(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブ光パルスを出力する光源と、
前記光源から出力されたプローブ光パルスのビーム径を変更するビーム径変更光学系と、
前記ビーム径変更光学系から出力されたプローブ光パルスのパルス面を傾斜させるパルス面傾斜部と、
前記パルス面傾斜部から出力されたプローブ光パルスのビーム径を調整するビーム径調整光学系と、
前記ビーム径調整光学系から出力されたプローブ光パルスを入力するとともに、検出対象である電磁波を入力して、その電磁波の伝搬に伴って光学特性が変化し、その光学特性の変化の影響を受けたプローブ光パルスを出力する光学的作用部と、
前記光学的作用部から出力されたプローブ光パルスを検出する光検出器と、
を備えることを特徴とする電磁波検出装置。
【請求項２】
前記ビーム径変更光学系による像が前記パルス面傾斜部に位置する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出装置。
【請求項３】
前記ビーム径調整光学系が前記パルス面傾斜部と前記光学的作用部との間に結像関係を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出装置。
【請求項４】
前記ビーム径変更光学系および前記ビーム径調整光学系それぞれによるプローブ光パルスのビーム径の拡大・縮小ならびに前記パルス面傾斜部によるプローブ光パルスのパルス面の傾斜により、前記光学的作用部におけるプローブ光パルスによる測定時間範囲および相互作用面積それぞれを調整する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出装置。
【請求項５】
前記光学的作用部と前記光検出器との間のプローブ光パルスの光路上に設けられ、そのプローブ光パルスのビーム径を変更するプローブ光パルスビーム径変更光学系を更に備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出装置。
【請求項６】
前記プローブ光パルスビーム径変更光学系が前記光学的作用部と前記光検出器との間に結像関係を有する、
ことを特徴とする請求項５に記載の電磁波検出装置。
【請求項７】
前記光学的作用部に入力される電磁波のビーム径を変更する電磁波ビーム径変更光学系を更に備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出装置。
【請求項８】
前記電磁波ビーム径変更光学系による像面が前記光学的作用部に位置する、
ことを特徴とする請求項７に記載の電磁波検出装置。
【請求項９】
プローブ光パルスおよび電磁波それぞれが前記光学的作用部に入力される際の両者の間の相対的入力タイミングを調整するタイミング調整部を更に備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出装置。
【請求項１０】
測定対象物に対してポンプ光パルスを集光照射するとともに前記測定対象物における当該集光照射位置を走査するポンプ光パルス照射部を更に備え、
前記ポンプ光パルス照射部によりポンプ光パルスを前記測定対象物に集光照射することにより前記測定対象物でテラヘルツ波を発生させ、
前記光学的作用部に前記テラヘルツ波とプローブ光パルスとを入力させ、
前記光検出器が、前記ポンプ光パルス照射部による前記測定対象物への各集光照射位置について、前記光学的作用部から出力されたプローブ光パルスを検出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的作用部に入力される電磁波をプローブ光パルスにより検出する電磁波検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学的作用部に入力される電磁波をプローブ光パルスにより検出する電磁波検出装置として、例えばテラヘルツ波の時間波形を単発のプローブ光パルスにより測定する装置が知られている（特許文献１）。テラヘルツ波は、光波と電波との中間領域に相当する０.０１ＴＨｚ〜１０００ＴＨｚ程度の周波数を有する電磁波であり、光波と電波との間の中間的な性質を有している。このようなテラヘルツ波の応用として、測定対象物で発生，透過または反射したテラヘルツ波の電場振幅の時間波形を測定することで該測定対象物の情報を取得する技術が研究されている。
【０００３】
このような電磁波検出装置において、パルス面傾斜部によりプローブ光パルスのパルス面を傾斜させた後に、そのプローブ光パルスを光学的作用部に入力させる場合がある。また、パルス面傾斜部によりプローブ光パルスのパルス面を傾斜させ、そのパルス面が傾斜したプローブ光パルスのビーム径をビーム径調整光学系により調整した後に、そのプローブ光パルスを光学的作用部に入力させる場合がある。
【０００４】
パルス面傾斜部から出力される光パルスのパルス面傾斜角度（主光線方向に垂直な面に対する傾斜角度）γは、tanγ＝λ・ｄφ／ｄλ なる式で表される。λは光パルスの波長であり、ｄφ／ｄλ は波長λでのパルス面傾斜部の角分散である。
【０００５】
パルス面が傾斜した光パルスのビーム径をビーム径調整光学系により拡大または縮小すると、光パルスのパルス面傾斜角度は変化する。このときの光パルスのパルス面傾斜角度の変化は、ビーム径調整光学系による光パルスのビーム径の拡大・縮小の率に応じたものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−０９６２１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般に、光学的作用部において電磁波を検出する際に、光学的作用部におけるプローブ光パルスによる測定時間範囲および相互作用面積を適切に設定する必要があり、その為には、光学的作用部に入力されるプローブ光パルスのパルス面傾斜角およびビーム径を適切に設定する必要がある。測定時間範囲Ｔは、Ｔ＝σ・tanγ／ｃ なる式で表される。σはプローブ光パルスのビーム径であり、ｃは光速である。相互作用面積はプローブ光パルスのビーム径に依る。
【０００８】
しかしながら、上述したとおり、電磁波検出装置においてパルス面傾斜部の後段にビーム径調整光学系が設けられた場合、光学的作用部に入力されるプローブ光パルスのパルス面傾斜角度およびビーム径は、各々独立には設定され得ず、一方が変化すれば他方も変化することになり、各々を適切な値に設定することが困難である。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、光学的作用部に入力されるプローブ光パルスのパルス面傾斜角度およびビーム径それぞれを適切な値に容易に設定することができる電磁波検出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】
【００１０】
本発明の電磁波検出装置は、(1) プローブ光パルスを出力する光源と、(2) 光源から出力されたプローブ光パルスのビーム径を変更するビーム径変更光学系と、(3) ビーム径変更光学系から出力されたプローブ光パルスのパルス面を傾斜させるパルス面傾斜部と、(4) パルス面傾斜部から出力されたプローブ光パルスのビーム径を調整するビーム径調整光学系と、(5)ビーム径調整光学系から出力されたプローブ光パルスを入力するとともに、検出対象である電磁波を入力して、その電磁波の伝搬に伴って光学特性が変化し、その光学特性の変化の影響を受けたプローブ光パルスを出力する光学的作用部と、(6)光学的作用部から出力されたプローブ光パルスを検出する光検出器と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の電磁波検出装置では、光源から出力されたプローブ光パルスは、ビーム径変更光学系によりビーム径を変更され、パルス面傾斜部によりパルス面を傾斜され、ビーム径調整光学系によりビーム径を調整されて、光学的作用部に入力される。光学的作用部には、ビーム径調整光学系から出力されたプローブ光パルスが入力されるとともに、検出対象である電磁波が入力される。電磁波の伝搬に伴って光学的作用部の光学特性が変化し、その光学特性の変化の影響を受けたプローブ光パルスが光学的作用部から出力される。光学的作用部から出力されたプローブ光パルスは光検出器により検出される。光検出器によるプローブ光パルス検出結果に基づいて、光学的作用部に入力された電磁波が検出される。
【００１２】
本発明の電磁波検出装置は、ビーム径変更光学系による像がパルス面傾斜部に位置していてもよい。また、ビーム径調整光学系がパルス面傾斜部と光学的作用部との間に結像関係を有していてもよい。
【００１３】
本発明の電磁波検出装置は、ビーム径変更光学系およびビーム径調整光学系それぞれによるプローブ光パルスのビーム径の拡大・縮小ならびにパルス面傾斜部によるプローブ光パルスのパルス面の傾斜により、光学的作用部におけるプローブ光パルスによる測定時間範囲および相互作用面積それぞれを調整してもよい。
【００１４】
本発明の電磁波検出装置は、光学的作用部と光検出器との間のプローブ光パルスの光路上に設けられ、そのプローブ光パルスのビーム径を変更するプローブ光パルスビーム径変更光学系を更に備えていてもよい。このとき、プローブ光パルスビーム径変更光学系が光学的作用部と光検出器との間に結像関係を有していてもよい。
【００１５】
本発明の電磁波検出装置は、光学的作用部に入力される電磁波のビーム径を変更する電磁波ビーム径変更光学系を更に備えていてもよい。このとき、電磁波ビーム径変更光学系による像面が光学的作用部に位置していてもよい。
【００１６】
本発明の電磁波検出装置は、プローブ光パルスおよび電磁波それぞれが光学的作用部に入力される際の両者の間の相対的入力タイミングを調整するタイミング調整部を更に備えていてもよい。
【００１７】
本発明の電磁波検出装置は、(a) 測定対象物に対してポンプ光パルスを集光照射するとともに測定対象物における当該集光照射位置を走査するポンプ光パルス照射部を更に備え、(b)ポンプ光パルス照射部によりポンプ光パルスを測定対象物に集光照射することにより測定対象物でテラヘルツ波を発生させ、(c) 光学的作用部にテラヘルツ波とプローブ光パルスとを入力させ、(d) 光検出器が、ポンプ光パルス照射部による測定対象物への各集光照射位置について、光学的作用部から出力されたプローブ光パルスを検出してもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、光学的作用部に入力されるプローブ光パルスのパルス面傾斜角度およびビーム径それぞれを適切な値に容易に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態の電磁波検出装置１の構成図である。
【図２】第２実施形態の電磁波検出装置２の構成図である。
【図３】第３実施形態の電磁波検出装置３の構成図である。
【図４】第４実施形態の電磁波検出装置４の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２１】
（第１実施形態）
【００２２】
図１は、第１実施形態の電磁波検出装置１の構成図である。第１実施形態の電磁波検出装置１は、光源１１、ビーム径変更光学系３３、パルス面傾斜部３４、ビーム径調整光学系３５、光学的作用部４２および光検出器４４を備える。
【００２３】
光源１１は、プローブ光パルスを出力するものであり、好適にはパルス幅がフェムト秒程度であるパルスレーザ光を出力するフェムト秒パルスレーザ光源である。ビーム径変更光学系３３は、光源１１から出力されたプローブ光パルスのビーム径を変更する。ビーム径変更光学系３３は、レンズ３３Ａおよびレンズ３３Ｂを含む。前段のレンズ３３Ａの後側焦点位置と後段のレンズ３３Ｂの前側焦点位置とは互いに一致している。ビーム径変更光学系３３は、前段のレンズ３３Ａの焦点距離と後段のレンズ３３Ｂの焦点距離との比に応じて、プローブ光パルスのビーム径を変更することができる。
【００２４】
パルス面傾斜部３４は、ビーム径変更光学系３３から出力されたプローブ光パルスのパルス面を傾斜させる。パルス面傾斜部３４は、例えば、プリズム，グリズム，反射型回折格子，透過型回折格子または空間光変調器を用いて、プローブ光パルスのパルス面を傾斜させることができる。パルス面とは、ある瞬間において、光パルスのビームライン上の最大出力を示す位置をつないだ面のことである。これに対し、波面とは、光の等位相面をいう。
【００２５】
ビーム径調整光学系３５は、パルス面傾斜部３４から出力されたプローブ光パルスのビーム径を調整する。ビーム径調整光学系３５は、レンズ３５Ａおよびレンズ３５Ｂを含む。前段のレンズ３５Ａの後側焦点位置と後段のレンズ３５Ｂの前側焦点位置とは互いに一致している。ビーム径調整光学系３５は、前段のレンズ３５Ａの焦点距離と後段のレンズ３５Ｂの焦点距離との比に応じて、プローブ光パルスのビーム径を調整することができる。
【００２６】
光学的作用部４２は、ビーム径調整光学系３５から出力されたプローブ光パルスを入力するとともに、検出対象である電磁波を入力して、その電磁波の伝搬に伴って光学特性が変化し、その光学特性の変化の影響を受けたプローブ光パルスを出力する。例えば、検出対象の電磁波はテラヘルツ波であり、光学的作用部４２はＺｎＴｅ結晶や有機結晶等の非線形光学結晶からなる。
【００２７】
光検出器４４は、光学的作用部４２から出力されたプローブ光パルスを検出する。光検出器４４によるプローブ光パルス検出結果に基づいて、光学的作用部４２に入力された電磁波が検出される。
【００２８】
ビーム径変更光学系３３およびビーム径調整光学系３５それぞれは、レンズ対により構成されてもよいし、曲面ミラー対により構成されてもよい。ビーム径変更光学系３３およびビーム径調整光学系３５それぞれは、拡大光学系であってもよいし、縮小光学系であってもよい。また、ビーム径変更光学系３３およびビーム径調整光学系３５の全体が、拡大光学系であってもよいし、縮小光学系であってもよい。
【００２９】
この電磁波検出装置１では、光源１１から出力されたプローブ光パルスは、ビーム径変更光学系３３によりビーム径を変更され、パルス面傾斜部３４によりパルス面を傾斜され、ビーム径調整光学系３５によりビーム径を調整されて、光学的作用部４２に入力される。光学的作用部４２には、ビーム径調整光学系３５から出力されたプローブ光パルスが入力されるとともに、検出対象である電磁波が入力される。電磁波の伝搬に伴って光学的作用部４２の光学特性が変化し、その光学特性の変化の影響を受けたプローブ光パルスが光学的作用部４２から出力される。光学的作用部４２から出力されたプローブ光パルスは光検出器４４により検出される。光検出器４４によるプローブ光パルス検出結果に基づいて、光学的作用部４２に入力された電磁波が検出される。
【００３０】
光源１１から出力されてパルス面傾斜部３４に入力されるまでのプローブ光パルスのパルス面Ｓ１は、主光線方向に垂直な面に平行であり、傾斜角度が０度である。パルス面傾斜部３４から出力されてビーム径調整光学系３５に入力されるまでのプローブ光パルスのパルス面Ｓ２は、主光線方向に垂直な面に対して傾斜角度γ２だけ傾斜する。ビーム径調整光学系３５から出力されて光学的作用部４２に入力されるプローブ光パルスのパルス面Ｓ３は、主光線方向に垂直な面に対して傾斜角度γ３だけ傾斜する。ただし、パルス面Ｓ２の時間範囲Ｔ２とパルス面Ｓ３の時間範囲Ｔ３とは互いに等しい。
【００３１】
パルス面Ｓ２の傾斜角度γ２は、ビーム径変更光学系３３の有無には依らず、プローブ光パルスの波長およびパルス面傾斜部３４の角分散に依り決まる。パルス面Ｓ２の傾斜角度γ２からパルス面Ｓ３の傾斜角度γ３への変化は、ビーム径調整光学系３５によるプローブ光パルスのビーム径の拡大・縮小の率に応じたものとなる。すなわち、光学的作用部４２に入力されるプローブ光パルスのパルス面Ｓ３の傾斜角度γ３は、プローブ光パルスの波長，パルス面傾斜部３４の角分散およびビーム径調整光学系３５の拡大縮小率により決定される。一方、光学的作用部４２に入力されるプローブ光パルスのビーム径は、ビーム径変更光学系３３およびビーム径調整光学系３５の全体の拡大縮小率により決定される。
【００３２】
したがって、電磁波検出装置１は、ビーム径変更光学系３３およびビーム径調整光学系３５それぞれによるプローブ光パルスのビーム径の拡大・縮小ならびにパルス面傾斜部３４によるプローブ光パルスのパルス面の傾斜により、光学的作用部４２に入力されるプローブ光パルスのパルス面傾斜角度およびビーム径それぞれを互いに独立に適切な値に設定することができ、光学的作用部４２におけるプローブ光パルスによる測定時間範囲Ｔおよび相互作用面積を適切に設定することができる。
【００３３】
例えば、プローブ光パルスの中心波長が８００ｎｍであり、ビーム径変更光学系３３に入力されるプローブ光パルスのビーム径が１ｍｍであるとし、パルス面傾斜部３４として１２５０grooves/mmの回折格子を利用する場合を想定する。ビーム径変更光学系３３のビーム径の拡大率を１.５倍とし、ビーム径調整光学系３５のビーム径の縮小率を０.６７倍とすると、ビーム径調整光学系３５から出力されるプローブ光パルスによる測定時間範囲Ｔを５ｐｓとし、ビーム径を１ｍｍとすることができる。また、ビーム径変更光学系３３のビーム径の拡大率を５.２２倍とし、ビーム径調整光学系３５のビーム径の縮小率を０.２倍とすると、ビーム径調整光学系３５から出力されるプローブ光パルスによる測定時間範囲Ｔを３０ｐｓとし、ビーム径を１ｍｍとすることができる。
【００３４】
本実施形態では、パルス面傾斜部３４の種類（例えば、パルス面傾斜部３４として回折格子を用いた場合は回折格子の単位長さ当りの刻線本数など）を変えることなく、パルス面傾斜角度を調整することができる。また、パルス面傾斜部３４として用いられる回折光学素子のうち大きな角度分散を有するもの（すなわち、パルス面の傾斜角度を大きく傾けることができるもの）は一般的に高価で且つ光利用効率が低いが、本実施形態では、角度分散が小さいが光利用効率が高い回折光学素子を用いつつパルス面の傾斜角度を調整することができる。
【００３５】
ビーム径変更光学系３３による像はパルス面傾斜部３４に位置するのが好ましい。また、ビーム径調整光学系３５はパルス面傾斜部３４と光学的作用部４２との間に結像関係を有するのが好ましい。このようにすることで、プローブ光パルスのビーム品質が向上し、光学的作用部４２において時間軸の精度の高い電磁波（テラヘルツ波）検出ができる。
【００３６】
ビーム径変更光学系３３およびビーム径調整光学系３５それぞれは、像面歪曲等の収差に因る像の歪みを取り去る光学系となっているのが更に好ましく、その為に例えば４ｆ光学系となっているのが好ましい。
【００３７】
また、ビーム径変更光学系３３およびビーム径調整光学系３５それぞれは、上記結像関係における物面と像面との位置関係を保ったまま拡大率・縮小率を任意に変えることができるズームレンズ型光学系となっているのが好ましい。このようにすることで、任意のパルス面傾斜角度とビーム径とを容易に変化させることができる。
【００３８】
（第２実施形態）
【００３９】
図２は、第２実施形態の電磁波検出装置２の構成図である。第２実施形態の電磁波検出装置２は、検出対象の電磁波としてテラヘルツ波を光学的作用部４２において検出するものであって、光源１１、分岐部１３、テラヘルツ波発生部２１、タイミング調整部３１、偏光子３２、ビーム径変更光学系３３、パルス面傾斜部３４、ビーム径調整光学系３５、合波部４１、光学的作用部４２、検光子４３、光検出器４４およびミラーＭ１〜Ｍ８を備える。
【００４０】
分岐部１３は、例えばビームスプリッタであり、光源１１から出力された光パルスを２分岐して、その２分岐した光パルスのうち一方をポンプ光パルスとしてミラーＭ１へ出力し、他方をプローブ光パルスとしてミラーＭ４へ出力する。
【００４１】
分岐部１３から出力されたポンプ光パルスは、ミラーＭ１〜Ｍ３により順次に反射されて、テラヘルツ波発生部２１に入力される。なお、分岐部１３からテラヘルツ波発生部２１に到るまでのポンプ光パルスの光学系を、以下では「ポンプ光パルス光学系」という。
【００４２】
テラヘルツ波発生部２１は、ポンプ光パルスを入力することでパルステラヘルツ波を発生し出力するものであり、例えば、非線形光学結晶、光アンテナ素子、半導体および超伝導体の何れかを含んで構成される。テラヘルツ波発生部２１が非線形光学結晶を含む場合、このテラヘルツ波発生部２１は、ポンプ光パルス入射に伴って発現する非線形光学現象によりテラヘルツ波を発生することができる。
【００４３】
テラヘルツ波は、光波と電波との中間領域に相当する０.０１ＴＨｚ〜１０００ＴＨｚ程度の周波数を有する電磁波であり、光波と電波との間の中間的な性質を有している。また、パルステラヘルツ波のパルス幅は数ピコ秒程度である。テラヘルツ波発生部２１から出力されたテラヘルツ波は、試料台９１上に置かれた測定対象物９を透過することで測定対象物９の情報（例えば、吸収係数、屈折率）を取得し、その後、合波部４１に入力される。測定対象物９は、試料台９１上に置かれていて、この試料台９１の移動によりパルステラヘルツ波入射位置が調整され得る。なお、テラヘルツ波発生部２１から合波部４１に到るまでのテラヘルツ波の光学系を、以下では「テラヘルツ波光学系」という。
【００４４】
一方、分岐部１３から出力されたプローブ光パルスは、ミラーＭ４〜Ｍ８により順次に反射され、偏光子３２、ビーム径変更光学系３３、パルス面傾斜部３４およびビーム径調整光学系３５を順に通過して、合波部４１に入力される。パルス面傾斜部３４は、プローブ光パルスのパルス面を傾斜させ、光学的作用部４２に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光パルスそれぞれのパルス面を互いに非平行とする。なお、分岐部１３から合波部４１に到るまでのプローブ光パルスの光学系を、以下では「プローブ光パルス光学系」という。偏光子３２は、プローブ光パルス光学系上の任意の位置に配置され得る。
【００４５】
４個のミラーＭ４〜Ｍ７はタイミング調整部３１を構成している。すなわち、ミラーＭ５およびＭ６が移動することで、ミラーＭ４およびＭ７とミラーＭ５およびＭ６との間の光路長が調整され、プローブ光パルス光学系の光路長が調整される。これにより、タイミング調整部３１は、分岐部１３から合波部４１に到るまでのポンプ光パルス光学系およびテラヘルツ波光学系の光路長と、分岐部１３から合波部４１に到るまでのプローブ光パルス光学系の光路長との差を調整して、プローブ光パルスおよびテラヘルツ波それぞれが光学的作用部４２に入力される際の両者の間の相対的入力タイミングを調整することができる。
【００４６】
合波部４１は、テラヘルツ波発生部２１から出力され測定対象物９で透過したテラヘルツ波と、ビーム径調整光学系３５から出力されたプローブ光パルスとを入力し、これらテラヘルツ波およびプローブ光パルスを互いに同軸となるように合波して光学的作用部４２へ出力する。この合波部４１はペリクルであるのが好適である。
【００４７】
光学的作用部４２は、合波部４１から出力されたテラヘルツ波およびプローブ光パルスを入力し、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光パルスの偏光状態を変化させて、そのプローブ光パルスを検光子４３へ出力する。光検出器４４は、光学的作用部４２から出力され検光子４３を通過したプローブ光パルスを受光して、その受光したプローブ光パルスの強度分布を検出する。偏光子３２，検光子４３および光検出器４４は、光学的作用部４２から出力されたプローブ光パルスのビーム断面における偏光状態変化の１次元分布または２次元分布を検出する。
【００４８】
第２実施形態の電磁波検出装置２でも、ビーム径変更光学系３３およびビーム径調整光学系３５それぞれによるプローブ光パルスのビーム径の拡大・縮小ならびにパルス面傾斜部３４によるプローブ光パルスのパルス面の傾斜により、光学的作用部４２に入力されるプローブ光パルスのパルス面傾斜角度およびビーム径それぞれを互いに独立に適切な値に設定することができ、光学的作用部４２におけるプローブ光パルスによる測定時間範囲Ｔおよび相互作用面積を適切に設定することができる。
【００４９】
第２実施形態においても、ビーム径変更光学系３３による像はパルス面傾斜部３４に位置するのが好ましい。また、ビーム径調整光学系３５はパルス面傾斜部３４と光学的作用部４２との間に結像関係を有するのが好ましい。このようにすることで、プローブ光パルスのビーム品質が向上し、光学的作用部４２において時間軸の精度の高い電磁波（テラヘルツ波）検出ができる。
【００５０】
ビーム径変更光学系３３およびビーム径調整光学系３５それぞれは、像面歪曲等の収差に因る像の歪みを取り去る光学系となっているのが更に好ましく、その為に例えば４ｆ光学系となっているのが好ましい。
【００５１】
また、ビーム径変更光学系３３およびビーム径調整光学系３５それぞれは、上記結像関係における物面と像面との位置関係を保ったまま拡大率・縮小率を任意に変えることができるズームレンズ型光学系となっているのが好ましい。このようにすることで、任意のパルス面傾斜角度とビーム径とを容易に変化させることができる。
【００５２】
（第３実施形態）
【００５３】
図３は、第３実施形態の電磁波検出装置３の構成図である。第３実施形態の電磁波検出装置３は、図２に示された第２実施形態の電磁波検出装置２の構成に加えて、テラヘルツ波ビーム径変更光学系（電磁波ビーム径変更光学系）２２、プローブ光パルスビーム径変更光学系４５および制御部５０を更に備える。
【００５４】
テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２は、測定対象物９と合波部４１との間のテラヘルツ波の光路上に設けられ、光学的作用部４２に入力されるテラヘルツ波のビーム径を変更する。テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２は、レンズ２２Ａおよびレンズ２２Ｂを含む。前段のレンズ２２Ａの後側焦点位置と後段のレンズ２２Ｂの前側焦点位置とは互いに一致している。テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２は、前段のレンズ２２Ａの焦点距離と後段のレンズ２２Ｂの焦点距離との比に応じて、テラヘルツ波のビーム径を変更することができる。
【００５５】
テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２は、測定対象物９と光学的作用部４２との間に結像関係を有するのが好ましい。テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２は、像面歪曲等の収差に因る像の歪みを取り去る光学系となっているのが更に好ましく、その為に例えば４ｆ光学系となっているのが好ましい。
【００５６】
また、テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２は、上記結像関係における物面と像面との位置関係を保ったまま拡大率・縮小率を任意に変えることができるズームレンズ型光学系となっているのが好ましい。このようにすることで、プローブ光パルスのビーム径に合わせて最適なテラヘルツ波のビーム径を設定することができる。
【００５７】
テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２が設けられることで、光学的作用部４２に入力されるテラヘルツ波およびプローブ光それぞれのビーム径の関係が調整され得る。すなわち、光学的作用部４２上でのプローブ光パルスのビーム径は、ビーム径変更光学系３３およびビーム径調整光学系３５により変更されている。よって、プローブ光パルスのビーム径の変更に合わせてテラヘルツ波のビーム径がテラヘルツ波ビーム径変更光学系２２により変更されることで、光学的作用部４２においてテラヘルツ波が効率よく検出され得るようになる。
【００５８】
ここで、テラヘルツ波のビーム径とプローブ光パルスのビーム径とは光学的作用部４２において必ずしも一致している必要はない。例えば、テラヘルツ波がビームの面内にガウシアンの強度分布を持っていた場合、光学的作用部４２におけるテラヘルツ波のビーム径を、光学的作用部４２におけるプローブ光パルスのビーム径より大きくすることで、テラヘルツ波のガウシアン分布における中心部分のみをプローブ光パルスがプローブすることとなる。テラヘルツ波がビーム面内にガウシアンの強度分布を持つことを起因とする単発テラヘルツ波時間波形計測の計測誤差を小さくすることができる。
【００５９】
プローブ光パルスビーム径変更光学系４５は、光学的作用部４２と光検出器４４との間のプローブ光パルスの光路上に設けられ、そのプローブ光パルスのビーム径を変更（拡大または縮小）する。プローブ光パルスビーム径変更光学系４５は、レンズ４５Ａおよびレンズ４５Ｂを含む。前段のレンズ４５Ａの後側焦点位置と後段のレンズ４５Ｂの前側焦点位置とは互いに一致している。プローブ光パルスビーム径変更光学系４５は、前段のレンズ４５Ａの焦点距離と後段のレンズ４５Ｂの焦点距離との比に応じて、プローブ光パルスのビーム径を変更することができる。
【００６０】
光検出器４４の画素数は、計測するテラヘルツ波時間波形の時間分解能に対応する。光検出器により画素数や画素ピッチが異なるので、プローブ光パルスビーム径変更光学系４５を設けることにより、所望の時間分解能で計測することができる。プローブ光パルスビーム径変更光学系４５は、プローブ光パルスのビーム断面における垂直方向と水平方向とで独立したビーム径変更であってもよい。検光子４３は、プローブ光パルスビーム径変更光学系４５の前段に設けられてもよいし、プローブ光パルスビーム径変更光学系４５の後段に設けられてもよい。
【００６１】
プローブ光パルスビーム径変更光学系４５は、光学的作用部４２と光検出器４４との間に結像関係を有するのが好ましい。プローブ光パルスビーム径変更光学系４５は、像面歪曲等の収差に因る像の歪みを取り去る光学系となっているのが更に好ましく、その為に例えば４ｆ光学系となっているのが好ましい。
【００６２】
また、プローブ光パルスビーム径変更光学系４５は、上記結像関係における物面と像面との位置関係を保ったまま拡大率・縮小率を任意に変えることができるズームレンズ型光学系となっているのが好ましい。このようにすることで、光検出器４４の受光面のサイズに合わせて、最適なプローブ光パルスのビーム径を設定することができる。
【００６３】
ビーム径変更光学系３３，ビーム径調整光学系３５，テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２およびプローブ光パルスビーム径変更光学系４５それぞれは、制御信号を受けてズーム機能が制御されて拡大率・縮小率が調整されるのが好ましい。制御部５０は、ビーム径変更光学系３３，ビーム径調整光学系３５，テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２およびプローブ光パルスビーム径変更光学系４５それぞれに対して制御信号を与えることで、これらの光学系のズーム機能を制御し拡大率・縮小率を設定する。また、制御部５０は、タイミング調整部３１におけるミラーＭ５およびＭ６の位置を制御して、プローブ光パルスおよびテラヘルツ波それぞれが光学的作用部４２に入力される際の両者の間の相対的入力タイミングを調整する。また、制御部５０は、光源１１からの光パルス出力のタイミングを制御し、光検出器４４によるプローブ光パルス検出のタイミングを制御する。
【００６４】
電磁波検出装置３は、このような制御部５０を備えることにより、以下のような動作をすることができる。まず、ビーム径変更光学系３３の拡大率を高くして、プローブ光パルスが存在する時間範囲（すなわち、単発テラヘルツ波時間波形測定における測定時間範囲Ｔ）を拡大させる。このとき、ビーム径調整光学系３５、プローブ光パルスビーム径変更光学系４５およびテラヘルツ波ビーム径変更光学系２２は、最も効率よく且つ最も高い時間分解能でテラヘルツ波を計測できるように、プローブ光パルスおよびテラヘルツ波それぞれのビーム径を調整・変更する。
【００６５】
その後、タイミング調整部３１を制御することで、プローブ光パルスおよびテラヘルツ波それぞれが光学的作用部４２に入力される際の両者の間の相対的入力タイミングを調整して、測定したいテラヘルツ波の測定時間位置を、テラヘルツ波の測定時間範囲の所定の位置に移動させる。
【００６６】
最後に、測定したいテラヘルツ波の測定時間範囲Ｔとなるように、ビーム径変更光学系３３の拡大率を変更する。このとき、ビーム径調整光学系３５、プローブ光パルスビーム径変更光学系４５およびテラヘルツ波ビーム径変更光学系２２は、最も効率よく且つ最も高い時間分解能でテラヘルツ波を計測できるように、プローブ光パルスおよびテラヘルツ波それぞれのビーム径を調整・変更する。
【００６７】
このようにすることで、例えば、測定対象物９の屈折率または厚さが不明であってテラヘルツ波の測定時間範囲の決定が困難である場合でも、容易にテラヘルツ波の時間遅れをモニタすることができ、テラヘルツ波の測定時間範囲を決定することができる。
【００６８】
なお、上記のようなビーム径変更光学系３３，ビーム径調整光学系３５，プローブ光パルスビーム径変更光学系４５，テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２およびタイミング調整部３１それぞれの動作は、検出したテラヘルツ波時間波形の信号などに基づいて自動的に最適化されるのが好ましい。
【００６９】
（第４実施形態）
【００７０】
図４は、第４実施形態の電磁波検出装置４の構成図である。この図に示される第４実施形態の電磁波検出装置４は、図３に示された第３実施形態の電磁波検出装置３の構成において測定対象物９がテラヘルツ波発生部２１を兼ねることとし、また、レンズ２４，ＩＴＯ膜付き光学板２５および対物レンズ２６を備える。
【００７１】
ポンプ光パルス光学系に設けられたレンズ２４，ＩＴＯ膜付き光学板２５および対物レンズ２６は、測定対象物９に対してポンプ光パルスを集光照射するポンプ光パルス照射部を構成する。その測定対象物９における当該集光照射位置は２次元走査される。集光照射位置の走査は、測定対象物９を走査することにより行われてもよいし、レンズ２４に入射されるポンプ光パルスの主光線を走査することにより行われてもよい。
【００７２】
測定対象物９は、例えば半導体デバイスであって、ポンプ光パルスが照射されることによりテラヘルツ波を発生する。そのテラヘルツ波は、対物レンズ２６，ＩＴＯ膜付き光学板２５およびテラヘルツ波ビーム径変更光学系２２を経て合波部４１に入力される。
【００７３】
合波部４１は、ポンプ光パルスが測定対象物９に集光照射されることにより測定対象物９で発生したテラヘルツ波と、ビーム径調整光学系３５から出力されたプローブ光パルスとを入力し、これらを互いに同軸となるように合波して光学的作用部４２へ出力する。
【００７４】
光学的作用部４２は、合波部４１から出力されたテラヘルツ波およびプローブ光パルスを入力し、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光パルスの偏光状態を変化させて、そのプローブ光パルスを検光子４３へ出力する。
【００７５】
光検出器４４は、光学的作用部４２から出力され検光子４３およびプローブ光パルスビーム径変更光学系４５を通過したプローブ光パルスを受光して、その受光したプローブ光パルスの強度分布を検出する。偏光子３２，検光子４３および光検出器４４は、測定対象物９へのポンプ光パルスの各集光照射位置について、光学的作用部４２から出力されたプローブ光パルスのビーム断面における偏光状態変化の１次元分布または２次元分布を検出する。
【００７６】
この第４実施形態の電磁波検出装置４は、いわゆるレーザテラヘルツエミッション顕微鏡（LaserTerahertz Emission Microscopy: ＬＴＥＭ）を構成している。ＬＴＥＭは、例えば半導体デバイスである測定対象物の電界分布を非接触で測定することができる。
【００７７】
本発明をＬＴＥＭに適用することができる。これにより、単発テラヘルツ波時間波形計測におけるテラヘルツ波時間波形の測定時間範囲を任意に調整可能なＬＴＥＭシステムを構築することができる。
【符号の説明】
【００７８】
１〜４…電磁波検出装置、９…測定対象物、１１…光源、１３…分岐部、２１…テラヘルツ波発生部、２２…テラヘルツ波ビーム径変更光学系（電磁波ビーム径変更光学系）、２４…レンズ、２５…ＩＴＯ膜付き光学板、２６…対物レンズ、３１…タイミング調整部、３２…偏光子、３３…ビーム径変更光学系、３４…パルス面傾斜部、３５…ビーム径調整光学系、４１…合波部、４２…光学的作用部、４３…検光子、４４…光検出器、４５…プローブ光パルスビーム径変更光学系、５０…制御部、Ｍ１〜Ｍ８…ミラー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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