedje, H.K. Haugen, and F. A. Hegmann, "Generation of 1.5 J single-cycle terahertz pulses by optical rectification from a large aperture ZnTe crystal”,Opt. Exp. 15 13212 (2007)
【非特許文献２】Q. Chen, M. Tani, Zhiping Jiang, and X.-C.Zhang, "Electro-optic transceivers for terahertz-wave applications”, J.Opt. Soc. Am. B 18 823 (2001)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したような一体型プリズムを用いる場合、内部全反射プリズムの入射面に対するテラヘルツ波発生素子の位置決め、及び出射面に対するテラヘルツ波検出素子の位置決めが重要となる。特に、テラヘルツ波発生素子として非線形光学結晶を用いる場合、及びテラヘルツ波検出素子として電気光学結晶を用いる場合、レーザ光の偏光に対して各結晶の方位角を適切に選択する必要がある（例えば非特許文献１，２参照）。しかしながら、一般に製造されている非線形光学結晶及び電気光学結晶は、［０，０，１］方向や［−１，１，０］といった基本的な結晶方位を基準に製造されていることが多い。このため、目視で角度を調整しながら結晶を内部全反射プリズムに固定しようとして角度のずれが生じると、全反射面に対するテラヘルツ波の偏光の条件が変化し、分光計測結果の精度が低下してしまうおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、簡単な構成でレーザ光の偏光に対して結晶の方位を合わせることができ、適切な分光計測結果を得ることができる全反射分光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】
【０００７】
上記課題の解決のため、本発明に係る全反射分光計測装置は、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用非線形光学結晶と、テラヘルツ波の入射面及び出射面を有し、入射面から入射したテラヘルツ波を内部で伝播させると共に反射面で全反射させて出射面から出射させる内部全反射プリズムと、内部全反射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用電気光学結晶と、を備え、内部全反射プリズムの反射面に配置された被測定物の光学定数に関する情報を、テラヘルツ波の全反射の際に生じる当該テラヘルツ波のエバネッセント成分により取得する全反射分光計測装置であって、内部全反射プリズムの入射面及び出射面には、レーザ光の偏光に対して非線形光学結晶及び電気光学結晶の方位角を定める角度決め用の段差部がそれぞれ設けられ、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶は、段差部に突き当てられた状態で入射面に固定され、テラヘルツ波検出用電気光学結晶は、段差部に突き当てられた状態で出射面に固定されていることを特徴としている。
【０００８】
この全反射分光計測装置では、段差部への突き当てによって、内部全反射プリズムの入射面におけるポンプ光の偏光に対するテラヘルツ波発生用非線形光学結晶の方位角の角度決め、及び出射面におけるテラヘルツ波及びプローブ光の偏光に対するテラヘルツ波検出用電気光学結晶の方位角の角度決めを簡単な構成で精度良く行うことができる。これにより、全反射面に対するテラヘルツ波の偏光の条件を設定どおりに合わせることが可能となり、適切な分光計測結果を得ることができる。
【０００９】
また、内部全反射プリズムの入射面と反射面との間には、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶で発生したテラヘルツ波を反射面に向けて平行光化する光学面が設けられていることが好ましい。これにより、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶で発生したテラヘルツ波を発散させずに反射面に入射させることができる。
【００１０】
また、内部全反射プリズムの反射面と出射面との間には、反射面で全反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出用電気光学結晶に向けて集光する光学面が更に設けられていることが好ましい。これにより、テラヘルツ波検出用電気光学結晶における検出信号の強度を一層十分に確保できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る全反射分光計測装置によれば、簡単な構成でレーザ光の偏光に対して結晶の方位を合わせることができ、適切な分光計測結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る全反射分光計測装置の一実施形態を示す図である。
【図２】図１に示した全反射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】図２の側面図である。
【図４】テラヘルツ波発生用非線形光学結晶の固定状態を示す図である。
【図５】テラヘルツ波検出用電気光学結晶の固定状態を示す図である。
【図６】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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る全反射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。
【００１４】
図１は、本発明に係る全反射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、全反射分光計測装置１は、レーザ光を出射するレーザ光源２と、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２・内部全反射プリズム３１・テラヘルツ波検出用電気光学結晶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、全反射分光計測装置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。
【００１５】
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用電気光学結晶３３に入射する。
【００１６】
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。
【００１７】
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を構成する内部全反射プリズム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用非線形光学結晶３２が一体に固定され、出射面３１ｂ側にはテラヘルツ波検出用電気光学結晶３３が一体に固定されている。内部全反射プリズム３１の上面は平坦な反射面３１ｃとなっており、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が載置される。
【００１８】
また、図３に示すように、内部全反射プリズム３１の底面において、入射面３１ａと反射面３１ｃとの間には、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２で発生したテラヘルツ波Ｔを反射面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、反射面３１ｃと出射面３１ｂとの間には、反射面３１ｃで全反射したテラヘルツ波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、内部全反射プリズム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。
【００１９】
テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２及びテラヘルツ波検出用電気光学結晶３３としては、例えばＺｎＴｅ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。テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２にポンプ光４８が入射すると、非線形光学結晶の光整流効果によってテラヘルツ波Ｔに変換される。また、テラヘルツ波検出用電気光学結晶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が電気光学結晶の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。
【００２０】
テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２及びテラヘルツ波検出用電気光学結晶３３を内部全反射プリズム３１に固定するにあたり、図２及び図３に示すように、内部全反射プリズム３１の入射面３１ａ及び出射面３１ｂには、レーザ光の偏光に対して結晶の方位角を定める角度決め用の段差部５１Ａ，５１Ｂがそれぞれ設けられている。本実施形態では、段差部５１Ａは、入射面３１ａの上側領域が下側領域に比べて凸となるように、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２の厚さよりも大きな厚さで設けられている。また、本実施形態では、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２に入射させるポンプ光４８の偏光を水平方向の直線偏光としている。
【００２１】
これに基づいて、段差部５１Ａは、図４に示すように、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２として面方位が（１１０）であるＺｎＴｅを用いてその一辺を突き当てたときに、ＺｎＴｅの［０，０，１］軸とポンプ光４８の偏光方向との成す角θ１が５４．７度となるように、反射面３１ｃに対して斜めに形成されている。また、段差部５１Ｂは、段差部５１Ａと同様に、出射面３１ｂの上側領域が下側領域に比べて凸となるように、テラヘルツ波検出用電気光学結晶３３の厚さよりも大きな厚さで設けられている。段差部５１Ｂは、図５に示すように、テラヘルツ波検出用電気光学結晶３３として面方位が（１１０）であるＺｎＴｅを用いてその一辺を突き当てたときに、ＺｎＴｅの［−１，１，０］軸とテラヘルツ波Ｔ及びプローブ光４９の偏光方向とが略平行となるように、反射面３１ｃに対して略平行に形成されている。
【００２２】
そして、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２は、段差部５１Ａに突き当てられた状態で入射面３１ａに固定され、テラヘルツ波検出用電気光学結晶３３は、段差部５１Ｂに突き当てられてた状態で出射面３１ｂに固定されている。なお、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２及びテラヘルツ波検出用電気光学結晶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、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２及びテラヘルツ波検出用電気光学結晶３３それぞれの屈折率と内部全反射プリズム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。
【００２３】
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、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２及びテラヘルツ波検出用電気光学結晶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、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２及びテラヘルツ波検出用電気光学結晶３３の縁部を接着剤で固めるようにしてもよい。
【００２４】
テラヘルツ波を検出する検出部４は、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。テラヘルツ波検出用電気光学結晶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。
【００２５】
テラヘルツ波検出用電気光学結晶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、テラヘルツ波検出用電気光学結晶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。また、テラヘルツ波Ｔが内部全反射プリズム３１の反射面３１ｃで反射するときに放射されるエバネッセント波は、内部全反射プリズム３１の反射面３１ｃに載置される被測定物３４と相互作用を起こし、被測定物３４が載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。
【００２６】
データ解析部６は、例えば全反射分光計測装置１の専用の解析プログラムに基づいて全反射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。
【００２７】
図６は、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が内部全反射プリズム３１の反射面３１ｃに対しＰ偏光で入射した場合を仮定する。
【００２８】
図６に示すように、まず、全反射分光計測装置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）。
【００２９】
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】
0005550521.tif 000002
【数２】
0005550521.tif 000003
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】
0005550521.tif 000004
【００３０】
ここで、内部全反射プリズム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】
0005550521.tif 000005
【００３１】
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】
0005550521.tif 000006
【００３２】
また、内部全反射プリズム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】
0005550521.tif 000007
【数７】
0005550521.tif 000008
【００３３】
以上説明したように、この全反射分光計測装置１では、段差部５１Ａ，５１Ｂへの突き当てによって、内部全反射プリズム３１の入射面３１ａにおけるポンプ光４８の偏光に対するテラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２の方位角の角度決め、及び出射面３１ｂにおけるテラヘルツ波Ｔ及びプローブ光４９の偏光に対するテラヘルツ波検出用電気光学結晶３３の方位角の角度決めを簡単な構成で精度良く行うことができる。
【００３４】
これにより、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２で発生するテラヘルツ波Ｔの発生効率が最大になると共に、テラヘルツ波Ｔの偏光がポンプ光４８と同じく水平方向の直線偏光となり、反射面３１ｃに対するテラヘルツ波Ｔの偏光の条件を設定どおりに合わせることができる。また、テラヘルツ波検出用電気光学結晶３３における検出効率も最大となるので、適切な分光計測結果を得ることができる。
【００３５】
また、この全反射分光計測装置１では、内部全反射プリズム３１の入射面３１ａと反射面３１ｃとの間に、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２で発生したテラヘルツ波Ｔを反射面３１ｃに向けて平行光化する第１光学面３１ｄが設けられ、内部全反射プリズム３１の反射面３１ｃと出射面３１ｂとの間に、反射面３１ｃで全反射したテラヘルツ波Ｔをテラヘルツ波検出用電気光学結晶３３に向けて集光する第２光学面３１ｅが設けられている。これにより、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２で発生したテラヘルツ波Ｔを発散させずに反射面３１ｃに入射させることができる。また、反射面３１ｃで全反射したテラヘルツ波Ｔをテラヘルツ波検出用電気光学結晶３３に集光させることにより、検出信号の強度を一層十分に確保できる。
【符号の説明】
【００３６】
１…全反射分光計測装置、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…内部全反射プリズム、３１ａ…入射面、３１ｂ…出射面、３１ｃ…反射面、３１ｄ…第１光学面、３１ｅ…第２光学面、３２…テラヘルツ波発生用非線形光学結晶、３３…テラヘルツ波検出用電気光学結晶、３４…被測定物、４８…ポンプ光、４９…プローブ光、５１Ａ，５１Ｂ…段差部。
【図１】
0005550521.tif 000009
【図２】
0005550521.tif 000010
【図３】
0005550521.tif 000011
【図４】
0005550521.tif 000012
【図５】
0005550521.tif 000013
【図６】
0005550521.tif 000014