(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を発生する電磁波発生源と、
電気光学効果を有する非線形光学結晶と、
前記結晶を角周波数ωで前記電磁波の入射に対して相対的に回転させる回転機構と、
前記電磁波による前記結晶の照射と同期して、当該結晶にプローブ光パルスを入射する光学系と、
前記結晶を透過したプローブ光パルスの互いに直交する光成分の強度差信号を検出する検出器と、
前記強度差信号からω成分と３ω成分の少なくとも一方を抽出し、前記抽出したω成分及び／または３ω成分に基づいて前記電磁波の偏波方向と電場振幅を決定する解析部と、
を有する偏波解析装置。
【請求項２】
前記解析部は、
ΔＩ＝Ｃ・Ｅ・［(1/2)cos(ωt＋φ)＋(3/2)cos(3ωt−φ)］
に基づいて前記電磁波のω成分および／または３ω成分の位相情報と振幅情報を取得し、取得した位相情報と振幅情報に基づいて前記偏波方向と電場振幅を決定することを特徴とする請求項１に記載の偏波解析装置、
ここで、Ｃは係数、Ｅは前記電磁波の電場振幅である。
【請求項３】
前記回転機構の角周波数は、前記結晶が１回転する間に前記結晶上に奇数個のデータ点が得られるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の偏波解析装置。
【請求項４】
前記結晶上への前記電磁波の照射を所定の周波数でオン・オフする光学チョッパーと、
前記結晶の連続する２回の回転において、前記結晶上の同じ角度位置のデータ点で得られる２つの差分信号の差をとって新たな差分信号を算出する演算部と、
をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の偏波解析装置。
【請求項５】
前記光学チョッパーの周波数をｆ1、前記結晶の回転周波数をｆ2、前記結晶上のデータ点の数をｎ（ｎは奇数）としたときに、
ｆ1＝（ｎ／２）・ｆ2
を満たすことを特徴とする請求項４に記載の偏波解析装置。
【請求項６】
円偏光または楕円偏光の電磁波を発生する電磁波発生源と、
電気光学効果を有する非線形光学結晶と、
前記結晶を角周波数ωで前記電磁波の入射に対して相対的に回転させる回転機構と、
前記電磁波による前記結晶の照射と同期して、当該結晶にプローブ光パルスを入射する第１光学系と、
前記電磁波発生源と前記結晶の間で試料を保持する試料台と、
前記電磁波を前記試料に導き、前記試料で反射した反射電磁波を前記結晶に導く第２光学系と、
前記結晶を透過したプローブ光パルスの互いに直交する光成分の強度差信号を検出する検出器と、
前記強度差信号からω成分と３ω成分の少なくとも一方を抽出し、抽出したω成分及び／または３ω成分に基づいて前記円偏光の電磁波の偏波角度を決定する偏波解析部と、
あらかじめ取得した、前記電磁波の前記結晶におけるプローブ光パルス入射時の偏光角度と試料特性との１対１対応の関係を示す対応情報を格納する対応情報格納部と、
前記偏波解析部で決定された前記反射電磁波の偏波角度と、前記対応情報とに基づいて前記試料の特性を決定する試料解析部と、
を含むことを特徴とする物性測定装置。
【請求項７】
前記第１光学系は、光学遅延素子を有する遅延ステージをさらに含み、前記遅延ステージは、前記対応情報をあらかじめ取得する際に駆動されることを特徴とする請求項６に記載の物性測定装置。
【請求項８】
前記試料を保持する試料台は、前記対応情報をあらかじめ取得する際にｚ方向に駆動されることを特徴とする請求項６に記載の物性測定装置。
【請求項９】
前記電磁波発生源は、光パルスの印加により電磁波を発生する電磁波発生用の非線形光学結晶と、前記電磁発生用の非線形光学結晶で発生した電磁波を円偏光または楕円偏光の光にする光学素子を含むことを特徴とする請求項６に記載の物性測定装置。
【請求項１０】
前記試料の特性は、試料の表面形状であり、
前記対応情報は、前記試料の表面位置と前記電磁波の偏波角度との１対１対応の関係を示す情報であることを特徴とする請求項６に記載の物性測定装置。
【請求項１１】
電気光学効果を有する非線形光学結晶を電磁波で照射するとともに、前記結晶を角周波数ωで前記照射電磁波に対して相対的に回転させ、
前記電磁波の照射と同期して前記結晶にプローブ光パルスを入射し、
前記結晶を透過したプローブ光パルスの互いに直交する光成分の強度差信号を検出し、
前記強度差信号からω成分と３ω成分の少なくとも一方を抽出し、前記抽出したω成分及び／または３ω成分に基づいて前記電磁波の偏波方向と電場振幅を決定する
ことを特徴とする偏波解析方法。
【請求項１２】
前記決定工程は、
ΔＩ＝Ｃ・Ｅ・［(1/2)cos(ωt＋φ)＋(3/2)cos(3ωt−φ)］
に基づいて前記電磁波のω成分および／または３ω成分の位相情報と振幅情報を取得し、取得した位相情報と振幅情報に基づいて前記偏波方向と電場振幅を決定することを特徴とする請求項１１に記載の偏波解析方法、
ここで、Ｃは係数、Ｅは前記電磁波の電場振幅である。
【請求項１３】
前記結晶の角周波数は、当該結晶が１回転する間に前記結晶上に奇数個のデータ点が得られるように設定されていることを特徴とする請求項１１に記載の偏波解析方法。
【請求項１４】
前記結晶上への前記電磁波の照射を所定の周波数でオン・オフ変調し、
前記結晶の連続する２回の回転において、前記結晶上の同じ角度位置のデータ点で得られる２つの差分信号の差をとって新たな差分信号を算出する、
工程をさらに含み、
前記決定工程は、前記新たな差分信号に基づいて抽出したω成分および／または３ω成分に基づいて前記電磁波の偏波方向と電場振幅を決定することを特徴とする請求項１３に記載の偏波解析方法。
【請求項１５】
前記オン・オフ変調の周波数をｆ1、前記結晶の回転周波数をｆ2、前記結晶上のデータ点の数をｎ（ｎは奇数）としたときに、
ｆ1＝（ｎ／２）・ｆ2
を満たすことを特徴とする請求項１４に記載の偏波解析方法。
【請求項１６】
特定の物質について、当該物質を照射する円偏光または楕円偏光の電磁波の、検出用の非線形光学結晶におけるプローブ光パルス入射時の偏光角度と、前記物質の特性との１対１の対応関係を示す対応情報をあらかじめ取得して格納し、
前記円偏光または楕円偏光の電磁波で試料を照射し、前記試料表面で反射する反射電磁波を角周波数ωで回転する前記検出用の非線形光学結晶に入照し、
前記電気波による前記結晶の照射と同期して、前記検出用の非線形光学結晶にプローブ光パルスを入射し、
前記検出用の非線形光学結晶を透過したプローブ光パルスの互いに直交する光成分の強度差信号を検出し、
前記強度差信号からω成分と３ω成分の少なくとも一方を抽出し、抽出したω成分及び／または３ω成分に基づいて前記円偏光または楕円偏光の電磁波の偏波角度を決定し、
前記決定された偏波角度と前記対応情報とに基づいて前記試料の特性を決定する、ことを特徴とする物性測定方法。
【請求項１７】
前記対応情報は、前記プローブ光パルスの光学パス上に配置された光学遅延素子を駆動して取得されることを特徴とする請求項１６に記載の物性測定方法。
【請求項１８】
前記対応情報は、前記試料を保持するステージをｚ軸方向に駆動しながら前記電磁波の偏波角度を測定することによって取得することを特徴とする請求項１６に記載の物性測定
【請求項１９】
前記円偏光または楕円偏光の電磁波は、電磁波発生用の非線形光学結晶に光パルスを印加して電磁波を発生し、発生した電磁波を１／４波長板に通して生成されることを特徴とする請求項１６に記載の物性測定方法。
【請求項２０】
前記試料の特性は、試料の表面形状であり、
前記対応情報は、前記試料の表面位置と前記電磁波の偏波角度との１対１対応の関係を示す情報として取得されることを特徴とする請求項１６に記載の物性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波の偏光方向と電場振幅を高速かつ高精度に決定する偏波解析装置と偏波解析方法、およびこれを利用した物性測定の構成と手法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の超短パルスレーザ技術の進歩により、これまで技術的に難しかったテラヘルツ帯域の光（電磁波）の発生、検出が可能になってきた。テラヘルツ波の発生、検出には、非線形光学結晶を用いる。具体的には、非線型光学結晶としてＧａＰやＺｎＴｅなどの閃亜鉛構造の結晶を用い、結晶に超短波パルスレーザ光を照射することでコヒーレントなテラヘルツ電磁波パルスを発生させる。テラヘルツ電磁波を物性測定に利用する場合は、発生させたテラヘルツ電磁波を被測定試料へ導き、透過波又は反射波を検出用の非線形光学結晶を通して検出することで、試料の特性を測定することができる。【０００３】
図１は、一般的な偏波方向解析装置１０００を示す。図示しないレーザ光源から出射される超短パルスレーザ光をポンプ光パルスとして用い、偏光子Ｐ１、光学チョッパー１００１を介して、非線形光学結晶Ｓ１を照射し、チョッパー１００１の周波数ωで変調を受けたテラヘルツ電磁波パルスを発生させる。テラヘルツ電磁波パルスの偏波方向は、偏光子Ｐ１と結晶Ｓ１を適宜回転することで任意に設定することができる。テラヘルツ電磁波パルスをミラーＭ１によりビームカット素子Ｃへ導きポンプ光をカットする。素子Ｃを通過したビームを２つのワイヤーグリッド偏光子ＷＧ１とＷＧ２を透過させ、ＷＧ２でテラヘルツ波検出の際の偏波方向依存性を消去する。一つ目のワイヤーグリッド偏光子ＷＧ１は、通常は手作業で回転され、４５度と−４５度という２つの直交する偏波方向の電場成分を切り出す。二つ目のワイヤーグリッド偏光子ＷＧ２は、０度あるいは９０度に設定することで、切り出されたテラヘルツ電場の偏波方向を固定する。偏波方向が固定されたテラヘルツ電磁波を、ミラーＭ２を介して非線型光学結晶Ｓ２に照射する。【０００４】
テラヘルツ電磁波の照射と同期して、プローブ光パルスを偏光子（Ｐ２）を介して非線形光学結晶Ｓ２に入射する。非線型光学結晶Ｓ２にテラヘルツ電場が印加されると、電気光学効果により結晶Ｓ２に複屈折が生じ、結晶Ｓ２を通過するプローブ光の電場成分に強度差が生じる。この強度差はテラヘルツ電場の強度に比例するので（比例係数は既知）、検出器１０１０及びロックインアンプ１０１１で強度差を検出することによってテラヘルツ電場強度を見積もることができる。テラヘルツ電場はチョッパー１００１の周波数ωで変調を受けているので精度よくロックイン検出ができる。【０００５】
電磁波の偏波方向を決定するのに、直交する２つの方向の電場成分が必要である。そのため、ワイヤーグリッド偏光子ＷＧ１を４５度と−４５度に設定したときの各々のテラヘルツ電場の時間波形データを取得し、解析する。時間波形データを取得するのに、一般に遅延ステージでプローブ光またはポンプ光パルスの入射タイミングをずらしながら電場強度を計測し、電場波形の全体が得られるまで異なる時刻での電場測定を続ける。【０００６】
テラヘルツ電磁波を利用して試料の表面凹凸を測定する場合は、試料にテラヘルツ電磁波を照射し、反射波が検出用の結晶に到達する到達時間の差から表面段差を求める。到達時間の差を求めるためにテラヘルツ電磁波のピーク値を示す時刻を特定する必要があり、測定点ごとに時間波形の測定が必要である。【０００７】
なお、テラヘルツ波検出に関し、閃亜鉛構造結晶の結晶方位角度とテラヘルツ電場偏波方向のなす角によってΔＩの出力信号がどのように変化するかを関数で表した文献が知られている（たとえば、非特許文献１参照）。この手法は、結晶方位の［００１］方向とプローブ光パルスの偏光方向とを一致させるように結晶と偏光子の双方を同時に回転させる必要がある点や、決定できる偏波方向に位相πの不確定性が残る点で不利である。【０００８】
また、プローブ光パルスの偏光方向、閃亜鉛構造結晶の結晶方位角、およびテラヘルツ電場検出にかかわるすべての光学素子（１／４波長板、ウォラストンプリズムなど）の角度を任意の角度で回転させたときの、テラヘルツ電場の偏波方向に依存したΔＩの出力信号強度の一般式の導出が知られている（たとえば、非特許文献２参照）。この方法は一般式の理論計算にとどまり実用には不向きである。【０００９】
さらに、閃亜鉛構造結晶の[001]軸とプローブ光パルスの偏光方向のなす角を０度と９０度となるように検出用結晶を回転させ、２つの角度でのΔＩの値をもとにテラヘルツ電磁波の偏波方向を決定する方法が提案されている（たとえば、非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】P.C.M. Planken et al., J. Opt. Soc. Am. B. Vol. 18, No. 3, 313-317 (2001).
【非特許文献２】N.C.J. van der valk, T. Wenchebach, and P.C.M. Planken, J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 21, No.3 622-631 (2004)
【非特許文献３】R.Zhang et al. Appl. Opt. Vol. 47, 6422-6427 (2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の偏波方向解析と測定方法には以下の問題がある。まず、電界強度と偏波方向を同時に独立して取得することができない。また、偏波方向を決定するのに、ワイヤーグリッド偏光子ＷＧ１の回転位置４５度と−４５度のそれぞれについてテラヘルツ電磁波の時間波形を計測する必要がある。すなわち、遅延ステージを２回動かしてスキャンする時間が必要である。物質表面の凹凸測定を行なう場合は、測定ポイントごとに遅延ステージをスキャンして時間波形を取得する必要がある。さらに、ＷＧ偏光子は２インチ以上（高精度品は４インチ程度）の大きな素子であり、回転させるには大きなトルクを必要とし、通常は手作業でＷＧ偏光子を回転させている。また、ＷＧ偏光子は高価な部品である。金属打ち抜き法による比較的安価なＷＧ偏光子では、使用できる帯域幅が１ＴＨｚ以下に限られている。また、消光比（通したい偏波方向の光の透過率に対する、それと直交する偏波方向の光の透過率の比）が大きくならず高精度の偏波分析ができない。【００１２】
これらの問題点に鑑み、本発明は、簡単な構成で電磁波の偏波方向と電場振幅を同時、かつ互いに独立して、高速、高精度に決定することのできる偏波解析装置と方法を提供することを課題とする。【００１３】
また、上記の偏波方向の決定を利用した物性測定装置と物性測定方法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】
【００１４】
本発明の第１の態様として、偏波解析装置を提供する。偏波解析装置は、電磁波を発生する電磁波発生源、電気光学効果を有する非線形光学結晶、前記結晶を角周波数ωで前記電磁波の入射に対して相対的に回転させる回転機構、前記電磁波による結晶の照射と同期して結晶にプローブ光パルスを入射する光学系、前記結晶を透過したプローブ光パルスの互いに直交する光成分の強度差信号を検出する検出器、および前記強度差信号からω成分と３ω成分の少なくとも一方を抽出し、前記抽出したω成分及び／または３ω成分に基づいて前記電磁波の偏波方向と電場振幅を決定する解析部、を有する。【００１５】
これにより、特定の角周波数成分から高速、高精度に偏波方向と電場振幅を決定することができる。【００１６】
良好な構成例では、解析部は、
ΔＩ＝Ｃ・Ｅ・［(1/2)cos(ωt＋φ)＋(3/2)cos(3ωt−φ)］    
に基づいて電磁波のω成分および／または３ω成分の位相情報と振幅情報を取得し、取得した位相情報と振幅情報に基づいて偏波方向と電場振幅を決定する。ここで、Ｃは係数、Ｅは電磁波の電場振幅である。【００１７】
これにより、検出された差分信号から位相情報と振幅情報を瞬時に、かつ互いに独立して取り出すことができる。【００１８】
また、良好な構成例として、回転機構の角周波数は、前記結晶が１回転する間に結晶上に奇数個のデータ点が得られるように設定されている。この構成により、ノイズを効果的に除去することができる。【００１９】
本発明の第２の態様として、上記の偏波解析を利用した物性測定装置を提供する。物性測定装置は、電磁波発生源、試料を保持する試料台、検出用の非線形光学結晶、結晶を角周波数ωで前記電磁波の入射に対して相対的に回転させる回転機構、電磁波と同期して結晶にプローブ光パルスを入射する光学系、検出器、偏波解析部、対応情報格納部、試料解析部を有する。【００２０】
電磁波発生源は円偏光または楕円偏光の電磁波を発生し、試料を照射する。検出用の結晶は、試料からの反射電磁波を検出する。検出器は、結晶を透過したプローブ光パルスの互いに直交する光成分の強度差信号を検出する。偏波解析部は、検出された強度差信号から、ω成分と３ω成分の少なくとも一方を抽出し、抽出したω成分及び／または３ω成分に基づいて前記円偏光または楕円偏光の電磁波の偏波角度を決定する。偏波角度−特性対応情報格納部は、特定の物質についてあらかじめ取得した円偏光または楕円偏光の電磁波の偏光角度（検出用の結晶におけるプローブ光パルス入射時の電磁波の偏光角度）と前記物質の特性との１対１の対応関係を示す対応情報を格納しておく。試料解析部は、偏波解析部で決定された電磁波の偏波角度と対応情報とに基づいて、試料の特性を決定する。【００２１】
この構成により、測定ごとの電場波形スキャンが不要になり、測定された偏波方向からただちに試料の特性を計測することができる。
【発明の効果】
【００２２】
高速かつ高精度に偏波方向を測定することができる。高価なＷＧ偏光子を使用する必要がない。広い帯域にかけて電磁波の偏光方向を高速、高精度に決定することができる。この偏波方向測定を利用した物性測定では、毎回電場の時間波形を取得しなくても、検出された偏波方向から直接試料の特性を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来の一般的な偏波方向解析装置の概略構成図である。
【図２】第１実施形態の偏波解析装置の概略構成図である。
【図３】図２の検出光学系の概略図である。
【図４】電気光学サンプリングの原理を説明するための図である。
【図５】図２の検出光学系の斜視図である。
【図６】モータ回転される非線型光学結晶の座標系を示す図である。
【図７】第１実施形態の装置と手法により取得されるデータ値と、これに対応する関数式を示すグラフである。
【図８】測定データの振幅フーリエ成分を示す図である。
【図９】測定データの位相フーリエ成分を示す図である。
【図１０】測定データから直接偏光角度を導くことを示す図である。
【図１１】偏波方向解析方法を示すフローチャートである。
【図１２】第１実施形態の効果を示すグラフである。
【図１３】第１実施形態の効果を示すグラフであり、電場振幅と偏波方向を互いに独立かつ安定して計測できることを示す図である。
【図１４】第２実施形態の偏波解析装置の概略構成図である。
【図１５】ノイズキャンセルの説明図である。
【図１６】第３実施形態の測定装置の概略構成図である。
【図１７】一般的な表面段差測定の概念図である。
【図１８】光学遅延ステージによる電磁波スペクトル測定の概念図である。
【図１９】測定用電磁波の偏光角度と試料表面段差の関係を説明する図である。
【図２０】測定用電磁波の偏光角度と試料表面段差の関係を説明する図である。
【図２１】第３実施形態の測定方法を示すフローチャートである。
【図２２】実施例３の表面段差と偏光角度との対応関係取得の模式図である。
【図２３】偏光角度とｚ方向深さ位置との対応関係の計測結果である。
【図２４】実施形態の測定装置を用いてサンプルを測定した測定結果を示す図である。
【図２５】各測定点での積算回数Ｎ＝１のときの取得データである。
【図２６】実施形態の測定装置による計測結果を比較例と比較して示す表である。
【図２７】１μｍの深さ分解能を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下で、図面を参照して発明の実施形態を説明する。
＜第１実施形態＞
図２は、第１実施形態の偏波解析装置１０の概略構成図である。偏波解析装置１０の特徴は、検出用の非線型光学結晶（Ｓ２）１６を角速度ωで高速回転し、検出される強度差信号ΔＩからωと３ωの少なくとも一方の角周波数成分を抽出して、照射電磁波の電場振幅強度Ｅaと偏波方向γを同時、かつ互いに独立して求める点にある。また、従来構成と比較して２枚のワイヤーグリッド（ＷＧ）偏光子と光学チョッパーを不要にし、構成を簡素化した点にも特徴がある。
【００２５】
偏波解析装置１０は、非線形光学結晶（Ｓ２）１６と、非線形光学結晶１６を角速度ωで回転するモータ１７と、非線形光学結晶１６を照射する電磁波を生成する電磁波発生源１９と、角速度ωで回転される非線形光学結晶１６にプローブ光パルスを入射する光学系２９を含む。また、非線形光学結晶１６を通過したプローブ光の直交する２つの成分の強度差信号ΔＩを検出する検出器２０と、検出された強度差信号を周波数解析してω成分と３ω成分の少なくとも一方を抽出し、ω成分及び／又は３ω成分に基づいて電磁波の偏波方向と電界振幅とを決定する偏波解析部２１を含む。
【００２６】
非線形光学結晶１６は、電場の印加により屈折率が異方性となる電気光学結晶である。たとえば、非線形光学結晶１６は閃亜鉛構造結晶であり、ＧａＰ、ＺｎＴｅ等を用いることができる。図２の例では、結晶方位面が（１１０）面のＧａＰ結晶を用いる。ＧａＰ結晶１６は図示しないフレームに保持され、フレームはモータ１７に接続される。モータ１７の回転により、フレームに保持されたＧａＰ結晶１６が角速度ωで回転する。
【００２７】
電磁波発生源１９は、図２の例ではテラヘルツ電磁波発生源である。図示しないレーザから出射されるポンプ光パルス（フェムト秒光パルス）を、偏光子（Ｐ１）１１を介してＺｎＴｅなどの非線形光学結晶（Ｓ１）１２に入射することによって、テラヘルツ電磁波パルスを発生させる。発生したテラヘルツ電磁波は、ミラー（Ｍ１）１３、ビームカット素子（Ｃ）１４、ミラー（Ｍ２）１５を介して検出用の非線形光学結晶１６に導かれる。
【００２８】
他方、プローブ光パルスは、偏光子（Ｐ２）１８および反射ミラーＭ３を含む光学系２９により、テラヘルツ電磁波の照射と同期して検出用の非線形光学結晶１６に導かれる。プローブ光パルスは、ポンプ光パルスを生成するレーザビームの一部を分岐して用いてもよい。
【００２９】
非線形光学結晶１６を透過したプローブ光パルスは、検出器２０で検出される。プローブ光パルスは、非線形光学結晶１６の電気光学効果を利用した電気光学サンプリングにより検出される。電気光学サンプリングについて、図３〜５を参照して説明する。
【００３０】
図３は、図２の検出系Ａの構成を示す概略図である。偏光子（Ｐ２）１８で直線偏光とされたプローブ光パルスは、（１１０）面を有するＧａＰ結晶１６に入射する。ＧａＰ結晶１６を透過したプローブ光パルスを１／４波長板２２に入射させて円偏光とし、ウォラストンプリズム（ＷＰ）２３を用いて２つの互いに直交する直線偏光のビームに分離する。分離した光ビーム（信号強度Ｉ1とＩ2）をそれぞれ光検出フォトダイオードＤ１、Ｄ２で検出して、電流に変換する。Ｄ１、Ｄ２で発生した電流の差分を電流／電圧増幅器（不図示）で電圧に変換することで、差分信号ΔＩ（ΔＩ＝Ｉ1−Ｉ2）を電圧信号として取り出すことができる。
【００３１】
図４は電気光学サンプリングの概念図、図５は図３の検出系の斜視図である。図４（Ａ）に示すように、ＧａＰ結晶１６にテラヘルツ電場が印加されていないときは、プローブ光ＬＢは直線偏光を維持したままＧａＰ結晶１６を透過する。
【００３２】
このとき、図５に示すように、ＧａＰ結晶の透過光が、実験室系の基準軸（プローブ光パルスの電界Ｅbの方向に一致）に対してπ／４だけｃ軸（光学素子固有の軸）が傾いた状態の１／４波長板２２を透過すると、プローブ光は円偏光となる。円偏光の光をウォラストンプリズム２３でｘ成分とｙ成分に分離すると、いずれの方向の強度も同じであるからＩ1＝Ｉ2となり、出力信号（差分信号ΔＩ）はゼロになる。
【００３３】
他方、図４（Ｂ）のように、電気光学効果を有するＧａＰ結晶１６に電場ＥTHzが印加されると、結晶の屈折率が変化して屈折率異方性となる（ポッケルス効果）。このため、ＧａＰ結晶１６を透過したプローブ光は入射前の偏光状態を維持することができず、１／４波長板２２を透過した光は楕円偏光となる。この場合、ｘ成分とｙ成分の大きさ（の二乗）の差はゼロでなくなる。検出器２０のフォトダイオードＤ１、Ｄ２で検出される強度に差が生じ、テラヘルツ電場に比例した差分信号ΔＩが得られる。なお、図５において、Ｕ３はプローブ光の伝搬方向でありＧａＰ結晶１６の（１１０）面に対して垂直な軸、Ｕ１とＵ２は（１１０）面内での高屈折率方向と低屈折率方向を示す。
【００３４】
図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、第１実施形態で使用する座標系を示す図である。水平軸ｘと垂直軸ｙは実験室系の軸であり、プローブ光の偏波方向で決まる軸である。プローブ光の電場偏波方向Ｅbはｘ軸と一致する。ｘ軸とテラヘルツ電場の偏波方向ＥTHzがなす角をγ、ｘ軸とＧａＰ結晶１６の［−１１０］方位軸となす角をβとする。ＧａＰ結晶１６はモータ１７によって角速度ωで回転されるため、角度βはωｔで変化する。なお、図６では単純化のため、時刻ｔ＝０でのＧａＰ結晶１６の［−１１０］方位軸はｘ軸に一致しているものとする。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の座標系に屈折率軸Ｕ１、Ｕ２を加えたものであり、テラヘルツ電場の印加による屈折率異方性を示している。
【００３５】
今、計測したいパラメータは、プローブ光パルスの偏波方向Ｅbに対するテラヘルツ電場の偏波方向γと、テラヘルツ電場の振幅（ＥTHzの大きさに比例）である。
【００３６】
本願の発明者らは、角度βをβ＝ωｔを満たすように時々刻々と変化させると、検出器２０の差分出力信号ΔＩは、以下の式（０）にしたがって時間の関数として変化することを見出した。
【００３７】
【数１】
0006040162.tif 000002
ここで、Ｉはプローブ光パルスの強度、Ωはプローブ光パルスの角周波数、ｎとｒはそれぞれプローブ光パルスの波長におけるＧａＰ結晶１６の屈折率と非線形光学定数、ｄはＧａＰ結晶１６の厚さ、ｃは光速であり、すべて既知の値である。厳密には位相整合条件を加味する必要があるため若干の修正が必要とされるが、ｄの値が小さい結晶を用いれば、その効果を無視することができる。したがって、（Ｉ・Ω・ｎ3・ｒ・ｄ／２ｃ）を係数Ｃとおくことができる。式（０）の導出については、後述する。
【００３８】
式（０）の位相情報φは、図６のテラヘルツ電場の偏波方向γを表している。また、振幅信号はＥTHzに比例するので、適切な比例係数をかけることでテラヘルツ電場強度の絶対値を取り出すことができる。式（０）を用いることで、検出器２０の出力ΔＩから角周波数ωおよび／または３ωで振動する成分を抜き出し、その振幅と位相の情報を得ることによってテラヘルツ電場の偏波方向と振幅を瞬時に、かつそれぞれ独立して計測することが可能になる。
【実施例１】
【００３９】
以下で、実際に行なった検証実験を示す。図３の装置を実際に組み立て、９４．７３Ｈｚで回転するモータ１７を用いてＧａＰ結晶１６を回転させた。回転するＧａＰ結晶にテラヘルツ電磁波を照射し、これと同期して、プローブ光パルスをＧａＰ結晶１６に入射した。ポンプ光パルスとプローブ光パルスの発生に用いたレーザは、パルス幅１５０フェムト秒、繰り返し周波数１．０４２ＫＨｚレーザである。【００４０】
モータ１７の回転を９４．７３Ｈｚに設定することで、回転するＧａＰ結晶１６上に１１個のデータ点が設定される。すなわち、ＧａＰ結晶１６が１回転（３６０°）する間に結晶１６上に１１回テラヘルツ電磁波が照射され、１１個のデータ点でΔＩを取得する。データ点の数は１１個に限定されず任意の数を設定することができる。第２実施形態と関連して後述するように、ノイズ除去の観点からは奇数個に設定されるのが望ましい。【００４１】
図７（Ａ）は、取得した連続する１１個のデータ点（白丸）をプロットした図である。横軸はデータ点の番号（ｉ）、縦軸は差分信号ΔＩの強度である。データ点の数が１１個の場合、データ点とデータ点の間の角度は３６０°／１１＝３２．７３°である。ｉ番目のデータ点での結晶角度β（入射プローブ光の偏波方向Ｅbに対するＧａＰ結晶の［−１１０］軸の角度β）は、
β＝（ｉ−１）×３６０°／１１＝（ｉ−１）×２π／１１[rad]
となる。【００４２】
１１個のデータ点は、式（１）で表すことができる。【００４３】
【数２】
0006040162.tif 000003
図７（Ａ）の点線は、式（１）について以下のパラメータを用いて描いたものである。【００４４】
【数３】
0006040162.tif 000004
測定データは式（１）を非常によく再現している。図７（Ｂ）は、式（１）の右辺の２つの項を分解してプロットした図である。【００４５】
【数４】
0006040162.tif 000005
図７（Ｂ）からわかるように、３ω成分（曲線Ｂ）の最大振幅はω成分（曲線Ａ）の最大振幅の３倍であり、３倍の速さで時間変化する。ＡとＢを合波すると図７（Ａ）の波形になる。【００４６】
図８は、図７（Ａ）の１１個のデータ点をフーリエ解析し、β、２β、３β、４β、５β、６βの周波数成分に対する振幅フーリエ成分を取り出した結果を示す。βと３βに振幅が現れ、２β、４β、５β、６βの振幅フーリエ成分はほぼゼロである。３βの振幅フーリエ成分は、βの振幅フーリエ成分の３倍である。なお、２β、４β、５β、６βの振幅フーリエ成分が完全にゼロでないのは、検出器２０の線形性に若干のエラー（非線形性）が存在するためである。【００４７】
式（１）で示したω成分と３ω成分の【００４８】
【数５】
0006040162.tif 000006
は、それぞれ以下の量を表している。【００４９】
【数６】
0006040162.tif 000007
ここでβ0は結晶の初期角度、γは求めたい偏光角度（図６の座標系のＥTHzの偏光角γ）、ｎ1、ｎ2は任意の整数である。図７では便宜上、初期角度β0をゼロとしていたが、実際にはセットアップ時に結晶がどの方向を向いているか（どの象限に［−１１０］方位軸があるか）わからないからである。【００５０】
式（２）、（３）から、結晶の初期角度β0を決定する。今、我々はβ0の値がラフに４５°と１３５°の間にあることを知っているとする。すなわち、ＧａＰ結晶の［−１１０］結晶方位軸がプローブ光パルスの偏光方向（ｘ軸）に対して９０°近傍の位置にあるとする（β0＝９０±４５°）。この場合、初期角度β0は式（４）で表すことができる。【００５１】
【数７】
0006040162.tif 000008
ただし、０≦Δβ≦π/２。このとき、式（２）と式（３）を足すと以下の式が得られる。【００５２】
【数８】
0006040162.tif 000009
したがって、式（５）を用いてΔβの値を算出することができる。【００５３】
【数９】
0006040162.tif 000010
±４５°の範囲で当初の結晶の向きをラフに知ることができれば、上述した要領で式を簡単に作ることができ、Δβの値を正確に知ることができる。【００５４】
実施例１の場合、図７のグラフで用いたパラメータ（数３）によると、【００５５】
【数１０】
0006040162.tif 000011
あるから、式（５）の３番目の式が適用され、Δβ＝150.2°−135°＝15.2°が求められる。初期角度β0は、式（４）からβ0＝45°＋15.2°＝60.2°である。【００５６】
以上の値を式（２）、（３）に代入すると、式(2)'、(3)'のように変形できる。【００５７】
【数１１】
0006040162.tif 000012
γの範囲は０°＜γ＜３６０°である必要があるから、式(2)'、(3)'のｎ1、ｎ2の値は、それぞれ０、１でなければならない。したがって、【００５８】
【数１２】
0006040162.tif 000013
となり、式(2)''と式(3)''のいずれを用いてもγ＝186.5°であることがわかる。【００５９】
図９および図１０は、上述した解き方をグラフを用いて説明する図である。まず、式（５）からβ0＝60.2°であることが解けた。したがって、式(2)''から、【００６０】
【数１３】
0006040162.tif 000014
によりγを導出する。これは図９のω成分における濃いグレイの棒線（246.7°）から淡い灰色の棒線（60.2°）を引き算することに相当する（246°−60.2°＝186.5°）。【００６１】
一方、３β0＝180.6°であるから、式(3)'でｎ2＝０としてしまうと、【００６２】
【数１４】
0006040162.tif 000015
となり、負となってしまう。従って、３６０°を足して、【００６３】
【数１５】
0006040162.tif 000016
を計算すればよい。これは図９の３ω成分における白い棒線（3β0＋360°＝540.6°）から濃いグレーの棒線（354.1°）を引き算することに相当する（540.6°−354.1°＝186.5°）。【００６４】
図１０は、上記の計算結果を示すものである。当然であるが、式(2)''を用いても、式(3)''を用いても、γ＝186.5°を導くことができる。【００６５】
なお、測定装置の関係で初期角度β0の推定ができない場合は、偏光角度の決定に９０°の任意性が残る。その場合は、以下の方法で初期角度の任意性を消去することができる。【００６６】
まず、縦偏光か横偏光かおおよそ分かっている電磁波発生源を用意する。たとえば、光パスの途中に縦偏光か横偏光かを見分けることのできる偏光子をおく。一例として、シリコン基板を斜めに（テラヘルツ電磁波の伝搬方向に対して４５°の角度で）配置すると縦偏光と横偏光の透過率が変化することを利用して、縦偏光か横偏光かを見分けることができる。そして上記の方法で既知の（垂直方向か水平方向かの）偏光をもった光の偏光角度を決定する。このときに縦偏光であるにもかかわらずγ＝186.5°という横偏光の値が出てきた場合には、β0の決定に９０°のエラーがあると判定できる。したがって、新たにβ0＝（60.2＋90）°と置きなおして、以降の実験を継続すればよい。【００６７】
この方法は、９０°の任意性を１８０°の任意性に抑えることができる。１８０°の任意性では、例えば横方向（水平方向）の電場ベクトルが「右を指しているか」、「左を指しているか」という不定性は残るが、実用上は左右方向の不定性が問題になることはほとんどないので問題はないと考えられる。【００６８】
図１１は、第１実施形態による偏波方向解析方法を示すフローチャートである。ステップＳ１０１で、検出用の非線形光学結晶を角周波数ωで回転する。ステップＳ１０３で、非線形光学結晶に測定対象の電磁波を照射し、これと同期してプローブ光を入照する。ステップＳ１０５で、結晶を透過した光ビームを互いに直交する成分に分離して差分信号（強度差）ΔＩを検出する。ステップＳ１０７で差分信号ΔＩを周波数解析して、角周波数ω成分と３ω成分を抽出する。この処理は式（１）で表され、式（０）と等値である。ステップＳ１０７で、照射電磁波の振幅成分と位相成分を取得して、偏波方向と電場振幅とを算出する。ω、３ωのいずれの位相情報からも偏波方向γを求めることができる。また、ω、３ω成分の振幅情報に適切な既知の係数を乗算することで、電磁波の電場強度の絶対値を取り出すことができる。【００６９】
図１２と図１３は、第１実施形態の効果を示す図である。図１２は上述した方法で偏波方向γを測定したときの平均値からの偏差分布を示すグラフである。１回の測定を２２ミリ秒とし、１００００回測定を繰り返した（Ｎ＝１００００）。測定結果はガウス分布を示し、平均値75.00°からの偏差σはわずか０．５６°である。標準誤差はσ／Ｎ1/2で表されるので、±０．００５６°の精度である。【００７０】
図１３は第１実施形態の測定手法の安定性を示すグラフである。図１３の上段は電場振幅、下段は偏波方向の平均値からの偏差を示す。これら２つの結果は４２秒の範囲で１０００個の測定点から、それぞれ独立して同時に得られたものである。上段の測定では、近赤外レーザパルスの円形減光フィルタを手動で回転して、わざとテラヘルツ電場の振幅Ｅａを±２５％の範囲で変化させ最大振幅で正規化した。【００７１】
下段の測定では、同一測定期間内でのテラヘルツ偏波方向γ（プローブ光の偏波方向に対するテラヘルツ電場の偏波方向）のばらつきを取得した。１０００個の測定点での平均値75.00°からの偏差を表す。この測定結果から、電場振幅の変化にもかかわらず、偏波方向γの測定ばらつきは非常に小さく、電波振幅に依存せずに安定して偏波方向が得られることがわかる。【００７２】
以上のように、第１実施形態の装置および方法を用いることで、一対のワイヤグリッド偏光子を用いる従来方法や、結晶を２つの直交する方向に手作業で回転する手法と比較して、以下の効果が得られる。【００７３】
第１に、１スキャンで高速（２２ミリ秒以内）かつ高精度（１度以下）に偏波方向と電場強度をリアルタイム測定することができる。第２に、光学素子の偏光方向を正確に設定しなくても、プローブ光の偏波方向に対する照射電磁波の絶対偏波方向を決定することができる。第３に、１回の測定で電場振幅と偏波情報を別々に取得可能であり、かつ偏波情報は振幅変動の影響から独立している。第４に、装置構成が簡素化される。
＜第２実施形態＞
第２実施形態では、第１実施形態の装置および方法にノイズ除去機能を追加する。図１４は、第２実施形態の偏波解析装置５０の概略図である。図３の偏波解析装置１０と同じ構成要素には同じ符号を付けて、重複する説明は省略する。【００７４】
図１４の偏波解析装置５０は、電磁波発生源１９の偏光子（Ｐ１）１１の前段に挿入された光学チョッパー５１と、ノイズ除去演算部５３を有する。光学チョッパー５１とノイズ除去演算部５３は、偏波方向を検出する際に現れるノイズを効果的に除去するために用いられる。【００７５】
偏波解析装置５０に生じるノイズは、検出用の（１１０）閃亜鉛構造結晶（第２実施形態ではＧａＰ結晶）１６におけるプローブ光の散乱等に起因する。ノイズは、測定対象の照射電磁波が存在しなくても現れ、ＧａＰ結晶１６を回転させたときの各時刻における角度の関数として周期的に変化する。【００７６】
光学チョッパー５１は、発生する電磁波を周波数ｆ1で変調する。変調周波数ｆ1は、検出用のＧａＰ結晶１６の回転周波数をｆ2としたときに、次の関係を満たすように設定される。【００７７】
ｆ1＝（ｎ／２）×ｆ2            （６）
ここで、ｎは奇数であり、回転するＧａＰ結晶１６上のデータ点の数である。【００７８】
図１５は、光学チョッパー５１を用いたノイズキャンセルの原理を説明するための図である。この例では、ｎ＝５の場合、すなわち、結晶１６上の照射点（データ点）の数が５個の場合を示す。【００７９】
ｆ1＝（５／２）×ｆ2            （７）
横軸は時間軸、ｊは電磁波の照射パルス番号である。発生電磁波は、光学チョッパー５１によって時間軸に沿って周波数ｆ1でＯＮ／ＯＦＦされる。他方、周波数ｆ2で回転するＧａＰ結晶１６は、発生電磁波のＯＮ／ＯＦＦ周期の２．５倍で一回転するように設計されている。【００８０】
図１５の一回転目において、０〜７２°の角度範囲（初期角度から５分周した角度）で、発生電磁波はＯＮとなっている。二回転目の同じ０〜７２°の角度範囲では、発生電磁波はＯＦＦとなっている。従って、一回転目のデータから二回転目のデータを差し引くことで、一回転目と二回転目に共通して存在するノイズが差し引かれ、求めたい電磁波信号だけが残る。【００８１】
引き続く７２〜１４４°の角度範囲では、一回転目で発生電磁波がＯＦＦであり、二回転目で発生電磁波はＯＮである。この場合は、二回目のデータから一回転目のデータを差し引く。この処理を３６０°回転するまで繰り返して、ノイズを除去したデータ列を取得する。【００８２】
データ点の数ｎを奇数に設定する理由は、連続する二回の回転を１セットとしたときに、同じ角度領域でかならずＯＮとＯＦＦになるようにするためである。この数値処理を数式で表すと、以下のようになる（ｎ＝５の例）。【００８３】
【数１６】
0006040162.tif 000017
ここで、ΔＩ（ｊ）はｊ番目に取得した差分信号ΔＩであり、ΔＩ'（ｊ）はＯＮ／ＯＦＦ処理でノイズを差し引いて得られた新しいデータ列である。【００８４】
ノイズ除去演算部５３は、検出器５２で検出された差分信号ΔＩに基づいて数１６の処理を行なう。ノイズ除去処理で得られたΔＩ'（ｊ）を以降の周波数解析（ω成分と３ω成分の抽出）に用いることで、照射電磁波の偏波方向と電場振幅をより正確に測定することができる。【００８５】
なお、図１４では、ノイズ除去演算部５３は、検出器５２と解析部２１の間に挿入されているが、検出器５２と一体的に構成されてもよいし、解析部２１と一体的に構成されてもよい。或いは、外部の演算装置を用いてもよい。
【実施例２】
【００８６】
実際の検証例を説明する。ＧａＰ結晶１６上に１１個のデータ点を設定する。レーザシステムの繰り返し周波数は1.042 kHzである。これを、電気回路を用いて１１分周することで
ｆ2＝94.73 Hz
とする。モータ１７の角速度ωはこのｆ2値になるように制御される。光学チョッパー５１の周波数ｆ1は、式（６）から、
ｆ1＝（１１／２）×94.73 Hz＝521 Hz
である。この設定により、1.042 kHzのレーザパルスで生成されたテラヘルツ電磁波は、３６０°を１１等分した角度でＧａＰ結晶１６に当たる。【００８７】
検出器５２のノイズ除去演算部５３は、２２個のデータ点（二回転分のデータ点）を用いて、１１個の新しいデータ列を生成する。【００８８】
【数１７】
0006040162.tif 000018
偏波解析部２１は、得られたΔＩ'（ｊ）データ列の成分を周波数解析してω成分と３ω成分を抽出し、電磁波の偏波方向（偏光角度）と電場振幅を決定する。これにより、ノイズを効果的に抑制した偏波方向、電場振幅の決定が可能になる。【００８９】
第１実施形態および第２実施形態の手法は、偏波方向決定精度が非常に高いことから、微小カー回転角測定（またはファラデー回転角測定）による高精度光磁気計測や、複屈折による偏光回転を利用した微小応力歪み検出、生体分子の高精度円二色性スペクトル計測への応用が可能になる。電磁波の照射により試料の特性を測定する場合は、表面形状、応力、磁性等の内部状態、生体分子の構造など多様な特性測定に適用できる。
＜第３実施形態＞
第３実施形態では、第１実施形態または第２実施形態の偏波解析装置を用いて、物質の特性を高い分解能で測定する。第３実施形態では、物質特性の一例として試料の表面段差（凹凸）を決定する。この例では、試料に円偏光または楕円偏光の電磁波を照射して、試料からの反射電磁波の偏波方向から直接、試料の特性を測定する。【００９０】
図１６は、第３実施形態の物性測定装置１００の概略図である。測定装置１００は、レーザ１０１、試料１３０を保持するステージ１３１、電磁波発生用のＺｎＴｅ結晶１１５、発生した電磁波を円偏光または楕円偏光にする光学素子１１１、試料１３０からの反射電磁波を検出する検出用のＺｎＴｅ結晶１１６、ＺｎＴｅ結晶１１６を角周波数ωで回転するモータ１１７、ＺｎＴｅ結晶１１６に電磁波の照射と同期してプローブ光パルスＬＢを入射する光学系１２９を有する。ＺｎＴｅ結晶１１５、１１６は閃亜鉛構造を有する結晶である。試料１３０は、電磁波発生用のＺｎＴｅ結晶１１５と検出用のＺｎＴｅ結晶１１６の間に位置する反射系に置かれている。【００９１】
物性測定装置１００はさらに、検出用のＺｎＴｅ結晶１１６を透過するプローブ光の差分信号ΔＩを検出する検出器１５２と、差分信号ΔＩを周波数解析してω成分と３ω成分を抽出し検出電磁波の偏波方向を決定する偏波解析部１２１と、偏波解析部１２１の出力から試料１３０の特性を計測する試料解析部１２２を含む。試料解析部１２２は、特定の物質について、あらかじめ取得した偏波方向（偏光角度）と物質の特性との対応関係を示す情報を格納する偏光角度−特性対応情報格納部１２３と、測定された偏光角度と格納された対応情報とから試料の特性を決定する特性決定部１２４を有する。表面段差を計測する場合は、偏光角度と段差（表面深さ）との対応関係を予め取得して対応情報格納部１２３に格納しておく。ここで、あらかじめ取得される偏光角度は、円偏光（または楕円偏光）の電磁波の、検出用結晶１１６におけるプローブ光パルス入射時の偏光角度である。レーザ１０１の出射光はビームスプリッタ（ＢＳ）によって分岐され、一部はポンプ光パルスとして電磁波発生用のＺｎＴｅ結晶１１５に導かれ、一部はプローブ光パルスとして検出用のＺｎＴｅ結晶１１６に導かれる。【００９２】
レーザ１０１、光学素子（ＧＬ、ＨＷＰ、反射ミラーなど）、ＺｎＴｅ結晶１１５、１／４波長板１１１で電磁波発生源を構成する。任意でノイズ除去用の光学チョッパー１１０を挿入してもよい。直線偏光子ＧＬ、１／２波長板ＨＷＰを通過したレーザパルスをＺｎＴｅ結晶１１５に照射して電磁波を発生させる。図１６の例では、テラヘルツ波を発生させ、発生した電磁波を１／４波長板１１１に通して円偏光にする。円偏光の電磁波は、パラボラミラー（ＰＭ１−ＰＭ３）を介して試料１３０に導かれる。試料１３０の表面で反射した電磁波は、パラボラミラー（ＰＭ４、ＰＭ５）を介して、検出用のＺｎＴｅ結晶１１６に入射する。【００９３】
他方、ビームスプリッタ（ＢＳ）で分岐されたプローブ光ＬＢは、光学系１２９によって検出用のＺｎＴｅ結晶１１６に導かれる。光学系１２９は、光学遅延素子１０６を有する遅延ステージＤＳを含む。この遅延ステージＤＳは、試料１３０の測定中は固定にしておくことができる。これは物性測定装置１００の有利な特徴のひとつである。その理由を以下で説明する。【００９４】
一般に、試料表面の深さの変化は、試料に直線偏波の光を照射し、試料からの反射光が検出されるまでの時間を計ることで測定されている。この様子を図１７に示す。試料のＡ点とＢ点に距離ｄの段差がある場合、検出される電磁波の光路長にΔｘ＝２ｄの差が生じる。これは時間差Δｔとして検出される（Δｘ＝ｃΔｔ； ｃは光速）。到達時間の変化Δｔを測定するためには、電磁波の振幅がピーク値を示す時刻を決定する必要がある。そのため、図１８に示すように、遅延ステージを駆動しなければならない。【００９５】
図１８において、光学遅延素子１０６の位置をΔｘ動かすことによって、電磁波の光路長が２Δｘ変化する。光路長が２Δｘ長くなった場合、検出用のＺｎＴｅ結晶１１６への電磁波の入射タイミングがΔｔずれる（Δｔ＝２Δｘ／ｃ）。光学遅延素子１０６の位置を一定のステップサイズで動かしながら反射電磁波の測定を繰り返すことで、検出用のＺｎＴｅ結晶１１６に入射する電磁波の時間波形の全体が得られ、ピーク位置を特定することができる。ただし、この方法では測定点ごとに遅延ステージを駆動しなければならない。【００９６】
そこで、第３実施形態では、照射電磁波を直線偏光ではなく円偏光または楕円偏光にすることで、測定中の遅延ステージＤＳの駆動を不要にする。円偏光や楕円偏光の場合は電場の偏光角度が連続的に変化することを利用して、試料表面の段差（凹凸）を測定する。【００９７】
図１９は、一例として円偏光の光の偏光角度と段差の対応関係を説明するための図である。ｚ軸は電磁波の進行方向である。電磁波の１波長以下の段差に対し、段差ｄ（ｚ方向の位置）と電場の偏光角度とを１対１対応で対応づけることができる。図１７に示す直線偏光の光を用いる方法では、Ａ点とＢ点との段差ｄを電場の到達時間差として検出している。これに対し、図１９の方法では、電磁波の偏光角度の変化として段差ｄを検出することができる。【００９８】
一般に、円偏光の電場ベクトルの方位角の変化をΔθ（deg.)、波長をλとすると、段差ｄは式（１０）の関係を満たす。【００９９】
【数１８】
0006040162.tif 000019
式（１０）から分かるように、物性測定装置１００の有利な特徴として、測定される段差ｄは電磁波の振幅と無関係である。これは光源強度の揺らぎがノイズとして入ってこないことを意味する。また、従来のように直線偏光を入射する場合と異なり、測定中に検出電磁波の時間波形全体をスキャンする必要がないため、サンプリング数を大幅に減らすことができる。【０１００】
図２０（Ａ）と図２０（Ｂ）は、検出用のＺｎＴｅ結晶１１６にプローブ光パルスが到達したときの電場のスナップショットを描いたものである。電場の進行方向は図中の矢印の方向（ｚ方向）であり、左回り円偏光を仮定している。図を見やすくするために、ｘ成分の電場は省略してある。【０１０１】
図２０（Ａ）は図１７のＡ点から反射した電磁波、図２０（Ｂ）は、図１７のＡ点よりも１０μｍ深い位置にあるＢ点から反射した電磁波である。図１６の測定装置１００の場合、照射電磁波の波長λ＝３００μｍ、ｄ＝１０μｍであるから、式（１０）によると、Δθ＝２４°となる。したがって、図２０（Ａ）、図２０（Ｂ）の右側に示すように、試料のＡ点からの反射電磁波の偏光角度が、偏波解析部１２１（図１６）により１８０°と算出された場合、Ｂ点からの反射電磁波の偏光角度は１５６°となる。【０１０２】
このように、試料１３０で反射し、非線形光学結晶１１６で検出された光の偏光角度から、検出波長以下の微小な段差（深さ位置）の計測を行なうことが可能である。実施例１の偏波解析装置１０または実施例２の偏波解析装置５０を用いると、図１２に示したように±０．０１°以下の精度で偏波の方向を決定することができる。Δθ＝±０．０１°として式（１０）に代入すると、ｄ＝±λ／７２０００となる。入射電磁波の波長がλ＝３００μｍのテラヘルツ波だとすると、ｄ＝±４．２ｎｍの精度で試料表面の測定をすることができる。【０１０３】
なお、測定中は図１６の遅延ステージＤＳを固定しているが、偏光角度と段差の１対１の対応関係をあらかじめ取得するために、遅延ステージＤＳを駆動する。この場合でも、物質ごとに１度のスキャンですみ、測定中の時間波形取得のための遅延ステージのスキャンは不要である。ここでいう遅延ステージのスキャンは、試料表面での電磁波の２次元走査とは別のものである。【０１０４】
従来の直線偏光を用いた測定方法に、第３実施形態の手法、すなわち、あらかじめ電場を大きさを段差ｄの関数（Ｅ＝Ｅ（ｄ））として取得し、測定されたＥの値からｄを見積もる方法を適用できないこともない。しかし、反射電場の大きさはレーザの揺らぎや測定対象物の反射率により変化すること、直線偏光の場合はＥとｄは一般に１対１に対応していないなどの制約があること、から現実的ではない。これに対し、円偏光の場合は、式（１０）で示したように、レーザ揺らぎの影響を受けず、偏光角度と段差を１対１対応にできる点で非常に有利である。同じことが楕円偏光にも当てはまる。【０１０５】
物質ごとに偏光角度と段差ｄの関係をあらかじめ取得する方法として、遅延ステージＤＳを駆動するかわりに、試料を保持するステージ１３１をｚ方向に動かす構成としてもよい。この場合は、電動マイクロメータ等で試料１３０のｚ方向の位置を少しずつ変化させながら偏光角度と段差ｄの対応関係を取得する。いずれの方法によっても、試料１３０表面で反射され検出された電磁波の偏光角度（偏波方向）から、表面段差を直接決定することができる。【０１０６】
図２１は第３実施形態の物性測定方法のフローチャートである。ステップＳ２０１で、試料に円偏光または楕円偏光の電磁波を照射し非線形光学結晶で検出される反射光の偏光角度と、試料特性（たとえば表面の段差ｄ）との関係をあらかじめ取得する。取得した対応関係情報を、測定装置１００に格納しておく。ステップＳ２０３で、測定対象物に円偏光または楕円偏光の電磁波を照射し、反射された電磁波を非線形光学結晶で検出する。ステップＳ２０５で、第１実施形態または第２実施形態の手法により、検出された電磁波の偏光角度（偏波方向）を決定する。ステップＳ２０７で、測定された偏波方向と格納された対応関係から測定対象物の特性（表面段差ｄ）を決定する。【０１０７】
この方法により、高速、高精度に物質の表面形状を測定することができる。
【実施例３】
【０１０８】
第３実施形態の物性測定装置１００を用いた特性測定の具体例として、実施例３を提示する。実施例３では、物体の表面形状を測定し、測定結果を工作機械の性能評価に応用する。【０１０９】
まず、図２１のステップＳ２０１を実施する。具体的には、図１６の装置を用い、（１１０）ＺｎＴｅ結晶１１５で発生させた直線偏光のテラヘルツ電磁波を、ＱＷＰ１１１で楕円偏光にする。次に、楕円偏光のテラヘルツ電磁波パルスを、試料１３０がマウントされたステージ１３１に入射させる。試料からの反射波を、検出用の回転結晶１１６とそのあとのバランス検出器系を用いて検出し、検出波のω成分及び／又は３ω成分に基づいて振幅と偏光状態を計測する。これをステージ１３１の高さ方向（ｚ方向）の位置を変えながら繰り返す。【０１１０】
図２２は、試料Ｓの表面段差と検出電磁波の偏光角度との対応関係を取得する模式図である。試料１３０がマウントされたステージ１３１を、図２２の模式図（Ａ）のｚ方向に１０μｍずつ動かしながら、各位置で検出電磁波の振幅と偏光状態を計測する。計測結果から得られた偏光状態と振幅を計測点と対応付けて、あらかじめ対応テーブル（図１６の対応情報格納部１２３に該当）に格納しておく。ｚ位置方向で段差の低い位置（図２２（Ｃ）で反射した電磁波の偏光状態は、試料Ｓの段差の高い位置（図２２（Ｂ））で反射した電磁波の偏光状態に比べて、Δθだけ偏光方向が進んでいる。したがって、対応テーブルを参照することで偏光状態の実測値から試料の深さ位置がわかる。ｘ−ｙ平面内でスキャンして計測を行うことによって、物体の段差形状が得られる。【０１１１】
図２３は、偏光状態とｚ方向の深さ位置の対応関係の計測結果である。図２３（Ａ）はステージ１３１を動かしながらテラヘルツ電磁波の振幅と偏光を同時計測した結果をポーラープロットしたものである。各白丸点はｚ座標を＋ｚ方向（図２２（Ａ）の高さ方向）に１０μｍ間隔で動かし、計測時にステージ１３１を止めて取得した点である。図２３（Ｂ）は図２３（Ａ）の結果をｚ座標（横軸）と偏光角度γ（縦軸）の関係にプロットし直した図である。なお、ｚ座標の絶対値は相対的なものであり、ｚ＝０の点をどこにとっても構わない。図２３（Ｂ）では、後述するように図２４（Ａ）のｘ＝０，ｙ＝０におけるｚ座標位置を０として表示している。【０１１２】
図２３（Ｂ）に示すように、ｚ＝−２４０μｍからｚ＝８０μｍの範囲で、検出された偏光角度γが、ｚ座標値の増加に対して単調増加していることがわかる。すなわち、ｚ方向に80-(-240)=320 μｍの範囲では、ｚ座標値と偏光角度γは１対１に対応しており、実験的に得られた偏光角度γからｚ座標の値を一意に決定することが可能である。図２３（Ｂ）上では−２４０〜−２００μｍ、７０〜８０μｍの範囲で偏光角度の変化がないように見えるが、この領域を拡大するとｚ座標の増加にともなってγの値が単調増加しており１対１対応は確保される。【０１１３】
なお、図２３の例ではｚ座標の測定点が１０μｍに一点となっているので、ｚ座標と偏光角度との（ｚ vs. γ）対応関係を考察する際には、測定点間を線形補間することで校正曲線データを作成した。【０１１４】
次に、図２１のステップＳ２０３を実施する。具体的には、測定対象物に電磁波を照射し、反射電磁波を光学結晶１１６で検出する。測定サンプルとして、図２４（Ａ）のロゴマークを作製した。これは、３０ｍｍ角のアルミ板に数値制御フライス盤を用いて、約１７μｍの深さを持つペンマークを彫刻したものである。彫刻の方法は以下の通りである。
（ａ）３０ｍｍ×３０ｍｍ×１０ｍｍのアルミ板を用意し、数値制御フライス盤にセットする。
（ｂ）このフライス盤を用いて、アルミニウム板表面の３０ｍｍ×３０ｍｍの部分をφ５０ｍｍのフライスカッターを用いて平坦にする。
（ｃ）あらかじめ数値制御フライス盤にプログラムされたロゴマークを深さ１０μｍの設定で彫刻する。３つの彫刻パーツＡ，Ｂ１、Ｂ２に対して、深さ設定値１０μｍで各パーツ中央部から円を描き、円の直径を大きくしながら彫刻する。３つのパーツＡ，Ｂ１，Ｂ２の彫刻の順番は、まずパーツＡの左上から右下にかけて彫刻する。次に、左下のパーツＢ１を彫刻する。最後に右上のパーツＢ２を彫刻する。各工程において使用したエンドミルの直径は１ｍｍである。
（ｄ）加工が終わったアルミ板をエアゾールで洗浄する。
（ｅ）次に、接触式厚み計（分解能±２μｍ）を用いて相対的な深さ計測を行い、図２４（Ａ）に示す数値を取得した。具体的には、アルミ板全体を平坦（工程（ｂ））にしたときのｚ座標を基準値（ｚ＝０μm）とし、パーツＡの深さを計測したところ、右下部分の深さは−１６μｍであった。パーツＢ１（左下の部分）の計測値は−１７μｍであった。計測に使用した接触式厚み計の分解能が±２μｍであるから、２点間の深さの違いは誤差の範囲内である。また工作設定値（深さ１０μｍ）)よりも深くなっているが、これは工作機械加工の際のエラーである。【０１１５】
同じサンプルに対して、図１６の装置１００を用いてテラヘルツ楕円偏光パルスによる厚み計測を行った。ステージ１３１をｘ−ｙ方向に１ｍｍピッチで動かし、計測時はステージ１３１を止めて偏光計測を行った。【０１１６】
次に、図２１のステップＳ２０５とＳ２０７を行う。各測定点（ｘ，ｙ）からの反射電磁波の検出値を測定装置１００の偏波解析部１２１で解析して、偏光角度γを求める。求めた偏光角度γの値を順次メモリに格納する。そして、図２３で求めた（ｚ vs γ）対応関係（校正曲線）を使用し、計測したγ値からｚの値を導く。したがって、最終データは各（ｘ，ｙ）座標における深さｚの値ｚ（ｘ，ｙ）である。これを二次元等高線表示すれば、サンプルの表面形状を二次元表示することができる。実際に取得したデータに任意で傾き補正を行って、図２４（Ｂ）の画像が得られる。【０１１７】
図２４（Ｃ）は図２４（Ｂ）のＣ−Ｃ'ラインに沿った断面の深さ変化、図２４（Ｄ）は図２４（Ｂ）のＤ−Ｄ'断面の深さ変化を表わす。図２４（Ｃ）あるいは図２４（Ｄ）の断面プロファイルに示すように、約１６μｍという定量的な深さ情報を得ることに成功した。【０１１８】
以上から、第３実施形態の測定装置１００は機械加工盤の非接触検査方法に活用することが可能である。非接触計測法としてはレーザを用いた変位計測も考えられるが、レーザが目に入ると失明するなどの危険を伴う。これをテラヘルツ波で行うことで安心・安全に調査を行うことが可能となる。さらに後述するように、図１６の装置１００はレーザ変位計と比べても同程度かそれ以上の計測速度・深さ分解能を持つ。【０１１９】
以下で計測速度について説明する。図２４（Ｂ）の画像を取得するにあたり、各点で１０回積算を行っている。一点につき２２ｍｓ×１０＝０．２２ｓの時間がかかっている。計測点は合計８４１点（２８ｍｍ×２８ｍｍの範囲を１ｍｍピッチでスキャン）であるから、計測時間は実質１８５秒、すなわち約３分で計測が完了する。【０１２０】
図２５（Ａ）は、積算回数Ｎ＝１で計測を行ったときの取得データである。図２５（Ｂ）は、図２５（Ａ）のＥ−Ｅ'ラインにそった断面形状を示すグラフである。グラフからわかるように、若干分解能が下がるものの、十分に定量的なイメージング計測ができている。図２５のケースでは、各点での計測時間はわずか２２ｍｓである。従って、合計８４１1点の実質的な計測時間は約１９秒であり、原理的には非常に高速に表面凹凸イメージが取得できている。現実の測定で各点間のステージ１３１の移動時間を含めても２０分以内で測定が完了する。図１６の測定装置１００を、一度に広範囲の領域を測定できるＣＣＤカメラと組み合わせて偏光イメージングを行うならば、飛躍的な計測時間の短縮が可能である。【０１２１】
図２６は、図１６の測定装置１００の計測時間を、市販されている可視レーザ光を用いたレーザ変位計と比較した結果を示す表である。比較例では、測定時の基準距離（サンプルとレーザ出射面あるいは集光レンズ間の距離）が図１６の測定装置１００と同等の（株）キーエンス社製、LK-H085を用いた。【０１２２】
測定範囲については、テラヘルツ分光は電場波形の山がどのタイミングで到着するかという、いわゆるTime-of-Flight法を別途利用することで、いくらでも範囲を調節することができる。決めたポジションにおいて±０．１６ｍｍの範囲で凹凸計測ができるので、レーザ変位計に比べて劣るところはない。スポット径については、長方形に絞られる比較装置に比べて１ｍｍ直径の円形に絞られる実施例の装置１００のほうが使い勝手がよい。【０１２３】
実施例３の装置１００の原理的な精度はもっと高い。図２７は、実施例３の計測系の深さ分解能が何によって律速されているかを示すデータである。これはＭ＝０〜９（この間は位置固定）の組で偏光角度を連続して計測し、その後Ｍ＝１０でステージ１３１を−ｚ方向に１μｍずらし、Ｍ＝１０〜１９（この間は位置固定）の組で同じく偏光角度を連続して計測したものである。図２７に示すように１μｍの深さ分解能は十分に達成できている。【０１２４】
最後に、実施例３の測定装置１００の原理的な分解能について考察する。図２７から、試料を１μｍ移動すると偏光角度が２°回転する。図１２と関連して説明したように、２２ｍｓの１回計測でおよそ１°の偏光角度決定精度が実現する。従って、原理的には２２ｍｓで０．５μｍの深さ決定精度が実現できるのである。また１００回積算（２．２ｓ）で０．１°の決定精度を得ることができるから、２．２秒で０．０５μｍの深さ決定精度が実現できる。これは図２６の表に記載したレーザ変位計に比べて、迅速・正確な計測ができることを意味している。さらに１００００回積算（２２０ｓ）では０．００５μｍの深さ決定精度が実現できる。【０１２５】
このように、積算回数の増加、あるいはＣＣＤカメラ等を用いたイメージング計測の適用、あるいはこれらの組み合わせを行うことによって、深さ決定精度はさらに向上すると考えられる。
＜数学的検証＞
最後に、式（０）の導出について図６の座標系を参照して説明する。図６において、Ｕ１、Ｕ２はＧａＰ結晶１６の屈折率主軸である。（１００）面を有するＧａＰ結晶の［−１１０］方位軸（Ｘ軸とする）と実験系のｘ軸がなす角度をβとする。ｘ軸に対するテラヘルツ電場ＥTHzの偏光方向は、γ＝α＋βで示される。図６（Ｂ）に示すように、ＧａＰ結晶１６の一方の屈折率主軸Ｕ１は、ｘ軸に対して（Ψ＋β）の角度をなす。【０１２６】
角度Ψは、式（Ａ１）に示すように、Ｘ結晶方位軸に対するテラヘルツ電場の偏光方向αでの関数で表される。【０１２７】
【数１９】
0006040162.tif 000020
ＧａＰ結晶１６を透過するプローブ光パルスのＵ１方向成分とＵ２方向成分の相対位相シフトは、式（Ａ２）で表される。【０１２８】
【数２０】
0006040162.tif 000021
ここで、ω0はプローブ光パルスの中心角周波数、Ｅaは電磁波の電場振幅（図６のＥTHzに対応）、ｄ、ｎ0、ｒ41はそれぞれＧａＰ結晶の厚さ、屈折率、非線形電気光学定数である。【０１２９】
プローブ光パルスＥｂは常にｘ軸方向に偏光するので、式（Ａ３）のベクトルで表される。【０１３０】
【数２１】
0006040162.tif 000022
ＧａＰ結晶を透過し、１／４波長板（２つの主軸がｘ軸に対して±４５°傾いている）を通過したプローブ光パルスは、式（Ａ４）で表される。【０１３１】
【数２２】
0006040162.tif 000023
ここで、Ｒ（θ）は回転角θでの座標変換行列であり、式（Ａ５）で表される。【０１３２】
【数２３】
0006040162.tif 000024
式（Ａ４）において、【０１３３】
【数２４】
0006040162.tif 000025
は実験系での１／４波長板のジョーンズ行列を表す。【０１３４】
【数２５】
0006040162.tif 000026
また、Ｇ（α）は電場の印加により生じたＧａＰ結晶の複屈折の行列である。【０１３５】
【数２６】
0006040162.tif 000027
ここでφはプローブ光の偏光の平均位相変化（位相因子）であるが、電場強度の計算が目的であるため省略する。式（Ａ４）を計算すると式（Ａ８）のようになる。【０１３６】
【数２７】
0006040162.tif 000028
式（Ａ８）のプローブ光パルス（１／４波長板通過後のプローブ光パルス）をウォラストンプリズムでｘ成分とｙ成分に分離すると、強度の差分は式（Ａ９）で表される（図５参照）。【０１３７】
【数２８】
0006040162.tif 000029
ＧａＰ結晶１６を透過するプローブ光パルスのＵ１方向成分とＵ２方向成分の相対位相シフトは、式（Ａ２）で表される。ここでテラヘルツ電場がそれほど強くないとすると、sinΓ(α)二アリーイコールΓ(α)と近似することができる。式（Ａ１）、（Ａ２）、およびα＝γ−βを式（Ａ９）に代入すると、式Ａ（１０）が得られる。これは式（１）すなわち式（０）に対応する。【０１３８】
【数２９】
0006040162.tif 000030
以上の計算では、ＧａＰ結晶の厚さｄは小さいものと仮定している。【０１３９】
式（０）または式（１）を用いた偏波解析は、偏波方向と電場振幅を互いの影響を受けることなく瞬時に決定することができるので有利である。この偏波解析の原理は、テラヘルツ電磁波の解析に限定されず、近赤外光線、可視光線の偏波解析にも有効である。【０１４０】
近年の超短パルスレーザ技術とＺｎＴｅ、ＧａＰ、ＧａＳｅ等の適切な非線形光学結晶を組み合わせることによって、下は数十ＧＨｚ、上は１００ＴＨｚ程度の周波数まで実施形態と同様の手法で電磁波の検出が可能である。すなわち、ギガヘルツ帯域から中〜近赤外帯域にかけての光の偏光方向を高速、高精度に決定することができる。将来的には可視帯域の光についても同様の検出ができることを視野に入れることができる。【０１４１】
この偏波解析を物質測定に利用すると、測定点ごとに時間波形を取得する必要がなく、反射電磁波の偏波方向から直ちに表面段差を決定することができる。【０１４２】
上述した第１〜第３の実施形態において、電磁波の発生は非線形光学結晶へのパルス照射に限定されず、光伝導アンテナや光励起プラズマを用いて発生させてもよい。検出用の結晶の回転は電気モータの使用に限定されず、ロータリーアクチュエータ、サーボモータなど任意の回転機構を用いることができる。また、検出用の光学結晶は入射電磁波に対して相対的に回転すればよいので、検出用の光学結晶を回転させる代わりに、入射電磁波を回転させる構成としてもよい。【０１４３】
この国際出願は、２０１１年１１月２５日に出願した日本国特許出願２０１１−２５８１０４号に基づく優先権を主張するものであり、その全内容を本件国際出願に援用する。
【符号の説明】
【０１４４】
１０、５０  偏波解析装置
１２、１１５  電磁波発生用の非線形光学結晶
１６、１１６  検出用の非線形光学結晶
１７、１１７  モータ（回転機構）
１９  電磁波発生源
２０、５２，１５２  検出器
２１  偏波解析部
２９  プローブ光パルス入射用の光学系
５１，１１０  光学チョッパー
５３、１５３  ノイズ除去演算部
１００  物性測定装置
１０１  レーザ
１２１  偏波解析部
１２２  試料解析部
１２３  偏波角度−特性対応情報格納部
１２４  特性決定部
【図１】
0006040162.tif 000031
【図２】
0006040162.tif 000032
【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】
0006040162.tif 000039
【図１０】
0006040162.tif 000040
【図１１】
0006040162.tif 000041
【図１２】
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【図１３】
0006040162.tif 000043
【図１４】
0006040162.tif 000044
【図１５】
0006040162.tif 000045
【図１６】
0006040162.tif 000046
【図１７】
0006040162.tif 000047
【図１８】
0006040162.tif 000048
【図１９】
0006040162.tif 000049
【図２０】
0006040162.tif 000050
【図２１】
0006040162.tif 000051
【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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