(57)【要約】  本発明は、遠赤外光の周波数を変化させても、遠赤外光の照射位置のずれを低減することができる、遠赤外光源を提供するものである。本発明に係る遠赤外光源は、遠赤外光の周波数を変化させたとき非線形光学結晶内における前記遠赤外光の発生角度の変化量を、前記遠赤外光の周波数を変化させたとき前記非線形光学結晶とプリズムとの間の界面における前記遠赤外光の屈折角の変化量と、略相殺するように構成されている（図８参照）。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠赤外光を出射する遠赤外光源であって、
パルスレーザである第１レーザ光を出射する第１光源、
第２レーザ光を出射し、前記第２レーザ光の波長を第１レーザ光波長から第２レーザ光波長までの範囲内において変化させることができる、第２光源、
前記第１レーザ光と前記第２レーザ光を入射させることにより遠赤外光を発生させる非線形光学結晶、
前記非線形光学結晶の側面に取り付けられ、前記非線形光学結晶が生成した前記遠赤外光を受け取って出射する、プリズム、
前記第１レーザ光の入射角に対する前記非線形光学結晶の角度を調整するステージ、
を備え、
前記非線形光学結晶は、前記第２レーザ光が前記第１レーザ光波長を有するとき、第１遠赤外光波長を有し前記第２レーザ光の入射角に対して第１角度を有する第１遠赤外光を発生し、前記第２レーザ光が前記第２レーザ光波長を有するとき、第２遠赤外光波長を有し前記第２レーザ光の入射角に対して前記第１角度とは異なる第２角度を有する第２遠赤外光を発生し、
前記非線形光学結晶は、前記遠赤外光が前記第１遠赤外光波長を有するとき前記遠赤外光に対して第１屈折率を有し、前記遠赤外光が前記第２遠赤外光波長を有するとき前記遠赤外光に対して前記第１屈折率とは異なる第２屈折率を有し、
前記非線形光学結晶は、前記第１遠赤外光が前記プリズムのなかを所定角度で進行するとき前記非線形光学結晶のなかにおいて前記第１遠赤外光が前記非線形光学結晶と前記プリズムとの間の界面に対して有する第３角度と、前記第２遠赤外光が前記プリズムのなかを前記所定角度で進行するとき前記非線形光学結晶のなかにおいて前記第２遠赤外光が前記界面に対して有する第４角度との間の差分が、前記第１角度と前記第２角度との間の差分と一致するように構成されており、
前記ステージは、前記遠赤外光が前記界面に対して有する角度と、前記遠赤外光が前記第１レーザ光の入射角または前記第２レーザ光の入射角に対して有する角度との間の差分を減じる向きに、前記非線形光学結晶を配置する角度を調整する機構を備える
ことを特徴とする遠赤外光源。
【請求項２】
前記遠赤外光源はさらに、前記第２レーザ光が前記非線形光学結晶の入射面に対して入射するときの入射角を調整する光学系を備え、
前記入射面は、前記第１レーザ光が前記入射面において反射しても前記光学系に対して戻らない角度を有し、
前記非線形光学結晶から前記第１レーザ光が出射する出射面は、前記第１レーザ光が前記出射面において反射しても前記光学系に対して戻らない角度を有する
ことを特徴とする請求項１記載の遠赤外光源。
【請求項３】
前記光学系は、
前記第２レーザ光を偏向させる光偏向器、
前記光偏向器が偏向した前記第２レーザ光を前記入射面上に結像させる結像光学素子、
を備えることを特徴とする請求項２記載の遠赤外光源。
【請求項４】
前記遠赤外光源はさらに、前記第２レーザ光を前記非線形光学結晶の入射面に対して照射する光学系を備え、
前記入射面は、前記第１レーザ光が前記入射面において反射しても前記光学系に対して戻らない角度を有し、
前記非線形光学結晶から前記第１レーザ光が出射する出射面は、前記第１レーザ光が前記出射面において反射しても前記光学系に対して戻らない角度を有する
ことを特徴とする請求項１記載の遠赤外光源。
【請求項５】
請求項１記載の遠赤外光源、
前記遠赤外光源が出射する前記遠赤外光を試料に対して照射する照明光学系、
前記試料を透過または前記試料から反射した前記遠赤外光を結像する遠赤外光結像光学系、
前記遠赤外光結像光学系が結像した前記遠赤外光を近赤外光に変換する第２非線形光学結晶、
を備えることを特徴とする遠赤外分光装置。
【請求項６】
前記遠赤外光源は、前記遠赤外光の周波数が変化すると前記遠赤外光を出射する角度が変化するように構成されており、
前記照明光学系は、前記遠赤外光源が前記遠赤外光を出射する角度が変化したとき、前記試料に対する前記遠赤外光の照射位置を補正する
ことを特徴とする請求項５記載の遠赤外分光装置。
【請求項７】
前記照明光学系は、前記遠赤外光を反射する反射面の角度を調整することができる角度可変ミラーを備え、
前記角度可変ミラーは、前記遠赤外光を反射する反射面の角度を調整することにより、前記試料に対する前記遠赤外光の照射位置を補正する
ことを特徴とする請求項６記載の遠赤外分光装置。
【請求項８】
前記照明光学系は、
前記遠赤外光源が出射した前記遠赤外光を集束するシリンドリカルレンズ、
前記シリンドリカルレンズの後側焦点面の近傍に配置され、前記遠赤外光の周波数成分のうち前記試料に対して照射する必要がないものを遮断するスリット、
を備えることを特徴とする請求項７記載の遠赤外分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠赤外光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長２５μｍから４ｍｍ程度にわたる遠赤外領域における電磁波は、テラヘルツ波とも呼ばれ、電波の透過性と光の直進性を兼ね備える。遠赤外領域の吸収スペクトルは多くの物質に固有のピークを持つので、遠赤外領域の電磁波は物質の同定に有効であると期待されている。しかし、従来はこの領域で発光する小型で使いやすい光源がなく、検出器も液体ヘリウム等により冷却することが必要であるので、扱いにくかった。したがって従来、遠赤外領域の電磁波は、限られた研究用途にしか用いられていなかった。【０００３】
１９９０年代になり、小型で冷却を必要としないフェムト秒レーザを用いた光源と検出器が実用化された。現在は、時間領域分光法に基づく汎用の分光測定装置も市販されており、セキュリティ、バイオセンシング、医療／製薬、工業、農業などの様々な分野の用途への研究開発が進められている。このような産業応用に当たって、成分の定量分析を行うことが求められている。【０００４】
下記特許文献１は、遠赤外光源について記載している。同文献は、『遠赤外分光装置は、第１の遠赤外光を発生する波長可変遠赤外光源と、前記第１の遠赤外光を試料上に照射する照明光学系と、前記試料からの第２の遠赤外光をポンプ光を用いて近赤外光に変換する検出用非線形光学結晶と、前記試料の像を前記検出用非線形光学結晶に結像する遠赤外光結像光学系と、を備え、前記試料上での前記第１の遠赤外光の照射位置が前記第１の遠赤外光の波長に依存しない。』という技術を開示している（要約参照）。【０００５】
時間領域分光法を用いた定量分析においては、水素結合または分子ネットワークの検出に有効な１〜３ＴＨｚの帯域で高い出力を得ることが難しい。したがって、紙や梱包材などの遮蔽物を通しての測定が難しい、散乱の強い粉体の測定が難しい、などの課題があった。これに対し、周波数可変なコヒーレント光源を用いる方法は、１〜３ＴＨｚの領域で高い出力を得やすく、また、遮蔽物を通しての分析や粉体の分析にも有効である。さらに最近では５ＴＨｚまで帯域を広げる方法も報告されている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ２０１７／０１３７５９Ａ１号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Kosuke Murate et. Al., “Expansion of the tuning range of injection-seeded terahertz-wave parametric generator up to 5 THz”, Appl. Phys. Express 9, 082401 (2016)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１記載の方法においては、遠赤外光の周波数を変えると遠赤外光の出射方向が変化する。これにより、試料に対する遠赤外光の照射位置が変化し、定量分析の精度を低下させてしまう。特に非特許文献１のように遠赤外光を広帯域化し、１〜５ＴＨｚの範囲で測定を実施する場合、遠赤外光の出射方向が大きく変化するので、光学系を適切に構成することが困難である。【０００９】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、遠赤外光の周波数を変化させても、遠赤外光の照射位置のずれを低減することができる、遠赤外光源を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る遠赤外光源は、遠赤外光の周波数を変化させたとき非線形光学結晶内における前記遠赤外光の発生角度の変化量を、前記遠赤外光の周波数を変化させたとき前記非線形光学結晶とプリズムとの間の界面における前記遠赤外光の屈折角の変化量と、略相殺するように構成されている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る遠赤外光源によれば、遠赤外光の周波数を変化させても、遠赤外光の照射位置のずれを低減することができる。これにより、広帯域にわたって分光測定を実施することができる。上記以外の課題、構成、効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態１に係る遠赤外光源１００の構成図である。
【図２】遠赤外光１４５／シード光１２５／ポンプ光１１５の関係を表すベクトル図である。
【図３】非線形光学結晶１３１内におけるポンプ光方向（ｋｐ）に対する遠赤外光１４５の方向ｋＴのなす角θＴ＿ｐの関係を示すグラフである。
【図４】遠赤外光１４５の周波数と屈折率ｎＮＬの関係を示すグラフである。
【図５】非線形光学結晶１３１とＳｉプリズム１４０との間の界面における遠赤外光１４５の屈折を示す図である。
【図６】複数のθＴ＿ＳｉについてθＴ＿ＬＮを算出した結果を示すグラフである。
【図７】θＴ＿ｐとθＴ＿ＬＮが周波数に対して略等しい変化特性を有する場合の例である。
【図８】θＴ＿ｐとθＴ＿ＬＮの関係を示すベクトル図である。
【図９】θＴ＿Ｓｉが５７度と５０度それぞれにおけるθＴ＿ＬＮとθＴ＿ｐとの間の差分を示すグラフである。
【図１０】θｐが４．５度と０度それぞれにおけるθＴ＿Ｓｉの変化を示すグラフである。
【図１１】実施形態２に係る遠赤外光源１００の構成図である。
【図１２】シード光１２５の方向θｓに対する非線形光学結晶１３１内の遠赤外光１４５の方向θＴ＿ｓと、θＴ＿ＬＮとがともに、周波数に対して略等しい変化特性を有する場合の例である。
【図１３】θＴ＿ｓとθＴ＿ＬＮの関係を示すベクトル図である。
【図１４】実施形態３に係る遠赤外分光装置１０００の構成図である。
【図１５】実施形態４に係る遠赤外分光装置１０００の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜実施の形態１：装置構成＞
図１は、本発明の実施形態１に係る遠赤外光源１００の構成図である。遠赤外光源１００は、光源１１０、光源１２０、光学系１２１、非線形光学結晶１３１、Ｓｉプリズム１４０、回転ステージ１３８、リニアステージ１３９を備える。
【００１４】
光源１１０は、ポンプ光１１５を出射する。ポンプ光１１５は、非線形光学結晶１３１に入射する。光源１１０としては、例えば短パルスＱスイッチＹＡＧレーザを用いることができる。光源１２０は、シード光１２５を出射する。シード光１２５は、光学系１２１を経て非線形光学結晶１３１に入射する。光源１２０としては、例えば波長可変半導体レーザを用いることができる。
【００１５】
光学系１２１は、レンズ１２２、光偏向器１２３、結像光学素子１２４を備える。シード光１２５は、レンズ１２２に対して照射されるように光ファイバにより導かれる。シード光１２５は、レンズ１２２と光偏向器１２３を経て、結像光学素子１２４の前側焦点面付近にビームウエストを形成する。この構成によれば、結像光学素子１２４を経たシード光１２５は、レーリー長の長い（すなわちコリメート状態に近い）ビームとなって非線形光学結晶１３１へ入射する。
【００１６】
結像光学素子１２４は、光偏向器１２３によって偏向されたシード光１２５が非線形光学結晶１３１の入射面に結像するように構成されている。これにより、光偏向器１２３がシード光１２５を偏向させた際に、非線形光学結晶１３１の入射面に対する入射位置は変化せず入射角のみが変化することになる。
【００１７】
光偏向器１２３としては、ガルバノミラーやＭＥＭＳミラーなどの反射型の偏向器を用いてもよいし、透過型の偏向器を用いてもよい。すなわち光偏向器１２３は、シード光１２５の角度を制御できれば、どのようなものを用いてもよい。
【００１８】
結像光学素子１２４としては、例えば凹面鏡を用いることができる。光偏向器１２３が偏向した光を非線形光学結晶１３１の入射面上に結像できるのであれば、その他の光学素子（例えばレンズ）を用いることもできる。光偏向器１２３としてガルバノミラーのような反射型の光偏向器を用い、かつ、結像光学素子１２４として凹面鏡を用いる場合は、光路を折り曲げることができるので、光学系１２１をコンパクトに形成できる。
【００１９】
光学系１２１を直線的に実装する場合は、光偏向器１２３として透過型の光偏向器を用い、結像光学素子１２４としてレンズを用いてもよい。さらに、実装制約によっては、光偏向器１２３と結像光学素子１２４の一方を反射型の光学要素で構成し、他方を透過型の光学要素で構成してもよい。
【００２０】
非線形光学結晶１３１としては、例えば長さ５０ｍｍ程度のＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶（ＬＮ結晶）のロッドを用いることができる。非線形光学結晶１３１は、回転ステージ１３８とリニアステージ１３９によって構成されたステージ上に搭載される。回転ステージ１３８は、非線形光学結晶１３１の角度を調整することにより、ポンプ光１１５が非線形光学結晶１３１の側面に対して所定の角度θｐをなすように、非線形光学結晶１３１を傾けて配置する。リニアステージ１３９は、ポンプ光１１５が非線形光学結晶１３１の出射面から少し入射側よりの位置１３６において、非線形光学結晶１３１の側面から反射されるように、非線形光学結晶１３１のｙ方向（図１に座標系を併記）位置を調整する。回転ステージ１３８とリニアステージ１３９それぞれが備える機構としては、これらの機能を実現できる適当なものを用いればよい。
【００２１】
非線形光学結晶１３１の側壁には、Ｓｉプリズム１４０が取り付けられている。Ｓｉプリズム１４０により、非線形光学結晶１３１側面における遠赤外光の反射を低減し、効率よく遠赤外光を非線形光学結晶１３１から取り出すことができる。さらにＳｉプリズム１４０の出射面に対して遠赤外光がほぼ直角に入射するようにＳｉプリズム１４０と非線形光学結晶１３１を構成することにより、遠赤外光の波長を変えた際における遠赤外光の発生方向の変化量を低減することができる。
【００２２】
非線形光学結晶１３１をポンプ光１１５に対して角度φ＝１〜１０度程度傾けて配置する場合は、非線形光学結晶１３１の入射面と出射面を側面に対して角度α（８０〜８９度程度）に傾けた形状とすることが重要となる。これに対し、角度α＝９０度の場合、ポンプ光１１５が非線形光学結晶１３１の入射面あるいは出射面において正反射し、シード光１２５の光学系に対して入射してしまう。これにより光源１２０を壊してしまう可能性がある。非線形光学結晶１３１の入射面に反射防止膜をつけたとしても、ポンプ光１１５は強度が強いので、その反射光はシード光１２５の光学系にダメージを与えるに十分なパワーを持ち得るからである。光学系１２１内に戻り光を減衰させる光アイソレータを入れることも有効であるが、コストや実装スペースに余裕がある場合に限られる。
【００２３】
以上の構成により、３ＴＨｚ以上の高周波領域であっても、強い遠赤外光を取り出すことができる。パラメトリック発生により生じた遠赤外光は、特に周波数３ＴＨｚ以上の高周波領域においては非線形光学結晶１３１により吸収されるが、ポンプ光１１５を非線形光学結晶１３１の側面に近づけることにより、発生した遠赤外光の吸収による減衰が小さいうちに遠赤外光を取り出すことができるからである。
【００２４】
＜実施の形態１：遠赤外光の発生原理＞
波長の異なる２本のレーザ光（ポンプ光１１５とシード光１２５）を所定の角度で非線形光学結晶１３１に対して入射させると、差周波発生あるいはパラメトリック発生によって遠赤外光を発生させることができる。本実施形態１においては、非線形光学結晶１３１としてＬＮ結晶を用い、パラメトリック発生により遠赤外光を発生させる例を示した。シード光１２５の波長、シード光１２５とポンプ光１１５との間の角度θは、下記式１と式２を満たすように設定する。
【００２５】
非線形光学結晶１３１において発生する遠赤外光１４５の周波数（ωＴ）は、エネルギー保存則から、ポンプ光１１５の周波数ωｐとシード光１２５の周波数ωｓを用いて、下記式１により求められる。ωは角周波数である。
【００２６】
【数１】
2019116461.tif 000003
【００２７】
図２は、遠赤外光１４５／シード光１２５／ポンプ光１１５の関係を表すベクトル図である。遠赤外光１４５の発生効率は、運動量保存則が成り立つ場合に高くなる。すなわち遠赤外光１４５の発生方向／ポンプ光１１５の方向／シード光１２５の方向の間に、下記式２の関係式（位相整合条件）が成り立つとき、高い効率が得られる。ｋＴ、ｋｐ、ｋｓはそれぞれ、遠赤外光１４５、ポンプ光１１５、シード光１２５の波数ベクトルである。
【００２８】
【数２】
2019116461.tif 000004
【００２９】
以上の条件を満たすように、シード光１２５の波長と入射方向（θ）を設定することによって、高い効率で遠赤外光１４５を発生させることができる。以下では以上の条件を満たした上で、遠赤外光１４５の周波数を変化させても遠赤外光１４５の発生方向の変化を抑制することができる構成について説明する。
【００３０】
＜実施の形態１：遠赤外光の方向変化を低減する原理＞
本実施形態１に係る遠赤外光源１００は、ポンプ光１１５の波長を１０６４．４ｎｍとした場合、シード光１２５の波長を１０６６ｎｍ〜１０８４ｎｍ程度の範囲で変化させ、非線形光学結晶１３１に対するシード光１２５の入射角を光学系１２１が調整することにより、発生する遠赤外光１４５の周波数を０．５ＴＨｚ〜５ＴＨｚ程度の範囲で変えることができる。以下では遠赤外光１４５の周波数をこの範囲内で変化させることを前提とする。
【００３１】
図３は、非線形光学結晶１３１内におけるポンプ光方向（ｋｐ）に対する遠赤外光１４５の方向ｋＴのなす角θＴ＿ｐの関係を示すグラフである。式２に示すように、θＴ＿ｐは遠赤外光１４５の周波数に依存する。この例では遠赤外光１４５の周波数を０．５ＴＨｚ〜５ＴＨｚ程度の範囲で変えると、遠赤外光１４５が発生する方向が６．７度変化することがわかる。
【００３２】
図３に示す周波数範囲において、非線形光学結晶１３１のポンプ光１１５およびシード光１２５の波長λに対する屈折率ｎを、文献（Ｚｅｌｍｏｎ他，ＪＯＳＡ  Ｂ  Ｖｏｌ．１４，ＮＯ．１２， ｐｐ．３３１９−３３２２）にしたがって、下記式３を用いて算出した。非線形光学結晶１３１の遠赤外光波長λＴに対する屈折率ｎＮＬは、文献（Ｄ．Ｒ．Ｂｏｓｏｍｗｏｒｔｈ他，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｎｏ．９，ｐｐ．３３０（１９９６））にしたがって、下記式４を用いて算出した。
【００３３】
【数３】
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【００３４】
【数４】
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【００３５】
図４は、遠赤外光１４５の周波数と屈折率ｎＮＬの関係を示すグラフである。図４のグラフは式４にしたがって算出したものである。
【００３６】
図５は、非線形光学結晶１３１とＳｉプリズム１４０との間の界面における遠赤外光１４５の屈折を示す図である。非線形光学結晶１３１内で発生した遠赤外光１４５は、Ｓｉプリズム１４０に入射する。非線形光学結晶１３１内における遠赤外光１４５の進行方向をθＴ＿ＬＮとし、Ｓｉプリズム１４０内におけるに遠赤外光１４５の進行方向をθＴ＿Ｓｉする。界面における屈折角は、下記式５に示すＳｎｅｌｌの法則にしたがって、上記屈折率ｎＮＬと、Ｓｉプリズム１４０の遠赤外光波長λＴに対する屈折率ｎＳｉにより定まる。
【００３７】
【数５】
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【００３８】
図６は、複数のθＴ＿ＳｉについてθＴ＿ＬＮを算出した結果を示すグラフである。遠赤外光１４５の周波数０．５ＴＨｚ〜５ＴＨｚ程度の範囲においては、Ｓｉの屈折率の波長依存性は小さく、ｎＳｉ≒３．４で良い近似が成り立つ。したがってこの周波数範囲において、式４と式５を用いて、所与のθＴ＿ＳｉについてθＴ＿ＬＮを算出することができる。ここではθＴ＿Ｓｉ＝４２、５０、５７、６０度それぞれについてθＴ＿ＬＮを算出した。
【００３９】
図３と図６に示すように、遠赤外光１４５の周波数変化に対して、θＴ＿ｐとθＴ＿ＬＮはそれぞれ個別の特性を有している。もしこれらの特性が略等しい条件を見出すことができれば、その条件下においては、遠赤外光１４５の周波数変化に対してθＴ＿ｐとθＴ＿ＬＮはともに略同様に変化するといえる。したがってその条件下において、両者の間の差分をあらかじめθｐとしてセットしておくことにより、Ｓｉプリズム１４０から出射する遠赤外光１４５の角度を遠赤外光１４５の周波数変化によらず常に略等しくすることができる。そこで以下では図３と図６にしたがって、そのような関係が成立する条件を見出すことにする。
【００４０】
図６によれば、θＴ＿Ｓｉの値に応じて、周波数に対するθＴ＿ＬＮの変化幅が異なる。したがって、周波数に対するθＴ＿ＬＮの変化幅が図３の変化幅６．７度と等しくなるθＴ＿Ｓｉの値を見出すことができると考えられる。具体的には、遠赤外光１４５の周波数範囲の両端間におけるθＴ＿ｐの差分（図３においては６．７度）と、遠赤外光１４５の周波数範囲の両端間におけるθＴ＿ＬＮの差分（図６における各曲線の下端と上端との間の差分）とが互いに等しいとき、θＴ＿ｐとθＴ＿ＬＮは遠赤外光１４５の周波数変化に対して略等しい変化特性を有するといえる。図６の例においては、θＴ＿Ｓｉ＝５７度のときいずれの差分も６．７度となるので、この条件が成立することが分かる。
【００４１】
図７は、θＴ＿ｐとθＴ＿ＬＮが周波数に対して略等しい変化特性を有する場合の例である。実線は図６のθＴ＿Ｓｉ＝５７度のときのθＴ＿ＬＮを抜粋したものである。点線は図３のグラフを併記したものである。図７に示すように、θＴ＿Ｓｉ＝５７度のとき、θＴ＿ｐとθＴ＿ＬＮが遠赤外光１４５の周波数に対して略等しい変化特性を有する。ただし両者の間には略４．５度の差がある。そこで非線形光学結晶１３１の角度θｐ＝４．５度とすることにより、この差を埋めることができる。すなわち、遠赤外光１４５の周波数を変化させても、θＴ＿Ｓｉを略一定に保つことができる。
【００４２】
図８は、θＴ＿ｐとθＴ＿ＬＮの関係を示すベクトル図である。θＴ＿ｐとθＴ＿ＬＮとの間の差分は、図７の４．５度に対応するものである。θｐをこの差分に合わせることにより、遠赤外光１４５の周波数を変化させても、θＴ＿Ｓｉを略一定に保つことができる。
【００４３】
図９は、θＴ＿Ｓｉが５７度と５０度それぞれにおけるθＴ＿ＬＮとθＴ＿ｐとの間の差分を示すグラフである。前者における差分は略４．５度で一定だが、後者における差分は周波数変化にともなって１．５度変化することがわかる。
【００４４】
図１０は、θｐが４．５度と０度それぞれにおけるθＴ＿Ｓｉの変化を示すグラフである。図７〜図８で説明した条件を満たすとき、θｐ＝４．５度にセットすることにより、遠赤外光１４５の周波数変化に対してθＴ＿Ｓｉを略一定に保つことができる（変化幅は０．３度未満である）。これに対して従来のようにθp＝０度の場合、０．５ＴＨｚ付近ではθＴ＿Ｓｉ≒５０度であり、５．０ＴＨｚ付近ではθＴ＿Ｓｉ≒４５度であるから、遠赤外光１４５の発生方向が５度程度変化することになる。この角度変化はＳｉプリズム１４０から空気中に出る際の屈折によりさらに拡大される。従来はこのことが遠赤外分光装置の光学系設計を非常に難しくしていた。本発明によればこの角度変化を抑制することができるので、光学系設計の観点から有利である。
【００４５】
＜実施の形態１：まとめ＞
本実施形態１においては、遠赤外光１４５の波長を変化させたとき、θＴ＿ｐ（ポンプ光１１５に対する遠赤外光１４５の角度）とθＴ＿ＬＮ（非線形光学結晶１３１とＳｉプリズム１４０の界面に対する遠赤外光１４５の角度）がともに略同程度変化するようなθＴ＿Ｓｉ（遠赤外光１４５の出射方向）をあらかじめ把握しておく。回転ステージ１３８は、θＴ＿ｐとθＴ＿ＬＮとの間の差分を、θｐ（非線形光学結晶１３１に対するポンプ光１１５の入射角）としてセットする。これにより、遠赤外光１４５を略一定の角度で空気中に対して出射することができる。
【００４６】
＜実施の形態２＞
図１１は、本発明の実施形態２に係る遠赤外光源１００の構成図である。本実施形態２においては、実施形態１とは異なり、シード光１２５の入射角を固定し、ポンプ光１１５の入射角を光学系１２１によって可変とする。その他の構成は実施形態１と同様であるので、以下では主に差異点について説明する。
【００４７】
光学系１２１は、レンズ１２２に代えてレンズ系１２７を備える。レンズ系１２７は、ポンプ光１１５を拡大して光偏向器１２３に入射させる。本実施形態２においては、シード光１２５の波長を変えるのにあわせて、式１〜式２を満たすようにポンプ光１１５の入射角を調整することにより、遠赤外光１４５の波長を変化させる。本実施形態２においても、ポンプ光１１５に対する非線形光学結晶１３１の角度を変えることにより、実施形態１と同様に遠赤外光１４５の発生方向を略一定に保つことができる。
【００４８】
図１２は、シード光１２５の方向θｓに対する非線形光学結晶１３１内の遠赤外光１４５の方向θＴ＿ｓと、θＴ＿ＬＮとがともに、周波数に対して略等しい変化特性を有する場合の例である。本実施形態２においては、θＴ＿Ｓｉ＝４２度のとき、これらが略同一の変化特性を有し、波長０．５〜５．０ＴＨｚの範囲において両者の間の角度差が４．４度程度で一定となる。したがって、シード光１２５に対する非線形光学結晶１３１の角度θｓを４．４度にすることにより、遠赤外光１４５の周波数を変えてもθＴ＿Ｓｉ＝４２度を保つことができる。
【００４９】
図１３は、θＴ＿ｓとθＴ＿ＬＮの関係を示すベクトル図である。本実施形態２においてはシード光１２５の入射角を固定しているので、記載の便宜上、θＴ＿ｓとθＴ＿ＬＮの関係によって各光の進行方向を表すこととした。ただし本実施形態２においても、θＴ＿ｐとθＴ＿ＬＮの間の差分が存在していることに変わりはないので、図１３の表記は記載の便宜上のものであることを付言しておく。
【００５０】
本実施形態２においても、非線形光学結晶１３１の入射面と出射面を側面に対して角度α（８０〜８９度程度)に傾けることが重要である。これにより、非線形光学結晶１３１の入射面あるいは出射面におけるポンプ光１１５の正反射がシード光１２５の光学系に対して入射するのを防ぐことができる。
【００５１】
＜実施の形態３＞
図１４は、本発明の実施形態３に係る遠赤外分光装置１０００の構成図である。遠赤外分光装置１０００は例えば、試料２００を透過した光を用いて試料２００の吸収スペクトルを測定する装置である。
【００５２】
遠赤外分光装置１０００は、遠赤外光源１００、照明光学系１５１、ステージ２０２、遠赤外光結像光学系２４０、非線形光学結晶１３２、光検出器２９０、信号処理部４００、制御部５００を備える。照明光学系１５１は、遠赤外光源１００が出射した遠赤外光を試料２００に対して照射する。ステージ２０２は、試料２００を搭載する。遠赤外光結像光学系２４０は、試料２００を透過した遠赤外光を非線形光学結晶１３２に結像する。非線形光学結晶１３２は、ポンプ光２３５を用いて、試料２００を透過した遠赤外光を近赤外光に変換する。
【００５３】
遠赤外光源１００は、実施形態１で説明した構成を備える。光源１１０は、主な構成要素として、（ａ）短パルスＱスイッチＹＡＧレーザ１１１、（ｂ）偏光ビームスプリッタ（以下ＰＢＳ）１１４と４分の１波長板１１６とからなる偏光分離系、（ｃ）レーザの出力を増幅させる増幅器ユニット（ここでは固体アンプ１１８）、を備える。ＹＡＧレーザ１１１の出力ビームは、レンズ１１２によりコリメートされた後、偏光分離系を経て固体アンプ１１８により増幅される。ＰＢＳ１１４を通過したビームは、４分の１波長板１１６と固体アンプ１１８を経て増幅され、ミラー１８３により反射される。反射されたビームは、再び固体アンプ１１８により増幅され、４分の１波長板１１６を経てＰＢＳ１１４に入射する。その後、ビームはＰＢＳ１１４からミラー１８４を経てポンプ光１１５として出射される。固体アンプ１１８を用いることにより、ＹＡＧレーザ１１１の出力が増幅され、ピークパワーがｋＷレベルの強力な遠赤外光を非線形光学結晶１３１から取り出すことができる。
【００５４】
非線形光学結晶１３１の入射面と出射面は、側面に対し例えば角度α＝８４度に加工する。回転ステージ１３８の角度φは、非線形光学結晶１３１内におけるポンプ光１１５の方位（結晶側面に対する角度）θｐ＝４．５となるようにセットする。本実施形態３においてはφ＝３．９度とする。これにより、θｐ＝４．５を満たしつつ、ポンプ光１１５の非線形光学結晶１３１表面における反射光を、図１４上における下方に対して逃がすことができる。リニアステージ１３９の位置は、ポンプ光１１５が非線形光学結晶１３１の出射面から少し入射側よりの位置の側面で反射されるようにセットする。
【００５５】
照明光学系１５１は、例えば１枚のシリンドリカルレンズ１８０と集光レンズ１９０により構成できる。非線形光学結晶１３１から発生する遠赤外光は、ポンプ光１１５のビームに沿った線状の発光領域から発生し、図１４の紙面内においては平行光であり、紙面に垂直な面内においては広がりを持ったビームとなる。そこで、紙面に垂直な面内方向にのみパワー（ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）を有するシリンドリカルレンズ１８０を用いて、紙面に垂直な面内方向でビームをコリメートし、平行光束とする。この平行光束を集光レンズ１９０によって試料２００上に集束させ、試料２００上のスポットに照射する。
【００５６】
試料２００を透過した遠赤外光は、遠赤外光結像光学系２４０によってＳｉプリズム１４２を経て非線形光学結晶１３２に導かれる。遠赤外光結像光学系２４０は、２枚の集光レンズ２２０、２３０と１枚のミラー２２５により構成されており、試料２００の表面を非線形光学結晶１３２内に結像させる結像光学系となっている。具体的には、試料２００を透過した遠赤外光は、集光レンズ２２０によりコリメートされ、ミラー２２５により反射され、集光レンズ２３０によりＳｉプリズム１４２を経て非線形光学結晶１３２に集光される。試料２００を透過した遠赤外光のＳｉプリズム１４２内における非線形光学結晶１３２に対する入射角は、ポンプ光１１５に対する非線形光学結晶１３１の角度θｐと同様に最適化する。具体的には、遠赤外光の波長を変化させても、非線形光学結晶１３２内において遠赤外光が略一定の角度で進行するようにする。
【００５７】
ポンプ光１１５のビームから分割したポンプ光２３５を、非線形光学結晶１３２に対して入射させる。これにより、試料２００を透過し非線形光学結晶１３２に導かれた遠赤外光を、再び波長１０６６ｎｍ〜１０８４ｎｍ付近の近赤外光に変換することができる。光検出器２９０は、発生した近赤外光を光電変換し、検出信号として検出する。発生する遠赤外光の波長を走査しながら、検出信号を記録することにより、試料２００の遠赤外吸収スペクトルを得ることができる。光検出器２９０は、複数の受光素子が１次元配列に並んだ受光素子（１Ｄアレイ検出器）でもよいし、複数の受光素子が２次元配列に並んだ受光素子（２Ｄアレイ検出器）でもよい。近赤外用の１Ｄアレイ検出器や２Ｄアレイ検出器は比較的入手が容易であり、応答速度も速く、常温で使用できる。したがって、これらの検出器は産業応用に適している。
【００５８】
ポンプ光２３５は、試料２００を透過した遠赤外光のパルスを入射させるタイミングと同じタイミングで、非線形光学結晶１３２に対して入射させる。これらのタイミングを合わせるために、ポンプ光２３５の光路上に、遅延光学系（例えば、光路長補正ステージなど）、偏光方向を調節する１／２波長板などを必要に応じて配置することもできる。この構成によれば、ポンプ光２３５として時間プロファイルが整ったビームを用いることができる。これにより、波長変換の効率を高め、検出感度を高めることができる。
【００５９】
光源１１０の出力に余裕がない場合には、非線形光学結晶１３１を抜けてくるポンプ光を非線形光学結晶１３２に導いて再利用してもよい。この場合はポンプ光２３５のビーム品質が落ちるので検出効率は低下するが、ポンプ光１１５を遠赤外光発生と近赤外への波長変換との双方のために効率良く使うことができる。
【００６０】
信号処理部４００は、光検出器２９０が出力する検出信号を取り込む。信号処理部４００は、信号取り込み時のステージ２０２の位置に基づき、試料２００を透過した光に比例した信号の分布画像を生成する。信号処理部４００は、取得された画像データと、信号処理部４００の記憶領域に格納されている参照データ（試料が無いときの分光画像データ）とを比較することにより、吸収スペクトルを算出し、吸収スペクトルの２次元分布（吸収スペクトル画像）を得ることもできる。
【００６１】
制御部５００は、装置全体を制御する。例えば制御部５００は、遠赤外光源１００、ステージ２０２、信号処理部４００を制御する。遠赤外光源１００については、光源１１０、光源１２０、光学系１２１、回転ステージ１３８、リニアステージ１３９を制御する。制御部５００はさらに、ユーザインターフェースを提供する。例えば制御部５００は、信号処理部４００が取得した信号とデータ（分光情報）を表示する表示部を備えてもよい。波長を固定して試料２００のデータを取得する場合、制御部５００は、遠赤外光源１００を制御して指定の遠赤外光を発生させ、ステージ２０２の移動と光検出器２９０によるデータ取得を同期させる。波長を変えて試料２００のデータを取得する場合、制御部５００は、遠赤外光源１００の波長を変化させるとともに、ステージ２０２の移動と光検出器２９０によるデータ取得を同期させる。
【００６２】
本実施形態３に係る遠赤外分光装置１０００は、非線形光学結晶１３１内におけるポンプ光１１５の方位θｐを最適化することにより、遠赤外光の周波数を０．５〜５ＴＨｚの広い範囲で変えても、遠赤外光の発生方向の変化を空気中の全角（θ１〜θ２）範囲内において１．０度程度におさえることができる。これにより、試料２００上の照射位置の変化も十分小さくすることができる。具体的には、集光レンズ１９０として焦点距離５０ｍｍのレンズを用いた場合における試料２００上の照射位置変化は±０．５ｍｍ程度となる。これは、試料２００上の照射スポット径が１ｍｍを超える場合には、実用上気にする必要がないレベルである。高精度な測定が必要な場合には、このずれ分をさらにステージ２０２のｙ方向の移動により補正してもよい。
【００６３】
本実施形態３においては、光源１１０として、短パルスのＱスイッチＹＡＧレーザ１１１を用いる例を示したが、これに限定されない。基本となるスペクトルの線幅が狭ければよいので、光源１１０として例えばモードロックレーザを用いてもよい。モードロックレーザは、繰り返しが速いので、より高速に測定を実施できる。本実施形態３において、実施形態２で説明した遠赤外光源１００を用いることもできることはいうまでもない。
【００６４】
＜実施の形態４＞
図１５は、本発明の実施形態４に係る遠赤外分光装置１０００の構成図である。本実施形態４は、遠赤外光源１００以降の光学系の構成が実施形態３とは異なる。その他の構成は実施形態３と同様であるので、以下では主に差異点について説明する。
【００６５】
遠赤外光を試料２００に対して照射する照明光学系（１５０〜１９０）は、例えば３枚のシリンドリカルレンズ１５５、１７０、１８０、スリット１６０、角度可変ミラー１６５、集光レンズ１９０によって構成される。
【００６６】
図１５の紙面内において、２枚のシリンドリカルレンズ１５５と１７０がパワー（ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）を有する。シリンドリカルレンズ１５５は、非線形光学結晶１３１から出射される遠赤外光が角度可変ミラー１６５の反射面付近に結像するように設定される。非線形光学結晶１３１から発生する遠赤外光は、周波数によって発生方向が図１の紙面内で１〜数度程度変化するが、角度可変ミラー１６５の反射面に対する入射位置は変化しない。角度可変ミラー１６５の角度は、角度可変ミラー１６５が反射した遠赤外光が常に図１のｙ方向に進むように調整する。これにより、角度可変ミラー１６５から反射した後の遠赤外光は、周波数によらず同じ光路をたどるようにできる。シリンドリカルレンズ１７０は、角度可変ミラー１６５が反射した遠赤外光をコリメートすることにより、図１の紙面内で平行光束にする。
【００６７】
シリンドリカルレンズ１５５の後側焦点面近傍には、リニアステージ１６１に搭載したスリット１６０を配置する。遠赤外光の周波数を走査すると、遠赤外光１４５の方向が変化する。これにともなって、スリット１６０に対する集光位置が変化する。リニアステージ１６１は、その位置変化に追従するようにスリット１６０を移動させる。これにより、非線形光学結晶１３１内で発生する測定に不要な遠赤外光成分（広い帯域にわたる背景光、ＴＰＧ光と呼ぶ）を遮って低減することができる。したがって、広い周波数帯域にわたって分光測定のＳＮ比を改善することができる。
【００６８】
紙面に垂直な方向においては、Ｓｉプリズム１４０から出射される発散ビームは、シリンドリカルレンズ１８０によりコリメートされる。紙面内方向と同様に、集光レンズ１９０はこのコリメート光を試料２００上のスポットに照射する。
【００６９】
遠赤外光結像光学系（２１０〜２３０）は、集光レンズ２２０と２３０に加えて、拡散板２１０を備える。試料２００の遠赤外光透過率が高く散乱が弱い場合は、非線形光学結晶１３２に入射する遠赤外光に荒いスペックルパターンが重畳することがある。これにより、試料２００の位置がわずかにずれると、検出信号に大きな変動が生じてしまう可能性がある。拡散板２１０内の多重散乱により遠赤外光を充分拡散させることにより、スペックルパターンを細かくし、コントラストを低減することができる。これにより検出信号の安定性を向上させることができる。なお、拡散板２１０を回転させ、スペックルパターンを動かし検出信号を時間積分することによって、検出信号の変動を低減してもよい。
【００７０】
非線形光学結晶１３２に対してポンプ光２３５を入射させることにより、遠赤外光は再び波長１０６６ｎｍ〜１０８４ｎｍ付近の近赤外光に変換される。近赤外光は、レンズ２７０とＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ  Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタ２８０を経て、光検出器２９０により検出される。
【００７１】
＜実施の形態４：まとめ＞
本実施形態４に係る遠赤外分光装置１０００は、実施形態１〜３と同様に、遠赤外光源１００が出射する遠赤外光１４５の方向変化を低減することができる。本実施形態４に係る遠赤外分光装置１０００はさらに、遠赤外光１４５を角度可変ミラー１６５に導き、角度可変ミラー１６５により遠赤外光１４５の方向変動をキャンセルする。この構成によれば、開口の大きな光学系を用いることなく、周波数変更による遠赤外光の照射位置のずれを低減することができる。したがって、小型の光学系で広帯域の分光測定が実現できる。さらに、成分の分布ムラや信号検出効率の変化などを回避して、定量分析の精度を向上させることができる。
【００７２】
＜本発明の変形例について＞
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００７３】
以上の実施形態は、試料中の化学物質成分の含有量の分析、または異種成分あるいは異物の検査などの検査工程において、遠赤外領域の光を用いて試料を分析するために用いることができる。以上の実施形態における遠赤外領域の光とは、例えば波長２５μｍから４ｍｍ程度にわたる光である。「遠赤外領域」の定義として様々な波長の数値範囲が存在するが、以上の実施形態における遠赤外領域の光は、あらゆる分野で定義されている範囲の中で最も広い範囲で解釈されるべきである。用語「テラヘルツ波」は、上述した遠赤外領域に含まれるものとする。
【００７４】
以上の実施形態において、従来使用されていたθｐ＝０度付近の条件であっても、θＴ＿ＬＮとθＴ＿ｐとの間の差分を回転ステージ１３８によって補正してもよい。具体的には、遠赤外光の波長の変更に合わせてステージを回転させてθｐを変えればよい。これにより、Ｓｉプリズム１４０内における遠赤外光の発生方位の変化をある程度低減することができる。
【００７５】
以上の実施形態において、信号処理部４００と制御部５００は、これらの機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアを用いて実現することもできるし、これらの機能を実装したソフトウェアのプログラムコードによって実現することもできる。この場合、プログラムコードを記録した記憶媒体を提供し、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）などの演算装置が、記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行する。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムコード自体、およびそれを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。このようなプログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭなどを用いることができる。
【００７６】
ここで述べたプロセスおよび技術は、コンポーネントの相応しい組み合わせによって実装することもできる。さらに、汎用目的の多様なタイプのデバイスが使用可能である。ここで述べた処理を実行するのに、専用の装置を構築するのが有益である場合もある。つまり、上述した信号処理部４００と制御部５００の一部が、例えば集積回路等の電子部品を用いたハードウェアにより実現されてもよい。
【００７７】
以上の実施形態において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。全ての構成が相互に接続されていてもよい。
【符号の説明】
【００７８】
１００：遠赤外光源
１１０：光源
１１１：ＹＡＧレーザ
１１２：レンズ
１１４：偏光ビームスプリッタ
１１５：ポンプ光
１１６：４分の１波長板
１１８：固体アンプ（増幅器ユニット）
１２０：光源
１２１：光学系
１２２、２７０：レンズ
１２３：光偏向器
１２４：結像光学素子
１２５：シード光
１３０、１３１、１３２：非線形光学結晶
１４０、１４２：Ｓｉプリズム
１５５、１７０、１８０：シリンドリカルレンズ
１９０、２２０，２３０：集光レンズ
１５１：照明光学系
１６０：スリット
１６１，１３９：リニアステージ
１６２，１３８：回転ステージ
１６５：角度可変ミラー
２４０：遠赤外光結像光学系
２００：試料
２０２：ステージ
２１０：拡散板
２８０：ＮＤフィルタ
２９０：光検出器
【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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【図１５】
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【国際調査報告】
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